Máy Thổi Khí Cho Xử Lý Nước Thải: Chọn Lưu Lượng Và Áp Suất Theo Hệ Phân Phối Khí

Một bể xử lý nước thải sử dụng 20 đĩa phân phối khí không có nghĩa chỉ cần chọn máy thổi khí theo tổng số đĩa hoặc thể tích bể. Blower còn phải tạo đủ áp suất để đưa khí xuống độ sâu lắp đặt và thắng trở lực của đường ống, van cùng thiết bị phân phối.

Khi lựa chọn máy thổi khí cho xử lý nước thải, hai thông số cần xác định đồng thời là lưu lượng khí yêu cầu (Q) và chênh áp làm việc (Δp). Cặp thông số này giúp đánh giá máy có thể cấp đủ khí khi kết nối với hệ thống thực tế hay không.

Side Channel Blower, thường gọi là máy thổi khí con sò, có thể sử dụng trong một số hệ cấp khí xử lý nước thải. Tuy nhiên, việc lựa chọn phải dựa trên đường đặc tính của đúng model và yêu cầu công nghệ, không chỉ căn cứ vào Qmax, công suất kW hoặc áp suất tối đa ghi trong catalogue.

Xác định lưu lượng khí từ nhu cầu xử lý và hệ phân phối

Trong bể xử lý sinh học hiếu khí, không khí được đưa qua hệ thống ống góp đến các đĩa hoặc ống khuếch tán khí (diffuser). Dòng khí hỗ trợ cung cấp oxy cho quá trình sinh học, đồng thời có thể đáp ứng yêu cầu khuấy trộn theo thiết kế.

Lưu lượng không khí cấp vào bể và lượng oxy thực sự chuyển vào nước là hai đại lượng khác nhau.

Một blower cấp được 100 m³/h không khí không có nghĩa toàn bộ lượng oxy trong dòng khí đó đều hòa tan vào nước. Hiệu quả truyền oxy còn phụ thuộc loại diffuser, độ sâu, cách bố trí, đặc tính nước thải, nhiệt độ và điều kiện vận hành.

Đối với công trình thiết kế mới, cần xác định nhu cầu oxy của quá trình xử lý và dữ liệu hiệu quả truyền oxy ở điều kiện thực tế. Những thông tin như tải hữu cơ, yêu cầu nitrat hóa, DO mục tiêu và chế độ vận hành là đầu vào của phần thiết kế công nghệ.

Khi lưu lượng khí yêu cầu đã được xác định, mới đối chiếu với khả năng của hệ phân phối.

Với một nhóm diffuser cùng loại, nếu lưu lượng thiết kế của mỗi diffuser đã được xác minh, có thể tính tổng nhu cầu khí:

Q tổng = N × q

Trong đó:

• N: Số diffuser vận hành đồng thời.

• q: Lưu lượng khí thiết kế của mỗi diffuser.

• Q tổng: Tổng lưu lượng khí yêu cầu, khi các số liệu sử dụng cùng điều kiện tham chiếu.

Nếu hệ thống có nhiều vùng cấp khí, cần cộng lưu lượng của các vùng được thiết kế vận hành đồng thời. Không mặc định tất cả các vùng luôn hoạt động cùng lúc nếu công nghệ có chế độ điều khiển luân phiên.

Ví dụ, một bể có 20 diffuser chưa đủ cơ sở để kết luận cần blower 100 m³/h. Phải biết loại diffuser, dải lưu lượng của từng chiếc và chế độ vận hành.

Sơ đồ máy thổi khí cấp không khí qua đường ống và các diffuser trong bể xử lý nước thải

Khi lưu lượng cấp cho từng diffuser thay đổi, tổn thất áp suất và hiệu quả phân phối oxy cũng có thể thay đổi. Vì vậy, cần sử dụng dữ liệu của đúng loại diffuser, thay vì tự đặt một mức m³/h chung cho mọi đĩa phân phối khí.

Tính áp suất máy thổi khí theo độ sâu và trở lực hệ thống

Lưu lượng đủ nhưng áp suất không đủ thì khí vẫn không được đưa đến hệ phân phối như yêu cầu.

Với diffuser đặt dưới mặt nước, một thành phần áp suất quan trọng là áp lực thủy tĩnh tại vị trí thoát khí.

Công thức:

p = ρ × g × h

Trong đó:

• ρ: Khối lượng riêng của nước (kg/m³).

• g: Gia tốc trọng trường (m/s²).

• h: Độ sâu của vị trí thoát khí so với mực nước vận hành (m).

Với nước có khối lượng riêng xấp xỉ 1.000 kg/m³:

1 m cột nước ≈ 9,81 kPa ≈ 98,1 mbar.

Ví dụ, nếu diffuser nằm sâu 1,5 m dưới mực nước vận hành, áp suất do cột nước vào khoảng 147 mbar.

Tuy nhiên, đây chưa phải toàn bộ chênh áp mà blower phải tạo ra.

Không khí còn gặp tổn thất áp suất qua đường ống, co nối, van, ống góp, đầu phân phối khí và các phụ kiện liên quan. Phía hút của blower cũng có thể phát sinh trở lực từ bộ lọc hoặc tuyến lấy khí.

Có thể biểu diễn sơ bộ:

Δp yêu cầu ≈ p cột nước + Δp diffuser + Δp đường khí + Δp phía hút

Đây là cách tổng hợp sơ bộ cho một tuyến cấp khí tại điều kiện lưu lượng đã xác định. Khi tính chính xác, cần sử dụng đặc tính của từng thành phần và điều kiện áp suất tương ứng.

Với hệ nhiều nhánh song song, phải phân biệt:

• Lưu lượng đường ống chính bằng tổng lưu lượng của các nhánh đang hoạt động.

• Tổn thất áp suất được tính trên từng tuyến từ blower đến diffuser.

• Áp suất cấp yêu cầu phải đáp ứng tuyến bất lợi tại điều kiện thiết kế, không cộng áp suất của tất cả các nhánh song song.

Tuyến bất lợi là tuyến cần chênh áp lớn nhất tại trạng thái vận hành đang xét, không nhất thiết là đường ống dài nhất.

Chẳng hạn, một nhánh có diffuser đặt sâu hơn thường chịu áp lực thủy tĩnh lớn hơn. Nhưng nhánh khác với đường ống dài, nhiều co hoặc thiết bị phân phối có trở lực lớn cũng có thể đòi hỏi áp suất cấp đáng kể.

Sơ đồ tính áp suất máy thổi khí xử lý nước thải theo độ sâu và tổn thất hệ phân phối khí

Trong quá trình sử dụng, diffuser bám bẩn có thể làm tăng trở lực. Phần dự phòng áp suất cần được xem xét theo dữ liệu thiết kế và khả năng thay đổi tải, không cộng một tỷ lệ dự phòng tùy ý cho mọi công trình.

Đối chiếu Q–p để chọn máy thổi khí phù hợp

Sau khi xác định lưu lượng khí và chênh áp yêu cầu, cần kiểm tra blower có thể cung cấp lưu lượng đó tại điều kiện áp suất tương ứng hay không.

Để minh họa, giả sử một hệ cấp khí nhỏ có dữ liệu sau. Đây là các giá trị giả định, không phải thông số của một diffuser hoặc model blower cụ thể.

Giả sử các lưu lượng đã được quy đổi về cùng điều kiện tham chiếu, các tổn thất cũng được xác định tại trạng thái cấp khí tương ứng.

Bước 1 — Xác định lưu lượng

Q = 16 × 5 = 80 m³/h

Bước 2 — Tính áp suất cột nước

p = 1.000 × 9,81 × 1,4 ≈ 13.734 Pa

Tương đương khoảng 137,3 mbar.

Bước 3 — Tổng hợp chênh áp

Δp ≈ 137,3 + 18 + 12 + 6

Δp ≈ 173,3 mbar

Như vậy, điểm yêu cầu sơ bộ của hệ thống giả định là:

Q = 80 m³/h tại Δp ≈ 173 mbar.

Kết quả này dùng để kiểm tra thiết bị, chưa đủ để chốt mua một model.

Một máy có Qmax 150 m³/h chưa chắc cung cấp được 80 m³/h tại chênh áp 173 mbar. Phải xác định lưu lượng thực tế trên đường đặc tính Q–p tại mức chênh áp tương ứng.

Ngược lại, model có Qmax thấp hơn nhưng còn đủ lưu lượng tại điều kiện làm việc có thể phù hợp hơn, nếu các giới hạn kỹ thuật khác cũng được đáp ứng.

Đường đặc tính lưu lượng và chênh áp máy thổi khí con sò để kiểm tra điểm làm việc

Khi đối chiếu biểu đồ, cần xác định đúng mã model, tần số điện 50 Hz hoặc 60 Hz và đường đặc tính ở chế độ thổi áp suất dương.

Bài cách đọc đường cong Q–p máy thổi khí giải thích sâu hơn việc tìm lưu lượng tại chênh áp xác định và phân biệt các giá trị cực đại trên biểu đồ.

Ngoài Q–Δp, vẫn cần kiểm tra nhiệt độ, dòng điện, chế độ vận hành liên tục, khả năng bảo vệ và các giới hạn do nhà sản xuất quy định.

Đặc biệt, phải phân biệt lưu lượng thể tích ở cửa hút, lưu lượng khí giao đến hệ thống và lưu lượng quy đổi theo điều kiện chuẩn. Hai giá trị cùng ghi m³/h hoặc Nm³/h chưa chắc có thể so sánh trực tiếp nếu điều kiện đo khác nhau.

Với hệ thống có nhu cầu khí thay đổi theo tải xử lý, cần đánh giá cả trạng thái lưu lượng cao, lưu lượng thấp và khả năng điều khiển trong phạm vi vận hành cho phép.

Nếu dự kiến sử dụng nhiều blower song song hoặc bố trí máy dự phòng, phương án phân chia tải và vận hành từng máy cũng phải được xác định riêng.

Khi nào nên dùng Side Channel Blower, khi nào cần công nghệ khác?

Side Channel Blower có thể được xem xét khi lưu lượng và chênh áp yêu cầu nằm trong vùng đặc tính làm việc cho phép của model, đồng thời thiết bị đáp ứng chế độ vận hành của hệ thống.

Tuy nhiên, công nghệ này không phải lựa chọn mặc định cho mọi trạm xử lý nước thải.

Với hệ cấp khí đặt sâu, mạng ống có tổn thất lớn hoặc yêu cầu lưu lượng cao, cần kiểm tra giới hạn của Side Channel Blower. Nếu không đáp ứng, các công nghệ khác như Roots Blower, Screw Blower hoặc Centrifugal/Turbo Blower có thể cần được đưa vào so sánh.

Không thể kết luận Roots, Screw hay Turbo luôn tiết kiệm điện hơn Side Channel Blower trong mọi trường hợp. Hiệu quả thực tế phụ thuộc vào điểm làm việc, hiệu suất model, phương án điều khiển và thời gian vận hành.

Với hệ xử lý nước thải hiện hữu, cũng không nên thay blower chỉ vì máy mới có cùng công suất kW. Nhu cầu khí, tình trạng diffuser và mạng đường ống có thể đã thay đổi so với thiết kế ban đầu.

Khi muốn tìm hiểu những lĩnh vực khác có thể sử dụng công nghệ này, phần ứng dụng Side Channel Blower ngoài hồ bơi giúp phân biệt yêu cầu cấp khí trong xử lý nước, nuôi trồng thủy sản và công nghiệp.

Sau khi xác lập Q–Δp và xác định công nghệ phù hợp, lựa chọn máy thổi khí theo đường cong, số tầng cánh và điểm làm việc là bước tiếp theo để so sánh các cấu hình.

Nếu hệ thống có thể sử dụng Side Channel Blower, người mua có thể tham khảo danh mục máy thổi khí con sò để xác định các dòng thiết bị cần kiểm tra, sau đó đối chiếu đường đặc tính và giới hạn kỹ thuật từng model trước khi quyết định.

Điểm quan trọng nhất là việc chọn máy thổi khí cho xử lý nước thải phải bắt đầu từ nhu cầu oxy và lưu lượng khí của quá trình xử lý, sau đó xét trở lực của hệ phân phối. Một máy chỉ phù hợp khi cung cấp được lưu lượng yêu cầu tại chênh áp vận hành, trong giới hạn kỹ thuật cho phép.

Nguồn kỹ thuật tham khảo

1. US EPA — Design Manual: Fine Pore Aeration Systems, phần Process Oxygen Requirements, Diffuser Selection, Air Supply System.

2. Atlas Copco — Why the Right Blower Flow Rate for Aeration Is Important.

3. Atlas Copco — How to Find the Right Aeration Blower.

4. REXCHIP — Side Channel Blower Catalogue, phần Application Examples for Blowing và Performance Curves.