Thiết kế xây dựng hệ thống tự động hoá xử lý nước thải công nghiệp

Hướng dẫn chi tiết quy trình thiết kế và xây dựng hệ thống xử lý nước thải tự động, đảm bảo hiệu quả vận hành tối ưu và đạt tiêu chuẩn môi trường.

• Trường học: Công ty Cổ phần Minh Việt
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Giới thiệu hệ thống tự động hoá xử lý nước thải
• Loại tài liệu: Tài liệu kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế xây dựng hệ thống xử lý nước thải tự động

Quá trình công nghiệp hóa gia tăng áp lực xả thải lên môi trường tự nhiên. Các nhà máy sản xuất cần quy trình xử lý nước thải đạt chuẩn nghiêm ngặt. Việc thiết kế xây dựng hệ thống xử lý nước thải tự động trở thành nhu cầu cấp thiết. Mô hình này kết hợp công nghệ điều khiển tự động hóa và kỹ thuật môi trường tiên tiến. Trung tâm điều khiển tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến đo lường trực tuyến. Dữ liệu bao gồm độ pH, chỉ số oxy hòa tan DO, nhiệt độ và lưu lượng dòng chảy. Bộ điều khiển lập trình PLC thu nhận dữ liệu và thực thi các thuật toán logic. Hệ thống tự động kích hoạt máy bơm, van điện từ và máy thổi khí theo thông số cài đặt. Toàn bộ dây chuyền vận hành ổn định mà không cần can thiệp thủ công liên tục. Hiệu suất xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ và kim loại nặng được cải thiện rõ rệt. Nền tảng tự động hóa giúp cơ sở sản xuất tuân thủ quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về môi trường.

1.1. Khái niệm và vai trò công nghệ tự động hóa

Tự động hóa xử lý nước thải là việc áp dụng thiết bị điều khiển thông minh vào chu trình xử lý. Hệ thống thay thế thao tác thủ công của con người tại các khâu nguy hiểm. Cảm biến liên tục đo lường thông số nước thải đầu vào và đầu ra. Dữ liệu truyền về bộ điều khiển trung tâm để tính toán lượng hóa chất cần châm. Việc phản ứng tức thời giúp ngăn chặn nguy cơ xả tràn nước thải chưa đạt chuẩn. Công nghệ này còn giúp doanh nghiệp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu chi phí nhân công. Môi trường làm việc của công nhân trở nên an toàn hơn.

1.2. Xu hướng áp dụng SCADA và PLC trên thế giới

Các quốc gia phát triển như Đức, Nhật Bản và Hoa Kỳ đã chuẩn hóa hệ thống xử lý nước thải tự động. Các tập đoàn công nghệ hàng đầu như Siemens, ABB hay Yokogawa cung cấp nhiều giải pháp tích hợp mạnh mẽ. Nền tảng phần mềm SCADA kết nối mạng lưới PLC tạo thành kiến trúc quản trị tập trung. Người quản lý giám sát toàn bộ trạm xử lý qua giao diện đồ họa trực quan trên máy tính. Dữ liệu vận hành được ghi nhận liên tục vào cơ sở dữ liệu số. Khả năng giám sát từ xa giúp phát hiện sự cố rò rỉ hoặc quá tải nhanh chóng.

II. Phân tích khó khăn khi thiết kế hệ thống xử lý nước thải tự động

Các trạm xử lý nước thải truyền thống đối mặt nhiều bất cập nghiêm trọng trong vận hành. Phương thức vận hành thủ công phụ thuộc hoàn toàn vào cảm tính và kinh nghiệm của nhân viên. Việc lấy mẫu nước phân tích phòng thí nghiệm thường mất nhiều thời gian chờ đợi. Khi phát hiện chỉ số ô nhiễm vượt ngưỡng, nguồn nước thải đã thoát ra môi trường. Liều lượng hóa chất keo tụ hoặc vi sinh châm vào bể thường không chính xác. Tình trạng thiếu hoặc thừa hóa chất gây lãng phí kinh phí và làm chết vi sinh có lợi. Thiết bị cơ khí như máy bơm bùn, máy thổi khí dễ bị hư hỏng do quá tải nhiệt. Môi trường hóa chất ăn mòn cao làm giảm tuổi thọ của các thiết bị đo lường cơ học. Thiếu hệ thống cảnh báo sớm dẫn đến nguy cơ dừng dây chuyền đột ngột. Chi phí bảo trì khắc phục sự cố sau hỏng hóc thường rất tốn kém.

2.1. Giới hạn của phương pháp vận hành thủ công

Vận hành thủ công không thể đáp ứng tải lượng nước thải biến động liên tục trong ngày. Người vận hành khó phát hiện kịp thời sự thay đổi đột ngột về nồng độ pH hay lưu lượng. Việc điều chỉnh van cơ học và bật tắt bơm đòi hỏi thao tác liên tục ngoài hiện trường. Sai sót của con người dẫn đến tình trạng châm hóa chất sai tỷ lệ chuẩn. Nước sau xử lý có thể không đạt tiêu chuẩn xả thải môi trường. Hồ sơ theo dõi vận hành viết tay thường thiếu tính nhất quán và khó tra cứu lịch sử.

2.2. Nguy cơ sự cố và biến động tải lượng ô nhiễm

Nước thải công nghiệp chứa nhiều hợp chất hữu cơ phức tạp và hóa chất ăn mòn mạnh. Khi lưu lượng nước thải xả đột biến, các bể lắng sinh học dễ bị sốc tải. Hiện tượng bùn vi sinh nổi hoặc chết hàng loạt gây tê liệt toàn bộ quy trình sinh học. Cặn bùn tích tụ lâu ngày làm tắc nghẽn đường ống dẫn và kẹt cánh bơm chìm. Nếu không có hệ thống đo tự động, kỹ sư không thể dự báo nguy cơ sự cố. Việc dừng hệ thống để sục rửa gây gián đoạn sản xuất của toàn nhà máy.

III. Phương pháp thiết kế xây dựng hệ thống xử lý nước thải tự động

Phương pháp thiết kế hiện đại xây dựng cấu trúc điều khiển phân tầng linh hoạt. Tầng hiện trường bao gồm các cảm biến đo pH, DO, nhiệt độ, mức nước và van điều khiển. Bộ biến tần điều khiển tốc độ máy thổi khí và bơm bùn theo tín hiệu thực tế. Tầng điều khiển sử dụng các bộ vi xử lý PLC công nghiệp có độ tin cậy cao. PLC thực hiện chu trình đóng ngắt thiết bị, điều khiển vòng lặp PID và kiểm soát an toàn. Tầng giám sát SCADA đặt tại phòng điều khiển trung tâm hiển thị trực quan toàn bộ sơ đồ công nghệ. Giao diện người máy HMI cho phép kỹ sư theo dõi thông số thời gian thực và cài đặt ngưỡng báo động. Hệ thống tích hợp thuật toán hỗ trợ quyết định nhằm tự động tối ưu hóa lượng hóa chất châm vào bể. Báo cáo thống kê chu kỳ giúp quản lý chi tiết lượng điện năng tiêu thụ và lượng bùn thải phát sinh.

3.1. Kiến trúc phần cứng điều khiển PLC và biến tần

Kiến trúc phần cứng được thiết kế theo tiêu chuẩn công nghiệp với khả năng chống nhiễu cao. Bộ điều khiển PLC trung tâm tiếp nhận tín hiệu từ các module mở rộng tín hiệu số và tương tự. Biến tần điều khiển động cơ bơm và máy khuấy giúp dòng khởi động êm ái. Cơ chế này giảm thiểu sốc cơ khí và tiết kiệm điện năng tiêu thụ đáng kể. Tủ điều khiển tích hợp đầy đủ các thiết bị bảo vệ ngắn mạch, quá tải và chống sét lan truyền. Hệ thống đảm bảo tính liên tục của nguồn điện dự phòng.

3.2. Thiết kế phần mềm giám sát và thu thập dữ liệu SCADA

Phần mềm SCADA cung cấp giao diện đồ họa trực quan hóa toàn bộ dòng chảy công nghệ. Mọi thông số đo lường như DO, lưu lượng và áp suất hiển thị dưới dạng biểu đồ thời gian thực. Hệ thống tự động kích hoạt chuông cảnh báo và gửi thông báo khi có thông số vượt ngưỡng. Toàn bộ lịch sử vận hành và cảnh báo sự cố được lưu trữ bảo mật trên cơ sở dữ liệu. Kỹ sư dễ dàng trích xuất báo cáo vận hành định kỳ theo ngày, tuần hoặc tháng.

IV. Ứng dụng thực tiễn từ thiết kế hệ thống xử lý nước thải tự động

Ứng dụng tự động hóa trong xử lý nước thải mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường vượt trội. Các nhà máy bia, nhà máy chế biến thực phẩm và dệt nhuộm đã triển khai thành công mô hình này. Lượng hóa chất tiêu hao trong quá trình keo tụ và tạo bông giảm từ mười lăm đến hai mươi lăm phần trăm. Hệ thống tự động cân chỉnh lượng khí cấp vào bể hiếu khí, giúp cắt giảm đáng kể chi phí điện năng. Tuổi thọ máy bơm, động cơ và van điện từ được kéo dài nhờ cơ chế khởi động mềm và bảo vệ liên động. Nhân lực vận hành trạm xử lý được tinh gọn tối đa, chuyển từ giám sát trực tiếp sang kiểm soát gián tiếp. Nước thải sau xử lý duy trì chất lượng ổn định và đáp ứng đầy đủ quy chuẩn môi trường. Dữ liệu số hóa giúp doanh nghiệp nâng cao tính minh bạch khi làm việc với cơ quan thanh tra môi trường.

4.1. Hiệu quả kinh tế kỹ thuật và tiết kiệm năng lượng

Hệ thống tự động hóa giúp tối ưu hóa toàn diện chi phí vận hành cho doanh nghiệp. Thuật toán điều khiển PID tự động điều chỉnh tốc độ máy thổi khí theo nồng độ oxy hòa tan DO. Giải pháp này giúp cắt giảm từ hai mươi đến ba mươi phần trăm lượng điện tiêu thụ. Bơm định lượng hóa chất hoạt động chính xác giúp tránh lãng phí hóa chất xử lý đắt tiền. Thời gian hoạt động của máy móc được ghi nhận để lên lịch bảo trì định kỳ chính xác.

4.2. Khả năng mở rộng và tích hợp hệ thống chuyên gia

Kiến trúc hệ thống mở cho phép dễ dàng tích hợp thêm các công đoạn xử lý mới khi nhà máy tăng công suất. Nền tảng SCADA hiện đại hỗ trợ kết nối hệ thống thông tin quản lý doanh nghiệp ERP qua chuẩn công nghiệp. Dữ liệu lịch sử vận hành được xử lý làm cơ sở phát triển hệ chuyên gia tư vấn tự động. Trí tuệ nhân tạo có thể học tập từ kinh nghiệm vận hành để dự đoán chất lượng nước thải. Công nghệ này mở ra xu hướng trạm xử lý nước thải thông minh không người trực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CÔNG TY CỔ PHẦN MINH VIỆT TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN – TĐH - CNTT GIỚI THIỆU HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI THÁNG 2-2006 Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi MỤC LỤC HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI I. KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI. Khảo sát và đánh giá trình độ công nghệ xử lý nước thải. Khả năng áp dụng tự động hoá xử lý nước thải nhà máy bia.

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI. Mục đích áp dụng tự động hoá xử lý nước thải. Yêu cầu và cơ sở xây dựng hệ thống tự động hoá. Thiết kế các chức năng hệ thống tự động hoá xử lý nước thải.

Lưu đồ hoạt động của hệ thống tự động hoá xử lý nước thải. Lựa chọn công nghệ và thiết kế mô hình hệ thống tự động hoá. Giới thiệu các thiết bị chính trong hệ thống tự động hoá. Thiết kế phần mềm SCADA (Superviser Control And Data Aquisision) cho hệ thống TĐH.

PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ ÁP DỤNG TỰ ĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI51 1. Tính ưu việt của tự động hoá về mặt kinh tế - kỹ thuật. Các chỉ số về hiệu quả kinh tế của tự động hoá. Sơ đồ hệ thống điện - tự động hoá.

Mã chương trình điều khiển trên PLC. TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ SỬ DỤNG. 65 Công ty Cổ phần Minh Việt – www.vn 2 Trung tâm ĐK-TĐ-CNTT – 04-5187221 – Fax: [phone] [e-mail] Quy định các từ viết tắt trong tài liệu Từ viết tắt Viết đầy đủ XLNT Xử lý nước thải HTXLNT Hệ thống xử lý nước thải HTTĐH Hệ thống tự động hoá ĐK Điều khiển CB Cảnh báo BĐ Báo động SC Sự cố P Pump (bơm) DP Dosing Pump (bơm định lượng) SP Sludge Pump (bơm bùn) D Decanter (máy ép bùn) M Motor B Blower (máy thổi khí) FL Flow (lưu lượng) LV Level (mức nước) FI Frequency Inverter (Biến tần) Công ty Cổ phần Minh Việt – www.vn 3 Trung tâm ĐK-TĐ-CNTT – 04-5187221 – Fax: [phone] [e-mail] Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi TỔNG QUAN VỀ TỰ ĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TRÊN THẾ GIỚI Cùng với sự phát triển của sản xuất công nghiệp, xử lý nước thải công nghiệp đang là vấn đề vô cùng quan trọng, bảo đảm cho sự trong sạch môi trường sống đồng thời góp phần vào sự phát triển bền vững của nền kinh tế mọi quốc gia trên thế giới. Tại nhiều nước có nền công nghiệp phát triển cao như Nhật, Mỹ, Anh, Pháp,.

các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng từ lâu, đặc biệt các thành tựu tiên tiến trong lĩnh vực tự động hoá cũng đã được áp dụng và đem lại hiệu quả kỹ thuật, kinh tế xã hội vô cùng to lớn. Nhiều hãng đi đầu trong lĩnh vực này như USFilter, Aquatec Maxcon, Hunter Water Corporation (HWC), Global Industries. đã đưa ra các giải pháp công nghệ xử lý nước thải hiện đại. Những công nghệ tự động hoá của các công ty hàng đầu trên thế giới như SIEMENS, AB, YOKOGAWA,.

được sử dụng rộng rãi trong các công trình xử lý nước thải. Có thể nói trình độ tự động hoá xử lý nước thải đã đạt mức cao, tất cả các công việc giám sát, điều khiển đều có thể thực hiện được tại một Trung tâm, tại đây người vận hành được hỗ trợ bởi những công cụ đơn giản, dễ sử dụng như giao diện đồ hoạ trên PC, điều khiển bằng kích chuột,. góp phần nâng hiệu quả cho công việc quản lý điều hành dây chuyền công nghệ. Ngoài ra cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin và viễn thông, khoảng cách về không gian và thời gian đã được rút ngắn, cho phép người vân hành có thể điều khiển từ cách xa hàng ngàn km với chỉ một máy tính PC hoặc nhận được thông tin về hệ thống thông qua SMS.

Hơn thế, hệ thống tự động hoá xử lý nước thải còn được tích hợp với các hệ thống điều hành ở cấp độ điều khiển cao hơn như cấp điều hành sản xuất (manufacturing execution: workflow, order tracking, resources), cấp xí nghiệp (enterprise:Production planning, orders, purchase) và trên cùng là cấp quản trị (administration:Planning, Statistics, Finances) nhằm nâng cao hơn nữa mức tự động hoá và tối ưu hoá quá trình sản xuất. Ngoài ra, trong lĩnh vực điều khiển đã có rất nhiều các lý thuyết điều khiển hiện đại được áp dụng như điều khiển mờ, mạng nơ-ron, điều khiển dự báo trước (predicted control), điều khiển lai ghép (hybrid control),. được ứng dụng trong xử lý nước thải để nâng cao chất lượng điều khiển và hiệu suất của các công đoạn xử lý. Lý thuyết hệ chuyên gia cũng được áp dụng mở ra khả năng tự động hoá hoàn toàn cho xử lý nước thải[3].

Công ty Cổ phần Minh Việt – www.vn 4 Trung tâm ĐK-TĐ-CNTT – 04-5187221 – Fax: [phone] intecom@minhviet. KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1. Khảo sát và đánh giá trình độ công nghệ xử lý nước thải Khảo sát công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia Hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia gồm nhiều công đoạn được thể hiện như trên Hình 1. Hoạt động của hệ thống như sau: Nước thải từ nhà máy được thu gom vào hố bơm.

Từ hố bơm P1 bơm nước qua song chắn rác. Đây là bước xử lý sơ bộ. Mục đích của quá trình là khử tất cả các tạp vật có thể gây ra sự cố trong quá trình vận hành hệ thống xử lý nước thải như làm tắc máy bơm, đường ống hoặc kênh dẫn. Đây là bước quan trọng đảm bảo an toàn và điều kiện làm việc thuận lợi cho cả hệ thống.

Rác tự động vào thùng chứa bằng cách xối nước liên tục hoặc cào thủ công. Sau song chắn rác, nước tự chảy vào bể cân bằng. Bể này có tác dụng điều hoà lưu lượng để duy trì dòng thải vào gần như không đổi cho các công đoạn sau, khắc phục những vấn đề vận hành do sự dao động lưu lượng nước thải gây ra và nâng cao hiệu suất của các quá trình ở cuối dây chuyền xử lý. Nhiệt độ nước được đo thủ công theo chu kỳ hoặc thời điểm tuỳ thuộc vào kỹ sư vận hành.

Máy bơm P2 sẽ bơm nước từ bể cân bằng vào bể trung hoà và ổn định lưu lượng.[5] Nước thải chứa các axít vô cơ hoặc kiềm cần được trung hoà đưa pH về khoảng 7±0.2 trước khi sử dụng cho công đoạn xử lý tiếp theo. Trung hoà nước thải thực hiện bằng cách bổ sung các tác nhân hoá học. Trong quá trình trung hoà, một lượng bùn cặn được tạo thành. Lượng bùn này phụ thuộc vào nồng độ và thành phần của nước thải cũng như loại và lượng các tác nhân sử dụng cho quá trình [5] Để trung hoà trong công nghệ này người ta sử dụng tác nhân hoá học là NaOH và HCl.

Khi pH vượt ngưỡng dưới thì bơm định lượng DP bổ sung thêm NaOH, khi pH vượt ngưỡng trên thì DP bổ sung HCl và cho máy khuấy M1 hoạt động. Máy khuấy tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng trung hoà và làm đồng đều hoá chất bổ sung với nước thải. Điều khiển pH được thực hiện thủ công. Để bảo đảm an toàn cho vi sinh vật người vận hành thường xuyên phải đo tay độ pH đầu nguồn nước vào bể kỵ khí để đảm bảo chắc chắn rằng pH không vượt ngưỡng cho phép.

Khi phát hiện pH không đạt yêu cầu thì người vận hành tắt P1, P2, P3 để cắt nguồn nước không bảo đảm chỉ tiêu pH cho công đoạn xử lý sinh học tiếp sau vì các vi sinh vật rất nhạy cảm với pH, pH ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tạo men trong tế bào và quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng vào tế bào. Nếu vi sinh vật chết sẽ cần nhiều thời gian và kinh phí để khôi phục lại chúng đồng thời làm gián đoạn sản xuất [5] Sau khi trung hoà nước được xử lý tiếp bằng các phương pháp sinh học. Người ta sử dụng các phương pháp sinh học để làm sạch nước thải khỏi nhiều chất hữu cơ hoà tan và một số chất vô cơ như H2S, các chất sunfit, amoniac, nitơ…Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng.

Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng được tăng lên. Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hoá sinh hoá [4]. Trong công nghệ sử dụng hai phương pháp là kỵ khí và hiếu khí tại các bể kỵ khí và hiếu khí (Hình 1). Công ty Cổ phần Minh Việt – www.vn 5 Trung tâm ĐK-TĐ-CNTT – 04-5187221 – Fax: [phone] [e-mail] Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Phương pháp kỵ khí được dùng để lên men bùn cặn sinh ra trong quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học hoặc nước thải công nghiệp chứa hàm lượng các chất hữu cơ cao (BOD=4÷5 g/l).

Đây là phương pháp cổ điển nhất dùng để ổn định bùn cặn, trong đó các vi khuẩn kỵ khí phân huỷ các chất hữu cơ. Tuỳ thuộc vào loại sản phẩm cuối cùng, người ta phân loại quá trình này thành: lên men rượu, lên men axit lactic, lên men metan, .Những sản phẩm cuối của quá trình lên men là: cồn, các axit, axeton, khí CO2, H2, CH4. Trong công nghệ các chất khí (biogas) sẽ được thu hồi và đốt nhờ hệ thống thu hồi và xử lý khí[4]. Phương pháp hiếu khí là phương pháp sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí.

Bể hiếu khí luôn chứa các vi khuẩn hiếu khí. Trong công đoạn có hệ thống sục khí bao gồm máy thổi khí B và các ống dẫn khí làm nhiệm vụ cung cấp đủ lượng ôxi cần thiết cho vi khuẩn trong quá trình phân giải chất hữu cơ đồng thời xáo trộn làm tăng khả năng hấp thụ các chất hữu cơ của vi sinh vật đảm bảo sự phân giải tối đa. Kết quả là hình thành các bông sinh học có thể lắng trọng lực ở đầu ra của bể. Đối với đa số các vi sinh vật khoảng giá trị pH tối ưu là 6.

Nhiệt độ nước thải ảnh hưởng rất lớn tới chức năng hoạt động của vi sinh vật. Đối với đa số vi sinh vật, nhiệt độ nước thải phải từ 6÷370 C[4].