CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.3. Các công nghệ trên thế giới về tái sử dụng bùnthải và
1.3.1. Các công nghệ trên thế giới về tái sử dụng bùnthải
Với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế - xã hội, bùn thải đang trở thành một gánh nặng ngay cả ở các nƣớc có nền kinh tế, khoa học kỹ thuật tiên tiến trên thế giới. Theo Cơ quan bảo vệ môi trƣờng Mỹ (US-EPA), chi phí xử lý bùn thải chiếm tới 50% chi phí vận hành của toàn hệ thống. Tại các quốc gia lớn nhƣ Mỹ, Úc, các nƣớc Châu Âu, việc xử lý bùn thải đƣợc quy định chặt chẽ để đảm bảo đáp ứng các chỉ tiêu nghiêm ngặt cho việc tái sử dụng vào các mục đích khác nhau.Tùy vào cách thức quản lý khác nhau mà các nƣớc có những phƣơng pháp xử lý bùn thải khác nhau, phổ biến nhất là ứng dụng làm phân bón, chơn lấp và đốt. Trong vài thập kỉ gần đây đã có sự thay đổi lớn liên quan tới việc xử lý bùn thải , trƣớc năm 1998, bùn thải chủ yếu đƣợc đổ thải vào đại dƣơng hoặc sử dụng nhƣ một loại phân bón cho nơng nghiệp (Odegaard et al., 2002 ). Một cách khác là đốt bùn hoặc đơn giản là chôn lấp. Trong năm 1998, bùn thải đƣợc coi nhƣ một loại chất rắn sinh học ở châu Âu, Bắc Mỹ và nhiều nƣớc khác bao gồm ứng dụng làm đất trồng trọt, chơn lấp (có hoặc khơng có thu hồi năng lƣợng), compost, phân hủy yếm khí, sấy khơ thành viên nhiên liệu/ phân bón và đốt (có hoặc khơng có thu hồi năng lƣợng) [16].
Cách đây khoảng một thập kỷ trƣớc, chơn lấp là phƣơng pháp xử lý chính tại châu Âu. Trong năm 1999, 57% bùn thải đô thị (MSW) đƣợc chôn lấp, so với 67% năm 1995 ở tây Âu, và 83% ở miền Trung và Đông Châu Âu (DHV CR, 2001). Trong nửa thập niên 90 và cho đến sau này, những nghiên cứu quan trọng, phát triển và thƣơng mại hóa hệ thống ủ Biogas đã xuất hiện ở châu Âu. Đồng thời, những nhà thiết kế và những nhà cung cấp hệ thống ủ biogas đang kết hợp quá trình xử lý sơ bộ rác thải, ủ biogas và kỹ thuật sản xuất compost để giảm đồng thời khối lƣợng và tỉ lệ chất hữu cơ của rác thải đƣa đi chôn lấp. Nhƣng hiện nay, chôn lấp đang trở thành một lựa chọn xử lý tốn kém hơn nhiều bởi một số lý do nhƣ: Sự gia tăng dân số, các quy định thay đổi yêu cầu bãi rác mới phải đầu tƣ công nghệ và quản lý chặt chẽ (Millner và cộng sự., 1998), sự tăng phát thải khí nhà kính
CH4,CO2 và việc đƣa các kim loại nặng vào nƣớc và đất từ các bãi chôn lấp, quan
trọng nhất là xử lý chôn lấp đổ thải tại các bãi rác không tận dụng lợi thế của các giá trị dinh dƣỡng và tính chất của chất rắn sinh học, và chiếm khơng gian bãi rác có thể đƣợc sử dụng tốt hơn cho các loại rác khác khiến lựa chọn này trở nên kém hấp dẫn.
Tận thu nguồn năng lƣợng từ loại chất thải này đang đƣợc quan tâm tại châu Âu, bao gồm các biện pháp:
- Phân hủy yếm khí bùn thải;
- Sản xuất nhiên liệu sinh học từ bùn thải; - Đốt thu năng lƣợng trực tiếp;
- Phối trộn, đốt bùn trong các nhà máy điện đốt than; - Khí hóa và nhiệt phân bùn;
- Sử dụng của bùn nhƣ một năng lƣợng và nguồn nguyên liệu trong sản xuấtxi măng Portland và vật liệu xây dựng;
- Q trình siêu oxy hóa ƣớt ; - Xử lý thủy nhiệt.
Chơn lấp có thu hồi năng lƣợng từ khí bãi chơn lấp là một lựa chọn quản lý hiện đại (Gomez et al., 2010). Trong năm 2005, 64% bùn thải ở Anh và xứ Wales là
xử lý bằng cách phân hủy yếm khí, đến năm 2015 con số này sẽ là 85%. Bùn đƣợc ủ trong các ơ bao kín sẽ lên men, phân huỷ và sinh ra khí gas. Thực chất của công nghệ là biến rác thải, bùn thải thành khí gas để chạy máy phát điện. Phát điện từ than bùn sẽ đƣợc thực hiện theo cơ chế thu hồi khí từ bãi chơn lấp và phát điện theo Cơ chế phát triển sạch (CDM -Clean Development Mechanism). Điện do các máy phát sản xuất ra sẽ đƣợc dẫn đến máy biến thế, tăng điện áp lên để hòa vào mạng lƣới điện quốc gia. Bùn sau ủ đƣợc tận dụng thu hồi nito, photpho hay các ứng dụng khác [18].
Các công nghệ tận thu năng lượng khác từ bùn thải
- Nhiệt phân (khí hóa): là một q trình xử lý nhiệt trong đó bùn (hoặc sinh khối) đƣợc đun nóng dƣới nhiệt độ từ 350-500 °C trong điều kiện thiếu ôxy.Trong quá trình này, bùn đƣợc chuyển thành than, tro, nhiệt phân dầu, hơi nƣớc và các loại khí dễ cháy. Một phần của sản phẩm rắn/khí của nhiệt phân quá trình đƣợc thiêu hủy và sử dụng hệ thống sƣởi bằng năng lƣợng trong quá trình nhiệt phân. Mỹ là nƣớc đầu tiên áp dụng cơng nghệ khí hóa nhƣng ở quy mơ hạn chế trong xử lý bùn thải và coi nó nhƣ biện pháp thân thiện với mơi trƣờng. Khí hóa là cơng nghệ xử lý bùn thải có thể đƣợc dễ dàng chấp nhận hơn tiêu hủy hay đốt. Tuy nhiên, kinh phí đầu tƣ cho cơng nghệ khí hóa rất tốn kém và cơng nghệ khó đƣợc phổ biến chính bởi nguyên nhân kinh tế.
- Sử dụng bùn nhƣ một năng lƣợng và nguồn nguyên liệu trong sản xuất xi măng Portland và vật liệu xây dựng là một biện pháp tận dụng nguồn cacbon có chứa các hợp chất hữu cơ và các hợp chất vô cơ đại diện cho vật liệu có giá trị trong bùn nƣớc thải. Có nhiều khả năng sử dụng các hợp chất này cùng một lúc một cách có lợi. Tuy đã đƣợc nghiên cứu ở các nƣớc châu Mỹ và châu Âu nhƣng phƣơng pháp này đƣợc phát triển nhiều ở các nƣớc châu Á đặc biệt là ở Nhật Bản.
- US-EPA ƣớc tính rằng trong hơn bảy triệu tấn bùn khơ (DMTs) của nƣớc thải đƣợc sản xuất hàng năm hiện nay, hơn một nửa bùn (54 %) có thể mang lại lợi nhuận, nghĩa là, áp dụng vào nông nghiệp, làm vƣờn, đất lâm nghiệp...tạo ra giá trị kinh tế. Dựa trên kinh nghiệm với việc sử dụng phân ngƣời, nƣớc thải, và phân
động vật trên đất canh tác, việc sử dụng bùn thải làm phân bón đã đƣợc thực hiện và phát triển nhanh chóng. Các công nghệ ủ bùn sinh học làm phân compost đặc biệt phát triển nhƣ công nghệ ủ trong thùng ủ quy mô nhỏ hoặc lị ủ quy mơ cơng nghiệp ở Mỹ; công nghệ ủ luống đảo trộn với quy mô công nghiệp ở Canada; công nghệ ủ trong thùng ủ thu hồi nang luợng ở Ðức và công nghệ ủ trong tháp ủ thổi khí cuỡng bức ở Ý...
Các công nghệ tái chế bùn thải mới trên thế giới [17]
- Ý tƣởng tái sử dụng bùn thải làm môi trƣờng thay thế cho môi trƣờng nhân tạo để nuôi cấy vi sinh vật nhằm nâng cao giá trị của bùn thải lần đầu tiên đƣợc phát triển bởi giáo sƣ R.D. Tyagi thuộc Viện Nghiên cứu khoa học quốc gia, Quebec, Canada (INRS). Ƣu điểm nổi bật của hƣớng nghiên cứu này là tận dụng thành phần dinh dƣỡng trong bùn thải để thay thế cho môi trƣờng nhân tạo đắt tiền (thƣờng đƣợc sử dụng trong q trình ni cấy vi sinh vật để tạo ra các sản phẩm sinh học có ích) nhƣ: các loại chế phẩm ứng dụng cho nông lâm nghiệp (thuốc trừ sâu sinh học và các vi khuẩn kháng nấm, bệnh trên cây công nghiệp, chế phẩm dùng trong cải tạo đất trồng cây); Hóa chất keo tụ sinh học (dùng trong xử lý nƣớc thải và bùn thải); Chế phẩm sinh học dùng cho xử lý nƣớc thải (xử lý kim loại nặng, thuốc nhuộm, hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong nƣớc rác); Polyme sinh học dùng trong sản xuất túi đựng, màng bao gói tự phân hủy.Việc tận dùng bùn thải vừa giúp giảm giá thành vừa góp phần bảo vệ môi trƣờng.
- Nghiên cứu phát triển các xu hƣớng xử lý bùn thải mới tại Mỹ đang đƣợc tiến hành theo nhiều công nghệ mới đƣợc xác định là sáng tạo hoặc tiềm năng (EPA, 2006) nhƣ những cơng nghệ khác nhau, trong đó có khả năng làm giảm tổng thể khối lƣợng chất rắn sinh học chất thải và cung cấp tiết kiệm đáng kể trong việc xử lý, chế biến và vận chuyển sản phẩm cuối, bao gồm: quá trình MicroSludge; quá trình Siêu âm ly giải tế bào trƣớc khi phân hủy yếm khí;q trình thủy nhiệt; Q trình Cannibal™; Cơng nghệ ổn định chất lỏng; Cơng nghệ làm dày và khử nƣớc; và quá trình Chuyển đổi nhiệt.Các phƣơng pháp và công nghệnày tốn kém và đòi hỏi kiến thức kỹ thuật cao để đảm bảo bền vững hoạt động và lâu dài của công
trình. Tuy nhiên cơng nghệ này có một số lợi thế nhƣ:Phục hồi năng lƣợng; Phục hồi các chất dinh dƣỡng; Lựa chọn mới trong xử lý nƣớc; Nguồn mới cho sản xuất vật liệu.
- Một phƣơng pháp ứng dụng triệt để và kết hợp các công nghệ xử lý bùn hiệu quả đó là phƣơng pháp xử lý bùn tổng hợp. Bùn sẽ đƣợc tách các thành phần hữu cơ và vô cơ bằng phƣơng pháp thủy lực. Chất vô cơ nặng sẽ lắng xuống đáy bồn trong khi chất hữu cơ nhẹ hơn sẽ nổi lên trên. Các chất vô cơ đƣợc tách ra sẽ đƣợc tận dụng để sản xuất vật liệu xây dựng, trong khi các chất hữu cơ đƣợc xử lý tiếp bằng phƣơng pháp sinh học để tách riêng các kim loại nặng với phần bùn hữu cơ sạch. Phần bùn hữu cơ sạch sẽ đƣợc tận dụng để trồng cây và cải tạo đất nơng nghiệp. Cịn lại các kim loại nặng sẽ đƣợc xử lý theo phƣơng pháp hóa học để tách riêng từng kim loại hoặc hóa rắn tồn bộ để chơn lấp an tồn. Việc xử lý một tấn bùn chứa kim loại bằng phƣơng pháp truyền thống (sấy, đốt, hóa rắn, chơn lấp) cũng mất tới gần 200 USD trong khi xử lý bằng phƣơng pháp sinh học và hóa học chỉ mất 53 USD.
Công nghệ tái sử dụng bùn thải tại Mỹ [17]
Bùn thải ở Mỹ là những phế liệu rắn sinh ra từ quá trình xử lý nƣớc thải và xử lý đạt quy định của liên bang và tiểu bang. Mỹ sử dụng khoảng 60 phần trăm của các chất rắn sinh học đƣợc tạo ra cho mục đích nơng nghiệp.
- Bùn thải làm đất trồng trọt, chôn lấp và đốt chiếm 80% việc sử dụng bùn thải của Mỹ trong năm 2004 (Nebra, 2007). Ứng dụng làm phân bón hay một loại đất bổ sung cho trồng trọt ở Bắc Mỹ là một lựa chọn chi phí thấp đƣợc ƣa thích.
- Ở Mỹ, cơng nghệ nhƣ ủ và sấy khô (bao gồm cả pelletizing) đang đƣợc thực hiện. Một trong những công nghệ phổ biến ở các nhà máy xử lý bùn thải là áp dụng xử lý bùn thải ở trong những thiết bị ủ kín nhƣng khơng thổi khí. Phƣơng pháp ủ kỵ khí này tn thủ theo các trình tự sau: bùn đƣợc tiếp nhận và đƣa vào các thiết bị ủ kín dƣới dạng các lị ủ kín có phối hợp các chủng loại men vi sinh vật khử mùi, thúc đẩy quá trình lên men, sau đó đƣợc đƣa ra sấy khơ, nghiền và đóng bao. Ƣu điểm là xử lý triệt để bảo vệ đƣợc mơi trƣờng, thu hồi phân bón (có
tác dụng cải tạo đất), cung cấp đƣợc nguyên vật liệu cho các ngành cơng nghiệp, khơng mất kinh phí xử lý bùn. Nhƣợc điểm là địi hỏi kinh phí đầu tƣ lớn, kinh phí duy trì cao, chất lƣợng phân bón thu hồi khơng cao, cơng nghệ phức tạp (phải qua sấy).
Hình 1.1.Sơ đồ cơng nghệ xử lý bùn thải sinh hoạt của Mỹ
Công nghệ tái sử dụng bùn thải tại Nhật Bản [19]
Ở Nhật Bản, bùn thải đƣợc tài nguyên hóa và việc tái sử dụng bùn thải vào một số sản suất nhƣ:
- Làm phân compost từ bùn: Việc làm phân compost từ bùn thải bằng cách phân giải, ổn định hóa phƣơng pháp sinh học đối với các chất hữu cơ trong bùn thải. Nếu mang bùn thải loại này rải trên đồng ruộng thì cũng có hiệu quả nhƣ làm phân compost. Ngoài ra, với việc phát sinh nhiệt khi tạo thành phân compost thì có khả năng loại bỏ các vi sinh vật có hại nên đây là phƣơng pháp rất thích hợp sử dụng ở vùng nơng thơn xét ở cả hai mặt là chất lƣợng và vệ sinh.
- Thu hồi kim loại nặng: Bùn từ các nhà máy xử lý nƣớc thải tập trung của khu cơng nghiệp, nhà máy luyện kim, cơ khí, xử lý nƣớc chứa nhiều kim loại nặng nhƣ chì, thủy ngân, niken, crom, đồng, sắt… đƣợc thu gom và dùng phƣơng pháp
sinh học để tách kim loại. Bùn thải từ nhà máy nƣớc và nhà máy phỉ mạ chứa nhiều sắt (hàm lƣợng sắt là 1,778 – 5,334 mg/kg) nên đƣợc tận dụng làm bột màu hoặc sản xuất đinh.
- Làm nguyên liệu sản xuất điện năng:Tại Nhật Bản, thành phố Tokyo lắp đặt thiết bị thí nghiệm có khả năng xử lý 5 tấn bùn thải mỗi ngày tại cơ sở xử lý của thành phố. Tính tốn trong phịng thí nghiệm cho biết, việc sử dụng bùn thu từ nƣớc thải (khoảng 3000 tấn/ngày) từ 23 quận của Tokyo có thể cung cấp điện năng cho khoảng 8000 hộ gia đình.
- Đóng rắn làm vật liệu xây dựng: Quy trình đóng rắn bùn bằng nhiệt là cơng nghệ phát triển chính ở Nhật Bản. Sản phẩm là các hỗn hợp nhẹ, gạch, ngói, đốt thành than và xỉ. Sản phẩm cuối cùng có chất lƣợng tốt hơn sản phẩm truyển thống. Theo kinh nghiệm của các nhà sản xuất Nhật Bản thì đây là cơng nghệ có tính khả thi nhƣng hiệu quả kinh tế không cao.Giá sản xuất cao hơn giá cả thị trƣờng, nhu cầu năng lƣợng lớn.Tuy nhiên, đây là công nghệ phù hợp với các thành phố lớn để loại bỏ bùn thải, sản phẩm đƣợc tái sử dụng ngay ở thành phố.