- Xử lý số liệu bằng phần mềm Microsoft Excel - 2007. Hiệu suất xử lý ựược xác ựịnh theo công thức:
H(%) = (Cựầu vào Ờ Cựầu ra )/ Cựầu vào Trong ựó: H (%): Hiệu suất xử lý
PHẦN IV: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 4.1. Một số ựặc tắnh của bùn cặn trong nghiên cứu
Nghiên cứu thực nghiệm trên ựối tượng bùn thải sinh học thu thập tại 03 nguồn lấy mẫu khác nhau là bùn thải của nhà máy chế biến thực phẩm (CB), bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải của trang trại chăn nuôi (CN) và bùn thải từ hệ
thống xử lý nước thải của trang trại chăn nuôi kết hợp bùn thải sinh hoạt (CN- SH).
Bùn thải chăn nuôi và bùn thải chăn nuôi kết hợp sinh hoạt chứa nhiều tạp chất và chất rắn từ phân, thức ăn thừa, chất ựộn chuồng, nước rửa chuồng và nước tiểu nên ựánh giá cảm quan cho thấy bùn thải có mùi hôi thối khó chịu, với
ựặc tắnh là bùn thải từ hệ thống xử lý yếm khắ nên bùn có màu ựen và ựặc. Bùn thải thu ựược từ nhà máy chế biến thực phẩm là bùn thải từ hệ thống xử lý hiếu khắ nên có dạng bông màu nâu vàng, ắt hôi hơn bùn thải chăn nuôi.
Phân tắch các tắnh chất lý hóa học của các mẫu bùn thải thu thập trong nghiên cứu ựược chỉ ra trong bảng dưới ựây:
Bảng 4.1: Một số tắnh chất của bùn thải trong nghiên cứu
Mẫu
Chỉ tiêu phân tắch đơn vị CB CN CN Ờ SH
pH - 6,69-6,73 7,10-7,23 7,34-7,60 độ ựục NTU 53,71 52,69 52,17 PO43- mg/l 0,11 1,30 1,17 NH4+ mg/l 0,13 1,40 1,11 COD mg/l 2407,01 2874,90 2821,20 TS mg/l 1221 1755 1694
Qua bảng kết quả phân tắch cho thấy ựặc ựiểm chung của bùn thải sinh học tại khu vực nhà máy chế biến cũng như ngành chăn nuôi là pH nằm trong dải trung tắnh từ 6,71 ựến 7,52, hàm lượng chất chất hữu cơ lớn COD của bùn thải nhà máy chế biến là 2407,01 mg/l, trong khi ựó mẫu bùn thải thu từ hoạt ựộng chăn nuôi và chăn nuôi kết hợp sinh hoạt cao hơn khá nhiều, theo kết quả phân
tắch lên ựến 2874,90 mg/l ựối với mẫu CN và 2821,20 mg/l ựối với mẫu CN Ờ SH. đồng thời, kết quả phân tắch cũng chỉ ra, các mẫu bùn thải thu ựược chứa một hàm lượng lớn Nitơ và Phốtpho. Tổng chất rắn (TS) qua phân tắch cũng cho ra hàm lượng cao trong các mẫu nghiên cứu.
Qua bảng phân tắch số liệu trên cho thấy, bùn thải từ các hệ thống xử lý nước thải của nhà máy thực phẩm và ngành chăn nuôi còn chứa một hàm lượng hữu cơ khá lớn, ựa phần ựều không ựược xử lý triệt ựể mà ựược ép khô chuyển
ựến bãi rác thải hoặc thải trực tiếp ra các hệ thống thủy vực tiếp nhận gây ô nhiễm thủy vực, gây hiện tượng bồi lắng. đây cũng là một vấn ựề môi trường
ựang ựược quan tâm hiện nay trong công tác quản lý cũng như xử lý chất thải. Vì vậy, việc xử lý bùn thải, ựặc biệt là bùn thải sinh học nhằm mục ựắch bảo vệ môi trường ựồng thời mang về những hiệu quả kinh tế ựã và ựang ựược quan tâm nghiên cứu nhằm tìm ra phương thức xử lý hiệu quả.
4.2. Ảnh hưởng của quá trình xử lý bằng sóng siêu âm tới thành phần và tắnh chất bùn thải sinh học chất bùn thải sinh học
Sóng siêu âm ựược biết ựến với khá nhiều ứng dụng trong ựời sống hiện nay ựặc biệt trong lĩnh vực y tế, song hiện nay nó cũng ựang thể hiện vai trò tắch cực trong lĩnh vực môi trường. Một trong những tác dụng có sóng siêu âm ứng dụng trong lĩnh vực môi trường ựó là sự phá hủy, phân rã cấu trúc của bùn thải nhằm phá cấu trúc liên kết ban ựầu của bùn thải, tạo ựiều kiện cho các phản ứng hóa học và sinh học xảy ra tiếp sau.
4.2.1. Biến ựổi tắnh chất vật lý của bùn thải dưới tác dụng của sóng siêu âm
Sự biến ựổi tắnh chất vật lý của bùn thải dưới tác dụng của sóng siêu âm thể hiện rõ nét thông qua sự phân tán của bùn thải và sự gia tăng ựộựục.
4.2.1.1. Sự phân tán cấu trúc bùn dưới tác ựộng của sóng siêu âm
đây là một trong những biến ựổi ựiển hình và rõ nét của bùn thải dưới tác dụng của sóng siêu âm. Nhìn chung cấu trúc ban ựầu của bùn thải (bao gồm cả ba mẫu bùn thải trong nghiên cứu) ựều có cấu trúc liên kết, các hạt bùn có kắch thước lớn và liên kết với nhau thành mảng (như hình 4.1). Dưới tác dụng của sóng siêu âm các cấu trúc ban ựầu của bùn thải bị phá vỡ tạo thành các hạt bùn
có kắch thước nhỏ hơn, mức ựộ phân tán của bùn thải tăng lên (như hình 4.2, 4.3 và 4.4). điều này cho thấy tác dụng tắch cực của sóng siêu âm ựến việc làm phá vỡ liên kết giữa các bông bùn. Hiệu quả của việc phân tán này là làm tăng diện tắch tiếp xúc của các bông bùn, ựồng thời, tạo ựiều kiện cho các vi sinh vật phân hủy trong các giai ựoạn tiếp theo. Từ ựó, làm tăng hiệu quả của các quá trình xử
lý bùn thải trong các bước xử lý sau của các quá trình.
Một số hình ảnh dưới ựây ựã minh họa cấu trúc của bùn thải trước và sau khi tác ựộng bởi sóng siêu âm. Quan sát ảnh chụp dưới kắnh hiển vi ta có thể
thấy, bùn thải không tiến hành siêu âm có cấu trúc dưới dạng bông bùn có kắch thước lớn, các bông bùn liên kết với nhau thành các khối và mảng, bùn thải nhà máy chế biến (CB) có màu vàng nhạt ựến nâu vàng. Các bông bùn tồn tại dạng mảng tương ựối lớn, tuy nhiên kắch thước các bông bùn nhỏ hơn so với bùn thải chăn nuôi. Bùn thải thu ựược từ sau hệ thống biogas chăn nuôi cũng như chăn nuôi kết hợp sinh hoạt cho thấy, bùn có màu ựen, hạt bùn có kắch thước lớn hơn, các bông bùn cũng tồn tại thành từng khối liên kết.
Kết quả xác ựịnh kắch thước bông bùn trung bình bằng phương pháp quan sát và ựo dưới kắnh hiển vi quang học ựược trình bày trong bảng 4.2.
Bảng 4.2: Sự biến ựổi kắch thước bông bùn trung bình dưới tác ựộng của sóng siêu âm
đơn vị CB CN CN - SH
Trước siêu âm 28,3 24,8 25,9
Sau siêu âm 15 phút 10,4 10,6 9,8
Sau siêu âm 30 phút 6,3 5,9 5,3
Sau siêu âm 45 phút
ộm
1,7 1,9 1,8
Qua kết quả ựo ựạc cho thấy kắch thước bông bùn trước siêu âm có kắch thước lớn dao ựộng từ 24 ựến 30 ộm. Bùn thải của nhà máy chế biến thực phầm có kắch thước trung bình lớn hơn so với hai mẫu còn lại, ựiều này có thể giải thắch bởi trong quá trình chế biến có sử dụng các hóa chất làm gia tăng sự liên
kết giữa các bông bùn, từựó tạo nên các khối liên kết bùn lớn hơn. Bùn thải phát sinh từ hoạt ựộng chăn nuôi và chăn nuôi kết hợp sinh hoạt có kắch thước tương
ựương nhau dao ựộng trong khoảng 24 ựến 26 ộm. Kết quảựo ựạc phù hợp với các nghiên cứu của các tác giả trước ựó.
Sau khi tác ựộng sóng siêu âm vào mẫu bùn thải với các khoảng thời gian khác nhau, kắch thước bông bùn có sự giảm tỷ lệ với thời gian siêu âm. Sau 15 phút siêu âm kắch thước bùn của cả ba mẫu giảm xuống còn 9 Ờ 11 ộm, sau 30 phút siêu âm, kắch thước giảm còn 5 Ờ 7 ộm, và ựặc biệt sau 45 phút siêu âm, kắch thước bông giảm xuống chỉ có 1 Ờ 2 ộm.
Dưới tác dụng của sóng siêu âm với các mức năng lượng tác ựộng khác nhau tương ứng với thời gian siêu âm khác nhau mà sự phân tán cấu trúc vật lý của bùn thải cũng khác nhau. Qua hình ảnh quan sát dưới kắnh hiển vi cho ta thấy, thời gian siêu âm càng lớn thì mức ựộ phân tán bùn thải càng tốt hơn, các liên kết giữa các bông bùn bịựứt gãy tạo nên các cấu trúc bùn thải nhỏ hơn. Với thời gian siêu âm là 15 phút, bùn thải ựã ựược phân tán tuy nhiên vẫn tồn tại dạng khối liên kết tương ựối lớn (hình 4.2). Bắt ựầu từ thời gian siêu âm là 30 phút thì cấu trúc bùn thải ựã phân tách một cách khá rõ ràng. Hình thành những bông bùn với kắch thước nhỏ hơn, các bông bùn bắt ựầu trở nên riêng rẽ (hình 4.3). đến thời gian siêu âm 45 phút ta có thể quan sát thấy hình ảnh các hạt bùn với các kắch thước khác nhau, tuy nhiên, chúng tồn tại khá riêng biệt, các bông bùn vẫn tồn tại tuy nhiên với kắch thước tương ựối nhỏ (hình 4.4).
đây có thể xem là một dấu hiệu ựầu tiên cho thấy sự tác ựộng mạnh mẽ
của sóng siêu âm ựến cấu trúc ban ựầu của bùn thải.
Theo Feng và cs (2009) ựã quan sát sự thay ựổi kắch thước bông của bùn hoạt tắnh và cho thấy sự thay ựổi một cách ựáng kể kắch thước bông khi tăng năng lượng sóng siêu âm. Tác giả ựã chỉ ra kắch thước bông bùn gốc là 25 ộm, khi ựược xử lý bằng sóng siêu âm ở mức năng lượng 15000 kJ/kg kắch thước trung bình của bông bùn giảm xuống 13,1ộm.
Dưới ựây là một số hình ảnh thu ựược từ quá trình nghiên cứu với các mẫu bùn thải của nhà máy chế biến thực phẩm, bùn thải sau hệ thống biogas của trang trại chăn nuôi và bùn thải sau hệ thống biogas của trang trại chăn nuôi kết hợp với chất thải sinh hoạt tương ứng với các khoảng thời gian siêu âm khác nhau là 15 phút, 30 phút và 45 phút.
a) Mẫu bùn thải CB
b) Mẫu bùn thải CN
Hình 4.1: Cấu trúc bùn thải trước khi siêu âm
a) Mẫu bùn thải CB
b) Mẫu bùn thải CN
Hình 4.2: Mẫu bùn thải sau 15 phút siêu âm
a) Mẫu bùn thải CB
b) Mẫu bùn thải CN c) Mẫu bùn thải CN Ờ SH
Hình 4.3: Mẫu bùn thải sau 30 phút siêu âm
a) Mẫu bùn thải CB
b) Mẫu bùn thải CN
Qua hình ảnh chụp dưới kắnh hiển vi quang học cho thấy mức ựộ phân tán của bùn thải trước và sau khi siêu âm. đánh giá ban ựầu về tác dụng của sóng siêu âm thông qua sự biến ựổi về tắnh chất vật lý cho thấy hiệu quả của sóng siêu âm ựến sự biến ựổi thông số vật lý, ựặc biệt là kắch thước bông và sự phân hủy các liên kết của cấu trúc bùn lớn ựể tạo thành các bông bùn có kắch thước nhỏ
hơn.
4.2.1.2. Sự gia tăng ựộ ựục dưới tác dụng của sóng siêu âm
Kết quả phân tắch ựộựục của 3 mẫu nghiên cứu với các khoảng thời gian siêu âm khác nhau ựược chỉ ra trong bảng 4.3:
Bảng 4.3: Kết quả phân tắch ựộựục của bùn thải trước và sau khi tác ựộng bằng sóng siêu âm
đơn vị CB CN CN - SH
Trước siêu âm 53,71 52,69 52,17
Sau siêu âm 15 phút 55,30 54,84 54,35
Sau siêu âm 30 phút 56,20 56,25 55,40
Sau siêu âm 45 phút
NTU
59,67 58,42 58,17
Kết quả phân tắch ựộ ựục cho thấy có sự gia tăng ựộ ựục ở cả 3 mẫu nghiên cứu. độ ựục ban ựầu của bùn thải CB là 53,71 NTU, sau khi xử lý bằng sóng siêu âm trong thời gian 15 phút ựộ ựục bắt ựầu tăng lên 55,30 NTU, khi tăng thời gian xử lý lên 30 phút ựộ ựục tăng lên 56,20 NTU và tăng rõ rệt nhất sau thời gian xử lý 45 phút là 59,67 NTU. Với bùn thải CN ựộ ựục ban ựầu là 52,69 NTU, sau thời gian xử lý 15 phút, 30 phút và 45 phút ựộ ựục tăng lên lần lượt là 54,84 NTU, 56,25 NTU và 58,42 NTU. Với mẫu bùn thải CN - SH ựộựục ban ựầu là 52,17 NTU và ựã tăng lên sau thời gian xử lý 15 phút, 30 phút và 45 phút lần lượt là 54,35 NTU, 55,40 NTU và 58,17 NTU.
Hình 4.5 thể hiện mức ựộ gia tăng ựộựục của cả 3 mẫu bùn thải nghiên cứu.
Hình 4.5: Sự gia tăng ựộựục của mẫu qua các khoảng thời gian siêu âm khác nhau
Nhìn vào ựồ thị cho thấy, sự gia tăng ựộ ựục ngay ở mức năng lương ựầu tiên tương ứng với thời gian siêu âm là 15 phút, thời gian siêu âm càng tăng thì kết quả phân tắch ựộựục càng lớn. điều này có thể giải thắch rằng năng lượng sóng siêu âm tác ựộng làm phá vỡ cấu trúc bùn thành những hạt nhỏ hơn và phân tán trong dung dịch nước, ựiều ựó dẫn tới ựộựục trong bùn thải gia tăng và sự gia tăng ựộựục của 3 mẫu bùn tỉ lệ với thời gian xử lý bằng sóng siêu âm trong một giới hạn nhất ựịnh.
Kết quả thu ựược về mức ựộ phân tán của bùn thải dưới tác dụng của sóng siêu âm ựược ghi lại bằng hình ảnh chụp dưới kắnh hiển vi quang học và sự gia tăng ựộ ựục là hoàn toàn phù hợp. Sự phá vỡ các liên kết mẫu bùn ban ựầu bởi sóng siêu âm ựể tạo ra các hạt bùn có kắch thước nhỏ hơn, khối lượng nhỏ hơn, tạo thành thể lơ lửng, ựó chắnh là nguyên nhân tạo nên sự gia tăng ựộựục.
4.2.2. Biển ựổi tắnh chất hóa học của bùn thải dưới tác dụng của sóng siêu âm
Sự biến ựổi tắnh chất hóa học của bùn thải dưới tác dụng của sóng siêu âm thể hiện qua một số chỉ tiêu phân tắch mẫu bùn thải nghiên cứu: pH, sCOD, NH4+ và PO43-. Kết quả phân tắch mẫu trước và sau siêu âm với các khoảng thời gian siêu âm lần lượt là 15, 30 và 45 phút ựược trình bày trong bảng 4.4 dưới ựây
Bảng 4.4: Kết quả phân tắch các chỉ tiêu hóa học trước và sau siêu âm
Thời gian siêu âm Mẫu bùn Chỉ
tiêu
đơn
vị Không siêu âm 15phút 30 phút 45 phút
pH 6,69-6,73 7,09-7,13 6,79-7,08 7,34-7,56 sCOD mg/l 60 105 120 130 NH4+ mg/l 0,13 0,228 0,498 1,302 CB PO43- mg/l 0,11 0,332 0,767 0,693 pH 7,10-7,23 7,17-7,2 7,19-7,25 7,3-7,39 sCOD mg/l 87,75 120,00 147,50 158,75 NH4+ mg/l 1,4 1,650 2,264 2,936 CN PO43- mg/l 1,3 1,573 2,104 3,211 pH 7,34-7,60 7,25 -7,26 7,19 -7,24 7,29-7,38 sCOD mg/l 80 105 137,5 142,5 NH4+ mg/l 1,11 1,359 2,118 2,916 CN - SH PO43- mg/l 1,17 1,276 1,691 2,357
Qua bảng số liệu cho thấy mẫu không xử lý bằng sóng siêu âm và mẫu có xử lý bằng sóng siêu âm có sự biến ựổi rõ ràng. Các mẫu có xử lý bằng sóng siêu âm cho kết quả phân tắch cao hơn mẫu không ựược xử lý bằng sóng siêu âm.
Cụ thể, sCOD khi không xử lý bằng sóng siêu âm của mẫu bùn thải CB là 60 mg/l, của CN là 87,75 và của CN Ờ SH là 80 mg/l. Dưới tác dụng của sóng siêu âm với các khoảng thời gian lần lượt là 15 phút, 30 phút và 45 phút, nồng ựộ