Tiểu luận Xử lý bùn thải bằng phương pháp khí hóa

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG TIỂU LUẬN MÔN: XỬ LÝ Ô NHIỄM ĐẤT ĐỀ TÀI: XỬ LÝ BÙN THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHÍ HÓA (SEWAGE SLUDGE GASIFICATION) GVHD: Gs. TSKH, Lê Huy Bá SV: Nguyễn Ngọc Sơn MSSV: 07700291 Lớp DHMT3A Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2010 Giới thiệu Thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa, môi trường càng ngày cản bị ô nhiễm vì con người ta chỉ quan tâm tới vấn đề công nghiệp hóa để có lợi nhuận về kinh tế càng cao càng tốt nên vấn đề làm sao để cho môi trường không bị ô nhiễm không phải là tiêu chí hàng đầu của nhiều người, nhiều công ty xí nghiệp. Khi một lượng rác thải hay nước thải tồn đọng một gian dài thì sẽ phát sinh mùi và nước rỉ rác bên cạnh đó một số sẽ bị phân hủy tạo nền bùn, mặt khác trong rác thải tồn tại những loại chất thải có kích thước nhỏ cộng với nước chúng sẽ tạo thành những loại bùn rất ô nhiễm. Và trong thực tế có những nhà máy, công ty xí nghiệp thải ra môi trường có dạng từ đầu là dạng bùn. Khi những lớp bùn này được xử lý cũng là giải quyết một vấn đề lớn. Những cách thông thường đã được dùng để xử lý bùn thải thường là chôn lấp, ép khô và chôn lấp hay thải vào Đại Dương cũng là một biện pháp không mấy có lợi cũng đã được áp dụng. Vấn đề đặt ra để cho có kết quả hơn, vừa xử lý bùn và có thể sử dụng năng lượng của quá trình đó và sản phẩm của quá trình đó là một sản phẩm có ích. Hiện nay có một phương pháp xử lý bùn đang được quan tâm của nhiêu nhà môi trường là phương pháp xử lý bùn thải bằng phương pháp “khí hóa” Khí hóa, sản phẩm là không khí và có thể làm nhiên liệu, có thể sử dụng sản xuất điện năng và không sinh ra dioxin và khí gây ung thư trong quá trình xử lý. Bài tiểu luận này mang tính tìm hiểu nhiều hơn nghiên cứu. Xin chân thành cám ơn giáo sư trong suốt môn học, những bài học về đất của giáo sư thật sự rất thiết thực. Xin cám ơn giáo sư về sự nghiêm khắc trong việc học, trong việc thi cử và trong việc tìm hiểu và thuyết trình. Và điều đặc biệt nhất là cách học mà giáo sư đã hướng dẫn MỤC LỤC 1. Bùn thải 1.1 Khái niệm: Nước thải bùn đã được định nghĩa như là một hỗn hợp nhớt, hỗn hợp bán rắn bao gồm chất hữu chứa vi sinh vật, kim loại độc hại, hóa chất hữu cơ tổng hợp, và giải quyết các chất rắn ra khỏi nước thải công nghiệp và trong nước tại một nhà máy xử lý nước thải.Sewage sludge is the final product of a Publicly Owned Treatment Works (POTW) also called "wastewater treatment plants," wastewater treatment systems," or "sewage treatment plants."  After treatment breaks down the organic matter and kills disease-causing organisms, the remaining fine particles ultimately become "sewage sludge." Although much of the water has been removed, sewage sludge for application to farmland is still mostly water and resembles mud. Bùn thải một phần sản phẩm cuối cùng của một quá trình xử lý nước thải, xử lý nước thải , hệ thống, sở hữu các nhà máy xử lý nước thải công khai vấn đề. Sau khi điều trị hữu cơ phân hủy và giết chết sinh vật gây bệnh, các sản phẩm còn lại cuối cùng là bùn thải. Mặc dù nhiều thành phần của nước thải đã được xử lý, bùn thải để áp dụng cho đất nông nghiệp vẫn ònc chủ yếu là nước và nhiều độc chất. Theo nghiên cứu có ít nhất 60.000 độc chất và các hợp chất hóa học đã được tìm thấy trong bùn và nước thải. Các nhà nghiên cứu của Hiệp hội kỹ sư dân dụng Mỹ đã xác định rằng bùn thải có chứa độc tố sau đây: Polychlorinated Biphenyls (PCBs) Polychlorinated biphenyls (pcbs) Chlorinated pesticides, including DDT, dieldrin, aldrin, endrin, chlordane, heptachlor, lindane, mirex, kepone, 2,4,5-T, 2,4-D Clo thuốc trừ sâu, bao gồm DDT, dieldrin, aldrin, endrin, chlordane, heptachlor, Lindane, mirex, kepone, 2,4,5-T, 2,4-D Chlorinated compounds such as dioxins Clo hóa các hợp chất như dioxin Polynuclear aromatic hydrocarbons Polynuclear hydrocacbon thơm Heavy metals, including; arsenic, cadmium, chromium, lead and mercury Kim loại nặng, bao gồm; arsenic, cadmium, chromium, chì và thủy ngân Bacteria, viruses, protozoa, parasitic worms, and fungi Vi khuẩn, vi rút, động vật nguyên sinh, giun ký sinh, và nấm Other miscellaneous toxins including; asbestos, petroleum products and industrial solvents Linh tinh độc tố khác bao gồm; amiăng, sản phẩm dầu mỏ và các dung môi công nghiệp ỞThe US General Accounting Office determined in 1994 that "the full extent of the radioactive contamination of sewage sludge, ash and related by-products nationwide is unknown." Hoa Kỳ các nhà khoa học đã xác định vào năm 1994 rằng "mức độ đầy đủ của ô nhiễm phóng xạ của nước thải bùn, tro và các sản phẩm liên quan trên toàn quốc c Hưa được biết." Most of the radioactive material is flushed down the drain by hospitals, businesses and decontamination laundries, a practice which has contaminated at least nine sewage treatment plants in the past decade. Hầu hết các chất phóng xạ bị xóa xuống cống của bệnh viện, doanh nghiệp và giặt tẩy, một thực tế mà đã bị nhiễm ít nhất chín nhà máy xử lý nước thải trong thập kỷ qua. 1.2 Đặc điểm bùn thải: Bùn thải có chứa một năng lượng bằng 10 lần số năng lượng cần thiết để xwe lý nó. On average, dried sewage sludge contains as much energy - pound for pound - as lignite coal!  More precisely, sewage sludge contains about 7780 Btu's/pound!  Therefore, it makes sense to use the available energy in sewage sludge and to recover the energy from the sewage sludge in " waste to energy " technologies such as biomass gasification . Trung bình, sấy khô nước thải bùn có chứa năng lượng than non, Chính xác hơn, nước thải bùn chứa khoảng 7.780 Btu / pound. Vì vậy, nó có thể sử dụng năng lượng sẵn có trong nước thải bùn và để thu hồi năng lượng từ bùn thải trong " chất thải thành năng lượng "công nghệ như khí hoá sinh khối. As renewable energy, sewage sludge can be integrated into wastewater treatment systems which can make wastewater treatment plants net exporters of renewable energy - instead of net importers of fossil fuel based power from the grid.  The more sewage sludge that is used as a "fuel" in generating renewable energy, the more that we reduce greenhouse gas emissions . Khi năng lượng tái tạo, bùn thải có thể được tích hợp vào hệ thống xử lý nước thải có thể làm cho các nhà máy xử lý nước thải trở thành mạng lưới xuất khẩu năng lượng tái tạo - thay vì nhập khẩu ròng của nhiên liệu hóa thạch dựa trên sức mạnh từ lưới điện. Các nước thải bùn hơn đó là sử dụng như một nhiên liệu "" trong việc tạo năng lượng tái tạo, càng có nhiều rằng chúng tôi sẽ giảm phát thải khí nhà kính 1.3 Hiện trạng: Today, many cities are paying as much as $180/ton to landfill sewage sludge.Ngày nay, nhiều thành phố đang trả tiền nhiều để bùn thải được xwe lý. Thành phố New York đã nộp tiền càng nhiều càng tốt $ 800/ton để xử lý bùn thải của họ.. Thành phố của mỗi xử lý nước thải các nhà máy phải xử lý nước thải của quá trình bùn trước khi xử lý những bùn nước thải chi phí chế biến có giá khoảng 35% điều trị của cây hàng năm ngân sách nhà nước. ( Yêu cầu chúng tôi làm thế nào chúng tôi có thể tiết kiệm chi phí 35% này cho thành phố của bạn, và nhiều hơn nữa tất cả.) Đây là cách đơn giản, lãng phí - và lãng phí một số cách khác nhau. Trước tiên, thành phố đang lãng phí hữu hạn của họ bị hạn chế và nguồn lực kinh tế bởi chi tiêu khoản tiền rất lớn của tiền bãi rác tạm thời bùn thải của họ. Chúng tôi nói tạm thời, như mọi bãi rác sẽ không thành công tại một số ngày không chắc chắn trong tương lai. Các "độc canh hỗn hợp" của các mặt hàng trong nước thải bùn có thể chứa một máy chủ của 60.000 hóa chất khác nhau, chất gây ung thư, dược phẩm, các mầm bệnh, và thuốc độc, mà sẽ chất độc và phá hủy mặt đất, nước ngầm, và tất cả mọi thứ mà bùn nước thải tiếp xúc với một khi các bãi rác không thất bại. Và khi bãi rác không có gì, các EPA sẽ đến trong và trật tự các máy phát điện (thành phố của bạn đã tạo ra nước thải bùn) để thanh toán cho làm sạch môi trường, mặc dù các máy phát điện (thành phố của bạn) trả tiền để có bùn thải "xử lý" - đó là không bao giờ thực sự "xử lý" - nó chỉ đơn giản "lưu trữ" - và nó sẽ không có còn được lưu trữ khi bãi rác không, và phát hành các bùn thải, và phần còn lại của nội dung trong bãi rác để môi trường;. Thứ hai, bạn sẽ không "lãng phí rất lớn" khoản tiền gửi khác nhiên liệu tái tạo và nhiên liệu như Biomethane , B100 Biodiesel, than đá, vv, để một bãi rác, phải không? Đó là những gì thành phố của bạn đang làm khi bạn xử lý bùn thải của bạn như là một trách nhiệm pháp lý thay vì một tài sản. 1.4 Bùn thải ở thành phố Hồ Chí Minh: Hơn 2 ngàn tấn bùn được nạo vét mỗi ngày tại TPHCM. Theo dự kiến, khối lượng bùn này sẽ được thu gom, xử lý và tái chế, tái sử dụng làm vật liệu xây dựng, san nền ở mức độ cao nhất tại khu Liên hiệp xử lý chất thải rắn Tây Bắc và Khu liên hợp xử lý chất thải rắn Đa Phước. Thế nhưng phương án thực hiện cụ thể như thế nào thì vẫn còn đợi bổ sung. Trưởng phòng Quản lý chất thải rắn, Sở Tài nguyên và Môi trường TPHCM cho biết, trung bình mỗi ngày ngành môi trường TP tiếp nhận hơn 2.000 tấn bùn từ công tác nạo vét và làm vệ sinh mạng lưới thoát nước, 250 tấn bùn từ 7 khu công nghiệp, các nhà máy lớn đang hoạt động và hơn 500 tấn bùn phát sinh từ công tác rút hầm cầu, nạo vét kênh rạch… Dự kiến đến năm 2010, khối lượng bùn thải phát sinh từ công tác nạo vét mạng lưới thoát nước và kênh rạch, từ các trạm xử lý nước sinh hoạt của TP, từ các khu công nghiệp tập trung, các nhà máy lớn, bể tự hoạt sẽ tăng lên 2-2,5 triệu m³ bùn. Thế nhưng, cho đến nay việc xử lý bùn vẫn chưa được quan tâm, đầu tư xử lý thích hợp nên gây ô nhiễm nghiêm trọng đến môi trường. Bà Nguyễn Thị Phương Loan, Công ty cổ phần Môi trường Việt Úc nhấn mạnh, thành phần và đặc tính của bùn chủ yếu là chất hữu cơ và một số kim loại nặng với hàm lượng cao. Kết quả phân tích mẫu bùn lấy tại 3 vị trí kênh Nhiêu Lộc-Thị Nghè, rạch Bà Điểm-Hóc Môn, rạch Cầu Sơn cho thấy thành phần hữu cơ chiếm tỷ lệ rất cao từ 70%-82%, chất đồng có giá trị nồng độ cao hơn tiêu chuẩn cho phép. Còn kết quả quan trắc thành phần bùn 7 hệ thống kênh rạch chính có nồng độ Asen rất lớn là 1,2mg/kg, nồng độ chì là 736mg/kg vượt tiêu chuẩn cho phép 9 lần… Điều đáng nói là bãi đổ bùn tạm thời đang được Công ty Thoát nước đô thị xây dựng nên bùn sau khi thu gom được vận chuyển đến đổ bỏ tại các khu đất trống cách xa khu dân cư hoặc tại các ao nuôi thủy sản cần được san lấp, thậm chí đổ vào bất cứ khu vực nào có thể. Chính việc đổ bùn tràn lan và hoàn toàn không được xử lý như hiện nay sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường đặc biệt là việc tích tụ các kim loại, gây tình trạng mất vệ sinh, mùi hôi thối. Nghiêm trọng hơn là đang gây ra những ảnh hưởng nặng nề do các chất ô nhiễm thấm xuống nguồn nước ngầm và nước mặt làm cho chất lượng nguồn nước bị suy giảm 1.5 Cách xử lý bình thường nước bùn thải Thông thường bùn thải sau quá trình xử lý nước thải được xử lý chủ yếu bằng các biện pháp sau: incineration (causes air pollution) Thiêu đốt (là nguyên nhân gây ô nhiễm không khí) hauling/transporting the sewage sludge to landfills (which is expensive, costing anywhere from $30/ton to $170/ton - and the sewage sludge once interred in a landfill, may eventually leach out and contaminating the toxins into the groundwater under and around the landfill) Vận chuyển bùn thải đến bãi chôn lấp (tiêu tốn chi phí từ 30$/ton bất cứ nơi nào đến 170$/ton - và bùn thải một lần táng trong một bãi rác, cuối cùng có thể làm rò rỉ ra ngoài và nhiễm chất độc vào nước ngầm dưới và xung quanh các bãi rác ) ocean dumping - which was banned in the US in 1981, however other countries are still dumping sewage sludge into the ocean.  This causes the ocean to "die." Thải bùn thải vào đại dương, Điều này gây ra các đại dương để "chết" Biomass Gasification - using the sewage sludge at Biomass Gasification plants, the sewage sludge acts is "processed" in Biomass Gasification plants (typically without any emissions) and is "gasified," converting the sewage sludge into "synthesis gas" which is a "green fuel" that is used just like natural gas, and used to generate electricity at power plants. This method is favored by the EPA's Hugh Kaufman who refers to Biomass gasification as the "most environmentally sound approach." Khí hoá - bằng cách sử dụng bùn thải tại các nhà máy khí hoá sinh khối, các nước thải bùn là hành vi "chế biến" trong khí hoá sinh khối thực vật (thường là không có khí thải) và là "khí hóa", chuyển đổi bùn thải thành khí tổng hợp "" đó là một màu xanh lá cây " nhiên liệu "được sử dụng giống như khí thiên nhiên, và được sử dụng để tạo ra điện tại nhà máy điện. Phương pháp này được ưa chuộng của EPA Hugh Kaufman người đề cập đến quá trình khí hóa sinh khối như hầu hết các phương pháp tiếp cận môi trường ) Với phương pháp khí hóa là một phương pháp tiến tiến và mới mẻ chưa được sử dụng rộng rãi. 2. Khí hóa 2.1 Khí hóa là gì? Khí hóa là chuyển đổi một vật liệu nào chứa cacbon tạo thành khí tổng hợp, khí tổng hợp này là một hốn hợp khí dễ cháy (được gọi là nhà sản xuất khí đốt), thông thường chứa các khí carbon, monoxide, hydrogen, nitơ, khí carbon dioxide và methane. Khí tổng hợp có nhiệt trị khá thấp, dao động từ 100-300BTU/SCF, các khí tổng hợp có thể được sử dụng như nhiên liệu để tạo ra điện hay sinh ra hơi nước làm máy phát điện. Đa số thường sử dụng những lò phản ứng sau: Lò phản ứng lớp cố định Lò phản ứng chất lỏng Lò phản ứng tuần hoàn 2.2 Các pản ứng hóa học trong quá trình khí hóa Các phản ứng trong quá trình khí hóa diễn ra trong sự có mặt của hơi nước và oxy để phân hủy carbon ít hơn carbon. Một số sản phẩm của quá trình khí hóa này làm nhiên liệu cho quá trình khí hóa kia, lượng nhiệt phát sinh ra được cung cấp cho quá trình khí hóa tiếp sau đó. Nhiệt độ trong là khí hóa thường là 800oc đến 1200oc. Để thuận lợi cho quá trình khí hóa, chất thải rắn có thể được bổ sung thêm than đá, than cốc để có thể duy trì nhiệt độ cần thiết trong quá trình khí hóa. Khí hóa là thiêu đốt và gia nhiệt sản phẩm thu được là nhiệt, hơi nước (cóa thể sản xuất điện) nhưng có một nhược điểm là quá trình đốt cháy có thể sinh ra những chất gây ung thư, ví như dioxin… C+ 1/2O2 CO C + O2 CO2 C + CO2 2CO C+ H2O CO + H2 C+ 22 CH4 2H2 + O2 2H2O 2CO + O2 2CO2 CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O Chất thải rắn Khử nước Khí hóa Không khí Làm sạch khí Tro Không khí/ O2 H2S NH3 Xúc tác Đốt cháy khói Năng lượng và nhiẹt 2.3 Ưu điểm của khí hóa so với đốt Quá trình đốt chỉ có mục đích là đưa chất thải về dạng cuối cùng là CO2 và H2O. Việc này yêu cầu tốn rất nhiều oxy trong không khí và tạo ra một lượng CO2 không nhỏ rất có hạo cho môi tường. Quá trình khí hóa có mục đích tối đa hóa việc chuyển chất thải rắn trở thành CO và H2 cần ít oxy hơn trong là phản ứng có gia nhiệt và sản phẩm thu được là những khí có thể lam nhiên liệu đốt cháy hay là động cơ và cũng có thể để sản xuất điện.giảm thiểu tối đa lượng khí thải thải ra môi trường. Quá trình đốt có hại nhất là trong quá trong quá trình đốt dioxin và một số chất khác có khả năng gây ung thư được sinh ra, còn với quá trình khí hóa khí tổng hợp được làm sạch trước khi thải ra môi trường hay để sử dụng như nhiên liệu. Tro đáy và tro bay được thu hồi và sử lý như chất thải. 2.4 Nguyên liệu cho khí hóa Có nhiều vật liệu chứa nhiều thành phần carbon thích hợp cho quá trình khí hóa như: gỗ, giấy, than, than bùn, than nâu, than đá… 3. Quá trình khí hóa bùn thải Sấy bùn Bùn thải Bùn khô Khí hóa Đốt cháy Lò Xúc tác Khí phát sinh Buồng trao đổi nhiệt Thải ra ngoài Thiết bị tinh chế Gas làm Nhiên liệu cho động cơ Gas sản xuất điện 3.1 Giai đoạn sấy Giai đoạn đầu tiên là giai đoạn sấy khô bùn thải, bùn thải được sấy khô đến 85-93%, bùn thải sau khi được sấy khô dược chuyển qua buồng khí hóa, ở đây nhiệt độ được gia nhiệt đến 800-900oc có nhiều công nghệ được gia nhiệt đến 1.200oc để không có rủi ro sinh ra dioxin. Buồng khí hóa được gia nhiệt bởi các khí H2, CO, CH4 3.2 giai đoạn khí hóa Giai đoạn quan trọng nhất là giai đoạn khí hóa ( sẽ được nói cụ thể ở mục sau) các khí gia nhiệt và khí sinh ra trong quá trình khí hóa sẽ được dẫn vào thiết bị lọc khí, ở đây thiết bị sẽ khử sạch khí một cách chọn lọc bởi các chất xúc tác để cho sản phẩm là khí sạch để có thể sử dụng làm nhiên liệu sản xuất điện hay dùng làm nhiên liệu đốt. 3.3 Tại sao sử dụng Chưng khô và khí hoá? Increased possibilities for recycling Tăng khả năng để tái chế Pyrolysis and gasification offer more scope for recovering products from waste than Nhiệt phân và khí hóa cung cấp thêm phạm vi thu hồi các sản phẩm từ chất thải hơn incineration. thiêu đốt. When waste is burnt in a modern incinerator the only practical product is Khi chất thải được đốt trong một lò đốt hiện đại chỉ thực hiện sản phẩm là energy, whereas the gases, oils and solid char from pyrolysis and gasification can not năng lượng, trong khi các chất khí, dầu và rắn đốt cháy từ nhiệt phân và khí hóa có thể không only be used as a fuel but also purified and used as a feedstock for petro-chemicals and chỉ được sử dụng làm nhiên liệu mà còn tinh khiết và sử dụng như một nguyên liệu cho dầu và hóa chất other applications. các ứng dụng khác. Many processes also produce a stable granulate instead of an ash Nhiều quy trình sản xuất một nghiền ổn định thay vì một tro which can be more easily and safely utilised. mà có thể được dễ dàng hơn và an toàn sử dụng. In addition, some processes are targeted at Ngoài ra, một số quy trình được nhắm mục tiêu tại producing specific recyclables such as metal alloys and carbon black. sản xuất tái chế cụ thể như hợp kim kim loại và carbon đen. From waste Từ chất thải gasification, in particular, it is feasible to produce hydrogen, which many see as an khí hoá, đặc biệt, nó là khả thi để sản xuất hydro, mà nhiều người xem như là một increasingly valuable resource. ngày càng có giá trị tài nguyên. While this type of recycling is rarely economically attractive under current market Trong khi loại hình này là rất hiếm khi tái chế kinh tế thị trường hiện tại hấp dẫn hơn conditions, these technologies do offer the scope for increasing recycling rates to achieve điều kiện, cung cấp các công nghệ này làm cho phạm vi ngày càng tăng tỷ lệ tái chế để đạt được government targets or address environmental concerns. mục tiêu chính phủ hoặc các mối quan tâm về môi trường.• Better energy efficiency & contribution to reducing global warming Tốt hơn năng lượng hiệu quả và góp phần làm giảm sự nóng lên toàn cầu Gasification can be used in conjunction with gas engines (and potentially gas turbines) to Khí hoá có thể được sử dụng kết hợp với động cơ khí để obtain higher conversion efficiency than conventional fossil-fuel energy generation. có được hiệu suất chuyển đổi cao hơn so với nhiên liệu hóa thạch thế hệ năng lượng thông thường. ByBởi displacing fossil-fuels, waste pyrolysis and gasification can help meet renewable energy nhiên liệu hóa thạch, nhiệt phân chất thải và khí hoá có thể giúp đáp ứng năng lượng tái tạo targets, address concerns about global warming and contribute to achieving Kyoto mục tiêu, mối quan tâm địa chỉ về nóng lên toàn cầu và đóng góp vào việc đạt được Kyoto Protocol commitments. Nghị định thư cam kết. Conventional incineration, used in conjunction with steam-cycle Thông thường thiêu đốt, sử dụng kết hợp với chu kỳ-hơi nước boilers and turbine generators, achieves lower efficiency. nồi hơi và máy phát điện tuabin, đạt hiệu quả thấp hơn. However it is worth noting that, for technical and financial reasons, many current Tuy nhiên, đáng chú ý là, với lý do kỹ thuật và tài chính, nhiều người hiện nay projects do not implement these advantages, preferring instead to use proven – but các dự án không thực hiện những lợi thế, thích thay vì sử dụng đã được chứng minh - nhưng lower efficiency – methods of energy recovery.integration with composting and materials hiệu quả thấp hơn - phương pháp recovery.integration năng lượng với phân compost và vật liệu recovery phục hồi Many of the new processes fit well into a mod