Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường nghiên cứu tính chọn và mô phỏng lò uv trong hệ thống xử lý nước ballast

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ẠI Đ THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG C Ọ H H ĐỀ TÀI G ÀN NGHIÊN CỨU TÍNH CHỌN VÀ MƠ PHỎNG LỊ UV TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC BALLAST ẢI H ỆT VI AM N 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 ẠI Đ 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 cơng đoạn xử lý nước Ballast tia UV 27 CHƯƠNG MƠ HÌNH HỐ CƯỜNG ĐỘ BỨC XẠ TIA UV TRONG LÒ UV 25 2.1 Cơng thức tính tốn 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 TỐN, THẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG LÒ UV TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC BALLAST 30 3.1 Cơ sở lý thuyết cho việc tính tốn, thiết kế lò UV 30 3.2 Xây dựng chương trình tính tốn, lựa chọn mơ 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 mơ trường hợp lị sử dụng đèn UV 33 3.3.2 Kết mơ lị sử dụng nhiều đèn UV 34 3.3.3 Kết thực nghiệm 35 KẾT LUẬN 37 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 C Ọ H G ÀN H ẢI H ỆT VI AM N DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Cơ quan bảo vệ mơi 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) ẠI C Ọ H G ÀN H ẢI H ỆT VI : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Đ EPA UV A I0 I1  c l σ T EA P n i ri w Rk rq q tq li AM N MỞ ĐẦU Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Khi tàu đầy hàng hóa, ổn định tàu chủ yếu thực hàng hóa Khi tàu khơng có 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 ) ẠI Đ C Ọ H G ÀN H ẢI H ỆT VI AM N Hình 0.1 Hoạt động bơm xả nước Ballast tàu biển Việc di chuyển nước Ballast từ vùng biển sang vùng biển khác vơ tình mang theo “hành khách lậu vé”- Chúng vi khuẩn, động vật không xương cỡ nhỏ, trứng, nang bào tử (cysts) ấu trùng nhiều lồi khác Đây ngun nhân làm phá vỡ nghiêm trọng cân sinh thái tự nhiên mơi 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 : ẠI Đ 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] Lồi sị Sọc châu Âu Dreissena polymorpha vơ tình mang tới Mỹ thơng 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 tồn cầu Khơng 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 khơng 35% tổng dung tích đội tàu giới Tính đến ngày tháng năm 2016, Cơng 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 Cơng ước BWM đáp ứng thoả mãn vào năm 2016 Như vậy, Cơng ước có hiệu lực vào năm 2017 Theo thống kê Việt Nam có khoảng 600 tàu cơng 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 C Ọ H G ÀN H ẢI H ỆT VI AM N phải lượng tiền lớn ta phải nhập hệ thống từ nước ngồi Nó gây khó khăn khơng 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 cơng trình khoa học nước nghiên cứu công nghệ xử lý nước Ballast Các cơng 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]; ẠI Đ - Cơng trình phân tích mẫu nước Ballast cảng Sài gịn nhằm mục đích đưa tiêu lý – hố học mẫu nước Ballast, phân tích thành phần loài phiêu sinh động vật mẫu nước Ballast [2] C Ọ H ÀN H Tình hình nghiên cứu nước G Hiện giới có số hãng sản xuất thành cơng hệ thống xử lý nước Ballast Các phương pháp xử lý nước Ballast giới thường thực sau: ẢI H ỆT VI - Phương pháp xử lý học sử dụng lọc dùng máy phân ly; - Phương pháp sử dụng hóa chất để diệt khuẩn; AM N - Phương pháp vật lý diệt khuẩn ozone, sử dụng tia cực tím ( tia UV), sử dụng điện cực, sử dụng nhiệt độ cao vv; - 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 cơng 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, khơng sử dụng hoạt chất phương pháp khơng có tồn dư hố 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 cơng trình khoa học nghiên cứu việc tính tốn, thiết kế lị UV song việc tính tốn thiết kế dừng lại mức đơn giản, thủ cơng [9] Đã có cơng trình nghiên cứu việc mơ phân bố cường độ tia UV lò UV [10] Song nghiên cứu dừng lại lị có đèn UV, chưa nghiên cứu cho lị UV cơng 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 lị UV hệ thống xử lý nước Ballast Do phạm vi nghiên cứu luận án tập chung nghiên cứu sở lý thuyết tia UV, tính tốn thiết kế lị UV hệ thống xử lý nước Ballast Phương pháp nghiên cứu, kết cấu cơng trình nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu ẠI Đ - Phương pháp thống kê - Phương pháp mô C Ọ H - Phương pháp điều tra khảo sát H ÀN - Phương pháp tổng hợp phân tích thiết kế G - Xây dựng thực nghiệm để hoàn thiện sản phẩm ẢI H kết cấu đề tài ỆT VI Với nhiệm vụ mục tiêu đề cấu trúc luận án chia thành 03 chương sau: AM N 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 Mơ hình hóa cường độ xạ tia UV lò UV Trên sở phương pháp tổng nguồn đa điểm, nội dung chương sâu vào việc mơ hình hố cường độ xạ tia UV lò UV Làm sở cho việc xây dựng chương trình mơ phân bố cường độ xạ tia UV lò UV Chương3 Tính tốn, thiết kế mơ lị UV hệ thống xử lý nước ballast Nội dung chương nghiên cứu đưa sở lý thuyết cho việc tính tốn, thiết kế lị UV Trên sở xây dựng chương trình tính tốn, lựa chọn mơ lị UV Các kết mơ 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 mơ hình hố cường độ xạ tia UV lò UV Từ xây dựng chương trình mơ phân bố cường độ xạ tia UV lò UV Việc mơ lị UV giúp cho nhìn trực quan phân bố cường độ tia UV lị từ đưa kết luận tính tốn, lựa chọn phù hợp ẠI Đ C Ọ H G ÀN H ẢI H ỆT VI AM N ẠI Đ 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, vơ hiệu hóa giết vi sinh vật, vi khuẩn gây bệnh có nước Q 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 tồn giới, điển hình có tiện ích đạt tốc độ dịng 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 : - Khơng 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 khơng khí; - Khơng 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); - Khơng chứa chất độc hại; - Chiếm khơng gian nhỏ để đặt lị 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 khơng thích hợp nước thể rắn, đục, có màu, chất hữu hịa tan; Tia UV khơng hiệu chống lại vật gây ô nhiễm khơng cịn 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 C Ọ H G ÀN H ẢI H ỆT VI AM N 1.1.2 Nguyên lý diệt khuẩn tia UV Kỹ thuật xử lý UV cách tiếp cận khơng 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 tốn 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 ẠI Đ C Ọ H G ÀN H ẢI H Hình 1.1 Phổ ánh sáng xạ tia UV Tia UVC sử dụng để sát trùng, vơ 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 khơng thể 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 vơ 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 khơng bị tiêu diệt xáo trộn mã di truyền phân tử ngăn chặn tái tạo, dịch mã [7] ỆT VI AM N 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 ẠI Đ 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 C Ọ H G ÀN H ẢI H ỆT VI AM N 24 CHƯƠNG MƠ HÌNH HỐ CƯỜNG ĐỘ BỨC XẠ TIA UV TRONG LỊ UV 2.1 Cơng 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 cơng suất xạ Pi công suất phát xạ đèn chia cho tổng số nguồn điểm [10] co-linear point source UV lamp ẠI Đ C Ọ H ÀN H G 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) ẢI H ỆT VI AM N 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 cơng suất xạ nguồn điểm (W) r khoảng cách xạ từ nguồn điểm tới điểm thu (cm)  hệ số hấp thụ vật chất (cm-1) Đ ẠI Từ công thức (2.2) thấy cường độ tia UV xung quanh nguồn điểm xác định xác thơng qua khoảng cách nguồn điểm đến điểm thu hệ số hấp thụ môi trường truyền dẫn tia UV C Ọ H G ÀN H ẢI H ỆT VI AM N 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 cơng 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 mơi 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) ẠI Đ  q : hệ số hấp thụ ống thạch anh (cm-1) H t q : độ dày ống thạch anh (cm) C Ọ li khoảng cách từ nguồn điểm thứ i tới điểm thu (cm) G ÀN H ẢI H ỆT VI AM N 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 ẠI Đ I Ak (2.6) H C Ọ Trong đó: ÀN H P : cơng suất đầu đèn (W) n : số lượng nguồn điểm đèn UV thứ k G H  i : hệ số hấp thụ vật chất (cm-1) ẢI ri : Khoảng cách xạ từ nguồn điểm tới điểm thu (cm) ỆT VI  w : hệ số hấp thụ nước (cm-1) AM N 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) ẠI Đ C Ọ H G ÀN H ẢI H ỆT VI AM N 29 CHƯƠNG TÍNH TỐN, THẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG LỊ UV TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC BALLAST 3.1 Cơ sở lý thuyết cho việc tính tốn, thiết kế lị 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 tốn thiết kế lị 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 lị 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) ẠI Đ 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 tốn thiết kế lị UV Mối quan hệ lượng UV, thể tích lị UV, cường độ xạ tia UV tốc độ dòng chảy (dung lượng xử lý ) thể thông qua công thức sau [9]: C Ọ H G ÀN H I VDZ ẢI H UVDose  ỆT UVDose: lượng UV ( mW.giây/cm2 ) (3.2) VI  AM N I: Cường độ tia UV (mW / cm2 ) VDZ: Thể tích lị UV ( lít ) v: Lưu lượng nước ( trường hợp 200 m3/h = 55 lit/giây ) Với tham số biết trước việc thiết kế lị UV phải xác định nốt hai thơng số cịn lại I VDZ Trong hai thơng số ta phải cố định thông số cho trước sau tính tốn thơng số cịn lại Theo kinh nghiệm nhà thiết giới lị UV thơng số VDZ ấn định trước, chiều dài lò UV xác định chiều dài đèn UV Thơng thường đèn UV có cơng suất lớn thường có chiều dài 147cm Trong trường hợp tác giả chọn lị UV có kích thước bán kính 13 cm chiều dài lị 147 cm Như thể tích lị VDZ = 78 lít Với tham số biết ta tính cường độ tia UV lị I UVDose   142(mW / cm ) VDZ (3.3) Để thiết kế lị 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 ẠI Đ 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 tốn, lựa chọn mơ lị UV 3.2.1 u 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 cơng suất đèn UV sử dụng lị 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 tốn, lựa chọn mơ lị 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 lị UV : cơng suất đèn UV, số lượng đèn UV bán kính phân bố ( vị trí đèn UV ) lị UV - Kết mơ 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 tốn, lựa chọn mơ lò UV tác giả xây dựng sở phần mềm lập trình Matlab Phần mềm Matlab khơng cịn xa lạ với người dùng, cơng cụ hỗ trợ tính tốn mơ thực tế mạnh, ngồi tính để thực điều đó, Matlab cịn hỗ trợ tạo giao diện người dùng (GUI) GUI (Graphical User Interface) giao diện đồ họa có điều khiển nhiều cơng cụ người lập trình tạo sẵn, cho phép tương tác người dùng với máy tính thơng 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 ngơn ngữ lập trình hướng đối tượng bậc cao VB, C++ GUI bao gồm đầy đủ chương trình hỗ trợ thực phép tốn LOGIC, mơ khơng gian 2D, 3D, đọc hiển thị liệu, liên kết đa phương tiện Giao tiếp với người dùng thơng 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 khơng cần biết cấu trúc chương trình thực GUI thực thông qua hàm CALLBACK, người C Ọ H G ÀN H ẢI H ỆT VI AM N 31 dùng tác động lên giao diện cách khác nhau, hàm CALLBACK khác gọi để thực thi Giao diện chương trình tính tốn, lựa chọn mơ lò UV tác giả xây dựng thể hình 3.1 ẠI Đ C Ọ H G ÀN H ẢI H ỆT VI Hình 3.1 Giao diện chương trình tính tốn, lựa chọn mơ lị UV Giao diện chương trình cho phép người sử dụng dễ dàng lựa chọn thay đổi tham số cần mơ Các tham số thay đổi bán kính phân bố đèn lị UV, cơng suất đèn lị UV, số lượng đèn UV lị mơ 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 lị cần mơ ta ấn nút “SIMULATION”, chương trình tự động gọi hàm CALLBACK tương ứng để thực chức tính tốn, mơ cường độ tia UV lò UV Sự lựa chọn thứ hai lựa chọn ngẫu nhiên từ đến đèn vị trí khác lị Sau chọn số lượng vị trí cụ thể đèn lị cần mơ ta ấn nút “RUN”, chương trình tự động gọi hàm CALLBACK tương ứng với nút để thực Chương trình cịn 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 tốn hiển thị giá trị cường độ tia UV tương ứng Cơ sở toán học cho việc xây dựng thuật tốn chương chình tính tốn, lựa chọn mơ lị UV phương trình 2.5 lò sử dụng đèn UV phương trình 2.7 lị sử dụng nhiều đèn UV AM N 32 3.3 Kết mô thực nghiệm 3.3.1 Kết mô trường hợp lò sử dụng đèn UV Trong trường hợp tác giả mơ lị UV sử dụng đèn UV cơng suất 480W, vị trí đèn đặt tâm lị Hình 3.2 kết mơ phân bố cường độ tia UV theo mặt cắt ngang lị hình 3.3 kết mơ phân bố cường độ tia UV dọc theo trục lò ẠI Đ C Ọ H G ÀN H ẢI H VI ỆT Hình 3.2 kết mơ phân bố cường độ tia UV theo mặt cắt ngang lị AM N Hình 3.3 kết mơ 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 lị ) 3.3.2 Kết mơ lò sử dụng nhiều đèn UV ẠI Đ Như trình bày cần phải thiết kế lò UV lưu lượng xử lý tối đa 200 m3/h lị phải xạ cường độ tia UV trung bình lị 142 mW /cm2 Để thiết kế lị 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 lị UV với đèn UV cơng suất đèn 800W hợp lý Cũng qua việc mơ 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 lị lớn Kết mơ 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 mơ cho ta thấy sử dụng đèn UV cho ta mức cường độ tia UV mà đáp ứng cơng suất xử lý tối đa lị UV 200 m3/h Như với tính tốn thiết kế ta có độ dư cơng 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 cơng suất theo thời gian năm đầu khai thác C Ọ H G ÀN H ẢI H ỆT VI AM N Hình 3.4 Kết mơ lị UV sử dụng đèn UV 34 ẠI Đ C Ọ H G ÀN H Hình 3.5 Kết mơ lị UV sử dụng đèn UV 3.3.3 Kết thực nghiệm ẢI H ỆT VI AM N Hình 3.6 số hình ảnh lị UV sau chế tạo Sau tính tốn thiết kế mơ nhóm ngiên cứu tiến hành thực chế tạo lò ( Hình 3.6) với thơng số dựa vào kết cụ thể là: - Bán kình lị 13.7cm; - Chiều dài lò 147 cm; - Số lượng đèn UV lò đèn , đèn có cơng suất 800W; - Bán kính phân bố đèn R=6.5cm; Sau có lị 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 ) ẠI Đ C Ọ H ÀN H Hình 3.7 Đo cường độ tia UV thực tế thiết bị đo chuyên dụng G 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 ẢI H ỆT VI AM N Như qua kết đo đượng thực tế ta thấy: Giá trị cường độ tia UV trung bình đo thực tế lị có kết gần giống trường hợp mô Giống trường hợp mô thay đổi cường độ trung bình tia UV lị 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, chun đề thực mơ hình hố cường độ xạ tia UV lị UV Từ xây dựng chương trình mơ phân bố cường độ xạ tia UV lò UV Việc mơ lị UV giúp cho nhìn trực quan phân bố cường độ tia UV lị từ đưa đực kết luận tính tốn, lựa chọn phù hợp Các kết mô trường hợp khác giúp cho ta có sở để tính tốn, thiết kế lị UV cách tồi ưu Ngồi số kết mơ thực nghiệm cịn thơng số sở sử dụng để tính tốn, xây dựng thuật tốn cho chương trình giám sát điều khiển lò UV, nội dung trình bày nghiên cứu ẠI Đ C Ọ H G ÀN H ẢI H ỆT VI AM N 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 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 ẠI Đ [3] C Ọ H G ÀN H ẢI H ỆT VI [10] Xiang Li, Computional analysis of ultraviolet ractors, Master Thesis of Science, 2009 AM N [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