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,
LỌC VẬT LIỆU NỔI

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ SỞ HẠ TẦNG

MÃ SỐ: 62.58.02.10

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 2016


Luận án được hoàn thành tại Trường Đại học Kiến trúc
Hà Nội.
Người hướng dẫn khoa học:
GS. TS Hoàng Văn Huệ
PGS. TS Trần Thanh Sơn
Phản biện 1:

Phản biện 2:


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.


-1-

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



-3-

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).


-4-


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).


-6-

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

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%.


-8-

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

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:


- 10 -

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
ta khoảng 847 km3, trong đó tổng lượng ngoài vùng chảy vào là 507
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


rác nổi và hút cặn lắng theo định kỳ. Bể lắng sơ bộ thường làm bằng
bê tông cốt thép, dung tích có thể lưu nước trong 1 ÷ 2 ngày, cặn lắng
được định kỳ hút đưa lên sân phơi bùn, hoặc xả ngược lại ra nguồn thu
(sông, hồ, kênh…).
Nhìn chung các công trình hiện có về mặt kỹ thuật là đảm bảo
yêu cầu, các công trình mang tính phổ biến ở các đô thị sử dụng nguồn
nước có hàm lượng cặn cao, cặn thường giảm từ (2000 ÷ 1500) mg/l
xuống còn (1000 ÷ 500) mg/l vào mùa mưa và giảm từ (190 ÷ 170)
mg/l xuống còn (90 ÷ 80) mg/l vào mùa khô, đáp ứng được đầu vào
dây chuyền xử lý chính theo tiêu chuẩn [1].
b) Nhược điểm của các công trình đang sử dụng
+ Diện tích xây dựng công trình rất lớn, thường phải xây dựng 2
trạm bơm cấp I (bơm từ sông về hồ, sau khi sơ lắng lại bơm từ hồ về
trạm xử lý) dẫn đến tốn kém năng lượng cần thiết cho bơm, chi phí
xây dựng ban đầu rất lớn, các phương án này về lâu dài là không khả
thi, chỉ được áp dụng cho các đô thị có nhiều quỹ đất để xây dựng hồ.
+ Phương án sử dụng tường lọc sơ bộ mới chỉ áp dụng cho công
suất nhỏ, phù hợp với các nguồn nước hồ đầm, quy trình vận hành khá
sơ sài, không có phương án rửa lọc cho tường lọc...vì thế tính hiệu quả
lâu dài là không khả thi.
1.3. Khái quát về các loại công trình xử lý sơ bộ ngay tại công
trình thu và ưu, nhược điểm.
1.3.1. Khái quát chung


- 13 -

Trong những thập kỷ gần đây, nguồn nước mặt bị nhiễm bẩn bởi
nhiều hợp chất hữu cơ và chất dinh dưỡng (như Ni tơ, Phốt pho) gây

2. Song chắn và lưới chắn rác
3. Bể lắng sơ bộ
4. Xử lý nước tại nguồn bằng hoá chất
5. Clo hoá sơ bộ
6. Các công trình xử lý sơ bộ khác (như lọc cát, lắng lamen, lọc vật
liệu nổi, xiclon thủy lực, giếng thấm, lưới lọc, vịnh sơ lắng...)
2.1.2. Quá trình xử lý nước có độ đục và màu cao
1. Xử lý nước mặt có độ đục cao
Độ đục của nước là một trong những chỉ tiêu cơ bản để chọn
biện pháp xử lý đối với nguồn nước mặt, độ đục của nước nguồn càng
cao thì việc xử lý càng phức tạp và tốn kém.
2. Xử lý nước mặt có độ màu cao
Độ màu thường do các chất bẩn trong nước tạo nên, các hợp chất
sắt, mangan không hoà tan làm nước có màu nâu đỏ, các chất mùn
humic gây ra màu vàng, còn các loại thuỷ sinh tạo cho nước màu xanh
lá cây, nước bị nhiễm bẩn bởi nước thải sinh hoạt hay công nghiệp
thường có màu xanh hoặc đen.
2.1.3. Những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình xử lý sơ bộ nước mặt


- 15 -

1. Yếu tố công suất
2. Yếu tố vận tốc dòng chảy
3. Yếu tố chất lượng nước đầu vào và đầu ra trong quá trình xử lý
4. Yếu tố thuỷ lực phương, chiều dòng chảy trong quá trình xử lý
5. Yếu tố cấu tạo công trình
6. Các yếu tố khác: yếu tố biến đổi khí hậu, lũ, lũ quét, sóng, bồi lắng
sông, ảnh hưởng của ô nhiễm nguồn nước mặt, hiện tượng nước biển
dâng....

- Ống lọc khoan lỗ chứa vật liệu lọc nổi
- Tường lọc
3.2. Đề xuất công trình xử lý sơ bộ tại công trình thu nước
Căn cứ vào ưu nhược điểm của từng phương án công trình nêu
trên, ngoài ra xét trên tình hình thực tế áp dụng và tính hiệu quả của
từng phương án, có thể áp dụng các mô hình: lắng lamen, cột lọc vật
liệu nổi và kết hợp lắng lamen - lọc nổi là có tính khả thi.
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM, ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP
XỬ LÝ SƠ BỘ NƯỚC MẶT TẠI CÔNG TRÌNH THU


- 17 -

4.1. Kết quả thí nghiệm lắng lamen

Hiệu quả lắng(%)

- Hàm lượng cặn lơ lửng đầu vào bể lắng 3000 mg/l (điển hình)
40.00
38.20

35.00

y = -16.18ln(x) + 55.652
R² = 0.9985

33.25

30.00


Vận tốc lắng (mm/s)

Hình 4.1. Biểu đồ quan hệ giữa vận tốc lắng và hiệu quả lắng
ứng với C0 = 3000 mg/l
4.2. Kết quả thí nghiệm lọc vật liệu nổi
- Hàm lượng cặn lơ lửng đầu vào bể lọc 1500 mg/l, vận tốc lọc 40

Hiệu quả lọc(%)

m/h.
85.00
80.00

y = -8.413ln(x) + 109.63
R² = 0.9853

79.42

75.00

76.56

70.00

67.98

73.70
69.27

65.00

400

450

500

550

600

Thời gian lọc (phút)

Hình 4.2. Hiệu quả lọc (%) và thời gian lọc
V40m/h - SS1500mg/l - H1100mm.


- 18 -

4.3. Kết quả thí nghiệm kết hợp lắng lamen - lọc vật liệu nổi
Khi thí nghiệm mô hình thí nghiệm kết hợp, kết quả đo trong
trường hợp này có hai tác dụng:
Thứ nhất: chất lượng nước đầu ra bể lắng lamen có thể lấy làm
thông số công nghệ của bể lắng lamen làm việc độc lập.
Thứ hai: chất lượng nước đầu ra bể lắng lamen khi đó là kết quả
đầu vào bể lọc nổi, có thể lấy làm thông số công nghệ của dây chuyền
kết hợp giữa lắng lamen và lọc nổi.
- Trường hợp hàm lượng cặn đầu ra bể lắng 2450 mg/l để vào bể

Hiệu quả lọc(%)


50.0
45.0

54.3 53.3
52.2 51.4
50.8 50.6

40.0
0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500


mùa, công suất thiết kế  30.000 m3/ng.đ, vận tốc dòng chảy không


- 20 -

vượt quá 5m/s vào mùa lũ, nguồn nước có hàm lượng cặn lơ lửng vượt
quá 1500mg/l.
4.5. Đề xuất áp dụng giải pháp xử lý sơ bộ tại công trình thu nước
cho thành phố Hải Dương.
Công nghệ xử lý sơ bộ đang sử dụng: CTT - Trạm bơm nước thô cấp 1
- Ống dẫn nước thô - Hồ sơ lắng - Trạm bơm nước thô cấp 2 (trạm
bơm nâng) - Trạm xử lý chính
Công nghệ xử lý sơ bộ tại CTT đề xuất: CTT kết hợp xử lý sơ bộ bằng
ngăn lọc vật liệu lọc nổi - Trạm bơm nước thô cấp 1 - Ống dẫn nước
thô - Trạm xử lý chính.
So sánh kinh tế kỹ thuật của phương án đề xuất với phương án
hiện trạng: Giá thành xây dựng cụm công trình xử lý sơ bộ tại CTT so
với phương án hiện trạng giảm 41,3%, xuất đầu tư trên 1 m3 nước
sạch giảm 3,25% và giảm 14,5% chi phí vận hành trong 1 tháng.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
1. Trong số 9 hệ thống sông chính ở Việt Nam thì một số sông
thuộc hệ thống sông Hồng và Thái Bình có hàm lượng cặn lơ lửng cao
(lớn hơn 1500 mg/l) và thường rơi vào mùa mưa lũ (cụ thể vào tháng
6 đến tháng 9 trong năm).
2. Đối với những nguồn nước có hàm lượng cặn cao thuộc hệ
thống sông Hồng và hệ thống sông Thái Bình, công trình xử lý sơ bộ
tại công trình thu thường sử dụng hồ (hoặc bể) sơ lắng, các công trình



hệ giữa hiệu quả lọc và thời gian lọc ứng như sau:
+ Hàm lượng cặn lơ lửng đầu vào lọc SS = 2450 mg/l: E = 10.4ln(t) + 115.4, dung sai R² = 0.982 (vận tốc lọc 40 m/h); E = 11.5ln(t) + 127.5, dung sai R² = 0.906 (vận tốc lọc 30 m/h).
+ Hàm lượng cặn lơ lửng đầu vào lọc SS = 1650 mg/l: E = - 9.89ln(t)
+ 115.9, dung sai R² = 0.981 (vận tốc lọc 40 m/h); E = - 12.4ln(t) +
136.2, dung sai R² = 0.877 (vận tốc lọc 30 m/h).
+ Hàm lượng cặn lơ lửng đầu vào lọc SS = 1250 mg/l:
E = - 9.99ln(t) + 116.4, dung sai R² = 0.982 (vận tốc lọc 40 m/h); E = 10.3ln(t) + 121.8, dung sai R² = 0.931 (vận tốc lọc 30 m/h).
4. Nghiện cứu thực nghiệm trên mô hình lắng lamen, lọc vật liệu
nổi, cho kết quả: (1) lắng lamen với vận tốc 8 ÷ 10 mm/s, hiệu quả
lắng đạt từ Elắng = 23 ÷ 17 %; lọc vật liệu lọc nổi sử dụng hạt vật liệu
PE với chiều cao lọc 800 ÷ 1100mm, vận tốc lọc 30 ÷ 40 m/h, hiệu
quả lọc đạt Elọc ≥ 50% trong khoảng thời gian 480 ÷ 570 phút (lớn
nhất là 60 %); kết hợp lắng lamen - lọc vật liệu nổi: với các thông số
lắng và lọc như trường hợp (1) và (2), hiệu quả xử lý đạt Exl ≥ 65%
(lớn nhất là 80%).
5. Có ba kiểu loại có thể ứng dụng vào thực tiễn: (1) sử dụng
lắng lamen áp dụng đối với nguồn nước sông Hồng và Thái Bình khi
hàm lượng cặn lơ lửng dao động trong khoảng 1500 ≤ SSmxx ≤ 1700
mg/l; (2) cột lọc vật liệu nổi khi hàm lượng cặn lơ lửng dao động