Nghiên cứu ứng dụng thiết bị quan trắc chất lượng nước đa chỉ tiêu trong đánh giá chất lượng và xây dựng hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu quan trắc môi trường nước

Mục tiêu quan trọng của việc ứng dụng thiết bị quan trắc tự động trong môi trường nước là cung cấp những thông tin, dữ liệu về chất lương nước mặt và chất lượng nước thải làm cơ sở cho v

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ QUAN TRẮC CHẤT LƯỢNG NƯỚC ĐA CHỈ TIÊU TRONG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ CƠ SỞ DỮ

LIỆU QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG NƯỚC

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

LÊ MINH HẢI

HÀ NỘI, NĂM 2018

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ QUAN TRẮC CHẤT LƯỢNG NƯỚC ĐA CHỈ TIÊU TRONG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ CƠ SỞ DỮ

LIỆU QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG NƯỚC

LÊ MINH HẢI

CHUYÊN NGÀNH : KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THIỆN TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hướng dẫn chính: PGS.TS Lê Thị Trinh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Ngày 24 tháng 05 năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, những nội dung, số liệu, kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực của tôi và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất đến giáo viên hướng dẫn PGS.TS Lê Thị Trinh, giảng viên Khoa Môi trường - Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội và PGS.TS Nguyễn Thị Phương Thảo, phó viện trưởng viện Khoa hoc môi trường và Sức khỏe cộng đồng cùng với cán bộ trong cơ quan đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp Nhờ sự hướng dẫn tận tình của cô mà tôi có thể hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, Khoa Môi trường đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc nghiên cứu khoa học của mình

Trong quá trình thực hiện luận văn, mặc dù đã cố gắng trong việc thu thập, tham khảo tài liệu và làm việc thực tế nhưng với thời gian thực hiện luận văn cũng như kiến thức, kỹ năng của bản thân có hạn nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô để luận văn của tôi được hoàn thiện

Tôi xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày 24 tháng 05 năm 2018

HỌC VIÊN

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT V DANH MỤC BẢNG VI DANH MỤC HÌNH VII

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tổng quan về đối tượng nghiên cứu 4

1.1.1 Hiện trạng môi trường nước tại Việt Nam 4

1.1.2 Hiện trạng quan trắc chất lượng môi trường nước tự động 5

1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về thiết bị quan trắc chất lượng nước 8

1.2.1 Nghiên cứu ngoài nước về thiết bị quan trắc chất lượng nước 8

1.2.2 Nghiên cứu trong nước về thiết bị quan trắc chất lượng nước 10

1.3 Giới thiệu về thiết bị quan trắc WA-ME/MTSK 11

1.3.1 Tính khả thi của thiết bị 11

1.3.2 Thiết bị quan trắc WA-ME/MTSK 14

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

2.1 Đối tượng, phạm vi và thời gian nghiên cứu 21

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 21

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 21

2.1.3 Thời gian nghiên cứu 21

2.2 Phương pháp nghiên cứu 21

2.2.1 Phương pháp kế thừa, thu thập tài liệu 21

2.2.2 Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa 21

2.2.3 Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm 22

2.2.4 Phương pháp xử lý số liệu 25

2.2.5 Phương pháp đánh giá, so sánh 25

2.3 Xây dựng mô hình thực nghiệm trên thiết bị WA-ME/MTSK 26

2.3.1 Quy trình nghiên cứu 26

2.3.2 Lựa chọn vị trí và địa điểm lấy mẫu 27

2.3.3 Xây dựng quy trình phân tích trên thiết bị WA-ME/MTSK 30

2.3.4 Đánh giá độ chính xác của thiết bị 34

2.3.5 Mô hình quản lý cơ sở dữ liệu 38

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 39

3.1 Kết quả phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm 39

3.2 Xác định thông số đầu vào cho thiết bị thiết bị WA-ME/MTSK 41

3.3 Đánh giá độ tin cậy của phép đo trên thiết bị WA-ME/MTSK 42

3.3.1 Xác định giới hạn phát hiện và khoảng đo của thiết bị 42

3.3.2 Xác định độ lặp lại và độ tái lặp của thiết bị 43

3.3.3 So sánh kết quả giữa hai phương pháp phân tích PTN và thiết bị quan trắc 48

3.4 Đề xuất mô hình quản lý cơ sở dữ liệu và đánh giá mô hình trên thiết bị WA-ME/MTSK 54

3.4.1 Giới thiệu phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu cho thiết bị WA-ME/MTSK 54

3.4.2 Đề xuất mô hình quản lý cơ sở dữ liệu 60

3.4.3 Đánh giá mô hình quản lý cơ sở dữ liệu 62

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích

AOAC Association of Official Analytical Chemists

IDL Giới hạn phát hiện của thiết bị

RSD Độ lệch chuẩn tương đối của độ lặp lại

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Danh sách trạm quan trắc nước tự động, liên tục ở Việt Nam 7

Bảng 1.2 Khảo sát sự phụ thuộc giữa TSS và COD trên UV 15

Bảng 2.1 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích tại phòng thí nghiệm 22

Bảng 2.2 Độ tin cậy của các phương pháp đã được công nhận Vimcerts 099 23

Bảng 2.3 Lưu ý khi phân tích trong phòng thí nghiệm 23

Bảng 2.4 Mô tả vị trí lấy mẫu 28

Bảng 3.1 Kết quả phân tích trong phòng thí nghiệm 39

Bảng 3.2 Kiểm soát chất lượng mẫu phân tích trong PTN viện Khoa học môi trường và Sức khỏe cộng đồng 39

Bảng 3.3 Giá trị các thông số đầu vào 41

Bảng 3.4 Xác định giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng 42

Bảng 3.5a Kết quả phép đo xác định độ lặp lại và độ tái lặp trên nền nước mặt của thiết bị quan trắc 44

Bảng 3.5b Kết quả phép đo xác định độ lặp lại và độ tái lặp trên nền nước thải của thiết bị quan trắc 45

Bảng 3.6 Kết quả đánh giá của phép đo COD 49

Bảng 3.7 Kết quả đánh giá của phép đo BOD5 50

Bảng 3.8 Kết quả đánh giá của phép đo TSS 51

Bảng 3.9 Kết quả đánh giá của phép đo DO 52

Bảng 3.10 Kết quả đánh giá của phép đo pH 53

Bảng 3.11 Kết quả khảo sát mẫu nước mặt trên thiết bị quan trắc tự động 63

Bảng 3.12 Kết quả độ sai khác trung bình giờ và trung 64

Bảng 3.13 Đánh giá hệ thiết bị theo thông tư 24/2017/TT-BTNMT 65

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Hệ thiết bị quan trắc chất lượng nước đa chỉ tiêu 18

Hình 1.2 Thiết bị lấy mẫu tự động 19

Hình 2.1 Quy trình thực nghiệm 26

Hình 2.2 Bản đồ các vị trí lấy mẫu nước mặt 29

Hình 2.3 Phần mềm hiển thị kết quả và cài đặt thông số đầu vào 30

Hình 2.4 Hệ lọc TSS tự động của thiết bị quan trắc 34

Hình 3.1a Đồ thị so sánh độ lặp lại, độ tái lặp với giới hạn AOAC đối với mẫu nước mặt 46

Hình 3.1b Đồ thị so sánh độ lặp lại, độ tái lặp với giới hạn AOAC đối với mẫu nước thải 46

Hình 3.2 Phần mềm quản lý dữ liệu cơ sở 55

Hình 3.3 Cài đặt thông số quan trắc môi trường 56

Hình 3.4 Đăng nhập vào phần mềm quản lý chỉ số môi trường 57

Hình 3.5 Hệ thống chung của phần mềm quản lý chỉ số môi trường 57

Hình 3.6 Trung tâm quản lý trạm quan trắc 58

Hình 3.7 Dữ liệu đo chi tiết của một trạm quan trắc 59

Hình 3.8 Giao thức truyền nhận tín hiệu 59

Hình 3.9 Sơ đồ mô hình quản lý dữ liệu quan trắc đề xuất 60

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Tại Việt Nam các trung tâm quan trắc môi trường đã được xây dựng tại tất cả các tỉnh thành trên toàn quốc và được trang bị các thiết bị cơ bản để thực hiện quan trắc môi trường đất, nước, không khí Kết quả quan trắc môi trường cung cấp những thông tin quan trọng trong đánh giá chất lượng môi trường đồng thời cung cấp dữ liệu cơ bản để lập các báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia Tuy nhiên trong hệ thống quan trắc môi trường, loại hình quan trắc chủ yếu là quan trắc định kỳ, bán tự động với tần xuất 2 – 6 lần/năm Số liệu thu thập được không liên tục, chỉ đánh giá chất lượng môi trường tại thời điểm quan trắc Đồng thời số điểm quan trắc tự động chưa đáp ứng được nhu cầu thực tế trong nước Các trạm quan trắc tự động môi trường nước thường tập trung chủ yếu ở các khu công nghiệp hoặc nhà máy xả thải lưu lượng lớn

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ nhiều quốc gia trên thế giới

đã đưa vào sử dụng hệ thống quan trắc môi trường nước tự động nhằm bảo vệ, khai thác và sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên nước mặt Theo Quyết định 16/2007/QĐ-TTG quy hoạch tổng thể mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường giai đoạn từ năm 2015 - 2020 đây là cơ sở hoạch định cho việc áp dụng khoa học công nghệ trong việc theo dõi, giám sát, đánh giá chất lương môi trường, phục

vụ cho công tác quản lý môi trường của doanh nghiệp cũng như cơ quan quản lý của nhà nước

Các thông số trong môi trường nước được phân tích đánh giá nhằm đưa ra các nhận định về hiện trạng và diễn biến của chất lượng nước Hoạt động quan trắc môi trường nước ở các nhà máy, các khu công nghiệp, doanh nghiệp chủ yếu là quan trắc định kỳ (1-3 tháng/lần) Với hoạt động quan trắc định kỳ các dữ liệu quan trắc không được thường xuyên và liên tục việc quản lý các dữ liệu chưa được tổng hợp, so sánh và đánh giá khách quan

Mục tiêu quan trọng của việc ứng dụng thiết bị quan trắc tự động trong môi trường nước là cung cấp những thông tin, dữ liệu về chất lương nước mặt và chất lượng nước thải làm cơ sở cho việc dự báo, cảnh báo ô nhiễm môi trường Về quản

lý dữ liệu việc xây dựng hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu cho những thiết bị quan trắc

tự động là cần thiết, từ đó đề ra các chính sách, biện pháp cần thiết cho việc đề phòng, xử lý ô nhiễm và phục hồi ô nhiễm tài nguyên nước Do vậy, việc ứng dụng thiết bị tự động trong mạng lưới quan trắc có ý nghĩa rất lớn đối với mục tiêu phát triển bền vững Hiện nay Viện Khoa học môi trường và Sức khỏe cộng động đang nghiên cứu và phát triển thiết bị quan trắc chất lượng nước đa chỉ tiêu (WA-ME/MTSK) để góp phần đưa ra cảnh báo về chất lượng môi trường nước, là công

cụ hiệu quả trong công tác bảo vệ môi trường

Xuất phát từ thực tiễn trên, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng thiết bị

quan trắc chất lượng nước đa chỉ tiêu trong đánh giá chất lượng và xây dựng hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu quan trắc môi trường nước” làm đề tài nghiên cứu cho

luận văn cao học ngành Khoa học môi trường của bản thân

2 Mục tiêu nghiên cứu

+ Nghiên cứu tiếp cận và sử dụng thiết bị quan trắc chất lượng nước đa chỉ tiêu (Water auto-monitoring equiptment/ MTSK) được chế tạo ở Việt Nam

+ Đánh giá hiệu quả sử dụng của thiết bị WA-ME/MTSK đối với môi trường nước mặt và nước thải

+ Đề xuất mô hình quản lý cơ sở dữ liệu và đánh giá mô hình quản lý cở sở

dữ liệu trên thiết bị WA-ME/MTSK

3 Nội dung nghiên cứu

3.1 Tổng quan tài liệu về đối tượng nghiên cứu

Thu thập, tổng quan tài liệu về thiết bị quan trắc chất lượng nước đa chỉ tiêu

(WA-ME/MTSK) Giới thiệu, hướng dẫn sử dụng thiết bị trong phân tích mẫu

3.2 Đánh giá hiệu quả sử dụng của thiết bị WA-ME/MTSK trong phòng thí nghiệm

3.2.1 Tiếp cận phương pháp nghiên cứu

Thiết kế mô hình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm

Lựa chọn, lấy mẫu đại diện để nghiên cứu thử nghiệm

Phân tích các chỉ tiêu TSS, COD, BOD5, DO, pH, bằng phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm

Xác định các thông số đầu vào cài đặt cho thiết bị và vận hành mô hình thí nghiệm

3.2.3 Đánh giá độ tin cậy của phương pháp đo trên thiết bị WA-ME/MTSK

Đánh giá giới hạn phát hiện, độ lặp lại, độ tái lặp của thiết bị WA-ME/MTSK

So sánh kết quả phân tích giữa phương pháp phân tích trong PTN và phương pháp đo trên thiết bị quan trắc, tính toán độ chính xác tương đối (RA) theo thông tư 24/2017/TT-BTNMT

3.3 Đề xuất mô hình quản lý cơ sở dữ liệu và đánh giá mô hình trên thiết

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về đối tượng nghiên cứu

1.1.1 Hiện trạng môi trường nước tại Việt Nam

Theo báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia giai đoạn 2011-2015 Việt Nam hiện có 3.450 sông, suối với chiều dài từ 10 km trở lên [1] Các con sông, suối trải dài trên cả nước với tổng diện tích trên 1.167 triệu km2 Tổng lượng nước mặt trung bình năm khoảng 830 tỉ m3 được tập trung chủ yếu trên 8 lưu vực sông (LVS) lớn, chất lượng nước mặt được đánh giá trên các LVS lớn trải dài từ Bắc vào Nam Nhìn chung, chất lượng nước mặt ở thượng nguồn các LVS của Việt Nam còn tương đối tốt Tuy nhiên, ô nhiễm và suy thoái chất lượng nước ngày càng nhiều tập trung ở vùng trung lưu và hạ lưu (đặc biệt là các đoạn chảy qua khu vực đô thị, khu công nghiệp, làng nghề)

Các hoạt động sản xuất, dịch vụ, sinh hoạt là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường nước Điển hình là môi trường nước mặt lớn nhất ở 3 LVS Cầu, Nhuệ - Đáy và sông Đồng Nai – Sài Gòn [1]

- Lưu vực sông Cầu: Tại vùng trung lưu và hạ lưu đang bị ô nhiễm bởi các chất gây ô nhiễm hữu cơ, chất rắn lơ lửng (TSS) và dầu mỡ

- Lưu vực sông Nhuệ - Đáy: Môi trường nước mặt chịu tác động mạnh của nước thải sinh hoạt và các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp trên lưu vực Nước sông bị ô nhiễm chủ yếu bởi các chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng, mùi, độ màu và vi khuẩn từ nước thải sinh hoạt

- Lưu vực sông Đồng Nai – Sài Gòn: Phần hạ lưu đã bị ô nhiễm nghiêm trọng, trong đó có đoạn đã trở thành sông “chết” chủ yếu là ô nhiễm chất hữu cơ, vi sinh và một số nơi đã có dấu hiệu ô nhiễm kim loại nặng

Tình trạng quy hoạch các khu đô thị chưa gắn liền với vấn đề xử lý chất thải, xử lý nước thải vẫn còn tồn đọng nên tại các thành phố lớn, các khu công nghiệp, khu đô thị bị ô nhiễm môi trường đang ở mức báo động Theo ước tính, trong tổng số 183 khu công nghiệp trong cả nước thì có trên 60% khu công nghiệp

chưa có hệ thống xử lý nước thải tập trung Tại các đô thị, chỉ có khoảng 60% - 70% chất thải rắn được thu gom, cơ sở hạ tầng thoát nước và xử lý nước thải nên chưa thể đáp ứng được các yêu cầu về bảo vệ môi trường Hầu hết lượng nước thải

bị nhiễm dầu mỡ, hóa chất tẩy rửa, hóa phẩm nhuộm, chưa được xử lý đều đổ thẳng

ra các sông, hồ tự nhiên [1]

Theo thống kê, có 76% số dân đang sinh sống ở nông thôn, là nơi cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớn các chất thải của con người và gia súc không được xử lý nên thấm xuống đất hoặc rửa trôi làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nước về mặt hữu cơ và vi sinh vật ngày càng cao Bên cạnh đó, việc lạm dụng các chất bảo vệ thực vật trong sản xuất nông nghiệp dẫn đến các nguồn nước ở sông, hồ, kênh, mương bị ô nhiễm nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường và sức khoẻ của con người [1]

1.1.2 Hiện trạng quan trắc chất lượng môi trường nước tự động

a) Hiện trạng quan trắc chất lượng môi nước tự động trên thế giới

Hệ thống quan trắc chất lượng nước toàn cầu (GEMS/WATER) được thiết lập từ năm 1977 Hiện nay đã có trên 120 nước tham gia hoạt động trong hệ thống này Trong tổng số 448 trạm quan trắc tự động phục vụ kiểm soát chất lượng nước toàn cầu có 310 trạm nước sông, 63 trạm hồ và hồ chứa và 85 trạm quan trắc nước ngầm Bên cạnh đó, theo thông báo của Chương trình Môi trường khu vực Châu á - Thái Bình Dương thì ở hầu hết các nước trong khu vực phần lớn các sông, hồ đều được lắp đặt các thiết bị quan trắc tự động [2] Theo số liệu thống kê của Cục Bảo

vệ môi trường Mỹ, hiện trạng hệ thống quan trắc chất lượng môi trường nước tự động ở một số nước trên thế giới như sau:

- Úc: trong số 903 con sông lớn, nhỏ thì có 466 sông được quan trắc với tổng

số 1539 trạm quan trắc tự động, có 81 trong số 97 hồ được quan trắc tự động

- Trung Quốc: 6500 sông lớn, nhỏ thì có 1430 sông được quan trắc với tổng

số 3015 trạm, 2300 hồ có 64 hồ được quan trắc

- Inđônêsia: tổng số hơn 300 sông thì có 129 sông được quan trắc chất lượng nước, 11 hồ và 8 bể nước ngầm được quan trắc, 84 trạm kiểm soát nước thành phố

và khu công nghiệp

- Ấn Độ: 124 sông được quan trắc chất lượng nước sông với tổng số 274 trạm

- Hàn Quốc: có 1.348 trạm quan trắc chất lượng nước, quan trắc thường xuyên 32 thông số chất lượng nước chủ yếu

- Nhật Bản: 74 sông được quan trắc với tổng số 8000 trạm quan trắc

- Thái Lan: 40 trong số 92 sông được quan trắc với tổng số 234 trạm

- Singapo: 61 sông thì 58 sông và 14/14 hồ được quan trắc

Thông số quan trắc chất lượng nước tự động được đo đạc phổ biến nhất là: nhiệt độ, pH, độ dẫn điện, độ đục, chất rắn lơ lửng, chất rắn hoà tan, DO, COD Đối với các nước đang phát triển những khó khăn trong quan trắc môi trường tập trung ở các vấn đề sau:

- Nhiều chương trình quan trắc mang nặng tính mô tả dữ liệu, nhưng lại không gắn với quá trình ra quyết định

- Thiếu các kỹ thuật viên lành nghề và do công nghệ, thiết bị quan trắc thay đổi rất nhanh Quá trình đào tạo rất mất thời gian và tốn kém

- Một số nước thiếu rất nhiều tiêu chuẩn quốc gia về môi trường Các chương trình quan trắc thiếu các chương trình bảo đảm và kiểm soát chất lượng Việc đo đạc, xử lý, lưu trữ số liệu chưa được tự động hóa

Như vậy, có thể nói rằng trong điều kiện kinh tế hiện nay, nước ta hoàn toàn

có thể học tập và áp dụng mô hình quan trắc tự động nước sông của các nước Các kết quả quan trắc tự động này vẫn đảm bảo cung cấp các số liệu đo của một số thông số cơ bản một cách liên tục 24/24 giờ và tức thời phục vụ sơ bộ đánh giá hiện trạng chất lượng nước tại các sông và phục vụ mục đích phát hiện, cảnh báo sớm khi có các vấn đề môi trường xuất hiện Trong khi đó, kinh phí đầu tư ban đầu cũng như các chi phí vận hành, duy tu, bảo dưỡng lại không quá đắt đỏ và tốn kém như các loại hình quan trắc hiện đại khác (tele-monitoring, remote sensing…)

b) Mạng lưới quan trắc tự động môi trường nước ở Việt Nam

Thực hiện Luật Bảo vệ môi trường năm 1993 đã xây dựng và đưa vào hoạt động mạng lưới trạm quan trắc môi trường quốc gia Tính đến năm 2002, mạng lưới

đã có 21 trạm được thành lập, tiến hành quan trắc các thành phần môi trường như: nước mặt lục địa, nước dưới đất, nước mưa, nước biển, phóng xạ, không khí xung quanh và tiếng ồn, môi trường lao động, y tế và công nghiệp, tại hàng nghìn điểm quan trắc trên toàn quốc với tần suất khoảng từ 2 đến 6 lần/năm [1]

Sau khi Bộ Tài nguyên và Môi trường được thành lập năm 2002, chính phủ

ký ban hành Quyết định số 16/2007/QĐ-TTG ngày 29 tháng 01 năm 2007 về việc phê duyệt “Quy hoạch tổng thể mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia đến năm 2020” Căn cứ theo quyết định này, mạng lưới quan trắc môi trường quốc gia được chia thành hai mạng lưới: Mạng lưới quan trắc môi trường nền và mạng lưới quan trắc môi trường tác động

Theo thống kê của bộ tài nguyên và môi trường, trên cả nước hiện có khoảng gần 7.500 trạm, điểm quan trắc thuộc quản lý của 10 Bộ và 46 tỉnh/thành phố, chưa

kể còn có các trạm quan trắc do các tổ chức, doanh nghiệp tự xây dựng và quản lý phục vụ báo cáo các số liệu liên quan đến môi trường trong quá trình kinh doanh, sản xuất [2] Theo số liệu thống kê cho thấy các trạm, điểm quan trắc trên chủ yếu

là các trạm quan trắc về thủy văn (đo mực nước, lưu lượng, độ sâu) Số lượng các trạm quan trắc về chất lượng nước mặt của các con sông còn đang rất ít so với số lượng các con sông cũng như nguồn nước mặt Hiện nay, trong cả nước có 15 trạm

tự động quan trắc môi trường nước mặt đang hoạt động cũng như đang trong quá trình xây dựng được thể hiện qua bảng 1.1

Bảng 1.1 Danh sách trạm quan trắc nước tự động, liên tục ở Việt Nam

lắp đặt

Hãng cung cấp

1 Trạm bơm Nhân Hòa,

Phụng Châu

pH, Nhiệt độ, DO, độ đục, Nitrat, độ dẫn EC, TSS Mực nước

2015

Hach – Mỹ, HORIBA U-50 – Nhật Bản

2

- Trạm quan trắc nước sông

tự động, liên tục quốc gia

tại Phủ Lý (trên sông

Nhuệ);

- Trạm quan trắc nước sông

xuyên biên giới (đầu nguồn

sông Hồng tại Lào Cai);

- Trạm quan trắc nước sông

xuyên biên giới (đầu nguồn

sông Mê Kông tại An

Giang)

pH, nhiệt độ, TDS/EC,

Hach – Mỹ, HORIBA U-50 – Nhật Bản

3 Thành phố Thái Nguyên

pH, nhiệt độ, DO, độ đục, nitrat (NO3-), độ dẫn điện (EC), TSS

2014

Hach – Mỹ, HORIBA U-50 – Nhật Bản

4

Thành phố Huế : trạm được

đặt trên bờ sông Hương,

thuộc phường Phú Hậu

pH, nhiệt độ, DO, độ đục, nitrat (NO3-), độ dẫn điện (EC), TSS

2014

Hach – Mỹ, HORIBA U-50 – Nhật Bản

5

Các KCN, CCN- Bình

Dương

pH, nhiệt độ, DO, độ đục, nitrat (NO3-), độ dẫn điện (EC), TSS

2014 đến

2016

Hach – Mỹ, HORIBA U-50 – Nhật Bản

Tại Hàn Quốc: Thiết lập và duy trì vận hành mạng lưới quan trắc nước từ xa

(tele-monitoring) Các trạm quan trắc từ xa này có thể đo nhanh một số thông số vật

lý thông thường và khả năng phân tích nhanh, liên tục và tức thời các thông số hóa học Kết quả quan trắc và phân tích từ các trạm được truyền về trung tâm điều hành tại Seoul đồng thời có hệ thống cảnh báo khi có các giá trị vượt ngưỡng tiêu chuẩn cho phép Hệ thống lấy mẫu tự động sẽ tự động lấy mẫu và bảo quan khi giá trị vượt tiêu chuẩn [2]

Tại Malaysia và Thái Lan: Mạng lưới trạm quan trắc nước tự động được

thiết lập vẫn đảm bảo tính đồng bộ, hiện đại nhưng khá đơn giản Nguyên tắc hoạt động của các trạm này là sử dụng hệ thống đo nước tự động cho 06 thông số vật lý (nhiệt độ, độ dẫn, độ muối, pH, DO, TDS) bằng đầu đo đa chỉ tiêu cho hệ thống các sông chính Các thông số cần quan trắc khác sẽ được lấy mẫu và đem về phòng thí nghiệm để phân tích theo phương pháp bán tự động Kết quả quan trắc được tự động truyền vào datalogger và được chuyển tự động về trung tâm điều hành và kèm theo hệ thống cảnh báo ngay khi có các giá trị đo vượt ngưỡng tiêu chuẩn cho phép

Hệ thống không có bộ lấy mẫu tự động [2]

Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu, áp dụng phương pháp đo quang phân tử UV để xác định COD Đây là cơ sở để xây dựng hệ đo quang đưa ra kết quả nhanh và chính xác Phương pháp đo quang UV không những chỉ áp dụng

để xác định COD mà còn các chỉ tiêu khác như NO3-, độ màu, NO2-, clo dư Các

hệ thiết bị quan trắc tự động sử dụng đầu sensor để xác định các thông số đo nhanh (pH, nhiệt độ, độ đục, TSS, độ dẫn ) và hệ đo quang để xác định các thông số đặc trương của nước Các công trình nghiên cứu được công bố cụ thể như sau:

Guoqing Wu, Weihong Bi, Jiaming Lu and Guangwei Fu tại trường đại học Yashan (Trung Quốc) trong nghiên cứu của mình đã thử nghiệm đo ở các bước sóng UV với dung dịch kali hydro phthalate ở các nồng độ: 5 mg/L, 10 mg/L, 20 mg/L, 30 mg/L, 40mg/L, 50mg/L, 60mg/L, 80 mg/L, 100mg/L, 120mg/l, 140 mg/L,

160 mg/, 180mg/L, 200mg/l, 220 mg/l, 240 mg/L, 260 mg/L, 280 mg/L và 300 mg/L Nghiên cứu đã chỉ ra rằng ở bước sóng 254 nm thì độ hấp thụ quang là lớn

nhất Các tác giả cũng đã tìm ra mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa độ hấp thụ quang và nồng độ của dung dịch kali hydro phthalate khi đo ở bước sóng 254 nm

Chen Wenchun (1998) [3] đã đo độ hấp thụ quang của nước thải dệt nhuộm

ở bước sóng 254 nm và 265 Sau đó trừ độ hấp thụ quang đo ở bước sóng 254 nm cho độ hấp thụ quang đo ở bước sóng 264 nm để loại bỏ ảnh hưởng của các rắn lơ lửng trong nước Các tác giả đã tìm ra mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa các hiệu số này

và nồng độ COD trong nước thải được phân tích bằng phương pháp dicromat

Ayrton F Martins và cộng sự [4] đã xác định COD ở nhiều khoảng nồng độ khác nhau trong nước thải bệnh viện Santa Maria (HUSM) ở bước sóng 285-295

nm cho thấy sự tương quan rõ rệt của hai đại lượng COD và độ hấp thụ quang Tác giả đã tìm được mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa độ hấp thụ quang và nồng độ COD có trong nước thải bệnh viện Santa Maria

1.2.2 Nghiên cứu trong nước về thiết bị quan trắc chất lượng nước

Như đã nói ở trên, ở Việt Nam mới chỉ có một số công ty nước ngoài mua thiết bị đo nhanh của nước ngoài sản xuất để sử dụng Tuy nhiên, các thiết bị này khá đắt so với khả năng kinh tế của các doanh nghiệp Việt Nam Chính vì thế, Viện Công

nghệ môi trường đã đề xuất đề tài [5]: “Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thiết bị đo

COD nhanh phục vụ kiểm soát ô nhiễm môi trường”

Bước đầu, nhóm đề tài đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh hệ bo mạch điện tử cho thiết bị UV - COD đơn giản, không cài đặt hệ số K Sau đó, đã tiếp tục cài đặt hệ số K và thiết kế chế tạo thử nghiệm một hệ đo UV - COD có thể đo, ghi

số liệu tự động (theo chương trình) và có thể giao tiếp online với máy tính Đây là những cơ sở đầu tiên để hình thành lên hệ thiết bị quan trắc chất lượng nước đa chỉ tiêu hiện tại với các công trình nghiên cứu:

+ Hoàng Việt Hưng và nnk (2015) [6], Nghiên cứu phổ hấp thụ của một số hợp chất hữu cơ trong nước thải nhuộm và ảnh hưởng của một số ion nhằm xác

định COD bằng quang phổ hấp thụ tử ngoại UV 254 nm, Tạp chí Khoa học và Công

nghệ Việt Nam, tập 1, số 4, tháng 4 năm 2015 Trong đề tài tác giả đã khảo sát dải

ánh sáng đối với độ hấp thụ quang của thuốc dệt nhuộm và kết luận tại bước sóng

254nm là phù hợp nhất Tác giá cũng khảo sát các nồng độ thuốc nhuộm khác nhau

và thấy được sự tương quan giữa mật độ quang và nồng độ thuốc nhuộm

+ Nguyễn Thị Phương Thảo, Nguyễn Quang Trung, Vũ Thị Ngân Huyền (2014) [7], Nghiên cứu thiết kế phần mềm bo mạch điện tử đo nhận COD bằng phương pháp phổ hấp thụ UV Trong đề tài tác giả đã thiết kế được: Một nguồn đèn (Flash lamp) phát ra chùm ánh sáng cực tím UV Một cảm biến quang học (Photo diot) sẽ đọc độ hấp thụ chùm tia này Bước sóng (λ) = 2,54 nm là tia UV sẽ được hấp thụ từ các chất hữu cơ Từ độ hấp thụ quang này sẽ cho kết quả độ hấp thụ các chất hữu cơ của nước và tính ra hệ số K Nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công thiết bị đo nhanh COD đơn giản và thử nghiệm trên lên mẫu nước thải của 2 công

ty, sau đó đánh giá độ chính xác của thiết bị với kết quả phân tích trong PTN

1.3 Giới thiệu về thiết bị quan trắc WA-ME/MTSK

1.3.1 Tính khả thi của thiết bị

a) Căn cứ pháp lí

Căn cứ pháp lí của thiết bị quan trắc tự động dựa theo các quy định sau:

+ Quyết định số 16/2007/QĐ-TTG ngày 29 tháng 01 năm 2007 của Thủ

tướng Chính phủ về việc phê duyệt “Quy hoạch tổng thể mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia đến năm 2020”

+ Thông tư 08/2009/TT-BTNMT ngày 15 tháng 07 năm 2009 của bộ Tài

nguyên và môi trường về việc phê duyệt “các hệ thống xử lý nước thải tập trung phải lắp đặt trạm quan trắc chất lượng nước tự động, liên tục và online các thông số môi trường: Nhiệt độ, pH, COD, BOD5,TSS và lưu lượng, đồng thời một số thông

số đặc trưng khác trong nước thải theo yêu cầu nêu trong Quyết định phê duyệt báo cáo đánh giá tác động môi trường phải được quan trắc liên tục cập nhật, truyền tín hiệu online về Ban quản lý và Sở TNMT tỉnh

+ Nghị định số 38/2015/NĐ-CP ngày 24 tháng 4 năm 2015 của chính phủ

quy định về đối tượng phải lắp đặt hệ thống quan trắc tự động [8]

- Các khu công nghiệp phải lắp đặt hệ thống quan trắc nước thải tự động liên tục, truyền số liệu trực tiếp cho Sở Tài nguyên và Môi trường địa phương

- Các cơ sở sản xuất, kinh doanh, dịch vụ nằm ngoài khu công nghiệp có quy

mô xả nước thải từ 1.000 m3/ngày đêm trở lên phải lắp đặt hệ thống quan trắc nước thải tự động liên tục và truyền số liệu trực tiếp cho Sở Tài nguyên và Môi trường địa phương

- Khuyến khích các cơ sở sản xuất, kinh doanh dịch vụ nằm ngoài khu công nghiệp có quy mô xả thải dưới 1.000 m3/ngày đêm và có nguy cơ tác hại đến môi

trường lắp đặt thiết bị quan trắc nước thải tự động liên tục

+ Thông tư 31/2016/TT-BTNMT ngày 14 tháng 10 năm 2016 của bộ Tài nguyên và môi trường quy định về “Bảo vệ môi trường cụm công nghiệp, khu kinh

doanh, dịch vụ tập trung, làng nghề và cơ sở sản xuất, kinh doanh, dịch vụ” [9]

- Thông tư yêu cầu quan trắc tự động và liên tục đối với hệ thống thu gom,

xử lý nước thải tập trung có lưu lượng xả thải lớn hơn 1000 m3/ngày đêm

- Thông tư 31 quy định việc quan trắc nước thải tự động phải bao gồm các thông số như sau: lưu lượng nước thải đầu vào và đầu ra, pH, nhiệt độ, COD, Tss và các thông số đặc trưng cho từng loài hình sản xuất Thiết bị quan trắc tự động phải

có hệ thống lấy mẫu tự động được niêm phong và có camera giám sát dưới sự quản

lý của sở tài nguyên và môi trường tỉnh

+ Thông tư 24/2017/TT-BTNMT của bộ Tài nguyên và môi trường ngày 01 tháng 09 năm 2017 “Quy định về kỹ thuật quan trắc môi trường” tại chương IV và chương V thông tư quy định về các yêu cầu cơ bản và đặc tính kỹ thuật của hệ

thống quan trắc nước thải và khí thải tự động, liên tục [10]

b) Nhu cầu quan trắc môi trường nước tự động, liên tục

Tất cả các thiết bị quan trắc tự động, liên tục và truyền tín hiệu không dây là sản phẩm KHCN cao, tiên tiến, đồng bộ của nhiều lĩnh vực khoa học, công nghệ tiên tiến, tự động hóa, truyền thông tin kết hợp với khoa học kĩ thuật cơ bản của ngành hóa học, toán học và môi trường v.v Tuy nhiên, đội ngũ cán bộ lắp ráp được đào tạo

sơ sài, chưa được sử dụng nhiều nên việc hướng dẫn và đào tạo chưa đạt yêu cầu, sau khi bán máy, các cán bộ này không có đủ khả năng sửa chữa, can thiệp vào hệ thiết

bị Cán bộ sử dụng, vận hành thiết bị chưa đủ năng lực để tiếp quản và vận hành hệ thiết bị, Không được đào tạo, giải thích cặn kẽ nên dễ xảy ra sự cố, không khắc phục được, hoặc không khắc phục được ngay, dẫn đến quá thời gian bảo hành (12 tháng) Không có thiết bị thay thế trong nước, phải mua của nước ngoài, phụ thuộc thời gian, giá cả và kĩ thuật nước ngoài

Ở Việt Nam hiện nay chưa có cơ sở nào sản xuất, chế tạo thiết bị quan trắc môi trường nước tự động ngoài thiết bị quan trắc chất lượng nước đa chỉ tiêu của Viện Khoa học Môi trường và Sức khỏe Cộng đồng Với giá thành rẻ hơn các thiết

bị nhập khẩu từ nước ngoài nhưng vẫn đảm bảo tính ổn và độ chính xác cao, khả năng tích hợp nhiều thông số đại diện cho môi trường nước Quá trình lắp đăt, vận hành, bảo trì và bảo dưỡng sẽ thuận lợi hơn so với thiết bị nước ngoài việc đào tạo, chuyển giao công nghệ được thực hiện dễ dàng Các thông số cơ bản thiết bị đo được như: COD, BOD5, TSS, DO, pH, nhiệt độ, lưu lượng đáp ứng được mục tiêu giá thành rẻ nhưng vẫn đảm báo chất lượng

c) Tính khả thi của đề tài

Hệ thiết bị quan trắc tự động được sản xuất tại Việt Nam sẽ thực hiện được: Nhu cầu sử dụng thiết bị quan trắc tự động của các đơn vị sản xuất công nghiệp có lưu lượng xả thải lớn hơn 1000 m3/ ngày đêm, mở rộng mạng lưới quan trắc chất lượng môi trường nước mặt Trở thành công cụ quan trọng trong kiểm soát theo dõi diễn biến môi trường nước cho cơ quan quản lý môi trường

Khi thiết bị đi vào hoạt động đảm bảo đồng thời chất lượng và giá thành của thiết bị Việc lắp đặt, duy trì hoạt động bảo trì, bảo dưỡng được thực hiện dễ ràng

Luận văn thực hiện đánh giá độ chính xác, tính ổn định và phần mềm quản lý

cơ sở dữ liệu của thiết bị So sánh kết quả đo được của thiết bị với kết quả phân tích trong phòng thí nghiệm Từ đó nhận xét hiệu quả sử dụng của thiết bị theo quy định của nhà nước

1.3.2 Thiết bị quan trắc WA-ME/MTSK

a) Xuất xứ của thiết bị

Thiết bị được nghiên cứu bắt đầu từ năm 2014 với sự liên kết, hợp tác với

viện Công nghệ môi trường xuất phát từ đề tài “Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thiết

bị đo COD nhanh phục vụ kiểm soát ô nhiễm môi trường công nghiệp” [5] Đề tài

xây dựng nhằm mục đích sử dụng để đo hàm lượng COD, TSS có trong bể nước thải sau xử lý để cảnh báo người vận hành khi vượt giới hạn cho phép đo hoặc phục vụ

quan trắc môi trường nước mặt Bước đầu, nhóm đề tài đã nghiên cứu, thiết kế và chế

tạo hoàn chỉnh hệ bo mạch điện tử cho thiết bị UV-COD đơn giản, không cài đặt hệ

số K Sau đó, đã tiếp tục cài đặt hệ số K và thiết kế chế tạo thử nghiệm một hệ đo UV-COD có thể đo, ghi số liệu tự động (theo chương trình) và có thể giao tiếp online với máy tính

Sau khi chế tạo thành công thiết bị UV-COD, nhóm nghiên cứu đã tiến hành

áp dụng thử nghiệm phân tích mẫu chuẩn và mẫu thực tế trong phòng thí nghiệm nhằm so sánh, đánh giá kết quả đo COD của mẫu chuẩn và mẫu nước thải bằng phương pháp đo quang phổ hấp thụ nguyên tử UV với phương pháp chuẩn COD - Kalibicormat Đồng thời so sánh, đánh giá độ chính xác, độ lặp lại, độ ổn định với thiết bị của Mỹ Cuối cùng là ứng dụng thử nghiệm thiết bị UV-COD trong nước thải tại 01 nhà máy nhằm đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật của thiết bị đo UV-COD này trước khi đưa vào sử dụng tại các nhà máy ở Việt Nam

Trải qua quá trình phát triển đến này thiết bị phát triển thành hệ quan trắc nước

tự động với các thông số cơ bản như: COD, BOD5, TSS, DO, pH, nhiệt độ, lưu lượng đáp ứng theo đúng yêu cầu của Thông tư 24/2017/TT-BTNMT: Quy định về

kỹ thuật quan trắc môi trường [10]

b) Nguyên lý hoạt động của thiết bị

 Xác định COD

Cơ sở đề xác định COD và TSS theo phương pháp đo quang UV đã được

chương minh tại đề tài cấp Viện Hàn Lâm khoa học Việt Nam: ”Nghiên cứu khả

năng chế tạo dụng cụ xác định nhanh COD bằng phát quang hóa học hệ KMnO 4 /Mn 2+ ” [11] bao gồm các việc sau:

+ Khảo sát ảnh hưởng của các anion vô cơ NO2-, NO3-, NH4+ , SO4 2- đến việc xác định hàm lượng UV-COD trong mẫu nước Ở bước sóng λ=254nm, các anion NO2-, NO3-, NH+

4, SO42- không có phổ hấp thụ nên không ảnh hưởng đến việc xác định UV - COD

+ Độ hấp thụ quang của mẫu (Abs, A) tại bước sóng 245 nm bị ảnh hưởng bởi hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS) và hàm lượng COD trong mẫu Ảnh hưởng của hàm lượng TSS là ảnh hưởng dương, khiến cho độ hấp thụ quang (Abs, A) trong vùng phổ UV tăng khi nồng độ TSS tăng Để chứng minh tính cộng quang của hai yếu tố COD và TSS Tiến hành sơ đồ thí nghiệm như sau: tính với hàm lượng của các dãy mẫu có COD là: 0, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 và 500mg/L và lần lượt tạo các mẫu có TSS là 0, 50, 100, 150, 200, 250 và 300 mg/L các thí nghiệm được thực hiện theo phương pháp biến thiên một ẩn số

Bảng 1.2 Khảo sát sự phụ thuộc giữa TSS và COD trên UV

Nguồn: Nguyễn Quang Trung (2009) [11]

TT Hàm lượng

TSS (mg/L)

Độ hấp thụ quang A

Tỉ lệ giữa A/TSS ( k 10 -6 )

Abs-UV-COD tương đương

Tỉ lệ giữa UV-COD /TSS

Hàm lượng TSS trong mẫu ảnh hưởng lớn đến kết quả xác định UV-COD

Hệ số tán xạ quang của TSS được xác định là 1.365x10-6 Tỉ lệ tương đương của UV-COD/TSS là 0,217 Các kết quả cho thấy ở bước sóng tử ngoại, độ hấp thụ quang và độ tán xạ tương đương với độ hấp thụ quang của hai chỉ số này có tính cộng số học, vì vậy có thể tính được nồng độ UV- COD nếu biết được độ hấp thụ quang của chỉ tiêu còn lại Đây là cơ sở rất quan trọng để có thể tiến tới xác định đồng thời hai chỉ tiêu TSS và UV-COD trong mẫu

+ Dưới tác dụng của nguồn năng lượng bức xạ tia cực tím UV, phương pháp xác định COD nhanh bằng phương pháp đo quang tia cực tím dựa trên nguyên tắc

đo độ hấp thụ ánh sáng ở bước sóng tia cực tím UV= 254 nm của phân tử hợp chất hữu cơ phức tạp tuân theo định luật Beer-Lambert [5]:

A = ε L.C = - log ( I0 / I x )

Trong đó:

- A : độ hấp thụ quang của mẫu

- C : là nồng độ của chất được oxy hóa trong mẫu

- ε: hệ số hấp thụ riêng phần (đặc trưng riêng cho mỗi loại nước)

- L: chiều dài cuvet đo (cm)

- I0: cường độ ánh sáng trước khi đi qua mẫu

- Ix: cường độ ánh sáng sau khi đi qua mẫu

Tỷ lệ COD/UV (ppm.abs-1) tương đối phụ thuộc vào tùy từng hợp chất và từng loại mẫu Giá tri lớn nhất của A = 2 Hệ số ε thích hợp nhất là từ 102 - 105 Nếu các chất có hệ số ε nằmngoài khoảng trên là phương pháp này không thích hợp

Tính nồng độ COD theo độ hấp thụ quang đo ở bước sóng 254 nm theo công thức:

[COD] = KA

Trong đó:

- A là độ hấp thụ quang ở bước sóng UV 254 nm của dung dịch mẫu

- K là hệ số góc của đồ thị phụ thuộc giữa hàm lượng COD (mg/L) và độ hấp thụ quang A (không có đơn vị)

Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang A lên nồng độ COD là đường thẳng, trong đó A thực chất sẽ là hàm của nồng độ COD, khi hàm lượng COD thay đổi thì

độ hấp thụ quang sẽ thay đổi Tuy nhiên, trong phương pháp xác định này, ta có:

đặt

Nếu ε tối ưu là =10-2 -10- 5 thì K có thể nằm trong khoảng 100-100.000, L=1cm là chiều dài cuvet, hay chiều dầy của lớp dung dịch được xác định, đây là hằng số, vì vậy hệ số chuyển đổi nồng độ K chỉ phụ thuộc vào ε A có giá trị cực đại bằng 2, chính vì vậy, theo lý thuyết, nồng độ COD có thể xác định lên đến 20.000 mg/L Tuy nhiên, thực tế không có nồng độ COD trong nước lên đến giá trị này

 Xác định TSS

Nồng độ chất rắn lơ lửng (TSS) trong nước được xác định dựa vào

sự tán xạ ánh sáng của các hạt vật chất lơ lửng trong mẫu cùng với thiết bị đo nhanh COD ở bước sóng 245 nm [5]

 Xác định lưu lượng

Xác định lưu lượng của dòng chảy dựa vào độ dài ngắn của sóng siêu âm trên kênh hở để đưa ra kết quả Các dữ liệu sau khi đo đạc được truyền phát theo công nghệ truyền tín hiệu không dây bằng sóng GMS về phần mềm quản lý qua thiết bị dataloger các dữ liệu sẽ được quản lý và lưu vào ổ nhớ

c) Phạm vi áp dụng

+ Quan trắc chất lượng nước mặt (nước sông, nước hồ, nước biển)

+ Quan trắc chất lượng tất cả các loại nước thải (nước thải công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt v.v.) trong các khu công nghiệp, các khu sản xuất phát sinh nước thải bắt buộc phải lắp hệ quan trắc tự động ở sau hệ thống xử lý nước thải

d) Mô tả thiết bị

 Cấu tạo của hệ quan trắc

Một trạm quan trắc môi trường nước tự động bao gồm 2 phần chính là tủ chính chứa các thiết bị đo và thiết bị lấy mẫu tự động theo thông tư 24/2017-BTNMT [10]

Hình 1.1 Hệ thiết bị quan trắc chất lượng nước đa chỉ tiêu

+ Tủ chính chứa các thiết bị đo bao gồm:

- Tủ chính bên trái của thiết bị:

Ngăn tầng một bên trái là hệ máy chủ đo nhanh các chỉ tiêu COD, TSS, BOD5 cho kết quả hiện thị lên màn hình Hệ máy chủ có nhiệm vụ cài đặt các thông

số đầu vào cũng như truyền dữ liệu đo được về phần mềm quản lý

Ngăn tầng hai bên trái là hệ rửa cho hệ máy chủ, ở đây gồm các bơm hút nước và các van điều khiển quá trình hút mẫu nước Hệ có vai trò quan trọng trong việc xác định các thông số đầu vào cho máy chủ và làm sạch hệ đo quang sau một chu kỳ làm việc (24 giờ)

Ngăn tầng ba bên trái là nơi chứa dung dịch rửa cho hệ rửa và nước sạch để hiệu chuẩn cho máy chủ

- Tủ chính bên phải của thiết bị:

Ngăn tầng một bên trái là thiết bị đo lưu lượng nhận tín hiệu sóng âm từ đầu sensor truyền về và tính ra kết quả lưu lượng Cùng với cổng kết nối dữ liệu

Ngăn tầng hai bên trái là bộ dataloger nơi thu thập tất cả các dữ liệu và truyền về phần mềm quản lý trên máy tính và wed quản lý

Ngăn tầng ba bên trái là các cổng kết nối với các sensor cảm biển như nhiệt

độ, pH, DO cũng như nhiều cổng khác để kết nối với các chỉ tiêu đo nhanh khác

- Ngăn cuối cùng của hệ thiết bị:

Đây là ngăn chứa mẫu cần phân tích, mẫu được hút từ nguồn nước bên ngoài vào tank chứa nước, ở tank chứa nước thực hiện các quá trình hút mẫu trực tiếp lên

hệ quang, đo nhanh các chỉ tiêu môi trường

Hình 1.2 Thiết bị lấy mẫu tự động

+ Thiết bị lấy mẫu tự động:

Thiết bị lấy mẫu tự động đạt theo yêu cầu của thông tư 24/2017-BTNMT về chất lượng quan trắc môi trường [10] Hệ thiết bị được viện Khoa học Môi trường

và Sức khỏe Cộng đồng tự chế tạo Với khả năng tự động lấy mẫu, bảo quản mẫu ( 0-40C) được niêm phong và đóng kín Đây là công cụ quan trọng để kiểm soát và bảo quan mẫu khi mẫu bị vượt giới hạn theo quy chuẩn

 Thông số kỹ thuật

- Nguồn năng lượng: điện áp 220Vac/24W

- Khoảng xác định của thiết bị:

pH (1-12) ± 0.1 : COD (0 - 700) mg/L : BOD (0 - 400) mg/L : TSS (0 - 900) mg/L :

DO (0-12) mg/L :

- Độ lặp lại ( tính theo RSD) : ±5%

- Sai số : Max ± 5 %

- Thời gian ổn định thu nhận kết quả: sau 15 phút

- Thời gian truyền phát tín hiệu: Ngắn nhất: 1 giây/lần

- Thời gian làm sạch buồng quang học: 5-10 phút

- Thời gian xác định thống số đầu của tỉ lệ COD/TSS (X%): 30 – 45 phút

e) Ưu, nhược điểm của phương pháp

Ưu điểm của phương pháp này là:

- Có độ chính xác tương đương với các phương pháp tiêu chuẩn

- Nhanh, kịp thời, hiện thị kết quả sau khi thiết bị đã ổn định

- Không bị ảnh hưởng bởi nồng độ muối Cl-, Fe, Amoni, v.v

- Không sử dụng hóa chất, nhất là hóa chất độc như thủy ngân, axit, v.v

- Người sử dụng không cần qua lớp học đào tạo chuyên ngành sâu

Nhược điểm của phương pháp:

- Phải xác định được thông số đầu vào cho từng loại mẫu Ví dụ: ngành sản xuất giấy có hệ số chuyển đổi hệ số K khác với chế biến thực phẩm và các ngành dệt nhuộm, mạ, v.v

- Chỉ xác định cho nguồn nước ổn định

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng, phạm vi và thời gian nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

Thiết bị quan trắc chất lượng môi trường nước đa chỉ tiêu (Water monitoring equiptment/MTSK-PT) tại Viện Khoa học môi trường và Sức khỏe cộng đồng

auto-Môi trường thực nghiệm mẫu nước mặt và nước thải trên thiết bị ME/MTSK-PT

2.1.3 Thời gian nghiên cứu

Nghiên cứu được tiến hành từ tháng 6/2017 đến tháng 4/2018

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp kế thừa, thu thập tài liệu

Kế thừa kết quả nghiên cứu từ đề tài nghiên cứu khoa học cấp thành phố năm

2012 “Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thiết bị đo COD nhanh phục vụ kiểm soát ô

nhiễm môi trường công nghiệp”

Thu thập các số liệu, dữ liệu, thông tin liên quan đến nội dung nghiên cứu Các nguồn tài liệu, dữ liệu được thu thập từ: các văn bản quy phạm pháp luật (thông tư, nghị định, quy chuẩn Việt Nam); các nghiên cứu trong nước và ngoài nước; các đề tài, luận văn tốt nghiệp thạc sĩ, tiến sĩ, các bài báo trên các tạp chí khoa học

2.2.2 Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa

Điều tra, khảo sát hiện trường lựa chọn vị trí đại diện từ đó lập kế hoạch quan trắc và tiến hành lấy mẫu cho đề tài nghiên cứu

2.2.3 Phương pháp lấy, bảo quản mẫu và phân tích trong phòng thí nghiệm

a) Phương pháp lấy, bảo quản mẫu

Trong luận văn sử dụng các tiêu chuẩn về hướng dẫn phương pháp lấy và

bảo quản mẫu như sau:

+ TCVN 6663 – 1 : 2011: Chất lượng nước lấy mẫu Phần I : Hướng dẫn lập chương trình lấy mẫu và kỹ thuật lấy mẫu [12]

+ TCVN 5994 – 1995: Chất lượng nước lấy mẫu Hướng dẫn lấy mẫu ở hồ ao

tự nhiên và tạo nhân [13]

+ TCVN 6663 - 6 : 2008: Chất lượng nước – lấy mẫu – Phần 6: Hướng dẫn lấy mẫu ở sông và suối [14]

+ TCVN 5993 : 1995: Chất lượng nước – Lấy mẫu – Hướng dẫn các bảo quản và xử lý mẫu [15]

b) Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm

Các chỉ tiêu được tiến hành phân tích trong phòng thí nghiệm theo các tiêu chuẩn đã được công nhận cụ thể theo bảng sau:

Bảng 2.1 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích tại phòng thí nghiệm

5220C:2012

Xác định nhu cầu oxy hóa học - phương pháp chuẩn độ bằng muối Morh

BOD5 mg/L TCVN 6001-1: Xác định nhu cầu oxy sinh

hóa-Chỉ tiêu

phân tích

Đơn

vị Tiêu chuẩn áp dụng Phương pháp phân tích

2008 phương pháp pha loãng và cấy có

bổ sung allylthiourea [20]

Các phương pháp phân tích trên được xậy dựng và phê duyệt theo quyết định 127/2014/NĐ-CP về chứng nhận đủ điều kiện hoạt động dịch vụ quan trắc môi trường với số Vimcerts 099 cho viện Khoa học Môi trường và Sức khỏe Cộng đồng Bảng 3.2 thể hiện kết quả độ tin cậy của các phương pháp phân tích các giá trị trong bảng đều đạt yêu cầu theo bảng 1 và bảng 2 phụ lục 1 cho phê duyệt một phương pháp phân tích

Bảng 2.2 Độ tin cậy của các phương pháp đã được công nhận Vimcerts 099

Độ chính xác so với mẫu gốc %

Độ lặp lại RSD%

Độ tái lặp PRSDr%

Độ không đảm bảo

phân tích Tài liệu tham chiếu

Các lưu ý khi thực hiện phân tích bằng

phương pháp tiêu chuẩn

pH IESH/SOP/ĐN-pH

- pH được xác định trong khoảng từ 2-12

- Hiệu chuẩn thiết bị đo pH ở 2 điểm là pH = 7.01 và pH = 4.01 trước khi đo mẫu hiện trường

- Kết quả pH đo được khi đầu điện cực được làm sạch bằng nước cất và để ổn định trong mẫu từ 2 đến 5 phút

- Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến pH lên việc xác định song song giá trị pH và nhiệt độ là cần thiết

- DO được xác định trong khoảng từ 0-16 mg/L

- Hiệu chuẩn thiết bị đo DO ở 2 điểm là DO = 0

và DO bão hòa trong không khí ( 8.2-8.4 mg/L) trước khi đo mẫu hiện trường

- Kết quả DO đo được khi đầu điện cực được làm sạch bằng nước cất và để ổn định khi kết quả trên màn hình không thay đổi

COD IESH/SOP/PT-N11

- Sử dụng hỗn hợp K2Cr2O7và H2SO4 có mặt HgSO4 và xúc tác Ag2SO4 để oxy hóa hoàn toàn các chất hữu cơ khi đun nóng trong một khoảng thời gian nhất định

- Sau đó lượng K2Cr2O7 dư sẽ được chuẩn độ bằng dung dịch sắt (II) amoni sunfat để xác định lượng K2Cr2O7 đã tiêu tốn để phân hủy các hợp chất hữu cơ

- Chất có thể bị ôxy hóa (các chất hữu cơ) được tính tương đương với lượng O2 tiêu tốn

BOD5 IESH/SOP/PT-N31

Mẫu nước cần phân tích được xử lý sơ bộ và pha loãng với những lượng khác nhau bằng một loại nước giàu oxy hòa tan và chứa các vi sinh vật hiếu khí, có ức chế sự nitrat hóa mẫu ở nhiệt độ 200C trong một thời gian 5 ngày, ở chỗ tối, trong bình đầy và nút kín Xác định nồng

độ oxy hòa tan trước và sau khi ủ Tính khối lượng oxy tiêu tốn trong một lít mẫu

TSS IESH/SOP/PT-N14 - Mẫu sau khi được đồng nhất sẽ tiến hành lọc

bằng giấy lọc sợi thủy tinh

- Lượng cặn được giữ lại trên giấy lọc được sấy khô đến khối lượng không đổi ở 1050C

- Khối lượng tăng lên trên sau khi lọc chính là lượng tổng chất rắn lơ lửng

2.2.5 Phương pháp đánh giá, so sánh

Đánh giá hiệu quả sử dụng của thiết bị thông quá việc xác định độ chính xác của phương pháp

Đánh giá hiệu quả truyền và quản lý dữ liệu của thiết bị

So sánh kết quả phân tích giữa phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm và phương pháp phân tích dựa trên thiết bị quan trắc

2.3 Xây dựng mô hình thực nghiệm trên thiết bị WA-ME/MTSK

2.3.1 Quy trình nghiên cứu

Để thực hiện nghiên cứu cần xây dựng quy trình thực nghiệm như hình 2.1

(2) Thực hiện cho mục tiêu đánh giá hiệu quả sử dụng của thiết bị qua việc đánh giá độ chính xác của thiết bị thông qua độ chụm (độ lặp lại, độ tái lặp) và độ đúng

(3) Thực hiện cho mục tiêu đề xuất mô hình quản lý cơ sở dữ liệu và đánh giá mô hình qua việc đánh giá tín hiệu truyền, nhận dữ liệu từ thiết bị về phần mềm quản lý thông qua đo mẫu nước mặt trên thiết bị Đánh giá hệ thiết bị qua yêu cầu trong thông tư 24/2017/TT-BTMNT [10]

2.3.2 Lựa chọn vị trí và địa điểm lấy mẫu

a) Lựa chọn vị trí lấy mẫu

Sau khi tiến hành khảo sát trên địa bàn thành phố Hà Nội, chúng tôi thực hiện lấy mẫu nước xung quanh trên địa bàn thành phố Hà Nội gồm 3 mẫu tại các hồ Nhân Tạo, hồ Phú Diễn, hồ Tây, 2 mẫu nước tại sông Hồng, sông Nhuệ, một mẫu nước thải giả định đề thực hiện đề tài nghiên cứu Lý do lựa chọn các vị trí lấy mẫu được thể hiện cụ thể như sau:

+ Hồ Nhân Tạo, khu đô thị Thành Phố Giao Lưu, đầy là điểm được lựa chọn làm điểm nền bởi khu vực này chưa bị tác động từ bất kì nguồn xả thải nào vào nguồn nước Hồ nằm ở vị trí giữa công viên của đô thị thành phố Giao Lưu xung quang số lượng dân cư thưa thớt và vừa được xây dựng mới

+ Hồ Phú Diễn, đường Phú Diễn là khu vực tập chung nhiều dân cư, xung quanh hồ diễn ra hoạt động sinh hoạt thường ngày và có một lượng chất thải sinh hoạt thải trực tiếp vào hồ Mẫu được lấy tại vị trí này làm cơ sở cho việc đánh giá nguồn chịu tác động

+ Hồ Tây là hồ lớn nhất trên địa bàn thành phố Hà Nội, xung quanh hồ có nhiều di tích lịch sử, cũng như các hoạt động tập chung lớn của con người Sau sự kiện cá chết hàng loạt ở hồ với số lượng lớn gây thiệt hại lớn về kinh tế cũng như môi trường Mẫu được lấy tại vị trí này làm cơ sở cho việc đánh giá nguồn chịu tác động

+ Sông Nhuệ khu vực gần cầu Noi là khu vực sông đang bị ô nhiễm rất nặng

do nước thải công nghiệp và sinh hoạt thải ra ảnh hưởng tới sức khỏe của những người dân sống trong lưu vực đó Mẫu được lấy tại vị trí này làm cơ sở cho việc đánh giá nguồn chịu tác động

+ Khu vực sông Hồng thuộc Đình Chèm, đường Thụy Phương có vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển kinh tế - xã hội khu vực miền bắc, với diện tích rộng và trải dài trên nhiều tỉnh miền bắc Với hàm lượng phù sa lớn phục vụ cho nông nghiệp cũng như hoạt động giao thông đường thủy Hoạt động xả thải nước thải trực tiếp của các khu công nghiêp, nhà máy và hoạt động của con người khu

vực xung quang đang ngày càng làm cho môi trường của sông bị suy thoái nghiêm trong Mẫu được lấy tại vị trí này làm cơ sở cho việc đánh giá nguồn chịu tác động

b) Lấy mẫu

Tên mẫu, kí hiệu mẫu, vị trí lấy mẫu được mô tả cụ thể qua bảng 2.2 và hình 2.2 bản đồ vị trí lấy mẫu

Bảng 2.4 Mô tả vị trí lấy mẫu

Tên mẫu Kí hiệu

mẫu

Tọa độ lấy mẫu Mô tả vị trí lấy mẫu

Điều kiện khí hậu

Mẫu nước được lấy tại

3 vị trí ven hồ Tây bên cạnh đường Trích Sài thể hiện tại hình 2.2 (c), các mẫu sẽ được trộn đều tổ hợp thành một mẫu đảm bảo tính đại diện cho mẫu

Trời nắng

t = 27,3 ºC

Độ ẩm 76%

Mẫu nước mặt được lấy phù hợp các tiêu chuẩn về phương pháp lấy, bảo quản mẫu như mục 2.2.3 Mẫu được lấy trong chai nhựa PE trắng đục 1 lít, khi lấy về phòng thí nghiệm được bảo quản lạnh ở nhiệt độ 0 – 4 ºC khi chưa phân tích ngay

Mẫu nước mặt hồ Nhân Tạo (a) Mẫu nước mặt hồ Phú Diễn (b)

Mẫu nước mặt Hồ Tây (c) Mẫu nước mặt sông Nhuệ (d)

Mẫu nước mặt sông Hồng (e)

Hình 2.2 Bản đồ các vị trí lấy mẫu nước mặt

2.3.3 Xây dựng quy trình phân tích trên thiết bị WA-ME/MTSK

Hình 2.3 thể hiện màn hình hiện thị các thông số đầu vào cần phải cài đặt của thiết bị WA-ME/MTSK trước khi tiến hành đo mẫu

Hình 2.3 Phần mềm hiển thị kết quả và cài đặt thông số đầu vào

Việc xác định các thông số đầu vào được tiến hành như sau:

a) Khái niệm

+ Hệ số X %

Giá trị X % là tỉ lệ phần trăm của mật độ quang Ao của mẫu nước đo ở bước sóng UV = 254 nm khi đã lọc bỏ tuyệt đối chất rắn lơ lửng TSS và mật độ quang A của mẫu nước khi chưa lọc

X% = (A o /A).100 (2.1)

Trong đó:

A0 là độ hấp thụ quang ở bước sóng UV 254 nm của dung dịch mẫu

sau khi loại bỏ TSS

A là độ hấp thụ quang ở bước sóng UV 254 nm của dung dịch mẫu

+ Hệ số chuyển đổi nồng độ K 1 (COD)

Hệ số chuyển đổi nồng độ K1 là tỉ lệ giữa nhu cầu oxy hóa hóa học của mẫu nước và độ hấp thụ quang của mẫu khi đã loại bỏ chất rắn lơ lửng TSS ở bước sóng

tử ngoại UV = 254 nm