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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA MÔI TRƯỜNG  Chuyên đề tái chế 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 lượng thu hồi tài nguyên Nhóm 20: Nguyễn Kim Chi MỤC LỤC 1022033 Lê Thị Phương Thảo 1022272 Lý Thị Thu 1022287 Danh mục từ viết tắt .3 Tóm tắt nội dung Giới thiệu Đặc tính bùn Kỹ thuật thu hồi nguồn tài nguyên Phân hủy kỵ khí (AD) Đốt đồng đốt .9 Khí hóa Nhiệt phân Q trình oxy hóa khơng khí ẩm (WAO) .10 Quá trình oxy hóa nước siêu tới hạn (SCWO) 11 Xử lý thủy nhiệt 11 Năng lượng tài nguyên thu hồi 12 Khí sinh học thu hồi cách phân hủy yếm khí 12 Lượng dinh dưỡng có sẵn .14 Thu hồi kim loại nặng 15 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 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 24 Kịch toàn cầu lợi ích mang lại từ tái sử dụng thu hồi tài nguyên từ bùn thải 24 Hiện trạng xử lý bùn thải Việt Nam 25 Thảo luận 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 điện ) DO: dissolved oxygen DS: dry solids FFA: free fatty acids (acid béo tự ) 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 (q 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 (q trình oxy hóa khơng khí ẩm ướt) WAS: waste activated sludge WWTP: wastewater treatment plant (nhà máy xử lý nước thải) Tóm tắt Sử dụng bùn thải nguồn tài nguyên tái tạo để thu hồi lượng giải pháp thích hợp để quản lý chất bùn thải tăng liên tục, đồng thời đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng môi trường nghiêm ngặt, lúc, làm để trì việc đáp ứng lượng với 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, thúc đẩy kỹ sư môi trường nhà khoa học để thay đổi quan điểm họ để xem xét bùn nguồn tài nguyên có giá trị lượng thay chất thải Nó bước tiến quan trọng hướng tới phát triển giải pháp lượng bền vững để đáp ứng nhu cầu lượng tương lai làm giảm phụ thuộc vào nguồn tài ngun khơng tái tạo Vì vậy, báo có thảo luận loại tài ngun thu hồi từ bùn thải thơng thường phương pháp sử dụng để chuyển đổi bùn thành nguồn tài nguyên có giá trị Hơn nữa, yếu tố tham gia vào trình này, giai đoạn ứng dụng, ưu điểm nhược điểm có phương pháp thảo luận Giới thiệu Đơ thị hóa tồn cầu ngày tăng xã hội với việc tái sử dụng bùn / quy định xử lý ngày khắt khe gia tăng sức ép, buộc cộng đồng cá nhân tạo bùn đánh giá lại chiến lược quản lý bùn họ Thông thường, bùn thải xử lý thông qua thiêu đốt, chôn lấp thải biển tái sử dụng điều hồ đất nơng nghiệp Tuy nhiên gần với việc cấm thải bùn biển tiêu chuẩn chôn lấp nghiêm ngặt châu Âu Người ta dự đoán nỗ lực quản lý bùn tới nhấn mạnh vào thu hồi tái sử dụng giá trị từ bùn Hai thành phần bùn mà mặt kỹ thuật kinh tế khả thi để tái chế dưỡng chất (chủ yếu nitơ phospho) lượng (carbon) Các đường quan trọng phân hủy yếm khí bùn với phục hồi khí sinh học, phân hủy, tiêu huỷ đốt với phục hồi lượng, 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 thù, phục hồi mang lại lợi ích kim loại nặng, chất dinh dưỡng (nitơ phospho), protein enzym Đặc tính bùn Bùn cống hỗn hợp đồng phức tạp vi sinh vật, chất hữu khó phân hủy giấy, tàn dư thực vật, dầu, chất cặn, vật liệu vô độ ẩm Các vật liệu hữu khơng phân hủy có chứa hỗn hợp phức tạp phân tử đến từ protein peptide, chất béo, polysaccharides, đại phân tử thực vật với cấu trúc phenolic (ví dụ lignin tannin) cấu trúc béo (ví dụ cutins suberins), với vi chất ô nhiễm hữu polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) dibenzofurans Bảng Mô tả đặc điểm bùn sơ cấp bùn hoạt tính Thơng số Tổng chất rắn khơ TS, % Chất rắn bay (VS, %TS) Nitrogen (N, %TS) Phosphorus (P, %TS) Chất hóa học,(K2O %TS) Bùn sơ cấp 5-9 60-80 1.5-4 0.8-2.8 0-1 Bùn hoạt tính 0.8-1.2 59-68 2.4-5.0 0.5-0.7 0.5-0.7 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) 8-15 2-4 15-20 5.0-8.0 7-35 20-30 500-1500 200-2000 23000-2900 7-9.7 6.5-8 5-12 32-41 580-1100 1100-1700 19000-23000 Bùn thải sơ cấp tạo thông qua trình xử lý nước thải học (sàng lọc, loại bỏ sạn, lắng đọng trầm tích), thường chứa từ 93% đến 99,5% nước, thành phần cao chất hữu lơ lửng hoà tan Chất thải bùn hoạt tính (WAS) bùn thứ cấp, tạo trình xử lý sinh học nước thải, chứa tế bào chủ yếu vi khuẩn vật liệu hữu cao phân tử phức tạp Nồng độ chất rắn tổng số bùn thứ cấp khoảng 0,8% 1,2%, phụ thuộc vào loại trình xử lý sinh học sử dụng Chất thải bùn hoạt tính bao gồm 59 -88% (w /v) vật chất hữu cơ, 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% nitơ, -10% hydro, 1-3% phospho 0,5 -1,5% lưu huỳnh Tro từ bùn thải có chứa chủ yếu khống chất thạch anh, canxit microline Các khoáng chất hình thành yếu tố Fe, Ca, K Mg Hơn nữa, số kim loại nặng Cr, Ni, Cu, Zn, Pb, Cd, Hg tìm thấy bùn Khả phục hồi lượng từ bùn chức thành phần chúng, hỗn hợp vật chất hữu (dễ bay hơi), chất vô (vật liệu trơ) nước liên quan Kỹ thuật thu hồi nguồn tài nguyên Các phương pháp truyền thống cho việc thu hồi tài nguyên từ bùn là: - Phân hủy kỵ khí - Đốt đồng đốt - Khí hóa - Nhiệt phân - Q trình oxy hóa khơng khí ẩm - Q trình oxy hóa ẩm siêu tới hạn - Xử lý thủy nhiệt Hình Các đường thu hồi tài nguyên từ bùn thải 3.1 Phân hủy kỵ khí (AD) Phân hủy kỵ khí cơng nghệ ổn định bùn phổ biến thị trường Quá trình biến đổi bùn chất rắn hữu thành khí sinh học, hỗn hợp CH4, CO2, lượng nhỏ chất khí khác, mơi trường kỵ khí (Phản ứng 1) CcHhOoNnSs + yH2O  xCH4 + nNH3 + xH2S + (c – x)CO2 (1) 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 Những giai đoạn q trình thủy phân hợp chất hữu (polysaccharides, protein, chất béo) bị thủy phân enzyme ngoại bào; acid hóa, sản phẩm q trình thủy phân chuyển đổi thành hydro, formate, acetate, axit béo dễ bay trọng lượng phân tử cao (VFA ); acetate hóa, nơi axit hữu chuỗi ngắn alcohol sản xuất trình acid hóa q trình acetate hình thành vi khuẩn cho axít axetic chủ yếu, carbon dioxide hydrogen; methan hóa, khí sinh học (khí methane carbon dioxide) sản xuất hydro, format, acetate Khí sinh học sử dụng nguồn lượng sản xuất điện / nhiệt 3.2 Đốt đồng đốt Mục đích đốt bùn q trình oxy hóa hồn tồn hợp chất hữu nhiệt độ cao Trong trình này, chất rắn sinh học bị đốt cháy buồng đốt cung cấp khí dư (oxy) để tạo thành chủ yếu carbon dioxide nước, để 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 3.3 Khí hóa Khí hóa liên quan đến phân hủy bùn khơ tro khí dễ cháy nhiệt độ thường khoảng 10000C bầu khơng khí với hàm lượng oxy giảm Các sản phẩm trình bao gồm nhiệt (sử dụng để tạo lượng trình nhiệt) khí tổng hợp Thành phần hóa học sản phẩm cuối hàm lượng lượng bị ảnh hưởng tác nhân khí hóa (khơng khí, ơxy, nước), khí hóa sử dụng nhiệt độ áp suất, đặc điểm nguồn cấp (loại, chất rắn khô, chất rắn bay hơi) Ở nhiệt độ cao, tro từ bùn tạo thành xỉ nóng chảy, dập tắt khí hóa, tạo thành hạt xỉ hạt mịn Khí khơ làm cách loại bỏ CN, NH3, H2S để tạo khí tổng hợp chất lượng cao Xỉ đơng lạnh hồn tồn trơ sử dụng thành phần hỗn hợp bê tơng Hình Các chất khí sinh q trình khí hóa 3.4 Nhiệt phân Nhiệt phân bùn phương pháp sáng tạo phát triển để quản lý bùn lượng, bùn được xử lý nhiệt (350 - 500 0C ) áp lực môi trường thiếu oxy Trong phương pháp này, bùn chuyển đổi thành than, tro, loại dầu nhiệt phân, nước loại khí dễ cháy Phản ứng nhiệt phân làm thay đổi cấu trúc phân tử chất rắn phát sinh CO 2, làm giảm khối lượng chất rắn khoảng 40% Những lợi lớn từ q trình khí hóa nhiệt phân là: (a) phá hủy hợp chất hữu cơ, (b) khí tổng hợp sử dụng làm ngun liệu hóa chất, sau xử lý thêm, nguồn lượng, (c) cung cấp nhiệt chuyển thành nước điện, (d) khối lượng khí thải phát thải NO x thấp thiêu đốt, (e) dioxin/furan thấp (f) sản xuất phế liệu rắn ổn định cho phép tái chế Những nhược điểm là: (a) số quy trình sản xuất than, đòi hỏi phải xử lý thêm, (b) vấn đề an toàn, đặc biệt với oxy tinh khiết, (c) chế biến phức tạp, (d) khơng có liệu chi phí (g) liệu hoạt động hạn chế 3.5 Q trình oxy hóa khơng khí ẩm ướt (WAO) Q trình oxy hóa ướt q trình oxy hóa hóa học bùn (bằng cách bổ sung O2) nhiệt độ cao (150-330 0C) áp suất cao (6 - 20 MPa) Quá trình oxy hóa 10 4.1 Khí sinh học phục hồi cách phân hủy kỵ khí Khí sinh học sản xuất thời gian phân hủy yếm khí bùn thải có chứa 60-70% methane, 30 -40% lượng khí carbon dioxide, lượng nhỏ nitơ, hydro, hydrogen sulfide, nước Phục hồi khí metan sử dụng để cung cấp lượng khí, sản xuất lượng điện nhiệt sử dụng chỗ nhà máy xử lý Hình Cách khác việc sử dụng khí sinh học sau tinh chế thích hợp xử lý cần thiết Cơng nghệ Sonix có khả cải thiện việc sản xuất khí gas ( tăng đến 50%) áp dụng công ty Đức Heilscher Sontronic với kết khả quan Sự kết hợp lò phản ứng sóng siêu âm (20 kHz) vào sản xuất khí sinh học có hệ thống làm tăng sản phẩm khí sinh học (lên đến 50%) thành phần mêtan cao (lên đến 70% CH4 ) Baber báo cáo kết số hệ thống sóng siêu âm (Đức, Áo, Thụy Sĩ, Ý, Nhật Bản) Ông quan sát thấy tăng 22% khí sinh học giảm VS, cải thiện 7% hiệu máy ép bùn Nghiên cứu cân lượng khối lượng bể kỵ khí (1200 m3, 20 ngày SRT, tốc độ dòng chảy 200 m3/ngày 5% DS) xử lý bùn sonicated 2,5 W/m2 /K, 13 cho thấy lượng tạo nhiều tiêu thụ Hơn nữa, họ cho thời gian hoàn vốn điển hình cho hệ thống siêu âm tồn diện 2-3 năm Khí sinh học loại nhiên liệu tuyệt vời với số lượng lớn ứng dụng phát triển cho khí đốt tự nhiên : sản xuất nhiệt nước, phát điện, sử dụng nhiên liệu xe, sản xuất hóa chất… Khai thác lượng từ chất rắn sinh học cung cấp lượng an toàn, giảm lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải khí nhà kính Thu hồi lượng từ khí sinh học coi công nghệ chuyển đổi chất thải thành lượng 4.2 Thu hồi chất dinh dưỡng Bùn thải có chứa lượng đáng kể chất dinh dưỡng: N P chúng tồn dạng protein Sự phân hủy, hòa tan chuyển hóa bùn thành amonia photphat dùng làm phân bón cho thực vật Phospho nguồn tài nguyên vô tận, mặt khác bùn lại giàu phospho, khai thác phospho từ bùn quan tâm Trong năm gần đây, nhiều nỗ lực hướng phục hồi phốt từ bùn thải thông qua kết tinh, việc phát triển thực Nhật Bản Hà Lan Calcium phosphate magiê amoni phosphate (struvite) sản phẩm cuối thường thu hồi từ trình Struvite phân bón cho tuyệt vời tính phóng thích chậm , áp dụng trực tiếp Để phục hồi phospho từ bùn thải thơng qua kết tinh, cần thực q trình hòa tan P để giải phóng phosphate Liao cộng báo cáo có tới 76% tổng phospho (TP) giải phóng cách gia nhiệt MW phút Tế bào vi khuẩn hợp chất hữu khó phân hủy bị phân hủy q trình tiếp xúc với MW nhiệt, mà cuối giải phóng polyphosphate lưu trữ phospho bị dính vật liệu polyme ngoại bào vào dung dịch Amoniac giải phóng với phosphate Liao cộng sử dụng q trình oxy hóa 14 bậc cao (AOP) kết hợp với MW (H2O2 + MW) Họ báo cáo 84% tổng phốt giải 1700 C (thời gian phản ứng 5phút ) với 50 ml / L H2O2 (30% khối lượng) Wong cộng nhận thấy kết hợp H2O2 thủy phân axit dẫn lên đến 61% tổng số phospho 36% tổng số Kjeldahl nitơ (TKN) giải phóng vào dung dịch 1000 C 1200 C (phản ứng 5phút) Tương ứng Polyphosphat hình thành xử lí MW dễ dàng bị phá vỡ thủy phân axit vào orthophosphate Tương tự vậy, nghiên cứu khác báo cáo lượng phospho đáng kể (lên đến 95,5%) amoniac (lên đến 53%) hòa tan đạt cách sử dụng kết hợp khác phương pháp điều trị nhiệt hóa học Các kỹ thuật thương mại phục hồi phốt từ bùn thải bao gồm KREPO, Aqua-Reci, Kemicond, Biocon, SEPHOS SUSAN chủ yếu dựa điều trị vật lý-hóa học nhiệt để hòa tan phospho sau phục hồi kết tủa Phospho phục hồi từ bùn sắt phosphate, calcium phosphate, axit photphoric struvite Kết luận chung: tái sinh phospho từ bùn thải gặp nhiều khó khăn tốn nhiều chi phí, mơ hình áp dụng thí nghiệm 4.3 Thu hồi kim loại nặng Kim loại nặng Zn, Cu, Ni, Cd, Pb, Hg Cr bùn thải làm nhiễm nước ngầm, ảnh hưởng đến sức khỏe người động vật đất Vì vậy, cần xử lí chúng trước thải Thông thường, cặn bùn chứa kim loại xử lý cách trích li ion kim loại, ổn định kim loại thể rắn Phương pháp xử lí nhiệt sử dụng MW áp dụng rộng rãi cho việc khắc phục hậu chất thải Khơng có chất nhiễm thứ cấp sản sinh áp dụng phương pháp ultrasonication kết hợp lọc acid Q trình có hiệu tách kim loại tốt hơn, giá thành thấp, không gây ô nhiễm 4.4 Sản xuất nhiên liệu sinh học 15 Nhiên liệu sinh học nhiên liệu rắn, lỏng, khí mà chủ yếu sản xuất từ sinh khối Nhiên liệu sinh học ý toàn giới tiềm thay nhiên liệu xăng dầu không tái tạo tương lai Nghiên cứu tập trung vào tái tạo ethanol sinh học, nhiên liệu sinh học, khí tổng hợp, hydro sinh học, dầu sinh học….từ sinh khối Nhiên liệu sinh học sản xuất từ nguồn ngô, đậu nành, hạt lanh, hạt cải dầu, mía đường, dầu cọ, củ cải đường, bùn nước thải, thức ăn thừa, phận động vật, gạo Sử dụng bùn thải chất cho sản xuất nhiên liệu sinh học có số ưu điểm so với việc sử dụng nguồn sinh khối khác Vì chất thải sẵn có nên tiết kiệm chi phí giải vấn đề mơi trường cho người Khí hydro Hydro lượng thay đầy hứa hẹn cho nhiên liệu hóa thạch Đó nhiên liệu thân thiện mơi trường Hydro có lượng cao (122 kJ/g) Cao 2,75 lần so với nhiên liệu hydrocarbon Hydro sản xuất từ q trình hóa học sinh học: • Phương pháp xử lí nhiệt hóa học bùn thải ướt bao gồm sấy khô, nhiệt phân khí hóa • Phương pháp quang hợp lên men Sản lượng hydro cao 82% quan sát cho bùn xử lý trước so với bùn khơng tiền xử lí Wang cộng cho biết bùn xử lý trước với tia UV 25W 15 phút hydro tích lũy 138,8 ml / g TS Hiệu sóng siêu âm sản xuất hydro sử dụng phương pháp phân hủy kỵ khí bùn điều tra Elbeshbishy cộng Họ quan sát thấy gia tăng 120% thể tích hydro sản xuất công suất tối ưu 130 W / L thời gian 10 giây Wu Chang sử dụng loại vật liệu cao phân tử tổng hợp bao gồm methacrylate, polymethyl, collagen kích hoạt bẫy sinh khối carbon để sản xuất 50% sản lượng H2 Theo Lin Lay , tỷ lệ C / N =47 điều kiện sản xuất H2 tối ưu dựa 16 khả vi khuẩn chuyển đổi sucrose thành H2 Tỷ lệ sản xuất H2 tăng nhiệt độ tăng 33-390C Khí tổng hợp (H2 + CO) Khí tổng hợp, hỗn hợp cacbon monoxit khí hydro, sử dụng thay cho nhiên liệu hóa thạch sản xuất điện để sản xuất nhiên liệu lỏng dầu diesel tổng hợp, dimethyl ether methanol Sản xuất khí tổng hợp gồm hai bước Trong bước đầu tiên, nhiệt phân bùn thải 6000C điều kiện thiếu oxy, tạo than carbon Trong bước thứ hai, than khí hóa có mặt khí oxy khơng khí sản xuất khí tổng hợp Dầu sinh học Dầu Sinh học, thành phần n-ankan 1-anken, hợp chất thơm (từ dãy benzen đến PAH, hợp chất nitrogen, chuỗi axit béo dài cacboxylic, xeton, este, monoterpene steroid), tinh chế thành nhiên liệu hydrocarbon chất lượng cao Nó có số lợi vận chuyển, lưu trữ đốt cháy tính linh hoạt thương mại Hơn nữa, chúng kiểm soát giá trị thị trường lớn loại dầu thô Bùn nhiệt phân nung nhiệt độ trung bình khoảng 425-5750C (tốc độ gia nhiệt 100 0C/min) suất sản xuất dầu sinh học khoảng 30 -40% trọng lượng bùn thải Thơng thường, hóa lỏng bùn ln thực lò điện khí Tuy nhiên, nhiều loại dầu thu nhiệt độ nhiệt phân cao (trên 7000C) có chứa nồng độ cao PAH, biết gây ung thư hay gây đột biến dẫn đến nhiễm mơi trường Do đó, nhiệt phân MW đời, cho phép người sử dụng nhiệt độ cao PAH tối thiểu, xem xét việc thay phục hồi dầu sinh học từ bùn thải Các loại dầu nhiệt phân sản xuất có giá trị lượng cao tỷ lệ thấp hợp chất đe dọa môi trường (như PAH) Bảng Thu hồi dầu sinh học từ bùn thải Dạng bùn Điều kiện xử lí Dầu sinh học (%) Giá trị lượng 17 Bùn sơ cấp (98% VS) Điện, theo mẻ, 5000C, 20 phút 42 37 Bùn thải hoạt tính (69% VS) Điện, theo mẻ, 5000C, 20 phút 31 37 Bùn phân hủy kị khí (59% VS) Điện, theo mẻ, 5000C, 20 phút 26 37 24.3 30.6 37 30 Bùn phân hủy kị khí Điện, liên tục,5500C (38.3% VS) Bùn thải Điện, theo mẻ, 5000C, 30 phút Methanol Sinh học đóng vai trò quan trọng khí nhiên liệu tổng hợp tương lai Những lợi quan trọng methanol làm nhiên liệu có lượng cao khí nén tự nhiên khí hóa lỏng thể tích, thay cho lượng Cuối cùng, sử dụng methanol giảm lượng khí thải tơ khơng gây kích nổ, số octan cao Bùn thải có chứa phần tương đối cao chất hữu giàu cacbon-thành phần methanol methanol, hydro, thu từ nước bùn ướt suốt q trình khí hóa Ptasinski cộng nghiên cứu phương pháp khí hóa bùn để sản xuất methanol Họ quan sát thấy mức độ chuyển đổi tổng thể cacbon bùn vào methanol tương đương với 57% Quá trình methanol từ bùn phụ thuộc vào chất rắn khô bùn rời khỏi máy sấy nhiệt, điều kiện tối ưu lượng chất rắn khô 80% khối lượng nhiệt độ khí hóa 10000C Dầu diesel sinh học Dầu diesel sinh học giúp hạn chế sử dụng nhiên liệu hóa thạch lợi ích mơi trường (giảm mưa axit khí thải CO2 , SOx hydrocacbon chưa cháy hết trình đốt cháy , dễ phân hủy sinh học , độc hại , an toàn cho việc lưu trữ xử lý ) làm tăng tầm quan trọng nhiên liệu sinh học 18 Dầu diesel sinh học este axit béo alkyl đơn giản sản xuất từ nguồn lipid khác cách phản ứng chuyển vị este với rượu xúc tác axit , enzyme bùn thải thị giới có sẵn ngun liệu lipid để sản xuất dầu diesel sinh học Những chất béo giàu lượng bao gồm phospholipid, monoglycerides, diglycerides , triglycerid acid béo tự bao gồm loại dầu chất béo Để tăng cường sản xuất dầu diesel sinh học, nhà khai thác sử dụng nước thải lựa chọn chủng vi sinh vật có khả sản xuất dầu Theo Kargbo,Siddiquee Rohani sản xuất dầu diesel sinh học từ bùn thải đối mặt với thách thức tới sau: (i) Q trình 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 (ii) lựa chọn tốt Kkhai thác hiệu lipid: lựa chọn dung môi, cặn tỷ lệ dung môi, thời gian khai thác, nhiệt độ phục 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 nhì, đầy đủ phản ứng (hồn thành 98%) nhiên liệu deterioration (giá trị acid) tiếp tục thách thức sản xuất dầu diesel sinh học 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 vị este để xử lí hóa chất dược phẩm (chất gây nhiễm nổi) 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 tốt (v) Các khía cạnh kinh tế sản xuất dầu diesel sinh học: Chi phí sản xuất cản trở phát triển làm cho cạnh tranh so với dầu diesel Chi 19 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 ngun 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 môi thu hồi Hình Sơ đồ sản xuất dầu diesel sinh học từ bùn thải 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 có chứa phức hợp hợp chất vơ cơ, nguồn ngun liệu có giá trị Bùn khơ tro lò đốt rác sử dụng nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng Khi trộn đất sét, tro chất rắn sinh học sử dụng để làm gạch tương tự gạch thơng thường có tính chất vật lý theo tiêu chuẩn xây dựng Sản xuất 20 xi măng Portland từ bùn thải cách khác để sử dụng hợp chất vơ hữu có giá trị bùn 4.6 Sản xuất điện từ bùn nhiên liệu tế bào VSV Điện sản xuất từ bùn sử dụng nhiên liệu tế bào VSV (MFC) đươc xem xét cách tái sử dụng bùn có lợi Một hỗn hợp vi khuẩn phổ biến sử dụng MFC để sản xuất điện với việc đạt phân hủy sinh học chất thải hữu Nhiều loài vi khuẩn khác bao gồm Escherichia, Shewanella, Clotridum, Desulfovibrio báo cáo giảm ion kim loại nặng (vd mangan, sắt, uranium,và cupric) q trình oxy hóa có sẵn chất cacbon chế oxy hóa khử Phản ứng điển hình sau sử dụng acetate làm ví dụ chất Anot: CH3COO- + 2H2O vsv→ 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 sinh học tế bào bình thường khoảng vài trăm mV Mật độ điện khoảng 50-100W/m phản ứng báo cáo Hiệu suất MFC phụ thuộc vào trình hệ thống tham số pH, nhiệt độ, loại chất nền, lượng chất hòa tan vào bùn, loại vi khuẩn, loại điện phân, điện trở trong… 4.7 Nhựa sinh học Polyhydroxyalkanoates (PHA) polyester acid hydroxyalkan tiếng phân hủy sinh học thân thiện với môi trường PHA sản xuất tự nhiên trình lên men vi khuẩn đường hay lipit PHA VSV, đặc biệt vi khuẩn, có nhiều cacbon lượng dự trữ, nhiều VSV có khả tích lũy PHA Tuy nhiên tính ứng dụng rộng rãi bị hạn chế giá thành sản xuất cao PHA sản xuất bùn hoạt tính có đặc điểm: (1) sử dụng bùn hoạt tính, chất thải hữu phục hồi tái sử dụng phân hủy nhựa sinh học (2)giá thành việc sản xuất PHA giảm cách sử dụng bùn thải làm ngun liệu bùn thải sẵn có, 21 nhiều, dễ kiếm (3) PHA thu khơng tinh khiết sử dụng bùn hoạt tính thay bùn tinh khiết VSV bùn hoạt tính có khả tích lũy PHA khác từ 0.3-22.7mg polymer/g bùn Takabatake báo cáo khả tích lũy PHA bùn 20-30% cho bùn hiếu khí tuyệt đối, 17-57% cho bùn thiếu 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 khả tích lũy PHA cao so vs q trình hiếu khí Nhiệt độ điều khiển việc sản xuất lưu trữ PHA từ bùn hoạt tính PHA tăng với việc giảm nhiệt độ PHAs hấp dẫn với bao bì sản xuất để dùng 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, ống đỡ tim mạch, van tim Hiện giá thành sản xuất VSV PHA khoảng US$4-6/kg, cao gần gấp 10 lần nhựa dầu khí 4.8 Hấp thụ sinh học Việc sử dụng chất hấp thụ sinh học để loại bỏ kim loại nặng nước thải lên 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 công nghiệp Bùn thải chuyển đổi thành than hoạt tính sử dụng q trình nhiệt phân điều kiện kiểm sốt 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 Sử dụng MW xử lý bùn hấp phụ thuốc nhuộm có tính khả thi Thơng thường, vật liệu hấp phụ từ bùn thải sản xuất cách kích hoạt hóa học tẩm H2SO4 nhiệt phân Bùn thải ban đầu lò sấy khơ 105 0C sau kích hoạt hóa học cách ngâm với H 2SO4 Kết bùn sau nhiệt 22 phân nitơ trơ, sau rửa pha loãng với HCl (10% khối lượng) Các hạt vật liệu hấp phụ nghiền thành bột để kích thước hạt phù hợp với độ xốp diện tích bề mặt lớn 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 tiền chất bùn 4.9 Thuốc trừ sâu sinh học Bùn thải nguồn có giá trị cacbon chất dinh dưỡng nitơ phốt Đối với số phương pháp sinh học, thêm giá trị cho bùn cách tạo số sản phẩm trao đổi chất có tiềm sinh học diệt côn trùng Đến nay, vi khuẩn Bacillus thuringiensis (Bt) thuốc trừ sâu sinh học hiệu 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: lên men bùn thu hồi sản phẩm / thu hoạch hồn thành sản phẩm Yếu tố pH, oxy hòa tan (DO), tạo bọt, nồng độ chất rắn nguồn bệnh, loại bùn ảnh hưởng đến q trình sản xuất thuốc trừ sâu sinh học 4.10 Các nguồn lực khác 4.10.1 Protein Bùn thải sử dụng nguồn protein, thành phần protein carbohydrate Protein ước tính chiếm khoảng 50% trọng lượng khô tế bào vi khuẩn Việc thu hồi protein tối đa 80,5% đạt pH tối ưu 3.3 Họ thông báo thành phần dinh dưỡng protein phục hồi so sánh với thức ăn protein thương mại Trong tất chất kết tủa sử dụng, amoni sunfat (40%) quan sát hiệu nhất, cung cấp phục hồi protein tối đa 91% Các sản phẩm thu hồi bao gồm tất axit amin cần thiết, bổ sung vào thức ăn gia súc Loại bỏ độc bùn khử trùng, loại bỏ kim loại nặng chất độc hại khác cần thiết trước sử dụng hiệu bùn để sản xuất thức ăn chăn nuôi Tuy nhiên đường phổ biến 4.10.2 Enzyme 23 Việc khai thác enzyme có ý nghĩa chủ yếu do: phục hồi sản phẩm có giá trị từ bùn hoạt tính, thứ hai enzyme sử dụng để thúc đẩy phân hủy sinh học bùn, khí sinh học q trình phân hủy yếm khí… Sử dụng sóng siêu âm hỗ trợ phương pháp khai thác để phục hồi enzym thủy phân (protease lipase) từ WAS Các enzym sinh vi sinh vật bùn hoạt tính chịu trách nhiệm cho suy giảm chất hữu Enzyme công nhận để thực vơ số phản ứng hóa học thương mại sử dụng chất tẩy rửa, thực phẩm, dược phẩm quan trọng, chi phí sản xuất enzym điều cần quan tâm 4.10.3 Phân bón sinh học Phân bón chứa nguyên tố vi lượng axit amin (AACTE) cơng nhận phân bón thân thiện môi trường cho bông, hoa công nghiệp khác Trung Quốc, nhiên, sản xuất bị hạn chế nguồn protein hạn chế tóc, móng, sừng, da động vật Các vi khuẩn protein bùn thải tách để tạo phân bón AACTE sử dụng số phương pháp hóa học Điều kiện thủy phân tối ưu để tách protein từ bùn thải pH 0,5, nhiệt độ thủy phân 121 oC thời gian phản ứng 5h, q trình thủy phân protein thành axit amin nhiệt độ thủy phân 120oC, thời gian phản ứng 10h tỷ lệ mol / l dung dịch HCl (ml) để làm khô 8g bùn Phân bón AACTE sản xuất xem xét thỏa thuận tiêu chuẩn Trung Quốc cho Amino axit phân bón 4.10.4 Acid dễ bay Một số axit dễ bay axit axetic, axit fomic axit propionic phục hồi từ bùn thải sử dụng thủy phân sinh học kị khí, q trình nhiệt q trình oxy hóa khơng khí ẩm Các axit dễ bay phục hồi sử dụng nguyên liệu sản xuất hóa chất, nhiên, lĩnh vực khơng phát triển Kịch tồn cầu lợi ích mang lại tư tái sử dụng phục hồi tài nguyên từ bùn thải 24 Từ vài năm qua, điều trở thành đồng thuận chung chuyên gia xử lý nước thải toàn giới bùn thải khơng phải lãng phí, mà nguồn tài nguyên có giá trị Các yếu tố đằng sau chấp thuận bền vững môi trường mối quan tâm (cạn kiệt tài ngun, nhiễm đất nóng lên toàn cầu); tăng giá lượng, thị nghiêm ngặt để xử lý bùn gia tăng áp lực phản đối từ quan môi trường từ phạm vi cơng cộng Nhật Bản coi nước tiên phong sản xuất vật liệu xây dựng từ bùn thải Trong số thành phố Thụy Điển, sử dụng bùn khí sinh học có nguồn gốc nhiên liệu sinh học lĩnh vực giao thông vận tải thực tế thành lập Tại Hoa Kỳ, kỹ thuật phục hồi lượng khác sử dụng bao gồm điện sản xuất lượng học, thu hồi nhiệt qua khí sinh học tạo từ phân hủy yếm khí bùn thải Ở Trung Quốc, khí sinh học thu hoạch từ bùn thải cách phổ biến phục hồi tài nguyên Hơn nữa, bùn thải sử dụng sản xuất gạch vật liệu xây dựng khác Hà Lan biết đến nước sử dụng phục hồi phốt quy mô đầy đủ Hà Lan nhằm để thay 20% lượng phân lân tiêu thụ cách phục hồi phosphate Tại Anh, chương trình để phục hồi lượng phủ đề xuất bao gồm việc tạo 20% sản lượng điện từ nguồn lượng tái tạo vào năm 2020 Đức tích cực tham gia vào tiến công nghệ để phục hồi phốt từ bùn thải Vấn đề bùn thải Việt Nam Cho đến nay, Việt Nam chưa có số thống kê thức khối lượng, loại bùn thải chưa ban hành định mức kĩ thuật cho cơng tác xử lí bùn thải.Đa số bùn thải xử lí sơ thải thẳng bãi chơn lấp hay địa điểm khơng xác định Chính điều gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng bùn thải phân hủy sinh khí CH4, CO2, NH3… Vấn đề bùn thải khó giải vấn đề quản lí thiếu quy định, thiếu kinh nghiệm xử lí quản lí Mặt khác, vấn đề kinh phí cho dự án xử lí bùn khơng đầu tư, nguồn vốn tài trợ từ địa phương lại nên việc xử lí bùn 25 hạn chế.Tuy nhiên, bên cạnh yếu xử lí bùn, nước ta có số dự án vào hoạt động với kết tốt, là: • Cty TNHH Thốt nước Hải Phòng : Sau dự án Thốt nước vệ sinh Hải Phòng hồn thành đưa vào sử dụng (từ năm 2000), đến nay, Cty tiến hành hút bể phốt miễn phí cho 43 phường khu tập thể (khoảng 50.182 bể phốt loại) hút 92.1910m3 bùn phốt • Cty TNHH MTV Thoát nước Hà Nội dừng lại mức độ thu gom bùn thải trình nạo vét hệ thống nước Thảo luận kết luận Quản lý bùn dư thừa mối quan tâm lớn, yếu tố kinh tế-xã hội môi trường định Phương pháp xử lý bùn thông thường phải đối mặt với áp lực phản đối từ quan môi trường từ phạm vi cơng cộng Vì vậy, lựa chọn cách hiệu bền vững cho quản lý bùn thách thức lớn cho quan xử lý nước thải Đồng thời, tăng giá nhiên liệu tồn giới, làm suy giảm nhanh chóng nguồn tài nguyên không tái tạo nhu cầu tăng gánh nặng nguồn cung cấp, nâng cao nhận thức vấn đề biến đổi khí hậu thúc đẩy quan tâm cộng đồng khoa học sử dụng bùn thải nguồn tài nguyên có giá trị phục hồi lượng tái tạo Bùn thải xử lý số cách để khôi phục lại giá trị gia tăng sản phẩm khác nhau, tức lượng giàu khí sinh học, chất lỏng nhiên liệu sinh học, vật liệu xây dựng, men sinh học nhựa, protein thủy phân, phân bón sinh học, sinh học, chất hấp thụ, thuốc trừ sâu sinh học, phát điện sử dụng nhiên liệu tế bào vi khuẩn, chất dinh dưỡng (nitơ phốt pho) kim loại nặng Phân hủy yếm khí, thiêu đốt, nhiệt phân, khí hóa, q trình oxy hóa khơng khí ẩm, q trình oxy hóa nước siêu tới hạn xử lý thủy nhiệt kỹ thuật sử dụng tồn giới để xử lý bùn thải để thu hồi tài nguyên Thu hồi khí metan sinh học tận dụng từ phân hủy yếm khí nguồn lượng HTXLNT thành phố Metan sử dụng để sản xuất lượng điện nhiệt sử dụng nhà máy xử lý Phục hồi dinh dưỡng 26 phospho nitơ cách khác để sử dụng giá trị phân bón bùn thải Một q trình học hỗ trợ hóa học (sóng siêu âm hỗ trợ lọc acid) với kim loại phục hồi nhiều thực thành công quy mô công nghiệp nhà máy phục hồi kim loại nặng thành phố Huệ Châu, Trung Quốc từ năm Tái sử dụng bùn thải sản xuất vật liệu xây dựng (gạch, xi măng, cốt liệu nhẹ ) giải vấn đề xử lý bùn lớn Chất lỏng thân thiện với môi trường nhiên liệu sinh học dạng phục hồi từ bùn thải thay tốt cho nhiên liệu xăng dầu không tái tạo Chuyển đổi bùn thải phát điện sử dụng tế bào nhiên liệu vi khuẩn kỹ thuật hiệu kinh tế Việc sử dụng bùn thải (sử dụng phân bón sinh học, thuốc trừ sâu sinh học, protein, enzym thủy phân) cho kết đầy hứa hẹn Xây dựng hệ thống phục hồi tài nguyên bắt nguồn từ bùn giúp để sản xuất sản phẩm thân thiện với môi trường, giảm phụ thuộc vào nguồn tài nguyên không tái tạo thuận lợi cho việc bảo tồn tài nguyên thiên nhiên, làm giảm nguy sức khỏe người ô nhiễm môi trường cung cấp hướng quản lý bền vững chất thải bùn tức môi trường thân thiện, khả thi mặt kinh tế xã hội chấp nhận Bảng 4: tổng quan trạng công nghệ thu hồi nguồn tài nguyên từ bùn Tính khả thi xã hội vấn đề lớn, công nghệ mà xã hội chấp nhận thường khó khăn để tìm vị trí thị trường 27 ... làm giảm phụ thu c vào nguồn tài nguyên không tái tạo Vì vậy, báo có thảo luận loại tài nguyên thu hồi từ bùn thải thông thường phương pháp sử dụng để chuyển đổi bùn thành nguồn tài ngun có giá... máy xử lý nước thải) Tóm tắt Sử dụng bùn thải nguồn tài nguyên tái tạo để thu hồi lượng giải pháp thích hợp để quản lý chất bùn thải tăng liên tục, đồng thời đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng môi trường... giảm lệ thu c vào nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải khí nhà kính Thu hồi lượng từ khí sinh học coi công nghệ chuyển đổi chất thải thành lượng 4.2 Thu hồi chất dinh dưỡng Bùn thải có chứa lượng