Tổng quan nghiên cứu

Khu đô thị mới Vạn Tường thuộc huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi được quy hoạch với quy mô diện tích 2.400 ha và định hướng dân số đạt 200.000 người vào năm 2020. Nằm cách khu công nghiệp Dung Quất khoảng 8 km về phía Nam, đô thị này đóng vai trò hạt nhân cung cấp dịch vụ hạ tầng xã hội và nhà ở cho toàn khu kinh tế trọng điểm miền Trung. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm xuất phát từ thực trạng Vạn Tường là đô thị xây dựng mới hoàn toàn trên địa hình đồi bán sơn địa với cao độ dao động từ 21,0m đến 47,0m, chưa có công trình thoát nước kiên cố, trong khi lượng mưa trung bình hàng năm lên tới 2.300 mm và tập trung cao điểm vào tháng 10 - tháng 11 với lượng mưa từ 500 đến 600 mm/tháng.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là thiết kế hoàn chỉnh hệ thống thoát nước riêng hoàn toàn nhằm tách biệt dòng nước thải sinh hoạt - sản xuất và dòng nước mưa; đồng thời tính toán thủy lực chi tiết mạng lưới tuyến cống và đề xuất dây chuyền công nghệ trạm xử lý nước thải tập trung đạt hiệu chuẩn môi trường nghiêm ngặt trước khi xả ra biển Đông qua lưu vực sông Gò Lan. Phạm vi không gian nghiên cứu bao quát toàn bộ 2.400 ha đất quy hoạch đô thị và thời gian tính toán kéo dài theo chu kỳ phát triển đến năm 2020.

Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện rõ nét qua các chỉ số kỹ thuật và kinh tế: giải quyết lưu lượng xả thải thiết kế 37.506,87 m3/ngày đêm cho 167.274 cư dân và 41.818 công nhân; bảo đảm hiệu suất làm sạch nhu cầu oxy sinh hóa BOD20 đạt 94,13% và hàm lượng chất lơ lửng đạt 83,15%; tối ưu hóa tổng mức đầu tư xây lắp mạng lưới đạt 25.967 triệu đồng với giá thành vận chuyển nước thải chỉ 176 đồng/m3.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng hệ thống lý thuyết thủy lực dòng chảy tự chảy trong mạng lưới ống ngầm có áp và không áp theo tiêu chuẩn thiết kế cấp thoát nước 20 TCVN 51-84, kết hợp phương pháp cường độ giới hạn để xác định lưu lượng thoát nước mưa cực đại. Để tính toán quá trình tự làm sạch và khả năng pha loãng của nguồn tiếp nhận là sông Gò Lan và biển Đông, đề tài áp dụng mô hình thủy văn hòa trộn của V. Rodzille nhằm xác định hệ số xáo trộn dòng chảy dựa trên đặc trưng hình thái sông và hệ số khuếch tán dòng chất ô nhiễm.

Bên cạnh đó, khung lý thuyết về động học xử lý sinh hóa hiếu khí các hợp chất hữu cơ trong nước thải được tích hợp để tính toán các công trình đơn công nghệ sinh học hoàn toàn (SHHT) gồm hệ thống Aeroten thổi khí và bể lọc sinh học Biofilter cao tải. Ba khái niệm chuyên ngành nền tảng chi phối toàn bộ các công thức tính toán bao gồm: hệ số không điều hòa chung (Kch dao động từ 1,25 đến 1,87 tùy theo phân vùng lưu vực), cường độ mưa tính toán theo chu kỳ tràn cống (q20 đạt 259,5 l/s.ha) và tải lượng ô nhiễm hữu cơ đặc trưng (BOD20 hỗn hợp đạt 214,4 mg/l).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được tổng hợp từ bản đồ quy hoạch tổng thể không gian đô thị Vạn Tường tỷ lệ 1/2000, chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn tỉnh Quảng Ngãi với 140 ngày mưa trung bình/năm và các tiêu chuẩn định mức dự toán chuyên ngành số 411/BXD của Bộ Xây dựng.

Cỡ mẫu khảo sát phục vụ tính toán phụ tải bao quát 2 tiểu vùng không gian chức năng chính với tổng diện tích đất xây dựng dân dụng 1.195 ha (Khu vực I rộng 178 ha với dân số tính toán 20.826 người; Khu vực II rộng 1.017 ha với dân số tính toán 146.448 người), kết hợp mẫu điều tra tập trung từ 19 trường học quy mô 33.455 học sinh và 3 bệnh viện đa khoa quy mô 837 giường bệnh. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu phân tầng toàn diện theo đặc trưng quy hoạch đô thị và phân loại nguồn thải công nghiệp chiếm 40% tổng thể tích dòng thải.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích tính toán thủy lực kết hợp mô hình hóa cân bằng vật chất là vì phương pháp này cho phép tối ưu hóa đường kính cống bê tông cốt thép (D300 đến D1000) phù hợp với độ dốc địa hình tự nhiên, giảm thiểu độ sâu chôn cống chỉ từ 0,9m đến 1,2m, qua đó tiết kiệm đáng kể khối lượng đào đắp đất. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, tính toán công nghệ và thẩm định kinh tế kỹ thuật được hoàn thành trong mốc thời gian từ tháng 08/2006 đến tháng 01/2007.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã định lượng chính xác tải lượng phát thải của toàn thành phố Vạn Tường với tổng lưu lượng nước thải thiết kế trung bình đạt 37.506,87 m3/ngày đêm, lưu lượng giờ lớn nhất Qhmax đạt 2.207,64 m3/h và lưu lượng giây lớn nhất qsmax lên tới 613,23 l/s. Trong đó, dòng thải công nghiệp từ 2 khu công nghiệp tập trung chiếm tỷ trọng 40% với 10.872,14 m3/ngày đêm, đòi hỏi nồng độ chất lơ lửng hỗn hợp đầu vào là 288,88 mg/l và BOD20 đầu vào là 214,4 mg/l.

Thứ hai, việc tính toán thủy lực mạng lưới thoát nước mưa theo hệ số dòng chảy trung bình ψTB = 0,562 trên 8 loại mặt phủ (mái nhà chiếm 30% với ψ = 0,95; đường bê tông chiếm 10% với ψ = 0,95; đất san nền chiếm 20% với ψ = 0,3) đã xác lập mạng lưới cống thoát nước mưa kích thước lớn D1000, độ dốc i = 0,0019, vận tốc chảy đạt 0,82 m/s, bảo đảm thoát nước bề mặt triệt để trong chu kỳ mưa tràn cống Pt từ 1 đến 3 năm.

Thứ ba, nghiên cứu xác định yêu cầu công nghệ xử lý bắt buộc trước khi xả thải ra nguồn tiếp nhận loại I: hiệu suất làm sạch chất lơ lửng phải đạt 83,15% (đưa nồng độ từ 288,88 mg/l về dưới 48,68 mg/l) và hiệu suất xử lý BOD20 phải đạt tới 94,13% (đưa nồng độ từ 214,4 mg/l về dưới 12,59 mg/l).

Thứ tư, kết quả đánh giá khái toán kinh tế giữa hai phương án vạch tuyến mạng lưới cống chứng minh tính ưu việt của Phương án I: tổng mức đầu tư xây dựng mạng lưới đạt 25.967,025 triệu đồng (tiết kiệm 254 triệu đồng so với Phương án II là 26.221 triệu đồng), chi phí quản lý hàng năm là 2.565,48 triệu đồng, giúp giá thành vận chuyển nước thải đạt 176 đồng/m3 (thấp hơn 2,2% so với mức 180 đồng/m3 của Phương án II).

Thảo luận kết quả

Các phát hiện thực nghiệm khẳng định việc lựa chọn hệ thống thoát nước riêng hoàn toàn là phương án tối ưu bắt buộc đối với đô thị mới Vạn Tường. Do đặc thù lượng mưa địa phương rất lớn (q20 đạt 259,5 l/s.ha), nếu sử dụng hệ thống cống chung như các đô thị cũ tại Việt Nam, kích thước đường ống và công suất trạm xử lý sẽ bị đội lên gấp 4 đến 5 lần, đồng thời làm loãng nồng độ chất hữu cơ đầu vào khiến hiệu quả xử lý sinh học bị sụt giảm nghiêm trọng.

Địa hình đồi dốc tự nhiên có cao độ từ 24,0m đến 35,0m dốc dần từ Đông sang Tây tạo điều kiện lý tưởng để nước mưa tự chảy trực tiếp ra biển và sông Gò Lan mà không cần xây dựng các trạm bơm nước mưa tốn kém. Dữ liệu tính toán dao động lưu lượng theo 24 giờ trong ngày có thể được biểu diễn trực quan qua biểu đồ đường biến thiên (thể hiện đỉnh dòng chảy cực đại 2.207,64 m3/h vào các khung giờ sinh hoạt cao điểm và đáy cực tiểu 776,63 m3/h vào ban đêm). Đồng thời, bảng tổng hợp so sánh thủy lực giữa hai phương án vạch tuyến mạng lưới cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng minh bạch, chứng minh việc bố trí một tuyến cống chính chạy dọc bờ sông gom nước từ các tuyến cống nhánh theo sườn đồi giúp giảm thiểu tối đa khối lượng đất đào đắp (231.465 m3).

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, xây dựng hoàn chỉnh hệ thống mạng lưới đường ống thoát nước thải sinh hoạt và sản xuất bẩn riêng biệt bằng cống bê tông cốt thép có đường kính dao động từ D300 đến D1000, bảo đảm độ sâu đặt cống ban đầu từ 0,9m đến 1,2m và khoảng cách giếng thăm định kỳ 50m. Mục tiêu giải pháp là thu gom triệt để 100% lưu lượng nước thải 37.506,87 m3/ngày đêm. Thời gian thực hiện trong giai đoạn 2007 - 2011 do Ban Quản lý Khu kinh tế Dung Quất chủ trì.

Thứ hai, triển khai thi công trạm xử lý nước thải tập trung tại khu vực hạ lưu sông Gò Lan theo sơ đồ công nghệ sinh học hoàn toàn Aeroten thổi khí kết hợp lắng ngang hoặc Biofilter cao tải, công suất thiết kế 38.000 m3/ngày đêm. Dự án cần đạt mục tiêu loại bỏ 94,13% BOD20 và 83,15% chất lơ lửng trước khi xả ra biển. Thời gian thực hiện từ năm 2008 đến 2012 dưới sự giám sát kỹ thuật của Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ngãi.

Thứ ba, lắp đặt trạm xử lý nước thải cục bộ tại 3 bệnh viện đa khoa (công suất tối thiểu 140 m3/ngày đêm/trạm) và hệ thống xử lý sơ bộ tại 2 khu công nghiệp nhằm kiểm soát nồng độ BOD20 dưới 220 mg/l và SS dưới 160 mg/l trước khi đấu nối vào cống trục chính. Thời gian hoàn thành trước năm 2015 do các chủ đầu tư hạ tầng thứ cấp chịu trách nhiệm tài chính và vận hành.

Thứ tư, thực hiện cải tạo, nạo vét và kè đá gia cố các trục tiêu thoát nước tự nhiên và hệ sinh thái đầm Bầu Trắng, biến hệ thống mặt nước sẵn có thành các hồ điều hòa sinh thái nhằm cắt giảm 100% nguy cơ ngập úng trong các trận mưa lớn vượt ngưỡng 500 mm/tháng. Thời gian triển khai định kỳ hàng năm do Công ty Quản lý Môi trường Đô thị địa phương thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn sau:

Thứ nhất, các kỹ sư thiết kế hạ tầng cấp thoát nước và quy hoạch đô thị. Tài liệu cung cấp trọn bộ phương pháp luận, bảng tra thủy lực và quy trình chuẩn hóa tính toán độ sâu chôn cống, độ đầy và độ dốc cống bê tông cốt thép trên địa hình đồi dốc ven biển.

Thứ hai, ban quản lý các khu kinh tế, khu đô thị mới và khu công nghiệp tập trung ven biển miền Trung. Luận văn cung cấp case study thực tế về phương pháp khái toán kinh tế, so sánh hiệu quả chi phí vận hành mạng lưới (chỉ tiêu 176 đồng/m3) để áp dụng trực tiếp vào quá trình lập dự án đầu tư xây dựng hạ tầng kỹ thuật.

Thứ ba, giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, Cấp thoát nước tại các trường đại học kỹ thuật. Đây là tài liệu tham khảo hoàn chỉnh về quy trình thiết kế đồ án tổng hợp từ mạng lưới thu gom đến công trình đơn vị của trạm xử lý sinh học hoàn toàn (Aeroten, Biofilter, máy nghiền rác 0,3 T/h, bể lắng ly tâm).

Thứ tư, các chuyên viên thẩm định thuộc Sở Xây dựng và Sở Tài nguyên Môi trường. Công trình cung cấp hệ thống luận cứ khoa học, căn cứ quy chuẩn 20 TCVN 51-84 để phục vụ công tác thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường và nghiệm thu các dự án thoát nước đô thị.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nghiên cứu lựa chọn hệ thống thoát nước riêng hoàn toàn cho thành phố Vạn Tường? Lựa chọn này dựa trên tiêu chuẩn thiết kế khi cường độ mưa địa phương q20 đạt 259,5 l/s.ha (lớn hơn ngưỡng 200 l/s.ha) và địa hình xây mới hoàn toàn. Hệ thống riêng giúp tách nước mưa xả thẳng ra sông Gò Lan, tránh làm quá tải trạm xử lý nước thải công suất 37.506,87 m3/ngày đêm và ngăn ngừa hiện tượng pha loãng nồng độ bùn sinh học.

Hiệu suất làm sạch của trạm xử lý nước thải được xác định dựa trên cơ sở nào? Hiệu suất được tính toán theo mô hình xáo trộn thủy vực của V. Rodzille với hệ số pha loãng sông và tiêu chuẩn nguồn tiếp nhận loại I. Kết quả yêu cầu trạm xử lý phải đạt hiệu suất loại bỏ BOD20 là 94,13% (từ 214,4 mg/l xuống 12,59 mg/l) và chất lơ lửng SS đạt 83,15% (từ 288,88 mg/l xuống 48,68 mg/l).

Lưu lượng nước thải tính toán của đô thị Vạn Tường bao gồm những thành phần nào? Tổng lưu lượng 37.506,87 m3/ngày đêm được tổng hợp từ 4 nguồn chính: nước thải sinh hoạt của 167.274 người dân nội thị (27.180,36 m3/ngày đêm), nước thải công nghiệp từ 2 khu công nghiệp (10.872,14 m3/ngày đêm), nước thải từ 19 trường học và nước thải y tế từ 3 bệnh viện đa khoa quy mô 837 giường.

Phương án vạch tuyến mạng lưới cống nào được lựa chọn và vì sao? Nghiên cứu kiến nghị lựa chọn Phương án I (một tuyến cống chính chạy dọc bờ sông kết hợp mạng cống nhánh theo sườn đồi) vì có vốn đầu tư xây dựng thấp hơn 254 triệu đồng (25.967 triệu đồng so với 26.221 triệu đồng), chi phí quản lý thấp hơn và giá thành vận chuyển nước thải chỉ đạt 176 đồng/m3.

Công trình xử lý cơ học đầu vào của trạm xử lý được thiết kế với thông số gì? Trạm sử dụng 2 song chắn rác cơ giới hoạt động và 1 dự phòng với khe hở 16mm, góc nghiêng 60 độ, xử lý lượng rác phát sinh 3,14 tấn/ngày. Rác được thu gom đưa qua 2 máy nghiền rác công suất 0,3 tấn/giờ trước khi chuyển tiếp vào bể Methane để phân hủy yếm khí.

Kết luận

  • Luận văn đã hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ thiết kế tổng thể hệ thống thoát nước riêng hoàn toàn cho thành phố mới Vạn Tường quy mô 2.400 ha, giải quyết triệt để bài toán thoát nước mặt và thu gom nước thải cho 200.000 dân đến năm 2020.
  • Xác lập cơ sở dữ liệu thủy lực mạng lưới cống tự chảy tối ưu với đường kính D300 đến D1000, khối lượng đất đào đắp 231.465 m3 và giá thành vận chuyển nước thải đạt 176 đồng/m3.
  • Thiết kế hoàn chỉnh dây chuyền công nghệ trạm xử lý nước thải sinh học hoàn toàn công suất 37.506,87 m3/ngày đêm, bảo đảm hiệu suất khử BOD20 đạt 94,13% và chất lơ lửng đạt 83,15%.
  • Đóng góp giải pháp kỹ thuật bảo vệ môi trường biển và lưu vực sông Gò Lan, tạo tiền đề hạ tầng kỹ thuật đồng bộ thúc đẩy sự phát triển của Khu kinh tế Dung Quất.
  • Kế hoạch tiếp theo cần tập trung lập hồ sơ thiết kế bản vẽ thi công trạm xử lý tập trung trong giai đoạn 2008 - 2012; các cơ quan quản lý và nhà đầu tư hãy ứng dụng ngay mô hình này để tối ưu hóa nguồn vốn xây dựng hạ tầng đô thị.