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

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 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 luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Thị Vân Anh

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH TỪ MỘT SỐ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Ở VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ 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 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN 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 đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được tác giả khác công bố

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 2019

Người hướng dẫn khoa học

PGS.TS Đặng Xuân Hiển

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thị Vân Anh

LỜI CẢM ƠN

Quá trình nghiên cứu sinh là một chặng đường thật dài, khó khăn và vất vả nhưng

đã mang đến cho tôi một trải nghiệm nhiều thú vị, nhiều cung bậc cảm xúc Hành trình học tập này đã tích lũy cho tôi thêm nhiều kiến thức khoa học, nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực nghiên cứu và rèn luyện bản thân thêm vững vàng trong cuộc sống

Trước tiên, tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo Viện Khoa học và Công nghệ môi trường, Trường đại học Bách khoa Hà Nội, nơi tôi đã trải qua các thời kỳ học tập từ khi là sinh viên đại học, nghiên cứu luận văn thạc sỹ và đến nay là nghiên cứu luận án tiến

sĩ Các thầy cô đã luôn tận tình, tâm huyết truyền tải cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm chuyên môn bổ ích để tôi có thể tự tin trong quá trình công tác của mình Khi nghiên cứu luận án tiến sĩ các thầy cô đã luôn góp ý chân thành, chia sẻ những kinh nghiệm quý báu và luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi để tôi hoàn thành luận án này

Tôi xin bày tỏ sự cảm động và biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Đặng Xuân Hiển, người thầy hướng dẫn khoa học, luôn định hướng, chỉ dẫn và luôn tận tụy hỗ trợ cho tôi trong quá trình nghiên cứu và viết luận án tiến sĩ

Tôi xin trân trọng cảm ơn sâu sắc đến TS.Nguyễn Đức Toàn, Bộ Tài nguyên và Môi trường, người luôn lắng nghe, đồng hành, cho tôi những lời khuyên, động viên, nhiệt tình hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu

Tôi xin trân trọng cảm ơn đến anh Nguyễn Duy Hùng - Vụ khoa học công nghệ -

Bộ Tài nguyên và Môi trường, anh Phạm Tiến Nhất – Trung tâm Tư vấn và Công nghệ môi trường, Tổng cục Môi trường – Bộ Tài nguyên và Môi trường, chị Đỗ Kim Chi - Trung tâm phân tích và chuyển giao công nghệ môi trường - Viện Môi trường nông nghiệp, các em kỹ sư công nghệ thông tin Bùi Việt Thành, Nguyễn Thành Long, những người luôn quan tâm và giúp đỡ để tôi hoàn 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, những người bạn, người thân của tôi đã hỗ trợ tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn đến tình cảm của Ban lãnh đạo, các anh, chị, em đồng nghiệp Trung tâm Tư vấn và Công nghệ môi trường, Tổng cục môi trường, nơi tôi công tác, luôn tạo rất nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu và viết luận án

Và cuối cùng, tôi xin bày tỏ một sự biết ơn đặc biệt, sâu sắc nhất đến bố mẹ tôi, chồng và các con tôi, những người luôn sát cánh bên tôi, đồng hành cùng tôi, luôn dành cho tôi những quan tâm đặc biệt, sự hỗ trợ hết mình cả về vật chất và tinh thần, luôn là nguồn động lực cho tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án

Một lần nữa, tôi 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 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 11

MỞ ĐẦU 14

1 Tính cấp thiết của luận án 14

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án 16

3 Đối tượng nghiên cứu của luận án 16

4 Nội dung nghiên cứu của luận án 17

5 Phạm vi nghiên cứu của luận án 17

6 Phương pháp nghiên cứu của luận án 18

7 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận án 19

8 Những đóng góp mới của luận án 19

9 Cấu trúc luận án 19

1 TỔNG QUAN 22

1.1 Tổng quan về biến đổi khí hậu và khí nhà kính 22

1.1.1 Lịch sử về hội nghị thế giới khí hậu 22

1.1.2 Khái niệm về biến đổi khí hậu 24

1.1.3 Hiệu ứng nhà kính 24

1.1.4 Khí nhà kính và các nguồn phát thải khí nhà kính 25

1.1.4.1 Khái niệm về 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 năng phục vụ hệ thống xử lý 35

1.1.7.2 Phát thải khí nhà kính trong quá trình xử lý nước thải 35

1.2 Tổng quan về các nghiên cứu tính toán phát thải khí nhà kính trên thế giới và Việt Nam 40

1.2.1 Nghiên cứu trên thế giới 40

1.2.1.1 Cách tính toán phát thải khí nhà kính theo IPCC 40

1.2.1.2 Cách tính toán phát thải khí nhà kính theo Bridle Consulting 48

1.2.1.3 Một số cách tính khác 50

1.2.2 Nghiên cứu trong nước 53

1.3 Tổng quan về tình hình xử lý nước thải ở Việt Nam 56

1.3.1 Tình hình chung về xử lý nước thải sinh hoạt tại Việt Nam 56

1.3.2 Tình hình chung về xử lý nước thải công nghiệp tại Việt Nam 59

2 NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP MÔ HÌNH TÍNH TOÁN 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 và 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 toán 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 quá trình xử lý của hệ thống nước thải 70

2.5.1 Thiết lập các tính toán trong điều kiện hiếu khí (hệ thống A) 70

2.5.1.1 Sơ đồ công nghệ 70

3.5.1.2 Tính toán lượng phát thải khí nhà kính từ bể xử lý hiếu khí 71

2.5.1.3 Tính toán lượng phát thải khí nhà kính từ bể phân hủy bùn yếm khí 75

2.5.1.4 Tính toán lượng phát thải khí nhà kính từ phân hủy BOD5 dòng ra 75

2.5.1.5 Phát thải khí N2O từ hệ thống xử lý 75

2.5.2 Tính toán trong hệ thống xử lý yếm khí (hệ thống xử lý B) 78

2.5.3 Tính toán trong hệ thống C (Hệ thống xử lý yếm khí – hiếu khí) 80

2.5.4 Tính toán lượng phát thải khí nhà kính trong điều kiện không ổn định 82

2.6 Xác định hệ số động học của hệ thống xử lý 82

2.7 Thiết lập hệ số chuyển đổi (Y) 84

2.7.1 Vi sinh vật và các phương trình hóa học trong quá trình xử lý sinh học 84

2.7.2 Phương trình hóa học trong xử lý nước thải sinh hoạt 86

2.7.3 Phương trình hóa học trong xử lý nước thải công nghiệp giấy 91

3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 96

3.1 Cấu trúc của mô hình thiết lập được và sơ đồ khối tính toán 96

3.1.1 Cấu trúc của mô hình thiết lập 96

3.1.2 Sơ đồ khối tính toán phát thải KNK từ hệ thống xử lý nước thải 96

3.2 Kiểm nghiệm mô hình thiết lập theo nghiên cứu trước đó 100

3.3 Kiểm nghiệm mô 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 mô hình thiết lập cho hệ thống GOLDMARK 103

3.4 Kiểm nghiệm mô hình thiết lập với kết quả đo đạc thực địa của hệ thống xử lý nước thải GOLDMARK 111

3.5 Phân tích độ nhạy 115

3.6 Phần mềm mô hình thiết lập được 115

3.7 Ứng dụng mô hình thiết lập mô phỏng ảnh hưởng của một số yếu tố như nhiệt độ, nồng độ cơ chất và tuổi bùn đến khả năng phát thải khí nhà kính của hệ thống xử lý nước thải GOLDMARK 121

3.8 Ứng dụng mô hình thiết lập tính toán phát thải KNK cho một số hệ thống xử

lý nước thải sinh hoạt tại Việt Nam 126

3.9 Ứng dụng mô hình thiết lập được tính toán cho một 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 toán 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 CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 140

TÀI LIỆU THAM KHẢO 141

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Nông nghiệp, Lâm nghiệp và sử dụng đất khác

Hội đồng Quốc tế các Liên hiệp Khoa học

Sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất và lâm nghiệp

Ủy ban liên hợp quốc về biến đổi khí hậu

Quá trình công nghiệp và sử dụng sản phẩm

Chương trình Liên hiệp quốc về môi trường

Công ước Khung của Liên hiệp quốc về biến đổi khí hậu

WOM : (World Meteorological Organization) Tổ chức Khí tượng Thế giới

Các ký hiệu sử dụng trong mô hình tính toán

KN Hằng số bán bão hòa đối với NH4-N g/m3; mg/l

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Khả năng gây ấm toàn cầu của khí nhà kính [3] 26

Bảng 1.2 Phát thải KNK các năm 1994, 2000, 2010 theo các nguồn [1] 28

Bảng 1.3 Phát thải KNK theo loại khí năm 1994, 2000 và 2010 [1] 28

Bảng 1.4 Tổng khối lượng chất thải rắn đô thị được xử lý tại các bãi chôn lấp [8] 29 Bảng 1.5 Bảng thành phần chất thải trung bình tại Việt Nam [8] 30

Bảng 1.6 Nước thải của một số ngành công nghiệp quan trọng tại Việt Nam [9] 30

Bảng 1.7 Ước tính phát thải KNK năm 2010, năm 2020 và 2030 từ nguồn chất thải [1] 31

Bảng 1.8 Oxi hóa Amoni thành nitrites bởi vi khuẩn Nitrosomonas [17] 39

Bảng 1.9 Oxihóa nitrite thành nitrate bởi vi khuẩn Nitrobacter [17] 39

Bảng 1.10 Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tại Việt Nam [61] 56

Bảng 1.11 Đặc tính nước thải tại các hệ thống xử lý nước thải tại Việt Nam [61] 57 Bảng 1.12 Nhu cầu cấp nước và lượng nước thải một số ngành công nghiệp [62] 60 Bảng 1.13 Cơ cấu sở hữu các loại hình doanh nghiệp [63] 61

Bảng 1.14 Thành phần nước thải của một số nhà máy sản xuất giấy và bột giấy với nguyên liệu là gỗ và giấy thải [63] 63

Bảng 2.1 Các hệ thống xử lý nước thải nghiên cứu tính toán 69

Bảng 2.2 Tỷ lệ phần trăm nguồn tạo điện tại Việt Nam và Hệ số phát thải KNK theo nguồn điện khác nhau [65,66] 70

Bảng 2.3 Giá trị đặc trưng hệ số động học trong quá trình xử lý hiếu khí 83

Bảng 2.4 Giá trị đặc trưng hệ số động học trong quá trình xử lý yếm khí 84

Bảng 2.5 Giá trị đặc trưng hệ số động học trong quá trình nitrat 84

Bảng 2.6 Các phương trình hóa học xảy ra trong quá trình xử lý sinh học 85

Bảng 2.7 Các loại vi sinh vật trong quá trình xử lý nước thải 86

Bảng 2.8 Hệ số chuyển đổi Y đối với nước thải sinh hoạt 90

Bảng 2.9 Hệ số chuyển đổi Y đối với nước thải công nghiệp giấy 95

Bảng 3.1 Cấu trúc chung của mô hình thiết lập 96

Bảng 3.2 Thông số vận hành hệ thống WINDSOR [13] 100

Bảng 3.3 Hệ số phát thải KNK từ sử dụng điện năng của hệ thống WINDSOR [13] 100

Bảng 3.4 Hệ số động học của hệ thống WINDSOR [13] 100

Bảng 3.5 Kết quả kiểm nghiệm mô hình với hệ thống WINSOR 100

Bảng 3.6 Công suất tiêu thụ điện năng hệ thống GOLDMARK 103

Bảng 3.7 Hệ số phát thải khí nhà kính từ sản xuất điện năng 103

Bảng 3.8 Kết qủa tính toán phát thải KNK từ quá trình sản xuất điện năng của hệ thống xử lý nước thải GOLDMARK 104

Bảng 3.9 Thông số chất lượng nước thải đầu vào và thông số công nghệ của hệ thống xử lý nước thải GOLDMARK 104

Bảng 3.10 Số liệu đo đạc từ hệ thống xử lý nước thải GOLDMARK 104

Bảng 3.11 Bảng hệ số động học hệ thống xử lý nước thải GOLDMARK 105

Bảng 3.12 Bảng hệ số chuyển đổi Y phát thải khí nhà kính của hệ thống xử lý nước thải GOLDMARK 107

Bảng 3.13 Kết quả tính toán của hệ thống xử lý nước thải GOLDMARK bằng mô hình thiết lập 107

Bảng 3.14 Kết quả phân tích khí CO2, tại bể hiếu khí của hệ thống xử lý nước thải Goldmark 111

Bảng 3.15 Kết quả phân tích khí CH4, tại bể phân hủy bùn của hệ thống xử lý nước thải Goldmark 112

Bảng 3.16 Kết quả phân tích khí N2O, tại bể hiếu khí của hệ thống xử lý nước thải Goldmark 113

Bảng 3.17 Khoảng giá trị của các thông số động học hiếu khí (ở 20oC)[21] 115

Bảng 3.18 Kết quả phân tích độ nhạy 115

Bảng 3.19 Hệ số động học theo nhiệt độ 122

Bảng 3.20 Thông số chung của một số hệ thống xử lý sinh hoạt 126

Bảng 3.21 Thông số vận hành của một số hệ thống xử lý sinh hoạt 127

Bảng 3.22 Công suất tiêu thụ điện năng hệ thống Giấy Bãi Bằng 130

Bảng 3.23 Phát thải KNK từ quá trình sản xuất điện năng của HT Giấy Bãi Bằng 131

Bảng 3.24 Thông số vận hành của hệ thống Giấy Bãi Bằng 131

Bảng 3.25 Bảng hệ số động học hệ thống Giấy Bãi Bằng 131

Bảng 3.26 Kết quả chạy hiệu chỉnh mô hình 131

Bảng 3.27 Bảng hệ số chuyển đổi Y hệ thống Giấy Bãi Bằng 133

Bảng 3.28 Kết quả tính toán đối với hệ thống Giấy Bãi Bằng theo mô hình 133

Bảng 3.29 Thông số chung của hệ thống xử lý 135

Bảng 3.30 Thông số vận hành của hệ thống xử lý 135

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 0.1 Sơ đồ nghiên cứu của luận án 21

Hình 1.1 Sơ đồ nguồn phát thải khí nhà kính [3] 26

Hình 1.2 Lượng chất thải y tế độc hại được đốt hàng năm 31

Hình 1.3 Sơ đồ biện pháp xử lý nước thải sinh hoạt/công nghiệp [3] 33

Hình 1.4 Khí nhà kính phát sinh từ quá trình yếm khí [30] 36

Hình 1.5 Quá trình khử BOD trong xử lý nước thải sinh học hiếu khí [34] 37

Hình 1.6 Phát thải N2O trong hệ thống xử lý nước thải [36] 38

Hình 1.7 Chu trình chuyển hóa Nito sinh học [37] 38

Hình 1.8 Con đường khử nitơ và các enzym liên quan [42] 39

Hình 1.9 Quá trình khử nitrat và các enzim liên quan [43] 40

Hình 1.10 Quá trình sinh ra N2O [44] 40

Hình 1.11 Sơ đồ cây quyết định phương pháp tính phát thải khí CH4 từ HTXLNT SH [3] 43

Hình 1.12 Sơ đồ cây quyết định phương pháp tính phát thải khí CH4 từ HTXLNT CN [3 ] 45

Hình 1.13 Sơ đồ tổng quan phát thải khí nhà kính theo mô hình Bridle [47] 49

Hình 1.14 Hiện trạng công tác quản lý nước thải đô thị Việt Nam [61] 56

Hình 2.1 Cấu tạo thiết bị chamber sử dụng trong hoạt động lấy mẫu khí nhà kính 66 Hình 2.2 Hình ảnh thiết bị chamber sử dụng trong lấy mẫu khí nhà kính dưới nước 66

Hình 2.3 Một số hình ảnh lấy mẫu 66

Hình 2.5 Một số hình ảnh phân tích mẫu 67

Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải nghiên cứu thiết lập mô hình 69

Hình 2.7 Sơ đồ biểu diễn cân bằng vật chất trong hệ thống xử lý - Hệ thống A 71

Hình 2.8 Các công thức tính toán phát thải KNK hệ thống hiếu khí 77

Hình 2.9 Sơ đồ biểu diễn cân bằng vật chất trong hệ thống xử lý - Hệ thống B 78

Hình 2.10 Các công thức tính toán phát thải KNK hệ thống yếm khí 79

Hình 2.11 Sơ đồ biểu diễn cân bằng vật chất trong hệ thống xử lý - Hệ thống C 80

Hình 2.12 Các công thức tính toán phát thải KNK hệ thống lý yếm khí – hiếu khí 81 Hình 3.1 Sơ đồ tính toán phát thải KNK từ hệ thống xử lý nước thải 97

Hình 3.2 Sơ đồ tính toán phát thải KNK từ sử dụng điện năng của HTXLNT 97

Hình 3.3 Sơ đồ tính toán công suất sử dụng điện năng của HTXLNT 98

Hình 3.4 Sơ đồ tính toán phát thải KNK từ quá trình xử lý của HTXLNT 98

Hình 3.5 Sơ đồ tính toán theo con đường 1 99

Hình 3.6 Sơ đồ tính toán theo con đường 2 99

Hình 3.7 Biểu đồ kiểm nghiệm mô hình 101

Hình 3.8 Sơ đồ công nghệ HTXL nước thải sinh hoạt tòa nhà GOLDMARK CITY 102

Hình 3.9 Một số hình ảnh HTXL nước thải sinh hoạt tòa nhà GOLDMARK CITY

102

Hình 3.10 Biểu đồ xác định thông số Ks, k 105

Hình 3.11 Biểu đồ xác định thông số Y, kd 105

Hình 3.12 Biểu đồ BOD5 dòng ra tính toán và thực nghiệm 105

Hình 3.13 Biểu đồ diễn biến nồng độ sinh khối X và BOD5 dòng ra theo thời gian của HTXLT GOLDMARK 106

Hình 3.14 Biểu đồ khả năng phát thải KNK trên toàn hệ thống xử lý nước thải GOLDMARK 108

Hình 3.15 Biểu đồ diễn biến tỷ lệ phần % phát thải KNK của HTXLT GOLDMARK trong quá trình xử lý 109

Hình 3.16 Biểu đồ biểu diễn khả năng phát thải KNK từ hệ thống XLNT GOLDMARK trong quá trình xử lý 110

Hình 3.17 Biểu đồ phát thải khí CO2, CH4, N2O từ hệ thống XLNT GOLDMARK 110

Hình 3.18 Biểu đồ phát thải khí CO2 từ bể xử lý hiếu khí ở hệ thống XLNT GOLDMARK 112

Hình 3.19 Biểu đồ phát thải khí CH4 từ bể phân hủy bùn yếm khí ở hệ thống XLNT GOLDMARK 113

Hình 3.20 Biểu đồ phát thải khí N2O từ bể xử lý hiếu khí ở hệ thống XLNT GOLDMARK 114

Hình 3.21 Biểu đồ biến thiên hệ số động học theo nhiệt độ 123

Hình 3.22 Biểu đồ biến thiên nồng độ cơ chất dòng ra theo nhiệt độ 123

Hình 3.23 Biểu đồ biến thiên nồng độ sinh khối theo nhiệt độ 123

Hình 3.24 Biểu đồ phát thải KNK tại các bể theo nhiệt độ 124

Hình 3.25 Biểu đồ phát thải tổng KNK theo nhiệt độ trong trường hợp thu hồi và phóng không khí CH4 124

Hình 3.26 Biểu đồ biến thiên khí nhà kính tại các bể theo nồng độ cơ chất dòng vào 125

Hình 3.27 Biểu đồ biến thiên tổng phát thải khí nhà kính trên toàn hệ thống xử lý theo nồng độ cơ chất dòng vào 125

Hình 3.28 Biểu đồ biến thiên nồng độ cơ chất dòng ra theo tuổi bùn 125

Hình 3.29 Biểu đồ biến thiên nồng độ cơ chất dòng ra theo tuổi bùn 125

Hình 3.30 Biểu đồ biến thiên khí nhà kính tại các bể theo tuổi bùn 126

Hình 3.31 Biểu đồ biến thiên nồng độ cơ chất dòng ra theo tuổi bùn 126

Hình 3.32 Biểu đồ phát thải KNK của HTXL nước thải sinh hoạt 127

Hình 3.33 Biểu đồ đóng góp các nguồn phát thải KNK khác nhau đến tổng phát thải KNK của HTXLNT sinh hoạt 128

Hình 3.34 Biểu đồ phát thải từng loại KNK từ các HTXL nước thải sinh hoạt 129

Hình 3.35 Biểu đồ phát thải KNK một số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt 129

Hình 3.36 Biểu đồ diễn biến nồng độ sinh khối X và BOD5 dòng ra theo thời gian của HTXLT Giấy Bãi Bằng 132 Hình 3.37 Biểu đồ phát thải KNK từ hệ thống Giấy Bãi Bằng 134 Hình 3.38 Biểu đồ đóng góp nguồn phát thải KNK trong quá trình xử lý của hệ thống Giấy Bãi Bằng 135 Hình 3.39 Biểu đồ phát thải KNK từ HTXLNT Giấy Corelex 136 Hình 3.40 Biểu đồ đóng góp của các nguồn phát thải KNK từ HTXLNT Giấy Corelex 136 Hình 3.41 Biểu đồ phát thải từng loại khí của một số HTXLNT công nghiệp giấy 137 Hình 3.42 Biểu đồ phát thải KNK của một số hệ thống xử lý nước thải công nghiệp giấy 137

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Nền kinh tế phát triển gây ô nhiễm môi trường, làm kiệt quệ nhiều nguồn tài nguyên thiên nhiên, khí hậu trở nên khắc nghiệt, thời tiết thay đổi bất thường, trái đất dần bị nóng lên, hệ sinh thái dần bị tàn hoại Các hiện tượng như lũ lụt, hạn hán cháy rừng, băng đá ở Bắc cực đang dần dần tan chảy, nhiều trận bão khốc liệt, nhiều cơn sóng thần, nhiều đợt nóng gay gắt, nhiều rừng cây bị tàn phá nhanh chóng, sa mạc ngày càng lan rộng, nhiều sinh vật đang bị diệt chủng không ngừng xảy ra trong những năm gần đây Đó là những ảnh hưởng của biến đổi khí hậu tác động mạnh mẽ đến môi trường trái đất và đời sống của con người

Việt Nam được đánh giá là quốc gia thứ 5 trên thế giới chịu tác động xấu nặng

nề nhất do biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng mang lại Liên Hợp Quốc cảnh báo, nếu mực nước biển tăng thêm 1m thì Việt Nam sẽ đối mặt với mức thiệt hại lên tới 17 tỉ USD/năm; 1/5 dân số mất nhà cửa; 12,3% diện tích đất trồng trọt biến mất;

Mêkông sẽ chịu tác động của lũ ở mức độ không thể dự đoán

Nguyên nhân chính làm biến đổi khí hậu trái đất đó là do sự gia tăng các hoạt động tạo ra các chất thải khí nhà kính (KNK), trong đó, các hoạt động sinh sống và sản xuất của con người là nguồn phát thải chính Theo Ủy ban liên Chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) các nguồn phát thải khí nhà kính gồm 4 nguồn chính: Năng lượng; Quá trình công nghiệp và sử dụng sản phẩm (IPPU); Nông nghiệp, Lâm nghiệp và sử dụng đất khác (AFOLU) và Chất thải

Theo thông báo quốc gia lần thứ hai của Việt Nam cho Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu (UNFCCC) vào năm 2010, tổng lượng khí nhà kính phát thải năm 2000 là 150,9 triệu tấn CO2tđ, trong đó phát thải KNK từ nguồn nông nghiệp là 65,1 triệu tấn CO2tđ (chiếm 43% tổng lượng phát thải KNK), từ nguồn năng lượng là 52,8 triệu tấn CO2tđ (chiếm 34% tổng lượng phát thải KNK),

từ nguồn sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất và lâm nghiệp (LULUCF) là 15,1 triệu tấn CO2tđ (chiếm 10% tổng lượng phát thải KNK), từ nguồn các quá trình công nghiệp là 10,0 triệu tấn CO2tđ (chiếm 6,6% tổng lượng phát thải KNK) và từ nguồn chất thải là 7,9 triệu tấn CO2tđ (chiếm 5,2% tổng lượng phát thải KNK) Trong nguồn chất thải, phát thải KNK từ xử lý nước thải chiếm 30%, từ xử lý chất thải rắn chiếm 70% Dự tính vào năm 2020, tổng phát thải KNK là 300,4 triệu tấn CO2 tđ và vào năm 2030 là 515,8 triệu tấn CO2 tđ [1]

Phát thải KNK từ nguồn chất thải gồm: Bãi chôn lấp chất thải, Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp sinh học, Lò đốt chất thải và đốt bãi rác hở, Xử lý và xả nước thải Các loại KNK chủ yếu phát sinh trong nguồn chất thải gồm: Khí Carbon

dioxide (CO2), methane (CH4), and nitrous oxide (N2O) [2]

Bãi chôn lấp chất thải sinh ra lượng đáng kể khí CH4 Ngoài khí CH4 ra, bãi chôn lấp chất thải cũng sinh ra khí CO2, hợp chất hữu cơ dễ bay hơi không methane (NMVOCs) cũng như một lượng nhỏ khí N2O, nitrogen oxides (NOx) và carbon monoxide (CO) Trong quản lý chất thải rắn, đã có nhiều biện pháp nhằm giảm thiểu lượng chất thải rắn đem chôn lấp nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường Biện pháp thu hồi khí tại các bãi chôn lấp cũng được sử dụng khá phổ biến nhằm giảm thiểu sự phát thải khí CH4 [3]

Làm phân compost và phân hủy yếm khí chất thải hữu cơ thường phổ biến ở các nước đã và đang phát triển Làm phân compost là quá trình hiếu khí và một lượng lớn hợp chất hữu cơ trong chất thải được chuyến hóa thành khí CO2 Khí CH4được tạo thành ở vùng yếm khí, nhưng nó bị oxi hóa ở mức độ lớn trong vùng hiếu

carbon ban đầu trong chất thải Quá trình làm phân compost cũng có thể sinh ra khí

trong chất thải [3] Phân hủy yếm khí chất thải hữu cơ thúc đẩy sự phân hủy tự nhiên hợp chất hữu cơ không có oxi bằng cách duy trì nhiệt độ, độ ẩm và pH gần tới giá trị tối ưu của nó CH4 được tạo thành có thể được sử dụng để tạo nhiệt hoặc điện năng Phát thải N2O từ quá trình này được giả thiết là không đáng kể, tuy nhiên, dữ liệu về phát thải này rất là ít [3]

Xử lý sinh học – cơ khí (MB) chất thải đang là phương pháp phổ biến ở châu

âu Phân tách chất thải bằng cơ khí sau đó chuyển hóa sinh học, làm hiệu quả xử lý tăng lên, hiệu quả thu hồi khí CH4 tăng, giảm thể tích bãi chôn lấp [3]

Lò đốt rác và đốt bãi rác hở là nguồn phát thải khí nhà kính Các khí liên quan được tính toán là các khí Carbon dioxide (CO2), methane (CH4) và nitrous oxide (N2O) Thông thường, phát thải CO2 từ lò đốt rác nhiều hơn đáng kể so với khí CH4

và N2O [3]

Hệ thống xử lý nước thải cũng là nguồn phát thải khí nhà kính gồm phát thải gián tiếp và trực tiếp Nguồn phát thải KNK gián tiếp như sản xuất điện để sử dụng trong quá trình xử lý; sản xuất và vận chuyển nhiên và nguyên liệu; chôn lấp bùn hoạt tính được tạo ra trong quá trình xử lý Nguồn phát thải KNK trực tiếp như từ

bể xử lý hiếu khí, bể xử lý yếm khí, bể phân hủy yếm khí, rò rỉ khí sinh học, quá trình đông keo tụ hóa học, đốt khí sinh học trong nồi hơi thu hồi

Việc cắt giảm phát thải khí nhà kính có vai trò quan trọng trong công tác ứng phó với Biến đổi khí hậu Việt Nam, với tư cách là một quốc gia đang phát triển, thực hiện một số nghĩa vụ chung như thực hiện xây dựng các Thông báo quốc gia tới UNFCCC định kỳ, kiểm kê khí nhà kính; xây dựng và đánh giá phương án giảm nhẹ KNK, thích ứng với BĐKH Thông qua kiểm kê khí nhà kính có thể cập nhật

thường xuyên lượng khí nhà kính sản sinh từ các nguồn phát thải từ đó đưa ra các phương pháp giảm thiểu phát thải khí nhà kính gây BĐKH Qua đó cũng có thể tính trước ngưỡng phát thải khí nhà kính để chủ động nhập những công nghệ sản xuất thích hợp, vừa bảo đảm tăng trưởng kinh tế vừa kiểm soát hiệu quả lượng khí thải nhà kính

Trong nỗ lực nhằm hướng tới xây dựng một nền kinh tế “cacbon thấp”, Việt Nam đã có xây dựng Thông báo quốc gia đầu tiên của Việt Nam vào tháng 12 năm

2003, Thông báo quốc gia lần thứ hai vào năm 2010 Các kiểm kê KNK được biên soạn theo phương pháp (IPCC, 1996, 2000, 2006) Tuy nhiên, những báo cáo kiểm

kê khí nhà kính đó vẫn chưa đủ chi tiết và hoàn chỉnh vì một số những rào cản như việc thiếu một hệ thống thể chế hoàn chỉnh, nguồn lực kỹ thuật, kiến thức về các nhân tố phát thải phù hợp cũng như năng lực trong công tác kiểm soát chất lượng của dữ liệu Hiện nay, Việt Nam đang xây dựng thông báo quốc gia lần thứ ba cho UNFCCC

Tại Việt Nam, tỷ lệ đóng góp phát thải khí nhà kính từ lĩnh vực chất thải chưa nhiều, các con số thống kê phát thải khí nhà kính từ chất thải còn thiếu nhiều, đặc biệt là từ hệ thống xử lý nước thải vẫn còn đang bỏ ngỏ trong tổng kiểm kê quốc gia

về phát thải KNK Việc đo đạc trực tiếp phát thải KNK từ hệ thống xử lý nước thải

là khó khăn và tốn kém nên việc có một mô hình tính toán phát thải khí nhà kính sẽ giúp giảm thiểu chi phí đo đạc, chi phí nhân công, nhanh chóng có được bộ số liệu

dự báo về lượng phát thải KNK là rất cần thiết Trên thế giới phát thải khí nhà kính

từ hệ thống xử lý nước thải ngày càng được quan tâm nhiều hơn, đồng hành cùng sự cần thiết phải xử lý nước thải dòng ra đạt tiêu chuẩn cho phép Nắm bắt được tình hình đó đề tài luận án “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” sẽ tập trung nghiên cứu thiết lập mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ một số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp sản xuất giấy ở Việt Nam và ứng dụng mô hình thiết lập tính toán cho một số hệ thống xử lý nước thải ở Việt Nam

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

- Thiết lập mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải (nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp giấy) ở Việt Nam;

- Tính toán phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải (nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp giấy) ở Việt Nam; đề xuất một số hệ số phát thải khí nhà kính của hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và hệ thống xử lý nước thải giấy ở Việt Nam

3 Đối tượng nghiên cứu của luận án

Một số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và hệ thống xử lý nước thải công nghiệp giấy ở 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

4 Nội dung nghiên cứu của luận án

+ Nghiên cứu tổng quan:

- Tổng quan về biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính, phát thải khí nhà kính từ nguồn nước thải và chất thải;

- Tổng quan về tình hình nước thải và chất thải tại Việt Nam;

- Tổng quan về tính toán phát thải khí nhà kính và mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải và chất thải trên giới và Việt Nam;

+ Nghiên cứu thiết lập mô hình toán học tính toán phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải:

- Nghiên cứu thiết lập mô hình toán học tính toán phát thải khí nhà kính từ quá trình xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp giấy;

- Nghiên cứu xây dựng code số (phần mềm) với giao diện thuận tiện và dễ sử dụng;

- Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình thu được với các nghiên cứu trước đó

và kiểm nghiệm mô hình qua các số liệu đo đạc thực nghiệm

+ Ứng dụng mô hình thiết lập được tính toán phát thải khí nhà kính cho một số

hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất giấy (Hệ thống xử lý nước thải Yên Sở, Hệ thống xử lý nước thải Kim Liên, Hệ thống xử lý nước thải Trúc Bạch, Hệ thống xử lý nước thải giấy Bãi Bằng, Hệ thống xử lý nước thải giấy Corelex);

thống xử lý nước thải; Xác định được một số hệ số phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất giấy tại Việt Nam

5 Phạm vi nghiên cứu của luận án

Phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải: luận án chỉ tập trung vào một số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt (đây là loại hình phổ biến nhất và có lưu lượng thải lớn nhất ở Việt Nam) và hệ thống xử lý nước thải công nghiệp giấy (đây

là loại hình có tỷ lệ thải nước/tấn sản phẩm lớn nhất trong các loại nước thải công nghiệp)

Nguồn phát thải KNK từ hệ thống xử lý nước thải gồm nguồn phát thải gián tiếp và nguồn phát thải trực tiếp Trong nguồn phát thải gián tiếp, luận án chỉ tính đến phát thải khí nhà kính từ sản xuất điện để sử dụng trong quá trình xử lý Trong nguồn phát thải trực tiếp, luận án chỉ tính đến phát thải khí nhà kính từ bể xử lý hiếu khí, bể xử lý yếm khí và bể phân hủy bùn yếm khí Độ lớn của phát thải khí nhà kính của hệ thống xử lý được tính tổng phát thải KNK từ mỗi nguồn trên

6 Phương pháp nghiên cứu của luận án

* Cách tiếp cận:

Mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học được thiết lập dựa trên phương trình Herbert (một dạng cải biên của phương trình Monod), cân bằng khối lượng, cân bằng hóa học Giả thiết đối với nước thải sinh hoạt: công thức kinh nghiệm C10H19NO3 và đối với nước thải công nghiệp giấy: công thức kinh nghiệm C7H12O4N được sử dụng đại diện cho cơ chất và C5H7O2N được sử dụng đại diện cho sinh khối xảy ra trong quá trình xử lý nước thải Hệ các phương trình thu nhận được giải bằng phương pháp số và được code số bằng ngôn ngữ lập trình Scala, Matlab, cho phép dễ dàng hơn trong việc tính toán và dự báo phát thải khí nhà kính từ các hệ thống xử lý nước thải;

* Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng:

- Phương pháp thu thập thông tin dữ liệu: phân tích, đánh giá các tài liệu, các bài báo khoa học trong nước và quốc tế, hay thông qua trao đổi ý kiến trực tiếp với các chuyên gia nhằm đưa ra bức tranh tổng thể về hiện trạng tính toán phát thải khí nhà kính, các thông tin liên quan đến lĩnh vực mô hình toán học tính toán phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải, chất thải trên thế giới và Việt Nam, từ đó xác định hướng nghiên cứu của luận án;

- Phương pháp hồi cứu: kế thừa số liệu của một số nghiên cứu trong và ngoài nước; kinh nghiệm tính toán phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải, chất thải của các tác giả trên thế giới;

- Phương pháp mô hình hóa: nhằm nghiên cứu xây dựng các phương trình toán học trên cơ sở phương trình cân bằng chất, phương trình động học Herbert, sự tăng trưởng của vi sinh vật; cân bằng hóa học xảy ra trong quá trình xử lý; các phương trình thu nhận được giải bằng phương pháp số và được code số bằng ngôn ngữ lập trình Scala và Matlab; Mô hình số được hiệu chỉnh và kiểm nghiệm bằng các kỹ thuật phù hợp đảm bảo độ tin cậy, cho phép tính toán phát thải khí nhà kính phát sinh từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất giấy

- Phương pháp điều tra, khảo sát hiện trường: nhằm thu thập các số liệu phục

vụ cho nghiên cứu và hiệu chỉnh, kiểm nghiệm mô hình

- Phương pháp thực nghiệm lấy mẫu khí nhà kính: các mẫu khí nhà kính được thu nhận bằng kỹ thuật hộp Chamber QUT của Trường Đại học Công nghệ Queensland (Brisbane Australia) chuyển giao cho Viện Môi trường Nông nghiệp Việt Nam;

- Phương pháp phân tích công cụ: các mẫu khí nhà kính (CH4, N2O và CO2) trong luận án được phân tích bằng kỹ thuật phân tích công cụ hiện đại [GC-2014

200oC; CH4 được xác định bằng máy dò ion hóa ngọn lửa (FID) ở nhiệt độ 300oC

và N2O được xác định bằng điện tử chụp dò (ECD) ở nhiệt độ 350oC] tại Trung tâm phân tích - Viện Môi trường Nông nghiệp Việt Nam

- Phương pháp thống kê: các số liệu trong luận án được xử lý bằng các kỹ thuật thống kê phù hợp đảm bảo độ tin cậy

7 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận án

- Tại Việt Nam, các nghiên cứu tính toán phát thải khí nhà kính phần lớn tập trung vào các lĩnh vực năng lượng, nông nghiệp và các quá trình công nghiệp, việc nghiên cứu tính toán phát thải khí nhà kính từ nguồn chất thải có thể nói là rất ít tập trung chủ yếu vào phát thải khí nhà kính từ các bãi chôn lấp Các con số thống kê và tính toán phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý s2.1nước thải tại Việt Nam đang còn là một vấn đề bỏ ngỏ Do đó, luận án nghiên cứu thiết lập một mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải là bước đi mới, có tính đột phá và mang tính thực tiễn cao;

- Với quan điểm trước đây, đối với hệ thống xử lý nước thải chỉ chú trọng chất lượng dòng ra đạt tiêu chuẩn và chi phí xử lý thấp, thì ở đây luận án đã đề cập đến tính toán phát thải khí nhà kính của hệ thống xử lý nước thải Trong khi, trên thế giới các nghiên cứu về tính toán phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải đã và đang ngày càng được quan tâm nhiều hơn Tiếp cận xu thế tiên tiến trên thế giới, luận án đã nghiên cứu thiết lập một mô hình toán học dựa trên phương trình Herbert, các phương trình cân bằng khối lượng cơ chất và sinh khối, các cân bằng hóa học xảy ra trong quá trình xử lý để tính toán lượng phát thải khí nhà kính

từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp giấy tại Việt Nam

Mô hình mang tính toàn diện trên cả hệ thống, bao gồm phát thải KNK từ quá trình

sử dụng điện năng và từ quá trình xử lý nước thải của hệ thống;

- Luận án đã thiết lập mô hình với giao diện thuận tiện và dễ sử dụng, có tính ứng dụng cao trong các nhà máy xử lý nước thải và trong quá trình thiết kế hệ thống

xử lý nước thải, giúp giảm được chi phí đo đạc và phân tích;

- Luận án đã đóng góp một giải pháp hữu hiệu trong vấn đề còn đang bỏ ngỏ trong kiểm kê khí nhà kính tại Việt Nam; Các nhà kiểm kê khí nhà kính tại Việt Nam có thể sử dụng mô hình, thường xuyên cập nhật lượng phát thải khí nhà kính

từ hệ thống xử lý nước thải, từ đó đưa ra các giải pháp giảm thiểu, xây dựng kế hoạch nhằm giảm nhẹ biến đổi khí hậu, hướng tới một nền kinh tế các bon thấp, phục vụ phát triển bền vững;

- Luận án có thể làm tài liệu tham khảo trong các trường đại học, viện nghiên cứu, mở ra hướng tiếp cận mới về tính toán phát thải khí nhà kính

8 Những đóng góp mới của luận án

- Lần đầu tiên đã thiết lập được mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ

hệ thống xử lý nước thải dựa trên phương trình động học Herbert, phương trình cân bằng khối lượng cơ chất và phương trình cân bằng sinh khối, cân bằng hóa học xảy

ra trong các công trình xử lý nước thải (bể phản ứng sinh học yếm khí, bể phản ứng sinh học hiếu khí, bể phản ứng sinh học kết hợp, bể phân hủy bùn yếm khí, ) để tính toán lượng phát thải khí nhà kính từ thống xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp giấy tại Việt Nam;

- Luận án đã xác định được một số hệ số phát thải phục vụ kiểm kê khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và hệ thống xử lý nước thải sản xuất giấy như:

+ Hệ số phát thải KNK trong nước thải sinh hoạt trường hợp không thu hồi khí

CH4 là 2,40 kg CO2tđ/kg BOD5, hệ số phát thải KNK trong trường hợp thu hồi và đốt khí CH4 là 1,16 kgCO2tđ/kg BOD5;

+ Hệ số phát thải KNK đối với nước thải giấy trong trường hợp không thu hồi khí CH4 là 3,58 kgCO2tđ/kg BOD5, trong trường hợp thu hồi và đốt khí CH4 thì hệ

số phát thải khí nhà kính là 0,93 kgCO2tđ/kg BOD5;

- Đã thử nghiệm mô hình thiết lập được để tính toán phát thải khí nhà kính từ

hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt từ khu nhà ở GOLDMARK City số 136 Hồ Tùng Mậu – Bắc Từ Liêm – Hà Nội và cho kết quả khá khả quan Việc ứng dụng mô hình cho phép giảm chi phí lấy mẫu, đo đạc, phân tích và đạt được kết quả nhanh chóng trong quá trình kiểm kê khí nhà kính từ các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải giấy ở Việt Nam;

- Mô hình số thiết lập được cho phép nhanh chóng tính toán lượng (tiềm năng) phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất giấy ở Việt Nam

9 Cấu trúc của luận án

- Phần mở đầu: trình bày về tính cấp thiết của luận án nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học của luận án và tính mới của luận án

- Chương 1: trình bày tổng quan về biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính, phát thải khí nhà kính từ nguồn nước thải; tổng quan về các nghiên cứu tính toán phát thải khí nhà kính và mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải trên giới và Việt Nam; tổng quan về tình hình nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp giấy tại Việt Nam

- Chương 2: trình bày về đối tượng nghiên cứu của luận án là một số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp giấy tại Việt Nam; phương pháp lấy mẫu phân tích các khí nhà kính (CO2, CH4 và N2O); quá trình thiết lập mô hình toán tính toán phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp giấy; xây dựng code số (phần mềm) với giao diện thuận tiện và dễ sử dụng

- Chương 3: trình bày về các kết quả và thảo luận của luận án gồm phần hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình; ứng dụng mô hình thiết lập tính toán phát thải khí nhà kính cho một số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất giấy tại 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); Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng khả năng phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải; xác định một số hệ số phát thải khí nhà kính từ một số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất giấy tại Việt Nam

Cuối cùng là phần kết luận, danh mục các công trình công bố của luận án và tài liệu tham khảo

Luận án được nghiên cứu theo sơ đồ sau:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về biến đổi khí hậu và khí nhà kính

1.1.1 Lịch sử về hội nghị thế giới khí hậu

COP (Conference of parties) là hội nghị giữa các bên Các bên ở đây là các quốc gia tham gia Công ước Khung của Liên hiệp quốc về biến đổi khí hậu (UNFCCC) Từ năm 1995 đến nay, đại diện các quốc gia này vẫn họp lại mỗi năm, đến nay là hội nghị lần thứ 24, được gọi tắt là COP24

Năm 1979, Hội nghị thế giới về khí hậu đầu tiên diễn ra tại Genève (Thụy Sĩ) Vào năm đó, một Chương trình nghiên cứu khí hậu thế giới đã được khởi động, dưới trách nhiệm của Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO), Chương trình Liên hiệp quốc về môi trường (UNEP) và Hội đồng Quốc tế các Liên hiệp Khoa học (ICSU) Năm 1988, hai cơ quan WMO và UNEP đã thành lập nhóm chuyên gia liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC), với nhiệm vụ là đánh giá theo định kỳ hiện trạng những kiến thức của nhân loại về biến đổi khí hậu

Trong bản báo cáo đầu tiên vào năm 1990, nhóm GIEC đã nhìn nhận trách nhiệm của con người trong việc làm cho bầu khí quyển Trái đất nóng lên và Công ước Khung của Liên hiệp quốc về biến đổi khí hậu (UNFCCC) đã được soạn ra dựa trên báo cáo này

Năm 1992, Hội nghị thượng đỉnh Trái đất ở Rio de Janeiro đã có tính chất quyết định trong các cuộc thương thuyết quốc tế về khí hậu với việc ký kết hiệp định UNFCCC Công ước này, có hiệu lực kể từ ngày 21/03/1994, đã được 195 quốc gia phê chuẩn cùng với Liên hiệp châu Âu Mục tiêu của Công ước là giữ lượng khí thải gây hiệu ứng lồng kính ở mức ổn định để không làm đảo lộn một cách nguy hiểm hệ thống khí hậu của Trái đất Nhưng đến năm 1997, nghị định thư Kyoto lần đầu tiên mới ấn định cụ thể các chỉ tiêu cho những nước phát triển về giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính Có hiệu lực từ năm 2005, nghị định thư Kyoto

có giá trị cho thời kỳ 2008-2012

Vào năm 2007, kế hoạch Bali đã đề ra lịch trình thương thuyết nhằm đạt đến một thỏa thuận tiếp nối nghị định thư Kyoto, mà như đã nói ở trên sẽ hết hạn vào năm 2012 Thỏa thuận này trên nguyên tắc phải được thông qua trễ nhất là vào tháng 12/2009

Năm 2009, Hội nghị COP15 ở Copenhague (Đan Mạch) đã thất bại, không đạt được thỏa thuận mới nào Tuy vậy, hội nghị này đã thông qua được mục tiêu chung

là giữ mức tăng nhiệt độ không quá 2°C Các nước phát triển lúc ấy cũng đã cam kết từ đây đến năm 2020 sẽ huy động tổng cộng 100 tỷ đôla mỗi năm để giúp các nước nghèo thích ứng với biến đổi khí hậu Sau đó, hội nghị Cancun (Mehicô) năm

2010 đã cụ thể hóa mục tiêu hạn chế mức tăng nhiệt độ ở 2°C với việc thành lập các định chế như Quỹ xanh về khí hậu

Chính hội nghị Durban (Nam Phi) năm 2011 đã đề ra mục tiêu là đến năm

2015 tất cả các bên tham gia Công ước LHQ về khí hậu phải thông qua một thỏa thuận sẽ được thực hiện kể từ năm 2020

Để tạm thời thay thế cho nghị định thư Kyoto, hội nghị Doha (Qatar) đã thông qua cam kết của nhiều nước công nghiệp cho thời kỳ thứ hai thực hiện nghị định thư này (2013-2020) Hai hội nghị Vacxava (Ba Lan) năm 2013 và Lima (Peru) năm 2014 đã đạt được những bước cần thiết cho hội nghị COP21 ở Paris

Năm 2015, Thỏa thuận Paris được thông qua tại Hội nghị lần thứ 21 Công ước khung của LHQ về biến đổi khí hậu (COP21) diễn ra tại Paris (Pháp), trong đó quy định một loạt biện pháp về bảo vệ khí hậu nhằm giữ mức tăng nhiệt độ trung bình toàn cầu trong phạm vi 1,5-2,0 độ C so với mức thời kỳ tiền công nghiệp

Gần 200 quốc gia đã tham gia Thỏa thuận Paris và Thỏa thuận Paris chính thức có hiệu lực từ ngày 4/11 sau khi được 100 quốc gia, chiếm tới 68% tổng lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính trên thế giới, phê chuẩn, trong đó có Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, Canada, Brazil và Liên minh châu Âu (EU) Con số này đã vượt mức quy định là có ít nhất 55 quốc gia phê chuẩn hiệp định này

COP22 diễn ra tại Bab Ighli, Ma-ra-ket, Ma-rốc từ ngày 07/11 đến ngày 19/11 năm 2016, với sự tham dự của các phái đoàn của gần 200 quốc gia trên thế giới Đây là sự kiện vô cùng quan trọng bởi Hội nghị lần này xác định các hành động cụ thể của các quốc gia tham gia chống lại sự nóng lên của Trái Đất, tìm sự đồng thuận

về cách thức thực hiện Hiệp định Paris với mục tiêu: Biến thỏa thuận lịch sử Paris thành hành động cụ thể

COP22 là Hội nghị đầu tiên của các Bên tham gia Công ước kể từ khi Thoả thuận Paris lịch sử được thông qua tại Hội nghị COP21 năm 2015 Hội nghị COP22 diễn ra tại Bab Ighli, thành phố Ma-ra-két, Ma rốc từ ngày 07 đến rạng sáng ngày 19/11/2016, với sự tham gia của gần 18 nghìn đại biểu của các Bên tham gia Công ước được coi là Hội nghị Hành động nhằm triển khai thực hiện những nội dung các Bên đã thống nhất thông qua 01 năm trước tại Paris Đây là sự kiện vô cùng quan trọng bởi Hội nghị lần này xác định các hành động cụ thể của các quốc gia tham gia chống lại sự nóng lên của Trái Đất, tìm sự đồng thuận về cách thức thực hiện Hiệp định Paris với mục tiêu: Biến thỏa thuận lịch sử Paris thành hành động cụ thể Ngoài nội dung liên quan đến triển khai thực hiện Thỏa thuận Paris, Hội nghị COP22 và Hội nghị lần thứ mười hai các Bên tham gia Nghị định thư Kyoto cũng

đã thảo luận các nội dung liên quan đến Công ước và Nghị định thư Kyoto

COP 24 được tổ chức tại Katowice, Ba Lan các ngày từ 02 đến ngày 14 tháng

12 năm 2018 Nội dung trọng tâm của Hội nghị COP24 nhằm tiếp tục thảo luận và

dự kiến thông qua Chương trình Nghị sự thực hiện Thỏa thuận Paris về biến đổi khí hậu (PAWP) và thúc đẩy hành động ứng phó và hỗ trợ ứng phó biến đổi khí hậu Tham dự các Hội nghị lần này, Việt Nam cam kết sẽ tiếp tục cùng các bên thảo luận những vấn đề liên quan đến triển khai thực hiện Thỏa thuận Pari, Công ước khung của Liên hợp quốc về BĐKH Đồng thời, cập nhật thông tin về nỗ lực của Việt Nam trong việc triển khai thực hiện các cam kết, từ đó tăng cường hợp tác,

1.1.2 Khái niệm về biến đổi khí hậu

Biến đổi khí hậu là sự thay đổi trong trạng thái của khí hậu có thể được xác định (ví dụ như sử dụng các kiểm tra thống kê) bởi những thay đổi trong giá trị trung bình và/hoặc sự thay đổi thuộc tính của nó, và trong thời gian dài, thường là vài thập kỷ hoặc lâu hơn Biến đổi khí hậu có thể là do quá trình tự nhiên bên trong hoặc do tác động từ bên ngoài, hoặc thay đổi liên tục do con người đến các thành phần của khí quyển hay trong sử dụng đất Theo Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu (UNFCCC), tại điều 1, đã định nghĩa về biến đổi khí hậu như sau: Biến đổi khí hậu nghĩa là thay đổi của khí hậu do hoạt động của con người (trực tiếp hoặc gián tiếp) làm thay đổi thành phần của khí quyển toàn cầu và sự thay đổi này được cộng thêm vào khả năng biến động tự nhiên của khí hậu quan sát được trong những thời kỳ có thể so sánh được [4]

1.1.3 Hiệu ứng nhà kính

Hiệu ứng nhà kính, xuất phát từ effet de serre trong tiếng Pháp, do Jean

Baptiste Joseph Fourier lần đầu tiên đặt tên vào năm 1824, dùng để chỉ hiệu ứng xảy ra khi năng lượng bức xạ của tia sáng mặt trời, xuyên qua các cửa sổ hoặc mái nhà bằng kính, được hấp thụ và phân tán trở lại thành nhiệt lượng cho bầu không gian bên trong, dẫn đến việc sưởi ấm toàn bộ không gian bên trong chứ không phải chỉ ở những chỗ được chiếu sáng

“Kết quả của sự trao đổi không cân bằng về năng lượng giữa trái đất với không gian xung quanh, dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ của khí quyển trái đất được gọi là Hiệu ứng nhà kính"

Hiệu ứng nhà kính khí quyển:

Nhiệt độ trung bình của bề mặt Trái Đất được quyết định bởi cân bằng giữa năng lượng mặt trời chiếu xuống Trái Đất và lượng bức xạ nhiệt của mặt đất vào vũ trụ Bức xạ nhiệt của mặt trời là bức xạ có sóng ngắn nên dễ dàng xuyên qua tầng ozon và lớp khí CO2 để đi tới mặt đất, ngược lại bức xạ nhiệt từ Trái Đất vào vũ trụ

nước trong khí quyển hấp thụ Như vậy, lượng nhiệt này làm cho nhiệt độ bầu khí quyển bao quanh Trái Đất tăng lên Lớp khí CO2 có tác dụng như một lớp kính giữ nhiệt lượng tỏa ngược vào vũ trụ của Trái Đất trên quy mô toàn cầu Bên cạnh CO2còn có một số khí khác cũng được gọi chung là khí nhà kính như NOx, CH4, CFC

Ở thời kỳ đầu của lịch sử Trái Đất, các điều kiện tạo ra cuộc sống chỉ có thể

bằng lại lượng bức xạ của mặt trời lúc đó yếu hơn đến khoảng 25% Cường độ của các tia bức xạ tăng lên với thời gian Trong khi đó đã có đủ cây cỏ trên Trái Đất, thông qua sự quang hợp, lấy đi một phần khí CO2 trong không khí tạo nên các điều kiện khí hậu tương đối ổn định

Hiệu ứng nhà kính nhân loại:

Từ khoảng 100 năm nay, con người tác động mạnh vào sự cân bằng nhạy cảm

này giữa hiệu ứng nhà kính tự nhiên và tia bức xạ của mặt trời Sự thay đổi nồng độ của các khí nhà kính trong vòng 100 năm lại đây (CO2 tăng 20%, CH4 tăng 90%) đã làm tăng nhiệt độ lên 2°C đây được gọi là hiệu ứng nhà kính nhân loại Không nên nhầm lẫn hiệu ứng nhà kính nhân loại với việc làm tổn thất đến lớp khí ozon ở tầng bình lưu cũng do loài người gây ra

Hiệu ứng nhà kính đã có từ lâu (có từ khi hình thành khí quyển), con người không có khả năng tạo ra hiệu ứng nhà kính của Trái đất mà chỉ làm tăng thêm hiệu ứng nhà kính thông qua các hoạt động sản xuất Vì thế, con người không phải đang chống hiệu ứng nhà kính mà là chống sự tăng lên của hiệu ứng nhà kính của Trái đất

1.1.4 Khí nhà kính và các nguồn phát thải khí nhà kính

1.1.4.1 Khái niệm về khí nhà kính

Khí nhà kính là những khí thành phần của khí quyển, được tạo ra do tự nhiên

và các hoạt động của con người Khí nhà kính có khả năng hấp thụ các bức xạ sóng dài (hồng ngoại) được phản xạ từ bề mặt Trái Đất khi được chiếu sáng bằng ánh sáng mặt trời, sau đó phân tán nhiệt lại cho Trái Đất, gây nên hiệu ứng nhà kính Các thành phần khí chủ yếu gây ra hiệu ứng nhà kính, bao gồm: hơi nước, khí Cacbon dioxit (CO2), khí methane (CH4), khí Dinito oxit (N2O) và ô zôn (O3) Ngoài ra, những hoạt động của con người đã làm xuất hiện thêm các chất khí mới vào thành phần các chất gây ra hiệu ứng nhà kính như fluorure lưu huỳnh

SF6, hydroflurocarbone HFC và Hydrocarbures perfluoré PFC [5] Những khí này đều có đặc tính hấp thụ tia bức xạ hồng ngoại từ bề mặt trái đất lên không gian Mỗi chất khí trong đó đều có ảnh hưởng riêng tới khí quyển, và được đo bằng khả năng

gây ấm toàn cầu (GWP-Global warming potential)

Khả năng gây ấm toàn cầu (Global Warming Potential - GWP) Sự đo lường khả năng của một khí gây hiệu ứng nhà kính hấp thụ nhiệt và làm ấm không khí trong một thời gian nhất định [5]: GWP được qui về khí chuẩn là CO2, trong đó

trong khí quyển GWP được tính trong một khoảng thời gian cụ thể, thường là 20,

100 hoặc 500 năm GWP được tính theo công thức 1.1 sau [6]:

với CO2 thì có GWP tăng hoặc giảm đi theo theo thời gian T)

GWP là phương pháp đơn giản và phổ biến để đánh giá tác động ấm lên của các khí nhà kính khác nhau tồn tại lâu dài liên quan đến nhau GWP được biểu thị dưới thuật ngữ phát thải của CO2 là khí nhà kính phổ biến và quan trọng nhất do con người gây ra bởi vì sự phong phú và khả năng hấp thụ năng lượng dưới dạng bức xạ hồng ngoại, có khả năng sinh nhiệt GWP luôn được tính toán với khung thời gian

cụ thể để đo lường tác động của khí nhà kính

Bảng 1.1 Khả năng gây ấm toàn cầu của khí nhà kính [3]

(hydrofluorocarbon) 14 3.830 1.430 435 Sulfur Hexafluoride, SF6 3200 16.300 22.800 32.600

1 và tất cả GWPs của khí nhà kính khác được xác định bằng cách so sánh với CO2

1.1.4.2 Các nguồn phát thải khí nhà kính

Theo Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC), nguồn phát thải khí nhà kính gồm các nhóm chính: Năng lượng; Quá trình công nghiệp và sử dụng sản phẩm (IPPU); Nông nghiệp, Lâm nghiệp và sử dụng đất khác (AFOLU); Chất thải

và nguồn khác Sơ đồ nguồn phát thải khí nhà kính được thể hiện tại hình 1.1

- Năng lượng: Là một trong những nguồn phát thải KNK lớn nhất hiện nay

phát thải ở các nước đang phát triển 95% các khí phát thải từ ngành năng lượng là

CO2, còn lại là CH4 và N2O với mức tương đương Phát thải trong nguồn năng lượng chia thành 3 nhóm: phát thải do đốt cháy nhiên liệu hóa thạch (trong các ngành công nghiệp năng lượng, hoạt động giao thông vận tải ); Phát thải tức thời (tức là lượng khí, hơi thải ra từ các thiết bị nén do rò rỉ, không mong muốn hoặc không thường xuyên từ quá trình khai thác, chế biến, vận chuyển nhiên liệu ) và hoạt động thu hồi và lưu trữ các bon Trong đó, phát thải từ đốt nhiên liệu hóa thạch đóng góp đến 70% tổng lượng phát thải, tiêu biểu là từ các nhà máy điện và nhà máy lọc dầu

- Qúa trình công nghiệp và sử dụng sản phẩm (IPPU): Phát thải từ nguồn IPPU phát sinh trong các quá trình xử lý công nghiệp; việc sử dụng KNK trong các sản phẩm và sử dụng các bon trong các nhiên liệu hóa thạch không nhằm mục đích sản xuất năng lượng Trong đó, nguồn phát thải chính là các qúa trình công nghiệp

xử lý nguyên liệu về mặt hóa học hoặc vật lý Trong suốt các qúa trình này, nhiều

đóng góp khoảng 7% lượng khí thải tạo ra từ các nước phụ lục I (UNFCCC, 2008)

và xấp xỉ 6% ở các nước không thuộc phụ lục I (UNFCCC, 2005)

- Nông nghiệp, lâm nghiệp và sử dụng đất (AFOLU): Các nguồn chủ yếu gây phát thải bao gồm phát thải CH4 và N2O từ chăn nuôi, trồng lúa nước, đất canh tác nông nghiệp, hoạt động đốt trong sản xuất nông nghiệp; Phát thải/hấp thụ CO2 trong nguồn nông, lâm nghiệp và thay đổi sử dụng đất Nói chung, nguồn phát thải AFOLU đóng góp khoảng 30% lượng phát thải KNK toàn cầu, chủ yếu là do

CO2 phát thải từ những thay đổi trong sử dụng đất (phần lớn là do phá rừng nhiệt đới) và CH4, N2O từ trồng trọt và chăn nuôi gia súc

- Chất thải: Các loại KNK có thể phát sinh trong nguồn chất thải bao gồm:

CO2, CH4 và N2O Các nguồn phát sinh KNK chính trong xử lý chất thải được ghi nhận là: chôn lấp chất thải rắn; xử lý sinh học chất thải rắn; thiêu hủy và đốt mở chất thải; xử lý và xả nước thải Thông thường, CH4 phát thải từ các bãi chôn lấp chất thải rắn chiếm tỷ lệ lớn nhất trong tổng lượng KNK của nguồn này Khí

CH4 trong xử lý nước thải cũng đóng một vai trò tương đối quan trọng Bên cạnh

đó, xả thải, xử lý chất thải rắn và nước thải cũng đồng thời tạo ra các hợp chất hữu

khi đốt chất thải, còn NH3 sinh ra trong quá trình compost NOx và NH3 có thể gián tiếp sinh ra N2O Tuy nhiên, lượng N2O này chiếm một tỷ lệ nhỏ, không đáng kể

Tại Việt Nam:

- Trong nguồn năng lượng, KNK chủ yếu được phát thải từ quá trình đốt nhiên liệu và phát thải tức thời trong khai thác, vận chuyển Trong đó, hoạt động đốt nhiên liệu xảy ra phổ biến ở các ngành sản xuất điện; công nghiệp và xây dựng; giao thông vận tải; thương mại/dịch vụ; dân dụng; nông nghiệp/lâm nghiệp/thủy sản và

và rò rỉ khí Trong đó, KNK từ quá trình đốt nhiên liệu chiếm tỷ trọng khoảng 85 - 90%

- Các loại hình sản xuất công nghiệp chính thường sinh khí thải là: sản xuất xi măng; sản xuất vôi; sản xuất amoni; sản xuất carbide và sản xuất sắt, thép

- Theo kết quả kiểm kê KNK trong thông báo quốc gia lần thứ 2 của Việt Nam cho UNFCCC, lượng KNK phát thải từ nguồn nông nghiệp là 52,45 triệu tấn CO2tđ, chiếm 50,50% tổng lượng KNK phát thải của cả nước; phát thải từ nguồn lâm nghiệp, thay đổi sử dụng đất là 19,38 triệu tấn CO2tđ, chiếm 18,70% tổng lượng KNK phát thải của cả nước Đến năm 2005, lượng KNK phát thải từ nguồn nông nghiệp là 80,58 triệu tấn CO2tđ, chiếm 49,37% tổng lượng KNK phát thải của cả nước (trong đó, phát thải từ trồng lúa chiếm 44,49%; từ đất nông nghiệp 32,22%; từ lên men tiêu hóa 11,54%, còn lại là từ quản lý phân bón, đốt phụ phẩm nông nghiệp

và đốt đồng cỏ); trong lĩnh vực lâm nghiệp, thay đổi sử dụng đất hấp thụ 36,67 triệu tấn CO2tđ

- Phát thải KNK từ nguồn quản lý chất thải được tính toán cho các hoạt động thu gom, xử lý chất thải rắn đô thị và phát thải KNK từ nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp Tại Việt Nam, những năm gần đây, mỗi năm có khoảng trên 15 triệu tấn chất thải rắn được thải ra từ các nguồn khác nhau, trong đó trên 80% là từ các khu đô thị, còn lại là chất thải công nghiệp Tuy nhiên, chỉ có một phần trong đó được thu gom và xử lý với mức trên 70% ở khu vực đô thị và khoảng 20% ở khu vực nông thôn Phát thải chủ yếu bao gồm: Phát thải CH4 từ các bãi chôn lấp chất thải rắn được thu gom; từ nước thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt; phát thải

N2O từ bùn cống nước thải sinh hoạt; phát thải CO2 và N2O từ quá trình đốt chất thải Nhìn chung, phát thải từ nguồn chất thải chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ (2,5 – 5,3%) trong

cơ cấu tổng phát thải quốc gia Phát thải khí nhà kính các năm 1994, 2000, 2010 tại Việt Nam được thể hiện tại các bảng 1.2 và bảng 1.3

Bảng 1.2 Phát thải KNK các năm 1994, 2000, 2010 theo các nguồn [1]

Đơn vị: nghìn tấn CO 2tđ

Năng lượng 25.637,09 52.773,46 141.170,79 Các quá trình công nghiệp 3.807,19 10.005,72 21.172,01 Nông nghiệp 52.450,00 65.090,65 88.254,77 LULUCF 19.380,00 15.104.72 -19.218,59 Chất thải 2.565,02 7.925,18 15.351,67 Tổng 103.839,30 150.899,73 246.730,65

Bảng 1.3 Phát thải KNK theo loại khí năm 1994, 2000 và 2010 [1]

1.1.5 Phát thải khí nhà kính từ nguồn chất thải

Bãi chôn lấp rác thải là một trong những nguồn phát thải khí nhà kính từ nguồn chất thải Khí từ bãi chôn lấp chứa thành phần chính là khí CH4, CO2 và các chất hữu cơ bay hơi khác Các khí từ trong bãi chôn lấp có thể khuếch tán vào trong môi trường không khí một cách dễ dàng Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ

từ các bãi chôn lấp rác thải đã tạo thành một lượng lớn khí như CO2, CH4, NH3,

H2S, chất hữu cơ bay hơi, Nếu không được thu gom để xử lý và tái sử dụng năng lượng, các loại khí trên sẽ gây ô nhiễm đến môi trường không khí, đặc biệt là khí

CO2 và CH4 gây ảnh hưởng đến khí hậu do “Hiệu ứng nhà kính”

Quá trình hình thành các khí chủ yếu từ bãi chôn lấp rác thải xảy ra qua 5 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Giai đoạn thích nghi

Giai đoạn 2: Giai đoạn chuyển hóa

Giai đoạn 3: Giai đoạn axit hóa

Giai đoạn 4 Giai đoạn methane hóa

Giai đoạn 5: Giai đoạn phân hủy hoàn toàn

Hàm lượng và tỷ lệ phát thải khí từ các bãi chôn lấp rác thải tùy thuộc vào lớp phủ bề mặt Nếu không có lớp phủ, tất cả khí từ các bãi chôn lấp rác thải sinh ra sẽ được thải trực tiếp vào khí quyển và được khuếch tán một cách nhanh chóng Một

số bãi chôn lấp rác thải khi chưa đóng cửa được phủ một lớp đất sau khi hố chôn đã chứa đầy rác Tuy nhiên lớp phủ bề mặt không được phủ thường xuyên mỗi ngày,

do đó khí thải vẫn được thải vào khí quyển trong suốt giai đoạn vận hành của hố chôn [7]

Phát thải KNK từ nguồn 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 Bãi chôn lấp chủ yếu để xử lý rác thải từ các khu đô thị Tổng hợp số liệu từ Báo cáo hiện trạng môi trường của Sở TNMT các tỉnh/thành trên toàn quốc cho thấy từ 2006 đến 2010 tổng khối lượng rác thải đô thị được xử lý tại các bãi chôn lấp tăng bình quân khoảng 10%/năm (Bảng 1.4) Trong thành phần chất thải, thức ăn và chất hữu cơ chiếm 59,2%, đồ nhựa và các thứ khác chiếm 30,9% (Bảng 1.5)

Bảng 1.4 Tổng khối lượng chất thải rắn đô thị được xử lý tại các bãi chôn lấp [8]

Tổng (tấn/ngày) 18.732,8 20.664,4 22.787,4 25.134,2 27.648,7 Tổng (tấn/năm)

Bảng 1.5 Bảng thành phần chất thải trung bình tại Việt Nam [8]

Bảng 1.6 Nước thải của một số ngành công nghiệp quan trọng tại Việt Nam [9]

STT Ngành công nghiệp Sản lượng (tấn/năm) Nước thải

5 Riêng sản lượng bia, rượu, nước ngọt tính là nghìn lít/năm

Ở Việt Nam, chất thải rắn được đốt trong lò chủ yếu là chất thải rắn y tế độc hại Số liệu về lượng chất thải y tế độc hại được đốt hàng năm thể hiện tại hình 1.2

Hình 1.2 Lượng chất thải y tế độc hại được đốt hàng năm

Trong lĩnh vực chất thải, so với năm 2010, phát thải CH4 từ các bãi chôn lấp rác thải tăng mạnh cả về lượng và tỷ lệ so với tổng phát thải Ngược lại phát thải

năm 2030 Phát thải N2O từ chất thải con người tăng nhiều về lượng nhưng giảm về

Phát thải CH 4 từ các bãi chôn lấp rác thải 5.005 32,6 12.121 45,6 29.242 60,9

1.1.6 Phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải

Nước thải phát sinh từ các hộ gia đình, các cơ sở thương mại và công nghiệp,

có thể được xử lý tại chỗ (nước thải không thu gom), được thu gom qua cống thoát tới nhà máy xử lý nước thải tập trung (nước thải được thu gom) hoặc được thải thẳng không qua xử lý tới nguồn tiếp nhận gần đó hoặc cửa sông Nước thải sinh hoạt được định nghĩa là nước thải từ việc sử dụng nước của các hộ gia đình, nước thải công nghiệp là chỉ từ các nhà máy công nghiệp Việc xử lý và thải bỏ nước thải

là rất khác nhau giữa các quốc gia, giữa các thành thị và nông thôn, giữa đô thị có thu nhập cao với đô thị có thu nhập thấp Hệ thống cống gom thu nước thải có thể kín hoặc hở Trong các vùng đô thị ở các nước đang phát triển và một số nước đã

mương, máng được gọi cống hở Trong phần lớn các nước phát triển và các vùng đô thị thu nhập cao, hệ thống cống thu gom nước thải thường kín hoặc ngầm Nước thải trong cống ngầm kín không được coi là nguồn phát sinh đáng kể khí CH4 Nước thải trong cống hở thường được làm nóng bởi mặt trời hoặc nhiều khi bị ứ đọng tạo

ra môi trường yếm khí nên là nguồn phát sinh đáng kể khí CH4 Trong hình 1.3 đã đưa ra sơ đồ dòng chảy nguồn nước thải Nguồn nước thải không thu gom hoặc xử

lý tại chỗ hoặc không được xử lý thải thẳng ra nguồn tiếp nhận như sông, hồ, cửa sông, cửa biển hoặc tự ngấm xuống đất Nguồn nước thải thu gom hoặc không được

xử lý hoặc được xử lý tại các nhà máy xử lý nước thải tập trung Phương pháp xử lý nước thải tập trung có thể được phân loại như sơ cấp, thứ cấp và bậc 3 Trong xử lý

sơ cấp, những hạt rắn được loại bỏ khỏi nước thải qua lắng trọng lực Xử lý thứ cấp bao gồm một sự kết hợp của các quá trình sinh học thúc đẩy phân hủy sinh học bằng

vi sinh vật Đây có thể bao gồm ao ổn định hiếu khí, bể lọc nhỏ giọt, và các quá trình bùn hoạt tính cũng như hồ chứa và thiết bị yếm khí Quy trình xử lý bậc 3 được sử dụng để tiếp tục làm sạch nước thải tác nhân gây bệnh, chất gây ô nhiễm,

và chất dinh dưỡng còn lại như các hợp chất nitơ và phốt pho Điều này đạt được bằng cách sử dụng một hoặc một sự kết hợp của các quá trình có thể bao gồm sự ao đánh bóng, quá trình sinh học, lọc tiên tiến, hấp phụ carbon, trao đổi ion, và khử trùng Bùn được phát sinh trong quá trình xử lý sơ cấp, thứ cấp và bậc 3 Bùn trong

xử lý sơ cấp là các hạt chất rắn được lắng loại khỏi nước thải, sẽ không được tính đến trong nghiên cứu này Bùn trong giai đoạn thứ cấp và bậc 3 là kết quả của sự tăng trưởng sinh học tạo sinh khối Bùn này phải được xử lý tiếp trước khi thải bỏ

an toàn Phương pháp xử lý bùn gồm phân hủy hiếu khí, yếm khí, gia nhiệt, li tâm,

ủ phân và làm khô hoặc được đem đi chôn lấp hoặc thiêu hủy [3,10,11,12] Biện pháp xử lý nước thải được thể hiện tại hình 1.3 sau:

Hình 1.3 Sơ đồ biện pháp xử lý nước thải sinh hoạt/công nghiệp [3]

Carbon dioxide (CO2), methane (CH4), and nitrous oxide (N2O) là 3 khí nhà kính chủ yếu phát sinh trong quá trình xử lý nước thải

- Phát thải khí CO 2 : Khí CO2 được sinh ra từ oxi hóa chất hữu cơ trong xử lý nước thải và tiêu thụ điện năng (đốt nhiên liệu hóa thạch cho mục đích năng lượng) Trong suốt quá trình kỵ khí, BOD5 trong nước thải được chuyển vào trong sinh khối của vi sinh vật hoặc được chuyển hóa thành CO2 và CH4 theo con đường hô hấp nội bào Một nguồn khác của CO2 là trong các bể phân hủy bùn và từ quá trình đốt khí

từ bể phân hủy Trong quá trình hiếu khí, CO2 được sinh ra thông qua việc phân hủy các hợp chất hữu cơ trong quá trình bùn hoạt tính Theo phương pháp IPCC, lượng

CO2 phát thải từ đốt nhiên liệu hóa thạch cho mục đích năng lượng trong xử lý nước thải sẽ được tính vào “khối năng lượng” [13,14]

- Phát thải khí CH 4 :Khí Methane (CH4) thường được sinh ra dưới điều kiện yếm khí trong quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ Nước thải chưa xử lý tạo ra khí

CH4 nếu ở đó duy trì điều kiện yếm khí [15] Tốc độ phát thải khí CH4 từ hoạt động

xử lý nước thải thay đổi từ quốc gia này đến quốc gia khác và phụ thuộc vào tỷ lệ

chất hữu cơ, mức độ xử lý và phương pháp tính toán [16] Hệ số chính trong việc xác định khả năng tạo ra khí CH4 của nước thải là tổng lượng chất hữu cơ có khả năng phân hủy trong nước thải Các thông số phổ biến được sử dụng để đo thành phần hữu cơ của nước thải là BOD5 và COD Dưới điều kiện như nhau, nước thải có

phân hủy sinh học hiếu khí COD đo tổng chất có thể ô xi hóa hóa học (bao gồm cả phân hủy sinh học và không phân hủy sinh học) Vì BOD5 là một thông số hiếu khí,

nó có thể ít thích hợp đối với việc xác định thành phần chất hữu cơ trong môi trường yếm khí Thông thường, BOD5 được báo cáo thường xuyên hơn đối với nước thải sinh hoạt, trong khi COD được sử dụng phần lớn đối với nước thải công nghiệp [17,18]

- Phát thải khí N 2 O: Cả hai loại hình nước thải công nghiệp và sinh hoạt đều

có thể là nguồn phát thải khí N2O Một số nước thải công nghiệp có tải lượng nitơ đáng kể được thải vào hệ thống thoát nước chung thành phố, trộn với nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt thường bao gồm chất thải con người và các dòng thải từ nhà bếp, nhà vệ sinh, giặt ủi Hệ thống thu gom loại nước thải này có thể tập trung hoặc phân tán như hệ thống bể phốt hoặc hệ thống xử lý nước thải tập trung [13] Quá trình khử chất dinh dưỡng sinh hoạt là nguồn tiềm năng phát thải N2O [19] N2O được tạo ra từ cả hai quá trình nitrat và khử nitrat của nitơ tồn tại dưới dạng ure, ammonia và protein trong xử lý nước thải sinh học Quá trình nitrat là chuyển hóa sinh học hiếu khí các hợp chất nitơ thành nitrat (NO3-) Quá trình khử nitrat là chuyển hóa sinh học yếm khí nitrat (NO3 -) thành khí nito (N2) N2O là sản phẩn trung gian của cả hai quá trình trên [20,21]

N2O là khí nhà kính quan trọng do khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại của nó cao hơn CO2 Tốc độ trộn của N2O trong khí quyển tăng từ 0,25 đến 0,31%/năm và

tỷ lệ trộn của nó khoảng 310 ppbv [22] Thời gian tồn tại của N2O khoảng 114 năm trong khí quyển và bức xạ của nó cao hơn nhiều lần so với CO2 (IPCC, 2001) Theo Cicerone (1989) and Bliefert and Perraud (2001), khí N2O là nguồn chính cho sự hình thành khí NO trong tầng bình lưu, khí mà gây ra phá hủy tầng Ozone trong tầng bình lưu [23]) xác định xử lý nước thải là nguồn tiềm năng trong các nguồn nhân tạo mà tạo ra khí N2O [24] cũng cho rằng vận chuyển và xử lý nước thải thành phố dẫn đến phát thải N2O và khử nitrat qua trung gian là yếu tố chính phát thải

N2O

1.1.7 Các nguồn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải

Nguồn phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải gồm nguồn phát thải gián tiếp và nguồn phát thải trực tiếp Nguồn phát thải gián tiếp như là nguồn năng lượng (sản xuất điện để sử dụng trong hệ thống xử lý); sản xuất và vận chuyển nhiên và nguyên liệu (Độ kiềm, methanol và FeCl3.6H2O được sản xuất và vận chuyển tới nhà máy xử lý nước thải, thông thường dùng để điều chỉnh pH, bổ sung

nguồn cacbon cho quá trình khử nitơ và là chất keo tụ cho quá trình đông keo tụ tương ứng); chôn lấp bùn hoạt tính được tạo ra trong quá trình xử lý Nguồn phát thải trực tiếp như là nguồn phát thải từ trong qúa trình xử lý nước thải, đây là nguồn đóng góp chủ yếu thông qua quá trình xử lý sinh học chất hữu cơ từ bể xử lý hiếu khí, bể xử lý yếm khí, bể phân hủy yếm khí hay rò rỉ khí sinh học

Trong nghiên cứu này, nguồn phát thải gián tiếp được tính đến là nguồn năng lượng, sản xuất điện để sử dụng trong hệ thống xử lý còn các nguồn gián tiếp khác không được bao gồm, do hạn chế về dữ liệu nghiên cứu

1.1.7.1 Phát thải khí nhà kính từ sản xuất điện năng phục vụ hệ thống xử lý

Điện năng sử dụng trong hệ thống xử lý nước thải để: sục khí; bơm và khuấy trộn chất lỏng; gia nhiệt; các thiết bị điện và chiếu sáng Điện năng có thể được tạo

ra từ các nguồn cơ bản khác nhau như: than đá, dầu, thủy điện, khí tự nhiên,

kính, đây được xem là nguồn gián tiếp Để tính toán phát thải khí nhà kính từ nguồn này trước tiên xác định tải lượng điện cần thiết cho quá trình xử lý Sau đó, dùng hệ

số phát thải và % mỗi loại nhiên liệu được sử dụng tạo ra điện để tính tổng lượng phát thải khí nhà kính này

+ Thủy điện: Các hồ chứa và vùng hạ lưu đập thủy điện lớn đóng góp vào phát thải khí nhà kính, vi khuẩn hiếu khí và yếm khí phân hủy các chất hữu cơ trong hồ thủy điện tạo ra CO2 và CH4 ở các vùng nhiệt đới [25] Tỷ lệ phát thải khí nhà kính

là phạm vi rộng và gây nhiều tranh cãi, bởi vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước hồ chứa, loại đất, độ sâu của nước, loại thảm thực vật và khí hậu [25]

Ủy ban Thế giới về Đập (2000) đưa ra giá trị của 300 -1.320 g CO2 -tđ /m2/năm cho các vùng nhiệt đới Mặt khác, Rashad và Hammad (2000) đã tính hệ số phát thải trong khoảng 10 - 400 g CO2 -tđ/ kWh từ năng lượng thủy điện

+ Điện hạt nhân: Phát thải khí CO2 từ sử dụng năng lượng hạt nhân để tạo điện thấp hơn so với các nguồn năng lượng khác Hơn nữa, so với các nguồn khác, sức mạnh hạt nhân phát ra ít khí gây ô nhiễm như NOX, CH4, SO2 vì vậy ít ảnh hưởng đến khả năng ấm lên toàn cầu [25,26] Theo Smith (2004) Thủy điện, năng lượng gió và hạt nhân có tác động nóng lên toàn cầu thấp hơn so với nhiên liệu hóa thạch + Nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu, khí tự nhiên): Hệ số phát thải khí nhà kính phụ thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, phương thức vận hành và hiệu suất nhiệt của nó Các nhà máy điện từ nhiên liệu hóa thạch phát thải chủ yếu khí nhà kính trong quá trình vận hành của nhà máy [27]

1.1.7.2 Phát thải khí nhà kính trong quá trình xử lý nước thải

Nguồn phát sinh khí nhà kính trong quá trình xử lý nước thải như: bể xử lý hiếu khí, bể xử lý yếm khí, bể phân hủy bùn sinh học yếm khí, rò rỉ khí sinh học, đốt khí sinh học, phân hủy hợp chất hữu cơ còn lại trong dòng ra Khí nhà kính chủ

yếu được tạo ra trong quá trình xử lý là CO2, CH4 và N2O Độ lớn của phát thải khí nhà kính từ nguồn này được tính toán sử dụng các động học được thiết lập của quá trình sinh học và hóa học và bởi sự phát triển cân bằng khối lượng xung quanh hệ thống xử lý [13]

+ Quá trình xử lý sơ cấp

Chất rắn lơ lửng nặng hơn được lắng trọng lực trong bể lắng sơ cấp, sau đó chúng được loại bỏ [28] Bể lắng sơ cấp cũng khử bỏ chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học bởi sự lắng cặn thông thường không có sự ổn định Việc tích lũy bùn trong bể lắng sơ cấp dẫn đến phát thải một ít khí nhà kính đã tính toán lượng phát thải N2O từ bề mặt bể lắng sơ cấp là không đáng kể [29]

+ Quá trình xử lý nước thải yếm khí

Phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện yếm khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:

Chất hữu cơ + VSV ——–> CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới Một cách tổng quát, quá trình phân hủy yếm khí xảy ra theo 03 giai đoạn:

Giai đoạn 1 (Thủy phân): cắt mạch các hợp chất cao phân tử thành các chất hữu cơ đơn giản hơn như monosacarit, amono axit hoặc các muối pivurat khác

Giai đoạn 2 (Acid hóa): chuyển hóa các chất hữu cơ đơn giản thành các loại axit hữu cơ thông trường như axit axetic hoặc glixerin, axetat,…

+ Quá trình xử lý nước thải hiếu khí

Quá trình xử lý hiếu khí bao gồm quá trình bùn hoạt tính, lọc sinh học hiếu khí, lọc nhỏ giọt bể lọc, thiết bị quay sinh học, và các vận hành tương tự khác Hơn nữa, thông khí là cần thiết cho phân hủy sinh học các chất hữu cơ bằng vi sinh vật trong loại các quá trình xử lý này Đó là lý do tại sao quá trình này dẫn đến phát thải khí nhà kính cao hơn do nhu cầu năng lượng cao [31] Khi các chất hữu cơ phân hủy sinh học được ổn định bằng cách xử lý hiếu khí, các-bon trong các chất hữu cơ

học yếm khí, CO2 và CH4 sẽ được tạo ra Khả năng ấm lên toàn cầu GWP của CH4lớn hơn CO2 là 25 lần Vì vậy, ổn định hiếu khí chất hữu cơ làm giảm đáng kể tác động khí nhà kính so với ổn định yếm khí [33]

Czepiel et al., (1995) đã nhận định rằng phát thải N2O từ quá trình này là cao nhất so với các quá trình xử lý khác Lượng phát thải thông thường từ bể hiếu khí là 3,2 g N2O/người.năm

+ Bể lắng thứ cấp

Bể lắng thứ cấp phân tách sinh khối ra khỏi chất lỏng và khử bỏ bằng lắng xuống đáy của bể Phát thải N2O từ bể lắng thứ cấp là không đáng kể [35]

+ Quá trình phát thải N 2 O từ hệ thống xử lý nước thải

Tiềm năng gây ấm toàn cầu GWP của N2O lớn hơn 296 lần so với CO2 Đây là

lý do tại sao quá trình tạo N2O trong xử lý nước thải ngày càng được quan tâm trong những năm gần đây Hình 1.6 thể hiện sự phát thải của N2O trong hệ thống xử lý nước thải

Hình 1.6 Phát thải N 2 O trong hệ thống xử lý nước thải [36]

Nitơ có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau trong môi trường, hình 1.7 dưới đây chỉ các dạng tồn tại khác nhau của nitơ trong chu trình chuyển hóa nitơ sinh học:

Quá trình 1 là cố định nitơ, quá trình 2 là oxi hóa amoni bởi vi khuẩn và vi khuẩn cổ (arachea), quá trình 3 oxi hóa nitrate hiếu khí, quá trình 4 là quá trình khử nitơ, quá trình 5 là oxi hóa amoni kỵ khí và quá trình 6 là dị hóa nitrat và khử nitrite thành amoni [37,38,39] Các quá trình chính trong HTXLNT loại bỏ nitơ là quá trình nitrat hóa và khử nitrat

* N 2 O sinh ra trong quá trình nitrat hóa

Thông thường, nitơ có trong nước thải dưới dạng ion amoni và nó được loại

bỏ bởi hai quá trình sinh học tuần tự như quá trình nitrat hóa và quá trình khử nitrat trong suốt quá trình xử lý nước thải thông thường Amoni (NH4+) được oxy hóa thành NO3- thông qua NO2- sử dụng O2 là chất nhận điện tử trong quá trình nitrat hóa [17] Nitơ oxit được sinh ra như một trong những sản phẩm phụ của quá trình oxy hóa NH4 + thành nitrit (NO2-) [21]

Phát thải N2O

trực tiếp Phát thải N2

O gián tiếp

Quá trình xử lý nước thải sinh học

Dòng raNước thải dòng vào

Bùn thải