LỜI MỞ ĐẦU Nƣớc là một nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quan trọng đối với con ngƣời,sinh vật. Ngoài những ứng dụng của nó trong đời sống sinh hoạt thƣờng ngày, nƣớccòn có ý nghĩa rất to lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ: giao thông, xây dựng, y tế, sản xuất … Theo hiến chƣơng châu Âu về nƣớc đã định nghĩa: "Ô nhiễm nƣớc là sự biến đổi nói chung do con ngƣời đối với chất lƣợng nƣớc, làm nhiễm bẩn nƣớc và gây nguy hiểm cho con ngƣời, cho công nghiệp, nông nghiệp, cho động vật nuôi và các loài hoang dã". Hiện nay ô nhiễm nguồn nƣớc là một vấn đề rất cấp bách mà con ngƣời đang phải đối mặt. Do vậy việc tìm ra nguyên nhân và biện pháp ngăn chặn việc ô nhiễm nguồn nƣớc đang đƣợc rất nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm.
Đã có rất nhiều công trìnhnghiên cứu và các dựán ứng dụng khoa học giải quyết vấn đề ô nhiễm nguồn nƣớc và xử lý nƣớc thải ra đời. Trong đó, đề tài nghiên cứu hệ đo đạc các thông số của môi trƣờng nƣớc bao gồm độ đục, độ màu, pH, độ dẫn, nhiệt độ,…nhằm mục đíchtheo dõi, đánh giá và kiểm soát chất lƣợng nƣớc là một đề tài quan trọng trong việc đánh giá và bảo vệ nguồn nƣớc. Vì vậy, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc và cảnh báo ô nhiễm môi trƣờng nƣớc” làm đề tài bảo vệ luận văn thạc sĩ của mình. Luận văn tập trung nghiên cứu về các thông số của nƣớc nhƣ: Độ đục, độ dẫn, pH, nhiệt độ.Sau đó tìm hiểu nghiên cứu chế tạo các hệ đo các thông số này trong môi trƣờng nƣớc và kết nối với Module truyền thông (Module Sim800c) để truyền dữ liệu lên Internet.Đặc biệt hệ thống có khả năng gửi tin nhắn cảnh báo tới một số điện thoại khi có một hoặc nhiều thông số vƣợt chuẩn.
Nội dung chính của luận văn gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Nguyên lý đo các loại cảm biến và vi xử lý ATmega 16 Chƣơng 3: Thiết kế hệ đo đạc và khảo sát hệ thống 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1. Nƣớc và tầm quan trọng của nƣớc Nƣớc là một hợp chất hóa học của oxy và hidro, có công thức hóa học là H2O.Với các tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ nhƣ tính lƣỡng cực, liên kết hiđrô và tính bất thƣờng của khối lƣợng riêng) nƣớc là một chất rất quan trọng trong nhiều ngành khoa học và trong đời sống [14]. Nƣớc là thành phần quan trọng đối với cơ thể con ngƣời: Nƣớc vận chuyển chất dinh dƣỡng và ôxy nuôi dƣỡng mọi bộ phận; là dung môi hòa tan các chất, duy trì nhiệt độ trung bình, tham gia quá trình hấp thu và chuyển hóa thức ăn thành năng lƣợng để cung cấp cho mọi hoạt động của cơ thể,… Nƣớc dùng cho nhu c ầu sản xuất công nghiệp rất lớn nhƣ tạo ra điện năng (nhà máy thủy điện Hòa bình, thủy điện Sơn La,…), dùng để làm nguội các động cơ, làm quay các tubin, là dung môi làm tan các hóa chất màu và các phản ứng hóa học. Nƣớc đóng vai trò quan trọng không thể thiếu trong nền sản xuất nông nghiệp lúa nƣớc, nuôi trồng và khai thác thủy sản,… Do đó nƣớc có sức ảnh hƣởng to lớn đối với đời sống của con ngƣời và là thành phần quan trọng không thể thiếu của tất cả các ngành nghề, lĩnh vực trong cuộc sống.
97% nƣớc trên Trái Đất là nƣớc muối, chỉ 3% còn lại là nƣớc ngọt nhƣng hơn 2/3 lƣợng nƣớc này tồn tại ở dạng sông băng và các mũ băng ở các cực [20]. Phần còn lại không đóng băng đƣợc tìm thấy chủ yếu ở dạng nƣớc ngầm, và chỉ một tỷ lệ nhỏ tồn tại trên mặt đất và trong không khí [40]. Tình trạng ô nhiễm môi trƣờng nƣớc ngày càng nghiêm trọng không chỉ ở Việt Nam mà còn xảy ra ở tất cả các quốc gia trên toàn thế giới. Nhƣ tình trạng ô nhiễm trên bờ biển Barrow ở Alaska, hồ Taihu của tỉnh Giang Tô Trung Quốc, sông Hằng ở Ấn Độ.
Ở Vệt Nam các sông nhƣ sông Tô Lịch, sông Sét, sông Lừ có màu đen và hôi thối, đặc biệt là khu công nghiệp Biên Hòa, Đồng Nai tạo ra nguồn nƣớc thải công nghiệp và sinh hoạt rất lớn làm nhiễm bẩn các sông ngòi và vùng phụ cận. Nƣớc dùng trong sinh hoạt của dân cƣ càng ngày càng tăng nhanh do dân số và đô thị. Nƣớc ngầm cũng bị ô nhiễm nghiêm trọng cùng với sự ô nhiễm nƣớc sông hồ. Việc khai thác tràn lan nƣớc ngầm làm cho hiện tƣợng nhiễm mặn xảy ra ở những vùng ven biển Thái Bình, sông Cửu Long,… 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 1: Nguồn nƣớc trên trái đất 1.
Các thông số đánh giá chất lƣợng nƣớc Các thông số vật lý Các thông số vật lý để đánh giá chất lƣợng nƣớc gồm: Độ đục, Màu sắc, Nhiệt độ, pH, Tổng hàm chất lƣợng rắn (TS), Tổng hàm chất lƣợng rắn lơ lửng (SS), Tổng hàm chất lƣợng rắn hòa tan (DS), Tổng hàm lƣợng các chất dễ bay hơi (VS) [4]. Các thông số hóa học [4] Các thông số hóa họcđể đánh giá chất lƣợng nƣớc gồm: Độ kiềm toàn phần, Độ cứng của nƣớc, Hàm lƣợng oxygen hòa tan (DO), Nhu cầu oxygen hóa học (COD), Nhu cầu oxygen sinh hóa (BOD), Một số thông số hóa học khác trong nƣớc (chì (Pb), sắt, nhôm, mangan, các hợp chất clorua, các hợp chất sunfat, hợp chất nitơ, khí hòa tan, hàm lƣợng Asen, thuốc bảo vệ thực vật, chất hoạt động bề mặt),… Trong khuôn khổ bài luận văn này, tôi tập trung nghiên cứu về một số thông số quan trọng của môi trƣờng nƣớc là độ đục, pH, nhiệt độ và độ dẫn. Thông số độ đục của môi trƣờng nƣớc Độ đục dùng để chỉ hiện tƣợng đục của môi trƣờng chất lỏng và đƣợc định lƣợng bởi cƣờng độ ánh sáng bị tán xạ bởi các hạt lơ lửng trong môi trƣờng [22]. Nhằm mục đích kiểm định chất lƣợng nƣớc, hiệp hội AWWA (American Water Works Association) đã định nghĩa độ đục nhƣ một phép đo không đặc hiệu của một số hạt vật liệu không tan đƣợc có trong nƣớc, bao gồm đất sét, bùn, tảo, 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com các hợp chất hữu cơ và các chất vô cơ khác [31].
Phép đo độ đục không đo trực tiếp nồng độ các hạt lơ lƣởng trong nƣớc mà đo sự tán xạ ánh sáng gây ra bởi các hạt đó. Các phép đo phổ biến nhất cho độ đục ở Hoa Kỳ sử dụng thang đo độ đục với đơn vị đo độ đục khuếch tán NTU (Nephelometric Turbidity Units). Quy trình nhƣ sau: Chiếu một chùm sáng vào một mẫu chất lỏng và đo cƣờng độ ánh sáng bị tán xạ ở 900 so với chùm tia tới [25]. Nếu có nhiều ánh sáng tiếp xúc với thiết bị thu tín hiệu (detector) thì sẽ có nhiều hạt nhỏ tán xạ các chùm tia nguồn, tƣơng tự, ít ánh sáng đến các detector có nghĩa là có ít hạt hơn.
Đơn vị đo độ đục NTU đƣợc sử dụng để đáp ứng với tiêu chí thiết kế EPA. Lƣợng ánh sáng tán xạ ảnh hƣởng bởi nhiều khía cạnh của các hạt nhƣ màu sắc, hình dạng và phản xạ. Vì thế, thực tế các hạt nặng hơn có thể gải quyết một cách nhanh chóng và có thể không góp phần vào việc đọc độ đục. Mối quan hệ giữa độ đục, tổng chất rắn lơ lửng (TSS) có thể thay đổi tùy thuộc vào vị trí mà ta thu nhập mẫu thử.
Mắt ngƣời có thể phát hiện mức độ đục khoảng dƣới mức 5 hoặc 10 NTU. Mẫu nƣớc với độ đục thấp hơn mức này có thể nhận biết bằng mắt ngƣời, tuy nhiên những mẫu nƣớc nhƣ vậy vẫn có thể chứa một nồng độ của các hạt keo tụ làm giảm hiệu quả khử trùng nƣớc và có thể mang một lƣợng chất gây ô nhiễm hoặc các chất rắn này còn là nơi cƣ trú của các vi khuẩn gây bệnh và ảnh hƣởng nghiêm trọng đến sức khỏe của con ngƣời [32]. Hình 2: Hình ảnh minh họa cho độ đục của dung dịch Ngoài NTU còn có một số thang đo độ đục khác nhƣ: Đơn vị đo độ đục Formazin khuếch tán FNU (Formazin Nephelometric Units), Đơn vị đo độ đục Formazin FTU (Formazin Turbidity Units), Đơn vịpha loãng Formazin FAU (Formazin Attenuation Units) [3]. Trong đó: 1 NTU = 1 FNU = 1 FTU = 1 FAU.
NTU = 1 đơn vị độ đục = 1mg Si𝑂2 / 1L nƣớc cất [3]. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ở Việt Nam, theo thông tƣ ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT ngày 17/06/2009 quy định tiêu chuẩn nƣớc sinh hoạt phải có độ đục dƣới 5 NTU. Thông số pH của môi trƣờng nƣớc pH là chỉ số đo độ hoạt động (hoạt độ) của các ion hiđrô (H+) trong dung dịch và vì vậy là độ axít hay bazơ của nó. Trong các hệ dung dịch nƣớc, hoạt độ của ion hiđrô đƣợc quyết định bởi hằng số điện ly của nƣớc (Kw = 1,008 × 10−14 ở 25 °C) và tƣơng tác với các ion khác có trong dung dịch.
Do hằng số điện ly này nên một dung dịch trung hòa (hoạt độ của các ion hiđrô cân bằng với hoạt độ của các ion hiđrôxít) có pH xấp xỉ 7. Các dung dịch nƣớc có giá trị pH nhỏ hơn 7 đƣợc coi là có tính axít, trong khi các giá trị pH lớn hơn 7 đƣợc coi là có tính kiềm [15]. pH có vai trò quan trọng trong hầu hết các quá trình của lĩnh vực kỹ thuật môi trƣờng, cấp nƣớc, kiểm định chất lƣợng nƣớc và xử lý nƣớc thải. Công thức để tính pH là [15]: pH = −𝑙𝑜𝑔10 [𝐻+] (1) Giá trị pH đƣợc thể hiện theo thang đo 0 - 14 nhƣ sau: Hình 3: Thang đo pH từ 0 đến 14 [8].
Ở Việt Nam, theo thông tƣ ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT ngày 17/06/2009 quy định tiêu chuẩn nƣớc sinh hoạt phải có pH trong khoảng từ 6. Thông số nhiệt độ của môi trƣờng nƣớc và các thang đo nhiệt độ Khái niệm Nhiệt độ là đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho sựnóng, lạnh của một vật hoặc hệ vật trong hệ quy chiếu đƣợc chọn. Trong môi trƣờng nƣớc, nhiệt độảnh hƣởng khá 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nhiều đến độ đục, pH, độ cứng, độ màu và các quá trình sinh hóa… của nƣớc.Vậy nên, việc xác định nhiệt độ của mẫu nƣớc là rất cần thiết [11]. Các thang đo nhiệt độ [11] Để đo nhiệt độ của một vật (hệ vật) trong vật lí phải xây dựng một thang đo chuẩn chung gọi là các thang nhiệt giai.
Các thang nhiệt giai hay dùng: a.