Từ đầu 2008, trước thực trạng năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và đắt đỏ, Sở Khoa học & Công nghệ TPHCM và khoa Công nghệ & Quản lý môi trường (ĐH Văn Lang) đã phối hợp nghiên cứu khả năng sinh khí sinh học từ hỗn hợp chất thải rắn (CTR) hữu cơ và đã ứng dụng thành công khi sử dụng làm nhiên liệu phát điện.
Rác là tài nguyên!
Trong điều kiện dân số thế giới đang phát triển nhanh, kéo theo nhu cầu năng lượng ngày càng tăng để phục vụ cho sản xuất và đời sống hàng ngày. Tuy vậy, nguồn năng lượng chủ yếu đang được khai thác là năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ…) không thể tái tạo, ngày càng cạn kiệt, đòi hỏi phải có nguồn năng lượng tái sinh có thể thay thế, trong đó phải kể đến năng lượng khí sinh học. Từ sau khủng hoảng năng lượng 1973, công nghệ sản xuất khí sinh học trên thế giới phát triển rất nhanh, đặc biệt là khí sinh học từ CTR hữu cơ. Điều này mang lại nhiều lợi ích: giải quyết bài toán thiếu năng lượng và bảo vệ môi trường…
Hiện nay, chất thải rắn (CTR) nói chung ở nước ta chủ yếu được xử lý bằng công nghệ chôn lấp, trong khi tốc độ phát sinh CTR tăng trên dưới 20%/năm, gây nhiều lo lắng về thiếu quỹ đất, những vấn đề môi trường phát sinh tại khu vực chôn lấp như: mùi hôi, nước thải rò rỉ, khí thải, muỗi, nước ngầm… Thực tế, theo số liệu mới nhất của Sở Tài nguyên và Môi trường TPHCM, lượng CTR hữu cơ sinh ra tại TPHCM lên tới 3.600 – 4.300 tấn/ngày, trong tổng số 6.000 tấn CTR. Thêm nữa, trong ngành chăn nuôi, chỉ riêng đàn heo đã có trên 300.000 con, lượng phân thải ra ước tính gần 700 tấn mỗi ngày.
Đầu 2008, Sở Khoa học và Công nghệ TPHCM đã phối hợp cùng Khoa Công nghệ và Quản lý môi trường (ĐH Văn Lang) nghiên cứu khả năng sinh khí sinh học từ hỗn hợp CTR hữu cơ, các bước chuyển đổi động cơ máy phát điện chạy diesel sang chạy hỗn hợp biogas – diesel. Theo Thạc sĩ Lê Thị Kim Oanh, chủ nhiệm đề tài nghiên cứu, CTR hữu cơ sinh ra một lượng khí Methane (CH4) lớn, là loại khí có nhiệt trị rất cao (9.000 kcal/m3). Trong hỗn hợp khí sinh học, năng lượng của CH4 cũng lên tới gần 6.000 kcal/m3. Như vậy, nguồn năng lượng từ khí sinh vật có giá trị năng lượng rất cao, chỉ kém dầu mỏ (18.000 kcal/m3), cần được sử dụng triệt để nhằm tiết kiệm năng lượng hóa thạch, đồng thời cũng giảm diện tích đất chôn lấp, bảo vệ môi trường…
Biến rác thành điện
Thực tế, công nghệ kị khí phân hủy chất thải chăn nuôi, đặc biệt là chăn nuôi heo ở nước ta đã thành công và ngày càng phát triển. Tuy nhiên, với CTR hữu cơ, nhất là chất thải rắn sinh hoạt hữu cơ, các nghiên cứu ứng dụng đến thời điểm này còn nhiều hạn chế về công nghệ, thiết bị và vận hành… Đặc biệt với công nghệ phân hủy kị khí dạng liên tục thường gặp các trở ngại liên quan tới nạp liệu và xả liệu, khả năng khuấy trộn rác hữu cơ, dù rác đã được cắt nhỏ và pha loãng (tỉ lệ nước lên tới 97%), tiêu hao năng lượng và nước sạch để pha loãng. Nhiều nhà máy đi vào vận hành, một thời gian ngắn phải ngừng hoạt động do tắc nghẽn đường ống nạp, xả liệu….
Sau khi tìm hiểu công nghệ ở các nước châu Âu, nhóm nghiên cứu đã chọn công nghệ ủ kị khí dạng mẻ, với rác nguyên liệu không cần hoặc cần ít nước để tăng độ ẩm và tuần hoàn nước rỉ rác nhằm hạn chế các khó khăn khi khuấy trộn rác và vẫn đảm bảo phân bố độ ẩm đều cho toàn bộ bể ủ. Ở mô hình này, nhóm đã xây dựng 2 mô hình: buồng ủ 45 lít, mô hình pilot 5 m3. Buồng ủ làm bằng nhựa cứng, được bao bọc bằng lớp cách nhiệt bên ngoài còn Pilot có dạng trụ tròn, bằng thép không rỉ, đường kính 1,6m, cao 2,5m, bên trong chứa hỗn hợp rác hữu cơ, phân gia súc và bùn bể tự hoại trộn lẫn. Khí sinh ra trong các mô hình trên đường kết nối qua các đường ống và khớp nối, hạn chế tối đa khả năng tắc nghẽn và nguy cơ xì túi chứa khí. Sau khi thử nghiệm nhiều phương án phối trộn nguyên liệu ủ kị khí, nhóm nghiên cứu đã chọn tỉ lệ phối trộn: 10-1-1 (rác hữu cơ sinh hoạt - phân gia súc - bùn thải hầm cầu), cho tổng lượng khí sinh ra cao nhất: 28,8 lít khí/ 1kg hỗn hợp CTR ủ trong 30 ngày, sinh ra lượng khí nhiều nhất, tỉ lệ methane cao nhất.
Do các loại máy phát chạy biogas trên thị trường giá quá cao (nhập ngoại, công suất lớn), chỉ có thể vận hành khi tỉ lệ methane cao (trên 50%), nhóm đã chọn thiết kế máy phát chạy hỗn hợp biogas-diesel để máy vẫn vận hành dù nồng độ Methane thấp, giá hợp lý, khi cần có thể chạy diesel độc lập… Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm trên 1 động cơ 1 xilanh (sử dụng rộng rãi trong việc phát điện, chạy máy bơm nước, máy xay xát…) nhằm xác định lượng diesel nhiều nhất có thể thay thế bởi biogas, công suất phát điện lớn nhất, đánh giá khả năng ổn định tần số…
Động cơ diesel được trang bị hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas dùng để trộn biogas và không khí, điều khiển lưu lượng khí hỗn hợp cung cấp cho động cơ. Hỗn hợp khí biogas – không khí sau khi hòa trộn bên ngoài buồng cháy, đi vào động cơ. Trong buồng cháy, một lượng nhỏ diesel được phun vào trong xilanh, bốc cháy, làm mồi cho quá trình cháy của hỗn hợp không khí-biogas giúp động cơ hoạt động. Theo các thí nghiệm của nhóm nghiên cứu, tỉ lệ cao nhất của biogas có thể lên tới 90% trong hỗ hợp nhiên liệu, hiệu suất động cơ vẫn cơ bản ổn định.
Theo Thạc sĩ Kim Oanh, mô hình kết hợp hệ thống bể ủ sản xuất biogas và máy phát điện đang được ứng dụng ở một số trang trại ở Bình Dương, hoàn toàn có thể được ứng dụng hiệu quả tại các trang trại, các khu dân cư, các thôn, xã… CTR trong các bể ủ, sau 30 ngày vừa sinh khí phát điện, vừa tạo ra phân bón hữu cơ, không gây ô nhiễm môi trường.
Tiến sĩ Lê Văn Khoa, Giám đốc Quỹ tái chế TPHCM cũng cho rằng, tại nhà máy thu hồi khí phát điện tại bãi chôn lấp Gò Cát, trung bình 1m3 biogas có thể sản xuất được 1,67 kWh điện. Như vậy 1 tấn CTR hữu cơ có thể tạo ra trên 300 kWh điện, tiết kiệm được 0,239 m3 đất chôn lấp, giảm 240.000 đồng chi phí chuyên chở, chôn lấp... Nghiên cứu mang lại lợi ích rất lớn, cần được nhà nước hỗ trợ đầu tư phát triển, người dân hưởng ứng mạnh mẽ… nhằm tiết kiệm tài nguyên, bảo vệ môi trường.
