Sóng siêu âm thông qua quá trình hình thành các vi bóng khắ 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 khắ sẽ tác ựộng ựến quá trình phân hủy bùn. Việc tăng hàm lượng các chất rắn dễ bay hơi sẽ trực tiếp ảnh hưởng tới sản lượng khắ biogas trong quá trình phân hủy yếm khắ.
Nhiều tác giả ựã ựánh giá tác ựộng của các chỉ số sóng siêu âm lên quá trình phân rã sinh học của bùn và sự tăng khắ biogas.
Năm 1999, Quarmby và cs ựã ựánh giá ảnh hưởng của nguồn vào năng lượng siêu âm ựối với sự phân hủy yếm khắ bùn thải. Sự sản sinh khắ biogas tăng thêm 15% trong bùn ựã ựược xử lý siêu âm ở 356 Wmin so với công thức ựối chứng. Hơn nữa, nồng ựộ axit béo bay hơi của mẫu kiểm tra (VFA) ựã 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. đối với mẫu ựã xử lý bằng sóng siêu âm 365 Wmin, chỉ số VFA ựã tăng lên 1300 mg/L (tăng 22 % so với mức kiểm tra) .
Cũng trong năm 1999, Wang ựã nghiên cứu sâu tác ựộng của thời gian xử
lý lên sự phân hủy bùn và diễn biến của quá trình phân hủy yếm khắ. Sự tạo khắ Mêtan tăng lên song song với thời gian xử lý tăng. Sự tăng lên ựáng kể lượng khắ Mêtan ựược nhìn thấy rõ rệt trong 5 ngày ựầu, sau ựó giảm dần và chạm mức thấp nhất sau ngày thứ 11. Vì vậy, thời gian cho việc tiền xử lắ sóng siêu âm tối
ưu nhất nhằm thúc ựẩy quá trình phân hủy yếm khắ nên xấp xỉ là 30 phút.
Năm 2001, Tiehm cũng ựã nghiên cứ ảnh hưởng của các lần xử lắ với cường ựộ sóng siêu âm khác nhau lên quá trình phân hủy bùn. Kết quả cho thấy sóng âm ựã giúp quá trình phân hủy yếm khắ tốt hơn. Sự sản sinh khắ biogas của bùn ựã xử lý bằng sóng siêu âm làm tăng tỉ lệ khắ Mêtan so với các công thức ựối chứng. Thật vậy, thành phần Mêtan ựã tăng 8.6 % so với ựối chứng trong khắ biogas với 150 phút xử lắ. đồng thời, việc phân hủy bùn tốt hơn cũng ựược ghi
lại ở tần số 20 Ờ 40 kHz. Bán kắnh vi bọt khắ cộng hưởng tỷ lệ nghịch với tần số
sóng siêu âm, nên việc sử dụng tần số thấp có thể sinh ra những bóng khắ tạo bọt lớn hơn. Khi vỡ bóng, lượng lớn năng lượng dạng cơ năng ựược giải phóng. Vai trò quan trọng của các vi bóng khi là việc giải phóng năng lượng hấp thụ từ sóng âm ựể phá vỡ các cấu trúc thành phần của bùn thải.
Các tài liệu liên quan khái quát ựến việc sử dụng sóng siêu âm và bức xạ
gamma như một phương pháp tiền xử lý ựể thúc ựẩy sự phân hủy yếm khắ. Nhìn chung, sự sản sinh khắ biogas và loại bỏ chất rắn bay hơi lần lượt là 15-30% và 10-20%.
Chu (2002) ựã kiểm tra ảnh hưởng của việc tiền xử lý sóng siêu âm tới quá trình phân hủy yếm khắ bùn thải sinh học ựã ựược keo tụ bằng polymer và mẫu ựối chứng (bông bùn không ựược keo tụ). Việc tiền xử lý trước bằng sóng siêu âm (0,33 W/mL trong 20 phút) làm sản sinh khắ Mêtan ựối với cả hai công thức bùn sinh học ựược keo tụ và bùn không keo tụ. Sản lượng khắ Mêtan tăng thêm 104 % so với bùn không xử lý ựông keo tụ và 260% so với công thức còn lại.
Onyeche (2002) cũng ựã kiểm tra cả thời gian phân hủy và lượng bùn ựể
làm rõ những tác ựộng của sóng siêu âm lên quá trình hình thành khắ biogas. Bùn cô ựặc và không cô ựặc ựược xử lý bằng sóng siêu âm trong vòng 30 phút và phân loại trong vòng 33 ngày. Công thức bùn cô ựặc 3 lần (giảm thể tắch 3 lần) sản sinh lượng khắ biogas cao nhất (138%), tiếp theo là bùn cô ựặc hai lần (42%).
Bougrier (2005) ựã ựánh giá tác ựộng của ựầu vào năng lượng sóng âm
ựối với việc sản xuất khắ biogas. Kết quả cho thấy lượng biogas tăng lên ựồng thời với chiều tăng của năng lượng sóng âm tác ựộng. Tuy nhiên, ở những mức năng lượng cao hơn, sản lượng khắ biogas gần như giống nhau. đối với những mẫu thử chưa xử lý, có khoảng 97% lượng khắ biogas ựược sinh ra từ việc phân hủy bông bùn, trong khi với bùn ựã xử lý siêu âm (Es= 7.000 kJ/kgTS) con số
này giảm xuống còn 60%. Kết quả này cho thấy, dưới tác ựộng của sóng siêu âm, một lượng lớn các hợp chất cao phân tử chứa cacbon ựã ựược giải phóng từ phức hệ của bùn thải ra môi trường dung dịch, nhờ ựó, vi sinh vật yếm khắ có thể sử
Bên cạnh ựó, Salsabil (2009) cũng ựã nghiên cứu việc nguồn năng lượng sóng siêu âm có ảnh hưởng như thế nào lên quá trình sản xuất khắ biogas. Một cải tiến quan trọng của khả năng phân hủy sinh học yếm khắ ựã ựược 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 khắ biogas tăng. Hệ số khắ biogas tối ựa là 42mL/gVSS
ựạt ựược tại mức năng lượng 108.000 kJ/kgTS.
Perez (2009) ựã 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 khắ biogas.
đểựánh giá quá trình phân rã sinh học yếm khắ của chất nền, việc sử dụng bùn yếm khắ hoạt tắnh cao sẽ làm giảm ựáng kể thời gian thắ nghiệm. Những kết quả chắnh của việc xử lý bằng sóng siêu âm ựược áp dụng ựối với quá trình phân hủy yếm khắ ựược thể hiện rõ ở bảng 2.3.
Bảng 2.3: Một số nghiên cứu ựiển hình về tác dụng của sóng siêu âm ựến sự phân hủy bùn thải
Mẫu bùn Năng lượng siêu âm sử dụng điều kiện ủ Kết quả tham khảo Nguồn
Bùn hoạt tắnh từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt 41 kHz / 150 phút 37 0C trong 8 ngày Lượng VS phân hủy tăng 36% Tiehm và cs (2001) Bùn hoạt tắnh, 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) Bùn hoạt tắnh, 27 gTS/L 20 kHz, 7000- 15000 kJ/kgTS 360C trong 100 ngày Tăng 40% lượng biogas hình thành Bougrier Và cs (2005) Bùn hoạt tắnh, 2,14%TS 20 kHz, 9690 kJ/kgTS 360C trong 35 ngày Tăng 44% biogas hình thành Erden và cs (2009) Bùn hoạt tắnh, 17,1gTS/L 20 kHz, 108.000 kJ/kgTS 370C trong 50 ngày Tăng 84% lượng biogas Salsabil và cs (2009) (Nguồn: Tổng hợp các nghiên cứu)
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 ựược thu thập từ hệ thống xử lý nước thải theo ựúng quy ựịnh tại TCVN 6663 Ờ 3:2000 Ờ Chất lượng nước - lấy mẫu. Phần 13: Hướng dẫn lấy mẫu bùn nước, bùn nước thải và bùn liên quan.
Mẫu bùn thải ựược lấy nhiều lần và trộn ựều ựểựảm bảo ựộựồng ựều của mẫu. Tổng thể tắch mẫu bùn lấy tại mỗi ựịa ựiểm lấy mẫu là 05 lắt.
+ Mẫu bùn thải của nhà máy chế biến lấy tại 05 ựiểm ựem trộn ựều.
+ 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 ựược lấy theo các
ựộ sâu khác nhau và ựảo trộn ựều.
Mẫu bùn thải lấy tại các ựịa ựiểm nghiên cứu xác ựịnh ựược mang về
phòng thắ nghiệm và bảo quản trong ựiều kiện 40C.
3.3.3. Phương pháp bố trắ thắ nghiệm
Thắ nghiệm ựược thắ hành trên 03 mẫu bùn thải thu ựược ở 03 ựịa ựiểm
ựặc trưng như ựã xác ựịnh tại phần ựối tượng và phạm vi nghiên cứu. Các mẫu bùn thải sau khi thu thập ựược xử lý qua các bước sau:
Mẫu bùn thải sinh học trong nghiên cứu ựược 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 tắch sau khi thu thập ựược bảo quản trong ựiều kiện phòng thắ nghiệm tại 40C, sau ựó ựược phân tắch các chỉ tiêu chắnh trong vòng 48h ựảm bảo ựặc tắnh của bùn thải không bịảnh hưởng.
Bùn thải sinh học thu gom từ các hệ thống xử lý nước thải ựược ựưa vào bể phản ứng dưới tác dụng của sóng siêu âm trong giai ựoạn tiền xử lý với các khoảng thời gian khác nhau (mẫu không ựưa vào tiền xử lý với sóng siêu âm
ựược coi là mẫu ựối chứng) trong thắ 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 sẽựược ựưa vào ủ trong ựiều kiện yếm khắ trong vòng 20 ngày ựể
xác ựịnh lượng khắ CH4 tạo ra. Sau 20 ngày ủ mẫu bùn ựược xử lý ựem ra phân tắch và so sánh ựểựánh giá hiệu quả xử lý của từng bước và của cả quá trình.
Sơựồ bố trắ thắ nghiệm ựược trình bày qua hình dưới ựây
Hình 3.1 : Sơựồ bố trắ thắ nghiệm
Ghi chú: Mẫu không tiến hành siêu âm (thời gian siêu âm bằng 0) ựược xem là mẫu trắng (Mẫu ựối chứng).
Thắ nghiệm ựược bố trắ:
- Mẫu trắng: Mẫu không ựược xử lý bằng sóng siêu âm
Bước 1 Bước 2 Bước 3 Mẫu bùn thải ban ựầu 500 ml Mẫu bùn thải sau siêu âm, ủ
yếm khắ 20 ngày 1000 ml Mẫu bùn thải tiến hành siêu âm
- Lấy mẫu và bảo quản mẫu
- Xác ựịnh tắnh chất cơ bản của mẫu bùn thải ban ựầu: kắch thước bùn, pH, ựộ ựục, COD, PO43-, NH4+, TS
- Tiến hành tác ựộng sóng siêu âm với tần số 38kHz .
- Tiến hành thắ nghiệm với các khoảng thời gian siêu âm khác nhau: 15 phút, 30 phút và 45 phút.
- Xác ựịnh tắnh chất bùn thải sau khi tiến hành siêu âm: kắch thước bùn, pH, ựộ ựục, sCOD, PO43-, NH4+.
- đưa mẫu sau khi tiến hành siêu âm vào ủ yếm khắ trong thời gian 20 ngày.
- Sau 20 ngày ủ, xác ựịnh nồng ựộ COD và lượng CH4 sinh ra trong quá trình ủ.
- Mẫu bùn thải 1 (Bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải của nhà máy chế
biến thực phẩm): Xử lý bằng sóng siêu âm với thời gian 15 phút, 30 phút, 45 phút.
- Mẫu bùn thải 2 (Bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải của trang trại chăn nuôi): Xử lý bằng sóng siêu âm với thời gian 15 phút, 30 phút, 45 phút. - Mẫu bùn thải 3 (Bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải của trang trại chăn nuôi kết hợp bùn thải sinh hoạt): Xử lý bằng sóng siêu âm với thời gian 15 phút, 30 phút, 45 phút.
Các công thức thắ nghiệm khác nhau với các loại nguồn thải khác nhau và thời gian xử lý bằng sóng siêu âm khác nhau, cụ thể trong bảng 3.1 dưới ựây:
Bảng 3.1: Các công thức thắ nghiệm sử dụng trong nghiên cứu
Nội dung thắ nghiệm Công
thức Mẫu thắ nghiệm Thời gian xử lý với sóng
siêu âm CT1 Thắ nghiệm với bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải của nhà máy chế biến thực phẩm (Mẫu ựối chứng) Không xử lý bùn thải với sóng siêu âm CT2 Thắ nghiệm với bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải của trang trại chăn nuôi (Mẫu ựối chứng)
Không xử lý bùn thải với sóng siêu âm
CT3
Thắ nghiệm với bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải của trang trại chăn nuôi + bùn thải sinh hoạt (Mẫu ựối chứng)
Không xử lý bùn thải với sóng siêu âm CT4 Thắ nghiệm với bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải của nhà máy chế biến thực phẩm Tiền xử lý bùn thải với sóng siêu âm trong 15 phút
CT5
Thắ nghiệm với bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải của nhà máy chế biến thực phẩm
Tiền xử lý bùn thải với sóng siêu âm trong 30 phút
CT6
Thắ nghiệm với bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải của nhà máy chế biến thực phẩm
Tiền xử lý bùn thải với sóng siêu âm trong 45 phút
CT7 Thắ nghiệm với bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải của trang trại chăn nuôi
Tiền xử lý bùn thải với sóng siêu âm trong 15 phút
CT8 Thắ nghiệm với bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải của trang trại chăn nuôi
Tiền xử lý bùn thải với sóng siêu âm trong 30 phút
CT9 Thắ nghiệm với bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải của trang trại chăn nuôi
Tiền xử lý bùn thải với sóng siêu âm trong 45 phút
CT10
Thắ nghiệm với bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải của trang trại chăn nuôi + bùn thải sinh hoạt
Tiền xử lý bùn thải với sóng siêu âm trong 15 phút
CT11
Thắ nghiệm với bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải của trang trại chăn nuôi + bùn thải sinh hoạt
Tiền xử lý bùn thải với sóng siêu âm trong 30 phút
CT12
Thắ nghiệm với bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải của trang trại chăn nuôi + bùn thải sinh hoạt
Tiền xử lý bùn thải với sóng siêu âm trong 45 phút
3.3.4. Phương pháp tiến hành thắ nghiệm
Thắ nghiệm thực hiện trong nghiên cứu thực hiện theo quy trình dưới ựây: Bước 1: Lấy mẫu và xác ựịnh các tắnh chất của mẫu bùn thải.
Bước 2:
- đưa 1 lắt mẫu bùn thải vào bể xử lý dưới tác ựộng của sóng siêu âm với tần số 38 kHz, thời gian xử lý với sóng siêu âm theo thắ nghiệm là 15 phút, 30