Tổng quan nghiên cứu

Đảm bảo an toàn cấp nước đô thị là thách thức hàng đầu đối với các đơn vị cấp nước sạch hiện nay. Theo báo cáo kiểm tra chất lượng nước của Trung tâm Kiểm soát Bệnh tật TP. Hồ Chí Minh (HCDC), trong 113 mẫu giám sát hóa lý và vi sinh trên địa bàn, chỉ có 80,53% mẫu đạt đồng thời cả hai chỉ tiêu, trong đó sự thiếu hụt nồng độ Clo dư tại các khu vực cuối mạng lưới chiếm tỷ lệ lớn. Ngược lại, để duy trì hàm lượng Clo dư tối thiểu không dưới 0,2 mg/l theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 01-1:2018/BYT, các nhà máy nước thường châm lượng Clo đầu nguồn cao gấp 3 đến 5 lần nhu cầu thực tế. Điều này không chỉ gây lãng phí hóa chất, phát sinh mùi nồng hắc khó chịu mà còn đẩy nhanh quá trình tạo ra các hợp chất trihalomethane (THMs) có nguy cơ gây ung thư.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Quản lý Tài nguyên và Môi trường của tác giả Phạm Ngọc Nhã Thi (Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM) tập trung giải quyết bài toán phân bố nồng độ Clo dư thông qua việc ứng dụng phần mềm chuyên dụng WaterGEMS. Mục tiêu nghiên cứu là mô phỏng động học lan truyền Clo và xác định liều lượng châm tối ưu tại Nhà máy nước Thủ Đức đến khu vực DMA Bình Thọ (TP. Thủ Đức), nhằm kiểm soát chất lượng nước ổn định trong dải nồng độ 0,2 đến 0,5 mg/l theo tiêu chuẩn của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO). Nghiên cứu được thực hiện trên mạng lưới cấp nước DMA Bình Thọ giới hạn bởi 3 tuyến đường Nguyễn Văn Bá, Võ Văn Ngân và Đặng Văn Bi trong giai đoạn 2021–2023, tạo cơ sở kỹ thuật then chốt phục vụ đề án thí điểm uống nước trực tiếp tại vòi của Tổng Công ty Cấp nước Sài Gòn (SAWACO) vào năm 2025.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết thủy lực dòng chảy có áp trong mạng lưới vòng kết hợp phương pháp mô phỏng chất lượng nước biến thiên theo thời gian (Extended Period Simulation) dựa trên giải thuật Lagrange. Động học phản ứng phân rã Clo trong đường ống được thiết lập theo mô hình động học bậc nhất kết hợp hai quá trình chính: phản ứng trong thể tích khối nước và phản ứng tại bề mặt thành ống. Quá trình phân rã theo thời gian tuân theo phương trình suy giảm hàm mũ, trong đó nồng độ Clo tại thời điểm t phụ thuộc vào nồng độ ban đầu và hệ số phản ứng khối.

Cơ sở khoa học về khử trùng nước làm rõ vai trò của axit hypocloro (HOCl) và ion hypoclorit (OCl-). Trong môi trường pH tối ưu từ 5,5 đến 7,5 và độ đục dưới 5 NTU, axit hypocloro trung hòa điện tích có khả năng thâm nhập qua màng tế bào vi sinh vật gây bệnh nhanh hơn từ 80% đến 100% so với ion hypoclorit tích điện âm. Nghiên cứu sử dụng 4 khái niệm nền tảng: Khu vực đồng hồ tổng (District Meter Area - DMA), hệ số phản ứng khối, hệ số phản ứng thành ống và chỉ số sai số tuyệt đối trung bình chuẩn hóa (MNGE) để đánh giá độ chính xác của mô hình thủy lực và chất lượng nước.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu được thu thập toàn diện từ Công ty Cổ phần Cấp nước Thủ Đức, bao gồm lớp bản đồ GIS mạng lưới phân phối cấp 2 và cấp 3, dữ liệu cao độ nền địa hình, dữ liệu giám sát áp lực và lưu lượng 24/24 giờ từ các trạm datalogger tại đồng hồ tổng DMA Dân Chủ và DMA Hữu Nghị, cùng sản lượng tiêu thụ từ hàng nghìn đồng hồ khách hàng.

Để xác định các tham số đầu vào mô hình, tác giả thực hiện thí nghiệm chai (Bottle test) trên 8 mẫu nước lấy trực tiếp tại đầu ra Nhà máy nước Thủ Đức nhằm tính toán chính xác hệ số phản ứng khối. Đồng thời, phương pháp chọn mẫu theo điểm xung yếu thủy lực được triển khai với cỡ mẫu khảo sát thực địa tại 3 vị trí bất lợi cuối mạng lưới: 126 Đặng Văn Bi, 256 Đặng Văn Bi và 250 Võ Văn Ngân. Các mẫu nước được đo đạc nồng độ Clo dư trực tiếp bằng thiết bị quang phổ cầm tay chuyên dụng Pocket Colorimeter II vào 4 khung giờ điển hình trong ngày (11h, 12h, 16h và 17h) nhằm đối soát với trạm quan trắc tự động tại Trường THCS Bình Thọ.

Phương pháp phân tích được lựa chọn là tích hợp mô hình thủy lực WaterGEMS trên nền tảng ArcGIS. Lý do lựa chọn giải pháp này là khả năng liên kết dữ liệu không gian tự động hóa: sử dụng công cụ TRex để gán cao trình từ mô hình số độ cao (DEM) cho từng nút mạng, dùng công cụ LoadBuilder để phân bổ chính xác lưu lượng tiêu thụ theo tọa độ khách hàng và ứng dụng mô-đun Darwin Calibrator để tự động hiệu chỉnh độ nhám đường ống, giúp giảm thiểu tối đa sai số giữa giá trị mô phỏng và thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô phỏng thủy lực và chất lượng nước trên mô hình WaterGEMS sau khi hiệu chỉnh đạt độ tin cậy vượt trội với sai số tuyệt đối trung bình chuẩn hóa (MNGE) ở mức rất thấp, phản ánh chính xác dao động áp lực từ 1,8 đến 2,5 bar và vận tốc dòng chảy thực tế trên mạng lưới.

Nghiên cứu chỉ ra 4 phát hiện quan trọng:

  • Thứ nhất, hệ số phản ứng thành ống không phải là một hằng số cố định cho toàn bộ mạng lưới mà biến thiên tỷ lệ nghịch với đường kính ống và phụ thuộc chặt chẽ vào vận tốc dòng chảy cũng như hệ số Reynolds. Các tuyến ống cấp 3 có đường kính nhỏ từ D100 trở xuống ghi nhận tốc độ tiêu hao Clo dư tại thành ống cao hơn 35% so với tuyến ống truyền tải cấp 2.
  • Thứ hai, chế độ châm Clo cố định ở mức 1,26 mg/l tại nhà máy nước dẫn đến tình trạng bất cập: nồng độ Clo dư tại các nút đầu nguồn đạt mức cao trên 0,8 mg/l, trong khi vào khung giờ thấp điểm (0h đến 5h sáng), thời gian lưu nước trong ống kéo dài khiến nồng độ Clo dư tại các điểm cuối nguồn giảm sâu xuống dưới 0,15 mg/l, không đạt chuẩn tối thiểu theo QCVN 01-1:2018/BYT.
  • Thứ ba, kết quả mô phỏng kịch bản châm Clo theo 4 chu kỳ thời gian trong ngày (tương ứng với các khung giờ 1-6h, 7-12h, 13-18h và 19-24h) kết hợp xây dựng các trạm tăng áp và châm Clo vi lượng bổ sung cục bộ giúp 100% các nút trong DMA Bình Thọ đạt nồng độ chuẩn 0,2 đến 0,5 mg/l.
  • Thứ tư, giải pháp tối ưu hóa phân bổ nồng độ giúp cắt giảm gần 50% (cụ thể khoảng 49,3%) tổng lượng Clo hóa chất cần châm ban đầu tại Nhà máy nước Thủ Đức so với phương thức vận hành truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự suy giảm Clo dư trên mạng lưới xuất phát từ sự tương tác kép giữa thời gian lưu nước và vật liệu thành ống. Khi nhu cầu sử dụng nước ban đêm giảm hơn 60% so với giờ cao điểm, vận tốc dòng chảy trong nhiều đoạn ống giảm xuống dưới 0,1 m/s, làm gia tăng thời gian tiếp xúc của nước với lớp cặn bám thành ống, đẩy nhanh tốc độ phản ứng oxy hóa khử.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các công bố khoa học quốc tế của Mahmoud và Abdel-lah tại Ai Cập hay Al-Zahrani tại Ả Rập Xê Út, khẳng định việc tăng liều lượng châm đầu nguồn đơn thuần không thể giải quyết bài toán thiếu hụt Clo cuối nguồn mà còn làm tăng nguy cơ phát sinh phụ phẩm độc hại. Trong luận văn, các chuỗi dữ liệu biến thiên áp lực, lưu lượng và nồng độ Clo theo 24 giờ được trực quan hóa sinh động qua các bảng so sánh sai số và đồ thị đường liên tục, kết hợp bản đồ chuyên đề GIS thể hiện vùng nồng độ Clo dư dạng không gian, giúp nhà quản lý nhận diện trực quan các điểm nghẽn chất lượng nước theo từng dải màu tiêu chuẩn.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp quản lý kỹ thuật đồng bộ nhằm tối ưu hóa chất lượng nước cấp:

  • Xây dựng trạm châm Clo bổ sung vi lượng: Tiến hành lắp đặt 01 đến 02 điểm châm Clo tăng cường tự động tại các khu vực nút mạng có áp lực thấp trên tuyến đường Võ Văn Ngân và Đặng Văn Bi. Mục tiêu đưa nồng độ Clo dư tại 100% vòi sử dụng đạt dải 0,2 - 0,5 mg/l. Thời gian triển khai dự kiến trong 6 tháng do Công ty Cổ phần Cấp nước Thủ Đức trực tiếp thực hiện.
  • Điều chỉnh chế độ châm Clo đầu nguồn biến thiên: Thay thế phương thức châm Clo liều lượng cố định bằng quy trình châm linh hoạt theo 4 chu kỳ tiêu thụ trong ngày tại Nhà máy nước Thủ Đức. Giải pháp hướng tới mục tiêu giảm 45% đến 50% lượng hóa chất Clo tiêu thụ hàng tháng, thực hiện ngay trong quý tiếp theo dưới sự giám sát của Ban Quản lý Nhà máy nước.
  • Thực hiện quy trình súc xả đường ống định kỳ: Áp dụng công cụ quản lý súc xả trên phần mềm WaterGEMS để khoanh vùng và làm sạch định kỳ các tuyến ống cấp 3 có vận tốc dòng chảy nhỏ dưới 0,3 m/s nhằm hạn chế lớp màng sinh học và cặn lắng. Mục tiêu giảm ít nhất 20% hệ số phản ứng thành ống, tiến hành định kỳ 3 tháng một lần bởi Đội Quản lý mạng lưới cấp nước.
  • Nâng cấp tích hợp SCADA và GIS thời gian thực: Kết nối toàn bộ dữ liệu từ trạm quan trắc chất lượng nước tự động và các datalogger áp lực về trung tâm điều hành qua mô-đun SCADAConnect của WaterGEMS. Mục tiêu tự động hóa cảnh báo sự cố suy giảm chất lượng nước trong vòng 15 phút, lộ trình hoàn thành trước năm 2025 do SAWACO và đối tác công nghệ phụ trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị ứng dụng thực tiễn và học thuật cao, là tài liệu tham khảo đắt giá cho 4 nhóm đối tượng:

  • Các đơn vị cấp nước đô thị và Tổng công ty cấp nước: Trực tiếp ứng dụng quy trình phân tích và tối ưu hóa khử trùng bằng WaterGEMS để cắt giảm hàng trăm triệu đồng chi phí hóa chất hàng năm, đồng thời nâng cao chỉ số cấp nước an toàn cho các DMA.
  • Kỹ sư vận hành mạng lưới và chuyên viên GIS ngành nước: Học hỏi phương pháp chuẩn hóa dữ liệu GIS, kỹ thuật liên kết dữ liệu không gian với mô hình thủy lực và các bước hiệu chỉnh thông số độ nhám bằng thuật toán tối ưu.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và y tế dự phòng (Sở Y tế, Trung tâm CDC): Sử dụng các số liệu và phân tích khoa học của luận văn làm căn cứ xây dựng quy chế giám sát chất lượng nước sạch tại vòi theo QCVN 01-1:2018/BYT, phục vụ mục tiêu phát triển đô thị thông minh.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường / Cấp thoát nước: Khai thác làm tài liệu giảng dạy, học tập chuyên sâu về mô hình hóa chất lượng nước, phương pháp thí nghiệm chai xác định động học phản ứng và kỹ năng thực hiện đề tài thạc sĩ ứng dụng.

Câu hỏi thường gặp

Hỏi: Vì sao cần duy trì nồng độ Clo dư trong khoảng 0,2 đến 0,5 mg/l tại vòi nước sinh hoạt? Đáp: Nồng độ Clo dư tối thiểu 0,2 mg/l theo QCVN 01-1:2018/BYT là bắt buộc để ức chế sự tái phát triển của vi khuẩn và mầm bệnh trong quá trình truyền dẫn. Mức giới hạn trên 0,5 mg/l theo chuẩn WHO giúp nước không có mùi hắc khó chịu và hạn chế sự tạo thành phụ phẩm khử trùng gây ung thư trihalomethane (THMs).

Hỏi: Phần mềm WaterGEMS có ưu điểm gì nổi bật so với phần mềm EPANET truyền thống? Đáp: WaterGEMS tích hợp trực tiếp trong môi trường ArcGIS và AutoCAD, cho phép trích xuất tự động cao độ địa hình qua công cụ TRex và gán sản lượng khách hàng qua LoadBuilder. Ngoài ra, phần mềm hỗ trợ mô phỏng thời gian thực qua SCADAConnect và tự động hiệu chỉnh sai số bằng giải thuật di truyền Darwin Calibrator, giúp giảm hơn 40% thời gian thiết lập mô hình.

Hỏi: Hệ số phản ứng khối và hệ số phản ứng thành ống được xác định bằng cách nào trong nghiên cứu? Đáp: Hệ số phản ứng khối được xác định thông qua thí nghiệm chai (Bottle test) với 8 mẫu nước tại Nhà máy nước Thủ Đức theo quy luật động học bậc nhất. Hệ số phản ứng thành ống được tính toán và hiệu chỉnh dựa trên số Reynolds, đường kính ống, độ nhám và số liệu đo đạc thực tế từ thiết bị Pocket Colorimeter II.

Hỏi: Làm thế nào giải pháp đề xuất có thể giảm đến gần 50% lượng Clo châm đầu nguồn? Đáp: Thay vì châm dư thừa liên tục ở mức 1,26 mg/l tại nhà máy nước để bù đắp thất thoát cho điểm xa nhất, mô hình điều chỉnh lượng châm biến thiên theo 4 khung giờ dùng nước kết hợp bổ sung Clo vi lượng tại các trạm tăng áp nội bộ DMA, giúp phân bổ Clo đồng đều mà không lãng phí hóa chất.

Hỏi: Kết quả nghiên cứu tại DMA Bình Thọ có thể mở rộng ứng dụng cho các khu vực khác không? Đáp: Toàn bộ quy trình từ chuẩn hóa cơ sở dữ liệu GIS, đo đạc hiệu chỉnh mô hình đến xây dựng kịch bản vận hành trên WaterGEMS đều mang tính chuẩn hóa cao. Do đó, quy trình này hoàn toàn có thể chuyển giao và áp dụng hiệu quả cho tất cả các DMA khác tại TP.HCM cũng như các đô thị trên cả nước.

Kết luận

  • Xây dựng thành công bộ cơ sở dữ liệu GIS không gian và mô hình thủy lực – chất lượng nước hoàn chỉnh cho mạng lưới cấp nước DMA Bình Thọ bằng phần mềm WaterGEMS.
  • Xác lập chính xác mối tương quan giữa động học suy giảm nồng độ Clo dư với vận tốc dòng chảy, đường kính ống và thời gian lưu nước trong mạng lưới phân phối.
  • Chứng minh tính ưu việt của giải pháp châm Clo biến thiên theo 4 chu kỳ kết hợp trạm bơm tăng cường vi lượng, giúp 100% các nút đạt dải nồng độ chuẩn 0,2 – 0,5 mg/l.
  • Đạt hiệu quả kinh tế – kỹ thuật vượt trội khi cắt giảm gần 50% lượng Clo châm đầu nguồn tại Nhà máy nước Thủ Đức, hạn chế triệt để phát sinh các sản phẩm phụ khử trùng độc hại.
  • Cung cấp luận cứ khoa học và giải pháp công nghệ then chốt phục vụ trực tiếp cho mục tiêu thí điểm cấp nước uống trực tiếp tại vòi của SAWACO đến năm 2025.

Để hiện thực hóa đề án nước uống tại vòi trong giai đoạn 2023–2025, các đơn vị cấp nước cần sớm triển khai thử nghiệm giải pháp châm Clo theo chu kỳ và mở rộng tích hợp SCADA tự động trên toàn mạng lưới. Hãy nghiên cứu chi tiết toàn văn luận văn để nắm bắt đầy đủ các thông số kỹ thuật và quy trình mô hình hóa chuyên sâu!