ĐỒ án tốt NGHIỆP xây dựng hệ thống xử lý nước thải công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Xây dựng hệ thống xử lý nước thải
Cơng Nghiệp
NGUYỄN BÁ ĐƠNG

Ngành CN – Điều khiển và tự động hóa

Giảng viên hướng dẫn:

ThS. Phan Thị Huyền Châu
Chữ ký của GVHD

Bộ môn:
Viện:

Tự động hóa Cơng Nghiệp
Điện

HÀ NỘI, 1/2020



ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Xây dựng hệ thống xử lý nước thải công nghiệp.

Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên

Lời cảm ơn
Sau nhiều ngày tháng miệt mài nghiên cứu và thực hành, đến nay đồ án tốt
nghiệp của em cũng đã hoàn thành. Để hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này, em
xin chân thành cảm ơn tới toàn thể các thầy cô trong trường Đại Học Bách Khoa
Hà Nội nói chung và thầy cơ trong bộ mơn Tự Động Hóa Cơng Nghiệp nói riêng,
những người đã tận tình hướng dẫn, dạy dỗ và trang bị cho em những kiến thức
bổ ích trong suốt những năm tháng sinh viên ý nghĩa vừa qua. Đặc biệt em xin
chân thành gửi lời biết ơn sâu sắc đến ThS.Phan Thị Huyền Châu, giảng viên bộ
mơn Tự Động Hóa Cơng Nghiệp – trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, người đã
trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện để giúp đỡ em trong
suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn!
Tóm tắt nội dung đồ án
Các vấn đề cần thực hiện trong đồ án:
• Tìm hiểu về cơng nghệ trong hệ thống xử lý nước thải cơng nghiệp.
• Xây dựng bài tốn mơ hình hóa đối tượng là độ pH trong q trình trung
hịa.
• Thiết kế bộ điều khiển PID.
• Thiết kế mạch lực và mạch điều khiển cho tồn bộ hệ thống.
• Thực hiện lập trình hệ thống xử nước thải trên phần mềm TIA Portal.
• Thiết kế màn hình HMI giao tiếp giữa con người và máy móc.
• Tìm hiểu, thực hành về PLC S7-1200 như cấu tạo, chức năng, cấu hình
phần cứng cũng như phần mềm…
Các phần mềm cần sử dụng trong đồ án:
• Matlab 2017.
• TIA Portal V15.
• AutoCAD Electrical 2019.
Các kết quả của đồ án khá phù hợp với vấn đề đặt ra, độ pH đạt mức trung hòa và
chất lượng nước thải sau khi xử lý đạt chuẩn điều kiện của nhà QCVN 14 -2008.

Các động cơ, các van được điều khiển chính xác với yêu cầu đặt ra.
Nội dung đồ án có tính thực tế cao vì có thể áp dụng cơng nghệ này cho hầu hết
các nhà máy sản suất mà cần xử lý nước thải sau khi sản suất.
Qua quá trình làm đồ án, em học được nhiều kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng
học tập và nghiên cứu, thành thạo Microsoft Word.
Kết luận: Trong đồ án này ta đã điều khiển được nồng độ pH.

Sinh viên thực hiện
Ký và ghi rõ họ tên




MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI ................... 1
1.1

Giới thiệu chung ......................................................................................... 1

1.2

Yêu cầu công nghệ của hệ thống xử lý nước thải ...................................... 1
Sơ lược về yêu cầu công nghệ .................................................... 1
Chi tiết về công nghệ xử lý nước thải ......................................... 2

CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH TRUNG HỊA ĐỘ PH ............ 7
2.1

Đặt vấn đề .................................................................................................. 7

2.2

Mơ phỏng q trình điều khiển độ PH bằng Matlab/Simulink. ................. 7
Mơ hình hóa q trình trung hịa độ pH...................................... 7
Xây dựng mơ hình đối tượng trong Matlab/Simulink: ............... 9

2.3

Bộ điều khiển PID. ................................................................................... 11
Bộ điều khiển PID..................................................................... 11
Chương trình và kết quả mơ phỏng. ......................................... 14

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO
HỆ THỐNG ........................................................................................................ 16
3.1

Tổng quan về khí cụ điện ......................................................................... 16

3.2

Các thiết bị chính sử dụng trong mạch .................................................... 17
Biến tần ..................................................................................... 17
Aptomat..................................................................................... 21
Rơ le nhiệt ................................................................................. 21
Contactor ................................................................................... 22

3.3

Bản vẽ mạch điện. .................................................................................... 23

CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG
PLC S7-1200 VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG WINCC ...................... 37
4.1

Giới thiệu PLC S7-1200 .......................................................................... 37
PLC .......................................................................................................... 37
Giới thiệu PLC Siemens S7-1200 ............................................. 38

4.2

Tổng quan về phần mềm TIA Portal........................................................ 42

4.3

Giới thiệu Phương pháp Grafcet .............................................................. 43

4.4

Grafcet cho bài tốn điều khiển hệ thống xử lí nước thải ........................ 46
Bơm bể gom .............................................................................. 46
Máy thổi khí bể điều hòa .......................................................... 47


Bơm bể điều hòa ....................................................................... 47
Bơm bể trung hòa và máy khuấy bể trung hòa ......................... 48
Bơm bể vi sinh và máy thổi khí, máy khuấy ............................ 48
Bơm bùn, đèn khử trùng, quạt, van dẫn hóa chất trong bồn ..... 49
Quạt thơng gió và xử lí nước bằng tia UV ................................ 50
Bơm bùn bể lắng và máy khuấy bể Anoxic .............................. 50
4.5

PLC tags và DataBlock của hệ thống....................................................... 51

4.6

Thiết kế giao diện HMI trên phần mềm TIAPortal V15 .......................... 54

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN .................................................................................. 57
5.1 Kết luận .......................................................................................................... 57
5.2 Hướng phát triển của đồ án trong tương lai ................................................... 57
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 59


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Tổng quan quy trình xử lý nước thải ..................................................... 1
Hình 2.1 Chương trình matlab .............................................................................. 9
Hình 2.2 Chương trình con tính α và β từ PT 2.3, PT 2.4 .................................. 10
Hình 2.3 Chương trình con tính nồng độ [ H+ ] từ PT 2.11 ................................ 10
Hình 2.4 Chương trình con tính nồng độ pH từ PT 2.12 .................................... 10
Hình 2.5 Đồ thị mơ phỏng độ pH ....................................................................... 10
Hình 2.6 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vịng kín ...................................... 11
Hình 2.7 Xác định tham số của đặc tính qn tính ............................................. 13
Hình 2.20 Chương trình mơ phỏng dùng bộ điều khiển PID.............................. 14
Hình 2.22 Đồ thị mơ phỏng q trình thay đổi độ pH khi trung hịa .................. 14
Hình 2.23 Đồ thị mơ phỏng khi dùng bộ điều khiển PID ................................... 15
Hình 3.1 Cầu chì, Aptomat tép, Aptomat khối, Máy cắt khơng khí ................. 16
Hình
Hình
Hình
Hình

Hình

3.2 Chống sét, Contactor, Overload, Role trung gian, RTD ...................... 16
3.3 Biến dòng(Ti), Máy biến áp, Chuyển đổi nguồn 24v .......................... 17
3.4 Biến tần ………………………………………………………………18
3.5 Cấu tạo biến tần ................................................................................... 18
3.6 Kết nối điều khiển RUN/STOP biến tần với PLC ............................... 20

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

3.7 Cấu tạo Rơ le nhiệt .............................................................................. 22
3.8 Cấu tạo contactor ................................................................................. 23
3.9 Sơ đồ một sợi của hệ thống xử lí nước thải ........................................ 26
3.10 Nguồn cấp và mạch điều khiển ......................................................... 28
3.11 Sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển của bể gom ............................... 29
3.12 Mạch lực và mạch điều khiển bể điều hòa 1 ...................................... 30
3.13 Mạch lực và mạch điều khiển máy thổi khí tại bể điều hòa ............. 31
3.14 Mạch lực và mạch điều khiển máy khuấy trong bể trung hòa …….. 32
3.15 Mạch lực và mạch điều khiển bơm tại bể vi sinh …………………. 34

Hình 3.16 Mạch lực và mạch điều khiển máy khuấy bể Anoxic và máy thổi khí
bể vi sinh………………………………………………………………………...35

Hình 3.17 Sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển bơm bùn tại bể lắng……
36
Hình 4.1 Hình ảnh PLC....................................................................................... 38
Hình 4.2 Cấu trúc của PLC ................................................................................. 39
Hình 4.3 PLC S7 1200 ........................................................................................ 39
Hình 4.4 Các đặc điểm của PLC S7-1200 .......................................................... 40
Hình 4.5 Các đặc điểm của PLC S7-1200 .......................................................... 41
Hình 4.6 Hình dạng của CPU 1214C DC/DC/Rly .............................................. 41
Hình 4.7 Giới thiệu chung về phần mềm TIA Portal .......................................... 42


Hình 4.8 Các trạng thái trong Grafcet Hình
4.9 Điều kiện chuyển tiếp
.............................................................................................................................. 44
Hình 4.10 Kí hiệu rẽ nhánh . ............................................................................... 45
Hình 4.11 Kí hiệu bước nhảy ............................................................................. 45
Hình 4.12 Grafcet bơm bể gom .......................................................................... 46
Hình 4.13 Grafect máy thổi khí bể điều hịa . ..................................................... 47
Hình 4.14 Giao diện bể lắng và khử trùng. ......................................................... 48
Hình 4.15 Grafcet bơm bể vi sinh và máy thổi khí ……………………………..48
Hình 4.16 Grafcet máy khuấy bể vi sinh ……………………………………….49
Hình 4.17 Grafcet van dẫn hóa chất trong bồn PAC ………………………… 49
Hình 4.18 Grafcet quạt thơng gió và tia UV…………………………………….50
Hình 4.19 Grafcet bơm bùn bể lắng và máy khuấy bể Anoxic.…………………50
Hình 4.21 Giao diện HMI của hệ thống …………………….…………………..54
Hình 4.22 Tín hiệu đèn báo động cơ chạy, dừng, lỗi và đặt thời gian chạy cho
động cơ………………………………….……………………………………….54
Hình 4.23 Giao diện bể gom…………………….………………………………55
Hình 4.24 Giao diện bể trung hịa ………………….…………………………...55
Hình 4.25 Giao diện bể trung hịa ………………………………………………55

Hình 4.26 Giao diện bể hiếu khí và kị khí………………………………………55
Hình 4.27 Giao diện bể lắng và bể khử trùng…………………………………...56


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Lựa chọn tham số bộ PID theo Ziegler-Nichols 1 ............................... 13
Bảng 4.1 PLC tags trong TiaPortal ..................................................................... 53




CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
1.1 Giới thiệu chung
Hiện nay môi trường ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng do các nhà máy, khu
công nghiệp. Vấn đề ô nhiễm môi trường đang rất nghiêm trọng, đặc biệt là môi
trường nước. Mọi doanh nghiệp, cơ sở sản xuất trong q trình sản xuất đã thải ra
mơi trường nước thải sản xuất. Để bảo vệ môi trường, doanh nghiệp khơng thể
đưa nước thả i sản xuất ra ngồi mơi trường mà khơng có biện pháp xử lý nào.
Điều tất yếu đầu tiên đó là xây dựng hệ thống xử lý nước thải sản xuất. Vì thế, xử
lý nước thải sản xuất đang là vấn đề chung của các doanh nghiệp thuộc lĩnh vực
sản xuất.
Ngày nay, mơ hình xử lí nước thải cơng nghiệp đã có rất nhiều cải tiến nhằm
phục vụ cho mục đích quản lí và điều khiển dễ dàng hơn cho người sử dụng. Tiêu
biểu là việc áp dụng cơng nghệ tự động hóa trong mơ hình SCADA, mọi động
tác giám sát và điều khiển người quản lý đều thực hiện thao tác trên một chiếc
PC. Chỉ cần một cái click chuột hay gõ phím đơn giản thay vì điều khiển bằng
tay tại mỗi cơng đoạn trong mỗi khâu xử lý. Việc này góp phần nâng cao hiệu
quả, tiết kiệm thời gian sức lực cho người sử dụng.
1.2 Yêu cầu công nghệ của hệ thống xử lý nước thải
Sơ lược về u cầu cơng nghệ

Hình 1.1 Tổng quan quy trình xử lý nước thải

Nước thải của toàn nhà máy sẽ được tập trung tại bể gom, tại bể gom có lưới
chắn rác để ngăn chặn rác thải chảy sang các bể tiếp theo. Sau đó nước thải sẽ
được bơm từ bể gom sang bể điều hòa để điều hòa lưu lượng dòng chảy. Nước
thải trong bể điều hòa sẽ tiếp tục được chảy sang bể trung hòa để trung hòa nồng
độ pH trước khi chảy ra mơi trường. Sau khi trung hịa xong thì nước thải sẽ
được bơm đầy sang bể hiếu khí và kị khí. Sau khi khuấy tại bể hiếu khí và kị khí
1


nước thải tiếp tục được bơm sang bể lắng để tách bùn và tại khu bể lắng nước
thải được bơm xử lý hóa chất PAC để hỗ trợ cho quá trình lắng, nước thải sau khi
được xử lý hóa chất PAC tiếp tục tràn sang bể khử trùng và được khử trùng bằng
tia UV. Nước thải trong bể khử trùng sau khi xử lý sẽ được chảy ra ngoài hệ
thống thốt nước của nhà máy.
Chi tiết về cơng nghệ xử lý nước thải
a) Bể thu gom:
Nước thải đầu tiên sẽ được chuyển tới bể thu gom, bể này có chức năng tập trung
toàn bộ nước thải phát sinh trong quá trình sản xuất của nhà máy, xí nghiệp cùng
nước thải sinh hoạt của cán bộ công nhân viên lao động. Nhiệm vụ chính của bể
thu gom là giữ lại tồn bộ các tạp chất kích thước lớn và được kết hợp với một
song chắn rác để loại bỏ các tạp chất thô trong nước thải tránh gây tắc bơm và
đường ống.
b) Bể điều hòa:
Nước thải từ bể gom sẽ được bơm sang bể điều hòa. Tại bể điều hòa sẽ có 2 máy
bơm thổi khí để sục nước thải liên tục để đảm bảo lưu lượng nước thải ở mức ổn
định và duy trì các hạt vật chất ở trạng thái lơ lửng. Bể điều hịa có trang bị 2
bơm tuần hồn để bơm nước thải sang bể trung hịa.

c) Bể trung hòa:
Trung hòa độ pH của nước thải trước khi thải ra mơi trường, ngun tắc chung
chính là nếu nước thải có tính axit thì phải đổ thêm kiềm cịn nếu nước thải có
tính kiềm thì phải bổ xung thêm axit. Tại bể trung hịa có lắp đặt 1 bồn chứa
dung dịch NAOH để trung hòa axit bằng cách điều khiển lưu lượng dòng chảy
dung dịch NAOH qua van điện. Khi độ pH được trung hịa thì nước thải sẽ được
bơm sang bể xử lý sinh học. Trong đồ án này ta chủ yếu xử lý trung hòa nước
thải có tính axit
d) Bể xử lý sinh học:
Nước thải được xử lý sinh học theo công nghệ AO (Anoxic + Oxic). Trong bể có
đệm vi sinh chuyên dụng giúp làm tăng hiệu quả xử lý rõ rệt và giảm khối tích bể
so với các phương pháp thơng thường. Trên đệm vi sinh sẽ hình thành các lớp
màng vi sinh. Lớp màng vi sinh chia làm 2 phía, màng vi sinh phía ngồi hoạt
động theo chế độ hiếu khí do được sục khí nhờ máy thổi khí và màng vi sinh phía
trong hoạt động theo chế độ thiếu khí.
Tại đây sẽ xảy ra đồng thời các quá trình phản ứng thiếu khí và hiếu khí.
- Q trình xử lý sinh học thiếu khí -anoxic :
Nước thải sau khi qua bể điều hịa được đưa sang bể thiếu khí tại đây diễn ra q
trình Xử lý nitơ có trong nguồn thải (chủ yếu là NO3-). Giai đoạn này là giai đoạn
denitrat hoá chuyển hoá NO3- thành dạng N2 nhờ các vi sinh vật thiếu khí. Q
trình được mơ tả chi tiết bằng phương trình sau:

2


C18H18O9 N+8,4NO3- +8H + +0,4NH 4+
→ 1,4C5H7 NO2 +11CO2  +4,2N 2  +9,4H 2O

PT 1.1

Nước thải tại bể thiếu khí được lưu chuyển dịng nước thải thường xun giúp
cho q trình denitrat hóa nhanh hơn bằng việc bố trí hệ thống máy khuấy trộn
đặt chìm trong nước thải. Máy khuấy chìm sẽ tạo ra dịng chảy liên tục trong
nước thải giúp vi sinh vật thiếu khí có điều kiện phát triển nhanh và ổn định hơn
so với môi trường bình thường.
- Q trình xử lý sinh học hiếu khí – Oxic :
Nước thải được đưa vào bể lọc sinh học hiếu khí, với giá thể vi sinh ngập nước.
Tại đây bể được cấp khí nhằm cung cấp ơxy cho q trình hơ hấp, phân giải các
chất hữu cơ của vi khuẩn hiếu khí. Màng vi sinh vật hình thành trên bề mặt các
khối giá thể vi sinh cố định cho phép đạt hiệu suất hấp thụ, chuyển hóa chất bẩn
trong nước thải cao, với nhu cầu năng lượng thấp và thể tích bể nhỏ. Oxi được
cung cấp bằng máy thổi khí và hệ thống phân phối khí từ đáy bể có hiệu quả khuếch
tán oxi vào trong nước thải cao tạo điều kiện cho vi sinh vật sử dụng để ơxi hố
nước thải. Phương trình phản ứng:
Chất hữu cơ + O 2 + Chất dinh dưỡng + vi khuẩn hiếu khí →
PT 1.2
CO2 + H2O + NH3 + C5H7 NO2 (vi khuẩn mới) + năng
lượng
Q trình hơ hấp nội bào là q trình oxy hố bùn (vi khuẩn) được thể hiện bằng
phương trình sau:
PT 1.3
C5H7 NO2 + O2 vk → CO2 + H2O+NH3 + E

Bên cạnh quá trình phân giải các chất hữu cơ thành CO2 và H2O, vi khuẩn hiếu
khí Nitrosomonas và Nitrobacter cịn oxy hố NH3 thành Nitrit và cuối cùng
thành Nitrat. Các phương trình phản ứng như sau:
Vi khuẩn Nitrosomonas:
NH +4 + O 2 → NO 2− + H + + H 2 O

PT 1.4

NO −2 + O 2 → NO3− + H + + H 2O

PT 1.5

Vi khuẩn Nitrobacter:
Trong bể xử lý sinh học cũng diễn ra quá trình khử nitơ (denitrification) từ nitrat
thành phần nitơ dạng khí N2 đảm bảo nồng độ nitơ trong nước thải đầu ra đạt
tiêu chuẩn mơi trường. Q trình sinh học khử nitơ liên quan tới q trình ơxi
hố sinh học của nhiều cơ chất hữu cơ trong nước thải sử dụng Nitrat hoặc Nitrit
như chất nhận điện tử thay vì dùng ơxi. Trong điều kiện khơng có oxi hoặc oxi
dưới 2 mg/l diễn ra phản ứng khử nitơ:
C10 H19O3 N+NO3− → N 2 + CO 2 + NH 3 + H +

PT 1.6

Q trình chuyển hố này được thực hiện bởi vi khuẩn nitrat chiếm khoảng 10 –
80% khối lượng vi khuẩn trong bùn hoạt tính. Tốc độ khử nitơ đặc biệt dao động
3


0,04 đến 0,42 gN-NO3-/g MLSS.ngày, tỉ số F/M càng cao thì tốc độ khử Nitơ
càng lớn.
Dưới đáy bể xử lý sinh học hiếu khí có lắp hệ thống phân phối khí bọt mịn qua
hệ thống đĩa phân phối khí. Hệ thống phân phối khí này có ưu điểm là cho bọt
khí mịn nên hàm lượng oxy hấp thụ trong nước rất cao giúp cho vi sinh vật phát
triển mạnh. Bên trong bể có thả các giá thể vi sinh mật di động mật độ cao để tạo
môi trường cho các vi sinh vật dính bám sinh sống và chống sốc cho hệ thống.
Hệ thống cấp khơng khí cho bể xử lý sinh học được cấp bởi máy thổi khí thơng
qua hệ thống đường ống công nghệ.

e) Bể lắng :
Bể lắng dùng để tách bùn lỏng hỗn hợp thành bùn và phần nước thải đã lắng
trong ở trên. Việc tách chất rắn/lỏng xảy ra bởi trọng lực, bùn nước được phân ly,
phần nước trong tràn qua máng tràn vào bể khử trùng , phần bùn lắng sẽ được
máy bơm bùn bơm qua bể chứa bùn. Tại bể lắng có lắp hệ thống bơm hóa chất
PAC để hỗ trợ lắng bùn, keo tụ các cặn bẩn trong nước, hấp thụ màu khi nước có
độ màu cao
f) Bể khử trùng :
Sau khi nước tại bể lắng tràn qua bể khử trùng thì tại vể khử trùng có lắp đặt hệ
thống đèn UV để khử trùng , tiêu diệt các tế bào vi sinh vật .
Nước thải sau khi khử trùng đạt tiêu chuẩn QCVN 40:2008/BTNMT khi thải ra
ngồi mơi trường
1.2.3 Bài tốn điều khiển.
a) Các đối tượng được điều khiển trong hệ thống:
- Hệ thống máy bơm :
+ Bơm tuần hoàn hút nước thải từ bể gom sang bể điều hòa : BTH11,
BTH12 .
+ Bơm tuần hoàn hút nước thải từ bể điều hịa sang bể trung hịa : BTH21,
BTH22.
+ Bơm tuần hồn hút nước thải từ bể trung hòa sang bể vi sinh : BTH31,
BTH32.
+ Bờm tuần hoàn từ bể vi sinh sang bể lắng và khử trùng : BTH41, BTH42
+ Bơm bùn từ bể lắng ra ngoài sau xử lý: BB1
- Hệ thống máy thổi khí:
+ Máy thồi khí tại bể điều hịa : MTK 1, MTK 2
+ Máy thổi khí tại bể vi sinh : MTK 3
- Hệ thống các van dẫn :
+ Van dẫn dung dịch NAOH : NAOH
+ Van dẫn hóa chất trong bồn PAC : PAC
- Hệ thống các máy khuấy :

+ Máy khuấy dùng trong vể trung hòa : KTH1
+ Máy khuấy dùng trong bể lắng : KL1
+ Máy khuấy bể anoxic: KAO1
4


- Hệ thống quạt thơng gió: Q1, Q2
- Hệ thống đèn khử trùng UV: UV1. UV2., UV3
b) Bài toán điều khiển trong các hệ thống con.
- Bể Gom:
Tại bể gom có cảm biến đo mực nước thải đầu vào và sẽ hiển trị trên giao diện
cho người điều khiển. Nước thải của cả nhà máy sẽ được tập trung và đổ ra bể
gom. Bể gom mặt gồm song chắn rác và phần đầu ra có lưới lọc trước khi được
bơm sang bể điều hòa. 2 máy bơm BTH11 và BTH12 bơm luân phiên nước thải
từ bề gom sang bể điều hòa theo thời gian đặt. Tại bể gom được lắp đặt 1 phao
điện báo mức gồm, mức thấp và mức cao. Khi tín hiệu phao của bể gom ở mức
thấp thì mỗi bơm hoạt động luân phiên nhau theo thời gian đặt. Và khi có tín hiệu
phao mức cạn tại bể gom hoặc mức cao ở bể điều hịa thì 2 bơm này sẽ ngưng
hoạt động, nếu mực nước dao động khoảng 290 cm thì cả 2 bơm sẽ cùng hoạt
động để bơm nước, trong trường hợp 1 trong 2 bơm lỗi, chương trình ln phiên
sẽ ngắt và bơm cịn lại hoạt động thay.
- Bể điều hịa:
2 máy thổi khí của bể điều hòa chạy luân phiên được điều khiển thơng qua biến
tần và cũng chạy theo tín hiệu phao, khi phao ở mức thấp thì 2 máy thổi khí
MTK 1 và MTK2 chạy theo thời gian luân phiên với cơng suất 50%. Khi nước ở
mức cao thì 2 máy thổi khí cũng chạy luân phiên nhau như trên nhưng với cơng
suất là 100%. Biến tần báo lỗi thì dừng hoạt động 2 máy.
2 bơm tuần hoàn để bơm nước từ bể điều hòa sang bể trung hòa là BTH21,
BTH22 và được điều khiển theo phao báo mức tại bể điều hịa, khi có tín hiệu
pha báo mức thấp ở bể điều hịa thì BTH21 và BTH22 sẽ bơm ln phiên theo

thời gian đặt, khi có tín hiệu phao báo mức cạn ở bể điều hòa hoặc mức cao ở bể
trung hịa thì 2 bơm sẽ dừng. Trong trường hợp 1 trong 2 bơm lỗi, chương trình
luân phiên sẽ ngắt và bơm còn lại hoạt động thay.
- Bể trung hòa:
Độ mở van dẫn dung dịch NAOH sẽ được điều khiển theo nồng độ pH trong bể
trung hịa và tín hiệu của phao báo mức thấp, nếu có tín hiệu của phao báo mức
thấp thì van dẫn dd NAOH là VNAOH sẽ được mở và độ pH trong bình càng
thấp thì độ mở van sẽ càng cao và được điều khiển thông qua PLC sao cho độ pH
đạt giá trị trung hòa. Máy khuấy KTH 01 trong bể trung hòa được cài đặt và chạy
theo tín phao báo hiệu mức thấp của bể điều hịa, khi có tín hiệu phao báo mức
thấp thì máy khuấy sẽ hoạt động.
2 bơm tuần hồn để bơm nước từ bể trung hòa sang bể hiếu khí và kị khí là
BTH31, BTH32 và được điều khiển theo phao báo mức tại bể điều hịa, khi có tín
hiệu pha báo mức thấp ở bể điều hịa thì BTH31 và BTH32 sẽ bơm luân phiên
theo thời gian đặt, khi có tín hiệu phao báo mức cạn ở bể trung hịa hoặc mức cao
ở bể Anoxic thì 2 bơm sẽ dừng. 1 trong 2 bơm lỗi, chương trình luân phiên sẽ
ngắt và bơm còn lại hoạt động thay.
-

Bể hiếu khí và kị khí (Anoxic).
5


Máy khuấy trong bể anoxic được cài đặt chạy dừng nghỉ theo thời gian đặt và
chạy theo tín phao báo hiệu mức thấp của bể anoxic, khi có tín hiệu của phao báo
mức thấp thì máy khuấy sẽ chạy và nghỉ theo thời gian đặt. Máy khuấy lỗi sẽ
ngừng hoạt động và sau 2 lần lỗi, lần tới được chạy lại sẽ tự động tăng thời gian
chạy lên 10s và thời gian nghỉ tăng 5s
Hệ thống sục khí của bể vi sinh gồm 1 máy thổi khí, máy này hoạt động dựa theo
tín hiệu phao mức thấp của bể Anoxic. Khi có tín hiệu phao mức thấp tại bể

Anoxic thì MTK3 sẽ chạy liên tục và ngắt khi có tín hiệu phao báo cạn. Máy lỗi
sẽ ngừng hoạt động
2 bơm tuần hoàn để bơm nước từ bể Anoxic sang bể lắng là BTH41, BTH42 và
được điều khiển theo phao báo mức tại bể Anoxic , khi có tín hiệu pha báo mức
thấp ở bể Anoxic thì BTH31 và BTH32 sẽ bơm ln phiên theo thời gian đặt, khi
có tín hiệu phao báo mức cạn ở bể Anoxic hoặc mức cao ở bể lắng thì 2 bơm sẽ
dừng. Trong trường hợp 1 trong 2 bơm lỗi, chương trình luân phiên sẽ ngắt và
bơm còn lại hoạt động thay.
- Bể lắng và bể khử trùng.
Tại bể lắng có bơm bùn hoạt động theo tín hiệu phao báo mức của bể lắng. Khi
phao báo có mức thấp thì sau 5p để bùn trong bể được lắng lại thì bơm sẽ hoạt
động cho đến khi nào phao báo mức cạn của bể lắng có tín hiệu thì dừng.
Hóa chất trong bồn PAC cung cấp cho bể lắng được khống chế bằng 1 van điện
VPAC. Trong 1 ngày, khi có tín hiệu phao báo mức thấp tại bất kì thời điểm nào,
van sẽ được mở vào lúc 4h, 12h, 20h. Mỗi lần van PAC mở để đổ bột vào bể chỉ
trong 15s sau đó sẽ tự động đóng lại. Máy khuấy KL1 hoạt động sau khi van
PAC đóng lại và mực nước báo thấp. Nếu máy lỗi sẽ ngưng hoạt động.
Tại bể khử trùng có trang bị bộ đèn UV để khử vi khuẩn sau khi thải nước thải
sau xử lý ra ngồi mơi trường và được bật khi có tín hiệu phao báo mức thấp của
bể lắng.
- Hệ thống quạt.
Hệ thống hút khí thải gồm có 2 quạt hút khí QTG1 và QTG2, hệ thống này được
cài đặt hoạt động trong ngày. Nếu 1 trong 2 quạt bị hỏng thì quạt cịn lại sẽ chạy
liên tục trong khoảng thời gian đó.

6


CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH TRUNG HỊA ĐỘ PH
2.1 Đặt vấn đề

Trong quá trình xử lý nước thải, nồng độ pH có ý nghĩa rất quan trọng, ảnh
hưởng trực tiếp đến hiệu suất của quá trình xử lý.
Khi nước thải có tính axit tức pH < 6,8 gây ra sự ăn mòn kim loại đối với đường
ống và các vật chứa nước, gây rò rỉ đường ống, giảm khả năng hoạt động của
enzyme (giảm hiệu quả xử lý), ức chế q trình nitrai hóa, tăng cường khơng
mong muốn của nấm sợi và một số vi sinh dạng sợi gây ra bọt, ảnh hướng đến
q trình tạo bơng cặn của bể lắng.
Khi nước thải có tính bazo tức pH > 7,2 gây ra mùi khó chịu, giảm khả năng hoạt
động của enzyme (giảm hiệu quả xử lý), ảnh hướng đến q trình tạo bơng cặn
của bể lắng. Tăng tốc độ tăng trưởng của các vi sinh vật dạng sợi.
Từ những vấn đề nếu trên thì ta cần đưa độ pH về mức trung hịa pH =6,8÷7.2 để
tránh ảnh hưởng đến mơi trường và hiệu suất của q trình xử lý.
2.2 Mơ phỏng q trình điều khiển độ PH bằng Matlab/Simulink.
Mơ hình hóa q trình trung hịa độ pH.
Trong thự tế, điều khiển độ pH là quá trình phi tuyến rất phức tạp, phụ thuộc vào
nhiều yếu tố chủ quan như nồng độ, lưu lượng các dung dịch tham gia phản ứng,
và các yếu tố khách quan như nhiệt độ, áp suất ,.. tại nơi xảy ra phản ứng. Do đó
cần đơn giản hóa đối tượng để phù hợp với mục đích nghiên cứu.
Các giả thiết đơn giản hóa:
- Thành phần nước thải cần xử lý có tính axit tức pH < 7.
- Phản ứng trung hòa giữa axit và bazo xảy ra ngay lập tức khi chúng tiếp
xúc.
- Quá trình phản ứng là đẳng nhiệt và đẳng áp.
- Axit và bazo phân ly hoàn toàn và trạng thái cân bằng được thiết lập một
cách nhanh chóng.
- Khơng có phản ứng nào khác xảy ra ngồi phản ứng trung hịa.
- Hằng số thời gian của van điều khiển và các thiết bị đo lường là không
đáng kể so với hằng số thời gian của quá trình.
Từ các giả thiết đơn giản hóa ở trên, ta sẽ tiến hành mơ hình hóa đối tượng là độ
pH của dung dịch nước thải trong bể trung hịa.

Xác định các biến q trình:
F2

F1

C1

C2

Q trình

Độ pH.

7


-

Biến điều khiển F1 (m3/ s): lưu lượng dung dịch NAOH cấp vào.
Biến cần điều khiển: độ pH của dung dịch đầu ra tại bể trung hòa.
Nhiễu F2: lưu lượng dung dịch nước thải có chứa H2SO4 đi vào bể trung
hòa.
Nhiễu C1 (mol/l): nồng độ dung dịch NAOH.
Nhiễu C2 (mol/l): nồng độ dung dịch H2SO4.
𝛼 : nồng độ ion không tham gia phản ứng trung hòa của dòng bazo, cụ thể
như sau:

 = [ Na + ]
-

𝛽 : nồng độ ion khơng tham gia phản ứng trung hịa của dịng axit, cụ thể
như sau:

 = [ HSO4- ] + [ SO42- ]
-

PT 2.1

PT 2.2

V (m3): thể tích khoang chứa.

Sự thay đổi được mô tả theo biểu thức:

d
= F1C1 − ( F1 + F2 )
dt
d
V
= F2C2 − ( F1 + F2 ) 
dt
Dung dịch sau phản ứng trung hòa về điện nên ta có:

PT 2.3

[ Na + ] + [ H + ] = [OH - ] + [ HSO4- ] + 2[ SO42- ]

PT 2.5

V

PT 2.4

Hằng số phân ly của nước (H2O) ở 25℃ :

K W = [H + ].[OH − ] = 1,0.10−4

PT 2.6

Hằng số phân ly của axit sunfuaric (H2SO4):

Từ

K1 =

[ H + ].[ HSO4- ]
= 103
[ H 2 SO4 ]

PT 2.7

K2 =

[ H + ].[ SO42- ]
= 1, 2.10-2
[ HSO4 ]

PT 2.8

PT 2.6 ta có:

[OH - ] =

Kw
[H + ]

PT 2.9

Từ PT 2.2 và PT 2.8 ta có:
[SO 24− ] =

K 2 .[HSO4− ] K 2 (  − [SO42− ])
=
[H + ]
[H + ]

 [ H + ].[ SO42- ] = K 2  - K 2 .[ SO42- ]
8


𝐾2 𝛽
PT 2.10
𝐾2 + [𝐻 + ]
Thay các Phuong trình 2.1, PT 2.9, PT 2.10 vào phương trình PT 2.5 ta được:
↔ [𝑆𝑂42− ] =

 + [H + ] =

KW
K2

+ +
+
[H ]
K2 + [H + ]

 ( −  ).[ H + ].( K 2 + [ H + ]) + [ H + ]2 .( K 2 + [ H + ])
= KW .( K 2 + [ H + ]) + K 2 . .[ H + ]
 [H + ]+(K 2 +  −  ).[H + ]2 + ( .K 2 − 2 K 2 − K W ).[H + ]
−KW K2 = 0

 a1.[ H + ]3 + a2 [ H + ]2 + a3[ H + ] + a4 = 0

PT 2.11

Trong đó:

a1 = 1

a2 = K2 +  − 
a3 =  K2 − 2 K2 − KW
a4 = − K W K 2
Giá trị độ pH được tính theo nồng độ ion [H+] theo công thức:

pH = − log10 [ H + ]

PT 2.12

Xây dựng mơ hình đối tượng trong Matlab/Simulink:

Hình 2.1 Chương trình matlab

9


Hình 2.2 Chương trình con tính α và β từ

PT 2.3,

PT 2.4

Hình 2.3 Chương trình con tính nồng độ [ H+ ] từ

PT 2.11

Hình 2.4 Chương trình con tính nồng độ pH từ PT 2.12

Kết quả mơ phỏng :

Hình 2.5 Đồ thị mô phỏng độ pH
10


2.3 Bộ điều khiển PID.
Bộ điều khiển PID.
a) Lý thuyết độ điều khiển PID

Hình 2.6 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vịng kín

Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển, bộ điều khiển PID được xem như một giải
pháp đa năng cho các ứng dụng điều khiển tương tự hay điều khiển số. Hơn 90%

các bộ điều khiển trong công nghiệp được sử dụng là bộ điều khiển PID. Nếu
được thiết kế tốt, bộ điều khiển PID có khả năng điều khiển hệ thống đáp ứng tốt
các chỉ tiêu chất lượng như đáp ứng nhanh, thời gian quá độ ngắn, độ quá điều
chỉnh thấp, triệt tiêu được sai lệch tĩnh.
Luật điều khiển PID được định nghĩa:
t

1
de(t ) 
u (t ) = K P e(t ) +  e(t )dt + Td

Ti 0
dt 

Trong đó: e(t) là tín hiệu đầu vào.
u(t) là tín hiệu ra.
Kp là hệ số khuếch đại.
Ti là hằng số thời gian tích phân.
Td là hằng số thời gian vi phân.
Hàm truyền của bộ điều khiển PID:

GPID ( S ) =

U (S )
1
= K P + K I + K D .S
E (S )
S

PT 2.13

PT 2.14

Các tham số của bộ điều khiển là Kp, Ki (hoặc Ti ), KD (hoặc KD).
-

Thành phần Tỉ lệ (P):

U (t ) = K P .e(t )

PT 2.15

Tác động của thành phần tỉ lệ đơn giản là tín hiệu điều khiển tỉ lệ tuyến tính với
sai lệch điều khiển. Ban đầu, khi sai lệch lớn thì tín hiệu điều khiển lớn. Sai lệch
giảm dần thì tín hiệu điều khiển cũng giảm dần. Khi sai lệch e(t) = 0 thì u(t)= 0.
Một vấn đề là khi sai lệch đổi dấu thì tín hiệu điều khiển cũng đổi dấu.
Thành phần P có ưu điểm là tác động nhanh và đơn giản. Hệ số tỉ lệ Kp càng lớn
thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, do đó thành phần P có vai trị lớn trong giai đoạn
đầu của quá trình quá độ.
11