HIỆU QUẢ VÀ MÔ HÌNH XỬ LÝ BÙN HOẠT TÍNH BẰNG KIỀM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP HCM
KHOA MÔI TRƯỜNG
LỚP 10CMT


HIỆU QUẢ VÀ MÔ HÌNH XỬ LÝ BÙN HOẠT TÍNH
BẰNG KIỀM

GVHD: Ts. Tô Thị Hiền
Sinh viên:
Nguyễn Thị Mỹ Chi 1022035
Trần Thị Kim Chi

1022036

Bùi Thị Tuyết Minh 1022175

1


2


Tóm tắt
Do thiếu thông tin về xử lý bùn bằng kiềm ở liều lượng cao tại nhiệt độ môi
trường xung quanh, xử lý bùn bằng kiềm được thực hiện để biết những ảnh hưởng của
các nồng độ khác nhau (0-0,5 mol/L) của natri hydroxide NaOH và hydroxit canxi
Ca(OH)2 tại 0-40 0C. Kết quả cho thấy NaOH là phù hợp hơn so Ca(OH) 2 để phân hủy
bùn. Xử lý bằng NaOH, hiệu quả nhất ở liều lượng khoảng 0,05 mol/L (0,16 g/g chất rắn
khô), và 60-71 % sự hòa tan các chất hữu cơ đạt được trong 30 phút đầu tiên trong quá
trình xử lý bùn trong 24 h. Quá trình này được mô tả bằng một mô hình chuyển hóa năng

lượng, và mối quan hệ giữa hằng số tốc độ phản ứng và nhiệt độ được mô tả theo
phương trình Arrhenius. Xử lý bằng NaOH với nồng độ thấp (<0,2 mol/L) làm giảm khả
năng khử nước bùn, trong khi khả năng này được phục hồi dần với sự gia tăng của nồng
độ NaOH. Xử lý bằng Ca(OH)2, phân hủy kết tủa các mảnh vỡ và các polyme hữu cơ
hòa tan có thể được tái kết tủa nhờ các cation canxi. Do đó, ảnh hưởng tan rã bùn sẽ mất
tác dụng và tăng cường khả năng khử nước.
1. Giới thiệu
Bùn thải hoạt tính (WAS) chính là sản phẩm phụ của quá trình xử lý nước thải,
chiếm khoảng 0,5-1% tổng lượng nước. Ở Trung Quốc 20-50 % vốn và chi phí hoạt
động của các nhà máy xử lý nước thải được chi tiêu cho xử lý WAS và thải bỏ. Vì vậy,
giảm thiểu bùn là rất quan trọng để giải quyết vấn đề kinh tế. Bùn tan rã, một phương
pháp tiền xử lý cho khử nước hoặc kỵ khí, đã được nghiên cứu và chứng minh cho việc
cải thiện quá trình giảm thiểu bùn. Phương pháp phân hủy bùn bao gồm cơ khí, nhiệt,
hóa học và sinh học. So sánh với các phương pháp khác xử lý kiềm có một số lợi thế, ví
dụ thiết bị đơn giản, dễ dàng hoạt động và hiệu quả cao (Weemaes và Verstraete, 1998).
Xử lý bùn bằng kiềm có thể phá vỡ các bông bùn và các tế bào, giải phóng các chất hữu
cơ bên trong và đẩy nhanh quá trình thủy phân bùn, và do đó cải thiện hiệu suất kỵ khí
(Novelli và cộng sự, 1995; Lin và cộng sự, 1997; Kim và cộng sự , 2003; Cassini và
cộng sự, 2006). Bên cạnh đó, xử lý bùn bằng kiềm cũng có thể giải phóng nước bên
trong bông bùn và cấu trúc tế bào, mà không thể được loại bỏ bằng quá trình làm khô


thông thường. Vì vậy, xử lý kiềm có thể cải thiện khả năng khử nước trong bùn
(Erdincler và Vesilind năm 2000; Neyens và cộng sự, 2003).
Xử lý bùn bằng kiềm phụ thuộc vào tan rã hoặc phá hủy các cấu trúc bông bùn và
thành tế bào bằng gốc hydroxy. Các chất cao phân tử ngoại bào (EPS) giữ bùn hạt với
nhau để hình thành bông bùn. EPS bao gồm protein, chất humic, polysaccharid, chất béo
và axit nucleic (Dignac và cộng sự, 1998). pH cực cao gây ra mất hình dạng tự nhiên của
protein, xà phòng hóa của lipid và thủy phân RNA (Zhang , 2002). Dung dịch kiềm
mạnh hòa tan chất keo không chỉ bởi làm giảm tính chất hóa học mà còn ion hóa các

nhóm hydroxyl (-OH-O-), dẫn đến quá trình hòa tan tiếp theo (Neyens và cộng sự,
2004). Sau khi phá hủy EPS và chất keo, các tế bào được tiếp xúc với môi trường pH
cao nên không thể giữ được sức trương thích hợp. Do lý do trên và sự xà phòng hóa
lipid, các tế bào bị phá hủy và các chất bên trong được giải phóng. Vì vậy, xử lý kiềm có
thể hòa tan bùn và giải phóng nước bên trong.
Hầu hết các cuộc điều tra trình bày nhu cầu oxy hóa học hòa tan (SCOD) hoặc
giảm chất rắn lơ lửng dễ bay hơi (VSS) đặc biệt là ở liều lượng kiềm thấp (<0,1 mmol/L)
hoặc kết hợp với xử lý nhiệt (Lin và cộng sự, 1997; Erdincler và Vesilind năm 2000;
Navia và cộng sự, 2002; Neyens và cộng sự, 2003; Vlyssides và Karlis, 2004; Cassini và
cộng sự, 2006). Tuy nhiên, liều lượng kiềm thấp thường hoạt động như chất phụ trợ
trong quá trình thủy phân nhiệt (50 – 200oC), và ít thông tin về xử lý kiềm liều lượng cao
ở phạm vi nhiệt độ môi trường xung quanh, đặc biệt là ảnh hưởng đến khả năng khử
nước trong bùn. Mục đích của nghiên cứu này là để làm đầy đủ thêm các nghiên cứu.
Chúng tôi kiểm tra cả hai tác dụng phân hủy bùn và khả năng khử nước trong quá trình
xử lý bằng kiềm với liều lượng thấp và cao natri hydroxide (NaOH) và hydroxit canxi
[Ca(OH)2] ở phạm vi nhiệt độ môi trường xung quanh (0-40 oC). Dựa trên những phân
tích, nghiên cứu này có thể cung cấp hiểu rõ hơn về xử lý bùn bằng kiềm và thiết lập một
mô hình thử nghiệm để mô tả quá trình này.


2 . Phương pháp
Mẫu bùn được thu thập từ đầu ra của bể hiếu khí và bể nén bùn của một nhà máy
xử lý nước thải đô thị đầy đủ quy mô địa phương và được lưu trữ ở 4 0C trước khi sử
dụng. Quá trình nhà máy xử lý nước thải là kỵ khí - thiếu ôxy - hiếu khí. Các mẫu bùn có
hàm lượng nước 98%, pH 6,9; SCOD 275 mg/l, chất rắn lơ lửng (SS) của 12,788 mg/L
và chất rắn lơ lửng dễ bay hơi (VSS) 9,630 mg/L. Để phân tích ảnh hưởng của nồng độ
bùn trong xử lý kiềm, nồng độ bùn đã được điều chỉnh thông qua di chuyển hoặc thêm
nổi bằng bùn thu được.
Xử lý bùn bằng kiềm được thực hiện trong một mẻ phản ứng hỗn hợp 2,0 L, được
đặt trong một cốc nước (THZ95, SBL Ltd, Trung Quốc) để điều chỉnh nhiệt độ phản ứng

từ 0oC và 40oC. Liều lượng NaOH được thêm vào trong khoảng 0,05 mol/L đến 1,0
mol/L, và Ca(OH)2 từ 0,02 mol/L đến 0,5 mol/L. Sự hòa tan của chất hữu cơ trong bùn
được tính với SCOD và VSS . Mức độ phân hủy bùn được tính toán là tỷ số của sự tăng
hàm lượng SCOD bằng xử lý kiềm với sự tăng hàm lượng SCOD tối đa có thể : DD COD
= (SCOD - SCOD0)/(TCOD - SCOD0), trong đó SCOD0 là SCOD của mẫu bùn không
được xử lý, TCOD là tổng nhu cầu oxy hóa học của bùn mẫu. Khả năng khử nước trong
bùn được đo bằng ba phương pháp: thời gian lọc tách nước (CST), lọc, ly tâm.
Mẫu bùn được sử dụng trực tiếp để đo hàm lượng nước, SS, VSS và TCOD theo
phương pháp chuẩn (APHA, 1995). Các mẫu được ly tâm ở 5000g trong 10 phút, và sau
đó được lọc nổi qua một màng với kích thước lỗ của 0,45µm. Dịch lọc được sử dụng để
đo SCOD. pH được đo bằng máy đo pH ( Eutech Cyberscan510 ). Phân bố kích thước
hạt bùn đã được kiểm tra bởi một máy đo độ hạt nhiễu xạ tia lase Malvern Mastersizer.
CST của bùn được đo bằng dụng cụ CST sản xuất bởi Boshitong Ltd Trung Quốc. Khả
năng lọc bùn (V5 phút) được đo bằng khối lượng lọc của 100 mL mẫu bùn qua giấy lọc
định lượng vận tốc trung bình sau 5 phút lọc chân không tại 0.09 MPa. Khả năng ly tâm
bùn được đo bằng độ ẩm trong ly tâm bánh bùn (5000g , 10 phút) và độ đục của bề mặt
sau ly tâm. Độ đục được đo bằng một Nephelometer (HACH 2100P) .


3. Kết quả và thảo luận
3.1. Sự hòa tan các chất hữu cơ
Những ảnh hưởng của liều lượng NaOH trong sự phân hủy bùn được thể hiện
bằng sự thay đổi của SCOD (Hình 1). SCOD tăng theo liều lượng NaOH và xử lý là hiệu
quả nhất khi liều lượng NaOH khoảng 0,05 mol/L (0,16 g/g chất rắn khô). Nó cho thấy
rằng NaOH thì dư. Trong thực tế, giá trị pH của bùn vẫn còn trên 12 sau khi xử lý với
0,05 mol/L NaOH trong 30 phút. Do đó số lượng các chất hữu cơ hòa tan là tỷ lệ thuận
với nồng độ bùn, và trong nghiên cứu này, tỷ lệ SCOD tăng lên và VSS trong bùn là
khoảng 0,63 với xử bằng 0,05 mol/L NaOH. Kết quả tương tự cũng đã được tìm thấy
trong các bài báo khác của Xiao và Liu (2006). Các ảnh hưởng của thời gian xử lý bằng
NaOH trong phân hủy bùn được hiển thị trong hình 1. Sự gia tăng của SCOD có thể chia

thành hai giai đoạn: giai đoạn nhanh ban đầu là 0,5 h và một giai đoạn tiếp theo chậm.
Thời gian tương tự của giai đoạn đầu cũng có thể được tìm thấy trong các bài báo khác
(Navia và cộng sự, 2002; Cai và cộng sự, 2004; Xiao và Liu, 2006). Trong 30 phút đầu
tiên, số lượng các chất hòa tan là 60-71 % của tổng số các chất hữu cơ hòa tan trong 24
giờ. Vì vậy, xử lý hiệu quả nhất trong thời gian là 30 phút.


Fig. 1. Variation of sludge SCOD with duration time during NaOH treatment.
Ca(OH)2 cũng có thể phân hủy bùn, nhưng hiệu quả thì thấp hơn so với NaOH.
Sau 30 phút xử lý bằng Ca(OH)2, SCOD trong bùn tăng từ 275 mg/L lên 1375 mg/L,
1365 mg/L, 984 mg/l và 821 mg/L với liều lượng Ca(OH)2 tương ứng là 0,02 mol/L, 0,05
mol/L, 0,3 mol/l và 0,5 mol/L. Kết quả cho thấy rằng hòa tan các chất hữu cơ giảm dần
khi liều lượng Ca(OH)2 lớn hơn 0,02 mol/L. Các chất cao phân tử ngoại bào (EPS) là
nhân tố quan trọng trong việc tạo bông bùn, các polyme hữu cơ hòa tan cũng đóng vai
trò tương tự. Các cation hóa trị hai bao gồm các cation canxi và magiê là những chất
quan trọng kết nối các tế bào với EPS (Neyens và cộng sự, 2003). Vì vậy, với sự có mặt
của các cation canxi, các polyme hữu cơ hòa tan tăng cường tái tạo bông bùn vỡ khi xử
lý kiềm. Trong quá trình đó, các chất hữu cơ hòa tan được chuyển thành các bông bùn
một lần nữa, và kích thước các bông bùn được tăng lên. Dựa trên sự phân tích so sánh
của NaOH và Ca(OH)2, có thể kết luận rằng NaOH có hiệu quả hơn Ca(OH)2 trong việc
hòa tan bùn.
3.2. Thay đổi khả năng khử nước trong bùn
Trong quá trình xử lý bùn bằng kiềm, những thay đổi của các bông bùn có thể
được phản ánh bằng khả năng khử nước gián tiếp trong bùn, bao gồm CST, V5phút, độ ẩm
tương đối của bánh bùn ly tâm, và độ đục sau khi ly tâm (Hình 2 và 3). Nói chung, khả
năng khử nước giảm đi lúc đầu và sau đó được cải thiện dần khi tăng liều lượng NaOH
từ 0,05 mol/L đến 0,5 mol/L. Khi liều lượng NaOH thấp hơn 0,1 mol/L, khả năng khử
nước trong bùn giảm xuống rõ ràng do sự phá vỡ của bông bùn và các tế bào. Sự thay
đổi giá trị của CST chỉ ra rằng các polyme hữu cơ có thể hút nước và hàm lượng nước
tăng lên. Những ảnh hưởng của lọc bùn và ly tâm cho thấy các hạt mịn tăng lên. Các

dung dịch sau ly tâm dường như là sạch hơn sau khi xử lý với 0,1 mol/L NaOH. Có thể
là do các polyme hữu cơ hòa tan chuyển sang dạng gel có chứa một lượng lớn nước và
một số hạt mịn, có thể được quan sát trực tiếp. Kết quả là, độ ẩm tương đối của bánh bùn
ly tâm cao và độ đục thấp.


Fig. 2. Effects of alkaline kind and dose on sludge CST and filtration ability.


Fig. 3. Effects of alkaline kind and dose on sludge centrifugal ability.
Khi liều lượng NaOH tăng hơn 0,2 mol/L, khả năng khử nước trong bùn đã được
cải thiện so với các liều lượng NaOH thấp. Sự sụt giảm giá trị của CST cho thấy các
polyme hữu cơ ưa nước giảm, và gel này hòa tan được trong kiềm mạnh (Neyens và
cộng sự, 2004). Sự gia tăng của V5phút và giảm độ đục cho thấy các hạt mịn được giảm
một phần. Sự phân bố kích thước hạt có thể được sử dụng để xác minh sự thay đổi. Giá
trị của d90 tăng từ 115,69 m đến 135,51 m sau khi xử lý với 0,5 mol/L NaOH. Điều này
cho thấy một số mảnh vỡ bông bùn đã được tái kết bông với sự hỗ trợ của polimer hữu
cơ hòa tan mang điện dương sản phẩm của quá trình xử lý kiềm mạnh (Erdincler và
Vesilind, 2000). Giảm hạt mịn và sự hòa tan của gel dẫn đến cải thiện khả năng khử
nước trong bùn. Mặc dù các hạt mịn có thể được kết bông lại trong quá trình xử lý
NaOH với liều lượng cao, số lượng của chúng vẫn tăng so với mẫu bùn không được xử
lý, và giá trị của d10 giảm từ 15,77 m đến 11,87 m. Vì vậy, khả năng lọc của bùn đã xử lý
vẫn còn thấp hơn bùn không được xử lý.
Mặc dù Ca(OH)2 cũng có thể dẫn đến sự phá vỡ của một vài bông bùn, nó có thể
cải thiện khả năng khử nước trong bùn. Những thay đổi của CST và V 5phút là không rõ
ràng. Lượng nước trong bánh bùn ly tâm và độ đục đều giảm rõ rệt theo liều lượng
Ca(OH)2, nó cho thấy rằng Ca(OH)2 có thể nâng cao sự kết bông lại và tăng lượng chất
vô cơ trong bùn. Mặc dù xử lý với liều lượng Ca(OH) 2 cao thì có lợi cho quá trình ép
bùn, trọng lượng của bánh bùn cũng tăng do việc bổ sung các chất vô cơ. Khi liều lượng
Ca(OH)2 là 0,05 mol/L, trọng lượng của bánh bùn tăng 24,3% (giảm 26% cho xử lý

NaOH với liều lượng như nhau). Liều lượng nhiều hơn có thể dẫn đến tăng trọng lượng
bánh bùn nhiều hơn, đó là bất lợi cho quá trình xử lý tiếp theo.
3.3. Mô hình của phân hủy bùn bằng NaOH.
Từ cation canxi có thể làm giảm hòa tan các polymer hữu cơ bằng cách tái tạo
bông, xử lý bằng NaOH thì hiệu quả hơn Ca(OH)2 trong việc phân hủy bùn. Quá trình
xử lý bằng kiềm được mô tả ở các liều lượng NaOH (0-0,5 mol/L) tại nhiệt độ môi
trường xung quanh, việc này cung cấp một mô hình thử nghiệm sử dụng DD COD như biến


độc lập. Theo phân tích ở trên, nồng độ bùn không có ảnh hưởng rõ ràng về mức độ
phân hủy của bùn. Vì vậy, các biến độc lập bao gồm liều lượng NaOH, thời gian xử lý và
nhiệt độ môi trường xung quanh. Giá trị của DDCOD thay đổi giữa 0 và 1 trong xử lý bùn
bằng kiềm, hơn nữa, tốc độ hòa tan của chất hữu cơ giảm dần với thời gian hoặc liều
lượng NaOH. Vì vậy, một mô hình chuyển hóa năng lượng được biểu diễn như phương
trình (1) để mô tả quá trình xử lý bùn bằng kiềm
DDCOD = 1 – 1 / (1 + k..)

(1)

Trong đó CA là nồng độ của dung dịch NaOH, g/l; là các chỉ số tương ứng của
liều lượng NaOH và thời gian; k là hằng số tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ môi
trường xung quanh, có thể được thể hiện như phương trình Arrhenius.
k = A exp (-Ea/RT)

(2)

Trong phương trình (2), A là hệ số theo cấp số nhân, E a là năng lượng hoạt hóa
J/mol, R là hằng số khí, 8,31 J/( Kmol), T là nhiệt độ tuyệt đối (K). Khi nhiệt độ phản
ứng tăng lên, các chất hữu cơ hòa tan không chỉ phụ thuộc chủ yếu vào thủy phân kiềm,
mà còn vào nhiệt thủy phân, và các mô hình có thể không phù hợp.

Để thuận tiện cho tính toán, phương trình (1) có thể được thay đổi như phương trình. (3)
ln = ln k + ln CA + ln t

(3)

Dựa trên dữ liệu SCOD trong khi xử lý bằng kiềm với liều lượng NaOH khác
nhau và khoảng thời gian tại 9,8 0C (Hình 4), k9,80C, có thể được tính bằng nhiều đường
hồi quy. Kết quả được thể hiện trong phương trình (4) và hệ số tương quan là 0,98, trong
đó k9,80C, là 0,42 . Đường cong mô phỏng cũng được hiển thị trong hình 4:
DDCOD = 1 – 1/(1 + k. . t0,15)

(4)

Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường xung quanh trong xử lý bùn bằng kiềm cũng
được đo. Khi nhiệt độ phản ứng là 00C, 13,30C, 20,40C, 30,6 0C và 40,6 0C, Các giá trị
của k tương ứng là 0,40, 0,41, 0,55, 0,59 và 0,74. Kết quả chỉ ra rằng sự tăng lên của
nhiệt độ phản ứng góp phần thúc đẩy sự hòa tan của chất hữu cơ trong bùn trong khoảng


0-40 0C. Căn cứ vào đó, các thông số của phương trình (2) được tính bằng nhiều đường
hồi quy. Kết quả thể hiện trong phương trình (5). Hệ số tương quan là 0,96. Nó cho thấy
mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng liên tục và nhiệt độ như phương trình Arrhenius
k = 72,12 . exp (-12030/8,31.T)

(5)

Fig. 4. Comparison of experimental and simulated data for sludge DD COD (the points are
the experimental data, the lines are the calculation results, the numbers is the dose of
NaOH, g/L).
Dữ liệu của 34 nhóm khác được sử dụng để xác minh phương trình (4) và (5) ở

nhiệt độ môi trường xung quanh khác nhau, nồng độ bùn, liều lượng kiềm và thời gian
xử lý. Các dữ liệu mô phỏng và dữ liệu thực nghiệm được so sánh (Hình 5). Chúng phù
hợp tốt và hệ số tương quan là 0,97. Vì vậy, các mô hình có thể được sử dụng để tính


toán mức độ phân hủy trong xử lý bằng dung dịch NaOH dựa trên phương trình (4) và

(5).

4. Kết luận
NaOH là hiệu quả hơn cho sự phân hủy bùn. Quá trình bao gồm hai giai đoạn:
giai đoạn ban đầu diễn ra nhanh 0,5 h và giai đoạn tiếp theo chậm hơn. Mức độ phân hủy
bùn được quyết định bởi liều lượng NaOH, và liều lượng các chất hữu cơ hòa tan là tỷ lệ
thuận với nồng độ bùn. Liều lượng NaOH thấp khử nước trong bùn giảm xuống, trong
khi khả năng đó có thể được phục hồi ở mức độ nào đó bởi các quá trình xử lý với liều
lượng cao.
Xử lý bằng Ca(OH)2 là phù hợp hơn cho việc cải thiện khả năng khử nước trong
bùn. Cation canxi có thể nâng cao sự keo tụ lại của các polyme hữu cơ hòa tan, điều này
chống lại tác dụng phân hủy bùn. Xử lý bằng Ca(OH)2 không thể thay đổi CST bùn và
khả năng lọc, trong khi có thể cải thiện khả năng ly tâm bùn. Trọng lượng của bánh bùn
tăng theo liều lượng Ca(OH)2.


Trong nghiên cứu này, quá trình xử lý bằng NaOH được mô tả với một mô hình
chuyển hóa năng lượng và mối quan hệ tỷ lệ giữa hằng số tốc độ phản ứng và nhiệt độ
môi trường xung quanh phù hợp với phương trình Arrhenius.