Nghiên cứu và nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển và giám sát quá trình xử lý nước dằn trên tàu biển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Nghiên cứu và nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển và
giám sát quá trình xử lý nước dằn trên tàu biển
TRẦN THANH AN


Ngành Kỹ thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Nguyễn Hồi Nam

Bộ mơn:

Điều khiển tự động

Viện:

Điện

HÀ NỘI, 10/2019


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Trần Thanh An

Đề tài luận văn: “Nghiên cứu và nâng cao chất lượng Hệ thống điều
khiển và giám sát quá trình sử lý lước dằn trên tàu biển”
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số SV: CA180209
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn
xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày 30/10/2019 với các nội dung sau:
Sửa chữa các lỗi chính tả trong các chương;
Bỏ phần lựa chọn PLC và Rơ le;
Sửa lại câu từ trong chương 1;
Tham chiếu các Tài liệu tham khảo khi trình bày nội dung trong các
chương;
- Chế bản luận văn theo mẫu (template) mới của Phòng Đào tạo;
- Bổ sung các kịch bản mô phỏng: như xét đến nhiễu; tín hiệu đầu vào có
thêm dạng khác với hàm step;
- Thiết kế thêm khâu quan sát trạng thái cho đối tượng.
-

Ngày
Giáo viên hướng dẫn

tháng 11 năm 2019
Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

SĐH.QT9.BM11

Ban hành lần 1 ngày 11/11/2014

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu riêng của tơi được hồn thành dưới
sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Hoài Nam. Các kết quả nêu trong luận văn
là trung thực, sát với thực tế và chưa được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào
khác.

Hà Nội, ngày

tháng 10 năm 2019

Người hướng dẫn

Tác giả luận văn

TS. Nguyễn Hoài Nam

Trần Thanh An

ii


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn trân thành và sâu sắc của mình tới
người đã trực tiếp hướng dẫn khoa học là TS. Nguyễn Hoài Nam. Thầy đã tạo điều
kiện và gợi mở cho tôi nhiều ý tưởng, ln tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian
tôi nghiên cứu và thực hiện luận án.
Đồng thời tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn
Điều khiển tự động – Viện Điện – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đã nhiệt tình

có những góp ý xây dựng để tơi hồn thành luận văn của mình.
Tơi cũng xin được trân trọng cảm ơn tới Ban giám hiệu, Viện đào tạo sau đại
học, Viện điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho
tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu để có thể hồn thành luận văn này.
Hà Nội, ngày

tháng 10 năm 2019
Tác giả

Trần Thanh An

iii


MỤC LỤC
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP....................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................ii
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ...................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................. ix
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC DẰN .................... 3
1.1. Các quy định về quản lý môi trường biển ............................................................ 3
1.1.1. Quy định quốc tế ............................................................................................... 3
1.1.1.1 Công ước quốc tế về Luật biển ....................................................................... 3
1.1.1.2 Công ước Quốc tế về ngăn ngừa ô nhiễm từ tàu ............................................ 3
1.1.2 Các quy định của Việt Nam ............................................................................... 3
1.1.2.1 Quy định trong các Luật, Bộ Luật ................................................................... 3
1.2 Nước dằn và mối nguy hại từ nước dằn ................................................................ 4

1.2.1 Nước dằn ............................................................................................................ 4
1.2.2 Mối nguy hại từ nước dằn .................................................................................. 6
1.3 Yêu cầu chung về hệ thống xử lý nước dằn .......................................................... 6
1.3.1 Hệ thống xử lý nước dằn .................................................................................... 6
1.3.2 Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống xử lý nước dằn ............................................ 7
1.3.3 Các phương pháp và công nghệ xử lý nước dằn tàu trên thế giới ..................... 8
1.3.4 Các hệ thống và công nghệ xử lý nước dằn tàu hiện có trên thế giới ................ 8
1.3.4.1 Cơng nghệ sử dụng hoạt chất .......................................................................... 9
1.3.4.2 Công nghệ điện phân ..................................................................................... 10
1.3.4.3 Công nghệ sử dụng Ozone ............................................................................ 11
1.3.4.4 Công nghệ không sử dụng hoạt chất (Phương pháp vật lý) .......................... 12
1.3.4.4.1 Công nghệ phân tách từ.............................................................................. 12
1.3.4.4.2 Công nghệ sử dụng tia UV ......................................................................... 12
1.3.5 Lựa chọn công nghệ xử lý nước dằn tàu cho tàu biển của Việt Nam .............. 13
1.3.5.1 Lựa chọn về giải pháp kỹ thuật ..................................................................... 13

iv


1.3.5.2 Lựa chọn giải pháp kinh tế ............................................................................ 15
1.4 Cấu hình hệ thống xử lý nước dằn bằng tia UV với dung lượng 200m3/h ......... 16
1.4.1 Cấu hình cơng nghệ cho hệ thống xử lý nước dằn ........................................... 16
1.4.2 Cấu hình hồn chỉnh cho hệ thống xử lý nước dằn .......................................... 19
1.4.2.1 Yêu cầu đối với các phần tử trong hệ thống ................................................. 20
1.4.2.2 Khối điều khiển và giám sát cho hệ thống .................................................... 24
CHƯƠNG 2: LÒ PHẢN ỨNG TIA UV ................................................................ 25
2.1 Lị phản ứng tia uv có dung lượng 200 m3/h....................................................... 25
2.1.1 Lượng UV, cường độ và thời gian xử lý nước dằn bằng tia UV ..................... 25
2.1.1.1 Lượng tia UV ................................................................................................ 25
2.1.1.2 Cường độ UV ................................................................................................ 25

2.1.1.3 Thời gian xử lý .............................................................................................. 26
2.1.2 Cường độ bức xạ tia UV trong lị UV .............................................................. 26
2.1.2.1 Cơng thức tính cường độ tia UV tại một điểm bất kỳ trong lò sử dụng 1 đèn
UV bằng phương pháp tổng nguồn đa điểm ............................................................. 26
2.1.2.2 Công thức xác định cường độ tia UV tại một điểm bất kỳ trong lò sử dụng
nhiều đèn UV ............................................................................................................ 30
2.1.3 Mơ phỏng lị UV trong hệ thống xử lý nước dằn tàu. ...................................... 31
2.1.4 Đặc tính kỹ thuật lị UV dung lượng xử lý 200 m3/h ....................................... 33
2.1.4.1 Thơng số kỹ thuật của lị UV ........................................................................ 34
2.1.4.2 Bộ nguồn của đèn UV ................................................................................... 34
2.2 Mô hình tốn của lị UV ...................................................................................... 35
2.2.1 Ngun lý hoạt động lị UV ............................................................................. 35
2.2.2 Mơ hình tốn của lị UV ................................................................................... 36
CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỈNH ĐỊNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
CHO LÒ UV ............................................................................................................ 40
3.1 Bộ điều khiển PID. .............................................................................................. 40
3.2 Phương pháp tối ưu độ lớn (MO) ........................................................................ 42
3.3 Phương pháp gán đặc tính thời gian (OSA). ....................................................... 43
3.4 Phương pháp chỉnh định PID thích nghi dựa theo nguyên lý dịch trục thời gian
(Adaptive tuning). ..................................................................................................... 44

v


3.5 Thiết kế bộ điều khiển PID cho lò UV ................................................................ 46
3.6 Thiết kế bộ quan sát cho lò UV ........................................................................... 46
3.7 Kết quả mô phỏng ............................................................................................... 48
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT .................................................................................... 52
1. Kết luận. ................................................................................................................ 52
2. Đề xuất .................................................................................................................. 52

PHỤ LỤC ................................................................................................................. 55

vi


DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Chữ viết tắt

Giải thích

IMO

International Maritime Organization

UNCLOS

United Nations Convention on Law of the Sea

MARPOL

International Convention for the Prevention of
Pollution from Ships

MEPC

Marine Environment Protection Committee

BWMS

Ballast Water Management System

BWTS

Ballast Water Treatment System

SWRCB

California State Water Resources Control Board

UV

Ultraviolet

DNA

Deoxyribonucleic Axid

V

Valve

P

Pump

M

Motor

PID

Proportional Integral Derivative

MO

Mergnitude Optimum

OSA

Overshoot and Settling Time Assignment

DWT

Deadweight Tonnage

GT

Gross tonnage

WHO

World Health Organization

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Số liệu chi phí cho việc xử lý 1m3 nước dằn tàu ..................................... 16
Bảng 2.1: Thơng số kỹ thuật của lị UV .................................................................... 34

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Hoạt động bơm và xả nước dằn tàu ............................................................. 5
Hình 1.2 Cấu trúc của một hệ thống xử lý nước dằn tàu điển hình ............................ 7
Hình 1.3 Hệ thống PureBallast.................................................................................... 9
Hình 1.4 Hệ thống OceanSaver .................................................................................. 9
Hình 1.5 Bộ tạo Clo đioxit .......................................................................................... 9
Hình 1.6 Hệ thống Electro-Cleen ............................................................................. 10
Hình 1.7 Bộ xử lý của hệ thống Sedinox dung lượng 300m3/giờ ............................. 11
Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống Resource ........................................................................... 11
Hình 1.9 Quy trình xử lý của ClearBallast ............................................................... 12
Hình 1.10 Mơ hình 3D của hệ thống GloEn-Patrol .................................................. 12
Hình 1.11 Sơ đồ cấu hình hệ thống EcoBallast ....................................................... 13
Hình 1.12 Cấu hình cơng nghệ cho hệ thống xử lý nước dằn tàu ............................. 17
Hình 1.13 Xử lý nước dằn trong giai đoạn bơm nước dằn lên tàu (Ballast) ............. 17
Hình 1.14 Xử lý nước dằn trong giai đoạn xả nước dằn ra ngoài ............................. 18
Hình 1.15 Hệ thống xử lý nước dằn hoạt động ở chế độ Bypass .............................. 19
Hình 1.16 Cấu hình hồn chỉnh hệ thống xử lý nước dằn tàu................................... 19
Hình 1.17 Van bướm điều khiển bằng điện .............................................................. 21
Hình 1.18 Sơ đồ khối cấu trúc Panel giám sát và điều khiển ................................... 23
Hình 1.19 Cấu hình hồn chỉnh hệ thống xử lý nước dằn ........................................ 24
Hình 2.1 Cường độ của tia UV tại một điểm A ........................................................ 26
Hình 2.2 Đèn được coi là một chuỗi các nguồn điểm ............................................... 26
Hình 2.3 Cường độ trường tại một điểm nhận từ một nguồn điểm .......................... 27
Hình 2.4 Cường độ tại điểm thu từ tổng các nguồn điểm ......................................... 28
Hình 2.5 Cường độ trường tại một điểm thu – nguồn điểm trong thành ống thạch
anh ............................................................................................................................. 29

Hình 2.6 Kết quả mơ phỏng lị UV sử dụng 8 đèn UV ............................................ 33
Hình 2.7 Kích thước lị UV dung lượng 200 m3/h ................................................... 33
Hình 2.8 Hình dáng lị UV dung lượng 200m3/h ..................................................... 34
Hình 2.9 Sơ đồ của 1 chấn lưu điện tử có điều chỉnh cơng suất ............................... 35
Hình 2.10 Mơ hình lị UV ......................................................................................... 36

ix


Hình 2.11 Sự phân bố của lượng UV trong lị khi xử lý nước .................................. 37
Hình 2.12 Lượng UV phân bố theo lị UV ................................................................ 37
Hình 2.13 Tính lượng UV trong một phần Vj của lị ................................................ 38
Hình 3.1 Bộ điều khiển PID cơ bản .......................................................................... 40
Hình 3.2 Bộ điều khiển PID theo nguyên lý hồi tiếp ................................................ 40
Hình 3.3 Hệ thống điều khiển kín ............................................................................. 42
Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển sử dụng bộ PID tự chỉnh ................... 44
Hình 3.5 Điều khiển phản hồi thơng qua quan sát trạng thái .................................... 25
Hình 3.6 Bộ quan sát trạng thái của Luenberger....................................................... 25
Hình 3.7 Hệ điều khiển kín có sự tham gia của bộ quan sát trạng thái Luenberger . 26
Hình 3.8 Đáp ứng bước nhảy của lò UV với các bộ điều khiển PID khác nhau trong
2 giây đầu. ................................................................................................................. 48
Hình 3.9 Đáp ứng bước nhảy của lò UV với các bộ điều khiển PID khác nhau ...... 49
Hình 3.10 Đáp ứng của lị khi tín hiệu đặt là hình sin .............................................. 50
Hình 3.11 Đáp ứng đầu ra của lị UV khi có tín hiệu nhiễu đầu vào hằng số d =
0.005 .......................................................................................................................... 51
Hình 5.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển lò UV trong Simulink ........................ 55
Hình 5.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển lò UV trong simulink ........................ 57

x

MỞ ĐẦU
Trong suốt hành trình của mình, tàu biển sử dụng nước dằn để duy trì trạng
thái ổn định, giữ thăng bằng và đảm bảo độ bền kết cấu. Trên thực tế, nước dằn sẽ
được bơm vào các khoang chứa khi dỡ hàng và bơm ra khi chất hàng. Việc di
chuyển nước dằn tàu từ vùng biển này sang vùng biển khác đã vơ tình mang theo
các vi khuẩn, trứng, nang bào tử và ấu trùng của nhiều loài khác nhau. Đó là ngun
nhân chính phá vỡ cân bằng sinh thái tự nhiên của mơi trường biển. Điều này có
ảnh hưởng rất lớn đến nền kinh tế, môi trường và đặc biệt là sức khoẻ của cộng
đồng.
Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) đã thống kê thiệt hại do sinh vật ngoại lai
gây ra trong quá trình luân chuyển nước dằn tàu hàng tỷ USD mỗi năm. Xác định
đây là một trong những vấn đề quan trọng và cấp bách, Tổ chức Hàng hải Quốc tế
(IMO) đã thông qua công ước “Hướng dẫn và Quản lý nước dằn tàu vào năm 2004
(BWM 2004)”, và có hiệu lực mới nhất vào 10/2019, trong đó có yêu cầu các tàu
phải lắp đặt hệ thống xử lý nước dằn tàu trước ngày này. Vì vậy chúng ta phải sẵn
sàng đáp ứng cho việc thực hiện những quy định này.
Trên thế giới hiện đã có một số nước sản xuất thành cơng hệ thống xử lý nước
dằn tàu như Đức, Nhật Bản, Hà Lan, Na Uy, Hàn Quốc... Tuy nhiên, giá của các hệ
thống này rất cao, kích thước của các hệ thống này rất lớn nên không phù hợp với
các tàu vừa và nhỏ ở nước ta.
Theo thống kê của Cục Đăng Kiểm Việt Nam có khoảng 500 con tàu của các
tổ chức vận tải biển nhà nước và tư nhân chạy tuyến quốc tế nhưng chưa có một con
tàu nào được trang bị hệ thống xử lý nước dằn tàu. Tuy nhiên, tới nay chỉ có duy
nhất một doanh nghiệp trong nước đã nghiên cứu và sản xuất hệ thống này, và theo
tiêu chuẩn D2 mà IMO mới quy định sẽ được áp dụng vào tháng 10/2019 thì hệ
thống này cũng khơng cịn phù hợp. Do đó, để có thể tham gia vào thương mại biển
quốc tế, tất cả các tàu biển của Việt Nam sẽ phải đầu tư một lượng tiền rất lớn để
nhập hệ thống này từ nước ngoài. Bên cạnh đó, trong số các tàu biển chạy tuyến
quốc tế của Việt Nam thì số tàu có dung tích từ 1.000 DWT đến hàng vạn DWT

chiếm phần lớn.

1


Vì thế, việc nội địa hóa hệ thống điều khiển cho “Hệ thống xử lý nước dằn
tàu” và làm chủ cơng nghệ là rất cần thiết. Trong hệ thống thì lị UV là bộ phận
quan trọng nhất, nó có chức năng đảm bảo chất lượng nước dằn tàu khi mà chúng
được vận chuyển từ vùng này sang vùng khác, từ cảng này sang cảng khác và
ngược lại. Chính vì vậy, em đã lựa chọn đề tài này và cũng là nội dung chính của
luận văn.

2


CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG XỬ LÝ
NƯỚC DẰN
1.1. Các quy định về quản lý môi trường biển
1.1.1. Quy định quốc tế
1.1.1.1 Công ước quốc tế về Luật biển
Trách nhiệm bảo vệ và giữ gìn mơi trường biển là nghĩa vụ chung [9] cũng
như việc thực hiện có hiệu quả các điều khoản của Công ước và những Phụ lục mà
quốc gia đó tham gia. Cơng ước cũng quy định “không được đùn đẩy, trực tiếp hay
gián tiếp gây thiệt hại hay những mối nguy hiểm từ vùng này sang vùng khác và
không được chuyển từ kiểu ô nhiễm này sang kiểu ô nhiễm khác” mà phải thông báo
ngay cho quốc gia khác khi quốc gia đó có nguy cơ phải chịu những thiệt hại về môi
trường. Các quốc gia trong cùng một khu vực nên hợp tác với nhau để loại trừ ảnh
hưởng của ô nhiễm và ngăn ngừa, giảm đến mức tối thiểu những thiệt hại và cùng
nhau soạn thảo, xúc tiến các kế hoạch khẩn cấp để đối phó với những vấn đề đó.
1.1.1.2 Cơng ước Quốc tế về ngăn ngừa ô nhiễm từ tàu

MARPOL 73/78 có hiệu lực vào ngày 02/11/1983 đề ra những quy định nhằm
ngăn chặn các vụ ô nhiễm gây ra bởi tai nạn hoặc trong q trình vận chuyển hàng
hóa là dầu, hàng nguy hiểm, độc hại bằng tàu, do nước thải, rác và các khí thải từ
tàu. Cơng ước cũng đưa ra những yêu cầu từ lưu giữ, xử lý và thải chất độc hại cũng
như quy định những khu vực đặc biệt khi tàu hoạt động trong đó bắt buộc phải tuân
thủ theo những tiêu chuẩn thải nhất định. Công ước đã ban hành các quy định thể
hiện những quy tắc và tiêu chuẩn quốc tế về bảo vệ mơi trường từ tàu, nhất là những
hoạt động có nguy cơ gây ô nhiễm trong vận tải đường biển.
1.1.2 Các quy định của Việt Nam
1.1.2.1 Quy định trong các Luật, Bộ Luật
- Luật bảo vệ môi trường Việt Nam số 55/2014/QH13 được Quốc hội khố
XIII, kỳ họp thứ 7 thơng qua ngày 23/06/2014;
- Bộ luật Hàng hải Việt Nam năm 2005;
- Luật Tài nguyên nước được thông qua ngày 20 tháng 05 năm 1998;

3


- Luật đa dạng sinh học số 18/2008-L-CTN ngày 18 tháng 11 năm 2008:
1.1.2.2 Thơng tư, Nghị định của Chính phủ có liên quan
- Nghị định số 179/2013/NĐ-CP ngày 14/11/2013 về xử lý vi phạm hành
chính trong lĩnh vực bảo vệ môi trường;
- Quyết định số 256/2003/QĐ-CP ngày 09/8/2006 của thủ tướng chính phủ
về phê duyệt chiến lược BVMT Quốc gia đến năm 2010 và định hướng đến năm
2020;
- Quyết định 855/QĐ-TTg ngày 06/6/2011 của thủ tướng chính phủ về phê
duyệt Đề án kiểm sốt ơ nhiễm mơi trường trong hoạt động giao thông vận tải;
- Quy hoạch tổng thể phát triển hệ thống cảng biển Việt Nam đến năm 2020,
định hướng đến năm 2030;
- Quy hoạch phát triển vận tải biển Việt Nam đến năm 2020, định hướng đến

năm 2030;
- Quyết định số 317/QĐ-BGTVT ngày 31 tháng 01 năm 2013 về việc phê
duyệt đề án “Tăng cường công tác bảo vệ môi trường giao thông vận tải giai đoạn
2013-2015”;
1.2 Nước dằn và mối nguy hại từ nước dằn
Vận tải biển quốc tế được xác định là một trong những con đường quan trọng
cho sự di chuyển của các loài giữa các hệ sinh thái khác nhau. Các sinh vật và tác
nhân gây bệnh được tìm thấy trong nước dằn và cặn lắng trong các két chứa nước
dằn có những tác động to lớn đến kinh tế và sự đa dạng sinh học ở nhiều khu vực
đồng thời là mối đe dọa cho sức khỏe công đồng từ sự lây lan của bệnh và các loài
gây hại cho con người. Nguồn gây ô nhiễm cho môi trường xuất phát từ chính hoạt
động bơm và xả nước dằn của tàu.
1.2.1 Nước dằn
Theo định nghĩa của IMO [9] về nước dằn tàu như sau: Tàu vận chuyển chỉ
mang ít hay khơng có hàng hóa khi di chuyển. Điều này có thể làm cho tàu khơng
an tồn khi gặp sóng to, gió lớn, làm mất thăng bằng khi sóng đánh vào đi tàu
hay sóng to quá có thể phủ hết cả con tàu. Vì vậy, ngay khi bắt đầu hành trình, tàu
phải lấy một lượng nước lớn nhằm giúp tàu có thể chìm sâu hơn dưới nước hay đến
một vị trí an tồn hơn trong nước. Cuối cuộc hành trình, tàu sẽ bơm nước dằn tàu

4


này vào một cảng mới hay ven biển trước khi bốc dỡ hàng hóa. Nước dằn tàu được
bơm ra vào cho những mục đích khác nhau, bao gồm điều chỉnh tàu theo đúng
hướng gió, cải thiện tính an tồn khi đi trên biển, gia tăng hiệu quả lực đẩy, hạn chế
sốc cho thân tàu, nâng cao tàu để đi qua những vùng nước cạn (giảm sự mắc cạn
của tàu) và làm cho tàu chìm thấp xuống khi đi dưới cầu hay cần trục (giảm sức cản
khơng khí). Các q trình nêu trên liên quan tới hoạt động bơm hay xả nước dằn tàu
của một con tàu.

Ngoài ra, các tàu bơm nước dằn vào để gia tăng trọng lượng khi đi băng qua
các cầu và bơm nước dằn tàu ra ngoài nhằm giảm trọng lượng khi đi vào những
sông cạn, hoặc vào những kênh. Do đó, nước dằn tàu có vai trị quan trọng trong
việc đảm bảo an tồn và hiệu quả hoạt động của tàu.

Hình 1.1 Hoạt động bơm và xả nước dằn tàu [5]

5


1.2.2 Mối nguy hại từ nước dằn
Những loài sinh vật biển xâm lược là một trong những mối đe dọa lớn nhất đối
với đại dương. Khơng giống như những hình thức của ơ nhiễm mơi trường biển,
như tràn dầu có thể được làm sạch trở lại, tác động của những lồi sinh vật biển
xâm chiếm hầu như khơng hồi phục được.
Tổ chức hàng hải quốc tế (IMO) ước đốn có khoảng 7,000 loài khác nhau
được vận chuyển theo nước dằn tàu mỗi ngày. Nếu điều kiện nhiệt độ và chất lượng
nước ở cảng mới tương tự như ở cảng nhà thì cơ hội để những lồi này bùng phát sẽ
lớn hơn.
Có hàng ngàn lồi sinh vật biển có thể được mang trong nước dằn tàu; Chúng
là các vi khuẩn, trứng, nang bào tử và ấu trùng... Vấn đề trở nên phức tạp hơn bởi
sự thật là hầu như tất cả những lồi sinh vật biển đều có vịng đời bao gồm một giai
đoạn sống phù du hoặc trải qua nhiều giai đoạn.
1.3 Yêu cầu chung về hệ thống xử lý nước dằn
1.3.1 Hệ thống xử lý nước dằn
Theo định nghĩa của tổ chức Hàng hải quốc tế IMO [9] thì hệ thống xử lý
nước dằn tàu là một hệ thống có chức năng xử lý, diệt trùng trong nước dằn tàu.
Việc xử lý nước dằn tàu có thể thực hiện tại thời điểm bơm nước dằn lên tàu, trong
thời gian nước dằn tàu được lưu giữ trên tàu, hoặc trong giai đoạn bơm nước dằn
tàu ra ngoài. Miễn sao khi nước dằn tàu bơm ra ngoài phải đạt được tiêu chuẩn nước

D2 theo qui định của IMO. Thông thường một hệ thống xử lý nước dằn tàu bao gồm
thiết bị xử lý kèm theo một thiết bị điều khiển và giám sát.
Cấu hình của một hệ thống xử lý nước dằn tàu điển hình được miêu tả ở hình
1.2, trong đó nước dằn tàu được đưa qua các thiết bị xử lý bằng phương pháp vật lý,
hoá chất … trước khi nước dằn tàu được đưa vào két Ballast trên tàu.

6


Hình 1.2 Cấu trúc của một hệ thống xử lý nước dằn tàu điển hình
Quá trình bơm nước dằn tàu ra khỏi tàu thường được qua những khâu như tái xử
lý nhằm tiêu diệt những vi khuẩn cịn sống sót và những vi khuẩn mới sinh ra trong
quá trình lưu nước dằn tàu trên tàu.
1.3.2 Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống xử lý nước dằn
Hệ thống xử lý nước dằn tàu sử dụng công nghệ nào cũng phải thoản mãn một
số yêu cầu [5] sau:
- Hệ thống xử lý nước dằn tàu phải có độ bền cao và thích hợp để hoạt động
trong mơi trường trên tàu, được thiết kế và xây dựng đầy đủ phục vụ cho việc lắp
đặt và được bảo vệ nhằm giảm thiểu bất kỳ mối nguy hiểm nào cho người trên tàu.
- Hệ thống xử lý nước dằn tàu phải được cung cấp với các phương tiện đơn
giản và hiệu quả trong việc hoạt động và kiểm sốt, phải có một hệ thống điều khiển
để đảm bảo hoạt động tốt của các thiết bị xử lý nước dằn tàu.
- Hệ thống xử lý nước dằn tàu nếu lắp đặt tại các địa điểm, nơi mà khơng khí
dễ cháy có thể xuất hiện, thì phải phù hợp với các quy định an tồn có liên quan đối
với các vùng khơng gian đó. Bất kỳ thiết bị điện nào mà nó là một phần của hệ
thống xử lý nước dằn tàu nên được bố trí trong một khu vực khơng nguy hại, hoặc
phải có xác nhận của Cơ quan Quản lý nn toàn cho sử dụng trong khu vực nguy
hiểm. Bất kỳ bộ phận chuyển động nào được trang bị trong các khu vực nguy hiểm,
nên được bố trí hợp lý để tránh sự hình thành tĩnh điện.

7


Các thiết bị điều khiển và giám sát có chức năng điều khiển và giám sát sự
hoạt động của thiết bị xử lý. Chúng phải có một số chức năng thoả mãn các yêu cầu
sau:
- Điều khiển quá trình hoạt động của thiết bị xử lý như điều khiển thay đổi
dung lượng xử lý, điều khiển các chế độ hoạt động của thiết bị xử lý…
- Phải có chức năng giám sát liên tục trong khoảng thời gian làm việc của thiết
bị xử lý. Quá trình giám sát sẽ ghi lại sự hoạt động đúng hay bị lỗi của thiết bị xử
lý. Theo qui định của IMO các thiết bị điều khiển phải có thể lưu trữ dữ liệu ít nhất
là 24 tháng, có chức năng hiển thị hoặc in ra cho việc kiểm tra chính thức khi được
yêu cầu. Trong trường hợp các thiết bị điều khiển và giám sát được thay thế, các dữ
liệu được ghi trước đó 24 tháng phải được lưu trữ lại.
1.3.3 Các phương pháp và công nghệ xử lý nước dằn tàu trên thế giới
- Xử lý nước dằn tàu bằng phương pháp nhiệt
- Xử lý nước nước dằn tàu bằng phương pháp sử dụng hoạt chất.
- Xử lý nước nước dằn tàu bằng công nghệ Ozone
- Xử lý nước dằn tàu bằng công nghệ siêu âm
- Xử lý nước nước dằn tàu bằng cơng nghệ tia cực tím
1.3.4 Các hệ thống và cơng nghệ xử lý nước dằn tàu hiện có trên thế giới
Trên thực tế đã có một số hãng sản xuất thành cơng hệ thống xử lý nước dằn
tàu, điển hình là Clean Ballast được phát triển bởi RWO, Đức; Clean Ballast được
phát triển bởi Hitachi.Ltd tại Nhật Bản, Sedinox được phát triển bởi GreenShip tại
Hà Lan; hệ thống Pure và OceanSaver của Na Uy; Electro-Cleen của hãng
Techcross Inc, Hàn Quốc ...

8

1.3.4.1 Công nghệ sử dụng hoạt chất
a. Hệ thống PureBallast của Na Uy

Hình 1.3 Hệ thống PureBallast [19]
b. Hệ thống OceanSaver của Na Uy

Hình 1.4: Hệ thống OceanSaver [20]
c. Hệ thống Ecochlor, Đức

Hình 1.5 Bộ tạo Clo đioxit

9


1.3.4.2 Công nghệ điện phân
a. Hệ thống Electro-Cleen của Techcross Inc

Hình 1.6: Hệ thống Electro-Cleen [21]
b. Hệ thống CleanBallast của hãng RWO và Sedinox của hãng Greenship

Khối lọc

Khối điện phân

10


Hình 1.7 Bộ xử lý của hệ thống Sedinox dung lượng 300m3/giờ
1.3.4.3 Công nghệ sử dụng Ozone
a. Hệ thống NK-O3, Hàn Quốc

Bộ tạo Oxy

Bộ tạo Ozone

Khối phun Ozone
b. Hệ thống Resource Ballast Tech.

Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống Resource [23]

11


1.3.4.4 Công nghệ không sử dụng hoạt chất (Phương pháp vật lý)
1.3.4.4.1 Cơng nghệ phân tách từ

Hình 1.9 Quy trình xử lý của ClearBallast [22]
1.3.4.4.2 Công nghệ sử dụng tia UV
a. Hệ thống GloEn-Patrol của Hàn Quốc

Hình 1.10 Mơ hình 3D của hệ thống GloEn-Patrol [25]

12


b. Hệ thống EcoBallast của Hyndai, Hàn Quốc

Hình 1.11 Sơ đồ cấu hình hệ thống EcoBallast [25]
1.3.5 Lựa chọn cơng nghệ xử lý nước dằn tàu cho tàu biển của Việt Nam
1.3.5.1 Lựa chọn về giải pháp kỹ thuật

a. Giải pháp lọc tiền xử lý
Thông thường, một hệ thống xử lý nước dằn tàu của các nước trên thế giới
gồm có hai q trình: Q trình tiền xử lý – sử dụng phương pháp lọc để loại bỏ các
sinh vật có kích thước lớn và cặn lắng, q trình khử trùng (xử lý) – sử dụng hoạt
chất hoặc vật lý để khử trùng, tiêu diệt các vi sinh vật và cặn lắng nước dằn tàu [14].
Có thể nói lọc là quá trình xử lý đầu tiên, nước dằn tàu sẽ được lọc bỏ những
tạp chất như bùn, cát, rác, trầm tích và những vi sinh vật có kích thước lớn nhằm hỗ
trợ, nâng cao hiệu quả cho quá trình xử lý thứ hai. Hiện nay các kỹ thuật xử lý nước
dằn tàu trên thế giới thường sử dụng ba phương pháp là lọc tự động xả ngược, lọc
xoáy hydro và lọc đĩa. Qua nghiên cứu đã chỉ ra rằng hệ thống lọc tự động xả ngược
được ưa chuộng như một hệ thống tiền xử lý, lọc đĩa được đánh giá đứng thứ hai và
lọc xoáy hydro là lựa chọn kém hiệu quả nhất.
Sở dĩ các bộ lọc tự động xả ngược lại được ưa chuộng vì các ưu điểm chủ yếu
sau:
1. Không cần năng lượng hay sự can thiệp riêng cho quá trình rửa ngược, chỉ
yêu cầu năng lượng cần thiết để cấp nước lên vị trí cao của khoang tiếp nhận.
2. Cấu trúc bộ lọc hợp lý cho áp lực hoạt động lên tới 40 bar;
3. Khoảng thời gian rửa ngược từ 8-40 giờ;
4. Các quá trình vệ sinh bộ lọc hồn tồn tự động;
5. Cơng suất đầu ra đạt tới 10.000 m³/giờ;

13


Các phân tích cũng cho thấy là lọc xốy hydro và lọc tự động xả ngược kích
thước nhỏ hơn so với bộ lọc đĩa. Như vậy, lọc tự động xả ngược có hiệu quả cao
nhất trong các phương pháp lọc.
b. Giải pháp khử trùng
Diệt khuẩn có thể đạt được bằng phương thức khử vật lý hoặc hóa học. Các
phương pháp này cũng loại bỏ các chất hữu cơ gây ô nhiễm nước, mà cung cấp chất

dinh dưỡng hoặc chỗ ẩn náu của các vi sinh vật. Diệt khuẩn không những giết các vi
sinh vật mà phải cả các ảnh hưởng tồn dư mà chúng còn để lại tác động trong nước
sau khi xử lý. Sự diệt khuẩn phải ngăn các vi sinh vật gây bệnh phát triển trong hệ
thống ống nước sau xử lý, là nguyên nhân gây tái ô nhiễm nước [4].
Lợi điểm của việc sử dụng UV, so với phương pháp xử lý bằng hóa chất bao
gồm:
- Khơng 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 biến đổi sự phát ra các hợp chất hữu cơ hoặc chất độc khơng khí;
- Khơng có mùi hoặc gây mùi trong các sản phẩm nước uống cuối cùng;
- Yêu cầu thời gian xử lý rất nhỏ (vài giây so với vài phút đối với xử lý hóa
học);
- Khơng chứa các chất độc hại;
- Chiếm không gian tối thiểu đối với các thiết bị và chỗ chứa;
Trong các phương pháp xử lý các vi sinh vật và cặn lắng nước dằn tàu, có thể
thấy rằng giải pháp sử dụng tia UV khá hữu hiệu, an tồn cho con người và mơi
trường. Các nghiên cứu về sức khỏe đã chỉ ra rằng diệt khuẩn bằng tia cực tím rất
hiệu quả để chống lại các bệnh hen suyễn, mốc, nấm, sùi da và bất kỳ cấu trúc DNA
nào của vi rút, vi khuẩn, mầm bệnh. Tia UV có thể phá vỡ cấu trúc DNA của vi rút,
vi khuẩn, mầm bệnh và vì vậy 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 lại.

14