- Hệ thống xử lý nước thải có khả năng thích ứng với sự thay đổi, dao động của các chỉ số nước thải đầu vào.
- Hệ thống điều khiển và giám sát các thiết bị một cách chi tiết về tình trạng hoạt động, sự cố, các thông số nước thải, …
- Hệ thống vận hành liên tục nhưng vẫn đảm bảo được chất lượng, tuổi thọ của thiết bị.
- Nước thải sau xử lý đạt chuẩn cột A, QCVN40:2011/BTNMT. Cụ thể ở Bảng 3.1.
Bảng 3.1 Các tiêu chuẩn nước thải sau xử lý
Thứ tự Thông số Giá trị Đơn vị
1 Nhiệt độ 40 0C 2 pH 6 – 9 - 3 Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) 50 mg/l 4 Màu 50 Pt/Co 5 Tổng Nitơ 20 mg/l 6 Clo dư 1 mg/l 3.1.2. Phân tích các phương án 3.1.2.1. Phương án điều chỉnh độ pH
- Cảm biến pH đặt tại khâu trung hòa pH: hệ thống phải dừng để đo pH nước thải có trong bể, sau đó châm hóa chất để trung hòa pH thì hệ thống mới hoạt động lại. Do vậy, hệ thống hoạt động theo chu kỳ gián đoạn có thể dẫn tới việc hiệu suất xử lý nước thải không được tối ưu.
- Cảm biến pH đặt trước khâu trung hòa: dựa vào độ pH và lưu lượng nước thải đầu vào, tính được lưu lượng hóa chất cần thiết để trung hòa nước thải. Do đó
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 29 Nguyễn Văn Xuân Mỹ
thích ứng được sự dao động pH đầu vào và hệ thống có thể được vận hành liên tục dẫn tới hiệu suất xử lý nước thải được nâng cao.
Với hệ thống hoạt động theo chu kỳ gián đoạn, yêu cầu các thiết bị trong hệ thống phải đóng ngắt liên tục, có thể dẫn tới việc giảm tuổi thọ của thiết bị. Do đó hệ thống hoạt động liên tục có lợi thế hơn so với việc gián đoạn theo chu kỳ. Để đáp ứng được điều đó, nhóm sử dụng phương án đặt cảm biến pH trước khâu trung hòa để đo đầu pH nước thải đầu vào.
3.1.2.2. Phương án vận hành bơm
- Với hệ thống chỉ sử dụng 1 bơm ở 1 bể, hoạt động lâu dài sẽ ảnh hưởng tới chất lượng tuổi thọ của bơm, dẫn tới việc hệ thống không được đảm bảo về hiệu suất xử lý nước thải.
- Với hệ thống sử dụng 2 bơm ở 1 bể: khi 1 bơm gặp sự cố thì có bơm còn lại hoạt động, hệ thống được đảm bảo về hiệu suất. Đồng thời, có thể điều khiển 2 bơm thay nhau hoạt động luân phiên, do đó có thể đảm bảo chất lượng, tuổi thọ của bơm.
Để tối ưu cho việc hoạt động liên lục của hệ thống, lựa chọn phương án lắp đặt 2 bơm ở 1 bể. Ngoài ra, đối với một số bể chỉ sử dụng 1 động cơ thì có thể điều khiển động cơ hoạt động theo chu kỳ chạy, nghỉ để đảm bảo tuổi thọ cho động cơ.
3.1.3. Lựa chọn phương án thiết kế
Mô tả quy trình xử lý nước thải (xem Hình 3.1): - Bể điều hòa:
Nước thải từ hố thu gom sẽ được bơm về bể điều hòa nhờ 02 bơm chìm đặt dưới bể thay phiên nhau bơm với thời gian được cài đặt, tại đây các nguồn nước thải sẽ được trộn lại với nhau và được khuấy bởi hệ thống đĩa khí đặt dưới đáy bể được trích từ 2 máy thổi khí, nhằm điều hòa nồng độ các chất ô nhiềm có trong nước thải để bắt đầu quá trình nuôi cấy vi sinh, giúp quá trình sinh học được nâng cao. Đồng thời, ở đây cũng thực hiện quá trình ổn định pH bằng cách bơm hóa chất axit và bazo nhờ cảm biến pH. Khi pH đầu vào thấp thì chạy bơm bazo. Khi pH đầu vào cao thì chạy bơm axit. Tốc độ bơm axit và bazo được điều khiển theo độ pH đầu vào của nước thải.
Tại bể điều hòa bố trí 02 bơm chìm nước thải dưới đáy bể hoạt động luân phiên với nhiệm vụ chuyển nước thải sang bể kế tiếp (bể Anoxic).
Ngoài ra trong bể điều hòa còn được bố trí 2 phao báo mức nước để tránh tình trạng tràn nước tại bể điều hòa.
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 30 Nguyễn Văn Xuân Mỹ
- Bể Anoxic:
Nước thải từ bể điều hòa bơm qua bể Anoxic để bắt đầu quá trình xử lý sinh học. Trong môi trường thiếu oxy các loại vi khuẩn khử nitrit và nitrat sẽ tách oxy của Nitrat (NO3-) và Nitrit (NO2-) để oxy hóa các chất hữu cơ.
Khử Nitrat:
NO3_ +1,08CH3OH + H+→ 0,065C5H7NO2 + 0,47N2 + 0,76CO2 + 2,44H2O. Khử Nitrit:
NO2- + 0,67CH3OH + H+ → 0,04C5H7NO2 + 0,48N2 + 0,47CO2 + 1,7H2O. Đồng thời 02 bơm hồi lưu tại bể hiếu khí hoạt động liên tục nhằm hồi lưu nước thải chứa vi sinh vật hiếu khí về bể Anoxic. Bố trí một bơm khuấy trộn dưới bể (hoạt động theo chu kỳ chạy, nghỉ) nhằm nâng cao hiệu quả xử lý, nhằm tránh được tình trạng đọng bùn trong quá trình xử lý.
- Bể hiếu khí:
Nước thải từ bể Anoxic chảy tràn qua bể hiếu khí để tiếp tục quá trình xử lý sinh học, máy thổi khí hoạt động liên tục nhằm cung cấp các sinh vật hiếu khí để cấp cho bể Anoxic.
- Bể lắng:
Hỗn hợp bùn hoạt tính và nước từ bể hiếu khí chảy tràn qua bể lắng theo ống dẫn dòng từ trên xuống dưới, nước thải sẽ di chuyển từ dưới lên và ngược chiều với dòng bùn lắng xuống. Bùn cặn lắng dưới đáy bể sẽ được bơm bùn đưa tuần hoàn về bể Anoxic nhằm duy trì mật độ vi sinh vật và một phần sẽ được xả bỏ về bể chứa bùn.
- Bể khử trùng:
Nước thải sau lắng tại bể lắng sẽ tự chảy tràn qua bể khử trùng, 02 bơm định lượng sẽ thay phiên nhau bơm hóa chất khử trùng Chlorine, liên tục nạp vào bể khử trùng để diệt các vi khuẩn gây bệnh trước khi thải ra môi trường.
- Bể chứa bùn:
Bùn dư từ bể lắng một phần sẽ về bể chứa bùn, tại đây một phần sẽ tự phân hủy thành khí methane (CH4), phần còn lại sẽ được hút thải bởi các đơn vị có chức năng.
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 31 Nguyễn Văn Xuân Mỹ
Hình 3.1 Quy trình xử lý nước thải
3.1.4. Một số thiết bị hệ thống trong thực tế
3.1.4.1. Cảm biến đo pH nước PH – X – 420 – I
Trong nền kinh tế phát triển hiện nay thì song song với việc phát triển thì cũng cần phải bảo vệ môi trường, trong các chỉ số môi trường quan trọng của một nhà máy thì độ pH của nước rất là quan trọng.
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 32 Nguyễn Văn Xuân Mỹ
Cảm biến PH-X- 420-I có dải đo từ 0 đến 14 pH, đầu ra là 4 – 20mA dễ dàng điều khiển và kết nối với PLC.
Thông số kỹ thuật:
- Phạm vi đo pH: 0 – 14pH. - Độ phân giải: 0,01
- Cân bằng pH: 7,0 + 0,25. - Đầu ra: 4-20mA.
- Cung cấp năng lượng: 9 - 30VDC. - Sự bảo vệ lớp: Ip68.
3.1.4.2. Cảm biến đo mức bùn tần số cao KWS100-S (hãng Kansai)
Hình 3.3 Đầu dò đo mức bùn Thông số kỹ thuật:
- Phạm vi đo: 0.35 – 10m. - Độ phân giải: 1cm. - Sai số: ± 2.5 cm - Đầu ra: 4-20mA.
- Cung cấp năng lượng: 20 - 30VDC.
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 33 Nguyễn Văn Xuân Mỹ
Khả năng của một cảm biến siêu âm để phát hiện các hạt nhỏ nhất trực tiếp bằng tần số siêu âm, cho phép nó phát hiện kích thước hạt nhỏ nhất và đặc biệt là trong bể lắng thứ cấp có các lớp bùn đục.
3.1.4.3. Máy bơm chìm nước thải Kaiquan 100WQ/E80-11-4
Với hệ thống thực tế, để chọn được bơm phù hợp phải dựa theo yêu cầu lưu lượng nước thải xử lý cũng như cột áp, từ đó tính chọn được công suất của bơm.
Công thức tính chọn công suất bơm chìm: P = 𝑄.ρ.g.H
1000.ŋ
Trong đó:
P: công suất hoạt động thực của máy bơm được tính theo (KW). Q: lưu lượng nước; tính theo (m3/s).
H: cột áp của máy bơm; tính theo mét. ρ: tỉ trọng của nước; đơn vị (kg/m3).
ŋ: hiệu suất bơm; thực tế thường được lấy 0,8 – 0,9.
Hình 3.4 Máy bơm chìm Kaiquan 100WQ/E80-11-4
Máy bơm nước thải Kaiquan được dùng rất phố biến trong các nhà máy xử lý nước thải, cấp nước cho các trạm bơm, máy bơm được thiết kế hai cánh quạt nên hiệu suất làm việc gấp đôi, động cơ chìm vượt trội và dẫn nhiệt tốt nên hoạt động rất bền bỉ.
Thông số kỹ thuật:
- Model: 100WQ/E80-11-4. - Công suất: 5.5 (HP). - Điện áp: 380 (V).
- Lưu lượng bơm được: 80m3/h. - Cấp độ bảo vệ: Ip68.
- Cột áp: 11 mét.
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 34 Nguyễn Văn Xuân Mỹ
3.1.4.4. Bơm định lượng ETATRON DLX(B)MA/AD 08-10
Hình 3.5 Bơm định lượng dùng để bơm hóa chất xử lý nước thải.
Máy bơm có dòng bơm thể tích lưu lượng thấp, có khả năng điều chỉnh được lưu lượng bơm đa dạng. Chỉnh lưu tự động hoặc bằng tay theo người vận hành hệ thống, dùng để bơm các hóa chất trong các hệ thống xử lý nước thải.
Máy bơm đo chính xác trọng lượng, lưu lượng bơm mong muốn, ngoài ra thiết kế nhỏ gọn có đế chân hoặc treo tường rất thuận tiện cho việc lắp đặt và di chuyển. Thông số kỹ thuật:
- Model: DLX(B)MA/AD 08-10.
- Lưu lượng bơm: 800 ml/h. - Áp suất: 8 bars.
3.1.4.5. Rơ le nhiệt
Rơ le nhiệt hay còn gọi là rơ le nhiệt là thiết bị điện quan trọng dùng để bảo vệ động cơ và mạch điện không bị quá tải. Thiết bị có thể tự ngắt mạch điện khi có dấu hiệu quá tải, hoạt động của chúng dựa trên sự giãn nở của các thanh kim loại khi bị nung nóng.
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 35 Nguyễn Văn Xuân Mỹ
Chú thích:
1. Đòn bẩy
2. Tiếp điểm thường đóng NC 3. Tiếp điểm thường mở NO 4. Vít chỉnh dòng điện tác động 5. Thanh lưỡng kim
6. Dây đốt nóng 7. Cần gạt 8. Nút phục hồi
Relay nhiệt hiện tại có tương đối nhiều các thương hiệu sản xuất, nhưng xét về cấu tạo đa phần chúng vẫn giống nhau. Các thành phần sẽ bao gồm: đòn bẩy, tiếp điểm đóng, tiếp điểm mở, vít chỉnh dòng điện tác động, thanh lưỡng kim, dây đốt nóng, cần gạt, nút phục hồi (xem Hình 3.6).
- Tiếp điểm đóng NC: khi tình trạng quá tải xảy ra, tiếp điểm NC sẽ mở, bộ phận này được mắc nối tiếp với mạch điều khiển.
- Tiếp điểm mở NO: khi tình trạng quá tải xảy ra, tiếp điểm NO sẽ đóng, bộ phận này được kết nối với đèn hoặc còi báo động khi có sự cố xảy ra.
Ngoài ra rơ le nhiệt còn có phiến kim loại kép làm từ hai tấm kim loại ghép lại thành một thông qua biện pháp cán nóng hoặc hàn. Gồm 1 tấm giãn nở bé làm từ invar 36% Ni và 64% Fe và một tấm hệ số giãn nở lớn – khoảng 20 lần so với invar.
Rơ le nhiệt hoạt động dựa trên sự thay đổi nhiệt độ của dòng điện. Khi dòng điện quá tải sẽ sinh ra một lượng nhiệt rất lớn làm cho tấm kim loại của rơ le bị đốt nóng dẫn đến hiện tượng giãn nở. Khi dòng điện bị quá tải hoặc thiết bị điện khi hoạt động liên tục sẽ sản sinh ra nhiệt lượng lớn tác động đến hai phiến kim loại của rơ le và xảy ra hiện tượng dãn nở, lúc này đoạn mạch sẽ bị hở và đồng thời ngắt điện. Độ uốn cong nhiều hay ít phụ thuộc vào độ dài và độ dày của thanh kim loại.
3.2. Thiết kế phần cơ khí cho hệ thống
3.2.1. Thi công các bể trong mô hình hệ thống
So với các bể ở ngoài thực tế thì trong mô hình sẽ làm nhỏ và có sự thay đổi kích thước, bể sẽ được làm từ giấy form làm mô hình có bề dày 0.5cm.
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 36 Nguyễn Văn Xuân Mỹ
Hình 3.7: Bản vẽ hố thu gom nước thải đầu vào
Hình 3.8: Bản vẽ các bể điều hòa, anoxic, hiếu khí, lắng, khử trùng
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 37 Nguyễn Văn Xuân Mỹ
Hình 3.10: Bản vẽ bể axit và bazo
Hình 3.11: Bản vẽ bể hóa chất Chlorine
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 38 Nguyễn Văn Xuân Mỹ
Hình 3.13 Sơ đồ bố trí các bể
Hệ thống sẽ được thiết kế chảy tràn từ bể Anoxic đến bể khử trùng, trong mô hình thì sẽ dùng ống nhựa PVC để nối các bể với nhau.
Hình 3.14: Các bể trong hệ thống sau khi hoàn thành.
3.2.2. Lựa chọn cơ cấu chấp hành
3.2.2.1. Bơm chìm 365 12VDC
Động cơ bơm 365 sử dụng nguồn 12v để chạy và có khả năng tự mồi, chạy liên tục, ít gây tiếng ồn. Có tác dụng như một máy bơm nước, được làm mát từ quá trình bơm nước lên, được sử dụng nhiều trong bể nuôi cá cảnh và các mô hình thử nghiệm.
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 39 Nguyễn Văn Xuân Mỹ
Hình 3.15 Động cơ bơm 12VDC sử dụng trong mô hình. Thông số kỹ thuật:
- Điện áp làm việc: 12VDC. - Dòng không tải: 200 (mA). - Lưu lượng bơm: 2 – 3 lít/phút.
- Đường kính đầu vào – ra của bơm: 8mm. - Tuổi thọ làm việc: 2 năm.
3.2.2.2. Cảm biến đo pH
Trong mô hình thì sử dụng thanh trượt chiết áp 10k để giả lập cảm biến trong hệ thống thực tế, sử dụng tín hiệu analog để điều khiển 2 bơm axit và bazo để cân bằng độ pH trong hệ thống nước thải đầu vào. Cảm biến sẽ được bố trí tại bể thu gom nước thải đầu vào.
Hình 3.16: Thanh trượt chiết áp 10K. Thông số kỹ thuật:
- Kích thước: 90 x 21mm. - Điện áp hoạt động: 10V. - Trở kháng: 10K.
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 40 Nguyễn Văn Xuân Mỹ
Hình 3.17: Máy sục khí RS 348A.
Hệ thống sục khí rất là quan trong đối với quá trình xử lý nước thải công nghiệp với mục đích là cung cấp oxy liên tục để phân hủy các chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật và tạo nên phản ứng oxy hóa. Ngoài ra cung cấp oxy sẽ tránh được các vấn đề thiếu khí gây ức chế quá trình phát triển của vi sinh vật hiếu khí, giữ cho bùn hoạt tính luôn ở trạng thái lơ lửng.Trong mô hình thì hệ thống sục khí được bố trí tại bể điều hòa và bể hiếu khí.
Thông số kỹ thuật:
- Nguồn sử dụng: 220VAC. - Số lượng vòi: 2 vòi - Công suất: 5 (W)
3.2.2.4. Máy khuấy
Máy khuấy sẽ được bố trí tại bể Anoxic, khuấy chìm cho hệ thống xử lý nước thải thì sẽ là một động cơ có đầu trục gắn với cánh quạt để khuấy chất lỏng làm cho các vi sinh vật trong bể được khuấy trộn và tồn tại lơ lửng trong bể, hòa tan và ngăn chặn được lắng ở dưới bể.
Trong mô hình thì sẽ sử dụng động cơ 5V và cánh quạt để giả lập cho máy khuấy thực tế:
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 41