1. Giới thiệu
Rác thải sinh hoạt là những chất thải bỏ hàng ngày từ hoạt động sống của con người. Rác thải sinh hoạt tồn tại ở khắp nơi, trong mỗi gia đình, công sở, từ thành thị đến nông thôn, từ đồng bằng đến miền núi. Việc dân cư sống tập trung với mật độ cao và quá trình đô thị hóa đã tạo ra một lượng lớn rác thải đô thị trên một diện tích nhất định, trong thời gian ngắn, diễn ra liên tục và tăng trưởng hàng năm. Số lượng và mật độ rác đô thị (trên đầu người và trên diện tích) đều thể hiện xu hướng tăng mạnh mẽ cùng với tốc độ đô thị hóa. Ở các nước đang phát triển, mức tăng còn cao hơn các nước phát triển. Tuy nhiên, sự cần thiết đầu tư xây dựng các cơ sở xử lý rác thải tại các nước đang phát triển gặp nhiều hạn chế, đặc biệt về vốn đầu tư và công nghệ. Bảng 1 giới thiệu số lượng đô thị theo từng loại ở Việt nam giai đoạn từ 2005 – 2011 và dự báo cho 2015.
Bảng 1. Số lượng đô thị theo loại loại theo giai đoạn từ 2005 - 2015(*)


Vấn đề rác thải đô thị được nhiều nước trên thế giới quan tâm, ở các cấp độ khác nhau. Tuy nhiên, các giải pháp để xử lý ở cấp quốc gia được coi là quan trọng nhất, có tính quyết định. Đối với các nước nghèo, nhìn chung vấn đề không chỉ nằm trong yếu tố tài chính. Để giải quyết có hiệu quả, điều cần thiết là vấn đề “chính sách rác thải” và phát triển, ứng dụng công nghệ.
Nhiều nước đã giải quyết được vấn đề rác thải, đặc biệt, rác đã được chuyển thành nguyên liệu thô cho các hoạt động công nghiệp. Ví dụ, các nước khu vực Bắc Âu, Singapore đã ứng dụng công nghệ WTE để xử lý cho toàn bộ rác thải đô thị. Một số nước công nghiệp như Nhật Bản, Mỹ, Đức đã phát triển các công nghệ sử dụng và tái chế rác thải đô thị ở mức từ 50% đến trên 75%,.
Công nghệ tiên tiến và có nhiều ưu điểm vượt trội là chuyển hóa rác thành điện. Điện năng tự thân nó được xem là năng lượng sạch và là dạng năng lượng cao cấp nhất. Tuy nhiên, điện hạt nhân, nhiệt điện sử dụng than hay dầu mỏ lại gây ra phát thải lớn, và hàng loạt các vấn đề môi trường khác. Sự suy giảm nguồn than, dầu mỏ, và nhất là sự biến đổi khí hậu toàn cầu đã làm thay đổi quan niệm của thế giới hiện đại, hình thành nhu cầu về năng lượng sạch, năng lượng tái tạo và phát triển bền vững. Năng lượng tái tạo bao gồm các loại năng lượng từ thủy năng, bức xạ mặt trời, năng lượng gió, sóng biển, sinh khối, địa nhiệt, thủy triều, nhiên liệu sinh học và đặc biệt, từ rác sinh hoạt.
2. Chuyển hóa rác thành năng lượng (WTE)
Rác thải thành năng lượng (waste to energy - WTE) là quá trình xử lý chuyển hóa rác thải hữu cơ thành năng lượng, dưới dạng điện và/hoặc nhiệt bằng phương pháp đốt cháy, là một trong những công nghệ tái chế thu hồi năng lượng. Hầu hết các quá trình WTE là sản xuất điện và / hoặc nhiệt trực tiếp thông qua quá trình đốt cháy, hoặc sản xuất một số nhiên liệu dễ cháy như mê-tan, ethanol, methanol, than sinh học, hoặc nhiên liệu tổng hợp. Lò đốt rác chính thức ghi nhận sớm nhất được xây dựng ở Mỹ năm 1885, sau đó là Nauy 1903, Tiếp khắc 1905.
Đốt rác thu nhiệt là kỹ thuật thông dụng nhất. Đốt rác thải có hiệu suất sinh điện thấp, trong khoảng 14-28% [8]. Có thể sử dụng phương pháp đồng phát vừa điện vừa nhiệt. Hiệu suất của công nghệ đồng phát thường cao khoảng 65-70% .
Còn có những công nghệ WTE khác với đốt trực tiếp. Các công nghệ này có tiềm năng sản xuất điện với hiệu suất cao hơn, bằng cách chuyển hóa rác thải thành nhiên liệu, tách bỏ các thành phần ăn mòn và tro, do đó cho phép sử dụng cho tuabin khí, động cơ đốt trong, pin nhiên liệu. Chuyển hóa WTE là một giải pháp hoàn hảo bảo vệ trường và sản xuất năng lượng xanh, vì vậy luôn được quan tâm tập trung nghiên cứu và hoàn thiện.
3. Rác thải đô thị
Rác thải đô thị bao gồm rác hữu cơ như giấy, bìa, thức ăn, rác làm vườn, nhựa, và các loại rác vô cơ như kim loại, đất, vữa, bê tông và thủy tinh. Tỉ lệ trung bình của thành phần rác tùy thuộc vào một số yếu tố như đặc điểm địa phương, vùng miền, thời tiết, chu kỳ thời gian. Ví dụ tại Mỹ, lượng rác thải đô thị năm 2010 là 250 triệu tấn, thành phần rác được giới thiệu trong hình 1.
 

Thành phần rác thải ở nước ta về cơ bản cũng tương tự như ở Mỹ, tuy nhiên tỉ lệ giữa các thành phần có khác nhau. Kết quả phân tích của thành phần rác tại một số đô thị tại Việt Nam được giới thiệu trong Bảng 2 và Bảng 3. Dữ liệu cho thấy tỉ lệ thành phần rác tương đối giống nhau ở các thành phố, ngoại trừ TP Hồ Chí Minh.
Bảng 2. Thành phần rác thải của Hà Nội



Bảng 3. Thành phần chất thải rắn (theo % khối lượng) của một số thành phố Việt Nam
 

4. Công nghệ xử lý rác thải hữu cơ
Các công nghệ được sử dụng như một phần tiêu chí tái xử lý rác và sản xuất năng lượng bao gồm:
a) Công nghệ nhiệt:
- Khí hóa (sản xuất khí dễ cháy, hydro, nhiên liệu tổng hợp)
- Phân hủy nhiệt polymer (sản xuất dầu thô tổng hợp, có thể được tiếp tục tinh chế)
- Nhiệt phân (sản xuất chất dễ cháy như nhựa hắc in / dầu và than sinh học)
- Khí hóa plasma (sản xuất khí tổng hợp gồm hydro và carbon monoxit - syngas)
b) Công nghệ không nhiệt:
- Phân hủy yếm khí (khí sinh học giàu mêtan)
- Ủ lên men (ví dụ tạo ethanol, acid lactic, hydrogen)
- Xử lý kết hợp sinh học và cơ khí, gồm kỵ khí và hiếu khí
Các công nghệ này có thể kết hợp, sử dụng với các thiết bị kiểm soát khí thải và hệ thống giám sát phát thải để đáp ứng các yêu cầu về môi trường.
Thách thức chủ yếu đối với các công nghệ chuyển hóa nêu trên chính là bản chất không đồng nhất của rác thải, ảnh hưởng lớn đến hiệu suất sinh năng lượng của quá trình. Các nghiên cứu được tập trung vào vấn đề xử lý nguyên liệu rác đầu vào, như phân loại, băm nhỏ và/hoặc phối trộn để tạo nguyên liệu đồng nhất hơn, đặc biệt đối với việc chuyển đổi nhiệt hóa. Tính đồng nhất này sẽ nâng cao sản lượng năng lượng đầu ra và nâng cao tính hữu dụng của hệ thống.
Nhiều địa phương đã triển khai các kế hoạch với mục tiêu không rác thải, sử dụng chiến lược 3R: reduce (giảm), reuse (tái sử dụng), recycle (tái chế) rác sinh hoạt, chuyển hóa thành điện năng (WTE) giảm thiểu chôn lấp để hạn chế khả năng ô nhiễm không khí và nước ngầm.Tuy nhiên, hiện nay các công nghệ chôn lấp chiếm tới 60%. Bên cạnh đó, các công nghệ tái chế cũng được các tổ chức bước đầu ứng dụng thành công.
Tại Hà Nội, rác thải hữu cơ đạt mức 7,500 tấn/ngày, với thành phần chủ yếu là các chất hữu cơ như rau, rác thực phẩm và một số chất khác. Hầu hết rác thải tại Hà Nội được xử lý chôn lấp, một phần nhỏ được đưa đi tái chế và chỉ khoảng 10% được tái chế tự phát 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 nghiên cứu thành công quy trình công nghệ và hệ thống thiết bị xử lý chất thải rắn đốt có và không thu hồi nhiệt. So sánh với các công nghệ lò đốt rác khác tại Việt Nam, công nghệ này đã có cải tiến ở nhiều tính năng mới như sử dụng thiết bị cắt để sơ chế rác có kích thước đều đặn hơn, tạo môi trường để sấy rác với hiệu suất cao. Do đó, nhiệt được thu hồi từ quá trình đốt oxi hóa rác để sấy khô rác, và sấy nóng nguyên liệu, kể cả không khí tự nhiên, cấp cho lò đốt. Hơn nữa, quy trình công nghệ này nổi bật ở hệ thống phân loại về kích cỡ và thành phần rác thải; độ đồng đều của kích cỡ trước khi sấy để nâng cao hiệu suất sấy.
Đặc biệt bằng cách thu hồi nhiệt để sấy nguyên liệu rác và sấy không khí sẽ giúp tiết kiệm một phần nhiên liệu đốt,hạn chế lượng nguyên liệu có nhiệt độ môi trườngkhi đưa vào lò. Hơn nữa, công nghệ này rất hiệu quả đối với bảo vệ môi trường, giảm phát thải tới 75% và giảm 85% diện tích chôn lấp.
 
Hình 2. Nhà máy xử lý rác tại Sơn Tây, Hà Nội (Công ty Môi trường Thăng Long)
Với khả năng ứng dụng rộng rãi ở quy mô công nghiệp, dễ dàng chế tạo và lắp đặt thiết bị nội địa hóa, thuận tiện quản lý và vận hành, giảm chi phí đầu tư ban đầu so với các công nghệ hiện hành, công nghệ đốt rác thu nhiệt đã được ứng 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 đã đạt 83% công suất thiết kế.
4.1. Đốt rác
Đốt trực tiếp là phương pháp phổ biến nhất để sản xuất 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 đốt sinh nhiệt. Nhiệt này được dùng đun nóng nước trong lò hơi, sau đó được sử dụng để sấy hoặc để chạy tuabin phát điện.
4.2. Khí hóa
Khí hóa là công nghệ WTE đang thu hút cộng đồng khoa học, trong đó, nhiên liệu được gia nhiệt trong môi trường ít ô-xy, hay còn được biết như là công nghệ cháy không hoàn toàn, tạo ra khí tổng hợp (syngas).
Khí hóa là quá trình nhiệt phân ở độ cao, được tối ưu để sinh khí nhiên liệu từ nguồn biomas khô với hàm lượng tối thiểu chất lỏng và chất rắn. Khí hóa bao gồm việc gia nhiệt cho nguyên liệu đầu vào trong lò với không khí nghèo oxy. Có thể cấp hoặc không cấp nước. Các phản ứng nhiệt hóa diễn ra và sản phẩm khí là một hỗn hợp gồm hydro (H2) và cac-bon monoxit (CO), ni-tơ (nếu sử dụng không khí) và các hydro-cacbon khác như C2H2,C2H4, và C2H6. Khí thành phẩm được gọi là khí đầu ra hoặc khí tổng hợp (syngas).
4.3. Nhiệt phân
Nhiệt phân là quá trình phân hủy nghèo ôxy ở nhiệt độ cao, được tối ưu để sinh dầu nhiệt phân, than sinh học và khí tổng hợp từ biomas khô. Nhiệt phân bao gồm việc gia nhiệt nguyên liệu đầu vào nhưng không cấp thêm oxy. Ở đây diễn ra các phản ứng phân tách, sinh ra hỗn hợp khí với thành phần chính là hydro, CO. Các sản phẩm khác là dầu nhiệt phân, nước, mê-tan và CO2. Khí sản phẩm được gọi là biogas, khí sản phẩm hay khí tổng hợp (synthetic natural gas). Thành phần nhiên liệu đầu ra được quyết định bởi tổ hợp các yếu tố như hỗn hợp đầu vào, nhiệt độ và thời gian trong lò.
4.4. Phát điện
Quá trình sử dụng hơi nước chạy turbin phát điện, với nhiệt thu được từ đốt trực tiếp, bao gồm việc tạo ra hơi nước với áp suất cho trước, sau đó gia nhiệt để tạo hơi quá nhiệt. Với 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 – 11100kJ/kg, nhiệt trị trung bình chung khoảng 8000kJ/kg, gia nhiệt hoặc đốt tạo khí sẽ chuyển hóa rác thải hữu cơ đô thị thành một nguồn nhiên liệu quan trọng, Bảng 4.
Bảng 4. Nhiệt trị một số loại rác theo trọng lượng khô

Tại Việt Nam, tổng lượng rác thải rắn ở đô thị trên cả nước tăng khoảng 10%-16%/năm. Ở hầu hết các khu đô thị, lượng rác thải rắn hữu cơ chiếm 60-80% tổng lượng rác thải đô thị (một vài địa phương lên tới 90%). Bảng 5 cho thấy tình hình rác thải đô thị. Lưu ý là chỉ riêng ở khu vực đô thị thì rác hữu cơ chiếm từ 3-5 triệu tấn/năm.
Lấy nhiệt trị trung bình của rác thải sinh hoạt hữu cơ là 8,000kJ/kg, từ đó tiềm năng lý thuyết sản xuất năng lượng từ rác thải có thể tính được như thống kê ở Bảng 6. So sánh các công nghệ khí hóa cơ bản sẽ giúp xem xét lựa chọn động cơ phát điện phù hợp sử dụng nhiên liệu khí sản phẩm. Trong thực tiễn đối với lò có công suất nhỏ tốt hơn nên chọn lò tầng sôi kép (Bảng 7).
Bảng 5. Rác thải rắn ở đô thị Việt Nam, năm 2007 - 2010


Bảng 6. Tính toán sản xuất năng lượng từ rác thải đô thị Việt Nam, năm 2007 - 2010. Nhiệt trị trung bình lấy bằng 8,000kJ/kg

Bảng 7. So sánh đánh giá một số loại công nghệ khí hóa
(*: Kém; ** trung bình, *** tốt, **** rất tốt)

5. Kết luận
Rác từng được xem là phế thải, không có giá trị, thải ra môi trường không cần phân loại, kể cả môi trường đô thị. Ngày nay, một ngành công nghiệp mới đã ra đời – công nghiệp tái chế - mà ở đó, rác trở nên có giá trị cao như một nguyên liệu. Cuộc khủng hoảng năng lượng, sự suy giảm tài nguyên hóa thạch đã đẩy mạnh các nghiên cứu về năng lượng mới, năng lượng tái tạo. Nhu cầu cấp thiết về giảm phát thải khí nhà kính là một động lực thúc đấy phát triển. Công nghệ đã giúp chuyển hóa rác thành năng lượng, đặc biệt là điện năng, mang lại tác động kép khó có thể tìm thấy ở trong các ngành khác: giải quyết vấn đề môi trường do rác thải, giảm bãi chôn lấp, giảm phát thải khí mê-tan, giảm ô nhiễm thứ cấp do bãi chôn lấp và đáp ứng đáng kể nhu cầu năng lượng xanh, nhu cầu với các hệ thống nhỏ phù hợp với điều kiện kinh tế, xã hội, địa lý cho các doanh nghiệp nhỏ và vừa, các trang trại và các hộ gia đình.
Sự chuyển hóa rác thành khí nhiên liệu không phải là vấn đề tài chính, chủ yếu là phụ thuộc vào công nghệ được áp dụng. Nước ta có thể áp dụng công nghệ WTE phổ biến nhất là đốt phân hủy rác, giải quyết nhanh những bức xúc về ô nhiễm và quá bão hòa bãi chôn rác thải sinh hoạt. Đồng thời cần từng bước xây dựng công nghệ WTE phù hợp, nhất là đối với rác thải sinh hoạt ở nông thôn và các đô thị vừa và nhỏ.
                     
                                                                                                               Nguồn: nangluongvietnam.vn