Quản lý năng lượng trong dây chuyền xử lý nước thải

Theo dõi MTĐT trên

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 cho 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 - tham khảo)

Kiểm toán năng lượng và 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: 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 tại 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 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

4-Phân tích dữ liệu và đánh giá hệ thống. Có 2 lĩnh vực 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 lĩnh vực quản lý, các tiêu chí cần quan tâm là chính sách, tổ chức thực hiện, các hoạt động trên thực tế, thiết bị đo lường kiểm soát và đầu tư, xem ví dụ gợi ý trong Bảng 2 dưới đây.  

Bảng 3-Ma trận mức độ quản lý năng lượng  

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 dưới đây là ví dụ mẫu biẻu thống kê sử dụng năng lượng.
 
Bảng 4-Thống kê sử dụng năng lượng (ví dụ)

5-Đề xuất các cơ hội tiết kiệm năng lượng và các vấn đề cần khắc phục: Về mặt kỹ thuật, sau 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 

Các giải pháp kỹ thuật nói trên phải chứng minh được hiệu quả kinh tế, bao gồm một số chỉ tiêu như thời gian hoàn vốn, giá trị ròng thực tại và hệ số quay vòng nội bộ. Dưới đây là một ví dụ để tính hiệu quả kinh tế cho một giải pháp tiết kiệm năng lượng: 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 (NPV) nói về giá trị đồng tiền theo thời gian. 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 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 5) = 40.000.000 / (1+ 0.15)n = 40.000.000 / (1 + 0.15) 5 = 19.887.000 VND. Bằng công thức này có thể lập bảng tính Giá trị ròng hiện tại NPV cho 5 năm như sau:

Bảng 6-Ví dụ tính NPV 

Bảng trên đã cho thấy NPV có giá trị “dương” ngay từ sau năm thứ 3, về mặt tài chính như vậy là khả thi. Thực tế cho thấy tại nhiều nhà máy xử lý nước thải, các thiết bị cơ điện khi được thay thế bằng loại mới, tiêu thụ điện ít hơn và có hiệu suất cao hơn. Các thiết bị này giúp tiết kiệm chi phí vận hành và có thời gian hoàn vốn khá nhanh, nếu so sánh với với hạng mục đầu tư xây dựng khác.   

Nguyễn Trọng Dương

Viện Nghiên cứu Cấp thoát nước và Môi trường

Hội Cấp thoát nước Việt Nam

Nguyễn Hồng Đăng

Trường Đại học Tài nguyên môi trường 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