Đề Tài Mô Hình Hóa Nhà Máy Xử Lý Nước Thải

- Nhu cầu oxy sinh hóa Biochemical Oxygen Demand - BOD: là chỉ tiêu thông dụng nhất để xác định mức độ ô nhiễm của nước thải, BOD là lượng oxy vi sinh vật đã sử dụng trong quá trình oxy

Lêi nãi ®Çu

Nước là nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá, là yếu tố quan

trọng tối cần thiết cho sự tồn tại và sức khỏe của con người Hiện nay cùng với quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước và bùng nổ dân số thì các khu công nghiệp mới được mở ra các khu đô thị, dân cư mới được dựng nên kéo theo đó là hiện trạng ô nhiễm môi trường nhất là môi trường nước làm cho môi trường nước ở nước ta từ dồi dào sẽ có nguy cơ cạn kiệt và ô nhiễm nghiêm trọng Ảnh hương đến sức khỏe đời đời sống nhân dân, ảnh hưởng đến môi trường sinh thái cảnh quan đô thị, môi sinh trong khu vực gần đây nhất là hiện tượng dịch tiêu chảy cấp ở Hà Nội, là công ty VEDAN ở TP.Hồ Chí Minh, tại Bình Định là hiện tượng ô nhiễm do chế biến tinh bột mì tươi rất nghiệm trọng

“nước ngầm của 17 giếng khảo sát ở xã Hoài Hảo-Hoài Nhơn có độ sâu từ 20m, thì có 14 giếng bị ô nhiễm hữu cơ, 80% nguồn nước ngầm bị ô nhiễm từ nước thải của chế biến tinh bột mì Nước giếng có mùi hôi không thể sử dụng cho ăn uống sinh hoạt Chỉ tiêu NO3 vượt nhiều lần so với TCVN 5944-1995 Các chỉ tiêu: BOD5, COD, SS vượt gấp nhiều lần tiêu chuẩn cho phép (TCVN 5945-1995- loại B) Đáng chú ý là CN (xi-a-nua) vượt chuẩn hàng trăm lần Qua phân tích mẫu cho thấy, nước Ô nhiễm này bắt nguồn từ nước thải chế biến tinh bộ mì thẩm thấu nhiều năm gây nên”…,là mầm mống gây những căn bệnh nan y như tả, lỵ, thương hàn…Qua đây ta thấy nguyên nhân chính gây ra tình trạng này là do nước thải chưa được làm sạch trước khi đưa lại môi trường Vì thế xử lý nước thải đã trở thành vấn đề cấp bách và bức xúc hiện nay Nó đặt ra nhiệm vụ cho cả cộng đồng đặc biệt là những người làm việc trong lĩnh vực quản lý, hoạt động môi trường và kỹ thuật phải có chương trình hành động và biện pháp thiết thực, kịp thời khắc phục, giải quyết.

10-Đứng trước vấn đề cấp bách này, Nhà nước ta đã có những chính sách

cụ thể nhằm giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường nước nhằm mục tiêu phát triển kinh tế bền vững và cải thiện chất lượng đời sống người dân Nằm trong định hướng phát triển đó, nhiều nhà máy và công trình xử lý nước thải với quy

mô khác nhau đã được cải tạo, xây dựng và đưa vào vận hành.

Do đặc thù của nhà máy xử lý nước thải là hoạt động 24/24, với nhu cầu

xử lý thay đổi thường xuyên theo mùa trong năm và theo giờ trong ngày, trong khi công suất thiết kế của nhà máy là cố định nên nhà máy cần sự có điều tiết

lưu lượng thường xuyên để đảm bảo cả về số lượng cũng như chất lượng nước được xử lý Do đó hệ thống cung cấp điện cũng như các thiết bị trong nhà máy phải hoạt động an toàn, tin cậy và tự động hoá ở mức độ cao Bên cạnh đó, nhà máy sử dụng một lượng lớn tải bơm nước và quạt gió và các thiết bị điện hoạt động suốt ngày đêm và tiêu tốn rất nhiều điện năng Do đó để đáp ứng kêu gọi của Nhà nước về tiết kiệm điện và cũng vì mục tiêu bảo vệ môi trường, vấn đề tiết kiệm năng lượng trong nhà máy xử lý nước thải cũng rất đáng được quan tâm và triển khai trong thực tế.

Đề tài MÔ HÌNH HÓA NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI cũng xuất phát

từ quan điểm trên Đề tài gồm 7 chương với nội dung sau:

Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ xử lý nước thải.

Chương 2: Mô hình và giải pháp điều khiển hệ thống xử lý nước thải.

Chương 3: Một số loại cảm biến xử dụng trong nhà máy xử lý nước thải.

Chương 4: Máy bơm trong nhà máy xử lý nước thải.

Chương 5: Biến tần giải pháp triệt để tiết kiệm năng lượng trong nhà máy xử lý nước thải Chương 6: Nâng cao hệ số công suất trong hệ thống cung cấp điện nhà máy.

Chương 7: Mô hình hệ thống công nghiệp SYSTELEC – bể trung gian MARVILLE.

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

1.1 Những vấn đề chung về xử lý nước thải 1

1.2 Sơ đồ các quy trình xử lý 5

1.3 Xử lý nước thải bằng phương pháp lý học 6

1.4 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học 12

1.5 Xử lý nước thải bằng phương pháp hoá học 14

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH VÀ GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 2.1 Điều khiển quá trình 16

2.2 Phân loại quá trình 18

2.3 Mô hình quá trình là gì? 18

2.4 Các biến quá trình trong một số giai đoạn xử lý nước thải 18

2.5 Giải pháp điều khiển nhà máy xử lý nước thải 22

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI 3.1 Cảm biến lưu lượng dạng tua bin 29

3.2 Thiết bị đo mức nước dạng phao 29

3.3 Cảm biến siêu âm đo mức nước 30

3.3 Cảm biến nồng độ Oxy 31

CHƯƠNG 4: MÁY BƠM TRONG NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI 4.1 Định nghĩa máy bơm 33

4.2 Phân loại máy bơm 34

4.3 Cấu tạo và phân loại bơm cánh quạt 34

4.4 Máy bơm ly tâm 35

4.5 Các thông số và năng lượng chính của máy bơm 37

4.6 Động cơ điện kéo máy bơm và chọn động cơ điện 41

4.7 Điểm làm việc và hiệu chỉnh điểm làm việc của máy bơm 42

CHƯƠNG 5: BIẾN TẦN PHẢI PHÁP TRIỆT ĐỂ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI

5.1 Bộ biến tần làm việc như thế nào? 49

5.2 Nguyên lý tiết kiệm năng lượng 49

5.3 Tính toán hiệu quả tiết kiệm điện năng 52

5.4 Kết luận 59

CHƯƠNG 6: NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN NHÀ MÁY 6.1 Bản chất của công suất phản kháng 60

6.2 Các thiết bị điện cần công suất phản kháng… 61

6.3 Hệ số công suất 61

6.4 Vì sao cần nâng cao hệ số công suất? 62

6.5 Các phương pháp bù công suất phản kháng 63

6.6 Thi bị bù công suất phản kháng 64

6.7 Vị trí lắp đặt tủ tụ bù 67

6.8 Mức độ bù tối ưu 70

6.9 Kết luận về bù công suất phản kháng 70

CHƯƠNG 7: MÔ HÌNH HỆ THỐNG CÔNG NGHIỆP SYSTELEC - BỂ TRUNG GIAN MARVILLE 7.1 Giới thiệu mô hình Systelec 71

7.2 Bể Composite 75

7.3 Tủ điện 77

7.4 Các mạch khởi động động cơ trong công nghiệp 81

7.5 Đưa mô hình nhà máy xử lý nước thải vào hoạt động 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu do thầy giáo PGS.TS Lê Văn Doanh và các thầy giáo tại Trung Tâm

Đào Tạo Bảo Dưỡng Công Nghiệp cung cấp

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ

XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1.1 Những vấn đề chung về xử lý nước thải

1.1.1 Một số khái niệm cơ bản trong công nghệ xử lý nước thải

a Định nghĩa nước thải

Nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người

và đã bị thay đổi tính chất ban đầu của chúng

b Phân loại

Nước thải thường được phân loại theo nguồn gốc phát sinh ra chúng Đócũng là cơ sở cho việc lựa chọn các biện pháp hoặc công nghệ xử lý Theo cáchphân loại này ta có các loại nước sau đây:

Nước thải sinh hoạt: là nước thải từ các khu dân cư, khu vực hoạt động

thương mại, công sở, trường học và các cơ sở tương tự

Nước thải sản xuất: là nước thải từ các hoạt động sản xuất, có thể là hoạt

động công nghiệp hoặc nông nghiệp.v.v Ở đó nước được sử dụng như mộtloại nguyên liệu thô hoặc phương tiện để sản xuất

Nước thải tự nhiên: là nước (thường là nước mưa) thấm vào hệ thống

cống bằng nhiều cách khác nhau

Nước thải đô thị: là thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống

thoát của một thành phố, là hỗn hợp của các loại nước thải kể trên

c Thành phần tính chất của nước thải:

Thành phần nước thải được phân tích theo những đặc điểm vật lý, hóahọc, sinh vật và vi sinh vật

- Theo đặc điểm vật lý: các chất bẩn trong nước thải được chia thành:

+ Các tạp chất không tan ở dạng lơ lửng, kích thước lớn, với kích

hoặc kích thước lớn như giẻ, vải, giấy, que củi v.v…

đến 10-6 mm.

+ Các chất bẩn dạng tan có kích thước nhỏ hơn 10-6 mm Chúng có

thể ở dạng phân tử hoặc phân ly thành ion

Nước thải sinh hoạt có mùi hôi thối khó chịu Khi vận chuyển trong

đường cống sau khoảng 2-6 giờ thấy xuất hiện mùi hyđrô sunfua, nước có mầu

sẫm Hàm lượng các chất bẩn càng cao, nước thải càng có mầu và càng thấyđục

- Theo đặc điểm hóa học: nước thải chứa các hợp chất hóa học dạng vô

cơ từ nước cấp như sắt, manhê, canxi, silic v.v… và rất nhiều chất hữu cơ trong

sinh hoạt Nước thải vừa xả ra thường có tính kiềm, nhưng dần trở nên có tínhaxit vì thối rữa Các chất hữu cơ trong nước thải có thể xuất xứ từ thực vật,

động vật Chất hữu cơ có thể chia thành các chất chứa nitơ (urê, prôtêin, amin,

axit amin …) hoặc không chứa nitơ (mỡ, xà phòng, hyđrocacbon, xenlulô).

Trong nước thải, các chất bẩn dạng vô cơ chiếm khoảng 42% có phân bố chủyếu ở dạng tan, các chất bẩn dạng hữu cơ chiếm 58%, có phân bố nhiều ở dạngkeo và không tan

- Theo đặc điểm sinh vật và vi sinh vật: trong nước thải có chứa nhiều

loại vi sinh vật như nấm men, nấm mốc, tảo, vi khuẩn,… trong đó có loài vi khuẩn gây bệnh tả, lỵ, thương hàn … Những loài vi sinh vật này chủ yếu đặc trưng cho nước thải sinh hoạt và một số nước thải sản xuất (lò mổ, nhà máy da,

len ).

d Các thông số quan trọng của nước thải:

- Hàm lượng chất rắn lơ lửng (Total Suspended Solid - TSS): là chỉ tiêu

cho phép đo gần đúng lượng bùn sẽ được khử trong lắng sơ cấp Hàm lượngchất rắn có trong nước thải được xác định là tổng chất rắn còn lại sau khi bay

- Hàm lượng oxy hòa tan (Dissolved oxygen - DO): là chỉ tiêu quan trọng

nhất, khi thải các chất thải sử dụng oxy vào nguồn nước, các quá trình oxy hóachúng sẽ làm giảm nồng độ oxy hòa tan trong các nguồn nước, đe dọa sự sốngcác loài sinh vật sống trong nước

- Nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand - BOD): là chỉ tiêu

thông dụng nhất để xác định mức độ ô nhiễm của nước thải, BOD là lượng oxy

vi sinh vật đã sử dụng trong quá trình oxy hóa các chất hữu cơ, phương trình

tổng quát của quá trình đó là:

Chất hữu cơ + O2

vi khuân

    CO2 + H2O + tế bào mới + sản phẩm cố định

- Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand - COD): là chỉ số biểu

thị hóa hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải và mức độ ô nhiễm của nước tựnhiên COD là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa hóa học các chất hữu

- Các hợp chất hữu cơ: ngày càng tăng do quá trình công nghiệp hóa và

phát triển công nghệ, có tác động không tốt đến sinh vật, trong đó phải kể đến

chất đioxin Các hợp chất hữu cơ còn có các tác nhân khác như kim loại nặng,

các hóa chất bảo vệ thực vật…

Ngoài ra, còn phải chú ý tới các thông số khác như chỉ thị chất lượng về

vệ sinh của nước, hàm lượng các chất dinh dưỡng (hàm lượng nitơ, photpho,

sunfat …) Những thông số về chất dinh dưỡng ảnh hưởng đến các vi sinh vật

sống trong nước, chúng là các tác nhân quan trọng trong quá trình xử lý nướcthải

1.1.2 Quy trình chung xử lý nước thải

a Các phương pháp xử lý nước thải:

- Phương pháp xử lý vật lý: Phương pháp này dùng để loại các chất

không tan và một phần các chất dạng keo trong nước thải Các công trình xử lý

vật lý bao gồm: song chắn rác, bể lắng cát, bể lắng, bể vớt dầu mỡ, bể lọc…

Các chất thô như que, củi, giấy, giẻ… được giữ lại ở song chắn rác, các tạp chấtkhông tan dạng vô cơ như cát sỏi, gạch vỡ, thủy tinh… được tách khỏi nướcbằng bể lắng cát Phần lớn các chất không tan hữu cơ được giữ lại ở bể lắng cácloại Trong đó những chất có trọng lượng riêng lớn hơn trong trọng lượng riêngcủa nước sẽ được lắng xuống đáy bể, các chất nhẹ hơn nước như dầu, mỡ lại nổilên mặt nước Sau đó, cặn lắng ở đáy và chất nổi trên mặt nước lại được gạt tậptrung lại và tách riêng Đối với các chất nổi đặc trưng, tùy thuộc bản chất củachúng có thể dùng các bể đặc biệt như bể vớt dầu, mỡ Những loại bể này chủyếu được sử dụng với nước thải sản xuất

Phương pháp xử lý vật lý thường chỉ là giai đoạn xử lý sơ bộ trước khicho quá trình xử lý sinh học Các công trình xử lý vật lý thường được gọi làcông trình xử lý sơ cấp

- Phương pháp xử lý hóa học và hóa lý: Phương pháp này chủ yếu được

dùng để xử lý nước thải sản xuất hoặc xử lý cặn bùn.

+ Phương pháp hóa học: là phương pháp sử dụng các hóa chất cho

vào nước thải, tạo phản ứng hóa học giữa hóa chất cho vào với các chấtbẩn trong nước thải Kết quả tạo thành các chất kết tủa hoặc chất tannhưng không độc Điển hình của phương pháp hóa học là phương pháptrung hòa nước thải chứa kiềm hoặc axit, phương pháp keo tụ và phươngpháp oxy hóa- khử

+ Phương pháp hóa lý: các phương pháp thường dùng là keo tụ,

hấp thu, hấp phụ, tuyển nổi, bay hơi, cô đặc, đốt cháy, ozon hóa…

- Phương pháp sinh học: Phương pháp này sử dụng khả năng sống, hoạt

động của những vi sinh vật để phân hủy hoặc oxy hóa các chất bẩn hữu cơ trongnước thải Đây là phương pháp phổ biến và kinh tế nhất hiện nay Phương phápnày có thể được tiến hành trong điều kiện tự nhiên hoặc trong điều kiện nhântạo Các công trình xử lý sinh học (trong điều kiện nhân tạo) bao gồm: bể lọc

sinh học (biophin), bể sục khí (aeroten), bể lắng thứ cấp (trong các công trình

xử lý nước thải bể lắng trong giai đoạn xử lý vật lý là bể lắng sơ cấp, bể lắngtrong giai đoạn xử lý sinh học gọi là bể lắng thứ cấp), hầm ủ yếm khí…

Để quá trình xử lý nước thải được triệt để, hoàn thiện và tối ưu, người tacòn phải sử dụng đến quá trình xử lý khác như khử trùng, xử lý cặn, bùn

Các công trình xử lý sinh học được gọi là công trình xử lý thứ cấp Sau

các công trình xử lý thứ cấp, nước thải qua khử trùng và xả ra nguồn Ngày nay

ở những nước phát triển, để xử lý triệt để tức là khử nốt các chất như nitrat,

phôtphat, sunfat có trong nước thải người ta còn dùng công trình xử lý cấp 3.

b Qui trình công nghệ xử lý nước thải:

- Nguyên tắc và yêu cầu xử lý nước thải: Dây chuyền công nghệ xử lý là

tổ hợp công trình, trong đó nước thải được xử lý từng bước theo thứ tự tách cáccặn lớn đến các cặn nhỏ, những chất không hòa tan đến những chất keo và hòatan, khâu cuối cùng là khử trùng

Việc xử lý thường được tiến hành qua các công đoạn sau:

- Điều lưu và trung hòa

- Keo tụ, tạo bông cặn và kết tủa

- Tuyển nổi.

- Xử lý sinh học hiếu khí và yếm khí

- Lắng

- Xử lý cấp 3 (lọc, hấp phụ, trao đổi ion,…)

Việc lựa chọn dây chuyền công nghệ là một bài toán kinh tế kỹ thuật phứctạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thành phần, tính chất nước thải, mức độ cầnthiết làm sạch và các yếu tố khác như: điều kiện địa phương, năng lượng, tínhchất đất đai, diện tích khu xây dựng trạm xử lý, lưu lượng nước thải, công suấtcủa nguồn …

1.2 Sơ đồ các quy trình xử lý

Các qui trình để xử lý nước cống rãnh hoặc nước thải các nhà máy côngnghiệp

Hình1 1: Hệ thống nước thải công nghiệp và đô thị

Hình 1 2: Sơ đồ công nghệ một hệ thống xử lý nước thải

Một số hình ảnh vể nhà máy xử lý nước thải:

Ở khu vực dân cư (nước thải sinh hoạt) và khu vực sản xuất (nước thải

công nghiệp), nước thải được thải ra với lưu lượng biến đổi theo giờ, thời vụ sản

xuất, mùa (mưa, nắng) Trong khi đó các hệ thống sinh học phải được cung cấp nước thải đều đặn về thể tích cũng như về các chất cần xử lý 24/24 giờ Do đó

sự hiện diện của một bể điều lưu là hết sức cần thiết Bể điều lưu có chức năng

điều hòa lưu lượng nước thải và các chất cần xử lý để bảo đảm hiệu quả cho cácqui trình xử lý sinh học về sau, nó chứa nước thải và các chất cần xử lý ở cácgiờ cao điểm, phân phối lại trong các giờ không hoặc ít sử dụng để cung cấp ở

Các lợi ích của bể điều lưu:

- Bể điều lưu làm tăng hiệu quả của hệ thống sinh học do nó hạn chế hiện

tượng "sốc" của hệ thống do hoạt động quá tải hoặc dưới tải về lưu lượng cũng

như hàm lượng các chất hữu cơ, giảm được diện tích xây dựng các bể sinh học(do tính toán chính xác) Hơn nữa, các chất ức chế quá trình xử lý sinh học sẽđược pha loãng hoặc trung hòa ở mức độ thích hợp cho các hoạt động của visinh vật

- Chất lượng của nước thải sau xử lý và việc cô đặc bùn ở đáy bể lắng thứcấp được cải thiện do lưu lượng nạp các chất rắn ổn định

- Diện tích bề mặt cần cho hệ thống lọc nước thải giảm xuống và hiệu suấtlọc được cải thiện, chu kỳ làm sạch bề mặt các thiết bị lọc cũng ổn định hơn

Hình 1.6 Bể điều lưu

Hình 1.7 Công dụng của bể điều lưu

1.3.2 Song chắn rác:

Song chắn rác dùng để giữ lại các chất thải rắn có kích thước lớn trong

nước thải để đảm bảo cho các thiết bị và công trình xử lý tiếp theo Kích thướctối thiểu của rác được giữ lại tùy thuộc vào khoảng cách giữa các thanh kim loạicủa song chắn rác

1.3.3 Bể lắng cát:

Bể lắng cát nhằm loại bỏ cát, sỏi, đá dăm, các loại xỉ,… khỏi nước thải.

Trong nước thải, bản thân cát không độc hại nhưng sẽ ảnh hưởng đến khả nănghoạt động của các công trình và thiết bị trong hệ thống như ma sát làm mòn cácthiết bị cơ khí, lắng cặn trong các kênh hoặc ống dẫn, làm giảm thể tích hữudụng của các bể xử lý và tăng tần số làm sạch các bể này Vì vậy trong các trạm

xử lý nhất thiết phải có bể lắng cát Bể lắng cát thường được đặt phía sau songchắn rác và trước bể lắng sơ cấp

1.3.4 Khuấy trộn

Khuấy trộn là một hoạt động quan trọng trong nhiều giai đoạn khác nhau

của quá trình xử lý nước thải nhằm: trộn lẫn hoàn toàn chất này với chất khác;khuấy trộn duy trì các chất rắn lơ lửng ở trạng thái lơ lửng; khuấy trộn các giọtchất lỏng ở trạng thái lơ lửng; trộn lẫn các chất lỏng; tạo bông cặn và trao đổi

Hình 1.9 Sơ đồ bể lắng cát ngang (hình vuông) với hệ thống

cơ giới để lấy cặn

nhiệt Thường quá trình khuấy trộn còn tạo ra được hiệu quả phụ đó là việccung cấp thêm oxy hoà tan cho quá trình phân hủy sinh học hiếu khí.

Trong xử lý nước thải, người ta thường sử dụng hai kiểu khuấy trộn:

Khuấy trộn nhanh, liên tục: thời gian khuấy từ 30 giây trở xuống nhằm

trộn các hóa chất vào nước Quá trình khuấy trộn này có thể diễn ra bởi việcthay đổi áp suất đột ngột ở các rãnh; các ống hay máng khuếch tán; trong đườngống; bởi các bơm; thiết bị khuấy tĩnh hoặc các thiết bị khuấy cơ học (động cơgắn cánh khuấy)

Khuấy liên tục: để giữ các hạt chất rắn, lỏng trong bể ở trạng thái lơ lửng.

Quá trình khuấy trộn này có thể diễn ra bởi: các thiết bị khuấy cơ học; khuấykhí động học; khuấy tĩnh hoặc bơm

Hình 1.10 Hai loại thiết bị khuấy

1.3.5 Bể lắng sơ cấp

Bể lắng sơ cấp dùng để loại bỏ các chất rắn có khả năng lắng (tỉ trọng lớn

hơn tỉ trọng của nước) và các chất nổi (tỉ trọng nhẹ hơn tỉ trọng của nước) bể

lắng sơ cấp có thể loại được 50  70% chất rắn lơ lửng, 25  40% BOD của

nước thải

Nếu bể lắng sơ cấp được thiết kế như là giai đoạn sửa soạn cho quá trình

xử lý sinh học thì các thông số tính toán có thể thay đổi như là thời gian lưu tồn

Hình 1.11 Thiết bị khuấy trộn Clo bể khử trùng

ngắn hơn, lưu lượng nạp cho một đơn vị diện tích lớn hơn so với trường hợp bểlắng sơ cấp là phương pháp xử lý duy nhất.

Trước khi vào bể lọc sinh học (bể sục khí), hàm lượng chất lơ lửng trong nước không được quá 150 mg/l Thời gian lắng khi đó chọn không dưới 1,5 giờ Nếu hàm lượng chất lơ lửng cho phép lại trong nước đã lắng trên 150 mg/l, thời gian lắng có thể giảm xuống 0,5  1 giờ.

Bể lắng sơ cấp có thể có hình chữ nhật hoặc hình trụ tròn, được trang bịthêm thiết bị gạt váng trên bề mặt và gạt bùn dưới đáy bể

Phân loại các hiện tượng lắng trong việc xử lý nước thải

Lắng

từng hạt

riêng lẻ

Xảy ra đối với nước thải có hàm lượng chất rắn

lơ lửng thấp Các hạt được lắng xuống riêng lẻ,

không xảy ra phản ứng đáng kể nào đối với các hạt

nên một cấu trúc nào đó và các hạt này phải được

đưa lên tục vào cấu trúc đó.

Diễn ra ở đáy của các bể lắng thứ cấp và trong các thiết

bị cô bùn.

1.3.6 Bể keo tụ và tạo bông cặn:

Phương pháp này là phương pháp kết hợp giửa phương pháp hoá học và lýhọc Mục đích của phương pháp này nhằm loại bỏ các hạt chất rắn khó lắng haycải thiện hiệu suất lắng của bể lắng Cấu tạo của bể này là loại bể lắng cơ họcthông thường, nhưng trong quá trình vận hành, chúng ta thêm vào một số chất

keo tụ như phèn nhôm, polymer để tạo điều kiện cho quá trình keo tụ và tạo

bông cặn để cải thiện hiệu suất lắng

Hình 1.12 Quá trình tạo bông cặn

Hình 1.13 Sơ đồ bể kết tủa bông cặn

Các chất thường dùng cho quá trình keo tụ là muối sắt và muối nhôm Các chất thường dùng để tạo bông cặn là polyacrilamids

1.3.7 Bể lọc nước thải bằng các hạt lọc

Quá trình lọc nhằm loại bỏ các chất rắn lơ lửng hoặc các bông cặn (từ quátrình keo tụ hoặc tạo bông cặn), bể lọc còn nhằm mục đích khử bớt nước củabùn lấy ra từ các bể lắng Quá trình lọc dựa trên nguyên tắc chủ yếu là khi nước

thải đi qua một lớp vật liệu có lổ rỗng, các chất rắn có kích thước lớn hơn các lổrỗng sẽ bị giữ lại Có nhiều loại bể lọc khác nhau nhưng ít có loại nào sử dụngtốt cho quá trình xử lý nước thải Hai loại thường sử dụng trong quá trình xử lý

nước thải là bề lọc cát và trống quay Các hạt lọc thường dùng là cát, sỏi,

than

Hình 1.14 Sơ đồ một số bể lọc

1.4 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Quá trình xử lý sinh học thường theo sau quá trình xử lý cơ học để loại bỏcác chất hữu cơ trong nước thải nhờ hoạt động của các vi khuẩn Tùy theo nhóm

vi khuẩn sử dụng là hiếu khí hay yếm khí mà người ta thiết kế các công trình

khác nhau Tùy theo khả năng về tài chính, diện tích đất mà người ta có thểdùng ao hồ có sẵn hoặc xây dựng các bể nhân tạo để xử lý

Trong các bể xử lý sinh học các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu

vì nó chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải Trongcác bể bùn hoạt tính một phần chất thải hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khíhay yếm khí sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ còn lạithành tế bào vi khuẩn mới Ngoài các vi khuẩn các vi sinh vật khác cũng đóngvai trò quan trọng trong các bể bùn hoạt tính Ví dụ như các nguyên sinh độngvật ăn vi khuẩn làm cho nước thải đầu ra sạch hơn về mặt vi sinh Trong các bểnày chúng ta phải duy trì một mật độ vi khuẩn cao tương thích với lưu lượngcác chất ô nhiễm đưa vào bể Điều này có thể thực hiện thông qua quá trìnhthiết kế và vận hành Trong quá trình thiết kế chúng ta phải tính toán chính xác

thời gian tồn lưu của vi khuẩn trong bể xử lý và thời gian này phải đủ lớn để các

vi khuẩn có thể sinh sản được Trong quá trình vận hành, các điều kiện cần thiết

cho quá trình tăng trưởng của vi khuẩn (PH, chất dinh dưỡng, nhiệt độ, khuấy

trộn ) phải được điều chỉnh ở mức thuận lợi nhất cho vi khuẩn.

1.4.1 Quá trình hiếu khí

Trong quá trình xử lý sinh học hiếu khí các vi sinh vật sẽ sử dụng oxy đểphân hủy chất hữu cơ và quá trình sinh trưởng của chúng tăng nhanh

Nguyên lý của xử lý sinh học hiếu khí là: Vi khuẩn phân hủy các chất hữu

cơ trong bể lọc sinh học, sau đó bùn vi sinh vật từ bể lọc được đưa qua bể sụckhí để tạo bông cặn và khử các chất hữu cơ hòa tan và cuối cùng bông cặn đượclắng dễ dàng trong bể lắng thứ cấp Bùn từ bể lắng thứ cấp được bơm hoàn lưuvào bể lọc sinh học hoạt tính để tăng mật độ vi sinh vật trong bể này Ưu điểmcủa bể lọc sinh học hoạt tính là hiệu suất khử BOD cao (cỡ 60-65%)

1.4.2 Quá trình yếm khí

Các hệ thống yếm khí (hầm ủ) ứng dụng khả năng phân hủy chất hữu cơ

của vi sinh vật trong điều kiện không có oxy Quá trình phân hủy yếm khí chấthữu cơ rất phức tạp liên hệ đến hàng trăm phản ứng và sản phẩm trung gian.Tuy nhiên người ta thường đơn giản hóa chúng bằng phương trình sau đây:

lên men

yếm khí

Hỗn hợp khí sinh ra thường được gọi là khí sinh học hay biogas Thành

dioxide (CO2), Nitrogen (N2), Hydrogen (H2), Hydrogen Sulphide (H2S)…

Quá trình phân hủy yếm khí được chia thành 3 giai đoạn chính như sau:

Hình 1.15 Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí

1.4.3 Khuấy trộn

Khuấy trộn tạo điều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc với chất thải làm tăngnhanh quá trình sinh khí Nó còn làm giảm thiểu sự lắng đọng của các chất rắnxuống đáy hầm và sự tạo bọt và váng trên mặt hầm ủ

Trước đây người ta thường dùng quá trình này để khử bớt chất rắn lơ lửng,sau đó là BOD của nước thải khi có sự biến động lớn về SS, BOD của nước thải

cần xử lý theo mùa vụ sản xuất; khi nước thải cần phải đạt đến một giá trị BOD,

SS nào đó trước khi cho vào quá trình xử lý sinh học và trợ giúp cho các quátrình lắng trong các bể lắng sơ cấp và thứ cấp Hiệu suất lắng phụ thuộc vàolượng hóa chất sử dụng và yêu cầu quản lý Thông thường nếu tính toán tốt quá

trình này có thể loại được 80  90% TSS, 40  70% BOD, 30  60% COD và

80  90% vi khuẩn trong khi các quá trình lắng cơ học thông thường chỉ loại

được 50  70% TSS, 30  40% chất hữu cơ.

a Sử dụng hóa chất để loại chất rắn lơ lửng

Các hoá chất được dùng để loại chtất rắn lơ lửng trong nước thải baogồm:

- Phèn nhôm: Khi được thêm vào nước thải có chứa calcium hay magnesium bicarbonate phản ứng xảy ra như sau:

Al2(SO4)3.18H2O + 3Ca(HCO3)2  3CaSO4 + 2Al(OH)3 + 6CO2 + 18H2O Aluminum hydroxide không tan lắng xuống với một vận tốc chậm kéo

theo nó là các chất rắn lơ lửng Trong phản ứng trên cần thiết phải có 4,5 mg/L

alkalinity (tính theo CaCO3 ) để phản ứng hoàn toàn với 10 mg/L phèn nhôm Do

đó nếu cần thiết phải sử dụng thêm vôi để alkalinity thích hợp

- Vôi: Khi cho vôi vào nước thải các phản ứng sau có thể xảy ra

Ca(OH)2 + H2CO3  CaCO3 + 2H2O Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2  2CaCO3 + 2H2O

Ngoài ra người ta cũng có thể sử dụng phương pháp khác như sử dụng

Sulfate sắt FeSO4 hoặc Ferric chloride (FeCl 3) kết hợp với vôi để tạo kết tủalắng loại bỏ TSS trong công đoạn này

b Sử dụng hóa chất để loại bỏ Phospho trong nước thải

- Vôi: như đã trình bày ở các phương trình trên, khi cho vôi vào nước thải,

khỏi ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học người ta thường dùng vôi ở liều

Tùy theo bản chất của nước thải, qui trình xử lý mà giai đoạn khử phospho

của nước thải có thể diễn ra ở bể lắng sơ cấp, bể lắng thứ cấp, hay bể lắng riêngđặt sau bể lắng thứ cấp

Chương 2 MÔ HÌNH VÀ GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN

HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 2.1 Điều khiển quá trình

Hệ thống điều khiển cho nhà máy xử lý nước thải là một hệ thống điều

khiển quá trình Khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật

điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình côngnghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho conngười, máy móc và môi trường

Quá trình được định nghĩa là là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học

hoặc sinh học trong đó vật chất, thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưutrữ Quá trinh công nghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi, vận chuyểnhoặc lưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ, hoặc

một nhà máy Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như quá trình cấp

liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp, cũng có thể phức tạp hơn như tổ hợp lò phản ứng, tháp chưng luyện hoặc tổ hợp lò hơi tua-bin Theo định nghĩa trên, xử

lý nước thải cũng là một quá trình

Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình được thực hiện qua các

biến quá trình Khái niệm quá trình cùng cùng sự phân loại các biến quá trình

được minh họa trên hình vẽ Một biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện

phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu,

nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt,… Một biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện

phản ánh tác động từ quá trình ra bên ngoài, ví dụ nồng độ hoặc lưu lượng sảnphẩm ra … Nhìn từ quan điểm của lý thuyết hệ thống, các biến vào thể hiện

nguyên nhân trong khi các biến ra thể hiện kết quả Bên cạnh các biến vào ra, ta

cũng quan tâm tới các biến trạng thái Các biến trạng thái mang thông tin về

trạng thái bên trong quá trình, ví dụ nhệt độ lò, áp suất hơi hoặc mức chất lỏng,

… hoặc cũng có thể là dẫn xuất từ các đại lượng đặc trưng khác, ví dụ như tốc

độ biến thiên nhiệt độ, áp suất hoặc mức Trong nhiều trường hợp một biếntrạng thái cũng có thể coi là một biến ra, ví dụ: mức nước trong bình chứa Mộtcách tổng quát nhiệm vụ của của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp cácbiến vào của quá trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉtiêu cho trước, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đốivới con người và môi trường xung quanh Hơn nữa các diễn biến của quá trình

cũng như các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thốngcần được theo dõi, giám sát chặt chẽ Tuy nhiên trong một quá trình công nghệthì không phải biến vào nào cũng có thể can thiệp dược và không phải biến ranào cũng cần phải điều khiển

Biến cần điều khiển (controlled variables-CV) là một biến ra hoặc một biến

trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị

mong muốn hoặc giá trị đặt (set point, SP) hoặc bám theo một biến chủ đạo/ tín

hiệu mẫu (command variable/ reference signal) Các biến cần điều khiển liên

quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sảnphẩm Nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất và nồng độ là những biến cần điềukhiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình

Biến điều khiển (malnipulated variable, MV) là một biến vào của quá trình

có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới các biến ra theo ýmuốn Trong điều khiển quá trình thì lưu lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất.Những biến vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián

tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm được coi là nhiễu Nhiễu quá trình là

những biến vào tác động lên quá trình kỹ thuật một cách cố hữu nhưng khôngcan thiệp được, ví dụ trọng lượng hành cần nâng, lưu lượng chất lỏng ra, thànhphần nhiên liệu,…

Hình 2.1 Quá trình và phân loại các biến quá trình

Trong nhiều bài toán, việc nhận biết các biến quá trình cũng như lựa chọncác biến được điều khiển và các biến điều khiển không phải bao giờ cũng dễdàng

2.2 Phân loại quá trình

Các quá trình công nghệ được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau.Cách phân loại phổ biến là dựa trên số lượng biến vào và biến ra Một quá trình

chỉ có một biến ra được gọi là quá trình đơn biến, còn nếu có nhiều biến ra thì gọi là quá trình đa biến Một quá trình một vào một ra được gọi tắt là SISO

(single-input single-output), quá trình nhiều vào nhiều ra được gọi là MIMO (multi-inpur multi-output) Có thể nói hầu hết quá trình công nghệ đều là đa

biến Quá trình xử lý nước thải cũng là một quá trình đa biến

2.3 Mô hình quá trình là gì?

Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết

yếu của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng Một mô hìnhphản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó phục vụ hữu ích cho mục đích

sử dụng, nó không chỉ giúp ta hiểu rõ hơn về thế giới thực mà còn cho phép thựchiện một số nhiệm vụ phát triển mà không cần sự có mặt của quá trình và hệthống thiết bị thực, cũng như phân tích kiểm chứng tính đúng đắn của một giảipháp điều khiển một cách thuận tiện và ít tốn kém

2.4 Các biến quá trình trong một số giai đoạn xử lý nước thải

Nước vào sơ cấp

Nước ra sơ cấp

Máy khuấy trộn

Bùn sơ cấp

Bơm 3

* Chú thích:

- Q: Lưu lượng (m 3 /ngày)

- SS: hàm lượng chất rắn lơ lửng (mg/L)

- BOD: Chỉ tiêu đánh giá nồng độ chất thải hữu cơ.

- T-N: Chỉ tiêu đánh giá nồng độ Nitơ.

Hình 2.3 Quá trình trong bể lắng sơ cấp

Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có phương trình quan hệ:

Tổng khối lượng bùn sơ cấp

Tổng khối lượng bùn

trong nước ra sơ cấp

b Các biến và nhiễu

Công suất bơm hoàn lưu bùn

Công suất máy khuấy

Hình 2.5 Sơ đồ công nghệ quá trình xử lý thứ cấp

2.4.3 Xử lý cấp 3

* Các biến và nhiễu

Nhiễu: Q BOD

Biến điều khiển:

Công suất bơm cấp Biến cần điều khiển:

nước rửa ngược

Công suất bơm SS hút nước rửa ngược

Mức nước trong mángTốc độ bơm nước rửa chứa nước rửa

về đầu nhà máy

Sunfuadioxide

Hình 2.6 Sơ đồ công nghệ quá trình xử lý cấp3

2.5 Giải pháp điều khiển nhà máy xử lý nước thải

2.5.1 Xử lý sơ cấp

Phần xử lý sơ cấp bao gồm song chắn rác, bể lắng cát và bể lắng sơ cấp

Nước thải từ hệ thống cống rãnh tập trung ở bể trung gian (bể điều lưu), ngoài

ra còn có bể tràn chứa lượng nước vượt quá dung tích do lũ lụt và xử lý địnhlượng lượng nước này sau khi lũ rút Nước thải từ bể điều lưu được đưa quasong chắn rác và các loại rác có kích cỡ lớn sẽ bị chặn lại rồi vớt lên nhờ băng

tải Sau đó nước được đưa vào bể lắng cát, ở đây các hạt nặng như sỏi, cát… sẽ

lắng xuống đáy bể rồi được vớt lên định kỳ cũng nhờ một băng tải Từ đây, nước

đi vào bể lọc sơ cấp ở đây một thời gian để tiếp tục lắng đọng các hạt nhẹ hơntạo thành lớp bùn dưới đáy bể Để duy trì mức thấp bùn trong bể, người ta bơmbùn ra khỏi bể Nước sau bể lắng sơ cấp lại đi tiếp vào bể sục khí

a Điều khiển mức

- Mô tả: Nước thải đổ vào bể điều lưu có lưu lượng liên lục thay đổi trong

ngày, lưu lượng này dao động từ 0,4 đến 2 lần lưu lượng trung bình Q Đó là

chưa kể trường hợp khi có lũ lụt thì lượng nước lũ cũng tác động rất lớn đến lưulượng này, đòi hỏi công suất bơm của nhà máy phải tăng lên Dòng nước tổng

hợp của nước thải và nước lũ trong thời gian suốt 24 giờ có thể khiến bơm phải

bật tắt thường xuyên và gây va đập thủy lực trong đường ống nước Do đó, ởđây ta sẽ dùng bộ biến tần làm nhiệm duy trì mức nước thải trong bể điều lưu

thấp nhờ tín hiệu đo mức ở dạng điện áp 0-5V hay dòng điện 4-20 mA đưa về bộ

điều khiển để điều chỉnh tốc độ bơm cho phù hợp

- Ứng dụng: Bể điều lưu.

- Ưu điểm: Loại bỏ hiện tượng va đập thủy lực trong đường ống vì bơm sẽ

bật tắt ít hơn Tránh hiện tượng bốc mùi Sunfua và hiện tượng các chất thải rắn

tích tụ trong bể vì ở đây nước được bơm liên tục Tránh tràn bể, giảm thiểu hiệntượng xoáy nước, tiết kiệm năng lượng giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng vàtăng tuổi thọ của bơm

b Điều khiển lưu lượng

- Mô tả: Bể tràn chỉ dùng để chứa nước lũ hoặc nước thải trong thời gian

cao điểm để sau đó điều tiết xử lý vào thời điểm lưu lượng nước thải vào nhàmáy xuống thấp Cách vận hành này giúp nhà máy không bị quá tải khi lưulượng nước cần xử lý tăng cao

- Ứng dụng: Bể phụ.

- Ưu điểm: Nước thải sinh hoạt, nước lũ và nước thải công nghiệp được xử

lý đồng thời mà không làm nhà máy bị quá tải Các giải pháp sau rất có ích:Tăng dung lượng bể phụ, nhờ đó giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng bể Giảmthời gian trữ nước trong bể sẽ hạn chế bốc mùi và lắng rắn Ngoài ra, áp dụngđiều khiển bơm giúp tránh tràn nước thải ra ngoài

c Điều khiển tốc độ hoạt động của băng tải vớt rác ở song chắn rác

- Mô tả: Vào lúc cao điểm, song chắn rác thường bị tràn ngập rác thải và

cần phải vớt rác này đi để tánh bị tắc nghẽn Bộ biến tần điều khiển thiết bị gạttùy theo mức nước Nếu mức nước càng cao thì thiết bị này làm việc với tốc độcàng lớn

- Ứng dụng: Song chắn rác.

- Ưu điểm: Tránh hiện tượng ngập rác và tràn nước do tắc nghẽn bằng cách

điều khiển tốc độ của thiết bị vớt rác tùy theo lượng nước vào Tăng mômenđộng cơ truyền động cho thiết bị vớt khi phải vớt rác nặng

d Điều khiển lượng không khí cấp

- Mô tả: Cung cấp đủ lượng không khí để đẩy các chất rắn lơ lửng lên trên,

giảm thiểu hiện tượng chảy rối trong bể nhằm hỗ trợ các hạt cát, sỏi lắng xuống

đáy dễ dàng hơn

- Ứng dụng: Bể lắng cát.

- Ưu điểm: Cung cấp lượng không khí tối ưu tùy theo lưu lượng và dao

động của nước Tiết kiệm năng lượng bằng cách giảm tốc độ khí khi lưu lượngnước vào thấp

e Điều khiển tốc độ máy khuấy

- Mô tả: Hoạt tính của hóa chất hỗ trợ keo tụ phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ

của máy khuấy Bộ biến tần giúp thiết bị này hoạt động ở một tốc độ tối ưu đểhoạt tính của hóa chất là cao nhất, nhờ đó tăng cường khả năng keo tụ các chấtrắn lơ lửng trong bể lắng sơ cấp Tốc độ của biến tần được điều khiển bằng taynhờ một chiết áp bên ngoài hay tự động điều khiển nhờ tín hiệu đo đưa về từcảm biến đo độ keo tụ

- Ứng dụng: Máy khuấy trộn trong bể lắng

- Ưu điểm: Cải thiện quá trình keo tụ nhờ điều khiển tốc độ máy khuấy trộn

tùy theo tín hiệu đo và xác định hàm lượng hóa chất và cường độ pha trộn tối

ưu Điều khiển vô cấp tốc độ máy khuấy trộn cũng bảo vệ máy khỏi ngắn mạchkhi mật độ chất rắn quá cao Tăng hiệu suất lắng rắn trong bể này

f Điều khiển tốc độ tay gạt bùn

- Mô tả: Thiết bị tay gạt bùn thường phải chịu một ứng lực cắt có thể dẫn

tới hỏng hóc về mặt cơ khí Nguyên nhân là do sự tích tụ các chất cặn xung

quanh nó hoặc do đặc tính của bùn làm nghẽn máy Điều đó có thể loại bỏ được

bằng cách sử dụng biến tần điều khiển tốc độ của thiết bị Tuy biến tần không cókhả năng tạo Momen lớn đến mức có thể gạt các chất rắn đó đi nhưng nó có thểbảo vệ động cơ khỏi tình trạng quá tải

- Ứng dụng: Tay gạt bùn bể lắng sơ cấp.

g Điều khiển mức bùn lắng đọng

- Mô tả: Mức bùn lắng trong bể lắng được khống chế ở mức thấp bằng cách

điều chỉnh tốc độ bơm bùn nhờ biến tần với phản hồi là cảm biến mức

- Ứng dụng: Bơm bùn sau bể lọc sơ cấp.

- Ưu điểm: Duy trì mức bùn thấp Ngăn chặn hiện tượng bùn tràn bể lắng

hoặc phân hủy bùn trong bể

2.5.2 Xử lý thứ cấp

Hệ thống cơ khí bao gồm:

- Máy khuấy trộn bề mặt làm nhiệm vụ sục khí và pha trộn các chất

- Hệ thống xử lý thứ cấp sử dụng bùn hoàn lưu song song với một hệ thống

khử Nitrate Hệ thống này sử dụng các máy khuấy trộn trên bề mặt bể sục khí.

Nước sau phần xử lý sơ cấp cùng với bùn hoàn lưu và Nitrate hoàn lưu cùngđược đưa vào bể lọc sinh học hoạt tính để vi khuẩn phân huỷ các chất hữu cơ.Sau đó chúng được đưa vào bể sục khí để thực hiện phản ứng sinh học và

Nitrate hóa Sau bể sục khí, dòng nước lại đổ vào bể lắng thứ cấp, ở đó các sản

phẩm sẽ bị lắng đọng và tách khỏi nước do có trọng lượng riêng lớn hơn Bùnlắng dưới đáy sẽ bị hút bớt một phần để khống chế bùn trong bể ở mức thấp

a Điều khiển tốc độ máy khuấy trộn

- Mô tả: Sự dao động lưu lượng dòng chảy hàng ngày dẫn đến mức nước

trong bể cũng không ổn định Như vậy, nếu giữ nguyên tốc độ của máy khuấythì mức độ hòa trộn các chất và vi sinh vật sẽ không đều Do đó, biến tần sẽ làmnhiệm vụ điều chỉnh tốc độ máy khuấy một cách hợp lý tùy theo tín hiệu đo củathiết bị phân tích hàm lượng chất rắn nhằm tối ưu hóa điều kiện hòa trộn Người

ta có thể dùng hệ SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) để giám

sát quá trình này

- Ứng dụng: Bể xử lý sinh học.

- Ưu điểm: Điều khiển tốc độ máy khuấy tùy theo hàm lượng chất rắn hữu

cơ (SS) Ngăn ngừa hiện tượng ngắn mạch nếu mật độ các chất này quá cao Cải

thiện quá trình khử Nitrate và phản ứng sinh học do luôn hòa trộn các vi sinh vật

với nước ở một tỉ lệ hợp lý nhất Nâng cao hiệu suất quá trình keo tụ vì các hóachất hỗ trợ keo tụ Phospho luôn được hòa trộn ở điều kiện tốt nhất.

b Bơm hoàn lưu Nitrate

- Mô tả: Đối với các nhà máy có áp dụng phương pháp Nitrate hóa và khử Nitrate, lượng Nitrate dư từ bể sục khí được đưa ngược về bể lọc sinh học hoạt

a Điều chỉnh tốc độ bơm hóa chất

- Mô tả: Lượng hóa chất bơm vào bể được điều chỉnh theo lưu lượng nước

vào, hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS) hay là độ đục của nước của nước sau xử lý

thứ cấp Điều này thực hiện nhờ tín hiệu đo các đại lượng trên đưa về bộ điềukhiển và điều khiển tốc độ của bơm tương ứng theo chương trình điều khiển

- Ứng dụng: Bơm hóa chất vào các bể lọc trong phần xử lý cấp 3.

- Ưu điểm: Thêm lượng hóa chất để duy trì hàm lượng tối ưu trong nước

tùy theo lưu lượng, SS hoặc độ đục của nước Tránh lãng phí, tiết kiệm chi phí

cho hóa chất Tối ưu hóa lượng hóa chất đưa vào còn có thể giúp tránh được tìnhtrạng quá tải do quá nhiều chất rắn bám vào thành bể lọc gây ra Trong trường

hợp sử dụng Polimer, lượng Polimer có thể làm tắc bể lọc, làm giảm hiệu suất

lọc của bể

b Điều khiển tốc độ bơm hút nước rửa ngược

- Mô tả: Rửa ngược đối với bể lọc nhằm làm sạch các màng lọc để không

bị tắc nghẽn Khi bắt đầu chu trình rửa ngược, bơm rửa sẽ nhận tín hiệu từ cáccảm biến đo chênh lệch mức nước vào và ra rồi quyết định lượng nước rửangược cần thiết Dựa vào lượng nước cần cấp, biến tần chính sẽ gửi tín hiệu đếnbiên tần phụ điều khiển tốc độ bơm hút Việc này giúp giảm tỉ lệ thể tích nướcrửa ngược/ thể tích nước được xử lý, qua đó làm tăng hiệu suất của quá trình lọc

- Ứng dụng: Bơm hút nước rửa ngược.

- Ưu điểm: Tăng hiệu suất lọc nhờ giảm thiểu lượng nước rửa ngược Ngăn

ngừa hiện tượng vón cục đối với cặn bằng việc làm rửa bổ sung rất hiệu quả.Điều này thực hiện bằng cách lập trình bộ biến tần để thực hiện quá trình rửangược bổ sung với tốc độ đặt sau khi đã hoàn tất chu trình tráng rửa ngượcthông thường Giảm thiểu thất thoát cát lọc bằng cách điều khiển tốc độ bơmhút Thực hiện tiết kiệm năng lượng nhờ vận hành bơm ở tốc độ thấp trong chutrình rửa ngược sớm trước lọc

c Điều khiển mức trong máng chứa nước rửa ngược

- Mô tả: Nước rửa ngược từ máng chứa được đưa ngược về phía đầu vào

của nhà máy Lượng nước rửa ngược sử dụng thay đổi tùy theo lượng chất rắn lơlửng trong nước cần lọc Biến tần sẽ điều khiển cho phép luân chuyển nước rửangược một cách hiệu quả bằng cách vận hành nó ở các tốc độ khác nhau giúpcho mức nước trong máng được khống chế ở mức thấp Điều này thực hiện bằngcách đo mức trong máng để điều khiển tốc độ bơm cho phù hợp

- Ứng dụng: Bơm lưu chuyển nước rửa ngược

- Ưu điểm: Chống lắng rắn trong máng vì nước rửa ngược luôn được bơm

và lưu chuyển Tránh phải bật/ tắt bơm liên tục gây va đập thủy lực trong đườngống và giảm tuổi thọ bơm Tiết kiệm năng lượng

d Điều khiển lượng hóa chất ở bể khử trùng bằng Clo

- Mô tả: Hàm lượng Clo đưa vào bể được tối ưu hóa nhờ tín hiệu đo lưu

lượng nước đầu vào ở buồng tiếp xúc hoặc thiết bị kiểm soát Clo.

- Ứng dụng: Bơm cấp Clo.

- Ưu điểm: Tránh lãng phí, tiết kiệm chi phí về hóa chất.

e Điều khiển bơm hóa chất ở bể khử Clo

- Mô tả: Lưu lượng chất khử Clo, điển hình là Sulfuadioxit có thể được

điều khiển để đạt lưu lượng tối ưu nhờ biến tần Bộ điều khiển lấy tín hiệu từ

cảm biến đo lưu lượng, đo lượng Sunfite và dư lượng Clo.

- Ứng dụng: Bơm cấp hóa chất cho bể khử Clo.

- Ưu điểm: Giảm chi phí hóa chất cũng như dung tích bình chứa hóa chất

2.5.4 Phần xử lý bùn

Bùn sau bể lắng sơ cấp và bể lắng thứ cấp được xử lý và khử nước quanhiều bước Ví dụ, bể phân huỷ bùn kỵ khí, bể lưu bùn, máy ly tâm và máy nénbùn dùng đai truyền.

a Điều khiển tốc độ bơm cấp bùn

- Mô tả: tốc độ bùn cấp đưa vào bể phân huỷ bùn kỵ khí cần phải được điều

chỉnh nhằm mục đích duy trì thời gian, nhiệt độ của bùn nằm trong bể này phùhợp với công nghệ xử lý Việc này được thực hiện bằng cách phản hồi tín hiệu

đo nhiệt độ bùn và lưu lượng bùn đi vào bể để điều khiển lưu lượng

- Ứng dụng: Bơm cấp bùn vào bể kỵ khí

- Ưu điểm: Duy trì nhiệt độ trong bể kỵ khí giúp tối ưu hóa hoạt động của

bể Tránh xảy ra hiện tượng quá tải đối với bể này

b Điều khiển tốc độ tháo bùn:

- Mô tả: Biến tần điều khiển bơm tháo bùn nhận tín hiệu đo từ cảm biến

mức để điều chỉnh tốc độ của bơm tháo bùn

- Ứng dụng: bơm tháo bùn từ bể phân huỷ bùn kỵ khí.

- Ưu điểm: Tránh được tình trạng quá tải đối với bể lưu bùn phía sau Bùn

được tháo ra dần dần sẽ giảm được dao động nhiệt trong bể kỵ khí Tiết kiệmnăng lượng nhờ điều chỉnh mềm tốc độ bơm bùn Tránh được hiện tượng phảitắt bật thường xuyên làm giảm tuổi thọ bơm

2.5.5 Xử lý khí

Trong các nhà máy xử lý nước thải, nhất là xử lý nước thải đô thị, việc xử

lý khí là rất quan trọng để ngăn mùi hôi thối từ nước bốc lên ảnh hưởng đến môitrường và sức khoẻ của người cán bộ, công nhân viên cũng như các hộ dân sốnggần khu vực nhà máy Xử lý khí được thực hiện bằng cách: Xây phủ kín bêntrên hệ thống xử lý nước thải để không cho mùi phát tán ra bên ngoài, rồi dùngquạt gió ly tâm hút khí từ các bể khác nhau vào một đường ống chung, đưa đếnmột giàn hấp phụ chứa thành phần chính là than hoạt tính để hấp phụ các chấtkhí độc hại này Do đó quạt sử dụng trong hệ thống này cũng thường có tổngcông suất khá lớn

H ình 3.1 Cảm biến lưu lượng dạng tua bin

Chương 3 MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG

CÁC NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI 3.1 Cảm biến lưu lượng dạng tua bin

Cảm biến lưu lượng dạng tua bin có một guồng đạp nước, trục của guồng

được đặt trong lòng ống dẫn, vuông góc với dòng chảy Ở mỗi cánh quạt củaguồng có gắn các tấm nam châm Khi có dòng chảy trong đường ống, nănglượng của dòng chảy sẽ làm cho các guồng quay, các tấm nam châm gắn ở cánhquạt của guồng cũng quay theo, sự thay đổi vị trí của các tấm nam châm dẫn đến

sự thay đổi về điện cảm trong mạch của cảm biến tiệm cận, sự thay đổi đó sẽđược cảm biến tiệm cận chuyển sang các tín hiệu dạng xung Như vậy khi có

dòng chảy trong ống thì có tín hiệu đưa về PLC, còn khi không có dòng chảy

trong ống sẽ không có tín hiệu

3.2 Thiết bị đo mức nước dạng phao

Thiết bị sử dụng đo mức nước trong các bể có thể là loại cảm biến đo mứctheo nguyên lý phao nổi, dùng để đo ba mức nước Một mình nó tương đương với

ba cảm biến đo mức độc lập Cấu tạo chính cảm biến đo mức nước gồm có 3 phaonổi và 3 tiếp điểm tương ứng với ba mức nước cần đo

Hình 3.2 Cảm biến đo mức nước Hình 3.3 Tiếp điểm của cảm biến

Các phao sẽ được thả treo trong bể với độ cao định trước, tương ứng vớimỗi mức nước cần đưa ra tín hiệu cho PLC xử lý Ở đây ta sử dụng cảm biến đo

mức model 3PFHCP của hãng EPG có phao màu đỏ (red) tương ứng với mức nước đầy trong bể, phao màu xanh dương (blue) tương ứng với mức nước làm việc của máy khuấy, phao màu vàng (yellow) tương ứng với mức nước cạn trong

bể Tiếp điểm của phao màu đỏ là tiếp điểm thường đóng, khi nước trong bể đạtmức đầy, phao nổi và tiếp điểm thường đóng trở thành tiếp điểm hở Tiếp điểmcủa phao màu vàng và xanh dương và là tiếp điểm thường hở, khi nước dânglàm phao nổi, tiếp điểm được đóng lại

Trên hình các dây màu đỏ (red), xanh dương (blue), cam (orange) là dây

đưa tín hiệu báo trạng thái của các tiếp điểm, còn dây trắng (white) và dây đen(black) là dây nối với nguồn

3.3 Cảm biến siêu âm đo mức nước

Cảm biến mức dạng phao có ưu điểm là đơn giản và rẻ tiền, tuy nhiên lại

có nhược điểm là không đo được giá trị chính xác của mức nước trong bể mà chỉxác định được các phạm vi của mức nước mà thôi Do đó, với hệ thống điềukhiển tốc độ biến tần - động cơ điều khiển tốc độ theo mức nước thì cần phảidùng một loại cảm biến khác chính xác hơn, như cảm biến mức bằng sóng siêu

âm chăng hạn

Nguyên lý hoạt động của loại cảm biến này như sau:

Ở trên đỉnh bể chứa ta đặt một nguồn phát siêu âm mạnh Nguồn phátphát ra luồng siêu âm theo chiều từ trên xuống đáy bể Khi luồng siêu âm này

Hình 3.5: Kích thước của cảm biến đo nồng độ Oxy

Hình 3.4: Hình ảnh bên ngoài của

cảm biến đo nồng độ Oxy

gặp bề mặt chất lỏng, nó phản xạ lên và đến đầu thu, thời gian từ lúc phát đếnlúc thu là:

T x=2h x C

Trong đó:

C là tốc độ truyền siêu âm trong không khí (cỡ 300 m/s)

ra mực nước là:

hm = H - hx

3.4 Cảm biến nồng độ Oxy

Ở đây chúng ta tham khảo cảm biến nồng độ oxy của hãng Endress

Hauser, có hình dạng, kích thước, sơ đồ cấu tạo như hình dưới:

Hình 3.6: Cấu tạo bên trong của cảm biến đo nồng độ Oxy

Cảm biến đo nồng độ oxy làm việc theo phương pháp điện thế, là phương pháp đo điện thế cực, trong đó sử dụng các chuyển đổi Ganvanic Nguyên lý làm việc được trình bày như sau: Oxy trong nước theo dòng chảy (do máy khuấy tạo nên) đến màng, do đặc điểm về vật liệu chế tạo mà màng chỉ cho phép oxy

hòa tan khuếch tán qua màng Oxy khuếch tán theo bề mặt của catốt trong chấtđiện phân làm xảy ra phản ứng điện hóa kèm theo đó xuất hiện sức điện động tỷ

lệ với nồng độ oxy Từ sự tỷ lệ đó ta có thể đo được nồng độ của Oxy hòa tan

trong nước

Chương 4 MÁY BƠM TRONG NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Theo trình bày ở các chương trước, chúng ta thấy thiết bị điện chủ yếu

trong nhà máy xử lý nước thải là máy bơm Máy bơm được dùng để bơm nước

hoặc cặn lắng trong tất cả các quá trình xử lý, từ xử lý sơ cấp, xử lý thứ cấp, xử

lý hoá học cho đến xử lý bùn… Máy bơm được điều khiển tốc độ theo các đại

lượng đo (như lưu lượng, D.O,…) nhờ biến tần, việc này không chỉ giúp nhà

máy vận hành ổn định, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật mà còn có tác dụng tiết kiệmđáng kể lượng điện năng tiêu thụ cho toàn nhà máy Chương này sẽ tìm hiểu vềnguyên tắc hoạt động, cấu tạo của máy bơm và nguyên lý tiết kiệm năng lượngcủa biến tần trong nhà máy xử lý nước thải

Ngày nay, máy bơm được dùng rất rộng rãi trong đời sống và các ngànhkinh tế quốc dân Hiện nay đã ra đời của những máy bơm rất hiện đại, có khảnăng bơm hàng vạn mét khối chất lỏng trong một giờ và công suất động cơ tiêuthụ tới hàng nghìn kW

4.1 Định nghĩa máy bơm

Máy bơm là một loại máy thủy lực, nhận năng lượng từ bên ngoài (cơ

năng, điện năng, thủy năng v.v… ) và truyền năng lượng cho dòng chất lỏng,

nhờ vậy đưa chất lỏng lên một độ cao nhất định hoặc dịch chuyển chất lỏng theo

hệ thống đường ống

4.2 Phân loại máy bơm

Người ta chia máy bơm ra nhiều loại dựa vào những đặc điểm như:nguyên lý tác động của cánh bơm vào dòng nước, dạng năng lượng làm chạymáy bơm, kết cấu máy bơm, mục đích bơm, loại chất lỏng cần bơm Trong đóthường dùng đặc điểm thứ nhất để phân loại máy bơm; theo đặc điểm này máy

bơm được chia làm hai nhóm: Bơm động học và Bơm thể tích.

a Bơm động học

Trong buồng công tác của máy bơm động học, chất lỏng được nhận năng

lượng liên tục từ cánh bơm truyền cho nó suốt từ cửa vào đến cửa ra của bơm.

Loại máy bơm này gồm có những bơm sau :

- Bơm cánh quạt ( gồm các loại bơm: ly tâm, hướng trục, cánh chéo ):

Trong loại máy bơm này, các cánh quạt gắn trên bánh xe công tác sẽ truyền trựctiếp năng lượng lên chất lỏng để đẩy chất lỏng dịch chuyển Loại bơm này

thường có lưu lượng lớn, cột áp thấp (trong bơm nước gọi cụ thể là cột nước) và

hiệu suất tương đối cao, do vậy thường được dùng trong nông nghiệp và cácngành cấp nước khác;

- Bơm xoắn: Chất lỏng qua các rãnh bánh xe công tác của máy bơm sẽ

nhận được năng lượng để tạo dòng chảy xoắn và được đẩy khỏi cửa ra bánh xecông tác Người ta dùng máy bơm này chủ yếu trong công tác hút nước hố thấm,tiêu nước, cứu hỏa

- Bơm tia: Dùng một dòng tia chất lỏng hoặc dòng khí bên ngoài có động

năng lớn phun vào buồng công tác của bơm nhờ vậy hút và đẩy chất lỏng Loạibơm này bơm được lưu lượng nhỏ, thường được dùng để hút nước giếng vàdùng trong thi công

- Bơm rung: Cơ cấu công tác của bơm này là pít tông-van dao động qua

lại với tần số cao gây nên tác động rung cơ học lên dòng chất lỏng để hút đẩychất lỏng Loại bơm này có lưu lượng nhỏ, thường được dùng bơm nước giếng

và giếng mỏ

b Bơm thể tích

Nguyên lý làm việc của loại bơm này là thay đổi có chu kỳ thể tích củabuồng công tác, truyền áp lực hút đẩy chất lỏng Bơm này có những loại sau:

- Bơm pít tông: Pít tông chuyển động tịnh tiến qua lại có chu kỳ trong

buồng công tác để hút và đẩy chất lỏng Loại bơm này tạo được cột áp cao, lưulượng nhỏ nên trong nông nghiệp ít dùng, thường được dùng trong máy móccông nghiệp

- Bơm rô to: Dùng cơ cấu bánh răng hoặc bánh vít, cánh trượt đặt ở chu vi

phần quay của bơm để đẩy chất lỏng Bơm này gồm có: bơm răng khía, bơm pít

tông quay, bơm tấm trượt, bơm vít, bơm pít tông quay, bơm chân không vòng nước Bơm rô to có lưu lượng nhỏ thường được dùng trong công nghiệp.

Ngoài ra còn có rất nhiều loại bơm động học và bơm thể tích khác được

sử dụng trong thực tế sản xuất và đời sống

4.3 Cấu tạo và phân loại bơm cánh quạt

Do tính kinh tế cao, an toàn, tiện lợi trong vận hành, kích thước nhỏ vàgiá thành tương đối thấp, bơm cánh quạt được sử dụng nhiều trong các ngànhcông nghiệp và nông nghiệp Phân loại bơm cánh quạt như sau:

- Phân loại theo hình dạng bánh xe công tác: bơm ly tâm, bơm hướng

trục, bơm hướng chéo

- Phân loại theo việc đặt trục: bơm trục ngang, bơm trục đứng, bơm trục

- Phân theo loại chất lỏng cần bơm và công dụng: Bơm nước có hàm

lượng hạt rắn nhỏ và hỗn hợp chất xâm thực hóa học ít, nhiệt độ nhỏ hơn 1000

o C; bơm chất lỏng chứa nhiều bùn cát và đất hạt cứng; bơm nước bẩn; bơm chất

lỏng hóa học; bơm giếng khoan

4.4 Máy bơm ly tâm

Bơm ly tâm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, bao gồm ứng dụngtrong các nhà máy xử lý nước thải do các ưu điểm sau:

- Cấu tạo đơn giản và chắc chắn, tháo lắp tiện lợi, trọng lượng kích thướckhông lớn khi có năng suất lớn, diện tích đặt máy không lớn và nền máy đơngiản

- Khởi động bơm nhanh và điều chỉnh đơn giản trong khoảng lưu lượnglớn

- Truyền nước đều và liên tục, có thể bơm được nhiều loại chất lỏng khácnhau, hỗn hợp chất lỏng và chất rắn

- Giá thành tương đối rẻ, sử dụng đơn giản, tiện lợi

4.4.1 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của bơm ly tâm

Hình 4.1 Bơm một bánh xe công tác, trục ngang

Chúng ta nghiên cứu sơ đồ bơm 1 bánh xe công tác để từ đó nắm các bộ phận

chính và nguyên lý hoạt động chung của bơm ly tâm Các bộ phận chính của

bơm ly tâm gồm: bánh xe công tác 1 được nối với trục 2 Bánh xe công tác gồm những cánh cong gắn vào đĩa đặt trong buồng xoắn 3 Chất lỏng được dẫn vào máy bơm theo ống hút 4, đầu ống hút có van ngược 6 để giữ nước khi bơm ngừng làm việc và có lưới 5 ngăn rác vào bơm Nước sau khi qua bơm sẽ được đẩy theo ống đẩy 7 lên bể trên Để làm bánh xe công tác quay, trục bơm được nối với trục động cơ Ở phần tiếp giáp giữa trục với vỏ bơm ta đặt vòng đệm

chống rò 8 để chống rò nước và chống không khí vào ống hút Lắp thiết bị đo chân không B và áp kế M và lỗ mồi nước 9, van điều tiết 10 đặt trên ống đẩy để

điều chỉnh lưu lượng và ngắt máy bơm khỏi tuyến ống đẩy Ngoài ra trên ống

đẩy thường đặt van ngược để tự động ngăn không cho nước chảy ngược từ ống

đẩy về lại bơm Trước khi khởi động bơm ly tâm, cần đổ đầy nước trong ống hút

và buồng công tác (mồi nước).

Sau khi toàn bộ máy bơm , bao gồm ống hút đã tích đầy nước (hoặc chấtlỏng) ta mở máy động cơ để truyền mô men quay cho bánh xe công tác Cácphần tử chất lỏng dưới tác dụng của lực ly tâm sẽ được dịch chuyển từ cửa vào

đến cửa ra của bơm và theo ống đẩy lên bể trên (bể tháo), còn trong ống hút

nước được hút vào bánh xe công tác nhờ tạo chân không