Tự động hóa quy trình công nghệ xử lý nước thải trong các tòa nhà cao tầng và khu đô thị

Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 279 TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TRONG CÁC TÒA NHÀ CAO TẦNG VÀ KHU ĐÔ THỊ Đỗ Quảng Đại*, Khắc Trung Kiên, Lê Khánh Thành, Vũ Quốc Huy Tóm tắt: Việc xử lý nước thải sinh hoạt trong các khu đô thị và tòa nhà cao tầng hiện nay là một vấn đề cấp thiết. Trạm xử lý nước thải (XLNT) có chức năng xử lý toàn bộ nước đen và nước xám đạt tiêu chuẩn của Bộ Tài nguyên môi trường (QCVN 14:2008/BTNMT) trước khi xả ra hệ thống thoát nước chung của thành phố. Hệ thống XLNT được tự động hóa sẽ đảm bảo được được các yêu cầu về tham số công nghệ và các yêu cầu về quản lý, quan trắc dữ liệu, làm tăng hiệu quả xử lý nước, giảm nhân công và chi phí vận hành. Bài báo này trình bày giải pháp tự động hóa và một số thuật toán điều khiển được thực thi trên PLC Siemens, thực hiện tự động hóa quy trình công nghệ XLNT hiện nay. Từ khóa: Xử lý nước thải; Tự động hóa; PLC. 1. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI Trạm XLNT là một tổ hợp các thiết bị hợp khối có nhiệm vụ xử lý toàn bộ nước đen và nước xám [1], [2], [3]. Nước đen (nước thải từ xí tiểu) có hàm lượng chất hữu cơ rất cao, do vậy nước đen sẽ được xử lý sơ bộ bằng cách lên men yếm khí nhằm làm giảm phần lớn lượng chất hữu cơ, chất lơ lửng trước khi được bơm sang bể điều hòa thuộc công trình xử lý sinh học hiếu khí. Nước xám (nước thải từ nhà bếp) có hàm lượng dầu mỡ cao sẽ được xử lý sơ bộ lắng cặn và tách mỡ tại bể tách mỡ. Nước thải sau đó sẽ chảy tràn sang ngăn bơm và được bơm vào bể điều hòa (hình 1). Tại bể điều hòa, nước thải được khuấy trộn đều đảm bảo các dòng nước thải được pha trộn ổn định nồng độ chất ô nhiễm vào các bể xử lý sinh học phía sau. Sau khi được khuấy trộn, nước thải sẽ được bơm sang bể thiếu khí. Quá trình xử lý thiếu khí-hiếu khí có giá thể vi sinh di động (bể MBBR) sẽ xử lý các chất hữu cơ và nitơ có trong nước thải. Giá thể vi sinh là nơi các vi khuẩn trú ngụ, phát triển và tiêu thụ các chất dinh dưỡng có trong nước thải. Trong bể còn có các thiết bị phân phối khí tạo điều kiện cho các vi khuẩn hiếu khí hoạt động. Dòng nước sau khi được xử lý ở bể MBBR, amoni trong nước thải đã được chuyển hóa thành NO3 -, sẽ được tuần hoàn về đầu bể thiếu khí để khử Nitơ. Sau khi qua bể MBBR, nước thải vẫn còn hàm lượng chất rắn lơ lửng. Vì vậy, nước thải sẽ được dẫn qua bể lắng. Bể lắng bao gồm ngăn phản ứng và ngăn lắng. Trong giai đoạn đầu cần bổ sung chất keo tụ để tăng hiệu quả lắng. Bùn từ bể lắng sẽ được thu sang ngăn thu bùn, hỗn hợp bùn nước sẽ được tuần hoàn về đầu bể thiếu khí để bổ sung lượng vi sinh hoạt tính. Bùn dư sẽ được bơm về bể lắng bùn. Nước thải sau khi qua bể lắng được dẫn qua bể trộn Clo diệt trùng. Hóa chất sử dụng là dung dịch Clo-Javen. Sau khi được khử trùng bằng Clo, nước thải được dẫn qua bể tiếp xúc. Sau một thời gian lưu nước, hầu hết các vi khuẩn gây bệnh được tiêu diệt, nước thải đảm bảo yêu cầu chất lượng của Bộ Tài nguyên - Môi trường và được bơm ra hệ thống cống thoát nước của thành phố. Toàn bộ lượng khí phát sinh từ công trình sẽ được thu gom về hệ thống xử lý khí mùi qua các ống thu gom (nhờ quạt hút) và được xử lý bằng hệ thống lọc than hoạt tính trước khi nối với hệ thống thông hơi của tòa nhà. 280 đi ch trình x ho (máy khu bán t sẽ tính toán v và x công ngh - - - - ện nh ất, máy khuấy ch ạt, máy thổi khí, quạt hút, máy khuấy ch ử lý dữ liệu, giám sát các trạng thái hoạt động của thiết bị, gửi các tham số N Các bơm nư M ngh cho phép bơm ch Các bơm hóa ch theo công ngh Các máy khu b Các máy khu Đ. 2. BÀI TOÁN T Để thực hiện tự động hóa quy tr ử lý li Các thi ự động (tự động từng công đoạn) v ội dung tự động hóa bao gồm: ức cao cho phép cả 2 b ảo hóa chất đ Q. ư bơm (bơm nư ấy hóa chất, b ệ v ỉ và đ Đại, ết bị t à tr ên t à đi ạng thái thiết bị về máy chủ SCADA, ảo nhau , V. ục rong h ều khiển dựa tr ớc đ ệ y ấy hóa chất hoạt động tự động theo chế độ ngắn h ư ấy ch Q. ìm và các thi nên các thi ư ạy để bảo vệ động c ất êu c ợc khuấy đều. Huy, “ Ự ĐỘNG HÓA QUY TR ớc, b ơm đ ợc sau m ho ìm ho Hình 1 ệ thống có thể hoạt động ở v ạt độ ầu. T ơm bùn), máy th ịnh l ận h ơm cùng ch ột số lần hoạt động đ ạt động theo chế độ luân phi ự động hóa quy tr ết bị đo thông số nh ết bị điện th ành ng theo ch . Quy trình công ngh ượng hóa chất, b ên các thông s ình XLNT, c theo à v ạy, mức giữa cho phép 1 b ơ. ế độ ngắn hạn lặp lại, định l ận h phao báo ình công ngh ổi khí, quạt hút m ường hoạt động luân phi ìm), ho ÌNH CÔNG NGH ành b ố công nghệ mong muốn, thu thập ần có sự tham gia của các thiết bị ư pH, DO, lưu lư ơm bùn). m ược c ệ XLNT ặc ở chế độ ngắn hạn lặp lại 3 ch ằng tay. Hệ thống tự động hóa ho ức K ệ ế độ: Tự đ ặc webServer trong các b ài đ ên. ỹ thuật điều khiển xử lý n ặt sẵn. Mức thấp không . ước ùi, máy khu Ệ XLNT ộng ho ơm ch ạn lặp lại và khu đô th ợng. V ên (bơm tu . ể xử lý n ượng hóa chất ạy, 1 b & Đi ấy hóa ì là quá àn toàn, ện tử ư ơm , đ ị.” ần ớc. ảm Thông tin Tạp chí Nghi - - - nhóm tác gi 3. 3.1. Thu phiên theo th th Q0.1/Q0.2. Ô nh nửa thời gian luân phi ho và đ bằng việc xóa bit nhớ RESET M0.3 về 0, cho b TR1 đ Các bơm bùn l Các thông s pH đư Các thông s đi đo đ hành, ho Trong các n M * N ời TR1 có thanh ghi thời gian ET. Thuật toán * ạt động. Nếu hoạt động tự động (AUTO) c ặt thời gian luân phi ều khiển trung tâm d ỘT SỐ THUẬT TOÁN V ội dung thuật toán: Th ếm l khoa h ợc ổn định tự động theo ạc v ật toán ực t ên c à tr ặc tại Sở T ả ời gian đặt tr hi thu ên th ọc công nghệ ứu KH&CN thực hiện nhờ một số thuật toán ắng hoạt động theo chế độ ngắn hạn lặp lại. ố v ố công nghệ v ạng thái của hệ thống sẽ dễ d ội dung sau đây, tự động hóa quy tr AGR01 ớ MD10 l ời gian T/2 ch ề lưu lư ật toán ài nguyên môi trư Hình 2 ên T/2. quân s NGH đi ư ên T vào ô nh ợng ưới dạng webServer. Khi đ ều khiển hai b Gi ớc T. Thuật toán điều khiển AGR01 sử dụng 01 bộ định : Bơm P1/P2 đư ưu tr ự, nư à tr À GI Ệ TỰ ĐỘNG HÓA XLNT ả sử cần điều khiển 02 b . Lưu đ ữ thời gian luân phi Chương tr ương tr Số Đặc san ớc giá tr ạng thái của thiết bị đ , hàm lư ẢI PHÁP ị c ờng của Th ồ thuật toán AGR01 ớ MD10. Tr ình s ài đ ơm ho ình b ẽ đảo b TĐH ợng oxy h ặt tr àng đư th ợc điều khiển lần l , 04 ực thi tr K ạt động luân phi AGR01 đư ắt đầu bằng việc kiểm tra chế độ hương tr - ước. Ỹ THUẬT THỰC TH ên T; ô nh ư ơm P1 ch ơm. Khi TR1 đ 2019 ư ợc giám sát từ xa tại nh ành ph ình công ngh ớc 100ms, TR1 đ òa tan trong n ư ợc kết nối internet, dữ liệu ên PLC c ơm P1, P2 ho ợc thể hiện tr ình s ợc l ố. . ẽ khai báo Timer TR1 ạy, b ưu tr ớ MD14 l ủa Siemens [ ơm P2 d ữ trong thiết bị ệ XLNT đ ên ượt bởi đầu ra ếm l ước (DO) v ạt động luân ên hình 2 ư ên đ I CÔNG ưu tr ợc khởi tạo ừng. Khi à đi ến t 281 ư 5]. . ữ một h à ều ợc ời 282 gian T, chương tr tục v 3.2. Thu m bộ định thời TR2 có thanh ghi thời gian ET. Mức n * N ức n Đ. òng l ội dung thuật toán: ư Q. ặp. ật toán ớc v Đại, à luân phiên theo th Lập tr , V. ình s AGR02 Q. ình thu Huy, “ ẽ đặt ô nhớ RESET l Hình 3 Hình đi Gi T ật toán AGR01 nh ều khiển 2 b ả sử cần điều khiển 02 b ự động hóa quy tr . Th 4. Lưu đ ờ ực thi thuật toán AGR01 i gian đ ơ ồ thuật toán AGR02 ặt tr m ho ình công ngh ên 1 đ ư h ước T. T ình 3. ạt động luân phi ể khởi tạo lại Timer, sau đó tiếp ư ơm P1, P2 ho hu ớc thấp nhất L0 khôn K ệ ật toán AGR02 sử dụng 01 ỹ thuật điều khiển xử lý n . . ước ên theo m ạt động dựa tr và khu đô th ức n g có bơm & Đi ện tử ư ị.” ớc ên Thông tin Tạp chí Nghi nào ho L2 s hi tiếp th xu nư Q0.1/Q0.2. Ô nh m nư 3.3. Thu ẽ có cả 2 b ện nhiệm vụ nh ống 0 khi b ớc * Th ột nửa thời gian luân phi ớc thấp nhất L1 đọc ở đầu v ạt động, mức n ì vòng l cho phép khoa h ực thi thuật toán ật toán ên c Hình 5 ọc công nghệ ứu KH&CN ơm cùng ho ặp ơm P1 ch và ra quy ư trong AGR01, khác này th ớ MD1 l . AGR03 Th ước trung b ực thi v Hình 6. quân s ực hiện bật một bít nhớ MB0.1 l ạy/b ết định điều khiển b (hình 5) ưu tr ên T/2. đi ạt động. Trong AGR02 có 2 v ơm P2 d ữ thời gian luân phi òng l ều khiển thiết bị hoạt động ự, ào I0.1. M . Số Đặc san ình L1 s : Bơm P1/P2 M ặp 2 của thuật toán điều khiển AGR02 Lưu đ ừng v ức nư ức n ồ thuật toán AGR03 ẽ có một b ở chỗ thay v ớc thấp nhất L0 đọc ở đầu v TĐH à ngư ơm tr ước thấp nhất L2 , 04 lần l ên T. Ô nh - ợc lại. V ực tiếp khi đến l ư 2019 ơm ho ì ợt đ điều khiển b ư ở chế độ ạt động, mức n òng l ên 1, xóa bít nh òng l ợc điều khiển bởi đầu ra ớ MD2 l . ặp. V đọc ở đầu v ặp 2 kiểm tra mức ư òng l ơm P1/P2 tr ợt ưu tr ngắn hạn lặp lại (hình 4) ào I0.0. M ặp 1 thực ữ thời gian ào I0.2 . ước cao ớ M0.2 283 . ực ức 284 động ở chế độ ngắn hạn lặp lại, có nghĩa l trong th khi đồ thuật toán A nh kỳ l 3.4. Đi 3.4.1. C lư đi gi để thay đổi tốc độ b Bài báo trình bày c khi thông s không đ tương đương đ ra đư (hình 8 kh ph ển AGR03 sau đây sử dụng 01 bộ định thời TR ớ MD18 l àm vi Các thông s ợng oxi h ều h ống nhau, đa phần sử d ển đối với hệ điều khiển tự động ổn H ả tr ản hồi từ đó so sánh, tính toán để đ Đ. * N * Th ều khiển tự động ổn định các thông số công nghệ òa. C ố khác đ ệ điều khiển tự động ổn định l ợc phản hồi nhờ một cảm biến l ) ình Q. ội dung thuật toán: ời gian T ực thi thuật toán: ệc T của máy khu ấu trúc của hệ điều khiển tự động ổn định thông số công nghệ ồng bộ xoay chiều 3 pha đ . B ( Đại, ưu tr òa tan trong n ấu trúc phần cứng của hệ điều khiển tự động ổn định các thông số n ộ điều khiển ở GR03 đư ố công nghệ cần ổn định tự động trong quy tr ư ể l đây , V. ON ữ thời gian máy khuấy hoạt động T ợc thực hiện t àm q là PLC Siemens), nh Q. , kho ơm ( ấu trúc điều khiển v Huy, “ Hình uay và thay đ ( ảng thời gian sau T ợc thể hiện tr ước DO, độ pH v ụng động c ổn định l thư T Gi Máy khu ấy. 7 ờng ự động hóa quy tr ả sử cần điều khiển 01 máy khuấy hóa chất MK hoạt Th . Th ương t ực thi thuật toán nh ực thi thuật toán AGR03 ưu lư là PID) đư ên hình 6 ấy hóa chất đ ơ không đ ự. ưu lư ược điều khiển ổi tốc độ cánh b ưa ra tín hi ợng, pH) hay tốc độ thổi khí (ổn định DO). à th đ ợng sử dụng c ưu lư ận thô à lưu lư ủ tục thực hiện nhận dạng tham số điều ịnh l ợc c ình công ngh à trong chu k ON ưu lư ợng bằng tín hiệu d ng s đ . ồng ài đ ệu điện áp ến T máy nghỉ. Thuật toán điều 3 có thanh ghi th ược điều khiển bởi đầu ra Q0.3 Ô ợng n b ợng. Hệ tự động điều khiển các kèm theo ặt trong ố l ON. ư h ộ xoay chiều 3 pha v ơm ưu lư K ệ ỳ T, máy khuấy hóa chất Ô nh ình 7. ước thải b ơ c [4] ỹ thuật điều khiển xử lý n . ấu chấp h . Lưu lư m ợng đặt, nhận l trong d ớ MD10 l bi ột bộ điều khiển logic ước ình XLNT là hàm ơm đi x ến tần có công suất òng ời gian ET. L ành là đ ợng n ải và khu đô th đi 0-10VDC đ ưu tr ử lý từ bể à bi ư ện 4 ưu lư & Đi ến tần ộng c ớc b -20mA ện tử ữ chu ơm ợng ị.” ưu ày ơ ến Thông tin Tạp chí Nghi ngõ vào analog c từ thông rotor, biến tần v tương t bậc 2. tả bơm. tính ch của b 3.4.2. Ch Siemens áp 0 bi có d * Chu 32768 đơn v ứng với tín hiệu d 0m tế cho thấy, ở tín hiệu d đư vi sung th trị phản hồi. gần đúng Đ Gi - ến l ải điện áp 0 AD 16 bit, bit có tr 3/h tương Trên hình 3. ợc 6554 đ ệc hiển thị giá trị đo l Thu ự nh Sau k ối với tải b ọn công suất b ơm nh ả sử điều khiển tốc 10VDC. Lưu lư ưu lư ẩn hóa thang đo củ ật toán hiệu Bư Bư khoa h Hình ế độ auto ủ tục nhập v ớc ớc ên c ư đ hi b ờ hệ điều khiển phản hồi kín có cấu trúc nh ợng trả về tín hiệu d ị l ơn v 1: Đ 2: Chuy ọc công nghệ ứu KH&CN ộng học của động c khi cài đ ằng Hình 8 ơm, 9 - ư ứng với tín hiệu d 9 N ủa biến tần. Với cách điều khiển điều chế véc hàm truy . Sơ đ 10VDC. ợng tử. bi ị nh ọc giá trị l ạp giá trị hệ số hiệu chuẩn lưu lư -tuning òng ểu diễn thuật toán hiệu chỉnh giá trị phản hồi l à hi chu ển đôi kiểu dữ liệu từ Int (Integer) sang Dint (Double ặt biến tần, động học của . Sơ đ ơm phù h ồ cấu trúc hệ điều khiển tự động ổn định l ợng lớn nhất khi động c ọng số lớn nhất (MSB) l đ ư tính toán. Do v ển thị giá trị ẩn giá trị phản hồi l quân s à đ ền của khâu quán tính ợng ra của độ động c a đ Cài đ iện 20mA (32768 đ òng ường cần hiển thị th ư ộng c ồ v hi ầu v ợng tử LL_AD từ đầu v ự, òng dòng ợp, ệu chỉnh òng ặt t òng đi Số Đặc san ơ không đ ơ m ơ KĐB 3 pha b ào ph rong c đi ện 4mA, giá trị l bơm để ổn định l đi ện 4mA (6554 đ lư ột chiều [4 đi ện 4 ản hồi (Process Value): ảm biến l ậy, để có giá trị l ợng tử offset v ện 4 tỉ lệ thuận với tốc độ quay tham s -20mA. Đ ưu lư ; TĐH ồng bộ xoay ch ơn v , 04 -20mA đưa vào PLC ưu lư ố ơ quay h à bit d ưu lư êm giá tr ợng: - ] – hệ điều khiển l với đầu v bộ điều khiển PID trong PLC ằng biến tần với dải đầu v ị l ượng tử không ho ào tương t 2019 hàm truy ợng ta ư h ầu ra của ợng lớn nhất 120m ượng tử; l ơn v ào thu ết tốc độ l ấu, dải giá trị đọc về: 2 ư ị l iều ba pha có động học ào đi ch ình ị lư ợng tử chính xác, ngo ượng tử. Khi đó cần bổ ền l ỉ cần ổn định tốc độ 9. mô đun ợng tử) ật toán hiệu chuẩn giá ự của PLC -tơ không gian t ưu lư ện áp, đầu r ưu lư ưu l à khâu dao đ . à 120m ư . ưu lư ợng đ nên khi đư ợng analog PLC ợng nhỏ nhất àn toàn nh . 3 3 ợng. Thực ; ược a t ào đi /h. C /h tương 285 ộng ốc độ 15 ựa mô ợc ện ảm = ận ài 286 * Giao di bộ điều khiển PID thuận lợi số PID đ về độ chính xác của các tham số l không quá cao, thu ứng dụng cụ thể, ph pháp t nhóm tác gi đô th Bài, TTTM Vincom PLC c Đ. đi Bư Bư Bư Bư Hình 10 Tự động hóa quá ự động hóa v ị mới Nghĩa Đô, T Q. ện ớc ớc ớc ớc ện ủa h ư Đại, 3: 4: 5: 6: Quay v auto ợc t ả Integer) B ph Chuy Nhân giá tr Hi . ãng Siemens cung c ùy ch hi , V. ỏ đi giá trị l ản hồi 4mA) ển thị giá trị l -tuning Giao di ện thực hóa cho một s Q. ển đổi kiểu dữ liệu từ DInt sang Real ỉnh để đáp ứng chất l ật toán PID l ù h à m Trung T Huy, “ ; ề B trình XLNT trong các khu ợp trong lĩnh vực chung của tự động hóa môi tr ột số thuật toán điều khiển tr ị l ước hiệu chỉnh t ện òa nhà Mandarin, Tòa nhà Ecolife, Khu công nghi T ư ; ượng tử với hệ số hiệu chuẩn 1 hiệu chỉnh tham số PID hệ điều khiển l (hình 10) ự, Kết quả xử lý n ự động hóa quy tr ợng tử offset ưu lư ; à m ấp một công cụ trực quan để hiệu chỉnh tham số ột lựa chọn ph ợng (giá trị đo l ham s ưu lư 4. . Thông KẾT LUẬN ố tr ố PID trong PLC Siemens ượng điều khiển mong muốn. V ợng, DO, áp suất, trong hệ thống n ạm XLNT ở t ình công ngh (giá tr qua giao di ị l ư ù h đô th ư ư ờng) ợp v ình bày trong bài báo ớc, K ệ ợng tử ứng với d ; ; à đư ị v hành ph độ ổn định của hệ thống ỹ thuật điều khiển xử lý n ; ện auto à tòa nhà cao t ợc sử d ước - ố H ưu lư tuning, các tham ụng chủ yếu. à N và khu đô th [5] ợng òng ì yêu c ầng l ường. Giải ội nh & Đi . đã ư Khu ệp Nội ện tử à m đư ị.” ầu ày ột ợc và Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 287 chi phí vận hành cho thấy việc ứng dụng công nghệ tự động hóa trong lĩnh vực xử lý môi trường mang lại hiệu quả thiết thực. Ngoài việc ứng dụng trực tiếp vào hệ tự động hóa quy trình XLNT, một số thuật toán đề xuất còn có thể được áp dụng để điều khiển thiết bị điện trong các hệ thống tự động hóa khác. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải sinh hoạt (2008) - QCVN 14: 2008/BTNMT, Tổng cục môi trường, Bộ Tài nguyên môi trường. [2]. Trịnh Xuân Lai (2009), “Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải”, NXB Xây dựng. [3]. Lâm Minh Triết, Nguyễn Thanh Hùng, Nguyễn Phước Dân (2008), “Xử lý nước thải đô thị và công nghiệp – Tính toán thiết kế công trình”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh. [4]. Đào Hoa Việt (2005), “Phân tích và tổng hợp hệ thống truyền động điện tự động”, Học viện KTQS. [5]. Siemens, “Teleservice of a S7-1200 with Telecontrol Server Basic V3 and CP 1242-7 GPRS V2 (Set 33)”, Application example, Entry ID: 56720905, Entry date: 10/26/2016. ABSTRACT TECHNOLOGY PROCESS AUTOMATION OF WASTE WATER TREATMENT IN HIGH-RISE BUILDINGS AND URBAN AREAS The treatment of domestic wastewater in urban areas and high-rise buildings today is an urgent issue. Wastewater treatment station (WTP) handles all black and gray water to meet the standards of Ministry of Natural Resources and Environment (QCVN 14: 2008 / BTNMT) before discharging into the city's general drainage system. The automated wastewater treatment system will ensure technological parameter requirements and management and data monitoring requirements, increasing water treatment efficiency, reducing labor and operating costs. This paper presents automation solutions and some control algorithms implemented on Siemens PLC, automating the current process of wastewater treatment technology. Keywords: Waste water treatment; Automation; PLC. Nhận bài ngày 15 tháng 01 năm 2019 Hoàn thiện ngày 22 tháng 02 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 3 năm 2019 Địa chỉ: Viện Tự động hóa KTQS. *Email: maihuyvu@gmail.com.