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 tt

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 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MƠI TRƯỜNG HÀ NỘI - 2019 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Xuân Hiển Phản biện 1: PGS.TS Trịnh Văn Tuyên Phản biện 2: PGS.TS Đỗ Quang Trung Phản biện 3: GS.TS Nguyễn Thị Kim Thái Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi…… giờ, ngày … tháng … năm … Có thể tìm hiểu luận án Thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Các tượng lũ lụt, hạn hán cháy rừng, băng đá Bắc cực tan chảy, nhiều trận bão khốc liệt, nhiều sóng thần, nhiều đợt nóng gay gắt, nhiều rừng bị tàn phá nhanh chóng, sa mạc ngày lan rộng, nhiều sinh vật bị diệt chủng không ngừng xảy năm gần Đó ảnh hưởng biến đổi khí hậu tác động mạnh mẽ đến mơi trường trái đất đời sống người Nguyên nhân làm biến đổi khí hậu trái đất gia tăng hoạt động tạo chất thải khí nhà kính (KNK), đó, hoạt động sinh sống sản xuất người nguồn phát thải Các loại KNK chủ yếu phát sinh khối chất thải gồm: Khí Carbon dioxide (CO2), methane (CH4), and nitrous oxide (N2O) Hiện nay, Việt Nam, tỷ lệ đóng góp phát thải khí nhà kính từ lĩnh vực chất thải chưa nhiều, số thống kê phát thải khí nhà kính từ chất thải cịn thiếu nhiều, đặc biệt từ hệ thống xử lý nước thải bỏ ngỏ tổng kiểm kê quốc gia phát thải KNK Việc đo đạc trực tiếp phát thải KNK từ hệ thống xử lý nước thải khó khăn tốn nên có mơ hình tính tốn phát thải khí nhà kính giúp giảm thiểu chi phí đo đạc, chi phí nhân cơng, nhanh chóng có số liệu dự báo lượng phát thải KNK cần thiết Trên giới phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải ngày quan tâm nhiều hơn, đồng hành cần thiết phải xử lý nước thải dòng đạt tiêu chuẩn cho phép Nắm bắt tình hình luận án “Nghiên cứu ứng dụng mơ hình tính tốn phát thải khí nhà kính từ số hệ thống xử lý nước thải Việt Nam” tập trung nghiên cứu thiết lập mơ hình tính tốn phát thải khí nhà kính từ số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt nước thải công nghiệp sản xuất giấy Việt Nam ứng dụng mơ hình thiết lập tính tốn cho số hệ thống xử lý nước thải Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu luận án - Thiết lập mơ hình tính tốn phát thải khí nhà kính từ số hệ thống xử lý nước thải (nước thải sinh hoạt nước thải công nghiệp giấy) Việt Nam; - Tính tốn phát thải khí nhà kính từ số 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 hoạt hệ thống xử lý nước thải giấy Việt Nam Đối tượng nghiên cứu luận án Một số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt hệ thống xử lý nước thải công nghiệp giấy Việt Nam như: Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tòa nhà GOLDMARK, Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt Yên Sở, Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt Trúc Bạch, Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt Kim Liên, Hệ thống xử lý nước thải giấy Bãi Bằng, Hệ thống xử lý nước thải giấy Corelex Nội dung nghiên cứu luận án + Nghiên cứu tổng quan: biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính, phát thải khí nhà kính từ nguồn nước thải chất thải; tình hình nước thải chất thải Việt Nam; tính tốn phát thải khí nhà kính mơ hình tính tốn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải chất thải giới Việt Nam; + Nghiên cứu thiết lập mô hình tốn tính tốn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt nước thải công nghiệp giấy; xây dựng code số (phần mềm) với giao diện thuận tiện dễ sử dụng; Hiệu chỉnh kiểm nghiệm mơ hình thu với nghiên cứu trước kiểm nghiệm mơ hình qua số liệu đo đạc thực nghiệm + Ứng dụng mơ hình tính tốn phát thải khí nhà kính cho số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt nước thải sản xuất giấy (Nhà máy xử lý nước thải Yên Sở, Nhà máy xử lý nước thải Kim Liên, Nhà máy xử lý nước thải Trúc Bạch, Nhà máy xử lý nước thải giấy Bãi Bằng, Nhà máy xử lý nước thải giấy Corelex); + Xác định 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 hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt nước thải sản xuất giấy Việt Nam Phạm vi nghiên cứu luận án Phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải: luận án tập trung vào số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt (đây loại hình phổ biến có lưu lượng thải lớn Việt Nam) hệ thống xử lý nước thải cơng nghiệp giấy (đây loại hình có tỷ lệ thải nước/tấn sản phẩm lớn loại nước thải công nghiệp) Nguồn phát thải KNK từ hệ thống xử lý nước thải gồm nguồn phát thải gián tiếp nguồn phát thải trực tiếp Trong nguồn phát thải gián tiếp, luận án tính đến phát thải khí nhà kính từ sản xuất điện để sử dụng trình xử lý Trong nguồn phát thải trực tiếp, luận án tính đến phát thải khí nhà kính từ bể xử lý hiếu khí, bể xử lý yếm khí bể phân hủy bùn yếm khí Độ lớn phát thải khí nhà kính hệ thống xử lý tính tổng phát thải KNK từ nguồn Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng Phương pháp thu thập thông tin liệu; Phương pháp hồi cứu; Phương pháp mơ hình hóa; Phương pháp điều tra, khảo sát trường; Phương pháp thực nghiệm lấy mẫu khí nhà kính; Phương pháp phân tích cơng cụ; Phương pháp thống kê Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn luận án - Tại Việt Nam, luận án nghiên cứu thiết lập mơ hình tính tốn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải bước mang tính thực tiễn cao; - Luận án đóng góp phần giải pháp vấn đề bỏ ngỏ kiểm kê khí nhà kính Việt Nam; Các nhà kiểm kê khí nhà kính Việt Nam sử dụng mơ hình, thường xun cập nhật lượng phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải, từ đưa giải pháp giảm thiểu, xây dựng kế hoạch giảm nhằm giảm nhẹ biến đối khí hậu, hướng tới kinh tế bon thấp, phục vụ phát triển bền vững; - Luận án làm tài liệu tham khảo trường đại học, mở hướng tiếp cận tính tốn phát thải khí nhà kính Những đóng góp luận án - Lần thiết lập mơ hình tính tốn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải dựa phương trình động học Monod cải tiến (phương trình Herbert), phương trình cân khối lượng chất phương trình cân sinh khối, cân hóa học xảy cơng trình xử lý nước thải để tính tốn lượng phát thải khí nhà kính từ thống xử lý nước thải sinh hoạt nước thải công nghiệp giấy Việt Nam; - Luận án xác định số hệ số phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt hệ thống xử lý nước thải sản xuất giấy Việt Nam; - Đã thử nghiệm mô hình thiết lập để tính tốn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt từ khu nhà GOLDMARK cho kết khả quan Việc ứng dụng mơ hình cho phép giảm chi phí lấy mẫu, đo đạc, phân tích đạt kết nhanh chóng q trình kiểm kê khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt nước thải giấy Việt Nam; - Mơ hình số thiết lập cho phép nhanh chóng tính tốn lượng (tiềm năng) phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt nước thải sản xuất giấy Việt Nam Cấu trúc luận án - Phần mở đầu: trình bày tính cấp thiết luận án nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học tính luận án - Chương 1: trình bày tổng quan biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính, phát thải khí nhà kính từ nguồn nước thải; tổng quan nghiên cứu tính tốn phát thải khí nhà kính mơ hình tính tốn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải giới Việt Nam; tổng quan tình hình nước thải sinh hoạt nước thải cơng nghiệp giấy Việt Nam - Chương 2: trình bày đối tượng nghiên cứu luận án số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt nước thải công nghiệp giấy Việt Nam; phương pháp lấy mẫu phân tích khí nhà kính (CO2, CH4 N2O); q trình thiết lập mơ hình tốn tính tốn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt nước thải công nghiệp giấy; xây dựng code số (phần mềm) với giao diện thuận tiện dễ sử dụng - Chương 3: trình bày kết thảo luận luận án gồm phần hiệu chỉnh kiểm nghiệm mô hình; ứng dụng mơ hình thiết lập tính tốn phát thải khí nhà kính cho số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt nước thải sản xuất giấy Việt Nam (Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt GOLDMARK, Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt Yên Sở, Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt Kim Liên, Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt Trúc Bạch, Hệ thống xử lý nước thải giấy Bãi Bằng, Hệ thống xử lý nước thải giấy Corelex); Xác định 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 Cuối phần kết luận, danh mục cơng trình cơng bố luận án tài liệu tham khảo CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan biến đổi khí hậu khí nhà kính 1.1.1 Lịch sử hội nghị giới khí hậu 1.1.2 Khái niệm biến đổi khí hậu 1.1.3 Hiệu ứng nhà kính 1.1.4 Khí nhà kính nguồn phát thải khí nhà kính 1.1.5 Phát thải khí nhà kính từ nguồn chất thải 1.1.6 Phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải 1.1.7 Các nguồn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải 1.2 Tổng quan nghiên cứu tính tốn phát thải khí nhà kính giới Việt Nam 1.2.1 Nghiên cứu giới 1.2.1.1 Cách tính tốn phát thải khí nhà kính theo IPCC Thực kiểm kê quốc gia khí nhà kính, Phương pháp IPCC sử dụng cho tất quốc gia giới, từ nước phát triển, nước phát triển đến nước chưa phát triển; áp dụng cho tất đối tượng từ đối tượng có liệu thu thập đầy đủ, đến đối tượng thiếu hay liệu với đối tượng khác cấp tính tốn tương ứng Phương pháp IPCC có đối tượng áp dụng rộng, phạm vi lớn, dẫn đến sai số nhiều, hệ số mặc định phù hợp với quốc gia với quốc gia khác chưa phù hợp Tại Việt Nam, việc thu thập liệu hoạt động cịn gặp nhiều khó khăn, việc kết hợp cung cấp thơng tin Bộ, ban ngành cịn chưa chặt chẽ, liệu thiếu nhiều, chưa đồng bộ, hệ số mặc định chưa phù hợp với thực tế Việt Nam, nên kết kiểm kê có độ chắn cịn chưa cao Các thông số xác định phát thải KNK từ nước thải sinh hoạt theo IPCC dân số, khả phát thải BOD/người, hệ số mặc định Các hệ số lựa chọn phụ thuộc vào tỷ lệ dân số thành thị hay nông thôn, thu nhập cao hay thu nhập thấp phụ thuộc phương pháp xử lý nước thải Các thông số xác định phát thải KNK từ nước thải công nghiệp theo IPCC tổng sản phẩm loại công nghiệp, khả phát thải COD/m3 nước thải, hệ số mặc định Các hệ số lựa chọn theo vào loại hình cơng nghiệp Mỗi quốc gia có hệ số mặc định cụ thể Đối với Việt Nam, chưa có hệ số cụ thể riêng cho quốc gia nên tính tốn sử dụng nước có tính chất tương tự Mỗi thơng số lựa chọn gặp rủi ro khả sai số cao Do đó, sử dụng phương pháp để tính phát thải KNK cho hệ thống xử lý cụ thể sai số cịn nhiều 1.2.1.2 Cách tính tốn phát thải khí nhà kính theo Bridle Consulting Năm 2007, Bridle thiết lập cơng thức tính tốn phát thải KNK cho HTXLNT, thực sheet excel để tính tốn Mơ hình Bridle chia hệ thống thành tiểu mục nơi mà xảy phát thải khí nhà kính hệ thống : xử lý sinh học, phân hủy bùn, tái sử dụng bùn, sử dụng hóa chất, tiêu thụ lượng sử dụng khí biogas [47,48] Qua phương trình hệ số chuyển đổi, phát thải KNK tính tốn tiểu mục tồn hệ thống 1.2.1.3 Một số cách tính khác Những năm gần giới có nhiều nghiên cứu phát thải khí nhà kính như: Năm 2009, Laleh Yerushalmi, Fariborz Haghighat and Maziar Bani Shahabadi nghiên cứu đóng góp hoạt động xử lý trực tiếp gián tiếp tới phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải Nghiên cứu thực hệ thống xử lý nước thải chế biến thực phẩm, với hệ thống thiết kế hệ xử lý phương pháp hiếu khí, yếm khí phương pháp kết hợp hiếu khí – yếm khí, vận hành phân hủy bùn yếm khí 02 kịch có thu hồi khí biogas sử dụng cho mục đích lượng phóng khơng, khơng thu hồi khí biogas Nghiên cứu sử dụng mơ hình toán học chi tiết phát triển Bani Shahabadi et al tính tốn phát thải khí CH4 CO2 trực tiếp gián tiếp từ hệ thống xử lý nước thải Khi tính tốn phát thải khí nhà kính trực tiếp từ hệ thống xử lý với thông số dịng vào đặc tính nước thải thơng số q trình xử lý, sử dụng cân khối lượng, mối quan hệ động học cân hóa học phát thải liên quan đến nhu cầu lượng gia nhiệt, sử dụng điện tính từ hệ số phát thải IPCC [49] Năm 2009, Marlies J Kampschreur, Hardy Temmink, Robbert Kleerebezem, Mike S.M Jetten, Mark C.M van Loosdrecht nghiên cứu đến phát thải khí N2O hệ thống xử lý nước thải Nghiên cứu dựa phép đo quy mơ phịng thí nghiệm trường [50] Năm 2011, Semi Rana Das, nghiên cứu tính tốn phát thải khí nhà kính từ nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt Winsor Nghiên cứu tính phát thải khí nhà kính gián tiếp (gồm phát thải từ sử dụng điện nhiên liệu dung cho vận hành nhà máy) phát thải khí nhà kính trực tiếp (phát thải từ thân q trình xử lý) Nghiên cứu sử dụng phương trình cân khối lượng, hệ số động học tỷ lượng q trình xử lý để tính tốn phát thải [13] Năm 2012, Diksha Gupta, Santosh Kumar Singh nghiên cứu tính tốn phát thải khí nhà kính từ nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt Uttar Pradesh, Noida Nghiên cứu tập trung tính tốn phát thải khí CH4 N2O từ nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt khí CO2 từ việc tạo điện cho nhà máy (cụ thể sử dụng than đá tạo lượng điện cho trình xử lý) Nghiên cứu sử dụng hướng dẫn IPCC 2006 để tính tốn thời gian thu thập liệu tính tốn suốt năm 2011 (từ tháng 1/2011 đến tháng 12/2011) [51] Năm 2012, O Ashrafi, L Yerushalmi, F Haghighat nghiên cứu mơ hình tốn học phát thải khí nhà kính từ nhà máy xử lý nước thải điều kiện trạng thái ổn định điều kiện động học Nghiên cứu thực nước thải công nghiệp giấy, với 03 hệ thống thử nghiệm hệ xử lý yếm khí, hệ xử lý hiếu khí hệ sử lý lai ghép (kết hợp xử lý yếm khí sau hiếu khí) Phát thải khí nhà kính tính tốn mơ hình tĩnh mơ hình động học [32] Năm 2013, Y.G Rena, J.H Wangb, H.F Lic, J Zhanga, P.Y Qia and Z Hua nghiên cứu phát thải khí N2O khí CH4 từ nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt khác miền Bắc Trung Quốc Nghiên cứu thực phép đo liên tục khí N2O khí CH4 suốt tháng từ tháng 3/2011- tháng 6/2011 Nghiên cứu thiết lập sở liệu phát thải N2O CH4 từ nhà máy xử lý khác việc sử dụng q trình bùn hoạt tính khác thơng qua mẫu trực tiếp thí nghiệm phịng thí nghiệm xác định hệ số ảnh hưởng phát thải CH4 N2O từ trình bùn hoạt tính [52] Năm 2014, Jin Chang, Daeseung Kyung and Woojin Lee nghiên cứu thiết lập mơ hình tính toán phát thải KNK gián tiếp trực tiếp từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt, sử dụng cơng nghệ sinh học hỗn hợp gồm yếm khí, thiếu khí hiếu khí, nghiên cứu có tính đến thu hồi tái sử dụng khí sinh học [54] Trên giới, bên cạnh việc xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn cho phép với chi phí thấp, có nhiều nghiên cứu trọng đến việc phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải dựa mơ hình tốn Tiếp cận xu thế giới, đề tài luận án tập trung thiết lập mơ hình tính tốn phát thải khí nhà kính từ số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt nước thải công nghiệp giấy dựa cân khối lượng chất, cân khối lượng sinh khối, cân hóa học xảy hệ thống xử lý, thiết lập hệ số suất tạo KNK (Y) xác định hệ số động học hệ thống xử lý 1.2.2 Nghiên cứu nước Tại Việt Nam, nghiên cứu tính tốn phát thải khí nhà kính phần lớn tập trung vào lĩnh vực lượng, nơng nghiệp, việc tính tốn phát thải khí nhà kính từ chất thải khơng nhiều, có đa số tập trung nghiên cứu phát thải khí nhà kính từ bãi chơn lấp Có thể nói, lần luận án nghiên cứu thiết lập mô hình tính tốn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải Việt Nam Đây bước mang tính thực tiễn cao Việt Nam Qua trình nghiên cứu tổng quan nghiên cứu tính tốn phát thải khí nhà kính từ nước thải giới, nghiên cứu tổng quan tình hình xử lý nước thải Việt Nam, đề tài luận án tập trung thiết lập mô hình tính tốn dựa mơ hình Herbert (là mơ hình monod cải biên, có tính đến hệ số phân rã nội sinh vi sinh vật kd), cân khối lượng, cân hóa học (với giả thiết nước thải SH: công thức kinh nghiệm C10H19NO3 sử dụng đại diện cho chất; nước thải CN giấy: công thức kinh nghiệm C7H12O4N sử dụng đại diện cho chất, chất hữu C5H7O2N sử dụng đại diện cho sinh khối xẩy q trình xử lý nước thải), mơ hình thiết lập tính tốn phát thải KNK hệ thống xử lý gồm phát thải từ trình sử dụng điện từ trình xử lý hệ thống Tiếp đó, luận án tập trung thiết lập phần mềm mơ hình với giao diện thuận tiện dễ sử dụng, có tính ứng dụng cao hệ thống xử lý nước thải trình thiết kế hệ thống xử lý, giúp giảm chi phí nhân cơng, đo đạc phân tích Mơ hình kiểm nghiệm với nghiên cứu trước kiểm nghiệm qua đo đạc phân tích thực nghiệm để đảm bảo độ xác mơ hình 1.3 Tổng quan tình hình xử lý nước thải Việt Nam 1.3.1 Tình hình chung xử lý nước thải Việt Nam a Về nước thải sinh hoạt: Là loại hình xử lý nước thải phổ biến Việt Nam Tại Việt Nam, nước thải sinh hoạt chiếm khoảng 80% tổng số nước thải thành phố, ngun nhân gây nên tình trạng nhiễm nước vấn đề có xu hướng ngày xấu b Về nước thải công nghiệp Việt Nam Nước thải cơng nghiệp giấy: Là loại hình có tỷ lệ thải nước/tấn nhà kính (CH4, N2O CO2) phân tích thiết bị sắc ký khí (GC-2014) Hệ thống sắc ký khí (GC-2014) sản xuất Công ty Shimazu, Nhật Bản, trang bị đầu dị (detector) dùng cho phân tích khí nhà kính, bao gồm: Đầu dị dẫn nhiệt (TCD); Đầu dị Ion hóa lửa (FID); Đầu dị cộng kết điện tử Mẫu khí tiêm vào máy phân tích qua van cố định Kết phân tích khí nhà kính phịng thí nghiệm nồng độ ppm Dữ liệu thơ từ phịng thí nghiệm nồng độ ppm chuyển thành nồng độ mg/m3 theo công thức sau: mg CKNK ( ) m = ( Cppm )(MW)(1000mg/g) 106 RT P (2.1) CKNK: nồng độ khí nhà kính theo mg/m3 Cppm: nồng độ khí nhà kính theo ppm MW: khối lượng phân tử khí nhà kính (g/mol) R: số khí (R= 0,000082057 atm.m3/mol.K) T: nhiệt độ tuyệt đối (K); P: áp suất tuyệt độ khí (atm) Lưu lượng khí tính theo cơng thức sau: g MKNK (ngày) = (m)(VFC )(Acomp )(86400giây/ngày) (1000mg/g)(SAFC ) (2.2) m: độ dốc đường thẳng phù hợp tuyến tính với liệu nồng độ khí (mg/m3.giây); VFC: thể tích chamber (m3) Acomp: diện tích bề mặt chất lỏng ngăn bể lấy mẫu (m2) SAFC: diện tích bề mặt lỏng chamber 2.3 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải nghiên cứu tính tốn Nguồn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải phân thành nguồn chính: Nguồn phát thải từ sản xuất điện phục vụ hệ thống xử lý nguồn phát thải từ trình xử lý Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải nghiên cứu tính tốn 11 Bể xử lý sinh học gồm: Xử lý hiếu khí (a); Xử lý yếm khí (b); Xử lý hỗn hợp (c) Độ lớn phát thải khí nhà kính tồn hệ thống xử lý nước thải tính theo cơng thức: MCO2,HTXL = MCO2,điện + MCO2,qtxl (2.3) Trong đó: MCO2, điện : Lượng KNK phát sinh từ sản xuất điện phục vụ HTXL (kgCO2-td/ngày) MCO2,qtxl : Lượng KNK phát sinh từ trình xử lý nước thải (kgCO2td/ngày) 2.4 Phát thải khí nhà kính từ sản xuất điện sử dụng cho hệ thống xử lý nước thải Việc sản xuất điện sử dụng cho hệ thống phát thải khí nhà kính lượng phát thải khí nhà kính từ sản xuất điện tính theo cơng thức: MCO2, điện = QE *  (PFi *EF)i /1000 (2.4) Trong đó: MCO2, điện : Lượng khí nhà kính tạo sử dụng điện nhà máy (kgCO2-td/ngày) QE : Công suất tiêu thụ điện (kWh/ngày) PFi : Tỷ lệ phần trăm nguồn tạo điện (%) EFi : Hệ số phát thải KNK theo nguồn phát điện (gCO2-td/kwh) 2.5 Phát thải khí nhà kính từ q trình xử lý hệ thống nước thải 2.5.1 Thiết lập tính tốn điều kiện hiếu khí (hệ thống A) 2.5.2 Thiết lập tính tốn điều kiện yếm khí (hệ thống B) 2.5.3 Thiết lập tính tốn điều kiện yếm khí - hiếu khí kết hợp (hệ thống C) Biểu diễn cơng thức tính tốn hệ xử lý hiếu khí mơ hình thể hình 3.3 12 Hệ thống A: 13 Hệ thống B: 14 Hệ thống C: 15 2.5.4 Tính tốn lượng phát thải khí nhà kính điều kiện khơng ổn định Từ phương trình 2.8 2.13 S X viết lại sau: Sv max X S dS S (2.51) dt  HRT  HRT  Y (KS  S )  Y k S  Xv dX X     kd  X dt HRT SRT  K S  S  (2.52) Lắp giá trị hệ số động học, giải phương trình vi phân hệ phương trình phương pháp mathematical Kết đường S(t) X(t) từ xác định thời gian hệ thống chạy ổn định Và giá trị S, X hệ thống chạy trạng thái ổn định 2.6 Xác định hệ số động học hệ thống xử lý 2.7 Thiết lập hệ số suất (Y) Từ sở lý thuyết thiết lập công thức tính tốn phát thải khí nhà phát sinh từ hệ thống xử lý nước thải dựa phương trình monod, cân khối chất, cân sinh khối, cân hóa học (với giả thiết nước thải sinh hoạt: công thức kinh nghiệm C10H19NO3 sử dụng đại diện cho chất; nước thải công nghiệp: công thức kinh nghiệm C7H12O4N sử dụng đại diện cho chất, chất hữu C5H7O2N sử dụng đại diện cho sinh khối xẩy q trình xử lý nước thải kết hợp ngơn ngữ lập trình Scala, matlab nghiên cứu thiết lập nên mơ hình tính tốn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Mơ hình thiết lập sơ đồ khối tính tốn Mơ hình tính tốn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải thiết lập dựa phương trình cân chất cấu tử bao gồm phương trình cân chất, phương trình cân sinh khối bể phản ứng hệ số tỷ lượng chất tham gia phản ứng sinh hóa 3.2 Kiểm nghiệm mơ hình thiết lập theo nghiên cứu trước Sử dụng mơ hình thiết lập để tính tốn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải Windsor, Ontario, Canada (gọi hệ thống WINDSOR) Đây nhà máy nghiên cứu trước để tính tốn phát thải khí nhà kính Seema Rani Das Trường Đại học 16 Windsor, năm 2011 Kết kiểm nghiệm mơ hình thể hình 4.7 sau: Hình 3.2 Biểu đồ kiểm nghiệm mơ hình Mơ hình kiểm nghiệm với kết tính tốn nhà máy xử lý nước thải Winsor, Ontario, Canada với phương pháp tiếp cận tính tốn nghiên cứu luận án Kết tính tốn theo mơ hình có sai số 10% so với kết tính tốn nghiên cứu trước 3.3 Kiểm nghiệm mơ hình thiết lập cho hệ thống xử lý GOLDMARK 3.3.1 Sơ đồ cơng nghệ hệ thống GOLDMARK Hình 3.3 Sơ đồ cơng nghệ HTXL nước thải sinh hoạt tịa nhà GOLDMARK CITY 3.3.2 Tính tốn mơ phát thải khí nhà kính hệ thống GOLDMARK 17 Kết phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải GOLDMARK sau: Phát thải KNK từ sản xuất điện hệ thống GOLDMARK 266,93 kgCO2tđ/ngày, hệ số phát thải KNK từ tiêu thụ điện 0,314 kgCO2tđ/m3 nước thải Phát thải KNK từ trình xử lý hệ thống GOLDMARK trường hợp phóng khơng khí CH4 (TH1) 570,5 kgCO2tđ/ngày với hệ số phát thải KNK 2,4 kgCO2-tđ/kgBOD5; 0,67 kgCO2tđ/m3 nước thải Phát thải KNK từ trình xử lý hệ thống GOLDMARK trường hợp thu hồi đốt khí CH4 (TH2) 307,21 kgCO2tđ/ngày với hệ số phát thải KNK 1,16 kgCO2-tđ/kgBOD5; 0,36 kgCO2tđ/m3 nước thải Biểu đồ biểu diễn khả phát thải KNK hệ thống GOLDMARK thể hình đây: Hình 3.4 Biểu đồ khả phát thải KNK toàn hệ thống xử lý nước thải GOLDMARK Hình a: Trương hợp phóng khơng khí CH4 (TH1); Hình b: Trường hợp thu hồi đốt khí CH4 (TH2) Ở hệ thống xử lý GOLDMARK, phát thải khí nhà kính từ q trình xử lý chiếm ưu so với phát thải khí nhà kính từ tiêu thụ điện Trong trường hợp khơng thu hồi khí CH4 (trường hợp 1), (hình a), phát thải khí nhà kính từ q trình xử lý 208,23 tấnCO2tđ/năm (chiếm 68% toàn hệ thống), phát thải khí nhà kính từ q trình tiêu thụ điện 97,43 tấnCO2tđ/năm (chiếm 32% toàn hệ thống) Trong trường hợp thu hồi đốt khí CH4 (trường hợp 2), hình (b), phát thải khí nhà kính từ q trình xử lý 112,13 tấnCO2tđ/năm (chiếm 54% tồn hệ thống), phát thải khí nhà kính từ q trình tiêu thụ điện 97,43 CO2tđ/năm (chiếm 46% tồn hệ thống) Tổng phát thải khí nhà kính toàn hệ thống giảm đáng kể thu hồi đốt khí CH4 Tổng phát thải KNK toàn hệ thống 18 trường hợp 305,66 tấnCO2tđ/năm; trường hợp giảm xuống 209,56 tấnCO2tđ/năm Như vậy, việc thu hồi tận dụng khí CH4 làm giảm khả gây ấm toàn cầu cách đáng kể (giảm 31,4%) Hình 3.5 Biểu đồ biểu diễn khả phát thải KNK từ hệ thống XLNT GOLDMARK trình xử lý Hình a: Trường hợp phóng khơng khí CH4 (TH1); Hình b: Trường hợp thu hồi đốt khí CH4 (TH2) Lượng phát thải khí CH4 bể phân hủy yếm khí trường hợp phóng khơng 332,04 kgCO2tđ/ngày, gấp 4,8 lần so với trường hợp thu hồi đốt khí CH4 (68,75 kgCO2tđ/ngày) khả gây ấm tồn cầu Khi khí CH4 thu hồi đốt, tổng lượng phát thải khí nhà kính q trình xử lý giảm xuống khoảng lần (từ 570,5 kgCO2tđ/ngày xuống 307,21 kgCO2tđ/ngày) Lượng phát thải khí CO2 bể xử lý hiếu khí 158,43 kgCO2tđ/ngày, khí CO2 dịng hệ thống 19,81 kgCO2tđ/ngày, khí N2O hệ thống 60,22 kgCO2tđ/ngày 19 Hình 3.6 Biểu đồ phát thải khí CO2, CH4, N2O từ hệ thống XLNT GOLDMARK Lượng phát thải khí nhà kính hệ thống GOLDMARK gồm khí CO2 189,89 kgCO2/ngày; khí CH4 12,46 kgCH4/ngày; khí N2O 0,2 kgN2O/ngày 3.4 Kết đo đạc thực địa hệ thống XLNT GOLDMARK Tiến hành lấy mẫu khí Bể hiếu khí Bể phân hủy yếm khí từ hệ thống xử lý nước thải GOLDMARK Phân tích phịng phân tích Viện Mơi trường Nơng nghiệp Kết phân tích khí CO2, CH4 N2O bể thể bảng sau: Biểu đồ biểu diễn kết tính tốn qua mơ hình thiết lập kết đo đạc thực địa sau: Kết phân tích, đo đạc thực địa lượng phát thải khí CO2, CH4 N2O cho thấy gần với kết tính tốn mơ hình, sai số khí CO2 khoảng 10%; khí CH4 khoảng 20%; N2O khoảng 20% 3.6 Phần mềm mơ hình thiết lập Mơ hình thiết lập lập trình ngơn ngữ scala, tạo phần mềm tính tốn có giao diện rõ ràng, thuận tiện dễ sử dụng Mơ hình gồm mục: 1) Thơng tin chung hệ thống; 2) Tính tốn phát thải khí nhà kính từ sử dụng điện phục vụ hệ thống xử lý; 3) Tính tốn phát thải khí nhà kính từ q trình xử lý; 4) Kết tính tốn phát thải khí nhà kính; 5) Biểu đồ biểu yếu tố ảnh hưởng đến khả phát thải khí nhà kính 20 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 Xét số yếu tố gồm nhiệt độ bể xử lý sinh học, tuổi bùn, nồng độ chất dòng vào đến khả phát thải khí nhà kính hệ thống xử lý (hệ thống xử lý nước thải khu chung cư GOLDMARK) a Ảnh hưởng nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng sinh vật tăng, hiệu suất xử lý BOD5 tăng, lượng bùn sinh giảm Lượng phát thải KNK bể xử lý sinh học tăng, bể phân hủy bùn giảm Có thể nói, vào mùa hè nhiệt độ tăng, phát thải khí nhà kính bể sinh học tăng, bể phân hủy yếm khí giảm b Ảnh hưởng nồng độ chất dòng vào Xét hệ thống biến thiên nồng độ dòng vào từ 50mg/l đến 400 mg/l; hệ số động học xác định 20oC Lượng phát thải khí nhà kính bể tăng, phát thải tồn hệ thống tăng Việc thu hồi đốt khí CH4 tốt nhiều so với việc phóng khơng khí CH4 khả gây ấm tồn cầu Như vậy, nước thải bị nhiễm, phát thải khí nhà kính nhiều c Ảnh hưởng tuổi bùn Thời gian lưu bùn tăng, phát thải KNK bể xử lý sinh học tăng, bể phân hủy yếm khí giảm Như vậy, để giảm thiểu phát thải KNK, lựa chọn thời gian lưu bùn phù hợp để vừa bảo đảm xử lý chất 21 lượng dịng ra, vừa đảm bảo giảm phát thải khí nhà kính Việc thu hồi khí CH4 đốt tạo giảm khả gây ấm toàn cầu nhiều so với trường hợp phóng khơng 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 Kết mơ hình tính tốn phát thải khí nhà kính số hệ thống xử lý nước thải Việt Nam sau: Tổng phát thải KNK hệ thống xử lý nước thải Yên Sở 20.861,54 CO2tđ/năm; hệ thống xử lý nước thải Kim Liên 703,56 CO2tđ/năm; hệ thống xử lý nước thải Trúc Bạch 490,15 CO2tđ/năm; hệ thống xử lý nước thải GOLDMARK 305,66 CO2tđ/năm Tỷ lệ đóng góp từ nguồn sử dụng điện (nguồn gián tiếp) đến tổng phát thải khí nhà kính lớn, tùy thiết bị máy móc sử dụng cho hệ thống mà nguồn phát thải từ nguồn khác Ở Hệ thống xử lý nước thải Kim Liên, sử dụng cơng nghệ yếm khí, hiếu khí kết hợp nên lượng bùn phát thải sinh bể phân hủy bùn giảm đáng kể, lượng phát thải KNK nguồn giảm Hình 3.32 Biểu đồ phát thải KNK HTXL nước thải sinh hoạt Khả phát thải khí CO2, CH4 N2O hệ thống xử lý tương ứng sau: Hệ thống Yên Sở 11.435,33 kgCO2/ngày, 363,29 kg CH4/ngày, 24,95 kgN2O/ngày; hệ thống Kim Liên 244,96 kgCO2/ngày, 21,82 kgCH4/ngày, 0,79 kgN2O/ngày; hệ thống Trúc 22 Bạch 297,41 kgCO2/ngày, 15,01 kgCH4/ngày, 0,79 kgN2O/ngày; hệ thống GOLDMARK 198,89 kgCO2/ngày, 12,46 kgCH4/ngày, 0,2 kgN2O/ngày Hệ số phát thải khí nhà kính hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt nằm khoảng từ 2,14 đến 3,8 kgCO2tđ/kgBOD5 3.9 Ứng dụng mơ hình thiết lập tính tốn cho số hệ thống xử lý nước thải công nghiệp giấy Phát thải KNK từ sản xuất điện hệ thống Giấy Bãi Bằng 1.072,03 kgCO2tđ/ngày, tỷ lệ phát thải KNK từ tiêu thụ điện 0,13 kgCO2tđ/m3 nước thải Phát thải KNK từ trình xử lý hệ thống Bãi Bằng trường hợp phóng khơng khí CH4 (TH1) 18.613,94 kgCO2tđ/ngày với hệ số phát thải KNK 3,58 kgCO23 tđ/kgBOD5; 2,33 kgCO2tđ/m nước thải Phát thải KNK từ trình xử lý hệ thống Bãi Bằng trường hợp thu hồi đốt khí CH4 (TH2) 4.823,23 kgCO2tđ/ngày với hệ số phát thải KNK 0,93 kgCO2-tđ/kgBOD5; 0,60 kgCO2tđ/m3 nước thải Tổng phát thải KNK từ hệ thống Giấy Bãi Bằng trường hợp phóng khơng 19.685,98 kgCO2-tđ/ngày; trường hợp thu hồi đốt khí CH4 5.895,27 kgCO2-tđ/ngày Khi thu hồi đốt khí CH4, tổng lượng phát thải KNK giảm lần, tương ứng giảm lần khả gây ấm toàn cầu Trong hệ thống Giấy Bãi Bằng, phát thải khí nhà kính từ q trình xử lý chiếm ưu so với phát thải KNK từ tiêu thụ điện Trong trường hợp 1, phát thải KNK từ tiêu thụ điện chiếm 5%, từ trình xử lý chiếm 95%; trường hơp 2, phát thải KNK từ tiêu thụ điện chiếm từ tiêu thụ điện chiếm 18%, từ trình xử lý chiếm 82% 3.9.3 Tính phát thải KNK hệ thống xử lý nước thải nhà máy giấy Corelex Lượng khí CO2, CH4 N2O phát thải từ hệ thống xử lý nước thải Giấy Bãi Bằng tương ứng là: 2.303,23 kgCO2/ngày; 652,43 kgCH4/ngày Giấy Corelex tương ứng là: 725,31 kgCO2/ngày; 40,75 kgCH4/ngày 1,63 kgN2O/ngày Do hệ thống xử lý nước thải Giấy Bãi Bằng xử lý phương pháp yếm khí, nên khơng có lượng phát thải khí N2O Hệ thống xử lý nước thải nhà máy Giấy Bãi Bằng sử dụng bể yếm khí, nên khả phát thải KNK cao hệ thống Giấy Corelex (sử dụng cơng nghệ hiếu khí) Tỷ lệ phát thải hệ thống Giấy bãi 3,58 kgCO2tđ/kgBOD5 hệ thống Corelex 2,54 kgCO2tđ/kgBOD5 23 KẾT LUẬN Luận án “Nghiên cứu ứng dụng mơ hình tính tốn phát thải 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 phục vụ tính tốn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt công nghiệp giấy Việt Nam dựa mơ hình Herbert, cân khối lượng, cân hóa học (với giả thiết nước thải sinh hoạt: công thức kinh nghiệm C10H19NO3 sử dụng đại diện cho chất; nước thải công nghiệp giấy: công thức kinh nghiệm C7H12O4N sử dụng đại diện cho chất), mơ hình mang tính tồn diện hệ thống gồm phát thải từ trình sử dụng điện từ q trình xử lý hệ thống Mơ hình kiểm nghiệm với nghiên cứu trước kiểm nghiệm qua đo đạc phân tích thực nghiệm; - Đã xác định số yếu tố ảnh hưởng đến khả phát thải khí nhà kính như: nhiệt độ, nồng độ BOD5 dòng vào, tuổi bùn; - Bước đầu đề xuất số hệ số phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải: hệ số phát thải KNK nước thải sinh hoạt trường hợp khơng thu hồi khí CH4 2,40 kg CO2tđ/kg BOD5, hệ số phát thải KNK trường hợp thu hồi đốt khí CH4 1,16 kgCO2tđ/kg BOD5; nước thải giấy hệ số phát thải KNK trường hợp khơng thu hồi khí CH4 3,58 kgCO2tđ/kg BOD5, trường hợp thu hồi đốt khí CH4 hệ số phát thải khí nhà kính 0,93 kgCO2tđ/kg BOD5; - Đã ứng dụng mơ hình thiết lập 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 sinh hoạt Trúc Bạch, Nhà máy xử lý nước thải giấy Corelex, Nhà máy xử lý nước thải giấy Bãi Bằng Bên cạnh đó, luận án thiết lập phần mềm mơ hình với giao diện thuận tiện dễ sử dụng, có tính ứng dụng tốt nhà máy xử lý nước thải trình thiết kế hệ thống xử lý, cho phép giảm chi phí nhân cơng, đo đạc phân tích 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Đặng Xuân Hiển, Đỗ Huyền Trang, Nguyễn Thị Vân Anh, 2016, Nghiên cứu ứng dụng mơ hình tính tốn số chất sinh từ hệ thống xử lý nước thải phục vụ kiểm kê khí nhà kính Tạp chí Xây dựng, ISSN 0866-0762 – Bộ Xây dựng, số 2, trang 27-30 Nguyen Thi Van Anh, Dang Xuan Hien, Nguyen Duc Toan, 2016, Research on model–based on caculation of greenhouse gas emissions from domestic wastewater treatment system in Viet Nam Journal of Vietnam Environment, Technische Universitat Dresden, ISSN 2193-6471, Vol 8, No4, pp217-222 Dang Xuan Hien, Nguyen Thi Van Anh, Nguyen Duc Toan, Dang Thanh Son, 2018, Numerical model for estimating greenhouse gas emmissions from pulp and paper industrial wastewater treatment systems in Vietnam Journal of Vietnam Envionment, Technische Universitat Dresden, ISSN 2193-6471, Vol 9, No3, pp 162-168 Nguyễn Thị Vân Anh, Đặng Xuân Hiển, Nguyễn Đức Toàn, 2019, Nghiên cứu thiết lập mơ hình tính tốn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải Việt Nam Tạp chí hóa học ứng dụng, ISSN 1859-4069, số 03, trang 01-07 Nguyễn Thị Vân Anh, Đặng Xuân Hiển, Nguyễn Đức Toàn, 2019, Nghiên cứu thiết lập mơ hình tính tốn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải cơng nghiệp giấy Việt Nam, Tạp chí Xây dựng ISSN 0866-0762, Bộ Xây dựng, số 01, trang158-161 Nguyễn Thị Vân Anh, Đặng Xuân Hiển, Nguyễn Đức Toàn, 2019, nghiên cứu thiết lập mơ hình số tính tốn phát thải khí nhà kính từ số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt Việt Nam, Tạp chí Xây dựng ISSN 0866-0762, Bộ Xây dựng số 03, trang 137-140 25 ... ? ?Nghiên cứu ứng dụng mơ hình tính tốn phát thải khí nhà kính từ số hệ thống xử lý nước thải Việt Nam? ?? tập trung nghiên cứu thiết lập mơ hình tính tốn phát thải khí nhà kính từ số hệ thống xử lý. .. tốn phát thải khí nhà kính từ số hệ thống xử lý nước thải (nước thải sinh hoạt nước thải công nghiệp giấy) Việt Nam; - Tính tốn phát thải khí nhà kính từ số hệ thống xử lý nước thải (nước thải. .. khí nhà kính hệ thống xử lý nước thải GOLDMARK Việt Nam Ứng dụng mơ hình thiết lập để tính tốn phát thải khí nhà kính từ số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt (hệ thống xử lý nước thải Yên Sở, hệ