Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả xử lý sơ bộ nước mặt tại công trình thu nước Bằng Lắng Lamen, lọc vật liệu nổi

Mục tiêu nghiên cứu của luận án nhằm xác lập cơ sở lý luận và thực tiễn cho một tổ hợp công trình xử lý sơ bộ tại công trình thu nước mặt, bao gồm: bể lắng lamen, lọc vật liệu nổi và kết hợp lắng lamen - lọc nổi, nhằm giảm hàm lượng cặn lơ lửng dao động lớn trong mùa mưa lũ (≥ 1500 mg/l) của hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình, đảm bảo sự ổn định và phù hợp cho dây chuyền công nghệ xử lý cấp nước sinh hoạt và công nghiệp.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

NGUYỄN VĂN HIỂN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ SƠ BỘ NƯỚC MẶT TẠI CÔNG TRÌNH THU NƯỚC BẰNG LẮNG LAMEN,

Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

GS TS Hoàng Văn Huệ PGS TS Trần Thanh Sơn Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ tại hội đồng chấm luận án cấp trường họp tại: Vào hồi giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại Thư viện Quốc gia,

Thư việnTrường Đại học Kiến trúc Hà Nội

BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

1 Nguyễn Văn Hiển: tham gia đề tài NCKH cấp Nhà nước “Nghiên cứu công nghệ tự rửa bể lọc vật liệu nổi xử lý nước cấp cho sinh hoạt” - TS Trần Thanh Sơn chủ trì, năm 2014

2 Nguyễn Văn Hiển: “Cải tiến công nghệ công trình thu nước mặt nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật hệ thống cấp nước” - Tạp chí Xây Dựng - Tháng 3/2009

3 “Xây dựng mô hình thực nghiệm để xử lý sơ bộ nước mặt tại công trình thu nước” - Tạp chí Người Xây Dựng - Tháng 3 & 4/2014

4 “Kết quả thực nghiệm trên mô hình lắng lọc và đề xuất chỉ tiêu công nghệ xử lý sơ bộ nước mặt tại công trình thu nước” - Tạp chí Người Xây Dựng - Tháng 3 & 4/2014

5 “Tính ưu việt của bể lọc nhanh tự rửa và một số đề xuất ứng dụng vào dây chuyền công nghệ xử lý nước sạch” - Tạp chí Xây Dựng - Tháng 6/2014

6 “Lọc tiếp xúc keo tụ - giải pháp mới xử lý nguồn nước mặt cấp cho nhu cầu sinh hoạt” - Tạp chí Xây Dựng - Tháng 8/2014

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết phải nghiên cứu

Hệ thống sông ngòi ở nước ta có chiều dài khoảng 55.000km (trong đó có 2372 sông nhánh thuộc 9 hệ thống sông chính), với trữ lượng nước lớn, là nguồn nước mặt chủ yếu phục vụ cho sinh hoạt và sản xuất Tuy nhiên hàm lượng cặn lơ lửng của các hệ thống sông chính dao động từ (80 ÷180) mg/l vào mùa khô và (200 ÷4000) mg/l vào mùa lũ

Trong 9 hệ thống sông lớn ở Việt Nam, có hai hệ thống sông Hồng và Thái Bình có hàm lượng cặn lơ lửng dao động theo mùa lớn nhất, đặc biệt vào mùa lũ có độ đục cao (phổ biến từ tháng 4 đến tháng

11 trong năm), cụ thể: sông Hồng (180 ÷ 4000 mg/l), sông Thái Bình (170 ÷ 1500 mg/l) Với hàm lượng cặn lơ lửng cao vào mùa lũ như vậy sẽ không đáp ứng với công nghệ xử lý nước mặt cơ bản theo tiêu chuẩn hiện hành

Để đáp ứng tiêu chuẩn lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp với nguồn nước có hàm lượng cặn lơ lửng cao, các công trình xử lý sơ bộ

ở nước ta đã được xây dựng (như nhà máy nước Cẩm Thượng - Hải Dương, An Dương - Hải Phòng sử dụng hồ sơ lắng, Nam Định sử dụng bể sơ lắng ) Nhìn chung các công trình lắng sơ bộ này đã đáp ứng được điều kiện giảm hàm lượng cặn lơ lửng xuống dưới 1500 mg/l để đưa về dây chuyền công nghệ xử lý chính Tuy nhiên xét về hiệu quả kinh tế, vận hành quản lý và môi trường đều chưa đáp ứng yêu cầu như: chiếm nhiều diện tích xây dựng, chi phí quản lý máy

bơm cấp I, nạo vét hồ, bể lắng cao, bùn lắng (có thể có hóa chất keo tụ) đưa lên sân phơi bùn cũng chiếm diện tích chứa, gây mất vệ sinh môi trường và mỹ quan điều đó không phù hợp với điều kiện đất đai

và phát triển đô thị về lâu dài

Công trình xử lý sơ bộ tại công trình thu trên thế giới áp dụng có nhiều kiểu loại: lắng lamen, lọc vật liệu nổi, kết hợp lắng lamen - lọc nổi, xiclon thủy lực, tường lọc cát, ống lọc vật liệu nổi mỗi kiểu loại đều có ưu, nhược điểm, phạm vi ứng dụng, hiệu quả xử lý sơ bộ, giá thành xây dựng, quản lý và vận hành khác nhau Các công trình xử lý

sơ bộ này có thể bố trí riêng lẻ trước, sau hoặc kết hợp tại công trình thu nước mặt Đây là các công trình xử lý sơ bộ tại công trình thu mang lại hiệu quả kỹ thuật, kinh tế, quản lý vận hành, khả năng áp dụng vào thực tế với nhiều công suất xử lý khác nhau

Ba kiểu loại lắng lamen, lọc vật liệu nổi và kết hợp lắng lamen - lọc nổi có thể xây dựng kết hợp tại công trình thu nước mặt có hàm lượng cặn lơ lửng cao để đạt hiệu quả đảm bảo ổn định chất lượng nước đầu vào cho các nhà máy nước mặt, các công trình đó đã được xây dựng ở một số nước trên thế giới Đối với Việt Nam, ba kiểu loại công trình xử lý sơ bộ này vẫn chưa được xây dựng tại các công trình thu nước mặt Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng ba kiểu loại trên trong

điều kiện nước ta có ý nghĩa thực tiễn cao, đề tài “Nghiên cứu giải

pháp nâng cao hiệu quả xử lý sơ bộ nước mặt tại công trình thu nước bằng lắng lamen, lọc vật liệu nổi” là cần thiết, đặc biệt đối với những

nguồn nước mặt một số sông thuộc hệ thống sông Hồng - Thái Bình có hàm

lượng cặn lơ lửng cao trên 1500 mg/l, trong mùa mưa lũ có thể lên tới 3000 mg/l

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xác lập cơ sở lý luận và thực tiễn cho một tổ hợp công trình xử

lý sơ bộ tại công trình thu nước mặt, bao gồm: bể lắng lamen, lọc vật liệu nổi và kết hợp lắng lamen - lọc nổi, nhằm giảm hàm lượng cặn lơ lửng dao động lớn trong mùa mưa lũ (≥ 1500 mg/l) của hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình, đảm bảo sự ổn định và phù hợp cho dây chuyền công nghệ xử lý cấp nước sinh hoạt và công nghiệp

Đề xuất các thông số thiết kế công nghệ và cấu tạo công trình xử

lý sơ bộ bằng bể lắng lamen, lọc vật liệu nổi và kết hợp lắng lamen - lọc nổi tại công trình thu nước mặt có hàm lượng cặn lơ lửng cao ≥

1500 mg/l

Nghiên cứu áp dụng kết quả nghiên cứu tại công trình thu NMN Cẩm Thượng 2 - thành phố Hải Dương

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu:

Công trình xử lý sơ bộ lắng lamen, lọc nổi và kết hợp lắng la men - lọc nổi tại công trình thu nước mặt

b) Phạm vi nghiên cứu và ứng dụng:

Các nguồn nước mặt có hàm lượng cặn lơ lửng cao ≥ 1500mg/l, dùng để cấp nước sinh hoạt và công nghiệp (thuộc hệ thống sông Hồng và hệ thống sông Thái Bình)

Các trạm cấp nước có công suất  30.000 m3/ng.đ

Nghiên cứu điểm cho công trình thu NMN Cẩm Thượng 2 Hải Dương

4 Nội dung nghiên cứu

Tổng quan về các công trình xử lý sơ bộ, các kiểu loại công trình thu nước mặt và công trình xử lý sơ bộ nước mặt tại công trình thu ở Việt Nam và trên thế giới

Nghiên cứu các cơ sở lý luận và thực tiễn cho xử lý sơ bộ nước mặt tại công trình thu bằng bể lắng lamen, lọc vật liệu nổi và kết hợp giữa lắng lamen - lọc nổi

Nghiên cứu thực nghiệm lắng lamen, lọc vật liệu nổi và kết hợp lắng lamen - lọc nổi

Đề xuất các thông số thiết kế công nghệ và giải pháp cấu tạo công trình xử lý sơ bộ tại công trình thu nước mặt đối với những nguồn nước có hàm lượng cặn lơ lửng cao (thuộc hệ thống sông Hồng

và hệ thống sông Thái Bình)

Áp dụng kết quả nghiên cứu cho công trình thu NMN Cẩm Thượng 2 Hải Dương

5 Phương pháp nghiên cứu

a) Điều tra, khảo sát, thu thập số liệu:

Số liệu, tư liệu về nguồn nước mặt: hệ thống sông, hồ, điều kiện thủy văn, thủy lực dòng chảy, trữ lượng, chất lượng nguồn nước, khả

năng bổ cập, cung cấp cho nhu cầu sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp và các nhu cầu khác

Số liệu, tư liệu về các kiểu loại công trình thu nước, công trình

xử lý sơ bộ và công trình xử lý sơ bộ tại công trình thu nước mặt trong và ngoài nước

Các dự án xây dựng hệ thống cấp nước (đặc biệt chú ý tới các dự

án xây dựng hệ thống cấp nước có khai thác, sử dụng nguồn nước có hàm lượng cặn lơ lửng cao)

Cách thức vận hành, quản lý hệ thống cấp nước của các địa phương ở nước ta

Các luật, nghị định, thông tư, tiêu chuẩn, quy chuẩn ngành, quốc gia về nguồn nước, chất lượng nguồn nước, hệ thống cấp nước sinh hoạt hiện nay

Các tài liệu giáo trình, bài báo, đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài nghiên cứu

(Sử dụng trong chương 1, 2 và 3)

b) Nghiên cứu cơ sở lý thuyết:

Nghiên cứu lý thuyết về tính toán, thiết kế công trình thu nước mặt

Nghiên cứu lý thuyết về quá trình lắng lamen, lọc nhanh trọng lực, lọc vật liệu nổi

(Sử dụng trong chương 1, 2 và 3)

c) Kế thừa kết quả nghiên cứu:

Kế thừa các kết quả nghiên cứu về vật liệu lọc nổi

(Sử dụng trong chương 3)

d) So sánh đối chứng:

So sánh kinh tế, kỹ thuật, quản lý vận hành công trình giữa giải pháp thu kết hợp với xử lý sơ bộ truyền thống (nhà máy nước Cẩm Thượng 2 - Hải Dương) và giải pháp đề tài đề xuất, để nêu bật tính hiệu quả về kỹ thuật, kinh tế và quản lý vận hành của các giải pháp mới

(Sử dụng trong chương 4)

e) Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình và áp dụng thực tế

Xây dựng mô hình lắng lamen, lọc vật liệu nổi và kết hợp lắng lamen - lọc nổi và tiến hành nghiên cứu thực nghiệm Trên cơ sở kết quả nghiên cứu thực nghiệm, đề xuất các chỉ tiêu công nghệ và cấu tạo

áp dụng vào công trình thực tế ở Việt Nam

(Sử dụng trong chương 3 và 4)

f) Phương pháp chuyên gia:

Hội thảo khoa học đề tài nghiên cứu, lấy ý kiến tham vấn về chuyên môn thuộc lĩnh vực đề tài nghiên cứu, cách trình bày, bố cục

đề tài

Tham vấn chuyên gia về lựa chọn kiểu loại công trình xử lý sơ

bộ tại công trình thu, cách lập mô hình thí nghiệm, lựa chọn kết quả,

đề xuất các giải pháp công nghệ và cấu tạo công trình xử lý sơ bộ tại công trình thu bằng lắng lamen, lọc vật liệu nổi và kết hợp lắng lamen

- lọc nổi

Tham vấn chuyên gia về lựa chọn vật liệu xử lý, cấu tạo, vận hành và quản lý công trình

(Sử dụng trong các chương của luận án)

6 Kết quả nghiên cứu

Đã đánh giá được ưu, nhược điểm và phạm vi áp dụng của các công trình xử lý sơ bộ, công trình thu nước mặt, công trình xử lý sơ bộ tại công trình thu ở trong và ngoài nước

Đã đề xuất cấu tạo và các thông số tính toán công trình xử lý sơ

bộ tại công trình thu nước mặt có hàm lượng cặn lơ lửng cao

Ứng dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế công trình thu nước mặt với việc sử dụng cột lọc vật liệu nổi tại NMN Cẩm Thượng 2 Hải Dương và đánh giá kinh tế kỹ thuật phương án được đề xuất

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a) Ý nghĩa khoa học:

Đã chứng minh được rằng với nguồn nước có độ đục cao ≥ 1500 mg/l: (1) sử dụng bể lắng lamen với vận tốc lắng 8 ÷ 10 mm/s đạt hiệu quả lắng ≥ 15%; (2) sử dụng bể lọc vật liệu lọc nổi với vận tốc 30 ÷ 40m/h, hiệu quả đạt ≥ 50%; (3) sử dụng kết hợp lắng lamen, sau đó lọc vật liệu nổi với các thông số thiết kế như (1) và (2), hiệu quả xử lí đạt ≥ 65%

Kết quả này cho phép thiết lập dây chuyền công nghệ xử lý sơ

bộ tại nguồn nước mặt có hàm lượng cặn lơ lửng cao trong mùa mưa

lũ (thuộc hệ thống sông Hồng và hệ thống sông Thái Bình) đảm bảo tính ổn định và phù hợp với công nghệ xử lý nước sinh hoạt và công nghiệp theo TCVN 33/2006/BXD

b) Ý nghĩa thực tiễn:

Các thông số lựa chọn về công nghệ và cấu tạo công trình lắng lamen, lọc vật liệu nổi và kết hợp lắng lamen - lọc nổi trong luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ, kỹ sư chuyên ngành cấp thoát nước áp dụng trong tính toán, thiết kế công trình xử lý

sơ bộ tại công trình thu nước mặt có hàm lượng cặn lơ lửng cao ≥

1500 mg/l

Kết quả nghiên cứu của luận án mở ra triển vọng ứng dụng và phát triển loại công trình lắng lamen, lọc vật liệu nổi hay kết hợp giữa chúng tại các công trình thu nước mặt trong hệ thống sông Hồng và hệ thống sông Thái Bình, cụ thể: (1) sử dụng ba kiểu loại công trình xử lý

sơ bộ đối với nguồn nước sông Hồng và Thái Bình vào mùa lũ (210/365 ngày, chiếm 58% số ngày trong một năm), (2) tiến tới cải tạo

và thay thế các công trình xử lý sơ bộ bằng hồ hoặc bể sơ lắng hiện nay trong tương lai và có thể xây dựng công trình đối với các trạm cấp nước mới, từ đó mang lại hiệu quả kinh tế và tính ổn định hiệu quả xử

lý cấp nước sinh hoạt và công nghiệp

8 Điểm mới của đề tài

Lần đầu tiên tiến hành nghiên cứu một cách có hệ thống công trình xử lý sơ bộ tại công trình thu nước mặt có hàm lượng cặn lơ lửng cao bằng lắng lamen, lọc vật liệu nổi và kết hợp lắng lamen - lọc nổi đạt mục tiêu và đạt hiệu quả mong muốn

Các thông số tính toán, thiết kế công nghệ và cấu tạo công trình

xử lý sơ bộ tại công trình thu nước mặt có hàm lượng cặn lơ lửng cao được lựa chọn thông qua phương pháp đánh giá thực trạng, nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình là đáng tin cậy và có

ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm lần đầu tiên chứng minh được rằng nếu sử dụng kết hợp dây chuyền lắng lamen và lọc vật liệu lọc nổi thì hiệu quả xử lý có thể đạt ≥ 65%, nghĩa là có thể đảm bảo hàm lượng cặn lơ lửng SSra (đầu ra sau xử lí sơ bộ) luôn < 1500 mg/l đối với nguồn nước hệ thống sông Hồng và Sông Thái Bình trong mùa mưa lũ Với giá trị đầu ra này là đáp ứng qui định của Tiêu chuẩn 33/2006/BXD để lựa chọn dây chuyền xử lý thích hợp

Kết quả đánh giá kinh tế kỹ thuật phương án lọc vật liệu nổi áp dụng tại công trình thu nước Cẩm Thượng 2 - Hải Dương chứng tỏ kết quả nghiên cứu của đề tài có tính khả thi cao

9 Cấu trúc của đề tài

Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục, luận

án gồm 4 chương chính:

Chương 1: Tổng quan về công trình thu và công trình xử lý sơ

bộ nước mặt

Chương 2: Cơ sở khoa học cho xử lý sơ bộ nước mặt tại công trình thu

Chương 3: Xây dựng mô hình, quy trình thực nghiệm xử lý sơ

bộ nước mặt tại công trình thu

Chương 4: Kết quả thí nghiệm, đề xuất giải pháp xử lý sơ bộ nước mặt tại công trình thu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THU VÀ CÔNG

TRÌNH XỬ LÝ SƠ BỘ NƯỚC MẶT 1.1 Nguồn nước mặt

1.1.1 Trữ lượng nguồn nước mặt

Tổng lượng dòng chảy sông ngòi trung bình hàng năm của nước

km3 chiếm 60% và dòng chảy nội địa là 340 km3, chiếm 40%

1.1.2 Chất lượng nguồn nước sông

Trong 9 hệ thống sông lớn ở nước ta, thấy rằng hai hệ thống sông Hồng và Thái Bình có các chỉ tiêu, thông số thuộc phạm vi đề tài nghiên cứu,cụ thể: hàm lượng cặn lơ lửng ≥ 1500mg/l, mức nước dao động về hai mùa không vượt quá 10m và các trạm cấp nước cho các tỉnh, địa phương thuộc hai hệ thống sông này có công suất khai thác vừa và nhỏ, trong đó có nhà máy nước Cẩm Thượng 2 - thành phố

Hải Dương là địa phương dự kiến đề xuất ứng dụng cho kết quả nghiên cứu của đề tài

1.2 Đánh giá hiện trạng công trình xử lý sơ bộ tại các nhà máy

xử lý nước mặt thuộc hệ thống sông Hồng - Thái Bình

1.2.1 Công trình xử lý sơ bộ

a) Bể lắng sơ bộ

Công trình này phù hợp với các địa phương khai thác nguồn nước có độ đục vượt quá 1500mg/l [1] Diện tích xây dựng không đáp ứng để xây dựng hồ sơ lắng Nước thô qua bể sơ lắng sẽ loại bỏ hầu hết lượng cặn cát có kích thước lớn hơn 10-4 mm

b) Hồ lắng sơ bộ

Công trình này thường áp dụng đối với các địa phương không có các hồ được hình thành từ tự nhiên, nguồn nước khai thác có độ đục vượt quá 1500mg/l [1] Công suất khai thác bất kỳ Nước thô qua hồ

sẽ sơ lắng hầu hết lượng cặn cát có kích thước lớn hơn 10-4 mm

1.2.2 Đánh giá hiện trạng công trình xử lý sơ bộ nước mặt

a) Ưu điểm của các công trình đang sử dụng

+ Các công trình xử lý sơ bộ nước mặt phổ biến nhất vẫn sử dụng giải pháp xử lý cơ học, sử dụng hồ sơ lắng, bể sơ lắng hoặc tường lọc cát, hiệu quả xử lý khá tốt (đạt 40 ÷ 70%), vận hành đơn giản Các hồ sơ lắng được kè bằng đá hộc, vữa xi măng mac 200, kè với mái dốc m = 1/2, đáy hồ được trải một lớp vải nilon chống thấm dày 1mm, ngoài ra còn bố trí các cửa phai thu nước, âu thuyền để vớt