THỰC TRẠNG QUAN TRẮC tự ĐỘNG HIỆN NAY

MỞ ĐẦU
Giống như hầu hết các quốc gia thu nhập trung bình thấp khác, Việt Nam đã sử
dụng những lợi thế tự nhiên về nguồn đất nông nghiệp, tài nguyên nước, rừng,
biển và trữ lượng khoáng sản dồi dào làm nền tảng thúc đẩy tăng trưởng nhanh
và mạnh trong giai đoạn đầu của sự phát triển.
Tuy nhiên, mơ hình phát triển kinh tế phần lớn dựa vào nguồn tài nguyên thiên
nhiên đang cho thấy sự thiếu bền vững theo thời gian [1]. Nhất là khi quá trình
tăng trưởng và cơng nghiệp hóa nhanh của Việt Nam đã và đang để lại nhiều tác
động tiêu cực đến môi trường và tài nguyên thiên nhiên. Nguồn tài nguyên tự
nhiên của Việt Nam rơi vào tình trạng suy giảm liên tục trong khoảng 2 thập kỷ
qua, kéo theo đó là các vấn đề về mơi trường như: Ơ nhiễm khơng khí, ơ nhiễm
mơi trường, mất an ninh nguồn nước, cạn kiệt tài nguyên…
Trong 10 năm tới, Theo dự thảo Báo cáo Quy hoạch sử dụng đất Q́c gia thời
kỳ 2021-2030, tầm nhìn đến 2050 dự kiến tăng thêm 115.000ha đất dành cho
khu công nghiệp, với khoảng 558 khu công nghiệp trên cả nước, gấp gần 1,5 lần
so với số lượng hiện nay. Một thực trạng đáng báo động là nguồn tiếp nhận xả
thải, đặc biệt các hệ thống sông, hồ …quanh các khu công nghiệp, thành phố lớn
ở nước ta đang ngày càng bị ơ nhiễm trầm trọng.
Năm 2019, Chính phủ phê duyệt danh sách 17 mục tiêu quốc gia phát triển
bền vững đến 2030 [2], trong đó : “ Đảm bảo đầy đủ và thực hiện quản lý bền
vững tài nguyên nước” là một trong những ưu tiên hàng đầu.
Cơ quan quản lý đã đưa ra những chính sách mạnh mẽ về giám sát và quản lý
nguồn nước: QCVN 40 :2011/BTNMT, thông tư 10/2021 /TT-BTNMT, nghị
định 08/2022/NĐ-CP…yêu cầu các nhà máy xử lý nước thải, doanh nghiệp có
lưu lượng xả thải lớn bắt buộc phải lắp đặt các hệ thống giám sát nước thải liên
tục, và tự động gửi dữ liệu thời gian thực lên cơ quản quản lý môi trường.
Tuy nhiên, các cơng ty vừa và nhỏ có nguồn lực tài chính hạn hẹp gặp nhiều
khó khăn về các biện pháp xử lý nước thải để đáp ứng được các yêu cầu về bảo


vệ mơi trường ngày càng nghiêm ngặt, do chi phí đầu tư cao và chi phí vận hành

ngày càng tăng.
Các nghiên cứu cho thấy rằng có thể đạt được những cải thiện đáng kể về hiệu
suất xử lý nước thải bằng cách tới ưu hóa cơng nghệ quy trình hiện có.
Theo nghiên cứu được cơng bớ ( Marina Sabelfeld và nnk, 2022), dựa trên các
dữ liệu các thông số môi trường: nhiệt độ, pH, TSS, COD, ORP, DO… thu thập
được làm thơng sớ đầu vào để mơ hình, tới ưu hóa trên phần mềm mơ phỏng
SIMBA# ( (IFAK Institute for Automation and Communication registered
association, Germany), sau khi thử nghiệm đã thu được những kết quả khả quan:
Với trường hợp nghiên cứu điển hình tại một nhà máy xử lý nước thải tập
trung, lượng điện năng tiêu thụ giảm đến 68% đồng thời tăng tỷ lệ phân hủy nitơ
(72%) và phốt pho (17%) [3].
Theo số liệu thống kê của Hiệp hội doanh nghiệp nhỏ và vừa Việt Nam, cả
nước có khoảng 800.000 doanh nghiệp trong đó doanh nghiệp nhỏ và vừa chiếm
đến 98 %. Do vậy, nghiên cứu ứng dụng hệ thớng giám sát chất lượng nước
nhằm tới ưu hóa quy trình xử lý nước thải là hết sức cần thiết giúp tiết kiệm
năng lượng, chi phí vận hành cho các doanh nghiệp.

CHƯƠNG I


THỰC TRẠNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT NƯỚC THẢI TỰ ĐỘNG LIÊN
TỤC HIỆN NAY
I.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT TỰ ĐỘNG TRONG
NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI
Từ những năm 1970, tự động hóa các hệ thớng xử lý nước thải đã được quan tâm
nghiên cứu. Năm 1971, thành phố Metropolitan Seattle ( Mỹ ) lần đầu tiên đưa vào
vận hệ thống giám sát và điều khiển CATAD, với các chức năng:
- Điều tiết lưu lượng hàng ngày đến các nhà máy xử lý nhằm ổn định đầu vào
cho các quá trình xử lý trong các điều kiện thời tiết theo mùa.
- Giám sát và điều khiển các thành phần cơ khí trong nhà máy từ xa.

- Lưu trữ dữ liệu về lưu lượng theo mùa, làm cơ sở tính toán chi phí và các rủi
ro tiềm ẩn với hệ thống sau này.
- Dựa trên cơ sở giám sát lưu lượng và điểu khiển hệ thống để lựa chọn điểm
tràn ít gây thiệt hại nhất khi có sự cớ ( mưa bão, lưu lượng tăng đột biến
… ).
Trung tâm của hệ thớng là một máy tính điều khiển thời gian thực và các thiết bị
cho phép có thể lập trình được. Thiết bị giao tiếp kết nới được thiết kế đặc biệt
cho phép máy tính giao tiếp với các thiết bị cơ khí chấp hành. Tại bảng điều khiển
trung tâm, thông tin được thu thập từ các trạm ở xa sau đó chuyển sang các thiết
bị hiển thị trực quan. Các trạm này được lắp đặt dọc theo con sông của thành phố,
đo đạc các thông số như: pH, nhiệt độ, độ dẫn điện, ơ xy hịa tan và bức xạ mặt
trời. Dữ liệu của các trạm quan trắc lưu trữ trên các băng từ được sử dụng cho
các mục đích thớng kê sau này.
Hệ thớng giám sát - điều khiển CATAD [4] được mơ tả trong hình 1 dưới đây:


Hình 1.Sơ đồ hệ thống giám sát điều khiển CATAD, Seattle Metro System.
Trong hệ thống CATAD, các thành phần giám sát chất lượng nước (water quality
monitors) có chức năng theo dõi chất lượng nước gửi dữ liệu về trung tâm điều
khiển. trên cơ sở dữ liệu thu thập được, phần mềm điều khiển hiển thị các thông số,
đưa ra các cảnh báo khi có sự cớ,…
Trong đó, điều khiển tự động được ứng dụng ở một số khâu trong quá trình xử lý
bùn hoạt tính ở mức độ tự động hóa thấp, điều khiển hệ thớng theo các điểm cài đặt
giá trị. Như trong hình dưới đây (Hình 2.) , quạt thổi khí cung cấp khí cho bể oxy
hóa ( Oxidation Tank ), cảm biến DO đo nồng độ ô xy hịa tan trong bể, tín hiệu


phản hồi qua tác khâu (AE), (AIT), (AIC) về bộ điều khiển, bộ điều khiển so sánh
với điểm cài đặt SP, nếu giá trị nằm ngoài khoảng cài đặt, điều khiển van đóng mở để đảm báo nồng độ DO trong bể.

Hình 2. Q trình điều khiển sục khí cho bể oxy hóa trong hệ thống CATAD
Các thành phần điều khiển quá trình tại các quá trình xử lý khác cũng tương tự như
vậy , hình dưới (Hình 3) mơ tả sơ đồ điều khiển tỉ lệ F/M ở bể lắng .

Hình 3. Hệ thống điều khiển tỉ lệ F/M tại bể lắng.


Tại Việt Nam, các hệ thống xử lý nước thải ứng dụng các cơng nghệ tự động hóa
ở mức thấp. Các nhà máy sử dụng được vận hành phụ thuộc phần lớn vào các nhân
viện kĩ thuật vận hành. Bảng dưới đây( Bảng 1) thống kê chức năng, chế độ điều
khiển của các thiết bị trong nhà máy xử lý nước thải của công ty Blue Star Việt
Nam, công suất 1000 m3/ ngày, cho thấy các thiết bị trong hệ thống vận hành hoàn
toàn trên nguyên tắc điều khiển ON/OFF, tự động điều khiển các thiết bị đơn lẻ.

Bảng 1. Chế độ vận hành của các thiết bị trong hệ thống xử lý nước thải tại Việt Nam .


Trước năm 2017, hệ thống giám sát chỉ tiêu chất lượng nước đầu ra của nhà máy
xử lý nước thải không yêu cầu bắt buộc khi làm thủ tục cấp phép xả thải, hệ thống
giám sát nước thải chi theo dõi vài thông số cơ bản: pH, nhiệt độ, DO... trong quá
trình xử lý nước thải.
Tuy nhiên, thơng tư 24/2017/TT- BTNMTđược ban hành đã bắt buộc các doanh
nghiệp có hệ thống xử lý nước thải tập trung, lưu lượng xả thải lớn…bắt buộc phải
có hệ thớng giám sát nước thải đầu ra tự động, liên tục. Hiện nay, thông tư
10/2021/TT- BTNMT có hiệu lực thay thế cho các thơng tư trước đó.
Hệ thớng giám sát nước thải tự động, liên tục được lắp đặt để quan trắc các
thông số trong nước thải theo các quy định hiện hành về bảo vệ môi trường và
phải đáp ứng được tối thiểu các yêu cầu như sau:
a) Thiết bị quan trắc tự động, liên tục: gồm một hoặc nhiều thiết bị có khả
năng đo, phân tích và đưa ra kết quả quan trắc của các thông số trong nước thải

một cách tự động, liên tục. Căn cứ vào thông số quan trắc và nguyên lý đo, phân
tích của thiết bị quan trắc để xác định phương án lắp đặt thiết bị quan trắc phù
hợp: phương án 1, các thiết bị quan trắc (đầu đo pH, nhiệt độ, TDS/EC...) được
đặt trực tiếp trong bể nước thải sau hệ thống xử lý, hoặc phương án 2, nước thải
sau khi xử lý được bơm lên nhà trạm vào thùng chứa mẫu và hệ thiết bị phân
tích tự động (nếu có). Các đầu đo: pH, nhiệt độ, TDS/EC... được nhúng trực tiếp
vào thùng chứa mẫu bên trong nhà trạm.
b) Thiết bị thu thập, lưu giữ, truyền dữ liệu: để thu thập, lưu giữ và truyền
dữ liệu quan trắc tự động, liên tục của Hệ thống về cơ quan nhà nước về môi
trường .
c) Dung dịch chuẩn: để kiểm tra và hiệu chuẩn thiết bị quan trắc của Hệ thống;
d) Thiết bị lấy mẫu tự động: để lấy và lưu mẫu nước khi một trong những
thông số được giám sát vượt ngưỡng quy chuẩn cho phép hoặc theo yêu cầu của
cơ quan nhà nước có thẩm quyền.
đ) Camera: để cung cấp hình ảnh trực tuyến tại vị trí đặt các thiết bị quan
trắc và vị trí cửa xả của hệ thống xử lý nước thải, trước khi đổ ra nguồn tiếp nhận;
e) Cơ sở hạ tầng, gồm:


- Nhà trạm: để chứa các thiết bị quan trắc của Hệ thớng. Vị trí nhà trạm phải
đáp ứng tới thiểu các yêu cầu sau: Ít bị rung, lắc; Ít bị tác động do bụi và các
khí gây ăn mịn;
- Có nguồn điện ổn định. Nguồn điện và các thiết bị lưu điện phải bảo đảm duy
trì hoạt động liên tục, ổn định của Hệ thống bảo đảm Hệ thống hoạt động tối
thiểu 30 phút từ khi mất điện.
Hệ thống quan trắc tự động bắt buộc này hoạt động độc lập với hệ thớng điều
khiển quá trình xử lý của nhà máy xử lý nước thải, được sử dụng chủ yếu là giám
sát, do đó có nhiều tiềm năng ứng dụng trong điều khiển .

Hình 4. Sơ đồ hệ thống quan trắc tự động theo thơng tư 10/2021/TT-BTNMT

Có thể thấy, ứng dụng tự động hóa trong vận hành xử lý nước thải có hai chức
năng chính: thu nhận thơng tin và điều khiển quá trình. Đới với chức năng thứ
nhất, mức độ ứng dụng trong các nhà máy xử lý t tương đới cao. Nhiều, thường là
hàng nghìn biến, ngày nay được thu thập theo thời gian thực trong hệ thống


SCADA của các nhà máy xử lý và các phân tích dữ liệu ít nhiều phức tạp là thành
phần tiêu chuẩn của hoạt động xử lý và giám sát chất lượng.
Tuy nhiên, chức năng thứ hai, điều khiển quá trình, ít được phát triển hơn và
thường bị giới hạn trong một vài vòng điều khiển đơn giản như: điều khiển
ON/OFF, điều khiển đơn lẻ, vận hành thủ cơng….
Có một sớ dấu hiệu cho thấy tình hình đang thay đổi và ngành điều trị đang trải
qua quá trình chuyển đổi hướng tới mức độ tự động hóa cao hơn cho cả việc thu
nhận thơng tin và kiểm soát quá trình.
Cơng nghệ thơng tin hiện nay là một cơng nghệ có sức lan tỏa mạnh mẽ. Hầu hết
các nhà máy xử lý đều được lắp đặt một sớ máy tính, nhưng chúng chưa được sử
dụng hết trong hoạt động của nhà máy ngoài hệ thống SCADA và PLC.
Ngay cả những khả năng tiên tiến hơn của các hệ thống này thường không được
sử dụng đầy đủ.
Việc phát triển các cảm biến mới, có giá thành ngày càng rẻ, độ ổn định cao hơn,
đo đạc nhiều thông số đa dạng hơn, sẽ cung cấp thêm nhiều loại dữ liệu về các
thành phần trong nước thải . Trong khi các hệ thống SCADA và PLC thường thu
thập một lượng lớn dữ liệu, khả năng của máy tính để trích x́t các mẫu (thơng
tin hữu ích) thường không được sử dụng phổ biến trong quá khứ.
Tóm lại , xu hướng xử lý nước thải hiện nay hướng tới các quy trình đa dạng và
phức tạp hơn, do tính chất nước thải ngày càng phức tạp nhưng chi phí cho xử lý
lại bị hạn chế. Điều này dẫn đến yêu cầu một hệ thống xử lý nước thải phải được
tới ưu hóa trên cơ sở các hệ thớng, thiết bị sẵn có. Vì vậy, việc nghiên cứu tới ưu
hóa quá trình xứ lý, với việc áp dụng các cảm biến vào sâu hơn trong các khâu

của quá trình xử lý nhằm giảm chi phí vận hành, xử lý nước thải cho các doanh
nghiệp là rất cần thiết.
I.2 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG GIÁM SÁT TỰ
ĐỘNG


Ngày nay, các hệ thống giám sát đã trở lên phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác
nhau, từ các ứng dụng trong sản xuất, chế biến, chế tạo,…đến các hệ thớng giao
thơng thơng minh. Quá trình phát triển và hoàn thiện của hệ thống giám sát môi
trường gắn liền với sự phát triển lĩnh vực cảm biến môi trường.
Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, công nghiệp điện tử, vật liệu…
các cảm biến mơi trường trong đó có cảm biến sử dụng trong nước thải ngày
càng đa dạng, có độ chính xác, tin cậy cao với chi phí hợp lý được tích hợp càng
nhiều vào các hệ thớng giám sát tự động.
Ngày càng có nhiều mơ hình giám sát phức tạp, nhiều thông số, theo thời gian
thực...Tuy nhiên, chúng đều có các thành phần cơ bản như sau:

Hình 5. Mơ tả hệ thống giám sát tự động
- Các cảm biến có chức năng đo đạc giá trị các thông số đặc trưng của nước thải
cần quan tâm như: nhiệt độ, lưu lượng, pH, DO, COD, NH3,…
- Khối chuyển đổi tín hiệu: tín hiệu từ các cảm biến ở dạng analog hoặc digital
cần chuyển đổi thành các tín hiệu tiêu chuẩn phù hợp với bộ thu thập, xử lý dữ
liệu.
- Khối thu thập, lưu trữ, xử lý dữ liệu: có nhiệm vụ lưu trữ, xử lý các dữ liệu từ
cảm biến gửi về.
- Khối truyền thông: trong mạng lưới giám sát lớn, khới truyền thơng có nhiệm
vụ truyền - nhận thông tin từ hệ thống giám sát nhỏ, nội bộ tới các hệ thống
lớn hơn như: các trung tâm quan trắc, mạng internet,…

I.2.1 CÁC CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG
Trong các lĩnh vực tự động hóa nói chung và hệ thớng tự động điều khiển
trong các nhà máy xử lý nước thải nói riêng, cảm biến là thành phần hết sức
quan trọng.
Các hệ thống hoạt động chính xác, ổn định hay khơng phụ thuộc vào độ nhạy,
độ tin cậy của các thành phần cảm biến.
Nước thải là một môi trường rất đa dạng và phức tạp, bao gồm hàng nghìn sản
phẩm phế thải từ nhà ở và các ngành công nghiệp. Cảm biến phải có khả năng
liên kết và đo đạc đáng tin cậy về thơng sớ mà nó được thiết kế để đo lường. Các
cảm biến được thiết kế cho các ngành khác có thể gặp khó khăn khi hoạt động
trong mơi trường khắc nghiệt, luôn thay đổi này.
Tất cả các cảm biến đều bao gồm 2 thành phần: đầu cảm biến và khới khuếch
đại tín hiệu. Đầu cảm biến được thiết kế, chế tạo dựa trên các nguyên lý hóa - lý
theo dõi biến được đo và tạo ra một tín hiệu cực nhỏ gửi đến khới khuếch đại tín
hiệu.
Cảm biến có thể được chia thành hai loại: trực tiếp và gián tiếp. Cảm biến trực
tiếp thường có đầu cảm biến có thể nhúng trực tiếp vào nước thải trong quá trình
xử lý. Chúng thường dễ lắp đặt và khởi động hơn, nhưng phải được làm bằng
vật liệu có thể chớng lại tác động có hại của mơi trường nước thải. Ngoài ra, đầu
cảm biến phải có khả năng phát hiện sự thay đổi chất cần đo mà không bị nhiễu
bởi các đặc tính dịng quá trình khác.
Các cảm biến gián tiếp thường được lắp đặt trong buồng lấy mẫu riêng và
không thực sự đo trực tiếp trong quá trình xử lý. Hệ thống lấy mẫu đo phải đảm
bảo sự đồng nhất về tính chất của nước thải như trong quá trình xử lý. Thông
thường, mẫu nước thải sẽ được lại tại một số điểm quan trắc qua hệ bơm ống
dẫn về tank chứa mẫu để thực hiện các phép đo.
Trong thực tế, nước thải rất đa dạng về thành phần. Một sớ thành phần có trong
nước thải có thể gây cản trở quá trình đo đạc của các cảm biến.

- sản phẩm nhựa: Nước thải có thể chứa túi đựng nilong, đồ chơi và các sản
phẩm nhựa khác. Các tiện ích xử lý nước thải thường sử dụng các tấm chắn để
loại bỏ các mảnh vụn này trước bất kỳ quy trình xử lý sinh học nào, nhưng vẫn
có những mảnh nhựa kích thước nhỏ lọt qua các khâu xử lý . Nhựa có vấn đề đới
với cảm biến trực tiếp theo hai cách. Các mảnh vụn nhựa nặng, chẳng hạn như
đồ chơi, có thể va vào cảm biến và làm hỏng đầu cảm biến của nó. Các vật dụng
bằng nhựa dẻo, chẳng hạn như túi bánh mì có thể quấn quanh cảm biến.
- Chất thải dạng sợi: Tóc và các sợi dài khác có thể quấn quanh đầu cảm biến của
cảm biến trực tiếp và gây ra hai vấn đề. Nó có thể tích tụ vật chất sinh học, thay
đổi điều kiện xung quanh đầu cảm biến. Nó cũng có thể che chắn cảm biến khỏi
dịng nước thải, làm giảm khả năng đo biến dự kiến. Một số cảm biến được thiết
kế để chớng lại sự tích tụ xơ và những cảm biến khác có thiết bị tự làm sạch,
chẳng hạn như cần gạt nước (mặc dù cạnh sắc của cần gạt nước có thể bắt và
gom xơ). Tuy nhiên, ngay cả những cảm biến được thiết kế tốt cũng sẽ cần được
làm sạch hàng tuần.
- Chất rắn: Nước thải chứa cả các mảnh vụn dạng keo và chất rắn lơ lửng, có thể
là vấn đề đới với các cảm biến. Ví dụ, trong các quy trình bùn hoạt tính, vi
kh̉n lơ lửng có thể tự bám vào đầu thiết bị của cảm biến trực tiếp và bắt đầu
phát triển các khuẩn lạc. Sự tích tụ chất rắn xung quanh đầu thiết bị có thể thay
đổi sớ đọc của thiết bị hoặc nó có thể che chắn cảm biến khỏi dịng chảy của quá
trình xử lý, làm giảm khả năng đo biến dự kiến của nó. Vì vậy, các cảm biến
phải có khả năng chứa hoặc chớng lại sự bám bẩn liên quan đến chất rắn. Tuy
nhiên, ngay cả những cảm biến được thiết kế tốt cũng sẽ cần được vệ sinh hàng
tuần.
- Dầu mỡ. Mỡ dạng keo có vấn đề vì ở nhiệt độ nước thải bình thường, các quả
bóng mỡ cực nhỏ trở nên dính và có xu hướng tích tụ trên tất cả các bề mặt, bao
gồm cả các cảm biến. Sự tích tụ dầu mỡ trên màng bán thấm có thể ảnh hưởng
đến khả năng đi qua của các thành phần vào thiết bị. Sự tích tụ dầu mỡ trên thấu

kính quang học của cảm biến sẽ làm thay đổi các đặc tính quang học của nó và
có thể ảnh hưởng đến các kết quả đọc tiếp theo.
- Màu sắc: Màu nước thải phụ thuộc vào các hộ xả thải tại địa phương. Hầu hết
ảnh hưởng của nhà máy xử lý có màu từ sẫm đến nâu nhạt, nhưng nếu một
ngành cơng nghiệp địa phương sử dụng th́c nhuộm, thì ảnh hưởng của nhà
máy xử lý có thể có màu khác. Các hạt màu thường là chất rắn dạng keo và có
thể ảnh hưởng đến cảm biến quang học. Cảm biến quang học thường được thiết
kế để bỏ qua những thay đổi nhỏ về màu sắc, nhưng nếu nhà máy xử lý nhận
nguồn thải từ công ty nhuộm, cảm biến quang học có thể khơng phù hợp. Cơ
sở có nước thải chứa sắt làm cho quá trình xử lý cũng có thể có chất rắn màu
nâu sẫm hoặc đen khơng thích hợp cho các dụng cụ quang học.
Ngoài ra, cịn có các yếu tớ khác gây ảnh hưởng đến các cảm biến, vì vậy cần
thiết phải xem xét các nguồn nước thải đầu vào dự kiến để lựa chọn các loại cảm
biến phù hợp.
I.2.1.1 Các cảm biến đo lưu lượng
Có nhiều loại thiết bị đo lưu lượng, bao gồm: cảm biến sử dụng nguyên lý điện
từ, siêu âm, dòng chảy, chênh lệch áp suất, cơ học và lưu lượng khối. Chúng có
thể được sử dụng trong các đường ớng kín hoặc hở.
- Thiết bị đo lưu lượng điện từ ( Magnetic ): đây là phương pháp phổ biến
nhất để đo lưu lượng qua đường ớng kín. Chúng thường có tuổi thọ cao, tiết
kiệm chi phí và độ chính xác cao nếu được lắp đặt đúng cách.
+ Nguyên tắc hoạt động: Đồng hồ đo lưu lượng từ tính dựa trên nguyên tắc
Faraday của cảm ứng điện từ, trong đó điện áp do vật dẫn điện gây ra
chuyển động trong một từ trường tỉ lệ với vận tớc của dây dẫn (Hình
3). Năng lượng điện cho phép trình điều khiển cuộn dây của đồng hồ đo lưu
lượng để cung cấp năng lượng cho các cuộn dây từ bao bọc ống cuộn của nó,
tạo ra một từ trường. Nếu chất lỏng có đủ độ dẫn điện, nó sẽ hoạt động như
một chất dẫn điện và tạo ra một hiệu điện thế. Điện áp này là
tổng của hiệu điện thế của mỗi hạt chất lỏng trong từ trường và có giá trị theo
phương

cường độ trường, đường kính ớng và vận tớc dịng chảy.
Điện áp cảm ứng được nhận bởi hai điện cực đặt lệch nhau 180 độ trong
đồng hồ đo. Tốc độ dịng càng cao thì điện áp tức thời của điện cực càng lớn.
Các điện cực gửi tín hiệu đến bộ chuyển đổi hoặc máy phát, ở đây chúng được
thêm vào
cùng nhau, được tham chiếu đến giá trị 0 và được chuyển đổi từ
điện áp để đo lưu lượng thích hợp. Sau đó, dữ liệu được gửi đến một bảng điều
khiển
máy phát, máy tính hệ thớng I&C hoặc máy thu thích hợp khác.
Đồng hồ đo lưu lượng từ tính được sử dụng ở cả dòng điện xoay chiều (AC) và
phiên bản dòng điện một chiều (DC). Trong đồng hồ đo AC, điện thường được
áp dụng cho các cuộn dây
để tạo ra từ thông liên tục, tạo ra điện áp xoay chiều liên tục, mức thấp. Chúng
thường được sử dụng trên bùn hoặc các khu vực có tớc độ dịng chảy thay đổi
nhanh chóng.

Hình 6. Đo lưu lượng theo ngun lý điện từ
Thiết bị đo lưu lượng bằng sóng siêu âm (Ultrasonic ): Có hai loại cơ bản của
cảm biến đo lưu lượng sử dụng siêu âm: truyền qua (xuyên qua chùm tia hoặc


thời gian chuyển tiếp) và phản xạ (dịch tần hoặc hiệu ứng Doppler). Cả hai đều
thích hợp cho các khu vực đường ống mà lưu lượng phải giảm thiểu các chướng
ngại vật và chất lỏng chảy đầy. Đồng hồ đo lưu lượng âm truyền phù hợp cho chất
lỏng dưới 80oC và khơng có bọt khí ćn theo. Chúng hoạt động tốt nhất trong
nước thải sơ cấp, hỗn hợp rượu, nước thải làm lắng thứ cấp, nước thải cuối cùng,
nước rửa...
Đo lưu lượng bằng sóng âm theo nguyên tắc truyền qua, vận tớc chất lỏng đo

được dựa trên tính toán sự khác biệt về thời gian di chuyển của một xung âm
thanh đi một khoảng cách cụ thể trong đường ống và một xung khác đi cùng
khoảng cách theo chiều ngược lại. Hai đầu dò, được cung cấp năng lượng luân
phiên bằng các xung điện, phát ra các xung âm trên dịng chảy. Xung xi dịng đi
qua đường ớng trong thời gian ít hơn xung ngược dịng và sự khác biệt này tỷ lệ
với vận tớc dịng chảy. Máy phát của đồng hồ đo lưu lượng tính toán tín hiệu đầu
ra tỷ lệ tuyến tính với tớc độ dịng chảy.


Hình 7. Đo lưu lượng bằng sóng siêu âm truyền qua.
Máy đo lưu lượng âm phản xạ thường sử dụng một bộ chuyển đổi và bộ phát của
nó có thể tách biệt với bộ nhận. Được gắn trên thành ngoài của đường ớng (hoặc
xun qua tường), đầu dị gửi tín hiệu tần số cụ thể (từ 600 kHz đến 1 MHz) vào
chất lỏng và các hạt lơ lửng hoặc bong bóng khí phản xạ lại đầu dị. Bởi vì vật chất
phản xạ chuyển động cùng với chất lỏng, tần số của sóng năng lượng âm thanh
thay đổi khi nó bị phản xạ. Độ lớn của dịch tần tỷ lệ với tớc độ dịng chảy và được
chủn đổi điện tử thành tín hiệu tuyến tính.


Hình 8. Đo lưu lượng theo nguyên tắc phản xạ sóng âm.
- Thiết bị đo lưu lượng kênh hở: Thường dùng đo lưu lượng xả thải tại các
kênh, mương hở…Trong phương pháp này, việc đo lưu lượng phụ thuộc vào
hai yếu tố: đập tràn ( hoặc máng đo ) và một thiết bị đo mức.
+ Đập tràn là một đập hoặc vách ngăn được đặt trên một kênh hở với một khe
ở trên cùng để chất lỏng đo được chảy qua ( Hình 6 ) . Phần mở này là phần
rãnh đập; cạnh dưới của nó là đỉnh. Phần khía thường được cắt từ một tấm kim
loại (một đập có hình chóp nhọn) gắn vào mặt thượng lưu của vách ngăn (Hình
7).
+ Máng đo lưu lượng kiểu Parshall: là loại máng đo thủy lực thơng dụng
Máng đo có đầu vào hội tụ, đáy ngang, phần cổ ngắn có đáy dớc xuống với độ

dốc 3:8 và đầu ra phân kỳ đáy chếch lên với độ dốc 1:6. Trong phép đo lưu
lượng, đo cột nước tĩnh tại khoảng cách đã được xác định phía sau điểm hẹp
(phần cổ của máng), sau đó sử dụng các phép đo để tính toán dịng chảy, xác
định lưu lượng bằng cách sử dụng một bảng hoặc đồ thị. Lợi thế của việc sử


dụng máng Parshall là thiết kế và cấu trúc trơn mịn của nó thì chất rắn của
nước thải khơng thể tập trung sau thiết bị ( Hình .

Hình 9. Đo lưu lượng kênh hở qua đập tràn

Hình 10. Hình dạng của đập tràn


Hình 11. Mặt cắt hình dạng máng đo kiểu Parshall
+ Thiết bị đo mức: dùng để đo chiều cao mức chất lỏng chảy trong lịng máng
hoặc kênh hở. Có nhiều loại thiết bị đo mức được sử dụng trong thực tế: các
loại đo mức cơ học, sử dụng sóng siêu âm, sử dụng laser…

Hình 12. Mơ tả thiết bị đo mức nước trong kênh hở


Để tính lưu lượng chảy trong kênh hở đảm bảo độ chính xác, các thơng sớ kĩ
tḥt của các loại đập tràn hoặc máng Parshall thường được tiêu ch̉n hóa,
tính toán dựa trên các công thức thực nghiệm, lưu lượng dòng chảy phụ thuộc
vào chiều cao mực chất lỏng chảy trong kênh, bảng dưới đây ( Bảng 1) trình
bày cơng thức tính lưu lượng kênh hở với các máng Parshall tiêu ch̉n.

Bảng 2. Bảng tính lưu lượng cho dịng chảy qua máng Parshall tiêu chuẩn
Thông thường với các hệ thống giám sát, bộ phận đo mức được tích hợp vào

trong một thiết bị có thể tính toán lưu lượng dựa trên các thông số của loại
kênh được cài đặt và truyền tín hiệu đến hệ thớng giám sát trung tâm.
I.2.1.2 Các cảm biến đo nhiệt độ
Hai loại cảm biến nhiệt độ thường được sử dụng tại các nhà máy xử lý nước
thải: cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở.
- Cặp nhiệt điện hoạt động dựa trên hiệu ứng nhiệt điện ( hiệu ứng Seebeck ) là sự chuyển đổi trực tiếp sự chênh lệch nhiệt độ thành hiệu điện thế và ngược


lại thông qua một cặp nhiệt điện ( cặp dây dẫn 2 kim loại khác nhau được hàn
nối 1 đầu ).cặp nhiệt điện có ưu điểm rất chắc chắn, bền bỉ và rẻ tiền.

Hình 13.Nguyên lý đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện
-

Nhiệt điện trở: được sử dụng khi yêu cầu độ chính xác cao, hoạt động dựa
trên nguyên tắc điện trở thay đổi theo nhiệt độ, xác định được giá trị điện trở
có thể suy ra nhiệt độ tại điểm đo. Có 2 loại thơng dụng: nhiệt điện trở bằng
kim loại (RTD), nhiệt điện trở bán dẫn.

Hình 14. Sơ đồ nguyên lý nhiệt điện trở
I.2.1.3 Các cảm biến sử dụng nguyên lý quang phổ - đo COD, MLSS…


Sự hấp thụ các tia sáng ở miền khả kiến hoặc tử ngoại làm kích thích hệ electron
của phân tử, phân tử ở trạng thái kích thích khơng bền vững thời gian rất ngắn, nó
có xu hướng trở về trạng thái bền vững. Từ trạng thái kích thích có năng lượng cao
trở về trạng thái cơ bản có năng lượng thấp phân tử lại giải phóng năng lượng dưới
3 dạng chủ yếu sau:
+ Năng lượng giải phóng gây biến đổi tính chất hóa học của các chất. Nghiên
cứu sự biến đổi này thuộc ngành quang hóa, hiện tượng quang hóa hiện nay ít được

sử dụng trong phân tích trắc quang
+ Năng lượng giải phóng dưới dạng ánh sáng, hiện tượng này gọi là phát
quang. Hiện tượng này được ứng dụng rộng rãi trong phân tích định tính và định
lượng, nó là cơ sở của phương pháp phân tích phát quang.
+ Trong đại đa sớ trường hợp, năng lượng kích thích biến thành chuyển động
nhiệt, đây là cơ sở của phương pháp phân tích trắc quang dùng để xác định hàm
lượng chất phân tích theo độ hấp thụ ánh sáng.
Phương pháp đo nồng độ các chất trong nước thải bằng quang phổ UV-VIS được
ứng dụng rộng rãi, loại chỉ tiêu đo đa dạng, nhanh, đáp ứng tốt các yêu cầu về độ
nhạy, độ chính xác.
Nồng độ các chất cần đo được tính toán theo định ḷt Beer – Lambert. Cơng
thức:
A=ɛxlxC
Trong đó: A là độ hấp thụ quang của dung dịch tại bước sóng λ
l là độ dày truyền quang.
C là nồng độ mẫu (mol/L).
ɛ là hằng số tỷ lệ, độ hấp thụ quang riêng, được tính toán trên thực
nghiệm.


Hình 15. Nguyên lý đo nồng độ các chất bằng quang phổ
I.2.1.4 Các cảm biến đo nồng độ các chất trong nước thải bằng điện cực chọn
lọc ion
Các loại cảm biến đo đạc theo nguyên lý này bao gồm: pH, DO, ORP, đo các
ion kim loại: Ca2+; Pb…
Thành phần thiết yếu nhất của điện cực chọn lọc ion là một màng đặc biệt,
nhạy cảm, chỉ cho phép các ion cần đo đi qua. Khi nhúng điện cực vào dung dịch
thử nghiệm có chứa các cần đo, các ion này ở bên ngoài sẽ khuếch tán qua màng
cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng giữa nồng độ bên ngoài và bên trong. Do
đó, có sự tích tụ điện tích ở bên trong màng tỷ lệ với số lượng ion trong dung dịch

bên ngoài, tạo với điện cực bên trong màng 1 điện thế rất nhỏ.
Sự khác biệt về điện thế này chỉ có thể được đo so với một điện cực chuẩn
riêng biệt và ổn định cũng tiếp xúc với dung dịch thử nghiệm, nhưng không bị ảnh
hưởng bởi dung dịch đo. Phải sử dụng 1 milivơn kế có trở kháng cao, nhạy cảm
hoặc hệ thống đo kỹ thuật sớ để đo chính xác hiệu điện thế giữa 2 cực này.


Hiệu điện thế giữa 2 cực thực tế tỷ lệ thuận với Logarit của nồng độ ion trong
dung dịch bên ngoài. Từ hiệu điện thế này, có thể tính được nồng độ ion cần đo
trong dung dịch thử nghiệm.

Hình 16.Nguyên lý cảm biến điện cực chọn lọc ion ( ISE - Ion Selective Electrodes )

I.2.2 HỆ THỐNG GIÁM SÁT - ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM
I.2.2.1 Khối điều khiển trung tâm
Thiết bị điều khiển chính của đa sớ các hệ thớng xử lý nước thải hiện này là các
bộ PLC, có chức năng:
- Điều khiển các cơ cấu chấp hành ( bơm, van điều khiển, cửa xả… ) của hệ
thống.
- Thu thập xử lý dữ liệu từ các cảm biến.
- Lưu trữ dữ liệu thu thập được.
- Truyền - nhận dữ liệu đến các đơn vị quản lý.
PLC là viết của Programmable Logic Controller hay cịn gọi là bộ điều khiển lập
trình, là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt
các thuật toán điều khiển logic thơng qua một ngơn ngữ lập trình.
Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự
kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc
qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm. PLC
dùng để thay thế các mạch relay trong thực tế. PLC hoạt động theo phương thức

quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra
sẽ thay đổi theo.
Ngơn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic. Hiện nay có nhiều
hãng sản xuất ra PLC như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General
Electric, Omron, Honeywell...

Hình 17. Một số dịng sản phẩm PLC của hãng SIEMENS
I.2.2.2 Các bộ chuyển đổi tín hiệu
Bộ chuyển đổi tín hiệu là thiết bị có thể chủn đổi tín hiệu của thiếu bị, tín hiệu
đầu vào thành một tín hiệu khác ở đầu ra.
Tín hiệu từ các thiết bị là hoàn toàn khác nhau về tính chất vật lý (ví dụ như: tín
hiệu từ cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, đồng hồ đo lưu lượng, cảm biến báo
mức…). Vì các bộ thu thập, lưu trữ sẽ rất khó khăn để xử lý tín hiệu trực tiếp từ
đầu vào, nên cần phải có một bộ chủn đổi tín hiệu thành dạng tín hiệu dễ sử
dụng hoặc theo một ch̉n chung. Một sớ loại tín hiệu phổ