Nước thải thành năng lượng: Quy trình xử lý mới có thể cải thiện tính bền vững của nhà máy lọc sinh học
của Julie Wurth, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ
Trừu tượng đồ họa. ACS Bền vững Hóa học & Kỹ thuật (2023). DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c07139
Nước thải từ các nhà máy lọc sinh học chuyển đổi thực vật thành nhiên liệu chứa đầy các vật liệu hữu cơ không thể xử lý hiệu quả bằng các hệ thống nước thải thông thường, khiến việc quản lý tốn kém và tốn nhiều năng lượng.
Tuy nhiên, những vật liệu hữu cơ phong phú đó là một nguồn năng lượng hóa học chưa được khai thác có thể được phục hồi dưới dạng các sản phẩm có giá trị, bao gồm khí sinh học, một loại nhiên liệu tái tạo đốt sạch.
Một nghiên cứu của các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Đổi mới Sản phẩm Sinh học và Năng lượng Sinh học Tiên tiến (CABBI) của Bộ Năng lượng đã phát hiện ra rằng việc thu hồi tài nguyên từ nước thải có thể cải thiện đáng kể tính bền vững về kinh tế và môi trường của các nhà máy lọc dầu sinh học thế hệ thứ hai, hỗ trợ quá trình chuyển đổi sang nhiên liệu sinh học bền vững dựa trên thực vật và ngành chế phẩm sinh học.
Nhóm CABBI đã thiết kế một quy trình đồng thời xử lý nước thải và thu hồi năng lượng khí sinh học có thể tạo ra doanh thu cho các nhà máy lọc dầu sinh học—đồng thời giảm chi phí và khí thải nhà kính so với các hệ thống xử lý thông thường.
Công trình được xuất bản trên ACS Sustainable Chemistry & Engineering, đã hợp nhất các nhà nghiên cứu từ cả ba chủ đề CABBI—Sản xuất Nguyên liệu, Chuyển đổi và Tính bền vững—những người đang phát triển các giải pháp thay thế dầu mỏ cho nhiên liệu và các sản phẩm hóa học dựa trên thực vật.
Với mô hình "nhà máy là nhà máy", họ hướng đến việc sản xuất nhiên liệu sinh học, chất sinh hóa và các phân tử nền tảng trực tiếp trong lá và thân cây; phát triển các công cụ, men và phương pháp chế biến độc đáo để biến chúng thành các sản phẩm sinh học có giá trị cao, chẳng hạn như dầu diesel sinh học, axit hữu cơ, chất bôi trơn và rượu; và đánh giá tính bền vững về kinh tế và sinh thái của các nguyên liệu, nhiên liệu sinh học và sản phẩm sinh học của CABBI, từ cánh đồng đến nhà máy tinh chế sinh học đến nền kinh tế sinh học.
Nghiên cứu về nước thải được dẫn dắt bởi hai nhà nghiên cứu Tính bền vững của CABBI tại Đại học Illinois Urbana-Champaign: Jeremy Guest, Phó Giáo sư Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường (CEE); và Nhà khoa học nghiên cứu Yalin Li của Viện Bền vững, Năng lượng và Môi trường (iSEE).
Các đồng tác giả của CABBI bao gồm Vijay Singh, nhà nghiên cứu Chuyển đổi, Phó Giám đốc Khoa học & Công nghệ, và Giáo sư Kỹ thuật Nông nghiệp và Sinh học (ABE) tại Illinois; và nhà nghiên cứu Sản xuất Nguyên liệu Fredy Altpeter, Giáo sư Nông học tại Viện Khoa học Nông nghiệp và Thực phẩm tại Đại học Florida.
Sơ đồ hệ thống so sánh của (A) quy trình xử lý nước thải thông thường (WWT) và (B) quy trình tốc độ cao được đề xuất trong nghiên cứu này. Các khối màu xám biểu thị các hoạt động của đơn vị được sử dụng trong thiết kế hiện có hoặc được chia sẻ giữa thiết kế hiện có và thiết kế mới; khối màu xanh là hoạt động đơn vị chỉ được sử dụng trong thiết kế mới. Bộ lọc đánh bóng (được phác thảo bằng đường đứt nét) đã bị loại khỏi các nhà máy lọc dầu sinh học 1G (tức là chỉ được đưa vào các nhà máy lọc dầu sinh học 2G) do hàm lượng COD trong dòng nước thải từ các nhà máy lọc dầu sinh học 1G thấp hơn. Ảnh: ACS Bền vững Hóa học & Kỹ thuật (2023). DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c07139
Các nhà máy tinh chế sinh học thế hệ thứ hai xử lý miscanthus, thân cây ngô hoặc các nguyên liệu thô phi thực phẩm khác có tiềm năng sản xuất nhiên liệu sinh học và các sản phẩm sinh học với tác động môi trường thấp hơn nhiều so với các nhà máy từ nhiên liệu hóa thạch hoặc các nhà máy tinh chế sinh học thế hệ thứ nhất sử dụng ngô và các loại cây trồng ăn được khác. Nhưng các nhà máy lọc dầu sinh học thế hệ thứ hai này vẫn phải đối mặt với những rào cản tài chính ngăn cản việc triển khai thành công chúng trong thế giới thực.
Nếu không được quản lý đúng cách, các nhà máy lọc dầu sinh học có thể yêu cầu một lượng nước quá lớn và tạo ra một dòng nước thải lớn. Để sản xuất nhiên liệu và các chất sinh hóa có giá trị từ sinh khối thực vật, các nhà máy tinh chế sinh học có thể sử dụng tới 10 lít nước cho mỗi lít nhiên liệu sinh học được sản xuất, dựa trên một nghiên cứu trước đây của CABBI. Nước thải thu được có hàm lượng chất hữu cơ cao—đường, các sản phẩm lên men còn sót lại, sản phẩm phụ của quá trình hoặc các hóa chất khác—gây khó khăn cho việc tái sử dụng.
Nhưng những phân tích trước đó thường dựa trên các công nghệ xử lý nước thải thông thường, tỷ lệ thấp, đắt đỏ, tốn nhiều năng lượng và đòi hỏi một diện tích vật lý khổng lồ—tùy thuộc vào quy mô của nhà máy, có thể tương đương với 30 sân bóng đá trở lên . Các hệ thống xử lý thông thường tỷ lệ thấp sử dụng các lò phản ứng hiếu khí lớn, tiêu thụ một lượng lớn điện năng để sục khí và chuyển đổi các vật liệu hữu cơ từ nước thải thành carbon dioxide mà không tạo ra các sản phẩm có giá trị.
Nhóm CABBI đã thiết kế một quy trình xử lý nước thải chiếm ưu thế kỵ khí tốc độ cao, loại bỏ phần lớn quá trình sục khí, tiết kiệm điện và thay vào đó kết hợp các công nghệ mới nổi, bao gồm tuần hoàn nội bộ và lò phản ứng sinh học màng kỵ khí để thu hồi năng lượng nhúng trong vật liệu hữu cơ dưới dạng khí sinh học.
Đối với thiết kế của mình, họ đã sử dụng dữ liệu thử nghiệm từ nước thải do quá trình chế biến đường tạo ra
mía và mía dầu do nhóm Altpeter canh tác cho dự án Nguyên liệu làm nhiên liệu của CABBI. Quá trình chiết xuất dầu của thực vật và sau đó tạo ra ethanol từ đường thực vật thông qua quá trình lên men của nấm men. Nhóm Singh đã cung cấp nước dùng lên men đã qua sử dụng, sau khi chiết xuất etanol và các cộng tác viên từ Đại học Pontificia Católica de Chile đã xác định lượng khí mê-tan có thể được tạo ra từ các mẫu thực.
Sau đó, bằng cách sử dụng phần mềm nguồn mở BioSTEAM, các nhà nghiên cứu đã mô phỏng việc tích hợp quy trình xử lý nước thải mới vào bảy thiết kế nhà máy tinh chế sinh học, bao gồm nhiều loại nguyên liệu và nhiên liệu sinh học/sản phẩm sinh học. Thông qua phân tích kinh tế kỹ thuật và đánh giá vòng đời (TEA-LCA) do BioSTEAM hỗ trợ, họ nhận thấy rằng quy trình mới có thể giảm đáng kể chi phí vốn và mức sử dụng năng lượng của các nhà máy lọc dầu sinh học, cải thiện khả năng tài chính và giảm tác động đến môi trường.
Quá trình này có thể chuyển đổi hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải của nhà máy lọc dầu sinh học thành khí sinh học, đạt được khả năng thu hồi năng lượng và xử lý nước thải đồng thời. Nó sẽ giảm tiêu thụ năng lượng, chi phí vận hành và phát thải khí nhà kính so với các hệ thống xử lý thông thường.
Li cho biết: “Thông qua các quy trình quản lý phù hợp, nước thải có thể là nguồn doanh thu tiềm năng cho các nhà máy lọc dầu sinh học đồng thời cải thiện tính bền vững về môi trường của nhiên liệu sinh học và sản phẩm sinh học”.
Quy trình xử lý nước thải được thiết kế trong nghiên cứu này có thể cải thiện đáng kể khả năng tài chính của các nhà máy lọc dầu sinh học thế hệ thứ hai đồng thời giảm tác động đến môi trường của chúng, do đó góp phần vào quá trình chuyển đổi của xã hội sang nền kinh tế sinh học tuần hoàn—và sứ mệnh của CABBI là hỗ trợ ngành sản xuất nhiên liệu sinh học và nhiên liệu sinh học trong nước khả thi, bền vững bằng cách sử dụng sinh khối thực vật.
