Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa cùng tốc độ đô thị hóa nhanh chóng đang tạo sức ép lớn lên môi trường sinh thái tại các đô thị Việt Nam. Để đảm bảo sự phát triển bền vững, việc quy hoạch và xây dựng đồng bộ cơ sở hạ tầng kỹ thuật, đặc biệt là hệ thống cấp thoát nước và xử lý nước thải trước khi xả ra nguồn tiếp nhận, là yêu cầu cấp thiết nhằm bảo vệ nguồn nước mặt và nước ngầm.

Thành phố LC (tỉnh LC) thuộc vùng đồng bằng Bắc Bộ, là địa bàn giàu tiềm năng phát triển kinh tế - xã hội, công nghiệp và du lịch. Tuy nhiên, hiện trạng hạ tầng kỹ thuật của đô thị còn thiếu đồng bộ, hệ thống thoát nước mang tính chắp vá: nước mưa chủ yếu tự thấm hoặc tiêu thoát tự nhiên; nước thải sinh hoạt và sản xuất chưa qua xử lý đồng bộ mà xả trực tiếp vào ao hồ, kênh mương, gây nguy cơ ô nhiễm môi trường nước cục bộ.

Đề tài khóa luận tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống thoát nước cho thành phố LC đến năm 2030" (ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình, Trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam, năm 2012) do sinh viên Phạm Bình Quyền thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Phạm Duy Đông, nhằm giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

  1. Đánh giá điều kiện tự nhiên, hiện trạng môi trường, dân sinh và hạ tầng kỹ thuật thành phố LC.
  2. Xác định các chỉ tiêu, tính toán quy mô dân số và lưu lượng nước thải sinh hoạt, công cộng, công nghiệp đến năm 2030; thiết kế mạng lưới thoát nước sinh hoạt riêng biệt.
  3. Thiết kế mạng lưới thoát nước mưa cho toàn thành phố.
  4. Lựa chọn dây chuyền công nghệ và thiết kế kỹ thuật các công trình đơn công trong trạm xử lý nước thải tập trung công suất $46.000\text{ m}^3/\text{ngđ}$.
  5. Thiết kế trạm bơm thoát nước chính (trạm bơm nâng chuyển tiếp) đưa nước thải về trạm xử lý.

Đối tượng nghiên cứu là toàn bộ hệ thống thoát nước (mạng lưới đường cống, trạm bơm và trạm xử lý nước thải) của thành phố LC với quy mô diện tích đất xây dựng $1.332,24\text{ ha}$, phục vụ dân số dự báo $229.982\text{ người}$ theo định hướng quy hoạch đến năm 2020–2030.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thuộc dạng đồ án thiết kế kỹ thuật công trình hạ tầng đô thị. Cơ sở lý luận và phương pháp tính toán được xây dựng dựa trên các quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng và môi trường hiện hành tại thời điểm thực hiện:

  • Tiêu chuẩn và quy chuẩn kỹ thuật: TCVN 7957 (Thoát nước - Mạng lưới bên ngoài và công trình); TCVN 5945-2005 (Nước thải công nghiệp - Tiêu chuẩn thải); TCVN 19-72 và TCN 20-84 (Quy phạm thoát nước đô thị); Quyết định số 411/BXD ngày 29/6/1996 của Bộ Xây dựng về định mức dự toán cấp thoát nước.
  • Mô hình tính toán thủy lực và môi trường:
    • Mô hình pha loãng nước sông của Frolop – Rodzinler để tính toán khả năng tự làm sạch của nguồn tiếp nhận và xác định mức độ xử lý nước thải cần thiết theo chỉ tiêu cặn lơ lửng ($SS$) và nhu cầu oxy sinh hóa ($BOD_5$).
    • Phương pháp cường độ mưa giới hạn và công thức giải tích xác định lưu lượng mưa tính toán theo chu kỳ tràn cống $P = 1\text{ năm}$.
    • Phương pháp tính toán thủy lực mạng lưới tự chảy và có áp theo bảng tra thủy lực của Trường Đại học Xây dựng.
  • Nguồn dữ liệu: Số liệu khí tượng - thủy văn từ Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Bắc Bộ; số liệu khảo sát chất lượng nước ngầm và nước mặt do Trung tâm CEFINEA thực hiện; bản đồ quy hoạch không gian và sử dụng đất thành phố LC tỷ lệ 1:10.000.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về điều kiện tự nhiên, hiện trạng kinh tế - xã hội và cơ sở hạ tầng

Chương này trình bày toàn diện các đặc trưng tự nhiên và hiện trạng kỹ thuật của khu vực nghiên cứu:

  • Vị trí và địa hình: Tỉnh LC nằm trong vùng châu thổ sông Hồng (từ $20^\circ 58'$ đến $21^\circ 16'$ vĩ độ Bắc; $105^\circ 54'$ đến $106^\circ 19'$ kinh độ Đông). Địa hình tương đối bằng phẳng, dốc thoải từ Bắc xuống Nam và từ Tây sang Đông; cao trình mặt đất phổ biến từ $3\text{ m}$ đến $7\text{ m}$. Đồi núi chiếm tỷ lệ nhỏ ($0,53%$).
  • Thủy văn và khí hậu: Khu vực có mật độ lưới sông đạt $1,0 - 1,2\text{ km/km}^2$ gồm các trục chính là sông Đuống, sông Cầu, sông Thái Bình và sông Cà Lồ. Khí hậu nhiệt đới gió mùa, nhiệt độ trung bình năm $24,0^\circ\text{C}$, lượng mưa trung bình năm khoảng $1.500\text{ mm}$ (trong đó $80%$ lượng mưa tập trung từ tháng 5 đến tháng 10). Mực nước ngầm dọc tuyến cống biến thiên từ $3\text{ m}$ (mùa mưa) đến $6,4\text{ m}$ (mùa khô).
  • Hiện trạng cấp - thoát nước: Thành phố chưa có mạng lưới cấp nước tập trung hoàn chỉnh; nước sinh hoạt khai thác từ $120$ giếng khoan và $370$ giếng đào. Nước ngầm có độ pH thấp ($5,08 - 5,30$) và hàm lượng sắt cao ($0,22 - 1,2\text{ mg/l}$). Toàn khu vực chưa có hệ thống thoát nước hoàn chỉnh; kênh Tủng Lâm chủ yếu tiêu nước nông nghiệp, nước thải sinh hoạt thoát cục bộ ra ao hồ lân cận.
Phân khu quy hoạch Diện tích xây dựng (ha) Mật độ dân số (người/ha) Hệ số xen kẽ ($\beta$) Dân số tính toán ($N$ - người) Tiêu chuẩn thoát nước ($q_0$)
Khu vực I $667,48$ $205$ $0,85$ $116.308$ $150\text{ l/người.ngđ}$
Khu vực II $664,76$ $190$ $0,90$ $113.674$ $190\text{ l/người.ngđ}$
Tổng cộng $1.332,24$ — — $229.982$ —

Chương 2: Thiết kế mạng lưới thoát nước sinh hoạt

Tác giả phân tích ưu - nhược điểm của các sơ đồ thoát nước (chung, riêng hoàn toàn, nửa riêng) và lựa chọn hệ thống thoát nước riêng hoàn toàn nhằm đảm bảo an toàn vệ sinh môi trường và chế độ thủy lực ổn định quanh năm.

  • Lưu lượng nước thải tính toán:
    • Nước thải sinh hoạt khu dân cư: $Q_{sh} = 39.044,26\text{ m}^3/\text{ngđ}$ (lưu lượng giây trung bình $q_{tb} = 451,902\text{ l/s}$; hệ số không điều hòa chung $K_{ch} = 1,35 - 1,45$; lưu lượng giây lớn nhất $q_{max} = 610,068\text{ l/s}$).
    • Nước thải công trình công cộng: 4 bệnh viện ($1.841\text{ giường}$, tiêu chuẩn $300\text{ l/giường.ngđ}$, thải $553,2\text{ m}^3/\text{ngđ}$) và 8 trường học ($26.320\text{ học sinh}$, tiêu chuẩn $30\text{ l/người.ngđ}$, thải $789,6\text{ m}^3/\text{ngđ}$). Tổng lưu lượng công cộng: $1.342,8\text{ m}^3/\text{ngđ}$.
    • Nước thải khu công nghiệp: Gồm KCN I và KCN II; lưu lượng nước thải sản xuất lấy bằng $15%$ nước thải khu dân cư ($Q_{sx} = 5.857\text{ m}^3/\text{ngđ}$) kết hợp lưu lượng nước thải sinh hoạt và tắm của công nhân ($22.998\text{ người}$).
  • Vạch tuyến và so sánh phương án: Đề xuất 2 phương án vạch tuyến mạng lưới cống. Phương án I (thu gom toàn bộ nước thải của 2 khu vực về một trạm xử lý duy nhất ở hạ lưu sông) được lựa chọn do tổng chi phí xây dựng, chi phí quản lý vận hành thấp hơn và công tác kiểm soát môi trường tập trung.
  • Tính toán thủy lực cống: Mạng lưới sử dụng cống nhựa tổng hợp ($D250 - D500\text{ mm}$) và cống bê tông ($D600 - D1200\text{ mm}$), tổng chiều dài mạng lưới $63.014\text{ m}$, bố trí $1.899$ giếng thăm bê tông, độ sâu chôn cống ban đầu $h_{min} = 1,1\text{ m}$ (đảm bảo $> 0,7\text{ m}$ theo TCVN 7957).

Chương 3: Thiết kế mạng lưới thoát nước mưa

Mạng lưới thoát nước mưa được thiết kế riêng biệt, triệt để lợi dụng địa hình tự nhiên dốc từ Bắc xuống Nam để nước tự chảy xả ra sông hồ gần nhất, hạn chế sử dụng trạm bơm.

  • Thông số khí tượng và công thức tính toán:
    • Chu kỳ tràn cống: $P = 1\text{ năm}$.
    • Cường độ mưa tính toán theo công thức địa phương: $$q = \frac{2858,2 \cdot (1 + 0,2451 \log P)}{(t + 17,8)^{0,8267}} = \frac{5629,033}{(t + 17,8)^{0,8267}} \quad (\text{l/s.ha})$$
    • Thời gian mưa tính toán: $t_t = t_o + t_r + t_c = 10 + 3 + t_c = 13 + t_c\text{ (phút)}$.
    • Hệ số dòng chảy trung bình mặt phủ $\psi_{tb} = 0,66$ (tính toán dựa trên tỷ lệ diện tích: mái nhà $33,25%$, đường nhựa $12%$, đường bê tông $14,25%$, đường sỏi $1,75%$, bãi cỏ $2,25%$, đất nén $6%$, đất đồi $30,5%$).
    • Hệ số mưa không đều: $\eta = 1$ (do các lưu vực đều có diện tích $< 150\text{ ha}$).
  • Tính toán thủy lực: Tiết diện cống thoát nước mưa được tính toán với trạng thái chảy đầy ($h/d = 1$).

Chương 4: Thiết kế trạm xử lý nước thải

  • Quy mô và thông số nước thải đầu vào:
    • Tổng lưu lượng thiết kế trạm: $Q = 46.000\text{ m}^3/\text{ngđ}$ ($Q_{max,h} = 2.409,477\text{ m}^3/\text{h} = 669,3\text{ l/s}$).
    • Hàm lượng chất bẩn trung bình hỗn hợp: Cặn lơ lửng $SS = 301,6\text{ mg/l}$; nhu cầu oxy sinh hóa $BOD_5 = 170,55\text{ mg/l}$.
    • Dân số tương đương tính theo $SS$ là $242.512\text{ người}$, tính theo $BOD_5$ là $243.370\text{ người}$.
  • Mức độ làm sạch cần thiết: Dựa trên mô hình pha loãng Frolop – Rodzinler và nguồn tiếp nhận loại B, xác định hiệu suất xử lý yêu cầu: theo cặn lơ lửng $E_{SS} = 83,6%$; theo $BOD_5$ $E_{BOD} = 95%$ (hàm lượng $BOD_5$ sau xử lý $\le 15\text{ mg/l}$).
  • Quy trình xử lý nước thải và bùn cặn: Lựa chọn phương pháp sinh học hiếu khí hoàn toàn nhân tạo trong điều kiện cấp khí nhân tạo (bể Aeroten kết hợp bể lắng ly tâm). Bùn cặn được phân hủy kỵ khí trong bể Mêtan và phơi khô trên sân phơi bùn.

Chương 5: Trạm bơm nước thải (Trạm bơm thoát nước chính)

Trạm bơm chính có nhiệm vụ thu gom toàn bộ nước thải từ tuyến cống chính của mạng lưới và nâng đẩy về ngăn tiếp nhận của trạm xử lý nước thải.

  • Công suất trạm bơm: $Q_{max} = 2.409,477\text{ m}^3/\text{h} = 669,299\text{ l/s}$.
  • Dung tích hữu ích bể thu: Thiết kế dạng bể tròn đường kính $D = 8,04\text{ m}$ (đường kính bao ngoài $8,6\text{ m}$), chiều sâu mực nước $H = 1,5\text{ m}$, dung tích tính toán $W_b = 77\text{ m}^3$.
  • Thiết bị bơm: Lựa chọn 3 bơm chìm trục đứng loại KRT K 200-330/294U ($Q = 155,7\text{ l/s}$, cột áp $H = 10,75\text{ m}$, công suất $P = 25\text{ kW}$, tốc độ vòng quay $n = 1.450\text{ vòng/phút}$). Nước thải được vận chuyển qua 2 ống đẩy bằng thép $D400\text{ mm}$, dài $30\text{ m}$.

Thiết kế và triển khai

Khóa luận hoàn thành thiết kế kỹ thuật chi tiết cho các hạng mục công trình đơn công trong dây chuyền công nghệ trạm xử lý nước thải $46.000\text{ m}^3/\text{ngđ}$:

Nước thải thô 
[Ngăn tiếp nhận] (2 ống áp lực D250 mm)
[Mương dẫn & Song chắn rác cơ giới] (khe hở b = 16 mm)
                                             [Sân phơi bùn] (F = 11.930,6 m²)
Tên công trình đơn vị Thông số hình học chính Số lượng / Đơn vị Đặc tính kỹ thuật & Chỉ tiêu vận hành
Ngăn tiếp nhận $A = 2,4\text{ m}; B = 2,2\text{ m}; H = 2,0\text{ m}$ 1 công trình Tiếp nhận từ 2 ống đẩy $D250\text{ mm}$
Bể lắng ly tâm đợt II $D = 21,63\text{ m}; H_{ct} = 3,0\text{ m}; H_{xd} = 4,44\text{ m}$ 4 bể Tải trọng thủy lực bề mặt $q = 1,64\text{ m}^3/\text{m}^2.\text{h}$
Bể nén bùn đứng $D = 10,0\text{ m}; H = 7,4\text{ m}$ 2 bể Nén bùn hoạt tính dư từ độ ẩm $99%$ xuống $97%$
Bể Mêtan $D = 12,5\text{ m}; H = 19,0\text{ m}; W_1 = 1.106\text{ m}^3$ 4 bể Lên men ấm $33^\circ\text{C}$, thời gian lên men phân hủy cặn kỵ khí
Hệ thống khử trùng Clo Cloratơ chân không LONHI-100 (PC-5) 2 máy (1 làm việc, 1 dự phòng) Liều lượng Clo $3\text{ g/m}^3$; 9 thùng chứa Clo dự trữ ($500\text{ kg/thùng}$)
Máng trộn vách ngăn $B = 1,62\text{ m}; L = 7,29\text{ m}; H = 0,9\text{ m}$ 1 máng (2 vách ngăn đục lỗ) Đường kính lỗ $\phi = 80\text{ mm}$; thời gian xáo trộn $1 - 2\text{ phút}$
Bể tiếp xúc đứng $D = 14,54\text{ m}; H = 3,0\text{ m}; W_1 = 497,95\text{ m}^3$ 2 bể Thời gian tiếp xúc Clo với nước thải $30\text{ phút}$
Thiết bị đo lưu lượng Máng Pac-san ($b = 30\text{ cm}; A = 84\text{ cm}$) 1 thiết bị Dải đo lưu lượng từ $5\text{ l/s}$ đến $500\text{ l/s}$
Sân phơi bùn $F_{hữu\ ích} = 9.942,2\text{ m}^2; F_{tổng} = 11.930,6\text{ m}^2$ 10 ô ($29,2\text{ m} \times 34\text{ m}$) Tải trọng bùn $2\text{ m}^3/\text{m}^2.\text{năm}$

Kết quả và đóng góp

Khóa luận hoàn thành toàn bộ các nội dung tính toán kỹ thuật và kinh tế phục vụ xây dựng hệ thống cấp thoát nước thành phố LC:

  1. Hoàn thiện giải pháp kỹ thuật: Thiết lập sơ đồ hệ thống thoát nước riêng hoàn toàn với tổng chiều dài đường cống $63.014\text{ m}$ cống thoát nước thải sinh hoạt và toàn bộ mạng lưới thoát nước mưa tự chảy.
  2. Xác lập dây chuyền xử lý tối ưu: Thiết kế chi tiết trạm xử lý nước thải sinh học hoàn toàn công suất $46.000\text{ m}^3/\text{ngđ}$, đảm bảo hiệu quả khử $SS$ đạt $83,6%$ và khử $BOD_5$ đạt $95%$, đưa nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn xả ra nguồn tiếp nhận theo TCVN 5945-2005.
  3. Chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật:
    • Tổng vốn đầu tư xây dựng mạng lưới cống thoát nước: $11.872,132\text{ triệu đồng}$.
    • Chi phí xây dựng trạm xử lý nước thải: $34.212,144\text{ triệu đồng}$ (trong đó chi phí thiết bị chiếm $6.842,428\text{ triệu đồng}$).
    • Giá thành xử lý $1\text{ m}^3$ nước thải: $682,16\text{ đồng/m}^3$.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Khóa luận mới dừng ở mức độ đồ án thiết kế kỹ thuật tốt nghiệp dựa trên số liệu quy hoạch định hướng, chưa cập nhật chi tiết các biến động địa chất công trình phức tạp trên từng tuyến phố thực tế.
    • Việc tính toán thủy lực và kinh tế chủ yếu sử dụng các định mức truyền thống (năm 1996), chưa ứng dụng sâu các phần mềm mô phỏng thủy lực chuyên dụng (như EPANET, SWMM, SewerCAD).
  • Hướng phát triển: Tác giả kiến nghị nhà trường tăng cường thời lượng tiếp cận các môn học chuyên ngành và trang bị đào tạo các phần mềm tin học chuyên sâu trong lĩnh vực kỹ thuật hạ tầng đô thị để nâng cao độ chính xác và tính tối ưu trong thiết kế công trình.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cấp thoát nước, Kỹ thuật Môi trường, Kỹ thuật Hạ tầng Đô thị và Kỹ thuật Xây dựng Công trình. Tài liệu cung cấp trình tự tính toán mẫu mực, đầy đủ từ khâu dự báo phụ tải, thủy lực mạng lưới cống tự chảy, tính toán trạm bơm nước thải, đến quy trình thiết kế cơ học - sinh học - hóa học cho một trạm xử lý nước thải đô thị quy mô lớn ($> 40.000\text{ m}^3/\text{ngđ}$).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn hệ thống thoát nước riêng hoàn toàn cho thành phố LC thay vì hệ thống thoát nước chung?
Do thành phố LC có lượng mưa phân bố không đều theo mùa ($80%$ tập trung vào mùa mưa). Nếu dùng hệ thống chung, mùa khô lưu lượng nước thải nhỏ sẽ gây lắng đọng cặn trong cống lớn, phát sinh chi phí thau rửa và gây khó khăn lớn cho việc điều hòa trạm bơm, trạm xử lý. Hệ thống riêng giúp vận hành thủy lực ổn định, giảm kích thước công trình xử lý và đảm bảo chất lượng vệ sinh môi trường.

2. Công suất thiết kế của trạm xử lý nước thải là bao nhiêu và lưu lượng phân bổ như thế nào?
Tổng công suất thiết kế trạm xử lý là $46.000\text{ m}^3/\text{ngđ}$ (làm tròn từ $45.711,15\text{ m}^3/\text{ngđ}$), bao gồm: nước thải sinh hoạt đô thị $39.044,26\text{ m}^3/\text{ngđ}$; nước thải các công trình công cộng $1.343\text{ m}^3/\text{ngđ}$; và nước thải sản xuất từ 2 khu công nghiệp $5.324 - 5.857\text{ m}^3/\text{ngđ}$.

3. Khả năng tự làm sạch của sông tiếp nhận được tính toán theo mô hình nào và hiệu suất xử lý yêu cầu đạt bao nhiêu?
Đồ án sử dụng mô hình pha loãng Frolop – Rodzinler để tính toán mức độ xáo trộn trên sông. Kết quả tính toán yêu cầu trạm xử lý phải đạt hiệu suất làm sạch theo hàm lượng cặn lơ lửng ($SS$) là $E_{SS} = 83,6%$ và theo $BOD_5$ là $E_{BOD} = 95%$.

4. Khí sinh học (Biogas) sinh ra từ bể Mêtan được tính toán với sản lượng bao nhiêu?
Với 4 bể Mêtan lên men ấm ở nhiệt độ $33^\circ\text{C}$, lượng khí đốt thu được tính toán đạt $0,433\text{ m}^3/\text{kg}$ chất không tro, giúp tận dụng nguồn năng lượng khí sinh học trong quá trình phân hủy bùn kỵ khí.

5. Loại máy bơm nào được lựa chọn cho trạm bơm nước thải chính?
Trạm bơm trang bị 3 máy bơm trục đứng chìm loại KRT K 200-330/294U với thông số: lưu lượng mỗi máy $Q = 155,7\text{ l/s}$, cột áp $H = 10,75\text{ m}$, công suất động cơ $P = 25\text{ kW}$, tốc độ quay $n = 1.450\text{ vòng/phút}$.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Phạm Bình Quyền đã giải quyết trọn vẹn và khoa học bài toán thiết kế hệ thống thoát nước cho thành phố LC định hướng đến năm 2030. Công trình cung cấp giải pháp đồng bộ từ quy hoạch mạng lưới cống riêng, thiết kế trạm bơm nâng chuyển tiếp đến dây chuyền xử lý sinh học nước thải đô thị công suất $46.000\text{ m}^3/\text{ngđ}$. Toàn bộ các bước tính toán đều tuân thủ chặt chẽ các tiêu chuẩn xây dựng và môi trường hiện hành, đảm bảo tính khả thi về mặt kỹ thuật và hiệu quả kinh tế.