Quá trình chuyển đổi rác thải thành nguồn năng lượng tái tạo (WTE) đã trở thành một phương pháp hiệu quả trong việc xử lý rác thải hữu cơ từ các khu đô thị. Cách tiếp cận này không chỉ giúp giảm diện tích sân chôn lấp mà còn giảm lượng phát thải khí nhà kính.
Giới thiệu
Rác thải sinh hoạt bao gồm các chất thải hàng ngày phát sinh từ cuộc sống con người. Rác thải này tồn tại ở khắp mọi nơi, từ gia đình đến công sở, từ thành thị đến nông thôn, và từ đồng bằng đến miền núi. Với sự tập trung của dân số trong các khu vực đô thị và quá trình đô thị hóa, lượng rác thải đô thị đã tăng lên đáng kể trong một diện tích nhất định, diễn ra liên tục và gia tăng hàng năm. Số lượng rác thải đô thị và mật độ rác (trên đầu người và diện tích) đều tăng mạnh theo tốc độ đô thị hóa. Trong các nước đang phát triển, tình trạng tăng còn đáng kể hơn so với các nước phát triển. Tuy nhiên, việc xây dựng cơ sở xử lý rác thải ở các nước đang phát triển gặp nhiều khó khăn, đặc biệt về mặt tài chính và công nghệ. Cung cấp thông tin về số lượng đô thị theo từng loại ở Việt Nam từ 2005 – 2011 và dự báo cho 2015.
Vấn đề rác thải đô thị đã được quan tâm tại nhiều quốc gia trên thế giới ở nhiều cấp độ khác nhau. Tuy nhiên, việc tìm giải pháp tại cấp quốc gia được coi là cực kỳ quan trọng và có tính quyết định. Đối với các nước nghèo, vấn đề không chỉ nằm ở khả năng tài chính. Để giải quyết hiệu quả, cần phải thực hiện “chính sách về rác thải” và thúc đẩy phát triển, ứng dụng công nghệ.
Nhiều quốc gia đã thành công trong việc giải quyết vấn đề rác thải, đặc biệt là việc chuyển đổi rác thành nguyên liệu thô phục vụ cho các hoạt động công nghiệp. Ví dụ, nhiều quốc gia tại khu vực Bắc Âu và Singapore đã sử dụng công nghệ WTE để xử lý toàn bộ lượng rác thải đô thị. Các quốc gia công nghiệp như Nhật Bản, Mỹ và Đức đã phát triển các công nghệ tái chế rác thải đô thị ở mức từ 50% đến trên 75%.
Công nghệ tiên tiến và mang nhiều ưu điểm là chuyển hóa rác thải thành điện năng. Điện năng có nguồn gốc sạch và là một dạng năng lượng cao cấp. Tuy nhiên, sự sử dụng điện hạt nhân, nhiệt điện từ than hoặc dầu mỏ thường gây ra lượng phát thải lớn và nhiều vấn đề về môi trường. Sự cạn kiệt nguồn tài nguyên như than và dầu mỏ, cùng với vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu, đã thúc đẩy xu hướng tìm kiếm nguồn năng lượng sạch, tái tạo và bền vững. Năng lượng tái tạo bao gồm các nguồn năng lượng từ thủy năng, năng lượng mặt trời, gió, sóng biển, sinh khối, nhiệt đất, thủy triều, nhiên liệu sinh học và đặc biệt, từ rác thải sinh hoạt.
Quá trình Chuyển hóa Rác thành Năng lượng (Waste to Energy – WTE)
Chuyển hóa rác thành nguồn năng lượng (Waste to Energy – WTE) là quá trình biến đổi rác thải hữu cơ thành năng lượng dưới dạng điện và/hoặc nhiệt bằng cách sử dụng phương pháp đốt cháy. Đây là một trong những công nghệ tái chế nhằm thu hồi năng lượng. Hầu hết các quá trình WTE tạo ra điện và/hoặc nhiệt trực tiếp thông qua quá trình đốt cháy, hoặc tạo ra một số nhiên liệu dễ cháy như metan, ethanol, methanol, than sinh học hoặc nhiên liệu tổng hợp. Lò đốt rác đầu tiên chính thức được xây dựng ở Mỹ vào năm 1885, sau đó là ở Na Uy năm 1903 và Tiếp Khắc năm 1905.
Phương pháp đốt rác để tạo nhiệt là kỹ thuật phổ biến nhất trong WTE. Tuy hiệu suất tạo điện từ quá trình đốt rác thấp, khoảng 14-28% [8], có thể kết hợp cả sản xuất điện và nhiệt. Công nghệ đồng phát thường có hiệu suất cao hơn, khoảng 65-70%.
Ngoài việc đốt cháy trực tiếp, còn có các công nghệ WTE khác. Các công nghệ này tiềm năng tạo điện với hiệu suất cao hơn bằng cách biến đổi rác thành nhiên liệu, loại bỏ các thành phần ăn mòn và tro, từ đó tạo điều kiện sử dụng cho tuabin khí, động cơ đốt trong và pin nhiên liệu. Chuyển hóa WTE là giải pháp lý tưởng hỗ trợ bảo vệ môi trường và sản xuất năng lượng sạch, và vì vậy, luôn là lĩnh vực đang được nghiên cứu và phát triển tiếp tục.
Rác thải đô thị
Rác thải đô thị bao gồm các loại rác hữu cơ như giấy, bìa, thức ăn, rác từ làm vườn và các loại rác vô cơ như kim loại, đất, vữa, bê tông và thủy tinh. Tỉ lệ thành phần rác thải có thể thay đổi tùy theo đặc điểm địa phương, vùng miền, thời tiết và chu kỳ thời gian. Ví dụ, tại Mỹ, lượng rác thải đô thị năm 2010 đã đạt 250 triệu tấn.
Ở Việt Nam, thành phần cơ bản của rác thải cũng tương tự như tại Mỹ, tuy nhiên tỉ lệ giữa các thành phần có sự khác biệt. Dữ liệu về thành phần rác thải tại một số thành phố ở Việt Nam. Các số liệu cho thấy tỉ lệ thành phần rác thải tương đối như nhau ở các thành phố, trừ TP. Hồ Chí Minh.
Công nghệ xử lý rác thải hữu cơ
Các phương pháp công nghệ được sử dụng để tái chế rác thải và tạo năng lượng bao gồm:
a) Công nghệ nhiệt:
Khí hóa (tạo khí dễ cháy, hydro, nhiên liệu tổng hợp)
Phân hủy nhiệt polymer (tạo dầu thô tổng hợp, có thể tiếp tục chế biến)
Nhiệt phân (tạo chất dễ cháy như nhựa hắc in / dầu và than sinh học)
Khí hóa plasma (tạo khí tổng hợp bao gồm hydro và carbon monoxit – syngas)
b) Công nghệ không nhiệt:
Phân hủy yếm khí (khí sinh học giàu metan)
Quá trình lên men (tạo ethanol, acid lactic, hydro)
Xử lý kết hợp sinh học và cơ khí, bao gồm kỵ khí và hiếu khí
Những công nghệ này có thể kết hợp và sử dụng kết hợp với hệ thống kiểm soát khí thải và giám sát phát thải để tuân thủ các yêu cầu môi trường.
Thách thức chính đối với các công nghệ chuyển hóa nêu trên là sự không đồng nhất của rác thải, gây ảnh hưởng lớn đến hiệu suất tạo năng lượng của quá trình. Các nghiên cứu tập trung vào việc xử lý nguyên liệu rác đầu vào như phân loại, chặt nhỏ và/hoặc phối trộn để tạo ra nguyên liệu đồng nhất hơn, đặc biệt trong việc chuyển hóa nhiệt. Việc làm này giúp tăng hiệu suất sản lượng năng lượng đầu ra và nâng cao tính hữu ích của hệ thống.
Nhiều địa phương đã áp dụng các kế hoạch với mục tiêu không tạo ra rác thải, sử dụng chiến lược 3R: giảm (reduce), tái sử dụng (reuse), tái chế (recycle) rác thải sinh hoạt và chuyển hóa thành năng lượng (WTE) để hạn chế việc chôn lấp và giảm nguy cơ ô nhiễm không khí và nước ngầm. Tuy nhiên, công nghệ chôn lấp hiện vẫn chiếm tỷ lệ lớn, lên tới 60%. Hơn nữa, các công nghệ tái chế cũng đã bắt đầu được các tổ chức triển khai thành công.
Tại Hà Nội, lượng rác thải hữu cơ đạt khoảng 7.500 tấn/ngày, chủ yếu bao gồm chất hữu cơ như rau cải, thực phẩm và một số chất khác. Phần lớn rác thải ở Hà Nội được chôn lấp, một phần nhỏ được tái chế và chỉ khoảng 10% được tái chế tại các làng nghề thủ công (Hà Nội URENCO, 2011 và Báo cáo môi trường quốc gia, 2011).
Công ty Dịch vụ Môi trường Thăng Long đã thành công trong việc nghiên cứu quy trình công nghệ và hệ thống thiết bị xử lý rác thải rắn đốt có và không thu hồi nhiệt. So với các công nghệ lò đốt rác khác tại Việt Nam, công nghệ này đã có nhiều cải tiến như sử dụng thiết bị cắt để xử lý rác với kích thước đồng đều hơn, tạo môi trường sấy rác với hiệu suất cao. Quá trình này thu hồi nhiệt từ quá trình đốt oxi hóa rác để sấy rác khô và sấy nguyên liệu, bao gồm không khí tự nhiên, cung cấp cho lò đốt. Thêm vào đó, quy trình công nghệ này còn có hệ thống phân loại kích thước và thành phần rác thải; sự đồng đều về kích thước trước khi sấy để nâng cao hiệu suất sấy.
Đặc biệt, việc thu hồi nhiệt để sấy nguyên liệu rác và sấy không khí cũng giúp tiết kiệm nhiên liệu đốt, giảm lượng nhiên liệu đốt cần thiết khi đưa vào lò. Hơn nữa, công nghệ này rất hiệu quả trong việc bảo vệ môi trường, giảm tới 75% phát thải và giảm 85% diện tích chôn lấp. Với khả năng ứng dụng rộng rãi trong quy mô công nghiệp, dễ dàng chế tạo và lắp đặt thiết bị nội địa hóa, quản lý và vận hành thuận tiện, giảm chi phí đầu tư ban đầu so với các công nghệ hiện có, công nghệ đốt rác thu hồi nhiệt đã được áp dụng tại Nhà máy xử lý rác tại Sơn Tây với công suất 300 tấn/ngày, hoạt động chính thức từ ngày 01/01/2012, xử lý rác thu gom từ Hà Nội. Công suất xử lý hiện đạt 83% so với công suất thiết kế.
Đốt rác
Phương pháp đốt trực tiếp là cách thường được sử dụng để tạo nhiệt, điện hoặc đồng phát nhiệt điện từ rác thải hữu cơ. Trong hệ thống đốt trực tiếp, rác thải hữu cơ được đưa vào lò để cháy sinh nhiệt. Nhiệt này được sử dụng để đun nóng nước trong lò hơi, sau đó được dùng để sấy hoặc để vận hành tuabin phát điện.
Khí hóa
Khí hóa là một công nghệ WTE đang thu hút sự quan tâm của cộng đồng khoa học, trong đó nhiên liệu được gia nhiệt trong môi trường có ít ôxy, còn được gọi là quá trình cháy không hoàn toàn, tạo ra khí tổng hợp (syngas).
Khí hóa là quá trình nhiệt phân ở nhiệt độ cao, được tối ưu hóa để tạo ra khí nhiên liệu từ nguồn sinh học khô với hàm lượng chất lỏng và rắn tối thiểu. Khí hóa bao gồm gia nhiệt cho nguyên liệu đầu vào trong lò mà không có khí ôxy. Nó có thể có hoặc không có sự cung cấp nước. Các phản ứng nhiệt hóa xảy ra và sản phẩm khí là một hỗn hợp gồm hydro (H2) và cacbon monoxit (CO), ni-tơ (nếu sử dụng không khí) và các hydrocacbon khác như C2H2, C2H4 và C2H6. Khí đầu ra được gọi là khí tổng hợp hoặc khí tổng hợp (syngas).
Nhiệt phân
Nhiệt phân là quá trình phân hủy nghèo ôxy ở nhiệt độ cao, được tối ưu hóa để tạo ra dầu nhiệt phân, than sinh học và khí tổng hợp từ nguồn sinh học khô. Nhiệt phân bao gồm gia nhiệt cho nguyên liệu đầu vào mà không cung cấp thêm khí ôxy. Trong quá trình này, các phản ứng phân tách xảy ra, tạo ra một hỗn hợp khí với thành phần chính là hydro, CO. Sản phẩm bao gồm dầu nhiệt phân, nước, metan và CO2. Khí sản phẩm được gọi là biogas, khí tổng hợp hoặc khí tổng hợp (synthetic natural gas). Thành phần của nhiên liệu đầu vào phụ thuộc vào các yếu tố như hỗn hợp đầu vào, nhiệt độ và thời gian trong lò.
Phát điện
Quá trình sử dụng hơi nước để vận hành tuabin phát điện, với nhiệt được tạo ra từ quá trình đốt trực tiếp, bao gồm việc tạo hơi nước ở áp suất xác định, sau đó gia nhiệt để tạo hơi nước quá nhiệt. Với quá trình khí hóa – phát điện trực tiếp, quá trình bao gồm khí hóa – làm sạch khí – động cơ – phát điện. Quá trình này có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn. Với nhiệt trị khá cao của rác thải hữu cơ, khoảng 7000 – 11100 kJ/kg, và nhiệt trị trung bình khoảng 8000 kJ/kg, việc gia nhiệt hoặc đốt cháy để tạo khí sẽ biến rác thải hữu cơ thành một nguồn nhiên liệu quan trọng.
Tại Việt Nam, tổng khối lượng rác thải rắn ở các khu đô thị trên toàn quốc đang tăng với tỷ lệ tăng khoảng từ 10% đến 16% mỗi năm. Ở hầu hết các khu đô thị, khối lượng rác thải rắn hữu cơ chiếm từ 60% đến 80% của tổng khối lượng rác thải đô thị (với một số địa phương thậm chí lên tới 90%). Cung cấp thông tin về tình hình rác thải đô thị. Cần lưu ý rằng, chỉ riêng trong khu vực đô thị, khối lượng rác thải hữu cơ khoảng từ 3 triệu tấn đến 5 triệu tấn mỗi năm.
Với giá trị nhiệt trị trung bình của rác thải sinh hoạt hữu cơ là 8,000 kJ/kg, ta có thể tính toán tiềm năng lý thuyết về sản xuất năng lượng từ rác thải như thể hiện trong thống kê. Quá trình so sánh giữa các công nghệ khí hóa cơ bản sẽ giúp xem xét và lựa chọn động cơ phát điện thích hợp dựa trên nhiên liệu khí sản phẩm.
Lời kết
Trước đây, rác thải được coi là vô giá trị, một tài nguyên không có giá trị, và có thể vứt bỏ vào môi trường mà không cần phải phân loại, thậm chí cả ở các khu đô thị. Tuy nhiên, ngày nay, ngành công nghiệp tái chế đã nảy sinh và thay đổi triệt hạnh quan về rác thải, biến nó thành một nguồn tài nguyên quý báu. Cuộc khủng hoảng về năng lượng cùng sự suy giảm của tài nguyên hóa thạch đã thúc đẩy nghiên cứu về các nguồn năng lượng mới và tái tạo. Nhu cầu bức thiết về giảm phát thải khí nhà kính cũng đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển này.
Công nghệ đã đóng góp quan trọng trong việc biến rác thành nguồn năng lượng, đặc biệt là điện năng, mang lại tác động đa chiều mà ít ngành nào có thể làm được: giải quyết vấn đề môi trường liên quan đến rác thải, giảm diện tích chôn lấp, giảm phát thải khí methane, hạn chế ô nhiễm phụ từ việc chôn lấp và đồng thời đáp ứng nhu cầu về năng lượng xanh. Điều này cũng thỏa mãn nhu cầu của các hệ thống nhỏ phù hợp với điều kiện kinh tế, xã hội và địa lý, phù hợp cho doanh nghiệp nhỏ và vừa, trang trại và hộ gia đình.
Việc biến rác thành khí nhiên liệu không chỉ là vấn đề về tài chính, mà chủ yếu phụ thuộc vào công nghệ được áp dụng. Tại Việt Nam, chúng ta có thể tận dụng công nghệ WTE phổ biến nhất, đó là quá trình đốt cháy rác để sản xuất nhiệt. Điều này giúp giải quyết nhanh chóng vấn đề ô nhiễm và sự quá tải của các bãi chôn rác thải sinh hoạt. Tuy nhiên, cần phải từng bước xây dựng và phát triển các công nghệ WTE phù hợp, đặc biệt là đối với việc xử lý rác thải sinh hoạt ở các vùng nông thôn và các đô thị vừa, nhỏ.
