Biến bùn thải thành gạch nung: Giải pháp ĐHQGHN mở đường cho đô thị tuần hoàn

Mỗi ngày, các hệ thống thoát nước và nhà máy xử lý nước thải tạo ra một lượng bùn đáng kể. Khi rời khỏi bể lắng, loại vật chất này không tự biến mất, nó cần được thu gom, vận chuyển, xử lý và bố trí nơi tiếp nhận. Hàm lượng ẩm cao, thành phần hữu cơ, vi sinh vật và nguy cơ có mặt của một số kim loại khiến bùn thải trở thành bài toán vừa tốn kém, vừa nhạy cảm với môi trường.

Cùng lúc đó, ngành sản xuất gạch nung vẫn cần khối lượng lớn đất sét và năng lượng để duy trì sản xuất. Hai dòng vấn đề tưởng như không liên quan - một bên là chất thải cần nơi xử lý, một bên là ngành vật liệu cần nguyên liệu - đã gặp nhau trong một hướng tiếp cận của các nhà khoa học ĐHQGHN: xử lý bùn thải phù hợp để đưa vào phối liệu gạch nung, biến gánh nặng môi trường thành một phần nguồn lực cho sản xuất.

Khi hai bài toán môi trường gặp nhau

Giá trị cốt lõi của giải pháp nằm ở tư duy kinh tế tuần hoàn. Thay vì coi bùn thải là điểm cuối của quá trình xử lý nước, công nghệ xem đây là một dòng vật liệu thứ cấp có thể được đánh giá, kiểm soát và tái sử dụng. Nếu được tổ chức đúng, một phần bùn không còn phải đi theo con đường chôn lấp, trong khi nhà máy gạch có cơ hội giảm tỷ lệ sử dụng tài nguyên đất sét nguyên khai.

Dây chuyền xử lý bùn thải thành gạch nung tại Nhà máy gạch 382 Đông Anh

Lợi ích không dừng ở việc thay thế một phần nguyên liệu. Thành phần hữu cơ trong bùn có thể tham gia vào quá trình nung và tạo thêm giá trị nhiệt, qua đó mở ra khả năng tối ưu mức tiêu hao nhiên liệu tùy theo đặc điểm của từng nguồn bùn và dây chuyền. Với đơn vị xử lý nước thải và công ty môi trường đô thị, đây là cơ hội hình thành một đầu ra có kiểm soát cho dòng thải vốn phải chi phí lớn để xử lý. Với địa phương, công nghệ gợi mở một mắt xích liên kết giữa quản lý chất thải và sản xuất vật liệu xây dựng ngay trong hệ sinh thái đô thị.

Tuy nhiên, bùn thải không phải là một loại nguyên liệu đồng nhất và không phải nguồn bùn nào cũng có thể đưa ngay vào sản xuất. Thành phần thay đổi theo nguồn phát sinh, mùa vụ và công nghệ xử lý nước. Vì vậy, khả năng ứng dụng chỉ được xác lập sau khi mẫu bùn được phân tích và đáp ứng các điều kiện kỹ thuật, môi trường phù hợp. Chính nguyên tắc sàng lọc này giúp phân biệt một công nghệ tái sử dụng có kiểm soát với cách làm đơn giản là đưa chất thải vào sản phẩm.

Công nghệ không phải là thao tác 'trộn bùn vào gạch'

Đằng sau viên gạch là một chuỗi kiểm soát từ đầu vào đến đầu ra. Trước hết, bùn được xác định đặc tính và loại bỏ các tạp chất không phù hợp. Độ ẩm được điều chỉnh để bảo đảm khả năng phối trộn, tạo hình và sấy. Trên cơ sở đó, nhóm nghiên cứu thiết lập tỷ lệ giữa bùn, đất sét và phụ gia phù hợp với từng dây chuyền, đồng thời hiệu chỉnh các thông số đùn ép, sấy và nung.

Ở công đoạn nung, sản phẩm được gia nhiệt trong khoảng 900-1.050^oC. Nhiệt độ cao phá hủy thành phần hữu cơ và vi sinh vật; một số nguyên tố kim loại có thể được giữ ổn định trong cấu trúc gốm - silicat hình thành sau nung. Điều này cũng có nghĩa sản phẩm cuối không phải là bùn được ép thành hình, mà là một vật liệu gốm đã trải qua biến đổi nhiệt và khoáng hóa.

Để đi tới ứng dụng, mỗi lô thử nghiệm cần được xem xét đồng thời ở ba lớp: chất lượng nguồn bùn, độ ổn định của quá trình sản xuất và chất lượng viên gạch sau nung. Các chỉ tiêu cơ lý, khả năng thôi nhiễm và khí thải trong quá trình nung là những căn cứ cần thiết trước khi mở rộng quy mô. Cách tiếp cận này đặt an toàn môi trường và chất lượng sản phẩm ngang hàng với hiệu quả tận dụng chất thải.

Kiểm chứng công nghệ trên dây chuyền sản xuất thực tế

Một công nghệ môi trường chỉ thực sự thuyết phục khi vượt qua điều kiện sản xuất thực tế. Tại Nhà máy gạch 382 Đông Anh thuộc Công ty Cổ phần 382 Đông Anh, giải pháp đã được triển khai thử nghiệm với quy mô hàng trăm tấn. Đây là giai đoạn mà những tính toán trong phòng thí nghiệm phải thích nghi với độ ẩm nguyên liệu biến động, nhịp vận hành liên tục và yêu cầu ổn định của dây chuyền công nghiệp.

Nhóm nghiên cứu cùng nhà máy đã điều chỉnh tỷ lệ cấp liệu, kiểm soát độ ẩm, thông số tạo hình, chế độ sấy và nhiệt độ lò tuynel. Việc có thể tích hợp quy trình vào dây chuyền sản xuất gạch nung hiện hữu là một lợi thế quan trọng: doanh nghiệp không nhất thiết phải xây dựng một hệ thống sản xuất hoàn toàn mới, mà có thể khảo sát để bổ sung các khâu tiền xử lý, định lượng và kiểm soát phù hợp.

Sản phẩm thử nghiệm đáp ứng các chỉ tiêu được đánh giá theo TCVN 1450:2009 về cường độ nén, độ hút nước, kích thước và hình dạng. Kết quả thử thôi nhiễm nằm dưới ngưỡng sử dụng trong dự án; quá trình theo dõi khí thải cũng không ghi nhận sự xuất hiện thêm của các hợp chất độc hại so với quy trình sản xuất thông thường. Những kết quả này là cơ sở để tiếp tục hoàn thiện hồ sơ kỹ thuật, đánh giá theo từng nguồn bùn cụ thể và tiến tới các dự án trình diễn ở quy mô lớn hơn.

GS.TS Nguyễn Mạnh Khải, Chủ nhiệm Khoa Môi trường, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN

Đại diện nhóm nghiên cứu, GS.TS Nguyễn Mạnh Khải, Chủ nhiệm Khoa Môi trường, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên cho biết: "Khoa học công nghệ đóng vai trò kiến tạo các giải pháp xanh để hài hòa giữa phát triển đô thị và bảo vệ môi trường. Thông qua việc biến bùn thải - một nguồn tài nguyên tưởng chừng bỏ đi - thành vật liệu xây dựng có giá trị, chúng tôi mong muốn mang lại một tương lai phát triển bền vững cho cộng đồng và đô thị Việt Nam".

Từ nhà máy gạch đến bài toán quản lý đô thị

Với nhà máy gạch, giải pháp mở ra một nguồn phối liệu thứ cấp và khả năng đa dạng hóa danh mục vật liệu theo hướng xanh hơn. Giá trị kinh tế không chỉ nằm ở phần đất sét hoặc nhiên liệu có thể tiết giảm, mà còn ở cơ hội tham gia chuỗi xử lý chất thải của địa phương. Tùy mô hình hợp tác, nhà máy có thể tiếp nhận bùn đã đạt yêu cầu từ đơn vị môi trường hoặc cùng đầu tư khâu tiền xử lý để chủ động chất lượng đầu vào.

Với công ty xử lý nước thải và doanh nghiệp môi trường đô thị, công nghệ tạo thêm lựa chọn bên cạnh chôn lấp. Thay vì chỉ trả chi phí để vận chuyển và lưu giữ bùn, đơn vị phát sinh có thể liên kết với cơ sở sản xuất vật liệu, từng bước hình thành một chuỗi cung ứng có truy xuất nguồn gốc, tiêu chuẩn tiếp nhận và trách nhiệm kiểm soát rõ ràng. Các doanh nghiệp xây dựng, ở phía thị trường, có thêm cơ hội lựa chọn sản phẩm gắn với mục tiêu sử dụng hiệu quả tài nguyên và giảm chất thải.

Đối với cơ quan quản lý, ý nghĩa lớn nhất là khả năng kết nối hai lĩnh vực thường được quản lý tách biệt: hạ tầng môi trường và vật liệu xây dựng. Những cơ chế thí điểm, hướng dẫn kỹ thuật, tiêu chí mua sắm xanh và phối hợp giữa cơ quan xây dựng với cơ quan tài nguyên - môi trường sẽ giúp các dự án đầu tiên có hành lang rõ ràng để triển khai, đánh giá và nhân rộng.

Với cộng đồng, câu hỏi dễ hiểu nhất là: viên gạch này có còn là 'bùn thải' hay không? Câu trả lời nằm ở quá trình chuyển hóa và các phép kiểm chứng. Sau khi được phối trộn, sấy và nung ở nhiệt độ cao, nguyên liệu trở thành cấu trúc gốm mới; sản phẩm phải được đánh giá bằng các chỉ tiêu chất lượng và môi trường trước khi sử dụng. Minh bạch về nguồn bùn, quy trình kiểm soát và kết quả thử nghiệm chính là cách thuyết phục nhất để xóa bỏ định kiến, thay vì chỉ gọi sản phẩm bằng một nhãn “xanh”.

Mở đường cho chuyển giao và nhân rộng

Từ kết quả đã đạt được, hướng phát triển tiếp theo của giải pháp là xây dựng các mô hình trình diễn gắn với nguồn bùn và nhà máy cụ thể. Mỗi điểm triển khai cần bắt đầu bằng khảo sát thành phần bùn, năng lực dây chuyền, khoảng cách vận chuyển, nhu cầu thị trường và yêu cầu quản lý tại địa phương. Trên nền tảng đó, quy trình mới được hiệu chỉnh để vừa bảo đảm chất lượng gạch, vừa đạt hiệu quả kinh tế - môi trường.

Công nghệ có thể được thương mại hóa theo nhiều hình thức: chuyển giao quy trình và bí quyết kỹ thuật cho nhà máy gạch; hợp tác giữa chủ nguồn thải với cơ sở sản xuất; hoặc xây dựng dự án liên kết có sự tham gia của doanh nghiệp xây dựng với vai trò đầu ra. Điểm chung của các mô hình là cần một cơ chế chia sẻ lợi ích hợp lý: chi phí xử lý bùn được chuyển thành nguồn lực cho kiểm soát chất lượng, vận hành và đổi mới công nghệ; sản phẩm được tiếp cận thị trường bằng dữ liệu kiểm chứng rõ ràng.

Trong bối cảnh các đô thị ngày càng chịu áp lực về chất thải và tài nguyên, giải pháp của ĐHQGHN cho thấy khoa học có thể tạo ra giá trị ở nơi lâu nay chỉ được nhìn như một gánh nặng. Từ bùn thải đến viên gạch là hành trình của công nghệ, nhưng để đi từ một mô hình thử nghiệm đến thị trường còn cần sự đồng hành của doanh nghiệp, cơ quan quản lý và cộng đồng. Khi ba lực lượng này gặp nhau trên nền tảng tiêu chuẩn và minh bạch, một dòng thải đô thị có thể thực sự bước vào vòng đời mới.