Giáo trìnhxử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp

Giáo trình xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ và quy trình xử lý nước hiệu quả.

• Đề tài: Giáo Trình Xử Lý Nước Cấp Cho Sinh Hoạt Và Công Nghiệp

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU (Cho lần xuất bản thứ hai)
• 1. CHƯƠNG 1: CHẤT LƯỢNG NƯỚC THIÊN NHIÊN (NGUỒN NƯỚC) DÙNG ĐỂ CẤP NƯỚC
• 1.1. CÁC LOẠI NGUỒN NƯỚC DÙNG ĐỂ CẤP NƯỚC
• 1.2. TÍNH CHẤT VÀ CÁC CHỈ TIÊU VỀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC
• 1.3. CÁC CHỈ TIÊU LÝ HỌC
• 1.3.1. Nhiệt độ
• 1.3.2. Độ màu
• 1.3.3. Độ đục
• 1.3.4. Mùi vị
• 1.3.5. Độ nhớt
• 1.3.6. Độ dẫn điện
• 1.3.7. Tính phóng xạ
• 1.4. CÁC CHỈ TIÊU HOÁ HỌC
• 1.4.1. Thành phần ion của nước thiên nhiên
• 1.4.2. Độ oxy hoá của nước
• 1.4.3. Ion sunfat và clorua
• 1.4.4. Các hợp chất của axit silixic
• 1.4.5. Các hợp chất chứa nitơ
• 1.4.6. Ion flo
• 1.4.7. Ion iod
• 1.4.8. Hoạt độ và độ hoà tan và trạng thái cân bằng của các chất trong dung dịch
• 1.4.9. Chỉ tiêu nồng độ ion hydro và trị số pH của nước
• 1.4.10. Các hợp chất của axit cacbonic

Tóm tắt

I. Tổng quan giáo trình xử lý nước cấp và vai trò thiết yếu

Giáo trình xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp là nền tảng kiến thức cốt lõi cho ngành kỹ thuật môi trường và cấp thoát nước. Mục tiêu chính của việc xử lý nước là biến đổi nước thô từ các nguồn tự nhiên như sông, hồ (nước mặt) hoặc giếng khoan (nước ngầm) thành nước sạch, an toàn, đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng nghiêm ngặt trước khi cung cấp cho người dùng. Nước sau xử lý không chỉ phải loại bỏ các tạp chất gây hại, vi sinh vật gây bệnh mà còn phải đảm bảo các chỉ tiêu lý hóa như độ đục, độ màu, pH nằm trong giới hạn cho phép. Tầm quan trọng của việc này không chỉ dừng lại ở việc bảo vệ sức khỏe cộng đồng mà còn đóng vai trò quyết định đến hiệu quả sản xuất của nhiều ngành công nghiệp. Ví dụ, nước cấp cho lò hơi yêu cầu độ cứng cực thấp để tránh đóng cặn, trong khi ngành dệt may cần nước không chứa sắt và mangan để không làm hỏng màu vải. Do đó, việc nắm vững các công nghệ xử lý nước cấp là yêu cầu bắt buộc đối với các kỹ sư và nhà quản lý. Các tài liệu học thuật, như sách của tác giả Trịnh Xuân Lai, cung cấp một cái nhìn hệ thống về các quá trình từ cơ học, hóa học đến sinh học, giúp xây dựng các sơ đồ công nghệ xử lý nước cấp phù hợp với từng đặc điểm nguồn nước cụ thể.

1.1. Mục tiêu cốt lõi của công nghệ xử lý nước cấp hiện đại

Mục tiêu hàng đầu của công nghệ xử lý nước cấp là cung cấp nguồn nước an toàn và chất lượng. Nước thành phẩm phải thỏa mãn tiêu chuẩn nước sinh hoạt, cụ thể là QCVN 01-1:2018/BYT tại Việt Nam. Điều này có nghĩa là phải loại bỏ hoặc giảm thiểu các chất ô nhiễm đến mức không gây hại cho sức khỏe con người. Các mục tiêu này bao gồm: loại bỏ các chất rắn lơ lửng gây ra độ đục; khử độ màu do các hợp chất hữu cơ hoặc kim loại gây ra; điều chỉnh pH về khoảng trung tính (6.5-8.5); loại bỏ các vi sinh vật gây bệnh thông qua quá trình khử trùng nước cấp; và xử lý các ion hòa tan có hại như sắt, Mangan, amoni, asen. Đối với xử lý nước công nghiệp, mục tiêu còn mở rộng hơn, tùy thuộc vào yêu cầu của từng dây chuyền sản xuất, ví dụ như làm mềm nước cho lò hơi hoặc khử khoáng hoàn toàn cho ngành sản xuất điện tử.

1.2. Phân loại và đặc điểm các nguồn nước thô phổ biến

Nguồn nước thô được chia thành hai loại chính: xử lý nước mặt và xử lý nước ngầm. Nước mặt, lấy từ sông, hồ, ao, đầm, thường có đặc điểm là chứa nhiều chất rắn lơ lửng, chất hữu cơ, tảo và vi sinh vật. Độ đục và độ màu của nước mặt biến động mạnh theo mùa, đặc biệt tăng cao vào mùa mưa lũ. Ngược lại, nước ngầm được khai thác từ các tầng chứa nước dưới đất, có chất lượng tương đối ổn định hơn. Đặc trưng của nước ngầm là độ đục thấp, không chứa vi sinh vật gây bệnh nhưng thường có hàm lượng các khoáng chất hòa tan cao, điển hình là sắt (Fe²⁺) và Mangan (Mn²⁺), đôi khi còn có H₂S, CO₂. Mỗi loại nguồn nước đòi hỏi một thuyết minh quy trình xử lý nước khác nhau để giải quyết các vấn đề đặc thù của nó. Việc lựa chọn công nghệ phù hợp bắt đầu từ việc phân tích kỹ lưỡng chất lượng nguồn nước đầu vào.

II. Thách thức về chất lượng nguồn nước cấp tại Việt Nam

Chất lượng nguồn nước thô tại Việt Nam đang đối mặt với nhiều thách thức, đòi hỏi các hệ thống xử lý nước cấp phải ngày càng tiên tiến và hiệu quả. Quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa nhanh chóng đã gây áp lực lớn lên các nguồn nước mặt, khiến chúng bị ô nhiễm bởi nước thải sinh hoạt và công nghiệp chưa qua xử lý. Các chỉ tiêu như amoni, nitrit, phốt phát và các chất hữu cơ thường vượt ngưỡng cho phép. Trong khi đó, nguồn nước ngầm, mặc dù ít bị ảnh hưởng bởi ô nhiễm bề mặt, lại đối mặt với vấn đề ô nhiễm tự nhiên và nhân tạo. Tình trạng nhiễm sắt và Mangan là rất phổ biến, đặc biệt ở vùng đồng bằng Bắc Bộ và đồng bằng sông Cửu Long. Một số khu vực còn ghi nhận sự có mặt của asen (thạch tín) ở nồng độ cao, một chất độc gây ung thư. Bên cạnh đó, việc đáp ứng tiêu chuẩn nước sinh hoạt ngày càng khắt khe, như QCVN 01-1:2018/BYT, đặt ra yêu cầu cao về công nghệ và năng lực vận hành trạm xử lý nước. Việc không xử lý triệt để các chất ô nhiễm này không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe người dân mà còn gây thiệt hại kinh tế do làm hỏng thiết bị và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm công nghiệp.

2.1. Các chỉ tiêu lý hóa quan trọng độ đục độ màu và độ pH

Trong xử lý nước cấp, ba chỉ tiêu lý học cơ bản cần kiểm soát chặt chẽ là độ đục, độ màu, pH. Độ đục gây ra bởi các hạt rắn lơ lửng như sét, keo, và vi sinh vật, không chỉ làm mất mỹ quan mà còn là nơi trú ngụ cho vi khuẩn, làm giảm hiệu quả khử trùng. Độ màu thường do các hợp chất hữu cơ hòa tan (axit humic) hoặc các ion kim loại như sắt, mangan tạo nên. Việc loại bỏ màu là một thách thức, đòi hỏi các quá trình oxy hóa hoặc keo tụ hiệu quả. Độ pH là chỉ số đo độ axit hoặc kiềm của nước, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của nhiều công đoạn xử lý, đặc biệt là quá trình keo tụ và khử trùng. pH quá thấp hoặc quá cao đều có thể gây ăn mòn đường ống và thiết bị. Việc duy trì các chỉ tiêu này trong giới hạn của tiêu chuẩn nước sinh hoạt là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong mọi hệ thống xử lý nước sinh hoạt.

2.2. Vấn đề ô nhiễm sắt Mangan và các hợp chất chứa Nitơ

Ô nhiễm sắt và Mangan là vấn đề cố hữu trong xử lý nước ngầm ở Việt Nam. Sắt (Fe²⁺) và Mangan (Mn²⁺) khi tiếp xúc với không khí sẽ bị oxy hóa thành dạng hydroxit kết tủa (Fe(OH)₃, MnO₂), gây ra màu nâu đỏ, vị tanh và làm tắc nghẽn đường ống. Quy trình khử sắt và Mangan thường bao gồm các bước làm thoáng để oxy hóa, sau đó lắng và lọc để loại bỏ kết tủa. Bên cạnh đó, các hợp chất chứa Nitơ như Amoni (NH₄⁺) cũng là một chỉ tiêu ô nhiễm đáng báo động. Amoni không chỉ làm giảm hiệu quả của quá trình khử trùng bằng Clo mà còn có thể chuyển hóa thành nitrit, nitrat gây hại cho sức khỏe, đặc biệt là trẻ sơ sinh. Xử lý amoni đòi hỏi các công nghệ phức tạp hơn như phương pháp breakpoint chlorination hoặc lọc sinh học.

III. Phương pháp xử lý nước cấp cơ học và quá trình keo tụ

Các phương pháp xử lý cơ học đóng vai trò tiền xử lý, giúp giảm tải cho các công đoạn xử lý hóa học và sinh học phía sau trong một hệ thống xử lý nước sinh hoạt. Giai đoạn này tập trung vào việc loại bỏ các tạp chất có kích thước lớn và các hạt lơ lửng dễ lắng. Quy trình bắt đầu từ công trình thu nước với song chắn rác và lưới lọc để loại bỏ rác, cành cây. Tiếp theo, nước có thể được dẫn qua bể lắng cát để loại bỏ các hạt vô cơ nặng như cát, sỏi. Tuy nhiên, để loại bỏ các hạt keo và hạt lơ lửng mịn gây ra độ đục, cần đến quá trình keo tụ - tạo bông. Đây là trái tim của công nghệ làm trong nước. Bằng cách châm các hóa chất keo tụ tạo bông như phèn nhôm PAC, các hạt keo mang điện tích âm sẽ bị trung hòa, kết dính lại với nhau thành các bông cặn lớn hơn. Hiệu quả của quá trình này phụ thuộc rất lớn vào liều lượng hóa chất, cường độ khuấy trộn và độ pH của nước. Việc tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước ở giai đoạn này đòi hỏi sự chính xác cao để đảm bảo hiệu quả làm trong và tối ưu chi phí vận hành.

3.1. Vai trò của hóa chất keo tụ tạo bông phèn nhôm PAC

Các hóa chất keo tụ tạo bông là tác nhân không thể thiếu trong quy trình làm trong nước mặt. Phèn nhôm (Al₂(SO₄)₃) là hóa chất truyền thống, nhưng hiện nay Poly Aluminium Chloride (phèn nhôm PAC) được sử dụng phổ biến hơn do nhiều ưu điểm. PAC hoạt động hiệu quả trong khoảng pH rộng hơn, tạo ra bông cặn to, chắc và lắng nhanh hơn, đồng thời ít làm giảm pH của nước so với phèn nhôm. Khi được châm vào nước, các ion nhôm đa hóa trị trong PAC sẽ thủy phân, tạo ra các hạt keo hydroxit nhôm mang điện tích dương. Các hạt này sẽ hút và trung hòa các hạt keo đất sét, chất hữu cơ mang điện tích âm trong nước. Quá trình khuấy trộn nhẹ nhàng sau đó sẽ giúp các hạt keo vi mô này va chạm, kết dính với nhau thành các bông cặn lớn, dễ dàng loại bỏ bằng phương pháp lắng và lọc.

3.2. Công nghệ làm thoáng Giải pháp khử sắt và khí hòa tan

Làm thoáng là một phương pháp tiền xử lý hiệu quả, đặc biệt trong xử lý nước ngầm. Nhiệm vụ chính của làm thoáng là cung cấp oxy từ không khí vào nước để oxy hóa sắt hóa trị II (Fe²⁺) và mangan hóa trị II (Mn²⁺) hòa tan thành dạng hợp chất hóa trị III và IV (Fe(OH)₃, MnO₂) không tan, dễ dàng lắng lọc. Theo tài liệu của Trịnh Xuân Lai, quá trình này còn có tác dụng đuổi các khí hòa tan không mong muốn ra khỏi nước như khí cacbonic (CO₂), hydrosunfua (H₂S). Việc khử CO₂ giúp nâng độ pH của nước, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng oxy hóa sắt và mangan diễn ra nhanh hơn và triệt để hơn. Các công trình làm thoáng phổ biến bao gồm giàn mưa, tháp làm thoáng, hoặc ejector thu khí.

IV. Hướng dẫn công nghệ lắng lọc và khử trùng nước cấp

Sau quá trình keo tụ tạo bông, công nghệ xử lý nước cấp bước vào giai đoạn phân tách rắn-lỏng để loại bỏ các bông cặn đã hình thành. Giai đoạn này bao gồm hai công đoạn chính là lắng và lọc. Bể lắng có nhiệm vụ loại bỏ phần lớn các bông cặn có kích thước lớn và tỷ trọng nặng hơn nước dưới tác dụng của trọng lực. Nước sau khi lắng đã trong hơn đáng kể nhưng vẫn còn chứa các bông cặn nhỏ và vi sinh vật. Do đó, nước cần được tiếp tục đưa qua bể lọc để loại bỏ triệt để các tạp chất còn lại. Cuối cùng, để đảm bảo an toàn tuyệt đối về mặt vi sinh, nước phải trải qua công đoạn khử trùng nước cấp. Đây là hàng rào bảo vệ cuối cùng, tiêu diệt hoặc bất hoạt các vi khuẩn, virus gây bệnh, đảm bảo nước đạt tiêu chuẩn nước sinh hoạt trước khi được bơm vào mạng lưới phân phối. Hiệu quả của toàn bộ dây chuyền phụ thuộc vào sự phối hợp nhịp nhàng và thiết kế tối ưu của cả ba công đoạn này.

4.1. Thiết kế và vận hành bể lắng Lamen Lamella hiệu quả

Bể lắng Lamen (hay bể lắng tấm nghiêng) là một cải tiến vượt trội so với bể lắng ngang truyền thống. Thay vì yêu cầu diện tích bề mặt lớn, bể Lamen sử dụng các tấm vách ngăn đặt nghiêng (thường là 60 độ) song song với nhau. Thiết kế này làm tăng đáng kể diện tích bề mặt lắng trong một thể tích bể nhỏ gọn, giúp tăng hiệu suất và tiết kiệm diện tích xây dựng từ 5-10 lần. Khi nước chứa bông cặn chảy qua các khe hẹp giữa các tấm nghiêng, các hạt cặn sẽ lắng xuống bề mặt tấm và trượt xuống vùng chứa cặn của bể. Nước trong sau đó được thu ở phía trên. Để vận hành trạm xử lý nước có bể Lamen hiệu quả, cần chú ý đến việc phân phối dòng chảy đều và xả cặn định kỳ để tránh tình trạng tích tụ cặn gây tắc nghẽn.

4.2. Nguyên lý hoạt động của bể lọc cát nhanh trọng lực

Bể lọc cát nhanh là công đoạn không thể thiếu trong hệ thống xử lý nước sinh hoạt quy mô lớn. Nước sau khi lắng sẽ được cho chảy qua một lớp vật liệu lọc, thường là cát thạch anh có kích thước đồng đều, đôi khi kết hợp với các lớp than hoạt tính hoặc sỏi đỡ. Các hạt cặn lơ lửng còn sót lại sẽ bị giữ lại trên bề mặt và trong các khe rỗng của lớp vật liệu lọc. Theo thời gian, lớp vật liệu lọc sẽ bị bẩn và tắc, làm tăng tổn thất áp lực. Khi đó, cần tiến hành quá trình rửa lọc ngược. Nước sạch và không khí được bơm từ dưới lên với tốc độ cao để làm xáo trộn lớp vật liệu lọc, đẩy các chất bẩn ra ngoài theo đường ống xả thải. Quá trình tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước cho bể lọc cần xác định chính xác tốc độ lọc và chu kỳ rửa lọc để đảm bảo hiệu quả và tính kinh tế.

4.3. Các phương pháp khử trùng nước cấp phổ biến hiện nay

Khử trùng nước cấp là bước cuối cùng và quan trọng nhất để tiêu diệt mầm bệnh. Phương pháp phổ biến và kinh tế nhất là sử dụng Clo và các hợp chất của Clo (nước Javen, Cloramin B). Clo có khả năng oxy hóa mạnh, phá hủy màng tế bào của vi sinh vật. Ưu điểm của Clo là có tác dụng tồn dư, giúp bảo vệ nước khỏi tái nhiễm khuẩn trên đường ống. Tuy nhiên, Clo có thể phản ứng với các chất hữu cơ trong nước tạo ra các sản phẩm phụ (THMs) có khả năng gây ung thư. Các phương pháp thay thế khác bao gồm sử dụng tia cực tím (UV), có khả năng tiêu diệt vi khuẩn nhanh chóng mà không cần hóa chất nhưng không có tác dụng tồn dư, và sử dụng Ozone (O₃), một chất oxy hóa rất mạnh có thể khử cả màu, mùi và vi khuẩn nhưng chi phí đầu tư và vận hành cao.

V. Ứng dụng công nghệ xử lý nước công nghiệp và đặc thù

Xử lý nước công nghiệp có những yêu cầu đặc thù và khắt khe hơn nhiều so với xử lý nước sinh hoạt. Chất lượng nước đầu vào cho các quy trình sản xuất có thể ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm cuối cùng, tuổi thọ của thiết bị và hiệu quả kinh tế. Mỗi ngành công nghiệp lại có một tiêu chuẩn nước riêng. Ví dụ, ngành thực phẩm và dược phẩm yêu cầu nước siêu tinh khiết, không chứa bất kỳ vi sinh vật hay khoáng chất nào. Ngành công nghiệp dệt nhuộm cần nước không có độ cứng, sắt và mangan. Ngành điện tử yêu cầu nước khử ion hoàn toàn với điện trở suất rất cao. Để đáp ứng các yêu cầu này, bên cạnh các công nghệ xử lý cơ bản, các phương pháp xử lý bậc cao như làm mềm nước, trao đổi ion, và đặc biệt là công nghệ màng lọc RO (thẩm thấu ngược) được ứng dụng rộng rãi. Việc lựa chọn và tích hợp các công nghệ này vào một sơ đồ công nghệ xử lý nước cấp hoàn chỉnh đòi hỏi sự am hiểu sâu sắc về cả công nghệ xử lý và yêu cầu sản xuất.

5.1. Công nghệ màng lọc RO và ứng dụng trong xử lý nước

Công nghệ màng lọc RO (Reverse Osmosis) là công nghệ xử lý nước tiên tiến nhất hiện nay, có khả năng loại bỏ gần như toàn bộ (99%+) các ion hòa tan, kim loại nặng, chất hữu cơ và vi sinh vật ra khỏi nước. Nguyên lý của RO là sử dụng áp suất cao để đẩy nước đi qua một lớp màng bán thấm có kích thước lỗ lọc siêu nhỏ (cỡ 0.0001 micromet). Chỉ có phân tử nước tinh khiết mới có thể đi qua, còn tất cả các tạp chất khác sẽ bị giữ lại và thải ra ngoài theo dòng nước thải. Công nghệ RO được ứng dụng để sản xuất nước tinh khiết đóng chai, khử mặn nước biển, và cung cấp nước siêu sạch cho các ngành công nghiệp như dược phẩm, điện tử, và lò hơi cao áp. Đây là giải pháp tối ưu cho các nguồn nước có độ mặn cao hoặc yêu cầu chất lượng nước đầu ra ở mức cao nhất.

5.2. Các phương pháp làm mềm nước hiệu quả cho công nghiệp

Làm mềm nước là quá trình loại bỏ các ion gây ra độ cứng trong nước, chủ yếu là Canxi (Ca²⁺) và Magie (Mg²⁺). Nước cứng khi đun nóng sẽ gây ra hiện tượng đóng cặn trong lò hơi, đường ống, tháp giải nhiệt, làm giảm hiệu suất truyền nhiệt và có thể gây nổ lò hơi. Phương pháp làm mềm phổ biến nhất là trao đổi ion. Nước cứng được cho đi qua cột chứa các hạt nhựa cationit. Tại đây, các ion Na⁺ trên bề mặt hạt nhựa sẽ trao đổi vị trí với các ion Ca²⁺ và Mg²⁺ trong nước, giữ chúng lại trên cột nhựa và giải phóng Na⁺ vào nước. Khi hạt nhựa đã bão hòa Ca²⁺ và Mg²⁺, chúng cần được tái sinh bằng cách rửa qua dung dịch muối ăn (NaCl) đậm đặc để phục hồi lại trạng thái ban đầu.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp do tác giả Trịnh Xuân Lai biên soạn, được Nhà xuất bản Xây dựng Hà Nội ấn hành năm 2004 (tái bản lần thứ hai có sửa chữa và bổ sung). Giáo trình giữ vị trí trung tâm trong khối kiến thức kỹ thuật chuyên ngành thuộc chương trình đào tạo Kỹ thuật Cấp thoát nước, Kỹ thuật Môi trường và Kỹ thuật Hạ tầng Đô thị ở bậc đại học và sau đại học.

Mục tiêu học tập của giáo trình là trang bị cho người học hệ thống cơ sở lý thuyết về hóa học, hóa lý và sinh học của môi trường nước; phương pháp đánh giá chất lượng các nguồn nước thiên nhiên theo tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành; nguyên lý động học và công nghệ tính toán, thiết kế các công trình đơn vị trong dây chuyền xử lý nước phục vụ sinh hoạt đô thị và sản xuất công nghiệp.

Giáo trình tiếp cận theo quy trình kỹ thuật hệ thống: bắt đầu từ việc khảo sát đặc tính chất lượng nước thô (nước mặt, nước ngầm, nước biển, nước lợ, nước chua phèn, nước mưa), phân tích các cân bằng ion và nhiệt động học dung dịch, đánh giá độ ổn định và tính xâm thực của nước, phân loại nguồn nước theo quy chuẩn quốc gia, đến thiết kế các công trình công nghệ (công trình thu, lắng sơ bộ, song/lưới chắn, lắng cát, làm thoáng, keo tụ, lắng, lọc, khử trùng, làm mềm, làm nguội tuần hoàn, xử lý asen và amoni).

Điểm đặc thù của giáo trình là cấu trúc nội dung gắn kết chặt chẽ giữa lý thuyết hóa lý ứng dụng với thực hành kỹ thuật công trình, tối ưu hóa các phương pháp tính toán thông qua đồ thị tra cứu và thuật toán số học, phục vụ trực tiếp cho công tác thiết kế nhà máy nước.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình được triển khai theo logic phát triển từ cơ sở phân tích nguồn nước đến quy trình công nghệ xử lý:

• Chương 1: Chất lượng nước thiên nhiên (Nguồn nước) dùng để cấp nước: Phân loại và đặc tính hóa - lý - sinh của 7 loại nguồn nước thiên nhiên; quy tắc lấy mẫu, bảo quản và vận chuyển mẫu nước (phân tích tại chỗ các chỉ tiêu $CO_2$, $Fe^{2+}$, $Fe^{3+}$, $pH$, $O_2$, $H_2S$; bảo quản lạnh mẫu toàn phần 5 lít không quá 48–72 giờ); hệ thống 7 chỉ tiêu lý học (nhiệt độ, độ màu thang Pt-Co, độ đục NTU/FTU, mùi vị, độ nhớt ma sát nội, độ dẫn điện $\mu S/m$, tính phóng xạ hạt $\alpha, \beta$); hệ thống các chỉ tiêu hóa học (cân bằng 7 ion chính $Ca^{2+}, Mg^{2+}, Na^+, K^+, HCO_3^-, SO_4^{2-}, Cl^-$, cặn sấy khô 105–120°C, cặn nung cháy 800°C, độ oxy hóa $KMnO_4$, hợp chất silixic, hợp chất chứa nitơ $NH_4^+, NO_2^-, NO_3^-$, vi lượng Flo, Iod); lý thuyết hoạt độ, lực ion $\mu$ và tích số tan $S$; cân bằng hệ axit cacbonic ($CO_2 - HCO_3^- - CO_3^{2-}$); chỉ số bão hòa Langelier ($I = pH - pH_s$); phân định các thành phần độ kiềm ($E, K_p$) và độ cứng ($C_0, C_b, C_{pb}, C_{Ca}, C_{Mg}$); hóa học khử hợp chất sắt và mangan; quy luật hòa tan và khuếch tán chất khí ($O_2, CO_2, H_2S, CH_4$) theo định luật Henry; các chỉ tiêu vi sinh vật (vi khuẩn, virut, nguyên sinh động vật Giardia lamblia, tảo, chỉ thị Coliform); hệ thống tiêu chuẩn lựa chọn nguồn nước thô TCXD 233:1999 (chia nguồn nước thành Loại A, B, C với 30 thông số giới hạn) và Tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống theo Quyết định 1329/2002/BYT/QĐ (108 chỉ tiêu cảm quan, vô cơ, hữu cơ, hóa chất bảo vệ thực vật, hóa chất khử trùng).
• Chương 2: Các quá trình và sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thiên nhiên: Xác định 4 mục đích của quá trình xử lý nước cấp; phân loại công nghệ theo chất lượng nguồn nước thô (Loại A: xử lý đơn giản/lọc trực tiếp; Loại B: dây chuyền keo tụ – lắng – lọc – khử trùng; Loại C: quy trình xử lý chuyên sâu khử $NH_4^+, NO_2^-, H_2S, Fe, Mn$, làm mềm); cấu tạo và nguyên lý tính toán các công trình cơ học sơ bộ (hồ chứa lắng sơ bộ, song chắn và lưới chắn rác, bể lắng cát cho nước mặt có độ đục $\ge 250\text{ mg/l}$ để giữ hạt cát đường kính $d \ge 0,2\text{ mm}$ và tỷ trọng $\rho \ge 2,6$); phương pháp xử lý sinh học tại nguồn bằng hóa chất $CuSO_4$ (liều lượng 0,12–0,3 mg/l để ức chế rong, rêu, tảo); nguyên lý công nghệ làm thoáng (bão hòa oxy để oxy hóa sắt và mangan, khử khí xâm thực $CO_2, H_2S$, tăng thế oxy hóa khử) qua 2 phương pháp: đưa nước vào không khí (dàn làm thoáng tự nhiên, thổi khí cưỡng bức) và đưa không khí vào nước (phân phối khí nén đáy bể), cùng 5 yếu tố ảnh hưởng đến động học truyền khối pha khí – lỏng.
• Các chuyên đề kỹ thuật bổ sung: Tính toán thiết kế công trình làm nguội nước trong hệ thống cấp nước tuần hoàn công nghiệp; quy trình công nghệ xử lý asen (As) và amoni ($NH_4^+$) trong nguồn nước cấp.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|               DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC CẤP (TCXD 233:1999)                 |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|  Nguồn Nước Thô (Nước mặt / Nước ngầm)                                            |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Kiến thức nền tảng được xây dựng

• Nhiệt động học dung dịch điện ly: Định luật tác dụng khối lượng, phương trình Debye-Hückel mở rộng xác định hệ số hoạt độ ion ($f_i$) dựa trên điện tích $Z_i$ và lực ion dung dịch ($\mu = 0,5 \sum C_i Z_i^2$ hoặc công thức thực nghiệm $\mu = 0,000022 P$ với hàm lượng muối $P < 1000\text{ mg/l}$); tích số tan nhiệt động ($S_{CaCO_3}, S_{Fe(OH)2}, S{Fe(OH)_3}$).
• Lý thuyết cân bằng cacbonat và tính ổn định của nước: Động học phân ly 2 nấc của axit cacbonic, cân bằng hòa tan $CaCO_3$ với $CO_2$ tự do cân bằng; xác định trạng thái nước xâm thực hay nước đóng cặn dựa trên phương trình Langelier và công thức giải tích xác định $pH$ bão hòa ($pH_s$).
• Động học truyền khối hai pha khí – lỏng: Định luật Henry ($C = K \cdot P$) biểu thị độ hòa tan của chất khí ($CO_2, O_2, H_2S, CH_4$) theo áp suất riêng phần và nhiệt độ, làm cơ sở cho tính toán dàn làm thoáng và công trình khử khí.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng phân tích hóa lý và kiểm nghiệm số liệu: Xác định thành phần độ kiềm qua chuẩn độ hai nấc chỉ thị màu (phenolphthalein $E$ và metyl da cam $K_p$), tính toán các dạng độ cứng ($C_0, C_b, C_{pb}$), kiểm tra sai số phân tích nước bằng phương pháp cân bằng đương lượng ion giữa tổng cation và tổng anion.
• Kỹ năng đánh giá và lựa chọn giải pháp công nghệ: Phân loại chất lượng nguồn nước thô theo TCXD 233:1999 để chọn sơ đồ dây chuyền xử lý tối ưu (xử lý đơn giản, truyền thống, hoặc chuyên sâu); kiểm soát các chỉ tiêu nước sạch theo Quyết định 1329/2002/BYT/QĐ.
• Kỹ năng tính toán thiết kế kỹ thuật công trình: Thiết kế thủy lực và công nghệ cho công trình thu, bể lắng cát, dàn làm thoáng, tháp làm nguội nước tuần hoàn và các bể phản ứng hóa lý.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng phương pháp sư phạm kỹ thuật tích hợp giữa lý thuyết khoa học nền tảng, công cụ tính toán định lượng và ứng dụng thiết kế thực tế:

• Hệ thống ví dụ tính toán số học chi tiết:
  • Ví dụ 1: Tính toán áp suất riêng phần và nồng độ oxy, $CO_2$ hòa tan bão hòa trong nước khi tiếp xúc với không khí ở điều kiện nhiệt độ $20^\circ\text{C}$ và áp suất khí quyển $P_a = 1\text{ at}$.
  • Ví dụ 2: Xác định hệ số hoạt hóa và nồng độ thực tế của ion cacbonat ($CO_3^{2-}$), hydrocacbonat ($HCO_3^-$) trong dung dịch $Na_2CO_3$ ở điều kiện $pH = 10,7$ và nhiệt độ $25^\circ\text{C}$.
  • Ví dụ 3: Thuật toán tính lặp xấp xỉ liên tiếp xác định độ hòa tan thực tế của $CaCO_3$ trong môi trường chứa $50\text{ mg/l } CaCl_2$ và $100\text{ mg/l } NaOH$, xét đến sự biến thiên của lực ion ($\mu$) và hệ số hoạt hóa ($f_i$) qua 3 bước lặp đến khi sai số dưới 5%.
• Hệ thống đồ thị và biểu đồ kỹ thuật:
  • Hình 1.1: Biểu đồ phân bố phần trăm các dạng hợp chất cacbonic ($CO_2, HCO_3^-, CO_3^{2-}$) phụ thuộc vào giá trị $pH$ ở $25^\circ\text{C}$.
  • Hình 1.2: Biểu đồ xác định hàm lượng $CO_2$ tự do trong nước theo độ kiềm và $pH$.
  • Hình 1.3: Biểu đồ 4 thông số (nhiệt độ, hàm lượng $Ca^{2+}$, độ kiềm, tổng hàm lượng muối) để tra cứu và tính toán giá trị $pH_s$.
• Phương pháp tự học và kiểm tra: Hướng dẫn người học sử dụng các biểu đồ giải tích song song với công thức giải tích; áp dụng nguyên tắc cân bằng điện tích để tự kiểm định tính chính xác của bảng phân tích nước trước khi tính toán công nghệ.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|               PHƯƠNG PHÁP LẶP XẤP XỈ TÍNH ĐỘ HÒA TAN (VÍ DỤ 3)                    |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|  Bước 1: Tính nồng độ ion sơ bộ với giả thiết hệ số hoạt hóa f = 1                |
|  Bước 2: Tính lực ion dung dịch μ = 0,5 Σ Ci·Zi²                                  |
|  Bước 3: Xác định lg fi theo công thức Debye-Hückel                               |
|  Bước 4: Tính lại nồng độ ion thực tế và tích số tan hiệu chỉnh                   |
|  Bước 5: Lặp lại các bước 2-4 cho đến khi sai số giữa 2 lần tính < 5%             |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

---

Điểm nổi bật và cập nhật

So với các lần xuất bản trước, bản in năm 2004 của giáo trình có những điều chỉnh và bổ sung mang tính thực tiễn cao:

• Tinh giản cơ sở toán học thuần túy: Lược bớt các phần chứng minh giải tích dài dòng không trực tiếp phục vụ công tác thiết kế và quản lý vận hành nhà máy nước, tập trung cung cấp các công thức thực nghiệm và đồ thị định lượng.
• Bổ sung công trình làm nguội tuần hoàn: Thêm phần tính toán thiết kế các công trình làm nguội nước phục vụ hệ thống cấp nước tuần hoàn trong các khu công nghiệp, giải quyết bài toán chống đóng cặn và ăn mòn thiết bị trao đổi nhiệt.
• Cập nhật quy trình xử lý ô nhiễm đặc thù: Bổ sung cơ sở lý thuyết và quy trình công nghệ xử lý asen (As) và amoni ($NH_4^+$) – hai tác nhân ô nhiễm nghiêm trọng trong nguồn nước ngầm tại Việt Nam.
• Gắn kết tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia và quốc tế: Tích hợp các văn bản pháp lý kỹ thuật tại thời điểm xuất bản gồm Tiêu chuẩn thiết kế TCXD 233:1999 (Bộ Xây dựng), Tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống theo Quyết định 1329/2002/BYT/QĐ (Bộ Y tế), các tiêu chuẩn TCVN, ISO và phương pháp chuẩn xét nghiệm nước của Hoa Kỳ (SMEWW, AOAC).
• Sự tham gia phản biện chuyên môn: Tiếp thu ý kiến đóng góp kỹ thuật từ chuyên gia thực hành là KS. Nguyễn Trọng Dương – Phó Giám đốc Công ty Tư vấn thiết kế xây dựng.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên đại học và học viên cao học: Tài liệu học tập bắt buộc cho sinh viên các ngành Kỹ thuật Cấp thoát nước, Kỹ thuật Hạ tầng Đô thị, Kỹ thuật Môi trường và Kỹ thuật Công trình Thủy.
• Kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các học phần Hóa học đại cương và vô cơ, Hóa học môi trường, Thủy lực học – Cơ học chất lỏng và Vi sinh vật học môi trường.
• Giảng viên và cán bộ đào tạo: Khung tham chiếu cho việc biên soạn đề cương bài giảng, thiết kế đồ án môn học Xử lý nước cấp và hướng dẫn đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Nước.
• Kỹ sư tư vấn và quản lý kỹ thuật: Cẩm nang tính toán kỹ thuật cho các kỹ sư tại các công ty tư vấn thiết kế cấp thoát nước, ban quản lý dự án xây dựng hạ tầng, kỹ sư vận hành nhà máy nước sạch đô thị và cán bộ kiểm soát chất lượng thuộc các Trung tâm Y tế dự phòng.

---

Câu hỏi thường gặp

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

Giáo trình được biên soạn chuyên biệt cho sinh viên đại học, học viên cao học khối ngành Kỹ thuật Cấp thoát nước, Kỹ thuật Môi trường, Kỹ thuật Hạ tầng, cùng các kỹ sư tham gia trực tiếp vào công tác khảo sát, thiết kế và vận hành nhà máy xử lý nước cấp.

2. Cần trang bị những kiến thức nền tảng nào trước khi học giáo trình?

Người học cần có kiến thức cơ bản về Hóa vô cơ (cân bằng ion, phản ứng axit-bazơ, phản ứng oxy hóa khử), Hóa lý (nhiệt động học dung dịch, động học truyền khối), Thủy lực học (chảy trong đường ống và bể lắng) và Vi sinh vật học môi trường (các nhóm vi khuẩn chỉ thị ô nhiễm).

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

Giáo trình loại bỏ các chứng minh toán học thuần túy để tập trung vào các công thức tính toán thực nghiệm, phương pháp tính lặp xấp xỉ liên tiếp, hệ thống biểu đồ tra cứu kỹ thuật nhanh (biểu đồ Langelier, biểu đồ cacbonic), đồng thời cập nhật phần làm nguội nước tuần hoàn và xử lý asen, amoni.

4. Làm thế nào để tự học và áp dụng các công thức trong giáo trình hiệu quả?

Người học nên bám sát quy trình giải bài tập mẫu trong Chương 1, đặc biệt là phương pháp lặp xấp xỉ tính toán lực ion $\mu$, hệ số hoạt hóa $f_i$ và độ hòa tan của các muối ít tan. Kết hợp việc sử dụng công thức giải tích với việc tra cứu biểu đồ để đối chiếu kết quả.

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

Giáo trình viện dẫn trực tiếp Tiêu chuẩn xây dựng TCXD 233:1999 của Bộ Xây dựng (lựa chọn nguồn nước thô), Quyết định số 1329/2002/BYT/QĐ của Bộ Y tế (tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống), các Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 6185:1996, TCVN 6184:1996, TCVN 6224:1996...), tiêu chuẩn quốc tế ISO và tài liệu Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (SMEWW).

---

Kết luận

Giáo trình Xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp của tác giả Trịnh Xuân Lai là tài liệu học thuật và kỹ thuật chuyên ngành toàn diện, chuẩn hóa cơ sở lý thuyết hóa học môi trường nước và phương pháp luận thiết kế công trình xử lý nước. Giáo trình thiết lập lộ trình học tập logic từ việc đánh giá các thông số hóa - lý - sinh của nước thô, phân loại nguồn nước theo tiêu chuẩn quốc gia, đến tính toán kỹ thuật các công trình xử lý cơ học, hóa lý và làm nguội nước tuần hoàn. Việc tích hợp đầy đủ hệ thống tiêu chuẩn TCXD 233:1999 và Quyết định 1329/2002/BYT/QĐ khẳng định giá trị ứng dụng thực tiễn của giáo trình trong đào tạo kỹ sư và nghiên cứu kỹ thuật cấp thoát nước tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 CHẤT LƯỢNG NƯỚC THIÊN NHIÊN (NGUỒN NƯỚC) DÙNG ĐỀ CẤP NƯỚC 1. CÁC LOẠI NGUỒN NUỐC DÙNG ĐỂ CẤP NƯỚC Để cung cấp nước sạch, có thể khai thác các nguồn nước thiên nhiên (thường gọi là nước thô) từ nước mặt, nước ngẫm, nước biển. Theo tinh chất ca nước có thể phân ra: nước ngọi, nước mặn, nước les, nước. phền, nước khoảng va nước mua, chua Nước mặt: bao gồm các nguồn nước trong các ao, đảm, hồ chứa, sông suối, Do hợp từ các dòng chảy trên bể mật và thường xuyên tiếp xúc với không khí nên các kết trưng của nước mặt là: đặc * Chúa khí hoà tan đặc biệt là oxy.

+ Chita nbiéu chất rắn lơ lửng, riêng trường hợp nước chứa trong các ao đầm, hồ do. xảy ra qué tink king can nén chat rin lơ Hing cồn lại trong thấp và chủ yếu ở dạng keo. nước có sổng độ tương đối *_ Có hàm lượng chất hữu cơ cao. + C6 sự hiện điện của nhiều loại tảo, * Chứa nhiều vi sinh vật, Nước ngâm: được khai thấc từ các tâng chứa phụ thuộc vào thành phần khoáng hoá nước dưới đất, chất lượng nước ngầm nước chảy qua các dja ta và cấu trực địa tỉng mà nước thấm qua.

Khí nước ngâm c bydrocacbonat khá cao, Ngoài ra đặc trừng chung của + Độ dục thấp, ® Nhiệt độ và thành phản hoá. học tương đối ổn định + Không có oxy nhưng , có thể chứa nhiềukhí nhu: CO, HS. * Chia nhiên khoáng chất hoà tan chủ Yếu * Không có hiện là sất, mangan, canxi, điện của vi sinh Vật, magie, flo. Âước biển: Nước biển 32 - 358/0.

Hàm thường có 9 man rất cao (độ mạn ở Thái Bình 'hay đổi tuỳ theo vị trí địa lý Dương là lượng muối trong nước biển tường có nhiều chất lơ lừng nhục của , càng gân bờ nhau của các. đồng nước ngọt Nước Ig: 6 cita song va các vùng ven bờ biển, nơi gặp biển. Do ănh, hưởng chảy từ sông ra, các dòng thấm từ đất liên chấy ra hoà trộn với nước ở mức thấp và do sự hoà của thuỷ triều, mực nước tại chỗ gặp nhau lúc ở mức cao, lúc và hàm lượng huyén phd trong nước trộa giữa nước ngọt và nước biển lầm cho độ muối tiêu. chuẩn nước cấp cho sinh hoạt và ở khu vực này luôn thay đối và có trị số cao hơn lợ.

thấp hơn nhiều so với nước biển thường gợi là nước suối do phun trio ti lòng Nước khoáng: Khai thác từ tâng sâu đưới đất hay từ các nồng độ cho phép đối với đất ra, nước có chứa một vài nguyên tố ở nông độ cao hơnng sau khi qua khâu xử lý nước uống và đặc biệt có tác dụng chữa bệnh. Nước Khoá nguyên chất được đóng vào hông thường như làm trong, loại bỏ hoặc nạp lại Khí CƠ; chai để cấp cho người dùng. sông Cửu Long ở nước Nước chua phèn: Những nơi gần biển, ví dụ như đồng bằng với đất phèn, loại đất ta thường có nước chua phèn. Nước bị nhiễm phèn là đo tiếp xúct va mot vai nguyên tổ này giàn nguyên tố lưu huỳnh ở dạng sunfua hay & dang sunfa kiến tạo địa chất.

Trước kim loai như nhôm, sắt. Đất phền được hình thành do quá trình tầng đáy phát đây ở những vùng này bị ngập nước và có nhiễu loại thực vặt và độnglấpvậtvà bị phân huỷ triển. Do quá trình bổi tụ, thảm thực vật và lớp sinh vật đáy bị vũi thời có chứanhiều yếm khí, tạo ra các axít mùo hữu cơ làm cho nước có vị chua, t,đông nguyên tổ kìm loại có hàm lượng cao như nhôm, sắt và ion sunfa tự nhiên nhưng không hoàn toàn.