Đề tài nghiên cứu khoa học Nghiên cứu tính chọn và mô phỏng lò uv trong hệ thống xử lý nước Ballast

Nội dung text: Đề tài nghiên cứu khoa học Nghiên cứu tính chọn và mô phỏng lò uv trong hệ thống xử lý nước Ballast

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU TÍNH CHỌN VÀ MÔ PHỎNG LÒ UV TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC BALLAST Chủ nhiệm đề tài: TH.S NGUYỄN ĐÌNH THẠCH Thành viên tham gia: TH.S NGUYỄN NGỌC SƠN Hải Phòng, tháng 4/2016 1
2. MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 3 MỞ ĐẦU 4 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TIA UV 9 1.1 Nguyên lý diệt khuẩn bằng tia UV 9 1.1.1 Giới thiệu chung. 9 1.1.2 Nguyên lý diệt khuẩn bằng tia UV. 10 1.1.3. Hệ thống Xử lý bằng UV điển hình. 11 1.2. Nguyên lý bức xạ tia UV 12 1.2.1 Sự hấp thụ của môi trường đối với tia UV 12 1.2.2 Sự khúc xạ. 13 1.2.3 Sự phản xạ. 13 1.2.4 Sự tán xạ 14 1.3. Các tham số cơ bản của tia UV 15 1.3.1. Hệ số truyền tia của tia UV ( UVT). 15 1.3.2. Lượng UV. 15 1.3.3 Cường độ UV 18 1.3.4 Thời gian xử lý 19 1.4 Các loại đèn UV trong xử lý nước 24 1.5. Quy trình và công đoạn xử lý nước Ballast bằng tia UV 27 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HOÁ CƯỜNG ĐỘ BỨC XẠ TIA UV TRONG LÒ UV 25 2.1. Công thức tính toán cường độ tia UV tại một điểm bất kỳ trong lò sử dụng 1 đèn UV bằng phương pháp tổng nguồn đa điểm 25 2.2. Công thức xác định cường độ tia UV tại một điểm bất kỳ trong lò sử dụng nhiều đèn UV 28 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN, THẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG LÒ UV TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC BALLAST 30 3.1. Cơ sở lý thuyết cho việc tính toán, thiết kế lò UV 30 3.2. Xây dựng chương trình tính toán, lựa chọn và mô phỏng lò UV 31 3.2.1 Yêu cầu và mục tiêu của chương trình. 31 3.2.2. Xây dựng giao diện chương trình. 31 3.3. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm 33 3.3.1 Kết quả mô phỏng trong trường hợp lò sử dụng một đèn UV 33 3.3.2. Kết quả mô phỏng khi lò sử dụng nhiều đèn UV 34 3.3.3 Kết quả thực nghiệm 35 KẾT LUẬN 37 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 2
3. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU EPA : Cơ quan bảo vệ môi trường UV : Tia cự tím A : Sự hấp thụ tia sáng tại bước sóng λ I0 : Là cường độ ban đầu của tia sáng I1 : Là cường độ của tia sáng tại bước sóng λ sau khi truyền qua một mẫu  : Hệ số hấp thụ phân tử tại bước sóng λ c : Là nồng độ hấp thụ phân tử l : Độ dài truyền dẫn σ : Là hệ số hấp thụ của vật liệu bằng c T : Sự truyền của tia sáng qua vật liệu EA : Tổng cường độ tia UV tại một điểm thu P : Công suất đầu ra của đèn (W) n : Số lượng các nguồn điểm của đèn UV thứ k i : Hệ số hấp thụ của vật chất (cm-1) ri : Khoảng cách bức xạ từ nguồn điểm tới điểm thu (cm) w : Hệ số hấp thụ của nước (cm-1) Rk : Khoảng cách bức xạ từ trục của đèn UV thứ k tới điểm thu (cm) rq : Khoảng cách từ trục của đèn tới thành ngoài của ống thạch anh (cm) q : Hệ số hấp thụ của ống thạch anh (cm-1) tq : Độ dày của ống thạch anh (cm) li : Khoảng cách từ đèn UV thứ k điểm tới điểm thu (cm) 3
4. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Khi tàu đầy hàng hóa, sự ổn định của tàu chủ yếu được thực hiện bởi hàng hóa. Khi tàu không có hàng hóa hoặc ít hàng hóa, do sức nổi làm sự bất ổn định của tàu tăng lên. Ballast (dằn) là hình thức giúp thêm trọng lượng vào phần thấp hơn của tàu, làm tăng trạng thái ổn định của tàu [2]. Tàu biển sử dụng nước Ballast (Ballast Water) để duy trì trạng thái ổn định, cân bằng, độ bền cấu trúc của tàu. Thông thường, các tàu sẽ bơm nước Ballast vào khoang chứa khi dỡ hàng hóa tại cảng dỡ hàng và bơm ra khi chất hàng hóa tại một cảng khác ( hình 0.1 ) Hình 0.1. Hoạt động bơm và xả nước Ballast của tàu biển Việc di chuyển nước Ballast từ vùng biển này sang vùng biển khác đã vô tình mang theo những “hành khách đi lậu vé”- Chúng là các vi khuẩn, động vật không xương cỡ nhỏ, trứng, nang bào tử (cysts) và ấu trùng của nhiều loài khác nhau. Đây chính là nguyên nhân làm phá vỡ nghiêm trọng cân bằng sinh thái tự nhiên môi trường biển. Điều này có ảnh hưởng rất lớn đến nền kinh tế và sức khoẻ của con người. Một số ví dụ điển hình về thiệt hại do nước Ballast gây ra như sau : 4
5. Loài vi khuẩn Vibrio cholerae là nguyên nhân gây ra dịch bệnh và có liên quan đến nước Ballast. Hậu quả là sự lan truyền bệnh dịch tại Nam Mỹ cho trên một triệu người và hơn mười ngàn người tử vong vào năm 1994. Những chủng này trước đây được báo cáo chỉ có ở Bangladesh [5]. Độc tố của tảo, hiện tượng thủy triều đỏ, nâu, xanh là do nhiều loại tảo gây ra. Một số loài tảo được vận chuyển qua đường nước Ballast đến những vùng “đất mới” và gây ra hiện tượng “nở hoa”. Gây ảnh hưởng đến đời sống các loài sinh vật khác do sự thiếu oxygen, nhiễm độc tố do các loại tảo này gây ra [5]. Loài sò Sọc châu Âu Dreissena polymorpha vô tình được mang tới Mỹ thông qua con đường nước Ballast đã phá hoại vỏ tầu, công trình hàng hải và các hệ thống đường ống nước. Không những thế xác chết của chúng tạo ra mùi hôi thối gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng trên một vùng rộng lớn. Tổng thiệt hại do loại sò này gây ra vào năm 2000 vào khoảng 1 tỷ USD [5] vv Những loài sinh vật biển xâm lược là một trong bốn mối đe dọa lớn nhất đối với đại dương toàn cầu. Không giống như những hình thức của ô nhiễm môi trường biển, như tràn dầu, những nơi này có thể được dọn dẹp và làm sạch trở lại, tác động của những loài sinh vật biển xâm chiếm hầu như không hồi phục được Một số liệu đáng chú ý là hàng năm có khoảng 12 tỷ tấn nước Ballast được sử dụng trên các tàu, cùng với khoảng gần 7.000 vi sinh vật, thực vật khác nhau có trong nước biển được luân chuyển đến các nơi trên toàn cầu. Theo số liệu thống kê được hàng năm trên thế giới thiệt hại do sinh vật ngoại lai gây ra trong quá trình luân chuyển nước Ballast vào khoảng 10 tỷ USD [5]. Nhận thấy đây là một trong những vấn đề quan trọng và cấp thiết, tháng 2 - 2004 Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) đã thông qua công ước quốc tế về việc Hướng dẫn & Quản lý nước Ballast. Yêu cầu các tàu phải lắp đặt hệ thống xử lý nước Ballast. Hệ thống này phải có chức năng lọc và diệt khuẩn trong nước Ballast trước khi nước Ballast được bơm ra khỏi tàu, với chất lượng nước đạt được theo tiêu chuẩn D2 của IMO [6]. Công ước trên sẽ có hiệu lực sau 12 tháng khi thoả mãn điều kiện là 30 quốc gia thành viên IMO tham gia công ước với đội tàu tổng cộng chiếm không dưới 35% tổng dung tích đội tàu thế giới. Tính đến ngày 8 tháng 3 năm 2016, Công ước đã nhận được sự phê chuẩn của 49 quốc gia với tổng dung tích đội tàu chiếm 34,82% đội tàu thế giới. Kết quả dự báo cho thấy nhiều khả năng các điều kiện để có hiệu lực của Công ước BWM sẽ được đáp ứng thoả mãn vào giữa năm 2016. Như vậy, Công ước có thể có hiệu lực vào giữa năm 2017. Theo thống kê Việt Nam chúng ta có khoảng 600 con tàu của các công ty vận tải biển nhà nước và tư nhân chạy tuyến quốc tế. Hiện nay chúng ta đang triển khai việc áp dụng công ước quốc tế về quản lý nước Ballast. Trong khi đó chưa có một con tàu nào được trang bị hệ thống này. Hơn nữa, hiện nay chưa có một doanh nghiệp, nhà máy nào trong nước nghiên cứu sản xuất hệ thống xử lý nước Ballast. Như vậy đến năm 2017, khi mà tất cả các tàu ở nước ta phải trang bị hệ thống 5
6. này thì sẽ phải mất một lượng tiền rất lớn nếu ta phải nhập hệ thống này từ nước ngoài. Nó sẽ gây khó khăn không ít đối với các doanh nghiệp vận tải biển trong nước. Nghiên cứu một công nghệ cụ thể trong việc chế tạo hệ thống xử lý nước Ballast phục vụ cho đội tàu biển của Việt Nam một cách phù hợp và hiệu quả là một việc làm cần thiết trong giai đoạn hiện nay 2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Tình hình nghiên cứu trong nước Cho tới thời điểm hiện tại thì chưa có một công trình khoa học trong nước nào nghiên cứu về công nghệ xử lý nước Ballast . Các công trình nghiên cứu trong nước mới chỉ dừng lại ở việc như: - Tìm hiểu về nước Ballast và những rủi ro do nước Ballast gây ra, Các phương pháp lấy mẫu nước Ballast [2]; - Các công trình về việc khảo sát tình hình quản lý nước Ballast tại các cảng biển Việt Nam [1]; - Công trình về phân tích mẫu nước Ballast tại cảng Sài gòn nhằm mục đích đưa ra các chỉ tiêu lý – hoá học mẫu nước Ballast, phân tích thành phần loài phiêu sinh động vật trong mẫu nước Ballast [2]. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Hiện nay trên thế giới đã có một số hãng sản xuất thành công hệ thống xử lý nước Ballast. Các phương pháp xử lý nước Ballast trên thế giới thường được thực hiện như sau: - Phương pháp xử lý cơ học như sử dụng các bộ lọc hoặc dùng máy phân ly; - Phương pháp vật lý như diệt khuẩn bằng ozone, sử dụng tia cực tím ( tia UV), sử dụng điện cực, sử dụng nhiệt độ cao vv; - Phương pháp sử dụng hóa chất để diệt khuẩn; - Kết hợp các phương pháp trên; Qua việc tìm hiểu và nghiên cứu, tác giả nhận thấy việc xử lý nước Ballast bằng công nghệ tia cực tím là phù hợp nhất, bởi vì xét về kích thước thì hệ thống xử dụng công nghệ tia cực tím có kích thước nhỏ gọn nhất, có thể lắp đặt được trên các tàu vừa và nhỏ được đóng mới ở nước ta, hoặc là những tàu cũ có yêu cầu lắp đặt bổ sung hệ thống này. Diệt khuẩn bằng tia UV là phương pháp vật lý, không sử dụng hoạt chất vì vậy phương pháp này không có những tồn dư hoá chất gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh. Xét về hiệu quả kinh tế thì phương pháp diệt khuẩn bằng tia UV có giá thành rẻ hơn so với một số công nghệ diệt khuẩn bằng phương pháp vật lý khác. Hiện nay trên thế giới đã có một số công trình khoa học nghiên cứu về việc tính toán, thiết kế lò UV song việc tính toán thiết kế này chỉ dừng lại ở mức đơn giản, thủ công [9]. Đã có những công trình nghiên cứu về việc mô phỏng sự phân bố cường độ tia UV trong lò UV [10]. Song những nghiên cứu này chỉ dừng lại ở những lò có một 6
7. đèn UV, chưa nghiên cứu cho những lò UV công suất lớn có nhiều đèn UV trong việc xử lý nước Ballast. Đề tài này sẽ xem xét và tập trung vào các vấn đề còn bỏ ngỏ ở trên. 3. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Đưa ra một giải pháp hợp lý phục vụ cho việc thiết kế, chế tạo lò UV trong hệ thống xử lý nước Ballast phục vụ cho đội tàu biển Việt Nam, đáp ứng được công ước BWM 2004 của tổ chức Hàng hải quốc tế. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu ở đây chính là lò UV trong hệ thống xử lý nước Ballast . Do đó phạm vi nghiên cứu của luận án sẽ tập chung nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tia UV, tính toán thiết kế lò UV trong hệ thống xử lý nước Ballast. 4. Phương pháp nghiên cứu, kết cấu của công trình nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thống kê - Phương pháp điều tra khảo sát - Phương pháp mô phỏng - Phương pháp tổng hợp phân tích và thiết kế - Xây dựng thực nghiệm để hoàn thiện sản phẩm. kết cấu của đề tài Với nhiệm vụ và mục tiêu đề ra cấu trúc của luận án được chia thành 03 chương như sau: Chương1. Cơ sở lý thuyết về tia UV Bao gồm các nội dung chính như: Nguyên lý diệt khuẩn bằng tia UV, Nguyên lý bức xạ tia UV, Các tham số cơ bản của tia UV, các loại đèn UV sử dụng trong hệ thống sử lý nước ballast. Chương2. Mô hình hóa cường độ bức xạ tia UV trong lò UV Trên cơ sở phương pháp tổng nguồn đa điểm, nội dung chương 2 sẽ đi sâu vào việc mô hình hoá cường độ bức xạ tia UV trong lò UV. Làm cơ sở cho việc xây dựng chương trình mô phỏng sự phân bố cường độ bức xạ tia UV trong lò UV. Chương3. Tính toán, thiết kế và mô phỏng lò UV trong hệ thống xử lý nước ballast. Nội dung chương 3 nghiên cứu đưa ra cơ sở lý thuyết cho việc tính toán, thiết kế lò UV. Trên cơ sở đó đã xây dựng chương trình tính toán, lựa chọn và mô phỏng lò UV. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cũng sẽ được trình bày trong chương này. 5. Kết quả đạt được của đề tài Đề tài hoàn thành được các vấn đề đặt ra như việc nghiên cứu về tia UV, nguyên lý diệt khuẩn bằng tia UV. Trên cơ sở phương pháp tổng nguồn đa điểm, đề tài 7
8. đã thực hiện mô hình hoá cường độ bức xạ tia UV trong lò UV. Từ đó đã xây dựng chương trình mô phỏng sự phân bố cường độ bức xạ tia UV trong lò UV. Việc mô phỏng lò UV giúp cho chúng ta một cái nhìn trực quan về sự phân bố cường độ tia UV trong lò từ đó đưa ra được các kết luận tính toán, lựa chọn phù hợp. 8
9. CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TIA UV 1.1 Nguyên lý diệt khuẩn bằng tia UV 1.1.1 Giới thiệu chung. Xử lý nước có nghĩa là loại bỏ, vô hiệu hóa hoặc giết các vi sinh vật, vi khuẩn gây bệnh có trong nước. Quá trình diệt khuẩn có thể đạt được bằng các phương thức xử lý vật lý hoặc hóa học. Sử dụng năng lượng UV là một trong những ứng dụng vật lý thường xuyên nhất để xử lý nước sinh hoạt và nước thải. Tia cực tím lần đầu tiên được sử dụng ở Pháp để khử khuẩn trong nước uống vào những năm đầu thế kỷ 19. Các hệ thống đầu tiên sớm bị bỏ rơi vì chi phí quá cao, thiết bị chưa đủ độ tin cậy và biện pháp khử khuẩn phổ biến là Chlorine [9]. Vào thời gian hiện đại hơn, Tia cực tím được sử dụng bằng cách kết hợp với các biện pháp xừ lý khác như Chlorine trong các nhà máy xử lý nước ở thành thị. Việc sử dụng tia cực tím để xử lý nước đựơc phát triển do các vấn đề về sức khoẻ có liên quan đến việc sử dụng Chlorine và sự không hiệu quả của chlorine trong việc diệt ký sinh đơn bào Cryptosporidium [8]. Kể từ năm 2000, đã có hơn 400 tiện ích khử khuẩn nước bằng UV trên toàn thế giới, điển hình có những tiện ích có thể đạt được tốc độ dòng chảy gần 1 triệu gallon/ngày. Ngày nay, việc sử dụng năng lượng tia cực tím để xử lý nước nhiễm khuẩn là một công nghệ phù hợp được công nhận. Việc sử dụng tia UV ưu việt hơn so với việc tẩy rửa hoá học ở các điểm sau : - Không có chất độc hoặc các tác dụng phụ đáng kể; - Không gây nguy hiểm khi quá liều; - Loại bỏ các chất hữu cơ gây ô nhiễm; - Không làm phát sinh ra các hợp chất hữu cơ hoặc chất độc không khí; - Không có mùi hoặc gây mùi trong các sản phẩm nước uống thành phẩm; - Yêu cầu thời gian xử lý rất nhỏ (vài giây so với vài phút đối với xử lý hóa học); - Không chứa các chất độc hại; - Chiếm không gian nhỏ hơn để đặt lò UV; - Nâng cao chất lượng nước uống bởi vì các vi sinh vật hữu cơ gây ô nhiễm hoặc tấn công bị tiêu hủy. Những bất lợi khi sử dụng UV bao gồm: Sự bức xạ tia UV không thích hợp đối với nước ở thể rắn, đục, có màu, hoặc các chất hữu cơ hòa tan; Tia UV không hiệu quả trong chống lại bất kỳ vật gây ô nhiễm không còn sống, amiăng, nhiều chất hóa học hữu cơ, clo v.v ; Các nang sống ẩn, dai có sự đề kháng mạnh với tia UV; Yêu cầu cấp điện để hoạt động. Trong tình huống mất nguồn, thiết bị xử lý không hoạt động. 9
10. 1.1.2 Nguyên lý diệt khuẩn bằng tia UV. Kỹ thuật xử lý bằng UV là cách tiếp cận không hóa học để diệt khuẩn. Trong phương pháp này, việc xử lý đơn giản, rẻ tiền và yêu cầu chi phí bảo dưỡng rất thấp. Các đèn cực tím xử lý nước được thiết kế và tính toán để sản sinh lượng UV cần thiết thường tối thiểu 16,000 Ws/cm3 nhưng rất nhiều đèn có lượng cao hơn. Nguyên lý thiết kế dựa vào kết quả của thời gian xử lý và cường độ. Tia cực tím là một phần của phổ ánh sáng mà được phân loại thành 3 dải bước sóng: • UV-C, từ 100 nm đến 280 nm; • UV-B, từ 280 nm đến 315 nm; • UV-A, từ 315 nm đến 400 nm. Hình 1.1 Phổ ánh sáng và sự bức xạ tia UV Tia UVC được sử dụng để sát trùng, nó vô hiệu hóa DNA của vi rút, vi khuẩn và các mầm bệnh khác (hình1.1). Vì vậy tia UVC diệt khả năng gây bệnh và lây lan của chúng. Đặc biệt, tia UVC phá hủy liên kết giữa các axit nucleic đơn phân kề nhau trong DNA của vi sinh vật. Sự phá hủy các liên kết trong DNA ngăn chặn các vi sinh vật không thể tái tạo, tổ chức lại. Thực tế, khi cấu trúc không thể tái tạo được, nó sẽ chết [13]. Hình 1.2 và 1.3 chỉ ra rằng phân tử DNA của tế bào bị phá vỡ dưới tác động của tia cực tím. Các chất hữu cơ bị vô hiệu hóa khi đưa vào một lượng UV đủ để làm thay đổi cấu trúc phân tử DNA. Kết quả là tia UV gây ra hai phân tử thimine có liên kiết bất thường, hay là dimer. Ảnh hưởng của các phân tử dimmer thymin tới chuỗi DNA ngăn chặn sự tái tạo của sinh vật. Nó có thể không bị tiêu diệt ngay lập tức nhưng sự xáo trộn mã di truyền trong phân tử ngăn chặn sự tái tạo, dịch mã [7]. Guanine Thymi ne Adenine 10
11. Cytosine Hình 1.2: DNA trước khi diệt khuẩn bằng tia cực tím Guanine Thymin e Adenine Cytosine Dimer Hình 1.3: DNA sau khi diệt khuẩn bằng tia cực tím Các đèn tia cực tím xử lý nước được thiết kế và tính toán để sản xuất ra lượng UV. Cường độ năng lượng UV-C của đèn sẽ giảm sau thời gian sử dụng. Hầu hết các nhà sản xuất đều khuyến cáo nên thay bóng đèn mỗi năm một lần. Tuy nhiên ta nên đo công suất đèn thường xuyên và thay bóng đèn khi công suất của đèn còn dưới 80% so với công suất ban đầu. Các nhà sản xuất cũng cho biết chỉ nên sử dụng đèn trong vòng 10000 giờ [9]. 1.1.3. Hệ thống Xử lý bằng UV điển hình. Hình 1.4. Thiết bị xử lý nước bằng UV điển hình Mục đích của hệ thống xử lý bằng UV để làm giảm số lượng các nguồn bệnh sống trong một dòng chảy ở mức độ chấp nhận được. Thiết kế của một hệ thống UV điển hình được chỉ ra trong hình 1.4. Đèn UV có vỏ là một ống thạch anh sạch. Ống này lại được đặt tại trung tâm của lò UV. Khi nước chảy bên trong lò UV, tia UV sẽ rọi vào dòng nước . Mục đích của việc thiết kế các đèn xử lý bằng UV là để tạo ra lượng UV cần thiết một cách hiệu quả để vô hiệu hóa các vi sinh vật gây bệnh. Vỏ của thiết bị xử lý 11
12. làm bằng thép được đóng kín, các đèn UV được chứa trong ống đèn bằng thạch anh nhằm mục đích bảo vệ và cách ly. Các lò UV cũng chứa các thiết bị cơ khí làm sạch tự động để giữ cho ống đèn không bị đọng chất lỏng. Các cảm biến UV, bộ đo dòng và trong một vài trường hợp, các bộ phân tích hệ số truyền UVT, được sử dụng để giám sát lượng bức xạ UV của lò UV. 1.2. Nguyên lý bức xạ tia UV 1.2.1 Sự hấp thụ của môi trường đối với tia UV Sự hấp thụ là sự biến đổi của tia sáng thành dạng năng lượng khác khi nó truyền qua vật chất. Sự hấp thụ tia UV của vật chất thay đổi theo bước sóng của ánh sáng. Các thành phần của một hộp phản ứng UV và nước truyền qua hộp phản ứng hấp thụ tia UV sẽ thay đổi nhiệt độ, phụ thuộc vào thành phần vật liệu. Khi tia UV bị hấp thụ, nó sẽ không có giá trị lâu dài để diệt khuẩn. Sự hấp thụ tia UV được xác định là sự giảm cường độ của tia sáng tới khi nó truyền qua một mẫu nước qua một khoảng cách hoặc độ dài truyền dẫn. Về mặt quang phổ, sự hấp thụ A được định nghĩa bởi [4]: I A ln 1  (1.1) I0 Trong đó: I1 là cường độ của tia sáng tại bước sóng λ sau khi truyền qua một mẫu (cường độ ánh sáng còn lại sau khi truyền). I0 là cường độ ban đầu của tia sáng (trước khi truyền qua một mẫu). Cũng theo định luật Beer–Lambert, mối liên hệ giữa sự hấp thụ ánh sáng và đặc tính của vật liệu mà ánh sáng truyền qua như sau [4]: A  lc l (1.2) Trong đó: -1 -1  : hệ số hấp thụ phân tử (M cm ) tại bước sóng λ c: là nồng độ hấp thụ phân tử (M) l : độ dài truyền dẫn σ: là hệ số hấp thụ của vật liệu (cm-1) bằng c Hình 1.5 là biểu thị sự hấp thụ của tia sáng theo định luật Beer–Lambert khi nó truyền qua thủy tinh có bề rộng l . Công thức này có thể được viết lại: lc l T e e (1.3) Trong đó T là sự truyền của tia sáng qua vật liệu, được định nghĩa I Te A 1 (1.4) I0 12
13. Hình 1.5: Định luật hấp thụ Beer–Lambert của chùm tia sáng . 1.2.2 Sự khúc xạ. Hình 1.6 : Sự khúc xạ của tia sáng qua các môi trường khe hở không khí - vỏ thạch anh – nước. Sự khúc xạ (Hình 1.6) là sự thay đổi đường truyền tia sáng tới khi nó truyền qua bề mặt của hai môi trường khác nhau. Trong các hộp phản ứng UV, sự khúc xạ xảy ra khi ánh sáng truyền từ đèn UV vào khe hở không khí, từ khe hở không khí vào ống đèn và từ ống đèn vào nước. Sự khúc xạ làm thay đổi góc mà tia UV tấn công vào nguồn bệnh. 1.2.3 Sự phản xạ. Sự phản xạ là sự thay đổi đường truyền của tia sáng tới khi nó gặp một bề mặt. Sự phản xạ có thể phân loại thành sự phản xạ phản chiếu (Hình 1.7) hoặc sự phản xạ khuếch tán (Hình 1.8). Phản xạ phản chiếu xảy ra khi bề mặt là mặt phẳng nhẵn và 13
14. tuân theo Định luật phản xạ (góc phản xạ bằng góc tới). Phản xạ khuếch tán xảy ra khi bề mặt bị gồ ghề, làm cho tia sáng bị phản xạ theo nhiều hướng với sự phụ thuộc nhỏ vào góc tới. Hình 1.7: Sự phản xạ phản chiếu Reflected light Incident light Diffuse reflection Hình 1.8: Sự phản xạ khuếch tán Trong các hộp phản ứng UV, sự phản xạ xảy ra tại các giao diện mà không truyền tia UV (ví dụ thành ống) và tại các giao diện truyền tia UV (ví dụ bên trong ống đèn). 1.2.4 Sự tán xạ Sự tán xạ tia sáng là sự thay đổi hướng truyền thẳng của tia sáng gây ra bởi tác động của một phần tử (Hình 1.9). Các phần tử có thể gây ra sự khuếch tán theo tất các hướng, bao gồm cả hướng về tia sáng tới (hồi tiếp). 14
15. Back scattered light Incident light Scattered light in all directions Scattering of light Hình 1.9: Sự tán xạ tia sáng 1.3. Các tham số cơ bản của tia UV 1.3.1. Hệ số truyền tia của tia UV ( UVT). Hệ số truyền UV (UVT) cũng được sử dụng rộng rãi trong quá trình mô tả đường truyền của tia UV. UVT là tỷ lệ phần trăm của tia sáng truyền qua vật chất (ví dụ nước hoặc thạch anh) qua một khoảng cách xác định. UVT có thể được tính toán dựa vào định luật Beer [10]: I %UVT 100 (1.5) I0 Trong đó: UVT: hệ số truyền tia UV tại một bước sóng xác định qua đường truyền. I : Cường độ tia sáng sau khi truyền qua mẫu ( mW / cm2 ) 2 I0 : Cường độ của tia sáng tới ( mW / cm ) UVT cũng có thể được xác định từ quan hệ của nó với sự hấp thụ tia UV theo công thức (1.2) A %UVT 100 e (1.6) Với A là sự hấp thụ tia UV tại bước sóng xác định qua một đường truyền. 1.3.2. Lượng UV. Lượng UV là lượng năng lượng UV-C (được tính bằng công suất hay microwatts) truyền qua một khu vực cụ thể ( tính bằng centimet vuông) trong một thời gian nhất định (giây) .Tính hiệu quả của hệ thống xử lý bằng tia cực tím phụ thuộc phụ thuộc vào lượng tia cực tím được truyền tới nước [9]. Lượng UV là cường độ của tia UV trong khoảng thời gian xử lý. Nếu cường độ tia UV không đổi trong suốt thời gian xử lý, lượng tia UV được định nghĩa là tích giữa cường độ và thời gian xử lý: 15
16. UVDose = EA.t (1.7) 2 EA : Cường độ tia UV ( mW / cm ). t : Thời gian xử lý (s). Không giống như việc xử lý hoá học, tia UV không để lại lượng tồn dư UV và có độ tin cậy trong việc vô hiệu hóa vi khuẩn. Lượng UV phụ thuộc vào cường độ tia UV, tốc độ dòng chảy và hệ số truyền UV (UVT). Bảng 1.1 Các lượng UV khác nhau cần thiết để khử các loại vi sinh vật Vi khuẩn Lượng Vi khuẩn Lượng Bacteria UV Bacteria UV UV UV Dose Dose Agrobacterium lumefaciens 5 8,500 Pseudomonas aeruginosa 10,500 (Environ.Strain) 1,2,3,4,5,9 Bacillus anthracis 1,4,5,7,9 8,700 Pseudomonas aeruginosa (Lab. 3,900 (anthrax veg.) Strain) 5,7 Bacillus anthracis Spores (anthrax 46,200 Pseudomonas fluorescens 4,9 6,600 spores)* Bacillus megatherium Sp. (veg) 2,500 Rhodospirillum rubrum 5 6,200 4,5,9 Bacillus megatherium Sp. (spores) 5,200 Salmonella enteritidis 3,4,5,9 7,600 4,9 Bacillus paratyphosus 4,9 6,100 Salmonella paratyphi (Enteric 6,100 Fever) 5,7 Bacillus subtilis 3,4,5,6,9 11,000 Salmonella Species 4,7,9 15,200 Bacillus subtilis Spores 2,3,4,6,9 22,000 Salmonella typhimurium 4,5,9 15,200 Clostridium tetani 23,100 Salmonella typhi (Typhoid Fever) 7 7,000 Clostridium botulinum 11,200 Salmonella 10,500 Corynebacterium diphtheriae 6,500 Sarcina lutea 1,4,5,6,9 26,400 1,4,5,7,8,9 Dysentery bacilli 3,4,7,9 4,200 Serratia marcescens 1,4,6,9 6,160 Eberthella typhosa 1,4,9 4,100 Shigella dysenteriae - Dysentery 4,200 1,5,7,9 Escherichia coli 1,2,3,4,9 6,600 Shigella flexneri - Dysentery 5,7 3,400 Legionella bozemanii 5 3,500 Shigella paradysenteriae 4,9 3,400 Legionella dumoffill 5 5,500 Shigella sonnei 5 7,000 Legionella gormanil 5 4,900 Spirillum rubrum 1,4,6,9 6,160 Legionella micdadei 5 3,100 Staphylococcus albus 1,6,9 5,720 16
17. Legionella longbeachae 5 2,900 Staphylococcus aureus 3,4,6,9 6,600 Legionella pneumophila 12,300 Staphylococcus epidermidis 5,7 5,800 (Legionnaire's Disease) Leptospira canicola-Infectious 6,000 Streptococcus faecaila 5,7,8 10,000 Jaundice 1,9 Leptospira interrogans 1,5,9 6,000 Streptococcus hemolyticus 5,500 1,3,4,5,6,9 Micrococcus candidus 4,9 12,300 Streptococcus lactis 1,3,4,5,6 8,800 Micrococcus sphaeroides 1,4,6,9 15,400 Streptococcus pyrogenes 4,200 Mycobacterium tuberculosis 10,000 Streptococcus salivarius 4,200 1,3,4,5,7,8,9 Neisseria catarrhalis 1,4,5,9 8,500 Streptococcus viridans 3,4,5,9 3,800 Phytomonas tumefaciens 1,4,9 8,500 Vibrio comma (Cholera) 3,7 6,500 Proteus vulgaris 1,4,5,9 6,600 Vibrio cholerae 1,5,8,9 6,500 Mốc Lượng Mốc Lượng Molds UV Molds UV UV UV Dose Dose Aspergillus amstelodami 77,000 Oospora lactis 1,3,4,6,9 11,000 Aspergillus flavus 1,4,5,6,9 99,000 Penicillium chrysogenum 56,000 Aspergillus glaucus 4,5,6,9 88,000 Penicillium digitatum 4,5,6,9 88,000 Aspergillus niger (breed mold) 330,000 Penicillium expansum 1,4,5,6,9 22,000 2,3,4,5,6,9 Mucor mucedo 77,000 Penicillium roqueforti 1,2,3,4,5,6 26,400 Mucor racemosus (A & B) 35,200 Rhizopus nigricans (cheese mold) 220,000 1,3,4,6,9 3,4,5,6,9 Sinh vật đơn bào Lượng Sinh vật đơn bào Lượng Protozoa UV Protozoa UV UV UV Dose Dose Chlorella vulgaris (algae) 22,000 Giardia lamblia (cysts) 3 100,000 1,2,3,4,5,9 Blue-green Algae 420,000 Nematode Eggs 6 40,000 E. hystolytica 84,000 Paramecium 1,2,3,4,5,6,9 200,000 17
18. Virus Lượng Virus Lượng UV UV UV UV Dose Dose Adeno Virus Type III 3 4,500 Influenza 1,2,3,4,5,7,9 6,600 Bacteriophage 1,3,4,5,6,9 6,600 Rotavirus 5 24,000 Coxsackie 6,300 Tobacco Mosaic 2,4,5,6,9 440,000 Infectious Hepatitis 1,5,7,9 8,000 0 0 Men Lượng Men Lượng Yeasts UV Yeasts UV UV UV Dose Dose Baker's Yeast 1,3,4,5,6,7,9 8,800 Saccharomyces cerevisiae 4,6,9 13,200 Brewer's Yeast 1,2,3,4,5,6,9 6,600 Saccharomyces ellipsoideus 4,5,6,9 13,200 Common Yeast Cake 1,4,5,6,9 13,200 Saccharomyces sp. 2,3,4,5,6,9 17,600 Bảng 1.1 tóm tắt lại các lượng UV khác nhau cần thiết để khử các loại vi sinh vật. Do khó có thể xác định được tất cả các loại vi sinh vật hiện diện trong một nguồn nước nên cũng rất khó có thể xác định được liều lượng UV tối thiểu để đáp ứng cho mọi trường hợp. Tuy nhiên, liều lượng 30 mW-giây/cm2 là tiêu chuẩn quốc tế được thế giới chập nhận rộng rãi đối với nước được khử khuẩn bằng tia cực tím [9]. Tiêu chuẩn này như là một liều lượng tối thiếu cho hệ thống xử lý nước bằng tia cực tím nói chung trừ một số quốc gia và hệ thống đặc biệt sử dụng tiêu chuẩn cao hơn. 1.3.3 Cường độ UV Cường độ tia UV là một thuộc tính quan trọng của tia UV trong xử lý nước và có đơn vị là W/m2 hoặc mW/cm2. Tổng cường độ của tia UV tại một điểm thu EA là tổng công suất bức xạ của tất cả tia sóng tới tác động lên đơn vị diện tích tại điểm đó ( Hình 1.10) tong cong suat buc xa E A dA (1.8) 18
19. dA Hình 1.10: Cường độ của tia UV tại một điểm A 1.3.4 Thời gian xử lý Là thời gian cụ thể để một vi sinh vật được khử dưới tia UV-C khi nó đi qua lò UV. Thời gian xử lý thay đổi tuỳ thuộc vào quãng đường và tốc độ di chuyển cụ thể mà sinh vật di chuyển qua lò UV. 1.4 Các loại đèn UV trong xử lý nước Hiện nay có rất nhiều đèn phát ra tia UV. Tuy nhiên những đèn UV thường được sử dụng trong những ứng dụng xử lý nước thì cơ bản chỉ có 3 loại đó là đèn hơi thủy ngân áp suất thấp ( LP ), đèn hơi thủy ngân áp suất thấp công suất ra lớn (LPHO) và đèn hơi thủy ngân áp suất trung bình ( MP). Cấu tạo của 3 loại đèn này được chỉ ra ở hình 1.11 Hình 1.11 cấu tạo của đèn UV 19
20. Các thông số và đặc tính kỹ thuật của 3 loại đèn trên được chỉ ra ở bảng 1.2 Bảng 1.2 Các thông số và đặc tính kỹ thuật của 3 loại đèn UV Thông số Đèn LP Đèn LPHO Đèn MP Đơn sắc tại Đơn sắc tại Cả dải phổ từ 200 Phổ của tia UV bước sóng bước sóng đến 400nm 254nm 254nm Xấp xỉ 0.93 Áp suất hơi thủy ngân ( Pa ) 0.18-1.6 40,000– 4,000,000 Nhiệt độ hoạt động ( oc ) Xấp xỉ 40 60 - 100 600 - 900 Công suất điện đầu vào (W/cm 0.5 1.5 - 10 50 - 250 ) Công suất tia UV đầu ra 0.2 0.5 - 3.5 5 - 30 (W/cm) Hiệu quả chuyển đổi năng 35 – 38 30 – 35 10 – 20 lượng điện sang tia UV(%) Chiều dài đèn ( cm ) 10 – 150 10 – 150 5 – 120 Số lượng đèn cần trong một hệ Nhiều Trung bình ít thống 8,000 – Tuổi thọ của đèn ( giờ ) 8,000 – 12,000 4,000 – 8,000 10,000 Dựa vào bảng thông số kỹ thuật của các loại đèn trên ta thấy, đèn LP và LPHO có tuổi thọ và hiệu suất diệt khuẩn tương đương nhau, tuy nhiên đèn LPHO có công suất cao hơn nhiều so với đèn LP. Đèn MP có công suất rất lớn, hiện nay trên thị trường đã có những loại đèn MP công suất lên tới vài chục Kw. So với đèn LP và đèn LPHO thì đèn MP có tuổi thọ thấp hơn, nhiệt độ làm việc lớn hơn. Hiệu quả diệt khuẩn của đèn MP chỉ bằng khoảng 1/3 đèn LP và LPHO, điều này được giải thích là vì toàn bộ năng lượng đầu ra tia UV của đèn LP và đèn LPHO đều tập chung ở bước sóng đơn sắc 254nm. Đây là bước sóng có tác dụng diệt khuẩn tốt nhất. Trong khi đó năng lượng đầu ra tia UV của đèn MP thì trải dài ra cả một dải phổ từ 200 đến 400nm hình 1.12. Ưu điểm nổi bật của đèn MP là kích thước nhỏ nhưng công suất lại rất lớn, phù hợp với các ứng dụng xử lý yêu cầu dụng lượng lớn nhưng kích thước hệ thống nhỏ gọn. Nhược điểm của đèn MP là tuổi thọ thấp, giá thành cao. 20
21. Hình 1.12 Phổ đầu ra của hai loại đèn UV Trong 3 loại đèn trên thì đèn LP thường được ứng dụng trong những hệ thống xử lý nước có lưu lượng nhỏ. Trong khi đó đèn LPHO và đèn MP thường được ứng dụng trong những hệ thống xử lý nước có lưu lượng lớn. Đối với hệ thống xử lý nước ballast trên tàu thì về lý thuyết ta có thể sử dụng bất kỳ loại đèn nào trong 03 loại trên. Có điều chúng ta cần phải lưu ý là hệ thống xử lý nước ballast trên tàu có dung lượng xứ lý rất lớn, có những tàu dung lượng cần xử lý lên đến 1000m3/h. Như vậy nếu sử dụng loại đèn LP thì cần phải sử dụng số lượng đèn UV rất lớn để thiết kế lò UV, việc này dẫn đến kích thước lò UV rất lớn, khó có thể lắp đặt được trên không gian chật hẹp của con tàu. Đây cũng là lý do mà tất cả các hãng sản xuất hệ thống xử lý nước ballast bằng tia UV trên thế giới không sử dụng đèn LP. Như vậy, ta có thể sử dụng 02 loại đèn còn lại để thiết kế lò UV cho hệ thống xử lý nước ballast. Tùy theo kích thước không gian trên từng con tàu cụ thể mà chọn đèn LPHO hay MP. Ví dụ nếu không gian trên tàu đủ rộng thì ta có thể sử dụng đèn LPHO cho giá thành rẻ, nếu không gian trên tàu chật hẹp thì bắt buộc phải sử dụng đèn MP. 21
22. 1.5. Quy trình và công đoạn xử lý nước Ballast bằng tia UV Nếu trong nước có chứa nhiều chất cặn, lửng lơ làm tăng độ đục của nước thì việc xử lý bằng tia UV sẽ kém hiệu quả. Do đó khi sử dụng phương pháp UV để diệt khuẩn bắt buộc phải có hệ thống lọc đóng vai trò là khâu tiền xử lý trước khi diệt khuẩn bằng UV. Cấu hình công nghệ cho hệ thống xử lý nước ballast được mô tả ở hình 1.13. Cấu hình công nghệ của hệ thống bao gồm 02 phần tử chính đó là bộ lọc và lò UV. Cả hai thiết bị này đều có dung lượng xử lý định mức là 200m3/h. Quá trình công nghệ xử lý nước ballast sẽ qua hai công đoạn. Công đoạn thứ nhất là sử dụng hệ thống siêu lọc có chức năng tự động xả ngược (tự động làm sạch màng lọc khi màng lọc bị tắc) để lọc bỏ sơ bộ những phần tử có kích thước lớn. Công đoạn thứ hai là lò tạo tia UV để diệt trùng nước ballast. OverBoard Drain valve V1 V2 FILTER UV UNIT REACTOR BALLAST V4 PUMP V3 V5 Hình 1.13 Cấu hình công nghệ cho hệ thống xử lý nước ballast Quá trình xử lý nước ballast được thực hiện qua hai giai đoạn đó là bơm nước ballast lên tàu (Ballasting) và xả nước ballast từ tàu ra ngoài ( De- Ballasting). Chế độ Ballasting Giai đoạn bơm nước ballast lên tàu sẽ được đưa qua hai khâu xử lý đó là bộ lọc và lò UV( Hình 1.14 ) . Ở giai đoạn này nước ballast được hút từ biển thông qua van thông biển ( Sea chest ), qua bơm dằn, qua van V1, qua bộ lọc, qua van V1, qua lò UV, qua Van V4 và chảy vào các két dằn 22
23. OverBoard Drain valve V1 V2 FILTER UV UNIT REACTOR TO BALLAST V4 BALLAST PUMP TANK V3 SEA CHEST Chiều dòng nước chảy V5 Van mở Van đóng Hình 1.14 Xử lý nước ballast trong giai đoạn bơm nước ballast lên tàu Lọc là quá trình xử lý đầu tiên, nước ballast sẽ được lọc bỏ những tạp chất như bùn, cát, rác, trầm tích và những vi sinh vật có kích thước lớn, nâng cao hiệu quả cho quá trình xử lý thứ hai. Tất cả các phần tử có kích thước lớn này được đưa ra xả mạn ( OverBoard) thông qua van Drain. Phần nước sạch sau khi đi qua bộ lọc tiếp tục được đưa qua lò UV nhằm tiêu diệt nốt các vi khuẩn và vi sinh vật nhỏ còn sót lại trong nước ballast. Chế độ DeBallasting Chế độ này được thực hiện trong quá trình xả nước ballast từ tàu ra ngoài (hình 1.15). Ở chế độ này nước ballast được đưa qua lò UV lần nữa để đảm bảo chắc chắn rằng tất cả vi khuẩn và vi rút có thể còn sống sẽ bị tiêu diệt hoàn toàn. Trong trường hợp này hệ thống điều khiển sẽ điều khiển các van V1, V2, V5 đóng còn lại các van V3, V4 mở, bộ lọc tắt và lò UV vẫn được kích hoạt ở trạng thái làm việc. OverBoard Drain valve V1 V2 OVERBOARD FILTER UV UNIT REACTOR BALLAST V4 PUMP V3 BALLAST TANK Chiều dòng nước chảy V5 Van mở Van đóng Hình 1.15 Xử lý nước ballast trong giai đoạn xả nước ballast ra ngoài Theo như tiêu chuẩn quy định của IMO thì tất cả các hệ thống xử lý nước ballast phải có một chế độ chức năng nữa đó là chế độ Bypass (hình 1.16). 23
24. OverBoard Drain valve V1 V2 FILTER UV UNIT REACTOR BALLAST V4 PUMP V3 Chiều dòng nước chảy V5 Van mở Van đóng Hình 1.16 Hệ thống xử lý nước ballast hoạt động ở chế độ Bypass Chế độ Bypass được thực hiện trong trường hợp các thiết bị xử lý bị sự cố hoặc đang trong thời kỳ bảo dưỡng. Ở chế độ này nước ballast bơm trực tiếp từ biển tới các két chứa nước ballast trên tàu mà không qua các thiết bị xử lý. 24
25. CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HOÁ CƯỜNG ĐỘ BỨC XẠ TIA UV TRONG LÒ UV 2.1. Công thức tính toán cường độ tia UV tại một điểm bất kỳ trong lò sử dụng 1 đèn UV bằng phương pháp tổng nguồn đa điểm Nội dung của phương pháp tổng nguồn đa điểm là một đèn UV được mô phỏng như một chuỗi các nguồn điểm bức xạ liên tục (Hình 2.1). Mỗi một nguồn điểm có công suất bức xạ là Pi sẽ bằng công suất phát xạ của đèn chia cho tổng số nguồn điểm [10] co-linear point source UV lamp Hình 2.1 Đèn được coi là một chuỗi các nguồn điểm Mỗi một nguồn điểm Pi sẽ bức xạ ra năng lượng tia UV theo vô hướng. Như vậy cường độ tia UV tại một điểm A bất kỳ cách nguồn điểm một khoảng r sẽ là một điểm năng lượng tia UV nằm trên mặt cầu có tâm là nguồn điểm, bán kính r (hình 2.2). Hình 2.2 Cường độ trường tại một điểm nhận từ một nguồn điểm 25
26. Khi đó cường độ tia UV tại điểm A do nguồn điểm Pi sinh ra sẽ được tính như sau: P ET i A 4 r 2 (2.1) Trong đó: Pi là công suất bức xạ tại nguồn điểm T là sự truyền tia sáng bức xạ qua tất cả vật chất r là khoảng cách bức xạ từ nguồn điểm tới điểm thu Thay công thức (1.3) vào (2.1) thu được: Pi  r EeA (2.2) 4 r 2 Trong đó: Pi là công suất bức xạ tại nguồn điểm (W) r là khoảng cách bức xạ từ nguồn điểm tới điểm thu (cm)  là hệ số hấp thụ của vật chất (cm-1) Từ công thức (2.2) chúng ta có thể thấy rằng cường độ tia UV xung quanh nguồn điểm có thể được xác định chính xác thông qua khoảng cách giữa nguồn điểm đến điểm thu và hệ số hấp thụ của môi trường truyền dẫn tia UV. Hình 2.3 Cường độ tại điểm thu từ tổng các nguồn điểm Như đã chỉ ra trong hình 2.3, cường độ tại điểm thu bất kỳ trong vùng bức xạ được xem là tổng của tất cả sự phân phối cường độ từ các điểm nguồn trong hệ thống: n P Ie i iir A  2 (2.3) i 1 4 ri Trong đó: Pi là công suất bức xạ tại nguồn điểm thứ i (W) ri là khoảng cách bức xạ từ nguồn điểm thứ i tới điểm thu (cm) 26
27. -1  i là hệ số hấp thụ của vật chất (cm ) n: Tổng số các nguồn điểm trong vùng bức xạ Đối với hệ thống xử lý bằng tia UV (Hình 2.4), đèn UV được đặt trong một ống thạch anh. Vì vậy tia UV sẽ truyền qua 2 môi trường nước và thạch anh, nên tổng khoảng cách và tổng hệ số hấp thụ được tính bằng: ()R r t w q q q li r () R r  t (2.4) i icRos w q q q Trong đó: -1  i : hệ số hấp thụ của vật chất (cm ) ri : Khoảng cách bức xạ từ nguồn điểm tới điểm thu (cm) -1  w : hệ số hấp thụ của nước (cm ) R : khoảng cách bức xạ từ trục của đèn tới điểm thu (cm) rq : khoảng cách từ trục của đèn tới thành ngoài của ống thạch anh (cm) -1  q : hệ số hấp thụ của ống thạch anh (cm ) tq : độ dày của ống thạch anh (cm) li khoảng cách từ nguồn điểm thứ i tới điểm thu (cm) Hình 2.4 Cường độ trường tại một điểm thu – nguồn điểm trong thành ống thạch anh Thế công thức (2.4) vào (2.3): P n l I n exp [( ( R r ) t ]i ] A 2 w q q q (2.5) i 1 4 lRi Trong đó: P : công suất đầu ra của đèn (W) n : số lượng các nguồn điểm : hệ số hấp thụ của vật chất (cm-1) 27
28. -1  w : hệ số hấp thụ của nước (cm ) R : khoảng cách bức xạ từ trục của đèn tới điểm thu (cm) rq : khoảng cách từ trục của đèn tới thành ngoài của ống thạch anh (cm) -1  q : hệ số hấp thụ của ống thạch anh (cm ) tq : độ dày của ống thạch anh (cm) li khoảng cách từ nguồn điểm thứ i tới điểm thu (cm) 2.2. Công thức xác định cường độ tia UV tại một điểm bất kỳ trong lò sử dụng nhiều đèn UV Khi lò UV sử dụng nhều đèn UV thì cường độ UV tại một điểm bất kì sẽ bằng tổng cường độ UV của từng đèn tại điểm đó. Từ kết quả khảo sát cường độ UV tại một điểm bất kì sử dụng phương pháp nguồn đa điểm ta có: Cường độ UV tại điểm thu bất kì của 1 đèn UV thứ k P n l I n exp [( ( R r ) t ]ki ] Ak 2 w k q q q (2.6) i 1 4 lRki k Trong đó: P : công suất đầu ra của đèn (W) n : số lượng các nguồn điểm của đèn UV thứ k -1  i : hệ số hấp thụ của vật chất (cm ) ri : Khoảng cách bức xạ từ nguồn điểm tới điểm thu (cm) : hệ số hấp thụ của nước (cm-1) Rk: khoảng cách bức xạ từ trục của đèn UV thứ k tới điểm thu (cm) : khoảng cách từ trục của đèn tới thành ngoài của ống thạch anh (cm) : hệ số hấp thụ của ống thạch anh (cm-1) : độ dày của ống thạch anh (cm) khoảng cách từ đèn UV thứ k điểm tới điểm thu (cm) Cường độ UV khi sử dụng nhiều đèn: P N N n l I I n exp [( ( R r ) t ]ki ] A Ak   2 w k q q q (2.7) k 1 k 1 i 1 4 lRki k Trong đó: : công suất đầu ra của đèn (W) : số lượng các nguồn điểm của đèn UV thứ k : hệ số hấp thụ của vật chất (cm-1) 28
29. -1  w : hệ số hấp thụ của nước (cm ) Rk: khoảng cách bức xạ từ trục của đèn UV thứ k tới điểm thu (cm) rq : khoảng cách từ trục của đèn tới thành ngoài của ống thạch anh (cm) -1  q : hệ số hấp thụ của ống thạch anh (cm ) tq : độ dày của ống thạch anh (cm) li khoảng cách từ đèn UV thứ k điểm tới điểm thu (cm) 29
30. CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN, THẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG LÒ UV TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC BALLAST 3.1. Cơ sở lý thuyết cho việc tính toán, thiết kế lò UV Khác với các hệ thống xử lý nước thông thường ở trên bờ, hệ thống xử lý nước ballast yêu cầu phải có dung lượng xử lý lớn, cụ thể ở đây tác giả sẽ tính toán thiết kế lò UV có dung lượng xử lý tối đa là 200 m3/h. Điều này không thể thực hiện được bằng lò UV sử dụng một đèn mà bắt buộc phải sử dụng nhiều đèn trong một lò UV. Việc thiết kế một lò UV có dung lượng xử lý tối đa cho trước xuất phát từ việc chọn lượng UV để khử trùng. Lượng UV (UVDose) là cường độ của tia UV trong khoảng thời gian xử lý. Nếu cường độ tia UV không đổi trong suốt thời gian xử lý, lượng tia UV được định nghĩa là tích giữa cường độ tia UV và thời gian xử lý: 2 UVDose = I.t ( mW.giây/cm ) (3.1) Theo tổ chức y tế thế giới thì cần một lượng UV bằng 30 mW-giây/ cm2 là có thể diệt được hầu hết các loại khuẩn trong nước uống [9]. Tuy nhiên đối với nước ballast thì để diệt được một số Virus thì phải cần một lượng UV là 60 mW-giây/cm2. Hơn thế nữa một số loại tảo biển chỉ bị tiêu diệt ở liều lượng 200 mW-giây/cm2 [11]. Như vậy lượng UV yêu cầu cao nhất này sẽ là mốc để tác giả tính toán thiết kế lò UV. Mối quan hệ giữa lượng UV, thể tích lò UV, cường độ bức xạ tia UV và tốc độ dòng chảy (dung lượng xử lý ) được thể hiện thông qua công thức sau [9]: I.V UV DZ (3.2) Dose  2 UVDose: lượng UV ( mW.giây/cm ) I: Cường độ tia UV (mW / cm2 ) VDZ: Thể tích lò UV ( lít ) v: Lưu lượng nước ( trong trường hợp này là 200 m3/h = 55 lit/giây ) Với các tham số biết trước thì việc thiết kế lò UV là phải xác định nốt hai thông số còn lại là I và VDZ. Trong hai thông số này ta phải cố định một thông số cho trước sau đó tính toán thông số còn lại. Theo kinh nghiệm của các nhà thiết trên thế giới về lò UV thì thông số VDZ được ấn định trước, chiều dài lò UV được xác định bằng chiều dài đèn UV. Thông thường những đèn UV có công suất lớn thường có chiều dài là 147cm. Trong trường hợp này tác giả chọn lò UV có kích thước bán kính là 13 cm và chiều dài lò là 147 cm. Như vậy thể tích của lò VDZ = 78 lít. Với các tham số đã biết ở trên ta có thể tính được cường độ tia UV trong lò là UV . 2 I Dose 142(mW / cm ) (3.3) VDZ Để có thể thiết kế được lò UV có cường độ bức xạ tia UV như trên ta có thể có nhiều giải pháp bằng cách lựa chọn số đèn và công suất đèn khác nhau. Để thuận tiện 30
31. cho việc thiết kế tác giả đã xây dựng được một chương trình phần mềm trên Matlab để mô phỏng sự phân bố cường độ tia UV trong lò dựa trên phương pháp tổng nguồn đa điểm. 3.2. Xây dựng chương trình tính toán, lựa chọn và mô phỏng lò UV 3.2.1 Yêu cầu và mục tiêu của chương trình. Mục tiêu của chương trình : - Mô phỏng sự phân bố cường độ UV trong lò sử dụng 1 đèn và nhiều đèn UV. - Mô phỏng mối quan hệ giữa cường độ UV và công suất của đèn UV sử dụng trong lò khi công suất đèn UV thay đổi. - Mô phỏng mối quan hệ giữa sự phân bố cường độ UV và vị trí đặt đèn khi vị trí đặt đèn UV thay đổi. Yêu cầu của chương trình : - Chương trình tính toán, lựa chọn và mô phỏng lò UV phải có giao diện gần gũi dễ hiểu với người sử dụng. - Trên giao diện chương trình người sử dụng có thể dễ dàng lựa chọn và thay đổi các tham số của lò UV như : công suất đèn UV, số lượng đèn UV và bán kính phân bố ( vị trí đèn UV ) trong lò UV - Kết quả mô phỏng của chương trình phải thể hiện được ở hai hình thức: thứ nhất là cường độ tia UV phân bố trong lò phải thể hiện rõ bằng hình ảnh và mầu sắc, thứ hai là giá trị cường độ tia UV tại các vị trí khác nhau trong lò phải thể hiện bằng các con số cụ thể chính xác 3.2.2. Xây dựng giao diện chương trình. Chương trình tính toán, lựa chọn và mô phỏng lò UV được tác giả xây dựng trên cơ sở phần mềm lập trình Matlab. Phần mềm Matlab hiện nay không còn xa lạ gì với người dùng, nó là một công cụ hỗ trợ tính toán và mô phỏng thực tế rất mạnh, ngoài các tính năng để thực hiện những điều đó, Matlab còn hỗ trợ tạo giao diện người dùng (GUI) GUI (Graphical User Interface) là giao diện đồ họa có điều khiển bởi nhiều thanh công cụ được người lập trình tạo sẵn, cho phép tương tác giữa người dùng với máy tính thông qua giao diện chương trình. Ứng dụng lập trình trên GUI của Matlab rất mạnh, nó cho phép chúng ta xây dựng giao diện chương trình rất thân thiện và dễ sử dụng, giống như một số ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng bậc cao như VB, C++ GUI bao gồm đầy đủ các chương trình hỗ trợ như thực hiện phép toán LOGIC, mô phỏng không gian 2D, 3D, đọc hiển thị dữ liệu, liên kết đa phương tiện. Giao tiếp với người dùng thông qua hình ảnh, các nút nhấn thực thi Hầu hết GUI chỉ thực hiện (trả lời) lệnh người dùng thông qua các tác động của người dùng lên giao diện, người sử dụng không cần biết cấu trúc chương trình vẫn có thể thực hiện được. GUI được thực hiện thông qua các hàm CALLBACK, khi người 31
32. dùng tác động lên giao diện bằng các cách khác nhau, các hàm CALLBACK khác nhau sẽ được gọi để thực thi. Giao diện chương trình tính toán, lựa chọn và mô phỏng lò UV được tác giả xây dựng thể hiện ở hình 3.1 Hình 3.1 Giao diện chương trình tính toán, lựa chọn và mô phỏng lò UV Giao diện chương trình cho phép người sử dụng dễ dàng lựa chọn và thay đổi các tham số cần mô phỏng. Các tham số có thể thay đổi được ở đây là bán kính phân bố đèn trong lò UV, công suất của mỗi đèn trong lò UV, số lượng đèn UV trong lò khi mô phỏng. Việc lựa chọn số lượng đèn UV trong chương trình này bao gồm hai sự lựa chọn. Sự lựa chọn thứ nhất là chọn một nhóm đèn cố định, cụ thể ta có thể chọn 1 đèn, 4 đèn, 8 đèn, hoặc 12 đèn. Sau khi lựa chọn nhóm đèn trong lò cần mô phỏng ta ấn nút “SIMULATION”, chương trình sẽ tự động gọi hàm CALLBACK tương ứng để thực hiện chức năng tính toán, mô phỏng cường độ tia UV trong lò UV. Sự lựa chọn thứ hai là lựa chọn ngẫu nhiên từ 1 đến 8 đèn ở các vị trí khác nhau trong lò. Sau khi chọn số lượng và vị trí cụ thể của đèn trong lò cần mô phỏng ta ấn nút “RUN”, chương trình sẽ tự động gọi hàm CALLBACK tương ứng với nút này để thực hiện Chương trình còn cho phép tính nhanh giá trị cường độ tia UV tại một vị trí bất kỳ trong lò bằng cách nhập toạ độ x,y của điểm này, sau đó ấn nút “RUN ” chương trình sẽ tính toán và hiển thị ngay giá trị cường độ tia UV tương ứng. Cơ sở toán học cho việc xây dựng thuật toán chương chình tính toán, lựa chọn và mô phỏng lò UV là phương trình 2.5 đối với lò sử dụng 1 đèn UV và phương trình 2.7 đối với lò sử dụng nhiều đèn UV. 32
33. 3.3. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm 3.3.1 Kết quả mô phỏng trong trường hợp lò sử dụng một đèn UV Trong trường hợp này tác giả mô phỏng lò UV sử dụng 1 đèn UV công suất 480W, vị trí đèn được đặt tại tâm lò. Hình 3.2 là kết quả mô phỏng sự phân bố cường độ tia UV theo mặt cắt ngang của lò và hình 3.3 là kết quả mô phỏng sự phân bố cường độ tia UV dọc theo trục của lò Hình 3.2 kết quả mô phỏng sự phân bố cường độ tia UV theo mặt cắt ngang của lò Hình 3.3 kết quả mô phỏng sự phân bố cường độ tia UV dọc theo lò 33
34. Từ đồ thị sự phân bố cường độ UV dọc theo đèn và lò ta thấy cường độ UV giảm dần khi bán kính R tăng. Tại các điểm khác nhau dọc theo lò nhưng cách đều đèn thì cường độ UV sấp xỉ bằng nhau (trừ các điểm gần 2 đầu đèn). Như vậy các trường hợp mô phỏng sau tác giả chỉ mô phỏng sự phân bố cường độ UV tại mặt cắt ngang tại điểm giữa lò phản ứng ( trong tất cả các trường hợp mật độ phân bố cường độ tia UV dọc theo lò là như nhau ). 3.3.2. Kết quả mô phỏng khi lò sử dụng nhiều đèn UV Như đã trình bày ở trên chúng ta cần phải thiết kế được lò UV lưu lượng xử lý tối đa là 200 m3/h thì lò phải bức xạ ra cường độ tia UV trung bình trong lò là 142 mW /cm2. Để có thể thiết kế được lò UV có cường độ như vậy ta có thể lựa chọn các giải pháp khác nhau như sử dụng ít đèn nhưng công suất lớn hoặc nhiều đèn công suất nhỏ. Qua việc mô phỏng với số lượng và công suất đèn uv khác nhau. Tác giả đã lựa chọn việc thiết kế lò UV với 8 đèn UV công suất mỗi đèn là 800W là hợp lý nhất. Cũng qua việc mô phỏng cho các trường hợp bán kính phân bố đèn khác nhau, tác giả đã tìm ra bán kính phân bố đèn R=6.5cm cho cường độ trung bình tia UV trong lò là lớn nhất. Kết quả mô phỏng cho ta giá trị cường độ trung bình của lò khi sử dụng 7 đèn UV là 147 mW /cm2 (hình 3.4), khi sử dụng 8 đèn UV là 168 mW /cm2 (hình 3.5). Kết quả mô phỏng cho ta thấy khi sử dụng 7 đèn UV cũng cho ta mức cường độ tia UV mà đáp ứng được công suất xử lý tối đa của lò UV là 200 m3/h. Như vậy với tính toán thiết kế ở trên ta đã có độ dư công suất, điều này phù hợp với quá trình khai thác thực tế là hệ thống vẫn đáp ứng được công suất định mức khi một đèn bị hỏng hoặc tất cả các đèn bị già hóa mất đi một phần công suất theo thời gian đối với những năm đầu khai thác. Hình 3.4 Kết quả mô phỏng lò UV sử dụng 7 đèn UV 34
35. Hình 3.5 Kết quả mô phỏng lò UV sử dụng 8 đèn UV 3.3.3 Kết quả thực nghiệm Hình 3.6 một số hình ảnh lò UV sau khi chế tạo Sau khi tính toán thiết kế và mô phỏng nhóm ngiên cứu đã tiến hành thực hiện chế tạo lò ( Hình 3.6) với các thông số dựa vào những kết quả trên cụ thể là: - Bán kình lò là 13.7cm; - Chiều dài lò là 147 cm; - Số lượng đèn UV trong lò là 8 đèn , mỗi đèn có công suất là 800W; - Bán kính phân bố đèn R=6.5cm; Sau khi có được lò UV nhóm nghiên cứu thực hiện các công việc như lắp đèn UV vào lò UV. Đổ đầy nước vào lò UV sau đó điều chỉnh độ đục nhằm mục đích thay đổi hệ 35
36. số hấp thụ của nước cho tới khi giống hệ số hấp thụ trong trường hợp mô phỏng thì dừng lại. Tiếp theo thực hiện đo cường độ UV với các số lượng đèn khác nhau bằng thiết bị đo chuyên dụng ( hình 3.7 ) Hình 3.7 Đo cường độ tia UV thực tế bằng thiết bị đo chuyên dụng Kết quả cường độ tia UV trong lò đo được cho các trường hợp số lượng đèn khác nhau được chỉ ra ở bảng 3.1 Bảng 3.1 Số liệu cường độ tia UV thực tế khi số đèn UV khác nhau STT Số lượng đèn Cường độ UV trung bình (mW/cm2) 1 8 171.366 2 7 149.976 3 6 128.478 4 5 106.945 5 4 85.804 6 3 64.629 7 2 43.149 8 1 21.798 Như vậy qua kết quả đo đượng thực tế ta thấy: Giá trị cường độ tia UV trung bình đo được thực tế trong lò có kết quả gần giống trong trường hợp mô phỏng. Giống như trường hợp mô phỏng sự thay đổi cường độ trung bình tia UV trong lò tuyến tính với việc thay đổi số lượng đèn. 36
37. KẾT LUẬN Đề tài đã hoàn thành được các vấn đề đặt ra như việc nghiên cứu về tia UV, nguyên lý diệt khuẩn bằng tia UV. Trên cơ sở phương pháp tổng nguồn đa điểm, chuyên đề đã thực hiện mô hình hoá cường độ bức xạ tia UV trong lò UV. Từ đó đã xây dựng chương trình mô phỏng sự phân bố cường độ bức xạ tia UV trong lò UV. Việc mô phỏng lò UV giúp cho chúng ta một cái nhìn trực quan về sự phân bố cường độ tia UV trong lò từ đó đưa ra đực các kết luận tính toán, lựa chọn phù hợp. Các kết quả mô phỏng trong các trường hợp khác nhau đã giúp cho ta có cơ sở để tính toán, thiết kế lò UV một cách tồi ưu. Ngoài ra một số kết quả mô phỏng và thực nghiệm còn là các thông số cơ sở sẽ được sử dụng để tính toán, xây dựng thuật toán cho chương trình giám sát và điều khiển lò UV, nội dung này sẽ được trình bày ở các nghiên cứu tiếp theo. 37
38. DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Trần Thị Ngọc Tuyền, Khảo sát tình hình quản lý nước Ballast tại hệ thống cảng thành phố HCM, luận văn thạc sỹ Đại học Quốc gia thành phố HCM, 2009 [2] Nguyễn Quốc Việt, Khảo sát thành phần phiêu sinh động vật ngoại lai trong nước Ballast tại các cảng thuộc thành phố HCM, luận văn thạc sỹ Đại học Quốc gia thành phố HCM, 2009 Tiếng Anh [3] Chiu, K., Lyn, D. A., Savoye, P., and Blatchley, E, Integrated UV Disinfection Model Based on Particle Tracking, 1999 [4] H. B. Wright and W. L. Cairns, Ultraviolet light, 2008 [5] IMO, RESOLUTION MEPC.174(58), 2008 [6] IMO, RESOLUTION MEPC.169(57), 2008 [7] Jukka Sassi - Satu Viitasalo, Experiments with ultraviolet light, ultrasound and ozone technologies for onboard ballast water treatment, VTT Industrial Systems, 2005 [8] Lawryshyn, Y.A., and Cairns, B, UV Disinfection of Water: The Need for UV Reactor Validation. Water Science and Technology, 2003 [9] Robert Catherman, Using Ultraviolet to Disinfect Household Drinking Water, Director of Safe Water Development MEDRIX™, 2007 [10] Xiang Li, Computional analysis of ultraviolet ractors, Master Thesis of Science, 2009 [11] Kucuk, S, Arastoopour, H, Koutchma, T, Modeling of UV Dose Distribution in a Thin-Film UV Reactor for Processing of Apple Cider, 2003 38