Bùn thải trở thành năng lượng điện

Từ lâu, các nghiên cứu về công nghệ phân hủy yếm khí và thu hồi khí sinh học trên đối tượng bùn phát sinh từ hoạt động sản xuất và xử lý nước thải nhằm tạo ra năng lượng và các sản phẩm có giá trị đã được triển khai trên thế giới.

Việc sử dụng lượng bùn thải này tái chế còn góp phần bảo vệ môi trường nhờ việc giảm đáng kể lượng bùn thải phát sinh từ các nhà máy và chi phí xử lý.

{keywords}
PGS.TS Đỗ Văn Mạnh, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Bùn thải từ các hoạt động sản xuất chứa rất nhiều tế bào vi sinh vật và hỗn hợp các protein, polisaccarit, lipit.

Tại Việt Nam hiện nay, việc xử lý bùn thải mới chỉ áp dụng phương pháp ủ hoặc chôn lấp, chưa có hệ thống công nghệ xử lý hoàn thiện ở quy mô lớn, kết hợp với xử lý chất thải rắn. Nếu không được xử lý kịp thời, khối lượng lớn bùn thải gây ảnh hưởng nghiêm trọng môi trường.

Trước thực trạng đó, năm 2016 nhóm nghiên cứu do PGS.TS Đỗ Văn Mạnh, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam bắt đầu nghiên cứu công nghệ xử lý bùn thải.

Ông Mạnh chia sẻ, phương pháp phân hủy yếm khí liên quan đến các nhóm sinh vật khác nhau. Các nhóm vi khuẩn này tham gia vào quá trình hình thành metan. Với 70% là khí metan sinh ra và 30% là các phản ứng oxy hóa khử H2 và CO2, nguồn năng lượng metan dồi dào mang đến những cơ hội cho sản xuất điện.

{keywords}
Công nghệ chế tạo năng lượng sạch từ bùn thải được áp dụng thử nghiệm và mang lại hiệu quả cao.

Bùn thải sinh ra sau quá trình lên men yếm khí chứa hàm lượng carbon hữu cơ, natri, photpho cao được tận dụng làm phân bón hữu cơ với mục đích phát triển nông nghiệp sạch.

Hiện nay, lượng bùn thải phát sinh từ các nhà máy trong công đoạn xử lý nước thải ngày càng nhiều, ảnh hưởng đến môi trường, đất, nước, sức khỏe cộng đồng. Trong khi nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt.

Hệ thống này tận dụng nguồn nguyên liệu bùn thải để lên men sinh khí đốt phát điện và sản xuất phân hữu cơ, giúp giảm chi phí xử lý bùn thải và sinh năng lượng.

Nhóm nghiên cứu cho biết, so với các quy trình xử lý truyền thống, công nghệ mới cho hiệu suất chuyển hóa bùn thải hữu cơ thành khí sinh học cao, giúp rút ngắn thời gian xử lý trong khoảng 15 - 20 ngày.

Đặc biệt, hai sản phẩm thu được sau quá trình xử lý gồm khí biogas và phân bón sinh học đều đạt tiêu chuẩn sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất. Chất lượng biogas phát điện sau khi làm sạch đáp ứng tiêu chuẩn sử dụng làm nhiên liệu của châu Âu.

Về cơ chế xử lý, ông Mạnh cho biết, bùn thải được đưa vào bể tiền xử lý để điều chỉnh độ pH và các thông số khác trước khi đưa vào bể xử lý chính.

Công đoạn này tạo điều kiện tốt nhất cho các nhóm vi sinh vật thực hiện quá trình phân hủy bùn thải yếm khí, có thể giảm độ pH bằng axit hoặc dùng bazơ để tăng pH.

Sau bước tiền xử lý, nhóm tiến hành phân hủy yếm khí bùn thải để tạo ra khí biogas. Tuy nhiên, khí biogas sau khi được tạo ra vẫn còn nhiều tạp chất (CO2, H2S, SO2), có thể gây kết tinh trong buồng đốt hoặc ăn mòn các đường dẫn, bình chứa nhiên liệu cũng như bếp đốt.

Nhóm nghiên cứu đã tự chế tạo và thiết kế thành công được thiết bị lọc quay ly tâm tốc độ cao để làm sạch khí sinh học trước khi nạp vào hệ thống máy phát điện, nhờ vậy nhóm đã giải mã thành công công nghệ do Đài Loan chuyển giao.

Biogas được đưa vào máy ly tâm tốc độ cao HGRPB để loại bỏ tạp chất bằng dung dịch hấp thụ KOH. Dưới tác động của cơ quay trục giữa, dung dịch KOH được chuyển động ly tâm với tốc độ cao, làm tăng cường quá trình tiếp xúc giữa dung dịch hấp thụ và dòng khí đi vào. Nhờ vậy, dung dịch hấp thụ không bị kéo ra ngoài theo dòng khí, giúp biogas sau xử lý có độ ẩm và đạt tiêu chuẩn dành cho phát điện.

"Công đoạn quan trọng nhất nằm ở kỹ thuật điều chỉnh chế độ công nghệ để gia tăng hiệu suất chuyển hóa từ bùn hữu cơ sang khí sinh học hiệu quả cao. Thiết bị do nhóm thiết kế cho ưu điểm nhỏ gọn hơn, được tạo ra từ vật liệu dễ tìm, phù hợp với điều kiện trong nước", ông Mạnh nói thêm.

Ngoài ra, công nghệ này có khả năng phát hiện thời gian bão hòa của khí, phản ứng tiếp xúc nhanh, thu được khí biogas sạch gần như 100%, đạt tiêu chuẩn làm nhiên liệu phát điện.

Khí biogas này có thể tách chiết ra các bình gas nhỏ, đưa vào đời sống sinh hoạt. Đặc biệt, khi sử dụng, khí không còn mùi hôi.

Rau tăng trưởng tốt nhờ phân bón bùn thải

Nhóm nghiên cứu đã đưa đề tài nghiên cứu phát triển ứng dụng khí sinh học sử dụng bùn thải vào thực tiễn qua việc thử nghiệm tại các nhà máy bia và nhà máy mía đường, sản xuất điện và phân bón hữu cơ phục vụ sản xuất nông nghiệp sạch.

“Bất cứ loại bùn nào có thành phần dinh dưỡng cao để tạo ra khí sinh học đều có thể áp dụng được, kể cả chất thải nông nghiệp hay công nghiệp. Khí sẽ được làm sạch bằng KOH, loại bỏ khí H2S là một loại khí độc, trước khi đưa vào phát điện. Tuy nhiên, công nghệ này chỉ áp dụng với bùn vô cơ, không áp dụng với bùn hữu cơ”, Trưởng nhóm nghiên cứu cho hay.

{keywords}
Rau bên phải (Thí nghiệm) dùng phân bón hữu cơ từ bùn thải tăng trưởng tốt hơn.

Đầu tiên, nhóm thử nghiệm mô hình phát điện từ bùn thải tại một nhà máy bia ở Buôn Ma Thuột (Đắk Lắk). Toàn bộ lượng bùn thải khoảng 20m khối bùn mỗi ngày được xử lý phát điện với công suất 20kWh. Lượng điện được đưa vào vận hành máy bơm, các thiết bị xử lý của hệ thống hoặc đèn chiếu sáng trong các trang trại rau.

“Mô hình lớn hơn có thể lắp đặt hệ thống lớn hơn tùy mục đích công suất lắp đặt”, ông Mạnh nói.

Lượng bùn thải sau quá trình phân hủy còn lại được phối trộn với các thành phần vi lượng và vi sinh vật để tạo phân bón hữu cơ sinh học.

Thiết bị sử dụng tại các mô hình khảo nghiệm đã cho thấy sản phẩm phân bón hữu cơ sinh học từ quy trình công nghệ trên giúp đất tăng độ ẩm và tơi xốp hơn, nâng cao hiệu quả sử dụng phân. Loại phân hữu cơ được bón cho cây rau ngắn ngày đem đến chất lượng tốt, ngoài ra còn giúp cây trồng hạn chế sâu bệnh và tăng năng suất.

{keywords}
Ông Mạnh khẳng định, công nghệ này góp phần tạo nên một nền nông nghiệp tuần hoàn, bền vững.

Theo ông Mạnh, bùn thải ra sẽ được ép rồi trộn với vi sinh vật để ủ thành phân. Thành phần bùn thải nguyên liệu đầu vào phải giàu chất dinh dưỡng, mới tạo ra phân bón vi sinh tốt cho cây trồng. Bùn phải có nhiều nitơ, phốt-pho… Các thành phần độc hại trong bùn thải sẽ được chế phẩm vi sinh trong quá trình ủ triệt tiêu.

Nhóm nghiên cứu đã đưa loại phân bón này thử nghiệm tại một trang trại rau tại Đắk Lắk. Sau một thời gian, rau sinh trưởng tốt, hạn chế được sâu bệnh, giảm thiểu công chăm sóc. Phân bón đạt tiêu chuẩn về phân bón hiện hành.

Ngoài cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng, thế mạnh của phân bón là giúp cải tạo đất, tăng tính ổn định bền vững để canh tác.

“Nếu tính chi phí, loại phân bón này có giá thành chỉ khoảng 2.000 đồng/kg, có thể cạnh tranh tốt với các loại phân vi sinh khác trên thị trường”, ông Mạnh thông tin.

Theo tính toán của nhóm nghiên cứu, Lợi nhuận từ phân bón và sản xuất phát điện, với công suất phát điện 20kWh sau hơn 4 năm sẽ thu lại được vốn. 

PGS.TS Đỗ Văn Mạnh tiết lộ, chi phí xây dựng dây chuyền gồm chi phí đầu tư, chi phí chạy hóa chất, điện nước khoảng là hơn 3 tỷ đồng. Tuy nhiên, sau 4 năm, người đầu tư có thể thu hồi vốn từ lợi nhuận bán phân bón và sản xuất phát điện. Từ đó góp phần tạo nên một nền nông nghiệp tuần hoàn, bền vững.

Đặc biệt, dây chuyền thân thiện với môi trường, không có khí thải hay chất thải. 

Hệ thống phù hợp lắp đặt ở các nhà máy như sản xuất bia, cao su, thực phẩm… là những nơi có lượng bùn thải ổn định. Dây chuyền hoạt động tự động, không cần đến nhân lực điều khiển, đem lại hiệu quả kinh tế cao cho doanh nghiệp.

Ông Mạnh cho biết, sau khi “trình làng” công nghệ này, hai công ty sản xuất đồ uống và thực phẩm ở Việt Nam đã liên hệ nhóm nghiên cứu để hợp tác.

“Chúng tôi mong rằng, trong tương lai có thể thương mại hóa rộng rãi công nghệ này. Hiện công nghệ mới thực hiện ở quy mô nhỏ, muốn phát triển hệ thống ở quy mô lớ hơn cần có sự phối hợp giữa các bên liên quan, đồng thời Nhà nước cũng có chính sách tốt, phù hợp để nhân rộng mô hình tại các địa phương, các khu công nghiệp lớn”, ông Mạnh chia sẻ.

Thái Minh