Đề tài số 2: 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 MÔI TRƯỜNG

Môn học: CHUYÊN ĐỀ TÁI CHẾ VÀ TÁI SỬ DỤNG
CHẤT THẢI RẮN

Đề tài số 2:

Bùn: chất thải hay nguồn tái tạo năng lượng
và 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


2

Bùn: chất thải hay nguồn tái tạo năng lượng
và thu hồi tài nguyên
Tổng quan.
Sử dụng bùn thải như một nguồn tài nguyên tái tạo để thu hồi năng lượng là giải pháp
thích hợp để quản lý hiệu quả các bùn thải liên tục tăng và đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng
môi trường ngày càng nghiêm ngặt, cùng lúc đó, làm thế nào để duy trì việc cung cấp
năng lượng đáng tin cậy và giá cả phải chăng cho các thế hệ tương lai và bản thân mình.
Các đặc tính có giá trị của bùn như có năng lượng và hàm lượng dinh dưỡng cao cùng với
các tiêu chí nghiêm ngặt cho việc thải bùn và vận chuyển, đã thúc đẩy các kỹ sư môi
trường và các nhà khoa học thay đổi quan điểm của họ để xem xét bùn như một nguồn tài

nguyên có giá trị thay vì lãng phí. Nó có thể là một bước tiến quan trọng đối với sự phát
triển năng lượng bền vững để đáp ứng nhu cầu năng lượng hiện tại và tương lai do đó làm
giảm sự phụ thuộc vào nguồn tài nguyên không tái tạo. Vì vậy, bài tổng hợp này thảo
luận về các loại tài nguyên có thể được thu hồi từ bùn thải, các phương pháp thông
thường và mới được sử dụng để thu hồi bùn thải thành các nguồn tài nguyên có giá trị.
Hơn nữa, những yếu tố chính tham gia vào quá trình này, giai đoạn ứng dụng, ưu điểm và
nhược điểm có thể có của phương pháp cũng được thảo luận.

Chữ viết tắt và từ mới.
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)


3

Bt: Bacillus thuringiensis
C/N: carbon to nitrogen ratio (tỉ lệ carbon với nitrogen)
CHP: combined heat and power (kết hợp nhiệt và điện )
DO: dissolved oxygen (oxy hòa tan)
DS: dry solids (chất rắn khô)
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 về cơ quan vận hành và bảo trì nước sạch)
OLR: organic loading rate (tỉ trọng hữu cơ)
p.e: population equivalent (dân số tương đương)


4

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 (quá 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)


5

w/w: weight by weight (trọng lượng tính theo trọng lượng)
WAO: wet air oxidation (quá trình oxy hóa không khí ẩm ướt)
WAS: waste activated sludge
WW TP: wastewater treatment plant (nhà máy xử lý nước thải).

Từ mới.
Lgnition temperature: nhiệt độ Lgnition
in-situ methods: phương pháp tại chỗ
Settling filtration or centrifugation: xử lí lọc hoặc ly tâm
lipid extraction by solven: khai thác lipid bằng dung môi
1. Giới thiệu.

Đô thị hóa toàn cầu ngày càng tăng cùng với quy định tái sử dụng/xử lí bùn ngày
càng nghiêm ngặt và sức ép cộng đồng đã buộc tổ chức và cá nhân làm phát sinh bùn
phải đánh giá lại chiến lược quản lý bùn của họ. Thông thường, bùn thải được xử lý
thông qua thiêu đốt, chôn lấp hoặc thải bỏ xuống đại dương cũng như tái sử dụng dinh
dưỡng cho đất trong nông nghiệp. Gần đây đã có lệnh cấm thải bỏ xuống đại dương;
tiểu chuẩn mới của châu Âu quy định nghiêm ngặt về việc chôn lấp; nhiều loại bùn có
lợi ích tái sử dụng cao, cả trong nông nghiệp và một loạt các công nghệ nhiệt.
Việc lựa chọn một chiến lược quản lý bùn phải quan tâm đến các chủ cơ sở, chuyên
gia tư vấn kỹ thuật, khai thác hợp đồng, cung cấp thiết bị, các chính trị gia, cơ quan quản
lý, các nhóm môi trường và công chúng. Có lẽ là yếu tố quan trọng nhất trong việc đạt
được tính bền vững dài hạn là lựa chọn một chiến lược quản lý bùn dựa trên nhu cầu thực
tế của cộng đồng hơn là dựa trên một số thiết lập nhân tạo của tiêu chuẩn. Người ta dự

đoán rằng những nỗ lực quản lý bùn sắp tới sẽ tập trung vào sự thu hồi và tái sử dụng các
giá trị gia tăng cây trồng từ bùn. Mối quan tâm này trong năng lượng tái tạo đã được thúc


6

đẩy bởi dự trữ nhiên liệu hóa thạch giảm do nhu cầu năng lượng sơ cấp tăng làm tăng giá
nhiên liệu, mối quan tâm biến đổi khí hậu, nâng cao nhận thức, và tiến bộ trong công
nghệ năng lượng tái tạo.
Hai thành phần trong bùn mà cả về mặt kỹ thuật và kinh tế đều khả thi để tái chế là
giàu dưỡng chất (chủ yếu là nitrogen và phosphorusrus) và năng lượng (carbon). Có sẵn
một số yếu tố để thu hồi năng lượng từ bùn thải. Cách quan trọng nhất là phân hủy yếm
khí, đốt, nhiệt phân, khí hóa, quá trình oxy hóa siêu tới hạn (ướt); được sử dụng trong sản
xuất vật liệu xây dựng, sản xuất nhiên liệu sinh học (hydro, khí tổng hợp, dầu sinh học),
phát điện bằng cách sử dụng vi sinh vật đặc biệt, thu hồi lại lợi ích của các kim loại nặng,
chất dinh dưỡng (nitrogen và phosphorus), protein và enzym. Vì vậy, những nỗ lực hiện
nay nhằm cung cấp một cái nhìn tổng quan và thảo luận về cách để đạt được chiến lược
quản lý bùn bền vững hơn là thu hồi các sản phẩm giàu năng lượng.
2. Đặc tính của bùn.

Bùn thải là một hỗn hợp đồng nhất phức tạp của vi sinh vật, các chất hữu cơ không
phân hủy như giấy, tàn dư thực vật, dầu, hoặc cặn lăng, các hợp chất vô cơ và hơi ẩm.
Các vật liệu hữu cơ không phân hủy có chứa một hỗn hợp phức tạp từ các phân tử
protein và peptide, chất béo, polysaccharides, đến các đại phân tử thực vật với cấu trúc
phenolic (ví dụ như lignin hoặc tannin) hoặc cấu trúc béo (ví dụ như cutins hoặc
suberins), cùng với các chất ô nhiễm hữu cơ nhỏ như polycyclic aromatic hydrocarbons
(PAH) hoặc dibenzofurans.
Bảng 1. Mô tả các đặc điểm của bùn sơ cấp và bùn hoạt tính.
Thông số
Tổng chất rắn khô TS, %

Chất rắn bay hơi (VS, %TS)
Nitrogen (N, %TS)
Phosphorus (P, %TS)
Chất hóa học,(K2O %TS)
Cellulose (%TS)
Sắt (Fe g/kg)

Bùn sơ cấp
5-9
60-80
1.5-4
0.8-2.8
0-1
8-15
2-4

Bùn hoạt tính
0.8-1.2
59-68
2.4-5.0
0.5-0.7
0.5-0.7
7-9.7
-


7

Silica (SiO2 %TS)
pH

Dầu mỡ và chất béo (%TS)
Protein
Alkalinity (mg/L as CaCO3
Acid hữu cơ (mg/L as acetate)
Năng lượng (kJ/kg TS)

15-20
5.0-8.0
7-35
20-30
500-1500
200-2000
23000-2900

6.5-8
5-12
32-41
580-1100
1100-1700
19000-23000

Bùn thải sơ cấp được tạo ra thông qua hoạt động cơ học (sàng lọc, loại bỏ sạn, lắng)
xử lý nước thải quá trình, thường chứa từ 93% đến 99,5% nước, các chất hữu cơ lơ lửng
và hoà tan.
Bùn thải hoạt tính (WS) hoặc bùn thứ cấp, được tạo ra trong quá trình xử lý nước thải
sinh học, các tế bào vi khuẩn chủ yếu là vật liệu hữu cơ cao phân tử phức tạp. Nồng độ
của tổng chất rắn trong bùn thứ cấp khoảng giữa 0,8% và 1,2%, tùy thuộc vào loại của
quá trình xử lý sinh học sử dụng. Bùn thải hoạt tính bao gồm 59 -88% (w/v) vật chất hữu
cơ, chúng phân hủy và tạo ra mùi khó chịu. Chỉ là một phần nhỏ của bùn là chất rắn,
trong đó hơn 95% là nước. Phần hữu cơ có chứa 50-55% carbon, 25 -30% oxy, 10 -15%

nitrogen, 6 -10% hydro, 1-3% phosphorus và 0,5 -1,5% lưu huỳnh.
Tro từ bùn thải chứa chủ yếu là khoáng chất như thạch anh, canxit hoặc microline.
Các khoáng chất được hình thành bởi nguyên tố như Fe, Ca, K và Mg. Hơn nữa, một số
kim loại nặng như Cr, Ni, Cu, Zn, Pb, Cd, Hg cũng có thể được tìm thấy trong bùn.
Khả năng thu hồi năng lượng bùn là nhờ vào thành phần bùn_gồm một hỗn hợp các
chất hữu cơ (dễ bay hơi), các chất vô cơ (vật liệu trơ) và nước liên kết. Năng lượng bùn ở
trong các chất rắn bay hơi, và được chia thành hai loại: dễ dàng phân hủy (50% trong bùn
sơ cấp và 25% trong bùn hoạt tính) và không dễ dàng phân hủy (30% trong bùn sơ cấp và
55% trong bùn thứ cấp).
3.

Kỹ thuật thu hồi tài nguyên từ bùn.
Các phương pháp truyền thống và mới thu hồi tài nguyên từ bùn là:


8

Phân hủy yếm khí
Đốt.
Khí hóa
Nhiệt phân
Quá trình oxy hóa không khí ẩm ướt
Quá trình hóa ẩm siêu tới hạn
Thủy nhiệt.

-

Tùy vào từng loại bùn mà có cách tái tạo và 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 là công nghệ ổn định bùn phổ biến nhất hiện nay trên thị trường.
Quá trình biến đổi bùn hữu cơ từ dạng rắn sang dạng khí sinh học, một hỗn hợp gồm
CH4, CO2, và dấu vết của các chất khí khác trong môi 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 này là một quá trình phức tạp liên quan đến bốn giai đoạn của phản ứng
sinh hóa gồm:
-

Quá trình thủy phân: các hợp chất hữu cơ (polysaccharides, protein, và chất béo)

bị thủy phân bởi enzyme ngoại bào.
-

Quá trình acid hóa: các sản phẩm của quá trình thủy phân sẽ được biến đổi thành

hydro, formate, acetate, và các axit béo dễ bay hơi trọng lượng phân tử cao (VFA).


9

-

Quá trình acetic hóa: các sản phẩm của quá trình acid hóa bao gồm các axit hữu

cơ chuỗi ngắn và rượu được tiếp tục xử lý bằng vi khuẩn hình thành acetate tạo ra acid
acetic là chủ yếu, và khí carbon dioxide và hydrogen.
-

Quá trình methan hóa: khí sinh học (khí methane và carbon dioxide) được sản

xuất từ khí hydro, format, và acetate. Khí sinh học này có thể được sử dụng như một
nguồn năng lượng trong sản xuất điện và / hoặc nhiệt.
3.2. Đốt.

Mục đích chính của đốt bùn là quá trình oxy hóa hoàn toàn của các hợp chất hữu cơ ở
nhiệt độ cao. Trong quá trình này, các chất rắn sinh học được đốt cháy trong buồng đốt và
cung cấp khí dư (oxy) để tạo thành chủ yếu là carbon dioxide và nước, chỉ còn lại vật liệu
trơ (tro). Tro này đã được xử lý hoặc có thể được sử dụng như một nguồn để sản xuất vật
liệu xây dựng. Hiện nay, phương pháp đốt bùn đang dần được xác định về việc thu hồi
năng lượng từ bùn dưới dạng nhiệt hoặc điện. Theo Hiệp hội quốc gia của các cơ quan
nước sạch (NACWA), đốt kết hợp với sản xuất điện đã được thực hiện thành công bởi các
nhà máy xử lý nước thải Metro (WW TP) tại St Paul, Minnesota, Hoa Kỳ (Mỹ). Nhà máy
có công suất phát điện 3,5 MW, vốn được cho là làm giảm phát thải khí nhà kính của nhà
máy khoảng 18%. Hoặc ở Cleveland, Ohio (Mỹ) và ở Hartford, Connecticut (Mỹ) được
thiết kế để thu hồi năng lượng với công suất dự kiến là 2.0 và 0.8 MW, sẽ cung cấp tương
ứng 20% và 40% các cơ sở nhu cầu năng lượng.
Để giảm các chi phí cao của một nhà máy đốt bùn cũng như để thúc đẩy việc thu hồi
năng lượng hiệu quả, họ đã khảo sát để đốt bùn khô trong một nhà máy điện đốt than.
Việc thu hồi năng lượng từ việc phân huỷ bùn hiệu quả hơn nếu tăng cường các quá trình
khử nước và làm khô bùn và sử dụng nhiệt dư từ khí thải của các nhà máy điện.
3.3. Khí hóa.

Khí hóa liên quan đến sự phân hủy của bùn khô tạo thành tro và khí đốt ở nhiệt độ
khoảng 10000C trong không khí với một lượng oxy giảm. Các sản phẩm của quá trình

10

này bao gồm nhiệt (sử dụng để tạo ra năng lượng và quá trình nhiệt) và khí tổng hợp.
Thành phần hóa học của sản phẩm cuối cùng và mức năng lượng bị ảnh hưởng bởi các
tác nhân khí hóa (không khí, ôxy, hoặc hơi nước), nhiệt độ và áp lực của quá trình hoạt
động khí hóa; đặc điểm nạp liệu (loại, chất rắn khô, và chất rắn bay hơi).
Nguyên liệu khô, chẳng hạn như gỗ hoặc chất thải cây xanh, có thể được trộn lẫn với
bùn để đáp ứng các đặc điểm năng lượng cần thiết. Khí hóa chất rắn sinh học dự kiến sẽ
thu hồi năng lượng đáng kể, nhưng vẫn còn trong giai đoạn đầu thực hiện nên cần phải
được chứng minh qua thời gian. Mô hình thí điểm được thực hiện tại Đức ở nhiệt độ cao
(1400-17000C) và áp suất cao (0.6 -2.6 megapascal (MPa)), sử dụng oxy tinh khiết như
chất oxy hóa. Ở nhiệt độ cao, tro tạo thành xỉ nóng chảy, được dập tắt (ở dưới cùng của
khí hóa) tạo thành các hạt xỉ hạt mịn. Khí được làm sạch bằng cách loại bỏ CN, NH3 và
H2S để sản xuất khí tổng hợp chất lượng cao. Xỉ đông lạnh là hoàn toàn trơ và có thể
được sử dụng như một thành phần trong hỗn hợp bê tông. Các khảo sát sâu rộng về quá
trình này đã tiết lộ rằng các kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ clo được kiểm soát
hoàn toàn.
3.4. Nhiệt phân.

Nhiệt phân bùn là một phương pháp sáng tạo để quản lý bùn và năng lượng, trong đó
bùn được được xử lý nhiệt (350 - 5000C) dưới áp suất và trong môi trường thiếu oxy.
Trong phương pháp này, bùn được chuyển đổi thành than, tro, dầu nhiệt phân, hơi nước
và các loại khí dễ cháy. Sản phẩm rắn / khí của phương pháp nhiệt phân được thiêu hủy
và sử dụng như nguồn nhiệt trong quá trình nhiệt phân. Nhiệt độ, áp suất, thời gian phản
ứng và đặc điểm nguyên vật liệu là yếu tố chính ảnh hưởng đến năng suất các sản phẩm
nhiệt phân. Lớp chất lỏng là cấu hình phổ biến nhất của nhiệt phân do sự hoạt động dễ
dàng và sẵn sàng mở rộng quy mô của chúng. Một hệ thống quá trình nhiệt phân
(SlurryCarb ™, California, Mỹ) đang hoạt động ở nhiệt độ khoảng 4500C. Phản ứng nhiệt

phân làm thay đổi cấu trúc phân tử của chất rắn và phát thải CO2, do đó làm giảm khối
lượng của chất rắn khoảng 40%. Kết quả "cacbon hóa" chất rắn tạo thành bùn, gồm nhiệt


11

sấy khô và hóa thành nhiên liệu rắn, có thể được đốt trực tiếp trong lò than phun, khí hóa,
lò đốt tầng sôi, hoặc sử dụng để thay thế nhiên liệu.
Những lợi thế lớn từ quá trình khí hóa và nhiệt phân là:
-

Phá hủy các hợp chất hữu cơ.
Khí tổng hợp có thể được sử dụng làm nguyên liệu hóa chất, nguồn năng lượng.
Cung cấp nhiệt có thể được chuyển thành hơi nước và năng lượng.
khối lượng thấp hơn của khí thải và khí thải NOx hơn thiêu đốt.
Đioxin / furan thấp.
Sản xuất phế liệu rắn ổn định cho phép tái chế.

Những nhược điểm chính là:
Một số quy trình sản xuất than, đòi hỏi phải xử lý thêm.
Các vấn đề an toàn, đặc biệt là với oxy tinh khiết.
Chế biến phức tạp.
Không có số liệu chi phí hiện tại.
Thông tin hoạt động hạn chế.
3.5. Quá trình oxy hóa không khí ẩm ướt (WAO).
-

Oxy hóa không khí ẩm ướt là quá trình oxy hóa hóa học của bùn (bằng cách bổ sung
O2) ở nhiệt độ cao (150-3300C) và áp suất cao (6-20 MPa). ZIMPRO là công nghệ lâu đời
nhất dựa trên quá trình này, phát triển ở Hà Lan trong những năm 1960. Tuy nhiên, chi

phí năng lượng cao, ăn mòn và gây mùi là những hạn chế lớn của quá trình. Công nghệ
Bayer Leprox cải tiến từ công nghệ ZIMPRO bằng cách bổ sung các chất xúc tác áp để
suất và nhiệt độ thấp hơn. Kết quả chính của quá trình này là bùn có chứa hơn 95% của
các thành phần khoáng chất và dưới 3% các chất hữu cơ phân tử thấp. Hơn nữa, công
nghệ thương mại ATHOS cũng dựa trên quá trình oxy hóa không khí ẩm của bùn; bao
gồm bùn nóng trong môi trường chứa chất khí oxy hóa (oxy), sẽ làm suy giảm các chất
hữu cơ. Quá trình oxy hóa các chất hữu cơ bùn sản xuất nước, carbon dioxde và các hợp
chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học (acid acetic, acid béo).
Ưu điểm chính của quá trình WAO là:
-

Cải thiện nguồn nước.


12
-

-

Năng lượng thấp và không yêu cầu nhiên liệu.
Mối quan tâm ô nhiễm không khí thấp (không có NOx, SO2, HCl, dioxins, furans,

tro bay).
- Điện thế nhỏ
- Phù hợp xử lí hàm lượng kim loại trong bùn,
- Giảm thiểu khí nhà kính (CO2 ).
- Chất rắn còn lại là chất chống rửa trôi.
Nhu cầu oxy hóa học (COD) và chất rắn lơ lửng dễ bay hơi (VSS) giảm tương ứng 70%
và 90%, và loại bỏ nitơ hữu cơ cao (70%).

-

Tuy nhiên, hạn chế lớn của quá trình này là:
Vốn cao và chi phí bảo trì.
Không làm giảm đáng kể tổng chất rắn (7%).
Sản xuất amoniac cao.
Các vấn đề ăn mòn cao đã làm cho một số hoạt động bị đình chỉ.
3.6. Quá trình oxy hóa siêu tới hạn (SCOW).
Quá trình oxy hóa nước siêu tới hạn diễn ra ở nhiệt độ và áp suất rất cao (thường là
25 MPa và 6000C) là một giải pháp tốt cho sự phân hủy bùn. Stendahl và Jafverstrom báo
cáo từ thí nghiệm tại Thụy Điển với quá trình Aqua Reci đã kết luận rằng quá trình
SCWO rất khả thi để phân hủy chất hữu cơ cho hơn 99,9%. Trong quá trình này, carbon
và hydro từ chất hữu cơ và sinh khối bị oxy hóa thành CO2 và H2O, nitơ, lưu huỳnh và
phosphorus ở dạng tương ứng N2, SO42- và PO43-, clo hữu cơ được chuyển đổi thành Cl, và các kim loại nặng được oxy hóa thành các oxit tương ứng. Hầu như tất cả các phản
ứng này cho thấy biến đổi đến 99,99% ở 6000C với thời gian là 30s hoặc ít hơn. Kích
thước lò phản ứng được yêu cầu là tương đối nhỏ. Thu hồi năng lượng từ quá trình này có
thể xảy ra trực tiếp bằng cách trao đổi nhiệt trong các lò phản ứng hoặc từ dòng chảy
thoát ra từ các lò phản ứng. So với đốt bùn, SCWO có lợi thế xử lý khí ra rất đơn giản, do
đó, chi phí xử lí khí ra có thể được bỏ qua. Nó cũng không cần thiết phải khử nước trước
khi quá trình oxy hóa. Các chất vô cơ có trong bùn có thể xử lý dễ dàng; được tách ra
khỏi ở giai đoạn trước như tro. Trong khi chi phí xử lý cao, khối lượng bùn giảm vượt
quá 90% thu hồi năng lượng, chất đông tụ và phosphate đại diện cho một giá trị để thiết
lập các chi phí hoạt động. Tuy nhiên, kinh nghiệm thực tế từ các quy mô lớn vẫn chưa
xuất hiện. Vấn đề sử dụng oxy, áp lực đường ống cao, lò phản ứng áp suất cao, và tiềm


13

tàng vấn đề ăn mòn nếu clorua có mặt trong bùn có thể là khó khăn trong việc chấp nhận
và phát triển của công nghệ này.

Ưu điểm chính của quá trình này là :
-

Giảm nhiều các chất rắn dễ bay hơi (VS) và tổng chất rắn (TS) (60-80%).
Quá trình oxy hóa hoàn toàn các chất hữu cơ (COD giảm 99,9%).
Lượng khí thải thấp (NOx, SO2 , không có HCl, halogen, furan, dioxin,

-

polychlorinated biphenyls (PCB))
Kết tủa chống rửa trôi.
Phù hợp với cặn đầy kim loại.
Giảm hoàn toàn khí nhà kính.
Phù hợp để xử lý chất thải nguy hại.
Cung cấp nhiệt thu hồi và nhiêt tự duy trì.
Nhu cầu nhiên liệu ít hơn.

Tuy nhiên, những hạn chế chủ yếu của quá trình SCWO là:
-

Các vấn đề liên quan đến sự ăn mòn

-

Cần hệ thống an toàn để xử lý O2 tinh khiết hoặc H2O2 như chất oxy hóa.

-

Cần buồng phản ứng công nghệ cao.

-

Sản xuất amoniac, có thể ảnh hưởng đến quá trình xử lý chất lỏng.

-

Vốn cao và chi phí bảo trì

-

Bùn nhiên liệu nên được đồng nhất.

-

Lựa chọn các chất oxy hóa, thời gian phản ứng, nhiệt độ và áp suất thích hợp.

3.7. Xử lí thủy nhiệt.
Thủy phân protein tạo thành acid amin; lipid tạo ra axit béo; vật liệu thô và các
hydrocacbon tạo thành các chất hydrocarbon phân tử thấp như đường. So sánh sử dụng
chất oxy hóa trong xử lí thủy nhiệt và quá trình oxy hóa ướt có tác dụng tích cực đối với
sự hình thành của Quỹ đầu tư VFA. Đặc biệt, các hợp chất này rất đặc biệt ví dụ như
nguồn carbon, không chỉ sản xuất khí sinh học mà còn khử nitrogen và phosphorus sinh
học từ nước thải. Dư lượng chất lỏng của xử lý thủy nhiệt bùn thải có thể được sử dụng
như một loại phân bón thị trường, vì nó bao gồm ba chất dinh dưỡng chính (N, P, K). Xử


14

lý thủy nhiệt bùn thải tại 1900C và 20 Bar có thể nâng cao đáng kể hiệu suất khử nước,
sau đó lượng nước có thể được giảm xuống còn khoảng 55% do mất nước cơ học. Hơn

nữa, thêm thông tin thảo luận về các công nghệ trên đã được đưa ra trong bảng 2, trong
đó bao gồm chi phí xử lý, phí môi trường, nâng cao yêu cầu, giai đoạn phát triển và nhận
xét về mỗi công nghệ đó.
Tóm lại, xử lý yếm khí là nhằm mục đích để sản xuất khí sinh học
từ bùn và để cải thiện sự ổn định của bùn và khử nước. Việc sản xuất khí sinh học có thể
thu được đáng kể bằng cách áp dụng một bước tiền xử lý, chẳng hạn như chiếu xạ vi
sóng, song siêu âm, ozon hóa, phương pháp đồng hóa áp suất cao, tiền xử lý hóa học với
axit hoặc kiềm vv. Phương pháp đốt bùn đang dần dần tập trung vào thu hồi năng lượng
dưới dạng điện và/hoặc nhiệt (hơi). Lượng năng lượng đạt được mạnh hay không phụ
thuộc vào lượng nước trong bùn, thay đổi và hiệu suất của quá trình đốt cháy, và các máy
ép cơ học và quá trình làm khô. Để tránh các chi phí cao của một hệ thống đốt bùn và
nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng, chúng đã được nghiên cứu để đốt bùn khô trong
một nhà máy điện đốt than. So với đốt, nhiệt phân và khí hóa của bùn thải có lợi thế tiềm
năng. Việc chuyển đổi các khí dễ cháy của cả hai hệ thống thành năng lượng điện có thể
đạt được hiệu quả hơn. Bên cạnh đó, các loại khí có giá trị có thể được sản xuất như hóa
chất cơ bản. Quá trình oxy hóa không khí ẩm chủ yếu áp dụng trong thực tế nhằm mục
đích điều hòa bùn cải thiện các đặc tính nước thải của bùn và làm giảm lượng bùn cuối
cùng. So với quá trình oxy hóa không khí ẩm ướt, quá trình oxy hóa siêu tới hạn phức tạp
hơn nhiều đối với thiết kế lò phản ứng, vật liệu lò phản ứng và hoạt động của lò phản
ứng.
Bảng 2. Công nghệ thu hồi năng lượng.
Công nghệ
Phân hủy
yếm khí

Chi phí
xử lý
Thấp /
trung bình

Năng lượng thu
hồi
Năng lượng (khí
sinh học)

Yêu cầu
cải tiến
Thủy phân
bùn trước

Giai đoạn
phát triển
Tất cá các
quy mô

Bình luận
Giải phóng
PO43-, NH3

Thiêu đốt

cao

Sản xuất năng

Máy ép cơ

Tất cả các

Phosphorus

15

Đốt trong
nhà máy
đốt than
Nhiệt
phân và
khí hóa
Oxy hóa
không khí
ẩm ướt
oxy hóa
nước siêu
tới hạn
xử lý thủy
nhiệt

lượng và giảm
học, sấy,
quy mô
có thể thu
chất rắn sinh học
nhiệt thải
hồi từ tro
Cao/
Sản xuất năng
Máy ép cơ
Tất cả các

Chỉ áp dụng
trung bình lượng, các chất
học, sấy,
quy mô
quy mô nhỏ
vô cơ
nhiệt thải
Cao
Nhiều sản phẩm,
Máy ép cơ
Trong giai
Quá tình
giảm chất rắn
học, sấy,
đoạn phát
phức tập
sinh học
nhiệt thải
triển
Vừa phải Cải thiện đặc tính Tối ưu hóa
Tất cả các tập trung vào
khử nước của
quy mô
máy ép bùn
bùn
cao
Sản xuất năng
Lò phản ứng
Trong giai
Quá trình

lượng và chất rắn và quá trình
đoạn phát
phức tạp,
sinh học
thực hiện
triển
ăn mòn
vừa phải
Khí sinh học,
quá trình
Kinh nghiệm Loại bỏ các
khử nitrogen,
thực hiện
thực tế hạn
kim loại
giảm chất rắn
chế
nặng
sinh học

4. Năng lượng và tài nguyên thu hồi.
4.1. Thu hồi khí sinh học bằng cách phân hủy yếm khí.

Khí sinh học được sản xuất trong thời gian phân hủy yếm khí của bùn thải có chứa
60-70% methane, 30-40% lượng khí carbon dioxide, và một lượng nhỏ nitơ, hydro,
hydrogen sulfide, và hơi nước.
Bảng 3. Thành phần của khí sinh học được tạo ra từ kỵ khí
Thông số
Nhiệt trị thấp
Tỉ trọng

Số lượng khí metan
metan
hydrocarbon cao phân tử
H2
CO
CO2
N

đơn vị
MJ/N m 3
kWh.N m 3
MJ/kg
kg/N m3
vol%
vol%
vol%
vol%
vol%
vol%

giá trị
23
6.5
20.2
1.2
50-75
0
<1
<0,3
25-45

<2


16
O2
Hydrogen sulphide
(0-104)
Ammonia
Tổng clo
Các chi tiết khác
Nồng độ năng lượng
Nhiên liệu tương đương
Nhiệt độ Lgnition
Áp suất tới hạn
Nhiệt độ tới hạn
Mật độ bình thường

vol%
mg/L
mg/L
mg/N m 3

<2
< 1000
< 100
0-5

6.0-6.5 kWh/m 3
0.6-0.65 L oil/m 3biogas
650-750 0C

75=89 bar
-82.5 0C
1.2 kg/m 3

Khí metan được tạo ra bởi quá trình yếm khí là nguồn năng lượng chính tại nhà máy
xử lí nước thải. Trong hầu hết các trường hợp, thu hồi khí metan được sử dụng để cung
cấp năng lượng cơ khí, sản xuất năng lượng điện và nhiệt sử dụng tại chỗ trong các nhà
máy xử lý. Chi phí điện cho một nhà máy xử lý khoảng 80% tổng chi phí hoạt động, và
năng lượng thu hồi thông qua mêtan có thể bao gồm khoảng một nửa chi phí này. Mêtan
là một khí nhà kính lớn; việc xử lý bùn thải sẽ giải phóng mêtan vào khí quyển thông qua
các con đường tự nhiên. Một số nhà nghiên cứu báo cáo rằng 362-612 và 275-380 ml khí
sinh học/gVS có thể được tạo ra tương ứng từ bùn sơ cấp và bùn hoạt tính,. Bioterminator 24/85 là công nghệ phân hủy yếm khí phát triển bởi Tổ chức nghiên cứu giải
pháp chất rắn tại Đại học bang Louisiana, Mỹ. Quá trình này có khả năng phá hủy 85%
TS trong 24 giờ ở một thời gian lưu giữ của lò phản ứng 24 giờ hoặc ít hơn. Quy mô thí
điểm là một nhà máy có công suất 3.785 m3 được lắp đặt tại Baton Rouge, Louisiana, Mỹ
vào năm 2005 và hoạt động trong 5 tháng; hệ thống này đã loại bỏ 93% VS tại hai ngày
thời gian lưu thủy lực (HRT). Một phương pháp thương mại "Columbus nâng cao chất
rắn sinh học thông qua xử lý ưa nhiệt (CBFT3)", cải tiến từ phân hủy yếm khí sử dụng
một lò phản ứng dòng chảy nút. Thực hiện phân hủy yếm khí tăng cường khí metan_
được sử dụng để sản xuất điện thay vì động cơ pittông sẽ năng cung cấp 40 -50% nhu cầu
điện nhà máy; hiệu quả năng lượng tổng thể của quá trình này là 68-83%. Tuy nhiên, với
các phương pháp phân hủy yếm khí, gần 20 - 30% của các chất hữu cơ là khoáng. Bùn
khoáng và khí sinh học có thể đạt được (tối thiểu 10%;.. tối đa tăng 145% trong khí sinh
học /mêtan) bằng cách sử dụng tác nhân vật lý, hóa học, nhiệt, cơ khí, hoặc sinh học ở


17

giai đoạn tiền xử lý như sóng siêu âm, ozon hóa, xử lí enzym, sử dụng vòi phun lỏng,
kiềm hoặc acid, kỹ thuật xung hiệu suất cao, hoặc quá trình oxy hóa ướt. Đánh giá tính

khả thi của phương pháp tiền xử lý bằng các thông số: khí sinh học, tổng năng lượng dư,
lượng bùn cuối cùng, và các chi phí phải được tính và phân tích. Một số công nghệ xử lý
sơ bộ như Cambis (nhiệt), BioThelyss (nhiệt), MicroSludge ™ (vật lý-hóa học), Crowns
(siêu âm) và Lysatec GmbH (cơ khí) đã được áp dụng thành công ở tất cả các quy mô ở
một số nước.
Quá trình Cambi đã tăng sản lượng điện 27%. Trong quá trình thử nghiệm, toàn
thành phố, Onyeche báo cáo rằng đồng nhất áp suất cao của WS trước khi phân hủy yếm
khí đã tăng sản lượng khí 30%.
Zabranska và cộng sự báo cáo kết quả giám sát dài hạn từ ba trạm cài đặt của máy ly
tâm; kết quả tăng 15-26% trong sản lượng khí sinh học.
Một quá trình ozon hóa ở quy mô thí điểm (0,026 kg O3/kg VS) để xử lí cả bùn sơ
cấp và thứ cấp (trọng lượng và tỷ lệ trọng lượng của 1:3.5) đã được bắt đầu tại Nhật Bản
bởi Kurita Water Industries; quá trình này có khả năng sản xuất năng lượng hơn 36% so
với phân hủy yếm khí; năng lượng đầu vào (ozon hóa và bơm) và năng lượng sản xuất
ước tính đạt tương ứng 1.923 kWh và 1.736 kWh / tấn khô (MT) bùn xử lý.
Xie và cộng sự đã nghiên cứu hiệu quả của xử lí bùn bằng sóng siêu âm tại
Singapore: bể (khối lượng 4500m3, thời gian lưu bùn (SRT) 30 ngày) với sóng siêu âm
(20 kHz; tốc độ dòng chảy 200m2 / ngày).; trong nghiên cứu 6 tháng, hệ thống thử
nghiệm liên tục sản xuất tối thiểu 200 m3/ngày khí hơn nồi kiểm soát (sản xuất khí mêtan
tăng 45%).
Hogan và các cộng sự nghiên cứu tính khả thi của công nghệ Sonix ™ (20 kHz) cho
tiền xử lý WS trước khi phân hủy yếm khí tất cả các quy mô ở nhà máy (Avonmouth,
Vương quốc Anh và Quận Cam, Hoa Kỳ); họ đã báo cáo rằng công nghệ Sonix có khả
năng cải tiến trong sản xuất khí sinh học (tăng lên đến 50%) và trong một khoảng thời
gian ngắn là hai năm.
Baber báo cáo kết quả của một số hệ thống siêu âm (Đức, Áo, Thụy Sĩ, Ý, Nhật
Bản); ông quan sát thấy tăng 22% trong sản xuất khí sinh học và giảm VS; cải thiện máy
ép bùn khoảng 7%. Nghiên cứu cân bằng năng lượng và khối lượng của bể kỵ khí

18

(1200m3/20 ngày SRT, tốc độ dòng chảy 200m3 / ngày và 5% DS) xử lý bùn sonicated
2,5 W/m2/K, cho thấy năng lượng được tạo ra hơn so với tiêu thụ, tức là , 1kW năng
lượng áp dụng sẽ tạo ra 7 lần năng lượng điện. Hơn nữa, họ cho rằng thời gian hoàn vốn
điển hình cho một trạm cài đặt hệ thống siêu âm quy mô lớn là 2 -3 năm.
Hình. 3. Các cách khác nhau của việc sử dụng khí sinh học sau khi tinh chế thích hợp và
xử lý cần thiết

Khí sinh học là một loại nhiên liệu tuyệt vời cho các ứng dụng. Phân tích thực hiện
bằng việc kết hợp nhiệt và điện (CHP) họ quan sát thấy rằng nếu CHP được lắp đặt tại tất
cả 544 cơ sở xử lý nước thải ở Mỹ(tốc độ dòng chảy đến 45 triệu gallon / ngày (mgd) và
hoạt động kỵ khí), sau đó khoảng 340 MW (340.000 kWh) điện có thể được tạo ra, đó là
đủ để cung cấp 261.000 nhà.
Theo Hoa Kỳ Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA), 2,3 triệu tấn khí thải carbon dioxide
mỗi năm (tương đương 430.000 xe) có thể được bù đắp, nếu WWTP (với công suất hơn 5
mgd) hiện có sử dụng phân hủy yếm khí được cài đặt các cơ sở thu hồi năng lượng.
Khai thác năng lượng từ chất rắn sinh học cung cấp an toàn năng lượng, giảm sự
phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, và giảm phát thải khí nhà kính. Thu hồi năng lượng
từ khí sinh học được coi như là một trong những công nghệ chuyển đổi chất thải thành
năng lượng được thiết lập ngày càng hiệu quả hơn.


19

4.2. Thu hồi dinh dưỡng.
Bùn thải có chứa một lượng chất dinh dưỡng khá lớn, đặc biệt là phosphorus (0,5
-0,7% TS) và nitrogen (2,4-5,0% TS), các chất dinh dưỡng tồn tại chủ yếu dưới dạng
nguyên liệu protein. Sự phân hủy,hòa tan sinh khối bùn và chuyển đổi tiếp theo của nó
tạo thành amoniac và phosphate được sử dụng để sản xuất phân bón thực vật như magne

amoni phosphate (struvite), có thể được bón trực tiếp lên đất. Như một đánh giá sơ bộ 1
kgN và 1 kgP trong chi phí phân bón thương mại khoảng tương ứng US $ 1.3 và US $
2.6. Chất rắn khô của bùn thải có chứa khoảng 0,5 kgP và 0,6 kgN, tương ứng với giá trị
khoảng US $ 2.1. Phosphorusrus không phải là một nguồn tài nguyên vĩnh viễn, bởi vì sẽ
không có phosphorus trong mỏ apatit trong vòng 150 năm. Vì vậy, P cần được xem như
là sản phẩm có giá trị nhất trong bùn và phải phát triển các chiến lược để thu hồi P từ bùn
(một trong những dòng phosphorus lớn hiện nay). Calcium phosphate và magne amoni
phosphate (struvite) là sản phẩm cuối cùng thu hồi được từ quá trình này. Calcium
phosphate được tìm thấy trong khai thác quặng phosphate và dễ dàng tái chế trong các
ngành công nghiệp phosphate. Struvite là một loại phân bón tuyệt vời vì tính phân rã
chậm của nó, và nó có thể được áp dụng trực tiếp. Để thu hồi phosphorus từ bùn thải
thông qua kết tinh là phải hòa tan P để giải phóng phosphate nổi trên mặt.
Liao và các cộng sự đã báo cáo rằng có tới 76% tổng phosphorus (TP) có thể sẽ được
sử dụng trong 5 phút gia nhiệt MW. Tế bào vi khuẩn và các hợp chất hữu cơ khó phân
hủy có thể bị phá hủy trong quá trình tiếp xúc với nhiệt MV và giải phóng polyphosphate
lưu trữ và phosphorusrus bị giữ trong vật liệu polyme ngoại bào trong dung dịch.
Amoniac cũng được giải phóng cùng với phosphate. Liao và các cộng sự đã sử dụng một
quá trình oxy hóa nâng cao (AOP) kết hợp với nhiệt MV (H2O2 + MW). Kết quả là 84%
tổng phosphorus được giải phóng tại 1700C (thời gian phản ứng 5 phút) với 50 ml/L H2O2
(30% khối lượng).
Wong và cộng sự quan sát thấy rằng sự kết hợp của H2O2 và thủy phân axicd làm
cho 61% của tổng phosphorusrus và 36% của tổng số nitrogen Kjeldahl (TKN) giải
phóng tương ứng ở 1000C và 12000C ( thời gian phản ứng là 5 phút). Polyphosphat được
hình thành trong quá trình xử lý MW, có thể dễ dàng bị phá vỡ bởi thủy phân axit thành
orthophosphates.


20

Tương tự như vậy, các nghiên cứu khác cũng báo cáo rằng một lượng phosphorus khá

lớn (lên đến 95,5%) và amoniac (lên đến 53%) bằng cách sử dụng sự kết hợp các
phương pháp xử lí nhiệt hóa học khác nhau.
Fischer cùng các cộng sự trình bày một ý tưởng để tái chế phosphate bền vững bằng
tế bào vi khuẩn phân hủy bùn thải như struvite. Quá trình này mang lại lên đến 82% hoặc
600 mg/L. Phosphate đã bị kết tủa thông qua việc bổ sung Mg2+ và NH4+ như struvite,
NH4MgPO4.
Phân bón tổng hợp đã được chú ý vì có các kim loại độc hại như As, Cd, Pb và Cr.
Các kỹ thuật thương mại mới nổi thu hồi phosphorus từ bùn thải bao gồm Krepo, AquaReci, Kemicond, Biocon, Sephos và Susan chủ yếu dựa trên xử lý vật lý, hóa học và nhiệt
để hòa tan phosphorus và sau đó thu hồi bởi kết tủa. Phosphorus có thể được thu hồi từ
bùn như sắt phosphate, calcium phosphate, axit photphoric và sỏi struvite (magnesium
ammonium phosphate).
Công nghệ Reci Aqua, phát triển ở Thụy Điển, thu hồi cả phosphorus và năng lượng
sử dụng kết hợp quá trình SCWO. Khoảng 100% phosphorus có thể được chiết xuất với
HCl hoặc H2SO4 ở nhiệt độ 900C và thời gian phản ứng 2h.
Stendahl và Jafverstrom tính toán rằng tổng chi phí đầy đủ cho quy mô Aqua Reci tại
Stockholm sẽ là khoảng US $ 946/ xử lí tấn bùn khô / năm.
Quá trình Ostara, một công nghệ thương mại để thu hồi struvite từ bùn giàu
phosphorus sử dụng magne clorua (thu hồi 80-85% P), đã hoạt động tại thành phố
Edmonton, Canada; dự kiến sẽ sản xuất khoảng từ 200 đến 250 tấn struvite/năm. Một quá
trình với quy mô đầy đủ (45.000 m3/day) để thu hồi phosphorus (thu hồi >90% P) như
struvite (550 kg / ngày, tương đương với 0,01 kg struvite/m3 ) đã được lắp đặt tại Hồ
Shinji Đông sạch (L SEC) Trung tâm tại Nhật Bản.
Công nghệ Seaborne, phát triển ở Đức bởi Phòng thí nghiệm nghiên cứu môi trường
Seaborne, một phương pháp chiết tách gồm hai phần acid-bazo được đề xuất bởi Kungl
Tekniska Hogskolan (KTH), Thụy Điển, Viện Công nghệ Hoàng gia.
Kỹ thuật Krepo (pH = 2, 100-110C, 3.6 bar) và công nghệ Kemicond ™ (kỹ thuật
Krepo cải tiến) cũng là một công nghệ hiệu quả được áp dụng thí điểm để thu hồi
phosphorus.

21

Công nghệ Crystalactor đã được áp dụng ở quy mô toàn diện ở Hà Lan. Tuy nhiên,
chi phí thu hồi phosphorus đã được ước tính cao hơn chi phí của các loại đá khai thác
phosphate 22 lần, và do đó không được coi là kinh tế. Chi phí cao của thu hồi phosphorus
từ bùn thải (trong so sánh các chi phí khai thác phốt phát) được coi là trở ngại chính trong
việc mở rộng quy mô của quá trình nghiên cứu. Vì vậy, một số phương pháp nghiên cứu
để thu hồi phosphorus từ bùn thải chỉ nghiên cứu tại phòng thí nghiệm hoặc quy mô thí
điểm.
4.3. Thu hồi kim loại nặng.
Kim loại nặng như Zn, Cu, Ni, Cd, Pb, Hg và Cr là yếu tố chính hạn chế việc sử
dụng bùn cho đất vì đất có thể gây ra ô nhiễm nước ngầm, mà cuối cùng ảnh hưởng đến
sức khỏe con người và động vật. Nói chung, các cặn chứa kim loại được xử lý để chiết
tách các ion kim loại, hoặc ổn định các kim loại ở thể rắn. Phương pháp xử lí nhiệt sử
dụng MW đã được áp dụng rộng rãi cho việc khắc phục hậu quả của chất thải, chẳng hạn
như nhiệt phân cặn nước thải và chiết hỗ trợ MW và phân hủy.
PerezCid và cộng sự áp dụng các phương pháp chiết Tessier tuần tự bốn giai đoạn
cho chưng cất kim loại trong mẫu bùn thải; họ quan sát thấy sự thu hồi Ni (98,8%), Zn
(100,2%) và Cu (93,3%) bằng cách sử dụng phương pháp thông thường và phương pháp
chiết MW Tessier, tuy nhiên, hiệu quả chiết Pb trong phương pháp chiết MW là quá cao
(442,5%), so sánh với phương pháp Tessier.
Phát hiện của PerezCid và cộng sự cho thấy Cr, Ni, Pb, Zn (thu hồi từ 93,9% đến
102,3%).
Kuo và cộng sự quan sát thấy rằng ở tỉ lệ trạng thái rắn và lỏng (S / L) là 0,17; 85%
và 79% Cu đã được lọc từ bùn công nghiệp sau 10 phút xử lí MW sử dụng tương ứng
acid nitric và sulfuric. Tuy nhiên, 81% và 79% Cu đã được rửa trôi sau 48 giờ bằng
phương pháp chiết xuất acid thông thường tương ứng sử dụng acid nitric và sulfuric.
Jamali và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp MW chiết xuất Cd, Cr, Cu,

22

Ni, Pb, Zn từ xử lý bùn thải, và họ thấy sự thu hồi tất cả các kim loại trong khoảng 95,3104%.
Wu và các cộng sự cũng báo cáo rằng 90% Cu có thể được chiết xuất từ bùn mịn
(<9,5 mm) và bùn thô (<150 mm) sau khi sử dụng phương pháp MW-H2SO4 (1N) xử lí
tại 800 W trong thời gian phản ứng là 20 phút.
Hiệu quả của quá trình sóng siêu âm hỗ trợ bởi acid trên sự tách biệt và thu hồi của
Cu và Fe từ (PCB) của bùn thải đã được nghiên cứu bởi Xie và các cộng sự; hiệu quả lọc
của Cu và Fe tương ứng 97,83% và 1,23%, đạt được ở pH = 3, điện sonication 160W và
thời gian thẩm thấu của 60 phút.
Hiệu quả lọc của Cu đã được tăng lên khi tăng sức mạnh siêu âm và thời gian xử lí.
Kỹ thuật này đã được thực hiện thành công ở quy mô công nghiệp trong một nhà máy thu
hồi kim loại nặng trong thành phố Huệ Châu, Trung Quốc từ hơn 2 năm. Trạm cài đặt thí
điểm quy mô đã xử lí được 5800 tấn chất thải bùn từ các nhà máy PCB trong năm 2007.
Từ đó, 1000 tấn, 98% đồng sulfat và 3500 tấn, 20% sắt clorua được sản xuất.
Tất cả các đồng sunfate đã được bán trên thị trường và sắt clorua đã được tái sử
dụng trong các ngành công nghiệp sản xuất PCB. Điều này cho thấy quá trình tách tốt
hơn và hiệu quả thu hồi, chi phí thu hồi thấp, chất lượng sản phẩm lớn hơn kết thúc, và
không phát thải. Trong nghiên cứu khác, nhóm tương tự đã báo cáo tỷ lệ thu hồi cao hơn
đáng kể của Cu (97,42%), Ni (98,46%), Zn (98,63%), Cr (98,32%) và Fe (10 0%) với hai
giai đoạn siêu âm tăng cường và lọc axit quá trình (pH =4.0), thời gian tiếp xúc 100 phút
và 100W điện). Điều này cho thấy quá trình tách tốt hơn và hiệu quả thu hồi cao hơn, chi
phí thu hồi thấp, chất lượng sản phẩm tốt hơn, và không phát thải. Các thông số thực
hiện trong phòng thí nghiệm xác nhận (pH, công suất siêu âm và thời gian tiếp xúc) đã
được áp dụng thành công ở quy mô thí điểm; tỷ lệ thu hồi gần như tương tự cho tất cả các
kim loại như nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm.
4.4. Thu hồi nhiên liệu sinh học


23

Nhiên liệu sinh học là khí hoặc chất lỏng, bền vững ,chủ yếu được sản xuất từ sinh
khối. Nhiên liệu sinh học đã đạt được chú ý trên toàn thế giới bởi vì chúng có tiềm năng
để thay thế nhiên liệu xăng dầu không tái tạo trong tương lai. Nghiên cứu gần đây tập
trung vào việc thu hồi nhiên liệu sinh học: ethanol sinh học, nhiên liệu sinh học, khí tổng
hợp, hydro sinh học, dầu sinh học vv từ sinh khối. Bảng 4 cho thấy những lợi ích của
nhiên liệu sinh học. Nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các nguồn như ngô, đậu nành,
hạt lanh, hạt cải dầu, mía đường, dầu cọ, củ cải đường, bùn nước thải, thức ăn thừa, bộ
phận động vật, và gạo. Sử dụng bùn thải để sản xuất nhiên liệu sinh học có một số ưu
điểm so với việc sử dụng các nguồn sinh khối khác. Nó là một chất thải; có sẵn; ít hoặc
không có chi phí và nguồn cung dồi dào, kể từ khi nó được sản xuất đã giải quyết rất
nhiều vấn đề cho con người.
4.4.1. Khí Hydro

Hydro là một năng lượng thay thế đầy hứa hẹn cho nhiên liệu hóa thạch. Đó là môi
trường thân thiện trong đó các sản phẩm phụ từ quá trình đốt cháy với oxy là nước.
Hydro có năng lượng cao (122kJ/g) là lớn hơn so với nhiên liệu hydrocarbon 2,75 lần.
Hydro có thể được sản xuất từ quá trình hóa học và sinh học. Khả năng sản xuất nhiên
liệu giàu khí hydro, phương pháp xử lí hóa học của bùn thải ướt bao gồm cả sấy khô,
nhiệt phân và khí hóa đã được nghiên cứu. Bùn thải ướt nhiệt phân ở nhiệt độ cao
(10000C), kết hợp với nhiệt cao tăng cường việc sản xuất nhiều khí H2; (khí H2 được sản
xuất nhiều hơn từ nhiệt phân bùn ướt chứ không phải khô). Độ ẩm thích hợp, nhiệt độ
cao, và không khí giàu hơi nước giúp sản xuất H2 nhiều hơn. Nồng độ CO2, CH4, H2, nhiệt
trị (LHV) của khí và dung dịch tăng lên bằng cách tăng độ ẩm, trong khi nồng độ CO và
năng suất nhựa giảm. Về mặt sinh học, hydro có thể được sản xuất bởi quang hợp và
phương pháp lên men mà có nhiều thân thiện với môi trường và ít tốn kém năng lượng
hơn so với quá trình hóa học. Gần đây, việc sử dụng bùn hoạt tính như các vật liệu sinh
học để sản xuất hydro và methan bằng quá trình phân hủy yếm khí đã nhận được nhiều sự
chú ý. Tuy nhiên, hiệu quả kém của quá trình thủy phân xảy ra trong quá trình yếm khí

24

đòi hỏi các tiền xử lý bùn để phá vỡ các tế bào vi khuẩn, làm giảm SRT và tăng năng suất
hydro.
Massanet-Nicolau và cộng sự đã báo cáo hydro được sản xuất thành công (18.14 L
H2/kg DS) bằng cách lên men (pH 5.5) bùn thải sơ cấp, vốn đã được cả hai làm nóng
trước ở 700C và phân hủy bởi một chuẩn enzym thương mại.
Nghiên cứu của Massanet-Nicolau và cộng sự đã báo cáo việc sản xuất hydro từ
27 L H2/kg VS từ chất thải rắn sinh học sơ cấp (được xử lí trước tại 700C trong 1h và với
việc bổ sung enzyme khoảng 5% theo thể tích) thông qua quá trình lên men kỵ khí, nhiệt
độ trung bình trong một lò phản ứng liên tục (12 giờ HRT, sục khí N2 0.06 lít / phút). Sản
lượng hydro cao hơn 82% so với bùn không xử lí trước.
Wang và cộng sự đã xử lí trước WS với tia UV ở 25W trong 15 phút đã tích lũy của
138,8 ml/g TS trong hàng loạt quá trình lên men kỵ khí (nhiệt độ trung bình 350C), cao
hơn so với bùn không được xử lí trước 80,6% (76,8 ml H2/gTS).
Guo và cộng sự nghiên cứu sản xuất hydro trong quá trình phân hủy yếm khí (tiêm
một chủng mới của vi khuẩn Pseudomonas sp GZ1:. EF5510 40) của MW-WS được xử lí
trước (560 W, 2 phút). Họ quan sát thấy một sự gia tăng đáng kể trong sản lượng hydro
cụ thể đến 11,0 4 ml/g tổng số COD (TCOD) (18.28 mLH2/g DS) sau 10 giờ.
Thungklin và cộng sự khảo sát việc sản xuất hydro từ bùn thải của một lò mổ gia
cầm WW TP (5% TS) bằng cách lên men kỵ khí. Bùn được đun nóng với chiếu xạ MW
tại 850 W trong vòng 3 phút. Họ nhận thấy sản lượng hydro cao hơn (12.77 mL H2/g
TCOD) so bùn thô (0,18 ml H 2 / g TCOD).
Hiệu quả của sóng siêu âm trong sản xuất hydro sử dụng phân hủy kỵ khí bùn được
nghiên cứu bởi Elbe shbishy et al; xử lí tại năng lượng tối ưu 79 kJ/g TS và trong điều
kiện kiểm soát nhiệt độ (<30C). Kết quả tăng 120% trong sản xuất hydro so với trong bùn
không được.

25

Guo và cộng sự quan sát thấy một sự gia tăng đáng kể 1,30 đến 1,48 lần tốc độ sản
xuất hydro với song siêu âm trực tiếp công suất tối ưu của 130W/L và thời gian
sonication của 10s.
Kim và cộng sự đã nghiên cứu hiệu quả của việc kết hợp phân hủy rơm và bùn thải
(nguyên liệu và xử lý nhiệt) về sản xuất khí hydro sinh học. Theo các điều kiện điều trị
tối ưu (tỉ lệ cacbon với nitơ, C/N -25) cao; hàm lượng hydro ổn định (58%) và sản lượng
hydro tối đa (0,74 mmol H2/gVS rơm) đã thu được.
Cấu hình lò phản ứng cũng có thể ảnh hưởng đến sản lượng hydro. Gavala và cộng
sự đã báo cáo rằng tỷ lệ sản xuất hydro trong bể kị khí (UASB) (19.05mmole H2/h/L)
cao hơn đáng kể so với các lò phản ứng liên tục khuấy động bể (8,42 mmole H2/h/L) tại
HRT thấp 2h.
Wu và Chang sử dụng loại vật liệu mới để tổng hợp cao phân tử bao gồm
methacrylate polymethyl, collagen và kích hoạt sinh khối carbon để sản xuất H2 với 50%
sản lượng.
Theo Lin và Lay, tỷ lệ C/N = 47 là điều kiện sản xuất H2 tối ưu nhờ vi khuẩn
sucrose. Tỷ lệ sản xuất H2 tăng khi nhiệt độ tăng 33-390C.
4.4.2. Khí tổng hợp (H2 + CO).

Khí tổng hợp_ một hỗn hợp của carbon monoxit và khí hydro, có thể thay thế cho
nhiên liệu hóa thạch trong sản xuất điện hoặc để sản xuất nhiên liệu lỏng như dầu diesel
tổng hợp, dimethyl ether và methanol. Sản xuất khí tổng hợp gồm hai bước.
Bước 1: nhiệt phân bùn thải ở 6000C trong điều kiện thiếu oxy, tạo ra carbon.
Bước 2: carbon được khí hóa (khí oxy hoặc không khí) để sản xuất ra khí tổng hợp.
-

-

Lv và cộng sự kiểm tra sự nhiệt phân bùn thải ở 104000C; kết quả là cả H2 và khí gas

đều sinh ra nhiều hơn với 38% H2 và 66% khí gas.