Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam đang đối mặt với thách thức lớn trong quản lý chất thải rắn đô thị khi dân số thành thị dự kiến chiếm tới 50% tổng dân số vào năm 2025. Theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường năm 2011, lượng chất thải rắn đô thị tăng từ 6,4 triệu tấn năm 2003 lên 12,8 triệu tấn năm 2008, tương đương mức tăng hơn 200%. Riêng tại Hà Nội, lượng rác thải sinh hoạt hàng ngày ước tính khoảng 6.500 tấn, trong đó phần lớn là chất thải hữu cơ chiếm 40-55%. Phương pháp xử lý chủ yếu hiện nay là chôn lấp, chiếm 76-82% tổng lượng chất thải, tuy nhiên nhiều bãi chôn lấp không đạt tiêu chuẩn, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Bên cạnh đó, việc đốt rác thải mở cũng phổ biến, tạo ra nguy cơ sức khỏe do phát thải khí độc.

Trong bối cảnh đó, công nghệ than hóa thủy nhiệt (Hydrothermal Carbonization - HTC) được nghiên cứu như một giải pháp tiềm năng để xử lý chất thải hữu cơ từ các ngành công nghiệp thực phẩm, giấy và lâm nghiệp. HTC là quá trình nhiệt hóa trong môi trường nước ở nhiệt độ 180-250°C và áp suất khoảng 20 bar, chuyển đổi chất thải ẩm thành than sinh học (hydrochar) có giá trị năng lượng cao. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá ảnh hưởng của các tham số quá trình như nhiệt độ và thời gian phản ứng đến đặc tính của hydrochar từ bùn giấy, chất thải thực phẩm và mùn cưa, nhằm phát triển giải pháp xử lý chất thải hiệu quả, thân thiện môi trường và tạo ra nguồn năng lượng tái tạo.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các loại chất thải đặc trưng của Việt Nam trong giai đoạn 2020-2021, với các mẫu thu thập từ Hà Nội và các địa phương lân cận. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu lượng chất thải chôn lấp, giảm phát thải khí nhà kính, đồng thời cung cấp hydrochar làm nhiên liệu thay thế, góp phần phát triển kinh tế tuần hoàn và bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về quá trình nhiệt hóa sinh học và mô hình phản ứng hóa học trong môi trường thủy nhiệt. Quá trình HTC được xem là một dạng nhiệt hóa ướt, trong đó nước đóng vai trò vừa là môi trường phản ứng vừa là chất xúc tác, giúp phân hủy cellulose, hemicellulose và lignin trong biomass thành hydrochar giàu cacbon. Các phản ứng chính gồm thủy phân, khử nước (dehydration), khử cacboxyl (decarboxylation), và các phản ứng chuyển hóa phức tạp khác như demethylation và pyrolytic reactions.

Ba khái niệm chuyên ngành được sử dụng xuyên suốt nghiên cứu gồm:

  • Hydrochar: sản phẩm rắn giàu cacbon thu được sau quá trình HTC, có tính chất tương tự than nâu.
  • Chemical Oxygen Demand (COD): chỉ số đo lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ trong nước thải, dùng để đánh giá chất lượng nước quá trình.
  • Gross Calorific Value (GCV): giá trị nhiệt lượng tổng của hydrochar, phản ánh tiềm năng năng lượng của sản phẩm.

Mô hình nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của các tham số quá trình (nhiệt độ, thời gian, tải trọng rắn) đến các đặc tính vật lý và hóa học của hydrochar và nước quá trình.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu chất thải hữu cơ gồm bùn giấy từ nhà máy giấy tại Hà Nội, chất thải thực phẩm từ nhà hàng địa phương và mùn cưa từ xưởng gỗ tại Hà Nội. Mẫu được xử lý theo tiêu chuẩn ASTM D3173 để loại bỏ độ ẩm, sau đó nghiền và sàng lọc đồng nhất kích thước dưới 5 mm.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thí nghiệm HTC trong lò phản ứng thủy nhiệt với điều kiện nhiệt độ từ 180°C đến 220°C, thời gian phản ứng từ 30 phút đến vài giờ, áp suất tự sinh khoảng 20 bar.
  • Phân tích thành phần hóa học hydrochar bằng phương pháp phân tích nguyên tố (C, H, O), xác định hàm lượng tro, chất dễ bay hơi, và tính toán giá trị nhiệt lượng tổng (GCV).
  • Đo chỉ số COD, pH, độ dẫn điện và các chỉ tiêu hóa học khác của nước quá trình.
  • Thực hiện thí nghiệm lặp lại ba lần để đảm bảo độ tin cậy số liệu.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 6 tháng, bao gồm giai đoạn thu thập mẫu, xử lý mẫu, thí nghiệm HTC và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến năng suất hydrochar: Khi tăng nhiệt độ từ 180°C lên 220°C và thời gian phản ứng từ 30 phút lên 3 giờ, năng suất hydrochar giảm từ khoảng 75% xuống còn 60%, do tăng cường phản ứng khử nước và khử cacboxyl làm giảm khối lượng rắn thu được.

  2. Tăng hàm lượng cacbon và giá trị nhiệt lượng: Hydrochar từ bùn giấy có hàm lượng cacbon tăng từ 45% lên 65%, giá trị nhiệt lượng tổng (GCV) tăng từ 12 MJ/kg lên 22 MJ/kg, tương đương tăng gần 83%. Hydrochar từ mùn cưa có GCV tăng từ 16,94 MJ/kg lên 27 MJ/kg, cho thấy tiềm năng làm nhiên liệu thay thế.

  3. Chất lượng nước quá trình: Nước quá trình có chỉ số COD dao động từ 2000 đến 5000 mg/L, pH giảm từ trung tính xuống khoảng 4-5 do sự hình thành các axit hữu cơ như axit axetic và furan. Độ dẫn điện tăng theo nhiệt độ và thời gian phản ứng, phản ánh sự hòa tan các ion và hợp chất hữu cơ.

  4. So sánh giữa các loại chất thải: Hydrochar từ chất thải thực phẩm có hàm lượng tro thấp hơn (khoảng 10%) so với hydrochar từ bùn giấy và mùn cưa (khoảng 20-25%), phù hợp hơn cho mục đích làm nhiên liệu sạch.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm năng suất hydrochar khi tăng nhiệt độ và thời gian là do quá trình khử nước và khử cacboxyl diễn ra mạnh mẽ hơn, làm tăng lượng khí CO2 và các hợp chất hòa tan trong nước quá trình. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy nhiệt độ cao làm giảm tỷ lệ thu hồi rắn nhưng tăng chất lượng hydrochar về mặt năng lượng.

So với các nghiên cứu quốc tế, hydrochar thu được trong nghiên cứu này có giá trị nhiệt lượng tương đương hoặc cao hơn, chứng tỏ hiệu quả của quá trình HTC trong điều kiện Việt Nam. Việc xử lý nước quá trình cần được quan tâm do chỉ số COD cao, có thể ảnh hưởng đến môi trường nếu xả thải trực tiếp.

Biểu đồ Van Krevelen minh họa sự giảm tỷ lệ H/C và O/C của hydrochar so với nguyên liệu ban đầu, cho thấy mức độ than hóa tăng lên, tương tự than nâu tự nhiên. Bảng so sánh các chỉ số hóa học và nhiệt lượng giữa các mẫu hydrochar và nguyên liệu gốc giúp trực quan hóa hiệu quả quá trình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tham số quá trình HTC: Khuyến nghị duy trì nhiệt độ trong khoảng 200-220°C và thời gian phản ứng 2-3 giờ để cân bằng giữa năng suất và chất lượng hydrochar, nhằm đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật tối ưu.

  2. Xây dựng hệ thống xử lý nước thải sau HTC: Áp dụng công nghệ xử lý sinh học hoặc hóa học để giảm COD và điều chỉnh pH trước khi xả thải, đảm bảo tuân thủ quy định môi trường trong vòng 6-12 tháng, do các cơ quan quản lý môi trường và nhà máy vận hành.

  3. Phát triển hydrochar làm nhiên liệu thay thế: Khuyến khích các nhà máy giấy, chế biến thực phẩm và lâm nghiệp sử dụng hydrochar thay thế than hoặc củi trong vòng 1-2 năm, giảm phát thải khí nhà kính và chi phí nhiên liệu.

  4. Nâng cao nhận thức và đào tạo kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ kỹ thuật và quản lý về công nghệ HTC và quản lý chất thải hữu cơ, nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong 12-18 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu sâu về công nghệ HTC, phương pháp xử lý chất thải hữu cơ và phát triển năng lượng tái tạo.

  2. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Đánh giá hiệu quả công nghệ mới trong quản lý chất thải, xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng sạch và giảm ô nhiễm.

  3. Doanh nghiệp ngành giấy, thực phẩm và lâm nghiệp: Áp dụng công nghệ HTC để xử lý chất thải, giảm chi phí vận hành và tăng giá trị sản phẩm phụ.

  4. Tổ chức phi chính phủ và cộng đồng môi trường: Nâng cao nhận thức về quản lý chất thải bền vững, thúc đẩy các giải pháp thân thiện môi trường tại địa phương.

Câu hỏi thường gặp

  1. HTC là gì và có ưu điểm gì so với các công nghệ khác?
    HTC là quá trình nhiệt hóa biomass trong môi trường nước ở nhiệt độ 180-250°C và áp suất cao, tạo ra hydrochar giàu năng lượng. Ưu điểm là xử lý được biomass ẩm mà không cần sấy khô, tiết kiệm năng lượng và thời gian, đồng thời sản phẩm có giá trị năng lượng cao.

  2. Hydrochar có thể sử dụng làm gì?
    Hydrochar có thể dùng làm nhiên liệu thay thế than đá hoặc củi, làm chất cải tạo đất, hấp phụ chất ô nhiễm trong nước, hoặc làm nguyên liệu cho các ứng dụng công nghiệp khác.

  3. Quá trình HTC ảnh hưởng thế nào đến môi trường?
    HTC giúp giảm lượng chất thải chôn lấp và phát thải khí nhà kính. Tuy nhiên, nước thải sau quá trình có chỉ số COD cao cần được xử lý trước khi thải ra môi trường để tránh ô nhiễm.

  4. Các tham số nào ảnh hưởng đến chất lượng hydrochar?
    Nhiệt độ và thời gian phản ứng là hai yếu tố chính. Nhiệt độ cao và thời gian dài làm tăng hàm lượng cacbon và giá trị nhiệt lượng hydrochar nhưng giảm năng suất thu hồi.

  5. HTC có thể áp dụng cho loại chất thải nào?
    HTC phù hợp với nhiều loại chất thải hữu cơ có độ ẩm cao như bùn giấy, chất thải thực phẩm, mùn cưa, phân động vật, và các loại biomass khác.

Kết luận

  • Quá trình HTC hiệu quả trong việc chuyển đổi chất thải hữu cơ ẩm thành hydrochar có giá trị năng lượng cao, phù hợp làm nhiên liệu thay thế.
  • Nhiệt độ 200-220°C và thời gian 2-3 giờ là điều kiện tối ưu cân bằng giữa năng suất và chất lượng sản phẩm.
  • Hydrochar từ bùn giấy, chất thải thực phẩm và mùn cưa có thể tăng giá trị nhiệt lượng lên đến 83% so với nguyên liệu ban đầu.
  • Nước thải sau HTC có chỉ số COD cao cần được xử lý để bảo vệ môi trường.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ xử lý chất thải hữu cơ bền vững, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm quy mô lớn và đánh giá kinh tế kỹ thuật để ứng dụng thực tiễn. Các tổ chức, doanh nghiệp và nhà quản lý được khuyến khích hợp tác nghiên cứu và áp dụng công nghệ này nhằm thúc đẩy phát triển bền vững.