♻ CÔNG NGHỆ CHUYỂN ĐỔI CHẤT THẢI THÀNH NĂNG LƯỢNG (WASTE-TO-ENERGY):
Tiềm năng ứng dụng từ góc nhìn Kỹ thuật Hóa học
Mở đầu
Trong bối cảnh gia tăng chất thải rắn đô thị và nhu cầu năng lượng ngày càng lớn, nhiều quốc gia đang hướng đến các giải pháp bền vững nhằm giải quyết đồng thời hai vấn đề này. Một trong những hướng tiếp cận được chú ý là công nghệ chuyển đổi chất thải thành năng lượng (Waste-to-Energy – WtE), cho phép thu hồi năng lượng từ rác thải thông qua các quá trình hóa học, sinh học và nhiệt học [1]. Không chỉ góp phần giảm tải lượng rác thải chôn lấp, WtE còn đóng vai trò quan trọng trong chiến lược phát triển năng lượng tái tạo và kinh tế tuần hoàn.
1. Giới thiệu công nghệ WtE
Waste-to-Energy (WtE) là thuật ngữ dùng để chỉ tập hợp các công nghệ giúp biến đổi rác thải thành năng lượng có ích. Tùy theo bản chất chất thải và mục tiêu đầu ra, WtE có thể tạo ra điện năng, nhiệt năng, khí đốt sinh học hoặc nhiên liệu lỏng như bio-oil, ethanol [1]. Điểm nổi bật của công nghệ này là khả năng biến đổi rác thải, thứ bị coi là vô ích, thành tài nguyên năng lượng [2], thay vì để chúng tích tụ gây ô nhiễm đất, nước và khí quyển như trong phương pháp chôn lấp truyền thống.
Các phương pháp phổ biến trong WtE bao gồm: đốt rác (incineration), nhiệt phân (pyrolysis), khí hóa (gasification), ủ kỵ khí (anaerobic digestion) và lên men sinh học. Mỗi công nghệ có đặc điểm kỹ thuật và hiệu quả khác nhau, tùy thuộc vào bản chất chất thải đầu vào và mục tiêu đầu ra [1].
Hình 1. Các con đường cho công nghệ biến chất thải thành năng lượng
1.1. Các công nghệ chuyển đổi chất thải thành năng lượng (WtE)
1.1.1. Đốt rác (Incineration)
Đốt rác là công nghệ WtE lâu đời và được áp dụng rộng rãi tại các quốc gia phát triển, đặc biệt phù hợp với chất thải rắn sinh hoạt (MSW). Quá trình này dựa trên phản ứng oxy hóa hoàn toàn ở nhiệt độ thường là trên 800°C, giải phóng nhiệt lượng lớn để sinh hơi nước và vận hành tuabin phát điện. Mặc dù hiệu suất thu hồi năng lượng khá cao (25–35%), đốt rác có nguy cơ tạo ra khí thải độc hại như dioxin, furan và NOₓ nếu không có hệ thống xử lý khí thải hiện đại [3]. Các nghiên cứu mới tập trung vào tối ưu thiết kế lò đốt và kết hợp thu hồi nhiệt hiệu quả hơn nhằm giảm thiểu phát thải và tăng hiệu suất năng lượng [4].
Hình 2. Sơ đồ Công nghệ xử lý chất thải công nghiệp phát điện NEDO
1.1.2. Khí hóa (Gasification)
Khí hóa là công nghệ sử dụng nhiệt độ cao (700 - 1400°C) kết hợp với lượng oxy hoặc hơi nước hạn chế để chuyển đổi chất thải rắn thành khí tổng hợp (syngas) gồm CO, H₂ và CH₄. Syngas sau đó có thể được đốt để phát điện hoặc dùng làm nguyên liệu hóa học đầu vào như sản xuất methanol, ammonia,… [5]. Các nghiên cứu trong kỹ thuật hóa học tập trung vào việc mô hình hóa các phản ứng khí hóa, thiết kế các loại lò phản ứng khác nhau (tầng cố định và tầng sôi), và tối ưu hóa việc sử dụng các chất xúc tác đồng thể và dị thể [6].
Hình 3. Sơ đồ quy trình công nghệ lò khí hóa rác thải tích hợp hệ thống thu hồi nhiệt và xử lý khí thải [7]
1.1.3. Nhiệt phân (Pyrolysis)
Nhiệt phân là quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy, thường ở dải nhiệt độ từ 350 - 700°C. Sản phẩm chính bao gồm: dầu sinh học (bio-oil), khí dễ cháy (H₂, CO, CH₄) và than sinh học (biochar). Công nghệ này đặc biệt phù hợp để xử lý chất thải nhựa và sinh khối lignocellulose. Nghiên cứu gần đây chú trọng đến cải tiến xúc tác và điều kiện phản ứng để nâng cao chất lượng bio-oil và tăng tỷ lệ chuyển hóa carbon hữu hiệu [8].
Hình 4. Sơ đồ minh họa nhiệt phân rác thải
1.1.4. Phân hủy kỵ khí (Anaerobic Digestion)
Phân hủy kỵ khí là phương pháp sử dụng các vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật tùy nghi để phân hủy các chất hữu cơ và vô cơ có trong nước thải, ở trong điều kiện không có oxi hòa tan với nhiệt độ, pH,…thích hợp để cho các sản phẩm dạng khí (chủ yếu là CO2, CH4). Hỗn hợp khí này được gọi là khí biogas. Quá trình diễn ra theo bốn giai đoạn chính: thủy phân, axit hóa, acetogenesis và methanogenesis. Ưu điểm của công nghệ này là tiêu hao năng lượng thấp, phù hợp với chất thải ẩm, giàu hữu cơ. Các cải tiến trong kỹ thuật hóa sinh gần đây như tăng sinh khối vi khuẩn, tiền xử lý enzym, kiểm soát pH và nhiệt độ phản ứng đã giúp cải thiện rõ rệt hiệu suất thu hồi khí metan [9].
Hình 5. Sơ đồ các giai đoạn quá trình lên men methane
2. Vai trò của công nghệ hóa học trong WtE
Công nghệ hóa học đóng vai trò cốt lõi trong việc nghiên cứu, thiết kế và tối ưu hóa các quy trình WtE. Từ việc lựa chọn loại xúc tác phù hợp, kiểm soát nhiệt độ, pH, thời gian phản ứng đến phân tích thành phần sản phẩm và đánh giá hiệu suất chuyển hóa tất cả đều cần kiến thức nền tảng về hóa lý, hóa hữu cơ, hóa phân tích và kỹ thuật phản ứng. Việc tối ưu hóa phản ứng nhiệt phân hoặc khí hóa cần hiểu sâu về động học và nhiệt động học. Các xúc tác dị thể như zeolite, oxit kim loại chuyển tiếp (TiO₂, ZrO₂) được nghiên cứu rộng rãi nhằm tăng tốc độ phản ứng và cải thiện chất lượng bio-oil [10].
3. Lợi ích môi trường và kinh tế
Công nghệ WtE mang lại lợi ích kép: giảm ô nhiễm môi trường và tạo nguồn năng lượng sạch. Thay vì chôn lấp gây phát thải khí metan và chiếm dụng đất, WtE giúp chuyển hóa gần như toàn bộ rác thải thành năng lượng [1], giảm thiểu lượng khí nhà kính, đồng thời giảm gánh nặng chi phí xử lý cho chính quyền và cộng đồng.
Một số nghiên cứu cũng cho thấy WtE có thể thu hồi phosphor, carbon và các kim loại quý từ dòng thải, tạo ra sản phẩm phụ có giá trị như phân bón, vật liệu xây dựng hoặc năng lượng tái tạo [1], [2], [4], [11].
4. Tình hình triển khai WtE tại Việt Nam
Việt Nam đã bắt đầu tiếp cận công nghệ WET từ đầu thập niên 2010, chủ yếu thông qua các dự án đốt rác phát điện tại đô thị lớn. Mô hình tiêu biểu là Nhà máy WTE Cần Thơ, vận hành từ năm 2018 với công suất 400 tấn/ngày, phát điện 7,5 MW, do Everbright International đầu tư. Đây là mô hình WTE đầu tiên hoạt động ổn định, góp phần thay thế phương pháp chôn lấp tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long [12].
Hình 6. Nhà máy xử lý chất thải rắn phát điện Cần Thơ
Tại Hà Nội, Nhà máy WTE Sóc Sơn có quy mô xử lý lớn nhất cả nước (4,000 tấn/ngày, 75 MW), nhưng dự án này còn gặp nhiều vướng mắc về xử lý tro xỉ và vận hành do đặc tính rác hỗn hợp chưa phân loại. Một số địa phương khác như Hải Phòng, Hưng Yên, Bắc Ninh, TP.HCM cũng đã quy hoạch nhà máy WTE, tuy nhiên nhiều dự án còn chậm do thiếu vốn đầu tư và cơ chế giá điện rõ ràng [12].
Hình 7. Nhà máy điện rác Sóc Sơn
Công nghệ này giúp giảm lượng rác chôn lấp, phát điện sạch, cắt giảm khí nhà kính, góp phần thực hiện mục tiêu Net Zero 2050 và phát triển kinh tế tuần hoàn. Tuy nhiên, nhiều dự án vẫn gặp khó khăn do thiếu vốn, giá điện chưa rõ ràng và rác chưa được phân loại tại nguồn [12].
5. Cơ hội nghiên cứu và học tập cho sinh viên
Đối với sinh viên ngành Công nghệ Hóa học, WtE là lĩnh vực mở ra nhiều cơ hội học tập và nghiên cứu sáng tạo:
- Thiết kế mô hình phản ứng khí hóa quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm.
- Phân tích và tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi của quá trình nhiệt phân nhựa thải.
- Chế tạo vật liệu xúc tác từ tro bay hoặc phế thải công nghiệp.
- Đánh giá vòng đời sản phẩm (LCA), phân tích phát thải khí nhà kính từ từng công nghệ WtE.
Đây cũng là lĩnh vực đầy tiềm năng cho các đề tài khóa luận, seminar, dự án cộng đồng hoặc hợp tác doanh nghiệp là nơi sinh viên có thể chuyển hóa kiến thức thành giải pháp thực tế.
Kết luận
Waste-to-Energy không chỉ là công nghệ xử lý rác thải mà còn là hướng đi chiến lược cho tương lai năng lượng bền vững. Với sự kết hợp giữa kiến thức kỹ thuật hóa học, tư duy đổi mới sáng tạo và tầm nhìn xanh, chúng ta hoàn toàn có thể biến những “rác thải hôm nay” thành “năng lượng ngày mai”.
“Rác thải không phải là thứ vô dụng nếu ta biết cách khai thác giá trị từ nó”.
Tài liệu tham khảo
[1] Nguyễn, T. Q. H., & Nguyễn, H. Y. (2023). Năng lượng sinh học từ chất thải: Các công nghệ chuyển đổi hiện nay. Tạp chí Môi trường, Số 2.
[2] Karungamye, P. (2024). Energy Recovery from Solid Waste Valorisation: Environmental and Economic Potential for Developing Countries. Scientific African, e02402. DOI: https://doi.org/10.1016/j.sciaf.2024.e02402.
[3] Yan, J., & Salman, C. A. (2023). Waste-to-energy (WtE): Current technologies and their future potential. In Elsevier eBooks (pp. 25–61). DOI: https://doi.org/10.1016/b978-0-323-91761-2.00005-2.
[4] Jouhara, H., Khordehgah, N., Almahmoud, S., Delpech, B., Chauhan, A., & Tassou, S. A. (2018). Waste heat recovery technologies and applications. Thermal Science and Engineering Progress, 6, 268–289. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsep.2018.04.017.
[5] Seo, Y., Alam, M. T., & Yang, W. (2018). Gasification of municipal solid waste. In InTech eBooks. DOI: https://doi.org/10.5772/intechopen.73685.
[6] Sebastiani, A., Parrillo, F., Ardolino, F., Arena, U., Iannello, S., & Materazzi, M. (2025). Modelling of oxygen-steam gasification of waste feedstock in industrial fluidized bed reactors. Chemical Engineering Journal, 159763. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159763.
[7] Tư vấn và cung cấp thiết bị tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường (2023). Lò khí hoá nhiệt phân rác thải – Giải quyết vấn đề rác thải hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. Truy cập ngày 1/7/2025. Từ https://timhieucongnghe.com/lo-khi-hoa-nhiet-phan-rac-thai/.
[8] Longo, L. (2025). Valorization of Pyrolysis Products Derived from Waste. PhD Thesis, Università degli Studi di Bologna.
[9] Deublein, D., & Steinhauser, A. (2008). Biogas from Waste and Renewable Resources: An Introduction. John Wiley & Sons.
[10] Sun, L., Wang, Z., Chen, L., Yang, S., Xie, X., Gao, M., Zhao, B., Si, H., Li, J., & Hua, D. (2020). Catalytic Fast Pyrolysis of Biomass into Aromatic Hydrocarbons over Mo-Modified ZSM-5 Catalysts. Catalysts, 10(9), 1051. DOI: https://doi.org/10.3390/catal10091051.
[11] Krüger, O., & Adam, C. (2015). Recovery potential of German sewage sludge ash. Waste Management, 45, 400–406. DOI: https://doi.org/10.1016/j.wasman.2015.01.025.
[12] Nguyen, T. D., Kawai, K., & Nakakubo, T. (2021). Drivers and constraints of waste-to-energy incineration for sustainable municipal solid waste management in developing countries. Journal of Material Cycles and Waste Management, 23(4), 1688–1697. DOI: https://doi.org/10.1007/s10163-021-01227-2.
