30/09/2019
Nguyễn Thị Thu Hà
Khoa Kỹ thuật hạ tầng và Môi trường đô thị, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Xử lý kỵ khí đã đạt được những thành tựu trong lĩnh vực xử lý thành phần hữu cơ trong chất thải rắn đô thị, nhiều hơn bất kì công nghệ nào khác đã được phát triển trong 20 năm qua. Với tổng số 244 nhà máy và công suất xử lý 8 triệu tấnchất thải rắn hữu cơ, phân hủy kị khí đã giải quyết được 25% quá trình xử lý sinh học của toàn châu Âu. Tại Hà Lan và Bỉ, dự kiến đến năm 2015, 80% các nhà máy sẽ áp dụng công nghệ phân hủy kị khí như là một công nghệ tiền xử lí chất thải rắn.Kinh nghiệm thành công trong dài hạn đã khiến phân hủy kị khí trở thành công nghệ ưa thích cho xử lý chất thải rắn đô thị, với việc sử dụng rất nhiều phương pháp tiếp cận công nghệ và hệ thống. Người ta kì vọng công nghệ này sẽ tiếp tục phát triển ổn định, không chỉ bởi vì việc sản xuất năng lượng tái tạo mà còn vì việc giảm phát sinh mùi và giảm diện tích bề mặt cần thiết.
1. Giới thiệu
Việc quản lý chất thải rắn đô thị đã thu được những thành tựu to lớn trong 20 năm qua. Vào cuổi những năm 80, chôn lấp và đốt vẫn là những phương pháp chính để xử lý chất thải rắn đô thị. Ủ phân hữu cơ chiếm một tỷ lệ nhỏ và còn bị giảm đi do chất lượng sản phẩm cuối cùng bị lẫn nhiều kim loại nặng và vật liệu trơ. Tái chế chỉ giới hạn cho giấy, thủy tinh và các vật liệu dễ dàng phục hồi lại.
Các bước tiến lớn đã được thực hiện trong tất cả các lĩnh vực của quản lý chất thải rắn đô thị nhưng sự ứng dụng quá trình phân hủy kỵ khí trong việc xử lý chất thải rắn đô thị là một trong những thành công và sáng tạo nhất về phát triển công nghệ quan sát được trong suốt 2 thập kỷ qua trong lĩnh vực quản lý chất thải. Phân hủy kỵ khí đã hoàn toàn được chấp nhận như là một minh chứng và thậm chí rất được ưa thích cho giai đoạn phân hủy sinh học chuyên sâu của phần hữu cơ có nguồn gốc từ chất thải rắn đô thị.
Mặc dù có rất nhiều công nghệ khác thay thế (khí hóa, nhiệt phân, plasma, khô sinh học,…) nhưng các công nghệ này đến nay vẫn chưa được thực hiện rộng rãi như phương pháp phân hủy kỵ khí. Chỉ riêng ở châu Âu, tính đến năm 2014, có 244 công trình xử lý chất thải rắn đô thị bằng phương pháp kỵ khí đã được lắp đặt hoặc được phép xây dựng hoặc đã ký hợp đồng xây dựng. Khả năng tích lũy của tất cả các nhà máy xử lý bằng phương pháp kỵ khí lên tới 7.750.000 tấn chất thải rắn hữu cơ được phân hủy mỗi năm.Nước có công suất lớn nhất được lắp đặt là Đức với khoảng 2 triệu tấn/năm và Tây Ban Nha với 1,6 triệu tấn. Tuy nhiên, nếu tính theo số lượng dân cư, các nước như Hà Lan và Thụy Sĩ lại cao nhất với công suất tương ứng 52.400 tấn/triệu người và 49,000 tấn/triệu người. Hà Lan đã thực hiện một chiến lược sáng kiến nhằm thúc đẩy phương pháp phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ có nguồn gốc từ chất thải rắn đô thị trong 3 năm gần đây..Đất nước này có một cơ sở hạ tầng phát triển rất tốt cho khí đốt tự nhiên nhưng khi những giếng khí ở Biển Bắc đang trở nên khô cạn, chính phủ có ý định sản xuất một lượng lớn khí methane sinh học để phân phối trên toàn quốc. Hà Lan tham vọng thay thế 15-20% lượng khí tự nhiên bằng khí xanh vào năm 2030.
Có một sự khác biệt lớn trong công suất thiết kế các nhà máy ở các nước khác nhau. Kích thước trung bình của một hệ thống phân hủy kỵ khí ở châu Âu là 31.700 tấn/năm, nhưng các nhà máy ở Hà Lan thường có công suất lớn (khoảng 54.000 tấn/năm), trong khi ở Thụy Sỹ thường xây dựng các nhà máy công suất nhỏ (thường chỉ khoảng 14.000 tấn/năm).
Các nhà máy lớn nhất có thể được tìm thấy ở Pháp (kích thước trung bình 56.130 tấn mỗi năm) và các nhà máy nhỏ nhất là ở Thụy Điển (kích thước trung bình 10.000 tấn mỗi năm).
Những con số nêu trên cho thấy các thông số địa lý và các chính sách quốc gia có tác động mạnh mẽ vàoloại nhà máy phân hủy kỵ khí mà một quốc gia sẽ thực hiện. Pháp không phát triển quá trình phân loại chất thải rắn tại nguồn và thích tất cả mọi thứ tập trung ở các thành phố hoặc các đô thị (các khu xử lý lớn), trong khi Thụy Điển tập trung vào phân hủy chất thải hữu cơ tại các địa phương (quy mô nhỏ). Thông thường các nhà máy phải có công suất vào bể phân hủy khoảng 30.000 tấn mỗi năm trở lên sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao.
2. Sự gia tăng của phân hủy kỵ khí
Tất cả các nhà máy phân hủy kỵ khí đầu tiên đã được xây dựng để xử lý chất thải rắn hỗn hợp do chưa có phân loại chất thải rắn tại nguồn vào thời điểm đó. Việc phát triển nhanh chóng của việc phân loại chất thải rắn tại nguồn trong thập niên 90 dẫn đến sự ra đời của hàng loạt các nhà máy phân hủy kỵ khí, mặc dù công nghệ này vẫn còn trong giai đoạn trứng nước. Thực tế là khi nguồn nguyên liệu cấp đã được phân loại tại nguồn thì sạch hơn nhiều, thúc đẩy sự phát triển và thích ứng với các công nghệ phân hủy truyền thống (thông dụng) hơn.
Phân hủy kỵ khí đã từng không được ưa chuộng trong việc ủ phân.Kỵ khí có nghĩa là vấn đề về vận hành lớn và các vấn đề về mùi hôi. Ngày nay, phân hủy kỵ khí và ủ phân song hành với nhau bằng nhiều cách. Phân hủy kỵ khí được sử dụng để thay thế giai đoạn ủ phân hiếu khí cấp tốc nhưng luôn phải có bước tiếp theo là khử nước để tạo thành dạng bánh, sau đó phân hủy hiếu khí để tạo thành phân bón chất lượng cao. Hoặc phần chất thải ẩm và dễ phân hủy nhất được tách ra đem sản xuất phân, còn phần chất thải gỗ nhiều hơn được xử lý trong các nhà máy ủ chất thải xanh đơn giản hoặc được sử dụng như vật liệu phủ cho việc xử lý các thành phần dễ phân hủy.
Việc xây dựng năng suất phân hủy đã không bùng nổ nhưng ổn định.Không thể nói phân hủy kỵ khí rẻ hơn so với hiếu khí. Tuy nhiên, phân hủy kỵ khí cung cấp cơ hội để sản xuất năng lượng tái tạo, làm giảm diện tích sử dụng bề mặt và làm giảm đáng kể những phiền toái về mùi của các nhà máy.
3. Phân loại công nghệ
Các dạng công nghệ phân hủy kỵ khí rác đô thị có thể phân loại như sau:
Theo nhiệt độ của bể phản ứng:
Ưa ấm: nhiệt độ của bể phản ứng duy trì ở khoảng 35-400C, là khoảng nhiệt độ thích hợp để vi sinh vật ưa ấm phát triển mạnh.
Ưa nhiệt: nhiệt độ của bể phản ứng duy trì ở khoảng 50-550C thích hợp cho sự phát triển của vi sinh vật ưa nhiệt.
Phân hủy ưa ấm luôn luôn chiếm ưu thế vì nó là nhiệt độ lựa chọn cho hầu hết các ứng dụng trong lĩnh vực xử lý nước thải, phân và bùn thải. Ngoài ra nó không cần gia nhiệt để sưởi ấm và hoạt động ổn định hơn. Tuy nhiên phân hủy ưa nhiệt luôn đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy chất thải rắn đô thị. Ngoại trừ giai đoạn 2005-2007 rất nhiều nhà máy sử dụng công nghệ ấm và ướt được lắp đặt, phân hủy ưa nhiệt luôn chiếm thị phần 30-40%.Trong giai đoạn 2010-2014, điều này thậm chí còn cao hơn. Sự cần thiết để sưởi ấm đóng vai trò nhỏ hơn trong các hệ thống phân hủy khô, trong khi tốc độ sản sinh khí sinh học cao hơn 30-50% so với phân hủy ưa ấm với cùng một công nghệ sử dụng. Việc triển khai ưa nhiệt quy mô lớn ổn định đã được chứng minh qua nhiều năm hoạt động của một số công nghệ.
Theo loại nguyên liệu đầu vào:
Chỉ phân hủy rác đô thị: thành phần nguyên liệu ban đầu chỉ có thành phần hữu cơ của các rác đô thị được tạo huyền phù với dịch lỏng.
Có phối trộn: chất thải rắn đô thị được phối trộn với các thành phần khác để thúc đẩy nhanh quá trình phân hủy, cải thiện tỷ lệ C/N và sản lượng khí sinh ra. Thành phần hữu cơ trong rác đô thị thường được trộn với phân động vật và phân hủy kết hợp với nhau.
Theo phân đoạn phản ứng:
Một giai đoạn: toàn bộ quá trình phân hủy xảy ra trong một thùng phản ứng.
Đa giai đoạn: toàn bộ quá trình xảy ra ở nhiều thùng phản ứng mắc nối tiếp theo một hoặc cả hai chế độ sau:
+ Giai đoạn axit hóa và metan hóa được tách riêng với mục đích làm gia tăng hiệu quả, tính ổn định và khả năng kiểm soát.
+ Vận hành ở các nhiệt độ khác nhau: trung bình và nhiệt độ cao.
Thực tế người ta thường thiết kế và vận hành bể phản ứng phân hủy kỵ khí theo một giai đoạn hoặc hai giai đoạn. Trong thiết kế hai giai đoạn, giai đoạn một gồm quá trình thủy phân và axit hóa (khoảng 1 ÷ 3 ngày), giai đoạn hai gồm quá trình acetate hóa và metan hóa.
Theo độ ẩm của môi trường phản ứng:
Quá trình phân hủy kị khí được chia thành phân hủy kị khí khô và phân hủy kị khí ướt. Phân hủy kị khí khô là quá trình phân hủy kị khí mà vật liệu đầu vào có độ ẩm 60 ÷ 65%, phân hủy kị khí ướt là quá trình phân hủy kị khí mà vật liệu đầu vào có độ ẩm 85 ÷ 90%.
Ướt: rác đô thị ở dạng huyền phù với lượng nước cung cấp nhằm pha loãng rác đến tỷ lệ 10 ÷ 15% TS.
Khô: hàm lượng TS trong rác phân hủy khoảng 20 ÷ 45%.
Theo thành phần nguyên liệu cấp:
Chất thải sinh học: chất thải rắn đô thị được phân loại tại nguồn, tách riêng thành phần hữu cơ dễ phân hủy để đưa vào các bể phản ứng.
Hỗn hợp chất thải: chất thải rắn đô thị không được phân loại.
Theo chế độ cấp liệu:
Mẻ: hệ thống hoạt động gián đoạn theo mẻ.
Liên tục: hệ thống làm việc liên tục
Bảng: Tỷ lệ lắp đặt tích lũy trong năm 2014 ở các quốc gia châu Âu
|
Tỷ lệ lắp đặt tích lũy trong năm 2014 |
||
|
Thông số |
Phần trăm lắp đặt tích lũy % |
|
|
Nhiệt độ |
Ưa ấm |
67 |
|
Ưa nhiệt |
33 |
|
|
Tổng cộng |
100 |
|
|
Nguyên liệu đầu vào |
Chỉ phân hủy chất thải rắn |
89 |
|
Có phối trộn |
11 |
|
|
Tổng cộng |
100 |
|
|
Phân đoạn phản ứng |
1 giai đoạn |
93 |
|
2 giai đoạn |
7 |
|
|
Tổng cộng |
100 |
|
|
Độ ẩm |
Ướt |
38 |
|
Khô |
62 |
|
|
Tổng cộng |
100 |
|
|
Thành phần nguyên liệu cấp |
Chất thải sinh học |
55 |
|
Hỗn hợp chất thải |
45 |
|
|
Tổng cộng |
100 |
|
|
Chế độ cấp liệu |
Mẻ |
|
|
|
Liên tục |
|
|
Tổng cộng |
100 |
|
4. Kinh nghiệm
Nhiều nhà máy phân hủy kỵ khí đã hoạt động hiệu quả trong 10 -15 năm và thậm chí hơn 20 năm. Dựa trên những kinh nghiệm thu được, người ta hy vọng các nhà máy này sẽ hoạt động ngày càng hiệu quả hơn. Không được đánh giá thấp việc xây dựng và thiết kế các nhà máy mới, không chỉ từ góc độ kỹ thuật mà còn từ góc độ sinh học. Hiểu biết kỹ lưỡng về thành phần chất thải rất hữu ích để đánh giá chính xác những công nghệ phù hợp nhất cũng như hiệu quả kinh tế. Nguyên liệu đầu vào khác nhau ở các nước khác nhau sẽ có những đặc tính và sản lượng khí sinh học rất khác nhau.
Kinh nghiệm cho thấy không phải tất cả các nhà máy và công nghệ đều có những thành công giống nhau.Việc phân hủy chất thải hỗn hợp hoặc phần chất thải khó phân hủy còn lại là thách thức lớn nhất bởi vì nguồn nguyên liệu đầu vào gây ra những vấn đề lớn nhất do hàm lượng cao các chất ô nhiễm trong chất hữu cơ. Việc lắng và hình thành một lớp nổi cần được ngăn chặn bởi hoặc là vận hành trong điều kiện khô, hoặc loại bỏ các chất gây ô nhiễm trong quá trình tiền xử lý có hiệu quả cho quá trình lên men ướt. Ngoài ra, việc xử lý thành phần hữu cơ đã được phân loại tại nguồn cần phải được thiết kế cẩn thận. Một số thành phần hữu cơ được phân loại tại nguồn chứa một lượng lớn cát do đất cát trong khu vực và phụ thuộc vào số lượng rác vườn thêm vào nguyên liệu đầu vào, trong khi chất thải gỗ có thể hình thành một lớp váng nổi.
Những giải pháp thay thế đã giới hạn các loại chất thải được thu gom để phân hủy chất thải thực phẩm nguyên chất (trừ gỗ và rác vườn) hoặc trộn lẫn một số lượng lớn rác vườn và xử lý trong hệ thống ống khô-mẻ đơn giản.
5. Triển vọng
Triển vọng đối với phân hủy kỵ khí đang dần được cải thiện, và việc nâng cao công suất xử lý tiếp tục ổn định.Phân hủy kỵ khí sẽ tiếp tục thay thế bước ủ sâu đầu tiên trong xử lý ngày càng nhiều chất thải đô thị. Các quốc gia như Bỉ, Hà Lan theo quy hoạch đến năm 2015 sẽ có ít nhất 80% các nhà máy sản xuất phân được trang bị hệ thống phân hủy kỵ khí. Hiện nay, đa số các hồ sơ dự thầu của Tạp chí Bổ sung công của Liên minh châu Âu (tạp chí dành riêng cho mua sắm công của châu Âu) yêu cầu kỵ khí như là bước đầu tiên của quá trình xử lý sinh học.
Một trong những bước phát triển quan trọng mà chắc chắn sẽ tiếp tục tăng là thêm một bước phân hủy kỵ khí vào các nhà máy ủ phân hiện có. Khi công nghệ kỵ khí còn đang trong quá trình nghiên cứu, nhiều nhà máy xử lý chất thải rắn hữu cơ đã được xây dựng, đến nay các nhà máy này đã được 15 đến 20 năm và cần được nâng cấp. Thêm bước phân hủy kỵ khí vào giai đoạn đầu của quá trình xử lý là một lựa chọn của hầu hết các nhà máy lão hóa. Việc chèn thêm một bước xử lý kỵ khí cho phép sử dụng các thiết bị hiện có và cũng có thể giữ lại vị trí nhà máy hiện có vì yêu cầu về diện tích thấp, do đó làm giảm đầu tư cần thiết và làm cho việc nâng cấp các công trình bằng công nghệ kỵ khí mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất. Các nhà máy xử lý sinh học trở thành một nhà máy sản xuất năng lượng (thay vì là một nhà máy tiêu thụ năng lượng) và chèn thêm một bước phân hủy kỵ khí cũng làm giảm vấn đề về mùi hôi.
Ngoài ra, công nghệ ủ kỵ khí có thu hồi khí phát điện để xử lý chất thải rắn cho các đô thị lớn đang nhận được sự quan tâm đặc biệt, nhất là khi cả thế giới đang phải đối mặt với tình trạng biến đổi khí hậu. Theo kết quả tính toán, với lượng chất thải rắn đô thị 1.000 tấn/ngày, chôn lấp trong vòng 15 năm nếu không có sự can thiệp nào thì lượng phát thải khoảng 3.112.960 tCO2eq. Nếu áp dụng phương pháp ủ kỵ khí thu khí phát điện thì lượng phát thải của dự án chỉ còn 0,034 tCO2eq/tấn, lượng giảm phát thải sẽ là khoảng 0,692 tCO2eq/tấn, gấp 1,323 lần so với công nghệ đốt thu hồi nhiệt phát điện; 1,229 lần so với bãi chôn lấp có thu khí phát điện và 1,376 lần so với ủ phân compost. Đồng thời, chỉ số IRR của phương pháp ủ kỵ khí thu khí phát điện cao nhất, trong cả hai trường hợp có và không có dự án CDM.
6. Hướng đi mới cho công tác quản lý chất thải rắn ở Việt Nam
Lượng chất thải rắn ở Việt Nam đang gia tăng nhanh chóng, đi kèm theo đó là hàng loạt các vấn đề ô nhiễm môi trường nảy sinh. Phương pháp xử lý chất thải rắn đô thị ở Việt Nam hiện nay chủ đạo vẫn là chôn lấp với khoảng 85 - 90%, hầu hết các BCL đều bị quá tải so với công suất tiếp nhận.Việc chiếm nhiều quỹ đất để chôn lấp cũng như khó kiểm soát vấn đề ô nhiễm môi trường trong quá trình vận hành, đặc biệt làm gia tăng phát sinh mêtan - một loại khí nhà kính gây ra biến đổi khí hậu là những vấn đề chúng ta đang phải đối mặt. Vấn đề mùi hôi phát tán tại các BCL luôn là bức xúc của người dân sống quanh khu vực các BCL. Bên cạnh đó chi phí xử lý nước rỉ rác từ bãi chôn lấp có nồng độ ô nhiễm cao rất tốn kém. Vì vậy, theo QCVN 01:2008 đã quy định tỷ lệ chôn lấp đến năm 2020 phải giảm xuống dưới 15%. Hình thức chế biến phân compost đang được triển khai vớinhiều nhà máy xử lý chất thải rắn bằng phương pháp hiếu khí đã được xây dựng. Tuy nhiên qua khảo sát thực tế, hầu hết các mô hình nhà máy ủ phân compost đều đang ít nhiều gây ra những tác động môi trường do trục trặc kỹ thuật, hệ thống thổi khí tiêu tốn nhiều năng lượng nhưng thường xuyên bị tắc nghẽn ảnh hưởng đến quá trình phân hủy, phát sinh nhiều mùi hôi trong quá trình vận hành. Nhiều công nghệ vẫn chưa phù hợp với rác Việt Nam lẫn nhiều tạp chất. Thêm trở ngại là hiện nay phân compost chất lượng chưa tốt nên sản xuất ra nhưng không tiêu thụ được, dồn ứ tại các nhà máy, dẫn đến tình trạng các nhà máy xử lý rác sản xuất compost ở nước ta đa số không hiệu quả, hoạt động cầm chừng, tạm dừng hay đóng cửa.
Nhìn vào quá trình phát triển các công nghệ xử lý chất thải rắn ở châu Âu, có thể thấy công tác quản lý chất thải rắn của Việt Nam hiện nay đang ở giai đoạn những năm 90, sau châu Âu hơn 20 năm, khi châu Âu đang bắt đầu triển khai việc phân loại chất thải rắn tại nguồn, xây dựng hàng loạt các nhà máy xử lý chất thải rắn theo công nghệ hiếu khí và bắt đầu nghiên cứu, xây dựng thí điểm một số nhà máy theo công nghệ kỵ khí. Từ sau năm 2000 đến nay, rất nhiều nhà máy xử lý kỵ khí đã được xây dựng và ngày càng hoàn thiện hơn về mặt công nghệ. Các nhà máy xử lý hiếu khí cũng phải xây dựng thêm công đoạn xử lý kỵ khí như là một bước tiền xử lý.
Để nhanh chóng bắt kịp với sự phát triển về công nghệ xử lý chất thải rắn đô thị của thế giới, chúng ta cần đẩy mạnh nghiên cứu các công nghệ xử lý mới phù hợp với điều kiện Việt Nam, trong đó giải pháp xử lý chất thải rắn đô thị bằng công nghệ phân hủy kỵ khí cần phải được đặc biệt chú ý.
(Nguồn: Bài đăng trên Tạp chí Môi trường, số Chuyên đề Tiếng Việt II năm 2019)
