Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Hydrothermal Carbonization Xử Lý Bùn Và Rác Thải Nhà Bếp Nhằm Thu Hồi Năng Lượng Và Tài Nguyên

• Tác giả: Truong Quoc Dai
• Người hướng dẫn: Associate Prof. Cao The Ha
• Trường học: Vietnam National University, Ha Noi Vietnam Japan University
• Chuyên ngành: Environmental Engineering
• Đề tài: Co-Hydrothermal Carbonization Of Sludge And Kitchen Waste For Energy And Resource Recovery
• Loại tài liệu: Master’s thesis
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hanoi

• COMMITMENT
• ACKNOWLEDGMENTS
• 2. CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. Municipals solid waste in the world and in Vietnam
• 2.2. Environmental concerns and potential use of sludge
• 2.3. Environmental issues and potential use of kitchen waste
• 2.4. Municipal solid waste treatment technologies
• 2.5. Technologies for energy and nutrient recovery from sludge and kitchen waste
• 2.6. Combination of AD and HTC
• 2.7. Crystallization of MAP (struvite)
• 3. CHAPTER 3: MATERIALS AND METHODS
• 3.1. Co-hydrothermal carbonization of sewage sludge and kitchen waste
• 3.2. Determination of composition and energy properties of raw materials and synthesized hydrochars
• 3.3. Crystallization and characterization of MAP from HTC process water
• 3.4. Measurement and calculation methods
• 3.5. High Heating Value (HHV)
• 3.6. Environmental parameter analysis
• 3.7. Chemical Oxygen Demand (COD)
• 3.8. Statical data analysis
• 4. CHAPTER 4: RESULTS AND DISCUSSION
• 4.1. Energy potential of hydrochar
• 4.2. Characteristics of hydrochar
• 4.3. Energy potential of hydrochar
• 4.4. Nutrient recovery from HTC process water
• 4.5. Characteristics of HTC process water
• 4.6. Economic feasibility study of energy and nutrient recovery – a case study
• 4.7. Technical economic analysis (TEC)
• 5. CHAPTER 5: CONCLUSION AND RECOMMENDATION

I. Giới thiệu chung

Luận văn tập trung vào Hydrothermal Carbonization (HTC) như một công nghệ xử lý bùn thải và rác thải nhà bếp nhằm thu hồi năng lượng và tài nguyên. Nghiên cứu này nằm trong bối cảnh toàn cầu đang hướng tới nền kinh tế tuần hoàn, giảm thiểu chất thải và tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên. HTC được xem là một phương pháp hiệu quả để biến đổi chất thải hữu cơ thành hydrochar, một dạng nhiên liệu sinh khối có giá trị cao. Nghiên cứu cũng đề cập đến việc thu hồi chất dinh dưỡng từ nước thải của quá trình HTC, góp phần vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện trong bối cảnh gia tăng lượng chất thải đô thị và nhu cầu tìm kiếm các nguồn năng lượng tái tạo. Bùn thải và rác thải nhà bếp là hai nguồn chất thải phổ biến nhưng chưa được xử lý hiệu quả. HTC là một công nghệ xanh, giúp biến đổi chất thải thành năng lượng và tài nguyên, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

1.2. Ý nghĩa nghiên cứu

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo từ chất thải, đồng thời giải quyết các vấn đề kinh tế và môi trường liên quan đến xử lý chất thải. HTC không chỉ giúp thu hồi năng lượng từ hydrochar mà còn tận dụng các chất dinh dưỡng từ nước thải, góp phần vào việc tái sử dụng tài nguyên và bảo vệ môi trường.

II. Tổng quan tài liệu

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về hiện trạng xử lý bùn thải và rác thải nhà bếp trên thế giới và tại Việt Nam. Các công nghệ xử lý chất thải hiện có được phân tích, bao gồm cả ưu và nhược điểm. HTC được giới thiệu như một phương pháp tiên tiến, kết hợp với Anaerobic Digestion (AD) để tối ưu hóa việc thu hồi năng lượng và tài nguyên.

2.1. Hiện trạng xử lý chất thải

Trên thế giới, việc xử lý bùn thải và rác thải nhà bếp đang chuyển dần từ việc chôn lấp sang thu hồi tài nguyên. Các nước phát triển như Đức, Nhật Bản và Mỹ đã áp dụng các công nghệ tiên tiến như AD và HTC để tận dụng năng lượng và chất dinh dưỡng từ chất thải. Tại Việt Nam, việc xử lý chất thải vẫn còn nhiều hạn chế, chủ yếu dựa vào chôn lấp và đốt.

2.2. Công nghệ HTC và AD

HTC là quá trình biến đổi chất thải hữu cơ thành hydrochar trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao. Kết hợp với AD, quá trình này không chỉ tạo ra năng lượng mà còn thu hồi các chất dinh dưỡng như nitơ và phốt pho từ nước thải. Đây là một giải pháp toàn diện cho việc xử lý chất thải và phát triển bền vững.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp co-HTC để xử lý đồng thời bùn thải và rác thải nhà bếp. Các thí nghiệm được tiến hành để xác định thành phần và tính chất năng lượng của hydrochar, cũng như thu hồi chất dinh dưỡng từ nước thải. Các phương pháp đo lường và phân tích được áp dụng để đánh giá hiệu quả của quá trình.

3.1. Thí nghiệm co HTC

Các mẫu bùn thải và rác thải nhà bếp được xử lý trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao để tạo ra hydrochar. Thành phần và tính chất năng lượng của hydrochar được phân tích để đánh giá tiềm năng làm nhiên liệu.

3.2. Thu hồi chất dinh dưỡng

Nước thải từ quá trình HTC được xử lý để thu hồi các chất dinh dưỡng như nitơ và phốt pho. Các phương pháp kết tinh và phân tích được sử dụng để đánh giá hiệu quả của quá trình thu hồi.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy hydrochar có tiềm năng năng lượng cao, phù hợp để sử dụng làm nhiên liệu. Việc thu hồi chất dinh dưỡng từ nước thải cũng đạt hiệu quả cao, góp phần vào việc tái sử dụng tài nguyên. Nghiên cứu cũng đánh giá tính khả thi kinh tế của hệ thống xử lý kết hợp HTC và AD, cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế.

4.1. Tiềm năng năng lượng của hydrochar

Hydrochar được tạo ra từ bùn thải và rác thải nhà bếp có giá trị nhiệt lượng cao, tương đương với các loại nhiên liệu hóa thạch. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của hydrochar trong việc thay thế các nguồn năng lượng không tái tạo.

4.2. Tính khả thi kinh tế

Nghiên cứu đánh giá tính khả thi kinh tế của hệ thống xử lý kết hợp HTC và AD. Kết quả cho thấy hệ thống này không chỉ hiệu quả về mặt kỹ thuật mà còn có tiềm năng kinh tế cao, đặc biệt trong bối cảnh giá nhiên liệu hóa thạch ngày càng tăng.

V. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu kết luận rằng HTC là một công nghệ hiệu quả để xử lý bùn thải và rác thải nhà bếp, đồng thời thu hồi năng lượng và tài nguyên. Các khuyến nghị được đưa ra bao gồm việc tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quá trình và mở rộng ứng dụng thực tế của công nghệ này.

5.1. Kết luận

HTC không chỉ giúp xử lý hiệu quả bùn thải và rác thải nhà bếp mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị như hydrochar và chất dinh dưỡng. Đây là một giải pháp toàn diện cho việc quản lý chất thải và phát triển bền vững.

5.2. Khuyến nghị

Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa các thông số của quá trình HTC, đồng thời mở rộng ứng dụng thực tế của công nghệ này trong các hệ thống xử lý chất thải quy mô lớn.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh toàn cầu đang chuyển dịch mạnh mẽ sang nền kinh tế tuần hoàn nhằm giảm thiểu tác động môi trường và tăng cường sử dụng hiệu quả tài nguyên, việc xử lý và tái chế chất thải sinh hoạt, đặc biệt là bùn thải và rác thải nhà bếp, trở thành vấn đề cấp thiết. Tại Việt Nam, theo báo cáo của Ngân hàng Thế giới năm 2018, các nhà máy xử lý nước thải đô thị tạo ra khoảng 597 tấn bùn khô mỗi ngày, trong khi lượng rác thải sinh hoạt có thành phần hữu cơ chiếm tới hơn 50% trọng lượng. Tuy nhiên, công nghệ xử lý hiện nay còn nhiều hạn chế, dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường và lãng phí nguồn tài nguyên quý giá. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng công nghệ đồng thủy nhiệt cacbon hóa (co-HTC) để chuyển hóa bùn thải và rác thải nhà bếp thành hydrochar có giá trị năng lượng cao, đồng thời thu hồi dinh dưỡng từ nước thải quá trình HTC, hướng tới mô hình kinh tế tuần hoàn. Nghiên cứu được thực hiện tại Việt Nam trong giai đoạn 2020-2022, tập trung vào các mẫu bùn thải từ nhà máy xử lý nước thải VNPT và rác thải nhà bếp tại khu ký túc xá Đại học Quốc gia Hà Nội. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần phát triển nguồn năng lượng tái tạo mà còn giải quyết bài toán xử lý chất thải hiệu quả, giảm thiểu phát thải khí nhà kính và ô nhiễm môi trường, đồng thời nâng cao giá trị kinh tế từ chất thải sinh hoạt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: (1) Công nghệ thủy nhiệt cacbon hóa (Hydrothermal Carbonization - HTC), một quá trình nhiệt hóa ướt ở nhiệt độ 180-240°C dưới áp suất tự sinh, chuyển đổi chất hữu cơ thành hydrochar giàu cacbon có giá trị năng lượng cao; (2) Quá trình tiêu hóa kỵ khí (Anaerobic Digestion - AD), phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện thiếu oxy để tạo ra khí sinh học và chất thải ổn định. Ba khái niệm trọng tâm bao gồm: hydrochar (sản phẩm rắn của HTC), nước thải quá trình HTC (chứa các hợp chất hữu cơ và dinh dưỡng hòa tan), và kết tinh struvite (Magnesium Ammonium Phosphate - MAP) để thu hồi phốt pho và nitơ từ nước thải. Mô hình kết hợp HTC và AD được áp dụng nhằm tối ưu hóa thu hồi năng lượng và tài nguyên từ chất thải sinh hoạt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm bùn thải thu thập từ nhà máy xử lý nước thải VNPT (công suất 100 m³/ngày) và rác thải nhà bếp từ khu ký túc xá Đại học Quốc gia Hà Nội, với tỷ lệ hữu cơ chiếm trên 80%. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu đại diện theo thời gian và địa điểm, đảm bảo tính đa dạng và độ tin cậy. Thí nghiệm co-HTC được thực hiện với các tỷ lệ thể tích bùn thải và rác thải nhà bếp lần lượt là 1:0, 3:1, 1:1, 1:3, 0:1, ở nhiệt độ 200°C trong 2 và 4 giờ, mỗi thí nghiệm lặp lại 4 lần để đảm bảo tính chính xác. Phân tích thành phần vật lý, hóa học và năng lượng của hydrochar và nước thải quá trình được tiến hành theo tiêu chuẩn ASTM và TCVN, bao gồm đo độ ẩm, tro, chất bay hơi, giá trị nhiệt cao (HHV), tổng nitơ (TN), tổng phốt pho (TP), và nhu cầu oxy hóa học (COD). Phương pháp kết tinh MAP được thực hiện bằng thiết bị Jar test với các tỷ lệ mol Mg:NH4:PO4 khác nhau, điều chỉnh pH tối ưu để thu hồi dinh dưỡng. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong 24 tháng, kết hợp phân tích thống kê và đánh giá kinh tế kỹ thuật (TEC) nhằm xác định tính khả thi của hệ thống xử lý kết hợp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tính chất và năng lượng của hydrochar: Hydrochar thu được từ co-HTC có giá trị nhiệt cao (HHV) tăng từ khoảng 17 MJ/kg (nguyên liệu ban đầu) lên đến 23 MJ/kg khi tỷ lệ bùn thải và rác thải nhà bếp là 1:1, với hiệu suất thu hồi năng lượng đạt khoảng 75%. Tỷ lệ tro giảm từ 35% xuống còn 20%, trong khi hàm lượng cacbon cố định tăng lên 40%, cho thấy sự cải thiện đáng kể về chất lượng nhiên liệu.

2. Thành phần nước thải quá trình HTC: Nước thải chứa COD dao động từ 3.000 đến 7.000 mg/L, TN từ 150 đến 300 mg/L, và TP từ 50 đến 120 mg/L, tùy thuộc vào tỷ lệ phối trộn và thời gian phản ứng. Nồng độ các chất dinh dưỡng này cho thấy tiềm năng thu hồi cao, đặc biệt khi áp dụng kết tinh MAP.

3. Hiệu quả thu hồi MAP: Tỷ lệ thu hồi phốt pho qua kết tinh MAP đạt trên 85% khi tỷ lệ mol Mg:NH4:PO4 là 2:2:1 và pH được điều chỉnh trong khoảng 8.5-9.5. Kết tinh MAP giúp đồng thời loại bỏ nitơ và phốt pho, giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm môi trường do dư thừa dinh dưỡng.

4. Phân tích kinh tế kỹ thuật: Mô hình kết hợp HTC-AD cho thấy khả năng tiết kiệm năng lượng lên đến 30% so với xử lý riêng lẻ, với chi phí đầu tư ban đầu ước tính khoảng 1,2 triệu USD cho nhà máy công suất 100 tấn chất thải khô mỗi ngày. Lợi ích kinh tế từ việc sản xuất hydrochar và khí sinh học có thể hoàn vốn trong vòng 5-7 năm.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng giá trị nhiệt của hydrochar phản ánh hiệu quả của quá trình co-HTC trong việc chuyển hóa chất hữu cơ thành nhiên liệu rắn có năng lượng cao, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về xử lý chất thải ẩm. Nồng độ COD và dinh dưỡng cao trong nước thải quá trình HTC cho thấy sự hòa tan mạnh mẽ các hợp chất hữu cơ và khoáng chất, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thu hồi tài nguyên qua kết tinh MAP. So với các nghiên cứu trước đây, tỷ lệ thu hồi phốt pho và nitơ trong nghiên cứu này cao hơn khoảng 10%, nhờ tối ưu hóa tỷ lệ mol và điều kiện pH. Phân tích kinh tế kỹ thuật khẳng định tính khả thi của mô hình kết hợp, đồng thời góp phần giảm phát thải khí nhà kính và ô nhiễm môi trường. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh HHV hydrochar theo tỷ lệ phối trộn và thời gian, bảng phân tích thành phần nước thải và hiệu suất thu hồi MAP, cũng như biểu đồ chi phí và lợi ích kinh tế của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai mô hình co-HTC kết hợp AD tại các nhà máy xử lý nước thải đô thị: Tập trung vào các khu vực có lượng bùn thải và rác thải hữu cơ lớn như Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh, với mục tiêu nâng cao hiệu suất thu hồi năng lượng và dinh dưỡng trong vòng 3-5 năm.

2. Phát triển công nghệ kết tinh MAP quy mô công nghiệp: Áp dụng điều chỉnh pH và tỷ lệ mol Mg:NH4:PO4 tối ưu để thu hồi phốt pho và nitơ, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra phân bón sinh học chất lượng cao, thực hiện trong 2 năm tiếp theo.

3. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các đơn vị vận hành: Đảm bảo vận hành hiệu quả, an toàn và bền vững hệ thống HTC-AD, đồng thời nâng cao nhận thức về kinh tế tuần hoàn, triển khai liên tục trong 1-2 năm.

4. Xây dựng chính sách hỗ trợ và khuyến khích đầu tư: Bao gồm ưu đãi thuế, hỗ trợ tài chính và quy định pháp lý rõ ràng để thúc đẩy phát triển công nghệ xử lý chất thải tiên tiến, hoàn thiện trong vòng 3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Giúp xây dựng chiến lược phát triển bền vững, chính sách xử lý chất thải và thúc đẩy kinh tế tuần hoàn.

2. Các nhà nghiên cứu và chuyên gia công nghệ môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để phát triển và cải tiến công nghệ xử lý chất thải hữu cơ.

3. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực xử lý chất thải và năng lượng tái tạo: Hỗ trợ đánh giá tính khả thi và hiệu quả kinh tế của các dự án công nghệ mới.

4. Các tổ chức phi chính phủ và cộng đồng dân cư: Nâng cao nhận thức về quản lý chất thải, bảo vệ môi trường và sử dụng tài nguyên hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

1. Co-HTC là gì và ưu điểm so với công nghệ xử lý truyền thống?
   Co-HTC là quá trình thủy nhiệt cacbon hóa đồng thời bùn thải và rác thải hữu cơ ở nhiệt độ khoảng 200°C, giúp chuyển hóa chất thải ẩm thành hydrochar giàu năng lượng mà không cần sấy khô trước. Ưu điểm gồm tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải và thu hồi tài nguyên hiệu quả.

2. Hydrochar có thể sử dụng làm gì?
   Hydrochar có thể dùng làm nhiên liệu rắn thay thế than đá, nguyên liệu sản xuất phân bón, hoặc vật liệu hấp phụ trong xử lý môi trường, nhờ hàm lượng cacbon cao và tính ổn định.

3. Tại sao cần thu hồi phốt pho từ nước thải quá trình HTC?
   Phốt pho là nguyên tố thiết yếu cho nông nghiệp nhưng nguồn tài nguyên khoáng sản phốt pho hạn chế. Thu hồi phốt pho qua kết tinh MAP giúp tái sử dụng dinh dưỡng, giảm ô nhiễm nước và đóng góp vào kinh tế tuần hoàn.

4. Quá trình kết tinh MAP được thực hiện như thế nào?
   MAP được kết tinh bằng cách điều chỉnh pH và tỷ lệ mol Mg:NH4:PO4 trong nước thải quá trình HTC, tạo ra tinh thể struvite dễ thu hồi, đồng thời loại bỏ nitơ và phốt pho hiệu quả.

5. Mô hình kết hợp HTC và AD có lợi ích gì?
   Mô hình này tận dụng hydrochar làm nhiên liệu, sử dụng nước thải HTC cho quá trình tiêu hóa kỵ khí tạo khí sinh học, giảm chi phí năng lượng, tăng hiệu quả xử lý và thu hồi tài nguyên, đồng thời giảm phát thải khí nhà kính.

Kết luận

• Luận văn đã chứng minh hiệu quả của công nghệ co-HTC trong chuyển hóa bùn thải và rác thải nhà bếp thành hydrochar có giá trị năng lượng cao.
• Nước thải quá trình HTC chứa hàm lượng dinh dưỡng lớn, có thể thu hồi hiệu quả qua kết tinh MAP với tỷ lệ thu hồi phốt pho trên 85%.
• Mô hình kết hợp HTC và AD mang lại lợi ích kinh tế kỹ thuật rõ rệt, giảm chi phí vận hành và tăng hiệu quả thu hồi năng lượng.
• Nghiên cứu góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế tuần hoàn và xử lý chất thải bền vững tại Việt Nam trong giai đoạn 2020-2025.
• Khuyến nghị triển khai ứng dụng công nghệ tại các nhà máy xử lý nước thải đô thị và phát triển chính sách hỗ trợ phù hợp.

Hành động tiếp theo: Các nhà quản lý, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô công nghiệp, đồng thời hoàn thiện khung pháp lý và chính sách hỗ trợ để nhân rộng mô hình hiệu quả này.