Bùn: chất thải hay nguồn tái tạo năng lượng và thu hồi tài nguyên

Sử dụng bùn thải như một nguồn tài nguyên tái tạo để thu hồi năng lượng là giải phápthích hợp để quản lý hiệu quả các bùn thải liên tục tăng và đáp ứng tiêu chuẩn chất lượngmôi trường ng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA MÔI TRƯỜNG

Môn học: CHUYÊN ĐỀ TÁI CHẾ VÀ TÁI SỬ DỤNG

CHẤT THẢI RẮN

Đề tài số 2:

Bùn: chất thải hay nguồn tái tạo năng lượng

và thu hồi tài nguyên

GVHD: TS Tô Thị Hiền

SVTH: Huỳnh Quốc Bảo, MSSV: 1022022

Phạm Thị Ngọc Duyên MSSV: 1022147 Thái Thị Tình, MSSV: 1022305

Bùn: chất thải hay nguồn tái tạo năng lượng

và thu hồi tài nguyên

Tổng quan.

Sử dụng bùn thải như một nguồn tài nguyên tái tạo để thu hồi năng lượng là giải phápthích hợp để quản lý hiệu quả các bùn thải liên tục tăng và đáp ứng tiêu chuẩn chất lượngmôi trường ngày càng nghiêm ngặt, cùng lúc đó, làm thế nào để duy trì việc cung cấpnăng lượng đáng tin cậy và giá cả phải chăng cho các thế hệ tương lai và bản thân mình.Các đặc tính có giá trị của bùn như có năng lượng và hàm lượng dinh dưỡng cao cùng vớicác tiêu chí nghiêm ngặt cho việc thải bùn và vận chuyển, đã thúc đẩy các kỹ sư môitrường và các nhà khoa học thay đổi quan điểm của họ để xem xét bùn như một nguồn tàinguyên có giá trị thay vì lãng phí Nó có thể là một bước tiến quan trọng đối với sự pháttriển năng lượng bền vững để đáp ứng nhu cầu năng lượng hiện tại và tương lai do đó làmgiảm sự phụ thuộc vào nguồn tài nguyên không tái tạo Vì vậy, bài tổng hợp này thảoluận về các loại tài nguyên có thể được thu hồi từ bùn thải, các phương pháp thôngthường và mới được sử dụng để thu hồi bùn thải thành các nguồn tài nguyên có giá trị.Hơn nữa, những yếu tố chính tham gia vào quá trình này, giai đoạn ứng dụng, ưu điểm vànhược điểm có thể có của phương pháp cũng được thảo luận

Chữ viết tắt và từ mới

AD: anaerobic digestion (phân hủy yếm khí)

ALWA: artificial lightweight aggregate (cốt liệu nhẹ nhân tạo)

AOP: advanced oxidation process (quá trình oxy hóa bậc cao)

BNR: biological nutrient removal (loại bỏ chất dinh dưỡng sinh học)

Bt: Bacillus thuringiensis

C/N: carbon to nitrogen ratio (tỉ lệ carbon với nitrogen)

CHP: combined heat and power (kết hợp nhiệt và điện )

DO: dissolved oxygen (oxy hòa tan)

DS: dry solids (chất rắn khô)

FFA: free fatty acids (acid béo tự do)

HPH: high pressure homogenizer (đồng hóa áp lực cao)

HRT: hydraulic retention time (thời gian lưu nước)

kWh: kilowatt per hour

LHV: low heating value (nhiệt trị thấp)

MFC: microbial fuel cells (các tế bào nhiên liệu vi sinh)

Mgd: million gallon/day (triệu gallon / ngày)

Mpa: megapascal

MT: metric ton (thước đo tấn)

MW: megawatt; MW, microwave

MWh: megawatt per hour

NACWA O&M: National Association of Clean Water Agencies Operation andMaintenance (Hiệp hội quốc gia về cơ quan vận hành và bảo trì nước sạch)

OLR: organic loading rate (tỉ trọng hữu cơ)

p.e: population equivalent (dân số tương đương)

PAH: polycyclic aromatic hydrocarbons

PAO: polyphosphate accumulating organisms

PCB: polychlorinated biphenyls; PCB, printed circuit board (bảng mạch in)

PHA: polyhydroxyalkanoates

PHB: poly- β-hydroxybutyric acid

SCOD: soluble chemical oxygen demand (nhu cầu oxy hóa học hòa tan)

SCWO: supercritical water oxidation (quá trình oxy hóa nước siêu tới hạn); SRT, sludgeretention time (thời gian lưu bùn)

SS: suspended solids (chất rắn lơ lửng)

STORS: sludge to oil reaction system (sludge to oil reaction system): (bùn vào hệ thốngphản ứng dầu)

TCOD: total chemical oxygen demand (tổng nhu cầu oxy hóa học)

TKN: total kjeldahl nitrogen (tổng nitrogen kjeldahl)

TOC: total organic carbon (tổng carbon hữu cơ)

TP: total phosphorus (tổng phosphorus)

TS: total solids (tổng chất rắn)

UASB: up- flow anaerobic sludge blanket

USEPA: United States Environmental Protection Agency

VFA: volatile fatty acids (axit béo dễ bay hơi); VS, volatile solids

VSS: volatile suspended solids

w/v: weight by volume (trọng lượng theo thể tích)

w/w: weight by weight (trọng lượng tính theo trọng lượng)

WAO: wet air oxidation (quá trình oxy hóa không khí ẩm ướt)

WAS: waste activated sludge

WW TP: wastewater treatment plant (nhà máy xử lý nước thải)

Từ mới.

Lgnition temperature: nhiệt độ Lgnition

in-situ methods: phương pháp tại chỗ

Settling filtration or centrifugation: xử lí lọc hoặc ly tâm

lipid extraction by solven: khai thác lipid bằng dung môi

1 Giới thiệu.

Đô thị hóa toàn cầu ngày càng tăng cùng với quy định tái sử dụng/xử lí bùn ngàycàng nghiêm ngặt và sức ép cộng đồng đã buộc tổ chức và cá nhân làm phát sinh bùnphải đánh giá lại chiến lược quản lý bùn của họ Thông thường, bùn thải được xử lýthông qua thiêu đốt, chôn lấp hoặc thải bỏ xuống đại dương cũng như tái sử dụng dinhdưỡng cho đất trong nông nghiệp Gần đây đã có lệnh cấm thải bỏ xuống đại dương;tiểu chuẩn mới của châu Âu quy định nghiêm ngặt về việc chôn lấp; nhiều loại bùn cólợi ích tái sử dụng cao, cả trong nông nghiệp và một loạt các công nghệ nhiệt

Việc lựa chọn một chiến lược quản lý bùn phải quan tâm đến các chủ cơ sở, chuyêngia tư vấn kỹ thuật, khai thác hợp đồng, cung cấp thiết bị, các chính trị gia, cơ quan quản

lý, các nhóm môi trường và công chúng Có lẽ là yếu tố quan trọng nhất trong việc đạtđược tính bền vững dài hạn là lựa chọn một chiến lược quản lý bùn dựa trên nhu cầu thực

tế của cộng đồng hơn là dựa trên một số thiết lập nhân tạo của tiêu chuẩn Người ta dự

đoán rằng những nỗ lực quản lý bùn sắp tới sẽ tập trung vào sự thu hồi và tái sử dụng cácgiá trị gia tăng cây trồng từ bùn Mối quan tâm này trong năng lượng tái tạo đã được thúcđẩy bởi dự trữ nhiên liệu hóa thạch giảm do nhu cầu năng lượng sơ cấp tăng làm tăng giánhiên liệu, mối quan tâm biến đổi khí hậu, nâng cao nhận thức, và tiến bộ trong côngnghệ năng lượng tái tạo

Hai thành phần trong bùn mà cả về mặt kỹ thuật và kinh tế đều khả thi để tái chế làgiàu dưỡng chất (chủ yếu là nitrogen và phosphorusrus) và năng lượng (carbon) Có sẵnmột số yếu tố để thu hồi năng lượng từ bùn thải Cách quan trọng nhất là phân hủy yếmkhí, đốt, nhiệt phân, khí hóa, quá trình oxy hóa siêu tới hạn (ướt); được sử dụng trong sảnxuất vật liệu xây dựng, sản xuất nhiên liệu sinh học (hydro, khí tổng hợp, dầu sinh học),phát điện bằng cách sử dụng vi sinh vật đặc biệt, thu hồi lại lợi ích của các kim loại nặng,chất dinh dưỡng (nitrogen và phosphorus), protein và enzym Vì vậy, những nỗ lực hiệnnay nhằm cung cấp một cái nhìn tổng quan và thảo luận về cách để đạt được chiến lượcquản lý bùn bền vững hơn là thu hồi các sản phẩm giàu năng lượng

2 Đặc tính của bùn.

Bùn thải là một hỗn hợp đồng nhất phức tạp của vi sinh vật, các chất hữu cơ khôngphân hủy như giấy, tàn dư thực vật, dầu, hoặc cặn lăng, các hợp chất vô cơ và hơi ẩm.Các vật liệu hữu cơ không phân hủy có chứa một hỗn hợp phức tạp từ các phân tửprotein và peptide, chất béo, polysaccharides, đến các đại phân tử thực vật với cấu trúcphenolic (ví dụ như lignin hoặc tannin) hoặc cấu trúc béo (ví dụ như cutins hoặcsuberins), cùng với các chất ô nhiễm hữu cơ nhỏ như polycyclic aromatic hydrocarbons(PAH) hoặc dibenzofurans

Bảng 1 Mô tả các đặc điểm của bùn sơ cấp và bùn hoạt tính.

Bùn thải sơ cấp được tạo ra thông qua hoạt động cơ học (sàng lọc, loại bỏ sạn, lắng)

xử lý nước thải quá trình, thường chứa từ 93% đến 99,5% nước, các chất hữu cơ lơ lửng

và hoà tan

Bùn thải hoạt tính (WS) hoặc bùn thứ cấp, được tạo ra trong quá trình xử lý nước thảisinh học, các tế bào vi khuẩn chủ yếu là vật liệu hữu cơ cao phân tử phức tạp Nồng độcủa tổng chất rắn trong bùn thứ cấp khoảng giữa 0,8% và 1,2%, tùy thuộc vào loại củaquá trình xử lý sinh học sử dụng Bùn thải hoạt tính bao gồm 59 -88% (w/v) vật chất hữu

cơ, chúng phân hủy và tạo ra mùi khó chịu Chỉ là một phần nhỏ của bùn là chất rắn,trong đó hơn 95% là nước Phần hữu cơ có chứa 50-55% carbon, 25 -30% oxy, 10 -15%nitrogen, 6 -10% hydro, 1-3% phosphorus và 0,5 -1,5% lưu huỳnh

Tro từ bùn thải chứa chủ yếu là khoáng chất như thạch anh, canxit hoặc microline.Các khoáng chất được hình thành bởi nguyên tố như Fe, Ca, K và Mg Hơn nữa, một sốkim loại nặng như Cr, Ni, Cu, Zn, Pb, Cd, Hg cũng có thể được tìm thấy trong bùn Khả năng thu hồi năng lượng bùn là nhờ vào thành phần bùn_gồm một hỗn hợp cácchất hữu cơ (dễ bay hơi), các chất vô cơ (vật liệu trơ) và nước liên kết Năng lượng bùn ởtrong các chất rắn bay hơi, và được chia thành hai loại: dễ dàng phân hủy (50% trong bùn

sơ cấp và 25% trong bùn hoạt tính) và không dễ dàng phân hủy (30% trong bùn sơ cấp và55% trong bùn thứ cấp)

3 Kỹ thuật thu hồi tài nguyên từ bùn.

Các phương pháp truyền thống và mới thu hồi tài nguyên từ bùn là:

- Phân hủy yếm khí

- Đốt

- Khí hóa

- Nhiệt phân

- Quá trình oxy hóa không khí ẩm ướt

- Quá trình hóa ẩm siêu tới hạn

- Thủy nhiệt

Tùy vào từng loại bùn mà có cách tái tạo và sử dụng khác nhau: bao gồm thu hồi khísinh học, khí đốt, điện, sản xuất vật liệu xây dựng, tái tạo chất dinh dưỡng, nhiên liệusinh học (khí tổng hợp, dầu diesel sinh học, dầu sinh học), thủy phân enzyme,polyhydroxyalkanoates (PHA) (cho sản xuất nhựa sinh học), phân bón sinh học, chất hấpthụ sinh học, vv

3.1 Phân hủy yếm khí (AD).

Phân hủy yếm khí là công nghệ ổn định bùn phổ biến nhất hiện nay trên thị trường.Quá trình biến đổi bùn hữu cơ từ dạng rắn sang dạng khí sinh học, một hỗn hợp gồm

- Quá trình thủy phân: các hợp chất hữu cơ (polysaccharides, protein, và chất béo)

bị thủy phân bởi enzyme ngoại bào

- Quá trình acid hóa: các sản phẩm của quá trình thủy phân sẽ được biến đổi thànhhydro, formate, acetate, và các axit béo dễ bay hơi trọng lượng phân tử cao (VFA)

- Quá trình acetic hóa: các sản phẩm của quá trình acid hóa bao gồm các axit hữu

cơ chuỗi ngắn và rượu được tiếp tục xử lý bằng vi khuẩn hình thành acetate tạo ra acidacetic là chủ yếu, và khí carbon dioxide và hydrogen

- Quá trình methan hóa: khí sinh học (khí methane và carbon dioxide) được sảnxuất từ khí hydro, format, và acetate Khí sinh học này có thể được sử dụng như mộtnguồn năng lượng trong sản xuất điện và / hoặc nhiệt

3.2 Đốt.

Mục đích chính của đốt bùn là quá trình oxy hóa hoàn toàn của các hợp chất hữu cơ ởnhiệt độ cao Trong quá trình này, các chất rắn sinh học được đốt cháy trong buồng đốt vàcung cấp khí dư (oxy) để tạo thành chủ yếu là carbon dioxide và nước, chỉ còn lại vật liệutrơ (tro) Tro này đã được xử lý hoặc có thể được sử dụng như một nguồn để sản xuất vậtliệu xây dựng Hiện nay, phương pháp đốt bùn đang dần được xác định về việc thu hồinăng lượng từ bùn dưới dạng nhiệt hoặc điện Theo Hiệp hội quốc gia của các cơ quannước sạch (NACWA), đốt kết hợp với sản xuất điện đã được thực hiện thành công bởi cácnhà máy xử lý nước thải Metro (WW TP) tại St Paul, Minnesota, Hoa Kỳ (Mỹ) Nhà máy

có công suất phát điện 3,5 MW, vốn được cho là làm giảm phát thải khí nhà kính của nhàmáy khoảng 18% Hoặc ở Cleveland, Ohio (Mỹ) và ở Hartford, Connecticut (Mỹ) đượcthiết kế để thu hồi năng lượng với công suất dự kiến là 2.0 và 0.8 MW, sẽ cung cấp tươngứng 20% và 40% các cơ sở nhu cầu năng lượng

Để giảm các chi phí cao của một nhà máy đốt bùn cũng như để thúc đẩy việc thu hồinăng lượng hiệu quả, họ đã khảo sát để đốt bùn khô trong một nhà máy điện đốt than.Việc thu hồi năng lượng từ việc phân huỷ bùn hiệu quả hơn nếu tăng cường các quá trìnhkhử nước và làm khô bùn và sử dụng nhiệt dư từ khí thải của các nhà máy điện

3.3 Khí hóa.

Khí hóa liên quan đến sự phân hủy của bùn khô tạo thành tro và khí đốt ở nhiệt độ

này bao gồm nhiệt (sử dụng để tạo ra năng lượng và quá trình nhiệt) và khí tổng hợp.Thành phần hóa học của sản phẩm cuối cùng và mức năng lượng bị ảnh hưởng bởi cáctác nhân khí hóa (không khí, ôxy, hoặc hơi nước), nhiệt độ và áp lực của quá trình hoạtđộng khí hóa; đặc điểm nạp liệu (loại, chất rắn khô, và chất rắn bay hơi)

Nguyên liệu khô, chẳng hạn như gỗ hoặc chất thải cây xanh, có thể được trộn lẫn với

bùn để đáp ứng các đặc điểm năng lượng cần thiết Khí hóa chất rắn sinh học dự kiến sẽthu hồi năng lượng đáng kể, nhưng vẫn còn trong giai đoạn đầu thực hiện nên cần phảiđược chứng minh qua thời gian Mô hình thí điểm được thực hiện tại Đức ở nhiệt độ cao

chất oxy hóa Ở nhiệt độ cao, tro tạo thành xỉ nóng chảy, được dập tắt (ở dưới cùng của

được sử dụng như một thành phần trong hỗn hợp bê tông Các khảo sát sâu rộng về quátrình này đã tiết lộ rằng các kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ clo được kiểm soáthoàn toàn

3.4 Nhiệt phân.

Nhiệt phân bùn là một phương pháp sáng tạo để quản lý bùn và năng lượng, trong đó

Trong phương pháp này, bùn được chuyển đổi thành than, tro, dầu nhiệt phân, hơi nước

và các loại khí dễ cháy Sản phẩm rắn / khí của phương pháp nhiệt phân được thiêu hủy

và sử dụng như nguồn nhiệt trong quá trình nhiệt phân Nhiệt độ, áp suất, thời gian phảnứng và đặc điểm nguyên vật liệu là yếu tố chính ảnh hưởng đến năng suất các sản phẩmnhiệt phân Lớp chất lỏng là cấu hình phổ biến nhất của nhiệt phân do sự hoạt động dễdàng và sẵn sàng mở rộng quy mô của chúng Một hệ thống quá trình nhiệt phân

lượng của chất rắn khoảng 40% Kết quả "cacbon hóa" chất rắn tạo thành bùn, gồm nhiệt

sấy khô và hóa thành nhiên liệu rắn, có thể được đốt trực tiếp trong lò than phun, khí hóa,

lò đốt tầng sôi, hoặc sử dụng để thay thế nhiên liệu

Những lợi thế lớn từ quá trình khí hóa và nhiệt phân là:

- Phá hủy các hợp chất hữu cơ

- Khí tổng hợp có thể được sử dụng làm nguyên liệu hóa chất, nguồn năng lượng

- Cung cấp nhiệt có thể được chuyển thành hơi nước và năng lượng

- khối lượng thấp hơn của khí thải và khí thải NOx hơn thiêu đốt

- Đioxin / furan thấp

- Sản xuất phế liệu rắn ổn định cho phép tái chế

Những nhược điểm chính là:

- Một số quy trình sản xuất than, đòi hỏi phải xử lý thêm

- Các vấn đề an toàn, đặc biệt là với oxy tinh khiết

- Chế biến phức tạp

- Không có số liệu chi phí hiện tại

- Thông tin hoạt động hạn chế

3.5 Quá trình oxy hóa không khí ẩm ướt (WAO).

Oxy hóa không khí ẩm ướt là quá trình oxy hóa hóa học của bùn (bằng cách bổ sung

nhất dựa trên quá trình này, phát triển ở Hà Lan trong những năm 1960 Tuy nhiên, chiphí năng lượng cao, ăn mòn và gây mùi là những hạn chế lớn của quá trình Công nghệBayer Leprox cải tiến từ công nghệ ZIMPRO bằng cách bổ sung các chất xúc tác áp đểsuất và nhiệt độ thấp hơn Kết quả chính của quá trình này là bùn có chứa hơn 95% củacác thành phần khoáng chất và dưới 3% các chất hữu cơ phân tử thấp Hơn nữa, côngnghệ thương mại ATHOS cũng dựa trên quá trình oxy hóa không khí ẩm của bùn; baogồm bùn nóng trong môi trường chứa chất khí oxy hóa (oxy), sẽ làm suy giảm các chấthữu cơ Quá trình oxy hóa các chất hữu cơ bùn sản xuất nước, carbon dioxde và các hợpchất hữu cơ dễ phân hủy sinh học (acid acetic, acid béo)

Ưu điểm chính của quá trình WAO là:

- Cải thiện nguồn nước

- Năng lượng thấp và không yêu cầu nhiên liệu.

tro bay)

- Điện thế nhỏ

- Phù hợp xử lí hàm lượng kim loại trong bùn,

- Chất rắn còn lại là chất chống rửa trôi

- Nhu cầu oxy hóa học (COD) và chất rắn lơ lửng dễ bay hơi (VSS) giảm tương ứng 70% và 90%, và loại bỏ nitơ hữu cơ cao (70%)

Tuy nhiên, hạn chế lớn của quá trình này là:

- Vốn cao và chi phí bảo trì

- Không làm giảm đáng kể tổng chất rắn (7%)

- Sản xuất amoniac cao

- Các vấn đề ăn mòn cao đã làm cho một số hoạt động bị đình chỉ

3.6 Quá trình oxy hóa siêu tới hạn (SCOW).

Quá trình oxy hóa nước siêu tới hạn diễn ra ở nhiệt độ và áp suất rất cao (thường là

cáo từ thí nghiệm tại Thụy Điển với quá trình Aqua Reci đã kết luận rằng quá trìnhSCWO rất khả thi để phân hủy chất hữu cơ cho hơn 99,9% Trong quá trình này, carbon

-, và các kim loại nặng được oxy hóa thành các oxit tương ứng Hầu như tất cả các phản

thước lò phản ứng được yêu cầu là tương đối nhỏ Thu hồi năng lượng từ quá trình này cóthể xảy ra trực tiếp bằng cách trao đổi nhiệt trong các lò phản ứng hoặc từ dòng chảythoát ra từ các lò phản ứng So với đốt bùn, SCWO có lợi thế xử lý khí ra rất đơn giản, do

đó, chi phí xử lí khí ra có thể được bỏ qua Nó cũng không cần thiết phải khử nước trướckhi quá trình oxy hóa Các chất vô cơ có trong bùn có thể xử lý dễ dàng; được tách rakhỏi ở giai đoạn trước như tro Trong khi chi phí xử lý cao, khối lượng bùn giảm vượtquá 90% thu hồi năng lượng, chất đông tụ và phosphate đại diện cho một giá trị để thiếtlập các chi phí hoạt động Tuy nhiên, kinh nghiệm thực tế từ các quy mô lớn vẫn chưaxuất hiện Vấn đề sử dụng oxy, áp lực đường ống cao, lò phản ứng áp suất cao, và tiềm

tàng vấn đề ăn mòn nếu clorua có mặt trong bùn có thể là khó khăn trong việc chấp nhận

và phát triển của công nghệ này

Ưu điểm chính của quá trình này là :

- Giảm nhiều các chất rắn dễ bay hơi (VS) và tổng chất rắn (TS) (60-80%)

- Quá trình oxy hóa hoàn toàn các chất hữu cơ (COD giảm 99,9%)

polychlorinated biphenyls (PCB))

- Kết tủa chống rửa trôi

- Phù hợp với cặn đầy kim loại

- Giảm hoàn toàn khí nhà kính

- Phù hợp để xử lý chất thải nguy hại

- Cung cấp nhiệt thu hồi và nhiêt tự duy trì

- Nhu cầu nhiên liệu ít hơn

Tuy nhiên, những hạn chế chủ yếu của quá trình SCWO là:

- Các vấn đề liên quan đến sự ăn mòn

- Cần buồng phản ứng công nghệ cao

- Sản xuất amoniac, có thể ảnh hưởng đến quá trình xử lý chất lỏng

- Vốn cao và chi phí bảo trì

- Bùn nhiên liệu nên được đồng nhất

- Lựa chọn các chất oxy hóa, thời gian phản ứng, nhiệt độ và áp suất thích hợp

3.7 Xử lí thủy nhiệt.

Thủy phân protein tạo thành acid amin; lipid tạo ra axit béo; vật liệu thô và cáchydrocacbon tạo thành các chất hydrocarbon phân tử thấp như đường So sánh sử dụngchất oxy hóa trong xử lí thủy nhiệt và quá trình oxy hóa ướt có tác dụng tích cực đối với

sự hình thành của Quỹ đầu tư VFA Đặc biệt, các hợp chất này rất đặc biệt ví dụ nhưnguồn carbon, không chỉ sản xuất khí sinh học mà còn khử nitrogen và phosphorus sinhhọc từ nước thải Dư lượng chất lỏng của xử lý thủy nhiệt bùn thải có thể được sử dụngnhư một loại phân bón thị trường, vì nó bao gồm ba chất dinh dưỡng chính (N, P, K) Xử

lý thủy nhiệt bùn thải tại 1900C và 20 Bar có thể nâng cao đáng kể hiệu suất khử nước,sau đó lượng nước có thể được giảm xuống còn khoảng 55% do mất nước cơ học Hơnnữa, thêm thông tin thảo luận về các công nghệ trên đã được đưa ra trong bảng 2, trong

đó bao gồm chi phí xử lý, phí môi trường, nâng cao yêu cầu, giai đoạn phát triển và nhậnxét về mỗi công nghệ đó

Tóm lại, xử lý yếm khí là nhằm mục đích để sản xuất khí sinh học

từ bùn và để cải thiện sự ổn định của bùn và khử nước Việc sản xuất khí sinh học có thểthu được đáng kể bằng cách áp dụng một bước tiền xử lý, chẳng hạn như chiếu xạ visóng, song siêu âm, ozon hóa, phương pháp đồng hóa áp suất cao, tiền xử lý hóa học vớiaxit hoặc kiềm vv Phương pháp đốt bùn đang dần dần tập trung vào thu hồi năng lượngdưới dạng điện và/hoặc nhiệt (hơi) Lượng năng lượng đạt được mạnh hay không phụthuộc vào lượng nước trong bùn, thay đổi và hiệu suất của quá trình đốt cháy, và các máy

ép cơ học và quá trình làm khô Để tránh các chi phí cao của một hệ thống đốt bùn vànâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng, chúng đã được nghiên cứu để đốt bùn khô trongmột nhà máy điện đốt than So với đốt, nhiệt phân và khí hóa của bùn thải có lợi thế tiềmnăng Việc chuyển đổi các khí dễ cháy của cả hai hệ thống thành năng lượng điện có thểđạt được hiệu quả hơn Bên cạnh đó, các loại khí có giá trị có thể được sản xuất như hóachất cơ bản Quá trình oxy hóa không khí ẩm chủ yếu áp dụng trong thực tế nhằm mụcđích điều hòa bùn cải thiện các đặc tính nước thải của bùn và làm giảm lượng bùn cuốicùng So với quá trình oxy hóa không khí ẩm ướt, quá trình oxy hóa siêu tới hạn phức tạphơn nhiều đối với thiết kế lò phản ứng, vật liệu lò phản ứng và hoạt động của lò phảnứng

Bảng 2 Công nghệ thu hồi năng lượng.

Giai đoạnphát triển

Bình luận

Phân hủy

yếm khí

Thấp / trung bình

Năng lượng (khísinh học)

Thủy phânbùn trước

Tất cá cácquy mô

Giải phóng

Thiêu đốt cao Sản xuất năng

lượng và giảmchất rắn sinh học

Máy ép cơhọc, sấy,nhiệt thải

Tất cả cácquy mô

Phosphorus

có thể thuhồi từ tro Đốt trong

vô cơ

Máy ép cơhọc, sấy,nhiệt thải

Tất cả cácquy mô

Chỉ áp dụngquy mô nhỏ

Máy ép cơhọc, sấy,nhiệt thải

Trong giaiđoạn pháttriển

Quá tìnhphức tập

quy mô

tập trung vàomáy ép bùn

Lò phản ứng

và quá trìnhthực hiện

Trong giaiđoạn pháttriển

Quá trìnhphức tạp,

quá trìnhthực hiện

Kinh nghiệmthực tế hạnchế

Loại bỏ cáckim loạinặng

4 Năng lượng và tài nguyên thu hồi.

4.1 Thu hồi khí sinh học bằng cách phân hủy yếm khí.

Khí sinh học được sản xuất trong thời gian phân hủy yếm khí của bùn thải có chứa60-70% methane, 30-40% lượng khí carbon dioxide, và một lượng nhỏ nitơ, hydro,hydrogen sulfide, và hơi nước

Bảng 3 Thành phần của khí sinh học được tạo ra từ kỵ khí

Thông số đơn vị giá trị Nhiệt trị thấp MJ/N m 3 23 kWh.N m 3 6.5

MJ/kg 20.2

Tỉ trọng kg/N m 3 1.2

Số lượng khí metan

metan vol% 50-75 hydrocarbon cao phân tử vol% 0

Ammonia mg/L < 100 Tổng clo mg/N m 3 0-5 Các chi tiết khác

Khí metan được tạo ra bởi quá trình yếm khí là nguồn năng lượng chính tại nhà máy

xử lí nước thải Trong hầu hết các trường hợp, thu hồi khí metan được sử dụng để cungcấp năng lượng cơ khí, sản xuất năng lượng điện và nhiệt sử dụng tại chỗ trong các nhàmáy xử lý Chi phí điện cho một nhà máy xử lý khoảng 80% tổng chi phí hoạt động, vànăng lượng thu hồi thông qua mêtan có thể bao gồm khoảng một nửa chi phí này Mêtan

là một khí nhà kính lớn; việc xử lý bùn thải sẽ giải phóng mêtan vào khí quyển thông quacác con đường tự nhiên Một số nhà nghiên cứu báo cáo rằng 362-612 và 275-380 ml khísinh học/gVS có thể được tạo ra tương ứng từ bùn sơ cấp và bùn hoạt tính, Bio-terminator 24/85 là công nghệ phân hủy yếm khí phát triển bởi Tổ chức nghiên cứu giảipháp chất rắn tại Đại học bang Louisiana, Mỹ Quá trình này có khả năng phá hủy 85%

TS trong 24 giờ ở một thời gian lưu giữ của lò phản ứng 24 giờ hoặc ít hơn Quy mô thí

vào năm 2005 và hoạt động trong 5 tháng; hệ thống này đã loại bỏ 93% VS tại hai ngàythời gian lưu thủy lực (HRT) Một phương pháp thương mại "Columbus nâng cao chấtrắn sinh học thông qua xử lý ưa nhiệt (CBFT3)", cải tiến từ phân hủy yếm khí sử dụngmột lò phản ứng dòng chảy nút Thực hiện phân hủy yếm khí tăng cường khí metan_được sử dụng để sản xuất điện thay vì động cơ pittông sẽ năng cung cấp 40 -50% nhu cầuđiện nhà máy; hiệu quả năng lượng tổng thể của quá trình này là 68-83% Tuy nhiên, vớicác phương pháp phân hủy yếm khí, gần 20 - 30% của các chất hữu cơ là khoáng Bùnkhoáng và khí sinh học có thể đạt được (tối thiểu 10%; tối đa tăng 145% trong khí sinhhọc /mêtan) bằng cách sử dụng tác nhân vật lý, hóa học, nhiệt, cơ khí, hoặc sinh học ởgiai đoạn tiền xử lý như sóng siêu âm, ozon hóa, xử lí enzym, sử dụng vòi phun lỏng,kiềm hoặc acid, kỹ thuật xung hiệu suất cao, hoặc quá trình oxy hóa ướt Đánh giá tínhkhả thi của phương pháp tiền xử lý bằng các thông số: khí sinh học, tổng năng lượng dư,lượng bùn cuối cùng, và các chi phí phải được tính và phân tích Một số công nghệ xử lý

sơ bộ như Cambis (nhiệt), BioThelyss (nhiệt), MicroSludge ™ (vật lý-hóa học), Crowns(siêu âm) và Lysatec GmbH (cơ khí) đã được áp dụng thành công ở tất cả các quy mô ởmột số nước

Quá trình Cambi đã tăng sản lượng điện 27% Trong quá trình thử nghiệm, toànthành phố, Onyeche báo cáo rằng đồng nhất áp suất cao của WS trước khi phân hủy yếmkhí đã tăng sản lượng khí 30%

Zabranska và cộng sự báo cáo kết quả giám sát dài hạn từ ba trạm cài đặt của máy lytâm; kết quả tăng 15-26% trong sản lượng khí sinh học

cấp và thứ cấp (trọng lượng và tỷ lệ trọng lượng của 1:3.5) đã được bắt đầu tại Nhật Bảnbởi Kurita Water Industries; quá trình này có khả năng sản xuất năng lượng hơn 36% sovới phân hủy yếm khí; năng lượng đầu vào (ozon hóa và bơm) và năng lượng sản xuấtước tính đạt tương ứng 1.923 kWh và 1.736 kWh / tấn khô (MT) bùn xử lý

Xie và cộng sự đã nghiên cứu hiệu quả của xử lí bùn bằng sóng siêu âm tại

tăng 45%)

Hogan và các cộng sự nghiên cứu tính khả thi của công nghệ Sonix ™ (20 kHz) chotiền xử lý WS trước khi phân hủy yếm khí tất cả các quy mô ở nhà máy (Avonmouth,Vương quốc Anh và Quận Cam, Hoa Kỳ); họ đã báo cáo rằng công nghệ Sonix có khảnăng cải tiến trong sản xuất khí sinh học (tăng lên đến 50%) và trong một khoảng thờigian ngắn là hai năm

Baber báo cáo kết quả của một số hệ thống siêu âm (Đức, Áo, Thụy Sĩ, Ý, NhậtBản); ông quan sát thấy tăng 22% trong sản xuất khí sinh học và giảm VS; cải thiện máy

ép bùn khoảng 7% Nghiên cứu cân bằng năng lượng và khối lượng của bể kỵ khí

lượng áp dụng sẽ tạo ra 7 lần năng lượng điện Hơn nữa, họ cho rằng thời gian hoàn vốnđiển hình cho một trạm cài đặt hệ thống siêu âm quy mô lớn là 2 -3 năm

Hình 3 Các cách khác nhau của việc sử dụng khí sinh học sau khi tinh chế thích hợp và

xử lý cần thiết

Khí sinh học là một loại nhiên liệu tuyệt vời cho các ứng dụng Phân tích thực hiệnbằng việc kết hợp nhiệt và điện (CHP) họ quan sát thấy rằng nếu CHP được lắp đặt tại tất

cả 544 cơ sở xử lý nước thải ở Mỹ(tốc độ dòng chảy đến 45 triệu gallon / ngày (mgd) vàhoạt động kỵ khí), sau đó khoảng 340 MW (340.000 kWh) điện có thể được tạo ra, đó là

đủ để cung cấp 261.000 nhà

Theo Hoa Kỳ Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA), 2,3 triệu tấn khí thải carbon dioxidemỗi năm (tương đương 430.000 xe) có thể được bù đắp, nếu WWTP (với công suất hơn 5mgd) hiện có sử dụng phân hủy yếm khí được cài đặt các cơ sở thu hồi năng lượng Khai thác năng lượng từ chất rắn sinh học cung cấp an toàn năng lượng, giảm sựphụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, và giảm phát thải khí nhà kính Thu hồi năng lượng

từ khí sinh học được coi như là một trong những công nghệ chuyển đổi chất thải thànhnăng lượng được thiết lập ngày càng hiệu quả hơn

4.2 Thu hồi dinh dưỡng.

Bùn thải có chứa một lượng chất dinh dưỡng khá lớn, đặc biệt là phosphorus (0,5-0,7% TS) và nitrogen (2,4-5,0% TS), các chất dinh dưỡng tồn tại chủ yếu dưới dạngnguyên liệu protein Sự phân hủy,hòa tan sinh khối bùn và chuyển đổi tiếp theo của nó

amoni phosphate (struvite), có thể được bón trực tiếp lên đất Như một đánh giá sơ bộ 1

kgN và 1 kgP trong chi phí phân bón thương mại khoảng tương ứng US $ 1.3 và US $2.6 Chất rắn khô của bùn thải có chứa khoảng 0,5 kgP và 0,6 kgN, tương ứng với giá trịkhoảng US $ 2.1 Phosphorusrus không phải là một nguồn tài nguyên vĩnh viễn, bởi vì sẽkhông có phosphorus trong mỏ apatit trong vòng 150 năm Vì vậy, P cần được xem như

là sản phẩm có giá trị nhất trong bùn và phải phát triển các chiến lược để thu hồi P từ bùn(một trong những dòng phosphorus lớn hiện nay) Calcium phosphate và magne amoniphosphate (struvite) là sản phẩm cuối cùng thu hồi được từ quá trình này Calciumphosphate được tìm thấy trong khai thác quặng phosphate và dễ dàng tái chế trong cácngành công nghiệp phosphate Struvite là một loại phân bón tuyệt vời vì tính phân rãchậm của nó, và nó có thể được áp dụng trực tiếp Để thu hồi phosphorus từ bùn thảithông qua kết tinh là phải hòa tan P để giải phóng phosphate nổi trên mặt

Liao và các cộng sự đã báo cáo rằng có tới 76% tổng phosphorus (TP) có thể sẽ được

sử dụng trong 5 phút gia nhiệt MW Tế bào vi khuẩn và các hợp chất hữu cơ khó phânhủy có thể bị phá hủy trong quá trình tiếp xúc với nhiệt MV và giải phóng polyphosphatelưu trữ và phosphorusrus bị giữ trong vật liệu polyme ngoại bào trong dung dịch.Amoniac cũng được giải phóng cùng với phosphate Liao và các cộng sự đã sử dụng một

(30% khối lượng)

cho 61% của tổng phosphorusrus và 36% của tổng số nitrogen Kjeldahl (TKN) giải

hình thành trong quá trình xử lý MW, có thể dễ dàng bị phá vỡ bởi thủy phân axit thànhorthophosphates

Tương tự như vậy, các nghiên cứu khác cũng báo cáo rằng một lượng phosphorus khálớn (lên đến 95,5%) và amoniac (lên đến 53%) bằng cách sử dụng sự kết hợp cácphương pháp xử lí nhiệt hóa học khác nhau

Fischer cùng các cộng sự trình bày một ý tưởng để tái chế phosphate bền vững bằng

tế bào vi khuẩn phân hủy bùn thải như struvite Quá trình này mang lại lên đến 82% hoặc

600 mg/L Phosphate đã bị kết tủa thông qua việc bổ sung Mg2+ và NH4+ như struvite,

Phân bón tổng hợp đã được chú ý vì có các kim loại độc hại như As, Cd, Pb và Cr.Các kỹ thuật thương mại mới nổi thu hồi phosphorus từ bùn thải bao gồm Krepo, Aqua-Reci, Kemicond, Biocon, Sephos và Susan chủ yếu dựa trên xử lý vật lý, hóa học và nhiệt

để hòa tan phosphorus và sau đó thu hồi bởi kết tủa Phosphorus có thể được thu hồi từbùn như sắt phosphate, calcium phosphate, axit photphoric và sỏi struvite (magnesiumammonium phosphate)

Công nghệ Reci Aqua, phát triển ở Thụy Điển, thu hồi cả phosphorus và năng lượng

sử dụng kết hợp quá trình SCWO Khoảng 100% phosphorus có thể được chiết xuất với

Stendahl và Jafverstrom tính toán rằng tổng chi phí đầy đủ cho quy mô Aqua Reci tạiStockholm sẽ là khoảng US $ 946/ xử lí tấn bùn khô / năm

Quá trình Ostara, một công nghệ thương mại để thu hồi struvite từ bùn giàuphosphorus sử dụng magne clorua (thu hồi 80-85% P), đã hoạt động tại thành phốEdmonton, Canada; dự kiến sẽ sản xuất khoảng từ 200 đến 250 tấn struvite/năm Một quá

Shinji Đông sạch (L SEC) Trung tâm tại Nhật Bản

Công nghệ Seaborne, phát triển ở Đức bởi Phòng thí nghiệm nghiên cứu môi trườngSeaborne, một phương pháp chiết tách gồm hai phần acid-bazo được đề xuất bởi KunglTekniska Hogskolan (KTH), Thụy Điển, Viện Công nghệ Hoàng gia

Kỹ thuật Krepo (pH = 2, 100-110C, 3.6 bar) và công nghệ Kemicond ™ (kỹ thuậtKrepo cải tiến) cũng là một công nghệ hiệu quả được áp dụng thí điểm để thu hồiphosphorus

Công nghệ Crystalactor đã được áp dụng ở quy mô toàn diện ở Hà Lan Tuy nhiên,chi phí thu hồi phosphorus đã được ước tính cao hơn chi phí của các loại đá khai thácphosphate 22 lần, và do đó không được coi là kinh tế Chi phí cao của thu hồi phosphorus

từ bùn thải (trong so sánh các chi phí khai thác phốt phát) được coi là trở ngại chính trongviệc mở rộng quy mô của quá trình nghiên cứu Vì vậy, một số phương pháp nghiên cứu