Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia năm 2017, khối lượng chất thải nguy hại (CTNH) phát sinh tại Việt Nam khoảng 800.000 tấn/năm, trong khi đó, cả nước chỉ có khoảng 83 doanh nghiệp và 56 đại lý thu gom chất thải nguy hại được Bộ Tài nguyên và Môi trường cấp phép hoạt động trên phạm vi từ hai tỉnh trở lên. Tỷ lệ thu gom và xử lý CTNH hiện chỉ đạt gần 40% tổng lượng phát sinh, cho thấy công tác quản lý và xử lý chất thải nguy hại vẫn còn nhiều hạn chế. Trên thế giới, tổng khối lượng chất thải rắn đô thị phát sinh vào khoảng 2 tỷ tấn năm 2016, dự báo sẽ tăng lên 3,4 tỷ tấn vào năm 2050, trong đó chất thải nhựa chiếm khoảng 12% tổng lượng. Việt Nam đứng thứ 4 thế giới về lượng chất thải nhựa xả ra biển, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và hệ sinh thái biển.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển công nghệ xử lý chất thải rắn nguy hại trong lò đốt không dùng nhiên liệu dạng cột nhằm khắc phục những nhược điểm của các công nghệ đốt hiện có, như chi phí năng lượng cao, phát sinh mùi hôi khi sấy rác ẩm, và hiệu quả xử lý chưa tối ưu. Nghiên cứu tập trung vào thiết kế, chế tạo và thử nghiệm lò đốt công suất 50 kg/ngày, đánh giá ảnh hưởng của độ ẩm, lưu lượng khí và nhiệt độ đến hiệu quả quá trình đốt và khí hóa chất thải.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm các loại chất thải nguy hại công nghiệp và y tế tại Hà Nội, thực hiện trong giai đoạn từ năm 2019 đến 2021. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả xử lý chất thải nguy hại, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng, đồng thời góp phần phát triển công nghệ xử lý chất thải phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về xử lý chất thải rắn nguy hại bằng phương pháp thiêu đốt và khí hóa, bao gồm:

  • Lý thuyết nhiệt phân và khí hóa: Quá trình phân hủy chất thải trong điều kiện thiếu oxy tạo ra than cacbon (biochar) và khí tổng hợp (syngas), được đốt cháy ở buồng thứ cấp để xử lý triệt để các chất ô nhiễm.
  • Mô hình đốt đa vùng: Lò đốt được thiết kế với buồng đốt sơ cấp (sấy, cacbon hóa) và buồng đốt thứ cấp (đốt cháy hoàn toàn), đảm bảo nhiệt độ cao (900-1200°C) và thời gian lưu khí tối thiểu 2 giây để phân hủy dioxin và các hợp chất độc hại.
  • Khái niệm hiệu suất thu hồi sản phẩm than (biochar): Tỷ lệ khối lượng than thu hồi so với khối lượng mẫu ban đầu, phản ánh hiệu quả quá trình cacbon hóa.
  • Khái niệm độ ẩm và ảnh hưởng đến quá trình đốt: Độ ẩm cao làm giảm nhiệt trị của chất thải, kéo dài thời gian đốt và phát sinh mùi hôi.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các cơ sở phát sinh chất thải nguy hại tại Hà Nội, bao gồm chất thải công nghiệp và y tế. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập qua các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và mô hình lò đốt công suất 50 kg/ngày.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thí nghiệm xác định độ ẩm, thời gian sấy, nhiệt độ các khoang đốt, hiệu suất cacbon hóa và thời gian đốt rác với các mẫu chất thải khác nhau. Thiết bị sử dụng gồm tủ sấy, cân điện tử, mô hình lò đốt NFIC 50, các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm.
  • Phương pháp tính toán thiết kế lò đốt: Xác định thể tích các khoang tiếp nhận, sấy, cacbon hóa, cháy và bếp đốt dựa trên công suất xử lý 50 kg/ngày, tỷ trọng chất thải, lưu lượng khí thải và thời gian lưu khí.
  • Phân tích số liệu: Sử dụng biểu đồ nhiệt độ, tỷ lệ bay hơi nước, hiệu suất thu hồi than và thời gian đốt để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ và lưu lượng khí đến hiệu quả xử lý.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm và thiết kế lò đốt được thực hiện trong khoảng 18 tháng, từ tháng 1/2019 đến tháng 6/2020, thử nghiệm vận hành và thu thập dữ liệu trong 6 tháng tiếp theo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của độ ẩm đến quá trình đốt: Độ ẩm của thành phần nhựa trong chất thải khoảng 18,5%, cao su 3-15%, vải 10-25%, giấy 15-35%. Thời gian đốt rác ẩm dài hơn từ 15-20% so với rác đã sấy khô, do cần thời gian sấy trong khoang sấy khoảng 10-15 phút. Độ cháy của rác đã sấy đạt trên 85%, trong khi rác ẩm chỉ khoảng 75%, cho thấy độ ẩm ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả đốt.

  2. Nhiệt độ các khoang đốt: Nhiệt độ tối đa tại khoang sấy, cacbon hóa và cháy lần lượt đạt 195°C, 775°C và 1275°C, đảm bảo các giai đoạn sấy, khí hóa và đốt cháy diễn ra hiệu quả. Nhiệt độ khí thải sau xử lý dao động 30-70°C, thấp hơn nhiều so với nhiệt độ buồng đốt, chứng tỏ hệ thống xử lý khí thải hoạt động hiệu quả.

  3. Hiệu suất thu hồi than cacbon (biochar) trong quá trình cacbon hóa: Ở nhiệt độ 300°C, hiệu suất thu hồi biochar từ nhựa đạt khoảng 35-36%, giảm xuống còn 25-30% khi tăng nhiệt độ lên 400-500°C. Thời gian cacbon hóa tối ưu là 30-50 phút, quá trình kéo dài làm giảm hiệu suất do phân hủy các hợp chất dễ bay hơi.

  4. Ảnh hưởng lưu lượng khí đến quá trình đốt: Điều chỉnh lưu lượng khí giúp tối ưu hóa quá trình sấy và cacbon hóa, giảm thời gian đốt và tăng hiệu quả cháy. Lưu lượng khí tối ưu đảm bảo thời gian lưu khí trong buồng đốt thứ cấp trên 2 giây, nhiệt độ duy trì trên 1000°C, đáp ứng tiêu chuẩn phân hủy dioxin.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc kiểm soát độ ẩm chất thải là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu quả đốt và giảm phát thải khí độc hại. So với các nghiên cứu trước đây về lò đốt tĩnh hai cấp, mô hình lò đốt không dùng nhiên liệu dạng cột cho phép tận dụng nhiệt lượng sinh ra để sấy rác, giảm chi phí năng lượng và hạn chế mùi hôi phát sinh trong quá trình sấy. Nhiệt độ cao và thời gian lưu khí đủ dài trong buồng đốt thứ cấp đảm bảo xử lý triệt để các hợp chất độc hại như dioxin và furan, phù hợp với tiêu chuẩn môi trường quốc tế.

Biểu đồ nhiệt độ các khoang đốt và tỷ lệ bay hơi nước minh họa rõ ràng sự ổn định và hiệu quả của quá trình sấy và cacbon hóa. So sánh với các công nghệ lò đốt hiện có tại Việt Nam, công nghệ nghiên cứu có ưu điểm về tiết kiệm nhiên liệu, giảm chi phí vận hành và khả năng xử lý đa dạng các loại chất thải nguy hại với độ ẩm cao.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng công nghệ lò đốt không dùng nhiên liệu dạng cột tại các cơ sở xử lý chất thải nguy hại nhằm giảm chi phí năng lượng và tăng hiệu quả xử lý, đặc biệt tại các khu vực có lượng chất thải ẩm cao. Thời gian thực hiện đề xuất trong 1-2 năm, chủ thể thực hiện là các công ty môi trường và cơ quan quản lý nhà nước.

  2. Xây dựng quy trình phân loại và tiền xử lý chất thải tại nguồn, tập trung giảm độ ẩm chất thải trước khi đưa vào lò đốt để nâng cao hiệu suất đốt và giảm phát thải khí độc. Thời gian triển khai 6-12 tháng, chủ thể là các bệnh viện, khu công nghiệp và đơn vị thu gom.

  3. Nâng cao năng lực vận hành và bảo trì thiết bị lò đốt, đào tạo kỹ thuật viên vận hành để đảm bảo duy trì nhiệt độ và lưu lượng khí tối ưu, giảm thiểu sự cố và tăng tuổi thọ thiết bị. Thời gian đào tạo liên tục, chủ thể là các đơn vị vận hành và nhà sản xuất thiết bị.

  4. Tăng cường hệ thống xử lý khí thải sau đốt, áp dụng công nghệ hấp thụ và lọc bụi tiên tiến để đảm bảo khí thải đạt tiêu chuẩn môi trường, giảm thiểu ô nhiễm không khí. Thời gian đầu tư và lắp đặt 1-2 năm, chủ thể là các cơ sở xử lý chất thải và cơ quan quản lý môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý môi trường và cơ quan chức năng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn quản lý chất thải nguy hại hiệu quả hơn.

  2. Doanh nghiệp xử lý chất thải và công ty môi trường: Áp dụng công nghệ lò đốt không dùng nhiên liệu dạng cột để nâng cao hiệu quả xử lý, giảm chi phí vận hành và đáp ứng tiêu chuẩn môi trường.

  3. Các viện nghiên cứu và trường đại học: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, thiết kế lò đốt và kết quả thực nghiệm để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực xử lý chất thải.

  4. Các bệnh viện và khu công nghiệp: Áp dụng quy trình phân loại và xử lý chất thải nguy hại phù hợp, nâng cao hiệu quả thu gom và xử lý tại nguồn, giảm thiểu rủi ro ô nhiễm môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao độ ẩm của chất thải ảnh hưởng lớn đến hiệu quả đốt?
    Độ ẩm cao làm giảm nhiệt trị của chất thải, kéo dài thời gian sấy và đốt, gây phát sinh mùi hôi và tăng chi phí năng lượng. Ví dụ, rác có độ ẩm 18,5% mất nhiều thời gian đốt hơn rác đã sấy khô khoảng 15-20%.

  2. Lò đốt không dùng nhiên liệu dạng cột có ưu điểm gì so với lò đốt truyền thống?
    Công nghệ này tận dụng nhiệt lượng sinh ra để sấy rác, giảm chi phí nhiên liệu, hạn chế mùi hôi và tăng hiệu quả xử lý chất thải ẩm, đồng thời duy trì nhiệt độ cao và thời gian lưu khí đủ để phân hủy triệt để các chất độc hại.

  3. Hiệu suất thu hồi than cacbon (biochar) trong quá trình cacbon hóa là bao nhiêu?
    Hiệu suất thu hồi biochar từ nhựa dao động từ 25% đến 36% tùy thuộc vào nhiệt độ và thời gian cacbon hóa, với nhiệt độ 300°C và thời gian 30-50 phút là tối ưu để thu hồi biochar hiệu quả.

  4. Làm thế nào để kiểm soát khí thải sau quá trình đốt?
    Khí thải được xử lý qua hệ thống hấp thụ, lọc bụi và làm lạnh để loại bỏ bụi, kim loại nặng và khí độc hại như NOx, SOx, HCl, đảm bảo khí thải đạt tiêu chuẩn môi trường trước khi thải ra ngoài.

  5. Phương pháp tính toán thể tích các khoang trong lò đốt dựa trên những yếu tố nào?
    Thể tích các khoang được tính dựa trên công suất xử lý, tỷ trọng chất thải, lưu lượng khí thải, nhiệt độ và thời gian lưu khí trong từng khoang nhằm đảm bảo quá trình sấy, cacbon hóa và đốt cháy diễn ra hiệu quả.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công lò đốt không dùng nhiên liệu dạng cột công suất 50 kg/ngày, đáp ứng yêu cầu xử lý chất thải rắn nguy hại với hiệu quả cao.
  • Độ ẩm chất thải ảnh hưởng lớn đến thời gian đốt và hiệu suất cháy, cần kiểm soát độ ẩm dưới 20% để tối ưu quá trình.
  • Nhiệt độ các khoang đốt đạt từ 195°C đến 1275°C, đảm bảo quá trình sấy, cacbon hóa và đốt cháy triệt để các chất ô nhiễm.
  • Hiệu suất thu hồi biochar trong quá trình cacbon hóa đạt 25-36%, tùy thuộc vào nhiệt độ và thời gian xử lý.
  • Đề xuất áp dụng công nghệ tại các cơ sở xử lý chất thải nguy hại nhằm nâng cao hiệu quả xử lý, giảm chi phí và bảo vệ môi trường.

Next steps: Triển khai thử nghiệm quy mô lớn, hoàn thiện hệ thống xử lý khí thải và đào tạo nhân lực vận hành.

Call-to-action: Các đơn vị xử lý chất thải và cơ quan quản lý môi trường nên phối hợp nghiên cứu, ứng dụng công nghệ để nâng cao hiệu quả xử lý chất thải nguy hại tại Việt Nam.