Nghiên cứu tối ưu hóa tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo vào nhà máy xử lý nước thải

Đề tài nghiên cứu việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo để đảm bảo sự độc lập về nguồn cung cấp điện cho các nhà máy xử lý nước thải. Hệ thống được thiết kế tích hợp sử dụng biogas, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng hydro để sản xuất năng lượng điện và nhiệt, sấy khô bùn và đốt cháy bùn để tạo ra năng lượng hơi. Kết quả của nghiên cứu cho thấy các nhà máy xử lý nước thải có thể hoạt động độc lập với nguồn cung cấp năng lượng bên ngoài với chi phí hợp lý. Nghiên cứu này được thực hiện và mô phỏng trong một năm tại Việt Nam.

• Nghiên cứu, đánh giá và thiết kế tiền khả thi hệ thống điện mặt trời áp mái tại trường học
• Công nghệ thu giữ, sử dụng và lưu trữ CO2 nhằm giảm phát thải từ các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam

1. Giới thiệu

Phương pháp ủ bùn thải sinh học là phương pháp phổ biến và ổn định để xử lý bùn thải, tạo ra khí sinh học với hàm lượng methane cao. Khí này có thể được sử dụng để tạo ra điện và nhiệt thông qua động cơ đốt cháy kết hợp Cogeneration (CHP). Tuy nhiên, ít người biết rằng bùn thải sau khi ủ có thể được sấy khô và tách ra khỏi nước. Với nồng độ chất khô 80%, bùn thải sấy khô có giá trị nhiệt tương đương với than đá, có thể được đốt hiệu quả trong lò đốt thông thường để tạo ra điện và nhiệt bằng cách sử dụng động cơ turbine/generator kết hợp Cogeneration (CHP) tại khu vực nhà máy xử lý nước thải. Việc này giúp giảm phát sinh khí thải độc hại của bùn thải xuống mức thấp nhất có thể. Quá trình sấy khô bùn thải có thể được thực hiện bằng cách sử dụng nhiệt từ cả động cơ đốt cháy nhiên liệu khí sinh học và máy phát điện turbine hơi để giữ nhiệt độ đủ cao cho quá trình xử lý bùn thải trong suốt các mùa trong năm.

2. Hệ thống xử lý nước thải

2.1 Hệ thống thoát nước thải

Hệ thống thoát nước thải là một cấu trúc quan trọng bao gồm các kênh, ống dẫn nước thải từ các khu vực đô thị và công nghiệp đến các trạm xử lý nước thải hoặc các khu vực xả thẳng vào môi trường tự nhiên. Hệ thống này được xây dựng từ các đường ống chính, các trạm bơm, trạm xử lý và cơ sở hạ tầng khác để đảm bảo an toàn và vệ sinh cho con người, môi trường. Nước thải được tạo ra từ ba nguồn chính bao gồm công nghiệp, hộ gia đình, doanh nghiệp nhỏ và nước mưa. Tuy nhiên, các khu công nghiệp lớn thường có hệ thống xử lý nước thải riêng của mình, do đó không được xem xét trong phạm vi của hệ thống thoát nước thải. Việc thu gom và vận chuyển nước thải được thực hiện thông qua hai phương pháp chính là hệ thống ống dẫn nước thải riêng biệt, hệ thống ống dẫn kết hợp xử lý nước thải và nước mưa. Nguồn nước thải từ hộ gia đình, doanh nghiệp nhỏ và nước mưa thường được xử lý tại các nhà máy xử lý nước thải tập trung của các đô thị.

Hệ thống ống dẫn nước thải riêng biệt giữ cho nước thải và nước mưa được tách biệt nhau, như được minh họa trong Hình 1a. Trong khi đó, hệ thống ống dẫn kết hợp xử lý nước thải và nước mưa cho phép xử lý cả hai nguồn nước này cùng nhau, như được minh họa trong Hình 1b.

Nguồn nước thải từ hộ gia đình, khu doanh nghiệp nhỏ thường có tính thời gian trung bình và được thu gom bằng hệ thống ống dẫn. Tuy nhiên, nước mưa lại có tính chất đột ngột và lớn hơn, đặc biệt là trong thời tiết mưa hoặc bão. Vì vậy, để giảm thiểu việc quá tải này, thường được sử dụng các hồ chứa dự trữ cho nước mưa. Điều này liên quan đến sự khác biệt về thành phần hữu cơ giữa nước thải, nước mưa và việc tận dụng năng lượng sẽ được trình bày sau.

2.2 Hệ thống xử lý nước thải

Quá trình ủ bùn thải được thực hiện trong các bể ủ có hình dạng quả trứng với thời gian kéo dài khoảng 25 ngày ở nhiệt độ 37-38°C. Trong quá trình này, khí sinh học được tạo ra, bao gồm chủ yếu methane và carbon dioxide, như được thể hiện trong hình 2a. Lượng khí sản xuất phụ thuộc vào lượng chất thải hữu cơ được cấp vào bể ủ và nhiệt độ. Để duy trì nhiệt độ mong muốn của bùn, cần phải cung cấp nhiệt lượng để làm nóng bùn và giữ nhiệt độ ổn định độc lập với nhiệt độ môi trường xung quanh. Theo tài liệu [1], khí sinh học sản xuất có hàm lượng methane (CH₄) khoảng 65%, năng lượng của khí này là khoảng 6,5 kWh/m³ ở áp suất khí quyển. Khí sinh học này có thể được sử dụng để đốt nóng bùn hoặc đốt cháy trong đơn vị sản xuất nhiệt và điện kết hợp, như được mô tả sau đó trong công việc này.

3. Công suất phát trong các nhà máy xử lý nước thải

Như đã được trình bày trong mục 2, nước thải chứa một lượng năng lượng dưới dạng các hợp chất hữu cơ. Phần tiếp theo sẽ giới thiệu các phương pháp để khai thác một phần của năng lượng này. Ngoài ra, vị trí đặc biệt của các nhà máy xử lý nước thải, thường ở xa các khu dân cư, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển sản xuất điện gió. Thường thì khu vực rộng lớn của các nhà máy cũng cho phép tạo năng lượng từ mặt trời. Cuối cùng, sản lượng nước thải rõ ràng và ổn định cũng có thể được sử dụng để tạo ra năng lượng thủy điện nhỏ, miễn là chênh lệch độ cao giữa nhà máy và sông/rạch cho phép. Vì vậy, các nhà máy xử lý nước thải có thể đóng góp vào sản lượng năng lượng sạch, tăng cường bảo vệ môi trường và giảm thiểu chi phí điện năng.

3.1 Nhà máy biogas

Nhà máy biogas được sử dụng để xử lý nước thải và sản xuất khí sinh học. Trong quá trình đốt cháy khí sinh học, các đơn vị nhiệt điện trung tâm (CHP) được trang bị động cơ đốt cháy nhỏ hiện có trên thị trường, cung cấp hiệu suất từ 35% đến 45% (đầu ra điện) và từ 45% đến 55% (đầu ra nhiệt), tổng cộng thường nằm ở hoặc trên 90%. Điện thường được cung cấp vào lưới điện địa phương để đáp ứng nhu cầu điện của nhà máy xử lý nước thải, trong khi nhiệt có thể được sử dụng để sưởi ấm bùn và các tòa nhà địa phương. Ví dụ về đơn vị hiệt điện trung tâm được thể hiện trong hình 3.

3.2 Quá trình sấy khô bùn thải

Có nhiều phương pháp kỹ thuật truyền thống đã được sử dụng để làm khô bùn thải, phương pháp phổ biến nhất là máy sấy băng tải, trong đó một lớp mỏng bùn được vận chuyển trên một băng chuyền liên tục và tiếp xúc với không khí nóng, như được thể hiện trong Hình 4 [2]. Tuy nhiên, lượng năng lượng cần thiết để đạt được giá trị nhiệt của bùn khô phù hợp cho việc đốt cháy là khá cao. Trong phần 3.3.3, sẽ được trình bày rằng bức xạ mặt trời cũng có thể đóng góp vào quá trình làm khô bùn hiệu quả như một nguồn năng lượng tái tạo.

3.3.1 Nồi hơi truyền thống

Nồi hơi truyền thống là một thiết bị đóng kín, sử dụng để sản xuất nước nóng, hơi nước hoặc hơi nước siêu nhiệt để sử dụng cho việc sưởi ấm, tạo năng lượng và/hoặc sản xuất điện. Bùn thải đã được làm khô được đốt trong lò đốt, kèm với việc cung cấp khí để tạo ra ngọn lửa. Khí nóng được tạo ra di chuyển qua một loạt các trao đổi nhiệt, truyền nhiệt cho nước hoặc hơi trong các ống. Khí đốt cuối cùng được thải ra môi trường qua ống khói. Việc đốt cháy bùn thải trong một nhà máy xử lý nước thải thành phố và nguyên tắc của nồi hơi được trình bày trong tài liệu [3].

3.3.2 Hệ thống Pyrobustor

Hệ thống Pyrobustor là một hệ thống đốt bùn thải được sử dụng để tạo ra năng lượng. Pyrobustor hoạt động theo cơ chế hai giai đoạn gồm nhiệt phân (trong không khí) và đốt cháy tiếp theo xảy ra trong một lò quay chung ở nhiệt độ khoảng 800°C. Khí thải nóng ra khỏi buồng đốt cháy có thể được sử dụng để tạo ra hơi nước. Trong Pyrobustor, chỉ có thể sử dụng bùn thải đã được làm khô với tỷ lệ chất rắn trên khô (DSR) khoảng 90%, và bùn thải phải được làm khô trước khi tiến hành điều nhiệt. Hình 5 minh họa cơ cấu hoạt động của hệ thống Pyrobustor.

3.3.3 Hệ thống thu nhiệt bằng mặt trời

Để tăng cường năng lượng từ điện mặt trời cho quá trình làm khô bùn cũng như đáp ứng các nhu cầu sưởi ấm khác lên đến khoảng 100°C, các bộ thu nhiệt có thể được lắp đặt thêm. Những hệ thống như vậy (xem Hình 6) là khá hiện đại và được cung cấp bởi nhiều nhà sản xuất với chi phí hợp lý.

4. Nguồn năng lượng tái tạo từ các nhà máy xử lý nước thải

4.1 Nguồn thủy điện nhỏ

Một giải pháp để tăng cường nguồn năng lượng tái tạo là sử dụng dòng chảy đầu ra của nước đã được xử lý tại nhà máy xử lý nước thải để sản xuất điện thủy điện nhỏ. Tuy nhiên, để thực hiện giải pháp này, tốc độ dòng ra và độ chênh lệch độ cao phải phù hợp. Để giải quyết vấn đề này, các bộ tua-bin/generator nhỏ với các công nghệ khác nhau đã có sẵn trên thị trường có thể được sử dụng. Một trong những điểm mạnh của giải pháp này là hiệu suất điển hình khoảng 75%. Tuy nhiên, ước tính sản lượng điện có thể được ước tính một cách khái quát. Việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo này không chỉ giúp tăng cường năng lượng mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường.

4.2 Năng lượng gió

Vị trí của nhà máy xử lý nước thải cách xa khu vực dân cư giúp giảm việc lắp đặt các tuabin gió trên mặt đất, những tuabin này có thể đóng góp đáng kể vào việc đáp ứng nhu cầu điện của nhà máy nếu hồi quy gió địa phương phù hợp. Sản lượng điện được sản xuất phụ thuộc vào tốc độ gió mũi tên mũi tên, tăng theo lũy thừa 3 và tỷ lệ thuận với kích thước rotor. Trên thị trường có sẵn một loạt máy phát điện gió trong phạm vi công suất tương ứng (từ 100 kW đến 5 MW) dựa trên các nguyên lý khí động và điện học khác nhau [4, 5].

5. Thiết kế và mô hình hóa các nguồn năng lượng

Tối ưu hóa hệ thống nguồn năng lượng có thể tính toán chủ yếu cho dòng nước thải/bùn cố định, được bảo quản thích hợp bằng kho chứa tạm thời/silo trung gian, như đã thể hiện ở trên. Tuy nhiên, kích thước của các thành phần khác như thiết bị phát điện sử dụng năng lượng tái tạo, công suất định mức của điện phân, bể chứa hydro, khả năng tăng thêm của máy phát điện đốt cháy nhiên liệu để tái chuyển hydro, khả năng của máy phát điện truyền động, bể chứa nhiệt và phần của hơi nước được tách ra từ turbin để cân bằng nhu cầu nhiệt độ biến đổi nếu cần thiết, đều cần được xem xét khi tối ưu hóa.

Để tính toán thời gian hoàn vốn, chúng ta cần xét thêm thông tin về lãi suất, chi phí đầu tư ban đầu và giá trị tương lai của tiền. Với giả sử lãi suất là 5%/năm, chúng ta có thể tính toán thời gian hoàn vốn như hình 7.

Bảng 1. Các chi phí và thời gian hoàn vốn.

Việc tái sử dụng Hydro không chỉ giải quyết vấn đề môi trường mà còn có lợi ích kinh tế đáng kể. Hệ thống Hydro chủ yếu hoạt động như một kho lưu trữ dài hạn, trong khi khả năng tính toán của kết nối lưới điện công cộng cho phép cung cấp nguồn điện ngoài cho tổng nhu cầu điện năng trong trường hợp khẩn cấp.

6.Kết luận

Nước thải có tiềm năng về lượng năng lượng đáng kể và có thể được khai thác địa phương để phục vụ nhu cầu về điện và nhiệt của nhà máy xử lý nước thải. Ngoài việc đốt cháy chất thải sinh học từ quá trình ủ phân trong một đơn vị nhiệt và điện kết hợp nhỏ, công nghệ đốt cháy chất thải ủ phân và làm khô nhiệt điện mặt trời tại nhà máy xử lý nước thải còn cung cấp cơ hội ít phổ biến hơn cho thế hệ nhiệt và điện tiếp theo. Ngoài ra, quy mô lớn của các nhà máy xử lý nước thải còn cho phép sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo khác như gió và mặt trời.

Dựa trên dòng khối lượng của các nhà máy xử lý nước thải mẫu vừa và nhỏ tại Việt Nam, công suất điện và nhiệt được tính toán dựa trên các thông số khí tượng địa phương có liên quan trong độ phân giải hàng giờ và sự phụ thuộc hàng năm. Các đánh giá đúng cho các thành phần năng lượng cho hệ thống này được thực hiện trên ví dụ được lựa chọn với sự khác biệt đáng kể. Kết quả từ hoạt động mô phỏng hàng năm của các nhà máy cho thấy hiệu suất hợp lý và chi phí hoạt động đáng kể giảm so với việc cung cấp điện bên ngoài thông thường cho nhà máy xử lý nước thải. Đồng thời, hoạt động này còn là CO₂-trung lập và giải phóng khỏi việc xử lý chất thải nguy hiểm.

Tài liệu tham khảo

[1] Frey, W.: ‘Stand und Trends bei der Faulgasverwertung auf Kläranlagen’, ÖWAV-TU Seminar Standortbestimmung in der Wassergütewirtschaft“, 28.-29. Februar 2012, Wiener Mitteilungen Band 226, Wien (Austria), 2012.

[2]Aghbashlo, M., Kianmehr, M.-H, Arabhosseini, A.: ‘Performance analysis of drying of carrot slices in a semi-industrial continuous band dryer’, Journal of Food Engineering, 91 (2009) 99- 108, ELSEVIER (UK).

[3] Bogner, R., Faulstich, M., Mocker, M., Quicker, P.: ‘sluge2energy – dezentrale Klärschlammverwertungsanlage zur Erzeugung von thermischer und elektrischer Energie (decentralized sewage sludge exploitation to generate thermal and electrical energy)‘, Hans Huber AG – HUBER Technology, Sulzbach-Rosenberg (Germany), 2005.

[4] Mulijadi, E., Sallan, J., Sanz, M., Butterfield, C.: ‘Investigation of Self-Excited Induction Generators for Wind Turbine Applications’, IEEE Industry Applications Society, Annual Meeting, Phoenix-Arizona (USA), October 1999.

[5] Druga, M., Nichita, C., Barakat, G., Ceanga, E.: ‘Stand-Alone Wind Power System Operating with a Specific Storage Structure’, International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ’09), Valencia (Spain), 15th to 17th April, 2009.

[6] ‘Solar collectors’, Wagner & Co, http://uk.wagner-solar.com/ ; accessed on Jan. 14, 2015.

Hồ Minh Lâm, Nguyễn Hùng (Trường ĐH Công nghệ Tp. HCM)
Ngô Đăng Lưu (Công ty Anh Minh Global)
Nguyễn Đình Long (Trường ĐH Đồng Nai)
Lê Hữu Quỳnh Anh (Trường ĐH Tài nguyên và Môi trường TP.HCM)
Nguyễn Trần Phú Thịnh (Phòng KH và CN TP. Thủ Đức)