Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Xã Bàu Hàm II, huyện Thống Nhất, tỉnh Đồng Nai là địa bàn có tốc độ phát triển công nghiệp và đô thị hóa nhanh chóng, đặc biệt với sự hình thành và vận hành của Khu công nghiệp Dầu Giây (diện tích xây dựng xí nghiệp 192,47 ha, quy hoạch mở rộng 330 ha). Vị trí địa lý của xã nằm ở đầu mối giao thông huyết mạch kết nối Quốc lộ 1, Quốc lộ 20, đường tỉnh 769 và tuyến cao tốc TP. Hồ Chí Minh – Long Thành – Dầu Giây. Sự gia tăng dân số cơ học và phát triển sản xuất công nghiệp dẫn đến nhu cầu sử dụng nước sạch tăng trưởng mạnh mẽ. Tuy nhiên, hạ tầng cấp nước tập trung của địa phương chưa đáp ứng đủ; phần lớn các hộ dân vẫn phải khai thác nước ngầm qua giếng khoan tầng nông (100–120 m) chưa qua xử lý. Nguồn nước ngầm tại khu vực có trữ lượng suy giảm nghiêm trọng vào mùa khô, thi công khoan gặp nhiều tầng đá tảng phức tạp và một số nơi xuất hiện hiện tượng nhiễm phèn, khiến người dân phải mua nước sinh hoạt từ các xe bồn chuyên chở.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể:

  1. Tính toán, lựa chọn phương án tối ưu để thiết kế trạm xử lý nước cấp tập trung công suất $17.000\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$.
  2. Đảm bảo chất lượng nước thành phẩm đạt Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia QCVN 01:2009/BYT về chất lượng nước ăn uống.
  3. Đáp ứng đầy đủ nhu cầu cấp nước sinh hoạt, công nghiệp, dịch vụ và phòng cháy chữa cháy cho xã Bàu Hàm II đến niên hạn quy hoạch năm 2045.
  4. Điều tra, thu thập số liệu tự nhiên, kinh tế – xã hội, hiện trạng nguồn nước và đánh giá chất lượng nước thô hồ Trị An.
  5. Tính toán kích thước hình học, thông số công nghệ, cao trình thủy lực các công trình đơn vị và lập dự toán chi phí đầu tư, giá thành sản xuất $1\text{ m}^3$ nước.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Trạm xử lý nước cấp tập trung công suất $17.000\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$ sử dụng nguồn nước mặt hồ Trị An.
  • Phạm vi không gian: Địa bàn hành chính xã Bàu Hàm II, huyện Thống Nhất, tỉnh Đồng Nai (bao gồm khu dân cư tập trung, các công trình công cộng và Khu công nghiệp Dầu Giây).
  • Phạm vi thời gian: Niên hạn thiết kế kỹ thuật 30 năm, từ năm 2015 đến năm 2045.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và hệ thống văn bản quy chuẩn, tiêu chuẩn áp dụng trong đồ án:

  • Tiêu chuẩn xây dựng: TCXDVN 33:2006 (Cấp nước – Mạng lưới đường ống và công trình – Tiêu chuẩn thiết kế).
  • Quy chuẩn chất lượng nước: QCVN 01:2009/BYT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống); TCVN 233-1999 (Tiêu chuẩn chất lượng nguồn nước mặt loại A).
  • Lý thuyết quá trình công nghệ: Lý thuyết keo tụ – tạo bông bằng phèn nhôm $\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3$; lý thuyết kiềm hóa và cân bằng cacbonat; toán đồ Langelier xác định hàm lượng $\text{CO}_2$ tự do và chỉ số bão hòa $J = \text{pH}_0 - \text{pH}_s$ đánh giá tính xâm thực của nước; cơ chế lắng trọng lực trong dòng chảy tầng; cơ chế lọc nhanh qua lớp vật liệu hạt hai tầng (than antraxit và cát thạch anh); cơ chế khử trùng oxy hóa bằng hợp chất Clo.
  • Tài liệu chuyên ngành: Giáo trình "Cấp nước đô thị" (TS. Nguyễn Ngọc Dung).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai:

  • Phương pháp điều tra, thu thập, tổng hợp số liệu: Thu thập dữ liệu dân số, khí tượng thủy văn huyện Thống Nhất (lượng mưa trung bình $2.139\text{ mm/năm}$, nhiệt độ trung bình $25–26^\circ\text{C}$, mô đun dòng chảy mùa cạn $10–12\text{ l/s/km}^2$).
  • Phương pháp đánh giá tổng hợp: Phân tích, đối chiếu kết quả quan trắc 26 chỉ tiêu lý hóa và vi sinh của mẫu nước mặt hồ Trị An với TCVN 233-1999.
  • Phương pháp so sánh phân tích: Lập ma trận so sánh ưu – nhược điểm giữa các công trình đơn vị (bể trộn cơ khí vs. bể trộn đứng thủy lực; bể lắng ngang vs. bể lắng đứng, lắng lamen, lắng trong; bể lọc nhanh vs. lọc chậm, lọc áp lực, lọc tiếp xúc) để xác lập dây chuyền công nghệ tối ưu.
  • Phương pháp bản đồ và đồ họa: Phân tích bình đồ cao độ địa hình, bố trí mặt bằng tổng thể dây chuyền xử lý đảm bảo dòng chảy tự chảy theo thủy đầu, thiết lập hệ thống bản vẽ chi tiết các hạng mục xây dựng và thiết bị.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày tổng quan về đặc tính ba nguồn nước thiên nhiên (nước mưa, nước mặt, nước dưới đất), điều kiện tự nhiên – kinh tế – xã hội của xã Bàu Hàm II và tổng hợp lý thuyết các công nghệ xử lý nước cấp hiện nay.

Về điều kiện tự nhiên, xã Bàu Hàm II có địa hình đất bằng phẳng (độ dốc $0–8^\circ$) và đất sườn thoải ($8–15^\circ$), nền đất bazan cứng, chịu nén tốt. Khí hậu thuộc vùng nhiệt đới gió mùa cận xích đạo với mùa mưa (tháng 5–11) chiếm 85–90% lượng mưa cả năm, mùa khô (tháng 12–4 năm sau) gây thiếu nước cục bộ. Thủy văn khu vực chịu ảnh hưởng bởi suối Sông Nhạn và hồ Trị An (diện tích lưu vực $14.600\text{ km}^2$). Về xã hội, dân số năm 2015 là $19.303$ người, tỷ lệ tăng tự nhiên $1,28%/\text{năm}$. Hệ thống hạ tầng gồm 1 trường mầm non, 2 trường tiểu học, 1 trường THCS, 1 trường THPT, 1 trạm y tế đạt chuẩn quốc gia (50 giường bệnh).

Phần công nghệ tổng hợp chi tiết nguyên lý làm việc của các phương pháp xử lý cơ học (song chắn/lưới chắn rác, bể lắng ngang, bể lắng đứng, bể lắng lớp mỏng, bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng, bể lắng ly tâm, bể lọc chậm, bể lọc nhanh một/hai lớp vật liệu, bể lọc áp lực, bể lọc tiếp xúc) và phương pháp hóa lý (keo tụ – tạo bông bằng phèn nhôm/phèn sắt, kiềm hóa bằng vôi sữa $\text{CaO}/\text{Na}_2\text{CO}_3/\text{NaOH}$, hấp phụ vật lý/hóa học, khử trùng bằng nhiệt, tia cực tím 254 nm, sóng siêu âm $\ge 2\text{ W/cm}^2$, và hóa chất Clo).

Chương 2: Lựa chọn nguồn nước và đề xuất sơ đồ công nghệ xử lý nước cấp

Tác giả dự báo quy mô dân số đến năm 2045 theo công thức tăng trưởng hình học: $$P_{2045} = P_0 \times (1 + r)^n = 19.303 \times (1 + 0,0128)^{30} = 28.270\text{ người}$$

Dựa trên TCXDVN 33:2006, các thành phần lưu lượng nước cấp được tính toán chi tiết:

STT Hạng mục nhu cầu dùng nước Tiêu chuẩn cấp nước ($q_{\text{tc}}$) và công thức tính Lưu lượng tính toán ($m^3/\text{ngày.đêm}$)
1 Ăn uống, sinh hoạt dân cư ($Q_{\text{sh}}$) $q_i = 200\text{ l/ng.ngđ}$; $K_{\text{ngày max}} = 1,2$ 6.785,00
2 Trường học các cấp ($Q_{\text{TH}}$) 4 cấp học (Mầm non: 75 l/ngđ; Tiểu học, THCS, THPT: 20 l/ngđ) 153,07
3 Công trình y tế ($Q_{\text{yt}}$) 50 giường bệnh, tiêu chuẩn $200\text{ l/giường.ngđ}$ 10,00
4 Khu công nghiệp tập trung ($Q_{\text{CNTT}}$) Sản xuất ($80\text{ ha} \times 40\text{ m}^3/\text{ha}$) + SH công nhân ($3.500 \text{ CN} \times 25\text{ l}$) + tắm ($3.500 \times 300\text{ l} \times 45\text{ p}$) 3.315,00
5 Tiểu thủ công nghiệp ($Q_{\text{TTCN}}$) $10% \times Q_{\text{sh}}$ 678,50
6 Tưới đường, tưới cây ($Q_{\text{tưới}}$) $10% \times Q_{\text{sh}}$ (cây xanh 40%, đường 60%) 678,50
7 Công trình công cộng ($Q_{\text{CTCC}}$) $15% \times Q_{\text{sh}}$ 1.017,75
I Tổng công suất hữu ích ($Q_{\text{hữu ích}}$) $\sum Q_{\text{thành phần}}$ 12.637,82
8 Nước rò rỉ và dự phòng mạng lưới ($Q_{\text{mạng lưới}}$) $Q_{\text{hữu ích}} \times K_r$ ($K_r = 1,2$) 15.165,38 (~15.166)
9 Nước chữa cháy dự phòng ($Q_{\text{cc}}$) $n = 2$ đám cháy; $q_{\text{cc}} = 25\text{ l/s}$; phục hồi $k = 1$ 540,00
II Công suất trạm xử lý thiết kế ($Q_{\text{XL}}$) $Q_{\text{mạng lưới}} \times K_{\text{XL}} (1,05) + Q_{\text{cc}}$ 16.464,30 (chọn 17.000)

Kết quả phân tích mẫu nước thô hồ Trị An (Bảng 2.1) cho thấy: độ đục 75 NTU (vượt chuẩn $<20$), độ màu 45 mg/l Pt (vượt chuẩn $<10$), Coliform 2.400 MNP/100ml (vượt chuẩn 0), độ kiềm toàn phần $1,2\text{ mgđl/l}$, hàm lượng sắt $0,11\text{ mg/l}$, cặn không tan SS $146,5\text{ mg/l}$. Do đó, nguồn nước mặt hồ Trị An được lựa chọn cùng dây chuyền công nghệ xử lý: $$\text{Nước thô hồ Trị An} \to \text{Công trình thu / Trạm bơm cấp 1} \to \text{Bể trộn đứng (+ Phèn } \text{Al}_2(\text{SO}_4)_3 \text{, + Vôi CaO)} \to \text{Bể phản ứng vách ngăn dạng đứng} \to \text{Bể lắng ngang thu nước bề mặt} \to \text{Bể lọc nhanh 2 lớp hạt} \to \text{Bể chứa nước sạch (+ Clo khử trùng)} \to \text{Trạm bơm cấp 2} \to \text{Mạng lưới tiêu thụ}$$

Hệ thống xử lý bùn cặn: Xả cặn từ bể lắng và nước rửa bể lọc $\to$ Hố chứa bùn $\to$ Máy ép bùn / Sân phơi bùn; nước tách bùn được tuần hoàn trở lại trước bể trộn đứng.

Kết quả tính toán hóa chất:

  • Liều lượng phèn nhôm keo tụ tính theo cặn: $P_P = 45\text{ mg/l}$ (lớn hơn tính theo độ màu: $26,83\text{ mg/l}$).
  • Hàm lượng vôi kiềm hóa sơ bộ: $P_K = 28,63\text{ mg/l} > 0$ (do độ kiềm tự nhiên $1,2\text{ mgđl/l}$ không đủ trung hòa ion $\text{H}^+$ sinh ra).
  • Các chỉ số sau keo tụ: Độ kiềm $K_i^* = 0,41\text{ mgđl/l}$; hàm lượng $\text{CO}_2^* = 53,74\text{ mg/l}$.
  • Kiểm tra độ ổn định theo Langelier: $\text{pH}_0 = 5,9$; $\text{pH}_s = 6,7 \implies J = \text{pH}_0 - \text{pH}_s = -0,8 < -0,5$ (nước mang tính xâm thực mạnh, gây ăn mòn đường ống). Lượng vôi hoạt tính $\text{CaO}$ bổ sung để ổn định nước: $D_K = 24,3\text{ mg/l}$.
  • Tổng hàm lượng cặn sau keo tụ đưa vào bể lắng: $C = 249,7\text{ mg/l}$.

Chương 3: Tính toán thiết kế các hạng mục công trình

Chương 3 trình bày các bước tính toán kích thước, thông số thủy lực và kết cấu công nghệ cho từng hạng mục công trình đơn vị:

  • Công trình thu nước và trạm bơm cấp 1: Thiết kế song chắn rác (Bảng 3.1), ống tự chảy (Bảng 3.2), lưới chắn rác (Bảng 3.3), ngăn thu và ngăn hút trạm bơm (Bảng 3.4).
  • Hệ thống hóa chất: Thiết kế bể hòa trộn và tiêu thụ phèn, bể hòa trộn và tiêu thụ vôi sữa, chọn máy khuấy và bơm định lượng hóa chất (Bảng 3.5).
  • Bể trộn đứng: Thời gian lưu nước $1,5–2\text{ phút}$, tạo chuyển động rối từ dưới lên trên để phân tán đều phèn và vôi (Bảng 3.6).
  • Bể phản ứng vách ngăn dạng đứng: Thời gian phản ứng 20 phút, vận tốc dòng chảy qua các vách ngăn giảm dần để tạo điều kiện kết tụ bông cặn mà không làm vỡ bông (vận tốc qua khe vách ngăn $\le 0,05\text{ m/s}$) (Bảng 3.7).
  • Bể lắng ngang: Thiết kế ngăn phân phối, mương thu nước bề mặt có răng cưa, máng thu nước sau lắng và hệ thống xả cặn thủy lực định kỳ (Bảng 3.8).
  • Bể lọc nhanh hai lớp vật liệu: Sử dụng lớp than antraxit phía trên kết hợp lớp cát thạch anh phía dưới đặt trên hệ sỏi đỡ; bố trí hệ thống phân phối gió – nước rửa lọc kết hợp, máng thu nước rửa lọc và quy định thời gian xả nước lọc đầu 10 phút sau hoàn nguyên (Bảng 3.9).
  • Bể chứa nước sạch: Tổng hợp lưu lượng dùng nước theo 24 giờ trong ngày dùng nhiều nhất (Bảng 3.10), tính dung tích điều hòa (Bảng 3.11) và kích thước bể chứa nước sạch (Bảng 3.12).
  • Hố chứa bùn và công trình phụ: Tính toán hố chứa bùn cặn (Bảng 3.13), trạm khử trùng Clo hơi (Bảng 3.14), kho chứa Clo, kho chứa vôi, kho chứa phèn dự trữ 30 ngày.
  • Cao trình thủy lực và trạm bơm cấp 2: Tính toán tổn thất áp lực qua toàn bộ dây chuyền xử lý để bố trí cao độ đáy và mực nước các bể đảm bảo tự chảy liên tục; lựa chọn tổ máy bơm cấp 2 phát trực tiếp vào mạng lưới phân phối.

Chương 4: Khái toán chi phí

Chương 4 tổng hợp kinh phí đầu tư và chi phí vận hành thường niên của trạm xử lý:

  • Khái toán chi phí mua sắm thiết bị công nghệ chính (Bảng 4.1).
  • Khái toán chi phí xây dựng các hạng mục công trình bằng bê tông cốt thép (Bảng 4.2).
  • Chi phí quản lý dự án, tư vấn thiết kế và chi phí dự phòng (Bảng 4.3, Bảng 4.4).
  • Chi phí vận hành hàng năm (Bảng 4.5) bao gồm: chi phí mua hóa chất (phèn nhôm, vôi $\text{CaO}$, Clo khử trùng), chi phí điện năng tiêu thụ của trạm bơm cấp 1, trạm bơm cấp 2, máy khuấy, máy nén khí rửa lọc; chi phí nhân công quản lý, vận hành; chi phí bảo dưỡng, sửa chữa nhỏ thường xuyên; chi phí khấu hao tài sản cố định hàng năm.
  • Tính toán chỉ tiêu kinh tế: Xác định suất vốn đầu tư xây dựng trên $1\text{ m}^3$ công suất thiết kế và giá thành sản xuất $1\text{ m}^3$ nước sạch phát vào mạng lưới.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đạt được các kết quả kỹ thuật và đóng góp cụ thể:

  • Thiết lập hoàn chỉnh phương án kỹ thuật trạm xử lý nước cấp tập trung công suất $17.000\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$, đáp ứng nhu cầu dùng nước của $28.270$ người dân và $80\text{ ha}$ đất công nghiệp tại xã Bàu Hàm II đến năm 2045.
  • Đưa ra giải pháp xử lý toàn diện chất lượng nước thô hồ Trị An: Giảm độ đục từ 75 NTU xuống $\le 2\text{ NTU}$, cặn không tan SS từ $146,5\text{ mg/l}$ xuống $\le 3\text{ mg/l}$, độ màu từ 45 Pt-Co xuống $<10\text{ Pt-Co}$, tiêu diệt hoàn toàn Coliform ($2.400 \to 0\text{ MNP/100ml}$), đạt chuẩn QCVN 01:2009/BYT.
  • Giải quyết bài toán ăn mòn hóa học thông qua việc tính toán chính xác liều lượng vôi kiềm hóa bổ sung ($D_K = 24,3\text{ mg/l}$) để nâng chỉ số Langelier từ $-0,8$ lên dải ổn định ($-0,5 < J < 0,5$), bảo vệ mạng lưới đường ống cấp nước.
  • Dây chuyền công nghệ tối ưu hóa dòng chảy tự nhiên theo cao trình thủy lực, kết hợp giải pháp thu gom ép bùn và tuần hoàn nước ép bùn, giảm thiểu lượng nước thất thoát và hạn chế ô nhiễm môi trường tiếp nhận.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các thông số tính toán liều lượng phèn nhôm và vôi được xác định dựa trên lý thuyết và đồ thị tra cứu chuẩn theo TCXDVN 33:2006 từ một mẫu phân tích nước thô đơn lẻ, chưa có chuỗi số liệu quan trắc đa thời gian để phản ánh biến động biên độ đục và chất hữu cơ giữa mùa mưa lũ và mùa cạn kiệt. Đồ án chưa tiến hành thí nghiệm thực nghiệm Jartest tại hiện trường.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Thực hiện các đợt thí nghiệm Jartest thực tế theo từng mùa để hiệu chỉnh liều lượng hóa chất tối ưu; nghiên cứu bổ sung giải pháp tự động hóa châm hóa chất theo tín hiệu cảm biến độ đục/pH online; xem xét tích hợp công nghệ lắng tấm nghiêng (lamen) hoặc màng lọc áp lực thấp khi cần cải tạo nâng công suất trạm sau năm 2045.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, Kỹ thuật Cấp thoát nước, Kỹ thuật Hạ tầng Đô thị khi thực hiện đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp thiết kế trạm xử lý nước mặt.
  • Kỹ sư thiết kế công trình cấp nước trong việc ứng dụng quy trình tính toán nhu cầu dùng nước đa mục tiêu theo TCXDVN 33:2006, tra cứu toán đồ Langelier kiểm tra tính ổn định cacbonat và thiết kế cao trình thủy lực trạm xử lý.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nguồn nước mặt hồ Trị An được lựa chọn thay thế cho nguồn nước ngầm tại xã Bàu Hàm II?
Nước ngầm tại khu vực có trữ lượng suy giảm vào mùa khô, thi công khoan khó khăn do tầng đá tảng nông và nhiều khu vực bị nhiễm phèn nặng. Trong khi đó, hồ Trị An có diện tích lưu vực lớn ($14.600\text{ km}^2$), lưu lượng dồi dào, ổn định, đảm bảo khả năng cung cấp nước lâu dài cho cả sinh hoạt và công nghiệp tập trung.

2. Công suất thiết kế $17.000\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$ của trạm được xác định từ những thành phần nào?
Công suất được tổng hợp từ nhu cầu sinh hoạt của $28.270$ người dân năm 2045 ($6.785\text{ m}^3/\text{ngđ}$), trường học ($153,07\text{ m}^3/\text{ngđ}$), y tế ($10\text{ m}^3/\text{ngđ}$), KCN Dầu Giây ($3.315\text{ m}^3/\text{ngđ}$), tiểu thủ công nghiệp ($678,5\text{ m}^3/\text{ngđ}$), tưới đường/cây xanh ($678,5\text{ m}^3/\text{ngđ}$), công trình công cộng ($1.017,75\text{ m}^3/\text{ngđ}$), hệ số rò rỉ mạng lưới ($K_r = 1,2$), hệ số xử lý trạm ($K_{\text{XL}} = 1,05$) và lưu lượng nước chữa cháy dự phòng ($540\text{ m}^3/\text{ngđ}$).

3. Tại sao trạm xử lý phải thực hiện châm vôi ở cả giai đoạn đầu và giai đoạn sau xử lý?
Giai đoạn đầu cần châm vôi ($P_K = 28,63\text{ mg/l}$) để nâng độ kiềm do độ kiềm tự nhiên của nước nguồn ($1,2\text{ mgđl/l}$) không đủ trung hòa ion $\text{H}^+$ giải phóng khi keo tụ bằng phèn nhôm. Giai đoạn sau keo tụ, chỉ số ổn định Langelier giảm xuống $J = -0,8 < -0,5$ (nước có tính xâm thực), do đó phải châm thêm vôi ổn định ($D_K = 24,3\text{ mg/l}$) để cân bằng cacbonat, ngăn ngừa ăn mòn đường ống phân phối.

4. Dây chuyền công nghệ xử lý bùn thải và nước rửa lọc được thiết kế như thế nào?
Cặn lắng từ bể lắng ngang và nước rửa ngược từ bể lọc nhanh được thu gom về hố chứa bùn. Bùn cặn sau đó được bơm qua máy ép bùn (hoặc sân phơi bùn) để làm khô trước khi vận chuyển xử lý, còn phần nước trong tách ra từ quá trình ép bùn được tuần hoàn trở lại đầu bể trộn đứng để tránh lãng phí nước.

Kết luận

Đồ án đã giải quyết bài toán cấp nước sạch cho xã Bàu Hàm II, huyện Thống Nhất đến năm 2045 thông qua phương án thiết kế trạm xử lý nước cấp tập trung công suất $17.000\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$ khai thác từ hồ Trị An. Dây chuyền công nghệ kết hợp bể trộn đứng, bể phản ứng vách ngăn đứng, bể lắng ngang, bể lọc nhanh hai lớp vật liệu và khử trùng bằng Clo đảm bảo nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn QCVN 01:2009/BYT. Các tính toán công nghệ, cao trình thủy lực và khái toán kinh tế được xây dựng dựa trên TCXDVN 33:2006, tạo cơ sở kỹ thuật cho việc triển khai dự án cấp nước tại địa phương.