Phát hiện khí thải nhà máy xử lý nước thải theo thời gian thực bằng quang phổ kế đường truyền hở

Cốc Mào

31-03-2025

[…] the age of technology has arrived, and Kingfisher has decided it’s time for something new: Technological Innovation. Innovation can help Kingfisher conserve energy while maintaining a sense of tranquility, which is suitable for an increasingly advanced age with diminishing physical strength.

Trích “Innovation”; Wild Wise Weird [1]

Các nhà máy xử lý nước thải (wastewater treatment plants - WWTPs) đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe cộng đồng và chất lượng môi trường. Tuy nhiên, chúng cũng là nguồn phát thải đáng kể các khí nhà kính (GHG), đặc biệt là carbon dioxide (CO₂), methane (CH₄) và nitrous oxide (N₂O) [2,3]. Các phương pháp truyền thống để giám sát lượng khí thải này – chẳng hạn như lấy mẫu điểm và buồng thông lượng – thường tốn nhiều công sức, giới hạn về không gian và thiếu độ phân giải thời gian cần thiết để nắm bắt được tính chất động của dòng khí trong thời gian thực.

Để giải quyết những thách thức này, Krebbers và cộng sự [4] giới thiệu một giải pháp tiên tiến: hệ thống quang phổ kế đường truyền hở mạch lạc băng tần siêu rộng (coherent open-path spectroscopy - COPS). Công nghệ tiên tiến này cho phép giám sát liên tục, theo thời gian thực nhiều loại khí trên khoảng cách rộng mà không cần lấy mẫu không khí trực tiếp. Bằng cách sử dụng một laser mạnh mẽ bao phủ phổ hồng ngoại giữa (2–11,5 micromet), hệ thống COPS phát hiện và xác định các loại khí dựa trên đặc điểm hấp thụ riêng biệt của chúng.

Trong lần triển khai thực địa đầu tiên của hệ thống này tại một nhà máy xử lý nước thải ở Hà Lan, các nhà nghiên cứu đã đặt thiết bị COPS cạnh bể sục khí – một trong những nguồn phát thải chính trong nhà máy. Một chùm tia laser được truyền qua bể đến một gương phản xạ ngược và trở lại, thu thập dữ liệu hấp thụ chi tiết sau mỗi 40 giây. Cấu hình này cho phép phát hiện đồng thời nhiều loại khí, bao gồm CH₄, CO₂, N₂O, amoniac (NH₃), carbon monoxide (CO) và hơi nước (H₂O). Không giống như các thiết bị dựa trên điểm truyền thống chỉ thu thập dữ liệu tại một vị trí duy nhất, hệ thống COPS cung cấp một cái nhìn tích hợp theo không gian, trung bình theo đường truyền về nồng độ khí và sự biến động theo thời gian của chúng, mang lại một đánh giá toàn diện và năng động hơn về lượng khí thải.

Đáng chú ý, nghiên cứu đã tiết lộ rằng lượng khí thải CH₄ và CO₂ thể hiện sự biến đổi rõ rệt theo thời gian, phù hợp với động lực vận hành của nhà máy xử lý nước thải. Nồng độ methane đạt đỉnh trong thời gian tải lượng amoniac cao trong nước thải đầu vào, trong khi nồng độ carbon dioxide tăng lên khi sục khí mạnh hơn và nồng độ oxy hòa tan cao hơn. Ngược lại, nồng độ của N₂O, NH₃ và CO duy trì tương đối ổn định trong suốt thời gian giám sát, xác nhận tính nhất quán và độ chính xác của hệ thống COPS so với các máy phân tích dựa trên điểm truyền thống.

Công nghệ COPS mang lại một số ưu điểm đáng kể. Nó không xâm lấn, không yêu cầu hiệu chuẩn và có thể đồng thời phát hiện một loạt các loại khí trên các khu vực không gian rộng lớn – vượt xa phạm vi tiếp cận của các thiết bị truyền thống. Khả năng thu thập dữ liệu tích hợp theo đường truyền, theo thời gian thực của nó cho phép hiểu rõ hơn về các mô hình phát thải và mối liên hệ của chúng với các quy trình xử lý. Khả năng này hứa hẹn đáng kể trong việc tăng cường các chiến lược kiểm soát khí thải, tối ưu hóa hoạt động của nhà máy và giảm tác động môi trường của việc xử lý nước thải.

Việc triển khai thực địa hệ thống COPS băng tần siêu rộng thể hiện một bước tiến đáng kể trong giám sát môi trường. Bằng cách làm sáng tỏ mối quan hệ động giữa cơ sở hạ tầng kỹ thuật và khí thải vào khí quyển, công nghệ này củng cố mối liên hệ giữa tự nhiên và con người [5]. Nó cung cấp cho các nhà khai thác xử lý nước thải và các nhà hoạch định chính sách một công cụ mạnh mẽ để đưa ra các quyết định sáng suốt, kịp thời, phù hợp với hiệu quả hoạt động và trách nhiệm sinh thái. Bằng cách đó, nó minh họa việc đổi mới khoa học kỹ thuật tiên tiến có thể thúc đẩy quản lý bền vững các hệ thống đô thị thiết yếu.

Tài liệu tham khảo

[1] Vuong QH. (2024). Wild Wise Weird. https://www.amazon.com/dp/B0BG2NNHY6/ 

[2] Kampschreur MJ, et al. (2009). Nitrous oxide emission during wastewater treatment. Water Research, 43(17), 4093-4103. https://doi.org/10.1016/j.watres.2009.03.001

[3] Campos JL, et al. (2016). Greenhouse gases emissions from wastewater treatment plants: minimization, treatment, and prevention. Journal of Chemistry, 1e12. https://doi.org/10.1155/2016/3796352 

[4] Krebbers R, et al. (2025). Ultra-broadband coherent open-path spectroscopy for multi-gas monitoring in wastewater treatment. Environmental Science and Ecotechnology, 25, 100554. https://doi.org/10.1016/j.ese.2025.100554 

[5] Nguyen MH. (2024). How can satirical fables offer us a vision for sustainability? Visions for Sustainability. https://ojs.unito.it/index.php/visions/article/view/11267