Tổng quan về giáo trình

Giáo trình môn học: Kỹ thuật xử lý nước cấp được biên soạn bởi chủ biên Lê Thị Thái Hà, có sự đóng góp ý kiến chuyên môn từ Trung tâm Đào tạo ngành Nước miền Nam và được ban hành chính thức theo Quyết định số 377/QĐ-CĐXD ngày 12 tháng 05 năm 2023 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Xây dựng Thành phố Hồ Chí Minh (lưu hành nội bộ).

Trong chương trình đào tạo ngành Cấp thoát nước trình độ cao đẳng chính quy, học phần Kỹ thuật xử lý nước cấp (Mã môn học: 23700206) là môn học chuyên ngành bắt buộc, có thời lượng 60 giờ (gồm 28 giờ lý thuyết, 30 giờ thực hành/thảo luận/bài tập lớn và 02 giờ kiểm tra; tương đương 3 tín chỉ). Môn học được bố trí giảng dạy sau các học phần cơ sở ngành như Thủy lực, Quá trình Hóa lý và Sinh học trong xử lý nước, Hình họa – Vẽ kỹ thuật, và Sức bền vật liệu.

Về mục tiêu học tập (learning outcomes), giáo trình cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện: nhận biết tính chất các loại nguồn nước thiên nhiên; nắm vững quy trình công nghệ và chức năng từng công trình đơn vị trong trạm xử lý nước cấp; hiểu rõ nguyên lý cấu tạo của máy móc, thiết bị chuyên dụng; nắm bắt quy trình vận hành và phương pháp phân tích sự cố thiết bị. Về mặt kỹ năng, người học được rèn luyện năng lực tính toán công nghệ, vận dụng thiết kế công trình, đọc hiểu hướng dẫn vận hành, kiểm soát thông số kỹ thuật và thể hiện bản vẽ kỹ thuật chuyên ngành.

Về cấu trúc và cách tiếp cận, tài liệu được phân định thành 2 phần độc lập nhưng gắn kết chặt chẽ: Phần 1 tập trung vào cơ sở lý thuyết (6 chương) và Phần 2 hướng dẫn thực hiện bài tập lớn/đồ án môn học (4 bài thực hành). Điểm đặc sắc của giáo trình là việc kết hợp cân bằng giữa lý thuyết cơ sở hóa lý - thủy lực với tính toán thiết kế kỹ thuật thực tế theo tiêu chuẩn xây dựng TCXD 33:2006 và các Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia (QCVN).

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình gồm 6 chương lý thuyết và 4 bài thực hành đồ án:

  • Chương 1: Chất lượng nguồn nước và các biện pháp xử lý (5 giờ): Phân loại và đặc trưng hai nguồn nước chính gồm nước mặt (giàu oxy hòa tan, nhiều cặn lơ lửng, chất hữu cơ, rong tảo, nhiệt độ dao động theo vùng miền từ 13–34°C ở miền Bắc và 26–33°C ở miền Nam) và nước ngầm (độ đục thấp, nhiệt độ ổn định 17–27°C, nghèo oxy, chứa CO₂, H₂S, Fe, Mn, Ca, Mg); hệ thống chỉ tiêu lý học (độ đục, độ màu Pt-Co, mùi vị, độ nhớt, độ dẫn điện, TSS, SS, DS, VS), hóa học (pH, độ cứng, DO, các hợp chất Nitơ NH₄⁺/NO₂⁻/NO₃⁻, Photpho, Fe, Mn, COD, BOD₅ với tỷ lệ BOD₅/COD ≈ 0,7) và vi sinh; giới thiệu hệ thống quy chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT, QCVN 09:2008/BTNMT, QCVN 01-1:2018/BYT, QCVN 02:2019/BYT; các dây chuyền công nghệ xử lý nước mặt (sử dụng keo tụ PAC/phèn, lắng, lọc, màng lọc RO) và nước ngầm.
  • Chương 2: Keo tụ - Tạo bông (5 giờ): Bản chất mất ổn định của hạt keo ($d < 10^{-4}\text{ mm}$) dựa trên thế điện động Zeta và chuyển động Brown; 3 cơ chế keo tụ (trung hòa điện tích, bám dính quét, bắc cầu polymer); hóa chất keo tụ gồm phèn nhôm $\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3\cdot18\text{H}_2\text{O}$ (pH tối ưu 5,5–7,5), phèn sắt $\text{Fe}_2(\text{SO}4)3/\text{FeCl}3$ (pH tối ưu 5–9), và chất keo tụ cao phân tử PAC ($[\text{Al}2(\text{OH})n\text{Cl}{6-n}]m$ với phức đa nhân $\text{Al}{13}$ cấu trúc Keggin); công thức tính dung tích bể hòa trộn $W{ht}$, bể tiêu thụ $W{tt}$, lượng hóa chất kiềm hóa $P_k$; cấu tạo thiết bị trộn thủy lực (ống dẫn, vành chắn, vách ngăn đục lỗ với $v{lỗ} = 1\text{ m/s}$, bể trộn đứng với $v{dâng} = 25\text{--}28\text{ mm/s}$) và trộn cơ khí (tỷ lệ $H:B = 2:1$).
  • Chương 3: Lắng nước (5 giờ): Động học lắng cặn hạt trong dòng nước chuyển động ($u_0, v$); phân loại và cấu tạo các bể lắng: bể lắng ngang (áp dụng công suất $> 3000\text{ m}^3/\text{ngày}$, vận tốc $V_{tb} = 6\text{--}12\text{ mm/s}$, chiều cao $H_{tb} = 3\text{--}4\text{ m}$, chiều rộng ngăn $B \le 6\text{ m}$, hệ thống xả cặn thủy lực/cơ giới), bể lắng lớp mỏng (tấm/ống nghiêng), bể lắng đứng (dòng chảy thẳng đứng từ dưới lên $v_u < v_s$), bể lắng ly tâm và bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng.
  • Chương 4: Lọc nước (5 giờ): Cơ chế giữ cặn qua khe hở vật liệu lọc; phân loại bể lọc chậm, bể lọc nhanh, bể lọc sơ bộ, bể lọc áp lực; các thông số vận hành như tốc độ lọc, chu kỳ lọc, tổn thất áp lực, quy trình rửa lọc đảm bảo hàm lượng cặn sau lọc $< 3\text{ mg/l}$.
  • Chương 5: Khử mangan và sắt (5 giờ): Dạng tồn tại của sắt ($\text{Fe}^{2+}, \text{Fe}^{3+}$) và mangan ($\text{Mn}^{2+}$); cơ chế oxy hóa sắt/mangan thành kết tủa $\text{Fe(OH)}_3$ và $\text{MnO}_2$; công nghệ khử sắt nước ngầm (làm thoáng đơn giản + lọc, giàn mưa – lắng tiếp xúc – lọc, thùng quạt gió – lắng tiếp xúc – lọc); các yếu tố kiểm soát gồm pH, độ kiềm, nồng độ $\text{CO}_2$ tự do; phương pháp khử mangan bằng làm thoáng và hóa chất ($\text{KMnO}_4, \text{Cl}_2$).
  • Chương 6: Khử trùng nước (5 giờ): Nguyên lý oxy hóa men tế bào vi sinh vật; khử trùng bằng Clo lỏng, hợp chất Clo ($\text{NaOCl}, \text{Ca(OCl)}_2$) và khí Ozon ($\text{O}_3$).
  • Phần 2: Bài tập lớn (30 giờ): Gồm 4 bài thực hành: Bài 1 (Các bước thực hiện bài tập nhóm/đồ án môn học); Bài 2 (Tính toán các công trình đơn vị trong nhà máy xử lý nước cấp); Bài 3 (Vẽ bản vẽ kỹ thuật: quy trình công nghệ, mặt bằng, chi tiết công trình); Bài 4 (Sửa chữa, hoàn thiện bài tập và trả lời câu hỏi vấn đáp).

Progression logic của giáo trình đi từ việc đánh giá thông số đầu vào của nước thô, phân tích cơ chế hóa lý của từng công đoạn xử lý đơn vị theo chuỗi dây chuyền, đến việc tích hợp toàn bộ kiến thức vào bài toán tính toán thiết kế và thể hiện bản vẽ hoàn chỉnh.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  • Fundamental theories: Thuyết keo tụ và điện hóa bề mặt (quy tắc Schulz-Hardy, thế Zeta, cấu trúc phức chất Keggin $\text{Al}_{13}$); lý thuyết thủy động lực học dòng chảy và chuyển động lắng cặn trong môi trường động; nhiệt động học và động học các phản ứng oxy hóa khử hợp chất sắt, mangan và chất hữu cơ.
  • Core principles: Nguyên lý bảo toàn khối lượng và cân bằng vật chất trong các công trình xử lý; nguyên lý phân chia dòng chảy và tổn thất thủy lực qua vách ngăn, lỗ phân phối, lớp vật liệu lọc; cơ chế oxy hóa khử sinh hóa đối với các chỉ tiêu $\text{BOD}_5, \text{COD}$, hợp chất Nitơ và vi sinh vật gây bệnh.
  • Essential frameworks: Tiêu chuẩn thiết kế cấp nước chuyên ngành TCXD 33:2006 (hoặc TCVN 33:2006) và hệ thống Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước sạch và nước nguồn (QCVN 08:2008/BTNMT, QCVN 09:2008/BTNMT, QCVN 01-1:2018/BYT).

Kỹ năng phát triển

  • Technical skills: Tính toán kích thước hình học và thông số công nghệ của các công trình đơn vị (bể trộn đứng, bể hòa phèn/vôi, bể lắng ngang, bể lắng lớp mỏng, bể lọc nhanh, giàn làm thoáng); xác định liều lượng hóa chất keo tụ ($P_p$) và chất kiềm hóa ($P_k$); biểu diễn bản vẽ kỹ thuật mặt bằng, mặt cắt và sơ đồ công nghệ trạm xử lý.
  • Analytical skills: Phân tích số liệu chất lượng nước nguồn để lựa chọn dây chuyền công nghệ tối ưu; đánh giá ảnh hưởng của các biến số vận hành ($\text{pH}$, nhiệt độ, độ đục, độ kiềm) đến hiệu suất xử lý; nhận diện và phân tích nguyên nhân sự cố thiết bị cơ khí, đường ống trong trạm xử lý.
  • Practical competencies: Đọc và diễn giải bản vẽ, quy trình vận hành trạm xử lý nước cấp; đánh giá quy cách, thông số kỹ thuật máy móc ngành nước (bơm định lượng, máy khuấy cơ khí, hệ thống phân phối nước đục lỗ); kỹ năng làm việc nhóm và bảo vệ giải pháp kỹ thuật trước hội đồng đánh giá.

Phương pháp giảng dạy và học tập

  • Pedagogical approach: Áp dụng phương pháp dạy học tích cực. Đối với giảng viên, triển khai kết hợp thuyết trình ngắn, dạy học nêu vấn đề, hướng dẫn nghiên cứu tài liệu và tổ chức thảo luận nhóm. Đối với sinh viên, phương pháp học tập kết hợp giữa nghiên cứu cá nhân độc lập và làm việc nhóm (quy mô từ 2 đến 5 người học/nhóm) nhằm hoàn thành các chủ đề thảo luận và bài tập được giao.
  • Bài tập và case studies: Mỗi chương lý thuyết đều tích hợp hệ thống câu hỏi thảo luận, bài tập tình huống và bài tập tính toán định lượng cụ thể. Điển hình là bài toán tính toán kho, thùng hòa trộn và thùng định lượng hóa chất cho trạm xử lý công suất $2.400\text{ m}^3/\text{ngày}$ (sử dụng phèn nhôm, vôi sữa, xử lý nguồn nước có độ đục $170\text{ mg/l}$ và độ màu $45^\circ\text{ Pt-Co}$).
  • Practical exercises: Chiếm 50% tổng thời lượng môn học (30/60 giờ) thông qua Phần 2 (Bài tập lớn), được chia thành 4 bước thực hành có cấu trúc:
    1. Bài 1: Xác định nhiệm vụ thiết kế, thu thập dữ liệu nguồn nước và công suất.
    2. Bài 2: Tính toán công nghệ chi tiết cho từng công trình đơn vị trong trạm xử lý nước cấp.
    3. Bài 3: Thể hiện bản vẽ kỹ thuật (quy trình công nghệ, mặt bằng trạm, mặt cắt chi tiết công trình bể lắng, bể lọc, bể trộn).
    4. Bài 4: Hoàn thiện thuyết minh kỹ thuật, sửa chữa sai sót và trả lời câu hỏi vấn đáp.
  • Assessment methods: Đánh giá kết quả học tập gồm 2 thành phần:
    • Điểm quá trình (trọng số 40%): Đánh giá thông qua các bài kiểm tra thường xuyên (hình thức hỏi miệng), chất lượng thảo luận nhóm, bài tập tình huống và tiến độ thực hiện bài tập lớn.
    • Điểm thi kết thúc học phần (trọng số 60%): Hình thức thi tự luận, bao quát khối lượng kiến thức của 6 chương lý thuyết (Chương 1 đến Chương 6).
  • Self-study guidelines: Người học có trách nhiệm tự nghiên cứu giáo trình và tài liệu tham khảo trước khi đến lớp; tham dự tối thiểu 80% thời lượng các buổi giảng lý thuyết (vắng $> 20%$ phải học lại môn học); các thành viên trong nhóm 2–5 người phân công trách nhiệm cụ thể để hoàn thiện báo cáo nhóm và chủ động khảo sát thực tế vận hành tại doanh nghiệp.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Cập nhật cơ sở lý thuyết hóa keo tụ thế hệ mới: Giáo trình phân tích chi tiết cơ chế tác dụng của Poly Aluminium Chloride (PAC) so với phèn nhôm sunfat truyền thống. Cụ thể, tài liệu chỉ ra cơ chế hình thành phức đa nhân $\text{Al}{13}$ ($\text{Al}{12}\text{AlO}4(\text{OH}){24}^{7+}$) dựa trên cấu trúc Keggin từ tâm tứ diện $\text{Al(OH)}_4^-$ ($T_4$) và 12 bát diện bao quanh, làm rõ nguyên nhân PAC có điện tích vượt trội ($7+$), tốc độ thủy phân chậm, dải pH hoạt động rộng gấp 2 lần và nâng cao tốc độ lắng gấp 4–5 lần so với phèn đơn.
  • Tích hợp công nghệ xử lý hiện đại: Giới thiệu sơ đồ dây chuyền xử lý nước cấp có tích hợp màng lọc thẩm thấu ngược (RO), các loại hóa chất trợ keo tụ cao phân tử hiện đại (PACS, PASS, PFC, PAFC, PFSC) và các công trình lắng hiệu suất cao như bể lắng lớp mỏng (lamella) và bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng.
  • Ứng dụng thực tế và gắn kết tiêu chuẩn hiện hành: Giáo trình tích hợp trực tiếp các tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế xây dựng (TCXD 33:2006) và hệ thống Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia đang có hiệu lực tại Việt Nam (QCVN 08:2008/BTNMT, QCVN 09:2008/BTNMT, QCVN 01-1:2018/BYT, QCVN 02:2019/BYT). Các ví dụ tính toán và bản vẽ minh họa được trích xuất trực tiếp từ các dự án thực tế, như đồ án nghiên cứu thiết kế nâng công suất Nhà máy cấp nước số 1 Thị xã Bạc Liêu.
  • Kết nối chặt chẽ với thực tiễn ngành nước: Nội dung giáo trình được thẩm định với sự đóng góp ý kiến chuyên môn của đội ngũ giảng viên, chuyên gia từ Trung tâm Đào tạo ngành Nước miền Nam, đảm bảo tính ứng dụng cao trong công tác quản lý, vận hành hệ thống cấp nước đô thị và công nghiệp.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên chuyên ngành: Tài liệu được biên soạn phục vụ trực tiếp cho sinh viên hệ Cao đẳng chính quy ngành Cấp thoát nước (thuộc Trường Cao đẳng Xây dựng TP.HCM và các trường cao đẳng kỹ thuật đào tạo cùng khối ngành). Giáo trình được học ở giai đoạn chuyên môn ngành (năm thứ 2 hoặc năm thứ 3).
  • Yêu cầu môn học tiên quyết (Prerequisites): Để tiếp thu tốt kiến thức môn học, sinh viên cần hoàn thành các học phần cơ sở ngành bao gồm:
    • Quá trình Hóa lý và Sinh học trong xử lý nước (Mã HP: 23700201)
    • Thủy lực (Mã HP: 23700202)
    • Hình họa – Vẽ kỹ thuật 1 (Mã HP: 24201104)
    • Vật liệu xây dựng (Mã HP: 23900118)
    • Sức bền vật liệu 1 (Mã HP: 23502102)
    • Trắc địa (Mã HP: 23506110)
  • Giảng viên và phương thức khai thác: Giảng viên chuyên ngành sử dụng tài liệu làm khung bài giảng chuẩn cho 60 giờ giảng dạy (28 giờ lý thuyết, 30 giờ thực hành đồ án, 2 giờ kiểm tra); làm căn cứ xây dựng đề cương chi tiết, bài tập tình huống, phân chia chủ đề thảo luận nhóm và làm chuẩn đánh giá kết quả học tập qua bài tập lớn và đề thi tự luận.
  • Tự học và tài liệu tham khảo kỹ thuật: Kỹ sư, cán bộ kỹ thuật, nhân viên vận hành tại các nhà máy nước, trạm cấp nước khu công nghiệp hoặc các đơn vị tư vấn thiết kế cấp thoát nước có thể sử dụng giáo trình làm tài liệu tra cứu các công thức tính toán thủy lực, thông số công nghệ bể lắng/lọc/keo tụ và quy chuẩn kiểm soát chất lượng nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được thiết kế chuẩn cho sinh viên trình độ cao đẳng ngành Cấp thoát nước, đồng thời là tài liệu tham khảo cho kỹ thuật viên và nhân sự phụ trách vận hành, thi công trạm xử lý nước cấp dân dụng và công nghiệp.

2. Cần kiến thức nền nào để học?

Người học cần nắm vững kiến thức từ các môn học cơ sở ngành: Hóa học - Sinh học đại cương, Thủy lực kỹ thuật (tính toán lưu lượng, vận tốc, tổn thất áp lực), Hình họa - Vẽ kỹ thuật (đọc và thể hiện bản vẽ xây dựng) và Sức bền vật liệu.

3. Điểm khác biệt với giáo trình khác là gì?

Tài liệu cân bằng đồng đều giữa lý thuyết và thực hành (28 giờ lý thuyết song song với 30 giờ bài tập lớn), hướng dẫn từng bước tính toán kích thước công trình đơn vị kèm bản vẽ kỹ thuật chi tiết; cập nhật sâu cơ chế keo tụ của PAC ($\text{Al}_{13}$ Keggin) và viện dẫn đồng bộ các quy chuẩn Việt Nam (QCVN, TCXD 33:2006).

4. Làm sao để tự học hiệu quả?

Người học cần đọc trước nội dung từng chương theo đề cương, ghi chú các công thức tính toán công nghệ, chủ động giải các bài tập ví dụ trong giáo trình, làm việc nhóm từ 2–5 người để giải quyết đồ án tính toán thiết kế và liên hệ đối chiếu với hệ thống xử lý nước thực tế.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo?

Học phần yêu cầu kết hợp tra cứu Tiêu chuẩn xây dựng TCXD 33:2006 (hoặc TCVN 33:2006), các Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 08:2008/BTNMT, QCVN 09:2008/BTNMT, QCVN 01-1:2018/BYT, hệ thống mô hình học tập trạm xử lý tại phòng thực hành và các bản vẽ kỹ thuật mẫu từ doanh nghiệp ngành nước.

Kết luận

Giáo trình Kỹ thuật xử lý nước cấp của Trường Cao đẳng Xây dựng TP.HCM cung cấp hệ thống kiến thức chuẩn mực về cơ sở hóa lý, công nghệ xử lý nước thô và quy trình vận hành thiết bị trạm xử lý nước cấp. Tài liệu định hình lộ trình học tập khoa học: đi từ phân tích tính chất nguồn nước thiên nhiên (Chương 1), nghiên cứu chuyên sâu các công đoạn keo tụ, lắng, lọc, khử sắt/mangan, khử trùng (Chương 2 đến Chương 6), đến việc ứng dụng tính toán thiết kế và vẽ bản vẽ kỹ thuật trong bài tập lớn (Bài 1 đến Bài 4). Người học được khuyến nghị kết hợp giáo trình với việc tra cứu tiêu chuẩn TCXD 33:2006, các quy chuẩn QCVN liên quan và quá trình thực tập doanh nghiệp để hoàn thiện năng lực chuyên môn ngành Cấp thoát nước.