Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Huyện Tuy Phong thuộc tỉnh Bình Thuận là một trong những khu vực có khí hậu khô hạn nhất tại Việt Nam, đặc trưng bởi nền nhiệt cao, nhiều nắng gió và lượng mưa trung bình hằng năm chỉ dao động từ 500 – 800 mm/năm. Địa hình của huyện bị chia cắt mạnh với 2/3 diện tích là đồi núi thấp ở phía Tây, hệ thống sông suối ngắn và dốc (tiêu biểu là sông Lòng Sông dài 53 km và suối Đá Bạc dài 14 km) với diện tích lưu vực nhỏ, dẫn đến hiện tượng lũ quét cục bộ trong mùa mưa nhưng lại cạn kiệt và thiếu nước gay gắt trong mùa khô kéo dài. Trữ lượng nước ngầm trên địa bàn huyện nghèo nàn, biến đổi phức tạp theo địa tầng và tại các dải đồng bằng ven biển (thị trấn Liên Hương, các xã Phước Thể, Bình Thạnh, Chí Công, Vĩnh Tân, Hòa Phú) thường xuyên bị nhiễm mặn nghiêm trọng.
Trước thực trạng tài nguyên nước tự nhiên khan hiếm, hạ tầng cấp nước chưa đồng bộ trong khi quy mô dân số đạt 141.331 người (thống kê năm 2015) cùng nhu cầu phát triển nông nghiệp, tiểu thủ công nghiệp và công nghiệp ngày càng gia tăng, việc nghiên cứu xây dựng một công trình cấp nước sinh hoạt tập trung quy mô lớn là yêu cầu cấp thiết nhằm phục vụ Chương trình mục tiêu quốc gia về nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn.
Mục tiêu nghiên cứu:
Thiết kế quy trình công nghệ nhà máy xử lý nước cấp tại huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận với công suất $46.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, sử dụng nguồn nước mặt sông Lòng Sông nhằm đảm bảo cấp nước an toàn, liên tục cho sinh hoạt và sản xuất, giải quyết triệt để tình trạng thiếu nước vào mùa khô.
Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Khảo sát và tổng hợp điều kiện tự nhiên, khí hậu, địa chất, thủy văn, hiện trạng kinh tế - xã hội và tài nguyên nước tại huyện Tuy Phong.
- Đánh giá chất lượng nguồn nước thô mặt sông Lòng Sông và hệ thống các chỉ tiêu chất lượng nước theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia.
- Phân tích, lựa chọn và đề xuất dây chuyền công nghệ xử lý nước cấp tối ưu, phù hợp với đặc tính nguồn nước mặt có độ đục và cặn lơ lửng biến động theo mùa.
- Tính toán chi tiết thông số công nghệ, kích thước hình học và yêu cầu kỹ thuật của từng công trình đơn vị trong hệ thống xử lý.
- Tính toán nhu cầu hóa chất, lập dự toán kinh tế bao gồm chi phí xây dựng, chi phí máy móc thiết bị, chi phí vận hành thường niên, giá thành đơn vị trên $1\text{ m}^3$ nước cấp và thời gian hoàn vốn đầu tư.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Dây chuyền công nghệ xử lý nước mặt sông Lòng Sông với công suất $46.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ và các công trình xử lý đơn vị liên quan.
- Phạm vi không gian: Địa bàn huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận (tọa độ địa lý từ $11^\circ 17'30''$ đến $11^\circ 37'30''$ vĩ độ Bắc và $108^\circ 30'$ đến $108^\circ 52'30''$ kinh độ Đông).
- Phạm vi thời gian và pháp lý: Dữ liệu hiện trạng và hệ thống quy chuẩn kỹ thuật quốc gia cập nhật đến thời điểm thực hiện khóa luận (tháng 5 năm 2019).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khóa luận dựa trên nền tảng lý thuyết quá trình và thiết bị cơ học, hóa lý trong công nghệ xử lý nước cấp đô thị kết hợp hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn ngành xây dựng và y tế hiện hành:
Thiết kế quy trình công nghệ và tính toán kỹ thuật
Dây chuyền công nghệ đề xuất cho Nhà máy xử lý nước cấp huyện Tuy Phong công suất $46.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ được thiết kế theo quy trình xử lý nước mặt truyền thống có cải tiến nhằm xử lý triệt để hàm lượng cặn lơ lửng, độ màu và vi sinh vật.
Nước thô (Sông Lòng Sông) -> Song/Lưới chắn rác -> Trạm bơm cấp I -> Bể trộn có vách ngăn (Châm PAC/Phèn) -> Bể lắng ngang -> Bể lọc nhanh trọng lực -> Bể tiếp xúc khử trùng (Châm Clo) / Bể chứa nước sạch -> Trạm bơm cấp II -> Mạng lưới tiêu thụ
| |
v v
Xả bùn cặn Nước rửa lọc
| |
+---------> Bể thu hồi -> Tuần hoàn nước
|
v
Sân phơi bùn -> Thu gom đất cặn
Thuyết minh các hạng mục công trình đơn vị thiết kế:
| Hạng mục công trình |
Chức năng kỹ thuật chính |
Thông số công nghệ và tính toán thiết kế |
| Công trình thu và Trạm bơm cấp I |
Thu nước mặt sông Lòng Sông, ngăn rác thô và bơm nước lên dây chuyền xử lý |
Song chắn rác thô và lưới chắn rác mịn bảo vệ hệ thống bơm chìm; đường ống dẫn nước thô về nhà máy. |
| Bể trộn có vách ngăn |
Phân tán nhanh hóa chất keo tụ PAC/Phèn vào toàn bộ thể tích dòng nước |
Thời gian lưu nước ngắn, tạo dòng chảy ziczac đổi hướng liên tục qua các vách ngăn nhằm tạo xáo trộn thủy lực tối ưu. |
| Bể lắng ngang |
Tách các bông cặn keo tụ đã hình thành ra khỏi pha lỏng bằng cơ chế lắng trọng lực |
Thiết kế dạng hình chữ nhật nhiều ngăn song song; trang bị hệ thống máng thu nước răng cưa thu nước trong bề mặt và hố tập trung bùn xả định kỳ. |
| Bể lọc nhanh trọng lực |
Loại bỏ triệt để cặn mịn không lắng được và một phần vi khuẩn qua lớp cát lọc |
Sử dụng vật liệu lọc cát thạch anh có kích thước hạt đồng đều $0{,}5 - 1{,}2\text{ mm}$ đặt trên lớp sỏi đỡ phân tầng; rửa lọc bằng nước và khí nén ngược chiều. |
| Bể khử trùng và Bể chứa nước sạch |
Tiêu diệt vi khuẩn, vi trùng gây bệnh bằng Clo và điều hòa lưu lượng cấp nước |
Thời gian tiếp xúc Clo tối thiểu 30 phút; dung tích bể chứa tính toán đảm bảo lượng nước điều hòa sinh hoạt, nước dự trữ chữa cháy và nước tự dùng cho nhà máy. |
| Trạm bơm cấp II |
Vận chuyển nước sạch từ bể chứa vào mạng lưới đường ống cấp nước đô thị |
Lựa chọn các tổ máy bơm ly tâm trục ngang công suất lớn, tính toán đường kính ống hút, ống đẩy và cột áp toàn phần theo biểu đồ dùng nước. |
| Hệ thống xử lý bùn (Bể thu hồi và Sân phơi bùn) |
Thu gom nước rửa lọc, cô đặc bùn cặn từ bể lắng và làm khô bùn tự nhiên |
Bể thu hồi giúp tái sử dụng phần nước trong tuần hoàn về đầu hệ thống; sân phơi bùn phân lô có hệ thống thoát nước đáy để nạo vét bùn khô. |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Mở đầu. Mục tiêu đề tài. Ý nghĩa của đề tài
Trình bày tính cấp thiết của việc xây dựng nhà máy xử lý nước cấp tập trung tại huyện Tuy Phong trong bối cảnh khô hạn gay gắt, lượng mưa thấp và nguồn nước ngầm hạn chế hoặc nhiễm mặn. Xác định rõ mục tiêu thiết kế trạm xử lý công suất $46.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ và làm rõ ý nghĩa kinh tế - xã hội đối với Chương trình mục tiêu quốc gia cấp nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn.
Chương 2: Tổng quan tài liệu
Khái quát chi tiết về điều kiện tự nhiên của huyện Tuy Phong: vị trí địa lý giáp Ninh Thuận và Lâm Đồng, địa hình 3 vùng (miền núi trung du, đồng bằng, ven biển), đặc trưng khí hậu hai mùa với lượng mưa 500 – 800 mm/năm. Đánh giá thủy văn hai nguồn nước mặt chính là sông Lòng Sông (53 km) và suối Đá Bạc (14 km). Cung cấp cơ sở lý luận về nước cấp, thành phần ô nhiễm nước mặt (chất rắn lơ lửng, chất keo, vi sinh vật), đặc tính nước ngầm và các chỉ tiêu lý - hóa - sinh. Trình bày tổng quan các quy chuẩn QCVN 08-MT:2015/BTNMT, QCVN 09-MT:2015/BTNMT, QCVN 01-1:2018/BYT, đồng thời phân tích cơ chế công nghệ keo tụ, lắng ngang/đứng, lọc cát và các phương pháp khử trùng (Clo, Cloramin-B, điện phân muối ăn).
Chương 3: Phương pháp thực hiện khóa luận
Trình bày khung phương pháp luận triển khai đề tài: thu thập số liệu tự nhiên - kinh tế Tuy Phong, phân tích mẫu nước thô sông Lòng Sông, áp dụng tiêu chuẩn TCXD 33:2006 để tính toán thủy lực cho các công trình đơn vị xử lý nước mặt, và phương pháp dự toán tài chính phân tích chi phí xây lắp, thiết bị, vận hành.
Chương 4: Kết quả và thảo luận
Đánh giá hiện trạng và tính chất nguồn nước mặt sông Lòng Sông qua bảng số liệu phân tích mẫu nước thô (Bảng 4.1). Đề xuất và phân tích lựa chọn dây chuyền công nghệ xử lý nước mặt: sử dụng bể trộn vách ngăn, bể lắng ngang kết hợp bể lọc nhanh trọng lực. Thuyết minh chi tiết sơ đồ công nghệ xử lý và phân tích các ưu - nhược điểm về mặt kỹ thuật, khả năng vận hành ổn định trong điều kiện biến động độ đục theo mùa tại địa phương.
Chương 5: Tính toán chi tiết các công trình đơn vị trong công nghệ đề xuất
Thực hiện tính toán nhu cầu dùng nước: lưu lượng nước sinh hoạt cho dân số toàn huyện, lưu lượng phục vụ công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp, xác định công suất trạm $46.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$. Tính toán kích thước, dung tích, thông số thủy lực chi tiết và lập bảng thông số thiết kế cho các hạng mục:
- Bể trộn có vách ngăn (Bảng 5.1).
- Bể lắng ngang (Bảng 5.2).
- Bể lọc nhanh (Bảng 5.3).
- Bể chứa nước sạch (Bảng 5.4).
- Bể thu hồi (Bảng 5.5).
- Sân phơi bùn (Bảng 5.6).
- Trạm bơm cấp II (Bảng 5.7 và 5.8).
- Tính toán liều lượng phèn/PAC và hóa chất khử trùng (Bảng 5.9).
- Lập dự toán tổng chi phí xây dựng, chi phí mua sắm thiết bị phụ kiện, chi phí điện năng, hóa chất, nhân công, dự toán giá thành trên $1\text{ m}^3$ nước sạch và tính thời gian hoàn vốn đầu tư.
Chương 6: Kết luận và kiến nghị
Tổng kết toàn bộ kết quả tính toán thiết kế kỹ thuật của nhà máy cấp nước $46.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$. Kiến nghị cơ quan chức năng tỉnh Bình Thuận sớm triển khai dự án đầu tư xây dựng, bảo vệ hành lang nguồn nước sông Lòng Sông và kiểm soát chặt chẽ quy trình châm hóa chất theo mùa.
Kết quả và đóng góp
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
-
Hạn chế:
- Các thông số tính toán liều lượng hóa chất và hiệu quả xử lý cặn dựa trên kết quả phân tích mẫu nước thô đại diện và công thức lý thuyết định mức tiêu chuẩn; chưa có điều kiện vận hành thử nghiệm mô hình thực nghiệm (pilot plant) dài hạn ngoài hiện trường qua các mùa khô và mùa mưa để tối ưu hóa liều lượng châm PAC động theo độ đục thực tế.
- Đề tài tập trung chủ yếu vào tính toán công nghệ trạm xử lý tại nhà máy, chưa đi sâu vào mô hình hóa thủy lực chi tiết toàn bộ mạng lưới đường ống chuyển tải và phân phối cấp nước tới các xã vùng sâu, vùng cao như Phan Dũng, Phong Phú.
-
Hướng nghiên cứu tiếp:
- Tiến hành thử nghiệm Jar-test tại chỗ theo từng thời điểm trong năm để xây dựng biểu đồ định lượng hóa chất keo tụ và chất trợ keo tụ polymer tối ưu tương ứng với từng dải biến động độ đục của sông Lòng Sông.
- Nghiên cứu thiết kế mở rộng mạng lưới đường ống truyền tải và trạm bơm tăng áp phân vùng để cấp nước đồng bộ cho các khu vực địa hình đồi núi dốc và các cụm dân cư ven biển bị xâm nhập mặn.
Giá trị tham khảo
- Đối tượng sử dụng:
- Sinh viên, học viên chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, Công nghệ Nông nghiệp - Môi trường, Công nghệ Sinh học, Kỹ thuật Cấp thoát nước và Kỹ thuật Hạ tầng đô thị.
- Kỹ sư thiết kế, cán bộ quản lý kỹ thuật tại các công ty cấp thoát nước, các ban quản lý dự án cấp nước nông thôn và đô thị.
- Nội dung tham khảo giá trị:
- Tài liệu tham khảo hữu ích về trình tự tính toán thủy lực các công trình đơn vị xử lý nước mặt (bể trộn vách ngăn, bể lắng ngang, bể lọc nhanh trọng lực, trạm bơm cấp II) theo tiêu chuẩn xây dựng TCXD 33:2006.
- Cung cấp phương pháp xây dựng dự toán chi phí kinh tế hoàn chỉnh cho một nhà máy cấp nước công suất lớn ($46.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$), từ chi phí xây lắp, mua sắm máy móc thiết bị đến chi phí vận hành chi tiết (điện, hóa chất, nhân công) và phương pháp định giá $1\text{ m}^3$ nước cấp.
Câu hỏi thường gặp
1. Nguồn nước thô nào được chọn để cấp nước cho nhà máy và tại sao không sử dụng nước ngầm?
Nhà máy lựa chọn nguồn nước mặt từ sông Lòng Sông. Nước ngầm tại huyện Tuy Phong có trữ lượng rất nghèo nàn, biến đổi phức tạp theo từng khu vực và vùng đồng bằng ven biển bị nhiễm mặn nghiêm trọng, không đủ trữ lượng để khai thác với quy mô công suất lớn $46.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$.
2. Công suất thiết kế của nhà máy là bao nhiêu và phục vụ cho các mục đích nào?
Công suất thiết kế của nhà máy là $46.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, phục vụ cấp nước sạch sinh hoạt cho người dân toàn huyện Tuy Phong (dân số 141.331 người theo thống kê năm 2015) và cung cấp nước cho hoạt động sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp trên địa bàn.
3. Quy trình công nghệ xử lý nước mặt đề xuất gồm những công trình đơn vị chính nào?
Quy trình gồm: Song/Lưới chắn rác $\rightarrow$ Trạm bơm cấp I $\rightarrow$ Bể trộn có vách ngăn (châm hóa chất keo tụ) $\rightarrow$ Bể lắng ngang $\rightarrow$ Bể lọc nhanh trọng lực $\rightarrow$ Bể khử trùng (châm Clo) / Bể chứa nước sạch $\rightarrow$ Trạm bơm cấp II $\rightarrow$ Mạng lưới đường ống cấp nước; kết hợp Bể thu hồi và Sân phơi bùn để xử lý nước rửa lọc và bùn cặn.
4. Khóa luận sử dụng các tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật nào để đánh giá chất lượng nước?
Khóa luận áp dụng: QCVN 08-MT:2015/BTNMT (đánh giá chất lượng nước mặt nguồn), QCVN 09-MT:2015/BTNMT (đánh giá nước ngầm), QCVN 01-1:2018/BYT (quy chuẩn chất lượng nước sạch sinh hoạt đầu ra), và TCXD 33:2006 (tiêu chuẩn tính toán thiết kế mạng lưới đường ống và công trình cấp nước).
5. Vì sao tác giả đề xuất ưu tiên dùng chất keo tụ PAC thay vì phèn nhôm truyền thống?
PAC có hiệu quả keo tụ cao đối với nước có độ đục lớn, ít làm thay đổi độ pH của nước, giảm thiểu hiện tượng ăn mòn kim loại, để lại hàm lượng nhôm dư hòa tan thấp trong nước thành phẩm và giúp giảm đáng kể lượng bùn thải sinh ra so với sử dụng phèn nhôm.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thị Thu Hòa đã giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật quy trình công nghệ nhà máy xử lý nước cấp tại huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận với công suất $46.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ từ nguồn nước mặt sông Lòng Sông. Dây chuyền công nghệ gồm bể trộn vách ngăn, bể lắng ngang, bể lọc nhanh trọng lực và khử trùng bằng Clo được tính toán chi tiết, đảm bảo chất lượng nước sau xử lý đạt quy chuẩn quốc gia QCVN 01-1:2018/BYT. Công trình là tài liệu học thuật và kỹ thuật hoàn chỉnh, cung cấp cơ sở khoa học, giải pháp công nghệ và dự toán kinh tế khả thi phục vụ trực tiếp cho công tác đầu tư phát triển hạ tầng cấp nước sạch tại khu vực khô hạn Nam Trung Bộ.