Nghiên cứu ứng dụng mô hình tính toán phát triển thải khí nhà kính từ một số hệ thống xử lý nước thải ở việt nam

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 16 Đối tượng nghiên cứu luận án 16 Nội dung nghiên cứu luận án 17 Phạm vi nghiên cứu luận án 17 Phương pháp nghiên cứu luận án 18 Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn luận án 19 Những đóng góp luận án 19 Cấu trúc luận án 19 TỔNG QUAN 22 1.1 Tổng quan biến đổi khí hậu khí nhà kính 22 1.1.1 Lịch sử hội nghị giới khí hậu 22 1.1.2 Khái niệm biến đổi khí hậu 24 1.1.3 Hiệu ứng nhà kính 24 1.1.4 Khí nhà kính nguồn phát thải khí nhà kính 25 1.1.4.1 Khái niệm khí nhà kính 25 1.1.4.2 Các nguồn phát thải khí nhà kính 26 1.1.5 Phát thải khí nhà kính từ nguồn chất thải 29 1.1.6 Phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải 31 1.1.7 Các nguồn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải 34 1.1.7.1 Phát thải khí nhà kính từ sản xuất điện phục vụ hệ thống xử lý 35 1.1.7.2 Phát thải khí nhà kính q trình xử lý nước thải 35 1.2 Tổng quan nghiên cứu tính tốn phát thải khí nhà kính giới Việt Nam 40 1.2.1 Nghiên cứu giới 40 1.2.1.1 Cách tính tốn phát thải khí nhà kính theo IPCC 40 1.2.1.2 Cách tính tốn phát thải khí nhà kính theo Bridle Consulting 48 1.2.1.3 Một số cách tính khác 50 1.2.2 Nghiên cứu nước 53 1.3 Tổng quan tình hình xử lý nước thải Việt Nam 56 1.3.1 Tình hình chung xử lý nước thải sinh hoạt Việt Nam 56 1.3.2 Tình hình chung xử lý nước thải công nghiệp Việt Nam 59 NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP MƠ HÌNH TÍNH TỐN PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH TỪ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 65 2.1 Cách tiếp cận 65 2.2 Quy trình lấy mẫu Khí nhà kính phân tích mẫu khí nhà kính 65 2.2.1 Thiết bị lấy mẫu 65 2.2.2 Phương pháp lấy mẫu 66 2.2.3 Phân tích mẫu khí nhà kính 67 2.3 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải nghiên cứu tính tốn 68 2.4 Phát thải khí nhà kính từ sản xuất điện sử dụng cho hệ thống xử lý nước thải 69 2.5 Phát thải khí nhà kính từ trình xử lý hệ thống nước thải 70 2.5.1 Thiết lập tính tốn điều kiện hiếu khí (hệ thống A) 70 2.5.1.1 Sơ đồ công nghệ 70 3.5.1.2 Tính tốn lượng phát thải khí nhà kính từ bể xử lý hiếu khí 71 2.5.1.3 Tính tốn lượng phát thải khí nhà kính từ bể phân hủy bùn yếm khí 75 2.5.1.4 Tính tốn lượng phát thải khí nhà kính từ phân hủy BOD5 dịng 75 2.5.1.5 Phát thải khí N2O từ hệ thống xử lý 75 2.5.2 Tính tốn hệ thống xử lý yếm khí (hệ thống xử lý B) 78 2.5.3 Tính tốn hệ thống C (Hệ thống xử lý yếm khí – hiếu khí) 80 2.5.4 Tính tốn lượng phát thải khí nhà kính điều kiện khơng ổn định 82 2.6 Xác định hệ số động học hệ thống xử lý 82 2.7 Thiết lập hệ số chuyển đổi (Y) 84 2.7.1 Vi sinh vật phương trình hóa học trình xử lý sinh học 84 2.7.2 Phương trình hóa học xử lý nước thải sinh hoạt 86 2.7.3 Phương trình hóa học xử lý nước thải công nghiệp giấy 91 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 96 3.1 Cấu trúc mơ hình thiết lập sơ đồ khối tính tốn 96 3.1.1 Cấu trúc mơ hình thiết lập 96 3.1.2 Sơ đồ khối tính tốn phát thải KNK từ hệ thống xử lý nước thải 96 3.2 Kiểm nghiệm mơ hình thiết lập theo nghiên cứu trước 100 3.3 Kiểm nghiệm mơ hình thiết lập cho hệ thống xử lý nước thải GOLDMARK 101 3.3.1 Giới thiệu hệ thống GOLDMARK 101 3.3.2 Kiểm nghiệm mơ hình thiết lập cho hệ thống GOLDMARK 103 3.4 Kiểm nghiệm mơ hình thiết lập với kết đo đạc thực địa hệ thống xử lý nước thải GOLDMARK 111 3.5 Phân tích độ nhạy 115 3.6 Phần mềm mô hình thiết lập 115 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 121 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 126 3.9 Ứng dụng mơ hình thiết lập tính tốn cho số hệ thống xử lý nước thải công nghiệp giấy 130 3.9.1 Giới thiệu hệ thống xử lý nước thải cho công ty giấy Bãi Bằng 130 3.9.2 Tính tốn phát thải khí nhà kính hệ thống Giấy Bãi Bằng 130 3.9.3 Tính phát thải KNK hệ thống xử lý nước thải nhà máy giấy Corelex 135 KẾT LUẬN 139 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 140 TÀI LIỆU THAM KHẢO 141 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 potential) Khả gây ấm toàn cầu HSPT : Hệ số phát thải HTXLNT : Hệ thống xử lý nước thải LULUCF : (Land use, land-use change and forestry) Sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất lâm nghiệp IPCC : (Intergovernmental Panel on Climate Change) Ủy ban liên hợp quốc biến đổi khí hậu IPPU : (Industrial Processes and Product Use) Q trình cơng nghiệp sử dụng sản phẩm KNK : Khí nhà kính MB : (Mechanical – Biological treatment) Xử lý sinh học – khí NT : Nước thải OD : (Oxidation ditch) Mương oxi hóa UNEP : (United Nations Environment Programme) Chương trình Liên hiệp quốc môi trường UNFCCC : (United Nations Framework Convention on Climate Change) Công ước Khung Liên hiệp quốc biến đổi khí hậu WCD : (World Commission on Dams) Ủy ban Thế giới Đập WOM : (World Meteorological Organization) Tổ chức Khí tượng Thế giới XL : Xử lý XLNTSH : Xử lý nước thải sinh hoạt XLNTCN : Xử lý nước thải công nghiệp Các ký hiệu sử dụng mơ hình tính toán MCO2, điện Lượng KNK tạo sử dụng điện nhà máy QE Công suất tiêu thụ điện PFi Tỷ lệ phần trăm nguồn nhiên liệu tạo điện EFi Hệ số phát thải KNK theo nguồn phát điện BODkhu,bl Lượng BOD bị khử bể xử lý sơ cấp SSkhu,bl Lượng SS bị khử bể xử lý sơ cấp Prbl,BOD Phần trăm khử BOD5 bể xử lý sơ cấp Prbl,SS Phần trăm khử SS bể xử lý sơ cấp SSo,v Nồng độ chất rắn lơ lửng dòng vào hệ thống ban đầu SSv Nồng độ chất rắn lơ lửng vào bể xử lý sinh học SSr Nồng độ chất rắn lơ lửng dòng So,v Nồng độ chất dòng vào hệ thống ban đầu Sv Nồng độ chất vào bể xử lý sinh học S Nồng độ chất bể xử lý sinh học TNv Nồng độ nito dòng vào hệ thống xử lý TNr Nồng độ nito dòng hệ thống xử lý V Thể tích bể hiếu khí Qo,v Lưu lượng dòng vào hệ thống xử lý Qv Lưu lượng nước thải dòng vào bể xử lý sinh học Qr Lưu lượng nước thải dòng Qbl Lưu lượng xả bùn bể xử lý sơ cấp Qx Lưu lượng xả bùn bể lắng thứ cấp QT Lưu lượng bùn sinh học tuần hoàn Xv Nồng độ sinh khối dòng vào bể xử lý sinh học X Nồng độ sinh khối dị dưỡng bể xử lý sinh học Xnb Nồng độ chất rắn không phân hủy sinh học Xnit Nồng độ sinh khối nitrat hóa Xr Nồng độ sinh khối dòng XT Nồng độ bùn tuần hoàn rx Tốc độ tăng trưởng thực sinh khối bể sinh học rs Tốc độ sử dụng chất bể xử lý sinh học Y Hệ số suất sử dụng chất cực đại K Tốc độ sử dụng chất riêng cực đại Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại µm kd Hệ số phân hủy nội bào KS Hằng số bán bão hòa chất kgCO2-td/ng kWh/ng % kgCO2-td/kWh g/ng g/ng % % mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l m3 m3/ng m3/ng m3/ng m3/ng m3/ng m3/ng mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l g/m3ngày g/m3ngày mg/mg mg/mg.ng mg/mg.ng l/s g/m3; mg/l KN SRT HRT fd PX MCO2 Tiền tố: - an -tđ - qtxl - htxlnt - htxlyk - bexl - bexlyk - bephanhuy - dongra - manhvotebao - phanhuy - bunsinhhoc - rori - bio - nbVSS Hằng số bán bão hòa NH4-N tuổi bùn Thời gian lưu thủy lực phần sinh khối thu từ mảnh vụn tế bào Lượng bùn tạo bể xử lý sinh học Khối lượng khí CO2 g/m3; mg/l ngày g/ng; kg/ng kg/ng Yếm khí Tương đương Q trình xử lý Hệ thống xử lý nước thải Hệ thống xử lý yếm khí Bể xử lý Bể xử lý yếm khí Bể phân hủy Dịng Mảnh vỡ tế bào Phân hủy Bùn sinh học Rò rỉ Sinh học Hàm lượng sinh khối không phân hủy sinh học ...tốn phát thải KNK từ hệ thống xử lý nước thải Sơ đồ khối tính tốn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải thể 06 sơ đồ Phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải gồm phát thải ... sát số yếu tố ảnh hưởng khả phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải; xác định số hệ số phát thải khí nhà kính từ số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt nước thải sản xuất giấy Việt Nam. .. Nam; - Tính tốn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải (nước thải sinh hoạt nước thải công nghiệp giấy) Việt Nam; đề xuất số hệ số phát thải khí nhà kính hệ thống xử lý nước thải sinh