Công nghệ xử lý chất thải mới nổi tiềm năng

Các công nghệ “mới nổi” được coi là những công nghệ chưa được thương mại hoá. Do đó các công nghệ truyền thống xử lý chất thải như đốt, chôn lấp và ủ phân chưa được xem xét trong danh sách công nghệ “mới nổi”. Vậy công nghệ “mới nổi” trong lĩnh vực xử lý chất thải là gì? Chuyên trang Quản lý môi trường xin giới thiệu bài viết “Công nghệ xử lý chất thải mới nổi tiềm năng”.

Việc ứng dụng và phát triển công nghệ xử lý chất thải rắn đô thị phụ thuộc vào các yếu tố kinh tế xã hội và môi trường khác nhau. Tất cả những yếu tố này đóng vai trò là động lực phát triển cho các hệ thống quản lý chất thải. Hành vi cá nhân, thực hành quản lý chất thải của địa phương, tiêu thụ và tạo ra chất thải là những động lực xã hội chính. Giá trị tài nguyên của chất thải, lợi ích kinh tế từ các cơ sở xử lý chất thải và thuế chôn lấp đã được thừa nhận là những động lực kinh tế để phát triển công nghệ xử lý chất thải, trong đó, ủ phân khô, nhiệt phân-khí hóa, hồ quang plasma và phân hủy kỵ khí đã được xác định là những công nghệ mới nổi tiềm năng cho các hệ thống quản lý chất thải. Hơn nữa, biến đổi khí hậu toàn cầu, phong trào và nhận thức về môi trường đóng vai trò là động lực thúc đẩy môi trường phát triển các phương pháp xử lý chất thải khác nhau.

Thu hồi tài nguyên từ chất thải là một trong những mục tiêu chính của hệ thống quản lý chất thải ở các nước phát triển. Công nghệ biến chất thải thành năng lượng, ví dụ như đốt rác, đã được thực hiện ở nhiều nước để quản lý chất thải rắn đô thị trong nhiều thập kỷ. Tuy nhiên, các hệ thống quản lý chất thải tiên tiến này đã gây ra nhiều vấn đề về môi trường và kinh tế xã hội. Do nhận thức của người dân và chính phủ về ô nhiễm môi trường và các hậu quả khác nhau của biến đổi khí hậu ngày càng gia tăng, một hệ thống quản lý chất thải bền vững là bắt buộc và tương đối khó đạt được đối với mọi quốc gia.

Xã hội theo hướng tiêu dùng ngày nay tạo ra một lượng lớn rác thải. Khối lượng rác thải này gây áp lực rất gia tăng cho ngành quản lý rác thải. Hơn nữa, hệ thống quản lý rác thải bao gồm các cân nhắc về kinh tế – xã hội, chính trị, môi trường và công nghệ và nhiều bên liên quan. Tất các các yếu tố này có mối quan hệ chặt chẽ nhau và thay đổi. Do đó, các hệ thống quản lý chất thải tạo ra một cụm phức hợp các khía cạnh khác nhau, và các chức năng của cụm phức hợp này cũng rất biến động và phụ thuộc lẫn nhau.

Quy trình xử lý chất thải

Chất thải rắn đô thị (MSW) bao gồm chất thải sinh hoạt, chất thải từ văn phòng thương mại, trung tâm thương mại và chất thải công nghiệp thông thường do chính quyền địa phương quản lý chung. Việc xử lý sinh học chất thải song song với đốt chất thải đóng một vai trò quan trọng trong chiến lược quản lý chất thải tổng thể của các quốc gia. Xử lý chất thải rắn tiếp tục là một chủ đề trong chương trình nghị sự về môi trường và giờ đây cũng có một vị trí trong chương trình nghị sự chính trị.

Có một số lựa chọn để xử lý MSW, bao gồm tái chế, làm phân trộn và phân hủy kỵ khí, đốt và chôn lấp. Hình 1 trình bày các phương thức xử lý MSW.

Chôn lấp (Landfilling)

Rác thải như MSW chưa được xử lý hoặc đã qua xử lý, chất thải xây dựng và phá dỡ, chất thải công nghiệp, v.v.. được chôn xuống đất trong một cái hố. Khí từ bãi chôn lấp, bao gồm chủ yếu là mêtan và carbon dioxide, có nguồn gốc từ quá trình phân hủy sinh học của phần hữu cơ của rác thải. Lượng khí từ bãi chôn lấp được tạo ra sẽ phụ thuộc vào loại chất thải được chôn lấp. Các chất thải có thể phân hủy sinh học như bùn thải và phần có thể phân hủy sinh học của MSW, tạo ra khí bãi rác nồng độ cao. Khi một lượng khí từ bãi chôn lấp được tạo ra đủ lớn, nó sẽ được thu hồi và đốt cháy hoặc sử dụng để sản xuất năng lượng. Mặc dù được coi là lựa chọn thấp nhất trong phân cấp quản lý chất thải (Hình 2), việc giảm thiểu tác động môi trường của các bãi chôn lấp rác thải, tăng cường kiểm soát và giám sát về mặt pháp lý đối với nước rỉ rác và khí từ bãi chôn lấp ngày càng được chú trọng.

Đốt (Incineration)

Đốt chất thải là một phương án xử lý chất thải phù hợp, tùy thuộc vào loại chất thải và chủ yếu áp dụng đối với chất thải dễ cháy như MSW, một số chất thải nguy hại, chất thải y tế và một số chất thải công nghiệp. Đốt là lựa chọn phổ biến nhất để xử lý chất thải rắn sau lựa chọn chôn lấp. Quá trình đốt cháy bao gồm xử lý sơ bộ trước khi đốt. Ở Châu Âu, chất thải rắn đô thị được đốt trong các lò đốt quy mô lớn, đốt hàng loạt, thường có công suất 50.000-400.000 tấn mỗi năm. Tuy nhiên, việc đốt chất thải gặp phải sự phản đối mạnh mẽ từ công chúng chủ yếu do lượng khí thải nó tạo ra, đặc biệt là dioxin, furan, kim loại nặng và khí axit. Tuy nhiên, ngành công nghiệp đốt rác thải, đặc biệt là ở Tây Âu, được quản lý chặt chẽ và chịu sự kiểm soát khí thải nghiêm ngặt. Xử lý nhiệt bằng kỹ thuật nhiệt phân hoặc khí hóa đang nhận được sự quan tâm ngày càng nhiều như một lựa chọn để xử lý MSW và các chất thải dễ cháy khác.

Ủ phân và phân hủy kỵ khí (Composting and anaerobic digestion)

Ủ phân là một quá trình xử lý ưa khí sử dụng vi sinh vật để phân hủy phần hữu cơ có thể phân hủy sinh học được tách riêng từ chất thải (chẳng hạn như trong MSW) thành carbon dioxide và nước và tạo ra bã thải thích hợp làm chất điều hòa đất trong nông nghiệp, cải tạo đất hoặc trồng trọt.

Một lựa chọn xử lý khác đối với MSW bao gồm phân hủy kỵ khí, được thực hiện trên phần chất thải rắn có thể phân hủy sinh học được tách riêng từ rác thải đô thị trong điều kiện kỵ khí trong một thùng kín. Quá trình này tạo ra một loại khí bao gồm mê-tan và carbon dioxide và một bã thải thích hợp cho việc sử dụng nông nghiệp và làm vườn, tương tự như phân trộn.

Tái chế (Recycling)

Việc tái chế đang gia tăng ở Tây Âu, trong khi Trung và Đông Âu, Trung Á và Châu Phi có tỷ lệ tái chế tương đối thấp. Các lựa chọn để tái chế sẽ phụ thuộc vào loại chất thải; Ví dụ, việc tái chế MSW phụ thuộc vào việc tái chế các thành phần của chất thải như giấy, nhựa, kim loại và thủy tinh, trong đó tỷ lệ tái chế khác nhau đối với các loại khác nhau.

Các tiêu chí xác định các công nghệ mới nổi

Các công nghệ mới nổi tiềm năng có thể được xác định dựa trên các tiêu chí như được trình bày trong Hình 3.

• Loại quy trình (sinh học, sinh học cơ học, nhiệt, nhiệt hóa, lai, v.v..).

• Loại chất thải (hữu cơ, vô cơ, giấy, chưa phân loại MSW, v.v.).

• Môi trường ô nhiễm (không khí, nước, đất hoặc nhiều loại)

• Giai đoạn phát triển của công nghệ (quy mô phòng thí nghiệm, quy mô thử nghiệm, quy mô thử nghiệm lớn, trưởng thành và tiên tiến)

• Tính khả dụng và độ tin cậy của dữ liệu (rất hạn chế, hạn chế hoặc có sẵn)

Cuối cùng, các công nghệ xử lý chất thải mới nổi tiềm năng được lựa chọn dựa trên phân tích dựa SWOT (điểm mạnh, điểm yếu, cơ hội và đe dọa) và các công nghệ được đánh giá bằng phương pháp đánh giá định tính dựa trên năng lực xử lý chất thải, giai đoạn phát triển và năng lực giải quyết vấn đề quản lý chất thải.

Các động lực chính trong hệ thống quản lý chất thải

Hệ thống quản lý chất thải phụ thuộc vào các vấn đề kinh tế xã hội như tăng dân số và tổng sản phẩm quốc nội (GDP). Cả GDP và dân số đều có mối quan hệ với mức tiêu thụ và lượng chất thải tạo ra. Việc thu gom hoặc quản lý chất thải bị ảnh hưởng bởi một số động lực khác như hoạt động tái chế và thực hành tại địa phương. Có hai loại (định hướng theo thị trường và định hướng chính sách) đối với các hệ thống tái chế rác thải gia đình. Chất thải được coi là vô giá trị và “không có giá trị kinh tế” trước cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1970; tuy nhiên, quan điểm này đã bị thay đổi sau cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu và giờ đây, chất thải được coi là tài nguyên và nguồn năng lượng. Sáu động lực phát triển quản lý chất thải bao gồm (1) sức khỏe cộng đồng, (2) bảo vệ môi trường, (3) giá trị tài nguyên của khép kín vòng lặp rác thải, (4) phát triển thể chế, (5) các vấn đề có trách nhiệm và (6) nhận thức của cộng đồng theo thời gian.

Các yếu tố thúc đẩy phát triển xử lý chất thải được phân loại theo ba lĩnh vực lớn bao gồm xã hội, kinh tế và môi trường (Hình 4).

Động lực xã hội

Các chỉ số xã hội được xác định là động lực tiềm năng cho sự phát triển công nghệ của ngành chất thải là dân số, khối lượng chất thải phát sinh, hành vi của người dân, thực hành quản lý chất thải địa phương và quá trình đô thị hóa. Dân số và khối lượng phát sinh chất thải là yếu tố quan trọng để thiết kế hệ thống quản lý chất thải. Trong các nghiên cứu gần đây, hành vi và sự thay đổi hành vi của con người đã được xác định là những động lực chính trong hệ thống quản lý chất thải.

Các động lực chính trị – xã hội như các quy định và luật lệ của địa phương và quốc tế cũng rất quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý chất thải. Các quy định đã hoạt động như một công cụ hỗ trợ để thúc đẩy, phát triển hoặc hạn chế một hệ thống quản lý chất chất thải.

Động lực kinh tế

Một số nghiên cứu chỉ ra mối quan hệ của tăng trưởng kinh tế và hệ thống quản lý chất thải. Sau khi chuyển nhận thức về chất thải “không có giá trị kinh tế” sang nhận thức chất thải là tài nguyên; các công nghệ chuyển đổi chất thải thành năng lượng đã được phát triển do các yếu tố thúc đẩy kinh tế. Lợi ích kinh tế từ hệ thống quản lý chất thải và thu hồi tài nguyên từ chất thải khuyến khích phát triển công nghệ, đốt rác, phân hủy kỵ khí. Hệ thống quản lý chất thải đòi hỏi một lượng đầu tư và lao động rất lớn để vận hành hệ thống một cách hiệu quả. Vì vậy, lợi ích kinh tế luôn là vấn đề được đặt ra trong khi thiết kế các công nghệ xử lý chất thải. Thuế chôn lấp và chi phí xử lý chất thải cũng là những động lực kinh tế quan trọng. Một mặt, thuế chôn lấp đã bị hạn chế một số dòng chất thải như chất thải dễ cháy và chất thải thực phẩm được xử lý tại bãi chôn lấp; Mặt khác, năng lượng đã được thu hồi bằng công nghệ xử lý đốt và phân hủy kỵ khí từ các dòng chất thải chuyển hướng đó.

Động lực môi trường

Các động lực môi trường như biến đổi khí hậu và nâng cao nhận thức về môi trường đã xuất hiện sau những năm 1990 khi tính bền vững trở thành một yếu tố quan trọng đối với sự phát triển bền vững toàn cầu. Hiện nay, trong hầu hết các quá trình phát triển và đô thị hóa, sự bền vững về kinh tế – xã hội và môi trường là tiêu chí quan trọng.

Một số công nghệ xử lý chất thải mới nổi

Thuật ngữ công nghệ ‘mới nổi’ đề cập đến công nghệ đang phát triển hoặc công nghệ sẽ được phát triển trong tương lai gần. Một công nghệ mới nổi có thể là công nghệ tiên tiến nhưng không nhất thiết phải là công nghệ mới; nó có thể được nâng cấp từ công nghệ cũ. Các công nghệ mới nổi được coi là những công nghệ chưa được thương mại hóa. Do đó, các công nghệ xử lý chất thải truyền thống như đốt, chôn lấp và ủ phân chưa được xem xét trong danh sách công nghệ mới nổi trong Bảng 1. Mọi công nghệ đều được yêu cầu phải bền vững với môi trường trong điều kiện biến đổi khí hậu toàn cầu hiện nay. Nghiên cứu và phát triển công nghệ xử lý chất thải đã được tiến hành để có những công nghệ bền vững và hiệu quả hơn. Ngay cả đối với công nghệ rất thô sơ như bãi chôn lấp, bãi chôn lấp hợp vệ sinh với ít tác động đến môi trường hơn và hiệu quả thu hồi tài nguyên hơn đã được phát triển.

Công nghệ xử lý chất thải nhiệt hiện nay đã được coi là những lựa chọn xử lý chất thải hiệu quả nhất do các phương tiện thu hồi năng lượng và nhiệt. Tuy nhiên, về tính bền vững lâu dài, các phương pháp xử lý chất thải nhiệt như đốt rác có nhiều hạn chế trong bối cảnh bảo tồn và tái sử dụng tài nguyên. Công nghệ xử lý sinh học cũng rất quan trọng và đã được thực hiện rộng rãi do ít gây ô nhiễm môi trường nhất. Tuy vậy, chỉ có thể quản lý chất thải hữu cơ bằng phương pháp xử lý sinh học như phân hủy kỵ khí. Các công nghệ riêng lẻ có thể quản lý một phần chất thải cụ thể đang được ưu tiên vì các tùy chọn thu hồi tài nguyên và quản lý chất thải hiệu quả. Do đó, cần có các công nghệ riêng để xử lý các phần rác thải riêng lẻ như giấy, thủy tinh, nhựa, đồ hộp, rác hữu cơ, kim loại gỗ, rác thải điện tử và nhiều loại chất thải khác. Bảng 1 cho thấy các đặc điểm chính của các công nghệ mới nổi. Các công nghệ mới nổi được phân tích dựa trên giai đoạn phát triển của công nghệ và năng lực giải quyết vấn đề quản lý chất thải.

Bảng 1. Các đặc điểm chính của các công nghệ quản lý chất thải mới nổi

Phân tích định tính về công nghệ mới nổi cũng đã được thực hiện và được trình bày trong Bảng 2. Dựa trên phân tích SWOT, các công nghệ đã được phân tích trong bối cảnh điểm mạnh, điểm yếu, cơ hội và mối đe dọa tiềm ẩn. Các công nghệ khác nhau có khả năng xử lý dòng thải đa dạng; tuy nhiên, hầu hết các công nghệ xử lý chất thải nhiệt đều có thể xử lý tất cả các loại chất thải nhỏ. Các phân đoạn rác thải dễ phân hủy được xử lý bằng công nghệ xử lý rác thải sinh học. Do đó, một số công nghệ yêu cầu hiệu quả phân loại cao hơn để có hiệu suất tốt hơn và những công nghệ khác có thể quản lý trong hệ thống phân loại thấp hơn. Ủ phân khô và phân hủy kỵ khí đã được xác định là những công nghệ mới nổi tiềm năng để quản lý chất thải hữu cơ. Ủ phân khô chủ yếu được sử dụng để giảm khối lượng và trọng lượng và chuẩn bị chất thải hữu cơ hoặc chất thải nhà bếp để thu hồi năng lượng từ các quá trình sinh học. Nhiệt phân hóa chất thải đã được xác định là một công nghệ chuyển hóa chất thải thành năng lượng tiềm năng. Hồ quang plasma và khí hóa plasma cũng được xác định là những công nghệ mới nổi tiềm năng trong lĩnh vực xử lý chất thải.

Bảng 2. Phân tích SWOT các công nghệ xử lý chất thải mới nổi

Kết luận

Hệ thống quản lý chất thải có liên quan đến các yếu tố đa ngành khác nhau; do đó, các xu hướng phát triển công nghệ xử lý chất thải đã được dẫn dắt bởi các động lực xã hội, kinh tế và môi trường khác nhau.

Xác định các động lực phát triển là điều quan trọng để hiểu, lập kế hoạch thiết kế hệ thống mới trong lĩnh vực quản lý chất thải. Việc hiểu mối quan hệ qua lại của các tác nhân khác nhau là rất quan trọng để dự đoán và hiểu các công nghệ xử lý chất thải đang phát triển. Ủ phân khô, nhiệt phân-khí hóa, hồ quang plasma và phân hủy kỵ khí đã được xác định là những công nghệ xử lý chất thải mới nổi tiềm năng. Tuy nhiên, sự phát triển của công nghệ xử lý chất thải cũng liên quan đến các yếu tố bên ngoài khác như sự chuyển đổi quan điểm của cá nhân và xã hội về chất thải từ “chất thải” thành “tài nguyên”. Do đó, công nghệ tránh và giảm thiểu chất thải được coi là thách thức hàng đầu hơn là phát triển công nghệ xử lý chất thải mới.

Nâng cao trách nhiệm của người sản xuất cũng như trách nhiệm giải trình của người tiêu dùng đang ngày càng trở nên quan trọng vì cả hai đều là động lực chính cho sự phát triển của các hệ thống quản lý chất thải bền vững. Do đó, các nghiên cứu sâu hơn có thể được thực hiện để khám phá các khả năng về trách nhiệm của người tiêu dùng trong việc tiêu dùng và tạo ra chất thải và trong quản lý sản phẩm và phát triển bền vững.

Chuyên trang Quản lý môi trường