Case Study: Tối ưu hóa hệ thống sục khí tại Nhà máy Xử lý Nước thải Schwerin (Đức) bằng AI và Công nghệ Van VACOMASS®

Nhà máy xử lý nước thải (WWTP) Schwerin là đơn vị tiêu thụ năng lượng lớn nhất tại thành phố Schwerin, Đức.

Với công suất 19.000 m³/ngày, phục vụ khoảng 200.000 dân, nhà máy đã thực hiện một cuộc cách mạng về hiệu quả năng lượng để hướng tới mục tiêu tự cung cấp 70% điện năng tiêu thụ.

Thách thức kỹ thuật và vận hành. Trước khi nâng cấp, hệ thống sục khí của nhà máy gặp phải nhiều vấn đề nghiêm trọng:

  • Quá mức oxy (Over-aeration): Mỗi bể sục khí được cấp khí bởi một máy thổi riêng lẻ với phạm vi điều chỉnh hẹp. Điều này dẫn đến tình trạng dư thừa oxy hòa tan (DO) kéo dài 6-9 tiếng mỗi đêm, gây ảnh hưởng xấu đến quá trình khử nitơ sinh học.
  • Tổn thất áp suất không đồng đều: Do lịch sử lắp đặt, các bể sử dụng nhiều loại đĩa thổi khí khác nhau, gây ra sự chênh lệch áp suất lên tới 70 mbar giữa các bể.
  • Tải lượng biến động: Lưu lượng nước thải đầu vào thay đổi liên tục và không đồng đều giữa các bể do ảnh hưởng của nước mưa, khiến các thuật toán điều khiển PID truyền thống thường xuyên bị quá tải.

Giải pháp đột phá:

Kết hợp Van phản lực và Trí tuệ nhân tạo

Để giải quyết triệt để, nhà máy đã chuyển đổi sang hệ thống ống góp chung (common header system) và triển khai giải pháp công nghệ từ Binder:

  • Lắp đặt 3 van điều khiển phản lực VACOMASS®: Loại van này có phạm vi điều chỉnh cực rộng, có thể kiểm soát cấp khí với mức tổn thất áp suất tối thiểu (chỉ từ 2-5 mbar so với 40-70 mbar của van thông thường).
  • Hệ thống điều khiển flexcontrol tích hợp thuật toán AI: Đây là lần đầu tiên một thuật toán AI tự học được thử nghiệm để điều khiển DO. Hệ thống có khả năng tự điều chỉnh các tham số theo mùa mà không cần sự can thiệp của con người.
  • Điều khiển áp suất ống góp động (MOV/MIV): Áp suất được điều chỉnh linh hoạt theo nhu cầu thực tế thay vì duy trì ở mức cao cố định, giúp tối ưu hóa điện năng cho máy thổi khí.

Kết quả ấn tượng và Hiệu quả đầu tư (ROI)

Dự án được triển khai từ năm 2016 đến 2018 và đã mang lại những lợi ích vượt mong đợi:

  • Tiết kiệm kinh tế: Tổng chi phí vận hành (OPEX) tiết kiệm được khoảng 110.000 EUR mỗi năm. Trong đó, 40.000 EUR đến từ việc giảm tổn thất áp suất qua van và 45.000 EUR nhờ điều khiển áp suất động.
  • Thuật toán AI giúp tiết kiệm thêm 12.000 EUR mỗi năm nhờ tối ưu hóa chính xác. Thời gian hoàn vốn cực ngắn: Với tổng vốn đầu tư 170.000 EUR (bao gồm cả lắp đặt và điều chỉnh đường ống), nhà máy đã thu hồi toàn bộ vốn chỉ sau hơn 1,5 năm vận hành.
  • Cải thiện kỹ thuật: Độ chính xác của việc kiểm soát DO tăng lên rõ rệt, giảm 30% độ lệch chuẩn của nồng độ oxy hòa tan ngay cả khi có biến động tải lượng lớn như mưa lũ.
  • Bảo vệ môi trường: Giảm phát thải 122 tấn CO2 mỗi năm, góp phần quan trọng vào mục tiêu phát triển bền vững của thành phố.

Quản lý nhà máy, bà Britta Dumke, nhận xét: “Với flexcontrol và thuật toán tự học, chúng tôi có thể vận hành sục khí ổn định ở cả ba bể mà không cần bất kỳ thao tác điều chỉnh thủ công nào theo mùa”. Case study tại Schwerin là minh chứng điển hình cho việc ứng dụng công nghệ thông minh để tối ưu hóa chi phí và hiệu suất cho các nhà máy xử lý nước thải hiện đại.

Giải Pháp Nâng Cấp Hệ Thống Sục Khí Tại Nhà Máy Xử Lý Nước Thải Munich: Tối Ưu Hiệu Suất Trên Diện Tích Không Đổi

Nhà máy xử lý nước thải Munich (Đức), với công suất ấn tượng lên tới 290.000 m³/ngày (tương đương 2 triệu dân), đã đối mặt với một thách thức lớn:

Làm thế nào để tăng hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng và nâng cao năng suất làm sạch trong khi diện tích mặt bằng hoàn toàn bị hạn chế

Thách thức từ hệ thống cũ và yêu cầu mở rộng

Để cải thiện hiệu suất, nhà máy cần thực hiện đồng thời nhiều biện pháp tại các bể nitrat hóa (bước B) như: tăng mực nước và thay thế các bộ khuếch tán .

Tuy nhiên, những thay đổi này lại vô tình làm tăng áp suất động, dẫn đến việc tiêu thụ điện năng của máy thổi khí tăng vọt 

Vấn đề càng trở nên phức tạp khi các van bướm cũ gây ra nhiều nhiễu loạn dòng chảy và tổn thất áp suất lớn 

Câu hỏi đặt ra là làm sao để đáp ứng yêu cầu áp suất cao hơn mà không phải đầu tư thay mới toàn bộ hệ thống máy thổi khí tốn kém .

Giải pháp đột phá từ công nghệ VACOMASS®

Trong giai đoạn từ năm 2014 đến 2022, Munich đã quyết định triển khai một cuộc cải tổ toàn diện hệ thống điều khiển sục khí . Thay vì thay thế máy thổi, nhà máy đã lắp đặt:

  • 38 van điều khiển phản lực VACOMASS® cùng đồng hồ đo lưu lượng cho dòng chính .
  • 6 van điều khiển VACOMASS® kết hợp hệ thống flexcontrol cho dòng nhánh (side stream)

Điểm nhấn công nghệ:

Van điều khiển VACOMASS® sở hữu thiết kế Venturi đặc biệt, giúp giảm thiểu tổn thất áp suất xuống mức thấp nhất thị trường (giảm ít nhất 40 mbar so với van bướm truyền thống) , . Đặc tính vận hành gần như tuyến tính của van giúp việc điều khiển vị trí trở nên chính xác và dễ dàng hơn bao giờ hết .

Bên cạnh đó, việc ứng dụng thuật toán hỗ trợ AI cho phép tính toán nhu cầu khí thực tế theo thời gian thực cho từng vùng, đảm bảo hệ thống vận hành thông minh và tự động hóa hoàn toàn , .

Những con số ấn tượng về hiệu quả kinh tế và kỹ thuật

Dự án với tổng vốn đầu tư 800.000 EUR (bao gồm lắp đặt, chỉnh sửa đường ống và tích hợp SCADA) đã mang lại những kết quả vượt mong đợi:

  • Tiết kiệm năng lượng: Giảm chi phí vận hành khoảng 280.000 EUR/năm nhờ giảm tổn thất áp suất .
  • Tối ưu chi phí đầu tư: Nhờ kết quả mô phỏng CFD (động lực học chất lỏng), nhà máy đã tiết kiệm được 150.000 EUR chi phí một lần do không phải điều chỉnh lại các ống thả . Đặc biệt, van phản lực đã bù đắp hoàn toàn yêu cầu tăng áp suất, giúp nhà máy giữ lại hệ thống máy thổi khí cũ , .
  • Lợi ích môi trường: Giảm phát thải carbon đáng kể với 343 tấn CO2 mỗi năm .
  • Hiệu suất kỹ thuật: Khả năng kiểm soát nồng độ DO ổn định và chính xác hơn . Bộ khuếch tán màng mới giúp tăng 20% lượng oxy đưa vào bể với cùng một lưu lượng khí .
  • Độ bền tuyệt vời: Qua các đợt kiểm tra hàng năm, thiết bị không hề có dấu hiệu hao mòn, giúp nhà máy tiết kiệm tối đa chi phí bảo trì .

Kết luận

Case study tại Munich là minh chứng cho việc ứng dụng công nghệ điều khiển sục khí hiện đại có thể giải quyết bài toán tăng công suất một cách bền vững. Dự án không chỉ giúp tối ưu hóa chi phí vận hành (OPEX) mà còn đưa nhà máy tiến thêm một bước dài trong lộ trình chuyển đổi số và vận hành tự động hóa .

Case Study: Tối ưu hóa năng lượng và Nâng cao Hiệu suất Xử lý tại Nhà máy Nước thải Ningbo (Trung Quốc)

Trong bối cảnh các tiêu chuẩn xả thải ngày càng khắt khe và áp lực về chi phí vận hành tăng cao, việc tìm kiếm một giải pháp tự động hóa thông minh cho các nhà máy xử lý nước thải (XLNT) là ưu tiên hàng đầu.

Dự án tại Nhà máy xử lý nước thải Ningbo (WWTP Ningbo), Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa, là một minh chứng điển hình cho việc ứng dụng công nghệ VACOMASS® để đạt được mục tiêu kép: Tiết kiệm năng lượng tối đa và đảm bảo chất lượng nước đầu ra vượt trội.,

Tổng quan về Dự án

Nhà máy XLNT Ningbo là một trong những cơ sở hạ tầng quan trọng tại địa phương với tổng công suất xử lý lên tới 320.000 m³/ngày đêm (chia làm hai giai đoạn, mỗi giai đoạn 160.000 m³/ngày đêm).

Nhà máy sử dụng quy trình bùn hoạt tính kết hợp A/A/O + MBBR để xử lý nước thải đô thị. Vào giai đoạn 2019 – 2020, nhà máy đã quyết định đầu tư hệ thống kiểm soát sục khí thông minh nhằm giải quyết các vấn đề về sụt áp đường ống và tối ưu hóa tiêu thụ điện năng của máy thổi khí.

Thách thức đối mặt

Trước khi nâng cấp, nhà máy đối mặt với những yêu cầu kỹ thuật phức tạp:

  • Cần một hệ thống điều khiển tự động toàn bộ giai đoạn sinh học dựa trên tải lượng thực tế.
  • Đảm bảo nồng độ Amoni (NH4-N) trong nước đầu ra luôn thấp và ổn định, ngay cả khi tải lượng đầu vào biến động cao.
  • Đáp ứng các tiêu chuẩn thoát nước địa phương nghiêm ngặt nhất.

Giải pháp công nghệ từ VACOMASS®

Để giải quyết bài toán trên, hệ thống VACOMASS® đã được lắp đặt với các thiết bị cốt lõi bao gồm:

  • 24 van điều khiển VACOMASS® jet: Loại van chuyên dụng cho sục khí với khả năng điều chỉnh lưu lượng chính xác.
  • Hệ thống đồng hồ đo lưu lượng và bộ điều khiển flexcontrol: Tạo thành một vòng lặp kiểm soát khép kín.

Các điểm nhấn kỹ thuật nổi bật:

  • Kiểm soát DO dựa trên trí tuệ nhân tạo (AI): Hệ thống sử dụng thuật toán AI để duy trì nồng độ oxy hòa tan (DO) trong các bể sục khí với độ chính xác cực cao, sai số chỉ trong khoảng ± 0,3mg/L,.
  • Điều khiển áp suất ống chính động (Dynamic Header Pressure Control): Hệ thống tự động điều chỉnh áp suất theo nhu cầu thực tế của các bể, từ đó giảm thiểu tiêu thụ điện năng của máy thổi khí,.
  • Tích hợp đa năng: Hệ thống còn bao gồm các chức năng bảo trì thiết bị khuếch tán và kiểm soát DO chuyên biệt cho quy trình MBBR.

Kết quả ấn tượng

Sau khi đưa vào vận hành ổn định, hệ thống VACOMASS® đã mang lại những con số ấn tượng về cả kinh tế lẫn kỹ thuật:

  • Tiết kiệm năng lượng vượt trội: Lượng điện năng tiêu thụ hàng năm giảm tới 22,1% nhờ tối ưu hóa hoạt động của máy thổi khí.
  • Nâng cao hiệu quả xử lý: Tỷ lệ loại bỏ tổng Nitơ (TN) tăng từ 60% lên 65%. Nồng độ NH4-N đầu ra luôn duy trì ở mức thấp, đảm bảo an toàn môi trường.
  • Tối ưu hóa quản lý: Việc máy thổi và van điều khiển hoạt động hoàn toàn tự động đã giúp giảm đáng kể khối lượng công việc và áp lực cho đội ngũ vận hành tại nhà máy.
  • Tái sử dụng nguồn nước: Với chất lượng đầu ra ổn định, khoảng 160.000 m³/ngày nước thải sau xử lý đã sẵn sàng để tái sử dụng, góp phần bảo vệ tài nguyên nước.

Kết luận

Dự án tại WWTP Ningbo là một ví dụ thành công rực rỡ trong việc áp dụng công nghệ điều khiển thông minh vào ngành xử lý nước thải. VACOMASS® không chỉ giúp nhà máy vận hành bền vững hơn thông qua việc tiết kiệm năng lượng, mà còn nâng cao độ tin cậy của quy trình xử lý, đáp ứng tốt các yêu cầu khắt khe của đô thị hiện đại.

Hướng tới Trung hòa Năng lượng: Case Study Hiện đại hóa Hệ thống Sục khí tại Nhà máy Kiel-Bülk (Đức)

Trong nỗ lực đáp ứng các mục tiêu về bảo vệ khí hậu của thành phố Kiel, nhà máy xử lý nước thải (WWTP) Kiel-Bülk đã thực hiện một bước đột phá trong việc hiện đại hóa hệ thống sục khí.

Với công suất 54.000 m³/ngày (tương đương 364.000 PE), đây từng là đơn vị tiêu thụ năng lượng lớn nhất của thành phố. Dự án này không chỉ giải quyết các vấn đề kỹ thuật tồn đọng mà còn biến nhà máy thành một cơ sở tự chủ năng lượng hoàn toàn.

Thách thức từ hệ thống cũ

Trước khi nâng cấp, nhà máy đối mặt với nhiều bất cập lớn trong quy trình xử lý sinh học tại các bể dòng chảy (plug-flow tank)

  • Hệ thống van điều khiển thông thường gây ra sự phân bổ khí không đều: nửa đầu bể thường xuyên thiếu khí, trong khi nửa sau lại bị sục khí quá mức (lên tới 5 mg/l)
  • Vào ban đêm, lượng oxy dư thừa tràn sang các bể khử nitơ, gây gián đoạn quá trình xử lý sinh học trong nhiều giờ.
  • Ngoài ra, khi có mưa lớn gây biến động tải trọng, nồng độ Amoni thường xuyên vượt ngưỡng cho phép (breakthrough)
  • Về mặt kinh tế, các van cũ có độ sụt áp cao (40-70 mbar), buộc máy thổi khí phải vận hành ở công suất lớn, gây lãng phí điện năng nghiêm trọng

Giải pháp VACOMASS® từ Binder (Đức)
Để giải quyết triệt để, tập đoàn Binder đã triển khai giải pháp hiện đại hóa toàn diện trong giai đoạn 2019 – 2021 với tổng vốn đầu tư 450.000 EUR

Các hạng mục chính bao gồm:

  • Chia nhỏ vùng kiểm soát: 4 bể hình chữ nhật dài được chia thành 2 vùng kiểm soát độc lập, mỗi vùng trang bị một đồng hồ đo lưu lượng khí và một van điều khiển riêng
  • Thiết bị phần cứng tối ưu: Lắp đặt 8 van điều khiển VACOMASS® jet với thiết kế venturi đặc biệt, giúp giảm thiểu tối đa tổn thất áp suất so với van thông thường
  • Hệ thống điều khiển thông minh: Sử dụng bộ điều khiển flexcontrol tích hợp thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI) để tính toán nhu cầu lưu lượng khí theo thời gian thực dựa trên nồng độ Amoni (ABAC) và kiểm soát áp suất đường ống động

Kết quả ấn tượng về kinh tế và kỹ thuật

Dự án đã mang lại hiệu quả vượt mong đợi, giúp nhà máy tiết kiệm khoảng 300.000 EUR chi phí vận hành (OPEX) mỗi năm. Các con số biết nói bao gồm:

  • Tiết kiệm năng lượng: Giảm sụt áp tại van mang lại 80.000 EUR/năm; kiểm soát áp suất động tiết kiệm 100.000 EUR/năm và kiểm soát DO dựa trên Amoni tiết kiệm thêm 120.000 EUR/năm
  • Tự chủ năng lượng: Tỷ lệ điện năng tự sản xuất tăng từ 87% (2019) lên 104% (2021) và duy trì mức trên 100% các năm sau đó
  • Chỉ số tiêu thụ điện cụ thể giảm từ 31 xuống còn 28 kWh/PE*a
  • Lợi ích môi trường: Giảm phát thải 346 tấn CO2 mỗi năm
  • Ổn định quy trình: Hệ thống tự động điều chỉnh linh hoạt ngay cả khi mưa lớn, giúp loại bỏ tình trạng tràn oxy và đảm bảo hiệu suất xử lý nitơ sinh học tối ưu.


Ông Michael Wuttke, Trưởng phòng Kỹ thuật Quy trình tại nhà máy, nhận định: “Với flexcontrol, chúng tôi đã tự động hóa phần lớn giai đoạn xử lý sinh học, mang lại sự ổn định cao hơn, giảm vận hành thủ công và tăng hiệu quả rõ rệt”

Case study tại Kiel-Bülk là minh chứng cho thấy việc đầu tư vào số hóa và công nghệ van điều khiển chính xác không chỉ là giải pháp kỹ thuật, mà còn là bước đi chiến lược để tối ưu hóa chi phí và hiện thực hóa mục tiêu phát triển bền vững trong ngành xử lý nước thải.