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