Đăng ký thành viên

Giải pháp nâng cao hiệu quả xử lý nước hồ tro xỉ

Nhiều công ty điện lực phải đối mặt với rủi ro đáng kể từ các hồ tro xỉ. Các giải pháp mới dựa trên vật lý dòng nước đang cho thấy triển vọng trong việc ngăn ngừa phát tán bụi mịn nguy hiểm.

Các cơ quan chức năng yêu cầu nhà máy nhiệt điện than phải xử lý cơ sở hạ tầng tích trữ nước hồ tro xỉ dựa trên các hướng dẫn nghiêm ngặt của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA). Ngay cả khi nhiều nhà máy điện than đã đóng cửa ở Mỹ, các công ty điện lực vẫn còn các bể chứa tro xỉ mà họ cần phải xử lý.

Cách tiếp cận truyền thống là sử dụng máy tạo tuyết để quản lý các hồ tro xỉ này và ngăn chặn sự phát tán của bụi mịn. Tuy nhiên, phương pháp này không hiệu quả vì nó cần nhiều nước. Trong một số trường hợp, nó có thể khiến mọi thứ trở nên tồi tệ hơn.

Các phương pháp tiếp cận mới đang nổi lên, phát huy lợi thế các thông tin chi tiết hơn về vật lý của dòng nước và tìm cách tăng cường hiệu quả của việc xử lý nước hồ tro xỉ. Chúng ta hãy xem xét mức độ của vấn đề, các giải pháp hiện có, tính chất vật lý đằng sau việc xử lý và phương pháp tiếp cận mới có triển vọng hơn.

Vấn đề tro xỉ

Theo Cơ quan Thông tin Năng lượng (EIA), Mỹ đã sản xuất ra tới 318GW điện than vào năm 2011. Kể từ đó, ngành công nghiệp này đã suy giảm mạnh. Gần 300 nhà máy điện than đã đóng cửa. Hiện chỉ còn hơn 200 nhà máy đang hoạt động (mặc dù các nhà máy này vẫn phát ra khoảng 180GW và tiếp tục đóng vai trò quan trọng cho lưới điện). Dự kiến, gần một nửa số nhà máy điện than còn lại này sẽ đóng cửa vĩnh viễn vào năm 2030.

Trong suốt quá trình hoạt động, hơn 500 nhà máy điện than ở Mỹ đã tạo ra một lượng tro than khổng lồ. Năm 2007, ngành công nghiệp này đã đốt hơn một tỷ tấn than, để lại hàng trăm triệu tấn tro xỉ. Lượng chất thải còn sót lại đó vẫn là một vấn đề nghiêm trọng. Mặc dù ngành than đã suy thoái và nhiều nhà máy đóng cửa, tổ chức Environment America (Mỹ) vẫn báo cáo rằng các nhà máy than đã thải 107 triệu tấn tro vào năm 2016, trong đó gần một nửa bị bỏ lại dưới dạng chất thải.

Thông thường, các nhà máy trộn tro xỉ với nước rồi tích trữ ngay tại chỗ trong các hồ tro hoặc hồ tro xỉ. Khi bị tràn, bùn tro than lỏng này có thể làm nghẹt cảnh quan và gây ô nhiễm các tuyến đường thủy do chứa các hóa chất độc hại như asen, thủy ngân và selen. Gió và sự bốc hơi có thể phát tán các chất gây ô nhiễm này đi xa, lan rộng ra khắp các khu vực xung quanh.

Hiện vẫn còn hàng trăm hồ tro xỉ tồn tại, nhiều hồ nằm sát các tuyến đường thủy chính và chỉ cách một bờ kè hẹp. Một số hồ tro xỉ khác nằm gần các thị trấn và làng mạc. Trong các đợt mưa lớn hoặc lũ lụt, các hồ tro xỉ có thể tràn bờ. Các bờ kè của chúng có thể xuống cấp và đổ sập, khiến tro xỉ tràn ra, gây ngập nhà dân hoặc tràn vào các tuyến đường thủy lân cận.

Hình 1. Một vụ tràn tại hồ chứa tro xỉ sông Dan của Công ty Duke Energy (Mỹ) ở bang North Carolina, gần biên giới bang Virginia đã đổ 39.000 tấn tro xỉ và hơn 100.000m³ nước ô nhiễm vào con sông này (Ảnh st)

Các vụ tràn nhỏ thường xảy ra với tần suất khoảng ba vụ mỗi năm, khi các đập chứa chất thải bị vỡ. Các sự cố nghiêm trọng hơn xảy ra với tần suất vài năm một lần. Năm 2008, một hồ tro xỉ tại Nhà máy Kingston của Tập đoàn Điện lực Thung lũng sông Tennessee (TVA, Mỹ) ở Harriman (bang Tennessee) bị sập. Sự cố này khiến khoảng 5,4 triệu m³ tro tràn vào các sông Emory và Clinch, phá hủy một vài ngôi nhà và gây ô nhiễm 1,2km² đất. Năm 2014, một đường ống tại nhà máy nhiệt điện than của Duke Energy ở Eden (bang North Carolina) bị vỡ, làm tràn ra 39.000 tấn tro xỉ và 100.000m³ nước hồ tro xỉ vào Sông Dan ở Eden, (Hình 1). Sự cố khiến khoảng 1,5m nước và bùn nhấn chìm hàng kilô mét vuông đất nông thôn.

EPA vào cuộc

Những sự cố này đã khiến EPA phải tiến hành một nghiên cứu về tình trạng của các hồ tro xỉ. Kết quả cho thấy một trong năm hồ tro xỉ đang ở trong tình trạng tồi tệ. Sau đó, EPA đã ban hành nhiều quy định mới để điều chỉnh việc xử lý tro than, gọi là Quy định Đóng cửa Chất thải từ Quá trình Đốt than (CCR). Các quy định này yêu cầu thực hiện các hành động xử lý trong và sau quá trình đóng cửa, đồng thời thiết lập các tiêu chuẩn kỹ thuật cũng như quy định về thanh tra, theo dõi, lưu giữ hồ sơ và báo cáo. Các điều khoản của CCR bao gồm việc đóng cửa hoặc cải tạo bất kỳ hồ chứa bề mặt nào không có lớp lót, không chỉ giới hạn ở những hồ chứa phát hiện ô nhiễm nước ngầm vượt quá mức quy định. Ngoài ra, EPA cũng đã phân loại các hồ chứa bề mặt có lớp lót bằng đất hoặc đất sét là không có lớp lót và cần xử lý khẩn cấp.

Để ứng phó với điều này, nhiều tổ chức hiện đang theo dõi tro xỉ một cách cẩn thận. Ví dụ, trong năm 2022, TVA đã tái chế 82% lượng tro xỉ mà họ đã thải ra và sử dụng chúng để chế tạo ván tường và xi măng. Tuy nhiên, một phần tro xỉ vẫn tiếp tục trôi vào các hồ tro xỉ. Và nhiều hồ tro xỉ hiện có không được quản lý cẩn thận như những hồ tro xỉ của TVA.

Một quy định khác, Quy định 40 CFR 51.300 (thuộc Bộ Quy chuẩn Liên bang Mỹ, phần 40, liên quan đến việc bảo vệ môi trường) cũng được cập nhật vào thời gian đó. Phần mới trong quy định này tập trung vào chất lượng không khí, cụ thể là "suy giảm tầm nhìn do phát thải các chất ô nhiễm không khí từ nhiều nguồn nằm trên một khu vực địa lý rộng lớn." Khi bụi và các khí liên quan tồn tại trong khí quyển, chúng phân tán và hấp thụ ánh sáng, từ đó làm giảm tầm nhìn tổng thể.

Quy định 40 CFR 51.300 yêu cầu các bang xây dựng các chương trình nhằm cải thiện tầm nhìn tại các công viên quốc gia và khu vực hoang dã bị ô nhiễm không khí ảnh hưởng. Liên quan đến các hồ tro xỉ, phán quyết về khói mù khu vực nhằm hạn chế sự lan rộng của khói mù do bụi mịn (PM) phát tán trong phạm vi từ PM 2,5 đến PM 10. Người ta xác định các hồ tro xỉ, cùng với các bãi thải và bãi chứa khác là nguồn chính phát tán bụi PM 2,5 do quá trình bốc hơi. Các bụi này có kích thước rất nhỏ nên có thể hít vào và bám vào phổi, gây kích ứng và viêm. Nếu phơi nhiễm quá mức, bụi mịn có thể dẫn đến tử vong sớm do các tình trạng như bệnh tim và đột quỵ. Ngoài ra, trải nghiệm ngắm cảnh của du khách khi đến các công viên quốc gia có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng do sự hiện diện của khói mù.

Giải pháp cho khói mù và bụi tro xỉ

Các công ty điện lực và chủ sở hữu nhà máy điện thường sử dụng máy tạo tuyết và máy phun sương để xử lý tình trạng tại các bồn và hồ tro xỉ. Họ vận hành các thiết bị này với mục tiêu ngăn chặn quá trình bốc hơi và giữ lại bụi mịn trong hồ tro xỉ, thay vì để chúng phát tán ra khí quyển bằng cách thổi nước ở áp suất cao vào các hồ tro xỉ. Trong những năm qua, họ đã đầu tư nhiều công sức để tinh chỉnh các máy tạo tuyết, máy phun sương và các vòi phun liên quan nhằm tìm ra giải pháp hiệu quả nhất để hạn chế sự phát tán của bụi nguy hiểm.

Ví dụ, máy phun sương có vẻ hoạt động tốt với các vùng nước rất nhỏ nhưng lại không hoạt động tốt với các hồ tro xỉ lớn hơn và không cuốn theo những lượng lớn bụi.

Súng tạo tuyết phun ra các giọt nước với kích thước dao động trong khoảng 500 đến 600µm. Các nhà chế tạo đã đề xuất các cấu hình vòi phun và phun khác nhau nhằm giảm tỷ lệ va chạm giữa các giọt nước. Tuy vậy, va chạm giữa các giọt vẫn là một thách thức vì nó làm tăng lượng vật chất dạng bụi mịn phát tán vào không khí.

Robert Ballantyne Jr., nhà quang phổ học nguyên tử và phân tử tại Công ty RWI Enhanced Evaporation (Mỹ), đã phát triển doanh nghiệp của mình xoay quanh các giải pháp kiểm soát bụi truyền thống. Khi EPA và CFR ban hành các quy định mới cách đây vài năm, ông đã chủ động tạm dừng triển khai để xem xét kỹ lưỡng đâu là giải pháp hiệu quả nhất. Ông đã nghiên cứu công nghệ và đánh giá tác động của các yếu tố như nhiệt độ không khí xung quanh, điểm sương, vận tốc và độ nhiễu loạn. Trong nhiều năm, ông đã tiến hành thử nghiệm chi tiết bao gồm việc sử dụng đường hầm gió tự chế để kiểm tra đặc tính vật lý của dòng nước (bao gồm tốc độ và hướng dòng chảy của giọt), các loại vòi phun, sự kết tụ của giọt và va chạm các giọt. Công trình nghiên cứu này đã chỉ ra một số quan niệm sai lầm đang cản trở hiệu quả của các nỗ lực xử lý nước hồ tro xỉ.

Một quan niệm phổ biến hiện nay cho rằng phần lớn các giọt nước từ máy tạo tuyết hoặc máy phun sương đều kết tụ lại để ngăn chặn bụi mịn phát tán. Ballantyne đã phân tích các luồng khí tạo ra từ máy tạo tuyết chuyển đổi bằng hình ảnh thiết kế chất lỏng tính toán (CFD), camera tốc độ cao và sắc ký khí. Hệ thống đo từ xa đã ghi nhận toàn bộ các điều kiện môi trường liên quan và cho thấy luồng khí này chứa một lượng lớn bụi mịn. Ông phát hiện ra rằng các tia nước mạnh từ máy tạo tuyết đã gây ra sự nhiễu loạn làm các giọt nước mất ổn định và vỡ thành các giọt nhỏ hơn.Trong quá trình bay, chúng khô đi và hình thành các hạt bụi mịn. Kết quả là, chỉ có 18% giọt nước kết tụ thành giọt lớn hơn. Trong khi phần lớn còn lại vỡ nhỏ, khô nhanh, mang theo nhiều bụi hơn và làm trầm trọng thêm hiện tượng khói mù.

Hình 2. Biểu đồ này cho thấy một luồng ô nhiễm bốc lên khí quyển phía trên một hồ chứa. Luồng này bao gồm các clorua và các sunfat. Nhiệt độ bầu ướt có màu xanh lá cây. Màu xanh lam ở bên dưới bầu ướt, cho biết không còn nước (Ảnh st)

Một yếu tố quan trọng khác là tốc độ phun. Phần lớn các máy tạo tuyết hiện nay hoạt động với tốc độ phun rất cao, làm tăng thêm sự mất ổn định của các giọt nước và khiến chúng vỡ thành các hạt bụi nhỏ hơn nhiều. Những giọt nhỏ này bay xa hơn và tạo ra một lượng lớn bụi mịn, góp phần hình thành khói mù.

Hình 3. Một số thiết bị tạo bay hơi trên đất liền Landshark của RWI Enhanced Evaporation có thể triển khai xung quanh hồ tro xỉ để ngăn chặn sự phát tán của các bụi mịn (Ảnh st)

Nhóm nghiên cứu đã nhận dạng tất cả các yếu tố làm tăng tỷ lệ va chạm giữa các giọt nước. Mức năng lượng của tia phun ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng vỡ của giọt nước. Hơn nữa, việc kiểm soát góc phun và quỹ đạo cũng giúp giảm nhiễu loạn không cần thiết. Khi kiểm soát tốt quỹ đạo phun, lượng va chạm giữa các giọt giảm đáng kể, từ đó làm giảm luồng khí ô nhiễm và lượng bụi mịn PM 2,5 phán tán ra môi trường (Hình 3).

Phương pháp tiếp cận thay thế để giảm thiểu khói mù và tro than

Dựa trên các nguyên lý đã nghiên cứu, RWI Enhanced Evaporation đã phát triển một hệ thống giúp đáp ứng hiệu quả hơn các yêu cầu về quy định liên quan đến khói mù khu vực và hồ tro xỉ. Một trong những giải pháp chính là máy bốc hơi quỹ đạo (hoặc súng bốc hơi), một thiết bị bốc hơi phun công nghiệp đưa nước theo đường đạn đạo hoặc cung quỹ đạo phía trên bề mặt đất, mặt nước hoặc các bề mặt rắn khác. Ưu điểm nổi bật của thiết bị này là tốc độ bốc hơi nhanh hơn so với các máy bốc hơi đặt trực tiếp trên hồ tro. Loại thiết bị bốc hơi phun công nghiệp này phù hợp với các khu vực có diện tích lớn, nơi yêu cầu sự linh hoạt trong điều chỉnh quỹ đạo phun để tuân thủ các giới hạn về vận hành.

Hệ thống này đã vận hành liên tục trong 48 tháng mà không cần giám sát tại Glenwood Canyon, bang Colorado, như một phần của thử nghiệm thực địa trong một môi trường khắc nghiệt. Tại đây, hệ thống phải xử lý nước xyanua có độ pH là 3 trong môi trường có độ ẩm cao do tro xỉ và nhiệt độ xuống thấp vào ban đêm. Trước đây, những người vận hành cơ sở đã sử dụng máy tạo tuyết, nhưng giải pháp này đã tạo ra một đám mây bụi độc hại phủ trắng cây cối xung quanh, gây thiệt hại nghiêm trọng cho thảm thực vật. Hệ thống mới này chỉ sử dụng động cơ 20 mã lực thay vì động cơ 160 mã lực như các máy tạo tuyết truyền thống nhưng vẫn đạt hiệu quả cao, giúp hạ mực nước xuống khoảng 6000m³ mỗi năm và ngăn ngừa nguy cơ vỡ đập do sự tích tụ chất lỏng.

Thiết bị Landshark 2.0, một máy bốc hơi công nghiệp trên đất liền có thiết kế dành riêng cho các hồ tro có diện tích lớn hoặc các khu vực không yêu cầu kiểm soát nghiêm ngặt lượng nước phun quá mức. Thiết bị cung cấp tốc độ bốc hơi tăng cao đồng thời sử dụng ít hơn 80% điện năng so với các máy bốc hơi quỹ đạo khác. Đầu phun trung tâm của Landshark 2.0 có thiết kế để trộn hỗn hợp không khí-nước chính xác đồng thời kiểm soát chặt chẽ kích thước giọt và chiều dài quỹ đạo phun, từ đó giảm thiểu tối đa sự phát tán khí ô nhiễm vào khí quyển.

Hình 4. PittBoss nằm trên mặt nước hoặc hồ tro xỉ (Ảnh st)

RWI Enhanced Evaporation cung cấp một số hệ thống khác nhau để xử lý bụi mịn, có thiết kế phù hợp với từng điều kiện chất lượng nước và đặc điểm địa hình cụ thể. Một ví dụ điển hình là thiết bị PittBoss (Hình 4), đây là một bệ phun bay hơi nổi bố trí cách mặt hồ chứa hoặc hồ tro xỉ khoảng 0,6m. Thiết bị này ứng dụng nguyên lý toán học sóng để tạo ra một đợt sóng đạt đỉnh, từ đó sinh ra các giọt nước có kích thước tối ưu cho quá trình bay hơi.

PittBoss nổi trực tiếp trên bề mặt của một hồ chứa hoặc hồ tro xỉ, giúp giảm đáng kể lượng chất lỏng cần phải xử lý và là một giải pháp tiết kiệm chi phí so với phương án vận chuyển bằng xe tải. Trong khi các máy bay hơi trên đất liền dễ bị ngừng hoạt động do gió giật, PittBoss vẫn duy trì hiệu quả bay hơi trong điều kiện tương tự nhờ luồng phun thấp, gần bề mặt hồ tro xỉ. Điều này làm tăng khả năng giọt nước quay trở lại hồ tro xỉ thay vì phát tán ra xung quanh và gây ảnh hưởng đến thảm thực vật.

Khi lắp đặt trong hồ tro xỉ, PittBoss có thể linh hoạt điều chỉnh vị trí để thích ứng với hướng gió, nhằm tối đa hóa tốc độ bốc hơi. (Tốc độ bốc hơi phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết như nhiệt độ môi trường, độ ẩm tương đối, tốc độ gió, v.v.). Thiết bị này giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng từ 25 mã lực xuống còn 2,96 mã lực so với máy tạo tuyết thông thường. Không chỉ tiết kiệm điện năng, PittBoss còn cải thiện tốc độ bốc hơi vì nó sử dụng thiết kế luồng gió thổi xuống. Cơ chế này cho phép làm khô một phần hồ tro xỉ mà vẫn kiểm soát được luồng khí dung khô, yếu tố thường gây ô nhiễm khi sử dụng máy bốc hơi có mã lực lớn. Thiết bị kiểm soát chặt chẽ tốc độ gió, kích thước giọt nước và thời gian bay của giọt. Việc điều tiết chính xác các thông số này giúp giữ lại phần lớn hàm lượng ion trên bề mặt nước, nơi chúng khó bốc hơi hơn, qua đó hạn chế ô nhiễm không khí và đảm bảo hiệu quả bay hơi an toàn, ổn định cho hồ tro xỉ.

Khi than đang dần bị loại bỏ trên khắp Bắc Mỹ, việc xử lý triệt để các sản phẩm thải của những cơ sở sử dụng than trở nên đặc biệt quan trọng. Các nghiên cứu gần đây cho thấy lượng cặn tro than thoát ra từ các hồ tro và hồ chứa cao hơn nhiều so với những ước tính trước đây. Điều này không chỉ đe dọa đến sức khỏe cộng đồng và làm suy giảm nghiêm trọng cảnh quan tự nhiên mà còn tiềm ẩn rủi ro pháp lý lớn đối với cả chủ sở hữu cơ sở nhiệt điện than hiện tại và chủ cũ. Đặc biệt nếu họ bị phát hiện vi phạm các quy định trong CCR và CFR.

Biên dịch: Hồ Văn Minh

Theo “Power mag”, tháng 1/2025