Qua việc tìm hiểu và nghiên cứu thì việc xử lý nước ballast bằng công nghệ tia cực tím (UV) là phù hợp nhất cho đội tàu biển của Việt Nam. Bài viết này trình bày về phương pháp thiết kế lò UV trong hệ thống xử lý nước ballast dựa trên việc mô phỏng sự phân bố cường độ tia UV trong lò UV.
CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ LÒ UV TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC BALLAST SIMULATING, STUDYING AND DESIGNING AN UV REACTOR FOR BALLAST WATER TREATMENT SYSTEM NCS NGUYỄN ĐÌNH THẠCH; PGS.TS NGUYỄN CẢNH SƠN; PGS.TS LƯU KIM THÀNH Trường ĐHHH Việt Nam Tóm tắt Hiện chuẩn bị tham gia Công ước quốc tế việc hướng dẫn quản lý nước Ballast (BWM-2004) Công ước quy định tất tàu biển chạy tuyến quốc tế phải lắp đặt hệ thống xử lý nước ballast 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 Qua việc tìm hiểu nghiên cứu việc xử lý nước ballast công nghệ tia cực tím (UV) phù hợp cho đội tàu biển Việt Nam Bài báo trình bày phương pháp thiết kế lò UV hệ thống xử lý nước ballast dựa việc mô phân bố cường độ tia UV lò UV Abstract Recently, Vietnam has planned to participate in international convention for ballast water management (BWM-2004) Accordingly, the ships operated in international routes must to be equipped ballast water treatment systems (BWTS) It is necessary to study the technological solutions for manufacturing the BWTS so that they can effectively and possibly serves in Vietnamese ships The recent study shows that ballast water treatment using UV technology is one of the most competitive solutions This paper represents a methodology for designing UV reactor in BWTS based on the distributing simulation of UV ray Key words: Utraviolet, UV reactor, Ballast Water Treatment System Đặt vấn đề Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) thông qua Cơng ước quốc tế kiểm sốt, quản lý nước ballast (BWM-2004) Công ước quy định tất tàu biển chạy tuyến quốc tế phải lắp đặt hệ thống xử lý nước ballast theo tiêu chuẩn tổ chức Hàng hải quốc tế Sẽ phải khoản kinh phí lớn Việt Nam phải nhập hệ thống từ 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 Trên giới có số hãng sản xuất hệ thống xử lý nước ballast sử dụng cơng nghệ khác Qua việc tìm hiểu nghiên cứu, nhóm nghiên cứu nhận thấy việc xử lý nước ballast cơng nghệ tia cực tím phù hợp nhất, xét kích thước hệ thống sử 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, không sử dụng hoạt chất phương pháp khơng có tồn dư hố chất gây ảnh hưởng đến mơi 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 lò UV song việc tính tốn thiết kế dừng lại mức đơn giản, thủ cơng [3] Đã có cơng trình nghiên cứu việc mô phân bố cường độ tia UV lò UV [4] Song nghiên cứu dừng lại lò có đèn UV, chưa nghiên cứu cho lò UV cơng suất lớn có nhiều đèn UV việc xử lý nước ballast Bài báo xem xét tập trung vào vấn đề bỏ ngỏ Cơng thức tính tốn cường độ tia UV điểm lò UV phương pháp tổng nguồn đa điểm Nội dung phương pháp tổng nguồn đa điểm đèn UV mô chuỗi nguồn điểm xạ liên tục Mỗi nguồn điểm có cơng suất xạ Pi công suất phát xạ đèn chia cho tổng số nguồn điểm [1] 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 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 34 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 Đối với hệ thống xử lý tia UV, đèn UV đặt ống thạch anh Vì tia UV truyền qua môi trường nước thạch anh, nên cường độ điểm thu vùng xạ tính cơng thức sau [1]: P l I A n exp [( w ( R rq ) qtq ] i ] R i 1 4 li n (1) Khi lò UV sử dụng nhiều đèn UV cường độ UV điểm tổng cường độ UV đèn điểm đó: N I A I Ak k 1 P n n l exp [( w ( Rk rq ) q tq ] ki Rk k 1 i 1 4 lki N ] (2) Trong đó: P: Cơng suất đầu đèn (W) N: Số lượng đèn UV lò n: Số lượng nguồn điểm i : Hệ số hấp thụ vật chất (cm-1) w : Hệ số hấp thụ nước (cm-1) Rk: Khoảng cách xạ từ trục đèn UV thứ k tới điểm thu (cm) r q : 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) l ki : Khoảng cách từ đèn UV thứ k điểm tới điểm thu (cm) Công thức (2) sở tốn học cho việc xây dựng chương trình mô phân bố cường độ tia UV lò UV Tính tốn, thiết kế mơ lò UV hệ thống xử lý nước ballast 3.1 Cơ sở lý thuyết cho việc tính tốn, 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 tốn thiết kế lò UV có dung lượng xử lý tối đa 200 m 3/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) Theo tổ chức y tế giới cần lượng UV 30 mW-giây/ cm2 diệt hầu hết loại khuẩn nước uống [3] 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 [5] Như lượng UV yêu cầu cao mốc để tác giả tính tốn 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 thơng qua cơng thức sau[3]: UVDose Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải I VDZ Số 45 – 01/2016 (4) 35 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 UVDose: Lượng UV (mW.giây/cm2 ) I: Cường độ tia UV (mW / cm 2) VDZ: Thể tích lò UV ( lít ) v: Lưu lượng nước ( trường hợp 200 m 3/h = 55 lit/giây ) Với tham số biết trước việc thiết kế lò UV phải xác định nốt hai thơng số lại I VDZ Trong hai thông số ta phải cố định thơng số cho trước sau tính tốn thơng số lại Theo kinh nghiệm nhà thiết giới lò UV thơng số VDZ ấn định trước, chiều dài lò UV xác định chiều dài đèn UV Thông thường đèn UV có cơng 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 (5) 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 cho việc thiết kế nhóm nghiên cứu xây dựng chương trình phần mềm Matlab để mơ 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 lò UV u cầu mục tiêu chương trình: - Mơ 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 cơng suất số lượng đèn UV thay đổi - Mô mối quan hệ phân bố cường độ UV vị trí đặt đèn vị trí đặt đèn UV thay đổi - Kết mơ chương trình phải thể hai hình thức: Thứ cường Hình Giao diện chương trình tính tốn, độ tia UV phân bố lò phải thể rõ lựa chọn mơ lò UV hình ảnh mầu sắc, thứ hai giá trị cường độ tia UV vị trí khác lò phải thể số cụ thể xác Kết thảo luận 4.1 Kết mơ Hình Kết mơ lò UV sử dụng đèn UV Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Hình Kết mơ lò UV sử dụng đèn UV Số 45 – 01/2016 36 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 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 cơng suất lớn nhiều đèn công suất nhỏ Qua việc mô với số lượng công suất đèn UV khác Nhóm nghiên cứu lựa chọn việc thiết kế lò UV với đèn UV cơng suất đèn 800W (với tham số mô giống [1]) hợp lý Cũng qua việc mô cho trường hợp bán kính phân bố đèn khác nhau, nhóm nghiên cứu tìm bán kính phân bố đèn R=6.5cm cho cường độ trung bình tia UV lò lớn Kết mơ cho ta giá trị cường độ trung bình lò sử dụng đèn UV 147 mW /cm2 (hình 2), sử dụng đèn UV 168 mW /cm2 (hình 3) Kết mơ 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 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 4.2 Kết thực nghiệm Hình số hình ảnh lò UV sau chế tạo Sau tính tốn thiết kế mơ nhóm ngiên cứu tiến hành thực chế tạo lò (Hình ) với thơng số dựa vào kết cụ thể : - Bán kình lò 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 lò UV nhóm nghiên cứu thực cơng việc lắp đèn UV vào lò UV Đổ đầy nước vào lò UV sau điều chỉnh độ đục nhằm mục đích thay đổi hệ số hấp thụ nước giống hệ số hấp thụ trường hợp mơ dừng lại Tiếp theo thực đo cường độ UV với số lượng đèn khác thiết bị đo chuyên dụng (Hình 5) Kết cường độ tia UV lò đo Hình Đo cường độ tia UV thực tế thiết bị đo chuyên dụng cho trường hợp số lượng đèn khác bảng Nhận xét: - 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 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 37 ... tia UV lò UV Tính tốn, thiết kế mơ lò UV hệ thống xử lý nước ballast 3.1 Cơ sở lý thuyết cho việc tính tốn, thiết kế lò UV Khác với hệ thống xử lý nước thông thường bờ, hệ thống xử lý nước ballast. .. lượng xử lý lớn, cụ thể tác giả tính tốn thiết kế lò UV có dung lượng xử lý tối đa 200 m 3/h Điều khơng thể thực lò UV sử dụng đèn mà bắt buộc phải sử dụng nhiều đèn lò UV Việc thiết kế lò UV có... UV lò sử dụng đèn nhiều đèn UV - Mô mối quan hệ cường độ UV cơng suất đèn UV sử dụng lò công suất số lượng đèn UV thay đổi - Mô mối quan hệ phân bố cường độ UV vị trí đặt đèn vị trí đặt đèn UV