Tổng quan nghiên cứu

Chất thải rắn y tế nguy hại là nguồn thải đặc thù mang nhiều mầm bệnh lây nhiễm, hóa chất độc hại và kim loại nặng, đe dọa nghiêm trọng đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng nếu không được xử lý triệt để. Theo thống kê của ngành tài nguyên môi trường, lượng chất thải nguy hại phát sinh trên toàn quốc ước tính khoảng 800.000 tấn mỗi năm. Riêng lĩnh vực y tế, mỗi ngày các cơ sở khám chữa bệnh trên toàn quốc thải ra từ 100 đến 140 tấn chất thải, trong đó có từ 16 đến 30 tấn là chất thải rắn y tế nguy hại. Tại thành phố Hà Nội, khối lượng chất thải y tế phát sinh hàng năm lên tới gần 5.000 tấn, tạo ra áp lực quản lý và xử lý vô cùng lớn.

Xí nghiệp xử lý chất thải y tế Tây Mỗ tại quận Nam Từ Liêm được thành lập từ năm 1999, giữ vai trò xử lý phần lớn lượng rác y tế nguy hại cho các bệnh viện trên địa bàn Thủ đô với mức tiếp nhận trung bình khoảng 5 tấn mỗi ngày. Trọng tâm của dây chuyền xử lý là lò đốt nhiệt phân DEMONEGO-125 có công suất thiết kế 125 kg rác một giờ. Tuy nhiên, sau hơn 15 năm vận hành liên tục, hệ thống thiết bị đã xuống cấp trầm trọng, định mức tiêu hao nhiên liệu dầu DO tăng từ 0,5 lít lên đến 1,2 lít cho mỗi kg rác, đồng thời phát sinh nhiều khí thải độc hại gây ô nhiễm thứ cấp.

Đề tài nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ tháng 10 năm 2014 đến tháng 10 năm 2016 tại Xí nghiệp xử lý rác thải y tế Tây Mỗ. Mục tiêu chính là đánh giá toàn diện hiện trạng công nghệ lò đốt, phân tích thành phần rác thải và xác định các thông số kỹ thuật cốt lõi. Từ đó, tác giả đề xuất hệ thống giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa nhằm cắt giảm trên 30% chi phí nhiên liệu, nâng cao hiệu suất xử lý và đảm bảo chất lượng khí thải đạt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 02:2012/BTNMT.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết nhiệt phân và đốt kiểm soát không khí hai cấp, kết hợp với lý thuyết truyền nhiệt nhiệt động học trong xử lý nhiệt chất thải. Quá trình nhiệt phân tại buồng sơ cấp diễn ra trong điều kiện thiếu oxy (cung cấp từ 10% đến 80% lượng không khí lý thuyết) ở dải nhiệt độ từ 700°C đến 850°C, giúp chuyển hóa chất thải rắn thành thể khí cháy và tro xỉ vô cơ mà không làm xáo trộn bụi. Tiếp theo, lý thuyết oxy hóa hoàn toàn được áp dụng tại buồng thứ cấp với lượng không khí cấp dư từ 110% đến 200% ở nhiệt độ từ 1.000°C đến 1.100°C nhằm bẻ gãy hoàn toàn các hợp chất hữu cơ độc hại, dioxin và furan.

Cùng với đó, mô hình cân bằng vật chất và phương trình phát thải lý thuyết của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US-EPA) được tích hợp để mô hình hóa sự hình thành khí độc dựa trên các nguyên tố hóa học. Năm khái niệm then chốt chi phối toàn bộ khung lý thuyết gồm: chất thải rắn y tế nguy hại, quá trình nhiệt phân sơ cấp, quá trình oxy hóa thứ cấp, thời gian lưu cháy khí thải và nhiệt trị riêng của từng nhóm rác thải.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu phối hợp chặt chẽ giữa thu thập số liệu thứ cấp từ 12 tháng vận hành năm 2015 của Xí nghiệp và khảo sát thực nghiệm chuyên sâu tại hiện trường trong 24 tháng (từ tháng 10 năm 2014 đến tháng 10 năm 2016). Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 10 mẻ đốt thực nghiệm độc lập để phân tích thành phần nguyên tố hóa học (C, H, O, N, S, độ ẩm, độ tro) và 5 đợt đốt ngẫu nhiên để đánh giá chi tiết chế độ nhiệt, lượng tro xỉ và phát thải.

Phương pháp lấy mẫu chất thải rắn tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn TCVN 9466:2012 bằng kỹ thuật chia tư đường chéo lấy mẫu đại diện từ các đống chất thải tiếp nhận. Mẫu khí thải ống khói được thu thập theo phương pháp đẳng động học isokinetic chuẩn US-EPA Method 23, trong khi mẫu nước dập bụi và xử lý khí được lấy ở độ sâu 20 đến 30 cm theo tiêu chuẩn TCVN 5999:1995.

Các chỉ tiêu phân tích gồm nồng độ bụi theo TCVN 5977:2009, lưu huỳnh đioxit theo TCVN 6750:2000, oxit nitơ theo TCVN 7172:2002 và nồng độ khí axit HCl, CO theo TCVN 7244:2003. Dữ liệu thực nghiệm được xử lý bằng phần mềm Microsoft Excel 2013 và phương pháp hồi quy đa biến. Lý do chọn phương pháp hồi quy thực nghiệm kết hợp quan trắc chuẩn hóa là nhằm lượng hóa chính xác mối quan hệ giữa thành phần hóa học của rác và hệ số phát thải khí thực tế, khắc phục triệt để sự sai lệch lớn khi chỉ tính toán lý thuyết đơn thuần trong bối cảnh rác y tế có thành phần biến động mạnh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, lượng chất thải y tế tiếp nhận tại xí nghiệp có sự biến động lớn theo mùa trong năm 2015, thấp nhất là tháng 2 với 197,9 tấn và đạt đỉnh vào tháng 6 với 250,62 tấn. Do khối lượng rác tăng cao trong khi chỉ có một lò đốt duy nhất, lò DEMONEGO-125 thường xuyên phải vận hành quá tải ở mức công suất 188,5 kg/h đến 230 kg/h, vượt từ 1,51 đến 1,84 lần so với công suất thiết kế danh định 125 kg/h.

Thứ hai, kết quả phân tích thành phần rác thải qua các quý cho thấy cơ cấu chất thải rất phức tạp: chất thải lây nhiễm không sắc nhọn chiếm tỷ trọng cao nhất 28%, chất thải tái chế chiếm 25%, vỏ chai thuốc và hóa chất chiếm 19%, chất thải giải phẫu chiếm 15% và chất thải có nguy cơ lây nhiễm cao chiếm 6%. Tỷ lệ hữu cơ và độ ẩm cao trong nhóm rác giải phẫu làm giảm nhiệt trị chung của khối rác đốt.

Thứ ba, khảo sát kỹ thuật cho thấy lò đốt bị suy giảm nghiêm trọng các thông số an toàn: nhiệt độ mặt ngoài vỏ lò đo được lên tới 90°C (vượt xa mức chuẩn dưới 60°C), nhiệt độ khí thải thoát ra môi trường lên tới 210°C (chuẩn dưới 180°C), thời gian lưu cháy tại buồng thứ cấp bị rút ngắn xuống 1,5 giây (không đạt yêu cầu tối thiểu 2,0 giây). Mức tiêu hao dầu DO thực tế lên tới 1,2 lít cho mỗi kg rác, tăng 140% so với thiết kế gốc 0,5 lít/kg do béc phun dầu bị nghẹt và hệ thống cấp gió sơ cấp ngừng hoạt động.

Thứ tư, qua 10 mẻ đốt thí nghiệm, tác giả đã xây dựng thành công bộ hệ số thực nghiệm nồng độ phát thải cho các khí NO2, SO2 và CO tương ứng với tỷ lệ hàm lượng các nguyên tố C, H, O, N, S, độ ẩm và tro xỉ trong rác thải y tế.

Thảo luận kết quả

Sự suy giảm hiệu suất xử lý của lò đốt DEMONEGO-125 xuất phát từ ba nguyên nhân kỹ thuật cốt lõi: lớp bông gốm bảo ôn và gạch sa mốt A của thành lò bị bong tróc sau 15 năm chịu nhiệt, vòi phun dầu Đ1, Đ2, Đ3 thường xuyên bị muội than bám tắc làm dầu không tơi xốp, và hiện tượng thủy tinh y tế nóng chảy kết tảng làm kẹt hệ thống xích tải tháo tro. Khi so sánh với tiêu chuẩn châu Âu và quy chuẩn QCVN 02:2012/BTNMT, việc thời gian lưu khí chỉ đạt 1,5 giây ở buồng thứ cấp làm gia tăng nguy cơ không phân hủy triệt để các khí độc và hợp chất thơm đa vòng.

Trong quá trình vận hành, dữ liệu biến động nhiệt độ giữa buồng sơ cấp (700°C đến 850°C) và buồng thứ cấp (950°C đến 1.050°C) cần được trực quan hóa thông qua biểu đồ quét nhiệt tự động liên tục theo thời gian thực kết hợp bảng cân bằng nhiệt - vật chất cho từng mẻ nạp. Cách biểu diễn này giúp kỹ thuật viên dễ dàng phát hiện điểm sụt nhiệt dưới 950°C để kịp thời điều chỉnh áp suất phun dầu và van cấp gió, ngăn ngừa phát thải khí ô nhiễm ra môi trường xung quanh.

Đề xuất và khuyến nghị

Để giải quyết triệt để các hạn chế của hệ thống đốt và nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp trọng tâm:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình phân loại và phối trộn rác trước khi nạp liệu. Thực hiện nghiêm ngặt tỷ lệ phối trộn 3:10, trong đó 3 kg chất thải giải phẫu hoặc cao su khó cháy được trộn đều với 10 kg chất thải y tế dễ cháy (bông băng, vải, giấy). Giải pháp này giúp ổn định nhiệt trị mẻ đốt, nâng nhiệt độ buồng sơ cấp lên dải 800°C đến 850°C một cách tự nhiên và giảm 20% lượng nhiên liệu mồi ban đầu, hoàn thành ngay trong quý 1 năm vận hành.

Thứ hai, cải tạo kết cấu cơ khí và hệ thống cấp nhiệt của lò đốt. Tiến hành bọc lại toàn bộ lớp bông gốm cách nhiệt dày 50 mm quanh thân lò để đưa nhiệt độ vỏ ngoài về dưới 60°C; thay mới béc phun tự động cho 3 mỏ đốt nhằm nâng hiệu quả sương hóa dầu DO; điều chỉnh tiết diện buồng đốt thứ cấp để kéo dài thời gian lưu khí đạt chuẩn tối thiểu 2,0 giây, mục tiêu hạ định mức dầu DO từ 1,2 lít/kg xuống còn 0,6 lít/kg trong vòng 6 tháng do đội ngũ kỹ thuật xí nghiệp trực tiếp thực hiện.

Thứ ba, lắp đặt hệ thống trao đổi nhiệt tận thu nhiệt thừa từ khói lò để sấy sơ bộ rác. Khí thải nóng ở nhiệt độ 400°C trước khi vào tháp hấp thụ sẽ truyền nhiệt qua ống trao đổi nhiệt để sấy giảm độ ẩm của rác thải từ mức 45% xuống dưới 20% trước khi đưa vào buồng đốt sơ cấp, giúp cắt giảm 15% năng lượng tiêu hao cho quá trình bay hơi nước.

Thứ tư, nâng cấp tháp xử lý khí ướt 2 cấp và nâng chiều cao ống khói từ 15 m lên 20 m bằng thép SUS 304 theo đúng thiết kế chuẩn. Toàn bộ nước thải dập bụi được thu gom về bể lắng, trung hòa pH và tuần hoàn tái sử dụng 100%, bảo đảm nước không xả tràn ra sông Nhuệ và khí thải đạt chuẩn QCVN 02:2012/BTNMT, do Công ty Môi trường Đô thị Hà Nội (URENCO) phê duyệt và cấp vốn trong giai đoạn 2016-2018.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang giá trị ứng dụng cao cho 4 nhóm đối tượng sau:

Nhóm cán bộ quản lý môi trường tại Sở Tài nguyên và Môi trường cùng các cơ quan ban ngành: Sử dụng tài liệu làm căn cứ khoa học để thẩm định quy hoạch xử lý chất thải rắn y tế, xây dựng định mức kinh tế kỹ thuật và thanh tra, giám sát phát thải khí lò đốt tại các cơ sở tập trung.

Ban lãnh đạo và tổ quản lý chất thải tại hơn 1.000 bệnh viện, trung tâm y tế trên cả nước: Ứng dụng mô hình phân loại rác tại nguồn và công thức phối trộn vật liệu để tối ưu hóa chi phí hợp đồng xử lý rác thải y tế lây nhiễm, hạn chế việc phát sinh chất thải nguy hại tràn lan.

Kỹ sư môi trường, kỹ sư nhiệt cơ khí tại các nhà máy xử lý chất thải công nghiệp và y tế: Tham khảo trực tiếp bản vẽ cải tạo buồng đốt, giải pháp bảo ôn vỏ lò, nguyên lý sấy tận thu nhiệt khói thải và quy trình bảo dưỡng béc phun dầu DO để vận hành lò đốt hai cấp đạt hiệu suất cao nhất.

Giảng viên, nghiên cứu viên và học viên cao học chuyên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường và Quản lý Đô thị: Sử dụng phương pháp xác định hệ số thực nghiệm theo phương trình nồng độ khí thải làm tài liệu giảng dạy, nghiên cứu mô hình hóa quá trình nhiệt phân chất thải nguy hại.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ đốt nhiệt phân hai cấp DEMONEGO-125 có ưu điểm gì vượt trội so với lò đốt thông thường?

Công nghệ này tách biệt quá trình nhiệt phân thiếu khí ở buồng sơ cấp (700°C đến 850°C) và đốt cháy hoàn toàn ở buồng thứ cấp (1.000°C đến 1.100°C). Nhờ vậy, lượng bụi cuốn theo khói giảm trên 60%, khí độc dioxin và furan bị phân hủy triệt để, đồng thời kéo dài tuổi thọ gạch chịu lửa samot A của thành lò.

Vì sao mức tiêu hao dầu DO của lò đốt tại Tây Mỗ tăng vọt từ 0,5 lít lên 1,2 lít cho mỗi kg rác?

Nguyên nhân chính do lớp vật liệu bảo ôn vỏ lò bị hỏng làm nhiệt độ vỏ ngoài lên tới 90°C, gây thất thoát nhiệt lớn. Đồng thời, hệ thống quạt cấp gió sơ cấp ngưng trệ và béc phun dầu bị đóng cặn muội than khiến nhiên liệu không cháy kiệt, dẫn đến mức tiêu hao dầu tăng tới 140%.

Việc lò đốt vận hành quá tải từ 1,51 đến 1,84 lần công suất thiết kế dẫn đến những hệ lụy kỹ thuật nào?

Vận hành ở mức 188,5 đến 230 kg/h so với thiết kế 125 kg/h làm rút ngắn thời gian lưu cháy ở buồng thứ cấp xuống còn 1,5 giây (dưới chuẩn 2,0 giây). Hậu quả là khí hữu cơ chưa cháy hết, nhiệt độ khí thải đầu ra tăng lên 210°C và làm gia tăng nồng độ khí độc phát tán ra môi trường.

Hệ số thực nghiệm từ 10 mẻ đốt thí nghiệm có ý nghĩa thực tiễn như thế nào trong vận hành?

Bộ hệ số này cho phép kỹ thuật viên tính toán trước nhiệt trị của mẻ rác và dự báo nồng độ các khí NO2, SO2, CO dựa trên tỷ lệ thành phần hóa học C, H, O, N, S. Từ đó, người vận hành chủ động điều chỉnh lượng rác nạp và oxy cấp để tối ưu hóa hiệu suất cháy.

Giải pháp tận thu nhiệt thừa khói lò để sấy rác mang lại lợi ích kinh tế và môi trường ra sao?

Giải pháp sử dụng nhiệt từ khói thải 400°C để hạ độ ẩm rác từ 45% xuống dưới 20% trước khi nạp lò. Điều này giúp cắt giảm 15% năng lượng tiêu hao cho buồng sơ cấp, tiết kiệm hàng trăm triệu đồng tiền dầu DO mỗi năm và hạn chế tối đa hiện tượng khói đen.

Kết luận

Đề tài đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu với 5 điểm nhấn trọng tâm:

  • Đánh giá toàn diện hiện trạng suy thoái kỹ thuật của lò đốt nhiệt phân DEMONEGO-125 sau 15 năm hoạt động tại Xí nghiệp xử lý rác thải y tế Tây Mỗ.
  • Định lượng chính xác mức quá tải vận hành từ 188,5 kg/h đến 230 kg/h (gấp 1,51 đến 1,84 lần công suất thiết kế) và mức tiêu hao nhiên liệu 1,2 lít dầu DO/kg rác.
  • Xây dựng thành công bộ hệ số thực nghiệm xác định nồng độ khí thải (NO2, SO2, CO) dựa trên phân tích thành phần nguyên tố C, H, O, N, S từ 10 mẻ đốt thực nghiệm.
  • Đề xuất hệ thống 4 giải pháp công nghệ đồng bộ: phân loại phối trộn tỷ lệ 3:10, phục hồi bảo ôn và cơ khí lò, tận thu nhiệt khói sấy rác và nâng chiều cao ống khói lên 20 m.
  • Thiết lập cơ sở khoa học vững chắc giúp đưa toàn bộ các chỉ tiêu phát thải của xí nghiệp đạt quy chuẩn QCVN 02:2012/BTNMT và tiết kiệm trên 30% chi phí vận hành.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là giải quyết hài hòa bài toán giữa hiệu quả kinh tế và an toàn môi trường cho các trạm xử lý chất thải y tế tập trung đã xuống cấp. Lộ trình triển khai các giải pháp được khuyến nghị thực hiện theo hai giai đoạn: hoàn thiện bảo ôn, mỏ đốt và phân loại rác trong 6 tháng đầu; lắp đặt bộ trao đổi nhiệt sấy rác và nâng cấp tháp xử lý khí trong giai đoạn 2016-2018. Các đơn vị quản lý môi trường và doanh nghiệp xử lý chất thải cần sớm áp dụng bộ giải pháp này nhằm nâng cao hiệu quả bảo vệ môi trường bền vững.