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

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………

i



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

i

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………

ii

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

i

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………

iii


LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn, ngoài sự cố gắng của bản thân, tôi còn
nhận ñược sự quan tâm, giúp ñỡ tận tình từ phía Nhà trường, gia ñình và bạn bè.
Tôi xin ñược bày tỏ sự cảm ơn trân trọng nhất tới giáo viên hướng dẫn khoa
học Thầy giáo PGS.TS ðỗ Nguyên Hải ñã tận tình hướng dẫn, giúp ñỡ 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 ðào tạo sau ñại
học, nhà trường ðại học Nông Nghiệp - Hà Nội ñã nhiệt tình giúp ñỡ tôi trong quá
trình hoàn thành luận văn này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn ñến thầy cô và cán bộ phòng phân tích Jica, phòng thí
nghiệm bộ môn Công nghệ môi trường - khoa Tài nguyên và Môi trường ñã tạo
ñiều kiện thuận lợi, giúp ñỡ tôi trong thời gian thực hiện ñề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới gia ñình, ñồng nghiệp và bạn bè ñã tạo
ñiều kiện tốt nhất về mọi mặt cho tôi trong suốt quá trình thực hiện ñề 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






i

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………

iv

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 CH
4
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
i

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………

v


3.2. Nội dung nghiên cứu 31
3.3. Phương pháp nghiên cứu 31
3.3.1. Phương pháp ñiều 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 trí thí nghiệm 32
3.3.4. Phương pháp tiến hành thí nghiệm 35
3.3.5. Phương pháp phân tích 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 ñặc tính của bùn cặn trong nghiên cứu 37
4.2. Ảnh hưởng của quá trình xử lý bằng sóng siêu âm tới thành phần và tính chất
bùn thải sinh học
38
4.2.1. Biến ñổi tính 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 ñộng của sóng siêu âm 38
4.2.1.2. Sự gia tăng ñộ ñục dưới tác dụng của sóng siêu âm 45
4.2.2. Biển ñổi tính chất hóa học của bùn thải dưới tác dụng của sóng siêu âm 47
4.3. ðánh giá hiệu quả của quá trình xử lý yếm khí bùn thải sinh học dưới tác ñộng
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 …………………………………………………….………………… 71






i

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………

vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT Chữ viết tắt Ý nghĩa
1 CB Mẫu bùn thải nhà máy chế biến thực phẩm
3 CDM Cơ chế phát triển sạch
3 CN Mẫu bùn thải chăn nuôi
4 CN-SH Mẫu bùn thải chăn nuôi – sinh hoạt
5 COD
Nhu cầu ôxy hóa hóa học chất hữu cơ khó
phân hủy
6 DD ðộ phẫn rã của bùn thải
7 sCOD

Nhu cầu oxy hóa hóa học chất hữu cơ khó
phân hủy dạng hòa tan
8 TS Tổng chất thải rắn
9 VS Chất béo dễ bay hơi
10 UNFCCC
Công ước khung của Liên hợp quốc về biến
ñổi khí hậu
11 WHO Tổ chức y tế Thế giới





i

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………

vii


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 CH
4
trước và sau ủ với các khoảng thời
gian siêu âm khác nhau 58



i

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………

viii

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Quá trình phát sinh Mêtan từ các hợp chất cao phân tử 12
Hình 2.2: Phân loại theo dải tần số sóng 16
Hình 2.3: Quá trình hình thành, phát triển và vỡ tung của bóng khí trong môi trường
lỏng
19
Hình 3.1: Sơ ñồ bố trí thí nghiệm 34

Hình 4.1: Cấu trúc bùn thải trước khi siêu âm 43
Hình 4.2: Mẫu bùn thải sau 15 phút siêu âm 44
Hình 4.3: Mẫu bùn thải sau 30 phút siêu âm 44
Hình 4.4: Mẫu bùn thải sau 45 phút siêu âm 45
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 NH
4
+
sau khi tác ñộng bởi sóng siêu âm 49
Hình 4.8: Sự gia tăng nồng ñộ PO
4
3-
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
trong giai ñoạn tiền xử lý 52
Hình 4.10: 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 CB
54
Hình 4.11: 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
55
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 CH
4
và hiệu suất chuyển hóa CH
4

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 CH
4
và hiệu suất chuyển hóa CH
4
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 CH
4
và hiệu suất chuyển hóa CH
4
với các khoảng thời gian
siêu âm khác nhau sau khi ủ yếm khí của mẫu bùn thải CN-SH
62
i

Trư
ờ
ng ð
ạ
i h
ọ
c Nông nghi
ệ
p Hà N
ộ
i

–

Lu
ậ
n
v
ă
n th
ạ
c
s
ỹ
khoa h
ọ
c
N
ô
ng nghi
ệ
p

………………………

1

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
CH
4
, 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
i

Trư
ờ

ng ð
ạ
i h
ọ
c Nông nghi
ệ
p Hà N
ộ
i
–

Lu
ậ
n
v
ă
n th
ạ
c
s
ỹ
khoa h
ọ
c
N
ô
ng nghi
ệ
p

………………………

2

rác. Trước những vấn ñề này, tôi tiến hành thực hiện ñề tài: “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 ñoạn tiền xử lý yếm khí.”
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
- ðánh giá khả năng phân hủy bùn thải từ các hệ thống xử lý nước thải
thực phẩm và chăn nuôi dưới tác ñộng của sóng siêu âm trong giai ñoạn tiền xử
lý yếm khí bùn thải.
- ðề xuất giải pháp ứng dụng sóng siêu âm trong giai ñoạn tiền xử lý bùn
thải bằng phương pháp yếm khí.
1.3. Yêu cầu
- Xây dựng phương pháp bố trí thí nghiệm phù hợp ñể ñánh giá ñúng tác
ñộng hiệu quả của sóng siêu âm trong giai ñoạn tiền xử lý bùn thải và hiệu quả
của quá trình xử lý yếm khí bùn thải sinh học.
- Các số liệu phân tích ñặc tính lý - hóa học và kết quả xử lý ñảm bảo tính
chính xác và trung thực.

i

Trư
ờ
ng ð
ạ
i h
ọ
c Nông nghi
ệ
p Hà N
ộ
i
–

Lu
ậ
n
v
ă
n th
ạ
c
s
ỹ
khoa h

ọ
c
N
ô
ng nghi
ệ
p

………………………

3

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 (V
bùn
/ V
nước 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
i

Trư
ờ
ng ð
ạ
i h
ọ
c Nông nghi
ệ
p Hà N
ộ
i
–

Lu
ậ
n
v
ă
n th
ạ
c
s
ỹ
khoa h
ọ
c
N
ô
ng nghi
ệ
p

………………………

4

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.
Các tính chất vật lý: bao gồm hàm lượng chất rắn, chất rắn dễ bay hơi và
kích thước hạt.
- Hàm lượng chất rắn: là trọng lượng khô của các chất rắn trên tổng khối
lượng bùn.
i

Trư
ờ
ng ð
ạ

i h
ọ
c Nông nghi
ệ
p Hà N
ộ
i
–

Lu
ậ
n
v
ă
n th
ạ
c
s
ỹ
khoa h
ọ
c
N
ô
ng nghi
ệ
p

………………………

5

- 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 550
0
C 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.
Các tính chất hóa học: chủ yếu phụ thuộc vào nguồn gốc nước thải, các
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)



i

Trư
ờ
ng ð
ạ
i h
ọ
c Nông nghi
ệ
p Hà N
ộ
i
–

Lu
ậ
n
v
ă
n th
ạ
c
s
ỹ
khoa h

ọ
c
N
ô
ng nghi
ệ
p

………………………

6

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
Tính theo nồng ñộ chất khô
Tổng chất rắn (TS)
% 2,0 – 8,0 0,4 – 1,2
Tổng chất rắn bay hơi
% (của TS) 60 – 80 60 – 85
Dầu mỡ
% (của TS) 5,0 – 8,0 5,0 – 12
Phôt pho
% (của TS) 0,8 – 2,8 1,5 – 3,0
ðạm
% (của TS) 20 – 30 32 – 40
Xenluloza
% (của TS) 8,0 – 15 -
Nitơ

% (của TS) 1,5 – 4,0 2,4 – 7,0
pH
5,0 – 8,0 6,5 – 8,0
(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
Nguyễn Văn Phước ở nước ta hiện nay, bùn thải chủ yếu ñược xử lý bằng cách ép
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
i

Trư
ờ
ng ð
ạ
i h
ọ
c Nông nghi

ệ
p Hà N
ộ
i
–

Lu
ậ
n
v
ă
n th
ạ
c
s
ỹ
khoa h
ọ
c
N
ô
ng nghi
ệ
p

………………………

7

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
Zhang và cs, (2008) cho rằng việc xử lý bùn thải là một trong những vấn ñề
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
và cs, (2004) cũng ñề cập tới vấn ñề quản lý và xử lý bùn thải các tác giả ñã chỉ
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
i

Trư
ờ
ng ð
ạ
i h
ọ
c Nông nghi
ệ
p Hà N
ộ
i
–

Lu
ậ
n
v
ă
n th
ạ
c
s
ỹ
khoa h
ọ
c
N
ô
ng nghi
ệ

p

………………………

8

- 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 CO
2
, CH
4
và H
2
O, 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 (FeSO
4

, Fe(SO
4
)
3
, FeCl
3
,
Al
2
(SO
4
)
3
và vôi. Trong thực tế dùng FeCl
3
cùng với vôi cho hiệu quả cao nhất.
Liều lượng FeCl
3
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
i

Trư
ờ
ng ð
ạ
i h
ọ
c Nông nghi
ệ
p Hà N
ộ
i
–

Lu
ậ
n
v
ă
n th
ạ
c
s
ỹ
khoa h
ọ
c
N
ô
ng nghi

ệ
p

………………………

9

rãnh, bùn hầm cầu, các hoạt ñộng xây dựng, các khu công nghiệp, cơ sở sản
xuất… Ngoài ra, ñang 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 Thiêm… ðáng quan tâm hơn nữa là phần lớn khối lượng
bùn này chưa ñược xử lý mà ñổ trực tiếp ra các bãi ñổ khu vực ngoại thành gây ô
nhiễm nghiêm trọng cho môi trường không khí, môi trường ñất và môi trường
nước.
Vấn ñề thiếu bãi ñổ bùn thải tại thành phố Hồ Chí Minh hiện rất nan giải.
Thời gian qua, bùn thải ñược ñổ khắp nơi có thể, chủ yếu tập trung ở ngoại thành
như huyện Bình Chánh, Hóc Môn, Cần Giờ, Củ Chi, quận 9, Thủ ðức… Vừa
qua, bổ sung thêm bãi ñổ ở quận Bình Tân song vị trí này cũng sẽ sớm quá tải
trong thời gian tới. Vì vậy việc xây dựng hệ thống xử lý bùn thải theo ñúng tiêu
chuẩn là việc làm hết sức cần thiết cho một ñô thị lớn như Hồ Chí Minh hiện nay.
ðây chỉ là một trong những ví dụ ñiển hình về sự phát sinh bùn thải tại
một thành phố lớn, bên cạch ñó, ở các ñô thị nhỏ, khu vực ngoại thành vấn ñề
phát sinh bùn thải, quản lý và xử lý bùn cũng còn lỏng lẻo, chưa có những biện
pháp xử lý triệt ñể 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 ñưa 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 ñược nguồn năng lượng có trong bùn
thải sinh học.
2.2. Cơ sở khoa học của quá trình phân hủy bùn thải trong ñiều kiện yếm khí và

sự chuyển hóa thành CH
4

2.2.1. Khái niệm và cơ chế của quá trình phân hủy yếm khí
Khái niệm quá trình phân hủy yếm khí: Quá trình phân hủy yếm khí ñược
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.
i

Trư
ờ
ng ð
ạ
i h
ọ
c Nông nghi
ệ
p Hà N
ộ
i
–

Lu
ậ
n
v
ă
n th
ạ
c

s
ỹ
khoa h
ọ
c
N
ô
ng nghi
ệ
p

………………………

10

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 yế
m
ứng 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.
Cơ chế quá trình phân hủy yếm khí: Sự chuyển hóa các hợp chất cao phân
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 20
0
C.
+ 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
i

Trư
ờ
ng ð
ạ
i h
ọ
c Nông nghi
ệ
p Hà N
ộ
i
–

Lu
ậ
n
v
ă
n th
ạ
c
s
ỹ
khoa h
ọ
c
N
ô
ng nghi
ệ
p

………………………

11

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.
+ Axetat hóa
Các hợp chất tạo thành từ quá trình axit hóa chuyển hóa thành các sản
phẩm cuối ñể sản sinh khí Mêtan: Axêtat, Hydrô, Cacbon dioxit. Trung bình
có khoảng 70% COD trong nước thải ñầu vào ñược chuyển hóa thành axit

axetic và phần còn lại ñược tập trung làm nguồn cấp ñiện tử trong phản ứng
tạo thành khí Hydrô. Tùy thuộc vào thế năng oxy hóa của các chất hữu cơ ban
ñầu.
+ 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:
CH
3
COOH  CH
4
+ CO
2

Tổng hợp Mêtan từ vi khuẩn hydro:
4H
2
+ CO
2
 CH
4
+ 2H
2
O
Các vi khuẩn tổng hợp Mêtan từ Hydro và Dioxit Cacbon phát triển nhanh
hơn các vi khuẩn sử dụng Axêtat.
Theo ñó, quá trình tổng hợp Mêtan bởi các vi khuẩn lên men giấm thường
chiếm tỷ lệ giới hạn trong suốt quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ cao

phân tử trong nước thải thành khí sinh học.
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.
i

Trư
ờ
ng ð
ạ
i h
ọ
c Nông nghi
ệ
p Hà N
ộ
i
–

Lu
ậ
n
v
ă
n th
ạ
c
s
ỹ

khoa h
ọ
c
N
ô
ng nghi
ệ
p

………………………

12

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 – 40
0
C và hảo khí tại
khoảng 55
0
C.
O’Rourke, 1968 ñã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt ñộ tới hiệu suất phân
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 :
ð
ạ
m, Hydrat Cacbon, Ch
ấ
t béo

Axit Béo Axit Amin, ðường
Các sản phẩm trung gian Propionic,
Butyrich v.v…
Hydro Axit Axetic
M ÊTAN
i

Trư
ờ
ng ð
ạ
i h
ọ
c Nông nghi
ệ
p Hà N
ộ
i
–

Lu
ậ
n
v
ă
n th
ạ
c
s
ỹ
khoa h
ọ
c
N
ô
ng nghi
ệ

p

………………………

13

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 NH
4
+
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
i

Trư
ờ
ng ð
ạ
i h
ọ
c Nông nghi
ệ
p Hà N
ộ
i
–

Lu
ậ
n
v
ă
n th
ạ
c
s
ỹ
khoa h
ọ
c
N
ô
ng nghi
ệ
p

………………………

14

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
i

Trư
ờ
ng ð
ạ
i h

ọ
c Nông nghi
ệ
p Hà N
ộ
i
–

Lu
ậ
n
v
ă
n th
ạ
c
s
ỹ
khoa h
ọ
c
N
ô
ng nghi
ệ
p

………………………

15

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.
Phân loại theo phương dao ñộng: Sóng âm ñược chia ra 02 loại là sóng
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.

i

Trư
ờ
ng ð
ạ
i h
ọ
c Nông nghi
ệ
p Hà N
ộ
i
–

Lu
ậ
n
v
ă
n th
ạ
c
s
ỹ
khoa h
ọ
c
N
ô

ng nghi
ệ
p

………………………

16


Hình 2.2: Phân loại theo dải tần số sóng

Trong thế kỷ 19, Kranj - nhà khoa học người ðức ñã thông qua thực
nghiệm và rút ra: 20000Hz là giới hạn lớn nhất tai người có thể nghe ñược, còn
loại sóng có ñộ lớn hơn 20000Hz mà con người không nghe thấy là sóng siêu âm.
Vì vậy “Sóng siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn 20 kHz”.
ðặc tính của sóng siêu âm: Cũng theo Kranj, ông ñã chỉ ra hai ñặc tính
quan trọng của sóng siêu âm:
ðặc tính ñầu tiên của sóng siêu âm là có tính ñịnh hướng. Do tần suất của
sóng siêu âm rất cao, cho nên bước sóng rất ngắn bởi vậy nó có thể truyền theo
ñường thẳng như ánh sáng. Sóng siêu âm khi va vào vật cản sẽ phản xạ trở lại,
bằng cách tiếp nhận và phân tích sóng phản xạ, người ta có thể dự ñoán phương
hướng và khoảng cách của vật cản. Trong thế giới tự nhiên, một số loài ñộng vật
như dơi, cá voi cũng có khả năng phát hiện ra sóng siêu âm.
ðặc tính thứ hai của sóng siêu âm là nó có thể truyền trong nước với
khoảng cách rất xa. Trong không khí, sóng siêu âm có tần số 30kHz có thể truyền
về phía trước 24m và sau ñó cường ñộ của nó giảm xuống còn 1/2, song khi ở
trong môi trường nước, nó có thể truyền về phía trước tới 44000m thì cường ñộ
lúc này của nó mới giảm ñi 1/2, tức là gấp khoảng 400 lần so với khoảng cách
truyền trong không khí. Do ánh sáng và sóng ñiện từ khác trong nước truyền nối
tiếp, không ñi xa ñược, bởi vậy sóng siêu âm trở thành phương tiện ñầu tiên ñược

con người sử dụng ñể thám hiểm vật thể dưới nước.
Việc sử dụng sóng siêu âm trong hóa học ñã mở ra một kỷ nguyên ứng
dụng mới trong các lĩnh vực khoa học. Alfredl Loomis là người ñầu tiên ñã sử
dụng sóng siêu âm trong hóa học vào năm 1927. Ông ñã nhận ra sự tác ñộng
i

Trư
ờ
ng ð
ạ
i h
ọ
c Nông nghi
ệ
p Hà N
ộ
i
–

Lu
ậ
n
v
ă
n th
ạ
c
s
ỹ
khoa h

ọ
c
N
ô
ng nghi
ệ
p

………………………

17

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 :
T
max
= T
0
* P
m
(k-1)/P
P
max
= P*[P
m
(k-1)/P] k/(k-1)