Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đề tài tốt nghiệp "Tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước cấp cho khu dân cư đô thị Đại Phú – Dĩ An – Bình Dương công suất 3200 m³/ngày.đêm" do sinh viên Hoàng Thị Hạnh thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đặng Quốc Dũng (Khoa Môi trường và Bảo hộ lao động, Trường Đại học Tôn Đức Thắng). Nghiên cứu xuất phát từ thực tiễn tốc độ đô thị hóa và công nghiệp hóa diễn ra nhanh chóng tại huyện Dĩ An (tỉnh Bình Dương), kéo theo nhu cầu sử dụng nước sạch gia tăng mạnh mẽ, trong khi các nguồn nước tự nhiên đang chịu áp lực ô nhiễm từ chất thải sản xuất và sinh hoạt.
Khu đô thị Đại Phú tọa lạc tại xã Đông Hòa, huyện Dĩ An, tỉnh Bình Dương, nằm trong vùng tam giác kinh tế TP. Hồ Chí Minh – Bình Dương – Biên Hòa. Tổng thể dự án gồm 10 khối nhà chung cư 15 tầng (chưa kể tầng trệt và tầng hầm) với các căn hộ diện tích từ 66,5 m² đến 157 m². Dân số khu đô thị năm 2009 là 7.128 người, tính toán dự báo đến năm 2025 đạt khoảng 9.000 người (với tỷ lệ tăng dân số tự nhiên 1,5%/năm). Để bảo đảm hạ tầng kỹ thuật đồng bộ, việc thiết kế một hệ thống cấp nước hoàn chỉnh từ khâu thu gom, xử lý đến phân phối là yêu cầu cấp thiết.
Tác giả xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:
- Mục tiêu trước mắt: Cung cấp đầy đủ lượng nước đạt tiêu chuẩn vệ sinh đối với chất lượng nước ăn uống và sinh hoạt, phục vụ trực tiếp cho người dân sinh sống tại khu dân cư đô thị Đại Phú.
- Mục tiêu lâu dài: Bảo đảm cấp nước sạch ổn định, bền vững cho nhu cầu sinh hoạt và các hoạt động thương mại - dịch vụ; đồng thời giảm thiểu khai thác nước ngầm tùy tiện nhằm ngăn ngừa sụt lún và biến dạng địa tầng khu vực.
- Đối tượng nghiên cứu: Đánh giá đặc tính chất lượng nguồn nước thô và tính toán thiết kế quy trình công nghệ xử lý nước cấp phù hợp với điều kiện địa phương.
- Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn không gian tại cụm dân cư đô thị Đại Phú (xã Đông Hòa, huyện Dĩ An, tỉnh Bình Dương), trạm bơm cấp I và tuyến ống dẫn nước thô dọc Xa Lộ Hà Nội từ sông Đồng Nai về trạm xử lý; thời gian dự báo nhu cầu dùng nước đến năm 2025.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế
Hệ thống xử lý nước cấp được thiết kế dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng và chất lượng nước hiện hành tại Việt Nam:
- Tiêu chuẩn chất lượng: TCVN 5502:2003 (Nước cấp sinh hoạt – Yêu cầu chất lượng).
- Tiêu chuẩn thiết kế kỹ thuật: TCXDVN 33:2006 (Cấp nước – Mạng lưới đường ống và công trình – Tiêu chuẩn thiết kế) và TCVN 33-85.
Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật được tác giả triển khai bao gồm:
- Phương pháp thu thập và xử lý số liệu: Kế thừa số liệu khí tượng thủy văn, điều kiện địa chất công trình (đất xám hình thành trên nền phù sa cổ có cường độ chịu nén 1,0 – 1,5 kg/cm²), hiện trạng kinh tế - xã hội, chuyển dịch cơ cấu lao động và hiện trạng sử dụng đất xã Đông Hòa.
- Phương pháp phân tích hiện trạng chất lượng nước: Đánh giá các chỉ tiêu hóa lý, vi sinh của nguồn nước thô sông Đồng Nai dựa trên kết quả kiểm nghiệm phòng thí nghiệm so với TCVN 5502:2003.
- Phương pháp phân tích và lựa chọn công nghệ: So sánh ưu nhược điểm kỹ thuật - kinh tế giữa các công trình đơn vị (bể trộn cơ khí so với thủy lực, bể lắng ngang so với bể lắng đứng/lắng trong, bể lọc nhanh một chiều trọng lực) để chọn dây chuyền xử lý tối ưu.
- Phương pháp tính toán thủy lực và kết cấu công trình: Ứng dụng các công thức giải tích chuyên ngành cấp thoát nước để định cỡ kích thước hình học, vận tốc dòng chảy, tổn thất áp lực, công suất thiết bị khuấy trộn, công suất máy bơm và liều lượng hóa chất keo tụ, kiềm hóa, khử trùng.
- Nguồn dữ liệu: Dữ liệu quy hoạch dân số, phiếu kết quả kiểm nghiệm mẫu nước mặt sông Đồng Nai, tài liệu quan trắc khí hậu và hệ thống quy chuẩn xây dựng chuyên ngành cấp thoát nước.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Mở đầu
Trình bày tính cấp thiết của việc xây dựng hệ thống cấp nước sạch cho khu dân cư đô thị Đại Phú; xác định mục tiêu ngắn hạn, dài hạn, nội dung, phạm vi và phương pháp luận thiết kế; nêu ý nghĩa thực tiễn của đồ án đối với sức khỏe cộng đồng và bảo vệ môi trường địa chất.
Chương 2: Tổng quan về khu vực cấp nước
Tổng hợp điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội khu vực dự án. Địa hình khu đất có nguồn gốc nông nghiệp sát Quốc lộ 1A, dốc thoải từ Đông sang Tây với độ chênh cao 0,6 m (độ dốc 1% – 2%), thuận lợi cho thoát nước tự nhiên. Khí hậu nhiệt đới gió mùa có nhiệt độ trung bình năm 26,7 °C, lượng mưa trung bình 1.633 mm/năm (tập trung tháng 5 đến tháng 10), độ ẩm trung bình 82%, số giờ nắng 2.526 giờ/năm. Đánh giá cơ cấu dân số, lao động và hạ tầng kỹ thuật xã Đông Hòa với xu hướng chuyển dịch mạnh từ nông nghiệp sang công nghiệp - tiểu thủ công nghiệp và thương mại - dịch vụ.
Chương 3: Tổng quan nguồn nước cấp và biện pháp xử lý
Khảo sát hai nguồn nước trong khu vực: nước ngầm mạch nông bị nhiễm mặn nhẹ, mạch sâu gặp địa tầng đá ngầm phức tạp khó khai thác; do đó tác giả lựa chọn nguồn nước mặt sông Đồng Nai có lưu lượng dồi dào và chất lượng tương đối ổn định. Đánh giá chất lượng nước thô cho thấy nhiều chỉ tiêu vượt ngưỡng TCVN 5502:2003: độ đục 150 NTU (chuẩn $\le 2$), độ màu 48 Pt/Co (chuẩn $\le 15$), TSS 80 mg/l (chuẩn $\le 5$), PO₄³⁻ 0,5 mg/l. Các chỉ tiêu pH (6,5), TDS (180 mg/l), độ cứng (64 mg CaCO₃/l), Fe²⁺ (0,05 mg/l), NH₄⁺ (0,0 mg/l), NO₂⁻ (0,0 mg/l) đều nằm trong giới hạn cho phép.
Chương này trình bày cơ sở lý thuyết các quá trình xử lý cơ bản: keo tụ - tạo bông bằng phèn nhôm $\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3$, kiềm hóa bằng vôi tôi $\text{CaO}$, lắng trọng lực giảm 90% – 95% vi trùng, lọc nhanh bằng cát thạch anh giữ cặn lơ lửng và chất keo, khử trùng bằng Clo lỏng và ổn định nước chống xâm thực đường ống.
Chương 4: Đề xuất sơ đồ công nghệ xử lý nước mặt
Phân tích lựa chọn sơ đồ công nghệ phù hợp với công suất 3.200 m³/ngày.đêm. Lựa chọn bể trộn cơ khí và bể phản ứng cơ khí có cánh khuấy nhằm rút ngắn thời gian phản ứng (10 – 30 phút), giảm thể tích xây dựng và chủ động điều chỉnh cường độ khuấy. Bể lắng ngang được lựa chọn vì tính ổn định cao trước biến động chất lượng nước thô, kết hợp thu nước bề mặt bằng máng răng cưa inox và gạt cặn bằng xích cào. Bể lọc nhanh trọng lực dòng chảy từ trên xuống (vận tốc lọc 6 – 15 m/h) sử dụng cát thạch anh. Trạm bơm cấp II sử dụng bơm ly tâm trục ngang tích hợp biến tần điều khiển lưu lượng theo biểu đồ dùng nước. Bùn cặn lắng được dẫn về hồ lắng bùn và sân phơi bùn.
Chương 5: Tính toán thiết kế trạm xử lý nước cấp
Xác định công suất tính toán của trạm: nhu cầu sinh hoạt ($q = 200$ l/người.ngđ cho 9.000 người, hệ số không điều hòa ngày $K_{\text{ngày,max}} = 1,4$) là 2.520 m³/ngđ; nước tưới cây, tưới đường (8%) là 144 m³/ngđ; nước chữa cháy ($10$ l/s trong 3 giờ) là 108 m³; hệ số rò rỉ 1,13 cho mạng lưới mới, đưa ra công suất thiết kế tổng cộng $Q = 3.200\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$ ($133,33\text{ m}^3/\text{h} = 37,04\text{ l/s}$).
Chương này tính toán kích thước và thông số thủy lực chi tiết cho từng hạng mục:
- Công trình thu nước sông Đồng Nai: Công trình thu xa bờ kiểu kết hợp. Song chắn rác gồm 9 thanh thép tròn D8 mm, khoảng cách 40 mm, kích thước cửa thu $0,5 \times 0,4\text{ m}$, vận tốc nước qua song $v = 0,27\text{ m/s}$. Lưới chắn rác phẳng bằng sợi thép không gỉ D1 mm, mắt lưới $4 \times 4\text{ mm}$ (gia cường lưới ngoài mắt $25 \times 25\text{ mm}$ D3 mm), gồm 81 thanh đứng và 101 thanh ngang, vận tốc qua lưới $v = 0,31\text{ m/s}$. Ngăn thu kích thước $1,6 \times 1,6\text{ m}$; ngăn hút kích thước $2,5 \times 2,5\text{ m}$ với ống hút đường kính D600 mm, phễu thu Dp = 1,4Dh.
- Trạm bơm cấp I: Lắp đặt 3 máy bơm ly tâm Ebara MD 65-160/11 (2 bơm hoạt động, 1 bơm dự phòng; lưu lượng $Q = 40 - 138\text{ m}^3/\text{h}$, cột áp $H = 34 - 22\text{ mH}_2\text{O}$, công suất động cơ 11 kW / 15 HP, 2900 vòng/phút, điện áp 380V/3pha). Cột áp tính toán của trạm bơm $H_b = 7,29\text{ mH}_2\text{O}$. Tuyến ống đẩy dẫn nước thô về trạm xử lý có đường kính D200 mm, dài 7.000 m chạy dọc Xa Lộ Hà Nội. Bố trí chế độ bơm tăng cường phục vụ nạp lại lượng nước chữa cháy dự trữ trong 24 giờ.
- Hệ thống châm hóa chất:
- Phèn nhôm $\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3$: Liều lượng tính toán theo cặn lơ lửng ($SS = 80\text{ mg/l}$) là $33\text{ mg/l}$ (tính theo phèn khan), tổng lượng dùng $105,6\text{ kg/ngày}$. Gồm 1 bể hòa trộn phèn dung dịch 10% kích thước $0,8 \times 0,8 \times 0,8\text{ m}$; 2 bể tiêu thụ phèn dung dịch 5% (dung tích mỗi bể $0,53\text{ m}^3$) kích thước $0,8 \times 0,8 \times 0,8\text{ m}$, trang bị máy khuấy cánh quạt phẳng 2 cánh dài 0,72 m, quay 100 vòng/phút, động cơ $N = 1\text{ kW}$.
- Vôi tôi $\text{CaO}$ kiềm hóa: Liều lượng vôi cần thiết để kiềm hóa là $7,81\text{ mg/l}$ ($25\text{ kg CaO nguyên chất/ngày}$). Gồm 1 bể hòa trộn vôi sữa 5% dạng trụ tròn $d = h = 0,8\text{ m}$ (chiều cao bảo vệ $0,3\text{ m}$, tổng cao $1,1\text{ m}$), máy khuấy chân vịt 2 cánh 40 vòng/phút động cơ $N = 2\text{ kW}$; 2 bể tiêu thụ vôi $d = 1\text{ m}$, $H = 1,3\text{ m}$; 3 bơm định lượng dung dịch vôi lưu lượng $29\text{ l/h}$ qua đường ống Ø100 mm. Kho dự trữ vôi thương phẩm (độ sạch 60%) cho 30 ngày cần diện tích $1\text{ m}^2$ với chiều cao chất đống 1 m ($1,25\text{ tấn}$).
Chương 6: Khái toán chi phí
Lập bảng khái toán chi phí đầu tư xây dựng trạm bơm cấp I, trạm xử lý và tuyến ống chuyển tải; xác định chi phí quản lý vận hành thường niên bao gồm: chi phí mua sắm hóa chất (phèn, vôi, clo), chi phí điện năng tiêu thụ, chi phí nhân công vận hành, chi phí bảo dưỡng sửa chữa định kỳ và chi phí khấu hao tài sản cố định; từ đó xác định giá thành xử lý trên $1\text{ m}^3$ nước sạch.
Chương 7: Kết luận và kiến nghị
Tổng kết toàn bộ kết quả tính toán thiết kế của hệ thống cấp nước công suất 3.200 m³/ngày.đêm; đưa ra các kiến nghị kỹ thuật về việc lắp đặt thiết bị đo lưu lượng, quan trắc định kỳ chất lượng nguồn nước sông Đồng Nai và đảm bảo an toàn vận hành trạm bơm cấp I cũng như dây chuyền xử lý hóa chất.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn việc tính toán thiết kế kỹ thuật hệ thống xử lý nước cấp từ nguồn nước mặt sông Đồng Nai với các thông số công nghệ chính:
| Hạng mục / Thông số |
Giá trị thiết kế |
Đơn vị |
Tiêu chuẩn / Căn cứ áp dụng |
| Công suất thiết kế ($Q$) |
3.200 |
m³/ngày.đêm |
Dân số 9.000 người (năm 2025), $q = 200$ l/ngđ |
| Nguồn nước thô tiếp nhận |
Sông Đồng Nai |
- |
Khai thác nước mặt gần bờ, xa bờ kết hợp |
| Tuyến ống áp lực nước thô |
D200, dài 7.000 |
m |
Dọc Xa Lộ Hà Nội về trạm xử lý |
| Liều lượng phèn nhôm $\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3$ |
33 ($105,6\text{ kg/ngđ}$) |
mg/l |
TCXDVN 33:2006 (theo $SS = 80\text{ mg/l}$) |
| Liều lượng vôi kiềm hóa $\text{CaO}$ |
7,81 ($25\text{ kg/ngđ}$) |
mg/l |
TCXDVN 33:2006 (độ kiềm $K = 1,3\text{ mđl/l}$) |
| Song chắn rác |
9 thanh D8 mm, khe hở 40 mm |
- |
Kích thước $0,5 \times 0,4\text{ m}$; $v = 0,27\text{ m/s}$ |
| Lưới chắn rác |
D1 mm, mắt $4 \times 4\text{ mm}$ |
- |
Kích thước $0,5 \times 0,4\text{ m}$; $v = 0,31\text{ m/s}$ |
| Bơm trạm cấp I |
3 máy (2 chạy, 1 dự phòng) |
tổ máy |
Ebara MD 65-160/11, công suất 11 kW |
| Bể hòa trộn & tiêu thụ vôi |
1 bể trộn ($d=0,8\text{ m}$), 2 bể tiêu thụ ($d=1\text{ m}$) |
bể |
Khuấy chân vịt 2 kW, 3 bơm định lượng 29 l/h |
| Bể hòa trộn & tiêu thụ phèn |
1 bể trộn ($0,8\text{ m}$), 2 bể tiêu thụ ($0,8\text{ m}$) |
bể |
Máy khuấy phẳng 1 kW (100 vòng/phút) |
Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc đưa ra giải pháp công nghệ xử lý nước mặt hoàn chỉnh, thay thế cho giải pháp khai thác nước ngầm vốn gặp trở ngại lớn về địa tầng đá ngầm và nguy cơ sụt lún tại khu vực Dĩ An. Dây chuyền công nghệ kết hợp khuấy trộn cơ khí, bể lắng ngang và lọc nhanh trọng lực giúp công trình vận hành ổn định trước sự dao động độ đục của nước sông Đồng Nai, đồng thời tối ưu hóa diện tích mặt bằng xây dựng và chi phí hóa chất vận hành.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Khu đất quy hoạch xây dựng chưa có bản đồ khoan thăm dò địa chất chi tiết tại vị trí các bể xử lý mà chỉ dựa trên số liệu địa chất chung của vùng đất xám phù sa cổ; tuyến ống chuyển tải nước thô từ trạm bơm cấp I về trạm xử lý tương đối dài (7 km dọc Xa Lộ Hà Nội) làm tăng tổn thất thủy lực và chi phí đầu tư ban đầu; đồ án chưa mô phỏng diễn biến thủy lực dòng chảy chi tiết trong bể lắng và bể lọc bằng các công cụ tính toán động lực học chất lưu.
- Hướng mở rộng: Khảo sát địa chất công trình chi tiết tại vị trí xây dựng các bể lắng, bể lọc và bể chứa; xây dựng hệ thống điều khiển tự động hóa tích hợp SCADA giám sát biến tần trạm bơm cấp II và định lượng hóa chất theo thời gian thực dựa trên cảm biến đo độ đục và pH online; nghiên cứu giải pháp tuần hoàn nước rửa lọc nhằm tiết kiệm tài nguyên nước.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, Kỹ thuật Cấp thoát nước và Kỹ thuật Hạ tầng Đô thị.
Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:
- Quy trình tính toán thủy lực chi tiết công trình thu nước mặt và trạm bơm cấp I (song chắn rác, lưới chắn rác, ngăn thu, ngăn hút, tính tổn thất và chọn bơm ly tâm).
- Phương pháp xác định liều lượng và thiết kế hình học, cơ khí cho hệ thống định lượng hóa chất keo tụ ($\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3$) và kiềm hóa ($\text{CaO}$) theo tiêu chuẩn TCXDVN 33:2006.
- Cách thức tích hợp các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật trong lựa chọn sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước mặt cho các khu đô thị quy mô vừa và nhỏ.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao tác giả lựa chọn nguồn nước mặt sông Đồng Nai thay vì khai thác nước ngầm tại chỗ?
Nước ngầm mạch nông tại khu vực Dĩ An bị nhiễm mặn nhẹ, trong khi tầng nước ngầm mạch sâu ($150 - 200\text{ m}$) có chất lượng tốt nhưng tại vị trí xây dựng khu dân cư cấu tạo địa chất có nhiều đá ngầm gây khó khăn lớn cho việc khoan khai thác. Nguồn nước mặt sông Đồng Nai có lưu lượng dồi dào, chất lượng ổn định và thuận tiện cho việc mở rộng công suất trạm xử lý về sau.
2. Công suất thiết kế 3.200 m³/ngày.đêm được xác định từ các thành phần dùng nước nào?
Công suất trạm xử lý bao gồm: lưu lượng nước sinh hoạt ngày dùng nước lớn nhất $Q_{\text{ngày,max}} = 2.520\text{ m}^3/\text{ngày}$ (tính cho 9.000 dân vào năm 2025 với tiêu chuẩn $200\text{ l/người.ngđ}$ và $K_{\text{ngày,max}} = 1,4$), nước tưới cây - tưới đường $144\text{ m}^3/\text{ngày}$ (chiếm 8%), lưu lượng nạp nước chữa cháy $108\text{ m}^3$ ($10\text{ l/s}$ trong 3 giờ) và hệ số rò rỉ mạng lưới mới 1,13.
3. Liều lượng hóa chất keo tụ và kiềm hóa cần dùng mỗi ngày là bao nhiêu?
Dựa trên hàm lượng cặn lơ lửng $SS = 80\text{ mg/l}$ và độ kiềm $K = 1,3\text{ mđl/l}$, liều lượng phèn nhôm khan $\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3$ cần dùng là $33\text{ mg/l}$ (tương ứng $105,6\text{ kg/ngày}$) và liều lượng vôi sống $\text{CaO}$ kiềm hóa là $7,81\text{ mg/l}$ (tương ứng $25\text{ kg CaO nguyên chất/ngày}$).
4. Máy bơm tại trạm bơm cấp I được lựa chọn với thông số kỹ thuật ra sao?
Trạm bơm cấp I trang bị 3 máy bơm ly tâm trục ngang Ebara MD 65-160/11 (2 bơm hoạt động song song, 1 bơm dự phòng) có lưu lượng làm việc $40 - 138\text{ m}^3/\text{h}$, cột áp $34 - 22\text{ mH}_2\text{O}$, công suất động cơ 11 kW (15 HP), tốc độ quay 2900 vòng/phút, đẩy nước qua tuyến ống D200 dài 7 km dọc Xa Lộ Hà Nội về trạm xử lý.
5. Vì sao đồ án lựa chọn bể trộn cơ khí thay vì bể trộn thủy lực?
Bể trộn cơ khí cho phép chủ động điều chỉnh cường độ khuấy trộn theo ý muốn, rút ngắn thời gian tiếp xúc của hóa chất với nước thô, giúp giảm dung tích bể xây dựng, tiết kiệm diện tích mặt bằng và vật liệu xây lắp so với các dạng bể trộn thủy lực truyền thống.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Hoàng Thị Hạnh đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật hệ thống cấp nước sạch công suất 3.200 m³/ngày.đêm cho khu dân cư đô thị Đại Phú (Dĩ An, Bình Dương) đến mốc quy hoạch năm 2025. Giải pháp công nghệ xử lý nước mặt sông Đồng Nai thông qua các công đoạn keo tụ cơ khí, lắng ngang, lọc nhanh trọng lực và khử trùng bằng Clo đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn vệ sinh TCVN 5502:2003 và TCXDVN 33:2006. Các kết quả tính toán thủy lực, lựa chọn thiết bị trạm bơm cấp I và định lượng trạm hóa chất vôi - phèn cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật tin cậy cho việc triển khai các giai đoạn thiết kế thi công tiếp theo.
