Nghiên cứu tính chọn và mô phỏng lò UV trong hệ thống xử lý nước ballast

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 .... Không giống như những hình thức của ô nhiễm môi trường biển, nh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

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

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)

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 :

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

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

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

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

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

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

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

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]:

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]:

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:

T  elc l

e

 (1.3) Trong đó T là sự truyền của tia sáng qua vật liệu, được định nghĩa

1 0

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

tuân theo Định luật phản xạ (góc phản xạ bằng góc tới) Phản xạ khuếch tán xảy ra khi

bề mặt bị gồ ghề, làm cho tia sáng bị phản xạ theo nhiều hướng với sự phụ thuộc nhỏ vào góc tới

Hình 1.7: Sự phản xạ phản chiếu

Reflected light Incident light

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]:

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)

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:

UV Dose = 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

1,4,5,7,8,9

1,5,7,9

4,200

Legionella longbeachae 5 2,900 Staphylococcus aureus 3,4,6,9 6,600

Micrococcus sphaeroides 1,4,6,9 15,400 Streptococcus pyrogenes 4,200

1,3,4,5,7,8,9

Mốc Molds

Lượng

UV

UV Dose

Aspergillus niger (breed mold)

2,3,4,5,6,9

330,000 Penicillium expansum 1,4,5,6,9 22,000

Mucor racemosus (A & B)

Sinh vật đơn bào Protozoa

Lượng

UV

UV Dose

1,2,3,4,5,9

22,000 Giardia lamblia (cysts) 3 100,000

Virus Lượng

UV

UV Dose

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/cm2

Tổng cường độ của tia UV tại một điểm thu EA là tổng công suất bức xạ của tất

cả tia sóng tới tác động lên đơn vị diện tích tại điểm đó ( Hình 1.10)

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