MỞ ĐẦU Quá trình đô thị hóa, hiện đại hóa cùng với việc tăng trưởng kinh tế nhanh chóng với số lượng các ngành sản xuất kinh doanh, các khu công nghiệp và dịch vụ đô thị ngày càng pháp triển đã tạo ra dòng di cư từ nông thôn ra thành thị. Phát triển kinh tế và đô thị hóa một mặt tạo ra hàng triệu việc làm cho người lao động, tuy nhiên mặt khác cũng tạo nên sức ép đối với môi trường, làm tăng lượng chất thải rắn phát sinh, đặc biệt là chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH). Tại các đô thị chiếm đến hơn 50% tổng lượng CTRSH của cả nước, tăng từ 32.000 tấn/ngày năm 2014 lên 35.624 tấn/ngày trong năm 2019 [1]. Việc tận dụng các nguồn thải phát sinh từ các ngành công nghiệp để tái chế làm nguyên liệu đầu vào cho các ngành công nghiệp khác đang được thế giới và Việt Nam quan tâm.
Trong đó việc tái chế chất thải công nghiệp và chất thải sinh hoạt để làm vật liệu xây dựng là một giải pháp giảm ô nhiễm môi trường tạo ra giá trị kinh tế cho lĩnh vực xây dựng. Chất thải rắn sinh hoạt được thải ra từ các hoạt động kinh doanh và thương mại, dịch vụ, chợ dân sinh, trường học, từ các công trình xây dựng và các hoạt động cộng đồng. Với mức sống ngày một tăng cao là một trong những nguyên nhân chính làm gia tăng lượng rác thải.000 tấn chất thải rắn được tạo ra hàng ngày tại các trung tâm đô thị [2]. Theo kết quả báo cáo hiện trạng môi trường Quốc gia, ở Việt Nam về chất thải rắn năm 2017 cho thấy lượng chất thải rắn sinh hoạt ở các đô thị phát sinh trên toàn quốc tăng trung bình 10 - 16%, trong tổng số chất thải rắn thải ra tại các đô thị thì chất thải rắn sinh hoạt chiếm tới 60 - 70% [3].
Chất thải rắn nếu không được xử lý phù hợp, đúng cách sẽ gây ra ô nhiễm môi trường không khí (mùi và các khí khác như CH4, H2S, NH3, các chất hữu cơ dễ bay hơi,…), môi trường nước (tắc nghẽn sông, hồ, lan truyền dịch bệnh, ảnh hưởng tới sinh vật thuỷ sinh, thay đổi thành phần các chất có trong nước,…), đất (thay đổi thành phần tính chất của đất, giảm độ phì nhiêu, làm cho đất bị chua,…) và ảnh hưởng tới sức khỏe con người. Ở các quốc gia phát triển chất thải rắn được phân loại tại nguồn và thực hiện nghiêm ngặt theo nguyên tắc 3RVE (giảm thiểu, sử dụng lại, tái sinh và 2 tái chế). Công nghệ xử lý chất thải rắn chính ở các quốc gia này là làm phân bón, tạo năng lượng (như khí sinh học, tạo nguyên nhiên liệu đốt)[i]. Tuy nhiên ở các quốc gia đang phát triển như Việt Nam việc phân loại chất thải tại nguồn còn nhiều hạn chế, kinh phí dành cho xử lý chất thải rắn không cao nên phương pháp thường sử dụng là chôn lấp, san lấp các chỗ trũng, thiêu đốt không thu năng lượng, làm phân bón.
Tuy nhiên, quỹ đất sử dụng để chôn lấp ở Việt Nam ngày càng hạn hẹp, nên việc xử lý chất thải rắn sinh hoạt bằng phương pháp thiêu đốt đang có xu hướng được áp dụng phổ biến tại nhiều tỉnh thành trong cả nước. Đốt rác là phản ứng hóa học mà trong đó carbon, hydrogen, và các nguyên tố khác có trong rác kết hợp với oxy để tạo một số sản phẩm oxy hoá hoàn toàn và sinh nhiệt. Lợi ích của xử lý rác bằng công nghệ đốt: giảm thể tích rác chôn lấp; thu hồi năng lượng để sản xuất điện; giảm phát sinh nước rác và khí bãi rác. Bất lợi của việc đốt rác: chi phí đầu tư và bảo trì lớn; đòi hỏi rác có nhiệt trị cao, gây tác động thứ cấp đến môi trường do khí thải và tro xỉ sau đốt.
Ở một khía cạnh khác, trong bối cảnh nguồn năng lượng không tái tạo có sẵn thấp cùng với yêu cầu về năng lượng lớn đối với vật liệu xây dựng như xi măng, việc tái sử dụng chất thải công nghiệp có ý nghĩa hết sức quan trọng. Các nước tiến hành nghiên cứu sử dụng phế thải công nghiệp như bột thủy tinh, tro bay, xỉ lò cao, tro đáy, xỉ thép v. trong bê tông geopolyme để tăng cường độ của bê tông geopolyme. Nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu sử dụng các nguồn chất thải công nghiệp để chế tạo geopolyme nhằm làm vật liệu xây dựng góp phần cải thiện môi trường và mang lại hiệu quả kinh tế cho xã hội.
Hiện nay, tại Việt Nam chưa có các quy định cụ thể về phương thức quản lý cũng như việc nghiên cứu xác định thành phần và tính chất của loại tro xỉ sau khi đốt rác thải sinh hoạt. Bởi vậy trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tiến hành khảo sát các điều kiện thích hợp để xử lý tro xỉ, bước đầu đề xuất phương án để nghiên cứu điều kiện chế tạo geopolyme từ xỉ lò cao, góp phần vào phát triển kinh tế bền vững, giữ gìn cuộc sống xanh sạch đẹp. 3 Geopolymer là vật liệu xi măng aluminosilicat vô định hình có các đặc tính tương tự như các chất khoáng tự nhiên dựa trên silicat và aluminosilicat. Các vật liệu được tạo ra trên cơ sở geopolymer như bê tông geopolymer có độ bền cơ học và khả năng chống cháy, chống chịu với môi trường cao hơn bê tông thường.
Nghiên cứu sử dụng phế thải công nghiệp như tro bay, xỉ lò cao, xỉ lò đốt rác thải sinh hoạt, tro đáy lò, xỉ thép, bột thủy tinh để làm vật liệu xây dựng như bê tông, gạch không nung, vật liệu chống cháy đang được áp dụng phổ biến hơn. Do đó, việc chế tạo vật liệu geopolymer từ tro xỉ- xỉ lò cao là một phương án đầy tiềm năng trong tương lai. Từ những lý do trên, đề tài “Nghiên cứu xử lý tro xỉ lò đốt rác thải sinh hoạt - xỉ lò cao thành geopolymer” được thực hiện với mong muốn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra một loại vật liệu có giá trị kinh tế cho lĩnh vực xây dựng Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của nghiên cứu này là nắm được quy trình công nghệ sử dụng tro xỉ lò đốt rác thải sinh hoạt và xỉ lò cao chế tạo thành vật liệu Geopolymer. Từ cơ sở đó đánh giá được độ thôi nhiễm hàm lượng kim loại nặng của vật liệu ra ngoài môi trường, đặc trưng tính chất và phần nào khả năng ứng dụng của geopolyme chế tạo được.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu geopolymer tổng hợp từ tro xỉ lò đốt rác thải sinh hoạt tại Đồng Văn, Hà Nam và xỉ lò cao nhà máy luyện thép tại Tằng Loỏng, Lào Cai. - Phạm vi nghiên cứu: trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu, phân tích, đánh giá thành phần hóa học của các nguồn mẫu thải (lấy ở Hà Nam và Khu Công nghiệp Tằng Loỏng Lào Cai) làm nguyên liệu cung cấp cho quá trình chế tạo geopolymer. - Nghiên cứu điều kiện chế tạo geopolymer trên nền xỉ lò cao - xỉ đốt rác bằng dung dịch kiềm hoạt hóa.
4 - Nghiên cứu đánh giá độ thôi nhiễm hàm lượng kim loại nặng của geopolymer chế tạo. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn - Xác định được tính chất hoá lý của tro xỉ thải lò đốt rác thải và xỉ lò cao nhà máy luyện thép. - Xác định được một số điều kiện tối ưu để chế tạo vật liệu geopolymer từ tro xỉ và xỉ lò cao. - Xác định được độ thôi nhiễm hàm lượng kim loại nặng của vật liệu geopolymer, từ đó đánh giá mức độ ảnh hưởng của vật liệu tới môi trường.
Tính thực tiễn của đề tài: Sản phẩm của vật liệu geopolymer trên nền tro xỉ lò đốt rác và xỉ lò cao được đề tài định hướng quan tâm là tạo ra bê tông geopolymer có dải cường độ rộng sử dụng cho mục đích (đường nông thôn, đường cao tốc, các cấu kiện đúc sẵn như đường ống các loại, chắn sóng kè đê biển.) dựa trên cơ sở của geopolymer chịu được môi trường xâm thực, sufat, nước biển. TỔNG QUAN VỀ CHẤT THẢI RẮN 1. Hiện trạng phát thải và xử lý rác thải sinh hoạt trong và ngoài nước Chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) là chất thải rắn sinh ra từ các khu nhà ở (biệt thự, hộ gia đình riêng lẻ, chung cư…), khu thương mại dịch vụ (cửa hàng, nhà hàng, chợ, siêu thị, văn phòng, khách sạn, nhà nghỉ, trạm dịch vụ, cửa hàng sửa xe…), cơ quan (trường học, viện nghiên cứu, bệnh viện, ủy ban nhân dân…), công sở và khu vực công cộng, dịch vụ công cộng và các hoạt động sinh hoạt của cơ sở sản xuất. Ngoài các thành phần chủ yếu là các thành phần hữu cơ (chất thải thực phẩm, giấy, vải, bìa cac tong, rác vườn…) và vô cơ (nhựa, cao su, kim loại…), chất thải sinh hoạt còn có thể lẫn các chất thải khác như chất thải điện tử, chất thải có thể tích lớn, pin, dầu thải… 1.
Hiện trạng phát thải và xử lý rác thải trên thế giới Rác thải là vấn nạn ô nhiễm trên thế giới từ những quốc gia phát triển như Mỹ, Nga, Nhật Bản, … cho đến những quốc gia kém phát triển như các của thuộc khu vực châu Á, châu Phi. Sự ô nhiễm ở một vài thành phố của các quốc gia trên thế giới xuất phát từ nhiều nguyên nhân, trong đó ý thức con người giữ vai trò khá quan trọng. Cùng với quá trình đô thị hóa và sự bùng nổ dân số gia tăng thì rác thải trở thành vấn đề môi trường toàn cầu. Tại diễn đàn kinh tế thế giới năm 2017 tại Thụy Sỹ, đại diện các quốc gia đã đưa ra giải pháp cho vấn đề ô nhiễm rác thải.
Quản lý chất thải kém thể hiện ở các quốc gia kém phát triển, quốc gia có thu nhập thấp, nơi có tỷ lệ thu gom rác thường dưới 50% đang là mối đe dọa đến quốc gia đó. Rác thải không được thu gom, thải dọc bờ sông, ao hồ, khói dày đặc từ việc đốt rác, chất thải độc hại, hơi cay, ruồi muỗi và các loại gặm nhấm tràn lan là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường. 6 Ngoài ra sự ô nhiễm ở các thành phố lớn là do sự tăng dân số cơ học đấn đến quá tải đối với hệ thống quản lý. Theo nghiên cứu của Ngân hàng thế giới, tỷ lệ phát sinh CTR sinh hoạt trung bình toàn cầu khoảng 0,74 kg/người/ngày, trong đó ở quốc gia thấp nhất là 0,11 kg/người/ngày, cao nhất là 4,54 kg/người/ngày.