Kinh tế tuần hoàn, xu thế tất yếu để các quốc gia góp phần giải quyết bài toán giữa lợi ích kinh tế và môi trường, hướng đến sự phát triển bền vững trong tương lai, đang làm thay đổi cách nhìn nhận vấn đề nước thải. Có quan điểm cho rằng nước thải không nên được coi là chất thải bởi ngành công nghiệp có thể thu hồi một số tài nguyên quý giá từ nó, chẳng hạn như nước, năng lượng, phân bón, nhiên liệu sinh học, chất tạo màng sinh học và các khoáng chất quan trọng.

Loại hình thu hồi tài nguyên này đã và đang phát triển mạnh, chủ yếu ở các nước có thu nhập cao. Tuy nhiên, sự tham gia của lĩnh vực này trong ngành nhiệt điện đã gặp phải những trở ngại do chất lượng nước thải có tính chất phức tạp. Mặc dù vậy, một số nghiên cứu và nỗ lực phát triển trong những năm gần đây cho thấy nhiều hứa hẹn.

Nước thải của một nhà máy nhiệt điện. Nguồn: PlanetWatch

Tối ưu hóa quy trình khử mặn nước thải của nhà máy nhiệt điện than

Một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Membranes số ra vào tháng 5-2022 bởi các nhà nghiên cứu của Trường Đại học Điện tử ở Hàng Châu, Trung Quốc, đã đánh giá những lợi ích liên quan đến sự mô phỏng và tối ưu hóa hoạt động của quy trình xử lý nước thải nhà máy điện than.

Các nhà máy nhiệt điện than của Trung Quốc chiếm phần lớn sản lượng năng lượng quốc gia và chính quyền nước này đang tìm kiếm các biện pháp xử lý và tái sử dụng nước thải của các nhà máy điện, đặc biệt là ở miền trung và miền tây Trung Quốc, những nơi gần đây đang khan hiếm nước nghiêm trọng. Nước thải của các nhà máy nhiệt điện than nhìn chung ít mang tính độc hại nhưng chất lượng nước lại phức tạp do nhu cầu oxy hóa học và độ pH cao. Trong đó, một phần nước thải chứa các chất hữu cơ, sản sinh từ ​​các quá trình khí hóa, than bùn nước và nước đen từ quá trình khí hóa cuốn theo than bột khô. Nguồn nước thải này chủ yếu chứa phenol, naphthalene, anthracene và thiophene, là những chất hữu cơ chịu lửa có khả năng phân hủy sinh học kém và cần được xử lý sinh hóa.

Tuy nhiên, phần lớn nước thải của nhà máy than là nước mặn, chủ yếu chứa các muối vô cơ, chẳng hạn như Cl -, SO4 2−, Na + và Ca 2+. Phương pháp khử mặn để xử lý nước thải nhiễm mặn tại nhà máy điện than bao gồm công nghệ màng lọc và công nghệ chưng cất nhiệt. Công nghệ thẩm thấu ngược (màng lọc RO) cũng được sử dụng rộng rãi, mặc dù hiệu quả hoạt động của các hệ thống này bị ảnh hưởng rất nhiều bởi “điều kiện cấp nước của nước thải”.

Nghiên cứu của Trường Đại học Điện tử tập trung vào quy trình xử lý màng lọc. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã xây dựng một phương trình mô hình cơ học của quy trình RO dựa trên quá trình khử muối trong nước biển, từ đó phát triển một mô hình hệ thống phù hợp để xử lý nước thải của nhà máy điện than. Phân tích mô phỏng và phân tích tối ưu hóa cũng được thực hiện. Kết quả của nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp tối ưu hóa hứa hẹn làm tăng tỷ lệ thu hồi nước lên tới 20,7% tùy thuộc vào mức tiêu thụ năng lượng, chi phí tối ưu hóa cũng có thể giảm tới 42,6%, từ đó giảm đáng kể chi phí cho các nhà máy điện than.

Thu hồi nguyên tố đất hiếm

Do nhu cầu sử dụng ngày càng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, điện tử và nhiều ứng dụng khác, giá trị của các nguyên tố đất hiếm (REE) không ngừng tăng lên, thúc đẩy các nỗ lực thu hồi chúng từ các nguồn không theo truyền thống như than đá và chất thải than. Tháng 9-2021, Công ty Midwest Energy Emissions (ME2C), một công ty công nghệ và dịch vụ môi trường của Mỹ, thông báo họ đã hoàn thành vòng thử nghiệm ban đầu nhằm đánh giá khả năng thu hồi và tái tạo các nguyên tố đất hiếm của công nghệ REE hiện đang được công ty phát triển. ME2C được biết đến nhiều nhất với hệ thống phụ gia tăng cường hấp thụ (SEA), được sử dụng rộng rãi trong ngành điện than để thu gom chất thải thủy ngân. Công nghệ REE của ME2C bao gồm một công nghệ chất hấp thụ dựa trên sự hấp thụ hóa học, tập trung vào sự ngâm chiết axit như một phương pháp thu gom.

Theo các chuyên gia của ME2C, “Công nghệ mà chúng tôi đang phát triển, nếu thành công, sẽ tách các nguyên tố đất hiếm ra khỏi dung dịch axit một cách hiệu quả trong khi vẫn duy trì độ tinh khiết cao của chúng đồng thời giảm đáng kể nhu cầu về axit ăn mòn. Hạn chế axit trong quá trình ngâm chiết/chiết xuất là giải pháp có lợi cho môi trường khi xử lý các nguyên tố đất hiếm, cho phép thực hiện quy trình này ở trong nước (Mỹ) thay vì phải thuê ngoài ở Trung Quốc và các nước khác”. Công nghệ mới này cũng sẽ thu gom các chất gây ô nhiễm và các khoáng chất khác từ các ao chứa tro than và nước thải.

Hiện công nghệ REE đang trong giai đoạn phát triển cuối cùng, áp dụng các vật liệu thế giới thực, dòng thải axit mỏ (bùn AMD) và tro bay. Các kế hoạch đang được xúc tiến nhằm tiến hành thử nghiệm toàn diện tro bay với một nhà máy nhiệt điện than. Thực tế, ngày càng có nhiều công ty điện quan tâm tìm kiếm nguồn doanh thu tiềm năng từ các ao tro than của họ. Nếu thành công, công nghệ REE sẽ cho phép dễ dàng thu hồi các nguyên tố đất hiếm từ tro than và bùn AMD, từ đó giúp các công ty điện cắt giảm chi phí làm sạch chất thải than.

Chiết xuất các nguyên tố đất hiếm từ tro bay và nước thải của các nhà máy điện cũng đang được khảo sát tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos thuộc Bộ Năng lượng Mỹ. Phòng thí nghiệm này đã nghiên cứu một quy trình thủy nhiệt sử dụng tro than và bùn nước thải lấy từ một nhà máy điện gần Detroit, bang Michigan. Một dự án khác của Bộ Năng lượng Mỹ do Công ty Wyonics (ở bang Wyoming) và Đại học Wyoming đứng đầu đã chứng minh thành công việc chiết xuất các nguyên tố đất hiếm từ than và tro bay thông qua việc xử lý than trực tiếp bằng các chất lỏng ion được thiết kế thông minh theo nhiệm vụ cụ thể. Chất lỏng ion được chọn cho các quy trình này có khả năng hòa tan tuyệt vời, tính không bay hơi, độc tính thấp, khả năng tái chế đã được chứng minh và tính sẵn có ở quy mô lớn. Các nghiên cứu sơ bộ cho thấy quy trình này có thể áp dụng cho nhiều nguồn than và tro từ các mỏ khác nhau của Mỹ.

Thu hồi nhiệt nước thải

Trong một dự án đáng chú ý khác, các nhà nghiên cứu của Viện Công nghệ bền vững (AEE INTEC) ở Gleisdorf, Áo, đã tiến hành đánh giá tính kinh tế của việc xây dựng một nhà máy nhiệt và điện kết hợp khí sinh học liền kề một nhà máy xử lý nước thải ở bang Styria của Áo, kết hợp với việc triển khai các máy bơm nhiệt nước thải để cung cấp năng lượng nhiệt cho toàn cơ sở, cũng như chuyển nhiệt dư đến một mạng lưới sưởi ấm địa phương.

Cơ sở này, giống như hầu hết các nhà máy xử lý nước thải lớn ở Áo, sản xuất khí sinh học thông qua quá trình phân hủy kỵ khí nhưng đồng thời cũng làm thất thoát 11% sản lượng khí sinh học. Do cơ sở này không kết nối với lưới khí đốt tự nhiên, một nhà máy nhiệt và điện kết hợp khí sinh học được giả định thay thế lò hơi khí sinh học hiện có để tạo cho cơ sở này khả năng tự cung cấp điện và nhiệt. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc tích hợp các máy bơm nhiệt sử dụng nước thải (nhiệt độ trong khoảng từ 60⁰C đến 75⁰C) sử dụng phương pháp nước nối tiếp cho phép cơ sở tận dụng nhiệt độ dòng chảy thấp hơn đồng thời cung cấp nhiệt cho mạng lưới sưởi ấm địa phương.

Nuôi tảo làm thức ăn chăn nuôi, nhiên liệu sinh học

Công ty Nước, Ánh sáng và Điện ở Springfield, bang Illinois, Mỹ đã bắt tay vào một dự án sử dụng carbon dioxide từ nhà máy nhiệt điện đốt than Dallman 4 công suất 200 MW và chất dinh dưỡng từ một nhà máy xử lý nước thải địa phương để nuôi tảo làm thức ăn cho gia súc. Dự án quy mô kỹ thuật 2,5 triệu đô la này được công bố vào tháng 12-2021, dự kiến sẽ kéo dài ba năm.

Hình ảnh trên không của một hệ thống nuôi trồng tảo của Global Algae Innovations – đối tác cung cấp hệ thống sản xuất sinh khối tảo cho dự án kết hợp carbon dioxide từ nhà máy nhiệt điện than với chất dinh dưỡng từ nhà máy xử lý nước thải để nuôi tảo làm thức ăn chăn nuôi ở Springfield, bang Illinois, Mỹ. Nguồn: Agri News.

So với các loại cây trồng thức ăn trên cạn truyền thống thì tảo phát triển nhanh hơn. Nuôi trồng tảo bằng nước thải của nhà máy nhiệt điệt có thể giúp tiết kiệm được nguồn nước sạch hiếm có trong tự nhiên, đồng thời là một giải pháp thay thế hấp dẫn để hấp thụ CO₂ từ các nhà máy nhiệt điện do đòi hỏi ít diện tích đất hơn, giảm đáng kể lượng khí CO₂ thải ra ngoài không khí, hạn chế tác động hiệu ứng nhà kính và góp phần làm sạch môi trường.

Dự án Dallman 4 sử dụng loài tảo Spirulina – đã được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ phê duyệt để sử dụng làm nguyên liệu thực phẩm và có hàm lượng protein cao, tức là sẽ có giá cao hơn.

Trong công nghệ nuôi tảo thương mại hiện nay, các nhà quản lý phải mua CO₂ lỏng và các loại phân bón thương mại khác nhau để cung cấp chất dinh dưỡng cho tảo. Sử dụng nước thải là giải pháp tiết kiệm chi phí trong quá trình sản xuất, giúp giải quyết các vấn đề mà các nhà máy xử lý nước thải gặp phải khi nỗ lực giảm thiểu lượng chất dinh dưỡng thải ra môi trường.

Mặc dù dự án Dallman 4 không chỉ sử dụng nước thải của nhà máy điện nhưng nó cho thấy hướng đi tiềm năng của các nhà máy điện. Dù còn nhiều thách thức để triển khai trên quy mô thương mại nhưng việc nuôi trồng tảo bằng nước thải của nhà máy điện đã chứng tỏ nhiều lợi ích tiềm năng, trong đó có triển vọng cung cấp nguồn sinh khối và sử dụng carbon dioxide mới.

Từ năm 2018, các nhà nghiên cứu của Đại học Shiraz, Iran đã chỉ ra rằng có thể dùng vi tảo để để khử sunfat cho nước thải và sản xuất dầu diesel sinh học vi tảo. Kết quả của nghiên cứu này cho thấy tảo Oocystis sp. có tỷ lệ hấp thụ sunfat cao hơn còn tảo Chlorella tạo ra nhiều sinh khối hơn.

Khai thác “vàng trắng” lithium từ muối nước địa nhiệt

Cho đến nay, các lĩnh vực còn chưa được khai thác nhiều từ nước thải nhà máy nhiệt điện bao gồm thu hồi nước ngọt, khoáng chất và năng lượng từ muối nước địa nhiệt. Ngày càng có sự quan tâm đối với việc chiết xuất lithium - thành phần chính của pin mật độ năng lượng cao - từ nước muối địa nhiệt giàu lithium.

Theo tổng quan toàn diện về các công nghệ chiết xuất lithium trực tiếp mà Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley của Mỹ công bố vào cuối năm 2021, phương pháp tiếp cận công nghệ tiên tiến nhất bao gồm việc hấp phụ lithium bằng chất hấp thụ vô cơ. Các quá trình phân tách khác bao gồm chiết xuất sử dụng dung môi, hấp phụ nhựa hữu cơ và vật liệu polyme, kết tủa hóa học và các quá trình phụ thuộc màng lọc. Các nghiên cứu ban đầu đã chứng minh rằng việc khai thác và thu hồi lithium từ muối nước địa nhiệt là khả thi về mặt kỹ thuật. Tuy nhiên, để phát triển một quy trình bền vững về kinh tế và môi trường ở quy mô lớn thì vẫn còn nhiều những thách thức. /.