Nghiên cứu cơ sở khoa học cho việc ứng dụng tro bay từ nhiệt điện phục vụ cải tạo đất

Chính vì vậy, đề tài “ Nghiên cứu cơ sở khoa học cho việc ứng dụng tro bay từ nhà máy nhiệt điện phục vụ cải tạo đất” đƣợc thực hiện với mục tiêu xác lập đƣợc cơ sở khoa học để tái sử d

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Phạm Thị Hạnh Lê

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC CHO VIỆC ỨNG DỤNG TRO BAY

TỪ NHIỆT ĐIỆN PHỤC VỤ CẢI TẠO ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Phạm Thị Hạnh Lê

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC CHO VIỆC ỨNG DỤNG TRO BAY

TỪ NHIỆT ĐIỆN PHỤC VỤ CẢI TẠO ĐẤT

Chuyên ngành: khoa học môi trường

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành khoá luận này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS

Lê Văn Thiện và PGS TSKH Nguyễn Xuân Hải, người đã tận tuỵ dạy dỗ, hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi trong quá trình học tập cũng như làm luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn, lời chúc sức khoẻ và thành công tới các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Thổ nhưỡng, các thầy cô trong khoa Môi trường và trong Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội, những người đã truyền đạt cho tôi những kiến thức bổ ích về chuyên môn và cho tôi những bài học, kinh nghiệm sống trong cuộc đời Cùng với đó tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô và anh chị phòng phân tích môi trường-Khoa Môi trường- trường đại học Khoa học Tự nhiên đã chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các

cô chú anh chị ở các nhà máy nhiệt điện Phả Lại, Quảng Ninh, Ninh Bình, Mông Dương 1 và Mông Dương 2 đã giúp đỡ tôi khảo sát và lấy mẫu tại các nhà máy Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình bạn bè đã giúp đỡ tôi trong thời gian hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn

Học viên

Phạm Thị Hạnh Lê

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Tổng quan về sản xuất nhiệt điện trên thế giới và ở Việt Nam 3

1.2 Hiện trạng xả thải công nghệ thu gom và xử lý tro bay tại một số nhà máy nhiệt điện đốt than trên thế giới và ở Việt Nam 9

1.2.1 Hiện trạng xả thải tro bay 9

1.2.2 Công nghệ thu gom và xử lý tro bay 12

1.4 Các ứng dụng của tro bay 17

1.5 Ảnh hưởng của tro bay tới đất và năng suất cây trồng 20

1.5.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài 20

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 29

Chương 2: NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

2.1 Đối tượng và phạm vinghiên cứu 32

2.2 Nội dung nghiên cứu 32

2.3 Phương pháp nghiên cứu 33

2.3.1 Dụng cụ thí nghiệm 33

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu 33

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 38

3.1 Hiện trạng môi trường và thực trạng tro bay tại một số nhà máy nhiệt điện phía Bắc Việt Nam 38

3.1.1 Nhiệt điện Phả Lại 38

3.1.2 Nhiệt điện Mông Dương I và II 40

3.1.3 Nhiệt điện Quảng Ninh 42

3.1.4 Nhiệt điện Ninh Bình 44

3.2 Kết quả nghiên cứu thành phần của tro bay tại 5 nhà máy nhiệt điện đốt than ở Việt Nam 46

3.2.1 Kết quả phân tích thành phần hóa lý của tro bay 46

3.2.2 Kết quả phân tích một số chỉ tiêu sinh học của tro bay 61

3.3 Đánh giá chung về tro bay của 05 nhà máy nhiệt điện và bước đầu đề xuất

tái sử dụng cải tạo đất 63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

PHỤ LỤC 75

PHỤ LỤC 1 : HÌNH ẢNH KHẢO SÁT CÁC NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 76

PHỤ LỤC 2: BẢNG PHÂN LOẠI VÀ THANG ĐÁNH GIÁ CỦA MỘT SỐ CHỈ TIÊU TRONG ĐẤT 79

DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG Danh mục bảng

Bảng 1 Trữ lượng than phân theo các cấp và các chủng loại than 7

Bảng 2 Cơ cấu các nguồn điện cho giai đoạn 2010-2020 tầm nhìn 2030 8

Bảng 3 Lượng tro bay được tạo ra tại các nước trên thế giới 10

Bảng 4 Tro xỉ từ các nhà máy nhiệt điện Việt Nam trong giai đoạn 2010 - 2030 11

Bảng 5 Lượng tro tạo ra của các nhà máy nhiệt điện phía bắc 11

Bảng 6 Tình hình các nhà máy nhiệt điện đốt than và tro xỉ nhiệt điện ở miền Bắc năm 2003 14

Bảng 7 Thành phần hóa học của các loại tro bay 15

Bảng 8 Một số tính chất vật lý điển hình của tro bay 16

Bảng 9 Thành phần hóa học của tro bay ứng với các nguồn khác nhau 16

Bảng 10 Hiện trạng sử dụng tro bay tại các nước trên thế giới 18

Bảng 11 Khả năng tiết kiệm phân bón hóa học và tăng hiệu quả sử dụng các chất dinh dưỡng của tro bay trên đất trồng lạc và lúa 23

Bảng 12 Tro bay giúp tăng khả năng hấp thu chất dinh dưỡng của cây trồng 27

Bảng 13 Tình hình sản xuất của 05 nhà máy khảo sát 45

Bảng 14 Kết quả phân tích thành phần nguyên tố theo phương pháp phân tích nguyên tố PIXE 47

Bảng 15 Hàm lượng các chất dinh dưỡng đa lượng 56

Bảng 16 Kết quả phân tích nguyên tố dinh dưỡng của tro bay 58

Bảng 17 Hàm lượng các nguyên tố kim loại nặng tổng số và đồng vị phóng xạ 61

Bảng 18 Kết quả phân tích chỉ tiêu vi khuẩn tổng số, nấm tổng số, xạ khuẩn tổng số 62

Danh mục hình Hình 1 Cơ cấu nguồn điện cho đến năm 2020 9

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý tuyển nổi tro bay SCL-FLY ASH 13

Hình 3.Khoai tây ở mẫu đối chứng (trái), và sau khi trồng với tro bay (phải) 28

Hình 4.Mía ở mẫu đối chứng và mẫu trồng với tro bay 29

Hình 5 Phổ PIXE Phả Lại 48

Hình 6 Phổ PIXE Quảng Ninh 48

Hình 7 Phổ PIXE Ninh Bình 49

Hình 8 Phổ PIXE Mông Dương 1 49

Hình 9 Phổ PIXE Mông Dương 2 50

Hình 10 Hình dạng và kích thước tro bay mẫu Mông Dương 1 50

Hình 11 Hình dạng và kích thước tro bay mẫu Mông Dương 2 51

Hình 12 Hình dạng và kích thước tro bay mẫu Ninh Bình 51

Hình 13 Hình dạng và kích thước tro bay mẫu Phả Lại 52

Hình 14 Hình dạng và kích thước tro bay mẫu Quảng Ninh 52

Hình 15 Phổ X-Ray Quảng Ninh 53

Hình 16 Phổ X-Ray Mông Dương 1 54

Hình 17 Phổ X-Ray Mông Dương 2 54

Hình 18 Phổ X-Ray Ninh Bình 55

Hình 19 Phổ X-Ray Phả Lại 55

Hình 20 Chỉ tiêu sinh học Ninh Bình 62

Hình 21 Chỉ tiêu sinh học Quảng Ninh 62

CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

CEC

CHC

KLN

TCVN

CP

UBND

TKV ESP

STT

TCVN

TCCP

Dung tích hấp phụ Chất hữu cơ Kim loại nặng Tiêu chuẩn Việt Nam

Cổ phần

Ủy ban nhân dân Tập đoàn than khoáng sản Việt Nam

Hệ thống lọc bụi tĩnh điện

Số thứ tự Tiêu chuẩn Việt Nam Tiêu chuẩn cho phép

MỞ ĐẦU

Xu hướng phát triển kinh tế, xã hội bền vững, ít gây ô nhiễm môi trường đang ngày càng được thế giới quan tâm và trở thành một trong những ưu tiên hàng đầu trong chiến lược phát triển của nhiều nước Ở nước ta, trong những năm gần đây, quá trình đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước và phát triển đô thị

đã làm gia tăng lượng chất thải độc hại gây ô nhiễm môi trường Tại Việt Nam, hàng năm, các ngành công nhiệp thải ra một lượng lớn các chất thải rắn như: tro bay nhiệt điện; xỉ lò cao; bụi từ các nhà máy ximăng; lốp cao su thải; thủy tinh thải; bùn

hệ thống thoát nước thải đô thị; chất thải phá dỡ công trình xây dựng; tro trấu… Chất thải rắn công nghiệp nhiệt điện (tro xỉ than từ các nhà máy nhiệt điện đốt than) là một vấn đề rất được quan tâm ở nhiều nước trên thế giới do lượng xả thải rất lớn, nguy cơ ô nhiễm môi trường cao, đồng thời là vấn đề quan tâm hàng đầu hiện nay trong chiến lược phát triển nhiệt điện đốt than Trong đó, tro bay là sản phẩm phế thải rắn được tạo ra do quá trình đốt than ở nhiệt độ cao tại các nhà máy nhiệt điện Lượng tro bay thải ra hiện vẫn còn nằm ở các bãi chứa, lấp đầy các hố nước, sông bãi và đất ruộng gây lấn chiếm diện tích và ô nhiễm môi trường Nếu tiếp xúc với không khí có bụi tro lâu ngày sẽ gây kích ứng mắt, da, mũi, họng…ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người, làm giảm khả năng quang hợp của cây xanh, gây nên hiện tượng cây sinh trưởng kém, cằn cỗi

Ở nhiều nước trên thế giới, tro bay được sử dụng rất hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau (xây dựng, nông nghiệp ) Tại Pháp, 99% tro xỉ than được tái

sử dụng, tại Nhật Bản con số này là 80% và Hàn Quốc là 85% [61] Tuy nhiên ở Việt Nam, lượng tro bay được sử dụng rất hạn chế, mới sử dụng khoảng 10-20% chủ yếu dùng làm vật liệu xây dựng, đóng gạch , phần còn lại được thải trực tiếp ra môi trường, gây nên sự lấn chiếm diện tích đất, ô nhiễm môi trường và lãng phí tài nguyên Trong khi đó, biến đổi khí hậu toàn cầu đang thực sự đe dọa đến nền nông nghiệp ở Việt Nam, đặc biệt là các vùng đất khô hạn và bán khô hạn, đất canh tác nghèo dinh dưỡng nên việc cải tạo, nâng cao độ phì nhiêu đất, tăng năng suất cây trồng, cung cấp các chất dinh dưỡng bằng các chất cải tạo đất thân thiện môi trường được xem là ưu tiên hàng đầu và nhiều triển vọng trong phát triển bền vững

Chính vì vậy, đề tài “ Nghiên cứu cơ sở khoa học cho việc ứng dụng tro

bay từ nhà máy nhiệt điện phục vụ cải tạo đất” đƣợc thực hiện với mục tiêu xác

lập đƣợc cơ sở khoa học để tái sử dụng tro bay cho mục đích cải tạo đất nông nghiệp nghèo dinh dƣỡng, từ đó đề xuất loại tro bay thích hợp nhất cho các ứng dụng tro bay trong cải tạo đất ở Việt Nam

Chương 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan về sản xuất nhiệt điện trên thế giới và ở Việt Nam

Năng lượng đóng vai trò hết sức quan trọng trong đời sống xã hội của chúng

ta, xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao Tiêu thụ năng lượng trên thế giới gia tăng liên tục, từ năm 1976 đến năm 2006 tổng mức tiêu thụ năng lượng trên thê giới tăng từ khoảng 6 tỷ tấn đổi ra dầu (TQD) lên đến

12 TQD Trong đó năng lượng hoá thạch chiếm 80 % tổng lượng năng lượng nêu trên, năng lượng sinh khối chỉ chiếm khoảng 10 %, còn lại là 10 % năng lượng điện

sơ cấp, nguồn năng lượng này được sản xuất gồm 55 % là năng lượng tái tạo mà chủ yếu là thuỷ điện, còn 45% là năng lượng hạt nhân Khoảng từ những năm 2000, mức tiêu thụ năng lượng hoá thạch tăng trưởng ngày càng cao, đặc biệt cùng với sự tăng trưởng kinh tế của các nước đang phát triển[4]

Trong tổng sản lượng điện năng sản xuất ra trên thế giới, phần tỷ lệ điện năng do các nguồn nhiên liệu hữu cơ chiếm tỷ trọng chủ yếu, tỷ lệ thủy điện ngày càng giảm Tỷ lệ hạt nhân tăng rất nhanh trong các thập kỷ 70 và 80 của thế kỷ trước, nhưng mấy năm gần đây có xu hướng chững lại, ở một số nước bắt đầu giảm Sản lượng điện của 7 nước G7 chiếm một nửa tổng sản lượng điện của thế giới Trừ Canada là nước có thủy điện chiếm khoảng 2/3 tổng sản lượng điện và Pháp là nước

có tỷ lệ điện hạt nhân tăng rất nhanh (từ 23,8% năm 1980 tăng lên 77,1% năm 1995), năm nước còn lại có tỷ lên nhiệt điện dung nhiên liệu hữu cơ từ 2/3 tổng sản lượng điện trở lên, trong đó Mỹ và Đức có tỷ lệ nhiệt điện đốt than chiếm trên 50% trong suốt một thời gian dài mấy chục năm Hiện nay, ở hai nước này, tỷ lệ nhiệt điện đốt than vẫn chiếm trên 50% và có xu hướng tăng dần[55]

Trong thập kỷ 70 và những năm đầu thập kỷ 50 của thế kỷ trước, nhiều dự báo lạc quan đã dự kiến tỷ lệ điện hạt nhân có thể tới 50% tổng sản lượng điện của thế giới vào nửa đầu thế kỷ này Tuy nhiên từ sau sự cố Trec-nô-bưn (1986), các dự báo về điện hạt nhân đã chững lại; ở một số nước phát triển đã có xu hướng giảm

Để bù lại, xu hướng phát triển nhiệt điện đốt than lại càng tăng lên, nhiều nhà máy điện đốt than với công suất tổ máy lớn (khoảng trên dưới 1000MW) có thông số

trên tới hạn (áp suất 250-300 bar, nhiệt độ hơi 580-600oC) đã được xây dựng Hiện nay, hiệu suất phổ biến của nhà máy nhiệt điện đốt than là 42-43%, cá biệt tới 49-50%.Ở những nước có nhiều than như Trung Quốc, Úc, Nam Phi, Ấn Độ…tỷ lệ nhiệt điện đốt than rất cao, tới 70-80%.Nhìn chung trong vài chục năm tới, tỷ lệ nhiệt điện đốt than vẫn chiếm tỷ lệ lớn nhất trong tổng số sản lượng điện năng của thế giới (Khoảng từ 40% trở lên)[4]

Việt Nam có tiềm năng lớn về các nguồn khoáng sản năng lượng và đang được huy động tích cực để phục vụ cho sự phát triển nền kinh tế xã hội Đến nay các nhà địa chất đã phát hiện và xác định được tiềm năng dầu khí ở các bể trầm tích khoảng 4,3 tỷ tấn dầu quy đổi, trong đó trữ lượng là 1,2 tỷ tấn và trữ lượng dầu khí

có khả năng thương mại là 814,7 triệu tấn Tổng tài nguyên khoáng sản than của bể than Quảng Ninh đạt trên 10 tỷ tấn, trong đó trữ lượng đạt hàng tỷ tấn Than lignit ở dưới sâu đồng bằng sông Hồng với tiềm năng khoảng 200 tỷ tấn là nguồn năng lượng lớn cho thế kỷ 21 Như vậy đây là nguồn nhiên liệu dồi dào cho sự phát triển của ngành nhiệt điện đốt than, đốt dầu và khí thiên nhiên Ưu thế của ngành phát triển năng lượng nhiệt điện là nguồn nhiên liệu ổn định hơn và chi phí đầu tư thấp hơn so với ngành thủy điện Ngoài hai nguồn năng lượng truyền thống thì Việt Nam cũng đang có chương trình nghiên cứu sử dụng các nguồn năng lượng mới như: năng lượng mặt trời, địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng sóng thủy triều, năng lượng sinh khối…[4]

Nhu cầu về năng lượng điện ở Việt Nam hiện nay vẫn tiếp tục tăng từ 1416%/năm trong thời kỳ 2011-2015 và sau đó giảm dần xuống 11.15%/năm trongthời kỳ 2016-2020 và 7.4-8.4%/năm cho giai đoạn 2021-2030.Vì vậy sản lượng điện hàng năm cũng đang tăng mạnh, tuy nhiên vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu

sử dụng do nhiều lý do khách quan và chủ quan.Tính đến năm 2011 sản lượng điện sản xuất trung bình ngày đạt 285 triệu kWh, tính trung bình năm đạt hàng trăm tỉ kWh.Trong đó nhiệt điện đóng vai trò hết sức quan trọng chiếm khoảng 48-52% tổng sản lượng điện Nhìn chung hàng năm tốc độ tăng trưởng sản lượng điện đạt từ 12-15% so với năm trước.Để đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ điện, nhiệt điện đốt

than đang được ưu tiên lựa chọn và phát triển vì nguồn nguyên liệu ổn định, chi phí xây dựng thấp và thời gian thi công nhanh hơn so với thủy điện Nguồn nguyên liệu chính trong sản xuất nhiệt điện hiện nay là than, dầu và khí tự nhiên[4]

Nhà máy điện nhiệt là một nhà máy điện, trong đó có năng lượng nguồn bằng hơi nước Nước được đun nóng, chuyển thành hơi nước và quay một tua bin hơi nước và tuabin này làm chạy một máy phát điện Sau khi đi qua tuabin, hơi nước được ngưng tụ trong bình ngưng và tuần hoàn lại đến nơi mà nó đã được làm nóng, quá trình này được gọi là chu trình Rankine Khác biệt lớn nhất trong thiết kế của nhà máy nhiệt điện là do các nguồn nhiên liệu khác nhau Một số thiết kế thích

sử dụng thuật ngữ trung tâm năng lượng hạn bởi vì các cơ sở đó chuyển đổi hình thức của năng lượng từ nhiệt năng thành điện năng.Một số nhà máy nhiệt điện cũng cung cấp năng lượng nhiệt cho mục đích công nghiệp, để sưởi ấm, hoặc để khử muối trong nước cũng như cung cấp năng lượng điện.Tuy nhiên, lượng khí

CO2 được tạo ra từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch ở các nhà máy nhiệt điện khá là lớn

và gây ảnh hưởng tới môi trường

Theo tổng kết của tập đoàn than khoáng sản Việt Nam, trữ lượng than của nước ta khoảng 10 tỉ tấn, trong đó đã thăm dò tìm kiếm 3,5 tỉ tấn chủ yếu là than atraxit, loại than này đang được khai thác với quy mô lớn và có khả năng đáp ứng

đủ nhu cầu sử dụng than trong nước và một phần xuất khẩu Ngoài ra, trữ lượng than nâu ở Việt Nam cũng rất lớn nhưng hiện nay vẫn chưa khai thác được nhiều; theo Bộ Công Thương năm 2011 tổng sản lượng dầu khai thác được khoảng 25 triệu tấn/năm, khí thiên nhiên đạt khoảng 9 tỷ m3/năm…và sản lượng khai thác hàng năm đều tăng hơn so với năm trước từ 210% Đây là những loại nhiên liệu sẵn có ở Việt Nam, với các mỏ than lớn tập trung chủ yếu ở tỉnh Quảng Ninh, các mỏ dầu khí tập trung ở miền trung và miền nam Chính vì vậy mà các nhà máy nhiệt điện cũng được phân bố một cách hợp lý dọc theo chiều dài đất nước Các nhà máy nhiệt điện đốt than tập trung chủ yếu ở miền Bắc như nhà máy nhiệt điện Phả Lại, Thái Bình, Hải Phòng, Uông Bí, Cẩm Phả, Ninh Bình…còn các nhà máy nhiệt điện tua bin khí được xây dựng ở miền trung và miền nam như nhà máy nhiệt điện Phú Mỹ, Vũng

Áng, Nhơn Trạch, Duyên Hải 3… Tổng công suất các nhà máy nhiệt điện đang vận hành tính ở thời điểm 2010 là 4 250 MW

Giai đoạn 2010 - 2020 sẽ tiếp tục xây dựng các nhà máy nhiệt điện lớn như Mông Dương (2 000 MW), Nghi Sơn (3 000 MW), Vũng Áng (2 000 MW), Trà Vinh (3 800 MW), Sóc Trăng (4 400 MW), Kiên Giang (1 200 MW)… Theo quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến 2030, trong quyết định số 1028/QĐ –TTg ký ngày 21/7/2011, tổng công suất các nhà máy nhiệt điện tính theo phương án phụ tải cơ sở, vào năm 2020 sẽ là 36 000 MW và năm

2030 là khoảng 75 000 MW [5]

Xu thế phát triển nhiệt điện đốt than ở Việt Nam Khoáng sản than năng lượng

ở Việt Nam được đánh giá có trữ lượng lớn (10 tỉ tấn), đáp ứng được nhu cầu cho phát triển nhiệt điện đốt than đến khoảng năm 2025 Tuy nhiên do trình độ và điều kiện kinh tế của Việt Nam còn thấp nên trữ lượng than phần lớn còn nằm sâu dưới lòng đất mà chưa khai thác được Phần có khả năng khai thác thì cũng đã sắp cạn kiệt, chỉ đủ đáp ứng đến hết năm 2011.Vì vậy, để đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng than trong nước, tập Đoàn điện lực Việt Nam đã chủ trương chính sách nhập khẩu than Bitum ở các nước láng giềng mà chủ yếu là Indonesia và Úc Than nhập khẩu này

có thể đốt riêng biệt hoặc pha trộn với than trong nước để tăng khả năng cháy của than trong nước

Bảng 1 Trữ lượng than phân theo các cấp và các chủng loại than

Hạng mục

Trữ lượng xác minh (TK-TD)

Phân chia trữ lượng đã xác minh theo cấp (1000 tấn)

địa phương 37 434 18 478 0 10 238 8 240 18956 Vùng than

ĐBSH 1 580 956 1 088 481 0 524 871 563 610 492475 Tổng Antraxit

Bảng 2 Cơ cấu các nguồn điện cho giai đoạn 2010-2020 tầm nhìn 2030

Tổng công suất lắp đặt (MW)

Thị phần trong tổng công suất lắp đặt (%)

Thị phần trong tổng sản lƣợng điện (%)

Tổng công suất lắp đặt (MW)

Thị phần trong tổng công suất lắp đặt (%)

Thị phần trong tổng sản lƣợng điện (%)

2 Nhà máy nhiệt điện tua

bin khí

3 Nhà máy nhiệt điện

chạy tua bin khí LNG

5 Nhà máy thuỷ điện tích

năng

(Nguồn: [59] )

Hình 1 Cơ cấu nguồn điện cho đến năm 2020

1.2 Hiện trạng xả thải công nghệ thu gom và xử lý tro bay tại một số nhà

máy nhiệt điện đốt than trên thế giới và ở Việt Nam

1.2.1 Hiện trạng xả thải tro bay

Chất thải rắn công nghiệp nhiệt điện (chủ yếu là tro xỉ từ quá trình đốt nhiên liệu thạch cao từ quá trình xử lý SO2 và một phần là chất thải rắn sinh hoạt các thiết bị

hư hỏng…) là một vấn đề rất được quan tâm ở nhiều nước trên thế giới do lượng xả thải rất lớn nguy cơ ô nhiễm môi trường cao đồng thời là vấn đề quan tâm hàng đầu hiện nay trong chiến lược phát triển nhiệt điện đốt than Trong đó tro bay được biết như là một loại bụi từ quá trình đốt than ở nhiệt độ cao của các ngành sản xuất nhiệt điện thải ra môi trường Tro bay là phần mịn nhất của tro xỉ than và được thu hồi tại

bộ phận khí thải bằng các phương pháp kết lắng, tuyển nổi, lọc tĩnh điện, lọc thu tay

áo ở các nhà máy nhiệt điện và đã có nhiều nghiên cứu tái sử dụng tro bay trong xây dựng sản xuất nông nghiệp và xử lý ô nhiễm môi trường trên thế giới

Bảng 3 Lượng tro bay được tạo ra tại các nước trên thế giới

Theo Xavier Querol và cs, (2005) tro bay của các nhà máy nhiệt điện đốt than

có trữ lượng rất lớn: ước tính lượng than được đốt trên toàn cầu là 550.106

tấn/năm

do vậy lượng tro bay thải ra môi trường là rất lớn

Theo số liệu thống kê của Hiệp hội phát triển tro bay Australia mỗi năm trên thế giới thải ra gần 2 tỷ tấn tro bay từ các nhà máy nhiệt điện và dự báo con số này

sẽ tăng gấp đôi vào năm 2030 Trong đó, việc sử dụng tro bay tập trung chủ yếu ở các nước và vùng lãnh thổ như: Trung Quốc, Ấn Độ, Nga, Đông Âu, Nam Phi, Bắc

Mỹ (Mỹ và Canada) Châu Âu, Nhật Bản, Úc, Israel và Thổ Nhĩ Kỳ Ở Châu Âu gần như 100% tro bay được ứng dụng vào nhiều mục đích khác nhau [52]

Ở Việt Nam, nguồn cung cấp than nhiên liệu trong nước cho các nhà máy điệnthường là loại than chất lượng thấp có độ tro lớn hơn 31 - 32% thậm chí đến 43 - 45% Do đó các nhà máy nhiệt điện thải ra lượng tro xỉ khá lớn có thể từ 20-30% lượng than sử dụng Với công suất tiêu hao than trung bình khoảng 500 g/kWh tổng lượng than sử dụng cho nhiệt điện và lượng tro xỉ tạo thành trong khoảng thời gian từ năm

2010 đến năm 2030 ghi trong bảng 4

Bảng 4 Tro xỉ từ các nhà máy nhiệt điện Việt Nam trong giai đoạn 2010 - 2030

TT Năm Công suất

MW

Tiêu thụ than triệu tấn/năm

Lượng tro xỉ triệu tấn/ năm

(Nguồn : [5] )

Ở Việt Nam chỉ tính riêng các nhà máy nhiệt điện miền Bắc mỗi năm đã thải

ra khoảng 700 000 tấn tro xỉ trong đó nhà máy nhiệt điện Phả Lại thải ra khối lượng

lớn nhất khoảng 500 000-550 000 tấn/năm Theo dự báo đến năm 2020 sẽ có thêm

28 nhà máy nhiệt điện đốt than đi vào hoạt động khi đó lượng tro xỉ thải ra hàng

năm vào khoảng 60 triệu tấn (Phan Hữu Duy Quốc) Điển hình như tại Nhà máy

Sản xuất tro bay Phả Lại với 8 dây chuyền tuyển tro bay theo công nghệ tuyển nổi

với công suất 40000 tấn/tháng Nhà máy Chế biến tro bay Cao Cường có công suất

80 000 tấn sản phẩm/năm (sử dụng nguồn tro xỉ của Nhà máy Điện Phả Lại)

Xưởng tuyển tro bay của Ban Quản lý công trình Thủy điện Sơn La có công suất 10

000 tấn/tháng (sử dụng nguồn tro xỉ của Nhà máy Điện Phả Lại II) Xưởng tuyển

tro bay của Công ty Phụ gia bê tông Phả Lại có công suất 5 000 tấn/tháng (sử dụng

nguồn tro xỉ của Nhà máy Điện Phả Lại II) Xưởng tuyển tro bay của Công ty CP

Nhiệt điện Ninh Bình có công suất 50 000 tấn/năm (sử dụng nguồn tro xỉ của Nhà

máy Điện Ninh Bình)

Bảng 5 Lượng tro tạo ra của các nhà máy nhiệt điện phía bắc

Theo các chuyên gia khoa học việc thu hồi tro xỉ không hề đơn giản bởi phần lớn các nhà máy nhiệt điện đang hoạt động tại Việt Nam đều chưa có hệ thống thu hồi chất thải hoặc có nhưng hiệu quả thấp và không đồng đều Thậm chí còn rất nhiều nhà máy nhiệt điện được xây dựng từ thập niên 60 của thế kỷ trước như Nhà máy Nhiệt điện Ninh Bình, Phả Lại I, Uông Bí Các nhà máy này sản xuất theo công nghệ đốt than phun PCC chất thải khí SOx phần lớn thoát ra môi trường

Hàng năm ước tính các nhà máy nhiệt điện trên cả nước thải ra khoảng 13 triệu tấn tro bay đến năm 2010 là 23 triệu tấn/năm.Trung bình hiện nay mỗi ngày nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 (Hải Dương) thải ra 3000 tấn tro xỉ trong đó 30% là than chưa cháy hết còn lại là tro bay rất mịn Do hàm lượng than dư này không cao nên khó tận thu làm nhiên liệu đốt mà thường được thải thẳng ra hồ chứa

1.2.2 Công nghệ thu gom và xử lý tro bay

Than có hàm lượng tro cao (30 - 32%) trong đó có 10% là xỉ lò được thải ra nhờ hệ thống tháo xỉ Phần còn lại là tro bay theo khói (90% hàm lượng tro) sẽ được tách ra khỏi khối khí thải nhờ hệ thống lọc bụi Lượng tro xỉ này được thải theo hệ thống kín và đưa ra một hồ chứa tập trung riêng biệt

Công nghệ thu gom tro bay :

- Điện cực phát (tích điện âm)

- Điện cực nhận (tích điện dương)

Các hạt bụi được tích điện bởi các ion được tạo ra do hiệu ứng couron từ điện cực phát được đặt dưới một điện áp cao.Nhờ tác dụng của điện trường giữa điện cực phát điện và điện cực nhận các hạt bụi nhiễm điện bị hút về phía điện cực nhận

Hiệu quả của hệ thống lọc bụi tĩnh điện phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố: kích thước của hạt bụi tính chất của điện cực thiết bị điện điều khiển điện trường tốc

độ chuyển động và sự phân bố đồng đều lượng không khí trong vùng điện trường Tùy theo lưu lượng bụi của buồng lọc mà hệ thống tự động điều chỉnh điện áp cao vào buồng lọc sao cho đạt được hiệu suất lọc bụi cao nhất.Với điều kiện hoạt động tốt hệ thống có thể đạt hiệu suất lọc bụi trên 98% Bụi sẽ được tách khỏi các tấm cực bằng nước rửa hoặc bằng việc rung rũ tấm cực

Tuyển nổi

Công nghệ tuyển nổi: Nguyên lý của công nghệ tuyển nổi tro bay là dùng chất tạo váng có chuỗi cacbon cao hơn octan (thường dùng dầu hoả) để bao bọc lấy các hạt cácbon làm các hạt này trở nên kỵ nước (không thấm nước) Khi được khuấy trộn mạnh trong một bể nước sục không khí các hạt cácbon kỵ nước bám vào các bọt khí tạo ra nhờ đó nổi lên trên bề mặt bể thành một lớp váng.Váng được vớt

đi còn tro ít cácbon được tách ra khỏi nước thành sản phẩm

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý tuyển nổi tro bay SCL-FLY ASH

Tro bay sau khi thu được xử lý bằng phương pháp khô hoặc ướt Trong xử lý khô, tro bay được chất thành đống trong các bãi chôn lấp và bể chứa tro bay Trong phương pháp xử lý ướt, tro bay được pha loãng với nước tạo thành dòng chảy vào các đầm phá nhân tạo và được gọi là ao tro Cả hai phương pháp này cuối cùng đều dẫn đến thoái hóa đất, đe dọa sức khỏe con người và ô nhiễm môi trường [3]

Hệ thống vận chuyển tro bay

Với khí có áp suất từ quạt hoặc từ máy nén không khí được sử dụng để vận chuyển tro đến silo theo đường ống có kích thước thích hợp,

 Hệ thống vận chuyển tro bay bằng áp suất dương:

- Hệ thống vận chuyển bằng phương pháp pha loãng (giữa khí và tro trên một tiết diện đường ống)

- Hệ thống vẫn chuyển bằng phương pháp bán pha loãng

- Hệ thống vận chuyển bằng phương pháp đậm đặc

 Hệ thống vận chuyển tro bay bằng áp suất âm (hệ thống chân không)

 Hệ thống tổ hợp

 Economizer và hệ thống trao đổi nhiệt/hệ thống nghiền tro

Bảng 6 Tình hình các nhà máy nhiệt điện đốt than và tro xỉ nhiệt điện ở miền Bắc

năm 2003

Nhà máy

Công suất (MW)

Hệ thống thu gom tro bay

Tổng sản lượng tro (tấn/năm)

Lượng tro bay sản xuất ra (tấn/năm)

Phả Lại 1 400 Lọc bụi tĩnh điện 400 000 8 400 (tuyển nổi) Phả Lại 2 600 Lọc bụi tĩnh điện 750 000 Thiết kế nhà máy

600 000 Uông Bí 105 Không có lọc bụi

tĩnh điện - Không thu gom được Ninh Bình 100 Lọc bụi tĩnh điện 90 000 Ít

1.3 Thành phần vật chất và tính chất tro bay

Khái niệm chung về tro bay

Tro bay (tên tiếng Anh là fly ash), là một loại bụi từ quá trình đốt than của các

ngành sản xuất nhiệt điện thải ra môi trường Nó là phần mịn nhất của tro xỉ than và được thu hồi tại bộ phận khí thải bằng các phương pháp kết lắng, tuyển nổi, lọc tĩnh điện và lọc thu tay áo ở các nhà máy nhiệt điện [3] Gọi là tro bay vì người ta dùng các luồng khí để phân loại tro, khi thổi một luồng khí nhất định thì hạt to sẽ rơi xuống trước và hạt nhỏ sẽ bay xa hơn

Phân loại tro bay

Tro bay được phân ra hai loại với các đặc điểm khác nhau:

- Loại C có hàm lượng CaO ≥ 5% và thường bằng 15- 35% Đó là sản phẩmđốt than linhit hoặc than chứa bitum, chứa ít than chưa cháy, thường < 2%

Bảng 7 Thành phần hóa học của các loại tro bay

- Tính chất vật lý của tro bay

Các tính chất vật lý của tro khác nhau phụ thuộc vào bản chất của than mẹ,

điều kiện quá trình đốt, cơ chế đốt, loại thiết bị kiểm soát khí thải và các phương pháp lưu trữ, xử lý

Tro bay có dạng hình cầu, đường kính trung bình khoảng 9 - 15μm, tỷ diện

bề mặt từ 3.000 - 6.000 cm2/g, khối lượng riêng khoảng 2,1 g/cm3, màu sắc thay đổi

- Tính chất hóa học của tro bay

Các yếu tố ảnh hưởng đến các tính chất vật lý cũng là nguyên nhân gây nên

sự khác biệt lớn về mặt hóa học của tro bay, các loại than khác nhau khi đốt sẽ thu được tro bay với các thành phần hóa học khác nhau (bảng 9)

Bảng 9 Thành phần hóa học của tro bay ứng với các nguồn khác nhau

Tro bay là một loại pozzolan nhân tạo gồm silic oxit, nhôm oxit, canxi oxit, magiê oxit và lưu huỳnh oxit Ngoài ra, có thể chứa một lượng than chưa cháy (< 6% trọng lượng tro bay) Do đó trong điều kiện môi trường nước, Al, Si, vôi sẽ phản ứng với nhau tạo ra sản phẩm bê tông pozzoland Nhờ đặc tính này mà hiện nay tro bay đang được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực sản xuất xi măng và vật liệu xây dựng

Trong một nghiên cứu tro bay lấy từ nhiều nhà máy điện khác nhau tại Mỹ, Theis và Wirth nhận thấy rằng ngoài các thành phần chính là Al, Fe, Si và một hàm lượng nhỏ hơn Ca, K, Na, Ti và S trong tro còn chứa rất nhiều các nguyên tố vi lượng thiết yếu như Fe, Mn, Zn, Cu, Co, B và Mo Tuy nhiên, trong một số loại tro lại giàu các kim loại như Cd và Ni (Theo Lee, 2006) Theo Kumar và cộng sự (2000), trung bình 95 – 99% tro bay bao gồm các oxit của Si, Al, Fe, Ca; khoảng 0,5 – 3,5% tro bay bao gồm Na, P, K, S và phần còn lại tro bay gồm các nguyên tố

vi lượng khác Trong thực tế tro bay chứa tất cả các nguyên tố có mặt trong đất, ngoại trừ cacbon hữu cơ và nitơ Vì vậy nó có thể được sử dụng như một chất phụ

gia ứng dụng trong nông nghiệp [46]

Tro bay được coi là giàu nguyên tố vi lượng, các chất hoá ho ̣c như th ủy ngân, coban và crom Nhiều nguyên tố vi lượng bao gồm cả As, B, Ca, Mo, S và Se trong tro bay được tập trung trong các hạt tro nhỏ hơn [6] Nhôm trong tro bay chủ yếu bị ràng buộc trong các cấu trúc aluminosilicate không hòa tan, điều này giúp hạn chế đáng kể độc tính sinh học của nó [34]

Tùy thuộc vào hàm lượng lưu huỳnh của than đá mẹ, giá trị pH của tro bay thay đổi từ 4,5 đến 12,0 Nồng độ của các nguyên tố khác nhau trong tro bay giảm khi kích thước hạt tăng [6]

Các khoáng chất như thạch anh, mullite, hematit, magnetit, calcite và borax cũng được tìm thấy trong tro bay Tuy nhiên, quá trình oxy hóa của C và N trong quá trình đốt cháy đã làm giảm đáng kể hàm lượng của chúng trong tro bay [32,35]

1.4 Các ứng dụng của tro bay

Việc sử dụng tro bay có lịch sử từ hàng trăm năm trước công nguyên Ngay

từ thời xa xưa người La Mã đã biết sử dụng tro núi lửa và đá vôi để xây dựng các

công trình với các chất phụ gia như: sữa, máu và mỡ động vật Nhiều công trình xây dựng đó vẫn còn tồn tại qua hàng nghìn năm đến ngày hôm nay Ví dụ: như công

trình Roman Gate xây dựng 236 năm trước công nguyên [33]

Ở nhiều nước trên thế giới, tro xỉ than từ các nhà máy nhiệt điện được sử dụng rất hiệu quả trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong xây dựng Việc sử dụng rác thải công nghiệp như tro xỉ than trong xây dựng cầu đường luôn luôn được khuyến khích và đôi khi là một điều kiện bắt buộc Tại Pháp, 85% tro xỉ than được tái sử dụng, tại Nhật Bản con số này là 80% và tại Hàn Quốc là 85%, còn tại Việt Nam con số này thực sự rất khiêm tốn [60]

Bảng 10 Hiện trạng sử dụng tro bay tại các nước trên thế giới

sử dụng Dự đoán số lượng tro bay tạo ra trong năm 2020 tương ứng sẽ là 570-610 triệu tấn [62]

Tại nhiều thành phố lớn ở Trung Quốc, tỷ lệ sử dụng tro đã đạt 100% (Theo Ian và Lindon, 2004) Tại thành phố Nam Kinh (tỉnh Giang Tô) tỷ lệ tro bay tái sử dụng là 100% trong 5 năm qua Trong thành phố Thượng Hải từ năm 1997 tro bay sản xuất đều được tái sử dụng 100%, chủ yếu là trong lĩnh vực xây dựng đường bộ

và các vật liệu tấm ốp tường

Hiện nay tro bay được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực:

- Ngành công nghiệp sản xuất xi măng

o Với thành phần gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3 và được cấu tạo bởi những tinh cầu tròn, siêu mịn, độ lọt sàn từ 0,05-50 nm, tỉ diện 300-600

m2/kg, tro bay được xem là một loại puzzolan nhân tạo chất lượng cao

o Với tính chất Puzzolan có khả năng khử CaO tự do trong xi măng ở môi trường nước, giá thành sản xuất tương đối rẻ, bảo vệ môi trường trong quá trình sử dụng, do đó tro bay rất ưu việt trong ngành công nghiệp sản xuất xi măng

o Làm nguyên liệu thay thế thạch cao tự nhiên trong quá trình sản xuất

xi măng với tỷ lệ từ 15% - 30% theo khối lượng xi măng

o Sử dụng kết hợp với các phụ gia để sản xuất xi măng sợi không amiăng

- Làm phụ gia trong sản xuất bê tông đầm lăn

- Làm nguyên liệu trong xây dựng dân dụng, xây dựng công nghiệp như: Công trình giao thông, công trình cầu cảng, công trình thủy lợi, xây trát, chống thấm

- Làm nguyên liệu trong sản xuất vật liệu xây dựng : với thành phần gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3 chiếm tỷ trọng > 84%, tro bay rất ưu việt để sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất vật liệu xây dựng, đặc biệt là những sản phẩm vật liệu xây dựng mới: gạch bê tông bọt, gạch bê tông khí chưng áp, gạch xi măng cốt liệu

- Làm phân bón trong nông nghiệp [25]

- Làm thuốc trừ sâu: Các kết quả nghiên cứu của Narayanasamy (2003) cho thấy tro bay có khả năng tiêu diệt hơn 50 loài côn trùng gây hại cây trồng khác nhau Theo ông việc sử dụng 40kg tro/ha đất trồng lúa có thể kiểm soát các loại sâu bệnh và sâu ăn lá như rầy nâu, châu chấu, sâu bướm, bọ cánh cứng… tro bay giúp kiểm soát các ấu trùng của sâu hại cây trồng bằng cách tác động đến phần miệng và hệ thống tiêu hóa của chúng, ngoài ra tro bay còn tạo sức đề kháng cho cây để chống lại bệnh như nấm gây héo ở lúa Arputha Sankari và Narayanasamy (2003) đã chỉ ra rằng tro bay khi được trộn thêm với các phụ gia khác có thể đóng vai trò như 1 loại thuốc trừ sâu dạng bột giúp bảo vệ cây trồng từ sâu bệnh, đặc biệt là trên lúa và rau Công thức tro bay + 10% bột nghệ + 10% bột hạt hạnh nhân đã được chứng minh

là hiệu quả nhất chống lại tất cả các côn trùng gây hại khác nhau [58]

- Hiện nay, ở trong nước, một số nhà máy thu hồi chế biến tro bay và sản xuất gạch không nung từ tro xỉ đã được xây dựng vận hành ở gần một số nhà máy nhiệt điện

1.5 Ảnh hưởng của tro bay tới đất và năng suất cây trồng

1.5.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài

Tổng hợp các kết quả nghiên cứu tro bay trên thế giới cho thấy rằng, tro bay

có thể được sử dụng như chất cải tạo đất nhằm cải thiện các tính chất vật lý, hóa học

và sinh học đất cũng như thúc đẩy sự sinh trưởng, phát triển và nâng cao năng suất của cây trồng Cụ thể như sau:

- Tro bay có khả năng cải thiện tính chất vật lý của đất

Tro bay chủ yếu bao gồm các hạt có kích thước nhỏ (hạt phù sa) do đó sử dụng tro bay bón cho đất cát có thể làm thay đổi hoàn toàn kết cấu đất, tăng dung trọng và cải thiện khả năng giữ nước của đất lên tới 8% Theo các nghiên cứu của Fail và Wochock (1977), Capp (1978) thì với lượng 70 tấn/ha, tro bay có thể biến đất cát hoặc đất sét thành đất thịt và điều này cho phép cải tạo đất nông nghiệp cũng như đất ở các vùng sau khi khai thác khoáng sản phục vụ công tác hoàn thổ [7,14]

Thành phần cấp hạt limon trong tro bay giúp làm thay đổi dung trọng của đất Theo Chang và cs (1977) khi bón tro vào đất với tỷ lệ 1:1 thì dung trọng của

đất tăng từ 0,89 lên đến 1,01 g/cm3 Đối với đất có dung trọng cao (1,25-1,60 g/cm3), bón tro bay có thể làm giảm dung trọng đất [11] Page và cs (1980) cũng chỉ ra rằng đối với nhiều loại đất nông nghiệp khi bón tro bay sẽ làm giảm dung trọng, làm cho đất có độ xốp thích hợp cho cây trồng, tăng khả năng phát triển bộ rễ cây và khả năng giữ ẩm của đất [33]

Bón tro bay với tỷ lệ 0, 5, 10 và 15% so với trọng lượng đất cho đất sét đã làm giảm đáng kể tỷ trọng và cải thiện cấu trúc của đất, từ đó cải thiện độ xốp, đất tơi xốp hơn và tăng khả năng duy trì độ ẩm của đất [22] Prabakar và cs (2004) kết luận rằng, bổ sung bay tro lên đến 46% giảm tỷ trọng của đất khoảng 15-20% Bón liều lượng tro bay cho đất (tỷ lệ 0, 10, 20 lên đến 100%) đã làm tăng độ xốp và khả năng giữ nước của đất [20] vàviệc cải thiện khả năng giữ nước có lợi cho sự phát triển của cây nông nghiệp, đặc biệt cây canh tác dưới sự phụ thuộc vào nước mưa

Bổ sung tro bay lên đến 40% làm tăng độ xốp đất lên 43-53% và khả năng giữ nước lên 39-55% [51] Tro bay cũng làm tăng khả năng giữ nước trong đất cát [53] Ca trong tro bay dễ dàng thay thế Na trong keo đất, do đó tăng cường sự keo tụ các hạt sét của đất, giữ cho đất bở, tăng cường sự xâm nhập của nước và cho phép rễ cây thâm nhập vào các lớp đất dễ hơn [20] Kết quả nghiên cứa tại Đại học Nông nghiệp Punjab, Ấn Độ, cho thấy bón tro bay làm tăng lượng nước hữu hiệu của đất cát pha thịt lên 120% và đất cát 67% Phòng thí nghiệm nghiên cứu vùng Bhopal (Regional Research Laboratory–RRL, Bhopal) chỉ ra rằng, bón tro bay làm tăng độ xốp của đất đen trồng bông và làm giảm độ xốp đối với đất cát, nhờ vậy giảm được lượng nước tưới tương ứng là 26% và 30% Theo Chang và cs (1977) nếu thêm vào đất 8% lượng tro bay đã làm tăng khả năng giữ nước của đất và nếu chỉ bón tro bay với một lượng nhỏ cũng đã đủ làm cải thiện tính thấm nước của đất, tuy nhiên với đất kiềm nếu bón tro bay trên 20% và đối với đất chua trên 10% sẽ làm xấu đi tính thấm nước của đất [11] Tính chất này của tro bay rất hữu ích đối với cây trồng, đặc biệt trong điều kiện canh tác nhờ nước mưa và tiết kiệm nước tưới

- Tro bay có khả năng cải thiện các tính chất hóa học của đất

Tro bay của Ấn Độ phần lớn có pH kiềm nên khi bón vào đất chua sẽ làm tăng pH của đất Đặc tính này của tro bay làm trung hoà những đất chua và được

dùng như chất cải tạo đất chua thay thế vôi rất hiệu quả [13] Theo Jastrow và cs (1979) tro bay một mặt cải thiện độ chua của đất, mặt khác cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng [20] Tuy nhiên, theo nghiên cứu của Sharma và cs (1989) thì nếu bón lượng lớn tro bay để làm thay đổi pH đất có thể gây nên hiện tượng mặn hoá đất Một số tro bay có tính axit thì được dùng làm chất cải tạo đất kiềm [47]

Lượng vôi có sẵn trong tro bay sẽ phản ứng với các thành phần có tính axit trong đất chua và giải phóng chất dinh dưỡng như S, B và Mo dưới dạng dễ tiêu, làm tăng khả năng hút thu chúng của cây trồng Tro bay đã cải thiện tình trạng dinh dưỡng của đất (Rautaray và cs., 2003), cũng như đã được sử dụng để hiệu chỉnh S

và sự thiếu B trong đất chua [11]

Các nghiên cứu đã chứng minh được rằng, tro bay được xem như là vật liệu bón như vôi để trung hòa độ chua của đất và cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng [51] Theo Matsu và Keramisdas tro bay có thể sử dụng thay thế vôi bón làm chất cải tạo tính chất của đất chua và tăng năng suất cây trồng [29] Điều này được giải thích là do trong tro bay có chứa hydroxit và muối cacbonat nên có khả năng trung hòa axit trong đất [10]

Thí nghiệm của Furr và cs (1977) cũng chứng minh, lúa miến, ngô, kê, cà rốt, hành củ, đậu đỗ, bắp cải, khoai tây và cà chua đều có thể được trồng trên đất hơi chua (pH 6,0) mà không làm giảm năng suất nếu được bón 125 tấn tro/ha Các cây này khi phân tích đều thu được hàm lượng các nguyên tố As, B, Mg và Se cao hơn các cây không được bón tro bay Bón tro lên lá cũng làm tăng khả năng sinh trưởng

và tỷ lệ trao đổi chất, cũng như tăng sắc tố quang hợp của cây trồng như ngô và đậu tương [30] Việc bổ sung 8% tro bay tại miền Tây Hoa Kỳ trên các loại đất chứa nhiều Ca hoặc có tính axit cũng giúp mang lại năng suất cao hơn, chủ yếu là do tăng hàm lượng S cho cây sử dụng [11]

Tro bay bón vào đất có khả năng cung cấp các chất dinh dưỡng cho đất và cây trồng.Tro bay chứa một lượng đáng kể các nguyên tố dinh dưỡng như K, P, Ca,

Mg và S [36,6, 8,49, 21, 51] nên bón cho đất sẽ làm tăng tốc độ sinh trưởng của thực vật và cung cấp chất dinh dưỡng cho đất Thí nghiệm trong nhà kính của Sikka

và Kansal (1995) chỉ ra rằng, bón 2-4% tro bay làm tăng đáng kể hàm lượng các

nguyên tố N, S, Ca, Na và Fe trong cây lúa(Oryza sativa), còn các mẫu đất thu từ

thí nghiệm chậu vại trồng lúa và lúa mì không cho thấy sự thay đổi nào về hàm lượng dinh dưỡngvà pH nhưng hàm lượng Fe tăng lên từ 12% lên 18% [48]

Sử dụng tro bay cùng với phân bón hóa học và vật liệu hữu cơ một cách thích hợp có thể tiết kiệm phân bón hóa học cũng như tăng hiệu quả sử dụng phân bón Theo Mittra và cộng sự (2003), việc sử dụng tro bay cùng với phân bón hóa học và vật liệu hữu cơ một cách hợp lý có thể tiết kiệm N, P và K vào khoảng 45,8%; 33,5% và 69,6%, tương ứng và cho hiệu quả cao hơn khi chỉ sử dụng phân hóa học (Bảng 11) [16]

Bảng 11 Khả năng tiết kiệm phân bón hóa học và tăng hiệu quả sử dụng các chất

dinh dưỡng của tro bay trên đất trồng lạc và lúa

Cr, Fe, Mn và Zn trong các mô thực vật do làm tính linh động của các kim loại này trong đất giảm đi

- Ảnh hưởng của tro bay đến khả năng cải thiện tính chất sinh học của đất

Thông tin về ảnh hưởng của việc bón tro bay đến đặc tính sinh học của đất rất là ít [45] Nhiều nghiên cứu nuôi cấy một thời gian ngắn trong phòng thí nghiệm

đã phát hiện rằng việc bón tro bay chưa phong hóa vào đất cát đã ức chế sự hô hấp,

số lượng, hoạt tính enzyme của vi sinh vật và các quá trình tuần hoàn nitơ trong đất như quá trình nitrat hóa và khoáng hóa nitơ [9, 59, 38, 16] Những tác động bất lợi này một phần là do sự hiện diện quá mức của các muối hòa tan và các nguyên tố vi lượng trong tro bay chưa phong hóa Tuy nhiên, nồng độ của các muối hòa tan và các nguyên tố vi lượng đã được phát hiện là giảm do sự phong hóa tro bay trong suốt quá trình thấm lọc tự nhiên, nhờ đó làm giảm tác động bất lợi theo thời gian [50] Hơn nữa, việc sử dụng tro bay quá kiềm (pH 11-12) cũng có thể là nguyên nhân của các tác động bất lợi này Việc ứng dụng tro xỉ than đã làm giảm sự phát

triển của 7 vi sinh vật đất gây bệnh, trong khi số lượng của Rhizobium sp và vi

khuẩn hòa tan P đã tăng lên ở đất được bón tro bay Việc bón tro bay (loại vôi thấp - nhóm F)vào đất với tỉ lệ 505 tấn/ha đã không gây ra bất kỳ tác động tiêu cực nào đến quần xã vi sinh vật đất và đã cải thiện các quần thể nấm, kể cả nấm rễ và vi khuẩn gram âm [45] Kumar và cs (2008) đã phân lập được chủng vi khuẩn kích thích sự phát triển thực vật có khả năng chịu đựng kim loại (NBRI K28

Enterobacter sp.) từ đất nhiễm tro bay và phát hiện chủng NBRI K28 cùng với

chủng đột biến tổng hợp thừa siderophore NBRI K28 SD1 của nó có khả năng kích thích sinh khối thực vật và tăng cường sự chiết xuất kim loại (Ni, Zn và Cr) từ tro

bay bởi thực vật hấp thụ kim loại như mù tạc Ấn độ (Brassica juncea) [24] Sự sản

xuất đồng thời siderophore, IAA và hòa tan photphat đã cho thấy tiềm năng thúc đẩy sinh trưởng thực vật của tro bay Xạ khuẩn và nấm giảm khi bón tro bay với tỉ

lệ 5% và tất cả các quần thể giảm khi bón tro bay ở tỉ lệ ở mức 10 và 20% Với tỉ lệ bón 20%, vi khuẩn, xạ khuẩn và nấm đã giảm tương ứng 57%, 80 % và 86% [38] Garampalli và cs (2005) đã tiến hành các thí nghiệm trong chậu với việc sử dụng đất vô trùng và thiếu P để nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay tại ba nồng độ khác

nhau: 10g, 20g và 30g tro bay/kg đất đến hiệu quả của nấm rễ (Glomus

aggregatum) ở cây đậu triều (Cajanus cajan L.) cv Maruti Kết quả cho thấy rằng ở

tất cả các hàm lượng tro bay được bón vào đất đã ảnh hưởng đáng kể đến sự chiếm

cứ của nấm rễ bên trong rễ cây và ở hàm lượng cao hơn (30 g/kg đất), sự hình thành cấu trúc nấm rễ bị ức chế hoàn toàn [15]

Hoạt tính enzyme của đất cũng là một yếu tố quan trọng để đánh giá các đặc tính sinh học của đất sau khi bón tro bay vào đất pH cao và độ dẫn điện của tro bay được cho là các yếu tố quan trọng giới hạn hoạt động của vi sinh vật [12] Sarangi

và cs (2001) đã báo cáo rằng hoạt tính invertase, amylase, dehydrogenase và protease đã tăng cùng với sự tăng của hàm lượng tro bay được bón vào đất (lên đến 15tấn/ha) nhưng đã giảm khi hàm lượng tro bay được bón vào cao hơn thế [44] Pati

và Sahu (2004) đã chọn 7 nồng độ của đất được bón tro bay (0%; 2%,5%; 10%; 15%; 25% và 50% theo trọng lượng đất) để kiểm tra tính độc đối với giun đất

(Drawida willsi) và đã nghiên cứu sự giải phóng CO2 và hoạt tính enzyme

(dehydrogenase, protease và amylase) khi có mặt và không có mặt của D willsi Kết

quả cho thấy, ít hoặc không có sự ức chế hô hấp đất và hoạt tính enzyme khi bón tro bay lên đến 2,5% Khi tiếp tục bón thêm tro bay, tất cả các hoạt động trên bị giảm sút đáng kể Mặt khác, sự kích thích đáng kể sự hô hấp đất và các hoạt động vi sinh vật đã được quan sát khi bón tro bay lên đến 5% khi đất có chứa giun đất Điều này

có thể là do hoạt tính vi sinh vật tăng được cảm ứng bởi các cơ chất mà được sản xuất bởi giun đất [35] Lal và cs (1996) đã báo cáo rằng tro bay được thêm vào đất

ở 16% (theo trọng lượng đất) làm tăng các hoạt tính enzyme (urease và cellulase) Tuy nhiên hoạt tính acid phosphatase bị đình trệ khi ứng dụng tro bay Việc thăm dò hàm lượng P sẵn có trong đất có bón tro bay với tỉ lệ từ 0 đến 80 tấn/ha đã cho thấy

là cao hơn so với đối chứng (không có tro bay) [26]

Ngoài ra, các loại cây dược liệu như cỏ Vetiver cũng đã được trồng thành công với tro bay kết hợp 20% phân chuồng và nấm rễ [46] Thêm tro bay ở mức

40% giúp phòng tránh các bệnh về rễ của cây cà chua do nấm Fusarium oxysporum

gây ra [23, 46]

- Ảnh hưởng đến sinh trưởng, phát triển và năng suất cây trồng

Trong tro bay có chứa nhiều khoáng chất như canxite, quartz, kaolinite, clorite, plagioclase, thạch cao, pyrit, montmorillonit, K-fenspat, dolomite và các nguyên tố cần thiết cho thực vật như Ca, Mg, K, B, Mo, Mn [33] Do đó ngoài việc thúc đẩy khả năng sinh trưởng và hấp thụ dinh dưỡng của thực vật nói chung tro baycòn giúp tăng năng suất cây trồng

Việc sử dụng tro bay trong nông nghiệp ở Ấn Độ đã chứng minh được rằng, tro bay cải thiện những tính chất vật lý đất và cung cấp các nguyên tố dinh dưỡng

đa lượng và vi lượng cho thực vật Phần lớn các thí nghiệm đều cho kết quả tăng năng suất cây trồng nông nghiệp khoảng 15-25% khi được bón tro bay, trong một số trường hợp tăng đến 100% năng suất cây trồng Ngoài ra, ảnh hưởng của các nguyên tố vết đến chất lượng nông sản cũng được chỉ ra nhưng vẫn nằm trong ngưỡng cho phép Một nghiên cứu khác ở Ấn Độ về sử dụng tro bay làm phân bón cho thấy, với liều lượng bón tro bay là 20-40% thể tích đất đã làm tăng năng suất của cây lúa lên đáng kể Đó là nhờ trong tro bay có chứa một số chất dinh dưỡng như S, P, K, Ca và đặc biệt là Si Do đó ngoài việc thúc đẩy khả năng sinh trưởng

và hấp thụ dinh dưỡng của thực vật nói chung tro bay còn giúp tăng năng suất cây trồng

Một nghiên cứu khác ở Ấn Độ về sử dụng tro bay làm phân bón cho thấy, với liều lượng bón tro bay là 20-40% thể tích đất đã làm tăng năng suất của cây lúa lên đáng kể Đó là nhờ trong tro bay có chứa một số chất dinh dưỡng như sunfat, P,

13-Sử dụng 5-20% tro bay ở tầng canh tác (0-15 cm) giúp tăng sản lượng của các cây ngũ cốc, lúa mì, các loại cây cỏ thơm đặc biệt là cây sả [18] Kết quả nghiên

cứu của Lau và Wong (2001) cũng cho thấy việc thêm tro bay ở mức 5% giúp tăng tỷ lệ nảy mầm của hạt giống và chiều dài gốc của rau diếp Hàm lượng axit amin trong đậu tương cũng tăng khi được trồng với đất được cải tạo bằng tro bay [17] Nghiên cứu của Sharma và cs (2001) cũng chỉ ra rằng sử dụng 25% tro bay giúp tăng năng suất của cà chua, cải bắp và các cây có dầu như hướng dương, vừng, lạc [46]

Bảng 12 Tro bay giúp tăng khả năng hấp thu chất dinh dưỡng của cây trồng

Hình 3.Khoai tây ở mẫu đối chứng (trái), và sau khi trồng với tro bay (phải)

Các nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu vùng Bhopal đã cho biết, khi bón tro bay với tỷ lệ 25% khối lượng đất thì năng suất cây Brinjal tăng 50-60%, năng suất khoai tây và đậu tăng 45%, cà chua - 40%, cải bắp - 29% so với đối chứng Nghiên cứu tại Trường Đại học Nông nghiệp Punjab cho thấy, bón 10 tấn/ha tro bay làm tăng năng suất lúa và bông (năng suất bông tăng từ 1.245 kg/ha đến 1.443 kg/ha) Đồng thời sử dụng tro bay của nhà máy nhiệt điện Dhanbad & Farakka với liều lượng 200 tấn/ha làm tăng năng suất lúa mì lên 40%; lúa nước lên 35% và rút ngắn thời gian sinh trưởng của cây lúa Nghiên cứu của Đại học Annamalaicho thấy, lượng tro bay sử dụng từ 2 đến 20 tấn/ha làm tăng năng suất cây trồng Khi sử dụng tro bay làm phân bón ở RRS-Raichur, năng suất dầu trong hạt hướng dương tăng 100 kg/ha

K Arivazhagan và cs., (2011) đã tiến hành thí nghiệm trên 100 cánh đồng ở xung quanh các nhà máy nhiệt điện Simhadri, Dari, Talcher, Vindhyachal (trong đó

50 lô đất được bón tro và 50 lô đất còn lại không dùng tro bay) Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng việc bón thêm 5 triệu tấn tro/ha giúp tăng sản lượng của lúa từ 4.920 đến 5.625 kg/ha đối với đất thường và 2.800-3.400 kg/ha đối với đất kiềm; lúa mì là 2.400-3.840 kg/ha; ngô: 1.750-3.150 kg/ha; kê: 2.800-3.400 kg/ha; đậu đỏ: 1.270-2.010 kg/ha; cây mù tạc: 2.000-2.750 kg/ha; chuối: 20-30%; mía: 29.500-41.000 ka/ha; cà tím: 10-20%; cà chua: 15-20%; khoai tây: 9.250-12.250 kg/ha Ngoài yếu

tố năng suất, việc bón tro bay cho đất còn tăng chất lượng nhiều loại nông sản điển

hình là mía Sau khi bón tro khối lượng cây mía tăng khoảng 2,3-3,1 kg, lượng nước trong cây tăng 1,13-1,5 kg, phần trăm nước tăng khoảng 44,08-48,97%, lượng đường tăng 16,1-19,44%

Hình 4.Mía ở mẫu đối chứng và mẫu trồng với tro bay

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu sử dụng tro bay từ các nhà máy nhiệt điện đốt than cho mục đích cải tạo đất nông nghiệp và xử lý ô nhiễm môi trường đất, nước ở Việt Nam còn rất hạn chế

Kết quả nghiên cứu của Lê Thanh Sơn, Trần Công Tấu (2001) cho thấy, chuyển hóa tro bay thành sản phẩm chứa zeolit có thể dùng để cải tạo đất, chống chua, khô cằn và bạc màu, nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón, thuốc trừ sâu, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm, bảo quản một số nông sản sau khi thu hoạch, làm chất vi lượng trong thức ăn gia súc để tăng sức đề kháng và chống bệnh tật, tẩy uế chuồng trại

Một số tác giả trong nước cũng nghiên cứu sử dụng tro bay trong lĩnh vực xử

lý các chất ô nhiễm môi trường Nguyễn Văn Nội (2002) và Nguyễn Văn Nội và cs (2005) đã nghiên cứu khả năng xử lý các chất ô nhiễm nước bằng phương pháp hấp phụ sử dụng tro bay Tuy nhiên, do khả năng hấp phụ kim loại nặng của tro bay không cao, một số công trình đã nghiên cứu biến tính tro bay, chủ yếu là chuyển

hóa thành zeolit bằng cách trộn với xút rắn và nung ở nhiệt độ cao, khoảng

500-600oC Trên thực tế, các nghiên cứu về tái sử dụng tro bay làm vật liệu hấp phụ ở nước ta vẫn còn rất ít Trong đó đáng kể nhất là công bố của Nguyễn Đức Chuy và

cs (2011) đã nghiên cứu chuyển hóa tro bay Phả Lại thành dạng zeolit định hướng

xử lý chất thải gây ô nhiễm [1]

Kết quả bước đầu nghiên cứu của Nguyễn Xuân Hải, Lê Văn Thiện (2007) cho thấy, tro bay của nhà máy nhiệt điện Uông Bí có pH trung tính đến kiềm yếu, tỷ trọng nhỏ hơn đất, cấp hạt mịn, chứa nhiều nguyên tố cần thiết cho dinh dưỡng cây trồng như Ca, Mg và K, Si có thể dùng làm chất cải tạo đất và khi bón vào đất phù

sa Sông Hồng đã cải thiện một số tính chất lý, hóa học của đất tốt hơn và làm tăng năng suất cây rau lên 6-24% [2]

Theo kết quả nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu sử dụng tro bay từ nhà máy

nhiệt điện đốt than phục vụ cải tạo đất xám bạc màu tại Ba Vì, Hà Nội” của Lê

Văn Thiện cho thấy, bón tro bay vào đất làm tăng cấp hạt sét của đất và tăng tỷ lệ thuận với lượng tro bay bón vào đất (tỷ lệ cấp hạt sét của đất đã tăng từ 4,05% ở đối chứng lên đến 17,6% ở công thức bón 25% tro bay sau 74 ngày đối với đất không trồng cây); pHKCl đất tăng ở tất cả các công thức bón tro bay, đạt 7,35 ở công thức bón 25% tro bay so với đối chứng là 4,80; kali và phốtpho dễ tiêu và tổng số tăng tỷ

lệ thuận với lượng tro bón vào đất, đặc biệt là kali tổng số đạt mức giàu và kali dễ tiêu đạt mức trung bình so với đối chứng là mức nghèo Tro bay bón cho đất cũng giúp tăng khả năng sinh trưởng và phát triển của cây lạc: ở các công thức bón 5; 10

và 15% tro bay cho thấy hiệu quả tốt nhất về sinh trưởng của cây lạc so với đối chứng, tuy nhiên ở mức bón 20% và 25% tro cây lạc có dấu hiệu còi cọc, chậm phát triển (Lê Văn Thiện và cs., 2012)

Như đã biết trình bày ở trên, tro bay nói chung có một số ảnh hưởng có lợi như:

- Cải thiện kết cấu đất;

- Giảm dung trọng của đất;

- Cải thiện khả năng giữ nước;

- Tối ưu hóa pH;

- Tăng khả năng đệm của đất;

- Cải thiện khả năng thông khí, thấm lọc và giữ nước trong vùng đất được bón;

- Cung cấp các nguyên tố dinh dưỡng đa lượng như K, P, Ca, Mg…;

- Cung cấp chất dinh dưỡng vi lượng như Fe, Zn, Cu, Mo, B…;

- Giảm tiêu thụ các chất cải tạo đất (phân bón, vôi);

- Có thể được sử dụng cho mục đích kháng côn trùng; và giảm tính linh động các kim loại trong đất

Có thể thấy, tro bay có độ mịn cao, khả năng hấp phụ trao đổi rất tốt, tỷ diện cao nên có khả năng sử dụng trong nông nghiệp như là một loại phân bón, chất cải tạo đất và có khả năng cải thiện một số tính chất đất như dung tích hấp phụ, khả năng giữ nước, thay đổi thành phần cơ giới đất, xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng, hoá chất bảo vệ thực vật, cải thiện các tính chất đất xám bạc màu với các tính chất đất chua, nghèo dinh dưỡng, khả năng giữ ẩm kém… đặc biệt là đất cát nghèo dinh dưỡng ven biển miền Trung Việt Nam Đây là hướng nghiên cứu rất khả thi và sẽ mang lại nhiều lợi ích kinh tế, xã hội và môi trường

Chương 2: NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi nghiên cứu

Khảo sát thực địa và thu thâp mẫu tại một số nhà máy nhiệt điện đốt than ở phía Bắc Việt Nam: Nhiệt điện Phả Lại, nhiệt điện Mông Dương 1, nhiệt điện Mông Dương 2, nhiệt điện Ninh Bình, nhiệt điện Quảng Ninh,

- Đối tượng nghiên cứu

Tro bay của các nhà máy nhiệt điện: Phả Lại, Quảng Ninh, Ninh Bình, Mông Dương 1 và Mông Dương 2

2.2 Nội dung nghiên cứu

1 Khảo sát hiện trạng xả thải, công nghệ thu gom và xử lý tro bay tại một số nhà máy nhiệt điệ

2 n đốt than tại phía bắc Việt Nam: nhà máy nhiệt điện Phả Lại, nhiệt điện Quảng Ninh, nhiệt điện Ninh Bình, nhiệt điện Mông Dương 1 và Mông Dương 2

3 Nghiên cứu thành phần vật chất tro bay của một số nhà máy nhiệt điện đốt than ở phía bắc Việt Nam (cấu trúc, thành phần vật chất, cấp hạt, điện tích bề mặt, các nhóm chức)

4 Nghiên cứu thành phần vật lý, hóa học (pH, CEC), hàm lượng chất hữu cơ, các nguyên tố dinh dưỡng đa lượng, trung lượng và vi lượng

5 Nghiên cứu thành phần các nguyên tố, các kim loại nặng và các đồng vị phóng xạ trong tro bay của 05 nhà máy nhiệt điện khác nhau

6 Nghiên cứu một số chỉ tiêu sinh học (vi khuẩn tổng số, nấm tổng số và xạ khuẩn tổng số) trong tro bay

7 Bước đầu đề xuất nguồn tro bay phù hợp từ các nhà máy nhiệt phục vụ cho mục đích cải tạo đất đất (hàm lượng tro, chất lượng và tính chất tro bay phù hợp nhất, )