Trong thời đại mà biến đổi khí hậu, ô nhiễm môi trường và sự cạn kiệt tài nguyên đang đe dọa hệ sinh thái, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng tái tạo bền vững trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Trong số các giải pháp hiện đại, sử dụng năng lượng từ bùn thải nổi lên như một hướng đi đột phá – vừa xử lý chất thải hiệu quả, vừa tạo ra nguồn năng lượng sạch.

Năng lượng từ bùn thải là gì?

Năng lượng từ bùn thải là công nghệ sử dụng bùn thải chứa hàm lượng cao chất hữu cơ để tạo ra các dạng năng lượng bao gồm:

• Khí sinh học (biogas).

• Điện năng thông qua hệ thống phát điện khí sinh học.

• Nhiệt năng từ quá trình đốt hoặc phân hủy

• Nhiên liệu rắn như viên nén nhiên liệu sau khi sấy và ép bùn

Bùn thải sau xử lý còn có thể được ứng dụng làm:

• Phân bón hữu cơ

• Vật liệu trong sản xuất xi măng

Công nghệ này giúp biến một nguồn bùn thải thành nguồn tài nguyên có giá trị.

Quy trình chuyển đổi năng lượng từ bùn thải

Quy trình chuyển đổi năng lượng từ bùn thải nhiều công nghệ khác nhau, nhưng phổ biến nhất là phân hủy kỵ khí . Dưới đây là các bước chính của công nghệ này:

Bước 1: Thu gom và làm đặc bùn thải

Bùn từ các hệ thống xử lý nước thải được thu gom và đưa qua thiết bị làm đặc để giảm độ ẩm.

Bước 2: Ủ phân hủy kỵ khí

Bùn thải được bơm vào bể phản ứng kỵ khí – nơi diễn ra quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy. Vi sinh vật sẽ chuyển hóa bùn thông qua 4 giai đoạn:

1. Thủy phân

2. Axit hóa

3. Tạo khí axetic

4. Sinh khí metan

Nhiệt độ trong bể thường được duy trì ở 35–38°C (trung nhiệt) hoặc 50–55°C (ưa nhiệt) để đạt hiệu suất tối ưu. Sau 15–30 ngày, lượng lớn biogas được sinh ra.

Bước 3: Thu hồi và xử lý khí sinh học

Khí biogas thu được thường chứa:

• 55–70% methane (CH₄)

• CO₂

• H₂S và hơi nước

Trước khi sử dụng, khí được đưa qua hệ thống lọc để loại bỏ tạp chất, nâng cao nhiệt trị và bảo vệ thiết bị đốt hoặc máy phát điện.

Bước 4: Chuyển đổi thành năng lượng từ bùn thải

Biogas sau xử lý có thể được sử dụng theo nhiều cách:

• Đốt trực tiếp để tạo nhiệt dùng cho nồi hơi, hệ thống sấy

• Vận hành máy phát điện CHP để tạo ra điện và nhiệt đồng thời

• Nâng cấp thành biomethane rồi bơm vào lưới khí hoặc nén thành CNG sinh học

Việc lựa chọn hình thức phụ thuộc vào nhu cầu năng lượng của nhà máy và quy mô dự án.

Bước 5: Xử lý bùn thải sau phân hủy

Sau khi chuyển năng lượng từ bùn thải, phần bùn còn lại có thể:

• Ép khô và sử dụng làm phân bón hữu cơ

• Phơi sấy làm nhiên liệu rắn

• Ứng dụng trong sản xuất vật liệu xây dựng

• Chôn lấp hợp vệ sinh nếu không đáp ứng tiêu chuẩn tái sử dụng

Quá trình này khép kín và tối ưu, giúp giảm thiểu tối đa lượng chất thải cuối cùng ra môi trường.

Lợi ích của việc sử dụng năng lượng từ bùn thải

Việc ứng dụng công nghệ sử dụng năng lượng từ bùn thải không chỉ mang lại lợi ích cho doanh nghiệp, mà còn tác động tích cực đến môi trường và xã hội. Đây là một trong những giải pháp tiêu biểu của mô hình kinh tế tuần hoàn và giúp tối ưu hóa tài nguyên vốn được xem là “chất thải”.

Lợi ích môi trường

Giảm thiểu ô nhiễm: Thông thường, bùn thải nếu không xử lý đúng cách có thể gây ô nhiễm nghiêm. Việc ứng dụng công nghệ phân hủy kỵ khí giúp xử lý triệt để lượng bùn thải, giảm đáng kể nguy cơ ô nhiễm.

Tối ưu việc tái chế tài nguyên: Quá trình xử lý bùn thải tạo ra ba sản phẩm chính: biogas, điện – nhiệt năng và bùn thải sau xử lý. Bùn này có thể được dùng làm phân bón hữu cơ, vật liệu sản xuất, hoặc nhiên liệu rắn, giúp tiết kiệm tài nguyên đất đai và khoáng sản.

Lợi ích kinh tế

Giảm chi phí năng lượng: Nguồn điện và nhiệt năng sinh ra từ biogas có thể được tái sử dụng ngay trong nhà máy, đặc biệt là hệ thống xử lý nước thải vốn tiêu tốn nhiều điện năng. Nhờ vậy, doanh nghiệp có thể giảm 20–60% chi phí vận hành hàng tháng.

Tạo nguồn thu bổ sung: Khí sinh học có thể bán cho các đơn vị phân phối, hoặc lượng điện dư thừa có thể bán lại cho lưới điện theo cơ chế hỗ trợ năng lượng tái tạo. Ngoài ra, bùn ép khô còn có thể bán cho các doanh nghiệp sản xuất phân bón hoặc vật liệu xây dựng.

Giảm chi phí xử lý và chôn lấp bùn thải: Việc vận chuyển và chôn lấp bùn thải tốn chi phí lớn và bị siết chặt quy định bởi các tiêu chuẩn môi trường. Chuyển đổi bùn thành năng lượng giúp giảm tới 70–90% lượng bùn phải thải bỏ, từ đó tiết kiệm chi phí dài hạn.

Lợi ích xã hội

• Tăng cường an ninh năng lượng: Tận dụng nguồn chất thải sẵn có giúp giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

• Cải thiện chất lượng sống của cộng đồng: Giảm mùi hôi, ô nhiễm và tạo môi trường sống lành mạnh hơn.

• Tạo công ăn việc làm trong lĩnh vực công nghệ sạch: Từ vận hành nhà máy, kỹ thuật, nghiên cứu đến sản xuất thiết bị.

Ứng dụng sử dụng năng lượng từ bùn thải thực tế tại Việt Nam và thế giới

Công nghệ sử dụng năng lượng từ bùn thải đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia phát triển và đang dần lan rộng tại Việt Nam. Mỗi quốc gia có cách áp dụng khác nhau, dựa trên điều kiện hạ tầng và nhu cầu năng lượng.

Ứng dụng sử dụng năng lượng từ bùn thải trên thế giới

Đức – quốc gia dẫn đầu năng lượng sinh học

Đức sở hữu hàng nghìn nhà máy sản xuất biogas, trong đó có nhiều cơ sở kết hợp xử lý bùn thải. Nhiều nhà máy đạt mức tự cung cấp điện 80–100%, giúp giảm đáng kể chi phí vận hành và lượng khí thải.

Đan Mạch và Hà Lan – tiên phong trong sản xuất biomethane

Hai quốc gia này đầu tư mạnh vào công nghệ nâng cấp biogas thành biomethane, sau đó bơm vào hệ thống gas quốc gia. Điều này giúp thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch bằng nguồn năng lượng tái tạo.

Nhật Bản – ứng dụng công nghệ cao và tự động hóa

Nhật Bản là một trong những quốc gia sử dụng cảm biến, trí tuệ nhân tạo (AI) và IoT để tối ưu hóa quá trình phân hủy bùn thải. Việc số hóa quy trình giúp nâng cao hiệu suất sản xuất năng lượng và giảm chi phí vận hành dài hạn.

Mỹ – tận dụng bùn từ các nhà máy xử lý nước thải đô thị

Nhiều thành phố lớn như California, Chicago, Washington D.C. sử dụng công nghệ chuyển đổi năng lượng từ bùn thải để tự cung cấp điện cho nhà máy, đồng thời giảm gánh nặng cho hệ thống xử lý chất thải đô thị.

Ứng dụng việc sử dụng năng lượng từ bùn thải tại Việt Nam

Công nghệ xử lý bùn thải tạo khí sinh học và sản xuất điện tại Việt Nam

• Nhóm nghiên cứu Việt Nam đã phát triển và ứng dụng thành công công nghệ xử lý bùn thải để tạo ra khí biogas và phân bón hữu cơ, với sản phẩm khí biogas được làm sạch để dùng làm nhiên liệu phát điện.
• Với mô hình thực tế tại Buôn Mê Thuột (Đắk Lắk), 15 m³ bùn thải/ngày xử lý cho ra khí biogas đủ để tạo ra 20 kW điện phục vụ cho vận hành hệ thống và sinh hoạt. 

Tiềm năng ứng dụng công nghệ xử lý kỵ khí kết hợp thu hồi năng lượng

• Nghiên cứu đề xuất mô hình quản lý tổng hợp chất thải tại các đô thị (như tại Hà Nội – Long Biên) cho thấy việc tích hợp xử lý bùn thải bằng phương pháp kỵ khí có thể thu hồi năng lượng dạng biogas để sản xuất điện và nhiệt năng cho hệ thống xử lý.

Thách thức và giải pháp chuyển đổi năng lượng từ bùn thải

Thách thức

• Chi phí đầu tư ban đầu cao

• Thiếu chuyên gia và kỹ thuật vận hành

• Chưa có khung pháp lý hoàn thiện

• Tâm lý ngại đổi mới trong doanh nghiệp

Giải pháp đề xuất để thúc đẩy quá trình sử dụng năng lượng từ bùn thải

• Hỗ trợ tín dụng xanh cho doanh nghiệp đầu tư

• Đẩy mạnh nghiên cứu và chuyển giao công nghệ

• Ban hành chính sách mua điện sinh học.

• Tăng cường truyền thông nâng cao nhận thức về kinh tế tuần hoàn

Kết luận

Sử dụng năng lượng từ bùn thải là một giải pháp bền vững, phù hợp xu hướng phát triển xanh trên toàn cầu. Công nghệ này không chỉ giúp xử lý chất thải hiệu quả mà còn tạo ra nguồn năng lượng sạch, an toàn, tiết kiệm chi phí cho doanh nghiệp.

Trong tương lai gần, khi Việt Nam tiếp tục thúc đẩy năng lượng tái tạo và kinh tế tuần hoàn, mô hình chuyển đổi bùn thải thành năng lượng sẽ trở thành một phần quan trọng của chiến lược bảo vệ môi trường và phát triển bền vững quốc gia.