Ứng dụng kỹ thuật tự động hoá vào xử lý nước thải
Hóa học & Kỹ thuật môi trường
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TỰ ĐỘNG HOÁ VÀO XỬ LÝ NƯỚC THẢI
Trần Ngọc Minh*
Tóm tắt: Bài báo trình bày những bất cập trong việc xử lý nước thải (XLNT)
của các khu công nghiệp và khu chế xuất hiện nay ở nước ta, đồng thời đưa ra giải
pháp ứng dụng kỹ thuật tự động hóa (TĐH) và điều khiển từ xa vào quá trình XLNT
tại đây. Việc ứng dụng kỹ thuật này dựa trên cơ sở trình độ TĐH hiện nay đã đạt
mức cao, tất cả các công việc giám sát, điều khiển quá trình XLNT đều có thể thực
hiện được tại một Trung tâm. Tại đây người vận hành được hỗ trợ bởi những công
cụ đơn giản, dễ sử dụng để nâng hiệu quả cho công việc quản lý điều hành hệ thống
XLNT. Ngoài ra người vận hành có thể điều khiển từ xa với một máy tính hoặc thông
qua hệ thống tin nhắn. Hơn thế, hệ thống TĐH XLNT còn được tích hợp với các hệ
thống điều hành ở cấp độ điều khiển cao hơn như cấp điều hành sản xuất, cấp xí
nghiệp và cấp quản trị nhằm nâng cao hơn nữa mức TĐH và tối ưu hoá quá trình
sản xuất.
Từ khóa: Tự động hóa, Xử lý nước thải.
1. MỞ ĐẦU
Với mục tiêu đẩy mạnh phát triển công nghiệp trong nước và thu hút đầu tư
nước ngoài nhằm phát triển đất nước theo định hướng công nghiệp hóa - hiện đại
hóa, từ năm 1991, Chính phủ Việt Nam chủ trương xây dựng và phát triển các khu
công nghiệp (KCN), các khu chế xuất (KCX). Tính đến nay, cả nước có hàng trăm
KCN được thành lập và hoạt động. Giá trị sản xuất công nghiệp bình quân trên 1
ha đất (đã cho thuê) đạt khoảng 1,6 triệu USD/ha/năm. Các KCN, KCX hiện đang
tạo công ăn việc làm cho hàng triệu lao động.
Tuy nhiên, bên cạnh những đóng góp tích cực, quá trình phát triển công nghiệp
nói chung và hệ thống các KCN nói riêng ở Việt Nam đang tạo ra nhiều thách thức
lớn về ô nhiễm môi trường do chất thải rắn, nước thải và khí thải công nghiệp.
Nguyên nhân là do các KCN - KCX thiếu nhà máy xử lý nước thải (XLNT) bởi
nhà đầu tư chưa thực sự quan tâm và do cơ chế, chính sách, chế tài xử phạt còn
chưa đủ mạnh. Nguồn vốn đầu tư cho các hoạt động bảo vệ môi trường (BVMT)
của các doanh nghiệp hạn chế, do doanh nghiệp cố gắng giảm giá thành sản phẩm
và ưu tiên tăng lợi nhuận tài chính.
Như vậy, cùng với sự phát triển của sản xuất công nghiệp, XLNT công nghiệp
đang là vấn đề vô cùng quan trọng trong việc bảo đảm cho sự trong sạch môi
trường sống đồng thời góp phần vào sự phát triển bền vững của nền kinh tế mọi
quốc gia trên thế giới. Tại nhiều nước có nền công nghiệp phát triển cao như Nhật,
Mỹ, Anh, Pháp,... các hệ thống XLNT công nghiệp đã được nghiên cứu và đưa vào
ứng dụng từ lâu, đặc biệt các thành tựu tiên tiến trong lĩnh vực tự động hoá cũng đã
được áp dụng và đem lại hiệu quả kỹ thuật, kinh tế xã hội vô cùng to lớn. Nhiều
hãng đi đầu trong lĩnh vực này như USFilter, Aquatec Maxcon, Hunter Water
Corporation (HWC), Global Industries.Inc... đã đưa ra các giải pháp công nghệ
XLNT hiện đại. Những công nghệ tự động hoá của các công ty hàng đầu trên thế
giới như SIEMENS, AB, YOKOGAWA,... được sử dụng rộng rãi trong các công
trình XLNT. Có thể nói trên thế giới trình độ tự động hoá XLNT đã đạt đến mức
cao. Ngoài ra, trong lĩnh vực điều khiển đã có rất nhiều lý thuyết điều khiển hiện
250
Trần Ngọc Minh, “Ứng dụng kỹ thuật tự động hóa vào xử lý nước thải.”
Thông tin khoa học công nghệ
đại được áp dụng như điều khiển mờ, mạng nơ-ron, điều khiển dự báo trước
(predicted control), điều khiển lai ghép (hybrid control),... được ứng dụng trong
XLNT để nâng cao chất lượng điều khiển và hiệu suất của các công đoạn xử lý.
Tại Việt Nam đã có những nhà máy XLNT hiện đại, sử dụng hoàn toàn hoặc
phần lớn các công nghệ của nước ngoài do đó mức độ tự động hoá cao, tuy nhiên
giá thành đắt, nhiều công nghệ không mang tính mở nên khó làm chủ hoàn toàn,
chi phí nâng cấp, bảo trì rất lớn. Do đó, tự thiết kế và xây dựng một hệ thống tự
động hoá hiện đại cho dây chuyền XLNT là mục tiêu của nội dung mà bài viết này
đề cập.
2. CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HÓA TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
2.1. Lợi ích của việc áp dụng tự động hoá xử lý nước thải:
Tự động hoá XLNT là điều cần thiết bởi các lợi ích sau:
- Cải thiện điều kiện làm việc: Lợi ích đầu tiên của tự động hoá (TĐH) là loại
bỏ được công việc lặp đi lặp lại nhàm chán và khó nhọc cho việc vận hành, ví dụ:
liên tục theo dõi, kiểm tra nhiều thông số công nghệ, tắt bật cơ cấu chấp hành, ghi
chép số liệu, sự cố,...Tự động hoá và giám sát bằng máy tính làm tiện lợi thêm khả
năng khống chế từ xa một số lượng lớn các thông tin, đơn giản hóa nhiệm vụ khai
thác, giám sát và quản lý.
- Nâng cao hiệu quả của thiết bị: Trước hết ta có thể cải thiện chất lượng xử lý
nước bằng các thiết bị đo và điều chỉnh. Ví dụ như định lượng chất phản ứng, mức
độ ô xy hoá, kiểm tra nhiệt độ các bể phản ứng…Tự động hoá quá trình cho phép
giải phóng con người và làm tăng tốc độ tin cậy của hệ thống. Nhưng mục tiêu
quan trọng là nâng cao độ chắc chắn vận hành của thiết bị có tính đến các tiêu
chuẩn độ tin cậy qua việc nghiên cứu các sự cố vận hành. Nghĩa là dự phòng các
phương án để thiết bị có thể làm việc liên tục trong trường hợp bị hỏng hóc một bộ
phận nào đó bằng cách đưa tự động các thiết bị dự phòng vào làm việc và giải
quyết hỏng hóc. Tự động hoá cho phép việc nghiên cứu thống kê các dữ liệu đã thu
được, mở ra con đường tối ưu của việc xử lý.
- Tăng năng suất lao động: Tự động hoá nhằm nâng cao năng suất bằng cách
giảm chi phí vận hành. Ta cũng có thể tối ưu hóa giá thành năng lượng chi phí
hàng giờ và chi phí vật liệu. Giảm nhân công vận hành và giảm công việc bảo
dưỡng cũng cho phép giảm giá thành.
- Trợ giúp việc giám sát: Nó bao gồm việc lắp đặt bộ biến đổi, phát hiện báo
động, đặt các phương tiện ghi các dữ liệu và truyền đi xa cho đến nơi giám sát
bằng máy tính.
2.2. Yêu cầu và cơ sở xây dựng hệ thống tự động hoá:
Hệ thống tự động hoá có thể chia làm hai phần: hệ thống thông tin và hệ thống
điều khiển.
Hệ thống thông tin có nhiệm vụ thực hiện các chức năng thông tin. Các chức
năng này cho phép giám sát quá trình công nghệ: cụ thể là thu thập, bảo quản,
thống kê và ghi lại các thông tin đã diễn ra của quá trình điều khiển, cần cho dự
báo trước các tình huống sự cố hay thông tin về sự thay đổi yêu cầu đặt trước của
quá trình.
251
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017
Hóa học & Kỹ thuật môi trường
Hệ thống điều khiển dùng để tạo ra và thực hiện các tác động điều khiển dựa
trên các nguyên lý điều khiển các đại lượng phụ thuộc của quá trình công nghệ;
thực hiện điều khiển tối ưu; bằng các phương tiện tự động thực hiện các thao tác
logic và theo chương trình đối với các phần tử phân tán (điều khiển phân tán các cơ
cấu chấp hành , các liên động sự cố, khởi động và dừng hệ thống máy ...).
Vấn đề đo lường từ xa các thông số của hệ thống công nghệ là rất quan trọng.
Các thông số cần đo có thể là: mực nước trong các bể chứa, trong các buồng đầu
vào công trình, lưu lượng, các chỉ số chất lượng nước như pH, T, DO,.... Các thiết
bị cho tín hiệu từ xa giúp người điều khiển nhìn nhận được toàn cảnh về trạng thái
làm việc của các thiết bị. Các thiết bị hiện trường truyền về Trung tâm điều khiển
các tín hiệu sau đây: tín hiệu về tắt sự cố, về hỏng hóc các thiết bị điều khiển hay
của các thiết bị phụ trợ (quạt, máy bơm ...), giá trị sự cố của các thông số công
nghệ, sự trục trặc điều tiết chất phản ứng ....
Các phòng trong Trung tâm điều khiển thường được sắp xếp liền kề nhau,
phòng có diện tích lớn là phòng điều khiển chính có đặt các tủ thiết bị, có bàn ghế
của người vận hành. Đằng sau tủ là các bộ phận cung cấp nguồn, điều khiển xa và
các đầu vào của cáp. Trong Trung tâm điều khiển, các tủ, trạm đặt thiết bị điều
khiển cần được sắp xếp như thế nào để người điều khiển từ chỗ ngồi làm việc có
thể bao quát được tất cả các dụng cụ đo lường và các tín hiệu. Kết cấu các tủ và
trạm điều khiển yêu cầu phải đơn giản nhưng cho khả năng lắp ráp dụng cụ một
cách dễ dàng hoặc có thể thực hiện đổi chỗ chúng khi cần thiết. Trên sơ đồ bằng
các ký hiệu tương ứng làm tái hiện lại các tín hiệu truyền từ xa, đánh dấu trạng thái
tác động của các máy bơm, của khoá van, của các cầu giao dầu và các thiết bị
khác. Bằng sự thay đổi màu sắc, ánh sáng và kim quay chỉ trạng thái của đối
tượng. Khi có các tín hiệu cảnh báo, báo động cần cho ánh sáng đèn nhấp nháy...
Với tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ tự động, các phương tiện
điều khiển ngày một hiện đại hơn, có độ chắc chắn, tinh vi trong công tác lại có
kích thước thu nhỏ, rất tiện ích về nhiều mặt. Điều đó đạt được khi các quá trình
công nghệ được điều khiển bằng các thiết bị vừa tính toán vừa điều khiển lại vừa
có khả năng tự động lập trình gọi là thiết bị tự động lập trình công nghiệp (máy
tính PC và các thiết bị tự động khả trình PLC) và chúng được lắp đặt làm việc
trong mạng riêng gọi là mạng công nghiệp. Nhờ có mạng truyền thông công
nghiệp mà việc điều hành, quản lý giám sát một nhà máy, xí nghiệp nói chung hay
một quá trình công nghệ nói riêng thu được nhiều kết quả tốt hơn…
Công nghệ làm sạch nước thải rất phức tạp, vì trong đó có nhiều quá trình khác
biệt nhau xảy ra… Nước thải là một môi trường luôn thay đổi về thành phần cấu
tạo bởi các hợp chất và lưu lượng, lại có độ ẩm, độ kết dính, độ ô xít hoá, nhiệt độ
biến đổi nên gây nhiều khó khăn phức tạp cho việc áp dụng tự động hoá. Cụ thể,
không thể sử dụng các thiết bị tự động đã sản xuất hàng loạt lưu hành trên thị
trường như cho tự động hoá các môi trường bình thường khác, mà phải chọn các
thiết bị tự động hoá chuyên sử dụng cho tự động hoá ở môi trường đặc biệt như
nước thải. Các loại cảm biến này phải chống chọi được những ảnh hưởng khắc
nghiệt của môi trường ô xy hoá, có độ đậm đặc các loại rác bẩn vô cơ và hữu cơ,
có thể có nhiệt độ cao…
252
Trần Ngọc Minh, “Ứng dụng kỹ thuật tự động hóa vào xử lý nước thải.”
Thông tin khoa học công nghệ
Với một đối tượng luôn thay đổi là nước thải (lưu lượng, mức độ bẩn, nồng
độ các chất bẩn, lượng bùn hoạt tính…), lại có những hạn chế về phía công nghệ
nên việc đưa công trình vào làm việc ở chế độ tối ưu về cả kỹ thuật lẫn kinh tế là
một nhiệm vụ nan giải. Vì vây, khi tự động hoá các quá trình XLNT, chế độ công
nghệ luôn cần được dịch chỉnh sao cho theo sát gần với các điều kiện thay đổi
của môi trường. Như vậy nhiệm vụ của tự động hoá các công trình XLNT đã
được hiện ra rõ nét là: tổ chức việc điều khiển, kiểm tra, bảo vệ, cho tín hiệu tự
động về sự làm việc của các công trình công nghệ từ một Trung tâm điều khiển
sao cho công trình XLNT có hiệu quả cao. Tuỳ thuộc vào qui mô của trạm xử lý
(công suất thiết kê, kết cấu của công trình) và đặc tính của nước thải cần xử lý
mà chọn khối lượng và mức độ tự động hoá cho phù hợp về mặt kinh tế (tự động
hoá từng phần hay toàn phần).
Trong các trạm điều khiển được trang bị nhiều sơ đồ của quá trình công nghệ
XLNT. Các sơ đồ này phải chỉ rõ được trạng thái làm việc của tất cả các công
trình, máy móc mà nó điều khiển (trạng thái "làm việc", "dừng máy", hay "sự cố").
Ngoài ra các sơ đồ đó phải cho khả năng theo dõi dễ dàng các tín hiệu; đơn giản
hoá và giảm các sai sót trong việc điều khiển. Để tiện cho việc theo dõi, kiểm tra
công tác của các thiết bị máy móc, ở các trạm điều khiển đặt cách xa công trình
nên sử dụng thiết bị truyền hình công nghiệp...
Ngày nay khoa học công nghệ mỗi ngày một phát triển. Trong các hệ thống
điều khiển người ta đã sử dụng các block logic hay các máy tính điện tử có thiết bị
đo lường từ xa các thông tin ở dạng tín hiệu tương tự hoặc dạng số rất tiện ích, đã
có các thiết bị gọi là thiết bị tự động lập trình công nghiệp ra đời (API) hơn hẳn các
bộ điều chỉnh trước đây, có khả năng tính toán và điều khiển; có thể kết nối với đối
tượng điều khiển qua các cảm biến điện tử có độ tin cậy cao với cơ cấu chấp hành
và các thiết bị ngoại vi khác (màn hình, phím lập trình, thẻ điện tử, mạng thông
tin…). Cũng đã có các API có khả năng điều khiển quá trình đồng thời với nhiều
thông số đầu vào biến đổi với các qui luật khác nhau. Các API có khả năng làm
việc trong điều kiện khắc nghiệt về môi trường. Sự xuất hiện của thiết bị tự động
lập trình công nghiệp đã mở ra những triển vọng tốt đẹp trong việc áp dụng tự
động hoá vào điều khiển các công trình XLNT…
2.3. Thiết kế các chức năng hệ thống tự động hoá xử lý nước thải
Để đạt được mục đích cũng như đáp ứng các yêu cầu nói trên, hệ thống tự động
hoá XLNT cần có những chức năng cơ bản sau đây:
2.3.1. Điều chỉnh tự động
Điều chỉnh tự động là sử dụng các thiết bị tự động để tác động lên quá trình
công nghệ cần điều khiển theo một chế độ làm việc đã định sẵn. Mỗi quá trình
công nghệ xảy ra trong đối tượng điều chỉnh được đặc trưng bởi một hay vài đại
lượng. Một số đại lượng được duy trì không đổi, một số đại lượng khác được thay
đổi trong giới hạn cho trước nào đó. Đây là một trong những chức năng quan trọng
nhất quyết định đến mức độ tự động hoá. Trong dây chuyền XLNT thường có ba
khâu điều chỉnh tự động là điều chỉnh pH tại bể trung hòa, lưu lượng nước vào bể
kỵ khí và DO tại bể hiếm khí.
2.3.2. Giám sát điều khiển có khoảng cách hoặc từ xa
253
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017
Hóa học & Kỹ thuật môi trường
Nếu điều khiển bằng tay trực tiếp tại chỗ người vận hành có thể phải tiếp xúc
với môi trường độc hại, đi lại khó khăn và tốn thời gian. Mặt khác nhiều trường
hợp, ví dụ như có sự cố hoặc mất điều khiển tự động, đòi hỏi điều khiển tay phải
kịp thời và đồng bộ, ví dụ như dừng nhanh nhiều máy bơm đặt tại nhiều vị trí khác
nhau, điều khiển cùng lúc nhiều quá trình có liên quan hệ quả với nhau. Để làm
được điều này hệ thống TĐH phải có chức năng điều khiển có khoảng cách, cụ thể
là điều khiển từ Trung tâm đặt cách dây chuyền công nghệ một khoảng cách nhất
định (hàng chục đến hàng trăm mét). Điều khiển từ xa qua mạng LAN, WAN cũng
là một chức năng không thể thiếu hiện nay trong nhiều hệ thống TĐH nói chung và
XLNT nói riêng. Giám sát, điều khiển, trao đổi dữ liệu từ xa là nền tảng cho việc
xây dựng hệ thống điều hành sản xuất MES (Manufacturing Execution System)
nhằm đem lại hiệu quả kỹ thuật, kinh tế, xã hội một cách toàn diện. MES tạo ra
một cầu nối thông suốt hai chiều giữa khối quản lý và sản xuất, giúp tối ưu hóa quá
trình sản xuất từ khâu hoạch định kế hoạch đến khâu sản xuất ra thành phẩm cuối
cùng, cung cấp các chức năng lập kế hoạch; quản lý nhân lực, thiết bị, nguyên vật
liệu; theo dõi quá trình sản xuất, chất lượng sản phẩm, sự cố máy móc,.... Ngoài ra,
điều khiển từ xa còn cho phép giảm đáng kể số lượng chuyên gia công nghệ, kỹ
thuật cần thiết cho vận hành, bảo trì hệ thống tự động hoá. Một nhóm chuyên gia
có thể điều hành cùng lúc cả mạng lưới các nhà máy XLNT tại nhiều nơi trong
thành phố, nhiều tỉnh mà không cần đến tận nơi. Đặc biệt, ngày nay mạng Internet
toàn cầu đã rút ngắn khoảng cách về không gian và thời gian khiến cho khó ai có
thể tin được từ cách xa hàng nghìn km vẫn có thể giám sát, điều khiển thậm chí
chuẩn đoán, sửa lỗi, nạp lại chương trình cho thiết bị điều khiển từ bất kỳ địa điểm
nào trên thế giới,...
Hệ thống tự động hoá XLNT công nghiệp có chức năng giám sát điều khiển có
khoảng cách (từ Trung tâm điều khiển) và từ xa (qua mạng LAN hoặc Internet) các
máy bơm, máy khuấy, máy gạt bùn, ép bùn, thổi khí, van điện từ và các thông số
công nghệ.
2.3.3. Hiển thị thông số công nghệ
Chức năng này giúp cho việc theo dõi, giám sát các thông số chất lượng nước,
trạng thái thiết bị, sự cố một cách thuận tiện, dễ hiểu đối với người vận hành. Việc
hiển thị được thiết kế hợp lý về màu sắc, bố trí các cửa sổ, kiểu thể hiện. Màu sắc
không quá loè loẹt, dùng các gam màu dịu không gây mỏi mắt khi nhìn lâu. Cảnh
báo, báo động bằng đổi màu và nhấp nháy liên tục để gây sự chú ý. Kiểu thể hiện
đa dạng: kiểu số riêng biệt, kiểu bảng thống kê, kiểu đồ thị trực tuyến (online
trend). (Xem hình 1).
2.3.4. Cấu hình hệ thống
Chức năng này dùng để đặt và thay đổi các tham số công nghệ cho hệ thống
TĐH, chủ yếu là các giá trị chủ đạo (setpoint), ngưỡng cảnh báo sớm, ngưỡng
báo động. Các tham số đặt sẽ được truyền từ PC xuống thiết bị điều khiển sau đó
lại được truyền ngược lại PC để so sánh, nếu thấy không trùng nhau thì báo động,
trái lại chứng tỏ rằng việc truyền và xử lý dữ liệu chính xác, đường truyền và
thiết bị điều khiển không có sự cố. Chức năng này nâng cao độ an toàn (fail-safe)
của hệ thống.
254
Trần Ngọc Minh, “Ứng dụng kỹ thuật tự động hóa vào xử lý nước thải.”