Thiết kế và chế tạo thiết bị đo thông số nitrate trong nước

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt khóa học (2012 – 2017) tại Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin
& Truyền Thông Thái Nguyên, với sự giúp đỡ của quý thầy cô và giáo viên hướng dẫn
về mọi mặt từ nhiều phía và nhất là trong thời gian thực hiện đề tài, nên đề tài này đã
được hoàn thành đúng thời gian qui định. Em xin chân thành cảm ơn đến:
Khoa Công Nghệ Tự Động Hóa cùng tất cả các quý thầy cô trong khoa đã giảng
dạy những kiến thức chuyên môn làm cơ sở để thực hiện tốt bài đồ án tốt nghiệp và đã
tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn tất khóa học.
Đặc biệt, Ths. Phạm Quốc Thịnh – giáo viên hưỡng dẫn đề tài đã nhiệt tình giúp
đỡ và cho em những lời chỉ dạy quý báu, giúp em định hướng tốt trong khi thực hiện
bài đồ án.
Tất cả bạn bè đã giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp.

Thái Nguyên, Tháng 5 năm 2017
Sinh viên thực hiện

Hoàng Ngọc Hoan

1


LỜI CAM ĐOAN
Tên em là: Hoàng Ngọc Hoan
Sinh viên lớp K11 ngành Kỹ thuật điện, điện tử, trường Đại học Công nghệ
thông tin và Truyền thông Thái nguyên – Đại học Thái nguyên
Em xin cam đoan toàn bộ nội dung trong đồ án là do em làm theo định hướng
của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác
Các phần trích, các tài liệu tham khảo đã được chỉ rõ trong đồ án.
Nếu có gì sai sót em hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Thái Nguyên, Tháng 5 năm 2017
Sinh viên thực hiện

Hoàng Ngọc Hoan

2


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 1
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ 2
MỤC LỤC ................................................................................................................... 3
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... 5
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................... 6
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 7
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ................................................................................................ 8
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT........................................................................... 10
1.1. Sự tồn tai của Nitrat. ....................................................................................... 10
1.1.1. Nitrat trong đất: ....................................................................................... 10
1.1.2. Nitrat trong nước: .................................................................................... 10
1.1.3. Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước thải............................................... 10
1.1.4. Nitrat trong động vật:............................................................................... 13
1.1.5. Nitrat trong thực vật: ............................................................................... 14
1.1.6. Nitrat trong thực phẩm thịt: ..................................................................... 14
1.2. Vấn đề tồn dư hóa chất trong thực phẩm nước. ............................................... 14
1.2.1. Con đường nhiễm hóa chất vào thực phẩm thụ động: ............................... 14
1.2.2. Nhiễm hóa chất vào thực phẩm chủ động: ............................................... 14
1.3. Vấn đề tồn dư NO3 ảnh hưởng đến sức khỏe con người. ................................ 15
1.4. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước . .......................................................... 16
1.5. Phương pháp giải quyết .................................................................................. 19
1.5.1. Phương pháp sinh học:............................................................................. 20

1.5.2. Phương pháp hoá học và hoá lý: ............................................................. 21
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO THÔNG SỐ NITRATE
TRONG NƯỚC ......................................................................................................... 22
2.1. Yêu cầu bài toán ............................................................................................. 22
2.2. Các tiêu chí thiết kế. ....................................................................................... 22
2.2.1. Tiêu chí thiết kế ....................................................................................... 22
2.2.2. Yêu cầu ................................................................................................... 23
3


2.3. Mô tả hệ thống. ............................................................................................... 23
2.4. Thiết kế phần cứng. ........................................................................................ 24
2.4.1. Sơ đồ khối. .............................................................................................. 24
2.4.2. Nguyên lý hoạt động. ............................................................................... 25
2.5. Lưu đồ thuật toán. ........................................................................................... 25
2.5.1. Lưu đồ thuật toán phần hiển thị lên LCD: ................................................ 25
2.5.2. Lưu đồ thuật toán cảnh báo loa: ............................................................... 26
2.6. Linh kiện sử dụng. .......................................................................................... 26
2.6.1. Aduino Uno. ............................................................................................ 26
2.6.2. Module khuếch đại âm thanh TDA 2030. ................................................ 31
2.6.3. Module ghi đọc thẻ nhớ SD. .................................................................... 32
2.6.4. LCD ........................................................................................................ 33
CHƯƠNG 3: HOÀN THIỆN VÀ HIỆU CHỈNH THIẾT BỊ ...................................... 39
3.1. Thiết bị sau khi hoàn thành. ............................................................................ 39
3.2. Kiểm tra hoạt động của thiết bị. ...................................................................... 40
3.2.1. Thí nghiệm .............................................................................................. 40
3.3. Hưỡng dẫn sử dụng thiết bị. ............................................................................ 41
KẾT QỦA VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................... 42
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 43
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 44

4


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các chỉ tiêu trung bình các hợp chất Nitơ trong nước thải sinh hoạt.[3] ....... 12
Bảng 1.2: Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước.[3] ................................................... 18
Bảng 1.3: Các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải. ............................................. 19
Bảng 2.1: Yêu cầu thiết bị.......................................................................................... 23
Bảng 2.2: Thông số kĩ thuật của Arduino Uno. .......................................................... 27
Bảng 2.3: Chân kết nối của module khuếch đại âm thanh TDA 2030. ........................ 32

5


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Chu trình Nitơ trong tự nhiên. .................................................................... 11
Hình 1.2: Ảnh minh hoa nước sinh hoạt. .................................................................... 17
Hình 1.3: Ảnh minh họa nguồn nước uống. ............................................................... 17
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống. .................................................................................. 24
Hình 3.2: Lưu đồ thuật toán phần hiển thị. ................................................................. 25
Hình 3.3: Lưu đồ phần cảnh báo. ............................................................................... 26
Hình 2.1: Hình ảnh Arduino Uno. .............................................................................. 27
Hình 2.2: Giao diện IDE dùng để lập trình Arduino ................................................... 31
Hình 2.3: Module khuếch đại TDA 2030. .................................................................. 31
Hình 2.4: Module ghi đọc thẻ nhớ SD. ....................................................................... 32
Hình 2.5: LCD 16x2. ................................................................................................. 33
Hình 2.6: Module ion nước thông minh.[6] ................................................................. 34
Hình 2.7: cảm biến nhiệt độ pt1000.[5] ....................................................................... 35
Hình 2.14: Đầu cảm biến Nitrate Ion.[5] ..................................................................... 37

Hình 2.17: Điện cực tham chiếu.[5] ............................................................................. 37
Hình 3.4: Thiết bị thực tế sau khi hoàn thành. ............................................................ 39
Hình 3.5: Kết quả đo nhiệt độ. ................................................................................... 40
Hình 3.6: Hiển thị “Load” khi vừa kết nối. ................................................................ 40
Hình 3.7: Tiến hành đo nồng độ NO3-. ....................................................................... 41

6


LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, sự ô nhiễm Nitrat trong môi trường đang ngày càng có ảnh hưởng
nghiêm trọng đến sức khỏe của con người. Người ta đã tìm ra mỗi quan hệ giữa sự
hình thành các Nitrosamin với hiện tượng quá thai, sinh non và đặc biệt là một số bệnh
ung thư. Ngoài ra hàm lượng Nitrat lớn trong cơ thể, đặc biệt đối với trẻ sơ sinh, có
khả năng gây ra tình trạng thiếu máu còn gọi là triệu chứng methemoglobinemia do
Nitrat trong ruột sẽ chuyển thành Nitrit, chất này kết hợp với hemoglobin để tạo thành
methemoglobin. Làm giảm khả năng chuyển tải Oxy của máu. Cộng thêm tốc độ đô
thị hóa ở Việt Nam rất nhanh cùng với sự phát triển của công nghiệp. Tỉ lệ dân số tại
các thành thị tăng cùng với tốc độ đô thị hóa. Nước thải từ các thành phố, khu dân cư
tập trung, khu công nghiệp cũng tăng theo mức tăng dân số với lượng thải lớn. Lưu
lượng nước thải của thành phố 20 vạn dân khoảng 40.000 - 60.000 m3/ngày. Hiện nay,
tại thành phố Hà Nội tổng lượng nước thải (năm 2005) khoảng 550.000 m3/ngày.
Cùng nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất trong các nhà máy, xí nghiệp cũng
chứa nhiều loại tạp chất phức tạp, có nhiều loại chứa nhiều chất bẩn vô cơ, đặc biệt là các
kim loại nặng như trong các ngành công nghiệp có công nghệ mạ. Nước thải trong các
ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, thuộc da, giết mổ chứa nhiều các chất hữu cơ, các
vi khuẩn gây bệnh. Sự phát triển nhanh của nền kinh tế dẫn đến sự cải thiện về mức sống
của người dân cũng như sự đòi hỏi về mức độ Vệ sinh môi trường.
Do đó, việc xác định hàm lượng Nitrat trong nước, thực phẩm đã và đang được
nhiều tổ chức quốc tế và các quốc gia đặc biệt quan tâm nhằm bảo vệ môi trường, bảo

vệ sức khỏe của con người. Có thể nói việc nghiên cứu phát triển các phương pháp và
các máy đo nồng độ Nitrat không phải là một lĩnh vực hoàn toàn mới mẻ mà ngược lại
đã được rất nhiều tổ chức nghiên cứu. Tuy nhiên vẫn chưa có sản phẩm nào tối ưu để
đo được chính xác nồng độ Nitrat trong nước mà giá cả hợp lý… Vì vậy với mong
muốn nghiên cứu và phát triển ra một thiết bị đo Nitrat hiệu quả mà lại hạn chế được
phần nào những nhược điểm đã được nêu trên, tôi đã bắt tay vào nghiên cứu đề tài
“Thiết kế và chế tạo thiết bị đo thông số Nitrat trong nước.”

7


TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1. Lý do chọn đề tài.
Nước là nhân tố quan trọng nhất quyết định sự sống trên trái đất, là hợp phần
chính chiếm tới 70% trọng lượng cơ thể con người và tới 90% ở một số thực vật. Nước
tham gia vào các phản ứng quang hoá và sinh hoá như phản ứng quang hợp của cây
xanh, các phản ứng thuỷ phân, trao đổi chất và tổng hợp tế bào để tạo lên sự sống cho
người và động thực vật. Không những thế, nước còn giữ vai trò quan trọng, thiết yếu
trong đời sống, trong công nghiệp và sản xuất nông nghiệp.
Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường, trong đó có môi trường nước đang là mối
quan tâm lo ngại của tất cả các quốc gia trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói
riêng. Môi trường nước bị ô nhiễm do nước thải của các nhà máy công nghiệp, nước
thải sinh hoạt, nước rò rỉ từ các bãi chôn lấp chất thải rắn, nước sau sản xuất nông
nghiệp và nước do mưa lũ. Một trong những biểu hiện ô nhiễm nước cấp hiện nay là
hàm lượng các chất dinh dưỡng (Nitơ, Photpho) trong nước tăng cao. Nồng độ cao của
những nguyên tố này trong nước có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con
người. Theo nhiều nghiên cứu, nguồn nước sinh hoạt ở một số nơi trong Hà Nội đang
bị ô nhiễm Nitrate (NO3 -) rất nghiêm trọng.
Chính vì tính cấp bách của vấn đề này mà rất nhiều các công trình nghiên cứu
đã được tiến hành để tìm ra những phương pháp tối ưu khắc phục đến mức tốt nhất có

thể được. Để giúp cho quá trình xử lý ô nhiễm Nitrate trong nước sinh hoạt thì việc
đánh giá xác định nhanh Nitrate cũng góp phần không nhỏ.
Do đó đề tài: “Thiết kế và chế tạo thiết bị đo thông số Nitrate trong nước” là
rất cấp thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.
Thiết kế và chế tạo thiết bị đo thông số Nitrate trong nước.
3. Phương pháp nghiên cứu.
Nghiên cứu lý luận: Tổng hợp các tài liệu kỹ thuật, công nghệ, phân tích và
đánh giá nội dung liên quan đến đề tài.
Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát, phân tích, thiết kế và đánh giá nội dung
nghiên cứu trong quá trình thiết kế chế tạo thiết bị. Đề xuất phương án xây dựng, chế
tạo thiết bị cho phù hợp.
8


4. Đối tượng nghiên cứu.
Hệ thống đèn chiếu sáng dùng năng lượng mặt trời gồm:
Hệ thống hấp thụ: Tấm pin mặt trời.
Điều tiết và lưu trữ năng lượng: bộ điều khiển sạc và ắc-quy.
Hệ thống tiêu thụ: hệ thống đèn chiếu sáng dự phòng sử dụng năng lượng mặt trời.
5. Bố cục đề tài.
Đề tài gồm có 3 chương:
CHƯƠNG 1: “CƠ SỞ LÝ THUYẾT”.
CHƯƠNG 2: “PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO THÔNG SỐ
NITRATE TRONG NƯỚC”.
CHƯƠNG 3: “HOÀN THIỆN VÀ HIỆU CHỈNH THIẾT BỊ”.
Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp , em đã củng cố được những kiến
thức đã được học và tiếp thu thêm được một số kiến thức, kinh nghiệm và rèn luyện
được phương pháp làm việc, nghiên cứu một cách chủ động hơn, linh hoạt hơn. Quá
trình làm đồ án thực sự đã rất có ích cho em về nhiều mặt.

9


CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Sự tồn tai của Nitrat.
Nitrat tồn tại ở khắp nơi trong môi trường xung quanh ta như: Trong đất, nước,
động vật, thực vật và thâm chí trong thực phẩm. Sự hiện diện Nitrat trong các đối
tượng trên một phần do tự nhiên, một phần do tác động của con người.
1.1.1. Nitrat trong đất:
Trong thiên nhiên Nitrat là sản phẩm từ sự thoái hóa hoàn hảo chất hữu cơ có gốc
N trong chu trình Nitrogen và là nguồn chủ yếu cung cấp Nitow cho vi sinh vật và cây
xanh. Thường thì lượng Nitrat này không đủ để tạo dưỡng chất nuôi lớn cây trồng, nên
người ta phải bón phân chứa NO3- thêm cho đất. Tuy tăng trưởng của cây xanh. Nếu cây
xanh cần nhiều Nitrat thì lượng Nitrat tích tụ lại trong đất it và ngược lại.
1.1.2. Nitrat trong nước:
Nitrat phân bố trong nước không đồng đều nhau do tác dụng Nitrat hóa tiến
hành trong đất khiến cho tầng chứa nước bên trên có hàm lượng Nitrat tương đối cao,
có khi tới vài chục miligam/lit, nhưng trong nước ở tầng sâu và trong nước lưu động
trên mặt đất thì hàm lượng Nitrat lại rất nhỏ, phần nhiều chỉ độ vài phần mười mg/l có
khi chỉ độ vài phần trăm mg/l.
Ngoài ra, nước thải, nước sông, hồ còn chứa nhiều chất hữu cơ mang gốc N do
con người đưa vào trong quá trình sinh hoạt và sản xuất. Việc sử dụng quá mức phân
bón có chứa Nitơ, về việc xử lý kém hay không xử lý các chất thải đã làm cho môi
trường nước ngày càng ô nhiễm nặng. Vì vậy, Nitrat là một trong những chỉ tiêu để
đánh giá mức độ nhiễm bẩn của nước.
1.1.3. Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước thải.
Trong nước, các hợp chất của nitơ tồn tại dưới 3 dạng: các hợp chất hữu cơ,
amoni và các hợp chất dạng ôxy hoá (nitrit và nitrat). Các hợp chất nitơ là các chất
dinh dưỡng, chúng luôn vận động trong tự nhiên, chủ yếu nhờ các quá trình sinh hoá.

10


Nitơ phân tử N2

Cố định nitơ
N-Protein thực vật

N-Protein động vật

Amôn hóa
NH4+ hoặc NH3
Khử nitơrat
Nitrit hoá
Nitrat hoá

NO3-

+ O2

NO2-

+ O2

Hình 1.1: Chu trình Nitơ trong tự nhiên.
Hợp chất hữu cơ chứa nitơ là một phần cấu thành phân tử protein hoặc là thành
phần phân huỷ protein như là các peptid, axit amin, urê.
Hàm lượng amoniac (NH3) chính là lượng nitơ amôn (NH+4) trong nước thải
sinh hoạt, nước thải công nghiệp thực phẩm và một số loại nước thải khác có thể rất

cao. Các tác nhân gây ô nhiễm Nitơ trong nước thải công nghiệp: chế biến sữa, rau
quả, đồ hộp, chế biến thịt, sản xuất bia, rượu, thuộc da.
Trong nước thải sinh hoạt nitơ tồn tại dưới dạng vô cơ (65%) và hữu cơ (35%).
Nguồn nitơ chủ yếu là từ nước tiểu. Mỗi người trong một ngày xả vào hệ
thống thoát nước 1,2 lít nước tiểu, tương đương với 12 g nitơ tổng số. Trong số
đó nitơ trong urê (N-CO(NH2)2) là 0,7g, còn lại là các loại nitơ khác. Urê thường được
amoni hoá theo phương trình như sau.
 Trong mạng lưới thoát nước urê bị thuỷ phân:
CO(NH2)2 + 2H2O = (NH4)2CO3

(1.2)

 Sau đó bị thối rữa:
(NH4)2CO3 = 2NH3 + CO2 + H2O

(1.3)

11


Như vậy NH3 chính là lượng nitơ amôn trong nước thải. Trong điều kiện yếm
khí amoniac cũng có thể hình thành từ nitrat do các quá trình khử nitrat của vi khuẩn
Denitrificans.
Lượng chất bẩn Nitơ amôn (N-NH4) một người trong một ngày xả vào hệ thống
thoát nước: 7 g/ng.ngày
Trong thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư:

Bảng 1.1: Các chỉ tiêu trung bình các hợp chất Nitơ
trong nước thải sinh hoạt.[3]
Trung

Chỉ tiêu

bình

Tổng Nitơ, mg/l

40

Nitơ hữu cơ, mg/l

15

Nitơ Amoni, mg/l

25

Nitơ Nitrit, mg/l

0,05

Nitơ Nitrat, mg/l

0,2

Tổng Phốt pho, mg/l

8

Nitrit (NO2-) là sản phẩm trung gian của quá trình ôxy hoá amoniac hoặc nitơ

amoni trong điều kiện hiếu khí nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas. Sau đó nitrit hình
thành tiếp tục được vi khuẩn Nitrobacter ôxy hoá thành nitrat.
Các quá trình nitrit và nitrat hoá diễn ra theo phản ứng bậc I:
NH4+

kn

NO2-

km

NO3-

Trong đó: kn và km là các hằng số tốc độ nitrit và nitrat hoá.
Các phương trình phản ứng của quá trình nitrit và nitrat hoá được biểu diễn như
sau:
NH4+ + 1,5O2

Nitrosomonas

NO2- + 0,5O2

Nitrobacter

NH4+ + 2O2

NO2- + H2O + 2H+
NO3-

NO3- + H2O + 2H+

Quá trình nitrat hoá cần 4,57g ôxy cho 1g nitơ amôn. Các loại vi khuẩn
Nitrosomonas và Nitrobacter là các loại vi khuẩn hiếu khí thích hợp với điều kiện nhiệt
độ từ 2030oC.

12


Nitrit là hợp chất không bền, nó cũng có thể là sản phẩm của quá trình khử
nitrat trong điều kiện yếm khí.
Ngoài ra, nitrit còn có nguồn gốc từ nước thải quá trình công nghiệp điện hoá.
Trong trạng thái cân bằng ở môi trường nước, nồng độ nitrit, nitrat thường rất thấp, nó
thường nhỏ hơn 0,02 mg/l. Nếu nồng độ amoni, giá trị pH và nhiệt độ của nước cao,
quá trình nitrit hoá diễn ra thuận lợi, và nồng độ của nó có thể đạt đến giá trị lớn.
Trong quá trình xử lý nước, nitrit trong nước sẽ tăng lên đột ngột.
Nitrat (NO3-) là dạng hợp chất vô cơ của nitơ có hoá trị cao nhất và có nguồn
gốc chính từ nước thải sinh hoạt hoặc nước thải một số ngành công nghiệp thực phẩm,
hoá chất,... chứa một lượng lớn các hợp chất nitơ. Khi vào sông hồ, chúng tiếp tục bị
nitrat hoá, tạo thành nitrat.
Nitrat hoá là giai đoạn cuối cùng của quá trình khoáng hoá các chất hữu cơ
chứa nitơ. Nitrat trong nước thải chứng tỏ sự hoàn thiện của công trình xử lý nước thải
bằng

phương pháp sinh học.
Mặt khác, quá trình nitrat hoá còn tạo nên sự tích luỹ ôxy trong hợp chất nitơ để

cho các quá trình ôxy hoá sinh hoá các chất hữu cơ tiếp theo, khi lượng ôxy hoà tan
trong nước rất ít hoặc bị hết.
Khi thiếu ôxy và tồn tại nitrat hoá sẽ xảy ra quá trình ngược lại: tách ôxy khỏi
nitrat và nitrit để sử dụng lại trong các quá trình ôxy hoá các chất hữu cơ khác. Quá

trình này được thực hiện nhờ các vi khuẩn phản nitrat hoá (vi khuẩn yếm khí tuỳ tiện).
Trong điều kiện không có ôxy tự do mà môi trường vẫn còn chất hữu cơ cácbon, một số
loại vi khuẩn khử nitrat hoặc nitrit để lấy oxy cho quá trình ôxy hoá các chất hữu cơ.
Quá trình khử nitrat được biểu diễn theo phương trình phản ứng sau đây:
4NO3- + 4H+ + 5Chữu cơ

5CO2 + 2N2 + 2H2O

Trong quá trình phản nitrat hoá, 1g nitơ sẽ giải phóng 1,71g O2 (khử nitrit) và
2,85g O2 (khử nitrat).
1.1.4. Nitrat trong động vật:
Các thực phẩm có chứa Nitrat được đưa vào cơ thể động vật đặc biệt là các loại
rau có bón nhiều phân chứa Nitrat. Lượng NO3- này khi xâm nhập vào cơ thể động vật,
một phần bị phân giải bởi các tác nhân sinh học, một phần được tích tụ lại. Đây chính
là nguyên nhân gây ra sự giảm trọng lượng của gia súc trong công nghiệp chăn nuôi.
13


1.1.5. Nitrat trong thực vật:
Nitrat cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của thực vật. Chúng hút cất
dinh dưỡng từ đất trong đó có các chất chứa Nitơ hay Nitrat được cung cấp từ phân
bón hay sự phân hủy xác động vật, thực vật.
1.1.6. Nitrat trong thực phẩm thịt:
Thịt ở điều kiện thường tham gia vào quá trình lên men phân hủy tạo H2S, NH3.
Các chất này không những làm thịt biến đổi phẩm chất mà còn gây ảnh hưởng đến sức
khỏe của người tiêu dùng. Để khác phục tình trạng trên người ta thường dùng muối
kim loại kiềm của Nitrat để ức chế các loại vi sinh, ngăn chặn quá trình lên men.
1.2. Vấn đề tồn dư hóa chất trong thực phẩm nước.
Thức ăn, nước uống là nguồn thực phẩm dinh dưỡng cho cơ thể con người về
nguồn năng lượng, protein, các vitamin và các chất vi lượng, khi thực phẩm bị nhiễm

hóa chất với nồng độ quá mức cho phép sẽ gây ra ngộ độc, nguy hiểm cho cơ thể;
không chỉ là những triệu chứng ngộ độc cấp tính do các cơ quan bị tổn thương như dạ
dầy, ruột mà còn có khả năng tích lũy, tồn lưu hóa chất trong cơ thể gây độc hại cho tế
bào, biến đổi gen gây ung thư hóa.
1.2.1. Con đường nhiễm hóa chất vào thực phẩm thụ động:
Các loại kim loại nặng như arsenic, chì, mangan, chất phóng xạ có sẳn trong
đất, nước giếng khoan, nước giếng khơi. Con người dùng nước uống, ăn trực tiếp, hay
thông qua ăn các cây, củ, động vật; cá đã nhiễm hóa chất gây ngộ độc, ví dụ: cây quả
trồng trong vùng đất có nhiều hóa chất nhóm clo hữu cơ (DDT, Dioxin), cá sống tại
vùng nước có nhiều chất thảy là thủy ngân, người ăn cá sẽ bị ngộ độc thủy ngân, hoặc
ăn sò hến, tôm cua biển có thể ngộ độc arsenic do vùng biển đó có nhiều arsenic.
1.2.2. Nhiễm hóa chất vào thực phẩm chủ động:
Do con người tạo ra nhằm: tăng lơị nhuận thu hoạch, chống sâu bệnh, bảo quản
thực phẩm lâu dài, màu sắc hấp dẫn người tiêu thụ.
Phổ biến là các hóa chất bảo vệ thực vật, các hóa chất trừ sâu, trừ nấm do sử
dụng không đúng kỹ thuật không đảm bảo thời gian cách ly của các hóa chất có thời
gian phân hủy dài, thu hoạch quá nhanh và sớm.

14


Các hóa hất bảo quản quả, củ để chống sâu, mọt, thôí, các chất nhân cho vào
bánh, các chất làm rắn, giòn thực phẩm (bún, bánh phở, giò chả…) nhưng lại gây độc,
không được phép dùng, các phẩm màu hấp dẫn (bánh kẹo…)
Sử dụng các thức ăn chăn nuôi có sẵn các hóa chất tồn dư, các kháng sinh
(streptomycin, chloramphenicol) các hormon (clenbuteron) trong thịt heo, bò và cả
trong thực phẩm biển và sữa uống.
Dùng các phụ gia không trong danh mục qui định của nhà nước, các chất kích
thích giá đỗ tăng trưởng, các phẩm màu độc hại (Sudar, I Và IV), các chất tạo ngọt
nhân tạo quá mức trong các loại bánh kẹo, nước ngọt, nước chấm.

Các hóa chất độc tạo ra trong quá trình chế biến thức ăn (Đun quá nóng dầu hạt
cải trong chảo lớn bốc khói độc benzen, acrolein, fomaldehyde và aldehyde những
chất nầy là nguyên nhân gây ung thư, bạch cầu cao trong tương lai gần.
Các hóa chất độc như NH3, N2S, indol, phenol scatil, betain hay histamin có
trong thực phẩm thịt sữa bị ôi thiu.
Do dụng cụ chứa đựng, chế biến thực phẩm còn tồn dư các chất tẩy rửa ô nhiễm
vào thực phẩm (dùng nước Javel tẩy xoong, chảo, chén bát chưa làm sạch).
1.3. Vấn đề tồn dư NO3 ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Nitrat (NO-3) là dạng chất đạm hiện diện trong cây rau, củ, quả. Nếu chúng ta
biết cách sử dụng lượng nitrat hợp lý (ít hoặc vừa đủ), nó sẽ giúp cho cây rau có màu
xanh; củ, quả đẹp mắt đồng thời không gây hại cho sức khỏe con người.
Tuy nhiên, nếu lạm dụng, sự có mặt của nitrat trong nông sản sẽ ảnh hưởng xấu
đến sức khỏe và đặc biệt, dư lượng nitrat trong mô thực vật vượt quá ngưỡng an toàn
được xem như một độc chất gây hại sức khỏe con người.
Thật vậy, nitrat lần đầu được phát hiện như là dạng độc chất tồn dư trong nông
sản, gây hại cho sức khỏe con người từ năm 1945. Mặc dù nitrat không độc với thực
vật nhưng nếu sản phẩm cây trồng được người sử dụng, đặc biệt là bộ phận lá, nitrat
được khử thành nitrit trong quá trình tiêu hóa sẽ trở thành một chất độc vì nitrat dễ
phản ứng với amin tạo thành nitrosamin, là chất gây ưng thư dạ dày. Mặt khác, trong
cơ thể người, do sự khử nitrat nhanh hơn sự chuyển đổi nitrat thành ammonia, nitrat
nhanh chóng bị tích tụ, gây bệnh Methemoglobinemia, làm mất khả năng vận chuyển
ôxy trong máu, đồng thời hạ huyết áp. Nitrit khống chế sự sinh sản của một số vi
15


khuẩn hiếu khí, yếm khí và ở nồng độ cao cũng có thể gián tiếp ảnh hưởng đến sức
khỏe sinh sản và tăng nguy cơ sẩy thai ở người. Vì vậy, nitrat trong rau, củ, quả có thể
gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người, do đó nó luôn được xem là một trong
những tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng rau quả.
Đó là lý do ở nhiều nước phát triển như Mỹ, việc quy định hàm lượng nitrat tùy

thuộc vào từng loại rau.
 Ví dụ: Măng tây không được vượt quá 50 mg/kg, cải củ được phép tới 3.600
mg/kg. Ở Nga thì quy định hàm lượng nitrat trong cải bắp phải dưới 500 mg/kg, cà rốt
dưới 250 mg/kg, dưa chuột dưới 150 mg/kg... Trong hoạt động thương mại quốc tế,
các nước nhập khẩu rau, củ, quả tươi đều phải kiểm tra lượng nitrat trước khi cho
nhập. Theo Tổ chức Y tế thế giới (WHO) và Cộng đồng Kinh tế châu Âu (EC), giới
hạn hàm lượng nitrat trong nước uống là 50 mg/lít; hàm lượng rau, củ, quả không vượt
quá ngưỡng 300 mg/kg rau tươi...
Trong khi đó, qua các cuộc khảo sát, lượng nitrat tồn dư trong một số loại rau,
củ, quả ở Việt Nam là khá cao. Đây là một vấn đề cần được quan tâm và giải quyết
một cách hợp lý để rau sạch Việt Nam có thể đủ sức cạnh tranh trên thị trường quốc tế.
1.4. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước .
 Tiêu chuẩn nước sinh hoạt của bộ Y tế mới nhất.
- QCVN 02:2009/BYT: Áp dụng đối với nước sinh hoạt dùng trong các hoạt
động sinh hoạt thông thường hoặc dùng cho chế biến thực phẩm tại các cơ sở chế biến
thực phẩm.
- Đối tượng áp dụng: Các cơ quan, tổ chức, cá nhân và hộ gia đình khai thác,
kinh doanh nước sinh hoạt bao gồm cả các co sở cấp nước tập trung dùng cho mục
đích sinh hoạt (công suất 1000m3/ngày.đêm trở lên).

16


Hình 1.2: Ảnh minh hoa nước sinh hoạt.
- QCVN 01:2009/BYT: Áp dụng với nước dùng để ăn uống, nấu nướng.
 Đối tượng áp dụng: Các cơ quan, tổ chức, cá nhân và hộ gia đình khai thác,
kinh doanh nước ăn uống bao gồm cả các co sở cấp nước tập trung dùng cho mục đích
sinh hoạt (công suất 1000m3/ngày.đêm trở lên).
- Tiêu chuẩn 6-1:2010/BYT: Áp dụng đối với nước dùng để uống trực tiếp.

Hình 1.3: Ảnh minh họa nguồn nước uống.
- Trong đó , QCVN 01:2009/BYT áp dụng với nước máy thành phố với 109
chỉ tiêu, mỗi chỉ tiêu đều có mức độ đánh giá cụ thể. Trên các chỉ tiêu đó mà các cơ
quan chức năng có thể đánh giá và kiểm tra chất lượng nguồn nước và tiêu chuẩn xây
dựng nhà máy, trạm cấp nước, đồng thời là cơ sở để người tiêu dùng tự kiểm tra đánh
giá chất lượng nguồn nước mà gia đình mình đang sử dụng.
17


Bảng 1.2: Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước.[3]
Ở đây, ta tập trung xét đến QCVN 01:2009/BYT :Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia
về chất lượng nước ăn uống.
STT

Chỉ tiêu

Đơn vị

Thông số

CTU

15

1

Màu sắc

2

Mùi vị

–

Không có mùi, vị lạ

3

Độ đục

NTU

2

4

pH

–

6,5 – 8,5

5

Độ cứng (tính theo CaCO3)

mg/l

300

6

Tổng chất rắn hòa tan TDS

mg/l

1000

7

Amoni

mg/l

3

8

Asen

mg/l

0.01

9

Cadimi

mg/l

0.003

10

Crom

mg/l

0.05

11

Xianua

mg/l

0.07

12

Flo

mg/l

1.5

13

Sắt tổng

mg/l

0.3

14

Mangan (Mn)

mg/l

0.3

15

Nitrat

mg/l

50

16

Nitrit

mg/l

3

17

Natri

mg/l

200

18

Đồng tổng (Cu)

mg/l

1

19

Niken

mg/l

0.02

21

Kẽm

mg/l

3

21

Sunfat

mg/l

250

- Do chất lượng nguồn nước ngày càng suy giảm trong khi nhu cầu sử dụng
nước lại ngày càng cao, do đó, để đảm bảo chất lượng nguồn nước sinh hoạt nói
chung, đặc biệt là nguồn nước cấp cho ăn uống, mỗi gia đình nên sử dụng nên việc
18


nghiên cứu và tạo ra một thiết bị đo thông số Nitrat trong nước là rất cần thiết…để có
được nguồn nước sạch đúng tiêu chuẩn, bảo vệ sức khỏe gia đình và người thân.
1.5. Phương pháp giải quyết
Cần có thiết bị ở mức độ đơn giản để có thể xác định được mức độ ô nhiễm và
hàm lượng Nitrat có trong nước hoặc thực phẩm nước để từ đó có thể lên các phương
án tiến hành xử lý.
Đã có nhiều phương pháp nhiều công trình xử lý nitơ trong nước thải được
nghiên cứu và đưa vào vận hành trong đó có cả các phương pháp hoá học, sinh học,
vật lý .. v v. Nhưng phần lớn chúng đều chưa đưa ra được một mô hình xử lý nitơ
chuẩn để có thể áp dụng trên một phạm vi rộng. Dưới đây là bảng phân tích một cách
tổng quan nhất về dạng và hiệu suất làm việc của các phương pháp xử lý nitơ trong
nước thải đã được nghiên cứu và ứng dụng.

Bảng 1.3: Các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải.

Các phương pháp xử lý

Hiệu suất xử lý nitơ ( % )

Hiệu

Nitơ dạng hữu cơ NH3 - NH4+

NO3-

xử lý %

Bậc I

10-20%

0

0

5-10%

Bậc II

15-50%

< 10%

Hiệu suất thấp

10-30%

Xử lý thông thường

Xử lý bằng phương pháp sinh học
Vi khuẩn hấp thụ Nitơ

0

40-70%

Hiệu suất thấp

30-70%

Quá trình khử nitrat

0

0

80-90%

70-95%

Chủ yếu chuyển
Thu hoạch tảo

hoá thành NH3NH4+

Quá trình nitrat hoá

Xử lý có giói hạn

Thu

hoạch Thu hoạch sinh

sinh khối

khối

Chuyển

hoá

thành nitrat

0

50-80%

5-20%

Chủ yếu chuyển Xử lý bởi quá Tách bằng các
Hồ ôxyhóa

hoá thành NH3- trình
NH4+

thoáng

19

làm quá trình nitrat 20-90%
và khử nitrat

suất


Các phương pháp hoá học
Châm clo

Kém ổn định

90-100%

0

80-95%

Đông tụ hoá học

50-70%

Hiệu suất thấp

Hiệu suất thấp

20-30%

Cacbon dính bám

30-50%

Hiệu suất thấp

Hiệu suất thấp

10-20%

80-97%

0

70-95%

Hiệu suất thấp

75-90%

70-90%

Hiệu suất thấp

Hiệu suất thấp

20-40%

60-95%

0

50-90%

30-50%

30-50%

40-50%

60-90%

60-90%

80-90%

Trao đổi iôn có chọn lọc Hiệu
với Amôni

suất

thấp,kém ổn định

Trao đổi iôn có chọn lọc
với Nitrat

Hiệu suất thấp

Các phương pháp vật lý

30-95% N dạng

Lọc

cặn hữu cơ

Làm thoáng

0

Kết tủa bằng đện cực
Thẩm thấu ngược

100%

N

dạng

cặn hữu cơ
60-90%

Qua bảng phân tích và đánh giá hiệu quả xử lý nitơ, ta thấy việc xử lý nitơ bằng
phương pháp sinh học cho hiệu quả rất cao. Cùng với việc ứng dụng phương pháp sinh
học để khử nitơ trong nước thải, ta còn lưu ý đến các phương pháp khác như: hóa học
(châm clo), vật lý (thổi khí), trao đổi ion...Theo thống kê các nhà máy ứng dụng các
công nghệ để xử lý nitơ thì chi có 6/1200 nhà máy là sử dụng biện pháp thổi khí,
8/1200 nhà máy sử dụng biện pháp châm clo và duy nhất có 1 nhà máy là sử dụng biện
pháp trao đổi ion. Sở dĩ những biện pháp này ít được dùng là do chi phí đầu tư lớn,
thêm vào đó là sự phức tạp trong quá trình vận hành và bảo dưỡng.

 Các phương pháp chủ yếu là:
1.5.1. Phương pháp sinh học:
- Các muối nitrat, nitrit tạo thành trong quá trình phân hủy hiếu khí sẽ được
khử trong điều kiện thiếu khí (anoxic) trên cơ sở các phản ứng khử nitrat.

20


1.5.2. Phương pháp hoá học và hoá lý:
- Vôi hoá nước thải đến pH = 1011 để tạo thành NH4OH và thổi bay hơi trên

các tháp làm lạnh.
- Phốt pho được lắng xuống nhờ các muối sắt, nhôm hoặc vôi.

Tuy nhiên, trong đó, phương pháp sinh học lại có những ưu điểm nổi bật như;
- Hiệu suất khử nitơ rất cao
- Sự ổn định và đáng tin cậy của quá trình rất lớn
- Tương đối dễ vận hành, quản lý
- Diện tích đất yêu cầu nhỏ
- Chi phí đầu tư hợp lý, vừa phải.

21


CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO THÔNG SỐ
NITRATE TRONG NƯỚC
2.1. Yêu cầu bài toán
Xây dựng một thiết bị đo có những chức năng sau:
- Đo thông số Nitrat trong nước.
- Đo thông số nhiệt độ môi trường.

- Hiển thị thông tin lên màn hình LCD.
- Cảnh báo ra loa cho người sử dụng biết chất lượng mẫu nước an toàn hay không.
- Có nút bấm để chọn chế độ đo và hiển thị.
Từ những yêu cầu của bài toán em đã nghiên cứu và lựa chọn linh kiện, module
để phù hợp với những chức năng, nhiệm vụ của thiết bị:
- Khối CPU sử dụng module Arduino Uno.
- Khối hiển thị sử dụng màn hình LCD 16x2.
- Khối module ghi đọc thẻ nhớ SD.
- Khối khuếch đại âm thanh sử dụng module khuếch đại TDA 2030
- Khối nguồn sử dụng nguồn 5V từ máy tính hoặc nguồn dự phòng.
- Khối cảm biến dùng module Smart Water Ions của libelium.
2.2. Các tiêu chí thiết kế.
2.2.1. Tiêu chí thiết kế
- Các đặc tính dưới đây là các tiêu chuẩn thiết kế quan trọng nhất của thiết kế
thiết bị:
 Độ chính xác cao
 Đơn giản trong sử dụng
 Dễ dàng tùy biến phần cứng và phần mềm theo yêu cầu để có thể đo các loại
nồng độ hóa chất tồn dư khác nhau (ngoài Nitrat)

22


2.2.2. Yêu cầu

Bảng 2.1: Yêu cầu thiết bị
Các chỉ tiêu

Yêu cầu

Thời gian tối thiểu thực hiện 1 lần

Nhỏ hơn 15 giây

Độ chính xác (phụ thuộc vào Sensor)

Sai số đo nhiệt độ:+/- 0.5 độ
Sai số về nồng độ Nitrat :+/- 5%

Khả năng cảnh báo

Có khả năng cảnh bảo tồn dư cho phép
đối với 05 loại thực phẩm phổ biến

2.3. Mô tả hệ thống.
Quy trình đo đạc các thông số môi trường nước (NO3- , Ca2+, pH, nhiệt độ…).
Bằng thiết bị đo có âm thanh cảnh báo và thông số đo được hiển thị lên LCD, bắt đầu
bằng việc các cảm biến sẽ thu thập số liệu từ môi trường nước; các số liệu này sẽ được
đưa vào Arduino Uno. Arduino Uno sẽ nhận các dữ liệu đo được từ cảm biến, thực
hiện và tiến hành xử lý đưa thông số đo được hiển thị lên LCD và cảnh báo ra loa “an
toàn” hay “không an toàn”.
 Lý do thiết kế thiết bị:
- Kiểm tra thông số môi trường nước một cách nhanh chóng.
- Thuận lợi cho việc giám sát thông số môi trường nước.
- Có thể ứng dụng vào trong hệ thống khác ví dụ như kiểm tra chất lượng nước
uống, nước sinh hoạt….
 Yêu cầu đối với thiết bị:
- Đo thông số Nitrate trong nước.
- Hiển thị vào cảnh báo chất lượng nước.
- Nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng.

- Độ tin cậy cao.

23


2.4. Thiết kế phần cứng.
2.4.1. Sơ đồ khối.

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống.
 Chức năng và nhiệm vụ các khối:
- Cảm biến: Gồm các cảm biến (nhiệt độ, NO3-, Ca2+, pH…) có chức năng đo
và đưa dữ liệu đo được từ cảm biến vào Arduino Uno.
- Khối xử lý và điều khiển: Sử dụng Arduino Uno để nhận dữ liệu được gửi từ
các cảm biến, sau đó xử lý dữ liệu nhận được hiển thị tín hiệu đã qua xử lý lên màn
hình và cảnh báo ra loa.
- Khối nút bấm: Được đặt trên bảng điều khiển dùng để đóng ngắt và điều
khiển chế độ hiển thị.
- Khuếch đại âm thanh TDA 2030: Có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu từ Arduino
để phát ra loa
- Khối ADC: khối ADC sử dụng vi mạch chuyển đổi tương tự - số AD7705 với
hai kênh đầu vào tương tự sử dụng cho cảm biến nhiệt độ và đầu đo Nitrat. AD7705 có
thể hoạt động ở các dải điện áp 2,7V đến 3,3V hay 4,75 đến 5,25V với độ phân giải 16
bít và giao tiếp với bộ xử lý thông qua giao diện SPI.
- Khối nguồn: Cung cấp năng lượng nuôi toàn bộ hệ thống:
+ Nguồn 5V cấp cho vi điều khiển.

24


+ Nguồn 3.3V cho các cảm biến.

- Khối hiển thị: Sử dụng LCD 16x2 để hiển thị các thông số cảm biến đo được.
- Module SD card: Kết nối với thẻ nhớ là lấy dữ liệu dạng file âm thanh để sử
dụng cho cảnh báo.
- Loa: Phát ra âm thanh cảnh báo “an toàn” hoặc “không an toàn”.

2.4.2. Nguyên lý hoạt động.
Nguyên lý hoạt động của máy bán hàng tự động như sau:
- Cấp nguồn cho thiết bị màn hình LCD sẽ sáng lên,
2.5. Lưu đồ thuật toán.
2.5.1. Lưu đồ thuật toán phần hiển thị lên LCD:

Hình 3.2: Lưu đồ thuật toán phần hiển thị.
25