Tổng quan luận án
Biến đổi khí hậu toàn cầu đang gây ra nhiều tác động nghiêm trọng đến hệ sinh thái và đời sống xã hội. Việt Nam được đánh giá là một trong năm quốc gia chịu tác động nặng nề nhất của biến đổi khí hậu và hiện tượng nước biển dâng. Theo các cảnh báo được trích dẫn trong luận án, nếu mực nước biển dâng 1 m, ước tính thiệt hại có thể lên đến 17 tỷ USD mỗi năm, khoảng 1/5 dân số đối mặt với nguy cơ mất nhà cửa, 12,3% diện tích đất canh tác bị xóa sổ, cùng với 40.000 km² diện tích đồng bằng và 17 km² bờ biển thuộc lưu vực sông Mê Kông bị ảnh hưởng bởi lũ lụt ở mức độ khó dự đoán.
Nguyên nhân chính dẫn tới biến đổi khí hậu là sự gia tăng nồng độ các chất khí nhà kính (KNK) sinh ra từ hoạt động dân sinh và sản xuất công nghiệp. Theo phân loại của Ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu (IPCC), các nguồn phát thải KNK bao gồm bốn nhóm chính: Năng lượng; Các quá trình công nghiệp và sử dụng sản phẩm (IPPU); Nông nghiệp, lâm nghiệp và sử dụng đất khác (AFOLU); và Chất thải. Dựa trên 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 phát thải KNK của Việt Nam năm 2000 đạt 150,9 triệu tấn $CO_{2}\text{tđ}$. Trong đó:
- Nông nghiệp đóng góp 65,1 triệu tấn $CO_{2}\text{tđ}$ (chiếm 43%);
- Năng lượng đóng góp 52,8 triệu tấn $CO_{2}\text{tđ}$ (chiếm 34%);
- Sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất và lâm nghiệp (LULUCF) đóng góp 15,1 triệu tấn $CO_{2}\text{tđ}$ (chiếm 10%);
- Các quá trình công nghiệp đóng góp 10,0 triệu tấn $CO_{2}\text{tđ}$ (chiếm 6,6%);
- Nhóm chất thải đóng góp 7,9 triệu tấn $CO_{2}\text{tđ}$ (chiếm 5,2%).
Trong cơ cấu của nhóm chất thải, phát thải KNK từ xử lý chất thải rắn chiếm khoảng 70%, trong khi xử lý nước thải chiếm 30%. Dự báo lượng phát thải KNK toàn quốc sẽ tăng lên 300,4 triệu tấn $CO_{2}\text{tđ}$ vào năm 2020 và đạt 515,8 triệu tấn $CO_{2}\text{tđ}$ vào năm 2030. Mặc dù xử lý nước thải là một nguồn phát thải quan trọng, việc kiểm kê phát thải từ lĩnh vực này tại Việt Nam vẫn còn gặp nhiều rào cản do thiếu dữ liệu thống kê chi tiết, thiếu hệ số phát thải đặc thù quốc gia và chi phí đo đạc thực nghiệm định kỳ rất cao. Do đó, việc xây dựng mô hình toán học nhằm tính toán và dự báo phát thải KNK từ các hệ thống xử lý nước thải là một yêu cầu cấp thiết.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm hai nội dung:
- 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 nghiên cứu của luận án bao gồm các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt (như trạm xử lý nước thải tòa nhà Goldmark City, nhà máy xử lý nước thải Yên Sở, Kim Liên, Trúc Bạch) và các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp sản xuất giấy (nhà máy giấy Bãi Bằng, nhà máy giấy Corelex).
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn ở hai loại hình nước thải phổ biến và có tải lượng lớn: nước thải sinh hoạt (chiếm lưu lượng lớn nhất trong đô thị) và nước thải công nghiệp giấy (ngành có tỷ lệ phát thải nước trên một tấn sản phẩm cao). Về ranh giới tính toán, mô hình xem xét hai hợp phần:
- Phát thải gián tiếp: phát thải KNK từ khâu sản xuất điện năng phục vụ vận hành các thiết bị trong hệ thống xử lý;
- Phát thải trực tiếp: phát thải KNK sinh ra từ quá trình chuyển hóa sinh học tại bể hiếu khí, bể yếm khí, bể phân hủy bùn yếm khí và phân hủy sinh học lượng $BOD_5$ còn lại trong dòng ra.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các nghiên cứu tính toán phát thải KNK trên thế giới đã phát triển nhiều phương pháp luận khác nhau. IPCC (1996, 2006) đã ban hành hướng dẫn kiểm kê quốc gia theo phương pháp tiếp cận bậc (Tier 1, Tier 2, Tier 3) dựa trên các hệ số phát thải mặc định hoặc hệ số phát thải riêng theo từng vùng. Các nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ xử lý nước thải tiếp tục được mở rộng:
- Bridle Consulting và các công trình của Bridle (2009, 2013) nghiên cứu tác động của thiết kế công nghệ và mô hình hóa toán học phát thải KNK trong điều kiện tĩnh và động;
- Seema Rani Das (2011) thuộc Đại học Windsor nghiên cứu ước tính phát thải KNK từ các nhà máy xử lý nước thải sinh học tại Windsor (Canada);
- Lee (2015, 2016), Mosquera-Corral (2016), Larsen (2015), Vipin Singh và Harish C. Chandel (2017), Chen Ying-Chu (2019) nghiên cứu kiểm kê và lượng hóa KNK từ các trạm xử lý nước thải áp dụng công nghệ bùn hoạt tính, màng lọc sinh học MBR và hệ thống hạt hiếu khí;
- Kampschreur và cộng sự (2009), van Loosdrecht và Volcke (2015) phân tích sâu về cơ chế phát sinh khí nitrous oxide ($N_2O$) trong các quá trình nitrat hóa và khử nitrat;
- Omid Asrafi (2012) tại Đại học Concordia (Canada) nghiên cứu ước tính phát thải KNK từ hệ thống xử lý nước thải của ngành công nghiệp giấy và bột giấy.
Tại Việt Nam, các nghiên cứu kiểm kê KNK ban đầu chủ yếu tập trung vào lĩnh vực năng lượng, lâm nghiệp và nông nghiệp:
- Vũ Tấn Phương và Nguyễn Viết Xuân (2012) xây dựng phần mềm kiểm kê KNK ngành lâm nghiệp;
- Bùi Quang Hạt và Tạ Thị Thu Hương (2012), Trung tâm Tư vấn và Công nghệ môi trường (2015) xây dựng hướng dẫn đánh giá mức độ phát thải KNK cho chất thải tại 8 vùng địa lý;
- Nguyễn Thị Khánh Tuyền và cộng sự (2015) áp dụng mô hình IPCC tính toán phát thải mêtan từ bãi chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt tại Thủ Dầu Một;
- Hồ Minh Dũng và Nguyễn Thị Thanh Hằng (2017), Nguyễn Hoàng Lan và Nguyễn Thị Như Vân (2019) nghiên cứu phát thải KNK trong các ngành công nghiệp và năng lượng.
Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định là: Tại Việt Nam, các nghiên cứu tính toán phát thải KNK cho hệ thống xử lý nước thải chưa có mô hình chuyên biệt phản ánh được đặc thù động học xử lý sinh học, thành phần hóa học của dòng thải nội địa và cơ cấu lưới điện Việt Nam. Luận án đã xây dựng mô hình số tích hợp cân bằng vật chất, động học vi sinh và cân bằng hóa học để lượng hóa đồng thời phát thải trực tiếp và gián tiếp cho cả nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp giấy.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Mô hình toán học của luận án được xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa phương trình động học vi sinh Herbert (dạng cải biên của phương trình Monod), các phương trình cân bằng vật chất và cân bằng phản ứng hóa sinh. Cơ chất và sinh khối trong hệ thống xử lý nước thải được mô hình hóa thông qua các công thức hóa học kinh nghiệm:
- Đối với nước thải sinh hoạt, cơ chất hữu cơ đại diện là $C_{10}H_{19}NO_3$;
- Đối với nước thải công nghiệp sản xuất giấy, cơ chất hữu cơ đại diện là $C_7H_{12}O_4N$;
- Sinh khối vi sinh vật (bùn hoạt tính) được biểu diễn bằng công thức $C_5H_7O_2N$.
Mô hình thiết lập tính toán cho ba cấu hình công nghệ điển hình:
- Hệ thống A: Công nghệ xử lý hiếu khí (bể Aerotank, bể lắng, bể phân hủy bùn yếm khí, tính toán phát thải $CO_2$, $CH_4$, $N_2O$ và phân hủy $BOD_5$ dòng ra);
- Hệ thống B: Công nghệ xử lý yếm khí (bể xử lý yếm khí, bể phân hủy bùn yếm khí, tính toán phát thải $CO_2$, $CH_4$ và phân hủy $BOD_5$ dòng ra);
- Hệ thống C: Công nghệ xử lý kết hợp Yếm khí – Hiếu khí.
Phương pháp tính toán phát thải KNK gián tiếp từ tiêu thụ điện năng sử dụng công thức:
$$M_{CO_2, \text{điện}} = Q_E \times \sum (PF_i \times EF_i)$$
Trong đó $Q_E$ là công suất tiêu thụ điện năng ($\text{kWh/ngày}$), $PF_i$ là tỷ lệ phần trăm của từng nguồn phát điện trong cơ cấu lưới điện Việt Nam (thủy điện, nhiệt điện than, nhiệt điện khí, dầu...), và $EF_i$ là hệ số phát thải tương ứng của từng nguồn điện ($\text{kg } CO_2\text{tđ/kWh}$).
Hệ các phương trình vi phân và phương trình đại số mô tả quá trình biến thiên cơ chất ($S$), sinh khối ($X$), tổng nitơ ($TN$), chất rắn lơ lửng ($SS$) và tốc độ sinh khí ($CO_2, CH_4, N_2O$) được giải bằng phương pháp giải tích số. Luận án đã lập trình bộ mã nguồn (source code) và xây dựng phần mềm tính toán bằng ngôn ngữ lập trình Scala và phần mềm Matlab.
Phương pháp thực nghiệm và thu thập số liệu:
- Lấy mẫu khí KNK thực địa bằng kỹ thuật buồng nổi (Chamber QUT) do Đại học Công nghệ Queensland (Australia) chuyển giao cho Viện Môi trường Nông nghiệp Việt Nam;
- Phân tích nồng độ các khí $CO_2, CH_4, N_2O$ trong mẫu khí bằng phương pháp sắc ký khí (Gas Chromatography - GC);
- Đo đạc thông số vận hành thực tế tại trạm xử lý nước thải Goldmark City (Hà Nội), Nhà máy Giấy Bãi Bằng (Phú Thọ), Nhà máy Giấy Corelex (Hưng Yên) cùng dữ liệu kế thừa từ các trạm Yên Sở, Kim Liên, Trúc Bạch.
| Ký hiệu |
Đại lượng mô hình |
Đơn vị |
| $M_{CO_2, \text{điện}}$ |
Phát thải KNK do tiêu thụ điện năng |
$\text{kg } CO_2\text{-tđ/ngày}$ |
| $Q_{o,v}, Q_v, Q_r$ |
Lưu lượng dòng vào hệ thống, vào bể sinh học, dòng ra |
$\text{m}^3\text{/ngày}$ |
| $S_{o,v}, S_v, S$ |
Nồng độ cơ chất dòng vào ban đầu, vào bể sinh học, trong bể |
$\text{mg/l}$ |
| $X_v, X, X_r, X_T$ |
Nồng độ sinh khối dòng vào, trong bể, dòng ra, bùn tuần hoàn |
$\text{mg/l}$ |
| $Y$ |
Hệ số sản lượng vi sinh vật cực đại |
$\text{mg/mg}$ |
| $K_S$ |
Hằng số bán bão hòa cơ chất |
$\text{mg/l}$ |
| $k_d$ |
Hệ số phân hủy nội bào |
$\text{ngày}^{-1}$ hoặc $\text{l/s}$ |
| $\mu_m, k$ |
Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại, tốc độ sử dụng cơ chất riêng |
$\text{ngày}^{-1}, \text{mg/mg.ngày}$ |
| $\text{SRT}, \text{HRT}$ |
Tuổi bùn (thời gian lưu bùn), thời gian lưu thủy lực |
$\text{ngày}, \text{giờ}$ |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về biến đổi khí hậu và khí nhà kính
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về hiện tượng biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính và lịch sử các hội nghị khí hậu quốc tế (từ Hội nghị Thụy Sĩ 1979 đến các kỳ họp COP). Tác giả phân tích chi tiết tiềm năng làm nóng toàn cầu (Global Warming Potential - GWP) của các loại khí nhà kính, trong đó quy ước của IPCC xác định $CO_2 = 1$, $CH_4 = 25$ và $N_2O = 298$ (theo chu kỳ 100 năm).
Chương này trình bày số liệu kiểm kê KNK tại Việt Nam qua các năm 1994, 2000, 2010; hiện trạng quản lý và công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt đô thị và công nghiệp tại Việt Nam. Theo thống kê tài liệu của luận án, tỷ lệ nước thải đô thị được thu gom và xử lý tập trung còn thấp, phần lớn sử dụng công nghệ bùn hoạt tính truyền thống, mương oxy hóa hoặc hồ sinh học. Đối với nước thải công nghiệp giấy, đặc thù dòng thải có hàm lượng chất hữu cơ ($BOD_5, COD$) và chất rắn lơ lửng ($SS$) rất cao, đòi hỏi các dây chuyền xử lý kết hợp hóa lý, yếm khí (như bể UASB, hồ yếm khí) và hiếu khí (Aerotank). Đây là những nguồn phát sinh khí mêtan ($CH_4$) và khí $CO_2$ rất lớn nếu không được thu hồi và kiểm soát chặt chẽ.
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 thuật toán xây dựng mô hình toán học và quy trình thực nghiệm. Tác giả phân tích cơ chế tạo khí qua các con đường:
- Phân hủy hiếu khí chất hữu cơ tạo ra $CO_2$ và sinh khối mới;
- Phân hủy yếm khí bùn lắng và cơ chất hữu cơ tạo ra hỗn hợp khí sinh học ($CH_4$ và $CO_2$);
- Cơ chế phát sinh $N_2O$ thông qua hai quá trình nitrat hóa (oxy hóa $NH_4^+$ thành $NO_2^-$ bởi vi khuẩn Nitrosomonas, tiếp tục thành $NO_3^-$ bởi Nitrobacter) và quá trình khử nitrat (denitrification);
- Phát thải KNK gián tiếp từ lượng điện năng tiêu thụ bởi máy bơm, máy thổi khí, cánh khuấy.
Tác giả thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả cân bằng khối lượng trong điều kiện ổn định (steady-state) và không ổn định (non-steady-state). Các thông số động học ($k, K_S, Y, k_d$) được hiệu chuẩn riêng biệt cho hai loại nước thải dựa trên phương trình phản ứng hóa sinh với công thức thực nghiệm đại diện ($C_{10}H_{19}NO_3$ cho sinh hoạt và $C_7H_{12}O_4N$ cho giấy). Luận án cũng trình bày thiết kế thiết bị lấy mẫu dạng buồng kín (chamber) nổi trên mặt nước và quy trình phân tích sắc ký khí tại phòng thí nghiệm.
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Chương 3 trình bày các kết quả kiểm nghiệm, phân tích độ nhạy và ứng dụng thực tế của mô hình:
-
Kiểm nghiệm mô hình: Mô hình được đối chứng với bộ số liệu của trạm xử lý nước thải Windsor (Canada) công bố bởi Seema Rani Das (2011), cho kết quả tương thích cao về sản lượng khí phát thải và nồng độ dòng ra. Tiếp đó, mô hình được kiểm nghiệm bằng số liệu đo đạc thực địa tại hệ thống xử lý nước thải tòa nhà Goldmark City (công suất $3.300 \text{ m}^3\text{/ngày}$, xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ hiếu khí). Kết quả phân tích khí thực nghiệm so với tính toán mô hình cho thấy sai số nhỏ, khẳng định độ tin cậy của thuật toán.
-
Phân tích độ nhạy của các thông số:
- Nhiệt độ ($10^\circ\text{C}$ đến $30^\circ\text{C}$): Khi nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng sinh học tăng. Trong trường hợp không thu hồi $CH_4$ (phóng không), tổng phát thải KNK giảm trung bình $5,58 \text{ kg } CO_2\text{-tđ}$ khi nhiệt độ tăng thêm $1^\circ\text{C}$. Trong trường hợp có thu hồi và đốt $CH_4$, tổng phát thải KNK tăng nhẹ $1,40 \text{ kg } CO_2\text{-tđ/}^\circ\text{C}$.
- Nồng độ $BOD_5$ dòng vào ($50 \text{ mg/l}$ đến $400 \text{ mg/l}$): Khi nồng độ $BOD_5$ dòng vào tăng mỗi $10 \text{ mg/l}$, tổng lượng KNK phát thải tăng $24,6 \text{ kg } CO_2\text{-tđ/ngày}$ (trường hợp phóng không) và tăng $7,6 \text{ kg } CO_2\text{-tđ/ngày}$ (trường hợp thu hồi và đốt $CH_4$).
- Tuổi bùn ($\text{SRT}$ từ 3 đến 14 ngày): Khi kéo dài tuổi bùn thêm 1 ngày, lượng KNK phát sinh tại bể xử lý sinh học hiếu khí tăng $13,04 \text{ kg } CO_2\text{-tđ/ngày}$ do quá trình hô hấp nội bào tăng; ngược lại, lượng KNK tại bể phân hủy bùn yếm khí giảm $33,89 \text{ kg } CO_2\text{-tđ/ngày}$ (trường hợp phóng không) và giảm $7,01 \text{ kg } CO_2\text{-tđ/ngày}$ (trường hợp đốt $CH_4$).
- Kết quả áp dụng tính toán tại các nhà máy:
| Hệ thống xử lý |
Loại nước thải |
Công nghệ xử lý |
Phát thải trường hợp phóng không $CH_4$ |
Phát thải trường hợp thu hồi và đốt $CH_4$ |
| Trạm Yên Sở |
Nước thải sinh hoạt |
Bùn hoạt tính hiếu khí |
$57.154 \text{ kg } CO_2\text{tđ/ngày}$ |
$49.475 \text{ kg } CO_2\text{tđ/ngày}$ |
| Trạm Kim Liên |
Nước thải sinh hoạt |
Bùn hoạt tính hiếu khí |
$1.927 \text{ kg } CO_2\text{tđ/ngày}$ |
$1.785 \text{ kg } CO_2\text{tđ/ngày}$ |
| Trạm Trúc Bạch |
Nước thải sinh hoạt |
Bùn hoạt tính hiếu khí |
$1.025 \text{ kg } CO_2\text{tđ/ngày}$ |
— |
| Nhà máy Giấy Bãi Bằng |
Nước thải sản xuất giấy |
Xử lý yếm khí kết hợp |
$19.680 \text{ kg } CO_2\text{tđ/ngày}$ |
$5.xxx \text{ kg } CO_2\text{tđ/ngày}$ |
| Nhà máy Giấy Corelex |
Nước thải sản xuất giấy |
Hiếu khí |
$3.991,31 \text{ kg } CO_2\text{tđ/ngày}$ |
$3.129 \text{ kg } CO_2\text{tđ/ngày}$ |
Tại nhà máy Giấy Corelex ($5.000 \text{ m}^3\text{/ngày}$, $BOD_5$ vào $450 \text{ mg/l}$), phát thải từ sử dụng điện năng chiếm tỷ trọng lớn nhất với $2.101,3 \text{ kg } CO_2\text{tđ/ngày}$ (chiếm 67% tổng phát thải khi phóng không và 52% khi thu hồi $CH_4$). Phát thải từ quá trình xử lý sinh học là $1.890,01 \text{ kg } CO_2\text{tđ/ngày}$ (phóng không) và giảm xuống còn gần một nửa khi thu hồi và đốt $CH_4$. Tỷ lệ phát thải riêng phần đạt $2,54 \text{ kg } CO_2\text{tđ/kg } BOD_5$ (phóng không) và $1,07 \text{ kg } CO_2\text{tđ/kg } BOD_5$ (thu hồi/đốt).
Tại nhà máy Giấy Bãi Bằng, do nồng độ ô nhiễm hữu cơ cao và sử dụng bể xử lý yếm khí, tổng lượng phát thải KNK cao hơn Corelex 8 lần. Trong quá trình xử lý sinh học (trường hợp phóng không), bể phân hủy bùn yếm khí chiếm tới 90% tổng phát thải, bể xử lý yếm khí chiếm 6%, và lượng $BOD_5$ dư dòng ra chiếm 4%. Khi thu hồi và đốt khí mêtan thành $CO_2$, tỷ trọng của bể bùn giảm xuống còn 74%, bể yếm khí chiếm 23%, và dòng ra chiếm 3%, qua đó cắt giảm đáng kể lượng $CO_2\text{tđ}$ tổng thể nhờ giảm chỉ số GWP từ 25 ($CH_4$) xuống 1 ($CO_2$).
Kết quả và những đóng góp mới
Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới bao gồm:
-
Về mặt lý luận và phương pháp: Thiết lập thành công mô hình số tính toán toàn diện phát thải KNK cho hệ thống xử lý nước thải dựa trên phương trình Herbert, định luật bảo toàn khối lượng và cân bằng hóa học. Luận án đã đề xuất việc sử dụng công thức hóa học kinh nghiệm $C_{10}H_{19}NO_3$ cho nước thải sinh hoạt và $C_7H_{12}O_4N$ cho nước thải sản xuất giấy để xác lập chính xác các hệ số chuyển đổi sản lượng khí ($Y$).
-
Về mặt công cụ tính toán: Xây dựng phần mềm mô hình số hoàn chỉnh bằng ngôn ngữ lập trình Scala và Matlab, có giao diện nhập liệu trực quan, phục vụ tính toán nhanh lượng phát thải trực tiếp ($CO_2, CH_4, N_2O$) và phát thải gián tiếp từ điện năng mà không đòi hỏi chi phí đo đạc thực địa tốn kém.
-
Về mặt số liệu và hệ số phát thải thực tiễn:
- Xác định định lượng mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ ($10 - 30^\circ\text{C}$), nồng độ cơ chất ($BOD_5$ $50 - 400 \text{ mg/l}$) và tuổi bùn ($\text{SRT}$ $3 - 14 \text{ ngày}$) đến quá trình phát sinh KNK;
- Đề xuất bộ hệ số phát thải KNK đặc trưng cho điều kiện Việt Nam:
- Nước thải sinh hoạt: $2,40 \text{ kg } CO_2\text{tđ/kg } BOD_5$ (trường hợp không thu hồi $CH_4$) và $1,16 \text{ kg } CO_2\text{tđ/kg } BOD_5$ (trường hợp thu hồi và đốt $CH_4$);
- Nước thải công nghiệp giấy: $3,58 \text{ kg } CO_2\text{tđ/kg } BOD_5$ (trường hợp không thu hồi $CH_4$) và $0,93 \text{ kg } CO_2\text{tđ/kg } BOD_5$ (trường hợp thu hồi và đốt $CH_4$).
- Kiến nghị và giải pháp đề xuất:
- Cần ưu tiên lắp đặt hệ thống thu hồi và đốt hoặc tái sử dụng khí sinh học ($CH_4$) tại các bể phân hủy bùn và bể yếm khí nhằm giảm tải lượng phát thải $CO_2\text{tđ}$ vào khí quyển;
- Tối ưu hóa chế độ vận hành (kiểm soát tuổi bùn $\text{SRT}$ và cấp khí hợp lý) kết hợp với các giải pháp tiết kiệm năng lượng điện cho trạm xử lý để giảm thiểu phát thải KNK gián tiếp.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên nội dung công bố của luận án, công trình có một số giới hạn:
- Về phạm vi đối tượng: Mô hình mới chỉ tập trung nghiên cứu trên hai loại hình là nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp giấy, chưa mở rộng cho các ngành công nghiệp có tải lượng hữu cơ và nitơ đặc thù khác như chế biến thủy sản, dệt nhuộm, giết mổ gia súc;
- Về phạm vi nguồn phát thải: Phần phát thải gián tiếp chỉ mới tính toán thành phần điện năng tiêu thụ, chưa tính tới phát thải từ quá trình sản xuất và vận chuyển hóa chất keo tụ, cơ chất bổ sung hoặc khâu vận chuyển bùn thải ra ngoài ranh giới nhà máy;
- Về phát thải $N_2O$: Các phương trình mô tả động học phát sinh $N_2O$ trong điều kiện nồng độ oxy hòa tan (DO) dao động phức tạp ở quy mô thực tế cần tiếp tục được thu thập thêm số liệu đo đạc trực tiếp để tinh chỉnh các tham số vi sinh.
Hướng nghiên cứu tiếp theo được xác định là mở rộng mô hình cho các loại hình nước thải công nghiệp khác, tích hợp tính toán phát thải KNK cho chuỗi quản lý bùn thải toàn diện và hoàn thiện giao diện phần mềm để tích hợp vào cơ sở dữ liệu kiểm kê KNK quốc gia.
Giá trị tham khảo
Luận án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho nhiều đối tượng:
- Cơ quan quản lý nhà nước và xây dựng chính sách (Bộ Tài nguyên và Môi trường, Sở Tài nguyên và Môi trường): Cung cấp cơ sở khoa học và bộ hệ số phát thải đặc thù ($2,40$ và $1,16 \text{ kg } CO_2\text{tđ/kg } BOD_5$ cho sinh hoạt; $3,58$ và $0,93 \text{ kg } CO_2\text{tđ/kg } BOD_5$ cho ngành giấy) phục vụ công tác xây dựng báo cáo kiểm kê khí nhà kính quốc gia gửi UNFCCC;
- Kỹ sư thiết kế và đơn vị vận hành trạm xử lý nước thải: Cung cấp công cụ mô phỏng hỗ trợ lựa chọn công nghệ, đánh giá hiệu quả giảm phát thải khi áp dụng các giải pháp thu hồi khí sinh học hoặc điều chỉnh chế độ công nghệ ($\text{SRT}$, lưu lượng bùn tuần hoàn, tiết kiệm điện năng);
- Nghiên cứu sinh, giảng viên và sinh viên ngành Kỹ thuật môi trường, Công nghệ môi trường: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp mô hình hóa động học vi sinh kết hợp cân bằng chất Herbert, kỹ thuật đo đạc khí KNK bằng buồng Chamber và phân tích sắc ký khí.
Câu hỏi thường gặp
-
Công thức hóa học kinh nghiệm nào được tác giả sử dụng để đại diện cho cơ chất và sinh khối trong mô hình?
Luận án sử dụng công thức $C_{10}H_{19}NO_3$ đại diện cho cơ chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt, công thức $C_7H_{12}O_4N$ đại diện cho cơ chất hữu cơ trong nước thải công nghiệp giấy, và công thức $C_5H_7O_2N$ đại diện cho sinh khối vi sinh vật (bùn hoạt tính).
-
Các yếu tố công nghệ nào ảnh hưởng mạnh nhất đến khả năng phát thải KNK của hệ thống và mức độ ảnh hưởng ra sao?
Luận án khảo sát ba yếu tố chính:
- Nhiệt độ ($10 - 30^\circ\text{C}$): Khi nhiệt độ tăng $1^\circ\text{C}$, tổng phát thải KNK giảm $5,58 \text{ kg } CO_2\text{-tđ}$ (khi phóng không) và tăng $1,40 \text{ kg } CO_2\text{-tđ}$ (khi thu hồi/đốt $CH_4$);
- Nồng độ $BOD_5$ đầu vào ($50 - 400 \text{ mg/l}$): Tăng mỗi $10 \text{ mg/l } BOD_5$ làm tăng phát thải $24,6 \text{ kg } CO_2\text{-tđ/ngày}$ (phóng không) và $7,6 \text{ kg } CO_2\text{-tđ/ngày}$ (thu hồi/đốt);
- Tuổi bùn $\text{SRT}$ ($3 - 14 \text{ ngày}$): Tăng 1 ngày tuổi bùn làm phát thải ở bể sinh học hiếu khí tăng $13,04 \text{ kg } CO_2\text{-tđ/ngày}$, nhưng làm phát thải ở bể phân hủy bùn yếm khí giảm $33,89 \text{ kg } CO_2\text{-tđ/ngày}$ (phóng không) và giảm $7,01 \text{ kg } CO_2\text{-tđ/ngày}$ (thu hồi/đốt).
-
Hệ số phát thải KNK được đề xuất cho nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp giấy là bao nhiêu?
Hệ số phát thải đề xuất cho nước thải sinh hoạt là $2,40 \text{ kg } CO_2\text{tđ/kg } BOD_5$ (không thu hồi $CH_4$) và $1,16 \text{ kg } CO_2\text{tđ/kg } BOD_5$ (thu hồi và đốt $CH_4$). Đối với nước thải công nghiệp giấy, hệ số tương ứng là $3,58 \text{ kg } CO_2\text{tđ/kg } BOD_5$ (không thu hồi $CH_4$) và $0,93 \text{ kg } CO_2\text{tđ/kg } BOD_5$ (thu hồi và đốt $CH_4$).
-
Tại sao hệ thống xử lý nước thải nhà máy giấy Bãi Bằng phát thải KNK cao hơn đáng kể so với nhà máy Corelex?
Nhà máy Giấy Bãi Bằng sử dụng công nghệ xử lý yếm khí và có nồng độ cơ chất dòng vào cao gấp khoảng 5 lần so với nhà máy Corelex (sử dụng công nghệ hiếu khí). Quá trình phân hủy yếm khí sinh ra lượng lớn khí $CH_4$ có chỉ số GWP bằng 25 lần $CO_2$, khiến tổng phát thải quy đổi của Bãi Bằng cao gấp 8 lần Corelex khi không thu hồi khí.
-
Phương pháp thực nghiệm lấy mẫu khí nhà kính tại hiện trường được thực hiện như thế nào?
Mẫu khí KNK được thu thập trực tiếp trên mặt thoáng các bể xử lý bằng thiết bị buồng nổi kín (Chamber QUT) chuyển giao từ Đại học Công nghệ Queensland (Australia), sau đó các mẫu khí được bảo quản và phân tích định lượng thành phần $CO_2, CH_4, N_2O$ bằng máy sắc ký khí (GC).
Kết luận
Luận án của tác giả Nguyễn Thị Vân Anh đã thiết lập thành công mô hình số tính toán phát thải khí nhà kính từ các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp giấy tại Việt Nam dựa trên phương trình động học Herbert và cân bằng hóa sinh. Công trình đã lượng hóa chi tiết cả hai nguồn phát thải trực tiếp từ các bể phản ứng và gián tiếp từ tiêu thụ điện năng, đồng thời kiểm nghiệm mô hình qua số liệu đo đạc thực tế tại các trạm xử lý như Goldmark City, Yên Sở và nhà máy Giấy Bãi Bằng, Corelex. Kết quả nghiên cứu đã đưa ra bộ hệ số phát thải đặc trưng cho nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất giấy trong hai trường hợp phóng không và thu hồi đốt khí mêtan. Luận án cung cấp công cụ phần mềm tính toán có ý nghĩa thực tiễn cao, đóng góp cơ sở dữ liệu quan trọng cho hoạt động kiểm kê khí nhà kính và quản lý môi trường tại Việt Nam.