Thiết bị làm sạch khí sinh học của Viện Công nghệ Môi trường.

Xử lý triệt để khí tạp

Là một nguồn năng lượng có nguồn gốc từ sinh khối của các nhà máy xử lý nước thải, trang trại chăn nuôi hay bãi chôn lấp, khí sinh học (biogas) đang ngày càng được thế giới công nhận là một nguồn năng lượng tái tạo hữu ích đóng góp vào việc cung cấp năng lượng toàn cầu. Tuy nhiên, do được sản sinh từ sự phân hủy của những hợp chất hữu cơ nên hỗn hợp khí sinh học không chỉ gồm metan (CH4) - loại khí chủ yếu tạo ra năng lượng đốt, mà còn chứa nhiều tạp khí khác. “Trong đó, khí metan thường chỉ chiếm 60-70% hỗn hợp khí, còn 30-40% còn lại là khí CO2 và một lượng nhỏ khí N2, H2, CO,...”, TS. Nguyễn Tuấn Minh (Viện Công nghệ Môi Trường, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) cho biết. Những tưởng một lượng khí tạp nhỏ sẽ không gây ảnh hưởng quá nhiều, song theo TS. Minh, muốn dùng khí sinh học để đốt phát điện thì bắt buộc phải xử lý được một trong những loại khí sinh ra từ quá trình phân hủy ấy là H2S - khí gây mùi trứng thối. “Đây là loại khí có tính chất ăn mòn rất cao, nếu không làm sạch được thì khi chạy trong máy phát điện sẽ gây ăn mòn các chi tiết máy và nhanh chóng làm hỏng máy”, TS. Minh cho biết.

Nhận thấy các nghiên cứu trong nước để giải quyết vấn đề này vẫn còn hạn chế, từ năm 2016, anh và đồng nghiệp đã bắt tay vào nghiên cứu thiết bị làm sạch khí sinh học đầu tiên. Khác với những thiết bị làm sạch khí truyền thống, thiết bị do nhóm của TS. Minh phát triển sử dụng dung dịch kiềm Kali hydroxide (KOH) để hấp phụ khí H2S thành muối K2CO3, đồng thời được gắn động cơ biến tần để có thể điều chỉnh tốc độ quay ly tâm và có van để điều chỉnh lưu lượng khí. “Khi thiết bị quay ly tâm tốc độ cao thì dung dịch hấp thụ sẽ văng tỏa ra và tiếp xúc với dòng khí sinh học đi vào nhiều hơn, nhờ đó tăng khả năng xử lý khí”. TS. Minh giải thích về ý tưởng khởi nguồn.

Cụ thể, thiết bị làm sạch khí sinh học của nhóm anh gồm có hai phần cố định và chuyển động, trong đó, phần chuyển động được bố trí bên trong phần vỏ sao cho trục quay của đĩa dưới xuyên qua lỗ thông thứ nhất, đồng thời được nối và dẫn động bởi động cơ điện thông qua hộp giảm tốc. Bồn chứa dung dịch hấp thụ của thiết bị được trang bị máy khuấy, có ống dẫn dung dịch hấp thụ vào được nối thông với cửa dẫn dung dịch hấp thụ ra của thiết bị. Với cách thiết kế này, sau khi khí sinh học được đưa qua ống dẫn, bơm sẽ phun dung dịch hấp thụ vào trong lòng ống và quay để khiến cho các giọt dung dịch chuyển động ly tâm và phân tán vào trong khối bùi nhùi thép. Nhờ đó, các giọt dung dịch KOH sẽ tiếp xúc với khí sinh học từ bên ngoài đi vào và phản ứng để hấp thụ các khí tạp như H2S, CO2, từ đó làm sạch dòng khí. “Do tốc độ ly tâm cao nên dung dịch hấp thụ không bị kéo theo dòng khí chuyển động mà vẫn loại bỏ được các khí tạp, đồng thời giữ cho dòng khí sau xử lý có độ ẩm thấp”, TS. Minh cho biết thêm, “nhóm nghiên cứu cũng lắp các cảm biến để kiểm tra độ pH của dung dịch hấp phụ và giúp cho thiết bị có thể vận hành dễ dàng một cách tự động”.

Để thử nghiệm hiệu quả thực tế, nhóm của TS. Minh đã phối hợp và lắp đặt hệ thống phân hủy yếm khí bùn thải thu hồi khí sinh học đốt phát điện tại Công ty Cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung ở thành phố Buôn Ma Thuột, Đắk Lắk. Kết quả cho thấy, các mẫu khí sau khi làm sạch hoàn toàn không chứa H2S; khí CO và CO2 cũng được xử lý nhờ quá trình tương tác với dung dịch hấp thụ và đáp ứng các tiêu chuẩn để chạy máy phát điện theo tiêu chuẩn đăng ký của châu Âu. Thêm vào đó, “do sử dụng dung dịch hấp phụ là KOH, sản phẩm thải bỏ sau quá trình xử lý của thiết bị sẽ bao gồm K2S, K2CO3 - những thành phần hoàn toàn có thể dùng cho sản xuất phân hữu cơ mà không phải bỏ đi như khi sử dụng các dung dịch hấp thụ khác”, TS. Minh nói.

Là những người tiên phong trong một lĩnh vực còn tương đối mới ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu của Viện Công nghệ Môi trường đã trải qua không ít khó khăn, trong đó vấn đề phức tạp nhất là những tính toán kỹ thuật để nâng cấp quy mô xử lý. TS. Minh giải thích, bản chất của thiết bị này là quá trình chuyển khối - nghĩa là quá trình di chuyển vật chất từ pha khí sang pha lỏng. “Để có thể ra một thiết bị ứng dụng thực tế thì bao giờ mình cũng phải nghiên cứu thực nghiệm các thông số cơ bản ở quy mô nhỏ và làm cơ sở để tính toán và thiết kế thiết bị ở quy mô lớn hơn”, TS. Minh cho biết. Đây là một việc không đơn giản bởi “không phải cứ nhân hệ số lên là sẽ ra được thiết bị ở quy mô lớn”, anh giải thích.

Để giải quyết vấn đề, nhóm của TS. Minh phải nghiên cứu rất kỹ động học của quá trình hấp thụ và thực hiện từng thí nghiệm nhỏ để tính toán. “Khi nghiên cứu rồi đi vào triển khai thì nhiều lúc mình cứ phải làm đi đã rồi mới phát hiện vấn đề và tìm cách giải quyết được”, TS. Minh chia sẻ. Cũng từ “phương châm” này, nhóm của TS. Minh đã có sáng kiến trang bị cho hệ thống xử lý rọ bẫy muối chữ Y để loại bỏ cặn muối ra khỏi dung dịch hấp thụ. “Do tất cả muối sẽ dồn hết vào rọ nên mình có thể vệ sinh dễ dàng, tránh làm tắc nghẽn đường ống và đầu phun, giảm thiểu tác động xấu cho bơm dung dịch”, TS. Minh cho biết.

Tiềm năng áp dụng ở quy mô lớn

Với những kinh nghiệm trong lĩnh vực môi trường, TS. Minh cho biết, công nghệ sản xuất khí sinh học từ sinh khối không phải là công nghệ cao và khó thực hiện. “Tuy nhiên để có thể xử lý chất thải và sản xuất khí sinh học ở quy mô lớn và đồng bộ thì trình độ khoa học và năng lực của các doanh nghiệp trong nước trước đây khó đáp ứng được ngay”, nhóm nghiên cứu nhận định. Thực tế là cho đến nay, dù việc nghiên cứu công nghệ thu hồi khí sinh học từ chất thải hữu cơ đã được đẩy mạnh hơn nhưng chủ yếu mới chỉ trên đối tượng chất thải nông nghiệp, phân gia súc, gia cầm trong quy mô các trang trại vừa và nhỏ, nếu có sử dụng khí sinh học để kết hợp phát điện thì cũng mới ở trong quy mô tương đối nhỏ dạng tự cung tự cấp.

Thiết bị làm sạch khí sinh học của Viện Công nghệ Môi trường.

Một trong những yếu tố dẫn đến thực tế này, theo TS. Minh, là các nghiên cứu trước đó thường mới chỉ tập trung nghiên cứu xử lý khí sinh học theo các công nghệ làm sạch đơn giản như sử dụng phoi sắt, vật liệu bentonit, bùn đỏ hay các dung dịch như NaOH, Na2CO3. “Các phương pháp này thường có hiệu suất làm sạch không cao, tính cơ động thấp và khó thực hiện ở quy mô lớn”, nhóm nghiên cứu phân tích. “Bên cạnh đó, khi lọc bằng vật liệu bentonit hay diatomit thì phải chuẩn bị vật liệu rất lâu. Chưa kể đến, khi bão hòa thì vật liệu này rất dễ bong và đi theo dòng khí vào động cơ, do vậy phải chế tạo thêm bộ lọc nhiên liệu, khiến việc vận hành tốn kém và phức tạp”. Do phần lớn lượng khí tạp như H2S, SO2, CO2, xilosan trong khí sinh học chưa được làm sạch đúng mức nên chất lượng nhiên liệu cũng không đảm bảo, có thể gây hư hại cho động cơ và ăn mòn các thiết bị, nhóm nghiên cứu cho biết thêm.

Bởi vậy, với việc nghiên cứu thành công thiết bị mới có thể làm sạch triệt để các loại tạp khí với hiệu suất cao, TS. Minh tự tin cho biết đã làm chủ được công nghệ và có thể ứng dụng ở quy mô lớn tùy vào yêu cầu của doanh nghiệp. Hiện nay, hệ thống xử lý được nhóm TS. Minh lắp đặt ở Đắk Lắk có thể phát điện ở mức 20 kW/ngày. Nhóm của anh cũng đang hợp tác với một công ty để triển khai hệ thống có quy mô xử lý khoảng 4000 mét khối khí/giờ, và “tùy theo lưu lượng và thành phần khí thải, chúng tôi hoàn toàn có thể chế tạo thiết bị với quy mô lớn hơn để phù hợp công suất”, TS. Minh cho biết.

Nhưng liệu chi phí xử lý khí sinh học bằng thiết bị này có đắt đỏ hay không? “Tôi có thể khẳng định rằng chi phí hoàn toàn không cao và doanh nghiệp có thể đáp ứng được. Thậm chí so với những phương pháp xử lý khí truyền thống thì phương pháp này còn rẻ hơn do có hiệu suất xử lý cao. Chưa kể đến thiết bị xử lý cũng nhỏ gọn hơn so với nhiều phương pháp khác”, TS. Minh nói.

Điều này có lẽ càng có ý nghĩa trong bối cảnh Chiến lược quốc gia của Chính phủ về cung cấp nước sạch và vệ sinh nông thôn đã đặt mục tiêu đến năm 2030 sẽ có 75% hộ chăn nuôi, trang trại được xử lý chất thải chăn nuôi. Và tiềm năng của thiết bị mới không chỉ dừng lại ở việc xử lý H2S trong khí sinh học. “Chúng tôi vẫn đang tiếp tục phát triển thiết bị này để ứng dụng xử lý thành phần amoni ở trong nước rỉ rác - vốn là một đối tượng tốn nhiều kinh phí để loại bỏ”, TS. Minh cho biết, “giải pháp của chúng tôi cũng hoàn toàn có thể được tiếp tục nghiên cứu và mở rộng để ứng dụng cho đối tượng khí thải của các ngành như thép, xi măng”.

Thiết bị làm sạch khí sinh học của Viện Công nghệ Môi trường được Cục Sở hữu trí tuệ (Bộ KH&CN) cấp bằng độc quyền sáng chế số 1-0032321 công bố ngày 27/6/2022.

Nguồn: phối hợp thực hiện bởi Cục Sở hữu trí tuệ và Báo Khoa học và Phát triển