Nghiên cứu tương quan giữa dòng vật chất và năng lượng trong quản lý chất thải đô thị, áp dụng cho một quận nội thành của thành phố hà nội

F/M Thức ăn/Vi sinh vật Tỷ lệ Bùn cơ chất/bùn nuôi cấy Food/Microorganism HRT Thời gian lưu thủy lực Hydraulic Retention Time HTTN Hệ thống thoát nước Drainage System KCN, KCX Khu công

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

VŨ THỊ MINH THANH

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU TƯƠNG QUAN GIỮA DÒNG VẬT CHẤT

VÀ NĂNG LƯỢNG TRONG QUẢN LÝ CHẤT THẢI ĐÔ THỊ, ÁP DỤNG

CHO MỘT QUẬN NỘI THÀNH CỦA THÀNH PHỐ HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2021

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

VŨ THỊ MINH THANH

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU TƯƠNG QUAN GIỮA DÒNG VẬT CHẤT

VÀ NĂNG LƯỢNG TRONG QUẢN LÝ CHẤT THẢI ĐÔ THỊ, ÁP DỤNG

CHO MỘT QUẬN NỘI THÀNH CỦA THÀNH PHỐ HÀ NỘI

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số: 62520320

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án Tiến sĩ “Nghiên cứu tương quan giữa dòng vật chất

và năng lượng trong quản lý chất thải đô thị, áp dụng cho một quận nội thành của thành phố Hà Nội” là công trình do tôi nghiên cứu và thực hiện Các kết quả, số liệu

của luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Vũ Thị Minh Thanh

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo, các thầy cô giáo và bộ phận Quản lý đào tạo của Viện Công nghệ Môi trường, Học viện Khoa học và Công nghệ đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi học tập và nghiên cứu

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến GS.TS Trần Hiếu Nhuệ và GS.TS Nguyễn Thị Huệ đã tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong thời gian tôi thực hiện và hoàn thành luận án

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường (IESE), Trường Đại học Xây dựng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi triển khai các nghiên cứu thực nghiệm, tham gia dự án hợp tác quốc tế với Viện Công nghệ nước Liên bang Thụy Sỹ (EAWAG), Cục Kinh tế Liên Bang Thụy Sỹ (SECO) tài trợ Xin trân trọng cảm ơn Giáo sư Hidenari Yasui, Trường Đại học Kitakyushu, Nhật Bản, Giáo sư Martin Wagner, Trường Đại học Kỹ thuật tổng hợp Darmstadt, CHLB Đức đã giúp đỡ, hướng dẫn, cũng như động viên tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô, các nhà khoa học, các chuyên gia

đã dành nhiều thời gian trao đổi, đóng góp những ý kiến quý báu cho luận án trong quá trình thực hiện

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu và các đồng nghiệp Trường Đại học Xây dựng, nơi tôi công tác, đã hỗ trợ, động viên và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

Cuối cùng, tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ, động viên, chia sẻ của gia đình, giúp tôi có hậu phương vững chắc, tạo điều kiện thuận lợi, động viên tinh thần, giúp tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này

Tác giả luận án

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 2

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN 5

7 TÍNH MỚI CỦA LUẬN ÁN 6

8 BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN 7

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA CÁC DÒNG CHẤT THẢI ĐÔ THỊ VÀ NĂNG LƯỢNG THEO HƯỚNG QUẢN LÝ BỀN VỮNG NƯỚC THẢI, CHẤT THẢI RẮN 8

1.1 Mối tương quan Nước - Năng lượng trong hạ tầng kỹ thuật và quản lý chất thải 8 1.2 Mối quan hệ Nước - Năng lượng trong quản lý chất thải ở một số nước trên thế giới 10

1.2.1 Các giải pháp sử dụng năng lượng hiệu quả và sản xuất ra năng lượng từ xử lý chất thải 10

1.2.2 Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các NMXLNT 12

1.2.3 Tái sử dụng nước tiết kiệm năng lượng 14

1.2.4 Sản xuất năng lượng tái tạo từ chất thải đô thị 14

1.3 Tổng quan về khối lượng, thành phần, tính chất và hiện trạng quản lý nước thải, CTR đô thị ở Việt Nam 15

1.3.1 Hiện trạng quản lý nước thải và bùn thải ở một số đô thị lớn của Việt Nam Khối lượng, thành phần, tích chất các loại bùn thải 15

1.3.1.1 Hiện trạng quản lý NT ở một số đô thị lớn của Việt Nam 15

1.3.1.2 Khối lượng, thành phần, tính chất và hiện trạng quản lý các loại bùn thải 18 1.3.2 Hiện trạng và qui hoạch quản lý CTR ở các đô thị lớn tại Việt Nam; khối lượng, thành phần, tính chất và hiện trạng quản lý CTR hữu cơ đô thị 28

1.3.2.1 Hiện trạng và qui hoạch quản lý CTR ở các đô thị lớn 28

1.3.2.2 Khối lượng, thành phần, tính chất, và hiện trạng quản lý CTR hữu cơ đô thị 31 1.3.2.3 Đánh giá chung về quản lý CTR đô thị tại Việt Nam 33

1.4 Nhu cầu năng lượng và tiềm năng thu hồi năng lượng từ xử lý nước, bùn và

chất thải rắn 38

1.4.1 Nhu cầu tiêu thụ năng lượng trong xử lý nước 38

1.4.2 Nhu cầu tiêu thụ năng lượng trong quản lý CTR 39

1.4.3 Tiềm năng thu hồi năng lượng từ các dòng chất thải đô thị 40

1.4.3.1 Tiềm năng thu hồi năng lượng từ quản lý CTR đô thị 40

1.4.3.2 Xử lý kết hợp các dòng CTĐT giàu hữu cơ để thu hồi năng lượng 42

CƠ SỞ KHOA HỌC, PHƯƠNG PHÁP LUẬN VỀ 45

2.1 Cơ sở khoa học trong nghiên cứu tương quan giữa các dòng chất thải đô thị và năng lượng 45

2.1.1 Phương pháp luận nghiên cứu phân tích dòng vật chất MFA 45

2.1.1.1 Phân tích dòng vật chất (MFA) 45

2.1.1.2 Quy trình thực hiện MFA 46

2.1.2 Phân tích dòng vật chất với phần mềm STAN 47

2.1.3 Phương pháp luận nghiên cứu cân bằng NL trong hệ thống QLCT 51

2.1.4 Phương pháp xác định năng lượng tiêu thụ của các thiết bị trong cơ sở xử lý chất thải 51

2.2 Các giải pháp công nghệ xử lý CTR, NT và bùn nhằm thu hồi tài nguyên 52 2.2.1 Phân huỷ kỵ khí thu hồi năng lượng 52

2.2.1.1 Nguyên lý chung của phân hủy kỵ khí 52

2.2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵ khí 54

2.2.1.3 Chuyển hóa cơ chất trong phân hủy kỵ khí 56

2.2.1.4 Khả năng sinh khí của bùn BTH và CTR hữu cơ bằng phương pháp phân huỷ kỵ khí trong điều kiện lên men nóng 56

2.2.2 Thu hồi biogas từ các BCL 57

2.2.3 Phân huỷ kỵ khí CTR hữu cơ 58

2.2.4 Tiền xử lý nguyên liệu nạp trước khi phân hủy kỵ khí 58

2.2.4.1 Nguyên lý của tiền xử lý trước phân hủy kỵ khí 58

2.2.4.2 Các phương pháp tiền xử lý 59

2.2.5 Đốt bùn thu hồi nhiệt 61

2.2.6 Đốt CTR 61

2.2.7 Các phương pháp khác để xử lý chất thải, thu hồi NL 62

2.2.8 Tổng quan về các nghiên cứu có liên quan trên Thế giới và ở Việt Nam 62

2.3 Nghiên cứu thực nghiệm xác định khả năng phân hủy kỵ khí chất thải khu vực nghiên cứu 67

2.3.1 Mục đích thí nghiệm 67

2.3.2 Lấy mẫu phân tích thành phần CTR: 67

2.3.3 Lấy mẫu phân tích thành phần bùn BTH 68

2.3.4 Lấy mẫu phân tích thành phần bùn của NMXLNT 69

2.3.5 Mô tả thí nghiệm xác định tiềm năng sinh khí mê-tan BMP 70

2.3.5.1 Giới thiệu về thí nghiệm BMP 70

2.3.5.2 Mô hình thí nghiệm BMP 71

2.3.5.3 Bùn mầm (nguồn vi sinh vật kỵ khí) 72

2.3.5.4 Điều kiện thí nghiệm 74

2.3.6 Các phương pháp phân tích 75

2.3.7 Thí nghiệm xác định khả năng sinh khí mê-tan của CTR hữu cơ trong phòng thí nghiệm 75

2.4 Nghiên cứu mô hình QLCT cho quận Long Biên, thành phố Hà Nội 77

2.4.1 Lựa chọn địa điểm nghiên cứu 77

2.4.2 Các dữ liệu đầu vào để tính toán 78

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 83

3.1 Kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm 83

3.1.1 Phân tích thành phần, tính chất của CTR hữu cơ, bùn BTH, bùn NMXLNT 83

3.1.1.1 Kết quả phân tích thành phần, tính chất CTR hữu cơ đô thị 83

3.1.1.2 Kết quả phân tích bùn BTH 83

3.1.1.3 Kết quả phân tích bùn NMXLNT 86

3.1.2 Xác định khả năng sinh khí mê-tan của CTR hữu cơ trong phòng thí nghiệm 87

3.1.2.1 Thí nghiệm BMP - CTR hữu cơ 87

3.1.2.2 Kết quả thí nghiệm và thảo luận 88

3.2 Kết quả nghiên cứu mô hình QLCT cho quận Long Biên, thành phố Hà Nội 95 3.2.1 Lựa chọn các phương án tổ chức QLCT và sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý NT, CTR 95

3.2.1.1 Phương án 1: QLCT theo mô hình truyền thống 95

3.2.1.2 Phương án 2: QLCT theo mô hình thu hồi năng lượng 97

3.2.2 Tính toán công nghệ xử lý chất thải và nhu cầu năng lượng theo PA1 101

3.2.2.1 Tính toán công nghệ xử lý NT, bùn và CTR hữu cơ theo PA1 101

3.2.2.2 Phân tích dòng vật chất và tính toán cân bằng NL cho PA1: 106

3.2.3 Tính toán công nghệ Trung tâm xử lý chất thải và nhu cầu năng lượng theo PA2 108

3.2.3.1 Tính toán công nghệ TTXLCT theo PA2 108

3.2.3.2 Phân tích dòng vật chất và tính toán cân bằng NL theo PA2 110

3.2.3.3 Tính toán công nghệ TTXLCT theo PA2A (tiền XL nguyên liệu) 115

3.2.4 Đánh giá mối tương quan giữa dòng vật chất và NL của hệ thống theo các phương án XLCT 118

3.2.4.1 Mức tiêu thụ năng lượng trên đơn vị chất thải 118

3.2.4.2 Mức tiêu thụ và tiềm năng thu hồi năng lượng trên đầu người mỗi ngày 118 3.2.4.3 Tiềm năng thu hồi năng lượng trên đầu người mỗi năm 120

3.2.5 Nhận xét kết quả và thảo luận 123

3.3 Đề xuất mô hình quản lý và công nghệ xử lý chất thải đô thị phù hợp, bền vững 126 3.3.1 Nhận xét mô hình quản lý theo PA1: 126

3.3.2 Nhận xét mô hình QLCT theo PA2 và PA2A 126

3.3.3 Đề xuất mô hình QLCT theo phương thức tổng hợp cho các đô thị 129

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 132

Kết luận 132

Kiến nghị 133

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 135

PHỤ LỤC 155

Phụ lục 1: Thành phần của bùn cặn và sinh ra trong các quá trình XLNT

Phụ lục 2 Thành phần, tính chất bùn cặn của các NMXLNT

Phụ lục 3 Lượng phân bùn BTH

Phụ lục 4 Thành phần CTR đưa đến các cơ sở xử lý rác tại Hà Nội

Phụ lục 5 Năng lượng tiêu thụ tại NMXLNT

Phụ lục 6 Các phương pháp phân tích các mẫu nguyên liệu và bùn mầm

Phụ lục 7 Phương pháp lấy mẫu CTR

Phụ lục 8 Kết quả phân tích thành phần, tính chất bùn thải của NMXLNT ở Hà Nội

Phụ lục 9 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm BMP trong phòng thí nghiệm với CTR hữu

cơ nghiền

Phụ lục 10 Tính toán năng lượng nhiệt

Phụ lục 11 Tính toán nhà máy xử lý CTR, phân bùn và NMXLNT (Phương án 1) Phụ lục 12 Tính toán trung tâm xử lý kết hợp chất thải đô thị (Phương án 2)

Phụ lục 13 Tính toán trung tâm xử lý kết hợp chất thải đô thị, có tiền xử lý bằng nhiệt thuỷ phân trước phân huỷ kỵ khí (Phương án 2a)

Phụ lục 14 Tính toán mức năng lượng tiêu thụ và tiềm năng thu hồi năng lượng trên đơn

vị chất thải và trên đầu người

Phụ lục 15 Tính toán lượng khí nhà kính phát thải theo 2 phương án QLCT

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết

A2O Kỵ khí - Thiếu khí - Hiếu khí Anaerobic - Anoxic - Oxic

AO Thiếu khí – Hiếu khí Anoxix - Oxic

BMP Tiềm năng sinh khí mê tan Biochemical Methane Potential BOD Nhu cầu ôxi sinh hóa Biochemical Oxygen Demand

CAS Bùn hoạt tính truyền thống Conventional Activated Sludge CCN Cụm công nghiệp, Công nghệ cao Industrial Cluster

CHP Nhiệt - điện kết hợp Combined Heat and Power

COD Nhu cầu ôxi hóa học Chemical Oxygen Demand

CTNH Chất thải nguy hại Hazardous Waste

CTRSH Chất thải rắn sinh hoạt Domestic Solid Waste

DCCN Dây chuyền công nghệ Technological line

đktc Điều kiện tiêu chuẩn Standard Conditions

EB Cân bằng năng lượng Energy Balance

F/M Thức ăn/Vi sinh vật (Tỷ lệ Bùn cơ

chất/bùn nuôi cấy) Food/Microorganism

HRT Thời gian lưu thủy lực Hydraulic Retention Time

HTTN Hệ thống thoát nước Drainage System

KCN,

KCX Khu công nghiệp, khu chế xuất

Industrial Area, Export Processing Area

MLTN Mạng lưới thoát nước Drainage network

MSW Chất thải rắn đô thị Municipal Solid Waste

MFA Phân tích dòng vật chất Material Flow Analysis

NmL Đơn vị đo thể tích khí (mL) ở điều

kiện tiêu chuẩn

Unit of air volume (mL) in Standard conditions

NTSH Nước thải sinh hoạt Domestic Wastewater

NMXLNT Nhà máy xử lý nước thải Wastewater Treatment Plant

OLR Tải trọng hữu cơ Organic Load Rate

OFMSW Thành phần hữu cơ trong chất thải

rắn đô thị

Organic Fraction of Municipal Solid Waste

QCVN Quy chuẩn Việt Nam Vietnamese National

Standard/Code QLCT Quản lý chất thải Waste Management

RDF Nhiên liệu có nguồn gốc từ chất

SBR Bể phản ứng sinh học hoạt động

SRT Thời gian lưu bùn Sludge Retention Time

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam Vietnamese Standard

THP Tiền xử lý bằng Nhiệt thuỷ phân Thermal Hydrolysis Pre-treatment TTXLCT Trung tâm xử lý chất thải Waste Treatment Center

VFA Axit béo bay hơi Volatile Fatty Acids

WAS Bùn hoạt tính dư Waste Activated Sludge

WDF Nhiên liệu có nguồn gốc chất thải Waste Derived Fuel

XLNT Xử lý nước thải Wastewater Treatment

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Lượng bùn sinh ra từ các công trình xử lý nước thải 20

Bảng 1.2 Tính chất đặc trưng của bùn thải 21

Bảng 1.3 Thành phần bùn của NMXLNT Bình Hưng sau tách nước 22

Bảng 1.4 Thành phần, tính chất của phân bùn bể tự hoại của Việt Nam 26

Bảng 1.5 Các cơ sở xử lý CTR chính đang hoạt động ở Hà Nội 29

Bảng 1.6 Tỷ lệ % xử lý CTR bằng các công nghệ khác nhau tại Thành phố Hồ Chí Minh năm 2015 35

Bảng 2.1 Tổng hợp một số nghiên cứu có liên quan đến phân hủy kỵ khí các dòng CT giàu hữu cơ 64

Bảng 2.2 Thành phần nước thải nhân tạo để nuôi bùn kỵ khí 73

Bảng 3.1 Kết quả phân tích thành phần mẫu CTR hữu cơ đô thị 83

Bảng 3.2 Kết quả phân tích thành phần, tính chất bùn BTH 84

Bảng 3.3 Tỷ lệ COD/VS của các chất hữu cơ trong thành phần CT 86

Bảng 3.4 Thông số nguyên liệu nạp của thí nghiệm BMP – mẻ I, II 88

Bảng 3.5 Các chỉ tiêu của các mẫu trong thí nghiệm BMP-1 88

Bảng 3.6 Các chỉ tiêu của các mẫu trong thí nghiệm BMP-2 89

Bảng 3.7 Tỷ lệ cân bằng dinh dưỡng khi phối trộn các dòng chất thải đô thị 94

Bảng 3.8 Bảng tính toán quy mô NMXLNT 99

Bảng 3.9 Các thông số lưu lượng nước thải 101

Bảng 3.10 Các thông số nồng độ chất bẩn trong nước thải đầu vào và sau các công đoạn xử lý chính tại NMXLNT 101

Bảng 3.11 Các thông số nồng độ chất bẩn trong nước thải đầu vào và sau các công đoạn xử lý chính tại NMXLNT 101

Bảng 3.12 Tỷ lệ thành phần CTR khu vực quận Long Biên 102

Bảng 3.13 Số lượng và thành phần CTRSH, bùn BTH cần xử lý 103

Bảng 3.14 Năng lượng cần cung cấp cho Nhà máy xử lý CTR, bùn BTH và NMXLNT - PA1 106

Bảng 3.15 Năng lượng thu được từ hệ phân hủy kỵ khí 109

Bảng 3.16 Năng lượng tiêu tốn và thu hồi tại TTXLCT (CTR, bùn BTH và NMXLNT) - PA2 110

Bảng 3.17 Mức tiêu thụ năng lượng trên đơn vị chất thải 118

Bảng 3.18 Nhu cầu năng lượng và khả năng thu hồi năng lượng theo các phương án 125

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Các nhu cầu tiêu thụ năng lượng cơ bản của mỗi người 8

Hình 1.2 Mối quan hệ Nước - Năng lượng 10

Hình 1.3 Sự hình thành bùn thải trên HTTN đô thị Việt Nam 18

Hình 1.4 Nguồn gốc và các loại bùn thải phát sinh trong NMXLNT 19

Hình 1.5 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý bùn tại NMXLNT Yên Sở, TP Hà Nội 22 Hình 1.6 Các phương án công nghệ xử lý bùn từ NMXLNT 24

Hình 1.7 Xe đổ trái phép phân bùn vào cống thoát nước thành phố bị phát hiện 28

Hình 1.8 Nhà máy xử lý phân bùn Cầu Diễn, Hà Nội 28

Hình 1.9 Sản xuất phân vi sinh tại Nhà máy chế biến phế thải Cầu Diễn 32

Hình 1.10 Nhu cầu năng lượng điển hình của các công đoạn trong quản lý nước 39

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý thu hồi NL (điện, nhiệt) bằng hệ thống CHP từ phân hủy kỵ khí CT giàu hữu cơ 41

Hình 2.1 Chia nhỏ một “hộp đen” bằng cách tách một quá trình đơn thành một vài quá trình con cung cấp thông tin bổ sung vào quá trình chính 46

Hình 2.2 Giao diện bên ngoài của phần mềm STAN 48

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý phân tích dòng vật chất 48

Hình 2.4 MFA được hệ thống hóa trên STAN 49

Hình 2.5 MFA sau khi nhập số liệu 49

Hình 2.6 Bảng hiển thị kết quả tính toán của MFA 50

Hình 2.7 Sơ đồ Sankey biểu diễn ví dụ cân bằng năng lượng lò đốt 51

Hình 2.8 Hệ thống xử lý kỵ khí đơn 53

Hình 2.9 Hệ thống xử lý kỵ khí đôi 53

Hình 2.10 Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí 54

Hình 2.11 Cân bằng chất của chuyển hóa sinh học trong hệ xử lý kỵ khí 56

Hình 2.12 Phân loại và nghiền mẫu CTR 68

Hình 2.13 Lấy mẫu phân bùn bể tự hoại và dụng cụ lấy mẫu 69

Hình 2.14 Mô hình thí nghiệm tiềm năng sinh mê-tan BMP test 71

Hình 2.15 Bình thí nghiệm thực hiện BMP test 72

Hình 2.16 Bể nuôi cấy bùn mầm kỵ khí dung tích 40L 73

Hình 2.17 Các mô hình thí nghiệm phân hủy kỵ khí 75

Hình 2.18 Sơ đồ vận chuyển, thu gom chất thải rắn 80

Hình 3.1 Thể tích khí CH4 tích lũy theo ngày (NmL) trong thí nghiệm BMP – seri I 91 Hình 3.2 Thể tích khí CH4 tích lũy theo ngày (NmL) trong thí nghiệm BMP – seri II 91 Hình 3.3 Thể tích khí CH4 tích lũy theo ngày, NmL/gVS, thí nghiệm BMP – seri I 92

Hình 3.4 Thể tích khí CH4 tích lũy theo ngày, NmL/gVS, thí nghiệm BMP – seri II 92

Hình 3.5: Mô hình QLCT quận Long Biên theo PA1 96

Hình 3.6: Vị trí NMXLNT và BCL CTR trên địa bàn quận Long Biên - PA1 97

Hình 3.7 Mô hình quản lý tổng hợp CT theo PA2 98

Hình 3.8 Sơ đồ cân bằng chất cho các hệ thống XLCT (CTR, bùn BTH, NT) quận Long Biên theo PA1 105

Hình 3.9 Sơ đồ cân bằng chất cho xử lý CTR và bùn BTH ở quận Long Biên theo PA1 (theo TS, t/ngày) 106

Hình 3.10 Phân tích nhu cầu điện năng cho xử lý CTR và bùn BTH ở quận Long Biên theo PA1 (kWh/ngày) 107

Hình 3.11 Sơ đồ cân bằng chất cho xử lý nước thải ở quận Long Biên theo PA1 (theo TS, t/ngày) 108

Hình 3.12 Phân tích nhu cầu năng lượng (điện năng) cho XLNT ở quận Long Biên theo PA1 (kWh/ngày) 108

Hình 3.13 Sơ đồ cân bằng chất cho TTXLCT quận Long Biên theo TS (PA2) 111

Hình 3.14 Sơ đồ cân bằng chất cho TTXLCT ở quận Long Biên theo PA2 112

Hình 3.15 Phân tích nhu cầu năng lượng (điện năng) cho TTXLCT quận Long Biên theo PA2 (kWh/ngày) 113

Hình 3.16 Phân tích cân bằng năng lượng (điện năng và nhiệt năng) cho TTXLCT quận Long Biên theo PA2 (kWh/ngày) 114

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý thu hồi năng lượng (điện và nhiệt) từ biogas bằng hệ CHP, TTXLCT quận Long Biên theo PA2 115

Hình 3.18 Cân bằng năng lượng (điện năng và nhiệt năng) cho TTXLCT quận Long Biên theo PA2A (kWh/ngày) 116

Hình 3.19 Cân bằng chất và cân bằng năng lượng TTXLCT quận Long Biên theo PA2A trên cùng sơ đồ 117

Hình 3.20 Mức năng lượng tiêu thụ trên đầu người, tính theo PA1 119

Hình 3.21 Mức năng lượng tiêu thụ và thu hồi được trên đầu người, PA 2 121

Hình 3.22 Mức năng lượng tiêu thụ và thu hồi được trên đầu người, PA 2A 121

Hình 3.23 Tiềm năng thu hồi năng lượng trên đầu người mỗi năm, PA 2 122

Hình 3.24 Tiềm năng thu hồi năng lượng trên đầu người mỗi năm, PA2A 122

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay ở Việt Nam, do tốc độ đô thị hoá rất nhanh, nên đã phát sinh một lượng chất thải (CT) lớn, hầu hết được xả ra môi trường mà không có các giải pháp xử lý phù hợp Lượng nước thải sinh hoạt (NTSH) từ các đô thị năm 2018 ước tính khoảng 7 triệu

m3/ngày [1] Lượng chất thải rắn (CTR) sinh hoạt năm 2018 khoảng 22,5 triệu tấn/năm hay 61.600 tấn/ngày, trong đó CTR sinh hoạt (CTRSH) đô thị khoảng 37.200 tấn/ngày, CTRSH nông thôn khoảng 24.400 tấn/ngày [2] Khối lượng CTRSH tại các đô thị trên toàn quốc tăng trung bình 12% mỗi năm, chiếm khoảng 60 -70% tổng lượng CTR đô thị; thậm chí tại một số đô thị, tỷ lệ CTRSH có thể chiếm đến 90% [2]

Các biện pháp xử lý chất thải đô thị (CTĐT) hiện vẫn còn nhiều bất cập Mới chỉ có khoảng 13% nước thải (NT) đô thị được xử lý tại các nhà máy xử lý nước thải (NMXLNT) [1] Phần còn lại mới chỉ được xử lý sơ bộ qua bể tự hoại (BTH), hoặc xả trực tiếp ra ngoài môi trường Bùn từ BTH không được hút định kỳ, và chủ yếu do các công ty tư nhân hút dịch vụ cho các hộ gia đình, sau đó xả không có kiểm soát ra ngoài môi trường [3] Hơn 71% CTĐT vẫn được xử lý bằng biện pháp chôn lấp [2] Các bãi chôn lấp (BCL) luôn trong tình trạng quá tải, đòi hỏi phải mở rộng trong khi quĩ đất dành cho các BCL rất hạn hẹp Nước thải và các thành phần có ích trong NT, CTR chưa được quan tâm tái chế, thu hồi như một nguồn tài nguyên [2] Vì vậy cần có hướng tiếp cận mới trong việc quản lý CTĐT, với các mô hình tích hợp và giải pháp công nghệ phù hợp

Năng lượng tiêu thụ trong các NMXLNT và xử lý CTR chiếm một tỷ trọng lớn với các đối tượng tiêu thụ năng lượng (NL) trong thành phố Trong bối cảnh NL hóa thạch toàn cầu đang ngày càng khủng hoảng thiếu, việc tìm kiếm mô hình quản lý chất thải (QLCT) tiết kiệm NL, hay thậm chí còn cho phép tận thu được NL, là rất cần thiết

Mô hình QLCT theo hướng tận thu tài nguyên, sinh NL đã bắt đầu được nghiên

cứu, hướng tới ứng dụng ở Việt Nam Nó cũng phù hợp với “Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050” được Thủ tướng

Chính phủ phê duyệt tháng 11/2015

Trên thế giới, việc áp dụng các hướng công nghệ này đã xuất hiện ở một số nước Theo hướng nghiên cứu ứng dụng tận thu NL từ CT, các công cụ mô phỏng, tính toán, đánh giá, như cân bằng chất, cân bằng NL,… được phát triển Việc áp dụng kết hợp các công cụ trên, đặc biệt là sử dụng kết hợp phân tích dòng vật chất (material flow analysis – MFA) với bài toán đánh giá, cân bằng NL (energy balance – EB), xem xét từ góc độ

kỹ thuật, sẽ có khả năng áp dụng cho phân tích cân bằng chất - NL trong quản lý CTĐT

Ở Việt Nam, trong lĩnh vực Kỹ thuật hạ tầng đô thị và môi trường, đến nay chưa có một

mô hình nào xem xét được đầy đủ mối liên hệ giữa các dòng vật chất (nguyên vật liệu)

và NL trong QLCT cho các đô thị Đó là lý do để NCS thực hiện luận án:

“Nghiên cứu tương quan giữa dòng vật chất và năng lượng trong quản lý chất

thải đô thị, áp dụng cho một quận nội thành của thành phố Hà Nội”

Nghiên cứu mong muốn cung cấp thêm cơ sở khoa học cho các nhà hoạch định chính sách để phân tích, đánh giá, đưa ra được phương án tối ưu cho công tác quy hoạch; cũng như các thông tin tin cậy để lựa chọn công nghệ xử lý chất thải (XLCT) và mô hình QLCT phù hợp

Các nguồn thải mà nghiên cứu hướng tới là các dòng CT giàu hữu cơ phát sinh trong quá trình quản lý NT và CTR đô thị, đó là bùn thải từ NMXLNT, bùn BTH, và CTRSH Nếu quản lý hợp lý các nguồn thải này thì đây chính là một nguồn tài nguyên,

sẽ đạt được đồng thời 2 mục đích là vừa bảo vệ môi trường, vừa mang lại lợi ích kinh tế

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

- Phân tích được mối quan hệ giữa các dòng CT và NL trong quản lý CTĐT, thông qua việc lượng hóa các dòng vật chất: NT, bùn BTH, bùn NMXLNT, CTR đô thị giàu hữu cơ, cũng như xác định nhu cầu tiêu thụ và tiềm năng sinh NL từ xử lý các dòng CTĐT nói trên;

- Minh hoạ, làm sáng tỏ mối quan hệ nói trên thông qua các tính toán cân bằng vật chất và cân bằng NL cho 1 ví dụ nghiên cứu điển hình, trên cơ sở đó đề xuất được

mô hình quản lý NT, bùn và CTR đô thị theo hướng bền vững

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu: các dòng CT giàu hữu cơ trong quản lý CTĐT, bao gồm nước thải và bùn phát sinh từ NMXLNT đô thị, bùn BTH, thành phần hữu cơ trong CTRSH đô thị, mối liên hệ tương quan giữa các dòng CT này thông qua các tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng đối với các quá trình xử lý CT

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

(1)- Nghiên cứu tổng quan về mối quan hệ giữa các dòng CT và NL trong hệ thống quản lý CTĐT trên thế giới và Việt Nam

(2)- Nghiên cứu về khối lượng, thành phần, tính chất của các dòng CTĐT giàu hữu

cơ, các phương pháp XLCT theo hướng thu hồi tài nguyên

(3)- Nghiên cứu thực nghiệm xác định thành phần, tính chất của bùn NMXLNT, bùn BTH, CTRSH; khả năng thu hồi NL từ quá trình phân huỷ kỵ khí của CTRSH (4)- Thực hiện nghiên cứu điển hình: xây dựng các kịch bản QLCT (NT, bùn của NMXLNT, bùn BTH và CTRSH đô thị; tính toán công nghệ để lượng hóa các dòng vật chất trên, NL tiêu thụ và NL tiềm năng có thể thu được từ các quá trình XLCT; phân tích dòng vật chất (MFA) và cân bằng năng lượng (EB) cho từng kịch bản

(5)- Đánh giá kết quả, đề xuất phương thức quản lý CTĐT theo hướng thu hồi tài nguyên, hướng tới kinh tế tuần hoàn

Sơ đồ logic và cấu trúc Luận án được trình bày trong sơ đồ trang 4

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

(1)- Phương pháp kế thừa: thu thập, tổng hợp tài liệu, số liệu, kế thừa các thành quả nghiên cứu trước đây có liên quan

(2)- Phương pháp khảo sát thực địa: khảo sát thực địa trên địa bàn quận Long Biên

và thành phố Hà Nội về quản lý chất thải rắn, phân bùn, hệ thống thoát nước

Sơ đồ logic và cấu trúc của Luận án (3)- Phương pháp thực nghiệm: lấy mẫu từ thực địa và phân tích trong phòng thí nghiệm để xác định thành phần, tính chất của CTRSH, bùn NMXLNT và bùn BTH theo các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam; thực nghiệm các thí nghiệm đánh giá tiềm năng tái tạo NL (khí sinh học) của CT trong phòng thí nghiệm trên mô hình phân hủy kỵ khí theo mẻ

Nghiên cứu tổng quan: Hiện trạng quản

lý chất thải ở đô thị các nước và ở Việt

Nam; Số lượng, thành phần, tính chất

CTR, nước thải, bùn và phân bùn

NC xác định khả năng sinh khí CH4của bùn NMXLNT và phân bùn BTH (tổng quan), của CTR hữu cơ (thí nghiệm BMP)

NC thực nghiệm: Phân tích thành phần,

tính chất các dòng chất thải

P pháp luận phân tích dòng vật chất MFA

và cân bằng năng lượng EB; các ứng dụng

để làm công cụ STAN và SANKEY

Tính toán công nghệ 2 PA quản lý chất thải của quận Long Biên, TP Hà Nội

Nhận xét kết quả; Đề xuất mô hình quản lý tổng hợp chất thải đô thị bền vững

Lựa chọn địa điểm nghiên cứu điển hình

và các dữ liệu đầu vào

Nghiên cứu các công nghệ xử lý bùn

NMXLNT, CTR hữu cơ, phân bùn BTH,

thu hồi tài nguyên

Phân tích Cân bằng vật chất MFA, Cân

bằng năng lượng EB theo 2 phương án,

nhận xét kết quả

Kết luận – Kiến nghị

Nghiên cứu tổng quan: quản lý chất thải đô thị, mối quan hệ nước và năng lượng; Khả năng thu hồi năng lượng từ bùn của NMXLNTTT, CTR hữu cơ và phân bùn BTH

Kết quả NC thực nghiệm: Phân tích

thành phần, tính chất CTR hữu cơ, bùn

NMXLNT, phân bùn BTH

(4)- Phương pháp so sánh: căn cứ vào thành phần CT cụ thể, có các biện pháp

xử lý khác nhau, so sánh các thông số đã được lượng hóa như tiêu thụ NL, NL tiềm năng sinh ra, để chọn công nghệ phù hợp

+ Phân tích cân bằng năng lượng EB: Liệt kê thiết bị tiêu thụ điện, tính toán tổng NL điện tiêu thụ để xác định tiêu thụ điện cho từng công đoạn và cho cả hệ thống XLCT; tính toán tiềm năng sinh NL từ các quá trình XLCT dựa trên kết quả các nghiên cứu thực nghiệm nói trên

- Luận án đã đã xem xét đầy đủ mối quan hệ giữa các dòng vật chất và NL trong

hệ thống quản lý CTĐT thông qua việc kết hợp phân tích cân bằng chất MFA và cân bằng năng lượng EB Phương pháp này cho phép đánh giá hiệu quả các phương thức và

mô hình quản lý CTĐT cả về khía cạnh kỹ thuật, môi trường, quản lý và kinh tế

- Cân bằng chất và cân bằng NL của hệ thống được biểu diễn trên cùng một sơ đồ

là một cách làm mới, có ý nghĩa khoa học Phương pháp này có thể tiếp tục phát triển,

áp dụng cho các bài toán tương tự khác

- Luận án đã xác định được một số thông số quan trọng của thành phần, tính chất của các dòng CT giàu hữu cơ như bùn từ NMXLNT, bùn BTH, CTRSH hữu cơ, xác định được tiềm năng sinh khí mê-tan từ quá trình phân hủy kỵ khí CTR hữu cơ đô thị

- Luận án xác định được mức tiêu hao và tiềm năng thu NL từ một đơn vị CT, khả năng thu hồi NL tính trên đầu người, làm cơ sở cho các nghiên cứu khác

Ý nghĩa thực tiễn của luận án

- Mô hình quản lý kết hợp các loại CT giàu hữu cơ tại trung tâm xử lý chất thải (TTXLCT) đô thị ở quy mô một quận theo hướng thu hồi NL từ quá trình đồng phân hủy kỵ khí và các quá trình khác liên quan là rất có tiềm năng, mang lại nhiều lợi ích, theo hướng thu hồi tài nguyên Điều này đáp ứng nhu cầu thực tiễn của Việt Nam là chưa có đô thị nào có một mô hình QLCT (cả CTR, bùn BTH, NT và bùn từ NMXLNT) một cách phù hợp, hiệu quả và bền vững

- Kết quả này có thể dùng để xem xét áp dụng khi xây dựng hay điều chỉnh các quy hoạch thoát nước và xử lý NT (XLNT), quy hoạch quản lý CTR ở các đô thị

- NMXLNT quận Long Biên hiện vẫn chưa được xây dựng, quy hoạch quản lý CTR của quận trong quy hoạch quản lý CTR của thành phố còn chưa được thực thi, kết quả luận án có thể được xem xét như một đề xuất có cơ sở khoa học, giúp cho các cơ quan chức năng và các nhà đầu tư lựa chọn công nghệ XLCT phù hợp

- Các công cụ STAN và SANKEY mô phỏng các dòng vật chất, NL, giúp cho các nhà lãnh đạo có cái nhìn trực quan, dễ phát hiện ra vấn đề, giúp cho quá trình đưa ra quyết định đúng đắn, phù hợp

7 TÍNH MỚI CỦA LUẬN ÁN

(1)- Luận án đã đề xuất được mô hình quản lý tổng hợp CTĐT thu hồi tài nguyên, hướng tới hiện thực hoá nền kinh tế tuần hoàn Thông qua việc kết hợp tính toán cân bằng chất và cân bằng NL, sử dụng công cụ MFA và EB để lượng hoá các dòng vật chất

tại TTXLCT tổng hợp (bùn của NMXLNT, bùn BTH, CTRSH đô thị), nghiên cứu đã chỉ ra rằng hướng xử lý phân hủy kỵ khí kết hợp để sinh NL và thu hồi tài nguyên từ các

dòng CT giàu hữu cơ là rất khả thi

(2)- Luận án đã cụ thể hóa được mối tương quan giữa dòng vật chất và NL trong QLCTĐT, tính toán cụ thể được nhu cầu NL và tiềm năng thu hồi NL (điện và nhiệt) cho XLNT, bùn, phân bùn, CTR hữu cơ cho 1 khu vực đô thị Với điều kiện quận Long Biên, thành phố Hà Nội năm 2030, NL cần để xử lý NT là 0,61kWh/m3, để xử lý CTRSH hữu cơ kết hợp với bùn BTH, chế biến phân compost cần 35,83kWh/tấn Xử lý kết hợp CTĐT bằng phân hủy sinh học kỵ khí không những đáp ứng được 100% nhu cầu NL của TTXLCT, mà còn sản xuất được NL tổng cộng vượt 222,66% nhu cầu, có thể cung cấp

ra ngoài 78.865,75 kWh/ngày điện dư và 197.689,24 kWh/ngày nhiệt dư Tiền xử lý nguyên liệu nạp trước phân hủy kỵ khí bằng nhiệt thủy phân, sản xuất được NL tổng cộng tới 265,16% nhu cầu của TTXLCT

(3)- Lần đầu tiên, nghiên cứu đã xác định được tiềm năng thu hồi NL từ NL tiềm

ẩn (hóa năng) trong các dòng CTĐT trong điều kiện của Việt Nam Không kể nhiệt năng

và thất thoát, NL điện có thể thu hồi từ quá trình XLNT là 13,75 kWh/người/năm; từ xử

lý bùn BTH là 1,33 kWh/người/năm; từ xử lý CTRSH hữu cơ là 144,93 kWh/người/năm

8 BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu về mối tương quan giữa các dòng chất thải đô thị và

năng lượng theo hướng quản lý bền vững nước thải, chất thải rắn

Chương 2: Cơ sở khoa học, phương pháp luận về xử lý nước thải, chất thải rắn đô thị

và tiềm năng thu hồi năng lượng

Chương 3: Kết quả nghiên cứu

Kết luận và kiến nghị

Danh mục công trình của tác giả

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA CÁC DÒNG CHẤT THẢI ĐÔ THỊ VÀ NĂNG LƯỢNG THEO HƯỚNG

QUẢN LÝ BỀN VỮNG NƯỚC THẢI, CHẤT THẢI RẮN 1.1 Mối tương quan Nước - Năng lượng trong hạ tầng kỹ thuật và quản lý chất thải

Mặt trời là nguồn gốc của mọi NL trên trái đất, còn nước là nền tảng của sự sống trên hành tinh Bức xạ mặt trời cung cấp NL cho vòng tuần hoàn nước trong tự nhiên, giúp cho một lượng nước biển khổng lồ bị bốc hơi, khử mặn, vận chuyển dưới dạng mây rồi quay trở về trái đất dưới dạng mưa Phần lớn các hoạt động của con người đều có liên quan đến vòng tuần hoàn tự nhiên của nước Mức nhu cầu cơ bản về tiêu thụ NL trung bình là 3000 W/người (toàn cầu) Tại các nước phát triển, nhu cầu này lên đến 6000 W/người Khoảng 1000 W/người/ngày được tiêu thụ trong giao thông vận tải Khoảng

200 W/người dùng để sản xuất lương thực Cần từ 10 đến 50 W/người cho cấp nước sinh hoạt NL cần cho NMXLNT bậc 3 (có xử lý sinh học loại bỏ chất dinh dưỡng) khoảng 0 đến 20 W/người [7] (Hình 1.1)

Hình 1.1 Các nhu cầu tiêu thụ năng lượng cơ bản của mỗi người [7]

Cơ thể con người cần cung cấp tối thiểu 2 lít nước/ngày để sống, tương đương với gần 1𝑚3nước/năm Mỗi người sử dụng khoảng 30 đến 100 𝑚3 nước/năm cho vệ sinh

và vận chuyển CT; ngoài ra ở các nước phát triển còn phải tốn ít nhất một vài trăm

𝑚3nước/năm cho công nghiệp làm mát Việc sản xuất thực phẩm cung cấp cho một hộ

gia đình tiêu thụ 1000 đến 2500 𝑚3nước/năm [8] NTSH và công nghiệp có thể được tái

sử dụng tuy nhiên nước cung cấp cho nông nghiệp hầu như mất đi do sự bay hơi

Các dây chuyền công nghệ để chuyển hoá NL đều cần tới nước, và khi sử dụng nước cũng cần tới NL Một cách trực tiếp và gián tiếp, nước là yếu tố thiết yếu trong quá trình chuyển đổi NL Nước được sử dụng để chuyển đổi NL nước, NL sóng hoặc thuỷ triều thành điện năng Quá trình khai thác và chiết tách các nhiên liệu hoá thạch cũng cần sử dụng một lượng nước lớn dưới dạng hơi để chuyển động các tua-bin và nước làm mát để phân tán nhiệt Ngoài ra, nước cũng được sử dụng để trồng trọt các loại cây sản xuất biogas và NL sinh học

NL được sử dụng trong chu trình tuần hoàn nước cũng rất đa dạng: từ khai thác, xử

lý, dự trữ, phân phối nước cấp, đến thu gom, XLNT và bùn cặn đều cần có NL Do vậy tái sử dụng nước cũng có thể góp phần tiết kiệm cả nguồn nước và NL Mặt khác, nước

và NT hay bùn cặn, CTR cũng chứa NL dưới các dạng khác nhau và có thể sử dụng để sinh ra điện năng và nhiệt năng Giải quyết nhu cầu nước và dinh dưỡng, kéo theo nhu cầu NL cần thiết, để đảm bảo phát triển và bảo vệ môi trường là những thách thức rất lớn Đặc biệt xét trong bối cảnh hiện nay về tăng trưởng dân số, nhu cầu điều kiện sống ngày càng cao, nguồn tài nguyên và đa dạng sinh học ngày càng suy kiệt, và tác động của biến đổi khí hậu Với thực trạng hiện nay khi nguồn nước ngày càng khan hiếm và

chi phí NL ngày càng tăng thì việc xem xét, đánh giá lại các mô hình quản lý NL và nước một cách tổng thể, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu từ quy hoạch ở cấp vĩ mô đến

các biện pháp cụ thể ở cấp độ thiết bị, công trình là rất cần thiết

Theo quan điểm phát triển bền vững và tiết kiệm tài nguyên, gần đây người ta đưa vào khái niệm “chu trình của nước” (water footprint), liên quan đến tổng lượng nước sử dụng theo toàn bộ vòng đời của sản phẩm Nước là thành phần đặc biệt quan trọng trong sản xuất điện và các nguồn NL tái tạo khác như địa nhiệt, bơm nhiệt, nhiên liệu sinh học, vv… Khi NL tái tạo ngày càng phát triển, nhu cầu tiêu thụ nước cao của ngành này trở thành một thách thức lớn

Hình 1.2 Mối quan hệ Nước - Năng lượng [9]

Nước thải được thu gom và chảy trong hệ thống cống thường có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường NL thu được từ sự chênh lệch nhiệt độ này cũng là một nguồn NL đáng kể, do lượng NT phát sinh từ thành phố rất lớn và chảy liên tục Một số nước phát triển đã thu được NL này

1.2 Mối quan hệ Nước - Năng lượng trong quản lý chất thải ở một số nước trên thế giới

1.2.1 Các giải pháp sử dụng năng lượng hiệu quả và sản xuất ra năng lượng từ xử

lý chất thải

Trong bối cảnh nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, bên cạnh việc phát triển

Mối quan hệ giữa nước và năng lượng

Năng lượng sử dụng

để bơm nước

Thủy điện

Nước dùng cho khai thác nhiên liệu

Nước làm mát trong nhà máy điện

Năng lượng để cung cấp nước

Năng lượng sử dụng

trong xử lý nước/

nước thải

Dòng chảy của nước

Dòng chảy của năng lượng

Nước và năng lượng sử dụng trong hộ gia đình

các giải pháp sử dụng NL tiết kiệm, hiệu quả thì các nguồn NL mới đang được ráo riết tìm kiếm Dòng NT chứa đựng trong mình một lượng NL tiềm ẩn dưới dạng động năng (NL dòng chảy), nhiệt năng (khi nhiệt độ NT cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh), hóa năng (các chất hữu cơ có trong NT), thế năng (khi có chênh lệch địa hình) Với tải lượng CT phát sinh tính theo COD trong NTSH ở Đức là 42kg/người/năm, NL ẩn chứa trong NT được tính là 146kWh/người/năm, có tới 68kWh/người/năm có thể nằm trong bùn được đưa tới bể phân hủy sinh học kỵ khí, từ đây có thể sản xuất được lượng điện 12kWh/người/năm [10] Trong lĩnh vực sản xuất và cung cấp nước, thu gom và xử lý

NT, CTR, có thể kể ra các hướng giải pháp tiết kiệm NL và sản xuất NL mới sau đây [10] [11]:

- Tiết kiệm nước và tái sử dụng NT; giảm thiểu, tái chế, tái sử dụng CTR và bùn thải; thu hồi các chất có ích từ CT làm nguyên vật liệu để giảm tiêu thụ NL và tài nguyên trong sản xuất nguyên vật liệu

- Tiết kiệm NL tiêu thụ trong các hệ thống cấp thoát nước, quản lý CTR

- Thu hồi nhiệt năng từ dòng NT nhờ chênh lệch nhiệt độ của NT so với môi trường bên ngoài

- Sử dụng động năng của dòng chảy để chạy tuốc bin phát điện

- Phân hủy sinh học kỵ khí và thu hồi khí sinh học để phát điện, nhiệt, hoặc sản xuất ra nhiên liệu hy-dro gen, sản xuất axit lac-tic, e-ta-nol

- Đốt bùn, CTR để sinh nhiệt

- Khí hóa (sản xuất khí dễ cháy, hy-dro, nhiên liệu tổng hợp) - Phân hủy nhiệt polymer - (sản xuất dầu thô tổng hợp, có thể được tiếp tục tinh chế)

- Nhiệt phân (sản xuất chất dễ cháy như nhựa hắc ín, dầu và than sinh học)

- Khí hóa plasma (sản xuất khí tổng hợp gồm hy-dro và cac-bon monoxit – syngas)

- Pin nhiêu liệu vi sinh (microbial fuel cell - MFC)

- Sử dụng diện tích của khu xử lý NT, CTR để khai thác điện mặt trời, điện gió

Giải pháp thu hồi nhiệt năng của NT chỉ áp dụng được ở những nơi có nhiệt độ môi trường bên ngoài thấp hơn đáng kể so với nhiệt độ NT và còn gặp nhiều rào cản về

kỹ thuật, suất đầu tư và yêu cầu phải cải tạo mạng lưới thoát nước Hiện nay mới đang trong giai đoạn nghiên cứu, thử nghiệm ở một số nước như Nhật, Đức Giải pháp tận dụng động năng của dòng nước để chạy tuốc bin phát điện thường được áp dụng, lắp đặt tuốc bin ở đường ống áp lực dẫn NT vào NMXLNT hay đường ống bơm NT sau xử lý, lượng điện sinh ra tùy thuộc vào NL dòng chảy và thường không lớn Sản xuất NL tái tạo như điện mặt trời, điện gió hiện đang được áp dụng ngày càng phổ biến, cho phép đáp ứng một phần nhu cầu về điện của cơ sở XLCT, nhưng cũng đòi hỏi đầu tư tốn kém

và chỉ ở địa điểm thích hợp Công nghệ pin nhiên liệu vi sinh còn đang được tiếp tục nghiên cứu, phát triển để có thể đưa ra ứng dụng Trong các giải pháp kể trên, hướng tiết kiệm NL tiêu thụ trong quản lý nước, NT, CTR, và sản xuất NL tái chế từ CT (bùn, CTR hữu cơ) đang được quan tâm nhiều và ngày càng phổ biến trên thế giới

1.2.2 Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các NMXLNT

Xử lý NT là một hoạt động tốn nhiều NL NL tiêu thụ chiếm tới 25 - 40% chi phí vận hành với các NMXLNT lớn [12] Khoảng 50% tổng NL của NMXLNT là dùng cho quá trình hiếu khí [13] [10], đối tượng tiêu thụ NL nhiều nhất Trước đây, khi thiết kế các NMXLNT, thường chỉ quan tâm đến chất lượng nước đầu ra và bỏ qua mức NL tiêu thụ [12] [14] [15] [16] Gần đây, vấn đề giảm mức tiêu hao NL trong vận hành, đặc biệt

là việc thu hồi NL từ các quá trình xử lý nước và bùn thải, cho việc sử dụng các mục đích khác nhau trong nhà máy được đề cập tới Xu hướng thiết kế và vận hành NMXLNT

là cải thiện hiệu suất sử dụng NL và giảm thiểu chi phí xử lý [17] Thời gian khấu hao trung bình của một NMXLNT thường là 50 năm (có thể lâu hơn), trong khi xử lý là một quá trình diễn ra hàng ngày Bất kì một hình thức giảm tiêu thụ NL hoặc tái sử dụng có thể cho hiệu quả đáng kể trong suốt quá trình vận hành của NMXLNT

Mức NL tiêu thụ phụ thuộc vào công suất và dây chuyền công nghệ xử lý Tính đến tháng 10 năm 2014, tại Mỹ có khoảng 14.780 NMXLNT đô thị với tổng công suất lên tới 122.425.825 m3/ngày [18] Nhu cầu điện năng để xử lý lượng NT trên chiếm từ 3- 4% nhu cầu điện năng của quốc gia, tương đương với 30,2 tỉ kWh/năm, tạo khoảng

21 triệu tấn khí nhà kính - GHG [19] [20] Chi phí xử lý bùn thải phát sinh chiếm tới

30% chi phí vận hành và bảo dưỡng trong NMXLNT Điều tra 554 NMXLNT tại Mỹ cho thấy việc lắp đặt hệ thống nhiệt - điện kết hợp (CHP) cho những nhà máy có công suất khoảng 18.500 m3/ngày, áp dụng công nghệ sinh học kỵ khí để xử lý bùn cho kết quả cao về thu hồi NL [21]

Nghiên cứu của Tập đoàn Poyry với trên 52 NMXLNT khác nhau ở Đức, Pháp, Brazil, Columbia, Tunisia và Trung Quốc, công suất từ 1.500 - 45.000 m3/ngày cho thấy có thể tiết kiệm được trung bình 42% NL tiêu thụ tại các nhà máy này [22] Nghiên cứu của Cornel cũng chỉ ra tiềm năng tiết kiệm NL khoảng 20–50% trong các NMXLNT hiện hữu ở châu Âu [8] Trên thực tế, nhiều NMXLNT ở châu Âu đang được cải tạo theo hướng giảm NL tiêu thụ

Một số giải pháp tiết kiệm NL trong NMXLNT thường được áp dụng:

- Lựa chọn công nghệ phù hợp để tiết kiệm chi phí đầu tư xây dựng, quản lý và vận hành, giảm giá thành xử lý Ví dụ như: triệt để tận dụng các quá trình XLNT trong điều kiện tự nhiên hay áp dụng các công nghệ XLNT chi phí thấp (bãi lọc trồng cây, hồ sinh học, lọc sinh học nhỏ giọt); ổn định bùn bằng phương pháp phân hủy kỵ khí thay cho ổn định hiếu khí; tiền xử lý kỵ khí NT để giảm tải trọng hữu cơ trước khi xử lý hiếu khí để giảm NL tiêu thụ cho sục khí; tiền xử lý bùn trước bể kỵ khí bằng enzyme, nhiệt phân; vv… Giải pháp xử lý kỵ khí bùn cho phép thu hồi khí biogas và thu hồi NL bằng CHP, trong đó biogas dùng để phát điện, để đảo trộn bể phản ứng, nhiệt năng được dùng

để ổn nhiệt bể mê-tan, gia nhiệt cho bùn thô, sấy bùn đã phân hủy, cho phép tiết kiệm được tới 40 - 80% nhu cầu NL của NMXLNT

- Bố trí công trình, thiết bị tối ưu nhằm tiết kiệm chi phí xây dựng và NL

- Đảm bảo duy trì chế độ vận hành ổn định, giảm thiểu nguy cơ phải xử lý, khắc phục sự cố

- Đối với cùng một bể xử lý hiếu khí, giải pháp cấp khí dạng bọt mịn có thể tiết kiệm tới 50% chi phí điện cho sục khí, hay 10 - 20% tổng lượng điện tiêu thụ của NMXLNT

- Sử dụng bơm khí dâng (airlift) để tuần hoàn bùn hoạt tính về bể aeroten thay cho bơm bùn thông thường có thể tiết kiệm tới 25% NL điện dùng cho việc này, đồng

thời tiết kiệm chi phí đầu tư, bảo dưỡng hệ thống bơm

- Áp dụng tự động hoá đo lường, điều khiển các thiết bị và công trình XLNT

1.2.3 Tái sử dụng nước tiết kiệm năng lượng

Tùy theo nhu cầu về số lượng và chất lượng nước sử dụng, ta có thể thay thế nguồn nước ngọt (nước mặt, nước ngầm) bằng nguồn nước tái tạo (NT sau xử lý, nước mưa) Nó giúp giảm 30-50% nhu cầu nước cấp cho sinh hoạt [8], và tiết kiệm NL cho cấp thoát nước

Các công nghệ xử lý NT bậc cao và/ hoặc xử lý để tái sử dụng nước tiêu thụ nhiều

NL Tuy nhiên, so với phương án khử mặn nước biển hoặc vận chuyển nước đường dài thì tái sử dụng nước tiêu thụ NL thấp hơn khoảng 5,5 lần [23] Các nhà máy quy mô lớn

áp dụng kỹ thuật tiên tiến để khử muối nước biển tiêu tốn 2,5 - 2,8 kWh/m3 Nếu áp dụng phương pháp sinh học kỵ khí để xử lý NT và bùn cặn chỉ tốn 0,35 kWh/m3, còn tạo ra điện năng từ biogas đáp ứng nhu cầu NL cho nhà máy [24]

Xu thế mới áp dụng các kỹ thuật thu gom và sử dụng nước mưa trong các tòa nhà cũng ngày càng phổ biến Nhu cầu NL trong thu gom và cấp nước mưa tốn khoảng 0,3-1,2 kWh/m3 [25] Giải pháp tiết kiệm NL như triệt để tận dụng thế năng của nước mưa,

bố trí bể trên cao, cần khuyến khích

1.2.4 Sản xuất năng lượng tái tạo từ chất thải đô thị

Chất thải giàu hữu cơ là nguồn nhiên liệu có giá trị (nhiên liệu sinh khối) Thay

vì chở CTR ra BCL, có thể sản xuất phân bón vi sinh (compost), phân hủy sinh học kỵ khí để thu hồi khí mê-tan, hay đốt CTR và thu hồi nhiệt năng để sản xuất điện và nhiệt

Tại Châu Âu, tính đến cuối năm 2005, có đến hơn 1600 nhà máy biogas được đưa vào sử dụng Cuối năm 2006, tại Đức có hơn 1000 nhà máy đã hoạt động, Thụy Sỹ là

100 và Úc có hơn 50 nhà máy,…Đến năm 2008 tại Đức có 44 nhà máy XLCT qui mô lớn sinh khí biogas, xử lý 1,2 triệu tấn CT hàng năm, sản xuất biogas sinh ra 665 MWh điện năng và kết nối với mạng điện thành phố [26]

Số lượng các NMXLNT trên thế giới càng ngày càng tăng, và theo đó, một lượng lớn bùn thải cần phải được xử lý Tại Nhật Bản, lượng bùn thải hoạt tính trong những

năm gần đây trung bình là 74 triệu tấn/năm, tại Trung Quốc là 25 triệu tấn/năm, và con

số này không ngừng gia tăng mỗi năm [27] [28]

Mục tiêu tự cung cấp NL có thể đạt được trong một NMXLNT Ví dụ NMXLNT As-Samra ở Jordan có công suất 270.000 m3/ngày phục vụ cho 2,7 triệu người Nhà máy đáp ứng 80% nhu cầu NL bản thân thông qua sự kết hợp của tuabin thuỷ lực và khí đốt chạy bằng khí sinh học [29]

Các hướng công nghệ mới để sản xuất NL tái tạo từ CTR khác cũng đang được tích cực nghiên cứu, như công nghệ nhiệt phân hay các bon hóa, công nghệ khí hóa hoặc sản xuất dầu sinh học Các công nghệ này còn khá mới mẻ, suất đầu tư rất cao và chưa phổ biến

Tóm lại, để sản xuất nước và quản lý NT, CTR, cần một nguồn NL đáng kể

Ngược lại, NL có thể sinh ra từ các quá trình quản lý phù hợp CTR và NT, bùn cũng không nhỏ Mô hình QLCT hợp lý không những cho phép tiết kiệm được tài nguyên nước và NL đáng kể, mà còn cung cấp một lượng nước, dưỡng chất, phân bón cải tạo đất, CT được tái chế, NL tái sinh, … và thông qua đó tiết kiệm hay tạo ra được nhiều NL thay thế, NL quy đổi Mối liên hệ giữa Nước - NL trong quản lý CTĐT ngày càng được quan tâm và nghiên cứu Mối liên hệ này gắn chặt với mục tiêu phát triển kinh tế xanh

và bền vững, với các vấn đề an ninh nguồn nước - an ninh năng lượng

1.3 Tổng quan về khối lượng, thành phần, tính chất và hiện trạng quản lý nước thải, CTR đô thị ở Việt Nam

1.3.1 Hiện trạng quản lý nước thải và bùn thải ở một số đô thị lớn của Việt Nam Khối lượng, thành phần, tích chất các loại bùn thải

1.3.1.1 Hiện trạng quản lý NT ở một số đô thị lớn của Việt Nam

a) Tại Hà Nội:

Hà Nội là trung tâm hành chính của cả nước, gồm 12 quận, 17 huyện, 1 thị xã; diện tích chiếm hơn 3.344,6 km2; dân số hơn 8,05 triệu người; mật độ dân số các quận nội thành là 9.343 người/km2; tỷ lệ dân số đô thị tăng từ 36,8% năm 1999 lên 41% năm

2019 (theo số liệu Tổng điều tra dân số năm 2019)

Hệ thống cấp nước có công suất khai thác khoảng 1.492.200 𝑚3/ngày, trong đó lượng nước cấp cho khu vực đô thị là 909.600 m3/ngày Dự kiến đến năm 2050, lượng nước cấp sẽ tăng gấp hơn 2,3 lần, lên tới 3,4 triệu m3/ngày [30]

Hệ thống thoát nước (HTTN) đang sử dụng ở các khu đô thị cũ là hệ thống chung

đã bị xuống cấp nghiêm trọng Nhiều tuyến cống có độ dốc kém hoặc không đủ tiết diện thoát nước nên bùn thải lắng nhiều, gây úng ngập cục bộ và cản trở việc thu gom và tiêu thoát nước đô thị [31]

Tổng lượng NTSH khu vực nội đô khoảng 700.000 𝑚3/ngày, trong đó NTSH khoảng 400.000 𝑚3/ngày; NT từ dịch vụ, công nghiệp khoảng 263.000 𝑚3/ngày Công suất các NMXLNT Kim Liên, Trúc Bạch, Bảy Mẫu, Hồ Tây mới đạt khoảng 34.300

𝑚3/ngày, NM Bắc Thăng Long có công suất thiết kế 38.000 m3/ngày (thực tế hoạt động 7.000 m3/ngày), riêng NMXLNT Yên Sở công suất 200.000 𝑚3/ngày, công suất thực

tế đạt khoảng 60% [31] Lượng NTSH được thu gom, xử lý còn thấp so với tổng lượng

NT phát sinh; Lưu lượng NT công nghiệp chiếm từ 33,3÷37,8 % tổng lượng NT của Hà Nội NT từ 99.782 cơ sở công nghiệp phát sinh năm 2015 trên địa bàn là 75.000 m3/ngày

[32] Đến tháng 5/2018, Hà Nội có 9/18 KCN (50%), 21/43 CCN (48,8%) đang hoạt

động có NMXLNT đã vận hành với tổng công suất thiết kế đạt khoảng 40.000 𝑚3/ngày Công suất xử lý thực tế trung bình chỉ khoảng 65% [31]

Tập trung tất cả các bệnh viện tuyến trung ương, và các bệnh viện tuyến thành phố, nên lượng NT y tế ở Hà Nội phát sinh rất cao khoảng 7.343 m3/ngày.đêm [33]

[34] Ngoài ra còn khoảng 156.000 m3/ngày.đêm NT làng nghề mà hầu hết được xả trực tiếp ra ao, hồ, kênh mương ngay trong khu vực với lượng được xử lý không đáng

kể (xử lý được 13.800 m3/ngày.đêm chiếm khoảng 8,8%) [31]

Nước thải của hầu hết hộ gia đình, cơ quan, cơ sở dịch vụ của thành phố được xử lý sơ bộ qua BTH trước khi xả vào hệ thống cống thoát nước đô thị Một phần lớn được xả trực tiếp ra các kênh mương, hồ và 4 con sông thoát nước chính ở nội thành

là sông Kim Ngưu, sông Sét, sông Tô Lịch và sông Lừ Một số khu vực đã có hệ thống thu gom NT, đưa về các NMXLNT tập trung [31]:

Công ty TNHHNN MTV Thoát nước Hà Nội quản lý, vận hành và bảo dưỡng HTTN; gần đây, một số NMXLNT (Yên Sở, Bắc Thăng Long, Hồ Tây, Bảy Mẫu) được giao cho Công ty Phú Điền

Đồ án quy hoạch thoát nước thành phố Hà Nội đến năm 2030 tầm nhìn đến

2050 chia khu vực trung tâm thành phố thành 29 lưu vực với 31 NMXLNT; đô thị Quốc Oai và 5 đô thị vệ tinh bao gồm Sơn Tây, Hòa Lạc, Xuân Mai, Phú Xuyên và Sóc Sơn được chia thành 10 lưu vực với 10 NMXLNT Với công nghệ áp dụng cho các NMXLNT phải là công nghệ hiện đại phù hợp, tiết kiệm diện tích Sau năm

2030, sẽ xây dựng bổ sung công nghệ sinh học bậc cao nhằm tăng hiệu quả xử lý

và thân thiện với môi trường [35]

b) Tại thành phố Hồ Chí Minh

Thành phố Hồ Chí Minh là trung tâm kinh tế, chính trị, văn hoá, giáo dục hàng đầu cả nước với 19 quận, 5 huyện, tổng diện tích là 2.095 km2; dân số hơn 8,99 triệu người và tăng từ 200.000 - 400.000 người/năm, gây sức ép lớn lên môi trường cũng như

hạ tầng đô thị (theo số liệu Tổng điều tra dân số năm 2019)

NTSH của khu vực nội đô phát sinh 1.750.000 𝑚3/ngày đêm [36] Các kênh mương nội thành bị ô nhiễm khá phổ biến và nhiều sông hồ trở thành nơi chứa NT như kênh Tân Hoá – Lò Gốm, Ba Bò, Tham Lương Tổng lượng NTSH được xử lý khoảng 13% [37] Thành phố có công nghiệp mạnh phát triển nên lượng NT công nghiệp phát sinh lớn 193.760 m3/ngày [37] Tính đến nay, Tp Hồ Chí Minh có 21 KCN, khu CNC

và CCN phát sinh lượng NT 49.370 m3/ngày đã được thu gom về NMXLNT tập trung Với 2.817 cơ sở sản xuất công nghiệp nằm ngoài KCN-KCX có tổng lượng xả thải 144.390 m3/ngày, hiện đã thu gom được 138.321 m3/ngày đạt tỷ lệ 95,7% [38]

Là nơi tập trung các bệnh viện lớn nhất khu vực phía Nam, nên lượng NT y tế phát sinh toàn thành phố khoảng 17.750 m3/ngày Với 100% bệnh viện, phòng khám đa khoa có hệ thống XLNT Tuy nhiên, theo thống kê các bệnh viện chiếm tỷ lệ khá lớn trong các cơ sở gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng [1]

Tại Tp.Hồ Chí Minh, hiện có 3 NMXLNT tập trung đang hoạt động, đó là: Bình Hưng, công suất xử lý 141.000 m3/ngày; Bình Hưng Hoà, công suất xử lý 30.000

m3/ngày; NMXLNT Tham Luông – Bến cát, công suất 125.000 m3/ngày, nhưng chưa

có NT thu gom về, mới vận hành với công suất khoảng 10.000 m3/ngày Ngoài ra, tại các khu đô thị mới, các tòa nhà văn phòng, dịch vụ, có hàng trăm hệ thống XLNT phân tán cho chủ đầu tư xây dựng và quản lý vận hành [39]

1.3.1.2 Khối lượng, thành phần, tính chất và hiện trạng quản lý các loại bùn thải a) Bùn của NMXLNT

Trên HTTN đô thị, theo vị trí hình thành, bùn thải được phân loại theo sơ đồ sau:

Hình 1.3 Sự hình thành bùn thải trên HTTN đô thị Việt Nam [40]

Bùn thải sinh ra từ mạng lưới thoát nước: có hàm lượng chất hữu cơ tương đối

lớn (chiếm tỉ lệ 40 - 53%), độ ẩm dao động từ 80 - 92%, thành phần vô cơ khá cao đặc

biệt vào mùa khô [40] Thành phần các chất độc hại từ nhiều nguồn khác nhau, các vi sinh

vật gây bệnh là nguyên nhân làm hạn chế khả năng sử dụng loại bùn cặn này làm phân bón cho nông nghiệp.Giải pháp xử lý duy nhất hiện nay đối với loại bùn thải từ MLTN là

vận chuyển ra chôn ở các bãi chôn lấp

Bùn BTH: có thành phần khá phức tạp, nhiều chất hữu cơ, chất dinh dưỡng, hàm

lượng cặn cao, chứa nhiều mầm bệnh Loại bùn này cần được thu gom và xử lý triệt để, bằng các công nghệ thích hợp để vừa tận dụng được các chất có ích, vừa tránh làm ô nhiễm môi trường, lây lan bệnh tật

Bùn từ các NMXLNT: có thành phần chứa nhiều chất hữu cơ và các nguyên tố

dinh dưỡng như N, P, K, S, Fe, , có thể dùng làm phân bón rất tốt Tuy nhiên các chất hữu cơ dễ bị phân hủy trong môi trường, gây hôi thối Bùn cặn còn chứa nhiều vi khuẩn gây bệnh và độ ẩm lớn nên việc sử dụng bùn cặn tươi làm phân bón không có lợi và khó vận chuyển do bùn lẫn nhiều nước

Theo Izrail S Turovskiy và P K Mathai (2006), nguồn gốc phát sinh các loại bùn thải từ các NMXLNT được thể hiện trên Hình 1.4

Hình 1.4 Nguồn gốc và các loại bùn thải phát sinh trong NMXLNT [41]

Bùn sơ cấp: Sinh ra từ bể lắng sơ cấp với hàm lượng cặn tổng số dao động từ 2

-7% Lượng chất khô chiếm khoảng 50% hàm lượng cặn tổng số Bùn này có khả năng tách nước nhanh nhưng lại bị phân hủy nhanh và gây mùi

Bùn thứ cấp (hay bùn sinh học) là sản phẩm từ các quá trình xử lý sinh học, khó

bị tách nước hơn bùn sơ cấp do sự có mặt của các bông bùn nhẹ hình thành trong quá trình kết bông keo tụ sinh học

Bùn hóa học: Do việc sử dụng các hóa chất để kết tủa và loại bỏ các chất khó xử

lý đồng thời làm tăng hiệu suất loại bỏ cặn lơ lửng nên trong thành phần bùn thải sẽ chứa một lượng lớn các hóa chất

- Lượng bùn sinh ra phụ thuộc vào dòng NT đầu vào và loại công trình xử lý

được trình bày ở bảng 1.1

Trong công nghệ bùn hoạt tính, khoảng 30 - 50% các chất hữu cơ có trong NT sẽ được chuyển sang dạng bùn, tương đương với 0,3 - 0,5 kg bùn sinh ra /1 kg COD xử lý Tại một số nước châu Âu, lượng bùn thải (tính theo chất khô) phát sinh từ quá trình xử

lý sơ cấp và thứ cấp khoảng 90g/ngày/người Ở Anh, mỗi năm có khoảng 30 triệu tấn bùn thải, tương đương với 1,2 triệu tấn bùn khô sinh ra Chi phí cho loại bỏ và xử lý bùn mỗi năm khoảng 250 triệu bảng Anh, ứng với 5 bảng Anh/ người [42]

Bảng 1.1 Lượng bùn sinh ra từ các công trình xử lý nước thải [17]

3

Giá trị (min – max) Giá trị trung bình

Bể lắng sơ cấp hoặc bể lắng hai vỏ 0,11 – 0,17 0,14

định đến việc lựa chọn các giải pháp xử lý Thành phần của bùn cặn được trình bày trong bảng 1.2 và Phụ lục 1 Hiệu quả của các quá trình đốt hoặc xử lý bùn bằng phương pháp nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt trị của bùn

- Tính chất đặc trưng của bùn: Bùn thải chứa từ 95 – 99 % nước (95 - 96% với

bùn sơ cấp; 98 - 99% với bùn thứ cấp Các chất hữu cơ (qua thông số TVS, TC, TOC) Phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học chiếm từ 30 - 40% tổng lượng chất rắn trong bùn

Tính chất của bùn thải phụ thuộc vào tính chất của NT đầu vào, công nghệ xử lý nước

và bùn thải , tính chất của bùn ở các công đoạn xử lý khác nhau cũng khác nhau (xem bảng 1.2 và Phụ lục 1)

Bảng 1.2 Tính chất đặc trưng của bùn thải [43]

Phụ lục 2 trình bày kết quả phân tích thành phần, tính chất của bùn hỗn hợp tại bể

chứa và sau nén của NMXLNT Trúc Bạch, Bắc Thăng Long - Vân Trì [44] Kết quả

phân tích cho thấy thành phần hữu cơ phân hủy được bằng phương pháp sinh học tương đối cao (thông qua giá trị TOC, tỉ lệ VSS 61,8 - 68,7%), tỉ lệ C/N/P phù hợp cho quá trình ổn định kỵ khí.Thành phần của bùn cặn còn chứa nhiều nguyên tố dinh dưỡng như

N, K, Fe… nên dùng làm phân bón rất tốt So sánh với giới hạn quy định đối với đất nông nghiệp, các chỉ tiêu kim loại nặng như Cd, Cr, Ni, Pb, Cu, Zn trong bùn của các NMXLNT đã khảo sát ở Hà Nội nằm trong ngưỡng cho phép

Tổng công suất thực tế của 4 NMXLNT (Kim Liên, Trúc Bạch, Bắc Thăng Long

và Yên Sở) là 135.000 m3 NT/ngày, với hàm lượng cặn lơ lửng SS trong NT trung bình khoảng 72mg/l, BOD5 khoảng 94 mg/l, bùn tính theo trọng lượng cặn khô là trên 10 tấn/ngày; thể tích bùn chưa xử lý là 350m3/ngày NMXLNT Yên Sở lớn nhất ở miền Bắc hiện nay, cũng là nhà máy đầu tiên áp dụng công nghệ ổn định kỵ khí bùn, thu biogas

Tuy nhiên tính từ khi đưa vào hoạt động đến nay, lượng bùn sinh ra và đưa về xử lý ở bể mê-tan rất ít Biogas thu được, theo thiết kế cũng chỉ được tích vào bể chứa và đốt bỏ

Hình 1.5 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý bùn tại NMXLNT Yên Sở, TP Hà Nội

Khi các NMXLNT theo quy hoạch thoát nước ở Hà Nội được xây dựng, ước tính

có tới 3.500 m3 bùn sẽ phát sinh hàng ngày, đòi hỏi phải được xử lý phù hợp

+) Các NMXLNT ở TP Hồ Chí Minh

Bảng 1.3 trình bày kết quả phân tích mẫu bùn của Bình Hưng - NMXLNT tập trung đầu tiên của TP Hồ Chí Minh

Bảng 1.3 Thành phần bùn của NMXLNT Bình Hưng sau tách nước [36]

Theo kết quả phân tích bùn thải tại kho chứa chính NMXLNT Bình Hưng tháng

08 và tháng 11/2012 cho thấy hàm lượng kim loại mang tính độc hại như As, Hg, Pb,

Cd, Zn, Ni, Cr6+ có trong mẫu bùn thải rất thấp so với Quy chuẩn cho phép (theo nồng

độ ngâm chiết - Ctc, QCVN 50:2013/BTNMT)

Giai đoạn 1, nhà máy Bình Hưng phát sinh 35 - 40 tấn bùn/ngày (công suất 141.000m3/ngày) Giai đoạn 2 của nhà máy với công suất 512.000 m3/ngày, khi hoàn thành dự kiến bùn phát sinh khoảng 150 tấn/ngày Tương lai khi cả 12 NMXLNT được hoàn thành thì tổng khối lượng bùn phát sinh trên toàn thành phố là hơn 850 tấn /ngày +) Các NMXLNT ở TP Đà Nẵng

Các số liệu về tính chất thành phần bùn từ NMXLNT Phú Lộc trong quá trình khảo sát lấy mẫu năm 2015 được thể hiện tại Phụ lục 2 (bảng 2) Thấy rằng bùn có độ

ẩm (từ 87 - 98%) và thành phần hữu cơ (từ 60 - 65%) là khá lớn Trong thành phần bùn còn chứa lượng lớn các chất dinh dưỡng và các kim loại nặng Hàm lượng Hg vượt giới hạn cho phép theo qui chuẩn quốc gia về ngưỡng CTNH [45] [46] Sơ bộ đánh giá rằng bùn thải này nằm trong danh mục CTNH có độc tính

Các NMXLNT đô thị ở thành phố Đà Nẵng đang sử dụng công nghệ hồ kỵ khí dạng đơn giản (Phú Lộc, Hòa Cường, Sơn Trà & Ngũ Hành Sơn) Riêng NMXLNT Hòa Xuân áp dụng công nghệ hiếu khí mới được thi công xây dựng và sắp đưa vào sử dụng

Hệ thống xử lý của các nhà máy hoạt động không hiệu quả, nhiều thời điểm chất lượng NT sau xử lý không đạt tiêu chuẩn Các NMXLNT hầu như không có các biện pháp phù hợp về quản lý bùn thải phát sinh [47]

- Các hướng xử lý bùn từ NMXLNT

Mục đích trước tiên của xử lý bùn từ NMXLNT là ổn định bùn, giảm độ ẩm và thể tích bùn sinh ra và giảm nguy cơ gây ô nhiễm môi trường Hình 1.6 trình bày các phương án công nghệ xử lý bùn từ NMXLNT Hình 1.6 cũng cho thấy thu hồi tài nguyên

từ bùn đang là xu hướng chung trên thế giới, bao gồm các phương pháp đã được áp dụng phổ biến như ủ compost để làm phân bón cải tạo đất, lên men kỵ khí, thu khí sinh học, hay các phương pháp mới như đốt sinh nhiệt hoặc làm thành viên đốt

Hình 1.6 Các phương án công nghệ xử lý bùn từ NMXLNT [48]

Đối với bùn thải được xử lý theo công nghệ ủ hiếu khí, làm phân compost: có thể tận dụng được nguồn nguyên liệu sản xuất phân bón Tuy nhiên công nghệ này lại tốn diện tích đất xây nhà xưởng và phải được thiết kế theo dạng kín, có hệ thống thu khí và

xử lý khí thải Cần xem xét về hiệu quả chi phí sản xuất/lợi nhuận sản phẩm thu được

Phương án làm khô bùn, đóng bánh để đốt cũng là một cách xử lý tốt tuy nhiên rất tốn NL cho quá trình làm khô Nếu chúng ta tận dụng được nguồn NL tái sinh cung cấp cho quá trình làm khô thì đây cũng là nguồn thu NL đáng kể Xu hướng này cũng được khuyến khích để thu hồi NL

Trong khi các công nghệ mới như đốt bùn, các-bon hóa còn đang mới mẻ, với suất đầu tư cao và đòi hỏi các công nghệ, thiết bị phức tạp, đối với các NMXLNT tập trung tại các đô thị lớn, bùn thải được xử lý ưu tiên theo công nghệ phân huỷ kỵ khí Ưu điểm của công nghệ là vận hành ổn định, kiểm soát mùi hiệu quả, tái sinh NL Khó khăn

áp dụng phương pháp này là chi phí đầu tư về thiết bị ban đầu cao hơn so với các phương pháp ổn định bùn truyền thống như dùng sân phơi bùn hay ủ compost Mặc dù ở các nước, công nghệ phân hủy kỵ khí bùn thu khí sinh học đã trở nên rất phổ biến, nhưng công nghệ này còn chưa được áp dụng nhiều ở Việt Nam, phần vì do số lượng NMXLNT tập trung ở các đô thị còn đang ít và mới có điều kiện đầu tư trong thời gian gần đây, lượng NT ít và bị pha loãng bởi hệ thống cống chung dẫn đến lượng bùn phát sinh từ

NMXLNT cũng hạn chế; phần vì nhận thức về hướng XLCT, thu hồi tài nguyên còn chưa phổ biến Duy nhất mới chỉ có NMXLNT Yên Sở là có hệ thống phân hủy kỵ khí bùn, thu khí sinh học đã được xây dựng và đưa vào vận hành, nhưng lượng bùn phát sinh rất ít, khí sinh học thu được cũng chỉ được đốt đi Đây cũng là một lý do cho thấy

sự cần thiết của đề tài nghiên cứu theo hướng này

b) Bùn BTH

Bể tự hoại là công trình xử lý NT chính của các hộ gia đình ở thành phố và nông thôn Việt Nam [49] Nó có chức năng xử lý sơ bộ NTSH trước khi xả ra mạng lưới thoát nước đô thị Phần lớn các chất ô nhiễm của NTSH đều chứa trong nước đen thải từ nhà vệ sinh: chất hữu cơ, các vi sinh vật gây bệnh và cặn lơ lửng Lượng cặn thải

ra theo đầu người khoảng 100 - 400g trọng lượng ướt/người.ngày tuỳ theo tập quán và chế độ dinh dưỡng Lượng bùn tích lũy trong BTH: 30-40 L/người.năm [49]

Ngoài việc phụ thuộc chủ yếu vào tính chất NT chảy vào bể, lượng bùn BTH còn

bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và thời gian lưu bùn Thiết kế, xây dựng và chế độ vận hành

sử dụng BTH cũng tác động tới lượng bùn tích lũy trong bể [50]

Hàng năm, lượng bùn BTH thải ra môi trường với số lượng lớn Tuy nhiên, lượng bùn BTH được hút tại các hộ gia đình chỉ chiếm 38 - 67% tổng lượng phân bùn cần hút

và tần suất hút bùn BTH quá lâu, trung bình tại các hộ gia đình từ 4-6 năm Lượng bùn BTH cần hút ở các thành phố lớn được thể hiện ở Phụ lục 3 (Bảng 1) [48] Như vậy, khối lượng bùn BTH thải bỏ hiện nay là rất lớn Nếu lượng phân bùn này không được

xử lý, xả thẳng ra môi trường sẽ là nguồn ô nhiễm môi trường rất lớn Dự báo lượng bùn BTH ở một số địa phương phát sinh đến năm 2020 và 2030 [51] được trình bày ở Phụ lục 3 (Bảng 2) cho thấy khối lượng bùn BTH gia tăng rất nhanh theo các năm do tốc độ

đô thị hoá Bùn BTH đòi hỏi phải được thu gom và xử lý triệt để, trong khi thực tế việc quản lý bùn BTH vẫn rất yếu

- Thành phần, tính chất của bùn BTH phụ thuộc vào tính chất NTSH ở đô thị được

xử lý, kích cỡ và cấu tạo thiết kế bể, chế độ sinh hoạt, dinh dưỡng của người sử dụng, chế độ hút, khí hậu và thời tiết, Bùn BTH có độ ẩm lớn từ 97 - 99% [49] nên trong quá