Hiệu quả của sục khí cơ học

Thiết kế bánh guồng tác động rất lớn đến hiệu quả sục khí tiêu chuẩn

Mặc dù triển khai rộng rãi, máy sục khí bánh guồng cánh quạt dài thường sử dụng ở châu Á không đưa ra được những thiết kế hiệu quả nhất.

Máy sục khí cơ học được sử dụng ngày càng nhiều trong nuôi trồng thủy sản vì sục khí có thể làm tăng đáng kể sản lượng nuôi đạt được trên mỗi đơn vị diện tích hay thể tích nước. Các thiết bị này thường được chạy bằng điện, nhưng ở một số vùng thì các động cơ diesel nhỏ chính là nguồn cung cấp điện.

Trong một chuyến tham quan gần đây tới một vùng nuôi tôm ở Thái Lan, tác giả đã nhìn thấy các ao được lắp đặt sục khí công suất 24-36 HP/ha (18-27 kW/ha). Các máy sục khí thường được vận hành khoảng 20 giờ mỗi ngày trong suốt vụ nuôi từ 60 đến 100 ngày. Tại một trang trại có công suất sục khí 24 HP/ha và trong vụ nuôi 100 ngày thì lượng điện tiêu hao khoảng 36.000 kW giờ.

Báo cáo cho thấy sản lượng nuôi ở các vụ nuôi thành công thu được cỡ tôm từ 14 đến 18 g đạt vào khoảng 7.000 – 9.000 kg/ha. Chi phí sử dụng điện khoảng US $ 0,10/kW giờ ở Thái Lan. Như vậy, chi phí sử dụng điện tính riêng cho sục khí từ $ 0,41 đến $ 0,53/kg tôm. Chi phí vận hành sục khí trong nuôi cá thường thấp hơn so với tôm, nhưng đây vẫn là chi phí sản xuất chính.

Hiệu suất cung cấp oxy

Bởi chi phí dùng sục khí cơ học cao, vậy tại sao lại không có nhiều nỗ lực để cải thiện hiệu suất vận chuyển oxy của các thiết bị sục khí cơ học và tìm xem có cách nào để sử dụng những thiết bị này hiệu quả hơn trong ao? Có một quy trình tương đối đơn giản để kiểm tra hiệu suất vận chuyển oxy của thiết bị sục khí.

Nước trong một bể chứa lớn được khử ôxy bằng sodium sulfite và một lượng nhỏ coban chloride để xúc tác phản ứng của sulfide với oxy. Máy sục khí được cho thử nghiệm sau đó được vận hành để tái cung cấp oxy cho nước. Nồng độ oxy hòa tan trong bể được đo cách quãng thường xuyên trong khoảng thời gian đó tăng từ 0 đến 70 mg/L hoặc 80% bão hòa. Một quy trình toán học được áp dụng để ước tính hệ số vận chuyển oxy, độ dốc của đường tái sục khí.

Hiệu suất sục khí tiêu chuẩn

Thể tích bể, nhiệt độ nước, hệ số vận chuyển oxy và nguồn điện đầu vào cho máy sục khí trong một phần của thử nghiệm được sử dụng để ước tính hệ số vận chuyển oxy cho phép tính toán hiệu suất sục khí tiêu chuẩn (SAE) của máy sục khí. SAE là cách diễn đạt lượng ôxy mà máy sục khí sẽ chuyển vào trong nước ngọt sạch chứa 0 mg/L oxy hòa tan khi ở nhiệt độ 20 °C. SAE có thể được báo cáo theo bất kỳ các đơn vị nào sau đây: lb oxy (O₂)/hp/giờ, lb O₂/kW/giờ, kg O₂/hp/giờ hoặc kg O₂/kW/giờ. SAE của các máy sục khí dao động khoảng 0,5-2,0 O₂/kW/giờ.

Nhiều cải tiến về hiệu quả sục khí có thể đạt được bằng cách thay đổi các thiết kế của máy sục khí bánh guồng ở Châu Á nhờ việc áp dụng các tính năng của cánh guồng và thiết kế bánh guồng đã được chứng minh là có hiệu quả thông qua thử nghiệm.

SAE tương tự như cách đánh giá cước phí xăng dầu cho xe ô tô. Những đánh giá này được xác định bởi một qui trình chuẩn hóa cao trong phòng thí nghiệm, tuy nhiên các loại xe chở khách được vận hành theo những điều kiện khác nhau và thay đổi nhiều hơn. Ai cũng sẽ mong đợi một chiếc xe ô tô thực sự sử dụng nhiên liệu ở mức tương tự như ở thử nghiệm tiêu chuẩn. Tuy nhiên, một chiếc xe được đánh giá mức sử dụng nhiên liệu tốt hơn sẽ sử dụng ít nhiên liệu hơn so với một chiếc xe được đánh giá mức sử dụng nhiên liệu kém hơn khi cả hai đều được lái bởi cùng tài xế ở tình trạng đường tương tự nhau.

Trong một hệ thống nuôi trồng thủy sản, các điều kiện hiện hữu trong thử nghiệm SAE sẽ không xảy ra. Nước sẽ không sạch, nhiệt độ có thể sẽ không phải là 20 °C và lượng oxy hòa tan chắc chắn sẽ tồn tại. Tuy nhiên, SAE đặc biệt có giá trị để so sánh hiệu suất của các máy sục khí cơ học. Ở những điều kiện giống hệt nhau, máy sục khí có SAE cao hơn sẽ chuyển nhiều oxy vào nước hơn là một máy sục khí có SAE thấp hơn.

Bảng 1: Các hệ số để ước tính hiệu suất sục khí thực tế (AE) từ hiệu suất sục khí tiêu chuẩn (SAE) trong nước ngọt ở nhiệt độ 28 độ C. AAE = SAE x hệ số.

Có một phương trình để ước lượng tốc độ vận chuyển oxy của các máy sục khí ở các điều kiện nuôi thực tế nếu biết được SAE của máy sục khí đó. Trong hầu hết các hệ thống nuôi, tốc độ vận chuyển oxy thực tế là 40 đến 60 phần trăm của SAE (Bảng 1).

Tính toán SAE

Vào cuối những năm 1980, một nỗ lực đã được khởi xướng tại Đại học Auburn để phát triển một thiết bị sục khí hiệu quả cho các ao nuôi cá da trơn. Một số loại thiết bị sục khí thương mại có sẵn trên thị trường đã được thử nghiệm và thiết bị sục khí bánh guồng có tiềm năng cải tiến tốt nhất.

Một thiết bị được chế tạo đã cho phép thử nghiệm một dàn các hình dạng cánh, đường kính bánh guồng, số lượng cánh theo hàng xung quanh trục của máy sục khí, tốc độ bánh guồng, độ sâu cánh, định vị cánh trên trục và lượng điện đầu vào cần thiết cho mỗi sự kết hợp. Số liệu kết quả được sử dụng để tính toán SAE và xác định thiết kế bánh guồng hiệu quả được minh họa ở Hình 1: Thiết kế bánh guồng hiệu quả cao này là từ kết quả thử nghiệm toàn diện tại Đại học Auburn, được sử dụng rộng rãi trong ao nuôi trồng thủy sản tại Hoa Kỳ. Máy có đặc điểm đa hàng cánh bố trí chéo nhau.

Các điều kiện vận hành tối ưu được thiết lập trong các thử nghiệm thay đổi về kích cỡ máy sục khí, tuy nhiên bánh guồng công suất 10-hp được minh họa ở Hình 1 đã trở thành loại máy sục khí tiêu chuẩn cho nuôi cá da trơn. Loại bánh guồng này thường được vận hành ở tốc độ quay 80-90 vòng/phút có cánh ngập sâu dưới nước khoảng 8-12 cm.

SAE của máy sục khí bánh guồng thường vào khoảng 2 kg O₂/kW/giờ và được báo cáo ở những giá trị còn cao hơn nữa. Các máy sục khí bánh guồng nhỏ hơn được chế tạo theo thiết kế cơ bản này cũng có SAE tương tự.

Các vấn đề chi phí, thiết kế

Các máy sục khí bánh guồng của thiết kế thể hiện ở Hình 1 được sử dụng rộng rãi tại Hoa Kỳ trong các ao nuôi cá da trơn và nuôi tôm. Tuy nhiên, rõ ràng do chi phí ban đầu lớn hơn, loại máy sục khí này không được sử dụng phổ biến như các máy sục khí bánh guồng của châu Á ở các nước khác.

Thử nghiệm đã cho thấy các máy sục khí bánh guồng điển hình này có SAE thấp – thường không quá 1 kg O₂/kW/giờ. Những lý do chính của SAE thấp có liên quan đến thiết kế các cánh guồng và bánh guồng.

Các cánh guồng có nhiều lỗ trên cánh. Những lỗ này giúp giảm bớt lượng nước tung tóe vào không khí làm ảnh hưởng đến quá trình cung cấp oxy, nước đi qua các lỗ làm tăng thất thoát do ma sát – cũng khiến cho việc vận chuyển oxy ít hiệu quả. Thường có sáu hay tám cánh guồng mỗi hàng trên các máy sục khí. Các thí nghiệm đã phát hiện ra bốn cánh guồng mỗi hàng là hiệu quả hơn.

Một vấn đề khác với nhiều loại máy sục khí bánh guồng được sử dụng trong các ao nuôi tôm ở châu Á là điện năng của động cơ điện hoặc động cơ diesel được sử dụng để cấp nguồn cho các thiết bị này thường không phù hợp lắm với tải trọng đặt vào bởi vòng quay bánh guồng. Sự không phù hợp của các động cơ và bánh guồng đặc biệt thấy rõ rệt ở các máy sục khí cánh quạt dài được sử dụng ở Thái Lan.

Do sục khí chiếm một chi phí lớn trong nuôi trồng thủy sản nên có một sự thúc đẩy để cải thiện hiệu quả sục khí và giảm bớt chi phí. Một điều cũng quan trọng cần lưu ý là sử dụng máy sục khí chạy bằng diesel thường tốn kém hơn nhiều so với chạy bằng điện. Để cung cấp 1 kW giờ điện đến trục của một máy sục khí sử dụng một động cơ diesel nhỏ với hiệu suất cơ học điển hình là 0,3 sẽ cần năng lượng đầu vào khoảng 12 MJ/giờ. Cần khoảng 0,335 L dầu diesel cho mỗi giờ. Tính chi phí nhiên liệu ở Hoa Kỳ là $ 0,97/L, với chừng này nhiên liệu sẽ mất chi phí khoảng $ 0,32. Một kilowatt giờ điện thường có giá từ $ 0,10 đến $ 0,15.

Các triển vọng

Nhiều cải tiến về hiệu suất sục khí có thể đạt được bằng cách thay đổi các thiết kế của máy sục khí bánh guồng của Châu Á nhờ áp dụng các tính năng của thiết kế cánh guồng và bánh guồng đã được chứng minh là có hiệu quả thông qua thử nghiệm. Ở nơi nào có thể thực hiện được thì nên dần dần dừng sử dụng máy sục khí chạy bằng diesel và thay thế bằng động cơ điện thì tốt hơn.

Sục khí thường không sử dụng ở các tốc độ cao để phòng ngừa nồng độ oxy hòa tan không xuống thấp đến mức gây căng thẳng cho các loài nuôi vào ban đêm. Ngược lại, sục khí có thể được sử dụng quá mức vào ban ngày, khi thường đủ nồng độ oxy hòa tan. Như vậy, nên dành nhiều nỗ lực hơn để phát triển các chiến lược vận hành sục khí tốt hơn.

Ngoài việc giảm bớt chi phí sục khí tính trên một đơn vị sản xuất nuôi trồng thủy sản, sục khí hiệu quả hơn sẽ làm giảm năng lượng đầu vào, tổng lượng tài nguyên đã sử dụng và các tác động môi trường tiêu cực liên quan tới việc sử dụng năng lượng cho sục khí. Hơn nữa, các bên đã tham gia vào việc cấp chứng nhận nhãn sinh thái nuôi trồng thủy sản nên cân nhắc tính đến cả hiệu suất của sục khí về các tiêu chuẩn cho các chương trình này.

Lưu ý của Biên tập viên: Tác giả đã đề xuất cung cấp quy trình để đo SAE của máy sục khí cơ học cho bất cứ ai quan tâm đến việc thực hiện các thử nghiệm hiệu suất sục khí.

BioAqua.vn

Nguồn: Tiến sĩ Claude E. Boyd, Trường Thủy sản, Nuôi trồng Thủy sản và Khoa học Thủy sản, Đại học Auburn, AL 36830 USA – http://advocate.gaalliance.org/efficiency-of-mechanical-aeration/