Đồ án xử lý nước thải ứng dụng mạng truyền thông SCADA

Là đồ án xử lý nước thải sinh hoạt, ứng dụng công nghệ SCADA gồm Wincc kết nối với PLC S7 300, với các phương pháp xử lý nước thải hiện có..Đây là đồ án K7 mà bọn mình thực hiện để tốt nghiệp..rất có ích với tất cả các bạn làm về đồ án xử lý nước thải

MỤC LỤC Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

LỜI NÓI ĐẦU 8

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT HIỆN NAY Ở VIỆT NAM 9

1.1 Sơ lược về nước thải sinh hoạt 9

1.1.1 Nguồn gốc nước thải sinh hoạt 9

1.1.2 Thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt 12

1.2 Ảnh hưởng nước thải sinh hoạt đến môi trường 14

1.2.1 Ảnh hưởng đến môi trường tự nhiên 14

1.2.2 Ảnh hưởng đến sinh vật và con người 15

1.3 Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải 16

1.3.1 Phương pháp xử lý sinh học 16

1.3.2 Phương pháp hóa lý 22

1.3.3 Phương pháp xử lý hóa học 24

1.3.4 Phương pháp cơ học 25

Chương 2 - GIỚI THIỆU PLC S7-300, CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH 33

2.1 Khái quát chung về PLC 33

2.1.1 Lịch sử phát triển PLC 33

2.1.2 Cấu trúc phần cứng của PLC 34

2.1.3 Vòng quét chương trình 36

2.1.4 Ưu nhược điểm của PLC trong tự động hóa 37

2.1.5 Ứng dụng của PLC trong công nghiệp 38

2.2 PLC S7 – 300 39

2.2.1 Các module S7 – 300 39

2.2.2 Ngôn ngữ lập trình 41

2.2.3 Giới thiệu phần mềm lập trình SIMATIC Manager 42

2.3 Giới thiệu chung về cảm biến 53

2.3.1 Cảm biến mức 55

2.3.2 Cảm biến siêu âm 57

2.3.3 Cảm biến đo pH 58

2.4 Cơ cấu chấp hành 58

2.4.1 Giới thiệu động cơ ba pha 58

2.4.2 Giới thiệu một số động cơ sử dụng trong thực tế 62

2.4.3 Van điện từ 66

Chương 3 - KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU SCADA 68

3.1 Khái niệm điều khiển giám sát 68

3.2 Những tiêu chuẩn đánh giá một hệ SCADA 69

3.3 Cấu trúc chung của hệ SCADA 70

3.4 Mô hình phân cấp 71

3.4.1 Cấp chấp hành 72

3.4.2 Cấp điều khiển 72

3.4.3 Cấp điều khiển giám sát 73

3.5 Các phần mềm SCADA/HMI công nghiệp 73

3.6 Phần mềm WinCC 75

3.6.1 Các khái niệm thường dùng trong WinCC 75

3.6.2 Thiết kế đồ họa WinCC (Graphic Designer) 77

3.6.3 Hệ thống lưu trữ và hiển thị (Tag Logging) 79

3.6.4 Hệ thống cảnh báo (Alarm Logging) 80

3.6.5 Hệ thống báo cáo (Report Designer) 81

3.6.6 Nhóm hàm trong WinCC 81

3.6.7 Tạo một dự án trong WinCC 82

3.6.8 Truyền thông trong WinCC 86

Chương 4 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT ỨNG DỤNG SCADA 88

4.1 Yêu cầu công nghệ 88

4.2 Tính chọn thiết bị 90

4.2.1 Thiết bị trung tâm điều khiển trạm máy tính 90

4.2.2 Chọn động cơ và thiết bị đo lường 92

4.3 Xây dựng thuật toán và chương trình điều khiển 94

4.3.1 Thuật toán động cơ bơm nước 94

4.3.2 Thuật toán điều khiển bơm luân phiên 95

4.3.3 Thuật toán điều chỉnh độ pH 96

4.3.4 Thuật toán bơm bùn 97

4.3.5 Thuật toán bể khử trùng 97

4.3.6 Thuật toán đèn cảnh báo 98

4.4 Vẽ mô phỏng hệ thống trên Win CC 98

4.5 Chương trình điều khiển cho toàn hệ thống 99

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Một trong những nhà máy xử lý nước thải tại Hà Nội 17

Hình 1.2 Nước thải sinh hoạt trên sông Tô Lịch 18

Hình 1.3 Nước thải sinh hoạt ảnh hưởng tới sinh vật sống 19

Hình 1.4 Quy trình xử lý sinh học 20

Hình 1.5 Mối quan hệ cộng sinh giữa tảo và vi sinh vật hiếu khí 24

Hình 1.6 Sơ đồ hồ hiếu khí tùy tiện 25

Hình 1.7 Quy trình xử lý hóa học 28

Hình 1.8 Song chắn rác và lưới lọc 29

Hình 1.9 Hố gom nước thải 30

Hình 1.10 Bể điều hòa 31

Hình 1.11 Bể lắng hình chữ nhật và hình tròn 32

Hình 2.1 Các loại PLC của hãng Siemens 37

Hình 2.2 Các thành phần cơ bản của một PLC 37

Hình 2.3 Giao diện đầu vào/ra 39

Hình 2.4 Vòng quét chương trình 40

Hình 2.5 Cấu hình một trạm PLC S7 – 300 42

Hình 2.6 Một số CPU của S7 – 300 42

Hình 2.7 Một số module mở rộng trong thực tế 44

Hình 2.8 Soạn thảo cho khối OB1 46

Hình 2.9 Tạo một khối logic mới 48

Hình 2.10 Đặt tên và chọn chế độ làm việc cho khối logic mới 48

Hình 2.11 Gọi màn hình soạn thảo 49

Hình 2.12 Màn hình soạn thảo 49

Hình 2.13 Nhập dữ liệu vào khối Lokal block của khối FC 50

Hình 2.14 Soạn thảo chương trình cho khối logic FC1 50

Hình 2.15 Tạo khối FB 51

Hình 2.16 Chọn ngôn ngữ cho khối FB1 51

Hình 2.17 Thủ tục gọi khối FB 52

Hình 2.18 Màn hình soạn thảo trong khối FB 52

Hình 2.19 Sử dụng biến hình thức 53

Hình 2.20 Ghi các kí hiệu sử dụng biến hình thức vào bảng symbol 53

Hình 2.21 Màn hình soạn thảo với các tên biến hình thức 54

Hình 2.22 Xóa chương trình đã có trong CPU 55

Hình 2.23 Quan sát quá trình hoạt động 56

Hình 2.24 Quan sát nội dung của ô nhớ 56

Hình 2.25 Phao báo mức nước dạng inox và dạng nhựa 59

Hình 2.26 Cảm biến đo mức nước dạng phao tuyến tính 59

Hình 2.27 Cảm biến siêu âm đo khoảng cách, đo mức nước 60

Hình 2.28 Cấu tạo thiết kế cảm biến pH 61

Hình 2.29 Cấu tạo động cơ không đồng bộ 62

Hình 2.30 Máy thổi khí con sò DG 66

Hình 2.31 Máy khuấy trộn 67

Hình 2.32 Cấu tạo van điện từ 69

Hình 3.1 Các thành phần cơ bản của hệ SCADA 73

Hình 3.2 Mô hình phân cấp chức năng 75

Hình 3.3 Cửa sổ soạn thảo Graphic 81

Hình 3.4 Cửa sổ soạn thảo Tag Logging 82

Hình 3.5 Khởi động Wincc 85

Hình 3.6 Chọn Single-User project 85

Hình 3.7 Đặt tên Project Name 86

Hình 3.8 Add New driver 86

Hình 3.9 Chọn Driver để kết nối PLC S7-300 87

Hình 3.10 Tạo External Tag 87

Hình 3.11 Đặt tên New connection Properties 87

Hình 3.12 Chọn new Tag 88

Hình 3.13 Gõ tên Tag và chọn kiểu dữ liệu 88

Hình 3.14 Tạo giao diện Graphics Designer 88

Hình 3.15 Các công cụ trên Graphics Designer 89

Hình 3.16 Cài đặt tham số khi chạy Runtime 89

Hình 4.1 Sơ đồ công nghệ 91

Hình 4.2 Sơ đồ thuật toán động cơ bơm nước 97

Hình 4.3 Sơ đồ thuật toán bơm luân phiên 98

Hình 4.4 Sơ đồ thuật toán điều chỉnh độ pH 99

Hình 4.5 Sơ đồ thuật toán bơm bùn 100

Hình 4.6 Sơ đồ thuật toán bể khử trùng 100

Hình 4.7 Sơ đồ thuật toán đèn cảnh báo 101

Hình 4.8 Màn hình điều khiển hệ thống 101

BẢNG MỤC LỤC

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn thải nước của một số loại cơ sở dịch vụ và công trình

công cộng 11

Bảng 1.2 Lượng chất bẩn của một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước (theo quy định cuả TCXD 51:2012) 11

Bảng 1.3 Hàm lượng các chất hữu cơ có trong nước thải sinh hoạt 13

Bảng 1.4 Thành phần hóa học trong cặn 31

Bảng 2.1 Thiết kế Local Block 44

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật động cơ bơm chìm Pentax 62

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật máy thổi khí DG-400-26 64

Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật máy bơm bùn KTZ22.2 65

Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật máy bơm hóa chất FTI DB6 66

Bảng 4.1 SIMATIC CPU 318 – 2DP 91

Bảng 4.2 Cấu hình IPC SIMATIC-PC 92

Bảng 4.3 Tính toán thông số của thiết bị trong hệ thống 92

Bảng 4.4 Thông số cảm biến phao FineTek FA/FB 92

Bảng 4.5 Các thông số kỹ thuật đầu đo CPF81 93

Bảng 4.6 Van điện từ JELPC 2W 500-50 93

LỜI NÓI ĐẦU

Việc xử lý nước thải sinh hoạt ở nước ta là một vấn đề rất quan trọng

để đảm bảo vệ sinh môi trường và sức khỏe cho cộng đồng Ngày nay môhình xử lý nước thải sinh hoạt đã có rất nhiều cải tiến nhằm phục vụ cho mụcđích quản lý và điều khiển dễ dàng hơn cho người sử dụng Tiêu biểu là việc

áp dụng công nghệ tự động hóa trong mô hình SCADA, mọi hoạt động giámsát và điều khiển người quản lý đều thực hiện thao tác trên một PC Chỉ cầnkích chuột hay gõ một phím đơn giản thay vì điều khiển bằng tay mỗi côngđoạn trong mỗi khâu xử lý Việc này góp phần nâng cao hiệu quả, tiết kiệmthời gian sức lực cho người sử dụng

Sử dụng PLC S7-200 và WinCC giúp chúng ta có thể nâng cao tínhlinh hoạt trong sản xuất, khả năng giám sát, lưu trữ dữ liệu, cảnh báo… Tuynhiên, để kết nối với PLC S7–200 với WinCC và PLCSim không phải điều dễdàng, chúng ta cần phải sử dụng PC Access để thực hiện kết nối tạo nên sựkhó khăn khi làm việc giám sát trên SCADA với WinCC Ngày nay, với sựphát triển vượt bậc của PLC, nhất là PLC S7–300 với ứng dụng rộng và phứctạp, nhiều I/O hơn, có thiết kế modun và có thể mở rộng Chính vì vậy, giảipháp thay thế để cho việc kết nối dễ dàng hơn, giúp người vận hành dễ thaotác thì chúng ta sẽ không lựa chọn S7–200 để kết nối mà sẽ chuyển sang dùngPLC S7 – 300 để kết nối, điều khiển hệ thống

Trong quá trình học tập và được làm đồ án tốt nghiệp, được sự giúp đỡcủa cô giáo Phùng Thị Vân cũng như tham khảo thêm tài liệu với đề tài:

“Thiết kế hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt ứng dụng mạng truyền thông SCADA”.

Tuy nhiên trong quá trình làm bài không thể tránh sai sót, em mongnhận được sự góp ý, nhận xét của thầy cô giáo và các bạn để đề tài của emhoàn thiện hơn nữa

Em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT HIỆN

NAY Ở VIỆT NAM 1.1 Sơ lược về nước thải sinh hoạt

Nước đóng vai trò rất quan trọng trong việc điều hòa khí hậu và đảm bảocho sự sống của Trái Đất Nước ngọt là nguồn tài nguyên quý không thể thiếuđối với con người, cùng với sự phát triển của xã hội Nhu cầu nước sạch choviệc tưới tiêu và nuôi trồng ngày càng nhiều Chất lượng nước cho mỗi đốitượng là khác nhau nhưng các cây trồng và vật nuôi tiêu thụ nước cần đượcphát triển bình thường không bị nhễm độc trước mắt và lâu dài Như chúng ta

đã biết ô nhiễm nguồn nước do nước thải từ khu dân cư, xí nghiệp côngnghiệp, thương mại và dịch vụ, từ khu vui chơi giải trí, trường học, do nướcchảy tràn trên mặt đất và nước tưới tiêu thủy lợi kéo theo các chất màu mỡcủa đất, thuốc trừ sâu, phân bón… vào các nguồn nước ao hồ, sông ngòi,biển… kể cả nước ngầm Trong đó, có thể coi nước thải là nguồn gây ô nhiễmchính Hầu hết các trường hợp này đều do hoạt động của con người Cácnguồn gây ô nhiễm nước chủ yếu là nước thải sinh hoạt từ hoạt động của conngười và nước thải công nghiệp, ở đây ta chỉ ngiên cứu nước thải sinh hoạt

1.1.1 Nguồn gốc nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là nước đã được sử dụng cho mục đích ăn uống, sinhhoạt, tắm rửa, vệ sinh nhà cửa… của các khu dân cư, công trình công cộng vàcác cơ sở dịch vụ Như vậy nước thải sinh hoạt hình thành từ quá trình sinhhoạt của con người, một số hoạt động dịch vụ hoặc công cộng như bệnh viện,trường học, nhà ăn… cũng tạo ra nước thải có thành phần và tương tự nhưnước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt gồm các nguồn thải sau:

 Khu dân cư: Lượng nước thải sinh hoạt của khu dân cư được xác địnhtrên cơ sở nước cấp Tiêu chuẩn nước thải sinh hoạt của các khu dân cư đôthị thường là từ 100 đến 250/1người/ngày (đối với các nước đang phát triển)

và từ 150 đến 500/l/người/ngày (đối với các nước phát triển) Tiêu chuẩn cấp

nước các đô thị nước ta hiện nay dao động từ 120 đến 180/người/ngày Đốivới khu vực nông thôn, tiêu chuẩn nước thải sinh hoạt từ 50 đến120/người/ngày Tiêu chuẩn nước thải phụ thuộc vào tiêu chuẩn cấp nước.Thông thường tiêu chuẩn nước thải sinh hoạt lấy bằng 80 đến 100% tiêuchuẩn cấp nước cho mục đích nào đó Ngoài ra, lượng nước thải sinh hoạt củakhu dân cư còn phụ thuộc vào điều kiện trang thiết bị vệ sinh nhà ở, đặc điểmkhí hậu thời tiết và tập quán sinh hoạt của nhân dân Lượng nước thải sinhhoạt tại các cơ sở dịch vụ, công trình công cộng phụ thuộc vào loại côngtrình, chức năng, số người tham gia, phục vụ trong đó

 Khu thương mại: Gồm chợ (chợ tập trung, chợ xanh, chợ cóc,…) cáccửa hàng, bến xe, trụ sở kinh doanh, trung tâm mua bán của khu vực Lượngnước thải của khu vực này được tính bằng m3/ngày dựa trên số lượng nướccấp đầu vào, trung bình là 7,5 - 14m3/ha/ngày

 Khu vui chơi giải trí: Gồm các quán cà phê, câu lạc bộ, bể bơi… Ở đâylượng nước thải thay đổi rõ rệt theo mùa trong năm

 Khu vực cơ quan: Gồm cơ quan, công sở, trường học, bệnh viện, nhà

tù, nhà nghỉ, nhà ăn…

Tiêu chuẩn thải nước của một số loại cơ sở dịch vụ và công trình côngcộng này được nêu trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn thải nước của một số loại cơ sở dịch vụ và công trình

công cộng.

Nguồn nước thải Đơn vị tính Lưu lượng m 3 /1 ngày

Khách sạn KháchNhân viên phục vụ 152 – 21230 – 45

Nhân viên phục vụ 19 – 56

Khu triển lãm giải trí Người tham quan 15 – 30

Lượng nước tập trung ở đô thị rất lớn, lượng nước thải của một thànhphố 20 vạn dân khoảng 40.000 m3/ngày đến 60.000 m3/ngày Tổng lượngnước thải thủ đô Hà Nội (năm 2011) gần 500.000 m3/ngày Trong quá trìnhsinh hoạt, con người xả vào hệ thống thoát nước một lượng chất bẩn nhấtđịnh, phần lớn là cặn, chất hữu cơ, các chất dinh dưỡng Ở nước ta tiêu chuẩnTCXD51 năm 2012 quy định về lượng chất bẩn tính cho một người dân xảvào hệ thống thoát nước trong một ngày theo bảng 1.2 dưới đây

Bảng 1.2 Lượng chất bẩn của một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước (theo quy định cuả TCXD 51:2012)

Chất lơ lửng (SS)

BOD5 của nước thải chưa lắng

BOD5 của nước thải đã lắng

Nitơ amôn (N – NH4)

Photphat (P2O5 )

Clorua (Cl- )

60/656530/3583,310

1.1.2 Thành phầnvà tính chất của nước thải sinh hoạt

Thành phần nước thải sinh hoạt gồm 2 loại:

 Nước thải ô nhiễm từ được bài tiết do con người từ nhà vệ sinh.

 Nước thải ô nhiễm do chất thải sinh hoạt

Các thành phần ô nhiễm tổng quát của nước thải sinh hoạt chủ yếu cónguồn gốc hữu cơ dễ phân hủy sinh học (60% hữu cơ, 40% vô cơ) Các chấthữu cơ trong nước thải sinh hoạt có tính chất hóa học như protein, hydratcarbon, chất béo, dầu mỡ, Ure Các chất dinh dưỡng như nitơ và photphocũng gây ô nhiễm nước (phú dưỡng hóa) Nitơ trong nước thải sinh hoạt tínhtheo NTK (nito hữu cơ và amoni) thường chiếm 15 – 20 BOD, khoảng 10 -15g/người/ngày đêm Photpho khoảng 4g/người/ngày đêm Các chất hoạtđộng bề mặt như ABS dùng để tẩy rửa gây nên hiện tượng sủi bọt trắng ở bể.Các chất vô cơ trong nước thải sinh hoạt như: cát, đất sét, các axit, bazơ vô

cơ, dầu khoáng… Ngoài ra nguồn nước thải sinh hoạt cóchứa một lượng lớn

vi khuẩn tính theo Coliform cũng được tính là thành phần ô nhiễm

 Các kim loại nặng: Trong nước thải gây ô nhiễm nguồn nước có chưacác ion kim loại nặng như chì, thủy ngân, asen…

 Các chất rắn bao gồm các chất vô cơ và hữu cơ, cùng các sinh vật(xácđộng vật, thực vật hoặc các mảnh mẫu cơ thể của chúng) Chất rắn có thể ởdạng keo hoặc dạng huyền phù Chất rắn trong nước thải từ các nguồn trên vàcòn do con người thải bỏ trực tiếp vào nước

 Các chất màu: Màu nâu đen do các chất tamin, lignin cùng các chất hữu

cơ có trong nước bị phân giải, màu vàng do sắt hoặc mangan dạng keo hoặchòa tan tạo thành

Thành phần nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào tiêu chuẩn cấp nước, đặcđiểm hệ thống thoát nước điều kiện trang thiết bị vệ sinh và có thể tham khảotheo bảng 1.3 sau đây

Bảng 1.3 Hàm lượng các chất hữu cơ có trong nước thải sinh hoạt

Chỉ tiêu Trongkhoảng (mg/l) Trung bình(mg/l)

Ở các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam thì nước thải được xử

lý trước khi đưa ra môi trường có tỷ lệ rất thấp và lý do cho việc này là do tàichính nhưng đó cũng là sự thiếu hiểu biết về các hệ thống xử lý nước thải sinhhoạt chi phí thấp mà chấp nhận xả thẳng ra ngoài môi trường gây nên nhữnghậu quả nặng nề Hơn nữa các con sông cũng như vùng ven biển nước ta đang

bị ô nhiễm nặng nề do nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý, thế nên việc xử lýnước thải sinh hoạt cần được siết chặt và quản lý chặt chẽ hơn nữa

Hiện nay, đã có rất nhiều công ty xử lý nước thải sinh hoạt được thànhlập và đi vào hoạt động nhằm cải thiện tình trạng ô nhiễm nguồn nước hiệnnay với nhiều phương pháp xử lý phù hợp với điều kiện kinh tế nước ta

Hình 1.1 Một trong những nhà máy xử lý nước thải tại Hà Nội

1.2 Ảnh hưởng nước thải sinh hoạt đến môi trường

1.2.1 Ảnh hưởng đến môi trường tự nhiên

 Môi trường đất: Nước thải sẽ làm tăng BOD trong sinh thái môi trường

đất Những đo đạc cho biết, có khi BOD lên đến 10.000ppm trong khi ngưỡngBOD trong dung dịch là 20ppm Đồng thời với nó là hàng loạt các vi sinh vậtgây thối nồng nặc xuất hiện làm hại môi trường sinh thái Ngoài ra, nước thảisinh hoạt còn gây ô nhiễm Ecoli, Coliform, ô nhiễm chất tẩy rửa cho môitrường đất

 Môi trường nước: Nước thải không được xử lý thích đáng cho chảy vào

ao hồ, đầm phà, sông ngòi sẽ làm cho các thủy vực này bị nhiễm bẩn gây hậuquả xấu đối với nguồn nước:

 Làm thay đổi tính chất hóa lý, độ trong, màu , mùi vị, độ pH, hàmlượng các chất hữu cơ, vô cơ, các kim loại nặng có độc tính, chất nổi, chấtlắng cặn…

 Làm thay đổi hệ sinh vật trong nước, kể cả vi sinh vật, xuất hiệncác vi sinh gây bệnh, làm chết các sinh vật nước

Ô nhiễm nguồn nước mặt chủ yếu là do tất cả các dạng nước thải chưaqua xử lý xả vào nguồn nước làm thay đổi các tính chất lý, hóa và sinh họccủa nguồn nước Sự có mặt các chất độc hại trong nước thải xả vào nguồnnước sẽ làm phá vỡ cân bằng sinh thái tự nhiên và kìm hãm quá trình tự làm

sạch của nguồn nước Khả năng tự làm sạch của nguồn nước phụ thuộc vàođiều kiện xáo trộn và pha loãng của nước tải với nguồn Sự có mặt các vi sinhvật, trong đó có các vi khuẩn gây bệnh, đe dọa tính an toàn vệ sinh nguồnnước Kết quả nguồn nước không thể sử dụng cho cấp nước sinh hoạt, chotưới tiêu thủy lợi và nuôi trồng thủy sản.

 Môi trường không khí: Trong nước thải sinh hoạt, hàm lượng chất hữu

cơ cao, mà trong quá trình phân hủy chất hữu cơ tạo nên mùi hôi thối gây mất

mỹ quan và làm ô nhiễm môi trường không khí trong khu vực

Hình 1.2 Nước thải sinh hoạt trên sông Tô Lịch

1.2.2 Ảnh hưởng đến sinh vật và con người

Vi khuẩn có hại trong nước có nguồn gốc từ chất thải sinh hoạt của conngười và động vật như virut gây nên bệnh tả, thương hàn và bại liệt Nó chính

là nguyên nhân gây nên các vụ dịch, lây lan các bệnh nguy hiểm, làm chobệnh dịch ngày càng lan rộng

Thế nên để đảm bảo an toàn sức khỏe cho gia đình và người thân thìchính chúng ta cần phải ngay từ bây giờ nỗ lực bảo vệ nguồn nước tránh bị ônhiễm và có biện pháp an toàn cho nguồn nước mình đang sử dụng

Hình 1.3 Nước thải sinh hoạt ảnh hưởng tới sinh vật sống

1.3 Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải

Với các thành phần ô nhiễm có trong nước thải là các tạp chất nhiễmbẩn có tính chất khác nhau, từ các loại không tan cho đến chất ít tan và cảnhững hợp chất tan trong nước, việc xử lý nước thải là loại bỏ những tạp chất

đó, làm sạch nước và có thể đưa nước vào nguồn tiếp nhận hoặc đưa vào tái

sử dụng Việc lựa chọn phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt thích hợpthường được căn cứ trên đặc điểm của các loại tạp chất có trong nước thải,căn cứ dựa vào chất thải sinh hoạt sau khi đã phân loại Các phương phápchính thường được sử dụng trong các công trình xử lý nước thải sinh hoạt là:

Các quá trình xử lý sinh học bằng phương pháp kỵ khí và hiếu khí cóthể xảy ra ở điều kiện tự nhiên và nhân tạo Trong các quá trình xử lý nhân

tạo người ta tạo điều kiện tối ưu cho quá trình oxy hóa nên quá trình xử lý cótốc độ và hiệu xuất cao hơn xử lý sinh học tự nhiên.

Hiếu khí Kỵ khí Thiếu khí Kết hợp hiếu khí - kỵ khí

Acr otan k

Đĩa quay

Mươn

g oxy hóa

Tự nhiên Nhân tạo

UA SB

Lọc

kỵ khí

Kỵ khí tiếp xúc

Ao sinh học

kỵ khí

Ao hồ hiếu khí

- kỵ khí

Hình 1.4 Quy trình xử lý sinh học

a Phương pháp sinh học nhân tạo

 Quá trình kỵ khí

Quá trình kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng

Bể phản ứng yếm khí tiếp xúc: Quá trình phân hủy xảy ra trong bể kínvới bùn tuần hoàn Hỗn hợp bùn và nước thải trong bể được khuấy trộn hoàntoàn, sau khi phân hủy hỗn hợp được đưa sang bể lắng hay bể tuyến nổi đểtách riêng phần bùn và nước Bùn tuần hoàn trở lại bể kỵ khí, lượng bùn dưthải bỏ thường rất ít do tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật thường khá chậm

Bể xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dòng nước đi từ dưới lên (UASB): Quátrình kỵ khí ứng dụng rộng rãi nhất thế giới do:

Cả 3 quá trình phân hủy, lắng bùn, tách khí được lắp đặt trong cùng mộtcông trình

Tạo thành các loại hạt có mật độ vi sinh vật rất cao và tốc độ lắng vượt

xa so với bùn hoạt tính dạng lơ lửng

Ít bùn dư nên giảm chi phí xử lý bùn và lượng bùn sinh ra dễ tách nước.Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm chi phí bổ sung dinh dưỡng

Có khả năng thu hồi năng lượng từ khí mêtan

Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám

Bể lọc kỵ khí: Là một bể chứa vật liệu tiếp xúc để xử lý chất hữu cơchứa carbon trong nước thải Nước thải được dẫn vào bể từ dưới lên hoặc từtrên xuống, tiếp xúc với lớp vật liệu mà trên đó có vi sinh vật kỵ khí sinhtrưởng và phát triển Vì vi sinh vật được giữ trên bề mặt vật tiếp xúc màkhông bị rửa trôi theo nước sau xử lý nên thời gian lưu tế bào sinh vật rất cao.

Bể phản ứng: Có dòng nước đi qua lớp cặn lơ lửng và lọc tiếp qua lớpvật liệu lọc cố định là dạng kết hợp giữa quá trình xử lý kỵ khí lơ lửng vàdính bám

 Quá trình hiếu khí

Quá trình xử lý hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng

Trong quá trình bùn hoạt tính, các chất hữu cơ hòa tan và không hòa tanchuyển hóa thành bông bùn sinh học (quần thể vi sinh vật hiếu khí) có khảnăng lắng dưới tác dụng của trọng lực Nước chảy liên tục vào bể Aerotank,trong đó khí được đưa vào và xáo trộn cùng với bùn hoạt tính nhằm cung cấpoxy cho vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ Dưới điều kiện như thế, vi sinh vậtsinh trưởng, tăng sinh khối và kết thành bông bùn Hỗn hợp bùn và nước thảichảy đến bể lắng đợt 2 và tại đây bùn hoạt tính lắng xuống đáy Lượng lớnbùn hoạt tính (25 ÷ 75% lưu lượng) tuần hoàn về bể Aerotank để giữ ổn địnhmật độ vi khuẩn, tạo điều kiện phân hủy nhanh chất hữu cơ

Để thiết kế và vận hành hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí một cách hiệuquả cần phải hiểu rõ vai trò quan trọng của quần thể vi sinh vật Các vi sinhvật này sẽ phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải và thu năng lượng đểchuyển hóa thành tế bào mới, chỉ một phần chất hữu cơ bị oxy hóa hoàn toànthành CO2, H2O, NO3-, SO42-… Một cách tổng quát vi sinh vật tồn tại trong hệthống bùn hoạt tính bao gồm: Pseudomonas, Zoogloea, Flacobacterium,Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium, … và hai loại vi khuẩn Nitrate hóa:Nitrosomonas, Nitrobacter

Quá trình xử lý hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám

Bể lọc sinh học: Chứa đầy vật liệu tiếp xúc, là giá thể cho vi sinh vậtsống bám Nước thải được phân bố đều trên bề mặt lớp vật liệu bằng hệ thốngquay hoặc vòi phun Quần thể vi sinh vật sống bám trên giá thể tạo nên màngnhầy sinh học có khả năng hấp thu và phân hủy chất hữu cơ có trong nướcthải Quần thể vi sinh vật này có thể bao gồm vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí và tùynghi: nấm, tảo, ốc, động vật nguyên sinh,… trong đó vi khuẩn tùy nghi chiếm

ưu thế

Phần bên ngoài lớp màng nhầy (khoảng 0.1 ÷ 0.2mm) là loại vi sinh vậthiếu khí Khi vi sinh vật phát triển, chiều dày lớp màng ngày càng tăng, visinh vật lớp ngoài tiêu thụ hết oxy khuếch tán trước khi oxy thấm vào bêntrong Vì vậy gần sát bề mặt giá thể môi trường kỵ khí hình thành Khi lớpmàng dày, chất hữu cơ chất hữu cơ bị phân hủy hoàn toàn ở bên ngoài, vi sinhsống gần bề mặt giá thể thiếu nguồn cơ chất, chất dinh dưỡng dẫn đến tìnhtrạng phân hủy nội bào và mất đi khả năng bám dính Nước thải sau xử lýđược thu qua hệ thống thu nước đặt bên dưới Hệ thống thu nước này có cấutrúc rổ để tạo điều kiện cho không khí lưu thông trong bể Sau khi ra khỏi bể,nước thải vào bể lắng đợt 2 để loại bỏ màng vi sinh tách khỏi giá thể Nướcsau xử lý có thể tuần hoàn để pha loãng nước thải đầu vào bể lọc sinh học,đồng thời duy trì độ ẩm cho màng nhầy

Bề lọc sinh học tiếp xúc quay (RBC) gồm: Các đĩa tròn polystyren hoặcpolyvinyl chloride đặt gần sát nhau Đĩa được nhúng chìm một phần trongnước thải và quay với tốc độ chậm Tương tự như bể lọc sinh học, màng visinh hình thành và bám dính trên bề mặt đĩa Khi đĩa quay mang sinh khốitrên đĩa tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và sau đó tiếp xúc với oxy.Đĩa quay tạo điều kiện chuyển hóa oxy và luôn giữ sinh khối trong điều kiệnhiếu khí Đồng thời, khi đĩa quay tạo nên lực cắt loại bỏ các màng vi sinhkhông còn khả năng bám dính và giữ chúng ở dạng lơ lửng để đưa sang bểlắng đợt 2 Trục RBC phải tính toán đủ đĩa vật liệu nhựa và lực quay

b Phương pháp sinh học tự nhiên

 Cánh đồng tưới

Dẫn nước thải theo hệ thống mương đất trên cánh đồng tưới, dùng bơm

và ống phân phối phun nước thải lên mặt đất Một phần nước bốc hơi, phầncòn lại thấm vào đất để tạo độ ẩm và cung cấp một phần chất dinh dưỡng chocây cỏ sinh trưởng Phương pháp này chỉ được dùng hạn chế ở những nơi cólượng nước thải nhỏ, vùng đất khô cằn, xa khu dân cư, độ bốc hơi cao và đấtluôn thiếu độ ẩm

Ở cánh đồng tưới không được trồng rau xanh và cây thực phẩm vì vikhuẩn, virus gây bệnh và kim loại nặng có trong nước thải chưa được loại bỏ

sẽ gây tác hại đến sức khỏe của người sử dụng các loại rau và cây thực phẩm

 Xả nước thải vào ao, hồ, sông, suối

Nước thải được xả vào những nơi vận chuyển và chứa nước có sẵn trong

tự nhiên để pha loãng chúng và tận dụng khả năng tự làm sạch của các nguồnnước tự nhiên

Khi xả nước thải vào nguồn tiếp nhận nước của nguồn tiếp nhận sẽ bịnhiễm bẩn Mức độ nhiễm bẩn phụ thuộc vào lưu lượng và chất lượng nướcthải, khối lượng và chất lượng nước có sẵn trong nguồn, mức độ khuấy trộng

để pha loãng Khi lưu lượng và tổng hàm lượng chất bẩn trong nước thải nhỏhơn so với nguồn nước của nguồn tiếp nhận, oxy hòa tan có trong nước đủ đểcấp cho quá trình làm sạch hiếu khí các chất hữu cơ Tuy nhiên, các chất lơlửng, vi trùng gây bệnh và kim loại nặng nếu không loại bỏ trước vẫn đe dọađến sức khỏe và sinh hoạt cộng đồng thông qua hoạt động của các loài cá,chim và hoạt động của các loài sinh vật có ích khác

 Hồ sinh vật

Tùy theo nồng độ oxy hòa tan có trong hồ, hệ thống hồsinh vật đượcphân loại thành: (1) hồ hiếu khí, (2) hồ hiếu khí tùy tiện, và (3) hồ kỵ khí

Hồ hiếu khí: Có diện tích rộng, chiều sâu cạn Chất hữu cơ trong nước

thải được xử lý chủ yếu nhờ sự cộng sinh giữa tảo và vi khuẩn sống ở dạng lơlửng Oxy cung cấp cho vi khuẩn nhờ sự khuếch tán qua bề mặt và quang hợp

của tảo Chất dinh dưỡng và CO2 sinh ra trong quá trình phân hủy chất hữu cơđược tảo sử dụng Để đạt được hiệu quả tốt có thể cung cấp thêm oxy bằngcách thổi khí nhân tạo Hồ hiếu khí có 2 dạng:

- Có mục đích là tối ưu sản lượng tảo, hồ này chiều sâu cạn (0.15 ÷ 0.45m)

- Tối ưu lượng oxy cung cấp cho vi khuẩn, chiều sâu hồ này khoảng 1.5m

Hình 1.5 Mối quan hệ cộng sinh giữa tảo và vi sinh vật hiếu khí

Hồ hiếu khí tùy tiện: Trong hồ tùy tiện tồn tại 3 khu vực: (1) khu vực

bề mặt, nơi đó chủ yếu là vi khuẩn và tảo sinh sống cộng sinh; (2) khu vựcđáy, tích lũy cặn lắng và cặn này bị phân hủy nhờ vi khuẩn kỵ khí; (3) khuvực trung gian, chất hữu cơ trong nước thải chịu sự phân hủy của vi khuẩn tùynghi Có thể sử dụng máy khuấy để tạo điều kiện hiếu khí trên bề mặt khi tảitrọngcao Tải trọng thích hợp dao động trong khoảng 70 ÷ 140kgBOD5/ha/ngày

Hồ kỵ khí: Được sử dụng để xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ và

hàm lượng cặn cao Độ sâu hồ kỵ khí phải lớn hơn 2,4m và có thể đạt đến9,1m với thời gian lưu nước dao động trong khoảng 20 - 50 ngày Quá trình

ổn định nước thải trong hồ xảy ra dưới tác dụng kết hợp của quá trình kết tủa

và quá trình chuyển hóa chất hữu cơ thành CO2, CH4, các khí khác, các acidhữu cơ và tế bào mới Hiệu suất chuyển hóa BOD5 /ha.ngày có thể đạt đến70% – 85%

Hình 1.6 Sơ đồ hồ hiếu khí tùy tiện

1.3.2 Phương pháp hóa lý

Phương pháp hóa lý trong hệ thống xử lý nước thải là áp dụng các quátrình vật lý và hóa học để đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó để gây tácđộng với các tạp chất bẩn, biến đổi hóa học, tạo thành các chất khác dướidạng cặn hoặc chất hòa tan nhưng không độc hại hoặc không gây ô nhiễmmôi trường

a Keo tụ

Các hạt cặn có kích thước nhỏ hơn 10-4mm thường không thể tự lắngđược mà luôn tồn tại ở trạng thái lơ lửng Muốn loại bỏ các hạt cặn lơ lửngphải dùng đến biện pháp xử lý cơ học kết hợp với biện pháp hóa học tức làcho vào nước cần xử lý các chất phản ứng để tạo ra các hạt keo có khả năngkết dính lại với nhau và liên kết các hạt lơ lửng trong nước tạo thành các bôngcặn lớn hơn có trọng lượng đáng kể Do đó các bông cặn mới tạo thành dễdàng lắng xuống ở bể lắng Để thực hiện quá trình keo tụ, người ta cho vàotrong nước các chất keo tụ thích hợp như: phèn nhôm Al2(SO4)3, phèn sắt loại

FeSO4, Fe2(SO4)3 hoặc FeCl3 Các loại phèn này được đưa và nước dưới dạngdung dịch hòa tan.

b Tuyến nổi

Bể tuyến nổi dùng để tách các tạp chất (ở dạng lắng hoặc lỏng) phân tánkhông tan, tự lắng kém ra khỏi nước Ngoài ra còn dùng để tách các hợp chấthòa tan như chất hoạt động bề mặt và gọi là bể tách bọt hay làm đặc bọt Quátrình tuyến nổi được thực hiện bằng cách sụt các bọt khí nhỏ vào pha lỏng.Các bọt khí này sẽ kết dính với các hạt cặn, khi khối lượng riêng của tập hợpbọt khí và cặn nhỏ hơn khối lượng riêng của nước, cặn sẽ theo bọt khí nổi lên

bề mặt Tùy theo phương thức cấp khí vào nước, quá trình tuyển nổi bao gồmcác dạng sau: tuyến nổi bằng phân tán khí, tuyến nổi chân không, tuyến nổibằng khí hòa tan

c Hấp phụ

Phương pháp hấp phụ được ứng dụng rộng rãi để làm sạch nước thải triệt

để khỏi các chất hữu cơ hòa tan sau khi xử lý bằng phương pháp sinh học,cũng như khi nồng độ của chúng không cao và không bị phân hủy bởi vi sinhvật hay chúng rất độc Ưu điểm của phương pháp này là hiệu quả cao 80 ÷95% có khả năng xử lý nhiều chất trong nước thải đồng thời có khả năng thuhồi các chất này

Quá trình hấp phụ được thực hiện bằng cách cho tiếp xúc 2 pha khônghòa tan là pha rắn (chất hấp phụ) với pha khí hoặc pha lỏng Dung chất (chất

bị hấp thụ) sẽ đi qua từ pha lỏng (pha khí) đến pha rắn cho đến khi nồng độdung chất trong dung dịch được cân bằng Các chất hấp phụ thường được sửdụng: than hoạt tính, tro, xỉ, mạt cưa, silicegen, keo nhôm

d Trao đổi ion

Phương pháp này có thể khử tương đối triệt để các tạp chất ở trạng tháiion trong nước như: Zn, Cu, Cr, Ni, Hg, Mn,… cũng như các hợp chất củaAsen, Phospho, Cyanua, chất phóng xạ Phương pháp này cho phép thu hồi

các chất có giá trị và đạt được mức độ làm sạch cho nên được dùng nhiềutrong việc tách muối trong xử lý nước thải.

1.3.3 Phương pháp xử lý hóa học

Phương pháp hóa học thường dùng trong hệ thống xử lý nước thải sinhhoạt gồm có: trung hòa, oxy – hóa khử, tạo kết tủa hoặc phản ứng phân hủycác hợp chất độc hại Phương pháp này có ưu điểm là hiệu quả xử lý cao,thường được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt khép kin.Tuy nhiên phương pháp này cũng có một số nhược điểm nhất định như chiphí vận hành hệ thống cao, không phù hợp với các hệ thống xử lý nước thải

có quy mô lớn

a Phương pháp trung hòa

Nhằm trung hòa nước thải có pH quá cao hoặc quá thấp nhằm tạo điềukiện cho các quá trình xử lý hóa lý và xử lý sinh học

Mặc dù quá trình rất đơn giản về mặt nguyên lý nhưng vẫn có thể gây ramột số vấn đề trong thực tế như: giải phóng các chất ô nhiễm dễ bay hơi, sinhnhiệt, làm sét, rỉ thiết bị máy móc

Vôi (Ca(OH)2) thường được sử dụng rộng rãi như một bazơ để xử lý cácnước thải có tính axit, axit sulfuric (H2SO4) là một chất tương đối rẻ tiền dùngtrong xử lý nước thải có tính bazơ

b Phương pháp oxy hóa – khử

Phương pháp này dùng để khử trùng nước thải

Chuyển một nguyên tố hòa tan sang kết tủa hay một nguyên tố hòa tansang thể khí

Biến đổi một chất lỏng không phân hủy sinh học thành nhiều chất đơngiản có khả năng đồng hóa bằng vi khuẩn

Loại bỏ các kim loại nặng như: Cu, Pb, Zn, Cr, Ni, As,… và một số độcchất như Cyanua

Các chất oxy hóa thông dụng: Ozon (O3), Chlorine (Cl2), Kalipermanganate (KMnO4), Hydroperoxide (H2O2)

Quá trình này thường phụ thuộc rõ rệt vào pH và sự hiện diện của chấtxúc tác.

c Kết tủa hóa học

Kết tủa hóa học thường dùng để loại trừ các kim loại nặng trong nước.Phương pháp kết tủa hóa học thường được sử dụng nhất là phương pháp tạocác kết tủa với soda cũng có thể được sử dụng để kết tủa các kim loại dướidạng Hydroxide (Fe(OH)3), Carbonate (CdCO3)

Sơ đồ công nghệ:

Hình 1.7 Quy trình xử lý hóa học

1.3.4 Phương pháp cơ học

a Song chắn rác hoặc lưới lọc

Song chắn rác thường được đặt trước hệ thống xử lý nước thải, trướctrạm bơm trên đường tập trung nước thải chảy vào hầm bơm nhằm giữ lại cácloại rác, các tạp chất có kích thước lớn và đồng thời bảo vệ các công trìnhbơm, tránh ách tắc đường ống, mương dẫn

Hình 1.8 Song chắn rác và lưới lọc

Song chắn rác thường đặt vuông góc với dòng chảy, song chắn gồm cácthanh kim loại (thép không rỉ) có tiết diện 5 x 20 (mm) đặt cách nhau 20 – 50(mm) trong một khung thép hàn hình chữ nhật, dễ dàng trượt lên trượt xuốngdọc theo hai khe ở thành mương dẫn, vận tốc nước qua song chắn Vmax ≤ 1m/s(ứng với Qmax) Lưới chắn rác thường được đặt nghiêng 45o – 60o so vớiphương thẳng đứng, vận tốc nước qua lưới lọc Vmax ≤ 0,6m/s Khe rộng mắtlưới từ 10 – 20 (mm) Làm sạch song chắn và lưới lọc bằng thủ công haybằng các dụng cụ cơ khí tự động, bán tự động Ở trên hoặc ở bên cạnh mươngdẫn đặt song chắn rác phải bố trí sàn thao tác đủ để bỏ thùng rác và vậnchuyển

b Hố gom

Nước thải sinh hoạt được gom theo mương dẫn rồi chảy vào hầm bơmkhi đã qua song chắn rác hay lưới lọc sẽ được chứa ở hầm bơm Sau đó, nướcthải sẽ được vận chuyển đến hố gom nhờ hệ thống trạm bơm, máy bơm vàđường ống đã được xây dựng và tiến hành xử lý các hệ thống sau:

Hình 1.9 Hố gom nước thải

Nước thải sinh hoạt được tập trung tại hố gom sẽ tiến hành tách dầu mỡtrong bể tách dầu mỡ nhằm loại bỏ các tạp chất có khối lượng nhỏ hơn nước

c Bể điều hòa

Trong quá trình sinh hoạt, lưu lương và chất lượng nước thải thườngkhông giống nhau tại các thời điểm, nước thải đầu vào không ổn định khiếnviệc xử lý gặp nhiều khó khăn, xây dựng các công trình xử lý tốn kém màhiệu quả đem lại không cao, thậm chí có thể gây hư hại thiệt bị… Chính vìvậy, việc đảm bảo chất lượng và lưu lượng nước thải đầu vào là điều kiệnquan trọng để xử lý nước thải các bước tiếp theo Bể điều hòa chính là côngtrình được đưa ra để giải quyết vấn đề này

Bể điều hòa được phân loại như sau:

 Bể điều hòa lưu lượng

 Bể điều hòa nồng độ

 Bể điều hòa nồng độ và lưu lượng

Hình 1.10 Bể điều hòa

Bể điều hòa kiểm soát biến thiên lưu lượng nước thải theo từng giờtừng ngày, tạo dòng ổn định cho bước xử lý kế tiếp Kiểm soát sự biến độngthành phần chất thải trong nước thải để tránh hiện tượng sốc tải, xử lý sơ bộhoặc điều chỉnh một vài thông số nước thải (pH, độ đục…) Máy thổi khítrong bể điều hòa sẽ cấp khí và hòa trộn đồng đều không khí trên toàn diệntích bể, ngăn ngừa hiện tượng lắng cặn ở bể gây ra mùi khó chịu.Nước thảisau khi điều hòa sẽ được bơm lên thiết bị sinh học hiếu khí

d Thiết bị sinh học – Bể lắng – Khử trùng

 Thiết bị sinh học

Thiết bị sinh học được sử dụng là thiết bị sinh học hiếu khí Trong thiết

bị sinh học hiếu khí, các sinh vật hiếu khí sử dụng oxy hòa tan phân hủy vàchuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải thành sinh khối, CO2 và nước.Các vi sinh vật thành lập thành tập đoàn, dưới dạng các bông bùn hợp tính.Nguồn oxy hòa tan được cung cấp bởi máy thổi khí thông qua hệ thống ốngphân phối khí Khi nguồn oxy được đảm bảo, quá trình oxy hóa sinh học cácchất ô nhiễm và quá trình nitrat hóa diễn ra triệt để Kết quả làm nước sạch vàkhối vi sinh vật tăng lên

 Bể lắng

Sau khi xử lý bằng sinh học hiếu khí, nước thải sẽ được chảy qua

bể lắng để tách sinh khối vi sinh vật có trong dòng nước thải theo nguyên tắctrọng lực Các bể lắng có thể bố trí nối tiếp nhau Quá trình lắng tốt có thể loại

bỏ 90% – 95% lượng cặn có trong nước thải Vì vậy đây là quá trình quantrọng trong xử lý nước thải, bể lắng thường được bố trí ở đâu hoặc sau xử lýsinh học Để có thể tăng cường quá trình lắng ta có thể thêm vào chất đông tụsinh học

Hình 1.11 Bể lắng hình chữ nhật và hình tròn

Sau khi nước thải ở bể lắng được xử lý thì nước thải sẽ được phân phốivào ống lắng trung tâm, bùn sẽ lắng xuống đáy bể, nước trong sẽ chảy tràn bềmặt và theo hệ thống máng thu nước chảy về bể khử trùng

 Bể khử trùng nước thải

Khử trùng nước thải là quá trình loại bỏ trong nước thải những vi sinhvật có khả năng lây bệnh, là hàng rào cần thiết và cuối cùng chống lại sự phơinhiễm của người với những vi sinh vật gây bệnh, bao gồm vi khuẩn, virus…

Cơ sở phương pháp khử trùng bằng các chất hóa chất là sử dụng chấtoxy hóa mạnh hơn để oxy – hóa men của tế bào vi sinh vật và tiêu diệt chúng.Các hóa chất thường dùng là: halogen clo, brom, clo dioxit, các hypoclorit vàmuối của chúng, ozon… Phương pháp khử trùng bằng hóa học mang lại hiệuquả cao nên được sử dụng rộng rãi, chất được dùng nhiều nhất để khử trùng làClo

Clo là một chất oxy - hóa mạnh, ở bất cứ dạng nào, nguyên chất hayhợp chất, khi clo tác dụng với nước đều cho các phân tử axit hypoclorua(HOCl), một hợp chất có khả năng khử trùng rất mạnh.

Cơ chế tác động của Clo: Quá trình hủy diệt vi sinh vật xảy ra qua haigiai đoạn, giai đoạn đầu chất khử trùng khuếch tán xuyên qua vỏ tế bào của visinh vật, sau đó phản ứng với men bên trong tế bào và phá hoại quá trình traođổi chất dẫn đến diệt vong

Tốc độ phản ứng quá trình khử trùng được xác định bằng động học củaquá trình khuếch tán chất diệt trùng qua vỏ tế bào và động học của quá trìnhphân hủy men tế bào Tốc độ quá trình khử trùng tăng khi nồng độ chất khửtrùng và nhiệt độ nước tăng, ngoài ra tốc độ khử trùng còn phụ thuộc vàodạng không phân ly của chất khử trùng, vì quá trình khuếch tán qua vỏ tế bàoxảy ra nhanh hơn cả quá trình phân ly Tốc độ khử trùng còn phụ thuộc vào cảhàm lượng các chất hữu cơ, các cặn lơ lửng và các chất khử khác Khi trongnước có hàm lượng cao của các chất này thì tốc độ quá trình khử trùng sẽgiảm đi đáng kể

Khả năng khử trùng của Clo phụ thuộc vào nồng độ HOCl có trongnước còn nồng độ HOCl phụ thuộc vào lượng ion H+trong nước hay độ pHcủa nước khi:

 pH = 6 thì HOCl chiếm 99,5% còn OCl- chiếm 0,5%

 pH = 7 thì HOCl chiếm 79% còn OCl- chiếm 21%

 pH = 8 thì HOCl chiếm 25% còn OCl- chiếm 75%

HOCl không phân ly là thành phần khử trùng chính trong nước, thànhphần này có giá trị cao khi độ pH thấp, điều đó cũng nói lên quá trình dùngClo để khử trùng nước chỉ có hiệu quả cao khi độ pH thấp Khi nước có mặtamoniac hoặc hợp chất chứa nhóm amoni chúng có thể tác dụng axithypoclorit để sinh thành các hợp chất cloamin:

NH3 + HCl → NH2Cl + H2Omonocloramine

NH2Cl + HOCl → NHCl2 + H2Odicloramine tricloramineNHCl2 + HOCl → NCl3 + H2OSản phẩm monocloramine (NH2Cl ) và dicloramine (NHCl2 ) sinh thànhtùy thuộc vào độ pH của môi trường nước Trị số pH càng cao, lượng Clo kếthợp để tạo thành dicloramine càng thấp và nồng độ monocloramine càng cao.Hơn nữa nhiều nghiên cứu cho rằng khả năng khử trùng của mono cloraminethường thấp hơn so với dicloramine khoảng từ 3 đến 5 lần, còn so với Clo thìkhả năng khử trùng của dicloramine lại thấp hơn từ 20 đến 25 lần Chính điều

đó giải thích vì sao khử trùng nước ở độ pH thấp lại mang lại hiệu quả cao

Để đảm bảo quá trình khử trùng hoàn toàn đạt hiệu quả, người tathường tính đến một lượng Clo dư thích hợp trong nước sau quá trình khửtrùng Trong hệ thống khử trùng có chưa amoniac hoặc các hợp chất có chứanhóm amoni, lượng clo dư tham gia phản ứng tạo thành cloramine được gọi làClo kết hợp, tổng hàm lượng của Clo tự do dưới dạng Cl2, HOCl và OCl- .Lượng Clo kết hợp được gọi là Clo hoạt tính khử trùng do khả năng khử trùngcủa Clo tự do và Clo kết hợp khác nhau mà lượng Clo dư cần thiết để đảmbảo khử trùng triệt để cũng được đánh giá ở mức khác nhau

e Xử lý cặn nước thải

 Đặc tính của cặn nước thải

Thành phần của cặn nước thải sinh hoạt: màng vi sinh vật, rác nghiềnnhỏ, chất hữu cơ chiếm 60 – 80% chất hữu cơ tổng

Thành phần hóa học trong cặn nước thải sinh hoạt:

Xử lý cặn hiệu quả nhất là xử lý bằng phương pháp lên men kỵ khí với

sự tham gia của vi sinh vật kỵ khí Quá trính sinh hóa kỵ khí các chất hữu cơrất phức tạp có quá nhiều chất hữu cơ như chất hữu cơ (C) acid béo và biogas(CO2, CH4, H2), chất hữu cơ (N) như NH3 và N2, chất hữu cơ (S) H2S Sau khilên men thì tính chất cặn thay đổi và thể tích cũng thay đổi theo (không tan +chất tan + khí) Quá trình lên men kỵ khí gồm hai giai đoạn đó là:

Giai đoạn lên men acid:

Dưới tác dụng của men vi sinh vật (VSV) các chất hữu cơ của cặn sẽphân hủy và biến đổi thành các sản phẩm đơn giản:

Protid → Peptid và axitaminChất béo → Glicerin và axit béo(H, C) → đường đơn giảnSau đó chuyển hóa tất cả các chất trên thành sản phẩm cuối của giaiđoạn lên men acid (chủ yếu là các acid hữu cơ như axit butylic, axitpropionic, axit acetic với pH < 7) Các vi sinh vật kỵ khí dùng ở giai đoạn này

là nấm, vi khuẩn butyric, propionic nên thể tích cặn không giảm và có mùihôi

Giai đoạn lên men kiềm:

Lên men kiềm hay lên men metan chuyển hóa các sản phẩm cuối củagiai đoạn lên men acid thành CH4, CO2 , H2 với vi sinh vật tham gia là các vikhuẩn tạo CH4 như: methano bacterium, methanococus, methanosarica

Sau quá trình khử trùng nước thì nước phải đảm bảo đạt A – QCVN40:2011/BTNMT sẽ được xả vào môi trường tiếp nhận Còn bùn rắn lắng từthiết bị lắng sinh học sẽ được đưa về bể phân hủy bùn Quá trình ổn định bùn

kỵ khí sẽ diễn ra trong thời gian dài làm cho bùn ổn định, mất mùi hôi và dễlắng Từ bể phân hủy bùn, bùn được tách nước và định kỳ hút đem xử lý.Nước sau khi tách bùn sẽ được tuần hoàn trở lại bể gom và tiếp tục xử lý

Chương 2 - GIỚI THIỆU PLC S7-300, CẢM BIẾN

VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH 2.1 Khái quát chung về PLC

2.1.1 Lịch sử phát triển PLC

Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) đượcsáng tạo ra từ ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng GeneralMotors vào năm 1968 nhằm thay thế những mạch điều khiển bằng Rơle vàthiết bị điều khiển rời rạc cồng kềnh

Đến giữa thập niên 70, công nghệ PLC nổi bật nhất là điều khiển tuần

tự theo chu kỳ và theo bít trên nền tảng của CPU Thiết bị AMD 2901 vàAMD 2903 trở nên ngày càng phổ biến Lúc này phần cứng cũng phát triển:

bộ nhớ lớn hơn, số lượng ngõ vào/ra nhiều hơn, nhiều loại module chuyêndụng hơn Vào năm 1976, PLC có khả năng điều khiển các ngõ vào/ra ở xabằng kỹ thuật truyền thông, khoảng 200 mét

Đến thập niên 80, bằng sự nỗ lực chuẩn hoá hệ giao tiếp với giao diện

tự động hoá, hãng General Motors cho ra đời loại PLC có kích thước giảm, cóthể lập trình bằng biểu tượng trên máy tính cá nhân thay vì thiết bị lập trìnhđầu cuối chuyên dụng hay lập trình bằng tay

Đến thập niên 90, những giao diện phần mềm mới có cấu trúc lệnhgiảm và cấu trúc của những giao diện được cung cấp từ thập niên 80 đã đượcđổi mới

Cho đến nay những loại PLC có thể lập trình bằng ngôn ngữ cấu trúclệnh (STL), sơ đồ hình thang (LAD), sơ đồ khối (FBD)

Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như: Siemens, Allen-Bradley,General Motors, Omron, Mitsubishi, Festo, LG, GE Fanuc, Modicon

PLC của Siemens gồm có các họ: Simatic S5, Simatic S7, SimaticS500/505 Mỗi họ PLC có nhiều phiên bản khác nhau, chẳng hạn như:Simatic S7 có S7-200, S7-300, S7-400, S7-1200 Trong đó mỗi loại S7 có

nhiều loại CPU khác nhau như S7-300 có CPU 312, CPU 314, CPU 316,CPU 315-2DP, CPU 318-2

Hình 2.1 Các loại PLC của hãng Siemens

Bộ xử lý còn gọi lả bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi

xử lý Bộ xử lý biên dịch các tín hiệu vào và thực hiện các hoạt động điềukhiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyếtđịnh dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị ra

Nguyên lý làm việc của bộ xử lý tiến hành theo từng bước tuần tự, đầu

tiên các thông tin lưu trữ trong bộ nhớ chương trình được gọi lên tuần tự vàđược kiểm soát bởi bộ đếm chương trình Bộ xử lý liên kết các tín hiệu và đưakết quả điều khiển tới đầu ra Chu kỳ thời gian này gọi là thời gian quét(scan) Thời gian một vòng quét phụ thuộc vào dung lượng của bộ nhớ, vàotốc độ của CPU.

b Bộ nguồn

Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp cho

bộ vi xử lý (thường là 5V) và cho các mạch điện đầu ra hoặc các module cònlại (thường là 24V)

c Bộ nhớ

Bộ nhớ là nơi lưu giữ chương trình sử dụng cho các hoạt động điềukhiển Các dạng bộ nhớ có thể là RAM, ROM, EPROM Người ta luôn chếtạo nguồn dự phòng cho RAM để duy trì chương trình trong trường hợp mấtđiện nguồn, thời gian duy trì tuỳ thuộc vào từng PLC cụ thể Bộ nhớ cũng cóthể được chế tạo thành module cho phép dễ dàng thích nghi với các chứcnăng điều khiển có kích cỡ khác nhau, khi cần mở rộng có thể cắm thêm

d Thiết bị lập trình

Thiết bị lập trình được sử dụng để lập các thương trình điểu khiển cầnthiết sau đó được truyền cho PLC, thiết bị lập trình có thể là thiết bị lập trìnhchuyên dụng, có thể là thiết bị lập trình cầm tay gọn nhẹ, có thể là phần mềmđược cài đặt trên máy tính cá nhân

e Giao diện đầu vào/ra

Giao diện vào là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi vàtruyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài Tín hiệu vào có thể từ các côngtắc, các bộ cảm biến nhiệt độ, các tế bào quang điện Tín hiệu ra có thể cungcấp cho các cuộn dây công tắc tơ, các rơle, các van điện từ, các động cơ nhỏ Tín hiệu vào/ra có thể là tín hiệu rời rạc, tín hiệu liên tục, tín hiệu logic Cáctín hiệu vào/ra có thể thể hiện như hình 2.3

Các tham số điều khiển như: nhiệt

độ, áp suất, áp lực

Các tín hiệu báo động

Hình 2.3 Giao diện đầu vào/ra

Các kênh vào/ra đã có các chức năng cách ly và điều hòa tín hiệu saocho các bộ cảm biến và các bộ tác động có thể nối trực tiếp với chúng màkhông cần thêm mạch điện khác

Tín hiệu vào thường được ghép cách điện (cách ly) nhờ linh kiện quangnhư hình 2.3 Dải tín hiệu nhận vào cho các PLC cỡ lớn có thể là 5V, 24V,110V, 220V Các PLC cỡ nhỏ thường chỉ nhận tín hiệu 24V

Tín hiệu ra cũng được ghép cách ly, có thể cách ly kiểu rơ le, cách lykiểu quang Tín hiệu ra có thể là tín hiệu chuyển mạch 24V – 100A, 110V –1A một chiều, thậm chí 240V – 1A xoay chiều tùy vào loại PLC Tuy nhiênvới PLC cỡ lớn dải tín hiệu ra có thế thay đổi bằng cách lựa chọn các modulethích hợp

2.1.3 Vòng quét chương trình

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi

là vòng quét (Scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữliệu từ cổng vào số tới vùng đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chươngtrình Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đếnlệnh kết thúc của khối OB1 (Block End) Sau giai đoạn thực hiện chương

trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số.Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi.

Hình 2.4 Vòng quét chương trình

Thời gian cần thiết để PLC thực hiện một vòng quét gọi là thời gianvòng quét (scan time), thời gian vòng quét không cố định mà tùy thuộc vào sốlệnh trong chương trình được thực hiện và khối lượng dữ liệu được truyềnthông trong vòng quét đó

Đối với các cổng vào/ra tương tự không liên quan đến bộ đếm I và Qnên các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lýchứ không thông qua bộ đếm

2.1.4 Ưu nhược điểm của PLC trong tự động hóa

Sự ra đời của hệ điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống điềukhiển cũng như các khái niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển PLC có những

ưu điểm như sau:

- Giảm 80% số lượng dây nối.

- Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp.

- Khả năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho việc sửa chữa được nhanh

chóng và dễ dàng

- Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình (màn

hình, máy tính) mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêmbớt các thiết bị vào ra

- Số lượng rơ-le và timer ít hơn nhiều so với hệ điều khiển cổ điển.

- Số lượng tiếp điểm sử dụng trong chương trình không hạn chế.

- Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất là nhanh (cỡ vài ms)

nên nâng cao tốc độ sản xuất

- Chương trình có thể in ra giấy chỉ trong vài phút giúp thuận tiện cho

vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống

- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ đọc, gọn nhẹ, dễ dàng bảo

quản, sửa chữa, thời gian lắp đặt ngắn

- Dung lượng bộ nhớ lớn có thể chứa được những chương trình phức tạp.

- Giao tiếp với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng,

các module mở rộng

- Độ tin cậy cao, chuẩn hóa được phần cứng điều khiển Thích ứng trong

các môi trường khắc nghiệt: nhiệt độ, ẩm ướt, áp suất, độ ẩm…

Nhược điểm của PLC đó là yêu cầu người vận hành có đủ kiến thứcchuyên môn vận hành, phải có trình độ chuyên môn, sự hiểu biết để sử dụngthiết bị

Rõ ràng so với hệ thống điều khiển bằng rơ-le thì hệ thống điều khiểnbằng PLC có ưu thế tuyệt đối về khả năng linh động, mềm dẻo và hiệu quảgiải quyết bài toán cao

2.1.5 Ứng dụng của PLC trong công nghiệp

Từ những ưu điểm trên, hiện nay PLC được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp như:

- Công nghiệp sản xuất nhựa

- Công nghiệp sản xuất cơ khí

- Sản xuất xe hơi

- Máy rút tiền tự động

- Điều khiển khu vui chơi

…

2.2 PLC S7 – 300

2.2.1 Các module S7 – 300

PLC S7-300 được thiết kế theo kiểu module Các module này sử dụngcho nhiều ứng dụng khác nhau Việc xây dựng PLC theo cấu trúc module rấtthuận tiện cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng cho việc mởrộng hệ thống Số các module được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng ứngdụng, song tối thiểu bao giờ cũng có một module chính là module CPU

Hình 2.5 Cấu hình một trạm PLC S7 – 300

a Module CPU

Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ,các bộ định thời, bộ đếm và cổng truyền thông (RS485) và có thể có một vàicổng vào/ra số Các cổng vào ra số này được gọi là cổng vào ra onboard

Trong họ PLC S7-300 các module CPU được đặt tên theo bộ vi xử lí cótrong nó, như: module CPU312, module CPU314, module CPU318,

Hình 2.6 Một số CPU của S7 – 300

b Module mở rộng

 Module nguồn PS307 của S7 – 300

Module PS307 có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn xoay chiều 120/230Vthành nguồn một chiều 24V để cung cấp cho các module khác của PLC.Ngoài ra còn có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho các cảm biến và các cơ cấu tácđộng có công suất nhỏ Module nguồn PS307 có 3 loại: 2A, 5A và 10A

Mặt trước của module nguồn gồm có:

- Một đèn Led báo hiệu trạng thái điện áp ra 24V.

- Một công tắc dùng để bật/tắt điện áp ra.

- Một nút dùng để chọn điện áp đầu vào là 120VAC hoặc 230VAC.

- Mặt sau của module gồm có các lỗ dùng để nhận điện áp vào và ra.

 Module mở rộng tín hiệu vào/ra:

- DI (Digital Input): Module mở rộng các cổng vào số, số các cổng vào số mở

rộng có thể là 8, 16, 32 tùy thuộc vào loại module

- DO (Digital Output): Module mở rộng các cổng ra số, số các cổng ra số

mở rộng có thể là 8, 16, 32 tùy thuộc vào loại module

- DI/DO (Digital Input/Digital Output): Module mở rộng các cổng vào/ra

số Số các cổng vào/ra số có thể là 8 vào/8 ra hoặc 16 vào/16 ra tùy thuộctừng loại module

- AI (Analog Input): Module mở rộng các cổng vào tương tự, số cổng

vào tương tự có thể là 2, 4, 8 tùy thuộc vào từng module

- AO (Analog Output): Module mở rộng các cổng ra tương tự, số cổng ra

tương tự có thể là 2, 4 tùy thuộc vào từng module

- AI/AO (Analog Input/Analog Output): Module mở rộng các cổng

vào/ra tương tự, số cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4 vào/4 ratùy thuộc vào từng loại module

 Module ghép nối (Interface Module – IM):

Là loại module chuyên dụng có nhiệm vụ ghép nối từng nhóm module

mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi một module