Tổng quan nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của mạng lưới khám chữa bệnh với tỷ lệ đạt 22 giường bệnh trên một vạn dân đã khiến khối lượng chất thải rắn y tế tại Việt Nam gia tăng đáng kể, dao động từ 100 đến 140 tấn mỗi ngày trên toàn quốc. Trong đó, lượng chất thải rắn y tế nguy hại chiếm từ 16 đến 30 tấn mỗi ngày, đòi hỏi các giải pháp xử lý nghiêm ngặt nhằm ngăn chặn nguy cơ lây nhiễm mầm bệnh và ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí.

Tại thủ đô Hà Nội, Xí nghiệp xử lý rác thải y tế Tây Mỗ thuộc quận Nam Từ Liêm đóng vai trò trọng yếu khi tiếp nhận xử lý trung bình khoảng 5 tấn rác thải y tế nguy hại mỗi ngày cho hơn 41 bệnh viện tuyến Trung ương và 40 bệnh viện thuộc Sở Y tế Hà Nội. Tuy nhiên, hệ thống lò đốt nhiệt phân hai cấp DEMONEGO-125 có công suất thiết kế 125 kg mỗi giờ được đưa vào vận hành từ năm 1999, trải qua hơn 15 năm hoạt động liên tục đã bộc lộ tình trạng xuống cấp nghiêm trọng, công nghệ lạc hậu, tiêu hao nhiều nhiên liệu và phát sinh khí thải độc hại vượt ngưỡng cho phép.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá toàn diện hiện trạng kỹ thuật của hệ thống lò đốt DEMONEGO-125, xác định các thông số động học và thành phần nguyên tố của rác thải y tế, từ đó xây dựng các giải pháp tối ưu hóa vận hành, kiểm soát nhiệt độ buồng đốt và giảm thiểu phát tán các chất ô nhiễm. Luận văn được thực hiện trên phạm vi diện tích 4 ha tại Xí nghiệp Tây Mỗ trong năm 2015. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn khi giúp giảm 50% mức tiêu hao dầu bổ trợ, nâng cao thời gian lưu cháy của khí thải đạt chuẩn trên 2,0 giây và đưa các chỉ tiêu phát thải khí về ngưỡng an toàn theo 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 nền tảng lý thuyết nhiệt phân và đốt cháy đa vùng đối với chất thải rắn nguy hại. Quá trình xử lý nhiệt diễn ra qua hai giai đoạn kế tiếp: giai đoạn nhiệt phân yếm khí hoặc thiếu oxy tại buồng sơ cấp ở nhiệt độ từ 700°C đến 850°C để khí hóa rác thải hữu cơ, tiếp nối bằng giai đoạn đốt cháy hoàn toàn các hydrocacbon bay hơi, khí CO và phân hủy triệt để hợp chất dioxin, furan tại buồng thứ cấp ở nhiệt độ từ 950°C đến 1.100°C.

Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp mô hình dự báo nồng độ khí thải thực nghiệm của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ phát triển năm 2002, mô tả mối tương quan toán học giữa hàm lượng các nguyên tố cơ bản Cacbon, Hydro, Oxy, Nitơ, Lưu huỳnh cùng độ ẩm và tro xỉ để ước tính tải lượng phát thải các khí NO2, SO2, CO, HCl. Ba khái niệm chuyên ngành then chốt được chuẩn hóa bao gồm: nhiệt trị rác thải, thời gian lưu cháy của khí tại buồng thứ cấp và tỷ lệ phối trộn tối ưu nhằm thiết lập chế độ cháy tự duy trì và hạn chế tối đa việc sử dụng dầu DO làm nhiên liệu đốt bổ trợ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp đồng bộ các phương pháp quan trắc thực địa, lấy mẫu và mô hình hóa toán học:

  • Quy mô chọn mẫu: Thực hiện lấy mẫu và phân tích thành phần chất thải rắn y tế trên 10 mẻ đốt thực nghiệm ngẫu nhiên đại diện cho các mùa trong năm 2015, thu thập tro xỉ từ 5 mẻ đốt độc lập và đo đạc liên tục các thông số khí thải, nước thải sau xử lý.
  • Phương pháp lấy mẫu: Áp dụng phương pháp chia tư hình học theo tiêu chuẩn TCVN 9466:2012 để thu nhận mẫu rác thải đồng nhất; lấy mẫu khí thải đẳng động học tại ống khói theo phương pháp EPA Method 23; lấy mẫu nước thải theo tiêu chuẩn TCVN 5999:1995 ở độ sâu từ 20 đến 30 cm tại hệ thống hấp thụ ướt.
  • Phương pháp phân tích và đo đạc: Xác định nồng độ bụi tổng bằng phương pháp thủ công theo TCVN 5977:2009; nồng độ SO2 bằng sắc ký ion theo TCVN 6750:2000; nồng độ NO2 bằng phương pháp trắc quang theo TCVN 7172:2002; đo đạc HCl theo TCVN 7244:2003; CO theo TCVN 7242:2003; xác định hàm lượng kim loại nặng thủy ngân, cadimi, chì bằng quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS theo bộ tiêu chuẩn TCVN 7557:2005. Nhiệt độ tại buồng sơ cấp, thứ cấp và ống khói được ghi nhận liên tục qua hệ thống cảm biến quét nhiệt tự động.
  • Lý do lựa chọn phương pháp: Việc kết hợp các phương pháp chuẩn hóa của Việt Nam và EPA Hoa Kỳ đảm bảo tính pháp lý, tính đại diện và độ chính xác cao khi đánh giá các chất ô nhiễm đặc thù từ rác thải y tế, tạo tiền đề vững chắc để so sánh trực tiếp với giới hạn quy định tại QCVN 02:2012/BTNMT.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích dữ liệu thực nghiệm tại Xí nghiệp xử lý rác thải y tế Tây Mỗ đã chỉ ra các đặc tính kỹ thuật và vận hành quan trọng:

Thứ nhất, thành phần chất thải y tế tiếp nhận có sự phân hóa phức tạp và độ ẩm cao. Trong tổng khối lượng rác tiếp nhận, nhóm chất thải lây nhiễm không sắc nhọn chiếm tỷ lệ cao nhất với 28%, nhóm chất thải có thể tái chế chiếm 25%, nhóm vỏ chai lọ và bao bì thuốc chiếm 19%, chất thải giải phẫu chiếm 15% và chất thải lây nhiễm nguy cơ cao chiếm 6%. Tỷ lệ chất hữu cơ tổng thể lên tới 51% đi kèm độ ẩm trung bình vượt trên 50%, khiến nhiệt trị tự nhiên của khối rác suy giảm đáng kể.

Thứ hai, hệ thống lò đốt luôn vận hành trong tình trạng quá tải nghiêm trọng so với công suất thiết kế. Vào tháng 2 năm 2015, lò đốt vận hành 424 giờ để xử lý 98,80 tấn rác, tương ứng công suất thực tế 230 kg mỗi giờ, gấp 1,84 lần công suất thiết kế 125 kg mỗi giờ. Vào tháng 3 năm 2015, khối lượng rác đạt đỉnh 111,60 tấn với 592 giờ vận hành, công suất đạt 188,5 kg mỗi giờ, vượt 1,51 lần giới hạn định mức của thiết bị.

Thứ ba, hiệu quả sử dụng năng lượng suy giảm và tổn thất nhiệt qua thành lò rất lớn. Do lớp gạch sa mốt và lớp bông gốm cách nhiệt bị nứt vỡ, nhiệt độ bề mặt vỏ ngoài lò đốt đo được lên tới 90°C, vượt xa mức yêu cầu dưới 60°C. Mức tiêu hao dầu DO thực tế tăng vọt lên 1,2 lít cho mỗi kg rác thải, gấp 2,4 lần so với mức thiết kế chuẩn 0,5 lít cho mỗi kg rác.

Thứ tư, các thông số động học cháy không đảm bảo quy chuẩn môi trường. Nhiệt độ buồng sơ cấp thực tế chỉ duy trì quanh mức 700°C, thời gian lưu khí tại buồng thứ cấp bị rút ngắn xuống còn 1,5 giây so với yêu cầu tối thiểu là 2,0 giây. Nhiệt độ khí thải phát tán ra môi trường đạt 210°C, cao hơn ngưỡng giới hạn quy định 180°C.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân gốc rễ của tình trạng hiệu suất thấp và phát thải ô nhiễm bắt nguồn từ sự kết hợp của việc phân loại không triệt để từ nguồn tại các cơ sở khám chữa bệnh và sự lão hóa thiết bị cơ khí. Khi rác thải hữu cơ có độ ẩm cao nạp trực tiếp vào lò mà không qua sấy sơ bộ, năng lượng từ mỏ đốt bị tiêu hao phần lớn cho việc bay hơi nước, khiến buồng sơ cấp không đạt được nhiệt độ nhiệt phân tối ưu từ 800°C đến 900°C. Tình trạng béc phun dầu bị đóng cặn làm dòng nhiên liệu không tơi xốp, kết hợp hệ thống quạt cấp gió sơ cấp và thứ cấp hoạt động gián đoạn đã dẫn đến quá trình cháy thiếu oxy cục bộ, sinh ra hàm lượng CO và muội than cao.

Các dữ liệu quan sát được minh chứng rõ nét khi biểu diễn sự biến thiên tải lượng rác thải 12 tháng qua biểu đồ đường xu hướng kết hợp biểu đồ cột, cho thấy sự tương quan thuận giữa số giờ đốt vượt tải và nồng độ khí độc phát sinh. Trên đồ thị hồi quy tuyến tính, hệ số tương quan giữa hàm lượng Nitơ trong chất thải giải phẫu với nồng độ phát thải NO2 đo đạc được đạt giá trị rất cao, khẳng định tính đúng đắn của mô hình tính toán lý thuyết. Bảng so sánh đối chiếu số liệu quan trắc ống khói với QCVN 02:2012/BTNMT đã phản ánh rõ rệt sự cần thiết phải cải tạo toàn diện chu trình xử lý khói lò bằng các công nghệ xúc tác khử chọn lọc và tháp rửa ướt tuần hoàn.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả khảo sát thực tế và phân tích nhiệt động học, luận văn đề xuất 5 nhóm giải pháp đồng bộ:

  • Chuẩn hóa quy trình phân loại và phối trộn nguyên liệu trước khi nạp: Xí nghiệp Tây Mỗ phối hợp cùng các bệnh viện loại bỏ triệt để 25% lượng rác tái chế không nguy hại ra khỏi dòng chất thải cần thiêu đốt; áp dụng nghiêm ngặt tỷ lệ phối trộn 3 kg chất thải khó cháy hoặc mô bệnh phẩm với 10 kg rác thải y tế dễ cháy nhằm duy trì nhiệt trị ổn định trong buồng sơ cấp.
  • Cải tạo kết cấu chịu nhiệt và hệ thống mỏ đốt: Tiến hành bọc mới lớp bông gốm bảo ôn và thay thế lớp gạch chịu lửa sa mốt A dày 40 cm cho cả hai buồng đốt, đưa nhiệt độ vỏ lò từ 90°C về dưới 60°C; thay mới béc phun sương áp lực cao nhằm giảm định mức tiêu hao dầu DO từ 1,2 lít xuống dưới 0,6 lít trên mỗi kg rác, hoàn thành trong vòng 6 tháng.
  • Thiết kế lắp đặt hệ thống tận thu nhiệt khí thải để sấy rác: Xây dựng bộ trao đổi nhiệt giải nhiệt khí thải từ buồng thứ cấp ở 1.100°C để làm nóng luồng khí sấy rác sơ bộ, giúp hạ độ ẩm của khối rác đầu vào từ trên 50% xuống dưới 30% trước khi đưa vào cửa nạp, hoàn thành trong vòng 12 tháng do Ban Quản lý Xí nghiệp chủ trì.
  • Nâng cấp hệ thống làm sạch khí thải bằng công nghệ xúc tác: Tích hợp buồng phản ứng chứa xúc tác khử GC-4R để khử triệt để NOx thành N2 tự do và xúc tác oxy hóa GC-4O nhằm chuyển hóa hoàn toàn CO, hydrocacbon dư thừa thành CO2 và hơi nước, kết hợp bơm hóa chất kiềm tuần hoàn tại tháp hấp thụ ướt để xử lý 100% khí axit HCl, SO2 đạt chuẩn QCVN 02:2012/BTNMT.
  • Tăng cường kiểm chuẩn và đào tạo nhân lực: Tổ chức tập huấn định kỳ 6 tháng một lần cho 100% công nhân vận hành về kiểm soát tốc độ nạp liệu, theo dõi bảng điều khiển điện tử và ứng phó sự cố rò rỉ nhiệt.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn và học thuật phong phú cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Cán bộ quản lý tại Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Y tế: Cung cấp bức tranh thực tế về công tác quản lý chất thải rắn y tế tại đô thị lớn, làm cơ sở khoa học để hoạch định chính sách thu gom tập trung, cấp phép xả thải và thanh tra môi trường định kỳ.
  • Đội ngũ kỹ sư công nghệ và ban vận hành xí nghiệp xử lý chất thải: Nắm bắt giải pháp kỹ thuật chi tiết về cải tạo mỏ đốt, tối ưu tỷ lệ phối trộn rác 3:10, khắc phục sự cố rò rỉ nhiệt và phương pháp tận thu nhiệt thải để nâng cao hiệu suất kinh tế cho doanh nghiệp.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về mô hình tính toán phát thải EPA 2002, phương pháp lấy mẫu khí đẳng động học isokinetic và động học quá trình nhiệt phân hai cấp.
  • Ban Giám đốc và cán bộ kiểm soát nhiễm khuẩn tại các cơ sở y tế: Hiểu rõ tầm quan trọng của việc phân loại rác tại nguồn, từ đó thiết lập quy trình thu gom, lưu trữ chất thải giải phẫu và chất thải lây nhiễm đúng kỹ thuật, giảm gánh nặng chi phí xử lý tiêu hủy.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao lò đốt DEMONEGO-125 tại Tây Mỗ lại tiêu hao tới 1,2 lít dầu DO cho mỗi kg rác?

Mức tiêu hao dầu thực tế cao gấp 2,4 lần thiết kế do rác thải y tế có độ ẩm trên 50% và buồng sơ cấp bị mất nhiệt lớn qua vỏ lò đạt 90°C do hỏng lớp bông cách nhiệt. Ngoài ra, béc phun dầu bị nghẹt khiến dầu phun không tơi, đòi hỏi mỏ đốt phải hoạt động liên tục để duy trì nhiệt độ.

Tỷ lệ phối trộn rác 3:10 có ý nghĩa gì trong quá trình đốt nhiệt phân?

Tỷ lệ 3:10 quy định phối trộn 3 kg chất thải khó cháy như mô động vật, cao su với 10 kg rác thải y tế khô dễ cháy như bông băng, gạc. Quy tắc này giúp cân bằng nhiệt trị của mẻ nạp, duy trì nhiệt độ buồng sơ cấp từ 700°C đến 850°C mà không làm tụt nhiệt lò.

Làm thế nào để duy trì thời gian lưu khí buồng thứ cấp trên 2,0 giây?

Cần hiệu chỉnh van tiết lưu và điều tốc quạt hút khói phía sau tháp rửa ướt, đồng thời kiểm soát khối lượng rác nạp định kỳ không vượt quá 125 kg mỗi giờ. Việc duy trì thể tích buồng thứ cấp 1,2 m3 với lưu lượng khói ổn định sẽ đảm bảo thời gian lưu khí đạt tối thiểu 2,0 giây ở 1.100°C để bẻ gãy hoàn toàn liên kết dioxin và furan.

Giải pháp tận thu nhiệt thải sấy rác đem lại lợi ích kinh tế ra sao?

Bằng cách sử dụng nhiệt lượng từ dòng khí thải 1.100°C qua bộ trao đổi nhiệt để sấy rác trước khi đốt, độ ẩm của rác giảm từ trên 50% xuống dưới 30%. Quá trình này giúp giảm từ 15% đến 20% lượng dầu DO bổ trợ, tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí nhiên liệu mỗi năm cho xí nghiệp.

Hệ số thực nghiệm tính toán nồng độ khí thải theo nguyên tố C, H, O, N, S được ứng dụng như thế nào?

Hệ số thực nghiệm giúp người vận hành dự báo chính xác nồng độ phát sinh các khí ô nhiễm như NO2, SO2 dựa trên bảng phân tích thành phần nguyên tố rác thải đầu vào. Từ đó, cán bộ kỹ thuật có thể chủ động điều chỉnh lượng hóa chất hấp thụ kiềm và thời gian chạy quạt gió phù hợp với từng mẻ đốt.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện sự suy thoái kỹ thuật của lò đốt DEMONEGO-125 sau hơn 15 năm hoạt động với công suất thực tế vượt tải từ 1,51 đến 1,84 lần định mức thiết kế.
  • Xác định rõ cơ cấu 5 nhóm rác thải y tế tại Hà Nội, chỉ ra 25% rác có khả năng tái chế và hơn 50% độ ẩm gây cản trở chu trình nhiệt phân.
  • Xây dựng thành công hệ số thực nghiệm hồi quy nồng độ khí thải dựa trên thành phần nguyên tố C, H, O, N, S của rác thải y tế phục vụ công tác kiểm soát phát thải.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp tích hợp từ kỹ thuật phối trộn 3:10, bọc bảo ôn vỏ lò, sấy rác bằng nhiệt thải đến xử lý khí bằng xúc tác GC-4R và GC-4O.
  • Cung cấp cơ sở khoa học vững chắc để các đơn vị quản lý nâng cấp hệ thống xử lý rác y tế tập trung giai đoạn 2016 - 2025; các cơ sở xử lý môi trường cần nhanh chóng áp dụng ngay các cải tiến công nghệ này nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường sinh thái.