CHIẾU XẠ VI SÓNG, HƯỚNG ĐI BỀN VỮNG CHO XỬ LÝ BÙN VÀ THU HỒI TÀI NGUYÊN

TỔNG QUANTrong những năm gần đây, chiếu xạ vi sóng đã đạt được sự lan tỏa phổ biến như một phương pháp nhiệt hiệu quả để xử lý bùn, lý do chính là sức nóng nhanh chóng và chọn lọc của nó

TRƯỜNG ĐH KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG

LỚP 10CMT

CHỦ ĐỀ 7

CHIẾU XẠ VI SÓNG, HƯỚNG ĐI BỀN VỮNG CHO XỬ LÝ BÙN VÀ THU HỒI TÀI NGUYÊN

Lê Thị Bích Ngọc 1022194 Phan Phương Nhung 1022210

Đỗ Quốc Việt 1022348

MỤC LỤC

KEY WORDS 1

TỔNG QUAN 2

1 GIỚI THIỆU 3

1.1 THỰC TRẠNG HIỆN NAY 3

1.2 KHÁI QUÁT VỀ KỸ THUẬT VI SÓNG 4

2 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT VI SÓNG TRONG XL BÙN 4

2.1 HÒA TAN BÙN 4

2.2 TĂNG CƯỜNG PHÂN GIẢI KỊ KHÍ 5

2.3 TÁCH NƯỚC, LOẠI BÕ VI SINH VẬT GÂY BỆNH 6

2.4 TIỀN XỬ LÝ BÙN THẢI KẾT HỢP VỚI QUÁ TRÌNH KHÁC 7

2.5 THU HỒI TÀI NGUYÊN 8

3 ĐÁNH GIÁ 10

3.1 THẢO LUẬN CÁC VẤN ĐỀ VỀ VI SÓNG TRONG XL BÙN 10

3.2 ƯU ĐIỂM & HẠN CHẾ 10

3.3 CÁC TÁC NHÂN LIÊN QUAN 11

4 KẾT LUẬN 12

4.1 CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI 12

4.2 VIỆC ÁP DỤNG KỸ THUẬT VÀO THỰC TẾ 12

KEY WORDS

 Microwave (MW) irradiation

 Polycyclic aromatic hydrocarbons(PAH)

 Polychlorinated biphenyl (PCB)

 Extracellular polymeric substances (EPS)

 Waste activated sludge (WAS)

 Soluble chemical oxygen demand (SCOD)

 Decreases in specific resistance to filtration (SRF)

 Capillary suction time, CST

 Enhanced advanced oxidation process (AOP)

 Bio-fuel

 Bio-oil

TỔNG QUAN

Trong những năm gần đây, chiếu xạ vi sóng đã đạt được sự lan tỏa phổ biến như một phương pháp nhiệt hiệu quả để xử lý bùn, lý do chính là sức nóng nhanh chóng và chọn lọc của nó, hiệu quả năng lượng, khả năng nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm và giảm thiểu hình thành những sản phẩm nguy hiểm và sự phát thải ( do đó cung cấp kĩ thuật thân thiện với môi trường) Những mong muốn của bài báo này nhằm nâng cao việc

sử dụng linh hoạt kĩ thuật chiếu xạ vi sóng trong xử lý bùn, bao gồm tiền xử lý bùn và tăng cường quá trình phân hủy sinh học kị khí của chất thải bùn , thu hồi nguồn tài nguyên( khí sinh học, dầu sinh học, chất dinh dưỡng và kim loại nặng) và ổn địnhkim loại nặng Bài báo cũng tổng kết những hướng nghiên cứu trong tương lai đối với sử dụng tốt hơn năng lượng MW trong xử lý bùn, quá trình tối ưu hóa và những phát triển đối với việc thực hiện qui mô công nghiệp của kĩ thuật MW và tóm tắt liên quan giữa an toàn và sức khỏe

1 GIỚI THIỆU

1.1 Thực trạng hiện nay

Quản lý bùn dư là vấn đề nghiêm trọng bởi vì những tăng lên liên tục trong sản xuất bùn và những tiêu chuẩn quản lý môi trường nghiêm ngặt Phương pháp xử lý bùn thông thường như thiêu hủy, đưa ra bãi rác và thả xuống biển, những vấn đề này đối diện với những phản đối của các nhà môi trường và từ phía cộng đồng Ứng dụng của bùn thải làm phân bón có lẽ là một lựa chọn Tuy nhiên, những hiện diện của tác nhân gây bệnh, những kim loại nặng, hydrocacbon vòng thơm( PAH), PCB và dioxin là những hạn chế trong việc sử dụng bùn làm phân bón

Bởi vì những giới hạn được đề cập ở trên và giới hạn của những qui trình xử lý bùn, hiện thời, trên thế giới đã đưa ra 3 hình thức chính giảm thiểu bùn:

a giảm thiều bùn trong dòng nước thải

b giảm thiểu bùn trong những dòng bùn

c giảm thiểu bùn trong những dòng thải cuối cùng

Nghiên cứu khẩn cấp đã được thảo luận trên việc sử dụng kĩ thuật phát xạ MW trong xử lý nhiệt của bùn thải Tiềm năng ứng dụng của năng lượng MW như một chọn lựa khắc phục đối với nhiều loại chất ô nhiễm

1.2 Nguyên lý của chiếu xạ tia vi sóng

Tia vi sóng có bước sóng 1 mm tới 1 m, ở tần số tương ứng từ 300 MHz đến 300 GHz Một sự thống nhất của MW là tạo ra năng lượng thông qua sự sắp xếp lại của các lưỡng cự với trường điện dao động để tạo ra cả sức nóng bên trong và ở bề mặt của nguyên liệu xử lý Một khi một vật liệu được tiếp xúc với chiếu xạ MW, năng lượng được hấp thu không thể hồi phục, điều này, đã tạo ra sức nóng lớn cho nguyên vật liệu Tăng sức nóng lớn của nguyên liệu mà phần bên trong trở nên nóng hơn bề mặt (vì

bề mặt mất nhiệt do kk xung quanh) Điều này đảo ngược với quá trình nóng thông thường, trong đó nhiệt từ môi trường bên ngoài cung cấp đến bề mặt ngoài và khuếch tán vào bên trong với nhiệt độ giảm dần Do vậy, gradient nhiệt đảo ngược trong sức nóng của MW cung cấp lợi ích đặc biệt là nó làm nóng một thể tích nhanh chóng mà không làm quá nóng bề mặt

Cơ chế của chiếu xạ MW bao gồm ảnh hưởng nhiệt và không ảnh hưởng nhiệt.

Đối với MW, giai đoạn “không ảnh hưởng nhiệt” nhìn chung được xem là ảnh hưởng không liên quan đến sự tăng lên về nhiệt độ, trong khi “ảnh hưởng nhiệt” xem là quá trình mà tạo ra sức nóng như một kết quả của sự hấp thụ năng lượng MW bởi nước hoặc bởi các hợp chất hữu cơ mà được đánh dấu bởi sự ổn định hoặc là tạo ra sự phân cực nguyên nhân không gây ảnh hưởng nhiệt của chiếu xạ MW là bởi những phần phân cực của đại phân tử sắp xếp với những cực của trường điện từ, kết quả gây ra sự phá vỡ liên kết hydro

2 PHAM VI ỨNG DỤNG CỦA MW TRONG XỬ LÝ BÙN.

2.1 Sự hòa tan bùn

Chiếu xạ MW là khả năng làm gián đoạn những hạt và tế bào bùn và giảm vấn đề hữu cơ trong pha hòa tan Những thành phần hữu cơ chính được tìm thấy trong bùn là carbohydrates, proteins và lipid Dưới sự chiếu xạ của MW, con đường thủy phân của những vật liệu hữu cơ được giả định như sau: lipid được thủy phân thành acid palmitic,

acid stearic, acid oleic; protein được thủy phân thành các chuỗi của acid bão hòa và không bão hòa, ammonia, cacbon dioxide; và cacbohydrates được thủy phân thành các polysaccharide có trọng lượng phân tử thấp hơn và thậm chí thành đường đơn giản

Bảng 1 : ảnh hưởng của tiền xử lý MW đến sự hòa tan bùn

2.2 Tăng cường quá trình phân hủy kị khí

Phân hủy kị khí được sử dụng như một phương pháp kinh tế và tiện lợi để xử lí bùn đô thị và công nghiệp Tuy nhiên, ứng dụng của chính nó thường bị giới hạn bở vì thời gian lưu (20-50 ngày) và hiệu quả phân hủy thấp(20-50%)

Trái lại, phân hủy kị khí của bùn sử dụng chiếu xạ vi sóng (tiền xử lý ở nhiệt độ cao hơn) được báo cáo rằng đạt được hiệu quả phân hủy cao hơn và tạo ra khí sinh học vượt qua bùn đã qua chiếu xạ vi sóng ở nhiệt độ thấp hơn (100 độ C)

Do đó, chiếu xạ MW là phương pháp hiệu quả phân hủy những hạt bùn và dẫn đến phân giải tế bào vi sinh Hoàn thành quá trình này dẫn đến nâng cao giảm VS và tạo ra khí sinh học suốt quá trình phân hủy kị khí của bùn tiền xử lý MW và giảm thời gian lưu

2.3 Tách nước bùn

Tách nước bùn là bước đầu tiên trong quá trình bùn bởi vì nó giảm thể tích bùn và chi phí vận chuyển Chiếu xạ MW được xem như là một công cụ để cải thiện việc tách nước bùn bởi vì chính quá trình ảnh hưởng nhiệt và không ảnh hưởng bởi nhiệt của nó Bùn tiền xử lý MW được thể hiện khử nước tốt hơn sức nóng thông thường và bùn không tiền xử lý Bùn tiền xử lý MW được cải thiện đáng kể khử nược 17.6% và 13.8% tỉ lệ khử nước so với bùn kiểm soát và phân hủy với sức nóng thông thường

2.4 Kết hợp tiền xử lý bùn thải

Kỹ thuật cải thiện là sự kết của một phương pháp vật lý hoặc cơ khí với phương pháp hóa học Hiện nay, những kỹ thuật này có vẻ là một thay thế hấp dẫn do hiệu quả cao hơn của họ trên một kỹ thuật duy nhất Với sự đồng bộ này, hiệu quả của một liều lượng hóa học có thể được cải thiện đáng kể, và quá trình dẫn đến sự phân tách của các khối sinh học thô và dày đặc gây ra bởi các hoạt động vật lý hay cơ học

2.4.1 MW-kiềm / axit

Nghiên cứu trước đây đã cho biết rằng kết hợp tiền xử lý nhiệt hóa học đạt được VSS cao hơn đáng kể so với phương pháp xử lý nhiệt và hóa học bùn riêng lẻ Tuy nhiên, các phương pháp xử lý nhiệt hoặc nhiệt hóa học thông thường là tốn thời gian Vì vậy, phương pháp xử lý MW-hóa học kết hợp cung cấp một phương pháp khác để xử lý bùn

Vì vậy, những phát hiện trước đó cho thấy sự kết hợp của tiền xử lý nhiệt MW với phương pháp kiềm có thể tăng cường bùn và phân hủy yếm khí tiếp theo trong MW riêng lẽ và phương pháp tiền xử lý kiềm Tiền xử lý MW riêng lẽ là quá trình tốn nhiều năng lượng để đạt được mức độ cao của bùn, tuy nhiên, sự tích hợp của kiềm hoá với phương pháp MW sẽ được thuận lợi để giảm tiêu thụ năng lượng MW và chi phí xử lý tương ứng để đạt được năng suất tương tự, như của MW riêng lẽ

2.4.2 MW – Qúa trình oxy hóa nâng cao (MW/ H2O2 –AOP)

Quá trình oxy hóa nâng cao (AOP) là sạch và hiệu quả và được phân loại như là một trong những công nghệ xanh để xử lý bùn AOP dựa trên việc tạo ra gốc tự do, đặc biệt gốc hydroxyl (OH), tác nhân oxy hóa mạnh Nó cung cấp tốc độ phản ứng nhanh hơn; tuy nhiên chi phí vận hành của AOP tương đối cao

Do vậy, những phương pháp tiền xử lý kết hợp cho thấy vượt trội hơn so với các phương pháp xử lý riêng biệt trong quá trình tăng cường xử lý bùn Xử lý kết hợp làm giảm năng lượng tiêu thụ, sử dụng hóa chất và thời gian phản ứng khi so sánh giữa các phương pháp sức nóng thông thường, hóa học kết hợp/ riêng rẽ/ Tuy nhiên nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật kết hợp tiền xử lí MW chỉ trong giai đoạn ban đầu Do vậy nghiên cứu thỏa đáng theo hướng này có thể dẫn đến các nhà hoạch định chính sách và cơ quan bảo vệ môi trường lựa chọn các giải pháp mạnh và bền vững nhất đối với quản lý bùn

2.5 Phục hồi nguồn tài nguyên

2.5.1 Chất dinh dưỡng

Bùn thải chứa một lượng đáng kể các chất dinh dưỡng, đặc biệt là photpho (0.5– 0.7% TS) và nito (2,4-5,0% TS) dưới dạng vật liệu có protein Sự phân hủy và hòa tan của sinh khối bùn và biến đối của chúng thành ammonia và photphate, có thể được ứng dụng trực tiếp đối với đất

Trong những năm gần đây, nhiều cố gắng đã được hướng về phục hồi photpho từ bùn thải thông qua quá trình kết tinh, đã được phát triển và thực hiện ở Nhật Bản và Hà Lan Canxiphotphat và magie ammonium photphat là những sản phẩm cuối cùng mà thường thu hồi từ quá trình này và có thể được sử dụng cho nhà máy phân bón bởi vì vì tính chất phát thải thấp của nó Để phục hồi photpho từ bùn thải thông qua kết tinh, điều cần thiết để thực hiện quá trình photpho hòa tan để tạo ra photpho nổi trên bề mặt Tuy nhiên những quá trình này yêu cầu bổ sung hóa chất để khởi đầu phản ứng hoặc là thời gian phản ứng lâu Vì vậy sức nóng MW được các nhà nghiên cứu khác nhau áp dụng

để phục hồi dinh dưỡng một cách nhanh chóng và hiệu quả

2.5.2 Kim loại nặng (thu hồi và ổn định)

Kim loại nặng như kẽm kẽm (Zn), đồng (Cu), niken (Ni), cadmium (Cd), Chì (Pb), thủy ngân (Hg) và crom (Cr) là những nguyên tố chính hạn chế việc sử dụng bùn cho đất vì nó có thể gây ra ô nhiễm nước ngầm và ảnh hưởng đến sức khỏe con người và động vật Do đó việc xử lý bùn thải là điều cần thiết trước khi thải bỏ Thông thường, bùn chứa kim loại được xử lý để trích xuất các ion kim loại từ bùn thải hoặc ổn định các kim loại ở thể rắn Những phương pháp ổn định kim loại bao gồm tập trung những kim loại trong 1 khu vực với một điện cực, củng cố kim loại với các vật liệu beetong hoặc polymer, hoặc chuyển đổi các kim loại thành các giai đoạn nhiệt độ cao thông qua nhiệt phản ứng Tất cả các phương pháp có khả năng làm giảm hiệu quả sự di chuyển của các ion kim loại.Trong số các phương pháp xử lý nhiệt, kỹ thuật MW đã được áp dụng rộng rãi cho việc khắc phục hậu quả của những phế liệu, chẳng hạn như nhiệt phân bùn thải, phân hủy và chiết xuất được hỗ trợ MW, và ổn định ion kim loại trong đất và bùn

3 ĐÁNH GIÁ

3.1 Thảo luận kết quả ứng dụng vi sóng trong xử lý bùn

- Quá trình làm nóng hơn bình thường, giảm thời gian gia nhiệt so với quá trình

làm nóng thông thường Do nhiệt được làm nóng dần từ bên trong ra bên ngoài nên giảm được thát thoát nhiệt với môi trường nhiều

- Nâng cao khả năng hòa tan bùn do bùn hoạt tính bị phá vỡ cấu trúc và màng tế

bào và bằng cách giải phóng các hợp chất ngoài tế bào và có thể cả trong tế bào (protein, đường và axit nucleic) với sự hòa tan các vi hạt

- Cải thiện khả năng tách nước khòi bùn bằng cách thay đổi cấu trúc của EPSs,

với sự rò rỉ của polime sinh học, protein và polysaccharides được sử dụng trong phân giải kỵ khí Tuy nhiên, một thời gian tiếp xúc ngắn chút giúp tăng cường khả năng tách nước bùn thải, trong khi thời gian tiếp xúc lâu làm giảm đáng kể khả năng tách nước bùn thải

- Vô hiệu hóa các tác nhân gây bệnh làm vi khuẩn bất hoạt ở nhiệt độ thấp hơn và

thời gian phản ứng ngắn hơn so với phương pháp làm nóng thông thường Nó có

thể sản xuất bùn an toàn với môi trường có thể đáp ứng class-A yêu cầu chất rắn

sinh học

- Hiệu quả với ổn định và thu hồi kim loại quá trình làm nóng MW với một vài

chất phụ làm tăng hiệu quả ổn định kim loại nặng trong bùn thải công nghiệp

- Thu hồi dinh dưỡng hiệu quả, công nghệ chiếu xạ MW có thể tạo thuận lợi đáng

kể cho khi đưa ra các chất dinh dưỡng (như phân lân và nitơ) từ bùn trong một khoảng thời gian rất ngắn thời gian và không có bất kỳ bổ sung các hóa chất

3.2 Ưu điểm và hạn chế của kỹ thuật vi sóng

- Ưu điểm:

o Giải pháp thay thế nhanh và hiệu quả cho các phương pháp thông

thường, hướng phát triển mới

o Khả năng gia nhiệt nhanh chóng so với quá trình làm nóng thông

thường và kiểm soát được quá trình gia nhiệt

o Cải thiện về chất lượng sản phẩm, tăng cường khả năng thu hồi nguồn

tài nguyên và năng lượng

- Hạn chế:

o Mô hình chỉ mới được thực hiện trong các phòng thí nghiệm, chưa có

các mô hình áp dụng thực tế

o Việc áp dụng mô hình vào quy mô công nghiệp còn gặp phải nhiều khó

khăn, đặc biệt là về vấn đề về kinh tế

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng

Dựa trên kết quả của bài báo , quá trình MW của bùn trong giai đoạn hòa tan COD, tách nước bùn, thu hồi dinh dưỡng, tiêu hao năng lượng và hòa tan bùn có thể chịu ảnh hưởng bởi nhiều nhân tố khác nhau mà được tổng kết trong bảng 11

Những kết quả trái ngược được báo cáo về phần ảnh hưởng của năng lượng đầu vào trên bùn hòa tan và phân hủy sinh học tiếp theo Vài nghiên cứu báo cáo rằng việc hiệu quả hòa tan bùn và phân hủy sinh học được nâng cao khi tăng năng lượng đầu vào Tuy nhiên, những báo cáo khác thì có ảnh hưởng trái ngược trong quá trình tiền xử lý

MW với nguồn năng lượng cao lại trên bùn hòa tan và phần khí sinh học Ảnh hưởng không nhiệt của kĩ thuật MW được nghiên cứu so sánh với sức nóng vi sóng và quá trình nóng thông thường Tuy nhiên, những kết quả đối lập này được báo cáo về phần tạo ra khí sinh học, khi vi sóng được sử dụng trong sức nóng thông thường Một vài nghiên cứu báo cáo rằng việc tạo ra khí sinh học thấp, một và nghiên cứu khác thì cao hơn và trong một vài nghiên cứu, không có dấu hiệu của không ảnh hưởng nhiệt của

MW được tìm thấy, những kết quả tạo ra khí sinh học đã đạt được với MW và sức nóng thông thường Nhiệt độ xử lý có tác động đến mức độ của bùn hòa tan Một cải thiện nổi bật trong bùn hòa tan đã được đưa ra cùng với sự tăng lên của nhiệt độ Do vậy, tối ưu hóa thích hợp của những nhân tố được thảo luận ở trên là điều cần thiết cho những nghiên cứu thành công và ứng dụng rộng rãi của kĩ thuật chiếu xạ MW đối với xử lý bùn

4 KẾT LUẬN

4.1 Các hướng nghiên cứu trong tương lai

- Thiết kế hệ thống và sự phát triển hạn chế sự áp dụng rộng rãi công nghệ MW đến quá trình công nghiệp Nhân rộng các quá trình tham gia được yêu cầu ước tính lợi nhuận trên chi phí đầu tư và vận hành thí điểm hoặc đầy đủ quy mô hệ thống

MW, so với sản lượng năng lượng cao hơn thể hiện bằng việc sản xuất khí sinh học cao hơn Điều này có thể bao gồm các mô hình mô phỏng, thiết kế hệ thống và hội nhập, phát triển sự hiểu biết về các chi phí và lợi ích liên quan đến việc chuyển sang quy mô sản xuất Các mô hình cũng đòi hỏi đặc điểm của các tính chất nhiệt

và vật lý của vật liệu, bao gồm dẫn nhiệt và khuếch tán, giãn nở nhiệt, và nhiệt độ tính phụ thuộc chất điện môi

- Thông số vận hành, chẳng hạn như đặc tính vật liệu và công suất, thời gian chiếu

xạ, tần số và năng lượng, độ sâu thâm nhập, và thiết kế khoang, đã được phát hiện

để xác định mức độ mà có xử lý thành công có thể đạt được

- Các yếu tố chính cần được nghiên cứu, quan tâm trong tương lai:

o Đặc điểm vật liệu

o Chiều sâu sâm nhập

o Tần số

o Năng lượng 4.2 Việc áp dụng kỹ thuật vi sóng vào thực tế

- Do hiệu quả kinh tế cao từ quá trình gia nhiệt với thời gian ngắn và việc thu hồi năng lượng hiệu quả nên việc phát triển kỹ thuật vi sóng trong xử lý bùn thải là một hướng phát triển mới và triển vọng

- Nhưng do còn nhiều hạn chế về mặt điều kiện thực tế, quy mô và đặc biệt là kinh

tế mà việc áp dụng kỹ thuật vi sóng vào thực tế còn chưa được thực hiện