Tất tần tật về các phương pháp xử lý khí thải

Bài viết giải quyết tất cả các vướng mắc khi thiết kế hệ thống xử lý khí thải như lựa chọn phương pháp nào để xử lý, dung dịch hấp thụ nào được sử dụng

Bạn chưa biết gì về xử lý khí thải, bạn chưa biết chọn lựa phương pháp xử lý nào là tốt nhất cho loại khí thải nào, dung dịch hấp thụ sử dụng là gì? khi nào dùng tháp than hoạt tính? vân vân và mây mây....

Tất cả câu trả lời sẽ có trong bài viết này, chỉ cần bạn đọc đến cuối cùng bạn sẽ trở thành chuyên gia, hoặc bạn cũng có thể tự xây dựng được một hệ thống xử lý khí thải

Trong Xử lý khí thải, việc am hiểu về các phương pháp xử lý, nguyên lý cơ bản của các phương pháp này đóng vai trò quan trọng trong và quyết định tính hiệu quả của toàn bộ hệ thống khi đi vào hoạt động.

Khi lựa chọn sai phương pháp xử lý khí thải thường dẫn đến tổn thất về mặt chi phí đầu tư ban đầu, tốn kém trong quá trình vận hành.

Sau đây là các phương pháp và thiết bị chính được sử dụng trong xử lý khí thải.

1. Xử lý khí thải sử dụng các thiết bị cơ học:

Các phương pháp xử lý cơ học hay được sử dụng như: Cyclon, lọc bụi tĩnh điện, lọc bụi túi vải,...

Thiết bị Cyclon

Nguyên lý hoạt động của cyclone

cyclone xử lý bụi
cyclon xử lý khí thải

Là thiết bị được sử dụng để xử lý sơ bộ nhằm loại bỏ phần lớn bụi có kích thước lớn trong hệ thống xử lý khí thải.

Dòng khí thải được đưa vào thiết bị tách bụi Cyclon theo phương tiếp tuyến do đó dòng khí sẽ xoáy đều trong thân của Cyclon theo hướng xuống đáy (có bố trí ống thoát khí). Các hạt bụi có kích thước lớn sẽ lắng đọng và rơi xuống đáy của Cyclon, khí sạch thoát ra ngoài.

Do có hình dáng đa dạng (dạng que, cầu, sợi, dạng hình chữ v... ) của các hạt bụi công nghiệp; do đó xét với khối lượng như nhau các hạt bụi hình cầu sẽ lắng nhanh hơn các hình dạng khác, do sức cản của không khí sẽ nhỏ hơn.

Dưới đáy của Cyclon bố trí các cửa xả bụi, việc xả bụi phải diễn ra định kỳ, tần xuất phụ thuộc vào hàm lượng bụi trong khí thải. 

Phía sau Cyclon là hệ thống xử lý khí thải chính.

Chắc chắn bạn chưa biết cách tính toán Cyclon >>> Hãy tìm hiểu tại bài viết Tính toán Cyclon

Lọc bụi túi vải

Nguyên lý lọc bụi túi vải

Nguyên lý hoạt động: cho dòng khí thải đi qua các túi vải lọc, các hạt bụi có kích thước lớn sẽ được giữ lại trước tiên tại các khe giữa các sợi vải lọc, dần dần tĩnh tụ lại làm thu nhỏ lỗ của lớp vải lọc, dẫn đến tăng hiệu suất thu bụi của túi lọc bụi.

Túi lọc bụi thường có hình tròn đường kính D=125~250 mm hay lớn hơn và có chiều dài 1,5 có khi đến 2m hoặc được may thành hình hộp chữ nhật có chiều rộng 20 - 60mm chiều dài 0,6 - 2m. Một thiết bị lọc bụi túi vải có thể có hàng chục tới hàng trăm túi lọc bụi.

Hiệu quả của phương pháp lọc bụi túi vải có thể đạt tới 99 - 99,8% và tách được cả các hạt có kích thước rất nhỏ. Đến một thời điểm nhất định (tùy thuộc vào nồng độ bụi trong khí thải), bụi bám tại mặt trong của các túi lọc bụi sẽ đủ dày dẫn đến lượng khí thoát ra khỏi túi lọc bụi rất nhỏ, khi đó ta tiến hành vệ sinh các túi lọc bụi

Công việc này thường xuyên phải được diễn ra để đảm bảo hiệu quả của túi lọc bụi và không bị bí khí trong toàn bộ hệ thống thu khí.

Phương pháp Lọc bụi tĩnh điện

Nguyên lý của lọc bụi tĩnh điện

Khi dòng khí thải đi qua điện trường 1 chiều đủ mạnh, các chất khí bị ion hóa bám vào bề mặt hạt bụi gây ra hiện tượng nhiễm điện trên bề mặt hạt bụi. cùng với tác dụng của lực điện trường, cực dương sẽ hút các hạt tích điện âm và ngược lại. Sự va đập giữa điện cực và các hạt bụi, làm cho các hạt bụi trung hoà điện và rơi xuống phía dưới đáy thu bụi. Thường duy trì điện trường từ 11 KV đến 80KV tuỳ theo từng loại thiết bị. Trong điện trường, sẽ mất tối đa 1 giây để hạt bụi đường kính 0,1mm tích điện. Vì thế tùy theo từng thiết bị mà thời gian dòng khí đi qua là từ 2 – 8 giây.

Thiết bị lọc bụi tĩnh điện là một trong các loại thiết bị lọc bụi có hiệu suất rất cao có khi đạt tới 99,8 % mặc dù nồng độ khí thải vào đạt 7 g/cm3. Là cấp lọc tinh cuối cùng sau khi dòng khí thải đã đi qua thiết bị lắng và Cyclon. Thiết bị lọc bụi tĩnh điện có khả năng lọc tách bụi mà vẫn giữ nguyên được nhiệt độ của dòng khí thải, dẫn đến có thể được sử dụng trong các hệ thống tận thu nhiệt thừa. Với mức tiêu hao điện năng thấp 0,2 KW / 1000m3/h vì trở lực thấp trong thiết bị thấp (10 – 20 kg/m2). Tuy vậy, cần kiểm soát chặt chẽ các khí thải như CO, bụi than… để không bị kích nổ khi dòng khí bị ion hóa sinh ra tia lửa điện.

2. Xử lý khí thải bằng phương pháp sử dụng tháp hấp phụ

Chắc hẳn rất nhiều người đã từng nghe đến khái niệm hấp phụ các khí độc bằng các chất như than hoạt tính. Điển hình hay sử dụng và nghe thấy là khẩu trang than hoạt tính

Than hoạt tính ở đây đóng vai trò là các vật liệu hấp phụ, các chất khí là chất bị hấp phụ.

Vậy lý do vì sao than hoạt tính lại có khả năng hấp phụ khí thải?

Câu trả lời là: than hoạt tính và các vật liệu có cấu trúc xốp thường chứa rất nhiều các lỗ li ti có kích thước vô cùng bé, có khả năng giữ lại các phân tử chất ô nhiễm bằng các liên kết vật lý hoặc hóa học 

Sau một thời gian, chất hấp phụ bị no - hay bão hòa, tức là nó không thể hấp phụ thêm các chất ô nhiễm nữa, người ta thường hay đổ bỏ cùng rác thải hoặc hoàn nguyên lại chất hấp phụ. Khí độc bay ra từ quá trình hoàn nguyên thường có nồng độ rất cao nên người ta hay sử dụng phương pháp đốt để khử khí độc trước khi thải hay đưa qua các công đoạn tái chế khác.

Có hai quá trình hấp phụ cơ bản là hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý.

Hấp phụ vật lý là quá trình bắt giữ các chất ô nhiễm trong các lỗ nhỏ trên bề mặt của vật liệu hấp phụ và không có phản ứng hóa học xảy ra giữa các chất ô nhiễm và thành phần của chất hấp phụ. Hấp phụ vật lý thường mang tính chất thuận - nghịch.

Hấp phụ hóa học ngược lại có phản ứng hóa học xảy ra, do đó hấp phụ hóa học thường mang tính chất một chiều

a.    Hấp phụ bằng than hoạt tính:

Than hoạt tính là một chất hấp thụ thông dụng nhất trong các hệ thống xử lý khí thải

Tháp than hoạt tính thường được thiết kế bằng thép CT3 hoặc bằng nhựa, có các cửa thăm thao tác đủ rộng để thay thế và lắp đặt lớp than hoạt tính trong tháp.

Than hoạt tính sử dụng trong tháp thường là than hoạt tính có kích thước trung bình (5-20mm) nhằm tránh trường hợp bị tắc lớp than.

Than được đổ trong các túi lưới chứa than trước khi cho vào trong tháp nhằm thuận lợi cho việc thay thế than sau này.

b. Hấp phụ bằng các vật liệu rắn có khả năng tác dụng hóa học với khí thải.

Các vật liệu hấp phụ thường thấy như: Silica gel, Zeolite.

Phương pháp này thường chỉ được áp dụng khi xử lý khí thải có duy nhất một thành phần ô nhiễm nhất định, hoặc được sử dụng trong phương pháp thu hồi khí thải, làm khô khí (vd. oxy, khí thiên nhiên) và hấp phụ các hydrocarbon nặng (phân cực) từ khí gas thiên nhiên

Trong lĩnh vực xử lý khí thải thông dụng, chưa có ứng dụng rộng rãi phương pháp xử lý này.

3. Xử lý khí thải bằng phương pháp hấp thụ

Còn với phương pháp xử lý khí thải bằng phương pháp hấp thụ thì sao?

Bạn đã từ nghe qua tháp dập dùng sữa vôi, tháp dập khí bằng xút... Đó chính là các hệ thống xử lý khí thải bằng phương pháp hấp thụ.

Theo Wikipedia: Hấp thụ là hiện tượng vật lý hay hóa học mà ở đó các phân tử, nguyên tử hay các ion bị hút khuếch tán và đi qua mặt phân cách vào trong toàn bộ vật lỏng hoặc rắn. Khác với quá trình hấp phụ các phân tử chỉ bám trên bề mặt phân cách pha.

Dung dịch hấp thụ thường sử dụng trong xử lý khí thải là dung dịch có pH cao như: dung dịch NaOH, dung dịch Ca(OH)2 hay là sữa vôi.

Mỗi dung dịch hấp thụ sẽ có một ưu điểm và nhược điểm khác nhau,

  • Với dung dịch hấp thụ là NaOH, do các muối của Na đều tan, do đó toàn bộ các chất ô nhiễm trong dòng khí thải được hòa tan vào trong dung dịch hấp thụ và rất khó tách ra, do đó trong hệ thống xử lý khí thải dùng dung dịch hấp thụ là NaOH thì phải định kỳ thường xuyên thuê đơn vị vận chuyển thu gom dung dịch này đem thải bỏ. Hoặc được xử lý trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp cùng tính chất.
  • Với dung dịch là sữa vôi chứa Ca(OH)2 do khi tác dụng với các chất ô nhiễm các chất kết tủa được hình thành, do đó hệ thống đường ống, tháp xử lý khí thải thường bị tắc do cặn muối canxi nếu không được tính toán thiết kế một cách hợp lý.
Tháp xử lý khí thải lò nấu nhôm
Hệ thống xử lý khí thải lò nấu nhôm

Có 2 kiểu hấp thụ cơ bản:

  • Hấp thụ vật lý là quá trình hấp thụ không xảy ra tương tác hóa học, do không xảy ra tương tác hóa học nên hấp thụ vật lý là quá trình thuận nghịch. Tức là tồn tại quá trình nhả hấp thụ trong điều kiện đặc biệt.
  • Hấp thụ hóa học là quá trình hấp thụ có xảy ra phản ứng hóa học tức là các cấu tử chất khí tác dụng hóa học với các chất trong dung dịch hấp thụ. Do đó hấp thụ hóa học thường bền và không thuận ngịch thường được áp dụng trong quá trình xử lý khí thải.

Cơ chế của quá trình hấp thụ

  • Bước 1. Xảy ra quá trình khuếch tán các phân tử khí ô nhiễm đến bề mặt dung dịch hấp thụ.
  • Bước 2. Tiếp đến, các phân tử khí thâm nhập và hòa tan vào bề mặt dung dịch hấp thụ.
  • Bước 3. Các phân tử khí thâm nhập vào sâu trong lòng chất hấp thụ

Yếu tố chính tạo nên hiệu quả của tháp hấp thụ là tăng được tỷ lệ tiếp xúc giữa dung dịch hấp thụ và dòng khí thải, để tăng được yếu tố này cần lưu ý 2 điểm sau:

  • Phân phối đều dung dịch hấp phụ ra toàn bộ không gian tháp bằng cách bép phun. Hệ thống tháp hấp thụ có thể có 2 bộ giàn phun dung dịch hấp thụ tương ứng với 2 tầng đệm hoặc nhiều hơn, tùy thuộc vào tính toán và thiết kế của người thiết kế.
  • Sử dụng các vật liệu đệm tiếp xúc, các vật liệu tiếp xúc rất đa dạng từ các vật liệu tự nhiên như đá, sỏi, gỗ đến các vật liệu nhân tạo như  pall ring bằng nhựa, vòng đệm sứ, đến các đệm vi sinh bằng nhựa...

Lưu ý đối với hệ thống xử lý khí thải loại hấp thụ:

a.    Đối với các khí thải nóng (có nhiệt độ cao):

Do các khí này có nhiệt độ cao là điều kiện để tăng cường các phản ứng hóa học ăn mòn giữa các axit tạo ra khi các chất ô nhiễm: NOx, SOx, COx... tác dụng với nước do đó tháp hấp thụ cần phải được bảo vệ bằng các vật liệu tránh ăn mòn và chịu được nhiệt độ cao như các loại Gạch chịu nhiệt, các loại đệm hấp thụ phải được làm bằng các vật liệu chịu nhiệt, khuyến cáo nên sử dụng đệm sứ với bề mặt riêng lớn hơn.

Để giảm bót nhiệt độ của dòng khí thải khi thải ra môi trường, hệ thống dung dịch hấp thụ sau khi đi qua tháp xử lý phải được đưa qua hệ thống tháp giải nhiệt để giảm bớt nhiệt độ.

Các chất hấp thụ được bổ sung bằng bơm định lượng qua quá trình điều khiển bằng thiết bị đo pH online.

>>> Xử lý khí thải lò nấu nhôm là một trong những bài viết ứng dụng đầy đủ các quy trình xử lý khí thải bằng phương pháp hấp thụ

b.    Đối với các khí thải có nhiệt độ thấp (khí nguội).

Các khí thải loại này có thể bao gồm: khí thải phát thải từ các bể axit, hoặc bể tẩy bề mặt kim loại, bể mạ, khí thải của các quá trình đốt cháy do gia nhiệt thấp như khí thải trong quá trình đúc hạt nhựa, khí thải cắt các bao bì… 

Với đặc trưng các khí thải này khả năng ăn mòn cao hoặc độc tính lớn do đó là vật liệu được ưu tiên chọn làm hệ thống xử lý khí thải là nhựa PP hoặc Composite.

Hệ thống khí thải loại này thì điều quan trọng nhất là tính toán được lưu lượng quạt hút, đường ống thu khí và kích thước tháp xử lý. Mặc dù không gây ra các hậu quả ngay lập tức như các khí thải có nhiệt độ cao, nhưng về lâu dài thì hậu quả của việc không thu gom khí thải loại này sẽ nghiêm trọng hơn

>>> Xem thêm hệ thống xử lý khí thải hơi axit

Dung dịch hấp thụ thường sử dụng là gì?

Có thể sử dụng các loại dung dịch sau: 

  • Nước: Đối với quá trình xử lý khí thải mang mục đích chính là xử lý bụi
  • Các dung dịch kiềm: như NaOH, Ca(OH)2, sữa vôi... Đối với các chất dung môi hữu cơ

4. Kết hợp cả hấp thụ và hấp phụ

Để đảm bảo triệt để và hiệu suất xử lý đạt tối đa, nhiều dự án vẫn hay kết hợp cả hai phương pháp hấp thụ và hấp phụ trong xử lý khí thải.

Tuy nhiên sự kết hợp này thường chỉ xảy ra khi xử lý các chất khó xử lý như các chất hữu cơ mạch vòng, hoặc các dung mối hữu cơ, vì chi phí đầu tư ban đầu thường cao.

5. Xử lý khí thải bằng công nghệ sinh học Biofilter

Phương pháp xử lý khí thải bằng công nghệ Biofilter là một phương pháp tương đối mới và gần đây mới được áp dụng tại Việt Nam, tuy nhiên phương pháp này lại có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp xử lý khí thải sinh học khác.

Xử lý khí thải bằng công nghệ Biofilter thường được áp dụng trong các trang trại chăn nuôi heo để xử lý mùi của chuồng trại, Hệ thống kiểu này đã được áp dụng rất thành công tại trang trại nuôi lợn Cổ Đông - Sơn Tây, xử lý mùi của nhà tập kết rác, xử lý mùi cho các hệ thống xử lý nước thải.

Ưu điểm:

Phương pháp này là tốn rất ít chi phí vận hành, và không phải thay vật liệu lọc thường xuyên.

Thiết bị sinh học xử lý khí thải có 3 loại chính: Biofilter, Biotrickling Filter hoặc Bioscrubber.

Trong tháp sinh học Biofilter có bố trí các lớp giá thể tự nhiên để tăng mật độ vi sinh vật, đồng thời tăng tỷ lệ tiếp xúc giữa khí thải và hệ vi sinh vật trong tháp. Dòng khí thải trước khi đi qua lớp giá thể vi sinh được cấp ẩm.

Thời gian lưu khí thải để đảm bảo hiệu suất xử lý trong lớp giá thể vi sinh giao động trong khoảng từ 3 đến 30 giây.

Hệ thống tháp xử lý thường có 2 dạng: hình trụ (giống tháp đệm hấp thụ) và dạng Container hình hộp chữ nhật.

6. Ứng dụng các phương pháp trong hệ thống xử lý khí thải

Trong hệ thống xử lý khí thải thường bao gồm các bộ phận sau:

1. Hệ thống được ống thu gom khí:

Là nhóm các bộ phận quan trọng bậc nhất trong hệ thống xử lý khí thải, có nhiệm vụ thu gom toàn bộ lượng khí phát sinh từ các điểm phát thải. Việc tính toán kích thước và vị trí đặt các chụp hút khí thải cực kỳ quan trọng. Chụp hút khí thải được bố trí tại vị trí sao cho không ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất và phải được tính toán để hiệu quả thu gom là cao nhất.
Hệ thống đường ống được thiết kế đường đi ngắn nhất, ít trở lực nhất bằng cách thay các cút 90 độ bằng việc sử dụng các check.

2. Hệ thống quạt hút

  • Việc chọn lựa thông số quạt hút khí thải phụ thuộc vào hai yếu tố: phương pháp xử lý và lưu lượng xử lý. Với mỗi một phương pháp xử lý thì cột áp yêu cầu của quạt hút khí sẽ khác nhau ví dụ so sánh giữa phương pháp sử dụng hấp phụ than hoạt tính và phương pháp hấp thụ sử dụng đệm sứ thì cột áp của tháp hấp phụ phải lớn hơn cột áp của tháp hấp thụ, do độ rỗng xốp của khối than hoạt tính nhỏ hơn độ rỗng xốp của khối đệm sứ.
  •  Vị trí đặt quạt thu khí:
    Với các khí thải có nhiệt độ cao và độ ăn mòn lớn, quạt hút khí thải nhất quyết phải đặt sau tháp xử lý để tăng độ bền của quạt tránh bị ăn mòn và phá hủy bởi nhiệt độ.
    Với các khí thải có nhiệt độ thấp và không ăn mòn như trong hệ thống xử lý khí thải hơi dung môi pha sơn, hệ thống xử lý khí thải buồng phun sơn... thì hệ thống quạt hút có thể đặt trước hoặc sau tháp xử lý khí thải.

3. Tháp xử lý khí thải

Tùy từng ngành nghề sản xuất mà sử dụng loại tháp xử lý khí thải riêng hoặc kết hợp các phương pháp xử lý ví dụ:

Các ngành nghề phát sinh khí thải có lẫn cả bụi và các chất ô nhiễm như SOx, COx... như hệ thống xử lý khí thải nung gạch và các đồ gốm sứ, hệ thống xử lý khí thải lò nấu nhôm... thì phải kết hợp sử dụng Xyclone (trường hợp khí nóng) hoặc túi lọc bụi (trong trường hợp khí lạnh) với các tháp hấp thụ khí thải sử dụng đệm hấp thụ và chọn lựa các dung dịch hấp thụ phù hợp.
Các ngành nghề phát sinh các dung môi độc hại thì có thể kết hợp giữa tháp hấp thụ khí thải và tháp hấp phụ than hoạt tính

Với các ngành chỉ phát sinh bụi là chủ yếu như các ngành sản xuất xi măng... thì chỉ sử dụng hệ thống túi lọc bụi hoặc thiết bị lọc bụi tĩnh điện.

4. Hệ thống ống khói.

Ống khói thoát khí thải được bố trí sau cùng trong hệ thống xử lý khí thải với mục đích: hướng dòng khí lên cao và là nơi bố trí các điểm lấy mẫu khí thải phục vụ công tác giám sát môi trường định kỳ.

Dịch vụ xử lý khí thải CCEP

Công ty Môi trường CCEP cung cấp dịch vụ xử lý khí thải, bảo trì bảo dưỡng hệ thống xử lý khí thải, đảm bảo quá trình hoạt động của hệ thống

Nguồn: CCEP
Chuyên mục: Xử lý khí thải