Nghiên cứu phương pháp xử lý bùn cặn sinh học từ các hệ thống xử lý nước thải dưới tác dụng của sóng siêu âm trong giai đoạn tiền xử lý yếm khí

51 Bảng 4.6: Hiệu suất xử lý COD sau quá trình phân hủy yếm khí với các thời gian siêu âm khác nhau trong giai ñoạn tiền xử lý bùn thải sinh học.... Mục tiêu nghiên cứu - đánh giá khả n

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-

LÊ THỊ KIM OANH

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BÙN CẶN SINH HỌC TỪ CÁC

HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI DƯỚI TÁC DỤNG CỦA SÓNG SIÊU

ÂM TRONG GIAI ðOẠN TIỀN XỬ LÝ YẾM KHÍ

CHUYÊN NGÀNH : KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

MÃ SỐ : 60.44.03.01

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS ðỖ NGUYÊN HẢI

HÀ NỘI, NĂM 2013

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ luận văn nào khác

Tôi xin cam ñoan rằng mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận văn này ñã ñược cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Lê Thị Kim Oanh

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn, ngoài sự cố gắng của bản thân, tôi còn

nhận ựược sự quan tâm, giúp ựỡ tận tình từ phắa Nhà trường, gia ựình và bạn bè

Tôi xin ựược bày tỏ sự cảm ơn trân trọng nhất tới giáo viên hướng dẫn khoa

học Thầy giáo PGS.TS đỗ Nguyên Hải ựã tận tình hướng dẫn, giúp ựỡ tôi trong

suốt quá trình hoàn thành luận văn

Tôi xin trân trọng cảm ơn sự góp ý chân thành của thầy giáo TS Trịnh Quang

Huy và thầy, cô giáo trong khoa Tài nguyên và Môi trường, Viện đào tạo sau ựại

học, nhà trường đại học Nông Nghiệp - Hà Nội ựã nhiệt tình giúp ựỡ tôi trong quá

trình hoàn thành luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn ựến thầy cô và cán bộ phòng phân tắch Jica, phòng thắ

nghiệm bộ môn Công nghệ môi trường - khoa Tài nguyên và Môi trường ựã tạo

ựiều kiện thuận lợi, giúp ựỡ tôi trong thời gian thực hiện ựề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới gia ựình, ựồng nghiệp và bạn bè ựã tạo

ựiều kiện tốt nhất về mọi mặt cho tôi trong suốt quá trình thực hiện ựề tài

Một lần nữa tôi xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, Ngày 30 tháng 10 năm 2013

Tác giả luận văn

Lê Thị Kim Oanh

MỤC LỤC

Lời cam ñoan I Lời cảm ơn III Mục lục IV Danh mục các chữ viết tắt VI Danh mục bảng VII Danh mục hình VIII

Phần I 1

MỞ ðẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của ñề tài .……… 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Yêu cầu 2

Phần II 3

TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 3

2.1 Khái quát về bùn thải và các vấn ñề môi trường phát sinh từ bùn thải 3

2.1.1 Khái niệm bùn thải và bùn thải sinh học 3

2.1.2 Một số tính chất cơ bản của bùn thải 4

2.1.3 Các vấn ñề về quản lý và xử lý môi trường phát sinh từ bùn thải 6

2.2 Cơ sở khoa học của quá trình phân hủy bùn thải trong ñiều kiện yếm khí và sự chuyển hóa thành CH4 9

2.2.1 Khái niệm và cơ chế của quá trình phân hủy yếm khí 9

2.2.2 Những yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình phân hủy yếm khí 12

2.3 Giới thiệu chung về sóng siêu âm 14

2.3.1 Khái quát chung về sóng siêu âm 14

2.3.2 Cơ sở khoa học tác ñộng của sóng siêu âm 17

2.3.3 Những nghiên cứu về sự biến ñổi vật lý, hóa học của bùn thải dưới tác ñộng của sóng siêu âm 20

2.3.3.1 Sự biến ñổi về các ñặc tính vật lý của bùn thải 20

2.3.3.2 Sự biến ñổi về các ñặc tính hóa học của bùn thải 23

2.3.4 Nghiên cứu về tác dụng của sóng siêu âm ñến quá trình phân hủy yếm khí 28 Phần III 31

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31

3.1 ðối tượng và phạm vi nghiên cứu 31

3.1.1 ðối tượng nghiên cứu 31

3.1.2 Phạm vi nghiên cứu 31

3.2 Nội dung nghiên cứu 31

3.3 Phương pháp nghiên cứu 31

3.3.1 Phương pháp ựiều tra thu thập số liệu thứ cấp 31

3.3.2 Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu 32

3.3.3 Phương pháp bố trắ thắ nghiệm 32

3.3.4 Phương pháp tiến hành thắ nghiệm 35

3.3.5 Phương pháp phân tắch mẫu 36

3.3.6 Phương pháp so sánh 36

3.3.7 phương pháp xử lý số liệu 36

Phần IV 37

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 37

4.1 Một số ựặc tắnh của bùn cặn trong nghiên cứu 37

4.2 Ảnh hưởng của quá trình xử lý bằng sóng siêu âm tới thành phần và tắnh chất bùn thải sinh học 38

4.2.1 Biến ựổi tắnh chất vật lý của bùn thải dưới tác dụng của sóng siêu âm 38

4.2.1.1 Sự phân tán cấu trúc bùn dưới tác ựộng của sóng siêu âm 38

4.2.1.2 Sự gia tăng ựộ ựục dưới tác dụng của sóng siêu âm 45

4.2.2 Biển ựổi tắnh chất hóa học của bùn thải dưới tác dụng của sóng siêu âm 47

4.3 đánh giá hiệu quả của quá trình xử lý yếm khắ bùn thải sinh học dưới tác ựộng của sóng siêu âm 51

4.3.1 Giá trị COD 51

4.3.2 Sự chuyển hóa thành CH4 57

Phần V 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64

5.1 Kết luận 64

5.2 Kiến nghị 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

PHỤ LỤC ẦẦẦ.ẦẦẦ 71

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

4 CN-SH Mẫu bùn thải chăn nuôi – sinh hoạt

phân hủy

7 sCOD Nhu cầu oxy hóa hóa học chất hữu cơ khó

phân hủy dạng hòa tan

10 UNFCCC Công ước khung của Liên hợp quốc về biến

ñổi khí hậu

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Một số ñặc tính của bùn sơ cấp và thứ cấp 6 Bảng 2.2: Các chất dinh dưỡng cho hoạt ñộng sống của vi sinh vật 13 Bảng 2.3: Một số nghiên cứu ñiển hình về tác dụng của sóng siêu âm ñến sự phân hủy bùn thải 30 Bảng 3.1: Các công thức thí nghiệm sử dụng trong nghiên cứu 34 Bảng 4.1: Một số tính chất của bùn thải trong nghiên cứu 37 Bảng 4.2: Sự biến ñổi kích thước bông bùn trung bình dưới tác ñộng của sóng siêu

âm 39 Bảng 4.3: Kết quả phân tích ñộ ñục của bùn thải trước và sau khi tác ñộng bằng sóng siêu âm 45 Bảng 4.4: Kết quả phân tích các chỉ tiêu hóa học trước và sau siêu âm 47 Bảng 4.5: Kết quả phân tích COD trước và sau ủ 51 Bảng 4.6: Hiệu suất xử lý COD sau quá trình phân hủy yếm khí với các thời gian siêu âm khác nhau trong giai ñoạn tiền xử lý bùn thải sinh học 53 Bảng 4.7: Nồng ñộ và hiệu suất chuyển hóa CH4 trước và sau ủ với các khoảng thời gian siêu âm khác nhau 58

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Quá trình phát sinh Mêtan từ các hợp chất cao phân tử 12

Hình 2.3: Quá trình hình thành, phát triển và vỡ tung của bóng khí trong môi trường

Hình 4.5: Sự gia tăng ñộ ñục của mẫu qua các khoảng thời gian siêu âm khác nhau

46 Hình 4.6: Sự gia tăng nồng ñộ sCOD sau tác ñộng sóng siêu âm 48 Hình 4.7: Sự gia tăng nồng ñộ NH4+ sau khi tác ñộng bởi sóng siêu âm 49 Hình 4.8: Sự gia tăng nồng ñộ PO43- sau khi tác ñộng bởi sóng siêu âm 50 Hình 4.9: Sự suy giảm nồng ñộ COD sau ủ tại các thời gian siêu âm khác nhau

Hình 4.10: Nồng ñộ COD và hiệu suất xử lý COD với các khoảng thời gian siêu âm

Hình 4.11: Nồng ñộ COD và hiệu suất xử lý COD với các khoảng thời gian siêu âm

Hình 4.12: Nồng ñộ COD và hiệu suất xử lý COD với các khoảng thời gian siêu âm khác nhau sau khi ủ yếm khí của mẫu bùn thải CN-SH 56 Hình 4.13: Nồng ñộ CH4 và hiệu suất chuyển hóa CH4 với các khoảng thời gian siêu âm khác nhau sau khi ủ yếm khí của mẫu bùn thải CB 59 Hình 4.14: Nồng ñộ CH4 và hiệu suất chuyển hóa CH4 với các khoảng thời gian siêu âm khác nhau sau khi ủ yếm khí của mẫu bùn thải CN 61 Hình 4.15 Nồng ñộ CH4 và hiệu suất chuyển hóa CH4 với các khoảng thời gian siêu âm khác nhau sau khi ủ yếm khí của mẫu bùn thải CN-SH 62

PHẦN I MỞ ðẦU 1.1 Tính cấp thiết của ñề tài

Hiệu ứng nhà kính, biến ñối khí hậu ñã và ñang trở thành một vấn ñề nóng của toàn cầu ðứng trước những mối hiểm họa này, hàng loạt các chính sách, văn bản pháp lý, ñã ñược nhiều nước trên thế giới ñề xuất và thực thi, với mục tiêu chung nhằm giảm thiểu lượng khí nhà kính, ñẩy mạnh việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo Tại Hội nghị thượng ñỉnh của Liên hợp quốc về Môi trường

và Phát triển ở Rio de Janeiro, Braxin, tháng 6 năm 1992, Công ước khung của Liên hợp quốc về biến ñổi khí hậu (UNFCCC) ñã ñược 155 nước trên thế giới, trong ñó có Việt Nam ký kết tham gia Vào ngày 25 tháng 9 năm 2002, Việt Nam

ñã tham gia ký kết vào Nghị ñịnh thư Kyoto Là nước ñang phát triển, Việt Nam

có cơ hội tham gia vào thị trường khí thải toàn cầu thông qua Cơ chế phát triển sạch (CDM), ñã ñược quy ñịnh cụ thể trong Nghị ñịnh thư Kyoto Hiện nay, Việt Nam ñang là 1 trong 10 nước ñược ñánh giá là có tiềm năng về CDM với 10 dự

án CDM ñăng ký ðể tiếp tục phát huy thế mạnh này cũng như vì mục tiêu chung của toàn xã hội, nước ta cần cải tiến các công nghệ hiện thời, nhằm giảm lượng tiêu hao nhiên liệu hóa thạch, ñồng thời tích cực sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sạch ðiều này ñặt ra những yêu cầu cấp thiết cho các nhà nghiên cứu trong việc tìm ra phương thức ñúng ñắn và phù hợp với ñiều kiện nước nhà, vừa ñảm bảo nguồn năng lượng cho phát triển kinh tế, vừa giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, tạo tiền ñề cho việc thương mại “quota khí thải” trên thị trường quốc tế

Hàng năm, trên cả nước một lượng lớn bùn thải sinh học từ các hệ thống

xử lý nước thải ñược tạo ra Biện pháp xử lý lượng bùn thải này chủ yếu là chôn lấp, một phần nhỏ ñược tái sử dụng làm phân bón trong nông nghiệp Song các phương pháp xử lý này làm lãng phí một nguồn cung cấp nhiên liệu khí ñốt không nhỏ vì trong quá trình phân hủy bùn thải giải phóng ra một lượng lớn khí

CH4, trong khi lại làm tăng các áp lực tới môi trường do phát sinh lượng lớn khí thải gây hiệu ứng nhà kính cũng như về diện tích không gian chôn lấp tại các bãi

rác Trước những vấn ựề này, tôi tiến hành thực hiện ựề tài: ỘNghiên cứu phương pháp xử lý bùn cặn sinh học từ các hệ thống xử lý nước thải dưới tác dụng của sóng siêu âm trong giai ựoạn tiền xử lý yếm khắ.Ợ

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

- đánh giá khả năng phân hủy bùn thải từ các hệ thống xử lý nước thải thực phẩm và chăn nuôi dưới tác ựộng của sóng siêu âm trong giai ựoạn tiền xử

- Các số liệu phân tắch ựặc tắnh lý - hóa học và kết quả xử lý ựảm bảo tắnh chắnh xác và trung thực

PHẦN II TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 2.1 Khái quát về bùn thải và các vấn ñề môi trường phát sinh từ bùn thải

2.1.1 Khái niệm bùn thải và bùn thải sinh học

Một trong nhiệm vụ của quá trình xử lý nước thải là chuyển các chất ô nhiễm từ dạng hòa tan sang dạng rắn và tách các chất rắn ra khỏi pha lỏng Các chất rắn sau khi khử nước (làm ñậm ñặc) ñược gọi chung là bùn, chứa nhiều thành phần khác nhau và phải ñược loại bỏ hợp lý Bùn sinh ra từ hệ thống xử lý nước thải thường ở dạng lỏng có chứa từ 0,25 -12% chất rắn tính theo khối lượng tùy thuộc vào công nghệ xử lý nước thải ñược áp dụng Trong những thành phần cần xử lý, bùn chiếm thể tích lớn nhất và kỹ thuật xử lý cũng như thải bỏ bùn là

một trong những vấn ñề phức tạp nhất trong quá trình xử lý nước thải

Thông thường ta có (Vbùn / Vnước thải ) x 100% ≤ 1

Bùn cặn là sản phẩm phụ nửa rắn ñược tạo thành từ quá trình xử lý nước thải Bùn cặn chứa các hợp chất ñược khử từ nước thải và những hợp chất ñược

bổ sung trong quá trình xử lý Bùn cặn phát sinh từ các công ñoạn trong dây chuyền xử lý nước thải bao gồm bùn sơ cấp và bùn thứ cấp Hai loại bùn này có các ñặc tính khác nhau do sự khác nhau về bản chất của các thành phần chất rắn trong bùn

- Bùn sơ cấp tạo thành từ quá trình xử lý sơ cấp, như từ bể lắng ñược thiết

kế ñể loại bỏ các hạt vô cơ (cát hoặc ñá vụn) cũng như một số các hạt keo và chất

vô cơ ñậm ñặc có thể kết tủa từ nước thải chưa ñược xử lý Hàm lượng và thành phần của bùn sơ cấp phụ thuộc vào công suất bể lắng, chế ñộ thủy lực và chất lượng nước thải ñầu vào

- Bùn thứ cấp tạo ra từ quá trình xử lý thứ cấp (sinh học) và do sự chuyển hóa của các hợp chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng vào sinh khối và các vi sinh vật Bùn thứ cấp cũng có thể chứa chất rắn không loại bỏ ñược trong quá trình xử

lý sơ cấp Hàm lượng và tính chất của bùn thay ñổi phụ thuộc vào quá trình sử dụng, hiệu suất của quá trình xử lý sơ cấp và nồng ñộ các chất hữu cơ trong nước cũng như các ñiều kiện khí hậu của ñịa phương Nói chung, bùn thứ cấp có hàm

lượng chất hữu cơ cao, tỷ trọng khá thấp do hạt kết bông và hàm lượng các chất rắn vô cơ thấp Với các ñặc ñiểm nêu trên bùn thứ cấp thường khó xử lý hơn

Căn cứ vào nguồn phát thải bùn mà chia bùn thải ra thành 03 loại:

- Bùn kết hợp tạo ra từ hệ thống xử lý nước thải không sử dụng quá trình lắng sơ cấp và có ñặc ñiểm kết hợp của bùn sơ cấp và bùn thứ cấp Việc xử lý bùn kết hợp thường khó vì tính chất của bùn rất khác nhau, do ñó không có quy chuẩn cho việc xử lý

- Bùn hoá học là sản phẩm của các quá trình xử lý hóa học nước thải, chứa muối, chất ñiện ly ña phân tử và các chất hóa học sử dụng ñể tăng cường khả năng loại bỏ chất rắn và lắng các chất dinh dưỡng ðặc ñiểm của bùn hóa học phụ thuộc và thành phần các chất trợ keo dùng trong quá trình xử lý, chất lượng nước xử lý và các thông số vận hành của bể xử lý

- Bùn sinh học là sản phẩm của quá trình xử lý sinh học thứ cấp nước thải, thường chứa nhiều hợp chất hữu cơ và vi sinh vật, ñã ñược tách bổ ñất ñá, cặn vô

cơ lớn không phân hủy ñược ðây cũng chính là ñối tượng nghiên cứu chính trong nghiên cứu này do bùn thải sinh học khi không ñược xử lý một cách hiệu quả gây nên nhiều vấn ñề về môi trường hiện nay tại nhiều cơ sở sản xuất ñặc biệt là ngành chế biến thực phẩm và ngành chăn nuôi

Bùn dư từ các quá trình xử lý lý học, hóa học và sinh học của nước thải cần ñược tiếp tục xử lý trước khi ñem chôn lấp hoặc tái sử dụng trong nông nghiệp, nếu không sẽ gây nên các vấn ñề về môi trường như ô nhiễm mùi, vấn ñề diện tích chôn lấp, vấn ñề về thoát khí nhà kính gây hiệu ứng nhà kính làm gia tăng quá trình biến ñổi khí hậu

2.1.2 Một số tính chất cơ bản của bùn thải

Các ñặc tính cơ bản của bùn thải có thể biểu thị theo các tính chất vật lý, hóa học và sinh học

kích thước hạt

- Hàm lượng chất rắn: là trọng lượng khô của các chất rắn trên tổng khối lượng bùn

- Chất rắn dễ bay hơi (volatile solid – VS) biểu thị hàm lượng chất hữu cơ trong bùn, ñược xác ñịnh bằng phương pháp phân tích trọng lượng VS ñược xác ñịnh theo ñộ chênh lệch giữa trọng lượng khô của mẫu bùn với với trọng lượng của mẫu sau khi nung ở nhiệt ñộ 5500C ñể làm bay hơi các chất hữu cơ

- Phân bố kích thước hạt biểu thị kích thước của các thành phần hạt trong bùn, thông số này liên quan tới khả năng giữ nước của bùn

tính chất hóa học biểu thị sự có mặt của các hợp chất hóa học trong bùn và khả năng tái sử dụng bùn sau khi ổn ñịnh Các thông số chung ñể phân tích là mùi, hàm lượng chất hữu cơ và kim loại Nếu bùn ñược dùng cho mục ñích tái sử dụng thì cần phân tích thêm các chỉ tiêu như Nitơ, Phôtpho, kim loại ñiển hình và các chất ñộc hại ñể có thể ñảm bảo các sản phẩm cuối cùng phù hợp với các quy ñịnh cụ thể

Các tính chất sinh học: biểu thị sự có mặt của các vi khuẩn, mầm bệnh trong bùn Tuy nhiên quá trình xác ñịnh này thường khó thực hiện ñược vì nó liên quan ñến nhận dạng virus, vi khuẩn và các sinh vật khác có thể gây bệnh Nếu bùn dùng có mục ñích tái sử dụng thì việc ñánh giá mầm bệnh là cần thiết thực hiện

Việc xử lý bùn rất cần thiết cho sức khỏe, môi trường và kinh tế Bùn có thể là mối nguy hại nghiêm trọng ñến sức khỏe vì nó chứa nhiều mầm bệnh và chất ñộc nguy hại có thể ảnh hưởng ñến cộng ñồng Bùn chưa xử lý tạo ra mùi khó chịu và là nguồn gốc của các sinh vật gây bệnh Do ñó, cần phải khống chế các mầm bệnh và kiểm soát các thành phần ô nhiễm trong bùn Làm giảm thể tích bùn là biện pháp cần thiết nhằm giảm chi phí và giúp cho việc tái sử dụng trở nên có hiệu quả

ðặc ñiểm của bùn thay ñổi theo từng ñối tượng nguồn thải, lượng bùn phụ thuộc vào vị trí phát sinh trong dây chuyền xử lý nước thải (sơ cấp hay thứ cấp)

Bảng 2.1: Một số ñặc tính của bùn sơ cấp và thứ cấp

Bùn sơ cấp Bùn thứ cấp Các chỉ tiêu ðơn vị

(Nguồn: Dẫn theo WEF, 2003; Giáo trình xử lý chất thải chi phí thấp )

Bùn sinh học là loại bùn phát sinh chủ yếu và gây nhiều tác ñộng ñến môi trường do giàu hợp chất hữu cơ và chứa nhiều mầm bệnh ðể lựa chọn biện pháp

xử lý bùn sinh học hiệu quả nhất cần nắm rõ bản chất hay chính là tính chất hóa học của bùn thải

2.1.3 Các vấn ñề về quản lý và xử lý môi trường phát sinh từ bùn thải

Về quản lý

Quản lí bùn thải trên ñịa bàn cả nước nói chung và các khu công nghiệp nói riêng là một vấn ñề hết sức nan giải và bất cập trong bối cảnh hiện nay Theo

loại nước, phơi khô, ñổ bỏ hay chôn lấp, chỉ một phần rất nhỏ ñược sử dụng làm phân bón Việc ñổ bỏ, chôn lấp bùn thải ñã và ñang gây ra sự ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Tại các khu công nghiệp chỉ có một phần rất nhỏ bùn thải công nghiệp ñược thu hồi, tái chế và tái sử dụng ngay trong các cơ sở công nghiệp hay tái chế bên ngoài do các cơ sở tư nhân ñảm nhiệm Một số khu công nghiệp giao khoán hợp ñồng cho các ñơn vị thu gom bùn thải làm mà không có kiểm tra giám sát, các ñơn vị này sẽ thu gom bùn từ các nhà máy xí nghiệp sau

ñó ñem về phân loại, những chất có thể tái chế thì tận dụng còn chất ñộc hại thì

ñổ ra môi trường Lượng bùn thải ñược tận dụng lại là rất ít và phần lớn bùn thải công nghiệp, bùn thải nguy hại và bùn thải sinh học ñược chôn lẫn lộn với rác ñô thị hay ñổ bừa bãi xuống các kênh rạch, khu ñất trống, gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, với biện pháp thải bỏ bùn thải như hiện nay sẽ gây ảnh hưởng ñến nước ngầm, nước mặt và các phương pháp trên không ñảm bảo

kỹ thuật, không phù hợp với xu hướng phát triển bền vững (Donre và cs, 2011)

Chỉ tính riêng trên ñịa bàn thành phố Hồ Chí Minh lượng bùn thải từ hoạt ñộng nạo vét hố ga, bể phốt mỗi ngày lên tới 1200 – 1500 tấn/ngày Bùn phát sinh từ hệ thống xử lý nước thải tập trung của khu công nghiệp, trạm/nhà máy xử

lí nước cấp, nước thải sinh hoạt khoảng 300 – 500 tấn/ngày Bùn từ nhà máy xử

lý nước cấp khoảng 150 – 300 tấn/ngày Cùng với tốc ñộ công nghiệp hóa thì lượng bùn phát sinh từ hoạt ñộng sản xuất công nghiệp ñang ngày một gia tăng

và khó kiểm soát

Về xử lý

khó khăn nhất trong xử lí bùn thải tuy nhiên ñây là công việc rất cần thiết do bùn

thải có ảnh hưởng cho sức khỏe, môi trường và kinh tế Cùng với ñó tác giả Hao

ra rằng bùn có thể là mối nguy hại nghiêm trọng ñến sức khỏe vì nó chứa nhiều mầm bệnh và các chất nguy hại có thể ảnh hưởng ñến cộng ñồng Bùn chưa xử lý tạo ra mùi khó chịu, gây ô nhiễm môi trường không khí và là môi trường cho vi sinh vật gây bệnh phát triển, bùn thải tràn làn gây ô nhiễm môi trường ñất và nước Do ñó cần phải khống chế các mầm bệnh và kiểm soát các thành phần ô nhiễm có trong bùn thải

Thông thường bùn thải sau quá trình xử lý nước thải ñược xử lí chủ yếu bằng các biện pháp sau:

- Thiêu ñốt

- Vận chuyển ñến bãi chôn lấp

- Thải bùn vào ñại dương

- Khí hóa – bằng cách sử dụng bùn thải tại các nhà máy khí hóa sinh khối Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn mới mẻ ở nước ta và chưa ñược sử dụng rộng rãi

Theo một số tác giả Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (2005) quá trình nén

chặt làm ñặc bùn có thể thực hiện bằng lắng trọng lực thông qua thiết bị nén bùn

và tuyển nổi hoặc ly tâm

Việc ổn ñịnh bùn nhằm phân hủy phần các chất hữu cơ có thể phân hủy bằng con ñường sinh học thành CO2, CH4 và H2O, giảm vấn ñề mùi hoặc loại trừ

sự thối rữa của bùn cặn Quá trình này cũng có tác dụng giảm số lượng vi khuẩn gây bệnh và giảm thể tích bùn cặn Ổn ñịnh bùn có thể thực hiện bằng phương pháp hóa học, nhiệt hoặc sinh học

Tách nước trong bùn nhằm giảm ñộ ẩm của bùn cặn và thường sử dụng phương pháp lọc chân không, sân phơi bùn bằng cát ðể chuẩn bị cho quá trình này người ta thường tiến hành ñiều hòa bùn trước khi lọc

Quá trình ñiều hòa bùn nhằm giảm trở lực lọc riêng, cải thiện tính chất của mối liên kết nước (dạng và cấu trúc liên kết nước với bùn) Thường bùn ñược xử

lý bằng các tác nhân ñông tụ như các muối sắt, nhôm (FeSO4, Fe(SO4)3, FeCl3,

Al2(SO4)3 và vôi Trong thực tế dùng FeCl3 cùng với vôi cho hiệu quả cao nhất Liều lượng FeCl3 vào khoảng 8%, vôi vào khoảng 15 ñến 30% theo rắn khô của bùn tùy vào từng ñối tượng nước thải

Cuối cùng là công việc xử lý và thải bã cặn bùn Công việc này có thể ñược thực hiện bằng cách xử lý nhiệt như sấy khô sau ñó bùn ñược chế biến thành phân bón NPK hoặc thiêu ñốt ñể lấy nhiệt, sau ñó là ñem ñi chôn lấp các vùng trũng tạo mặt bằng xây dựng công trình mới

Một ví dụ ñiển hình cho vấn ñề quản lý và xử lý bùn thải tại nước ta hiện này chính là thực trạng phát sinh bùn thải trên ñịa bàn thành phố Hồ Chí Minh trong những năm gần ñây Theo báo cáo hiện trạng môi trường thành phố ñến nay, trong khi mặt bằng ñổ bùn thải ngày càng khan hiếm thì lượng bùn thải tại thành phố Hồ Chí Minh ñã vượt con số 4.000 tấn/ngày, chủ yếu từ hệ thống cống

rãnh, bùn hầm cầu, các hoạt ựộng xây dựng, các khu công nghiệp, cơ sở sản xuấtẦ Ngoài ra, ựang và sẽ phát sinh thêm hàng triệu tấn bùn thải từ các dự án nạo vét kênh Nhiêu Lộc - Thị Nghè, Tàu Hủ - Bến Nghé, Tân Hóa - Lò Gốm, các tuyến metro, hầm Thủ ThiêmẦ đáng quan tâm hơn nữa là phần lớn khối lượng bùn này chưa ựược xử lý mà ựổ trực tiếp ra các bãi ựổ khu vực ngoại thành gây ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường không khắ, môi trường ựất và môi trường nước

Vấn ựề thiếu bãi ựổ bùn thải tại thành phố Hồ Chắ Minh hiện rất nan giải Thời gian qua, bùn thải ựược ựổ khắp nơi có thể, chủ yếu tập trung ở ngoại thành như huyện Bình Chánh, Hóc Môn, Cần Giờ, Củ Chi, quận 9, Thủ đứcẦ Vừa qua, bổ sung thêm bãi ựổ ở quận Bình Tân song vị trắ này cũng sẽ sớm quá tải trong thời gian tới Vì vậy việc xây dựng hệ thống xử lý bùn thải theo ựúng tiêu chuẩn là việc làm hết sức cần thiết cho một ựô thị lớn như Hồ Chắ Minh hiện nay

đây chỉ là một trong những vắ dụ ựiển hình về sự phát sinh bùn thải tại một thành phố lớn, bên cạch ựó, ở các ựô thị nhỏ, khu vực ngoại thành vấn ựề phát sinh bùn thải, quản lý và xử lý bùn cũng còn lỏng lẻo, chưa có những biện pháp xử lý triệt ựể cũng như tận dụng nguồn năng lượng tái tạo từ loại chất thải này

Từ thực trạng quản lý và xử lý bùn thải sinh học như trên yêu cầu cấp thiết

là phải ựưa ra giải pháp công nghệ xử lý bùn hợp lý nhằm bảo vệ sức khỏe con người, bảo vệ môi trường sống và tận thu ựược nguồn năng lượng có trong bùn thải sinh học

2.2 Cơ sở khoa học của quá trình phân hủy bùn thải trong ựiều kiện yếm khắ và

sự chuyển hóa thành CH 4

2.2.1 Khái niệm và cơ chế của quá trình phân hủy yếm khắ

áp dụng phổ biến trong các qui trình xử lý bùn cặn, các chất thải hữu cơ, nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao

Quá trình phân hủy yếm khí ñược hiểu là quá trình phân hủy chuyển hóa các hợp

chất hữu cơ thành cacbon diôxit và khí Mêtan (khí sinh học)

Trong các trạm xử lý nước thải thường có các công trình phân hủy (bể Mêtan) ñể xử lý yếmứng dụng ñược tiến hành nhằm tìm ra nhiều phương pháp xử lý nhằm tăng hiệu

quả tái sinh năng lượng ñồng thời xử lý triệt ñể chất ô nhiễm trong nước thải

cũng như bùn thải

tử thành khí sinh học ñòi hỏi sự tác ñộng của vào nhóm vi sinh vật Quá trình

phân hủy ñược tiến hành qua các bước khác nhau như phân hủy yếm khí các chất

ñạm, Hydrat cacbon, chất béo Quá trình chuyển hóa toàn phần gồm các giai

ñoạn chính: Thủy phân, Axit hóa, Axetat hóa và Mêtan hóa

+ Thủy phân

Quá trình chuyển hóa các chất rắn phức tạp thành các hợp chất hòa tan với

trọng lượng phân tử nhẹ hơn Quá trình này ñòi hỏi sự tác ñộng của các enzim

ngoại bào tiết ra từ các vi khuẩn gây men Các chất ñạm ñược phân hủy thông

qua các chuỗi thành các axit amin, hydrat cacbon ñược chuyển hóa thành các

chất ñường có thể hòa tan (ñơn và các disaccarit), và các chất béo ñược chuyển

hóa thành chuỗi các axit béo và glyxêrin Trên thực tế, tốc ñộ thủy phân có thể

gây ức chế tốc ñộ phân hủy yếm khí ðặc biệt, tốc ñộ chuyển hóa các chất béo sẽ

xảy ra rất chậm trong ñiều kiện dưới 200C

+ Axit hóa

Trong quá trính axit hóa, các chất hòa tan ñược tạo thành từ quá trình thủy

phân dưới tác dụng của các vi khuẩn lên men ñược chuyển hóa thành các hợp

chất hữu cơ ñơn giản (axit béo dễ bay hơi, cồn, axit Lactic) và các chất khoáng

(Cacbon diôxit, Hydro, Amoniac và khí Hidro Sunfua) Quá trình lên men axit

ñược thực hiện bởi nhiều loại vi khuẩn khác nhau, nhưng phần lớn chúng là vi

khuẩn yếm khí bắt buộc Tuy nhiên, cũng có thể có những loại vi khuẩn lưỡng

tính có thể chuyển hóa các chất hữu cơ qua con ñường ôxy hóa ðiều này quan

trọng trong xử lý nước thải yếm khí, vì ôxy hòa tan có thể gây ảnh hưởng xấu cho các vi khuẩn yếm khí và các vi khuẩn Mêtan

+ Mêtan hóa

Mêtan hóa thường là giai ñoạn chiếm tỷ lệ hạn chế trong toàn bộ quá trình phân hủy, mặc dù tại nhiệt ñộ thấp nó có thể thủy phân Mêtan ñược tạo thành từ quá trình phân hủy axetat hoặc từ phản ứng khử Dioxit Cacbon bằng Hydro, tương ứng, bởi các vi khuẩn lên men giấm và vi khuẩn Hydro

Tổng hợp Mêtan từ vi khuẩn lên men giấm:

Các nhóm vi khuẩn khác nhau tham gia trong quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ ñều có khả năng ñồng hóa và dị hóa Vì vậy, song song với quá trình giải phóng ra các sản phẩm lên men khác nhau, lượng sinh khối mới cũng tạo thành trong bốn giai ñoạn chuyển hóa

Quá trình phát sinh Mêtan từ các hợp chất hữu cơ cao phân tử ñược mô tả tóm tắt lại qua sơ ñồ sau:

Hình 2.1: Quá trình phát sinh Mêtan từ các hợp chất cao phân tử

2.2.2 Những yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình phân hủy yếm khí

Các yếu tố môi trường ảnh hưởng ñến quá trình phân hủy yếm khí bao gồm nhiệt ñộ, pH, các thành phần dinh dưỡng chính và chất chất ñộc hại gây ức chế

- Nhiệt ñộ: Cũng như các quá trình phân hủy sinh học khác, quá trình phân hủy yếm khí phụ thuộc nhiều vào nhiệt ñộ Tốc ñộ phân hủy chuyển hóa diễn ra nhanh nhất với các ñiều kiện yếm khí trong khoảng 35 – 400C và hảo khí tại khoảng 550C

hủy bùn lắng (bùn sơ cấp) Kết quả nghiên cứu chỉ ra sự phụ thuộc nhiệt ñộ của quá trình phân hủy chất rắn Sự biến ñổi thành các phần nhỏ của các chất hữu cơ

bị phân hủy có thể ñược cho là do hiệu suất thủy phân thấp Trong ñiều kiện thực

tế, ñiều ñó có nghĩa là các hợp chất hữu cơ lơ lửng có thể tách khỏi nước ở nhiệt

ñộ thấp, thậm chí có khi không chuyển hóa, vì có thể bị giữ lại trong lớp bùn ñáy

Hợp chất hữu cơ : ðạm, Hydrat Cacbon, Chất béo

Axit Béo Axit Amin, ðường

Các sản phẩm trung gian Propionic,

Butyrich v.v…

Hydro Axit Axetic

M ÊTAN

Quá trình phân hủy yếm khí thường ñược áp dụng tại các vùng khí hậu nhiệt ñới hoặc cận nhiệt ñới hơn so với vùng ôn ñới

- pH: Giá trị và ñộ ổn ñịnh của pH trong bể phản ứng ký khí là yếu tố quan trọng vì quá trình Mêtan hóa chỉ ñạt hiệu suất cao trong ñiều kiện pH ñược duy trì ở mức trung tính Giá trị pH nếu thấp hơn 6,3 hoặc cao hơn 7,8 thì hiệu suất quá trình Mêtan hóa bị giảm

- ðộ kiềm: Cần ñảm bảo nồng ñộ kiềm ở mức từ 2000 – 3000 mg/l (theo CaCO3) ñể trung hòa lượng khí CO2 và các axit hữu cơ dễ bay hơi phát sinh từ quá trình phân hủy yếm khí các chất hữu cơ và duy trì pH thích hợp với sự phát triển của vi khuẩn

- Thành phần cơ chất: Thành phần cơ chất có ảnh hưởng lớn ñến quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Thông thường giá trị C/N = 30/1 là lý tưởng nhất, nếu C/N > 30/1 (thiếu nitơ, hệ số tự hủy của bùn là 0,021 ngày làm giảm lượng bùn yếm khí), nếu C/N < 30/1tồn tại nhiều NH4+ khiến pH tăng lên

và ức chế vi khuẩn sinh Mêtan Nguồn Nitơ sử dụng cho các vi sinh bao gồm toàn bộ Nitơ hữu cơ và Nitơ vô cơ Nitơ ñược chuyển hoá chủ yếu ñể tạo ra các

protein, các axit nucleic, các polymer của tế bào

Chất dinh dưỡng trong bùn là yếu tố quan trọng quyết ñịnh ñến hoạt ñộng

sống của vi sinh vật, Michel H.Gerardi (2002) ñã phân chia làm hai loại: dinh

dưỡng cần thiết và dinh dưỡng thứ yếu ñược cụ thể trong bảng 2.2

Bảng 2.2: Các chất dinh dưỡng cho hoạt ñộng sống của vi sinh vật

Dinh dưỡng cần thiết Dinh dưỡng thứ yếu

C, Ca, Cl, H, N, Mg,

Na, O, P, S

Co, Cu, Cr, F, Fe, I, Mo,

Ni, Se, Si, Zn

(Nguồn: Michel H Geraradi, 2002)

- Các chất ức chế: Ngoài nồng ñộ của ion H+, một số các thành phần khác cũng ảnh hưởng ñến hiệu suất phân hủy yếm khí, thậm chí với nồng ñộ rất thấp như các kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ – axit Tuy nhiên, sự có mặt của của các hợp chất này thường ít xảy ra Các hợp chất ảnh hưởng xấu thường là Ôxy và Sunfit Khả năng xâm nhập của ôxy có thể thông qua hệ thống phân phối

chất thải vào, nhưng sẽ ñược phân phối tiêu thụ cho sự chuyển hóa ô xy hóa trong quá trình lên men axit Vì vậy, thường không có ôxy hòa tan trong bể phản ứng yếm khí, mặc dù không khí có thể xâm nhập qua dòng vật chất ñầu vào, vì vậy sự xâm nhập của nó ít ảnh hưởng ñến hoạt ñộng của bể phản ứng Sunfit có thể tạo thành trong quá trình khử Sunphat Tuy nhiên, theo công bố của Rinzenma (1989) nồng ñộ Sunfit nồng ñộ Sunfit trong các hệ thống xử lý yếm khí (tới 50mg/l) thấp hơn nhiều so với nồng ñộ tối thiểu có thể gây hại cho hệ thống

- Vi sinh vật phân hủy yếm khí: Tốc ñộ sinh trưởng của vi sinh vật là một trong những ñộng lực chính tác ñộng ñến quá trình phân hủy yếm khí, ñồng thời tốc ñộ sinh trưởng của vi sinh vật ảnh hưởng có mối quan hệ mật thiết với tốc ñộ tiêu thụ chất nền Tốc ñộ sinh trưởng của vi sinh vật tỷ lệ với tốc ñộ tiêu thụ chất

nền Theo Henzen và Harrenmoes (1983) giả thuyết rằng trong quá trình nuôi

cấy các vi khuẩn tinh khiết dạng axit hóa hay mêtan hóa, cả hai trường hợp ñều ñạt tốc ñộ chuyển hóa lớn nhất khoảng 13 mg COD/mg VSV/ngày Trong hệ nuôi cấy kết hợp các dạng vi khuẩn axit hóa và mêtan hóa sử dụng hỗn hợp chất nền hữu cơ gồm vi khuẩn mêtan hóa chiếm 1/6, trong ñó vi khuẩn axit hóa chiểm ñến 5/6

Các chủng giống vi sinh vật tham gia vào quá trình phân hủy yếm khí có vai trò quan trọng trong việc chuyển hóa các chất, tăng khả năng phân hủy chất hữu cơ, ñồng thời tăng sự chuyển hóa thành khí mêtan Số lượng vi sinh vật tham gia phân hủy và khả năng tiếp xúc của vi sinh vật với các hợp chất cần phân hủy càng lớn thì hiệu quả xử lý, chuyển hóa các chất càng cao

2.3 Giới thiệu chung về sóng siêu âm

2.3.1 Khái quát chung về sóng siêu âm

ðể có một cái nhìn tổng quát về sóng siêu âm, trước hết ta cần nắm khái niệm về sóng âm, bởi sóng siêu âm là một thành phần của sóng âm

Các môi trường chất ñàn hồi (khí, lỏng hay rắn) có thể coi là những môi trường liên tục gồm những phần tử liên kết chặt chẽ với nhau Lúc bình thường, mỗi phần tử có một vị trí cân bằng bền Lấy một ví dụ, nếu ta tác ñộng một lực

lên một phân tử A nào ñó bên trong môi trường này, phần tử A sẽ rời khỏi vị trí cân bằng bền Do tương tác tạo nên bởi các liên kết với các phần tử bên cạnh nên phân tử A vừa bị kéo về vị trí cân bằng, ñồng thời cũng chịu tác dụng bởi một lực tác ñộng nên phân tử A sẽ di chuyển qua lại xung quanh vị trí cân bằng, có nghĩa

là phân tử A thực hiện chuyển ñộng dưới dạng dao ñộng Hiện tượng này tiếp tục xảy ra ñối với các phân tử khác trong môi trường Dạng dao ñộng cơ, có tính chất lặp ñi lặp lại, lan truyền trong môi trường ñàn hồi ñược gọi là sóng ñàn hồi hay sóng cơ Nói một cách khác, sóng là một hiện tượng vật lý trong ñó năng lượng ñược dẫn truyền dưới dạng dao ñộng của các phần tử vật chất trong môi trường truyền sóng

Về bản chất, sóng âm là sóng cơ học, do ñó nó tuân theo mọi quy luật ñối với sóng cơ, có thể tạo ra sóng âm bằng cách tác ñộng một lực cơ học vào môi trường truyền âm

Phân loại sóng âm: Sóng âm ñược phân loại theo phương dao ñộng hoặc tần số

dọc và sóng ngang

- Sóng ngang là sóng mà phương dao ñộng của các phần tử của môi trường vuông góc với tia sóng Sóng ngang xuất hiện trong các môi trường có tính ñàn hồi về hình dạng Tính chất này chỉ có ở dạng vật chất rắn

- Sóng dọc là sóng mà phương dao ñộng của các phần tử môi trường trùng với tia sóng Sóng dọc xuất hiện trong cả môi trường chịu biến dạng về thể tích , do ñó nó truyền ñược trong các vật rắn cũng như trong môi trường lỏng và khí

Phân loại theo tần số: dựa trên cơ sở về tần số sóng âm chia theo dải tần số thành 03 vùng chính

- Sóng âm có tần số cực thấp: hay còn gọi là sóng hạ âm (Infrasound):

f < 16Hz Ví dụ : sóng ñịa chấn

- Sóng âm tần số nghe thấy ñược (Audible sound): f = 16 Hz – 20kHz

- Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20kHz

Hình 2.2: Phân loại theo dải tần số sĩng

Trong thế kỷ 19, Kranj - nhà khoa học người ðức đã thơng qua thực nghiệm và rút ra: 20000Hz là giới hạn lớn nhất tai người cĩ thể nghe được, cịn loại sĩng cĩ độ lớn hơn 20000Hz mà con người khơng nghe thấy là sĩng siêu âm

Vì vậy “Sĩng siêu âm là sĩng cơ học cĩ tần số lớn hơn 20 kHz”

ðặc tính của sĩng siêu âm: Cũng theo Kranj, ơng đã chỉ ra hai đặc tính quan trọng của sĩng siêu âm:

ðặc tính đầu tiên của sĩng siêu âm là cĩ tính định hướng Do tần suất của sĩng siêu âm rất cao, cho nên bước sĩng rất ngắn bởi vậy nĩ cĩ thể truyền theo đường thẳng như ánh sáng Sĩng siêu âm khi va vào vật cản sẽ phản xạ trở lại, bằng cách tiếp nhận và phân tích sĩng phản xạ, người ta cĩ thể dự đốn phương hướng và khoảng cách của vật cản Trong thế giới tự nhiên, một số lồi động vật như dơi, cá voi cũng cĩ khả năng phát hiện ra sĩng siêu âm

ðặc tính thứ hai của sĩng siêu âm là nĩ cĩ thể truyền trong nước với khoảng cách rất xa Trong khơng khí, sĩng siêu âm cĩ tần số 30kHz cĩ thể truyền

về phía trước 24m và sau đĩ cường độ của nĩ giảm xuống cịn 1/2, song khi ở trong mơi trường nước, nĩ cĩ thể truyền về phía trước tới 44000m thì cường độ lúc này của nĩ mới giảm đi 1/2, tức là gấp khoảng 400 lần so với khoảng cách truyền trong khơng khí Do ánh sáng và sĩng điện từ khác trong nước truyền nối tiếp, khơng đi xa được, bởi vậy sĩng siêu âm trở thành phương tiện đầu tiên được con người sử dụng để thám hiểm vật thể dưới nước

Việc sử dụng sĩng siêu âm trong hĩa học đã mở ra một kỷ nguyên ứng dụng mới trong các lĩnh vực khoa học Alfredl Loomis là người đầu tiên đã sử dụng sĩng siêu âm trong hĩa học vào năm 1927 Ơng đã nhận ra sự tác động

mãnh liệt của sóng siêu âm ñối với các phản ứng hóa học và làm biến ñổi hẳn những phản ứng thông thường Sau này, ngày càng nhiều những nhà nghiên cứu

ñã khám phá ra sự tác ñộng, sự thúc ñẩy làm gia tăng tốc ñộ phản ứng hay tạo ra những tác ñộng bất ngờ trong các phản ứng hóa học nhờ vào việc sử dụng sóng siêu âm trong hóa học, bởi vậy, nó ngày càng trở nên phổ biến Thuật ngữ “Hóa học sóng âm” ñược ñịnh nghĩa là những phản ứng hóa học ñược thúc ñẩy bởi sự tác ñộng mạnh mẽ của sóng âm Gần ñây, thuật ngữ này ñược mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác có liên quan tới hóa học trong việc chiết, tách, kết tinh hay hình thành siêu hạt, v.v

Tác ñộng của sóng siêu âm ñối với những chuyển hóa hóa học không phải

là kết quả của bất kỳ sự liên kết trực tiếp giữa sóng âm với các dạng hóa học ở mức ñộ phân tử (tần số - ñộ dài sóng âm khác nhau, tần số dao ñộng của các liên kết giữa các nguyên tử trong một phân tử, tần số sóng siêu âm nằm trong khoảng kHz hay MHz so với GHz ñối với các liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử) Sóng siêu âm có khả năng tạo ra các tác ñộng hóa học thông qua các hiện tượng sủi bọt bong bóng: sự thoát khí, sự hình thành và làm tan vỡ của các bóng khí cùng với mức năng lượng cục bộ khổng lồ ñược giải phóng

2.3.2 Cơ sở khoa học tác ñộng của sóng siêu âm

Sóng siêu âm có ý nghĩa ứng dụng rất lớn, nhưng chúng lại không phải là một nguồn năng lượng truyền thống, nó không giống như các nguồn năng lượng thông thường như bức xạ nhiệt, ánh sáng hay bức xạ ion về thời gian tồn tại, áp suất và năng lượng trên phân tử Với những ñặc ñiểm về khả năng thay ñổi nhiệt

ñộ và áp suất rất lớn trong thời gian ngắn trong môi trường chất lỏng, sóng siêu

âm trở nên ñặc biệt hơn so với các nguồn năng lượng khác

Nếu giải thích về hiện tượng tạo bóng khí theo phương pháp toán học thì khá phức tạp, nhưng nếu sử dụng phương pháp gần ñúng thì chỉ cần 02 thông số quan trọng: nhiệt ñộ và áp suất tại ñiểm cuối của sự phá vỡ bóng khí theo 2 phương trình dưới ñây :

Tmax= T0 * Pm (k-1)/P

Pmax = P*[Pm(k-1)/P] k/(k-1)

Trong đĩ:

- T 0 là nhiệt độ tồn bộ chất lỏng

âm thanh và thủy tĩnh)

- P là áp suất bên trong khi bĩng khí đạt kích thước lớn nhất

- k là hệ số tỷ lệ của nhiệt C p / C v (nhiệt tại áp suất và thể tích khơng đổi)

và chỉ ra lượng nhiệt thốt ra bao nhiêu từ khí trong quá trình nén đoạn nhiệt

Nhiệt độ và áp suất dự đốn tại trung tâm của bĩng khí chứa đầy Nitơ trong nước là 4200 K và 975atm, trong khi lượng chất lỏng xung quanh bĩng khí

cĩ nhiệt độ cân bằng với mơi trường Bằng thực nghiệm, khoảng nhiệt độ trong quá trình tan bĩng khí được quan sát là 2000 – 4000K trong dung dịch lỏng

Những đặc điểm đặc biệt về quá trình hình thành và phá vỡ bĩng khí của sĩng siêu âm đã được giải thích thơng qua thuyết “điểm nĩng” (hot-spot) Tại

“điểm nĩng” cĩ nhiệt độ xấp xỉ 5000 0 C, áp suất khoảng 1000 atm, thời gian sĩng ngắn hơn 1 micro-giây, tốc độ gia nhiệt là làm lạnh trên 10 tỷ độ C / giây Qua đĩ, một sự so sánh gần đúng: “ðiểm nĩng” tạo được nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ

bề mặt mặt trời, áp suất lớn hơn dưới lịng đại dương, thời gian sống như một tia chớp, thời gian làm lạnh nhanh gấp hàng triệu lần khi nhúng một thanh sắt nĩng

đỏ vào chậu nước Sự sinh ra và vỡ bĩng khí đĩng vai trị như một giai đoạn trung gian để nhận năng lượng và tập trung năng lượng của sĩng âm để chuyển sang dạng năng lượng cĩ lợi cho các phản ứng hĩa học Tuy nhiên, vì sự phá vỡ bĩng khí xuất hiện trong một khoảng thời gian rất ngắn, thuyết “điểm nĩng” dự đốn rằng khơng cĩ đủ thời gian cho sự chuyển hĩa nhiệt hay sự chuyển khối bên trong của bĩng khí và chất lỏng Như vậy, sự phá vỡ bĩng khí là một quá trình đoạn nhiệt, tạo ra vùng nhiệt độ và áp suất cao cục bộ trong chất lỏng Vùng này được đề cập tới là “điểm nĩng”, vì nguồn gốc tạm thời của điểm nĩng với thời gian tồn tại xấp xỉ nano giây, việc đo trực tiếp những điểm này là khơng thể thực hiện trong điều kiện thơng thường

Theo Tiehm và cs (2001) và Wang và cs (2005) cũng chỉ ra giải thích theo

cơ chế “điểm nĩng” cùng với sự hình thành các bĩng khí và sự phá vỡ bĩng khí

để tạo ra năng lượng, được mơ phỏng theo hình dưới đây:

Hình 2.3: Quá trình hình thành, phát triển và vỡ tung của bĩng khí trong mơi

trường lỏng

Bằng sự suy luận từ quá trình nhiệt phân người ta dự đốn rằng phản ứng hĩa học được hình thành thơng qua các gốc tự do ðiều này cĩ nghĩa là dung mơi cũng cĩ thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt sinh ra trong quá trình siêu âm, vì vậy dưới điều kiện xử lý sĩng siêu âm, dung mơi cũng cĩ thể trở thành chất tham gia phản ứng, khơng thể coi như là chất trơ về mặt hĩa học

Một thuyết khác để giải thích về hiệu ứng hĩa học sĩng siêu âm, đặc biệt

sự phát quang sĩng âm, được biết đến là “thuyết điện hĩa” dựa trên nguyên tắc chủ yếu của sự hình thành lớp điện tích trên bề mặt bĩng khí Thuyết này cho rằng sẽ hình thành lớp điện kép trên bề mặt phân cách của mỗi lớp trượt trên các

bề mặt khác trong suốt quá trình dao động, tạo nên một trường điện cao cục bộ

Ví dụ trong nước, sự chênh lệch trong lớp điện kép khoảng 260 mV Vì vậy thuyết này được coi là một cơng cụ tốn phức tạp

Năng lượng sóng siêu âm sinh ra có tác dụng như một ngoại lực tác ñộng vào vật chất, làm gia tăng sự phân hủy các cấu trúc có kích thước phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn Tác dụng của sóng siêu âm có hiệu quả rõ rệt ñối với các phân tử có kích thước lớn hơn các phân tử có kích thước nhỏ

Một số nghiên cứu cụ thể ñã chỉ ra rằng, sóng siêu âm không có tác dụng

là thay ñổi về bản chất của chất, xong nó có tác dụng phân hủy mạnh mẽ cấu trúc ban ñầu của vật chất ñồng thời thúc ñẩy các phản ứng sinh hóa diễn ra mạnh mẽ hơn qua việc làm phân nhỏ cấu trúc và tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của vật chất Sự giảm kích thước hạt vật chất tạo ñiều kiện cho các vi sinh vật tiếp xúc nhiều hơn, từ ñó tăng khả năng chuyển hóa các chất ðồng thời, một sô nghiên cứu cũng chỉ ra sự gia tăng nồng ñộ các chất hòa tan dễ phân hủy, làm tăng nồng

ñộ chất dinh dưỡng từ ñó gia tăng tốc ñộ sinh trưởng vi sinh vật, tăng cường quá trình phân hủy và chuyển hóa các hợp chất hữu cơ

2.3.3 Những nghiên cứu về sự biến ñổi vật lý, hóa học của bùn thải dưới tác ñộng của sóng siêu âm

2.3.3.1 Sự biến ñổi về các ñặc tính vật lý của bùn thải

Sự biến ñổi về các ñặc tính vật lý của bùn thải ñược xác ñịnh thông qua kích thước hạt bằng cách quan sát dưới kính hiển vi, ñộ ñục và khả năng loại bỏ nước ñược sử dụng rộng rãi ñể ñánh giá khả năng phân hủy của bùn thải

Năm 1997, Tiehm và cs ñã chỉ ra cho thấy thời gian xử lý bằng sóng siêu

âm tăng thì kích thước bông bùn giảm dần từ 165 µm xuống 135 µm tương ứng với thời gian xử lý lần lượt là 0,49 phút và 1,6 phút Tuy nhiên, năm 2003,

10 phút, vượt quá thời gian xử lý trên thì kích thước bông bùn có chiều hướng tăng lên theo chiều tăng của thời gian xử lý bằng sóng siêu âm Hiện tượng tăng kích thước bông bùn trên có thể giải thích dựa trên sự giải phóng các chất polyme nội bào từ quá trình phá hủy tế bào vi sinh vật bởi sóng siêu âm, các polyme này tạo ñiều kiện cho việc gắn kết các bông bùn thành khối lớn hơn

Năm 2001, Chu và cs ñã kiểm tra ảnh hưởng của cường ñộ và thời gian xử

lý siêu âm khác nhau lên kích cỡ hạt ở tần số 20 kHz và nguồn vào tối ña 110W Nghiên cứu chỉ ra rằng, cường ñộ xử lý tỷ lệ thuận với hiệu suất phân hủy Kích thước hạt giảm lần lượt từ 98,9 µm xuống 22 µm và 3 µm với 0,33 W/mL và 0,44 W/mL trong thời gian 20 phút Khi tăng thời gian xử lý bằng sóng siêu âm lên 120 phút, kích thước hạt không giảm quá 3 µm

Năm 2005, Bougrier và cs sự ñã ñánh giá sự phân bố kích thước hạt ở

những mức năng lượng nhất ñịnh khi sử dụng tần số siêu âm là 20 kHz và nguồn cấp năng lượng ñầu vào là 225W Kích cỡ hạt nằm trong khoảng 0,4 ñến 100

µm Số lượng các hạt nhỏ tăng lên tương ứng với các mức năng lượng sử dụng

Cụ thể, tại mức năng lượng Es= 14550 kJ/kgTS các hạt có kích thước 1 µm chiếm 1,5% tổng khối lượng mẫu xử lý, trong khi chúng chỉ chiếm 0,1 % trong mẫu chưa xử lý Mặt khác, khối lượng hạt có kích thước lớn hơn 100 µm tăng mạnh với mức năng lượng ñầu vào nhất ñịnh ðiều này có thể giải thích bởi hiện

tượng kết tủa ñã ñược Gonze chỉ ra trong nghiên cứu vào năm 2003

Nhìn chung, như những kết quả tìm ñược của Show và cs năm 2007, các

hạt lớn hơn 4,4 µm ñều có sự phân tách thành các hợp phần nhỏ hơn với cường

ñộ cao ở 1 phút ñầu và sự phá hủy ñó bắt ñầu ñi tới giới hạn khi xử lý ở khoảng thời gian dài hơn Các hạt có kích thước nhỏ hơn 4,4 µm có ñộ nhạy kém hơn với

sự phá hủy của sóng siêu âm so với các hạt có kích thước lớn hơn 4,4 µm Lực liên kết trong các hạt có kích thước lớn hơn 4,4 µm mạnh hơn nhiều so với lực liên kết trong bông bùn có kích thước lớn (thường là các liên kết lỏng lẻo hơn) Các bông bùn lớn thì khả năng tiếp xúc với sóng siêu âm lớn hơn nên thường có

xu hướng chịu tác ñộng của sóng siêu âm rõ ràng hơn

Sự thay ñổi về cấu trúc, kích thước bông bùn trong những khoảng thời gian xử lý khác nhau có thể quan sát ñược bằng kính hiển vi Tuy nhiên, các hình ảnh trên kính hiển vi quang học không cho ta biết các tác ñộng của sóng siêu âm

ở phạm vi tế bào Khanal (2006) ñã tiến hành xử lý siêu âm ñối với các mẫu bùn hoạt tính, kết quả cho thấy trong vòng 2 phút xử lý các sợi tơ và các cụm bông bùn ñã hoàn toàn bị phá hủy

Mặt khác, theo Feng và cs (2009) ñã phát hiện ra cấu trúc bông bùn dần bị

phá vỡ nhưng không bị phá hủy hoàn toàn, dù ở mức năng lượng cao hơn 26000 kJ/kgST Do vậy, ñể có ñược thông tin ở mức tế bào, việc sử dụng kính hiển vi ñiện tử là cần thiết nhằm ñưa ra các chứng cứ cụ thể ở mức tế bào trong quá trình phân hủy bùn sinh học bằng sóng siêu âm

Nhìn chung, sự phân rã các bông bùn lớn dẫn tới hiện tượng tăng ñộ ñục

của mẫu bùn thải (Tiehm và cs, 2001) Feng (2009) ñã ñánh giá sự ảnh hưởng

của năng lượng nhất ñịnh ñối với ñộ ñục của bùn ðộ ñục trên tầng mặt của khối bùn ñược xử lý ñã giảm khi nguồn năng lượng cung cấp thấp hơn 5000 kJ/kg TS

so với khối chưa xử lý Tuy nhiên, ở mức năng lượng ñầu vào cao hơn 5000 kJ/kg TS, ñộ ñục lại tăng lên rõ rệt ðiều này có thể giải thích do việc tăng lên của các vi hạt ñược giải phóng ra từ các bông bùn nổi bên trên bề mặt dung dịch khi tác ñộng ở mức năng lượng cao

Năm 2009, Feng và cs ñã ñánh giá vận tốc sa lắng của bông bùn dưới tác

ñộng ở các mức năng lượng sóng siêu âm khác nhau Kết quả cho thấy vận tốc sa lắng của bông bùn tại mức năng lượng xử lý là 500 và 1000 kJ/kgTS lớn hơn nhiều so với giá trị này của mẫu bùn chưa xử lý Mặt khác, việc tăng năng lượng ñầu vào vượt quá 1000 kJ/kgTS sẽ dẫn tới hiện tượng giảm vận tốc sa lắng của bông bùn so với mẫu không ñược xử lý Hiện tượng này có thể liên quan ñến sự giảm kích thước bông bùn và sự giải phóng các vật chất hữu cơ ra môi trường dung dịch khi tác ñộng ở mức năng lượng cao Vì vậy, các tác giả ñã ñưa ra gợi ý mức năng lượng xử lý là1000 kJ/kgTS là tối ưu ñể cải thiện tốc ñộ sa lắng của bông bùn

Năng lượng siêu âm sử dụng ở mức thấp với thời gian xử lý ngắn sẽ làm tăng tính khử nước của bông bùn, tuy nhiên lại làm giảm ñộ phân hủy của bùn

lý vì có một lượng nước lớn trong cấu trúc các hạt nhỏ sau quá trình xử lý siêu

âm

Năm 2003, Gonze và cs lại chỉ ra rằng tính khử nước của bông bùn tăng

lên khi mức năng lượng xử lý thấp và thời gian xử lý ngắn, tuy nhiên với thời

gian xử lý dài hơn ở cùng mức năng lượng, khả năng loại nước của bông bùn lại

có xu hướng giảm xuống Hiện tượng bông bùn không thể giảm kắch thước nhỏ hơn nữa tại mức năng lượng nhất ựịnh có thể giải thắch cho hiện tượng trên

2.3.3.2 Sự biến ựổi về các ựặc tắnh hóa học của bùn thải

đánh giá sự biến ựổi các ựặc tắnh hóa học là phương pháp mang tắnh ựịnh lượng ựể chỉ ra rõ hơn sự phân hủy bùn so với ựánh giá sự biến ựổi các ựặc tắnh vật lý Phương pháp này xác ựịnh nồng ựộ các chất hòa tan của thải bùn hoạt tắnh trong giai ựoạn ngậm nước Trong lĩnh vực kỹ thuật môi trường, toàn bộ các chất hữu cơ hòa tan ựược coi là yếu tố làm tăng nhu cầu oxy hóa hóa học hòa tan (sCOD)

Tiền xử lý bằng sóng siêu âm giúp giải phóng các vật chất nội bào bao gồm các thành phần hữu cơ và các hợp chất cao phân tử trong tế bào chất - những chất trở thành một phần của sCOD Do ựó, sCOD có thể coi là một tham

số tổng quát ựể xác ựịnh số lượng bùn bị tan rã (Khanal và cs, 2007)

Nhiều tác giả ựã chọn sCOD như một tham số ựể ựánh giá sự tan rã bùn Tuy nhiên, rất khó ựể so sánh nghiên cứu này với nghiên cứu khác vì sự phân huỷ bằng sóng siêu âm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần TS, tần số, loại bùn, mật ựộ siêu âm, nhiệt ựộ và thời gian xử lý để so sánh tốt hơn, quá trình giải phóng sCOD cần phải tắnh toán tương quan với năng lượng ựầu vào cụ thể

Xử lý bằng sóng siêu âm không có tác dụng trên tổng COD (tCOD) Do

ựó, tỷ lệ sCOD/tCOD cho biết mức ựộ giải phóng các chất hữu cơ từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng sau khi ựược xử lý

Ngoài sCOD, ammonia nitơ, nitơ hữu cơ và nồng ựộ các hợp chất cao phân tử nội bào (polysaccharides, protein, axit nucleic, chất béoẦ) cũng là những thông số quan trọng ựể ựánh giá ựặc tắnh hoá học qua quá trình xử lý bằng siêu âm

Xác ựịnh rõ COD rất hữu ắch ựể có ựược ựộ phân rã (DD) - tham số lần ựầu tiên ựược ựề xuất ựể ựịnh lượng sự tan rã bùn như cho bởi phương trình sau ựây:

] Trong ñó:

• CODultrasound là phần COD không hòa tan của mẫu ñược xử lý siêu âm (mg/L)

• CODoriginal là phần COD không hòa tan của nguyên mẫu (chưa ñược xử lý) (mg/L)

• CODNaOH22hr là phần COD không hòa tan sau 22 giờ thêm 1 M NaOH (mg/L)

• CODNaOH0h là phần COD không hòa tan tại thời ñiểm bắt ñầu bổ sung 1 M NaOH (mg/L)

• CODNaOH* là COD của mẫu ngay sau khi bổ sung 1 M NaOH (mg/L)

• CODhomogenization là COD của mẫu ban ñầu sau khi ñồng nhất (mg/L)

Kết quả của phép tính (CODultrasound - CODoriginal) chính là lượng COD chuyển hóa từ nguồn COD ban ñầu (không tan) sang dạng hòa tan (sCOD) nhờ tác ñộng của sóng siêu âm; phép tính ( ) cho biết sự giải phóng COD hòa tan bởi sự phân huỷ bằng hóa chất Lượng COD giải phóng khi thêm NaOH (phân hủy hóa học) ñược giả ñịnh dẫn ñến sự tan rã hoàn toàn bùn và ñược sử dụng như một chỉ số COD tham khảo Tỷ lệ CODNaOH và CODhomogenization cho biết lượng COD của mẫu trước và sau khi bổ sung 1 M NaOH theo tỉ lệ 1:3.5 ở nhiệt ñộ 20°C

Muller ñã ñề xuất một công thức tính toán mới dựa vào công thức trước

ñó ñể tính toán DD (Schmitz và cs, 2000.) dưới ñây:

] Trong ñó:

• CODultrasound là phần COD không hòa tan của mẫu ñược xử lý siêu âm (mg/L)

• CODoriginal là phần COD không hòa tan của nguyên mẫu (chưa ñược xử lý) (mg/L)

• CODNaOH là lượng COD tối ña ñược giải phóng trong dung dịch sau khi hấp thụ NaOH

Quá trình hấp thụ NaOH ñược thực hiện bằng cách xử lý mẫu bùn với dung dịch NaOH 1M theo tỉ lệ 1:2 trong 10 phút ở 90°C Phần chất rắn không tan thu ñược bằng cách ly tâm trong 10 phút với tốc ñộ quay 30000 vòng/phút tại 4°C

khi ñó Rai và cs (2004) lại ñưa ra con số DD = 25% tại mức năng lượng ñầu vào

64000 kJ /kgTS Lý giải cho sự ña dạng này có nhiều khả năng do hiệu suất truyền năng lượng của các ñơn vị siêu âm

Một sự tương quan tuyến tính giữa mức ñộ phân rã và cường ñộ siêu âm ñược áp dụng ñã ñược Neis và cs (2000) chứng minh Mức ñộ phân rã ñã tăng hơn gấp ñôi nhờ việc tăng cường năng lượng siêu âm từ 6W/cm2 lên 18W/cm2

giải phóng sCOD Quá trình giải phóng sCOD tăng khi TS tăng cho ñến khi ñạt tối ưu, sau ñó lượng sCOD giảm ñáng kể do tác ñộng của sóng siêu âm giảm ñi

Bên cạnh ñó, Wang và cs (2005) ñã ñưa ra chỉ số sCOD từ 4.000-9.000

mg/L khi TS ñược tăng lên từ 0,5 ñến 1% trong thời gian 30 phút xử lý bằng sóng siêu âm với mật ñộ siêu âm 1,44 W/ml

giải phóng sCOD tại các mức năng lượng vào khác nhau Quá trình giải phóng sCOD ñã tăng lên song song với sự gia tăng cả về nội dung TS và năng lượng ñầu vào Tuy nhiên, sự giải phóng sCOD chậm lại ở mức năng lượng là 35 kJ/gTS dù TS cao hay thấp

và năng lượng ñầu vào là 5 Kw/gTS Thí nghiệm của ông cho thấy tăng chỉ số TS không cải thiện sự tan rã bùn Tuy nhiên, ở mức 4% và 6% TS, việc giải phóng sCOD chậm lại ñáng kể Với nồng ñộ chất rắn cao hơn, số lượng hạt tiếp xúc với lực cắt tạo ra và va chạm giữa các hạt cũng nhiều hơn Mặt khác, sự gia tăng

nồng ñộ TS cũng làm tăng ñộ nhớt Khi ñộ nhớt quá cao, nó sẽ cản trở sự hình thành bóng khí sủi bóng khí

Theo Show và cs (2007), khi năng lượng ñầu vào không ñổi thì TS dao

ñộng trong khoảng tối ưu từ 2,3% ñến 3,2% TS Bougrier và cs (2005) cũng ñã ñánh giá ảnh hưởng của các mức năng lượng nhất ñịnh ñối với sự hoà tan COD

Tỷ lệ sCOD/tCOD tăng từ 4% lên 32% khi tăng mức năng lượng từ 0 kJ / kgTS ñến 10.000 kJ/kgTS và mức 10.000 kJ / kgTS là mức năng lượng tối ưu Mặt

khác, Khanal và cs (2006) thu ñược tỉ lệ sCOD/tCOD là 16,2% tại mức năng

lượng ñầu vào là 66.800 kJ/kgTS Mặc dù mức ñộ hấp thụ ñược cải thiện khi năng lượng ñầu vào tăng lên nhưng sự tăng lên này không tỷ lệ thuận với mức tăng của ñầu vào

Nhiều nghiên cứu cho thấy chỉ số sCOD tăng lên liên quan ñến thời gian

xử lý bằng sóng siêu âm Wang và cs (2006) ñã nhận thấy lượng sCOD tăng từ

2581 ñến 7509 mg/L khi thời gian xử lý tăng từ 5 ñến 15 phút Tuy nhiên, trong vòng 20 phút, quá trình giải phóng sCOD chậm lại một cách ñáng kể

sóng siêu âm, lượng sCOD tăng lên từ 50 mg/L ñến 2500 mg/L Tuy nhiên, khi tăng thời gian xử lý dài hơn thì chỉ số sCOD lại trở nên dao ñộng Trong quá trình xử lý bằng sóng siêu âm, nhiệt ñộ tăng dần từ 20°C lên 70 °C sau 15 phút Quá trình giải phóng sCOD giảm có thể do ảnh hưởng của nhiệt nóng Nhiệt ñộ tăng lên làm tăng áp suất hơi nước bão hoà, làm các bóng hơi nước khó bị vỡ hơn

và do ñó làm giảm cường ñộ tạo bọt Ảnh hưởng nhiệt ñộ cũng ñược Chu và cs

(2001) phân tích Nhiệt ñộ của dung dịch tăng dần với sự gia tăng mức năng lượng và thời gian xử lý dẫn ñến sự gia tăng tỷ lệ sCOD/COD

Sự phân huỷ của sóng siêu âm cũng ñược ñiều chỉnh bởi các thành phần của phức hợp bùn Người ta tin rằng các chất rắn phi sinh học, ví dụ như bùn nguyên sinh và phân ñộng vật, là tương ñối dễ phân huỷ so với các loại bùn sinh học như bùn hoạt tính ñã qua sử dụng

Các nghiên cứu gần ñây ñã tập trung vào khả năng ứng dụng phân tích protein ñể xác ñịnh hiệu quả phân hủy bùn, vì protein là một thành phần quan

trọng hình thành tất cả các tế bào Các hợp chất chất ngoại bào cao phân tử hình thành nên các cấu trúc nền cho tất cả các vi sinh vật, cũng như các cấu trúc bông bùn trong

bùn hoạt tính, cũng có chứa protein (Khanal và cs, 2007)

Wang và cs (2006) ñánh giá sự tan rã bùn bằng cách ño protein ở các khoảng thời gian xử lý khác nhau và cho thấy hàm lượng protein ngoại bào và nội bào của vi khuẩn lần lượt là 698 và 11338 mg/L

Việc thải amoniac và nitơ hữu cơ hòa tan trong pha lỏng có thể là một công cụ hữu ích khác ñể ñánh giá tính hiệu quả của sự phân rã bằng siêu âm

mức TS khác nhau và lượng ñầu vào cụ thể Quá trình giải phóng N-NH4+ tăng cùng với sự gia tăng năng lượng ñầu vào cụ thể và mức TS Nồng ñộ N-NH4+ ñạt ñến một mức ñộ tương ñối ổn ñịnh ở mức năng lượng ñầu vào cụ thể là 20 kJ/gTS với mức TS là 2.0, 2.5 và 3% và 10 kJ/gTS khi TS=1,5% Trong quá trình xử lý, các tế bào vi khuẩn ñược phân hủy và nội bào nitơ hữu cơ ñã ñược giải phóng vào pha nước Nitơ hữu cơ sau ñó ñược thủy phân thành amoniac Hơn thế nữa, sự tan rã của nitơ hữu cơ từ các mảnh vỡ phi sinh học cũng có thể góp phần làm giải phóng N-NH4+ Bougrier và cs (2005) ñã theo dõi quá trình

giải phóng nitơ amoniac và hữu cơ bão hoà từ một loại bùn thải sinh học ở nhiều mức năng lượng ñầu vào khác nhau Tổng nitơ Kjeldahl (TKN) trong toàn bộ khối bùn không làm thay ñổi năng lượng ñầu vào cụ thể ðiều này rõ ràng cho thấy sóng siêu âm không góp phần làm khoáng hoá hay bay hơi nitơ Tuy nhiên, nitơ hữu cơ và nitơ amoniac ñã tăng lên trong pha lỏng với sự gia tăng ñầu vào năng lượng cụ thể trong quá trình xử lý, ñồng thời giảm lượng nitơ hữu cơ trong pha rắn Sự hòa tan tối ña của nitơ hữu cơ ñạt ñược ở mức ñầu vào năng lượng cụ thể là 10 kJ/gTS

N-NH4+ và N-NO3- ở những mức ñầu vào năng lượng cụ thể khác nhau Nồng ñộ nitơ amoni của bề mặt tăng lên nhanh chóng với sự gia tăng năng lượng ñầu vào Khi năng lượng ñầu vào vượt quá 11.000 kJ/gTS, nồng ñộ nitơ amoni trên bề mặt tăng hơn 110%, nhưng khi dùng mức năng lượng 500 và 1000 kJ/gTS, ông vẫn

thấy sự gia tăng của nồng ñộ N-NH4+ lần lượt là 31,71% và 27,67 % Nồng ñộ N-NO3- tăng khi mức năng lượng cao hơn 5000 kJ/gTS; tuy nhiên, sự gia tăng của nồng ñộ N-NO3- lại nhỏ hơn N-NH4+ ở ñiều kiện tương tự

2.3.4 Nghiên cứu về tác dụng của sóng siêu âm ñến quá trình phân hủy yếm khí

Sóng siêu âm thông qua quá trình hình thành các vi bóng khí mang năng lượng lớn giúp phân giải thành tế bào vi sinh vật và giải phóng các thành phần nội bào vào môi trường dung dịch Vì vậy, các thông số ảnh hưởng tới việc tạo các vi bóng khí sẽ tác ñộng ñến quá trình phân hủy bùn Việc tăng hàm lượng các chất rắn dễ bay hơi sẽ trực tiếp ảnh hưởng tới sản lượng khí biogas trong quá trình phân hủy yếm khí

Nhiều tác giả ñã ñánh giá tác ñộng của các chỉ số sóng siêu âm lên quá trình phân rã sinh học của bùn và sự tăng khí biogas

Năm 1999, Quarmby và cs ñã ñánh giá ảnh hưởng của nguồn vào năng

lượng siêu âm ñối với sự phân hủy yếm khí bùn thải Sự sản sinh khí biogas tăng thêm 15% trong bùn ñã ñược xử lý siêu âm ở 356 Wmin so với công thức ñối chứng Hơn nữa, nồng ñộ axit béo bay hơi của mẫu kiểm tra (VFA) ñã tăng từ 1100 mg/L lên 1400 mg/L trong ngày thứ 2 Kết thúc quá trình thủy phân, chỉ số VFA là

86 mg/L ðối với mẫu ñã xử lý bằng sóng siêu âm 365 Wmin, chỉ số VFA ñã tăng lên 1300 mg/L (tăng 22 % so với mức kiểm tra)

Cũng trong năm 1999, Wang ñã nghiên cứu sâu tác ñộng của thời gian xử

lý lên sự phân hủy bùn và diễn biến của quá trình phân hủy yếm khí Sự tạo khí Mêtan tăng lên song song với thời gian xử lý tăng Sự tăng lên ñáng kể lượng khí Mêtan ñược nhìn thấy rõ rệt trong 5 ngày ñầu, sau ñó giảm dần và chạm mức thấp nhất sau ngày thứ 11 Vì vậy, thời gian cho việc tiền xử lí sóng siêu âm tối

ưu nhất nhằm thúc ñẩy quá trình phân hủy yếm khí nên xấp xỉ là 30 phút

Năm 2001, Tiehm cũng ñã nghiên cứ ảnh hưởng của các lần xử lí với

cường ñộ sóng siêu âm khác nhau lên quá trình phân hủy bùn Kết quả cho thấy sóng âm ñã giúp quá trình phân hủy yếm khí tốt hơn Sự sản sinh khí biogas của bùn ñã xử lý bằng sóng siêu âm làm tăng tỉ lệ khí Mêtan so với các công thức ñối chứng Thật vậy, thành phần Mêtan ñã tăng 8.6 % so với ñối chứng trong khí biogas với 150 phút xử lí ðồng thời, việc phân hủy bùn tốt hơn cũng ñược ghi

lại ở tần số 20 – 40 kHz Bán kính vi bọt khí cộng hưởng tỷ lệ nghịch với tần số sóng siêu âm, nên việc sử dụng tần số thấp có thể sinh ra những bóng khí tạo bọt lớn hơn Khi vỡ bóng, lượng lớn năng lượng dạng cơ năng ñược giải phóng Vai trò quan trọng của các vi bóng khi là việc giải phóng năng lượng hấp thụ từ sóng

âm ñể phá vỡ các cấu trúc thành phần của bùn thải

Các tài liệu liên quan khái quát ñến việc sử dụng sóng siêu âm và bức xạ gamma như một phương pháp tiền xử lý ñể thúc ñẩy sự phân hủy yếm khí Nhìn chung, sự sản sinh khí biogas và loại bỏ chất rắn bay hơi lần lượt là 15-30% và 10-20%

Chu (2002) ñã kiểm tra ảnh hưởng của việc tiền xử lý sóng siêu âm tới quá trình phân hủy yếm khí bùn thải sinh học ñã ñược keo tụ bằng polymer và mẫu ñối chứng (bông bùn không ñược keo tụ) Việc tiền xử lý trước bằng sóng siêu âm (0,33 W/mL trong 20 phút) làm sản sinh khí Mêtan ñối với cả hai công thức bùn sinh học ñược keo tụ và bùn không keo tụ Sản lượng khí Mêtan tăng thêm 104 % so với bùn không xử lý ñông keo tụ và 260% so với công thức còn lại

làm rõ những tác ñộng của sóng siêu âm lên quá trình hình thành khí biogas Bùn

cô ñặc và không cô ñặc ñược xử lý bằng sóng siêu âm trong vòng 30 phút và phân loại trong vòng 33 ngày Công thức bùn cô ñặc 3 lần (giảm thể tích 3 lần) sản sinh lượng khí biogas cao nhất (138%), tiếp theo là bùn cô ñặc hai lần (42%)

Bougrier (2005) ñã ñánh giá tác ñộng của ñầu vào năng lượng sóng âm ñối với việc sản xuất khí biogas Kết quả cho thấy lượng biogas tăng lên ñồng thời với chiều tăng của năng lượng sóng âm tác ñộng Tuy nhiên, ở những mức năng lượng cao hơn, sản lượng khí biogas gần như giống nhau ðối với những mẫu thử chưa xử lý, có khoảng 97% lượng khí biogas ñược sinh ra từ việc phân hủy bông bùn, trong khi với bùn ñã xử lý siêu âm (Es= 7.000 kJ/kgTS) con số này giảm xuống còn 60% Kết quả này cho thấy, dưới tác ñộng của sóng siêu âm, một lượng lớn các hợp chất cao phân tử chứa cacbon ñã ñược giải phóng từ phức

hệ của bùn thải ra môi trường dung dịch, nhờ ñó, vi sinh vật yếm khí có thể sử dụng chúng làm cơ chất tạo ra biogas

Bên cạnh ñó, Salsabil (2009) cũng ñã nghiên cứu việc nguồn năng lượng

sóng siêu âm có ảnh hưởng như thế nào lên quá trình sản xuất khí biogas Một cải tiến quan trọng của khả năng phân hủy sinh học yếm khí ñã ñược phát hiện trong quá trình xử lý sóng siêu âm tại mức năng lượng 108.000 kJ/kgTS nhờ sự tăng lên gần như ngay lập tức của thông số COD hòa tan Sự tăng lên của COD hòa tan dẫn tới sản lượng khí biogas tăng Hệ số khí biogas tối ña là 42mL/gVSS ñạt ñược tại mức năng lượng 108.000 kJ/kgTS

Perez (2009) ñã thực hiện quá trình xử lý bằng sóng siêu âm với tần số 24kHz và nguồn là 30kWh/m3 cho mẫu bùn trong xưởng sản xuất thử liên tục 100L Quá trình xử lý bằng sóng siêu âm làm tăng 40% sản lượng khí biogas

ðể ñánh giá quá trình phân rã sinh học yếm khí của chất nền, việc sử dụng bùn yếm khí hoạt tính cao sẽ làm giảm ñáng kể thời gian thí nghiệm Những kết quả chính của việc xử lý bằng sóng siêu âm ñược áp dụng ñối với quá trình phân hủy yếm khí ñược thể hiện rõ ở bảng 2.3

Bảng 2.3: Một số nghiên cứu ñiển hình về tác dụng của sóng siêu âm ñến sự

phân hủy bùn thải

Mẫu bùn Năng lượng siêu âm sử dụng ðiều kiện

ủ Kết quả tham khảo Nguồn

Tiehm và cs (2001)

Bùn hoạt tính,

9,38 gTS/L

20 kHz, 0,33 W/mL / 20 phút

350C trong

100 ngày

Tăng 104%

lượng biogas hình thành

Chu và cs (2002)

360C trong

35 ngày

Tăng 44%

biogas hình thành

Erden và cs (2009)

Bùn hoạt tính,

17,1gTS/L

20 kHz, 108.000 kJ/kgTS

PHẦN III NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1.1 đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu tác ựộng của sóng siêu âm ựến quá trình phân hủy bùn thải sinh học trong giai ựoạn tiền xử lý yếm khắ

3.1.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu ựược tiến hành trên quy mô phòng thắ nghiệm, ựánh giá tác ựộng của sóng siêu âm trong giai ựoạn tiền xử lý yếm khắ bùn thải sinh học với các công thức thắ nghiệm với các mẫu nghiên cứu lấy tại 03 ựịa ựiểm xác ựịnh như sau:

- Bùn thải sinh học của nhà máy chế biến thực phẩm tại công ty Cổ phần Acecook Việt Nam Ờ Hưng Yên

- Bùn thải sinh học sau hệ thống Biogas của khu chăn nuôi

- Bùn thải sinh học sau hệ thống biogas của khu chăn nuôi kết hợp với bùn thải sinh hoạt

Các thắ nghiệm nghiên cứu tiến hành với bước sóng siêu âm là 38kHz

3.2 Nội dung nghiên cứu

Các nội dung nghiên cứu chắnh:

1 Xác ựịnh một số tắnh chất ban ựầu của bùn thải thải sinh học nghiên cứu

2 Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng siêu âm tới thành phần và tắnh chất của bùn thải sinh học

3 đánh giá hiệu quả của quá trình xử lý yếm khắ bùn thải sinh học dưới tác ựộng của sóng siêu âm

3.3 Phương pháp nghiên cứu

3.3.1 Phương pháp ựiều tra thu thập số liệu thứ cấp

Thu thập số liệu, thông tin có sẵn từ các nguồn sách, tài liệu, tạp chắ, về hiện trạng, ựặc tắnh nguồn thải, cơ chế của các quá trình xử lý bùn thải bằng sóng siêu âmẦ

3.3.2 Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu

Mẫu ñược thu thập từ hệ thống xử lý nước thải theo ñúng quy ñịnh tại TCVN 6663 – 3:2000 – Chất lượng nước - lấy mẫu Phần 13: Hướng dẫn lấy mẫu bùn nước, bùn nước thải và bùn liên quan

Mẫu bùn thải ñược lấy nhiều lần và trộn ñều ñể ñảm bảo ñộ ñồng ñều của mẫu Tổng thể tích mẫu bùn lấy tại mỗi ñịa ñiểm lấy mẫu là 05 lít

+ Mẫu bùn thải của nhà máy chế biến lấy tại 05 ñiểm ñem trộn ñều

+ Mẫu bùn thải sau hệ thống biogas của khu chăn nuôi và mẫu bùn thải sau hệ thống biogas của khu chăn nuôi kết hợp với bùn thải sinh hoạt ñược lấy theo các

ñộ sâu khác nhau và ñảo trộn ñều

Mẫu bùn thải lấy tại các ñịa ñiểm nghiên cứu xác ñịnh ñược mang về phòng thí nghiệm và bảo quản trong ñiều kiện 40C

3.3.3 Phương pháp bố trí thí nghiệm

Thí nghiệm ñược thí hành trên 03 mẫu bùn thải thu ñược ở 03 ñịa ñiểm ñặc trưng như ñã xác ñịnh tại phần ñối tượng và phạm vi nghiên cứu Các mẫu bùn thải sau khi thu thập ñược xử lý qua các bước sau:

Mẫu bùn thải sinh học trong nghiên cứu ñược thu thập từ bùn sinh học tại

bể lắng thứ 2 của hệ thống xử lý nước thải nhà máy chế biến thực phẩm, bùn thải

từ hệ thống biogas và bùn thải từ hệ thống biogas kết hợp bùn thải sinh hoạt Mẫu phân tích sau khi thu thập ñược bảo quản trong ñiều kiện phòng thí nghiệm tại 40C, sau ñó ñược phân tích các chỉ tiêu chính trong vòng 48h ñảm bảo ñặc tính của bùn thải không bị ảnh hưởng

Bùn thải sinh học thu gom từ các hệ thống xử lý nước thải ñược ñưa vào

bể phản ứng dưới tác dụng của sóng siêu âm trong giai ñoạn tiền xử lý với các khoảng thời gian khác nhau (mẫu không ñưa vào tiền xử lý với sóng siêu âm ñược coi là mẫu ñối chứng) trong thí nghiệm lần lượt là 15 phút, 30 phút, 45 phút với tần số sóng siêu âm là 38kHz Sau quá trình tiền xử lý bằng sóng siêu âm, lượng bùn này sẽ ñược ñưa vào ủ trong ñiều kiện yếm khí trong vòng 20 ngày ñể xác ñịnh lượng khí CH4 tạo ra Sau 20 ngày ủ mẫu bùn ñược xử lý ñem ra phân tích và so sánh ñể ñánh giá hiệu quả xử lý của từng bước và của cả quá trình