TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRẠM QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG: 1 1 TÌNH HÌNH TRÊN THẾ GIỚI
TÌNH HÌNH TRONG NƯỚC
Nước ta đã trải qua nhiều năm chiến tranh, dẫn đến kinh tế chưa phát triển Tuy nhiên, trong thời kỳ đổi mới, kinh tế đã có sự phát triển nhanh chóng, với sự bùng nổ của nhà máy và khu dân cư Tuy vậy, quy hoạch tổng thể và quan điểm về môi trường vẫn chưa được hình thành, dẫn đến tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng hiện nay Hệ thống thiết bị quan trắc môi trường hiện chỉ có ở một số cơ quan và phát triển một cách thiếu đồng bộ.
Thiết bị quan trắc môi trường và hệ thống quan trắc hiện đang thiếu thốn, và nếu không có quy hoạch ban đầu, việc nhập khẩu bừa bãi thiết bị, đặc biệt là từ nước ngoài, sẽ gây khó khăn cho sự phát triển hệ thống sau này Về mặt kinh tế, việc nhập khẩu toàn bộ thiết bị quan trắc, đặc biệt là trạm quan trắc, sẽ rất tốn kém và không thể đáp ứng nhu cầu cấp bách hiện tại Do đó, đề tài KC.03-17 ra đời nhằm giải quyết những vấn đề này.
CHỦ TRƯƠNG CƠ BẢN CỦA ĐỀ TÀI KC.03-17
Dựa trên tình hình trong nước và các mô hình quốc tế, cùng với tiêu chuẩn toàn cầu và Việt Nam, nghiên cứu thiết bị đo là cần thiết để thu thập dữ liệu về các thông số cơ bản.
Các thông số cơ bản cần thu thập bao gồm độ pH, độ dẫn điện, oxy hòa tan, độ đục, COD, BOD và độ ồn Những thông số này sẽ là cơ sở để giải quyết các vấn đề liên quan đến chất lượng nước.
Chế tạo thiết bị bao gồm việc xác định rõ ràng các phần tử có thể chế tạo, kết hợp với việc nhập các chuyển đổi sơ cấp và gia công xử lý Quá trình này giúp thiết kế thành thiết bị hoàn chỉnh, thống nhất hóa tín hiệu và tạo thuận lợi cho việc xây dựng toàn bộ hệ thống.
+ COD/BOD: mua các cảm biến và chuyển đổi
Để tích hợp thành hệ thống trạm quan trắc hiệu quả, cần lựa chọn hệ thống thu thập dữ liệu phù hợp và phương tiện truyền thông thích hợp, đảm bảo hệ thống hoạt động tốt, chính xác và an toàn.
- Tổ chức thu thập và xử lý ở trung tâm: dùng máy tính thông thường hoặc máy tính công nghiệp
+ Thiết kế phần mềm đảm bảo chức năng SCADA cho toàn hệ thống + Đánh giá ô nhiễm.
HỢP ĐỒNG KÝ KẾT
Căn cứ theo nhiệm vụ được giao Đề tài KC.03-17 đã xây dựng các đề mục hợp đồng, được chương trình KC.03 thông qua và ký hợp đồng
Chủ nhiệm đề tài: Lê Đức Bảo
Cơ quan chủ trì đề tài:Liên hiệp khoa học kỹ thuật công trình SEEN Hợp đồng số: 17/2002/HĐ-ĐTCT (bảng 1)
Nội dung của bảng tổng kết đề tài gồm:
1 Thiết kế chế tạo, hoàn thiện các thiết bị đo: pH, nhiệt độ, DO, độ đục, COD, BOD, độ ồn
2 Thiết kế hệ thống thu thập số liệu về đo lường ở trạm quan trắc địa phương
3 Thiết kế, chế tạo hệ thống thu thập các số liệu các trạm quan trắc hiển thị, đối chiếu, giám sát, báo động, chẩn đoán quản lý số liệu (MIS) và thông báo đại chúng
Bảng 1 – Tóm tắt nội dung hợp đồng đã ký kết 17/2002/HĐ-ĐTCT
TT Tài liệu sản phẩm Đơn vị đo
Chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật
1 pH met pH - Thang đo 0-14pH
- Bù nhiệt độ: Tự động
01 Sản phẩm được thiết kế, chế tạo với các chỉ tiêu chất lượng tốt, đặc biệt là làm việc tốt trong môi trường nhiệt đới
2 Conductomet mS/cm - Thang đo 0-199mS/cm
3 Đo oxy hoà tan mg/l - Thang đo 0-20mg/l
4 Đo độ đục NTU - Thang đo 0-1000NTU
5 Đo nhu cầu oxy sinh học BOD mg/l - Thang đo 0-200mg/l
6 Đo độ ồn dB - Thang đo 1-10 01 Như trên
7 Hệ thống thu thập số liệu môi trường
Các dụng cụ đo: pH, CON,
- Độ phân giải đầu vào
- Truyền thông qua modem PTNS
8 Hệ thống thu thập, quản lý truyền thông - Quản lý truyền thông đến 16 trạm
- Truyền thông qua modem PTNS
9 Hệ thống phần mềm xử lý kết quả quan trắc môi trường
- Đáp ứng yêu cầu quản lý ô nhiễm môi trường tại Việt Nam
- Đáp ứng tiêu chuẩn quy định trong TCVN và ISO
Quy trình công nghệ chế tạo hiện đại cần tuân thủ nghiêm ngặt các yêu cầu khắt khe và chính xác để đảm bảo chất lượng sản phẩm Việc áp dụng công nghệ mới không chỉ nâng cao hiệu suất sản xuất mà còn đáp ứng được yêu cầu của thị trường.
11 Quy trình vận hành thiết bị - Tuân thủ các nguyên lý, nguyên tắc vận hành của thiết bị Đảm bảo độ chính xác cho quá trình vận hành
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
HỆ THỐNG THU THẬP SỐ LIỆU TRẠM QUAN TRẮC
Hệ thống thu thập số liệu về ô nhiễm môi trường được bố trí như sau:
Hình 1- Sơ đồ bố trí hệ thống thu thập dữ liệu
I.2.1.1 Phòng x ử lý trung tâm (PXLTT):
Hệ thống gồm một phòng xử lý trung tâm đặt ở sở khoa học và môi trường có nhiệm vụ:
Thu thập số liệu ô nhiễm môi trường từ các trạm quan trắc địa phương (TQTĐP) được thực hiện thông qua việc truyền tải dữ liệu qua đường dây điện thoại bằng môđem điện thoại hoặc thông qua môđem radio.
Xử lý và tổ chức dữ liệu thu thập được là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác của tín hiệu quản lý Việc này bao gồm việc xây dựng các bài tin tức về tình trạng môi trường, phát cảnh báo về các thảm họa môi trường, và đề xuất một số biện pháp khắc phục hiệu quả.
Quản lý thông tin môi trường bao gồm việc thu thập và phân tích các số liệu thống kê lịch sử, đánh giá thực trạng môi trường, và xây dựng bản đồ số liệu cùng bình đồ thể hiện tình trạng ô nhiễm trong khu vực quản lý.
- Tham gia vào việc đánh giá và xử lý tiểu khí hậu tại khu vực quản lý
I.2.1.2 Tr ạ m quan tr ắ c đị a ph ươ ng (TQT Đ P): Ở các điểm giám sát và kiểm tra môi trường người ta đặt một trạm quan trắc địa phương (TQTĐP)
Trạm quan trắc địa phương có các nhiệm vụ sau:
- Xây dựng hệ đầu đo các thông số môi trường, đảm bảo tính chính xác của kết quả đo
- Tổ chức lấy số liệu đo tự động và truyền số liệu có được về trung tâm theo các chế độ khác.
XÁC ĐỊNH NHIỆM VỤ THEO HỢP ĐỒNG
a) Trạm quan trắc địa phương (TQTĐP):
- Theo hợp đồng, trạm quan trắc địa phương (TQTĐP) thu thập các số liệu sau:
+ Độ Oxy hoà tan (DO)
+ Độ đục (DU) hoặc (TB)
+ Nhu cầu oxy sinh học (BOD), nhu cầu oxy hóa học (COD)
- Trạm phải được thiết kế đảm bảo chế độ tự động và bảo dưỡng các đầu đo
- Số liệu có được, được tổ chức truyền tin về trung tâm
- Số lượng trạm: 1 trạm b) Phòng xử lý trung tâm (PXLTT) được xây dựng thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Thu thập được số liệu ở nhiều trạm theo các chế độ khác nhau (trước mắt là một trạm)
- Hệ SCADA ở trung tâm xây dựng với nhiều trạm quan trắc (trước mắt là một trạm).
TỔ CHỨC TÀI LIỆU BÁO CÁO
Mỗi thiết bị đo đều là một nghiên cứu độc lập với các phần lý luận cơ bản, lựa chọn cảm biến, thiết kế phần cứng và xử lý phần mềm riêng biệt, điều này tạo nên sự khác biệt cho từng thiết bị trong lĩnh vực đo lường.
Bản tóm tắt tổng kết đề tài được trình bày trong Chương I
Như vậy toàn bộ hồ sơ kỹ thuật của đề tài được tổ chức như sau:
Chương I: Báo cáo tóm tắt tổng kết đề tài KC.03- 17
“Nghiên cứu chế tạo và lắp đặt hệ thống tự động hóa giám sát, xử lý, cảnh báo môi trường tại các khu công nghiệp và đô thị lớn”
Chương II: Các thiết bị đo
+ TBĐ-1 Thiết bị đo độ pH và nhiệt độ
+ TBĐ-2 Thiết bị đo độ dẫn điện
+ TBĐ-3 Thiết bị đo độ oxy hòa tan
+ TBĐ-4 Thiết bị đo độ đục
+ TBĐ-5 Thiết bị đo BOD và COD
+ TBĐ-6 Thiết bị đo độ ồn
Chương III: Các bộ thu thập dữ liệu
+ HT-1 Hệ thống thu thập số liệu tại trạm quan trắc
+ HT-2 Hệ thống số liệu tại trung tâm xử lý số liệu môi trường
+ HT-3 Phần mềm SCADA ở trung tâm xử lý số liệu môi trường Chương V: Kết luận
BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LIÊN HIỆP KHOA HỌC KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH SEEN
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ ĐO THÔNG SỐ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CONVERTER ĐO ĐỘ P H
II.1.1 CÁC TIÊU CHUẨN TCVN VỀ ĐỘ pH PHẢI ĐO:
Khi nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH, điều quan trọng đầu tiên là tuân thủ TCVN về pH met Thiết bị này cần phải đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng nước thải công nghiệp và sinh hoạt theo quy định hiện hành.
Theo tiêu chuẩn TCVN 6982: 2001, TCVN 6983: 2001, TCVN 6984: 2001, TCVN 6985: 2001 và TCVN 6986: 2001 về ô nhiễm môi trường nước sinh hoạt và nước thải, độ pH của nước cần được đo trong khoảng từ 6 đến 8,5 pH Để đảm bảo việc đo độ pH đạt tiêu chuẩn, thiết bị đo phải có thang đo nằm trong khoảng từ 5 đến 9,5 pH.
II.1.2 CÁC YÊU CẦU KHÁC ĐẢM BẢO TÍNH TIN CẬY CỦA PHÉP ĐO:
II.1.2.1 T ố c độ dòng n ướ c đ i qua bu ồ ng đ o: Độ pH của nước thải có thể thay đổi khi:
- Thay đổi tốc độ lưu thông của dòng nước
Các xoáy trong kênh có thể ảnh hưởng đến dòng chảy của nước thải, do đó cần đảm bảo rằng tốc độ nước trong buồng đo phản ánh chính xác tốc độ dòng chảy bên ngoài kênh thoát, nhằm tránh sai số trong quá trình đo lường.
II.1.2.2 Đả m b ả o độ b ề n c ủ a đầ u đ o: Đầu đo pH được sử dụng đo trong thời gian rất ngắn, sau đó được thau rửa và bảo quản bằng nước sạch, có thể dùng nước cất vừa làm chuẩn zêro của pH mét vừa làm dung dịch bảo quản điện cực
II.1.2.3 Ki ể m tra, hi ệ u ch ỉ nh, chu ẩ n độ thi ế t b ị :
Các thiết bị đo sinh hóa cần được chuẩn độ thường xuyên, do đó buồng đo cần được thiết kế để cho phép chuẩn độ trực tiếp độ pH và hiệu chỉnh thiết bị theo nhiệt độ đo.
II.1.3 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA pH MET THIẾT KẾ:
- Khoang đo mở rộng : 0 – 14 pH
- Sai số tuyệt đối: không ổn định 0,1pH so với dung dịch chuẩn
- Hệ số nhiệt độ : 0,1pH/10 0 C
- Điều chỉnh được tốc độ nước qua bình đo: theo tốc độ trung bình của sông thoát nước tại Hà Nội là 1 – 10 cm/s
- Bố trí được chế độ thau rửa, bảo quản và chuẩn độ các đầu đo
- Dễ dàng thay đầu đo
- Kết quả được trình bày dưới 2 dạng: o Số: truyền nối tiếp theo chuẩn RS-485 o Đầu ra tương tự: theo chuẩn 4 – 20mA
II.1.4 ĐẦU ĐO ĐỘ pH:
II.1.4.1 Lý thuy ế t chung v ề độ pH: Độ pH hay potential ion H + là nồng độ ion H trong một dung dịch acid hoà tan trong nước pH nói lên tính chất acid hoặc base của dung dịch điện phân Đối với dung dịch acid mạnh, ion H + bị phân ly hầu như hết, số ion H + của một phân tử gam acid mạnh có thể lên đến 10 7 ion Đối với dung dịch base mạnh, ion OH - bị phân ly hầu hết và số ion của một phân tử gam base mạnh có thể lên đến 10 7 ion OH - Để dễ sử dụng, người ta dùng thang đo loga và quan niệm ion OH- là thiếu ion H +
Với số lượng tương đối so sánh giữa số ion base mạnh với acid mạnh là:
OH H Độ pH từ acid mạnh đến base mạnh là 14, người ta định nghĩa pH = -log [H + ]
Thang pH chia làm 2 khoảng:
- Dung dịch có độ pH từ 0 -7 pH là dung dịch có tính acid
- Dung dịch có độ pH (7 – 14) là dung dịch có tính base Độ pH = 7 chỉ rõ dung dịch có tính trung tính (nước nguyên chất)
Một điện cực nhúng vào một dung dịch điện phân, sẽ xuất hiện ở điện cực ấy một sức điện động theo luật Nernst
T : nhiệt độ tuyệt đối T = 273 + t n : hoá trị của ion H
Ln: loganeper; [H + ] nồng độ ion H +
Chuyển sang loga thập phân ta có: pH =2,303RT ⎡⎣ + ⎤⎦
= F Như vậy EpH phụ thuộc vào nồng độ của ion H + và nhiệt độ T
Bảng 2 – Quan hệ giữa độ pH và nồng độ chất hoà tan
Tên chất Nồng độ phân tử gam (mol/l) pH
Thiết bị đo pH cần được lắp đặt để tự động điều chỉnh nhiệt độ Mối quan hệ giữa sức điện động Galvanic và độ pH tại các nhiệt độ khác nhau được thể hiện trong hình 1.
Mối quan hệ giữa EpH và pH thay đổi theo nhiệt độ, được biểu diễn bằng các đường thẳng có độ dốc khác nhau Độ dốc này phụ thuộc vào nhiệt độ của dung dịch Tại các nhiệt độ khác nhau, các đường thẳng này sẽ giao nhau tại một điểm gọi là điểm đẳng nhiệt, tương ứng với giá trị pHo.
Và EpH = e (pH – pHi)[1 + α 1 (t – t0)] e = 58,1 mV Nếu pHi ở ngay trên trục toạ độ (pHi = 0, t0 = 0 0 C) ta có:
Công thức Nernst chỉ chính xác khi áp dụng cho điện cực hydro (H) Điện cực H bao gồm một bề mặt platinum (Pt) xốp, nơi các phân tử hydro được hấp phụ Để tạo ra điện cực H, cần sục khí hydro vào dung dịch đo ở dưới điện cực Pt xốp.
Do tính không thuận tiện trong môi trường công nghiệp, người ta đã nghiên cứu và sử dụng điện cực thuỷ tinh Điện cực này bao gồm một bầu thuỷ tinh mỏng (0,02mm) chứa dung dịch ClAg và điện cực bạc, có tính chất tương tự như điện cực H với hệ số e 0,058V ứng với 1pH Ở nhiệt độ 18°C, hệ số nhiệt độ α1 là 0,0035/°C Mặc dù điện cực thuỷ tinh mỏng manh nhưng vẫn hoạt động ổn định và hiệu quả; tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là điện trở của nó rất cao (10^8 - 10^9 Ω), yêu cầu thiết bị đo phải có điện trở vào Rv lớn hơn 10^11 – 10^12 Ω.
Gần đây, để đơn giản hóa việc chế tạo mạch khuếch đại và xử lý, người ta đã phát triển điện cực thủy tinh kết hợp với tiền khuếch đại dòng điện bằng bán dẫn trường, tạo thành hệ ISFET Điện cực ISFET được chế tạo từ bán dẫn trường với kênh dẫn n hoặc p, và trên kênh dẫn này có lớp SiO2 xốp, giúp kích hoạt màng giống như điện cực thủy tinh, trong đó một mặt được kết nối với gate của bán dẫn trường.
Hình 3 - Điện cực thuỷ tinh và điện cực ISFET
Mặt kia của cực thuỷ tinh bao gồm một buồng chứa dung dịch phân tích và một điện cực nền, được kết nối với Source hoặc Drain của bán dẫn trường trong hai mạch khuếch đại áp hoặc dòng.
Cách bố trí này giúp giảm điện trở ra của hệ xuống mức khá nhỏ, chỉ vài trăm KΩ, nên việc khuếch đại tín hiệu ở phía sau trở nên dễ dàng hơn Gần đây, nhiều cải tiến đã được thực hiện đối với điện cực pH, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các pH mét có độ ổn định cao.
Màng thuỷ tinh chọn lọc ion
Dung dịch phân tích Điện cực nền
Mạch khuếch dòng điện gắn liền với điện cực pH (ISFET) bao gồm một điện cực thứ hai gọi là điện cực nền Điện cực nền không chịu ảnh hưởng bởi nồng độ ion H+ trong dung dịch, vì điện áp tại điện cực này so với dung dịch là ổn định Việc chế tạo điện cực nền đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác của các phép đo pH.
Calomel (Hg2Cl2) nên còn gọi là điện cực calomel Điện cực được chế tạo như sau:
Dưới cùng là thuỷ ngân (Hg), trên là một lớp Cl2Hg2 tinh thể sau đó là
Cl2Hg2 bão hoà là một thành phần quan trọng trong điện cực calomel, được kết nối với dung dịch thông qua cầu điện phân KCl Điện áp E0 của điện cực calomel không phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch điện phân khác nhau.
Sức điện động ấy là E0 =0,284 V ở 18 0 C
E0 thay đổi theo nhiệt độ
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH THIẾT BỊ ĐO ĐỘ DẪN ĐIỆN (CONDUCTOMET)
II.2.1 YÊU CẦU KỸ THUẬT:
II.2.1.1 Các tiêu chu ẩ n TCVN đố i v ớ i độ d ẫ n đ i ệ n n ướ c th ả i công nghi ệ p:
Thiết kế thiết bị đo độ dẫn điện cần tuân thủ các tiêu chuẩn Việt Nam liên quan đến chất lượng nước thải công nghiệp và sinh hoạt Các tiêu chuẩn này đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong việc kiểm soát ô nhiễm nước.
TCVN 6982: 2001, TCVN 6983: 2001, TCVN 6984: 2001, TCVN 6985: 2001 và TCVN 6986: 2001 quy định về môi trường, xác định điện dẫn suất của nước thải nằm trong khoảng từ 0,5 às/cm đối với nước sạch và 1000 ms/cm đối với nước nhiễm muối.
Do đó conductomet phải có dải đo khá rộng chia làm nhiều thang đo
II.2.1.2 Các yêu c ầ u khác đố i v ớ i conductomet:
Dòng chảy có ảnh hưởng lớn đến kết quả đo độ dẫn điện của nước Để đảm bảo kết quả phản ánh chính xác tính dẫn điện, tốc độ dòng nước cần phải duy trì tương đương với tốc độ nước ở kênh thoát nước thải Điều này giúp tránh hiện tượng dòng xoáy và sự hình thành bọt khí trong nước kiểm tra.
Để đảm bảo không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng phân cực của dung dịch, cần chú ý đến điện cực và tụ ký sinh giữa điện cực và dung dịch Điều này đồng nghĩa với việc điện trở giữa các điện cực phải được đo bằng dòng xoay chiều với tần số phù hợp.
Để duy trì độ chính xác trong đo lường, đầu đo cần được thau rửa thường xuyên nhằm ngăn ngừa sự hình thành các chất phụ có thể làm thay đổi môi trường đo Đồng thời, cần áp dụng biện pháp bù nhiệt độ, vì điện trở của dung dịch điện phân phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ với hệ số α đáng kể.
II.2.1.3 Các yêu c ầ u k ỹ thu ậ t đố i v ớ i conductomet thi ế t k ế :
- Khoảng đo: 0,5àS/cm – 1000 mS/cm
- Chia làm nhiều thang đo tự động
- Sai số ở mỗi thang đo < 1%
- Có bố trí bù nhiệt độ tự động
- Buồng phân tích có thể tích > 200ml
- Tốc độ nước phân tích 1-10 cm/s
- Có bố trí thau rửa, bảo quản điện cực
- Tránh ảnh hưởng của hiện tượng phân cực và tụ ký sinh
- Kết quả được trình bày dưới 2 dạng: o Số : truyền thông theo chuẩn RS- 485 o Tương tự : với dòng ra một chiều 4- 20mA
II.2.2 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA
II.2.2.1 Nguyên lý làm vi ệ c c ủ a Conductomet:
II.2.2.1.1 Đ i ệ n d ẫ n su ấ t c ủ a dung d ị ch đ i ệ n phân: Điện dẫn suất của dung dịch điện phân phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch ấy γ = λf(c) λ được gọi là suất điện dẫn riêng của dung dịch; ta thấy quan hệ giữa điện dẫn xuất của dung dịch, ở vùng nồng độ thấp tương đối tuyến tính còn ở nồng độ cao nó không còn tuyến tính nữa
Hình 22 – Quan hệ giữa γ và nồng độ dung dịch
Từ điện dẫn suất có thể suy ra nồng độ của dung dịch Đặt 2 điện cực vào dung dịch điên phân, điện trở giữa 2 điện cực được tính
1 hằng số của chuyển đổi điện dẫn
Thông thường khi thiết kế chuyển đổi điện dẫn ta phải bố trí sao cho K
=1 hoặc 0,1 vv… Đặt một điện áp U vào chuyển đổi ta có:
Dòng điện I trong chuyển đổi tỷ lệ với γ và U, thường được đo để suy ra γ khi u là hằng số Dẫn suất γ cũng thay đổi theo nhiệt độ, được biểu diễn bằng công thức γt = γ0[1+(t - t0)β], trong đó β là hệ số nhiệt độ của dung dịch Ở nhiệt độ phòng, hệ số nhiệt độ β đối với dung dịch acid là 0,016/°C.
=0,019/ o C đối với muối β = 0,024/ o C ở vùng nhiệt độ cao hơn trên 40 – 50 o C thì β có xu hướng giảm
Trong quá trình chuyển đổi điện dẫn, có hai hiện tượng chính xảy ra giữa điện cực và dung dịch, gây ra sai số trong quá trình đo lường, đó là hiện tượng phân cực và tụ ký sinh.
Hiện tượng phân cực xảy ra khi một điện cực được nhúng vào dung dịch điện phân, dẫn đến việc các ion kim loại trong dung dịch bám vào điện cực Quá trình này tạo ra một thế điện cực giữa điện cực và dung dịch, ảnh hưởng đến hoạt động điện hóa trong hệ thống.
Để giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng phân cực, cần sử dụng dòng xoay chiều qua chuyển đổi Tần số cao hơn sẽ giúp giảm thiểu hiện tượng phân cực hiệu quả hơn.
Hiện tượng tụ ký sinh xảy ra khi giữa điện cực và dung dịch hình thành một lớp kép, tạo ra điện dung ký sinh và làm thay đổi dòng điện trong dung dịch Để giảm thiểu ảnh hưởng của tụ ký sinh, tần số của điện áp cung cấp cần phải được giữ ở mức thấp.
Hiện tượng phân cực và tụ ký sinh ngược nhau ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị, vì vậy việc chọn tần số tối ưu cho nguồn điện cung cấp là rất quan trọng trong quá trình chuyển đổi.
II.2.2.1.2 Đ i ệ n c ự c: Điện cực của conductomet thay đổi qua nhiều thời kỳ: a) Thời kỳ đầu điện cực được làm bằng bạch kim như 2 bản cực cách nhau một khoảng cách thế nào cho k = 1
Điện cực được chế tạo bằng thép không gỉ với hình dạng giống như chiếc nhẫn, và bên ngoài có ống chụp để giới hạn một thể tích cố định xung quanh điện cực.
Cực dòng điện Cực điện áp Chụp a Điện cực bản b Điện cực hình nhẫn C Điện cực 4 đầu
Để giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng phân cực và tụ ký sinh, người ta sử dụng điện cực 4 đầu trong hệ thống Conductormet Hai đầu dòng điện nằm ở ngoài, trong khi hai đầu điện áp ở bên trong được kết nối với dụng cụ đo điện tử có điện trở rất lớn, giúp tránh tác động từ tụ ký sinh.
NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ ĐO OXY HÒA TAN (DO)
II.3.1 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐỐI VỚI THIẾT BỊ ĐO DO:
II.3.1.1 Các tiêu chu ẩ n TCVN ứ ng d ụ ng:
Thiết bị đo DO (disolved oxygen) phải đáp ứng với các tiêu chuẩn TCVN sau về ô nhiễm nước thải và nước công nghiệp:
TCVN6980 – 2001 TCVN 6981: 2001 TCVN6982: 2001 TCVN6983 – 2001 TCVN 6984: 2001 TCVN6985: 2001 TCVN6986 – 2001 TCVN 6987: 2001 TCVN6772: 2000 TCVN6773 – 2000 TCVN 6774: 2000
Về DO trong nước thải và nước công nghiệp, không vượt quá 6 mg/l oxy hoà tan
Theo thống kê của Sở Khoa học và Môi trường Hà Nội, nồng độ DO trong các sông nước thải của thành phố không vượt quá 6,5 mg/l, với tốc độ dòng chảy nước thải dao động từ 1-10 cm/s Thiết bị đo DO cần phải đảm bảo khả năng đo các giá trị này chính xác.
II.3.1.2 Các đ i ề u ki ệ n k ỹ thu ậ t ả nh h ưở ng đế n k ế t qu ả đ o (DO):
II.3.1.2.1 Nhi ệ t độ môi tr ườ ng:
DO phụ thuộc vào áp suất riêng phần của oxy trong môi trường chứa nhiều chất bốc hơi, vì vậy nó cũng phụ thuộc vào nhiệt độ Do đó, thiết bị đo cần phải có biện pháp bù nhiệt độ để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường.
II.3.1.2.2 Áp su ấ t khí quy ể n:
Cũng vì lý do trên thiết bị đo DO cũng phải có biện pháp chống lại ảnh hưởng của áp suất lên kết quả đo
II.3.1.2.3 T ố c độ chuy ể n độ ng c ủ a n ướ c:
Tốc độ nước ảnh hưởng đến độ hòa tan oxy, vì vậy cần chú ý đến tốc độ nước khi kiểm tra qua buồng đo Cần thiết kế sao cho tốc độ nước qua buồng đo bằng với tốc độ nước trên kênh thoát nước thực địa, điều này đòi hỏi có biện pháp điều tiết tốc độ nước kiểm tra qua buồng đo DO.
II.3.1.2.4 Tránh dòng xoáy và b ọ t khí trong n ướ c ki ể m tra:
II.3.1.3 Các yêu c ầ u k ỹ thu ậ t đố i v ớ i thi ế t b ị đ o DO:
- Tốc độ chuyển động của nước qua buồng đo < 10cm/s
- Tự động bù nhiệt độ
- Tự động bù áp suất
- Tự động bù độ muối hoà tan
II.3.2 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHẦN CỨNG THIẾT BỊ ĐO DO:
II.3.2.1.1 Ph ươ ng pháp hoá h ọ c: Ôxy hoà tan trong nước rất cần thiết cho cuộc sống của các loài vật sống dưới nước, nó liên quan chặt chẽ đến tốc độ ăn mòn của nước, đến quá trình lục diệp hoá của các thuỷ sinh BOD (nhu cầu ôxy sinh học) cũng liên quan chặt chẽ đến DO
Phương pháp phân tích cổ điển là phương pháp Iodometric Tức là định lượng DO bằng dung dịch Iodide Kali
Iodide K ôxy hoá trở thành Iodine có tính kiềm Iodine tự do được chuẩn độ bằng Thiosulfat Na 0,005 N
Phương pháp hoá học này không cho hiệu quả cao vì bị ảnh hưởng tương tác của nhiều yếu tố như Nitride, sắt, sulfite v.v…
Từ đấy xuất hiện nhiều loại thuốc thử hiệu chỉnh
II.3.2.1.2 Ph ươ ng pháp phân c ự c ký:
Phương pháp phân cực ký, được phát triển vào những năm 60, dựa trên nguyên lý rằng để tách một kim loại khỏi dung dịch điện phân, cần áp dụng một điện áp nhất định, gọi là điện áp phân cực của kim loại đó.
Phân cực ký cho phép ta phân tích vừa định tính vừa định lượng của hỗn hợp dung dịch điện phân
Phương pháp phân cực được thực hiện như sau: a) Điện cực Hg nhỏ giọt
Nguyên tắc của phân cực ký liên quan đến việc sử dụng điện cực bằng thủy ngân (Hg) với catôt là Hg nhỏ giọt và anôt cũng là Hg Khi áp dụng một điện áp U, dòng điện được đo lường trong quá trình điện phân.
Mối quan hệ I(U) của phân cực ký cho thấy rằng khi tăng điện áp từng bước 0,02V từ 0 đến 2V, dòng điện sẽ có những nhảy vọt tại các điện áp tương ứng với điện áp phân cực của các ion trong dung dịch.
Dựa vào điện áp, có thể xác định chất bị phân cực trong dung dịch, trong khi biến thiên dòng điện cho phép suy ra nồng độ của chất bị phân ly.
Khi áp dụng vào thiết bị đo DO, trong phương pháp này ta phối hợp với các thuốc thử
Thuốc thử ở đây là dung dịch 0,01N KCl và dung dịch methyl đỏ cùng với 0,05N NaOH, cùng với khí sục là Nitơ
II.3.2.1.3 Chuy ể n đổ i DO hi ệ n đạ i:
Sự ra đời của màng lọc chọn lựa ion mở đường cho đầu đo DO hiện đại, đầu do gồm có 2 loại:
Cấu tạo của đầu DO galvanic như ở hình 40
Màng lọc ion chọn lọc là thành phần chính của đầu đo, cho phép các ion Oxy (O2) thẩm thấu qua Buồng đo được thiết kế như một bình điện phân kiềm, thường sử dụng KOH Điện cực anot được làm từ chì (Pb), trong khi điện cực catôt là một thanh bạc, được đặt gần màng thẩm thấu oxy Oxy hòa tan trong nước kiểm tra sẽ thẩm thấu qua màng Teflon hoặc polyethylen.
Oxy đến catot, quá trình oxy hoá khi xảy ra như sau:
Các điện tích chạy qua các điện cực tạo ra dòng điện và khử tất cả các oxy thấm qua màng thẩm thấu chọn lọc (IS)
Lượng oxy thấm qua màng ảnh hưởng trực tiếp bởi nồng độ oxy hòa tan trong nước kiểm tra Do đó, dòng điện giữa hai điện cực cũng phụ thuộc vào lượng oxy hòa tan trong nước.
Current anode (lead) alkaline electrolyte oxygen-permeable membrane Cathode (silver)
Hình 40 - Cấu tạo đầu đo DO kiểu galvanic
Do hiện tượng phân cực, lượng oxy gần catôt gần như bằng không, dẫn đến việc oxy thấm qua màng phụ thuộc vào áp suất tác động lên màng thẩm thấu Do đó, dòng điện trong đầu đo DO một phần phụ thuộc vào áp suất khí quyển.
Phương pháp phân cực ký được áp dụng trong đầu đo phân cực, kết hợp giữa màng thẩm thấu chọn lọc và kỹ thuật phân cực Trong đầu đo kiểu galvanic, sức điện động galvanic xuất hiện giữa hai điện cực Pb và Ag, trong khi đó, đầu đo polarometric sử dụng dòng điện điện phân được cung cấp bởi điện áp 0,6V.
Cấu tạo của đầu đo DO polarometric được mô tả ở hình bên Nguyên lý hoạt động của nó như sau: Ở điện cực anot hoạt động
(vàng hay Pt) hiện tượng oxy hoá xảy ra:
Cấu tạo đầu đo DO phân cực bao gồm điện cực dương và âm, nơi điện áp được áp dụng tạo ra dòng điện tỷ lệ thuận với nồng độ oxy thấm qua màng Điện cực nền sử dụng Ag/AgCl, trong đó quá trình khử diễn ra.
Dòng điện phụ thuộc chủ yếu vào oxy hoà tan trong nước kiểm tra
Nồng độ oxy hòa tan (DO) trong nước bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, áp suất và độ muối Mối quan hệ giữa nồng độ DO, nhiệt độ và độ muối được thể hiện rõ trong hình 42.
Bù nhiệt độ là một yếu tố quan trọng trong việc điều chỉnh DO, vì sự biến đổi của DO theo nhiệt độ không phải là tuyến tính Để bù sai số do nhiệt độ, cần tính đến hệ số phi tuyến Đường quan hệ giữa DO và nhiệt độ có thể được chia thành bốn khoảng: từ 0 đến 10 độ C, từ 10 đến 20 độ C, từ 20 đến 30 độ C, và trên 30 độ C.
DO thay đổi theo độ mặn vào khoảng 0,007
(g/l) độ mặn Đối với áp suất khoảng làm việc của đầu đo DO là từ 0,9 –
1,1 bar và quan hệ tuyến tính với biến thiên áp suất
Hình 42 – Quan hệ giữa DO với nhiệt độ và độ mặn của nước kiểm tra
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐỘ ĐỤC
II.4.1 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN VÀ PHẦN CỨNG THIẾT BỊ ĐO ĐỘ ĐỤC:
II.4.1.1 Đị nh ngh ĩ a và nguyên lý đ o độ đụ c:
II.4.1.1.1 Đị nh ngh ĩ a: Độ đục của nước là lượng chất huyền phù có trong nước Đó là đặc trưng cho các tạp chất hữu cơ hoặc vô cơ không hoà tan hoặc keo có nguồn gốc khác nhau Nguyên nhân làm cho nước mặt bị đục là do sự tồn tại các loại bùn, acid silic, hydroxit sắt, hydroxit nhôm, các loại keo hữu cơ, vi sinh vật và các phù du thực vật ở trong nước Trong nước ngầm, độ đục đặc trưng cho sự tồn tại các chất khoáng không hoà tan hoặc các chất hữu cơ từ nước thôi ngấm vào đất Độ đục của nước được hiểu theo nghĩa là đặc tính khuếch tán ánh sáng chiếu vào nước hoặc suy giảm ánh sáng khi xuyên qua nó Tuy nhiên, hệ số phản xạ ngoài nồng độ chất lơ lửng mà còn phụ thuộc vào kích thước của các hạt lơ lửng
Các yếu tố liên quan đến đục của nước là các yếu tố sau:
Màu sắc của nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó hợp chất sắt khiến nước có màu đỏ, kim loại nặng tạo ra các màu sắc khác nhau, trong khi mùn làm nước có màu vàng và rong tảo mang đến màu xanh.
- Hàm lượng cặn toàn phần (TS) gồm cặn hoà tan và cặn lơ lửng, chất rắn vô cơ, chất rắn hữu cơ
Hàm lượng cặn lơ lửng (SS) trong nước có thể làm suy giảm ánh sáng xuyên qua, từ đó ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng và khả năng tự làm sạch của nước.
- Hàm lượng cặn hoà tan toàn phần Hàm lượng cặn hoà tan làm tăng áp suất thẩm thấu, ảnh hưởng đời sống thuỷ sinh
II.4.1.1.2 Ph ươ ng pháp đ o c ơ b ả n:
Phương pháp cơ bản dựa trên tài liệu “Standard method” như sau:
- Turbidimeter kiểu nến: đó là thiết bị mẫu đo độ đục Thiết bị gồm có một ống thuỷ tinh khắc độ theo mẫu bảng 7
Bảng 7 - Khắc độ của turbidimeter ngọn nến
Chùm sáng (cm) Đơn vị đo đục Chùm sáng (cm) Đơn vị đo đục
Để đảm bảo độ chính xác trong việc đo độ đục, cần sử dụng một nến chuẩn đặt trên giá đỡ, sao cho tâm nến và trục của ống thủy tinh thẳng hàng Ống thủy tinh chứa nước đo độ đục phải được đặt thẳng đứng, với trục của nến và ống thủy tinh song song Giá đỡ nến cần thấp hơn đáy ống thủy tinh 7,6 cm, và đáy ống thủy tinh phải được mài phẳng, đánh bóng theo tiêu chuẩn ống Nessler Ống thủy tinh được khắc độ trực tiếp bằng đơn vị độ đục, với nến chế từ sáp pha rượu cháy, hoạt động với tốc độ từ 114 đến 126 hạt mỗi giờ, đảm bảo kích thước và khoảng cách đến ống thủy tinh không thay đổi trong suốt quá trình đo.
- Nước trong: nước trong được xác định là nước lọc qua màng lọc có kớch thước nhỏ hơn 0,1àm, cũng cú thể dựng nước cất
Để chuẩn bị mẫu nước có độ đục yêu cầu, hòa 5g caolin vào 1 lít nước cất và khuấy đều Sau đó, để hỗn hợp lắng trong 24 giờ Tiếp theo, pha loãng với nước trong đã chuẩn bị để đạt được độ đục mong muốn Cuối cùng, kiểm tra độ đục để đảm bảo đạt 25 đơn vị trước khi sử dụng.
Phép đo được tiến hành như sau:
Để kiểm tra nồng độ, rót nước vào ống thủy tinh cho đến khi hình ngọn nến biến mất Sau đó, thêm 1/100 nồng độ; nếu hình ngọn nến xuất hiện trở lại, hãy đọc kết quả trên ống thủy tinh đã khắc độ.
II.4.1.1.3 Ph ươ ng pháp quang h ọ c đ o độ đụ c:
Phương pháp hiện nay cũng dựa vào tính chất tán xạ và suy giảm của chùm sáng chiếu vào nước có độ đục
(a) Phương pháp suy giảm của ánh sáng xuyên qua: Ánh sáng truyền qua môi trường suy giảm theo hàm mũ
Ix= cường độ sáng đo tại điểm x
I0 là cường độ sáng ban đầu khi ánh sáng đi vào môi trường, trong khi σ là hệ số phản ánh tính chất truyền sáng của môi trường, bao gồm các yếu tố như chiết suất, độ trong suốt và độ đục.
Chuyển sang để tính độ đục ta có:
D, A là các hằng số phụ thuộc vào khoảng cách hay chiều dày của buồng đo, kích thước của lỗ ngắm và các yếu tố khác
So sánh Ix và I0 trong khi giữ các yếu tố khác không đổi cho phép ta suy ra độ đục Cấu trúc của thiết bị đo được minh họa như hình dưới đây.
Hình 55 - Nguyên lý phép đo độ đục thông qua suy giảm của chùm sáng xuyên qua
Hệ thống quang học sử dụng chùm sáng song song để đo độ đục của huyền phù trong nước bằng cách phân tích cường độ ánh sáng xuyên qua buồng phân tích Phương pháp này cho phép đo độ đục ở nhiều mức độ khác nhau, phụ thuộc vào kích thước buồng phân tích và cửa sổ chùm sáng.
(b) Phương pháp ánh sáng lan toả:
Khi ánh sáng chiếu vào một chất lỏng, nó sẽ bị khúc xạ khi đi vào chất lỏng đó Nếu chất lỏng trong suốt, ánh sáng sẽ truyền qua theo một hướng nhất định, tuân theo quy luật khúc xạ.
Công thức Sin i = n sin r mô tả sự khúc xạ ánh sáng khi nó đi qua các chất huyền phù trong nước Khi ánh sáng gặp các hạt nhỏ trong nước, nó sẽ bị khuếch tán và phản xạ trở lại không khí Cường độ ánh sáng phản xạ này phụ thuộc vào độ đục của nước, tức là số lượng chất huyền phù có trong đó.
Hình 56 – Nguyên lý phép đo độ đục bằng ánh sáng lan toả
I = Cường độ tia lan toả
Tia lan toả thường được đo ở góc 30 0 so với tia tới
Phương pháp đo độ đục này có đặc điểm sau:
- Có thể đo độ đục tương đối thấp
- Không có cửa sổ ánh sáng cho nên không bị ảnh hưởng của bẩn cửa sổ
- Bị ảnh hưởng của các bọt khí trong nước kiểm tra
- Bị ảnh hưởng của rung động
Thông thường người ta sử dụng cả hai phương pháp và so sánh hai kết quả để loại trừ các yếu tố ảnh hưởng
Do tính phức tạp của nó, để khắc độ thiết bị đo độ đục người ta phải quy định các chuẩn của độ đục
Các chuẩn được chấp nhận như sau:
Chuẩn zero hay nước trong được xác định theo phương pháp tiêu chuẩn là nước sạch, được lọc qua bộ lọc có lỗ thẩm thấu nhỏ hơn 0,1 âm.
Formazin lấy làm chuẩn đo độ đục được pha chế bằng 2 dung dịch A và B
Dung dịch A: hoà tan 10,0g hexametylentetramin (C6H12N4) trong nước cất và pha loãng đến 100ml
Dung dịch B: hoà tan 1,0g hydrazin sunfat (N2H6SO4) trong nước cất rồi pha loãng đến 10ml
Trộn 5ml chuẩn A với 5ml chuẩn B và giữ ở nhiệt độ 25°C ± 3°C trong 24 giờ Sau đó, pha loãng dung dịch đến 100ml Độ đục của dung dịch gốc đạt 400 FAU hoặc 400 FNU Dung dịch này có thể bảo quản trong khoảng 1 tuần.
II.4.1.1.5 Máy đ o độ đụ c b ằ ng ph ươ ng pháp quang h ọ c:
Sơ đồ khối của máy đo độ đục cho ở hình 57
Hình 57 – Máy đo độ đục bằng phương pháp ánh sáng lan toả
3 Động cơ đồng bộ điều chế
4 Gương đổi nối ánh sáng chuẩn và ánh sáng đo
6 Thấu kính hội tụ ánh sáng đo
7 Gương phản chiếu ánh sáng chuẩn vào tế bào quang điện.
10 Gương ánh sáng bên chuẩn
12 Bộ lọc ánh sáng chuẩn
16 Bộ khuếch đại cách ly
18 Bộ khuếch đại bên ánh sáng chuẩn
19 Bộ khuếch đại bên ánh sáng chuẩn
II.4.1.2 Đầ u đ o độ đụ c TB450B c ủ a YOKOGAWA :
II.4.1.2.1 Mô t ả s ơ b ộ : Đầu đo được chọn là đầu đo độ đục TB-450 NTU của YOKOGAWA Đầu đo TB-450B được tổ chức thành một bộ hoàn chỉnh gồm nguồn, hệ thống quang học, detector, bộ điều khiển và converter
Cấu tạo bên ngoài của đầu đo TB450G và hệ thống đo độ đục được thể hiện trong hình dưới đây, bao gồm hai phần: a) cấu tạo bên ngoài của đầu đo và b) cấu tạo đầu đo cùng với kích thước.
Hình 58 - Cấu tạo thiết bị đo độ đục TB450G
(a) Ứng dụng : Đo độ đục cho nước uống, nước rửa, nước sông và nước dùng cho các mục đích khác nhau
(b) Phương pháp đo: Ánh sáng lan toả theo góc vuông với mặt nước
- Độ đục thấp (0 – 0,1) đến (0 -100) NTU
- Độ đục cao ( 0 – 10) đến (0- 2000) NTU
- Tự động hay không tự động chọn thang đo
- Thang ra tương tự: 4 – 20mA với tải 550Ω
- Thang đo - Báo động thấp cao
- Tự động khắc độ - Tự động thau rửa
- Chức năng tự động thau rửa: thau rửa bằng tia nước phun
- Chức năng khắc độ tự động: điểm “không" sử dụng nước không, tức nước uống thụng qua màng lọc < 0,1àm
- Chức năng chọn: o Tự động chọn thang đo và tự động khắc độ o Tự động thau rửa o Tự động bù zero o Tự động phát hiện lỗi
- Độ ẩm: 5 – 95% RH (không sương)
- Tốc độ nước: 2 đến 10 l/min
- Không tự động thau rửa và khắc độ (hình 59)
Hình 59 – Sơ đồ nối ống dẫn khi không tự động thau rửa và khắc độ
- Tự động thau rửa và không tự động khắc độ (hình 60)
Hình 60 – Sơ đồ nối ống dẫn khi tự động thau rửa và không tự khắc độ
- Tự động thau rửa, tự động khắc độ (hình 61)
Hình 61 – Sơ đồ nối ống dẫn khi tự động thau rửa và khắc độ
- Bộ lọc nước zero (hình 62)
Hình 62 – Cấu tạo bộ lọc nước zero
II.4.1.2.4 Chu trình th ờ i gian:
- Chu trình thau rửa: 2 giờ/ chu trình
- Thời gian thau rửa: 2 – 30 giây
- Thời gian thải nước: 2 – 10 giây
- Thời gian đo đạc và làm việc khác: 150 giây
Chú ý: thời gian cho khắc độ và thời gian thau rửa như nhau
Hình 63 – Chu kỳ thời gian
NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ ĐO COD VÀ BOD
Chỉ tiêu COD và BOD đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm của nước mặt và nước thải công nghiệp Có nhiều phương pháp và quan điểm khác nhau để xác định BOD và COD, mỗi phương pháp phản ánh một cách nhìn nhận riêng về hai chỉ tiêu này.
II.5.1 CÁC ĐỊNH NGHĨA, TIÊU CHUẨN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH:
II.5.1.1 Các đị nh ngh ĩ a:
Nhu cầu oxy hoá học (Chemical Oxygen Demand - COD) được định nghĩa theo TCVN 6491 - 1999 là lượng oxy cần thiết để oxy hoá hoàn toàn các hợp chất có khả năng bị oxy hoá trong nước.
COD là chỉ số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải, bao gồm nước thải sinh hoạt và công nghiệp, chủ yếu do các chất hữu cơ gây ra Chỉ số này phản ánh sự hiện diện của cả chất hữu cơ dễ phân hủy và khó phân hủy sinh học trong nguồn nước.
Lượng oxy tham gia phản ứng được xác định gián tiếp thông qua các phương pháp oxy hóa khử với các chất oxy hóa mạnh như Pemanganat Kali (KMnO4) và Bicromat Kali (K2Cr2O7) Trong đó, Bicromat Kali được ưa chuộng hơn vì khả năng xác định COD hiệu quả trong nước thải có chứa nhiều loại chất hữu cơ.
Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) là nồng độ oxy hòa tan bị tiêu thụ trong quá trình oxy hóa sinh học các hợp chất hóa học hoặc chất hữu cơ trong nước, được đo bằng miligam oxy tiêu tốn trên 1 lít nước thải BOD gián tiếp phản ánh mức độ ô nhiễm từ các chất có khả năng phân hủy sinh học, đặc biệt là các chất hữu cơ BOD còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.
- Nồng độ và bản chất chất hữu cơ có trong nước
- Số lượng và hoạt động của vi khuẩn
Để đạt được chế độ BOD hiệu quả, cần chú ý đến nhiệt độ, chế độ quấy trộn và các yếu tố khác Thông thường, chúng ta sẽ cấy loại vi khuẩn phù hợp cho từng loại nước và ủ ở nhiệt độ 20°C hoặc 30°C.
Quá trình phân huỷ sinh hoá các chất hữu cơ trong nước có ôxy xảy ra theo 2 giai đoạn :
- Giai đoạn 1: Chủ yếu phân huỷ các hợp chất Các-bon kéo dài khoảng 20 ngày ở nhiệt độ 20 0 C
- Giai đoạn 2: Phân huỷ các chất hữu cơ có Ni-tơ thường bắt đầu sau ngày thứ 20 ở nhiệt độ 20 0 C và kéo dài hơn 20 ngày
BOD5 là chỉ số quan trọng trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm sinh học của nước, được xác định bằng cách lấy kết quả BOD sau 5 ngày, giúp loại trừ ảnh hưởng của giai đoạn phân huỷ sinh hoá thứ hai Chỉ số này gần đạt đến mức bão hoà của giai đoạn đầu, phản ánh khả năng tiêu thụ oxy của vi sinh vật trong môi trường nước.
II.5.1.1.3 M ộ t s ố khái ni ệ m v ề phân hu ỷ sinh h ọ c:
Phân huỷ sinh học cuối cùng là quá trình phân huỷ các chất hữu cơ lỏng vi sinh trong môi trường có oxy, dẫn đến việc tạo ra carbon dioxit, nước và muối khoáng từ các nguyên tố có sẵn, đồng thời hình thành sinh khối mới.
- Phân huỷ sinh học ban đầu: sự thay đổi cấu trúc của hợp chất hữu cơ bởi vi sinh vật dẫn đến sự mất một tính chất nhất định
Nhu cầu oxy lý thuyết (ThOD) là lượng oxy tối đa cần thiết để oxy hóa hoàn toàn một hóa chất, được tính từ công thức phân tử của nó và được biểu diễn bằng miligam trên gam hợp chất thử nghiệm.
Cácbon hữu cơ hoà tan (DOC) là thành phần carbon hữu cơ có trong nước, không thể tách ra bằng phương pháp li tâm ở tốc độ 40.000 ms -2 trong 15 phút hoặc qua lọc màng với kích thước từ 0,2 đến 0,45 µm.
II.5.1.2 Ph ươ ng pháp đ o COD:
II.5.1.2.1 Ph ươ ng pháp dùng ch ấ t oxy hoá Bicromat Kali:
Phản ứng được đo bằng phép so màu quy về mg O2 theo chiều dài của nước Các phản ứng được diễn giải theo phương trình hoá học như sau:
Trong đó CaHbOc thể hiện thành phần hữu cơ có trong nước
Nguyên tắc đo nhu cầu oxy (COD) dựa trên phản ứng hóa học giữa mẫu thử và kali bicromat trong thời gian nhất định Trong quá trình này, một phần bicromat bị khử do các chất có khả năng oxy hóa Sau đó, lượng bicromat còn lại được chuẩn độ bằng sắt (II) amon sulfat, từ đó tính toán COD dựa trên lượng bicromat đã phản ứng Cụ thể, 1 mol bicromat (Cr2O7 2-) tương đương với 1,5 mol oxy (O2).
Các phương trình phản ứng được mô tả như sau: CnHaOb + c Cr2O7 -2 → + CO2 + 0,5 (a + 8c ) H2O + 2c Cr +3 ; Trong đó c = (2/3) n + (a/6) - (b/3)
Phương trình oxy hoá đicromat như sau :
Ion Clorit dùng để đo COD cho đến khi AgCl được oxy hoá hết với chất xúc tác, hoặc với Cl khi không sử dụng Ag2SO4
Dựa vào sự oxy hoá vật chất hữu cơ bằng bicromat, cần xác định lượng bicromat dư trong phản ứng ở quá trình oxy hoá sắt 2
Quá trình xác định này có thể sử dụng phép so màu Màu biến đổi từ màu xanh thành màu đỏ sẫm
Vbl = ml FeSO4.(NH4)2SO4, thể tích để xác định dung dịch mẫu trắng
Vs = ml FeSO4.(NH4)2SO4, thể tíchđể xác định dung dịch mẫu cần đo
Hình 75 - Thiết bị phân tích COD bằng chất ôxy hoá khử
II.5.1.2.2 B ộ th ử COD Palintest: Đây là bộ thử dùng để xác định nhanh COD của các nhánh sông trước khi xả vào sông lớn, được dùng để thu thập số liệu thiết kế trạm xử lý nước
Các loại thử không dùng thủy ngân bao gồm nguyên tắc cơ bản COD, trong đó mẫu thử được tiêu hóa bằng dung dịch axit sulfuric mạnh và muối bạc Thuốc thử được chuẩn bị sẵn trong cốc thử boro silicat, và quy trình thử rất đơn giản: chỉ cần cho mẫu thử vào ống thử, đậy nắp và tiêu hóa trong 2 giờ ở nhiệt độ 150°C Sau đó, ống thử được làm nguội và mẫu được kiểm tra bằng photomet Palintest Ống thử COD Palintest có bốn thang đo: 150 mg/l, 400 mg/l, 2000 mg/l và 20000 mg/l.
- Thuốc thử dùng thuỷ ngân: o Với merurric sunfat (ký hiệu M)
Loại M (Meruric sunfat) được sử dụng để giảm tác động của clorit trong điều kiện bình thường, trong khi loại 2 M thích hợp cho mẫu có mức clorit rất cao Ống thử COD của Palintest có kích thước tiêu chuẩn 16mm, tuân thủ quy chuẩn DOC và phù hợp với tiêu chuẩn ISO.
Bảng 8 - Bảng sản phẩm Palintest
PL450 COD/150 Tubetest/Mecury Free (24 tests) 5-150mg/l
PL452 COD/400 Tubetest/Mecury Free (24 tests) 20-400mg/l
PL454 COD/2000 Tubetest/Mecury Free (24 tests) 50-2000mg/l PL456 COD/20000 Tubetest/Mecury Free (24 tests) 500-2000mg/l PL460 COD/150/M Tubetest/Mecury Free (24 tests) 5-150mg/l
PL462 COD/400/M Tubetest/Mecury Free (24 tests) 20-400mg/l
PL464 COD/2000/M Tubetest/Mecury Free (24 tests) 50-2000mg/l
PL466 COD/20000/M Tubetest/Mecury Free (24 tests) 500-2000mg/l
PL461 COD/150/M Tubetest/Mecury Free (24 tests) 5-150mg/l
PL465 COD/2000/M Tubetest/Mecury Free (24 tests) 50-2000mg/l
PL467 COD/20000/M Tubetest/Mecury Free (24 tests) 500-2000mg/l
Bộ thử nghiệm COD Palintest gồm:
Thiết bị đốt nóng ống thử có khả năng sấy khô và đốt nóng đồng thời cho 12 ống nghiệm Nhiệt độ được điều khiển chính xác nhờ vào cảm biến nhiệt điện trở Pt – 100 bên trong thiết bị.
- Thiết bị đốt nóng gồm: buồng đốt PT592, giá đỡ ống PT 588 Đầu
- Photomet 7000 SE có các đặt tính sau:
KẾT LUẬN
Về việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các converter đo các thông số của môi trường, chúng ta đã làm được những việc như sau:
II.6.1 NGHIÊN CỨU ĐẶC THÙ CÁC ĐẦU ĐO ĐỂ TÌM RA BIỆN PHÁP XỬ LÝ :
Sau quá trình nghiên cứu có thể rút ra các kết luận sau:
Nên lựa chọn đầu pH Sensolyt kiểu tổ hợp, vì chúng được trang bị mạch tiền khuếch đại đầu vào, giúp giảm thiểu nhiễu do điện trở đầu vào cao.
Mạch khuếch đại đầu vào cần được thiết kế để chống lại các dòng rò qua cách điện, nhằm duy trì sự ổn định của điện trở đầu vào trước sự biến đổi của nhiệt độ và độ ẩm.
- Khuếch đại phải bố trí theo sơ đồ khuếch đại đo lường tức là khuếch đại vi sai điện trở lớn để chống nhiễu đồng pha lớn
- Để chống nhiễu cao và ngẫu nhiên phải dùng biện pháp multi- reading
- Phải xử lý bù nhiệt độ của phép đo pH bằng phần mềm, phải bố trí để xác định hệ số nhiệt độ của điện cực pH
Các phần trên đã được thể hiện trong mạch phần cứng và rõ rệt hơn ở các phép xử lý ở phần mềm
Kinh nghiệm cho thấy việc nhập khẩu thiết bị hoàn toàn từ nước ngoài sẽ gây khó khăn trong việc xử lý các vấn đề liên quan, do đó, nội dung xử lý trong phần mềm không được truyền đạt một cách hiệu quả.
Xử lý số liệu đo, chuẩn độ, bù nhiệt độ lại phải dùng một vi xử lý phụ thêm tự thiết kế
- Có thể nghiên cứu, chế tạo cảm biến điện dẫn kiểu cảm ứng vì nguyên lý đã rõ, tìm ra được phương pháp thiết kế cảm biến
- Mạch xử lý tín hiệu tương tự đã được thiết kế rõ ràng
- Xác định được các phép gia công, khắc độ và tính toán bù nhiệt độ của đầu đo
- Xây dựng được phương án tự động chọn thang đo ở phần cứng lẫn phần mềm
Cảm biến có hai loại chính là galvanometric và polarometric, cả hai đều không yêu cầu converter có đầu vào điện trở lớn như pHmet Điều này giúp giảm thiểu nhiễu và có thể không cần áp dụng phương pháp multi reading.
Cảm biến DO (Dissolved Oxygen) bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, áp suất và độ mặn của dung dịch kiểm tra Do đó, cần thực hiện biện pháp bù nhiệt độ, áp suất và độ mặn thông qua phương pháp nội suy hai lần để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường.
II.6.1.4 Đố i v ớ i converter đ o độ đụ c:
- Tìm ra được nguyên lý hoạt động của đầu đo độ đục để có thể xác định phần cứng và phần mềm đo độ đục
- Tìm ra được phương pháp nội suy 2 lần để đo độ đục
- Xác định được phương pháp nội dung điều khiển đo độ đục
- Tìm ra được cách khắc độ thiết bị đo độ đục
II.6.1.5 Đố i v ớ i thi ế t b ị đ o BOD, COD, SAC – UV:
- Hiện nay, SAC- UV là thiết bị nhập ngoại
Việc bố trí đo và chuẩn độ SAC cần được thực hiện định kỳ bởi người sử dụng để đảm bảo tính chính xác của phép đo Phương pháp chuẩn độ yêu cầu người thực hiện phải có hiểu biết về thiết bị đo cũng như ý nghĩa của BOD và COD để thực hiện đúng quy trình chuẩn độ.
II.6.2 GIA CÔNG SỐ LIỆU, HÌNH THÀNH PHẦN MỀM XỬ
Các thiết bị điện tử đo các thông số về môi trường hiện nay đòi hỏi:
Các phép gia công và xử lý nhằm loại bỏ sai số ngẫu nhiên và hệ thống yêu cầu việc sử dụng vi điều khiển phù hợp cả về phần cứng lẫn phần mềm Phần mềm tích hợp trong vi xử lý chính là bí quyết của nhà sản xuất.
Nghiên cứu cách thức hoạt động của máy, phân tích đặc tính của cảm biến và áp dụng các biện pháp gia công là những yếu tố quan trọng nhằm đảm bảo độ tin cậy của kết quả đo lường.
Đề tài đã áp dụng các biện pháp gia công bao gồm lập bảng khắc độ theo mẫu với nhiều phương pháp khác nhau như sử dụng pH met để đo pH mẫu, nhiệt độ thông qua hộp điện trở, conductomet cho dung dịch muối tinh khiết, DO với dung dịch zero và bão hòa oxy, cùng với độ đục được kiểm tra bằng nước zero và dung dịch mẫu.
- Đã áp dụng phép tuyến tính hóa từng đoạn cho các đầu đo khác nhau (conductomet, DO, độ đục)
- Đã áp dụng phép đo multi-reading cho các phép đo nhiều nhiễu (pHmet, DO, SAG- UV)
Mặc dù các cảm biến đã được mua, nhưng việc gia công trên các bộ chuyển đổi là rất cần thiết để tiến hành độc lập thiết kế và chế tạo bộ chuyển đổi theo phương hướng đã đề ra.
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐỘ ỒN
II.7.1 NGUYÊN LÝ ĐO VÀ CÁC ĐIẾM CẦN CHÚ Ý KHI
II.7.1.1 Độ ồ n và b ả n ch ấ t c ủ a độ ồ n: Ồn chính là âm thanh mà ta không mong muốn Bản chất của sóng âm là dao động sóng cơ học trong môi trường Nếu một môi trường đàn hồi (khí, lỏng hoặc rắn) bị nhiễu loạn thì sự nhiễu loạn ấy sẽ dịch chuyển ra xa, phụ thuộc vào bản chất và phạm vi của môi trường (tính đàn hồi và mật độ phân bố điểm gốc và lan truyền qua môi trường Hướng truyền và tốc độ lan truyền của nhiễu loạn của môi trường) Trong trường hợp môi trường là không khí thì sự nhiễu loạn của môi trường được diễn tả bởi các biến động rất nhỏ theo mật độ của không khí và bởi các dịch chuyển của các phân tử khí Khi các dao động có tần số nằm trong khoảng 20 Hz- 16 kHz thì chúng sẽ làm tăng lên cảm nhận âm thanh nghe rõ của tai Độ nhậy của tai theo các biến động về áp suất được mô tả bằng dao động từ điểm nhạy này sang điểm nhạy kia, nhỏ hơn 1/10 9 áp suất khí quyển, tại tần số vào khoảng 3 kHz thì cho khả năng nghe rõ âm Độ lớn của áp suất âm tại một điểm trong miền âm được biểu diễn dưới dạng căn bình phương nhỏ nhất của dao động áp suất theo áp suất khí quyển Độ lớn của áp suất âm tại một điểm nào đó trong miền âm thường được biển diễn dưới dạng giá trị rms (root – middle – square)- giá trị căn bình phương nhỏ nhất của các dao động áp suất theo áp suất khí quyển Giá trị này được tính bởi công thức: p ms = ( ) ⎟⎟
- p(t) là áp suất âm tức thời tại điểm t
Chu kỳ T là một khoảng thời gian dài so với chu kỳ tuần hoàn của tần số thấp trong dải tần âm thanh Áp suất âm được đo bằng đơn vị pascal theo tiêu chuẩn quốc tế và thường được biểu diễn bằng thang đo logarithm.
Trong cuộc sống hàng ngày, nhiều âm thanh, đặc biệt là tiếng ồn, có thể được mô tả bằng dạng sóng áp suất thay đổi theo thời gian và tần số Sự biến đổi áp suất âm thanh trong không gian thường trở nên phức tạp do ảnh hưởng của âm phản xạ và các vách ngăn.
Các giới hạn tiếng ồn được xác định dựa trên mức áp suất âm liên tục, theo các đặc tính và mức đánh giá trong các khoảng thời gian cụ thể, cũng như tại các điểm đặc trưng cho các nguồn và điều kiện phát sinh tiếng ồn.
Giới hạn tiếng ồn do chính quyền quốc gia hoặc địa phương quy định dựa trên sự phù hợp của các hoạt động con người và lĩnh vực sử dụng, có thể được xác định qua các kết quả đo khảo sát Những giới hạn này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thời gian trong ngày, các hoạt động cần bảo vệ, loại nguồn ồn, cùng với các yếu tố thời tiết, xã hội và kinh tế Các quy tắc về giới hạn tiếng ồn cần bao gồm một số yếu tố cơ bản để đảm bảo hiệu quả và tính khả thi.
- Đại lượng đo tiếng ồn
- Khoảng thời gian tương ứng
- Các địa điểm cần phải kiểm tra giới hạn tiếng ồn
- Các điều kiện khí hậu
- Chuẩn cứ để đánh giá sự phù hợp với các giới hạn
Các yếu tố cơ bản được kết hợp với tình huống cụ thể nhằm xây dựng các quy tắc có thể kiểm tra Đơn vị đo chuẩn quốc tế cho áp suất âm là Newton/m² (ký hiệu: N/m²), hay còn gọi là Pascal.
Áp suất khí quyển thường được đo bằng bar, với 1 bar tương đương 10^5 pascal Tai người có khả năng phát hiện các áp suất âm nhỏ khoảng 2 x 10^5 Pascal, và có thể đo áp suất âm lên tới 20 hoặc 100 Pascal Tuy nhiên, việc diễn đạt áp suất âm bằng đơn vị Pascal có thể gây bất tiện, do đó, hệ thống chia độ logarit được sử dụng, gọi là decibel Decibel được định nghĩa là 10 nhân với logarit cơ số 10 của tỉ số giữa hai nguồn âm Khi áp dụng hệ thống này để đo áp suất âm, ta thừa nhận rằng nguồn âm có mối quan hệ với bình phương của áp suất âm, dẫn đến công thức tính mức áp suất âm.
0 dB trong đó: P là áp suất đo được
Po là áp suất âm so sánh
Po được chuẩn hóa bằng 2.10 5 pascal, áp suất của không khí
II.7.1.2 Áp su ấ t âm ho ặ c m ứ c âm:
Tất cả các hệ thống đo đều có giới hạn trong một miền tần số, và ngay cả những thiết bị được coi là tuyến tính cũng cần chú ý đến các giới hạn này Microphones có giới hạn tần số thấp và đáp ứng phức ở tần số cao, trong khi đáp ứng tổng của hệ thống đo là sự kết hợp giữa đáp ứng của chuyển đổi và các thiết bị điện tử.
Khi đo tín hiệu dải rộng, việc xác định giới hạn của khoảng tuyến tính và đáp ứng bên ngoài khoảng đó là rất quan trọng Điều này đặc biệt đúng khi có sự xuất hiện của các mức cao của âm cao và âm thấp.
Mức áp suất âm là giá trị tại một điểm không gian nơi màng ngăn microphone được đặt Giá trị này cũng tương ứng với mức áp suất âm tại những vị trí đặc biệt trong không gian khi nguồn âm hoặc các nguồn âm giữ cố định.
II.7.1.3 Trung bình theo th ờ i gian c ủ a m ứ c âm: Đo mức áp suất âm hay mức âm nếu không có gì đặc biệt thì dùng phương pháp đo giá trị rms và biểu diễn kết quả theo decibels (dB) tùy theo ỏp suất tham chiếu chuẩn húa 20 àPa
Giá trị RMS được xác định thông qua trung bình, theo quy luật mũ, điều này có nghĩa là trọng số thời gian được chuẩn hóa cho các đồng hồ đo mức âm, được ký hiệu là F hoặc S.
Trong các thiết bị đo lường hiện đại, giá trị RMS được xác định bằng máy dò trung bình bình phương loga dải rộng Kết quả đo lường được hiển thị trên đồng hồ tương tự dưới dạng decibels, hoặc thông qua hiển thị số và đầu ra một chiều loga, cho phép dễ dàng ghi lại trên các thiết bị ghi đơn giản.
Một số đồng hồ cung cấp giá trị 'tức thời' hoặc giá trị 'đỉnh', với các máy dò đặc biệt được sử dụng để đạt được mục đích này Những thiết bị này có khả năng mang lại giá trị chính xác của các tín hiệu diễn ra trong vài giây.
II.7.1.4 Trung bình theo th ờ i gian dài:
Trong quá trình đo năng lượng âm tại một điểm trong chu kỳ, chẳng hạn như trong một ngày làm việc, cần tuân thủ các quy định về môi trường, đặc biệt là quy định bảo vệ thính giác Kết quả đo được thể hiện dưới dạng L eq, hay còn gọi là mức âm tương đương, mặc dù năng lượng âm có sự dao động theo thời gian.
