Luận văn thạc sĩ research on hydrothermal carbonization htc of paper mill sludge food and forestry wastes effects of process parameters on properties of hydrochar

Nghiên cứu quá trình thủy nhiệt hóa bùn giấy, chất thải thực phẩm và lâm nghiệp, phân tích ảnh hưởng thông số lên tính chất hydrochar.

• Tác giả: Karunasena Dhanuka Nayomal
• Người hướng dẫn: Associate Prof. Cao The Ha
• Trường học: Vietnam National University, Hanoi Vietnam Japan University
• Chuyên ngành: Environmental Engineering
• Đề tài: Research on Hydrothermal Carbonization (HTC) of Paper Mill Sludge, Food and Forestry Wastes - Effects of Process Parameters on Properties of Hydrochar
• Loại tài liệu: Master's thesis
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGMENTS
• TABLE OF CONTENTS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF ABBREVIATIONS
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Hydrothermal Carbonization of Lignocellulosic Biomass
• 2. CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. Historical overview of HTC process
• 2.2. Biomass And Thermochemical Processes
• 2.2.1. Biomass: definition, properties, and comparison
• 2.3. Overview of HTC Process
• 2.3.1. Reaction mechanism of HTC with biomass
• 2.3.2. The role of water in HTC
• 2.3.3. Effect of process parameters
• 2.3.4. Advantages of HTC
• 2.3.5. Potential uses of HTC coal
• 2.3.6. Products of HTC
• 3. CHAPTER 3: MATERIALS AND METHODS
• 3.1. HTC applicable industries
• 3.1.1. Food and Beverage industry
• 3.2. Description of the HTC reactor
• 3.3. Experimental methods and principles
• 3.3.1. Chemical Oxygen Demand (EPA Method)
• 3.3.2. Sample treatment: Moisture removal
• 3.3.3. Ash content and volatile matter calculation
• 3.3.4. Calculating gross calorific value
• 4. CHAPTER 4: RESULT AND DISCUSSION
• 4.1. Restaurant Food waste (RFW/R) hydrochar
• 4.2. Paper mill sludge (PMS/P) hydrochar
• 4.3. Saw dust (SD/S) hydrochar
• 4.4. Characteristics of hydrochar process water
• 4.4.1. Restaurant food waste (RFW/R) process water
• 4.4.2. Paper mill sludge (PMS/P) process water
• 4.4.3. Saw dust (SD/S) process water
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF ABBREVIATIONS

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu về Hydrothermal Carbonization (HTC) của bùn nhà máy giấy và chất thải lâm nghiệp đã chỉ ra rằng quá trình này có thể chuyển đổi các loại chất thải hữu cơ thành sản phẩm có giá trị cao, gọi là Hydrochar. Quá trình HTC không chỉ giúp giảm thiểu lượng chất thải mà còn tạo ra nguồn năng lượng tái tạo. Việc sử dụng bùn nhà máy giấy và chất thải lâm nghiệp trong nghiên cứu này nhằm tìm hiểu ảnh hưởng của các thông số như nhiệt độ và thời gian phản ứng đến tính chất của Hydrochar.

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc giải quyết vấn đề quản lý chất thải tại Việt Nam. Với sự gia tăng dân số và nhu cầu tiêu thụ, lượng chất thải rắn ngày càng tăng, đặc biệt là từ các ngành công nghiệp như thực phẩm và giấy. Việc áp dụng quá trình Hydrothermal Carbonization không chỉ giúp xử lý chất thải mà còn tạo ra sản phẩm có thể sử dụng làm nhiên liệu, góp phần vào việc phát triển bền vững.

II. Quá trình Hydrothermal Carbonization

Quá trình Hydrothermal Carbonization là một phương pháp nhiệt hóa ẩm, trong đó nước được sử dụng như một môi trường phản ứng. Quá trình này diễn ra ở nhiệt độ và áp suất cao, giúp chuyển đổi các chất hữu cơ thành Hydrochar. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tính chất của Hydrochar phụ thuộc vào các thông số như nhiệt độ, thời gian và loại nguyên liệu đầu vào. Việc hiểu rõ về quá trình Hydrothermal Carbonization sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

2.1. Cơ chế phản ứng

Cơ chế phản ứng trong HTC liên quan đến sự phân hủy của lignocellulose dưới tác động của nhiệt độ và áp suất. Nước đóng vai trò quan trọng trong việc hòa tan và chuyển hóa các thành phần hữu cơ, tạo ra các sản phẩm có giá trị. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh các thông số này có thể cải thiện đáng kể tính chất vật lý và hóa học của Hydrochar.

2.2. Ảnh hưởng của thông số

Các thông số như nhiệt độ và thời gian phản ứng có ảnh hưởng lớn đến tính chất của Hydrochar. Nghiên cứu cho thấy rằng tăng nhiệt độ có thể làm tăng hàm lượng carbon và giảm hàm lượng oxy trong sản phẩm cuối cùng. Điều này có thể cải thiện giá trị năng lượng của Hydrochar, làm cho nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho nhiên liệu sinh học.

III. Tính chất của Hydrochar

Tính chất của Hydrochar được xác định thông qua các phương pháp phân tích hóa học và vật lý. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng Hydrochar có thể có giá trị năng lượng cao, độ ẩm thấp và khả năng phân hủy sinh học tốt. Những đặc điểm này làm cho Hydrochar trở thành một lựa chọn tiềm năng cho nhiên liệu thay thế trong các ứng dụng công nghiệp và năng lượng.

3.1. Phân tích tính chất hóa học

Phân tích hóa học của Hydrochar cho thấy sự gia tăng hàm lượng carbon và giảm hàm lượng oxy, điều này có thể cải thiện giá trị năng lượng của sản phẩm. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng Hydrochar có thể chứa các chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng, mở ra khả năng ứng dụng trong nông nghiệp.

3.2. Ứng dụng thực tiễn

Sản phẩm Hydrochar có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ năng lượng tái tạo đến nông nghiệp. Việc sử dụng Hydrochar như một nguồn nhiên liệu có thể giúp giảm thiểu lượng chất thải và cung cấp một giải pháp bền vững cho vấn đề năng lượng hiện nay.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam đang đối mặt với thách thức lớn trong quản lý chất thải rắn đô thị khi dân số thành thị dự kiến chiếm tới 50% tổng dân số vào năm 2025. Theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường năm 2011, lượng chất thải rắn đô thị tăng từ 6,4 triệu tấn năm 2003 lên 12,8 triệu tấn năm 2008, tương đương mức tăng hơn 200%. Riêng tại Hà Nội, lượng rác thải sinh hoạt hàng ngày ước tính khoảng 6.500 tấn, trong đó phần lớn là chất thải hữu cơ chiếm 40-55%. Phương pháp xử lý chủ yếu hiện nay là chôn lấp, chiếm 76-82% tổng lượng chất thải, tuy nhiên nhiều bãi chôn lấp không đạt tiêu chuẩn, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Bên cạnh đó, việc đốt rác thải mở cũng phổ biến, tạo ra nguy cơ sức khỏe do phát thải khí độc.

Trong bối cảnh đó, công nghệ than hóa thủy nhiệt (Hydrothermal Carbonization - HTC) được nghiên cứu như một giải pháp tiềm năng để xử lý chất thải hữu cơ từ các ngành công nghiệp thực phẩm, giấy và lâm nghiệp. HTC là quá trình nhiệt hóa trong môi trường nước ở nhiệt độ 180-250°C và áp suất khoảng 20 bar, chuyển đổi chất thải ẩm thành than sinh học (hydrochar) có giá trị năng lượng cao. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá ảnh hưởng của các tham số quá trình như nhiệt độ và thời gian phản ứng đến đặc tính của hydrochar từ bùn giấy, chất thải thực phẩm và mùn cưa, nhằm phát triển giải pháp xử lý chất thải hiệu quả, thân thiện môi trường và tạo ra nguồn năng lượng tái tạo.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các loại chất thải đặc trưng của Việt Nam trong giai đoạn 2020-2021, với các mẫu thu thập từ Hà Nội và các địa phương lân cận. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu lượng chất thải chôn lấp, giảm phát thải khí nhà kính, đồng thời cung cấp hydrochar làm nhiên liệu thay thế, góp phần phát triển kinh tế tuần hoàn và bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về quá trình nhiệt hóa sinh học và mô hình phản ứng hóa học trong môi trường thủy nhiệt. Quá trình HTC được xem là một dạng nhiệt hóa ướt, trong đó nước đóng vai trò vừa là môi trường phản ứng vừa là chất xúc tác, giúp phân hủy cellulose, hemicellulose và lignin trong biomass thành hydrochar giàu cacbon. Các phản ứng chính gồm thủy phân, khử nước (dehydration), khử cacboxyl (decarboxylation), và các phản ứng chuyển hóa phức tạp khác như demethylation và pyrolytic reactions.

Ba khái niệm chuyên ngành được sử dụng xuyên suốt nghiên cứu gồm:

• Hydrochar: sản phẩm rắn giàu cacbon thu được sau quá trình HTC, có tính chất tương tự than nâu.
• Chemical Oxygen Demand (COD): chỉ số đo lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ trong nước thải, dùng để đánh giá chất lượng nước quá trình.
• Gross Calorific Value (GCV): giá trị nhiệt lượng tổng của hydrochar, phản ánh tiềm năng năng lượng của sản phẩm.

Mô hình nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của các tham số quá trình (nhiệt độ, thời gian, tải trọng rắn) đến các đặc tính vật lý và hóa học của hydrochar và nước quá trình.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu chất thải hữu cơ gồm bùn giấy từ nhà máy giấy tại Hà Nội, chất thải thực phẩm từ nhà hàng địa phương và mùn cưa từ xưởng gỗ tại Hà Nội. Mẫu được xử lý theo tiêu chuẩn ASTM D3173 để loại bỏ độ ẩm, sau đó nghiền và sàng lọc đồng nhất kích thước dưới 5 mm.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Thí nghiệm HTC trong lò phản ứng thủy nhiệt với điều kiện nhiệt độ từ 180°C đến 220°C, thời gian phản ứng từ 30 phút đến vài giờ, áp suất tự sinh khoảng 20 bar.
• Phân tích thành phần hóa học hydrochar bằng phương pháp phân tích nguyên tố (C, H, O), xác định hàm lượng tro, chất dễ bay hơi, và tính toán giá trị nhiệt lượng tổng (GCV).
• Đo chỉ số COD, pH, độ dẫn điện và các chỉ tiêu hóa học khác của nước quá trình.
• Thực hiện thí nghiệm lặp lại ba lần để đảm bảo độ tin cậy số liệu.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 6 tháng, bao gồm giai đoạn thu thập mẫu, xử lý mẫu, thí nghiệm HTC và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến năng suất hydrochar: Khi tăng nhiệt độ từ 180°C lên 220°C và thời gian phản ứng từ 30 phút lên 3 giờ, năng suất hydrochar giảm từ khoảng 75% xuống còn 60%, do tăng cường phản ứng khử nước và khử cacboxyl làm giảm khối lượng rắn thu được.

2. Tăng hàm lượng cacbon và giá trị nhiệt lượng: Hydrochar từ bùn giấy có hàm lượng cacbon tăng từ 45% lên 65%, giá trị nhiệt lượng tổng (GCV) tăng từ 12 MJ/kg lên 22 MJ/kg, tương đương tăng gần 83%. Hydrochar từ mùn cưa có GCV tăng từ 16,94 MJ/kg lên 27 MJ/kg, cho thấy tiềm năng làm nhiên liệu thay thế.

3. Chất lượng nước quá trình: Nước quá trình có chỉ số COD dao động từ 2000 đến 5000 mg/L, pH giảm từ trung tính xuống khoảng 4-5 do sự hình thành các axit hữu cơ như axit axetic và furan. Độ dẫn điện tăng theo nhiệt độ và thời gian phản ứng, phản ánh sự hòa tan các ion và hợp chất hữu cơ.

4. So sánh giữa các loại chất thải: Hydrochar từ chất thải thực phẩm có hàm lượng tro thấp hơn (khoảng 10%) so với hydrochar từ bùn giấy và mùn cưa (khoảng 20-25%), phù hợp hơn cho mục đích làm nhiên liệu sạch.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm năng suất hydrochar khi tăng nhiệt độ và thời gian là do quá trình khử nước và khử cacboxyl diễn ra mạnh mẽ hơn, làm tăng lượng khí CO2 và các hợp chất hòa tan trong nước quá trình. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy nhiệt độ cao làm giảm tỷ lệ thu hồi rắn nhưng tăng chất lượng hydrochar về mặt năng lượng.

So với các nghiên cứu quốc tế, hydrochar thu được trong nghiên cứu này có giá trị nhiệt lượng tương đương hoặc cao hơn, chứng tỏ hiệu quả của quá trình HTC trong điều kiện Việt Nam. Việc xử lý nước quá trình cần được quan tâm do chỉ số COD cao, có thể ảnh hưởng đến môi trường nếu xả thải trực tiếp.

Biểu đồ Van Krevelen minh họa sự giảm tỷ lệ H/C và O/C của hydrochar so với nguyên liệu ban đầu, cho thấy mức độ than hóa tăng lên, tương tự than nâu tự nhiên. Bảng so sánh các chỉ số hóa học và nhiệt lượng giữa các mẫu hydrochar và nguyên liệu gốc giúp trực quan hóa hiệu quả quá trình.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa tham số quá trình HTC: Khuyến nghị duy trì nhiệt độ trong khoảng 200-220°C và thời gian phản ứng 2-3 giờ để cân bằng giữa năng suất và chất lượng hydrochar, nhằm đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật tối ưu.

2. Xây dựng hệ thống xử lý nước thải sau HTC: Áp dụng công nghệ xử lý sinh học hoặc hóa học để giảm COD và điều chỉnh pH trước khi xả thải, đảm bảo tuân thủ quy định môi trường trong vòng 6-12 tháng, do các cơ quan quản lý môi trường và nhà máy vận hành.

3. Phát triển hydrochar làm nhiên liệu thay thế: Khuyến khích các nhà máy giấy, chế biến thực phẩm và lâm nghiệp sử dụng hydrochar thay thế than hoặc củi trong vòng 1-2 năm, giảm phát thải khí nhà kính và chi phí nhiên liệu.

4. Nâng cao nhận thức và đào tạo kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ kỹ thuật và quản lý về công nghệ HTC và quản lý chất thải hữu cơ, nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong 12-18 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu sâu về công nghệ HTC, phương pháp xử lý chất thải hữu cơ và phát triển năng lượng tái tạo.

2. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Đánh giá hiệu quả công nghệ mới trong quản lý chất thải, xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng sạch và giảm ô nhiễm.

3. Doanh nghiệp ngành giấy, thực phẩm và lâm nghiệp: Áp dụng công nghệ HTC để xử lý chất thải, giảm chi phí vận hành và tăng giá trị sản phẩm phụ.

4. Tổ chức phi chính phủ và cộng đồng môi trường: Nâng cao nhận thức về quản lý chất thải bền vững, thúc đẩy các giải pháp thân thiện môi trường tại địa phương.

Câu hỏi thường gặp

1. HTC là gì và có ưu điểm gì so với các công nghệ khác?
   HTC là quá trình nhiệt hóa biomass trong môi trường nước ở nhiệt độ 180-250°C và áp suất cao, tạo ra hydrochar giàu năng lượng. Ưu điểm là xử lý được biomass ẩm mà không cần sấy khô, tiết kiệm năng lượng và thời gian, đồng thời sản phẩm có giá trị năng lượng cao.

2. Hydrochar có thể sử dụng làm gì?
   Hydrochar có thể dùng làm nhiên liệu thay thế than đá hoặc củi, làm chất cải tạo đất, hấp phụ chất ô nhiễm trong nước, hoặc làm nguyên liệu cho các ứng dụng công nghiệp khác.

3. Quá trình HTC ảnh hưởng thế nào đến môi trường?
   HTC giúp giảm lượng chất thải chôn lấp và phát thải khí nhà kính. Tuy nhiên, nước thải sau quá trình có chỉ số COD cao cần được xử lý trước khi thải ra môi trường để tránh ô nhiễm.

4. Các tham số nào ảnh hưởng đến chất lượng hydrochar?
   Nhiệt độ và thời gian phản ứng là hai yếu tố chính. Nhiệt độ cao và thời gian dài làm tăng hàm lượng cacbon và giá trị nhiệt lượng hydrochar nhưng giảm năng suất thu hồi.

5. HTC có thể áp dụng cho loại chất thải nào?
   HTC phù hợp với nhiều loại chất thải hữu cơ có độ ẩm cao như bùn giấy, chất thải thực phẩm, mùn cưa, phân động vật, và các loại biomass khác.

Kết luận

• Quá trình HTC hiệu quả trong việc chuyển đổi chất thải hữu cơ ẩm thành hydrochar có giá trị năng lượng cao, phù hợp làm nhiên liệu thay thế.
• Nhiệt độ 200-220°C và thời gian 2-3 giờ là điều kiện tối ưu cân bằng giữa năng suất và chất lượng sản phẩm.
• Hydrochar từ bùn giấy, chất thải thực phẩm và mùn cưa có thể tăng giá trị nhiệt lượng lên đến 83% so với nguyên liệu ban đầu.
• Nước thải sau HTC có chỉ số COD cao cần được xử lý để bảo vệ môi trường.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ xử lý chất thải hữu cơ bền vững, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm quy mô lớn và đánh giá kinh tế kỹ thuật để ứng dụng thực tiễn. Các tổ chức, doanh nghiệp và nhà quản lý được khuyến khích hợp tác nghiên cứu và áp dụng công nghệ này nhằm thúc đẩy phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI VIETNAM JAPAN UNIVERSITY KARUNASENA DHANUKA NAYOMAL RESEARCH ON HYDROTHERMAL CARBONIZATION (HTC) OF PAPER MILL SLUDGE, FOOD AND FORESTRY WASTES - EFFECTS OF PROCESS PARAMETERS ON PROPERTIES OF HYDROCHAR MASTER'S THESIS VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI VIETNAM JAPAN UNIVERSITY KARUNASENA DHANUKA NAYOMAL RESEARCH ON HYDROTHERMAL CARBONIZATION (HTC) OF PAPER MILL SLUDGE, FOOD AND FORESTRY WASTES - EFFECTS OF PROCESS PARAMETERS ON PROPERTIES OF HYDROCHAR MAJOR: ENVIRONMENTAL ENGINEERING CODE: 8520320.01 RESEARCH SUPERVISORS: Associate Prof. CAO THE HA Dr. VU NGOC DUY Hanoi, 2021 ACKNOWLEDGMENTS The work documented in this report was only possible to achieve with the guidance, support and patience of a number of people that I have the privilege to interact and learn from. First of all, I would like to express my sincere gratitude towards Associate Professor Cao The Ha and Doctor Vu Ngoc Duy for the enthusiastic instructions and encouragement throughout this current study.

Secondly, I take this opportunity to express my gratitude to all the professors, lecturers and students at the Environmental Engineering program, VNU Vietnam Japan University for their inspiration during this project. Finally, I would like to thank my parents for their support and encouragement during this long period. Karunasena Dhanuka Nayomal TABLE OF CONTENTS LIST OF TABLES. i LIST OF FIGURES.

ii LIST OF ABBREVIATIONS .1 Hydrothermal Carbonization of Lignocellulosic Biomass. 3 CHAPTER 2 : LITERATURE REVIEW .1 Historical overview of HTC process .2 Biomass And Thermochemical Processes .2 Biomass: definition, properties, and comparison .3 Overview of HTC Process .1 Reaction mechanism of HTC with biomass .2 The role of water in HTC .3 Effect of process parameters .4 Advantages of HTC.5 Potential uses of HTC coal .6 Products of HTC. 27 CHAPTER 3 : MATERIALS AND METHODS .1 HTC applicable industries .1 Food and Beverage industry.3 Description of the HTC reactor .4 Experimental methods and principles .5 Chemical Oxygen Demand (EPA Method 410.6 Sample treatment: Moisture removal .7 Ash content and volatile matter calculation .8 Calculating gross calorific value. 49 CHAPTER 4 : RESULT AND DISCUSSION .1 Restaurant Food waste (RFW/R) hydrochar .2 Paper mill sludge (PMS/P) hydrochar .3 Saw dust (SD/ S) hydrochar .3 Characteristics of hydrochar process water .1 Restaurant food waste (RFW/ R) process water .2 Paper mill sludge (PMS/P) process water .3 Saw dust (SD/ S) process water.

89 LIST OF TABLES Table 2. Characteristics of biomass torrefaction. Characteristics of biomass pyrolysis. Characteristics of biomass gasification.

Characteristics of biomass Hydrothermal carbonization. Chemical analysis and properties of selected types of biomass (Canzana, 2011) 14 Table 2. Saturated steam table (Kruse et al. Summary of process parameters for HTC process.

Comparison of reaction conditions and product distributions (Libra et al. Distribution of the carbon fraction in the HTC product phases (Marchetti, 2012). Examples of solid yields and elementary compositions of HTC-coal from different substrates (Libra et al. Composition of the process water resulting from HTC (Robbiani, 2013).

Moisture content, Amount of dry solid Volatile, ash and Gross caloric values calculated by equation (5) of biomass feeds. Proximate analysis of biomass after the hydrothermal carbonization gross caloric values were calculated by equation (5) n = 3. Comparison of gross calorific value from the research with literature review 64 Table 4. GCVs of the feed and chosen hydrochar samples from ultimate analysis.

64 i LIST OF FIGURES Figure 1. Garbage dump in Giong Rieng district, Kien Giang province and Binh Tu landfill, Phan Thiet city, Binh Thuan province.( Ministry of Natural Resources and Environment. Differences between primary and secondary cell wall in plants. Degradation products and sub products during hydrolysis of lignocellulosic biomass (Qadariyah et al.

Comparison of different energy and carbon exploitation schemes for carbohydrates (Titrici et al. Percentage of each product in HTC process. Van Krevelen diagram (Marchetti, 2012). Correlation carbon content and calorific value for different substrates (Oliveira et al.

Food waste collecting site, Canada. Paper mill sludge, Peninsular Malaysia. Forestry waste Terrace Community Forest, Northwest British Columbia. Raw dried restaurant food waste, raw dried paper mill sludge and raw dried saw dust.

Hydrothermal carbonization reactor with Teflon inner compartment and stainless steel outer cover. Carbolite gero laboratory furnace. Calibration curve for total nitrogen. Calibration curve for total phosphorus.

Calibration curve for Chemical oxygen demand. Thermal analysis procedure for Biomass fuel (Hydrochar) Fixed solid, Ash, Volatile solid. Raw biomass feed samples and subsequent hydrochar samples. The dependence of yield of RFW hydrochar from dried food waste with temperature and time (n = 3, triplicate).

Percentages of total solid content and moisture content of RWFHC with time and temperature (n = 3, triplicate). Percentages of Volatile solid content and ash of RWFHC with time and temperature (n = 3, triplicate). Gross calorific values of RFWHC with time and temperature (n = 3, triplicate) 56 Figure 4. Percent conversion of PMS hydrochar with time and temperature (n = 3, triplicate).

Total solid content and moisture content of PMSHC with time and temperature (n = 3, triplicate). Percentages of Volatile solid content and ash of PMSHC with time and temperature (n = 3, triplicate). Gross calorific values of PMSHC with time and temperature (n = 3, triplicate) 59 Figure 4. Yield of SD hydrochar with increasing time and temperature at 220oC (n = 3, triplicate).

Total solid content and moisture content of SDHC with time and temperature at 220oC (n = 3, triplicate). Percentages of Volatile solid content and ash of SDHC with time and temperature at 220oC (n = 3, triplicate). Gross calorific values of SDHC with time and temperature at 220oC (n = 3, triplicate). pH of RFW process water with time and temperature (n = 3, triplicate).

COD of RFW process water with temperature and time (n = 3, triplicate). Electrical conductivity of restaurant food waste process water with temperature and time (n = 3, triplicate). Total nitrogen of RFW process water with temperature and time (n = 3, triplicate). Total phosphorus of RFW process water with temperature and time (n = 3, triplicate).

pH of PMS process water with temperature and time (n = 3, triplicate). Electrical conductivity of PMS process water with temperature and time (n = 3, triplicate). COD of PMS process water with temperature and time (n = 3, triplicate). Total nitrogen of PMS process water with temperature and time (n = 3, triplicate).

Total phosphorus of PMS process water with temperature and time (n = 3, triplicate). pH of SD process water with time and temperature at 220oC (n = 3, triplicate). Electrical conductivity of SD process water with time and temperature at 220oC (n = 3, triplicate). COD of SD process water with time and temperature at 220oC (n = 3, triplicate).

Total nitrogen of SD process water with time and temperature at 220oC (n = 3, triplicate). 79 iv LIST OF ABBREVIATIONS 13C-NMR: Carbon-13 Nuclear Magnetic Resonance ASTM: American Society for Testing and Materials COD: Chemical Oxygen Demand EC: Electrical Conductivity EDS: Energy Dispersive X-ray Spectroscopy FS: Fixed Solid GC-MS: Gas Chromatography–Mass Spectrometry GCV: Gross Calorific Value GHG: Greenhouse Gas HC: Hydrochar HHV: Higher Heating Value HTC: Hydrothermal Carbonization MC: Moisture Content MSW: Municipal Solid Waste NCASI: National Council for Air and Stream Improvement P/PMS: Paper mill Sludge PINI: Initial Sample of Paper mill Sludge PMSHC: Paper mill Sludge Hydrochar R/RFW: Restaurant Food Waste RFWHC: Restaurant food waste hydrochar RINI: Initial Sample of Restaurant Food Waste S/SD: Saw dust SDHC: Saw dust Hydrochar SEM: Scanning Electron Microscopy SINI: Initial Sample of Saw dust TN: Total Nitrogen TOC: Total Organic Carbon TP: Total Phosphorus US EPA: United States Environmental Protection Agency VS: Volatile Solid v CHAPTER 1 : INTRODUCTION After the Doi Moi resolution, Vietnam sees a prosperous future in its economy. The current economic boom has attracted more and more people into the cities. In 2009 according to the General Statistics Office of Vietnam, the population in urban areas was 25.59 million which accounted for 29.74% (Truong, 2018) of the total population.

However, it was forecasted that, in 2025 half of the total population of Vietnam will be living in cities which is an outcome of the improvements in people’s living standards and the impressive achievements of the economy. With this great influx, the environmental management of the cities especially with the solid waste management will turn into a dire state. When the subsequent changes in spending habits of people generate more and more solid waste, the well-being of the cities and their citizens will be endangered. According to the National State of Environment report published by Ministry of Natural Resources and Environment in 2011, the urban solid waste generation in 2003 was 6.4 million tonnes and it was increased to 12.8 million tonnes in 2008.

While the urban solid waste generation increased by more than 200% the industrial solid waste also increased by 181%. In the year 2003, the industrial solid waste generation was 2.6 million metric tonnes and in 2008 it was increased to 4. Moreover, this report predicted that there would be a 42-46 % increase in nationwide urban solid waste generation with 17% contribution from industries (DoNRE, 2011). In Hanoi, it was estimated that the daily domestic waste generation is 6,500 tons (Phan, 2019).

Domestic waste is a result of ordinary day-to-day activities. The main contributors to the generation of domestic waste are households, schools, markets, restaurants, and hotels. According to Vietnamese Department of Natural Resources and Environment in 2011, 500-700 tonnes of industrial waste, 150-200 tonnes of hazardous waste, 1500-2000 tonnes of construction and demolition waste, and 9-12 tonnes of medical waste generated per day in the city. The majority of this domestic waste consists of organic waste which 1 accounts for 40 - 55% and among them, the recyclable potion counts for 8 – 18% (DoNRE, 2011).

The land fillings are the standard practice of solid waste management in Vietnam. Around 76 – 82% of municipal solid waste is treated in landfill sites all over the country everyday (Truong, 2018). From the total number of 98 landfills and open dumping sites in the country 16 of them operate according to the regulations (Truong, 2018). The rest of the sites follow unhygienic methods which are harmful to people and the environment.

Furthermore, with ever-increasing amounts of solid waste, most of the landfill sites in large cities operate in their full capacities, and extension of the available land is difficult to achieve due to scarcity of the land in cities. Garbage dump in Giong Rieng district, Kien Giang province and Binh Tu landfill, Phan Thiet city, Binh Thuan province.( Ministry of Natural Resources and Environment. Apart from landfilling, many cities use open burning and incineration to treat solid wastes. In a few cities, open burning at the landfill site is a common method to reduce the total volume of waste.

Open burning can be seen in rural areas where there aren’t many facilities to treat or manage the waster. Burning solid waste right in their gardens is a common practice in many rural houses. However, the open burning of solid waste creates a huge health risk since it releases pollutants straight into the atmosphere. In some cities, the 2 hospital waste is treated in incinerator facilities.

Due to the lack of availability of these facilities throughout the country, most of the hospital waste ends up in landfills. In the past decade, solid waste management has undergone numerous changes. According to the sustainability approach, most of the mentioned waste management practices are considered to be outdated. Currently, the recycling and recovery of the resources are the main focus of the waste management systems throughout the world.

In that sense, the organic fraction in municipal solid waste is seen as a source of great potential.