Sludge: A waste or renewable source for energy and resources recovery Bùn: Nguồn thải hay nguồn tái tạo năng lượng và thu hồi tài nguyên

Các conđường quan trọng nhất là phân hủy yếm khí của bùn với phục hồi khí sinh học, cùngphân hủy, tiêu huỷ và cùng đốt với phục hồi năng lượng, nhiệt phân, khí hóa, quá trìnhoxy hóa siêu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG



Chuyên đề tái chế và tái sử dụng chất

thải rắn

Đề tài:

Sludge: A waste or renewable source for energy

and resources recovery Bùn: Nguồn thải hay nguồn tái tạo năng lượng và

thu hồi tài nguyên

Nhóm 20: Nguyễn Kim Chi 1022033

Lê Thị Phương Thảo 1022272

Lý Thị Thu 1022287

MỤC LỤC

Danh mục từ viết tắt 3

Tóm tắt nội dung 5

1 Giới thiệu 5

2 Đặc tính bùn 6

3 Kỹ thuật thu hồi nguồn tài nguyên 7

3.1 Phân hủy kỵ khí (AD) 8

3.2 Đốt và đồng đốt 9

3.3 Khí hóa 9

3.4 Nhiệt phân 9

3.5 Quá trình oxy hóa không khí ẩm (WAO) 10

3.6 Quá trình oxy hóa nước siêu tới hạn (SCWO) 11

3.7 Xử lý thủy nhiệt 11

4 Năng lượng và tài nguyên thu hồi 12

4.1 Khí sinh học thu hồi bằng cách phân hủy yếm khí 12

4.2 Lượng dinh dưỡng có sẵn 14

4.3 Thu hồi kim loại nặng 15

4.4 Sản xuất nhiên liệu sinh học 15

4.4.1 Khí hydro 16

4.4.2 Khí tổng hợp (H2 + CO) 16

4.4.3 Dầu sinh học 17

4.4.4 Dầu diesel sinh học 18

4.5 Vật liệu xây dựng 20

4.6 Sản xuất điện từ bùn bằng nhiên liệu tế bào VSV 20

4.7 Nhựa sinh học 21

4.8 Hấp thụ sinh học 22

4.9 Thuốc trừ sâu sinh học 23

4.10 Các nguồn lực khác 23

4.10.1 Protein 23

4.10.2 Enzyme 23

4.10.3 Phân bón sinh học 24

4.10.4 Axit dễ bay hơi 24

5 Kịch bản toàn cầu về lợi ích mang lại từ tái sử dụng và thu hồi tài nguyên từ bùn thải 24

6 Hiện trạng xử lý bùn thải tại Việt Nam 25

7 Thảo luận và kết luận 26

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

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

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

DO: dissolved oxygen

DS: dry solids

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 and

Maintenance

OLR: organic loading rate

p.e.: population equivalent

PAH: polycyclic aromatic hydrocarbons

PAO: polyphosphate accumulating organisms

PCB: polychlorinated biphenyls

PCB: printed circuit board

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: sludge retention time (thời gian lưu bùn)

SS: suspended solids

STORS: sludge to oil reaction system (sludge to oil reaction system)

TCOD: total chemical oxygen demand

TKN: total kjeldahl nitrogen

TOC: total organic carbon

TP: total phosphorus; TS, total solids

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

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

Tóm tắt

Sử dụng bùn thải như một nguồn tài nguyên tái tạo để thu hồi năng lượng là giảipháp thích hợp để quản lý các chất bùn thải đang tăng liên tục, đồng thời đáp ứng tiêuchuẩn chất lượng môi trường nghiêm ngặt, và cùng một lúc, làm thế nào để duy trì việcđáp ứng năng lượng với giá cả phải chăng cho các thế hệ tương lai của chúng ta và bảnthân mình Các đặc tính có giá trị của bùn, trong đó có năng lượng và hàm lượng dinhdưỡng cao, với các tiêu chí nghiêm ngặt cho việc thải bùn, thúc đẩy các kỹ sư môitrường và các nhà khoa học để thay đổi quan điểm của họ để xem xét bùn như mộtnguồn tài nguyên có giá trị về năng lượng thay vì một chất thải Nó có thể là một bướctiến quan trọng hướng tới sự phát triển của một giải pháp năng lượng bền vững để đápứng nhu cầu năng lượng hiện tại và tương lai và do đó làm giảm sự phụ thuộc vàonguồn tài nguyên không tái tạo Vì vậy, bài báo này có thảo luận về các loại tài nguyên

có thể được thu hồi từ bùn thải thông thường và phương pháp mới được sử dụng đểchuyển đổi bùn thành các nguồn tài nguyên có giá trị Hơn nữa, những yếu tố chínhtham gia vào quá trình này, giai đoạn ứng dụng, ưu điểm và nhược điểm có thể có củaphương pháp cũng được thảo luận

1 Giới thiệu

Đô thị hóa toàn cầu ngày càng tăng của xã hội cùng với việc tái sử dụng bùn /quy định xử lý ngày càng khắt khe và gia tăng sức ép, buộc cả cộng đồng và cá nhântạo ra bùn đánh giá lại chiến lược quản lý bùn của họ Thông thường, bùn thải được xử

lý thông qua thiêu đốt, chôn lấp hoặc thải ra biển cũng như tái sử dụng như điều hoàđất trong nông nghiệp Tuy nhiên gần đây với việc cấm thải bùn ra biển và các tiêuchuẩn chôn lấp nghiêm ngặt mới của châu Âu Người ta dự đoán rằng những nỗ lựcquản lý bùn sắp tới sẽ nhấn mạnh vào sự thu hồi và tái sử dụng các giá trị từ bùn

Hai thành phần trong bùn mà về mặt kỹ thuật và kinh tế khả thi để tái chế lànhững dưỡng chất (chủ yếu là nitơ và phospho) và năng lượng (carbon) Các conđường quan trọng nhất là phân hủy yếm khí của bùn với phục hồi khí sinh học, cùngphân hủy, tiêu huỷ và cùng đốt với phục hồi năng lượng, nhiệt phân, khí hóa, quá trìnhoxy hóa siêu tới hạn (ướt), sử dụng trong sản xuất vật liệu xây dựng, sản xuất nhiên

liệu sinh học (hydro, khí tổng hợp, dầu sinh học), phát điện bằng cách sử dụng vi sinhvật đặc thù, phục hồi và mang lại lợi ích của các kim loại nặng, chất dinh dưỡng (nitơ

và phospho), protein và enzym

2 Đặc tính bùn

Bùn cống là một hỗn hợp đồng nhất phức tạp của vi sinh vật, các chất hữu cơkhó phân hủy như giấy, tàn dư thực vật, dầu, hoặc các chất cặn, vật liệu vô cơ và độ

ẩm Các vật liệu hữu cơ không phân hủy có chứa một hỗn hợp phức tạp của các phân

tử đến từ protein và peptide, chất béo, polysaccharides, các đại phân tử thực vật với cấutrúc phenolic (ví dụ như lignin hoặc tannin) hoặc cấu trúc béo (ví dụ như cutins hoặcsuberins), cùng với vi chất ô nhiễm hữu cơ như polycyclic aromatic hydrocarbons(PAH) hoặc dibenzofurans

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

Thông số Bùn sơ cấp Bùn hoạt tínhTổng chất rắn khô TS, % 5-9 0.8-1.2

Protein 20-30 32-41Alkalinity (mg/L as CaCO3) 500-1500 580-1100

Acid hữu cơ (mg/L as acetate) 200-2000 1100-1700

Năng lượng (kJ/kg TS) 23000-2900 19000-23000

Bùn thải sơ cấp được tạo ra thông qua quá trình xử lý nước thải cơ học (sànglọc, loại bỏ sạn, lắng đọng trầm tích), thường chứa từ 93% đến 99,5% nước, thành phầncao của các chất hữu cơ lơ lửng và hoà tan Chất thải bùn hoạt tính (WAS) hoặc bùnthứ cấp, được tạo ra trong quá trình xử lý sinh học nước thải, và chứa các tế bào chủyếu là vi khuẩn đó là vật liệu hữu cơ cao phân tử phức tạp Nồng độ chất rắn tổng số

trong bùn thứ cấp trong khoảng giữa 0,8% và 1,2%, trong đó nó cũng phụ thuộc vàoloại của quá trình xử lý sinh học sử dụng.

Chất thải bùn hoạt tính bao gồm 59 -88% (w /v) của vật chất hữu cơ, nó có thểphân hủy và tạo ra mùi khó chịu Chỉ là một phần nhỏ của bùn là chất rắn, trong đó hơn95% là nước Phần hữu cơ có chứa 50-55% carbon, 25 -30% oxy, 10 -15% nitơ, 6 -10% hydro, 1-3% phospho và 0,5 -1,5% lưu huỳnh Tro từ bùn thải có chứa chủ yếu làkhoáng chất như thạch anh, canxit hoặc microline Các khoáng chất được hình thànhbởi các yếu tố như Fe, Ca, K và Mg Hơn nữa, một số kim loại nặng như Cr, Ni, Cu,

Zn, Pb, Cd, Hg cũng có thể được tìm thấy trong bùn

Khả năng phục hồi năng lượng từ bùn là một chức năng của các thành phần củachúng, đó là một hỗn hợp của vật chất hữu cơ (dễ bay hơi), các chất vô cơ (vật liệu trơ)

và nước liên quan

3 Kỹ thuật thu hồi nguồn tài nguyên

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

- Phân hủy kỵ khí

- Đốt và đồng đốt

- Khí hóa

- Nhiệt phân

- Quá trình oxy hóa không khí ẩm

- Quá trình oxy hóa ẩm siêu tới hạn

- Xử lý thủy nhiệt

Hình 1 Các con đường thu hồi tài nguyên từ bùn thải.

3.1 Phân hủy kỵ khí (AD)

Phân hủy kỵ khí là công nghệ ổn định bùn phổ biến nhất hiện nay trên thịtrường Quá trình biến đổi bùn chất rắn hữu cơ thành khí sinh học, là một hỗn hợp của

CH4, CO2, và lượng nhỏ của các chất khí khác, trong một môi trường kỵ khí (Phản ứng1)

và hydrogen; và methan hóa, trong đó khí sinh học (khí methane và carbon dioxide) là

sản xuất 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 và đồng đốt

Mục đích chính của đốt bùn là quá trình oxy hóa hoàn toàn của các hợp chất hữu

cơ ở nhiệt độ cao Trong quá trình này, các chất rắn sinh học bị đốt cháy trong buồngđốt cung cấp khí dư (oxy) để tạo thành chủ yếu là carbon dioxide và nước, chỉ để lạivật liệu trơ (tro) Tro này đã được xử lý hoặc có thể được sử dụng như một nguồn đểsản xuất vật liệu xây dựng Hiện nay, phương pháp đốt bùn đang dần xác định về việcthu hồi năng lượng từ bùn dưới dạng nhiệt hoặc điện

3.3 Khí hóa

Khí hóa liên quan đến sự phân hủy của bùn khô trong tro và khí dễ cháy ở nhiệt

độ thường khoảng 10000C trong một bầu không khí với hàm lượng oxy giảm Các sảnphẩm của quá trình này bao gồm nhiệt (sử dụng để tạo ra năng lượng và quá trìnhnhiệt) và khí tổng hợp Thành phần hóa học của sản phẩm cuối cùng và hàm lượngnăng lượng bị ảnh hưởng bởi các tác nhân khí hóa (không khí, ôxy, hoặc hơi nước), bộkhí hóa sử dụng nhiệt độ và áp suất, và đặc điểm nguồn cấp (loại, chất rắn khô, và chấtrắn bay hơi) Ở nhiệt độ cao, tro từ bùn tạo thành xỉ nóng chảy, được dập tắt ở dướicùng của khí hóa, tạo thành các hạt xỉ hạt mịn Khí khô được làm sạch bằng cách loại

bỏ CN, NH3, H2S để tạo ra một khí tổng hợp chất lượng cao Xỉ đông lạnh là hoàn toàntrơ và có thể được sử dụng như một thành phần trong hỗn hợp bê tông

Hình 2 Các chất khí sinh ra trong quá trình khí hóa

3.4 Nhiệt phân

Nhiệt phân bùn là một phương pháp sáng tạo phát triển để quản lý bùn và nănglượng, trong đó bùn được được xử lý nhiệt (350 - 5000C ) dưới áp lực và trong môitrường thiếu oxy Trong phương pháp này, bùn được chuyển đổi thành than, tro, cácloại dầu nhiệt phân, hơi nước và các loại khí dễ cháy Phản ứng nhiệt phân làm thay đổicấu trúc phân tử của chất rắn và phát sinh CO2, do đó làm giảm khối lượng của chất rắnkhoảng 40%

Những lợi thế lớn từ quá trình khí hóa và nhiệt phân là: (a) phá hủy các hợp chấthữu cơ, (b) khí tổng hợp có thể được sử dụng làm nguyên liệu hóa chất, sau khi xử lýthêm, như một nguồn năng lượng, (c) cung cấp nhiệt có thể được chuyển thành hơinước và điện, (d) khối lượng khí thải và sự phát thải NOx thấp hơn thiêu đốt, (e) dioxin/furan thấp và (f) sản xuất phế liệu rắn ổn định cho phép tái chế hơn nữa Những nhượcđiểm chính là: (a) một số quy trình sản xuất than, đòi hỏi phải xử lý thêm, (b) các vấn

đề an toàn, đặc biệt là với oxy tinh khiết, (c) chế biến phức tạp, (d) không có dữ liệuchi phí hiện tại và (g) dữ liệu hoạt động hạn chế

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

Quá trình oxy hóa ướt là một quá trình oxy hóa hóa học của bùn (bằng cách bổsung O2) ở nhiệt độ cao (150-330 0C) và áp suất cao (6 - 20 MPa) Quá trình oxy hóacác chất hữu cơ của bùn tạo nước, carbon dioxide và các hợp chất hữu cơ dễ phân hủysinh học (axit axetic, axit béo)

Ưu điểm chính của quá trình WAO là: (a) cải thiện khả năng khử nước, (b)không yêu cầu nhiên liệu và năng lượng thấp, (c) ô nhiễm không khí thấp (không NOx,

SO2, HCl, dioxin, furan, tro bay), (d ) vết chân nhỏ, (e) phù hợp cho bùn với hàm lượngkim loại, (f) giảm thiểu khí nhà kính (CO2), (g) chất rắn còn lại là chất chống rửa trôi

và (h) nhu cầu oxy hóa học (COD) và chất rắn lơ lửng dễ bay hơi (VSS) giảm 70% và90%, tương ứng, và loại bỏ nitơ hữu cơ cao (70%) Tuy nhiên, hạn chế lớn của quátrình này là: (a) vốn cao và chi phí bảo trì, (b) không làm giảm tổng chất rắn đáng kể

(7%), (c) sản xuất amoniac cao có thể là một vấn đề với xử lý xuôi dòng và (d) vấn đề

ăn mòn cao đã gây ra một số hoạt động bị đình chỉ

3.6 Quá trình oxy hóa nước siêu tới hạn (SCWO)

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

là 25 MPa và 600 0C) là một giải pháp tốt cho sự phân hủy bùn Trong quá trình này,carbon và hydro từ thành phần chất hữu cơ và sinh học bị oxy hóa thành CO2 và H2O,nitơ, lưu huỳnh và phospho dạng N2, SO42- và PO43- tương ứng; clo hữu cơ được chuyểnđổi thành Cl-, và các kim loại nặng được oxy hóa thành các oxit tương ứng

Ưu điểm chính của quá trình này là: (a) Giảm lượng cao của các chất rắn dễ bayhơi (VS) và tổng chất rắn (TS) (60-80%), (b) hoàn thành quá trình oxy hóa các chấthữu cơ (COD giảm > 99,9%), (c) lượng khí thải thấp (NOx, SO2 nhu cầu làm sạch,không có HCl, halogen, furan, dioxin, biphenyl poly-clo (PCB)), (d) kết tủa chống rửatrôi, (e) phù hợp với cặn đầy kim loại, (f) giảm hoàn toàn khí nhà kính, (g) phù hợp để

xử lý chất thải nguy hại, (h) cung cấp thu hồi nhiệt và tự duy trì và (i) nhu cầu nhiênliệu ít hơn Tuy nhiên, những hạn chế chủ yếu của quá trình SCWO là: (a) các vấn đềliên quan đến sự ăn mòn, (b) cần hệ thống an toàn để xử lý O2 tinh khiết hoặc H2O2 nhưoxy hóa, (c) cần buồng phản ứng công nghệ cao, (d) sản xuất amoniac, có thể ảnhhưởng đến quá trình xử lý chất lỏng, (e) vốn cao và chi phí bảo trì, (f) cần cô đặc rácthải cấp vào lên tới 5-10%, (g) nguồn cấp dữ liệu bùn nên đồng nhất và các hạt cát tự

do và (h) lựa chọn các chất oxy hóa , thời gian phản ứng, nhiệt độ và áp lực cần thíđiểm nghiên cứu quy mô

Bảng 2 Công nghệ phục hồi năng lượng.

Yêu cầu cải tiến

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

PO43-, NH3

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 phụchồi 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

Tối ưu hóa Tất cả các

quy mô

tập trungvào máy épbùnoxy hóa

nước siêu

tới hạn

cao Sản xuất năng

lượng và chấtrắn sinh học

Lò phảnứng và quátrình thựchiện

Trong giaiđoạn pháttriển

Quá trìnhphức tạp,

quá trìnhthực hiện

Kinhnghiệm thực

tế hạn chế

Loại bỏ cáckim loạinặng

4 Năng lượng và tài nguyên phục hồi

4.1 Khí sinh học phục hồi bằng cách phân hủy kỵ khí

Khí sinh học được sản xuất trong thời gian phân hủy yếm khí của bùn thải cóchứa 60-70% methane, 30 -40% lượng khí carbon dioxide, và một lượng nhỏ nitơ,hydro, hydrogen sulfide, và hơi nước

Phục hồi khí metan được sử dụng để cung cấp năng lượng cơ khí, sản xuất nănglượng điện và nhiệt sử dụng tại chỗ trong các nhà máy xử lý.

Hình 3 Cách khác nhau của việc sử dụng khí sinh học sau khi tinh chế thíchhợp và xử lý cần thiết

Công nghệ Sonix có khả năng cải thiện việc sản xuất khí gas ( tăng đến 50%) và

đã được áp dụng tại 2 công ty của Đức là Heilscher và Sontronic với kết quả khả quan

Sự kết hợp lò phản ứng sóng siêu âm (20 kHz) vào sản xuất khí sinh học hiện có

hệ thống làm tăng sản phẩm khí sinh học (lên đến 50%) và thành phần mêtan cao (lênđến 70% CH4 ) Baber báo cáo kết quả của một số hệ thống sóng siêu âm trên (Đức,

Áo, Thụy Sĩ, Ý, Nhật Bản) Ông quan sát thấy tăng 22% khí sinh học và giảm VS, cảithiện hơn 7% hiệu quả của máy ép bùn

Nghiên cứu cân bằng năng lượng và khối lượng của bể kỵ khí (1200 m3, 20ngày SRT, tốc độ dòng chảy 200 m3/ngày và 5% DS) xử lý bùn sonicated 2,5 W/m2 /K,cho thấy năng lượng được tạo ra nhiều hơn tiêu thụ Hơn nữa, họ cho rằng thời gianhoàn vốn điển hình cho một hệ thống siêu âm toàn diện là 2-3 năm

Khí sinh học là một loại nhiên liệu tuyệt vời với số lượng lớn các ứng dụngđược phát triển cho khí đốt tự nhiên : sản xuất nhiệt và hơi nước, phát điện, sử dụngnhư nhiên liệu xe, và sản xuất hóa chất…