Nghiên cứu ứng dụng mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ một số hệ thống xử lý nước thải ở Việt Nam (Luận án tiến sĩ)

Nghiên cứu ứng dụng mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ một số hệ thống xử lý nước thải ở Việt Nam (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu ứng dụng mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ một số hệ thống xử lý nước thải ở Việt Nam (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu ứng dụng mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ một số hệ thống xử lý nước thải ở Việt Nam (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu ứng dụng mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ một số hệ thống xử lý nước thải ở Việt Nam (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu ứng dụng mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ một số hệ thống xử lý nước thải ở Việt Nam (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu ứng dụng mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ một số hệ thống xử lý nước thải ở Việt Nam (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu ứng dụng mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ một số hệ thống xử lý nước thải ở Việt Nam (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu ứng dụng mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ một số hệ thống xử lý nước thải ở Việt Nam (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu ứng dụng mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ một số hệ thống xử lý nước thải ở Việt Nam (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu ứng dụng mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ một số hệ thống xử lý nước thải ở Việt Nam (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu ứng dụng mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ một số hệ thống xử lý nước thải ở Việt Nam (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu ứng dụng mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ một số hệ thống xử lý nước thải ở Việt Nam (Luận án tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Vân Anh NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH TỪ MỘT SỐ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Vân Anh NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH TỪ MỘT SỐ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI Ở VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số : 9520320 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Đặng Xuân Hiển HÀ NỘI - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực, khách quan chưa tác giả khác công bố Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận án cảm ơn, thơng tin trích dẫn luận án rõ nguồn gốc Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 2019 Người hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS.TS Đặng Xuân Hiển Nguyễn Thị Vân Anh LỜI CẢM ƠN Quá trình nghiên cứu sinh chặng đường thật dài, khó khăn vất vả mang đến cho trải nghiệm nhiều thú vị, nhiều cung bậc cảm xúc Hành trình học tập tích lũy cho thêm nhiều kiến thức khoa học, nhiều kinh nghiệm lĩnh vực nghiên cứu rèn luyện thân thêm vững vàng sống Trước tiên, xin trân trọng cảm ơn thầy cô giáo Viện Khoa học Công nghệ môi trường, Trường đại học Bách khoa Hà Nội, nơi trải qua thời kỳ học tập từ sinh viên đại học, nghiên cứu luận văn thạc sỹ đến nghiên cứu luận án tiến sĩ Các thầy cô ln tận tình, tâm huyết truyền tải cho tơi kiến thức, kinh nghiệm chun mơn bổ ích để tơi tự tin q trình cơng tác Khi nghiên cứu luận án tiến sĩ thầy ln góp ý chân thành, chia sẻ kinh nghiệm quý báu tạo điều kiện tốt cho tơi để tơi hồn thành luận án Tôi xin bày tỏ cảm động biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Đặng Xuân Hiển, người thầy hướng dẫn khoa học, định hướng, dẫn tận tụy hỗ trợ cho trình nghiên cứu viết luận án tiến sĩ Tôi xin trân trọng cảm ơn sâu sắc đến TS.Nguyễn Đức Tồn, Bộ Tài ngun Mơi trường, người lắng nghe, đồng hành, cho lời khuyên, động viên, nhiệt tình hỗ trợ giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu Tơi xin trân trọng cảm ơn đến anh Nguyễn Duy Hùng - Vụ khoa học công nghệ Bộ Tài nguyên Môi trường, anh Phạm Tiến Nhất – Trung tâm Tư vấn Công nghệ môi trường, Tổng cục Môi trường – Bộ Tài nguyên Môi trường, chị Đỗ Kim Chi Trung tâm phân tích chuyển giao cơng nghệ mơi trường - Viện Môi trường nông nghiệp, em kỹ sư công nghệ thông tin Bùi Việt Thành, Nguyễn Thành Long, người ln quan tâm giúp đỡ để tơi hồn thành luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban quản lý dự án tòa nhà GOLDMARK, Nhà máy giấy Bãi Bằng, Công ty Môi trường Anh Dũng, Công ty Môi trường Minh Thái, Công ty cổ phần kỹ thuật ELCOM, người bạn, người thân hỗ trợ tơi nhiều q trình nghiên cứu luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn đến tình cảm Ban lãnh đạo, anh, chị, em đồng nghiệp Trung tâm Tư vấn Công nghệ môi trường, Tổng cục môi trường, nơi công tác, tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tơi q trình nghiên cứu viết luận án Và cuối cùng, xin bày tỏ biết ơn đặc biệt, sâu sắc đến bố mẹ tôi, chồng tôi, người sát cánh bên tôi, đồng hành tôi, dành cho quan tâm đặc biệt, hỗ trợ vật chất tinh thần, nguồn động lực cho q trình nghiên cứu hồn thành luận án Một lần nữa, xin trân trọng cảm ơn tất cả! Hà Nội, ngày … tháng … năm 2019 Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Vân Anh MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 11 MỞ ĐẦU 14 Tính cấp thiết luận án 14 Mục tiêu nghiên cứu luận án 17 Đối tượng nghiên cứu luận án 17 Nội dung nghiên cứu luận án 17 Phạm vi nghiên cứu luận án 18 Phương pháp nghiên cứu luận án 18 Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn luận án 19 Những đóng góp luận án 20 Cấu trúc luận án 20 TỔNG QUAN 23 1.1 Tổng quan biến đổi khí hậu khí nhà kính 23 1.1.1 Lịch sử hội nghị giới khí hậu 23 1.1.2 Khái niệm biến đổi khí hậu 25 1.1.3 Hiệu ứng nhà kính 25 1.1.4 Khí nhà kính nguồn phát thải khí nhà kính 26 1.1.4.1 Khái niệm khí nhà kính 26 1.1.4.2 Các nguồn phát thải khí nhà kính 27 1.1.5 Phát thải khí nhà kính từ nguồn chất thải 30 1.1.6 Phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải 33 1.1.7 Các nguồn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải 35 1.1.7.1 Phát thải khí nhà kính từ sản xuất điện phục vụ hệ thống xử lý 36 1.1.7.2 Phát thải khí nhà kính q trình xử lý nước thải 36 1.2 Tổng quan nghiên cứu tính tốn phát thải khí nhà kính giới Việt Nam 41 1.2.1 Nghiên cứu giới 41 1.2.1.1 Cách tính tốn phát thải khí nhà kính theo IPCC 41 1.2.1.2 Cách tính tốn phát thải khí nhà kính theo Bridle Consulting 49 1.2.1.3 Một số cách tính khác 51 1.2.2 Nghiên cứu nước 54 1.3 Tổng quan tình hình xử lý nước thải Việt Nam 57 1.3.1 Tình hình chung xử lý nước thải sinh hoạt Việt Nam 57 1.3.2 Tình hình chung xử lý nước thải công nghiệp Việt Nam 60 NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP MƠ HÌNH TÍNH TỐN PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH TỪ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 66 2.1 Cách tiếp cận 66 2.2 Quy trình lấy mẫu Khí nhà kính phân tích mẫu khí nhà kính 66 2.2.1 Thiết bị lấy mẫu 66 2.2.2 Phương pháp lấy mẫu 67 2.2.3 Phân tích mẫu khí nhà kính 71 2.3 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải nghiên cứu tính tốn 72 2.4 Phát thải khí nhà kính từ sản xuất điện sử dụng cho hệ thống xử lý nước thải 74 2.5 Phát thải khí nhà kính từ trình xử lý hệ thống nước thải 74 2.5.1 Thiết lập tính tốn điều kiện hiếu khí (hệ thống A) 74 2.5.1.1 Sơ đồ công nghệ 74 3.5.1.2 Tính tốn lượng phát thải khí nhà kính từ bể xử lý hiếu khí 75 2.5.1.3 Tính tốn lượng phát thải khí nhà kính từ bể phân hủy bùn yếm khí 79 2.5.1.4 Tính tốn lượng phát thải khí nhà kính từ phân hủy BOD5 dòng 79 2.5.1.5 Phát thải khí N2O từ hệ thống xử lý 79 2.5.2 Tính tốn hệ thống xử lý yếm khí (hệ thống xử lý B) 82 2.5.3 Tính tốn hệ thống C (Hệ thống xử lý yếm khí – hiếu khí) 84 2.5.4 Tính tốn lượng phát thải khí nhà kính điều kiện khơng ổn định 86 2.6 Xác định hệ số động học hệ thống xử lý 86 2.7 Thiết lập hệ số chuyển đổi (Y) 88 2.7.1 Vi sinh vật phương trình hóa học trình xử lý sinh học 88 2.7.2 Phương trình hóa học xử lý nước thải sinh hoạt 90 2.7.3 Phương trình hóa học xử lý nước thải công nghiệp giấy 95 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 100 3.1 Cấu trúc mơ hình thiết lập sơ đồ khối tính tốn 100 3.1.1 Cấu trúc mơ hình thiết lập 100 3.1.2 Sơ đồ khối tính tốn phát thải KNK từ hệ thống xử lý nước thải 100 3.2 Kiểm nghiệm mơ hình thiết lập theo nghiên cứu trước 104 3.3 Kiểm nghiệm mô hình thiết lập cho hệ thống xử lý nước thải GOLDMARK 105 3.3.1 Giới thiệu hệ thống GOLDMARK 105 3.3.2 Kiểm nghiệm mơ hình thiết lập cho hệ thống GOLDMARK 107 3.4 Kiểm nghiệm mơ hình thiết lập với kết đo đạc thực địa hệ thống xử lý nước thải GOLDMARK 115 3.5 Phân tích độ nhạy 119 3.6 Phần mềm mơ hình thiết lập 120 3.7 Ứng dụng mơ hình thiết lập mô ảnh hưởng số yếu tố nhiệt độ, nồng độ chất tuổi bùn đến khả phát thải khí nhà kính hệ thống xử lý nước thải GOLDMARK 126 3.8 Ứng dụng mơ hình thiết lập tính tốn phát thải KNK cho số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt Việt Nam 131 3.9 Ứng dụng mơ hình thiết lập tính tốn cho số hệ thống xử lý nước thải công nghiệp giấy 135 3.9.1 Giới thiệu hệ thống xử lý nước thải cho công ty giấy Bãi Bằng 135 3.9.2 Tính tốn phát thải khí nhà kính hệ thống Giấy Bãi Bằng 135 3.9.3 Tính phát thải KNK hệ thống xử lý nước thải nhà máy giấy Corelex 140 KẾT LUẬN 143 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AFOLU : (Agriculture, Forestry, and Other Land Use) Nông nghiệp, Lâm nghiệp sử dụng đất khác ASM : (Activated Sludge Modle) Mơ hình bùn hoạt tính BĐKH : Biến đổi khí hậu BOD : (Biochemical Oxygen Demand) Nhu cầu oxi sinh hóa BVMT : Bảo vệ môi trường BCLCTR : Bãi chôn lấp chất thải rắn CDM : (Clean Development Mechanism) Cơ chế phát triển COD : (Chemical oxygen demand) Nhu cầu oxi hóa học COP : (Conference of the Parties) Hội nghị bên ICSU : (International Council for Science) Hội đồng Quốc tế Liên hiệp Khoa học EU : (European Union) Liên minh châu Âu GWP : (Global warming poteniấy Bãi Bằng Hệ thống xử lý QE (kWh/ng) Hệ thống Giấy Bãi Bằng 2.406,76  (PF *EF ) i i (gCO2tđ/kWh) 443,22 PCO2,điện (kgCO2tđ/ng) PCO2,điện (tấnCO2tđ/năm 1.066,73 389,35 c Thông số vận hành hệ thống xử lý Bảng 3.24 Thông số vận hành hệ thống Giấy Bãi Bằng Thông số Qo,v So,v Sr SSo,v Nv Nr V HRT SRT Đơn vị m3/ng mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l m3 Ngày ngày Giá trị 8.000 650 212,58 400 - - 2.633 0,33 35 Sau hiệu chỉnh hệ số động học Mơ hình qua nồng độ dòng BOD5 hệ thống, có bảng hệ số động học sau: Bảng 3.25 Bảng hệ số động học hệ thống Giấy Bãi Bằng Hệ số động học k KS Y kd fd Đơn vị Giá trị 2,9 mg/l 360 mg/mg 0,08 1/ng 0,03 0,15 Bảng 3.26 Kết chạy hiệu chỉnh mô hình Hệ thống xử lý Giấy Bãi Bằng BOD5 đầu theo mơ hình (mg/l) 121,58 BOD5 đầu hệ thống (mg/l) 122,05 136 Thay thông số hệ thống vào phương trình 2.51 2.52, có hệ phương trình sau: dS 455 S 0, 232* X * S = − − dt 0,33 0, 23 0,08*(360 + S ) dX 90 X  0,08*2,9* S  = − + − 0,15  * X dt 0, 23 35,0  360 + S  Giải hệ phương trình vi phân Mathematica với liệu ban đầu sau: Tại thời điểm ban đầu t=0; S = 455(mg/l); X = 90 (mg/l) S chạy từ (455 mg/l đến mg/l) X chạy từ (90 mg/l đến 4.000mg/l) Kết sau: Hình 3.36 Biểu đồ diễn biến nồng độ sinh khối X BOD5 dòng theo thời gian HTXLT Giấy Bãi Bằng 137 Như vậy, với thông số dòng vào hệ thống xử lý, sau 50 ngày hệ thống xử lý vào hoạt động ổn định Và tính tốn thiết lập mơ hình trạng thái ổn định Bảng 3.27 Bảng hệ số chuyển đổi Y hệ thống Giấy Bãi Bằng Hệ số YanCO2 YanCH4 Yan VSS Q trình yếm khí Đơn vị gCO2/gBOD gCH4/gBOD gVSS/gBOD Giá trị 0,43 0,24 Hệ số YCO2,dr YCH4,dr Phân hủy yếm khí Đơn vị gCO2/gBOD gCH4/gBOD Giá trị 0,45 0,24 0,06 YVSS,dr gVSS/gBOD 0,04 YdrCO2,phanhuy YdrCH4,phanhuy Phân hủy sinh khối gCO2/gVSS gCH4/gVSS 0,58 0,35 Phân hủy nội bào yếm khí Yan CO2,phanhuy gCO2/gVSS 0,58 an Y CH4,phanhuy gCH4/gVSS 0,35 Quá trình đốt YCH4,dot gCO2/gCH4 2,75 Nhập liệu hệ thống xử lý vào mô hình: thơng số tiêu thụ điện năng; thơng số dòng vào, dòng hệ thống xử lý; hệ số động học hệ thống xử lý, hệ số chuyển đổi Y hệ thống xử lý Qua mơ hình tính tốn, kết phát thải khí nhà kính hệ thống Giấy Bãi Bằng sau: Bảng 3.28 Kết tính tốn hệ thống Giấy Bãi Bằng theo mơ hình Phát thải KNK (kgCO2tđ/ng) Phát thải KNK (tấnCO2tđ/năm) Từ sản xuất điện phục vụ HTXLNT 1.066,73 389,35 Tiêu thụ điện 1.066,73 389,35 0,13 0,13 18.613,94 6.794,09 16.810,41 6.135,8 Nguồn phát thải A A.1 A.2 B.1 Tỷ lệ phát thải KNK từ điện (kgCO23 tđ/m nt) Từ q trình xử lý nước thải (Trường hợp phóng khơng khí CH4: TH1) B.1.1 Bể xử lý yếm khí B1.2 Bể phân hủy bùn yếm khí 674,48 246,19 B.1.3 Phân hủy BOD5 dòng 1.129,05 412,11 3,58 3,58 4.823,23 1.760,48 B.1.5 B.2 Hệ số phát thải KNK TH1 (kgCO2tđ/kgBOD5) Từ trình xử lý nước thải (Trường hợp phóng thu hồi đốt khí CH4: TH2) B.2.1 Bể xử lý yếm khí 3.554,52 1.297,4 B.2.2 Bể phân hủy bùn yếm khí 139,658 50,98 B.2.3 Phân hủy BOD5 dòng 1.129,05 412,11 138 ... khí nhà kính từ số hệ thống xử lý nước thải Việt Nam bước Việt Nam, luận án đạt kết sau: - Đã thiết lập mơ hình số ứng dụng tính tốn phát thải khí nhà kính từ số hệ thống xử lý nước thải sinh... lập để tính tốn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải số nhà máy như: nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt Yên Sở, Nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt Kim Liên, nhà máy xử lý nước thải. .. thải khí nhà kính từ nguồn chất thải 30 1.1.6 Phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải 33 1.1.7 Các nguồn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải 35 1.1.7.1 Phát