Nghiên cứu ứng dụng mô hình tính toán một số chất sinh ra từ hệ thống xử lý nước thải phục vụ kiểm kê khí nhà kính

Bên cạnh các nguồn phát sinh khí nhà kính tự nhiên như núi lửa, cháy rừng, phân hủy chất hữu c … hay c c nguồn nhân tạo như hoạt đ ng công nghiệp, nông nghiệp, đốt nhiên liệu....thì hoạt

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các số liệu có nguồn gốc rõ ràng tuân thủ đúng nguyên tắc và kết quả trình bày trong luận văn thu thập được trong quá trình nghiên cứu là trung thực, chưa từng được ai công

bố trước đây

Tác giả

Đỗ Huyền Trang

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PSG.TS Đặng Xuân Hiển; thầy đã hỗ trợ, hướng dẫn em, tạo điều kiện thuận lợi nhất về vật chất và tinh thần trong suốt quá trình làm nghiên cứu.Sự tận tình và tâm huyết của thầy đã giúp

đỡ em hoàn thành tốt nghiên cứu của mình

Em xin chân thành cám ơn các thầy cô giáo của Viện Khoa học & Công nghệ Môi trường - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã dìu dắt em trong những năm học qua, trang bị cho em những kiến thức bổ ích để em có thể thực hiện tốt luận văn

Cuối cùng, xin gửi lời cám ơn đặc biệt đến gia đình, bạn bè đã giành nhiều

sự quan tâm, động viên và chia sẻ những khó khăn khi em thực hiện nghiên cứu này Chính sự ủng hộ và động viên của tất cả mọi người đã giúp em có được động lực và hoàn thành luận văn một cách tốt nhất

Em xin trân trọng cảm ơn!

MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT i

DANH MỤC BẢNG ii

DANH MỤC HÌNH iv

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan về khí nhà kính 4

1.1.1 Khái niệm khí nhà kính 4

1.1.2 Nguồn gây phát thải GHG 5

1.1.3 Tình hình phát thải GHG 7

1.2 Tổng quan về sự phát thải GHG từ các hệ thống xử lý nước thải 9

1.2.1 Sự hình thành khí N2O từ quá trình xử lý nước thải 10

1.2.2 Sự hình thành khí CO2 từ quá trình xử lý nước thải 13

1.2.3 Sự hình thành khí CH4 từ quá trình xử lý nước thải 13

1.2.4 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình phát tán GHG từ WWTP 14

1.3 Giới thiệu sơ lược các mô hình đánh giá sự phát thải GHG từ các trạm xử lý nước thải 15

Chương 2 TÍNH TOÁN PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH 23

2.1 Thiết lập phương trình cân bằng khối lượng của cơ chất và sinh khối trong hệ thống xử lý 23

2.1.1 Xử lý s cấp - lắng s 24

2.1.2 Xử lý hiếu h 25

2.2.Thiết lập phương trình h a học và hệ số tỉ lượng 30

2.2.1 Phư ng trình hóa học trong b sinh học hiếu khí 30

2.2.2 Phư ng trình hóa học trong b sinh học kỵ khí 32

2.3 Thiết lập phương trình tính toán phát thải GHG 33

2.3.1 Ph t thải O2 trong xử lý nước thải 33

2.3.2 Ph t thải N2O trong xử lý nước thải 37

2.3.2.1 Ph t thải trực tiếp từ nhà m y xử lý nước thải 38

2.3.2.2 Ph t thải gi n tiếp đối với nước thải ng ra HTXL 38

2.3.3 Ph t thải H4 trong xử lý nước thải 39

2.4 Sử dụng công thức tính toán phát thải GHG 41

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42

3.1 Kết quả tính toán đối với trạm xử lý nước thải Vĩnh Yên 42

3.1.1 Thông tin chung về trạm xử lý nước thải Vĩnh Yên 42

3.1.2 Thông số đầu vào và đầu ra của trạm xử lý nước thải Vĩnh Yên 43

3.2 Tính toán giá trị thông số động học 45

3.2.1 Tính toán tuổi bùn 45

3.2.2 Tính hệ số đ ng học tại nhiệt đ thực tế 45

3.3 Tính toán tốc độ khử BOD và SS ở bể lắng sơ cấp 46

3.4 Tính toán phát thải CO 2 47

3.4.1 Tính nồng đ c chất 47

3.4.2 Tính sinh khối do phân hủy hợp chất hữu c 49

3.4.3 Tính NOY 49

3.4.4 Tính sinh khối do phân hủy hợp chất hữu c chứa nit 51

3.4.5 Tính toán phát thải CO2 trực tiếp 51

3.4.6 Tính toán phát thải CO2 gián tiếp 53

3.5 Tính toán phát thải N 2 O từ các nguồn trực tiếp và gián tiếp 55

3.6 Tính toán phát thải CH4 57

3.7 Dự báo phát thải GHG của trạm xử lý nước thải Vĩnh Yên đến năm 2020 Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

PHỤ LỤC 67

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ASM : Mô hình bùn hoạt tính (Activated Sludge Model)

GWP : Tiềm năng ấm lên toàn cầu (Global Warming Potential)

IAWQ : Tổ chức chất lượng nước quốc tế (International Asociation of Water

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Hệ số GWP của m t số khí nhà nh đi n hình [13] 4

Bảng 1.2: Phát thải GHG năm 2010 trong lĩnh vực chất thải 8

Bảng 2.1: Hệ số phát thải đối với mỗi phư ng ph p tạo điện khác nhau (gCO2/kwh) 34

Bảng 2.2: Bảng hệ số phát thải khí CO2 và CH4 34

Bảng 2.3: Bảng tra khu vực sản xuất và theo khu vực ân cư 39

Bảng 2.4: Bảng tra hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt 40

Bảng 2.5: Bảng tra lượng CH4 sinh ra tối đa trong hệ thống xử lý nước thải 40

Bảng 2.6: Bảng tải lượng ô nhiễm của c c nước trên thế giới 41

Bảng 2.7: Công thức sử dụng đ tính toán phát thải GHG 41

Bảng 3.1: Thông tin chung về trạm xử lý nước thải Vĩnh Yên 42

Bảng 3.2: Thông số đầu vào và đầu ra 44

Bảng 3.3: Bảng tính toán tuổi bùn 45

Bảng 3.4: Bảng hệ số đ ng học vi khuẩn tự ưỡng và dị ưỡng đối với vi khuẩn tiêu thụ c chất trong nước thải sinh hoạt trong quá trình bùn hoạt tính 45

Bảng 3.5: Bảng hệ số hoạt đ ng nhiệt đ 46

Bảng 3.6: Hệ số đ ng học tại nhiệt đ thực tế 46

Bảng 3.7: Bảng hiệu suất khử BOD, TSS và tỷ lệ VSS/TSS 46

Bảng 3.8: Bảng tính toán tốc đ khử BOD và SS b lắng s cấp 46

Bảng 3.9: Bảng kết quả tính toán 48

Bảng 3.10: Bảng tính toán nồng đ c chất dòng ra 48

Bảng 3.11: Bảng tính toán nồng đ c chất dòng vào 48

Bảng 3.12: Bảng kết quả tính toán do phân hủy BOD 49

Bảng 3.13: Bảng kết quả tính toán NOY 50

Bảng 3.14: Bảng kết quả thử NOY 50

Bảng 3.15: Bảng kết quả tính sinh khối do phân hủy hợp chất hữu c chứa nit 51

Bảng 3.16: Kết quả tính sinh khối tạo ra 51

Bảng 3.17: Kết quả tính toán phát thải CO2 do phân hủy hợp chất hữu c 52

Bảng 3.18: Kết quả tính toán phát thải CO2 từ phân hủy n i bào 52

Bảng 3.19: Kết quả phát thải CO2 trực tiếp 53

Bảng 3.20: Kết quả tính toán phát thải CO2 từ BOD dòng ra 54

Bảng 3.21: Kết quả tính toán phát thải CO2 từ bùn chôn lấp 54

Bảng 3.22: Kết quả tính toán phát thải CO2 từ phân hủy bùn 54

Bảng 3.23: Phát thải gián tiếp CO2 từ BOD dòng ra, bùn chôn lấp và phân hủy bùn 55

Bảng 3.24: Kết quả tính phát thải N2O trực tiếp 56

Bảng 3.25: Kết quả tính phát thải N2O gián tiếp 56

Bảng 3.26: Kết quả tính phát thải CH4 58

Bảng 3.27: Kết quả tính toán phát thải GHG 59

Bảng 3.28: So sánh kết quả tính toán với thông số đầu vàoError! Bookmark not defined Bảng 3.29: Dân số và c cấu dân số thành phố Vĩnh Yên 2006 -2009 61

Bảng 3.30: Dân số thành phố Vĩnh Yên đến năm 2020 ứng với r = 2% 61

Bảng 3.31: Dự báo phát thải CO2 của trạm xử lý nước thải 61

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: S đồ phát sinh GHG từ quá trình xử lý nước thải sinh hoạt [6] 10

Hình 1.2: hu ỳ nit vi sinh vật [13] 11

Hình 1.3: chế hình thành khí CH4 trong quá trình xử lý kỵ khí 14

Hình 2 1: S đồ bi u diễn cân bằng vật chất trong hệ thống XLNT 24

Hình 2.2: Qu trình tạo n trong xử lý sinh học nước thải ng ra 35

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong những năm qua, vấn đề iến đổi h hậu ( ĐKH) và ấm lên toàn cầu đang là m t vấn đề gây tranh cãi ịch liệt trong c ng đồng hoa học Nhưng ý iến thống nhất chung của c c nhà hoa học hiện nay là sự ấm lên toàn cầu là có thật và có nguyên nhân o hoạt đ ng của con người Sự ấm lên toàn cầu có m t t c đ ng có th

đo được trên hành tinh ngay lúc này M t trong những t c đ ng tức thời và rõ ràng nhất của sự ấm lên toàn cầu là sự gia tăng nhiệt đ trên hắp thế giới, nhiệt đ trung bình của Tr i Đất đã tăng thêm 0,74oC trong vòng 100 năm qua, đặc biệt sự gia tăng này th hiện rõ nhất ở giai đoạn 50 năm trở lại đây So với năm giai đoạn tiền công nghiệp, nồng đ các khí CO2, CH4, N2O đã tăng lên tư ng ứng là 35,4%; 125% và 18% [11]

Các nghiên cứu mới nhất của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường dựa trên các kịch bản ĐKH trên phạm vi toàn cầu và trên khu vực Đông Nam Á cho thấy: Nhiệt đ Việt Nam sẽ tăng hoảng 1 - 2o vào năm 2020 và 1,5 - 2,5o vào năm 2070, thời kỳ có nhiệt đ tăng nhanh nhất trong năm là c c th ng 3, 4

và 5[12]

Đứng trước bối cảnh như vậy, vào ngày 09/05/1992 ông ước khung về ĐKH của Liên hiệp quốc (UNF ) được ký kết nhằm mục tiêu ổn định nồng đ khí nhà kính trong khí quy n ở mức có th ngăn ngừa được sự can thiệp nguy hi m của con người đối với hệ thống khí hậu Tháng 12/1997 Nghị định thư Kyoto ý ết đưa ra cam ết giảm lượng phát thải khí nhà kính thấp h n mức phát thải so với năm 1990

Bên cạnh các nguồn phát sinh khí nhà kính tự nhiên như núi lửa, cháy rừng, phân hủy chất hữu c … hay c c nguồn nhân tạo như hoạt đ ng công nghiệp, nông nghiệp, đốt nhiên liệu thì hoạt đ ng xử lý nước thải cũng được coi là m t nguồn đóng góp h nhà nh o sự phát sinh các loại khí CO2, N2O, CH4 từ việc sử dụng năng lượng (điện, nhiệt…), tiêu thụ hóa chất và từ các phản ứng hóa sinh học trong

quá trình xử lý, dẫn đến sự biến đ ng của các tầng khí quy n và gây ra ảnh hưởng nghiêm trọng đến thiên nhiên, khí hậu

Trên thế giới, đặc biệt là Mỹ và châu Âu, đã có rất nhiều nghiên cứu và ứng dụng công nghệ vào việc t nh to n lượng khí thải nhà kính từ các hoạt đ ng xử lý nước thải Tại Việt Nam, vấn đề khí nhà kính từ các hoạt đ ng này vẫn chưa được quan tâm và nghiên cứu r ng rãi Nguyên nhân m t mặt là do thiếu trang thiết bị,về vấn đề này

Sử dụng mô hình đ mô phỏng và ước t nh lượng khí CO2, CH4, N2O từ hoạt

đ ng xử lý nước thải là m t phư ng ph p h mới và rất có tiềm năng Phư ng pháp này không chỉ giúp định lượng và đưa ra ự báo m t c ch tư ng đối về sự phát thải khí nhà kính mà còn giúp giảm nhân lực, giảm chi ph đầu tư và thực hiện các quá trình đo đạc, tính toán Chính vì vậy, đề tài"Nghiên cứu ứng dụng mô hình tính toán một số chất sinh ra từ hệ thống xử lý nước thải phục vụ kiểm kê khí nhà kính ” sẽ là hướng đi ph hợp đ áp dụng cho vấn đề x c định và

ki m kê khí nhà kính từ hoạt đ ng xử lý nước thải

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xây dựng phư ng ph p t nh to n thải lượng h nhà nh từ các hệ thống

xử lý nước thải sinh hoạt

- T nh to n lượng phát thải h nhà nh quy đổi CO2 tư ng đư ng từ trạm

xử lý nước thải sinh hoạt và dự báo phát thải h nhà nh trong tư ng lai

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện theo quy mô lý thuyết, tập trung vào sự phát sinh các khí CO2, CH4, N2O o đây là c c h nhà nh chủ yếu được tạo thành từ các trạm xử lý nước thải sinh hoạt và có t c đ ng lớn tới môi trường không khí

Nghiên cứu chỉ giới hạn phạm vi tính toán sự phát thải khí nhà kính từ quá trình xử lý nước thải sinh hoạt, cụ th là sự phát thải trực tiếp và gián tiếp của khí nhà kính từ hệ thống xử lý này

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phư ng ph p điều tra thu thập c sở số liệu: Thu thập số liệu về đối tượng nghiên cứu;

- Phư ng ph p thống kê, tổng hợp và phân tích số liệu: Tổng hợp và phân tích các số liệu về đối tượng cần nghiên cứu;

- Phư ng ph p ế thừa: Kế thừa các kết quả của các công trình nghiên cứu, kinh nghiệm của c c chuyên gia trong và ngoài nước, kế thừa các công thức t nh to n đã được chứng minh

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về khí nhà kính

1.1.1 Khái niệm khí nhà kính

Khí nhà kính (GHG - Greenhouse gases) là những khí có khả năng hấp thụ

các bức xạ sóng dài ( ước sóng lớn h n 760 nm ) được phản xạ từ bề mặt Tr i đất

hi được chiếu sáng bằng ánh sáng Mặt Trời, sau đó phân t n nhiệt lại cho Tr i đất,

gây nên hiện tượng hiệu ứng nhà kính (Greenhouse effect) Các GHG chính bao

gồm: CO2, CH4, N2O, h i nước và CFCs Mỗi khí nhà kính (CO2, CH4, N2O ) có khả năng gây ấm lên toàn cầu h c nhau và được đo ằng chỉ số tiềm năng làm ấm

lên toàn cầu (GWP - Global warming potential) GWP được x c định bằng tỷ lệ

lượng nhiệt bị hấp thụ bởi m t đ n vị khối lượng của chất h đối với m t đ n vị khối lượng của khí Cacbonic CO2 trong khoảng thời gian nhất định, thông thường là

100 năm [13] GWP của GHG được đưa ra trong ảng 1.1

sự đồng thuận quốc tế về ki m soát sự phát thải khí nhà kính vào khí quy n Theo

công ước này, tất cả c c nước nên ki m soát việc tạo ra GHG (Bogner et al, 2008)

Hiệu ứng nhà kính tự nhiên có vai trò rất quan trọng trong việc ổn định cân bằng nhiệt cho Tr i đất Tuy nhiên, trong v ng h n 100 năm trở lại đây, nồng đ

c c GHG đã hông ngừng gia tăng, t c đ ng mạnh đến sự cân bằng của hiệu ứng nhà kính Năm 2005, nồng đ CO2 đo được là 379 ppm, nồng đ CH4 là 1774 ppb

và nồng đ N2O là 319 ppb, với tốc đ gia tăng ình quân hàng năm lần lượt là 1,5%; 1,3% và 0,3% [12,19]

1.1.2 Nguồn gây phát thải GHG

Khí nhà kính bao gồm carbon dioxide (CO2), methane (CH4), nitrous oxide (N2O), h i nước, ozone (O3), và khí CFCs (chlorofluorocarbons) Các khí nhà kính như CO2, CH4, h i nước, N2O và O3 có th có nguồn gốc từ tự nhiên và từ sản xuất công nghiệp, còn CFCs chỉ do quá trình sản xuất công nghiệp tạo ra

Theo IPCC, nguồn phát thải GHG được chia thành 5 lĩnh vực ch nh: Năng lượng; quá trình sản xuất công nghiệp và sử dụng sản phẩm (IPPU- Industrial Processes and Product Use); nông nghiệp/rừng và các mục đ ch sử dụng đất khác (AFOLU - Agriculture, Forestry and Other Land Use); nhóm thải bỏ (wastes) và nguồn khác

Năng lượng: Đây là nguồn phát thải GHG lớn nhất trong 5 lĩnh vực Chủ yếu

là sử dụng năng lượng hóa thạch trong sản xuất, quá trình cháy chủ yếu sinh ra khí

CO2, nước và nhiệt năng Nhiệt sinh ra có th được sử dụng trực tiếp hoặc gián tiếp

đ sinh ra năng lượng c học (đ sản xuất điện hoặc giao thông) Lĩnh vực năng lượng là nguồn quan trọng trong phát thải GHG, phát thải h n 90% h O2 và h n 70% GHG ở c c nước phát tri n Các nguồn đốt cố định (stationary combustion) phát thải khoảng 70% GHG trong lĩnh vực năng lượng, trong đó hoảng 1/2 là trong công nghiệp năng lượng và ngành lọc hóa dầu Các nguồn i đ ng – stationary com ustion (đường b và giao thông khác) phát thải 1/4 lượng GHG trong lĩnh vực năng lượng

Quy trình sản xuất công nghiệp và sử dụng sản phẩm: Là nguồn phát thải GHG sau hoạt đ ng sử dụng năng lượng GHG được phát thải từ nhiều nguồn và

nhiều hoạt đ ng h c nhau nhưng chủ yếu là từ hoạt đ ng sản xuất công nghiệp Nguồn phát thải chính là các quá trình công nghiệp mà ở đó có sự chuy n hóa nhiên liệu trong hoạt đ ng sản xuất (ví dụ như l nung của ngành sản xuất sắt thép, công nghiệp xi măng…) Trong c c qu trình sản xuất công nghiệp nhiều hợp chất gây hiệu ứng nhà kính khác nhau có th phát thải vào môi trường như O2, CH4, N2O, hydrofluorocarbons (HFCs) và perfluorocarbons (PFCs) Ngoài ra các GHG còn sinh ra trong việc sử dụng tủ lạnh, máy lạnh và các chất tạo bọt (foams) Ví dụ như các hợp chất HF s được sử dụng đ thay thế cho các hợp chất làm suy giảm tầng ozôn (ODS - ozone depleting substances) trong nhiều loại sản phẩm ứng dụng

Tư ng tự hợp chất SF6 và N2O cũng được sử dụng trong công nghiệp như SF6 được

sử dụng trong các thiết bị điện, N2O được sử dụng trong quá trình gây mê

Lĩnh vực nông nghiệp, lâm nghiệp và sử dụng đất khác - AFOL: Các GHG chủ yếu sinh ra trong lĩnh vực này là CO2, N2O và CH4 Khí CO2 trong không khí và

hệ sinh th i được ki m soát bởi sự tiêu thụ CO2 - quá trình quang hợp và giải phóng

CO2 - hô hấp của thực vật, phân hủy và cháy của các hợp chất hữu c N2O được phát sinh bởi quá trình nitrat và khử nitrat, trong hi đó methane được tạo thành từ quá trình methane hóa do lên men kỵ h trong môi trường đất và lưu trữ phân đ ng vật

và quá trình đốt cháy không hoàn toàn các hợp chất hữu c Nguồn phát sinh GHG nếu theo mục đ ch sử dụng đất thì được IP chia thành 6 nhóm ch nh: đất lâm nghiệp (forest lan ), đất vườn (crop lan ), đồng cỏ (grasslan ), đất ngập nước (wetlan s), đất ở (settelments) và c c đất khác Nguồn phát sinh khí metan và N2O từ chất thải đ ng vật bao gồm nhiều loài đ ng vật như sữa, cừu, dê, trâu bò, lợn,…

Chất thải (wastes): Nhóm này gồm có c c phân nhóm như thải bỏ chất thải rắn, xử lý sinh học chất thải rắn, đốt chất thải (gồm đốt trong l và đốt hở) và xử lý

và thải bỏ nước thải Nhóm này chủ yếu phát sinh các chất h nhà nh như O2,

CH4 và N2O Khí mêtan phát thải từ các bãi rác là nguồn khí phát thải nhà kính lớn nhất của nhóm chất thải Ngoài ra khí mêtan phát thải từ phân nhóm xử lý và thải bỏ nước thải cũng là nguồn quan trọng trong việc phát thải metan của nhóm chất thải Trong hi đó đốt chất thải chứa cacbon hữu c là nguồn quan trọng nhất phát thải

khí CO2 trong nhóm này, cần chú ý rằng các GHG phát sinh từ hoạt đ ng xử lý chất thải đ sản xuất năng lượng có th được xếp vào nhóm năng lượng [12]

1.1.3 Tình hình phát thải GHG

1.1.3.1 Tình hình phát thải GHG trên thế giới

Bên cạnh các nguồn tự nhiên như ch y rừng, núi lửa… sự đóng góp đ ng vào việc phát thải GHG chủ yếu xuất phát từ các nguồn nhân tạo như: Đốt nhiên liệu hóa thạch, sản xuất phân ón, chăn nuôi, công nghiệp nhiệt lạnh…

Đóng góp vào việc tăng nồng đ CO2 trong khí quy n k từ những năm

1700, có tới 35% là do phát thải từ đốt nhiên liệu hóa thạch Trong hi đó nồng đ khí CH4 trong khí quy n có dấu hiệu đạt mức đỉnh, hông tăng trong năm 2006 trong khi k từ năm 1999, mỗi năm tăng gần 3 ppb

Các hoạt đ ng của con người như hai th c nhiên liệu hóa thạch, đốt sinh khối, chôn lấp rác thải và chăn nuôi gia súc… đã đóng góp tới 60% lượng khí CH4thải vào khí quy n Khí N2O trong khí quy n tăng đều ở mức khoảng 0.8 ppb mỗi năm từ năm 1988 Khoảng 1/3 lượng N2O được sinh ra do các hoạt đ ng của con người như chế biến và sử dụng phân ón, đốt nhiên liệu…[12]

Hoạt đ ng xử lý nước thải cũng là m t trong các nguồn phát thải GHG nhân tạo Theo nghiên cứu đã công ố của IPCC (2005), các hệ thống xử lý nước thải trên phạm vi toàn thế giới là nguồn phát thải nhân tạo của CH4 lớn thứ 5, đóng góp xấp xỉ 9% tổng lượng phát thải CH4 trong năm 2000 Tổng lượng phát thải của Ấn

Đ , Trung Quốc, Mỹ và Indonesia kết hợp lại bằng 49% tổng lượng phát thải CH4

từ xử lý nước thải của toàn thế giới Ước t nh, lượng phát thải CH4 từ xử lý nước thải đạt tốc đ tăng xấp xỉ 20% vào 2020 so với năm 2005 [27]

Khu vực chiếm tỷ lệ phát thải CH4 cao nhất từ các hệ thống xử lý nước thải là khu vực châu Á (đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Đ ) [27] vì đây là hai quốc gia có dân

số hàng đầu thế giới nên lượng nước thải cần xử lý là rất lớn c nước khác với mức

đ phát thải cao theo thứ tự bao gồm: Thổ Nhĩ Kỳ, Bunlgaria, Iran, Brazil, Nigeria và

Ai Cập

ũng như vậy, các hệ thống xử lý nước thải trên quy mô thế giới cũng là nguồn lớn thứ 6 đóng góp vào sự phát thải N2O, xấp xỉ 3% lượng phát thải N2O từ tất cả các nguồn thải vào khí quy n năm 2000 Trong đó In onesia, Mỹ, Ấn Đ và Trung Quốc đạt xấp xỉ 50% tổng lượng phát thải N2O Dự kiến năm 2020 lượng phát thải N2O do xử lý nước thải sẽ tăng 13% so với năm 2005 [27]

1.1.3.2 Tình hình phát thải GHG của Việt Nam

Trong năm 2010, tổng lượng phát thải GHG tại Viêt Nam là 246,8 triệu tấn

CO2.eq trong trường hợp hông có lĩnh vực sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất và lâm nghiệp (LULUCF) Nếu không tính LULUCF, tổng lượng phát thải GHG là

266 triệu tấn CO2.eq, trong đó ph t thải trong lĩnh vực năng lượng chiếm tỉ trọng lớn nhất: 53,05%, tiếp theo là nông nghiệp: 33,20% Phát thải từ các quá trình công nghiệp và chất thải lần lượt là 7,79% và 5,78% [1]

Phát thải GHG trong lĩnh vực chất thải được ước tính từ năm nguồn chính: bãi chôn lấp rác thải, xử lý nước thải công nghiệp, xử lý nước thải sinh hoạt, chất thải của người và đốt chất thải

Bảng 1.2: Phát thải GHG năm 2010 trong lĩnh vực chất thải

[Nguồn: Báo cáo kiểm kê GHG năm 2010,

Dự án "Tăng cường kiểm kê GHG tại Việt Nam", 2014]

Tổng lượng phát thải GHG từ lĩnh vực chất thải năm 2010 tại Việt Nam là 15.352 nghìn tấn CO2.eq, trong đó ph t thải chủ yếu từ nước thải sinh hoạt là 6.827.000 tấn CO2.eq, chiếm 44,5% và phát thải từ các bãi chôn lấp rác là 5 triệu tấn CO2.eq, chiếm 32,6%

Trong giai đoạn từ 1994 đến 2010, tổng phát thải GHG ở Việt Nam (bao gồm LULU F) tăng nhanh từ 103,8 triệu tấn CO2.eq lên 246,8 triệu tấn CO2.eq, trong đó lĩnh vực năng lượng tăng nhanh nhất từ 25,6 triệu tấn CO2.eq lên 141,2 triệu tấn

CO2.eq và cũng là lĩnh vực phát thải nhiều nhất năm 2010

Tiếp theo là lĩnh vực chất thải cũng tăng nhanh từ 2,6 triệu tấn CO2.eq lên 15,4 triệu tấn CO2.eq

Ước tính tổng lượng phát thải GHG trong bốn lĩnh vực năng lượng, nông nghiệp, LULUCF và chất thải năm 2010 là 225,6 triệu tấn CO2.eq tăng lên 466 triệu tấn vào năm 2020 và 760,5 triệu tấn vào năm 2030 [1]

Lĩnh vực năng lượng vẫn là nguồn phát thải GHG lớn nhất với 381,1 triệu tấn CO2.eq vào năm 2020 và 648,5 triệu tấn vào năm 2030 [1]

Tuy vậy, trước tình trạng ấm lên toàn cầu do hiện tượng hiệu ứng nhà kính khiến người ta quan tâm đến các nguồn phát thải GHG, đ đưa ra được những biện pháp cắt giảm phát thải GHG Trong đó, những năm gần đây ph t thải GHG từ các

hệ thống xử lý nước thải bắt đầu được quan tâm và nghiên cứu nhằm đưa ra c c con

số thống kê cụ th lượng phát thải và ngăn chặn lượng phát thải đó

1.2 Tổng quan về sự phát thải GHG từ các hệ thống xử lý nước thải

Thành phần GHG được sinh ra trong các hệ thống xử lý nước thải phụ thu c vào tính chất của nước thải cần xử lý và công nghệ được áp dụng Với xu hướng hiện nay là các trạm xử lý nước thải thường sử dụng phư ng ph p sinh học kết hợp hóa lý,

có ba loại khí chủ yếu được phát thải từ các hệ thống này đó là: O2, CH4, N2O [8] Các nguồn sản sinh ra từng loại h được mô tả tổng quát thông qua Hình 1.1

Như vậy có th chia các nguồn phát thải GHG trong quy trình xử lý nước thải thành hai nguồn là: Nguồn ngoại vi (bên ngoài trạm xử lý) và nguồn n i vi (bên trong trạm xử lý)

Hình 1.1: Sơ đồ phát sinh GHG từ quá trình xử lý nước thải sinh hoạt [8]

- Các nguồn ngoại vi:

+ Từ các hoạt đ ng sản xuất năng lượng, chế tạo nhiên liệu và hóa chất đ cung cấp cho các hoạt đ ng xử lý nước thải

+ Tại các nguồn tiếp nhận nước thải sau xử lý như ênh, hồ hay những bãi chôn lấp bùn; các quá trình phân hủy chất hữu c ưới tác dụng của vi sinh vật vẫn tiếp tục diễn ra nên có sự tạo thành GHG

+ Việc vận chuy n các nguyên vật liệu cũng đóng góp m t lượng GHG do sử dụng nhiên liệu đốt trong c c phư ng tiện và rò rỉ từ các hóa chất được chuyên trở

hay việc thu hồi, tái sử dụng khí biogas làm chất đốt cũng đóng góp m t phần khí

CO2 vào tổng lượng GHG

- Các nguồn n i vi: Nguyên nhân phát thải GHG từ các nguồn n i vi thường được gây ra do các phản ứng hóa sinh học diễn ra trong quá trình xử lý nước thải, phân hủy bùn bên trong các b xử lý Sự tạo thành khí CO2 có liên quan tới các hoạt

đ ng oxi hóa các chất hữu c , hô hấp n i bào của vi khuẩn; trong hi đó h N2O xuất phát từ quá trình xử lý các hợp chất Nit và h H4 có nguồn gốc từ hệ thống

xử lý yếm khí sinh học

1.2.1 Sự hình thành khí N 2 O từ quá trình xử lý nước thải

Như đã được nhấn mạnh từ trước, GWP của khí N2O cao gấp 296 lần so với khí CO2 Đây là m t lý do tại sao các quá trình tạo N2O trong trạm xử lý nước thải

(WWTP - wastewater treatment plants) lại được nghiên cứu tỉ mỉ và cần thiết trong

những năm qua

Các hợp chất của nit tồn tại trong tự nhiên ưới nhiều dạng bao gồm: N2,

NH4+, NH2OH, NO2-, NO3-, NO, N2O, N2H4 và chúng có mối quan hệ biến đổi qua lại lẫn nhau theo Hình 1.2

Hình 1.2: Chu kỳ nitơ vi sinh vật [15]

Quá trình (1) là quá trình cố định nit tạo thành amoni; quá trình (2, (3) là quá trình nitrat hóa amoni bởi vi khuẩn đ tạo sản phẩm là nitrat NO3-; quá trình (4)

là quá trình denitrat hóa, nitrat bị khử lần lượt thành NO2-, NO, N2O trước hi được

chuy n hóa thành khí N2 là sản phẩm cuối cùng; quá trình (5) là quá trình oxy hóa amoni trong điều kiện kỵ khí và quá trình (6) là các quá trình khử nitrat và nitrit thành NH4+ khác [15]

Trong công nghệ xử lý nước thải có chứa các hợp chất nit , hệ thống được thiết kế với mục đ ch là chuy n hóa toàn b nit trong ng thải thành sản phẩm cuối cùng là khí N2 Hai qu trình ch nh được sử dụng đ thực hiện được mục tiêu này đó là nitrat hóa và enitrat hóa N2O có th được tạo ra ngay trong cả 2 quá trình, nhưng thường được tạo ra nhiều trong quá trình denitrat hóa

Quá trình nitrat hóa là quá trình hiếu khí chuy n hóa NH3 và các thành phần nit khác sang dạng NO3-

ưới tác dụng của hai loại vi sinh vật tự ưỡng là nitromonas oxy hóa amoni thành nitrit và nitrobacter chuy n nitrit thành nitrat Vi huẩn tự ưỡng là vi huẩn sử ụng m t chất nền h c với cac on đ ph t tri n c vi huẩn nitrit oxy hóa sử ụng axit nit như m t chất nền và amoniac

ó những vi huẩn oxy hóa amoni có th sản sinh N2O mặc nó hông phải là

m t trung gian trong qu trình nitrat hóa

Theo Colliver [7], ngoài việc dùng cacbon làm nguồn năng lượng cho sự sinh trưởng thì nitromonas còn sử dụng amoni tự o như là c chất Quá trình này sẽ tạo ra

m t lượng nhỏ khí N2O và được gọi là quá trình denitrat hiếu khí Tuy nhiên c chế của quá trình này vẫn chưa được x c định chính xác và vẫn đang được nghiên cứu

Quá trình denitrat hóa là quá trình diễn ra trong điều kiện thiếu khí (không có

O2 tự do), các vi sinh vật denitrat sẽ sử dụng nit trong nitrat làm chất nhận điện tử thay cho oxy và có sự chuy n hóa sinh học từ nitrat thành khí N2 với 4 bậc liên tiếp:

NO3- → NO2- → NO → N2O → N2Như vậy có th thấy, N2O là m t sản phẩm trung gian trong quá trình denitrat Các nghiên cứu cho rằng trong điều kiện hoàn toàn không có oxy hòa tan trong dòng thải thì sản phẩm của quá trình chủ yếu là khí nit N2, trong khi với nước thải có hàm lượng oxy hòa tan thấp thì sẽ dẫn tới sự hình thành khí N2O [17]

Bên cạnh hai quá trình trên, khí N2O còn có th được hình thành thông qua phản ứng giữa nitrit NO2-và hydroxylamin NH2OH [6] Hydroxylamin là sản phẩm

trung gian của quá trình oxy hóa amoni bởi các vi khuẩn oxi hóa, song c chế của phản ứng này vẫn còn phải đang tiếp tục nghiên cứu và o đó chưa th đ nh gi được sự đóng góp của quá trình này vào sự phát sinh N2O

1.2.2 Sự hình thành khí CO 2 từ quá trình xử lý nước thải

Trong WWTP, khí CO2 được sản sinh từ các phản ứng oxi hóa các hợp chất hữu c , phản ứng phân hủy n i bào của vi khuẩn và hoạt đ ng đốt nhiên liệu phục vụ cho việc vận hành hệ thống [21] Các phản ứng tạo khí CO2 có th xảy ra bao gồm:

- Phản ứng oxi hóa chất ô nhiễm hữu c :

HCO3- + H+ CO2 + H2O Ngoài ra m t lượng tư ng đối lớn khí CO2 liên quan tới quá trình xử lý nước thải còn được tạo ra tại các bãi chôn lấp bùn thải sau xử lý hay từ các nguồn gián tiếp như phư ng tiện chuyên trở nguyên vật liệu, nhà máy nhiệt điện cung cấp năng lượng cho trạm…

1.2.3 Sự hình thành khí CH 4 từ quá trình xử lý nước thải

Tỷ lệ sản sinh h methane trong hệ thống xử lý nước thải có th có mối

tư ng quan với sự ph t thải h O2, CO2 ph t thải từ việc sử ụng năng lượng trong hệ thống xử lý nước thải

Chất hữu c trong nước thải cũng như c c thành phần trong bùn của nó có

th tạo ra CH4 nếu được phân hủy trong điều kiện kỵ khí [14] chế hình thành khí CH4 trong công nghệ xử lý kỵ khí gồm 3 giai đoạn: Thủy phân, axit hóa và metan hóa và được minh họa trong Hình 1.3

Hình 1.3: Cơ chế hình thành khí CH 4 trong quá trình xử lý kỵ khí

Lượng khí CH4 được tạo ra còn phụ thu c c ản vào lượng chất hữu c có khả năng phân hủy có trong nước thải, nhiệt đ và ki u hệ thống xử lý Với việc gia tăng nhiệt đ , tốc đ tạo CH4 cũng tăng lên Đây là m t điều quan trọng trong các

hệ thống không ki m soát mùi và ở các vùng có khí hậu ấm

Thông thường lượng khí CH4 sinh ra từ hệ thống sẽ được thu hồi và làm khí đốt đ phục vụ nhu cầu cấp nhiệt cho các quá trình cần nhiệt đ cao trong trạm xử lý, chỉ m t phần nhỏ lượng khí này bị rò rỉ ra môi trường từ c c đường ống vận chuy n

1.2.4 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình phát tán GHG từ WWTP

Sản lượng GHG phát thải từ quá trình xử lý nước thải phụ thu c vào rất

nhiều thông số như: Nhiệt đ , pH, thời gian lưu n (SRT), thời gian lưu thủy lực (HRT), tỷ lệ tuần hoàn và nồng đ sinh khối, c chất trong dòng thải [23]

Nhiệt đ là m t thông số quan trọng t c đ ng tới hoạt đ ng sinh trưởng của

vi sinh vật và ki m soát quá trình sinh học hiếu khí – yếm khí Nhiệt đ quá cao ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý BOD, COD trong hệ thống sinh học hiếu khí Nhiệt đ cũng là thông số ki m soát các phản ứng sinh hóa hình thành khí Metan trong b xử

lý yếm khí Ngoài ra, sự biến đ ng về nhiệt đ cũng làm thay đổi nhu cầu năng lượng của WWTP Do đó, nhiệt đ là m t yếu tố t c đ ng không nhỏ tới diễn biến phát thải GHG của quá trình khử nhiễm nước thải

Thời gian lưu n (SRT) là m t thông số thiết kế c ản của hệ thống xử lý nước thải, ki m soát quá trình xử lý cũng như lượng khí tạo thành Thông số SRT ảnh hưởng mạnh tới nhu cầu tiêu thụ oxy và hiệu suất loại bỏ chất inh ưỡng ô nhiễm (N, P…) Việc thay đổi SRT cũng t c đ ng đến tổng năng lượng cần cung cấp cho hoạt đ ng cấp khí vào b hiếu khí hay làm ảnh hưởng tới quá trình metan hóa Sản lượng bùn tạo thành cũng phụ thu c vào thông số này, o đó nó cũng i m soát sự phát sinh khí nhà kính trong hoạt đ ng xử lý bùn thải

Ngoài ra, amoni và sunfit cũng là những yếu tố chi phối lượng khí nhà kính bởi với hàm lượng cao các chất này trong nước thải có th ức chế sự sản sinh khí metan

Hàm lượng oxy hòa tan DO, nitrat, tỷ lệ COD/N có th làm thay đổi lượng khí N2O tạo thành trong phản ứng denitrat Việc gia tăng DO, nồng đ NO3- và thành phần cac on trong nước thải sẽ làm tăng tỷ lệ N2O/N2

1.3 Giới thiệu sơ lược các mô hình đánh giá sự phát thải GHG từ các trạm xử lý nước thải

Nghiên cứu của Diksha Gupta và Kumar Singh [8] đã đưa ra m t phư ng

ph p đ x c định lượng phát sinh khí nhà kính từ m t WWTP dựa trên quy trình của IPCC về ki m kê GHG quốc gia (2006)

c ước thực hiện bao gồm: X c định công suất của WWTP, x c định các nguồn phát thải GHG trực tiếp và gián tiếp liên quan tới quá trình xử lý nước thải, ước t nh lượng chất hữu c sẽ được xử lý trong nước thải và tổng năng lượng cần

cung cấp cho các thiết bị, t nh lượng GHG bằng cách nhân các số liệu trên với hệ số phát thải tư ng ứng c phư ng trình tính to n đều lấy từ các công thức và hệ số được đưa ra trong hướng dẫn của IP , trong đó c c ữ liệu thu thập và hệ số phát thải là lượng GHG phát thải trung bình trên mỗi đ n vị nguồn phát thải cụ th

Phư ng ph p tuy đ n giản, có th cho kết quả tư ng đối trong từng trường hợp nhưng lại cho thấy còn có rất nhiều hạn chế Thứ nhất, phư ng ph p t nh của IPCC không bao gồm việc x c định lượng phát thải khí CO2 từ quá trình xử lý nước thải Thứ hai, nghiên cứu đưa ra c ch t nh lượng khí N2O dựa trên tải lượng nit

ph t sinh trên đầu người hàng năm của khu vực có nguồn nước thải cần xử lý, điều này gây hó hăn trong việc thu thập các số liệu đ tiến hành mô phỏng Bên cạnh

đó t c giả đề tài cũng hông đề cập tới việc x c định sự phát sinh khí nhà kính từ các quá trình liên quan tới bùn thải – m t trong những nguồn đóng góp GHG quan trọng trong nhà máy xử lý nước thải

Nghiên cứu của Monteith [21]: Theo Monteith, c c phư ng ph p t nh to n trước đây vẫn còn tồn tại ở chỗ chỉ dựa hoàn toàn vào lý thuyết c ản về bảo toàn khối lượng, cụ th là toàn b lượng cacbon có khả năng phân hủy sinh học trong nước thải đầu vào sẽ được chuy n hóa thành CO2 và thải ra môi trường không khí Trong hi đó, lượng cacbon hữu c này có th còn lại trong các cặn rắn và được biến đổi thành CO2 và CH4 sau khi trải qua quá trình phân hủy n Điều này đã gây

ra sự sai lệch khá lớn về tổng lượng GHG tính theo CO2 tư ng đư ng giữa lý thuyết tính toán và thực tế

Chính vì vậy Monteith và các c ng sự đã đưa ra m t thủ tục chi tiết cho tính

to n lượng GHG phát thải từ WWTP với đối tượng nghiên cứu là nước thải sinh hoạt Thủ tục mà nhóm nghiên cứu đưa ra ao gồm c c quy trình x c định cấu hình của hệ thống xử lý, các quá trình diễn ra và phư ng trình t nh to n lượng khí CO2

và CH4 tạo ra từ các quá trình oxi hóa sinh học các hợp chất hữu c , phân hủy bùn yếm h , đốt tận dụng khí biogas từ b xử lý bùn dựa vào các thông số chất lượng nước thải đầu vào và đầu ra, nhu cầu tiêu thụ năng lượng của hệ thống

Mô hình sau đó được xác nhận với b số liệu thu được từ trạm xử lý ở Ontario Do số liệu về lượng khí thải hông được thu thập đầy đủ nên các hệ số trong mô hình được hiệu chỉnh và xác nhận dựa trên so sánh giá trị thời gian lưu

n và hàm lượng sinh khối trong hệ thống giữa số liệu thực tế và kết quả tính toán trên mô hình Mô hình của Monteith áp dụng lên hệ thống xử lý của trạm Ontario

vớ lưu lượng nước thải 22800 m3/ngày đêm, c c thông số chất lượng đầu vào BOD

là 125 mg/L, TSS là 186 mg/L; đầu ra BOD và TSS lần lượt là 3 mg/L và 6,7 mg/L

Kết quả tính toán từ mô hình cho thấy: 32% tổng lượng h nhà nh được tạo ra từ quá trình oxi hóa sinh học trong hệ thống xử lý hiếu khí, 43% được đóng góp từ việc phân hủy kỵ khí bùn thải và 5% còn lại là o đốt nhiên liệu phục vụ cho quá trình cấp nhiệt

Bên cạnh đó mô hình cũng được áp dụng cho m t số WWTP tại Canada và cho kết quả các quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt t nh thường tạo ra 0,153 – 0,280 kg CO2/m3 nước xử lý, trong khi quá trình xử lý sinh học bao gồm xử lý hiếu khí bằng bùn hoạt tính và phân hủy kị khí sẽ phát thải 0,148 – 0,369 kgCO2/m3nước xử lý

Nghiên cứu của Cakir và Stenstrom (2005) [3] được thực hiện nhằm ước tính lượng GHG phát thải từ hoạt đ ng xử lý nước thải sinh hoạt và so s nh lượng khí thải này giữa hai phư ng ph p xử lý hiếu khí và kỵ khí Quá trình xử lý nước thải hình thành cả ba loại GHG (CO2, CH4, N2O), tuy nhiên các tác giả chỉ tập trung tính

to n lượng khí CO2 và CH4 và coi như h N2O tạo ra là hông đ ng Nghiên cứu được thực hiện với nước thải sinh hoạt có các thông số đầu vào bao gồm: Lưu lượng dòng vào 37850 m3/ngày, hàm lượng BOD là 100 - 1101 mg/L, hàm lượng TSS dao

đ ng trong khoảng 49-543 mg/L

Hệ thống xử lý nước thải được sử dụng đ mô hình hóa gồm b lắng s cấp,

b xử lý sinh học, b lắng thứ cấp và b phân hủy bùn thải, trong đó hệ xử lý sinh học được chia làm hai trường hợp là b hiếu khí và b yếm khí Yêu cầu chất lượng nước thải đầu ra của hệ thống OD đạt 30 mg/L, SS là 30 mg/L Các quá trình diễn

ra trong hệ thống được mô hình hóa thông qua c c phư ng trình ph t tri n bởi Benefield & Randall (1980), Gujer (1999), Cakir & StenTrom (2003)

Đi m khác biệt giữa nghiên cứu này với các nhiên cứu trước đây đó là ên cạnh việc tính toán GHG phát thải do hoạt đ ng xử lý nước thải hiếu khí, phân hủy bùn hiếm khí và thu hồi và đốt khí sinh học đ cung cấp năng lượng, Cakir và StenStrom (2005) c n đưa ra c ch ước t nh lượng khí tạo ra từ các hệ thống xử lý nước thải yếm h như UASB hay lọc kỵ khí AF

Đối với hệ thống xử lý nước thải hiếu khí, việc nghiên cứu diễn ra với ba trường hợp thời gian lưu n h c nhau là 10 ngày, 30 ngày và 5 ngày Thời gian lưu n trong hệ thống xử lý yếm khí được quy ước là 30 ngày Nhiệt đ dòng thải đầu vào được giả định ở 20o

C phù hợp với điều kiện của khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt, đồng thời thích hợp cho quá trình phát tri n của bùn vi sinh

Kết quả so sánh giữa hai hệ thống được rút ra từ mô hình tính toán cho thấy

hệ thống xử lý hiếu h có lượng khí thải nhà nh t h n với dòng thải đầu vào có nồng đ chất ô nhiễm thấp ( ưới 300 mg/L OD) Trong trường hợp nước thải có hàm lượng BOD cao, hệ thống xử lý yếm khí có thu hồi và tái sử dụng khí biogas lại cho lượng khí CO2 và CH4 nhỏ h n, điều này th hiện ưu thế của phư ng ph p yếm khí trong mục tiêu giảm phát thải h nhà nh đối với việc xử lý nước thải có tải lượng chất ô nhiễm cao

Có th thấy mô hình của a ir & Stemstrom đã ao gồm h đầy đủ các quá trình phát thải GHG từ c c công đoạn xử lý nước thải bằng phư ng ph p sinh học, tuy nhiên các tác giả lại hông đề cập tới quá trình loại bỏ nit trong nước thải và

sự hình thành khí N2O

Đề tài nghiên cứu sự phát sinh GHG từ trạm xử lý nước thải sinh hoạt ở Winsdor, Canada của Seema Rani Das đã đưa ra m t phư ng ph p t nh to n ết hợp giữa cách tính của IPCC và của Monteith Trong đó những phư ng trình t nh lượng khí CO2 và CH4 sinh ra từ các phản ứng sinh học xử lý nước và n được phát tri n dựa trên kết quả nghiên cứu của Monteith, đồng thời việc x c định lượng khí N2O và

c c h nhà nh h c được dựa trên quy trình và các hệ số phát thải o IP đưa ra

Trên thực tế, hiệu suất của các WWTP phụ thu c rất nhiều vào các thông số vận hành như nhiệt đ , lưu lượng, thành phần nước thải Các mô hình toán k trên

đều dựa trên trạng thái vận hành ổn định, o đó ị hạn chế trong việc đ nh gi được

sự ảnh hưởng từ những biến đ ng của các thông số lên hiệu suất của quá trình xử lý cũng như năng suất hình thành GHG Sự giới hạn trong mô hình trạng thái ổn định

đ i hỏi cần phải phát tri n m t mô hình đ ng học, nhằm đ nh gi t c đ ng của sự biến đổi các thông số qu trình cũng như ự đo n hiệu quả của trạm xử lý theo thời gian thực

Mô hình đ ng học áp dụng đ mô phỏng cho quá trình bùn hoạt t nh được phát tri n lần đầu tiên vào năm 1987 ởi nhóm nghiên cứu mô hình toán học thu c

Tổ chức chất lượng nước quốc tế (IAWQ - International Association on Water

Quality) với mục đ ch ự đo n hiệu suất thực tế của hệ thống xử lý Mô hình này

được đặt tên là Mô hình bùn hoạt tính số 1 (ASM1 - Activated Sludge Model No.1)

mô tả các quá trình oxy hóa các chất hữu c nhờ vi sinh vật dị ưỡng, nitrat hóa bởi

vi sinh vật tự ưỡng và denitrat hóa do vi sinh vật tùy nghi dạng dị ưỡng

Mô hình ASM1 chứa đựng 8 quá trình và 13 thành phần đ thiết lập các phư ng trình cân ằng vật chất với các biến trạng thái và các thông số đ ng học Trong những năm tiếp theo, các chuyên gia của IAWQ tiếp tục xây dựng thêm các

mô hình bùn hoạt tính mới theo cùng m t nguyên tắc với ASM1, các mô hình sau là

sự mở r ng các quá trình diễn ra trong hệ bùn hoạt t nh o đó số quá trình và số biến có sự khác nhau

c mô hình đó ao gồm mô hình ASM2 có bổ sung thêm quá trình xử lý photpho bằng phư ng pháp sinh học; mô hình ASM2d mô phỏng sự t ch lũy photpho của vi sinh vật khử nitrat; mô hình ASM3 có t nh đến sự tiêu thụ oxy, phát sinh bùn và sự t ch lũy c c thành phần vật chất trong vi sinh vật liên quan tới sự trao đổi chất của chúng [9] Đặc biệt, đ bổ sung khả năng đ nh gi sự tạo thành khí

N2O từ quá trình xử lý nit ằng phư ng ph p sinh học, Hiatt và Gra y đã xây ựng lên mô hình ASM_2N4DN

Nhược đi m của c c mô hình đ ng học trước đó là chỉ mô tả cả hai quá trình nitrat và enitrat đều là quá trình có m t ước, cụ th amoni NH4+ bị oxy hóa thành

NO3- và NO3- chuy n hóa thành h Nit N2, vì vậy việc xem xét sự hình thành khí

N2O từ quá trình xử lý Nit đã ị bỏ qua [11] Với mô hình ASM_2N4DN, quy trình này được mở r ng với 2 ước nitrat hóa và 4 ước enitrat hóa được mô tả theo s đồ:

- Quá trình nitrat hóa: NH4+ → NO2- → NO3

Quá trình denitrat: NO3- → NO2- → NO → N2O→ N2

Đ mô phỏng đầy đủ các quá trình này, mô hình của Hiatt và Gra y đã ổ sung nồng đ NO2-, NO, N2O vào thành phần các biến và đưa thêm c c qu trình trung gian diễn ra trong phản ứng nitrat và denitrat Việc xem xét tới các biến và thành phần trung gian này giúp t nh to n được lượng khí N2O phát sinh từ hệ thống

xử lý nước thải

Các mô hình bùn hoạt t nh trên đã mô tả tư ng đối hoàn thiện các quá trình xảy ra, các thành phần vật chất được tiêu thụ và sinh ra trong m t hệ thống xử lý nước thải bằng phư ng ph p sinh học Tuy nhiên, số lượng các biến và phư ng trình chứa trong mô hình là rất lớn Ngoài ra m t số thông số đầu vào đ phục vụ cho quá trình tính toán của mô hình rất hó đo đạc trên thực tế o đ i hỏi công nghệ cao và thời gian x c định khá dài

Vì vậy với mục tiêu ch nh là t nh to n lượng phát thải GHG, các mô hình này cần được đ n giản hóa đ phù hợp với điều kiện thực nghiệm Bên cạnh đó, ngoài khí N2O được đưa vào mô hình ASM_2N4DN, c c mô hình bùn hoạt t nh chưa được phát tri n đ tính toán cho phát thải khí CO2 và vì vậy nếu muốn nghiên cứu

sự hình thành khí cacbonic cần phải bổ sung thêm thành phần khí này vào các biến của mô hình Việc bổ sung thêm m t cấu tử vào mô hình cần rất nhiều những nghiên cứu thực nghiệm đ x c định các hệ số tỷ lượng liên quan đến cấu tử đó đ đưa vào ma trận tỷ lượng của mô hình bùn hoạt tính

M t mô hình toán kết hợp cả mô hình trạng thái ổn định và mô hình đ ng học đã được phát tri n bởi Omid Ashrafi của trường Đại học Concordia, Quebec, ana a Ashrafi đã đưa vào mô hình của mình c c phư ng trình t nh to n lượng phát thải của nguồn ngoại vi bao gồm phát thải do sản xuất nhiên liệu và năng lượng cho trạm xử lý, sản xuất và vận chuy n hóa chất, di rời và chôn lấp bùn thải

Đối với các nguồn n i vi, nghiên cứu đã xem xét tới cả ba dạng hệ thống xử lý nước thải gồm hệ thống hiếu khí, yếm khí và kết hợp yếm khí – hiếu khí

Đ mô phỏng sự tạo thành các loại GHG, tác giả đã ph t tri n c c phư ng trình dựa trên phư ng trình cân ằng vật chất và các hệ số phát thải được x c định dựa trên các hệ số tỷ lượng của c c phư ng trình hóa sinh học xảy ra Bên cạnh đó

đ đ nh gi c c t c đ ng của m t số điều kiện vận hành hệ thống như nhiệt đ lên hiệu suất và diễn biến phát thải GHG của trạm xử lý, Ashrafi đã p ụng mô hình Bùn hoạt t nh nhưng đ n giản hóa bằng cách loại bỏ m t số biến và phư ng trình không cần thiết

Theo nghiên cứu, các biến hàm lượng chất hữu c tr , chất rắn tạo thành do tế bào chết đều không ảnh hưởng nhiều tới quá trình tạo GHG nên được bỏ qua Mô hình đ ng học cũng chỉ chú trọng tới sự phân hủy cacbonhydrat nên không quan tâm tới các biến hàm lượng sinh khối tự ưỡng, nit hữu c , amoni, nitrit, nitrat Mô hình của Ashrafi hông đ nh gi đến sự giới hạn của hàm lượng oxy nên biến trạng thái này cũng được bỏ qua Như vậy, mô hình đ ng học này sẽ chỉ bao gồm hai biến trạng thái chủ yếu đ mô phỏng tất cả c c qu trình đó là iến hàm lượng sinh khối và hàm lượng c chất, điều này khiến mô hình trở nên bớt phức tạp đi rất nhiều

Như vậy với việc sử dụng phư ng ph p mô hình hóa đ tính toán sự phát thải GHG từ các nhà máy xử lý nước thải có th thấy có a hướng tiếp cận chủ yếu đó là:

1) Sử dụng c c phư ng trình t nh to n và c c hệ số phát thải do IPCC ban hành: Phư ng n này đ n giản, thuận tiện cho việc sử dụng o đã có sẵn các quy trình tính toán cụ th và các hệ số phát thải đã được x c định Mặc dù vậy hướng nghiên cứu này có nhược đi m đó là chỉ dẫn của IPCC không bao gồm cách tính phát thải CO2 và o đó đã ỏ qua sự xuất hiện của khí này trong tổng lượng khí nhà kính phát sinh từ trạm xử lý nước thải Bên cạnh đó, phư ng thức t nh lượng khí

N2O tạo thành được dựa trên c sở lượng nit ph t thải trong nước thải sinh hoạt ình quân đầu người trong năm vì vậy thông số đầu vào mô hình cần phải biết được dân số của khu vực cần xử lý Phư ng ph p này chỉ áp dụng được trong trạng thái

ổn định và hông cho phép đ nh gi được các ảnh hưởng của các thông số vận hành lên sự phát thải GHG

2) Sử dụng các mô hình bùn hoạt t nh ASM: Đây là phư ng ph p t nh có đ

ch nh x c cao o c c phư ng trình to n sử dụng cho mô phỏng các quá trình xảy ra

hệ thống xử lý nước thải bằng bùn hoạt t nh là tư ng đối đầy đủ Tuy nhiên, đối với mục đ ch x c định lượng GHG phát thải, hạn chế của phư ng n này là số lượng các biến của mô hình rất lớn, các thông số chất lượng nước đầu vào được phân tích thành nhiều cấu tử thành phần o đó đ i hỏi qu trình đo đạc khá phức tạp

3) X c định sự phát thải GHG thông qua mô phỏng các quá trình tiêu thụ c chất và phân hủy sinh khối trên c sở c c phư ng trình đ ng học Monod và nguyên

lý cân bằng vật chất Việc áp dụng phư ng ph p này tạo điều kiện mô phỏng được chi tiết h n phư ng ph p thứ nhất o đã thêm c c thông số đ ng học vào mô hình

và do vậy có th khảo s t được sự ảnh hưởng của các yếu tố ên ngoài đến sự hình thành khí thải giúp quá trình mô hình hóa sát với thực tế h n c phư ng trình t nh theo mô hình Monod tuy không đạt đ ch nh x c cao như mô hình ASM nhưng ưu

đi m là đã đ n giản hóa các biến thành phần và làm giảm bớt số lượng các phép

to n, đồng thời cho phép x c định được lượng GHG phát thải dựa trên các thông số đầu vào không quá phức tạp

Đề tài chọn hướng nghiên cứu theo phư ng n thứ nhất (phư ng ph p IP )

đ t nh to n lượng GHG phát thải từ hệ thống xử lý nước thải sở cho sự lựa chọn này là phư ng pháp IPCC đ n giản, đã có sẵn các quy trình tính toán cụ th và các hệ số phát thải đã được x c định Tuy nhiên có m t số t nh to n, đề tài đã ế thừa các kết quả của các công trình nghiên cứu, kinh nghiệm của các chuyên gia trong và ngoài nước, kế thừa các công thức t nh to n đã được chứng minh

Số liệu được thu thập từ số liệu hoạt đ ng của các trạm xử lý nước thải sinh hoạt Hệ số phát thải phần lớn được sử dụng là các hệ số mặc định trong các tài liệu hướng dẫn ki m kê của IPCC

Chương 2 TÍNH TOÁN PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH TỪ TRẠM XỬ

LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT

Nước thải sinh hoạt là loại nước thải phát sinh từ hoạt đ ng sinh hoạt của các

c ng đồng ân cư như hu vực đô thị, trung tâm thư ng mại, khu vực ch i giải trí,

c quan công sở… c thành phần ô nhiễm ch nh đặc trưng thường thấy ở nước thải sinh hoạt là BOD, OD, nit và photpho M t yếu tố gây ô nhiễm quan trọng trong nước thải sinh hoạt đó là c c loại mầm bệnh được lan truyền bởi vi sinh vật

Nước thải sinh hoạt chứa chất hữu c ao gồm các chất như protein (40 – 50%), cacbonhydrat (40-50%) Nồng đ hữu c có trong nước thải sinh hoạt dao

đ ng trong khoảng 150 – 450mg/l tính theo trọng lượng hô Trong đó, có hoảng

20 – 40% là chất hữu c hó phân hủy sinh học Ở những hu ân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp ém, nước thải sinh hoạt không được xử lý th ch đ ng là m t trong những nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng Chính vì vậy, chúng ta cần phải tập trung xử lý nước thải sinh hoạt đ loại trừ ô nhiễm và nguồn bệnh

Các trạm xử lý nước thải sinh hoạt được thiết kế đ loại bỏ các chất hữu c hòa tan, chất rắn l lửng, vi sinh vật gây bệnh trong nước thải trước hi nước này được thải ra hệ thống tự nhiên và đây cũng được coi là nguồn phát thải GHG rất

đ ng Đ t nh to n được lượng GHG phát thải trong quá trình xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải thì cần x c định phư ng trình đ ng học và dự đo n lượng GHG phát thải từ hệ thống.Trước hết, cần thiết lập phư ng trình cân ằng khối lượng của c chất và sinh khối trong hệ thống xử lý

2.1 Thiết lập phương trình cân bằng khối lượng của cơ chất và sinh khối trong hệ thống xử lý

Hiện nay, các trạm xử lý nước thải sinh hoạt thường sử dụng phư ng ph p sinh học với công nghệ bùn hoạt tính hiếu h đ xử lý các hợp chất hữu c hoặc kết hợp yếm khí– hiếu h đ xử lý các chất hữu c có nồng đ cao Xử lý sinh học là

m t quá trình có hiệu quả giảm thi u, loại bỏ hoặc chuy n thành phần hữu c trong

nước thải và được sử dụng r ng rãi trong hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt cả trên thế giới và ở Việt Nam

S đồ nguyên lý bi u diễn các thông số đầu vào, đầu ra và các thành phần bên trong hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt được đưa ra ở Hình 2.1

Hình 2.1: Sơ đồ biểu diễn cân bằng vật chất trong hệ thống XLNT

2.1.1 ử lý sơ cấp - ể lắng sơ bộ

Đ giữ lại các chất hữu c hông tan trong nước thải trước hi cho nước thải vào các b xử lý sinh học, người ta dùng b lắng s cấp

Nhiệm vụ của b này là loại bỏ các tạp chất có khả năng lắng (tỉ trọng lớn

h n tỉ trọng của nước) Ở đây c c chất l lửng có tỉ trọng lớn h n tỉ trọng của nước

sẽ lắng xuống đ y

a Lượng SS bị khử b trong bể lắng sơ cấp

Lượng SS bị khử bỏ trong b lắng s cấp được tính theo công thức sau:

Rss, pc (kg VSS/ngày) = Per ss,pc* Qo *Xo (2.1) Trong đó:

Perss,pc: phần trăm hử SS trong lắng s cấp (65%);

Qo: công suất ng vào (m3/ngày);

Xo: nồng đ VSS ng vào (mg VSS/l)

b Lượng O bị khử trong bể lắng sơ cấp

Lượng BOD bị khử trong b lắng s cấp được tính theo công thức sau:

RBOD, pc (g BOD5/ngày) = PerBOD * Qo *So (2.2) Trong đó:

PerBOD: phần trăm hử OD5 trong lắng s cấp (50%);

Qo: công suất ng vào (m3/ngày);

So: nồng đ OD5 ng vào (mg VSS/l);

Si (mg/l) = So – PerBOD,pc(%) * So (mg/l)

2.1.2 ử lý hiếu khí

a Cân bằng khối lượng đối với sinh khối

Dựa vào nguyên lý c ản về cân bằng khối lượng [18], phư ng trình cân ằng hối lượng sinh hối trong xử lý sinh học được i u thị như sau:

Biến đ ng lượng sinh khối trong thiết bị xử lý =lượng đầu vào – lượng đầu ra + lượng thực o sinh trưởng (chuy n hóa OD thành sinh hối)

V(dx

dt ) = (Qo - Qc)*Xo – [Qw Xw+(Qo –Qc – Qw)*Xe] + V*rg’ (2.3) Trong đó:

V: th t ch hiếu h (m3);

(dx

dt ): tốc đ iến đổi sinh hối theo thời gian (gVSS/m3/ngày);

X: nồng đ sinh hối trong hiếu h (mg VSS/l);

Qc: công suất xả n lắng s cấp (m3/ngày);

Xo: nồng đ sinh hối ng vào (mg VSS/l);

Qw: công suất xả n b lắng thứ cấp (m3/ngày);

Xw: nồng đ sinh hối tuần hoàn (mg VSS/l);

- Nồng đ sinh hối ng vào thường rất nhỏ nên Xo = 0;

- ông suất xả đ y (Qc) hông đ ng so với công suất ng vào (Qo), Qc =0;

Y: hệ số sản sinh tế ào (gVSS/ g OD5) ;

rsu: tốc đ sử ụng c chất (g OD5/m3 ngày);

Kd: hệ số phân hủy n i ào sinh hối (ngày-1);

Mục tiêu xử lý nước thải là làm giảm nồng đ chất gây ô nhiễm, tức là giảm nồng đ c chất, vì vậy tốc đ sử dụng c chất là đối tượng quan tâm đầu tiên và được tính theo công thức sau:

Tuổi n hay thời gian lưu của n (SRT) được định nghĩa là[3]:

SRT =

e w o w

Q

VX

* ) (

Tuổi bùn (thời gian lưu n, thời gian lưu tế ào) được định nghĩa như tên gọi của nó, chính là thời gian tồn tại của vi sinh vật trong hệ thống xử lý (chỉ ở giai đoạn phản ứng, không bao gồm c c giai đoạn h c như ở b lắng thứ cấp) Đ duy trì m t mật đ sinh khối ổn định trong quá trình xử lý, lượng vi sinh sinh vật sẽ tăng theo thời gian, mức đ tăng càng lớn hoạt tính của vi sinh vật càng cao nên cần phải thải bớt, tách ra khỏi hệ thống lượng ư thừa Thời gian t nh theo ngày đ thải khối lượng n đúng ằng khối lượng có trong khối phản ứng gọi là thời gian lưu tế bào hay tuổi bùn Vế trái của (2.7) là nghịch đảo của SRT

b Cân bằng khối lượng đối với cơ chất

Vi sinh vật phát tri n được trên c sở tiêu hao m t lượng vật chất, chủng loại vật chất mà nó cần rất đa ạng, tư ng ứng với các thành phần hóa học trong tế bào Tuy vậy, khi nghiên cứu đ ng học người ta thường chỉ tập trung vào m t số lượng giới hạn

c c đối tượng Đối tượng hoặc những đối tượng được quan tâm gọi là c chất

Phư ng trình cân ằng hối lượng đối với c chất h a tan ( OD5) trong hình (2.1) như sau:

Y SRT

Y NO SRT

K SRT

Trong đó:

Xn: nồng đ sinh hối tự ưỡng (mg VSS/l);

Yn: hệ số sản sinh tổng hợp đối với vi huẩn nitrat (gVSS/gN);

NOY: nồng đ N-NH4 ng vào chuy n hóa thành Nitrat (mg N/l);

Kdn: hệ số phân hủy n i ào đối với v huẩn nitrat (gVSS/gVSS.ngày)

c Sản sinh b n

Đ uy trì nồng đ sinh hối trong phản ứng, hối lượng n được loại ỏ hàng ngày từ phản ứng Tổng lượng n tạo ra hàng ngày được t nh theo công thức:

Sinh hối được tạo ra ởi:

- Sự tiêu thụ c chất của vi huẩn ị ưỡng;

- Sự tiêu thụ c chất của vi huẩn tự ưỡng;

- Phân hủy tế ào

Sự tạo thành sinh hối o phân hủy BOD được th hiện qua công thức sau:

MX,CBOD (gVSS/ngày) = Q * Y(S S)

Tổng sinh hối o phân hủy BOD và phân hủy các hợp chất hữu c chứa nit là:

Psinh khoi (g VSS/ngày) = MX,CBOD + MX,nit (2.17) Phư ng trình cân ằng hối lượng đối với hử nit (Shahabadi, 2009)

Qi*NOY = Qi*TKNi – Qi *TKNe – 0,12 *P sinh khoi Trong đó:

Dữ liệu về NOY hông có sẵn nhưng TKN thì được iết Theo [18], gi trị

NOY ằng hoảng 0,8 TKN Dựa trên sự tiêu thụ này MX, nit được t nh theo công thức (2.16) Sau đó, phư ng ph p thử và lỗi được p ụng đ tìm gi trị mới cho NOY

Do tổng OD ng vào ị hử ở lắng, nên OD ng vào hiếu h được t nh theo công thức sau:

M

Q Y