thuyẾt minh ĐỀ tÀi nckh cẤp trƯỜng sỞ lÝ thuyẾt vỀ tia uv ... 1.2.1 sự hấp...
TRANSCRIPT
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
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
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)
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 :
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
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
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
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.
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.
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 Thymine Adenine
11
Cytosine
Hình 1.2: DNA trước khi diệt khuẩn bằng tia cực tím
Guanine Thymine 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
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]:
1
0
lnI
AI
(1.1)
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:
: hệ số hấp thụ phân tử (M-1 cm
-1) 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:
lceT
le (1.3)
Trong đó T là sự truyền của tia sáng qua vật liệu, được định nghĩa
1
0
A IT e
I
(1.4)
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
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 lightIncident 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).
15
Incident light
Scattering of light
Scattered light
in all directions
Back
scattered
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]:
0
% 100I
UVTI
(1.5)
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 )
I0 : Cường độ của tia sáng tới ( mW / cm2 )
UVT cũng có thể được xác định từ quan hệ của nó với sự hấp thụ tia UV theo công
thức (1.2)
% 100 AUVT 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:
16
UVDose = EA.t (1.7)
EA : Cường độ tia UV ( mW / cm2 ).
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
Bacteria
Lượng
UV
UV
Dose
Vi khuẩn
Bacteria
Lượng
UV
UV
Dose
Agrobacterium lumefaciens 5 8,500 Pseudomonas aeruginosa
(Environ.Strain) 1,2,3,4,5,9
10,500
Bacillus anthracis 1,4,5,7,9
(anthrax veg.)
8,700 Pseudomonas aeruginosa (Lab.
Strain) 5,7
3,900
Bacillus anthracis Spores (anthrax
spores)*
46,200 Pseudomonas fluorescens 4,9 6,600
Bacillus megatherium Sp. (veg)
4,5,9
2,500 Rhodospirillum rubrum 5 6,200
Bacillus megatherium Sp. (spores)
4,9
5,200 Salmonella enteritidis 3,4,5,9 7,600
Bacillus paratyphosus 4,9 6,100 Salmonella paratyphi (Enteric
Fever) 5,7
6,100
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
1,4,5,7,8,9
6,500 Sarcina lutea 1,4,5,6,9 26,400
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
1,5,7,9
4,200
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
17
Legionella longbeachae 5 2,900 Staphylococcus aureus 3,4,6,9 6,600
Legionella pneumophila
(Legionnaire's Disease)
12,300 Staphylococcus epidermidis 5,7 5,800
Leptospira canicola-Infectious
Jaundice 1,9
6,000 Streptococcus faecaila 5,7,8 10,000
Leptospira interrogans 1,5,9 6,000 Streptococcus hemolyticus
1,3,4,5,6,9
5,500
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
1,3,4,5,7,8,9
10,000 Streptococcus salivarius 4,200
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
Molds
Lượng
UV
UV
Dose
Mốc
Molds
Lượng
UV
UV
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)
2,3,4,5,6,9
330,000 Penicillium expansum 1,4,5,6,9 22,000
Mucor mucedo 77,000 Penicillium roqueforti 1,2,3,4,5,6 26,400
Mucor racemosus (A & B)
1,3,4,6,9
35,200 Rhizopus nigricans (cheese mold)
3,4,5,6,9
220,000
Sinh vật đơn bào
Protozoa
Lượng
UV
UV
Dose
Sinh vật đơn bào
Protozoa
Lượng
UV
UV
Dose
Chlorella vulgaris (algae)
1,2,3,4,5,9
22,000 Giardia lamblia (cysts) 3 100,000
Blue-green Algae 420,000 Nematode Eggs 6 40,000
E. hystolytica 84,000 Paramecium 1,2,3,4,5,6,9 200,000
18
Virus Lượng
UV
UV
Dose
Virus Lượng
UV
UV
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
Yeasts
Lượng
UV
UV
Dose
Men
Yeasts
Lượng
UV
UV
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/cm
2.
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)
A
tong cong suat buc xaE
dA (1.8)
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
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
Phổ của tia UV
Đơn sắc tại
bước sóng
254nm
Đơn sắc tại
bước sóng
254nm
Cả dải phổ từ 200
đến 400nm
Áp suất hơi thủy ngân ( Pa ) Xấp xỉ 0.93
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
(W/cm) 0.2 0.5 - 3.5 5 - 30
Hiệu quả chuyển đổi năng
lượng điện sang tia UV(%) 35 – 38 30 – 35 10 – 20
Chiều dài đèn ( cm ) 10 – 150 10 – 150 5 – 120
Số lượng đèn cần trong một hệ
thống Nhiều Trung bình ít
Tuổi thọ của đèn ( giờ ) 8,000 –
10,000 8,000 – 12,000 4,000 – 8,000
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.
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.
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.
FILTER
UNIT
UV
REACTOR
V1 V2
V3
V5
V4BALLAST
PUMP
OverBoard
Drain valve
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
23
FILTER
UNIT
UV
REACTOR
V1 V2
V3
V5
V4BALLAST
PUMP
TO
BALLAST
TANK
OverBoard
Drain valve
Chiều dòng nước chảy
Van mở
Van đóng
SEA
CHEST
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.
FILTER
UNIT
UV
REACTOR
V1 V2
V3
V5
V4BALLAST
PUMP
OverBoard
Drain valve
Chiều dòng nước chảy
Van mở
Van đóng
OVERBOARD
BALLAST
TANK
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).
24
FILTER
UNIT
UV
REACTOR
V1 V2
V3
V5
V4BALLAST
PUMP
OverBoard
Drain valve
Chiều dòng nước chảy
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.
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]
UV lamp
co-linear
point source
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
26
Khi đó cường độ tia UV tại điểm A do nguồn điểm Pi sinh ra sẽ được tính như
sau:
24
iA
PE T
r (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:
24
riA
PE e
r
(2.2)
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:
21 4
i i
nri
A
i i
PI e
r
(2.3)
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)
27
i là hệ số hấp thụ của vật chất (cm-1
)
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:
w
w
( )( )
os
q q q ii i q q q
R r t lr R r t
c R
(2.4)
Trong đó:
i : hệ số hấp thụ của vật chất (cm-1
)
ir : Khoảng cách bức xạ từ nguồn điểm tới điểm thu (cm)
w : hệ số hấp thụ của nước (cm-1
)
R : khoảng cách bức xạ từ trục của đèn tới điểm thu (cm)
qr : 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
)
qt : độ dày của ống thạch anh (cm)
il 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):
w21
exp [( ( ) ] ]4
ni
A q q q
i i
PlnI R r t
l R
(2.5)
Trong đó:
P : công suất đầu ra của đèn (W)
n : số lượng các nguồn điểm
i : hệ số hấp thụ của vật chất (cm-1
)
28
w : hệ số hấp thụ của nước (cm-1
)
R : khoảng cách bức xạ từ trục của đèn tới điểm thu (cm)
qr : 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
)
qt : độ dày của ống thạch anh (cm)
il 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
w21
exp [( ( ) ] ]4
nki
Ak k q q q
i ki k
PlnI R r t
l R
(2.6)
Trong đó:
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
)
ir : 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)
qr : 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
)
qt : độ dày của ống thạch anh (cm)
il khoảng cách từ đèn UV thứ k điểm tới điểm thu (cm)
Cường độ UV khi sử dụng nhiều đèn:
w21 1 1
exp [( ( ) ] ]4
N N nki
A Ak k q q q
k k i ki k
PlnI I R r t
l R
(2.7)
Trong đó:
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
)
29
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)
qr : 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
)
qt : độ dày của ống thạch anh (cm)
il khoảng cách từ đèn UV thứ k điểm tới điểm thu (cm)
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:
UVDose = I.t ( mW.giây/cm2 ) (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]:
DZ
Dose
VIUV
. (3.2)
UVDose: lượng UV ( mW.giây/cm2 )
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
)/(142. 2cmmW
V
UVI
DZ
Dose
(3.3)
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
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
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.
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
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 /cm
2 (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
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
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.
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.
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