ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN - dulieu.tailieuhoctap.vndulieu.tailieuhoctap.vn/books/khoa-hoc-ky-thuat/khoa-hoc-moi-truong/file_goc_779249.pdf · bằng phương pháp phân hủy hiếu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

KHOA MÔI TRƯỜNG

BỘ MÔN QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG

........... ...........

ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN

ĐỀ TÀI

ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM

TRONG TIỀN XỬ LÝ BÙN THẢI

GVHD: TS.NGUYỄN TẤN PHONG

HVTH: PHAN THỊ HOÀI THU

LÊ THỊ KIỀU MIÊN

NGUYỄN MINH NHẬT

ĐÀO THỊ VIỆT HƯƠNG

HÀ HUỲNH BĂNG TÂM

TP.HCM, THÁNG 03 – 2012

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Sóng ở các tần số khác nhau ......................................................................................... 4

Hình 2: Các vùng của dòng âm .................................................................................................. 5

Hình 3: Chi tiết hệ thống sóng siêu âm điện áp 20kHz ............................................................. 7

Hình 4: Ví dụ bộ phát âm phổ biến ............................................................................................ 8

Hình 5: Quan sát kính hiển vi của WAS: (a) trước khi siêu âm (b) sau khi siêu âm ở năng

lượng đầu vào không đổi 1.5kW và 20kHz. ............................................................................ 12

Hình 6: Hình ảnh SEM của WAS tại các thời điểm siêu âm khác nhau với năng lượng đầu

vào 1.5kW, tần số 20kHz. (A) 0 phút (B) 2 phút (C) 10 phút và (D) 30 phút ......................... 13

Hình 7: Hiệu quả năng lượng đầu vào lên sự tăng SCOD (tần số 20kHz, năng lượng tối đa

1.5kW, nồng độ TS 3% và cường độ sóng siêu âm 1.07 W/ml). ............................................. 14

Hình 8: Sự tạo thành NH3-N trong quá trình phân hủy bùn tại các mức năng lượng đầu vào

và nồng độ TS khác nhau ......................................................................................................... 18

Hình 9: SOUR của WAS tại thời gian siêu âm khác nhau. ..................................................... 19

Hình 10:Mức độ khử hoạt tính ở mức năng lượng đầu vào khác nhau ................................... 20

Hình 11: Sự hình thành SCOD tại mức năng lượng đầu vào và nồng độ TS khác nhau ......... 21

Hình 12: SCOD tạo thành ở pH khác nhau trong 30 phút siêu âm .......................................... 28

Hình 13: Loại bỏ VS đối vời bùn xử lý siêu âm và không xử lý siêu âm tại thời gian lưu khác

nhau .......................................................................................................................................... 33

Hình 14: Loại bỏ SCOD đối vời bùn xử lý siêu âm và không xử lý siêu âm tại thời gian lưu

khác nhau ................................................................................................................................. 34

Hình 15: Tỷ lệ hấp thụ oxy (SOUR) tại thời gian lưu khác nhau ............................................ 35

Hình 16: Sự giảm MLSS trong suốt quá trình thí nghiệm siêu âm tại Anglian Water

Cambridge WWTP................................................................................................................... 38

Hình 17: Tác động sóng siêu âm lên sự tạo thành bùn hoạt tính ............................................. 39

Hình 18: Thiết bị siêu âm SonolyzerTM ................................................................................. 41

Hình 19: Thiết bị siêu âm Sonico ............................................................................................ 41

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Chất rắn hữu cơ hòa tan tại những điều kiện siêu âm khác nhau ................... 25

Bảng 2: Mức độ vi khuẩn trong bùn ở những điều kiện xử lý khác nhau .................... 36

Bảng 3: Ví dụ chi phí hoạt động và bảo tri tiên xử lý kỵ khí WAS bằng siêu âm ....... 42

Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

1

ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG TIỀN XỬ LÝ

BÙN THẢI

I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1. GIỚI THIỆU

Hầu hết nước thải sinh hoạt được xử lý bằng quá trình sinh học. Trong quá trình xử lý

sinh học hiếu khí, như bùn hoạt tính, chỉ có khoảng 35% chất hữu cơ được khoáng hóa

thành CO2 và H2O bởi vi sinh vật. Phần chất hữu cơ còn lại được chuyển thành tế bào

vi khuẩn, sinh khối hay bùn. Việc xử lý và thải bỏ bùn phát sinh chiếm đến 60% tổng

chi phí xử lý nước thải sinh hoạt. Sự thải bỏ truyền thống (chôn lấp hay đốt) trở nên ít

được chấp nhận trong quản lý. Do đó, tối thiểu sự tạo thành bùn và thu hồi sản phẩm

phụ có giá trị và năng lượng sinh học là quan trọng trong quản lý bùn. Ổn định bùn,

bằng phương pháp phân hủy hiếu khí và kỵ khí, được sử dụng để giảm lượng bùn thải,

tạo ra bùn sinh học ổn định, sinh ra năng lượng sinh học như khí metan. Tuy nhiên,

bùn nước thải sinh hoạt, hay WAS, khó phân hủy do tốc độ phân hủy tế bào giảm.

Tiền xử lý WAS nhằm tăng tốc độ phân hủy sinh học và tăng sự phân hủy. Qúa trình

tiền xử lý có thể là quá trình vật lý, hóa học, nhiệt và sinh học. Mục đích chính của

tiền xử lý là phá hủy thành tế bào và tạo điều kiện tạo thành vật chất nội bào trong pha

nước cho sự phân hủy tiếp theo. Sóng siêu âm được xem là phương pháp được ưa

thích trong phân hủy bùn sinh học do nhiều ưu điểm.

2. TRỞ NGẠI CỦA ỔN ĐỊNH BÙN SINH HỌC

Hầu hết các chất thải có nồng độ TS cao, như bùn đô thị (chất rắn từ quá trình sử lý sơ

cấp và bùn thải sinh hoạt), chất thải từ động vật, chất thải từ quá trình nông nghiệp,

phân hủy chậm vì bản chất hạt của chất thải. Do đó, các dòng thải hạt cao, sự thủy

phân sẽ trở thành bươc hạn chế trong quá trình xử lý sinh học. Bùn đô thị, đặc biệt là

bùn thải sinh hoạt, thì khó phân huỷ hơn so với chất rắn sinh ra từ qúa trình xử lý sơ

cấp do giới hạn phân hủy của các tế bào sinh vật. Điều này là do thành tế bào và màng

tế bào của sinh vật nguyên sinh được cấu thành từ những chất hữu cơ phức tạp như:


2

peptidoglycan, teichoic acids, và polysaccarit phức tạp ngăn cản quá trình phân hủy

sinh học. Do khả năng phân hủy thấp nên quá trình phân hủy sinh học đòi hỏi thời

gian dài khoảng 30- 60 ngày.

3. CƠ SỞ CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY BÙN

Mục đích chính của quá trình phân hủy bùn là phá vỡ thành tế bào và tạo điều kiện

thuận lợi cho quá trình phân hủy nội bào trong pha nước. Điều này sẽ đẩy nhanh sự

phân rã tiếp theo và giảm thời gian lưu cần thiết trong quá trình phân hủy. Quá trình

phân hủy bùn cũng phá vỡ các hợp chất hữu cơ khác thành các chất khối lượng nhỏ

hơn. Điều này cũng quan trọng nhằm lưu ý rằng quá trình phân hủy bùn không chỉ là

giới hạn bởi quá trình phân hủy. Quá trình phân hủy bùn cũng cung cấp các chất hòa

tan tại chỗ (on-site soluble substrate) cho các nhà máy xử lý nước thải trong quá trình

loại bỏ chất dinh dưỡng (BNR). Phân hủy bùn có thể tiến hành bởi phương pháp vật

lý, nhiệt, hóa học và sinh học.

4. SỰ PHÂN HỦY BÙN BẰNG SÓNG SIÊU ÂM

4.1. Ƣu và nhƣợc điểm của quá trình tiền xử lý siêu âm

Trong nhiều thập kỷ, sóng siêu âm đã được sử dụng để phá vỡ tế bào sinh học với

mục đích là thu hồi vật liệu nội bào và nó đang được nghiên cứu để tăng khả năng ứng

dụng trong việc xử lý bùn đô thị. Phân hủy bùn bằng sóng siêu âm là một quá trình vật

lý và do đó nó không tạo ra các hợp chất thứ cấp độc hại cũng không làm tăng các

chất hóa học. Ngoài phân hủy bùn vật lý thì nhiều hợp chất độc hại và các chất hữu cơ

khó phân hủy như: hợp chất vòng thơm, hợp chất halogen, chất có hoạt tính bề mặt,

thuốc nhuộm,…cũng bị phá vỡ thành các dạng đơn giản hơn. Điều này là do quá trình

phản ứng oxy hóa sinh ra các gốc hydroxy tự do (OH•), hydrogen (H•), hydroperoxyl

(HO•2), hydrogen peroxide (H2O2) trong quá trình tiền xử lý bằng sóng siêu âm, dẫn

đến sự oxy hóa các hợp chất khó phân hủy sinh học.

Một số ưu điểm khác của tiền xử lý siêu âm:

Thiết kế nhỏ gọn và dễ dàng trang bị thêm cho hệ thống hiện có


3

Chi phí thấp và hoạt động có hiệu quả so với các quá trình tiền xử lý khác

Sản phẩm của an in situ carbon source for denitrification plants.

Quá trình tự động hóa hoàn toàn

Khả năng kiểm soát kích thược sợi và tạo bọt trong bể phân hủy

Khả năng phân hủy ổn định hơn

Cải thiện quá trình phân hủy VS và sản xuất khí sinh học

Quá trình tách nước tốt hơn

Cải thiện chất lượng chất rắn sinh học ( hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học

còn lại, giảm tác nhân gây bệnh,..)

Tiền xử lý siêu âm cũng có những mặt hạn chế. Một trong những vấn đề chính là

nguồn vốn cao, và chi phí vận hành. Chi phí này sẽ giảm bớt khi công nghệ được hoàn

thiện. Tương tự như vậy, dữ liệu về hiệu suất của hệ thống siêu âm còn hạn chế.

4.2. Cơ chế của phân hủy bùn bằng sóng siêu âm

Sóng siêu âm là sóng âm thanh có tần số nằm trên ngưỡng nghe của con người

(>20kHz). Hình 1 cho thấy tần số của sóng âm thanh. Khi sóng siêu âm lan truyền

trong môi trường bùn, nó sẽ tạo ra mô hình tuần hoàn nén và rút khí trong môi trường.

Những vùng rút khí là những vùng có áp suất thấp (áp suất âm quá lớn) trong đó chất

lỏng hoặc bùn bị phá vỡ. Kết quả của quá trình giảm áp lực, các bọt khí nhỏ được hình

thành trong khu vực hiếm khí. Những bọt khí có kích thước nhỏ, được gọi là bong

bóng sủi bọt, về cơ bản có chứa chất lỏng bay hơi và khí trước đó đã được hòa tan vào

chất lỏng. Khi các đầu sóng lan truyền, các bọt khí dao động dưới ảnh hưởng của áp

lực dương, do đó chúng va chạm và tạo thành các bọt khí có kích thước lớn hơn trước

khi bị vỡ ra. Sự sủi bọt khí là hiện tượng bọt khí được hình thành trong pha lỏng và nở

rộng kích thước, sau đó nhanh chóng bị vỡ ra. Việc vỡ ra của các bọt khí làm cho

nhiệt độ bên trong lên tới 5000K và áp suất lên đến 180Mpa. Sự phá vỡ đột ngột và

mạnh mẽ của một số lượng lớn các bọt khí taọ cho quá trình thủy phân diễn ra mạnh


4

mẽ. Sự vỡ ra của các bọt khí kéo theo sự phá vỡ các thành tế bào và màng tế bào của

các vi khuẩn kề nó.

Hình 1: Sóng ở các tần số khác nhau

Nhiệt độ và áp suất cao cũng góp phần làm tăng quá trình phân hủy của bùn. Ở nhiệt

độ cao, chất béo trong màng tế bào chất bị phân hủy tạo ra các lỗ trống trong màng tế

bào, thông qua đó vật liệu nội bào thoát ra trong pha nước

Điều này quan trọng để tính toán nhiệt tiềm tàng (the heating potential) trong quá trình

tiền siêu âm dưới tác động của nhiệt độ. Ví dụ, năng lượng đầu vào là 0.11 W/ml =

110 W/L hay 110 J L−1s−1; nghĩa là, nó sẽ mất 4200/110 hoặc 38 s để tăng nhiệt độ

lên 1◦C.

Ngoài ra, các phản ứng phát quang do siêu âm (sonochemical) dẫn đến sự hình thành

các gốc hydro tự do (e.g., OH•, HO•2, H•) và hợp chất oxy hóa mạnh cũng góp phần

vào quá trình phân hủy bùn bằng sóng siêu âm.

Sự phân hủy xảy ra tốt hơn ở tần số thấp từ 20 – 40 Hz. Điều này có thể là do khả

năng thủy phân và xâm thực tốt hơn ở tần số thấp. Cơ chế phân hủy bằng sóng siêu

âm của bùn hoạt tính ở tần số 20 Hz: NaHCO3 được thêm vào như một tác nhân để

loại trừ hiệu ứng oxy hóa của các gốc hydro (OH•) trong quá trình phân hủy bằng

sóng siêu âm. Các bicarbonate phản ứng với gốc hydroxyl do đó loại trừ trong quá

trình phân hủy bùn. Vì vậy, sự phân hủy bùn trong điều kiện có mặt NaHCO3 có thể

đoán được là do quá trình thủy phân. Các nhà nghiên cứu đã nhận thấy rằng quá trình

thủy phân là nguyên nhân chủ yếu của quá trình phân hủy bùn hoạt tính khi NaHCO3


5

được thêm vào với cường độ sóng siêu âm là 0.384W/ml hoặc thấp hơn. Tuy nhiên, sự

đóng góp của các gốc oxy hóa chiếm ưu thế cao hơn ở cường độ sóng siêu âm 0.72

W/ml.

Một cơ chế xảy ra khi bùn được xử lý sóng âm là dòng âm (acoustic streaming). Điểm

chính trong xử lý bùn là quá trình trộn, tạo điều kiện để phân phối năng lượng sóng

siêu âm trong khối bùn, đối lưu của chất lỏng và phân phối lượng nhiệt bất kỳ xuất

hiện. Toàn bộ thiết bị có ba khu vực truyền âm thanh. Khu vực lớn nhất, Eckart (khu

vực I như thể hiện trong hình 2) là khu vực xa nhất tính từ công cụ tạo ra sự rung

động và lưu thông dòng điện được xác định bởi hình dạng của thiết bị và bước sóng

của sóng âm trong chất lỏng. Khu vực gần thiết bị phát âm (khu vực II) hình dạng và

kích thước của nó chủ yếu được xác định bởi các thiết bị âm thanh. Khu vực gần nhất

(khu vực III), được gọi là Schlichting, tiếp giáp với lớp chất lỏng và sóng âm. Lớp này

là tương đối mỏng. Ví dụ, ở tần số 20 Hz, lớp ranh giới âm thanh cho nước ở 20oC là

nhỏ hơn 4 micromet Tất cả ba khu vực này đều đóng vai trò quan trọng trong quá

trình khuấy trộn chất lỏng.

Hình 2: Các vùng của dòng âm


6

4.3. Cơ chế của việc phát sinh năng lƣợng của sóng siêu âm

Để hiểu rõ hơn về quá trình phân hủy bùn bằng sóng siêu âm, điều quan trọng là xem

xét sự phát sinh năng lượng của sóng siêu âm. Trong khi việc sử dụng sóng siêu âm

năng lượng thấp được sử dụng rộng rãi trong y tế và không phá hủy vật liệu, việc sử

dụng sóng siêu âm năng lượng cao, đặc biệt là trong xử lý bùn, đang ngày càng trở

nên phổ biến. Trong lịch sử có hai cơ chế để sản xuất ra năng lượng sóng siêu âm là từ

giảo và điện áp. Mỗi cơ chế có lợi ích và hạn chế riêng. Công nghệ từ giảo dựa trên

một loại vật liệu chịu sức căng khi tiếp xúc với từ trường. Chẳng hạn như niken được

sử dụng trong trường hợp này và một hợp kim khác gọi là Terfenol-D giãn nở lớn hơn

dưới tác dụng của sức căng từ tính. Ngược lại, đối với các đầu dò điện áp thì dựa trên

một loại vật liệu đã bị kéo căng khi tiếp xúc với dòng điện.

4.4. Phân phối năng lƣợng siêu âm

Ba thành phần chính của hệ thống sóng siêu âm là công cụ chuyển đổi (bộ chuyển

đổi), máy tăng thế, bộ phát âm (rung). Công cụ chuyển đổi chuyển năng lượng điện

thành năng lượng sóng siêu âm (dao động). Máy tăng thế là một bộ cơ khí khuếch đại

giúp tăng biên độ (độ rung) tạo ra bởi các chuyển đổi. Bộ phát âm là công cụ được

thiết kế đặc biệt để mang lại các năng lượng sóng siêu âm đến bùn. Hình 3 thể hiện sự

sắp xếp công cụ chuyển đổi, máy tăng thế và bộ phát âm trong một hệ thống siêu âm

thông thường.


7

Hình 3: Chi tiết hệ thống sóng siêu âm điện áp 20kHz

Như vậy, máy tăng thế và bộ phát âm được thiết kế để phóng đại biên độ chuyển động

siêu âm. Máy tăng thế được đặt giữa bộ chuyển đổi và bộ phát âm, vì độ dịch chuyển

điển hình của năng lương siêu âm là 20µmpp và điều này không hiệu quả trong quá

trình xử lý bùn, thường dùng năng lượng siêu âm là 50 µmpp.

Lợi ích của máy tăng thế và bộ phát âm được lấy xấp xỉ bằng cách đánh giá khối

lượng ở trên và dưới sơ đồ nút (khu vực không có chuyển động). Bởi vì trạng thái cân

bằng và khả năng tương thích, các lực (F) [MLS−2] trên và dưới sơ đồ nút phải được

cân bằng. Khối lượng M1(M) và M2(M ) phải khác nhau và gia tốc (a1, a2) [LS−2]

cũng phải khác nhau, dẫn đến biên độ dao động khác nhau.

F1 = F2 m1a1 = m2a2 = (1)

Một trong các tiêu chuẩn thiết kế của bộ phát âm là tính đồng nhất của biên độ. Đối

với bộ phát âm có kết cấu tương đối nhỏ thì điều này không quan trọng, tuy nhiên đối

với bộ phát âm có kết cấu lớn (hình 4) thì tính đồng nhất của biên độ rất khó đạt được.

Thường chúng được thêm vào các ổ đĩa phía sau các bộ phát âm hoặc cắt xén gần bề

mặt của bộ phát âm nơi mà có tính đồng nhất biên độ thấp. Ngoài ra, với các kết cấu

có kích thước lớn hơn gọi là hiệu ứng “Poisson” có thể tạo ra chế độ rung động không


8

mong muốn. Trong trường hợp này, vật liệu giãn ra bên ngoài bởi vì các tỷ lệ vật liệu

của “Poisson”. Có rất nhiều mẫu thiết kế bộ phát âm, một số thiết kế điển hình được

thể hiện ở hình 4.

Hình 4: Ví dụ bộ phát âm phổ biến

4.5. Định lƣợng năng lƣợng/ năng lƣợng đầu vào của quá trình xử lý bùn

Tính kinh tế của hệ thống xử lý bùn bằng sóng siêu âm được chi phối bởi công suất

(W hoặc kW) hoặc năng lượng (J or kJ) đầu vào cần thiết để đạt phân hủy bùn hiệu

quả. Như vậy, việc định lượng năng lượng/ năng lượng đầu vào để có hiệu suất phân

hủy như mong muốn là rất quan trọng để đánh giá hiệu quả của hệ thống siêu âm. Đây

sẽ là một yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn hệ thống siêu âm phù hợp với lĩnh vực

ứng dụng. Năng lượng đầu vào cần thiết để đạt được hiệu suất phân hủy bùn như

mong muốn phụ thuộc vào đặc tính bùn (ví dụ, hàm lượng TS, độ nhớt của bùn, thành

phần hữu cơ, bản chất của bùn,…) và cách thiết kế hệ thống siêu âm. Hiện nay chưa

có mô hình hợp lý cho tất cả các yếu tố này. Vì vậy hệ thống siêu âm cần được nghiên


9

cứu và thử nghiệm để kiểm tra hiệu quả năng lượng của nó trước khi áp dụng trên quy

mô rộng rãi.

Công suất hoặc năng lượng cung cấp cho quá trình phân hủy bùn được thể hiện theo

một số cách dưới đây:

Năng lượng đầu vào: là năng lượng đầu vào trên một đơn vị bùn (TS) để đạt được

mức độ phân hủy nhất định. Năng lượng đầu vào là một hàm số tương quan giữa năng

lượng siêu âm, thời gian siêu âm, khối lượng bùn và hàm lượng TS, được tính toán

qua phương trình sau:

Espec = (2)

Trong đó, Espec là năng lượng đầu vào, đơn vị kWs/kg TS (kJ/kg TS) [L2T−2],

P là năng lượng siêu âm, kW [ML2T−3],

t là thời gian siêu âm, giây [T],

V là khối lượng bùn, (lít (L3)

và TS là tổng chất rắn kg/L [ML−3].

Liều lượng siêu âm: là năng lượng cần cung cấp cho mỗi đơn vị khối lượng và được

biểu diễn là Ws/L hay kWs/L (J/L or kJ/L) [ML−1T−2]. Tuy nhiên, nó tính đến hàm

lượng TS trong quá trình tính toán. Liều lượng siêu âm bùn có hàm lượng TS nhất

định không thể so sánh trực tiếp được với bùn có hàm lượng TS khác nhau. Trong thời

gian dài hàm lượng TS vẫn còn tương đối ổn định thì liều lượng siêu âm là một

phương pháp thể hiện năng lượng đầu vào của quá trình phân hủy bùn dựa trên cơ sở

khối lượng.

Mật độ siêu âm: liên qua đến nguồn điện cung cấp cho mỗi đơn vị khối lượng bùn và

có đơn vị W/L or kW/L or W/ml [ML−1T−3]. Mật độ siêu âm cũng liên quan năng

lượng đầu vào và khối lượng bùn tương tự như liều lượng siêu âm. Tuy nhiên, mật độ

siêu âm không tính đến thời gian.


10

Cường độ siêu âm: được định nghĩa là năng lượng cung cấp cho bùn trên mỗi đơn vị

diện tích chuyển đổi và có đơn vị W/cm2 [MT−3]. Do đó, cường độ siêu âm phản ánh

khả năng tạo ra năng lượng của chuyển đổi. Ở biên độ cao hơn thì cường độ siêu âm

cao hơn sẽ được sản xuất.

4.6 Đánh giá hiệu quả phân hủy siêu âm

Mục đích chính của tiền xử lý siêu âm là phá hủy thành tế bào của các vi khuẩn và

sinh ra vật liệu nội bào trong pha nước (the aqueous phase). Ngoài ra, siêu âm cũng

giúp phân rã chất kết tụ sinh học và phá vỡ các hạt hữu cơ lớn thành hạt có kích thước

nhỏ. Việc đánh giá định lượng cung cấp nhiều thông tin có giá trị cần thiết cho thiết kế

và quá trình tối ưu hóa của một hệ thống siêu âm, như:

(a) Hiệu quả của một hệ thống siêu âm được lựa chọn,

(b) Đánh giá năng lượng đầu vào tối thiểu cần thiết để phá vỡ tế bào.

(c) Các dữ liệu vận hành tối ưu (hàm lượng TS, thời gian, mật độ siêu âm, tần số, biên

độ, vv..) để tối đa hóa sự phân hủy bùn.

(d) Tổng chi phí vận hành của hệ thống siêu âm cho sự phân hủy bùn.

Như vậy, đánh giá định lượng trở nên quan trọng để đánh giá hiệu quả bùn đang bị

phân hủy. Cho đến nay, không có mô hình lý thuyết có thể dự đoán sự phân hủy bùn.

Những phát hiện trong tài liệu rất rải rác. Điều này có thể là do quá nhiều yếu tố liên

quan với tiền xử lý siêu âm. Một số các biến là tần số hoạt động, thiết kế, các loại bùn,

hàm lượng TS, tỉ lệ hữu cơ, nhiệt độ hoạt động, cường độ siêu âm (hoặc cường độ

công suất), vv … thiết kế thiết bị phát âm được coi là một trong những yếu tố quan

trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu quả sự phân hủy bùn. Hầu hết các nghiên cứu được

công bố dựa trên kết quả thí nghiệm của hệ thống siêu âm nên thường kém hiệu quả.

Trực tiếp sử dụng các dữ liệu đó cho các thử nghiệm hoặc thiết kế quy mô có thể dẫn

đến sai số. Do đó, cần sự đánh giá đầy đủ trong việc mở rộng quy mô thí nghiệm

thành quy mô hoàn chỉnh.


11

Các thông số khác nhau được sử dụng để đánh giá hiệu quả sự phân hủy bùn, được

phân thành ba nhóm cụ thể là: vật lý (như thay đổi kích thước hạt phân phối và kiểm

tra bằng kính hiển vi), hóa học (như gia tăng nồng độ COD hòa tan và nồng độ

amoniac, và sự sự phân giải chất hữu cơ) và sinh học (tỷ lệ hấp thu sinh học và số dị

dưỡng).

4.6.1 Đánh giá vật lý

Phân tích kích thước hạt, hình ảnh dưới kính hiên vi, độ đục, và khả năng tách nước

của bùn là một số phương pháp được áp dụng để đánh giá hiệu quả của sự phân hủy

bùn siêu âm. Các yếu tố vật lý, đặc biệt là kích thước hạt phân phối và phân tích hình

ảnh từ kính hiển vi, được sử dụng như một cách thức đơn giản để đánh giá chất lượng

của sự phân hủy. Tiehm et al. (2001) đánh giá sự phân hủy bùn về sự thay đổi trong

kích thước hạt trung bình và độ đục ở tần số siêu âm khác nhau. Tác giả tìm thấy kích

thước trung bình hạt thấp nhất khoảng 20 µm và độ đục cao nhất là 120 NTU ở tần số

41 kHz. Kích thước hạt trung bình giảm từ 47,7 µm còn 31,2, 21, và 17,8 µm, khi

được chiếu siêu âm ở cường độ điện tương ứng từ 0,18 đến 0,33, và 0,52 W / ml,

(Mao et al., 2005). Các mẫu WAS được chiếu siêu âm trong 1 phút ở tần số 20 kHz

với năng lượng đầu vào tối đa là 1,5 kW. Chu et al. (2001) cũng đã kiểm tra ảnh

hưởng của mật độ và thời gian chiếu siêu âm khác nhau đối với kích thước khối bùn ở

tần số 20 kHz và năng lượng đầu vào tối đa là 110 W. Trong 120 phút chiếu siêu âm,

kích thước khối bùn không giảm ở cường độ chiếu là 0,11 W / ml. Khi mật độ chiếu

tăng 0,22 W / ml, kích thước khối bùn bắt đầu giảm. Với mật độ chiếu siêu âm cao

hơn 0,33 và 0,44 W / ml, kích thước khối bùn giảm từ 99 µm còn khoảng 22 - 3µm

trong vòng 20 phút chiếu siêu âm. Các tác giả quan sát thấy kích thước khối bùn

không giảm quá 3 µm khi chiếu thêm 120 phút nữa. Như vậy, trong quá trình phân

hủy bùn thì cường độ siêu âm là quan trọng hơn thời gian chiếu siêu âm.

Bougrier et al. (2005) đã kiểm tra sự phân bố kích thước hạt tại những mức năng

lượng đầu vào khác nhau (kJ / kgTS) bằng cách sử dụng siêu âm ở tần số 20 kHz và

cung cấp năng lượng 225W. Đường kính cắt, d50 (có nghĩa là, 50% của các hạt [theo


12

thể tích] với đường kính bằng hoặc thấp hơn so với d50) của các hạt bùn có xu hướng

giảm khi năng lượng đầu vào tăng. D50 của bùn tại các mức năng lượng đầu vào : 0,

660, 1.350, 6.950 và 14.550 kJ / kgTS tương tứng là : 32, 19,6, 18,5, 17,6, và 12,7

µm. Trong một nghiên cứu khác, Tiehm et al. (1997) cũng cho thấy d50 của hạt bùn

giảm từ 165 µm xuống thành 135 và 85µm trong 29,5 và 96 giây tại tần số 31 kHz và

năng lượng cung cấp là 3,6 W.

Sự phân hủy bùn đã được kiểm tra rộng rãi dựa trên quan sát trực quan bằng cách sử

dụng kính hiển vi điện tử và ánh sáng. Kính hiển vi ánh sáng có thể miêu tả các thông

tin như thay đổi cấu trúc trong khối bùn, sự biến mất của các sợi bùn, vv…, trong quá

trình sử dụng sóng siêu âm, như trong hình 5. Tuy nhiên, hình ảnh từ kính hiển vi

không cung cấp thông tin ở mức độ tế bào.

Hình 5: Quan sát kính hiển vi của WAS: (a) trước khi siêu âm (b) sau khi siêu âm ở

năng lượng đầu vào không đổi 1.5kW và 20kHz.

Khi WAS đã được quan sát dưới kính hiển vi trước khi sử dụng sóng siêu âm, cấu trúc

của khối bùn giống như một số lượng lớn các sợ bùn xoắn vào nhau (hình 5A). Trong

vòng hai phút sử dụng sóng siêu âm, các sợi và khối bùn gần như được phân rã hoàn

toàn và một số kết cấu đồng nhất xuất hiện (hình 5B).

Ảnh quét từ kính hiển vi điện tử (SEM) cung cấp thông tin kỹ lưỡng hơn về sự phân

hủy bùn, đặc biệt là ở cấp độ tế bào - hình 6. Trước khi sử dụng sóng siêu âm, các

khối bùn giống như một số lượng lớn các sợ bùn xoắn vào nhau (Hình 6A). Những

cấu trúc gồm sợi mảnh vụn hữu cơ cơ bản (có đường kính ít hơn ¼ µm) gắn chặt vào

khối bùn. Trong thời gian 2 phút sử dụng sóng siêu âm, khối bùn cũng như sợi bị phá


13

vỡ đáng kể mà không phá hủy các tế bào vi khuẩn - hình 6B. Khi sử dụng sóng siêu

âm hơn 10 phút, sự phân hủy gần như hoàn toàn của khối bùn và các sợi đồng thời

quan sát được một vài tế bào vi khuẩn phân tán (hình 6C). Khi sử dụng sóng siêu âm

30 phút, nhiều thành tế bào bị phá thủng (Hình 6D).

Hình 6: Hình ảnh SEM của WAS tại các thời điểm siêu âm khác nhau với năng lượng

đầu vào 1.5kW, tần số 20kHz. (A) 0 phút (B) 2 phút (C) 10 phút và (D) 30 phút

4.6.2 Đánh giá hóa học

Đánh giá hóa học thì tốt hơn trong đánh giá sự phân hủy bùn so với đánh giá vật lý.

Đánh giá hóa học chủ yếu là đo sự hòa tan của WAS trong pha nước. Trong kỹ thuật

môi trường, tất cả các chất hữu cơ tạo thành được gộp lại với nhau và được đo là sự

gia tăng nhu cầu oxy hóa học hòa tan (SCOD). Tuy nhiên, điều quan trọng là cần lưu

ý rằng tiền xử lý siêu âm cũng phân hủy vật chất ngoại bào bao gồm các mảnh vụn

hữu cơ và các chất ngoại bào cao phân tử (ESP), mà cũng trở thành một phần của

SCOD. Vì vậy, SCOD là một tham số tổng để xác định số lượng bùn phân hủy.

Gần như tất cả các tài liệu công bố về sự phân hủy siêu âm sử dụng đo lường SCOD

đánh giá hiệu quả sự phân hủy bùn. Nhiều nghiên cứu trình bày sự gia tăng SCOD

tương ứng với thời gian sử dụng sóng siêu âm. Sự phân hủy siêu âm phụ thuộc vào

nhiều yếu tố như lượng TS, tần số, loại bùn, công suất tối đa cung cấp cho mỗi đơn vị

khối lượng bùn (hoặc mật độ siêu âm), nhiệt độ, thời gian sử dụng sóng siêu âm,


14

vv…, và các thông tin như vậy không được mô tả trong tài liệu. Để so sánh tốt hơn, sự

tạo thành SCOD cần phải được tương quan với năng lượng đầu vào (xem phương

trình 2). Hình 7 cho thấy SCOD tăng khi năng lượng đầu vào khác nhau. Từ hình cho

thấy, đạt được sự phân hủy các chất rắn sinh học và không sinh học (từ sự gia tăng

liên tục SCOD) khi thời gian sử dụng sóng siêu âm lâu hơn, và với năng lượng cung

cấp cao hơn. Điều này là bởi vì tại thời gian sử dụng sóng siêu âm dài hoặc năng

lượng cung cấp lớn hơn, làm cho các tế bào và các mảnh vụn hữu cơ bị phân rã thành

những khối nhỏ. Tuy nhiên, việc hình thành SCOD chậm lại khi năng lượng đầu vào

trên 35 kJ / gTS. Điều này rất có thể là do cạn kiệt các chất hữu cơ và oxy hòa tan.

Căn cứ vào kết quả này, năng lượng đàu vào bằng 35 kJ / gTS được cho là tối ưu cho

sự phân hủy bùn với loại bùn có 3% lượng TS. Điều quan trọng là chỉ ra mức tối ưu

hóa của các yêu cầu năng lượng cho sự phân hủy bùn hiệu quả, điều này cũng làm

tăng hiệu quả chi phí cho quá trình sử dụng sóng siêu âm để sử lý bùn. Vì vậy, mỗi

đơn vị siêu âm phải được kiểm tra cho các điều kiện cụ thể (ví dụ, hàm lượng TS, các

loại bùn, vv), và điều kiện hoạt động (thời gian sử dụng sóng siêu âm, cường độ chiếu,

mật độ, tần số, vv) để tối ưu hóa hệ thống siêu âm phân hủy tối đa.

Hình 7: Hiệu quả năng lượng đầu vào lên sự tăng SCOD (tần số 20kHz, năng lượng

tối đa 1.5kW, nồng độ TS 3% và cường độ sóng siêu âm 1.07 W/ml).


15

Kunz và Wagner lần đầu tiên đề nghị sử dụng một tham số được gọi là "mức độ của

sự phân hủy” (DD) để định lượng hiệu quả bùn phân hủy. Việc xác định của DD được

chủ yếu dựa trên đo COD được đưa ra bởi các phương trình sau đây:

Trong đó:

CODultrasound là COD lớp nước bên trên bùn trong mẫu được xử lý siêu âm, (mg / L)

[ML-3],

CODoriginal là COD của lớp nước bên trên bùn của mẫu bàn đầu (không xử lý siêu âm,

(mg / L) [ML-3],

CODNaOH22hr là COD của lớp nước bên trên tại 22h sau khi thêm 1 M dung dịch

NaOH (mg / L) [ML-3,

CODNaOH0 là COD của lớp nước bên trên bùn tại thời điểm ban đầu sau khi thêm 1 M

dung dịch NaOH (mg / L) [ML-3],

CODNaOH* là COD của mẫu ngay sau khi thêm dung dịch NaOH 1M (mg / L) [ML-3],

và CODhomogenization là COD của mẫu ban đầu sau khi đồng nhất (mg / L) [ML-3].

(CODultrasound - CODoriginal) đại diện cho COD hòa tan tạo thành do sự phân hủy siêu

âm và (CODNaOH22hr-CODNaOH0) đại diện cho COD hòa tan bởi sự phân hủy hóa học.

Sự tạo thành COD bởi sự thêm vào NaOH (sự phân hủy hóa học) được giả định để

dẫn đến sự phân hủy hoàn toàn bùn và được sử dụng là COD tham chiếu. Tỷ lệ

CODNaOH và CODhomogenization đại diện cho COD của mẫu trước và sau khi bổ sung 1 M

NaOH trong tỷ lệ 1:3.5 20 ◦ C. Miller đưa ra phương trình tính toán DDCOD như sau:

Trong đó,


16

CODultrasound là COD của lớp nước bên trên bùn của mẫu được siêu âm (mg / L);

CODoriginal là COD của lớp nước bên trên bùn ban đầu (mẫu không xử lý) (mg / L) và

CODNaOH là COD tối đa trong lớp nước bên trên bùn sau khi phân hủy NaOH. Xử lý

NaOH được thực hiện bằng cách xử lý mẫu bùn với dung dịch NaOH 1 M trong tỷ lệ

01:02 trong 10 phút ở 90 ◦ C. Lớp nước bên trên thu được bằng cách ly tâm trong 10

phút ở 30.000 g và nhiệt độ của 4 ◦ C.

Mẫu lớp nước bên trên bùn sau khi ly tâm ở 10.000 g qua bộ lọc màng kích thước

0,45 micron.

Mục tiêu tổng thể của sự phân hủy hóa học là hình thành tối đa các chất hữu cơ hòa

tan từ bùn. Dữ liệu này được lấy làm cơ sở để làm sáng tỏ hiệu quả của sự phân hủy

siêu âm. Điều quan trọng là cần lưu ý rằng các điều kiện cho sự phân hủy thử nghiệm

có thể khác nhau tùy thuộc vào loại bùn và thành phần TS. Vì vậy, các nhà nghiên cứu

cần phải tiến hành một loạt các nghiên cứu thăm dò đối với nồng độ và số lượng

NaOH được sử dụng, thời gian phản ứng nhiệt độ và phát triển công thức chuẩn cho

sự phân hủy hóa học lý tưởng phù hợp với mẫu bùn.

Mức độ của sự phân hủy chủ yếu dựa trên xác định COD, các nhà nghiên cứu cho

rằng xác định DD là khá chậm trong thời gian một ngày và cũng là tốn kém do nhu

cầu của số lượng lớn các phân tích mẫu COD. Do đó, các tác giả đề nghị đo lường

protein như là một thay thế để xác định DDCOD. Hệ số tương quan (R2) trong sự gia

tăng hàm lượng protein (ΔProtein), DDKW, và DDM tương ứng với sự gia tăng sản

lượng khí sinh học (biogas). Khi mẫu bùn được thu thập hai lần từ một nhà máy và

một lần từ nhà máy khác và được xử lý siêu âm, các tác giả nhận thấy rằng hệ số cho

ΔProtein / Δkhí sinh học cao hơn nhiều (R 2 = 0,97) so với DDKW / khí sinh học (R

2

=. 54) và DDM / khí sinh học (R 2 = 0,83), xác định protein đáng tin cậy hơn để đánh

giá sự phân hủy siêu âm bùn.

Kiểm tra sự tạo thành các protein, polysaccharide, và deoxyribonucleic acid (DNA)

trong pha nước quá trình phân hủy siêu âm của WAS tại năng lượng đầu vào khác

nhau. Protein chiếm ưu thế trong pha nước và nồng độ của nó tăng theo cấp số nhân,


17

đạt 2500 mg / L tại năng lượng đầu vào 50 kJ /gTS. Sau đó, sự gia tăng nồng độ

protein bị chậm lại với sự tăng năng lượng đầu vào. Sự gia tăng trong polysaccharide

và DNA đạt giới hạn.

Protein là thành phấn quan trọng tạo nên tế bào vi khuẩn. Các chất EPS (extracellular

polymeric substances) cũng chứa protein. Wang et al. (2006) đưa ra nồng độ protein

là 698 mg/l trong EPS và 11338 mg / L trong ết bào sinh vật với nồng độ TS 3%. Do

đó, định lượng của sự phân hủy bùn bằng việc đo lường protein có thể được sử dụng

một cách đáng tin cậy. Tuy nhiên, đo lường protein đo lường không phổ biến, vì

không có xuất bản nào sử dụng đo lường protein để đánh giá hiệu quả của sự phân hủy

bùn siêu âm. Đo COD là phương pháp được lựa chọn do sự đơn giản.

Khanal et al. (2006c) đã nghiên cứu sự tạo thành nồng độ N-amoniac với nồng độ TS

và năng lượng đầu vào (kJ / gTS ) khác nhau trong quá trình phân hủy siêu âm của

WAS. Kết quả cho thấy rằng sự tạo thành nồng độ N-amoniac tăng với sự gia tăng

năng lượng đầu vào và nồng độ TS (hình 8). Nồng độ N-amoniac đạt được sự ổn định

tại mức năng lượng đầu vào 20 KWs/gTS đối với 2.0, 2.5, và hàm lượng TS 3%, và

10 KWs / GTS với hàm lượng TS là 1,5%. Trong thời gian sử dụng sóng siêu âm, các

tế bào vi khuẩn được phân hủy tạo thành nitơ hữu cơ trong tế bào vào trong pha nước,

đó là sau đó thủy phân ammonia. Điều này dẫn đến sự gia tăng lượng nitơ amoniac

trong pha nước. Điều này chỉ ra rằng sự phân hủy nitơ hữu cơ từ các mảnh vỡ không

sinh học cũng có thể đóng góp vào sự tạo thành nitơ amoniac.


18

Hình 8: Sự tạo thành NH3-N trong quá trình phân hủy bùn tại các mức năng lượng

đầu vào và nồng độ TS khác nhau

Sự tạo thành nito (nitơ hữu cơ hòa tan và nitơ amoniac) được quan sát thấy trong quá

trình siêu âm WAS nén tại những mức năng lượng đầu vào khác nhau. Tổng nitơ

Kjeldaln (TKN) không thay đổi. Điều này cho thấy siêu âm không góp phần vào việc

khoáng hoá nitơ hoặc bay hơi. Tuy nhiên, nitơ hữu cơ và nitơ amoniac tăng lên trong

pha nước với gia tăng năng lượng đầu vào, và giảm đồng thời nitơ hữu cơ trong giai

đoạn rắn

Như vậy, việc tào thành amoniac và nitơ hữu cơ hòa tan trong pha nước có thể là một

công cụ hữu ích để đánh giá hiệu quả phân hủy của siêu âm.

4.6.3 Đánh giá sinh học

Việc đánh giá sinh học bao gồm đếm các tấm dị dưỡng và tỷ lệ hấp thu oxy (SOUR).

WAS chủ yếu bao gồm các vi khuẩn dị dưỡng, việc đo lường sự tồn tại của chúng

trong quá trình xử lý siêu âm cũng có thể cung cấp dữ liệu về hiệu quả của sự phân

hủy siêu âm. Chu et al. (2001) báo cáo tỷ lệ tồn tại (tỷ lệ vi khuẩn sau khi siêu âm so

với mẫu ban đầu) là 44% đối với các vi khuẩn dị dưỡng với mật độ chiếu sóng siêu

âm là 0,33 W / ml trong thời gian 120 phút. Tuy nhiên, số tấm dị dưỡng không phải là

một phương pháp thực tế để đánh giá hiệu quả phân hủy bùn.


19

WAS chủ yếu bao gồm các vi khuẩn hiếu khí và tùy nghi. Vì vậy,

đo lường tỷ lệ hấp thu oxy là một chỉ số tốt. Xử lý siêu âm làm phá hủy các tế bào vi

khuẩn, nên việc đo lường SOUR của WAS được siêu âm có thể được sử dụng để

đánh giá hiệu quả ph6an hủy bùn. Khanal et al. (2006c) kiểm tra SOUR tại những thời

gian siêu âm khác nhau. Các thí nghiệm được thực hiện bằng cách sử dụng 20 ml bùn

được siêu âm nồng độ TS 1,5%, và chất nền tổng hợp với SCOD 500 mg / L chất dinh

dưỡng đa lượng và vi lượng, được sử dụng là nguồn carbon. Kết quả SOUR được

hiển thị trong hình 9.

Hình 9: SOUR của WAS tại thời gian siêu âm khác nhau.

Từ hình vẽ cho thấy, các hoạt động sinh học của bùn được siêu âm giảm theo hàm mũ

trong 16 phút đầu tiên sử dụng sóng siêu âm, sau đó giảm ở tốc độ thấp hơn. Các hoạt

động giảm tới 55% khi WAS được sử dụng sóng siêu âm trong 16 phút so với không

có siêu âm Phát hiện này cho thấy rằng siêu âm có hiệu quả trong phân hủy các tế bào

vi khuẩn. Việc sinh ra SCOD có thể không đo lường chính xác hiệu quả của siêu âm.

Sự phá hủy tế bào vi khuẩn không cần thiết sinh ra vật chất nội bào. Như vậy, việc sử

dụng tỷ lệ hấp thu oxy là một công cụ hữu ích và thiết thực để đánh giá sự phân hủy tế

bào.

Rai et al. (2004) sử dụng thuật ngữ mức độ khử hoạt tính (DDOUR) dựa trên dữ liệu tỷ

lệ hấp thu oxy (OUR), tương tự như mức độ phân hủy (DDCOD). DDOUR có thể được

tính bằng cách sử dụng các biểu thức sau đây:


20

trong đó,

OURsonocated là tỷ lệ hấp thụ oxy của bùn siêu âm, mg O2 / L-min [ML-3 T-1]

và OURoriginal là tỷ lệ hấp thu oxy mẫu ban đầu (không siêu âm)

Hình 10:Mức độ khử hoạt tính ở mức năng lượng đầu vào khác nhau

DDOUR tăng nhanh chóng với sự tăng năng lượng đầu vào đến 40 kJ / gTS, sau đó tăng

chậm lại (hình 10) Tại năng lượng đầu vào 8 kJ / gTS, DDOUR là âm. Điều này có

nghĩa rằng DDOUR của bùn được siêu âm cao hơn so với không siêu âm. Tại năng

lượng đầu vào thấp, các tế bào vi sinh vật không bị phá hủy và khối bùn chỉ đơn giản

là phân rã thành từng tế bào vi sinh vật. Đo tỷ lệ hấp thu oxy tương đối đơn giản và

thực hiện trong 20 phút hoặc ít hơn. Bên cạnh đó, còn đo các hoạt động sinh học. Như

vậy, xác định DDOUR dựa trên đo lường OUR là một công cụ rất hữu ích để đánh giá

sự phân hủy bùn, đặc biệt là WAS. Tuy nhiên, tính linh hoạt của phương pháp này cần

được kiểm tra theo điều kiện khác nhau và tương quan với tỷ lệ tiêu hóa bùn trong

điều kiện hiếu khí hay kỵ khí.


21

4.7 Các yếu tố ảnh hƣởng đến tính hiệu quả của sóng siêu âm

Hiệu quả của siêu âm được điều chỉnh bởi một số yếu tố. Những yếu tố này có thể

được phân loại thành ba loại: (a) đặc điểm bùn (rắn), (b) điều kiện siêu âm và (c) thiết

kế của các thành phần siêu âm.

4.7.1 Đặc điểm bùn

Các đặc tính của bùn như loại bùn (thành phần chất rắn ban đầu, WAS hoặc phân

động vật, vv), thành phần TS và kích thước hạt có ảnh hưởng đáng kể về mặt hiệu ứng

sóng siêu âm. Trong báo cáo của Grnroos et al. (2005) có trình bày về nồng độ tối đa

của SCOD trong thành phần chất rắn khô cao nhất (DS). Tuy nhiên, các tác giả không

trình bày các số liệu về mgSCOD/gDS, cho nên khó có thể xác định được liệu sự phân

hủy bùn sẽ đạt hiệu quả nếu nồng độ chất rắn hơn hay không. Khanal et al. (2006c) đã

tiến hành một nghiên cứu kỹ lưỡng để đánh giá hiệu quả %TS trong SCOD với những

năng lượng đầu vào khác nhau. Các kết quả được trình bày trong hình 11.

Hình 11: Sự hình thành SCOD tại mức năng lượng đầu vào và nồng độ TS khác nhau

Trong hình 11, lượng SCOD sinh ra tăng cùng với sự gia tăng thành phần TS và năng

lượng đầu vào. Tuy nhiên, quá trình tạo SCOD chậm lại ở năng lượng đầu vào trên 35


22

KWs / gTS ở tất cả các thành phần TS. Nồng độ SCOD ở 1.6, 2.2, 2.5, và 3.2 mg/kWs

tương ứng với TS là 1.5, 2.0, 2.5, và 3,0%. Điều này tương ứng với sự gia tăng lượng

SCOD sinh ra 38, 59, và 98% ứng với 2.0, 2.5, và 3,0%TS so với 1,5% TS.

TS tác động đáng kể lên SCOD sinh ra. SCOD sinh ra tăng từ 3.966 đến 9.019 mg/L

khi thành phần TS tăng 0,5-1% trong suốt 30 phút siêu âm ở mật độ siêu âm 1,44

W/ml. Những phát hiện này cho thấy với thành phần TS cao hơn sẽ có hiệu quả về

năng lượng hơn cho việc sử dụng sóng siêu âm so với thành phần TS thấp. Trong quá

trình sử dụng sóng siêu âm, vi bọt được hình thành, và trong pha nước có 2 hiện

tượng: (a) lực cắt thủy động giúp cho sự phân hủy tế bào vi khuẩn và các mảnh vụn

hữu cơ khác, (b) phản ứng âm-hóa tạo sự hình thành của các gốc phản ứng mạnh trong

quá trình phân hủy (ví dụ, OH •, HO •, H •) và hydrogen peroxide.

Ở tần số thấp 20 kHz, lực cắt xuất hiện là cơ chế chủ yếu của sự phân rã tế bào (Tiehm

et al, 2001). Lượng SCOD sinh ra cao hơn đạt được ở thành phần TS cao hơn. Có thể

giả thuyết rằng ở thành phần TS cao hơn, sự phá hủy của vi-bọt đã gia tốc cho các hạt

lân cận vi bóng bắn phá các hạt liền kề nó. Có khả năng là sự phong phú của các hạt ở

thành phần TS cao có thể đã tăng khả năng phân hủy bùn do va chạm hạt-hạt. Tuy

nhiên, ảnh hưởng của số lượng hạt (trong thành phần TS ) lên sự hình thành các vi bọt

trong bể chứa bùn vẫn chưa rõ.

Phân hủy bằng siêu âm cũng bị ảnh hưởng bởi các thành phần của bùn. Người ta tin

rằng các chất rắn không phân hủy sinh học, ví dụ như bùn sơ cấp và phân động vật, sẽ

tương đối dễ dàng phân hủy hơn so với bùn sinh học chẳng hạn như WAS. Tuy nhiên,

không có nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các loại bùn khác nhau và kích thước

hạt trong phân hủy bằng siêu âm. Một nghiên cứu về vấn đề này là quan trọng nếu

công nghệ siêu âm được áp dụng cho phân hủy chất rắn sơ cấp và phân động vật. Các

dữ liệu thu được từ sự phân hủy bùn sinh học không thể được ngoại suy trực tiếp do

các mức độ khác nhau của sự phân hủy.

4.7.2 Điều kiện siêu âm

Trong phương pháp siêu âm, thời gian, cường độ và mật độ, nhiệt độ, pH, tần số dao


23

động, biên độ và năng lượng đầu vào là các thông số quan trọng ảnh hưởng đến sự

phân hủy siêu âm. Hiển nhiên từ phương trình (2), năng lượng đầu vào cụ thể là tỷ lệ

thuận với thời gian siêu âm. Thời gian siêu âm dài có nghĩa là năng lượng đưa vào hệ

thống cao, kết quả là tạo ra SCOD cao hơn. Một số phát hiện về mức độ hòa tan với

điều kiện siêu âm khác nhau được tóm tắt trong Bảng 1. Wang et al. (2006) đã khảo

sát nồng độ SCOD sinh ra với 3 khoảng thời gian siêu âm lần lượt là 5, 15 và 20 phút

ở thành phần TS là 30%, tần số 20 KHz và mật độ siêu âm 0,768 W/ml. Các tác giả

quan sát thấy sự gia tăng nồng độ SCOD sinh ra từ 2581 đến 7509 mg/L, khi thời gian

siêu âm được tăng từ 5 đến 15 phút.

Tuy nhiên, khi phân hủy tiếp tục trong 20 phút, việc tạo ra SCOD bị chậm lại đáng kể

với nồng độ SCOD cuối cùng là 8912 mg/L.

Mặc dù đạt được nồng độ SCOD sinh ra cao nhất là mục tiêu chính của tiền xử lý siêu

âm, SCOD sinh ra cũng phải tương quan với năng lượng siêu âm đầu vào (được thể

hiện như mật độ siêu âm, cường độ siêu âm hoặc năng lượng đầu vào cụ thể). Sự

tương quan đó sẽ giúp tối ưu hóa năng lượng cần thiết để đạt được tỷ lệ phân hủy bùn

tối đa.

Một số nghiên cứu đánh giá SCOD sinh ra ở các mức năng lượng đầu vào khác nhau

và mật độ siêu âm như thể hiện trong Bảng 1. Mặc dù mức độ hòa tan được cải thiện

với sự gia tăng năng lượng đầu vào, tuy nhiên cải thiện không tỷ lệ thuận với năng

lượng đầu vào.

Sự biến thiên này là do hiệu quả chuyển giao năng lượng của các đơn vị siêu âm.

Nhiều báo cáo nghiên cứu về phân hủy bùn trong bảng 1 được thực hiện tại các tần số

từ 20 đến 40 kHz và 20 kHz là tần số tối ưu cho sự hình thành vi bọt.

Với cùng một năng lượng siêu âm đầu vào 3 W-min/ml, sự phân hủy bùn tại một mật

độ siêu âm là 0,5 W/ ml (thời gian siêu âm là 6 phút) mang lại 9,2% DDCOD, trong

khi một mật độ siêu âm là 0,1 W / ml (thời gian siêu âm là 30 phút) mang lại 7,3%

DDCOD (Zhang et al, 2007). Trên cùng một dòng, tác giả báo cáo 15,8% DDCOD ở

mật độ siêu âm 0.5 W/ml (thời gian siêu âm là 10 phút) và 11,3% ở mật độ siêu âm là


24

0,2 W/ml (thời gian siêu âm là 10 phút) với năng lượng đầu vào lần lượt là 5 và 6 W-

min/m. Grnroos et al. (2005) cũng quan sát thấy sự phân hủy bùn tốt hơn tại cùng một

năng lượng đầu vào, khi bùn được siêu âm ở mật độ siêu âm cao hơn trong một thời

gian ngắn hơn so với một mật độ siêu âm thấp hơn trong thời gian dài hơn. Những

phát hiện này cho thấy rằng sự phân hủy bùn hiệu quả thì mật độ siêu âm rõ ràng là

quan trọng hơn so với thời gian siêu âm.


25

Bảng 1: Chất rắn hữu cơ hòa tan tại những điều kiện siêu âm khác nhau

Loại bùn Năng lƣợng đầu vào (W)

và tần số (kHz)

Năng lƣợng

đầu vào

riêng

(kJ/kgTS)

Cƣờng độ

siêu âm

(W/mL)

Mức độ hòa tan

Tham khảo SCOD tạo

thành

(mg/l)

DDCOD (%) SCOD/COD

(%)

Bùn hoạt

tính thải

Năng lượng

đầu vào 1500

0

1.1

1542

N/A

4.2

Khanal et al

(2006c)

11000 2412 5.7

19600 3540 8.7

Tần số

20

28200 4824 12.3

34600 5846 13.7

66800 7022 16.2

Bùn hoạt Năng lượng N/A N/A 0 410 N/A N/A Zhang et al


26

tính thải có

loại bỏ dinh

dưỡng (TS

1%)

đầu vào 0.1 1050

(2007)

0.2 1500

Tần số

25

0.5 3150

1.0 4500

1.5 5400

Bùn hoạt

tính thải

(TS: N/A)

Năng lượng

đầu vào 1500

N/A

0 775

N/A N/A Mao et al

(2005)

0.18 950

Tần số

20

0.33 1200

0.52 1500

Bùn hoạt

tính thải

Năng lượng

đầu vào 750

0

N/A N/A N/A

5.8 Bougrier et

al (2005) 660 10.5


27

(TS: 1.85%) 1355 16.1

Tần số

20

2700 22.3

6951 33.1

N/A: không có số liệu


28

Trong việc đánh giá ảnh hưởng của điều kiện siêu âm lên sự phân hủy bùn, các thông

số như pH và nhiệt độ cũng quan trọng không kém. SCOD sinh ra tăng lên khi bùn

được xử lý siêu âm ở pH cao, như trong hình 12. Có khả năng việc bổ sung kiềm làm

tăng pH có thể đã làm suy yếu các bức tường tế bào vi khuẩn tạo điều kiện phân hủy

tốt hơn cho quá trình xử lý siêu âm. Do đó, xử lý kiềm trước sau đó mới ứng dụng

siêu âm có thể giảm chi phí năng lượng của các hệ thống siêu âm để đạt được tỷ lệ

phân hủy bùn mong muốn. Tuy nhiên, vẫn cần một nghiên cứu kỹ lưỡng để kiểm tra

tác động của việc bổ sung kiềm đối với ứng dụng siêu âm trong phân hủy bùn.

Hình 12: SCOD tạo thành ở pH khác nhau trong 30 phút siêu âm

Một nghiên cứu của Wang et al.(2005) đã khảo sát ảnh hưởng của pH, thành phần TS,

cường độ siêu âm, và mật độ phân hủy của bùn sinh học dựa trên một mô hình động

bằng cách sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính đa biến. Các tác giả tìm thấy sự

ảnh hưởng của từng tham số tới sự phân hủy bùn bằng siêu âm theo thứ tự: pH> lượng

bùn tập trung> cường độ siêu âm > mật độ siêu âm.

Sự siêu âm bùn dẫn đến gia tăng nhiệt độ trong pha nước. Nhiệt độ gia tăng phụ thuộc

vào thời gian siêu âm và mật độ siêu âm. Nghiên cứu của Tiehm et al. (1997) đã quan

sát thấy sự gia tăng nhiệt độ trong bùn từ 15 đến khoảng 45◦C trong suốt 64 giây siêu

âm ở tần số 31 kHz. Nghiên cứu của Chu et al. (2001) thì thấy sự gia tăng nhiệt độ

bùn rõ ràng trong 120 giây siêu âm. Nhiệt độ bùn lần lượt là 30◦C, 42◦C, 51◦C, và

56◦C với mật độ siêu âm tương ứng là 0,11 W/ml, 0,22 W/ml, 0,33 W/ml, và 0,44


29

W/ml. Ở mật độ không đổi là 0,44 W/ml, nhiệt độ bùn tăng từ 19◦C đến 30◦C, 50◦C,

và 56◦C khi siêu âm bùn trong thời gian siêu âm tương ứng là 0 , 20, 60, và 120 giây.

Nhiệt độ bùn tăng gần như tỷ lệ thuận với sự gia tăng mật độ siêu âm. Mức nhiệt độ

tăng là 0.15◦C, 0.28◦C, 0.43◦C, và 0,51◦C /s tương ứng mật độ siêu âm 0,11 W/ml,

0,22 W/ml, 0,33 W/ml, và 0,44 W/ml. Như vậy, mật độ siêu âm đóng vai trò quan

trọng hơn trong sự gia tăng nhiệt độ bùn so với thời gian siêu âm.

Sự hòa tan bùn cũng có thể là do hiệu ứng nhiệt từ sự gia tăng nhiệt độ bùn trong quá

trình siêu âm. Thường rất khó để đánh giá sự ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt vào mức

độ phân hủy bùn. Trong nghiên cứu của Chu et al (2001), lượng SCOD sinh ra tăng

gần 2,4 lần trong thời gian siêu âm là 60 phút tại mật độ siêu âm 0,33 W/ml mà

không có sự kiểm soát nhiệt độ, so với mẫu bùn được siêu âm ở nhiệt độ là 15◦C. Tuy

nhiên, không có nghiên cứu nào về nhiệt độ cuối cùng của bùn sau khi đã siêu âm.

Báo cáo của Grnroos et al. (2005) cũng cho thấy sự ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá

trình phân hủy bùn bằng phương pháp siêu âm. Các tác giả đã điều chỉnh nhiệt độ bùn

trong thí nghiệm của họ và đo lượng SCOD sinh ra trong 30 phút trong 2 trường hợp:

có và không sử dụng phương pháp siêu âm. Khi nhiệt độ bùn đã được tăng lên từ 30-

60◦C, lượng SCOD sinh ra tăng từ 750 đến 1550 mg/L khi không sử dụng phương

pháp siêu âm và tăng từ 2.150 đến 2.950 mg/L khi sử dụng phương pháp siêu âm. Một

vài nghiên cứu khác (Wang, et al., 2005; Shirgaonkar and Pandit, 1997; Cheung and

Kurup, 1994) khi tiến hành thì lại cho kết quả là nhiệt độ ảnh hưởng không đáng kể

lên quá trình phân hủy. Như vậy vẫn cần một nghiên cứu có hệ thống hơn để làm rõ

ảnh hưởng của nhiệt độ lên toàn bộ quá trình phân hủy bùn.

Tần số siêu âm là một yếu tố quan trọng ảnh hường tới hiệu quả của hệ thống siêu

âm. Vì tần số siêu âm chi phối kích thước giới hạn của các vi bọt (Hua và Hoffmann,

1997). Ở tần số cao, hiệu quả sinh ra các lỗ trống vi bọt bị giảm đi rất nhiều, trong khi

ở tần số thấp sự tạo thành vi bọt diễn ra mạnh mẽ . Nghiên cứu của Tiehm et al.

(2001) cho rằng lực cắt thủy động được sinh ra bởi quá trình siêu âm tạo bọt khí là

nguyên nhân chính dẫn đến sự phá vỡ các hạt. Nghiên cứu cũng cho thấy lượng


30

DDCOD sinh ra lần lượt là 13,9%, 3,6%, 3,1%, và 1,0%, tương ứng với tần số 41,

207, 360, và 1068 kHz và kết luận rằng ở tần số thấp hơn 41 kHz sẽ mang lại hiệu quả

phân hủy bùn tốt hơn. Các phản ứng âm-hóa đặc biệt chiếm ưu thế ở tần số siêu âm từ

trên 200 đến 1000 kHz (Mark et al, 1998). Như vậy, gần như tất cả các thí nghiệm

phân hủy bùn được thực hiện ở dải tần số thấp hơn 20 kHz (Wang et al, 2005;

Bougrier et al, 2005;. Khanal et al, 2006a, b).

5. HIỆU QUẢ CỦA TIỀN XỬ LÝ SIÊU ÂM TRONG PHÂN HỦY BÙN

Phân hủy bùn bằng siêu âm nhằm mục đích tăng sự phá hủy VS trong suốt quá trình

phân hủy bùn. Sự tăng tỷ lệ giảm VS trực tiếp chuyển thành sự gia tăng khí metan

trong quá trình phân hủy kỵ khí và chất rắn sinh học ổn định được sử dụng. Sự gia

tăng khí metan sinh ra đã khuyến khích chủ nguồn thải trang bị thêm các bể phân hủy

với hệ thống siêu âm. Việc kết hợp này không chỉ dẫn đến tăng cường công nghệ cao

cho xử lý năng lượng sinh học, đồng thời nó cũng sẽ giúp tiết kiệm chi phí xử lý bùn

đáng kể.

5.1.Khả năng phân hủy kỵ khí của bùn đã qua tiền xử lý bằng siêu âm

Sự phân hủy VS biểu hiện bởi hiệu quả phân hủy hữu cơ hoặc hiệu quả phân hủy của

WAS đặc với TS từ 3,3 - 4,0%. Bùn được siêu âm với công suất 200W và tần số 9

kHz. Hiệu quả phân hủy hữu cơ được cải thiện lên 11%, 20% 38%, và 46% trong

ngày thứ 11 của quá trình phân hủy kỵ khí) khi WAS được siêu âm trong 10, 20, 30 và

40 phút. Bể phân hủy đạt trạng thái ổn định khi số liệu VS thu được từ lượng khí

metan tích lũy được sinh ra không biến đổi nhiều trong ngày thứ 10 của bể phân hủy.

Tăng xấp xĩ 15, 38, 68, và 75% lượng khí metan sinh ra khi WAS được siêu âm trong

10, 20, 30 và 40 phút (tính trong ngày thứ 11 của quá trình phân hủy kỵ khí).

Kết quả của tiền xử lý siêu âm trên tỷ lệ VS bị phân hủy trong quá trình phân hủy kỵ

khí bùn, gồm lượng bùn sơ cấp là 53% và lượng WAS là 47% trọng lượng khô ở thời

gian lưu bùn (SRT) khác nhau, xử lý siêu âm được thực hiện với công suất 3.6 kW,

tần số 31 kHz trong 64 giây, lượng VS bị phân hủy trong bể kỵ khí (thời gian lưu bùn


31

22 ngày) phân hủy bùn đã qua tiền xử lý bằng siêu âm cao hơn gần 9,8% so với bể

phân hủy dòng bùn không qua hệ thống siêu âm.

Hiệu quả phân hủy VS trong bể phân hủy dòng bùn đã qua siêu âm không bị giảm đi

ngay cả khi giảm 1/3 SRT xuống còn 8 ngày. Phát hiện này cho thấy rằng bằng cách

tích hợp một hệ thống siêu âm với các bể phân hủy có sẵn, SRT có thể được giảm đến

một phần ba so với SRT ban đầu. Sản lượng khí sinh học sinh ra trong dòng bùn tiền

xử lý bằng siêu âm cũng được khảo sát trong nghiên cứu này. Bằng hàng loạt các thí

nghiệm, các tác giả quan sát thấy lượng khí sinh học sinh ra trong suốt 28 ngày phân

hủy của dòng bùn đã qua tiền xử siêu âm cao hơn gần 28% so với bùn không siêu âm.

Thêm vào đó, một nghiên cứu tiếp nối được thực hiện ở SRT là 22 ngày thì sản lượng

khí sinh học sinh ra trong suốt 100 ngày phân hủy của dòng siêu âm lại không cải

thiện nhiều so với dòng không siêu âm. Các tác giả giải thích rằng một sự thay đổi

trong quá trình lên men sinh học có thể là một nguyên nhân cho hiện tượng trên. Tuy

nhiên, lý do có khả năng xảy ra nhất có thể là do SRT dài đã cung cấp đủ thời gian

cho dòng bùn không siêu âm đạt được hiệu quả thủy phân cao.

Khảo sát ảnh hưởng của thời gian siêu âm lên sự phân hủy VS trong quá trình phân

hủy kỵ khí WAS với SRT là 8 ngày. Các thử nghiệm bằng phương pháp siêu âm được

thực hiện ở tần số 41 kHz bằng cách sử dụng một bộ chuyển đổi đĩa. Tỷ lệ loại bỏ VS

tăng tới 5,6%, 27%, 46%, và 56,7% tương ứng với thời gian siêu âm bùn là 7,5, 30,

60, và 150 phút. Lượng khí sinh học sinh ra là 2,93 L, 2,79 L, 3,39 L, 3,38 L, và 4,15

L từ 5 bể phân hủy kỵ khí với dòng vào là WAS và thời gian siêu âm là 0, 7.5, 30, 60,

và 150 phút.. Lượng khí sinh học sinh ra giảm nhẹ tại thời điểm 7,5 phút mà không rõ

lý do. Cần lưu ý rằng với thời gian siêu âm ngắn trong thí nghiệm (7,5 phút) cũng sẽ

là tương đối dài nếu ứng dụng cho cả hệ thống full scale. Gần đây, đã có một cải tiến

đáng kể trong thiết kế siêu âm, đặc biệt là trong thiết kế converter và horn. Những cải

tiến này giúp đạt được biên độ cao và cung cấp nhiều năng lượng hơn vào bùn trong

một thời gian ngắn.

Thử nghiệm thí điểm sử dụng buồng siêu âm hình chữ V được tiến hành tại nhà máy


32

xử lý nước thải Avonmouth tại Anh. Phương pháp siêu âm được thực hiện tại tần số

20 kHz bằng cách sử dụng bùn dày với lượng TWAS 70% (theo trọng lượng). Các thí

nghiệm thu được lượng VS được loại bỏ cao hơn gần 40% so với TWAS không sử

dụng siêu âm. Tuy nhiên, tỷ lệ loại bỏ trên chỉ là theo lý thuyết vì nghiên cứu này

không thực hiện trên TWAS không sử dụng siêu âm. Do đó, dữ liệu VS được so sánh

chưa đủ thuyết phục. Theo các tác giả, tỷ lệ sinh khí biogas sẽ tăng gần 100% đối với

bùn đã qua siêu âm so với bùn không siêu âm (đều có tỷ lệ 70% TWAS.

Các tác giả cũng đã thử nghiệm hiệu quả loại bỏ VS của một bể phân huỷ kỵ khí ưa

nhiệt với dòng vào là bùn (TWAS 70%) đã qua siêu âm và không siêu âm (thí nghiệm

tại Severn Trent Water, Anh). Một tỷ lệ loại bỏ trung bình của dòng TWAS siêu âm

đạt được khoảng 54%, so với tỷ lệ 38% của dòng TWAS không siêu âm. Nghiên cứu

này cũng tìm thấy lượng khí sinh học sinh ra cao hơn phù hợp với lượng VS giảm ở

dòng bùn siêu âm và sự gia tăng khoảng 40% khí sinh học. Tuy nhiên, không có số

liệu cho SRT, thời gian siêu âm và năng lượng đầu vào trong nghiên cứu thí điểm trên.

Hogan et al. (2004) đã tiến hành nghiên cứu để kiểm tra tác động của siêu âm tới

lượng khí sinh học được sinh ra. Nghiên cứu được thực hiện tại Orange County

Sanitation District (OCSD). Sản lượng khí sinh học từ dòng bùn (TWAS 50-55%) có

tiền xử lý siêu âm là khoảng 50%, cao hơn so với dòng bùn không có siêu âm. (Trong

nghiên cứu này cũng không có dữ liệu tỷ lệ giảm VS trong dòng bùn có và không có

tiền xử lý siêu âm).

Trong một nghiên cứu khác (Bougrier et al, 2004), lượng khí sinh học sinh ra từ WAS

đã siêu âm với những năng lượng đầu vào khác nhau được đánh giá trong một loạt các

thí nghiệm về phân hủy kỵ khí trong thời gian ủ là 16 ngày. WAS (chứa 2% TS) được

siêu âm với một nguồn cung cấp điện 225 W ở tần số 20 kHz và với năng lượng đầu

vào khác nhau. Các tác giả nhận thấy: với năng lượng đầu vào tương ứng là 1.355,

2.707, 6.951, và 14.547 kJ/kgTS, sản lượng khí sinh học sinh ra ở trường hợp dòng

bùn có siêu âm cao hơn 1.48, 1.75, 1.88 và 1.84 lần so với dòng bùn không siêu âm.

Tuy nhiên, với sự gia tăng năng lượng đầu vào tới 14.547 kJ/kgTS, sản lượng khí sinh


33

học sinh ra không cao hơn nữa mặc dù mặc dù lượng SCOD sinh ra cao hơn. (Nghiên

cứu này cũng không có dữ liệu về tỷ lệ giảm VS).

Trái ngược với những phát hiện trước, trong nghiên cứu của Latitte Trouqu và Forster

(2002), không có sự gia tăng đáng kể nào trong tỷ lệ chất rắn được loại bỏ trong quá

trình phân hủy kỵ khí với dòng vào là WAS đã tiền xử lý siêu âm. WAS được siêu âm

trong 90 giây với công suất điện là 47W, tần số 23 kHz. Tuy nhiên, nghiên cứu trên

không có dữ liệu về DDCOD hay SCOD sinh ra và vì vậy khó để kết luận rằng liệu hệ

thống siêu âm mà nghiên cứu này sử dụng có đủ hiệu quả cho sự phân hủy bùn hay

không.

5.2.Phân hủy hiếu khí của bùn pretreated bằng phƣơng pháp siêu âm

Tất cả các nghiên cứu về việc tiền xử lý siêu âm WAS tập trung vào khả năng phân

hủy kỵ khí. Tuy nhiên, đối với hệ thống xử lý nước thải nhỏ, vốn đầu tư cho một hệ

thống kỵ khí tuy không cao nhưng nó là một hệ thống hoạt động phức tạp để vận

hành. Vì vậy, phân hủy hiếu khí vẫn còn phổ biến trong các nhà máy xử lý nước thải

nhỏ do vốn đầu tư thấp hơn và hệ thống đơn giản hơn (Grady et al, 1999). Tuy nhiên,

tài liệu về ảnh hưởng của siêu âm đối với phân hủy hiếu khí WAS hầu như không có.

Khanal et al. (2006b) đã đánh giá tỷ lệ phân hủy hiếu khí WAS ở SRT là 8, 10 và 15

ngày. Các tác giả sử dụng hệ thống siêu âm 1,5 kW với tần số 20kHz, siêu âm tiền xử

lý WAS với TS 3%, thời gian siêu âm trong 10 phút. Các kết quả được trình bày trong

hình 13.

Hình 13: Loại bỏ VS đối vời bùn xử lý siêu âm và không xử lý siêu âm tại thời gian

lưu khác nhau


34

Hiệu quả loại bỏ VS tăng từ 13 đến 22 và 31% khi SRT tăng từ 8 ngày đến 10 và 15

ngày trong bể phân hủy với dòng bùn chưa siêu âm. Cũng với SRT như trên, đối với

dòng bùn đã siêu âm, hiệu quả loại bỏ VS là 20, 25, và 36%. Dựa trên phương pháp

thống kê, với mức độ tin cậy 95%, sự loại bỏ VS ở SRT là 8 ngày và 15 ngày thì khác

nhau đáng kể giữa dòng bùn có và không có siêu âm. Với dòng bùn có siêu âm, lượng

VS loại bỏ tăng 54, 23, và 16% so với dòng không siêu âm ở SRT là 8, 10, và 15

ngày. Sự giảm kích thước hạt của các mãnh vụn hữu cơ cùng với sự đứt gãy của các tế

bào sinh học đã góp phần làm gia tăng không ngừng tỷ lệ giảm VS tại SRT dài trong

dòng bùn đã siêu âm.

6. CHẤT HỮU CƠ HÒA TAN TRONG BÙN SINH HỌC PHÂN HỦY

Nghiên cứu phân hủy hiếu khí được tiến hành tại Đại học bang Iowa đã cho thấy rằng

SCOD còn lại của chất rắn sinh học đã tiền xử lý siêu âm thấp hơn đáng kể so với chất

rắn sinh học không siêu âm tại tất cả thời gian lưu.

Hình 14: Loại bỏ SCOD đối vời bùn xử lý siêu âm và không xử lý siêu âm tại thời

gian lưu khác nhau

Việc loại bỏ SCOD ngày càng tăng với mức tăng trong SRT trong bể phân hủy bùn

không sử dụng phương pháp siêu âm, ngoại trừ SRT là 10 ngày mà tại đó hiệu quả bị

giảm nhẹ không rõ lý do. Hiệu quả loại bỏ SCOD là 66, 62, 79, và 82% tại SRTs 8,

10, 12, và 15 ngày. Sự loại bỏ COD cao hơn có thể là do thời gian lưu lâu làm tăng sự


35

khoáng hóa chất hữu cơ. Bể phân hủy dòng bùn đã siêu âm cho tỷ lệ loại bỏ SCOD

cao tới 92% ngay cả ở SRT ngắn (8 ngày). Hiệu quả loại bỏ sau đó tăng lên 98% và

giữ tương đối ổn định khi SRTs tăng lên 10, 12 và 15 ngày, nồng độ SCOD trong

dòng ra thấp hơn 120 mg/L.

7. ẢNH HƢỞNG CỦA SIÊU ÂM ĐẾN CHẤT LƢỢNG BÙN SINH HỌC

Chất lượng chất rắn sinh học chính là lượng hữu cơ còn lại và mức độ gây bệnh sau

khi phân hủy. Như đã minh họa ở các mục trên, quá trình siêu âm tiền xử lý cho kết

quả mức độ VS và SCOD thấp hơn trong chất rắn sinh học đã phân hủy. Khanal et al.

(2006c) đã điều tra tỷ lệ hấp thụ oxy cụ thể (SOUR) của bùn đã phân hủy hiếu khí có

và không có tiền xử lý siêu âm với SRTs khác nhau và kết quả được trình bày trong

hình 15.

Hình 15: Tỷ lệ hấp thụ oxy (SOUR) tại thời gian lưu khác nhau

Bùn phân hủy từ bể với dòng vào là WAS tiền xử lý siêu âm thì ổn định hơn so với

trường hợp không tiền xử lý siêu âm. Dựa trên hình, trường hợp dòng bùn đã siêu âm

có giá trị SOUR thấp hơn. Số liệu về SOUR giúp ta kết luận rằng chất rắn sinh học đã

siêu âm ít có tiềm năng thu hút sinh vật (nhất là côn trùng truyền bệnh) và gây mùi.

Điều này đặc biệt quan trọng trong việc lưu trữ chất thải rắn.


36

Xác định mức độ vi khuẩn (ví dụ: fecal coliform, Escherichia coli, Salmonella sp)

trong các mẫu bùn phân hủy có và không có siêu âm, và trong mẫu bùn không phân

hủy. Các mẫu bùn được lấy từ bể phân hủy có SRT là 10 ngày. Kết quả được thể hiện

ở bảng 2.

Bảng 2: Mức độ vi khuẩn trong bùn ở những điều kiện xử lý khác nhau

Mức độ vi khuẩn (MPN/gTS theo trọng lƣợng khô)

Loại vi khuẩn Bùn phân hủy không siêu âm Bùn phân hủy đƣợc siêu âm

Fecal coliform 98000 57000

E.Coli 98000 29000

Salmonella sp. <1.1 <1.1

Bùn được kiểm tra có mật độ vi khuẩn Salmonella sp. “dưới mức phát hiện được”

trong mọi điều kiện. Coliform và vi khuẩn E. coli giảm 42% và 70% cho bùn phân

hủy đã siêu âm so với trường hợp không siêu âm. Điều này rõ ràng cho thấy tác động

tích cực của siêu âm trong việc giảm tác nhân gây bệnh. Để được phân loại chất rắn

sinh học xếp loại A theo Quy định 40 CFR Điều 503, chất rắn sinh học phải đáp ứng

một trong các yêu cầu: mật độ coliform dưới 1.000 MPN/g chất rắn tổng TS (trọng

lượng khô), hoặc mật độ Salmonella sp. ít hơn 3 MPN/ 4g TS (trọng lượng khô).

II. ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG XỬ LÝ BÙN THỰC TIỄN

1. LẮP ĐẶT

Siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, ở nhiều tần số và nhiều hình thức

khác nhau. Do đó có rất nhiều nhà máy sản xuất các thiết bị siêu âm ở Bắc Mỹ và

châu Âu. Tuy nhiên số lượng các nhà sản xuất các thiết bị được thiết kế cho các ứng

dụng xử lý nước thải và có kinh nghiệm trong lĩnh vực này còn hạn chế. Hai nhà cung


37

cấp chính là Ultrawaves ở Bắc Mỹ với thiết bị SonolyzerTM của Dorr Oliver Eimco

và Sonico với hệ thống SonixTM.

Ultrawaves là một công ty của Đức được thành lập từ nghiên cứu siêu âm được tiến

hành tại Đại học Kỹ thuật Hamburg-Harburg. Công ty này mua các thiết bị siêu âm từ

Sonotronic, một nhà sản xuất địa phương.

Sonico là một công ty của Anh đã được thành lập như là một công ty liên doanh giữa

Purac, công ty cung cấp thiết bị và Atkins, công ty tư vấn kỹ thuật đã tiến hành nghiên

cứu các ứng dụng trong xử lý nước thải bằng phương pháp siêu âm. Sonico mua các

thiết bị siêu âm từ Branson, một công ty có trụ sở tại Hoa Kỳ. Hai công ty này có số

lượng lớn nhất các công trình trong lĩnh vực xử lý nước thải, với hơn 30 công trình ở

châu Âu, châu Á và Úc. Công trình lớn nhất là công trình Sonico cho tiền xử lý WAS

để tăng cường khả năng phân hủy bùn tại nhà máy xử lý nước thải tập trung Mangere

ở New Zealand. Hai công ty nhỏ hơn cũng có một vài công trình xử lý nước thải nhỏ

hơn như Ultrasonus từ Thụy Điển và VTA từ Áo.

Có sự khác biệt trong các hệ thống siêu âm để xử lý nước thải. Mỗi nhà sản xuất sử

dụng một hình dạng độc đáo cho mảnh rung siêu âm, ví dụ UltraWaves sử dụng

sonotrodes hình que ngắn hướng vào đường dòng chảy, trong khi Sonico sử dụng horn

hình vòng đặt trong một ống cuộn.

Ultrawaves xử lý một phần nhỏ hơn của dòng chảy với thời gian lưu lâu hơn, trong

khi Sonico thường xử lý một phần lớn hơn của dòng bùn với thời gian lưu ngắn hơn

đáng kể. Mỗi đầu dò hệ thống Ultrawaves được đánh giá cao nhất cho 2 đầu vào kW

điện, nhưng thông thường hoạt động ở 1 kW. Sonico có horn 3 kW và 6 kW, hoạt

động ở 50 đến 60% công suất định mức.

Phần lớn các ứng dụng siêu âm đều ứng dụng cho tiền xử lý WAS trước khi phân hủy

kỵ khí. Tuy nhiên, cả Ultrawaves và Sonico đều có công trình ở Châu Âu ứng dụng xử

lý dòng bùn tuần hoàn (RAS) trong quá trình bùn hoạt tính.

2. HOẠT ĐỘNG


38

Các công trình ứng dụng siêu âm ở châu Âu cho thấy rằng xử lý dòng RAS có thể làm

giảm phát sinh WAS từ quá trình xử lý thứ cấp khoảng 25-50%, tùy thuộc vào đặc

tính của bùn, sự vận hành của quá trình xử lý thứ cấp và lượng năng lượng đưa vào hệ

thống. Các thí nghiệm giảm thiểu bùn đã được thực hiện bởi Anglian Water tại Anh để

so sánh quá trình bioaugmentatio (bổ sung của một loại vi khuẩn lên men và dung

dịch dinh dưỡng) với hệ thống siêu âm Sonico trong dòng bùn. (Griffiths, 2001).

Hình 16: Sự giảm MLSS trong suốt quá trình thí nghiệm siêu âm tại Anglian Water

Cambridge WWTP

Sự suy giảm MLSS trong thí nghiệm của Ultrasound

Đường kiểm soát được vận hành với thời gian lưu bùn (SRT) từ 12 đến 15 ngày và

nồng độ dung dịch hỗn hợp 3.500 mg/L. Các thí nghiệm cho thấy rằng hệ thống siêu

âm horn titan xử lý khoảng 1/6 dòng RAS giúp giảm 30% lượng WAS sinh ra, so với

5-9% lượng WAS giảm trong quá trình bioaugmentation.

Hình 16 so sánh nồng độ MLSS trong dòng bùn có và không có siêu âm. Hệ thống

siêu âm đã giúp giảm tác động của vi sinh filamemtous và duy trì khả năng lắng tốt

(95 ml/g). Trong khi cũng đối với dòng không có siêu âm, vi sinh filamemtous gây


39

nên hiện tượng lắng kém trong bùn (140 ml/g). Trong thời gian thử nghiệm không có

sự gia tăng nhu cầu sục khí.

Nhà máy xử lý nước thải tập trung Leinetal ở Heiligenstadt, Đức đã chạy thử nghiệm

một hệ thống siêu âm Ultrawaves trước khi lắp đặt full-scale. Quá trình bùn hoạt tính

được hoạt động như là một quá trình sục khí kéo dài, với SRT là 18 ngày và có hiện

tượng bùn nổi. Hệ thống siêu âm đã được lắp đặt để xử lý 30% dòng bùn đặc thứ cấp,

sau đó được đưa về lại các bể hiếu khí. Các thử nghiệm cho thấy rằng hệ thống siêu

âm giúp làm giảm 30% WAS sinh ra, cải thiện khả năng lắng của bùn thứ cấp và làm

tăng độ khô trong bánh bùn đã được tách nước lên 2%. Hiện tượng bùn nổi và sủi bọt

cũng đã được loại bỏ. Từ tháng 6 năm 2003 nhà máy lắp đặt full scale hệ thống siêu

âm và đã có thể để tránh được việc bổ sung thêm một bể sục khí mới.

Hình 17: Tác động sóng siêu âm lên sự tạo thành bùn hoạt tính

Trong các hệ thống siêu âm ứng dụng để xử lý bùn hoạt tính, việc xử lý dòng bùn đã

được làm đặc một phần có thể sẽ mang lại lợi nhuận hơn so với xử lý dòng bùn RAS

chưa được làm đặc, vì các hệ thống siêu âm được thiết kế để duy trì thời gian lưu nước

chỉ định trong buồng siêu âm để đạt được tỷ lệ ly giải tế bào.


40

Ứng dụng siêu âm cho tiền xử lý WAS trước khi phân hủy kỵ khí đã cho thấy rằng với

một mức độ thích hợp của siêu âm, WAS sẽ đạt được tỉ lệ phân hủy tương tự như bùn

sơ cấp, gia tăng sự giảm thiểu VS trong WAS từ 40% đến 60%. Cải thiện tổng thể

trong bể phân huỷ giảm thiểu VS phụ thuộc vào tỷ lệ chính của WAS trong dòng vào

bể phân hủy, cũng như các điều kiện cụ thể khác, chẳng hạn như hiệu suất cơ bản của

bể phân hủy và đặc điểm bùn. Khi siêu âm làm tăng tỷ lệ thủy phân, tác động sẽ là lớn

nhất đối bể phân hủy có HRTs ngắn, tế bào ly giải được giới hạn tốc độ. Định lượng

polymer quá liều cho WAS đặc sẽ làm giảm hiệu quả của siêu âm vì các hạt có thể tái

tích tụ nếu polymer vẫn còn hiện diện.

3. TÍNH KINH TẾ

Hệ thống siêu âm thường được sản xuất theo modun, các nhà cung cấp khác nhau

cung cấp các cấu hình và kích cỡ khác nhau. Hệ thống siêu âm được thiết kế để xử lý

một đơn vị lưu lượng cho một thời gian lưu nhất định. Vì vậy, hệ thống có hiệu quả về

chi phí hơn trên bùn đặc. Tuy nhiên, trong khoảng 6 đến 7% nồng độ chất rắn, năng

lượng cần thiết sẽ tăng lên để vượt qua ngưỡng siêu âm hoặc suy giảm lỗ hổng gây ra

bởi độ nhớt và nồng độ chất rắn cao hơn.

Hệ thống Ultrawaves được cung cấp theo modun, mỗi modun gồm 5 đầu dò, như hình

18. Dòng chảy thông qua một modun sẽ khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu về lượng

bùn cần giảm. Xử lý 30% WAS thông qua một modun với lưu lượng dòng chảy

khoảng 30 m3/ngày (8.000 GDP) thường sẽ giảm được 15% lượng bùn, trong khi với

lưu lượng dòng chảy 15 m3/ngày (4.000 GDP) thường sẽ cải thiện 30% khả năng phân

hủy kỵ khí. Để thích ứng với lưu lượng dòng chảy cao hơn, các modun bổ sung sẽ

được cài đặt song song hoặc theo thứ tự.


41

Hình 18: Thiết bị siêu âm SonolyzerTM

Hình 19: Thiết bị siêu âm Sonico

Hệ thống siêu âm Sonico được sản xuất để phù hợp với đường ống có đường kính 6

inch, như trong hình 19. Hệ thống có thể được tùy chỉnh để cung cấp số lượng horn


42

cần thiết trong một seri hoặc một hệ song song. Việc cung cấp hệ thống Sonico

thường bao gồm các bơm cấp, hệ thống thiết bị đo đạc, phần cứng siêu âm, tủ điều

khiển và hệ thống SCADA tự động với máy tính, đặt trong một container vận chuyển.

Chi phí trích dẫn trong năm 2005 dao động từ khoảng $ 500.000 cho 1 đơn vị xử lý

với lưu lượng 4000 L/giờ (96 m3/ngày hoặc 25.000 gpd) đến $ 900.000 cho 15000

L/giờ (360 m3/ngày hoặc 95.000 gpd) và $ 2,2 triệu cho 1 hệ thống để xử lý 37.000

L/giờ (888 m3/ ngày hoặc 235.000 gpd). Chi phí trong tương lai sẽ thay đổi do giá

thành của hàng hóa và nguồn lao động thay đổi. Ngoài ra, các đơn vị có thể được lắp

đặt

Lắp đặt một hệ thống siêu âm sẽ dẫn đến các chi phí khác, bao gồm chi phí lưu trữ

TWAS, chi phí cho đường ống, bổ sung bơm cho hệ thống, điện, chi phí thiết bị và

kiểm soát, vị trí lắp đặt, hạ tầng kỹ thuật, chi phí xây dựng và chi phí cho công trình

thay thế nếu container vận chuyển không phải là phương tiện thích hợp. Vòng đời chi

phí-lợi ích sẽ có nhiều thuận lợi trong trường hợp xử lý bùn đặc. Các phí tổn về điện,

khí thiên nhiên và các chất rắn sinh học cũng sẽ ảnh hưởng đến sự cân bằng kinh tế và

thời gian hoàn vốn. Kinh tế thực tế và thời gian hoàn vốn sẽ được xác định đặc biệt.

Bảng 3 trình bày một ví dụ về chi phí vận hành và bảo dưỡng cho hệ thống siêu âm

phân hủy, so sánh sự khác biệt tiềm năng kinh tế giữa TWAS với nồng độ chất rắn là

4% và 6%. Các lợi ích kinh tế của tiền xử lý bằng phương pháp siêu âm sẽ cao hơn

cho các nhà máy có công suất cao và chi phí xử lý chất thải rắn sinh học cao.

Bảng 3: Ví dụ chi phí hoạt động và bảo tri tiên xử lý kỵ khí WAS bằng siêu âm

Hoạt động Chi phí đơn vị Đơn vị

Chi phí/ tấn

TWAS khô

(4%TS)

Chi phí/ tấn

TWAS khô

(6%TS)

Điện 0.06 /kWh 3 2

Bảo trì 7 5


43

Tổng chi phí 10 7

Khí thiên nhiên 8.5 /GJ 30 30

Tiết kiệm trong

quản lý bùn

sinh học

120 19 19

Tổng tiết kiệm 50 50

40 43

Dựa trên dữ liệu từ Sonico: bể phân hủy có tỷ lệ giảm VS 60%, CH4 64%, chi phí

quản lý chất thải rắn sinh học $ 30/wt, TS 25%.

Chi phí để lắp đặt một hệ thống siêu âm xử lý RAS để giảm WAS sản sinh từ quá

trình bùn hoạt tính sẽ khác nhau đáng kể. Sự sản sinh khí từ bể phân hủy sẽ giảm

xuống do sự giảm số lượng WAS sinh ra. Tuy nhiên, như thế sẽ tiết kiệm chi phí vận

hành bảo dưỡng và gia tăng vốn cho các thiết bị làm đặc, phân hủy, tách nước và quản

lý chất rắn sinh học trong tương lai.

Như đã trình bày, hệ thống siêu âm cho phép các hệ thống bùn hoạt tính hoạt động

hiệu quả ở nồng độ MLSS thấp hơn và giảm thiểu tác động của filamemtous lên khả

năng ổn định bùn. Điều này có thể tạo nên một lợi thế ở các nhà máy xử lý nước thải

tập trung có các bể lắng thứ cấp thường bị quá tải. Và như đã đề cập ở trên, trạm xử lý

nước thải tập trung Leinetal đã tránh được việc phải lắp đặt thêm một đơn vị xử lý

hiếu khí và đã giảm được 30% WAS sinh ra nhờ lắp đặt hệ thống siêu âm.

III. MỘT SỐ CASE STUDY

1. Nhà máy xử lý nƣớc thải tập trung Bamberg, Đức


44

Thông tin nhà máy:

- Công suất thiết kế: 222.000 PE

- Lưu lượng thực tế: 330.000 PE

- Công nghệ xử lý: khử photpho, khử nitrat, nitrat hóa, kết tủa photpho dòng ra

bằng Fe3+

, lắng thứ cấp.

- Đặc tính bùn xử lý: bùn sơ cấp 150 /ngày, WAS 250 m3/ngày

- 3 bể phân hủy với dung tích 2000m3 (x2) và 3000m

3, thời gian lưu nước là 18

ngày

- Hệ thống hoạt động đang giảm được 34% VS

Mục tiêu lắp đặt hệ thống siêu âm

Cải thiện phân hủy kị khí để tránh việc lắp đặt 1 bể phân hủy thứ 4 (kế hoạch ban đầu

là lắp đặt bể phân hủy thứ tư với dung tích 3000m3 để tăng thời gian lưu nước từ 18

ngày lên 25 ngày).


45

Với mục tiêu trên, hệ thống siêu âm được lắp đặt thử nghiệm vào tháng 8 năm 2002

với 2 buồng phản ứng siêu âm công suất 5 kWh chạy 8 tiếng/ngày, xử lý 30% tổng

lượng TWAS cần phân hủy.

Hiệu quả:

- Tỷ lệ phân hủy VS tăng từ 34% lên 45%

- VS giảm từ 60% còn 54%

- Tăng đáng kể lượng khí biogas (30%)

- Không cần phải lắp đặt thêm 1 bể phân hủy tiết kiệm được 1.5 triệu EUR

Lắp đặt full scale và thời gian hoàn vốn:


46

Với hiệu quả khả quan thu được, 2 buồng phản ứng siêu âm chính thức đưa vào hoạt

động 24 giờ/ngày vào tháng 8 năm 2004. Lượng bùn ban đầu qua xử lý siêu âm là

30% nay đã tăng lên 90% trên tổng lượng TWAS.

Thời gian hoàn vốn được tính toán là 3 năm.

Hiệu quả của phương pháp siêu âm được áp dụng tại nhà máy từ năm 2004 đến 2007

được thể hiện ở 2 hình sau:


47

2. Nhà máy xử lý nƣớc thải tập trung Bünde, Đức




- Công nghệ xử lý: nitrat hóa và khử nitơ

- Thời gian lưu bùn: 22 ngày

- Có hiện tượng bùn nổi vì sự tăng trưởng quá mức của vi sinh filamentous


48

Mục tiêu:

- Giảm thiểu tối đa lượng bùn hoạt tính thải

- Giảm nồng độ nitơ trong dòng ra

- Kiểm soát vi sinh filamentous

Với mục tiêu trên, hệ thống siêu âm được lắp đặt năm 2006 với lưu lượng bùn 30

m3/ngày (30% tổng lượng bùn cần phân hủy), công suất siêu âm: 4 kWh/m

3

Hiệu quả của phƣơng pháp siêu âm:

- Không còn hiện tượng bùn nổi hoặc bùn nở trong bể bùn hoạt tính.

- Giảm 25% lượng bùn hoạt tính thải

- Giảm nồng độ nito ở dòng ra (N < 5 mg/l)


49

Hiệu quả giảm nồng độ nitơ trong dòng ra

3. Nhà máy xử lý nƣớc thải tập trung Centrum ở Dabrowa-Gornicza, Ba Lan


- Công suất thiết kế 130.000 PE


50

- Lưu lượng thực tế: 200.000 PE (điều kiện quá tải)

- Công nghệ xử lý: xử lý sinh học kết hợp đồng thời quá trình khử nitrat và nitrat

hóa, khử photpho.

- Đặc tính bùn xử lý: WAS

- Có 2 bể phân hủy bùn với dung tích 1.680m3 (x2)

- Sản phẩm biogas: 438.000 m3/a

Mục tiêu của việc áp dụng phƣơng pháp siêu âm phân hủy bùn:

- Tăng lượng biogas

- Tăng tỷ lệ tiêu hủy VS

- Loại trừ nhu cầu lắp đặt thêm 1 bể phân hủy bùn

Với mục tiêu trên, hệ thống siêu âm được lắp đặt thử nghiệm 5 tháng (từ tháng 2 đến

tháng 6 năm 2009) gồm 2 buồng phản ứng siêu âm công suất 5 kWh chạy 14

tiếng/ngày, xử lý lượng bùn tuần hoàn sau khi được phân hủy tại 2 bể phân hủy bùn

(chiếm 30% tổng lượng bùn cần phân hủy).

Hiệu quả của phƣơng pháp siêu âm:

- Tăng 28% lượng biogas

- VS giảm từ 70% xuống còn 65%


51


Dựa vào kết quả trên, 2 buồng phản ứng siêu âm chính thức đưa vào hoạt động 14

giờ/ngày vào tháng 7 năm 2009 tại nhà máy. Thời gian hoàn vốn được tính toán là 2

năm.


52

1. Kiểm soát bùn nổi bằng công nghệ siêu âm – Nhà máy xử lý nƣớc thải tập

trung Meldorf, Đức




- Công nghệ xử lý: khử photpho, khử nitrat gián đoạn, lắng thứ cấp, kết tủa

photpho dòng ra bằng Fe3+

, lọc.

- Đặc tính bùn xử lý: TWAS

- 2 bể phân hủy với dung tích 2000m3 (x2),

thời gian lưu nước là 22 ngày

- Giảm 61% VS

- Tách nước bằng buồng lọc áp lực

Mục tiêu lắp đặt hệ thống siêu âm

- Kiểm soát bùn nổi trong bể phân hủy bằng cách tiêu diệt vi sinh filamentous

- Gia tăng sự khử VS.

Hệ thống siêu âm được lắp đặt thử nghiệm 3 tháng (từ tháng 9 đến tháng 11 năm

2004) gồm 1 buồng phản ứng siêu âm công suất 5 kWh.


53

Hiệu quả:

- Chỉ một thời gian ngắn sau khi áp dụng phương pháp siêu âm hiện tượng bùn

nổi trong bể phân hủy đã được kiểm soát.

- VS giảm từ 61% xuống còn 45%


Hệ thống siêu âm được lắp đặt full scale vào tháng 5 năm 2005 và hoạt động 24 giờ

mỗi ngày. Thời gian hoàn vốn cho hệ thống được tính toán là 3 năm.


54

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Qunhui Wang et al, Upgrading Of Anaerobic Digestion Of Waste Activated Sludge By

Ultrasound Pretreatment, Bioresource Technology 68, pp 309-313, 1999

Ruth Roxburgh et al, Sludge Minimization Technologies- Doing More To Get Less,

Water Environment Foundation, 2006.

Sae Eun Oh, Improvement Of Anaerobic Digestion Rate Of Biosolids In Waste Active

Sludge (WAS) By Ultrasound Pretreatment, Environ. Eng. Res. Vol.11, No.3, pp 143-

148, 2006.

Samir Kumar Khanal et al, Ultrasound Applications in Waswater Sludge

Pretreatment: A Review, Critical Reviews in Environmental Science nad Technology,

37:4, pp 277-313, 2007.

www.ultrawaves.de

http://www.ultrawaves.de/


55

MỤC LỤC

I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................................................... 1

1. GIỚI THIỆU ................................................................................................................. 1

2. TRỞ NGẠI CỦA ỔN ĐỊNH BÙN SINH HỌC .......................................................... 1

3. CƠ SỞ CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY BÙN ........................................................... 2

4. SỰ PHÂN HỦY BÙN BẰNG SÓNG SIÊU ÂM......................................................... 2

4.1. Ưu và nhược điểm của quá trình tiền xử lý siêu âm .................................................... 2

4.2. Cơ chế của phân hủy bùn bằng sóng siêu âm .............................................................. 3

4.3. Cơ chế của việc phát sinh năng lượng của sóng siêu âm ............................................ 6

4.4. Phân phối năng lượng siêu âm ..................................................................................... 6

4.5. Định lượng năng lượng/ năng lượng đầu vào của quá trình xử lý bùn ........................ 8

4.6 Đánh giá hiệu quả phân hủy siêu âm .......................................................................... 10

4.6.1 Đánh giá vật lý ......................................................................................................... 11

4.6.2 Đánh giá hóa học ..................................................................................................... 13

4.6.3 Đánh giá sinh học ................................................................................................... 18

4.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính hiệu quả của sóng siêu âm ....................................... 21

4.7.1 Đặc điểm bùn .......................................................................................................... 21

4.7.2 Điều kiện siêu âm .................................................................................................... 22

5. HIỆU QUẢ CỦA TIỀN XỬ LÝ SIÊU ÂM TRONG PHÂN HỦY BÙN ............... 30

5.1.Khả năng phân hủy kỵ khí của bùn đã qua tiền xử lý bằng siêu âm .......................... 30

5.2.Phân hủy hiếu khí của bùn pretreated bằng phương pháp siêu âm ........................... 33

6. CHẤT HỮU CƠ HÒA TAN TRONG BÙN SINH HỌC PHÂN HỦY .................. 34

7. ẢNH HƢỞNG CỦA SIÊU ÂM ĐẾN CHẤT LƢỢNG BÙN SINH HỌC ............. 35

II. ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG XỬ LÝ BÙN THỰC TIỄN .................... 36

1. LẮP ĐẶT ..................................................................................................................... 36

2. HOẠT ĐỘNG .............................................................................................................. 37

3. TÍNH KINH TẾ .......................................................................................................... 40

III. MỘT SỐ CASE STUDY ............................................................................................ 43

1. Nhà máy xử lý nƣớc thải tập trung Bamberg, Đức ................................................. 43

2. Nhà máy xử lý nƣớc thải tập trung Bünde, Đức ...................................................... 47

3. Nhà máy xử lý nƣớc thải tập trung Centrum ở Dabrowa-Gornicza, Ba Lan ....... 49

MỤC LỤC ............................................................................................................................... 55

Documents

ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN - dulieu.tailieuhoctap.vndulieu.tailieuhoctap.vn/books/khoa-hoc-ky-thuat/khoa-hoc-moi-truong/file_goc_779249.pdf · bằng phương pháp phân hủy hiếu