Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trạm xử lý nước thải trong các công trình xây dựng

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRẠM XỬ
LÝ NƯỚC THẢI TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

Chủ nhiệm đề tài:

ThS. Nguyễn Như Bá

Hà Nội, 12-2018



Chương 1: Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải

[Pick the date]

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.............................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI......................................2
1.1. Giới thiệu chung về nước thải sinh hoạt............................................................2
1.2. Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt........................................................3
1.2.1. Điều hòa lưu lượng và ổn định nồng độ nước thải..........................................3
1.2.2. Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học...................................................3
Các loại song chắn rác......................................................................................4
1.2.3. Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học.................................................7
1.2.4. Xử lý bằng phương pháp hóa lý................................................................8
Chương 2: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI TRONG CÔNG
TRÌNH..............................................................................................................13
2.1. Tổng quan và nguyên lý làm việc của hệ thống....................................................13
2.2. Thiết kế bộ điều khiển cho trạm xử lý nước thải...................................................15
2.3. Lựa chọn thiết bị điều khiển............................................................................16
2.3.1. Bộ điều khiển........................................................................................16

2.3.3. Khối nguồn..........................................................................................19
2.4. Thiết kế hệ thống phần cứng...........................................................................20
2.5. Thiết kế lưu đồ thuật toán trên PLC..................................................................29
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT.......................................................................34
3.1. Chế tạo phần cứng........................................................................................34
3.2. Kết quả thực nghiệm.....................................................................................36
3.3. Những hạn chế và hướng phát triển của đề tài......................................................36
KẾT LUẬN........................................................................................................37


Chương 1: Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải

[Pick the date]


[Pick the date]

Danh mục bản vẽ
DANH MỤC BẢN VẼ

Hình 1. 1: Nguồn gốc nước thải sinh hoạt.........................................................................................2
Hình 1. 2: Các loại song chắn rác......................................................................................................4
Hình 1. 3: Song chắn rác làm sạch thủ công .....................................................................................4
Hình 1. 4: Chu trình tuyển nổi ..........................................................................................................6
Hình 1. 5 Sơ đồ hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí.............................................................................10
Hình 1. 6 Sơ đồ hệ thống bùn hoạt tính kỵ khí……………………………………………………11
Hình 2. 1: Sơ đồ công nghệ trạm xử lý nước thải trong công
trình.................................................13
Hình 2. 2: Sơ đồ khối bộ điều khiển cường độ sáng từ
xa...............................................................15

Hình 2. 3: Sơ đồ khối bộ điều khiển cường độ sáng từ
xa...............................................................17
Hình 2. 4: Hệ thống bộ cảm biến mức nước dạng điện
cực............................................................19
Hình 2. 5: Khối nguồn ACDC........................................................................................................20
Hình 2. 6: Sơ đồ nguyên lý mạch đo lường.....................................................................................20
Hình 2. 7: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn DC24V............................................................................21
Hình 2. 8: Sơ đồ nguyên lý mạch lực cấp nguồn bơm 01...............................................................21
Hình 2. 9: Sơ đồ nguyên lý mạch lực cấp nguồn bơm 02 ..............................................................21
Hình 2. 10: Sơ đồ điều khiển bơm bể
gom......................................................................................22
Hình 2. 11: Sơ đồ điều khiển bơm bể điều
hòa...............................................................................23
Hình 2. 13: Sơ đồ điều khiển bơm nước tuần hòa
..........................................................................24
Hình 2. 14: Sơ đồ điều khiển bơm bùn tuần
hoàn...........................................................................25
Hình 2. 15: Sơ đồ điều khiển bơm bùn thải
....................................................................................25
Hình 2. 7: Sơ đồ điều khiển bơm nước khử
trùng........................................................................ 26
Hình 2. 8: Sơ đồ điều khiển thiết bị khử trùng
.............................................................................26
Hình 2. 9: Sơ đồ điều khiển van điện từ
.......................................................................................27


Danh mục bản vẽ

[Pick the date]

Hình 2. 10: Sơ đồ điều khiển máy thổi khí
.....................................................................................27
Hình 2. 11: Sơ đồ cảm biến báo mức
.............................................................................................28
Hình 2. 12: Bảng kết nối đầu vào PLC
..........................................................................................28
Hình 2. 13: Bảng kết nối đầu ra PLC
.............................................................................................29
Hình 2.22. Lưu đồ thuật toán điều khiển bơm bể gom
..................................................................29
Hình 2.23. Lưu đồ thuật toán điều khiển bơm bể lắng sơ bộ
.........................................................30
Hình 2.24. Lưu đồ thuật toán điều khiển bơm bể điều hòa
............................................................30
Hình 2.25. Lưu đồ thuật toán điều khiển máy khuấy chìm bể hiếu khí
.........................................31
Hình 2.26. Lưu đồ thuật toán điều khiển bơm bùn tuần hoàn bể hiếu khí, bể lắng
......................31
Hình 2.27. Lưu đồ thuật toán điều khiển bơm bùn thải vào bể chứa bùn
……………..................32
Hình 2.28. Lưu đồ thuật toán điều khiển bơm hóa chất
………………………............................32
Hình 3. 1: Mặt ngoài tủ điều khiển hệ thống xử lý nước thải
.........................................................34
Hình 3. 2: Bên trong tủ điều khiển
.................................................................................................35


[Pick the date]

Mở đầu

MỞ ĐẦU
Dưới tốc độ đô thị hoá và sự gia tăng dân số, tài nguyên nước trong các vùng lãnh thổ
ngày càng chịu áp lực càng nhiều. Việc gia tăng dân cư sẽ gây ra các tác động tiêu cực tới
môi trường nếu không có cá biện pháp xử lý các chất thải phát sinh. Trong đó, nước thải là
mộ trong các vấn đề đang được quan tâm nhất hiện nay.
Nước thải sinh hoạt từ khu dân cư chưa các chất hữu cơ, vi sinh vật gây bện và căn lơ
lửng… Hàm lượng các chất này cao và với lưu lượng lớn sẽ gây ô nhiễm nguồn tiếp nhận
(sông, hồ..). Đặc biệt khi nguồn tiếp nhận là nguồn cung cấp nước sinh hoạt cho người dân
thì nguồn này cần được bảo vệ để không bị ảnh hưởng hoặc ảnh hưởng thấp bởi các chất
gây ô nhiễm này. Vì vậy việc xây dưng các trạm xử lý nước thải trực tiếp tại các công trình
là cần thiết và cũng đã được đưa vào luật bảo vệ môi trường của nước ta.
Hiện nay có rất nhiều đề tài đã tiến hành nghiên cứu xây dựng các trạm xử lý nước thải tại
các công trình tuy nhiên hệ thống điều khiển của các trạm xử lý nước thải thì chưa được đề
cập đến.
Từ nhu cầu thực tiễn trên, chúng tôi đề xuất đề tài:“Nghiên cứu hệ thống điều khiển
trạm xử lý nước thải trong các công trình xây dựng” làm chủ công nghệ nâng cao hiệu
quả trong quá trình vận hành hệ thống.
Đề tài của tôi gồm 3 chương:
Chương 1 : Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải
Chương 2 : Thiết kế hệ thống điều khiển cho trạm xử lý nước thải
Chương 3 : Kết quả và đề xuất

1


Chương 1: Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải

[Pick the date]

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI
1.1.

Giới thiệu chung về nước thải sinh hoạt

Nước thải là nước đã qua sử dụng cho các mục đích: sinh hoạt, dịch vụ, tưới tiêu,
sản xuất đã bị làm thay đổi thành phần và tính chất ban đầu.
Nước thải sinh hoạt là nước bị thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt
của con người như: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân…
Nước thải sinh hoạt gồm 2 loại:
-

Nước đen: Nước thải có độ nhiễm bẩn rất cao do các chất bài tiết của con

người từ các toilet.
- Nước xám: Nước thải có độ nhiễm bẩn thấp hơn so với nước đen, phát sinh
từ các hoạt động nhà bếp, tắm giặt, vệ sinh sàn…

Hình 1. 2: Nguồn gốc nước thải sinh hoạt
Đặc tính chung của nước thải sinh hoạt thường bị ô nhiễm bởi các chất cặn bã hữu
cơ, các chất hữu cơ hòa tan (thông qua các chỉ tiêu BOD5/COD), các chất dinh dưỡng
(Nito, Phospho), các vi trùng gây bệnh (E. Coli).
Các chất hữu cơ có trong nước thải sinh hoạt chiếm khoảng 58% tổng các chất
gồm: các chất hữu cơ thực vật (cặn bã thực vật, rau, quả, giấy…) và các chất hữu cơ
động vật (chất bài tiết của con người và động vật, xác động vật…)

2

Chương 1: Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải

[Pick the date]

Các chất vô cơ trong nước thải chiếm 42% gồm: cát, đất sét, các axit, bazơ vô cơ,
dầu khoáng…
Trong nước thải có mặt nhiều dạng vi sinh vật: vi khuẩn, virut, nấm, rong tảo,
trứng giun sán… Trong số các dạng vi sinh vật có thể có cả các vi trùng gây bệnh: tả,
lị, thương hàn… có khả năng gây thành dịch bệnh.
1.2.

Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt

1.2.1. Điều hòa lưu lượng và ổn định nồng độ nước thải
Tùy thuộc vào tập quán sinh hoạt và mức độ tiện nghi, mà lưu lượng và thành phần
tính chất nước thải của các toà nhà (chung cư/trung tâm thương mại …) sẽ khác
nhau, nhìn chung thường dao động không đều trong một ngày đêm. Sự dao động lưu
lượng và nồng độ độ nước thải sẽ trở ngại rất lớn đối với chế độ hoạt động của mạng
lưới và hoạt động của trạm xử lý.
Khi lưu lượng và nồng độ thay đổi chế độ làm việc của hệ thống xử lý nước thải
(mạng lưới thoát nước và trạm xử lý nước thải) mất ổn định. Khi nồng độ hoặc lưu
lượng đột ngột tăng lên, các công trình xử lý hóa lý, hóa học sẽ làm việc kém đi hoặc
muốn hoạt động tốt phải thay đổi lượng hóa chất thường xuyên. Khi các công trình
xử lý hóa lý hoạt động kém hiệu quả thì nồng độ chất bẩn đi vào các công trình xử lý
sinh học đột ngột tăng lên sẽ gây sốc tải trọng đối với vi sinh vật, gây chết VSV, làm
cho công trình mất tác dụng.
Việc điều hòa lưu lượng và ổn định nồng độ nước thải còn có ý nghĩa quan trọng
đặc biệt đối với quá trình xử lý hóa lý và sinh học, nhằm làm giảm kích thước công
trình xử lý, đơn giản hóa công nghệ xử lý và tăng hiệu quả xử lý nước thải

1.2.2. Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học
Song chắn rác
Nước thải dẫn vào hệ thống xử lý trước hết phải qua song chắn rác. Tại đây, các
thành phần có kích thước lớn (rác) như giẻ, rác, vỏ đồ hộp, lá cây, bao nilon,

3


Chương 1: Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải

[Pick the date]

… được giữ lại. Nhờ đó tránh làm tắc bơm, đường ống hoặc kênh dẫn. Đây là bước
quan trọng nhằm đảm bảo an toàn và điều kiện làm việc thuận lợi cho cả hệ thống xử
lý nước thải.
Tùy theo kích thước khe hở, song chắn rác được phân thành loại thô, trung bình và
mịn. Song chắn rác thô có khoảng cách giữa các thanh từ 60 – 100 mm và song chắn
rác mịn có khoảng cách giữa các thanh từ 10 đến 25 mm. Theo hình dạng có thể phân
thành song chắn rác và lưới chắn rác. Song chắn rác cũng có thể đặt cố định hoặc di
động.
Các loại song chắn rác.
CÁC LOẠI SONG CHẮN RÁC

Song Chắn Rác Thô

Song Chắn Rác Mịn

Lưới Chắn Rác

Hình 1. 2: Các loại song chắn rác

Song chắn rác được làm bằng kim loại, đặt ở cửa vào kênh dẫn, nghiêng một góc 4560 nếu làm sạch thủ công hoặc nghiêng một góc 75-85 nếu làm sạch bằng máy. Tiết
diện của song chắn có thể tròn, vuông hoặc hỗn hợp. Song chắn tiết diện tròn có trở
lực nhỏ nhất nhưng nhanh bị tắc bởi các vật giữ lại. Do đó thông dụng hơn cả là thanh
có tiết diện hỗn hợp, cạnh vuông góc phía sau và cạnh tròn phía trước hướng đối diện
với dòng chảy.

Hình 1. 3: Song chắn rác làm sạch thủ công

4


Chương 1: Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải

[Pick the date]

1.2.2.1. Lắng cát
Bể lắng cát được thiết kế để tách các tạp chất vô cơ không tan có kích thước từ 0,2
mm đến 2mm ra khỏi nước thải nhằm bảo đảm an toàn cho bơm khỏi bị cát, sỏi bào
mòn, tránh tắc đường ống dẫn và tránh ảnh hưởng đến các công trình sinh học phía
sau. Bể lắng cát có thể được phân thành 2 loại: (1) bể lắng ngang và (2) bể lắng đứng.
Ngoài ra, để tăng hiệu quả lắng cát, bể lắng cát thổi khí cũng được sử dụng rộng rãi.
1.2.2.2. Lắng
Bể lắng có nhiệm vụ lắng các hạt cặn lơ lửng có sẵn trong nước thải (bể lắng đợt 1)
hoặc cặn được tạo ra từ quá trình keo tụ tạo bông hay quá trình xử lý sinh học (bể
lắng đợt 2). Theo chiều dòng chảy, bể lắng được phân thành: bể lắng ngang và bể lắng
đứng.Trong bể lắng ngang, dòng nước thải chảy theo phương ngang qua bể với vận
tốc không lớn hơn 0,01 m/s và thời gian lưu nước từ 1,5- 2,5 giờ. Các bể lắng ngang
thường được sử dụng khi lưu lượng nước thải lớn hơn 15.000m3/ngày. Đối với bể lắng
đứng, nước thải chuyển động theo phương thẳng đứng từ dưới lên đến vách tràn với

vận tốc 0,5-0,6m/s và thời gian lưu nước trong bể dao động trong khoảng 4 – 120phút.
Hiệu suất lắng của bể lắng đứng thường thấp hơn bể lắng ngang từ 10 đến 20%.
1.2.2.3. Tuyển nổi
Phương pháp tuyển nổi thường được sử dụng để tách các tạp chất (ở dạng hạt rắn hoặc
lỏng) phân tán không tan, tự lắng kém khỏi pha lỏng. Trong một số trường hợp, quá
trình này còn được dùng để tách các chất hòa tan như các chất hoạt động bề mặt.
Trong xử lý nước thải, quá trình tuyển nổi thường được sử dụng để khử các chất lơ
lửng, làm đặc bùn sinh học. Ưu điểm cơ bản của phương pháp này là có thể khử hoàn
toàn các hạt nhỏ, nhẹ, lắng chậm trong thời gian ngắn.
Quá trình tuyển nổi được thực hiện bằng cách sục các bọt khí nhỏ vào pha lỏng. Các
bọt khí này sẽ kết dính với các hạt cặn. Khi khối lượng riêng của tập hợp bọt khí và
cặn nhỏ hơn khối lượng riêng của nước, cặn sẽ theo bọt khí nổi lên bề mặt.
Hiệu suất quá trình tuyển nổi phụ thuộc vào số lượng, kích thước bọt khí, hàm lượng
chất rắn. Kích thước tối ưu của bọt khí nằm trong khoảng 15 đến 30 m (bình thường
từ 50-120 m). Khi hàm lượng hạt rắn cao, xác suất va chạm và kết dính giữa các hạt

5


[Pick the date]

Chương 1: Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải

sẽ tăng lên, do đó lượng khí tiêu tốn sẽ giảm. Trong quá trình tuyển nổi, việc ổn định
kích thước bọt khí có ý nghĩa quan trong. Để đạt mục đích này đôi khi người ta bổ
sung thêm vào nước các chất tạo bọt có tác dụng làm giảm năng lượng bề mặt phân
pha như cresol, natri alkylsilicat, phenol..
Tùy theo phương thức cấp không khí vào nước, quá trình tuyển nổi
được thực hiện theo các phương thức sau:
- Tuyển nổi bằng khí hòa tan (Dissolved Air Flotation). Sục không khí vào nước ở áp

suất cao (2-4 atm), sau đó giảm áp giải phóng khí. Không khí thoát ra sẽ tạo thành bọt
khí có kích thước 20-100 m

Máng thu bọt nổi
Motor truyền động

Nước thải

Thiết bị vớt bọt

Nước
sau xử
lý

Bồn
khuyếch
tán
Khí
nén

Bơm tuần hoàn
Van điều áp

Máng thu cặn

Thiết bị gạt cặn

Hình 1. 4: Chu trình tuyển nổi

- Tuyển nổi bằng khí phân tán (Dispersed Air Floation). Trong trường hợp này, thổi

trực tiếp khí nén vào bể tuyển nổi để tạo thành bọt khí có kích thước từ 0,1 – 1 mm,
gây xáo trộn hỗn hợp khí – nước chứa cặn. Cặn tiếp xúc với bọt khí, dính kết và nổi
lên bề mặt.
6


Chương 1: Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải

[Pick the date]

- Tuyển nổi chân không (Vacuum Flotation). Trong trường hợp này, bão hòa không
khí ở áp suất khí quyển, sau đó, thoát khí ra khỏi nước ở áp suất chân không. Hệ
thống này thường ít sử dụng trong thực tế vì khó vận hành và chi phí cao.
1.2.2.4. Lọc
Lọc được ứng dụng để tách các tạp chất có kích thước nhỏ khi không thể loại
được bằng phương pháp lắng. Quá trình lọc ít khi dùng trong xử lý nước thải,
thường chỉ sử dụng trong trường hợp nước sau khi xử lý đòi hỏi có chất lượng cao.
Để lọc nước thải, người ta có thể sử dụng nhiều loại bể lọc khác nhau. Thiết bị
lọc có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau: theo đặc tính như lọc gián
đoạn và lọc liên tục; theo dạng của quá trình như làm đặc và lọc trong; theo áp suất
trong quá trình lọc như lọc chân không (áp suất 0,085MPa), lọc áp lực (0,3 -1,5
MPa) hay lọc dưới áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng …
Trong các hệ thống xử lý nước thải công suất lớn không cần sử dụng các thiết bị
lọc áp suất cao mà dùng các bể lọc với vật liệu lọc dạng hạt. Vật liệu lọc có thể sử
dụng là cát thạch anh, than cốc, hoặc sỏi nghiền, thậm chí cả than nâu hoặc than gỗ.
Việc lựa chọn vật liệu lọc tùy thuộc vào loại nước thải và điều kiện địa phương. Quá
trình lọc xảy ra theo những cơ chế sau:
-

Sàng lọc để tách các hạt rắn hoàn toàn bằng nguyên lý cơ học;

-

Lắng trọng lực;

-

Giữ hạt rắn theo quán tính;

-

Hấp phụ hóa học;

-

Hấp phụ vật lý;

-

Quá trình dính bám;

-

Quá trình lắng tạo bông

1.2.3. Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học
1.2.3.1. Trung hòa
Nước thải chứa các acid vô cơ hoặc kiềm cần được trung hòa đưa pH về khoảng
6,5 đến 8,5 trước khi thải vào nguồn nhận hoặc sử dụng cho công nghệ xử lý tiếp
theo. Trung hòa nước thải có thể thực hiện bằng nhiều cách nhau:

Trộn lẫn nước thải acid với nước thải kiềm;
7


[Pick the date]

Chương 1: Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải
Bổ sung các tác nhân hóa học;
Lọc nước acid qua vật liệu có tác dụng trung hòa;

Hấp thụ khí acid bằng nước kiềm hoặc hấp thụ ammoniac bằng nước acid. Để
trung hòa nước thải chứa acid có thể sử dụng các tác nhân hóa học như NaOH,
KOH,

Na2CO3,

nước

ammoniac

NH4OH,

CaCO3,

MgCO3,

đôlômít

(CaCO2.MgCO3) và xi măng. Song tác nhân rẻ nhất là vôi sữa 5-10% Ca(OH)2,
tiếp đó là sôđa và NaOH ở dạng phế thải.

Trong trường hợp trung hòa nước thải acid bằng cách lọc qua vật liệu có tác
dụng trung hòa, vật liệu lọc sử dụng có thể là manhêtit (MgCO3), đôlômít, đá vôi,
đá phấn, đá hoa và các chất thải rắn như xỉ và xỉ tro. Khi lọc nước thải chứa HCl và
HNO3 qua lớp đá vôi, thường chọn tốc độ lọc từ 0,5 – 1 m/h. Trong trường hợp lọc
nước thải chứa tới 0,5% H2SO4 qua lớp đôlômít, tốc độ lọc lấy từ 0,6-0,9 m/h. Khi
nồng độ H2SO4 lên đến 2% thì tốc độ lọc lấy bằng 0,35 m/h.
Để trung hòa nước thải kiềm có thể có thể sử dụng khí acid (chứa CO2, SO2,
NO2, N2O3,…). Việc sử dụng khí acid không những cho phép trung hòa nước thải
mà đồng thời tăng hiệu quả làm sạch chính khí thải khỏi các cấu tử độc hại.
Việc lựa chọn phương pháp trung hòa là tùy thuộc vào thể tích và nồng độ của
nước thải chế độ thải nước và chi phí hóa chất sử dụng.
1.2.3.2. Oxy hóa khử
Để làm sạch nước thải, có thể sử dụng các tác nhân oxy hóa như clo ở dạng
khí và hóa lỏng, dioxyt clo, clorat canxi, hypoclorit canxi và natri,

permanganat

kali, bicromat kali, peroxy hydro (H2O2), oxy của không khí, ozone, pyroluzit
(MnO2). Quá trình oxy hóa sẽ chuyển các chất độc hại trong nước thải thành các
chất ít độc hại hơn và tách khỏi nước. Quá trình này tiêu tốn nhiều hóa chất nên
thường chỉ sử dụng khi không thể xử lý bằng những phương pháp khác. Tuy
nhiên, trong những năm gần đây do phát triển khoa học kỹ thuật một số doanh
nghiệp Việt Nam đã chế tạo thành công máy phát Ozon với giá thành thấp, dễ
vận hành chi phí điện năng thấp, hậu mãi tốt.
1.2.4. Xử lý bằng phương pháp hóa lý
1.2.4.1. Keo tụ - Tạo bông

8

Chương 1: Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải

[Pick the date]

Trong nguồn nước, một phần các hạt thường tồn tại ở dạng các hạt keo mịn
phân tán, kích thước của hạt thường dao động trong khoảng 0,1 đến 10 nm. Các
hạt này không nổi cũng không lắng, và do đó tương đối khó tách loại. Vì kích
thước hạt nhỏ, tỷ số diện tích bề mặt và thể tích của chúng rất lớn nên hiện tượng
hóa học bề mặt trở nên rất quan trọng. Theo nguyên tắc, các hạt nhỏ trong nước
có khuynh hướng keo tụ do lực hút VanderWaals giữa các hạt. Lực này có thể
dẫn đến sự dính kết giữa các hạt ngay khi khoảng cách giữa chúng đủ nhỏ nhờ va
chạm. Sự va chạm xảy ra do chuyển động Brown và do tác động của sự xáo trộn.
Tuy nhiên, trong trường hợp phân tán keo, các hạt duy trì trạng thái phân tán nhờ
lực đẩy tĩnh điện vì bề mặt các hạt mang tích điện, có thể là điện tích âm hoặc
điện tích dương nhờ sự hấp thụ có chọn lọc các ion trong dung dịch hoặc sự ion
hóa các nhóm hoạt hóa. Trạng thái lơ lửng của các hạt keo được bền hóa nhờ lực
đẩy tĩnh điện.
Do đó, để phá tính bền của hạt keo cần trung hòa điện tích bề mặt của chúng,
quá trình này được gọi là quá trình keo tụ. Các hạt keo đã bị trung hòa điện tích
có thể liên kết với những hạt keo khác tạo thành bông cặn có kích thước lớn hơn,
nặng hơn và lắng xuống, quá trình này được gọi là quá trình tạo bông.
1.3.

Các công nghệ xử lý nước thải trong công trình

1.3.1. Công nghệ xử lý nước thải hiếu khí
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí là quá trình sử dụng các vi sinh
vật hiếu khí để phân hủy các chất hữu cơ thích hợp có trong nước thải trong điều kiện
được cung cấp oxy liên tục.
Quá trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải gồm ba giai đoạn sau:

- Oxy hoá các chất hữu cơ: CxHyOz + O2 => CO2 + H2O + ∆H
- Tổng hợp tế bào mới: CxHyOz + NH3 + O2 => CO2 + H2O + ∆H
- Phân huỷ nội bào: C5H7NO2 + 5O2 => 5CO2 + 5H2O + NH3 ± ∆H
Khi không đủ cơ chất, quá trình chuyển hóa các chất của tế bào bắt đầu xảy ra bằng
sự tự oxi hóa chất liệu tế bào.
Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hoá
sinh hoá. Các quá trình xử lý sinh học bằng phương pháp hiếu khí có thể xảy ra ở điều
9


Chương 1: Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải

[Pick the date]

kiện tự nhiên hoặc nhân tạo. Trong các công trình xử lý nhân tạo, người ta tạo điều
hiện tối ưu cho quá trình oxy hoá sinh hoá nên quá trình xử lý có tốc độ và hiệu suất
cao hơn rất nhiều. Tuỳ theo trạng thái tồn tại của vi sinh vật, quá trình xử lý sinh học
hiếu khí nhân tạo có thể chia thành:
- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng chủ yếu được
sử dụng khử chất hữu cơ chứa carbon như quá trình bùn hoạt tính, hồ làm thoáng
nhân tạo, bể phản ứng hoạt động gián đoạn, quá trình lên men phân huỷ hiếu khí.
Trong số những quá trình này, quá trình bùn hoạt tính hiếu khí dùng bể Aerotank được
áp dụng phổ biến nhất.
Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám áp dụng tại các bể
lọc nhỏ giọt, bể lọc cao tải, đĩa sinh học, bể phản ứng nitrat hóa với màng cố định

Máy thổi khí

Bê lắng 2

Nƣớc
thải

Nước sau xử
lý
Bể lắng
2
Bùn thải
bỏ

Tuaàn hoaøn
buøn

Hình 1. 5 Sơ đồ hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí.

1.3.2. Công nghệ xử lý nước thải kỵ khí
Phương pháp xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí là quá trình sử dụng
vi sinh vật kỵ khí trong môi trường không có oxy tự do, trong điều kiện này vi khuẩn
kỵ khí có thể oxy hóa chất hữu cơ theo nguyên lý lên men. Phương pháp này có 2
loại:
- Phương pháp kỵ khí tự nhiên:
Ao hồ kỵ khí là các loại ao sâu. Các vi sinh vật kỵ khí hoạt động sống không
cần oxy của không khí.
- Phương pháp kỵ khí nhân tạo:

10


[Pick the date]

Chương 1: Tổng quan về cơng nghệ xử lý nước thải

Lọc kỵ khí: Thường được sử dụng để xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu
cơ rất cao. Phương pháp này sử dụng rất nhiều chủng vi sinh vật để xử lý. Vật liệu lọc
có thể là dạng tấm (chất dẻo) hoặc vật liệu rời hạt có đường kính 3-5mm.
Kỵ khí tiếp xúc: Nước thải chưa được xử lý được khuấy trộn với vòng tuần hồn
và sau đó được phân hủy trong bể phản ứng kín khơng cho khơng khí

Lan can bảo vệ
Ống thu nước
sau xử lý
Sàn
công tác
Máng
Thiết
bò thu
tách
pha khí –
nước
lỏng
- rắn
dạng
răng cưa

Ống
dẫn
khí

Vách
hướng

dòng
Cầuhình côn

thang

Vỏ
thiết
Hỗn
bò hợp

Ống
thoát
khí

nước
thải

Bình
hấ
p
Bọt thụ
khí khí

Lớp
bùn kỵ
khí
Ống bơm
nước
vào thiết
bò UASB

Bộ phận
phân phối
đều
lưu lượng nước
thải

Dung
dòch
NaOH
5%

Hình 1. 6 Sơ đồ hệ thống bùn hoạt tính kỵ khí.

Nước thải được nạp liệu từ phía đáy bể, đi qua lớp bùn hạt, q trình xử lý
xảy ra khi các chất hữu cơ trong nước thải tiếp xúc với bùn hạt. Khí sinh ra trong
điều kiện kỳ khí (chủ yếu là methane và CO2) sẽ tạo nên dòng tuần hồn cục bộ
giúp cho q trình hình thành và duy trì bùn sinh học dạng hạt. Khí sinh ra từ lớp
bùn sẽ dính bám vào các hạt bùn và cùng với khí tự do nổi lên phía mặt bể. Tại đây,
11


Chương 1: Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải

[Pick the date]

quá trình tách pha khí- lỏng-rắn xảy ra nhờ bộ phận tách pha. Khí theo ống dẫn qua
bồn hấp thu chứa dung dịch NaOH 5-10%. Bùn sau khi tách khỏi bọt khí lại lắng
xuống. Nước thải theo màng tràn răng cửa dẫn đến công trình xử lý tiếp theo.
Vận tốc nước thải đưa vào bể UASB được duy trì trong khoảng 0,6-0,9 m/h. pH
thích hợp cho qu trình phn hủy kỳ khí dao động trong khoảng 6,6-7,6. Do đĩ cần

cung cấp đủ độ kiềm (1000 – 5000 mg/L) để bảo đảm pH của nước thải luơn luơn >
6,2 vì ở pH < 6,2, vi sinh vật chuyển hĩa methane khơng hoạt động được. Cần lưu ý
rằng chu trình sinh trưởng của vi sinh vật acid hĩa ngắn hơn rất nhiều so với vi sinh
vật acetate hĩa (2-3 giờ ở 350C so với 2-3 ngy, ở điều kiện tối ưu). Do đĩ, trong qu
trình vận hnh ban đầu, tải trọng chất hữu cơ khơng được qu cao vì vi sinh vật acid
hĩa sẽ tạo ra acid bo dễ bay hơi với tốc độ nhanh hơn rất nhiều lần so với tốc độ
chuyển hĩa cc acid ny thnh acetate dưới tc dụng của vi sinh vật acetate hĩa.

12


Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển cho trạm xử lý nước thải trong công trình

Chương 2: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI
TRONG CÔNG TRÌNH
2.1. Tổng quan và nguyên lý làm việc của hệ thống
2.1.1. Công nghệ trạm xử lý nước thải trong công trình.
Để thuận tiện cho việc tính toán thiết kế và thử nghiệm hệ thống đề tài sẽ thiết kế
trực tiếp cho trạm xử lý nước thải sinh hoạt cho công trình “ Nhà hỗ hợp chung cư
Hợp Phú – Bắc Ninh, Công suất 100m3/Ngày đêm”.

Hình 2. 14: Sơ đồ công nghệ trạm xử lý nước thải trong công trình
Trạm xử lý nước thải bao gồm các thiết bị sau:
 Bơm bể gom: Có hai chế độ làm việc auto và mannual, chế độ auto hoạt
động theo mức nước trong bể gom.
 Bơm bùn bể lắng sơ bộ: Có hai chế độ làm việc auto và mannual, chế độ
auto hoạt động 10 ngày 1 lần bao gồm 2 bơm, 2 bơm này hoạt động luân
phiên nhau.
 Bơm bể điều hòa: Có hai chế độ làm việc auto và mannual, chế độ auto hoạt
động theo mức nước trong bể điều hòa.

 Máy khuấy chìm bể thiếu khí: Có hai chế độ làm việc auto và mannual, chế
độ auto máy khuấy sẽ chạy khi bơm điều lượng chạy và dừng lại sau khi
bơm tuần hoàn dừng 10 phút.
 Bơm tuần hoàn bể hiếu khí: Có hai chế độ làm việc auto và mannual, chế độ
auto bơm chạy khi bơm bể điều hòa làm việc, bể hiếu khí đầy bơm dừng khi
bơm để điều hòa dừng.
 Bơm bùn tuần hoàn bể lắng thứ cấp: Có hai chế độ làm việc auto và
mannual, chế độ auto bơm chạy bơm tuần hòa chạy 1h bơm dừng sau khi
bơm nước tuần hoàn dừng.
13


Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển cho trạm xử lý nước thải trong công trình
 Bơm bùn thải vào bể chứa bùn : Có hai chế độ làm việc auto và mannual,
chế độ auto bơm chạy khi bể hiếu khí đầy hoặc sau 10 ngày, bơm dừng sau
khi chạy 10 phút.
 Bơm bùn thải ra ngoài: Có hai chế độ làm việc auto và mannual, chế độ auto
bơm chạy bùn ở trong bể ở mức đầy, bơm dừng khi bể chứa bùn cạn.
 Bơm hóa chất: Gồm có 2 bơm, có hai chế độ làm việc auto và mannual, chế
độ auto bơm chạy khi bơm điều lượng ,bơm tuần hoàn chạy, tank hóa chất
đầy, bơm sẽ dừng khi một trong các điều kiện trên không đáp ứng.
 Máy khuấy tank hóa chất: Có hai chế độ làm việc auto và mannual, chế độ
auto máy sẽ chạy khi bơm hóa chất chạy, dừng khi bơm hóa chất dừng.
 Máy thổi khí: Hoạt động liên tục để thổi khí vào trong bể.
 Sử dụng các cảm biến để đo mức trong các bể gom, bể điều hòa, bể hiếu khí,
bể chứa bù, bể hóa chất.
2.1.2. Nguyên lý làm việc trạm xử lý nước thải
Nước thải từ khu nhà ở sau khi được xử lý sơ bộ ở bể tự hoại sẽ được thu gom về
hệ thống xử lý nước thải tập trung. Một phần các cặn rác thô có kích thước lớn như:
bao nylon, vải vụn, cành cây, giấy…được giữ lại song chắn rác để loại bỏ nhằm

tránh gây hư hại hoặc tắc nghẽn bơm và các công trình tiếp theo. Rác thu hồi được
đem đi xử lý. Nước thải sau khi qua song chắn tiếp tục qua bể gom. Sau đó nước
thải được bơm đến bể lắng đợt sơ bộ để lắng tạp chất phân tán nhỏ (chất lơ lửng)
dưới dạng cặn lắng xuống đáy bể và theo các chất nổi trên bề mặt : dầu mỡ, bọt…
Bùn lắng thu được được bơm qua bể nén bùn trước khi đem đi xử lý. Nước thải tiếp
tục từ bể lắng sơ bộ được chảy về bể điều lượng, tại đây, bể sẽ gắn hệ thống sục khí
nhằm giảm bớt sự dao động của hàm lượng các chất bẩn trong nước do quá trình
thải ra không đều, ổn định lưu lượng và nồng độ, tránh hiện tượng quá tải vào các
giờ cao điểm, do đó giúp hệ thống xử lý làm việc ổn định đồng thời giảm kích
thước các công trình tiếp theo nước thải sẽ được bơm vào bể Anoxic. Ở đây, nước
thải được hòa trộn với vi sinh vật. Trong điều kiện thiếu khí, vi sinh vật sẽ loại bỏ
các hợp chất chứa N và P. Sau đó toàn bộ hỗn hợp nước và bùn hoạt tính được dẫn
vào bể Aerotank. Tại đây, quá trình xử lý sinh học hiếu khí với bùn hoạt tính diễn
ra nhờ lượng oxy hòa tan trong nước. Các vi sinh vật hiếu khí sử dụng oxy và các
hợp chất hữu cơ trong nước làm chất dinh dưỡng để duy trì sự sống, phát triển sinh

14


Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển cho trạm xử lý nước thải trong công trình
khối và kết thành bông bùn, nhờ đó các chất hữu cơ trong nước thải giảm đáng kể.
Aerotank xáo trộn hoàn toàn nhờ thiết bị sục khí. Nước từ bể Aerotank được tuần
hoàn về bể Anoxic với lưu lượng từ 2 – 4Q. Sau đó, hỗn hợp bùn hoạt tính và nước
thải chảy sang ngăn lắng. Có nhiệm vụ lắng và tách bùn hoạt tính ra khỏi nước thải.
Bùn lắng một phần được bơm tuần hoàn lại bể Anoxic để ổn định mật độ cao vi
khuẩn và tạo điều kiện phân hủy nhanh chất hữu cơ, phần còn lại sẽ được bơm qua
bể nén bùn và tiếp tục xử lý. Nước thải sau khi lắng sẽ tràn qua máng răng cưa vào
máng tràn và dẫn qua bể khử trùng để loại bỏ các loại vi sinh vật gây bệnh trong
nước thải trước khi thải ra môi trường. Hàm lượng Chlorine cung cấp vào nước thải
ổn định qua bơm định lượng hóa chất. Ngoài tác dụng khử trùng, Chlorine còn là

một tác nhân oxy hóa mạnh, do đó có thể oxy hóa các chất hữu cơ còn tồn tại trong
nước thải. Nước thải sau khi khử trùng đảm bảo đạt tiêu chuẩn QCVN
14:2008/BTNMT, cột B sẽ được thải ra hệ thống thoát nước khu vực. Phần bùn
tươi cần xử lý ở bể lắng 1 và phần bùn dư ở bể lắng 2 sau một thời gian đầy sẽ
được vận chuyển ra ngoài.
2.2. Thiết kế bộ điều khiển cho trạm xử lý nước thải
Từ các phân tích trên ta xây dựng được sơ đồ khối của hệ thống điều khiển như
sau:
BẢNG ĐIỀU KHIỂN

HỆ THỐNG HIỂN THỊ

CẢM BIẾN MỨC BỂ GOM
CẢM BIẾN MỨC BỂ ĐIỀU HÒA
CẢM BIẾN MỨC BỂ HIẾU KHÍ
CẢM BIẾN MƯC BỂ NGĂN CHƯA BÙN
CẢM BIẾN MỨC CHO BỂ HÓA CHẤT

BỘ ĐIỀU KHIỂN

BOM BỂ GOM
BOM BÙN BỂ LẮNG
BƠM BỂ ĐIỀU HÒA
BƠM BÙN THẢI VÀO BỂ CHƯA BÙN
BƠM BÙN THẢI RA NGOÀI
MÁY KHUÂY TANK HÓA CHẤT
M,ÁY THỔI KHÍ

Hình 2. 15: Sơ đồ khối bộ điều khiển cường độ sáng từ xa
Hệ thống gồm các khối chức năng sau đây:

15


Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển cho trạm xử lý nước thải trong công trình
-

Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ các cảm biến mức nước trong các bể và bảng
điều khiển để điều khiển các bơm nước.

-

Bảng điều khiển: Đưa các lệnh điều khiển từ người dùng

-

Cảm biến mức: Báo mức nước tại các bể.

2.3. Lựa chọn thiết bị điều khiển
2.3.1. Bộ điều khiển

a. Giới thiệu PLC
PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển
lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều
khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình
để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện.
b. Đánh giá ưu nhược điểm của PLC
Trước đây, bộ PLC thường rất đắt, khả năng hoạt động bị hạn chế và quy trình
lập trình phức tạp. Vì những lý do đó mà PLC chỉ được dùng trong những nhà máy
và các thiết bị đặc biệt. Ngày nay, do giá thành hạ kèm theo tăng khả năng của PLC

dẫn đến là PLC ngày càng được áp dụng rộng cho các thiết bị máy móc. Các bộ
PLC đơn khối với 24 kênh đầu vào và 16 kênh đầu ra thích hợp với các máy tiêu
chuẩn đơn, các trang thiết bị liên hợp. Còn các bộ PLC với nhiều khả năng ứng
dụng và lựu chọn được dùng cho những nhiệm vụ phức tạp hơn. Có thể kể ra các
ưu điểm của PLC như sau:
 Chuẩn bị vào hoạt động nhanh: Thiết kế kiểu module cho phép thích nghi
nhanh với mọi chức năng điều khiển. Khi đã được lắp ghép thì PLC sẵn sàng
làm việc ngay. Ngoài ra nó còn được sử dụng lại cho các ứng dụng khác dễ
dàng.
Độ tin cậy cao: Các linh kiện điện tử có tuổi thọ dài hơn các thiết bị cơ- điện. Độ
tin cậy của PLC ngày càng tăng, bảo dưỡng định kỳ thường không cần thiết còn với
mạch rơle công tắc tơ thì việc bảo dưỡng định kỳ là cần thiết.
Dễ dàng thay đổi chương trình: Việc thay đổi chương trình được tiến hành đơn
giản. Để sửa đổi hệ thống điều khiển và các quy tắc điều khiển đang được sử dụng,
16


Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển cho trạm xử lý nước thải trong công trình
người vận hành chỉ cần nhập tập lệnh khác, gần như không cần mắc nối lại dây.
Nhờ đó hệ thống rất linh hoạt và hiệu quả.
 Đánh giá nhu cầu đơn giản: Khi biết các đầu vào và đầu ra thì có thể đánh
giá được kích cỡ yêu cầu của bộ nhớ hay độ dài chương trình. Do đó có thể
dễ dàng và nhanh chóng lựa chọn PLC phù hợp với các yêu cầu công nghệ
đặt ra.
 Khả năng tái tạo: Nếu dùng PLC với quy cách kỹ thuật giống nhau
thì chi phí lao động sẽ giảm thấp hơn nhiều so với bộ điều khiển rơle. Đó là do
giảm phần lớn lao động lắp ráp.
 Tiết kiệm không gian: PLC đòi hỏi ít không gian hơn so với bộ điều khiển
rơle tương đương.
Có tính chất nhiều chức năng: PLC có ưu điểm chính là có thể sử dụng cùng một

thiết bị điều khiển cơ bản cho nhiều hệ thống điều khiển. Người ta thường dùng
PLC cho các quá trình tự động linh hoạt vì dễ dàng thuận tiện trong tính toán, so
sánh các giá trị tương quan, thay đổi chương trình và thay đổi thông số. Về giá trị
kinh tế: khi xét về giá trị kinh tế của PLC ta phải đề cập đến số lượng đầu vào và
đầu ra. Nếu số lượng đầu vào/ra quá ít thì hệ rơle kinh tế hơn, nhưng khi số lượng
đầu vào/ra tăng lên thì hệ PLC kinh tế hơn hẳn.
Từ những ưu điểm trên ta lựa chọn PLC FX3G-60M của Mitsubishi.

Hình 2. 16: Sơ đồ khối bộ điều khiển cường độ sáng từ xa

17


Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển cho trạm xử lý nước thải trong công trình
Số đầu vào: 36
Số đầu ra: 24
Kiểu đầu ra: Relay
Nguồn cấp: 24VDC
Công suất(W): 29
Bộ nhớ EEPROM dung lượng lớn, lên tới 32000 dòng lệnh(steps).
Tốc độ xử lý cao.
Có khả năng mở rộng module vào/ra, các module chức năng đặc biệt, module ADP.
Tích hợp đồng hồ thời gian thực.
Tích hợp giao diện truyền thông USB giữa PC và PLCs.
Tích hợp giao diện truyền thông nối tiếp giữa PCs và HMI.
Sử dụng ngôn ngữ lập trình chuẩn (Ladder).
Có khe cắm thẻ nhớ dạng cassetes.
Tích hợp điều khiển vị trí.
Trọng lượng(Kg): 0.85
Kích thước (mm): 190x90x86

2.3.2. Cảm biến
Để đo mực nước ở các bể ta sử dụng cảm biến đo mức nước điện cực do:
Lắp đặt đơn giản dễ dàng bảo trì.
Cảm biến 3 que khi làm việc chống dao động mức.
Que điện cực được làm bằng thép không rỉ kết hợp màng gốm nhằm ngăn chặn sự
tích tụ của chất rắn đăm bảo độ bền cao khi ngâm trong nước thời gian dài.
Nguyên lý làm việc:

Bộ cảm biến mức nước kiểu điện cực gồm bộ giữ điện cực gồm 3 que điện cực
được nhúng vào trong bể chứa nước, chất lỏng đo lưu lượng bằng các que điện cực
truyền kết quả về bộ báo mức của hệ thống giám sát, kích hoạt hệ thống làm việc
điều khiển bơm nước vào hoặc ra.
Khi bể chứa đầy hoặc cạn cảm biến có que cắm điện có độ dài khác nhau, que 3 dài
nhất làm chuẩn cho 2 que còn lại giúp so sánh điện trở. Khi điện trở xuống mức
18


Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển cho trạm xử lý nước thải trong công trình
que thứ 2 khi đó sẽ dẫn tới sự chênh lệch điện trở giữa các que, ngay lúc đó, cảm
biến sẽ điều khiển bơm nước vào.
Khi nước vào bể chứa đầy, dâng cao lên que 1, bộ điều khiển tự động đo điện trở
giữa que 1 và que 2. Điện rẻo que 2 lớn hơn điện trở que 1, hệ thống báo tự động
đế bộ cảm biến và ngừng cấp nước. Loại cảm biến này hoạt động dựa theo nguyên
tắc so sánh điện trở giữa các que.

Hình 2. 17: Hệ thống bộ cảm biến mức nước dạng điện cực
2.3.3. Khối nguồn
Khối nguồn có chức năng cấp nguồn khối điều khiển
Yêu cầu của khối nguồn là đơn giản, giá thành rẻ, và dễ tìm kiếm ở thị trường Việt
Nam lựa chọn bộ nguồn Nguồn AC-DC 24V-20A có sẵn ngoài thị trường.

Hình 2. 18: Khối nguồn AC-DC
19