Đánh giá tiềm năng thu hồi năng lượng từ các nguồn chất thải công nghiệp và đô thị tại Việt Nam

BỘ CƠNG THƢƠNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ
CẤP TRƢỜNG

ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG THU HỒI NĂNG LƢỢNG TỪ CÁC
NGUỒN CHẤT THẢI CÔNG NGHIỆP VÀ ĐÔ THỊ
TẠI VIỆT NAM
MÃ SỐ ĐỀ TÀI: 082014

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Lê Hùng Anh
TS. Trịnh Ngọc Nam
TS. Nguyễn Văn Cƣờng

TP. HỒ CHÍ MINH - 2015

1


BỘ CƠNG THƢƠNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ
CẤP TRƢỜNG

ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG THU HỒI NĂNG LƢỢNG TỪ CÁC
NGUỒN CHẤT THẢI CÔNG NGHIỆP VÀ ĐÔ THỊ TẠI VIỆT
NAM

MÃ SỐ ĐỀ TÀI: 082014

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài

Đại diện chủ nhiệm đề tài

TS. Nguyễn Thiên Tuế

PGS.TS. Lê Hùng Anh

TP. HỒ CHÍ MINH - 2015

2


MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU............................................................................................. 5
1.1 TÍNH CẤP THIẾT, MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA
ĐỀ TÀI ....................................................................................................................... 5
1.2. TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƢỢNG VÀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
CỦA ĐỀ TÀI ............................................................................................................ 6
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .......... 23
2.1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT THẢI RẮN ĐƠ THỊ VÀ KHÍ BÃI RÁC .............. 23
2.2. TỔNG QUAN VỀ CHẤT THẢI RẮN CÔNG NGHIỆP VÀ THU
HỒI DẦU NHIÊN LIỆU TỪ NHIỆT PHÂN .......................................................... 41
2.3. TỔNG QUAN VỀ TẢO.................................................................................... 73
CHƢƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................... 88
3.1. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VỀ TÍNH TỐN DỰ BÁO PHÁT THẢI
CH4 TỪ BCL RÁC THEO MƠ HÌNH IPCC 2005 ................................................. 88

3.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VỀ NHIỆT PHÂN HÓA DẦU
CHẤT THẢI ............................................................................................................ 97
3.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VỚI VI TẢO .................................... 103
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN............................ 111
4.1. KẾT QUẢ VỀ ỨNG DỤNG MƠ HÌNH IPCC2005 TÍNH TỐN VÀ DỰ
BÁO LƢỢNG KHÍ METHANE ............................................................................ 111
4.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN HĨA DẦU ........... 156
4.3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỚI VI TẢO ........................................................ 168
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ........................................................... 182
5.1. KẾT LUẬN VỀ TÍNH TỐN DỰ BÁO PHÁT SINH KHÍ METAN TỪ BCL
RÁC THẢI ĐƠ THỊ................................................................................................ 182
5.2. KẾT LUẬN VỀ NHIỆT PHÂN HÓA DẦU CHẤT THẢI CÔNG NGHIỆP 184
5.3. KẾT LUẬN VỀ SỬ DỤNG VI TẢO XỬ LÝ NƢỚC THẢI THU SINH KHỐI CHO
SẢN XUẤT DẦU SINH HỌC ......................................................................................... 184
3


5.4. KIẾN NGHỊ ..................................................................................................... 185
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 186

4


CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 TÍNH CẤP THIẾT, MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ
TÀI
Trong mọi hoạt động của con ngƣời nhƣ thƣơng mại, công nghiệp, y tế, nông
nghiệp…chúng ta đều tạo ra rác thải. Số lƣợng và thành phần của các chất thải rất
khác nhau, tùy thuộc vào các hoạt động và sự phát triển của từng quốc gia. Chỉ
riêng khu vực đô thị của châu Á, lƣợng rác thải đô thị phát sinh một ngày vào

khoảng 760.000 tấn, tƣơng đƣơng với 2,7 triệu m3/ngày. Dự đoán năm 2025, con số
này sẽ tăng đến 1,8 triệu tấn chất thải mỗi ngày, hoặc 5.200.000 m3/ ngày. Có thể
thấy rằng chất thải rắn là một vấn đề càng ngày càng quan trọng ở tất cả các nƣớc,
đặc biệt là những quốc gia đang phát triển nhƣ ở Việt Nam.
Trong những năm gần đây, trong khi những nƣớc phát triển đang tích cực
giảm thiểu những tác động xấu từ chất thải rắn đến môi trƣờng nhƣ xây dựng những
bãi chôn lấp hợp vệ sinh, đốt rác ở nhiệt độ cao, cũng nhƣ bảo tồn tài nguyên thiên
nhiên và năng lƣợng thông qua tái chế, tái sử dụng thì ở Việt Nam lƣợng rác thải
ngày càng gia tăng. Rác thải chủ yếu đƣợc đem đi chơn lấp. Hàng ngày một lƣợng
khí thải bãi rác (landfill gas) chủ yếu là metan phát tán ra môi trƣờng gây ô nên hiện
tƣợng hiệu ứng nhà kính tác động khơng nhỏ đến biến đổi khí hậu. Một mặt metan
là một loại khí cung cấp năng lƣợng cao. Việc khơng quản lý tốt nguồn khí tiềm
năng này gây lãng phí rất lớn.
Thành phố Hồ Chí Minh nói riêng và trên cả nƣớc nói chung đang có xu
hƣớng phát sinh ngày càng tăng các loại chất thải công nghiệp nhƣ bao bì, nhựa,
cao su...Do khả năng tái chế đƣợc, nên các loại chất thải này đƣợc thu gom và tái
chế, chủ yếu theo các công nghệ đơn giản gây ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng và
tạo ra các sản phẩm khơng an tồn. Các loại chất thải này đều có nhiệt trị cao và
đang đƣợc các nƣớc tiên tiến chế biến theo các phƣơng pháp khác nhau để thu hồi
năng lƣợng, đem lại hiệu quả cao và thân thiện môi trƣờng.
Tại các đô thị và khu vực sản xuất công nghiệp, nƣớc thải đƣợc phát sinh
hàng ngày với khối lƣợng rất lớn. Với khả năng tài chính và đƣợc quản lý chặt
thông qua Luật Môi trƣờng, các đô thị và nhà máy đều đã phải có hệ thống xử lý
5


nƣớc thải. Trong khi đó khu vực ni trồng thủy sản đang gần nhƣ chƣa có hệ thống
xử lý nƣớc thải. Lƣợng nƣớc thải chứa nhiều dƣỡng chất, tuy nhiên khi thải ra môi
trƣờng gây nên tác động tiêu cực đến hệ sinh thái nƣớc. Ở các nƣớc tiên tiến, vi tảo
đang đƣợc nghiên cứu sử dụng để tạo sinh khối từ cac nguồn nƣớc giàu dinh dƣỡng.

Sinh khối vi tảo có nhiều mục đích sử dụng khác nhau nhƣ là thức ăn gia súc, thực
phẩm chức năng, nhiên liệu sinh học...
Với những lý do đó, chúng tơi thực hiện đề tài: ―Đánh giá tiềm năng thu
hồi năng lƣợng từ các nguồn chất thải công nghiệp và đô thị tại Việt Nam‖
Đề tài đƣợc thực hiện nhằm các mục tiêu sau:
* Mục tiêu chính
Đánh giá và xác định một số nguồn chất thải (dạng khí, dạng lỏng và dạng
rắn) tiềm năng và phƣơng pháp phù hợp để thu hồi năng lƣợng từ nguồn chất thải từ
khu vực công nghiệp và đô thị tại Việt Nam.
* Mục tiêu cụ thể
-

Đánh giá tiềm năng lƣợng khí bãi rác sinh ra tại các thành phố, trong đó
thành phần khí metan đƣợc tính tốn và dự báo.

-

Đánh giá khả năng thu hồi năng lƣợng dƣới dạng nhiên liệu từ các chất thải
rắn công nghiệp phổ biến nhƣ nhựa, cao su.

-

Đánh giá khả năng thu hồi năng lƣợng thông qua sinh khối vi tảo khi sử dụng
cho xử lý nƣớc thải nuôi trồng thủy hải sản.

-

Đề xuất các hƣớng nghiên cứu cho các dự án nghiên cứu triển khai (R&D)
tiếp theo về thu hồi năng lƣợng từ một số nguồn chất thải tiềm năng trong
khu vực công nghiệp và đô thị.

1.2. TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƢỢNG VÀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ
TÀI
1.2.1. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài
Thu hồi năng lƣợng từ chất thải là một trong những thang bậc quan trọng của biện
pháp quản lý tổng hợp chất thải.

6


Hình 1.1: Thang bậc trong quản lý tổng hợp chất thải (Lê Hoàng Việt và cộng sự,
2011)

Trên thế giới, thu hồi năng lƣợng từ chất thải đã đƣợc nghiên cứu và áp dụng từ thế
kỷ 17, phát triển mạnh mẽ vào những năm đầu thế kỷ 20 cho đến ngày nay
(Mahony và cộng sự, 2002). Năm 2006, chỉ tính riêng hệ thống sản xuất biogas sinh
điện năng, 22 quốc gia trong Liên minh châu Âu đã sản xuất đƣợc 62.000 GWh,
trong đó 32.000 GWh từ khí bãi rác và 11.000 GWh từ từ bùn thải. Đã có 17.000
GWh đã đƣợc hoán chuyển thành điện năng. Trong các nƣớc thuộc Liên minh châu
Âu, CHLB Đức là quốc gia sản xuất biogas nhiều nhất với 22.000 GWh. Tại Hoa
Kỳ, năm 2006, lƣợng biogas sử dụng trên tồn quốc chiếm 6% khí đốt thiên nhiên,
tƣơng đƣơng 10 tỷ gallons xăng. Việc thu hồi năng lƣợng từ q trình tiêu hủy chất
thải khơng chỉ đơn thuần tạo ra năng lƣợng mà còn giảm bớt khối lƣợng chất thải
phải chơn lấp đến 90% (Lê Hồng Việt và cộng sự, 2011).
Công nghệ thu hồi và lƣu giữ CO2 (Carbon capture and storage) từ khí thải các nhà
máy nhiệt điện, nhà máy xi măng giúp giảm thiểu đến 80-90% lƣợng khí CO2 có
trong các nguồn khí thải này khi đƣợc áp dụng. Nguồn CO2 thu hồi đƣợc sử dụng
trong nuôi cấy tạo sinh khối tảo (Bio CCS Algal Synthesis) cũng đã đƣợc quan tâm
nghiên cứu và phát triển trong những năm gần đây, góp phần giảm thiểu khí thải
gây hiệu ứng nhà kính, tạo các nguồn nhiên liệu sinh học thay thế cho nhiên liệu

hóa thạch. Những nghiên cứu này đã và đang triển khai thành công ở quy mô lớn tại
nhiều quốc gia Israel, Hoa Kỳ, Nhật Bản, Đức, Canada, Úc, Trung Quốc (Hidenori,
2004).

7


Hình 1.2: Các cơng nghệ phân tách và thu hồi CO2 từ khí thải (Rao và Rubin, 2002)

Tại Việt Nam, vấn đề nghiên cứu và ứng dụng các hệ thống thu hồi năng lƣợng còn
khá mới mẻ. Các hệ thống thu hồi năng lƣợng đƣợc áp dụng ở Việt Nam là chủ yếu
thu hồi khí từ rác thải và thu hồi nhiệt từ các lò đốt. Hệ thống thu hồi khí từ bãi rác
ở Khu chon lấp rác thải Gị Cát – Tp.Hồ Chí Minh là một trong những hệ thống áp
dụng thành công nhất của hệ thống thu hồi năng lƣợng ở Việt Nam. Lƣợng khí thu
hồi cung cấp cho ba tổ máy phát điện với công suất 2.430 kW/h, mỗi năm thu đƣợc
gần 21.287 kW, doanh thu 13 tỷ đồng mỗi năm. Một hệ thống thu hồi năng lƣợng
khác đang đƣợc nghiên cứu triển khai tại Việt Nam là hệ thống xử lý chất thải công
nghiệp phát điện tại Khu liên hợp xử lý chất thải Nam Sơn, Sóc Sơn, Hà Nội, dựa
trên kỹ thuật đốt chất thải tiên tiến có thu hồi năng lƣợng để sản xuất điện năng với
sự hỗ trợ kỹ thuật từ Nhật Bản.
Căn cứ vào thành phần rác thải ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long trong bảng 1
cho thấy hàm lƣợng chất hữu cơ trong rác đô thị rất cao, trung bình từ 57-87%. Đây
chính là thành phần thiết yếu và thích hợp cho việc thu hồi năng lƣợng bằng cơng
nghệ biogas.
Bảng 1.1: Thành phần chất thải rắn đô thị tại một số địa phƣơng ở Đồng bằng Sông
Cửu Long (INVENT, 2009)

8

Ghi chú: NA – khơng có số liệu
Các nghiên cứu thu hồi CO2 từ khí thải ứng dụng trong ni cấy sinh khối tảo tại
Việt Nam chỉ mới bƣớc đầu đƣợc nghiên cứu. Cơng trình nghiên cứu cơng nghệ thu
hồi CO2 từ khí đốt than tổ ong bằng phƣơng pháp tách khử các khí độc song hành
dùng vật liệu nano oxit kim loại để sản xuất sinh khối tảo Spirulina platensis ở quy
mơ phịng thí nghiệm của Đặng Đình Kim và cộng sự (2013) là một trong số ít các
nghiên cứu ứng dụng của cơng nghệ này tại Việt Nam.

Hình 1.3: Sơ đồ hệ modul xử lý khí thải thu hồi CO2 từ khí đốt than tổ ong của Đặng
Đình Kim và cộng sự (2013)

9


Tiêu chí đánh giá thu hồi năng lƣợng từ chất thải
Hiệu quả và giải pháp của quá trình thu hồi năng lƣợng từ chất thải công nghiệp và
đô thị đƣợc đánh giá và đề xuất thơng qua các tiêu chí lƣợng chất thải; thành phần
và đặc tính của chất thải; nhiệt giá trị và các yếu tố của nguồn chất thải ảnh hƣởng
đến sự sinh trƣởng, tích lũy sinh khối, tạo sản phẩm của vi sinh vật trong các quá
trình có sự tham gia của vi sinh vật. Tiêu chí đánh giá hiệu suất thu hồi năng lƣợng
có thể đƣợc mơ tả khái qt trong bảng 1.2.
Bảng 1.2: Tiêu chí đánh giá khả năng thu hồi năng lƣợng từ chất thải đô thị và công
nghiệp (Pires và cộng sự 2012; Sumida và cộng sự, 2011; Zaher và cộng sự, 2007)

Phƣơng pháp thu hồi

Nguyên tắc cơ bản của

năng lƣợng

phƣơng pháp sử dụng

Tiêu chí đánh giá

Tiêu chí giới
hạn

Chuyển đổi hóa sinh Phân hủy chất hữu cơ - Độ ẩm chất thải

>50%

(phân hủy kị khí)

dƣới tác động của vi - Tỉ lệ chất hữu cơ

>40%

sinh

20-30

vật

trong

điều - Tỉ lệ C/N

kiện kị khí)

- pH chất thải

- Nhiệt độ

6-8
30-37oC

Chuyển đổi nhiệt

Phân hủy chất thải do - Độ ẩm

<45%

hóa học (Thiêu đốt,

tác động của nhiệt độ - Chất hữu cơ dễ bay

>40%

nhiệt phân và khí

cao

hơi/tổng chất hữu cơ

hóa)

- Carbon cố định

<15%

- Tổng chất trơ

<35%

- Nhiệt trị

>1200 kcal/kg

Thu hồi CO2 từ khí

Ứng dụng nguồn CO2 - Hàm lƣợng CO2

10-20%

thải cơng nghiệp

từ khí thải ni cấy tảo - Hàm lƣợng CO

<100 ppm

thu sinh khối dùng sản - Hàm lƣợng NOx

300-600 ppm

xuất nhiên liệu sinh học

- Hàm lƣợng SOx

<1000 ppm

Dựa trên thông tin thu thập đƣợc từ tất cả các nguồn chất thải cơng nghiệp và đơ thị,

nhóm thực hiện dự án sẽ tính tốn và đề xuất biện pháp thu hồi năng lƣợng từ
nguồn chất thải phù hợp với điều kiện Việt Nam.
10


1.2.2. Cơ sở lý thuyết của đề tài
a/ Quá trình sinh khí methan từ các nguồn hữu cơ theo cơng nghệ phân hủy kị
khí – Anaerobic digestion: (Nguồn: Bilitewski (2011), Biological degradation /
transformation of biogenous wastes by anaerobic microorganisms in anaerobic
ambience; Institute of Waste Management and Contaminated Site Treatment,
Technical University of Dresden, Germany)
Phƣơng trình cơ bản: C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4 - 409 kJ/mol
Phƣơng trình tổng quát:
CnHaObNcSd +(n-a/4-b/2+3/4c+d/2)H2O → (n/2-a/8+b/4+3/8c-d/4)CO2+ (n/2+a/8b/4-3/8c-d/4)CH4+ cNH3+dH2S - Energy
Q trình này cịn đƣợc gọi là quá trình methanation sinh học. Các chất thải hữu cơ
đƣợc đặt trong các container kín, tạo điều kiện kị khí, các chất hữu cơ trải qua quá
trình phân hủy nhằm tạo khí methane sinh học, bùn và nƣớc rỉ rác. Có thể tạo đƣợc
50-150 m3 khí từ một tấn chất thải. Khí sinh học có thể dùng tạo nhiệt đun nóng, đốt
hay chạy máy phát điện. Bùn thải có thể sử dụng làm phân bón. Q trình phân giải
kị khí thƣờng bao gồm 3 giai đoạn: (1) thủy phân các cơ chất hữu cơ khơng hịa tan;
(2) tạo thành acid từ những phân tử hữu cơ nhỏ hòa tan; (3) tạo thành khí methane.
Ba giai đoạn trong q trình này đƣợc thực hiện bởi ba nhóm vi sinh vật khác nhau,
theo thứ tự:
- Nhóm vi sinh vật kị khí và kị khí tùy ý, thủy phân và lên men các chất hữu cơ
phức tạp, carbohydrate, protein và chất béo thành acid béo, alcohol, khí carbon
dioxide, hydro, ammoniac và sulfua.
- Nhóm vi sinh vật acetogenic, chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn 1 thành
hydro, carbon dioxide và acetic acid. Bao gồm một số nhóm: Bacteroides,
Bifidobacterium, Clostridium, Lactobacillus, Streptococcus, Syntrobacter wolini và
Syntrphomonas wolfei (Novaes, 1986; Parkin and Owen, 1986).

- Nhóm vi sinh vật lên men methane (Methanosarcina and Methanothrix). Chuyển
hóa acetic acid thành methane hoặc CO2 thành methane (Novaes, 1986; Morgan et
al., 1991):
CH3COOH → CH4 + CO2
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O
11


Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình phân hủy kị khí bao gồm nhiệt độ, pH, chất
dinh dƣỡng (tỉ lệ C/N), tốc độ tải, thời gian lƣu, khuấy trộn, mức độ kị khí và độc tố
(Ammonia-nitrogen, sulfide, độc tố cation).

Hình 1.4: Sơ đồ tổng quát của quá trình biến dƣỡng kị khí (Hansen and Cheong,
2007)

Hiện nay, có nhiều kiểu hệ thống phân hủy kị khí (hệ thống khơ, ƣớt; hệ thống mẻ,
liên tục; hệ thống một giai đoạn, nhiều giai đoạn). Việc lựa chọn hệ thống phụ thuộc
vào thành phần chất thải rắn và giai đoạn phát triển của vi sinh vật.
- Hệ thống phân hủy ƣớt - một giai đoạn: áp dụng đối với nguồn chất thải rắn có
hàm lƣợng thấp (<10%) và trung bình (10-16%).

12


Hình 1.5: Sơ đồ hệ thống xử lý ƣớt – một giai đoạn (Vandeviviere et al., 2002)

- Hệ thống phân hủy khô – một giai đoạn: áp dụng đối với rác thải có nồng độ chất
rắn từ 16 – 40%.

Hình 1.6: Hệ thống xử lý khô – một giai đoạn Linde-BRV

- Hệ thống phân hủy hai giai đoạn: quá trình acid hóa và methane hóa đƣợc tách rời
trong hai thiết bị riêng biệt. Hệ thống phân hủy hai gia đoạn mang lại hiệu suất thu
hồi khí cao hơn với hệ thống phân hủy kị khí một giai đoạn. Có hai hệ thống phân
hủy hai giai đoạn phổ biến: (1) hệ thống phân hủy kị khí hai giai đoạn khơng lƣu
sinh khối; (2) hệ thống phân hủy hai giai đoạn kết hợp lƣu sinh khối.

13


Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống phân giải ƣớt – ƣớt hai giai đoạn không lƣu sinh khối
(Vandeviviere et al., 2002).

Hình 1.8: Sơ đồ hệ thống phân hủy kị khí ƣớt – ƣớt hai giai đoạn kết hợp lƣu sinh
khối ở giai đoạn hai (Garcia and Schalk, 1999)
14


b/ Công nghệ thiêu đốt rác thải
Công nghệ thiêu đốt là quá trình đốt cháy trực tiếp của chất thải với sự hiện diện
của khơng khí ở nhiệt độ trên 800oC, giải phóng đƣợc nhiệt, khí trơ và tro. Sản
lƣợng năng lƣợng phụ thuộc vào mật độ và thành phần của chất thải, tỷ lệ phần trăm
độ ẩm tƣơng đối, ngồi ra cịn do tổn thất nhiệt, nhiệt độ đánh lửa, kích thƣớc và
hình dạng của rác, thiết kế của các hệ thống đốt (hệ thống cố định/ tầng sôi). Trong
thực tế, có khoảng 65 – 80% năng lƣợng của các chất hữu cơ có thể đƣợc phục hồi
nhƣ năng lƣợng nhiệt, có thể đƣợc sử dụng hay cho ứng dụng trực tiếp, để sản xuất
điện năng thong qua các tua bin hơi nƣớc, các máy phát điện (với hiệu suất chuyển
đổi khoảng 30%).
Nhiệt độ cháy của lò khoảng 760oC ở buồng sơ cấp, khoảng 870oC tại buồng thứ
cấp. Nhiệt độ này cần thiết để khử mùi nhƣng không đủ để đốt cháy hoặc làm tan

chảy thủy tinh. Để tránh những thiếu sót của những lị đốt thơng thƣờng, một số lị
đốt hiện tại có thể sử dụng nhiệt độ lên đến 1650oC bằng cách bổ sung nhiên liệu.
Với nhiệt độ này, có thể giảm đến 97% lƣợng rác thải, kim loại bị chuyển đổi và
thủy tinh thành tro.
Chất thải bị đốt cháy để giảm khối lƣợng có thể khơng cần bất kỳ nhiên liệu phụ trợ
ngoại trừ khi khởi động. Khi mục đích của phƣơng pháp đốt nhằm sản xuất hơi
nƣớc, nhiên liệu bổ sung có thể đƣợc sử dụng với rác nghiền thành bột, vì hàm
lƣợng chất thải sẽ thay đổi năng lƣợng, ta cũng cần phải bổ sung nhiên liệu phụ trợ
trong trƣờng hợp chất thải hiện diện trong lị khơng đủ.
Trong khi phƣơng pháp thiêu đốt đƣợc sử dụng rộng rãi nhƣ là một phƣơng pháp
quan trọng để xử lý chất thải, nó gắn liền với việc gây ô nhiễm môi trƣờng, mặc dù
ở những mức độ khác nhau. Chúng ta có thể kiểm sốt việc này bằng cách lắp đặt
các thiết bị kiểm sốt ơ nhiễm phù hợp, xây dựng lò phù hợp và kiểm sốt q trình
cháy.
c/ Q trình hóa khí các nguồn chất thải hữu cơ: (Nguồn: DI. Dr.techn. Jitka
Hrbek. Future Energy Technology. Vienna University of Technology, Institute of
Chemical Engineering)
Cơng nghệ khí hóa rác thải bao gồm các cơng nghệ chính sau đây: Khí hố trực
tiếp, oxi hố riêng phần (fixed bed, multi-stage, fluidized bed, entrained flow)’ Khí
15


hố khơng trực tiếp (bao gồm steam reforming); Hydrogasification; Khí hố xúc tác
và Khí hố siêu tới hạn nƣớc.
Phƣơng trình cơ bản:
Biomass  Primary tar (CHxOy) + (CO, CO2, CH4, C2H4, H2O)
Primary tar  Secondary tar + (CO, CO2, CH4, C2H4, H2)

Hình 1.9: Q trình hóa khí sinh khối tạo ra các sản phẩm năng lƣợng

Các hệ thống khí hóa/ nhiệt phân chất thải rắn đã đƣợc thực hiện trên thế giới ít nhất
30 năm.
Nhiệt phân là q trình phân hủy hoặc chƣng cất carbon hóa. Đó là q trình phân
hủy nhiệt của vật chất hữu cơ ở nhiệt độ cao (khoảng 900 oC) trong mơi trƣờng
khơng có oxy hay chân khơng, sản phẩm của q trình này gồm CO, CH4, H2, C2H6,
CO2, H2O, N2, dung dịch pyroligenous, hóa chất, than củi. Dung dịch pyroligenous
có giá trị nhiệt độ cao và có khả năng thay thế nhiên liệu dầu trong công nghiệp. Số
lƣợng của mỗi sản phẩm phụ thuộc vào thành phần hóa học của các chất hữu cơ và
điều kiện hoạt động. Số lƣợng và thành phần hóa học của từng sản phẩm thay đổi
theo nhiệt độ nhiệt phân, thời gian cháy, áp suất…
Khí hóa liên quan đến việc phân hủy vật chất hữu cơ ở nhiệt độ cao trong mơi
trƣờng thiếu oxy, sản phẩm của q trình này bao gồm hỗn hợp khí (CO, H 2, CO2).
Q trình này cũng tƣơng tự nhƣ nhiệt phân, rác thải đƣợc đốt ở nhiệt độ trên
16


1000oC, ở nhiệt độ này, các khí chủ yếu là CO và H2. Các khí đƣợc làm sạch và làm
mát, sau đó đƣợc sử dụng trong các cơng cụ thiết kế vi mạch điện tử.
Nhiệt phân/ khí hóa là phƣơng pháp đã đƣợc chứng minh làm đồng nhất các chất
hữu cơ nhƣ gỗ, bột giấy và hiện đang là một giải pháp hấp dẫn cho xử lý chất thải
rắn đô thị. Trong quá trình này, bên cạnh việc thu hồi năng lƣợng, chất thải thải ra
cũng phù hợp với tiêu chuẩn thải. Sản phẩm dễ dàng lƣu trữ và xử lý. Q trình này
ngày càng đƣợc u thích hơn q trình thiêu đốt.

Hình 1.10: Nhiệt phân/khí hóa chất thải

d/ Thu hồi khí CO2 từ khí thải cơng nghiệp ứng dụng trong ni cấy tạo sinh
khối qua q trình quang hợp của vi tảo, cây xanh
CO2 là một trong những khí nhà kính quan trọng, chiếm hàm lƣợng lớn (7-15%)
trong khí thải từ các lị đốt các nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí thiên

nhiên), bên cạnh các khí đồng hành khác nhƣ NOx, SO2, HxCy, CO và các hạt bụi lơ
lửng kích thƣớc khác nhau (bảng 2). Một nhà máy nhiệt điện cỡ trung bình sử dụng
than thải ra 11.400 tấn CO2 mỗi ngày (Halmann, 1993). Các hệ thống thu hồi CO2
đƣợc tích hợp vào các nhà máy đốt nhiên liệu hóa thạch nhƣ một bộ phận xử lý khí
thải
17


Bảng 1.3: Thành phần khí thải của nhà máy nhiệt điện dùng nhiên liệu than đá
(Granite và cộng sự, 2002)

Quá trình phản ứng hóa học phổ biến trong việc thu hồi CO2 trong chu trình phản
ứng carbon hóa và khử carbon hóa là phản ứng giữa khí CO2 và oxit kim loại rắn
(MO) tạo thành carbonat kim loại (MCO3) (Gupta and Fan 2002) theo phản ứng:
MO + CO2 → MCO3
Khi oxit kim loại đƣợc chuyển hóa hồn tồn, carbonat kim loại có thể đƣợc nhiệt
phân ở nhiệt độ cao hơn nhiệt tro hóa của nó để tạo trở lạo CO2 và oxit kim loại:
MCO3 → MO + CO2
Oxit kim loại đƣợc sử dụng trong hệ thống này thƣờng là CaO với ƣu điểm là giá
thành rẻ.

Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống cột thu hồi CO2 tạo kết tủa calcium carbonate (Gupta và
Fan, 2002)

Một quá trình hấp thu CO2 khác giúp cho việc phân tách CO2 ra khỏi hỗn hợp khí là
sự rửa với dung dịch amine (Resik và cộng sự, 2004), trong đó monoethanolamine
18


đƣợc sử dụng rộng rãi. Những hệ thống khối đệm hay cột đĩa đƣợc ứng dụng để gia

tăng hiệu quả tiếp xúc giữa dung dịch hấp thụ và dịng khí. Sự khử hấp thu CO2 và
tái tạo monoethanolamine có thể đƣợc thực hiện bởi việc xử lý nhiệt dung dịch sản
phẩm tạo điều kiện cho phản ứng nghịch đảo xảy ra. Hơi nƣớc hình thành trong
phản ứng thu hồi CO2 có thể dễ dàng đƣợc phân tách qua q trình ngƣng tụ. Phản
ứng hấp thu và khử hấp thu CO2 xảy ra theo hai phản ứng:
CO2 + 2C2H4OH - NH2 → C2H4OH - NHCO2- + C2H4OH - NH3+
C2H4OH - NHCO2- + C2H4OH - NH3+ → CO2 + 2C2H4OH - NH2
Một trong những ứng dụng quan trọng trong việc thu hồi CO2 là sử dụng CO2 nhƣ
nguồn dinh dƣỡng để nuôi và sản xuất sinh khối thông qua phản ứng quang hợp cố
định CO2 nhờ năng lƣợng ánh sáng. Quá trình quan hợp cố định CO2 có thể đƣợc
thực hiện bởi cây xanh và vi sinh vật quang hợp. Khả năng cố định CO2 của các loại
vi tảo quang hợp (bảng 3) cao hơn từ 10-50 lần so với các loại cây xanh (Li và cộng
sự, 2008; Usui và Ikenouchi 1997). Do vậy, các loại vi tảo qua hợp (bao gồm vi
khuẩn lam Cyanobacteria, tảo lục Chlorophyta và tảo cát Bacillariophyta) là những
tác nhân tiềm năng đƣợc ứng dụng vào công nghệ này. Bên cạnh đó, việc sử dụng vi
tảo nhƣ những tác nhân sinh học cố định CO2 tạo sinh khối cịn có thể gia tăng hiệu
quả kinh tế và môi trƣờng bền vững bởi việc kết hợp với các quá trình khác nhƣ quá
trình xử lý nƣớc thải (Huang và cộng sự, 2010). Việc sử dụng nƣớc thải trong q
trình ni cấy tảo có những ƣu điểm vƣợt trội: (1) vi tảo có khả năng loại bỏ hiệu
quả nitrogen và phosphorus cũng nhƣ ion kim loại; (2) giúp giảm thiểu việc sử dụng
các loại hóa chất sodium nitrate and potassium phosphorus; (3) giúp tiết kiệm nguồn
nƣớc sạch.
Phƣơng trình cơ bản q trình quang hợp:

Trong đó: X là S đối với sinh vật quang khử.
X là O2 đối với sinh vật quang hợp.

19

Hình 1.12: Hệ thống ao mở quang hợp (OPSS) ni cấy tảo từ nguồn nƣớc thải và
CO2 thu hồi từ nhà máy (Huang và cộng sự, 2010)

Hình 1.13: Sơ đồ hệ thống nuôi cấy tảo từ nguồn CO2 thu hồi sản xuất nhiên liệu sinh
học (Wang và cộng sự, 2008)

Sinh khối tảo thu đƣợc qua q trình ni cấy với nguồn CO2 thu hồi từ khí thải là
nguồn nguyên liệu quan trọng trong việc sản xuất các nhiên liệu sinh học, thay thế
cho các nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt.
20


Bảng 1.4: Một số loài tảo ứng dụng trong sản xuất sinh khối từ CO2 thu hồi (Wang và
cộng sự, 2008)

Ghi chú: aTính từ năng suất sinh khối theo cơng thức:
Tốc độ cố định CO2(PCO2)= 1.88 x năng suất sinh khối (P)
b

Tất cả các loài là tảo lục, ngoại trừ Spirulina sp. là vi khuẩn lam.

Hình 1.14: Các dạng nhiên liệu chế biến từ sinh khối tảo (Tsukahara và Sawayama,
2005)

21


Hình 1.15: Mơ hình hệ thống ni cấy sản xuất sinh khối tảo từ nguồn CO2 thu hồi

1.2.3. LỰA CHỌN ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Sau khi tổng hợp tài liệu, đánh giá hiện trạng và tiềm năng sinh năng lƣợng, nhóm
tác giả đã lựa chọn 3 nhóm đối tƣợng tƣơng ứng với 3 chuyên đề nghiên cứu nhƣ
sau:
Chuyên đề 1: Đánh giá tiềm năng thu hồi khí metan từ các bãi chơn lấp rác thải tại
Tp.Hồ Chí Minh
Chun đề 2: Đánh giá hiệu quả thu hồi dầu nhiên liệu từ rác thải công nghiệp
(nhựa HDPE, nhựa PP và cao su butyl) bằng phƣơng pháp nhiệt phân.
Chuyên đề 3: Đánh giá tiềm năng thu nhận lipid từ sinh khối vi tảo nuôi cấy trên
nƣớc thải ao nuôi tôm sú cho sản xuất dầu sinh học
Đối tƣợng chất
thải nghiên cứu

Trạng
thái

Khí thải bãi chơn
lấp rác

Khí

Nhựa, cao su

Rắn

Nƣớc thải ni tơm
sú

Lỏng

Xuất sứ

Sản phẩm
năng lƣợng
thu đƣợc

Rác đơ thị

Khí metan

Rác cơng
Dầu nhiên
nghiệp, đơ thị
liệu
Cơng nghiệp
nuôi trồng thủy Dầu sinh học
hải sản
22

Sản phẩm
của đề tài
Bài báo
khoa học
Bài báo
khoa học
Bài báo
khoa học


CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU CÁC VẤN ĐỀ
NGHIÊN CỨU

2.1. Tổng quan về chất thải rắn đơ thị và khí bãi rác
2.1.1.Tổng quan về khí phát sinh trong bãi chơn lấp
2.1.1.1.Khái niệm khí bãi chơn lấp
Theo BCME (2010), khí phát sinh trong BCL là sản phẩm của quá trình phân huỷ
kỵ khí chất thải hữu cơ. Thành phần chính của loại khí này bao gồm CH4 và CO2.
Nồng độ của các hợp chất khác có mặt trong hỗn hợp khí BCL hầu nhƣ chỉ ở dạng
vết, gồm có hydro sunfua, mercaptan, hợp chất hữu cơ dễ bay hơi,… chúng có thể
sinh mùi hơi, làm suy giảm chất lƣợng khơng khí và gây ra những tác động xấu đến
sức khoẻ con ngƣời. Số lƣợng và tính chất của các loại rác hữu cơ trong BCL sẽ
trực tiếp ảnh hƣởng đến chất lƣợng và hàm lƣợng khí sinh ra. Các yếu tố mơi
trƣờng khác cũng đóng một vai trị quan trọng trong việc hình thành khí BCL.
Theo SEPA (2004), khí BCL là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân huỷ sinh
học rác thải trong một BCL và theo quy định nó đƣợc xem nhƣ một chất thải. Thành
phần của khí BCL sẽ thay đổi theo loại rác thải và khoảng thời gian mà rác thải tích
luỹ lại trong BCL.
Theo US.EPA (2010a), khí BCL là sản phẩm của q trình phân huỷ tự nhiên các
chất hữu cơ có trong rác thải đơ thị dƣới điều kiện kỵ khí. Khí BCL có chứa khoảng
50% CH4 và 50% CO2, lƣợng NMOCs và các khí dạng vết chỉ chiếm chƣa đến 1%.
Tóm lại, khí BCL là sản phẩm cuối cùng trong quá trình phân huỷ sinh học của rác
thải hữu cơ đƣợc chôn lấp dƣới điều kiện kỵ khí. Thành phần của khí phát sinh từ
BCL bao gồm nhiều chất khí khác nhau, trong đó CH4 và CO2 là 2 khí chiếm tỉ lệ
cao nhất và ln có mặt khi khí BCL đƣợc hình thành. Khí BCL đƣợc xem là một
loại khí thải gây ra nhiều ảnh hƣởng tiêu cực nhƣ có mùi hơi, dễ gây cháy nổ và
quan trọng hơn cả là góp phần gây ra hiệu ứng nhà kính.
2.1.1.2.Thành phần, các đặc tính của khí BCL và q trình phát sinh khí BCL
Thành phần, các đặc tính của khí BCL
Khí BCL bao gồm các thành phần khí hiện diện với lƣợng lớn (các khí chủ yếu) và
những thành phần khí chiếm lƣợng rất nhỏ (các khí vi lƣợng). Các khí chủ yếu đƣợc
hình thành trong quá trình phân huỷ phần chất hữu cơ có trong CTR đơ thị. Một số
23

khí vi lƣợng, mặc dù tồn tại với lƣợng nhỏ nhƣng có thể mang tính độc và nguy cơ
gây hại đến sức khoẻ cộng đồng.
Bảng 2.1: Thành phần khí phát sinh trong BCL [2].
Thành phần khí
Thành phần chính

Tỷ lệ (%) theo thể tích

Metan (CH4)
30 – 60
Cacbon đioxit (CO2)
20 – 50
Oxy (O2)
<2
Nitơ (N2)
< 10
Hơi nƣớc
Bão hoà
Thành phần vết (tổng lượng ≤ 4000ppm)
Hydro sunfua (H2S)
Mercaptan (CH3SH)
Vinyl Clorua
Haxane
Toluene
Clorometan
Diclorometan
Tricloroflorometan
Cis - 1,2 – Dicloroeten

Xylene

Quá trình sinh khí BCL
(a) Các giai đoạn sinh khí trong BCL
BCL có thể đƣợc xem nhƣ là một ―thiết bị phản ứng sinh hóa‖ và nƣớc là dung mơi
chính cho các q trình diễn ra trong BCL.
Theo BCME (2010), khí BCL đƣợc tạo ra từ các q trình vật lý, hố học và sinh
học diễn ra trong chất thải. Hoạt động của các vi sinh vật liên quan đến sự hình
thành metan trong BCL hợp vệ sinh chỉ mang tính tƣơng đối bởi vì trong q trình
phân huỷ khơng bao giờ xảy ra theo từng giai đoạn một, mà những sản phẩm đƣợc
sinh ra từ giai đoạn trƣớc sẽ sử dụng làm nguyên liệu cho giai đoạn tiếp theo cho
đến khi tạo thành sản phẩm cuối cùng của quá trình phân huỷ.

24


Hình 2.1: Đồ thị biểu diễn sự hình thành các loại khí trong BCL qua các giai đoạn
phân huỷ chất thải [9].

Hình 1.3 mơ tả khái qt các q trình sinh khí trong BCL. Đồ thị này đƣợc phát
triển từ một mơ hình khái qt của Farquhar và Rovers (1973) (trích theo GAIL,
EPA [9]) bao gồm các giai đoạn sinh khí sau khi đóng cửa BCL (5 giai đoạn) cũng
nhƣ tốc độ sinh khí trong bãi.
Giai đoạn I: Giai đoạn phân huỷ hiếu khí. Giai đoạn diễn ra ngay sau khi rác thải
đƣợc chơn lấp do lúc này oxy cịn tồn tại trong rác thải. Sản phẩm khí của quá trình
này bao gồm: CO2, hơi nƣớc và nhiệt. Quá trình này sẽ dừng lại khi oxy trong rác
thải bị tiêu thụ hết. Giai đoạn này có thể kéo dài khoảng nhiều giờ đến nhiều tuần.
Giai đoạn II: Giai đoạn phân huỷ thiếu khí, phi metan hố. Trong giai đoạn này,
hai q trình thuỷ phân và axetat hố sẽ diễn ra, các hợp chất axit và khí H2 đƣợc
hình thành, bên cạnh đó CO2 cũng tiếp tục đƣợc tạo ra. Các chất có phân tử lƣợng

lớn sẽ đƣợc cắt nhỏ thành các chất có phân tử lƣợng bé hơn nhƣ NH3, CO, H2, hơi
nƣớc và toả nhiệt. Những chất khí này khi đƣợc tạo ra sẽ thay thế phần oxy và nitơ
cịn lại trong rác thải. Ngồi ra, trong giai đoạn này, pH của nƣớc rỉ rác (nếu có hình
thành) sẽ bắt đầu giảm xuống do sự hiện diện của các axit hữu cơ và nồng độ CO2
tăng khá nhanh.

25