Thiết kế mô hình điện gió - xử lý nước thải sinh hoạt xả thải từ tàu du lịch trên khu vực Bến Nghé - Sông Sài Gòn

Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học 498 THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỆN GIÓ - XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT XẢ THẢI TỪ TÀU DU LỊCH TRÊN KHU VỰC BẾN NGHÉ - SÔNG SÀI GÒN Nguyễn Đình Thiệu*, Đồng Như Cường, Trần Anh Hân, Võ Phúc Hậu Trường Đại học Kiến trúc thành phố Hồ Chí Minh *Tác giả liên hệ: dinhthieuksdt@gmail.com TÓM TẮT Ô nhiễm môi trường nguồn nước và không khí là một trong những vấn đề môi trường đang nhận được nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu đến cộng đồng xã hội. Cụ thể là tình trạng nguồn nước sông và bầu không khí trên sông bị ô nhiễm một phần do sự xả thải và phát thải của các tàu du lịch hoạt động trên các lưu vực sông ngòi. Với hai mục tiêu nghiên cứu trọng chính bao gồm thiết kế hệ thống điện gió Darrieus và hệ thống xử lý nước thải theo phương pháp xử lý sinh học hiếu khí từng mẻ kết hợp giá thể sinh học từ nắp và vỏ chai nhựa cho tàu du lịch, đề tài “Thiết kế mô hình điện gió - xử lý nước thải sinh hoạt xả thải từ tàu du lịch trên khu vực Bến Nghé - sông Sài Gòn” đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu chính bao gồm khảo sát thực tế, lấy số liệu qua phiếu khảo sát, so sánh, đánh giá, xét nghiệm mẫu nước thực tế. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc thiết kế hệ thống xử lý nước thải của tàu kết hợp với việc ứng dụng nguồn năng lượng sạch thay thế dầu Diezel cho tàu du lịch là điều cần thiết và nếu nghiên cứu được tiếp tục phát triển chuyên sâu thì việc áp dụng sản phẩm vào thực tiễn hoàn toàn khả thi. Từ khóa: Điện gió Darrieus, xử lý nước thải sinh học, tàu du lịch. DESIGN OF WIND POWER MODEL - WASTE WATER TREATMENT FROM SAFETY BOAT FROM BEN NGHE AREA - SAI GON RIVER Nguyen Dinh Thieu*, Dong Nhu Cuong, Tran Anh Han, Vo Phuc Hau University of Architecture of Ho Chi Minh City *Corresponding author: dinhthieuksdt@gmail.com ABSTRACT Protect the environment environment and the air is a one of the environment issues are received many questions from the research research to the community. Thể hiện trạng thái nước sông và bầu không khí trên ô nhiễm một phần của xả thải và phát thải các hoạt động tàu trên các vùng lưu vực. Với nghiên cứu khoa học gia bao gồm hệ thống điện Darrieus và hệ thống xử lý nước thải theo phương pháp xử lý sinh học hiếu khí kết hợp sinh học từ vỏ chai nhựa cho tàu du lịch, đề tài "Thiết kế mô hình điện gió - xử lý nước thải sinh hoạt xả thải từ tàu biển trên khu vực Bến Nghé - sông Sài Gòn" đã sử dụng nghiên cứu chính bao gồm các thiết bị khảo sát, lấy dữ liệu qua kiểm tra, so sánh, đánh giá, kiểm tra mẫu nước thực tế. The research results for the process of the device was given to the state of the route from the state of the state with the suchzel for the state of the state of the state of the state of the state for the apply the products to work. Keywords: Darrieus wind power, biological waste water treatment, cruise ship. TỔNG QUAN Trên thế giới và ngay tại Việt Nam, đã có nhiều công nghệ xử lý nước thải cho các công trình có quy mô nhỏ như nhà hàng, quán ăn ... đang hoạt động hiệu quả, điển hình như công nghệ AOA, công nghệ MBBR, công nghệ USAB... Dành riêng cho loại hình nhà hàng nổi như tàu du lịch với diện tích hạn chế và di chuyển liên tục thì cần thiết xây dựng công nghệ xử lý nhỏ gọn nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu làm sạch nước thải trước khi xả thải ra sông và đạt hiệu quả xử lý cần thiết. Một trong số các công nghệ phù hợp với công suất nhỏ và tính chất nước thải của tàu du lịch là xử lý sinh học kỵ khí kết hợp hiếu khí dạng SBR. Công nghệ SBR có một số ưu điểm vượt trội như: kết cấu đơn giản, hoạt động dễ dàng, hạn chế Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học 499 nhân lực vận hành và có thể xây dựng ngăn theo kết cấu dạng module nhằm thuận tiện cho việc lắp đặt từng phần và mở rộng thêm công suất. Ngăn kỵ khí kết hợp hiếu khí dạng SBR có khả năng hoạt động ổn định ngay cả khi tải trọng chất ô nhiễm thay đổi. Thêm vào đó, với tiêu chí thân thiện với môi trường và tái sử dụng phế thải sinh hoạt cũng như góp phần tăng hiệu quả xử lý nước thải tàu du lịch, hệ thống giá thể sinh học được tái chế từ các nắp chai nhựa được sử dụng trong quy trình xử lý kỵ khí kết hợp hiếu khí dạng SBR. Các nắp chai nhựa là vật liệu vừa dễ tìm thấy, dễ thu gom từ tàu du lịch lại vừa có tính bền, tuổi thọ dài lâu - phù hợp với yêu cầu giá thể sinh học cho việc xử lý nước thải. Ngoài ra, hệ thống các tầng lọc sinh học được thiết kế từ các vỏ chai nhựa phế thải có chứa các vật liệu lọc và vật liệu đỡ rẻ tiền và nhẹ (như vỏ trấu, sơ dừa, hạt nhựa xốp và nắp chai) kết dính thành từng tầng vật liệu với nhau sẽ giúp nhà đầu tư giảm nhẹ chi phí đầu tư ban đầu, nâng cao chất lượng nước sau xử lý thải ra sông và dễ dàng thay rửa thủ công các lớp vật liệu. Nhìn nhận về nguồn năng lượng phục vụ cho việc chiếu sáng và tiêu thụ điện trên các tàu du lịch nói riêng hay các tàu vận tải nói chung tại Việt Nam thì phần lớn các tàu vẫn đang sử dụng dầu diezel là nguồn nhiên liệu chính. Đây là nguồn năng lượng gây nên hiện tượng nhà kính do sự phát thải khí CO2 trong quá trình đốt cháy nhiên liệu để phục vụ cho hoạt động của tàu. Việc giảm lượng khí CO2 phát thải từ tàu chỉ khả thi khi việc sử dụng nhiên liệu dầu Diezel được chuyển đổi sang nguồn năng lượng tái tạo từ năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió. Khác với nguồn năng lượng mặt trời, việc sử dụng năng lượng gió biến thành điện năng thường gây nên sự e ngại đến từ trọng lượng và quy mô hệ thống cánh quạt thu gió cũng như khả năng thu gió tại những vị trí khác nhau của công trình. Nhìn nhận từ những nhược điểm chính của hệ thống cánh quạt gió, ý tưởng xây dựng mô hình tuabin gió trục đứng kiểu Darrieus cho tàu du lịch để tận dụng nguồn năng lượng gió dồi dào này được hình thành. Turbine gió trục đứng kiểu Darrieus có thể đón gió đa hướng nên việc đón gió trên sông khi tàu đứng yên hay di chuyển đều khả thi, đồng thời có thể tạo thêm điểm nhấn kiến trúc cho tàu du lịch và qua đó có thể giúp người dân tiếp cận gần hơn, hiểu biết thêm về nguồn năng lượng tái tạo từ gió. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Dựa trên kết quả phân tích chất lượng nước thải sinh hoạt từ ba tàu du lịch hiện đang hoạt động trên khu vực Bến Nghé - sông Sài Gòn bao gồm Tàu du lịch Hòn Ngọc Viễn Đông, Tàu du lịch Động Dương 27 và 25 do Trung tâm Môi trường và Sinh thái thuộc Viện Khoa học thủy lợi Miền Nam thực hiện vào tháng 03/2017, các chỉ tiêu ô nhiễm COD, BOD, SS cao nhất được đề xuất lựa chọn để xử lý trong hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt trên tàu bao gồm COD = 4978 mg/l; BOD = 3582 mg/l; SS = 2746 mg/l. Việc xử lý nước thải từ tàu du lịch được thực hiện theo quy trình cụ thể như sau: Nước thải trên tàu được chia làm hai loại nước thải đen và nước thải xám. Nước thải đen được thu từ Toilet và đưa về ngăn tiếp nhận thứ nhất (1) của ngăn tự hoại. Nước thải xám được thu từ nhà bếp và nước thoát sàn trên tàu, sau đó được đưa về ngăn tiếp nhận thứ hai (2) của ngăn tự hoại. Tại ngăn tiếp nhận thứ nhất và thứ hai, váng nổi cùng dầu mỡ sẽ được thu gom lại và đưa về thùng chứa bùn (9). Nước thải chung từ hai ngăn tiếp nhận được đưa qua ngăn lắng (3) của ngăn tự hoại. Tại ngăn lắng, cặn sẽ lắng xuống và được đưa về thừng chứa bùn. Nước sau lắng được đưa qua ngăn kỵ khí (4) để tiếp tục xử lý. Tại ngăn kỵ khí, sử dụng hệ thống cánh quạt quay nhỏ kết hợp giá thể sinh học nắp chai nhựa để quá trình kỵ khí diễn ra nhanh hơn và hiệu quả hơn. Nước sau khi kỵ khí sẽ tiếp tục qua ngăn xử lý sinh học hiếu khí từng mẻ SBR (5,6). Tại ngăn SBR diễn ra 04 pha xử lý như sau: pha làm đầy ngăn, pha xử lý hiếu khí với sự hỗ trợ của hệ thống sục khí kết hợp giá thể sinh học nắp chai nhựa, pha lắng, pha thu nước bằng phễu thu nước - dẫn qua ngăn lọc sinh học kết hợp xả bùn dư. Ngăn lọc sinh học (7) tái sử dụng các vỏ chai nhựa tạo thành các tầng giá đỡ các vật liệu lọc cát, sỏi. Nước sau khi lọc sẽ đưa về ngăn khử trùng (8) bằng tia UV và được xả nước ngoài sông Sài Gòn. Thiết kế các ngăn có độ dốc i = 2% để có thể thu bùn tự động. Vật liệu của các ngăn được làm bằng vật liệu Composite để đảm bảo tuổi thọ của công trình. Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học 500 Hình 1. Sơ đồ mặt cắt sơ bộ các công trình xử lý nước thải sinh hoạt trên tàu du lịch Đối với việc thiết kế mô hình điện gió Darrieus thì điều kiện tiên quyết đến việc tính toán mô hình là vận tốc gió trung bình tại khu vực nghiên cứu - Bến Nghé Sài Gòn. Với đặc điểm khí tượng đặc trưng chịu ảnh hưởng bởi hai hướng gió chính và chủ yếu là gió mùa Tây - Tây Nam và Bắc - Ðông Bắc, Gió Tây -Tây Nam từ Ấn Ðộ Dương thổi vào trong mùa mưa, vận tốc gió trung bình tại Tp.HCM từ tháng 3 đến tháng 6 là 3,6m/s và gió thổi mạnh nhất vào tháng 8 với vận tốc trung bình 4,5 m/s. Từ tháng 11 đến tháng 2, gió Bắc- Ðông Bắc từ biển Đông thổi vào trong mùa khô với vận tốc trung bình 2,4 m/s. Ngoài ra Tp.HCM còn tiếp nhận luồng gió tín phong theo hướng Nam - Ðông Nam từ tháng 3 đến tháng 5 với vận tốc trung bình 3,7 m/s. Về cơ bản thì Tp.HCM thuộc vùng không có gió bão, do đó đề xuất chọn vận tốc gió trung bình tại khu vực nghiên cứu là 3m/s để tính toán thiết kế turbine gió hoạt động trên sông Sài gòn - Bến Nghé. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống điện gió Darrieus được thể hiện ở Hình 2 dưới đây. Hình 2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống điện gió Darrieus Một trong các thành phần quan trọng trong cấu tạo hệ thống điện gió Darrieus là cánh turbine Darrieus. Số cánh của turbine có ảnh hưởng không nhiều tới năng lượng sinh ra của turbine gió vì hệ số năng lượng phụ thuộc vào diện tích quét của cánh mà không Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học 501 phụ thuộc vào diện tích cánh. Tuy nhiên, khi thiết kế turbine phải chú ý bố trí các cánh sao cho diện tích quét của cánh là lớn nhất để năng lượng sinh ra của turbine gió đạt mức yêu cầu mà vẫn đảm bảo tính kinh tế. Số cánh thông thường nhất cho kiểu Darrieus là hai cánh, số lượng này vừa đảm bảo cân bằng cho turbine vừa tiết kiệm vật liệu. Nghiên cứu gần đây cho thấy lực khí động học tác dụng lên hai cánh sẽ đạt xấp xỉ cực đại trong cùng một thời gian, điều này đặc biệt có ý nghĩa khi thiết kế turbine có kích thước lớn. Tuy vậy, dao động tuần hoàn là lý do gây cộng hưởng cho turbine nhỏ nên turbine nhỏ không phù hợp khi thiết kế chọn số cánh bằng hai. Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là dạng turbine nhỏ được thiết kế theo kiểu Darrieus có cải tiến, chọn thiết kế turbine gió dạng cánh thẳng với 3 cánh (xem Hình 3). Hình 3. Mô hình điện gió Darrieus KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Đối với mô hình điện gió thì sau khi tính toán 2 kiểu cánh điện gió Darrieus gồm cánh thẳng trục quay ở biên và cánh thẳng trục quay ở giữa, đề tài nhận thấy đối với kết cấu cánh có trục quay ở giữa với diện tích cánh gấp đôi tiết diện cánh ở phương án kết cấu cánh trục quay ở biên công suất tạo ra lớn nên bộ chuyển đổi tỉ lệ hộp số nhỏ tiết kiệm khá nhiều chi phí, do đó đề xuất chọn phương án kết cấu trục biên để tiến hành tính toán các thông số về hộp số tháp đỡ. Căn cứ trên chức năng của hộp số là đẩy mạnh tốc độ quay cánh quạt một giá trị phù hợp với máy phát điện cảm ứng tiêu chuẩn, do đó tỉ số hộp số được tính toán bằng 2. Bên cạnh đó, các thông số tính toán và thiết kế cơ bản cho hệ thống điện gió Darrieus lắp đặt cho quy mô tàu du lịch bao gồm: vật liệu cánh - sợi Cacbon composite; tháp trụ được làm từ vậy liệu composite để giảm tải trọng bản thân và tạo ổn định cho mạng tàu với chiều cao 7m tính từ sàn tàu; máy phát điện xoay chiều, kích từ bằng nam châm vĩnh cửu với công suất 2kW; 08 bình ắc quy dung lượng 200Ah, ghép ắc quy theo quy tắc vừa nối tiếp kết hợp song song để đảm bảo dung lượng và điện áp thành ắc quy tổng với điện áp 48V và dung lượng 800Ah; bộ nạp ắc quy tự động 12V-200Ah. Hình ảnh mô hình hệ thống điện gió Darrieus được thể hiện ở Hình 4 dưới đây. Trong đó các thành phần cấu tạo chính của hệ thống bao gồm: - Hệ cánh turbine gió darrieus với 3 lớp cánh đón gió trục. - Toàn hệ thống điện gió cao 7m với 3 biên dạng cánh có kích thước giống nhau để tăng mức độ linh hoạt của cánh. - Bán kính quét của turbine từ 0,3÷0,5m để giảm diện tích chiếm chỗ trên tàu và nâng cao độ an toàn. - Cơ cấu truyền động thông qua hệ thống bánh răng kết nối đồng trục. - Biên dạng cánh thẳng gấp góc, tự điều chỉnh hướng gió khi thay đổi hướng. Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học 502 - Thay đổi tốc độ cho turbine qua hệ thống hộp số. Hình 4. Mô hình điện gió Darrieus Dựa trên kết quả tính toán cấu tạo từng công trình xử lý đơn vị và thiết kế mô hình hệ thống xử lý nước thải, kích thước thiết kế và hiệu suất xử lý qua từng công trình đơn vị được thể hiện ở Bảng 1 dưới đây. Bảng 1. Bảng thống kê kích thước và hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của tàu du lịch qua từng công trình xử lý đơn vị Tên công trình xử lý Diện tích Hiệu suất xử lý (%) Hàm lượng cặn lơ lửng SS Nồng độ COD Nồng độ BOD5 m2 mg/l % mg/l % mg/l % Nước thải đầu vào tại Ngăn tự hoại 3.65 2746.00 - 4978.00 - 3582.00 - Ngăn lắng 1300.78 52.63 4978.00 0 2462.63 31.25 Ngăn kỵ khí 3 585.35 55.00 500.29 89.95 394.02 84.00 Ngăn SBR 3.5 222.43 62.00 125.07 75 47.28 88.00 Ngăn lọc sinh học 2 60.06 73.00 125.07 75 47.28 88.00 Ngăn khử trùng và sau thải ra sông Sài Gòn 2 60.06 0 125.07 0 47.28 0 Hình ảnh mô hình xử lý nước thải sinh hoạt từ tàu du lịch được thể hiện ở Hình 5 dưới đây. Hình 5. Mô hình hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt cho tàu du lịch Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học 503 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Ô nhiễm môi trường nước và không khí là một trong những vấn đề môi trường cấp thiết và việc lựa chọn phương án giảm thiểu ô nhiễm nhằm duy trì một cảnh quan dẹp cũng như môi trường trong lành cho xã hội là điều cần thiết. Căn cứ trên các kết quả khảo sát ý kiến thực tế, thu thập và phân tích mẫu nước cũng như phân tích và so sánh các vị trí lắp đặt khả thi, đề tài “Thiết kế mô hình điện gió - xử lý nước thải sinh hoạt xả thải từ tàu du lịch trên khu vực Bến Nghé - sông Sài Gòn” đã tiến hành tính toán và thiết kế hai mô hình hệ thống điện gió Darrieus và hệ thống xử lý nước thải theo phương pháp xử lý sinh học hiếu khí từng mẻ kết hợp giá thể sinh học từ nắp và vỏ chai nhựa cho tàu du lịch. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc thiết kế hệ thống xử lý nước thải của tàu kết hợp với việc ứng dụng nguồn năng lượng sạch thay thế dầu Diezel cho tàu du lịch là điều cần thiết và nếu nghiên cứu được tiếp tục phát triển chuyên sâu thì việc áp dụng sản phẩm vào thực tiễn hoàn toàn khả thi. Nhằm nâng cao tính hoàn thiện và tính thực thi sản phẩm nghiên cứu vào thực tế, đề xuất mở rộng các hướng nghiên cứu chuyên sâu như sau: - Nghiên cứu sự ảnh hưởng tải trọng của hệ thống xử lý nước thải lên tàu du lịch. - Nghiên cứu áp dụng khả thi hệ thống điện gió cho tàu du lịch. TÀI LIỆU THAM KHẢO QCVN 14:2008/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt. TRỊNH, X.L., (2009). Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải. NXB Xây dựng. JAVIER CASTILLO, (2011). Small-scale Vertical Axis Wind Turbine Design. Bachelor's Thesis. BÙI, T.H., (2014). Nghiên cứu thiết kế Turbine gió trục đứng công suất 10kW. Kỷ yếu Nghiên cứu Khoa học Đại học Bách Khoa TP.HCM.