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 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU MỞ ĐẦU CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TIA UV 1.1 Nguyên lý diệt khuẩn tia UV 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Nguyên lý diệt khuẩn tia UV 10 1.1.3 Hệ thống Xử lý UV điển hình 11 1.2 Nguyên lý xạ tia UV 12 1.2.1 Sự hấp thụ môi trường 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 tia UV 15 1.3.1 Hệ số truyền tia 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 xử lý nước .24 1.5 Quy trình công đoạn xử lý nước Ballast tia UV 27 CHƯƠNG MÔ HÌNH HOÁ CƯỜNG ĐỘ BỨC XẠ TIA UV TRONG LÒ UV 25 2.1 Công thức tính toán cường độ tia UV điểm lò sử dụng đèn UV phương pháp tổng nguồn đa điểm 25 2.2 Công thức xác định cường độ tia UV điểm lò sử dụng nhiều đèn UV 28 CHƯƠNG 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 mô lò UV 31 3.2.1 Yêu cầu mục tiêu chương trình 31 3.2.2 Xây dựng giao diện chương trình 31 3.3 Kết mô thực nghiệm 33 3.3.1 Kết mô trường hợp lò sử dụng đèn UV 33 3.3.2 Kết mô lò sử dụng nhiều đèn UV 34 3.3.3 Kết thực nghiệm 35 KẾT LUẬN 37 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU EPA UV A I0 I1  c l σ T EA P n i ri w Rk rq q tq li : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Cơ quan bảo vệ môi trường Tia cự tím Sự hấp thụ tia sáng bước sóng λ Là cường độ ban đầu tia sáng Là cường độ tia sáng bước sóng λ sau truyền qua mẫu Hệ số hấp thụ phân tử bước sóng λ Là nồng độ hấp thụ phân tử Độ dài truyền dẫn Là hệ số hấp thụ vật liệu c Sự truyền tia sáng qua vật liệu Tổng cường độ tia UV điểm thu Công suất đầu đèn (W) Số lượng nguồn điểm đèn UV thứ k Hệ số hấp thụ vật chất (cm-1) Khoảng cách xạ từ nguồn điểm tới điểm thu (cm) Hệ số hấp thụ nước (cm-1) Khoảng cách xạ từ trục đèn UV thứ k tới điểm thu (cm) Khoảng cách từ trục đèn tới thành ống thạch anh (cm) Hệ số hấp thụ ống thạch anh (cm-1) Độ dày ống thạch anh (cm) Khoảng cách từ đèn UV thứ k điểm tới điểm thu (cm) MỞ ĐẦU Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Khi tàu đầy hàng hóa, ổn định tàu chủ yếu thực hàng hóa Khi tàu hàng hóa hàng hóa, sức làm bất ổn định tàu tăng lên Ballast (dằn) hình thức giúp thêm trọng lượng vào phần thấp tàu, làm tăng trạng thái ổn định tàu [2] Tàu biển sử dụng nước Ballast (Ballast Water) để trì trạng thái ổn định, cân bằng, độ bền cấu trúc tàu Thông thường, tàu bơm nước Ballast vào khoang chứa dỡ hàng hóa cảng dỡ hàng bơm chất hàng hóa cảng khác ( hình 0.1 ) Hình 0.1 Hoạt động bơm xả nước Ballast tàu biển Việc di chuyển nước Ballast từ vùng biển sang vùng biển khác vô tình mang theo “hành khách lậu vé”- Chúng vi khuẩn, động vật không xương cỡ nhỏ, trứng, nang bào tử (cysts) ấu trùng nhiều loài khác Đây nguyên nhân làm phá vỡ nghiêm trọng cân sinh thái tự nhiên môi trường biển Điều có ảnh hưởng lớn đến kinh tế sức khoẻ người Một số ví dụ điển hình thiệt hại nước Ballast gây sau : Loài vi khuẩn Vibrio cholerae nguyên nhân gây dịch bệnh có liên quan đến nước Ballast Hậu lan truyền bệnh dịch Nam Mỹ cho triệu người mười ngàn người tử vong vào năm 1994 Những chủng trước báo cáo có Bangladesh [5] Độc tố tảo, tượng thủy triều đỏ, nâu, xanh nhiều loại tảo gây Một số loài tảo vận chuyển qua đường nước Ballast đến vùng “đất mới” gây tượng “nở hoa” Gây ảnh hưởng đến đời sống loài sinh vật khác thiếu oxygen, nhiễm độc tố loại tảo gây [5] Loài sò Sọc châu Âu Dreissena polymorpha vô tình mang tới Mỹ thông qua đường nước Ballast phá hoại vỏ tầu, công trình hàng hải hệ thống đường ống nước Không xác chết chúng tạo mùi hôi thối gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng vùng rộng lớn Tổng thiệt hại loại sò gây vào năm 2000 vào khoảng tỷ USD [5] vv… Những loài sinh vật biển xâm lược bốn mối đe dọa lớn đại dương toàn cầu Không giống hình thức ô nhiễm môi trường biển, tràn dầu, nơi dọn dẹp làm trở lại, tác động loài sinh vật biển xâm chiếm không hồi phục Một số liệu đáng ý hàng năm có khoảng 12 tỷ nước Ballast sử dụng tàu, với khoảng gần 7.000 vi sinh vật, thực vật khác có nước biển luân chuyển đến nơi toàn cầu Theo số liệu thống kê hàng năm giới thiệt hại sinh vật ngoại lai gây trình luân chuyển nước Ballast vào khoảng 10 tỷ USD [5] Nhận thấy vấn đề quan trọng cấp thiết, tháng 2004 Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) thông qua công ước quốc tế việc Hướng dẫn & Quản lý nước Ballast Yêu cầu tàu phải lắp đặt hệ thống xử lý nước Ballast Hệ thống phải có chức lọc diệt khuẩn nước Ballast trước nước Ballast bơm khỏi tàu, với chất lượng nước đạt theo tiêu chuẩn D2 IMO [6] Công ước có hiệu lực sau 12 tháng thoả mãn điều kiện 30 quốc gia thành viên IMO tham gia công ước với đội tàu tổng cộng chiếm không 35% tổng dung tích đội tàu giới Tính đến ngày tháng năm 2016, Công ước nhận phê chuẩn 49 quốc gia với tổng dung tích đội tàu chiếm 34,82% đội tàu giới Kết dự báo cho thấy nhiều khả điều kiện để có hiệu lực Công ước BWM đáp ứng thoả mãn vào năm 2016 Như vậy, Công ước có hiệu lực vào năm 2017 Theo thống kê Việt Nam có khoảng 600 tàu công ty vận tải biển nhà nước tư nhân chạy tuyến quốc tế Hiện triển khai việc áp dụng công ước quốc tế quản lý nước Ballast Trong chưa có tàu trang bị hệ thống Hơn nữa, chưa có doanh nghiệp, nhà máy nước nghiên cứu sản xuất hệ thống xử lý nước Ballast Như đến năm 2017, mà tất tàu nước ta phải trang bị hệ thống phải lượng tiền lớn ta phải nhập hệ thống từ nước Nó gây khó khăn không doanh nghiệp vận tải biển nước Nghiên cứu công nghệ cụ thể việc chế tạo hệ thống xử lý nước Ballast phục vụ cho đội tàu biển Việt Nam cách phù hợp hiệu việc làm cần thiết giai đoạn Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Tình hình nghiên cứu nước Cho tới thời điểm chưa có công trình khoa học nước nghiên cứu công nghệ xử lý nước Ballast Các công trình nghiên cứu nước dừng lại việc như: - Tìm hiểu nước Ballast rủi ro nước Ballast gây ra, Các phương pháp lấy mẫu nước Ballast [2]; - Các công trình việc khảo sát tình hình quản lý nước Ballast cảng biển Việt Nam [1]; - Công trình phân tích mẫu nước Ballast cảng Sài gòn nhằm mục đích đưa tiêu lý – hoá học mẫu nước Ballast, phân tích thành phần loài phiêu sinh động vật mẫu nước Ballast [2] Tình hình nghiên cứu nước Hiện giới có số hãng sản xuất thành công hệ thống xử lý nước Ballast Các phương pháp xử lý nước Ballast giới thường thực sau: - Phương pháp xử lý học sử dụng lọc dùng máy phân ly; - Phương pháp vật lý diệt khuẩn 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 phương pháp trên; Qua việc tìm hiểu nghiên cứu, tác giả nhận thấy việc xử lý nước Ballast công nghệ tia cực tím phù hợp nhất, xét kích thước hệ thống xử dụng công nghệ tia cực tím có kích thước nhỏ gọn nhất, lắp đặt tàu vừa nhỏ đóng nước ta, tàu cũ có yêu cầu lắp đặt bổ sung hệ thống Diệt khuẩn tia UV phương pháp vật lý, không sử dụng hoạt chất phương pháp tồn dư hoá chất gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh Xét hiệu kinh tế phương pháp diệt khuẩn tia UV có giá thành rẻ so với số công nghệ diệt khuẩn phương pháp vật lý khác Hiện giới có số công trình khoa học nghiên cứu việc tính toán, thiết kế lò UV song việc tính toán thiết kế dừng lại mức đơn giản, thủ công [9] Đã có công trình nghiên cứu việc mô phân bố cường độ tia UV lò UV [10] Song nghiên cứu dừng lại lò có đèn UV, chưa nghiên cứu cho lò UV công suất lớn có nhiều đèn UV việc xử lý nước Ballast Đề tài xem xét tập trung vào vấn đề bỏ ngỏ Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Đưa giải pháp hợp lý phục vụ cho việc thiết kế, chế tạo lò UV hệ thống xử lý nước Ballast phục vụ cho đội tàu biển Việt Nam, đáp ứng công ước BWM 2004 tổ chức Hàng hải quốc tế Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu lò UV hệ thống xử lý nước Ballast Do phạm vi nghiên cứu luận án tập chung nghiên cứu sở lý thuyết tia UV, tính toán thiết kế lò UV hệ thống xử lý nước Ballast Phương pháp nghiên cứu, kết cấu công trình nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thống kê - Phương pháp điều tra khảo sát - Phương pháp mô - Phương pháp tổng hợp phân tích thiết kế - Xây dựng thực nghiệm để hoàn thiện sản phẩm kết cấu đề tài Với nhiệm vụ mục tiêu đề cấu trúc luận án chia thành 03 chương sau: Chương1 Cơ sở lý thuyết tia UV Bao gồm nội dung như: Nguyên lý diệt khuẩn tia UV, Nguyên lý xạ tia UV, Các tham số tia UV, loại đèn UV sử dụng hệ thống sử lý nước ballast Chương2 Mô hình hóa cường độ xạ tia UV lò UV Trên sở phương pháp tổng nguồn đa điểm, nội dung chương sâu vào việc mô hình hoá cường độ xạ tia UV lò UV Làm sở cho việc xây dựng chương trình mô phân bố cường độ xạ tia UV lò UV Chương3 Tính toán, thiết kế mô lò UV hệ thống xử lý nước ballast Nội dung chương nghiên cứu đưa sở lý thuyết cho việc tính toán, thiết kế lò UV Trên sở xây dựng chương trình tính toán, lựa chọn mô lò UV Các kết mô thực nghiệm trình bày chương Kết đạt đề tài Đề tài hoàn thành vấn đề đặt việc nghiên cứu tia UV, nguyên lý diệt khuẩn tia UV Trên sở phương pháp tổng nguồn đa điểm, đề tài thực mô hình hoá cường độ xạ tia UV lò UV Từ xây dựng chương trình mô phân bố cường độ xạ tia UV lò UV Việc mô lò UV giúp cho nhìn trực quan phân bố cường độ tia UV lò từ đưa kết luận tính toán, lựa chọn phù hợp CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TIA UV 1.1 Nguyên lý diệt khuẩn tia UV 1.1.1 Giới thiệu chung Xử lý nước có nghĩa loại bỏ, vô hiệu hóa giết vi sinh vật, vi khuẩn gây bệnh có nước Quá trình diệt khuẩn đạt phương thức xử lý vật lý hóa học Sử dụng lượng UV ứng dụng vật lý thường xuyên để xử lý nước sinh hoạt nước thải Tia cực tím lần sử dụng Pháp để khử khuẩn nước uống vào năm đầu kỷ 19 Các hệ thống sớm bị bỏ rơi chi phí cao, thiết bị chưa đủ độ tin cậy biện pháp khử khuẩn phổ biến Chlorine [9] Vào thời gian đại hơn, Tia cực tím sử dụng cách kết hợp với biện pháp xừ lý khác Chlorine nhà máy xử lý nước thành thị Việc sử dụng tia cực tím để xử lý nước đựơc phát triển vấn đề sức khoẻ có liên quan đến việc sử dụng Chlorine không hiệu chlorine việc diệt ký sinh đơn bào Cryptosporidium [8] Kể từ năm 2000, có 400 tiện ích khử khuẩn nước UV toàn giới, điển hình có tiện ích đạt tốc độ dòng chảy gần triệu gallon/ngày Ngày nay, việc sử dụng lượng tia cực tím để xử lý nước nhiễm khuẩn công nghệ phù hợp công nhận Việc sử dụng tia UV ưu việt so với việc tẩy rửa hoá học điểm sau : - Không có chất độc tác dụng phụ đáng kể; - Không gây nguy hiểm liều; - Loại bỏ chất hữu gây ô nhiễm; - Không làm phát sinh hợp chất hữu chất độc không khí; - Không có mùi gây mùi sản phẩm nước uống thành phẩm; - Yêu cầu thời gian xử lý nhỏ (vài giây so với vài phút xử lý hóa học); - Không chứa chất độc hại; - Chiếm không gian nhỏ để đặt lò UV; - Nâng cao chất lượng nước uống vi sinh vật hữu gây ô nhiễm công bị tiêu hủy Những bất lợi sử dụng UV bao gồm: Sự xạ tia UV không thích hợp nước thể rắn, đục, có màu, chất hữu hòa tan; Tia UV không hiệu chống lại vật gây ô nhiễm không sống, amiăng, nhiều chất hóa học hữu cơ, clo v.v…; Các nang sống ẩn, dai có đề kháng mạnh với tia UV; Yêu cầu cấp điện để hoạt động Trong tình nguồn, thiết bị xử lý không hoạt động 1.1.2 Nguyên lý diệt khuẩn tia UV Kỹ thuật xử lý UV cách tiếp cận không hóa học để diệt khuẩn Trong phương pháp này, việc xử lý đơn giản, rẻ tiền yêu cầu chi phí bảo dưỡng thấp Các đèn cực tím xử lý nước thiết kế tính toán để sản sinh lượng UV cần thiết thường tối thiểu 16,000 Ws/cm3 nhiều đèn có lượng cao Nguyên lý thiết kế dựa vào kết thời gian xử lý cường độ Tia cực tím phần phổ ánh sáng mà phân loại thành 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 xạ tia UV Tia UVC sử dụng để sát trùng, vô hiệu hóa DNA vi rút, vi khuẩn mầm bệnh khác (hình1.1) Vì tia UVC diệt khả gây bệnh lây lan chúng Đặc biệt, tia UVC phá hủy liên kết axit nucleic đơn phân kề DNA vi sinh vật Sự phá hủy liên kết DNA ngăn chặn vi sinh vật tái tạo, tổ chức lại Thực tế, cấu trúc tái tạo được, chết [13] Hình 1.2 1.3 phân tử DNA tế bào bị phá vỡ tác động tia cực tím Các chất hữu bị vô hiệu hóa đưa vào lượng UV đủ để làm thay đổi cấu trúc phân tử DNA Kết tia UV gây hai phân tử thimine có liên kiết bất thường, dimer Ảnh hưởng phân tử dimmer thymin tới chuỗi DNA ngăn chặn tái tạo sinh vật Nó không bị tiêu diệt xáo trộn mã di truyền phân tử ngăn chặn tái tạo, dịch mã [7] Guanine Thymine Adenine 10 OverBoard Drain valve V1 V2 FILTER UNIT UV REACTOR V4 BALLAST PUMP V3 Chiều dòng nước chảy V5 Van mở Van đóng Hình 1.16 Hệ thống xử lý nước ballast hoạt động chế độ Bypass Chế độ Bypass thực trường hợp thiết bị xử lý bị cố thời kỳ bảo dưỡng Ở chế độ nước ballast bơm trực tiếp từ biển tới két chứa nước ballast tàu mà không qua thiết bị xử lý 24 CHƯƠNG MÔ HÌNH HOÁ CƯỜNG ĐỘ BỨC XẠ TIA UV TRONG LÒ UV 2.1 Công thức tính toán cường độ tia UV điểm lò sử dụng đèn UV phương pháp tổng nguồn đa điểm Nội dung phương pháp tổng nguồn đa điểm đèn UV mô chuỗi nguồn điểm xạ liên tục (Hình 2.1) Mỗi nguồn điểm có công suất xạ Pi công suất phát xạ đèn chia cho tổng số nguồn điểm [10] co-linear point source UV lamp Hình 2.1 Đèn coi chuỗi nguồn điểm Mỗi nguồn điểm Pi xạ lượng tia UV theo vô hướng Như cường độ tia UV điểm A cách nguồn điểm khoảng r điểm lượng tia UV nằm mặt cầu có tâm nguồn điểm, bán kính r (hình 2.2) Hình 2.2 Cường độ trường điểm nhận từ nguồn điểm 25 Khi cường độ tia UV điểm A nguồn điểm Pi sinh tính sau: EA  Pi T 4 r (2.1) Trong đó: Pi công suất xạ nguồn điểm T truyền tia sáng xạ qua tất vật chất r khoảng cách xạ từ nguồn điểm tới điểm thu Thay công thức (1.3) vào (2.1) thu được: EA  Pi  r e 4 r (2.2) Trong đó: Pi công suất xạ nguồn điểm (W) r khoảng cách xạ từ nguồn điểm tới điểm thu (cm)  hệ số hấp thụ vật chất (cm-1) Từ công thức (2.2) thấy cường độ tia UV xung quanh nguồn điểm xác định xác thông qua khoảng cách nguồn điểm đến điểm thu hệ số hấp thụ môi trường truyền dẫn tia UV Hình 2.3 Cường độ điểm thu từ tổng nguồn điểm Như hình 2.3, cường độ điểm thu vùng xạ xem tổng tất phân phối cường độ từ điểm nguồn hệ thống: n IA   i 1 Pi  i ri e 4 ri Trong đó: Pi công suất xạ nguồn điểm thứ i (W) ri khoảng cách xạ từ nguồn điểm thứ i tới điểm thu (cm) 26 (2.3)  i hệ số hấp thụ vật chất (cm-1) n: Tổng số nguồn điểm vùng xạ Đối với hệ thống xử lý tia UV (Hình 2.4), đèn UV đặt ống thạch anh Vì tia UV truyền qua môi trường nước thạch anh, nên tổng khoảng cách tổng hệ số hấp thụ tính bằng:  w ( R  rq )   q tq  l  i ri     w ( R  rq )   q tq  i cos R (2.4) Trong đó:  i : hệ số hấp thụ vật chất (cm-1) ri : Khoảng cách xạ từ nguồn điểm tới điểm thu (cm)  w : hệ số hấp thụ nước (cm-1) R : khoảng cách xạ từ trục đèn tới điểm thu (cm) rq : khoảng cách từ trục đèn tới thành ống thạch anh (cm)  q : hệ số hấp thụ ống thạch anh (cm-1) t q : độ dày ống thạch anh (cm) li khoảng cách từ nguồn điểm thứ i tới điểm thu (cm) Hình 2.4 Cường độ trường điểm thu – nguồn điểm thành ống thạch anh Thế công thức (2.4) vào (2.3): P l I A   n exp [( w ( R  rq )   qtq ] i ] R i 1 4 li n Trong đó: P : công suất đầu đèn (W) n : số lượng nguồn điểm  i : hệ số hấp thụ vật chất (cm-1) 27 (2.5)  w : hệ số hấp thụ nước (cm-1) R : khoảng cách xạ từ trục đèn tới điểm thu (cm) rq : khoảng cách từ trục đèn tới thành ống thạch anh (cm)  q : hệ số hấp thụ ống thạch anh (cm-1) t q : độ dày 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 điểm lò sử dụng nhiều đèn UV Khi lò UV sử dụng nhều đèn UV cường độ UV điểm tổng cường độ UV đèn điểm Từ kết khảo sát cường độ UV điểm sử dụng phương pháp nguồn đa điểm ta có: Cường độ UV điểm thu đèn UV thứ k P l   n exp [( w ( Rk  rq )   qtq ] ki ] Rk i 1 4 lki n I Ak (2.6) Trong đó: P : công suất đầu đèn (W) n : số lượng nguồn điểm đèn UV thứ k  i : hệ số hấp thụ vật chất (cm-1) ri : Khoảng cách xạ từ nguồn điểm tới điểm thu (cm)  w : hệ số hấp thụ nước (cm-1) Rk: khoảng cách xạ từ trục đèn UV thứ k tới điểm thu (cm) rq : khoảng cách từ trục đèn tới thành ống thạch anh (cm)  q : hệ số hấp thụ ống thạch anh (cm-1) t q : độ dày ống thạch anh (cm) li khoảng cách từ đèn UV thứ k điểm tới điểm thu (cm) Cường độ UV sử dụng nhiều đèn: N I A   I Ak k 1 P   n n l    exp  [( w ( Rk  rq )   qtq ] ki Rk k 1  i 1 4 lki  N Trong đó: P : công suất đầu đèn (W) n : số lượng nguồn điểm đèn UV thứ k  i : hệ số hấp thụ vật chất (cm-1) 28   ] (2.7)    w : hệ số hấp thụ nước (cm-1) Rk: khoảng cách xạ từ trục đèn UV thứ k tới điểm thu (cm) rq : khoảng cách từ trục đèn tới thành ống thạch anh (cm)  q : hệ số hấp thụ ống thạch anh (cm-1) t q : độ dày ống thạch anh (cm) li khoảng cách từ đèn UV thứ k điểm tới điểm thu (cm) 29 CHƯƠNG 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 hệ thống xử lý nước thông thường bờ, hệ thống xử lý nước ballast yêu cầu phải có dung lượng xử lý lớn, cụ thể tác giả tính toán thiết kế lò UV có dung lượng xử lý tối đa 200 m3/h Điều thực lò UV sử dụng đèn mà bắt buộc phải sử dụng nhiều đèn lò UV Việc thiết kế lò UV có dung lượng xử lý tối đa cho trước xuất phát từ việc chọn lượng UV để khử trùng Lượng UV (UVDose) cường độ tia UV khoảng thời gian xử lý Nếu cường độ tia UV không đổi suốt thời gian xử lý, lượng tia UV định nghĩa tích cường độ tia UV thời gian xử lý: UVDose = I.t ( mW.giây/cm2 ) (3.1) Theo tổ chức y tế giới cần lượng UV 30 mW-giây/ cm2 diệt hầu hết loại khuẩn nước uống [9] Tuy nhiên nước ballast để diệt số Virus phải cần lượng UV 60 mW-giây/cm2 Hơn số loại tảo biển bị tiêu diệt liều lượng 200 mW-giây/cm2 [11] Như lượng UV yêu cầu cao mốc để tác giả tính toán thiết kế lò UV Mối quan hệ lượng UV, thể tích lò UV, cường độ xạ tia UV tốc độ dòng chảy (dung lượng xử lý ) thể thông qua công thức sau [9]: UVDose  I VDZ  (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 ( trường hợp 200 m3/h = 55 lit/giây ) Với tham số biết trước việc thiết kế lò UV phải xác định nốt hai thông số lại I VDZ Trong hai thông số ta phải cố định thông số cho trước sau tính toán thông số lại Theo kinh nghiệm nhà thiết giới lò UV thông số VDZ ấn định trước, chiều dài lò UV xác định chiều dài đèn UV Thông thường đèn UV có công suất lớn thường có chiều dài 147cm Trong trường hợp tác giả chọn lò UV có kích thước bán kính 13 cm chiều dài lò 147 cm Như thể tích lò VDZ = 78 lít Với tham số biết ta tính cường độ tia UV lò I UVDose   142(mW / cm ) VDZ (3.3) Để thiết kế lò UV có cường độ xạ tia UV ta có nhiều giải pháp cách lựa chọn số đèn công suất đèn khác Để thuận tiện 30 cho việc thiết kế tác giả xây dựng chương trình phần mềm Matlab để mô phân bố cường độ tia UV lò dựa phương pháp tổng nguồn đa điểm 3.2 Xây dựng chương trình tính toán, lựa chọn mô lò UV 3.2.1 Yêu cầu mục tiêu chương trình Mục tiêu chương trình : - Mô phân bố cường độ UV lò sử dụng đèn nhiều đèn UV - Mô mối quan hệ cường độ UV công suất đèn UV sử dụng lò công suất đèn UV thay đổi - Mô mối quan hệ phân bố cường độ UV vị trí đặt đèn vị trí đặt đèn UV thay đổi Yêu cầu chương trình : - Chương trình tính toán, lựa chọn mô lò UV phải có giao diện gần gũi dễ hiểu với người sử dụng - Trên giao diện chương trình người sử dụng dễ dàng lựa chọn thay đổi tham số lò UV : công suất đèn UV, số lượng đèn UV bán kính phân bố ( vị trí đèn UV ) lò UV - Kết mô chương trình phải thể hai hình thức: thứ cường độ tia UV phân bố lò phải thể rõ hình ảnh mầu sắc, thứ hai giá trị cường độ tia UV vị trí khác lò phải thể số cụ thể xác 3.2.2 Xây dựng giao diện chương trình Chương trình tính toán, lựa chọn mô lò UV tác giả xây dựng sở phần mềm lập trình Matlab Phần mềm Matlab không xa lạ với người dùng, công cụ hỗ trợ tính toán mô thực tế mạnh, tính để thực điều đó, Matlab hỗ trợ tạo giao diện người dùng (GUI) GUI (Graphical User Interface) giao diện đồ họa có điều khiển nhiều công cụ người lập trình tạo sẵn, cho phép tương tác người dùng với máy tính thông qua giao diện chương trình Ứng dụng lập trình GUI Matlab mạnh, cho phép xây dựng giao diện chương trình thân thiện dễ sử dụng, giống số ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng bậc cao VB, C++ GUI bao gồm đầy đủ chương trình hỗ trợ thực phép toán LOGIC, mô không gian 2D, 3D, đọc hiển thị liệu, liên kết đa phương tiện Giao tiếp với người dùng thông qua hình ảnh, nút nhấn thực thi Hầu hết GUI thực (trả lời) lệnh người dùng thông qua tác động người dùng lên giao diện, người sử dụng không cần biết cấu trúc chương trình thực GUI thực thông qua hàm CALLBACK, người 31 dùng tác động lên giao diện cách khác nhau, hàm CALLBACK khác gọi để thực thi Giao diện chương trình tính toán, lựa chọn mô lò UV tác giả xây dựng thể hình 3.1 Hình 3.1 Giao diện chương trình tính toán, lựa chọn mô lò UV Giao diện chương trình cho phép người sử dụng dễ dàng lựa chọn thay đổi tham số cần mô Các tham số thay đổi bán kính phân bố đèn lò UV, công suất đèn lò UV, số lượng đèn UV lò mô Việc lựa chọn số lượng đèn UV chương trình bao gồm hai lựa chọn Sự lựa chọn thứ chọn nhóm đèn cố định, cụ thể ta chọn đèn, đèn, đèn, 12 đèn Sau lựa chọn nhóm đèn lò cần mô ta ấn nút “SIMULATION”, chương trình tự động gọi hàm CALLBACK tương ứng để thực chức tính toán, mô cường độ tia UV lò UV Sự lựa chọn thứ hai lựa chọn ngẫu nhiên từ đến đèn vị trí khác lò Sau chọn số lượng vị trí cụ thể đèn lò cần mô ta ấn nút “RUN”, chương trình tự động gọi hàm CALLBACK tương ứng với nút để thực Chương trình cho phép tính nhanh giá trị cường độ tia UV vị trí lò cách nhập toạ độ x,y điểm này, sau ấn nút “RUN ” chương trình tính toán hiển thị giá trị cường độ tia UV tương ứng Cơ sở toán học cho việc xây dựng thuật toán chương chình tính toán, lựa chọn mô lò UV phương trình 2.5 lò sử dụng đèn UV phương trình 2.7 lò sử dụng nhiều đèn UV 32 3.3 Kết mô thực nghiệm 3.3.1 Kết mô trường hợp lò sử dụng đèn UV Trong trường hợp tác giả mô lò UV sử dụng đèn UV công suất 480W, vị trí đèn đặt tâm lò Hình 3.2 kết mô phân bố cường độ tia UV theo mặt cắt ngang lò hình 3.3 kết mô phân bố cường độ tia UV dọc theo trục lò Hình 3.2 kết mô phân bố cường độ tia UV theo mặt cắt ngang lò Hình 3.3 kết mô phân bố cường độ tia UV dọc theo lò 33 Từ đồ thị phân bố cường độ UV dọc theo đèn lò ta thấy cường độ UV giảm dần bán kính R tăng Tại điểm khác dọc theo lò cách đèn cường độ UV sấp xỉ (trừ điểm gần đầu đèn) Như trường hợp mô sau tác giả mô phân bố cường độ UV mặt cắt ngang điểm lò phản ứng ( tất trường hợp mật độ phân bố cường độ tia UV dọc theo lò ) 3.3.2 Kết mô lò sử dụng nhiều đèn UV Như trình bày cần phải thiết kế lò UV lưu lượng xử lý tối đa 200 m3/h lò phải xạ cường độ tia UV trung bình lò 142 mW /cm2 Để thiết kế lò UV có cường độ ta lựa chọn giải pháp khác sử dụng đèn công suất lớn nhiều đèn công suất nhỏ Qua việc mô với số lượng công suất đèn uv khác Tác giả lựa chọn việc thiết kế lò UV với đèn UV công suất đèn 800W hợp lý Cũng qua việc mô cho trường hợp bán kính phân bố đèn khác nhau, tác giả tìm bán kính phân bố đèn R=6.5cm cho cường độ trung bình tia UV lò lớn Kết mô cho ta giá trị cường độ trung bình lò sử dụng đèn UV 147 mW /cm2 (hình 3.4), sử dụng đèn UV 168 mW /cm2 (hình 3.5) Kết mô cho ta thấy sử dụng đèn UV cho ta mức cường độ tia UV mà đáp ứng công suất xử lý tối đa lò UV 200 m3/h Như với tính toán thiết kế ta có độ dư công suất, điều phù hợp với trình khai thác thực tế hệ thống đáp ứng công suất định mức đèn bị hỏng tất đèn bị già hóa phần công suất theo thời gian năm đầu khai thác Hình 3.4 Kết mô lò UV sử dụng đèn UV 34 Hình 3.5 Kết mô lò UV sử dụng đèn UV 3.3.3 Kết thực nghiệm Hình 3.6 số hình ảnh lò UV sau chế tạo Sau tính toán thiết kế mô nhóm ngiên cứu tiến hành thực chế tạo lò ( Hình 3.6) với thông số dựa vào kết cụ thể là: - Bán kình lò 13.7cm; - Chiều dài lò 147 cm; - Số lượng đèn UV lò đèn , đèn có công suất 800W; - Bán kính phân bố đèn R=6.5cm; Sau có lò UV nhóm nghiên cứu thực công việc lắp đèn UV vào lò UV Đổ đầy nước vào lò UV sau điều chỉnh độ đục nhằm mục đích thay đổi hệ 35 số hấp thụ nước giống hệ số hấp thụ trường hợp mô dừng lại Tiếp theo thực đo cường độ UV với số lượng đèn khác thiết bị đo chuyên dụng ( hình 3.7 ) Hình 3.7 Đo cường độ tia UV thực tế thiết bị đo chuyên dụng Kết cường độ tia UV lò đo cho trường hợp số lượng đèn khác bảng 3.1 Bảng 3.1 Số liệu cường độ tia UV thực tế số đèn UV khác STT Số lượng đèn Cường độ UV trung bình (mW/cm2) 171.366 149.976 128.478 106.945 85.804 64.629 43.149 21.798 Như qua kết đo đượng thực tế ta thấy: Giá trị cường độ tia UV trung bình đo thực tế lò có kết gần giống trường hợp mô Giống trường hợp mô thay đổi cường độ trung bình tia UV lò tuyến tính với việc thay đổi số lượng đèn 36 KẾT LUẬN Đề tài hoàn thành vấn đề đặt việc nghiên cứu tia UV, nguyên lý diệt khuẩn tia UV Trên sở phương pháp tổng nguồn đa điểm, chuyên đề thực mô hình hoá cường độ xạ tia UV lò UV Từ xây dựng chương trình mô phân bố cường độ xạ tia UV lò UV Việc mô lò UV giúp cho nhìn trực quan phân bố cường độ tia UV lò từ đưa đực kết luận tính toán, lựa chọn phù hợp Các kết mô trường hợp khác giúp cho ta có sở để tính toán, thiết kế lò UV cách tồi ưu Ngoài số kết mô thực nghiệm thông số sở sử dụng để tính toán, xây dựng thuật toán cho chương trình giám sát điều khiển lò UV, nội dung trình bày nghiên cứu 37 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Trần Thị Ngọc Tuyền, Khảo sát tình hình quản lý nước Ballast 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 nước Ballast 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 ... vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu lò UV hệ thống xử lý nước Ballast Do phạm vi nghiên cứu luận án tập chung nghiên cứu sở lý thuyết tia UV, tính toán thiết kế lò UV hệ thống xử lý nước Ballast. .. Chương3 Tính toán, thiết kế mô lò UV hệ thống xử lý nước ballast Nội dung chương nghiên cứu đưa sở lý thuyết cho việc tính toán, thiết kế lò UV Trên sở xây dựng chương trình tính toán, lựa chọn mô lò. .. có công trình nghiên cứu việc mô phân bố cường độ tia UV lò UV [10] Song nghiên cứu dừng lại lò có đèn UV, chưa nghiên cứu cho lò UV công suất lớn có nhiều đèn UV việc xử lý nước Ballast Đề tài