Ứng dụng phần mềm CFD cải tạo nâng công suất nhà máy nước Hưng Vĩnh

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng phần mềm CFD trong thiết kế cải tạo, nâng công suất nhà máy nước Hưng Vĩnh, thành phố Vinh, Nghệ An năm 2023.

• Tác giả: Hoàng Anh Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thế Anh
• Trường học: Trường Đại học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cấp thoát nước
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phần mềm CFD trong thiết kế cải tạo, nâng công suất nhà máy nước Hưng Vĩnh, Thành phố Vinh, Nghệ An
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khám phá Ứng dụng CFD cải tạo Nhà máy nước Hưng Vĩnh Tổng quan quan trọng

Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng và biến đổi khí hậu phức tạp, việc đảm bảo nguồn nước sạch và an toàn cho cộng đồng là một thách thức toàn cầu. Việt Nam cũng không nằm ngoài xu thế đó, đặc biệt tại các khu vực đang phát triển mạnh mẽ như Thành phố Vinh, Nghệ An. Nhà máy nước Hưng Vĩnh, một cơ sở cung cấp nước quan trọng, đối mặt với áp lực không ngừng trong việc nâng cao công suất và chất lượng dịch vụ. Để giải quyết các vấn đề kỹ thuật phức tạp phát sinh trong quá trình cải tạo nhà máy nước, công nghệ Mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD) đã nổi lên như một công cụ đột phá, mang lại hiệu quả tối ưu hóa vượt trội.

Bài viết này sẽ đi sâu vào ứng dụng CFD cải tạo nhà máy nước Hưng Vĩnh, phân tích cách công nghệ tiên tiến này hỗ trợ các kỹ sư trong việc nâng công suất nhà máy nước và thiết kế cải tạo hệ thống xử lý nước một cách khoa học và chính xác. Nghiên cứu của tác giả Hoàng Anh Tuấn (2023) từ Đại học Thủy Lợi, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thế Anh, là một ví dụ điển hình về việc khai thác tiềm năng của phần mềm mô phỏng CFD để giải quyết các bài toán kỹ thuật thực tế. Việc tích hợp CFD giúp hình dung dòng chảy, đánh giá hiệu suất thiết bị và đưa ra các giải pháp cải tiến dựa trên dữ liệu định lượng, giảm thiểu rủi ro và tối ưu hóa chi phí. Sự thành công của dự án ứng dụng CFD cải tạo nhà máy nước Hưng Vĩnh không chỉ khẳng định vai trò của công nghệ này mà còn mở ra hướng đi mới cho ngành cấp thoát nước Việt Nam trong tương lai.

1.1. Bối cảnh và tính cấp thiết của việc nâng cấp hạ tầng cấp nước hiện nay

Sự gia tăng dân số và phát triển kinh tế đòi hỏi nguồn cung cấp nước sạch ổn định và đủ lớn. Các nhà máy nước hiện hữu, bao gồm cả Nhà máy nước Hưng Vĩnh, thường được xây dựng từ lâu với công nghệ cũ, khó đáp ứng được các tiêu chuẩn ngày càng khắt khe về chất lượng nước và nhu cầu sử dụng. Việc nâng công suất nhà máy nước không chỉ là mở rộng quy mô mà còn là tối ưu hóa toàn bộ quy trình xử lý. Điều này đặc biệt cấp thiết tại Thành phố Vinh, nơi tốc độ đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ. Nâng cấp hạ tầng cấp nước giúp đảm bảo an ninh nguồn nước, phòng chống dịch bệnh và nâng cao chất lượng cuộc sống cho người dân. Các giải pháp cải tạo phải được cân nhắc kỹ lưỡng về hiệu quả kỹ thuật, kinh tế và môi trường, tránh lãng phí nguồn lực và đảm bảo tính bền vững.

1.2. Giới thiệu phần mềm CFD và vai trò chiến lược trong ngành nước

Mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD) là một công cụ mạnh mẽ sử dụng các phương trình toán học và thuật toán số để mô hình hóa và phân tích hành vi của chất lỏng. Trong ngành cấp thoát nước, ứng dụng CFD giúp các kỹ sư dự đoán và hình dung dòng chảy bên trong các công trình xử lý như bể phản ứng, bể lắng và bể lọc. Thay vì thử nghiệm tốn kém trên mô hình vật lý, CFD cung cấp một cái nhìn sâu sắc về các hiện tượng thủy động lực học, từ đó giúp tối ưu hóa thiết kế bể phản ứng, cải thiện hiệu quả bể lắng ngang và giảm thiểu các vùng chết (dead zones) hoặc dòng chảy ngắn (short-circuiting). Vai trò chiến lược của CFD nằm ở khả năng phân tích chi tiết, đưa ra các phương án cải tiến dựa trên dữ liệu định lượng, qua đó nâng cao hiệu suất tổng thể của công nghệ xử lý nước sạch.

II. Thách thức nâng cao hiệu suất xử lý Vấn đề tại Nhà máy nước Hưng Vĩnh

Nhà máy nước Hưng Vĩnh đóng vai trò thiết yếu trong việc cung cấp nước sạch cho Thành phố Vinh, Nghệ An. Tuy nhiên, theo thời gian, nhiều nhà máy nước tương tự đã bộc lộ những hạn chế đáng kể, đặc biệt khi nhu cầu sử dụng nước gia tăng và các tiêu chuẩn chất lượng ngày càng được nâng cao. Hiệu quả xử lý thấp, chi phí vận hành cao và khó khăn trong việc mở rộng công suất là những vấn đề cốt lõi mà các dự án cải tạo nhà máy nước phải đối mặt. Nghiên cứu chuyên sâu, như luận văn của Hoàng Anh Tuấn (2023), đã chỉ ra rằng việc thiếu một công cụ phân tích toàn diện là một rào cản lớn trong việc đưa ra các giải pháp tối ưu. Điều này dẫn đến sự cần thiết của các phương pháp tiếp cận hiện đại như ứng dụng CFD cải tạo nhà máy nước Hưng Vĩnh.

Các hạng mục như bể phản ứng, bể lắng và bể lọc, vốn là trái tim của mọi nhà máy nước sạch, thường không hoạt động ở hiệu suất tối đa do thiết kế ban đầu hoặc các yếu tố vận hành. Dòng chảy không đều, sự hình thành các vùng chết hoặc xáo trộn không mong muốn có thể làm giảm hiệu quả keo tụ, lắng cặn và lọc. Từ đó, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước đầu ra và khả năng nâng công suất nhà máy nước. Việc thiếu khả năng quan sát và phân tích chi tiết các hiện tượng thủy động lực học bên trong các bể là một thách thức lớn. Đây chính là điểm mà mô phỏng CFD trong cấp nước phát huy tối đa giá trị, cung cấp cái nhìn sâu sắc giúp xác định chính xác các điểm yếu và đề xuất giải pháp cải thiện hiệu quả xử lý.

2.1. Hiện trạng và những hạn chế của công nghệ xử lý nước truyền thống

Công nghệ xử lý nước truyền thống tại nhiều nhà máy nước thường dựa trên các phương pháp thiết kế kinh nghiệm và quy tắc ngón tay cái. Mặc dù hiệu quả ở mức độ nhất định, chúng thường không tối ưu về mặt thủy động lực học. Các bể phản ứng có thể gặp vấn đề về trộn không đều, dẫn đến hiệu suất keo tụ thấp. Bể lắng ngang có thể xuất hiện dòng chảy ngắn, khiến một phần nước chưa được lắng triệt để đi thẳng vào hệ thống lọc. Bể lọc nhanh trọng lực cũng có thể bị giảm hiệu suất do phân phối nước không đồng đều. Những hạn chế này không chỉ làm giảm chất lượng nước đầu ra mà còn gây lãng phí hóa chất, tiêu thụ năng lượng cao và khó khăn khi muốn nâng công suất nhà máy nước một cách hiệu quả.

2.2. Nhu cầu cấp thiết về tăng công suất và chất lượng nước sạch cho khu vực

Với tốc độ đô thị hóa nhanh chóng của Thành phố Vinh, Nhà máy nước Hưng Vĩnh phải đối mặt với áp lực ngày càng tăng để đáp ứng nhu cầu nước sạch. Công suất thiết kế ban đầu có thể không còn phù hợp, trong khi yêu cầu về chất lượng nước ngày càng nghiêm ngặt. Việc tăng công suất nhà máy nước không chỉ đơn thuần là xây thêm bể mà còn là tối ưu hóa từng khâu trong quy trình hiện có. Điều này đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật tiên tiến, có khả năng phân tích sâu rộng để xác định các điểm nghẽn và cải thiện hiệu suất mà không cần đầu tư quá lớn vào việc xây dựng mới hoàn toàn. Mô phỏng CFD trong cấp nước chính là chìa khóa để giải quyết vấn đề này, cung cấp cái nhìn chi tiết về cách tối ưu hóa các thành phần hiện tại.

III. Giải pháp đột phá Hướng dẫn Ứng dụng CFD cải tạo Nhà máy nước Hưng Vĩnh

Việc ứng dụng CFD cải tạo nhà máy nước Hưng Vĩnh đại diện cho một bước tiến quan trọng trong ngành kỹ thuật cấp thoát nước, đặc biệt trong việc thiết kế cải tạo hệ thống xử lý nước nhằm nâng công suất nhà máy nước. Mô phỏng CFD cung cấp khả năng phân tích chi tiết dòng chảy của chất lỏng trong các cấu trúc phức tạp, từ đó đưa ra những đánh giá định lượng và giải pháp tối ưu cho từng hạng mục công trình. Đây là phương pháp khoa học giúp giảm thiểu các rủi ro, tiết kiệm chi phí thử nghiệm và tăng hiệu quả của quá trình cải tạo.

Quy trình ứng dụng phần mềm CFD thường bắt đầu từ việc xây dựng mô hình 3D của các bể xử lý hiện có hoặc thiết kế mới. Tiếp theo là xác định các điều kiện biên và các thông số vật lý của nước và chất cặn. Sau khi mô hình được thiết lập, phần mềm sẽ giải các phương trình động lực học chất lỏng để tái tạo lại hành vi dòng chảy bên trong bể. Các kết quả mô phỏng, bao gồm vận tốc, áp suất, nồng độ chất keo tụ, v.v., được phân tích kỹ lưỡng. Dựa trên phân tích này, các kỹ sư có thể nhận diện các vùng kém hiệu quả, đề xuất các thay đổi về hình dạng bể, vị trí vách ngăn, hoặc hệ thống trộn, nhằm tối ưu hóa bể phản ứng và cải thiện hiệu quả bể lắng ngang. Phương pháp này đã được chứng minh là hiệu quả, giúp Nhà máy nước Hưng Vĩnh đạt được mục tiêu tăng công suất và nâng cao chất lượng nước sạch.

3.1. Nguyên lý hoạt động và quy trình mô phỏng động lực học chất lỏng CFD

Nguyên lý cơ bản của CFD là chia không gian nghiên cứu thành các phần tử nhỏ (lưới), sau đó áp dụng các phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng (phương trình Navier-Stokes) cho từng phần tử. Các phương trình này được giải bằng các thuật toán số lặp đi lặp lại. Quy trình mô phỏng CFD bao gồm các bước chính: tạo mô hình hình học 3D của đối tượng (ví dụ: bể phản ứng, bể lắng), chia lưới mô hình, thiết lập điều kiện biên (lưu lượng vào/ra, tính chất vật liệu), chọn mô hình vật lý (ví dụ: mô hình turbulence, mô hình pha), giải bài toán và cuối cùng là phân tích kết quả. Việc ứng dụng phần mềm CFD cho phép kiểm tra nhiều kịch bản thiết kế khác nhau một cách nhanh chóng và hiệu quả.

3.2. Lợi ích vượt trội của mô phỏng CFD trong tối ưu hóa thiết kế bể phản ứng

Trong quá trình keo tụ tại bể phản ứng, việc trộn đều hóa chất với nước thô là cực kỳ quan trọng. CFD cho phép các kỹ sư hình dung chính xác trường vận tốc và phân bố nồng độ chất keo tụ bên trong bể. Nhờ đó, có thể xác định các vùng có tốc độ trộn không đủ hoặc trộn quá mạnh, gây ảnh hưởng xấu đến quá trình hình thành bông cặn. Với mô phỏng CFD, các nhà thiết kế có thể thử nghiệm các cấu hình vách ngăn, vị trí cánh khuấy, hoặc tốc độ khuấy khác nhau để tối ưu hóa bể phản ứng, đảm bảo sự hình thành bông cặn tối ưu, nâng cao hiệu quả keo tụ và giảm lượng hóa chất tiêu thụ. Điều này trực tiếp góp phần vào việc nâng công suất nhà máy nước và giảm chi phí vận hành.

3.3. Cải thiện hiệu quả lắng với CFD Nâng cao thiết kế bể lắng ngang

Bể lắng ngang là giai đoạn quan trọng để loại bỏ bông cặn đã hình thành. Hiệu quả của bể lắng phụ thuộc vào việc kiểm soát dòng chảy để đảm bảo hạt cặn có đủ thời gian lắng xuống đáy. Mô phỏng CFD giúp phân tích các dòng chảy rối, dòng chảy ngắn và các vùng chết trong bể lắng. Bằng cách điều chỉnh vị trí và hình dạng của tấm chắn, vách ngăn hoặc cửa vào/ra, các kỹ sư có thể sử dụng CFD để cải thiện hiệu quả bể lắng ngang, giảm thiểu sự xáo trộn, kéo dài thời gian lưu nước hiệu dụng và tăng tỷ lệ loại bỏ cặn. Từ đó, ứng dụng CFD cải tạo nhà máy nước Hưng Vĩnh đã giúp tối ưu hóa thiết kế bể lắng, nâng cao chất lượng nước sau lắng trước khi đưa vào bể lọc, một bước quan trọng trong việc nâng công suất nhà máy nước.

IV. Kết quả thực tiễn Hiệu quả ứng dụng CFD cải tạo Nhà máy nước Hưng Vĩnh

Dự án ứng dụng CFD cải tạo Nhà máy nước Hưng Vĩnh, dựa trên nền tảng nghiên cứu của Hoàng Anh Tuấn (2023), đã mang lại những kết quả thực tiễn ấn tượng, khẳng định hiệu quả của mô phỏng CFD trong cấp nước. Bằng cách áp dụng phần mềm mô phỏng động lực học dòng chảy, các nhà nghiên cứu và kỹ sư đã có thể phân tích chi tiết các vấn đề tồn tại trong hệ thống xử lý nước hiện hữu và đề xuất các giải pháp cải tiến có cơ sở khoa học. Việc này không chỉ giải quyết các hạn chế về công nghệ mà còn tối ưu hóa hiệu suất vận hành, góp phần quan trọng vào việc nâng công suất nhà máy nước Hưng Vĩnh.

Một trong những thành công nổi bật là khả năng phân tích sâu rộng các phương án thiết kế mà không cần xây dựng mô hình vật lý tốn kém. CFD cho phép so sánh hiệu quả của các cấu hình bể phản ứng, bể lắng và bể lọc khác nhau. Kết quả mô phỏng đã giúp xác định được thiết kế tối ưu nhất, vừa đảm bảo hiệu quả xử lý, vừa phù hợp với điều kiện thực tế của Nhà máy nước Hưng Vĩnh. Luận văn của Hoàng Anh Tuấn đã đề xuất các phương án cải tạo cụ thể, bao gồm việc điều chỉnh kết cấu bên trong bể và tối ưu hóa vị trí các thiết bị, để cải thiện đáng kể quá trình keo tụ, lắng và lọc. Các phương án này không chỉ giúp đạt được mục tiêu nâng công suất nhà máy nước mà còn nâng cao chất lượng nước đầu ra, đáp ứng các tiêu chuẩn ngày càng cao. Đây là minh chứng rõ ràng cho lợi ích của ứng dụng CFD cải tạo nhà máy nước Hưng Vĩnh trong việc đưa ra các quyết định thiết kế và đầu tư thông minh.

4.1. Phân tích mô hình CFD cho các hạng mục cải tạo chính tại Hưng Vĩnh

Trong khuôn khổ dự án cải tạo Nhà máy nước Hưng Vĩnh, mô phỏng CFD đã được áp dụng cho các hạng mục trọng điểm như bể phản ứng, bể lắng ngang và bể lọc nhanh trọng lực. Đối với bể phản ứng, các mô hình CFD đã đánh giá sự phân bố gradient vận tốc và thời gian lưu, từ đó xác định các vùng trộn không hiệu quả và đề xuất điều chỉnh vách ngăn, vị trí cánh khuấy. Kết quả cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong hiệu suất keo tụ. Với bể lắng ngang, CFD giúp trực quan hóa dòng chảy, nhận diện các khu vực có dòng chảy ngắn và vùng chết, từ đó đưa ra các giải pháp như lắp đặt thêm tấm lắng Lamella để cải thiện hiệu quả bể lắng ngang đáng kể. Đối với bể lọc, CFD hỗ trợ đánh giá phân phối nước đồng đều trên mặt lọc, đảm bảo hiệu suất lọc tối ưu.

4.2. Đánh giá các phương án nâng công suất và tối ưu chi phí đầu tư

Dựa trên kết quả mô phỏng CFD, luận văn của Hoàng Anh Tuấn (2023) đã đánh giá ba phương án nâng công suất nhà máy nước Hưng Vĩnh. Mỗi phương án đều được phân tích kỹ lưỡng về hiệu quả kỹ thuật và khả năng tối ưu hóa chi phí đầu tư. CFD giúp dự đoán hiệu suất của từng phương án trước khi triển khai, từ đó chọn ra giải pháp tối ưu nhất, giảm thiểu rủi ro và tiết kiệm nguồn lực. Ví dụ, việc cải tạo bể lắng bằng tấm Lamella được chứng minh qua CFD là một giải pháp hiệu quả, cho phép tăng công suất mà không cần mở rộng diện tích đáng kể. Phân tích kinh tế kèm theo các phương án kỹ thuật do CFD hỗ trợ đã cung cấp cơ sở vững chắc cho việc ra quyết định đầu tư, đảm bảo tính khả thi và bền vững của dự án ứng dụng CFD cải tạo nhà máy nước Hưng Vĩnh.

4.3. Tác động của CFD đến chất lượng nước sau xử lý và năng lực cung cấp

Tác động tích cực của ứng dụng CFD cải tạo nhà máy nước Hưng Vĩnh thể hiện rõ qua sự cải thiện chất lượng nước sau xử lý và năng lực cung cấp. Nhờ các giải pháp tối ưu hóa từ mô phỏng CFD, quá trình keo tụ, lắng và lọc diễn ra hiệu quả hơn, dẫn đến giảm đáng kể các chỉ số như độ đục, màu sắc và hàm lượng chất rắn lơ lửng trong nước đầu ra. Điều này không chỉ giúp Nhà máy nước Hưng Vĩnh đáp ứng tốt hơn các tiêu chuẩn nước sạch quốc gia mà còn nâng cao uy tín và sự tin cậy từ phía người tiêu dùng. Đồng thời, việc nâng công suất nhà máy nước một cách hiệu quả giúp tăng cường khả năng cung cấp nước ổn định cho Thành phố Vinh, đảm bảo đủ nước sạch phục vụ nhu cầu sinh hoạt và sản xuất, hỗ trợ phát triển kinh tế - xã hội bền vững.

V. Tương lai ngành nước Tiềm năng phát triển bền vững với Ứng dụng CFD

Ứng dụng CFD cải tạo nhà máy nước Hưng Vĩnh không chỉ là một dự án thành công riêng lẻ mà còn là minh chứng mạnh mẽ cho tiềm năng to lớn của Mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD) trong ngành cấp thoát nước. Thành công này mở ra một kỷ nguyên mới, nơi các quyết định kỹ thuật được hỗ trợ bởi dữ liệu và phân tích chính xác, thay vì chỉ dựa vào kinh nghiệm hoặc các phương pháp thử và sai tốn kém. CFD đang định hình lại cách chúng ta tiếp cận việc thiết kế cải tạo hệ thống xử lý nước và nâng công suất nhà máy nước, hướng tới sự bền vững và hiệu quả cao hơn.

Nhìn về tương lai, việc tích hợp sâu rộng phần mềm mô phỏng CFD vào quy trình lập kế hoạch, thiết kế và vận hành các nhà máy nước sạch là điều tất yếu. Công nghệ này không chỉ giúp giải quyết các thách thức hiện tại mà còn chuẩn bị cho những yêu cầu ngày càng phức tạp của một thế giới đang thay đổi. Từ việc tối ưu hóa hiệu quả sử dụng hóa chất, giảm tiêu thụ năng lượng đến việc nâng cao tuổi thọ công trình và chất lượng nước đầu ra, ứng dụng CFD mang lại giá trị vượt trội. Các nghiên cứu tiếp theo, dựa trên nền tảng như luận văn của Hoàng Anh Tuấn (2023), sẽ tiếp tục khám phá và phát triển các mô hình CFD phức tạp hơn, tích hợp với trí tuệ nhân tạo và học máy để đạt được hiệu suất tối ưu chưa từng có. Việc phổ biến và khuyến khích ứng dụng CFD cải tạo nhà máy nước trên toàn quốc sẽ là bước đi chiến lược, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành cấp nước Việt Nam.

5.1. Tổng kết những thành công và bài học kinh nghiệm từ dự án Hưng Vĩnh

Dự án ứng dụng CFD cải tạo nhà máy nước Hưng Vĩnh đã gặt hái nhiều thành công đáng kể. Nổi bật là khả năng nâng công suất nhà máy nước một cách hiệu quả và cải thiện chất lượng nước đầu ra. Bài học kinh nghiệm quan trọng rút ra là vai trò không thể thiếu của phần mềm mô phỏng CFD trong việc phân tích chi tiết, đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu, và giảm thiểu rủi ro. Việc hợp tác giữa các nhà khoa học (như tác giả Hoàng Anh Tuấn và TS. Nguyễn Thế Anh) và đơn vị vận hành cũng là yếu tố then chốt. Dự án đã chứng minh rằng đầu tư vào công nghệ hiện đại như CFD sẽ mang lại lợi ích lâu dài về kinh tế và môi trường, đồng thời tạo tiền đề cho các dự án thiết kế cải tạo hệ thống xử lý nước tương lai.

5.2. Khuyến nghị mở rộng ứng dụng CFD cải tạo nhà máy nước trên toàn quốc

Từ thành công của ứng dụng CFD cải tạo nhà máy nước Hưng Vĩnh, việc mở rộng ứng dụng CFD sang các nhà máy nước khác trên toàn quốc là một khuyến nghị mạnh mẽ. Để đạt được điều này, cần có sự đầu tư vào đào tạo nhân lực chuyên sâu về mô phỏng CFD trong cấp nước, cùng với việc trang bị các phần mềm mô phỏng động lực học dòng chảy hiện đại. Chính phủ và các cơ quan quản lý cần có chính sách khuyến khích nghiên cứu và triển khai công nghệ này, tạo điều kiện cho các doanh nghiệp tiếp cận và áp dụng CFD vào các dự án nâng công suất nhà máy nước và cải thiện hiệu quả xử lý. Việc chuẩn hóa quy trình ứng dụng CFD cũng sẽ đảm bảo tính đồng nhất và chất lượng cho các dự án trên toàn quốc, góp phần vào mục tiêu cung cấp nước sạch bền vững cho mọi người dân.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Vinh đang trong giai đoạn chuyển mình mạnh mẽ theo đề án phát triển đô thị trung tâm vùng Bắc Trung Bộ với quy hoạch mở rộng địa giới hành chính lên đến 205 đến 250 km² và quy mô dân số dự kiến đạt 800.000 người vào năm 2030. Sự gia tăng dân số cơ học và tốc độ phát triển công nghiệp nhanh chóng đã tạo ra áp lực khổng lồ lên hệ thống hạ tầng kỹ thuật đô thị, đặc biệt là mạng lưới cấp nước sạch sinh hoạt. Hiện tại, Nhà máy nước Hưng Vĩnh là cơ sở sản xuất nước sạch quy mô lớn nhất cung cấp cho 23 trên 25 phường, xã của thành phố Vinh với số lượng cư dân phục vụ khoảng 350.000 người. Tuy nhiên, tổng công suất thực tế phát mạng hiện chỉ đạt khoảng 80.000 m³/ngày đêm, đáp ứng chưa đầy 70% tổng nhu cầu sử dụng thực tế của nhân dân và các khu công nghiệp phụ cận.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá toàn diện hiện trạng dây chuyền xử lý, từ đó ứng dụng công nghệ mô phỏng động lực học dòng chảy CFD để thiết kế cải tạo, tối ưu hóa các công trình đơn vị nhằm tăng thêm 20.000 m³/ngày đêm công suất xử lý nước sạch. Phạm vi không gian nghiên cứu tập trung trực tiếp tại dây chuyền xử lý của Nhà máy nước Hưng Vĩnh và mạng lưới cấp nước trên địa bàn tỉnh Nghệ An trong giai đoạn tính toán đến năm 2030. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp doanh nghiệp cấp nước tiết kiệm hàng chục tỷ đồng chi phí xây mới, nâng cao chất lượng nguồn nước đạt chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT, đồng thời tăng tỷ lệ bao phủ dịch vụ cấp nước sạch đạt trên 95% diện tích đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên hệ thống lý thuyết thủy lực chuyên sâu kết hợp các mô hình toán học hiện đại trong công nghệ môi trường:

• Lý thuyết động lực học chất lưu tính toán (CFD) dựa trên hệ phương trình vi phân Navier-Stokes kết hợp mô hình dòng chảy rối K-epsilon (k-ε) tiêu chuẩn. Lý thuyết này cho phép mô phỏng chính xác trường vận tốc, áp suất dòng chảy và hiện tượng ngắn dòng trong các bể xử lý nước.
• Lý thuyết lắng trọng lực trong môi trường dòng tầng và hiệu ứng lắng tấm nghiêng Lamella với góc nghiêng tiêu chuẩn 60 độ. Mô hình này chứng minh diện tích lắng hiệu dụng tăng lên gấp 2 đến 3 lần so với bể lắng ngang truyền thống mà không cần mở rộng diện tích xây dựng.
• Lý thuyết lọc qua tầng hạt xốp đa tầng (dual-media filtration) kết hợp than anthracite và cát thạch anh. Nguyên lý vận hành dựa trên cơ chế giữ cặn theo chiều sâu lớp vật liệu, tối ưu hóa độ rỗng từ 0,45 lên 0,55 để giảm thiểu tổn thất áp lực.
• Khái niệm Gradient vận tốc khuấy trộn G (s⁻¹), chỉ số tiêu hao năng lượng khuấy trộn và hệ số tích lũy cặn trong buồng phản ứng tạo bông.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu khảo sát thực tế chất lượng nguồn nước thô sông Lam với độ đục dao động từ 3 đến 200 NTU, hàm lượng cặn lơ lửng trung bình 200 mg/l. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 10 nhóm kích thước hạt cặn với vận tốc lắng phân bố từ 0,2 mm/s đến 1,5 mm/s, cùng số liệu đo đạc lưu lượng thực tế theo 24 khung giờ trong ngày từ hệ thống phân phối hiện hữu. Phương pháp chọn mẫu là phương pháp quan trắc liên tục và lấy mẫu tích hợp tại các điểm xung yếu của cụm xử lý theo tiêu chuẩn ngành.

Phương pháp phân tích mô hình hóa số CFD bằng phần mềm Ansys CFX và Fluent được lựa chọn nhờ khả năng trực quan hóa chính xác các vùng xoáy cục bộ, dự báo đường cong dòng chảy mà phương pháp tính toán giải tích cổ điển không thể thực hiện. Bên cạnh đó, phương pháp phân tích chi phí - lợi ích (CBA) được áp dụng để đánh giá tài chính thông qua tỷ số B/C, tỷ suất chiết khấu 12%/năm trong chu kỳ khai thác 20 năm, đảm bảo tính khả thi cao nhất cho dự án đầu tư.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng số và phân tích kỹ thuật đã đem lại các phát hiện khoa học mang tính đột phá:

• Tại bể phản ứng: Việc bố trí hệ thống 36 bộ vách ngăn thủy lực bằng tấm nhựa PVC đã tạo ra gradient khuấy trộn suy giảm tối ưu qua 3 ngăn (từ 60 s⁻¹, 45 s⁻¹ xuống 25 s⁻¹). Dòng xoáy cục bộ giảm 85%, thời gian lưu nước hữu ích tăng từ 12 phút lên 18 phút, thúc đẩy quá trình keo tụ tạo bông cặn lớn đạt hiệu suất 96%.
• Tại bể lắng ngang: Khi tích hợp 540 m² khối tấm lắng Lamella góc nghiêng 60 độ, hiệu suất lắng cặn tổng thể tăng từ 68% lên 93,7%. Hàm lượng cặn lơ lửng sau lắng giảm mạnh từ 200 mg/l xuống chỉ còn 12,6 mg/l với tải trọng bề mặt đạt 5,3 m³/m².h.
• Tại bể lọc nhanh trọng lực: Chuyển đổi từ lọc 1 lớp cát sang lọc 2 lớp (108 m³ than anthracite dày 400 mm phía trên lớp cát thạch anh dày 800 mm) giúp nâng vận tốc lọc thiết kế từ 6,5 m/h lên 11,4 m/h. Chu kỳ làm việc của bể lọc kéo dài vượt bậc lên đến 34,5 đến 42 giờ trước khi cần rửa lọc.
• Tại trạm bơm cấp 2: Lắp đặt bổ sung 2 tổ máy bơm công suất 1.000 m³/h, động cơ 160 kW kết hợp tuyến ống hút gom DN700 đã giải quyết triệt để hiện tượng xâm thực khí và tổn thất áp lực đầu hút.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu mô phỏng được thể hiện trực quan qua các biểu đồ phân bố vận tốc (velocity contour) và trường nồng độ hạt cặn, cho thấy các vùng góc chết thủy lực đã được triệt tiêu hoàn toàn. Hiệu quả xử lý của bể lắng tăng lên vượt bậc nhờ việc thu hẹp khoảng cách lắng cặn giữa các bản nghiêng Lamella, phù hợp tuyệt đối với các kết luận từ các công trình nghiên cứu quốc tế về động lực học dòng chảy trong công trình cấp nước.

+------------------+-------------------+-------------------+-------------------+
| Tiêu chí         | Phương án 1 (PVC) | Phương án 2 (Cặn) | Phương án 3 (Cơ)  |
+------------------+-------------------+-------------------+-------------------+
| Hiệu suất lắng   | 93,7%             | 93,5%             | 93,5%             |
| Vận tốc lọc      | 11,4 m/h          | 9,2 m/h           | 9,2 m/h           |
| Chi phí trạm     | 13,845 tỷ đồng    | 13,912 tỷ đồng    | 18,520 tỷ đồng    |
| Tổng mức đầu tư  | 129,500 tỷ đồng   | 129,567 tỷ đồng   | 134,175 tỷ đồng   |
| Doanh thu/năm    | 69,913 tỷ đồng    | 69,913 tỷ đồng    | 69,913 tỷ đồng    |
| Tỷ số B/C        | 1,62              | 1,58              | 1,41              |
+------------------+-------------------+-------------------+-------------------+

So sánh phân tích kinh tế giữa 3 phương án cho thấy Phương án 1 (vách ngăn thủy lực + Lamella + lọc 2 lớp) vượt trội hoàn toàn với tỷ số B/C đạt 1,62 (cao hơn Phương án 2 là 1,58 và Phương án 3 là 1,41). Nhờ tận dụng tối đa kết cấu công trình bê tông hiện trạng và giảm chi phí vận hành động cơ điện khuấy, phương án này đảm bảo khả năng thu hồi vốn nhanh và an toàn tuyệt đối về mặt kỹ thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hiện thực hóa giải pháp nâng công suất nhà máy nước, các biện pháp kỹ thuật và quản lý cụ thể được đề xuất triển khai:

• Cải tạo cụm bể phản ứng bằng vách ngăn thủy lực PVC: Thi công lắp đặt 36 bộ vách nhựa PVC dày 10 mm gắn trên hệ khung dầm thép SS400 mạ kẽm nhúng nóng. Mục tiêu đạt gradient khuấy trộn từ 25 đến 60 s⁻¹ mà không tiêu hao điện năng, thời gian hoàn thành trong 45 ngày do Công ty Cổ phần Cấp nước Nghệ An chủ trì.
• Nâng cấp bể lắng ngang bằng công nghệ tấm lắng Lamella: Lắp đặt 540 m² module tấm lắng Lamella PVC khử tĩnh điện, góc nghiêng 60 độ về phía cuối bể. Mục tiêu nâng hiệu suất lắng cặn đạt trên 93%, tiến độ thực hiện trong 60 ngày.
• Chuyển đổi công nghệ bể lọc nhanh sang hệ 2 lớp vật liệu: Bổ sung 108 m³ than anthracite hoạt tính cỡ hạt 1,2 đến 2,0 mm kết hợp lớp cát thạch anh tiêu chuẩn, thay mới cụm van bướm điều khiển tuyến tính điện DN400. Mục tiêu duy trì vận tốc lọc ổn định 11,4 m/h, hoàn thành trong vòng 30 ngày.
• Nâng cấp công suất trạm bơm cấp 2 và số hóa hệ thống giám sát SCADA: Lắp đặt 2 tổ bơm nước sạch 1.000 m³/h, mở rộng tuyến ống gom DN700, bổ sung cảm biến đo độ đục online và tự động hóa điều khiển van. Thời gian ngắt nước đấu nối tối đa không quá 12 giờ vào khung giờ ban đêm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu cung cấp giá trị tham khảo chuyên môn sâu sắc cho nhiều nhóm đối tượng hoạt động trong ngành nước:

• Kỹ sư thiết kế và chuyên gia công nghệ cấp thoát nước: Khai thác phương pháp ứng dụng phần mềm CFD để tính toán thủy lực chi tiết, số hóa quy trình thiết kế bể phản ứng, bể lắng Lamella và bể lọc đa tầng nhằm tối ưu chi phí dự án.
• Ban lãnh đạo và cán bộ kỹ thuật các công ty cấp nước đô thị: Ứng dụng giải pháp cải tạo nâng công suất tại chỗ cho các nhà máy nước lâu năm mà không cần giải phóng mặt bằng mở rộng diện tích xây dựng.
• Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Hạ tầng, Kỹ thuật Môi trường: Sử dụng làm tài liệu học thuật tiêu chuẩn về mô hình hóa động lực học dòng chảy và phương pháp phân tích tài chính chi phí - lợi ích (CBA) trong các dự án công trình hạ tầng kỹ thuật.
• Các cơ quan quản lý nhà nước và đơn vị quy hoạch đô thị: Tham khảo số liệu dự báo nhu cầu dùng nước, định mức kỹ thuật và chiến lược phát triển hạ tầng cấp nước phục vụ các đề án sáp nhập, mở rộng đô thị loại 1.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao ứng dụng mô phỏng CFD lại tối ưu hơn tính toán thủy lực truyền thống?

Mô phỏng CFD giải quyết các phương trình dòng chảy thực tế trong không gian ba chiều, giúp phát hiện chính xác các hiện tượng ngắn dòng, góc chết thủy lực và phân bố vận tốc hạt cặn. Phương pháp truyền thống chỉ áp dụng các công thức kinh nghiệm trung bình, dễ dẫn đến sai số thiết kế và làm giảm 15 đến 20% hiệu quả xử lý thực tế của công trình.

Việc lắp đặt tấm lắng Lamella giúp tăng công suất bể lắng ngang như thế nào?

Khối Lamella với các tấm nghiêng 60 độ làm giảm chiều cao lắng từ vài mét xuống chỉ còn vài centimet theo lý thuyết lắng mỏng của Hazelton. Nhờ đó, diện tích lắng hữu dụng tăng lên gấp 2,1 lần, giúp tăng tải trọng thủy lực bề mặt lên 5,3 m³/m².h và đảm bảo hiệu suất tách cặn luôn đạt trên 93% với nguồn nước thô sông Lam.

Bể lọc nhanh hai lớp vật liệu có ưu điểm gì vượt trội so với bể lọc cát một lớp?

Bể lọc 2 lớp sử dụng than anthracite cỡ hạt lớn phía trên cát thạch anh cỡ hạt nhỏ, cho phép giữ cặn trên toàn bộ chiều sâu lớp vật liệu thay vì chỉ tắc nghẽn ở bề mặt. Cấu trúc này giúp tăng vận tốc lọc lên 11,4 m/h, kéo dài chu kỳ làm việc lên đến 34,5 giờ và giảm 40% lượng nước dùng để rửa lọc.

Tổng mức đầu tư cải tạo theo Phương án 1 là bao nhiêu và tính khả thi tài chính ra sao?

Tổng mức vốn đầu tư toàn diện của Phương án 1 là 129,5 tỷ đồng, trong đó chi phí cải tạo nội bộ trạm xử lý là 13,845 tỷ đồng và phần còn lại dành cho phát triển mạng lưới phục vụ 17.550 hộ dân mới. Dự án mang lại doanh thu định kỳ 69,913 tỷ đồng/năm với tỷ số lợi ích trên chi phí B/C đạt 1,62, khẳng định tính khả thi tài chính rất cao.

Thời gian dừng hoạt động của nhà máy trong quá trình thi công cải tạo là bao lâu?

Quá trình thi công được module hóa tối đa với các cấu kiện gia công sẵn bên ngoài công trường. Các hạng mục bể phản ứng, bể lắng và bể lọc được thi công cuốn chiếu từng đơn nguyên song song. Riêng công tác đấu nối đường ống trạm bơm cấp 2 chỉ yêu cầu dừng vận hành trạm tối đa 12 giờ vào ban đêm, đảm bảo không làm gián đoạn nguồn cấp nước sinh hoạt đô thị.

Kết luận

• Đánh giá toàn diện hiện trạng cấp nước thành phố Vinh và xác định giải pháp cấp thiết phải nâng công suất Nhà máy nước Hưng Vĩnh thêm 20.000 m³/ngày đêm nhằm đáp ứng nhu cầu mở rộng đô thị đến năm 2030.
• Ứng dụng thành công công cụ mô phỏng CFD để tối ưu hóa hình học bể phản ứng vách ngăn thủy lực, nâng hiệu suất bể lắng Lamella đạt 93,7% và tăng tốc độ lọc nhanh 2 lớp lên 11,4 m/h.
• Chứng minh tính ưu việt vượt trội của Phương án 1 qua phân tích chi phí - lợi ích CBA với tổng mức đầu tư 129,5 tỷ đồng, tỷ số B/C đạt 1,62 cao nhất trong các kịch bản so sánh.
• Đề xuất lộ trình triển khai chi tiết từ khâu gia công thiết bị, lắp đặt cuốn chiếu đến kiểm soát chất lượng nước đầu ra đạt chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT mà chỉ cần gián đoạn cấp nước tối đa 12 giờ.
• Mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo về việc số hóa tự động hóa SCADA toàn diện và tối ưu hóa thủy lực mạng lưới đường ống cấp 2, cấp 3 trên toàn địa bàn thành phố Vinh mở rộng.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã thiết lập một quy trình chuẩn mực kết hợp giữa mô phỏng số học CFD và phân tích kinh tế kỹ thuật trong công tác cải tạo nhà máy nước tại Việt Nam. Quý độc giả, các đơn vị quản lý cấp nước và nhà nghiên cứu quan tâm có thể ứng dụng trực tiếp mô hình này để nâng cao hiệu quả vận hành hạ tầng nước sạch tại địa phương.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu có liên quan 1.1 Các công trình nghiên cứu của tác giả nước ngoài Việc sử dụng các phần mềm mô phỏng động lực học dòng chảy (CFD) đã và đang được áp dụng rộng rãi trên thế giới. Đây là nội dung mà được rất nhiều các tác giả nước ngoài quan tâm và đi sâu vào nghiên cứu để áp dụng trong công tác xây dựng các giải pháp cải tiến, nâng cấp hệ thống cấp nước nói chung và các thiết bị cho quá trình xử lý nước nói riêng. Nghiên cứu “Computational Fluid Dynamics Study on Attainable Flow Rate in a Lamella Settler by Increasing Inclined Plates” được thực hiện bởi Nguyễn Thế Anh, TERASHIMA Mitsuharu cùng các cộng sự (2019) đã sử dụng phần mềm CFD để mô phỏng quá trình lắng bông cặn trong bể lắng ngang. Bể lắng ngang được lắp đặt các tấm Lamella có góc nghiêng 60 độ để tăng diện tích bề mặt lắng cặn.

Tác giả đã đưa ra các giả định về khoảng cách giữa các tấm lắng, chiều cao tấm lắng và số lượng tấm lắng để kiểm tra sự tối ưu trong việc sắp xếp các tấm Lamella. Đồng thời các bông cặn được chia thành các nhóm vận tốc lắng để mô phỏng lại khả năng lắng của các dạng bông cặn khác nhau [1]. Kết quả nghiên cứu cho thấy để tăng 1.5 lần công suất xử lý của bể lắng thì cần phải tăng 2.1 lần diện tích lắng. Nghiên cứu “Application of Computational Fluid Dynamics Modelling to a Horizontal Sedimentation Tank in Iraq” của Ghawi AH (2017) đã lựa chọn nhà máy xử lý nước sạch S_WTP tại Iraq để áp dụng phương pháp mô hình hóa.

Bể lắng ngang được vận hành tại nhà máy là bể lắng ngang truyền thống, không sử dụng các tấm Lamella, nước sau lắng được thu bằng các ống thu nước đục lỗ. Tác giả đã sử dụng 1 bể lắng để giảm khối lượng tính toán cho máy tính. Trong đó, bể lắng được lắp đặt tấm vách ngăn (baffle) tại vị trí nước vào bể lắng, tại đáy bể lắng và lắp đặt máng thu nước răng cưa tại phía cuối bể lắng. Ngoài ra, mô hình K-epsilon đã được Zhou, S.

Kết quả của nghiên cứu cho thấy sự phân chia dòng chảy khi vào bể lắng có thể được cải thiện rõ rệt khi lắp tấm chắn dòng bằng vách đục lỗ. Các vách ngăn bố trí theo chiều dài bể lắng đã tối ưu được dòng chảy thủy lực trong bể lắng. Nghiên cứu “Numerical modeling of flow and settling in primary rectangular clarifiers” của tác giả Stamou AI, Adams EW, Rodi W (1989) đã có sự nghiên cứu kỹ lưỡng về khả năng áp dụng mô hình toán vào việc xác định quá trình lắng của chất rắn lơ lửng (SS) trong bể lắng hình chữ nhật. Mô hình được ứng dụng để tính toán dòng chảy, đường cong dòng chảy và trường hàm lượng chất rắn lơ lửng trong bể lắng sơ cấp của Thành phố Sarnia, Ontario, Canada cho các lưu lượng và vận tốc lắng khác nhau.

Nghiên cứu cũng đã cho thấy việc ứng dụng mô hình K-epsilon là mang lại hiệu quả để mô phỏng dòng chảy rối và cho kết quả đáng tin cậy. Kết quả của tác giả cho thấy tải trọng bề mặt (overflow rate) cho bể lắng ngang là 1. [4] Nghiên cứu “A novel CFD model to predict effluent solids concentration and pressure drop in deep bed granular filters for water treatment” bởi David Fernandes del Pozo và các cộng sự (2022) đã phát triển mô hình CFD để mô phỏng bể lọc sử dụng lớp vật liệu lọc dạng hạt. Một trong những vấn đề cần giải quyết của bể lọc sử dụng cát thạch anh là dự đoán một cách đáng tin cậy hiệu quả loại bỏ chất rắn lơ lửng và tổn thất áp lực qua lớp vật liệu lọc theo chu kỳ lọc.

Trong bài báo này, các nhà nghiên cứu đã đưa ra một mô hình CFD mới để dự đoán đồng thời nồng độ chất rắn sau khi lọc và sự tăng dần tổn thất thủy lực trong bể lọc nhanh trọng lực. Mô hình CFD được đánh giá dựa trên dữ liệu lọc quy mô phòng thí nghiệm ở các kích thước hạt và vận tốc lọc khác nhau. Kết quả nghiên cứu của tác giả cho thấy có sự đồng nhất giữa mô hình CFD với các quan sát thực tế [5]. Tác giả muốn nhấn mạnh sự phức tạp khi mô phỏng quá trình lọc và cần tiếp tục phát triển các mô hình CFD cho các bể lọc nhanh sử dụng vật liệu lọc dạng hạt.

Nghiên cứu “Particle-scale modelling of rapid granular filtration in a dual-media filter” được thực hiện bởi Zhouzun Xie và các cộng sự (2022) đã sử dụng phần mềm CFD và Phương pháp phần tử rời rạc (DEM) để mô hình hóa quá trình lọc của bể lọc sử dụng 2 lớp vật liệu lọc. Trong công trình này, quá trình lọc nhanh bằng 2 lớp vật liệu lọc (than anthracite và cát thạch anh) được nghiên cứu số lượng lớn bằng mô hình Động 6 lực học dòng chảy và Phương pháp phần tử rời rạc (CFD-DEM). Trong mô hình này, mô hình đa cầu và mô hình Johnson-Kendall-Roberts (JKR) được tích hợp để mô tả hình dạng than anthracite và sự gắn kết vật liệu tương ứng. Mô hình đã chứng minh được về sự tổn thất áp lực qua lớp vật liệu lọc và sự di chuyển của bông cặn qua các lớp vật liệu lọc.

Kết quả cho thấy chuyển động của bông cặn trong lớp than anthracite bị chi phối bởi sự lắng đọng, thâm nhập và liên kết, trong khi chuyển động của bông cặn trong lớp cát trải qua quá trình hình thành lõi, phát triển lõi và liên kết cụm. Sự phát triển của phần thể tích rắn Φ biểu thị giá trị bão hòa (0,67) tồn tại trong các lớp trên cùng của lớp vật liệu lọc. Các loại bông cặn nhỏ có xu hướng bị giữ lại trong lớp than anthracite và các loại bông cặn lớn bị giữ lại trong lớp cát. Sự phát triển mật độ của bông cặn bị giữ lại nv cho thấy lớp cát có độ bão hòa nsv = 0.21 trong lớp trên cùng và lớp than anthracite là nsv = 0.252, đạt được bằng phép ngoại suy [6].

Cuối cùng, một mô hình xác suất được sử dụng để định lượng việc tích lũy bông cặn bằng xác suất tích lũy. Sau khi kiểm tra, lớp cát có xác suất tắc nghẽn là 0.47 trong khi lớp than anthracite có xác suất tắc nghẽn là 0.2 Các công trình nghiên cứu của tác giả trong nước Đối với việc tính toán và thiết kế các công trình xử lý nước sạch hiện nay, các nhà nghiên cứu và thiết kế vẫn đang sử dụng phương pháp tiếp cận cơ bản đó là lập bảng tính bằng phần mềm Excel, hoặc sử dụng một số công cụ có tính năng tương đương. Cho đến thời điểm hiện tại, chưa có đề tài nghiên cứu nào áp dụng phần mềm mô phỏng động lực học dòng chảy (CFD) trong thiết kế cải tạo, nâng công suất cho nhà máy xử lý nước sạch. Dưới đây là một số công trình nghiên cứu về việc cải tạo nâng cấp công nhất nhà máy nước sạch, cải tạo khả năng xử lý của cụm xử lý trong nhà máy nước sạch và áp dụng phương pháp phân tích chi phí lợi ích (CBA) để lựa chọn giải pháp tối ưu.1 Các công trình nghiên cứu về cải tạo, nâng công suất nhà máy nước sạch Luận văn “Nghiên cứu và đề xuất thiết kế cải tạo nhà máy nước sạch Tiền Trung - thành phố Hải Dương” của tác giả Nguyễn Thiện Thuật (2015) đã đi sâu vào nghiên cứu giải pháp cải tạo nâng công suất cho nhà máy nước sạch từ 5.

Các hạng mục mà tác giả tập trung nghiên cứu bao gồm: bể lắng đứng có ngăn phản ứng trung tâm, bể lọc nhanh trọng lực, trạm bơm cấp 2, nhà hóa chất và 7 bể chứa. Đối với bể lắng đứng có ngăn phản ứng trung tâm, tác giả đã áp dụng công nghệ tấm lắng Lamella để nâng công suất cho bể lắng đứng. Để nâng công suất cho bể lọc nhanh trọng lực, tác giả đã đề xuất phương án sử dụng 2 lớp vật liệu lọc là cát thạch anh và than anthracite để tăng vận tốc lọc mà vẫn đảm bảo được chất lượng nước sau lọc. Ngoài ra, tác giả còn đề xuất lắp đặt thêm bơm cho trạm bơm cấp 2 và bơm định lượng hóa chất để đảm bảo công suất tương ứng với cụm xử lý.

Đề tài nghiên cứu sử dụng phương pháp tính toán thuần túy bằng các nguồn tài liệu tin cậy để đưa ra được các kết quả có tính thuyết phục. Sau khi đề xuất được hạng mục và khối lượng thiết bị đưa vào cải tạo, tác giả đã đưa ra khái toán và đánh giá hiệu quả chi phí đầu tư cho nhà máy [7]. Luận văn “Đánh giá hiện trạng – nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu suất xử lý nước cấp vào mùa lũ tại nhà máy nước Ái Nghĩa” của tác giả Trần Thư Thảo (2015) tập trung vào nội dung tìm kiếm giải pháp để cải tạo lại hệ thống châm hóa chất, bể lắng và bể lọc của nhà máy nước Ái Nghĩa. Luận văn đã sử dụng mô hình thực nghiệm để đánh giá hiệu quả của phương pháp đề ra.

Trong đó, mô hình 1 là mô hình bể lọc chậm sử dụng cát thạch anh, mô hình 2 là bể lọc nhanh sử dụng cát thạch anh, thời gian thực hiện kiểm tra khả năng hoạt động của 2 mô hình là 45 ngày. Ngoài ra, tác giả còn sử dụng tấm lắng lamella trong việc cải tạo bể lắng đứng để nâng cao khả năng lắng bông cặn của bể lắng. Kết quả thực nghiệm cho thấy việc sử dụng PAC làm hóa chất keo tụ, thay thế cát vàng bằng cát thạch anh và cải tạo bể lọc nhanh tự rửa thành bể lọc nhanh có hệ thống rửa lọc bằng gió nước kết hợp sẽ tăng được công suất xử lý mà vẫn giữ được chất lượng nước sau khi xử lý [8]. Luận văn “Giải pháp nâng cao hiệu quả lắng trong dây chuyền công nghệ xử lý nước cấp tại nhà máy nước Mộc Bắc tỉnh Hà Nam bằng công nghệ lắng Actiflo” của tác giả Bùi Văn Tuấn (2019) đã đi sâu nghiên cứu giải pháp áp dụng công nghệ lắng Actiflo® của công ty Veolia Water Technologies (Pháp) cho nhà máy nước sạch Mộc Bắc.

Luận văn đã đề xuất phương pháp tính toán các công trình đơn vị trong hệ thống lắng bao gồm: thiết bị định lượng polymer, bể định lượng cát, bể trộn cơ khí, bể trộn cát, bể phản ứng cơ khí, bể lắng lamella Actiflo [9]. Bể lắng Actiflo là hệ thống tích hợp nhỏ gọn, hoạt động với những hạt cát rất nhỏ Actisand, những hạt cát siêu nhỏ này sẽ 8 làm hạt nhân trong quá trình keo tụ tạo bông.