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 8 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. 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.
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 1𝑚3 nước/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 𝑚3 nước/năm cho công nghiệp làm mát. Việc sản xuất thực phẩm cung cấp cho một hộ 9 gia đình tiêu thụ 1000 đến 2500 𝑚3 nước/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. 10 Mối quan hệ giữa nước và năng lượng Thủy Năng lượng sử dụng điện để bơm nước Nước làm mát trong nhà máy Nước dùng cho điện khai thác nhiên liệu Năng lượng để cung cấp nước Năng lượng sử dụng trong xử lý nước/ nước thải Dòng chảy của nước Nước và năng lượng sử dụng trong hộ gia đình Dòng chảy của năng lượng Hình 1. 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. Mối quan hệ Nước - Năng lượng trong quản lý chất thải ở một số nước trên thế giới 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 11 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. - Phân hủy nhiệt polymer - (sản xuất dầu thô tổng hợp, có thể được tiếp tục tinh chế).
- 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 12 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.
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. 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 13 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].
