Xử lý bằng sóng siêu âm trong quá trình phân hủy bùn hoạt tính hiếu khí
Sóng siêu âm công suất cao làm phân hủy bùn hoạt tính thải (WAS) trước hoặc trong quá trình phân hủy hiếu khí. Hiện tượng xâm thực âm thanh phá vỡ các cụm bùn, làm gián đoạn các chất polymer ngoại bào và mở các tế bào vi sinh vật. Điều này giúp các chất hữu cơ vốn được bảo vệ trước đó trở nên dễ tiếp cận hơn đối với bể phân hủy hiếu khí.
Đối với quá trình hiếu khí, mục tiêu không phải là tăng sản lượng khí sinh học. Việc tăng cường sản xuất metan chỉ có ý nghĩa trong quá trình phân hủy kỵ khí. Trong bể phân hủy hiếu khí, các chỉ số hiệu suất quan trọng bao gồm: mức độ phân hủy chất rắn bay hơi, lượng oxy tiêu thụ, thời gian phân hủy, hàm lượng chất rắn khô còn lại, khả năng tách nước và tổng chi phí vận hành.
Các thiết bị siêu âm công nghiệp Hielscher có thể tích hợp vào đường ống WAS có bơm hoặc vòng tuần hoàn của bể phân hủy. Các bể phản ứng dòng chảy siêu âm tập trung xử lý vào một dòng bùn xác định và cho phép giám sát quá trình thông qua các thông số như công suất, lưu lượng, nồng độ chất rắn, áp suất và nhiệt độ. Kết quả là một giải pháp nâng cấp gọn nhẹ, cho phép bổ sung công nghệ phân hủy bùn bằng siêu âm mà không cần thay thế bể phân hủy hiếu khí hiện có.
Hệ thống xử lý dòng chảy liên tục bằng sóng siêu âm công nghiệp Hielscher dành cho việc xử lý bùn WAS đã được làm đặc
Tại sao bùn hoạt tính thải lại khó phân hủy?
Bùn hoạt tính thải là phần chất rắn sinh học dư thừa được loại bỏ khỏi quy trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính. Nó chứa các vi sinh vật, các chất polymer ngoại bào (EPS), chất hữu cơ bị giữ lại và các 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 theo yêu cầu.
- Bùn hoạt tính thải (WAS) được tách ra khỏi quy trình xử lý chất lỏng và được chuyển đến các công đoạn làm đặc, ổn định, phân hủy hoặc ép khô.
WAS chứa một tỷ lệ cao chất liệu tế bào vi sinh vật. Phần lớn hàm lượng chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học trong đó được bao bọc bởi thành tế bào hoặc bị giữ lại bên trong các cụm bùn đặc. Sự bảo vệ về mặt vật lý này làm chậm quá trình ly giải tế bào và thủy phân tự nhiên.
Trong quá trình phân hủy hiếu khí, oxy được cung cấp trong khi lượng chất dinh dưỡng mới rất ít. Các vi sinh vật chuyển sang trạng thái hô hấp nội sinh và tiêu thụ các chất dự trữ, tế bào chết cùng các thành phần bùn khác có thể phân hủy sinh học. Mục đích là để ổn định bùn, giảm nguy cơ phát sinh mùi hôi và giảm lượng chất rắn bay hơi cần phải tách nước và xử lý.
Tốc độ phân hủy thường bị hạn chế bởi khả năng tiếp cận chất nền. Một bể phân hủy có thể chứa các vi sinh vật hoạt động và có thời gian lưu đủ dài, nhưng chất hữu cơ bên trong các tế bào nguyên vẹn và các cụm bông dày đặc vẫn khó tiếp cận.
So sánh giữa các cụm bùn chưa qua xử lý và bùn đã được xử lý bằng sóng siêu âm: Việc xử lý bằng sóng siêu âm làm giảm đáng kể kích thước các cụm bùn.
Nghiên cứu và hình ảnh: ©Chu và cộng sự 2001
Cách hiện tượng xâm thực siêu âm mở ra cơ hội cho quá trình phân hủy hiếu khí
Các thiết bị siêu âm công nghiệp Hielscher hoạt động ở tần số 20 kHz và tạo ra hiện tượng xâm thực âm thanh mạnh mẽ trong các dòng chất lỏng và bùn lỏng. Các bong bóng xâm thực hình thành, phát triển và vỡ ra bên trong bùn. Quá trình vỡ của chúng tạo ra các lực cắt cục bộ mạnh mẽ, tác động trực tiếp lên các cụm bùn, EPS và tế bào vi sinh vật.
Xử lý bằng sóng siêu âm tạo ra ba thay đổi quan trọng trong WAS:
Quá trình phân rã bông cặn
Hiện tượng xâm thực làm vỡ các khối bùn và làm lộ ra các bề mặt trước đây bị bao phủ bởi các chất polymer ngoại bào (EPS). Bùn sau khi xử lý chứa các hạt nhỏ hơn và có diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn.
EPS và quá trình phá vỡ tế bào
Quá trình phân hủy được hỗ trợ bằng sóng siêu âm làm tăng khả năng phân hủy sinh học hiếu khí của bùn hoạt tính từ chất thải đô thị bằng cách phá vỡ các cụm bùn cứng và giải phóng chất hữu cơ bị giữ lại. Hiện tượng xâm thực do sóng siêu âm làm vỡ màng tế bào và thành tế bào. Các protein, carbohydrate cũng như các hợp chất nội bào khác chuyển sang pha lỏng.
Tăng khả năng hấp thu sinh học
Các vi sinh vật hiếu khí có thể phân hủy chất hữu cơ hòa tan và có cấu trúc mịn dễ dàng hơn so với các tế bào vi sinh vật nguyên vẹn và các cụm bông lắng đặc. Do đó, quá trình xử lý bằng sóng siêu âm thực hiện một phần công việc phá vỡ tế bào và thủy phân theo cơ chế cơ học trước khi bước oxy hóa sinh học diễn ra.
Quá trình siêu âm tác động vào lớp ma trận bảo vệ dày của bùn thải nhằm làm cho quá trình phân hủy vi sinh diễn ra nhanh hơn và hiệu quả hơn. Hiện tượng này thường được thể hiện qua sự gia tăng nhu cầu oxy hóa hóa học hòa tan (SCOD).
Lò phản ứng dòng chảy siêu âm công nghiệp nhằm nâng cao hiệu quả quá trình phân hủy WAS
Lợi ích của việc sử dụng sóng siêu âm trong các nhà máy xử lý bằng quá trình phân hủy hiếu khí
Kết quả phụ thuộc vào loại bùn và liều lượng sóng siêu âm. Khi quá trình xử lý bằng sóng siêu âm làm tăng khả năng phân hủy sinh học hiếu khí, một nhà máy xử lý nước thải có thể đạt được:
- Tăng cường quá trình phân hủy chất rắn bay hơi trong thời gian phân hủy hiện tại
- Quá trình ổn định bùn tương đương với thời gian lưu ngắn hơn
- Giảm lượng chất rắn khô còn lại trong sản phẩm
- Công suất hiệu dụng bổ sung từ bể phân hủy hiếu khí hiện có
- Giảm thiểu việc vận chuyển và xử lý bùn thải sinh học
- Tăng cường độ ổn định của quy trình trong các giai đoạn có hàm lượng chất rắn cao
- Kiểm soát hiệu quả hơn các sinh vật dạng sợi thông qua việc tạo bông và phá vỡ tế bào
Máy tạo sóng siêu âm Inline Hielscher cho việc nâng cấp dễ dàng
Ở quy mô công nghiệp, việc sử dụng sóng siêu âm để xử lý dòng bùn cô đặc thường hiệu quả hơn so với việc xử lý toàn bộ thể tích của bể phân hủy hiếu khí. Các lò phản ứng dòng chảy siêu âm Hielscher hỗ trợ hai cấu hình thực tiễn.
Quá trình tiền xử lý đường dẫn nguyên liệu WAS
Hệ thống siêu âm được lắp đặt sau bể lắng WAS và trước bể phân hủy hiếu khí:
WAS đã được làm đặc -> bơm cấp liệu -> buồng chảy siêu âm Hielscher -> bể phân hủy hiếu khí
Cơ chế này xử lý lưu lượng khối chất rắn khô đã được xác định và cung cấp một cơ sở rõ ràng để điều khiển lượng năng lượng siêu âm đầu vào cụ thể.
Sơ đồ quy trình: Nước thải đã làm đặc (WAS) → bơm cấp liệu → thiết bị siêu âm công nghiệp dòng chảy liên tục Hielscher UIP6000hdT → bể phân hủy hiếu khí
Tái tuần hoàn trong bể phân hủy hoặc xử lý dòng phụ
Một phần bùn được điều chỉnh sẽ được bơm từ bể phân hủy hoặc đường ống dẫn bùn qua thiết bị siêu âm và đưa trở lại quy trình. Cấu hình này rất hữu ích khi đường ống cấp liệu hiện có khó sửa đổi hoặc khi chỉ cần xử lý một phần bùn được chọn lọc.
Cả hai phương án này đều có thể được lắp đặt dưới dạng các cụm thiết bị nhỏ gọn, bao gồm bơm, cảm biến lưu lượng siêu âm, van cách ly, đường dẫn dự phòng, thiết bị đo áp suất và nhiệt độ, các điểm lấy mẫu và hệ thống điều khiển quá trình. Bể lên men hiện có vẫn được giữ nguyên.
Điều này khiến phương pháp xử lý bằng sóng siêu âm trở nên đặc biệt phù hợp để nâng cấp các nhà máy xử lý nước thải hiện có. Hệ thống xử lý bằng sóng siêu âm có thể được lắp đặt trong đường ống bơm, vận hành độc lập và có thể được bỏ qua khi tiến hành kiểm tra hoặc bảo trì.
Tăng cường quá trình phân hủy bùn hiếu khí bằng siêu âm công suất cao!
Các thiết bị siêu âm công nghiệp của Hielscher cung cấp một phương pháp nhỏ gọn và có khả năng mở rộng để tích hợp sóng siêu âm công suất cao vào dây chuyền xử lý WAS hiện có. Quy trình xử lý trong buồng dòng chảy liên tục tập trung năng lượng siêu âm vào dòng bùn, hỗ trợ việc kiểm soát liều lượng ổn định và có thể được thiết kế để vận hành liên tục 24/7 với công suất cao một cách đáng tin cậy.
Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng Sản xuất tại Đức
Hielscher ultrasonicators nổi tiếng với chất lượng cao nhất và tiêu chuẩn thiết kế của họ. Mạnh mẽ và hoạt động dễ dàng cho phép tích hợp trơn tru của ultrasonicators của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi dễ dàng được xử lý bởi Hielscher ultrasonicators.
Hielscher Ultrasonics là một công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt nhấn mạnh vào ultrasonicators hiệu suất cao có công nghệ tiên tiến và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, Hielscher ultrasonicators là CE tuân thủ và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.
Hielscher Ultrasonics sản xuất homogenizers siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng trộn, phân tán, nhũ tương hóa và khai thác trên phòng thí nghiệm, thí điểm và quy mô công nghiệp.
Các câu hỏi thường gặp
Việc xử lý bằng sóng siêu âm có giúp tạo ra nhiều khí sinh học hơn trong bể phân hủy hiếu khí không?
Không. Việc tăng sản lượng metan hoặc khí sinh học là một lợi ích của quá trình phân hủy kỵ khí. Đối với quá trình phân hủy hiếu khí, việc áp dụng xử lý bằng sóng siêu âm cần được đánh giá dựa trên các tiêu chí như mức độ phân hủy chất hữu cơ dễ phân hủy (VS), mức tiêu thụ oxy, thời gian phân hủy, hàm 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 này thường được lắp đặt nối tiếp sau quá trình làm đặc bằng WAS và trước bể phân hủy hiếu khí. Hệ thống cũng có thể hoạt động trong một dòng phụ được kiểm soát hoặc trong vòng tuần hoàn tái lưu của bể phân hủy. Một đường vòng bảo trì cho phép việc chuyển bùn vẫn tiếp tục diễn ra trong quá trình bảo trì.
Tại sao nên sử dụng máy siêu âm công nghiệp 20 kHz?
Sóng siêu âm tần số thấp, công suất cao tạo ra hiện tượng xâm thực mạnh và lực cắt cơ học. Điều này có hiệu quả trong việc phá vỡ các cụm bùn, làm tan rã các cấu trúc EPS và làm vỡ các tế bào vi sinh vật trong dòng chất lỏng-rắn.
Máy siêu âm Hielscher có thể hoạt động liên tục không?
Đúng vậy. Dòng máy siêu âm công nghiệp hdT của Hielscher được thiết kế để hoạt động liên tục trong điều kiện công suất cao và nổi tiếng về độ bền. Các bình phản ứng dạng dòng chảy cho phép thực hiện quy trình xử lý theo dòng hoặc tuần hoàn có kiểm soát, trong khi tính năng ghi dữ liệu tự động hỗ trợ việc giám sát quy trình và đảm bảo tính lặp lại.
Cần những dữ liệu nào để tính toán công suất cho hệ thống xử lý bùn bằng sóng siêu âm?
Các thông số đầu vào chính bao gồm lưu lượng WAS, nồng độ TS và VS, độ nhớt của bùn, mức tiêu thụ năng lượng cụ thể mục tiêu, hiệu quả xử lý yêu cầu, số giờ vận hành và áp suất có sẵn. Nên tiến hành thử nghiệm quy mô thí điểm để xác định liều lượng phù hợp trước khi thiết kế hệ thống quy mô thực tế.
Việc sử dụng sóng siêu âm có giúp cải thiện quá trình tách nước khỏi bùn không?
Kết quả phụ thuộc vào đặc tính của bùn và liều lượng. Việc xử lý ở mức vừa phải có thể cải thiện quá trình xử lý chất rắn, trong khi việc phân hủy quá mức có thể tạo ra các hạt mịn và polyme hòa tan, làm suy giảm khả năng thu giữ hoặc làm giảm hàm lượng chất rắn trong bánh bùn. Do đó, các thử nghiệm tách nước là một phần thiết yếu trong quá trình tối ưu hóa quy trình.
Các nghiên cứu khoa học nói gì về quá trình phân giải WAS bằng sóng siêu âm?
Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cho thấy việc sử dụng sóng siêu âm giúp tăng khả năng tiếp cận và khả năng phân hủy sinh học hiếu khí của WAS.
Trong một nghiên cứu về việc kết hợp xử lý sơ bộ bằng kiềm và sóng siêu âm trước quá trình phân hủy hiếu khí, tỷ lệ phân hủy chất hữu cơ trong cùng một khoảng thời gian phân hủy được báo cáo là 38,0% đối với bùn chưa qua xử lý và 42,5% đối với bùn đã qua xử lý sơ bộ bằng sóng siêu âm. Việc kết hợp xử lý sơ bộ bằng kiềm và sóng siêu âm đã làm tăng tỷ lệ phân hủy lên 50,7%. Kết quả này chứng minh rằng chỉ riêng sóng siêu âm đã có thể cải thiện quá trình phân hủy hiếu khí, đồng thời cũng cho thấy mức độ cải thiện có thể đạt được phụ thuộc vào chiến lược tiền xử lý và đặc tính của bùn. (xem Jin et al., 2009)
Một nghiên cứu khác về bùn thải đô thị (WAS) đã báo cáo sự gia tăng khả năng hòa tan và khả năng phân hủy sinh học hiếu khí của bùn sau quá trình phân hủy vi khuẩn được hỗ trợ bằng sóng siêu âm. Bùn đã qua xử lý sơ bộ cho thấy tốc độ phân hủy sinh học hoặc tốc độ phân hủy cao hơn so với mẫu đối chứng chưa qua xử lý. (xem Kavitha et al. 2016)
Quá trình siêu âm có hỗ trợ cho các quy trình xử lý bùn khác không?
Đúng vậy. Công nghệ siêu âm hỗ trợ một số quy trình xử lý bùn bằng cách phá vỡ các cụm bùn, EPS và tế bào vi sinh vật:
Quá trình phân hủy kỵ khí/Sản xuất khí sinh học: làm tăng tốc độ thủy phân, làm tăng hàm lượng COD hòa tan và có thể cải thiện quá trình phân hủy chất hữu cơ (VS) cũng như năng suất metan.
Tái chế phốt pho: giải phóng phốt pho liên kết với tế bào và phốt pho hữu cơ vào pha lỏng, giúp tăng khả năng sử dụng cho quá trình kết tủa struvite hoặc vivianite sau đó; sóng siêu âm cũng có thể tăng cường quá trình rửa trôi phốt pho từ tro bùn.
Văn học / 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 homogenizers siêu âm hiệu suất cao từ phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.