Quản lý năng lượng trong dây chuyền xử lý nước thải

Nghiên cứu mới

Quản lý năng lượng trong dây chuyền xử lý nước thải

Cập nhật: Thứ ba, 15/3/2022 | 12:22:11 PM

QLMT - Bài viết nhằm đưa ra một cái nhìn tổng quát về năng lượng điện trong vận hành nhà máy xử lý nước thải và các biện pháp có thể áp dụng để nâng cao hiệu quả tiết kiệm năng lượng.

Giới thiệu

Thế giới đang phải đối mặt với một cuộc khủng hoảng năng lượng ngày càng tăng với việc khai thác các nhiên liệu hóa thạch để tạo ra điện. Mặt khác, việc sử dụng năng lượng ngày càng tăng có liên quan đến phát thải nhà kính gây ra biến đổi khí hậu toàn cầu. Trong ngành công nghiệp nước, xử lý nước thải là một loại hình sản xuất có sử dụng nhiều điện. Ví dụ, tại Hoa Kỳ thông kê cho thấy lượng điện tiêu thụ cho xử lý nước thải đô thị chiếm 3% tổng nhu cầu điện dân dụng (US EPA, 2006). Nhìn chung, tại các nhà máy xử lý nước thải, khoảng 30% chi phí vận hành phải chi trả cho tiền điện. Ở Việt Nam, một lượng lớn nước thải đô thị vẫn chưa được thu gom và xử lý, vì vậy lượng điện năng tiêu thụ cho các nhà máy xử lý nước thải trong nhiều năm tới sẽ còn tiếp tục tăng lên.

Bài viết dưới đây nhằm đưa ra một cái nhìn tổng quát về năng lượng điện trong vận hành nhà máy xử lý nước thải và các biện pháp có thể áp dụng để nâng cao hiệu quả tiết kiệm năng lượng.

Phân bổ điện năng tiêu thụ trong một dây chuyền xử lý nước thải điển hình

Điện năng tiêu thụ có liên quan trực tiếp đến lưu lượng nước thải đầu vào, tải lượng BoD và nồng độ BoD của nước thải. Các thông số này dao động trong một ngày đêm và cũng dao động trong các mùa khác nhau trong năm. Trong dây chuyền xử lý sinh học, điện tiêu thụ nhiều nhất là cho các máy bơm nước thải, máy thổi khí, bơm bùn và nén ép bùn (xem thống kê trong Bảng 1). Công nghệ xử lý khác nhau thì mức tiêu thụ điện cũng khác nhau. Nếu tỷ lệ tiêu thụ điện giữa các dây chuyền xử lý sinh học, với công nghệ bùn hoạt tính có bể thổi khí (aerotank) có hệ số 1.0 thì công nghệ bùn hoạt tính có bể lọc có hệ số 1.5, còn công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt thì ít tốn điện nhất, có hệ số 0.5. Ngoài ra, mức tiêu thụ điện còn phụ thuộc vào quy mô công suất, thông thường các công trình có công suất lớn thì tỷ suất điện năng (Kw/m3) nhỏ hơn so với các công trình có công suất nhỏ, trong cùng một công nghệ xử lý.

Bảng 1 - Phân bổ năng lượng điện cho các công đoạn xử lý nước thải (EPR, 1994).

Công đoạn xử lý	Điện năng (%)	Thiết bị
Bơm nước thải đầu vào	4.5	Máy bơm nước thải, bơm dâng nước, lưới chắn và thu rác, Máy thổi khí làm sạch cho song chắn rác, bơm bùn, máy khuấy trộn…
Chắn rác, lắng cát	0.4
Lắng đợt I và bơm bùn	10.3
Sục khí	55.6	Máy thổi khí, máy khuấy đảo, máy bơm bể lọc sinh học nhỏ giọt, máy bơm tuần hoàn bùn hoạt tính, máy bơm bùn dư, máy đảo trộn bùn, máy ép bùn kiểu băng tải, bơm định lượng polimer, trộn và bơm dung dịch hóa chất, khử trùng bằng UV, SCADA, Bộ lập trình logic (PLC), máy bơm nước kỹ thuật, máy nén khí, các van điện, cửa phai điện, pa lăng, cầu trục…
Lắng đợt II và tuần hoàn bùn hoạt tính	3.7
Nén bùn và bơm bùn dư	1.6
Lọc nước	0.9
Nước phục vụ kỹ thuật, vệ sinh công trình	3.6
Ép bùn làm kiệt nước	7.0
Thu hồi khí, thu hồi nhiệt	7.1
Trộn hóa chất polimer, khử trùng, khử mùi	3.1
Chiếu sáng, bảo vệ	2.2	Đèn chiếu sáng, thiết bị cảnh báo- an ninh, quạt thông gió, điều hòa không khí…
Tổng cộng	100%

Kiểm toán năng lượng và các biện pháp cải thiện hiệu quả

Cách tốt nhất để nghiên cứu vấn đề tiêu thụ điện tại các nhà máy xử lý nước thải là tiến hành kiểm toán năng lượng. Kiểm toán năng lượng là một quá trình khảo sát - đánh giá các phụ tải điện để tìm ra các cơ hội tiết kiệm năng lượng mà không làm ảnh hưởng đến các hiệu quả xử lý nước thải đầu ra. Kiểm toán năng lượng không chỉ khảo sát phân tích mà còn có một bước quan trọng là đề xuất các cơ hội tiết giảm năng lượng và các vấn đề cần khắc phục. Kiểm toán năng lượng là một hoạt động đã được áp dụng khá phổ biến tại rất nhiều ngành sản xuất công nghiệp với các nội dung cơ bản như sau:

1 – Thống nhất mục tiêu, cách tiếp cận và phân công trách nhiệm rõ ràng: Công việc này phải áp dụng cho tất cả các phòng ban có liên quan. Mỗi đơn vị vận hành cần phải phân công một nhóm hoặc một cán bộ kỹ thuật chuyên trách về quản lý năng lượng cho đơn vị mình.

2 – Xác định phạm vi công việc và thu thập các dữ liệu quản lý: Công tác kiểm toán năng lượng có thể rất rộng trên phạm vi toàn bộ hệ thống nhưng cũng có thể tiến hành trong một công xưởng, một hạng mục công trình. Sau khi phạm vi nghiên cứu được khẳng định thì tiến hành thu thập các dữ liệu có liên quan (ví dụ sổ tay vận hành, nhật ký ghi chép, sổ sách thống kê, hóa đơn tiền điện, v.v…). Nhóm kiểm toán có thể đưa ra một số các câu hỏi phỏng vấn liên quan đến công tác quản lý năng lượng đối với cán bộ lãnh đạo và đội ngũ nhân viên vận hành.

3 – Thăm quan thực địa, đo lường, kiểm tra các phụ tải: Các phụ tải trên từng khâu của dây chuyền cần được thống kê đầy đủ và có thể phân loại theo từng nhóm phụ tải khác nhau, ví dụ nhóm phụ tải các máy động lực chính, nhóm phụ tải phục vụ sản xuất, chiếu sáng, thông gió, v.v… Đo lường là một công việc quan trọng, bảo đảm sẽ thu thập được các dữ liệu vào các giờ tiêu thụ cao điểm, thấp điểm khác nhau trong một ngày đêm, cũng như trong các mùa khác nhau trong một năm. Cần có trong tay các sơ đồ phụ tải của hệ thống điện động lực trước khi tiến hành. Các thiết bị đo lường cầm tay cũng cần chuẩn bị để có thể kiểm tra tại chỗ (xem Bảng 2). Hiện nay, trên thị trường đã có những thiết bị đo lường công nghệ mới, cho phép truyền dữ liệu trực tiếp về máy tính, rất tiện lợi cho việc tính toán phân tích. Nhóm kiểm toán và các nhân sự có liên quan phải được trang bị đầy đủ các đồ dùng bảo hộ lao đông như găng tay, ủng cách điện, kính mũ bảo hộ để bảo đảm an toàn trong quá trình làm việc tại hiện trường.

Bảng 2 - Các thiết bị đo lường cầm tay có thể sử dụng trong quá trình kiểm toán

Điện động lực

Nhiệt độ

Áp suất / Khí nén

Data Loggers

Lưu lượng nước

- Vôn kế

- Ampe kế

- Công suất kế

- Bút thử điện

- Mega ôm kế đo cách điện

- Nhiệt kế thường

- Nhiệt kế hồng ngoại

- Camera hồng ngoại

- Manometer

- Áp kế

- Máy dò siêu âm

- Data Loggers truyền dữ liệu

- Các cảm biến

- Lưu lượng kế siêu âm

- Lưu lượng kế cơ/điện tử

4– Phân tích dữ liệu và đánh giá hệ thống: Có 2 nhiệm vụ quan trọng ở trong bước này là i) Phân tích đánh giá hệ thống quản lý và ii) Phân tích các chỉ tiêu tiêu thụ năng lượng.

Về quản lý, các tiêu chí cần quan tâm là chính sách, tổ chức bộ máy thực hiện các hoạt động trên thực tế, thiết bị đo lường kiểm soát và đầu tư. Một ví dụ gợi ý xem Bảng 2 dưới đây.

Bảng 3 - Ma trận mức độ quản lý năng lượng

Tiêu chí	Nội dung chi tiết (Được đánh giá bằng các mức độ từ 1 đến 4, trong đó Mức 4 là "Tốt nhất” và Mức 1 là "Kém nhất”)
Chính sách năng lượng	Ban hành chính sách Năng lượng, có mục tiêu và cam kết? Có nhận thức trong các cấp lãnh đạo?
Tổ chức thực hiện	Quản lý năng lượng được tích hợp đầy đủ trong tất cả khâu trên dây chuyền xử lý nước thải? Có phân công trách nhiệm rõ ràng?
Hoạt động trên thực tế	Kế hoạch được định kỳ xem xét và có đề xuất các biện pháp cải thiện? Có đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng, về ký thuật và về tài chính?
Thiết bị đo lường kiểm soát hiện hữu	Có đầy đủ các thiết bị đo lường kiểm soát / công cụ ghi chép điện năng trên từng khâu và trên hệ thống?
Đầu tư sửa chữa, trang bị mới	Có sẵn sàng áp dụng các giải pháp mới, có ngân sách để đầu tư mới, sửa chữa, thay thế?

Về các chỉ tiêu tiêu thụ năng lượng, bằng các bảng biểu và biểu đồ sẽ tiến hành tính toán, đánh giá tiêu hao năng lượng cho từng thiết bị, từng hạng mục công trình và cho toàn bộ hệ thống xử lý nước thải, nếu có yêu cầu. Bảng 4 là ví dụ một mẫu biẻu thống kê sử dụng năng lượng.

Bảng 4- Mẫu biểu thống kê sử dụng năng lượng

Thiết bị	Công suất danh định (KW)	Các đặc tính kỹ thuật khác (lưu lượng, số vòng quay, hiệu suất, khả năng điều tốc…)	Số giờ hoạt động thực tế (h/năm)	Hê số sử dụng (Lớn hoặc nhỏ hơn 1.0)	Điện năng tiêu thụ từng thiết bị (KWh/ năm)
Máy bơm nước thải
Máy thổi khí
Máy khuẩy trộn
Máy bơm bùn
Chiếu sáng
Máy thông gió
Định lượng hóa chất
Thiết bị khác…
Tổng điện năng tiêu thụ của toàn hệ thống (KWh/năm): ………………………
Tổng lượng nước thải được xử lý (m3/năm): ………………………
Tiêu thụ điện cho 1 m3 nước thải được xử lý (KW/m3): ………………………

5 – Đề xuất các cơ hội tiết kiệm năng lượng và các vấn đề cần khắc phục: Về mặt kỹ thuật, dưới đây là một số gợi ý biện pháp cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng cho một dây chuyền xử lý nước thải (Bảng 5).

Bảng 5 – Các giải pháp kỹ thuật có thể áp dụng để tiết kiệm điện tiêu thụ

Các thiết bị	Biện pháp xem xét
Máy thổi khí	Lắp đặt thiết bị biến tần điều chỉnh vòng quay mô tơ để có thể tùy biến lưu lượng hoặc khí;
Kiểm soát hàm lượng ô xy hòa tan	Lắp đặt các máy đo nồng độ ô xy hòa tan (DO) để kiểm soát bể sục khí
Bơm nước thải	Định kỳ kiểm tra hiệu suất của máy bơm, kiểm tra đặc tuyến công tác, thay máy mới có hiệu suất cao hơn hoặc máy có đặc tuyến phù hợp; Lập các chế độ vận hành bơm theo giờ hợp lý;
Hệ thống cấp điện động lực	Vận hành các máy phát điện bổ sung để giảm bớt tiêu thụ và lêch pha từ điện lưới trong các giờ cao điểm; Lắp các tụ bù
Kiểm soát phụ tải	Lắp đầy đủ các đồng hồ đo điện cho các phụ tải
Các mô tơ điện khác	Thay thế các mô tơ ngoại cỡ đang dư thừa công suất bằng các mô tơ có công suất phù hợp hơn; Lắp đặt bổ sung máy biến tần nếu cần
Hệ thống đo lường điều khiển	Lắp đặt SCADA, PLC (Bộ lập trình logic), bổ sung các thiết bị đo lường, tăng cường các giải pháp tự động hóa để tối ưu chế độ vận hành

Các giải pháp kỹ thuật nói trên cần phải chứng minh được hiệu quả kinh tế nếu đầu tư nâng cấp, bao gồm các chỉ tiêu như thời gian hoàn vốn, giá trị ròng thực tại và tỷ suất quay vòng nội bộ. Dưới đây trình bày một ví dụ để tính hiệu quả kinh tế cho một giải pháp tiết kiệm năng lượng, cho một trường hợp thay thế một thiết bị có giá trị 100 tr.VND và sẽ giúp tiết kiệm được một khoản tiền điện là 40tr. VND hàng năm.

Thời gian hoàn vốn: Ở đây chúng ta nói đến thời gian hoàn vốn đơn giản áp dụng cho các khoản đầu tư mua sắm thiết bị đơn lẻ, còn đối với một dự án đầu tư lớn thì có nhiều yếu tố phức tạp hơn. Theo ví dụ nói trên, thời gian hoàn vốn sơ bộ của thiết bị sẽ là: 100tr. VND/ 40tr. VND = 2,5 năm.

Giá trị ròng hiện tại (Net Present Value): NPR về bản chất là nói về giá trị đồng tiền tính theo thời gian khai thác thiết bị. Ví dụ mức chiết khấu r=15%/năm và nếu mỗi năm tiết kiệm được 40 tr.VND thì sau 1 năm đầu tiên: Giá trị hiện tại (năm thứ 1) = 40.000.000 / (1+ 0.15) = 34.784.000 VND. Nếu tiền tiết kiệm tính cho 5 năm thì: giá trị hiện tại (năm thứ 5) = 40.000.000 / (1+ 0.15)n = 40.000.000 / (1 + 0.15) 5 = 19.887.000 VND. Bằng cách tính này có thể lập bảng tính Giá trị ròng hiện tại NPV cho 5 năm đầu tiên như sau:

Bảng 6 – Ví dụ tính NPV

Bảng tính trên cho thấy NPV có giá trị "dương” ngay từ sau năm thứ 3, về mặt tài chính như vậy là khả thi và khoản đầu tư này nên được thực hiện. Thực tế cho thấy, các thiết bị cơ điện khi được thay thế bằng loại công nghệ chế tạo mới, tiêu thụ điện ít hơn và hiệu suất cao hơn, giúp tiết kiệm chi phí vận hành với thời gian hoàn vốn khá nhanh. Nếu so sánh với với hạng mục đầu tư xây dựng cơ bản khác thì đầu tư về thiết bị điện chế tạo có rất nhiều ưu điểm trong một nhà máy xử lý nước thải.

Nguyễn Trọng Dương

Viện NC CTN và MT, Hội CTN VN

Nguyễn Hồng Đăng

Trường ĐH TNMT Hà Nội

Tài liệu tham khảo

- Wastewater Engineering, Metcalf & Eddy, 2003

- Water & Wastewater Energy Management – Handbook. NySerda, 2010

- Energy Audit Hanbook, SEAI, 2011

- A primer on Energy Efficiency for Municipal Water and Wastewater Utility. ESMAP, 2012

quản lý năng lượng mạng lưới thoát nước thoát nước xử lý nước thải

Các tin khác

Biến thân cây thanh long thành màng bọc thực phẩm thế hệ mới

Từ thân cây thanh long, một loại thực vật phổ biến của Việt Nam, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một loại màng mỏng chitosan làm bao bì đóng gói với đặc tính kháng khuẩn vượt trội.

Tiềm năng của thảm cỏ biển Việt Nam trong hấp thụ carbon

Theo ước tính, tổng trữ lượng carbon hữu cơ của các thảm cỏ biển ở Việt Nam đạt hơn 878 nghìn tấn, tương ứng với khoảng 3,2 triệu tấn CO2 hoặc 3,2 triệu tín chỉ carbon, có giá trị lên tới hơn 64 triệu USD trên thị trường.

Đánh giá hiệu quả xử lý rơm trên đồng ruộng tới một số tính chất đất trong canh tác lúa hiện nay

Hiện nay, cầu lương thực của cả nước nói chung và Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) nói riêng ngày càng tăng. Trồng lúa ba vụ/năm đã giúp cho sản lượng lúa tăng lên đến 14-16 tấn/ha/năm, bù đắp được lượng lúa bị giảm do đất trồng lúa bị sử dụng vào mục đích khác (Nguyễn Bảo Vệ, 2010).

Việt Nam làm chủ công nghệ hấp khử trùng rác thải y tế

Hệ thống xử lý rác thải y tế bằng công nghệ hấp nhiệt ướt có thể đáp ứng nhu cầu cho các bệnh viện tự xử lý hay các mô hình tập trung từ 0,5 - 1 tấn và 2 - 10 tấn/ngày tùy quy mô.