03/02/2021
Tóm tắt: Giải pháp tổng thể để quản lý chất thải (QLCT) rắn và chất thải lỏng với công nghệ xử lý phù hợp được đề xuất tại quận Long Biên, thành phố Hà Nội cho giai đoạn đến năm 2030, tầm nhìn đến 2040, với số dân ước tính khoảng 428.860 người. Với mô hình QLCT truyền thống, điện năng cần tiêu thụ để xử lý chất thải của quận là 94.474,31 kWh/ngày. Với phương án xây dựng Trung tâm xử lý chất thải (TTXLCT) với phương thức quản lý tổng hợp, xử lý kỵ khí kết hợp bùn của nhà máy xử lý nước thải (NMXLNT), phân bùn bể tự hoại (BTH) và chất thải rắn (CTR) sinh hoạt hữu cơ, cho phép thu hồi khí biogas sản xuất năng lượng bằng hệ thống nhiệt - điện kết hợp. Tổng năng lượng quy đổi thu được 369.441,63 kWh/ngày, giúp TTXLCT tự cấp hoàn toàn nhu cầu năng lượng và còn dư 63,85%. Nhiệt sinh ra được tận dụng để sấy bùn sau khi tách nước thành viên đốt, chứa lượng nhiệt tương đương 132.587,58 kWh/ngày… Kết quả từ nghiên cứu này là cơ sở để kiến nghị giải pháp QLCT đô thị cho quận Long Biên theo hướng thu hồi tài nguyên, hiện thực hóa nền kinh tế tuần hoàn.
T ừ khóa: Phân huỷ kỵ khí, biogas, thu hồi năng lượng, quản lý tổng hợp, chất thải đô thị.
1. Đặt vấn đề:
Hiện nay tại các đô thị lớn ở Việt Nam, chất thải phát sinh ngày càng nhiều và không ngừng tăng. Lượng nước thải sinh hoạt (NTSH) từ các đô thị ước tính khoảng 7 triệu m3/ngày [1], chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) đô thị khoảng 37.200 tấn/ngày [2]. Khối lượng CTRSH tại các đô thị trên toàn quốc tăng trung bình 12% mỗi năm, chiếm 60 -70% tổng lượng CTR đô thị; thậm chí tại một số nơi, tỷ lệ CTRSH có thể chiếm đến 90% [2].
Xử lí nước thải (XLNT) là một hoạt động tốn nhiều năng lượng. Ước tính, mức năng lượng tiêu thụ trong lĩnh vực XLNT tính theo đầu người vào khoảng 108.000 - 216.000 kJ/người.năm [4]. Theo Metcalf & Eddy [5], mức năng lượng tiêu thụ trong một NMXLNT quy mô công suất lớn sẽ chiếm khoảng 25 - 40% chi phí vận hành. Vì vậy việc tối ưu hoá sử dụng năng lượng trong các NMXLNT đã và đang rất được quan tâm tại nhiều nước trên thế giới.
Xử lý phân bùn BTH và CTRSH cũng tốn nhiều năng lượng trong khi bản thân các chất thải này có chứa thành phần chất hữu cơ cao, tiềm năng sinh năng lượng rất đáng kể.
Phương án xử lý bùn thải bằng phân huỷ kỵ khí cho hiệu quả thu hồi năng lượng cao [6]. Phản ứng sinh ra biogas có thể được sử dụng để sinh ra điện và nhiệt, cung cấp trở lại cho nhà máy.
Thực tế tại Việt Nam,
2. Địa bàn và phương pháp nghiên cứu
Long Biên là một quận được thành lập năm 2003 thuộc nội thành Thành phố Hà Nội, nằm dọc bờ Bắc sông Hồng, với diện tích 6.038,24 ha. Dân số năm 2020 của quận là 342.000 người, gồm 5.300 người sống ngoài đê; vùng trong đê có 336.700 người. Với tỷ lệ tăng 2,89%/năm, dân số đến năm 2030 ước tính sẽ là 428.860 người [7].
Hiện hệ thống thoát nước (HTTN) tại Long Biên là HTTN hỗn hợp. Khu vực dân cư đô thị, cơ quan, trường học... NT được xử lý qua BTH trước khi thải vào hệ thống cống chung. Các khu đô thị mới có HTTN riêng, nhưng sau đó lại nhập vào các kênh mương TN chính, rồi đổ ra sông Cầu Bây. Phần lớn đường cống TN của quận Long Biên đã cũ và có mặt cắt nhỏ, bị quá tải.
CTR phát sinh được Công ty Môi trường đô thị quản lý với khoảng 33 điểm chân rác sau đó đưa về BCL Bồ Đề.
Phân bùn BTH từ các hộ gia đình do Công ty Môi trường đô thị (URENCO) phụ trách việc thu gom, hầu hết không được quản lý và vận hành theo quy định.
Mục đích nghiên cứu:
+ Phân tích mối quan hệ giữa dòng vật chất - năng lượng trong quản lý chất thải đô thị thông qua việc lượng hoá các dòng NT, bùn, CTR đô thị giàu hữu cơ. Xác định nhu cầu tiêu thụ và tiềm năng sinh năng lượng từ xử lý các chất thải đô thị trên.
+ Nghiên cứu thực nghiệm xác định thành phần tính chất các dòng chất thải giầu hữu cơ.
+ Nghiên cứu điển hình tại quận Long Biên TP Hà Nội, đề xuất mô hình quản lý NT, CTR theo hướng bền vững.
Phương pháp (PP) nghiên cứu được sử dụng: PP kế thừa, PP thực nghiệm lấy mẫu thực địa và phân tích trong phòng thí nghiệm, PP so sánh, PP phân tích, PP mô phỏng, PP chuyên gia.
Cụ thể, nhóm tác giả đã tiến hành phân tích thành phần hữu cơ của bùn NMXLNT, phân bùn BTH, CTRSH hữu cơ của quận Long Biên, làm cơ sở xem xét lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp; phân tích khả năng thu hồi năng lượng của các dòng chất thải khi xử lý kỵ khí riêng lẻ và xử lý kết hợp; phân tích dòng vật chất (MFA) với phần mềm STAN [8] cho các loại chất thải trên theo các chỉ tiêu tổng chất rắn (TS) và chất rắn hữu cơ (VS) theo từng kịch bản để tính toán cân bằng chất, lượng hoá các chất qua các công đoạn của dây chuyền xử lý; phân tích cân bằng năng lượng (EB) bằng cách liệt kê các thiết bị tiêu thụ điện; tính toán năng lượng điện tiêu thụ cho từng công đoạn và cho cả hệ thống xử lý chất thải (XLCT); tính toán tiềm năng sinh năng lượng từ các quá trình XLCT từ các nghiên cứu thực nghiệm trên, mục tiêu là thu được bức tranh toàn cảnh về cân bằng vật chất của chất thải tại quận, làm cơ sở so sánh các kịch bản quản lý chúng.
3. Kết quả nghiên cứu
Thoát nước tập trung là phương án được đề xuất để quản lý NT quận Long Biên. Toàn bộ NT được thu gom và xử lý tại NMXLNT tập trung, đặt tại phường An Lạc, phía Nam quận.
Ở các khu vực mới (chiếm 20% diện tích) xây dựng các cống TN riêng, còn lại khu vực cũ (chiếm 80% diện tích) là HTTN chung. Dọc mạng lưới TN chung có các giếng tràn, để xả phần nước mưa và NT đã được pha loãng trực tiếp ra nguồn tiếp nhận. NT và nước mưa đợt đầu được dẫn về NMXLNT. NT sau xử lý xả ra sông Cầu Bây với yêu cầu đạt loại A theo QCVN 40:2011/ BTNMT. Theo các nghiên cứu gần đây ở Việt Nam và trên thế giới, kế thừa kinh nghiệm các dự án TN và XLNT đô thị, với điều kiện đất đai hạn chế, yêu cầu tiết kiệm năng lượng, năng lực và kinh nghiệm quản lý vận hành các hệ thống tương tự, công nghệ XLNT sau đây được đề xuất cho NMXLNT An Lạc: Bể điều hòa; Khối công trình xử lý cơ học gồm song chắn rác, bể lắng cát và bể lắng sơ cấp; Khối công trình xử lý sinh học: bể bùn hoạt tính làm việc theo mẻ (SBR – sequencing batch reactor).
Tính toán với tiêu chuẩn dùng nước sinh hoạt 160 l/ng.ngày [9], cộng với cấp nước phi sinh hoạt.., lượng NT xả ra là 282,8 l/ng.ngày [10].
Bùn BTH được giả thiết có chu kỳ hút bùn trung bình 6,2 năm/lần (kế thừa các nghiên cứu trước đây của nhóm) và tất cả các hộ gia đình được hút luân phiên trên toàn địa bàn.
Lượng CTR phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt và sản xuất trên địa bàn quận Long Biên, tính đến năm 2030, sẽ được thu gom toàn bộ về các điểm tập kết đã có và mở rộng, đưa tập trung về BCL Bồ Đề 1 và 2, với tổng diện tích theo quy hoạch chi tiết là 14,26 ha.
Theo hướng tận dụng thành phần hữu cơ trong CTRSH và phân bùn BTH để sản xuất phân compost, chất thải của Quận Long Biên có thể được quản lý theo phương án truyền thống như sau:
Hình 1: Mô hình QLCT quận Long Biên theo phương án 1
NTSH, dịch vụ, sản xuất được thu đưa về NMXLNT tập trung tại An Lạc. Nước sau BTH sẽ nhập cùng nước xám được đưa về NMXLNT An Lạc. NT được xử lý theo công nghệ bùn hoạt tính SBR, sau đó xả ra sông Cầu Bây. Bùn thải từ NMXLNT An Lạc được làm khô bằng biện pháp cơ học, sau đó bùn khô được đưa về BCL Bồ Đề.
Phân bùn từ các BTH sẽ được xe hút bùn thu gom, đưa về BCL Bồ Đề. Toàn bộ lượng CTR được thu gom đưa về BCL Bồ Đề được phân loại. Phần CTR có thể tái chế, tái sử dụng (khoảng 10%) được thu gom lại và tái chế (nhựa, chất dẻo, kim loại, giấy...). Lượng CTR hữu cơ (khoảng 58,75%) [12] như rác chợ, thức ăn thừa, lá cây... được nén và xử lý sơ bộ (rắc chế phẩm vi sinh EM) và đưa về xử lý tại nhà máy chế biến phân compost ngay tại BCL, cùng phân bùn BTH chuyển về được xử lý hiếu khí, chế biến phân hữu cơ, cải tạo đất nông nghiệp.
Phương án này có thể tận dụng các kinh nghiệm đã có trong quá trình vận hành các nhà máy chế biến phân vi sinh, và bám sát quy hoạch tổng thể của quận Long Biên. Tuy BCL cần bố trí thêm đất cho xây dựng nhà máy phân compost, nhưng lượng CTR hữu cơ phải chôn lấp sẽ giảm.
Tuy nhiên, lượng lớn bùn thải của NMXLNT chôn lấp tại BCL Bồ Đề, làm tăng nguy cơ gây ô nhiễm môi trường và rất tốn quĩ đất. Đó là chưa tính đến quãng đường chuyên chở bùn thải NMXLNT An Lạc về BCL làm tăng chi phí vận hành của hệ thống xử lý, gia tăng mật độ giao thông và gây ô nhiễm môi trường.
Do CTRSH không được phân loại từ nguồn dẫn đến chất lượng và giá trị của phân bón không cao. Ngoài ra cũng cần xử lý lượng nước rỉ rác phát sinh ra khi ủ phân compost.
Tính toán với các dòng chất thải đô thị giàu hữu cơ (bùn NMXLNT, bùn BTH và CTR hữu cơ) cho quận với giả thiết phối trộn các dòng chất thải này với nhau thu được tỷ lệ COD/N/P là 127,77/2,49/1 [10], rất phù hợp cho việc áp dụng xử lý bằng phân huỷ kỵ khí [11]. Để tận dụng tối đa các thành phần hữu cơ có ích trong các dòng chất thải để sinh năng lượng, có thể quản lý tổng hợp chất thải quận Long Biên theo phương án 2:
b) Phương án 2 (PA2): Tất cả chất thải (bao gồm NT của NMXLNT tập trung, bùn NMXLNT, bùn BTH, CTR hữu cơ) đều được xử lý tại TTXLCT tại An Lạc, bằng công nghệ kỵ khí, thu hồi năng lượng.
Công nghệ xử lý kỵ khí các chất thải hữu cơ thể hiện nhiều tính ưu việt của nó so với các quá trình xử lý hiếu khí truyền thống và được ứng dụng, phát triển ở nhiều nước trên thế giới.
Dựa trên nguyên tắc xử lý kỵ khí kết hợp bùn – phân bùn - CTR hữu cơ, mô hình QLCT tổng hợp áp dụng cho quận Long Biên theo PA2 được mô tả trên hình 2.
Hình 2. Mô hình quản lý tổng hợp chất thải theo phương án 2
Toàn bộ CTRSH trên địa bàn quận Long Biên sẽ được thu gom đưa về TTXLCT tại An Lạc (đặt tại vị trí NMXLNT). CTR công nghiệp và phế liệu xây dựng thì chở trực tiếp về BCL Bồ Đề. Tại TTXLCT An Lạc, CTR vô cơ sau phân loại được chuyển về BCL Bồ Đề, phần CTR hữu cơ được nghiền nhỏ và đưa về khu xử lý kỵ khí kết hợp chất thải bùn - rác trong trung tâm.
Về thu gom và xử lý NT được giữ nguyên như PA1. Bùn phát sinh trong quá trình XLNT tại NMXLNT được nén tại bể nén bùn và nạp vào dây chuyền xử lý, phân hủy kỵ khí.
Bùn BTH từ khu phố cũ và bùn từ NMXLNT được xử lý chung kết hợp với CTR hữu cơ đã được phân loại cùng xử lý trong bể phân hủy kỵ khí cho ra các dòng vật chất sau:
- Hỗn hợp pha rắn - lỏng (bùn sau phân hủy) gồm:
+ Phần pha rắn sau khi làm đặc và tách pha, có thể tiếp tục xử lý thành phân bón an toàn cho nông
nghiệp, hay sấy để làm nhiên liệu đốt hoặc vật liệu xây dựng.
+ Pha lỏng có nồng độ COD, BOD5, N, P cao, nên cho quay trở lại xử lý cùng NT tại NMXLNT.
- Pha khí: Khí biogas sinh ra có CH4 chiếm từ 55-70%. Sau khi xử lý, tách các chất gây ăn mòn, nó được đưa vào tổ hợp phát điện - nhiệt (Combined heat and power – CHP), tạo ra nguồn nhiệt và điện cung cấp cho nhu cầu của bản thân bể phân hủy kỵ khí và NMXLNT, cung cấp phần điện còn dư cho mạng lưới điện đô thị và bán nhiệt dư cho các doanh nghiệp khác.
Ưu điểm của PA2: - Công nghệ kỵ khí không cần sử dụng oxy nên giảm được đáng kể chi phí vận hành so xử lý hiếu khí.
- Lên men kỵ khí tạo ra khí CH4 là nguồn năng lượng sạch, có thể chuyển thành điện năng và nhiệt năng tự cung cấp lại cho hệ phản ứng .
- Lên men kỵ khí tạo ra ít hơn 3-20 lần sinh khối phụ so với các quá trình hiếu khí. Phần lớn năng lượng giải phóng ra được chuyển vào sản phẩm cuối cùng của quá trình là CH4 [14].
Để so sánh hiệu quả của 2 phương án trên, tác giả dùng phần mềm STAN để tính cân bằng chất, trên cơ sở đó tính cân bằng năng lượng EB để đánh giá nhu cầu tiêu thụ và tiềm năng sinh năng lượng của từng trường hợp.
Tổng công suất NMXLNT An Lạc được tính toán theo PA1 là 122.200 m3/ngày, lượng bùn thải ra là 665,71 tấn/ngày, TS là 20,84 tấn/ngày. Theo PA2, toàn bộ lượng nước chiết, tách ra từ các công đoạn tách nước của bùn BTH, bùn NMXLNT trong bể nén bùn và máy quay ly tâm được đưa về ngăn tiếp nhận của NMXLNT nên công suất của NMXLNT là 122.700 m3/ngày; lượng bùn thải ra là 700,81 tấn/ngày, TS là 21,58 tấn/ngày, tổng VS là 16,2 tấn/ngày. Lượng phân bùn BTH là 83,87 m3/ngày, với TS là 2,46 tấn/ngày, lượng cặn hữu cơ là 1,74 tấn/ngày. Tổng khối lượng CTR là 557,5 tấn/ngày, với lượng CTR hữu cơ chiếm 327,54 tấn [10].
Sản lượng sinh CH4 từ bùn của NMXLNT là 269,3Nml/gVS, từ phân bùn BTH là 242,3Nml/gVS [13], từ CTR hữu cơ là 390 Nml/gVS [10] cho phép xác định năng lượng thu hồi được khi tiến hành phân huỷ kỵ khí hỗn hợp chất thải. Bảng 1 thể hiện kết quả so sánh nhu cầu tiêu thụ và sinh năng lượng theo các phương án.
Bảng 1. Nhu cầu năng lượng và khả năng thu hồi năng lượng theo các phương án
|
Chỉ tiêu |
Tổng năng lượng điện quy đổi |
|||
|
PA 1 |
PA 2 |
|||
|
kWh/ngày |
kWh/ người.ngày |
kWh/ngày |
kWh/ người.ngày |
|
|
Nhu cầu tiêu thụ |
||||
|
Tổng năng lượng cần cung cấp cho xử lý NT, bùn, phân bùn và CTR sinh hoạt |
94.474,31 từ nguồn điện thành phố (~2,36%) |
0,22 |
108.385,48 (Điện) + 117.088,23 (Nhiệt) |
0,25 (Điện) + 0,27 (Nhiệt) |
|
Khả năng thu hồi |
||||
|
Chuyển hóa thành điện năng + nhiệt năng |
0 |
|
369.441,63 |
0,43 (Điện) + 0,42 (Nhiệt) |
|
Tỷ lệ năng lượng có thể tự cung cấp |
0 |
|
100% nhu cầu |
|
|
Năng lượng tiềm năng có thể thu được từ viên đốt |
0 |
|
132.587,58 |
0,31 |
|
Tổng năng lượng sinh ra so với nhu cầu |
0 |
|
222,66% |
|
4. Kết luận
Mô hình QLCT theo hướng thu hồi tài nguyên, sinh năng lượng rất có tiềm năng áp dụng ở Việt Nam. Công nghệ kỵ khí để phân hủy kết hợp các dòng chất thải giàu hữu cơ: bùn từ các công đoạn xử lý NT, bùn BTH và CTR hữu cơ nghiền, cho phép thu khí biogas, chuyển hóa thành điện năng và nhiệt năng. Nguồn năng lượng sinh ra bằng 222,66% so với nhu cầu giúp TTXLCT tự cấp hoàn toàn năng lượng tiêu thụ cho các quá trình xử lý. Điện thừa có thể đấu nối vào mạng điện thành phố, nhiệt thừa có thể được tận dụng để sấy bùn sau khi tách nước, và nhiệt từ các viên đốt sau sấy bùn có thể được bán ra thị trường. Giải pháp này cũng giảm thiểu lượng khí nhà kính phát thải so với các phương án xử lý truyền thống. Xử lý kỵ khí chất thải giàu hữu cơ cho phép kết hợp các lợi ích môi trường và kinh tế trong cùng một hệ thống, hướng tới mục tiêu phát triển bền vững.
Kiến nghị lộ trình áp dụng: Từ năm 2020, cần dành quỹ đất để xây dựng TTXLCT tại An Lạc, bao gồm NMXLNT, công trình xử lý kỵ khí CTR hữu cơ, bùn NMXLN, bùn BTH. Trước hết, cầnxây dựng NMXLNT cùng mạng lưới cống thu gom và đưa vào vận hành từ năm 2025. Giai đoạn 2025 - 2030, tiến hành xây dựng các hạng mục còn lại và đưa vào vận hành toàn bộ TTXLCT An Lạc.
Vũ Thị Minh Thanh1,2, Trần Hiếu Nhuệ2, Nguyễn Thị Huệ1
1 Viện Công nghệ Môi trường, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam
2Trường Đại học Xây dựng
(Nguồn: Bài đăng trên Tạp chí Môi trường, số Chuyên đề Tiếng việt IV/2020)
|
PROPOSING SOLUTIONS FOR INTEGRATED WASTE MANAGEMENT AND RESOURCE RECOVERY IN LONG BIEN DISTRICT, HANOI CITY FOR THE YEAR 2030, WITH A VISION TO 2040 ABSTRACT: An integrated solution for solid and liquid waste management using appropriate treatment technologies for Long Bien District, Ha Noi City for the period up to 2030, vision to 2040, with an expected population of about 428,860 people, is proposed. With the traditional waste management approach, the energy need for the waste treatment for the Long Bien district is 94,474.31 kWh/day. With the construction of a waste treatment center and the integrated waste management model, the anaerobic co-treatment of sludge from wastewater treatment plant, septic tank sludge and organic fraction of municipal solid waste could recover biogas andgenerate energy by a combined heat and power system. With that, the total energy equivalent generated is 369,441.63 kWh/day, enabling the waste treatment center be ‹come completely energy self-sufficient, plus 63.85% remaining. The exceed heat is used to dry the sludge after dewatering, emboding the equivalent amount of heat of 132,587.58 kWh/day. The results of this study would serve as a basis for proposal of sustainable solutions for the urban waste management towards energy and resource recovery for the Long Bien district, aiming towards realization of circular economy. Keywords: anaerobic digestion, biogas, energy recovery, integrated management, municipal waste. |
Tài liệu tham khảo
[1] Bộ TN&MT. “Báo cáo hiện trạng môi trường Quốc gia 2018”.
[2] Bộ TN&MT “Báo cáo hiện trạng môi trường Quốc gia 2019”.
[3] Công ty Môi trường Đô thị Hà Nội, 2012. “Báo cáo công tác quản lý phân bùn bể phốt ở TP. Hà Nội - Thực trạng và giải pháp”.
[4] Kolisch G, Oshoff T, Hobus I, Hánen J. (2009). “Experiences of Energy Analyses carried out in Germany”. In: Proceedings of the 1st IWA water & energy conference: mitigation in the water sector & potential synergies with the energy sector (Copenhagen, Denmark).
[5] Metcalf &Eddy Inc., “Wastewater engineering: Treatment and reuse” (4th ed), New York: McGraw-Hill, 2006.
[6] De Baere L., Mattheuws B. (2012). “Anaerobic digestion of the organic fraction of municipal solid water in Europe -status, experience and prospects”. In: Thomes - Kozmiensky K.J., Thiel S. (Eds), Waste Management: Recycling and Recovery, vol.3 pp. 517-526.
[7] Sở Quy hoạch và Kiến trúc Hà Nội, 2007. “Quy hoạch chi tiết Quận Long Biên tỉ lệ 1/2000”.
[8] Phạm Thị Thuý, Vũ Thị Minh Thanh, “Phân tích dòng vật chất MFA - công cụ hữu hiệu để phân tích đánh giá hệ thống quản lý chất thải,” Tạp chí Môi trường Đô thị 3(87), pp. 28-32, 2014.
[9] Bộ Xây dựng, 2011.“Qui hoạch chung xây dựng Thủ đô Hà Nội đến năm 2030 tầm nhìn đến năm 2050”.
[10] Vũ Thị Minh Thanh, luận án NCS: “ Nghiên cứu tương quan Nước - Năng lượng góp phần xây dựng mô hình quản lý bền vững nước thải và chất thải rắn đô thị, áp dụng cho một quận nội thành Hà Nội”.
[11] Gregor D Z, Natasa U Z, Milenko R, 2008. “Full scale anaerobic co-digestion of organic waste and municipal sludge”, Biomass and Bioenergy, no.32, pp.162-167.
[12] Thủ tướng Chính phủ, Quyết định số 609/QĐ-TTG, 2014. “Quy hoạch xử lý chất thải rắn Thủ đô Hà Nội đến năm 2030, tầm nhìn 2050”.
[13] Vũ Thị Hoài Ân, Vũ Thị Minh Thanh, Nguyễn Việt Anh, “Biomethane potential test for anaerobic co-digestion of faecal sludge and sewage sludge” Vietnam Journal of Science & Technology, Vietnam Academy of Science & Technology. Vol.55(4C), pp. 27-3, 2017.
[14] Chernicharo, C.A.d.L, 2007. “Anaerobic Reactors”, Biological Wastewater Treatment Series, London, UK:IWA Publishing.
