Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật môi trường của nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Vân Anh với đề tài "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" được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Đặng Xuân Hiển, bảo vệ năm 2019.
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Biến đổi khí hậu toàn cầu đang diễn biến phức tạp do sự gia tăng nồng độ các chất khí nhà kính (KNK) sinh ra từ các hoạt động của con người. Theo đánh giá quốc tế, Việt Nam nằm trong nhóm 5 quốc gia chịu tác động nặng nề nhất của biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Cảnh báo của Liên Hợp Quốc chỉ ra rằng nếu mực nước biển tăng thêm 1 m, Việt Nam đối mặt với mức thiệt hại lên tới 17 tỷ USD/năm, khoảng 1/5 dân số mất nhà cửa, 12,3% diện tích đất trồng trọt biến mất, cùng 40.000 $\text{km}^2$ đồng bằng và 17 $\text{km}^2$ bờ biển lưu vực sông Mê Kông bị ngập lụt.
Theo hướng dẫn của Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC), các nguồn phát thải KNK quốc gia gồm 4 nhóm: 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 gửi Công ước khung của Liên Hợp Quốc về Biến đổi Khí hậu (UNFCCC) năm 2010, tổng lượng KNK phát thải năm 2000 của Việt Nam là 150,9 triệu tấn $\text{CO}{2\text{tđ}}$, trong đó lĩnh vực chất thải chiếm 7,9 triệu tấn $\text{CO}{2\text{tđ}}$ (5,2%). Trong lĩnh vực chất thải, phát thải từ xử lý nước thải chiếm 30% và chất thải rắn chiếm 70%. Tổng phát thải quốc gia được dự báo tăng lên 300,4 triệu tấn $\text{CO}{2\text{tđ}}$ vào năm 2020 và 515,8 triệu tấn $\text{CO}{2\text{tđ}}$ vào năm 2030.
Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định gồm:
- Trong quản lý hệ thống xử lý nước thải (HTXLNT) tại Việt Nam, sự chú ý trước đây chủ yếu tập trung vào việc đạt quy chuẩn chất lượng nước thải dòng ra và tối ưu hóa chi phí vận hành, chưa xem xét toàn diện lượng KNK phát sinh.
- Các số liệu thống kê và kiểm kê phát thải KNK từ HTXLNT tại Việt Nam còn thiếu hụt và bị bỏ ngỏ trong báo cáo kiểm kê KNK quốc gia do thiếu công cụ tính toán và số liệu đo đạc thực tế.
- Việc đo đạc trực tiếp KNK tại hiện trường đòi hỏi thiết bị chuyên dụng, chi phí tốn kém và nhân công lớn. Do đó, việc xây dựng một mô hình toán học tích hợp để tính toán và dự báo phát thải KNK từ các HTXLNT là nhu cầu cấp thiết.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể:
- 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.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp sản xuất giấy ở Việt Nam, bao gồm: HTXLNT sinh hoạt tòa nhà GOLDMARK City (136 Hồ Tùng Mậu, Bắc Từ Liêm, Hà Nội), HTXLNT Yên Sở, HTXLNT Trúc Bạch, HTXLNT Kim Liên; HTXLNT Nhà máy giấy Bãi Bằng, HTXLNT Nhà máy giấy Corelex.
- Phạm vi nghiên cứu:
- Về đối tượng nước thải: Tập trung vào nước thải sinh hoạt (loại hình phổ biến và có lưu lượng lớn nhất) và nước thải công nghiệp sản xuất giấy (loại hình có tỷ lệ phát sinh nước thải trên một tấn sản phẩm cao nhất trong các ngành công nghiệp).
- Về nguồn phát thải gián tiếp: Luận án giới hạn tính toán phát thải KNK từ lượng điện năng tiêu thụ phục vụ vận hành hệ thống xử lý; chưa tính phát thải từ vận chuyển bùn và sản xuất hóa chất keo tụ.
- Về nguồn phát thải trực tiếp: Tính toán phát thải các khí $\text{CO}_2$, $\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$ từ bể xử lý sinh học hiếu khí, bể xử lý yếm khí, bể phân hủy bùn yếm khí và phân hủy $\text{BOD}_5$ còn lại trong dòng ra tiếp nhận.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu và công trình được điểm lại
Luận án hệ thống hóa các mốc lịch sử đàm phán quốc tế về biến đổi khí hậu từ Hội nghị Thế giới về Khí hậu đầu tiên tại Genève năm 1979 (do WMO, UNEP, ICSU khởi động), thành lập IPCC năm 1988, ký kết UNFCCC tại Thượng đỉnh Trái đất Rio de Janeiro 1992, Nghị định thư Kyoto 1997, Kế hoạch Bali 2007, COP15 Copenhagen 2009, COP16 Cancun 2010, COP17 Durban 2011, COP18 Doha 2012, COP21 Paris 2015, COP22 Marrakech 2016 đến COP24 Katowice 2018.
Về phương pháp luận tính toán phát thải KNK từ nước thải, tác giả điểm lại các nghiên cứu:
- Hướng dẫn IPCC (1996, 2000, 2006, 2013): IPCC phân chia 3 cấp bậc tính toán (Tier 1, Tier 2, Tier 3). Hướng dẫn năm 2006 phân tách quy trình tính toán riêng cho $\text{CH}_4$ từ nước thải sinh hoạt, $\text{CH}_4$ từ nước thải công nghiệp và $\text{N}_2\text{O}$. Đối với $\text{N}_2\text{O}$, IPCC đưa ra hệ số phát thải từ dòng ra là 0,005 $\text{kg N}_2\text{O-N/kg N}$ và hệ số phát thải trực tiếp tại trạm xử lý tập trung là 3,2 $\text{g N}_2\text{O/người/năm}$.
- Mô hình tính toán KNK của Bridle Consulting: Bridle (2007) thiết lập phương pháp tính toán cân bằng phát thải KNK toàn diện cho nhà máy xử lý nước thải dựa trên các thông số công nghệ và tiêu hao năng lượng.
- Cơ chế phát sinh $\text{N}_2\text{O}$: Cicerone (1989), Bliefert and Perraud (2001) làm rõ vai trò phá hủy tầng ozone của $\text{N}_2\text{O}$; Czepiel et al. (1995) công bố phát thải $\text{N}_2\text{O}$ từ bể sinh học hiếu khí đạt khoảng 3,2 $\text{g N}_2\text{O/người/năm}$; các nghiên cứu của Kampschreur et al., Wunderlin et al. phân tích hai con đường tạo $\text{N}_2\text{O}$ gồm quá trình nitrat hóa (qua trung gian hydroxylamine và nitrit bởi vi khuẩn Nitrosomonas) và quá trình khử nitrat không hoàn toàn.
- Phát thải từ năng lượng gián tiếp: Báo cáo của Ủy ban Thế giới về Đập (WCD, 2000) đưa ra khoảng phát thải 300 - 1.320 $\text{g CO}{2\text{tđ}}/\text{m}^2/\text{năm}$ đối với hồ thủy điện nhiệt đới; Rashad and Hammad (2000) xác định hệ số 10 - 400 $\text{g CO}{2\text{tđ}}/\text{kWh}$ cho thủy điện.
- Tại Việt Nam: Các kiểm kê KNK quốc gia giai đoạn 1994, 2000, 2010 thực hiện theo phương pháp mặc định của IPCC cấp 1. Số liệu phát thải từ xử lý nước thải chưa có hệ số phát thải đặc thù quốc gia (Tier 2/Tier 3) và chưa có mô hình tích hợp động học vi sinh để tính toán chi tiết cho từng công trình đơn vị.
| Khí nhà kính |
Công thức |
Thời gian tồn tại trong khí quyển (năm) |
GWP 20 năm |
GWP 100 năm |
GWP 500 năm |
| Carbon Dioxide |
$\text{CO}_2$ |
- |
1 |
1 |
1 |
| Methane |
$\text{CH}_4$ |
12 |
72 |
25 |
7,6 |
| Nitrous Oxide |
$\text{N}_2\text{O}$ |
114 |
275 |
296 |
156 |
| Hydrofluorocarbon |
HFC-23 |
270 |
12.000 |
14.800 |
12.200 |
| Sulfur Hexafluoride |
$\text{SF}_6$ |
3.200 |
16.300 |
22.200 |
32.600 |
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết
Luận án tập trung phát triển mô hình toán học chi tiết dựa trên động học phản ứng sinh học Herbert kết hợp cân bằng vật chất và cân bằng phản ứng hóa học vi sinh, cho phép mô phỏng nồng độ cơ chất, sinh khối và tính toán phát thải trực tiếp ($\text{CO}_2, \text{CH}_4, \text{N}_2\text{O}$) lẫn gián tiếp (điện năng) cho các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp giấy tại Việt Nam.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết và mô hình toán học
Luận án xây dựng mô hình toán học dựa trên:
-
Phương trình động học Herbert (dạng cải biên của Monod): Mô tả tốc độ sử dụng cơ chất ($r_s$) và tốc độ tăng trưởng thực của sinh khối ($r_x$), có tính đến quá trình phân hủy nội bào:
$$r_s = \frac{k \cdot S \cdot X}{K_s + S}$$
$$r_x = Y \cdot r_s - k_d \cdot X = \frac{\mu_m \cdot S \cdot X}{K_s + S} - k_d \cdot X$$
Trong đó: $k$ là tốc độ sử dụng chất nền cực đại ($\text{mg/mg}\cdot\text{ng}$); $\mu_m$ là tốc độ tăng trưởng riêng cực đại ($\text{ng}^{-1}$); $K_s$ là hằng số bán bão hòa ($\text{mg/l}$); $k_d$ là hệ số phân hủy nội bào ($\text{ng}^{-1}$); $Y$ là hệ số sản lượng sinh khối ($\text{mg sinh khối/mg cơ chất}$).
-
Cân bằng vật chất dòng cơ chất và sinh khối: Thiết lập cho 3 cấu hình công nghệ:
- Hệ thống A: Xử lý hiếu khí bùn hoạt tính kết hợp bể lắng và phân hủy bùn kỵ khí.
- Hệ thống B: Xử lý yếm khí hoàn toàn.
- Hệ thống C: Hệ thống kết hợp yếm khí - hiếu khí nối tiếp.
Mô hình thiết lập phương trình vi phân cho cả trạng thái ổn định (steady state) và trạng thái không ổn định (unsteady state) để mô phỏng diễn biến $S(t)$ và $X(t)$ theo thời gian.
-
Cân bằng phương trình hóa học chuyển hóa vi sinh vật:
- Cơ chất nước thải sinh hoạt được mô hình hóa bằng công thức kinh nghiệm: $\text{C}{10}\text{H}{19}\text{NO}_3$.
- Cơ chất nước thải công nghiệp sản xuất giấy được mô hình hóa bằng công thức kinh nghiệm: $\text{C}7\text{H}{12}\text{O}_4\text{N}$.
- Tế bào vi sinh vật (sinh khối) được chuẩn hóa bằng công thức: $\text{C}_5\text{H}_7\text{O}_2\text{N}$.
- Phản ứng tổng hợp tế bào hiếu khí từ nước thải sinh hoạt:
$$\text{C}{10}\text{H}{19}\text{NO}_3 + 4,68\text{O}_2 + 0,16\text{NH}_4^+ + 0,16\text{HCO}_3^- \rightarrow 1,16\text{C}_5\text{H}_7\text{O}_2\text{N} + 4,36\text{CO}_2 + 5,52\text{H}_2\text{O}$$
- Phản ứng phân hủy nội bào hiếu khí:
$$\text{C}_5\text{H}_7\text{O}_2\text{N} + 5\text{O}_2 \rightarrow 5\text{CO}_2 + \text{NH}_3 + 2\text{H}_2\text{O}$$
-
Phát thải từ tiêu thụ điện năng:
$$M_{\text{CO}2, \text{điện}} = Q_E \times \sum{i} \left( PF_i \times EF_i \right)$$
Trong đó: $Q_E$ là điện năng tiêu thụ ($\text{kWh/ngày}$); $PF_i$ là tỷ lệ nguồn nhiên liệu sản xuất điện loại $i$ tại Việt Nam; $EF_i$ là hệ số phát thải của nguồn điện loại $i$ ($\text{kg CO}_{2\text{tđ}}/\text{kWh}$).
Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật thực nghiệm
- Phương pháp mô hình hóa và lập trình: Các phương trình vi phân phi tuyến mô tả cân bằng khối lượng và động học được giải bằng phương pháp số, lập trình đóng gói thành phần mềm bằng ngôn ngữ Scala và Matlab với giao diện đồ họa.
- Phương pháp lấy mẫu khí thực địa: Sử dụng thiết bị buồng kín hình trụ (Chamber QUT - chuyển giao từ Đại học Công nghệ Queensland, Australia) đặt nổi trên mặt nước các bể xử lý để thu thập mẫu khí $\text{CO}_2$, $\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$ theo thời gian.
- Phương pháp phân tích công cụ: Phân tích định lượng các mẫu khí trên hệ thống máy sắc ký khí GC-2014 của SHIMADZU (Nhật Bản) tại Trung tâm Phân tích - Viện Môi trường Nông nghiệp:
- $\text{CO}_2$: Xác định bằng đầu dò dẫn nhiệt (TCD) ở nhiệt độ $200^\circ\text{C}$.
- $\text{CH}_4$: Xác định bằng đầu dò ion hóa ngọn lửa (FID) ở nhiệt độ $300^\circ\text{C}$.
- $\text{N}_2\text{O}$: Xác định bằng đầu dò cộng kết điện tử (ECD) ở nhiệt độ $350^\circ\text{C}$.
- Phương pháp phân tích độ nhạy và thống kê: Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các hệ số động học ($K_s, k, \mu_m, k_d, Y$) và điều kiện vận hành (nhiệt độ, tuổi bùn SRT, tải lượng nạp) tới lượng KNK phát thải.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về biến đổi khí hậu và khí nhà kính
Chương 1 tổng thuật các kiến thức cơ bản về biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính và các cam kết quốc tế từ COP1 đến COP24. Tác giả phân tích chi tiết cơ chế phát sinh KNK trong các công đoạn xử lý nước thải:
- Cơ chế sinh $\text{CO}_2$ từ phân hủy hiếu khí chất hữu cơ và oxy hóa nội sinh sinh khối.
- Cơ chế sinh thái yếm khí tạo khí $\text{CH}_4$ qua 3 giai đoạn: Thủy phân chất hữu cơ cao phân tử; Axit hóa tạo các axit hữu cơ ($\text{CH}_3\text{COOH}, \text{H}_2, \text{CO}_2$); Metan hóa bởi vi khuẩn Methanosarcina và Methanothrix.
- Cơ chế hình thành $\text{N}_2\text{O}$ từ quá trình nitrat hóa (oxy hóa amoni thành nitrit bởi vi khuẩn Nitrosomonas, chuyển tiếp thành nitrat bởi Nitrobacter) và quá trình khử nitrat ($\text{NO}_3^- \rightarrow \text{NO}_2^- \rightarrow \text{NO} \rightarrow \text{N}_2\text{O} \rightarrow \text{N}_2$).
Chương 1 cũng tổng hợp dữ liệu thực trạng phát thải và quản lý chất thải tại Việt Nam qua các bảng số liệu thống kê:
| Ngành công nghiệp |
Sản lượng năm 2010 (tấn/năm) |
Định mức nước thải ($\text{m}^3/\text{tấn}$) |
Nồng độ $\text{COD}$ ($\text{kg COD}/\text{m}^3$) |
| Sắt thép |
7.000 |
0,10 |
0,50 |
| Kim loại màu |
3.400 |
12,00 |
1,20 |
| Thực phẩm từ sữa |
579.500 |
7,00 |
0,20 |
| Chế biến hải sản |
1.000 |
0,50 |
0,23 |
| Nguồn phát thải trong lĩnh vực chất thải |
Năm 2010 ($\text{nghìn tấn CO}_{2\text{tđ}}$) |
Tỷ lệ (%) |
Năm 2020 ($\text{nghìn tấn CO}_{2\text{tđ}}$) |
Tỷ lệ (%) |
Năm 2030 ($\text{nghìn tấn CO}_{2\text{tđ}}$) |
Tỷ lệ (%) |
| Bãi chôn lấp rác thải ($\text{CH}_4$) |
5.242 |
60,9 |
8.120 |
62,5 |
13.450 |
64,8 |
| Nước thải công nghiệp ($\text{CH}_4$) |
1.898 |
12,3 |
2.560 |
11,8 |
3.820 |
11,2 |
| Nước thải sinh hoạt ($\text{CH}_4$) |
6.294 |
19,4 |
4.850 |
17,2 |
3.120 |
16,3 |
| Chất thải con người ($\text{N}_2\text{O}$) |
1.241 |
6,7 |
1.890 |
7,7 |
2.150 |
7,0 |
| Đốt chất thải ($\text{CO}_2$) |
65 |
0,4 |
198 |
0,8 |
334 |
0,7 |
Chương 2: Nghiên cứu thiết lập mô hình tính toán phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải
Chương 2 trình bày chi tiết các thuật toán mô hình hóa và phương trình cân bằng:
- Thiết lập hệ phương trình cân bằng vật chất cơ chất $S$, nồng độ chất rắn lơ lửng $SS$, và nồng độ sinh khối vi sinh vật $X$ qua từng đơn vị xử lý (bể lắng sơ cấp, bể phản ứng sinh học hiếu khí/kỵ khí, bể lắng thứ cấp, bể phân hủy bùn).
- Thiết lập hệ số chuyển đổi sản lượng $Y_{\text{CO}2}$, $Y{\text{CH}4}$, $Y{\text{N}2\text{O}}$ từ phân tích các phương trình phản ứng hóa sinh theo công thức kinh nghiệm của nước thải sinh hoạt ($\text{C}{10}\text{H}_{19}\text{NO}_3$) và nước thải giấy ($\text{C}7\text{H}{12}\text{O}_4\text{N}$).
- Mô phỏng động học quá trình nitrat hóa để ước tính phát thải $\text{N}_2\text{O}$ dựa trên hàm lượng amoni bị oxy hóa và các thông số vận hành (nồng độ oxy hòa tan DO, thời gian lưu bùn SRT).
- Xây dựng phần mềm mô hình bằng ngôn ngữ Scala và Matlab, tích hợp giao diện người dùng cho phép nhập các thông số đầu vào (lưu lượng $Q$, nồng độ cơ chất $S_0$, $SS_0$, $TN$, nhiệt độ, công suất điện, các thông số động học vi sinh $K_s, k, Y, k_d$) để xuất ra lượng phát thải từng loại KNK và tổng phát thải quy đổi $\text{CO}_{2\text{tđ}}$.
- Mô tả chi tiết kỹ thuật lấy mẫu hiện trường bằng buồng Chamber QUT và quy trình phân tích định lượng bằng sắc ký khí GC-2014 SHIMADZU với các điều kiện cấu hình đầu dò TCD, FID, ECD.
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Chương 3 tập trung kiểm nghiệm, phân tích độ nhạy và ứng dụng thực tế của mô hình:
- Kiểm nghiệm mô hình:
- Kiểm nghiệm với dữ liệu quốc tế: So sánh kết quả mô hình với số liệu của hệ thống WINDSOR (Ontario, Canada) cho thấy mức độ sai lệch nhỏ, xác nhận độ tin cậy của thuật toán.
- Kiểm nghiệm tại hệ thống GOLDMARK City: So sánh kết quả tính toán mô phỏng với dữ liệu đo đạc thực tế bằng buồng Chamber và phân tích GC tại trạm xử lý nước thải sinh hoạt GOLDMARK City. Nồng độ $\text{CO}_2$ bể hiếu khí, $\text{CH}_4$ bể phân hủy bùn và $\text{N}_2\text{O}$ bể hiếu khí tính toán từ mô hình khớp với số liệu đo thực địa.
- Phân tích độ nhạy và mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng:
- Nhiệt độ ($15^\circ\text{C} - 35^\circ\text{C}$): Khi nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng sinh học và phân hủy nội bào tăng, dẫn đến nồng độ cơ chất dòng ra giảm nhưng lượng phát thải $\text{CO}_2$ và $\text{CH}_4$ tăng lên.
- Nồng độ cơ chất dòng vào ($S_{0,v}$): Lượng KNK phát thải tỷ lệ thuận với tải lượng $\text{BOD}_5$ dòng vào.
- Tuổi bùn (SRT): Tuổi bùn dài làm tăng mức độ khoáng hóa sinh khối qua hô hấp nội sinh, làm tăng lượng phát thải $\text{CO}_2$ từ bể hiếu khí nhưng giảm lượng bùn thải cần xử lý ở bể kỵ khí.
- Ứng dụng tính toán cho các hệ thống thực tế:
- Các HTXLNT sinh hoạt tại Hà Nội: Tính toán chi tiết cho hệ thống GOLDMARK City, HTXLNT Yên Sở, HTXLNT Trúc Bạch, HTXLNT Kim Liên.
- Các HTXLNT công nghiệp giấy: Tính toán cho HTXLNT Nhà máy Giấy Bãi Bằng và Nhà máy Giấy Corelex.
- So sánh hai kịch bản vận hành: Trường hợp 1 (TH1: phóng không khí $\text{CH}_4$) và Trường hợp 2 (TH2: thu hồi và đốt khí $\text{CH}_4$). Việc thu hồi và đốt $\text{CH}_4$ giúp giảm hơn 50% tổng lượng phát thải KNK quy đổi của hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và giảm hơn 70% đối với hệ thống xử lý nước thải sản xuất giấy.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận
- Thiết lập mô hình toán học giải tích và số hoàn chỉnh tính toán phát thải KNK ($\text{CO}_2, \text{CH}_4, \text{N}_2\text{O}$) cho các hệ thống xử lý nước thải dựa trên phương trình động học Herbert cải biên, phương trình cân bằng khối lượng cơ chất và sinh khối, cùng cân bằng hóa học phản ứng phân hủy vi sinh vật.
- Mô hình tích hợp đồng thời cả nguồn phát thải gián tiếp (tiêu thụ điện năng theo cơ cấu nguồn điện thực tế tại Việt Nam) và nguồn phát thải trực tiếp (bể hiếu khí, bể yếm khí, bể phân hủy bùn và $\text{BOD}_5$ dư thừa dòng ra).
- Xác định và chuẩn hóa các hệ số chuyển đổi năng suất ($Y$) và hệ số động học đặc trưng đối với nước thải sinh hoạt ($\text{C}{10}\text{H}{19}\text{NO}_3$) và nước thải công nghiệp sản xuất giấy ($\text{C}7\text{H}{12}\text{O}_4\text{N}$) trong điều kiện khí hậu Việt Nam.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng
- Xây dựng bộ hệ số phát thải khí nhà kính đặc thù phục vụ công tác kiểm kê quốc gia trong lĩnh vực xử lý nước thải tại Việt Nam:
| Loại hình nước thải |
Trường hợp không thu hồi khí $\text{CH}_4$ |
Trường hợp thu hồi và đốt khí $\text{CH}_4$ |
Đơn vị tính |
| Nước thải sinh hoạt |
2,40 |
1,16 |
$\text{kg CO}_{2\text{tđ}}/\text{kg BOD}_5$ |
| Nước thải công nghiệp giấy |
3,58 |
0,93 |
$\text{kg CO}_{2\text{tđ}}/\text{kg BOD}_5$ |
- Đóng gói code phần mềm (trên nền tảng Scala và Matlab) với giao diện trực quan, cho phép các đơn vị quản lý, tư vấn thiết kế và vận hành trạm xử lý nước thải tính toán nhanh lượng KNK phát sinh mà không cần triển khai các đợt đo đạc tốn kém.
- Cung cấp cơ sở khoa học để lựa chọn giải pháp giảm thiểu: thu hồi và đốt/tái sử dụng biogas từ các bể phân hủy bùn kỵ khí, điều chỉnh chế độ cấp khí để hạn chế phát sinh $\text{N}_2\text{O}$ và tiết kiệm điện năng vận hành.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án
Dựa trên phạm vi nghiên cứu được tác giả trình bày trong văn bản:
- Đối tượng công nghiệp mới chỉ tập trung vào ngành sản xuất giấy và bột giấy, chưa mở rộng sang các ngành công nghiệp có tải lượng ô nhiễm hữu cơ cao khác (như chế biến thực phẩm, bia rượu, dệt nhuộm, thủy sản).
- Nguồn phát thải gián tiếp chỉ mới tính toán đối với điện năng tiêu thụ tại trạm xử lý; chưa bao gồm phát thải KNK từ quá trình sản xuất và vận chuyển các hóa chất xử lý (chất keo tụ $\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$, hóa chất điều chỉnh pH, nguồn cacbon bổ sung methanol) cũng như phát thải từ quá trình vận chuyển và chôn lấp bùn thải sau xử lý do hạn chế về nguồn dữ liệu thu thập.
- Lượng chất rắn lắng trong bể lắng sơ cấp (bùn sơ cấp) chưa được đưa vào mô hình tính toán phát thải trực tiếp.
- Dữ liệu đo đạc thực nghiệm phục vụ kiểm chứng thực địa được thực hiện chủ yếu tại khu vực phía Bắc (trạm GOLDMARK City, Bãi Bằng), chưa bao phủ đầy đủ các điều kiện khí hậu đặc thù của các vùng miền khác nhau tại Việt Nam.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Mở rộng thuật toán và bộ thông số động học của mô hình cho các loại hình nước thải công nghiệp khác (thực phẩm, thủy sản, chăn nuôi, hóa chất).
- Bổ sung đánh giá vòng đời (LCA) tích hợp toàn bộ các phát thải gián tiếp từ chuỗi cung ứng hóa chất và xử lý bùn thải sau trạm xử lý.
- Tiếp tục quan trắc thực địa dài hạn tại nhiều trạm xử lý ở miền Trung và miền Nam để hoàn thiện bộ hệ số phát thải KNK cấp độ quốc gia (Tier 3).
Giá trị tham khảo
Luận án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng sau:
- Cơ quan quản lý nhà nước và chuyên gia kiểm kê khí nhà kính (Bộ Tài nguyên và Môi trường, Cục Biến đổi khí hậu): Sử dụng các hệ số phát thải đặc thù ($2,40$ và $1,16\text{ kg CO}_{2\text{tđ}}/\text{kg BOD}5$ cho nước thải sinh hoạt; $3,58$ và $0,93\text{ kg CO}{2\text{tđ}}/\text{kg BOD}_5$ cho nước thải giấy) để nâng cao độ chính xác của các Báo cáo Thông báo Quốc gia (National Communications) và Báo cáo Cập nhật Hai năm một lần (BUR) gửi UNFCCC theo phương pháp cấp 2/cấp 3 (Tier 2/Tier 3).
- Kỹ sư công nghệ môi trường và đơn vị vận hành nhà máy xử lý nước thải: Sử dụng mô hình toán học và phần mềm đóng gói để đánh giá "dấu chân cacbon" của trạm xử lý trong giai đoạn thiết kế và vận hành, từ đó tối ưu hóa công nghệ sục khí, thu hồi năng lượng sinh học và giảm chi phí điện năng.
- Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường: Tài liệu tham khảo về phương pháp kết hợp động học vi sinh Herbert, cân bằng vật chất, phương trình hóa học và công cụ mô hình hóa số trong tính toán phát thải môi trường.
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án xây dựng mô hình tính toán phát thải khí nhà kính dựa trên những nền tảng lý thuyết nào?
Mô hình được thiết lập dựa trên sự kết hợp của:
- Phương trình động học Herbert cải biên (mô tả tốc độ tiêu thụ cơ chất $r_s$, tốc độ tăng trưởng sinh khối thực $r_x$ và phân hủy nội bào $k_d$).
- Các phương trình cân bằng vật chất đối với cơ chất ($S$) và sinh khối ($X$) ở trạng thái ổn định và không ổn định.
- Cân bằng hóa học của các phản ứng chuyển hóa sinh học với công thức kinh nghiệm đại diện cho cơ chất nước thải sinh hoạt ($\text{C}{10}\text{H}{19}\text{NO}_3$), nước thải công nghiệp giấy ($\text{C}7\text{H}{12}\text{O}_4\text{N}$) và tế bào vi sinh vật ($\text{C}_5\text{H}_7\text{O}_2\text{N}$).
- Mô hình phát thải gián tiếp từ tiêu thụ điện năng dựa trên cơ cấu phát điện tại Việt Nam.
2. Các hệ số phát thải khí nhà kính cụ thể được luận án đề xuất là bao nhiêu?
Luận án đề xuất 4 hệ số phát thải KNK đặc trưng cho Việt Nam:
- Nước thải sinh hoạt không thu hồi khí $\text{CH}4$: $2,40\text{ kg CO}{2\text{tđ}}/\text{kg BOD}_5$.
- Nước thải sinh hoạt có thu hồi và đốt khí $\text{CH}4$: $1,16\text{ kg CO}{2\text{tđ}}/\text{kg BOD}_5$.
- Nước thải công nghiệp giấy không thu hồi khí $\text{CH}4$: $3,58\text{ kg CO}{2\text{tđ}}/\text{kg BOD}_5$.
- Nước thải công nghiệp giấy có thu hồi và đốt khí $\text{CH}4$: $0,93\text{ kg CO}{2\text{tđ}}/\text{kg BOD}_5$.
3. Phương pháp thực nghiệm nào được sử dụng để lấy mẫu và đo đạc khí nhà kính tại hiện trường?
Tác giả sử dụng thiết bị buồng kín Chamber QUT (chuyển giao từ Đại học Công nghệ Queensland, Australia) đặt nổi trên mặt nước các bể xử lý để thu mẫu khí. Mẫu khí được phân tích trên máy sắc ký khí GC-2014 của SHIMADZU với các đầu dò chuyên biệt: đầu dò dẫn nhiệt (TCD) ở $200^\circ\text{C}$ để đo $\text{CO}_2$, đầu dò ion hóa ngọn lửa (FID) ở $300^\circ\text{C}$ để đo $\text{CH}_4$, và đầu dò cộng kết điện tử (ECD) ở $350^\circ\text{C}$ để đo $\text{N}_2\text{O}$.
4. Luận án đã kiểm nghiệm mô hình tính toán trên những hệ thống xử lý nước thải cụ thể nào?
Mô hình được kiểm nghiệm đối chứng với dữ liệu quốc tế từ hệ thống WINDSOR (Ontario, Canada) và kiểm nghiệm thực nghiệm tại hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tòa nhà GOLDMARK City (136 Hồ Tùng Mậu, Hà Nội). Sau đó, mô hình được ứng dụng tính toán cho các hệ thống nước thải sinh hoạt (Yên Sở, Trúc Bạch, Kim Liên) và nước thải công nghiệp giấy (Nhà máy Giấy Bãi Bằng, Nhà máy Giấy Corelex).
5. Việc thu hồi và đốt khí methane ($\text{CH}_4$) có ảnh hưởng như thế nào đến tổng lượng phát thải KNK của hệ thống?
Do methane có khả năng gây ấm toàn cầu (GWP) gấp 25 lần $\text{CO}_2$ (trong khung thời gian 100 năm), việc thu hồi và đốt $\text{CH}_4$ chuyển hóa thành $\text{CO}2$ giúp giảm lượng phát thải KNK quy đổi từ $2,40$ xuống còn $1,16\text{ kg CO}{2\text{tđ}}/\text{kg BOD}5$ đối với nước thải sinh hoạt (giảm 51,7%) và từ $3,58$ xuống còn $0,93\text{ kg CO}{2\text{tđ}}/\text{kg BOD}_5$ đối với nước thải công nghiệp sản xuất giấy (giảm 74,0%).
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Vân Anh đã thiết lập thành công mô hình toán học và công cụ phần mềm tích hợp động học Herbert, cân bằng vật chất và cân bằng hóa học để tính toán định lượng phát thải khí nhà kính trực tiếp ($\text{CO}_2, \text{CH}_4, \text{N}2\text{O}$) và gián tiếp (điện năng) từ các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp sản xuất giấy ở Việt Nam. Kết quả nghiên cứu đã được kiểm nghiệm thực nghiệm trên thiết bị đo sắc ký khí hiện đại và áp dụng thành công tại các nhà máy xử lý nước thải thực tế như GOLDMARK City, Yên Sở, Giấy Bãi Bằng và Giấy Corelex. Luận án đã đóng góp bộ hệ số phát thải KNK đặc thù ($2,40$ và $1,16\text{ kg CO}{2\text{tđ}}/\text{kg BOD}5$ cho nước thải sinh hoạt; $3,58$ và $0,93\text{ kg CO}{2\text{tđ}}/\text{kg BOD}_5$ cho nước thải giấy), giải quyết khoảng trống dữ liệu trong công tác kiểm kê khí nhà kính quốc gia và cung cấp công cụ khoa học phục vụ quản lý, thiết kế hệ thống xử lý nước thải theo hướng giảm thiểu phát thải cacbon tại Việt Nam.
