ĐỀ TÀI " ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG TIỀN XỬ LÝ BÙN THẢI " ppt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH
KHOA MÔI TRƯỜNG
BỘ MÔN QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG












ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN


ĐỀ TÀI

ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM
TRONG TIỀN XỬ LÝ BÙN THẢI


GVHD: TS.NGUYỄN TẤN PHONG
HVTH: PHAN THỊ HOÀI THU
LÊ THỊ KIỀU MIÊN
NGUYỄN MINH NHẬT
ĐÀO THỊ VIỆT HƯƠNG
HÀ HUỲNH BĂNG TÂM

TP.HCM, THÁNG 03 – 2012



DANH MỤC HÌNH
Hình 1: Sóng ở các tần số khác nhau 4
Hình 2: Các vùng của dòng âm 5
Hình 3: Chi tiết hệ thống sóng siêu âm điện áp 20kHz 7
Hình 4: Ví dụ bộ phát âm phổ biến 8
Hình 5: Quan sát kính hiển vi của WAS: (a) trước khi siêu âm (b) sau khi siêu âm ở năng
lượng đầu vào không đổi 1.5kW và 20kHz. 12
Hình 6: Hình ảnh SEM của WAS tại các thời điểm siêu âm khác nhau với năng lượng đầu
vào 1.5kW, tần số 20kHz. (A) 0 phút (B) 2 phút (C) 10 phút và (D) 30 phút 13
Hình 7: Hiệu quả năng lượng đầu vào lên sự tăng SCOD (tần số 20kHz, năng lượng tối đa
1.5kW, nồng độ TS 3% và cường độ sóng siêu âm 1.07 W/ml). 14
Hình 8: Sự tạo thành NH3-N trong quá trình phân hủy bùn tại các mức năng lượng đầu vào
và nồng độ TS khác nhau 18
Hình 9: SOUR của WAS tại thời gian siêu âm khác nhau. 19
Hình 10:Mức độ khử hoạt tính ở mức năng lượng đầu vào khác nhau 20
Hình 11: Sự hình thành SCOD tại mức năng lượng đầu vào và nồng độ TS khác nhau 21
Hình 12: SCOD tạo thành ở pH khác nhau trong 30 phút siêu âm 28
Hình 13: Loại bỏ VS đối vời bùn xử lý siêu âm và không xử lý siêu âm tại thời gian lưu khác
nhau 33
Hình 14: Loại bỏ SCOD đối vời bùn xử lý siêu âm và không xử lý siêu âm tại thời gian lưu
khác nhau 34
Hình 15: Tỷ lệ hấp thụ oxy (SOUR) tại thời gian lưu khác nhau 35

Hình 16: Sự giảm MLSS trong suốt quá trình thí nghiệm siêu âm tại Anglian Water
Cambridge WWTP 38
Hình 17: Tác động sóng siêu âm lên sự tạo thành bùn hoạt tính 39
Hình 18: Thiết bị siêu âm SonolyzerTM 41
Hình 19: Thiết bị siêu âm Sonico 41

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Chất rắn hữu cơ hòa tan tại những điều kiện siêu âm khác nhau 25
Bảng 2: Mức độ vi khuẩn trong bùn ở những điều kiện xử lý khác nhau 36
Bảng 3: Ví dụ chi phí hoạt động và bảo tri tiên xử lý kỵ khí WAS bằng siêu âm 42

Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

1

ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG TIỀN XỬ LÝ
BÙN THẢI
I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1. GIỚI THIỆU
Hầu hết nước thải sinh hoạt được xử lý bằng quá trình sinh học. Trong quá trình xử lý
sinh học hiếu khí, như bùn hoạt tính, chỉ có khoảng 35% chất hữu cơ được khoáng hóa
thành CO
2
và H
2
O bởi vi sinh vật. Phần chất hữu cơ còn lại được chuyển thành tế bào
vi khuẩn, sinh khối hay bùn. Việc xử lý và thải bỏ bùn phát sinh chiếm đến 60% tổng
chi phí xử lý nước thải sinh hoạt. Sự thải bỏ truyền thống (chôn lấp hay đốt) trở nên ít
được chấp nhận trong quản lý. Do đó, tối thiểu sự tạo thành bùn và thu hồi sản phẩm
phụ có giá trị và năng lượng sinh học là quan trọng trong quản lý bùn. Ổn định bùn,

bằng phương pháp phân hủy hiếu khí và kỵ khí, được sử dụng để giảm lượng bùn thải,
tạo ra bùn sinh học ổn định, sinh ra năng lượng sinh học như khí metan. Tuy nhiên,
bùn nước thải sinh hoạt, hay WAS, khó phân hủy do tốc độ phân hủy tế bào giảm.
Tiền xử lý WAS nhằm tăng tốc độ phân hủy sinh học và tăng sự phân hủy. Qúa trình
tiền xử lý có thể là quá trình vật lý, hóa học, nhiệt và sinh học. Mục đích chính của
tiền xử lý là phá hủy thành tế bào và tạo điều kiện tạo thành vật chất nội bào trong pha
nước cho sự phân hủy tiếp theo. Sóng siêu âm được xem là phương pháp được ưa
thích trong phân hủy bùn sinh học do nhiều ưu điểm.
2. TRỞ NGẠI CỦA ỔN ĐỊNH BÙN SINH HỌC
Hầu hết các chất thải có nồng độ TS cao, như bùn đô thị (chất rắn từ quá trình sử lý sơ
cấp và bùn thải sinh hoạt), chất thải từ động vật, chất thải từ quá trình nông nghiệp,
phân hủy chậm vì bản chất hạt của chất thải. Do đó, các dòng thải hạt cao, sự thủy
phân sẽ trở thành bươc hạn chế trong quá trình xử lý sinh học. Bùn đô thị, đặc biệt là
bùn thải sinh hoạt, thì khó phân huỷ hơn so với chất rắn sinh ra từ qúa trình xử lý sơ
cấp do giới hạn phân hủy của các tế bào sinh vật. Điều này là do thành tế bào và màng
tế bào của sinh vật nguyên sinh được cấu thành từ những chất hữu cơ phức tạp như:
Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

2

peptidoglycan, teichoic acids, và polysaccarit phức tạp ngăn cản quá trình phân hủy
sinh học. Do khả năng phân hủy thấp nên quá trình phân hủy sinh học đòi hỏi thời
gian dài khoảng 30- 60 ngày.
3. CƠ SỞ CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY BÙN
Mục đích chính của quá trình phân hủy bùn là phá vỡ thành tế bào và tạo điều kiện
thuận lợi cho quá trình phân hủy nội bào trong pha nước. Điều này sẽ đẩy nhanh sự
phân rã tiếp theo và giảm thời gian lưu cần thiết trong quá trình phân hủy. Quá trình
phân hủy bùn cũng phá vỡ các hợp chất hữu cơ khác thành các chất khối lượng nhỏ
hơn. Điều này cũng quan trọng nhằm lưu ý rằng quá trình phân hủy bùn không chỉ là
giới hạn bởi quá trình phân hủy. Quá trình phân hủy bùn cũng cung cấp các chất hòa

tan tại chỗ (on-site soluble substrate) cho các nhà máy xử lý nước thải trong quá trình
loại bỏ chất dinh dưỡng (BNR). Phân hủy bùn có thể tiến hành bởi phương pháp vật
lý, nhiệt, hóa học và sinh học.
4. SỰ PHÂN HỦY BÙN BẰNG SÓNG SIÊU ÂM
4.1. Ƣu và nhƣợc điểm của quá trình tiền xử lý siêu âm
Trong nhiều thập kỷ, sóng siêu âm đã được sử dụng để phá vỡ tế bào sinh học với
mục đích là thu hồi vật liệu nội bào và nó đang được nghiên cứu để tăng khả năng ứng
dụng trong việc xử lý bùn đô thị. Phân hủy bùn bằng sóng siêu âm là một quá trình vật
lý và do đó nó không tạo ra các hợp chất thứ cấp độc hại cũng không làm tăng các
chất hóa học. Ngoài phân hủy bùn vật lý thì nhiều hợp chất độc hại và các chất hữu cơ
khó phân hủy như: hợp chất vòng thơm, hợp chất halogen, chất có hoạt tính bề mặt,
thuốc nhuộm,…cũng bị phá vỡ thành các dạng đơn giản hơn. Điều này là do quá trình
phản ứng oxy hóa sinh ra các gốc hydroxy tự do (OH•), hydrogen (H•), hydroperoxyl
(HO•2), hydrogen peroxide (H2O2) trong quá trình tiền xử lý bằng sóng siêu âm, dẫn
đến sự oxy hóa các hợp chất khó phân hủy sinh học.
Một số ưu điểm khác của tiền xử lý siêu âm:
 Thiết kế nhỏ gọn và dễ dàng trang bị thêm cho hệ thống hiện có
Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

3

 Chi phí thấp và hoạt động có hiệu quả so với các quá trình tiền xử lý khác
 Sản phẩm của an in situ carbon source for denitrification plants.
 Quá trình tự động hóa hoàn toàn
 Khả năng kiểm soát kích thược sợi và tạo bọt trong bể phân hủy
 Khả năng phân hủy ổn định hơn
 Cải thiện quá trình phân hủy VS và sản xuất khí sinh học
 Quá trình tách nước tốt hơn
 Cải thiện chất lượng chất rắn sinh học ( hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học
còn lại, giảm tác nhân gây bệnh, )

Tiền xử lý siêu âm cũng có những mặt hạn chế. Một trong những vấn đề chính là
nguồn vốn cao, và chi phí vận hành. Chi phí này sẽ giảm bớt khi công nghệ được hoàn
thiện. Tương tự như vậy, dữ liệu về hiệu suất của hệ thống siêu âm còn hạn chế.
4.2. Cơ chế của phân hủy bùn bằng sóng siêu âm
Sóng siêu âm là sóng âm thanh có tần số nằm trên ngưỡng nghe của con người
(>20kHz). Hình 1 cho thấy tần số của sóng âm thanh. Khi sóng siêu âm lan truyền
trong môi trường bùn, nó sẽ tạo ra mô hình tuần hoàn nén và rút khí trong môi trường.
Những vùng rút khí là những vùng có áp suất thấp (áp suất âm quá lớn) trong đó chất
lỏng hoặc bùn bị phá vỡ. Kết quả của quá trình giảm áp lực, các bọt khí nhỏ được hình
thành trong khu vực hiếm khí. Những bọt khí có kích thước nhỏ, được gọi là bong
bóng sủi bọt, về cơ bản có chứa chất lỏng bay hơi và khí trước đó đã được hòa tan vào
chất lỏng. Khi các đầu sóng lan truyền, các bọt khí dao động dưới ảnh hưởng của áp
lực dương, do đó chúng va chạm và tạo thành các bọt khí có kích thước lớn hơn trước
khi bị vỡ ra. Sự sủi bọt khí là hiện tượng bọt khí được hình thành trong pha lỏng và nở
rộng kích thước, sau đó nhanh chóng bị vỡ ra. Việc vỡ ra của các bọt khí làm cho
nhiệt độ bên trong lên tới 5000K và áp suất lên đến 180Mpa. Sự phá vỡ đột ngột và
mạnh mẽ của một số lượng lớn các bọt khí taọ cho quá trình thủy phân diễn ra mạnh
Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

4

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

Hình 1: Sóng ở các tần số khác nhau

Nhiệt độ và áp suất cao cũng góp phần làm tăng quá trình phân hủy của bùn. Ở nhiệt
độ cao, chất béo trong màng tế bào chất bị phân hủy tạo ra các lỗ trống trong màng tế
bào, thông qua đó vật liệu nội bào thoát ra trong pha nước
Điều này quan trọng để tính toán nhiệt tiềm tàng (the heating potential) trong quá trình

tiền siêu âm dưới tác động của nhiệt độ. Ví dụ, năng lượng đầu vào là 0.11 W/ml =
110 W/L hay 110 J L−1s−1; nghĩa là, nó sẽ mất 4200/110 hoặc 38 s để tăng nhiệt độ
lên 1◦C.
Ngoài ra, các phản ứng phát quang do siêu âm (sonochemical) dẫn đến sự hình thành
các gốc hydro tự do (e.g., OH•, HO•2, H•) và hợp chất oxy hóa mạnh cũng góp phần
vào quá trình phân hủy bùn bằng sóng siêu âm.
Sự phân hủy xảy ra tốt hơn ở tần số thấp từ 20 – 40 Hz. Điều này có thể là do khả
năng thủy phân và xâm thực tốt hơn ở tần số thấp. Cơ chế phân hủy bằng sóng siêu
âm của bùn hoạt tính ở tần số 20 Hz: NaHCO
3
được thêm vào như một tác nhân để
loại trừ hiệu ứng oxy hóa của các gốc hydro (OH•) trong quá trình phân hủy bằng
sóng siêu âm. Các bicarbonate phản ứng với gốc hydroxyl do đó loại trừ trong quá
trình phân hủy bùn. Vì vậy, sự phân hủy bùn trong điều kiện có mặt NaHCO
3
có thể
đoán được là do quá trình thủy phân. Các nhà nghiên cứu đã nhận thấy rằng quá trình
thủy phân là nguyên nhân chủ yếu của quá trình phân hủy bùn hoạt tính khi NaHCO
3

Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

5

được thêm vào với cường độ sóng siêu âm là 0.384W/ml hoặc thấp hơn. Tuy nhiên, sự
đóng góp của các gốc oxy hóa chiếm ưu thế cao hơn ở cường độ sóng siêu âm 0.72
W/ml.
Một cơ chế xảy ra khi bùn được xử lý sóng âm là dòng âm (acoustic streaming). Điểm
chính trong xử lý bùn là quá trình trộn, tạo điều kiện để phân phối năng lượng sóng
siêu âm trong khối bùn, đối lưu của chất lỏng và phân phối lượng nhiệt bất kỳ xuất

hiện. Toàn bộ thiết bị có ba khu vực truyền âm thanh. Khu vực lớn nhất, Eckart (khu
vực I như thể hiện trong hình 2) là khu vực xa nhất tính từ công cụ tạo ra sự rung
động và lưu thông dòng điện được xác định bởi hình dạng của thiết bị và bước sóng
của sóng âm trong chất lỏng. Khu vực gần thiết bị phát âm (khu vực II) hình dạng và
kích thước của nó chủ yếu được xác định bởi các thiết bị âm thanh. Khu vực gần nhất
(khu vực III), được gọi là Schlichting, tiếp giáp với lớp chất lỏng và sóng âm. Lớp này
là tương đối mỏng. Ví dụ, ở tần số 20 Hz, lớp ranh giới âm thanh cho nước ở 20
o
C là
nhỏ hơn 4 micromet Tất cả ba khu vực này đều đóng vai trò quan trọng trong quá
trình khuấy trộn chất lỏng.

Hình 2: Các vùng của dòng âm
Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

6


4.3. Cơ chế của việc phát sinh năng lƣợng của sóng siêu âm
Để hiểu rõ hơn về quá trình phân hủy bùn bằng sóng siêu âm, điều quan trọng là xem
xét sự phát sinh năng lượng của sóng siêu âm. Trong khi việc sử dụng sóng siêu âm
năng lượng thấp được sử dụng rộng rãi trong y tế và không phá hủy vật liệu, việc sử
dụng sóng siêu âm năng lượng cao, đặc biệt là trong xử lý bùn, đang ngày càng trở
nên phổ biến. Trong lịch sử có hai cơ chế để sản xuất ra năng lượng sóng siêu âm là từ
giảo và điện áp. Mỗi cơ chế có lợi ích và hạn chế riêng. Công nghệ từ giảo dựa trên
một loại vật liệu chịu sức căng khi tiếp xúc với từ trường. Chẳng hạn như niken được
sử dụng trong trường hợp này và một hợp kim khác gọi là Terfenol-D giãn nở lớn hơn
dưới tác dụng của sức căng từ tính. Ngược lại, đối với các đầu dò điện áp thì dựa trên
một loại vật liệu đã bị kéo căng khi tiếp xúc với dòng điện.
4.4. Phân phối năng lƣợng siêu âm

Ba thành phần chính của hệ thống sóng siêu âm là công cụ chuyển đổi (bộ chuyển
đổi), máy tăng thế, bộ phát âm (rung). Công cụ chuyển đổi chuyển năng lượng điện
thành năng lượng sóng siêu âm (dao động). Máy tăng thế là một bộ cơ khí khuếch đại
giúp tăng biên độ (độ rung) tạo ra bởi các chuyển đổi. Bộ phát âm là công cụ được
thiết kế đặc biệt để mang lại các năng lượng sóng siêu âm đến bùn. Hình 3 thể hiện sự
sắp xếp công cụ chuyển đổi, máy tăng thế và bộ phát âm trong một hệ thống siêu âm
thông thường.



Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

7


Hình 3: Chi tiết hệ thống sóng siêu âm điện áp 20kHz
Như vậy, máy tăng thế và bộ phát âm được thiết kế để phóng đại biên độ chuyển động
siêu âm. Máy tăng thế được đặt giữa bộ chuyển đổi và bộ phát âm, vì độ dịch chuyển
điển hình của năng lương siêu âm là 20µm
pp
và điều này không hiệu quả trong quá
trình xử lý bùn, thường dùng năng lượng siêu âm là 50 µm
pp
.
Lợi ích của máy tăng thế và bộ phát âm được lấy xấp xỉ bằng cách đánh giá khối
lượng ở trên và dưới sơ đồ nút (khu vực không có chuyển động). Bởi vì trạng thái cân
bằng và khả năng tương thích, các lực (F) [MLS−2] trên và dưới sơ đồ nút phải được
cân bằng. Khối lượng M
1
(M) và M

2
(M ) phải khác nhau và gia tốc (a
1
, a
2
) [LS−2]
cũng phải khác nhau, dẫn đến biên độ dao động khác nhau.
F
1
= F2  m
1
a
1
= m
2
a
2
 = (1)
Một trong các tiêu chuẩn thiết kế của bộ phát âm là tính đồng nhất của biên độ. Đối
với bộ phát âm có kết cấu tương đối nhỏ thì điều này không quan trọng, tuy nhiên đối
với bộ phát âm có kết cấu lớn (hình 4) thì tính đồng nhất của biên độ rất khó đạt được.
Thường chúng được thêm vào các ổ đĩa phía sau các bộ phát âm hoặc cắt xén gần bề
mặt của bộ phát âm nơi mà có tính đồng nhất biên độ thấp. Ngoài ra, với các kết cấu
có kích thước lớn hơn gọi là hiệu ứng “Poisson” có thể tạo ra chế độ rung động không
Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

8

mong muốn. Trong trường hợp này, vật liệu giãn ra bên ngoài bởi vì các tỷ lệ vật liệu
của “Poisson”. Có rất nhiều mẫu thiết kế bộ phát âm, một số thiết kế điển hình được

thể hiện ở hình 4.



Hình 4: Ví dụ bộ phát âm phổ biến
4.5. Định lƣợng năng lƣợng/ năng lƣợng đầu vào của quá trình xử lý bùn
Tính kinh tế của hệ thống xử lý bùn bằng sóng siêu âm được chi phối bởi công suất
(W hoặc kW) hoặc năng lượng (J or kJ) đầu vào cần thiết để đạt phân hủy bùn hiệu
quả. Như vậy, việc định lượng năng lượng/ năng lượng đầu vào để có hiệu suất phân
hủy như mong muốn là rất quan trọng để đánh giá hiệu quả của hệ thống siêu âm. Đây
sẽ là một yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn hệ thống siêu âm phù hợp với lĩnh vực
ứng dụng. Năng lượng đầu vào cần thiết để đạt được hiệu suất phân hủy bùn như
mong muốn phụ thuộc vào đặc tính bùn (ví dụ, hàm lượng TS, độ nhớt của bùn, thành
phần hữu cơ, bản chất của bùn,…) và cách thiết kế hệ thống siêu âm. Hiện nay chưa
có mô hình hợp lý cho tất cả các yếu tố này. Vì vậy hệ thống siêu âm cần được nghiên
Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

9

cứu và thử nghiệm để kiểm tra hiệu quả năng lượng của nó trước khi áp dụng trên quy
mô rộng rãi.
Công suất hoặc năng lượng cung cấp cho quá trình phân hủy bùn được thể hiện theo
một số cách dưới đây:
Năng lượng đầu vào: là năng lượng đầu vào trên một đơn vị bùn (TS) để đạt được
mức độ phân hủy nhất định. Năng lượng đầu vào là một hàm số tương quan giữa năng
lượng siêu âm, thời gian siêu âm, khối lượng bùn và hàm lượng TS, được tính toán
qua phương trình sau:
Espec = (2)
Trong đó, Espec là năng lượng đầu vào, đơn vị kWs/kg TS (kJ/kg TS) [L2T−2],
P là năng lượng siêu âm, kW [ML2T−3],

t là thời gian siêu âm, giây [T],
V là khối lượng bùn, (lít (L3)
và TS là tổng chất rắn kg/L [ML−3].
Liều lượng siêu âm: là năng lượng cần cung cấp cho mỗi đơn vị khối lượng và được
biểu diễn là Ws/L hay kWs/L (J/L or kJ/L) [ML−1T−2]. Tuy nhiên, nó tính đến hàm
lượng TS trong quá trình tính toán. Liều lượng siêu âm bùn có hàm lượng TS nhất
định không thể so sánh trực tiếp được với bùn có hàm lượng TS khác nhau. Trong thời
gian dài hàm lượng TS vẫn còn tương đối ổn định thì liều lượng siêu âm là một
phương pháp thể hiện năng lượng đầu vào của quá trình phân hủy bùn dựa trên cơ sở
khối lượng.
Mật độ siêu âm: liên qua đến nguồn điện cung cấp cho mỗi đơn vị khối lượng bùn và
có đơn vị W/L or kW/L or W/ml [ML−1T−3]. Mật độ siêu âm cũng liên quan năng
lượng đầu vào và khối lượng bùn tương tự như liều lượng siêu âm. Tuy nhiên, mật độ
siêu âm không tính đến thời gian.
Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

10

Cường độ siêu âm: được định nghĩa là năng lượng cung cấp cho bùn trên mỗi đơn vị
diện tích chuyển đổi và có đơn vị W/cm2 [MT−3]. Do đó, cường độ siêu âm phản ánh
khả năng tạo ra năng lượng của chuyển đổi. Ở biên độ cao hơn thì cường độ siêu âm
cao hơn sẽ được sản xuất.
4.6 Đánh giá hiệu quả phân hủy siêu âm
Mục đích chính của tiền xử lý siêu âm là phá hủy thành tế bào của các vi khuẩn và
sinh ra vật liệu nội bào trong pha nước (the aqueous phase). Ngoài ra, siêu âm cũng
giúp phân rã chất kết tụ sinh học và phá vỡ các hạt hữu cơ lớn thành hạt có kích thước
nhỏ. Việc đánh giá định lượng cung cấp nhiều thông tin có giá trị cần thiết cho thiết kế
và quá trình tối ưu hóa của một hệ thống siêu âm, như:
(a) Hiệu quả của một hệ thống siêu âm được lựa chọn,
(b) Đánh giá năng lượng đầu vào tối thiểu cần thiết để phá vỡ tế bào.

(c) Các dữ liệu vận hành tối ưu (hàm lượng TS, thời gian, mật độ siêu âm, tần số, biên
độ, vv ) để tối đa hóa sự phân hủy bùn.
(d) Tổng chi phí vận hành của hệ thống siêu âm cho sự phân hủy bùn.
Như vậy, đánh giá định lượng trở nên quan trọng để đánh giá hiệu quả bùn đang bị
phân hủy. Cho đến nay, không có mô hình lý thuyết có thể dự đoán sự phân hủy bùn.
Những phát hiện trong tài liệu rất rải rác. Điều này có thể là do quá nhiều yếu tố liên
quan với tiền xử lý siêu âm. Một số các biến là tần số hoạt động, thiết kế, các loại bùn,
hàm lượng TS, tỉ lệ hữu cơ, nhiệt độ hoạt động, cường độ siêu âm (hoặc cường độ
công suất), vv … thiết kế thiết bị phát âm được coi là một trong những yếu tố quan
trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu quả sự phân hủy bùn. Hầu hết các nghiên cứu được
công bố dựa trên kết quả thí nghiệm của hệ thống siêu âm nên thường kém hiệu quả.
Trực tiếp sử dụng các dữ liệu đó cho các thử nghiệm hoặc thiết kế quy mô có thể dẫn
đến sai số. Do đó, cần sự đánh giá đầy đủ trong việc mở rộng quy mô thí nghiệm
thành quy mô hoàn chỉnh.
Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

11

Các thông số khác nhau được sử dụng để đánh giá hiệu quả sự phân hủy bùn, được
phân thành ba nhóm cụ thể là: vật lý (như thay đổi kích thước hạt phân phối và kiểm
tra bằng kính hiển vi), hóa học (như gia tăng nồng độ COD hòa tan và nồng độ
amoniac, và sự sự phân giải chất hữu cơ) và sinh học (tỷ lệ hấp thu sinh học và số dị
dưỡng).
4.6.1 Đánh giá vật lý
Phân tích kích thước hạt, hình ảnh dưới kính hiên vi, độ đục, và khả năng tách nước
của bùn là một số phương pháp được áp dụng để đánh giá hiệu quả của sự phân hủy
bùn siêu âm. Các yếu tố vật lý, đặc biệt là kích thước hạt phân phối và phân tích hình
ảnh từ kính hiển vi, được sử dụng như một cách thức đơn giản để đánh giá chất lượng
của sự phân hủy. Tiehm et al. (2001) đánh giá sự phân hủy bùn về sự thay đổi trong
kích thước hạt trung bình và độ đục ở tần số siêu âm khác nhau. Tác giả tìm thấy kích

thước trung bình hạt thấp nhất khoảng 20 µm và độ đục cao nhất là 120 NTU ở tần số
41 kHz. Kích thước hạt trung bình giảm từ 47,7 µm còn 31,2, 21, và 17,8 µm, khi
được chiếu siêu âm ở cường độ điện tương ứng từ 0,18 đến 0,33, và 0,52 W / ml,
(Mao et al., 2005). Các mẫu WAS được chiếu siêu âm trong 1 phút ở tần số 20 kHz
với năng lượng đầu vào tối đa là 1,5 kW. Chu et al. (2001) cũng đã kiểm tra ảnh
hưởng của mật độ và thời gian chiếu siêu âm khác nhau đối với kích thước khối bùn ở
tần số 20 kHz và năng lượng đầu vào tối đa là 110 W. Trong 120 phút chiếu siêu âm,
kích thước khối bùn không giảm ở cường độ chiếu là 0,11 W / ml. Khi mật độ chiếu
tăng 0,22 W / ml, kích thước khối bùn bắt đầu giảm. Với mật độ chiếu siêu âm cao
hơn 0,33 và 0,44 W / ml, kích thước khối bùn giảm từ 99 µm còn khoảng 22 - 3µm
trong vòng 20 phút chiếu siêu âm. Các tác giả quan sát thấy kích thước khối bùn
không giảm quá 3 µm khi chiếu thêm 120 phút nữa. Như vậy, trong quá trình phân
hủy bùn thì cường độ siêu âm là quan trọng hơn thời gian chiếu siêu âm.
Bougrier et al. (2005) đã kiểm tra sự phân bố kích thước hạt tại những mức năng
lượng đầu vào khác nhau (kJ / kgTS) bằng cách sử dụng siêu âm ở tần số 20 kHz và
cung cấp năng lượng 225W. Đường kính cắt, d50 (có nghĩa là, 50% của các hạt [theo
Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

12

thể tích] với đường kính bằng hoặc thấp hơn so với d50) của các hạt bùn có xu hướng
giảm khi năng lượng đầu vào tăng. D50 của bùn tại các mức năng lượng đầu vào : 0,
660, 1.350, 6.950 và 14.550 kJ / kgTS tương tứng là : 32, 19,6, 18,5, 17,6, và 12,7
µm. Trong một nghiên cứu khác, Tiehm et al. (1997) cũng cho thấy d50 của hạt bùn
giảm từ 165 µm xuống thành 135 và 85µm trong 29,5 và 96 giây tại tần số 31 kHz và
năng lượng cung cấp là 3,6 W.
Sự phân hủy bùn đã được kiểm tra rộng rãi dựa trên quan sát trực quan bằng cách sử
dụng kính hiển vi điện tử và ánh sáng. Kính hiển vi ánh sáng có thể miêu tả các thông
tin như thay đổi cấu trúc trong khối bùn, sự biến mất của các sợi bùn, vv…, trong quá
trình sử dụng sóng siêu âm, như trong hình 5. Tuy nhiên, hình ảnh từ kính hiển vi

không cung cấp thông tin ở mức độ tế bào.

Hình 5: Quan sát kính hiển vi của WAS: (a) trước khi siêu âm (b) sau khi siêu âm ở
năng lượng đầu vào không đổi 1.5kW và 20kHz.
Khi WAS đã được quan sát dưới kính hiển vi trước khi sử dụng sóng siêu âm, cấu trúc
của khối bùn giống như một số lượng lớn các sợ bùn xoắn vào nhau (hình 5A). Trong
vòng hai phút sử dụng sóng siêu âm, các sợi và khối bùn gần như được phân rã hoàn
toàn và một số kết cấu đồng nhất xuất hiện (hình 5B).
Ảnh quét từ kính hiển vi điện tử (SEM) cung cấp thông tin kỹ lưỡng hơn về sự phân
hủy bùn, đặc biệt là ở cấp độ tế bào - hình 6. Trước khi sử dụng sóng siêu âm, các
khối bùn giống như một số lượng lớn các sợ bùn xoắn vào nhau (Hình 6A). Những
cấu trúc gồm sợi mảnh vụn hữu cơ cơ bản (có đường kính ít hơn ¼ µm) gắn chặt vào
khối bùn. Trong thời gian 2 phút sử dụng sóng siêu âm, khối bùn cũng như sợi bị phá
Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

13

vỡ đáng kể mà không phá hủy các tế bào vi khuẩn - hình 6B. Khi sử dụng sóng siêu
âm hơn 10 phút, sự phân hủy gần như hoàn toàn của khối bùn và các sợi đồng thời
quan sát được một vài tế bào vi khuẩn phân tán (hình 6C). Khi sử dụng sóng siêu âm
30 phút, nhiều thành tế bào bị phá thủng (Hình 6D).

Hình 6: Hình ảnh SEM của WAS tại các thời điểm siêu âm khác nhau với năng lượng
đầu vào 1.5kW, tần số 20kHz. (A) 0 phút (B) 2 phút (C) 10 phút và (D) 30 phút
4.6.2 Đánh giá hóa học
Đánh giá hóa học thì tốt hơn trong đánh giá sự phân hủy bùn so với đánh giá vật lý.
Đánh giá hóa học chủ yếu là đo sự hòa tan của WAS trong pha nước. Trong kỹ thuật
môi trường, tất cả các chất hữu cơ tạo thành được gộp lại với nhau và được đo là sự
gia tăng nhu cầu oxy hóa học hòa tan (SCOD). Tuy nhiên, điều quan trọng là cần lưu
ý rằng tiền xử lý siêu âm cũng phân hủy vật chất ngoại bào bao gồm các mảnh vụn

hữu cơ và các chất ngoại bào cao phân tử (ESP), mà cũng trở thành một phần của
SCOD. Vì vậy, SCOD là một tham số tổng để xác định số lượng bùn phân hủy.
Gần như tất cả các tài liệu công bố về sự phân hủy siêu âm sử dụng đo lường SCOD
đánh giá hiệu quả sự phân hủy bùn. Nhiều nghiên cứu trình bày sự gia tăng SCOD
tương ứng với thời gian sử dụng sóng siêu âm. Sự phân hủy siêu âm phụ thuộc vào
nhiều yếu tố như lượng TS, tần số, loại bùn, công suất tối đa cung cấp cho mỗi đơn vị
khối lượng bùn (hoặc mật độ siêu âm), nhiệt độ, thời gian sử dụng sóng siêu âm,
Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

14

vv…, và các thông tin như vậy không được mô tả trong tài liệu. Để so sánh tốt hơn, sự
tạo thành SCOD cần phải được tương quan với năng lượng đầu vào (xem phương
trình 2). Hình 7 cho thấy SCOD tăng khi năng lượng đầu vào khác nhau. Từ hình cho
thấy, đạt được sự phân hủy các chất rắn sinh học và không sinh học (từ sự gia tăng
liên tục SCOD) khi thời gian sử dụng sóng siêu âm lâu hơn, và với năng lượng cung
cấp cao hơn. Điều này là bởi vì tại thời gian sử dụng sóng siêu âm dài hoặc năng
lượng cung cấp lớn hơn, làm cho các tế bào và các mảnh vụn hữu cơ bị phân rã thành
những khối nhỏ. Tuy nhiên, việc hình thành SCOD chậm lại khi năng lượng đầu vào
trên 35 kJ / gTS. Điều này rất có thể là do cạn kiệt các chất hữu cơ và oxy hòa tan.
Căn cứ vào kết quả này, năng lượng đàu vào bằng 35 kJ / gTS được cho là tối ưu cho
sự phân hủy bùn với loại bùn có 3% lượng TS. Điều quan trọng là chỉ ra mức tối ưu
hóa của các yêu cầu năng lượng cho sự phân hủy bùn hiệu quả, điều này cũng làm
tăng hiệu quả chi phí cho quá trình sử dụng sóng siêu âm để sử lý bùn. Vì vậy, mỗi
đơn vị siêu âm phải được kiểm tra cho các điều kiện cụ thể (ví dụ, hàm lượng TS, các
loại bùn, vv), và điều kiện hoạt động (thời gian sử dụng sóng siêu âm, cường độ chiếu,
mật độ, tần số, vv) để tối ưu hóa hệ thống siêu âm phân hủy tối đa.

Hình 7: Hiệu quả năng lượng đầu vào lên sự tăng SCOD (tần số 20kHz, năng lượng
tối đa 1.5kW, nồng độ TS 3% và cường độ sóng siêu âm 1.07 W/ml).

Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

15

Kunz và Wagner lần đầu tiên đề nghị sử dụng một tham số được gọi là "mức độ của
sự phân hủy” (DD) để định lượng hiệu quả bùn phân hủy. Việc xác định của DD được
chủ yếu dựa trên đo COD được đưa ra bởi các phương trình sau đây:

Trong đó:
COD
ultrasound
là COD lớp nước bên trên bùn trong mẫu được xử lý siêu âm, (mg / L)
[ML-3],
COD
original
là COD của lớp nước bên trên bùn của mẫu bàn đầu (không xử lý siêu âm,
(mg / L) [ML-3],
COD
NaOH22hr
là COD của lớp nước bên trên tại 22h sau khi thêm 1 M dung dịch
NaOH (mg / L) [ML-3,
COD
NaOH0
là COD của lớp nước bên trên bùn tại thời điểm ban đầu sau khi thêm 1 M
dung dịch NaOH (mg / L) [ML-3],
COD
NaOH*
là COD của mẫu ngay sau khi thêm dung dịch NaOH 1M (mg / L) [ML-3],
và COD
homogenization

là COD của mẫu ban đầu sau khi đồng nhất (mg / L) [ML-3].
(COD
ultrasound
- COD
original
) đại diện cho COD hòa tan tạo thành do sự phân hủy siêu
âm và (COD
NaOH22hr
-COD
NaOH0
) đại diện cho COD hòa tan bởi sự phân hủy hóa học.
Sự tạo thành COD bởi sự thêm vào NaOH (sự phân hủy hóa học) được giả định để
dẫn đến sự phân hủy hoàn toàn bùn và được sử dụng là COD tham chiếu. Tỷ lệ
COD
NaOH
và COD
homogenization
đại diện cho COD của mẫu trước và sau khi bổ sung 1 M
NaOH trong tỷ lệ 1:3.5 20 ◦ C. Miller đưa ra phương trình tính toán DDCOD như sau:

Trong đó,
Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

16

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

là COD của lớp nước bên trên bùn ban đầu (mẫu không xử lý) (mg / L) và
COD
NaOH
là COD tối đa trong lớp nước bên trên bùn sau khi phân hủy NaOH. Xử lý
NaOH được thực hiện bằng cách xử lý mẫu bùn với dung dịch NaOH 1 M trong tỷ lệ
01:02 trong 10 phút ở 90 ◦ C. Lớp nước bên trên thu được bằng cách ly tâm trong 10
phút ở 30.000 g và nhiệt độ của 4 ◦ C.
Mẫu lớp nước bên trên bùn sau khi ly tâm ở 10.000 g qua bộ lọc màng kích thước
0,45 micron.
Mục tiêu tổng thể của sự phân hủy hóa học là hình thành tối đa các chất hữu cơ hòa
tan từ bùn. Dữ liệu này được lấy làm cơ sở để làm sáng tỏ hiệu quả của sự phân hủy
siêu âm. Điều quan trọng là cần lưu ý rằng các điều kiện cho sự phân hủy thử nghiệm
có thể khác nhau tùy thuộc vào loại bùn và thành phần TS. Vì vậy, các nhà nghiên cứu
cần phải tiến hành một loạt các nghiên cứu thăm dò đối với nồng độ và số lượng
NaOH được sử dụng, thời gian phản ứng nhiệt độ và phát triển công thức chuẩn cho
sự phân hủy hóa học lý tưởng phù hợp với mẫu bùn.
Mức độ của sự phân hủy chủ yếu dựa trên xác định COD, các nhà nghiên cứu cho
rằng xác định DD là khá chậm trong thời gian một ngày và cũng là tốn kém do nhu
cầu của số lượng lớn các phân tích mẫu COD. Do đó, các tác giả đề nghị đo lường
protein như là một thay thế để xác định DD
COD
. Hệ số tương quan (R
2
) trong sự gia
tăng hàm lượng protein (ΔProtein), DD
KW
, và DD
M
tương ứng với sự gia tăng sản
lượng khí sinh học (biogas). Khi mẫu bùn được thu thập hai lần từ một nhà máy và

một lần từ nhà máy khác và được xử lý siêu âm, các tác giả nhận thấy rằng hệ số cho
ΔProtein / Δkhí sinh học cao hơn nhiều (R
2
= 0,97) so với DD
KW
/ khí sinh học (R
2

=. 54) và DD
M
/ khí sinh học (R
2
= 0,83), xác định protein đáng tin cậy hơn để đánh
giá sự phân hủy siêu âm bùn.
Kiểm tra sự tạo thành các protein, polysaccharide, và deoxyribonucleic acid (DNA)
trong pha nước quá trình phân hủy siêu âm của WAS tại năng lượng đầu vào khác
nhau. Protein chiếm ưu thế trong pha nước và nồng độ của nó tăng theo cấp số nhân,
Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

17

đạt 2500 mg / L tại năng lượng đầu vào 50 kJ /gTS. Sau đó, sự gia tăng nồng độ
protein bị chậm lại với sự tăng năng lượng đầu vào. Sự gia tăng trong polysaccharide
và DNA đạt giới hạn.
Protein là thành phấn quan trọng tạo nên tế bào vi khuẩn. Các chất EPS (extracellular
polymeric substances) cũng chứa protein. Wang et al. (2006) đưa ra nồng độ protein
là 698 mg/l trong EPS và 11338 mg / L trong ết bào sinh vật với nồng độ TS 3%. Do
đó, định lượng của sự phân hủy bùn bằng việc đo lường protein có thể được sử dụng
một cách đáng tin cậy. Tuy nhiên, đo lường protein đo lường không phổ biến, vì
không có xuất bản nào sử dụng đo lường protein để đánh giá hiệu quả của sự phân hủy

bùn siêu âm. Đo COD là phương pháp được lựa chọn do sự đơn giản.
Khanal et al. (2006c) đã nghiên cứu sự tạo thành nồng độ N-amoniac với nồng độ TS
và năng lượng đầu vào (kJ / gTS ) khác nhau trong quá trình phân hủy siêu âm của
WAS. Kết quả cho thấy rằng sự tạo thành nồng độ N-amoniac tăng với sự gia tăng
năng lượng đầu vào và nồng độ TS (hình 8). Nồng độ N-amoniac đạt được sự ổn định
tại mức năng lượng đầu vào 20 KWs/gTS đối với 2.0, 2.5, và hàm lượng TS 3%, và
10 KWs / GTS với hàm lượng TS là 1,5%. Trong thời gian sử dụng sóng siêu âm, các
tế bào vi khuẩn được phân hủy tạo thành nitơ hữu cơ trong tế bào vào trong pha nước,
đó là sau đó thủy phân ammonia. Điều này dẫn đến sự gia tăng lượng nitơ amoniac
trong pha nước. Điều này chỉ ra rằng sự phân hủy nitơ hữu cơ từ các mảnh vỡ không
sinh học cũng có thể đóng góp vào sự tạo thành nitơ amoniac.
Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

18


Hình 8: Sự tạo thành NH3-N trong quá trình phân hủy bùn tại các mức năng lượng
đầu vào và nồng độ TS khác nhau
Sự tạo thành nito (nitơ hữu cơ hòa tan và nitơ amoniac) được quan sát thấy trong quá
trình siêu âm WAS nén tại những mức năng lượng đầu vào khác nhau. Tổng nitơ
Kjeldaln (TKN) không thay đổi. Điều này cho thấy siêu âm không góp phần vào việc
khoáng hoá nitơ hoặc bay hơi. Tuy nhiên, nitơ hữu cơ và nitơ amoniac tăng lên trong
pha nước với gia tăng năng lượng đầu vào, và giảm đồng thời nitơ hữu cơ trong giai
đoạn rắn
Như vậy, việc tào thành amoniac và nitơ hữu cơ hòa tan trong pha nước có thể là một
công cụ hữu ích để đánh giá hiệu quả phân hủy của siêu âm.
4.6.3 Đánh giá sinh học
Việc đánh giá sinh học bao gồm đếm các tấm dị dưỡng và tỷ lệ hấp thu oxy (SOUR).
WAS chủ yếu bao gồm các vi khuẩn dị dưỡng, việc đo lường sự tồn tại của chúng
trong quá trình xử lý siêu âm cũng có thể cung cấp dữ liệu về hiệu quả của sự phân

hủy siêu âm. Chu et al. (2001) báo cáo tỷ lệ tồn tại (tỷ lệ vi khuẩn sau khi siêu âm so
với mẫu ban đầu) là 44% đối với các vi khuẩn dị dưỡng với mật độ chiếu sóng siêu
âm là 0,33 W / ml trong thời gian 120 phút. Tuy nhiên, số tấm dị dưỡng không phải là
một phương pháp thực tế để đánh giá hiệu quả phân hủy bùn.
Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

19

WAS chủ yếu bao gồm các vi khuẩn hiếu khí và tùy nghi. Vì vậy,
đo lường tỷ lệ hấp thu oxy là một chỉ số tốt. Xử lý siêu âm làm phá hủy các tế bào vi
khuẩn, nên việc đo lường SOUR của WAS được siêu âm có thể được sử dụng để
đánh giá hiệu quả ph6an hủy bùn. Khanal et al. (2006c) kiểm tra SOUR tại những thời
gian siêu âm khác nhau. Các thí nghiệm được thực hiện bằng cách sử dụng 20 ml bùn
được siêu âm nồng độ TS 1,5%, và chất nền tổng hợp với SCOD 500 mg / L chất dinh
dưỡng đa lượng và vi lượng, được sử dụng là nguồn carbon. Kết quả SOUR được
hiển thị trong hình 9.

Hình 9: SOUR của WAS tại thời gian siêu âm khác nhau.
Từ hình vẽ cho thấy, các hoạt động sinh học của bùn được siêu âm giảm theo hàm mũ
trong 16 phút đầu tiên sử dụng sóng siêu âm, sau đó giảm ở tốc độ thấp hơn. Các hoạt
động giảm tới 55% khi WAS được sử dụng sóng siêu âm trong 16 phút so với không
có siêu âm Phát hiện này cho thấy rằng siêu âm có hiệu quả trong phân hủy các tế bào
vi khuẩn. Việc sinh ra SCOD có thể không đo lường chính xác hiệu quả của siêu âm.
Sự phá hủy tế bào vi khuẩn không cần thiết sinh ra vật chất nội bào. Như vậy, việc sử
dụng tỷ lệ hấp thu oxy là một công cụ hữu ích và thiết thực để đánh giá sự phân hủy tế
bào.
Rai et al. (2004) sử dụng thuật ngữ mức độ khử hoạt tính (DD
OUR
) dựa trên dữ liệu tỷ
lệ hấp thu oxy (OUR), tương tự như mức độ phân hủy (DD

COD
). DD
OUR
có thể được
tính bằng cách sử dụng các biểu thức sau đây:
Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

20


trong đó,
OUR
sonocated
là tỷ lệ hấp thụ oxy của bùn siêu âm, mg O2 / L-min [ML-3 T-1]
và OUR
original
là tỷ lệ hấp thu oxy mẫu ban đầu (không siêu âm)

Hình 10:Mức độ khử hoạt tính ở mức năng lượng đầu vào khác nhau
DD
OUR
tăng nhanh chóng với sự tăng năng lượng đầu vào đến 40 kJ / gTS, sau đó tăng
chậm lại (hình 10) Tại năng lượng đầu vào 8 kJ / gTS, DD
OUR
là âm. Điều này có
nghĩa rằng DD
OUR
của bùn được siêu âm cao hơn so với không siêu âm. Tại năng
lượng đầu vào thấp, các tế bào vi sinh vật không bị phá hủy và khối bùn chỉ đơn giản
là phân rã thành từng tế bào vi sinh vật. Đo tỷ lệ hấp thu oxy tương đối đơn giản và

thực hiện trong 20 phút hoặc ít hơn. Bên cạnh đó, còn đo các hoạt động sinh học. Như
vậy, xác định DD
OUR
dựa trên đo lường OUR là một công cụ rất hữu ích để đánh giá
sự phân hủy bùn, đặc biệt là WAS. Tuy nhiên, tính linh hoạt của phương pháp này cần
được kiểm tra theo điều kiện khác nhau và tương quan với tỷ lệ tiêu hóa bùn trong
điều kiện hiếu khí hay kỵ khí.
Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

21

4.7 Các yếu tố ảnh hƣởng đến tính hiệu quả của sóng siêu âm
Hiệu quả của siêu âm được điều chỉnh bởi một số yếu tố. Những yếu tố này có thể
được phân loại thành ba loại: (a) đặc điểm bùn (rắn), (b) điều kiện siêu âm và (c) thiết
kế của các thành phần siêu âm.
4.7.1 Đặc điểm bùn
Các đặc tính của bùn như loại bùn (thành phần chất rắn ban đầu, WAS hoặc phân
động vật, vv), thành phần TS và kích thước hạt có ảnh hưởng đáng kể về mặt hiệu ứng
sóng siêu âm. Trong báo cáo của Grnroos et al. (2005) có trình bày về nồng độ tối đa
của SCOD trong thành phần chất rắn khô cao nhất (DS). Tuy nhiên, các tác giả không
trình bày các số liệu về mgSCOD/gDS, cho nên khó có thể xác định được liệu sự phân
hủy bùn sẽ đạt hiệu quả nếu nồng độ chất rắn hơn hay không. Khanal et al. (2006c) đã
tiến hành một nghiên cứu kỹ lưỡng để đánh giá hiệu quả %TS trong SCOD với những
năng lượng đầu vào khác nhau. Các kết quả được trình bày trong hình 11.


Hình 11: Sự hình thành SCOD tại mức năng lượng đầu vào và nồng độ TS khác nhau
Trong hình 11, lượng SCOD sinh ra tăng cùng với sự gia tăng thành phần TS và năng
lượng đầu vào. Tuy nhiên, quá trình tạo SCOD chậm lại ở năng lượng đầu vào trên 35
Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

22

KWs / gTS ở tất cả các thành phần TS. Nồng độ SCOD ở 1.6, 2.2, 2.5, và 3.2 mg/kWs
tương ứng với TS là 1.5, 2.0, 2.5, và 3,0%. Điều này tương ứng với sự gia tăng lượng
SCOD sinh ra 38, 59, và 98% ứng với 2.0, 2.5, và 3,0%TS so với 1,5% TS.
TS tác động đáng kể lên SCOD sinh ra. SCOD sinh ra tăng từ 3.966 đến 9.019 mg/L
khi thành phần TS tăng 0,5-1% trong suốt 30 phút siêu âm ở mật độ siêu âm 1,44
W/ml. Những phát hiện này cho thấy với thành phần TS cao hơn sẽ có hiệu quả về
năng lượng hơn cho việc sử dụng sóng siêu âm so với thành phần TS thấp. Trong quá
trình sử dụng sóng siêu âm, vi bọt được hình thành, và trong pha nước có 2 hiện
tượng: (a) lực cắt thủy động giúp cho sự phân hủy tế bào vi khuẩn và các mảnh vụn
hữu cơ khác, (b) phản ứng âm-hóa tạo sự hình thành của các gốc phản ứng mạnh trong
quá trình phân hủy (ví dụ, OH •, HO •, H •) và hydrogen peroxide.
Ở tần số thấp 20 kHz, lực cắt xuất hiện là cơ chế chủ yếu của sự phân rã tế bào (Tiehm
et al, 2001). Lượng SCOD sinh ra cao hơn đạt được ở thành phần TS cao hơn. Có thể
giả thuyết rằng ở thành phần TS cao hơn, sự phá hủy của vi-bọt đã gia tốc cho các hạt
lân cận vi bóng bắn phá các hạt liền kề nó. Có khả năng là sự phong phú của các hạt ở
thành phần TS cao có thể đã tăng khả năng phân hủy bùn do va chạm hạt-hạt. Tuy
nhiên, ảnh hưởng của số lượng hạt (trong thành phần TS ) lên sự hình thành các vi bọt
trong bể chứa bùn vẫn chưa rõ.
Phân hủy bằng siêu âm cũng bị ảnh hưởng bởi các thành phần của bùn. Người ta tin
rằng các chất rắn không phân hủy sinh học, ví dụ như bùn sơ cấp và phân động vật, sẽ
tương đối dễ dàng phân hủy hơn so với bùn sinh học chẳng hạn như WAS. Tuy nhiên,
không có nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các loại bùn khác nhau và kích thước
hạt trong phân hủy bằng siêu âm. Một nghiên cứu về vấn đề này là quan trọng nếu
công nghệ siêu âm được áp dụng cho phân hủy chất rắn sơ cấp và phân động vật. Các
dữ liệu thu được từ sự phân hủy bùn sinh học không thể được ngoại suy trực tiếp do
các mức độ khác nhau của sự phân hủy.
4.7.2 Điều kiện siêu âm

Trong phương pháp siêu âm, thời gian, cường độ và mật độ, nhiệt độ, pH, tần số dao
Ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải

23

động, biên độ và năng lượng đầu vào là các thông số quan trọng ảnh hưởng đến sự
phân hủy siêu âm. Hiển nhiên từ phương trình (2), năng lượng đầu vào cụ thể là tỷ lệ
thuận với thời gian siêu âm. Thời gian siêu âm dài có nghĩa là năng lượng đưa vào hệ
thống cao, kết quả là tạo ra SCOD cao hơn. Một số phát hiện về mức độ hòa tan với
điều kiện siêu âm khác nhau được tóm tắt trong Bảng 1. Wang et al. (2006) đã khảo
sát nồng độ SCOD sinh ra với 3 khoảng thời gian siêu âm lần lượt là 5, 15 và 20 phút
ở thành phần TS là 30%, tần số 20 KHz và mật độ siêu âm 0,768 W/ml. Các tác giả
quan sát thấy sự gia tăng nồng độ SCOD sinh ra từ 2581 đến 7509 mg/L, khi thời gian
siêu âm được tăng từ 5 đến 15 phút.
Tuy nhiên, khi phân hủy tiếp tục trong 20 phút, việc tạo ra SCOD bị chậm lại đáng kể
với nồng độ SCOD cuối cùng là 8912 mg/L.
Mặc dù đạt được nồng độ SCOD sinh ra cao nhất là mục tiêu chính của tiền xử lý siêu
âm, SCOD sinh ra cũng phải tương quan với năng lượng siêu âm đầu vào (được thể
hiện như mật độ siêu âm, cường độ siêu âm hoặc năng lượng đầu vào cụ thể). Sự
tương quan đó sẽ giúp tối ưu hóa năng lượng cần thiết để đạt được tỷ lệ phân hủy bùn
tối đa.
Một số nghiên cứu đánh giá SCOD sinh ra ở các mức năng lượng đầu vào khác nhau
và mật độ siêu âm như thể hiện trong Bảng 1. Mặc dù mức độ hòa tan được cải thiện
với sự gia tăng năng lượng đầu vào, tuy nhiên cải thiện không tỷ lệ thuận với năng
lượng đầu vào.
Sự biến thiên này là do hiệu quả chuyển giao năng lượng của các đơn vị siêu âm.
Nhiều báo cáo nghiên cứu về phân hủy bùn trong bảng 1 được thực hiện tại các tần số
từ 20 đến 40 kHz và 20 kHz là tần số tối ưu cho sự hình thành vi bọt.
Với cùng một năng lượng siêu âm đầu vào 3 W-min/ml, sự phân hủy bùn tại một mật
độ siêu âm là 0,5 W/ ml (thời gian siêu âm là 6 phút) mang lại 9,2% DDCOD, trong

khi một mật độ siêu âm là 0,1 W / ml (thời gian siêu âm là 30 phút) mang lại 7,3%
DDCOD (Zhang et al, 2007). Trên cùng một dòng, tác giả báo cáo 15,8% DDCOD ở
mật độ siêu âm 0.5 W/ml (thời gian siêu âm là 10 phút) và 11,3% ở mật độ siêu âm là