Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Xử lý nước thải là tài liệu đào tạo chính thức của Trường Cao đẳng Xây dựng số 1 (Bộ Xây dựng), được ban hành kèm theo Quyết định số 368ĐT/QĐ-CĐXD1 ngày 10 tháng 08 năm 2021 của Hiệu trưởng nhà trường. Giáo trình do tác giả Lê Thị Minh Nga làm chủ biên, với sự tham gia góp ý chuyên môn của tập thể giảng viên Bộ môn Cấp nước và Thoát nước, thuộc Khoa Quản lý Xây dựng và Đô thị. Tài liệu được biên soạn phục vụ trực tiếp cho chương trình đào tạo trình độ Cao đẳng, ngành Công nghệ Kỹ thuật tài nguyên nước.

Về vị trí trong chương trình đào tạo, học phần giữ vai trò là môn học chuyên ngành cốt lõi, cung cấp cơ sở lý thuyết kỹ thuật và giải pháp công nghệ nhằm giải quyết bài toán xử lý chất thải lỏng phát sinh từ khu dân cư và cơ sở sản xuất.

Mục tiêu học tập (learning outcomes) của giáo trình bao gồm:

  • Phân loại và xác định chính xác các chỉ tiêu hóa lý, sinh học của các loại nước thải (nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất, nước mưa).
  • Tính toán mức độ làm sạch cần thiết theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành (TCVN 7159, 20TCN 51-84).
  • Lựa chọn sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải phù hợp với công suất nguồn thải và điều kiện tiếp nhận.
  • Nắm vững cấu tạo, nguyên tắc làm việc và quy trình tính toán kích thước các công trình đơn vị (cơ học, sinh học, xử lý bùn cặn, khử trùng).
  • Hiểu và thực hiện được công tác quản lý, vận hành, kiểm tra kỹ thuật, xử lý sự cố và bố trí mặt bằng trạm xử lý nước thải cho công trình dân dụng cấp III và đô thị loại IV.

Cấu trúc giáo trình gồm 4 chương chính, tiếp cận từ cơ sở lý thuyết tính toán, đi qua cấu tạo chi tiết từng công trình xử lý đơn vị, đến phương pháp xử lý chuyên biệt cho công nghiệp và kết thúc ở khâu quy hoạch mặt bằng, quản lý vận hành trạm. Điểm đặc sắc của tài liệu là tính thực hành cao, tích hợp các công thức tính toán thủy lực, thông số định hình thiết bị và bài tập thực hành bố trí mặt bằng kỹ thuật.


Nội dung kiến thức cốt lõi

                                  GIÁO TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI
    Chương 1:              Chương 2:                      Chương 3:              Chương 4:
Cơ sở lựa chọn         Các công trình XLNT            Các phương pháp XLNT    Quản lý, vận hành,
  công nghệ                 sinh hoạt                     công nghiệp          bố trí trạm XLNT

Các chương/chủ đề chính

Chương 1: Cơ sở lựa chọn công nghệ Xử lý nước thải

  • Phân loại nước thải: Phân chia theo nguồn gốc (sinh hoạt, sản xuất, nước mưa) và theo trạng thái lý học của chất bẩn (hạt không tan $d > 10^{-4}\text{ mm}$, hạt keo $10^{-4} < d < 10^{-6}\text{ mm}$, chất hòa tan $d < 10^{-6}\text{ mm}$). Về bản chất hóa học, chất bẩn vô cơ chiếm 40% - 42% và chất hữu cơ chiếm 58% - 60% trong nước thải sinh hoạt.
  • Động học tiêu thụ và hòa tan oxy: Quá trình khoáng hóa hiếu khí qua 2 giai đoạn (oxy hóa chất hữu cơ chứa Carbon và oxy hóa chất hữu cơ chứa Nitrogen).
  • Các thông số kiểm soát chất lượng: Định nghĩa và mối quan hệ giữa NOS ($BOD$), NOH ($COD$), ThOD; nồng độ oxy hòa tan ($DO$ duy trì $1,5 - 2\text{ mg/l}$ cho xử lý hiếu khí); trị số $pH$ tối ưu ($6,5 - 8,5$ cho hiếu khí và $6,4 - 7,4$ cho kỵ khí); nhiệt độ nước thải. Tiêu chuẩn tính toán theo 20TCN 51-84: $BOD_5 = 35\text{ g/người.ngđ}$, Nitơ amoni $= 8\text{ g/người.ngđ}$, $P_2O_5 = 1,7\text{ g/người.ngđ}$.
  • Tính toán dân số tương đương và mức độ làm sạch: Công thức tính dân số tương đương theo chất lơ lửng ($N_{TD}^{SS}$) và theo $BOD_{20}$ ($N_{TD}^{BOD}$); 4 vùng tự làm sạch của nguồn nước mặt; xác định mức độ cần thiết làm sạch nước thải ($D$) theo $SS$, $BOD_{20}$ và nồng độ oxy hòa tan dự trữ theo TCVN 7159.
  • Phương pháp và công đoạn xử lý: Phân loại theo bản chất (cơ học, sinh học, hóa học, hóa lý) và theo 6 công đoạn (tiền xử lý, xử lý bậc I, xử lý bậc II, khử trùng, xử lý bùn cặn, xử lý bậc III); các sơ đồ dây chuyền công nghệ tiêu biểu cho trạm công suất $< 25\text{ m}^3/\text{ng.đ}$, $< 5000\text{ m}^3/\text{ng.đ}$, và $> 10000\text{ m}^3/\text{ng.đ}$.

Chương 2: Các công trình xử lý nước thải sinh hoạt

  • Công trình cơ học: Cấu tạo, phân loại và thông số tính toán của song chắn rác (thủ công, cơ giới, khe hở $16 - 50\text{ mm}$, góc nghiêng $45^\circ - 90^\circ$); máy nghiền rác; bể lắng cát (ngang chuyển động thẳng/vòng, bể lắng cát đứng, bể tiếp tuyến Stengel, bể lắng cát thổi khí với vận tốc tổng hợp không đổi và khả năng tuyển nổi mỡ); sân phơi cát; các loại bể lắng nước thải (đợt I, đợt II, bể lắng ngang, đứng, ly tâm/radian, bể lắng lớp mỏng lamella); các giải pháp làm thoáng sơ bộ và đông tụ sinh học.
  • Công trình sinh học trong điều kiện tự nhiên: Cấu tạo, cơ chế và tải trọng xử lý của hồ sinh học (hồ kỵ khí tải trọng $350 - 850\text{ kg } BOD/\text{ha.ngđ}$, hồ tùy tiện tải trọng $\le 300\text{ kg } BOD/\text{ha.ngđ}$, hồ hiếu khí làm thoáng tự nhiên/nhân tạo sâu $1,5 - 5\text{ m}$ tải trọng tới $404\text{ kg } BOD/\text{ha.ngđ}$); cánh đồng tưới (công cộng, nông nghiệp) và cánh đồng lọc; mạng lưới mương máng phân phối (tưới theo luống, theo dải, tràn ngập, phun mưa), độ dốc ô thửa và hệ thống tiêu nước ngầm.
  • Công trình sinh học trong điều kiện nhân tạo:
    • Phương pháp bùn hoạt tính lơ lửng: Bể Aeroten (Aeroten trộn, Aeroten đẩy nạp nước thải theo bậc, Aeroten hoạt động theo mẻ SBR), bể Oxitank sử dụng oxy kỹ thuật, ngăn tái sinh bùn hoạt tính (thời gian $2 - 6\text{ giờ}$).
    • Phương pháp màng sinh vật dính bám: Bể Biophin nhỏ giọt ($BOD_5 < 220\text{ mg/l}$, vật liệu cao $1,5 - 2\text{ m}$), bể Biophin cao tải ($BOD_5 < 300\text{ mg/l}$, vật liệu cao $2 - 4\text{ m}$), đĩa lọc sinh học tiếp xúc quay (RBC với đĩa nhựa đường kính $3 - 4\text{ m}$, ngập 40%, vận tốc quay $18\text{ m/phút}$), bể lọc kỵ khí và hệ thống phân phối nước (máng lật, vòi phun, ống quay phản lực).
  • Công trình xử lý bùn cặn và khử trùng: Đặc tính cặn tươi ($65 - 70%$ hữu cơ); quá trình lên men kỵ khí 2 giai đoạn (lên men acid tạo axit béo $pH < 7$ và lên men kiềm/metan tạo $CH_4, CO_2$ ở $pH = 7 - 8$, nhiệt độ ấm $30 - 35^\circ\text{C}$ hoặc nóng $50 - 55^\circ\text{C}$); cấu tạo và vận hành bể tự hoại 2-3 ngăn (thời gian lưu nước $1 - 3\text{ ngày}$, lưu cặn $\ge 6\text{ tháng}$), bể lắng hai vỏ (bể Imhoff gồm máng lắng và ngăn lên men kỵ khí đáy hình nón/chóp cụt); bể nén bùn trọng lực; sân phơi bùn và thiết bị làm khô cơ học; công trình khử trùng (máng trộn, bể tiếp xúc hóa chất).

Chương 3: Các phương pháp Xử lý nước thải công nghiệp

  • Các giải pháp cơ học (chưng bay hơi); hóa học và hóa lý (keo tụ đông tụ, trung hòa bằng hóa chất, oxy hóa - khử, trích ly phân tách dung môi, hấp thụ trên vật liệu); sinh học hiếu khí, sinh học kỵ khí cho dòng thải nồng độ ô nhiễm hữu cơ cao; xử lý bùn cặn phát sinh từ nước thải công nghiệp.

Chương 4: Quản lý, vận hành, bố trí trạm xử lý nước thải

  • Nhiệm vụ và cơ cấu tổ chức quản lý; quy trình kiểm tra kỹ thuật định kỳ trong khối công trình cơ học, sinh học, hóa học; tổng hợp các sự cố công nghệ thường gặp và biện pháp sửa chữa; công tác vệ sinh công trình và an toàn lao động (VSAT); yêu cầu khoảng cách vệ sinh; nguyên tắc bố trí mạng lưới đường ống, cao trình mực nước và mặt bằng tổng thể trạm xử lý nước thải.
       CÁC GIAI ĐOẠN XỬ LÝ THEO DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ TRONG GIÁO TRÌNH

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  1. Lý thuyết động học và sinh hóa môi trường: Nền tảng về quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ Carbon và Nitrogen; động học chuyển hóa cơ chất của vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí, tùy tiện và kỵ khí; quy luật khuếch tán và hòa tan khí oxy trong môi trường chất lỏng.
  2. Nguyên lý thủy lực và công nghệ xử lý: Cơ chế lắng trọng lực của hạt cặn tự do và cặn kết bông trong các trường chuyển động (dòng chảy ngang, dòng chảy thẳng đứng, dòng xoáy ly tâm); cơ chế tiếp xúc bề mặt và khuếch tán chất nền trong màng vi sinh vật bám dính; nguyên tắc vận chuyển thủy tĩnh bùn cặn.
  3. Khung quy chuẩn và phương pháp tính toán: Phương pháp xác định tải trọng ô nhiễm theo tương quan dân số ($N_{TD}$); phương pháp tính toán cân bằng vật chất và mức độ làm sạch cần thiết ($D$) căn cứ theo sức chịu tải của nguồn nước và tiêu chuẩn môi trường (20TCN 51-84, TCVN 7159).

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng tính toán kỹ thuật (Technical skills): Tính toán kích thước hình học, diện tích hữu ích, dung tích công tác, thời gian lưu nước ($t$), tải trọng thủy lực bề mặt ($m^3/m^2.h$), tải trọng thể tích ($kg BOD/m^3.ngđ$) và lượng khí cấp cần thiết cho các công trình đơn vị như song chắn rác, bể lắng cát, bể lắng đợt I/đợt II, bể Aeroten, bể lọc sinh học Biophin, bể tự hoại và bể lắng 2 vỏ.
  • Kỹ năng phân tích công nghệ (Analytical skills): Đánh giá mối quan hệ giữa các chỉ số $BOD/COD$ để xác định khả năng xử lý sinh học; lựa chọn sơ đồ dây chuyền công nghệ tối ưu dựa trên quy mô lưu lượng xả thải ($< 25\text{ m}^3/\text{ng.đ}$, $< 5000\text{ m}^3/\text{ng.đ}$, $> 10000\text{ m}^3/\text{ng.đ}$) và yêu cầu tiếp nhận của nguồn nước.
  • Kỹ năng thực hành đồ án và vận hành (Practical competencies): Thiết kế định hình, vẽ chi tiết cấu tạo công trình đơn vị; lập bản vẽ quy hoạch mặt bằng tổng thể trạm xử lý; xây dựng quy trình vận hành, giám sát thông số kỹ thuật và xử lý các sự cố vận hành thường gặp tại trạm xử lý nước thải.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình được thiết kế theo phương pháp sư phạm kỹ thuật thực hành, kết hợp chặt chẽ giữa việc truyền thụ nguyên lý lý thuyết với các bước tính toán công nghệ và rèn luyện kỹ năng đồ án mặt bằng.

       MÔ HÌNH PHƯƠNG PHÁP HỌC TẬP KỸ THUẬT THEO GIÁO TRÌNH
  • Tiếp cận sư phạm (Pedagogical approach): Giảng dạy theo tiến trình logic từ việc nhận diện tính chất nước thải $\rightarrow$ phân tích động học phản ứng $\rightarrow$ tính toán công trình đơn nguyên $\rightarrow$ liên kết thành dây chuyền công nghệ hoàn chỉnh $\rightarrow$ quản lý vận hành thực tế.
  • Bài tập và ví dụ tính toán (Case studies & Examples): Cung cấp các bài toán mẫu trực tiếp trong văn bản như: tính nồng độ chất bẩn hỗn hợp ($L_{HH}$); tính dân số tương đương theo cặn lơ lửng ($N_{TD}^{SS}$) và theo $BOD_{20}$ ($N_{TD}^{BOD}$); bài toán xác định mức độ cần thiết làm sạch nước thải ($D$) theo $SS, BOD, DO$; ví dụ lựa chọn dây chuyền công nghệ xử lý dựa trên tập số liệu nguồn thải cho trước.
  • Thực hành thiết kế (Practical exercises): Giáo trình đặt ra nhiệm vụ thực hành cụ thể tại Chương 4 (mục 4.4): Yêu cầu sinh viên thực hiện bố trí các công trình đơn vị trên mặt bằng tổng thể trạm xử lý nước thải và triển khai bản vẽ kỹ thuật chi tiết 1 công trình đơn vị do giáo viên giao.
  • Phương pháp đánh giá (Assessment methods):
    • Kiểm tra lý thuyết: Khả năng phân loại, giải thích nguyên lý làm việc và cơ chế sinh hóa của các công trình xử lý.
    • Bài tập tính toán: Đánh giá độ chính xác trong áp dụng công thức xác định kích thước, dung tích và thông số công nghệ của các bể xử lý.
    • Đồ án/Bài tập lớn: Đánh giá chất lượng bản vẽ mặt bằng tổng thể trạm và bản vẽ chi tiết công trình đơn vị.
  • Hướng dẫn tự học (Self-study guidelines): Người học cần chủ động tra cứu các bảng thông số kỹ thuật định hình được tác giả tổng hợp trong tài liệu (bảng lưu lượng rác trên song chắn, bảng kích thước bể lắng cát ngang, bảng kích thước bể tự hoại 2 ngăn, bảng tải trọng tưới nông nghiệp), liên hệ đối chiếu với các quy chuẩn xây dựng và tiêu chuẩn môi trường hiện hành.

Điểm nổi bật và cập nhật

Tài liệu thể hiện rõ các đặc trưng kỹ thuật phù hợp với định hướng đào tạo thực hành cho hệ cao đẳng kỹ thuật:

Hạng mục đặc trưng Nội dung kỹ thuật trong giáo trình
Phạm vi ứng dụng thực tế Tập trung vào giải pháp xử lý nước thải cho công trình dân dụng cấp III và đô thị loại IV.
Dữ liệu kích thước định hình Cung cấp bảng tra cứu kích thước chuẩn (bể tự hoại gia đình $3 - 10\text{ m}^3$, bể lắng cát lưu lượng $460 - 1800\text{ l/s}$, bể lắng ly tâm).
Đa dạng hóa công nghệ Phân tích đầy đủ từ công trình chi phí thấp (hồ sinh học, cánh đồng lọc/tưới) đến công trình nhân tạo tải trọng cao (Aeroten nạp bậc, SBR, Oxitank, đĩa quay sinh học RBC).
Tích hợp module vận hành & VSAT Dành riêng Chương 4 cho công tác quản lý, kiểm tra công trình cơ - sinh - hóa, bảo dưỡng sửa chữa và an toàn lao động.
  • Tính ứng dụng kỹ thuật thực tiễn: Giáo trình không dừng lại ở mức mô tả định tính mà cung cấp các thông số vận hành cụ thể như: thời gian sục khí phục hồi bùn tại ngăn tái sinh ($2 - 6\text{ giờ}$), tỷ lệ diện tích mặt thoáng tự do chống nghẽn màng ở bể lắng hai vỏ ($\ge 20%$), lượng bùn hoạt tính hồi lưu bể Aeroten ($20 - 30%$).
  • Gắn kết với tiêu chuẩn ngành: Sử dụng hệ thống công thức tính toán và số liệu tiêu chuẩn xả thải bám sát tiêu chuẩn thiết kế cấp thoát nước 20TCN 51-84 và tiêu chuẩn môi trường TCVN 7159.
  • Tính tổng thể công trình: Kết nối đầy đủ từ công đoạn thu gom rác thô đầu vào, lắng cặn sơ cấp, phân hủy sinh học thứ cấp, xử lý bùn kỵ khí đến khử trùng và thoát nước ra nguồn tiếp nhận.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên chuyên ngành:
    • Tài liệu học tập chính khóa cho sinh viên hệ Cao đẳng ngành Công nghệ Kỹ thuật tài nguyên nước, Kỹ thuật môi trường đô thị, Cấp thoát nước tại các trường cao đẳng khối xây dựng và kỹ thuật.
    • Sinh viên năm 2 và năm 3 chuẩn bị thực hiện đồ án môn học công trình xử lý nước thải hoặc thực tập tốt nghiệp tại các nhà máy, trạm xử lý.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites):
    • Người học cần hoàn thành các học phần nền tảng: Hóa học môi trường, Vi sinh vật học đại cương, Thủy lực công trình, Máy bơm và trạm bơm, cùng kỹ năng Đọc và vẽ bản vẽ kỹ thuật xây dựng.
  • Giảng viên và cán bộ đào tạo:
    • Sử dụng làm khung đề cương bài giảng lý thuyết, cơ sở biên soạn đề thi, phiếu bài tập tính toán thiết kế công trình và hướng dẫn thực hành đồ án chuyên ngành.
  • Kỹ thuật viên và cán bộ quản lý:
    • Tài liệu tra cứu thực tế cho kỹ thuật viên vận hành trạm xử lý nước thải tại các khu đô thị vừa và nhỏ, khu công nghiệp, cơ sở y tế và các tòa nhà dân dụng cấp III.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng đào tạo nào?

Giáo trình được biên soạn chuẩn hóa theo chương trình đào tạo trình độ Cao đẳng cho ngành Công nghệ Kỹ thuật tài nguyên nước (ban hành theo Quyết định 368ĐT/QĐ-CĐXD1 của Trường Cao đẳng Xây dựng số 1), đồng thời phù hợp làm tài liệu tham khảo cho các ngành Cấp thoát nước và Kỹ thuật môi trường.

2. Cần kiến thức nền tảng nào trước khi học giáo trình này?

Người học cần có kiến thức cơ sở về Thủy lực công chất lỏng, Hóa học vô cơ - hữu cơ, Vi sinh vật học môi trường và kỹ năng triển khai bản vẽ kỹ thuật cơ bản.

3. Điểm khác biệt của giáo trình so với các tài liệu thuần lý thuyết khác là gì?

Tài liệu tích hợp đầy đủ hệ số tính toán thực tế, các bảng tra kích thước định hình cho từng công trình đơn vị (bể tự hoại, bể lắng cát, bể Imhoff, bể Aeroten), cung cấp các sơ đồ dây chuyền theo từng mức công suất ($<25\text{ m}^3/\text{ng.đ}$, $<5000\text{ m}^3/\text{ng.đ}$, $>10000\text{ m}^3/\text{ng.đ}$) và hướng dẫn trực tiếp bài tập thực hành vẽ mặt bằng tổng thể trạm xử lý.

                  SƠ ĐỒ PHÂN LOẠI DÂY CHUYỀN THEO CÔNG SUẤT TRẠM
  Q < 25 m³/ng.đ                Q < 5000 m³/ng.đ                Q > 10000 m³/ng.đ
  - Bể tự hoại                   - Song chắn rác                 - Song chắn + Máy nghiền
  - Bãi lọc ngầm/                - Bể lắng cát                   - Bể lắng cát + Sân cát
    Hồ sinh học/                 - Bể lắng 2 vỏ/                 - Bể lắng I + Bể mêtan
    Biôphin                        Biôphin + Bể lắng II          - Sân phơi bùn/Nồi hơi
  - Khử trùng                    - Khử trùng                     - Bể tiếp xúc khử trùng

4. Làm thế nào để tự học và nắm vững kiến thức trong giáo trình hiệu quả?

Cần kết hợp việc học lý thuyết phân loại chỉ tiêu nước thải với việc giải các ví dụ tính toán công nghệ mẫu ở Chương 1; sau đó tập phân tích cấu tạo nguyên lý làm việc của từng công trình trong Chương 2 và thực hành vẽ lại mặt bằng tổng thể, triển khai chi tiết công trình đơn vị theo yêu cầu Chương 4.

5. Giáo trình viện dẫn những tài liệu kỹ thuật và tiêu chuẩn nào?

Tài liệu sử dụng các quy chuẩn, tiêu chuẩn thiết kế chuyên ngành bao gồm: Tiêu chuẩn thiết kế Cấp thoát nước 20TCN 51-84, Tiêu chuẩn chất lượng môi trường TCVN 7159 và các tài liệu tham khảo chuyên ngành Cấp thoát nước do các trường đại học, viện nghiên cứu kỹ thuật xây dựng ban hành.


Kết luận

Giáo trình Xử lý nước thải do tác giả Lê Thị Minh Nga chủ biên là tài liệu học thuật hoàn chỉnh, chuẩn hóa hệ thống kiến thức từ cơ sở tính toán nồng độ chất bẩn, động học oxy hóa sinh hóa đến quy trình tính toán, thiết kế và quản lý vận hành các công trình xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp.

Lộ trình học tập khuyến nghị:

  1. Tiếp thu lý thuyết cơ sở, chỉ tiêu hóa lý ($BOD, COD, DO, pH$) và công thức tính toán mức độ làm sạch cần thiết ($D$) tại Chương 1.
  2. Đi sâu vào cấu tạo, cơ chế hoạt động và thông số tính toán của từng công trình xử lý cơ học, sinh học tự nhiên/nhân tạo và bùn cặn tại Chương 2.
  3. Nghiên cứu các giải pháp hóa lý, sinh học chuyên biệt cho nước thải sản xuất tại Chương 3.
  4. Tổng hợp kiến thức qua việc thực hành quy hoạch mặt bằng tổng thể, thiết kế chi tiết công trình và nắm vững quy trình kiểm tra, bảo dưỡng an toàn tại Chương 4.

Để hoàn thiện kiến thức, người học nên kết hợp tra cứu Tiêu chuẩn 20TCN 51-84, TCVN 7159 và tham khảo các bản vẽ thiết kế kỹ thuật thi công trạm xử lý nước thải thực tế.