Hệ thống giám sát chất lượng nước hiện nay chủ yếu sử dụng các cảm biến hoặc đầu dò để đo lường chất lượng nước. Tuy nhiên, chúng liên tục tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt và hiện tượng bám bẩn sinh học. Choo Chun Keong, giám đốc và người sáng lập NexusBit Integral, thảo luận chi tiết hơn về cảm biến chất lượng nước không tiếp xúc và cách thức mà nó loại bỏ các vấn đề về hiện tượng bám bẩn sinh học do nước và việc lắp đặt phức tạp.
Việc giám sát chất lượng nước của các vùng nước như hồ chứa và hồ là một quá trình quan trọng trong quản lý tài nguyên nước và thực hiện các biện pháp khắc phục. Một trong những chỉ số chất lượng nước quan trọng là nồng độ tảo trong hệ thống nước. Sự bùng phát tảo gây thêm căng thẳng cho các nhà máy xử lý nước, làm tăng nguy cơ sức khỏe cộng đồng, đe dọa sinh vật thủy sinh và dẫn đến các vấn đề chất lượng nước bất thường khác. Các vấn đề liên quan đến tảo ngày càng trở nên phổ biến với quá trình đô thị hóa nhanh chóng và khí hậu ấm lên toàn cầu.
Ngày nay, phương pháp phổ biến nhất để giám sát chất lượng nước và xu hướng tảo theo thời gian thực là sử dụng các đầu dò truyền thống trong nước, vốn liên tục phải tiếp xúc với hiện tượng bám bẩn sinh học. Những đầu dò trong nước này đòi hỏi bảo trì thường xuyên tại chỗ để tránh sai lệch trong đo lường và suy giảm hiệu suất của cảm biến do bám bẩn sinh học.
Việc bảo trì tạo ra gánh nặng cho nguồn nhân lực; cần bổ sung thêm nhân lực và chuyên môn tại chỗ khi số lượng các điểm giám sát tăng lên. Việc bảo trì tại chỗ thường chiếm phần lớn trong tổng chi phí sở hữu cho các hệ thống giám sát chất lượng nước theo thời gian thực và là yếu tố hạn chế chính đối với việc triển khai quy mô lớn. Đây cũng là điểm nghẽn đối với việc giám sát chất lượng nước theo thời gian thực để tận dụng tốt hơn các tiến bộ gần đây trong công nghệ Internet of Things (IoT) và dữ liệu lớn (big data).
GIẢI PHÁP MỚI
NexusBit Integral đã làm việc với PUB, cơ quan nước quốc gia của Singapore để phát triển một phương pháp thay thế nhằm đơn giản hóa việc giám sát chất lượng nước thời gian thực. Giải pháp của công ty là một cảm biến đo không tiếp xúc có thể đo các thông số chất lượng nước, bao gồm độ đục, chlorophyll-a và chất hữu cơ hòa tan có màu – hấp thụ (CDOM) phía trên mặt nước mà không cần tiếp xúc vật lý với nước. Do đó, nó loại bỏ hiện tượng bám bẩn sinh học liên quan đến nước và lắp đặt phức tạp tại hiện trường.
Phương pháp đo lường không tiếp xúc cũng mở ra những phương thức triển khai cảm biến mới mà trước đây không thể thực hiện với các cảm biến truyền thống trong nước, đòi hỏi phải xem xét kỹ lưỡng cả các yếu tố môi trường như dòng chảy nước, ăn mòn, và các yếu tố an toàn khi thu hồi cảm biến. Việc sử dụng cảm biến đo không tiếp xúc đạt được bằng cách đơn giản là lắp đặt nó trên một cấu trúc trên đất hiện có có tầm nhìn trực tiếp ra các vùng nước.
Hệ thống cảm biến này đã được triển khai trên mái của các tòa nhà nhìn ra các hồ chứa để giám sát lâu dài. Các trạm đo có thể được thiết lập trực tiếp trên các cầu vượt và cầu. Kích thước nhỏ gọn của cảm biến cũng cho phép nó được lắp đặt trên các thiết bị bay không người lái (drone) để lập bản đồ không gian khu vực chất lượng nước
CÁCH HOẠT ĐỘNG
Nguyên lý hoạt động dựa trên cảm biến từ xa, xác định các thông số nước từ ánh sáng môi trường bị tán xạ ngược khi tương tác với các hạt lơ lửng trong nước. Hệ thống quang điện và thuật toán được phát triển đặc biệt để phục vụ cho các cấu hình triển khai và sử dụng toàn bộ dải phổ quang học, cho phép hệ thống này có khả năng thực hiện hồi quy trên các vùng nước có đặc tính khác nhau và trong dải rộng từ nồng độ Chl-a thấp đến rất cao
Nhóm NexusBit Integral cố ý đặt tên cho cảm biến không tiếp xúc này là Eagle-point (Eagle.pt), giống như một con đại bàng, nó có thể nhìn thấy chi tiết rõ ràng từ độ cao; một cảm biến chất lượng nước có thể đo lường chính xác từ trên cao.
KẾT QUẢ ĐO
Hợp tác với một đối tác drone tự động, nhóm đã lắp đặt cảm biến chất lượng nước Eagle.pt lên các drone. Những chiếc drone này được trang bị Eagle.pt và đã được PUB sử dụng để thường xuyên tiến hành khảo sát không gian chất lượng nước bề mặt trên các hồ chứa từ năm 2021. Mỗi nhiệm vụ khảo sát bao phủ toàn bộ diện tích của hồ chứa với hơn 70 điểm đo và thường chỉ yêu cầu vài chuyến bay, mỗi chuyến dài khoảng 30 phút, tùy thuộc vào kích thước của khu vực khảo sát. Công việc này được thực hiện trên nhiều hồ chứa khác nhau; từ những hồ có chất lượng nước trong sạch đến các hồ chứa có nguồn nước chảy qua các vùng đất ngập nước, khu công nghiệp nhẹ và khu dân cư.
Xác thực đo lần đầu:
Mỗi điểm đo được ghi lại, dữ liệu sẽ được tải lên trong khi bay và công bố ngay lập tức cho khách hàng. Trong các nhiệm vụ khảo sát này, tối đa hai mẫu nước tương ứng được lấy và gửi đến phòng thí nghiệm được chứng nhận SAC-SINGLAS để “phân tích ướt” trong phòng thí nghiệm (phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm sử dụng các hóa chất, dung dịch và thiết bị thí nghiệm thực tế) như các điểm xác minh.
Biểu đồ hiển thị sự hồi quy của các mẫu xác minh giữa dữ liệu cảm biến thời gian thực được thu thập bởi Eagle.pt và kết quả từ phòng thí nghiệm qua các hồ chứa khác nhau trong suốt giai đoạn hoạt động của năm 2021. Sự hồi quy cho thấy mối tương quan chặt chẽ giữa các phép đo của Eagle.pt và kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.
TỪ ĐO ĐẾN DỰ ĐOÁN
Những tiến bộ trong triển khai IoT, big data và công nghệ máy học ngày nay đã thay đổi cách thế giới xử lý thông tin. Với số lượng khổng lồ các cảm biến IoT được triển khai, các nhà khoa học và kỹ sư trên khắp thế giới đã học hỏi thêm về môi trường và khám phá ra những giải pháp mới mỗi ngày.
Tuy nhiên, đối với kiểm soát và quản lý chất lượng nước, việc triển khai hàng loạt cảm biến và bảo trì gặp phải những hạn chế, làm giảm khả năng tận dụng những tiến bộ gần đây trong công nghệ dữ liệu. Công nghệ đo không tiếp xúc Eagle.pt có thể đơn giản hóa yêu cầu triển khai và bảo trì cảm biến, giảm những chi phí thường xuyên này hơn 50%.
Bằng cách giảm yêu cầu trong việc giám sát chất lượng nước thời gian thực, chúng ta có thể tăng số lượng các điểm dữ liệu, đồng thời giúp các tổ chức và cộng đồng hợp tác trong việc đo lường và nghiên cứu môi trường một cách tập thể, thách thức giới hạn của dự đoán và các giải pháp khắc phục. Đơn giản hóa để mở rộng khả năng!
Nguồn: Tạp chí Water & Wastewater Asia, số tháng 3/tháng 4 năm 2022, trang 14-15.