Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:271

Thêm vào BST

Báo xấu

54
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án trình bày 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; Cơ sở khoa học, phương pháp luận về xử lý nước thải, chất thải rắn đô thị và tiềm năng thu hồi năng lượng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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

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 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
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 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: 1. GS.TS. Trần Hiếu Nhuệ 2. GS.TS. Nguyễn Thị Huệ Hà Nội – 2021
i 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
ii 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 Vũ Thị Minh Thanh
iii 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
iv 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
v 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
vi 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
vii 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
viii BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết Tiếng Việt Tiếng Anh tắt A2 O Kỵ khí - Thiếu khí - Hiếu khí Anaerobic - Anoxic - Oxic AD Phân hủy kỵ khí Anerobic Digestion AO Thiếu khí – Hiếu khí Anoxix - Oxic BCL Bãi chôn lấp Landfill BMP Tiềm năng sinh khí mê tan Biochemical Methane Potential BOD Nhu cầu ôxi sinh hóa Biochemical Oxygen Demand BTH Bể tự hoại Sepitc tank 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 CH4 Mê-tan Methane CO2 Cac-bo-nic Carbonic COD Nhu cầu ôxi hóa học Chemical Oxygen Demand CT Chất thải Waste CTĐT Chất thải đô thị Urban Waste CTNH Chất thải nguy hại Hazardous Waste CTR Chất thải rắn Solid Waste CTRSH Chất thải rắn sinh hoạt Domestic Solid Waste DCCN Dây chuyền công nghệ Technological line DS Chất rắn khô Dry Solids đktc Điều kiện tiêu chuẩn Standard Conditions EB Cân bằng năng lượng Energy Balance FS Bùn bể tự hoại Fecal Sudge
ix Thức ăn/Vi sinh vật (Tỷ lệ Bùn cơ F/M Food/Microorganism chất/bùn nuôi cấy) H2 S Sunphua hydro Hydrogen Sulfua HRT Thời gian lưu thủy lực Hydraulic Retention Time HTTN Hệ thống thoát nước Drainage System KCN, Industrial Area, Export Processing Khu công nghiệp, khu chế xuất KCX 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 Đơn vị đo thể tích khí (mL) ở điều Unit of air volume (mL) in NmL kiện tiêu chuẩn Standard conditions NT Nước thải Wastewater NTSH Nước thải sinh hoạt Domestic Wastewater NL Năng lượng Energy NMXLNT Nhà máy xử lý nước thải Wastewater Treatment Plant OLR Tải trọng hữu cơ Organic Load Rate Thành phần hữu cơ trong chất thải Organic Fraction of Municipal OFMSW rắn đô thị Solid Waste PS Bùn sơ cấp Primary Sludge Vietnamese National QCVN Quy chuẩn Việt Nam Standard/Code QLCT Quản lý chất thải Waste Management Nhiên liệu có nguồn gốc từ chất RDF Refuse Derived Fuel thải Bể phản ứng sinh học hoạt động SBR Sequencing Batch Reactor theo mẻ
x SRT Thời gian lưu bùn Sludge Retention Time SS Cặn lơ lửng Suspended Solids SW Chất thải rắn Solid Waste 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 TTXLTH- Integrated Waste Treatment Trung tâm xử lý tổng hợp chất thải -CT Center TN Tổng nitơ Total Nitrogen TNHHNN Trách nhiệm hữu hạn nhà nước Single Member State Limited MTV một thành viên Liability TP Tổng phốt pho Total Phosphorus TS Tổng chất rắn Total Solids TSS Tổng chất rắn lơ lửng Total Suspended Solids V Thể tích Volume VFA Axit béo bay hơi Volatile Fatty Acids VS Chất rắn bay hơi Volatile Solids WAS Bùn hoạt tính dư Waste Activated Sludge WDF Nhiên liệu có nguồn gốc chất thải Waste Derived Fuel XLCT Xử lý chất thải Waste Treatment XLNT Xử lý nước thải Wastewater Treatment
xi 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
xii 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
xiii 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
1 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.
2 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 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. 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.
4 (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. Phần mở đầu Chương 1 Nghiên cứu tổng quan: Hiện trạng quản Nghiên cứu tổng quan: quản lý chất thải đô lý chất thải ở đô thị các nước và ở Việt thị, mối quan hệ nước và năng lượng; Khả Nam; Số lượng, thành phần, tính chất năng thu hồi năng lượng từ bùn của CTR, nước thải, bùn và phân bùn NMXLNTTT, CTR hữu cơ và phân bùn BTH Chương 2 Nghiên cứu các công nghệ xử lý bùn P. pháp luận phân tích dòng vật chất MFA NMXLNT, CTR hữu cơ, phân bùn BTH, và cân bằng năng lượng EB; các ứng dụng thu hồi tài nguyên để làm công cụ STAN và SANKEY NC thực nghiệm: Phân tích thành phần, tính chất các dòng chất thải NC xác định khả năng sinh khí CH4 của bùn Lựa chọn địa điểm nghiên cứu điển hình NMXLNT và phân bùn BTH (tổng quan), của và các dữ liệu đầu vào CTR hữu cơ (thí nghiệm BMP) Chương 3 Kết quả NC thực nghiệm: Phân tích Kết quả NC thực nghiệm BMP: xác định thành phần, tính chất CTR hữu cơ, bùn khả năng sinh khí CH4 của CTR hữu cơ NMXLNT, phân bùn BTH Tính toán công nghệ 2 PA quản lý chất thải của quận Long Biên, TP. Hà Nội Phân tích Cân bằng vật chất MFA, Cân bằng năng lượng EB theo 2 phương án, nhận xét kết quả Nhận xét kết quả; Đề xuất mô hình quản lý tổng hợp chất thải đô thị bền vững Kết luận – Kiến nghị 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.
5 (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. (5)- Phương pháp phân tích: + Phân tích khả năng thu hồi NL của các dòng CT khi xử lý riêng lẻ và kết hợp + Phân tích để lựa chọn công nghệ xử lý kỵ khí, đạt được hiệu quả xử lý tối ưu và thu hồi NL. + Phân tích dòng vật chất MFA để tính toán cân bằng chất, lượng hóa các chất đi qua các công đoạn của dây chuyền xử lý NT, xử lý bùn, CTR, dựa trên định luật bảo toàn vật chất [4]. + 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. (6)- Phương pháp mô phỏng: + Mô phỏng dòng vật chất được lượng hóa, sử dụng phần mềm STAN (subSTance flow ANalysis) [5]. + Mô phỏng mô hình cân bằng NL của hệ thống QLCT theo các kịch bản quản lý CTR hữu cơ, bùn của NMXLNT và bùn BTH, sử dụng công cụ SANKEY [6]. (7)- Phương pháp chuyên gia: lấy ý kiến của các nhà khoa học, các cán bộ quản lý thông qua trao đổi trực tiếp, seminar/hội thảo. 6. 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. 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.