HIỆN TRẠNG XỬ LÝ RÁC THẢI TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM
Khái niệm
Chất thải rắn bao gồm các chất rắn bị loại bỏ trong quá trình sinh hoạt và sản xuất của con người và động vật, trong đó rác thải sinh hoạt chiếm tỷ lệ cao nhất, còn rác thải y tế là nguy hại nhất Chất lượng và số lượng rác thải khác nhau giữa các quốc gia và khu vực, phụ thuộc vào trình độ phát triển kinh tế và khoa học kỹ thuật Mọi hoạt động sống của con người, từ gia đình đến trường học và nơi làm việc, đều tạo ra một lượng rác thải đáng kể, bao gồm cả chất thải vô cơ và hữu cơ Do đó, rác thải có thể được định nghĩa là những thành phần hữu cơ và vô cơ không còn được sử dụng, được vứt bỏ trở lại môi trường sống.
Hiện trạng xử lý rác thải trên thế giới
Ô nhiễm môi trường đang trở thành vấn đề nghiêm trọng trên toàn cầu, ảnh hưởng đến nhiều quốc gia như Mexico, Nga, Mỹ, Trung Quốc và Ấn Độ Tình trạng ô nhiễm ở các thành phố lớn như Mumbai, nơi người dân thải ra hàng tấn rác mỗi ngày, và Bắc Kinh, với 17,6 triệu dân thải khoảng 18.400 tấn rác hàng ngày, cho thấy vai trò quan trọng của ý thức con người trong việc bảo vệ môi trường Tại Mỹ, mỗi năm, người dân thải ra 16 tỷ tã, 1,6 tỷ bút, 2 tỷ lưỡi dao cạo và 220 triệu lốp xe, tạo ra một lượng rác khổng lồ ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường sống.
Nếu không có biện pháp xử lý rác thải hiệu quả, trái đất của chúng ta sẽ đối mặt với nguy cơ ngập trong rác Để giải quyết vấn đề này, nhiều công nghệ xử lý rác hiện đại đã được phát triển trên thế giới Tại Mỹ, các công nghệ tái chế tiên tiến như tái chế tivi analog, công nghệ CDW và tái chế vải bông đang được áp dụng Ngoài ra, Anh, Trung Quốc và Nhật Bản cũng sở hữu nhiều công nghệ xử lý rác tiên tiến khác.
Quản lý rác thải bệnh viện là một vấn đề quan trọng được nhiều quốc gia trên thế giới chú trọng từ lâu Để kiểm soát loại chất thải này, nhiều chính sách và quy định đã được ban hành Các hiệp ước quốc tế, nguyên tắc, pháp luật và quy định về chất thải nguy hại, bao gồm cả chất thải bệnh viện, đã được công nhận và thực hiện rộng rãi ở hầu hết các quốc gia.
Công ước Basel, được ký kết bởi hơn 100 quốc gia, quy định về việc vận chuyển chất độc hại qua biên giới, bao gồm cả chất thải y tế Nguyên tắc chính của công ước này là chỉ cho phép vận chuyển hợp pháp chất thải nguy hại từ các quốc gia thiếu điều kiện và công nghệ phù hợp sang các quốc gia có khả năng xử lý an toàn các loại chất thải đặc biệt.
Nguyên tắc "Người gây ô nhiễm phải trả" quy định rằng mọi cá nhân và tổ chức phát sinh chất thải đều phải chịu trách nhiệm pháp lý và tài chính để bảo vệ môi trường và duy trì sự trong sạch của nó.
Nguyên tắc Proximitry yêu cầu xử lý chất thải nguy hại ngay tại nơi phát sinh để giảm thiểu ô nhiễm môi trường Việc này giúp ngăn chặn tình trạng chất thải bị lưu giữ lâu dài, từ đó bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.
Xử lý chất thải bệnh viện là một thách thức lớn, và các quốc gia trên thế giới đã áp dụng nhiều biện pháp khác nhau tùy thuộc vào điều kiện kinh tế và công nghệ hiện có Việc quản lý loại rác thải nguy hại này không chỉ đảm bảo an toàn cho sức khỏe cộng đồng mà còn bảo vệ môi trường.
Tại các nước phát triển:
Hiện nay, hầu hết các quốc gia phát triển đều thiết lập hệ thống xử lý chất thải y tế tại các bệnh viện, cơ sở chăm sóc sức khỏe và các công ty xử lý phế thải Hệ thống này bao gồm các lò đốt hoạt động ở nhiệt độ cao, tùy thuộc vào từng loại phế thải.
Nhiệt độ đốt từ 1000°C đến trên 4000°C đang gây tranh cãi về phương pháp xử lý khí bụi thải ra sau quá trình đốt.
Khi đốt phế thải y tế, nhiều hạt bụi li ti và hóa chất độc hại như axit clohidric, dioxin/furan, cùng một số kim loại độc hại như thủy ngân, chì, asen và cadmi được phát sinh vào không khí Để giảm thiểu ô nhiễm từ quá trình này, Hoa Kỳ đã ban hành các điều luật về khí thải lò đốt từ năm 1996, yêu cầu áp dụng hệ thống lọc hóa học và cơ học tùy theo từng loại phế thải.
Các quốc gia đang tìm kiếm phương pháp thay thế để giải quyết vấn đề xử lý phế thải, do những bất lợi từ phương pháp đốt, như lượng khí độc hại thải ra không khí Hiện nay, các nhà khoa học đang áp dụng phương pháp nghiền nát phế thải và xử lý chúng dưới nhiệt độ và áp suất cao, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Phương pháp xử lý rác thải y tế nguy hại bằng cách nghiền nát giúp giảm kích thước và dễ dàng xử lý hơn Sau khi được nghiền, phế thải sẽ được chuyển vào một phòng hơi với nhiệt độ cao, đảm bảo tiêu diệt vi khuẩn và virus có hại.
Nhiệt độ 138 độ C và áp suất 3,8 bar tạo ra điều kiện tối ưu cho hơi nước bão hòa, giúp xử lý phế thải trong vòng 40 – 60 phút Sau khi xử lý, phế thải rắn đạt tiêu chuẩn tiệt trùng sẽ được chuyển đến các bãi rác thông thường Phương pháp này không chỉ giảm khối lượng phế thải nhờ vào việc nghiền nát, mà còn tiết kiệm chi phí hơn so với lò đốt và không thải khí độc hại ra môi trường.
Tại các nước đang phát triển, việc quản lý môi trường, đặc biệt là phế thải bệnh viện, vẫn còn lơ là Tuy nhiên, trong 5 năm qua, nhiều quốc gia như Ấn Độ và Trung Quốc đã bắt đầu chú trọng đến bảo vệ môi trường và đạt được nhiều tiến bộ trong việc xây dựng lò đốt tại bệnh viện Đặc biệt, từ năm 1998, Ấn Độ đã ban hành luật về “Phế thải y tế: Lập thủ tục và Quản lý”, quy định rõ ràng về phương pháp tiếp nhận, phân loại và xử lý phế thải, góp phần cải thiện vấn đề phế thải y tế độc hại trong nước.
Hiện trạng xử lý rác thải tại Việt Nam
Lượng chất thải sinh hoạt tại các đô thị Việt Nam đang gia tăng nhanh chóng, với mức tăng trung bình khoảng 10% mỗi năm Sự gia tăng này chủ yếu diễn ra ở các đô thị mở rộng và phát triển mạnh về quy mô và dân số, như Phú Thọ (19,9%), Phủ Lý (17,3%), Hưng Yên (12,3%), Rạch Giá (12,7%) và Cao Lãnh (12,5%) Trong khi đó, các đô thị khu vực Tây Nguyên có tỷ lệ phát sinh rác thải sinh hoạt tăng đều hàng năm nhưng với mức thấp hơn, chỉ khoảng 5,0%.
Tổng lượng rác thải sinh hoạt tại các đô thị loại III trở lên và một số đô thị loại IV ở Việt Nam đạt 6,5 triệu tấn/năm, chủ yếu từ hộ gia đình, nhà hàng, chợ và kinh doanh Khu vực Đông Nam Bộ phát sinh rác thải lớn nhất với 2.450.245 tấn/năm (37,94%), tiếp theo là Đồng bằng sông Hồng với 1.622.060 tấn/năm (25,12%) Ngược lại, khu vực miền núi Tây Bắc Bộ có lượng rác thải thấp nhất chỉ 69.350 tấn/năm (1,07%) TP Hồ Chí Minh và Hà Nội là hai đô thị phát sinh rác thải nhiều nhất với 5.500 tấn/ngày và 2.500 tấn/ngày, trong khi Bắc Kạn có lượng rác thải ít nhất chỉ 12,3 tấn/ngày Tỷ lệ phát sinh rác thải bình quân trên đầu người tại các đô thị đặc biệt và loại I dao động từ 0,84-0,96 kg/người/ngày.
Tỷ lệ phát sinh rác thải sinh hoạt đô thị bình quân trên đầu người ở Việt Nam dao động từ 0,72-0,73 kg/người/ngày, với đô thị loại IV đạt khoảng 0,65 kg/người/ngày Các thành phố du lịch như TP Hạ Long, TP Hội An, TP Đà Lạt và TP Ninh Bình có tỷ lệ phát sinh rác thải cao nhất, lần lượt là 1,38 kg, 1,08 kg, 1,06 kg và 1,30 kg/người/ngày Ngược lại, TP Đồng Hới, Thị xã Gia Nghĩa, Thị xã Kon Tum và Thị xã Cao Bằng có tỷ lệ thấp nhất, chỉ từ 0,31 kg đến 0,38 kg/người/ngày Trung bình toàn quốc, tỷ lệ phát sinh rác thải sinh hoạt là 0,73 kg/người/ngày.
Ngành y tế hiện có 11.657 cơ sở khám chữa bệnh với 136.542 giường bệnh, trong đó có 843 bệnh viện từ tuyến huyện trở lên và 17.701 cơ sở y tế tư nhân Mặc dù số lượng cơ sở y tế lớn so với các nước trong khu vực, nhưng vấn đề vệ sinh môi trường và xử lý chất thải tại các cơ sở y tế từ trung ương đến địa phương vẫn còn yếu kém Hầu hết các cơ sở chưa có hệ thống xử lý chất thải hoặc rác thải, và một số nơi có hoạt động nhưng chưa đạt yêu cầu kỹ thuật.
Với mạng lưới y tế như vậy, lượng rác thải rắn y tế phát sinh trên toàn quốc là 11800 tấn/ngày Trong đó có khoảng 900 tấn chất thải y tế nguy hại
Bảng 1: Khối lượng chất thải rắn y tế nguy hại ở các bệnh viện của một số tỉnh thành phố
Tỉnh, thành phố Khối lượng rác y tế nguy hại (T/năm)
Tỉnh, Thành phố Khối lượng rác y tế nguy hại (T/năm)
Hải Phòng 547 TP Hồ Chí Minh 4.730
Hà Nội 410 Bà Rịa – Vũng Tàu 288
( Nguồn: Báo cáo hiện trạng môi trường, 2003 của các tỉnh thành trên cả nước )
Quản lý rác tại các bệnh viện cho thấy 92,5% có hoạt động thu gom rác thường kỳ, nhưng chỉ 14% thực hiện phân loại rác y tế để xử lý Việc phân loại rác từ khoa phòng khám và điều trị bệnh nhân vẫn chưa phổ biến, và hầu hết chất thải rắn không được xử lý trước khi chôn lấp hoặc đốt Một số ít bệnh viện có lò đốt rác y tế, nhưng chúng thường cũ kỹ hoặc hoạt động lộ thiên, gây ô nhiễm môi trường Mặc dù đa số bệnh viện thực hiện phân loại chất thải từ nguồn, nhưng quá trình này vẫn còn phiến diện và kém hiệu quả do nhân viên chưa được đào tạo đầy đủ.
Cac quoc gia DKSC ve xu ly rac thai tu 1900-1960
Việc thu gom chất thải y tế được thực hiện hàng ngày bởi các hộ lý và y công tại khoa phòng, tuy nhiên, bác sĩ và y tá chưa được đào tạo để tham gia vào quản lý chất thải này Một vấn đề nghiêm trọng là nhiều bệnh viện không cung cấp đủ áo bảo hộ và các phương tiện bảo vệ cần thiết cho nhân viên tham gia vào quá trình thu gom, vận chuyển và tiêu hủy chất thải y tế.
Lưu trữ chất thải y tế tại các bệnh viện thường gặp vấn đề về vệ sinh, với nhiều điểm tập trung rác không đảm bảo an toàn Điều này tạo ra nguy cơ rủi ro như vật sắc nhọn rơi vãi và sự xâm nhập của côn trùng, ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường bệnh viện Nhiều khu vực lưu trữ rác không có mái che và rào bảo vệ, đặt gần các lối đi lại, làm gia tăng nguy cơ cho cả nhân viên y tế và bệnh nhân.
Vận chuyển chất thải y tế hiện đang gặp nhiều khó khăn khi nhân viên công ty môi trường đô thị thu gom túi chất thải từ bệnh viện mà không có xe chuyên dụng Cả nhân viên bệnh viện lẫn nhân viên thu gom đều thiếu đào tạo và hướng dẫn về các nguy cơ liên quan đến việc thu gom, vận chuyển và tiêu hủy chất thải, điều này có thể dẫn đến những rủi ro cho sức khỏe cộng đồng và môi trường.
Theo kết quả điều tra thống kê, lượng rác thải sinh hoạt và chất thải y tế tại các đô thị Việt Nam đang gia tăng nhanh chóng với tỷ lệ 10% mỗi năm, cao hơn so với nhiều nước phát triển Để quản lý hiệu quả nguồn chất thải này, các cơ quan cần chú trọng hơn đến việc giảm thiểu tại nguồn, tăng cường tái chế và tái sử dụng, cũng như đầu tư vào công nghệ xử lý và tiêu hủy phù hợp, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường do rác thải gây ra.
XU HƯỚNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ RÁC THẢI QUA CÁC SỐ LIỆU ĐĂNG KÝ SÁNG CHẾ 8 1 Tình hình đăng ký sáng chế về xử lý rác thải nói chung
Tình hình đăng ký sáng chế về xử lý rác thải qua các năm và ở các quốc gia từ 1885-2011
Hình 1: Đăng ký sáng chế về xử lý rác thải các năm từ 1885-1960
Hình 2: Đăng ký sáng chế về xử lý rác thải các năm từ 1961-2011
US GB CA AU ZA
5 quoc gia co nhieu sang che nhat ve xu ly rac thai tu 1961-1974
Hình 3: 5 quốc gia có nhiều sáng chế nhất về xử lý rác thải từ 1961-1974
Vào năm 1885 có 1 SC đầu tiên được đăng ký tại Anh, tuy nhiên từ 1885-1900 hầu như không có SCĐK
Từ năm 1900 đến 1960, tổng cộng có 156 sáng chế được đăng ký, trong đó năm 1918 ghi nhận số lượng sáng chế cao nhất với 10 bản đăng ký Trong giai đoạn này, ba quốc gia đã tham gia đăng ký sáng chế, với một quốc gia dẫn đầu.
Theo hình 2, theo đường biểu diễn thấy có các giai đoạn tăng trưởng khác biệt về số lượng đăng ký sáng chế, cụ thể là:
+ Từ 1961-1974: lượng đăng ký sáng chế về xử lý rác thải tăng nhẹ, năm cao nhất là
Năm 1974, đã có tổng cộng 119 sáng chế được đăng ký, với sự tham gia của 18 quốc gia Trong số đó, 5 quốc gia dẫn đầu về số lượng sáng chế là Mỹ (US), Anh (GB), Canada (CA), Úc (AU) và Nam Phi (ZA).
Hình 4: 5 quốc gia có nhiều sáng chế nhất về xử lý rác thải từ 1975-1990
JP CN KR US AU
5 quoc gia co nhieu sang che nhat ve xu ly rac thai tu
JP US GB CN CA
5 quoc gia co nhieu sang che nhat ve xu ly rac thai tu
Hình 5: 5 quốc gia có nhiều sáng chế nhất về xử lý rác thải từ 1991-2011
Từ năm 1975 đến 1990, số lượng đăng ký sáng chế liên quan đến xử lý rác thải đã tăng mạnh, với trung bình trên 300 sáng chế mỗi năm Giai đoạn này chứng kiến sự gia tăng đáng kể về số quốc gia tham gia đăng ký sáng chế, đạt 39 quốc gia, trong đó Nhật Bản, Mỹ, Anh, Trung Quốc và Canada là 5 quốc gia dẫn đầu Đặc biệt, sự xuất hiện của hai quốc gia châu Á là Nhật Bản và Trung Quốc trong danh sách này cho thấy sự phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực xử lý rác thải tại khu vực.
Từ năm 1991 đến 2011, lượng đăng ký sáng chế tăng mạnh, đạt đỉnh điểm vào năm 2000 với 1.676 sáng chế được đăng ký Trong giai đoạn này, có 49 quốc gia tham gia đăng ký sáng chế, với 5 quốc gia dẫn đầu là Nhật Bản (JP), Trung Quốc (CN), Hàn Quốc (KR), Mỹ (US) và Úc (AU) So với giai đoạn trước, vị trí dẫn đầu không thay đổi, nhưng Hàn Quốc đã xuất hiện và chiếm vị trí thứ 3, bên cạnh Nhật Bản và Trung Quốc.
10 huong nghien cuu co nhieu sang che nhat ve xu ly rac thai
Các hướng nghiên cứu đăng ký sáng chế về xử lý rác thải
5 hướng nghiên cứu nhiều nhất:
B09B: Loại bỏ chất thải rắn trong xử lý bùn thải với 5806 SC chiếm 19,9%
B01D: Nghiên cứu tách các chất rắn bằng các phương pháp như: bốc hơi, chưng cất, kết tinh, lọc, lắng, hấp thụ, hấp phụ,… với 3573 SC chiếm 12,2%
C02F: Nghiên cứu xử lý bùn thải có 3374 SC, chiếm 11,6 %
F23G: Nghiên cứu thiết bị thiêu huỷ rác bằng phương pháp đốt có 2035 SC, chiếm 7%
B01J: Nghiên cứu các quá trình hoá học (quá trình xúc tác, hoá keo; ) với 1127
Các hướng nghiên cứu khác :
G21F: Nghiên cứu xử lý rác nhiễm xạ có 835 SC chiếm 2,9%
C10G: Nghiên cứu các phương pháp tách hydrocacbon (sản phẩm dầu nói chung) từ rác
C08J: Nghiên cứu các phương pháp xử lý, tái chế, loại bỏ các chất cao phân tử từ rác (polymer,…)
B02C: Nghiên cứu phương pháp, thiết bị nghiền (xay) nhỏ rác
- Từ 1900-1974 lượng ĐKSC về xử lý rác thải đa phần tập trung ở các nước Âu Mỹ
Hình 6: 10 Hướng nghiên cứu có nhiều sáng chế nhất về xử lý rác thải
Cac quoc gia DKSC ve xu ly rac bang phuong phap dot tu 1973-1990 như: Mỹ, Anh, Canada, Úc
- Từ 1975-nay lượng ĐKSC về xử lý rác thải có xu hướng tập trung ở các nước Châu Á phát triển như: Nhật, Trung Quốc, Hàn Quốc
Tình hình đăng ký sáng chế về các phương pháp xử lý rác thải
2.1 Tình hình ĐKSC về xử lý rác thải bằng phương đốt
2.1.1 Đăng ký sáng chế về xử lý rác thải bằng phương pháp đốt qua các năm và ở các quốc gia từ 1973-2011 (SL: 404 SC)
Năm 1973 có 1 sáng chế đầu tiên được đăng ký;
Từ 1973-1990 Lượng sáng chế đăng ký rất ít, tổng số sáng chế trong giai đoạn này là 24 và có 3 quốc gia ĐKSC là Nhật (JP), Mỹ (US), Đức (DE)
Hình 7: Đăng ký sáng chế về xử lý rác bằng phương pháp đốt qua các năm từ 1973 - 2011
Hình 8: Các quốc gia ĐKSC về xử lý rác bằng phương pháp đốt từ 1973-1990
JP KR CN US AU
5 quoc gia co nhieu sang che nhat ve xu ly rac thai bang phuong phap dot tu 1991-2011
KR CN JP US AU
5 quoc gia co nhieu sang che nhat ve xu ly rac thai bang phuong phap dot tu 2001-2011
Từ 1991 – 2011 các đăng ký sáng chế về xử lý rác bằng phương pháp đốt tăng, xen kẽ với những năm đăng ký sáng chế giảm
Năm có sáng chế đăng ký nhiều nhất là 2004 với 64 SC
Hiện tại, có 15 quốc gia tham gia ĐKSC, trong đó 5 quốc gia dẫn đầu về số lượng sáng chế là Nhật Bản (JP), Hàn Quốc (KR), Trung Quốc (CN), Hoa Kỳ (US) và Úc (AU).
- So với giai đoạn trên, Nhật vẫn là nước có lượng sáng chế nhiều nhất
- Có thêm sự xuất hiện của 2 nước Châu Á: Hàn Quốc và Trung Quốc với lượng sáng chế cao hơn Mỹ và các nước Âu Mỹ khác
Tuy nhiên, nếu xét trong 10 năm trở lại đây thì Hàn Quốc, Trung Quốc có lượng sáng chế nhiều hơn Nhật
Hình 9: Các quốc gia ĐKSC về xử lý rác bằng phương pháp đốt từ 1991-2011
Hình 10: Các quốc gia ĐKSC về xử lý rác bằng phương pháp đốt từ 2001-2011
JP CN KR US RU DE CA AU IL GB CS CH
Cac quoc gia DKSC ve xu ly rac thai bang phuong phap xuc tac tu 1962-2011
2.1.2 Các hướng nghiên cứu có đăng ký sáng chế về xử lý rác bằng phương pháp đốt từ 1973 -2011
Hình 11: 5 hướng nghiên cứu chính về xử lý rác bằng phương pháp đốt từ 1973 – 2011
Có 38 hướng nghiên cứu về xử lý rác bằng phương pháp đốt, trong đó 5 hướng nghiên cứu chính là:
F23G: Nghiên cứu thiết bị đốt rác thải, có 144 SC, chiếm 39%
B09B: Nghiên cứu loại bỏ các chất thải rắn trong bùn thải, có 40 SC, chiếm 11% B01D: Nghiên cứu tách chất rắn trong quy trình đốt rác, với 33 SC chiếm 9%
C01B: Nghiên cứu tách các chất rắn chứa Cacbon trong quy trình đốt rác thải, có 24
F23J: Nghiên cứu khử các sản phẩm của quá trình đốt rác (lọc khói, lọc bụi,v.v …), có 24 SC, chiếm 6%
2.2 Tình hình ĐKSC về xử lý rác thải bằng xúc tác hóa học
2.2.1 Tình hình ĐKSC về xử lý rác thải bằng xúc tác hóa học qua các năm và ở các quốc gia từ 1962-2011 (SL: 314 SC)
5 huong nghien cuu chinh ve xu ly rac thai bang phuong phap dot tu 1973-2011
Hình 12: Đăng ký sáng chế về xử lý rác bằng xúc tác hóa học qua các năm 1962-2011
Cac huong nghien cuu DKSC ve xu ly rac thai bang phuong phap xuc tac tu 1962-2011
Theo hình 12: ả hóa học (314SC)
Năm 1962 có 1 sáng chế đầu tiên được đăng ký, c
Năm có sáng chế đăng ký nhiều nhất là 2001 với 26 SC
Từ năm 1962 đến nay, 11 quốc gia đã đăng ký sáng chế trong lĩnh vực này, với số lượng sáng chế chủ yếu tập trung ở Nhật Bản (JP), Trung Quốc (CN), Hàn Quốc (KR) và Mỹ (US).
Trong năm 2001, chỉ có 6 quốc gia ĐKSC và nhiều nhất vẫn là Nhật với 12 SC
2.2.2 Các hướng nghiên cứu ĐKSC về xử lý rác thải bằng xúc tác hóa học
JP CN US KR RU AU
Cac quoc gia DKSC ve xu ly rac thai bang phuong phap xuc tac trong nam 2001
Từ năm 1962 đến 2011, nghiên cứu về xử lý rác thải bằng xúc tác hóa học đã phát triển mạnh mẽ, với nhiều hướng đi đa dạng Năm 2001, các quốc gia đã tích cực tham gia vào việc áp dụng phương pháp này để cải thiện hiệu quả xử lý rác thải, như thể hiện qua các số liệu từ Wipsglobal.
Nhiều nghiên cứu ứng dụng đã được đăng ký sáng chế trong lĩnh vực xử lý rác thải bằng xúc tác hóa học Trong đó, hai hướng nghiên cứu nổi bật nhất và chiếm tỷ lệ lớn trong số đăng ký sáng chế là những lĩnh vực được quan tâm nhiều nhất.
B01J: Nghiên cứu các quá trình hoá học (quá trình xúc tác, hoá keo; ) với 117 SC, chiếm 39%
B01D: Nghiên cứu tách các chất rắn trong quá trình xử lý rác thải bằng phương pháp xúc tác, với 89 SC, chiếm 30%
2.3 Tình hình ĐKSC về xử lý rác thải bằng phương pháp thủy nhiệt
2.3.1 Tình hình ĐKSC về xử lý rác thải bằng phương pháp thủy nhiệt qua các năm và ở các quốc gia từ 1985-2011 (SL: 45 SC)
(45 SC); năm 1985 có 1 SC đầu tiên được đăng ký; Số sáng chế đăng ký trong 14 năm đầu rất ít (1985-1999) chỉ có 2 sáng chế
Từ năm 2000 đến nay, số lượng đăng ký sáng chế (ĐKSC) về xử lý rác thải rắn bằng phương pháp thủy nhiệt đã tăng nhẹ, với năm 2001 ghi nhận số lượng sáng chế cao nhất là 12 Trong giai đoạn này, có tổng cộng 8 quốc gia đăng ký sáng chế, trong đó Mỹ dẫn đầu với 7 sáng chế.
Hình 15: Đăng ký sáng chế về xử lý rác thải bằng phương pháp thủy nhiệt qua các năm từ
US CN KR MX JP CA AU ES
Cac quoc gia DKSC ve xu ly rac thai bang phuong phap thuy nhiet tu 2000-2011
2.3.2 Các hướng nghiên cứu có đăng ký sáng chế về xử lý rác thải bằng phương pháp thủy nhiệt từ 1985-2011
Hình 17: Các hướng nghiên cứu có đăng ký sáng chế về xử lý rác thải bằng phương pháp thủy nhiệt từ 1985-2010 (nguồn Wipsglobal)
Theo hình 17, có 5 hướng nghiên cứu như sau:
C02F: Nghiên cứu xử lý bùn thải trong quá trình xử lý rác thải bằng phương pháp thủy nhiệt, có 27 SC, chiếm 66 %
B09B: Loại bỏ các phế liệu rắn trong bùn thải, chiếm 15%
B01J: Nghiên cứu các quá trình hoá học (quá trình xúc tác, hoá keo; ) trong quá trình xử lý rác thải bằng phương pháp thủy nhiệt, chiếm 10%
G21F: Nghiên cứu xử lý các vật liệu nhiễm xạ trong rác thải chiếm 5%
Cac huong nghien cuu ve xu ly rac thai bang phuong phap thuy nhiet tu 1985-2011
Hình 16: Các quốc gia ĐKSC về xử lý rác thải bằng phương pháp thủy nhiệt từ 2000-2011 (nguồn: Wipsglobal)
B01D: Nghiên cứu tách các chất rắn trong quá trình xử lý rác thải bằng phương pháp thủy nhiệt, chiếm 5%
Trước năm 1975, các sáng chế về xử lý rác thải chủ yếu xuất hiện ở các nước phương Tây như Mỹ, Anh và Canada Kể từ năm 1975 đến nay, lĩnh vực này đã chuyển hướng phát triển mạnh mẽ tại ba quốc gia hàng đầu châu Á là Nhật Bản, Trung Quốc và Hàn Quốc.
Trong suốt các giai đoạn trong năm, Nhật Bản luôn dẫn đầu về số lượng sáng chế liên quan đến xử lý rác thải, đặc biệt là trong ba phương pháp xử lý rác thải chính.
Xử lý rác thải bằng phương pháp đốt, mặc dù được nghiên cứu muộn hơn so với phương pháp xúc tác (ra đời năm 1973 so với 1962), nhưng lại có số lượng sáng chế vượt trội (404 SC so với 314 SC) Điều này cho thấy sự quan tâm lớn của thế giới đối với phương pháp đốt rác, trong đó nghiên cứu về thiết bị đốt rác chiếm tỷ lệ cao nhất, lên tới 39%.
Từ năm 1985, phương pháp xử lý rác thải bằng thủy nhiệt đã xuất hiện, đánh dấu một bước tiến mới trong công nghệ xử lý rác thải Phương pháp này hiện đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây.
GIỚI THIỆU MỘT SỐ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ RÁC THẢI TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT
Giới thiệu công nghệ xử lý rác theo phương pháp nhiệt phân và một số kết quả nghiên cứu về công nghệ này tại Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Lọc Hóa Dầu – Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM
Trong những năm gần đây, sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch như dầu mỏ và than đá đã tạo ra nhiều thách thức cho việc xây dựng nền kinh tế bền vững, đặc biệt đối với các quốc gia đang phát triển Việc chuyển đổi sang nguồn năng lượng tái tạo trở nên cấp thiết để đảm bảo sự phát triển bền vững và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
Việt Nam đang đối mặt với vấn đề ô nhiễm môi trường do việc sử dụng quá nhiều nhiên liệu hóa thạch, dẫn đến phát thải CO2 và hiệu ứng nhà kính Hiện nay, nhiều nghiên cứu trên toàn cầu đang tìm kiếm nguồn nguyên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, cũng như phát triển các công nghệ sản xuất nhiên liệu từ những nguồn nguyên liệu mới này.
Công nghệ nhiệt phân đã được nghiên cứu và ứng dụng từ lâu, nhưng trong những năm gần đây, nó trở thành mục tiêu quan trọng trong việc nghiên cứu và thử nghiệm các nguồn nguyên liệu biomass và rác thải hữu cơ Công nghệ này giúp sản xuất nhiên liệu lỏng và khí, đồng thời góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
2.1 Cơ sở khoa học của quá trình nhiệt phân
Khí hoá và nhiệt phân là hai quá trình đại diện cho sự đốt cháy không hoàn toàn của vật liệu Nhiệt phân, diễn ra trong điều kiện không có oxy và ở nhiệt độ trung bình, là bước đầu tiên của quá trình khí hóa Tuy nhiên, ranh giới giữa hai quá trình này không rõ ràng, và trong một số trường hợp, phản ứng của quá trình này có thể xuất hiện trong quá trình kia Do đó, việc lựa chọn quá trình phù hợp phụ thuộc vào tính chất nguyên liệu ban đầu và mục đích sản phẩm mong muốn.
Nhiệt phân là phương pháp phân hủy hóa học vật liệu hữu cơ trong điều kiện không
Nhiệt phân là một phương pháp phổ biến để thu hồi nhiên liệu sinh khối, tuy nhiên, không thể đạt được oxy hoàn toàn trong quá trình này, dẫn đến việc sản phẩm luôn chứa một phần nhỏ sản phẩm oxy hóa Sản phẩm của quá trình nhiệt phân thường bao gồm khí (methane, hydrogen, CO và CO2), lỏng (dầu nhiệt phân) và rắn (than) Bằng cách điều chỉnh các điều kiện nhiệt phân, có thể thay đổi cơ cấu sản phẩm để phục vụ cho các mục đích khác nhau Hiện nay, có ba công nghệ nhiệt phân chính: cốc hóa chậm (carbonation), chuyển hóa chậm (conventional) và chuyển hóa rất nhanh (flash).
Bảng 2: Một số đặc điểm cơ bản của các công nghệ nhiệt phân [1]
Nhiệt độ, 0 C Sản phẩm chính
Rất chậm Vài ngày 400 Than
Chậm 5-30 phút 600 Dầu nhiệt phân, khí, than Rất nhanh 1-5 giây 650 Dầu nhiệt phân
2.1.2 Cơ chế của quá trình nhiệt phân
Trong quá trình nhiệt phân Biomass hoặc rác thải hữu cơ, quy trình diễn ra qua nhiều phản ứng phức tạp và có thể được chia thành bốn giai đoạn khác nhau, đặc biệt khi nhiệt độ thấp hơn một mức nhất định.
220 0 C thì ẩm bay hơi, 220-315 0 C phần lớn sự phân hủy hemicellulose, 315- 400 0 C cho sự phân hủy celluolose, > 400 0 C cho sự phân hủy lignin [1,2]
Có thể chia nhiệt phân thành hai quá trình: nhiệt phân sơ cấp và nhiệt phân thứ cấp a Nhiệt phân sơ cấp
Than bùn hay sinh khối biomass chủ yếu được cấu thành từ cellulose, hemicellulose và lignin, là những hợp chất cao phân tử từ các phân tử đường Quá trình nhiệt phân sơ cấp diễn ra trong pha rắn và chủ yếu là phản ứng depolymer hóa thông qua cơ chế gốc tự do Khi nhiệt độ vượt quá 300°C, một số chất với liên kết carboxyl yếu sẽ bị phân hủy trong phản ứng decarboxyl hóa.
Sự hình thành các gốc tự do như sau:
Trong quá trình nhiệt phân sơ cấp, các gốc tự do kết hợp với gốc hydro tạo thành metaplast Ở nhiệt độ cao, metaplast có phân tử lượng thấp bay hơi và ngưng tụ thành dầu nhiệt phân, trong khi các metaplast có khối lượng phân tử lớn tạo ra than Quá trình này cũng sản sinh ra các khí như CO, CO2, CH4, H2 và H2O, chiếm phần lớn trong tổng sản phẩm khí.
Và sau đó có thể:
Nước được sinh ra do phản ứng:
Quá trình này tạo ra hydrocarbon với số lượng carbon đa dạng, bao gồm cả nhiên liệu lỏng và khí Đồng thời, một lượng lớn nước cũng được sinh ra, dẫn đến việc nhiên liệu từ sinh khối luôn chứa một lượng nước nhất định Nhiệt phân thứ cấp là một yếu tố quan trọng trong quá trình này.
Quá trình nhiệt phân thứ cấp diễn ra trong pha hơi, trong đó các hợp chất dễ bay hơi bị phân hủy nhiệt, tạo ra các metaplast nhỏ hơn và sản sinh nhiều khí CO và H2 Sự gia tăng khí này dẫn đến sự giảm của sản phẩm lỏng, tức dầu nhiệt phân Các điều kiện như nhiệt độ cao và thời gian phản ứng dài sẽ thúc đẩy quá trình này Cơ chế của quá trình nhiệt phân có thể được cải thiện khi có sự hiện diện của xúc tác.
Cracking xúc tác là quá trình phân hủy các hydrocacbon mạch dài thành các hydrocacbon mạch ngắn hơn thông qua tác động của xúc tác và nhiệt độ Có nhiều cơ chế khác nhau được đề xuất để giải thích quá trình phản ứng này, nhưng cơ chế ion cacboni là phổ biến nhất Theo cơ chế này, quá trình cracking diễn ra qua ba giai đoạn.
Ví dụ: craking n-hexan sử dụng xúc tác nhôm silicat theo 3 giai đoạn sau:
Giai đoạn 1: Là giai đoạn ion cacboni được tạo thành, ion này hình thành do n-hexan hấp thụ trên trung tâm axit Lewis của xúc tác
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + A(H + ) CH 3 -C + H-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3
CH3-CH2-CH + -CH2-CH2-CH3
Giai đoạn 2 là quá trình chuyển đổi ion cacboni thành các sản phẩm trung gian, trong đó ion cacboni bậc 1 kém bền hơn ion bậc 2, và ion bậc 2 lại kém bền hơn ion bậc 3 Do đó, các ion có xu hướng chuyển sang trạng thái ổn định hơn thông qua các phản ứng tiếp theo.
CH 3 -CH 2 -CH + -CH 2 -CH 2 -CH3 CH 3
CH3-C + H-CH2-CH2-CH2-CH3 CH3-CH2-C + -CH2-CH3
CH3-C + -CH2-CH2-CH3 CH3
Giai đoạn 3 là giai đoạn đứt mạch, trong đó các ion mang điện tích sẽ đứt mạch tại vị trí β, dẫn đến việc hình thành một chất trung hòa và ion cacboni mới với số cacbon nhỏ hơn.
CH3-CH2-C + -CH2-CH3 đứt mạch CH3-CH=CH + C + H2-CH3
Quá trình cracking xúc tác không chỉ tạo ra các hợp chất có số cacbon nhỏ hơn mà còn sản sinh ra một lượng lớn hydro Tương tự, quá trình nhiệt phân than bùn diễn ra trong điều kiện giống nhau, cho phép cắt mạch hydrocacbon dài thành các hydrocacbon ngắn hơn thông qua các cơ chế tương tự.
2.1.3 Sản phẩm của quá trình nhiệt phân và ứng dụng a 2 : Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, Hydro là một loại khí, không màu, không mùi, dễ bắt cháy, có nhiệt độ sôi -252.87 0 C và nhiệt độ nóng chảy -259.14 0 C Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm 75% các vật chất thông thường theo khối lượng và trên 90% theo số lượng nguyên tử Trên trái đất, nguồn chủ yếu cung cấp hydro là nước Các nguồn khác bao gồm phần lớn các chất hữu cơ, than, nhiên liệu hóa thạch và khí tự nhiên Hydro là một loại khí có nhiệt cháy cao nhất trong tất cả các loại nhiên liệu trong thiên nhiên Đặc điểm quan trọng của hydro là trong phân tử không chứa bất cứ nguyên tố hóa học nào khác, như cacbon, lưu huỳnh, nitơ nên sản phẩm cháy của chúng chỉ là nước, được gọi là nhiên liệu sạch thân thiện với môi trường và không gây bất cứ sự cố môi trường nào cho con người Ngày nay, hydro được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: năng lượng, thực phẩm, hóa dầu, lọc dầu b Ứng dụng cacbon monoxit (CO):
Giới thiệu công nghệ xử lý rác theo phương pháp thủy nhiệt và một số nghiên cứu của trường Đại học Bách Khoa TP.HCM
Phương pháp xử lý chất thải hiện nay chủ yếu là chôn lấp và đốt, nhưng xu hướng toàn cầu đang chuyển sang cấm hoặc hạn chế chôn lấp, trong khi người dân không muốn tăng cường đốt rác Phân loại rác ngày càng trở nên phổ biến, tuy nhiên, vẫn còn ít giải pháp sử dụng cho rác đã phân loại Do đó, cần tìm kiếm phương pháp thay thế cho việc đốt rác đã phân loại Nghiên cứu đang tập trung vào phát triển công nghệ mới để tận dụng rác đã phân loại và rác hỗn hợp như một nguồn năng lượng, mặc dù nghiên cứu tiền khả thi cho loại nhiên liệu này chưa mang lại lợi nhuận cao Tuy nhiên, việc xử lý chất thải có thể nhận được kinh phí và tạo ra sản phẩm như điện năng, hơi đốt, nước nóng và nhiên liệu Công nghệ này bao gồm toàn bộ quy trình từ tiền xử lý đến sản xuất năng lượng cuối cùng, và báo cáo này sẽ giới thiệu các công nghệ đó.
3.1 Công nghệ mới sản xuất nhiên liệu rắn
Công đoạn tiền xử lý trong chế biến đòi hỏi các quy trình như nghiền, sấy và khử mùi, sử dụng nhiều công nghệ khác nhau Một trong những sáng kiến nổi bật là hệ thống tiền xử lý thủy nhiệt RRS (Resource Recycling System), áp dụng hơi bão hòa cao áp với đặc trưng là chi phí năng lượng sấy thấp Hình 1 minh họa sơ đồ nguyên lý của công nghệ RRS, trong khi Hình 2 thể hiện một xưởng chế biến Hình 3 và 4 mô tả nguyên liệu và sản phẩm sau khi đã qua xử lý.
Hình 25: Sơ đồ nguyên lý công nghệ RRS
Hình 26: Xưởng xử lý thủy nhiệt CTR
CTR được xử lý trong thiết bị với nhiệt độ 200°C và áp suất hơi nước 2MPa trong 30 phút, sau đó các cánh dao đảo trộn CRT trong 10 phút Sản phẩm thu được có dạng bột, độ ẩm tương tự như vật liệu ban đầu nhưng dễ dàng được sấy khô bằng năng lượng tự nhiên với chi phí thấp RRS không phải là quá trình sấy mà là một phương pháp tiết kiệm năng lượng Sản phẩm này hầu như không có mùi hôi và có thể được sử dụng như phân bón lỏng hoặc phân hữu cơ rắn từ chất thải thủy sản, thức ăn thừa, và phân động vật Ngoài ra, nó cũng có thể được sử dụng làm nhiên liệu rắn, có thể trộn với than để phát điện hoặc sử dụng trong lò ximăng.
Với CTR đô thị, công nghê RRS có ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật so với phương pháp đốt truyền thống vì những lý do sau:
Công nghệ RRS là một giải pháp không phát thải, giúp loại bỏ hoàn toàn các chất ô nhiễm như dioxin, NOx, SOx và bụi Hơn nữa, nước thải có thể được xử lý để sử dụng cho nồi hơi, do đó không phát sinh nước thải ra môi trường.
Hình 28: Sản phẩm sau xử lý bằng RRS
- Sản phẩm của công nghệ RRS có thể sử dụng như nhiên liệu rắn, đặc biệt trộn để đốt cùng với than
- Chi phớ đầu tư và vận hành bằng ẵ so với phương phỏp đốt thụng thường
- Dễ cấp phép đối với việc xây dựng hệ thống RRS do không có phát thải
Khi áp suất được tăng lên 2,5 Mpa, PVC sẽ trải qua quá trình nhiệt phân và giải phóng HCl Chất thải HCl này sẽ an toàn vì nó sẽ chuyển hóa thành muối vô cơ an toàn khi phản ứng với kiềm trong CTR đô thị Do đó, quá trình đốt nhiên liệu sản phẩm sẽ không phát thải Cl2.
3.2 Thách thức khi thực hiện công nghệ này
Công nghệ này đòi hỏi phải vượt qua những thách thức sau:
1) Áp suất cao: Việc thực hiện áp suất cao mâu thuẫn với yêu cầu dung tích lớn của thiết bị Khi đó các vấn đề về vật liệu chịu áp và chịu nhiệt, kéo theo đó là giá thành thiết bị có thể hạn chế việc áp dụng công nghệ này
2) Yêu cầu hoạt động liên tục: Rác thải có khối lượng và thể tích lớn chỉ có thể giải quyết được nếu hệ thống hoạt động liên tục Khi đó vấn đề kết cấu hệ thống sẽ vô cùng quan trọng
3) Yêu cầu làm kín: Thiết bị chịu áp nên yêu cầu làm kín sẽ rất lớn Chính kết cầu làm kín cho thiết bị là một trong những mấu chốt của sáng kiến này Hiện nay, chưa có một tiết lộ nào về cơ cấu này
4) Loại hình nguyên liệu: rác Việt nam nói chung là không phân loại hoặc không phân loại triệt để Kết cấu thiết bị và hệ thống phải tính đến yếu tố này để tránh làm tắc, có thể vận hành trong phạm vi rộng
5) Giá thành: ở Việt nam, công nghệ chỉ có thể tồn tại được nếu giá thành tổng cộng thấp hơn các công nghệ khác, bất kể mức độ hiện đại của công nghệ mới đến đâu
6) Đề xuất: Có thể có một số đề xuất cụ thể sau:
- Thử nghiệm ở quy mô pilot để đánh giá khả năng áp dụng và quy mô có thể phát triển của công nghệ này
Thử nghiệm chế tạo thiết bị cho quy mô hộ gia đình nhằm khuyến khích mọi người tham gia thu gom và xử lý rác thải, từ đó giảm bớt gánh nặng cho khu vực công cộng Điều này không chỉ giúp cải thiện vệ sinh môi trường mà còn góp phần bảo vệ sức khỏe cho cư dân tại các khu đô thị.
3.3 Trường ĐHBK và các hoạt động góp phần giải quyết vấn đề
Trường ĐHBK không chỉ nghiên cứu các công nghệ xử lý nguồn chất thải khác nhau mà còn tiến hành các nghiên cứu có định hướng nhằm cải tiến lò đốt, áp dụng công nghệ chôn lấp và xử lý nước rác Đặc biệt, nhà trường đang tập trung vào những vấn đề quan trọng trong lĩnh vực này.
- Nghiên cứu công nghệ thủy nhiệt xử lý CTR sinh hoạt:
Nghiên cứu hành vi của các CRT điển hình
Khả năng ứng dụng làm nhiên liệu, phân bón, chất hấp phụ
Khả năng cải tạo đất
Khả năng triển khai quy mô hộ gia đình
- Nghiên cứu công nghệ thủy nhiệt áp dụng cho CTR bệnh viện
Nghiên cứu hành vi của các mẫu CRT bệnh viện điển hình
Khả năng ứng dụng làm nhiên liệu, phân bón, chất hấp phụ
Khả năng cải tạo đất
Khả năng triển khai quy mô nhỏ và vừa ở các bệnh viện các cấp, đặc biệt là tuyển huyện, tỉnh
- Nghiên cứu công nghệ nhiệt phân (có và không có xúc tác) xử lý CTR có nguồn gốc polymer
Nhiệt phân không xúc tác: Tỷ lệ thu hồi nhiên liệu, đặc trưng nhiên liệu sản phẩm, khả năng áp dụng, hiệu suất và hiệu quả
Nhiệt phân có xúc tác là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, tập trung vào việc chế tạo xúc tác phù hợp nhằm tối ưu hóa tỷ lệ thu hồi nhiên liệu Các yếu tố như đặc trưng của nhiên liệu sản phẩm, khả năng áp dụng, hiệu suất và hiệu quả cần được xem xét kỹ lưỡng Để nhanh chóng đưa các công nghệ này vào ứng dụng thực tiễn, cần có sự hợp tác chặt chẽ hơn giữa các tổ chức trong nước và quốc tế.