THIẾT BỊ ĐO TỔNG CHẤT RẮN LƠ LỬNG (TSS) TRONG NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP

THIẾT BỊ ĐO TỔNG CHẤT RẮN LƠ LỬNG (TSS) TRONG NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP

Ngày nay, ô nhiễm môi trường đã và đang là vấn đề toàn cầu, giảm thiểu chất thải gây ô nhiễm là yêu cầu hết sức cấp bách đối với các chính phủ trên thế giới. Ở nước ta, cùng với quá trình sản xuất, phát triển kinh tế xã hội, mức độ ô nhiễm không khí, nước, đất…ngày càng trở nên nghiêm trọng. Một trong những biện pháp để quản lý, giám sát các chất thải gây ô nhiễm  môi trường nói chung và môi trường nước thải nói riêng là quy định lắp đặt các hệ thống quan trắc môi trường nước thải tự động, liên tục tại các khu công nghiệp (KCN) theo Thông tư 10/2021/TT-BTNMT ngày 30/6/2021 của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường về quy định kỹ thuật quan trắc môi trường và quản lý thông tin, dữ liệu quan trắc chất lượng môi trường (gọi tắt là Thông tư 10/2021). Theo Thông thư 10/2021, một hệ thống quan trắc nước thải tự động, liên tục các thông số tối thiểu bắt buộc phải đo gồm: lưu lượng, nhiệt độ, độ màu, pH, TSS, COD, NH₄⁺, TP, TN, TOC, Clo dư.

Theo thống kê, đến hết năm 2018, nước ta có 326 khu công nghiệp (KCN) đã được thành lập. Trong số 251 KCN đã đi vào hoạt động có 221 KCN đã có hệ thống xử lý nước thải tập trung hoàn chỉnh và đi vào vận hành, với công suất đạt hơn 950 nghìn m³/ngày đêm. Theo quy hoạch đến năm 2030, sẽ có thêm khoảng 550 KCN mới được xây dựng trên cả nước. Do đó, thị trường thiết bị quan trắc tự động sử dụng trong các doanh nghiệp, KCN sẽ có mức độ tăng trưởng tốt trong thời gian tới.

Các thiết bị quan trắc tự động, liên tục trong môi trường tại các KCN  ở nước ta hiện nay được nhập khẩu từ các nước Châu Âu, Nhật, Mỹ, Trung Quốc… qua các công ty thương mại. Các hệ thống của các nước G7 có độ tin cậy cao, chính xác, bền bỉ nhưng giá thành, yêu cầu điều kiện vận hành và chi phí vận hành cao. Các thiết bị của Trung Quốc có giá thảnh rẻ nhưng kém bền bỉ, độ chính xác thấp…. Ngoài ra, một số tiểu chuẩn chất lượng nước của các nước chưa phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam được công bố trong các văn bản pháp lý, như: khác đơn vị đo,… Do đó việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị đo tổng chất rắn lơ lửng (TSS) trong nước thải là bước đầu nghiên cứu chế tạo các sản phẩm nội địa đáp ứng nhu cầu của các doanh nghiệp, cơ quan quản lý.

Cơ sở để đo TSS trong nước thải bằng phương pháp quang phổ

Cơ sở phương pháp trắc quang: Cơ sở của các phép đo nồng độ các chất bằng quang phổ (phương pháp trắc quang) dựa vào hiệu ứng hấp thụ xảy ra khi phân tử vật chất tương tác với bức xạ điện từ. Vùng bức xạ được sử dụng trong phương pháp này là vùng tử ngoại gần hay khả kiến ứng với bước sóng khoảng từ 200÷800nm. Hiện tượng hấp thụ bức xạ điện từ tuân theo định luật Bouger – Lam bert – Beer.

Hiện tượng hấp thụ ánh sáng tuân theo định luật Bouger–Lam bert–Beer (hình 1):

                                                        A = ɛ x l x C

trong đó: A là độ hấp thụ quang của dung dịch [không thứ nguyên] tại bước sóng λ; l là độ dày truyền quang [cm]; C là nồng độ mẫu [mol/L]; ε là hằng số tỉ lệ - là độ hấp thụ quang riêng [L/mol*cm]. Hằng số này được đo bằng thực nghiệm và là khác nhau cho mỗi chất khác nhau.

Hình 1. Định luật Bouger–Lam bert–Beer

        Người ta có thể xác định nhiều hợp chất trong phạm vi nồng độ khá rộng nhờ các cải tiến quan trọng trong thủ tục phân tích. Đây là phương pháp phân tích được phát triển mạnh vì nó đơn giản, đáng tin cậy. Trong lĩnh vực môi trường, phương pháp trắc quang đã được sử dụng phổ biến trong các thiết bị đo chỉ tiêu chất lượng nước:  nước mặt, nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt....; đo các chỉ tiêu chất lượng không khí: CO, CO₂, NO_x…với các ưu điểm: đo nhanh, liên tục, tin cậy…các thiết bị ứng dụng phương pháp trắc quang chiếm tỉ lệ lớn trong các hệ thống quan trắc môi trường tự động hiện nay.

Thiết kế mô – đun đo TSS trong môi trường nước thải

Hình 2. Sơ đồ khối mô – đun đo TSS

        Nguồn quang laser bán dẫn: là một laser bán dẫn công suất nhỏ (vài mW)  bước sóng 860 nm, có chức năng làm nguồn phát quang cho phép đo quang.

        Bộ chia quang: chia chùm tia từ nguồn quang thành 2 chùm vuông góc có tỉ lệ  cường độ 50/50. Chùm tia đi thẳng qua buồng đựng mẫu để mẫu hấp thụ hoặc tán xạ một phần. chùm vuông góc được dùng làm giá trị tham chiếu trong phép đo. Từ đó, tính toán được giá trị hấp thụ hoặc tán xạ của mẫu.

        Buồng đựng mẫu: chứa lượng mẫu cần đo.

          Khuếch đại quang, đo lường: là một mạch đo lường, khuếch đại tín hiệu đo được từ cảm biến quang. Giá trị đo được qua mạch khuếch đại đưa tới MCU để xử lý tính toán

HMI: khối hiển thị, giao tiếp người – thiết bị đo. Là một màn hình cảm ứng có chức năng hiển thị giá trị nồng độ TSS trong nước (mg/L), có các phím chức năng để thực hiện cài đặt, hiệu chỉnh các thông số nhằm mục đích phép đo được thực hiện chính xác,tin cậy.

MCU: là một vi điều khiển có chức năng xử lý, tính toán giá trị đo được, quy đổi thành nồng độ TSS theo đơn vị mg/L. Gửi dữ liệu lên màn hình hiển thị HMI, truyền dữ liệu qua cổng truyền thông: RS 485, RS 232…

Hình 3. Một số hình ảnh mô – đun đo TSS trong nước thải công nghiệp

        Sản phẩm trong hình 3 đã được nhóm nghiên cứu của Trung tâm Công nghệ Laser nghiên cứu, thực hiện và cũng là sản phẩm của một nhiệm vụ khoa học và công nghệ cấp cơ sở năm 2021 đã được Hội đồng đánh giá và nghiệm thu. Qua quá trình nghiên cứu tìm hiểu các tài liệu thu thập được và khảo sát các thiết bị đo đạc hiện có trên thị trường, nhóm nghiên cứu đã làm rõ được cơ sở lý thuyết của các thiết bị đo các chỉ tiêu chất lượng nước trong nước thải công nghiệp sử dụng công nghệ đo quang phổ. Từ đó, đưa ra mô hình thiết kế mô - đun đo tổng chất rắn lơ lửng (TSS) trong nước thải ứng dụng công nghệ quang – laser. Mô - đun đo TSS trong nước thải là cơ sở bước đầu để thiết kế chế tạo các thiết bị đo đạc khác có nguyên lý tương tự phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau, như: đo độ màu, tổng Ni - tơ, tổng Phốt - pho trong môi trường nước, khí CO₂, NO₂, …trong môi trường không khí.