Tro xỉ từ quá trình đốt than trong các nhà máy nhiệt điện từ lâu đã được coi là vấn đề nan giải về môi trường. Tại Việt Nam, tốc độ tăng trưởng kinh tế và nhu cầu năng lượng ngày càng cao dẫn đến lượng tro xỉ thải ra ngày càng tăng. Biến tro xỉ từ gánh nặng trở thành nguồn tài nguyên đã được nhiều nhà nghiên cứu tập trung giải quyết, mở ra nhiều hướng đi mới.

Theo Cơ quan Bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (Environmental Protection Agency - EPA), tro xỉ chủ yếu được tạo ra khi đốt cháy than để sản xuất điện. Trong quá trình này, một lượng chất vô cơ không cháy và một số than chưa cháy hết bị dính vón thành các hạt lớn rơi xuống đáy lò, gọi là xỉ than hay tro đáy (bottom ash - BA). Khi tro đáy nóng chảy và được làm nguội bằng nước sẽ chuyển thành dạng viên, gọi là xỉ lò hơi. Một số chất vô cơ không cháy còn lại sẽ theo khói lò thoát ra ngoài thành tro bay (fly ash - FA). Các vật liệu còn sót lại từ quá trình giảm khí thải SO₂ (sulfur dioxide) từ lò hơi đốt than như CaSO₃ (calci sunfit), CaSO₄ (calci sunfat) hoặc vật liệu dạng thạch cao được thải ra lẫn lộn cùng với tro bay. Thông thường tro bay chiếm khoảng 80-90% tổng lượng tro xỉ nhiệt điện, số còn lại 10-20% là tro đáy và xỉ lò hơi.

Các loại tro (a) Tro bay; (b) Tro đáy; (c) Xỉ lò hơi (Nguồn: energyeducation)

Tro xỉ từ nhiệt điện chứa nhiều kim loại nặng nguy hiểm như chì, asen, thủy ngân, cadmium và urani. Khi thải ra môi trường, chúng có thể gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng: đối với sức khỏe con người có thể dẫn đến các bệnh lý nguy hiểm về đường hô hấp, tim mạch và ung thư; đối với môi trường, chúng gây ô nhiễm nguồn nước, đất và không khí.

Ở Việt Nam, nhiệt điện than là một trong những ngành công nghiệp tạo ra lượng chất thải rắn khá lớn. Theo thiết kế, để sản xuất 1 kWh điện cần sử dụng khoảng 0,5 kg than cám và phát thải khoảng 0,18 kg tro bay than (coal fly ash - CFA). Tuy nhiên, lượng CFA thực tế có thể cao hơn, tùy thuộc vào công suất nhà máy, chất lượng than đầu vào và điều kiện vận hành. Hiện nay, cả nước có 31 nhà máy nhiệt điện than đang vận hành, trong đó có 10 nhà máy sử dụng công nghệ đốt tầng sôi tuần hoàn (circulating fluidized bed- CFB) và 21 nhà máy sử dụng công nghệ đốt than phun (pulverised combustion – PC). Tổng lượng CFA phát thải theo công suất thiết kế có thể lên đến 23,73 triệu tấn mỗi năm.

Để giảm thiểu tác động môi trường, Nhà nước đã ban hành nhiều tiêu chuẩn và hướng dẫn kỹ thuật về việc sử dụng CFA làm vật liệu san lấp, nền đường ô tô và trong một số công trình xây dựng. Nhờ đó, tỷ lệ xử lý và tái chế CFA đã tăng đáng kể. Tính đến cuối năm 2023, tổng lượng CFA tiêu thụ lũy kế qua các năm tại Việt Nam đạt khoảng 83 triệu tấn, chiếm 66,2% tổng lượng phát thải cho đến nay. Tuy nhiên, một lượng lớn (khoảng trên 48 triệu tấn) tro xỉ vẫn đang được lưu trữ tại các bãi chứa, gây áp lực lên quỹ đất và tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường nghiêm trọng (trong đó, ở miền Bắc có hơn 30 triệu tấn, miền Trung khoảng 14 triệu tấn và miền Nam khoảng 4 triệu tấn).

Để quản lý hiệu quả lượng chất thải phát sinh và nâng cao giá trị của CFA, cần đẩy mạnh các giải pháp sử dụng tro bay có hàm lượng cao làm phụ gia khoáng trong sản xuất xi măng, vữa, bê tông, cũng như ứng dụng trong các sản phẩm xử lý môi trường. Việc này không chỉ góp phần giảm áp lực lên bãi chứa và hạn chế tác động tiêu cực đến môi trường, mà còn thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn, hướng tới phát triển bền vững và thân thiện với hệ sinh thái.

Trong những năm gần đây, các nhà khoa học trong nước đã có nhiều nghiên cứu nhằm khai thác giá trị của tro xỉ nhiệt điện trong nhiều lĩnh vực khác nhau, mở ra cơ hội mới cho việc tái sử dụng nguồn tài nguyên này một cách hiệu quả hơn. 

Xây dựng

Bên cạnh việc tận dụng tro, xỉ nhiệt điện làm vật liệu san lấp cho các công trình dân dụng, công nghiệp hay móng và nền đường, tro bay còn được ứng dụng rộng rãi để sản xuất xi măng, bê tông và gạch không nung nhờ những đặc tính có lợi của nó.  

Theo “Nghiên cứu chế tạo bê tông hàm lượng tro bay cao dùng cho mục đích kết cấu các công trình xây dựng” do TS. Lê Văn Quang (Phân viện Vật liệu xây dựng miền Nam) làm chủ nhiệm đề tài (Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM nghiệm thu cuối năm 2022), tro bay nhiệt điện than tại Việt Nam có đặc điểm rất khác biệt, tùy theo công nghệ đốt và nguồn than sử dụng. Khi tro bay được nghiền thành bột ở dạng hạt hình cầu và pha thủy tinh sẽ giảm nhu cầu nước trong hỗn hợp, hạn chế hiện tượng tách nước và giảm hàm lượng khí, đồng thời cải thiện cường độ nén và kéo cực đại của hỗn hợp bê tông. Đáng chú ý, việc sử dụng tro bay làm vật liệu bổ sung có thể thay thế một phần clinker trong xi măng Portland, giúp giảm đáng kể lượng khí thải carbon trực tiếp từ ngành công nghiệp xi măng, góp phần bảo vệ môi trường.

Cùng hướng tới phát triển bền vững, TS. Tăng Văn Lâm và các nhà khoa học tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã phát triển vật liệu xây dựng từ phế thải công nghiệp kết hợp với dung dịch hoạt hóa đặc biệt chứa thành phần Na₂SiO₃, NaOH, Ca(OH)₂,... có khả năng phản ứng với khí thải CO₂ để tạo thành hợp chất kết tủa dạng keo và sản phẩm dạng đá, ít tan (CaCO₃). Kết quả, trong mỗi mét khối mẫu bê tông, tái sử dụng được khoảng 1,5-1,8 tấn chất thải công nghiệp (gồm tro bay nhiệt điện, tro bay điện rác, xỉ luyện kim, bột gốm sứ, bùn thải khai thác khoáng sản, hạt kính phế thải, hạt xỉ than tổ ong sau khi sử dụng,…), tiết kiệm các nguồn vật liệu tự nhiên (cát sông, đá vôi, đất sét,…). Cũng theo tính toán, mỗi mét khối bê tông này có khả năng hấp thụ tự nhiên được khoảng 15-20 kg khí thải CO₂.

So sánh sự hấp thụ CO2 của cây xanh và vật liệu nghiên cứu (Nguồn: vjst.vn)

Nhiều nghiên cứu tập trung khai thác hiệu quả các loại phế phẩm công nghiệp khác để tạo ra các sản phẩm xi măng bền vững. Điển hình là nghiên cứu “Sản xuất xi măng giàu sunfat từ phế phẩm công nghiệp gồm xỉ hạt lò cao tro bay và bột thạch cao tổng hợp từ công nghệ khử lưu huỳnh” của TS. Nguyễn Hoàng Anh cùng cộng sự tại Trường Đại học Cần Thơ, thực hiện trong giai đoạn 2019-2022. Nghiên cứu đã phát triển được loại xi măng thân thiện với môi trường, sản xuất từ chất thải rắn như xỉ lò, bột thạch cao,… nhưng vẫn đảm bảo đầy đủ tính chất hydrate như xi măng truyền thống, đồng thời, duy trì khả năng kết hợp với cốt thép, đảm bảo tính bền vững của kết cấu bê tông cốt thép.

Gạch không nung cũng là đối tượng được nghiên cứu sử dụng chất thải công nghiệp như tro xỉ, tro bay, bùn đỏ và rác thải khác để sản xuất, nhằm thay thế gạch truyền thống. Điển hình như: “Nghiên cứu thực nghiệm sản xuất gạch không nung từ tro xỉ và tro bay của Nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn” của các tác giả Trịnh Thị Hà Phương và Trịnh Thị Hiền (Trường Đại học Hồng Đức), công bố trên Tạp chí Môi trường năm 2021. Kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học cho thấy, gạch không nung sử dụng 100% tro xỉ thay thế đá mạt với các hàm lượng tro bay thay thế xi măng từ 30-70% hoàn toàn đáp ứng yêu cầu về cường độ chịu nén trong TCVN 6477:2016. Đặc biệt, khi tăng hàm lượng tro bay, khối lượng đơn vị thể tích của gạch giảm xuống chỉ còn 1,46-1,6 tấn/m³, giúp tối ưu hóa trọng lượng sản phẩm. Ở một nghiên cứu khác: “Chế tạo và ứng dụng gạch không nung từ bùn đỏ theo công nghệ chưng áp” năm 2020, TS. Hoàng Minh Đức (Viện Khoa học Công nghệ xây dựng) đã xây dựng tiêu chuẩn cơ sở cho loại gạch không nung từ bùn đỏ (thành phần gồm 75% bùn đỏ, 25% tro bay) và sử dụng dung dịch kiềm (1M hoặc 2M) làm chất kích hoạt. Sản phẩm thu được có cường độ chịu nén lớn hơn 5,0 MPa, hệ số hóa mềm trên 0,8 và độ pH nhỏ hơn 10, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của vật liệu xây dựng.

Việc ứng dụng tro trỉ nhiệt điện trong xây dựng không chỉ giúp tận dụng nguồn phế thải công nghiệp mà còn góp phần phát triển các giải pháp vật liệu bền vững và thân thiện với môi trường.

Xử lý nước thải

Tro bay có khả năng hấp thụ kim loại nặng và xử lý nước thải hiệu quả. Từ năm 2012, PGS.TS. Đào Sỹ Đức cùng các nhà khoa học Trường Đại học Khoa học tự nhiên (Đại học Quốc gia Hà Nội) đã nghiên cứu biến tính tro bay như một loại xúc tác Fenton dị thể để góp phần xử lý màu nước thải dệt nhuộm.

Kết quả so sánh thí nghiệm trước và sau xử lý nước thải (Nguồn: vjol.info.vn)

Tiếp nối những nghiên cứu ban đầu, từ những năm 2018-2021, PGS.TS. Đào Sỹ Đức cùng cộng sự tiếp tục phát triển công nghệ chế tạo vật liệu đa chức năng từ tro bay biến tính, ứng dụng trong xử lý chất thải hữu cơ và khí CO₂. Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc tạo ra xúc tác Fenton dị thể bằng phương pháp ngâm tẩm đơn giản, dễ triển khai. Kết quả cho thấy, xúc tác này có hiệu quả cao trong xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy như phẩm màu Reactive Blue 182, chất kháng sinh ampicillin và monoethanolamine (MEA) – hợp chất dùng để thu giữ CO₂. Vật liệu hấp phụ khí cacbonic được tổng hợp có khả năng hấp phụ chọn lọc khí CO₂/N₂ và có dung lượng hấp phụ CO₂ lên tới 1,12 mol/kg ở 50⁰C, 100 kPa. Đặc biệt, xúc tác có thể thu hồi và tái sử dụng, mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải công nghiệp.

Nông nghiệp

Tro bay, sau khi xử lý phù hợp có thể giúp cải thiện tình trạng dinh dưỡng của đất thông nhờ thay đổi CEC (khả năng trao đổi cation) đất và cung cấp một số chất dinh dưỡng thiết yếu cho cây trồng. Theo “Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay nhà máy nhiệt điện Phả Lại đến một số tính chất đất cát trồng cây khoai lang” của tác giả Lê Văn Thiện cùng cộng sự (Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội) năm 2016, tro bay có thành phần khoáng chủ yếu là Quarts (SiO₂) với 40,42% và Mullite (Al₆Si₂O₁₃) với 16,13%, là dạng cấp hạt phù sa, chứa nhiều nguyên tố như Si, Al, K, Fe, Mg, Ca, Ti. Đặc biệt, nó cung cấp nhiều dinh dưỡng đa lượng như K, Mg, Ca; trung lượng như S và vi lượng như Fe, Cr, Zn, Cu, Mn, Ni giúp cải tạo đất nghèo dinh dưỡng. Sau 12 tuần bón, tro bay đã cải thiện đáng kể độ ẩm, giảm độ chua, tăng pH, CEC, hàm lượng Ca²⁺ trao đổi, cũng như nâng cao lượng P và K tổng. Đáng chú ý, hàm lượng K tổng trong đất thí nghiệm tăng gấp 3,3–12,6 lần trên đất không trồng cây và 3,1–11,4 lần trên đất trồng khoai lang.

Cũng nhìn thấy tiềm năng lớn của tro bay trong canh tác nông nghiệp, tác giả Nguyễn Thị Minh cùng cộng sự tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã thực hiện “Nghiên cứu sử dụng tro bay để sản xuất giá thể hữu cơ trồng hoa, cây cảnh” nhằm tái sử dụng hiệu quả nguồn phế thải này. Tro bay được bổ sung vào nguyên liệu để sản xuất giá thể, với các tỷ lệ 5%, 10%, 15%, 20% và ủ theo phương pháp bán háo khí.

Giá thể trước khi ủ tro bay (bên trái) và giá thể sau khi ủ tro bay (bên phải) (Nguồn: vnua.edu.vn)

Kết quả cho thấy, giá thể hữu cơ từ phụ phẩm nông nghiệp được bổ sung tro bay có hàm lượng dinh dưỡng khá, hạn chế sự có mặt của E.Coli và Salmonella, pH đạt trung tính, hàm lượng kim loại nặng không vượt quá QCVN 03-MT:2015/BTNMT, đảm bảo cho sự sinh trưởng, phát triển của hoa cây cảnh. Thí nghiệm trồng hoa đồng tiền trên giá thể hữu cơ có bổ sung tro bay cho thấy hiệu quả rõ rệt, cây sinh trưởng tốt và tăng năng suất thu hoạch. Công thức bổ sung 15% tro bay đạt trung bình 1,75 hoa/cây, cao hơn 40% so với đối chứng không bổ sung. Tỷ lệ tro bay 10-15% là mức bổ sung thích hợp trong ủ giá thể hữu cơ mang lại hiệu quả tối ưu, vừa thúc đẩy sinh trưởng của hoa đồng tiền vừa giúp giảm chi phí chăm sóc, mở ra hướng ứng dụng tiềm năng trong sản xuất hoa cây cảnh.

Hoa đồng tiền sau 4 tuần thí nghiệm (Nguồn: vnua.edu.vn)

Thay vì coi tro bay là một loại chất thải, việc tận dụng, chuyển hóa nó thành nguồn tài nguyên có giá trị, không chỉ giúp giảm áp lực lên các bãi chứa, tiết kiệm chi phí xử lý rác thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, mà còn tạo ra nhiều sản phẩm có giá trị kinh tế cao, góp phần phát triển kinh tế. Đây cũng chính là một trong những giải pháp quan trọng để Việt Nam thực hiện cam kết giảm phát thải khí nhà kính và góp phần thúc đẩy nền kinh tế phát triển bền vững.

Vân Anh

----------------------------------------

Tài liệu tham khảo chính:

[1] Coal ash basics. https://www.epa.gov/coalash/coal-ash-basics
[2] Thu Trang. Phối hợp xử lý nguồn tro, xỉ từ các nhà máy nhiệt điện. https://baotintuc.vn/kinh-te/phoi-hop-xu-ly-nguon-tro-xi-tu-cac-nha-may-nhiet-dien-20231220110710333.htm
[3] TS. Đinh Quốc Dân và cs. Sử dụng tro xỉ nhiệt điện làm vật liệu san lấp. https://www.ibst.vn/upload/documents/file_upload/155797972211.Dinh-Quoc-Dan.pdf
[4] Trịnh Thị Hà Phương, Trịnh Thị Hiền. Nghiên cứu thực nghiệm sản xuất gạch không nung từ tro xỉ và tro bay của Nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn. https://tapchimoitruong.vn/nghien-cuu-23/nghien-cuu-thuc-nghiem-san-xuat-gach-khong-nung-tu-tro-xi-va-tro-bay-cua-nha-may-nhiet-dien-nghi-son-26247
[5] Vật liệu xây dựng hấp thụ khí thải carbon từ phế thải công nghiệp. https://vjst.vn/vn/Pages/chitiettin.aspx?IDNews=11624&tieude=vat-lieu-xay-dung-hap-thu-khi-thai-carbon-tu-phe-thai-cong-nghiep.aspx.
[6] Lê Văn Thiện và cs. Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay nhà máy nhiệt điện Phả Lại đến một số tính chất đất cát trồng cây khoai lang. https://js.vnu.edu.vn/EES/issue/view/399
[7] Nguyễn Thị Minh và cs. Ảnh hưởng của tro bay đến giá thể hữu cơ và sinh trưởng của cây hoa đồng tiền. https://testtapchi.vnua.edu.vn/index.php/vjasvn/article/view/1296
[8] Nghiên cứu chế tạo bê tông hàm lượng tro bay cao dùng cho mục đích kết cấu các công trình xây dựng. https://cesti.vn/bai-viet/CTDS5/nghien-cuu-che-tao-be-tong-ham-luong-tro-bay-cao-dung-cho-muc-dich-ket-cau-cac-cong-trinh-xay-dung-69ada6a5-38f0-4722-9ba5-9c5367ed61a5