Xử lý chất thải và bùn bằng siêu âm

Khí sinh học được tạo ra từ các nguồn như chất thải hữu cơ đô thị, bùn thải, phân chuồng lẫn chất độn hoặc phân vật nuôi. Xử lý bằng siêu âm cải thiện khả năng phân hủy sinh học của các vật liệu hữu cơ này, giúp tạo ra nhiều khí sinh học hơn và ít bùn dư hơn.

Khí sinh học là sản phẩm phụ của quá trình phân hủy chất hữu cơ do vi khuẩn kỵ khí hoặc hiếu khí thực hiện. Thành phần chủ yếu của khí sinh học gồm metan, carbon dioxide và hydro sulfide. Nhờ đó, khí sinh học trở thành một nguồn thay thế tái tạo cho nhiên liệu hóa thạch như khí tự nhiên.

Giá năng lượng, chi phí hóa chất và thải bỏ bùn, các quy định pháp luật về môi trường cùng những mối quan tâm khác như giảm phát thải mùi đòi hỏi các nhà máy xử lý chất thải phải nâng cao hiệu quả xử lý. Việc phá vỡ vật liệu hữu cơ bằng siêu âm trước khi phân hủy sinh học giúp cải thiện đáng kể khả năng sản xuất khí sinh học. Đồng thời, xử lý bằng siêu âm cải thiện khả năng tách nước của bùn và giảm lượng bùn dư cần thải bỏ.

Nguyên liệu để sản xuất khí sinh học là hỗn hợp gồm nhiều chất kết tụ và tạo bông khác nhau, sợi, virus và vi khuẩn, cellulose cùng các chất vô cơ khác. Chất thải thực phẩm, chất thải hữu cơ công nghiệp và thương mại như chất béo hoặc bã dịch chưng cất là nguyên liệu bổ sung cho các bể phân hủy ở nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao. Hiện tượng xâm thực siêu âm phá vỡ các khối kết tụ và cấu trúc tế bào. Nhờ tác động lên cấu trúc vật liệu cấu thành, bùn có thể được tách nước dễ dàng hơn. Hơn nữa, việc phá vỡ các khối kết tụ và thành tế bào làm tăng khả năng tiếp cận sinh học của vật chất nội bào đối với quá trình phân hủy do vi khuẩn thực hiện.

Tăng sản lượng khí sinh học nhờ xử lý bằng siêu âm

Một nghiên cứu gần đây đã khảo sát tác động của việc tiền xử lý bùn bằng siêu âm tại một nhà máy xử lý bùn đô thị ở Hy Lạp. (Hình bên trái cho thấy hệ thống quy mô thí điểm.) Việc áp dụng tiền xử lý bằng siêu âm với thiết bị Hielscher UIP1000hdT (20 kHz, 1000 W) để xử lý bùn bằng siêu âm trong 15 min cho thấy hiệu quả phân hủy kỵ khí được cải thiện đáng kể, chủ yếu thể hiện qua việc tăng sản lượng khí sinh học. So với bùn chưa xử lý, sản lượng khí sinh học tăng từ khoảng 16 ± 2 NL·d⁻¹ lên 26 ± 2 NL·d⁻¹, tương ứng với mức cải thiện khoảng 63%. Sự cải thiện này được cho là nhờ siêu âm phá vỡ các bông bùn và cấu trúc tế bào, làm tăng đáng kể nhu cầu oxy hóa học (COD) hòa tan và nồng độ axit béo dễ bay hơi, qua đó cải thiện tính khả dụng sinh học của cơ chất đối với các vi sinh vật sinh metan. Kết quả là đạt được suất sinh metan riêng cao hơn mà không làm thay đổi hàm lượng metan, vốn duy trì ổn định ở khoảng 62%. Những phát hiện này xác nhận rằng xử lý bằng siêu âm tần số thấp, công suất cao là một phương pháp tiền xử lý hiệu quả để tăng cường phân hủy kỵ khí bằng cách đẩy nhanh quá trình thủy phân và tăng tỷ lệ chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học. (xem Gkalipidou và cộng sự, 2026)

 
Từ năm 1999, Hielscher đã cung cấp các hệ thống phá vỡ bằng siêu âm có công suất riêng lẻ lên đến 48kW cho nhiều nhà máy xử lý nước thải, bao gồm các cơ sở xử lý chất thải đô thị và công nghiệp trên toàn thế giới. Một số hệ thống này đã cải thiện sản lượng khí sinh học lên đến 25%.

 

Bảng dưới đây trình bày nhu cầu công suất điển hình cho các lưu lượng thể tích khác nhau. Hệ thống siêu âm thường được tích hợp trực tiếp trên đường ống trước khi nguyên liệu được cấp vào bể phân hủy. Một phương án khác là tuần hoàn vật liệu hữu cơ từ bể phân hủy qua hệ thống siêu âm rồi đưa trở lại bể phân hủy. Vì vậy, có thể dễ dàng bổ sung công đoạn xử lý bằng siêu âm vào các cơ sở hiện có.

Lưu lượng Thiết bị 50 – 200L/hr UIP1000hd 200 – 800L/hr 4xUIP1000hd 1 – 3m³/hr 4xUIP4000 5 – 20m³/hr 6xUIP16000 50 – 200m³/hr 62xUIP16000

Việc ứng dụng siêu âm để xử lý bùn và các dòng chất thải có thể mang lại nhiều kết quả, chẳng hạn như:

• Tăng sản lượng khí sinh học
• Cải thiện quá trình phân hủy kỵ khí
• Cải thiện đặc tính lắng nhờ khử khí và phá vỡ bông bùn
• Cải thiện tỷ lệ C/N cho quá trình khử nitrat
• Cải thiện khả năng làm đặc bùn dư
• Cải thiện quá trình phân hủy sinh học và khả năng tách nước
• Giảm lượng chất tạo bông
• Giảm chi phí thải bỏ nhờ giảm lượng bùn dư sau quá trình phân hủy sinh học
• Giảm lượng polymer cần dùng
• Phá hủy vi khuẩn dạng sợi

Chúng tôi khuyến nghị tiến hành thử nghiệm ở quy mô thí điểm, chẳng hạn sử dụng các hệ thống từ 1 đến 4kW. Việc này sẽ cho thấy các tác động tổng thể và mức cải thiện đối với dòng vật liệu trong quy trình cụ thể của bạn. Chúng tôi sẵn lòng trao đổi với bạn về quy trình của bạn và đề xuất các bước tiếp theo.