ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC CẤP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU
KHOA CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT VÀ NÔNG NGHIỆP
CÔNG NGHỆ CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC CẤP

Chuyên ngành: Cơ điện tử
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Trần Thái Sơn
Sinh viên thực hiện: Dương Chí Tuấn - 16032377
Trịnh Minh Hiếu - 16031416

Bà Rịa – Vũng Tàu, tháng 4 năm 2020


MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................................i
DANH MỤC HÌNH ẢNH TRONG BÁO CÁO ...................................................................... v
DANH MỤC BẢNG TRONG BÁO CÁO ........................................................................... viii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DÙNG TRONG BÁO CÁO ....................................................ix
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................... x
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ..................................................................xi
LỜI MỞ ĐẦU .........................................................................................................................xii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................................... 1
1.1. Tổng quan tình hình cấp nước sinh hoạt ở Việt Nam .................................................... 1
1.2. Tổng quan về ngành xử lý nước ở Việt Nam ................................................................. 2
1.2. Mục đích chọn đề tài ...................................................................................................... 5
1.3. Mục tiêu của đề tài ......................................................................................................... 5
1.4. Giới hạn của đề tài .......................................................................................................... 6

1.5. Các ứng dụng của đề tài ................................................................................................. 6
1.6. Ý nghĩa của đề tài ........................................................................................................... 6
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................................ 8
2.1. Đề xuất sơ đồ nguyên lý ................................................................................................. 8
2.2. Đề xuất sơ đồ khối điều khiển ........................................................................................ 9
2.3. Phương án thiết kế ........................................................................................................ 10
CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................................... 12
3.1. Bộ lọc đĩa ...................................................................................................................... 12
3.1.1. Cấu tạo bộ lọc đĩa................................................................................................... 12
3.1.2. Nguyên lý hoạt động .............................................................................................. 13
i


3.1.3. Thông số kỹ thuật ................................................................................................... 15
3.1.4. Ưu điểm .................................................................................................................. 15
3.2. Quá trình siêu lọc.......................................................................................................... 16
3.2.1. Cấu tạo màng siêu lọc ............................................................................................ 16
3.2.2. Nguyên lý hoạt động .............................................................................................. 17
3.3.3. Các chế độ lọc ........................................................................................................ 19
3.2.4. Ưu điểm .................................................................................................................. 24
3.3. Quá trình lọc thẩm thấu ngược ..................................................................................... 26
3.3.1. Cấu tạo màng lọc thẩm thấu ngược........................................................................ 26
3.3.2. Nguyên lý hoạt động .............................................................................................. 27
3.3.3. Ưu điểm của lọc thẩm thấu ngược ......................................................................... 28
3.4. PLC Mitsubishi FX2N – 48MT.................................................................................... 29
3.4.1. Tổng quan về PLC ................................................................................................. 29
3.4.2. PLC FX2N-48MT của hãng mitsubishi ................................................................... 32
3.5. Mô đun FX2N – 4AD .................................................................................................... 36
3.5.1. Cấu tạo mô đun FX2N – 4AD ................................................................................. 36
3.5.2. Kết nối với PLC ..................................................................................................... 37

3.6. HMI INVT .................................................................................................................... 39
3.6.1. Tổng quan về HMI ................................................................................................. 39
3.6.2. Nguyên lý hoạt động .............................................................................................. 40
3.7. Van điện từ ................................................................................................................... 41
3.7.1. Giới thiệu................................................................................................................ 41
3.7.2. Cấu tạo van điện từ ................................................................................................ 42
3.7.3. Nguyên lý hoạt động .............................................................................................. 42
ii


3.8. Cảm biến áp suất .......................................................................................................... 43
3.8.1. Giới thiệu chung ..................................................................................................... 43
3.8.2. Cấu tạo ................................................................................................................... 43
3.9. Động cơ bước ............................................................................................................... 45
3.9.1. Giới thiệu chung ..................................................................................................... 45
3.9.2. Cấu tạo động cơ bước ............................................................................................ 46
3.10. Công tắc điện phao nước ............................................................................................ 46
3.10.1. Giới thiệu chung ................................................................................................... 46
3.10.2. Cấu tạo công tắc điện phao nước ......................................................................... 47
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỚNG................................................................ 48
4.1. Thiết kế hệ thống lọc .................................................................................................... 48
4.1.1. Tính toán và thiết kế bộ lọc thẩm thấu ngược ........................................................ 48
4.1.2. Lựa chọn và thiết kế màng siêu lọc ........................................................................ 51
4.1.3. Kiểm nghiệm thiết kế hệ thống bằng phần mềm WAVE của hãng Dupont. ......... 53
4.1.4. Thiết kế mô hình 3D hệ thống xứ lý nước cấp ...................................................... 57
4.1.5. Bản vẽ 2D hệ thống xử lý nước cấp ....................................................................... 59
4.2. Thiết kế hệ thống điện và lập trình ............................................................................... 60
4.2.1. Thiết kế hệ thống điện ............................................................................................ 60
4.2.2. Lập trình điều khiển hệ thống ................................................................................ 65
4.3. Thiết kế bộ van áp suất ................................................................................................. 68

4.4. Thực hiện mơ hình, mơ phỏng hệ thống ...................................................................... 69
4.5. Quy trình vận hành ....................................................................................................... 71
4.4.1. Điều khiển tự động ................................................................................................. 72
4.4.2. Điều khiển bằng tay ............................................................................................... 74
iii


CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .................................. 77
5.1. Kết quả đề tài ................................................................................................................ 77
5.2. Sản phẩm của đề tài ...................................................................................................... 77
5.3. Tính hiệu quả của đề tài................................................................................................ 78
5.4. Hướng phát triển đề tài ................................................................................................. 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 79
1. Tài liệu truyền thống ....................................................................................................... 79
2. Tài liệu điện tử ................................................................................................................. 79
PHỤ LỤC 1. KẾT QUẢ XÉT NGHIỆM MẪU NƯỚC SINH HOẠT Ở BẾN TRE ............ 80
PHỤ LỤC 2. CHƯƠNG TRÌNH PLC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ................... 82
PHỤ LỤC 3. BẢN VẼ 2D BỐ TRÍ THIẾT BỊ ...................................................................... 87

iv


DANH MỤC HÌNH ẢNH TRONG BÁO CÁO
Hình 1.1. Sơ đồ xử lý nước Nhà máy xử lý nước BOO Thủ Đức ............................................ 4
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống xử lý nước cấp ................................................................ 8
Hình 2.2. Sơ đồ khối điều khiển hệ thống ................................................................................ 9
Hình 3.1. Bộ lọc đĩa ................................................................................................................ 12
Hình 3. 2. Hoạt động của bộ lọc đĩa ....................................................................................... 13
Hình 3. 3.Rửa ngược bộ lọc đĩa .............................................................................................. 14
Hình 3. 4. Quy trình xử lý nước qua bộ lọc đĩa ...................................................................... 14

Hình 3. 5. Kích thước bộ lọc đĩa ............................................................................................. 15
Hình 3. 6. Màng siêu lọc là tập hợp các ống PVDF ............................................................... 16
Hình 3. 7. Nguyên lý của màng siêu lọc ................................................................................. 17
Hình 3. 8. Sơ đồ các chế độ lọc .............................................................................................. 19
Hình 3. 9. Quá trình xử lý nước qua màng siêu lọc ............................................................... 19
Hình 3. 10. Q trình rửa khí .................................................................................................. 20
Hình 3. 11. Q trình xả áp suất sau khi rửa khí .................................................................... 21
Hình 3. 12.Q trình rửa ngược phía trên ............................................................................... 21
Hình 3. 13.Q trình rửa ngược phía dưới.............................................................................. 22
Hình 3. 14. Q trình rửa xi ................................................................................................ 22
Hình 3. 15. Q trình rửa CEB phía trên ................................................................................ 23
Hình 3. 16. Q trình rửa CEB phía dưới ............................................................................... 23
Hình 3. 17. Chế độ rửa định kỳ tại chổ CIP............................................................................ 24
Hình 3. 18. Sidney Loeb và mơ hình màng áp suất thẩm thấu chậm ..................................... 26
Hình 3. 19. Cấu tạo màng lọc thẩm thấu ngược ..................................................................... 27
Hình 3. 20. Thẩm thấu và thấm rthấu ngược .......................................................................... 27
Hình 3. 21. Cấu trúc của PLC ................................................................................................. 31
Hình 3. 22. PLC Mitsubishi FX2N - 48MT - 001 .................................................................. 32
Hình 3. 23. Sơ đồ các chân của PLC FX2N – 48MT ............................................................. 33
Hình 3. 24. Sơ đồ nối source dây thiết bị ngoại vi và PLC .................................................... 36
Hình 3. 25. Mô đun FX2N – 4AD .......................................................................................... 36
v


Hình 3. 26. Màn hình HMI VT-070........................................................................................ 39
Hình 3. 27. Van điện từ ........................................................................................................... 41
Hình 3. 28. Cấu tạo van điện từ .............................................................................................. 42
Hình 3. 29. Cảm biến áp suất .................................................................................................. 43
Hình 3. 30. Cảm biến áp suất dạng áp điện trở (dạng màng) ................................................. 44
Hình 3. 31. Cảm biến áp suất kiểu tụ ...................................................................................... 45

Hình 3. 32. Động cơ bước ....................................................................................................... 46

Hình 4. 1. Quy trình xử lý nước cấp từ nguồn nước mặt ........................................................ 48
Hình 4. 2. Phần mềm WAVE ................................................................................................. 54
Hình 4. 3. Cài đặt các thông số nguồn nước cấp .................................................................... 55
Hình 4. 4. Cài đặt các thông số màng UF ............................................................................... 55
Hình 4. 5. Cài đặt các thông số màng lọc RO ......................................................................... 56
Hình 4. 6. Kết quả thiết kế UF bằng phần mềm WAVE ........................................................ 56
Hình 4. 7. Kết quả thiết kế RO từ phần mềm WAVE ............................................................ 57
Hình 4. 8. Phần mềm INVENTOR thiết kế 3D ...................................................................... 58
Hình 4. 9. Mô hình 3D hệ thống nhìn từ phía trước ............................................................... 58
Hình 4. 10. Phần mềm vẽ 2D AutoCAD ................................................................................ 59
Hình 4. 11. Phần mềm thiết kế tủ điện EPLAN ...................................................................... 61
Hình 4. 12. Sơ đồ các khối của điều khiển và truyền động .................................................... 62
Hình 4. 13. Mạch truyền động ................................................................................................ 63
Hình 4. 14. Mạch điều khiển................................................................................................... 64
Hình 4. 15. Phần mềm GX Developer .................................................................................... 65
Hình 4. 16. Lưu đồ chọn chế độ hoạt động............................................................................. 65
Hình 4. 17. Lưu đồ giải thuật điều khiển tự động ................................................................... 66
Hình 4. 18. Phần mềm VT Designer ....................................................................................... 67
Hình 4. 19. Thiết kế màn hình khởi động HMI ...................................................................... 67
Hình 4. 20. Sơ đồ truyền động van áp suất ............................................................................. 68
Hình 4. 21. Bộ van áp suất ...................................................................................................... 68
vi


Hình 4. 22. Hàn khung mô hình.............................................................................................. 69
Hình 4. 23. Lập trình và nạp vào PLC .................................................................................... 69
Hình 4. 24. Lắp đặt tủ điện ..................................................................................................... 70
Hình 4. 25. Lập trình và nạp cho màn hình HMI.................................................................... 70

Hình 4. 26. Màn hình cài đặt hệ thống.................................................................................... 73
Hình 4. 27. Màn hình chế độ tự động - Automatic ................................................................. 73
Hình 4. 28. Màn hình chế độ điều khiển bàng tay – Manual .................................................. 74
Hình 4. 29. Kết nối thiết bị để rửa hóa chất định kỳ ............................................................... 76

Hình 5. 1. Mô hình thử nghiệm hệ thống................................................................................ 77

vii


DANH MỤC BẢNG TRONG BÁO CÁO
Bảng 1. 1. Tiêu chuẫn cấp nước theo đầu người theo TCXDVN 33:2006 ............................... 1
Bảng 1. 2. So sánh các nguồn nước và QCVN 02:2009/BYT .................................................. 2
Bảng 3. 1. Ưu điểm của lọc đĩa............................................................................................... 15
Bảng 3. 2. Ưu điểm của PLC .................................................................................................. 30
Bảng 3. 3. Đặc tính kỹ thuật của PLC FX2N ......................................................................... 33

Bảng 4. 1. Các thiết bị sử dụng ............................................................................................... 60
Bảng 4. 2. Trạng thái của các thiết bị trong từng quy trình .................................................... 71
Bảng 4. 3. Thời gian hoạt động của các quá trình .................................................................. 72

viii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DÙNG TRONG BÁO CÁO
AC

Alternating Current

Dòng điện xoay chiều

DC

Direct Current

Dòng điện một chiều

UL

UltraFiltation

Siêu lọc

RO

Reverse Osmosis

Thẩm thấu ngược

TCXDVN

Tiêu chuẫn xây dựng Việt Nam

QCVN

Quy chuẫn Việt Nam

BYT

Bộ Y Tế

PLC

Programmable Logical Controller

Chương trình điều khiển tự động
có lập trình

HMI

Human Machine Interface

thiết bị giao tiếp giữa người điều
hành và máy móc thiết bị

2D

Two Dimension

2 chiều

3D

Three Dimension

3 chiều

LAD

Ladder

Ngơn ngữ lập trình kiểu đồ họa

A/D

Analog/Digital

Chuyển đối tín hiệu tương tự/tín
hiệu số

CPU

Central Processing Unit

Đơn vị điều khiển trung tâm

RAM

Random Access Memory

Bộ nhớ lưu trữ tạm thời

ROM

Read Only Memory

Bộ nhớ chỉ đọc

EPROM

Erasable Programmable Read

Bộ nhớ chỉ đọc chương trình

Only Memory

xóa được

I/O

Input/Output

Ngõ vào/Ngõ ra

TDS

Total Dissolved Solids

Tổng chất rắn hòa tan

PVDF

Poly Vinylidene Fluoride

CEB

Chemically Enhanced Backwash

Rửa ngược bằng hóa chất

CIP

Clean in place

Chế độ rửa định kỳ

ix


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với các thầy cô của
trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Công Nghệ Kỹ Thuật và
Nông Nghiệp Công Nghệ Cao, những người đã trực tiếp giảng dạy, truyền đạt những kiến
thức bổ ích cho em trong 4 năm học vừa qua. Những kiến thức này là nền tảng cũng như những
hành trang vô cùng quý báu để chúng em phát triển sau này. Sau quá trình học tập và rèn luyện
nghiệm túc, cùng với sự hướng dẫn và đơn đốc tận tình của giảng viên Trần Thái Sơn, chúng
em đã hoàn thành Đồ án tốt nghiệp Đại học.
Và em cũng xin chân thành cảm ơn Công ty TNHH Hiệp Lực Và Phát Triển Việt cũng
như tồn thể nhân viên đã hỡ trợ, hướng dẫn nhiệt tình, tạo điều kiện thuận lợi cho em trong
suốt quá trình thực hiện đề tài tại công ty.
Trong quá trình thiết kế, chế tạo, cũng như là trong quá trình làm bài báo cáo đề tài
nghiên cứu do chưa có nhiều kinh nghiệm thực tiễn nên bài báo cáo khơng thể tránh khỏi có
nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp các thầy, để em học hỏi thêm được
nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp.

………., ngày … tháng … năm 2020
Sinh viên thực hiện

Dương Chí Tuấn

x

Trịnh Minh Hiếu


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
………., ngày … tháng … năm 2020
Giảng viên hướng dẫn
(Ký ghi rõ họ tên)

xi


LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, việc gia tăng dân số, công nghiệp hóa diễn ra nhanh chóng nên như cầu về
nước ngọt và vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm và đảm bảo sức khỏe con người đã và đang
trở thành vấn đề nóng bỏng và cấp thiết. Chính vì vậy, việc cung cấp nguồn nước cấp sạch đã
trở thành nhu cầu cấp thiết của người dân trong cuộc sống sinh hoạt hàng ngày cũng như của
các doanh nghiệp trong quá trình lao động sản xuất. An nình nguồn nước đang trở nên ngày
càng cấp thiết với mọi quốc gia và vấn đề bảo vệ nguồn nước sạch hiện là thách thức của cả
nhân loại
Ở nước ta, đặc biệt là vùng đồng bằng Sơng Cửu Long thì vấn đề cấp nước sinh hoạt cho
người dân đang gặp nhiều khó do việc nguồn nước mặt hiện nay đang bị nhiễm mặn trầm
trọng. Tuy sinh sống trong vùng đồng bằng ngập nước vào mùa lũ nhưng người dân lại bị
thiếu nước vào mùa hạn do xâm nhập mặn, đặc biệt là do tác động của q trình biến đổi khí
hậu và tác động của con người như việc ngăn đập thủy điện, lưu giữ nước ở vùng thượng
nguồn sông Mê Công. Tình trạng hạn mặn hằng năm luôn diễn ra ở miền Tây tuy nhiên năm
nay nó lại đến sớm và diễn biến phức tạp hơn khiến người dân ở đây thiếu nước sinh hoạt trầm
trọng. Với mong muốn hỗ trợ, đáp ứng một phần nhu cầu nước sinh hoạt cho người dân ở đây,
chúng tôi đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống xử lý nước cấp
công suất 1000 l/h”. Với công nghê lọc màng sẽ giúp hệ thống nhỏ gọn, dễ dàng lắp và ít
chiếm diện tích, đáp ứng nhu cầu cung cấp nguồn nước sạch một nhanh chóng, an toàn cho
cho người dân. Một phần cũng là vì luân văn tốt nghiệp là một thứ rất có ý nghĩa đối với bất
kỳ sinh viên nào. Nó là thành quả kết tinh từ tất cả những kiến thức mà sinh viên đã được học,
được chau chuốt rèn luyện ở trường.
Trong quá trình thực hiện đề tài nhóm chúng tơi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và hướng
dẫn nhiệt tình của thầy Trần Thái Sơn và thầy Nguyễn Văn Hòa. Thầy đã cho chúng tôi nhiều
ý tưởng cũng như đóng góp nhiều ý kiến vô cùng quan trong để tháo gỡ những nút thắt mà
chúng tơi gặp phải khi trong q trình thực hiện đề tài này.

xii


Tôi rất mong muốn đề tài này được đón nhận một cách mạnh mẽ, cũng như đóng góp ý

kiến để đề tài ngày càng phát triển và hoàn thiện hơn. Và chúng tơi có một ước mơ khơng xa
là có thể đem nước sạch đến mọi nơi trên đất nước Việt Nam.
Nội dung báo cáo đồ án tốt nghiệp gồm 5 chương:
Chương 1. Tổng quan
Chương 2. Phương án thiết kế hệ thống
Chương 3. Cơ sở lý thuyết
Chương 4. Thiết kế, chế tạo hệ thống
Chương 5. Kết quả và hướng phát triển của đề tài

xiii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan tình hình cấp nước sinh hoạt ở Việt Nam
Trước tình hình đơ thị hóa ngày càng nhanh chóng ở Việt Nam vì việc đưa nước sạch
đến từng hộ gia đình đang là vấn đề cấp thiết. Chương trình cung cấp nước sạch được đưa
vào chương trình mục tiêu quốc gia của chính phủ [1], yêu cầu các địa phương phải có kế
hoạch hành động cụ thể và thực thi nghiêm túc để đảm bảo cung cấp đủ nước sạch cho
người dân.
Tình hình cung cấp nước sạch cho cuộc sống sinh hoạt của người dân cũng như cho
các hoạt động sản xuất kinh doanh tại Việt Nam trong những năm gần đây đã có những
bước tiến triển mạnh mẽ, về cơ bản đã đáp ứng được nhu cầu của đại bộ phận xã hội. Tuy
nhiên, để có thể đáp ứng được nhu cầu nước sạch cho tồn xã hội, đồng thời đảm bảo q
trình tái tạo nguồn nước ngày càng khan hiếm trong quá trình Cơng nghiệp hóa - Hiện đại
hóa hiện nay đòi hỏi sự chung tay vào cuộc của các cấp, các ngành có liên quan và của tồn
thể xã hội. Theo TCXDVN 33:2006 của Bộ Xây Dựng thì tiêu chuẫn dùng nước theo đầu
người đươc quy định như sau:
Bảng 1. 1. Tiêu chuẫn cấp nước theo đầu người theo TCXDVN 33:2006
Đối tượng dùng nước

Tiêu chuẩn cấp nước tính theo đầu người
(ngày trung bình trong năm) 1/người.ngày

Thành phố lớn, thành phố du lịch,

200-250

nghỉ mát, khu công nghiệp lớn.
Thành phố, thị xã vừa và nhỏ, khu

150-200

công nghiệp nhỏ
Thị trấn, trung tâm công - nông

80-120

nghiệp, công - ngư nghiệp.
Nông thôn

25 - 50

1


Tuy nhiên việc đảm bảo nước sinh hoạt cho người dân, đặc biệt là khu vực đồng bằng
Sông Cửu Long gặp nhiều khó khăn khi hằng năm đều bị hạn mặn dẫn đến thiếu nguồn
nước sạch để cung cấp. Tình hình xâm nhập mặn ở các tỉnh ven biển miền Tây từ cuối năm
2019 đến nay diễn ra khốc liệt và sớm hơn so với những năm khác nên người dân đang bị
thiếu nước sinh hoạt trầm trọng, phải đi mua nước từ xa rất khó khăn. Đó cũng chính là lý

do chúng tôi chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống xử lý nước cấp công suất 1000 l/h”.
1.2. Tổng quan về ngành xử lý nước ở Việt Nam
Nguồn nước trước xử lý để tạo ra nguồn nước sạch cấp cho sinh hoạt, sản xuất thường
là nước mặt (ao, hồ, sông, suối...) và nước ngầm (nước dưới đất). Bảng thống kê dưới đây
sẽ cho thấy các đặc điểm thường thấy của các thông số của nguồn nước ngầm, nước mặt
trước xử lý:
Bảng 1. 2. So sánh các nguồn nước và QCVN 02:2009/BYT

Nước ngầm là nguồn nước có nhiều điểm thuận lợi cho việc cung cấp nước sinh hoạt
khi có độ đục thấp, nhiệt độ và các thành phần hóa học ít thay đổi. Trong nước ngầm khơng
chứa rong, tảo là các yếu tố dễ gây ô nhiễm nguồn nước nhưng chúng lại chứa các tạp chất
hòa tan do ảnh hưởng của điều kiện địa tầng, các quá trình phong hóa, sinh hóa. Nhưng
2


nhìn chung nước ngầm có các điều kiện thuận lợi cho vấn đề cấp nước nhưng đay lại là
nguồn nước không thể tái tạo hoặc khả năng tái tạo hạn chế nên nguồn nước này khơng
được khuyến khích khai thác với trữ lượng lớn.
Hiện này nguồn nước mặt là tài nguyên chính để khai thác phục vụ nước cấp sinh
hoạt. Phần lớn các nguồn nước thiên nhiên đều không đáp ứng được yêu cầu về chất lượng
cho các đối tượng dùng nước. Chính vì vậy, trước khi đưa nước vào sử dụng cần phải tiến
hành xử lý chúng. Nhìn chung, quá trình xử lý nước cấp chủ yếu sử dụng các biện pháp
sau:
-

Biện pháp cơ học: gồm các công trình như hồ chứa và lắng sơ bộ, song chắn rác,
lưới chắn rác, bể lắng, bể lọc…

-

Biện pháp hóa học: dùng phèn làm chất keo tụ, dùng vôi để kiềm hóa nước, sử dụng
chất oxy hóa mạnh, sử dụng clo để khử trùng…

-

Biện pháp lý học: dùng các tia vật lý để khử trùng nước như tia tử ngoại, sóng siêu
âm, điện phân nước biển để khử muối, khử khí CO2 hòa tan trong nước bằng phương
pháp làm thoáng.
Trong thực tế, để đạt được mục đích xử lý một nguồn nước nào đó một cách kinh tế

và hiệu quả nhất phải thực hiện quá trình xử lý bằng sự kết hợp của nhiều phương pháp. Sự
kết hợp các biện pháp xử lý với nhau phải theo một quy trình, một cơng nghệ thích hợp với
các cơng đoạn xử lý. Mỡi cơng đoạn được thực hiện bằng các công trình đơn vị khác nhau
với các chức năng và cấu tạo khác nhau.
Phương pháp được sử dụng phổ biến trong quá trình xử lý nước cấp hiện nay là lọc
lắng. Nước cấp được bơm tuần tự qua các bể lọc và lắng để xử lý các chất bặn bã trong
nước. Lắng là quá trình làm sạch cơ bản trong cơng nghệ xử lý nước. Nước cần xử lý được
đưa vào bể và giữ lại đó trong suốt quá trình làm việc. Nhờ diện tích tiết diện bể lớn, tốc
độ dịng chảy nhỏ mà quá trình xảy ra trong bể gần như ở trạng thái tĩnh. Dưới tác dụng của
lực trọng trường, các hạt cặn có khối lượng riêng lớn hơn khối lượng của nước bao quanh
nó sẽ tự lắng xuống. Q trình lọc nước sau đó được sử dụng để tách các hạt lơ lửng nhỏ
và các vi sinh vật không loại được trong quá trình lắng ra khỏi nước. Nước được cho đi qua
3


lớp vật liệu lọc với một chiều dày nhất định đủ để giữ lại trên bề mặt hoặc giữa các khe hở
của lớp vật liệu lọc các hạt cặn và vi sinh vật trong nước.

Hình 1.1. Sơ đồ xử lý nước Nhà máy xử lý nước BOO Thủ Đức
Phương pháp lọc lắng có một vài hạn chế như chưa phù hợp để xử lý nước bị nhiễm

mặn và nguồn nước bị nhiễm kim loại nặng như chì, thủy ngân, cadimi, crom,
mangan…Bên cạnh đó, để xây dựng một hệ thống xử lý nước như trên tốn rất nhiều chi
phí, thời gian, diện tích trong q trình xây dựng cũng như vận hành.
Một phương pháp mới ngày càng được áp dụng rộng rãi chính là cơng nghệ lọc màng.
Cơng nghệ màng là một thuật ngữ chung cho một số quy trình phân tách rất đặc trưng khác
nhau. Bộ lọc màng hoạt động như một rào cản để tách các chất gây ô nhiễm khỏi nước hoặc
chúng loại bỏ các hạt gây ô nhiễm nước. Thẩm thấu ngược, siêu lọc và lọc nano đều sử
dụng màng trong các quá trình lọc khác nhau của chúng. Các quá trình này là cùng loại, bởi
vì trong mỗi chúng, một màng được sử dụng. Màng được sử dụng ngày càng thường xuyên
hơn để tạo ra nước xử lý từ nước ngầm, nước mặt hoặc nước thải. Lực lượng chính của
cơng nghệ màng là thực tế là nó hoạt động mà khơng cần thêm hóa chất, với việc sử dụng
năng lượng tương đối thấp và tiến hành quy trình dễ dàng và được sắp xếp tốt.

4


1.2. Mục đích chọn đề tài
Hiện nay, mặc dù chương trình cung cấp nước sạch đã được thực hiện mạnh mẽ nhưng
vẫn chưa đủ đáp ứng nhu cầu sử dụng nước sạch sinh hoạt của người dân, đặt biệt là ở khu
vực nông thôn, vùng ven biển và hải đảo. Chúng tôi chọn đề tài với mong muốn đem nước
sạch đến cho tất cả mọi người. Hệ thống được thiết kế sử dụng công nghệ màng siêu lọc và
thẩm thấu ngược với nhiều ưu điểm như:
-

Lọc gần như hoàn toàn muối, các kim loại nặng trong nước.

-

Nước sau khi xử lý qua hệ thống đảm bảo QCVN 01:2009/BYT về nước uống.

-

Kích thuớc của hệ thống gọn nhỏ, cấu trúc đơn giản nên khơng tốn mặt bằng lắp đặt.

-

Quy trình vận hành đơn giản, không cần nhiều nhân công.

-

Cấu trúc và vật liệu màng lọc đồng nhất và sử dụng phương pháp lọc cơ học nên
khơng làm biến đổi tính chất hóa học của nguồn nước.

-

Vật liệu của màng lọc khơng xâm nhập vào nguồn nước, đảm bảo độ tinh khiết trong
suốt quy trình xử lý.

-

Có thể thay thế được nhiều q trình hóa lý truyền thống: lọc, chưng cất, trao đổi
ion trong quy trình xử lý nước
Do cơng nghệ màng lọc mang lại nhiều hiệu quả nhưng vẫn còn khá mới mẻ và chủ

yếu chỉ mới được áp dụng trong các máy lọc nước nhỏ gia đình ở Việt Nam, chưa ứng dụng
nhiều cho các hệ thống lớn, đáp ứng nhu cầu nước sinh hoạt cho các khu dân cư. Với mong
muốn ứng dụng những công nghệ tiến tiến trên thế giới vào đề tài này nên tôi chọn đề tài
này:
-

Tìm hiểu và mơ hình hóa hệ thống xử lý nước

-

Kết cấu cơ khí

-

Giải thuật điều khiển hệ thống.

1.3. Mục tiêu của đề tài
-

Tìm hiểu các hệ thống xử lý nước với công nghệ lọc màng để thiết kế mô hình 3D.

-

Sử dụng kiến thức về thiết kế hệ thống bằng phần mềm Inventor và AutoCad

5


-

Tìm hiểu, nghiên cứu kiến thức để dung phần mềm GX Designer để lập trình điều
khiển hệ thống bằng PLC Mistubishi FX2N

-

Sử dụng phần mềm VT Designer để lập trình HMI.

1.4. Giới hạn của đề tài
Do ý tưởng thiết kế và thực hiện đề tài còn khá mới mẻ và thời gian thực đề tài tương
đối ngắn cùng với việc thi công thiết kế hệ thống xử lý nước cấp, cũng như trình độ chun
mơn của nhóm thực hiện đề tài còn nhiều hạn chế và nhiều yếu tố khác quan khác. Chúng
tơi đã cố gắng hồn thành bài thuyết minh cũng như mô hình này, nhưng chỉ giải quyết
được một số vấn đề chính đặt ra.
- Thiết kế kết cấu cơ khí.

+ Bản vẽ chi tiết 2D của hệ thống xử lý nước cấp.
+ Mơ hình 3D của hệ thống xử lý nước cấp.
- Thiết kế kết nối mạch điều khiển.

+ Sơ đồ mạch điện điều khiển, vận hành hệ thống.
- Viết chương trình điều khiển hệ thống chạy với 2 chế độ:

+ Chế độ điều khiển bằng tay: Manual
+ Chế độ điều khiển tự động: Automatics
1.5. Các ứng dụng của đề tài
- Ứng dụng xử lý nước cho các vùng bị nhiễm mặn.
- Ứng dụng xử lý nước cho các vùng hải đảo.
- Ứng dụng xử lý nước cho các vùng miền núi.

1.6. Ý nghĩa của đề tài
Đề tài luận văn hệ thống xử lý nước cấp này có ý nghĩa rất to lớn như củng cố và vận
dụng những lý thuyết đã được học trên giảng đường và trong giáo trình áp dụng vào nghiên
cứu chế tạo và lập trình hệ thống cơng nghiệp cơng nghệ cao.
Nâng cao kiến thức thiết kế và lập trình. Trực tiếp tham gia chế tạo và lập trình nâng
cao hiểu biết tay nghề trong thiết kế, lắp ráp và lập trình cho thiết bị. Hiểu biết các phương
pháp áp dụng khoa học - kỹ thuật vào trong từng lĩnh vực cụ thể. Khả năng tìm hiểu, nhìn

6


nhận và đúc rút kinh nghiệm từ các yêu cầu đề ra để có hướng phát mới nhằm nâng cao
hiểu quả.
Đồng thời chúng tối muốn học hỏi những khoa học tiên tiến nhất trên thế giới để có
thể góp phần xây dựng cho đất nước ngày càng phát triển hơn, sự phát triển của đất nước
không chỉ thể hiện trên con số thu nhập bình quân đầu người mà nó cịn thể hiện trên các
chỉ số chắm sóc sức khỏe, giáo dục, đường xá,… Thời đại công nghệ 4.0 hiện nay vẫn chưa
có nhiều tác động sâu sắc vào đời sống xã hội hiện nay, nên chúng tôi cũng muốn góp một
phần vào việc ứng dụng những khoa học cơng nghệ đó vào đời sống con người, hỗ trợ con
người, đặc biệt là đối với người già và trẻ nhỏ.
Hơn thế nữa, việc chế tạo hệ thống xử lý nước cấp này mang lại một ý nghĩa nhân văn
sâu sắc, một đề tài góp phần giúp đỡ, hỡ trợ cho người người dân ở những vùng nông thôn,
hải đảo đang thiếu thốn nước sạch sinh hoạt, thể hiện tinh thần lá lành đùm lá rách bao đời
nay của dân tộc.

7


CHƯƠNG 2. PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Chương này, nhóm chúng tôi đề ra các đề xuất và lựa chọn phương án thiết kế phù
hợp với mục tiêu thiết kế đã đặt ra. Đề xuất gồm có: sơ đồ nguyên lý, cảm biến, cấu trúc
điều khiển, giải thuật điều khiển.
2.1. Đề xuất sơ đồ nguyên lý
Hệ thống xử lý nước cấp có hai chế độ hoạt động: điều khiển bằng tay và chạy tự
động. Có khả năng đạt cơng suất đầu ra là 1000 l/h và có thể nâng cấp thêm công suất đầu
ra theo nhu cầu sử dụng và điều kiện nước cấp đầu vào. Hệ thống áp dụng phương pháp
hiện đại nhất hiện nay là công nghệ lọc màng.

1. Bơm cấp
2. Cột lọc đĩa, lọc thô
3. Màng siêu lọc – Ultrafiltation
4. Máy nén khí
5. Van áp suất
6. Bồn chứa hóa chất rửa

7. Bể chứa nước lọc dùng sinh hoạt
8. Van điện từ
9. Bơm chính – bơm cao áp
10. Lọc thẩm thấu ngược – Reverse Osmosis
11. Bể chứa nước lọc dùng ăn uống
12. Bể chứa nước thải sau quá trình lọc

Hình 2.1. Sơ đồ ngun lý hệ thớng xử lý nước cấp
8


Hệ thống xử lý nước cấp áp dụng công nghệ lọc màng với ba q trình lọc:
Q trình lọc thơ, nước cấp được bơm cho đi qua bộ lọc đĩa (Discfilter). Các hạt với
kích thước lớn hơn 0,1 μm sẽ bị giữ lại. Vì vậy quá trình này giúp loại bỏ hầu hết các cặn
bã, chất hữu cơ, chất rắn khơng hòa tan,…
Sau đó nước sẽ trải qua q trình siêu lọc. Siêu lọc là một màng lọc trong đó các lực
như độ chênh lệch áp suất hoặc nồng độ dẫn đến sự phân tách thông qua một màng bán
định. Các chất rắn lơ lửng và các chất hòa tan có trọng lượng phân tử cao được giữ lại,
trong khi nước và các chất tan có trọng lượng phân tử thấp đi qua màng. Siêu lọc không
khác biệt cơ bản với vi lọc. Các hạt với kích thước 0,1 đến 0,001micron (µm) sẽ bị giữ lại
khi nước chảy qua màng siêu lọc. Nước sau khi qua siêu lọc đã đáp ứng được yêu cầu sử
dụng cho sinh hoạt theo QCVN 01-1:2018/BYT.
Quá trình lọc thẩm thẩu ngược được dùng để xử lý đối với nguồn nước bị nhiễm mặn

cao hoặc muốn sử dụng nước để ăn uống trực tiếp. Các hạt có kích thước lớn hơn 0,0001
micromet đều bị giữ lại và hầu như chỉ phân tử nước có thể đi qua được. Nên nước sau khi
xử lý qua quá trình thẩm thấu ngược thì gần như là nước tinh khiết.
2.2. Đề xuất sơ đồ khối điều khiển

Hình 2.2. Sơ đồ khối điều khiển hệ thống
9


Khối điều khiển hệ thống sử dụng PLC Mitsubishi FX2N, là thiết bị điều khiển lập
trình cho phép thực hiện linh hoạt các giải pháp điều khiển logic thông qua ngơn ngữ lập
trình LAD.
Khối nguồn sử dụng nguồn điện 24 VDC để làm nguồn nuôi của PLC, khối chuyển
đổi A/D và khối hiển thị và nhập. Để cấp nguồn cho các bơm và cảm biến hoạt động thì hệ
thống sử dụng nguồn 220 VAC.
Khối cảm biến sử dụng các cảm biến gồm:
- Cảm biến áp suất
- Cảm biến lưu lượng
- Cảm biến đo tổng chất rắn hóa tan TDS

Khối chuyển đổi A/D sử dụng Modul FX2N-4AD với chức năng chuyển tín hiệu
tương tự (analog) nhận từ cảm biến sang tín hiệu số (digital).
Khối hiển thị và nhập sử dụng màn hình HMI. HMI là giao diện vận hành giữa người
và máy thông qua PLC, chúng được kết nối với nhau bằng cáp tín hiệu. Khi người vận hành
tác động nhấn nút trên màn hình hoặc cài đặt thơng số, u cầu sẽ được gửi đến PLC, PLC
điều khiển máy móc dây chuyền hoạt động. Ngược lại, hệ thống máy móc dây chuyền có
thể gửi trạng thái hoạt động hoặc thơng số hiện tại lên màn hình HMI thơng qua PLC giúp
ta thực hiện quá trình giám sát và điều khiển.
Khối động lực bao gồm các bơm tạo áp suất cho quá trình lọc của các màng trong hệ
thống. Bơm cấp sử dụng động cơ điện một chiều 220V, công suất 1 HP. Bơm rửa cho màng

siêu lọc dùng động cơ điện một chiều 220V, cơng suất 1.5 HP. Bơm chính tạo áp cho màng
lọc thẩm thấu ngược sử dụng bơm cao áp 3 HP.
2.3. Phương án thiết kế
Với yêu cầu thiết kế hệ thống với công suất nước đầu ra cuối cùng là 1000 l/h, ta tiến
hành lựa chọn phương án thiết kế phù hợp:
- Q trình lọc thơ sử dụng 2 bộ lọc đĩa loại Discfilter 3” của hãng DUOLING.
- Quá trình lọc màng sử dụng 2 màng siêu lọc SFD-2660 của hãng Filmtec

10


- Quá trình lọc thẩm thấu ngược sử dụng 4 màng DOW RO BW30-4040
- Bơm cấp dùng bơm điện một chiều 220V, công suất 1 HP
- Bơm rửa ngược cho màng siêu lọc dùng bơm điện một chiều 220V, công suất 1.5 HP
- Bơm cao áp cấp nước cho màng lọc thẩm thấu ngược dùng bơm điện một chiều

220V, công suất 3 HP.
- Cảm biến gồm: cảm biến áp suất, cảm biến lưu lượng.
- Điều khiển: dùng PLC Mitsubishi FX2N
- Giao tiếp người dùng: sử dụng HMI INVT

11