Tìm hiểu nguồn năng lượng từ rác thải

Rác thải đang trở thành một hiểm hoạ với môi trường vì rác đã có mật ở khắp nơi . Theo thống kê của Hiệp hội quốc tế bảo vệ môi trường và công nghệ môi trường bang Saxon (Đức), năm 2010 Việt Nam thải ra 18,8 triệu tấn chất thải rắn đô thị, trong đó 32% là rác thải xây dựng.

Trường Đại Học Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh

Trung Tâm Máy – Thiết Bị

Đề tài: Tìm hiểu nguồn năng lượng từ rác thải

4, Nguyễn Hữu Nghĩa 08106271

5, Trương Nguyễn Minh Khuê 08102721

6, Ngô Thị Thu Hương 08101901

TP Hồ Chí Minh Ngày 29/11/2010

Mục Lục

1, Giới Thiệu Đề Tài………3

2, Tài nguyên rác thải……… 4

2.1 Phát sinh chất thải rắn ở Việt Nam ……… 5

2.2 Thực trạng quản lý và tái chế chất thải rắn ở Việt Nam ……….6

3, Cơ sở quá trình tổng hợp năng lượng từ rác thả……….,7

3.1 Tổng hợp năng lượng bằng phương pháp sinh học……… ,7

3.1.1 Quá trình yếm khí (kỵ khí)……… ,8

3.1.2 Ứng dụng……….,11

3.2 Tổng hợp năng lượng bằng phương pháp vật lý………19

3.2.1 Công nghệ đốt rác làm điện……… ,,18

3.2.2 Biến rác thải và thành điện năng ở Đan Mạch……… ,,,,,19

3.2.3 Công nghệ đốt rác……… ,21

3.2 Tổng hợp năng lượng bằng phương pháp hoá học……….25

4, Nhận xét và kết luận……….25

1, Giới Thiệu Đề Tài

Trong thời đại công nghiệp vô cùng phát triển như hiện sản xuất ra một lượng hàng hoá khổng lồ để đáp ứng nhu cầu không ngừng tăng lên của con người Nền công nghiệp phát triển cũng đặt ra cho con người bài toán nan giải về

nguyên, năng lượng phục vụ cho quá trình sản xuất cùng với việc phải giải quyếtvấn đề ngày càng bị ôi nhiễm Trong đó vấn đề năng lượng có tầm ảnh hưởng rấtlớn đến sự phát triển của quốc gia Phần lớn nguồn năng lượng hiện nay đang sử dụng từ thuỷ điện, nhiệt điện, điện hạt nhân, sinh học một lượng nhỏ có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời, gió, thuỷ triều…Hiện nay nguồn năng lượng chủ yếu là nguồn năng lượng hóa thạch gốc cacbon Dầu mỏ, than và khí chiếm 79,6% sản lượng năng lượng chủ yếu trong năm 2002 Sử dụng nguồn năng lượng này gây ôi nhiễm môi trường rất và không bền vững ( với mức độ sử dụngnhiên liệu hoá thạch như hiện chỉ vài chục năm nữa sẽ cạn kiệt) Chính vì vậy nhiều nước đã tiến hành nghiên cứu tìm các nguồn năng lượng mới theo hướng thân thiện với môi trường như nhiên liệu sinh học, tổng hợp hidro, nhiên liệu tái chế từ phế thải Trong đó nhiên liệu tái chế từ thải vừa giải quyết được vấn đề năng lượng đồng thời xử lý được lượng rác thải rất lớn

Đề tài: “Tìm hiểu nguồn năng lượng từ rác thải ” đã được nhóm sinh viên lớp DHMT4A tìm hiểu qua rất nhiều sách và web để thực hiện đề tài nhưng không tránh khỏi thiếu sót rất mong nhận được đóng góp ý kiến mọi góp ý xin gửi về địa chỉ: dhmt4a@mail.com

Nhóm thực hiện xin chân thành cảm ơn Thầy Trần Hoài Đức đã hướng dẩn thực hiện đề tài này

TP Hồ Chí Minh ngày 25/11/2010

2 Tài nguyên rác thải

Rác thải đang trở thành một hiểm hoạ với môi trường vì rác đã có mật ở khắpnơi Theo thống kê của Hiệp hội quốc tế bảo vệ môi trường và công nghệ môitrường bang Saxon (Đức), năm 2010 Việt Nam thải ra 18,8 triệu tấn chất thảirắn đô thị, trong đó 32% là rác thải xây dựng

Riêng TP.HCM mỗi ngày thải ra khoảng 7.000 tấn rác Lượng rác thải đô thịtăng 10% mỗi năm và đến năm 2020 Việt Nam mới thu gom được 90% chất thảirắn đô thị

Trung bình mỗi ngày người dân Hà Nội thải ra khoảng 2.700 tấn rác, trong đóchỉ có 60 tấn rác vô cơ là không thể tái chế cần phải đem chôn lấp, hai loại ráccòn lại đều có thể tận dụng để chế biến làm phân bón, nông nghiệp hoặc tái chếthành các sản phẩm có ích

Trung bình một ngày có 230 tấn là lượng rác thải y tế thải ra mỗi ngày trên toànquốc

Bảng: 1 Thống kê lượng rác thải sinh ra từ 1991-2002

(sở tài nguyên và môi trường 2002)

KHối lượng

rác (tấn) 970.209 980.662 1.063.573 1.180.989 1.368.000 1.537.979

Bảng 2: Thành phần rác thải sinh hoạt (sở tài nguyên và môi trường 2002)

Rau thực phẩm chất hữu cơ dễ phân huỷ 64.7

2.1 Phát sinh chất thải rắn ở Việt Nam

Theo Báo cáo diễn biến môi trường Việt Nam 2004, năm 2004, trên cả

nước đã phát sinh 15 triệu tấn chất thải rắn (CTR) trong đó khoảng 250.000 tấn

chất thải nguy hại CTR sinh hoạt (đô thị và nông thôn) chiếm khối lượng lớn

với số lượng khoảng 13 triệu tấn, CTR công nghiệp phát sinh vào khoảng 2,8

triệu tấn và CTR từ các làng nghề là 770.000 tấn Do quá trình đô thị hoá diễn ra

mạnh mẽ, tỷ lệ phát sinh CTR sinh hoạt đang tăng nhanh trung bình đạt 0,7-1,0

kg/người/ngày và có xu hướng tăng đều 10-16% mỗi năm Theo nghiên cứu của

Bộ Xây dựng năm 2009, tổng khối lượng CTR phát sinh cả nước năm 2008 vào

khoảng 28 triệu tấn, trong đó lớn nhất là CTR đô thị chiếm gần 50%, CTR nông

thôn chiếm 30%, lượng còn lại là CTR công nghiệp, y tế và làng nghề Dự báotổng lượng CTR cả nước có thể sẽ phát sinh khoảng 43 triệu tấn vào năm 2015,

67 triệu tấn vào năm 2020 và 91 triệu tấn vào năm 2025, tăng từ 1,6 đến 3,3 lần

so với hiện nay

2.2 Thực trạng quản lý và tái chế chất thải rắn ở Việt Nam

Quản lý chất thải rắn bao gồm các hoạt động: Phòng ngừa và giảm thiểuphát sinh CTR; phân loại tại nguồn; thu gom, vận chuyển; tăng cường tái sửdụng, tái chế; xử lý và tiêu huỷ

Công tác quản lý chất thải rắn ở Việt Nam hiện nay còn chưa tiếp cậnđược với phương thức quản lý tổng hợp trên quy mô lớn, chưa áp dụng đồng bộcác giải pháp giảm thiểu, tái sử dụng, tái chế (3R) để giảm tỷ lệ chất thải phảichôn lấp

Hoạt động giảm thiểu phát sinh CTR, một trong những giải pháp quantrọng và hiệu quả nhất trong quản lý chất thải, còn chưa được chú trọng Chưa

có các hoạt động giảm thiểu CTR sinh hoạt Ở quy mô công nghiệp, số cơ sở ápdụng sản xuất còn rất ít, khoảng 300/400.000 doanh nghiệp

Hoạt động phân loại tại nguồn chưa được áp dụng rộng rãi, chỉ mới đượcthí điểm trên qui mô nhỏ ở một số thành phố lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh

Tỷ lệ thu gom chất thải ở các vùng đô thị trung bình đạt khoảng 80-82%, thấpnhất là đô thị loại IV (65%), ở Hà Nội cao hơn (90%); ở các điểm dân cư nôngthôn ~ 40-55% Khoảng 60% khu vực ở nông thôn chưa có dịch vụ thu gom chấtthải, chủ yêu dựa vào tư nhân hoặc cộng đồng địa ph¬ương

Tỷ lệ thu gom, vận chuyển CTR tuy đã tăng dần song vẫn còn ở mứcthấp, chủ yếu phục vụ cho các khu vực đô thị, chưa vươn tới các khu vực nông

thôn Xã hội hóa công tác thu gom, vận chuyển CTR tuy đã được phát triểnnhưng chưa rộng và chưa sâu, chủ yếu được hình thành ở các đô thị lớn.

Năng lực trang thiết bị thu gom, vận chuyển còn thiếu và yếu, dẫn tớitình trạng tại một số đô thị đã thực hiện phân loại CTR tại nguồn nhưng khi thugom, vận chuyển lại đem đổ chung làm giảm hiệu quả của việc phân loại

Tái sử dụng và tái chế chất thải mới chỉ được thực hiện một cách phichính thức, ở qui mô tiểu thủ công nghiệp, phát triển một cách tự phát, khôngđồng bộ, thiếu định hướng và chủ yếu là do khu vực tư nhân kiểm soát

Công nghệ xử lý CTR chủ yếu vẫn là chôn lấp ở các bãi lộ thiên khôngđạt tiêu chuẩn môi trường với 82/98 bãi chôn lấp trên toàn quốc không hợp vệsinh Các lò đốt rác chủ yếu dành cho ngành y tế và chỉ đáp ứng được 50% tổnglượng chất thải y tế nguy hại Việc phục hồi môi trường đối với các cơ sở xử lýCTR còn nhiều hạn chế Tình trạng đổ chất thải không đúng nơi quy định cònxảy ra, gây ô nhiễm môi trường ảnh hưởng đến sức khoẻ của cộng đồng

Hình: 2 Các loại rác thải

3 Cơ sở quá trình tổng hợp năng lượng từ rác thải

3.1 Tổng hợp năng lượng bằng phương pháp sinh học

Quá trình tổng hợp năng lượng từ rác thải theo phương pháp sinh học là nhờ vào khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ của vi sinh vật trong các điều kiện môi trường khác nhau,

Giai đoạn 2: là giai đoạn phát triển mạnh các loài vi khuẩn metan đểchuyển hầu như toàn bộ các chất hydrat cacbon thành CH4và CO2.

Đầu tiên là sự tạo thành các axit hữu cơ nên pH giảm xuống rõ rệt (lên menaxit) Các axit hữu cơ và hợp chất chứa nitơ tiếp tục phân hủy tạo thành các hợpchất khác nhau và các chất khí như CO2, N2, H2 và cả CH4 (bắt đầu lên menmetan) Các VSV kỵ khí phát triển mạnh còn các VSV hiếu khí bị tiêu diệt Các

vi khuẩn metan phát triển rất mạnh và chuyển hóa rất nhanh để tạo thành CO2 và

CH4(giai đoạn lên men metan cò gọi là lên men kiềm)

a, Các vi sinh vật phân huỷ kỵ khí

Sự tăng trưởng của vi khuẩn và các vi khuẩn trong bể tùy thuộc loại phân

sử dụng và điều kịên nhiệt độ Có 2 nhóm vi khuẩn tham gia trong quá trình kỵ

khí như sau: Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose và nhóm vi khuẩn sinh khí

metan

Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose:

Hình:3 vi khuẩn biến dưỡng cellulose

Những vi khuẩn này đều có enzym cellulosase và nằm rải rác trong các họkhác nhau, hầu hết các trực trùng, có bào tử (spore) Theo A.R.Prevot, chúng cómặt trong các họ: Clostridium, Plectridium, Caduceus, Endosponus,Terminosponus Chúng biến dưỡng trong điều kiện yếm khí cho ra: CO2, H2 vàmột số chất tan trong nước như Format, Acetat, Alcool methylic, Methylamine.Các chất này đều được dùng để dinh dưỡng hoặc tác chất cho nhóm vi khuẩnsinh khí metan

Nhóm vi khuẩn sinh khí metan:

Hình: 4 vi khuẩn sinh khí metan

Nhóm này rất chuyên biệt và đã được nghiên cứu kỹ lưỡng bởi W.E.Balch

và cộng tác viên ở USA (1997), được xếp hạng thành 3 bộ (Order), 4 họ(Family), 17 loài (Genus)

Mỗi loài vi khuẩn metan chỉ có thể sử dụng một số chất nhất định Do đóviệc lên men kỵ khí bắt buộc phải sử dụng nhiều loài vi khuẩn metan Có nhưvậy quá trình lên men mới đảm bảo triệt để

Điều kiện cho các vi khuẩn metan phát triển mạnh là phải có lượng

CO2 đầy đủ trong môi trường, có nguồn nitơ (khoảng 3,5 mg/g bùn lắng), tỷ lệC/N = 1:20 tốt nhất là cung cấp nitơ từ cacbonnat amon, clorua amon

Trong quá trình lên men kỵ khí các loài VSV gây bệnh bị tiêu diệt khôngphải do nhiệt độ mà do tác động tổng hợp của nhiều yếu tố khác nhau, trong đó

có mức độ kỵ khí, tác động của các sản phẩm trao đổi chất, tác động cạnh tranhdinh dưỡng, Mức độ tiêu diệt các VSV gây bệnh trong quá trình kỵ khí từ 80đến 100%

b, Cơ chế của sự tạo thành khí metan

Cơ chế 2 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Các chất hữu cơ phân hủy thành các axit hữu cơ, CO2, H2 vàcác sản phẩm khoáng hóa khác dưới tác dụng của enzym cellulosase:

CxHyOz → các axit hữu cơ, CO2, H2

Giai đoạn 2: Các axit hữu cơ, CO2, H2 tiếp tục bị tác động bởi các vi khuẩnmetan:

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

CO + 3H2 → CH4 + H2O

4CO + 2H2 → CH4 + 3CO2

4HCOOH → CH + 3CO + 3HO

CH3COOH → CH4 + H2O

Như vậy biogas được hình thành trong môi trường kỵ khí dưới tác dụng củaenzym cellulosase và nhóm vi khuẩn metan, trong đó vai trò của enzymcellulosaselà phân hủy các chất hữu cơ thành các chất có phân tử thấp hơn, cácchất này nhờ nhóm vi khuẩn metan tác dụng với nhau tạo thành khí metan cókhả năng đốt cháy sinh năng lượng

ra khí CH4 làm nhiên liệu dùng đốt, hoặc chạy máy phát điện…

Hình:5 Quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ trong hầm biogas

Hình:6 Sử dụng nhiên liệu sau khi lên men

Hình:7 Mô hình lên men khí biogas dùng chạy máy phát điện

Hình:8 Mô hình lên men khí biogas dùng chạy máy phát điện

1, Rác thải trồng trọt và chăn nuôi được thu gom

2,3, Các hầm biogas

4, Đường ống dản khí đến nhà máy

5, Áp kế

6, Khu lọc , tinh chế trước khi cung cấp ra thị trường

b, Ứng dụng thu khí từ bải rác thải

Rác sau khi thu gom sẽ được phân loại một phần đêm đi chon lấp ở các bảichôn lấp đã được xử lý lớp đất nền đảm bảo nước thải sẽ không bị thấm xuốngnước ngầm nước rò rỉ trong quá trình sản xuất sẽ được thu vào bải xử lý tậptrung Quá trình lên men kỵ khí xảy ra tạo ra khí CH và CO… sẽ được thu hồi

lại trong các túi khí lớn và được vẩn chuyển đến nơi xử lý tập trung trước khi sửdụng Trên bải chon lấp có thể đổ lên một lớp đất để trồng cây làm công viêncây Quá trình được mô tả dưới đây.

Ví dụ:

Ở Tp.HCM hiện có Nhà máy Điện Gò Cát sản xuất điện từ rác Với công suất

750 KW và đi vào hoạt động từ tháng 7/2005, đến nay, nhà máy đã cung cấp 6.444.000kWh điện, tạo nguồn thu khoảng 4,2 tỷ đồng

Theo Công ty Môi trường đô thị Tp.HCM (chủ đầu tư của Nhà máy Điện Gò Cát), do còn thiếu một số điều kiện, nên hiện mới chỉ có một tổ máy phát điện đivào hoạt động; 2 tổ máy còn lại sẽ hoạt động trong thời gian tới Khi cả 3 tổ máycủa nhà máy cùng hoạt động thì lượng điện sản xuất ra (khoảng 2.400 kW mỗi giờ) sẽ được hòa vào lưới điện quốc gia và số tiền thu được từ rác mỗi năm sẽ gấp 3 lần hiện nay

Ông Trần Giáp, Chỉ huy trưởng bãi rác Gò Cát cho biết, việc vận hành máy phát điện từ rác cũng không khó khăn hơn so với việc phát điện từ nước Tuy nhiên, không phải bãi rác nào cũng có thể là “nguồn” cung cấp điện, mà điều nàycòn phụ thuộc vào một số điều kiện nhất định như: bãi phải chôn lấp hợp vệ sinh, phải được xử lý đáy, lót tấm chống thấm HDPE dày 2 mm; rác phải được đầm nén, giữa các lớp rác phải được ngăn cách bằng các lớp đất dày khoảng 0,15 m; phải có hệ thống hấp thu nước rỉ rác và hệ thống thu khí gas

Một điều kiện quan trọng trong quy trình để có nguồn điện từ rác là bãi chôn lấp phải phủ đỉnh, giống như một túi khí nén mới có thể phát điện

Ngoài ra, Công ty Môi trường đô thị Tp.HCM sẽ sản xuất phân bón từ rác

sản xuất phân bón này cũng sẽ là nơi sản xuất thêm năng lượng điện Khí gas sảnsinh ra trong quy trình sản xuất phân bón từ rác thải sẽ được nén lại để phát điện.Quá trình đốt khí ở nhiệt độ cao để phát điện sẽ triệt tiêu các khí gây ô nhiễm như H2S, khí CO2

Hình :9 Xe thu gom và vẩn chuyển rác đến bải rác

Hình:10 Thu khí sinh ra từ quá trình phân huỷ rác thải ở bải chon lấp

Hình :11 Bể phân huỷ kỵ khí và thu khí ở các nước phát triển

Hình:12 Hệ thống thu hồi khí sau khi phân huỷ kỵ khí

Hình:13 Đường ống thu khí từ bải chon lấp ở đưới long đất

Hình:14 Quá trình tạo năng lượng điện từ rác thải

Nhận xét: Ngoài ra rác còn được sử dụng làm phân bón và tái chế lại tiếp tục sử

dụng

về công nghệ đốt rác làm điện của Công ty Hitachi Zosen (Nhật Bản)

đó được cầu tự động vào ngăn nhiên liệu, rác được đốt bằng 3 vỉ lò có tác dụnglàm khô rác bằng hiệu ứng bức xạ nhiệt, trộn và đánh tơi rác, đốt rác ở nhiệt độcao và chắt lọc tro Nồi hơi sẽ tự động lấy hơi nóng từ lò đốt rác đưa đến tuabin

để phát điện, phần tro còn lại và bụi được đưa xuống hầm chứa tro, nén lại thànhkhối Hệ thống này còn được lắp đặt một quạt cảm nhiệt công suất lớn, đủ để lọcmùi hôi của rác đầu vào, bộ phận chứa rác và chất thải sau khi đốt, luôn đảm bảo

độ khí chân không áp suất thấp, nén không để mùi hôi thoát ra bên ngoài Vìvậy, công nghệ đốt rác này không gây mùi hôi và thân thiện với môi trường Do

hệ thống vận hành tự động nên hạn chế được sức lao động, giảm giá thành sảnphẩm Ngoài ra, công nghệ đốt rác làm điện còn giúp giảm được 80% rác thải,qua giai đoạn đốt rác thì khối lượng chất thải còn lại là 20% dưới dạng khối vàđược đem chôn, giúp giảm được một lượng đáng kể rác thải vào môi trường

Sử dụng công nghệ đốt rác tạo ra điện sẽ cho sản lượng điện khá cao, vớimáy có công suất đốt 50.000 tấn rác/năm có sản lượng điện là 6,7MW, công suất166.000 tấn/năm là 11.2MW, công suất 333.000 tấn/năm là 22.4MW, công suất500.000 tấn/năm là 33,6 MW Một nhà máy đốt rác có tuổi thọ trung bình từ 30năm trở lên, tương đương 240.000 giờ hoạt động Tuy nhiên, sản lượng điện cònphụ thuộc vào nhiệt độ tỏa ra và thành phần rác thải, nhiệt tỏa ra càng cao thì sảnlượng điện càng lớn, với những loại rác tại nguồn có chứa thủy tinh hoặc chấtđộc hại như ti vi, tủ lạnh, pin,… thì sẽ cho ra sản lượng điện rất thấp và có khảnăng làm giảm tuổi thọ của máy, đòi hỏi phải có sự phân loại rác tại nguồn đểloại bỏ những rác có chứa thủy tinh, chất độc hại và diện tích quá lớn

3.2.2 Biến rác thải và thành điện năng ở Đan Mạch

Những nhà máy xử lý chất thải chuyển thành điện năng rất phổ biến ởĐan Mạch Chi phí thấp mà lượng CO2 từ nhà máy này thấp hơn ống khói cácgia đình lại tạo ra nguồn điện năng cho người dân Trong khi công nghệ này cònchưa được chấp nhận ở Mỹ Chính quyền các bang phải chi những khoản tiềnkhổng lồ gom rác chở đi chôn mà vẫn chịu cảnh ô nhiễm