Khí nhà kính và đánh giá sự phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước công nghiệp

TIỂU LUẬN MÔN : KIỂM SOÁT Ô NHIỄM NƯỚC
Đề tài : Khí nhà kính và đánh giá sự phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý
nước công nghiệp
1.KHÁI QUÁT CHUNG VỀ KHÍ NHÀ KÍNH
1.1.Khí nhà kính.
Khí nhà kính là những khí có khả năng hấp thụ các bức xạ sóng dài (hồng
ngoại) được phản xạ từ bề mặt Trái Đất khi được chiếu sáng bằng ánh sáng mặt
trời, sau đó phân tán nhiệt lại cho Trái Đất, gây nên hiệu ứng nhà kính. Các khí
nhà kính chủ yếu bao gồm: hơi nước, CO
2
, CH
4
, N
2
O, O
3
, các khí CFC. Trong hệ
mặt trời, bầu khí quyển của Sao Kim,Sao Hỏa và Titan cũng chứa các khí gây
hiệu ứng nhà kính. Khí nhà kính ảnh hưởng mạnh mẽ đến nhiệt độ của Trái Đất,
nếu không có chúng nhiệt độ bề mặt Trái Đất trung bình sẽ lạnh hơn hiện tại
khoảng 33 °C (59 °F).
Tỷ lệ phần trăm các khí gây hiệu ứng nhà kính
Khí

Hơi nước
CO
2
CH
4
O
3

Khí carbonic (CO
2
): là khí nhà kính phát thải nhiều nhất - đây là nguyên nhân
chính làm gia tăng hiệu ứng nhà kính gây ấm lên toàn cầu. Khí carbonic còn
được gọi là thán khí – là khí do con người và động vật thở ra khi hô hấp hoặc khi
có sự cháy.

Trong tự nhiên, cây xanh hấp thụ khí carbonic trong quá trình quang hợp và giải
phóng oxy trở lại khí quyển. Chặt phá rừng làm tăng lượng carbonic trong không
khí, các bề mặt đại dương cũng hấp thu Khí carbonic.
Các nguồn phát thải carbonic gồm: đốt nhiên liệu hóa thạch (khí gas, xăng dầu,
than đá) dùng cho sản xuất năng lượng, phương tiện giao thông, cháy rừng, đốt
than, củi, rơm…và chăn nuôi.

Metan (CH4): Có tiềm năng làm nóng trái đất cao hơn CO
2
(gấp 72 lần trong
khoảng thời gian 20 năm), CH
4
thúc đẩy sự oxy hóa hơi nước trong khí quyển,
sự gia tăng hơi nước gây hiệu ứng nhà kính mạnh hơn nhiều so với hiệu ứng trực
tiếp của CH
4

CH
4
được dùng làm khí đốt (biogas), nó là thành phần chính của khí tự nhiên,
khí dầu mỏ, khí đầm ao, đầm lầy. CH4 được sinh ra từ quá trình khai thác, vận
chuyển sử dụng dầu mỏ, than đá, các quá trình sinh học như men hóa đường ruột
của các gia súc, phân giải kị khí ở đất ngập nước, ruộng lúa, cháy rừng.

Các khí clorolfuorocacbon (CFC): là những hóa chất tổng hợp, có mặt trong khí
quyển từ khi công nghiệp làm lạnh, mỹ phẩm phát triển. Bên cạnh khả năng làm
nón trái đất mạnh (hơn CO
2
gấp 11.000 lần trong thời gian 20 năm), CFC ở sang
sol khí thường làm tổn hại tầng ozon. Nếu chấm dứt phát thải ngay thì khoảng
100 năm sau mới phân hủy hết lượng CFC hiện có

Khí oxit nito (NO
2
): chiếm một lượng nhỏ trong thành phần các khí nhà kính,
nhưng khả năng làm nóng trái đất cao (gấp 289 lần trong khoảng thời gian 20
năm) và làm tổn hai tầng ozon. Do nó có thời gian tồn tại trongkhis quyển lâu
dài, nên lượng oxit nito thải ra tiếp tục gây ấm lên toàn cầu và kéo dài đến thế kỷ
sau.

Các nguồn phát thải khí oxit nito gồm: sản xuất phân bón, hóa chất, đốt nhiên
liệu hóa thạch, cháy rừng, đốt rơm rạ, xử lí nước thải, quá trình nitrat hóa các
loại phân bón hữu cơ, vô cơ trong nông nghiệp.

Ôzôn (O
3
) được tạo ra tự nhiên do các phản ứng trong khí quyển và do hoạt động
của con người, như từ xe cộ và các nhà máy năng lượng. Ở tầng cao của khí
quyển, tầng ôzôn hấp thu bức xạ tia cực tím bảo vệ trái đất, trong khi sự gia tăng
ôzôn ở tầng thấp của khí quyển góp phần làm trái đất nóng lên. Do có thời gian
tồn tại trong khí quyển ngắn, nên ôzôn chủ yếu gâp nóng lên ở quy mô khu vực
nhiều hơn là gây ấm lên toàn cầu.
1.2 .Hiện tượng hiệu ứng nhà kính :

Các tia bức xạ sóng ngắn của mặt trời xuyên qua bầu khí quyển đến mặt đất và
được phản xạ trở lại thành các bức xạ nhiệt sóng dài. Một số phân tử trong
bầu khí quyển, trong đó trước hết là [điôxít cacbon] và hơi [nước], có thể hấp thụ
những bức xạ nhiệt này và thông qua đó giữ hơi ấm lại trong bầu khí quyển.
Hàm lượng ngày nay của khí đioxit cacbon vào khoảng 0,036% đã đủ để tăng
nhiệt độ thêm khoảng 30 °C. Nếu không có hiệu ứng nhà kính tự nhiên này nhiệt
độ Trái Đất của chúng ta chỉ vào khoảng –15 °C.
Có thể hiểu một cách ngắn gọn như sau: ta biết nhiệt độ trung bình của bề mặt
Trái Đất được quyết định bởi cân bằng giữa năng lượng mặt trời chiếu xuống
Trái Đất và lượng bức xạ nhiệt của mặt đất vào vũ trụ. Bức xạ nhiệt của mặt trời
là bức xạ có sóng ngắn nên dễ dàng xuyên qua tầng ozon và lớp khí CO2 để đi
tới mặt đất, ngược lại bức xạ nhiệt từ Trái Đất vào vũ trụ là bức sóng dài, không
có khả năng xuyên qua lớp khí CO2 dày và bị CO2 + hơi nước trong khí quyên
hấp thụ. Như vậy lượng nhiệt này làm cho nhiệt độ bầu khí quyển bao quanh
Trái Đất tăng lên. Lớp khí CO2 có tác dụng như một lớp kính giữ nhiệt lượng
tỏa ngược vào vũ trụ của Trái Đất trên quy mô toàn cầu. Bên cạnh CO2 còn có
một số khí khác cũng được gọi chung là khí nhà kính như NOx, Metan, CFC.
Ở thời kỳ đầu của lịch sử Trái Đất, các điều kiện tạo ra cuộc sống chỉ có thể xuất
hiện vì thành phần của điôxít cacbon trong bầu khí quyển nguyên thủy cao hơn,
cân bằng lại lượng bức xạ của mặt trời lúc đó yếu hơn đến khoảng 25%. Cường
độ của các tia bức xạ tăng lên với thời gian. Trong khi đó đã có đủ cây cỏ
trên Trái Đất, thông qua sự quang hợp, lấy đi một phần khí điôxít cacbon trong
không khí tạo nên các điều kiện khí hậu tương đối ổn định.
Từ khoảng 100 năm nay con người tác động mạnh vào sự cân bằng nhạy cảm
này giữa hiệu ứng nhà kính tự nhiên và tia bức xạ của mặt trời. Sự thay đổi nồng
độ của các khí nhà kính trong vòng 100 năm lại đây (điôxít cacbon tăng 20%,
mêtan tăng 90%) đã làm tăng nhiệt độ lên 2 °C.
Không nên nhầm lẫn hiệu ứng nhà kính nhân loại với việc làm tổn thất đến lớp
khí ôzôn ở tầng bình lưu cũng do loài người gây ra.
1.3. Những ảnh hưởng của hiệu ứng nhà kính:

Phần lớn các nhà khoa học ủng hộ giả thuyết cho rằng việc tăng nồng độ các khí
nhà kính do loài người gây ra, hiệu ứng nhà kính nhân loại, sẽ làm tăng nhiệt độ
trên toàn cầu (sự nóng lên của khí hậu toàn cầu) và như vậy sẽ làm thay đổi khí
hậu trong các thập kỷ và thập niên kế đến.
Giả thuyết này bị phủ nhận bởi một số người gọi là nhà phê bình khí hậu mà con
số các nhà khoa học trong họ đã giảm đi rõ rệt trong những năm vừa qua.
Sau đây là một số hậu quả liên đới với việc thay đổi khí hậu do hiệu ứng này có
thể gây ra:
• Các nguồn nước: Chất lượng và số lượng của nước uống, nước tưới tiêu,
nước cho kỹ nghệ và cho các máy phát điện, và sức khỏe của các loài thủy
sản có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi sự thay đổi của các trận mưa rào
và bởi sự tăng khí bốc hơi. Mưa tăng có thể gây lụt lội thường xuyên hơn.
Khí hậu thay đổi có thể làm đầy các lòng chảo nối với sông ngòi trên thế
giới.
• Các tài nguyên bờ biển: Chỉ tại riêng Hoa Kỳ, mực nước biển dự đoán
tăng 50 cm vào năm 2100, có thể làm mất đi 5.000 dặm vuông đất khô ráo và
4.000 dặm vuông đất ướt.
• Sức khỏe: Số người chết vì nóng có thể tăng do nhiệt độ cao trong những
chu kì dài hơn trước. Sự thay đổi lượng mưa và nhiệt độ có thể đẩy mạnh các
bệnh truyền nhiễm.
Nhiệt độ tăng lên làm tăng các quá trình chuyển hóa sinh học cũng như hóa học
trong cơ thể sống, gây nên sự mất cân bằng.
• Lâm nghiệp: Nhiệt độ cao hơn tạo điều kiện cho nạn cháy rừng dễ xảy ra
hơn.
• Năng lượng và vận chuyển: Nhiệt độ ấm hơn tăng nhu cầu làm lạnh và
giảm nhu cầu làm nóng. Sẽ có ít sự hư hại do vận chuyển trong mùa đông
hơn, nhưng vận chuyển đường thủy có thể bị ảnh hưởng bởi số trận lụt tăng
hay bởi sự giảm mực nước sông.
• Những khối băng ở Bắc cực và nam cực đang tan nhanh trong những năm gần
đây và do đó mực nước biển sẽ tăng quá cao, có thể dẫn đến nạn hồng thủy.

2. ĐÁNH GIÁ SỰ PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH TỪ HỆ THỐNG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP.
Nước thải công nghiệp đặc biệt là nước thải của các ngành có hàm lượng
hữu cơ cao được xử lý không đạt yêu cầu hoặc không được xử lý đổ thẳng trực
tiếp ra sông, hồ, kênh, mương gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường và phát thải
một lượng đáng kể khí nhà kính (KNK), trong đó chủ yếu là khí metan (CH
4
).
Bài viết ước tính lượng phát thải khí CH
4
trong nước thải công nghiệp và đề xuất
một số giải pháp nhằm hạn chế, giảm thiểu sự phát thải KNK này.
2.1. NGUỒN GỐC PHÁT SINH KHÍ CH
4
TRONG NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP
Nước thải công nghiệp là loại nước thải sau quá trình sản xuất. Đặc tính ô
nhiễm và nồng độ của nước thải công nghiệp rất khác nhau phụ thuộc vào loại hình công
nghiệp và công nghệ lựa chọn.
Nước thải cũng như bùn thải có thể tạo ra khí metan (CH
4
) nếu phân hủy trong
điều kiện kỵ khí. Mức độ phát sinh khí CH
4
từ nước thải phụ thuộc vào:
+ Hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy trong nước thải: Hàm lượng chất hữu
cơ dễ phân hủy trong nước thải là nhân tố chủ yếu quyết định đến tiềm n ng phát sinh
khí CH
4
trong nước thải. Các thông số được sử dụng để đo lường hàm lượng chất hữu
cơ trong nước thải công nghiệp là chỉ số nhu cầu oxy hóa học (COD) hoặc nhu cầu

oxy sinh học (BOD). Trong điều kiện tương tự nhau, nước thải có nồng độ COD hay
BOD cao hơn sẽ phát sinh một lượng lớn khí CH
4
. Nước thải của một số ngành công
nghiệp như đường, sữa, giấy, nhựa, bia, rượu, chế biến thực phẩm có chứa nhiều
chất hữu cơ dễ phân hủy và có khả năng phát sinh khí CH
4
nhiều nhất. IP CC (2006) đã
xác định nồng độ OD trong nước thải của một số ngành công nghiệp như sau: sản
xuất rượu (11 kg/m
3
); chế biến tinh bột sắn (10 kg/m
3
); nước giải khát (5 kg/m
3
); chế biến
thịt (4,1 kg/m
3
); sản xuất bia (2,9 kg/m
3
); chế biến thủy sản (2,5 kg/m
3
); sản xuất giấy và
bột giấy (tương ứng là 1,5 kg/m
3
và 2 kg/m
3
).
+ Phương thức xử lý nước thải: Tùy từng phương thức xử lý nước thải sẽ làm
phát sinh một lượng khí CH

4
khác nhau. Cụ thể:
Đối với nước thải được xử lý bằng phương pháp kỵ khí: lượng khí CH
4
có thể
phát sinh từ các hồ kỵ khí hoặc các bể phản ứng kỵ khí nếu lượng CH
4
này không
được thu hồi và đốt.
Đối với nước thải được xử lý bằng phương pháp hiếu khí: lượng khí CH
4
có thể
phát sinh từ hệ thống xử lý nước thải hiếu khí được quản lý không tốt và bị quá tải; từ
quá trình xử lý bùn được phát sinh từ hệ thống xử lý hiếu khí được xử lý trong điều kiện
kỵ khí.
Đối với nước thải không được xử lý đổ thẳng ra sông, hồ: lượng khí CH
4
có thể
phát sinh từ quá trình phân hủy kỵ khí ở các sông, hồ tù đọng và thiếu oxy.
+ Nhiệt độ: Với sự gia t ng nhiệt độ sẽ làm gia t ng lượng phát sinh khí 4
trong nước thải. Đặc biệt với hệ thống xử lý nước thải không được kiểm soát, với nhiệt
độ thấp hơn 15
0
C sẽ chỉ làm phát sinh một lượng nhỏ khí CH
4
bởi vì vi khuẩn
methanogen không hoạt động. Tuy nhiên, khi nhiệt độ gia t ng lên trên 15
0
C, sẽ làm
gia t ng lượng lớn khí CH

4
phát sinh.
2.2. LƯỢNG PHÁT THẢI KHÍ CH
4
TRONG NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP Ở
VIỆT NAM
Ở Việt Nam, theo báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia n m 2010, hai nhóm
ngành công nghiệp lớn là chế biến thực phẩm và đồ uống; sản xuất giấy và các sản phẩm
giấy có tỷ trọng đóng góp lớn về hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy (BOD). Trong đó,
ngành chế biến thực phẩm và đồ uống chiếm 59,66%; ngành sản xuất giấy và các sản
phẩm giấy chiếm 23,34% (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2011).
Hình 1: Tỷ trọng đóng góp của các ngành công nghiệp
đối với tổng lượng BOD năm 2006
Nguồn: Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2011
Với tỷ trọng đóng góp BOD của 2 nhóm ngành trên thì sự gia t ng sản lượng
của các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm và đồ uống; ngành sản xuất giấy và các sản
phẩm giấy hằng n m sẽ đóng góp một lượng lớn sự phát thải khí nhà kính (chủ yếu là khí
CH
4
) vào bầu khí quyển.
Do đó, trong phạm vi nghiên cứu sẽ tiến hành tính toán lượng khí CH
4
có thể
phát sinh trong nước thải của 2 nhóm ngành chủ yếu này với các lĩnh vực sản xuất sau:
sản xuất bia, rượu, nước giải khát; chế biến tinh bột sắn; chế biến thịt, chế biến thủy sản;
sản xuất giấy, bột giấy.
Theo số liệu của Tổng cục Thống kê (2010), sản lượng của ngành công nghiệp
giấy và bột giấy là 1.536,80 và 345,9 nghìn tấn sản phẩm; sản lượng của ngành bia, rượu,
nước giải khát, sữa lần lượt là: 2.420,20; 120; 2.000; 579,5 nghìn tấn sản phẩm; sản lượng
của ngành dầu thực vật tinh luyện và đường là 565,9 và 1.141 nghìn tấn sản phẩm; sản

lượng của ngành chế biến thịt, thủy sản, rau quả và tinh bột sắn lần lượt là: 700; 2.200; 313
và 1.200 nghìn tấn sản phẩm.
Với sản lượng của từng ngành công nghiệp trên, tổng lượng OD trong nước
thải của các ngành này được ước tính vào khoảng 865.966,61 tấn. Trong n m 2010
khi không có hoạt động của dự án xử lý nước thải kỵ khí kết hợp thu hồi khí 4
trong nước thải công nghiệp thì có 50% nước thải công nghiệp được xử lý trong các
nhà máy hiếu khí (nhưng được quản lý không tốt và bị quá tải); 15% sẽ được xử lý bằng
phương pháp kỵ khí (có hoặc không thu hồi khí metan); 35% không được xử lý và đổ
thẳng ra sông hồ (World Bank, 2009).
Dựa theo kết quả thống kê hiện tại trên, ước tính tổng lượng OD được xử lý
bằng phương pháp hiếu khí không được quản lý tốt và bị quá tải là 432.947 tấn/n m;
lượng OD được xử lý bằng phương pháp kỵ khí không thu hồi khí CH
4
là: 129.884,1
tấn/n m; lượng OD không được xử lý là 303.062,9 tấn OD/n m. Tổng lượng khí
CH
4
phát thải được ước tính là 1.250.134,5 tấn CO
2
(tương đương với 1,25 tỷ tấn
CO
2
). Lượng CH
4
được tính toán trong nghiên cứu này có giá trị gần bằng với lượng
khí CH
4
phát thải trong nước thải công nghiệp được dự báo trong n m 2010 của
World Bank (2009) là 1.137.212 tCO
2

.
2.3. ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP QUẢN LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP
GIẢM PHÁT THẢI KNK.
Có thể thấy tổng lượng khí CH
4
phát thải trong nước thải công nghiệp là rất lớn
với 1,25 tỷ tấn CO
2
/n m. Vì vậy, cần đưa ra các giải pháp nhằm giảm thiểu sự phát
thải KNK này ra ngoài môi trường khí quyển. Dựa trên các yếu tố ảnh hưởng đến
lượng khí CH
4
phát sinh trong nước thải, nghiên cứu kiến nghị một số giải pháp để
giảm lượng khí này như sau:
- Nâng cấp và cải tạo hệ thống xử lý bằng phương pháp hiếu khí đang hoạt động
bị quá tải và cải thiện phương thức quản lý.
Đối với nước thải đang áp dụng hệ thống xử lý hiếu khí những không được
quản lý tốt và bị quá tải dẫn đến việc phát sinh khí metan trong nước thải với hệ số
phát thải khí CH
4
của phương thức xử lý này là 0,3. Để giảm thiểu lượng khí CH
4
phát
thải từ quá trình này, cần tiến hành nâng cấp, cải tạo hệ thống xử lý hiếu khí hiện tại và
thực hiện quản lý tốt quá trình xử lý này đảm bảo không bị quá tải. Với phương thức xử lý
này thì hệ số phát thải của metan là 0. Như vậy, giải pháp này sẽ góp phần giảm
tránh được lượng khí CH
4
phát thải. Cụ thể, có thể tiến hành các giải pháp nhằm nâng
cấp, cải tạo và cải thiện phương thức quản lý như sau:

+ Thiết kế và vận hành tốt hệ thống sục khí trong quá trình xử lý hiếu khí sẽ hạn
chế tối đa việc hình thành các vùng yếm khí trong nước thải, tránh tạo thành khí 4
không mong muốn.
+ Tuần hoàn bùn hoạt tính và thải bùn dư được kiểm soát tốt sẽ giảm thiểu lượng
bùn thải phải xử lý và nâng cao hiệu quả xử lý. Việc giảm lượng bùn thải sẽ giảm lượng
chất hữu cơ trong bùn thải bị phân hủy yếm khí trong quy trình xử lý bùn, giảm
lượng khí
4
phát sinh.
- Nâng cấp hệ thống xử lý kỵ khí và lắp đặt thiết bị thu hồi khí CH4
Đối với lượng nước thải được xử lý bằng phương pháp xử lý kỵ khí hở và
không thu hồi metan thì hệ số phát thải metan trong nước thải của các nhà máy này là 0,2 (với
hồ kỵ khí nông dưới < 2m) và 0,8 (với hồ kỵ khí sâu trên >2m; bể phản ứng kỵ khí). Với
việc cải tiến các hồ kỵ khí hở thành các hồ kỵ khí hoàn toàn và tiến hành
lắp đặt hệ thống thu hồi khí CH
4
trong hệ thống xử lý nước thải hiện tại có thể thu hồi
được lượng metan được tạo ra từ quá trình phân hủy sinh học và góp phần t ng hiệu
suất (60 - 65%) so với hầm kỵ khí hở (40 -50%). Ngoài ra, với lượng khí CH
4
thu
được từ hệ thống xử lý nước thải có thể được sử dụng để cung cấp nhiệt n ng cho các
hoạt động của nhà máy thay thế các nhiên liệu đốt truyền thống như: than, dầu, củi
đốt… góp phần giảm thiểu đáng kể lượng CO
2
vào khí quyển.
Như vậy, với việc thực hiện các giải pháp giảm thiểu khí CH
4
trong nước thải
công nghiệp sẽ góp phần mang lại những lợi ích về biến đổi khí hậu. Ngoài ra, thông

qua việc ứng dụng các giải pháp này sẽ mang lại những lợi ích về kinh tế (tiết kiệm chi phí mua
nhiên liệu đốt) và lợi ích về môi trường (cải thiện chất lượng môi trường nước, không khí,
giảm mùi hôi…). Do đó, trong thời gian tới cần thúc đẩy việc triển khai các giải pháp này trong việc
xử lý nước thải của các ngành công nghiệp có hàm lượng hữu cơ cao nhằm thích ứng với
biển đổi khí hậu và hướng tới mục tiêu phát triển bền vững.