Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm rác thải trên bãi biển đang là vấn đề cấp bách toàn cầu, đặc biệt tại các khu vực du lịch biển phát triển như Việt Nam. Theo tổ chức bảo tồn thiên nhiên Quốc tế (IUCN), hơn 90% lượng rác thải trên biển là nhựa, với hơn 70% bãi biển bị ô nhiễm nặng. Tại Việt Nam, lượng rác thải ra biển dao động từ 0,28 đến 0,73 triệu tấn mỗi năm, chiếm khoảng 6% tổng lượng rác thải nhựa biển toàn cầu, đứng thứ 4 trong 20 quốc gia có lượng rác thải nhựa ra đại dương cao nhất. Tại các bãi biển Việt Nam, mật độ rác trung bình lên tới 7.374 mảnh/100 m và khối lượng khoảng 94,58 kg/100 m.

Hiện nay, việc thu gom rác trên bãi biển chủ yếu thực hiện thủ công, gây tốn kém nhân lực và hiệu quả thấp, đặc biệt với các loại rác nhỏ lẫn trong cát như vỏ sò, đầu lọc thuốc lá, mảnh thủy tinh. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị thu gom rác cơ giới hóa trên bãi biển nhằm tăng năng suất, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả thu gom. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại các bãi biển thuộc tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, khu vực có lượng khách du lịch lớn và nhu cầu làm sạch bãi biển cao. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ phát triển du lịch bền vững, bảo vệ môi trường biển và nâng cao chất lượng dịch vụ tại các khu vực ven biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật cơ khí liên quan đến thiết kế và vận hành thiết bị sàng rung thu gom rác trên bãi biển. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Nguyên lý hoạt động của sàng lắc (sàng rung): Thiết bị sử dụng cơ cấu cam lệch tâm truyền động cho lưới sàng dao động, tạo lực quán tính và ma sát giúp tách rác khỏi cát. Gia tốc của lực quán tính phải lớn hơn lực ma sát để vật liệu rác trượt trên lưới sàng, trong khi cát rơi qua khe sàng trở lại bãi biển. Công thức tính toán số vòng quay trục cam và góc nghiêng sàng được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất sàng.

  2. Phân tích động lực học cơ cấu sàng: Mô phỏng chuyển động của các chi tiết cơ khí, xác định vận tốc, gia tốc và lực tác động lên lưới sàng nhằm đảm bảo độ bền và hiệu quả hoạt động của thiết bị.

Các khái niệm chính bao gồm: gia tốc quán tính, lực ma sát, góc nghiêng sàng, biên độ dao động cam, vận tốc trục cam, và nguyên lý tách rác khỏi cát.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa khảo sát thực tế, tính toán thiết kế, mô phỏng và thử nghiệm thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu về đặc điểm rác thải trên bãi biển Vũng Tàu, kích thước, khối lượng và tính chất vật liệu rác; khảo sát các thiết bị thu gom rác hiện có trong nước và quốc tế; số liệu đo đạc thực nghiệm tại bãi biển.

  • Phương pháp phân tích: Tính toán thiết kế chi tiết thiết bị dựa trên cơ sở lý thuyết sàng rung; mô phỏng động lực học bằng phần mềm Working Model để lựa chọn thông số tối ưu; thử nghiệm thực tế thiết bị tích hợp trên máy cày tay K1500 – GA120.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ năm 2020 đến tháng 5 năm 2021, bao gồm các giai đoạn khảo sát, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị tại bãi biển Vũng Tàu.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Lấy mẫu rác tại nhiều vị trí khác nhau trên bãi biển Phước Hải, Long Hải và Vũng Tàu để đảm bảo tính đại diện; thử nghiệm thiết bị trên diện tích bãi biển thực tế với các thông số vận hành khác nhau.

  • Phương pháp kiểm tra đánh giá: Đo đạc trực tiếp các thông số vận hành như tốc độ trục cam, độ rung sàng, khối lượng rác thu được; đánh giá cảm quan về hiệu quả thu gom, độ ồn và khả năng vận hành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả thu gom rác tăng đáng kể: Thiết bị sàng rung thu gom rác trên bãi biển đạt năng suất trung bình khoảng 150 kg rác/giờ, cao hơn 40% so với phương pháp thủ công. Khả năng thu gom các loại rác kích thước nhỏ như vỏ sò, mảnh thủy tinh được cải thiện rõ rệt.

  2. Thông số vận hành tối ưu: Qua mô phỏng và thử nghiệm, tốc độ trục cam lý tưởng nằm trong khoảng 50-250 vòng/phút, góc nghiêng sàng từ 10° đến 14°, biên độ dao động cam khoảng 0.01 m đến 0.03 m. Các thông số này giúp cân bằng giữa hiệu quả tách rác và độ bền thiết bị.

  3. Độ bền và ổn định thiết bị: Kiểm tra bền các chi tiết như chân sau sàn, thanh treo sàng, trục cam cho thấy thiết bị chịu được tải trọng vận hành liên tục trong thời gian dài mà không xảy ra hư hỏng. Độ rung sàng được duy trì trong giới hạn ±5% sai số cho phép.

  4. Tiết kiệm nhân lực và chi phí: Thiết bị giúp giảm 30-50% số lượng công nhân tham gia thu gom, đồng thời giảm chi phí vận hành do thiết kế đơn giản, dễ bảo trì và giá thành thấp hơn nhiều so với máy nhập khẩu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả thu gom cao là do thiết bị sử dụng cơ cấu sàng rung kết hợp lưỡi xúc, cho phép tách rác khỏi lớp cát bề mặt hiệu quả hơn so với phương pháp cào hoặc nhặt thủ công. So với các máy thu gom rác nhập khẩu có giá thành gần 1 tỷ đồng, thiết bị nghiên cứu có chi phí chế tạo thấp hơn nhiều, phù hợp với điều kiện kinh tế và địa hình bãi biển Việt Nam.

Kết quả cũng phù hợp với các nghiên cứu trong nước và quốc tế về cơ giới hóa thu gom rác biển, đồng thời bổ sung thêm các thông số kỹ thuật vận hành tối ưu cho thiết bị sàng rung. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh năng suất thu gom giữa thiết bị và phương pháp thủ công, bảng thông số kỹ thuật và biểu đồ độ rung sàng theo thời gian vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất thiết bị sàng rung thu gom rác trên quy mô lớn: Khuyến khích các doanh nghiệp cơ khí địa phương chế tạo thiết bị theo thiết kế đã được thử nghiệm, nhằm phục vụ nhu cầu làm sạch bãi biển tại các tỉnh ven biển trong vòng 1-2 năm tới.

  2. Tích hợp thiết bị với các loại máy kéo nhỏ gọn: Phát triển thêm các phiên bản thiết bị phù hợp với máy cày tay và máy kéo nhỏ để tăng tính linh hoạt và mở rộng phạm vi ứng dụng, dự kiến hoàn thành trong 18 tháng.

  3. Đào tạo vận hành và bảo trì thiết bị: Tổ chức các khóa đào tạo cho công nhân môi trường biển về cách vận hành, bảo dưỡng thiết bị nhằm đảm bảo hiệu quả và tuổi thọ thiết bị, thực hiện ngay sau khi thiết bị được sản xuất.

  4. Nâng cao nhận thức cộng đồng và chính quyền địa phương: Tăng cường tuyên truyền về tầm quan trọng của việc giữ gìn vệ sinh bãi biển, phối hợp với các đơn vị quản lý để áp dụng thiết bị thu gom rác cơ giới hóa, góp phần phát triển du lịch bền vững.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các công ty môi trường và dịch vụ thu gom rác biển: Nhận được giải pháp thiết bị cơ giới hóa hiệu quả, giúp nâng cao năng suất và giảm chi phí vận hành.

  2. Các cơ quan quản lý du lịch và môi trường ven biển: Có cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, kế hoạch bảo vệ môi trường biển và phát triển du lịch sạch.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, môi trường: Tham khảo phương pháp thiết kế, tính toán và thử nghiệm thiết bị sàng rung thu gom rác, phục vụ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.

  4. Doanh nghiệp cơ khí chế tạo máy: Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm phù hợp với thị trường trong nước, giảm sự phụ thuộc vào máy nhập khẩu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thiết bị sàng rung thu gom rác hoạt động như thế nào?
    Thiết bị sử dụng cơ cấu cam lệch tâm để tạo dao động cho lưới sàng, giúp tách rác khỏi cát. Rác được giữ lại trên sàng và chuyển vào thùng chứa, trong khi cát rơi trở lại bãi biển.

  2. Thiết bị có thể thu gom loại rác nào trên bãi biển?
    Thiết bị thu gom hiệu quả các loại rác phổ biến như vỏ sò, vỏ ốc, mảnh thủy tinh, chai nhựa, đầu lọc thuốc lá và các mảnh rác nhỏ lẫn trong cát.

  3. So với phương pháp thủ công, thiết bị có ưu điểm gì?
    Thiết bị tăng năng suất thu gom khoảng 40%, giảm 30-50% nhân lực, tiết kiệm chi phí vận hành và giảm thời gian làm sạch bãi biển.

  4. Chi phí chế tạo thiết bị có cao không?
    Chi phí chế tạo thiết bị thấp hơn nhiều so với máy nhập khẩu, do thiết kế đơn giản, sử dụng vật liệu phổ biến và dễ dàng bảo trì.

  5. Thiết bị có phù hợp với các bãi biển khác ở Việt Nam không?
    Thiết bị được thiết kế phù hợp với đặc điểm bãi biển Việt Nam, đặc biệt là các bãi biển có lớp cát mỏng và rác kích thước nhỏ, có thể điều chỉnh thông số để phù hợp với từng địa phương.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công thiết bị sàng rung thu gom rác trên bãi biển, phù hợp với điều kiện Việt Nam.
  • Thiết bị nâng cao hiệu quả thu gom rác, đặc biệt với các loại rác nhỏ lẫn trong cát, giảm đáng kể nhân lực và chi phí.
  • Thông số vận hành tối ưu gồm tốc độ trục cam 50-250 vòng/phút, góc nghiêng sàng 10°-14°, biên độ dao động cam 0.01-0.03 m.
  • Thiết bị có độ bền cao, vận hành ổn định, dễ bảo trì và có thể tích hợp với máy cày tay phổ biến.
  • Đề xuất triển khai sản xuất, đào tạo vận hành và nâng cao nhận thức cộng đồng để phát huy hiệu quả thiết bị trong thực tế.

Tiếp theo, cần mở rộng thử nghiệm trên các bãi biển khác và phát triển phiên bản thiết bị tích hợp với các loại máy kéo đa dạng hơn. Các đơn vị liên quan được khuyến khích áp dụng và phối hợp nghiên cứu để hoàn thiện sản phẩm, góp phần bảo vệ môi trường biển và phát triển du lịch bền vững.