Luận án tiến sĩ nghiên cứu tương quan giữa dòng vật chất và năng lượng trong quả

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. Trần Hiếu Nhuệ 2. 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 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.

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. 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. 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. 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. 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].