Thiết kế và vận hành ao lắng

Xây dựng ao đúng cách có thể giảm thiểu xói mòn đất đào đắp

Tiến sĩ Claude E. Boyd
Khoa Thủy sản và liên minh nuôi trồng thủy sản
Đại học Auburn – Auburn, Alabama 36849 USA

Tóm tắt:

Các thông tin cơ bản cần thiết để thiết kế một ao lắng bao gồm sự phân bố kích cỡ các hạt, ước lượng tốc độ dòng chảy và xác định kích cỡ hạt nhỏ nhất được loại bỏ khỏi nước. Trong nuôi trồng thủy sản, chọn kích cỡ hạt tối thiểu từ 0,006 đến 0,020mm. Vận tốc lắng của các hạt lơ lửng phụ thuộc vào trọng lượng và đường kính của chúng. Diện tích ao lắng nên lớn hơn diện tích tối thiểu để tránh các chất cặn lắng tích tụ quá mức và không phải sục khí.

Các ao lắng ngày càng được sử dụng nhiều trong nuôi trồng thủy sản để loại bỏ các chất rắn lơ lửng và thô từ nguồn nước cấp và kênh mương thoát nước. Các ao lắng cũng rất hiệu quả trong việc giữ và rửa bùn cặn trong ao. Một số hướng dẫn đơn giản có thể giúp cho việc thiết kế và vận hành các ao lắng.

Trước tiên, đường nước vào và ra của ao lắng tương đương nhau. Khoảng thời gian để một phân tử nước ở lại trong ao lắng – hay còn gọi là thời gian lưu nước (HRT) – có thể được ước tính bằng cách chia thể tích nước (V) cho tốc độ dòng chảy vào (Q). Trọng lực tác động lên các hạt lơ lửng và ở điều kiện tĩnh trong ao lắng, phần nhỏ của các hạt có thời gian để lắng tương đương hoặc ngắn hơn thời gian lưu nước HRT được giữ lại trong ao (Hình 1).

VẬN TỐC LẮNG

Vận tốc lắng của các hạt lơ lửng phụ thuộc chủ yếu vào trọng lượng và đường kính của chúng. Các hạt lớn hơn lắng nhanh hơn các hạt nhỏ. Ví dụ, một hạt cát mịn sẽ lắng nhanh hơn 200 lần so với một hạt bùn kích cỡ trung bình. Vận tốc lắng của các hạt đất sét thậm chí còn chậm hơn so với các hạt bùn và đất sét thường tụ nhiều ở phần thoát nước của ao lắng.

Các hạt đất khoáng có trọng lượng khoảng 2,50g/cm³, trong khi các hạt hữu cơ có trọng lượng 1,05-1,10g/cm³. Do vậy, các hạt hữu cơ lắng chậm hơn nhiều so với hạt khoáng, các ao lắng không có tác dụng trong việc loại bỏ các hạt hữu cơ nhỏ như sinh vật phù du và các mảnh vụn hữu cơ trong nước.

Vận tốc lắng ở điểm cuối (Vs) của các hạt khoáng có liên quan đến đường kính của chúng (Bảng 1). Theo bảng hiển thị số liệu, thời gian lưu nước HRT cần thiết là khá lâu để loại bỏ các hạt có kích cỡ lớn hơn 0,004mm và trên thực tế hiếm xảy ra vì tốc độ dòng chảy vào lớn.

THIẾT KẾ AO LẮNG

Thông tin cơ bản điển hình cần cho việc thiết kế một ao lắng bao gồm kích cỡ phân bố của các hạt trong nước được chuyển qua ao lắng, ước tính tốc độ dòng chảy vào và xác định kích cỡ hạt nhỏ nhất được loại bỏ.

Bảng 1. Biểu đồ cơ bản của một ao lắng minh họa tác động của vận tốc lắng trong quá trình loại bỏ các chất rắn lơ lửng

Bảng 1: Các vận tốc lắng và thời gian lắng của các hạt khoáng kích cỡ khác nhau trong điều kiện tĩnh, nhiệt độ nước ngọt ở 25° C.

Đường kính các hạt Vận tốc lắng ở đầu cuối Thời gian lắng tới độ sâu 1m
(mm) (m/giây) (giờ)
0,060 3,3 × 10-3 0,084
0,040 1,5 × 10-3 0,185
0,020 3,6 × 10-4 0,770
0,010 9,2 × 10-5 3,020
0,008 5,9 × 10-5 4,710
0,006 3,3 × 10-5 8,400
0,004 1,5 × 10-5 18,500
0,002 3,7 × 10-6 75,000
0,001 9,2 × 10-7 302,000
Sự lựa chọn kích cỡ tùy thuộc vào khối lượng dòng chảy đầu ra và sức chứa ao lắng, bởi vì các hạt nhỏ hơn kích cỡ tối thiểu và dòng chảy vào lớn hơn thì diện tích ao phải lớn hơn. Đối vớidòng nước thoát trong nuôi trồng thủy sản, ao cần đáp ứng để chọn một kích cỡ hạt tối thiểutrong khoảng 0,006 đến 0,020 mm.

Vận tốc lắng tới hạn (Vcs) là vận tốc tối thiểu mà tại đó một hạt có thể lắng và chưa được loại bỏ

(Bảng 1). Vận tốc này có thể xác định bằng cách chia độ sâu trung bình của ao lắng (D) cho thời gian lưu nước HRT:



Do HRT=V/Q nên biểu thức trên đổi thành:



Ngoài ra, nếu chúng ta quy độ sâu ao lắng là 1 m, thể tích V tính theo mét khối (m3) phải tương đương với diện tích ao (A) tính theo mét vuông (m2) và biểu thức của vận tốc lắng tới hạn Vcs sẽ đổi thành:



Bởi vì chúng ta đang thiết kế ao lắng, thay vì tính vận tốc lắng tới hạn Vcs, chúng ta có thể thay thế bằng vận tốc lắng ở đầu cuối Vs (Bảng 1) và ước tính diện tích ao lắng độ sâu 1m đối với kích cỡ hạt cụ thể và tốc độ dòng chảy vào.

Ví dụ
Giả sử một ao lắng dùng để loại bỏ các chất rắn kích cỡ lớn hơn 0,008 mm từ dòng chảy vàovới tốc độ tối đa là 0,25 m³/giây. Các hạt ở kích cỡ tối thiểu lắng với vận tốc lắng là Vs =  5,9 x 10-5 m/giây. Diện tích ao lắng cần thiết cho độ sâu 1 mét là 4,237 m²:



Chú thích:             D = độ sâu (m), V = thể tích ao lắng (m3), Q = tốc độ dòng chảy vào (m3/s)

Vs = vận tốc lắng (m/s), Vcs = vận tốc lắng tới hạn (m/s)

Tất nhiên, diện tích này có thể được giảm theo tỉ lệ độ sâu của ao. Nếu độ sâu 1,7m, diện tích ao chỉ cần 2,491 m² (4,237 m² ÷ 1,7)

Thời gian lưu nước HRT của ao lắng giảm đều theo thời gian là do tích tụ cặn lắng. Ao nên được xây dựng lớn hơn diện tích tối thiểu để tránh việc thường xuyên phải rút bỏ cặn lắng và để duy trì thời gian lưu nước HRT tối thiểu.

MỘT SỐ CÂN NHẮC KHÁC      

Ao lắng nên được thiết kế và xây dựng để giảm thiểu xói mòn đất đào đắp. Đường nước vào nên đặt trên bề mặt này và đường thoát ra ở bề mặt khác. Màng ngăn có thể lắp đặt trong ao lắng để tránh dòng nước chảy thẳng từ đầu vào ra ngay đầu ra.

Ao lắng không phải xục khí vì sự khuấy đảo nước làm giảm vận tốc lắng của các hạt. Nếu là dòng nước thoát thì phải có xục khí trước khi thải ra và một ao riêng có lắp đặt hệ thống xục khí.

Độ sâu trung bình của các ao lắng nên được đo định kỳ thường xuyên để xác định thời gian lưu nước HRT được thiết kế đạt mức tối thiểu. Khi các ao lắng được làm sạch, các chất cặn lắng nên được xử lý một cách có trách nhiệm.

Các ao lắng được thiết kế theo mô tả ở trên sẽ vận hành chủ yếu để loại bỏ các chất rắn khoáng thô – các hạt đất lơ lửng. Nếu sức chứa ao sẵn có để thời gian lưu nước là 1 ngày hay lâu hơn, các hạt đất nhỏ hơn có thể lắng và photphat (PO4) sẽ được hấp thụ bởi các chất cặn ở đáy ao. Một số nitơ ammoniac sẽ được nitrat hóa và một số sẽ khuếch tán vào không khí. Quá trình khử nitơ sẽ xảy ra ở các vùng cặn lắng yếm khí và nước sẽ được tái thông khí một cách tự nhiên.

Như vậy việc xây dựng các ao lắng càng lớn càng thiết thực đem lại những lợi ích đáng kể.

Phòng kỹ thuật A.T.C

Nguồn: Tạp chí thủy sản toàn cầu tháng 3-4/2012

[http://atcvietnam.com.vn/News.aspx?EID=426]