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

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA MƠI TRƯỜNG Mơn học: CHUN ĐỀ TÁI CHẾ VÀ TÁI SỬ DỤNG CHẤT THẢI RẮN Đề tài số 2: Bùn: chất thải hay nguồn tái tạo lượng 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 lượng thu hồi tài nguyên Tổng quan Sử dụng bùn thải nguồn tài nguyên tái tạo để thu hồi lượng giải pháp thích hợp để quản lý hiệu bùn thải liên tục tăng đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng môi trường ngày nghiêm ngặt, lúc đó, làm để trì việc cung cấp lượng đáng tin cậy giá phải cho hệ tương lai thân Các đặc tính có giá trị bùn có lượng hàm lượng dinh dưỡng cao với tiêu chí nghiêm ngặt cho việc thải bùn vận chuyển, thúc đẩy kỹ sư môi trường nhà khoa học thay đổi quan điểm họ để xem xét bùn nguồn tài ngun có giá trị thay lãng phí Nó bước tiến quan trọng phát triển lượng bền vững để đáp ứng nhu cầu lượng tương lai làm giảm phụ thuộc vào nguồn tài ngun khơng tái tạo Vì vậy, tổng hợp thảo luận loại tài nguyên thu hồi từ bùn thải, phương pháp thông thường sử dụng để thu hồi bùn thải thành nguồn tài nguyên có giá trị Hơn nữa, yếu tố tham gia vào q trình này, giai đoạn ứng dụng, ưu điểm nhược điểm có phương pháp thảo luận Chữ viết tắt từ AD: anaerobic digestion (phân hủy yếm khí) ALWA: artificial lightweight aggregate (cốt liệu nhẹ nhân tạo) AOP: advanced oxidation process (q 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 điện ) DO: dissolved oxygen (oxy hòa tan) DS: dry solids (chất rắn khơ) 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 (Hiệp hội quốc gia quan vận hành 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 (q trình oxy hóa nước siêu tới hạn); SRT, sludge retention 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 thống phản 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 (q trình oxy hóa khơng khí ẩm ướt) WAS: waste activated sludge WW TP: wastewater treatment plant (nhà máy xử lý nước thải) Từ Lgnition temperature: nhiệt độ Lgnition in-situ methods: phương pháp chỗ Settling filtration or centrifugation: xử lí lọc ly tâm lipid extraction by solven: khai thác lipid dung môi Giới thiệu Đô thị hóa tồn cầu ngày tăng với quy định tái sử dụng/xử lí bùn ngày nghiêm ngặt sức ép cộng đồng buộc tổ chức cá nhân làm phát sinh bùn phải đánh giá lại chiến lược quản lý bùn họ Thông thường, bùn thải xử lý thông qua thiêu đốt, chôn lấp thải bỏ xuống đại dương tái sử dụng dinh dưỡng cho đất nông nghiệp Gần có lệnh cấm thải bỏ xuống đại dương; tiểu chuẩn châu Âu quy định nghiêm ngặt việc chơn lấp; nhiều loại bùn có lợi ích tái sử dụng cao, nông nghiệp loạt công nghệ nhiệt Việc lựa chọn chiến lược quản lý bùn phải quan tâm đến chủ sở, chuyên gia tư vấn kỹ thuật, khai thác hợp đồng, cung cấp thiết bị, trị gia, quan quản lý, nhóm mơi trường cơng chúng Có lẽ yếu tố quan trọng việc đạt tính bền vững dài hạn lựa chọn chiến lược quản lý bùn dựa nhu cầu thực tế cộng đồng dựa số thiết lập nhân tạo tiêu chuẩn Người ta dự đoán nỗ lực quản lý bùn tới tập trung vào thu hồi tái sử dụng giá trị gia tăng trồng từ bùn Mối quan tâm lượng tái tạo thúc đẩy dự trữ nhiên liệu hóa thạch giảm nhu cầu lượng sơ cấp tăng làm tăng giá nhiên liệu, mối quan tâm biến đổi khí hậu, nâng cao nhận thức, tiến công nghệ lượng tái tạo Hai thành phần bùn mà mặt kỹ thuật kinh tế khả thi để tái chế giàu dưỡng chất (chủ yếu nitrogen phosphorusrus) lượng (carbon) Có sẵn số yếu tố để thu hồi lượng từ bùn thải Cách quan trọng phân hủy yếm khí, đốt, nhiệt phân, khí hóa, q trình oxy hóa siêu tới hạn (ướt); sử dụng sản xuất vật liệu xây dựng, sản xuất nhiên liệu sinh học (hydro, khí tổng hợp, dầu sinh học), phát điện cách sử dụng vi sinh vật đặc biệt, thu hồi lại lợi ích kim loại nặng, chất dinh dưỡng (nitrogen phosphorus), protein enzym Vì vậy, nỗ lực nhằm cung cấp nhìn tổng quan thảo luận cách để đạt chiến lược quản lý bùn bền vững thu hồi sản phẩm giàu lượng Đặc tính bùn Bùn thải hỗn hợp đồng phức tạp vi sinh vật, chất hữu không phân hủy giấy, tàn dư thực vật, dầu, cặn lăng, hợp chất vô ẩm Các vật liệu hữu không phân hủy có chứa hỗn hợp phức tạp từ phân tử protein peptide, chất béo, polysaccharides, đến đại phân tử thực vật với cấu trúc phenolic (ví dụ lignin tannin) cấu trúc béo (ví dụ cutins suberins), với chất ô nhiễm hữu nhỏ polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) dibenzofurans Bảng Mô tả đặc điểm bùn sơ cấp bùn hoạt tính Thơng số Tổng chất rắn khô TS, % Chất rắn bay (VS, %TS) Nitrogen (N, %TS) Phosphorus (P, %TS) Bùn sơ cấp 5-9 60-80 1.5-4 0.8-2.8 Bùn hoạt tính 0.8-1.2 59-68 2.4-5.0 0.5-0.7 Chất hóa học,(K2O %TS) Cellulose (%TS) Sắt (Fe g/kg) Silica (SiO2 %TS) pH Dầu mỡ chất béo (%TS) Protein Alkalinity (mg/L as CaCO3 Acid hữu (mg/L as acetate) Năng lượng (kJ/kg TS) 0-1 8-15 2-4 15-20 5.0-8.0 7-35 20-30 500-1500 200-2000 23000-2900 0.5-0.7 7-9.7 6.5-8 5-12 32-41 580-1100 1100-1700 19000-23000 Bùn thải sơ cấp tạo thông qua hoạt động học (sàng lọc, loại bỏ sạn, lắng) xử lý nước thải trình, thường chứa từ 93% đến 99,5% nước, chất hữu lơ lửng hồ tan Bùn thải hoạt tính (WS) bùn thứ cấp, tạo trình xử lý nước thải sinh học, tế bào vi khuẩn chủ yếu vật liệu hữu cao phân tử phức tạp Nồng độ tổng chất rắn bùn thứ cấp khoảng 0,8% 1,2%, tùy thuộc vào loại trình xử lý sinh học sử dụng Bùn thải hoạt tính bao gồm 59 -88% (w/v) vật chất hữu cơ, chúng phân hủy tạo mùi khó chịu Chỉ phần nhỏ bùn chất rắn, 95% nước Phần hữu có chứa 50-55% carbon, 25 -30% oxy, 10 -15% nitrogen, -10% hydro, 1-3% phosphorus 0,5 -1,5% lưu huỳnh Tro từ bùn thải chứa chủ yếu khoáng chất thạch anh, canxit microline Các khoáng chất hình thành nguyên tố Fe, Ca, K Mg Hơn nữa, số kim loại nặng Cr, Ni, Cu, Zn, Pb, Cd, Hg tìm thấy bùn Khả thu hồi lượng bùn nhờ vào thành phần bùn_gồm hỗn hợp chất hữu (dễ bay hơi), chất vô (vật liệu trơ) nước liên kết Năng lượng bùn chất rắn bay hơi, chia thành hai loại: dễ dàng phân hủy (50% bùn sơ cấp 25% bùn hoạt tính) khơng dễ dàng phân hủy (30% bùn sơ cấp 55% bùn thứ cấp) Kỹ thuật thu hồi tài nguyên từ bùn Các phương pháp truyền thống thu hồi tài nguyên từ bùn là: - Phân hủy yếm khí Đốt Khí hóa Nhiệt phân Q trình oxy hóa khơng khí ẩm ướt Q trình hóa ẩm siêu tới hạn Thủy nhiệt Tùy vào loại bùn mà có cách tái tạo sử dụng khác nhau: bao gồm thu hồi khí sinh học, khí đốt, điện, sản xuất vật liệu xây dựng, tái tạo chất dinh dưỡng, nhiên liệu sinh 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 hấp thụ sinh học, vv 3.1 Phân hủy yếm khí (AD) Phân hủy yếm khí cơng nghệ ổn định bùn phổ biến thị trường Quá trình biến đổi bùn hữu từ dạng rắn sang dạng khí sinh học, hỗn hợp gồm CH4, CO2, dấu vết chất khí khác mơi trường yếm khí Cc Hh Oo Nn Ss = y H2O - x CH4 + n NH3 + x H2S + (c – x) CO2 x = 1/8(4c + h − 2o − 3n − 2s) y = ¼( 4c + h − 2o + 3n + 3s) Chuyển đổi trình phức tạp liên quan đến bốn giai đoạn phản ứng sinh hóa gồm: - Q trình thủy phân: hợp chất hữu (polysaccharides, protein, chất béo) bị thủy phân enzyme ngoại bào - Quá trình acid hóa: sản phẩm q trình thủy phân biến đổi thành hydro, formate, acetate, axit béo dễ bay trọng lượng phân tử cao (VFA) - Q trình acetic hóa: sản phẩm q trình acid hóa bao gồm axit hữu chuỗi ngắn rượu tiếp tục xử lý vi khuẩn hình thành acetate tạo acid acetic chủ yếu, khí carbon dioxide hydrogen - Q trình methan hóa: khí sinh học (khí methane carbon dioxide) sản xuất từ khí hydro, format, acetate Khí sinh học sử dụng nguồn lượng sản xuất điện / nhiệt 3.2 Đốt Mục đích đốt bùn q trình oxy hóa hồn tồn hợp chất hữu nhiệt độ cao Trong trình này, chất rắn sinh học đốt cháy buồng đốt cung cấp khí dư (oxy) để tạo thành chủ yếu carbon dioxide nước, lại vật liệu trơ (tro) Tro xử lý sử dụng nguồn để sản xuất vật liệu xây dựng Hiện nay, phương pháp đốt bùn dần xác định việc thu hồi lượng từ bùn dạng nhiệt điện Theo Hiệp hội quốc gia quan nước (NACWA), đốt kết hợp với sản xuất điện thực thành công nhà máy xử lý nước thải Metro (WW TP) St Paul, Minnesota, Hoa Kỳ (Mỹ) Nhà máy có cơng suất phát điện 3,5 MW, vốn cho làm giảm phát thải khí nhà kính nhà máy khoảng 18% Hoặc Cleveland, Ohio (Mỹ) Hartford, Connecticut (Mỹ) thiết kế để thu hồi lượng với công suất dự kiến 2.0 0.8 MW, cung cấp tương ứng 20% 40% sở nhu cầu lượng Để giảm chi phí cao nhà máy đốt bùn để thúc đẩy việc thu hồi lượng hiệu quả, họ khảo sát để đốt bùn khô nhà máy điện đốt than Việc thu hồi lượng từ việc phân huỷ bùn hiệu tăng cường q trình khử nước làm khơ bùn sử dụng nhiệt dư từ khí thải nhà máy điện 3.3 Khí hóa Khí hóa liên quan đến phân hủy bùn khơ tạo thành tro khí đốt nhiệt độ khoảng 10000C khơng khí với lượng oxy giảm Các sản phẩm trình 10 bao gồm nhiệt (sử dụng để tạo lượng q trình nhiệt) khí tổng hợp Thành phần hóa học sản phẩm cuối mức lượng bị ảnh hưởng tác nhân khí hóa (khơng khí, ơxy, nước), nhiệt độ áp lực q trình hoạt động khí hóa; đặc điểm nạp liệu (loại, chất rắn khô, chất rắn bay hơi) Nguyên liệu khô, chẳng hạn gỗ chất thải xanh, trộn lẫn với bùn để đáp ứng đặc điểm lượng cần thiết Khí hóa chất rắn sinh học dự kiến thu hồi lượng đáng kể, giai đoạn đầu thực nên cần phải chứng minh qua thời gian Mơ hình thí điểm thực Đức nhiệt độ cao (1400-17000C) áp suất cao (0.6 -2.6 megapascal (MPa)), sử dụng oxy tinh khiết chất oxy hóa Ở nhiệt độ cao, tro tạo thành xỉ nóng chảy, dập tắt (ở khí hóa) tạo thành hạt xỉ hạt mịn Khí làm cách loại bỏ CN, NH3 H2S để sản xuất khí tổng hợp chất lượng cao Xỉ đơng lạnh hồn tồn trơ sử dụng thành phần hỗn hợp bê tông Các khảo sát sâu rộng trình tiết lộ kim loại nặng hợp chất hữu clo kiểm sốt hồn tồn 3.4 Nhiệt phân Nhiệt phân bùn phương pháp sáng tạo để quản lý bùn lượng, bùn được xử lý nhiệt (350 - 5000C) áp suất môi trường thiếu oxy Trong phương pháp này, bùn chuyển đổi thành than, tro, dầu nhiệt phân, nước loại khí dễ cháy Sản phẩm rắn / khí phương pháp nhiệt phân thiêu hủy sử dụng nguồn nhiệt trình nhiệt phân Nhiệt độ, áp suất, thời gian phản ứng đặc điểm nguyên vật liệu yếu tố ảnh hưởng đến suất sản phẩm nhiệt phân Lớp chất lỏng cấu hình phổ biến nhiệt phân hoạt động dễ dàng sẵn sàng mở rộng quy mơ chúng Một hệ thống q trình nhiệt phân (SlurryCarb ™, California, Mỹ) hoạt động nhiệt độ khoảng 4500C Phản ứng nhiệt phân làm thay đổi cấu trúc phân tử chất rắn phát thải CO2, làm giảm khối lượng chất rắn khoảng 40% Kết "cacbon hóa" chất rắn tạo thành bùn, gồm nhiệt 29 Theo Kargbo Siddiquee Rohani sản xuất dầu diesel sinh học từ bùn thải đối mặt với thách thức tới sau: (i) Tiền xử lí bùn: bùn ban đầu phải khử nước làm khơ ảnh hưởng đáng kể trình khai thác lipid ảnh hưởng tới suất chi phí sản xuất dầu diesel sinh học Khai thác lipid từ bùn khô khả thi rút hết chân khơng lựa chọn tốt (ii) Khai thác hiệu lipid: lựa chọn dung môi, tỷ lệ cặn dung môi, thời gian khai thác, nhiệt độ thu hồi dung môi yếu tố ảnh hưởng đến việc khai thác hiệu chi phí lipid Tối ưu hóa yếu tố cần thiết để khai thác lipid hiệu (iii) Sản xuất hiệu nhiên liệu sinh học: Việc sản xuất tối ưu diesel sinh học có thách thức lớn Đầu tiên, khai thác chuyển vị este chất béo có chứa axit béo Thứ hai, đầy đủ phản ứng (hoàn thành 98%) Thứ ba, lựa chọn cẩn thận chất xúc tác cho phù hợp (iv) Duy trì chất lượng sản phẩm: Có điều kiện tiên để chọn đánh giá hiệu trình chuyển gốc este để xử lí hóa chất dược phẩm (chất gây nhiễm mới) nồng độ cao axit béo tự (FFA) (mà dẫn đến vấn đề tạo xà phòng khó khăn việc tách sản phẩm) bùn để sản xuất dầu diesel sinh học chất lượng tốtnhất (v) Các khía cạnh kinh tế sản xuất dầu diesel sinh học: Chi phí sản xuất cao cản trở phát triển làm cho cạnh tranh so với dầu diesel Chi phí nguyên liệu chiếm tới 80% tổng chi phí sản xuất dầu diesel sinh học Sản xuất dầu diesel sinh học sử dụng bùn làm nguyên liệu làm giảm chi phí đáng kể Khai thác lipid sản xuất dầu sinh học từ bùn thải có liên quan đến việc sử dụng dung môi hữu 99% dung mơi thu hồi Hiện nay, ước tính chi phí sản xuất dầu diesel sinh học từ bùn khô $3.11/gallon dầu diesel sinh học so với $ 3.00/gallon cho dầu diesel (tính đến tháng năm 2010) Để 30 cạnh tranh, cần giảm chi phí đến mức chi phí dầu diesel dầu mỏ Mahamuni Adewuyi báo cáo việc sử dụng sóng siêu âm tần số cao làm giảm đáng kể chi phí sản xuất dầu diesel sinh học Angerbauer cộng quan sát thấy tiền xử lý bùn sóng siêu âm, làm cho chất béo dễ dàng sử dụng cho L starkeyi (nấm men) họ tích lũy lượng cao chất béo tức khoảng 70% chất khô so với tiền xử lí kiềm/axit thủy phân xử lý nhiệt Theo SPI-Nosa thu hồi nhiên liệu dễ dàng sử dụng lưu trữ chất lỏng, cung cấp sản phẩm giàu lượng, giảm hiệu ứng nhà kính, kiểm sốt hồn tồn kim loại nặng, phá hủy hợp chất hữu clo, phá hủy hoàn toàn tác nhân gây bệnh, điều chỉnh mùi… nhiên, bất lợi nguồn vốn dây chuyền phức tạp nhà máy Vì vậy, nỗ lực lớn yêu cầu để tối ưu hóa phương pháp để sản xuất dầu diesel sinh học hiệu kinh tế từ bùn thải Hình Sơ đồ sản xuất dầu diesel sinh học từ bùn thải 31 4.5 Vật liệu xây dựng Tái sử dụng bùn thải để làm vật liệu xây dựng làm giảm vấn đề xử lý chất thải, thay cho nguồn tài nguyên không tái tạo Cách tiếp cận cung cấp tiềm lớn cho việc sử dụng chất thải Bùn thải có chứa carbon hữu phức hợp hợp chất vô cơ, đại diện cho nguồn tài nguyên có giá trị Một công ty Nhật Bản thực để sản xuất sản phẩm từ bùn vô Bùn khô tro lò đốt rác sử dụng nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng; xảy nhiệt độ cao 10000C Nhiệt thải có sẵn cho trình sấy Phụ thuộc vào thay đổi quy trình cụ thể điều kiện hoạt động, loại sản phẩm thực 32 có đặc tính :trọng lượng nhẹ, xỉ, gạch Trộn đất sét, chất rắn sinh học (tro) làm gạch giống hình dạng tính chất vật lý gạch xây dựng đạt tiêu chuẩn Ở Nhật Bản, chất rắn sinh học (tro) sử dụng để làm gạch thập kỷ Nhà máy gạch bùn quy mô bắt đầu vào năm 1991 Tokyo với suất sản xuất 5.500 viên gạch ngày sử dụng 15.000 kg tro bùn đốt Quan trọng hơn, khơng có kim loại nặng, môi trường bất lợi với độ pH thấp = Anderson cộng thêm tro bùn thải từ lò đốt tầng sơi vào loạt gạch thương mại thông thường, họ báo cáo kết đáng khích lệ Sản xuất xi măng Portland từ bùn thải cách khác để sử dụng hợp chất vơ hữu có giá trị bùn Bùn thải sử dụng ba hình thức khác tro đốt , bùn khử nước , rắn bùn khơ Trong ba hình thức, sử dụng trực tiếp bùn khử nước vào lò nung xi măng Portland dường có hiệu qủa cao Q trình khơng đòi hỏi phải có lò đốt rác khơng tạo thêm chi phí Ở nhiệt độ hoạt động cao, chất hữu độc hại bùn hồn tồn bị oxy hóa , kim loại nặng cố định xi măng Do bùn sử dụng nguyên liệu sản xuất xi măng Portland , giúp làm giảm gánh nặng tài nguyên thiên nhiên đất sét đá vôi ( nguồn gốc CaO, SiO , F2O3 ) Theo nghiên cứu trước đây, vật liệu xi măng làm từ bùn thay xi măng Portland thông thường lên đến 20% trọng lượng Bùn thải tái sử dụng sản xuất vật liệu thô nhân tạo (ALWA ) ALWA sử dụng đất trồng, phụ gia ALWA có trọng lượng riêng nhỏ, cường độ nén thấp Bê tông làm từ bùn đất sét có mật độ thấp có tỷ lệ khối lượng lớn so với sản xuất từ vật liệu đá granite thường Trên sở kết nghiên cứu họ, người ta khuyến cáo hỗn hợp bùn - sét cần đất sét 20% phù hợp cho ứng dụng cấu trúc, hỗn hợp khác chứa đến 50% hàm lượng sét; giớ hạn cao tất chất gây ô nhiễm sức khỏe dựa nằm giới hạn an toàn tương ứng quy định Tổ chức Y tế Thế giới (WHO ) hướng dẫn nước uống Việc tuân thủ giới hạn an toàn WHO việc không nên lạm bùn đất sét có ảnh hưởng đáng kể đến sức khỏe người môi trường 33 Xỉ_đá cẩm thạch có cấu trúc bán tinh thể, giải pháp giảm khối lượng cố định kim loại nặng bùn thay cho nguyên liệu thô tự nhiên (bê tông, vật liệu đường, chất độn Quá trình GlassPacks phát triển Tổng công ty Minergy, Mỹ; sử dụng phần hữu chất rắn sinh học nguồn nhiên liệu tái tạo để sản xuất sản phẩm tổng hợp trơ từ chất vô (tro) Bùn ướt (khoảng 20 % chất rắn ) 15% độ ẩm, bị nung nhiệt độ 1330 - 15000C, chúng tan chảy thành thủy tinh nóng chảy Tuy nhiên, hầu hết kỹ thuật khơng hiệu kinh tế chi phí sản xuất cao (nếu so với giá thị trường) Vì vậy, việc thương mại hóa bùn thải dựa vật liệu xây dựng phải có tính khả thi kinh tế phát triển thị trường thách thức lớn 4.6 Sản xuất điện từ bùn nhiên liệu tế bào vi sinh vật Điện sản xuất từ bùn sử dụng nhiên liệu tế bào vi sinh vật (MFC) coi cách tái sử dụng bùn có lợi Nhiều loài vi khuẩn khác bao gồm Escherichia, Shewanella, Clotridum, Desulfovibrio làm giảm ion kim loại nặng (ví dụ mangan, sắt, uranium,và cupric) chế oxy hóa khử Rabaey Verstraete mơ tả chế xử lý chất thải phản ứng MFC Vi sinh vật cầu anot MFC oxy hóa chất sản xuất electron, proton Phản ứng điển hình sau sử dụng acetate làm ví dụ chất Anot: CH3COO- + 2H2O → 2CO2 + 7H+ + 8eCatot: O2 + 4e- + 4H+ → 2H2O Toàn phản ứng phân hủy chất hữu tạo CO nước đồng thời sản xuất điện; dựa vào cặp phản ứng điện phân trên, phản ứng sinh học MFC tạo điện từ electron từ anot sang catot bên mạch Điện nhiên liệu tế bào sinh học bình thường khoảng vài trăm mV; mật độ điện khoảng 50-100W/m Hiệu suất MFC phụ thuộc vào tham số pH, nhiệt độ, loại chất nền, lượng chất hòa tan vào bùn, loại vi khuẩn, loại điện phân, điện trở… 34 Trong khả ứng dụng MFC vào xử lý bùn điều tra Dentel cộng sự; cường độ khoảng tối đa 60µA tối đa, điện trăm mV Jiang sử dụng buồng MFC cho loại điện siêu âm xử lý nước thải bùn trước Họ yêu cầu ổn định lượng điện tiếp tục sản xuất hoạt động 250h, với giảm 46.4% TCOD Hơn nữa, MFC sản xuất lượng quan sát tương quan với SCOD bùn Quá trình MFC diễn khơng q trình vi sinh vật sản xuất điện mà có hiệu lực bùn dư thành phần bùn Khoa học hiên nỗ lực hướng phát triển nhiên liệu tế bào vi sinh vật để chuyển đổi bùn thải chất thải hữu khác thành điện Tuy nhiên kĩ thuật hiệu giới hạn 4.7 Nhựa sinh học Polyhydroxyalkanoates (PHA) polyester acid hydroxyalkan; phân hủy sinh học thân thiện với môi trường PHB P(3HB-co-HV) phổ biến rộng rãi hình thức khác PHA sản xuất tự nhiên trình lên men vi khuẩn đường hay lipit PHA vi sinh vật, đặc biệt vi khuẩn, có nhiều cacbon lượng dự trữ/giảm lượng dư thừa electron trạng thái căng thẳng Nhiều vi sinh vật có khả tích lũy PHA Tuy nhiên tính ứng dụng rộng rãi bị hạn chế giá thành sản xuất cao Nỗ lực lớn làm cải thiện sản lượng PHA trinh lên men vi sinh vật giảm giá thành sản xuất Phương pháp tái tạo tốt nguồn tài nguyên cacbon từ chất thải nông nghiệp hay công nghiệp hay chất thải bùn hoạt động hay nguồn tích lũy PHB Phương pháp có lợi giảm chi phí việc sản xuất PHA giảm bùn thải việc rút PHA Vi sinh vật tích lũy PHA tìm thấy bùn hoạt tính Giá thành việc sản xuất PHA giảm cách sử dụng bùn thải làm nguyên liệu bùn thải sẵn có, nhiều, dễ kiếm nhiên PHA sản xuất thu khơng tinh khiết sử dụng bùn hoạt tính thay bùn tinh khiết Vi sinh vật bùn hoạt tính có khả tích lũy PHA khác từ 0.3-22.7mg polymer/g bùn Yan sử dụng bột giấy báo nguồn cho vi sinh vật để sản xuất 35 nhựa phân hủy sinh học (PHA) 25 0C, pH = acetate nguồn cacbon Tích lũy tối đa PHA (39.6%w/w bùn khô SS) 15g/L SS 10g/L acetate cô đặc Thu hồi PHA bùn hoạt tính điều khiển nhiều thơng số hoạt động Mặc dù bùn hoạt tính thích hợp với điều kiện kị khí tích lũy PHA, nhiên nghiên cứu trước cho thấy tăng cường tích lũy PHA cách tiếp xúc với oxy khu vực kị khí Takabatake báo cáo khả tích lũy PHA bùn 20-30% cho bùn hiếu khí tuyệt đối, 17-57% cho bùn nửa hiếu khí 33-50% cho bùn kị khí PHA trung bình sau ủ 18.6%, nhỏ 6.2%, cao 29.5% Họ báo cáo bùn hoạt tính q trình thơng thường có PHA có khả tích lũy cao so với q trình hiếu khí Nhiệt độ tham số khác, điều khiển việc sản xuất lưu trữ PHA từ bùn hoạt tính PHA tăng nhiệt độ giảm Hơn pH>=8, nồng độ chất rắn thấp phản ứng ảnh hưởng tới tỉ lệ sản xuất PHA Trình tự hàng loạt phản ứng (SPRs) lặp lại tạo nhiều PHA hơn, an toàn tiện lợi điều khiển tăng trưởng sinh khối PHAs sản xuất để dung lần (vd: dụng cụ, tã, mĩ phẩm, chai, tách ) chúng phân hủy sinh học Trong y học, PHA sử dụng chức hóa hạt để chuẩn đốn bệnh ứng dụng điều trị, sửa tái sinh mô mềm mô cứng, ống dẫn mối nối cho điều trị thần kinh, hệ thống thuốc, thiết bị cho mối nối vết thương băng, ông đỡ tim mạch, van tim Hiện giá thành sản xuất PHA khoảng US$4-6/kg, cao gần gấp 10 lần nhựa dầu khí 4.8 Hấp thụ sinh học Sử dụng chất hấp thụ sinh học để loại bỏ kim loại nặng nước thải phương pháp sinh thái thân thiện, hiệu chi phí thấp Chất thải bùn hoạt tính xem chất hấp thụ sinh học tốt cho việc loại bỏ ion kim loại nặng từ nước thải cơng nghiệp Bùn thải chuyển đổi thành than hoạt tính sử dụng q trình nhiệt phân điều kiện kiểm soát với số hóa chất xử lý Chuyển đổi giảm bớt số lượng bùn tạo vật liệu hấp phụ có giá trị chi phí thấp so với than hoạt tính thương mại Nghiên cứu ảnh hưởng bùn sinh học hấp thụ để loại bỏ 36 chất nhuộm nước thải hệ thống cố định Họ báo cáo than hoạt tính sản xuất từ bùn thải cho thấy phát triển tốt cấu trúc mesopore loại bỏ tuyệt vời thuốc nhuộm kim loại Sử dụng MW xử lí bùn hấp phụ thuốc nhuộm cho kết đáng khích lệ với hiệu lượng q trình MW so với phương pháp nhiệt thơng thường Trong nghiên cứu khác thực Hsieh cơng phân tích chi phí lượng thể tính khả thi việc áp dụng quy trình MW để sản xuất chất hấp phụ có nguồn gốc từ bùn Thông thường, vật liệu hấp phụ từ bùn thải sản xuất cách hoạt hóa H2SO4 vói q trình nhiệt phân Bùn thải ban đầu sấy khơ 105 0C sau hoạt hóa cách ngâm với H2SO4 Kết bùn sau pyrolysed nitơ trơ, sau rửa với pha loãng HCl (10% khối lượng) Các hạt vật liệu hấp phụ nghiền thành bột để kích thước hạt, độ xốp diện tích bề mặt cao Đề xuất phương pháp thay than hoạt tính cách hoạt hóa anaerobically phân hủy bùn thải với 5M ZnCl nhiệt phân 500 oC 2h áp suất khí N2 Họ kết luận phương pháp lựa chọn hiệu chi phí so với phương pháp truyền thống có Chất hấp phụ hỗn hợp, chuẩn bị cách trộn bùn với loại nhựa phenolic cho thấy hiệu loại bỏ đáng kể 98% cho tổng carbon hữu (TOC) 32% cho NH 4+ muối, kết tương đương với than hoạt tính thương mại Nhiều chất hấp phụ sinh học có nguồn gốc từ bùn loại bỏ cách sử dụng natri canxi alginate, Immobilized Hơn nữa, kết cho thấy bùn có nguồn gốc than hoạt tính thực tốt loại bỏ thuốc nhuộm với diện cao nhóm hòa tan anion kim loại nặng Khả hấp phụ chất hấp phụ sinh học phụ thuộc vào số yếu tố nhiệt độ nhiệt phân, thời gian, chất hóa học cụ thể Nước thải bùn sử dụng nguồn carbon cho xử lý khí có mùi thơng qua hấp thụ xử lý khí thải thơng qua khử lưu huỳnh, hai ứng dụng hạn chế nên hầu hết nghiên cứu thực quy mơ phòng thí nghiệm 37 4.9 Thuốc trừ sâu sinh học Bùn thải nguồn carbon chất dinh dưỡng nitơ phosphorus cho số phương pháp sinh học để thêm giá trị cho bùn cách tạo số sản phẩm trao đổi chất có lợi, chẳng hạn nội độc tố, bào tử số hợp chất khác (thực vật côn trùng protein, hemolysins , độc tố, chitinases, protease, phosphoruslypases ) Đến nay, vi khuẩn Bacillus thuringiensis hiệu thuốc trừ sâu sinh học sử dụng rộng rãi nông học, lâm nghiệp y tế công cộng Phương pháp sản xuất thuốc trừ sâu sinh học bao gồm giai đoạn sau đây: (a) Lên men bùn (b) Thu hồi sản phẩm / thu hoạch (c) Xây dựng sản phẩm Nghiên cứu tác động trước xử lí (tiền xử lý nhiệt kết hợp với q trình oxy hóa sử dụng H2O2 Yếu tố ảnh hưởng bao gồm pH, oxy hòa tan (DO), tạo bọt, nồng độ chất rắn, loại bùn ảnh hưởng đến trình sản xuất thuốc trừ sâu sinh học Tổng nồng độ chất rắn tối ưu 25g/l 4.10 Các nguồn lực khác 4.10.1 Protein Bùn thải sử dụng nguồn protein, thành phần protein carbohydrate; bao gồm 61% protein, 11% carbohydrate, < 1% lipid, >27% thành phần không rõ sở TCOD Protein ước tính chiếm khoảng 50% trọng lượng khơ tế bào vi khuẩn Mặt khác, protein thành phần quan trọng thức ăn gia súc, lượng nitơ Nồng độ protein 3177.5mg / l sau tiền xử lý WS (5330mg / l SS) kết hợp với song siêu âm (1.65x1010kJ/kg VSS)phương pháp kiềm (pH = 12, 2h) Việc thu hồi protein tối đa 80,5% đạt pH tối ưu 3.3 Họ báo cáo thành phần dinh dưỡng protein thu hồi so với 38 thức ăn protein thương mại Nghiên cứu ảnh hưởng NaOH NaCl kết hợp với chiết xuất protein từ bùn Trong tất tủa sử dụng, amoni sunfat (40%) hiệu nhất, thu hồi protein tối đa 91% Hơn nữa, trình thu hồi protein loại bỏ hầu hết kim loại bùn sơ cấp; sản phẩm thu hồi bao gồm tất acid amin cần thiết, bổ sung thức ăn gia súc Giải độc hiệu bùn tức khử trùng, loại bỏ kim loại nặng chất độc hại khác cần thiết trước sử dụng bùn để sản xuất thức ăn chăn nuôi hiệu 4.10.2 Enzyme Việc khai thác enzyme chủ yếu do: thu hồi sản phẩm có giá trị từ bùn hoạt tính, enzyme sử dụng để thúc đẩy phân hủy sinh học bùn khí sinh học q trình phân hủy yếm khí Dựa nghiên cứu tài liệu, rõ ràng bùn sản xuất enzyme khác ví dụ protease, glycosidase, dehydrogenase, catalase, peroxydase, α-amylase, α-glucosidase Sử dụng song siêu âm hỗ trợ phương pháp khai thác để thu hồi enzym thủy phân (protease lipase) từ WS Họ cho cường độ lượng 3,9 W/cm thời gian từ 10-20 phút thích hợp để đạt tỷ lệ cao enzyme thu hồi Các enzym tạo vi sinh vật bùn hoạt tính chịu trách nhiệm cho xuống cấp chất hữu Enzyme thực nhiều phản ứng hóa học thương mại sử dụng chất tẩy rửa, thực phẩm, dược phẩm quan trọng Trên thực tế 30-40% chi phí sản xuất cho enzyme cơng nghiệp tính cho chi phí mơi trường ni cấy Enzyme nguồn gốc từ bùn thu hoạch để tái sử dụng thêm ứng dụng môi trường khác 4.10.3 Phân bón sinh học Acid amin nguyên tố vi lượng (AACTE) phân bón cơng nhận thân thiện môi trường cho bông, hoa công nghiệp khác Trung Quốc Tuy nhiên, sản xuất bị hạn chế nguồn protein hạn chế tóc, móng, sừng, da Phát triển cơng nghệ cho việc sử dụng bùn thải Các vi khuẩn protein bùn thải tách để tạo phân bón AACTE sử dụng số phương pháp hóa học Ban đầu, bùn 39 thải thủy phân dung dịch HCl nóng để tạo protein Sau đó, dung dịch protein tiếp tục thủy phân thành acid amin điều kiện có tính acid nóng Cuối cùng, axit amin tinh khiết sử dụng để sản xuất phân bón AACTE tạo phức với nguyên tố vi lượng Điều kiện thủy phân tối ưu để tách protein từ bùn thải pH = 0,5, nhiệt độ 1210C thời gian phản ứng 5h 4.10.4 Acid dễ bay Một số acid dễ bay acid acetic, acid fomic acid propionic thu hồi từ bùn thải sử dụng phương pháp sinh học, trình nhiệt trình oxy hóa khơng khí ẩm ướt Shanableh Jomaa báo cáo số lượng tối ưu VFA sản xuất xử lý thủy nhiệt vừa phải (