Các công nghệ xác định giá trị của chất thải rắn đô thị

Công nghệ xác định giá trị của CTRĐT được chia thành hai phần: chuyển đổi sinh hóa và chuyển đổi nhiệt – đòi hỏi phải xử lý nhiệt các chất hữu cơ trong chất thải rắn thành phố để tạo ra năng lượng nhiệt. Công nghệ này có ưu thế xử lý chất thải khô có chứa nồng độ chất hữu cơ cao không phân hủy sinh học. Công nghệ chuyển đổi sinh hóa dựa trên sự phân hủy của vi sinh vật đối với thành phần hữu cơ của CTRĐT. Phần hữu cơ của CTRĐT bao gồm rác thực phẩm, rác nhà bếp, lá cây, cành giâm cỏ, hoa và rác sân vườn. Phần này của CTRĐT là một nguồn tiềm năng để phục hồi nhiều loại tài nguyên, bao gồm sản xuất phân trộn, cũng như sản xuất khí sinh học. Xử lý rác thải bằng các phương pháp này vừa giúp giảm thiểu tác động của CTRĐT đối với môi trường và nền kinh tế vừa mở đường cho việc phục hồi tài nguyên, đóng góp tích cực cho nền kinh tế tuần hoàn.

Chuyển đổi sinh hóa

Cách tiếp cận ủ

Quản lý và kiểm soát chất thải là một điều kiện tiên quyết của một xã hội mới nổi và hiện đại. Chất thải rắn thường chứa các vật liệu khó phân hủy, không phân hủy và phân hủy được một phần. Ở các nước đang phát triển, chất thải khó phân hủy chiếm phần lớn trong chất thải rắn, thường được đặc trưng bởi độ ẩm cao và cần được quản lý một cách phù hợp. Do đó, phân trộn được sử dụng như một phương pháp xử lý sinh học để quản lý chất thải rắn. Ủ phân được định nghĩa là một quá trình sinh hóa vi sinh vật trong các điều kiện được kiểm soát nhằm làm tăng tốc độ phân hủy của chất hữu cơ. Việc ủ phân có thể chuyển chất thải rắn thành các vật liệu hợp vệ sinh, ổn định và không gây ô nhiễm. Phân trộn bao gồm một nhóm vi sinh vật liên tiếp thực hiện phân hủy phần hữu cơ rắn thành nước, carbon, khoáng chất và phân trộn ổn định giàu dinh dưỡng. Các bước chính của quá trình ủ phân là (a) Giai đoạn ưa nhiệt ban đầu, trong đó vi khuẩn và nấm ưa nhiệt nhanh chóng tăng nhiệt độ và thực hiện quá trình khoáng hóa các hợp chất đơn giản như axit amin và đường (carbohydrate) tạo ra nhiệt, CO2 và nước. Tại bước này chất thải hữu cơ được ổn định một phần, (b) Thứ hai là giai đoạn ưa nhiệt, trong đó vi khuẩn và nấm ưa nhiệt thực hiện sự phân hủy các vật liệu hữu cơ phức tạp như cellulose, hemicellulose, lignin và chất béo. Phản ứng của vi sinh vật làm tăng nhiệt độ của đống ủ. Nhiệt làm giảm tốc độ phân hủy và bất hoạt các vi sinh vật gây bệnh. Các vi khuẩn thuộc giống Thermus thường được chú ý ở nhiệt độ ủ phân tối đa. Giai đoạn làm lạnh của quá trình ủ phân lại được các vi sinh vật ưa nhiệt phân hủy carbohydrate, hemixenlulo, xenlulo và các chất humic khác còn lại. Tiếp theo là quá trình giảm sự phân hủy vật chất hữu cơ và tăng tốc độ tạo ẩm và polyme hóa. Vi sinh là tác nhân tích cực trong quá trình ủ phân. Sự trưởng thành của phân trộn và tốc độ phân hủy sinh học bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của một số vi sinh vật nhất định. Ủ phân làm giảm tải cho các bãi chôn lấp và hoạt động như một chất điều hòa. Chi phí vận chuyển là nhược điểm lớn của việc ủ phân.

Phân trùn quế

Phân trùn quế đối với chất thải rắn đô thị ngày nay đang trở nên phổ biến vì nó làm tăng giá trị của chất thải đồng thời giảm khối lượng, giúp việc sử dụng dễ dàng hơn. Phương pháp này ổn định chất thải rắn hữu cơ bằng cách chuyển nó thành phân trùn quế thông qua việc tiêu thụ chất thải của trùn quế. Quá trình này xảy ra khi chất thải hữu cơ bị phân hủy bởi các vi sinh vật trong ruột của trùn quế, làm cho phân trùn quế trưởng thành và ổn định. Lựa chọn loài trùn quế thích hợp để làm phân trùn quế là bước quan trọng nhất vì nó ảnh hưởng đến tốc độ ổn định chất thải. Có nhiều loài giun đất có thể được sử dụng trong quản lý chất thải.

Các loại giun đất có thể sống trong các chất thải hữu cơ một cách tự nhiên, có tỷ lệ hấp thụ, hấp thụ và đồng hóa chất hữu cơ cao và có thể chịu được nhiều áp lực của môi trường. Trong hỗn hợp chất thải, giun đất duy trì điều kiện hiếu khí, tiêu thụ chất rắn và chuyển hóa một phần chất hữu cơ thành các sản phẩm hô hấp và sinh khối. Một trong những phương pháp hiệu quả nhất để phục hồi năng suất đất và quản lý chất thải hữu cơ là sử dụng phân rác hữu cơ thu được bằng phân trùn quế.

Phân hủy kỵ khí

Kỵ khí (AD) được sử dụng để thu hồi năng lượng từ chất thải ẩm và phân hủy sinh học như chất thải thực phẩm và bùn thải chăn nuôi. Phân hủy kỵ khí được coi là một quá trình đáng tin cậy vì khả năng kinh tế và kỹ thuật của nó so với các kỹ thuật hiện có khác như nhiệt phân, đốt, khí hóa và làm phân trộn. Ngoài ra, quá trình phân hủy kỵ khí ít ảnh hưởng đến chất lượng không khí hơn và góp phần giảm thiểu phát thải carbon dioxide bằng cách sản xuất năng lượng thay thế nhiên liệu hóa thạch. AD sử dụng vi sinh vật để chuyển hóa sinh khối thành khí sinh học có thành phần chính là mêtan và carbon dioxide.

Hủy kỵ khí được thực hiện bằng quá trình/bước thủy phân, tạo axit , tạo aceto, và tạo methanogenesis. Các bước này được thực hiện bởi vi khuẩn hydrogenotrophic, vi khuẩn sinh axit, cùng với vi khuẩn sinh acetogenic và methanogenic. Quá trình AD bắt đầu bằng quá trình thủy phân. Đây là một bước chậm hơn đáng kể có thể hạn chế tốc độ tiêu hóa tổng thể.

Quy trình AD sử dụng nhiều loại chất nền khác nhau cho các loại chất thải công nghiệp, nông nghiệp và chất thải cộng đồng. Chất thải nông nghiệp là chất nền được sử dụng rộng rãi nhất cho các ứng dụng AD. Ở Ấn Độ, kinh nghiệm xử lý chất thải hữu cơ rắn bằng phương pháp phân hủy kỵ khí còn hạn chế, ngoại trừ phân và bùn thải. Chất thải rắn đô thị ở Ấn Độ giàu độ ẩm và chất hữu cơ, là điều kiện thích nghi tốt cho quá trình phân hủy kỵ khí. Phân hủy kỵ khí có thể được phân loại thành dạng khô hoặc ướt, tùy thuộc vào lượng nước trong bùn thải. AD khô chứa một lượng chất lỏng phân hủy thấp hơn AD ướt. Các chất dinh dưỡng có trong dịch tiêu hóa lỏng có thể được thu hồi thông qua nhiều công nghệ lọc sinh học khác nhau. Chất phân hủy rắn cũng có thể được sử dụng làm phân trộn và có những lợi ích tương tự như chất điều hòa hữu cơ trong bón đất.

Chuyển đổi nhiệt hóa

Đốt

Ban đầu, lò đốt được sử dụng để giảm khối lượng chất thải, bảo vệ con người và môi trường khỏi các chất ô nhiễm nguy hại, không nhằm mục đích thu hồi năng lượng. Do các quy định nghiêm ngặt về xử lý bãi chôn lấp , đốt rác là phương pháp xử lý phổ biến ở các nước phát triển. Phương pháp đốt có những lợi thế khác ngoài việc giảm tổng khối lượng chất thải đầu ra và tạo ra điện trong khi xử lý chất thải, chẳng hạn như sử dụng tro từ các nhà máy đốt để xây dựng đường cao tốc và sản xuất xi măng. Quá trình đốt có ưu điểm đáng tin cậy nhất cũng như tiết kiệm chi phí khi được sử dụng để đốt hàng loạt mà không cần xử lý trước và tạo ra năng lượng. Ưu điểm quan trọng nhất của việc đốt rác là loại bỏ hoàn toàn các sinh vật cũng như khoáng hóa các chất độc hại. Theo Ngân hàng Thế giới, nhiệt trị trung bình để đốt rác tạo ra năng lượng ước tính ít nhất là 1700 kcal / kg.

Đốt không chỉ làm giảm khối lượng chất thải rắn mà còn tạo ra năng lượng từ việc đốt chất thải. Kỹ thuật này không yêu cầu quá trình tiền xử. Khí thải từ các nhà máy đốt rác có chứa một số chất ô nhiễm (SOx , NOx, CO2 , v.v.) đòi hỏi một hệ thống kiểm soát không khí đắt tiền. Ví dụ, sử dụng bộ lọc vải hoặc bộ lọc bụi tĩnh điện . Ngoài ra, hệ thống kiểm soát khí thải phải được sử dụng để giám sát lượng khí thải NOx. Ví dụ như kỹ thuật giảm xúc tác chọn lọc (SNCR), khử xúc tác chọn lọc (SCR) và khử nitơ khí thải. Tất cả các kỹ thuật nêu trên đều rất hiệu quả trong việc loại bỏ các khí có liên quan; tuy nhiên, nhược điểm lớn là khí đốt phải thường xuyên được duy trình nóng đến khoảng nhiệt độ cần thiết để loại bỏ các chất dạng hạt.

Khí hóa

Khí hóa là một quá trình sử dụng nhiệt và môi trường nghèo oxy để chuyển hóa vật liệu có cacbon như sinh khối. Quá trình khí hóa phân hủy CTRDT thành một hỗn hợp Hydro, Carbon monoxide, Carbon dioxide và một lượng nhỏ Mêtan, thường được gọi là khí nhiên liệu tổng hợp (Syngas) có hàm lượng năng lượng và sau khi được làm sạch, nó có thể được sử dụng để sản xuất điện trong pin nhiên liệu hoặc làm nhiên liệu trong động cơ và tuabin. Hàm lượng H2 và CO trong phản ứng khí hóa có thể thay đổi tùy theo điều kiện phản ứng. Syngas cũng được sử dụng trong chuyển đổi xúc tác để sản xuất (a) chất trung gian hóa học, (b) nhiều loại nhiên liệu lỏng và (c) sản phẩm cuối cùng khác. Sản phẩm phụ chính của quá trình khí hóa là khí tổng hợp, nhưng các khí khác như CO2, CH4, H2O, và các sản phẩm phụ như than, hắc ín và các hạt tro cũng được hình thành.

Hầu hết các nghiên cứu khí hóa đều liên quan đến dòng nhiên liệu rắn đồng nhất và CTRĐT. Khí hóa được sử dụng rộng rãi ở Nhật Bản, trong khi ở các nước khác như Hoa Kỳ, Anh, Đức và Na Uy, khí hóa thường được sử dụng để xử lý CTRĐT ở quy mô thấp hơn. Lợi ích của công nghệ khí hóa là nó có thể giảm thiểu khối lượng chất thải lên đến 95% trong khi yêu cầu ít làm sạch khí đốt hơn so với phương pháp đốt. Một vấn đề lớn của quá trình khí hóa là cần có lao động có trình độ chuyên nghiệp. Một nhược điểm khác là nếu chất thải có độ ẩm quá lớn sẽ khiến cho việc thu hồi năng lượng tổng thể trở nên khó khăn.

Nhiệt phân

Nhiệt phân là một phương pháp xử lý chất thải bằng nhiệt trong một hệ thống không có oxy để tạo ra chất thải lỏng, rắn và khí. Đây là sự phân hủy ở nhiệt độ cao của chất thải hữu cơ (300°C đến 800°C) mà không có oxy. Sự thay đổi nhiệt độ phụ thuộc vào vật liệu tham gia trong quá trình. Để loại bỏ kim loại, thủy tinh và các vật liệu trơ, cần phải xử lý trước cho quá trình nhiệt phân. Đây là một quá trình nhiệt làm phân hủy chất dẻo và polyme có chứa hydrocacbon chuỗi chính mà không cần sử dụng oxy. Các loại chất thải cụ thể như lốp xe, nhựa, vật liệu điện tử, chất thải gỗ và chất thải điện làm tăng chất lượng nhiệt phân.

Phân hủy nhiệt của chất thải đã được xử lý trước ở 300℃, không có oxy, là bước đầu tiên của quá trình này. Sau đó, trong môi trường không phản ứng nhiệt độ được tăng lên đến 800 ℃. Nhiệt phân được chia thành nhiệt phân nhanh và nhiệt phân chậm dựa trên sự truyền nhiệt. Đầu ra chính của các hệ thống này là năng lượng, nhiệt, dầu sinh học và than. Than của quá trình nhiệt phân là một nguồn nhiên liệu rắn vì nó có nhiệt trị cao. Chiến lược này có một hạn chế lớn nhất là về chi phí.

Các thí nghiệm nhiệt phân chậm và nhanh với chất thải rắn đô thị làm nguyên liệu đầu vào đã được tiến hành để khảo sát việc sản xuất các sản phẩm hữu ích. Thí nghiệm được thực hiện trong một lò phản ứng bán liên tục quy mô phòng thí nghiệm được xây dựng tại nhà. Sau khi hoàn thành phân tích, họ không phát hiện ra vật liệu sáp nào trong phần chất lỏng nhiệt phân chậm, mà nhận thấy một phần lớn vật liệu sáp và dầu trong phần chất lỏng nhiệt phân nhanh. Đây là một mặt hàng có giá trị, có thể được sử dụng để sản xuất sáp parafin hoặc trong tương lai được nâng cấp thành các phân đoạn nhiên liệu nhẹ hơn. Hơn nữa, phân tích định tính khí gas tổng hợp được tạo ra trong quá trình nhiệt phân nhanh cho thấy nó có giá trị nhiệt thấp hơn trung bình, cho thấy tiềm năng lớn để sử dụng làm nhiên liệu.

Những đổi mới thông qua việc tích hợp các phương pháp tiếp cận

Những tiến bộ trong công nghệ đã dẫn đến các giải pháp thay thế mới để sử dụng hiệu quả CTRĐT. Có một phương pháp mang tính cách mạng để tạo ra một dạng “bọt” từ chất thải gốm có hiệu quả cả về nhiệt và âm. Đó là bọt xốp làm bằng alginate đã được làm khô đông lạnh ở 80℃, chủ yếu khi có mặt các ion Ca2+ . Việc sử dụng hạt cao su thu được như một thành phần để tạo ra vật liệu tổng hợp polyme mới được coi là bền vững với môi trường và là một trong những phương pháp chính để quản lý bền vững lốp xe đã qua sử dụng. Bằng cách tái chế chúng theo cách này, số lượng lốp sau khi tiêu thụ sẽ giảm đi. Vật liệu tổng hợp cao su chủ yếu được chế biến theo công nghệ không chất thải và có khả năng cơ và điện tuyệt vời với kết cấu kinh tế-vật liệu hợp lý. Một phương pháp hiện đại khác là sử dụng điện tổng hợp có sự hỗ trợ của vi khuẩn để thu hồi hiệu quả các dung môi như chất thải chứa nhiều đường rượu.

Các công nghệ mới cũng đã được phát triển để tái chế tới một nửa lượng chất thải cao su, ví dụ như các kỹ thuật Phân hủy (Devulcanization). Các hạt cao su được trộn thành các mảnh vụn bằng cách sử dụng sóng siêu âm, giúp chúng dễ dàng tách ra khỏi hỗn hợp chất thải số lượng lớn. Xỉ thép , bùn đỏ bô xít và bùn cát là những ví dụ về chất thải công nghiệp có thể được sử dụng để sản xuất sơn, khối xây dựng, ngói và xi măng sunfat. Thiết bị lọc dựa trên CTRĐT có khả năng hấp thụ MX-3R, một loại thuốc nhuộm phản ứng procion màu vàng. Công nghệ tạo ra vải và sợi từ chất thải nhựa đã tạo ra một sự đổi mới. Loại sợi này bền gấp 10 lần so với vải polyester thông thường. Việc sử dụng tro đáy làm vật liệu xây dựng là một cách đơn giản để định giá chất thải.

Công nghệ sử dụng tro đáy trong bê tông làm cốt liệu, khung chôn lấp, chất đắp nền đắp và sản phẩm nền đường phụ cũng được đề cập đến. Hydro peroxit kiềm (AHP) được sử dụng trong xử lý trước sinh khối lignoxenluloza để sản xuất sinh khối. Tiền xử lý AHP có thể được sử dụng trong nhiều loại vật liệu lignoxenluloza, sau đó là quá trình thủy phân bằng enzym. Hiệu quả kết hợp của các kỹ thuật thủy nhiệt và sinh học có thể thuyết phục hơn đối với việc thu hồi sinh khối bằng cách kết hợp các ưu điểm của cả hai phương pháp xử lý để khắc phục tính chất đa dạng và khó ăn của sinh khối đối với một nền tảng sinh hóa/nhiên liệu sinh học cụ thể.

Còn tiếp…..
Bài 3: Các công cụ và công nghệ giám sát chất thải rắn đô thị: Đổi mới chiến lược

CHUYÊN TRANG QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG

(Theo Môi trường & Đô thị điện tử)

Ảnh: Phân trộn được sử dụng như một phương pháp xử lý sinh học để quản lý chất thải rắn