Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Quá trình Hóa lý và Sinh học trong Xử lý Nước (Mã học phần: 23700201) do tác giả Lê Thị Thái Hà chủ biên, được ban hành theo Quyết định số 403A/QĐ-CĐXD ngày 13 tháng 05 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Xây dựng Thành phố Hồ Chí Minh (Bộ Xây dựng). Trong khung chương trình đào tạo trình độ Cao đẳng, học phần có thời lượng 3 tín chỉ với tổng số 60 giờ học tập (bao gồm 34 giờ lý thuyết, 23 giờ thực hành/thí nghiệm/thảo luận và 3 giờ kiểm tra). Môn học thuộc khối kiến thức cơ sở ngành (tổng khối 18 tín chỉ), đóng vai trò cung cấp luận cứ khoa học trực tiếp cho các học phần chuyên ngành tiếp theo như Kỹ thuật xử lý nước cấp (23700206), Kỹ thuật xử lý nước thải (23700208), cùng hệ thống đồ án thiết kế mạng lưới cấp thoát nước.

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định rõ trên ba phương diện:

  • Kiến thức: Trình bày các định luật cân bằng vật chất; phân tích bản chất các phản ứng kết tủa, axit - bazơ, oxy hóa - khử và phức chất trong môi trường nước; giải thích nguyên lý các quá trình sinh hóa học và các yếu tố ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật xử lý nước cấp và nước thải.
  • Kỹ năng: Thực hiện thành thạo thí nghiệm keo tụ - tạo bông (xác định pH tối ưu, liều lượng phèn tối ưu); thực hiện quy trình nuôi cấy vi sinh vật; rèn luyện kỹ năng phân tích và thuyết trình học thuật.
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Xây dựng thái độ làm việc nhóm nghiêm túc, tuân thủ kỷ luật thí nghiệm và chủ động tìm hiểu các biện pháp quản lý rủi ro kỹ thuật.

Cấu trúc giáo trình gồm 2 phần chính với 6 chương tuần tự. Điểm đặc sắc của tài liệu là sự tích hợp chặt chẽ giữa lý thuyết hóa lý - sinh hóa kinh điển với các tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành hiện hành (như TCXD 33:2006) và các thông số vận hành công nghệ thực tế.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Giáo trình phân bố nội dung qua 6 chương với logic phát triển từ cơ sở hạt vi mô đến ứng dụng công nghệ xử lý:

  • Chương 1: Những khái niệm cơ bản về quá trình hóa học và dung dịch (3 giờ lý thuyết): Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử, số Avogadro ($6,02 \cdot 10^{23}$); phân loại 9 hệ phân tán dựa trên pha tiếp xúc; phân biệt hệ phân tán thô ($10^{-5} - 10^{-2}\text{ cm}$), hệ keo ($10^{-7} - 10^{-5}\text{ cm}$) và dung dịch thực ($10^{-8}\text{ cm}$); phương pháp tính nồng độ ($C%$, $C_M$, $C_N$); độ tan và định luật Henry; thuyết acid - base của Arrhenius và Brönsted-Lowry; tích số ion của nước ($K_w = 10^{-14}$ ở $25^\circ\text{C}$); hệ đệm; năng lượng bề mặt keo ($\Delta G_s = \sigma \Delta S$); thuyết dung dịch điện ly, hệ số Van't Hoff ($i$), lực ion ($I = \frac{1}{2}\sum C_i Z_i^2$), hoạt độ ($\alpha = \gamma C$) theo Debye - Hückel và định luật pha loãng Ostwald.
  • Chương 2: Cơ sở hóa học trong quá trình xử lý nước cấp (15 giờ: 10 lý thuyết, 5 thực hành): Đi sâu vào 4 dạng phản ứng trong nước (kết tủa, axit/bazơ, tạo phức, oxy hóa - khử); hệ thống 8 chỉ tiêu lý học (nhiệt độ, độ màu Pt-Co, độ đục J.U/N.U, mùi vị, cặn lơ lửng, cặn tổng cộng, độ nhớt, phóng xạ); hệ thống 22 chỉ tiêu hóa học (pH, độ axit, cân bằng axit carbonic $CO_2/HCO_3^-/CO_3^{2-}$, $CO_2$ xâm thực, độ kiềm, độ cứng toàn phần/tạm thời/vĩnh cửu, clorua, sunfat, sắt, mangan, clo dư, DO, COD, $\text{BOD}_5$, fluorua, $H_2S$, silicat, photphat, các hợp chất nitơ $NH_4^+/NO_2^-/NO_3^-$, chất béo, chất hoạt động bề mặt CCHTBM, kim loại nặng, thuốc bảo vệ thực vật); cơ chế phá bền hệ keo (nén lớp điện kép về thế Zeta = 0, trung hòa điện tích, hiệu ứng quét, cầu nối polymer); các hóa chất keo tụ (phèn nhôm $Al_2(SO_4)_3.18H_2O$, PAC, phèn sắt $FeCl_3, FeSO_4, Fe_2(SO_4)_3$) và công thức tính kiềm hóa bổ sung $P_k$.
  • Chương 3: Đại cương về vi sinh vật (10 giờ: 7 lý thuyết, 2 thực hành, 1 kiểm tra): Trình bày quy luật phân bố của vi sinh vật trong môi trường đất, nước, không khí; các đặc điểm sinh học (kích thước nhỏ, hấp thu/chuyển hóa nhanh, sinh trưởng mạnh, khả năng biến dị, phân bố rộng); phân loại hình thái và cấu trúc virus cùng các nhóm vi sinh vật chỉ thị.
  • Chương 4: Quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật (12 giờ: 10 lý thuyết, 2 thực hành): Phân tích cấu tạo và vai trò của enzym trong xử lý nước; động học phản ứng enzym trong bể phản ứng sinh học (phản ứng bậc không, bậc nhất, bậc hai); các yếu tố ảnh hưởng (pH, nồng độ muối, nhiệt độ, chất độc ức chế); mô hình nuôi cấy vi sinh vật dạng mẻ.
  • Chương 5: Vai trò của vi sinh vật trong các chu trình sinh địa hóa (10 giờ: 2 lý thuyết, 7 thực hành, 1 kiểm tra): Nghiên cứu động thái phát triển của vi sinh vật trong nước tự nhiên; cơ chế chu trình chuyển hóa Nitơ (amôn hóa, nitrat hóa qua vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter, phản nitrat hóa); chu trình Photpho (phân giải photpho hữu cơ/vô cơ); chu trình Lưu huỳnh (oxy hóa lưu huỳnh tự dưỡng hóa năng/quang năng, khử sunfat); chu trình Carbon và các chủng vi sinh vật ứng dụng trong xử lý nước thải.
  • Chương 6: Vi sinh vật trong quá trình xử lý nước thải (10 giờ: 2 lý thuyết, 7 thực hành, 1 kiểm tra): Khái quát công nghệ xử lý sinh học bằng bùn hoạt tính hiếu khí; các thông số kiểm soát cốt lõi gồm chỉ số thể tích bùn (SVI), chỉ số mật độ bùn (SDI), lưu lượng bùn tuần hoàn, tuổi bùn ($\theta_c$); công nghệ màng sinh học bám dính (cơ chế dính bám, cấu tạo màng sinh học trên bề mặt vật liệu tiếp xúc).
                      TIẾN TRÌNH NỘI DUNG (PROGRESSION LOGIC)

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình củng cố và thiết lập các hệ thống lý thuyết chuẩn mực:

  • Lý thuyết nền tảng (Fundamental theories): Thuyết điện ly Arrhenius, thuyết proton Brönsted-Lowry về phản ứng axit - bazơ, thuyết tương tác tĩnh điện ion Debye - Hückel, định luật pha loãng Ostwald, quy tắc Schulz - Hardy về hóa trị của ion keo tụ.
  • Nguyên lý cốt lõi (Core principles): Trạng thái cân bằng ion nước ($K_w$), trạng thái cân bằng hệ carbonate ($H_2CO_3 \leftrightarrow HCO_3^- \leftrightarrow CO_3^{2-}$), nguyên lý cân bằng $CO_2$ tự do và $CO_2$ xâm thực trong việc ăn mòn vật liệu bê tông, định luật Henry về độ tan của chất khí theo áp suất.
  • Khung phân tích kỹ thuật (Essential frameworks): Khung 30 chỉ tiêu lý - hóa học đánh giá chất lượng nguồn nước tự nhiên; khung đánh giá mức độ ô nhiễm qua tỷ lệ $\text{BOD}_5/\text{COD}$ và các hợp chất nitơ; khung thông số động học vận hành hệ thống sinh học bùn hoạt tính (SVI, SDI, tuổi bùn).

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Tính toán nồng độ pha chế hóa chất ($C%, C_M, C_N$); vận hành máy khuấy Jar-test để thực hiện thí nghiệm keo tụ - tạo bông; sử dụng máy so màu quang phổ kế xác định hàm lượng sắt bằng thuốc thử Phenanthroline, mangan bằng $(NH_4)_2S_2O_8$, đo nồng độ Clo dư bằng Orthotolidine; xác định oxy hòa tan (DO) bằng phương pháp Winkler.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích nguyên nhân suy giảm chất lượng nguồn nước (phú dưỡng do photphat, nhiễm mặn do clorua, ô nhiễm hữu cơ); tính toán lượng kiềm hóa $P_k$ cần bổ sung theo độ kiềm và liều lượng phèn; diễn giải diễn biến của quá trình tự làm sạch nguồn nước qua sự biến thiên giữa $NH_4^+$, $NO_2^-$ và $NO_3^-$.
  • Kỹ năng thực hành nghề nghiệp (Practical competencies): Nuôi cấy và duy trì sinh khối vi sinh vật trong hệ thống nước thải; theo dõi và xử lý hiện tượng bùn khó lắng, bùn nổi dựa trên chỉ số SVI; tính toán liều lượng phèn nhôm $Al_2(SO_4)_3$ tương ứng với độ đục nguồn nước theo tiêu chuẩn TCXD 33:2006.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Thành phần Quy định chi tiết trong chương trình môn học
Phương pháp giảng dạy Áp dụng dạy học tích cực: thuyết trình ngắn, phương pháp nêu vấn đề, phân tích bài tập tình huống thực tế trạm xử lý.
Tổ chức học tập Phân chia nhóm nhỏ từ 2 - 5 sinh viên; nhóm trưởng phân công nhiệm vụ đọc tài liệu, thảo luận và viết báo cáo chuyên đề.
Trang thiết bị thực hành Máy chiếu, máy vi tính, máy khuấy Jar-test, thiết bị so màu quang phổ, mô hình xử lý nước thực nghiệm.
Tự học & Thực tế Đọc trước tài liệu theo đề cương từng chương; tìm hiểu thực tế phương án kiểm soát rủi ro vận hành tại doanh nghiệp ngành nước. 
                       CƠ CẤU ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP

Điểm nổi bật và cập nhật

  1. Chuẩn hóa chương trình đào tạo theo quyết định ban hành năm 2022: Giáo trình được biên soạn trực tiếp theo Quyết định số 403A/QĐ-CĐXD của Trường Cao đẳng Xây dựng TP.HCM, phân chia cân đối thời lượng giữa 34 giờ lý thuyết và 23 giờ thực hành/thảo luận, khắc phục sự rời rạc giữa lý thuyết hóa đại cương và công nghệ chuyên ngành.
  2. Tích hợp các tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành: Đưa bảng định mức liều lượng phèn nhôm $Al_2(SO_4)_3$ không chứa nước theo hàm lượng cặn đục từ Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam TCXD 33:2006 vào bài giảng, giúp sinh viên làm quen với định mức thiết kế thực tế:
    • Cặn đục $\le 100\text{ mg/l}$: Liều lượng phèn $25 - 35\text{ mg/l}$
    • Cặn đục $801 - 1000\text{ mg/l}$: Liều lượng phèn $60 - 90\text{ mg/l}$
    • Cặn đục $2201 - 2500\text{ mg/l}$: Liều lượng phèn $90 - 130\text{ mg/l}$
  3. Cập nhật các hợp chất keo tụ và trợ keo tụ hiện đại: Bên cạnh phèn nhôm đơn thuần ($Al_2(SO_4)3.18H_2O$), giáo trình mở rộng sang các thế hệ polyme vô cơ như Poly Aluminum Chloride (PAC - $[Al{12}(OH){24}AlO_4(H_2O){12}]^{7+}$), PACS, PASS, PFC, PAFC, PFSC, PAS.
  4. Kết nối dữ liệu thực tế và hỗ trợ chuyên môn ngành nước: Giáo trình ghi nhận sự tham gia đóng góp ý kiến chuyên môn từ Trung tâm Đào tạo ngành nước miền Nam; các dữ liệu về chỉ số chất lượng nước sông Đồng Nai, sông Hồng, nước ngầm nhiễm phèn, cùng tác động của thuốc bảo vệ thực vật (Clo hữu cơ, Phốtpho hữu cơ, Cacbamat) được đưa vào làm dữ kiện phân tích.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên theo học: Sinh viên hệ Cao đẳng chính quy thuộc ngành Cấp thoát nước và ngành Công nghệ kỹ thuật môi trường. Môn học được bố trí sau khi sinh viên đã tiếp cận các học phần chung và môn cơ sở như Hình họa - Vẽ kỹ thuật (24201104), Vật liệu xây dựng (23900118), Sức bền vật liệu (23502102).
  • Kiến thức tiên quyết cần có: Sinh viên cần có kiến thức nền tảng về Hóa học vô cơ/hữu cơ căn bản (nguyên tử, phân tử, nồng độ dung dịch, phản ứng trao đổi ion) và Toán học cơ sở để thực hiện các phép tính logarit (tính pH, pOH) và giải phương trình động học bậc 0, 1, 2.
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chính thức để thiết kế đề cương bài giảng 60 giờ, tổ chức các buổi thực hành Jar-test, hướng dẫn thảo luận nhóm và biên soạn ngân hàng đề thi tự luận 60 phút.
  • Cán bộ kỹ thuật và tự học: Kỹ thuật viên vận hành trạm cấp nước, trạm xử lý nước thải đô thị/công nghiệp có thể sử dụng giáo trình như tài liệu tra cứu các công thức tính toán kiềm hóa, tính chất của các dạng clo khử trùng và cách kiểm soát chỉ số SVI trong bể aerotank.

Câu hỏi thường gặp

  [?] 1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào?
  [>] Phù hợp cho sinh viên hệ cao đẳng ngành Cấp thoát nước, Công nghệ kỹ thuật môi
      trường, giảng viên giảng dạy học phần 23700201 và cán bộ kỹ thuật vận hành trạm nước.

  [?] 2. Cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi học?
  [>] Cần nắm vững kiến thức hóa học phổ thông (khái niệm mol, nồng độ, axit-bazơ, phản
      ứng kết tủa), toán giải tích cơ bản và các quy tắc an toàn phòng thí nghiệm hóa học.

  [?] 3. Giáo trình có điểm khác biệt gì so với tài liệu hóa học thông thường?
  [>] Tập trung trực diện vào các phản ứng diễn ra trong công nghệ môi trường nước: cân
      bằng CO2 xâm thực, cơ chế keo tụ zeta, quy chuẩn TCXD 33:2006 và kiểm soát bùn vi sinh.

  [?] 4. Phương pháp tự học giáo trình đạt hiệu quả cao nhất?
  [>] Đọc trước nội dung theo từng chương, làm việc theo nhóm 2-5 người để giải bài tập
      tính kiềm hóa và thực hành kiểm tra các thông số lý hóa bằng thiết bị thí nghiệm.

  [?] 5. Học phần có tài liệu và phương tiện bổ trợ nào?
  [>] Đi kèm máy khuấy Jar-test, mô hình xử lý nước thực nghiệm, máy đo pH/DO, máy so
      màu quang phổ và danh mục tài liệu tham khảo chuyên ngành Cấp thoát nước.
  1. Giáo trình này phù hợp với ai?
    Tài liệu được thiết kế chuyên biệt cho sinh viên hệ Cao đẳng chính quy ngành Cấp thoát nước và ngành Công nghệ kỹ thuật môi trường; đồng thời là tài liệu tham khảo cho kỹ thuật viên tại các nhà máy nước và trạm xử lý nước thải.
  2. Cần kiến thức nền nào để học?
    Người học cần hoàn thành các nội dung Hóa học đại cương, Toán học cơ sở và các môn kỹ thuật cơ sở (Vẽ kỹ thuật, Vật liệu xây dựng) để tiếp thu được các phương trình hóa lý và động học phản ứng enzym.
  3. Điểm khác biệt với giáo trình hóa học hoặc sinh học đại cương?
    Giáo trình không đi sâu vào lý thuyết thuần túy mà gắn liền các chỉ tiêu hóa lý, chu trình sinh địa hóa với công nghệ xử lý nước thực tế, trích dẫn bảng tra định mức phèn theo TCXD 33:2006 và các thông số kiểm soát bùn hoạt tính (SVI, SDI).
  4. Làm sao để tự học hiệu quả?
    Người học cần kết hợp đọc trước đề cương từng chương, tham gia thảo luận nhóm từ 2 - 5 thành viên để giải quyết các bài tập tình huống và trực tiếp thực hành các bài thí nghiệm keo tụ, so màu trên thiết bị.
  5. Có tài liệu và trang thiết bị bổ trợ nào kèm theo?
    Quá trình đào tạo đi kèm hệ thống thực hành gồm máy khuấy Jar-test, máy đo pH kế, máy đo DO, máy quang phổ kế, mô hình xử lý nước thực nghiệm và các giáo trình chuyên ngành kế tiếp trong chương trình đào tạo.

Kết luận

Giáo trình Quá trình Hóa lý và Sinh học trong Xử lý Nước của Trường Cao đẳng Xây dựng TP.HCM cung cấp hệ thống kiến thức cơ sở định lượng, chuẩn hóa các nguyên lý hóa học dung dịch, phản ứng keo tụ và động học vi sinh ứng dụng trong kỹ thuật môi trường. Học phần mã số 23700201 là cầu nối kiến thức nền tảng trong lộ trình đào tạo 85 tín chỉ của ngành Cấp thoát nước, tạo tiền đề trực tiếp cho các môn học chuyên sâu (Kỹ thuật xử lý nước cấp, Kỹ thuật xử lý nước thải) và các đồ án tốt nghiệp kỹ thuật. Người học được khuyến nghị khai thác đồng bộ giáo trình cùng hệ thống thực hành Jar-test, quy chuẩn TCXD 33:2006 và tài liệu hướng dẫn kỹ thuật từ Trung tâm Đào tạo ngành nước miền Nam để hoàn thiện năng lực chuyên môn.