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 TT

Mong muốn cung cấp thêm cơ sở khoa học để phân tích, đánh giá, đưa ra được phương án phù hợp cho công tác quy hoạch, cũng như các thông tin tin cậy để lựa chọn công nghệ XL chất thải XLC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

**********************

VŨ THỊ MINH THANH

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

Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học 1: GS TS Trần Hiếu Nhuệ

Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS Nguyễn Thị Huệ

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Tốc độ đô thị hoá nhanh ở Việt Nam làm phát sinh một lượng lớn chất thải (CT) mà phần lớn không được xử lý (XL) Nước thải sinh hoạt (NTSH) của các đô thị năm 2018 khoảng 7 triệu m3/ngày [1] (đến năm 2020 đã lên đến trên 10 triệu m3/ngày); chất thải rắn (CTR) sinh hoạt là 61.600 tấn/ngày, trong

đó CTR sinh hoạt (CTRSH) đô thị khoảng 37.200 tấn/ngày [2] và tăng trung bình 12% mỗi năm Chỉ khoảng 13% nước thải (NT) đô thị được XL tại các nhà máy XL nước thải (NMXLNT) [1], bùn bể tự hoại (BTH) chủ yếu do các công ty tư nhân hút, sau đó xả không có kiểm soát ra môi trường [3] Hơn 71% chất thải đô thị (CTĐT) được chôn [2] gây tình trạng quá tải ở các bãi chôn lấp (BCL)

Hoạt động của các NMXLNT và CTR tốn nhiều năng lượng (NL) Nếu

có một mô hình quản lý chất thải (QLCT) theo hướng tận thu tài nguyên, sinh

NL thì nó vừa giải quyết được vấn đề môi trường, vừa có lợi về kinh tế Ở Việt Nam, trong lĩnh vực Kỹ thuật hạ tầng đô thị và môi trường chưa có một mô hình nào xem xét đầy đủ mối liên hệ giữa các dòng vật chất và NL trong QLCT Mong muốn cung cấp thêm cơ sở khoa học để phân tích, đánh giá, đưa ra được phương án phù hợp cho công tác quy hoạch, cũng như các thông tin tin cậy để lựa chọn công nghệ XL chất thải (XLCT) và mô hình QLCT phù hợp, tác giả

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”

2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án

1) Mục tiêu 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

2) Nội dung nghiên cứu của luận án

(1)- Nghiên cứu mối quan hệ giữa các dòng chất thải 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 (Material flow analysis - MFA)

và cân bằng năng lượng (Energy balance - 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

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

- Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi không gian: nghiên cứu trên địa bàn thành

phố Hà Nội; nghiên cứu điển hình là quận Long Biên; Phạm vi thời gian: từ thời điểm hiện nay đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2040

4 Phương pháp nghiên cứu:

Luận án đã sử dụng cacs phương pháp NC kế thừa; khảo sát thực địa; thực nghiệm; so sánh; phân tích; mô phỏng; chuyên gia

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học

- 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, cho phép đánh giá hiệu quả các 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 trên đơn vị

CT, khả năng thu hồi NL 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 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) phù hợp, hiệu quả và bền vững

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

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

- Các công cụ mô phỏng các dòng vật chất (STAN) và NL (SANKEY), 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

6 Tính mới của luận án

(1)- Luận án đã đề xuất được mô hình quản lý tổng hợp CTĐT cho phép thu hồi tài nguyên 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/m", 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

7 Bố cục của luận án

- Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu về mối tương quan giữa các dòng chất

thải đô thị và năng lượng theo hướng quản lý bền vững NT, CTR

- Chương 2: Cơ sở khoa học, phương pháp luận về XLNT, CTR đô thị và tiềm

năng thu hồi NL

- Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

- Kết luận, Kiến nghị

Sơ đồ logic và trình tự thực hiện luận án được minh họa dưới đây

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 1.1 Mối tương quan Nước - NL trong hạ tầng kỹ thuật và QLCT

Con người cần nước và NL cho nhu cầu thiết yếu của mình Các dây chuyền công nghệ để chuyển hoá NL đều cần tới nước Khi khai thác, XL, dự trữ, phân phối nước cấp, thu gom, XLNT và bùn cặn đều cần NL Nước, NT, bùn cặn, CTR chứa NL tiềm ẩn có thể sinh ra điện năng và nhiệt năng

1.2 Mối quan hệ Nước - NL trong QLCT ở một số nước trên thế giới

1.2.1 Các giải pháp sử dụng NL hiệu quả và sản xuất ra NL từ XLCT

Các giải pháp tiết kiệm và sản xuất NL trong sản xuất và cấp nước, thu gom và XL NT, CTR chủ yếu là [10] [11]:

- Tiết kiệm nước và tái sử dụng NT; giảm thiểu, tái chế, tái sử dụng CTR

và bùn thải

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 CH 4 của 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

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

- Phân hủy sinh học kỵ khí và thu hồi khí sinh học để sản xuất ra NL

- Đốt bùn, CTR để sinh nhiệt, vv

1.2.2 Tiết kiệm NL tiêu thụ trong các NMXLNT

Năng lượng tiêu thụ chiếm 25-40% chi phí vận hành của các NMXLNT lớn [12] Áp dụng công nghệ sinh học kỵ khí để XL bùn, với hệ thống nhiệt - điện kết hợp (CHP) có thể tiết kiệm được trung bình 42% NL tiêu thụ ở các NMXLNT [22] Và tiềm năng tiết kiệm 20–50% NL trong các NMXLNT công suất 1.500-45.000 m"/ngày ở châu Âu [8]

1.2.3 Tái sử dụng nước tiết kiệm NL

Tái sử dụng nước giảm hơn 5,5 lần NL so với khử nước mặn (tốn 2,5-2,8 kWh/m3) [23] Thu gom, cấp nước mưa chỉ tốn 0,3-1,2 kWh/m3 [25]

1.2.4 Sản xuất NL tái tạo từ CTĐT

CTRSH hữu cơ có thể sản xuất phân compost, phân hủy sinh học kỵ khí bùn để thu hồi khí mê-tan, hay đốt CTR và thu hồi nhiệt để sản xuất điện và nhiệt đã được áp dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới

1.3 Tổng quan về khối lượng, thành phần, tính chất và hiện trạng quản lý

NT, CTR đô thị ở Việt Nam

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

- Hà Nội: Tổng lượng NTSH nội đô ~750.000 m"/ngày; NT công nghiệp, dịch vụ ~270.000m"/ngày [32], với 6 NMXLNT tập trung [31], công suất

~170.000 m"/ngày, đã XL được ~22% NTSH, dịch vụ

- Thành phố Hồ Chí Minh: lượng NTSH nội đô ~1.750.000 𝑚"/ngày đêm [36], NT công nghiệp và dịch vụ ~200.000 m"/ngày [37], với 3 NMXLNT tập trung đang hoạt động, công suất thực tế 185.000 m3/ngày, XL được ~10%

NTSH, dịch vụ

- Bùn của NMXLNT chứa nhiều chất hữu cơ và dinh dưỡng, có thể dùng

làm phân bón Các kết quả phân tích cho thấy bùn có tỷ lệ hữu cơ cao (VS/TS

~ 60-70%), tỷ lệ C:N:P phù hợp cho quá trình ổn định kỵ khí, thành phần dinh dưỡng N:P:K ~ 2,5:1,6:0,4 Hiện bùn NMXLNT chủ yếu được tách nước rồi đem chôn lấp, chỉ NMXLNT Yên Sở, Hà Nội có bể phân hủy kỵ khí bùn, thu khí sinh học, nhưng do lượng bùn sinh ra rất ít nên bể chưa hoạt động, và khí sinh học cũng chỉ được thiết kế là đốt bỏ

- Phân bùn BTH: có độ ẩm lớn từ 97-99% [48] nên khó khăn khi thu gom, vận chuyển Bùn có hàm lượng chất hữu cơ, dinh dưỡng cao, có khả năng phân hủy bằng phương pháp sinh học; nhiều trứng giun sán và vi sinh vật gây bệnh; COD cao, dao động trong khoảng 15.600-79.500 mgO2/l; TN cao, dao động

lớn, 80-1689 mg/l; TP 82-678 mg/l; VS/TS ~ 68%-83% [51] Lượng bùn phát

sinh ở các đô thị lớn ~50.000-218.490 m3/năm; tỷ lệ thu gom đạt 32%, với 4% được XL và chôn lấp hợp vệ sinh [52] URENCO Hà Nội thu được ~10% lượng bùn phát sinh (~50 tấn/ngày) [53] [54], 90% còn lại là do các đơn vị tư nhân Thành phố Hải Phòng thu được khoảng 33.000-35.000 tấn/năm [55] Thành phố Hồ Chí Minh thu được khoảng 300-350 m3/ngày, trên tổng số 2.450 m3bùn phát sinh [47]

1.3.2 Hiện trạng và qui hoạch quản lý CTR ở các số đô thị lớn của Việt Nam; Khối lượng, thành phần, tính chất CTR hữu cơ đô thị

- Tại Hà Nội: Tỉ lệ thu gom CTR nội thành đạt khoảng 95%, ngoại thành

60% [56]; Khối lượng CTR tăng trung bình 15%/năm Hiện thành phố có 4 bãi chôn lấp và 3 nhà máy XLC T R Tổng khối lượng CTRSH phát sinh năm

2017 là 7.500 tấn/ngày, chiếm 68,7% tổng lượng CTR của thành phố [56]

CTRSH nội thành được thu gom đưa về Khu liên hợp XLCT Nam Sơn rộng 83,5 ha và tới 95% được chôn lấp; Khu liên hợp hiện đang quá tải Thành phần

hữu cơ của CTRSH đạt ~ 60% [2]

- Tp Hồ Chí Minh: lượng CTRSH phát sinh năm 2018 là 7.800 tấn/ngày

[38] [2] được xử lý ở 2 khu liên hợp XL CTR chính là Khu liên hợp XL chất thải Tây Bắc (Củ Chi) và Đa Phước (Bình Chánh) Thành phần hữu cơ của CTRSH đạt 57-77,1%

Năm 2018, tổng lượng CTRSH thu gom cả nước là 22,5 triệu tấn, với 71% được chôn lấp, 16% chế biến compost; 13% đốt [2] Cả nước có 381 lò đốt,

37 cơ sở chế biến phân compost, 80% trong số 904 BCL không hợp vệ sinh [2], với xu hướng chuyển từ chôn lấp sang đốt [2] [50] [64] [60]

1.4 Nhu cầu NL và tiềm năng thu hồi NL từ XLNT, bùn và CTR

1.4.1 Nhu cầu tiêu thụ NL trong XL nước

Năng lượng trung bình XL nước cấp và NT ~ 0.2- 1.5 kWh/m3

1.4.2 Nhu cầu tiêu thụ NL trong quản lý CTR

Ngoài NL cần cho thu gom và vận chuyển CTR, công nghệ làm phân

compost tốn NL cho phân loại CTR, thổi khí, đảo trộn, sàng, đóng bao Đốt tốn NL nhất, nhưng nhiệt thu hồi được có thể được tận dụng

1.4.3 Tiềm năng thu hồi NL từ các dòng CTĐT

NL có thể được sản sinh từ biogas thu hồi từ các bãi chôn lấp (BCL); từ quá trình đốt CTR phát điện; từ quá trình phân hủy kỵ khí các dòng CTĐT giàu hữu cơ Ngoài NL được sản xuất từ hệ thống nhiệt - điện kết hợp (CHP), NL

có thể được thu hồi ở dạng viên đốt, tạo ra từ quá trình xử lý CTR hay bùn XL kết hợp các dòng CTĐT giàu hữu cơ bằng phân hủy kỵ khí để thu hồi NL là hướng đi đầy tiềm năng hiện nay

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 VÀ ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Tất cả các quá trình cấp, thoát nước, XLNT, thu gom và xử lý CTR đều tiêu tốn NL Để tiết kiệm, thu hồi hay sản xuất được NL trong quản lý CTĐT, cần áp dụng các giải pháp sử dụng NL hiệu quả, tái sử dụng NT, thu hồi NL từ các quá trình xử lý NT, bùn, CTR

Các dòng CTĐT như NT, bùn NMXLNT, phân bùn BTH, CTRSH đô thị

ở các đô thị lớn ở Việt Nam giàu hữu cơ, có nhiều tiềm năng thu hồi NL Trong

đó XL kỵ khí kết hợp các dòng CT giàu hữu cơ là giải pháp có nhiều tiềm năng Luận án đặt vấn đề xây dựng cơ sở khoa học và tiến hành lượng hóa các dòng vật chất (nước, bùn NMXLNT, phân bùn BTH, CTRSH, sản phẩm của các quá trình XL), lượng hóa NL tiêu thụ hay sinh ra trong quá trình XL, sử dụng các công cụ mô phỏng MFA và EB Tính toán cụ thể cho 1 quận nội thành Hà Nội,

sẽ minh hoạ cho những cơ sở lý thuyết mà luận án nghiên cứu, qua đó đề xuất được mô hình quản lý CTĐT bền vững

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 2.1 Cơ sở khoa học trong nghiên cứu tương quan Nước - Năng lượng

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

MFA là công cụ hữu hiệu, có tiềm năng áp dụng trong QLCT, cho phép lượng hóa được các dòng vật chất [79][80] trong một hệ thống, ở các phạm vi khác nhau; cho phép phát hiện vấn đề sớm; có thể dùng để dự báo, đánh giá được các biện pháp, phương thức tiếp cận mới [81]

2.1.2 Phân tích dòng vật chất với phần mềm STAN

Phần mềm STAN (subSTance flow ANalysis) giải quyết các vấn đề bất cập trong quá trình sử dụng MFA[5], giúp MFA được sử dụng dễ dàng, có độ tin cậy cao, do STAN tự động tính toán sai số, kiểm chứng các dữ liệu chưa

biết Kết quả tính toán được hiển thị ở dạng sơ đồ SANKEY

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

Nguyên lý của bài toán cân bằng NL (EB) là:

Năng lượng vào = Năng lượng ra + Năng lượng tích lũy

Luận án dùng EB để tính toán cho TTXLCT, thu hồi tài nguyên, dùng công cụ SANKEY để thể hiện và phân tích kết quả

2.1.4 Phương pháp xác định NL tiêu thụ của các thiết bị trong cơ sở XLCT

Xác định công suất tiêu thụ điện, số giờ hoạt động của thiết bị căn cứ theo các tính toán công nghệ Tổng mức tiêu thụ điện của hệ thống bằng tổng tiêu thụ điện của từng thiết bị, tính cho một đơn vị thời gian Kết quả tính toán được kiểm chứng với các số liệu xác định được bằng tham khảo tài liệu và lấy mức tiêu thụ NL của các quá trình/thiết bị tương tự

2.2 Các giải pháp công nghệ xử lý CTR, NT và bùn thu hồi tài nguyên

2.2.1 Thu hồi biogas từ các bãi chôn lấp

Sau khi đóng BCL, sự phân huỷ trong điều kiện kỵ khí của các hợp chất hữu cơ sẽ sinh ra một lượng đáng kể biogas giàu mê-tan

2.2.2 Phân huỷ kỵ khí thu hồi NL

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵ khí quyết định đến

sự chuyển hóa cơ chất trong phản ứng Có thể kết hợp nhiều dòng chất thải giàu hữu cơ với nhau khi phân huỷ

2.2.4 Tiền xử lý trước khi phân hủy kỵ khí

Tiền XL phá vỡ cấu trúc các thành phần khó phân hủy, giảm kích thước các tạp chất rắn trong bùn, nâng cao hiệu suất quá trình phân hủy và sinh khí mê-tan

2.2.5 Đốt bùn thu hồi nhiệt

Độ ẩm của bùn NMXLNT từ bể SBR là 99% [17], bùn BTH là 97,05% [95] nên phải làm đặc, khử nước, sấy trước khi đem đốt

- Phân tích thành phần, tính chất các dòng CTĐT giàu hữu cơ có thể XL hủy

kỵ khí, thu hồi NL: bùn NMXLNT và BTH, CTRSH đô thị

- Thí nghiệm BMP để đánh giá khả năng sinh mê-tan của CTR hữu cơ bằng

phân hủy kỵ khí ở chế độ lên men ấm (37&C), xác định các thông số đặc trưng cho quá trình phân hủy, tập trung vào: sản lượng khí CH4 sinh ra NmL CH4/gVS cơ chất

2.3.2 Lấy mẫu, phân tích thành phần CTR:

Theo TCVN 9461:2012 (ASTM D5231-92)

2.3.3 Lấy mẫu, phân tích thành phần phân bùn BTH

Năm 2016 – 2017, 59 BTH hộ gia đình nội thành Hà Nội đã được lấy mẫu Mẫu được lấy khi hút phân bùn (xe hút tư nhân) Mỗi hộ có từ 3-6 người, thời gian sử dụng BTH 5-20 năm, thể tích bể 1,2-4,0m3, hút hết toàn bộ bùn Lấy

10 mẫu/1 mẫu lặp; Phân tích 8 mẫu/1 mẫu lặp có kiểm tra chéo, sử dụng chất chuẩn pha theo Standard methods và HACH-Lange kit cho COD, NH4 và PO4

2.3.4 Lấy mẫu, phân tích thành phần bùn của NMXLNT

- Năm 2016 – 2017: Lấy mẫu bùn ở bể nén bùn sau bể lắng sơ cấp (PS), bể lắng thứ cấp (WAS) 2 NMXLNT Kim Liên và Trúc Bạch; Phân tích trong PTN (5 đợt)

2.3.5 Thí nghiệm xác định tiềm năng sinh khí mê-tan BMP

Nuôi bùn mầm (seeding sludge): Bể nuôi bùn kỵ khí dung tích 40L, vận

hành liên tục ở nhiệt độ 350C±0,50C; Nguyên liệu nạp là NT nhân tạo, có COD

= 500-1.000 mg/l, C:N:P = 100:5:1; Nạp 1 ngày/1 lần, tải trọng 0,5-1kg COD/m3/ngày

c) Sơ đồ lắp đặt; d) Chi tiết bình phản ứng

Thí nghiệm được thực hiện từ 10-12/2019, với hệ phản ứng kỵ khí theo 2 mẻ: mỗi mẻ 3 mẫu lặp + 1 mẫu trắng Tỷ lệ bùn mầm và cơ chất F/M = 0,5gVS/gVS; Bùn mầm + Cơ chất + Dinh dưỡng = 300mL/bình Nhiệt độ vận hành 350C±0,50C Khí biogas được dẫn qua dung dịch NaOH 3M để hấp thụ CO2 Thể tích CH4 sinh ra hàng ngày được đo bằng phương pháp chiếm chỗ chất lỏng Thí nghiệm được dừng sau 26 ngày khi thấy không còn sinh khí

2.4 Nghiên cứu mô hình QLCT cho quận Long Biên, TP Hà Nội

2.4.1 Lựa chọn địa điểm nghiên cứu

Quận Long Biên đáp ứng đủ các tiêu chí để lựa chọn:

- Có cơ sở dữ liệu đầy đủ về quy hoạch sử dụng đất và hạ tầng kỹ thuật

- Ở Hà Nội, thuận lợi cho việc khảo sát, thu thập dữ liệu bổ sung

- Khu vực nghiên cứu tương đối biệt lập, có ít sự giao thoa với các khu vực khác (để đảm bảo sự tính toán chính xác các dòng CT)

- Công suất NMXLNT quy mô vừa và lớn, để có thể áp dụng phân hủy kỵ khí

bùn [122] Lượng CTR phát sinh lớn (vài trăm tấn/ngày), để áp dụng các giải pháp công nghệ xử lý, tái chế phù hợp ở quy mô công nghiệp [88]

- Khu vực nghiên cứu có cả khu đô thị cũ, đô thị mới, có thể đại diện cho nhiều khu vực đô thị ở Việt Nam

- Khu vực có ít các khu công nghiệp, nông nghiệp xen kẽ

2.4.2 Hiện trạng thoát nước, XLNT và vệ sinh môi trường

- Hệ thống thoát nước (HTTN) không đồng bộ, hiện đang bị quá tải

- CTR được thu gom ở 33 điểm tập kết rồi đưa lên Khu XLCT Nam Sơn

- Bùn BTH thu gom được, bùn từ NMXLNT của các khu công nghiệp và bùn

từ cống thoát nước được chở đi chôn lấp ở bãi rác Nam Sơn

2.4.3 Các dữ liệu đầu vào để tính toán

Các số liệu từ Quy hoạch phát triển quận Long Biên đến 2030, tầm nhìn

2050 [125] [127] [128] đã được sử dụng Một số thông số chính:

- Quy mô dân số năm 2020: 352.000 người; năm 2030: 428.860 người;

- Quy mô đất đai: 6038,24ha;

- Tiêu chuẩn dùng nước cho sinh hoạt: 160l/ng/ngày;

- Tỷ lệ thu gom NT là 90% nước sinh hoạt + phi sinh hoạt;

- Hệ số phát thải CTR: 1,3kg/ng/ngày

2.4.4 Các phương án tính toán

Quận Long Biên, thành phố Hà Nội được lựa chọn làm nghiên cứu điển hình về mô hình QLCT tổng hợp, với 3 phương án quản lý CTĐT là:

- Phương án 1 (PA1): Mô hình QLCT truyền thống hiện nay đang áp dụng phổ

biến ở các đô thị Việt Nam

- Phương án 2 (PA2): Mô hình QLCT tổng hợp, với TTXLCT Các nguồn chất

thải giàu hữu cơ (CTR hữu cơ và phân bùn BTH) được đưa về Trung tâm và

XL cùng với bùn của NMXLNT bằng đồng phân huỷ kỵ khí, thu hồi NL

- Phương án 2a (PA2A): Mô hình QLCT tổng hợp giống phương án 2, nhưng

có thêm bước tiền xử lý bằng nhiệt thuỷ phân hỗn hợp CT trước khi đưa vào

bể đồng phân huỷ kỵ khí để nâng cao hiệu suất thu hồi tài nguyên

MFA với ứng dụng STAN, và EB với ứng dụng SANKEY, được lựa chọn để làm công cụ tính toán trong luận án

Việc tính toán công nghệ chi tiết các công trình xử lý, phân tích dòng vật chất và cân bằng NL của 3 phương án được trình bày trong Chương 3

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

3.1.1.Thành phần, tính chất của CTR hữu cơ bùn, bùn BTH, NMXLNT

a) Kết quả phân tích thành phần, tính chất CTR hữu cơ đô thị

- CTR hữu cơ đô thị có tỷ lệ VS/TS trung bình = 89%;

- Giá trị VS, COD cao, có tiềm năng sinh khí lớn;

- COD: N: P = 229: 3,2: 1, thích hợp cho phân hủy kỵ khí sinh mê-tan, và có

xu hướng dư C hay thiếu N, P

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

b) Kết quả phân tích phân bùn BTH

NCS đã tiến hành phân tích thành phần, tính chất của phân bùn BTH ở Hà Nội (Dự án hợp tác quốc tế về Quản lý phân bùn BTH) Kết quả cho thấy các giá trị COD = 2,83 - 83,0g/L; VS = 1,7 - 45,4g/L; VS/TS = 47,5 - 87,7 (TB 72%); TN = 1.179mg/L; TP = 287mg/L Tỷ lệ COD/VS = 1,946 gO2/gVS Từ kết quả phân tích, công thức hóa học của phân bùn BTH được xác định là ~ C18H39O8N, tỷ lệ C:O:H:N = 54,4%:32,2%: 9,8%:3,5%

Bùn BTH có khả năng phân hủy bằng phương pháp sinh học, bùn sau phân hủy có giá trị dinh dưỡng cao Khoảng 50% khối lượng chất hữu cơ là hydrocarbon, đạm, béo, còn lại là các chất sợi (khoảng 10g/L~ 40% TS), VFA, alcohols, các axit amin, vv VFA khá thấp, trung bình 0,12g/L

Các tạp chất có thể gây ức chế, làm chậm quá trình phân hủy kỵ khí có mặt trong bùn BTH: 𝑁𝐻)*, 𝑆𝑂)-., dạng sợi

Giải pháp để quá trình phân hủy kỵ khí đạt hiệu suất cao, ổn định:

- Tiền xử lý trước khi ổn định kỵ khí

- Trộn bùn BTH với các chất giàu C, tạo môi trường thích hợp cho phân hủy

c) Kết quả phân tích Bùn NMXLNT

Tương tự như trên, bùn sơ cấp (PS) có độ ẩm 91 - 99,7%; Bùn thứ cấp (WAS) có độ ẩm 98.8 - 99.6%; Hỗn hợp bùn: VS/TS = 53,5 – 69,5% (thấp hơn các nước khác, do đặc điểm mạng lưới thu gom nước thải); VS, COD cao; Thành phần hydrocacbon, đạm, béo, tiềm năng sinh khí lớn; Tỷ lệ COD:N:P ~