Nội dung nước cao của bùn làm tăng chi phí điều trị tiếp theo cũng như rủi ro môi trường. Một quy trình đổi mới kết hợp nhiệt độ thấp với polyacrylamide (PAM) dưới điều kiện gần trung tính (nhiệt-PAM) đã được đề xuất để tăng cường việc tách nước bùn một cách đơn giản và thực tiễn. Tại pH 6.0 và nhiệt độ 85°C, với liều lượng PAM là 10.0 mg/g chất rắn khô (DS), hàm lượng nước và thời gian hút mao dẫn (CST) của bùn đã xử lý giảm từ 76.8% và 27.5 giây xuống còn 68.9% và 16.6 giây, tương ứng. pH gần trung tính thuận lợi cho việc sử dụng tài nguyên bùn hơn nữa. Phương pháp điều trị nhiệt-PAM này đã cho phép chuyển đổi phần ưa nước trong các chất polymer ngoại bào liên kết chặt chẽ (TB-EPS) thành EPS hòa tan (S-EPS), sự phân hủy của các tế bào bùn, và sự giải phóng nước liên kết. Hàm lượng nước liên kết đã giảm từ 2.4 g/g DS xuống còn 0.8 g/g DS. Hơn nữa, các đặc trưng phân tử của EPS bằng quang phổ điện tử tia X (XPS) đã làm rõ sự phân hủy của các nhóm chức năng ưa nước bởi phương pháp điều trị nhiệt-PAM. Tiềm năng zeta và kích thước hạt cho thấy PAM đã gây ra sự tái kết tụ. Sự thay đổi trong phân bố của cộng đồng vi sinh vật trong bùn đã xử lý dẫn đến sự giảm tỷ lệ của một số gen kháng kháng sinh (ARGs). Trong khi đó, hàm lượng các kim loại nặng điển hình (Cr, Cu, Zn) trong bùn đã điều chỉnh giảm đáng kể. Nghiên cứu này trình bày một công nghệ đơn giản và hiệu quả để tăng cường việc tách nước bùn và loại bỏ chất ô nhiễm từ bùn.

Bùn hoạt tính thải là một sản phẩm phụ của quá trình xử lý nước thải với hàm lượng nước cực kỳ cao (thường > 99 %), điều này hạn chế việc xử lý và tiêu hủy sau này [1], [2]. Chi phí xử lý bùn chiếm một phần đáng kể trong tổng chi phí của các nhà máy xử lý nước thải (WWTPs) [3]. Người ta biết rằng bùn chứa nhiều chất độc hại, chẳng hạn như kim loại nặng và gen kháng kháng sinh (ARGs) [4], [5]. Hàm lượng kháng sinh trong bùn nước thải thay đổi rất lớn, dao động từ μg/kg đến mg/kg [4]. Những điều này gây ra mối đe dọa tiềm tàng cho sức khỏe con người và hạn chế lớn việc sử dụng tài nguyên của bùn thải còn lại. Do đó, cần thiết phải loại bỏ những chất độc hại này trong quá trình làm khô bùn.

Các chất polymer ngoại bào (EPS) là các polymer ưa nước mang điện tích âm có trong bùn, quyết định hiệu suất tách nước của bùn [3]. EPS chủ yếu được cấu thành từ protein (PN) và polysaccharide (PS), bên cạnh các chất humic và axit nucleic [6]. Theo mức độ liên kết với tế bào, EPS có thể được phân loại thành EPS hòa tan (S-EPS), EPS liên kết lỏng (LB-EPS) và EPS liên kết chặt (TB-EPS) [7], [8]. Tính ưa nước của EPS cho phép chúng liên kết với một lượng lớn nước, trong khi độ âm điện của EPS cho phép sự phân tán ổn định của bùn trong các hệ thống nước thải [9]. Cấu trúc lỏng lẻo của cụm bùn làm cho việc xả nước gắn liền trở nên khó khăn, dẫn đến hàm lượng nước trong bùn cao hơn. Do đó, bùn thường được xử lý trước khi tách nước để đạt được hiệu suất tách nước tốt hơn [10].

Nhiệt độ là một yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất tách nước bùn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự cải thiện đáng kể trong khả năng tách nước bùn chỉ được quan sát khi nhiệt độ vượt quá 180°C [11]. Tuy nhiên, việc xử lý ở nhiệt độ cao giải phóng chất hữu cơ từ bùn vào nước lọc. Điều này không chỉ làm giảm giá trị sử dụng của bánh bùn đã tách nước, mà còn dẫn đến nồng độ nhu cầu oxy hóa học hòa tan (SCOD) và nitơ amoniac cực kỳ cao trong nước lọc. Do đó, quy trình xử lý tiếp theo trở nên phức tạp hơn [12]. Ngoài ra, yêu cầu thiết bị cao và tiêu thụ năng lượng lớn làm tăng chi phí xử lý [12], [13]. Vì vậy, cần phát triển công nghệ xử lý bùn ở nhiệt độ thấp để giảm chi phí. Xử lý nhiệt độ thấp có thể phá vỡ cấu trúc bông bùn và phân hủy EPS. Tuy nhiên, nó có thể làm tăng diện tích bề mặt của bùn, do đó làm giảm khả năng tách nước của bùn [9]. Các nghiên cứu trước đây đã khám phá sự kết hợp giữa nhiệt độ thấp và chất oxy hóa để tăng cường hiệu suất tách nước bùn một cách đồng bộ. Đã có báo cáo rằng natri persulfate có thể giảm hàm lượng nước của bùn xuống 12,2 % ở 80℃ [14]. Canxi peroxide kết hợp với nhiệt độ thấp có thể giảm hàm lượng nước từ 79,9 % xuống 69,2 % trong điều kiện axit [9]. Tuy nhiên, có những rủi ro tiềm ẩn liên quan đến việc lưu trữ và sử dụng các chất oxy hóa, và việc xử lý không đúng cách có thể gây hại đáng kể cho sức khỏe con người và môi trường. Hơn nữa, việc kích hoạt chất oxy hóa thường yêu cầu điều kiện axit hoặc liên quan đến các hợp chất có tính axit vốn có, dẫn đến nước lọc có tính axit cao sau khi xử lý. Nước lọc có tính axit này không chỉ gây ra nguy cơ ăn mòn cho thiết bị xử lý, mà còn cần phải bổ sung kiềm để trung hòa, do đó làm tăng chi phí xử lý phía dưới. Do đó, cách tăng cường tách nước bùn bằng xử lý nhiệt độ thấp mà không sử dụng chất oxy hóa là điều đáng được chú ý.

Cationic flocculants có thể loại bỏ sự đẩy tĩnh điện giữa các hạt bùn và phá hủy hệ thống lơ lửng của bùn, từ đó tăng cường quá trình tách nước bùn [3]. Polyacrylamide (PAM), một loại flocculant cationic thường được sử dụng, được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy xử lý nước thải (WWTP) nhờ vào chi phí thấp và khả năng tạo bông mạnh mẽ [15]. Trong quá trình tạo bông bùn, PAM hoạt động như một cầu nối giữa các bông bùn nhỏ và lớn thông qua việc trung hòa điện tích và cầu nối, từ đó tăng tốc độ lọc bùn [16], [17]. Tuy nhiên, nếu chỉ sử dụng PAM, cấu trúc EPS sẽ không bị phá hủy và nước liên kết sẽ vẫn tồn tại trong bùn, dẫn đến hàm lượng nước cao liên tục [18].

Sự kết hợp giữa PAM và nhiệt độ thấp có thể bù đắp cho những thiếu sót của việc xử lý nhiệt độ thấp và PAM trong việc tăng cường tách nước bùn. Công nghệ kết hợp này cũng tránh việc sử dụng các chất oxy hóa, từ đó giảm thiểu rủi ro môi trường liên quan đến việc sử dụng hóa chất. Ngoài ra, xử lý nhiệt có thể phá hủy tế bào bùn và thay đổi cấu trúc cộng đồng vi sinh vật, điều này có tiềm năng loại bỏ ARGs khỏi bùn [11]. Tuy nhiên, vẫn còn một khoảng trống nghiên cứu trong việc loại bỏ ARGs bằng cách xử lý nhiệt kết hợp với PAM trong quá trình tăng cường tách nước bùn.

Nghiên cứu này nhằm khám phá tiềm năng cải thiện quá trình tách nước bùn sử dụng PAM kết hợp nhiệt độ thấp trong điều kiện gần trung tính (heat-PAM). Thời gian hút mao dẫn (CST) và hàm lượng nước được sử dụng làm các tham số để đánh giá hiệu suất tách nước. Các mục tiêu chính của nghiên cứu này như sau: (1) điều tra ảnh hưởng của quy trình heat-PAM đến khả năng tách nước của bùn; (2) đánh giá sự biến đổi trong hàm lượng kim loại nặng điển hình và sự phong phú tương đối của một số ARGs trong bùn sau khi điều chỉnh kết hợp; (3) khám phá các cơ chế liên quan đến việc nâng cao hiệu suất tách nước của bùn, và đánh giá sự thay đổi trong cấu trúc cộng đồng vi sinh vật để làm rõ các cơ chế tiềm năng cho việc loại bỏ ARGs khỏi bùn.