Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc và cảnh báo ô nhiễm môi trường nước

Luận văn thạc sĩ HUS nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc và cảnh báo ô nhiễm môi trường nước, góp phần bảo vệ tài nguyên nước và sức khỏe cộng đồng.

• Tác giả: Vi Văn Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Văn Thành
• Trường học: Trường đại học khoa học tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc và cảnh báo ô nhiễm môi trường nước
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
• BẢNG CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT
• LỜI MỞ ĐẦU
• 0.1. NƯỚC VÀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA NƯỚC
• 0.2. CÁC THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC
• 0.3. THÔNG SỐ ĐỘ ĐỤC CỦA MÔI TRƯỜNG NƯỚC
• 0.4. THÔNG SỐ PH CỦA MÔI TRƯỜNG NƯỚC
• 0.5. THÔNG SỐ NHIỆT ĐỘ CỦA MÔI TRƯỜNG NƯỚC VÀ CÁC THANG ĐO NHIỆT ĐỘ
• 0.6. THÔNG SỐ ĐỘ DẪN CỦA MÔI TRƯỜNG NƯỚC
• 1. CHƯƠNG 1: NƯỚC VÀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA NƯỚC
• 1.1. Các thông số đánh giá chất lượng nước
• 1.2. Thông số độ đục của môi trường nước
• 1.3. Thông số pH của môi trường nước
• 1.4. Thông số nhiệt độ của môi trường nước và các thang đo nhiệt độ
• 1.5. Thông số độ dẫn của môi trường nước
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ ĐO CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ VI XỬ LÝ ATMEGA 16
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu hệ thống đo đạc ô nhiễm môi trường nước

Nước là nguồn tài nguyên thiết yếu cho sự sống và phát triển của con người. Tuy nhiên, ô nhiễm môi trường nước đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trên toàn cầu. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển hệ thống đo đạc và cảnh báo ô nhiễm môi trường nước, nhằm theo dõi và đánh giá chất lượng nước một cách hiệu quả.

1.1. Tầm quan trọng của nước trong đời sống

Nước không chỉ là nguồn sống mà còn là yếu tố quyết định trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, công nghiệp và y tế. Việc bảo vệ nguồn nước sạch là nhiệm vụ cấp bách.

1.2. Ô nhiễm môi trường nước và nguyên nhân

Ô nhiễm nước xảy ra do nhiều nguyên nhân như chất thải công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt. Những tác động này không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn đến hệ sinh thái.

II. Vấn đề ô nhiễm môi trường nước hiện nay

Ô nhiễm môi trường nước đang gia tăng với tốc độ nhanh chóng. Các sông, hồ và nguồn nước ngầm đang bị ô nhiễm nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và môi trường. Việc phát hiện sớm và cảnh báo ô nhiễm là rất cần thiết.

2.1. Tình trạng ô nhiễm nước tại Việt Nam

Nhiều con sông tại Việt Nam như sông Tô Lịch, sông Sét đang trong tình trạng ô nhiễm nặng nề. Các nguồn nước này không chỉ bị ô nhiễm bởi chất thải sinh hoạt mà còn bởi chất thải công nghiệp.

2.2. Hệ lụy của ô nhiễm nước

Ô nhiễm nước dẫn đến nhiều hệ lụy nghiêm trọng như bệnh tật, suy giảm chất lượng cuộc sống và thiệt hại kinh tế. Cần có các biện pháp khẩn cấp để giải quyết vấn đề này.

III. Phương pháp nghiên cứu hệ thống đo đạc ô nhiễm nước

Nghiên cứu này áp dụng các công nghệ hiện đại để phát triển hệ thống đo đạc và cảnh báo ô nhiễm môi trường nước. Hệ thống này sẽ giúp theo dõi các thông số như độ đục, pH, độ dẫn và nhiệt độ của nước.

3.1. Công nghệ cảm biến trong đo đạc ô nhiễm

Sử dụng các cảm biến hiện đại để đo các thông số chất lượng nước. Các cảm biến này có khả năng cung cấp dữ liệu chính xác và nhanh chóng.

3.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý đo lường các thông số vật lý và hóa học của nước, từ đó đưa ra cảnh báo khi có sự thay đổi bất thường.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống đo đạc ô nhiễm nước

Hệ thống đo đạc và cảnh báo ô nhiễm môi trường nước có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như quản lý tài nguyên nước, bảo vệ môi trường và y tế công cộng. Việc sử dụng hệ thống này sẽ giúp nâng cao hiệu quả trong việc giám sát chất lượng nước.

4.1. Giám sát chất lượng nước trong thời gian thực

Hệ thống cho phép giám sát chất lượng nước liên tục, giúp phát hiện kịp thời các vấn đề ô nhiễm và đưa ra biện pháp xử lý nhanh chóng.

4.2. Cảnh báo ô nhiễm và thông báo đến người dân

Hệ thống có khả năng gửi tin nhắn cảnh báo đến người dân khi phát hiện các thông số vượt chuẩn, từ đó nâng cao nhận thức cộng đồng về ô nhiễm nước.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu ô nhiễm nước

Nghiên cứu về hệ thống đo đạc và cảnh báo ô nhiễm môi trường nước là một bước tiến quan trọng trong việc bảo vệ nguồn nước. Tương lai của nghiên cứu này sẽ tiếp tục mở rộng và cải tiến công nghệ để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong việc bảo vệ môi trường.

5.1. Hướng phát triển công nghệ trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới để nâng cao hiệu quả của hệ thống đo đạc và cảnh báo ô nhiễm nước.

5.2. Tăng cường hợp tác giữa các bên liên quan

Hợp tác giữa các cơ quan nhà nước, tổ chức phi chính phủ và cộng đồng là rất cần thiết để giải quyết vấn đề ô nhiễm nước một cách hiệu quả.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê từ các tổ chức khí tượng và tài nguyên quốc tế, khoảng 97% lượng nước trên Trái Đất là nước mặn, trong khi chỉ 3% còn lại là nước ngọt với hơn 66% tồn tại dưới dạng băng tuyết ở các vùng cực. Tại Việt Nam, tốc độ đô thị hóa và công nghiệp hóa tăng nhanh đang tạo ra áp lực khổng lồ lên chất lượng nước mặt; điển hình như tại Hà Nội, nguồn nước tại sông Tô Lịch, sông Sét và hồ Linh Đàm thường xuyên ghi nhận tình trạng ô nhiễm hữu cơ và chất rắn lơ lửng nghiêm trọng. Thực trạng này đòi hỏi các giải pháp giám sát tự động, liên tục thay thế cho phương pháp lấy mẫu thủ công định kỳ vốn tốn kém chi phí và có độ trễ lớn về thông tin.

Trước yêu cầu cấp thiết đó, nghiên cứu tập trung thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh hệ thống phần cứng tích hợp đo đạc đồng thời 4 chỉ số cốt lõi đánh giá chất lượng nước: độ đục, độ pH, nhiệt độ và tổng chất rắn hòa tan (TDS/độ dẫn điện). Hệ thống kết hợp vi điều khiển trung tâm với module viễn thông nhằm truyền dữ liệu liên tục lên nền tảng trực tuyến, đồng thời tự động kích hoạt cảnh báo qua tin nhắn SMS khi chỉ số vượt ngưỡng an toàn.

Đề tài được triển khai thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và khảo sát hiện trường tại Hà Nội vào năm 2017, dưới sự tài trợ của Đại học Quốc gia Hà Nội thông qua đề tài mã số QG.17. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện ở khả năng tối ưu hóa chi phí chế tạo giảm hơn 65% so với thiết bị nhập ngoại, đồng thời duy trì thời gian đáp ứng cảnh báo tức thời dưới 5 giây khi phát hiện nguồn nước vi phạm Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 02:2009/BYT.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên sự kết hợp chặt chẽ giữa các nguyên lý vật lý quang học, điện hóa học và lý thuyết hệ thống nhúng:

• Lý thuyết tán xạ ánh sáng Rayleigh và Mie: Giải thích cơ chế tương tác giữa chùm sáng và các hạt lơ lửng trong môi trường lỏng. Khi kích thước hạt nhỏ hơn 1/10 bước sóng, tán xạ Rayleigh chiếm ưu thế với cường độ ánh sáng tán xạ tỷ lệ thuận với nồng độ hạt; khi hạt có kích thước lớn hơn bước sóng, tán xạ Mie định hướng chùm sáng tập trung về phía trước. Cảm biến độ đục được thiết kế thu tín hiệu tán xạ ở góc 90 độ nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của ánh sáng lạc và tính bất đồng nhất của kích thước hạt.
• Phương trình điện hóa học Nernst: Xác định suất điện động sinh ra tại màng thủy tinh của điện cực đo pH theo hàm logarit của hoạt độ ion hydro. Điện áp biến đổi tuyến tính với hệ số góc lý thuyết đạt xấp xỉ 59.16 mV trên một đơn vị pH tại nhiệt độ tiêu chuẩn 25 độ C.
• Định luật dẫn điện của dung dịch điện phân: Xác định mối quan hệ giữa độ dẫn điện (EC) và nồng độ ion hòa tan thông qua hằng số tế bào k = 1.0 cm^-1, từ đó quy đổi trực tiếp sang tổng chất rắn hòa tan theo công thức TDS (ppm) = 0.64 * EC (μS/cm).
• Chuẩn giao tiếp 1-Wire: Cơ chế truyền thông kỹ thuật số bán song công trên một dây dẫn duy nhất với mã nhận diện ROM 64-bit độc bản của cảm biến nhiệt độ bán dẫn.

Các khái niệm then chốt bao gồm: Đơn vị độ đục khuếch tán (NTU), Tổng chất rắn hòa tan (TDS), Chỉ số hoạt độ ion hydro (pH), và Bộ chuyển đổi tương tự sang số 10-bit (ADC).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được thu thập từ hai nguồn chính: thực nghiệm kiểm chuẩn trong phòng thí nghiệm với hóa chất tiêu chuẩn và khảo sát mẫu nước hiện trường. Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 27 mẫu dung dịch huyền phù Formazin trải dài từ 0 đến 1000 NTU, 5 mẫu dung dịch đệm chuẩn pH tiêu chuẩn quốc tế từ pH 4.01 đến 10.01, và 20 dung dịch muối chuẩn NaCl từ 0 đến 2000 ppm. Phương pháp chọn mẫu chuẩn phân tầng theo từng dải đo được áp dụng nhằm đánh giá chính xác độ tuyến tính và độ nhạy của từng đầu dò cảm biến.

Phương pháp phân tích số liệu sử dụng thuật toán hồi quy tuyến tính bình phương tối thiểu để xác định đường chuẩn và hệ số tương quan R bình phương, kết hợp phân tích sai số tương đối (%) giữa kết quả đo của hệ thống với các thiết bị đo tiêu chuẩn công nghiệp như máy đo nhiệt độ Fox 2005. Lý do lựa chọn phương pháp này nhằm chứng minh tính hội tụ, độ ổn định và độ tin cậy của phần cứng vi điều khiển trong quá trình chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số. Toàn bộ lộ trình nghiên cứu, thiết kế mạch, lập trình nhúng và hiệu chuẩn thực địa được hoàn thành trong thời gian 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện quan trọng về mặt kỹ thuật:

• Thứ nhất, cảm biến độ đục chế tạo từ LED hồng ngoại bước sóng 860 nm kết hợp cảm biến màu TCS3200 đạt độ tuyến tính vượt trội ở dải đo 0 - 10 NTU. Tại các điểm kiểm chuẩn 2, 4, 8 và 10 NTU, hệ thống ghi nhận giá trị tương ứng là 2.05, 4.08, 8.12 và 10.15 NTU, với sai số tương đối cực thấp dao động trong khoảng 1.5% đến 2.5%.
• Thứ hai, khối đo pH sử dụng điện cực thủy tinh Hanna HI1110B kết hợp mạch khuếch đại thuật toán TL082 cho thấy đáp ứng điện áp tuyến tính hoàn hảo theo hàm hồi quy thực nghiệm y = -0.0592x + 2.4125 với hệ số tương quan R bình phương đạt 0.9997. Độ nhạy thực tế đạt 59.2 mV/pH, sai số đo lường trung bình của toàn hệ thống chỉ ở mức 0.12 đơn vị pH.
• Thứ ba, cảm biến nhiệt độ DS18B20 và tế bào dẫn điện hai cực hoạt động với độ ổn định cao. Cảm biến nhiệt độ đạt sai số dưới 0.5 độ C trong toàn bộ dải khảo sát từ 0 đến 100 độ C. Khối đo TDS kích thích bằng nguồn xoay chiều sin 10 kHz (biên độ 2 Vp-p từ IC ICL8038) loại bỏ triệt để hiện tượng phân cực điện cực, mang lại sai số đo dưới 3.8% trên dải 0 - 2000 ppm.
• Thứ tư, kết quả phân tích mẫu nước thực tế tại sông Tô Lịch ghi nhận độ đục cao lên tới 86.4 NTU (vượt gấp 17 lần quy chuẩn sinh hoạt), pH ở mức 7.42 và TDS đạt 485 ppm; trong khi mẫu nước hồ Linh Đàm có độ đục 18.2 NTU và TDS là 210 ppm. Module Sim800C gửi tin nhắn SMS cảnh báo đến điện thoại di động chỉ sau 3.2 giây kể từ khi phát hiện thông số vượt ngưỡng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng suy giảm độ tuyến tính ở dải độ đục cao (trên 100 NTU) được giải thích là do hiệu ứng đa tán xạ và sự kết tụ của các hạt polymer Formazin làm cản trở chùm tia tán xạ 90 độ truyền tới bộ thu quang học. Cơ chế này có thể được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị hồi quy đa phân đoạn thể hiện mối tương quan giữa tần số đầu ra và nồng độ hạt, giúp thuật toán nhúng phân tách dải đo để tự động bù sai số phi tuyến.

So sánh với các nghiên cứu quan trắc sử dụng nguồn điện một chiều DC thường gặp lỗi ăn mòn điện cực và trôi điểm không, việc ứng dụng nguồn xoay chiều AC tần số 10 kHz từ máy phát sóng sin ICL8038 là giải pháp đột phá giúp duy trì độ bền và độ chính xác của tế bào dẫn điện. Sự tích hợp đồng bộ giữa vi điều khiển ATmega16, module Sim800C và nền tảng IoT ThingSpeak khẳng định tính khả thi của việc nội địa hóa các trạm quan trắc tự động với độ tin cậy cao và chi phí vận hành tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, 4 giải pháp trọng tâm được đề xuất nhằm hoàn thiện và ứng dụng hệ thống vào thực tiễn:

• Chuẩn hóa đóng gói công nghiệp chuẩn IP68: Thiết kế vỏ bọc bảo vệ đầu dò bằng vật liệu composite chịu hóa chất, tích hợp cơ cấu gạt cơ học hoặc sóng siêu âm tự động làm sạch bề mặt cảm biến quang và điện cực thủy tinh định kỳ 12 giờ một lần, hoàn thành trước quý 4 năm 2027 do nhóm nghiên cứu phần cứng phụ trách.
• Tối ưu hóa nguồn năng lượng và nâng cấp truyền thông: Tích hợp tấm pin mặt trời công suất 20W đi kèm pin dự phòng LiFePO4 dung lượng 10.000 mAh nhằm duy trì khả năng hoạt động liên tục 24/7 ngoài hiện trường; đồng thời nâng cấp module viễn thông sang chuẩn 4G LTE-M nhằm đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu và giảm 40% công suất tiêu thụ, thực hiện trong 6 tháng tới do nhóm kỹ sư viễn thông đảm nhiệm.
• Phát triển phần mềm quản lý và thuật toán AI dự báo: Xây dựng nền tảng đám mây chuyên dụng, nhúng mô hình máy học phân tích chuỗi thời gian nhằm dự báo nguy cơ ô nhiễm nguồn nước trước 24 giờ với độ chính xác mục tiêu trên 90%, do các chuyên viên phần mềm môi trường triển khai trước năm 2028.
• Mở rộng mạng lưới thử nghiệm tại các lưu vực trọng điểm: Lắp đặt thử nghiệm tại 15 trạm quan trắc ven sông Tô Lịch, kênh thoát nước thải khu công nghiệp và các hồ nuôi trồng thủy sản tại Hà Nội, duy trì tỷ lệ hoạt động ổn định trên 99.5%, do Sở Tài nguyên và Môi trường phối hợp cùng các viện nghiên cứu chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị tham khảo chuyên sâu và thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư thiết kế hệ thống nhúng và thiết bị IoT: Tiếp cận tài liệu chi tiết về sơ đồ mạch khuếch đại trở kháng cao TL082 cho cảm biến pH, phương pháp tạo nguồn xoay chiều chống phân cực đo độ dẫn điện và kỹ thuật lập trình vi điều khiển AVR giao tiếp module GSM Sim800C.
• Nhà nghiên cứu và học viên ngành Khoa học Môi trường: Tham khảo quy trình chuẩn hóa dung dịch đo Formazin, phương pháp đánh giá sai số cảm biến quan trắc và kỹ thuật đối soát chất lượng nước mặt theo quy chuẩn quốc gia QCVN 02:2009/BYT.
• Doanh nghiệp sản xuất thiết bị nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản: Ứng dụng giải pháp thiết kế module chi phí thấp để thương mại hóa các hệ thống giám sát tự động chất lượng nước ao nuôi tôm, cá công nghiệp, giúp nâng cao năng suất và phòng ngừa rủi ro dịch bệnh.
• Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường: Sử dụng giải pháp công nghệ làm cơ sở triển khai các trạm cảnh báo sớm ô nhiễm nguồn nước phân tán tại lưu vực sông đô thị và các khu công nghiệp với chi phí đầu tư tiết kiệm hơn 65%.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao hệ thống sử dụng nguồn xoay chiều AC thay vì DC để đo độ dẫn điện TDS?

Nguồn điện một chiều DC khi đặt vào hai điện cực nhúng trong dung dịch sẽ gây ra hiện tượng điện phân và phân cực điện cực, tạo ra lớp bọt khí bám vào bề mặt làm sai lệch giá trị điện trở. Việc sử dụng nguồn xoay chiều AC tần số 10 kHz từ IC ICL8038 giúp triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng phân cực, đảm bảo độ chính xác ổn định và kéo dài tuổi thọ điện cực.

Cơ chế nào giúp cảm biến đo độ đục hạn chế tối đa ảnh hưởng của ánh sáng môi trường?

Hệ thống sử dụng nguồn phát LED hồng ngoại bước sóng 860 nm nằm ngoài dải ánh sáng nhìn thấy, kết hợp bố trí cảm biến thu TCS3200 ở góc tán xạ vuông góc 90 độ trong buồng đo kín quang học. Cấu hình này triệt tiêu ánh sáng lạc từ môi trường ngoài và giảm thiểu ảnh hưởng của màu sắc dung dịch đến kết quả đo.

Module Sim800C thực hiện chức năng cảnh báo khẩn cấp như thế nào khi thông số vượt chuẩn?

Khi vi điều khiển ATmega16 phát hiện bất kỳ thông số nào vượt ngưỡng cài đặt (như độ đục vượt quá 5 NTU theo tiêu chuẩn nước sinh hoạt), lệnh điều khiển sẽ lập tức được truyền qua giao tiếp nối tiếp tới module Sim800C để phát tin nhắn SMS cảnh báo chứa đầy đủ dữ liệu đo đạc đến số điện thoại quản trị viên trong vòng 3.2 giây.

Tại sao cần mạch khuếch đại thuật toán TL082 phối hợp trở kháng cho điện cực pH?

Điện cực màng thủy tinh đo pH có nội trở rất cao, thường vượt quá 100 Megaohm. Nếu kết nối trực tiếp vào bộ chuyển đổi ADC của vi điều khiển sẽ gây sụt áp nghiêm trọng và phát sinh sai số lớn. Mạch đệm sử dụng op-amp TL082 với trở kháng vào cực lớn giúp phối hợp trở kháng hoàn hảo, bảo toàn chính xác điện thế sinh ra từ điện cực.

Hệ thống này có thể ứng dụng trong điều kiện thực địa ngoài trời dài ngày không?

Hệ thống hoàn toàn đáp ứng tốt việc vận hành thực địa khi được đóng gói trong hộp bảo vệ chống nước chuẩn công nghiệp và kết nối với nguồn điện mặt trời dự phòng. Các cảm biến DS18B20 và đầu đo điện cực kim loại có độ bền cơ học cao, chỉ cần vệ sinh định kỳ đầu đo pH sau mỗi 3 đến 6 tháng vận hành liên tục.

Kết luận

• Chế tạo thành công hệ thống quan trắc tích hợp đo đạc đồng thời 4 chỉ số: độ đục (0 - 1000 NTU), pH (0 - 14), nhiệt độ (0 - 100 độ C) và tổng chất rắn hòa tan TDS (0 - 2000 ppm).
• Làm chủ công nghệ thiết kế phần cứng nhúng dựa trên vi điều khiển ATmega16 kết hợp truyền thông không dây Sim800C đồng bộ dữ liệu thời gian thực lên IoT ThingSpeak và gửi tin nhắn cảnh báo tức thời.
• Đạt độ chính xác thực nghiệm cao với hệ số tương quan tuyến tính R bình phương đạt 0.9997 cho khối đo pH và sai số nhiệt độ được kiểm soát chặt chẽ dưới 0.5 độ C.
• Kiểm chứng thực tế thành công trên mẫu nước sông Tô Lịch và hồ Linh Đàm, phản ánh chính xác mức độ ô nhiễm của nguồn nước mặt đô thị theo quy chuẩn quốc gia.
• Lộ trình phát triển tiếp theo tập trung vào việc tích hợp mạng truyền thông băng hẹp NB-IoT và module năng lượng mặt trời trong 12 tháng tới nhằm thương mại hóa sản phẩm diện rộng.

Hệ thống mở ra hướng tiếp cận kinh tế và hiệu quả cho các giải pháp bảo vệ môi trường nước thông minh. Hãy liên hệ với nhóm nghiên cứu để cùng hợp tác thử nghiệm và chuyển giao công nghệ ứng dụng vào thực tiễn quan trắc nguồn nước tại địa phương của bạn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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.