Tài liệu Tiểu luận quá trình công nghệ môi trường khử trùng bằng tia cực tím

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA MÔI TRƯỜNG BẢO HỘ LAO ĐỘNG MÔN: QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG Chuyên đề : KHỬ TRÙNG BẰNG TIA CỰC TÍM GVHD: TS. Phạm Anh Đức SVTH: 1. Đặng Huỳnh Vương 91202267 2.Đinh Ngọc Thúy Vy 91202269 3.Nguyễn Thị Khánh Vy 91202293 TP.HCM, tháng 11 năm 2014 1 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG ............. 7 1. TẠI SAO PHẢI KHỬ TRÙNG NƯỚC?............................................................................. 7 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG NƯỚC THẢI: ...................................................... 7 2.1. Khử trùng bằng các chất oxi hóa mạnh: ................................................................ 7 2.1.1. Khử trùng bằng clo: ............................................................................................... 7 2.1.2. Khử trùng bằng ozon: ............................................................................................ 9 2.2. Khử trùng bằng phương pháp vật lý: .................................................................. 10 2.3. Khử trùng bằng phương pháp khác: ................................................................... 10 CHƯƠNG 2: KHỬ TRÙNG BẰNG TIA CỰC TÍM .......................................... 11 1. LỊCH SỬ TIA CỰC TÍM TRONG KHỬ TRÙNG NƯỚC: ........................................... 11 2. CẤU TẠO, CƠ CHẾ LÀM VIỆC VÀ ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA KHỬ TRÙNG TIA CỰC TÍM: ................................................................................................................................... 12 3. 4. 2.1. Cấu tạo:............................................................................................................... 12 2.2. Cơ chế làm việc: .................................................................................................. 13 2.3. Các loại nguồn ánh sáng trong khử trùng tia cực tím: ......................................... 16 2.3.1. Đèn Lp-Li: ............................................................................................................ 17 2.3.2. Đèn Lp-Hi và Mp-Hi: ........................................................................................... 18 HỆ ÁNH SÁNG VÀ TRUYỀN DẪN TIA CỰC TÍM: .................................................... 19 3.1. Bản chất của đèn tia cực tím: .............................................................................. 19 3.2. Sự truyền của đèn tia cực tím: ............................................................................. 19 3.2.1. Hấp thụ: ................................................................................................................ 20 3.2.2. Khúc xạ: ............................................................................................................... 20 3.2.3. Phản xạ: ............................................................................................................... 21 3.2.4. Tán xạ: .................................................................................................................. 22 PHẢN ỨNG VI CỦA SINH VẬT VỚI ĐÈN TIA CỰC TÍM: ........................................ 22 4.1. Cơ chế bất hoạt vi khuẩn bởi tia cực tím: ............................................................ 23 4.2. Sự phục hồi của vi khuẩn: ................................................................................... 25 4.2.1. Khắc phục quang học: ......................................................................................... 25 4.2.2. Khắc phục không ánh sáng: ................................................................................ 26 5. CƯỜNG ĐỘ TIA CỰC TÍM, LIỀU LƯỢNG TIA CỰC TÍM, VÀ LIỀU LƯỢNG PHÂN PHỐI TIA CỰC TÍM: .................................................................................................... 27 5.1. Phản ứng vi sinh vật (Liều lượng đáp ứng tia cực tím): ....................................... 29 2 5.2. 6. Vi sinh vật quang phổ đáp ứng:........................................................................... 32 THIẾT BỊ KHỬ TRÙNG TIA CỰC TÍM: ....................................................................... 33 6.1. Cấu hình lò phản ứng tia cực tím: ....................................................................... 34 6.2. Đèn tia cực tím: ................................................................................................... 36 6.2.1. Đèn đầu vào:......................................................................................................... 40 6.2.2. Đèn đầu ra: ........................................................................................................... 40 6.2.3. Đèn nhạy cảm với chất lượng điện: .................................................................... 42 6.2.4. Đèn bị lão hóa: ..................................................................................................... 43 6.4. Chấn lưu: ............................................................................................................ 45 6.5. Ống đèn:.............................................................................................................. 46 6.6. Hệ thống làm sạch: .............................................................................................. 48 6.7. Cảm biến tia cực tím: .......................................................................................... 49 6.8. Phân tích UVT: ................................................................................................... 50 6.9. Cảm biến nhiệt độ: .............................................................................................. 52 6.10. Giám sát liều lượng lò phản ứng tia cực tím: ....................................................... 53 7. ẢNH HƯỞNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC VÀ SỰ HÌNH THÀNH SẢN PHẨM PHỤ: ... 54 7.1. Ảnh hưởng của chất lượng nước trên hiệu suất lò phản ứng UV: .......................... 54 7.1.1. UVT: ..................................................................................................................... 54 7.1.2. Hàm lượng hạt: .................................................................................................... 54 7.1.3. Quy trình xử lý nước đầu nguồn: ........................................................................ 55 7.1.4. Khả năng làm bẩn:............................................................................................... 57 7.1.5. Sự xuất hiện và tăng trưởng tảo:......................................................................... 58 7.2. Giảm thiểu clo thông qua lò phản ứng tia cực tím: .............................................. 59 7.3. Sản phẩm phụ từ khử trùng tia cực tím: ............................................................. 59 7.3.1. Trihalomethanes, axit haloacetic, và Tổng Halogenua hữu cơ: ........................ 60 7.3.2. Phân hủy sinh học các hợp chất: ........................................................................ 60 7.3.3. Nitrit: .................................................................................................................... 60 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG LHỬ TRÙNG TIA CỰC TÍM TRONG XỬ LÝ NƯỚC ....................................................................................................................... 61 1. NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI GOLD BAR Ở EDMONTON, ALBERTA, CANADA: .................................................................................................................................... 61 2. NHÀ MÁY XỬ LÝ PHÍA TÂY BẮC BERGEN COUNTY UTILITY AUTHORITYWASTEWATER Ở WALDWICK, WISCONSIN, NEW JERSEY: ............. 61 3 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN ...................................................................................... 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 66 4 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Cấu tạo một thiết bị khử trùng tia cực tím .................................................................. 12 Hình 2.2. Khoảng bước sóng của tia cực tím ................................................................................ 14 Hình 2.3. Cơ chế biến đổi gen của tia cực tím .............................................................................. 15 Hình 2.4. Đèn LP, LPHO, MP........................................................................................................ 17 Hình 2.5. Khúc xạ ánh sáng ........................................................................................................... 21 Hình 2.6. Phản xạ ánh sáng ............................................................................................................ 21 Hình 2.7. Tán xạ của ánh sáng ....................................................................................................... 22 Hình 2.8. Cơ chế bất hoạt Acid nucleic của tia cực tím ............................................................... 23 Hình 2.9. Phân phối giả định liều cho hai lò phản ứng với khác biệt của thủy lực ................... 24 Hình 2.10. Phân phối giả định liều cho hai lò phản ứng với các khác biệt của thủy lực........... 28 Hình 2.11. Hình dạng của tia cực tím Những đường cong Liều lượng-đáp ứng ....................... 30 Hình 2.12. So sánh các hoạt động tia cực tím của vi khuẩn và hấp thụ tia cực tím của DNA . 33 Hình 2.13. Ví dụ về thiết bị khử trùng tia cực tím ....................................................................... 34 Hình 2.14. Ví dụ về các lò phản ứng tia cực tím: (a) kênh đóng và (b) kênh mở ...................... 35 Hình 2.15. Xây dựng một đèn tia cực tím ..................................................................................... 39 Hình 2.16. Đầu ra của đèn hơi thủy ngân LP (a) và MP (b)........................................................ 41 Hình 2.17. Đầu ra đèn tia cực tím và quan hệ của nó với hấp thụ tia cực tím của DNA .......... 42 Hình 2.18. Giảm đầu ra của tia cực tím (a) LPHO và (b) MP Bóng đèn qua thời gian............ 44 Hình 2.19. Sự lão hóa đối với một đèn MP ................................................................................... 44 Hình 2.20. Đèn tia cực tím bị lão hóa (bên phải) So với một đèn mới tia cực tím (trái). .......... 45 Hình 2.21. UVT của thạch anh có nghĩa là 1 mm dày tại một góc tới gốc tọa độ ...................... 47 Hình 2.22. Ví dụ về (a) Cơ hệ thống và Wiper (b) Cơ hoá hệ thống........................................... 49 Hình 2.23. Ví dụ về một cảm biến tia cực tím khô, đặt trên một lò phản ứng tia cực tím........ 50 Hình 2.24. Ví dụ về thiết kế bộ phân tích UVT ............................................................................ 52 Hình 2.25. Ví dụ Ảnh hưởng của ozon hóa trên tia cực tím hấp thụ nếu Ozone bị dập tắt Trước khi khử trùng tia cực tím .................................................................................................... 56 Hình 2.26. Ví dụ Ảnh hưởng của khử trùng tia cực tím lên tổn thất clorine tự do dư ............. 59 5 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Đặc điểm điển hình đèn khí thủy ngân ......................................................................... 37 Bảng 2.2. Ưu điểm hoạt động của đèn khí thủy ngân .................................................................. 38 Bảng 2.3. Các loại khởi động và khởi động lại điển hình cho đèn LPHO và MP ...................... 43 Bảng 2.4. So sánh các chấn lưu từ và chấn lưu điện tử ............................................................... 46 6 CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG 1. TẠI SAO PHẢI KHỬ TRÙNG NƯỚC? Dựa vào sự phân tích ta có thể đưa ra 2 nguyên nhân cần phải khử trùng nước thải và nước cấp sau đây:  Theo yêu cầu của QCVN14:2008/BTNMT về chỉ tiêu an toàn nước cấp và nước thải phải kể đến chỉ tiêu vi sinh. Nước cấp: Ecoli không được tồn tại Coliform < 20MPN/100ml Nước thải: Coliform : < 5000 MPN/100ml (loại A)< 10000 MPN/100ml (loại B)  Do trong quá trình xử lý nước cấp và nước thải phải qua nhiều công đoạn khác nhau do đó khả năng gây nhiễm vi sinh là rất cao: khử trùng là một khâu quan trọng cuối cùng trong hệ thống xử lý nước sinh hoạt. Sau quá trình xử lý  Cơ học, nhất là nước sau khi qua bể lọc, phần lớn các vi sinh vật đã bị giữ lại. Song để tiêu diệt hoàn  Toàn các vi trùng gây bệnh, cần phải tiến hành khử trùng nước. 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG NƯỚC THẢI: Hiện nay có nhiều biện pháp khử trùng có hiệu quả: - Khử trùng bằng các chất oxi hoá mạnh: Cl2, các hợp chất Cl2, O3, KMnO4. Khử trùng bằng các tia vật lý: tia cực tím. Khử trùng bằng siêu âm. Khử trùng bằng phương pháp nhiệt. Khử trùng bằng các ion kim loại nặng Cách lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào: - Các yếu tố ảnh hưởng. - Hiệu quả của quá trình khử trùng. 2.1. Khử trùng bằng các chất oxi hóa mạnh: 2.1.1. Khử trùng bằng clo: Cl2 là chất oxi hoá mạnh ở bất kỳ dạng nào. Khi cho Clo tác dụng với nó sẽ tạo thành HOCl có tác dụng diệt trùng mạnh. Khi cho Clo vào trong H2O, chất diệt trùng sẽ khuyếch tán qua lớp vỏ tế bào sinh vật ⇒ gây phản ứng với men tế bào ⇒ làm phá hoại các quá trình trao đổi chất của tế bào vi sinh vật. Khi cho Clo vào trong nước, phản ứng diễn ra như sau: Cl2 + H2O →HCl + HClO 7 Hoặc có thể ở dạng phương trình phân li Cl2 + H2O → H+ + OCl- + Cl-. Khi sử dụng Clorua vôi, phản ứng diễn ra như sau: Ca(OCl)2 + H2O → CaO + 2HOCl 2HOCl → 2H+ + 2OClKhả năng diệt trùng của Clo phụ thuộc vào hàm lượng HOCl có trong H2O. Nồng độ HOCl phụ thuộc vào lượng ion H+ trong nước hay phụ thuộc vào pH của nước. Khi: pH = 6 thì HOCl chiếm 99,5% còn OCl- chiếm 0.5% pH = 7 thì HOCl chiếm 79% còn OCl- chiếm 21% pH = 8 thì HOCl chiếm 25% còn OCl- chiếm 75% → pH càng cao hiệu quả khử trùng càng giảm Tác dụng khử trùng của HOCl cao hơn nhiều OCl-. Khi cho Clo vào trong nước ngoài việc diệt vi sinh vật, nó còn khử các chất hoà tan và NH3. HOCl + NH3 → NH2Cl + H2O HOCl + NH2Cl → NHCl2 + H2O HOCl + NHCl → NCl3 + H2O Do đó khả năng diệt trùng kém đi. Bởi vì khả năng diệt trùng của monocloramin thấp hơn dicloramin khoảng 3 – 5 lần, còn khả năng diệt trùng của dicloramin thấp hơn HOCl khoảng 20 – 25 lần. Khi pH tăng → NCl3 tạo ít. Khả năng diệt trùng của NH2Cl =( 1/3 -1/5) NHCl2 và NH2Cl2 =(1/20 –1/25)Cl2. Sau khi qua xử lý (hệ thống xử lý) thì lượng Clo lượng dư: 0.3-0.5mg/l. Sao cho đến cuối ống còn 0.05mg/l. Lượng Clo dư đưa vào trong nước phải xác định bằng thực nghiệm. Khi thiết kế sơ bộ có thể lấy như sau : đối với nước thải sau xử lý cơ học là 10mg/l; nước thải sau xử lý Aeroten không hoàn toàn hay Biophin cao tải là 5mg/l; nước thải xử lý sinh học hoàn toàn là 3mg/l. 8 Khi trong nước có phenol, khử trùng bằng Clo → Clo phenol có mùi rất khó chịu. Nên khử bằng NH3 trước khi khử trùng. 2.1.2. Khử trùng bằng ozon: Ôzôn là một chất khí có màu tím ít hòa tan trong nước và rất độc hại đối với con người. Ở trong nước, ôzôn phân hủy rất nhanh thành ôxi phân tử và nguyên tử. Ôzôn có tính hoạt hóa mạnh hơn Clo, nên diệt trùng mạnh hơn. Ôzôn được sản xấut bằng cách cho Oxy hoặc không khí đi qua thiết bị phóng lửa điện. Để cung cấp đủ lượng ozon cho trạm xử lý nước ta dùng máy phát tia lửa điện và cho không khí chảy qua. Ozon sản xuất ra dễ bị phân hủy thành Oxy do đó phải lắp thiết bị làm lạnh ở máy sản xuất Ozon. Có 2 loại máy làm lạnh điện cực: - Làm lạnh bằng không khí. - Làm lạnhbằng nước.  Ưu điểm của Ozon: Không có mùi Làm giảm nhu cầu oxi của nước , giảm chất hữu cơ,.. Khử màu, phênol, xianua Tăng DO Không có sản phẩm phụ gây độc hại Tăng vận tốc lắng của hạt lơ lửng  Nhược điểm: Vốn đầu tư cao Tiêu tốn năng lượng  Khả năng tiệt trùng của Ozon: Độ hòa tan của Ozon gấp 13 lần của oxy. Khi vừa cho vào trong nước khả năng tiệt trùng là rất ít , khi Ozon đã hòa tan đủ liều lượng, ứng với hàm lượng đủ oxy hoá hữu cơ và vi khuẩn trong nước, lúc đó tác dụng khử trùng mạnh nhanh gấp 3100 lần so với Clo, thời gian tiệt trùng xảy ra trong khoảng 3 – 8 giây. Liều lượng cần thiết cho nước ngầm là 0.75 – 1mg/l; 1.0 – 3.0 mg/l nước mặt; sau bể lắng 2 trong xử lý nước thải từ 5 – 15mg/l. 9 2.2. Khử trùng bằng phương pháp vật lý: Tia cực tím là tia bức xạ điện từ có bước sóng khoảng 4 – 400nm. Độ dài bước sóng của tia cự tím nằm ngoài vùng phát hiện, nhận biết của mắt thường. Dùng tia cực tím để tiệt trùng không làm thay đổi tính chất hóa học và lý học của nước. Tia cực tím tác dụng làm thay đổi DNA của tế bào vi khuẩn, tia cực tím có độ dài bước sóng 254nm, khả năng diệt khuẩn cao nhất. Trong các nhà máy xử lý nước thải, dùng đèn thuỷ ngân áp lực thấp để phát tia cực tím, loại đèn này phát ra tia cự tím có bước sóng 253,7nm, bóng đèn đặt trong hộp thủy tinh không hấp phụ tia cực tím, ngăn cách đèn và nước. Đèn được lắp thành bộ trong hộp đựng có vách ngăn phân phối để khi nước cảy qua hộp, được trộn đều để cho số lượng vi khuẩn đi qua đèn trong thời gian tiếp xúc ở hộp là cao nhất. Lớp nước đi qua đèn có độ dày khoảng 6mm, năng lượng tiêu thụ từ 6000 – 13000mocrowat/s, độ bền 3000 giờ đến 8000 giờ. Tuy nhiên khi sử dụng phương pháp này thì chi phí rất cao. Các thực nghiệm gần đây cho thấy nước thải có hàm lượng cặn lơ lửng SS < 50mg/l sau khi đi qua hộp đèn cực tím với tiêu chuẩn năng lượng nêu trên thì nước còn 200 Colifrom/100ml. 2.3. Khử trùng bằng phương pháp khác: Khử trùng bằng siêu âm: Dùng dòng siêu âm với cường độ tác dụng lớn sẽ có thể tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật trong nước Khử trùng bằng PP nhiệt: PP cổ truyền. Đun sôi nước ở 1000oC. Khử trùng bằng Ion Bạc : Có thể tiêu diệt phần lớn vi trùng. Với 2 – 10g/l ion là có thể tác dụng. 10 CHƯƠNG 2: KHỬ TRÙNG BẰNG TIA CỰC TÍM 1. LỊCH SỬ TIA CỰC TÍM TRONG KHỬ TRÙNG NƯỚC: Khử trùng tia cực tím là một công nghệ được thành lập hỗ trợ bởi tổ chức nghiên cứu và thực hành cơ bản và áp dụng tại Bắc Mỹ và châu Âu. Năm 1877, Downes và Blunt đã phát hiện ra các tính chất sát trùng của ánh sáng mặt trời. Năm 1901, sự phát triển của đèn thủy ngân là nguồn ánh sáng tia cực tím nhân tạo Năm 1906, sử dụng thạch anh làm vật liệu truyền tia cực tím Tiếp theo là ứng dụng khử trùng nước uống đầu tiên ở Marseilles, Pháp, vào năm 1910. Năm 1929, Gates xác định mối liên hệ giữa khử trùng tia cực tím và sự hấp thụ ánh sáng tia cực tím bởi axit nucleic (Gates 1929). Sự phát triển của bóng đèn huỳnh quang trong những năm 1930 đã dẫn đến việc sản xuất các loại đèn ống sát trùng. Nghiên cứu đáng kể về cơ chế khử trùng tia cực tím và bất hoạt của các vi sinh vật xảy ra trong những năm 1950 (Dulbecco 1950, Kelner 1950, Brandt và Giese năm 1956, Powell 1959). Mặc dù các nghiên cứu quan trọng về khử trùng tia cực tím diễn ra trong nửa đầu của thế kỷ 20, việc chi phí thấp của clo và các vấn đề hoạt động với thiết bị khử trùng tia cực tím ban đầu hạn chế sự phát triển của nó như một công nghệ xử lý nước uống. Các ứng dụng tin cậy đầu tiên của ánh sáng tia cực tím để khử trùng nước uống diễn ra ở các thành phố thụy sĩ và áo vào năm 1955 (Kruithof và Van der Leer 1990). Đến năm 1985, số lượng các lắp đặt như ở các nước này đã tăng lên xấp xỉ 500 và 600. Sau khi các sản phẩm phụ khử trùng clo (DBPS) được phát hiện, khử trùng tia cực tím đã trở thành phổ biến ở Na Uy và Hà Lan với việc lắp đặt đầu tiên xảy ra vào năm 1975 và 1980. Tính đến năm 2000, hơn 400 phương tiện khử trùng tia cực tím trên toàn thế giới đã được dung để xử lý nước uống; các cơ sở tia cực tím thường xử lý các dòng dưới 1 triệu gallon mỗi ngày (USEPA 2000). Từ năm 2000, một số lắp đặt tia cực tím lớn trên khắp Hoa Kỳ đã được xây dựng hoặc hiện đang được thiết kế. Lớn nhất trong số các cơ sở này bao gồm một cơ sở 180-MGD hoạt động ở Seattle, Washington, và một cơ sở 2.200-MGD theo thiết kế cho thành phố New York của cơ quan bảo vệ môi trường (Schulz 2004). 11 Bởi vì độ nhạy cảm của Cryptosporidium với khử trùng tia cực tím và chú trọng trong quy định gần đây về việc kiểm soát Cryptosporidium, số lượng các hệ thống cấp nước công cộng (PWSS) sử dụng khử trùng tia cực tím dự kiến sẽ tăng đáng kể trong thập kỷ tới. 2. CẤU TẠO, CƠ CHẾ LÀM VIỆC VÀ ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA KHỬ TRÙNG TIA CỰC TÍM: 2.1. Cấu tạo: Hình 2.1: Cấu tạo một thiết bị khử trùng tia cực tím Chú thích: 1 Đường đi 2 Nút điều khiển cần gạt nước 3 Nắp tắt dễ dàng 4 Đầu di động 5 Kẹp đầu 6 Cơ chế gạt nước cấp 12 7 Cổng kiểm soát 8 Tia cực tím 9 Đèn diệt khuẩn trong ống thạch anh 10 Đầu ra 11 Buồng bằng thép không gỉ 12 Thanh gạt nước  Thành phần ánh sáng tia cực tím tiêu biểu bao gồm: Một nguồn tin cao áp điện ổn định vì điện áp-dòng thấp sẽ dẫn đến một liều tia cực tím thấp hơn; Một khoang làm bằng thép không gỉ hoặc bất kỳ vật liệu khác đục và không bị ăn mòn; Đèn tia cực tím được bảo vệ đúng cách bên trong ống thạch anh, giảm bớt cài đặt, thay thế và bảo dưỡng; Ống thạch anh _ với tốc độ truyền cao đủ để cung cấp năng lượng tia cực tím được sản xuất bằng đèn tia cực tím; Cơ gạt nước để duy trì truyền tối ưu giữa làm sạch lên kế hoạch và công việc bảo trì; Bộ cảm biến để giám sát cường độ tia cực tím đi qua các nước. những cảm biến cần phải được kết nối với hệ thống báo động để cảnh báo người vận hành trong trường hợp cường độ tia cực tím thấp. Người vận hành phải có thể dễ dàng truy cập vào các bộ cảm biến để lắp đặt cần thiết, thay thế, hiệu chuẩn, và bảo dưỡng; Kiểm soát an toàn để tắt đèn tia cực tím trong trường hợp mức độ dòng chảy thấp và nhiệt độ đèn cao; Đánh dấu và báo sáng đèn ra màn hình để cảnh báo người vận hành trong trường hợp lỗi hệ thống Chấn lưu điện tử 2.2. Cơ chế làm việc: Ánh sáng tia cực tím được phát hiện như là một phần của quang phổ điện từ của John Ritter năm 1801 (Fleishman, 1996). Ánh sáng tia cực tím nghĩa là bức xạ có bước sóng từ 30 đến 400 nanomet (nm), ngắn hơn so với ánh sáng nhìn thấy. Ánh sáng tia cực tím thường được coi là ánh sáng như màu đen vì nó không thể nhìn thấy được bằng mắt thường. Quang phổ tia cực tím được chia thành ba phần: UV-A (31513 400 nm), UV-B (280-315 nm) và UV-C (30 - 280) (Thampi, 1988). Tuy nhiên, các tác động có hại của ánh sáng tia cực tím do ánh nắng mặt trời (ví dụ, ung thư da và mắt đục thủy tinh thể) là đặc biệt từ phần UV-C (Fleishman, 1996). Hình 2.2 trình bày một sơ đồ của phổ ánh sáng tia cực tím. Hình 2.2. Khoảng bước sóng của tia cực tím Khử trùng tia cực tím là một dạng vật chất khử trùng, trái ngược với các hình thức hóa học của clo. Một số phân tử, khi chịu sự ánh sáng tia cực tím, sẽ hấp thụ năng lượng của nó. Sau khi hấp thu, năng lượng điện tử là đủ để phá vỡ liên kết và thúc đẩy sự hình thành của liên kết mới trong phân tử, để phá hủy. Vì lý do này, ánh sáng 14 UV-C được gọi là phototoxic (ánh sáng độc hại) (Larson và Berenbaum, 1988). Các phân tử quan trọng nhất của các tế bào sống, deoxyribonucleic acid (DNA) và ribonucleic acid (RNA), rất nhạy cảm với phototoxicity (Larson và Berenbaum, 1988). Tác dụng phổ biến nhất của UV-C là sự hình thành của một vòng xyclobutyl giữa hai loại axit nucleic thymine liền kề nằm trên cùng một sợi DNA / RNA, như thể hiện trong hình 2.2 (Voet và Voet, 1995). Cấu trúc kết quả, gọi là thymine dimer, cục bộ làm biến dạng cơ cấu xoắn ốc của phân tử DNA / RNA ngăn chặn sự gắn phù hợp của phức hợp enzyme phiên mã và sao chép. Thiệt hại này thường dẫn đến ức chế sự sao chép và nhân rộng của các phân tử di truyền trong tế bào bị ảnh hưởng, dẫn đến cái chết của tế bào đơn lẻ đó (Larson và Berenbaum, 1988). Hình 2.3. Cơ chế biến đổi gen của tia cực tím 15 Vi khuẩn, động vật nguyên sinh và vi rút cũng rất nhạy cảm với bức xạ UV-C. Tiếp xúc với tia cực tím đủ để các sinh vật đơn bào tử đảm bảo chết, đặc biệt là ở bước sóng tia cực tím của 253,7 nm. Một khi điều này được phát hiện, các nhà khoa học sử dụng các hiệu ứng của ánh sáng tia cực tím để khử trùng. Đèn được phát minh có phát ra ánh sáng tia cực tím nhân tạo. Các loại đèn được, và vẫn đang được sử dụng để khử trùng bao bì thực phẩm, cũng như các thực phẩm mà chúng chứa, và thiết bị được sử dụng trong lĩnh vực y tế (Fleishman, 1996). Việc khử trùng nước bằng tia cực tím bắt đầu vào năm 1909 (White, 1992). Tuy nhiên, nó đã được chỉ trong vòng hai mươi năm qua, với nhận thức về những hậu quả sức khỏe và môi trường của việc sử dụng clo và những cải tiến đáng kể trong thiết kế lò phản ứng tia cực tím và hiệu quả đèn, rằng quy mô đầy đủ khử trùng tia cực tím đầu tiên được xây dựng để sử dụng trong xử lý nước thải ngành công nghiệp (Fahey, 1990). Kể từ đó, hệ thống tia cực tím đang trở nên ngày càng phổ biến hơn, và xu hướng này dự kiến sẽ tiếp tục thông qua thế kỷ này (Fahey, 1990). 2.3. Các loại nguồn ánh sáng trong khử trùng tia cực tím: Yếu tố quan trọng nhất của hệ thống tia cực tím là nguồn ánh sáng hoặc đèn. DNA và RNA phân tử thể hiện một độ hấp thụ tối đa ánh sáng UV-C giữa 250 và 260 nm (Thampi, 1990). Để tối đa hóa hiệu quả của hệ thống, nguồn sáng phải phát ra ở khoảng bước sóng này. Ba loại đèn tia cực tím sẵn có và dễ mua: cường độ thấp áp suất thấp (LP-li), cường độ cao áp suất thấp (lp-hi), và cường độ cao áp suất trung bình (mp-hi). Độ lớn áp suất dùng để chỉ áp lực của khí bên trong đèn. Cường độ dùng để chỉ đầu ra năng lượng. Sự khác biệt giữa các công nghệ chủ yếu là cường độ khử trùng phát ra bởi mỗi loại đèn, tương ứng với số lượng đèn cần thiết và kích thước tia cực tím. Các loại đèn được lựa chọn sẽ được xác định trên cơ sở từng địa điểm cụ thể. 16 Hình 2.4. Đèn LP, LPHO, MP 2.3.1. Đèn Lp-Li: Các loại đèn tiết kiệm năng lượng nhất và lâu đời nhất được sử dụng để khử trùng tia cực tím là đèn lp-li. Những đèn chứa hơi thủy ngân và khí argon phát ra bức xạ đơn sắc gần như ở 253,7 nm và hoạt động giữa nhiệt độ 40oC và 60oC khi bị kích thích với năng lượng điện tử (Hanzon và Vigilia, 1999). Trong tổng số khí thải từ các loại đèn áp suất thấp / cường độ thấp, khoảng 85% là ở bước sóng 253,7 nm, gần như đạt hiệu quả khử trùng cao nhất. Đèn thực tế trông rất giống hình dáng một bóng đèn ống huỳnh quang. Đèn huỳnh quang có một lớp phủ phosphor để chuyển đổi năng lượng tia cực tím phát ra từ hơi thủy ngân với ánh sáng nhìn thấy được. Đèn tia cực tím được làm bằng thủy tinh thạch anh vì "khả năng truyền tải ánh sáng tia cực tím. Tiêu thụ điện năng của đèn lp-li là khoảng 88 W và kết quả khử trùng là khoảng 20 đến 25% của công suất đèn (Muller, 1999 và Thampi, 1990). Các loại đèn phát ra khoảng 0,2W khử trùng mỗi chiều dài vòng cung cm (W / cm) của năng lượng bức 17 xạ (Hanzon và Vigilia, 1999). Cường độ của đèn là rất không ổn định trong 100 giờ đầu tiên; vì lý do này, cường độ 100% thường được đo sau 100 giờ đầu tiên sử dụng. Giá trị cường độ 100% được cung cấp bởi các nhà sản xuất đèn. Cường độ của đèn tia cực tím bị ảnh hưởng bởi thời gian và nhiệt độ. Sau 100 giờ, các bóng đèn sẽ giảm dần cường độ với độ tuổi (Darby et al, 1993.). Các tuổi thọ của đèn là khoảng 13.000 giờ, tương đương năm 1 ½ (Muller, 1999). Trong thời gian hoạt động này cường độ của đèn sẽ giảm xuống khoảng 75% cường độ ban đầu của nó là 100 giờ (Braunstein và cộng sự, 1996.). Nhiệt độ hoạt động tối ưu là 40oC. Nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn so với tối ưu sẽ giảm cường độ của đèn từ 1% đến 3% mỗi độ (Thampi, 1990). Các chi phí điển hình cho một bóng đèn lp-li là khoảng $ 45 (Muller, 1999). 2.3.2. Đèn Lp-Hi và Mp-Hi: Hai công nghệ tia cực tím thương mại sẵn có khác, đèn lp-hi và đèn mp-hi, là sự thay đổi của đèn lp-li ban đầu. Cả hai đèn cường độ cao phát ra một bức xạ đa sắc rộng lớn hơn. Cường độ cao hơn của chúng cho phép giảm đáng kể trong tổng số đèn cần thiết để khử trùng hiệu quả (Hunter và cộng sự, 1998). Tuy nhiên, do các loại đèn có một lượng đáng kể năng lượng ánh sáng bên ngoài phạm vi khử trùng nên chúng không được coi là hiệu quả như đèn lp-li. Các đèn cường độ cao cho phép giảm đáng kể trong tổng số đèn cần thiết để khử trùng hiệu quả. Tuy nhiên,chúng cũng sử dụng một số lượng đáng kể năng lượng phát ra bức xạ bên ngoài phạm vi khử trùng và do đó, ít hiệu quả hơn đèn lp-li. Các đèn cường độ cao có thể cho phép máy xử lý nước công suất cao hơn với hiệu quả chi phí khi triển khai khử trùng tia cực tím. Máy xử lý nước lớn hơn, mà trước đây đòi hỏi phải có hàng ngàn đèn lp-li, chỉ cần hàng trăm đèn cường độ cao. Đèn lp-hi hoạt động ở áp suất tương tự như đối cường độ thấp. Tuy nhiên, phạm vi nhiệt độ hoạt động là 180-200oC, cao hơn so với đèn lp-li (Hanzon và Vigilia, 1999) đáng kể. Tiêu thụ điện năng của đèn lp-hi là khoảng 250 W và kết quả khử trùng là khoảng 13 W / cm. Các đèn lp-hi có một đời trung bình khoảng 8.000 giờ (0,9 năm), với cường độ đèn giảm dần. Các đèn cường độ cao áp suất thấp có giá khoảng $ 185 Các đèn đa sắc cường độ cao áp suất trung bình hoạt động ở nhiệt độ từ 600 đến 800oC. Các đèn chứa hơi thủy ngân và khí argon sản sinh bức xạ đa sắc, mặc dù tập trung tại một số đỉnh trên khắp khu vực bước sóng khử trùng. Điện năng tiêu thụ đèn này là khoảng 2.800 W. Kết quả khử trùng đèn mp-hi là khoảng 16 W/cm, cao hơn 18 khoảng 80 lần so với đèn lp-li. Các loại đèn có tuổi thọ trung bình khoảng 8.000 giờ (0,9 năm) với cường độ giảm dần theo thời gian. giá đèn là khoảng $ 225. 3. HỆ ÁNH SÁNG VÀ TRUYỀN DẪN TIA CỰC TÍM: Việc sử dụng ánh sáng tia cực tím để khử trùng nước uống bao gồm (1) tạo ra ánh sáng tia cực tím với các tính chất diệt khuẩn mong muốn và (2) cung cấp (hoặc truyền) ánh sáng để tác nhân gây bệnh. Phần này tóm tắt làm thế nào ánh sáng tia cực tím được tạo ra và các điều kiện môi trường có ảnh hưởng đến mang nó đến với các mầm bệnh. 3.1. Bản chất của đèn tia cực tím: Thông thường, đèn tia cực tím được tạo ra bằng cách áp dụng một điện áp trên một hỗn hợp khí, dẫn đến việc phóng của các photon. Các bước sóng đặc biệt của ánh sáng phát ra từ việc phóng photon phụ thuộc vào thành phần nguyên tố của khí và mức công suất của đèn. Gần như tất cả các loại đèn tia cực tím hiện đang được thiết kế để xử lý nước sử dụng một hỗn hợp khí có chứa hơi thủy ngân. Thủy ngân dạng khí là lợi thế cho các ứng dụng khử trùng tia cực tím bởi vì nó phát ra ánh sáng trong dải bước sóng khử trùng. Các khí khác như đèn xenon cũng phát ra ánh sáng trong phạm vi khử trùng. Các đầu ra ánh sáng từ đèn tia cực tím thủy ngân trụ sở phụ thuộc vào nồng độ của các nguyên tử thủy ngân, có liên quan trực tiếp đến áp suất hơi thủy ngân. Trong áp suất thấp (LP) bóng đèn tia cực tím, thủy ngân ở áp suất hơi thấp [gần chân không; 2 x 2 x 10-5 đến 10-3 pounds cho mỗi inch vuông (psi)] và nhiệt độ trung bình [40 độ C (ºC)] sản xuất chủ yếu là đơn sắc (onewavelength) tia tia cực tím ở 253,7 nm. Trong môi trường áp suất trung bình (MP) đèn tia cực tím, áp suất hơi cao hơn [2200 psi] và nhiệt độ hoạt động cao hơn (600-900 ºC) được sử dụng để tăng tần số va chạm giữa các nguyên tử thủy ngân, trong đó sản xuất đèn tia cực tím trên một phổ rộng (đa sắc) với cường độ cao hơn. 3.2. Sự truyền của đèn tia cực tím: Khi ánh sáng tia cực tím lan truyền từ nguồn của nó, nó tương tác với các vật liệu nó gặp thông qua sự hấp thụ, phản xạ, khúc xạ, và tán xạ. Trong các ứng dụng khử trùng, những hiện tượng này là kết quả của sự tương tác giữa ánh sáng tia cực tím phát ra và các thành phần lò phản ứng tia cực tím (ví dụ: ống đèn, và các bức tường lò phản ứng) và cũng là nước được xử lý. Khi đánh giá chất lượng nước, hấp thụ tia 19 cực tím hoặc độ truyền tia cực tím (UVT) là thông số kết hợp hiệu quả của sự hấp thụ và tán xạ. Phần này mô tả ngắn gọn cả hai hiện tượng ảnh hưởng đến lan truyền ánh sáng và kỹ thuật đo lường được sử dụng để định lượng độ truyền của đèn tia cực tím. 3.2.1. Hấp thụ: Hấp thụ là sự chuyển đổi của ánh sáng thành các hình thức của năng lượng khi nó đi qua một chất. Hấp thụ tia cực tím của một chất thay đổi theo bước sóng (λ) của ánh sáng. Các thành phần của một lò phản ứng tia cực tím và nước đi qua tất cả các lò phản ứng hấp thụ ánh sáng tia cực tím mức độ khác nhau, tùy thuộc vào thành phần vật chất của nó. Khi ánh sáng tia cực tím được hấp thụ, nó không còn có sẵn để khử trùng các vi sinh vật. Không giống như hấp thụ, các hiện tượng khúc xạ, phản xạ, tán xạ và thay đổi hướng của đèn tia cực tím, nhưng ánh sáng tia cực tím vẫn có để khử trùng. Hấp thụ tia cực tím (A) xác định số lượng việc giảm lượng ánh sáng tới khi nó đi qua một mẫu nước trên một khoảng cách hoặc đường dẫn chiều dài quy định. Hấp thụ tia cực tím ở bước sóng 254 nm (A254) là một thông số chất lượng nước thường được sử dụng để mô tả khả năng hình thành DBP nước (ví dụ, tính toán hấp thụ tia cực tím cụ thể). Trong các ứng dụng khử trùng tia cực tím, A254 được sử dụng để đo lượng ánh sáng tia cực tím đi qua nước và tiếp cận các sinh vật mục tiêu. A254 được đo bằng cách sử dụng một quang phổ ánh sáng tới với bước sóng 254 nm và thường được đánh dấu trên mỗi centimet (cm-1) cơ sở. 3.2.2. Khúc xạ: Khúc xạ (Hình 2.5) là sự thay đổi theo hướng truyền ánh sáng khi nó đi qua những giao thoa giữa một trung và khác. Trong lò phản ứng tia cực tím, khúc xạ xảy ra khi ánh sáng đi từ đèn tia cực tím vào một khoảng không, từ sự chênh lệch không khí vào đèn sleeve, và từ sleeve đèn vào trong nước. Sự khúc xạ thay đổi góc độ mà đèn tia cực tím tấn công nhắm mục tiêu đến các mầm bệnh, nhưng làm thế nào sau cùng này tác động đến quá trình khử trùng tia cực tím là chưa biết. 20