Tổng quan nghiên cứu

Theo số liệu từ Bộ Y tế, tổng khối lượng chất thải rắn y tế phát sinh trên phạm vi toàn quốc dao động từ 100 đến 140 tấn mỗi ngày, trong đó có 16 đến 30 tấn thuộc danh mục chất thải nguy hại lây nhiễm cao. Riêng tại Hà Nội, lượng chất thải y tế phát sinh đạt khoảng 5.000 tấn mỗi năm do áp lực gia tăng mật độ giường bệnh lên mức 22 giường trên 1 vạn dân.

Xí nghiệp xử lý rác thải y tế Tây Mỗ (quận Nam Từ Liêm, Hà Nội) là đơn vị tập trung xử lý chất thải y tế nguy hại cho các bệnh viện lớn trên địa bàn thủ đô từ năm 1999. Doanh nghiệp vận hành hệ thống lò đốt nhiệt phân DEMONEGO-125 có công suất thiết kế 125 kg/giờ (tương đương năng lực xử lý chuẩn 63 tấn/tháng). Tuy nhiên, lượng rác tiếp nhận thực tế đạt trung bình 5 tấn/ngày (dao động từ 78,03 tấn đến 111,60 tấn/tháng trong năm 2015). Sau hơn 15 năm vận hành, thiết bị đã xuống cấp trầm trọng, công suất đốt thực tế vượt tải từ 151% đến 184% so với thiết kế, khiến lò tiêu tốn nhiều nhiên liệu và phát sinh khí thải độc hại gây ô nhiễm thứ cấp.

Mục tiêu của luận văn là khảo sát thực trạng công nghệ lò đốt DEMONEGO-125, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân và đề xuất giải pháp tối ưu hóa vận hành nhằm giảm phát thải độc hại. Nghiên cứu thực hiện tại Xí nghiệp Tây Mỗ từ tháng 10 năm 2014 đến tháng 10 năm 2016. Đề tài mang ý nghĩa thực tiễn quan trọng khi đặt mục tiêu hạ mức tiêu hao dầu DO từ 1,2 lít/kg xuống 0,5 lít/kg rác, nâng thời gian lưu khí đạt chuẩn trên 2,0 giây và đưa khí thải đạt Quy chuẩn quốc gia QCVN 02:2012/BTNMT.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết nhiệt phân kết hợp quá trình cháy oxy hóa đa vùng. Cơ chế xử lý nhiệt diễn ra qua hai giai đoạn: giai đoạn nhiệt phân thiếu khí tại buồng sơ cấp với lượng khí cấp bằng 10% đến 80% nhu cầu lý thuyết ở nhiệt độ 700°C đến 850°C để khí hóa rác thải; và giai đoạn oxy hóa hoàn toàn tại buồng thứ cấp với lượng không khí cấp dư từ 110% đến 200% ở nhiệt độ 950°C đến 1.100°C nhằm triệt tiêu các hợp chất hữu cơ bay hơi.

Đề tài áp dụng mô hình toán học dự báo phát sinh khí thải của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA, 2002) theo hàm số tương quan của các nguyên tố Cacbon, Hydro, Oxy, Nitơ và Lưu huỳnh. Các khái niệm chính bao gồm: nhiệt trị rác thải, thời gian lưu cháy khí thải (quy chuẩn từ 2,0 giây trở lên), ô nhiễm thứ cấp và hệ xúc tác khử DeNOx GC-4R phối hợp xúc tác oxy hóa CO mã hiệu GC-4O. Cơ sở pháp lý đối chiếu gồm Luật Bảo vệ môi trường 2014, Nghị định 38/2015/NĐ-CP, Thông tư 36/2015/TT-BTNMT và Quy chuẩn kỹ thuật QCVN 02:2012/BTNMT.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu triển khai phương pháp thu thập dữ liệu và lấy mẫu thực địa trên quy mô 10 mẻ đốt thực nghiệm cùng 5 đợt theo dõi ngẫu nhiên quy trình vận hành từ tháng 10/2014 đến tháng 10/2016. Mẫu chất thải rắn được thu thập theo Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9466:2012 bằng phương pháp chia tư góc đối diện để thu mẫu đại diện. Mẫu khí thải được lấy đẳng động học theo phương pháp EPA Method 23, và mẫu nước dập tro được lấy ở độ sâu 20 đến 30 cm theo TCVN 5999:1995.

Các phương pháp phân tích chỉ tiêu môi trường được lựa chọn để đánh giá độ chuẩn xác theo quy chuẩn: nồng độ bụi đo theo TCVN 5977:2009; nồng độ SO2 đo bằng sắc ký ion theo TCVN 6750:2000; nồng độ NOx đo bằng phương pháp trắc quang theo TCVN 7172:2002; nồng độ CO và HCl phân tích theo TCVN 7242:2003 và TCVN 7244:2003; kim loại nặng Chì, Cadimi, Thủy ngân xác định bằng quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS theo TCVN 7557:2005. Nhiệt độ buồng đốt được đo tự động qua hệ thống quét nhiệt đa điểm kết hợp phần mềm Microsoft Excel để xử lý thống kê.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, cơ cấu rác thải y tế tiếp nhận tại xí nghiệp gồm 5 nhóm: chất thải lây nhiễm không sắc nhọn chiếm 28%, chất thải tái chế chiếm 25%, vỏ chai lọ thuốc chiếm 19%, chất thải giải phẫu chiếm 15% và chất thải nguy cơ lây nhiễm cao chiếm 6%. Trong đó, thành phần chất hữu cơ có độ ẩm cao chiếm 51% và nhựa chiếm 10% tổng lượng rác.

Thứ hai, lò đốt DEMONEGO-125 vận hành trong tình trạng tiêu hao nhiên liệu vượt mức. Lượng dầu DO tiêu thụ thực tế lên đến 1,2 lít/kg rác, tăng 140% so với thiết kế gốc là 0,5 lít/kg. Điện năng tiêu thụ đạt mức 35 kWh. Nhiệt độ vỏ lò đo được lên tới 90°C (vượt ngưỡng an toàn dưới 60°C) và nhiệt độ khói thải thoát ra là 210°C (thiết kế dưới 180°C).

Thứ ba, các chỉ số kỹ thuật vận hành không đạt chuẩn thiết kế. Thời gian lưu cháy thực tế của buồng thứ cấp chỉ đạt 1,5 giây (thấp hơn yêu cầu quy chuẩn từ 2,0 giây trở lên). Trong năm 2015, lượng rác xử lý hàng tháng dao động từ 78,03 tấn đến 111,60 tấn, khiến công suất đốt thực tế bị đẩy lên 188,5 đến 230 kg/giờ, gấp 1,51 đến 1,84 lần công suất thiết kế 125 kg/giờ.

Thứ tư, từ kết quả 10 mẻ đốt thực nghiệm, đề tài đã tính toán được bộ hệ số thực nghiệm phản ánh mối quan hệ giữa hàm lượng các nguyên tố C, H, O, N, S với nồng độ phát sinh khí NO2, CO và SO2, xác nhận nhiệt độ buồng đốt và độ ẩm rác là hai yếu tố cốt lõi quyết định chất lượng khí thải.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng suy giảm hiệu suất là do rác y tế chưa được phân loại triệt để tại các bệnh viện nguồn. Việc rác hữu cơ có độ ẩm trên 50% cùng lượng vỏ chai thủy tinh chiếm 19% đi vào lò làm giảm nhiệt trị buồng sơ cấp; thủy tinh nóng chảy gây tắc nghẽn xích tải cào tro xỉ. Mặt khác, hệ thống cấp gió trực tiếp bị hỏng và béc phun dầu bị nghẽn làm giảm chất lượng phun sương nhiên liệu, buộc người vận hành phải tiêu tốn 1,2 lít dầu DO/kg để duy trì ngọn lửa.

So với tiêu chuẩn quốc tế yêu cầu thời gian lưu cháy khí thải tối thiểu 2,0 giây ở nhiệt độ trên 1.050°C, mức lưu cháy 1,5 giây của lò làm gia tăng nguy cơ phát tán khí độc chưa cháy hết. Để thể hiện rõ nét hiện trạng này, các dữ liệu có thể được mô tả trực quan qua biểu đồ cột so sánh số giờ vận hành thực tế (424 đến 592 giờ/tháng) với định mức kế hoạch 504 giờ/tháng, kết hợp biểu đồ đường biểu diễn sự tương quan giữa nhiệt độ buồng đốt và nồng độ khí thải sinh ra qua từng mẻ thử nghiệm.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa công đoạn phân loại và phối trộn rác trước khi đốt. Xí nghiệp cần phối hợp với các cơ sở y tế tách riêng 25% rác tái chế và bao bì thủy tinh ngay tại nguồn; thực hiện nạp liệu theo tỷ lệ phối trộn chuẩn 3:10 (kết hợp 3 kg chất thải khó cháy hoặc mô giải phẫu với 10 kg chất thải dễ cháy) để ổn định nhiệt trị buồng đốt. Thời gian triển khai trong 3 tháng đầu; chủ thể thực hiện là Tổ tiếp nhận và phân loại rác của xí nghiệp.

Thứ hai, lắp đặt hệ thống tận thu nhiệt khí thải để sấy rác sơ bộ. Thiết lập bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống tận dụng luồng khói thải 210°C để cấp khí nóng sấy rác hữu cơ trước khi đưa vào buồng sơ cấp, mục tiêu giảm độ ẩm rác từ trên 50% xuống dưới 20%. Giải pháp này giúp cắt giảm tiêu hao dầu DO từ 1,2 lít/kg xuống còn 0,5 đến 0,6 lít/kg rác; tiến độ thực hiện trong 6 tháng; do Phòng Kỹ thuật xí nghiệp chủ trì.

Thứ ba, cải tạo hệ thống mỏ đốt và lớp cách nhiệt thân lò. Thay mới cụm béc phun dầu của mỏ đốt buồng sơ cấp và thứ cấp, phục hồi hệ thống cấp gió điều khiển tự động nhằm nâng thời gian lưu cháy buồng thứ cấp lên tối thiểu 2,0 giây ở nhiệt độ 1.050°C đến 1.100°C; bổ sung lớp bông gốm cách nhiệt để hạ nhiệt độ vỏ ngoài từ 90°C xuống dưới 60°C. Hoàn thành trong quý 2 bởi Đội bảo trì cơ điện.

Thứ tư, nâng cấp quy trình kiểm soát hệ thống xử lý khí thải và nước thải dập tro. Tiến hành bảo dưỡng định kỳ reactor chứa xúc tác khử DeNOx GC-4R và oxy hóa GC-4O; duy trì bổ sung hóa chất kiềm tại tháp hấp thụ ướt 2 cấp nhằm đảm bảo 100% thông số khí thải đầu ra đạt quy chuẩn QCVN 02:2012/BTNMT; do Bộ phận Phân tích và Kiểm định môi trường thực hiện liên tục hàng quý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm cơ quan quản lý nhà nước (Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, Cục Quản lý Môi trường Y tế): Khai thác dữ liệu về lượng phát sinh 100 đến 140 tấn rác y tế/ngày và hiện trạng công nghệ lò đốt để hoàn thiện quy hoạch các khu xử lý chất thải nguy hại tập trung.

Nhóm doanh nghiệp xử lý môi trường đô thị (URENCO, CITENCO và các đơn vị vận hành lò đốt): Ứng dụng quy trình phối trộn tỷ lệ 3:10 và công thức tính nhiệt trị thực nghiệm nhằm tối ưu hóa chi phí dầu DO từ 1,2 lít/kg xuống 0,5 lít/kg cho các lò đốt nhiệt phân 2 cấp.

Nhóm ban quản lý kiểm soát nhiễm khuẩn tại các bệnh viện: Tham khảo số liệu thành phần rác thải để tái cấu trúc quy trình phân loại tại nguồn, loại bỏ 25% rác tái chế và bao bì thủy tinh ra khỏi luồng xử lý nhiệt nguy hại.

Nhóm giảng viên, học viên cao học và nhà nghiên cứu chuyên ngành Khoa học và Kỹ thuật Môi trường: Sử dụng hệ phương trình thực nghiệm EPA (2002) và chuỗi dữ liệu 10 mẻ đốt làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu về tối ưu hóa nhiệt phân chất thải rắn.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao lò đốt DEMONEGO-125 lại vận hành vượt tải từ 151% đến 184% công suất thiết kế? Lượng chất thải y tế phát sinh cần xử lý thực tế lên tới 5 tấn/ngày, vượt quá công suất thiết kế danh định 125 kg/giờ (tương đương 3 tấn/ngày). Tại các thời điểm cao điểm trong năm 2015 như tháng 3, lượng rác tiếp nhận đạt 111,60 tấn, buộc xí nghiệp phải vận hành lò với công suất thực tế từ 188,5 đến 230 kg/giờ để tránh ứ đọng rác thải lây nhiễm.

Lý do khiến lượng dầu DO tiêu hao thực tế tăng vọt lên 1,2 lít trên mỗi kilôgam rác là gì? Nguyên nhân do rác nạp có độ ẩm cao trên 50% nhưng không được sấy sơ bộ làm tụt nhiệt buồng đốt. Đồng thời, hệ thống béc phun dầu bị đóng cặn và quạt cấp khí bị hỏng làm giảm hiệu quả cháy, buộc công nhân phải tăng lượng phun dầu để duy trì nhiệt độ buồng đốt trên mức 700°C.

Tỷ lệ phối trộn nguyên liệu 3:10 mang lại hiệu quả kỹ thuật như thế nào? Việc phối trộn 3 kg chất thải khó cháy (mô phẫu thuật, cao su) với 10 kg chất thải dễ cháy (bông băng, gạc) giúp cân bằng nhiệt trị của mẻ rác. Giải pháp này giúp buồng sơ cấp duy trì ổn định nhiệt độ từ 700°C đến 850°C, tránh sốc nhiệt và hạn chế sinh khói đen.

Thời gian lưu cháy khí thải 1,5 giây gây ra nguy cơ môi trường gì? Quy chuẩn QCVN 02:2012/BTNMT quy định thời gian lưu cháy buồng thứ cấp phải đạt tối thiểu 2,0 giây ở nhiệt độ trên 1.050°C để bẻ gãy hoàn toàn các mạch vòng hữu cơ độc hại. Mức lưu cháy 1,5 giây khiến các khí CO và hydrocacbon chưa kịp phân hủy hoàn toàn, làm tăng nồng độ độc hại trong khí thải.

Mô hình dự báo khí thải của EPA (2002) được ứng dụng như thế nào trong đề tài? Qua 10 mẻ đốt thử nghiệm, tác giả đã phân tích thành phần các nguyên tố C, H, O, N, S để xác lập các hệ số thực nghiệm tương ứng. Mô hình giúp dự báo chính xác nồng độ các khí NO2, SO2 và xác định nhiệt trị cực đại của từng loại rác để điều tiết lượng không khí cấp.

Kết luận

  • Đánh giá chi tiết hiện trạng xuống cấp của lò đốt DEMONEGO-125 sau 15 năm hoạt động, làm rõ nguyên nhân tiêu hao dầu DO lên tới 1,2 lít/kg và công suất quá tải 184%.
  • Xác định cơ cấu 5 nhóm rác thải y tế tiếp nhận, chỉ ra thành phần hữu cơ chiếm 51% có độ ẩm cao là nguyên nhân chính gây tổn thất nhiệt năng.
  • Xây dựng thành công bộ hệ số thực nghiệm theo phương trình EPA (2002) qua 10 mẻ đốt thử nghiệm dựa trên hàm lượng các nguyên tố C, H, O, N, S.
  • Đề xuất gói giải pháp kỹ thuật gồm: phối trộn rác tỷ lệ 3:10, tận thu nhiệt khói thải 210°C để giảm độ ẩm rác xuống dưới 20%, và nâng thời gian lưu cháy buồng thứ cấp lên trên 2,0 giây.
  • Kiến nghị quy trình duy tu hệ thống xúc tác DeNOx GC-4R và tháp rửa ướt 2 cấp nhằm đảm bảo khí thải đạt 100% quy chuẩn QCVN 02:2012/BTNMT.

Trong giai đoạn 6 tháng tới, xí nghiệp cần tập trung cải tạo hệ thống sấy tận nhiệt và thay thế dàn béc phun dầu mỏ đốt. Các đơn vị xử lý chất thải y tế nguy hại hãy ứng dụng ngay mô hình phối trộn và thông số nhiệt phân từ luận văn để tối ưu hóa chi phí vận hành và bảo vệ môi trường.