Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Thiết kế, điều khiển hệ thống định lượng chất trợ kao trong xử lý nước thải

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: o Tìm hiểu quá trình dùng hóa chất để hỗ trợ lắng chất bẩn trong xử lý nước.o Mô hình hóa cảm biến đo điện thế bề mặt tương quan với nồng độ hóa chất có trong nước

Tính cấp thiết của đề tài

Nước sạch – nguồn tài nguyên vô giá

Nước là khởi nguồn của sự sống trên trái đất, đồng thời cũng là nguồn để duy trì sự sống trên Trái Đất Đối với con người, nước chiếm khoảng 58 – 67% trọng lượng cơ thể người lớn và đối với trẻ em lên tới 70 – 75%, đồng thời nước quyết định tới toàn bộ quá trình sinh hóa diễn ra trong cơ thể sinh vật sống

Tuy vậy, nguồn nước sạch không phải dồi dào như chúng ta vẫn nghĩ Trên thực tế có tới 97,2% nguồn nước trên trái đất là nước mặn, còn lại 2,15% là băng vĩnh cửu và chỉ có 0,65% là nguồn nước dành cho con người khai thác

Khi đời sống xã hội tăng cao cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp, nhu cầu khai thác hiệu quả nguồn nước này ngày càng cấp thiết

Nguồn nước nhiễm bẩn là một nguy cơ khác cũng vô cùng nguy hiểm: chất bẩn, chất hữu cơ khó hòa tan cùng với sự ô nhiễm đã khiến nguồn nước sạch ngày càng trở nên quý hiếm và khó sản xuất Nước mang lại cho cơ thể sinh vật sống các khoáng chất cần thiết, nhưng nó cũng ẩn chứa trong đó những tạp chất và kim loại nặng độc hại (Nitrat, Nitrit, Asen, Chì, Thủy ngân, Benzen, Xynua…) cùng với vô vàn những vi khuẩn/virus nguy hiểm (E-coli, Streptococci, Clostridia, Adenovirus, Rheovirus…) Nếu không có các biện pháp xử lý nguồn nước sạch tích cực, sinh vật sống và con người sẽ phải liên tục đối mặt với dịch bệnh, độc tố và tuổi thọ sẽ không thể kéo dài.

Nước sạch và những con số biết nói tại Việt Nam

Việt Nam hiện có khoảng 17,2 triệu người (tương đương 21,5% dân số) đang sử dụng nguồn nước sinh hoạt từ giếng khoan, chưa được kiểm nghiệm hay qua xử lý, theo thống kê của Viện Y học lao động và Vệ sinh môi trường

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

2 Điển hình như tỉnh Tiền Giang, chỉ tính riêng xã Hưng Thạnh đã có hơn 50% dân cư vẫn phải dùng nước chưa được an toàn (nước giếng nhiễm phèn, nước sông ngòi ô nhiễm, nước mưa…) cho sinh hoạt hàng ngày

Theo thống kê của Bộ Y tế và Bộ Tài nguyên - Môi trường, trung bình mỗi năm Việt Nam có khoảng 9.000 người tử vong vì nguồn nước và điều kiện vệ sinh kém Cũng theo đánh giá tổng hợp của Bộ, hằng năm có gần 200.000 người mắc bệnh ung thư mới phát hiện mà một trong những nguyên nhân chính bắt nguồn từ ô nhiễm môi trường nước

Trên thực tế, một số địa phương như xã Hưng Thạnh, xã Thạnh Tân (Tiền Giang), xã Duy Hòa (Quảng Nam), các ca nhiễm ung thư, viêm nhiễm ở phụ nữ do sử dụng nguồn nước ô nhiễm chiếm đến gần 40% dân cư toàn xã, có nơi lên đến 50%

Việt Nam hiện thuộc nhóm quốc gia “thiếu nước” do lượng nước mặt bình quân đầu người mỗi năm chỉ đạt 3.840m3, thấp hơn chỉ tiêu 4.000m3/người/năm của Hội tài nguyên nước quốc tế (IWRA) Đây được xem là một nghịch lý đối với một quốc gia có mạng lưới sông ngòi dày đặc như nước ta

Một kết quả điều tra xã hội học trong cư dân sinh sống trên lưu vực các con sông tại Việt Nam, có đến hơn 30% số người được hỏi về sự ô nhiễm và cạn kiệt nguồn nước sạch đều chưa nhận thức được hết hậu quả nghiêm trọng, dù tình trạng này thường xuyên tác động đến sức khỏe, đời sống cho không chỉ riêng bản thân mà cả gia đình họ Điều đó cho thấy, nhận thức về tầm quan trọng của nước sạch, thực trạng khan hiếm nước sạch cũng như ý thức bảo vệ nguồn tài nguyên nước của người Việt Nam chưa cao, đây cũng chính là một trong các tác nhân làm nước sạch đã hiếm lại đang bị hoang phí ở nhiều nơi tại Việt Nam

Quy trình xử lý nước cấp

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống xử lý nước cấp

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống xử lý nước cấp (nước bề mặt)

4 1 Nước bề mặt là nguồn nước được hình thành trên bề mặt Trái Đất, bao gồm nước sông, suối, ao, hồ, kênh, mương,…

2 Nước mặt tự chảy vào ống dẫn nước vào nhà máy Trong ống dẫn có gắn song chắn rác và khung lưới quay để cản rác vào nhà máy

3 Sau đó, nước sẽ được bơm vào nhà máy xử lý Tại đây, các hạt cặn trong nước sẽ bị keo tụ

4 Nước chứa keo tụ được dẫn vào bể lắng để các hạt cặn liên kết với nhau tạo bông cặn lớn hơn và lắng xuống đáy bể

5 Tiếp theo, nước ở phần trên của bể lắng được dẫn qua bể lọc cát (gồm 3 lớp: than hoạt tính, cát, sỏi) để lọc bỏ cặn

6 Cuối cùng, nước được khử trùng, thêm Flo và được bơm vào tháp trữ nước, bể chứa ngầm và hệ thống phân phối nước.

Hóa chất trong xử lý nước cấp

Trong hệ thống xử lý nước cấp, ngoài các khoản đầu tư cố định cho các phần khác (lắng, lọc,…), hệ thống xử lý bằng hóa chất là khoảng đầu tư liên tục Do tính đặc thù của hóa chất nên các sản phẩm hóa chất thường có giá thành cao khi so sánh tương đối với phần lợi chung về mặt kinh tế, chẳng hạn tính cho một thể tích nước sản xuất nhất định Đối với riêng việc châm hóa chất keo tụ  tạo bông (khâu đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý các hạt lơ lửng cỡ nhỏ hơn 10 –4 mm) ở Việt Nam hiện nay được thực hiện chủ yếu thông qua thí nghiệm Jar test

Thí nghiệm Jar test đòi hỏi rất nhiều thời gian và nhân công thực hiện, trong khi đó, kết quả của thí nghiệm Jar test luôn có độ trễ tương đối về mặt thời gian so với điều kiện thực tế Vì vậy, việc giảm được các chi phí liên quan để quyết định thể tích hóa chất cần châm mang tính cấp thiết cao.

Quá trình keo tụ – tạo bông và điện thế Zeta

Tương tác giữa các hạt mang điện

Chìa khóa dẫn đến sự hiệu quả của quá trình keo tụ  tạo bông là việc hiểu quá trình các hạt keo riêng lẻ tác động đến nhau thế nào Các chất cặn bẩn có kích

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

5 thước thông thường rơi vào khoảng 0.01 đến 100 m Đa phần đối với các hạt lớn, ta có thể dễ dàng sử dụng các phương pháp lắng hoặc lọc Nhưng đối với các hạt nhỏ hơn (từ 0.01 đến 5m), thời gian lắng kéo dài và các hạt cũng dễ dàng thoát qua các bộ lọc

Sự tương tác của các hạt keo trong nước chịu nhiều ảnh hưởng từ điện tích của hạt Mỗi hạt keo cỡ nhỏ đều mang điện tích, thông thường trong tự nhiên là điện tích âm Do đó, các hạt keo lân cận đẩy nhau và chống lại sự kết tụ  tạo thành bông, các chất keo có xu hướng phân tán, rời rạc và ở trạng thái như huyền phù (thể vẩn lơ lửng)

Hình 1.2: Các hạt keo mang điện đẩy nhau

Ngược lại, nếu điện tích đó được giảm đi hoặc loại bỏ, các hạt keo sẽ dễ dàng kết dính với nhau, trước hết là tạo thành nhóm nhỏ, sau đó tạo thành các kết tụ lớn dần và trở thành bông, lắng nhanh chóng và dễ dàng lọc

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hình 1.3: Các hạt keo liên kết

Lực tương tác vi lượng

1.3.2.1 Mô hình lớp kép (Double Layer Model):

Mô hình lớp kép được dùng để mô tả môi trường ion trong lân cận hạt keo tích điện và giải thích phương thức của các lực tương tác điện giữa các hạt

Trước tiên, ta xem xét tác động của lõi hạt keo (mang điện tích âm) lên các ion dương – gọi là đối ion dương Ban đầu, ảnh hưởng của lõi mang điện tích âm lên các đối ion dương chung quanh nó, làm cho các đối ion dương bị hút và tạo thành một lớp bao quanh bề mặt của lõi hạt keo – lớp Stern

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hình 1.4: Mô hình lớp kép

Các đối ion dương khác cũng chịu lực hút bởi lõi hạt keo âm, nhưng lúc này, các hạt đối ion dương cũng chịu ảnh hưởng của lớp dương Stern và sự ảnh hưởng lẫn nhau của chúng Trạng thái cân bằng hình thành một lớp khuếch tán của các hạt ion dương Mật độ lớp khuếch tán này cao khi ở gần lõi và giảm dần theo khoảng cách cho tới khi đạt trạng thái cân bằng với mật độ cân bằng với mật độ ion dương của môi trường Ở trường hợp tương tự nhưng ngược lại, các ion âm lại không nằm trong vùng lân cận của lõi hạt keo vì tác dụng đẩy nhau của chúng Các ion âm lúc này được gọi là hợp ion âm Mật độ của các ion âm này tăng dần theo khoảng cách đối với lõi hạt keo tương ứng với tác dụng giảm dần của lõi hạt keo lên chúng, cho tới khi đạt trạng thái cân bằng, với mật độ tương ứng với mật độ ion âm của môi trường

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

1.3.2.2 Bề dày của lớp kép (Double Layer Thickness)

Lớp khuếch tán có thể được xem như một bầu khí quyển tích điện bao bọc lõi hạt keo Mật độ điện tích phân bố đều theo khoảng cách, càng gần tâm hạt keo càng cao, triệt tiêu khi mật độ hạt ion dương và hạt ion âm bằng nhau Lớp Stern chứa các hạt đối ion dương và bầu khí quyển tích điện nói trên được xem như là một lớp kép

Bề dày của lớp kép phụ thuộc vào mật độ ion của môi trường Số lượng càng nhiều các ion dương trong môi trường để trung hòa lõi hạt keo, bề dày lớp kép càng mỏng Ngược lại, việc làm giảm đi mật độ ion (chẳng hạn bằng cách pha loãng, …) làm lớp kép dày hơn

Các loại đối ion dương khác nhau – hóa trị khác nhau cũng ảnh hưởng khác nhau đến bề dày của lớp kép Chẳng hạn, ion Al +3 có tác dụng rõ rệt hơn so với ion Na + trong việc trung hòa điện tích âm của lõi hạt keo, và tất nhiên, làm cho lớp kép mỏng đi Việc làm tăng mật độ ion hoặc hóa trị của chất đều được hiểu là việc làm nén lại lớp kép

Hình 1.5: Biến thiên mật độ ion theo khoảng cách dưới điều kiện mật độ ion trong môi trường thấp và cao

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

9 Lõi hạt keo âm và bầu khí quyển tích điện dương của nó hình thành một hiệu điện thế xuyên suốt lớp khuếch tán, lớn nhất trên bề mặt, giảm dần theo khoảng cách và bằng 0 khi ở bên ngoài lớp khuếch tán Đường cong điện thế biểu diễn mối tương quan giữa lực đẩy giữa các hạt keo với nhau và khoảng cách giữa các hạt keo mà tại đó, các lực đẩy này tác động đến nhau

Một điểm đặc biệt lưu ý trên đường cong là điện thế ở nơi chuyển tiếp của lớp

Stern và lớp khuếch tán Đây được gọi là điện thế  (zeta) Điện thế  có thể được đo bằng các cách khá đơn giản, trong khi điện thế trên bề mặt hạt keo rất khó để đo Điện thế  đóng vai trò như một công cụ hiệu quả để điều chỉnh sự keo tụ vì sự thay đổi của điện thế  phản ánh tương ứng sự thay đổi của lực đẩy trên các hạt keo với nhau

Hình 1.6: Điện thế  và điện thế bề mặt trong các môi trường

Tỷ lệ giữa điện thế  và điện thế bề mặt phụ thuộc vào bề dày của lớp kép Các chất rắn hòa tan mức độ thấp được tìm thấy trong kết quả của các hệ thống xử lý nước thường có bề dày của lớp kép lớn, trong trường hợp này, điện thế  xem như gần bằng điện thế bề mặt Với trường hợp đối với nước lợ hay nước

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

10 muối thì ngược lại, mật độ ion cao làm nén lại lớp kép và đường cong điện thế, điện thế  lúc này nhỏ đi rất nhiều so với điện thế bề mặt

1.3.2.3 Hệ thống lực cân bằng

Lý thuyết DLVO (được đặt tên theo Derjaguin, Landau, Verwery and

Overbeek) diễn giải một cách cơ bản về cách thức các hạt tương tác, khi chỉ ra được sự cân bằng giữa hai lực có tương tác khác nhau – lực đẩy tĩnh điện và lực hút Van der Waals – để giải thích vì sao một số hạt keo lại kết lại và keo tụ dễ dàng, trong khi loại khác thì không

Hình 1.7: Tương quan giữa lực đẩy tĩnh điện và khoảng cách

Lực đẩy tĩnh điện đóng vai trò quan trọng khi hai hạt tiến lại gần nhau và các lớp kép giữa chúng bắt đầu chồng lấn lên nhau Năng lượng cần để chống lại sự đẩy tĩnh điện giữa các hạt càng tăng dần khi các hạt càng được đưa lại gần hơn

Ta có thể vẽ được một đường cong để biểu diễn năng lượng cần để đưa các hạt lại gần nhau Năng lượng lớn nhất cần thiết liên quan mật thiết đến điện thế bề mặt của hạt

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

1.3.2.3.2 Lực hút Van der Waals:

Lực Van der Waals giữa hai hạt keo thực tế là kết quả của tương tác giữa các phân tử đơn lẻ với nhau trong mỗi hạt keo Mỗi phân tử của hạt keo này tương tác hấp dẫn Van der Waals lên các phân tử của hạt keo khác, hình thức tương tác này lặp đi lặp lại và ta được một lực hút tổng hợp, mang tính chất cộng dần

Ta có thể sử dụng đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của lực hút Van der Waals vào khoảng cách của hai hạt keo

Hình 1.8: Tương quan giữa lực hút Van der Waals theo khoảng cách

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Thuyết DLVO kết hợp ảnh hưởng van der Waals và lực đẩy tĩnh điện để giải thích xu hướng của các hạt keo khi nào còn rời rạc hoặc khi nào keo tụ Đường cong tổng hợp là năng lượng tương tác, bằng hiệu số giữa hai giá trị độ lớn của hai loại lực, lực nào mang độ lớn nhỏ hơn thì bị trừ đi, năng lượng tương tác nằm về phía lực đẩy khi lực đẩy lớn hơn và ngược lại Đường cong năng lượng tương tác có thể thay đổi từ trạng thái hút sang đẩy và lại có xu hướng chuyển về trạng thái hút khi làm tăng khoảng cách các hạt Giá trị lớn nhất trên vùng “đẩy” – hay còn được gọi là hàng rào năng lượng (Energy Barrier) – phản ánh trở lực của các hạt đối với sự keo tụ Để keo tụ lại, hai hay nhiều hạt phải va chạm nhau dưới một động năng (dựa vào khối lượng và vận tốc của chúng) đủ để “vượt qua” được hàng rào năng lượng Năng lượng tương tác lúc này chỉ ở vùng chịu lực hút, quá trình keo tụ

Hình 1.9: Đường cong năng lượng tương tác

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Các phương pháp tăng hiệu quả quá trình keo tụ – tạo bông

Làm nén lớp kép

Làm nén lớp kép bao hàm việc thêm muối vào hệ thống Khi tăng mật độ ion, lớp kép và đường cong tương tác đẩy được nén lại cho đến khi không còn hàng rào năng lượng Sự đông tụ diễn ra rất nhanh với điều kiện này vì các hạt dễ dàng rơi vào bẫy năng lượng mà không cần phải tích tũy năng lượng để vượt qua hàng rào năng lượng Quá trình keo tụ bằng phương pháp nén lớp kép đôi khi được xem như quá trình “muối” hạt keo Việc thêm vào một số lượng lớn muối chỉ có ở một số ứng dụng trong công tác keo tụ đặc biệt (nước lợ)

Hình 1.10: Làm nén lớp kép – hàng rào năng lượng

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Làm giảm điện tích bề mặt hạt keo

Trong xử lý nước, ta làm giảm điện tích bề mặt hạt keo bằng cách thêm vào các chất trợ keo tụ, nhằm mục đích làm giảm điện tích bề mặt hạt keo, và tất nhiên, là làm giảm điện thế  Có hai điểm quan trọng cần lưu ý:

- Thứ nhất, điện thế  là phương án đo trực tiếp điện thế bề mặt và ta có thể dùng phép đo thế zeta để điều khiển quá trình làm trung hòa điện tích bề mặt hạt keo

- Thứ hai, ta không cần thiết phải làm giảm điện thế bề mặt bằng 0 Mục tiêu của chúng ta là làm thấp hàng rào năng lượng của hạt cho đến khi động năng sinh ra từ vận tốc của các hạt trong quá trình khuấy trộn đủ cho phép các hạt keo khác bao quanh nó

Thuyết hàng rào năng lượng giúp giải thích tại sao các hạt lớn lại dễ dàng keo tụ và tạo bông, trong khi các hạt nhỏ hơn thì không thể: với cùng một vận tốc thì các hạt lớn hơn có khối lượng lớn hơn và – dĩ nhiên – dễ dàng có đủ năng lượng để vượt qua được hàng rào năng lượng.

Vấn đề gặp phải khi định lượng các chất trợ keo tụ

Phương pháp truyền thống

Phương pháp truyền thống dựa trên thí nghiệm Jar test để quyết định lượng chất trợ keo tụ cần châm vào là bao nhiêu

Hình 1.11: Làm giảm điện tích bề mặt hạt keo

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

15 Kết quả từ thí nghiệm Jar test cho ta biết chính xác lượng hóa chất trợ keo tụ cần châm vào hệ thống dưới một giá trị pH nhất định Phương pháp truyền thống có những nhược điểm như sau:

- Chất lượng đầu vào của nguồn nước là không ổn định, nó thay đổi theo ngày, theo mùa, theo thủy triều Do đó lượng hóa chất trợ keo tụ phải được thay đổi thường xuyên Để xác định lượng hóa chất trợ keo tụ thích hợp, thí nghiệm Jartest sẽ được tiến hành với nguồn nước đầu vào định kỳ Quá trình lấy mẫu nước để thực hiện Jartest thường tốn rất nhiều thời gian:

 Lấy mẫu nước nguồn, lấy mẫu hóa chất trợ keo tụ, thực hiện thí nghiệm, đánh giá kết quả Thời gian thực hiện thí nghiệm kéo dài 1 – 2 giờ

 Công nhân vận hành dựa trên lưu lượng nước sẽ tính toán lưu lượng bơm hóa chất và điều chỉnh trên hệ thống Khoảng thời gian dành hao phí lớn và gây tiêu tốn nhân công nhà máy

- Trong thời gian thí nghiệm, nếu lượng chất trợ keo tụ cần dùng thấp hơn kết quả thí nghiệm Jar test thì sẽ tiêu hao nhiều hóa chất

- Khi ô nhiễm ở đầu vào tăng cao, hệ thống xử lý không thể phản ứng kịp vì tiêu tốn thời gian cho Jartest, lượng nước này không được xử lý đúng.

Sử dụng thiết bị đo độ đục

Công nghệ keo tụ tạo bông được diễn ra ở 3 vị trí trong công trình xử lý:

- Bể trộn: so với khối lượng nước thì lượng chất trợ keo tụ cho vào rất nhỏ nhưng phản ứng lại diễn ra rất nhanh ngay sau khi tiếp xúc với nước, vì vậy phải khuấy trộn thật nhanh và đều vào nước Khuấy trộn sẽ tạo dòng chảy rối trong nước và được đánh giá dựa vào cường độ và thời gian khuấy trộn Thông thường để đạt hiệu quả phản ứng và khuấy trộn tốt nhất thì giá trị gradient vận tốc nằm trong khoảng 200 – 1000s –1 trong thời gian 1 giây đến 2 phút

- Bể tạo bông: là nơi các hạt keo đã bị mất ổn định bắt dính lại với nhau để tạo các hạt lớn Chất trợ keo tụ cho vào sẽ tạo các hạt nhân keo tụ, sau đó các chất điều chỉnh độ kiềm sẽ được cho vào nhằm làm tăng hiệu quả quá trình keo tụ Đặc biệt các chất kiềm hóa và chất trợ tạo bông (polymer) không được

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

16 cho vào trước chất trợ keo tụ vì sẽ phản ứng với chất trợ keo tụ làm giảm hạt nhân keo tụ Chất kiềm hóa phải được cho vào sau khoảng 15 giây đến 1 phút

- Bể lắng: các bông cặn sau khi tạo thành sẽ được loại bỏ khỏi nước tại bể lắng Vận tốc nước trong bể lắng phải được duy trì thấp sao cho tốc độ rơi hạt cặn đủ lớn để tách khỏi dòng nước

Thiết bị đo độ đục hoạt động trên nguyên tắc cảm biến quang Trong 3 công đoạn xử lý đó, việc đặt thiết bị đo độ đục là một thách thức Trong hai công đoạn đầu kể trên, nước thô luôn được khuấy động để đảm bảo tính hiệu quả của chất trợ keo tụ Thiết bị đo độ đục do đó không thể đo chính xác lượng chất rắn lơ lửng có trong nước bẩn Hiệu quả nhất khi sử dụng thiết bị đo độ đục là khi đặt thiết bị ở công đoạn bể lắng

Các khó khăn khi sử dụng thiết bị đo độ đục:

- Thiết bị đo độ đục phải được thiết kế vị trí đo hợp lý trong bể lắng (hoặc đo thông qua đường trích nước của bể lắng)

- Kết quả đo có độ trễ tuy nhanh hơn so với dùng thí nghiệm Jartest, nhưng vẫn mất thời gian khá dài do không đo trực tiếp tại bể khuấy trộn

- Thiết bị đo độ đục ngoài đo độ đục bao gồm các hạt keo (có khả năng keo tụ các chất), và các loại chất lơ lửng khác như: Chất rắn lơ lửng, chất hữu cơ, các ion trong môi trường, màu, tảo, vi khuẩn, vi sinh vật… nên phép đo không chính xác với mục tiêu cần đo

- Các giá trị độ đục đo được cần được thống kê với số lượng đủ lớn và biên độ dao động của nước bẩn đầu vào không quá cao thì lượng châm hóa chất trợ keo tụ mới được đảm bảo

Phương pháp hiện đại trên thế giới là sử dụng các thiết bị đo điện thế  on- line để thay thế cho các phương pháp truyền thống và cho kết quả chính xác và nhanh hơn rất nhiều so với các phương pháp còn lại.

Sơ đồ hệ thống châm chất trợ keo tụ sử dụng phép đo điện thế Zeta

Sơ đồ chung cho quy trình xử lý nước bẩn với phương pháp sử dụng thiết bị đo điện thế  như sau:

Bơm định lượng hóa chất ổn định pH

Bơm định lượng Hóa chất trợ keo tụ

Cảm biến pH Thiết bị đo thế 

Bể keo tụ  tạo bông Đ ườ ng tr íc h n ướ c

Nước bẩn đàu vào bể keo tụ Nước đầu ra bể keo tụ

Bộ đo và điều khiển (Controller)

T ín h iệ u đo T ín h iệ u đo

Tín hiệu điều khiển Tín hiệu điều khiển Tín hiệu điều khiển

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý cho hệ thống châm Hóa chất trợ keo tụ  tạo bông.

18 Ta có thể hiểu với sơ đồ khối như sau:

(định lượng hóa chất châm)

Sensor (pH, ) pH,  output pH,  set point

Hình 1.13: Sơ đồ khối hệ thống châm hóa chất trợ keo tụ  tạo bông

1.6 Mục tiêu nghiên cứu và phạm vi đề tài:

Các hệ thống định lượng chất trợ keo tụ trong xử lý nước bẩn hiện nay ở nước ta hầu hết chỉ dừng lại ở việc dùng các phương pháp truyền thống, phương pháp đo độ đục, hoặc kết hợp cả hai phương pháp để xây dựng cụm hệ thống định lượng hóa chất trợ keo tụ Việc này phần lớn dựa vào kinh nghiệm và mang tính chủ quan cao Các nhà thầu xây dựng hệ thống nước xử lý nước sạch hiện nay đang tìm kiếm những giải pháp thay thế có xu hướng tiết kiệm hóa các chi phí liên quan, đặc biệt là chi phí cho hóa chất

Vì thế, mục tiêu của đề tài sẽ hướng đến:

- Nâng cấp hệ thống xử lý nước bẩn thông thường (theo tỷ lệ) thành hệ thống đo và điều khiển có tính chính xác hơn

- Giảm được các khoảng thời gian chờ

- Giảm được các chi phí khi sử dụng các phương pháp châm hóa chất thường được sử dụng hiện nay (chi phí hóa chất, chi phí nhân công,…)

- Tăng tính hiệu quả trong công tác định lượng hóa chất

Yếu tố ảnh hưởng đến giá trị đo điện thế Zeta bao gồm cả sự thay đổi về độ pH, lưu lượng và cả nhiệt độ, vì vậy, các giá trị giới hạn được quy định như sau:

- Độ pH nước lấy sử dụng làm mẫu đo phải ổn định: pH 6.8 – pH 7.2 - Lưu lượng nước chảy qua thiết bị đo mẫu là 60 l/h

- Mẫu đo được giới hạn về thể tích - Nhiệt độ thực hiện thí nghiệm: ở nhiệt độ phòng

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

PHƯƠNG ÁN THỰC NGHIỆM VÀ MÔ HÌNH TRIỂN KHAI THỰC TẾ

2.1 Lý thuyết về dòng điện bề mặt và mối liên hệ với điện thế Zeta 2.1.1 Dòng điện bề mặt (Streaming Current) – điện thế bề mặt (Streaming potential):

Hiệu ứng điện thế bề mặt (hay dòng điện bề mặt) là quá trình ngược của hiện tượng điện chuyển, xuất hiện khi một hạt di chuyển trong một dòng nước hoặc ngược lại, dòng nước di chuyển qua hạt, tồn tại sự chênh lệch về mặt điện thế giữa các hạt điện

Hiện tượng trên thường xuất hiện khi nước chứa các hạt mang điện được cưỡng bức đi qua bộ lọc Các hạt mang điện tích âm bị vướng lại trên bộ lọc, trong khi đó các ion mang điện tích dương linh động (mobility) lại bị trôi theo dòng Sự phân ly về mặt điện thế này được gọi là điện thế bề mặt (Streaming Potential)

Nếu có thể dùng các điện cực để đo thuận dòng và ngược dòng của bộ lọc thì điện thế bề mặt này hoàn toàn có thể đo lường được Điện cực ở vị trí ngược dòng sẽ là điện cực âm và ở xuôi dòng sẽ là cực dương

Việc hình thành sự chênh lệch điện áp sẽ dẫn đến trong nước một dòng các hạt tải điện, được gọi là dòng điện bề mặt (Streaming Current hay SC), để làm giảm lại sự chênh lệch điện áp Điện thế bề mặt do đó sẽ phụ thuộc nhiều vào độ dẫn điện của chất lỏng Nếu các cực đo được nối lại với nhau bằng đường dẫn (hay thiết bị đo) có độ dẫn điện cao hơn nhiều so với nước, thì dòng dịch chuyển các hạt điện tích sẽ hầu hết đi qua con đường này Do đó, dòng điện bề mặt cho giá trị tương đối chính xác hơn điện thế bề mặt do không phụ thuộc nhiều vào độ dẫn điện của nước

2.1.2 Thiết bị đo điện thế bề mặt (dòng điện bề mặt)

Thiết bị đo dòng điện bề mặt (Streaming current meter (SCM)) được phát minh vào năm 1966 bởi F.W Gerdes Các bộ đo SCM hiện đại luôn lấy nền tảng của phát minh cơ bản này, cụ thể như sau:

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo Streaming Current

- Nước mẫu (sample) sẽ được dẫn qua buồng hoạt động của bộ đo

- Chuyển động tịnh tiến của piston được truyền động bởi một motor sẽ tạo thành dòng nước thuận và nghịch liên tục bên trong khoang (chamber) (thông thường sẽ khoảng 4 – 5 nhịp trong một giây)

- Giữa bề mặt khoang và trục có một khoảng cách cố định (thông thường là một vòng xuyến (annulus)) khoảng 200 – 500m Tại nơi đây, ta đặt các cực đo để đo được giá trị SC

- Giá trị đo SC được đo bởi các cực sẽ tỷ lệ với vận tốc dòng nước và luân phiên theo thời gian với nhịp của piston Tín hiệu này thường rơi vào khoảng 0.05A đến 5A

- Công thức liên hệ giữa giá trị SC và điện thế Zeta  được thể hiện qua công thức như sau:

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

- I: Cường độ dòng điện bề mặt trung bình;

- s: Chiều dài của piston - ω: Tần số góc của motor (vòng/s); ε: hằng số điện môi của dung dịch - ζ: Điện thế Zeta; r: Bán kính của Piston

- R: Bán kính của buồng - k: hằng số điện

- f(): Hàm tính khoảng cách giữa bề mặt buồng hoạt động và piston, phụ thuộc vào thiết kế của thiết bị đo

Giá trị đo SC lúc này hoàn toàn có thể đóng vai trò tương đương như điện thế

Zeta, ta có thể đánh giá việc châm định lượng hóa chất PAC qua giá trị đo này Đo giá trị SC trong một khoang chứa có nhiều thuận lợi hơn so với đo trực tiếp theo dòng nước:

- Đầu ra được cách điện và lỗi xuất hiện bởi các nguồn khác được loại bỏ

- Tín hiệu nhận được luân phiên theo tần số cố định của piston, cho phép tách ra được nhiễu bên ngoài và khoảng lệch (external noise and offset) bởi hiện tượng điện cực trôi và tính không đối xứng

- Ở khía cạnh thực tế, thiết bị sử dụng buồng có thể tránh được các loại nhiễu do điện, và có thể vệ sinh thiết bị một cách dễ dàng Đơn vị đo của SC là Ampere Tuy nhiên, do tồn tại sự thiếu liên hệ của giá trị SC đo bằng Ampere đối với các thông số hóa lý khác, nên giá trị đo SC bằng

Ampere sẽ được chuyển thành một dạng đơn vị khác với mục đích thuận tiện hơn và dễ thiết lập giá trị danh định hơn

Tầm đo tương đương theo thiết bị đang sử dụng là: –1000mV đến 1000mV

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

2.1.3 Ứng dụng của thiết bị đo SC trong quá trình xử lý nước

Bộ điều khiển Bơm định lượng hóa chất Đến công đoạn khử trùng

Hình 2.2: Vòng lặp hệ thống tự động định lượng PAC

Theo quy trình tổng thể như trên, ta cần lưu ý những điểm như sau:

- Giá trị đo SC là tương đương với điện thế Zeta, nhưng các hệ số tính sẽ khó xác định Cách sử dụng hữu hiệu thiết bị đo SC là thực hiện thí nghiệm

Jartest và chọn ra một mẫu chuẩn (điện thế Zeta đạt giá trị tối ưu nhất và thông thường rơi vào khoảng 3mV), từ đó ta đo mẫu chuẩn để được giá trị SC cài đặt (set point) cho hệ thống Ta có thể chọn điểm này làm Zero point và thực hiện hiệu chuẩn thiết bị tại điểm Zero này

Lý thuyết về điện thế bề mặt và mối liên hệ với điện thế Zeta

Dòng điện bề mặt (Streaming Current)

Hiệu ứng điện thế bề mặt (hay dòng điện bề mặt) là quá trình ngược của hiện tượng điện chuyển, xuất hiện khi một hạt di chuyển trong một dòng nước hoặc ngược lại, dòng nước di chuyển qua hạt, tồn tại sự chênh lệch về mặt điện thế giữa các hạt điện

Hiện tượng trên thường xuất hiện khi nước chứa các hạt mang điện được cưỡng bức đi qua bộ lọc Các hạt mang điện tích âm bị vướng lại trên bộ lọc, trong khi đó các ion mang điện tích dương linh động (mobility) lại bị trôi theo dòng Sự phân ly về mặt điện thế này được gọi là điện thế bề mặt (Streaming Potential)

Nếu có thể dùng các điện cực để đo thuận dòng và ngược dòng của bộ lọc thì điện thế bề mặt này hoàn toàn có thể đo lường được Điện cực ở vị trí ngược dòng sẽ là điện cực âm và ở xuôi dòng sẽ là cực dương

Việc hình thành sự chênh lệch điện áp sẽ dẫn đến trong nước một dòng các hạt tải điện, được gọi là dòng điện bề mặt (Streaming Current hay SC), để làm giảm lại sự chênh lệch điện áp Điện thế bề mặt do đó sẽ phụ thuộc nhiều vào độ dẫn điện của chất lỏng Nếu các cực đo được nối lại với nhau bằng đường dẫn (hay thiết bị đo) có độ dẫn điện cao hơn nhiều so với nước, thì dòng dịch chuyển các hạt điện tích sẽ hầu hết đi qua con đường này Do đó, dòng điện bề mặt cho giá trị tương đối chính xác hơn điện thế bề mặt do không phụ thuộc nhiều vào độ dẫn điện của nước.

Thiết bị đo điện thế bề mặt (dòng điện bề mặt)

Thiết bị đo dòng điện bề mặt (Streaming current meter (SCM)) được phát minh vào năm 1966 bởi F.W Gerdes Các bộ đo SCM hiện đại luôn lấy nền tảng của phát minh cơ bản này, cụ thể như sau:

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo Streaming Current

- Nước mẫu (sample) sẽ được dẫn qua buồng hoạt động của bộ đo

- Chuyển động tịnh tiến của piston được truyền động bởi một motor sẽ tạo thành dòng nước thuận và nghịch liên tục bên trong khoang (chamber) (thông thường sẽ khoảng 4 – 5 nhịp trong một giây)

- Giữa bề mặt khoang và trục có một khoảng cách cố định (thông thường là một vòng xuyến (annulus)) khoảng 200 – 500m Tại nơi đây, ta đặt các cực đo để đo được giá trị SC

- Giá trị đo SC được đo bởi các cực sẽ tỷ lệ với vận tốc dòng nước và luân phiên theo thời gian với nhịp của piston Tín hiệu này thường rơi vào khoảng 0.05A đến 5A

- Công thức liên hệ giữa giá trị SC và điện thế Zeta  được thể hiện qua công thức như sau:

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

- I: Cường độ dòng điện bề mặt trung bình;

- s: Chiều dài của piston - ω: Tần số góc của motor (vòng/s); ε: hằng số điện môi của dung dịch - ζ: Điện thế Zeta; r: Bán kính của Piston

- R: Bán kính của buồng - k: hằng số điện

- f(): Hàm tính khoảng cách giữa bề mặt buồng hoạt động và piston, phụ thuộc vào thiết kế của thiết bị đo

Giá trị đo SC lúc này hoàn toàn có thể đóng vai trò tương đương như điện thế

Zeta, ta có thể đánh giá việc châm định lượng hóa chất PAC qua giá trị đo này Đo giá trị SC trong một khoang chứa có nhiều thuận lợi hơn so với đo trực tiếp theo dòng nước:

- Đầu ra được cách điện và lỗi xuất hiện bởi các nguồn khác được loại bỏ

- Tín hiệu nhận được luân phiên theo tần số cố định của piston, cho phép tách ra được nhiễu bên ngoài và khoảng lệch (external noise and offset) bởi hiện tượng điện cực trôi và tính không đối xứng

- Ở khía cạnh thực tế, thiết bị sử dụng buồng có thể tránh được các loại nhiễu do điện, và có thể vệ sinh thiết bị một cách dễ dàng Đơn vị đo của SC là Ampere Tuy nhiên, do tồn tại sự thiếu liên hệ của giá trị SC đo bằng Ampere đối với các thông số hóa lý khác, nên giá trị đo SC bằng

Ampere sẽ được chuyển thành một dạng đơn vị khác với mục đích thuận tiện hơn và dễ thiết lập giá trị danh định hơn

Tầm đo tương đương theo thiết bị đang sử dụng là: –1000mV đến 1000mV

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Ứng dụng của thiết bị đo SC trong quá trình xử lý nước

Bộ điều khiển Bơm định lượng hóa chất Đến công đoạn khử trùng

Hình 2.2: Vòng lặp hệ thống tự động định lượng PAC

Theo quy trình tổng thể như trên, ta cần lưu ý những điểm như sau:

- Giá trị đo SC là tương đương với điện thế Zeta, nhưng các hệ số tính sẽ khó xác định Cách sử dụng hữu hiệu thiết bị đo SC là thực hiện thí nghiệm

Jartest và chọn ra một mẫu chuẩn (điện thế Zeta đạt giá trị tối ưu nhất và thông thường rơi vào khoảng 3mV), từ đó ta đo mẫu chuẩn để được giá trị SC cài đặt (set point) cho hệ thống Ta có thể chọn điểm này làm Zero point và thực hiện hiệu chuẩn thiết bị tại điểm Zero này

- Bơm định lượng hóa chất là thiết bị bơm thể tích chính xác, do đó, giá trị đo SC cần được chuyển thành giá trị nồng độ PAC đang tồn tại trong nước để đánh giá thể tích hóa chất cần châm vào

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

So sánh giữa cảm biến đo độ đục và cảm biến SC

Hình 2.3: Mối quan hệ giữa nồng độ châm của chất trợ keo tụ với độ đục (NTU) và SC

Giả sử ta đang cài đặt một mức nước thỏa mãn các yêu cầu đề ra, thường là nước có độ đục thấp (Desired Water Quality) Ta dễ dàng nhận thấy khoảng hóa chất có thể tiết kiệm được khi sử dụng thiết bị đo SC so với khi đo độ đục

Bảng bên dưới cho ta giá trị đo thực tế:

Hình 2.4: Thực tế đo SC và độ đục khi châm PAC

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Phương án lấy mẫu thí nghiệm

Giả lập mức độ bẩn của nước bằng huyền phù

- Nước sinh hoạt: 10l - Huyền phù: dùng giả lập chất rắn lơ lửng trong nước, dùng CaCO3 - Nồng độ sử dụng: 10%, 20%, 30%

- Độ pH của nước: đã qua kiểm soát: dao động trong khoảng pH 6.8 ~ 7.2 - Giá trị đo: điện thế bề mặt (Streaming current), đơn vị mV

- Lưu lượng nước chảy qua thiết bị: 60l/h (theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất b Kết quả dự kiến:

- Theo lý thuyết, phép đo điện thế bề mặt có giá trị tỷ lệ với điện thế Zeta

- Kết quả đo sẽ giảm dần theo độ hòa tan của chất huyền phù: nước chứa càng nhiều chất rắn lơ lửng thì có giá trị điện thế bề mặt thấp c Kết quả thực tế:

Phép đo sử dụng thiết lập của nhà sản xuất (cảm biến được hiệu chuẩn với nước cất):

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

25 - Lần đo 1: nước sinh hoạt (potable water)

Hình 2.5: Giá trị điện thế bề mặt của nước sinh hoạt

Giá trị điện thế bề mặt nước sinh hoạt: –208mV: giá trị này phản ánh đúng thực tế trong nước sinh hoạt có rất ít nồng độ chất có khả năng keo tụ chất bẩn

- Lần đo 2: Nồng độ CaCO3 10% trong nước

Hình 2.6: Giá trị điện thế bề mặt của nước sinh hoạt khi cho thêm huyền phù CaCO 3

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

26 - Lần đo 3: Nồng độ CaCO3 15% trong nước:

Hình 2.7: Giá trị điện thế bề mặt của nước sinh hoạt khi cho thêm huyền phù CaCO 3 (lần 2)

- Lần đo 4: Nồng độ CaCO3 20% trong nước:

Hình 2.8: Giá trị điện thế bề mặt của nước sinh hoạt khi cho thêm huyền phù CaCO 3 (lần 3)

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

27 - Lần đo 5: Nồng độ CaCO3 25% trong nước:

Hình 2.9: Giá trị điện thế bề mặt của nước sinh hoạt khi cho thêm huyền phù

Thực tế phép đo cho thấy, giá trị điện thế bề mặt không giảm theo dự kiến, mà ngược lại còn tăng theo sự gia tăng nồng độ CaCO3 trong nước d Nguyên nhân và hướng giải quyết:

- Nguyên nhân: Huyền phù CaCO3 được sử dụng có khả năng keo tụ và lắng các chất rắn lơ lửng, đóng vai trò tương tự như hóa chất PAC nhưng tính hiệu quả không cao, không phù hợp cho việc mô phỏng thực nghiệm thiết bị

- Hướng giải quyết: o Cho thêm huyền phù PVSK hoặc PesNa (Anionic) để có được giá trị điện thế bề mặt giảm Khó thực hiện bởi các loại huyền phù này mang giá thành cao và khó tìm o Hoặc sử dụng mẫu đo có thể đo được điện thế bề mặt ban đầu, sau đó thêm vào chất trợ keo tụ với nồng độ thấp để lấy giá trị mẫu

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Sử dụng mẫu nước bẩn đo từ một nguồn cố định

Hình 2.10: Mẫu nước và lưu lượng dòng chảy

- Nơi lấy mẫu: Kênh Tàu Hủ, phía dưới chân cầu Calmette, Quận 4, TP.HCM

- Thời gian lấy mẫu trong ngày: 13h45 - Thể tích nước có chất bẩn lơ lửng: 10l - Độ pH của nước: dao động trong khoảng pH 6.9 ~ 7.1 - Lưu lượng nước chảy qua thiết bị: 60l/h (theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất)

- Giá trị đo: điện thế bề mặt (Streaming current), đơn vị mV b Khả năng sử dụng của hóa chất trợ keo tụ PAC:

- Hóa chất trợ keo tụ PAC được sử dụng là dạng bột, có nồng độ 31%

- Pha hóa chất trợ keo tụ với tỷ lệ: 1 lít nước cất pha thêm 100g PAC 31%

- Nồng độ dung dịch sau khi pha: ~3%

- Khả năng sử dụng: o Hai mẫu tương đương lấy từ nước thực nghiệm, mỗi mẫu 0.5l:

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hình 2.11: Hai mẫu nước tương đương o Dùng thiết bị châm chuẩn (chính xác đến 1ml), để châm vào 100ml PAC 3% vào một trong hai mẫu nước trên, khuấy đều để tạo điều kiện kết tủa nhanh:

Hình 2.12:Châm PAC bằng thiết bị châm chuẩn o Kết quả sau khoảng 1 phút (mẫu bên phải):

Hình 2.13: Kết quả mẫu nước được châm PAC (bên phải)

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

30 o Tách cặn đã được keo tụ:

Hình 2.14: Mẫu nước sau khi được tách cặn (bên phải) o So sánh: Mẫu chưa xử lý (bên trái) và mẫu đã xử lý (bên phải)

Hình 2.15: So sánh kết quả mẫu nước

- Kết quả có thể quan sát được ngay cả với PAC nồng độ thấp c Dữ liệu đo:

- Giá trị đo ban đầu trung bình của nước mẫu: –20.5mV

- Thời gian chờ lấy kết quả giữa hai lần đo liên tiếp: 1 phút

- Số liệu được thu thập bằng cách châm 100 lần hóa chất PAC, mỗi lần châm thêm 50l vào mẫu nước bẩn

- Các giá trị đo lần đầu được thu thập theo bảng sau:

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Thể tích châm (l) (cộng dồn) Nồng độ (mg/l) SC (mV)

Bảng 2.1: Dữ liệu châm và đo cho 100 lần châm (thu gọn)

Dựa vào sự thay đổi tăng của giá trị đo SC, ta có thể sử dụng mẫu bẩn đồng nhất ban đầu và châm tuần tự một lượng hóa chất nhất định vào mẫu và đo đạc thu thập dữ liệu

2.3 Phương án thiết kế và mô hình thực tế triển khai

Phương án thiết kế có các thiết bị chính như sau:

- Cụm mẫu nước và bơm tuần hoàn: bồn chứa nước mẫu 40l, bơm nước tuần hoàn, máy khuấy

- Cụm cân bằng pH, gồm cảm biến pH và thiết bị điều khiển pH, 2 bơm định lượng cân bằng pH (bơm định lượng hóa chất NaOH và HCl) của hãng ProMinent

- Cụm đo và châm tự động PAC: gồm thiết bị đo SC của hãng Micrometrix và bơm định lượng PAC của hãng ProMinent

Hình 2.16: Thiết kế sơ bộ thiết bị châm và định lượng PAC tự động

Hình 2.17: Hệ thống thực tế triển khai tại Nhà máy nước Khu Liên Hợp – tỉnh Bình Dương

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

CHƯƠNG 3 HÀM NỘI SUY CỦA GIÁ TRỊ ĐO ĐIỆN THẾ BỀ MẶT

VÀ NỒNG ĐỘ CHẤT TRỢ KEO TỤ

3.1 Xây dựng hàm nội suy

Theo chương 2 đã đề cập về phương án lấy mẫu đo, tác giả đã thực hiện lấy mẫu và đo mẫu theo phương pháp như sau:

- Có 21 mẫu nước bẩn được lấy, mỗi mẫu 10l nước bẩn (chương 4)

- Ở mỗi mẫu, thực hiện châm 100 lần, mỗi lần 50l hóa chất PAC 3%

- Thời gian chờ lấy mẫu cho mỗi lần châm để PAC phân tán đều trong nước bẩn là 1 phút

- Giá trị được thể hiện trên đồ thị bên dưới là giá trị trung bình được trích từ 18 mẫu (được tính toán ở chương 4) sau khi đã loại bỏ sai số thô:

Hình 3.1: Đồ thị tương quan giữa nồng độ PAC và Điện thế bề mặt

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

3.1.1 Hàm nội suy (1) – suy đoán dựa vào hình dáng đường đặc tuyến

- Dựa vào hình dáng của dữ liệu ghi nhận được, hàm nội suy giữa nồng độ hóa chất PAC và điện thế bề mặt đối với mẫu đo có thể có dạng: b xae  u k với x là giá trị điện thế bề mặt, u là nồng độ hóa chất châm

Ta có thể nhận thấy giá trị k 20 do 0

X ae  u (dựa theo kết quả thí nghiệm), với X = x + 20 Sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu, ta có: ln ln b u b

 , với c = ln a Giá trị c và b được tính dựa trên điều kiện: J 0; J 0 c b

Ta có kết quả như sau: x  52.8382 e  0.4767 u  20 1  

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hình 3.2: Hàm nội suy (1) – suy đoán theo hình dạng đường đặc tuyến

- Chất lượng của đường nội suy: Đặt 100   2

3.1.2 Hàm nội suy (2) – suy đoán dựa vào hình dáng đường đặc tuyến:

- Dựa vào hình dáng của dữ liệu ghi nhận được, hàm nội suy giữa nồng độ hóa chất PAC và điện thế bề mặt đối với mẫu đo có thể có dạng:

( , 0) x   a be  cu b c  với x là giá trị điện thế bề mặt, u là nồng độ hóa chất châm

Do hàm x = f (u) có tiệm cận ngang tại a và dựa vào hình dáng của dữ liệu, ta có thể viết a = 33.0001 (do tiệm cận nên tránh trường hợp bằng đúng 33 – là giá trị tới hạn đo được)

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

37 Dữ liệu được lặp lại khá nhiều sau lần thử thứ 50, ta vẽ các đồ thị dựa trên 50 giá trị ban đầu: Đặt X   a x , ta có: X be  cu lnX lnb cu lnX  d cu với d = lnb Sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu, ta có: Đặt 100   2

    Giá trị d và c được tính dựa trên điều kiện

 Ta có kết quả như sau: x33.0001 57.4852 e  0.5901 u  x a 0a e 1  u  2

Hình 3.3: Hàm nội suy (2) – suy đoán theo hình dạng đường đặc tuyến

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

38 - Chất lượng của đường nội suy: Đặt 100   2

3.1.3 Hàm nội suy (3) – sử dụng các hệ trục semi-log và log-log

Ta nhận thấy các giá trị được lặp lại khá nhiều sau 60 giá trị ban đầu, thực hiện kiểm tra thông tin thu thập được trên các dạng đồ thị phổ biến như log – log, semi – log (kiểm tra tính tuyến tính), ta được kết quả như sau :

Hình 3.4: Hệ trục log – log

- Hệ trục semi-log (Logarigthm of Streaming Current):

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hình 3.5: Hệ trục semi – log (logarith cơ số 10 của SC)

- Hệ trục semi-log (Logarigthm of Concentration):

Hình 3.6: Hệ trục semi – log (logarithm cơ số 10 của nồng độ)

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

40 Nhận thấy rằng, đồ thị semi-log của nồng độ hóa chất châm có dạng tuyến tính nhất nên được lựa chọn để tính toán nội suy:

- Hàm nội suy có dạng: x  a ln u  b Đặt 60   2

   Giá trị a và b được tính dựa trên điều kiện:

Ta có kết quả như sau: x  12.7308ln u  6.7661 3  

- Chất lượng của đường nội suy: 1 J 0.9870 r   S 

Hình 3.7: Hàm nội suy theo logarithm cơ số 10 của nồng độ hóa chất châm

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

3.2 Kết quả và lựa chọn hàm nội suy:

Dựa vào ba kết quả khả dụng nhất (có r > 0.9), ta có các nhận xét sau:

- Nếu dữ liệu được dự đoán trước sẽ không tăng và ổn định ở giá trị 33mV (giả sử ổn định đến giá trị thứ 150) khi châm thêm hóa chất, ta dễ dàng nhận thấy hàm nội suy mô tả theo dạng b xae  u k sẽ cho giá trị bám sát dữ liệu thu thập:

Hình 3.8: Hàm nội suy theo dạng mũ với 150 lần thử (giả sử)

Lúc này hàm nội suy sẽ có dạng:

53.4046 u 20 x e   Ở trường hợp này, mẫu đo có giá trị ban đầu là –20mV, giá trị này có thể thay đổi và có thể còn thấp hơn nếu mẫu chứa nhiều hạt lơ lửng hơn mẫu thực nghiệm hoặc mẫu đo có nồng độ chất có khả năng keo tụ ban đầu thấp, nên

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

42 đường nội suy (1) chỉ có thể đúng với các trường hợp có giá trị đo ban đầu khi chưa châm hóa chất lớn hơn –20mV

- Khi sử dụng đường nội suy (2), đường nội suy sẽ cho kết quả bám tốt với dữ liệu thu thập được trong 50 giá trị ban đầu, khi số lần thử mẫu lớn hơn (sau lần châm thứ 70) thì kết quả bám khá tốt với dữ liệu thu thập:

Hình 3.9: Kết quả bám tốt cho số lần thử mẫu lớn

- Khi sử dụng đường nội suy (3), đường nội suy sẽ cho kết quả bám tốt với dữ liệu thu thập được trong khoảng 60 giá trị ban đầu, nhưng khi số lượng mẫu tăng thì kết quả bám sẽ không tốt:

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hình 3.10: Sự phân ly của hàm nội suy logarithm với dữ liệu đo

Ta chọn hàm nội suy (2) x  33.0001 57.4852  e  0.5901 u để mô tả mối tương quan của nồng độ hóa chất trợ keo tụ châm vào và điện thế bề mặt cho mẫu 10l nước thực nghiệm

3.3 Xây dựng phương trình vi phân của hàm nội suy

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hình 3.11: Đồ thị hàm nội suy theo thời gian với u(t) = 0.15t

Hình 3.12: Biểu diễn xấp xỉ nghiệm phương trình vi phân bằng phương pháp Euler

Xây dựng hàm nội suy

Hàm nội suy (1) – suy đoán dựa vào hình dáng đường đặc tuyến

- Dựa vào hình dáng của dữ liệu ghi nhận được, hàm nội suy giữa nồng độ hóa chất PAC và điện thế bề mặt đối với mẫu đo có thể có dạng: b xae  u k với x là giá trị điện thế bề mặt, u là nồng độ hóa chất châm

Ta có thể nhận thấy giá trị k 20 do 0

X ae  u (dựa theo kết quả thí nghiệm), với X = x + 20 Sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu, ta có: ln ln b u b

 , với c = ln a Giá trị c và b được tính dựa trên điều kiện: J 0; J 0 c b

Ta có kết quả như sau: x  52.8382 e  0.4767 u  20 1  

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hình 3.2: Hàm nội suy (1) – suy đoán theo hình dạng đường đặc tuyến

- Chất lượng của đường nội suy: Đặt 100   2

Hàm nội suy (2) – suy đoán dựa vào hình dáng đường đặc tuyến

- Dựa vào hình dáng của dữ liệu ghi nhận được, hàm nội suy giữa nồng độ hóa chất PAC và điện thế bề mặt đối với mẫu đo có thể có dạng:

( , 0) x   a be  cu b c  với x là giá trị điện thế bề mặt, u là nồng độ hóa chất châm

Do hàm x = f (u) có tiệm cận ngang tại a và dựa vào hình dáng của dữ liệu, ta có thể viết a = 33.0001 (do tiệm cận nên tránh trường hợp bằng đúng 33 – là giá trị tới hạn đo được)

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

37 Dữ liệu được lặp lại khá nhiều sau lần thử thứ 50, ta vẽ các đồ thị dựa trên 50 giá trị ban đầu: Đặt X   a x , ta có: X be  cu lnX lnb cu lnX  d cu với d = lnb Sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu, ta có: Đặt 100   2

    Giá trị d và c được tính dựa trên điều kiện

 Ta có kết quả như sau: x33.0001 57.4852 e  0.5901 u  x a 0a e 1  u  2

Hình 3.3: Hàm nội suy (2) – suy đoán theo hình dạng đường đặc tuyến

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

38 - Chất lượng của đường nội suy: Đặt 100   2

Hàm nội suy (3) – sử dụng các hệ trục semi-log và log-log

Ta nhận thấy các giá trị được lặp lại khá nhiều sau 60 giá trị ban đầu, thực hiện kiểm tra thông tin thu thập được trên các dạng đồ thị phổ biến như log – log, semi – log (kiểm tra tính tuyến tính), ta được kết quả như sau :

Hình 3.4: Hệ trục log – log

- Hệ trục semi-log (Logarigthm of Streaming Current):

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hình 3.5: Hệ trục semi – log (logarith cơ số 10 của SC)

- Hệ trục semi-log (Logarigthm of Concentration):

Hình 3.6: Hệ trục semi – log (logarithm cơ số 10 của nồng độ)

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

40 Nhận thấy rằng, đồ thị semi-log của nồng độ hóa chất châm có dạng tuyến tính nhất nên được lựa chọn để tính toán nội suy:

- Hàm nội suy có dạng: x  a ln u  b Đặt 60   2

   Giá trị a và b được tính dựa trên điều kiện:

Ta có kết quả như sau: x  12.7308ln u  6.7661 3  

- Chất lượng của đường nội suy: 1 J 0.9870 r   S 

Hình 3.7: Hàm nội suy theo logarithm cơ số 10 của nồng độ hóa chất châm

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Kết quả và lựa chọn hàm nội suy

Dựa vào ba kết quả khả dụng nhất (có r > 0.9), ta có các nhận xét sau:

- Nếu dữ liệu được dự đoán trước sẽ không tăng và ổn định ở giá trị 33mV (giả sử ổn định đến giá trị thứ 150) khi châm thêm hóa chất, ta dễ dàng nhận thấy hàm nội suy mô tả theo dạng b xae  u k sẽ cho giá trị bám sát dữ liệu thu thập:

Hình 3.8: Hàm nội suy theo dạng mũ với 150 lần thử (giả sử)

Lúc này hàm nội suy sẽ có dạng:

53.4046 u 20 x e   Ở trường hợp này, mẫu đo có giá trị ban đầu là –20mV, giá trị này có thể thay đổi và có thể còn thấp hơn nếu mẫu chứa nhiều hạt lơ lửng hơn mẫu thực nghiệm hoặc mẫu đo có nồng độ chất có khả năng keo tụ ban đầu thấp, nên

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

42 đường nội suy (1) chỉ có thể đúng với các trường hợp có giá trị đo ban đầu khi chưa châm hóa chất lớn hơn –20mV

- Khi sử dụng đường nội suy (2), đường nội suy sẽ cho kết quả bám tốt với dữ liệu thu thập được trong 50 giá trị ban đầu, khi số lần thử mẫu lớn hơn (sau lần châm thứ 70) thì kết quả bám khá tốt với dữ liệu thu thập:

Hình 3.9: Kết quả bám tốt cho số lần thử mẫu lớn

- Khi sử dụng đường nội suy (3), đường nội suy sẽ cho kết quả bám tốt với dữ liệu thu thập được trong khoảng 60 giá trị ban đầu, nhưng khi số lượng mẫu tăng thì kết quả bám sẽ không tốt:

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hình 3.10: Sự phân ly của hàm nội suy logarithm với dữ liệu đo

Ta chọn hàm nội suy (2) x  33.0001 57.4852  e  0.5901 u để mô tả mối tương quan của nồng độ hóa chất trợ keo tụ châm vào và điện thế bề mặt cho mẫu 10l nước thực nghiệm.

Xây dựng phương trình vi phân của hàm nội suy

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hình 3.11: Đồ thị hàm nội suy theo thời gian với u(t) = 0.15t

Hình 3.12: Biểu diễn xấp xỉ nghiệm phương trình vi phân bằng phương pháp Euler

Phương pháp xấp xỉ nghiệm Euler có thể hỗ trợ tốt khả năng lập trình của vi điều khiển dùng làm bộ điều khiển sau này nếu vi điều khiển không hỗ trợ tốt các loại hàm lũy thừa hoặc hàm logarithm

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

THỐNG KÊ KIỂM ĐỊNH HÀM NỘI SUY

Về mặt thống kê, ta cần thực hiện một số lượng đủ thí nghiệm, kết hợp với các phương pháp thống kê để xác định đúng hàm nội suy cho cảm biến Các biện pháp cần thiết sẽ bao gồm:

1 Xác định kích thước mẫu cần thiết (chưa biết phương sai, kích thước mẫu dự kiến n < 30) dựa trên độ tin cậy  cho trước và độ chính xác ước lượng cho trước Tiến hành thực hiện lấy mẫu

2 Khử sai số thô khi chưa biết phương sai  2 3 Xác định phân phối của kết quả thực nghiệm (xác định xem có phải là phân phối chuẩn hay không)

4 Dựa trên dạng của hàm nội suy đã tìm được bằng phương pháp bình phương cực tiểu: Kiểm định các tham số của hàm nội suy và đánh giá khoảng xác định sai lệch của chúng

5 Kiểm tra sự bằng nhau của phương sai

6 Kiểm tra sự tương hợp của hàm nội suy Các bước trên đều được thực hiện cho từng hàm nội suy có thể sử dụng đã tìm được ở chương 3, nhưng kết quả tồn tại một số điểm bị bác bỏ nên hàm nội suy (1) và hàm nội suy (3) theo thực tế tính toán thì không được sử dụng Trong khuôn khổ tóm gọn, tác giả không trình bày các kết quả bị bác bỏ, mà chỉ tập trung trình bày kết quả đúng thu nhận được.

Xác định kích thước mẫu cần thiết

Lý thuyết thống kê

Trong giới hạn trình bày, người viết không muốn đề cập đến các lý thuyết thống kê quá nhiều mà chỉ nêu ra các lý thuyết thống kê cần thiết để phục vụ cho đề tài, cụ thể các lý thuyết thống kê còn lại được trình bày rất nhiều qua các đầu sách khác nhau

Lý thuyết thống kê cần thiết để phục vụ đề tài bao gồm:

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Biến ngẫu nhiên liên tục X có phân bố chuẩn N    , 2  , ký hiệu

X N   s , nếu hàm mật độ có dạng:

   với  là kỳ vọng và   là phương sai của X

Phân bố chuẩn được Gauss tìm ra năm 1809 nên còn được gọi là phân bố

Gauss Phân bố chuẩn thường gặp trong các bài toán về sai số gặp phải khi đo đạc các đại lượng vật lý, thiên văn,…

Trong thực tế, nhiều biến ngẫu nhiên tuân theo quy luật chuẩn hoặc tiệm cận chuẩn (Định lý giới hạn trung tâm) Chẳng hạn : trọng lượng, chiều cao của một nhóm người nào đó, điểm thi của thí sinh, năng suất cây trồng,…

Tính chất đồ thị của hàm mật độ của phân phối chuẩn:

- Nhận trục x =  làm trục đối xứng

- Nhận trục hoành làm tiệm cận ngang khi x   - Diện tích giới hạn bởi đồ thị và trục hoành bằng 1

- Đạt cực đại tại x  và có giá trị cực đại bằng 1

 2 , có hai điểm uốn tại x   

- Khi  tăng thì đồ thị dịch sang phải, khi  giảm thì đồ thị dịch sang trái

- Khi  tăng thì đồ thị sẽ thấp xuống, khi  giảm thì đồ thị cao lên và nhọn hơn

Hình 4.1: Hàm mật độ của phân phối chuẩn N    ; 2 

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

47 Nếu X X 1 , 2 là hai biến ngẫu nhiên độc lập có phân bố chuẩn X 1 ~ N    1 ; 1 2  và

X N   thì tổ hợp tuyến tính bất kỳ của X X 1 , 2 cũng có phân bố chuẩn, đặc biệt X 1  X 2 ~ N   1  2 ; 1 2 2 2  b Phân phối Student T n   :

Biến ngẫu nhiên liên tục T có phân bố Student n bậc tự do, ký hiệu T ~ T n   , nếu hàm mật độ có dạng:

, trong đó    x là hàm Gamma

Phân phối Student là phân phối của biến ngẫu nhiên biểu diễn giá trị trung bình chưa biết của phân phối chuẩn Gauss

Người ta chứng minh được rằng nếu Z ~ N   0;1 , V ~ n 2 , Z và V độc lập thì:

Giá trị tới hạn mức  của phân phối Student n bậc tự do ký hiệu t    n thỏa mãn: P T   t    n   

Hình 4.2: Hàm mật độ của phân phối Student

Hàm mật độ của phân phối Student là hàm chẵn nên đồ thị đối xứng qua trục tung Khi số bậc tự do tăng lên, phân bố Student hội tụ rất nhanh về phân bố chuẩn tắc N   0;1 Do đó, khi n đủ lớn  n  30 , có thể dùng phân bố chuẩn tắc

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

N thay cho phân bố Student Tuy nhiên, khi n nhỏ  n  30 , việc thay thế như trên sẽ gặp sai số lớn

Hình 4.3: Sự hội tụ về phân phối chuẩn tắc khi tăng số bậc tự do n c Phân phối   

Khi có n biến ngẫu nhiên x i , i = 1,2,…,n, mỗi x i tuân theo phân phối chuẩn

Biến ngẫu nhiên có dạng: 2 2

  gọi là phân phối   với n bậc tự do

Phân phối   với n bậc tự do là hàm phân phối của biến ngẫu nhiên liên tục với hàm mật độ xác định trên    ,  có dạng :

Và được gọi là có phân phối   với n – 1 bậc tự do

Với n bậc tự do, ta có :   (n) thì E    2  n D ;    2  2 n

Khi n   , phân phối   có tiệm cận phân phối chuẩn.

Các điều kiện tiền đề

- Thiết bị đo cho ta giá trị điện thế bề mặt và mục tiêu của việc đo đạc là quy đổi giá trị đó thành nồng độ hóa chất trợ keo tụ trong nước Do thể tích hóa chất trong một lần châm thấp (50 l ) và thiết bị châm hóa chất pipet có độ chính xác  1.5 l nên kết quả đo điện thế bề mặt ít bị ảnh hưởng bởi cách châm

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

49 hóa chất, mà sai số của giá trị điện thế bề mặt chủ yếu xuất hiện là sai số ngẫu nhiên

- Theo giả định về phân phối xác suất đối với sai số khi đo các đại lượng vật lý, tổng thể biến ngẫu nhiên gốc X là giá trị dòng điện bề mặt đo lường theo mV tuân theo phân bố chuẩn N    ; 2 (sẽ được kiểm định sau) với giá trị kỳ vọng (tương ứng với mỗi lần châm hóa chất) và phương sai 2 , ta có các nhận định như sau: o Để tiết kiệm thời gian, ta đặt trường hợp số lượng mẫu ở một nồng độ cố định sẽ là một số tự nhiên n < 30, lúc này, tổng số lượt ta thực hiện theo như phương pháp lấy mẫu ban đầu sẽ là 100n3000 lượt thử o Giá trị kỳ vọng  cho mỗi lần châm hóa chất xem như chưa biết o Do thiết bị đo có cấp chính xác   0.1%, giá trị điện thế bề mặt có thể được tính như sau: u  u d  u d , với u là giá trị đo điện thế bề mặt và u d là giá trị danh định, hiển thị trên thiết bị đo, do đó, độ lệch chuẩn  cho mỗi giá trị đo (tương ứng mỗi lần châm hóa chất) là khác nhau, ta xem như phương sai  2 chưa biết.

Tính toán số lượng mẫu thực nghiệm cần thiết

Theo các điều kiện tiền đề, ta thiết lập hệ thống mẫu thực nghiệm dưới trường hợp phương sai  2 chưa biết, kích thước mẫu cho mỗi giá trị đo (ví dụ như ở lần châm thứ 2 trong 100 lần, ta có n mẫu khác nhau) là n < 30

Yêu cầu về độ tin cậy và độ chính xác của ước lượng được đề ra như sau: a Độ tin cậy  = 0.95, hay  =  – 1 = 0.05 b Độ chính xác 0  3 (mV)

Số lượng mẫu cần thiết là số tự nhiên n nhỏ nhất thỏa mãn:

  : độ lệch tiêu chuẩn mẫu

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

50 và t  / 2  n done 1 là tới hạn mức

 của phân bố Student (n done – 1) bậc tự do

Chọn số lượng tính là 3 mẫu thực nghiệm đầu tiên, ta có n done = 3

- Đối với độ lệch chuẩn mẫu S, ta chọn giá trị lớn nhất tương ứng dãy số liệu ứng với mỗi lần châm khác nhau Giá trị S đã được tính toán: S = 2.9059

Vậy, số mẫu cần thử nghiệm n là n17.37, ta chọn n = 18

Số liệu thu thập được (sau khi khử sai số thô) bao gồm 18 lượt thử, mỗi lượt châm 100 lần hóa chất PAC với nồng độ PAC trong nước tăng dần, mỗi lần châm 50l PAC 3%.

Khử sai số thô

Trong số liệu thực nghiệm thu được, có những dữ liệu số chịu ảnh hưởng bởi sai số thô (do thiết bị và các nguyên nhân liên quan)

Với điều kiện ta chưa biết phương sai   , ta thực hiện khử sai số thô như sau:

- Xác định sai số tiêu chuẩn   2

     cho mỗi thứ tự châm hóa chất

- Lập tỷ số so sánh x * x t S

  , với x * là các giá trị đo thực tế ở các lượt trên mỗi thứ tự châm xác định

- Tương ứng với n = 18 kết quả thí nghiệm cho mỗi thứ tự châm hóa chất, kèm theo độ tin cậy xác định P = 60%, nếu t t

 P thì loại bỏ giá trị x * Với tính toán đã được thực hiện, các giá trị chứa sai số thô cần được loại bỏ nằm ở lượt châm 2, 3, 4, ta loại bỏ các giá trị đo ở cả 3 lượt đã nêu

Thực hiện thí nghiệm thêm 3 lượt để đảm bảo đủ số lượng mẫu thực nghiệm.

Xác định phân phối của mẫu thực nghiệm

Từ các giá trị thu được từ thực nghiệm, dựa vào tiêu chuẩn kiểm định   , ta thực hiện theo phương pháp như sau:

- Ta thực hiện kiểm định đối với các giá trị x i trong lần châm thứ i

- Tìm tần suất H i xuất hiện của các giá trị khác nhau trong lần châm thứ i

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

  - Xác suất tuân theo phân phối chuẩn sẽ là p i     t i  t i  1

- Trị số  / 2 p được tra bảng, nó phụ thuộc vào mức bảo đảm (hay mức tin cậy P) cho trước và số bậc tự do f    k s 1, trong đó k là số khoảng chia, s là số tham số của phân phối cần kiểm định Nếu  / 2 p U thì giá trị đo trên mỗi lần châm tuân theo phân phối chuẩn

- Thực hiện tính toán, ta nhận thấy ở lần châm thứ 50, 88 và 89, theo tiêu chuẩn   , không phải là phân phối chuẩn (phụ lục) Tuy nhiên, do sự khác biệt không quá lớn giữa giá trị U và giá trị tra bảng  / 2 p , kèm theo là sự xuất hiện rất ít của yếu tố không phải phân phối chuẩn (3%), ta có thể chấp nhận bảng số liệu là tuân theo phân phối chuẩn.

Xác định sự tồn tại và khoảng tin cậy của các hệ số trong hàm nội suy

Xác định giá trị của các hệ số dựa trên kỳ vọng của các lượt châm

Ta thực hiện tính toán các giá trị hệ số như sau:

- Xét dạng hàm nội suy đã tìm được dưới dạng: x  a 0  a e 1  u , tương ứng với ma trận thực nghiệm:

- Đặt f 0  1; f 1  e  u , ta được ma trận F:

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Kết quả thu được từ tính toán như sau: 0

Kiểm định sự tồn tại của các tham số và đánh giá khoảng tin cậy

Nếu biểu thức sau thực sự tồn tại, tức là a j thực sự tồn tại:

  dư là phư ơng sai dư , tính theo tổng dư bình phư ơng S dư là số thử nghiệm là số cá c tham số cần xá c định, trừ thông số là phân vị mức của luật phân phối Student

 bËc tù do là số hạng thứ của ma trận Đồng thời ta có khoảng tin cậy của a j với độ tin cậy (1 – ) là:

2 2 j jj j j jj a  S d m t n m          a  a  S d m t n m         a Kiểm định và đánh giá khoảng tin cậy của tham số a 0:

- Xác định tổng dư bình phương:

- Giá trị tính kiểm định: 0

- Độ tin cậy 1 –  = 0.95, tra bảng phân phối Student, ta có:

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

00 ˆ 2.12 d a S m  nên a 0 thực sự tồn tại

- Khoảng tin cậy của tham số a 0: 25.3725  a 0  30.4815 b Kiểm định và đánh giá khoảng tin cậy của tham số a 1:

- Giá trị tính kiểm định: 1

- Độ tin cậy 1 –  = 0.95, tra bảng phân phối Student, ta có:

11 ˆ 2.12 d a S m  nên a 1 thực sự tồn tại

- Khoảng tin cậy của tham số a 1:  82.1183    a 1 51.8438

Kiểm tra sự bằng nhau của phương sai s 2 = D(x i )

Do phương sai chưa tường minh, ta cần có một ước lượng của  2 và kiểm tra tính gần đúng của phương sai theo tiêu chuẩn Cochran Ta thực hiện như sau:

- Trên mỗi thí nghiệm thứ i, xác định tại điểm thí nghiệm u i lặp lại r = 18 lần giá trị đầu ra x i1 , x i2 ,…,x ir , ta thực hiện tính:

  : là các giá trị phương sai mẫu trên mỗi thí nghiệm thứ i

- Phương sai tái sinh của biến đầu ra x với số lần lặp lại r = 18 là:

   và được xem như là một ước lượng của  2  D x  

Giả sử biến ngẫu nhiên:   2

Theo tiêu chuẩn Cochran, nếu C t C r  1, ,1 n  thì phương sai của x gần bằng  2 hay cũng là phương sai tái sinh

Tra bảng phân vị Cochran, ta có: C r  1, ,1 n C 17,100, 0.950.03Do thực sự C t C r  1, ,1 n , kết luận ước lượng:  2  D x  

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Kiểm tra sự tương hợp của hàm nội suy

Bước cuối cùng khi kiểm định lại kết quả của hàm nội suy là bước kiểm tra sự tương hợp của hàm nội suy Tiêu chuẩn kiểm tra dựa vào phân phối Fisher – Snedekor và dựa vào trình tự như sau:

- Với điều kiện S d 2  S ts 2 , ta thực hiện tính:

- Tra bảng Fisher giá trị F n r    1 ;  n m   1; 0.999  với độ tin cậy 0.999, ta có giá trị F n r    1 ;  n m   1; 0.999   1.8

- Do thực sự F t  F n r    1 ;  n m   1; 0.999  nên thực nghiệm chấp nhận dạng hàm nội suy đã tìm được.

Bộ điều khiển Fuzzy Controller

Lý thuyết về Fuzzy Control

Hình 5.1: Kiến trúc bộ điều khiển Fuzzy Control

Bộ điều khiển mờ (Fuzzy Controller) được hình thành từ bốn nhân tố chính:

- Cơ sở luật (Rule – bases): là bộ luật bao gồm các phát biểu Nếu – Thì (a set of If – Then rules), trong đó có chứa một lượng luật logic mờ được thiết kế bởi chuyên gia làm sao để đạt đến kết quả điều khiển tốt

- Cơ chế suy luận (“inference mechanism”, “inference engine” hoặc

“fuzzy inference”): dựa vào các quyết định của chuyên gia để “phiên dịch” và

“ứng dụng” tri thức vào việc tìm ra cách để điều khiển hệ thống tốt nhất

- Cơ chế mờ hóa (fuzzification interface): chuyển đổi các đầu vào thành thông tin mà cơ chế suy luận có thể dễ dàng áp dụng và vận dụng các luật vào

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

56 - Cơ chế giải mờ (defuzzification interface): chuyển đổi các quyết định của cơ chế suy luận thành thông tin và chuyển đến các đầu ra của hệ thống.

Các bước xây dựng bộ điều khiển Fuzzy Control

Ta xét bài toán đơn giản như con lắc ngược để cụ thể hóa trình tự thiết kế bộ điều khiển Fuzzy Control, cụ thể như sau: a Lựa chọn các giá trị đầu vào và đầu ra:

Hình 5.2: Bài toán con lắc ngược

Các biến ngôn ngữ được lựa chọn như sau:

- Biến đầu vào: o Error: sai số so với điểm cài đặt (set point) (rad) o Change-in-error: Sự thay đổi về sai số (rad/s)

- Biến đầu ra: Lực u tác dụng lên xe b Đưa ra hệ thống luật (Rule-Bases):

- Luật 1: Nếu Error là Negative-Large và Change-in-error là Negative- Large, thì lực u là Positive-Large

- Luật 2: Nếu Error là Zero và Change-in-error là Positive-Small, thì lực u là Negative-Small

- Luật 3: Nếu Error là Positive-Large và Change-in-error là Negative- Small, thì lực u là Negative-Small

Mô tả cho các luật trên như hình 5.3:

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Tiếp tục điền tất cả các luật có thể, ta được bảng luật như sau:

Lực tác dụng u Change – in – error

–2 = Negative – Large ; –1 = Negative – Small ; 0 = Zero ; 1 = Positive – Small ; 2 = Positive – Large

Bảng 5.1: Hệ thống luật điều khiển lực tác dụng u c Định lượng mờ các phát biểu từ ngôn ngữ mô tả: dùng các hàm thành viên (membership functions):

Ví dụ: hàm thành viên cho ngôn ngữ mô tả về mối quan hệ của error và “giá trị tỷ lệ” của “Positive-Small”

Hình 5.4: Hàm membership function cho mô tả giá trị “positive-small”

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

58 Với (e) = hệ số chỉ thị giá trị “Positive-Small”, ta có thể nhận xét như sau:

- Nếu e t    0 thì    e     0  0 : e t    0 thì không phải “Positive-Small”

         : chỉ thị “phân nửa” là “Positive-Small”

(phần còn lại có thể thuộc hàm membership function khác)

         : chỉ thị “100%” là “Positive-Small”

Có nhiều loại hình dáng hàm membership function có thể được sử dụng, thường được lựa chọn bởi các chuyên gia (hình 5.5), nhưng phổ biến sử dụng vẫn làm dạng hàm hình tam giác

Hình 5.5: Các loại hàm membership function

Theo đó, ta có thể thiết lập các hàm membership function cho bài toán con lắc ngược như sau:

Hình 5.6: Membership functions cho error

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hình 5.7: Membership function cho Change-in-error

Hình 5.8: Membership functions cho lực tác dụng u d Kết hợp luật trên các hàm membership function và giải mờ:

Giả sử ta cần tìm giá trị đầu ra của lực u với hai đầu vào là: 0; 3 e  e  32

Hình 5.9: Hàm membership functions của các giá trị đầu vào khi đưa vào giá trị cụ thể

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

60 Ta có thể nhận thấy đầu vào bao gồm các trường hợp sau:

- “Error là Zero” với hệ số chỉ thị là  zero   e  1

- “Change-in-error là Zero” với hệ số chỉ thị là   1 zero e 4

- “Change-in-error là Positive-Small” với hệ số chỉ thị là   3

Ta nhận thấy trong hệ thống luật sẽ có hai luật được “kích hoạt” : phần tô đậm cho theo bảng:

Lực tác dụng u Change – in – error

–2 = Negative – Large ; –1 = Negative – Small ; 0 = Zero ;

Bảng 5.2: Luật được “kích hoạt” (activated rules) Cơ chế suy luận:

Luật 1: Nếu Error là Zero và Change-in-error là Zero, thì lực u là Zero

“Error là Zero” với hệ số chỉ thị là  zero   e  1

“Change-in-error là Zero” với hệ số chỉ thị là   1 zero e 4

Lúc này, sử dụng hàm min (ta cũng có thể nhân hai giá trị trên với nhau) tìm hệ số chỉ thị đại diện của lực u, cụ thể như sau:

Hệ số này sẽ được áp dụng cho hàm membership function Zero của lực u:

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hình 5.10: Hệ số chỉ thị áp dụng cho membership function Zero của lực u

Luật 2: Nếu Error là Zero và Change-in-error là Positive-Small, thì lực u là

“Error là Zero” với hệ số chỉ thị là  zero   e  1

“Change-in-error là Positive-Small” với hệ số chỉ thị là   3

Lúc này, sử dụng hàm min (ta cũng có thể nhân hai giá trị trên với nhau) tìm hệ số chỉ thị đại diện của lực u, cụ thể như sau:

, min , 3 0.75 u Negative Small e e e Zero e Positive Small 4

Hệ số này áp dụng cho hàm membership function Negative-Small của lực u:

Hình 5.11: Hệ số chỉ thị áp dụng cho membership function Negative-Small của lực u Giải mờ:

Kết hợp hai luật kèm theo hệ số chỉ thị của lực tác dụng u, ta có thể tính giá trị lực u tác dụng lên xe theo phương pháp COG (center of gravity) như sau:

Bộ điều khiển Fuzzy Control cho hệ thống

Thiết lập bộ điều khiển

Các thông số của bộ điều khiển Self-Turning Fuzzy PID được thiết lập như sau:

- Biến đầu vào (1): sai số so với giá trị cài đặt: e (mV)

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hình 5.13: Hàm membership functions của sai số e

- Biến đầu vào (2): tốc độ thay đổi của sai số: e change (mV/s)

Hình 5.14: Hàm membership functions của tốc độ thay đổi sai số e change

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hình 5.15: Hàm membership functions của hệ số K p

Hình 5.16: Hàm membership functions của hệ số K i

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hình 5.17: Hàm membership functions của hệ số K d

- Hệ thống luật: o Hệ thống luật cho K p: Hệ số K p

1 = Negative-Big (NB); 2 = Negative-Medium (NM);

3 = Negative-Small (NS); 4 = Zero (ZE); 5 = Positive-Small (PS);

6 = Positive-Medium (PM); 7 = Positive-Big (PB)

Bảng 5.3: Bảng luật của đầu ra K p

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

66 o Hệ thống luật cho K i: Hệ số K i

1 = Negative-Big (NB); 2 = Negative-Medium (NM);

3 = Negative-Small (NS); 4 = Zero (ZE); 5 = Positive-Small (PS);

6 = Positive-Medium (PM); 7 = Positive-Big (PB)

Bảng 5.4: Bảng luật của đầu ra K i o Hệ thống luật cho K d: Hệ số K d

1 = Negative-Big (NB); 2 = Negative-Medium (NM);

3 = Negative-Small (NS); 4 = Zero (ZE); 5 = Positive-Small (PS);

6 = Positive-Medium (PM); 7 = Positive-Big (PB)

Bảng 5.5: Bảng luật của đầu ra K d

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Kết quả mô phỏng

Thực hiện mô phỏng với phép tính Min và phương pháp COG để giải mờ tìm các hệ số K p, K d, K i, sau đó đặt vào control input, ta thu được kết quả như sau:

Hình 5.18: Đồ thị mô phỏng hệ thống với Selfturning Fuzzy PID Control

Kết quả thực tế

- Trường hợp cho 100l nước bẩn (lấy từ Kênh Tàu Hủ) cho chảy liên tục qua bồn chứa 35l, nước sau khi châm được chứa vào bình và không được hồi lại hệ thống Độ pH tại thời điểm làm thực nghiệm: pH 7.01, lưu lượng nước làm thực nghiệm 120 l/h Thực hiện thí nghiệm 20 lần, điểm cài đặt có giá trị SC = 0mV Kết quả đại diện thu được như sau:

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hình 5.19: Giá trị SC khi cho 100l nước bẩn chảy qua

- Trường hợp châm hóa chất vào thể tích 30l nước bẩn (lấy từ Kênh Tàu Hủ) cố định, nước sau khi châm được hồi về bồn chứa Thực hiện thí nghiệm 5 lần Độ pH của nước: pH 6.9, lưu lượng nước đi qua bộ đo pH: 60l/h, lưu lượng nước đi qua bộ đo SC: 60 l/h, điểm cài đặt có giá trị SC = 0mV Kết quả đại diện thu được như sau:

Hình 5.20: Giá trị SC với thể tích nước không đổi

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

69 - Thử nghiệm tại Nhà máy nước Khu Liên Hợp – Bình Dương:

Do Xí nghiệp cấp nước Khu Liên Hợp cung cấp nước cho toàn tỉnh Bình Dương và các khu công nghiệp lân cận, việc muốn nâng cấp hệ thống châm PAC đang vận hành tốt của nhà máy còn tồn tại nhiều vấn đề cần giải quyết (do có liên quan đến chất lượng nước đầu ra, tính ổn định của bộ sản phẩm, tính tích hợp,…) Vì vậy, bộ thiết bị hiện tại được đặt tại nhà máy nước chỉ châm và xử lý nước cục bộ, thí nghiệm cho nước sông (lấy từ sông Đồng Nai) chảy qua bộ thiết bị liên tục, nước sau châm được xả bỏ Điểm cài đặt dựa theo mẫu nước đo sau khi châm PAC thực tế sản xuất Kết quả đại diện thu được như sau:

Hình 5.21: Giá trị SC khi cho nước chảy qua liên tục

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Hướng phát triển

- Xây dựng bộ thiết bị ổn định hơn để sớm đưa vào thực tiễn sản xuất

- Cải thiện chất lượng của bộ điều khiển bằng cách update bảng luật

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

[1] Louis Ravina và Nicholas Moramarco, “Everything you want to know about Coagulation & Flocculation ,” Zeta-Meter, Inc ,1993

[2] Bill Fulbright, Hart Krumrine và Kirk Watson, Alon Vaisman và Ana Morfesis, “How good is on-line zetapotential measurement in water treatment?,” Aurora Water and Malvern Instruments, 2007

[3] J.Clark, “Pointclouds Library Documentation,” Jim Clark, 2012 [Trực tuyến] Available: http://www.chemguide.co.uk/atoms/bonding/vdw.html

[4] F Senese, “What are Van der Waals forces?,” Fred Senese, 2010 [Trực tuyến] Available: http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/liquids/faq/h-bonding-vs- london-forces.shtml [Đã truy cập 2014]

[5] E.J.W.Verwey và J.TH.G.Overbeek, “The potential energy due to the interaction of two flat double layers,” trong Theory of the stability of lyophobic colloids - the interaction of sol particles having an electioc double layer, 1948, p.7790

[6] E.J.W.Verwey và J.TH.G.Overbeek, “The Van Der Waals  London attractive forces,” trong Theory of the stability of lyophobic colloids - the interaction of sol particles having an electioc double layer, 1948, p.98104

[7] E.J.W.Verwey và J.TH.G.Overbeek, “Total potential energy (repulsion + attraction) for two plates, and application to colloid stability,” trong Theory of the stability of lyophobic colloids - the interaction of sol particles having an electioc double layer, 1948, p.106

[8] Daniel Edney, “Introduction to the Theory of the Streaming Current Meter,” [trực tuyến] Available: http://www.waterhouse- bc.ca/Theory%20of%20the%20Streaming%20Current%20Monitor.pdf [Đã truy cập 2014]

[9] Vietnamnet, “Nước sạch và những con số biết nói”, [trực tuyến] Available: http://khoahoc.tv/nuoc-sach-va-nhung-con-so-biet-noi-46631 [Đã truy cập 2015]

[10] Region of Durham, “Water Treatment Plant – Surface Water Supply”, [trực

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

72 tuyến] Available: http://www.durham.ca/extcontent.asp?nr=/departments/works/sewer/watert reat.htm [Đã truy cập 2015]

[11] Charles Veal, “Application of Streaming Current Technology in Water Treatment”, Micrometrix Corp, 2015

[12] William J Palm III, “System Dynamics 2 nd Edition”, University of Rhode Island

[13] PGS.TS Bùi Minh Trí, “Xác suất thống kê & Quy hoạch thực nghiệm”, Nhà xuất bản Hà Nội, 2011

[14] PGS.TS Nguyễn Doãn Ý, “Quy Hoạch và Xử Lý Số Liệu Thực Nghiệm”, Nhà xuất bản Xây Dựng, 2010

[15] TS Lê Bá Long, “Sách Hướng Dẫn Học Tập Xác Suất Thống Kê”, Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, 2006

[16] Adnan Yazici, “Introduction to Fuzzy Logic”, Middle East Technical University, Ankara/Turkey, [Trực tuyến] Available: http://slideplayer.com/slide/5130790/# [Đã truy cập 2015]

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

PHỤ LỤC 1: QUY TRÌNH SẢN XUẤT NƯỚC SẠCH

1 Nước thô (nước sông) được dẫn qua đường ống nước đến bể phản ứng, tại nơi đây sẽ được châm PAC để hỗ trợ keo tụ và châm thêm vôi để nâng độ pH của nước:

2 Nước sau khi châm PAC sẽ được đo và kiểm soát pH, sau đó được dẫn đến các bể lắng,

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

74 3 Tại bể lắng, do nước sông có độ bẩn tương đối không cao, nên không cần châm thêm Polymer để tạo chỗ bám cho các hạt keo tụ, mà chỉ cần thục hiện công đoạn lắng

4 Nước sau khi lắng được dẫn đến các bể lọc, nước sau khi lọc sẽ được đưa qua hệ thống khử trùng bằng Chlorine

PHỤ LỤC 2: BẢNG SỐ LIỆU THỐNG KÊ

Bảng 1: Số liệu lấy mẫu nước Kênh Tàu Hủ: 21 lượt châm hóa chất, mỗi lượt châm 100 lần 50l PAC 3% vào 20l nước bẩn

: : : số lần châm hóa chất trong một lư ợ t số lư ợ t châm hóa chất ij x i j

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

81 Bảng 2: Bảng giá trị độ tin cậy để khử bỏ lượt châm có sai số thô: loại bỏ kết quả lượt châm 2, 3, 5

Với x j : giá trị SC trung bình của mỗi lần châm hóa chất; Độ lệch tiêu chuẩn mẫu: 18   2

  ; Độ tin cậy: ij ij j j x x k S

; Nếu k ij  u i : Lượt châm thứ j bị loại bỏ

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

86 Bảng 3: Bảng giá trị độ tin cậy để khử bỏ lượt châm có sai số thô: thêm vào 3 lượt châm mới và thực hiện kiểm tra

Với x j : giá trị SC trung bình của mỗi lần châm hóa chất; Độ lệch tiêu chuẩn mẫu: 18   2

  ; Độ tin cậy: ij ij j j x x k S

; Nếu k ij  u i : Cột j bị loại bỏ

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

91 Bảng 4: Bảng kiểm tra số lượng thu thập có theo phân phối chuẩn hay không:

Nếu  thực 2 <  tra bảng 2 thỡ số liệu thu được tớnh trờn lần chõm (theo hàng) tuõn theo phõn phối chuẩn

Số bậc tự do Độ tin cậy

2 Tra bảng Kiểm tra phân phối

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

123 Bảng 5: Giá trị thực nghiệm cho 100l nước bẩn chảy liên tục qua bồn chứa với bộ điều khiển (tóm lượt)

- Lưu lượng nước được khống chế 120l/h, nước sau khi châm được thải bỏ - Độ pH của nước: pH 6.9 – pH 7.1

Lần 1 -20 -20 -20 -19 -18 -16 -16 -14 -13 -10 -8 -6 -5 -3 -2 -1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 2 Lần 2 -22 -20 -19 -19 -18 -17 -15 -14 -12 -11 -8 -6 -4 -3 -2 -1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 Lần 3 -21 -20 -20 -19 -18 -16 -16 -15 -13 -10 -8 -6 -5 -3 -1 -1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 2 Lần 4 -22 -20 -19 -19 -18 -17 -15 -14 -12 -11 -8 -6 -5 -3 -1 -1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 2 Lần 5 -21 -19 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -13 -10 -9 -6 -5 -3 -2 0 0 1 1 1 0 0 1 0 2 1 Lần 6 -21 -20 -21 -20 -19 -18 -17 -16 -14 -11 -10 -7 -5 -4 -3 -2 -1 -1 0 0 -1 1 0 -1 0 -1 Lần 7 -21 -21 -21 -19 -19 -18 -16 -15 -13 -11 -9 -7 -5 -4 -3 -2 -1 -1 -1 -1 -1 0 -1 -1 0 0 Lần 8 -20 -21 -21 -20 -19 -18 -17 -15 -14 -12 -9 -7 -6 -4 -3 -2 -1 -1 -1 0 -1 -1 -1 0 1 1 Lần 9 -21 -21 -20 -19 -19 -18 -17 -15 -13 -12 -9 -7 -6 -4 -3 -1 -1 0 0 -1 0 -1 -1 0 0 -1 Lần 10 -21 -20 -20 -19 -19 -17 -17 -15 -14 -11 -10 -7 -5 -4 -3 -2 -1 -1 -1 -1 0 -1 -1 0 0 0

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

124 Bảng 6: Giá trị thực nghiệm cho 30l nước bẩn trong bồn chứa với bộ điều khiển (tóm lượt)

- Nước sau khi châm được hồi lại bồn chứa - Độ pH của nước: pH 6.9 – pH 7.1

Lần 1 -20 -20 -20 -20 -18 -17 -15 -14 -12 -10 -7 -5 -4 -3 -2 -1 -1 0 0 0 -1 0 -1 0 0 0 Lần 2 -21 -21 -20 -19 -18 -17 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -3 -2 -1 0 0 0 0 0 -1 0 -1 0 -1 Lần 3 -20 -20 -20 -19 -18 -16 -15 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -3 -2 -1 -1 0 0 -1 0 -1 -1 -1 -1 0 Lần 4 -22 -20 -20 -19 -18 -17 -15 -14 -12 -9 -8 -6 -4 -3 -2 -1 0 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 Lần 5 -20 -20 -20 -19 -18 -17 -16 -14 -12 -9 -7 -6 -4 -3 -2 -1 -1 -1 0 0 0 -1 0 0 0 0 Lần 6 -21 -21 -20 -19 -18 -17 -15 -14 -12 -10 -7 -6 -5 -3 -2 -1 -1 -1 0 -1 0 0 0 -1 -1 0 Lần 7 -20 -20 -20 -19 -18 -17 -15 -14 -12 -10 -8 -6 -5 -3 -2 -1 0 0 -1 0 -1 0 0 -1 0 0 Lần 8 -22 -21 -20 -19 -18 -17 -15 -14 -12 -9 -7 -6 -4 -3 -2 -1 -1 0 0 -1 0 0 -1 0 0 0 Lần 9 -21 -20 -20 -19 -18 -17 -15 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -3 -2 -1 0 0 0 -1 -1 0 0 0 0 0 Lần 10 -20 -20 -20 -19 -18 -17 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 -1 -1 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

125 Bảng 7: Giá trị thực nghiệm cho nước chảy liên tục qua bồn chứa (tóm lượt)

- Lưu lượng nước: 120 l/h - Độ pH của nước: pH 6.9 – pH 7.1

Lần 1 -230 -230 -229 -229 -229 -229 -229 -228 -228 -228 -227 -227 -226 -226 -225 -225 -224 -223 -222 -223 -220 -220 -219 -217 -215 -212 Lần 2 -229 -229 -230 -229 -229 -229 -228 -229 -228 -228 -227 -227 -226 -225 -225 -224 -223 -223 -222 -221 -220 -221 -218 -217 -215 -212 Lần 3 -229 -230 -229 -229 -229 -228 -228 -229 -228 -227 -227 -227 -226 -226 -225 -224 -224 -223 -223 -223 -221 -220 -218 -217 -215 -212 Lần 4 -230 -229 -229 -229 -229 -229 -229 -228 -228 -227 -227 -227 -226 -225 -225 -225 -224 -223 -222 -222 -221 -220 -218 -217 -216 -213 Lần 5 -229 -229 -230 -229 -229 -229 -228 -228 -228 -228 -227 -226 -227 -226 -226 -224 -224 -224 -223 -222 -220 -219 -219 -216 -215 -213 Lần 6 -229 -229 -229 -229 -229 -229 -229 -228 -228 -227 -227 -226 -226 -226 -225 -225 -223 -223 -223 -222 -221 -219 -219 -217 -215 -213 Lần 7 -230 -229 -229 -229 -229 -229 -228 -229 -228 -228 -227 -227 -226 -225 -225 -224 -224 -223 -223 -222 -221 -220 -218 -217 -215 -212 Lần 8 -229 -230 -229 -230 -229 -229 -229 -228 -228 -228 -227 -227 -226 -226 -226 -224 -224 -223 -222 -221 -221 -219 -219 -217 -215 -212 Lần 9 -229 -230 -229 -229 -229 -229 -229 -229 -228 -227 -227 -227 -226 -226 -225 -224 -224 -223 -224 -222 -221 -220 -218 -216 -216 -213 Lần 10 -229 -230 -229 -229 -229 -229 -229 -229 -228 -227 -227 -227 -226 -226 -225 -224 -224 -223 -224 -222 -221 -220 -218 -216 -216 -213

Thời gian (s) 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 Lần 1 -208 -206 -204 -203 -202 -200 -199 -198 -198 -198 -199 -197 -198 -200 -200 -199 -200 -199 -201 -201 -200 -200 -201 -201 -208 Lần 2 -207 -205 -205 -202 -202 -200 -199 -199 -198 -198 -198 -197 -199 -200 -200 -200 -199 -201 -200 -201 -201 -201 -200 -200 -207 Lần 3 -208 -206 -204 -203 -200 -200 -199 -199 -199 -199 -197 -198 -197 -198 -199 -199 -200 -199 -201 -201 -200 -201 -201 -201 -208 Lần 4 -207 -206 -204 -203 -202 -199 -198 -198 -199 -197 -198 -198 -197 -198 -199 -200 -200 -200 -200 -200 -201 -201 -201 -201 -207 Lần 5 -208 -206 -203 -202 -201 -200 -198 -199 -199 -197 -198 -197 -198 -200 -200 -199 -200 -201 -200 -201 -200 -201 -200 -200 -208 Lần 6 -208 -206 -205 -203 -202 -200 -199 -198 -197 -197 -197 -199 -198 -199 -199 -200 -200 -200 -201 -201 -202 -200 -201 -201 -208 Lần 7 -208 -206 -203 -202 -201 -200 -198 -198 -199 -198 -198 -199 -199 -199 -199 -199 -201 -201 -201 -201 -200 -201 -201 -201 -208 Lần 8 -208 -205 -204 -203 -202 -200 -199 -198 -197 -198 -197 -197 -198 -198 -200 -200 -201 -200 -200 -200 -201 -201 -201 -201 -208 Lần 9 -208 -205 -204 -203 -202 -200 -199 -199 -197 -197 -198 -197 -199 -198 -199 -200 -200 -200 -201 -200 -200 -202 -200 -200 -208 Lần 10 -208 -205 -204 -203 -202 -200 -199 -199 -197 -197 -198 -197 -199 -198 -199 -200 -200 -200 -201 -200 -200 -202 -200 -200 -208

PHỤ LỤC 3: PHẦN MỀM HIỂN THỊ VÀ BIỂU ĐỒ TRÊN MÁY TÍNH

Phần hiển thị trên máy tính được viết bằng C#, bao gồm các phần:

Code: namespace Thesis_MSC { partial class MSC_Form {

/// private System.ComponentModel.IContainer components = null;

/// Clean up any resources being used

/// true if managed resources should be disposed; otherwise, false. protected override void Dispose(bool disposing) { if (disposing && (components != null)) { components.Dispose();

} #region Windows Form Designer generated code

/// Required method for Designer support - do not modify /// the contents of this method with the code editor

/// private void InitializeComponent() { this.components = new System.ComponentModel.Container();

System.ComponentModel.ComponentResourceManager resources = new System.ComponentModel.ComponentResourceManager(typeof(MSC_Form)); this.SerialPort_event = new System.IO.Ports.SerialPort(this.components);

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

127 this.box_COM = new System.Windows.Forms.GroupBox(); this.btnDisconnect = new System.Windows.Forms.Button(); this.btnConnect = new System.Windows.Forms.Button(); this.btnRefresh = new System.Windows.Forms.Button(); this.label5 = new System.Windows.Forms.Label(); this.label4 = new System.Windows.Forms.Label(); this.label3 = new System.Windows.Forms.Label(); this.label2 = new System.Windows.Forms.Label(); this.label1 = new System.Windows.Forms.Label(); this.cmbStopBits = new System.Windows.Forms.ComboBox(); this.cmbDataBits = new System.Windows.Forms.ComboBox(); this.cmbParityBits = new System.Windows.Forms.ComboBox(); this.cmbBaud = new System.Windows.Forms.ComboBox(); this.cmbPortName = new System.Windows.Forms.ComboBox(); this.btnReceive = new System.Windows.Forms.Button(); this.Timer = new System.Windows.Forms.Timer(this.components); this.groupBox1 = new System.Windows.Forms.GroupBox(); this.btnCompact = new System.Windows.Forms.Button(); this.Dxgauge_back = new DevExpress.XtraGauges.Win.GaugeControl(); this.Dxgauge_display = new DevExpress.XtraGauges.Win.Gauges.Digital.DigitalGauge(); this.digitalBackgroundLayerComponent3 = new DevExpress.XtraGauges.Win.Gauges.Digital.DigitalBackgroundLayerComponent(); this.digitalBackgroundLayerComponent1 = new DevExpress.XtraGauges.Win.Gauges.Digital.DigitalBackgroundLayerComponent(); this.digitalBackgroundLayerComponent2 = new DevExpress.XtraGauges.Win.Gauges.Digital.DigitalBackgroundLayerComponent(); this.lblAuthor = new System.Windows.Forms.LinkLabel(); this.lblWebsite = new System.Windows.Forms.LinkLabel(); this.pictureBox1 = new System.Windows.Forms.PictureBox(); this.zedGraphControl = new ZedGraph.ZedGraphControl(); this.box_COM.SuspendLayout(); this.groupBox1.SuspendLayout();

((System.ComponentModel.ISupportInitialize)(this.Dxgauge_display)).BeginInit();

((System.ComponentModel.ISupportInitialize)(this.digitalBackgroundLayerComponen t3)).BeginInit();

((System.ComponentModel.ISupportInitialize)(this.digitalBackgroundLayerComponen t1)).BeginInit();

((System.ComponentModel.ISupportInitialize)(this.digitalBackgroundLayerComponen t2)).BeginInit();

((System.ComponentModel.ISupportInitialize)(this.pictureBox1)).BeginInit(); this.SuspendLayout();

// SerialPort_event // this.SerialPort_event.DataReceived += new System.IO.Ports.SerialDataReceivedEventHandler(this.SerialPort_event_DataReceiv ed);

// box_COM // this.box_COM.Controls.Add(this.btnDisconnect); this.box_COM.Controls.Add(this.btnConnect); this.box_COM.Controls.Add(this.btnRefresh); this.box_COM.Controls.Add(this.label5); this.box_COM.Controls.Add(this.label4);

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

128 this.box_COM.Controls.Add(this.label3); this.box_COM.Controls.Add(this.label2); this.box_COM.Controls.Add(this.label1); this.box_COM.Controls.Add(this.cmbStopBits); this.box_COM.Controls.Add(this.cmbDataBits); this.box_COM.Controls.Add(this.cmbParityBits); this.box_COM.Controls.Add(this.cmbBaud); this.box_COM.Controls.Add(this.cmbPortName); this.box_COM.Font = new System.Drawing.Font("Microsoft Sans Serif", 8.25F, System.Drawing.FontStyle.Bold, System.Drawing.GraphicsUnit.Point,

((byte)(163))); this.box_COM.ForeColor = System.Drawing.Color.FromArgb(((int)(((byte)(0)))), ((int)(((byte)(36)))), ((int)(((byte)(81))))); this.box_COM.Location = new System.Drawing.Point(9, 211); this.box_COM.Name = "box_COM"; this.box_COM.Size = new System.Drawing.Size(367, 89); this.box_COM.TabIndex = 0; this.box_COM.TabStop = false; this.box_COM.Text = "SERIAL CONFIGURATION";

// btnDisconnect // this.btnDisconnect.Location = new System.Drawing.Point(251, 61); this.btnDisconnect.Name = "btnDisconnect"; this.btnDisconnect.Size = new System.Drawing.Size(98, 23); this.btnDisconnect.TabIndex = 11; this.btnDisconnect.Text = "DISCONNECT"; this.btnDisconnect.UseVisualStyleBackColor = true; this.btnDisconnect.Click += new System.EventHandler(this.btnDisconnect_Click);

// btnConnect // this.btnConnect.Location = new System.Drawing.Point(138, 61); this.btnConnect.Name = "btnConnect"; this.btnConnect.Size = new System.Drawing.Size(75, 23); this.btnConnect.TabIndex = 10; this.btnConnect.Text = "CONNECT"; this.btnConnect.UseVisualStyleBackColor = true; this.btnConnect.Click += new System.EventHandler(this.btnConnect_Click);

// btnRefresh // this.btnRefresh.Location = new System.Drawing.Point(22, 61); this.btnRefresh.Name = "btnRefresh"; this.btnRefresh.Size = new System.Drawing.Size(75, 23); this.btnRefresh.TabIndex = 1; this.btnRefresh.Text = "REFRESH"; this.btnRefresh.UseVisualStyleBackColor = true; this.btnRefresh.Click += new System.EventHandler(this.btnRefresh_Click_1);

// label5 // this.label5.AutoSize = true; this.label5.Font = new System.Drawing.Font("Microsoft Sans Serif", 8.25F, System.Drawing.FontStyle.Regular, System.Drawing.GraphicsUnit.Point, ((byte)(163))); this.label5.Location = new System.Drawing.Point(297, 43);

Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448

129 this.label5.Name = "label5"; this.label5.Size = new System.Drawing.Size(56, 13); this.label5.TabIndex = 9; this.label5.Text = "STOP BIT";

// label4 // this.label4.AutoSize = true; this.label4.Font = new System.Drawing.Font("Microsoft Sans Serif", 8.25F, System.Drawing.FontStyle.Regular, System.Drawing.GraphicsUnit.Point, ((byte)(163))); this.label4.Location = new System.Drawing.Point(228, 43); this.label4.Name = "label4"; this.label4.Size = new System.Drawing.Size(56, 13); this.label4.TabIndex = 8; this.label4.Text = "DATA BIT";

// label3 // this.label3.AutoSize = true; this.label3.Font = new System.Drawing.Font("Microsoft Sans Serif", 8.25F, System.Drawing.FontStyle.Regular, System.Drawing.GraphicsUnit.Point, ((byte)(163))); this.label3.Location = new System.Drawing.Point(151, 43); this.label3.Name = "label3"; this.label3.Size = new System.Drawing.Size(66, 13); this.label3.TabIndex = 7; this.label3.Text = "PARITY BIT";

// label2 // this.label2.AutoSize = true; this.label2.Font = new System.Drawing.Font("Microsoft Sans Serif", 8.25F, System.Drawing.FontStyle.Regular, System.Drawing.GraphicsUnit.Point, ((byte)(163))); this.label2.Location = new System.Drawing.Point(76, 43); this.label2.Name = "label2"; this.label2.Size = new System.Drawing.Size(69, 13); this.label2.TabIndex = 6; this.label2.Text = "BAUD RATE";