Bài giảng quản lý tổng hợp chất thải rắn chủ đề 4 thu hồi vật chất và năng lượng từ chất thải rắn

Đại cương• Thu hồi vật chất và năng lượng từ CTR material and energy recovery là các ưu tiênhàng đầu trong ISWM• Ý nghĩa:– Tiết kiệm tài nguyên– Tiết kiệm năng lượng– Giảm ô nhiễm môi tr

1 Đại cương

• Thu hồi vật chất và năng lượng từ CTR

(material and energy recovery) là các ưu tiên

hàng đầu trong ISWM

• Ý nghĩa:

– Tiết kiệm tài nguyên

– Tiết kiệm năng lượng

– Giảm ô nhiễm môi trường

– Giải quyết các vấn đề

xã hội (việc làm, xung đột,…)

1 Đại cương (tt)

Ví dụ ở Mỹ năm 2013 (nguồn: http://www3.epa.gov/epawaste/nonhaz/municipal/)

• Tái chế và ủ giúp giảm được 87,2 triệu tấn vật liệu khỏi bị thải bỏ; giúp

giảm khoảng 186 triệu tấn CO2 đi vào khí quyển – tương đương việc ngưng chạy 39 triệu xe ô tô trong 1 năm

• Tỷ lệ CTR đô thị được tái chế tăng nhanh từ những năm 1985- 2013:

1 Đại cương (tt)

Country % Recycling %

Composting

% Incineration with energy recovery

% Incineration without energy recovery

% Other recovery % Landfill

% Other disposal

South Korea 56.5 3.2 21.7 4 0 12.7 1.9 Germany 48 18.7 31.6 0 0 0 1.2 Belgium 34.1 20.6 42.3 0.5 1.6 0 0

1 Đại cương (tt)

• Thu hồi vật chất:

– thu hồi trực tiếp các thành phần tái chế - thu hồi kim loại, giấy, nhựa,

– ủ (composting) – thu hồi C, N, P

• Thu hồi năng lượng (WtE)

1 Đại cương

1 Đại cương (tt)

• Thành phần CTR đô thị và hoạt động thu hồi:

– Hữu cơ (thực phẩm, lá cây) > ủ

– Nhựa > tái chế , năng lượng

2 Tái chế CTR

2.1 Khái niệm

• Recycling is the recovery of useful materials, such as paper, glass, plastic, and metals, from the trash to use to make new products, reducing the amount of virgin raw materials needed (EPA).

• Để tái chế cần phải tách loại CTR:

– tách loại tại nguồn (phân loại) (PP thủ công)

– tách loại tại bãi trung chuyển (PP cơ giới)

– tách loại tại nhà máy tái chế/bãi chôn lấp (PP cơ

2 Tái chế CTR (tt)

2.2 Thành phần có thể tái chế trong CTR đô thị

2 Tái chế CTR (tt)

• Thành phần tái chế trong CTR đô thị cao hơn ở các nước giàu hơn:

2 Tái chế CTR (tt)

• Thành phần tái chế trong CTR đô thị ở Việt Nam:

Thành phần Các đô thị khác Hà Nội Hải Phòng

2 Tái chế CTR (tt)

Phân loại nhựa trong CTR

Plastic Code Polymer Common applications

Polyethylene terephthalate Soft drink, water and salad dressing bottlesHigh-density

polyethylene

Water pipes, five gallon buckets, milk, juice and water bottles; the occasional shampoo/ toiletry bottle

Polyvinyl chloride Cling films for non-food use; electrical cable insulation;

rigid piping; vinyl records Low-density

polyethylene

Frozen food bags; squeezable bottles; cling films;

flexible container lids.

Polypropylene Reusable microwaveable ware; kitchenware; yogurt

containers; margarine tubs; disposable cups; plates Polystyrene Egg cartons; packing peanuts; disposable cups, plates,

trays and cutlery; disposable take-away containers;

2 Tái chế CTR (tt)

Các kim loại có thể thu hồi từ điện thoại di động

2 Tái chế CTR (tt)

2.3 Các kỹ thuật và thiết bị tách loại

(Áp dụng ở quy mô lớn)

(1) Cắt, nghiền - làm giảm kích cỡ (hỗ trợ)

– búa đập - với các vật liệu giòn, dễ gãy vỡ

– khoan cắt bằng thuỷ lực - các vật liệu mềm

– máy nghiền – với nhiều loại CTR khác nhau

(2).Tách bằng sàng – tách theo kích cỡ

– Sàng rung – với vật liệu khô (kim loại, thủy tinh, gỗ vụn,…)

– Sàng trống quay - tách rời các loại giấy carton và giấy vụn

(3) Tách bằng nam châm – tách kim loại từ tính (sắt)

2 Tái chế CTR (tt)

Các thiết bị cắt,

nghiền

Các thiết bị sàng

2 Tái chế CTR (tt)

Các thiết bị nam châm

Thiết bị thổi khí

3 Ủ chất thải rắn hữu cơ

3 Ủ chất thải rắn hữu cơ (tt)

3.2 Lý thuyết ủ (composting)

(a) Nature of process

• Composting is the biological decomposition of the organic compounds of wastes

under controlled aerobic conditions In contrast to uncontrolled natural decomposition of organic compounds, the temperature in waste heaps can increase by selfheating to the ranges of mesophilic (25–40 °C) and thermophilic microorganisms (50–70 °C) The end product of composting is a biologically stable humus-like product for use as a soil conditioner, fertilizer, biofilter material, or fuel

Protein Amino acids

Lipids Carbohydrates

Cellulose

Lignin

+ O 2 + Nutrients + Microorganisms  Compost + New cells

Dead cells

3 Ủ chất thải rắn hữu cơ (tt)

(b) Objectives of composting

– To transform the biodegradable organic

materials into a biologically stable product and reduce the volume of waste

– To destroy pathogens , insect eggs and other

unwanted organisms and weed seeds that may

be present in SW – To retain the maximum nutrient (nitrogen,

phosphorus and potassium) content, and – To produce a product that can be used to

support plant growth and as a soil amendment

3 Ủ chất thải rắn hữu cơ (tt)

(c) Steps of composting operations

3 Ủ chất thải rắn hữu cơ (tt)

3 Ủ chất thải rắn hữu cơ (tt)

• Phases and characteristics of composting process

3 Ủ chất thải rắn hữu cơ (tt)

Factors influencing

the composting

process.

3 Ủ chất thải rắn hữu cơ (tt)

(d) Important design considerations

• Particle size

– should be 25-75 mm

• C/N ratio

– Initial C/N ratio: 25/1 – 50/1 (optimum: 25/1)

– Should be adjusted prior to being composted

• Seeding

– Composting time can be reduced by seeding with 1-5 % wt of decomposed SW

3 Ủ chất thải rắn hữu cơ (tt)

Nutrient content and C/N ratio of selected compostable material (dry basis)

3 Ủ chất thải rắn hữu cơ (tt)

3 Ủ chất thải rắn hữu cơ (tt)

• Temperature

 50-55oC for the first few days

 55-60oC for the remainder of the active composting period

 Temperatures > 65oC reduce the biological activity

significantly

• pH Control

 pH 7-7.5 for optimum aerobic decomposition

 pH < 8.5 to minimize the loss of N in form of NH3 gas

• Control of pathogens

 60-70oC for 24 h kills all pathogens, weeds and seeds

3 Ủ chất thải rắn hữu cơ (tt)

3.3 Các công nghệ ủ CTR

3 Ủ chất thải rắn hữu cơ (tt)

3 Ủ chất thải rắn hữu cơ (tt)

• Windrow composting

3 Ủ chất thải rắn hữu cơ (tt)

(5) low contents of heavy metals and organic contaminants,

(6) no components that interfere with plant growth,

(7) mostly free from impurities,

(8) mostly free from germinatable seeds and living plant parts, (9) low content of rocks,

(10) typical smell of forest soil, and

3 Ủ chất thải rắn hữu cơ (tt)

• Compost product

4 Các phương pháp nhiệt thu hồi năng lượng

(regarding to energy recovery)

• End products of incineration:

– hot combustion gases ( flue gas ), composed of primarily of N2, CO2 and water vapour

– Refuse derived fuel (RDF) incinerator

• burns sorted and processed SW (RDF)

• RDF can be produced with fair consistency to meet specifications for energy, moisture and ash content

4 Các phương pháp nhiệt … (tt)

• Mass-burn incineration system

4 Các phương pháp nhiệt … (tt)

4.1.3 Heat recovery

• Energy can be recovered from the hot flue gases by:

– Waterwall combustion chamber (wall of combustion chamber are lined with boiler tubes)

– Waste heat boiler (hot flue gas are passed through a separate heat

boiler)

• Either hot water or steam can be generated

• Steam can be used for both heating and generation of

electricity

4 Các phương pháp nhiệt … (tt)

4.1.4 Emission control

Estimation of flue gas flow from MSW incineration

• Fuel factor (F-factor) = 0.26 m3/MJ for biomass fuel

• At normal conditions (0oC), dry, 0% O2:

Flue gas flow (m 3 /kg) = 0.26 (m 3 /MJ)  B (MJ/kg)

B: heat value of MSW

• At temperature toC, y% O2, z% water content:

• Ví dụ: Tính lưu lượng khí thải phát sinh từ lò đốt CTRSH công

z y

y

t B

273

27326

.0(m3/kg)

gasflue

Net

4 Các phương pháp nhiệt … (tt)

Air pollutants from solid waste incineration and methods of control

4 Các phương pháp nhiệt … (tt)

• Combustion control for dioxins and furans: destruction efficiencies of organic compounds as a function of temperature.

4 Các phương pháp nhiệt … (tt)

Dioxin Emission Control at Incinerators (http://cpcbenvis.nic.in)

• Proper segregation of waste PVC in garbage affects the amount of dioxin

formation

• Minimization of chlorine input is required.

• Avoid combustion of wet garbage (wet garbage produce more dioxin).

• Good combustion chamber design to optimize the supply of air for achieving more complete destruction of waste.

• The flue gas resulting from the combustion process is raised to a temperature

to 850°C for at least 2 seconds in municipal waste incinerator or to a

temperature of 1100°C for at least 2 seconds for hazardous waste incinerators for destruction of dioxin in the flue gas.

• Quick cooling of flue gas to minimize dioxin reformation between 200°C to

4 Các phương pháp nhiệt … (tt)

4.2 Nhiệt phân (Pyrolysis)

• Pyrolysis: the thermal decomposition of organic

wastes in the complete absence of oxygen

• Temperature: 480 – 900oC (fast pyrolysis: 400-600oC)

• Products of pyrolysis:

– A gas stream, containing primarily H2, CH4, CO, CO2 and

various other gases

– A liquid fraction, consisting of a tar or oil stream containing

acetic acid, acetone, methanol and complex oxygenated hydrocarbons (“bio-oil”)

– A char, consisting of almost pure carbon plus any inert

4 Các phương pháp nhiệt … (tt)

4 Các phương pháp nhiệt … (tt)

4.3 Khí hóa (Gasification)

• Gasification is the process of partial combustion in which fuel is deliberately combusted with less than stoichiometric air (not enough air)

• A combustible gas rich in CO, H2 and some saturated hydrocarbons

4 Các phương pháp nhiệt … (tt)

• Plasma gasification:

– uses plasma torch to gasify

the feedstock  very high

temp (up to 7000oC)

– Non-combustibles (glass,

metal, etc.) end up as inert

vitrified slag

– Theoretically more energy

efficient than conventional

gasification

4 Các phương pháp nhiệt … (tt)

4 Các phương pháp nhiệt … (tt)

Ví dụ nhà máy khí hóa MSW ở Hàn Quốc:

4 Các phương pháp nhiệt … (tt)

• Nhiệt trị của CTR – thông số quan trọng để lựa chọn các PP nhiệt thu hồi năng lượng

• Nhiệt trị càng cao – thu hồi năng lượng càng lớn

• Nhiệt trị của MSW khoảng 8.000 – 12.000 kJ/kg

Paper & cardboard 40

4 Các phương pháp nhiệt … (tt)

• Pyrolysis and gasification

– Both systems are used to convert solid waste into gaseous, liquid and solid fuels.

– Gasification process is highly exothermic and

therefore self sustaining

– Pyrolysis process is highly endothermic and

requires an external heat source.

– Pyrolysis reactions take place in an oxygen free environment and gasification systems use air or oxygen for the partial combustion of solid waste.

5 Sản xuất khí sinh học

(a) Nature of process

• Anaerobic decomposition of organic wastes into CH4 and

CO2

• 3-stages: (1)- hydrolysis of large organic polymers,

(2)-fermentation of hydrolyzed products into short-chain

volatile fatty acids (VFAs), (3)-methanogenesis

5 Sản xuất khí sinh học (tt)

(b) Objectives of biogas technology

• Production of energy source

– Biogas: used as fuel for heating, lighting, electric

generation,…

• Waste stabilization

– reducing the organic content by 30-60% and producing a

stabilized sludge (can be used as fertilizer)

• Nutrient reclamation

– increasing the availability of nutrients (N, P, K) to plants (e.g

organic N form  inorganic N forms)

• Pathogen inactivation

– without oxygen for a long time at high temperature 

5 Sản xuất khí sinh học (tt)

(c) Environmental requirements

– 30 – 40 o C for mesophilic digester

– 55 – 60 o C for thermophilic digester

• pH and alkalinity

– operational range of pH: 6.6 – 7.6, optimum range: 7.0-7.2

– high alkalinity 2,500 – 5,000 mg/L as CaCO3 is required for buffering

– High concentrations of NH (>1500 mg/L), S 2- (>200 mg/L), metals (Ca,

5 Sản xuất khí sinh học (tt)

(d) Digester types

• Fixed dome digesters (Chinese type)

5 Sản xuất khí sinh học (tt)

• Floating gas holder digesters (Indian type)

5 Sản xuất khí sinh học (tt)

• Bag digesters

5 Sản xuất khí sinh học (tt)

Biogas productivity from different agricultural wastes

(m3/ton of wet waste)

5 Sản xuất khí sinh học (tt)

52,7

67,6

53,9 51,2

27,5

36,1 37,1

Cmol (%)

other

5 Sản xuất khí sinh học (tt)

5.3 Biogas development

• China: 17 million existing biogas users in 2005

• India: about 3.8 million household scale biogas

plants in 2005 and 66,000 new plants to be installed

to 2006

• Vietnam:

• The Biogas program for Animal Husbandry sector has

assisted farmers nationwide to build biogas projects

• In 2011, the program covered more than 50 out of 63

cities and provinces

• about 150,000 biogas projects available throughout the