Xử lý bằng siêu âm để phân hủy hiếu khí bùn hoạt tính dư
Siêu âm công suất cao phân rã bùn hoạt tính dư (WAS) trước hoặc trong quá trình phân hủy hiếu khí. Hiện tượng xâm thực âm phá vỡ các bông bùn, phá vỡ các chất polyme ngoại bào và phá mở tế bào vi sinh vật. Nhờ đó, chất hữu cơ vốn được bảo vệ trước đây trở nên dễ tiếp cận hơn trong bể phân hủy hiếu khí.
Đối với quá trình hiếu khí, mục tiêu không phải là tăng sản lượng khí sinh học. Việc tăng sản lượng metan có ý nghĩa đối với quá trình phân hủy kỵ khí. Trong bể phân hủy hiếu khí, các chỉ tiêu hiệu suất liên quan gồm mức độ phân hủy chất rắn bay hơi, lượng oxy tiêu thụ, thời gian phân hủy, lượng chất rắn khô còn lại, khả năng tách nước và tổng chi phí vận hành.
Các thiết bị siêu âm công nghiệp Hielscher được tích hợp vào đường ống bơm WAS hoặc vòng tuần hoàn của bể phân hủy. Các thiết bị phản ứng siêu âm dạng buồng dòng chảy tập trung xử lý một dòng bùn xác định và cho phép giám sát quá trình thông qua công suất, lưu lượng, nồng độ chất rắn, áp suất và nhiệt độ. Kết quả là một giải pháp cải tạo nhỏ gọn, có thể bổ sung công đoạn phân rã bùn bằng siêu âm mà không cần thay thế bể phân hủy hiếu khí hiện có.
Cụm thiết bị siêu âm công nghiệp Hielscher lắp trên khung, xử lý trực tiếp trong đường ống để xử lý WAS đã làm đặc
Vì sao bùn hoạt tính dư khó phân hủy
Bùn hoạt tính dư là phần chất rắn sinh học dư được loại ra khỏi quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính. Bùn này chứa vi sinh vật, các chất polyme ngoại bào (EPS), chất hữu cơ được giữ lại và chất rắn trơ.
Trong bể lắng thứ cấp, bùn hoạt tính đã lắng được chia thành hai dòng:
- Bùn hoạt tính tuần hoàn (RAS) được đưa trở lại bể sục khí để duy trì nồng độ sinh khối cần thiết.
- Bùn hoạt tính dư (WAS) được loại ra khỏi quá trình xử lý pha lỏng và đưa đến công đoạn làm đặc, ổn định, phân hủy hoặc tách nước.
WAS chứa tỷ lệ cao vật chất tế bào vi sinh vật. Phần lớn chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học trong bùn được bao bọc bởi thành tế bào hoặc liên kết bên trong các bông bùn kết cấu chặt. Sự bảo vệ vật lý này làm chậm quá trình ly giải tế bào tự nhiên và thủy phân.
Trong quá trình phân hủy hiếu khí, oxy được cung cấp trong khi có rất ít nguồn thức ăn mới. Các vi sinh vật chuyển sang hô hấp nội sinh và tiêu thụ vật chất dự trữ, tế bào chết cùng các thành phần bùn khác có khả năng phân hủy sinh học. Mục đích là ổn định bùn, giảm khả năng phát sinh mùi và giảm lượng chất rắn bay hơi cần tách nước và thải bỏ.
Tốc độ phân hủy thường bị giới hạn bởi khả năng tiếp cận cơ chất. Một bể phân hủy có thể có vi sinh vật hoạt động và thời gian lưu đủ dài, nhưng chất hữu cơ bên trong các tế bào nguyên vẹn và các bông bùn dày đặc vẫn khó tiếp cận.
So sánh các bông bùn chưa xử lý với bùn đã xử lý bằng siêu âm: Xử lý bằng siêu âm làm giảm đáng kể kích thước bông bùn.
Nghiên cứu và hình ảnh: ©Chu et al. 2001
Cách hiện tượng xâm thực siêu âm phá mở cấu trúc WAS để phân hủy hiếu khí
Các thiết bị siêu âm công nghiệp Hielscher hoạt động ở 20kHz và tạo ra hiện tượng xâm thực âm mạnh trong các dòng chất lỏng và huyền phù. Các bọt xâm thực hình thành, phát triển và sụp đổ bên trong bùn. Sự sụp đổ của chúng tạo ra các lực cắt cục bộ mạnh, tác động trực tiếp lên bông bùn, EPS và tế bào vi sinh vật.
Xử lý bằng siêu âm tạo ra ba thay đổi quan trọng trong WAS:
Phân rã bông bùn
Hiện tượng xâm thực phá vỡ các khối kết tụ bùn và làm lộ ra những bề mặt trước đây bị bao bọc bởi các chất polyme ngoại bào (EPS). Bùn đã xử lý chứa các hạt nhỏ hơn và có diện tích bề mặt có thể tiếp cận lớn hơn.
Phá vỡ EPS và tế bào
Quá trình phân rã có hỗ trợ siêu âm làm tăng khả năng phân hủy sinh học hiếu khí của bùn hoạt tính dư đô thị bằng cách phá vỡ các bông bùn bền chắc và giải phóng chất hữu cơ bị giữ bên trong. Hiện tượng xâm thực siêu âm phá vỡ màng tế bào và thành tế bào. Protein và carbohydrate cũng như các hợp chất nội bào khác chuyển vào pha lỏng.
Tăng khả năng tiếp cận sinh học
Vi sinh vật hiếu khí có thể tiêu thụ chất hữu cơ hòa tan và được chia nhỏ dễ dàng hơn so với các tế bào vi sinh vật còn nguyên vẹn và các bông bùn kết cấu chặt. Vì vậy, xử lý siêu âm thực hiện một phần quá trình ly giải và thủy phân bằng tác động cơ học trước bước oxy hóa sinh học.
Xử lý siêu âm tác động vào mạng cấu trúc bảo vệ dày của bùn nước thải để quá trình phân hủy nhờ vi sinh vật diễn ra nhanh hơn và hiệu quả hơn nhiều. Điều này thường được quan sát thấy qua sự gia tăng nhu cầu oxy hóa học của phần hòa tan (SCOD).
Thiết bị phản ứng siêu âm dòng chảy công nghiệp giúp cải thiện quá trình phân hủy WAS
Lợi ích của xử lý siêu âm tại các cơ sở phân hủy hiếu khí
Mức độ đáp ứng phụ thuộc vào bùn và liều siêu âm. Khi xử lý siêu âm làm tăng khả năng phân hủy sinh học hiếu khí, nhà máy xử lý nước thải có thể đạt được:
- Phân hủy được nhiều chất rắn bay hơi hơn với thời gian phân hủy hiện tại
- Mức độ ổn định bùn tương đương với thời gian lưu ngắn hơn
- Lượng chất rắn khô còn lại thấp hơn
- Tăng công suất xử lý hữu hiệu của bể phân hủy hiếu khí hiện có
- Giảm lượng chất rắn sinh học cần vận chuyển và thải bỏ
- Cải thiện độ ổn định của quá trình trong các giai đoạn tải lượng chất rắn cao
- Kiểm soát tốt hơn các sinh vật dạng sợi thông qua việc phá vỡ bông bùn và tế bào
Thiết bị siêu âm Hielscher lắp trên đường ống giúp dễ dàng cải tạo hệ thống
Ở quy mô thực tế, xử lý siêu âm một dòng bùn cô đặc thường hiệu quả hơn xử lý toàn bộ thể tích của bể phân hủy hiếu khí. Các thiết bị phản ứng siêu âm dạng buồng dòng chảy của Hielscher hỗ trợ hai cấu hình thiết thực.
Tiền xử lý trên đường ống cấp WAS
Hệ thống siêu âm được lắp đặt sau công đoạn làm đặc WAS và trước bể phân hủy hiếu khí:
WAS đã làm đặc -> bơm cấp -> buồng siêu âm dòng chảy Hielscher -> bể phân hủy hiếu khí
Cách bố trí này xử lý một lưu lượng khối lượng chất rắn khô xác định và cung cấp cơ sở rõ ràng để kiểm soát năng lượng siêu âm đầu vào riêng.
Sơ đồ dòng chảy: WAS đã làm đặc -> bơm cấp -> thiết bị siêu âm công nghiệp Hielscher UIP6000hdT lắp trên đường ống -> bể phân hủy hiếu khí
Tuần hoàn bể phân hủy hoặc xử lý dòng nhánh
Một phần bùn được kiểm soát được bơm từ bể phân hủy hoặc đường ống bùn qua thiết bị siêu âm rồi đưa trở lại quá trình. Cấu hình này hữu ích khi khó cải tạo đường ống cấp hiện có hoặc khi chỉ cần xử lý một phần bùn được lựa chọn.
Cả hai cách bố trí đều có thể được lắp đặt dưới dạng cụm thiết bị nhỏ gọn trên khung, gồm bơm, buồng siêu âm dòng chảy, van cách ly, đường vòng phục vụ bảo dưỡng, thiết bị đo áp suất và nhiệt độ, các điểm lấy mẫu và hệ thống điều khiển quá trình. Bể phân hủy hiện có được giữ nguyên.
Điều này khiến xử lý siêu âm đặc biệt phù hợp để cải tạo các nhà máy xử lý nước thải hiện có. Cụm thiết bị siêu âm trên khung có thể được lắp đặt trên đường ống có bơm, vận hành độc lập và cho dòng bùn đi vòng qua trong quá trình kiểm tra hoặc bảo dưỡng.
Cải thiện việc phá vỡ cấu trúc bùn phục vụ phân hủy hiếu khí bằng siêu âm công suất cao!
Các thiết bị siêu âm công nghiệp Hielscher cung cấp một phương pháp nhỏ gọn và có khả năng mở rộng quy mô để tích hợp siêu âm công suất cao vào dây chuyền xử lý WAS hiện có. Xử lý bằng buồng dòng chảy lắp trên đường ống tập trung năng lượng siêu âm vào dòng bùn, hỗ trợ kiểm soát liều với khả năng tái lập và có thể được thiết kế để vận hành tin cậy ở chế độ tải nặng 24/7.
Thiết kế, chế tạo và tư vấn – Chất lượng sản xuất tại Đức
Các thiết bị siêu âm Hielscher nổi tiếng với các tiêu chuẩn cao nhất về chất lượng và thiết kế. Độ bền chắc và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các thiết bị siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Các thiết bị siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng các điều kiện khắc nghiệt và môi trường có yêu cầu cao.
Hielscher Ultrasonics là một công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các thiết bị siêu âm hiệu suất cao có công nghệ tiên tiến nhất và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, các thiết bị siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.
Hielscher Ultrasonics chế tạo các thiết bị đồng nhất hóa siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng trộn, phân tán, nhũ hóa và chiết xuất ở quy mô phòng thí nghiệm, thí điểm và công nghiệp.
Các câu hỏi thường gặp
Xử lý siêu âm có tạo ra nhiều khí sinh học hơn trong bể phân hủy hiếu khí không?
Không. Tăng sản lượng metan hoặc khí sinh học là lợi ích của quá trình phân hủy kỵ khí. Đối với quá trình phân hủy hiếu khí, cần đánh giá xử lý siêu âm dựa trên mức độ phân hủy chất rắn bay hơi (VS), mức tiêu thụ oxy, thời gian phân hủy, lượng chất rắn khô còn lại, khả năng tách nước và tổng chi phí.
Hệ thống siêu âm được lắp đặt ở đâu?
Hệ thống thường được lắp đặt trực tiếp trên đường ống sau công đoạn làm đặc WAS và trước bể phân hủy hiếu khí. Hệ thống cũng có thể hoạt động trên một dòng nhánh được kiểm soát hoặc trong vòng tuần hoàn của bể phân hủy. Đường ống vòng phục vụ bảo trì cho phép tiếp tục vận chuyển bùn trong quá trình bảo trì.
Tại sao nên sử dụng thiết bị siêu âm công nghiệp 20kHz?
Siêu âm tần số thấp, công suất cao tạo ra hiện tượng xâm thực mạnh và lực cắt cơ học. Tác động này có hiệu quả trong việc phá vỡ các bông bùn, phá vỡ EPS và phá mở tế bào vi sinh vật trong các dòng hỗn hợp lỏng–rắn.
Thiết bị siêu âm Hielscher có thể hoạt động liên tục không?
Có. Dòng thiết bị siêu âm công nghiệp hdT của Hielscher được thiết kế để vận hành liên tục ở chế độ tải nặng và nổi tiếng về độ bền. Các thiết bị phản ứng dạng buồng dòng chảy cho phép xử lý có kiểm soát trực tiếp trên đường ống hoặc theo chế độ tuần hoàn, trong khi chức năng ghi dữ liệu tự động hỗ trợ giám sát quá trình và khả năng tái lập.
Cần những dữ liệu nào để xác định quy mô hệ thống siêu âm xử lý bùn?
Các thông số đầu vào chính gồm lưu lượng WAS, nồng độ TS và VS, độ nhớt của bùn, năng lượng riêng mục tiêu, hiệu quả xử lý yêu cầu, số giờ vận hành và áp suất sẵn có. Nên thử nghiệm ở quy mô thí điểm để xác định liều xử lý hữu ích trước khi xác định quy mô hệ thống thực tế.
Xử lý siêu âm có cải thiện khả năng tách nước của bùn không?
Kết quả phụ thuộc vào đặc tính của bùn và liều xử lý. Xử lý ở mức vừa phải có thể cải thiện quá trình xử lý chất rắn, trong khi phân rã quá mức có thể tạo ra các hạt mịn và polyme hòa tan, làm giảm hiệu quả thu giữ chất rắn hoặc hàm lượng chất rắn trong bánh bùn. Vì vậy, thử nghiệm tách nước là một phần thiết yếu của quá trình tối ưu hóa.
Các nghiên cứu khoa học nói gì về phân hủy WAS có xử lý siêu âm?
Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm ủng hộ việc sử dụng siêu âm để tăng khả năng tiếp cận và khả năng phân hủy sinh học hiếu khí của WAS.
Trong một nghiên cứu về tiền xử lý kết hợp kiềm và siêu âm trước khi phân hủy hiếu khí, mức độ phân hủy chất hữu cơ trong cùng thời gian phân hủy được báo cáo là 38,0% đối với bùn chưa xử lý và 42,5% đối với bùn được tiền xử lý bằng siêu âm. Tiền xử lý kết hợp kiềm và siêu âm làm tăng mức độ phân hủy lên 50,7%. Kết quả chứng minh rằng chỉ riêng siêu âm cũng có thể cải thiện quá trình phân hủy hiếu khí, đồng thời cho thấy mức cải thiện có thể đạt được phụ thuộc vào phương án tiền xử lý và đặc tính của bùn. (xem Jin và cộng sự, 2009)
Một nghiên cứu khác về WAS từ hệ thống xử lý nước thải đô thị ghi nhận sự gia tăng khả năng hòa tan bùn và khả năng phân hủy sinh học hiếu khí sau quá trình phân rã bằng vi khuẩn có hỗ trợ siêu âm. Bùn được tiền xử lý có tốc độ phân hủy sinh học hoặc phân rã cao hơn mẫu đối chứng chưa xử lý. (xem Kavitha và cộng sự 2016)
Xử lý siêu âm có hỗ trợ các quá trình xử lý bùn khác không?
Có. Xử lý siêu âm hỗ trợ một số quá trình xử lý bùn bằng cách phá vỡ các bông bùn, EPS và tế bào vi sinh vật:
Phân hủy kỵ khí/Sản xuất khí sinh học: đẩy nhanh quá trình thủy phân, tăng COD hòa tan và có thể cải thiện mức độ phân hủy VS cũng như sản lượng metan.
Thu hồi phốt pho: giải phóng phốt pho liên kết với tế bào và phốt pho hữu cơ vào pha lỏng, làm tăng lượng phốt pho sẵn có cho quá trình kết tủa struvite hoặc vivianite tiếp theo; siêu âm cũng có thể tăng cường quá trình hòa tách phốt pho từ tro bùn.
Tài liệu / Tài liệu tham khảo
- Jin Y., Li H., Mahar R.B., Wang Z., Nie Y. (2009): Combined alkaline and ultrasonic pretreatment of sludge before aerobic digestion. Journal of Environmental Science 2009;21(3):279-284.
- Kavitha S., Jessin Brindha G.M., Sally Gloriana A., Rajashankar K., Yeom I.T., Rajesh Banu J. (2016): Enhancement of aerobic biodegradability potential of municipal waste activated sludge by ultrasonic aided bacterial disintegration. Bioresource Technology 2016 Jan;200:161-169.
- C. M. Braguglia, G. Mininni, A. Gianico (2008): Is sonication effective to improve biogas production and solids reduction in excess sludge digestion? Water Science Technology 1 March 2008; 57 (4): 479–483.
Hielscher Ultrasonics sản xuất các thiết bị đồng nhất hóa siêu âm hiệu suất cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.