Luận văn Môi trường ĐỘC QUYỀN: Đánh giá tiềm năng thu hồi năng lượng từ các nguồn chất thải công nghiệp và đô thị tại Việt Nam

BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH

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

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

Chủ nhiệm đề tài:

TP. HỒ CHÍ MINH - 20

1


BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH

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

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

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài

TP. HỒ CHÍ MINH – 20

Đại diện chủ nhiệm đề tài


MỤC LỤC
MỤC LỤC................................................................................................................. 3
CHƯƠNG 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 TƯỢNG VÀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
CỦA ĐỀ TÀI...........................................................................................................6
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU..........23
2.1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT THẢI RẮN ĐÔ 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
CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......................88
3.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VỀ TÍNH TỐN DỰ BÁO PHÁT THẢI
CH4 TỪ BCL RÁC THEO MƠ HÌNH IPCC 2005................................................. 88
3.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VỀ NHIỆT PHÂN HÓA DẦU
CHẤT THẢI...........................................................................................................97
3.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VỚI VI TẢO................................... 103
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN...........................111
4.1. KẾT QUẢ VỀ ỨNG DỤNG MƠ HÌNH IPCC2005 TÍNH TỐN VÀ DỰ
BÁO LƯỢNG KHÍ METHANE...........................................................................111
4.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Q TRÌNH NHIỆT PHÂN HĨA DẦU...........156
4.3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỚI VI TẢO.......................................................168

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ..........................................................182
5.1. KẾT LUẬN VỀ TÍNH TỐN DỰ BÁO PHÁT SINH KHÍ METAN TỪ BCL
RÁC THẢI ĐÔ THỊ..............................................................................................182
5.2. KẾT LUẬN VỀ NHIỆT PHÂN HĨA DẦU CHẤT THẢI CƠNG NGHIỆP184
5.3. KẾT LUẬN VỀ SỬ DỤNG VI TẢO XỬ LÝ NƯỚC THẢI THU SINH KHỐI CHO
SẢN XUẤT DẦU SINH HỌC..........................................................................................184


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


CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 TÍNH CẤP THIẾT, MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ
TÀI
Trong mọi hoạt động của con người như thương mại, công nghiệp, y tế, nông
nghiệp…chúng ta đều tạo ra rác thải. Số lượng 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, lượng rác thải đô thị phát sinh một ngày vào
khoảng 760.000 tấn, tương đương 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 m 3/ ngày. Có thể
thấy rằng chất thải rắn là một vấn đề càng ngày càng quan trọng ở tất cả các nước,
đặc biệt là những quốc gia đang phát triển như ở Việt Nam.
Trong những năm gần đây, trong khi những nước phát triển đang tích cực
giảm thiểu những tác động xấu từ chất thải rắn đến môi trường như xây dựng những
bãi chôn lấp hợp vệ sinh, đốt rác ở nhiệt độ cao, cũng như bảo tồn tài nguyên thiên
nhiên và năng lượng thơng qua tái chế, tái sử dụng thì ở Việt Nam lượng rác thải
ngày càng gia tăng. Rác thải chủ yếu được đem đi chơn lấp. Hàng ngày một lượng
khí thải bãi rác (landfill gas) chủ yếu là metan phát tán ra môi trường gây ô nên hiện
tượng hiệu ứng nhà kính tác động khơng nhỏ đến biến đổi khí hậu. Một mặt metan

là một loại khí cung cấp năng lượng 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 nước nói chung đang có xu
hướng phát sinh ngày càng tăng các loại chất thải cơng nghiệp như bao bì, nhựa, cao
su...Do khả năng tái chế được, nên các loại chất thải này được thu gom và tái chế,
chủ yếu theo các công nghệ đơn giản gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và tạo
ra các sản phẩm khơng an tồn. Các loại chất thải này đều có nhiệt trị cao và đang
được các nước tiên tiến chế biến theo các phương pháp khác nhau để thu hồi năng
lượng, đem lại hiệu quả cao và thân thiện môi trường.
Tại các đô thị và khu vực sản xuất công nghiệp, nước thải được phát sinh
hàng ngày với khối lượng rất lớn. Với khả năng tài chính và được quản lý chặt
thông qua Luật Môi trường, các đơ thị và nhà máy đều đã phải có hệ thống xử lý


nước thải. Trong khi đó khu vực ni trồng thủy sản đang gần như chưa có hệ thống
xử lý nước thải. Lượng nước thải chứa nhiều dưỡng chất, tuy nhiên khi thải ra môi
trường gây nên tác động tiêu cực đến hệ sinh thái nước. Ở các nước tiên tiến, vi tảo
đang được nghiên cứu sử dụng để tạo sinh khối từ cac nguồn nước giàu dinh dưỡng.
Sinh khối vi tảo có nhiều mục đích sử dụng khác nhau như 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 lượng từ các nguồn chất thải công nghiệp và đô thị tại Việt Nam‖
Đề tài được 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 phương pháp phù hợp để thu hồi năng lượng từ nguồn chất thải từ
khu vực công nghiệp và đô thị tại Việt Nam.
* Mục tiêu cụ thể
-

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

-

Đánh giá khả năng thu hồi năng lượng dưới dạng nhiên liệu từ các chất thải
rắn công nghiệp phổ biến như nhựa, cao su.

-

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

-

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

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


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 lượng từ chất thải đã được 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 được 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 được hoán chuyển thành điện năng. Trong các nước thuộc Liên minh châu
Âu, CHLB Đức là quốc gia sản xuất biogas nhiều nhất với 22.000 GWh. Tại Hoa
Kỳ, năm 2006, lượng biogas sử dụng trên tồn quốc chiếm 6% khí đốt thiên nhiên,
tương đương 10 tỷ gallons xăng. Việc thu hồi năng lượng từ q trình tiêu hủy chất
thải khơng chỉ đơn thuần tạo ra năng lượng mà còn giảm bớt khối lượng chất thải
phải chơn lấp đến 90% (Lê Hồng Việt và cộng sự, 2011).
Công nghệ thu hồi và lưu giữ CO2 (Carbon capture and storage) từ khí thải các nhà
máy nhiệt điện, nhà máy xi măng giúp giảm thiểu đến 80-90% lượng khí CO 2 có
trong các nguồn khí thải này khi được áp dụng. Nguồn CO 2 thu hồi được sử dụng
trong nuôi cấy tạo sinh khối tảo (Bio CCS Algal Synthesis) cũng đã được 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).


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 lượng còn
khá mới mẻ. Các hệ thống thu hồi năng lượng được 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 lượng ở Việt Nam. Lượng khí thu
hồi cung cấp cho ba tổ máy phát điện với công suất 2.430 kW/h, mỗi năm thu được
gần 21.287 kW, doanh thu 13 tỷ đồng mỗi năm. Một hệ thống thu hồi năng lượng

khác đang được 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 lượng 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 lượng 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 lượng bằng cơng
nghệ biogas.
Bảng 1.1: Thành phần chất thải rắn đô thị tại một số địa phương ở Đồng bằng
Sông Cửu Long (INVENT, 2009)


Ghi chú: NA – khơng có số liệu
Các nghiên cứu thu hồi CO 2 từ khí thải ứng dụng trong nuôi cấy sinh khối tảo tại
Việt Nam chỉ mới bước đầu được nghiên cứu. Cơng trình nghiên cứu cơng nghệ thu
hồi CO2 từ khí đốt than tổ ong bằng phương 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 công 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)


Tiêu chí đánh giá thu hồi năng lượng từ chất thải
Hiệu quả và giải pháp của quá trình thu hồi năng lượng từ chất thải công nghiệp và
đô thị được đánh giá và đề xuất thơng qua các tiêu chí lượng chất thải; thành phần
và đặc tính của chất thải; nhiệt giá trị và các yếu tố của nguồn chất thải ảnh hưởng
đến sự sinh trưởng, 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 lượng

có thể được mơ tả khái qt trong bảng 1.2.
Bảng 1.2: Tiêu chí đánh giá khả năng thu hồi năng lượng từ chất thải đô thị và công
nghiệp (Pires và cộng sự 2012; Sumida và cộng sự, 2011; Zaher và cộng sự, 2007)

Phương pháp thu hồi

Nguyên tắc cơ bản của

năng lượng

phương pháp sử dụng

Tiêu chí đánh giá

hạn

Chuyển đổi hóa sinh Phân hủy chất hữu cơ - Độ ẩm chất thải
(phân hủy kị khí)

dưới tác động của vi - Tỉ lệ chất hữu cơ
sinh

vật

trong

điều - Tỉ lệ C/N

kiện kị khí)

Tiêu chí giới

- pH chất thải
- Nhiệt độ

>50%
>40%
20-30
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

hóa)

hơi/tổng chất hữu cơ

- Carbon cố định

<15%

- Tổng chất trơ

<35%

- Nhiệt trị

>1200 kcal/kg

Thu hồi CO2 từ khí

Ứng dụng nguồn CO2 - Hàm lượng CO2

10-20%

thải cơng nghiệp

từ khí thải ni cấy tảo - Hàm lượng CO

<100 ppm

thu sinh khối dùng sản - Hàm lượng NOx

300-600 ppm

xuất nhiên liệu sinh học

- Hàm lượng SOx

<1000 ppm

Dựa trên thông tin thu thập được 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 lượng từ
nguồn chất thải phù hợp với điều kiện Việt Nam.


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)
Phương trình cơ bản: C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4 - 409 kJ/mol
Phương 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 được gọi là quá trình methanation sinh học. Các chất thải hữu cơ
được 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 nước rỉ rác. Có thể tạo được
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 thường 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 được 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 CO 2 thành methane (Novaes, 1986; Morgan et
al., 1991):
CH3COOH → CH4 + CO2
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O


Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kị khí bao gồm nhiệt độ, pH, chất
dinh dưỡng (tỉ lệ C/N), tốc độ tải, thời gian lưu, 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 dưỡng kị khí (Hansen and Cheong,
2007)

Hiện nay, có nhiều kiểu hệ thống phân hủy kị khí (hệ thống khơ, ướt; 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 ướt - một giai đoạn: áp dụng đối với nguồn chất thải rắn
có hàm lượng thấp (<10%) và trung bình (10-16%).


Hình 1.5: Sơ đồ hệ thống xử lý ướt – 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 được 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
lưu sinh khối; (2) hệ thống phân hủy hai giai đoạn kết hợp lưu sinh khối.


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

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


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 được nhiệt, khí trơ và tro. Sản
lượng năng lượng phụ thuộc vào mật độ và thành phần của chất thải, tỷ lệ phần trăm
độ ẩm tương đối, ngồi ra cịn do tổn thất nhiệt, nhiệt độ đánh lửa, kích thước 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 lượng của các chất hữu cơ có thể được phục hồi
như năng lượng nhiệt, có thể được sử dụng hay cho ứng dụng trực tiếp, để sản xuất
điện năng thong qua các tua bin hơi nước, 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 nhưng không đủ để đốt cháy hoặc làm tan
chảy thủy tinh. Để tránh những thiếu sót của những lị đốt thơng thường, một số lị
đốt hiện tại có thể sử dụng nhiệt độ lên đến 1650 oC bằng cách bổ sung nhiên liệu.

Với nhiệt độ này, có thể giảm đến 97% lượng rác thải, kim loại bị chuyển đổi và
thủy tinh thành tro.
Chất thải bị đốt cháy để giảm khối lượng có thể không cần bất kỳ nhiên liệu phụ trợ
ngoại trừ khi khởi động. Khi mục đích của phương pháp đốt nhằm sản xuất hơi
nước, nhiên liệu bổ sung có thể được sử dụng với rác nghiền thành bột, vì hàm
lượng chất thải sẽ thay đổi năng lượng, ta cũng cần phải bổ sung nhiên liệu phụ trợ
trong trường hợp chất thải hiện diện trong lị khơng đủ.
Trong khi phương pháp thiêu đốt được sử dụng rộng rãi như là một phương pháp
quan trọng để xử lý chất thải, nó gắn liền với việc gây ô nhiễm môi trường, mặc dù
ở những mức độ khác nhau. Chúng ta có thể kiểm sốt việc này bằng cách lắp đặt
các thiết bị kiểm soát ô 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


hố khơng trực tiếp (bao gồm steam reforming); Hydrogasification; Khí hố xúc tác
và Khí hố siêu tới hạn nước.
Phương 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 lượng

Các hệ thống khí hóa/ nhiệt phân chất thải rắn đã được thực hiện trên thế giới ít nhất
30 năm.
Nhiệt phân là q trình phân hủy hoặc chưng cất carbon hóa. Đó là q trình phân

hủy nhiệt của vật chất hữu cơ ở nhiệt độ cao (khoảng 900 oC) trong mơi trường
khơng có oxy hay chân khơng, sản phẩm của q trình này gồm CO, CH 4, 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
lượng của mỗi sản phẩm phụ thuộc vào thành phần hóa học của các chất hữu cơ và
điều kiện hoạt động. Số lượng 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
trường thiếu oxy, sản phẩm của q trình này bao gồm hỗn hợp khí (CO, H 2, CO2).
Quá trình này cũng tương tự như nhiệt phân, rác thải được đốt ở nhiệt độ trên


1000oC, ở nhiệt độ này, các khí chủ yếu là CO và H 2. Các khí được làm sạch và làm
mát, sau đó được sử dụng trong các cơng cụ thiết kế vi mạch điện tử.
Nhiệt phân/ khí hóa là phương pháp đã được chứng minh làm đồng nhất các chất
hữu cơ như gỗ, bột giấy và hiện đang là một giải pháp hấp dẫn cho xử lý chất thải
rắn đơ thị. Trong q trình này, bên cạnh việc thu hồi năng lượng, chất thải thải ra
cũng phù hợp với tiêu chuẩn thải. Sản phẩm dễ dàng lưu trữ và xử lý. Q trình này
ngày càng được 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 lượng 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 như NO x, SO2, HxCy, CO và các hạt bụi lơ
lửng kích thước 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 CO 2
được tích hợp vào các nhà máy đốt nhiên liệu hóa thạch như một bộ phận xử lý khí

thải


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 CO 2 trong chu trình phản
ứng carbon hóa và khử carbon hóa là phản ứng giữa khí CO 2 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 được chuyển hóa hồn tồn, carbonat kim loại có thể được 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 được sử dụng trong hệ thống này thường là CaO với ưu 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


được sử dụng rộng rãi. Những hệ thống khối đệm hay cột đĩa được 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 được thực hiện bởi việc xử lý nhiệt dung dịch sản
phẩm tạo điều kiện cho phản ứng nghịch đảo xảy ra. Hơi nước hình thành trong
phản ứng thu hồi CO2 có thể dễ dàng được phân tách qua q trình ngưng 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 CO 2 là sử dụng CO2 như
nguồn dinh dưỡng để nuôi và sản xuất sinh khối thông qua phản ứng quang hợp cố
định CO2 nhờ năng lượng ánh sáng. Quá trình quan hợp cố định CO 2 có thể được
thực hiện bởi cây xanh và vi sinh vật quang hợp. Khả năng cố định CO 2 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 được ứng dụng vào cơng nghệ này. Bên cạnh đó, việc sử dụng vi
tảo như những tác nhân sinh học cố định CO 2 tạo sinh khối cịn có thể gia tăng hiệu
quả kinh tế và môi trường bền vững bởi việc kết hợp với các quá trình khác như quá
trình xử lý nước thải (Huang và cộng sự, 2010). Việc sử dụng nước thải trong q
trình ni cấy tảo có những ưu điểm vượt trội: (1) vi tảo có khả năng loại bỏ hiệu
quả nitrogen và phosphorus cũng như ion kim loại; (2) giúp giảm thiểu việc sử dụng
các loại hóa chất sodium nitrate and potassium phosphorus; (3) giúp tiết kiệm nguồn
nước sạch.
Phương 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.


Hình 1.12: Hệ thống ao mở quang hợp (OPSS) ni cấy tảo từ nguồn nước 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 được 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.


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)


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 TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Sau khi tổng hợp tài liệu, đánh giá hiện trạng và tiềm năng sinh năng lượng, nhóm
tác giả đã lựa chọn 3 nhóm đối tượng tương ứng với 3 chuyên đề nghiên cứu như
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 phương pháp nhiệt phân.
Chuyên đề 3: Đánh giá tiềm năng thu nhận lipid từ sinh khối vi tảo nuôi cấy trên
nước thải ao nuôi tôm sú cho sản xuất dầu sinh học
Đối tượng chất
thải nghiên cứu

Trạng
thái

Khí thải bãi chơn
lấp rác

Khí

Nhựa, cao su

Rắn

Nước thải ni tơm
sú

Lỏng

Xuất sứ

Sản phẩm
năng lượng
thu được

Rác đơ thị

Khí metan

Rác cơng
Dầu nhiên

nghiệp, đơ thị
liệu
Cơng nghiệp
nuôi trồng thủy Dầu sinh học
hải sản

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


CHƯƠNG 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 CH 4 và CO2.
Nồng độ của các hợp chất khác có mặt trong hỗn hợp khí BCL hầu như 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 lượng khơng khí và gây ra những tác động xấu đến
sức khoẻ con người. Số lượng và tính chất của các loại rác hữu cơ trong BCL sẽ

trực tiếp ảnh hưởng đến chất lượng và hàm lượng khí sinh ra. Các yếu tố mơi
trường 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 được xem như 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 dưới điều kiện kỵ khí. Khí BCL có chứa khoảng
50% CH4 và 50% CO2, lượng NMOCs và các khí dạng vết chỉ chiếm chưa đến 1%.
Tóm lại, khí BCL là sản phẩm cuối cùng trong quá trình phân huỷ sinh học của rác
thải hữu cơ được chôn lấp dưới điều kiện kỵ khí. Thành phần của khí phát sinh từ
BCL bao gồm nhiều chất khí khác nhau, trong đó CH 4 và CO2 là 2 khí chiếm tỉ lệ
cao nhất và ln có mặt khi khí BCL được hình thành. Khí BCL được xem là một
loại khí thải gây ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực như có mùi hôi, 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 lượng lớn (các khí chủ yếu) và
những thành phần khí chiếm lượng rất nhỏ (các khí vi lượng). Các khí chủ yếu được
hình thành trong quá trình phân huỷ phần chất hữu cơ có trong CTR đơ thị. Một số


khí vi lượng, mặc dù tồn tại với lượng nhỏ nhưng 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 nước
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 được xem như là một ―thiết bị phản ứng sinh hóa‖ và nước là dung mơi
chính cho các q trình diễn ra trong BCL.
Theo BCME (2010), khí BCL được 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 tương đối bởi vì trong q trình
phân huỷ khơng bao giờ xảy ra theo từng giai đoạn một, mà những sản phẩm được
sinh ra từ giai đoạn trước 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.


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 được 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
như tốc độ sinh khí trong bãi.
Giai đoạn I: Giai đoạn phân huỷ hiếu khí. Giai đoạn diễn ra ngay sau khi rác thải
được chơn lấp do lúc này oxy cịn tồn tại trong rác thải. Sản phẩm khí của quá trình
này bao gồm: CO2, hơi nước 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 H 2 được
hình thành, bên cạnh đó CO 2 cũng tiếp tục được tạo ra. Các chất có phân tử lượng
lớn sẽ được cắt nhỏ thành các chất có phân tử lượng bé hơn như NH 3, CO, H2, hơi
nước và toả nhiệt. Những chất khí này khi được tạo ra sẽ thay thế phần oxy và nitơ
cịn lại trong rác thải. Ngồi ra, trong giai đoạn này, pH của nước rỉ rác (nếu có hình
thành) sẽ bắt đầu giảm xuống do sự hiện diện của các axit hữu cơ và nồng độ CO 2
tăng khá nhanh.