nghiên cứu áp dụng công nghệ tự động hoá xử lý nước thải

MỤC LỤC HỆ THỐNG TỰĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI I. KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI.5 1. Khảo sát và đánh giá trình độ công nghệ xử lý nước thải 5 2. Khả năng áp dụng tựđộng hoá xử lý nước thải nhà máy bia 9 II.NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ TỰĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI 10 1. Mục đích áp dụng tựđộng hoá xử lý nước thải 10 2. Yêu cầu và cơ sở xây dựng hệ thống tựđộng hoá 10 3. Thiết kế các chức năng hệ thống tựđộng hoá xử lý nước thải 12 4. Lưu đồ hoạt động của hệ thống tựđộng hoá xử lý nước thải 19 5. Lựa chọn công nghệ và thiết kế mô hình hệ thống tựđộng hoá 30 6. Giới thiệu các thiết bị chính trong hệ thống tựđộng hoá 35 7. Thiết kế phần mềm SCADA (Superviser Control And Data Aquisision) cho hệthống TĐH 42 III.PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ ÁP DỤNG TỰĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI51 1. Tính ưu việt của tựđộng hoá về mặt kinh tế - kỹ thuật 51 2. Các chỉ số về hiệu quả kinh tế của tựđộng hoá 51 IV.PHỤ LỤC 55 1. Sơđồ hệ thống điện - tựđộng hoá 55 2. Mã chương trình điều khiển trên PLC 55 V.TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ SỬ DỤNG 65 Quy định các từ viết tắt trong tài liệu Từ viết tắt Viết đầy đủ XLNT Xử lý nước thải HTXLNT Hệ thống xử lý nước thải HTTĐH Hệ thống tựđộng hoá ĐK Điều khiển CB Cảnh báo BĐ Báo động SC Sự cố P Pump (bơm) DP Dosing Pump (bơm định lượng) SP Sludge Pump (bơm bùn) D Decanter (máy ép bùn) M Motor B Blower (máy thổi khí) FL Flow (lưu lượng) LV Level (mức nước) FI Frequency Inverter (Biến tần) TỔNG QUAN VỀ TỰĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TRÊN THẾ GIỚI Cùng với sự phát triển của sản xuất công nghiệp, xử lý nước thải công nghiệp đang là vấn đề vô cùng quan trọng, bảo đảm cho sự trong sạch môi trường sống đồng thời góp phần vào sự phát triển bền vững của nền kinh tế mọi quốc gia trên thế giới. Tại nhiều nước có nền công nghiệp phát triển cao như Nhật, Mỹ, Anh, Pháp, các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng từ lâu, đặc biệt các thành tựu tiên tiến trong lĩnh vực tựđộng hoá cũng đã được áp dụng và đem lại hiệu quả kỹ thuật, kinh tế xã hội vô cùng to lớn. Nhiều hãng đi đầu trong lĩnh vực này như USFilter, Aquatec Maxcon, Hunter Water Corporation (HWC), Global Industries.Inc đã đưa ra các giải pháp công nghệ xử lý nước thải hiện đại. Những công nghệ tựđộng hoá của các công ty hàng đầu trên thế giới nhưSIEMENS, AB, YOKOGAWA, được sử dụng rộng rãi trong các công trình xử lý nước thải. Có thể nói trình độ tựđộng hoá xử lý nước thải đã đạt mức cao, tất cả các công việc giám sát, điều khiển đều có thể thực hiện được tại một Trung tâm, tại đây người vận hành được hỗ trợbởi những công cụđơn giản, dễ sử dụng như giao diện đồ hoạ trên PC, điều khiển bằng kích chuột, góp phần nâng hiệu quả cho công việc quản lý điều hành dây chuyền công nghệ. Ngoài ra cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin và viễn thông, khoảng cách về không gian và thời gian đã được rút ngắn, cho phép người vân hành có thểđiều khiển từ cách xa hàng ngàn km với chỉ một máy tính PC hoặc nhận được thông tin về hệ thống thông qua SMS. Hơn thế, hệ thống tựđộng hoá xử lý nước thải còn được tích hợp với các hệ thống điều hành ở cấp độđiều khiển cao hơn như cấp điều hành sản xuất (manufacturing execution: workflow, order tracking, resources), cấp xí nghiệp (enterprise:Production planning, orders, purchase) và trên cùng là cấp quản trị (administration:Planning, Statistics, Finances) nhằm nâng cao hơn nữa mức tựđộng hoá và tối ưu hoá quá trình sản xuất. Ngoài ra, trong lĩnh vực điều khiển đã có rất nhiều các lý thuyết điều khiển hiện đại được áp dụng nhưđiều khiển mờ, mạng nơ-ron, điều khiển dự báo trước (predicted control), điều khiển lai ghép (hybrid control), được ứng dụng trong xử lý nước thải để nâng cao chất lượng điều khiển và hiệu suất của các công đoạn xử lý. Lý thuyết hệ chuyên gia cũng được áp dụng mở ra khả năng tựđộng hoá hoàn toàn cho xử lý nước thải[3]. I. KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1. Khảo sát và đánh giá trình độ công nghệ xử lý nước thải Khảo sát công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia Hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia gồm nhiều công đoạn được thể hiện nhưtrên Hình 1. Hoạt động của hệ thống như sau: Nước thải từ nhà máy được thu gom vào hố bơm. Từ hố bơm P1 bơm nước qua song chắn rác. Đây là bước xử lý sơ bộ. Mục đích của quá trình là khử tất cả các tạp vật có thể gây ra sựcố trong quá trình vận hành hệ thống xử lý nước thải như làm tắc máy bơm, đường ống hoặc kênh dẫn. Đây là bước quan trọng đảm bảo an toàn và điều kiện làm việc thuận lợi cho cả hệthống. Rác tựđộng vào thùng chứa bằng cách xối nước liên tục hoặc cào thủ công. Sau song chắn rác, nước tự chảy vào bể cân bằng. Bể này có tác dụng điều hoà lưu lượng để duy trì dòng thải vào gần như không đổi cho các công đoạn sau, khắc phục những vấn đềvận hành do sự dao động lưu lượng nước thải gây ra và nâng cao hiệu suất của các quá trình ởcuối dây chuyền xử lý. Nhiệt độ nước được đo thủ công theo chu kỳ hoặc thời điểm tuỳ thuộc vào kỹ sư vận hành. Máy bơm P2 sẽ bơm nước từ bể cân bằng vào bể trung hoà và ổn định lưu lượng.[5] Nước thải chứa các axít vô cơ hoặc kiềm cần được trung hoà đưa pH về khoảng 7±0.2 trước khi sử dụng cho công đoạn xử lý tiếp theo. Trung hoà nước thải thực hiện bằng cách bổsung các tác nhân hoá học. Trong quá trình trung hoà, một lượng bùn cặn được tạo thành. Lượng bùn này phụ thuộc vào nồng độ và thành phần của nước thải cũng như loại và lượng các tác nhân sử dụng cho quá trình [5] Để trung hoà trong công nghệ này người ta sử dụng tác nhân hoá học là NaOH và HCl. Khi pH vượt ngưỡng dưới thì bơm định lượng DP bổ sung thêm NaOH, khi pH vượt ngưỡng trên thì DP bổ sung HCl và cho máy khuấy M1 hoạt động. Máy khuấy tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng trung hoà và làm đồng đều hoá chất bổ sung với nước thải. Điều khiển pH được thực hiện thủ công. Để bảo đảm an toàn cho vi sinh vật người vận hành thường xuyên phải đo tay độ pH đầu nguồn nước vào bể kỵ khí đểđảm bảo chắc chắn rằng pH không vượt ngưỡng cho phép. Khi phát hiện pH không đạt yêu cầu thì người vận hành tắt P1, P2, P3 để cắt nguồn nước không bảo đảm chỉ tiêu pH cho công đoạn xử lý sinh học tiếp sau vì các vi sinh vật rất nhạy cảm với pH, pH ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tạo men trong tế bào và quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng vào tế bào. Nếu vi sinh vật chết sẽ cần nhiều thời gian và kinh phí đểkhôi phục lại chúng đồng thời làm gián đoạn sản xuất [5] Sau khi trung hoà nước được xử lý tiếp bằng các phương pháp sinh học. Người ta sử dụng các phương pháp sinh học để làm sạch nước thải khỏi nhiều chất hữu cơ hoà tan và một sốchất vô cơ như H 2S, các chất sunfit, amoniac, nitơ…Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng được tăng lên. Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hoá sinh hoá [4]. Trong công nghệ sử dụng hai phương pháp là kỵ khí và hiếu khí tại các bể kỵ khí và hiếu khí (Hình 1). Phương pháp kỵ khí được dùng để lên men bùn cặn sinh ra trong quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học hoặc nước thải công nghiệp chứa hàm lượng các chất hữu cơ cao (BOD=4÷5 g/l). Đây là phương pháp cổđiển nhất dùng đểổn định bùn cặn, trong đó các vi khuẩn kỵ khí phân huỷ các chất hữu cơ. Tuỳ thuộc vào loại sản phẩm cuối cùng, người ta phân loại quá trình này thành: lên men rượu, lên men axit lactic, lên men metan, Những sản phẩm cuối của quá trình lên men là: cồn, các axit, axeton, khí CO 2, H2, CH4. Trong công nghệcác chất khí (biogas) sẽđược thu hồi và đốt nhờ hệ thống thu hồi và xử lý khí[4]. Phương pháp hiếu khí là phương pháp sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí. Bể hiếu khí luôn chứa các vi khuẩn hiếu khí. Trong công đoạn có hệ thống sục khí bao gồm máy thổi khí B và các ống dẫn khí làm nhiệm vụ cung cấp đủ lượng ôxi cần thiết cho vi khuẩn trong quá trình phân giải chất hữu cơđồng thời xáo trộn làm tăng khả năng hấp thụ các chất hữu cơ của vi sinh vật đảm bảo sự phân giải tối đa. Kết quả là hình thành các bông sinh học có thể lắng trọng lực ởđầu ra của bể. Đối với đa số các vi sinh vật khoảng giá trị pH tối ưu là 6.5÷8.5. Nhiệt độ nước thải ảnh hưởng rất lớn tới chức năng hoạt động của vi sinh vật. Đối với đa sốvi sinh vật, nhiệt độ nước thải phải từ 6÷37 0 C[4]. Nói chung giá trị DO luôn được bảo đảm trong khoảng cho phép nhờ công suất không đổi của máy thổi khí theo thiết kế trừ trường hợp có sự cố (hỏng máy thổi, tắc ống dẫn khí, ) và được giám sát thủ công. Nhiệt độ nước trong bểđo thủ công theo quy trình vận hành (định kỳ hoặc theo thời điểm do kỹ sư vận hành quyết định). Nước thải sau khi được xử lý tại bể hiếu khí sẽ tràn sang bể lắng đứng. Tại đây sử dụng phương pháp lắng trọng lực. Trong nước thải vào các bể này chứa bùn hoạt tính là sản phẩm của quá trình phân giải của vi sinh tại bể hiếu khí. Bùn hoạt tính có dạng bông màu vàng nâu, dễ lắng, kích thước từ 3 đến 5µm. Những bông này gồm các vi sinh vật sống và chất rắn (40%). Vi sinh bao gồm vi khuẩn, động vật bậc thấp, dòi, giun, nấm men, nấm mốc, xạkhuẩn, [4], một phần bùn được đưa quay trở lại bể hiếu khí để bảo đảm đủ lượng vi sinh cần thiết. Bể lắng có thể tích thiết kếđủ lớn để nước được lưu trong đó vài giờ, đủ thời gian cho quá trình lắng, do đó có thể xả bùn và ép bùn liên tục (luôn bật máy gạt bùn M2, bơm hút bùn SP và máy ép bùn D). Các van tay V4, V5 được mở trước ở các độ mở nhất định, các mức mở này do kỹ sư vận hành thực hiện nhằm đảm bảo sự cân bằng giữa thức ăn và vi khuẩn hiếu khí. Đánh giá trình độ công nghệ tựđộng hoá xử lý nước thải nhà máy bia Trên cơ sở khảo sát công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia nói trên chúng tôi đưa ra đánh giá như sau: . Công nghệ có khả năng cho phép chất lượng nước đầu ra đạt TCVN theo đúng quy định (TCVN 7221:2002, TCVN 5945:1995) . Công nghệ chưa áp dụng tựđộng hoá, việc giám sát điều khiển được thực hiện thủcông dẫn tới độổn định, tin cậy thấp . Hiệu quả kỹ thuật, kinh tế, xã hội chưa cao. Thống kê các thiết bịđiện hiện có trong dây chuyền công nghệ XLNT Bảng 1 Danh mục thiết bịđiện hiện có TT Tên thiết bị Thông số kỹ thuật chính 1 Bơm nước P1, P2, P3 Công suất 5.5 KW 2 Bơm bùn SP Công suất 2.2 KW 3 Máy thổi khí B Công suất 15 KW 4 Máy khuấy M1 Công suất 2.2 KW; 60 rpm 5 Máy ép bùn D Công suất 15 KW 6 Máy gạt bùn M2 Công suất 5.5 KW; 0.2rpm 7 Bơm hoá chất DP Công suất 0.5 KW 8 Van điện từ V1, V2 Nguồn cấp 220V AC D BÙN KHÔ MÁY ÉP BÙN Hình 1 Sơđồ công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia hiện tại 2. Khả năng áp dụng tựđộng hoá xử lý nước thải nhà máy bia Tại nhiều quốc gia có nền công nghiệp phát triển cao (Mỹ, Nhật, Đức, Anh, Pháp, ), các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng từ lâu. Nhiều hãng hàng đầu trong lĩnh vực này như USFilter, Aquatec Maxcon, Hunter Water Corporation(HWC), Global Industries.Inc đã đưa ra các giải pháp công nghệ tiên tiến xử lý nước thải. Hầu hết các công nghệ hiện đại ngày nay đều được tựđộng hoá cao, nhờđó đảm bảo năng suất, chất lượng, hiệu quả như mong muốn. Tại Việt Nam đã có những nhà máy xử lý nước thải hiện đại, sử dụng hoàn toàn hoặc phần lớn các công nghệ của nước ngoài do đó mức độ tựđộng hoá cao, tuy nhiên giá thành đắt, nhiều công nghệ không mang tính mở nên khó làm chủ hoàn toàn, chi phí nâng cấp, bảo trì rất lớn. Qua khảo sát kết hợp nghiên cứu, tìm hiểu các hệ thống xử lý nước thải trong và ngoài nước, chúng tôi khẳng định rằng chúng ta hoàn toàn có thể tự thiết kế và xây dựng một hệthống tựđộng hoá hiện đại cho dây chuyền xử lý nước thải nhà máy bia. Bên cạnh đó, chính nhờ phát huy tối đa nội lực trong nước chi phí đầu tư và bảo trì hệ thống sẽ giảm đáng kể. Mức độ tựđộng hoá chủ yếu phụ thuộc vào khả năng đầu tư của nhà máy, song một thiết kế hợp lý dựa trên các chuẩn quốc tế mở sẽ cho phép linh hoạt khi lựa chọn cấu hình hệ thống cũng như nâng cấp mức độ tựđộng hoá và mở rộng hệ thống một cách dễ dàng trong tương lai. Hệ thống tựđộng hoá sẽ cho phép giám sát điều khiển tất cả các công đoạn xử lý nước thải từ một Trung tâm điều khiển. Để làm được điều này cần trang bị thêm các thiết bịđo lường, điều khiển và xây dựng thêm một số chức năng cần thiết đối với hệ thống tựđộng hoá xử lý nước thải hiện đại. Các thiết bịđo lường, điều khiển nói chung rất sẵn có tại Việt Nam với nhiều đại diện của các hãng lớn như Endress+Hauser, Yokogawa, Siemens, Đây là một thuận lợi khi xây dựng hệ thống tựđộng hoá. Tóm lại: Tựđộng hoá cho xử lý nước thải nhà máy bia là hoàn toàn khả thi về kỹ thuật và kinh tếtrong điều kiện Việt Nam hiện nay. II. NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ TỰĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1. Mục đích áp dụng tựđộng hoá xử lý nước thải Tựđộng hoá xử lý nước thải là điều cần thiết nhưng cũng không cần phải chạy đua theo mốt, mà phải phân tích rõ mục đích của tựđộng hoá và đặc biệt phải chú ý: vì sao phải tựđộng hoá và cho ai?[1] Cải thiện điều kiện làm việc: Mục đích đầu tiên của tựđộng hoá là phải loại bỏ công việc lặp lại và khó nhọc cho việc vận hành, ví dụ: liên tục theo dõi, kiểm tra nhiều thông số công nghệ, tắt bật cơ cấu chấp hành, ghi chép số liệu, sự cố, Tựđộng hoá và giám sát bằng máy tính làm tiện lợi thêm khả năng khống chế từ xa một số lượng lớn các thông tin, đơn giản hoá nhiệm vụ khai thác, giám sát và quản lý.[1] Nâng cao hiệu quả của thiết bị: Trước hết ta có thể cải thiện chất lượng xử lý nước bằng các thiết bịđo và điều chỉnh . Ví dụ nhưđịnh lượng chất phản ứng, mức độ ô xy hoá, kiểm tra nhiệt độ các bể phản ứng…Tựđộng hoá quá trình cho phép giải phóng con người và làm tăng tốc độ tin cậy của hệ thống. Nhưng mục tiêu quan trọng là nâng cao độ chắc chắn vận hành của thiết bị có tính đến các tiêu chuẩn độ tin cậy qua việc nghiên cứu các sự cố vận hành. Nghĩa là dự phòng các phương án để thiết bị có thể làm việc liên tục trong trường hợp bịhỏng hóc một bộ phận nào đó bằng cách đưa tựđộng các thiết bị dự phòng vào làm việc và giải quyết hỏng hóc. Tựđộng hoá cho phép việc nghiên cứu thống kê các dữ liệu đã thu được, mở ra con đường tối ưu của việc xử lý.[1] Tăng năng suất lao động: Tựđộng hoá nhằm nâng cao năng suất bằng cách giảm chi phí vận hành. Ta cũng có thể tối ưu hoá giá thành năng lượng chi phí hàng giờ và chi phí vật liệu. Giảm nhân công vận hành và giảm công việc bảo dưỡng cũng cho phép giảm giá thành.[1] Trợ giúp việc giám sát: Nó bao gồm việc lắp đặt bộ biến đổi, phát hiện báo động, đặt các phương tiện ghi các dữ liệu và truyền đi xa cho đến nơi giám sát bằng máy tính. Tựđộng hoá không có mục đích riêng, mức độ phức tạp của thiết bị phải đáp ứng điều kiện của nhà máy và đối tượng xử lý. Tựđộng hoá chỉ xem như một bộ trợ giúp, không ép buộc. Một trong những hậu quả của một hệ thống tựđộng không chắc chắn là khi “mất nhớ” nó không tiếp xúc trực tiếp được với quá trình công nghệđược nữa. Tuy nhiên những ưu điểm của nó quá rõ ràng nếu thiết bịđược một chuyên gia về xử lý nước thải thiết kế và vận hành thực hiện.[1] 2. Yêu cầu và cơ sở xây dựng hệ thống tựđộng hoá Hệ thống tựđộng hoá có thể chia làm hai phần: hệ thống thông tin và hệ thống điều khiển. Hệ thống thông tin có nhiệm vụ thực hiện các chức năng thông tin. Các chức năng này cho phép giám sát quá trình công nghệ: cụ thể là thu thập, bảo quản, thống kê và ghi lại các thông tin đã diễn ra của quá trình điều khiển, cần cho dự báo trước các tình huống sự cố hay thông tin về sự thay đổi yêu cầu đặt trước của quá trình[1]. Hệ thống điều khiển dùng để tạo ra và thực hiện các tác động điều khiển dựa trên các nguyên lý điều khiển các đại lượng phụ thuộc của quá trình công nghệ; thực hiện điều khiển tối ưu; bằng các phương tiện tựđộng thực hiện các thao tác logic và theo chương trình đối với các phần tử phân tán (điều khiển phân tán các cơ cấu chấp hành , các liên động sự cố, khởi động và dừng hệ thống máy ).[1]. Đối với mỗi hệ thống tựđộng điều khiển quá trình công nghệ không nhất thiết phải thực hiện tất cả các chức năng kể trên. Một số các chức năng không thích hợp với đối tượng công nghệ này lại có thể thích hợp với đối tượng công nghệ trong hệ thống điều khiển ở mức cao hơn. Hệ thống tựđộng điều khiển quá trình công nghệ thực chất là điều khiển tập trung quá trình đó nhờ các phương tiện kỹ thuật điều khiển tựđộng.[1]. Vấn đềđo lường từ xa các thông số của hệ thống công nghệ là rất quan trọng. Các thông sốcần đo có thể kểđến như: mực nước trong các bể chứa, trong các buồng đầu vào công trình, lưu lượng, các chỉ số chất lượng nước như pH, T, DO, Các thiết bị cho tín hiệu từ xa giúp người điều khiển nhìn nhận được toàn cảnh về trạng thái làm việc của các thiết bị. Các thiết bị hiện trường truyền về Trung tâm điều khiển các tín hiệu sau đây: tín hiệu về tắt sự cố, vềhỏng hóc các thiết bịđiều khiển hay của các thiết bị phụ trợ (quạt, máy bơm ), giá trị sự cốcủa các thông số công nghệ, sự trục trặc điều tiết chất phản ứng [1]. Các phòng trong Trung tâm điều khiển thường được sắp xếp liền kề nhau, phòng có diện tích lớn là phòng điều khiển chính có đặt các tủ nhiều thiết bị có bàn ghế của người vận hành. Đằng sau tủ là các bộ phận cung cấp nguồn, điều khiển xa và các đầu vào của cáp. Trong Trung tâm điều khiển, các tủ, trạm đặt thiết bịđiều khiển cần được sắp xếp như thế nào đểngười điều khiển từ chỗ ngồi làm việc có thể bao quát được tất cả các dụng cụđo lường và các tín hiệu. Kết cấu các tủ và trạm điều khiển yêu cầu phải đơn giản nhưng cho khả năng lắp ráp dụng cụ một cách dễ dàng hoặc có thể thực hiện đổi chỗ chúng khi cần thiết. Trên sơđồbằng các ký hiệu tương ứng làm tái hiện lại các tín hiệu truyền từ xa, đánh dấu trạng thái tác động của các máy bơm, của khoá van, của các cầu giao dầu và các thiết bị khác. Bằng sự thay đổi màu sắc, ánh sáng và kim quay chỉ trạng thái của đối tượng. Khi có các tín hiệu cảnh báo, báo động cần cho ánh sáng đèn nhấp nháy [1]. Với tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ tựđộng các phương tiện điều khiển ngày một hiện đại hơn, có độ chắc chắn, tinh vi trong công tác lại có kích thước thu nhỏ. Rất tiện ích về nhiều mặt. Điều đó đạt được khi các quá trình công nghệđược điều khiển bằng các thiết bị vừa tính toán vừa điều khiển lại vừa có khả năng tựđộng lập trình gọi là thiết bị tựđộng lập trình công nghiệp (máy tính PC và các thiết bị tựđộng khả trình PLC) và chúng được lắp đặt làm việc trong mạng riêng gọi là mạng công nghiệp. Nhờ có mạng truyền thông công nghiệp mà điều hành, quản lý giám sát một nhà máy, xí nghiệp nói chung hay một quá trình công nghệ nói riêng thu được nhiều kết quả tốt hơn [1]. Chúng ta cũng biết rằng công nghệ làm sạch nước thải rất phức tạp, vì trong đó có nhiều quá trình khác biệt nhau xảy ra… Mặt khác các quá trình đó về phương diện công nghệ cũng còn nhiều vấn đề chưa được nghiên cứu thấu đáo. Nước thải là một môi trường luôn thay đổi về thành phần cấu tạo bởi các hợp chất và lưu lượng: lại có độẩm, độ kết dính, độ ô xít hoá, nhiệt độ biến đổi nên gây nhiều khó khăn phức tạp cho việc áp dụng tựđộng hoá. Cụ thể nhưta không thể sử dụng các thiết bị tựđộng đã sản xuất hàng loạt lưu hành trên thị trường nhưcho tựđộng hoá các môi trường bình thường khác, mà phải chọn các thiết bị tựđộng hoá chuyên sử dụng cho tựđộng hoá ở môi trường đặc biệt như nước thải. Các loại cảm biến này phải chống chọi được những ảnh hưởng khắc nghịêt của môi trường ô xy hoá cao, có độđậm đặc các loại rác bẩn vô cơ và hữu cơ, có thể có nhiệt độ cao….[1]. Với một đối tượng luôn thay đổi là nước thải (lưu lượng, mức độ bẩn, nồng độ các chất bẩn, lượng bùn hoạt tính…), lại có những hạn chế về phía công nghệ nên việc đưa công trình vào làm việc ở chếđộ tối ưu về cả kỹ thuật lẫn kinh tế là một nhiệm vụ nan giải. Vì vây, khi tựđộng hoá các quá trình xử lý nước thải, chếđộ công nghệ luôn cần được dịch chỉnh sao cho theo sát gần với các điều kiện thay đổi của môi trường. Như vậy nhiệm vụ của tựđộng hoá các công trình xử lý nước thải đã được hiện ra rõ nét là: tổ chức việc điều khiển, kiểm tra, bảo vệ, cho tín hiệu tựđộng về sự làm việc của các công trình công nghệ từ một Trung tâm điều khiển sao cho công trình xử lý nước thải có hiệu quả cao. Tuỳ thuộc vào qui mô của trạm xử lý (công suất thiết kê, kết cấu của công trình) và đặc tính của nước thải cần xử lý mà chọn khối lượng và mức độ tựđộng hoá cho phù hợp về mặt kinh tế (tựđộng hoá từng phần hay toàn phần).[1]. Trong các trạm điều khiển được trang bị nhiều sơđồ của quá trình công nghệ xử lý nước thải. Các sơđồ này phải chỉ rõ được trạng thái làm việc của tất cả các công trình, máy móc mà nó điều khiển (trạng thái "làm việc", "dừng máy", hay "sự cố"). Ngoài ra các sơđồđó phải cho khả năng theo dõi dễ dàng các tín hiệu; đơn giản hoá và giảm các sai sót trong việc điều khiển. Để tiện cho việc theo dõi, kiểm tra công tác của các thiết bị máy móc, ở các trạm điều khiển đặt cách xa công trình nên sử dụng thiết bị truyền hình công nghiệp [1]. Ngày nay khoa học công nghệ mỗi ngày một phát triển. Trong việc áp dụng tựđộng hoá vào việc điều khiển, kiểm tra, bảo vệ các công trình công nghệđã gặt hái được những thành quảđáng ca ngợi. Trong các hệ thống điều khiển người ta đã sử dụng các block logic hay các máy tính điện tử có thiết bịđo lường từ xa các thông tin ở dạng tín hiệu tương tự hoặc dạng số rất tiện ích, đã có các thiết bị gọi là thiết bị tựđộng lập trình công nghiệp ra đời (API) hơn hẳn các bộđiều chỉnh trước đây, có khả năng tính toán và điều khiển; có thể kết nối với đối tượng điều khiển qua các cảm biến điện tử có độ tin cậy cao với cơ cấu chấp hành và các thiết bị ngoại vi khác (màn hình, phím lập trình, thẻđiện tử, mạng thông tin…). Cũng đã có các API có khả năng điều khiển quá trình đồng thời với nhiều thông sốđầu vào biến đổi với các qui luật khác nhau. Các API có khả năng làm việc trong điều kiện khắc nghiệt về môi trường. Sự xuất hiện của thiết bị tựđộng lập trình công nghiệp đã mở ra những triển vọng tốt đẹp trong việc áp dụng tựđộng hoá vào điều khiển các công trình xử lý nước thải [1]. 3. Thiết kế các chức năng hệ thống tựđộng hoá xử lý nước thải Đểđạt được mục đích cũng nhưđáp ứng các yêu cầu nói trên, hệ thống tựđộng hoá xử lý nước thải cần có những chức năng cơ bản sau đây: a) Điều chỉnh tựđộng Điều chỉnh tựđộng là sử dụng các thiết bị tựđộng để tác động lên quá trình công nghệ cần điều khiển theo một chếđộ làm việc đã định sẵn. Mỗi quá trình công nghệ xảy ra trong đối tượng điều chỉnh được đặc trưng bởi một hay vài đại lượng. Một sốđại lượng được duy trì không đổi, một sốđại lượng khác được thay đổi trong giới hạn cho trước nào đó.[1] Đây là một trong những chức năng quan trọng nhất quyết định đến mức độ tựđộng hoá. Trong dây chuyền xử lý nước thải nhà máy bia có ba khâu điều chỉnh tựđộng là điều chỉnh pH tại Bể trung hoà, lưu lượng nước vào Bể kỵ khí và DO tại bể hiếu khí. b) Giám sát điều khiển có khoảng cách hoặc từ xa Nếu điều khiển bằng tay trực tiếp tại chỗ người vận hành có thể phải tiếp xúc với môi trường độc hại, đi lại khó khăn và tốn thời gian. Mặt khác nhiều trường hợp, ví dụ như sự cốhoặc mất điều khiển tựđộng, đòi hỏi điều khiển tay phải kịp thời và đồng bộ, ví dụ như dừng nhanh nhiều máy bơm đặt tại nhiều vị trí khác nhau, điều khiển cùng lúc nhiều quá trình có liên quan hệ quả với nhau. Để làm được điều này hệ thống tựđộng hoá phải có chức năng điều khiển có khoảng cách, cụ thể là điều khiển từ Trung tâm đặt cách dây chuyền công nghệmột khoảng cách nhất định (hàng chục đến hàng trăm mét). Điều khiển từ xa qua mạng LAN, WAN cũng là một chức năng không thể thiếu hiện nay trong nhiều hệ thống tựđộng hoá nói chung và xử lý nước thải nói riêng. Giám sát, điều khiển, trao đổi dữ liệu từ xa là nền tảng cho việc xây dựng hệ thống điều hành sản xuất MES (Manufacturing Execution System) nhằm đem lại hiệu quả kỹ thuật, kinh tế, xã hội một cách toàn diện. MES tạo ra một cầu nối thông suốt hai chiều giữa khối quản lý và sản xuất, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất từ khâu hoạch định kế hoạch đến khâu sản xuất ra thành phẩm cuối cùng, cung cấp các chức năng lập kế hoạch; quản lý nhân lực, thiết bị, nguyên vật liệu; theo dõi quá trình sản xuất, chất lượng sản phẩm, sự cố máy móc, Ngoài ra, điều khiển từ xa còn cho phép giảm đáng kể số lượng chuyên gia công nghệ, kỹthuật cần thiết cho vận hành, bảo trì hệ thống tựđộng hoá. Một nhóm chuyên gia có thểđiều hành cùng lúc cả mạng lưới các nhà máy xử lý nước thải tại nhiều nơi trong thành phố, nhiều tỉnh mà không cần đến tận nơi. Đặc biệt, ngày nay mạng Internet toàn cầu đã rút ngắn khoảng cách về không gian và thời gian khiến cho khó ai có thể tin được từ cách xa hàng nghìn km vẫn có thể giám sát, điều khiển thậm chí chuẩn đoán, sửa lỗi, nạp lại chương trình cho thiết bịđiều khiển từ bất kỳđịa điểm nào trên thế giới, nhưng đó là sự thực!!! Hệ thống tựđộng hoá xử lý nước thải nhà máy bia có chức năng giám sát điều khiển có khoảng cách (từ Trung tâm điều khiển) và từ xa (qua mạng LAN hoặc Internet) các máy bơm, máy khuấy, máy gạt bùn, ép bùn, thổi khí, van điện từ và các thông số công nghệ c) Hiển thị thông số công nghệ Chức năng này giúp cho việc theo dõi, giám sát các thông số chất lượng nước, trạng thái thiết bị, sự cố một cách thuận tiện, dễ hiểu đối với người vận hành. Việc hiển thịđược thiết kế hợp lý về màu sắc, bố trí các cửa sổ, kiểu thể hiện. Màu sắc không quá loè loẹt, dùng các gam màu dịu không gây [...]... Bảo vệ liên động tự ộng sự cố Bảo vệ liên động cấm chỉ Cảnh báo sớm Báo động sự cố Giải trừ sự cố Lưu trữ, báo cáo thông số chất lượng nước Lưu trữ, báo cáo sự cố, cảnh báo, báo động Lưu trữ, báo cáo thông số cần cho quản lý D BÙN KHÔ MÁY ÉP BÙN Hình 3 Sơđồ công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia sau khi áp dụng tự ộng hoá Bảng 2 Danh mục thiết bịđiện - tự ộng hoá tại hiện trường của hệ thống TĐH XLNT... chuyền công nghệ áp dụng tự ộng hoá và danh mục các thiết bịđiện - tự ộng hoá tại hiện trường thể hiện tương ứng trong Hình 3 và Bảng 2 Hình 2 Sơđồ chức năng hệ thống tự ộng hoá Điều chỉnh DO Giám sát, điều khiển động cơ Giám sát, điều khiển van Giám sát, điều khiển thông số nước Nhập giá trị chủđạo (setpoint) Nhập ngưỡng cảnh báo/báo động Nhập các thông số khác của hệ thống Bảo vệ liên động tự ộng sự... Điều khiển bơm bùn Lưu đồđiều khiển bơm bùn thể hiện trên Hình 12 5 Lựa chọn công nghệ và thiết kế mô hình hệ thống tự ộng hoá a) Yêu cầu lựa chọn công nghệ Công nghệ hệ thống tự ộng hoá được lựa chọn trên cơ sở sau: Hệ thống điều khiển sử dụng công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực tự ộng hóa đồng thời thiết bị, vật tư phải thông dụng trên thị trường Việt Nam để thuận tiện trong bảo hành, thay thế, sửa... thải Cụ thể cần sử dụng các loại đầu đo chuyên dụng, thiết kếđúng cho các ứng dụng trong lĩnh vực xử lý nước thải với các tiêu chuẩn bảo vệ cao (ít nhất IP65, chủ yếu IP67/IP68) b) Các thành phần hệ thống tự ộng hoá và lựa chọn công nghệ Hệ thống điều khiển tự ộng bao gồm các thành phần chính sau: Tủđiện cấp nguồn động lực và điều khiển Trạm điều khiển tự ộng Trạm máy tính Bàn điều khiển bằng tay... động pH trên màn hình Khi pH2 vượt ngưỡng thì người vận hành sẽ tự quyết định đưa ra lệnh điều khiển cho PLC để tắt các bơm P1, P2, P3 Nếu chếđộ là Auto thì PLC sẽ tự ộng tắt các bơm P1, P2, P3 nếu các khoá liên động được khoá, trái lại bơm vẫn hoạt động bình thường Có nhiều khoá liên động phụ cho phép người vận hành lựa chọn bơm cần tắt khi có sự cố Việc cho phép bơm hoạt động trở lại và hết báo động. .. dây chuyền công nghệ có các cảnh báo cho các thông số sau: T, pH, DO, lưu lượng, mức nước, mức hoá chất Báo động sự cố Lưu đồ báo động sự cốđược hiển thị trên Hình 11 Việc Kiểm tra phát hiện sự cốđược thực hiện bằng các phương pháp sau: PP1 : Bằng thiết bị chuyên dụng như các thiết bị bảo vệ và báo động sự c động cơ, bơm, PP2: Xây dựng mạch phụ trợ riêng phục vụ báo động và bảo vệ liên động PP3:... cố và tự quyết định xoá bỏ trạng thái báo động Như vậy mức độ cần chú ý của người vận hành đối với báo động phải cao hơn cảnh báo g) Lưu trữ, báo cáo thống kê Lưu trữ và lập báo cáo thống kê dữ liệu về thông số chất lượng nước, trạng thái hoạt động, sự cố, thời gian hoạt động của máy móc thiết bị, tổng lượng nước đã xử lý, lượng hoá chất đã dùng, danh sách người đã vận hành, bộ tham số công nghệ ã... khác chất lượng nước đầu vào nói chung là không ổn định, phụ thuộc vào thời gian, thời tiết, vào hoạt động của nhà máy do đó cần hiệu chỉnh lại tham số công nghệ là cần thiết Đểđiều chỉnh tham số công nghệ, sau khi phân tích chất lượng nước, chuyên gia công nghệ sẽ căn cứ vào chỉ số chất lượng nước đầu vào và đầu ra đểđiều chỉnh lại các thiết bị cho hợp lý (điều chỉnh bơm định lượng hoá chất, thời gian... lượng hoá chất, lưu lượng nước trên bàn điều khiển tay đều bị vô hiệu hoá trừ nút ESTOP và nút giải trừ sự cố Khi chuyển chếđộ thì đèn trên bàn điều khiển và trên HMI đều đồng bộ thay đổi theo Khi vận hành trong chếđộ tự ộng, hệ thống sẽ tự ộng cập nhật số liệu từ các đầu đo, nhận biết trạng thái làm việc của các thiết bị, máy móc trong hệ thống và xử lý, tự ộng điều khiển các thiết bị theo chu trình công. .. báo động Các thiết bị, vật tư lựa chọn có xuất xứ từ Nhật hoặc G7 Bàn điều khiển sẽ do Việt Nam thiết kế chế tạo Khối các thiết bịđo, transmitter Các đầu đo là loại đặc chủng dùng trong xử lý nước thải với mức độ bảo vệ cao (đa phần IP65, IP67 hoặc IP68), chủ yếu sử dụng của hãng Endress&Hauser (E+H) [8]có hiển thị số tại chỗ E+H sản xuất các thiết bịđo chuyên dụng chất lượng cao cho xử lý nước thải . nước thải nhà máy bia 9 II.NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ TỰĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI 10 1. Mục đích áp dụng tự ộng hoá xử lý nước thải 10 2. Yêu cầu và cơ sở xây dựng hệ thống tự ộng hoá 10. THỐNG TỰĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI I. KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI.5 1. Khảo sát và đánh giá trình độ công nghệ xử lý nước thải 5 2. Khả năng áp dụng tự ộng hoá xử lý nước. XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1. Mục đích áp dụng tự ộng hoá xử lý nước thải Tự ộng hoá xử lý nước thải là điều cần thiết nhưng cũng không cần phải chạy đua theo mốt, mà phải phân tích rõ mục đích của tự ộng