Hệ thống thu gom nước thải bằng công nghệ hút chân không

Ths. NGUYỄN TRỌNG DƯƠNG
Viện Nghiên cứu Cấp, Thoát nước và Môi trường Việt Nam
Hội Cấp thoát nước Việt Nam
PGS.TS. NGUYỄN HỒNG TIẾN
Phó Chủ tịch Hội Cấp thoát nước Việt Nam

1. Khái quát chung về hệ thống thu gom nước thải bằng công nghệ hút chân không

Hệ thống thu gom nước thải bằng công nghệ hút chân không được phát minh từ thế kỷ 19 tại Hà Lan – là quốc gia phải giải quyết nhiều vấn đề về thoát nước vì có địa hình thấp hơn mực nước biển. Sau đó, công trình kiểu này được phát triển tại Đức, Pháp, Anh, Thụy Điển, Hoa kỳ, Úc, Nhật Bản và nhiều quốc gia khác trên thế giới. Những nơi phải áp dụng công nghệ này là khi nước thải không thể tự chảy hoặc không thể dùng máy bơm cưỡng bức theo các phương pháp thoát nước truyền thống. Nhiều các quốc gia đã ban hành hướng dẫn thiết kế cho công nghệ này, ví dụ CHLB Đức và EU đang sử dụng chung Tiêu chuẩn DIN1901/DWA 116-1E - Hệ thống thoát nước bằng chân không ngoài nhà (do CHLB Đức ban hành), Úc thì sử dụng Tiêu chuẩn WSA 06-2008 - Thoát nước bằng chân không, v.v… Ở Việt Nam, hệ thống thu gom nước thải bằng hút chân không chưa được đề cập trong Tiêu chuẩn thiết kế thoát nước hiện hành, tuy nhiên, trong Quy chuẩn xây dựng công trình hạ tầng QCVN 07:2010 (Mục 3.4.1)  cũng đã đề cập đến nguyên tắc xây dựng công trình theo công nghệ này.
 

2. Các thành phần của hệ thống thu gom nước thải bằng công nghệ hút chân không
 

Hệ thống hút nước thải bằng công nghệ hút chân không gồm có 3 thành phần chính: (i) Các hố thu nước thải từ các hộ gia đình, (ii) Mạng đường ống hút chân không và (iii) Trạm hút chân không.

 

H.1  Sơ đồ hệ thống thu gom nước thải bằng công nghệ hút chân không
 

(1) Các hố thu nước thải tiếp nhận nước thải tự chảy ra từ khu vệ sinh của hộ gia đình. Nước thải từ hố thu được hút ra mạng lưới bằng các ống hút chân không. Trong mỗi hố thu, trên đường ống hút có lắp một van điều tiết chân không, làm việc tự động theo nguyên lý khí - thủy lực. Van điều tiết chân không chỉ mở để hút nước khi trong hố đã đầy nước và tự động đóng lại khi nước thải trong hố đã cạn.

 

H.2 – Hố thu nước thải và van chân không
 

(2) Mạng lưới thu gom là các đường ống kín hoàn toàn, trong đó tốc độ nước thải được hút bằng chân không với tốc độ cao lên tới 4-5m/s. Do áp suất chân không theo lý thuyết chỉ có giới hạn (chân không kỹ thuật không vượt quá 6-7m cột nước hút), chiều dài đường ống thu gom chính thường không thể vượt quá 4Km. Một kỹ thuật đặc biệt của đường ống hút chính là bố trí theo kiểu giật cấp. Đường ống được nâng dần độ cao từ hố thu xa nhất lên tới trạm hút chân không nhưng mỗi đoạn giật cấp được tạo độ dốc hướng theo chiều nước chảy. Các điểm thấp nhất trên từng đoạn giật cấp phải bảo đảm sao cho chứa đầy nước thải để sau đó được hút lên nhờ áp suất chân không. Đường ống và phụ tùng nối ống có thể dùng các loại vật liệu uPVC hoặc HDPE. 

H.3- Đường ống giật cấp

 

(3) Trạm hút chân không bao gồm các máy bơm hút chân không, bồn chứa nước thải, hệ thống điện động lực và điều khiển. Máy hút chân không có nhiệm vụ duy trì áp suất chân không liên tục cho mạng lưới đường ống. Bồn chứa nước và chứa khí thải là một thùng kín được đặt chìm dưới mặt đất hoặc đặt nổi trong trạm. Ống hút nước thải vào bồn và ống hút của máy hút chân không phải được lắp cao hơn mực nước công tác cao nhất bên trong bồn. Trạm hút chân không có thể kết hợp với máy bơm nước thải để đẩy nước thải đi xa, trong trường hợp hệ thống hút chân không nằm cách xa trạm xử lý nước thải. Trong trường hợp nước thải cần xả ra cống tự chảy ngay sau trạm hút chân không, có thể bố trí 2 bồn chứa song song làm việc đóng mở luân phiên để hút và xả nước thải ra cống tự chảy. Bồn chứa nước thải chế tạo bằng vật liệu chống ăn mòn bằng thép không rỉ hoặc thép đen có sơn phủ epoxy bên trong và không bị biến dạng dưới áp suất chân không.

         

H.4 Trạm hút chân không kết hợp máy bơm nước thải chuyển tiếp đi xa

H.5  Trạm hút chân không xả trực tiếp ra cống chung (có 2 bồn chứa làm việc liên động với nhau) 

3. Tính toán thiết kế  
 

Công việc khảo sát địa hình, địa chất, xác định số người phục vụ, tiêu chuẩn xả nước thải, vạch mạng và sơ bộ chọn vị trí các công trình đầu mối, xác định nguồn tiếp nhận nước thải… thực hiện tương tự như thiết kế các hệ thống thu gom nước thải truyền thống. Do giá trị áp suất chân không chỉ có giới hạn nhất định, khi chọn vị trí công trình đầu mối cần ước lượng ngay chênh cao trình giữa mực nước thấp nhất tại các hố thu nước thải nằm ở vị trí xa và thấp nhất trên hệ thống. Độ chênh cao này không được vựợt quá 6-7m (áp suất chân không lý tưởng là 10m cột nước hút).
 

a) Các hố thu nước thải

Dung tích chứa của hố thu được lấy bằng 25% lưu lượng nước thải trung bình ngày của các hộ đấu nối vào hố. Điều đó có nghĩa là lượng nước thải điều hòa trong hệ thống được chứa trong các hố thu nước thải. Một hố thu chỉ nên phục vụ tối đa cho 4 hộ gia đình. Đường kính hố thu tối thiểu 0,8m. 

Ống hút từ hố thu nối với mạng thu gom có đường kính không nhỏ hơn DN65mm. 
 

Mực nước công tác cao nhất trong hố thu được chọn sao cho bằng hoặc thấp hơn các ống tự chảy từ các khu vệ sinh để hạn chế hiện tượng chảy ngập. 

Các van chân không tự động phải nằm trên mực nước công tác cao nhất trong hố tối thiểu là 300mm để cho van được khô ráo và thuận tiện cho việc kiểm tra sửa chữa.
 

Hố thu nước thải có thể xây bằng gạch, bằng bê tông cốt thép hoặc sản xuất định hình bằng composite. Hố thu có năp đậy kín để đảm bảo an toàn cho người qua lại và ngăn không cho nước mưa có thể chảy tràn vào bên trong.
 

b) Tính toán đường ống hút chân không và bố trí đường ống kiểu giật cấp

Dưới tác dụng của áp suất chân không, dòng chảy nước thải cùng với khí thải được hút trong ống không tuân theo quy luật thủy lực thông thường của một dòng chảy đầy liên tục. Ngoài ra, ap suất chân không còn làm tăng lượng khí bốc hơi sinh ra từ quá trình phân hủy hữu cơ có trong nước thải. Vì vậy, đường kính các đoạn ống hút chân không được chọn thông qua việc xác đinh tỷ lệ khí / nước (K/N). Đây là một điểm quan trọng trong hệ thống hút chân không mà tất cả các giáo trình, các hướng dẫn thiết kế của các quốc gia khác đều áp dụng cách tính này. 
 

Tỷ lệ K/N trên đường ống chính căn cứ vào mật độ người sử dụng trên một đơn vị chiều dài của đường ống. Tỷ lệ K/N tham khảo Tiêu chuẩn Đức và EU (DIN1901) như bảng dưới đây.
 

Chiều dài đường ống hút chính (m)	Mật độ người sử dụng (số người /m dài)
	0,05	0,1	0,2	0,5
	Tỷ lệ K/N
500	3,5-7	3-6	2,5-5	2-5
1000	4-8	3,5-7	3-6	2,5-5
1500	5-9	4-8	3,5-7	3-6
2000	6-10	5-9	4-8	3,5-7
3000	7-12	6-10	5-9	4-8
4000	8-15	7-12	6-10	5-9

Sau khi đã chọn được tỷ lệ K/N và số người đấu nối xả nước thải vào đoạn ống, cần tiến hành xác định đường kính của từng đoạn ống theo Bảng 2.

Bảng 2: Xác định đường kính ống theo tỷ lệ K/N và số người đấu nối
 

                                                                                                                                    (Nguồn: DIN1901)

Các bảng tra của DIN1901 cho thấy, hệ thống hút chân không chi cho phép chiều dài đường ống chính đến 4000m và đường kính ống thu gom chính không vượt quá 250mm.

Bố trí các đoạn giật cấp trên ống hút là một kỹ thuật quan trọng nhằm giảm thiểu tổn thất áp lực, tránh đứt đoạn dòng chảy do tác động của khí thải có bên trong đường ống. Khoảng cách cho phép ngắn nhất giữa hai điểm giật cấp là 1,5m. Khoảng cách dài nhất giữa hai điểm giật cấp không được lớn hơn 500 lần chiều cao hình học của đoạn ống được nâng lên. 

Chiều cao hút chân không cần thiết (Hck) là tổng của chiều cao hình học của tất cả các đoạn giật cấp cùng với tổng tổn thất áp lực trên các đoạn ống:
Hck=Σ(H­i + ∆hi ) ≤ (6-7m) (m)
 

H.6:   Xác định chiều cao hút chân không (Hck)
 

c)  Tính toán máy hút chân không bồn chứa nước và khí thải
 

Nếu phải chuyển tiếp nước thải đi xa hơn thì cần bố trí máy bơm nước thải kết hợp ngay trong trạm hút chân không. Việc chọn máy bơm nước thải không có gì đặc biệt ngoại trừ máy cần phải được điều khiển tự động đóng mở liên tục để giảm dung tích chứa của bồn.  
 

Máy hút chân không có lưu lượng khí tính toán xác định thông qua tỷ lệ Khí / Nước (K/N) trên đường ống, phải đảm bảo điều kiện: Qk (bơm ck) ≥ Qk (khí quyển) x  [1,2-1,5].  Trong đó:  Qk (khí quyển) – Lưu lượng khí trong điều kiện áp suất khí quyển tiêu chuẩn (bằng 1.0 atm, khi cao độ ngang với mực nước biển). Để bảo đảm an toàn khi phải hút chân không tại những nơi có địa hình cao hơn mực nước biển, cần nhân thêm với hệ số K=1,2-1,5 như trong công thức.
 

Vì tỷ lệ K/N trong hệ thống hút chân không có thể dao động trong phạm vi khá rộng và tỷ lệ này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, dung tích bồn chứa khó có thể tính tính chính xác bằng các công thức lý thuyết. Theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm được công bố trong các giáo trình và tiêu chuẩn thiết kế của nước ngoài thì dung tích bồn bao gồm cả khí và nước (V (n+k)) phải bằng hoặc lớn hơn 3 lần dung tích nước thải (Vn):  V(n+k) ≥ Vn
 

4. Đánh giá chung về ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng của hệ thống hút nước thải bằng chân không 

Ưu điểm:

- Đường kính ống tương đối nhỏ; vận tốc dòng chảy được hút đi khá lớn; các chất bùn cặn hữu cơ được hút triệt để không gây lắng đọng trong đường ống; giấy vệ sinh mềm cũng có thể hút được cùng với nước thải.

- Phù hợp với hệ thống thoát nước bẩn riêng biệt; có thể áp dụng để hút nước thải trực tiếp cho hệ thống không có các bể tự hoại 

- Hệ thống kín hoàn toàn, không có các hố ga, hố thăm, không gây mùi ô nhiễm ra xung quanh. 

- Đường ống hút có thể đặt nông vì không cần có độ dốc tự chảy; ống có thể đặt chung trong mương rãnh với các đường ống khác mà không có nguy cơ gây rò rỉ nước thải làm ảnh hưởng đến ống cấp nước.

- Mức độ trang bị tự động hóa phù hợp với các hệ thống hút nước thải khép kín hiện đại.

Nhược điểm:  

- Giá trị áp suất âm trong hệ thống hút chân không chỉ có giới hạn nhất định (tối đa là 6-7m cột nước hút, đã trừ đi tổn thất do ma sát đường dài và cục bộ). 

- Có giới hạn về độ dài đường ống thu gom chính (dưới 4000m) và kích thường đường ống chính (không lớn hơn 250mm). 

- Cần đầu tư cho bồn chứa và máy bơm hút chân không;  Hệ thống cần cấp điện để hoạt động; Trạm hút chân không phải được tự động hóa để làm việc liên tục, phối hợp đóng mở liên động các thiết bị.

- Hệ thống phải bảo đảm kín tuyệt đối, đòi hỏi chất lượng vật liệu đường ống, van và phụ tùng nối ống phải có tiêu chuẩn tốt. 

- Người vận hành cần có chuyên môn, được đào tạo bài bản để vận hành, hiệu chỉnh thiết bị điều khiển và bảo trì thường xuyên hệ thống.
 

Phạm vi áp dụng:
 

- Nhìn chung, hệ thống thu gom nước thải bằng chân không là giải pháp cục bộ cho một khu vực nhỏ ngoại thị - là những nơi hệ thống thoát nước đô thị chưa thể bao phủ tới được, 

- Những nơi có địa hình thấp, trũng, không thể áp dụng giải pháp tự chảy hoặc không thể bơm cưỡng bức (vì nếu bơm phải có quá nhiều trạm bơm chuyển tiếp); những nơi có mực nước ngầm cao, địa chất phức tạp, khu du lịch, trạm điều dưỡng, khu vực dân cư ven biển nếu xả nước thải ra biển sẽ gây ô nhiễm; những khu vực dân cư tại thượng lưu các con sông - là nơi đang xả nước thải trực tiếp ra sông  gây ô nhiễm cho nguồn cấp nước ở phía hạ lưu.

- Nước thải từ các khu vệ sinh trong các tầng hầm bên trong các công trình nhà cao tầng, khi cần phải hút nước thải để đưa lên mặt đất để xả ra cống.

 

5. Thay lời kết: 

Viện nghiên cứu Cấp Thoát nước và Môi trường (IWASSE) trực thuộc Hội Cấp Thoát nước Việt Nam đã được Bộ Xây dựng giao nhiệm vụ thực hiện nghiên cứu Đề tài Khoa học công nghệ “Biên soạn Hướng dẫn thiết kế hệ thống thu gom hút nước thải bằng công nghệ hút chân không” (Mã số RD17-17). Tháng 6/2018, Đề tài đã được Hội đồng KHCN của Bộ Xây dựng nghiệm thu. Hy vọng trong tương lai, Hướng dẫn thiết kế này sẽ được Bộ Xây dựng xem xét cho phép bổ sung vào Quy phạm thiết kế thoát nước hiện hành như một Phụ lục của Quy phạm.
 

Tài liệu tham khảo:

1) DIN1901/DWA 116-1E – Tiêu chuẩn thiết kế hệ thống thoát nước bằng chân không ngoài nhà của CHLB Đức và EU.

2) WSA 06-2008 – Tiêu chuẩn thiết kế hệ thống thoát nước bằng chân không của Australia.

3) QCVN 07:2010 – Quy chuẩn xây dựng công trình hạ tầng.

4) TCVN 7957-2008 – Quy phạm thiết kế Thoát nước – Mạng lưới và công trình bên ngoài.

5) Giáo trình Thoát nước–Mạng lưới thoát nước (2011). Hoàng Huệ, Trần Đức Hạ và các tác giả.