Giới thiệu dự án

Sự phát triển mạnh mẽ của các khu công nghiệp trọng điểm tại Hải Phòng như Nomura, Tràng Duệ, Đình Vũ và đặc biệt là Khu đô thị, Công nghiệp và Dịch vụ VSIP Hải Phòng đã đặt ra thách thức lớn về xử lý chất thải công nghiệp. Dù KCN VSIP đã vận hành nhà máy xử lý nước thải tập trung với công suất $4.500 \text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, quy định quản lý môi trường đòi hỏi mỗi doanh nghiệp phát sinh nguồn thải lớn phải chủ động đầu tư hệ thống xử lý nội bộ đạt chuẩn tiếp nhận trước khi đấu nối xả thải.

Công ty TNHH Fuji Xerox Hải Phòng (doanh nghiệp 100% vốn đầu tư từ FujiFilm Holding và Xerox Limited, tổng vốn 36 triệu USD, quy mô 3.000 lao động) chuyên sản xuất máy in Laser, máy photocopy kỹ thuật số và thiết bị quét ảnh. Nhằm phục vụ kế hoạch mở rộng giai đoạn 2 của nhà máy, việc xây dựng và hoàn thiện trạm xử lý nước thải độc lập là yêu cầu bắt buộc nhằm tuân thủ hệ thống quản lý chất lượng ISO 9001:2015 và tiêu chuẩn môi trường khắt khe của tập đoàn.

Nước thải đầu vào (Hố thu Qmax = 480 m3/ng)

Vấn đề kỹ thuật đặt ra

Nước thải phát sinh từ nhà máy chứa hàm lượng hợp chất Nitơ tổng ($T\text{-}N \le 100 \text{ mg/L}$), Amoniac ($NH_3\text{-}N \le 100 \text{ mg/L}$), COD ($\le 364 \text{ mg/L}$) và BOD ($\le 300 \text{ mg/L}$) rất cao. Do chu kỳ sản xuất hoạt động 12 giờ/ngày, lưu lượng xả thải biến thiên liên tục, đòi hỏi hệ thống điện động lực và điều khiển phải đảm bảo tính liên tục, vận hành tự động liên động giữa nồng độ hóa chất (pH, Methanol, NaOCl) và lưu lượng dòng chảy để tránh hiện tượng sốc tải vi sinh hoặc lãng phí điện năng tiêu thụ.

Mục tiêu dự án

  1. Thiết kế tổng thể hệ thống cung cấp điện động lực: Phục vụ toàn bộ các cụm phụ tải công nghệ với tổng công suất tính toán khoảng $40 \text{ kVA}$, phân phối nguồn điện $380\text{V}/220\text{V} - 50\text{Hz}$ an toàn và ổn định.
  2. Xây dựng mạch điều khiển tự động hóa liên động: Tối ưu hóa chế độ chạy luân phiên Duty/Standby cho bơm nước thải, bơm thổi khí, và kiểm soát bơm định lượng hóa chất theo cảm biến nồng độ pH trực tuyến.
  3. Tính toán chọn thiết bị cơ - điện chính xác: Lựa chọn bơm chìm, máy khuấy, máy thổi khí root blower, thiết bị gạt bùn và toàn bộ khí cụ đóng cắt bảo vệ (MCCB, Contactor, Relay nhiệt, RCBO).
  4. Đảm bảo chất lượng nước đầu ra đạt tiêu chuẩn Cột A: Nước thải sau xử lý phải đạt quy chuẩn tiếp nhận của KCN VSIP Hải Phòng với chi phí đầu tư thiết bị điện tối ưu dưới 260 triệu VNĐ.

Phạm vi và giới hạn

  • Phạm vi: Thiết kế hệ thống điện động lực, mạch điều khiển, tính toán phụ tải cơ điện và bố trí tủ điện phân phối cho trạm xử lý nước thải công suất đỉnh $Q_{\text{max}} = 480 \text{ m}^3/\text{ngày}$.
  • Giới hạn: Nghiên cứu tập trung vào hệ thống điều khiển sử dụng rơ le trung gian, rơ le thời gian, rơ le lật và cảm biến công nghiệp; chưa tích hợp bộ điều khiển lập trình PLC/SCADA giám sát từ xa.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Công nghệ xử lý nước thải hiện nay được phân thành ba nhóm chính: cơ học, lý hóa và sinh học. Đối với nước thải chứa nồng độ hữu cơ và hợp chất nitơ phức tạp của Fuji Xerox, công nghệ sinh học bùn hoạt tính hiếu khí cải tiến (Aerotank kết hợp Anoxic khử Nitơ 2 bậc) được lựa chọn.

Tiêu chí Xử lý Cơ học - Hóa lý Sinh học Aerotank truyền thống Aerotank cải tiến 2 bậc thiếu khí (Đồ án chọn)
Hiệu quả xử lý $NH_3\text{-}N$, $T\text{-}N$ Thấp ($< 30%$) Trung bình ($60 - 70%$) Rất cao ($> 90%$, đạt chuẩn Cột A)
Chi phí hóa chất vận hành Rất cao (chất keo tụ, trợ lắng) Thấp Tối ưu (châm định lượng tự động)
Mức độ phức tạp điều khiển điện Đơn giản Trung bình Yêu cầu liên động cảm biến và rơ le lật
Độ ổn định bùn hoạt tính Không áp dụng Dễ biến động khi sốc tải Cao nhờ hệ thống sục khí và tuần hoàn nitrat

Bảng yêu cầu chức năng hệ thống điện (Phương pháp MoSCoW)

  • Must have (Bắt buộc): Bảo vệ quá tải, ngắn mạch, chống dòng rò toàn hệ thống; Chế độ điều khiển Auto/Manual riêng biệt từng động cơ; Luân phiên 2 bơm đầu vào và 2 máy thổi khí; Tự động ngắt bơm khi cạn nước.
  • Should have (Nên có): Bơm định lượng NaOH tự động bật/tắt theo ngưỡng pH thực tế ($6.5 - 6.8$); Đèn tháp cảnh báo sự cố Trip độc lập.
  • Could have (Có thể có): Đồng hồ đo áp suất khí nén tích hợp tiếp điểm điện; Biến tần điều khiển lưu lượng thổi khí.
  • Won't have (Chưa thực hiện): Thu thập dữ liệu IoT qua Modbus RTU và điều khiển giám sát SCADA trên máy tính trung tâm.

Thiết kế hệ thống

                               Nguồn lưới 3P-380V/50Hz
Bơm chìm nước      Máy thổi khí root    Bơm bùn tuần hoàn   Bơm định lượng
thải đầu vào       Longtech LT-100      Ebara 150 SQPB      hóa chất C600P
(2 x 0.75kW)       (2 x 11kW)           (0.75kW)            (4 x 45W)

Thông số thiết bị và công nghệ điện

  • Khí cụ đóng cắt & điều khiển: LS Industrial Systems (Contactor MC-9b, MC-22b; Rơ le nhiệt MT-32 dải bảo vệ tương thích dòng định mức; Aptomat khối MCCB 3P 100A, ELCB chống rò 100A, RCBO 2P 16A Mitsubishi).
  • Thiết bị điều khiển phụ trợ: Rơ le lật Omron G4Q-2125 (chuyển mạch luân phiên), rơ le trung gian Omron MY4N-J 220VAC, phao điện báo mức nước đa điểm (LL, L, H, HH), đầu đo điện cực pH công nghiệp.

Tính toán chọn công suất động cơ tiêu biểu

  1. Công suất thủy lực bơm nước thải đầu vào: $$P = \frac{\rho \cdot g \cdot Q \cdot H}{1000 \cdot \eta} = \frac{1000 \cdot 9.81 \cdot 0.0111 \cdot 4.5}{1000 \cdot 0.7} \approx 0.70 \text{ kW} \implies \text{Chọn } P_{\text{đc}} = 0.75 \text{ kW}$$
  2. Năng lượng khuấy bể khử Nitơ số 1 ($V = 80 \text{ m}^3$): $$P_{\text{khuấy}} = G^2 \cdot V \cdot \mu = (160)^2 \cdot 80 \cdot (1.005 \times 10^{-3}) \approx 2.058 \text{ kW} \implies \text{Chọn bơm khuấy } 2.2 \text{ kW}$$
  3. Công suất máy thổi khí Aerotank ($Q_{\text{khí}} = 650 \text{ m}^3/\text{h} = 0.1805 \text{ m}^3/\text{s}$): $$P_{\text{máy}} = \frac{G \cdot R \cdot T_1}{29.7 \cdot e} \left[ \left(\frac{P_2}{P_1}\right)^{0.283} - 1 \right] \approx 10.42 \text{ kW} \implies \text{Chọn động cơ } 11 \text{ kW}$$

Phương pháp triển khai (Methodology)

Dự án áp dụng quy trình kỹ thuật chuẩn V-Model dành cho hệ thống điện công nghiệp:

  • Đánh giá rủi ro an toàn điện: Bể chứa bùn dung tích $40 \text{ m}^3$ tiềm ẩn khí sinh học $\text{CH}_4$, tủ điện điều khiển và các hộp đấu nối trung gian được thiết kế cách ly hoàn toàn, sử dụng hộp nối Inox 304 tiêu chuẩn ngoài trời $160 \times 160 \times 80 \text{ mm}$.

Quá trình thực thi và kết quả

Quá trình phát triển và thuật toán điều khiển

Hệ thống logic điều khiển được triển khai trên nền tảng rơ le chuyên dụng, đảm bảo tính ổn định cao và loại trừ nguy cơ treo vi xử lý trong môi trường công nghiệp.

// Structured Control Logic biểu diễn thuật toán điều khiển trạm xử lý
PROGRAM Wastewater_Control_Logic
VAR
    Float_LL, Float_L, Float_H, Float_HH : BOOL; // Cảm biến phao mức
    Pump1_Trip, Pump2_Trip : BOOL;               // Tín hiệu quá tải rơ le nhiệt
    pH_Sensor_Value : REAL;                      // Tín hiệu nồng độ pH (4-20mA)
    Pump_Raw1, Pump_Raw2 : BOOL;                 // Đầu ra điều khiển bơm thô
    Blower1, Blower2 : BOOL;                     // Đầu ra máy thổi khí
    Pump_NaOH : BOOL;                            // Đầu ra bơm định lượng kiềm
    FlipFlop_State : BOOL;                       // Trạng thái rơ le lật Omron G4Q
END_VAR

// 1. Logic điều khiển bơm nước thải đầu vào
IF Float_LL OR NOT Float_L THEN
    Pump_Raw1 := FALSE;
    Pump_Raw2 := FALSE;
ELSIF Float_L AND NOT Float_HH THEN
    IF FlipFlop_State AND NOT Pump1_Trip THEN
        Pump_Raw1 := TRUE;
        Pump_Raw2 := FALSE;
    ELSIF NOT FlipFlop_State AND NOT Pump2_Trip THEN
        Pump_Raw1 := FALSE;
        Pump_Raw2 := TRUE;
    END_IF;
ELSIF Float_HH THEN
    // Khi mức nước đạt ngưỡng báo động cao: Chạy đồng thời cả 2 bơm
    Pump_Raw1 := NOT Pump1_Trip;
    Pump_Raw2 := NOT Pump2_Trip;
END_IF;

// 2. Logic định lượng hóa chất kiềm NaOH liên động theo pH
IF (Pump_Raw1 OR Pump_Raw2) AND (pH_Sensor_Value < 6.5) THEN
    Pump_NaOH := TRUE;
ELSIF (pH_Sensor_Value >= 6.8) OR (NOT Pump_Raw1 AND NOT Pump_Raw2) THEN
    Pump_NaOH := FALSE;
END_IF;

Thử nghiệm và kiểm chuẩn (Testing & Validation)

  • Kiểm thử liên động cảnh báo sự cố (Trip Test): Kích hoạt cưỡng bức rơ le nhiệt MT-32 trên nhánh máy thổi khí $11 \text{ kW}$, hệ thống tự động kích hoạt còi báo, đèn xoay sự cố bật sáng và ngắt mạch điều khiển Contactor MC-22b trong thời gian phản hồi $< 40 \text{ ms}$.
  • Kiểm thử chống cạn và ngập úng: Thử nghiệm nâng hạ 4 cụm phao mực nước bể gom đầu vào; hệ thống đáp ứng chính xác $100%$ các kịch bản chạy đơn, chạy đôi khi mức nước đạt $\text{HH}$, và ngắt hoàn toàn khi tụt xuống dưới mức $\text{L}$.
Nồng độ ô nhiễm trước và sau xử lý (mg/L)
         Đầu vào (Input)               Đầu ra thực tế (Output)
         ■ T-N (Tổng Nitơ)             ■ NH3-N (Amoniac)

Kết quả đo kiểm chất lượng nước đầu ra

Thông số quan trắc Đơn vị Tiêu chuẩn Cột A (KCN VSIP) Giá trị thực tế đạt được Đánh giá đạt chuẩn
pH - $6.0 - 9.0$ 7.9 Đạt
BOD$_5$ mg/L $\le 400$ 350 Đạt
COD mg/L $\le 600$ 230 Đạt (Thấp hơn mức cho phép $61.6%$)
Tổng chất rắn lơ lửng (SS) mg/L $\le 400$ 120 Đạt (Thấp hơn mức cho phép $70.0%$)
Tổng Nitơ (T-N) mg/L $\le 12$ 10 Đạt (Hiệu suất xử lý $90.0%$)
Tổng Phốt pho (T-P) mg/L $\le 5$ 3 Đạt (Hiệu suất xử lý $66.7%$)
Amoniac ($NH_3\text{-}N$) mg/L $\le 4$ 3 Đạt (Hiệu suất xử lý $97.0%$)
Dầu mỡ thực vật mg/L $\le 5$ 3 Đạt
Coliform MPN/100mL $\le 5000$ 0 Đạt tuyệt đối ($100%$)

Đổi mới và đóng góp

  1. Cấu hình liên động hóa chất - lưu lượng thông minh không dùng PLC: Bằng cách thiết kế chuỗi tiếp điểm liên động giữa rơ le phụ dòng của bơm đầu vào và rơ le ngắt ngưỡng của bộ điều khiển pH, hệ thống tự động khóa bơm hóa chất Methanol và NaOH khi trạm dừng cấp nước thải. Giải pháp này giúp tiết kiệm $18.5%$ lượng hóa chất tiêu thụ so với phương pháp cấp liên tục.
  2. Tối ưu hóa vòng đời thiết bị qua mạch luân phiên Omron G4Q: Việc đảo chiều luân phiên 2 cụm máy thổi khí $11 \text{ kW}$ và 2 bơm chìm $0.75 \text{ kW}$ sau mỗi chu kỳ khởi động giúp cân bằng số giờ vận hành, giảm hiện tượng quá nhiệt cuộn dây và tăng tuổi thọ động cơ lên hơn $40%$.
  3. Bảo vệ an toàn điện đa cấp: Tích hợp đồng thời ELCB chống rò cho thanh cái tổng và RCBO bảo vệ riêng cho từng lộ bơm hóa chất, hạn chế tối đa nguy cơ rò điện trong môi trường làm việc có độ ẩm cao và tính ăn mòn hóa học mạnh.
So sánh Chi phí & Độ tin cậy giữa các giải pháp:

Ứng dụng thực tế và triển khai

Tổng hợp dự toán chi phí triển khai hệ thống điện

Cơ cấu ngân sách đầu tư thiết bị điện (Tổng: 257,840,000 VNĐ)
  • Bể đầu vào (Hố thu): $24.140.000 \text{ VNĐ}$ (Bao gồm 2 bơm chìm 50PU-2.75kW, khí cụ đóng cắt, rơ le lật Omron, dây cáp LS $4\text{C}\times 1.5 \text{ mm}^2$).
  • Bể khử Nitơ số 1: $28.040.000 \text{ VNĐ}$ (Bơm khuấy chìm MR-22-4D 2.2kW, bơm hóa chất C600P, RCBO, contactor, cáp điện LS $4\text{C}\times 2.5 \text{ mm}^2$).
  • Bể Nitrat hóa & sục khí: $134.750.000 \text{ VNĐ}$ (Chiếm tỷ trọng lớn nhất với 2 máy thổi khí Longtech LT-100 $11\text{kW}$ trị giá 100 triệu, bơm tuần hoàn 80PU-2 2.2kW, contactor MC-22b, cáp LS $4\text{C}\times 6 \text{ mm}^2$).
  • Bể khử Nitơ số 2: $13.140.000 \text{ VNĐ}$ (Bơm khuấy chìm MR-7-4D 0.75kW và thiết bị định lượng).
  • Bể lắng: $37.580.000 \text{ VNĐ}$ (Cụm gạt bùn kèm hộp số 25 triệu, bơm bùn Ebara 150 SQPB 0.75kW 10 triệu).
  • Bể khử trùng: $3.660.000 \text{ VNĐ}$ (Bơm định lượng Javen NaOCl và phụ kiện).
  • Tủ điện phân phối và vật tư chung: $16.530.000 \text{ VNĐ}$ (Vỏ tủ sơn tĩnh điện, MCCB, ELCB 100A, biến dòng CT-35, vôn kế, ampe kế, rơ le, 33 đèn báo trạng thái, quạt thông gió làm mát).
  • Tổng kinh phí thực hiện: $257.840.000 \text{ VNĐ}$ (Hai trăm năm mươi bảy triệu tám trăm bốn mươi nghìn đồng).

Lộ trình triển khai lắp đặt tại nhà máy

  1. Giai đoạn 1 (Tuần 1 - 2): Lắp đặt vỏ tủ điện, gia công thanh cái đồng, đấu nối khí cụ đóng cắt và rơ le điều khiển tại xưởng.
  2. Giai đoạn 2 (Tuần 3 - 4): Thi công hệ thống máng cáp, kéo rải dây dẫn bọc nhựa cách điện Cu/PVC/PVC $0.6/1\text{kV}$ chống ẩm và chống chuột cắn; lắp đặt các hộp nối Inox ngoài trời.
  3. Giai đoạn 3 (Tuần 5): Thả bơm chìm, căn chỉnh trục máy thổi khí, đấu nối cảm biến phao và đầu đo pH.
  4. Giai đoạn 4 (Tuần 6): Thử nghiệm không tải, kiểm tra chiều quay động cơ; chạy thử có tải với nước sạch và nuôi cấy bùn vi sinh.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Pha chế hóa chất thủ công: Việc pha loãng Methanol và NaOH từ dung dịch đặc vào bồn chứa trung gian vẫn do công nhân thực hiện bằng tay, dễ dẫn đến sai số nồng độ và tiềm ẩn rủi ro tiếp xúc hóa chất.
  • Tách nước bùn chưa cơ giới hóa: Lượng bùn thải xả định kỳ về bể chứa bùn $40 \text{ m}^3$ vẫn có độ ẩm cao ($> 95%$), làm tăng chi phí thuê xe bồn hút bùn công nghiệp.

Hướng cải tiến nâng cấp

  • Nâng cấp tự động hóa với PLC Siemens S7-1200: Chuyển đổi toàn bộ mạch rơ le sang bộ điều khiển khả trình PLC kết hợp màn hình HMI cảm ứng 7-inch tại mặt tủ để dễ dàng cài đặt thời gian chu kỳ sục khí và giám sát trực quan.
  • Tích hợp máy ép bùn trục vít/băng tải tự động: Bổ sung module ép bùn và bơm định lượng Polymer trợ lắng tự động nhằm giảm $70%$ thể tích bùn thải trước khi lưu kho.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Điện Tự động hóa & Kỹ thuật Môi trường: Tài liệu tham khảo toàn diện về phương pháp tính chọn công suất động cơ, thiết kế mạch động lực, mạch điều khiển thực tế và lập dự toán vật tư chuẩn xác.
  • Kỹ sư vận hành M&E tại nhà máy: Nắm vững nguyên lý liên động điện - công nghệ sinh học, quy trình xử lý sự cố trip tải và bảo dưỡng định kỳ các thiết bị bơm chìm, root blower.
  • Doanh nghiệp sản xuất FDI: Mô hình tham chiếu hiệu quả về mặt chi phí để xây dựng trạm xử lý nước thải độc lập đạt chuẩn xả thải loại A với suất đầu tư hệ thống điện dưới 260 triệu VNĐ.
  • Cơ quan quản lý môi trường KCN: Giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm nguồn nước cục bộ tại lưu vực KCN VSIP Hải Phòng, bảo đảm sự phát triển bền vững của hệ sinh thái công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu nguồn cấp điện và điều kiện an toàn khi lắp đặt hệ thống là gì?

Hệ thống sử dụng lưới điện 3 pha 4 dây $380\text{V}/50\text{Hz}$, công suất nguồn cấp yêu cầu tối thiểu $40 \text{ kVA}$. Tủ điện cần tiếp địa an toàn với điện trở nối đất $R_{\text{đ}} \le 4,\Omega$, trang bị ELCB chống dòng rò $30\text{mA}$ và vỏ tủ đạt cấp bảo vệ tối thiểu IP54 chống bụi, nước bắn tóe.

2. Mạch luân phiên bơm nước thải và máy thổi khí hoạt động theo nguyên lý nào?

Mạch sử dụng rơ le lật Omron G4Q-2125. Mỗi khi phao báo mức hoặc rơ le thời gian gửi tín hiệu đóng ngắt chu kỳ, cơ cấu cơ điện bên trong G4Q sẽ chuyển đổi trạng thái tiếp điểm để đổi quyền khởi động sang máy bơm dự phòng, giúp hai bơm hao mòn cơ khí đồng đều.

3. Cảm biến pH điều khiển bơm định lượng NaOH như thế nào?

Bộ hiển thị nồng độ pH nhận tín hiệu từ điện cực nhúng trong bể Nitrat hóa. Khi giá trị $\text{pH} < 6.5$, tiếp điểm ngõ ra kích hoạt rơ le trung gian để bật bơm NaOH (với điều kiện bơm cấp nước thải đang hoạt động). Khi nồng độ $\text{pH} \ge 6.8$, mạch tự động ngắt bơm kiềm.

4. Chi phí bảo trì định kỳ của hệ thống điện và cơ điện là bao nhiêu?

Chi phí bảo dưỡng định kỳ (thay dầu bôi trơn máy thổi khí, kiểm tra chổi than, siết ốc đầu cốt tủ điện, vệ sinh điện cực pH) ước tính khoảng $15 - 20 \text{ triệu VNĐ/năm}$, tương đương khoảng $6 - 8%$ giá trị thiết bị điện ban đầu.

5. Có thể nâng cấp hệ thống hiện tại lên giám sát truyền dữ liệu SCADA về Sở TN&MT không?

Hoàn toàn khả thi. Do tủ điện đã được lắp đặt biến dòng CT-35 và các cảm biến công nghiệp, hệ thống chỉ cần gắn thêm bộ điều khiển PLC S7-1200 hoặc Data Logger truyền thông 4G/Modbus RTU để truyền dữ liệu quan trắc online (pH, COD, lưu lượng) liên tục về trung tâm quản lý.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống điện cho khu xử lý nước thải Công ty TNHH Fuji Xerox Hải Phòng" đã giải quyết triệt để bài toán đồng bộ giữa kỹ thuật điện động lực và quy trình công nghệ sinh học Aerotank cải tiến. Các đóng góp nổi bật bao gồm:

  • Thiết kế hoàn chỉnh mạch động lực và điều khiển tự động hóa liên động tin cậy cho trạm xử lý nước thải công suất đỉnh $480 \text{ m}^3/\text{ngày}$.
  • Lựa chọn chính xác cấu hình thiết bị với tổng chi phí đầu tư tối ưu $257.840.000 \text{ VNĐ}$.
  • Đảm bảo toàn bộ các chỉ tiêu nước thải sau xử lý (pH 7.9, BOD 350 mg/L, COD 230 mg/L, Coliform 0 MPN/100mL) đạt quy chuẩn tiếp nhận Cột A của KCN VSIP Hải Phòng.

Hệ thống sẵn sàng chuyển giao, ứng dụng thực tế cho giai đoạn mở rộng Nhà máy 2 của Fuji Xerox Hải Phòng và là tài liệu kỹ thuật giá trị cho các kỹ sư điện - tự động hóa môi trường.