Nghiên cứu ứng dụng mô hình tính toán một số chất sinh ra từ hệ thống xử lý nước thải phục vụ kiểm kê khí nhà kính

..

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân. Các số liệu có
nguồn gốc rõ ràng tuân thủ đúng nguyên tắc và kết quả trình bày trong luận văn
thu thập được trong quá trình nghiên cứu là trung thực, chưa từng được ai công
bố trước đây.

Tác giả

Đỗ Huyền Trang


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PSG.TS Đặng Xuân
Hiển; thầy đã hỗ trợ, hướng dẫn em, tạo điều kiện thuận lợi nhất về vật chất và tinh
thần trong suốt quá trình làm nghiên cứu.Sự tận tình và tâm huyết của thầy đã giúp
đỡ em hồn thành tốt nghiên cứu của mình.
Em xin chân thành cám ơn các thầy cô giáo của Viện Khoa học & Công nghệ
Môi trường - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã dìu dắt em trong những năm học
qua, trang bị cho em những kiến thức bổ ích để em có thể thực hiện tốt luận văn.
Cuối cùng, xin gửi lời cám ơn đặc biệt đến gia đình, bạn bè đã giành nhiều
sự quan tâm, động viên và chia sẻ những khó khăn khi em thực hiện nghiên cứu
này. Chính sự ủng hộ và động viên của tất cả mọi người đã giúp em có được động
lực và hoàn thành luận văn một cách tốt nhất.
Em xin trân trọng cảm ơn!


MỤC LỤC
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................................... i
DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................ii

DANH MỤC HÌNH .......................................................................................................iv
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN .............................................................................................. 4
1.1. Tổng quan về khí nhà kính..................................................................................... 4
1.1.1. Khái niệm khí nhà kính .......................................................................................... 4
1.1.2. Nguồn gây phát thải GHG...................................................................................... 5
1.1.3. Tình hình phát thải GHG........................................................................................ 7
1.2. Tổng quan về sự phát thải GHG từ các hệ thống xử lý nước thải...................... 9
1.2.1. Sự hình thành khí N2O từ quá trình xử lý nước thải ............................................ 10
1.2.2. Sự hình thành khí CO2 từ q trình xử lý nước thải ............................................ 13
1.2.3. Sự hình thành khí CH4 từ q trình xử lý nước thải ............................................ 13
1.2.4. Các thông số ảnh hưởng đến quá trình phát tán GHG từ WWTP........................ 14
1.3. Giới thiệu sơ lược các mơ hình đánh giá sự phát thải GHG từ các trạm xử lý
nước thải........................................................................................................................ 15
Chương 2. TÍNH TỐN PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH ........................................ 23
2.1. Thiết lập phương trình cân bằng khối lượng của cơ chất và sinh khối trong hệ
thống xử lý..................................................................................................................... 23
2.1.1. Xử lý s cấp -

lắng s

................................................................................ 24

2.1.2. Xử lý hiếu h ....................................................................................................... 25
2.2.Thiết lập phương trình h a học và hệ số tỉ lượng ............................................... 30
2.2.1. Phư ng trình hóa học trong b sinh học hiếu khí ................................................ 30
2.2.2. Phư ng trình hóa học trong b sinh học kỵ khí ................................................... 32
2.3. Thiết lập phương trình tính tốn phát thải GHG .............................................. 33
2.3.1. Ph t thải O2 trong xử lý nước thải ..................................................................... 33

2.3.2. Ph t thải N2O trong xử lý nước thải ..................................................................... 37
2.3.2.1. Ph t thải trực tiếp từ nhà m y xử lý nước thải .................................................. 38
2.3.2.2. Ph t thải gi n tiếp đối với nước thải

ng ra HTXL ........................................ 38

2.3.3. Ph t thải H4 trong xử lý nước thải ..................................................................... 39
2.4. Sử dụng cơng thức tính tốn phát thải GHG........................................................... 41
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................. 42
3.1. Kết quả tính tốn đối với trạm xử lý nước thải Vĩnh Yên ................................ 42
3.1.1. Thông tin chung về trạm xử lý nước thải Vĩnh Yên ............................................ 42
3.1.2. Thông số đầu vào và đầu ra của trạm xử lý nước thải Vĩnh n ........................ 43
3.2. Tính tốn giá trị thơng số động học ..................................................................... 45
3.2.1. Tính tốn tuổi bùn ................................................................................................ 45
3.2.2. Tính hệ số đ ng học tại nhiệt đ thực tế .............................................................. 45
3.3. Tính tốn tốc độ khử BOD và SS ở bể lắng sơ cấp ............................................ 46
3.4. Tính tốn phát thải CO2 ....................................................................................... 47
3.4.1. Tính nồng đ c chất ............................................................................................ 47
3.4.2. Tính sinh khối do phân hủy hợp chất hữu c ....................................................... 49
3.4.3. Tính NOY.............................................................................................................. 49
3.4.4. Tính sinh khối do phân hủy hợp chất hữu c chứa nit ....................................... 51
3.4.5. Tính tốn phát thải CO2 trực tiếp ......................................................................... 51
3.4.6. Tính tốn phát thải CO2 gián tiếp......................................................................... 53
3.5. Tính toán phát thải N2O từ các nguồn trực tiếp và gián tiếp............................ 55
3.6. Tính tốn phát thải CH4.......................................................................................57
3.7. Dự báo phát thải GHG của trạm xử lý nước thải Vĩnh Yên đến năm 2020
............................................................................................ Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 64

PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 67



DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
ASM

: Mơ hình bùn hoạt tính (Activated Sludge Model)

GWP

: Tiềm năng ấm lên toàn cầu (Global Warming Potential)

IAWQ : Tổ chức chất lượng nước quốc tế (International Asociation of Water
Quality)
IPCC

: Ủy ban liên chính phủ về Biến đổi khí hậu (Intergovernmental Panel on
Climate Change)

GHG

: Khí nhà kính (Greenhouse gases)

EPA

:

quan ảo vệ mơi trường Hoa Kỳ (United States Environmental Protection
Agency)

XLNT : Xử lý nước thải
WWTP: Nhà máy xử lý nước thải (Wastewater treatment plant)

i


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Hệ số GWP của m t số khí nhà

nh đi n hình [13] ....................................... 4

Bảng 1.2: Phát thải GHG năm 2010 trong lĩnh vực chất thải .......................................... 8
Bảng 2.1: Hệ số phát thải đối với mỗi phư ng ph p tạo điện khác nhau (gCO2/kwh) ......... 34
Bảng 2.2: Bảng hệ số phát thải khí CO2 và CH4 ............................................................ 34
Bảng 2.3: Bảng tra khu vực sản xuất và theo khu vực ân cư ....................................... 39
Bảng 2.4: Bảng tra hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt.................................................. 40
Bảng 2.5: Bảng tra lượng CH4 sinh ra tối đa trong hệ thống xử lý nước thải.................... 40
Bảng 2.6: Bảng tải lượng ô nhiễm của c c nước trên thế giới ....................................... 41
Bảng 2.7: Cơng thức sử dụng đ tính tốn phát thải GHG ............................................ 41
Bảng 3.1: Thông tin chung về trạm xử lý nước thải Vĩnh Yên ..................................... 42
Bảng 3.2: Thông số đầu vào và đầu ra ........................................................................... 44
Bảng 3.3: Bảng tính tốn tuổi bùn ................................................................................. 45
Bảng 3.4: Bảng hệ số đ ng học vi khuẩn tự ưỡng và dị ưỡng đối với vi khuẩn tiêu
thụ c chất trong nước thải sinh hoạt trong q trình bùn hoạt tính .............................. 45
Bảng 3.5: Bảng hệ số hoạt đ ng nhiệt đ ...................................................................... 46
Bảng 3.6: Hệ số đ ng học tại nhiệt đ thực tế ............................................................... 46
Bảng 3.7: Bảng hiệu suất khử BOD, TSS và tỷ lệ VSS/TSS ......................................... 46
Bảng 3.8: Bảng tính tốn tốc đ khử BOD và SS b lắng s cấp .................................. 46
Bảng 3.9: Bảng kết quả tính tốn ................................................................................... 48

Bảng 3.10: Bảng tính tốn nồng đ c chất dịng ra ...................................................... 48
Bảng 3.11: Bảng tính tốn nồng đ c chất dòng vào ................................................... 48
Bảng 3.12: Bảng kết quả tính tốn do phân hủy BOD................................................... 49
Bảng 3.13: Bảng kết quả tính tốn NOY ........................................................................ 50
Bảng 3.14: Bảng kết quả thử NOY ................................................................................. 50
Bảng 3.15: Bảng kết quả tính sinh khối do phân hủy hợp chất hữu c chứa nit ......... 51
ii


Bảng 3.16: Kết quả tính sinh khối tạo ra........................................................................ 51
Bảng 3.17: Kết quả tính tốn phát thải CO2 do phân hủy hợp chất hữu c ..................... 52
Bảng 3.18: Kết quả tính tốn phát thải CO2 từ phân hủy n i bào.................................. 52
Bảng 3.19: Kết quả phát thải CO2 trực tiếp ................................................................... 53
Bảng 3.20: Kết quả tính tốn phát thải CO2 từ BOD dịng ra ........................................ 54
Bảng 3.21: Kết quả tính tốn phát thải CO2 từ bùn chơn lấp ......................................... 54
Bảng 3.22: Kết quả tính tốn phát thải CO2 từ phân hủy bùn........................................ 54
Bảng 3.23: Phát thải gián tiếp CO2 từ BOD dịng ra, bùn chơn lấp và phân hủy bùn ... 55
Bảng 3.24: Kết quả tính phát thải N2O trực tiếp ............................................................ 56
Bảng 3.25: Kết quả tính phát thải N2O gián tiếp ........................................................... 56
Bảng 3.26: Kết quả tính phát thải CH4........................................................................... 58
Bảng 3.27: Kết quả tính tốn phát thải GHG ................................................................. 59
Bảng 3.28: So sánh kết quả tính tốn với thông số đầu vàoError!

Bookmark

not

defined.
Bảng 3.29: Dân số và c cấu dân số thành phố Vĩnh Yên 2006 -2009 ......................... 61
Bảng 3.30: Dân số thành phố Vĩnh Yên đến năm 2020 ứng với r = 2% ....................... 61

Bảng 3.31: Dự báo phát thải CO2 của trạm xử lý nước thải .......................................... 61

iii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: S đồ phát sinh GHG từ quá trình xử lý nước thải sinh hoạt [6]....................... 10
Hình 1.2: hu ỳ nit vi sinh vật [13] ........................................................................... 11
Hình 1.3:

chế hình thành khí CH4 trong q trình xử lý kỵ khí ............................... 14

Hình 2. 1: S đồ bi u diễn cân bằng vật chất trong hệ thống XLNT ............................ 24
Hình 2.2: Qu trình tạo

n trong xử lý sinh học nước thải

iv

ng ra ............................ 35


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm qua, vấn đề iến đổi h hậu ( ĐKH) và ấm lên toàn cầu
đang là m t vấn đề gây tranh cãi ịch liệt trong c ng đồng hoa học. Nhưng ý iến
thống nhất chung của c c nhà hoa học hiện nay là sự ấm lên tồn cầu là có thật và có
nguyên nhân o hoạt đ ng của con người. Sự ấm lên tồn cầu có m t t c đ ng có th
đo được trên hành tinh ngay lúc này. M t trong những t c đ ng tức thời và rõ ràng
nhất của sự ấm lên toàn cầu là sự gia tăng nhiệt đ trên hắp thế giới, nhiệt đ trung

bình của Tr i Đất đã tăng thêm 0,74oC trong vòng 100 năm qua, đặc biệt sự gia tăng
này th hiện rõ nhất ở giai đoạn 50 năm trở lại đây. So với năm giai đoạn tiền cơng
nghiệp, nồng đ các khí CO2, CH4, N2O đã tăng lên tư ng ứng là 35,4%; 125% và
18% [11].
Các nghiên cứu mới nhất của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi
trường dựa trên các kịch bản

ĐKH trên phạm vi tồn cầu và trên khu vực Đơng

Nam Á cho thấy: Nhiệt đ Việt Nam sẽ tăng hoảng 1 - 2o vào năm 2020 và 1,5 2,5o vào năm 2070, thời kỳ có nhiệt đ tăng nhanh nhất trong năm là c c th ng 3, 4
và 5[12].
Đứng trước bối cảnh như vậy, vào ngày 09/05/1992
ĐKH của Liên hiệp quốc (UNF

ông ước khung về

) được ký kết nhằm mục tiêu ổn định nồng đ

khí nhà kính trong khí quy n ở mức có th ngăn ngừa được sự can thiệp nguy hi m
của con người đối với hệ thống khí hậu. Tháng 12/1997 Nghị định thư Kyoto ý ết
đưa ra cam ết giảm lượng phát thải khí nhà kính thấp h n mức phát thải so với
năm 1990.
Bên cạnh các nguồn phát sinh khí nhà kính tự nhiên như núi lửa, cháy rừng,
phân hủy chất hữu c … hay c c nguồn nhân tạo như hoạt đ ng công nghiệp, nơng
nghiệp, đốt nhiên liệu....thì hoạt đ ng xử lý nước thải cũng được coi là m t nguồn
đóng góp h nhà

nh o sự phát sinh các loại khí CO2, N2O, CH4 từ việc sử dụng

năng lượng (điện, nhiệt…), tiêu thụ hóa chất và từ các phản ứng hóa sinh học trong

1


quá trình xử lý, dẫn đến sự biến đ ng của các tầng khí quy n và gây ra ảnh hưởng
nghiêm trọng đến thiên nhiên, khí hậu.
Trên thế giới, đặc biệt là Mỹ và châu Âu, đã có rất nhiều nghiên cứu và ứng
dụng công nghệ vào việc t nh to n lượng khí thải nhà kính từ các hoạt đ ng xử lý
nước thải. Tại Việt Nam, vấn đề khí nhà kính từ các hoạt đ ng này vẫn chưa được
quan tâm và nghiên cứu r ng rãi. Nguyên nhân m t mặt là do thiếu trang thiết bị,về
vấn đề này.
Sử dụng mơ hình đ mơ phỏng và ước t nh lượng khí CO2, CH4, N2O từ hoạt
đ ng xử lý nước thải là m t phư ng ph p h mới và rất có tiềm năng. Phư ng
pháp này không chỉ giúp định lượng và đưa ra ự báo m t c ch tư ng đối về sự
phát thải khí nhà kính mà cịn giúp giảm nhân lực, giảm chi ph đầu tư và thực hiện
các quá trình đo đạc, tính tốn. Chính vì vậy, đề tài"Nghiên cứu ứng dụng mơ

hình tính tốn một số chất sinh ra từ hệ thống xử lý nước thải phục vụ
kiểm kê khí nhà kính” sẽ là hướng đi ph hợp đ áp dụng cho vấn đề x c định và
ki m kê khí nhà kính từ hoạt đ ng xử lý nước thải.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng phư ng ph p t nh to n thải lượng h nhà

nh từ các hệ thống

xử lý nước thải sinh hoạt.
- T nh to n lượng phát thải h nhà

nh quy đổi CO2 tư ng đư ng từ trạm

xử lý nước thải sinh hoạt và dự báo phát thải h nhà

nh trong tư ng lai.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu được thực hiện theo quy mô lý thuyết, tập trung vào sự phát sinh
các khí CO2, CH4, N2O o đây là c c h nhà

nh chủ yếu được tạo thành từ các

trạm xử lý nước thải sinh hoạt và có t c đ ng lớn tới mơi trường khơng khí.
Nghiên cứu chỉ giới hạn phạm vi tính tốn sự phát thải khí nhà kính từ q
trình xử lý nước thải sinh hoạt, cụ th là sự phát thải trực tiếp và gián tiếp của khí
nhà kính từ hệ thống xử lý này.
4. Phương pháp nghiên cứu
-

Phư ng ph p điều tra thu thập c sở số liệu: Thu thập số liệu về đối

tượng nghiên cứu;
2


-

Phư ng ph p thống kê, tổng hợp và phân tích số liệu: Tổng hợp và phân

tích các số liệu về đối tượng cần nghiên cứu;
-

Phư ng ph p ế thừa: Kế thừa các kết quả của các cơng trình nghiên

cứu, kinh nghiệm của c c chuyên gia trong và ngồi nước, kế thừa các cơng
thức t nh to n đã được chứng minh.

3


Chương 1. TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về khí nhà kính
1.1.1. Khái niệm khí nhà kính
Khí nhà kính (GHG - Greenhouse gases) là những khí có khả năng hấp thụ
các bức xạ sóng dài ( ước sóng lớn h n 760 nm ) được phản xạ từ bề mặt Tr i đất
hi được chiếu sáng bằng ánh sáng Mặt Trời, sau đó phân t n nhiệt lại cho Tr i đất,
gây nên hiện tượng hiệu ứng nhà kính (Greenhouse effect). Các GHG chính bao
gồm: CO2, CH4, N2O, h i nước và CFCs. Mỗi khí nhà kính (CO2, CH4, N2O...) có
khả năng gây ấm lên toàn cầu h c nhau và được đo ằng chỉ số tiềm năng làm ấm
lên toàn cầu (GWP - Global warming potential). GWP được x c định bằng tỷ lệ
lượng nhiệt bị hấp thụ bởi m t đ n vị khối lượng của chất h đối với m t đ n vị
khối lượng của khí Cacbonic CO2 trong khoảng thời gian nhất định, thông thường là
100 năm [13]. GWP của GHG được đưa ra trong ảng 1.1.
Bảng 1.1: Hệ số GWP của một số khí nhà kính điển hình [13]
Khí nhà kính

GWP
(trong 100 năm)

CO2

1

CH4

23

N2O

296

CFCs

140 -11700

Điều này có nghĩa rằng trong khoảng thời gian 100 năm, m t tấn khí
methane (CH4) sẽ có m t hiệu ứng ấm lên tư ng đư ng với 23 tấn CO2. Như vậy,
m t lượng nhỏ h đã ph t thải có hệ số GWP cao sẽ có t c đ ng tới khí quy n lớn
h n so với khí có hệ số GWP thấp h n.
Do tốc đ gia tăng của khí nhà kính trong thế kỷ XX, UNF

4

đã đưa ra m t


sự đồng thuận quốc tế về ki m soát sự phát thải khí nhà kính vào khí quy n. Theo
cơng ước này, tất cả c c nước nên ki m soát việc tạo ra GHG (Bogner et al, 2008).
Hiệu ứng nhà kính tự nhiên có vai trị rất quan trọng trong việc ổn định cân
bằng nhiệt cho Tr i đất. Tuy nhiên, trong v ng h n 100 năm trở lại đây, nồng đ
c c GHG đã hông ngừng gia tăng, t c đ ng mạnh đến sự cân bằng của hiệu ứng

nhà kính. Năm 2005, nồng đ CO2 đo được là 379 ppm, nồng đ CH4 là 1774 ppb
và nồng đ N2O là 319 ppb, với tốc đ gia tăng ình quân hàng năm lần lượt là
1,5%; 1,3% và 0,3% [12,19].
1.1.2. Nguồn gây phát thải GHG
Khí nhà kính bao gồm carbon dioxide (CO2), methane (CH4), nitrous oxide
(N2O), h i nước, ozone (O3), và khí CFCs (chlorofluorocarbons). Các khí nhà kính
như CO2, CH4, h i nước, N2O và O3 có th có nguồn gốc từ tự nhiên và từ sản xuất
cơng nghiệp, cịn CFCs chỉ do q trình sản xuất công nghiệp tạo ra.
Theo IPCC, nguồn phát thải GHG được chia thành 5 lĩnh vực ch nh: Năng
lượng; quá trình sản xuất công nghiệp và sử dụng sản phẩm (IPPU- Industrial
Processes and Product Use); nông nghiệp/rừng và các mục đ ch sử dụng đất khác
(AFOLU - Agriculture, Forestry and Other Land Use); nhóm thải bỏ (wastes) và
nguồn khác.
Năng lượng: Đây là nguồn phát thải GHG lớn nhất trong 5 lĩnh vực. Chủ yếu
là sử dụng năng lượng hóa thạch trong sản xuất, q trình cháy chủ yếu sinh ra khí
CO2, nước và nhiệt năng. Nhiệt sinh ra có th được sử dụng trực tiếp hoặc gián tiếp
đ sinh ra năng lượng c học (đ sản xuất điện hoặc giao thông). Lĩnh vực năng
lượng là nguồn quan trọng trong phát thải GHG, phát thải h n 90% h

O2 và h n

70% GHG ở c c nước phát tri n. Các nguồn đốt cố định (stationary combustion)
phát thải khoảng 70% GHG trong lĩnh vực năng lượng, trong đó hoảng 1/2 là trong
cơng nghiệp năng lượng và ngành lọc hóa dầu. Các nguồn i đ ng – stationary
com ustion (đường b và giao thông khác) phát thải 1/4 lượng GHG trong lĩnh vực
năng lượng.
Quy trình sản xuất cơng nghiệp và sử dụng sản phẩm: Là nguồn phát thải
GHG sau hoạt đ ng sử dụng năng lượng. GHG được phát thải từ nhiều nguồn và
5

nhiều hoạt đ ng h c nhau nhưng chủ yếu là từ hoạt đ ng sản xuất công nghiệp.
Nguồn phát thải chính là các q trình cơng nghiệp mà ở đó có sự chuy n hóa nhiên
liệu trong hoạt đ ng sản xuất (ví dụ như l nung của ngành sản xuất sắt thép, công
nghiệp xi măng…). Trong c c qu trình sản xuất cơng nghiệp nhiều hợp chất gây
hiệu ứng nhà kính khác nhau có th phát thải vào môi trường như O2, CH4, N2O,
hydrofluorocarbons (HFCs) và perfluorocarbons (PFCs). Ngồi ra các GHG cịn
sinh ra trong việc sử dụng tủ lạnh, máy lạnh và các chất tạo bọt (foams). Ví dụ như
các hợp chất HF s được sử dụng đ thay thế cho các hợp chất làm suy giảm tầng
ozôn (ODS - ozone depleting substances) trong nhiều loại sản phẩm ứng dụng.
Tư ng tự hợp chất SF6 và N2O cũng được sử dụng trong công nghiệp như SF6 được
sử dụng trong các thiết bị điện, N2O được sử dụng trong q trình gây mê.
Lĩnh vực nơng nghiệp, lâm nghiệp và sử dụng đất khác - AFOL: Các GHG
chủ yếu sinh ra trong lĩnh vực này là CO2, N2O và CH4. Khí CO2 trong khơng khí và
hệ sinh th i được ki m soát bởi sự tiêu thụ CO2 - q trình quang hợp và giải phóng
CO2 - hơ hấp của thực vật, phân hủy và cháy của các hợp chất hữu c . N2O được phát
sinh bởi quá trình nitrat và khử nitrat, trong hi đó methane được tạo thành từ q
trình methane hóa do lên men kỵ h trong môi trường đất và lưu trữ phân đ ng vật
và q trình đốt cháy khơng hồn tồn các hợp chất hữu c . Nguồn phát sinh GHG
nếu theo mục đ ch sử dụng đất thì được IP

chia thành 6 nhóm ch nh: đất lâm

nghiệp (forest lan ), đất vườn (crop lan ), đồng cỏ (grasslan ), đất ngập nước
(wetlan s), đất ở (settelments) và c c đất khác. Nguồn phát sinh khí metan và N2O từ
chất thải đ ng vật bao gồm nhiều loài đ ng vật như

sữa, cừu, dê, trâu bị, lợn,…

Chất thải (wastes): Nhóm này gồm có c c phân nhóm như thải bỏ chất thải

rắn, xử lý sinh học chất thải rắn, đốt chất thải (gồm đốt trong l và đốt hở) và xử lý
và thải bỏ nước thải. Nhóm này chủ yếu phát sinh các chất h nhà

nh như O2,

CH4 và N2O. Khí mêtan phát thải từ các bãi rác là nguồn khí phát thải nhà kính lớn
nhất của nhóm chất thải. Ngồi ra khí mêtan phát thải từ phân nhóm xử lý và thải bỏ
nước thải cũng là nguồn quan trọng trong việc phát thải metan của nhóm chất thải.
Trong hi đó đốt chất thải chứa cacbon hữu c là nguồn quan trọng nhất phát thải
6


khí CO2 trong nhóm này, cần chú ý rằng các GHG phát sinh từ hoạt đ ng xử lý chất
thải đ sản xuất năng lượng có th được xếp vào nhóm năng lượng [12].
1.1.3. Tình hình phát thải GHG
1.1.3.1. Tình hình phát thải GHG trên thế giới
Bên cạnh các nguồn tự nhiên như ch y rừng, núi lửa… sự đóng góp đ ng
vào việc phát thải GHG chủ yếu xuất phát từ các nguồn nhân tạo như: Đốt nhiên
liệu hóa thạch, sản xuất phân ón, chăn ni, cơng nghiệp nhiệt lạnh…
Đóng góp vào việc tăng nồng đ CO2 trong khí quy n k từ những năm
1700, có tới 35% là do phát thải từ đốt nhiên liệu hóa thạch. Trong hi đó nồng đ
khí CH4 trong khí quy n có dấu hiệu đạt mức đỉnh, hông tăng trong năm 2006
trong khi k từ năm 1999, mỗi năm tăng gần 3 ppb.
Các hoạt đ ng của con người như hai th c nhiên liệu hóa thạch, đốt sinh
khối, chơn lấp rác thải và chăn ni gia súc… đã đóng góp tới 60% lượng khí CH4
thải vào khí quy n. Khí N2O trong khí quy n tăng đều ở mức khoảng 0.8 ppb mỗi
năm

từ năm 1988. Khoảng 1/3 lượng N2O được sinh ra do các hoạt đ ng của con

người như chế biến và sử dụng phân ón, đốt nhiên liệu…[12].
Hoạt đ ng xử lý nước thải cũng là m t trong các nguồn phát thải GHG nhân
tạo. Theo nghiên cứu đã công ố của IPCC (2005), các hệ thống xử lý nước thải
trên phạm vi toàn thế giới là nguồn phát thải nhân tạo của CH4 lớn thứ 5, đóng góp
xấp xỉ 9% tổng lượng phát thải CH4 trong năm 2000. Tổng lượng phát thải của Ấn
Đ , Trung Quốc, Mỹ và Indonesia kết hợp lại bằng 49% tổng lượng phát thải CH4
từ xử lý nước thải của toàn thế giới. Ước t nh, lượng phát thải CH4 từ xử lý nước
thải đạt tốc đ tăng xấp xỉ 20% vào 2020 so với năm 2005 [27].
Khu vực chiếm tỷ lệ phát thải CH4 cao nhất từ các hệ thống xử lý nước thải là
khu vực châu Á (đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Đ ) [27] vì đây là hai quốc gia có dân
số hàng đầu thế giới nên lượng nước thải cần xử lý là rất lớn.

c nước khác với mức

đ phát thải cao theo thứ tự bao gồm: Thổ Nhĩ Kỳ, Bunlgaria, Iran, Brazil, Nigeria và
Ai Cập.

7


ũng như vậy, các hệ thống xử lý nước thải trên quy mô thế giới cũng là
nguồn lớn thứ 6 đóng góp vào sự phát thải N2O, xấp xỉ 3% lượng phát thải N2O từ
tất cả các nguồn thải vào khí quy n năm 2000. Trong đó In onesia, Mỹ, Ấn Đ và
Trung Quốc đạt xấp xỉ 50% tổng lượng phát thải N2O. Dự kiến năm 2020 lượng
phát thải N2O do xử lý nước thải sẽ tăng 13% so với năm 2005 [27].
1.1.3.2. Tình hình phát thải GHG của Việt Nam
Trong năm 2010, tổng lượng phát thải GHG tại Viêt Nam là 246,8 triệu tấn
CO2.eq trong trường hợp hơng có lĩnh vực sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất và
lâm nghiệp (LULUCF). Nếu khơng tính LULUCF, tổng lượng phát thải GHG là
266 triệu tấn CO2.eq, trong đó ph t thải trong lĩnh vực năng lượng chiếm tỉ trọng

lớn nhất: 53,05%, tiếp theo là nông nghiệp: 33,20%. Phát thải từ các q trình cơng
nghiệp và chất thải lần lượt là 7,79% và 5,78%. [1].
Phát thải GHG trong lĩnh vực chất thải được ước tính từ năm nguồn chính:
bãi chơn lấp rác thải, xử lý nước thải công nghiệp, xử lý nước thải sinh hoạt, chất
thải của người và đốt chất thải.
Bảng 1.2: Phát thải GHG năm 2010 trong lĩnh vực chất thải
Đ n vị: nghìn tấn
Hạng mục

Phát thải
CO2

Ph t thải

H4 từ c c ãi chôn lấp r c

CH4

N2O

CO2.eq

238,324

5.005

Ph t thải CH4 từ nước thải công nghiệp

77,005

1.617

Ph t thải H4 từ nước thải sinh hoạt

325,085

6.827

thải

Ph t thải N2O từ chất thải con người
Ph t thải O2 từ đốt chất thải
Tổng

5,928
65,429
65,429

65
640,413

[Nguồn: Báo cáo kiểm kê GHG năm 2010,
Dự án "Tăng cường kiểm kê GHG tại Việt Nam", 2014]

8

1.838

5,928

15.352


Tổng lượng phát thải GHG từ lĩnh vực chất thải năm 2010 tại Việt Nam là
15.352 nghìn tấn CO2.eq, trong đó ph t thải chủ yếu từ nước thải sinh hoạt là
6.827.000 tấn CO2.eq, chiếm 44,5% và phát thải từ các bãi chôn lấp rác là 5 triệu
tấn CO2.eq, chiếm 32,6%.
Trong giai đoạn từ 1994 đến 2010, tổng phát thải GHG ở Việt Nam (bao gồm
LULU F) tăng nhanh từ 103,8 triệu tấn CO2.eq lên 246,8 triệu tấn CO2.eq, trong đó
lĩnh vực năng lượng tăng nhanh nhất từ 25,6 triệu tấn CO2.eq lên 141,2 triệu tấn
CO2.eq và cũng là lĩnh vực phát thải nhiều nhất năm 2010.
Tiếp theo là lĩnh vực chất thải cũng tăng nhanh từ 2,6 triệu tấn CO2.eq lên
15,4 triệu tấn CO2.eq.
Ước tính tổng lượng phát thải GHG trong bốn lĩnh vực năng lượng, nông
nghiệp, LULUCF và chất thải năm 2010 là 225,6 triệu tấn CO2.eq tăng lên 466 triệu
tấn vào năm 2020 và 760,5 triệu tấn vào năm 2030 [1].
Lĩnh vực năng lượng vẫn là nguồn phát thải GHG lớn nhất với 381,1 triệu
tấn CO2.eq vào năm 2020 và 648,5 triệu tấn vào năm 2030 [1].
Tuy vậy, trước tình trạng ấm lên tồn cầu do hiện tượng hiệu ứng nhà kính
khiến người ta quan tâm đến các nguồn phát thải GHG, đ đưa ra được những biện
pháp cắt giảm phát thải GHG. Trong đó, những năm gần đây ph t thải GHG từ các
hệ thống xử lý nước thải bắt đầu được quan tâm và nghiên cứu nhằm đưa ra c c con
số thống kê cụ th lượng phát thải và ngăn chặn lượng phát thải đó.
1.2. Tổng quan về sự phát thải GHG từ các hệ thống xử lý nước thải
Thành phần GHG được sinh ra trong các hệ thống xử lý nước thải phụ thu c
vào tính chất của nước thải cần xử lý và công nghệ được áp dụng. Với xu hướng hiện
nay là các trạm xử lý nước thải thường sử dụng phư ng ph p sinh học kết hợp hóa lý,
có ba loại khí chủ yếu được phát thải từ các hệ thống này đó là: O2, CH4, N2O [8].
Các nguồn sản sinh ra từng loại h được mô tả tổng qt thơng qua Hình 1.1.
Như vậy có th chia các nguồn phát thải GHG trong quy trình xử lý nước

thải thành hai nguồn là: Nguồn ngoại vi (bên ngoài trạm xử lý) và nguồn n i vi (bên
trong trạm xử lý).
9


Hình 1.1: Sơ đồ phát sinh GHG từ quá trình xử lý nước thải sinh hoạt [8]
- Các nguồn ngoại vi:
+ Từ các hoạt đ ng sản xuất năng lượng, chế tạo nhiên liệu và hóa chất đ
cung cấp cho các hoạt đ ng xử lý nước thải.
+ Tại các nguồn tiếp nhận nước thải sau xử lý như ênh, hồ hay những bãi
chơn lấp bùn; các q trình phân hủy chất hữu c

ưới tác dụng của vi sinh vật vẫn

tiếp tục diễn ra nên có sự tạo thành GHG.
+ Việc vận chuy n các nguyên vật liệu cũng đóng góp m t lượng GHG do sử
dụng nhiên liệu đốt trong c c phư ng tiện và rò rỉ từ các hóa chất được chuyên trở

10


hay việc thu hồi, tái sử dụng khí biogas làm chất đốt cũng đóng góp m t phần khí
CO2 vào tổng lượng GHG.
- Các nguồn n i vi: Nguyên nhân phát thải GHG từ các nguồn n i vi thường
được gây ra do các phản ứng hóa sinh học diễn ra trong quá trình xử lý nước thải,
phân hủy bùn bên trong các b xử lý. Sự tạo thành khí CO2 có liên quan tới các hoạt
đ ng oxi hóa các chất hữu c , hô hấp n i bào của vi khuẩn; trong hi đó h N2O
xuất phát từ quá trình xử lý các hợp chất Nit và h

H4 có nguồn gốc từ hệ thống

xử lý yếm khí sinh học.
1.2.1. Sự hình thành khí N2O từ q trình xử lý nước thải
Như đã được nhấn mạnh từ trước, GWP của khí N2O cao gấp 296 lần so với
khí CO2. Đây là m t lý do tại sao các quá trình tạo N2O trong trạm xử lý nước thải
(WWTP - wastewater treatment plants) lại được nghiên cứu tỉ mỉ và cần thiết trong
những năm qua.
Các hợp chất của nit tồn tại trong tự nhiên ưới nhiều dạng bao gồm: N2,
NH4+, NH2OH, NO2-, NO3-, NO, N2O, N2H4 và chúng có mối quan hệ biến đổi qua
lại lẫn nhau theo Hình 1.2.

Hình 1.2: Chu kỳ nitơ vi sinh vật [15]
Quá trình (1) là quá trình cố định nit tạo thành amoni; quá trình (2, (3) là
q trình nitrat hóa amoni bởi vi khuẩn đ tạo sản phẩm là nitrat NO3-; quá trình (4)
là q trình denitrat hóa, nitrat bị khử lần lượt thành NO2-, NO, N2O trước hi được
11


chuy n hóa thành khí N2 là sản phẩm cuối cùng; q trình (5) là q trình oxy hóa
amoni trong điều kiện kỵ khí và q trình (6) là các q trình khử nitrat và nitrit
thành NH4+ khác [15].
Trong cơng nghệ xử lý nước thải có chứa các hợp chất nit , hệ thống được
thiết kế với mục đ ch là chuy n hóa tồn b nit trong

ng thải thành sản phẩm

cuối cùng là khí N2. Hai qu trình ch nh được sử dụng đ thực hiện được mục tiêu
này đó là nitrat hóa và enitrat hóa. N2O có th được tạo ra ngay trong cả 2 quá
trình, nhưng thường được tạo ra nhiều trong q trình denitrat hóa.
Q trình nitrat hóa là q trình hiếu khí chuy n hóa NH3 và các thành phần

nit

khác sang dạng NO3- ưới tác dụng của hai loại vi sinh vật tự ưỡng là

nitromonas oxy hóa amoni thành nitrit và nitrobacter chuy n nitrit thành nitrat. Vi
huẩn tự
tri n.

ưỡng là vi

huẩn sử

ụng m t chất nền

h c với cac on đ ph t

c vi huẩn nitrit oxy hóa sử ụng axit nit như m t chất nền và amoniac.

ó những vi huẩn oxy hóa amoni có th sản sinh N2O mặc

nó hơng phải là

m t trung gian trong qu trình nitrat hóa.
Theo Colliver [7], ngoài việc dùng cacbon làm nguồn năng lượng cho sự sinh
trưởng thì nitromonas cịn sử dụng amoni tự o như là c chất. Quá trình này sẽ tạo ra
m t lượng nhỏ khí N2O và được gọi là q trình denitrat hiếu khí. Tuy nhiên c chế
của q trình này vẫn chưa được x c định chính xác và vẫn đang được nghiên cứu.
Q trình denitrat hóa là q trình diễn ra trong điều kiện thiếu khí (khơng có
O2 tự do), các vi sinh vật denitrat sẽ sử dụng nit trong nitrat làm chất nhận điện tử
thay cho oxy và có sự chuy n hóa sinh học từ nitrat thành khí N2 với 4 bậc liên tiếp:

NO3- → NO2- → NO → N2O → N2
Như vậy có th thấy, N2O là m t sản phẩm trung gian trong quá trình
denitrat. Các nghiên cứu cho rằng trong điều kiện hoàn toàn khơng có oxy hịa tan
trong dịng thải thì sản phẩm của q trình chủ yếu là khí nit N2, trong khi với
nước thải có hàm lượng oxy hịa tan thấp thì sẽ dẫn tới sự hình thành khí N2O [17].
Bên cạnh hai q trình trên, khí N2O cịn có th được hình thành thơng qua
phản ứng giữa nitrit NO2-và hydroxylamin NH2OH [6]. Hydroxylamin là sản phẩm
12


trung gian của q trình oxy hóa amoni bởi các vi khuẩn oxi hóa, song c chế của
phản ứng này vẫn còn phải đang tiếp tục nghiên cứu và o đó chưa th đ nh gi
được sự đóng góp của quá trình này vào sự phát sinh N2O.
1.2.2. Sự hình thành khí CO2 từ q trình xử lý nước thải
Trong WWTP, khí CO2 được sản sinh từ các phản ứng oxi hóa các hợp chất
hữu c , phản ứng phân hủy n i bào của vi khuẩn và hoạt đ ng đốt nhiên liệu phục vụ
cho việc vận hành hệ thống [21]. Các phản ứng tạo khí CO2 có th xảy ra bao gồm:
-

Phản ứng oxi hóa chất ơ nhiễm hữu c :
CxHyOzN + ( x + y/4 + z/3 + 3/4)O2 → x O2 + H2O + NH3 + W

-

Phản ứng tổng hợp sinh khối:
CxHyOzN + NH3 + O2 →

-

5H7NO2

+ CO2 +W

Phản ứng phân hủy n i bào:
C5H7NO2 + 5O2 → NH3 + 5CO2 + 2H2O+W

-

Phản ứng đốt h

iogas đ cấp nhiệt:

CH4 + 2O2 → O2 + 2H2O
M t điều quan trọng trong việc vận hành hệ thống xử lý nước thải đó là i m
sốt pH của dịng thải. Chính vì vậy các hóa chất kiềm, chủ yếu ở dạng bicacbonat
(HCO3-), được sử dụng nhiều trong suốt quy trình xử lý, đặc biệt đối với q trình
yếm khí và nitrat hóa. Việc chế tạo và vận chuy n các hóa chất này cũng làm ph t
sinh GHG do sự chuy n hóa cac on vơ c thành h

O2 [18]:

HCO3- + H+ CO2 + H2O
Ngoài ra m t lượng tư ng đối lớn khí CO2 liên quan tới quá trình xử lý nước
thải cịn được tạo ra tại các bãi chôn lấp bùn thải sau xử lý hay từ các nguồn gián
tiếp như phư ng tiện chuyên trở nguyên vật liệu, nhà máy nhiệt điện cung cấp năng
lượng cho trạm…
1.2.3. Sự hình thành khí CH4 từ q trình xử lý nước thải
Tỷ lệ sản sinh h methane trong hệ thống xử lý nước thải có th có mối
tư ng quan với sự ph t thải h

O2, CO2 ph t thải từ việc sử ụng năng lượng

trong hệ thống xử lý nước thải.
13


Chất hữu c trong nước thải cũng như c c thành phần trong bùn của nó có
th tạo ra CH4 nếu được phân hủy trong điều kiện kỵ khí [14].

chế hình thành

khí CH4 trong cơng nghệ xử lý kỵ khí gồm 3 giai đoạn: Thủy phân, axit hóa và
metan hóa và được minh họa trong Hình 1.3.

Hình 1.3: Cơ chế hình thành khí CH4 trong q trình xử lý kỵ khí
Lượng khí CH4 được tạo ra cịn phụ thu c c

ản vào lượng chất hữu c có

khả năng phân hủy có trong nước thải, nhiệt đ và ki u hệ thống xử lý. Với việc gia
tăng nhiệt đ , tốc đ tạo CH4 cũng tăng lên. Đây là m t điều quan trọng trong các
hệ thống khơng ki m sốt mùi và ở các vùng có khí hậu ấm.
Thơng thường lượng khí CH4 sinh ra từ hệ thống sẽ được thu hồi và làm khí
đốt đ phục vụ nhu cầu cấp nhiệt cho các quá trình cần nhiệt đ cao trong trạm xử lý,
chỉ m t phần nhỏ lượng khí này bị rị rỉ ra mơi trường từ c c đường ống vận chuy n.
1.2.4. Các thông số ảnh hưởng đến quá trình phát tán GHG từ WWTP
Sản lượng GHG phát thải từ quá trình xử lý nước thải phụ thu c vào rất

14

nhiều thông số như: Nhiệt đ , pH, thời gian lưu

n (SRT), thời gian lưu thủy lực

(HRT), tỷ lệ tuần hồn và nồng đ sinh khối, c chất trong dịng thải... [23].
Nhiệt đ là m t thông số quan trọng t c đ ng tới hoạt đ ng sinh trưởng của
vi sinh vật và ki m sốt q trình sinh học hiếu khí – yếm khí. Nhiệt đ quá cao ảnh
hưởng tới hiệu quả xử lý BOD, COD trong hệ thống sinh học hiếu khí. Nhiệt đ
cũng là thơng số ki m sốt các phản ứng sinh hóa hình thành khí Metan trong b xử
lý yếm khí. Ngồi ra, sự biến đ ng về nhiệt đ cũng làm thay đổi nhu cầu năng
lượng của WWTP. Do đó, nhiệt đ là m t yếu tố t c đ ng không nhỏ tới diễn biến
phát thải GHG của quá trình khử nhiễm nước thải.
Thời gian lưu

n (SRT) là m t thông số thiết kế c

ản của hệ thống xử lý

nước thải, ki m sốt q trình xử lý cũng như lượng khí tạo thành. Thông số SRT
ảnh hưởng mạnh tới nhu cầu tiêu thụ oxy và hiệu suất loại bỏ chất inh ưỡng ô
nhiễm (N, P…). Việc thay đổi SRT cũng t c đ ng đến tổng năng lượng cần cung
cấp cho hoạt đ ng cấp khí vào b hiếu khí hay làm ảnh hưởng tới q trình metan
hóa. Sản lượng bùn tạo thành cũng phụ thu c vào thông số này, o đó nó cũng i m
sốt sự phát sinh khí nhà kính trong hoạt đ ng xử lý bùn thải.
Ngồi ra, amoni và sunfit cũng là những yếu tố chi phối lượng khí nhà kính bởi
với hàm lượng cao các chất này trong nước thải có th ức chế sự sản sinh khí metan.
Hàm lượng oxy hịa tan DO, nitrat, tỷ lệ COD/N có th làm thay đổi lượng
khí N2O tạo thành trong phản ứng denitrat. Việc gia tăng DO, nồng đ NO3- và
thành phần cac on trong nước thải sẽ làm tăng tỷ lệ N2O/N2 .

1.3. Giới thiệu sơ lược các mơ hình đánh giá sự phát thải GHG từ các
trạm xử lý nước thải
Nghiên cứu của Diksha Gupta và Kumar Singh [8] đã đưa ra m t phư ng
ph p đ x c định lượng phát sinh khí nhà kính từ m t WWTP dựa trên quy trình của
IPCC về ki m kê GHG quốc gia (2006).
c ước thực hiện bao gồm: X c định công suất của WWTP, x c định các
nguồn phát thải GHG trực tiếp và gián tiếp liên quan tới quá trình xử lý nước thải,
ước t nh lượng chất hữu c sẽ được xử lý trong nước thải và tổng năng lượng cần
15


cung cấp cho các thiết bị, t nh lượng GHG bằng cách nhân các số liệu trên với hệ số
phát thải tư ng ứng.

c phư ng trình tính to n đều lấy từ các công thức và hệ số

được đưa ra trong hướng dẫn của IP

, trong đó c c ữ liệu thu thập và hệ số phát

thải là lượng GHG phát thải trung bình trên mỗi đ n vị nguồn phát thải cụ th .
Phư ng ph p tuy đ n giản, có th cho kết quả tư ng đối trong từng trường
hợp nhưng lại cho thấy cịn có rất nhiều hạn chế. Thứ nhất, phư ng ph p t nh của
IPCC không bao gồm việc x c định lượng phát thải khí CO2 từ q trình xử lý nước
thải. Thứ hai, nghiên cứu đưa ra c ch t nh lượng khí N2O dựa trên tải lượng nit
ph t sinh trên đầu người hàng năm của khu vực có nguồn nước thải cần xử lý, điều
này gây hó hăn trong việc thu thập các số liệu đ tiến hành mơ phỏng. Bên cạnh
đó t c giả đề tài cũng hông đề cập tới việc x c định sự phát sinh khí nhà kính từ
các q trình liên quan tới bùn thải – m t trong những nguồn đóng góp GHG quan
trọng trong nhà máy xử lý nước thải.

Nghiên cứu của Monteith [21]: Theo Monteith, c c phư ng ph p t nh to n
trước đây vẫn còn tồn tại ở chỗ chỉ dựa hoàn toàn vào lý thuyết c

ản về bảo toàn

khối lượng, cụ th là toàn b lượng cacbon có khả năng phân hủy sinh học trong
nước thải đầu vào sẽ được chuy n hóa thành CO2 và thải ra mơi trường khơng khí.
Trong hi đó, lượng cacbon hữu c này có th cịn lại trong các cặn rắn và được
biến đổi thành CO2 và CH4 sau khi trải qua quá trình phân hủy

n. Điều này đã gây

ra sự sai lệch khá lớn về tổng lượng GHG tính theo CO2 tư ng đư ng giữa lý thuyết
tính tốn và thực tế.
Chính vì vậy Monteith và các c ng sự đã đưa ra m t thủ tục chi tiết cho tính
to n lượng GHG phát thải từ WWTP với đối tượng nghiên cứu là nước thải sinh
hoạt. Thủ tục mà nhóm nghiên cứu đưa ra ao gồm c c quy trình x c định cấu hình
của hệ thống xử lý, các quá trình diễn ra và phư ng trình t nh to n lượng khí CO2
và CH4 tạo ra từ các q trình oxi hóa sinh học các hợp chất hữu c , phân hủy bùn
yếm h , đốt tận dụng khí biogas từ b xử lý bùn dựa vào các thông số chất lượng
nước thải đầu vào và đầu ra, nhu cầu tiêu thụ năng lượng của hệ thống.

16