สถานะปัจจุบันและแนวโน้มการพัฒนาของเทคโนโลยีการผสมกากตะกอนเพื่อเตรียมเชื้อเพลิงชีวมวล

เพื่อลดมลพิษของกากตะกอนจากเทศบาลต่อสิ่งแวดล้อมและบรรลุการใช้ทรัพยากรของกากตะกอน สถานการณ์ปัจจุบันของการกำจัดกากตะกอนในและต่างประเทศจึงมีรายละเอียดเพิ่มเติม สถานะการวิจัยของการผสมกากตะกอนกับถ่านหินเพื่อเตรียมสารละลายบำบัดน้ำเสีย การผสมกับถ่านหิน (กึ่งถ่านโค้ก) เพื่อเตรียมเชื้อเพลิงที่ขึ้นรูป และการผสมกับฟางพืชเป็นแกรนูลเพื่อเตรียมเชื้อเพลิงเพื่อผลิตเชื้อเพลิงชีวมวล

ผลการวิจัยบ่งชี้ว่าการเตรียมเชื้อเพลิงชีวมวลจากกากตะกอนสามารถใช้ค่าความร้อนที่มีประสิทธิภาพของกากตะกอนได้อย่างเต็มที่ ทดแทนถ่านหินจำนวนเล็กน้อย และให้แนวทางทางเทคนิคที่มีประสิทธิภาพสำหรับการใช้กากตะกอนอย่างมีเหตุผล วิเคราะห์ปัญหาของขนาดเล็ก การใช้พลังงานสูง กระบวนการที่ซับซ้อน และค่าความร้อนเชื้อเพลิงต่ำในการเตรียมเชื้อเพลิงชีวมวลจากกากตะกอน และเสนอการเสริมความแข็งแกร่งของการปรับเปลี่ยนกากตะกอนในระดับลึกเพื่อเตรียมสารละลายน้ำผสมถ่านหินที่มีความเข้มข้นสูง แกรนูลของกากตะกอน และ ฟางเชื้อเพลิง และการพัฒนาสารยึดเกาะที่มีประสิทธิภาพสำหรับการเตรียมเชื้อเพลิงที่ขึ้นรูปจากกากตะกอนและถ่านหิน (เซมิโค้ก) ตลอดจนการคายน้ำและการทำให้แห้งของกากตะกอนก่อนการขึ้นรูป การวิจัยเกี่ยวกับการบำบัดน้ำของเชื้อเพลิงที่ขึ้นรูปและการเปลี่ยนกากตะกอนให้เป็นชีวมวลทางอุตสาหกรรม เชื้อเพลิง เพื่อเร่งการนำกากตะกอนไปใช้ในอุตสาหกรรมเชื้อเพลิงชีวมวล

การแนะนำ
กากตะกอนในเมืองเป็นผลพลอยได้จากการบำบัดน้ำเสียที่มีมลพิษจำนวนมากที่เกิดจากโรงบำบัดน้ำเสียในกระบวนการบำบัดน้ำเสียในเมืองและน้ำเสียจากโรงงานอุตสาหกรรม ด้วยการเติบโตอย่างรวดเร็วของอัตราการบำบัดน้ำเสียของจีนและการผลิตกากตะกอนที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว กากตะกอนในเขตเทศบาลจึงมีปริมาณมากกว่า 30 ล้านตันต่อปี (โดยมีความชื้นร้อยละ 80) จากลักษณะที่ปรากฏ กากตะกอนในเมืองมีลักษณะเป็นของไหลสีดำหรือสีน้ำตาลดำ คล้ายของไหลกึ่งเหลว หรือคล้ายแป้งจับตัวเป็นก้อน

ลักษณะเฉพาะคือมีความชื้นสูงถึง 25 เปอร์เซ็นต์ ~ 98 เปอร์เซ็นต์ ปริมาณมาก และองค์ประกอบที่ซับซ้อน กากตะกอนประกอบด้วยอนุภาคที่เป็นของแข็ง เช่น โคลนและทราย เส้นใย ซากสัตว์และพืช รวมทั้งตะกอนที่จับตัวเป็นก้อน ประกอบด้วยสารอินทรีย์จำนวนมาก (ส่วนใหญ่เป็นเบนซิน คลอโรฟีนอล ฯลฯ) โลหะหนักที่เป็นพิษและเป็นอันตราย จุลินทรีย์ที่ทำให้เกิดโรค ไข่พยาธิ เกลือ และนิวไคลด์กัมมันตภาพรังสี ซึ่งย่อยสลายได้ยากและก่อให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมอย่างรุนแรง ในปัจจุบัน วิธีการบำบัดหลักสำหรับกากตะกอนในประเทศและต่างประเทศคือการฝังกลบ แต่การผลิตกากตะกอนที่เพิ่มขึ้นไม่เพียงแต่ครอบครองพื้นที่เท่านั้น แต่ยังก่อให้เกิดมลพิษต่อคุณภาพน้ำใต้ดินด้วย การลดลงอย่างมากในการเผาขยะเป็นหนึ่งในแนวทางสากลสำหรับการบำบัดกากตะกอน แต่การลงทุนเริ่มต้นในการก่อสร้างเตาเผาขยะนั้นสูงและค่าใช้จ่ายในการดำเนินการก็สูง ดังนั้นวิธีการบำบัดและกำจัดกากตะกอนในเมืองอย่างมีประสิทธิภาพจึงเป็นปัญหาเร่งด่วนที่ต้องเร่งแก้ไข

เนื่องจากสารอินทรีย์จำนวนมากในกากตะกอนมีค่าความร้อนที่แน่นอน (ค่าความร้อนสูงแบบแห้งที่ 8-10MJ/กก.) และสารอาหารมากมาย เช่น ไนโตรเจน ฟอสฟอรัส และโพแทสเซียม การใช้ทรัพยากรของกากตะกอนคือ มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการลดตะกอน การคงตัว และการบำบัดที่ไม่เป็นอันตราย ในปัจจุบัน มีสามวิธีหลักในการพัฒนาการใช้ทรัพยากรกากตะกอน: การใช้ที่ดิน การใช้วัสดุก่อสร้าง และการเตรียมเชื้อเพลิงชีวมวล การเตรียมเชื้อเพลิงชีวมวลคือการผสมกากตะกอนกับกากอุตสาหกรรม ของเสียจากการเกษตร หรือเชื้อเพลิงสะอาดเพื่อผลิตเชื้อเพลิงที่มีค่าความร้อนสูงสำหรับการเผาไหม้ของหม้อไอน้ำ ซึ่งเป็นแนวทางหลักในการใช้ประโยชน์จากทรัพยากรกากตะกอน การเตรียมเชื้อเพลิงชีวมวลจากกากตะกอนส่วนใหญ่ใช้กากตะกอนที่มีค่าความร้อนต่ำ ซึ่งไม่สามารถเผาโดยตรงได้ การผสมกับวัสดุที่ติดไฟได้เพื่อเตรียมเชื้อเพลิงชีวมวลเป็นการใช้พลังงาน ไม่เพียงแต่ใช้ค่าความร้อนของตะกอนอย่างเต็มที่เท่านั้น แต่ยังช่วยลดต้นทุนการบำบัดตะกอนได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกด้วย เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการทำให้กากตะกอนไม่เป็นอันตรายและมีประโยชน์

ดังนั้นนักวิชาการในประเทศและต่างประเทศจึงได้ทำการศึกษาวิจัยการเตรียมเชื้อเพลิงชีวมวลจากกากตะกอนอย่างกว้างขวาง กากตะกอนแปลกปลอมส่วนใหญ่ใช้สำหรับการใช้ที่ดิน การฝังกลบ และการเผา โดยมีการใช้ทรัพยากรอย่างจำกัด การวิจัยเกี่ยวกับการใช้ทรัพยากรของกากตะกอนในประเทศจีนเพิ่งเริ่มต้นขึ้น ดังนั้น บทความนี้จะทบทวนสถานะปัจจุบันของการกำจัดตะกอนในประเทศและต่างประเทศ แนะนำสถานะการวิจัยและปัญหาที่มีอยู่ของกากตะกอนเป็นเชื้อเพลิงชีวมวล และเสนอทิศทางการพัฒนาของกากตะกอนเป็นเชื้อเพลิงชีวมวล

1 สถานการณ์ปัจจุบันของการกำจัดกากตะกอนในประเทศและต่างประเทศ
1.1 สถานการณ์ปัจจุบันของการกำจัดกากตะกอนในต่างประเทศ ปัจจุบันวิธีการหลักในการบำบัดกากตะกอนในต่างประเทศ ได้แก่ การใช้ประโยชน์ทางการเกษตร (ปุ๋ย อาหารสัตว์) การฝังกลบ การทำให้แห้งและการเผา และการกำจัดด้วยการฝังกลบ ประเทศตะวันตกที่พัฒนาแล้วมีเศรษฐกิจที่แข็งแกร่ง เทคโนโลยีขั้นสูง และการบำบัดกากตะกอนในระดับสูง ตัวอย่างเช่น ในยุโรปตะวันตก ส่วนใหญ่จะใช้การอบแห้งด้วยความร้อนทางอ้อม ในขณะที่ในสหรัฐอเมริกาและอังกฤษ ใช้การฝังกลบและการเกษตรเป็นหลัก ในขณะที่ในญี่ปุ่น ใช้การเผาเป็นหลัก โรงงานผลิตกากตะกอนขนาดใหญ่ก่อนการทำให้แห้งได้รับการจัดตั้งขึ้นในประเทศต่างๆ เช่น เยอรมนีและเนเธอร์แลนด์ในยุโรป หลังจากที่กากตะกอนที่ผ่านการทำให้แห้งมีความชื้นถึงร้อยละ 60 แล้ว จะเข้าสู่โรงไฟฟ้าเพื่อการเผาหรือทำปุ๋ยหมักเพื่อการเกษตร ทำให้ได้พลังงานกลับมาใช้ใหม่ ตามสถิติ การใช้ที่ดินคิดเป็นร้อยละ 9 ถึงร้อยละ 54 ของการกำจัดกากตะกอนในเจ็ดประเทศที่พัฒนาแล้วทั่วโลก การฝังกลบคิดเป็นร้อยละ 16 ถึงร้อยละ 55 การเผามีสัดส่วนร้อยละ 15 ถึงร้อยละ 55 และอื่นๆ คิดเป็นร้อยละ 0 ถึงร้อยละ 8 .

วิธีการบำบัดและกำจัดกากตะกอนในญี่ปุ่นแบ่งออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่ การกำจัด (การฝังกลบ การจัดเก็บในที่โล่ง วิธีการกำจัดอื่นๆ) และการใช้ทรัพยากร (วัสดุก่อสร้าง พื้นที่เพาะปลูก พื้นที่สีเขียว เชื้อเพลิง) ญี่ปุ่นขาดแคลนทรัพยากรและพลังงาน และให้ความสำคัญอย่างมากกับการใช้ทรัพยากรและพลังงานจากกากตะกอน ดังนั้นในช่วงไม่กี่ปีมานี้ สัดส่วนการใช้ทรัพยากรจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วถึงร้อยละ 77.9 ภายในปี 2551 ส่วนใหญ่แล้ว ส่วนประกอบอินทรีย์ในกากตะกอนจะใช้สำหรับพื้นที่สีเขียวทางการเกษตร (ปุ๋ยและสารปรับปรุงดิน) และการใช้พลังงาน (ก๊าซชีวมวล การแปลงเชื้อเพลิงแข็ง ฯลฯ) ในขณะที่ส่วนประกอบอนินทรีย์ใช้สำหรับการใช้วัสดุก่อสร้าง เทคโนโลยีการผลิตพลังงานจากกากตะกอนต้นทุนต่ำขนาด 5 ตัน/วัน ถูกสร้างขึ้นในปี 2010

1.2 สถานการณ์ปัจจุบันของการกำจัดกากตะกอนในประเทศจีน เนื่องจากเหตุผลทางการเงินและเทคโนโลยี ปัจจุบันยังไม่มีทางออกที่สมเหตุสมผลสำหรับกากตะกอน และการฝังกลบและการกองขยะยังคงเป็นวิธีการหลัก ตามสถิติ สถานการณ์ปัจจุบันของการกำจัดกากตะกอนในจีนมีดังนี้ ร้อยละ 44.8 สำหรับการเกษตร ร้อยละ 31 สำหรับการฝังกลบ ร้อยละ 10.5 สำหรับสิ่งอื่นๆ และร้อยละ 13.7 สำหรับกากตะกอนที่ไม่ผ่านการบำบัด มีข้อมูลบ่งชี้ว่ากว่าร้อยละ 90 ของโรงบำบัดน้ำเสียที่สร้างขึ้นไม่มีสิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับการบำบัดกากตะกอน ในบางแห่ง เนื่องจากการใช้กากตะกอนในทางที่ผิด โลหะหนัก สารประกอบอินทรีย์ แมลงศัตรูพืชและโรคต่างๆ เป็นอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์โดยตรง ทำให้เกิดมลภาวะทุติยภูมิต่อสิ่งแวดล้อม

เนื่องจากการฝังกลบไม่เพียงแต่ทำให้เกิดความตึงเครียดบนผืนดินเท่านั้น แต่ยังสร้างมลภาวะต่อผืนดินและทรัพยากรทางทะเลอีกด้วย สัดส่วนของการฝังกลบกากตะกอนจึงลดลงทุกปี การเผาช่วยลดปริมาณกากตะกอนได้อย่างมาก และเป็นหนึ่งในแนวทางสากลสำหรับการบำบัดกากตะกอน อย่างไรก็ตาม กากตะกอนเองมีค่าความร้อนต่ำและมักจะไม่สามารถเผาไหม้ได้โดยตรง ซึ่งขณะนี้ยังมีปัญหาด้านการลงทุนสูง ค่าใช้จ่ายในการดำเนินการ และมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งยังอยู่ในระยะเริ่มต้น ด้วยนโยบายการปกป้องสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวดมากขึ้น จีนยังพยายามใช้กากตะกอนเป็นทรัพยากร รวมถึงการปฏิบัติอย่างเหมาะสมในฐานะสารปรับปรุงดินและปุ๋ยหมักสำหรับการใช้ที่ดิน ใช้เป็นวัสดุก่อสร้าง เช่น อิฐ ซีเมนต์ และวัสดุใหม่ และใช้ เป็นพลังงานเชื้อเพลิง ผลิตไฟฟ้า และผลิตก๊าซ การใช้อนุภาคละเอียดพิเศษและค่าความร้อนบางอย่างของกากตะกอนผสมกับวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร เช่น ฟางและถ่านหินเพื่อเตรียมเชื้อเพลิงชีวภาพหรือเชื้อเพลิงผสมน้ำจากถ่านหินเป็นวิธีการใช้ประโยชน์ที่มีประสิทธิภาพสำหรับการเปลี่ยนเชื้อเพลิงจากกากตะกอน

2 สถานะปัจจุบันของเทคโนโลยีเชื้อเพลิงกากตะกอนในประเทศได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นเนื่องจากการผลิตกากตะกอนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและผลกระทบด้านลบต่อสิ่งแวดล้อม ในช่วงไม่กี่ปีมานี้ นักวิชาการในประเทศได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับการเตรียมเชื้อเพลิงชีวมวลจากกากตะกอน โดยส่วนใหญ่รวมถึงการเตรียมเชื้อเพลิงที่ขึ้นรูปด้วยการผสมกากตะกอนกับถ่านหิน เศษฟางจากการเกษตร และการเตรียมกากตะกอนจากน้ำเชื้อเพลิงโดยการผสมกากตะกอนกับถ่านหิน เนื่องจากการวิจัยในพื้นที่นี้เพิ่งเริ่มต้น ส่วนใหญ่ยังคงอยู่ในขั้นตอนการวิจัยในห้องปฏิบัติการ

2.1 เทคโนโลยีการเตรียมเชื้อเพลิงอัดรูปโดยผสมกากตะกอนกับถ่านหินและฟางเกษตร กากตะกอนมีปริมาณความชื้นสูงและมีค่าความร้อนต่ำ ทำให้การเผาไหม้โดยตรงทำได้ยาก การผสมกากตะกอนกับถ่านหินและของเสียจากการเกษตรสำหรับการเผาไหม้โดยตรงหรือการเผาไหม้เป็นรูปทรงเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการปรับปรุงลักษณะการเผาไหม้ของกากตะกอน เพื่อให้เข้าใจลักษณะการเผาไหม้ของกากตะกอนและของเสียทางการเกษตร Wu Hongxiang et al. [3] ใช้อุปกรณ์ปฏิกิริยาสมดุลความร้อนเพื่อศึกษาลักษณะการเผาไหม้ของถ่านหิน เศษไม้ และส่วนผสมของกากตะกอน เช่น อุณหภูมิจุดติดไฟและอุณหภูมิเผาไหม้ ผลการวิจัยพบว่าประสิทธิภาพการเผาไหม้ของกากตะกอนเพียงอย่างเดียวไม่ดี เมื่อเพิ่มถ่านหินหรือเศษไม้สำหรับการเผาไหม้ร่วม ดัชนีคุณลักษณะการเผาไหม้ที่ครอบคลุมเพิ่มขึ้น จุดติดไฟเพิ่มขึ้น อุณหภูมิการเผาไหม้ลดลง และประสิทธิภาพการเผาไหม้ดีขึ้น พิสูจน์ว่าการเผาไหม้แบบผสมของกากตะกอนและของเสียชีวมวลเป็นวิธีที่ดีในการใช้ประโยชน์จากกากตะกอน เป็นทรัพยากร

กากตะกอนสองประเภทที่มีความชื้นประมาณร้อยละ 80 ผสมกับถ่านหินและขี้เลื่อยโดยใช้เครื่องกรองเพื่อเตรียมก้อนกากตะกอนที่มีความแข็งแรงและค่าความร้อนที่แน่นอนภายใต้ความดันที่แน่นอน และทำการทดสอบความถ่วงน้ำหนักของอิฐกับก้อน ผลการวิจัยบ่งชี้ว่ากระบวนการไพโรไลซิสของตะกอนอัดก้อนทั้งสองประเภทเกี่ยวข้องกับขั้นตอนการทำให้แห้ง ขั้นตอนการวิเคราะห์การระเหย ระยะการเผาไหม้ และระยะการเผาไหม้ อัตราการเผาไหม้สูงสุดของเชื้อเพลิงขึ้นรูปที่เตรียมจากเศษไม้และกากตะกอนต่ำกว่าเชื้อเพลิงขึ้นรูปที่เตรียมจากกากตะกอนและผงถ่านหินประมาณ 100K วัตถุประสงค์ของการเตรียมเชื้อเพลิงอัดแท่งโดยการผสมกากตะกอนกับฟางและสารเติมแต่งที่เหมาะสมเพื่อเพิ่มค่าความร้อนในการเผาไหม้และพลังงานความร้อน จำเป็นต้องเพิ่มสารเติมแต่งต่างๆ ในระหว่างกระบวนการขึ้นรูป โดยส่วนใหญ่รวมถึงสารจุดไฟที่ทำให้เชื้อเพลิงติดไฟง่าย สารคลายตัวที่ช่วยปรับปรุงความพรุนของเชื้อเพลิง ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ส่งเสริมการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ของอนุภาคคาร์บอน สารบ่มที่รับประกันผลการแข็งตัว ของเชื้อเพลิงและสารดับกลิ่นที่ช่วยลดมลภาวะทางกลิ่นระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิง