Numerical model for estimating greenhouse gas emissions from pulp and paper industrial wastewater treatment systems in Vietnam

Abstract

At present, it is difficult and costly to measure directly greenhouse gas (GHG) emissions from the wastewater treatment system. Application of model will reduce measurement cost and quickly obtain the forecast data set of GHG emissions. This study developed a mathematical model for both steady and dynamic states to calculate GHG (CO2, CH4, and N2O) emissions from wastewater treatment systems for industrial paper processing. These models are constructed based on mass balance equations of species, including substrate balance equations, biomass balance equations for reactors of treatment systems, stoichiometric coefficiences of species in biochemical reactions and biological processes. The obtained equations were solved based on algorithm of Runge-Kutta and the model was programmed by MATLAB. Results of applying the model to calculate GHG emissions from the paper industrial wastewater treatment system at Bai Bang and Tan Mai plants are as follows: total GHG emissions and emission factor are 3,070.3 kgCO2-eq/day, 0.38 kgCO2-eq/m3, respectively for Bai Bang plant (8,000 m3/day) and 7,413.6 kgCO2-eq/day, 0.74 kgCO2-eq/m3, respectively for Tan Mai plant (10,000 m3/day). The research evaluated a number of influencing factors, such as temperature, flow rate of influent, and substrate concentrations, to GHG emissions at the Tan Mai paper plant. Hiện nay, việc đo đạc trực tiếp phát thải khí nhà kính (KNK) từ hệ thống xử lý nước thải còn khó khăn và tốn kém. Việc áp dụng mô hình sẽ giảm được chi phí đo đạc và nhanh chóng có được bộ số liệu dự báo một cách tương đối về phát thải KNK. Nghiên cứu đã thiết lập được mô hình toán ở trạng thái ổn định và trạng thái không ổn định để tính toán phát thải khí nhà kính (CO2, CH4, N2O) từ hệ thống xử lý nước thải sản xuất giấy. Các mô hình này dựa trên các phương trình cân bằng chất của các cấu tử bao gồm các phương trình cân bằng cơ chất, các phương trình cân bằng sinh khối trong các bể phản ứng và các hệ số tỷ lượng của các chất tham gia các phản ứng sinh hóa. Các phương trình được giải bằng thuật toán Runge-Kutta và mô hình được lập trình trên ngôn ngữ MATLAB. Mô hình được áp dụng tính toán phát thải khí nhà kính từ hệ thống xử lý nước thải tại nhà máy giấy Bãi Bằng và nhà máy giấy Tân Mai, được kết quả như sau: tổng phát thải khí nhà kính (KNK) và hệ số phát thải là 3.070,3 kg CO2-tđ/ngày, 0,38 kg CO2-tđ/m3 tại Nhà máy giấy Bãi Bằng (8.000 m3/ngày) và 7.413,6 kg CO2-tđ/ngày, 0,74 kg CO2-tđ/m3 nhà máy giấy Tân Mai (10.000 m3/ngày). Nghiên cứu đã đánh giá được một số các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ, lưu lượng nước thải và nồng độ cơ chất dòng vào đến sự phát thải KNK tại nhà máy giấy Tân Mai.