Nghiên cứu xác định chế độ công nghệ cho quá trình nhiệt phân than hóa

Phương pháp nhiệt phân than hóa rác thải thực phẩm nhằm tạo ra sản phẩm than sạch có khả năng ứng dụng trong công nghệ môi trường, ứng dụng làm nhiên liệu, vật liệu cho các quá trình sản

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH v

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu về chất thải thực phẩm và hiện trạng quản lý 3

1.1.1 Tình trạng phát sinh chất thải thực phẩm 3

1.1.2 Hiện trạng quản lý chất thải thực phẩm 5

1.2 Các công nghệ xử lý chất thải thực phẩm 8

1.2.1 Phương pháp Tái chế, tái sử dụng 8

1.2.2 Phương pháp sản xuất phân hữu cơ 9

1.2.3 Phương pháp phân hủy sinh học kỵ khí tạo khí sinh học 9

1.2.4 Phương pháp chôn lấp hợp vệ sinh 10

1.2.5 Các phương pháp nhiệt 10

1.3 Than hóa và chất lượng than 12

1.3.1 Quá trình than hóa 12

1.3.2 Các thuyết về hấp phụ ứng dụng đánh giá chất lượng than 23

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 28

2.1 Quy trình thực nghiệm 28

2.2 Danh mục trang thiết bị, máy móc phục vụ nghiên cứu 29

2.3 Phương pháp nghiên cứu 33

2.3.1 Phương pháp than hóa 33

2.3.2 Phương pháp kiểm tra, xác định chất lượng sản phẩm than hóa thu được 37

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 39

3.1 Ảnh hưởng của các yếu tố trong quá trình than hóa 39

3.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân than hóa 39

3.1.2 Ảnh hưởng của thời gian nhiệt phân 42

3.1.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần vật liệu 45

3.2 Các thông số đặc trƣng của than nghiên cứu 49

3.2.1 Khả năng hấp phụ hơi benzen của than nghiên cứu 49

3.2.2 Khả năng hấp phụ khí của than nghiên cứu 51

3.2.3 Sự phân bố lỗ xốp của than nghiên cứu 53

3.3 Quy trình công nghệ nhiệt phân than hóa thực phẩm thải 55

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

1 KẾT LUẬN 58

2 KIẾN NGHỊ 58

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

- FAO : Tổ chức Nông Lương Liên hợp quốc

- USDA : United States Department of Agriculture - Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ

- ERS : Economic Research Service - Cơ quan Nghiên cứu kinh tế

- JICA : The Japan International Cooperation Agency - Cơ quan hợp tác Quốc tế Nhật Bản

- CHC : Chất hữu cơ

- CTR : Chất thải rắn

- BET : Brunauer- Emmett- Teller

- THT : Than hoạt tính

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 So sánh sự khác nhau giữa các hình thức cacbon hóa về mặt thiết bị 13

Bảng 2 1 Danh mục máy móc, thiết bị phục vụ nghiên cứu 30

Bảng 3 1 Khối lƣợng sản phẩm thu đƣợc khi than hóa 1000g vật liệu tại các giá trị nhiệt độ khác nhau trong cùng điều kiện thời gian 60 phút, tỷ lệ vật liệu 50/50 40Bảng 3 2 Khối lƣợng sản phẩm thu đƣợc khi nhiệt phân 1000g vật liệu tỷ lệ 50/50 tại

5000C trong các khoảng thời gian khác nhau 43

60 phút với tỷ lệ % thành phần vật liệu thay đổi 46Bảng 3 4 Hàm lƣợng tro và cacbon của than nghiên cứu 48Bảng 3 5 Độ hấp phụ của các mẫu than thu đƣợc khi thay đổi tỷ lệ vật liệu cơm/rau 49Bảng 3 6 So sánh các thông số đặc trƣng của than nghiên cứu với than tre 52

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Sơ đồ cấu tạo lò hầm than dưới lòng đất 15

Hình 1 2 Sơ đồ cấu tạo kỹ thuật đốt than ủ đống 16

Hình 1 3 Sơ đồ cấu tạo lò hầm than xây bằng gạch 17

Hình 1 4 Sơ đồ cấu tạo lò quay nghiêng dùng than hóa liên tục 19

Hình 1 5 Sơ đồ cấu tạo lò đứng than hóa liên tục 19

Hình 1 6 Lò than hóa dạng dài gia nhiệt gián tiếp 20

Hình 1 7 Cấu tạo lò buồng than hóa gián tiếp 21

Hình 1 8 Đồ thị đường thẳng BET 26

Hình 2 1 Lò than hóa SRJK-5-9S phục vụ điều chế THT 31

Hình 2 2 Ống chưng khô vật liệu thí nghiệm đã được chế tạo 32

Hình 2 3 Quy trình khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình than hóa 34

Hình 2 4 Quy trình khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình than hóa 35

Hình 2 5 Quy trình khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình than hóa 36

Hình 3 1 Sự biến thiên khối lượng sản phẩm thu được theo nhiệt độ 41

Hình 3 2 Sự biến thiên khối lượng sản phẩm thu được theo thời gian than hóa 44

Hình 3 3 Khối lượng than thay đổi theo tỷ lệ % cơm trong hỗn hợp (cơm/rau) 46

Hình 3 4 Đẳng nhiệt hấp phụ benzen trên than nghiên cứu – cân Markbel 50

Hình 3 5 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Ni tơ của than nghiên cứu 51

Hình 3 6 Đường cong tích phân phân bố lỗ xốp của than nghiên cứu 53

Hình 3 7 Đường cong vi phân phân bố lỗ xốp của than nghiên cứu 54

Hình 3 9 Sơ đồ quy trình nhiệt phân than hóa thực phẩm thải 56

MỞ ĐẦU

Hiện nay, vấn đề thu gom, xử lý rác thải thực phẩm đang gây nhiều khó khăn, thách thức cho các Cơ quan chức năng tại Việt Nam Hằng ngày, tại các Thành phố lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh phát sinh khoảng 6.500 tấn chất thải rắn sinh hoạt Trong đó chất thải thực phẩm chiếm 60 – 75% tổng lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh [2] Với khối lượng chất thải thực phẩm phát sinh nhiều như vậy trong khi tại Việt Nam phương pháp thu gom, xử lý áp dụng phổ biến là chôn lấp đang tồn tại nhiều bất cập trong vấn đề quy hoạch bãi chôn lấp chất thải rắn (CTR) Do diện tích đất xung quanh các thành phố lớn như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh đã được quy hoạch xây dựng các dự án khu đô thị, khu nhà ở và trung tâm thương mại hay các khu công nghiệp, thương mại dịch vụ khác nên để quy hoạch bãi chôn lấp CTR phải lựa chọn ở các vị trí rất xa thành phố gây khó khăn và tăng chi phí cho việc thu gom, vận chuyển

và xử lý CTR Quá trình xử lý CTR bằng phương pháp chôn lấp cũng bộc lộ nguy cơ gây gây ô nhiễm nguồn nước mặt, nước dưới đất do phát sinh nước rỉ rác Ngoài ra trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong bãi chôn lấp CTR sẽ tạo ra khí gây ô

NH3, CH4 [14]

Tại các quốc gia có nền kinh tế phát triển như Mỹ, Nhật Bản, Đan Mạch, Anh Quốc, Hà Lan, Đức, Hàn Quốc, Singapore…Việc phân loại rác tại nguồn thành 2 dòng rác hữu cơ dễ phân hủy và rác vô cơ đã được tiến hành đồng bộ và đi vào nề nếp của người dân nên rất thuận lợi cho việc thu gom, xử lý Rác hữu cơ dễ phân hủy được thu gom xử lý hằng ngày bằng nhiều phương thức khác nhau như thực phẩm không dùng đến được quyên góp làm thức ăn cho người nghèo, phần thực phẩm thải không tận dụng được nữa được xử lý làm thức ăn chăn nuôi hoặc chế biến phân hữu cơ Cũng có nơi sử dụng phương pháp phân hủy sinh học kỵ khí tạo ra khí sinh học hoặc sử dụng phương pháp khí hóa để thu hồi năng lượng cho sản xuất điện Tuy nhiên tại Việt Nam việc phân loại rác tại nguồn chưa thực hiện được, các công nghệ nêu trên lại có chi phí

đầu tư cao nên chưa thực sự phù hợp Phương pháp nhiệt phân than hóa rác thải thực phẩm nhằm tạo ra sản phẩm than sạch có khả năng ứng dụng trong công nghệ môi trường, ứng dụng làm nhiên liệu, vật liệu cho các quá trình sản xuất khác hoặc ứng dụng cải tạo đất, giá thể cho trồng trọt [1]…sẽ phù hợp với điều kiện của Việt Nam hơn do chi phí đầu tư thấp, vận hành đơn giản, sản phẩm thu được có tính ứng dụng cao Ngoài ra xử lý rác thải thực phẩm bằng phương pháp than hóa giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, giảm nhu cầu quy hoạch diện tích đất xây dựng bãi chôn lấp CTR

than hóa thực phẩm thải ” được lựa chọn

Đề tài được thực hiện với mục đích và phạm vi nghiên cứu như sau:

Mục đích nghiên cứu: nhằm tạo ra sản phẩm than sạch từ chất thải thực phẩm

Phạm vi, đối tượng nghiên cứu:

Chất thải thực phẩm có thành phần rất đa dạng như cơm, rau, vỏ củ, quả, xương động vật, thịt, cá, thức ăn thừa…Tuy nhiên đề tài lựa chọn vật liệu thí nghiệm là cơm nguội và đầu rau muống, hai loại vật liệu phổ biến và chiếm thành phần chủ yếu trong chất thải thực phẩm tại các đô thị [5]

Phương pháp nghiên cứu:

Đề tài sử dụng phương pháp nhiệt phân than hóa vật liệu bằng hình thức gia nhiệt gián tiếp trong điều kiện không có oxy

Những nội dung nghiên cứu chính:

- Tiến hành các thí nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình than hóa

- Tiến hành các thí nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian đến quá trình than hóa

- Tiến hành các thí nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng tỷ lệ thành phần vật liệu đến quá trình than hóa

- Đánh giá khả năng hấp phụ hơi, khí Nitơ của sản phẩm than hóa thu được

- Xác định sự phân bố lỗ của sản phẩm than thu được nhằm đánh giá chất lượng than

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về chất thải thực phẩm và hiện trạng quản lý

1.1.1 Tình trạng phát sinh chất thải thực phẩm

Chất thải thực phẩm chỉ chất thải phát sinh trong quá trình gia công thực phẩm tại nhà bếp và các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học còn thừa trên bàn ăn Chất thải thực phẩm theo nghĩa rộng bao gồm chất thải từ nhà bếp nhà hàng (Restaurant kitchen waste), chất thải từ nhà bếp hộ gia đình (Household kitchen waste)

và chất thải từ các nhà máy chế biến lương thực, thực phẩm tạo ra hằng ngày [13]

Theo một báo cáo mới đây của Tổ chức Nông Lương Liên hiệp quốc (FAO), khối lượng 1,3 tỉ tấn thực phẩm thải phát sinh trên thế giới mỗi năm không chỉ gây tổn hại cho nền kinh tế, mà còn tác động xấu đến nguồn tài nguyên thiên nhiên nuôi sống con người Tác động đối với tài nguyên thiên nhiên là nghiên cứu đầu tiên phân tích những tác động của chất thải thực phẩm từ khía cạnh môi trường nhìn vào hậu quả của

nó đối với khí hậu, nước, sử dụng đất và cả đa dạng sinh học

Cũng theo báo cáo này của FAO, mỗi năm, thực phẩm được sản xuất ra nhưng không được tiêu thụ làm tiêu tốn một lượng nước tương đương với dòng chảy hàng năm của sông Volga ở Nga và làm gia tăng 3,3 tỉ tấn khí thải gây hiệu ứng nhà kính trong bầu khí quyển của hành tinh Ngoài những tác động về môi trường, thiệt hại về kinh tế đối với việc xử lý chất thải thực phẩm (trừ cá và hải sản) vào khoảng 750 tỉ USD/năm

Tổng giám đốc FAO José Graziano da Silva cho biết: “Tất cả chúng ta, nông dân và ngư dân; các nhà chế biến thực phẩm và các siêu thị; chính quyền địa phương

và Chính phủ; người tiêu dùng phải tạo ra sự thay đổi ở mỗi liên kết chuỗi thực phẩm

để giảm thiểu chất thải thực phẩm từ nơi bắt đầu, và tái sử dụng hoặc tái chế chất thải Chúng ta không thể cho phép 1/3 lượng thực phẩm chúng ta sản xuất ra trở thành chất thải hoặc bị mất đi do thói quen không hợp lý, trong khi có 870 triệu người bị đói mỗi ngày” [5]

Theo nghiên cứu của FAO cho thấy 54% chất thải thực phẩm trên thế giới phát sinh bởi quá trình sản xuất, xử lý sau thu hoạch và bảo quản 46% chất thải thực phẩm phát sinh bởi quá trình chế biến, phân phối và tiêu thụ Nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng theo xu hướng chung, các nước đang phát triển chịu tổn thất thực phẩm nhiều hơn trong sản xuất nông nghiệp, chất thải thực phẩm ở khâu bán lẻ và người tiêu dùng có

xu hướng cao hơn ở những khu vực có thu nhập trung và cao, chiếm tới 31-39% tổng lượng chất thải, so với những khu vực thu nhập thấp (4-16%) [5]

Báo cáo của FAO nhấn mạnh, sản phẩm lương thực được tiêu thụ càng chậm trong chuỗi cung ứng sẽ gây ảnh hưởng đối với môi trường càng lớn, do chi phí môi trường trong quá trình chế biến, vận chuyển, bảo quản và nấu nướng cộng với chi phí sản xuất ban đầu Một số điểm nóng về chất thải thực phẩm được đề cập đến trong báo cáo của FAO, gồm: Chất thải ngũ cốc ở châu Á là một vấn đề nghiêm trọng, với những tác động mạnh mẽ đến môi trường không khí, nước và sử dụng đất Chất thải của lúa gạo đặc biệt đáng lưu ý do khí thải mê-tan cao kết hợp với mức độ chất thải lớn; Mặc

dù lượng chất thải thịt ở tất cả các khu vực trên thế giới tương đối thấp, ngành chế biến thực phẩm vẫn đóng góp một tác động không nhỏ tới môi trường trên phương diện chiếm hữu đất và khí thải cacbonic, đặc biệt ở các nước thu nhập cao và Mỹ La tinh, cùng chiếm tới 80% tổng lượng chất thải thịt Ngoại trừ Mỹ La tinh, các khu vực thu nhập cao chịu trách nhiệm cho 67% tổng lượng chất thải thịt; Chất thải trái cây đóng góp một phần lớn chất thải nước ở châu Á, Mỹ La tinh và châu Âu, chủ yếu do mức độ chất thải đặc biệt cao; Tương tự, lượng lớn chất thải rau ở các khu vực công nghiệp hóa châu Á, châu Âu, Nam Á và Đông Nam Á chuyển thành lượng các-bon lớn [5]

Theo FAO, hành vi của người tiêu dùng và thiếu giao tiếp trong chuỗi cung là nguyên nhân dẫn đến mức độ cao chất thải thực phẩm ở các xã hội giàu có Người tiêu dùng không có kế hoạch mua sắm, mua quá nhiều, phản ứng quá tiêu cực với hạn sử dụng tốt nhất của sản phẩm, trong khi chất lượng và tiêu chuẩn thẩm mỹ khiến người bán lẻ từ chối một lượng lớn thực phẩm hoàn toàn có thể ăn được Chuyên gia về chất

thải từ thực phẩm tại Anh Quốc, Emma Marsh phát biểu: “Nghiên cứu của chúng tôi đã chỉ ra rằng 7,2 triệu tấn chất thải thực phẩm và đồ uống được tạo ra bởi các hộ gia đình

ở Anh mỗi năm Trong số này, 4,4 triệu tấn là chất thải thực phẩm có thể tránh được Loại chất thải này có trị giá tương đương khoảng 12 triệu Bảng" Còn tại nước Mỹ, theo Cơ quan Nghiên cứu kinh tế (ERS) của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA) có tựa

năm nước Mỹ thải ra 5,9 triệu tấn chất thải thực phẩm Điều đó cho thấy một sự lãng phí trong cách sinh hoạt và thói quen sử dụng thực phẩm của người dân các nước phát triển, gây ảnh hưởng đến môi trường và tốn kinh phí xử lý chất thải thực phẩm sinh ra

Tại các đô thị lớn của Việt Nam như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh hằng ngày thải ra khoảng 6.500 tấn CTR sinh hoạt Trong đó, chất thải thực phẩm chiếm 60 – 75% tổng lượng thải Khối lượng CTR trên địa bàn Thủ đô tăng trung bình 15%/năm Trong khi đó tỷ lệ thu gom CTR sinh hoạt ở các quận nội thành khoảng 95%, các huyện ngoại thành chỉ đạt 60% [2]

Với khối lượng chất thải thực phẩm phát sinh ngày một gia tăng đang đặt gia nhiều thách thức cho các nhà quản lý trong việc thu gom, quản lý và xử lý chất thải thực phẩm một cách hiệu quả Nhằm đem lại hiệu quả kinh tế trong việc tái sử dụng chất thải thực phẩm, hạn chế ô nhiễm môi trường xung quanh

1.1.2 Hiện trạng quản lý chất thải thực phẩm

Công tác thu gom, quản lý chất thải thực phẩm hiện nay tại mỗi quốc gia có sự khác nhau tùy thuộc vào trình độ phát triển, tiềm lực kinh tế, các chính sách pháp luật, trình độ dân trí…của mỗi quốc gia Trong đó, công tác quản lý chất thải thực phẩm tại các nước phát triển rất đáng để chúng ta học tập, ví dụ như

Nước Mỹ thực hiện quản lý phân loại đối với rác thải thực phẩm (rác thải nhà bếp), đầu tiên là quyên góp thức ăn, các thức ăn chưa sử dụng từ các trường học, nhà hàng, khách sạn, trụ sở cơ qua hành chính, doanh nghiệp,… được tập trung lại và quyên tặng cho người nghèo Thủ đô Washington và bang Carolina còn đưa ra Dự luật

quyên góp thực phẩm, quy định các nhà hàng phải phụ trách quyên góp một lượng thức

ăn nhất định Tiếp đó, các nông trại (trang trại chăn nuôi) chăn nuôi gia súc hoặc các xưởng chế biến thức ăn chăn nuôi sẽ chế biến thành thức ăn chăn nuôi động vật, thường là chăn nuôi lợn Tuy nhiên, những người nông dân chăn nuôi lợn phải có giấy phép của Ủy ban Thú y mới có thể tiến hành thu gom, tiêu độc, và sử dụng rác thải từ thực phẩm để nuôi gia súc Đối với xử lý ủ phân, rất nhiều địa phương đã xây dựng các bãi chuyên ủ phân và hoàn thiện hệ thống thu gom, ủ phân, tiến hành xử lý ủ phân đối với các thực phẩm có khả năng tái sử dụng Hiện tại, rác thải nhà bếp từ các nhà hàng tại Mỹ đa số được đưa vào trạm xử lý rác thải sinh hoạt để xử lý sau khi đã được làm mất nước [13]

Năm 2000, Nhật Bản đã ban hành “Luật Tái sinh thực phẩm”, luật này chỉ rõ, lãng phí thực phẩm là vô đạo đức, hơn nữa lại là hành vi phạm pháp Luật kêu gọi toàn

xã hội ngăn chặn hiện tượng lãng phí thực phẩm nghiêm trọng, đồng thời quy định cần tiến hành tái chế và tái tận dụng đối với rác thải từ thực phẩm Quy định này không chỉ làm giảm rác thải từ thực phẩm mà còn cung cấp cho sản xuất nông nghiệp một nguồn phân bón an toàn Năm 2001, Nhật Bản bắt đầu thực thi “Luật Tuần hoàn rác thải từ thực phẩm”, Luật này quy định, các siêu thị và nhà ăn có quy mô lớn có nghĩa vụ tái tài nguyên hóa rác thải thực phẩm, đồng thời hạn chế sản sinh rác thải Theo thống kê của Nhật Bản, lượng rác thải nhà bếp của các hộ gia đình vào năm 2007 là khoảng 1,19 triệu tấn, trong đó 94% được tiến hành xử lý bằng phương pháp đốt và chôn lấp theo loại rác thải Rác thải thuộc loại thực phẩm của các đơn vị phục vụ ăn uống và các đơn

vị gia công thực phẩm là 8,27 triệu tấn, trong đó 26% được tiến hành tận dụng làm thức ăn chăn nuôi, 23% được tiến hành tận dụng làm phân bón, 42% được tiến hành xử

lý bằng phương pháp đốt và chôn lấp theo loại rác thải [13]

Tại các quốc gia như Đan Mạch, Anh, Hà lan, Đức, việc quản lý chất thải được thực hiện rất chặt chẽ công tác phân loại và thu gom rác đã trở thành nề nếp và người dân chấp hành rất nghiêm quy định này Các loại rác thải có thể tái chế được như giấy

loại, chai lọ thuỷ tinh, vỏ đồ hộp được thu gom vào các thùng chứa riêng Đặc biệt rác thải nhà bếp có thành phần hữu cơ dễ phân huỷ được yêu cầu phân loại riêng đựng vào các túi có màu sắc theo đúng quy định thu gom hàng ngày để đưa đến nhà máy chế biến phân compost (ủ phân) Đối với các loại rác bao bì có thể tái chế, người dân mang đến thùng rác đặt cố định trong khu dân cư [8]

Ở Hàn Quốc, cách quản lý chất thải giống với Nhật Bản, nhưng cách xử lý lại giống ở Đức Rác hữu cơ nhà bếp một phần được sử dụng làm giá thể nuôi trồng nấm thực phẩm, phần lớn hơn được chôn lấp có kiểm soát để thu hồi biogas cung cấp cho phát điện Sau khi rác tại hố chôn phân huỷ hết, tiến hành khai thác mùn ở bãi chôn làm phân bón Như vậy, tại các nước phát triển việc phân loại rác tại nguồn đã được tiến hành cách đây khoảng 30 năm và đến nay cơ bản đã thành công trong việc tách rác thành 2 dòng hữu cơ dễ phân huỷ được thu gom xử lý hàng ngày, rác khó phân huỷ có thể tái chế hoặc đốt, chôn lấp an toàn được thu gom hàng tuần [8]

Tại Đông Nam Á, Singapo đã thành công trong quản lý CTR để bảo vệ môi trường Chính phủ Singapo đang yêu cầu tăng tỷ lệ tái chế thông qua phân loại rác tại nguồn từ các hộ gia đình, các chợ, các cơ sở kinh doanh để giảm chi ngân sách cho Nhà nước Các quốc gia còn lại đang trong quá trình tìm kiếm hoặc triển khai mới mô hình quản lý CTR Tại Bangkok, việc phân loại rác tại nguồn chỉ mới thực hiện được tại một số trường học và một số quận trung tâm để tách ra một số loại bao bì dễ tái chế, lượng rác còn lại vẫn đang phải chôn lấp, tuy nhiên được ép chặt để giảm thể tích và cuốn nilon rất kỹ xung quanh mỗi khối rác để giảm bớt ô nhiễm [8]

Tại Việt Nam, trung tuần tháng 2/2007, Công ty môi trường đô thị Hà Nội và

Cơ quan hợp tác Quốc tế Nhật Bản (JICA) đã tổ chức hội nghị "Sáng lập các ngôi sao 3R Hà Nội" nhằm liên kết thiết lập mạng lưới các tổ chức, cá nhân hoạt động trong lĩnh vực môi trường Đây là một phần của Dự án tái chế, tái sử dụng và giảm thiểu rác thải tại 4 quận nội thành Hà Nội, được gọi là Dự án 3R (Reduce/Giảm thiểu, Reuse/Tái

sử dụng, Recycle/Tái chế) Tuy nhiên dự án này chỉ hoạt động được trong một thời

gian gắn và nhanh chóng dừng lại ở mức độ thí điểm do nhiều nguyên nhân khách quan, chủ quan khác nhau Hiện nay, việc phân loại CTR tại nguồn ở Việt Nam vẫn chưa được triển khai rộng rãi, vì vậy ở hầu hết các đô thị nước ta, việc thu gom rác chưa phân loại vẫn là chủ yếu nên rác thải thực phẩm vẫn thu gom lẫn với các loại chất thải rắn thông thường khác Công tác thu gom rác tại Việt Nam sử dụng 2 hình thức là thu gom sơ cấp (người dân tự thu gom CTR sinh hoạt vào các thùng/túi chứa sau đó được công nhân thu gom vào các thùng rác đẩy tay cỡ nhỏ) và thu gom thứ cấp (rác các

hộ gia đình được công nhân thu gom vào các xe đẩy tay sau đó chuyển đến các xe ép rác chuyên dụng và chuyển đến khu xử lý hoặc tại các chợ/khu dân cư có đặt container chứa rác, công ty môi trường đô thị có xe chuyên dụng chở container đến khu xử lý) [2] Do chưa có sự phân loại từ đầu nguồn nên rác thực phẩm lẫn với CTR khác gây khó khăn cho việc xử lý, thực phẩm thải lẫn trong đó sẽ bị phân hủy sinh học gây mùi hôi khó chịu và sinh ra nước rỉ rác ảnh hưởng đến môi trường xung quanh

Hiện nay có nhiều phương pháp xử lý chất thải thực phẩm như tái chế, tái sử dụng; chế biến phân hữu cơ; phân hủy sinh học tạo khí; chôn lấp hợp vệ sinh và các phương pháp nhiệt Tùy thuộc vào năng lực hiện tại của các quốc gia trên thế giới mà

áp dụng các biện pháp xử lý chất thải thực phẩm phù hợp và hiệu quả với điều kiện của mỗi quốc gia Các công nghệ xử lý được trình bày chi tiết trong các phần sau đây

1.2 Các công nghệ xử lý chất thải thực phẩm

1.2.1 Phương pháp Tái chế, tái sử dụng

Các nhà máy tái chế rác thải thực phẩm thu gom rác từ từng hộ gia đình và được

xử lý chúng thành phân bón và thức ăn gia súc Không giống với các loại rác thải sinh hoạt khác, lượng chất thải thực phẩm có thể được giảm xuống một phần ba bằng cách sấy khô Nhà máy loại bỏ chất độc hại và kim loại nặng từ chất thải thực phẩm, rồi sấy khô, nghiền nhỏ, và điều chỉnh độ mặn để làm thức ăn gia súc giàu dinh dưỡng Chất thải thực phẩm trước đây được đưa thẳng đến bãi chứa rác, nhưng nay đã trở thành nguồn nguyên liệu thay thế quý giá và thức ăn gia súc [13] Thực phẩm chưa dùng đến

cũng được phân loại ngay tại nguồn, tận dụng để quyên góp thức ăn cho những nơi cần thiết (tại Mỹ đang tận dụng thức ăn nhằm quyên góp cho người nghèo) sẽ giảm thiểu rác thải phải chuyên chở đến bãi chôn lấp, tiết kiệm kinh phí cho xử lý rác thải, tiết kiệm tài nguyên đất, kéo dài tuổi thọ các bãi chôn lấp, tận dụng được chất thải, đem lại lợi ích kinh tế, gắn với bảo vệ môi trường

1.2.2 Phương pháp sản xuất phân hữu cơ

Người dân thành phố thu gom rác hữu cơ sinh hoạt đã được phân loại tại gia đình và các cơ sở sản xuất kinh doanh Rác được thu gom và chuyên chở đến địa điểm chế biến phân hữu cơ Trong bước này, khâu phân loại tại nguồn là quan trọng nhất vì như vậy mới tiết kiệm được chi phí chuyên chở rác và chất lượng ủ phân mới đảm bảo Nếu không phân loại ngay tại nguồn thì trước khi ủ cũng phải phân loại Thực tế tại nhà máy xử lý rác thải và sản xuất phân hữu cơ Cầu Diễn - Hà Nội, quy mô nhà máy, trang thiết bị máy móc rất hiện đại nhưng tiêu tốn vào khâu phân loại rác rất lớn Chỉ 1/3 lượng rác hữu cơ sau khi phân loại được đưa vào ủ làm phân, còn lại, hàng ngày nhà máy phải huy động 10-15 xe chở rác to đưa chất vô cơ lên bãi rác Nam Sơn, rất tốn kém về chi phí và thời gian chở rác Trong quy trình công nghệ chế biến phân vi sinh luôn có sự tham gia của vi sinh vật phân giải thông qua việc bổ sung các chế phẩm vi sinh vật, như vậy sẽ tạo ra một loại phân hữu cơ an toàn, có chất lượng cao Ở nội dung này kỹ thuật ủ và giống, loại vi sinh vật đưa vào bể ủ phân là quan trọng hơn cả, nó quyết định thời gian ủ và chất lượng phân hữu cơ Hiện có nhiều phương pháp và quy trình khác nhau để ủ compost nhưng đều theo nguyên tắc chung là bước đầu ủ nóng, sau đó ủ nguội [8]

1.2.3 Phương pháp phân hủy sinh học kỵ khí tạo khí sinh học

Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ trong rác thải thực phẩm rất phức tạp liên hệ đến hàng trăm phản ứng và sản phẩm trung gian Tuy nhiên người ta thường đơn giản chúng bằng phương trình dưới đây:

Chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S (1.1)

Hỗn hợp khí sinh ra thường được gọi là khí sinh học hay biogas Thành phần của Biogas như sau: mê tan (CH4) 55,65%; carbonic (CO2) 35,45%; nitơ (N2) 0,3%;

để làm nhiên liệu đốt phục vụ nhu cầu về năng lượng của con người

1.2.4 Phương pháp chôn lấp hợp vệ sinh

Quy định của Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) 6696 - 2000, Khái niệm bãi chôn lấp hợp vệ sinh: “Khu vực được quy hoạch thiết kế, xây dựng để chôn lấp các chất thải phát sinh từ các khu dân cư, đô thị và các khu công nghiệp Bãi chôn lấp chất thải rắn bao gồm các ô chôn lấp chất thải, vùng đệm và các công trình phụ trợ: trạm xử lý nước rác, khí thải, cung cấp điện, ” [14] Thực chất của chôn lấp là cho rác vào các ô chôn lấp và cô lập với môi trường xung quanh bởi lớp lót đáy, lót thành hai bên và lớp che phủ bên trên bề mặt, khí và nước rác sinh ra đều được thu gom xử lý riêng cho từng loại Chôn lấp hợp vệ sinh là một phương pháp kiểm soát sự phân huỷ của chất thải rắn khi chúng được chôn nén và phủ lấp bề mặt

Trong phương các pháp xử lý chất thải rắn thì chôn lấp là phương pháp phổ biến

và đơn giản nhất Chất đem đi chôn là những chất không tái chế, không làm phân hữu

cơ, hay là được thải ra từ các quá trình làm phân hữu cơ, đốt, quá trình khác, ở Việt Nam hiện tại trên 90% rác thu gom được đều xử lý bằng phương pháp chôn lấp, gây lãng phí tài nguyên và ảnh hưởng đến môi trường xung quanh

1.2.5 Các phương pháp nhiệt

1.2.5.1 Phương pháp thiêu đốt

Đốt cháy là quá trình ôxy hóa chất thải rắn bằng ôxy không khí ở điều kiện nhiệt

độ cao và là một phương pháp được sử dụng phổ biến của các nước phát triển trên thế giới hiện nay nhằm xử lý rác và thu hồi nhiệt vận hành nồi hơi cấp nhiệt sưởi ẩm

Nguyên lý của quá trình đốt cháy chất thải hữu cơ như sau:

VSV kỵ khí

Chất hữu cơ + O2 + Q (1.2)

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đốt bao gồm:

a Nhiệt độ đốt:

(Polychlorinated biphenyl) chưa cháy hết

nhiệt tỏa ra của khí đốt không tỏa ra đủ đòi hỏi nhiên liệu phụ, do đó chi phí vận hành tăng lên, do vậy mà hiệu quả kinh tế sẽ thấp

b Thời gian lưu của chất thải trong lò đốt:

Thời gian lưu ảnh hưởng nhiều đến hiệu xuất đốt của lò

- Đối với pha rắn: 2 - 4 giờ (nhưng tùy thuộc vào kích thước của rác)

- Đối với pha khí ít nhất là 4 giây

Nhiệt độ tăng thì thời gian lưu giảm đi

cháy Hỗn hợp khí cháy có thể được sử dụng để chạy động cơ đốt trong (cả loại động

cơ nén cao áp và loại động cơ đánh lửa), cũng có thể được sử dụng để sản xuất

Khói lò: bụi, CO2, SO2, CO,

loại thăng hoa: Cu, As, Ca, Pb,

Hg, Ni

Nhiệt độ cao

Tro xỉ (có thể chứa kim loại nặng)

methanol (CH3OH) - nhiên liệu cho động cơ nhiệt cũng như là nguyên liệu cho ngành công nghiệp hóa chất và quan trọng là nguyên liệu cho hệ thống máy phát điện thông qua động cơ đốt trong để tạo công cơ học làm quay máy phát tạo ra nguồn điện [16]

Hiện nay tại một số quốc gia có nền kinh tế phát triển như Nhật Bản, Pháp lại sử dụng công nghệ khí hóa rác thải bằng plasma (thực hiện một quá trình sử dụng điện để tạo ra cung hồ quang ở nhiệt độ cực cao nhằm biến các loại chất thải thành khí tổng hợp, hơi nước và chất xỉ) Công nghệ này linh hoạt có thể xử lý được các loại chất thải khác nhau không chứa chất phóng xạ như chất thải y tế, chất thải công nghiệp, chất thải nguy hại, chất thải rắn đô thị Công nghệ này có hiệu suất cao gấp 7 lần so với cách xử

lý khí hóa rác thông thường và cũng tạo ra nhiều năng lượng hơn Xỉ than sau quá trình plasma cũng giảm đi nhiều, chỉ còn 1/6 – 1/12 so với dung lượng rác ban đầu [7]

1.3 Than hóa và chất lượng than

1.3.1 Quá trình than hóa

1.3.1.1 Nguyên lý quá trình than hóa

Than hóa hay còn gọi cacbon hóa là quá trình dùng nhiệt phân hủy các chất hữu

cơ (CHC) dạng rắn trong điều kiện không có oxy nhằm thu được cacbon (than) Quá trình xảy ra như sau:

Ngoài sản phẩm cacbon còn thu được một số hóa chất thoát ra dưới dạng khói, dầu, và hơi nếu nguyên liệu sử dụng là cellulose hay một số polymer Các hình thức cacbon hóa bao gồm [17]:

- Hình thức gia nhiệt trực tiếp: Tùy vào sự đốt cháy phần khí đốt than hóa (đốt

bởi sự đốt cháy không hoàn toàn và gia nhiệt trực tiếp nhờ vào hoạt động vừa di động vừa đốt cháy khí đốt than hóa theo độ nghiêng và vận động quay vòng của buồng đốt

- Hình thức gia nhiệt gián tiếp: Bên trong lò cacbon hóa được duy trì ở 400 –

hóa bằng cách được truyền và gia nhiệt gián tiếp bằng gió nóng trong trạng thái môi trường oxy thấp bởi van dẫn hướng được lắp trong lò sấy và vận động quay vòng của buồng đốt

Sự khác nhau giữa các hình thức cacbon hóa về mặt thiết bị được trình bày trong bảng 1.1 dưới đây

Bảng 1 1 So sánh sự khác nhau giữa các hình thức cacbon hóa về mặt thiết bị Hình thức

Thiết bị

Điều kiện gia

nhiệt

Gia nhiệt gián tiếp không có sự tiếp xúc giữa vật liệu cacbon hóa và nhiệt lượng

Gia nhiệt trực tiếp có sự tiếp xúc giữa vật liệu cacbon hóa và nhiệt lượng

hóa được đốt cháy bằng buồng đốt

Nếu cần đốt cháy lại, lượng khí thải sẽ nhiều

hóa

Chất lượng tốt vì không bị đốt cháy

Vì một phần bị đốt cháy nên có một ít tro trộn lẫn

Qua phân tích tại bảng 1.1 cho thấy, hình thức gia nhiệt gián tiếp có nhiều ưu điểm hơn hình thức gia nhiệt trực tiếp trong quá trình than hóa

Quá trình than hóa là quá trình thu nhiệt ngược lại với quá trình oxy hóa (đốt cháy) là quá trình phát nhiệt Quá trình đốt cháy diễn ra theo hai giai đoạn như sau:

Hai giai đoạn này song song với nhau vì khi một lượng CHC chưa phân hủy thì một lượng đã phân hủy thành cacbon Những người đốt than từ củi lợi dụng giai đoạn đầu để đốt củi thành than hay nói chính xác hơn là đốt cellulose thành than Để thành công người ta phải quan sát khi kết thúc giai đoạn 1, dùng đất cát phủ lên đám cháy để hầm than Phương pháp này gọi là ủ than

Dựa trên nguyên lý của quá trình cacbon hóa như trên mà có nhiều kỹ thuật sản xuất than từ vật liệu hữu cơ được thực hiện từ xưa đến nay Đề tài xin đưa ra một số kỹ thuật sản xuất than từ vật liệu hữu cơ như trình bày dưới đây

1.3.1.2 Các kỹ thuật sản xuất than

1.3.1.2.1 Kỹ thật sản xuất than truyền thống

- Lò hầm than dưới lòng đất: Các bước chuẩn bị lò hầm than dưới lòng đất như sau + Bước 1: Đào một hố đất sâu khoảng 2.5m diện tích của hố phụ thuộc vào nhiên liệu củi nhiều hay ít, thường thì hố có hình tròn thì cho hiệu suất than cao hơn Đào thêm 4 đến 6 rãnh có chiều dài khoảng 1 mét quanh hầm than tạo buồng đốt sinh nhiệt ban đầu cho lò than

+ Bước 2: Chuẩn bị nhiên liệu củi hầm than, thường là cây rừng có độ ẩm rất cao và một ít nhiên liệu củi khô để đốt sinh nhiệt ban đầu

+ Bước 3: Xếp củi khô vào tâm của lò hầm, sau đó chất củi tươi xung quanh, khâu này đòi hỏi kinh nghiệm của người chất củi vào lò để có sản lượng than cao thì chất củi sao cho thật chặt giảm khe hở của các thanh củi tối đa (mục đích tăng hệ số dẫn nhiệt và giảm không khí xâp nhập vào hầm quá nhiều)

+ Bước 4: Mồi lửa từ các buồng sinh nhiệt xung quanh hầm than, ngọn lửa sẽ nhanh chóng len vào tâm của hầm than Củi hầm than chủ yếu là cây tươi nên đòi hỏi vùng

nhiệt phải đủ lớn để duy trì nhiệt độ trong lò hầm khi đã chắc chắn vùng nhiệt trong lò hầm đã ổn định thì lấp đất phủ kín lò hầm lại,chỉ chừa 4 đến 6 lổ nhỏ cho khói thoát ra Trong giai đoạn này phải thường xuyên kiểm tra xem lò có bị tắc không, nếu thấy nhiệt giảm thì phải thông thêm vài lỗ tại vùng đấy để cho oxy tràn vào duy trì sự cháy, sau khi đã ổn định thì đắp lại như bình thường

+ Bước 5: Khi than chín thì lớp đất phủ sẽ tự xụp xuống để dập than, than chín tới đâu thì đất xụp xuống tới đấy Trong giai đoạn này cũng nên kiểm tra để đổ thêm cát vào hầm than nhằm giảm đi lượng than hao hụt do cháy Than được làm nguội tự nhiên từ 7 đến 9 ngày thì có thể bốc dỡ được Chu trình làm than từ 22 đến 37 ngày tùy theo hầm than lớn hay bé

Sản lượng của lò hầm này rất thấp khoảng 40% đến 55% sản lượng Khói ở giai đoạn cacbon hóa chủ yếu là khí CO Đây không những là khí gây ô nhiễm môi trường

mà còn gây ngộ độc cho con người Kỹ thuật lò hầm than dưới lòng đất không có hệ thống xử lý khí thải nên gây nguy cơ ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và động thực vật xung quanh

Sơ đồ cấu tạo lò hầm than dưới lòng đất như trong hình 1.1 dưới đây

Hình 1 1 Sơ đồ cấu tạo lò hầm than dưới lòng đất [10]

Khí vào Khói ra

- Kỹ thuật đốt ủ đống: đây là phương pháp sản xuất than theo cách cổ truyền mà người dân vẫn làm là tạo một nhân nhiệt ở giữa, sau đó đổ trùm trấu hoặc rơm rạ mới lên trên nhân trấu, nhân rơm rạ Sau khi lớp trấu bên ngoài chuyển thành màu đen thì tiến hành thêm hơi nước để kết thúc phản ứng cháy [15] Kỹ thuật này cũng không xử lý khí thải sinh ra nên cũng gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến sức khỏe con người, động thực vật xung quanh Sơ đồ cấu tạo đốt than kiểu ủ đống như trong hình 1.2 dưới đây

Hình 1 2 Sơ đồ cấu tạo kỹ thuật đốt than ủ đống [10]

- Kỹ thuật hầm than xây lò bằng gạch:

Lò hầm than có hình bầu tròn, đường kính chỗ rộng nhất khoảng 7,5 - 8m, cao chừng 3,5m Đặc biệt lò xây không dùng tới ximăng hay sắt thép, mà chỉ cần bùn non trộn với cát để kết dính những viên gạch lại với nhau Sau khi lò được xây xong để khô cứng và tô chất kết dính toàn bộ bên trong và ngoài thân lò nhằm giữ cho lò không còn khe hở Sau đó cất mái nhà che lò, lợp lá bảo vệ lò chịu được nắng mưa Sau khi công đoạn chuẩn bị lò hầm than đã hoàn thành, chuyển sang công đoạn chuẩn bị củi Củi dùng làm than được cắt với kích thước 0,5m và bóc sạch lớp vỏ ngoài như vậy củi sẽ mau nứt ra và dễ hấp thu sức nóng Sau đó các khúc củi được xếp vào lò theo từng lớp nằm chồng lên nhau từ trong ra ngoài cho đến khi đầy lò, cửa vào xếp củi được xây bịt

kín lại và kiểm tra xem lò còn khe hở nào sẽ bịt kín lại Khi mọi khâu chuẩn bị đã được hoàn thành, bắt đầu châm lửa đốt lò Lò sẽ được nung nóng liên tục qua 3 giai đoạn Giai đoạn đầu từ 4 - 7 ngày, phải đốt lò thật nhiều để duy trì ngọn lửa cao (dân trong nghề gọi là lửa dương) nhằm tạo sức nóng trong lò Giai đoạn hai cũng từng ấy thời gian, là thời điểm “căng thẳng” nhất, phải duy trì “lửa âm”, chụm lò ít hơn nhưng không được để lửa tắt, nhằm duy trì hơi nóng cho lò, giữ cho ngọn lửa cứ âm ỉ mãi Lúc này củi đã có vẻ khô, khói và hơi nóng trong lò bốc từ dưới lên liên tục, nhưng do trong lò thiếu oxy nên củi hầm không cháy được, bắt đầu thành than từ trên xuống Cuối cùng là giai đoạn chờ than chín hoàn toàn từ 10 đến 15 ngày, dựa vào kinh ngiệm của người làm nghề chỉ cần nhìn màu và ngửi mùi khói là biết đã tới lúc “ủ” lò hay chưa Nếu thấy khói lên thành sợi, không màu, có mùi “thơm như khoai lang nướng” chủ lò phải mau mau kêu người tới phụ dùng gạch và bùn non pha cát bít miệng lò và bốn ống khói xung quanh lại Lò được ủ trong khoảng hai tuần mới nguội hẳn, và lúc này mới có thể thu than

Sơ đồ cấu tạo lò hầm than xây bằng gạch như trong hình 1.3 dưới đây

Hình 1 3 Sơ đồ cấu tạo lò hầm than xây bằng gạch [10]

Thời gian để cho ra một mẻ than từ khi chất củi vào đến khi ra lò khoảng 35 đến

40 ngày Mỗi mẻ sản xuất than củi với kích thước lò hầm than nêu trên thu được khoảng 15 tấn than thành phẩm có giá trị nên hiện nay tại các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long có rất nhiều làng nghề sản xuất than củi từ cây đước theo hình thức này

Có thể nhận thấy các cách ủ than theo kiểu truyền thống đều không có hệ thống thu gom, xử lý hơi, khói sinh ra nên có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người, động thực vật xung quanh Các kỹ thuật hầm than này đều mất rất nhiều thời gian và công sức người lao động để cho ra được một mẻ than Sản phẩm than thu được có chất lượng không cao do than chín không đều chủ yếu chín phía ngoài, bên trong vẫn sống vì không kiểm soát được nhiệt độ, thời gian than hóa mà dựa vào kinh nghiệm của người làm nghề là chính Do vậy các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu ra các kỹ thuật than hóa quy mô công nghiệp để sản xuất được nhiều than

có chất lượng tốt, hạn chế khí thải ra, ít gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh

1.3.1.2.2 Kỹ thật sản xuất than hiện đại

- Lò than hóa liên tục gia nhiệt trực tiếp:

+ Lò quay nghiêng: dùng than hóa gỗ, phế phẩm ngành gỗ, tre nứa và thực vật

, tốc độ quay

3 đến 4 vòng/phút nhờ mô tơ điện Vật liệu được xử lý tới kích thước 2 đến 3cm cho liên tục vào cửa nạp còn khí nóng được đi ngược chiều với vật liệu và được gia nhiệt

than và than được thu liên tục, tự động tại cuối lò quay nghiêng (hình 1.4) Khí, hơi thoát ra khỏi lò được dẫn vào bộ phận làm lạnh Tại đây hydrocacbon nhẹ và dầu nhẹ được ngưng tụ, thu hồi chưng cất phân đoạn được các chất dạng lỏng Sơ đồ cấu tạo lò quay nghiêng sản xuất than liên tục với hình thức gia nhiệt trực tiếp như thể hiện trong hính 1.4 dưới đây

Hình 1 4 Sơ đồ cấu tạo lò quay nghiêng dùng than hóa liên tục [ 4]

+ Lò đứng: dùng than hóa các vật liệu hữu cơ có kích thước nhỏ

Lò được thiết kế dạng hình trụ đứng, vật liệu được cắt, nghiền nhỏ nạp vào liên tục từ trên xuống dưới nhờ các tay gạt bên trong lò, hơi khí nóng đi ngược từ dưới lên Khi vật liệu đi xuống đến đáy lò sẽ tạo thành than và được tự động cho ra bằng một cửa riêng Sơ đồ cấu tạo lò đứng sản xuất than liên tục như trong hình 1.5 dưới đây

Hình 1 5 Sơ đồ cấu tạo lò đứng than hóa liên tục [10]

- Lò than hóa gián đoạn gia nhiệt gián tiếp:

+ Lò buồng dạng dài:

Lò đốt được thiết kế làm 2 buồng, buồng phía trong được chứa vật liệu cần sản xuất than không tiếp xúc với lửa, buồng bên ngoài dùng để chứa các vật liệu đốt tạo nhiệt Khi vật liệu ở buồng ngoài cháy sẽ tạo ra nhiệt lượng lớn chuyển hóa cacbon từ vật liệu hữu cơ ở khoang trong thành than sinh học Phản ứng cháy của lò đốt kiểu này

có thể xảy ra trong thời gian khoảng 4h [15] Lò than hóa bằng gia nhiệt gián tiếp có thế than hóa được các loại vật liệu hữu cơ tươi hoặc khô như cành lá, thân cây gỗ không cần bóc vỏ theo kích thước từng loại, sử dụng công nghệ của Nhật Bản đang được thịnh hành tại tỉnh Bình Định Sơ đồ cấu tạo của lò như trong hình 1.6 dưới đây

Hình 1 6 Lò than hóa dạng dài gia nhiệt gián tiếp [10]

+ Lò buồng dạng hình trụ:

Lò có hai bộ phận tách rời là lò chứa hình trụ gia nhiệt từ phía dưới và thùng chứa vật liệu than hóa hịnh trụ có nắp đậy kín và có lỗ thoát khí trên nắp Sau khi vật liệu được chứa đầy trong thùng chứa, đậy nắp và dùng cẩu đặt vào trong lò hình trụ để

khoảng 2 giờ tùy thuộc vào kích thước vật liệu Lò có thể than hóa bất kỳ vật liệu nào

từ gỗ, tre nứa, bã mía, mùn cưa, vỏ quả…Lò này có hiệu suất thu hồi than cao nhất và than có chất lượng tốt nhất do lò rất kín, không khí không thể lọt vào trong làm cháy vật liệu tạo tro được [4] Trong công nghiệp người ta lắp đặt một dãy lò liên tiếp sử dụng cẩu phục vụ đưa buồng chứa vật liệu vào và lấy than ra để sản xuất với quy mô lớn như trong hình 1.7 dưới đây

Hình 1 7 Cấu tạo lò buồng than hóa gián tiếp

Kỹ thuật sản xuất than bằng cách đốt gián tiếp có ưu thế hơn so với đốt trực tiếp theo kiểu truyền thống vì có thể kiểm soát được khâu gia nhiệt và có thể thu gom khói sinh ra quay trở lại làm nhiên liệu cho khoang gia nhiệt nhằm tiết kiệm nhiên liệu đốt

và hạn chế ô nhiễm môi trường xung quanh Ngoài ra một ưu điểm khá quan trọng khi

sử dụng kỹ thuật gia nhiệt gián tiếp sẽ thu được sản phẩm than có chất lượng tốt hơn, than không bị tro như hình thức gia nhiệt trực tiếp [17]

1.3.1.2.3 Kỹ thật than hóa lựa chọn phục vụ nghiên cứu của đề tài

Qua phân tích và trình bầy các công nghệ xử lý chất thải thực phẩm trong các phần trên cho thấy sự khác biệt về tính hữu ích giữa phương pháp thiêu đốt truyền

thống và công nghệ nhiệt phân dễ dàng được nhận ra Phương pháp thiêu đốt truyền thống biến toàn bộ chất thải đầu vào thành khí thải và tro, sinh ra lượng khí thải độc hại nhiều Ngược lại phương pháp nhiệt phân biến chất thải thành các loại nhiên liệu giàu năng lượng bằng việc đốt chất thải ở trạng thái kiểm soát, quy trình xử lý nhiệt lại hạn chế sự biến đổi để quá trình đốt cháy không xảy ra trực tiếp, chất thải được biến thành những chất trung gian, có thể xử lý thành các vật liệu tái chế hoặc thu hồi năng lượng Dưới tác dụng của nhiệt, các loại rác thải chuyển hóa kèm theo quá trình phân hủy tạo thành nước, khí và than tổng hợp [18] Than tổng hợp được làm lạnh trong vòng 90 giây mà không cần một tác nhân nào trong khoang giảm nhiệt, đây là sản phẩm chính của quá trình xử lý nhiệt phân rác thải ở nhiệt độ thấp, loại than này có chứa hàm lượng lưu huỳnh thấp khoảng 0,2% Điều đáng lưu ý là, công nghệ nhiệt phân rác thải nhiệt

độ thấp này sẽ giúp tránh được nguy cơ phản ứng sinh ra các chất độc hại, đặc biệt là các hợp chất đioxin vì xử lý ở nhiệt độ thấp [16]

Trong các kỹ thuật than hóa trình bày bên trên, kỹ thuật than hóa (cacbon hóa) bằng lò gia nhiệt gián tiếp được lựa chọn phục vụ nghiên cứu của đề tài vì phương pháp này có thể than hóa vật liệu tươi hoặc khô, thu hồi được các sản phẩm có giá trị như thu hồi nhiệt, thu được than có hàm lượng cacbon cao, không có tro do kiểm soát được nhiệt độ, thời gian than hóa, vật liệu không bị cháy nên không bị tro Sản phẩm than hóa có chất lượng tốt nhất, có khả năng ứng dụng làm nhiên liệu, vật liệu cho các quá trình sản xuất khác, có khả năng cải tạo đất, giá thể cho trồng trọt và có khả năng

xử lý môi trường như tẩy mầu, lọc nước [19] Phương pháp này còn có ưu điểm vận hành đơn giản hơn so với công nghệ khí hóa hay công nghệ thiêu đốt Các phương pháp xử lý còn lại cũng không có hiệu quả bởi vì phương pháp chôn lấp gây tốn diện tích đất, gây ô nhiễm môi trường xung quanh do phát sinh khí thải, nước rỉ rác Đối với phương pháp sản xuất phân hữu cơ hay xử lý tạo thực ăn chăn nuôi cũng không kinh tế

và khó duy trì vì phải thêm khâu loại bỏ thành phần cấu thành lớn nhất của rác thải nhà bếp là nước, đạt tới trên 90% [13]

Sản phẩm than thu được sau khi tiến hành thí nghiệm nhiệt phân than hóa thực phẩm thải (cơm nguội – rau muống) sẽ được kiểm tra chất lượng Hiện nay có rất nhiều thuyết hấp phụ đang được ứng dụng để giải thích quá trình hấp phụ chất khí, hơi trên than, hấp phụ trong dung dịch …Sau đây đề tài xin giới thiệu các thuyết hấp phụ để từ

đó đánh giá chất lượng than thu được sau khi nghiên cứu, thí nghiệm

1.3.2 Các thuyết về hấp phụ ứng dụng đánh giá chất lượng than

Hấp phụ là một quá trình xảy ra trên bề mặt tiếp xúc giữa hai pha dị thể (rắn – lỏng, rắn – khí, lỏng – khí) Về trường lực, các phần tử ở bên trong khối vật chất chịu tác dụng ở mọi phía đồng đều nhau Trong khi đó, các phần tử ở trên bề mặt chịu lực tác dụng không đồng đều nhau, luôn có xu hướng bị kéo vào bên trong làm cho bề mặt khối vật chất có xu hướng bị co lại Tuỳ theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, người ta phân biệt hấp phụ vật lý (gây ra bởi lực tương tác yếu VanderWaals) và hấp phụ hoá học (gây ra bởi lực liên kết hoá học với tương tác mạnh) Hấp phụ vật lý tuân theo cơ chế ngưng tụ mao quản, cơ chế hấp phụ bề mặt, cơ chế lấp đầy lỗ nhỏ và cơ chế lấp đầy lỗ trung gian Một số thuyết hấp phụ cơ bản như:

 Thuyết hấp phụ Polany – Dubini

Thuyết thế năng Polany (năm 1916) cho rằng trên bề mặt chất hấp phụ bao giờ cũng có một trường lực gọi là trường hấp dẫn với độ lớn được biểu thị bằng thế hấp

Theo Dubini, trạng thái hơi của chất bị hấp phụ trong lỗ xốp giống trạng thái lỏng, vì trong không gian của lỗ nhỏ có hiện tượng chồng trường, hơi chất bị hấp phụ

bị nén Đại lượng hấp phụ không đổi khi đi xa bề mặt thành lỗ nhỏ bị lấp đầy [11]

Khi đó, thể tích không gian hấp phụ được tính theo công thức:

Polany đưa ra khái niệm về thế hấp phụ là công mang 1mol hơi chất bị hấp phụ trong tướng thể tích ở áp suất P đến bề mặt chấp hấp phụ tạo ra một màng nén Thế hấp phụ được tính theo công thức sau:

P – áp suất cân bằng hấp phụ

R – hằng số khí

T – nhiệt độ tuyệt đối

Đối với than hoạt tính có độ xốp, phương trình (1.1) có dạng

 Thuyết hấp phụ Langmuir

Khi nghiên cứu về sự hấp phụ khí – rắn, Langmuir đã đưa ra lý thuyết về sự hấp phụ lý học đơn phân tử và cho rằng trên bề mặt chất hấp phụ có những trung tâm hoạt động gọi là những điểm cơ bản Các điểm cơ bản này có khả năng hấp phụ chỉ một phân tử chất bị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử Số điểm cơ bản càng nhiều thì hoạt độ của chất hấp phụ càng cao [11]

Langmuir đưa ra phương trình đẳng nhiệt hấp phụ: a =

k.P1

am – đại lượng hấp phụ tới hạn đơn lớp

Ở vùng áp suất thấp (P <<1), có thể bỏ qua đại lượng k.P ở mẫu số Khi đó

 Thuyết hấp phụ đa phân tử của BET

Brunauer – Emmett – Teller (BET) đã đưa ra học thuyết hấp phụ đa phân tử dựa vào các giả thiết sau:

+ Bề mặt chất hấp phụ đồng nhất về năng lượng và sự hấp phụ xảy ra đơn lớp + Phân tử chất bị hấp phụ và chất hấp phụ chỉ tương tác với nhau ở lớp thứ nhất, các lớp sau được hình thành nhờ lực phân tử của chất bị hấp phụ giữa các lớp với nhau

+ Sự hấp phụ bao giờ cũng tiến tới trạng thái cân bằng hấp phụ

Phương trình BET có dạng:

]s1)P/P(C

)[1sP/P(1

s.C.P/Pa

Pa(1P

1C

m



.

sPP

(1.13)

Phương trình (1.10) chỉ đúng trong khoảng giá trị P/PS = 0,05 – 0,35 và được sử dụng để tính diện tích bề mặt riêng của chất hấp phụ

Diện tích bề mặt riêng của chất hấp phụ được tính theo công thức:

Sr = am.N.W0.10-3 (1.14)

đó chính là hạn chế của thuyết hấp phụ đa phân tử BET [11]

 Thuyết hấp phụ – ngưng tụ mao quản

Khi áp suất tương đối quá lớn, sự hấp phụ xảy ra theo cơ chế ngưng tụ mao

quản trong các lỗ trung, lớp hấp phụ trên thành lỗ dày lên, chạm vào nhau và khép kín

lại thành mặt khum lõm của chất lỏng bị hấp phụ Kelvin đã đưa ra phương trình mô tả

cơ chế này như sau:

Trong đó: P – áp suất cân bằng trên mặt khum lõm trong mao quản

luôn nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa của chất lỏng trên bề mặt phẳng Khi bán kính mao

quản càng bé thì sự giảm áp suất hơi càng lớn Vì thế, trong những mao quản nhỏ sự

ngưng tụ sẽ xảy ra ở áp suất thấp hơn nhiều so với áp suất hơi bão hòa [11]

Việc ứng dụng các thuyết này để xác định các thông số cơ bản của than như độ

hấp phụ, diện tích bề mặt riêng, tổng thể tích lỗ xốp, sự phân bố lỗ xốp…là rất quan

trọng trong việc kiểm tra, đánh giá chất lượng than của đề tài Sau khi đã tiến hành các

thí nghiệm như trong chương 2 dưới đây, nhằm xác định than nghiên cứu có thể ứng

dụng trong các lĩnh vực như dùng làm nhiên liệu, vật liệu cho các quá trình sản xuất

khác, dùng cải tạo đất, làm giá thể cho trồng trọt hoặc dùng trong tẩy mầu, lọc nước

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 2.1 Quy trình thực nghiệm

Để thực hiện được nội dung và mục đích nghiên cứu mà đề tài đặt gia, phải tiến hành các thí nghiệm nhiệt phân than hóa thực phẩm thải với vật liệu đã được lựa chọn

là cơm nguội – rau muống Tác giả phải thực hiện theo một quy trình gồm các bước như sau:

- Bước 1: Chuẩn bị vật liệu thí nghiệm

Việc thu gom, phân loại chất thải thực phẩm từ nhà bếp hộ gia đình, nhà hàng, khách sạn …để thu được cơm nguội, rau muống làm vật liệu thí nghiệm mất quá nhiều thời gian và không lưu giữ được lâu do thực phẩm thải dễ phân hủy sinh học gây mùi hôi mà phải làm thí nghiệm ngay trong ngày Điều này gây khó khăn cho tiến độ thực hiện đề tài Chính vì vậy tác giả đã nấu cơm từ tối hôm trước và để sáng ngày hôm sau dùng làm vật liệu thí nghiệm, riêng rau muống được mua tại chợ vào buổi sáng về thái nhỏ đến kích thước 0,5cm và trộn đều với cơm nguội theo tỷ lệ 50/50 dùng làm vật liệu thí nghiệm

- Bước 2: Tiến hành thực nghiệm

+ Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân: Cân 1000g vật liệu thí nghiệm cho vào ống chứa vật liệu (cơm/rau tỷ lệ 50/50) với mỗi mức nhiệt độ khác nhau từ 200 –

thời gian 60 phút nhằm xác định tại mức nhiệt độ than hóa nào sẽ cho hiệu suất thu than cao, có hàm lượng cacbon lớn và chất lượng than tốt Giá trị nhiệt độ này sẽ được dùng để tiến hành các thí nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian nhiệt phân + Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian nhiệt phân: Khi đã xác định được mức nhiệt độ phù hợp cho quá trình than hóa, cân 1000g vật liệu thí nghiệm cho vào ống chứa vật liệu (cơm/rau tỷ lệ 50/50) và đưa vào lò nhiệt phân theo từng mẻ tương ứng với các mức thời gian nhiệt phân thay đổi từ 10 – 90 phút (khoảng cách thời giant hay đổi 10 phút) tại giá trị nhiệt độ đã được xác định nhằm tìm ra được thời gian nhiệt phân than

hóa bao nhiêu phút sẽ cho hiệu suất thu than cao, có hàm lượng cacbon lớn và chất lượng than tốt Giá trị thời gian đã xác định được dùng cùng với giá trị nhiệt độ phù hợp nhất cho quá trình để khảo sát sự ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần vật liệu (cơm/rau) đến quá trình than hóa

+ Khảo sát sự ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần vật liệu đến quá trình than hóa:

Sau khi đã xác định được giá trị nhiệt độ, thời gian tốt nhất cho quá trình như nêu trên sẽ dùng để khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần vật liệu Cân 1000g vật liệu cơm/rau được trộn theo các tỷ lệ thay đổi từ 10/90 – 80/20 cho vào lò nhiệt phân than hóa theo từng mẻ trong cùng điều kiện nhiệt độ, thời gian đã xác định phù hợp nhất cho quá trình nhằm xác định tại tỷ lệ vật liệu như thế nào sẽ cho hiệu suất thu than cao, than có hàm lượng cacbon lớn và chất lượng than tốt nhất

+ Xác định hàm ẩm của vật liệu: Vật liệu thí nghiệm được cân xác định khối lượng chính xác theo từng thành phần riêng biệt và đưa đi sấy khô đến khối lượng không đổi

để xác định hàm ẩm của từng thành phần cơm nguội và rau muống

- Bước 3: kiểm tra, xác định chất lượng than thu được

Sản phẩm than sau khi thu được từ các quá trình thí nghiệm được đưa đi kiểm tra xác định hàm lượng cacbon, độ hấp phụ, diện tích bề mặt riêng, tổng thể tích lỗ xốp,

sự phân bố lỗ xốp…nhằm đánh giá chất lượng than nghiên cứu có khả năng dùng làm nhiên liệu, vật liệu cho quá trình sản xuất khác, dùng cải tạo đất, làm giá thể cho trồng trọt hoặc dùng trong công nghệ tẩy mầu, lọc nước…hay không

- Bước 4: Thu thập số liệu, kết quả nghiên cứu phục vụ lập đề tài

2.2 Danh mục trang thiết bị, máy móc phục vụ nghiên cứu

Do phạm vi nghiên cứu của đề tài là xác định chế độ công nghệ cho quá trình nhiệt phân, than hóa thực phẩm thải nên trong quá trình nghiên cứu chỉ tiến hành làm thí nghiệm nhiệt phân than hóa thực phẩm thải với vật liệu được lựa chọn là cơm – rau,

ở các mức nhiệt độ khác nhau, thời gian than hóa khác nhau và tỷ lệ phối trộn vật liệu cơm – rau khác nhau Sau khi thu được sản phẩm than hóa (than cacbon) sẽ gửi đơn vị

chức năng kiểm tra, xác định các thông số đặc trưng của than Từ kết quả thu được sẽ đánh giá, so sánh mẫu than nghiên cứu của đề tài với mẫu than hóa thu được từ tre, gỗ nhằm đánh giá chất lượng than nghiên cứu Vì vậy đề tài không sử dụng các hóa chất cho quá trình nghiên cứu Một số thiết bị, máy móc sử dụng cho nghiên cưu như trong bảng 2.1 dưới đây:

Bảng 2 1 Danh mục máy móc, thiết bị phục vụ nghiên cứu

đem than hóa và khôi lượng sản phẩm than hóa thu được

Trung Quốc, đốt bằng điện)

Nhiệt phân than hóa vật liệu thí nghiệm

II Dụng cụ, thiết bị đề tài gửi kiểm tra, xác định chất lượng than hóa

thể tích các loại lỗ to, lỗ trung và lỗ bé của sản phẩm than hóa thu được

lỏng

Xác định độ hấp phụ khí nitơ, diện tích

bề mặt riêng, tổng thể tích lỗ xốp của sản phẩm than than hóa thu được

Autopore

Xác định sự phân bố lỗ xốp (lỗ bé, lỗ trung, lỗ to) của sản phẩm than than hóa thu được