CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.3. Nghiên cứu và ứng dụng thu hồi khí sinh học từ q trình xử lý bùn thải đô thị
đô thị
1.3.1. Các nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới
Các nghiên cứu cơng nghệ xử lý kỵ khí đã có một q trình khá dài trong lịch sử, từ các cách thức đơn giản như ủ ở điều kiện mesophilic xử lý nước thải, chất thải công nông nghiệp đơn giản cho đến các ứng dụng mở rộng để xử lý các chất thải phức tạp hơn, trong các điều kiện nhiệt cao (Van Lier et al., 2001; Lettinga 2001). Các ứng dụng này đang trong giai đoạn phát triển khác nhau, từ các công nghệ đã được chứng minh và áp dụng rộng rãi (ví dụ như bể tự hoại và cơng nghệ ổn định bùn), các công nghệ đang trong giai đoạn phát triển (ví dụ như sử dụng trong khắc phục hậu quả chất thải nguy hại) [17].
Nghiên cứu khoa học vào q trình phân hủy yếm khí bùn thải đơ thị được chú ý trong những năm 1930 khi các nhà khoa học đã hoàn thành nhiều nghiên cứu dẫn đến một sự hiểu biết tốt hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến q trình này [19].
Khả năng khí sinh học được sử dụng để sản xuất điện và các nguồn năng lượng khác đã dẫn đến việc nghiên cứu hiện tại vào phát triển cách để cải thiện sản xuất khí đốt từ phân hủy yếm khí và cho phép các nhà máy xử lý nước thải để giảm
Trên thế giới, quá trình phân huỷ yếm khí của bùn thải được áp dụng chủ yếu tại các nhà máy xử lý nước thải cỡ vừa và lớn. Tuy nhiên, cũng có sự quan tâm phát triển được tiến hành trong các ứng dụng của các nhà máy xử lý kỵ khí cỡ nhỏ hay các bãi chơn lấp có hệ thống thu hồi khí sinh học(Gomez et al., 2010 ).
Tại các bãi chơn lấp có hệ thống thu hồi khí sinh học này, bùn được ủ trong các ơ bao kín sẽ lên men, phân huỷ và sinh gas. Gas được thu gom bằng hệ thống các giếng thu đứng và dẫn về trạm thu gas, rồi qua công đoạn tách nước. Gas sạch thu được sẽ được dẫn đến máy chiết xuất và máy thổi khí nén trước khi được bơm vào hệ thống động cơ nổ để chạy máy phát điện. Điện do các máy phát sản xuất ra sẽ được dẫn đến máy biến thế, tăng điện áp lên sử dụng hay để hòa vào mạng lưới điện quốc gia. Bùn sau ủ được tận dụng thu hồi nito, photpho hay các ứng dụng khác.
Đại đa số các quá trình yếm khí bùn thải đơ thị ứng dụng trong thực tiễn là quá trình ưa nhiệt trung bình. Thời gian lưu bùn trong các bể phân huỷ yếm khí xấp xỉ khoảng 20 ngày. Sản lượng khí sinh học phụ thuộc mạnh vào loại bùn và các điều kiện hoạt động của bể. Sản xuất khí từ một hỗn hợp bùn thải (sinh học) sơ cấp và thứ cấp khoảng 1m3 khí/kg chất rắn hữu cơ bị phân huỷ sinh học. Cũng có thể phân huỷ bùn ưa nhiệt ở nhiệt độ khoảng 550C. So sánh với quá trình phân huỷ ưa nhiệt trung bình, xử lý ưa nhiệt có một số thuận lợi, như có mức độ sản sinh khí cao hơn, mức độ loại bỏ các tác nhân gây bệnh nhiều hơn và giảm được lượng chất rắn hữu cơ nhiều hơn. Ngoài ra, thời gian lưu bùn trong bể phản ứng giảm. Với các công nghệ phân huỷ tiêu chuẩn, chỉ 20-30% chất hữu cơ được khống hố. Sản lượng khí có thể tăng đáng kể bằng cách ứng dụng các bậc xử lý vật lý, hoá học, nhiệt, cơ học hoặc tiền xử lý sinh học, như đốt nóng thuỷ nhiệt, đốt nóng bằng vi sóng, xử lý siêu âm, sử dụng ozơn, sử dụng các enzym, sử dụng các vòi phun chất lỏng, xử lý với NaOH, áp dụng các cơng nghệ tạo xung hiệu năng cao hoặc oxi hố ướt. Tiềm năng các quá trình xử lý khác nhau để tăng tốc độ phân huỷ sinh học kỵ khí và để sản xuất một lượng khí sinh học nhiều hơn [20].
Chỉ một phần các hợp chất hữu cơ độc hại được loại bỏ trong quá trình phân huỷ kỵ khí. Bên cạnh các chất hữu cơ độc hại cịn sót lại, bùn được xử lý vẫn còn chứa các kim loại nặng, phốt phát hồ tan và các chất vơ cơ. Để có được một giải pháp hồn chỉnh, xử lý bổ sung sẽ là cần thiết, ví dụ, bằng việc loại nước trong bùn, đốt bánh bùn và xử lý bề mặt. Tuy nhiên, cũng phải nhận thấy rằng sau khi thu hồi khí sinh học hàm lượng năng lượng của các phần còn lại là thấp (đốt cháy phần này với mục đích thu hồi năng lượng trở nên kém hấp dẫn).
Phân hủy kỵ khí từ lâu đã được sử dụng để xử lý nước thải , chủ yếu là để giảm khối lượng bùn và chi phí xử lý [20].
Ở Mỹ, theo quy định của luật pháp, nhà máy xử lý nước thải mà không xử lý bùn trực tiếp trong nhà máy phải vận chuyển bùn thải sơ cấp của họ đến một cơ sở để thiêu đốt hoặc ủ phân, kéo theo đó là các chi phí năng lượng đáng kể liên quan đến vận chuyển và tiêu hủy nước thải bùn ngoại vi. Năm 2008, Tổ chức Nghiên cứu mơi trường nước của Mỹ ước tính các nhà máy xử lý nước thải tiêu thụ khoảng 21 tỷ kWh điện mỗi năm. Lên đến 30% chi phí tài chính của hoạt động một HTXLNT được do xử lý chất rắn HTXLNT. Cơng nhận rằng khí mêtan có thể là một nguồn quan trọng của năng lượng hữu ích là sự ghi nhận gần đây.
Tương tự, các nước châu Âu đã nhìn nhận được tiềm năng kinh tế và môi trường của cách thức này, theo đánh giá tiềm năng khí sinh học sản xuất hàng năm ở châu Âu ước tính vượt quá 200 tỷ m3 (Lise et al., 2008). Công nghệ này được chú ý và xâm nhập vào thị trường xử lý nước thải của Châu Âu trong khoảng năm 1995. Trong năm 1995, cơng suất yếm khí chỉ chiếm khơng q 5% tổng số khả năng xử lý sinh học ở châu Âu nhưng điều này đã tăng đều trên toàn châu lục (De Baere, 2000). Đức, Hà Lan và Đan Mạch là những quốc gia đi đầu trong cơng nghệ xử lý kỵ khí hiện đại với việc sử dụng tập trung, quy mô lớn các cơ sở vật chất như các nhà máy hoạt động tập trung (Angelidaki et al., 2004). Ví dụ như ở Đức với khoảng
phân bón và bởi sự gia tăng mạnh về giá phân bón khống sản, trong những năm gần đây đã có một sự thúc đẩy lớn vào việc tăng sản lượng khí sinh học và khí sinh học sử dụng (CHP và biomethane). Trong năm 2005, 64% bùn thải ở Anh là xử lý bằng cách phân hủy yếm khí, đến năm 2015 con số này sẽ là 85% [35].
Cách thức sử dụng bùn này gần như điển hình cho một sự tiết kiệm hơn các chi phí xả thải. Lượng tiết kiệm là cụ thể cho từng trường hợp, phụ thuộc nhiều yếu tố, ví dụ: phụ thuộc vào chi phí xử lý bổ sung của bùn, liên quan tới khoảng cách xả thải hay các vị trí nơi xử lý... Việc ứng dụng bùn thải có thể kéo theo yêu cầu thiết kế nhiều hệ thống thiết bị đặc biệt, các khu vực lưu giữ và xây dựng cũng như bảo trì đường bộ. Tuy nhiên, chi phí của việc tận dụng bùn thải là ít hơn so với chi phí xả thải, ngay cả khi nhà máy xử lý phải trả một số hoặc tất cả các chi phí vận chuyển và ứng dụng. Những nhà thiết kế và những nhà cung cấp hệ thống ủ biogas đang kết hợp quá trình xử lý sơ bộ bùn thải, ủ biogas và kỹ thuật sản xuất compost để giảm đồng thời khối lượng và tỉ lệ chất hữu cơ của bùn thải đưa đi chôn lấp.
Một số công nghệ đang được phát triển nhằm tăng sản lượng khí sinh học trong bể phân hủy kỵ khí bằng cách sơ chế nguồn phân hủy hoặc bổ sung chất thải ngồi. Ví dụ như qui trình Cambi (của cơng ty Cambi, Na Uy) thường được sử dụng xử lý bùn thải hoạt tính, dùng áp suất cao (90 psi - pound/inch vng) và nhiệt độ cao (160-175º C) để phá màng tế bào, giải phóng tế bào chất (khối nguyên sinh bao quanh nhân) dẫn đến phá hủy chất rắn và sinh ra khí sinh học nhiều hơn. Việc bổ sung các nguyên liệu thải khác cũng có thể tăng sản lượng khí sinh học. Chất béo, dầu, mỡ (FOG), chất thải thực phẩm có độ hữu cơ cao và dễ phân hủy, các nguyên liệu này được nghiền thành hỗn hợp đồng nhất để đưa vào qui trình phân hủy. Ngồi tiềm năng tăng năng lượng từ khí sinh học, việc sử dụng các nguyên liệu này giúp giảm tải nhà máy xử lý nước thải, giảm tình trạng tắt nghẹt cống rãnh, giảm chất thải đưa đến các bãi chơn (rác), và giảm khí thải nhà kính liên quan đến khâu vận chuyển chất thải [18].
1.3.2. Các nghiên cứu ở Việt Nam và các vấn đề còn tồn tại
Việt Nam đã có những kinh nghiệm phong phú trong việc sử dụng khí sinh học, chủ yếu ở các vùng nông thôn để xử lý phân và chất thải chăn ni, phần lớn khí sinh học sản xuất được phục vụ nhu cầu thắp sáng, nấu ăn và sưởi. Với sự hỗ trợ khơng ngừng của Chính phủ và các đối tác quốc tế, cùng với sự phát triển của ngành chăn ni và vệ sinh nơng thơn cơng nghệ khí sinh học đã phát triển nhanh chóng [7]. Tuy nhiên, sản xuất khí sinh học từ bùn thải được xem là lĩnh vực mới mẻ ở Việt Nam, mặc dù Việt Nam hiện đã có quan tâm và nghiên cứu hướng đi này tuy nhiên việc ứng dụng còn nhiều hạn chế. Đặc biệt các nghiên cứu về ủ yếm khí bùn thải đơ thị cịn chưa có nhiều, một số kết quả đạt được là những bước đầu, mở ra những tiềm năng cho áp dụng vào thực tế như kết quả xử lý sinh học kỵ khí kết hợp bùn và rác hữu cơ ở chế độ lên men nóng 550C được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu của Viện Khoa học & Kỹ thuật Môi trường (Đại học Xây dựng), Viện Kỹ thuật Nước thải (Đại học Kỹ thuật Tổng hợp Darmstadt) và Khoa Kỹ thuật Môi trường (Đại học Tổng hợp Kitakyushu) hay những ứng dụng tổng hợp như tại nhà máy thu hồi khí phát điện tại bãi chơn lấp Gị Cát, trung bình 1m3 biogas có thể sản xuất được 1,67kWh điện, 1 tấn CTR hữu cơ có thể tạo ra trên 300kWh điện...
Phân hủy yếm khí hiếm được sử dụng trong xử lý nước thải và bùn thải của nước ta, những chú ý mới dừng ở một số nghiên cứu bước đầu, kết quả điều tra thực tế cho thấy các nhà máy xử lý nước thải chưa có hệ thống ủ thu hồi khí sinh học, bùn thải kênh rạch, bùn sông hồ sau khi nạo vét và bùn thải từ các nhà máy xử lý nước thải của Việt Nam phần lớn được đổ trực tiếp tại các bãi đổ ở ngoại thành thành phố mà chưa qua quá trình loại bỏ chất độc hại, tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường, một phần rất nhỏ được ủ compost nhưng hiệu quả ứng dụng chưa cao. Sự phát triển của công nghệ này ở nước ta vẫn cịn phơi thai, mặc dù tiềm năng là có.