Cuộc thi TDC 2020 – Nhóm F.A.M – Đề tài “Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt điều khiển và giám sát bằng IoT”

Cuộc thi Thiết kế Kỹ thuật Technical Design Contest được tổ chức lần đầu tiên vào năm 2019 tại TP Hà Nội. Cuộc thi mang tên TDC2019, với chủ đề Môi trường không khí đã diễn ra rất thành công. Mang niềm yêu thích Kỹ thuật công nghệ đến gần hơn với các bạn học sinh, sinh viên. Tiếp nối với sự thành công đó, TDC2020 mở rộng hơn đến với các bạn miền Trung. Cuộc thi với chủ đề Giải pháp thông minh trong khoa học môi trường. Các bạn tìm hiểu thông tin cuộc thi tại đây.

TAPIT là đơn vị hướng dẫn các đội thi đến từ Đà Nẵng. Bài viết này sẽ giới thiệu về nhóm F.A.M, một trong những đội thi được TAPIT hỗ trợ trong cuộc thi. Cùng niềm quan tâm về nước thải ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường, nhóm đã ấp ủ kế hoạch và dành một quá trình dài để hoàn thiện đề tài “Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt điều khiển và giám sát bằng IoT”, với mong muốn cải thiện được nguồn nước thải nói chung và nước thải thủy sản nói riêng. Việc kết hợp hệ thống IoT giúp tự động hóa được hệ thống và giảm bớt gánh nặng cho việc vận hành và đánh giá chất lượng của nguồn nướcF.A.M là một trong 6 đội thi danh dự nhận được giải thưởng Thiết kế xuất sắc nhất tại cuộc thi TDC2020. 

A. Giới thiệu đội thi 

F.A.M gồm 4 thành viên

🌿 Ngô Chí Đường
🌿 Lê Viết Triều Tiên
🌿 Nguyễn Quốc Vương
🌿 Nguyễn Mạnh Dũng

Nhóm gồm 3 thành viên đến từ Khoa Điện và 1 thành viên đến từ khoa Hóa của Đại Học Bách Khoa. F.A.M đại diện cho tình bạn thân thiết của nhóm, coi nhau như một gia đình thân thiết, từ đó tạo ra nguồn năng lượng tích cực để hoàn thành tốt công việc. Còn 3 dấu chấm ở giữa các chữ cái thể hiện rằng, mặc dù là một “gia đình” nhưng mỗi thành viên trong gia đình đó vẫn có một dấu ấn riêng của từng bản thân mỗi người. Mỗi người một thế mạnh, một ưu điểm và có những tính xấu khác nhau. Đến với cuộc thi lần này F.A.M. sẽ cùng nhau chinh phục những thử thách khó khăn phía trước để cùng nhau đi đến hết cuộc thi.

B. Giới thiệu đề tài

1. Vấn đề cấp thiết

Các nguồn nước thải hữu cơ như hầm biogas, các khu công nghiệp thực phẩm, sản xuất đậu phụ, nước thải sinh hoạt đặc biệt là nước thải thủy hải sản, là một trong các nguồn gây ô nhiễm nước nghiêm trọng hiện nay.

Đối với ngành chế biến thủy sản, nước thải chủ yếu sinh ra trong quá trình rửa sạch và sơ chế nguyên liệu. Trong nước thải chứa chủ yếu các mảnh thịt vụn, ruột các loại thuỷ sản, ngoài ra còn chứa các loại vảy cá, các chất hữu cơ, các chất rắn lơ lửng, chất cặn bã, dầu mỡ. Các thành phần này chính là nguồn hữu cơ (chủ yếu là N, P từ protein, và các muối khoáng) dồi dào cho các vi sinh vật có hại phát triển. Khi thải ra ao hồ sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng nước, khiến các loại tảo cũng như vi khuẩn có hại phát triển nhiều, hiện tượng nở hoa, thiếu O2, làm suy giảm chất lượng nước, gây bệnh cho người và động thực vật tại khu vực ô nhiễm.

Do tính chất phức tạp về thành phần, nên phương pháp xử lý cũng cần triệt để và trải qua nhiều kỹ thuật, do đó mà giá thành xử lý cao, nhiều công ty cũng vì vậy mà bỏ qua bước này, trực tiếp xả thẳng ra sông ngòi, kênh, rạch, bờ biển.

Lợi dụng đặc điểm về nhu cầu dinh dưỡng cũng như vai trò của Chlorella trong tự nhiên, có thể thấy nước thải thủy sản là một nguồn nước giàu N, P và các chất khoáng khác phù hợp cho sự sinh trưởng của tảo. Bên cạnh đó, nguồn O2 do tảo thải ra từ quang hợp cũng tạo điều kiện thuận lợi cho các vi sinh vật phân giải các chất hữu cơ có trong nước thải.

2. Mục tiêu của đề tài

  • Tái chế được lượng nước từ quá trình chế biến thủy sản, sinh hoạt trong gia đình
  • Thu hoạch lượng sinh khối tảo dùng làm thức ăn chăn nuôi 
  • Lượng nước sau khi lọc có thể dùng trong sinh hoạt gia đình, tưới cây ở các vườn cây sinh học
  • Lọc không khí thông qua quá trình sục khí và quang hợp của tảo.

3. Phương pháp nghiên cứu

Về phương pháp thu hoạch sinh khối tảo gồm 2 phương pháp chính đó là:

-Phương pháp tuyển nổi

Trong phương pháp này, bọt khí được chuyển vào dung dịch để đẩy các hạt vi tảo nổi lên bề mặt. Đối với phương pháp này thì kích thước hạt là rất quan trọng. Do đó, kích thước thường được gia tăng bởi quá trình keo tụ. Việc phân loại các quá trình tuyển nổi dựa trên các phương pháp tạo bóng khí, quá trình tuyển nổi bao gồm các dạng sau:

  • Tuyển nổi bằng khí phân tán
  • Tuyển nổi bằng khí lơ lửng
  • Tuyển nổi bằng khí hòa tan

-Phương pháp điện phân-keo tụ-tuyển nổi

Electro-coagulation Flotation (ECF) đã là chủ đề của một số đánh giá trong thập kỷ qua và hiện nay vẫn đang là một lĩnh vực nghiên cứu rất tích cực. Electro-coagulation (“Electro”: nghĩa là áp dụng một điện tích cho nước và “đông tụ”, nghĩa là quá trình thay đổi điện tích bề mặt hạt, cho phép vật chất lơ lửng tạo thành một chất keo tụ); “Flotation”: nghĩa là tạo ra lượng khí để đẩy các hợp chất lên trên mặt thoáng) là một công nghệ xử lý nước tiên tiến và kinh tế. Nó có hiệu quả loại bỏ các chất rắn lơ lửng đến mức dưới micromet, phá vỡ các nhũ tương như dầu hoặc mỡ và oxy hóa để loại bỏ kim loại nặng khỏi nước mà không cần sử dụng bộ lọc hoặc thêm hóa chất tách. Nhiều hệ thống thu hoạch tảo đã sử dụng phương pháp này để tiến hành xây dựng hệ thống.

Phương pháp ECF sử dụng hai điện cực anode và cathode được làm bằng kim loại như Al, Fe. Trong đó, anode là nơi hình thành các oxit kim loại từ các phản ứng hóa học do sự tương tác dòng điện giữa 2 điện cực (là những hợp chất gây hiện tượng keo tụ). Vì bề mặt vi tảo được tích điện âm nhờ các hydroxit mang điện tích dương kéo các phân tử lại với nhau theo cơ chế trung hòa điện tích, tạo ra một phân tử tảo lớn hơn. Cathode hình thành bọt khí nhờ sự điện phân nước hình thành H2 đẩy các phân tử tảo lớn lên trên bề mặt.

Ngoài ra, còn có các phương pháp khác dùng để nuôi trồng và nhân giống tảo mà nhóm đã đánh giá và nghiên cứu

  • Phương pháp bảo quản giống
  • Phương pháp nhân giống
  • Phương pháp đo đạc
  • Phương pháp khảo sát các điều kiện nuôi trồng trong nước thải thủy sản
  • Phương pháp khảo sát các điều kiện thu hoạch bằng ECF
  • Phương pháp đo nồng độ chlorophyl a
  • Phương pháp xây dựng hệ thống scale-up thu hoạch tảo
  • Phương pháp thu hoạch
  • Phương pháp xử lí số liệu

4. Cấu trúc hệ thống và sơ đồ khối

4.1. Thiết kế cơ khí

– Khâu nuôi tảo: Nước thải sẽ được đưa qua một tấm lọc để lọc bớt rác thô từ nước thải trước khi vào bể nuôi. Khâu nuôi tảo bao gồm:

  • Hệ thống chiếu sáng đèn để tăng cường độ ánh sáng cấp cho hệ thống giúp tảo quang hợp tốt
  • Máy sục khí giúp cho tảo có đủ lượng khí để quan hợp
  • Cảm biến để đo mức nước, dùng để cảnh báo người dùng khi nào hết nước cho chu trình tiếp theo.

– Khâu điện phân keo tụ:

Gồm ống điện nhôm và mốt điện cực nhôm ở trong long ống nhờ dòng điện một chiều quá trình điện phân keo tụ bắt đầu khiến tảo kết keo và bước qua khâu điện phân tuyển nổi.

– Khâu tuyển nổi: Tảo sau khi ở khâu keo tụ, sẽ được điện phân tiếp tục ở khâu tuyển nổi nhờ các điện cực nhôm gồm các thanh nhôm vào lá nhôm ở dưới đáy bể. Tảo kết keo sẽ được đưa lên bề mặt nhờ các bọt khí mà quá trình điện phân tạo ra. Quá trình điện phân kết thúc khi lượng keo tảo được đưa hết lên bề mặt. Kết quả lượng tảo sẽ nổi lên trên bền mặt nước trong sẽ nằm ở bên dưới.

– Băng tải để vớt sinh khối tảo và đưa ra khay thu gom.

4.2. Sơ đồi khối phần cứng

Gồm các cảm biến:

  • Cảm biến độ đục: khảo sát độ sinh trưởng của tảo khi đạt tối đến đỉnh thì sẽ tiến hành quá trình điện phân
  • Cảm biến nhiệt độ DS18B20: giám sát nhiệt độ trong bê nuôi
  • Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750: đo cường độ ánh sáng từ đó đưa ra điện áp điều khiển đèn sao cho tối ưu nhất
  • Cảm biến dòng điện giám sát cường độ dóng điện ở các khâu điện phân
  • Cảm biến phao: giám sát mực nước ở các bể.

5. Sơ đồ khối truyền thông SCADA

Kiến trúc hệ thống SCADA (nguồn: tapit.vn)

  • Device (Thiết bị): có thể là một board ESP8266/ESP32, một module SIM, một máy tính nhúng,… sao cho có thể kết nối kết nối Internet và giao tiếp với máy chủ qua giao thức MQTT.
  • Server (Máy chủ):
    • MQTT broker: đây là dịch vụ trung tâm không thể thiếu khi triển khai giao thức MQTT, có nhiệm vụ kết nối các client, lọc và phân phối các gói tin qua cơ chế publish/subscribe. Broker có thể là Mosquitto, Hivemq, EMX, RabbitMQ,..
    • app.js: đây là ứng dụng sử dụng ngôn ngữ Node.js đóng vai trò là MQTT client trên máy chủ, là thành phần trung gian để giúp thiết bị với các thành phần khác trên máy chủ (MySQL, dashboard.php) có thể tương tác gửi dữ liệu với nhau.
    • dashboard.php: trang quản lý hệ thống, có chức năng đọc dữ liệu cảm biến và trạng thái relay trong cơ sở dữ liệu để hiển thị ra website.
    • MySQL: là cơ sở dữ liệu lưu trữ dữ liệu gửi lên từ thiết bị gồm giá trị cảm biến và trạng thái relay.

  • Web điều khiển

Giới thiệu đề tài

Bảng điều khiển

Biểu đồ hiển thị

Database

 C. Ứng dụng và kết quả

Hiệu quả xử lý nước thải

Chỉ tiêu Đơn vị Ban đầu ECF Ly tâm
Giá trị Hiệu suất (%) Giá trị Hiệu suất (%)
TSS mg/l 540 36 93,75 24 95,74
COD mg/l 862,7 108,2 88,86 68,9 92,6
Tổng-N mg/l 276,52 46,33 85,65 33,75 89,12
Tổng-P mg/l 40,38 17,06 70,79 13,62 74,77
pH 7,4 8,1 7,9

Hệ thống đang nghiên cứu và đánh giá tại Cảng cá Thọ Quang.

Video giới thiệu về đề tài “Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt điều khiển và giám sát bằng IoT” của các thành viên nhóm F.A.M.

Nếu bạn quan tâm đến các chủ đề liên quan, hãy nhấn like 👍 và subcribe 👇 tại kênh youtube của Cộng đồng kỹ thuật TAPIT để nhận thông báo về những video với các nội dung liên quan nhé!

 

Tìm hiểu thêm:
Fanpage Cộng đồng Kỹ thuật TAPIT: TAPIT – Learning, Research and Sharing Community