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 sốựể 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 ựểựánh 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
] Trong ựó:
Ớ CODultrasound là phần COD không hòa tan của mẫu ựược xử lý siêu âm (mg/L). Ớ CODoriginal là phần COD không hòa tan của nguyên mẫu (chưa ựược xử lý) (mg/L).
Ớ CODNaOH22hr là phần COD không hòa tan sau 22 giờ thêm 1 M NaOH (mg/L). Ớ CODNaOH0h là phần COD không hòa tan tại thời ựiểm bắt ựầu bổ sung 1 M NaOH (mg/L).
Ớ CODNaOH* là COD của mẫu ngay sau khi bổ sung 1 M NaOH (mg/L). Ớ CODhomogenization là COD của mẫu ban ựầu sau khi ựồng nhất (mg/L).
Kết quả của phép tắnh (CODultrasound - CODoriginal) chắnh là lượng COD chuyển hóa từ nguồn COD ban ựầu (không tan) sang dạng hòa tan (sCOD) nhờ
tác ựộng của sóng siêu âm; phép tắnh ( ) 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) ựược giả ựịnh dẫn ựến sự tan rã hoàn toàn bùn và ựược 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 ựộ 20ồC.
Muller ựã ựề xuất một công thức tắnh toán mới dựa vào công thức trước
ựó ựể tắnh toán DD (Schmitz và cs, 2000.) dưới ựây:
] Trong ựó:
Ớ CODultrasound là phần COD không hòa tan của mẫu ựược xử lý siêu âm (mg/L). Ớ CODoriginal là phần COD không hòa tan của nguyên mẫu (chưa ựược xử lý) (mg/L).
Ớ CODNaOH là lượng COD tối ựa ựược giải phóng trong dung dịch sau khi hấp
Quá trình hấp thụ NaOH ựược thực hiện bằng cách xử lý mẫu bùn với dung dịch NaOH 1M theo tỉ lệ 1:2 trong 10 phút ở 90ồC. Phần chất rắn không tan thu ựược bằng cách ly tâm trong 10 phút với tốc ựộ quay 30000 vòng/phút tại 4ồC.
Tiehm và cs (2001) và Rai và cs (2004) ựã sử dụng ựộ phân rã (DD) ựược
Muller sửa ựổi ựể ựánh giá hiệu quả phân huỷ. độ phân rã DD = 40% là kết quả
Tiehm và cs (2001) thu ựược tại mức năng lượng cấp là 60.000 kJ /kgTS, trong khi ựó Rai và cs (2004) lại ựưa ra con số DD = 25% tại mức năng lượng ựầu vào 64000 kJ /kgTS. Lý giải cho sự ựa dạng này có nhiều khả năng do hiệu suất truyền năng lượng của các ựơn vị siêu âm.
Một sự tương quan tuyến tắnh giữa mức ựộ phân rã và cường ựộ siêu âm
ựược áp dụng ựã ựược Neis và cs (2000) chứng minh. Mức ựộ phân rã ựã tăng hơn gấp ựôi nhờ việc tăng cường năng lượng siêu âm từ 6W/cm2 lên 18W/cm2 .
Neis và cs (2000) cũng ựã phân tắch ảnh hưởng của nồng ựộ TS ựối với quá trình
giải phóng sCOD. Quá trình giải phóng sCOD tăng khi TS tăng cho ựến khi ựạt tối ưu, sau ựó lượng sCOD giảm ựáng kể do tác ựộng của sóng siêu âm giảm ựi.
Bên cạnh ựó, Wang và cs (2005) ựã ựưa ra chỉ số sCOD từ 4.000-9.000 mg/L khi TS ựược tăng lên từ 0,5 ựến 1% trong thời gian 30 phút xử lý bằng
sóng siêu âm với mật ựộ siêu âm 1,44 W/ml.
Khanal và cs (2007) ựã ựánh giá ảnh hưởng của hàm lượng TS ựối với sự giải phóng sCOD tại các mức năng lượng vào khác nhau. Quá trình giải phóng sCOD ựã tăng lên song song với sự gia tăng cả về nội dung TS và năng lượng
ựầu vào. Tuy nhiên, sự giải phóng sCOD chậm lại ở mức năng lượng là 35 kJ/gTS dù TS cao hay thấp .
Akin và cs (2008) lại quan sát thấy chỉ số sCOD là 330 mg/gTS với TS 2% và năng lượng ựầu vào là 5 Kw/gTS. Thắ 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 ựáng kể. Với nồng ựộ 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 ựộ TS cũng làm tăng ựộ nhớt. Khi ựộ nhớt quá cao, nó sẽ cản trở sự hình thành bóng khắ sủi bóng khắ .
Theo Show và cs (2007), khi năng lượng ựầu vào không ựổi thì TS dao
ựộng trong khoảng tối ưu từ 2,3% ựến 3,2% TS . Bougrier và cs (2005) cũng ựã ựánh giá ảnh hưởng của các mức năng lượng nhất ựịnh ựối với sự hoà tan COD. Tỷ lệ sCOD/tCOD tăng từ 4% lên 32% khi tăng mức năng lượng từ 0 kJ / kgTS
ựến 10.000 kJ/kgTS và mức 10.000 kJ / kgTS là mức năng lượng tối ưu . Mặt khác, Khanal và cs (2006) thu ựược tỉ lệ sCOD/tCOD là 16,2% tại mức năng lượng ựầu vào là 66.800 kJ/kgTS . Mặc dù mức ựộ hấp thụ ựược cải thiện khi năng lượng ựầu vào tăng lên nhưng sự tăng lên này không tỷ lệ thuận với mức tăng của ựầu vào.
Nhiều nghiên cứu cho thấy chỉ số sCOD tăng lên liên quan ựến thời gian xử lý bằng sóng siêu âm. Wang và cs (2006) ựã nhận thấy lượng sCOD tăng từ
2581 ựến 7509 mg/L khi thời gian xử lý tăng từ 5 ựến 15 phút. Tuy nhiên, trong
vòng 20 phút, quá trình giải phóng sCOD chậm lại một cách ựáng kể.
Apul và cs (2010) cũng tìm ra kết quả tương tự. Với 15 phút xử lý bằng
sóng siêu âm, lượng sCOD tăng lên từ 50 mg/L ựến 2500 mg/L. Tuy nhiên, khi tăng thời gian xử lý dài hơn thì chỉ số sCOD lại trở nên dao ựộng. Trong quá trình xử lý bằng sóng siêu âm, nhiệt ựộ tăng dần từ 20ồC lên 70 ồC sau 15 phút.
Quá trình giải phóng sCOD giảm có thể do ảnh hưởng của nhiệt nóng. Nhiệt ựộ
tăng lên làm tăng áp suất hơi nước bão hoà, làm các bóng hơi nước khó bị vỡ hơn
và do ựó làm giảm cường ựộ tạo bọt. Ảnh hưởng nhiệt ựộ cũng ựược Chu và cs
(2001) phân tắch. Nhiệt ựộ của dung dịch tăng dần với sự gia tăng mức năng lượng và thời gian xử lý dẫn ựến sự gia tăng tỷ lệ sCOD/COD.
Sự phân huỷ của sóng siêu âm cũng ựược ựiều chỉnh bởi các thành phần của phức hợp bùn. Người ta tin rằng các chất rắn phi sinh học, vắ dụ như bùn nguyên sinh và phân ựộng vật, là tương ựối dễ phân huỷ so với các loại bùn sinh học nhưbùn hoạt tắnh ựã qua sử dụng.
Các nghiên cứu gần ựây ựã tập trung vào khả năng ứng dụng phân tắch protein ựể xác ựịnh 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 nhưcác cấu trúc bông bùn trong bùn hoạt tắnh, cũng có chứa protein (Khanal và cs, 2007).
Wang và cs (2006) ựánh giá sự tan rã bùn bằng cách ựo 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 ắch khác ựểựánh giá tắnh hiệu quả của sự phân rã bằng siêu âm.
Khanal và cs (2006) ựã nghiên cứu việc giải phóng amoniac nitơ ở những mức TS khác nhau và lượng ựầu vào cụ thể. Quá trình giải phóng N-NH4+ tăng
cùng với sự gia tăng năng lượng ựầu vào cụ thể và mức TS. Nồng ựộ N-NH4+ựạt
ựến một mức ựộ tương ựối ổn ựịnh ở mức năng lượng ựầu 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 ựược phân hủy và nội bào nitơ hữu cơ ựã ựược
giải phóng vào pha nước. Nitơ hữu cơ sau ựó ựược 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) ựã theo dõi quá trình
giải phóng nitơ amoniac và hữu cơbão hoà từ một loại bùn thải sinh học ở nhiều mức năng lượng ựầu vào khác nhau. Tổng nitơ Kjeldahl (TKN) trong toàn bộ
khối bùn không làm thay ựổi năng lượng ựầu vào cụ thể. điều 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 ựã tăng lên trong pha lỏng với sự gia tăng ựầu vào năng lượng cụ thể trong quá trình xử lý, ựồng thời giảm lượng nitơ hữu cơ trong pha rắn. Sự hòa tan tối ựa của nitơ hữu cơựạt ựược ở mức ựầu vào năng lượng cụ
thể là 10 kJ/gTS .
Feng và cs (2009) cũng quan sát thấy những thay ựổi trong nồng ựộ N- NH4+ và N-NO3- ở những mức ựầu vào năng lượng cụ thể khác nhau. Nồng ựộ
nitơ amoni của bề mặt tăng lên nhanh chóng với sự gia tăng năng lượng ựầu vào. Khi năng lượng ựầu vào vượt quá 11.000 kJ/gTS, nồng ựộ 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 ựộ N-NH4+ lần lượt là 31,71% và 27,67 %. Nồng ựộ
N-NO3- tăng khi mức năng lượng cao hơn 5000 kJ/gTS; tuy nhiên, sự gia tăng của nồng ựộ N-NO3- lại nhỏ hơn N-NH4+ởựiều kiện tương tự .