Công nghệ sóng siêu âm
Đánh giá về các ứng dụng của công nghệ siêu âm trong lò phản ứng sinh học màng (Phần 1)
Lò phản ứng sinh học dạng màng (MBRs) ngày càng được chú ý trong lĩnh vực xử lý nước thải trong những năm gần đây. Tuy nhiên, tắc nghẽn màng là vấn đề chính của MBR, khiến việc ứng dụng của chúng bị hạn chế. Các phương pháp làm sạch màng có thể được phân thành bốn loại bao gồm hóa học, vật lý, hóa lý và sinh học làm sạch màng bị bám bẩn.
Trong những năm gần đây, siêu âm đã được báo cáo là một kỹ thuật làm sạch đầy hứa hẹn đối với các màng bị bám bẩn trong MBR. Bức xạ siêu âm có thể làm sạch màng bị bám bẩn bằng cách tạo ra các hiện tượng vật lý quan trọng bao gồm các vi mạch, vi dòng và sóng xung kích. Hơn nữa, phương pháp siêu âm có thể được kết hợp với các phương pháp làm sạch khác như làm sạch bằng hóa chất và rửa ngược để nâng cao hiệu quả làm sạch. Cần lưu ý rằng việc áp dụng sóng siêu âm trong hệ thống MBR không chỉ giới hạn trong việc làm sạch màng. Việc tiền xử lý nước thải bằng chiếu xạ siêu âm hoặc sóng siêu âm kết hợp với các phương pháp khác, ví dụ như ozon hóa, trước hệ thống MBR, có thể làm giảm tải hữu cơ của nước thải và sau đó làm hoãn sự tắc nghẽn của màng.
Các vấn đề mới nổi liên quan đến việc áp dụng siêu âm trực tuyến và siêu âm trực tuyến lai để kiểm soát tắc nghẽn màng trong hệ thống MBR được xem xét nghiêm túc. Hơn nữa, ứng dụng của siêu âm trong trước khi sử dụng hệ thống MBR, có thể làm giảm tải lượng hữu cơ của nước thải và sau đó trì hoãn sự tắc nghẽn của màng.
Các từ viết tắt
AeMBR: Lò phản ứng sinh học màng hiếu khí
AnMBRs: Lò phản ứng sinh học màng kỵ khí
CBZ: carbamazepine
CUO: xúc tác siêu âm oxy hóa
DCF: diclofenac
EPS: chất cao phân tử ngoại bào
FT-IR: Biến đổi Fourier hồng ngoại
HRT: thời gian giữ nước
MLSS: hỗn hợp chất rắn lơ lửng
MLVSS: hỗn hợp hơi chất rắn lơ lửng
MBR: Lò phản ứng sinh học màng
OLR: tỷ lệ tải hữu cơ
SBAC: bùn thải dựa trên than hoạt tính
SMP: Sản phẩm vi sinh hòa tan
SMX: sulfamethoxazole
TOC: tổng cacbon hữu cơ
VS: chất rắn dễ bay hơi
VSS: chất rắn lơ lửng dễ bay hơi
1 . Giới thiệu
Lò phản ứng sinh học dạng màng (MBR) là công nghệ xử lý nước thải là sự kết hợp của hệ thống xử lý sinh học như bùn hoạt tính và quá trình lọc màng, ví dụ như vi lọc hoặc siêu lọc. Trong những năm gần đây, các lò phản ứng sinh học dạng màng ngày càng thu hút sự chú ý trong việc xử lý nước thải công nghiệp và thành phố do có một số ưu điểm, ví dụ như chất lượng nước thải ổn định và cao, dấu chân thấp, không phụ thuộc vào tình trạng bùn trong lò phản ứng sinh học và tải trọng thể tích cao. Tuy nhiên, sự tắc nghẽn của màng là một vấn đề khó khăn trong các hệ thống MBR hạn chế các ứng dụng quy mô lớn của chúng để xử lý nước thải. Sự tắc nghẽn màng trong hệ thống MBR dẫn đến giảm lưu lượng chất thấm qua hoặc tăng áp suất xuyên màng cần thiết để đạt được thông lượng thấm ổn định trong quá trình lọc, do đó dẫn đến tăng chi phí vận hành. Dựa trên bản chất của chất gây tắc nghẽn, tắc nghẽn màng trong hệ thống MBR nói chung có thể được phân loại thành tắc nghẽn vô cơ, tắc nghẽn hữu cơ và bám bẩn sinh học. Các chất bẩn vô cơ và hữu cơ tương ứng là do sự lắng đọng của các tinh thể vô cơ và các chất hữu cơ như axit humic, protein và polysaccharid; trong khi, quá trình tạo màng sinh học là kết quả của sự kết tủa và phát triển của các vi sinh vật trên bề mặt màng. Mặt khác, dựa vào vị trí của chất bẩn, có thể phân loại hiện tượng bám bẩn thành tắc nghẽn bên trong và tắc nghẽn bên ngoài. Sự hình thành lớp bám trên bề mặt màng được gọi là hiện tượng bám bẩn chiếm ưu thế trong hệ thống MBR.
Theo cơ chế loại bỏ chất bẩn, các phương pháp làm sạch màng có thể được phân thành bốn nhóm chính bao gồm vật lý, hóa học, hóa lý và sinh học. Trong phương pháp làm sạch vật lý, các chất bẩn có thể được loại bỏ khỏi bề mặt của màng bằng cách xử lý cơ học. Trong số các phương pháp vật lý khác nhau, siêu âm ngày càng được chú ý trong lĩnh vực kiểm soát sự bám bẩn của màng trong MBR. Sóng siêu âm trong pha lỏng gây ra hiện tượng xâm thực bao gồm tạo mầm, tăng trưởng và xẹp bong bóng. Sự sụp đổ bong bóng diễn ra liên tục tại hàng triệu vị trí trong môi trường lỏng dẫn đến tạo ra các điều kiện siêu tới hạn như nhiệt độ cao (5000 K) và áp suất cao (~ 1000 atm). Bức xạ siêu âm có thể làm sạch lớp màng bị bám bẩn thông qua việc tạo ra các hiện tượng vật lý quan trọng bao gồm microjets, microstreams và sóng xung kích. Các hạt có thể được giải phóng khỏi màng bị nhiễm bẩn do các hiện tượng vật lý nói trên diễn ra trong một mặt phân cách rắn-lỏng không đồng nhất. Hơn nữa, các gốc hydroxyl hoạt động được tạo ra khi có chiếu xạ siêu âm có thể tấn công các chất bám bẩn được hấp phụ và làm suy giảm các phân tử của chất gây tắc, do đó dẫn đến việc kiểm soát tắc nghẽn màng. Tuy nhiên, màng có thể bị phá hủy thông qua các phản ứng hóa học giữa các gốc hydroxyl được tạo ra và màng. Do đó, các điều kiện hoạt động cần được tối ưu hóa trong các hệ thống hybrid siêu âm-MBR. Hơn nữa, việc tiền xử lý nước thải bằng chiếu xạ siêu âm hoặc bằng phương pháp siêu âm lai trước MBRs có thể làm giảm tải lượng hữu cơ của nước thải và sau đó làm hoãn sự tắc nghẽn của màng. Bài báo này đánh giá việc áp dụng công nghệ siêu âm trong hệ thống MBR. Trong bài báo này, hai ứng dụng chính của công nghệ siêu âm trong hệ thống MBR bao gồm làm sạch màng bị bám bẩn và tiền xử lý nguồn cấp MBR bằng sóng siêu âm sẽ được thảo luận chi tiết. Các nghiên cứu gần đây được thực hiện về việc khảo sát các điều kiện hoạt động của siêu âm tại chỗ và siêu âm ngoài hiện trường để kiểm soát sự bám bẩn của màng và làm sạch các màng bị bám bẩn được chứng minh trong bài báo này.
2 . Siêu âm
Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ định nghĩa sóng siêu âm là một âm thanh có tần số lớn hơn 20 kHz. Hình 1 đại diện cho biểu đồ của phạm vi siêu âm. Siêu âm có thể được phân thành ba loại chính bao gồm siêu âm công suất (20–100 kHz), siêu âm tần số cao (100 kHz – 1 MHz) và siêu âm chẩn đoán (1–500 MHz) theo tần số của nó. Thông thường, siêu âm có dải tần từ 20 kHz-100 kHz được sử dụng trong các hệ thống hóa học.
Hình 1 . Sơ đồ phạm vi siêu âm
Bằng cách cho sóng siêu âm đi qua nước hoặc nhiều chất lỏng khác, các vùng có áp suất cao và thấp được tạo ra bên trong chất lỏng theo sự giãn nở và nén tuần hoàn của sóng siêu âm. Hiện tượng này trong môi trường lỏng gây ra quá trình tạo lỗ hổng âm thanh bao gồm sự hình thành, lớn lên và xẹp của bong bóng. Các bong bóng nhỏ được tạo ra trong quá trình mở rộng của sóng siêu âm. Tiếp tục, các bong bóng được tạo ra sẽ phát triển bằng cách hấp thụ năng lượng từ các chu kỳ nén và giãn nở xen kẽ. Cuối cùng, trong một vài chu kỳ âm thanh, các bong bóng đạt đến kích thước tới hạn và nhanh chóng xẹp xuống. Có thể giả định rằng hầu như không có sự truyền nhiệt giữa bên trong bong bóng và môi trường xung quanh trong quá trình xẹp nhanh chóng của bong bóng. Do đó, áp suất và nhiệt độ bên trong lõi của bong bóng tăng lên lần lượt là vài trăm atm (~ 1000 atm) và hàng nghìn Kelvins (5000 K). Vùng lõi có áp suất và nhiệt độ cao được gọi là “điểm nóng”. Sau khi sụp đổ, nhiệt truyền nhanh chóng từ nhiệt độ cao cục bộ sang chất lỏng xung quanh với tốc độ cao khoảng 10 9 K / s trong vùng lân cận của các bong bóng. Ngoài ra, sự chênh lệch áp suất lớn giữa bên trong và bên ngoài bong bóng tạo ra “sóng xung kích”. Các điểm nóng được tạo ra có thể đẩy nhanh quá trình nhiệt phân các phân tử nước để tạo ra các gốc hydro (H ) và gốc hydroxyl ( OH) theo phương trình:
(1) H 2 O Chiếu xạ siêu âm → H + OH
Ngoài ra, một số phản ứng dây chuyền liên tiếp bổ sung có thể diễn ra theo Eqs.
2) OH + H → H 2 O(3)OH + OH → H 2 O 2(4)H 2 O 2 + H → H 2 O + OH
Sự tái sinh của các gốc được tạo ra gây ra sự phát xạ ánh sáng (200–800 nm) trong một khoảng thời gian ngắn (khoảng 100 ps). Hiện tượng này được gọi là hiện tượng phát quang. Sóng xung kích và các gốc tạo ra bởi sự phân hủy nhiệt trong hoặc xung quanh các bong bóng đóng vai trò chính trong các hiện tượng xảy ra trong hóa chất. Cần lưu ý rằng các thông số vận hành, tức là tần số siêu âm, khí hòa tan, công suất đầu vào và nhiệt độ khối ảnh hưởng hiệu quả đến các quá trình sono hóa.
Các lò phản ứng được sử dụng cho các quá trình sonochemical có thể được phân thành hai nhóm chính là lò phản ứng chiếu xạ siêu âm trực tiếp và lò phản ứng chiếu xạ siêu âm gián tiếp. Hình 2 (a), trong chiếu xạ gián tiếp, siêu âm do đầu dò tạo ra đạt đến dung dịch đã định sau khi truyền qua chất lỏng trung gian (tức là nước). Trong chiếu xạ gián tiếp, đầu dò siêu âm tiếp xúc trực tiếp với bình phản ứng. Đầu dò có thể được gắn vào đáy của lò phản ứng ( Hình 2 (b)) hoặc nó có thể được định vị bên trong lò phản ứng ( Hình 2 (c)).
Hình 2
(a) Chiếu xạ siêu âm gián tiếp,
(b) chiếu xạ siêu âm trực tiếp trong bồn tắm
(c) chiếu xạ siêu âm trực tiếp
Đọc thêm: Đánh giá về các ứng dụng của công nghệ siêu âm trong lò phản ứng sinh học màng (Phần 2)