Công nghệ sóng siêu âm, Tin tức hoạt động
Đánh giá về các ứng dụng của công nghệ siêu âm trong lò phản ứng sinh học màng (Phần 3)
4 . Ứng dụng của sóng siêu âm trong lò phản ứng sinh học màng
Ứng dụng của công nghệ siêu âm trong lĩnh vực hệ thống MBR có thể được nghiên cứu chủ yếu trong hai lĩnh vực làm sạch màng bị bám bẩn bằng cách sử dụng bức xạ siêu âm và tiền xử lý nguồn cấp MBR bằng sóng siêu âm.
Làm sạch màng trong MBRs bằng cách sử dụng siêu âm có thể được thực hiện ở ngoài thực tế hoặc trong phòng thí nghiệm. Tổng quan tài liệu chứng minh rằng làm sạch bằng sóng siêu âm có thể loại bỏ hiệu quả lớp bám khỏi bề mặt của màng bị bám bẩn. Hơn nữa, các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng sự bám bẩn lớp gel trong hệ thống MBR có thể được kiểm soát thành công bằng cách sử dụng chiếu xạ siêu âm trực tuyến. Loại bỏ các chất bẩn khỏi màng khi có chiếu xạ siêu âm có thể là do các hiện tượng vật lý xảy ra trong các hệ chất lỏng-rắn không đồng nhất. Sự hình thành của dòng vi mô, dòng âm thanh, sóng xung kích và microjets là những hiện tượng vật lý cơ bản gây ra chất bẩn được giải phóng trong quá trình làm sạch bằng sóng siêu âm. Sự tạo dòng vi mô xảy ra ở gần các bong bóng tạo lỗ hổng. Thật vậy, sự dao động về kích thước bong bóng, sự giãn nở và co lại của các bong bóng sinh ra dẫn đến sự thay đổi nhanh chóng về hướng và độ lớn của dòng chất lỏng. Như có thể thấy trong Hình 4, sự co lại của các bong bóng được tạo ra trong chu kỳ nén dẫn đến kéo các phân tử của chất lỏng khỏi bề mặt của màng. Mặt khác, sự giãn nở của các bọt khí trong chu kỳ giãn nở dẫn đến việc đẩy các phân tử chất lỏng về phía bề mặt màng (Hình 4 (b)). Những thay đổi nhanh chóng nói trên về hướng và độ lớn của dòng chất lỏng gần bề mặt của màng gây ra lực cắt và lực kéo trên bề mặt màng, dẫn đến giải phóng các hạt gây bẩn. Cần lưu ý rằng phạm vi hiệu quả của hiện tượng vật lý này là khoảng 1–100 µm (theo thứ tự đường kính của bong bóng).
Hình 4 . Phác thảo hiện tượng vật lý vi dòng (a) trong chu kỳ nén, và (b) trong chu kỳ giãn nở.
Sự hấp thụ năng lượng siêu âm của chất lỏng mà không có lỗ hổng xẹp xuống tạo thành một dòng chất lỏng được gọi là dòng âm thanh (Hình 5). Nói cách khác, do lực vật lý của sóng âm, một động lực dẫn đến sự dịch chuyển của các phân tử chất lỏng được tạo ra để tạo ra dòng chất lỏng của dòng âm thanh. Vận tốc của dòng chảy do hiện tượng truyền âm thanh thấp (~ 10 m / s); điều này có thể được tăng lên bằng cách nâng cao tần số của siêu âm và cường độ của nguồn điện. Cần lưu ý rằng luồng âm thanh chỉ được hình thành cách đầu dò siêu âm vài cm. Khi màng bị bám bẩn tiếp xúc với dòng âm thanh, dòng chảy một chiều được tạo ra song song với bề mặt của màng, do đó dẫn đến việc loại bỏ các chất bẩn ra khỏi bề mặt của màng.
Hình 5 . Phác thảo hiện tượng vật lý của dòng âm.
Sóng xung kích là một cơ chế siêu âm khác giúp loại bỏ các chất bẩn khỏi bề mặt của màng khi có chiếu xạ siêu âm. Sóng xung kích được hình thành lặp đi lặp lại trong các chu kỳ nén và giãn nở. Vào cuối chu kỳ nén, các bong bóng tạo lỗ có bán kính tối thiểu đột ngột dừng lại. Tại thời điểm này, sự phản xạ của các phân tử chất lỏng đang di chuyển về phía các bong bóng trong quá trình nén, dẫn đến tạo ra sóng xung kích với áp suất cao. Sự xuất hiện của các sóng xung kích ở vùng lân cận của bề mặt màng dẫn đến tách các chất bẩn ra khỏi bề mặt của màng.
Sự tạo ra microjet có thể là do sự sụp đổ của các bong bóng tạo lỗ hổng. Nói chung, các bong bóng tạo ra lỗ hổng giữ nguyên dạng hình cầu của chúng miễn là chuyển động của vùng chất lỏng lân cận của các bong bóng vẫn đồng đều và đối xứng. Tuy nhiên, chuyển động của chất lỏng trong vùng lân cận của pha rắn bị ngăn cản và dẫn đến một gradient áp suất xung quanh các bong bóng. Gradient áp suất phát triển dẫn đến sự biến dạng của hình cầu của bong bóng. Do gradient áp suất và do đó là hình học không đối xứng của bong bóng, sự sụp đổ của phần bong bóng xảy ra nhanh hơn so với phần còn lại của bong bóng và dẫn đến sự hình thành vi tia (Hình 6). Sở hữu tốc độ cao, các vi mạch được tạo ra đóng một vai trò quan trọng trong việc làm sạch bề mặt của màng bị bám bẩn (khoảng 120–150 m / s). Cần lưu ý rằng ngoài hiện tượng vật lý đã nói ở trên, để làm sạch màng bị bám bẩn, các gốc sinh ra trong quá trình siêu âm có thể tấn công các chất bám bẩn, dẫn đến sự phân hủy của chất bám bẩn và làm sạch màng.
Hình 6 . Phác thảo hiện tượng vật lý vi tia.
Ngoài việc làm sạch màng bị bám bẩn, công nghệ siêu âm có thể được sử dụng để xử lý sơ bộ nước thải trước MBR. Nói chung, tiền xử lý nước thải dẫn đến việc kiểm soát sự tắc nghẽn của màng, và do đó nâng cao hiệu suất của màng trong hệ thống MBR. Thật vậy, sự phát triển của tảo và màng sinh học có thể giảm khi có chiếu xạ siêu âm, dẫn đến giảm khả năng tạo bọt sinh học trên bề mặt của màng. Ngoài ra, việc xử lý sơ bộ nước thải bằng sóng siêu âm có thể chuyển đổi các hợp chất gây ô nhiễm thành các chất trung gian phân hủy sinh học có thể được xử lý sinh học bởi các vi sinh vật trong lò phản ứng của MBR. Ứng dụng của công nghệ siêu âm trong cả việc làm sạch màng lọc và tiền xử lý nước thải trong hệ thống MBR sẽ được thảo luận chi tiết trong các phần sau.
4.1 . Ứng dụng tại chỗ của siêu âm trong hệ thống MBR
4.1.1 . Kiểm soát tắc nghẽn màng trong MBR bằng sóng siêu âm trực tuyến
Việc bong tróc màng trong hệ thống MBR hạn chế các ứng dụng rộng rãi của chúng và làm tăng chi phí vận hành. Kiểm soát bong tróc của màng bằng cách sử dụng siêu âm đã thu hút sự chú ý của nhiều doanh nghiệp. Một số nhà nghiên cứu đã báo cáo việc ứng dụng thiết bị siêu âm trong lò phản ứng MBR ( tại chỗ ) như một kỹ thuật làm sạch màng. Trong phần này, hệ thống ghép nối siêu âm-MBR trực tuyến được nghiên cứu.
Xu và cộng sự áp dụng hệ thống AnMBR để phân hủy bùn dưới chất rắn dễ bay hơi (VS) với tốc độ tải (3,7 gVS / L d) trong 54 ngày. Sơ đồ quy trình của hệ thống đã sử dụng được thể hiện trong Hình 7. Có thể thấy, thiết bị siêu âm trực tuyến được kết hợp với hệ thống AnMBR để kiểm soát sự bám bẩn của màng sợi rỗng. Kết quả cho thấy rằng sự tắc nghẽn màng đã được kiểm soát thành công thông qua các tác động trực tiếp lên màng, nhưng không thông qua việc điều chỉnh nước dùng đã tiêu hóa. Sự bám bẩn chủ yếu của màng trong hệ thống này được tìm thấy là một lớp bánh. Khảo sát EPS trên bề mặt của màng đã chứng minh rằng lớp bánh rời đã được tách ra thành công bằng sóng siêu âm. Tuy nhiên, lớp bánh được nén chặt với hàm lượng EPS cao không bị ảnh hưởng bởi sóng siêu âm và vẫn còn trên bề mặt của màng. Ngoài ra, kết quả cho thấy sóng siêu âm có ảnh hưởng tích cực nhẹ đến việc kiểm soát sự bám bẩn của lớp gel được hình thành do sự hấp phụ của protein và các hợp chất humic. Tuy nhiên, siêu âm không thể ảnh hưởng đáng kể đến lớp gel được tạo thành bởi các vật liệu vô cơ. Việc khuếch đại tác động nhẹ của sóng siêu âm đối với quá trình tạo màng sinh học có thể được thực hiện thông qua các biện pháp khắc phục được trình bày trong phần tiếp theo.
Hình 7 . Sơ đồ dòng chảy của hệ thống lai US-AnMBR:
(1) bể cấp liệu,
(2) bơm cấp liệu,
(3) Bể phản ứng kỵ khí (bể phản ứng khuấy liên tục),
(4) bể nước nóng,
(5) bơm tuần hoàn nước nóng,
(6) bộ thu khí,
(7) bơm để tuần hoàn hỗn hợp chất lỏng,
(8) thiết bị siêu âm,
(9) Mô-đun màng sợi rỗng,
(10) bơm hút,
(11) van,
(12) áp kế
Yu và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của siêu âm trực tuyến đối với việc kiểm soát tắc nghẽn màng trong hệ thống AnMBR. Hai hệ thống MBR bao gồm một mình MBR và MBR trang bị siêu âm đã được vận hành hơn một năm. Nghiên cứu này được thực hiện trong khoảng thời gian 54 ngày (từ ngày thứ 251 đến ngày thứ 304) với tốc độ tải chất rắn dễ bay hơi (VS) là 3,7 gVS / L ngày và thời gian lưu thủy lực (HRT) là ba ngày. Để nghiên cứu cơ chế gây ô nhiễm, các quần xã vi khuẩn và đặc điểm của các chất cao phân tử ngoại bào đã được nghiên cứu. Các kết quả thu được chỉ ra rằng siêu âm trực tuyến có thể kiểm soát sự bám bẩn của màng bằng cách loại bỏ lớp bánh khỏi bề mặt của màng. Lượng các chất cao phân tử ngoại bào trong lớp bánh của US-AnMBR được tìm thấy là 25,63 mgTOC / gSS, nhiều hơn thế đối với hệ thống AnMBR song song (22,77 mgTOC / gSS), phản ứng với sóng siêu âm như một ngoại lực. Ngoài ra, trong nghiên cứu này, một số quần thể vi khuẩn như Syntrophobacterales , Peptococcaceae và Bacteroides được xác định là góp phần gây ra sự tắc nghẽn của màng. Xu và cộng sự đã thiết kế một lò phản ứng màng kỵ khí kết hợp với thiết bị siêu âm trực tuyến để phân hủy lâu dài bùn hoạt tính thải. Ảnh hưởng của tốc độ tải chất rắn dễ bay hơi đến hiệu suất của quá trình phân hủy và bám bẩn màng được nghiên cứu trong khoảng 1,1–3,7 gVS / Ld, và giá trị tối ưu của thông số này được xác định là 2,7 gVS / Ld dẫn đến dễ bay hơi độ phá hủy rắn khoảng 51,3%. Hiệu suất của hệ thống MBR có và không có thiết bị siêu âm được đánh giá bằng cách xác định tổng điện trở lọc màng (Hình 8). Độ bền lọc màng cao cho thấy màng bị bám bẩn nghiêm trọng. Như có thể thấy trong Hình 8, sự tắc nghẽn màng được kiểm soát hiệu quả bằng sóng siêu âm, do đó dẫn đến việc cải thiện hoạt động của hệ thống MBR.
Hình 8 . Tổng kháng màng lọc cho hệ thống lai AnMBR và US-An-MBR. Tái bản từ Xu et al với sự cho phép của Elsevier.
Hoạt tính gây methanogenic tối đa chỉ ra rằng các vi sinh vật kỵ khí không bị ảnh hưởng tiêu cực bởi bức xạ siêu âm. Ngoài việc kiểm soát sự tắc nghẽn màng, hiệu suất phân hủy tăng nhẹ trong hệ thống lai US-AnMBR so với một AnMBR đơn lẻ; điều này có thể là do sự cải thiện sự phân hủy bùn khi có chiếu xạ siêu âm. Sui và cộng sự đã nghiên cứu tính khả thi của việc sử dụng sóng siêu âm trực tuyến để kiểm soát sự tắc nghẽn màng trong lò phản ứng sinh học màng kỵ khí. Tổng điện trở lọc của màng trong hệ thống US-AnMBR chỉ bằng 30% so với đối với một hệ thống MBR duy nhất, xác nhận hiệu suất hiệu quả của sóng siêu âm trong việc kiểm soát tắc nghẽn màng. Kết quả của nghiên cứu này cho thấy rằng bằng cách tăng nồng độ bùn trong bể phản ứng, thời gian chiếu xạ siêu âm cần được tăng cường để kiểm soát hiệu quả sự bám bẩn của màng. Thời gian bật / tắt sóng siêu âm với cường độ công suất 0,122 W / cm2 để kiểm soát hiệu quả sự tắc nghẽn màng được xác định là 1 phút / 60 phút và 3 phút / 50 phút cho nồng độ bùn là 4 g/L và 6 g/L, tương ứng trong AnMBR với vận tốc dòng chảy ngang là 0,75 m/s. Việc chiếu xạ siêu âm có ảnh hưởng tiêu cực nhẹ đến hoạt động của vi khuẩn kỵ khí, nhưng nhu cầu oxy hóa học không giảm đáng kể. Ở tốc độ tải bùn 0,44-1,44 kgCOD / kgVSS d, tỷ lệ loại bỏ COD là 85%.
Ruiz và cộng sự đã khảo sát ảnh hưởng của tần số siêu âm (20, 25, 30 và 40 kHz) đến chất lượng nước thải, tính toàn vẹn của màng và hiệu suất của quá trình. Với mục đích này, bốn mô-đun của màng siêu lọc polyvinylidene fluoride sợi rỗng của hệ thống MBR đã được trang bị bốn đầu dò siêu âm với các tần số khác nhau. Để làm sạch các màng trong nghiên cứu này, các màng bị bám bẩn được chiếu xạ bằng sóng siêu âm, với công suất 15W và các tần số khác nhau, trong 3 s mỗi 3 phút và sau đó được rửa ngược trong 1 phút với 5 s sục khí. Kết quả của các thí nghiệm cho thấy rằng việc kiểm soát tối ưu áp suất xuyên màng thu được ở tần số 20 kHz mà không ảnh hưởng tiêu cực đáng kể đến cấu trúc của màng. Sự hình thành lớp bánh trên bề mặt của màng được ngăn chặn bởi sự chiếu xạ của sóng siêu âm với tần số 20 kHz, dẫn đến kiểm soát sự bám bẩn của màng và do đó kiểm soát áp suất xuyên màng.
Trong một nghiên cứu khác, Ruiz et al đã khảo sát hiệu suất của các lò phản ứng sinh học màng với màng vi lọc tấm phẳng. Trong nghiên cứu này, tương tự như nghiên cứu nói trên, bốn mô-đun của MBR quy mô thí điểm được trang bị đầu dò siêu âm trực tuyến đã được áp dụng. Ảnh hưởng của tần số siêu âm (20, 25, 30 và 40 kHz) và công suất siêu âm (100, 200 300 và 400 W) đối với quá trình này đã được nghiên cứu. Một số thông số như màu sắc, độ nhớt, tổng nồng độ chất rắn lơ lửng và nhu cầu oxy hóa học trong nước thải không bị thay đổi đáng kể khi chiếu xạ siêu âm với các tần số khác nhau. Tuy nhiên, độ đục của nước thải được tăng cường từ 2 đến 20 NTU ở công suất siêu âm cao (300 và 400 W) và tần số thấp 20 kHz, có thể là do sự khử keo tụ của bùn dưới chiếu xạ siêu âm. Sự hiện diện của các hạt lớn hơn kích thước lỗ của màng trong ảnh hưởng của màng siêu âm cho thấy sóng siêu âm (đặc biệt là với tần số thấp) có thể làm hỏng cấu trúc của màng, điều này đã được chứng minh thêm bằng hình ảnh SEM của bề mặt màng. Mô-đun màng phát âm với tần số 20 kHz thể hiện áp suất xuyên màng ổn định trong 70 ngày.
Li và cộng sự áp dụng siêu âm để làm sạch màng bị bám bẩn trong lò phản ứng sinh học màng chìm. Ngoài ra, thiết bị siêu âm trực tuyến đã được áp dụng để kiểm soát sự tắc nghẽn màng trong lò phản ứng sinh học màng chìm. Để đánh giá sự bám bẩn của màng, người ta đã xác định áp suất xuyên màng. Áp suất xuyên màng cao hơn cho thấy sự tắc nghẽn màng nhiều hơn. Hơn nữa, ảnh hưởng của sóng siêu âm đến chất lượng nước thải và nồng độ bùn trong hệ thống MBR đã được nghiên cứu. Trong nghiên cứu này, bằng cách tăng áp suất xuyên màng của màng lên đến 27–33 KPa, mô-đun màng được đưa ra khỏi lò phản ứng của hệ thống MBR và chìm trong một lò phản ứng khác chứa đầy nước và được trang bị sóng siêu âm. Mô-đun được chiếu xạ siêu âm với công suất 300 W trong 5 phút cứ sau 15 phút. Bảy bộ kết hợp tần số bao gồm 25, 50, 90 kHz; tần số bi-25–50 kHz; 50–90 kHz; 25–90 kHz, và tần số ba tần số 25–50–90 kHz đã được nghiên cứu để làm sạch màng. Sau khi xác định tần số hoạt động tối ưu của sóng siêu âm, người ta đã tìm hiểu ảnh hưởng của thời gian chiếu xạ siêu âm, khoảng thời gian và công suất siêu âm đối với việc làm sạch màng. Trong điều kiện hoạt động ba phút để chiếu xạ siêu âm, tần số 50 kHz, hoặc tần số kép 25–50 kHz, hoặc tần số ba tần 25–50–90 kHz và công suất siêu âm 200 W hoặc 300 W, xuyên màng tương đối thấp đã thu được áp suất, cho thấy sự tắc nghẽn màng thấp. Khả năng loại bỏ COD cao thu được đối với cả hệ thống US-MBR trực tuyến và MBR đơn lẻ đã chứng minh rằng việc chiếu xạ siêu âm không có tác động tiêu cực đến chất lượng nước thải và đặc tính của bùn hoạt tính. Kết quả thí nghiệm cho thấy nồng độ bùn thấp đối với hệ thống MBR với sóng siêu âm trực tuyến so với MBR đơn lẻ, làm chậm quá trình bám cặn của màng.
Pengzhe và cộng sự sử dụng sóng siêu âm trực tuyến để kiểm soát sự tắc nghẽn của màng trong lò phản ứng sinh học màng kỵ khí. Mục đích của nghiên cứu này là để khảo sát các thông số siêu âm khả thi thông qua các thí nghiệm chạy trong thời gian ngắn. Kết quả cho thấy rằng với vận tốc dòng chảy lớn hơn 1 m / s, sự bám bẩn của màng có thể được kiểm soát hiệu quả bằng phương pháp thủy động lực học (không cần siêu âm). Tuy nhiên, tổng trở lực lọc tăng dần khi vận tốc dòng chảy ngang thấp hơn 1 m / s. Tốc độ bám bẩn màng được xác định 8,33 × 10 6 và 3 × 10 7 m −1 s −1 cho vận tốc dòng chảy ngang lần lượt là 0,75 và 0,5 m / s. Kết quả của các thí nghiệm cho thấy rằng bằng cách tăng cường sức mạnh của sóng siêu âm, tỷ lệ tắc nghẽn màng lọc giảm xuống. Tổng điện trở lọc duy trì ở khoảng 5 × 10 11 m −1 trong hơn một tuần bằng cách sử dụng siêu âm trực tuyến với công suất 150 W (được chiếu xạ 2 phút mỗi 15 phút) và với tốc độ dòng chảy ngang là 0,75 m / s.
Xu và cộng sự áp dụng một lò phản ứng sinh học màng kỵ khí để phân hủy bùn hoạt tính thải. Thiết bị siêu âm trực tuyến đã được sử dụng để kiểm soát sự bám bẩn của màng. Ảnh hưởng của bức xạ siêu âm và cường độ công suất của thiết bị siêu âm đã được nghiên cứu đối với sự bám bẩn của màng. Các giá trị tối ưu cho bức xạ siêu âm và cường độ công suất của sóng siêu âm để kiểm soát hiệu quả việc bám bẩn màng mà không làm hỏng màng được xác định là 3 phút / h và 0,18 W / cm 2, tương ứng. Kết quả xác nhận rằng sóng siêu âm có thể kiểm soát sự bám bẩn của màng bằng cách kiểm soát sự hình thành lớp bánh trên bề mặt của màng như là hiện tượng bám bẩn chiếm ưu thế trong hệ thống AnMBR được nghiên cứu. Tuy nhiên, việc chiếu xạ siêu âm không có tác dụng đáng kể trong việc kiểm soát chất bẩn vô cơ và hữu cơ.
Abdurahman và Azhari nghiên cứu việc xử lý nước thải của Nhà máy dầu cọ bằng hệ thống hỗn hợp phản ứng sinh học màng kỵ khí bên dòng siêu âm. Trong nghiên cứu này, một số đầu dò siêu âm đa tần số 25 kHz đã được áp dụng để kiểm soát sự tắc nghẽn của màng. Ảnh hưởng của tốc độ tải hữu cơ (OLR) đến hiệu suất của hệ thống lai siêu âm-AnMBR được nghiên cứu bằng cách xác định hàm lượng khí mêtan, hiệu quả loại bỏ COD và các thông số của nước thải (ví dụ như nồng độ phenol, độ ổn định của pH, chất rắn lơ lửng và các axit béo dễ bay hơi). Ở tốc độ tải hữu cơ 0,5 kg / m 3.d và thời gian lưu thủy lực là 16 ngày, loại bỏ COD cao nhất 98,7% thu được đối với nước thải sau xử lý. Ngoài ra, kết quả của các thí nghiệm cho thấy sản xuất axit béo dễ bay hơi và mêtan tăng lên khi tỷ lệ tải hữu cơ tăng lên. Hàm lượng cao nhất của axit béo dễ bay hơi (1480 mg / L) và sản lượng khí tối đa (580 L / ngày) đạt được khi tải hữu cơ 15 kg COD / m 3.d. Các nghiên cứu thử nghiệm cho thấy 77% khí sinh học được sản xuất bao gồm khí mêtan. Mức độ metan hóa cao này xác nhận rằng một phần lớn các hợp chất hữu cơ có trong nước thải ở dạng hòa tan hoặc lơ lửng có thể được khử thành công trong lò phản ứng của hệ thống AnMBR. Do sự phát triển của các ngành sản xuất dầu cọ trên toàn thế giới, các phương pháp khác nhau để xử lý nước thải của các ngành này đã được các nhóm nghiên cứu khác nhau nghiên cứu.
Trong một nghiên cứu khác, Shafie et al đã nghiên cứu nước thải ngành công nghiệp dầu cọ bằng hệ thống AnMBR bên dòng. Trong nghiên cứu này, sóng siêu âm trực tuyến được trang bị mô-đun của màng đã được ứng dụng để kiểm soát sự bám bẩn của màng và tăng hiệu quả loại bỏ COD. Thời gian lưu thủy lực là 11 ngày được xác định là giá trị tối ưu cho hệ thống US-AnMBR. Sonication được thực hiện trong 2 giờ dẫn đến hiệu suất loại bỏ COD cao 98,75% và sản xuất khí mêtan cao 32,595 mL.
Trong một nghiên cứu khác, tác động của bức xạ siêu âm trực tuyến đối với sự bám bẩn của màng trong hệ thống AnMBR đã được nghiên cứu bởi Wen et al. Trong nghiên cứu này, một loại AnMBR dòng bên đã được áp dụng và mô-đun màng được trang bị đầu dò siêu âm. Kết quả của nghiên cứu này chỉ ra rằng mặc dù sự chiếu xạ của sóng siêu âm có thể kiểm soát sự bám bẩn của màng, nhưng sự hư hại đối với màng có thể xảy ra trong một số điều kiện hoạt động. Các phản ứng hóa học giữa màng và các gốc hydroxyl được tạo ra và cũng như sự va chạm của các vi hạt với bề mặt của màng được coi là cơ chế phá hủy chính của màng khi chiếu xạ siêu âm. Cần lưu ý rằng các cơ chế được đề cập không chỉ gây ra tổn thương màng, mà chúng còn đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát tắc nghẽn màng. Do đó, để kiểm soát sự bám bẩn của màng mà không làm hỏng màng, cường độ siêu âm và thời gian chiếu xạ siêu âm cần được tối ưu hóa. Ngoài ra, các kết quả chỉ ra rằng việc duy trì một độ dày nhất định của lớp bánh trên bề mặt màng có thể bảo vệ màng khỏi bị hư hại dưới bức xạ siêu âm một cách hiệu quả. Để kiểm tra hệ thống lai US-AnMBR với vận tốc dòng chảy ngang 0,75 m / s, nồng độ bùn 8 g / L và COD đầu vào là 1500 mg / L, các giá trị tối ưu cho cường độ công suất siêu âm và thời gian chiếu xạ siêu âm thu được là 0,122 W / cm tương ứng là 2 và 5 phút / 60 phút, giúp kiểm soát tắc nghẽn màng hiệu quả mà không làm hỏng màng trong quá trình vận hành kéo dài một tuần.
Như đã báo cáo, thiết bị siêu âm trực tuyến chủ yếu được sử dụng để kiểm soát sự bám bẩn của màng. Tuy nhiên, tác động của chiếu xạ siêu âm trực tuyến đến việc loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ trong hệ thống MBR đã được Liu et al. Các kết quả chỉ ra rằng hoạt tính sinh học được tăng cường đáng kể khi có thiết bị siêu âm có công suất 10 W. Các cơ chế cải thiện có thể có của hoạt động sinh học đã được đề xuất như hiện tượng cavitation trong sóng siêu âm làm tăng tốc độ truyền khối bằng cách di chuyển các hạt trong chất lỏng dẫn đến tăng tốc sự xâm nhập của cơ chất trong phần hoạt động của các enzym và thoát ra khỏi các sản phẩm; trong điều kiện chiếu xạ siêu âm cường độ nhẹ, việc sản xuất các enzym ngoại bào có thể tăng lên, dẫn đến tăng cường phân huỷ các hợp chất hữu cơ; siêu âm có thể gây đột biến ở vi sinh vật. Cảm ứng enzym có thể xử lý nước thải một cách hiệu quả. Kết quả thực nghiệm của nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của sóng siêu âm duy trì trong 24 giờ,
4.1.2 . Kiểm soát tắc nghẽn màng trong MBR bằng cách sử dụng sóng siêu âm lai siêu âm trực tuyến
Jia và cộng sự giới thiệu một hệ thống xử lý nước thải mới tích hợp quá trình oxy hóa siêu âm xúc tác (CUO) với lò phản ứng sinh học màng. Hệ thống lai CUO-MBR được phát triển được áp dụng để xử lý tiên tiến nước thải khí hóa than đã qua xử lý sinh học như một loại nước thải thực sự. Kết quả của nghiên cứu cho thấy rằng sự kết hợp của bức xạ siêu âm với quá trình oxy hóa xúc tác dẫn đến việc cải thiện khả năng loại bỏ tổng carbon hữu cơ (TOC) và khả năng phân hủy sinh học của nước thải. Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của các chất xúc tác khác nhau bao gồm FeOx / SBAC và MnOx / SBAC đối với việc giảm thiểu tắc nghẽn của màng và loại bỏ TOC, BOD5 và COD đã được khảo sát trong hệ thống lai CUO-MBR (SBAC đề cập đến than hoạt tính dựa trên bùn thải) . Theo kết quả thu được, với sự có mặt của 2 g / L FeO x / SBAC làm chất xúc tác với tần số siêu âm 60 kHz ; cường độ năng lượng 1,6 W / L; và thời gian chiếu xạ siêu âm là 20 phút.
Một trong những cách tiếp cận để kiểm soát quá trình tạo màng sinh học là sử dụng các vật liệu nano chống bám dính thông qua pha trộn / phủ / ghép. Xạ khuẩn xử lý kết hợp màng nanocomposite giảm thiểu vi khuẩn kháng kháng sinh và tạo màng sinh học trong hệ thống MBR. Ứng dụng kết hợp giữa thời gian bật / tắt sóng siêu âm (~ 0,1 W / cm 2 ; 1 phút / 60 phút) cùng với màng tổ hợp nano có khả năng chống hấp phụ protein và bám dính vi khuẩn sẽ làm tăng đáng kể tuổi thọ của màng. Đo phản xạ siêu âm cũng được sử dụng như một máy dò thời gian thực của màng sinh học. Thời gian phản xạ và biên độ của sóng âm được tổng hợp thành phân bố tần số. Vì dữ liệu này dựa trên các tương tác sớm nhất giữa chất bám bẩn và vật liệu màng, sự kết hợp của phép đo phản xạ siêu âm và dập tắt cảm biến có thể ngăn chặn cặn bánh và điều hòa sự hình thành màng trong MBR.
4.2 . Các ứng dụng siêu âm tại chỗ trong hệ thống MBR
4.2.1 . Ex-situ sạch của màng bằng siêu âm
Pendashteh và cộng sự sử dụng ex-situ quá trình siêu âm để làm sạch màng của hệ thống MBR, được áp dụng để xử lý nước thải tổng hợp có tính kiềm hypersalin. Để làm sạch các màng bị bám bẩn sau 32 ngày hoạt động, các màng bị bám bẩn được lấy ra khỏi mô-đun và một tấm nhựa được sử dụng để loại bỏ bánh khỏi bề mặt của màng. Sau đó, các màng được tiếp xúc với dung dịch NaOH có pH = 11 trong 24 giờ để loại bỏ các chất bẩn còn lại. Cuối cùng, các màng được chiếu xạ siêu âm trong 15 phút trong bể siêu âm với tần số 45 kHz và nhiệt độ 30 ° C. Phân tích hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) chỉ ra rằng sự hình thành lớp bám bẩn có thể là do sự lắng đọng của các chất cao phân tử ngoại bào (bao gồm các hợp chất hữu cơ và vô cơ như protein, polysaccharide, v.v.), các vấn đề hydrocacbon và các hợp chất vô cơ. Theo các hình ảnh AFM của các màng bị bám bẩn, cơ chế chính của sự bám bẩn màng trong nghiên cứu này được phát hiện là sự bao phủ bề mặt của màng bởi các chất bám bẩn. Ngoài ra, hình ảnh SEM của bề mặt màng bị bám bẩn (Hình 9) chỉ ra rằng các đám vi khuẩn có hình dạng một con ngựa đã góp phần hình thành lớp bánh trên bề mặt của màng.
Hình 9 . Hình ảnh SEM bề mặt của màng mới (a), màng bị bám bẩn (b), và các đám vi khuẩn trên bề mặt của màng bị bám bẩn (c)
Kết quả phân tích ICP và EDX chỉ ra rằng Na, Fe, K, Al, Mg và Ca là các nguyên tố kim loại chính trong lớp bám bẩn. Người ta kết luận rằng sonication có thể loại bỏ hiệu quả lớp bánh khỏi bề mặt của màng, dẫn đến khôi phục thông lượng thẩm thấu trong một thời gian dài.
Staphylococcus warneri, Pseudomonas vesicularis và Acinetobacter calcoaceticus được loại bỏ thông qua xử lý siêu âm sau hai phút rưỡi cho dù còn sống hay chết. Mật độ công suất tới hạn để chiết xuất chất cao phân tử ngoại bào liên kết lỏng lẻo và chặt chẽ lần lượt là 35 và 65 W / 10 mL. Trong khám nghiệm, lớp bánh sinh học trên màng có thể được loại bỏ bằng cách làm sạch vật lý và làm sạch bằng siêu âm (35–65 KHz). Như đã đề cập trước đây, các cơ chế hỗ trợ siêu âm khác nhau được đề xuất nhằm mục đích làm sạch màng vi phát sóng, vi tia, truyền âm thanh, truyền vi mô (Hình 4), và sự hấp thụ năng lượng âm thanh (dòng chất lỏng) cũng có thể được sử dụng trong khám nghiệm màng tế bào.
4.2.2 . Tiền xử lý nước thải bằng sóng siêu âm trước MBR
Trong MBRs, xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính dẫn đến việc tạo ra một lượng bùn đáng kể, đây là một trong những vấn đề khó khăn của các hệ thống này. Bùn dư được tạo ra cần được xử lý một cách thích hợp, điều này làm tăng chi phí vận hành của quá trình.
Xử lý bằng sóng siêu âm đối với bùn hoạt tính gây ra sự ly giải tế bào, phân hủy floc và bất hoạt (Hình 10). Tiền xử lý bằng siêu âm thường được thực hiện ở 9–41 kHz (chủ yếu ở 20 kHz) trong vài giây đến 2,5 giờ (thường là <1 giờ) với việc loại bỏ chất rắn dễ bay hơi được cải thiện từ 9–36% và tăng cường sản xuất khí sinh học / CH4 là 24–138%. Người ta báo cáo rằng tiền xử lý bằng sóng siêu âm chỉ có thể làm tăng tốc độ phân huỷ của bùn và không ảnh hưởng đến lượng phân huỷ bùn.
Hình 10 . Siêu âm xử lý bùn hoạt tính.
Yoon và cộng sự đã sử dụng một ex-situ di động siêu âm để ngăn chặn sự sản xuất dư thừa của bùn trong hệ thống MBR. Màng sợi rỗng chìm với diện tích bề mặt 0,2 m 2 và kích thước lỗ 0,1 µm đã được sử dụng trong hệ thống của họ. Sơ đồ thiết lập thí nghiệm được trình bày trong Hình 11. Như đã trình bày, hai hệ thống MBR đã được sử dụng: hệ thống lai MBR-siêu âm và hệ thống MBR đơn. Hệ thống MBR không có đầu dò siêu âm hoạt động như một hệ thống điều khiển để xác định hiệu suất của hệ thống lai siêu âm-MBR trong việc ngăn chặn việc sản xuất bùn dư thừa. Trong hệ thống này, bùn thải được bơm đến một cốc có mỏ được trang bị đầu dò siêu âm có công suất 600 W và tần số 20 kHz. Sau đó, bùn siêu âm được đưa trở lại lò phản ứng MBR. Kết quả cho thấy chất rắn lơ lửng trong hỗn hợp rượu (MLSS) của hệ thống lai siêu âm-MBR gần như không đổi trong khoảng 7000–8000 mg / L. Tuy nhiên, số lượng MLSS cho một hệ thống MBR duy nhất đã tăng từ 7000 mg / L lên 13700 mg / L trong thời gian thử nghiệm. Những kết quả này chứng minh rằng hệ thống siêu âm-MBR được áp dụng ở tải trọng hữu cơ xấp xỉ 0.5/ m 3 ngày đã có thể ngăn chặn thành công việc sản xuất bùn dư thừa. Mặc dù việc sản xuất bùn dư thừa bị cản trở trong hệ thống siêu âm-MBR, nhưng chất lượng nước thải đầu ra trở nên tồi tệ hơn một chút có thể do sự quay trở lại của bùn đã phân hủy cho MBR. Hơn nữa, sự giảm kích thước hạt trung bình của bùn (từ 132 đến 92 µm) đã được quan sát thấy khi có chiếu xạ siêu âm. Ngoài ra, như một nhược điểm của hệ thống ghép nối này, không có hạt vô cơ không hòa tan nào có thể thấm qua màng. Do đó, sự tích tụ của các vật liệu vô cơ không hòa tan có thể là vấn đề chính đối với việc sản xuất.
Hình 11 . Sơ đồ hệ thống MBR kết hợp với siêu âm và hệ thống MBR đơn
Trong một nghiên cứu khác, Wu và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ siêu âm đến tính chất lỏng của bùn hoạt tính. Các mẫu bùn hoạt tính cho các thí nghiệm được lấy từ một bể phản ứng sinh học dạng màng quy mô đầy đủ được ứng dụng để xử lý nước thải đô thị. Nồng độ chất rắn lơ lửng dễ bay hơi (VSS) và phạm vi nồng độ chất rắn lơ lửng dạng lỏng hỗn hợp của bùn hoạt tính được thu gom lần lượt là 6 và 10–12 g / L. Các mẫu bùn hoạt tính sau khi thu thập được tiếp xúc với sóng siêu âm trong một lò phản ứng Plexiglas hình trụ với các mức công suất khác nhau (trong khoảng 40–300 W). Để khảo sát ảnh hưởng của bức xạ siêu âm đến bùn hoạt tính, các thông số hoạt động như pH, nhiệt độ, nồng độ chất hữu cơ hòa tan được giải phóng, phân bố kích thước hạt và hoạt động của vi khuẩn dị dưỡng được xác định định kỳ. Kết quả cho thấy độ rộng phân bố kích thước hạt tăng lên khi tăng cường cường độ siêu âm lên đến 2 kJ / mL và sau đó giảm xuống; trong khi chất hữu cơ hòa tan được giải phóng tăng lên bằng cách tăng cường cường độ siêu âm. Hơn nữa, kết quả của các thí nghiệm cho thấy rằng ít hơn 10% năng lượng siêu âm được chuyển hóa thành nhiệt, và độ pH duy trì trên 7 dưới bức xạ siêu âm với cường độ lên đến 2,5 kJ / mL. Hơn nữa, khả năng phân hủy sinh học của bùn hoạt tính tăng lên khi xử lý bằng sóng siêu âm.
Prado và cộng sự đã tiến hành thí nghiệm với điều kiện độ pH vẫn trên 7 dưới sự chiếu xạ siêu âm với cường độ lên đến 2,5 kJ / mL. Hơn nữa, khả năng phân hủy sinh học của bùn hoạt tính tăng lên khi xử lý bằng sóng siêu âm. Prado và cộng sự tiến hành thí nghiệm khác với độ pH vẫn trên 7 dưới sự chiếu xạ siêu âm với cường độ lên đến 2,5 kJ / mL. Hơn nữa, khả năng phân hủy sinh học của bùn hoạt tính tăng lên khi xử lý bằng sóng siêu âm. Prado và cộng sự đã sử dụng sự kết hợp giữa ozon hóa và siêu âm ( lai O 3 -US) như trong Hình 12 (a) để xử lý sơ bộ nước thải trước khi ngâm nước MBR. Thiết lập thử nghiệm của MBR ngập nước được sử dụng được trình bày trong Hình 12 (b). Để đánh giá hiệu suất của hệ thống tiền xử lý lai O 3 -US, việc loại bỏ carbamazepine (CBZ), diclofenac (DCF) và sulfamethoxazole (SMX) làm mẫu các hợp chất dược phẩm đã được khảo sát. Hơn nữa, sự tắc nghẽn của màng trong hệ thống MBR và khả năng gây độc của đầu vào MBR đã được nghiên cứu. Như có thể thấy trong Hình (c), tiền xử lý nước thải bằng O 3. Hệ thống lai -US làm giảm sự tắc nghẽn màng, chủ yếu có thể được cho là do ảnh hưởng của quá trình tiền xử lý đối với các sản phẩm của quá trình trao đổi chất của vi sinh vật. Sự phân hủy các hợp chất hữu cơ (đưa vi sinh vật vào lò phản ứng MBR) được tăng lên khi tiếp xúc với quá trình lai O 3 -US, dẫn đến giảm sự phát triển của các vi sinh vật chịu trách nhiệm sản xuất các chất cao phân tử ngoại bào. Do đó, nồng độ của chất cao phân tử ngoại bào đã giảm 50% bởi quá trình tiền xử lý. Mặc dù việc loại bỏ các hợp chất dược phẩm mẫu đã được tăng cường bằng cách xử lý trước nước thải (Hình 12 (d)), độ độc của nước thải không giảm. Điều này có thể là do việc tạo ra các sản phẩm trung gian trong quá trình O 3 -US độc hại hơn các chất chính. Tuy nhiên, khả năng gây độc của nước thải giảm (khoảng 60%) sau khi xử lý trong hệ thống MBR. Kết quả của nghiên cứu này đã chứng minh rằng việc kết hợp MBR với hệ thống tiền xử lý dựa trên sóng siêu âm cung cấp một phương pháp đầy hứa hẹn để xử lý nước thải.