nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý của các bể hiếu khí bằng cách điều chỉnh dinh dưỡng thích hợp cho vi khuẩn đối với hệ thống xử lý nước thải của nhà máy giấy bãi bằng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Trần Việt Ba NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ CỦA CÁC BỂ HIẾU KHÍ BẰNG CÁCH ĐIỀU CHỈNH DINH DƯỠNG THÍCH HỢP CHO VI KHU

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Trần Việt Ba

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ

CỦA CÁC BỂ HIẾU KHÍ BẰNG CÁCH ĐIỀU CHỈNH

DINH DƯỠNG THÍCH HỢP CHO VI KHUẨN

ĐỐI VỚI HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CỦA NHÀ MÁY GIẤY BÃI BẰNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Trần Việt Ba

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ

CỦA CÁC BỂ HIẾU KHÍ BẰNG CÁCH ĐIỀU CHỈNH

DINH DƯỠNG THÍCH HỢP CHO VI KHUẨN

ĐỐI VỚI HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CỦA NHÀ MÁY GIẤY BÃI BẰNG

Chuyên ngành: Hóa môi trường

Mã số: 60.44.41

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Lê Tuấn Anh

Hà Nội - 2012

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC BẢNG x

DANH MỤC CÁC HÌNH xiii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Công nghệ sản xuất bột giấy, giấy và đặc tính của nước thải 3

1.1.1 Công nghệ sản xuất bột giấy và đặc tính nước thải 3

1.1.2 Công nghệ sản xuất giấy (xeo giấy) và đặc tính nước thải 10

1.2 Tình hình chung của thế giới và Việt Nam về ô nhiễm môi trường do ngành sản xuất giấy gây ra 12

1.2.1 Đặc thù của ngành giấy thế giới và tình hình ô nhiễm môi trường 12

1.2.2 Đặc thù của ngành giấy Việt Nam và tình hình ô nhiễm môi trường 13

1.3 Xử lý nước thải của quá trình sản xuất giấy 17

1.3.1 Tiền xử lý 18

1.3.2 Xử lý sơ cấp (xử lý cấp I) 18

1.3.3 Xử lý sinh hóa (xử lý cấp II) 19

1.3.4 Xử lý cấp III 20

1.4 Xử lý nước thải giấy bằng phương pháp sinh học 20

1.4.1 Phương pháp xử lý sinh học kỵ khí 21

1.4.2 Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí 25

1.5 Vi sinh vật ứng dụng trong xử lý nước thải 28

1.5.1 Giới thiệu chung về vi sinh vật 28

1.5.2 Cơ chế xử lý nước thải bằng vi sinh 31

1.5.2.1 Sinh trưởng lơ lửng (bùn hoạt tính) 31

1.5.2.2 Sinh trưởng bám dính (hay màng sinh học) 31

1.5.3 Nhu cầu dinh dưỡng vi sinh vật 32

1.5.3.1 Nguồn thức ăn cacsbon của vi sinh vật 32

1.5.3.2 Nguồn thức ăn nitơ của vi sinh vật 33

1.5.3.3 Nguồn thức ăn khoáng của vi sinh vật 33

1.5.4 Ảnh hưởng của các yếu tố vật lý và hóa học đến sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong nước 34

1.5.4.1 Hàm lượng oxy hòa tan 34

1.5.4.2 Nhiệt độ 35

1.5.4.3 Độ pH 35

1.5.4.4 Thành phần các chất trong nước 36

1.6 Hiện trạng hệ thống xử lý nước thải của công ty Giây Bãi Bằng 38

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 43

2.1 Đối tượng nghiên cứu 43

2.2 Mục tiêu nghiên cứu 43

2.3 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị chính sử dụng cho nghiên cứu 44

2.3.1 Hóa chất 44

2.3.2 Dụng cụ và thiết bị 45

2.4 Bổ sung dinh dưỡng 47

2.5 Phương pháp nghiên cứu 48

2.6 Các phương pháp phân tích xác định các thông số chất lượng nước thải 50

2.6.1 Xác định pH và nhiệt độ 50

2.6.2 Xác định COD 50

2.6.3 Xác định MLSS 51

2.6.4 Xác định chỉ số thể tích bùn (SVI) 52

2.6.5 Xác định hàm lượng amoni bằng phương pháp so màu chỉ thị nessler 53

2.6.6 Xác định photpho bằng phương pháp đo quang với thuốc thử amonimolipdat – vanadat 55

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 58

3.1 Đặc trưng về khả năng xử lý của hệ thống xử lý nước thải Công ty Giấy Bãi Bằng 58

3.2 Nghiên cứu xử lý nước thải ngành giấy bằng phương pháp sinh học hiếu khí quy mô phòng thí nghiệm 60

3.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất vi lượng tới hoạt động sinh sống và

phát triển của vi sinh vật 60 3.2.2 Nghiên cứu trên quy mô phòng thí nghiệm so sánh khả năng xử lý giữa

HTXLNT – Công ty Giấy Bãi Bằng và mô hình thí nghiệm với việc bổ

sung dinh dưỡng cần thiết cùng với các nguyên tố vi lượng 63

3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng phân vi lượng đến hiệu quả xử lý

COD 66 3.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng phân vi lượng 67 3.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của SVI tới khả năng xử lý COD giữa bổ sung N,

P với bổ sung vi lượng 70

3.4 Nghiên cứu thử nghiệm xử lý nước thải ngành giấy trên quy mô pilot 1

m 3 75 3.4.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng tới hiệu quả xử lý

COD trong pilot 1 m3 76 3.4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của SV30, MLSS và SVI tới hiệu quả xử lý

COD 77 3.4.3 Nghiên cứu nhu cầu sử dụng dinh dưỡng của vi sinh vật 80

3.5 Nghiên cứu so sánh hiệu quả xử lý giữa mô hình thí nghiệm và mô hình

pilot 83 3.5.1 Nghiên cứu so sánh hiệu quả xử lý COD giữa mô hình thí nghiệm và mô

hình pilot 1 m3

83 3.5.2 Nghiên cứu so sánh các thông số MLSS và chỉ số thể tích của bùn SVI

tới khả năng xử lý nước thải giấy giữa quy mô phòng thí nghiệm và quy 86

mô pilot

3.5.3 Nghiên cứu sự khác nhau giữa bổ sung N, P và vi lượng với bổ sung chất dinh dưỡng thông thường N và P 88

3.6 Xây dựng quy trình bổ sung thích hợp và tính toán sơ bộ chi phí 89

KẾT LUẬN 91

KIẾN NGHỊ 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

PHỤ LỤC 97

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

Aeroten Bể xử lý sinh học hiếu khí bằng bùn hoạt tính

Anaerobic Bể sinh học yếm khí

BOD5 Biological Oxygen Demand 5 days

(Nhu cầu oxy sinh học sau 5 ngày)

Nhu cầu oxy hóa học HCCN Hóa chất công nghiệp

MBBR Moving Bed BioReactor

(Vi sinh dính bám trên lớp vật liệu mang di chuyển)

MLSS Mixed liquoz Suspended Solids

(Chất rắn lơ lửng trong bùn lỏng)

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TKPT Tinh khiết phân tích

TSS Total Suspended Solids

(Tổng chất rắn hòa tan)

VSS Volatile Suspended Solids

(Chất rắn lơ lửng dễ bay hơi)

(Microorganism)

SV30 Thể tích bùn sau lắng 30 phút SVI Sludge volume index

(Chỉ số thể tích bùn)

Chương 1 Tổng quan

Bảng 1.1 Đặc tính nước thải công nghệ sản xuất bột hóa……… 4

Bảng 1.2 Đặc tính nước thải công nghệ sản xuất bột hóa nhiệt cơ……… 5

Bảng 1.3 Bảng đặc tính nước thải giấy khử mực……… 9

Bảng 1.4 Đặc tính nước thải của quá trình xeo giấy……… 12

Bảng 1.5 Tình hình sử dụng và thu gom giấy phế liệu của một số nước điển hình trên thế giới……… 13

Bảng 1.6 Ô nhiễm của nhà máy giấy và bột giấy điển hình tại Việt Nam……… 16

Bảng 1.7 Các vi sinh vật phân hủy xenlulose……… 31

Bảng 1.8 Nhu cầu cần thiết về muối khoáng đối với vi khuẩn, nấm và xạ khuẩn 35

Chương 2 Thực nghiệm Bảng 2.1 Danh mục các hóa chất sử dụng trong nghiên cứu……… 44

Bảng 2.2 Danh mục các thiết bị sử dụng trong nghiên cứu……… s 45 Bảng 2.3 Xây dựng đường chuẩn amoni……… 55

Bảng 2.4 Xây dựng đường chuẩn photpho……… 57

Chương 3 Kết quả và thảo luận Bảng 3.1 Thông số khảo sát HTXLNT Công ty Giấy Bãi Bằng……… 59

DANH MỤC CÁC

BẢNG

Bảng 3.2 Kết quả nghiên cứu so sánh hiệu quả xử lý COD……… 61

Bảng 3.3 Kết quả nghiên cứu so sánh hiệu quả sử dụng hàm lượng NH4+ 61

Bảng 3.4 Kết quả nghiên cứu so sánh hiệu quả sử dụng hàm lượng PO43- 62

Bảng 3.5 Kết quả nghiên cứu so sánh hiệu quả xử lý COD giữa HTXLNT và quy mô

phòng thí nghiệm 64

Bảng 3.6 Kết quả nghiên cứu so sánh hiệu quả sử dụng hàm lượng NH4+ 64

Bảng 3.7 Kết quả nghiên cứu so sánh hiệu quả sử dụng hàm lượng PO43- 65

Bảng 3.8 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng vi lượng tới khả năng loại bỏ

COD 68

Bảng 3.9 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của V30 MLSS và SVI tới khả năng xử lý

COD nước thải giấy bằng phương pháp sinh học hiếu khí 72

Bảng 3.10 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của SVI tới khả năng xử lý COD nước thải

giấy bằng phương pháp sinh học hiếu khí 73

Bảng 3.11 Kết quả nghiên cứu khả năng sử dụng NH4+ trong nước thải giấy bằng

phương pháp sinh học hiếu khí 74

Bảng 3.12 Kết quả nghiên cứu tới khả năng sử dụng PO43- trong nước thải giấy bằng

phương pháp sinh học hiếu khí 74

Bảng 3.13 Kết quả nghiên cứu hiệu quả xử lý COD của nước thải giấy trên quy mô pilot

mô pilot 1 m3

Bảng 3.17 Kết quả nghiên cứu so sánh hiệu quả xử lý COD giữa mô hình thí nghiệm và

quy mô pilot 1 m3 85

Bảng 3.18 Kết quả nghiên cứu so sánh thông số MLSS và chỉ số SVI tới hiệu quả xử lý

COD giữa quy mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot 1 m3 87

Bảng 3.19 Kết quả nghiên cứu so sánh hiệu quả sử dụng NH4+ và PO43- giữa quy mô

phòng thí nghiệm và quy mô pilot 1 m3

89

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất bột hóa và các dòng thải……… 4

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ sản xuất bột hóa nhiệt cơ……….….………… 6

Hình 1.3 Sơ đồ công nghệ sản xuất giấy tái chế có khử mực……….……… 8

Hình 1.4 Sơ đồ công nghệ xeo giấy……… 10

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải……… 40

Chương 2 Thực nghiệm Hình 2.1 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm xử lý nước thải……… 49

Hình 2.2 Đồ thị đường chuẩn amoni……… 55

Hình 2.3 Đồ thị đường chuẩn photpho……… 57

Chương 3 Kết quả và thảo luận Hình 3.1 Sự biến thiên COD, NH4+, PO43- khi không sử dụng chất dinh dưỡng và khi sử dụng các nguyên tố vi lượng……… ……… 62

Hình 3.2 Hiệu xuất loại bỏ COD và hiệu quả sử dụng NH4+, PO43-……… 65

Hình 3.3 Hiệu xuất loại bỏ COD ở các hàm lượng vi lượng khác nhau………… 68

Hình 3.4 Mối quan hệ giữa SVI và hiệu xuất loại bỏ COD 75

Hình 3.5 Mối quan hệ giữa hiệu xuất loại bỏ COD và hiệu quả sử dụng NH

4+, 75

PO43-

Hình 3.6 Sự phụ thuộc của hiệu quả xử lý COD vào các nguyên tố vi lượng 78

Hình 3.7 Mối quan hệ giữa V30,SVI và hiệu xuất loại bỏ COD 80

Hình 3.8 Mối quan hệ giữa hiệu xuất loại bỏ COD và hiệu quả sử dụng chất dinh

dưỡng 83

Hình 3.9 So sánh hiệu quả xử lý COD của phòng thí nghiệm và quy mô pilot 86

Hình 3.10 So sánh V30, MLSS, SVI giữa quy mô phòng thí nghiệm và quy mô

pilot 88

Hình 3.11 So sánh hiệu quả sử dụng chất dinh dưỡng giữa quy mô phòng thí

nghiệm và quy mô pilot 90

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, các ngành sản xuất công nghiệp cũng được mở rộng và phát triển nhanh chóng Sự phát triển này, một phần đóng góp tích cực cho sự phát triển chung của đất nước; nhưng bên cạnh đó lại thải ra một lượng lớn chất thải có thể gây ô nhiễm môi trường và tác động xấu đến sức khỏe con người

Ô nhiễm môi trường đang ngày càng trở nên trầm trọng, nhất là với các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam, đặc biệt là ô nhiễm môi trường nước Một trong những nguồn nước thải gây có thể ô nhiễm lớn là từ các nhà máy sản xuất bột giấy và giấy Ngành giấy cũng là một trong những ngành tiêu thụ một lượng rất lớn nước, hóa chất, nguyên liệu và năng lượng cho một đơn vị sản phẩm Theo tính toán, ở Việt Nam để sản xuất một tấn giấy cần từ 200 – 300 m3 nước sạch, nhưng đối với các nước phát triển với dây chuyền sản xuất công nghệ hiện đại để sản xuất một tấn giấy chỉ sử dụng từ 7 – 15m3 nước sạch [13]

Nhìn chung công nghệ sản xuất giấy của Việt Nam còn lạc hậu so với thế giới

từ 15 năm trở lên, một thực tế nữa là các cơ sở sản xuất giấy của chúng ta đa số nhỏ

lẻ, phân tán về quy mô, hạn chế về tài chính, không có đủ điều kiện đầu tư cho xử lý môi trương, chính điều này đã làm cho môi trường ngành giấy bị ô nhiễm này càng trầm trọng, công tác quản lý gặp nhiều khó khăn Riêng trong lĩnh vực xử lý môi trường có thể nói chưa có nhiều nhà máy có hệ thống xử lý nước thải triệt để Toàn ngành giấy, ở miền Bắc chỉ duy nhất có Công ty Giấy Bãi Bằng có hệ thống xử lý nước thải khá hoàn thiện, tuy nhiên vấn đề xử lý nước thải cũng vẫn chưa thật hiệu quả Việc chuyển đổi áp dụng các công nghệ hiện đại như vậy là hoàn toàn không khả thi với những nhà máy vừa và nhỏ phần lớn là thuộc địa phương hoặc công ty

tư nhân chưa kể các làng nghề giấy truyền thống phân bố gần các khu vực dân cư nên bị ảnh hưởng rất lớn về vấn đề nước thải Cần nói thêm là ở Việt Nam, các doanh nghiệp vừa và nhỏ đang sản xuất tới 75% sản lượng giấy, đồng nghĩa với việc nguồn nước đang bị sử dụng lãng phí, còn môi trường đang phải gánh chịu một

lượng nước thải rất lớn chưa qua xử lý [21] Hiện nay, khi mà Luật Môi Trường đang được đôn đốc thực thi nghiêm túc (nhất là khi Việt Nam đã chính thức trở thành thành viên của tổ chức Thương Mại Thế Giới – WTO) thì nhiều nhà máy bột giấy và giấy ở nước ta đang đứng trước nguy cơ đóng cửa do sức ép từ phía các cơ quan chức năng và dư luận về vấn đề môi trường Giải quyết bài toán xử lý nước thải bột giấy và giấy là vấn đề mang ý nghĩa sống còn với nhiều nhà máy bột giấy ở nước ta [20]

Công ty Giấy Bãi Bằng – Tổng công ty Giấy Việt Nam (đóng tại Thị Trấn Phong Châu – Huyện Phù Ninh – Tỉnh Phú Thọ) là đơn vị có công nghệ sản xuất hiện đại nhất ngành giấy nước ta nhưng cũng đã lạc hậu so với khu vực và thế giới vài chục năm Lượng nước thải sinh ra trong quá trình sản xuất một bột giấy xấp xỉ

55 – 60m3 Tính cả các công đoạn xeo giấy, sản xuất điện hơi, hóa chất tẩy thì lượng nước thải sinh ra khi sản xuất một tấn bột giấy thường dao động trong khoảng

100 – 120m3

Năm 2003, là năm đánh dấu một giai đoạn mới trong vấn đề xử lý ô nhiễm môi trường của Công ty Giấy Bãi Bằng, thể hiện ở việc mở rộng sản xuất, nâng công suất nhà máy giấy Bãi Bằng lên 110.000 tấn giấy/năm, đồng thời đầu tư công nghệ mới cho xử lý nước thải, giải quyết ô nhiễm một cách triệt để liên hoàn Đây là

hệ thống xử lý nước thải hiện đại nhất của ngành giấy Việt Nam hiện nay theo công nghệ của Thụy Điển, với quy mô xử lý 30.000 m3 nước thải/ngày [13] Nhờ đó với lượng trung bình 26.000 m3 nước thải mỗi ngày mà nhà máy thải ra đều được thu gom và xử lý qua hệ thống xử lý tập trung theo cả hai phương pháp hóa lý và sinh học [17]

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Công nghệ sản xuất bột giấy, giấy và đặc tính của nước thải

1.1.1 Công nghệ sản xuất bột giấy và đặc tính nước thải

Quá trình sản xuất bột giấy là quá trình biến đổi các nguyên liệu gỗ hoặc phi

gỗ thành xơ sợi, hay nói cách khác là phá vỡ các liên kết trong cấu trúc của nguyên liệu mà thành phần chính của nó là xenlulozơ (40 – 45%), hemixenlulozơ (20 – 30%), là các hợp chất cao phân tử (polyme), được bao bọc xung quanh bởi lignin (20 – 30%) và các chất trích ly (chất keo nhựa) (2 – 15%) Quá trình này có thể được thực hiện bằng phương pháp cơ học, hoá học hoặc phối kết hợp giữa các phương pháp này Chất lượng bột thu được phụ thuộc chủ yếu vào nguồn gốc, hay chủng loại nguyên liệu và công nghệ sản xuất [23]

 Công nghệ sản xuất bột hóa

Trong sản xuất bột hóa, các dăm gỗ được nấu với những hóa chất thích hợp trong dung dịch ở nhiệt độ cao và áp suất cao Mục đích để tách lignin ra khỏi gỗ để thu hồi cellulozơ và hemicellulozơ là những hợp chất chủ yếu tạo nên giấy mà không làm ảnh hưởng đến xơ sợi Thực tế, phương pháp này rất thành công trong việc loại lignin ra khỏi bột giấy Tuy nhiên nó cũng làm giảm và phân hủy phần nào cellulozơ và hemicellulozơ Tùy theo hóa chất được nấu mà người ta phân biệt ra các phương pháp: kiềm, sunfit và sunfat Phần lignin còn sót lại sau khi nấu sẽ làm cho bột giấy có màu vàng hay nâu Vì thế phải rửa sạch và tẩy bột giấy để sử dụng làm giấy in và giấy viết có độ trắng cao Các hóa chất sau nấu được thu hồi gần hết

bằng biện pháp đốt, nên nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm vừa phải, xem Hình

1.1 Lignin trong dịch rửa được cô đặc và đốt để thu hồi nhiệt

Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất bột hóa và các dòng thải [20]

Sản phẩm giấy

Lò hơi đốt than

Cô đặc (chưng bốc)

Xeo giấy Tẩy trắng

Sàng bột Lọc cát (làm sạch)

Rửa bột Nấu bột

Lò hơi thu hồi Bụi, khí có mùi (H 2 S, mecaptan ), chất hữu cơ bay hơi, hợp chất Clo, SO 2 , CO 2 , NOx

KL nặng,Màu Bột và giấy

Nước thải Khí thải

Bùn thải

Bảng 1.1 Đặc tính nước thải công nghệ sản xuất bột hóa[20]

 Công nghệ sản xuất bột hóa nhiệt cơ

Phương pháp hóa nhiệt cơ – phương pháp sản xuất bột hiệu xuất cao – là phương pháp kết hợp giữa cơ, nhiệt và hóa học Về cơ bản, dăm gỗ đầu tiên được làm mềm bằng biện pháp thẩm thấu hóa chất ở nhiệt độ (trung bình thông thường là 80 ÷ 900

C)

và thời gian thích hợp, sau đó được thực hiện bằng cơ học, thông thường là nghiền xem hình 1.2 Hiệu suất bột thường nằm trong khoảng từ 75 – 85% do mức độ xử lý hóa chất nhẹ nhàng, nên hàm lượng lignin trong bột còn lại cao Khác với sản xuất bột hóa học, mức độ loại bỏ lignin gần như hoàn toàn, nên có hiệu xuất thu hồi bột thấp (< 50%) Đặc tính nước thải trước khi đưa vào xử lý được đưa ra trong bảng 1.2 dưới đây Nước thải có hàm lượng các chất ô nhiễm cao hơn so với sản xuất bột hóa do không có biện pháp đốt thu hồi hóa chất nấu và lignin

Bảng 1.2 Đặc tính nước thải công nghệ sản xuất bột hóa nhiệt cơ

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ sản xuất bột hóa nhiệt cơ

Gỗ nguyên liệu

Chặt mảnh

Đóng kiện

Làm sạch Nghiền tinh

 Công nghệ sản xuất bột giấy tái chế

Bột giấy còn được sản xuất từ giấy loại đã qua sử dụng, tùy thuộc vào loại nguồn gốc nguyên liệu và yêu cầu sản phẩm giấy cần phải sản xuất mà trong quy trình sản xuất bột tái chế được chia làm 02 loại:  Công nghệ tái chế nguyên liệu từ lề - hòm hộp cũ, bột sau khi tách loại tạp chất, phân loại xơ sợi bột giấy sẽ được sử dụng cho sản xuất giấy bao gói, hòm hộp công nghiệp:  Công nghệ tái sinh các loại giấy văn hóa (giấy in báo, giấy in, giấy viết …) thường có thêm công đoạn khử mực (bột DIP: De-Inking Pulp) Sau quá trình khử mực thường gồm có công đoạn tẩy trắng riêng biệt, sử dụng hydro peoxit hoặc muối hydrosulphit Bột giấy sau tái chế thường có độ trắng nhất định tùy thuộc vào nguyên liệu đầu vào Bột giấy tái chế sẽ được sử dụng một phần cho quá trình sản xuất giấy in báo, giấy in, giấy viết, giấy in tạp chí [21]

Dưới đây là sơ đồ công nghệ của quá trình tái chế giấy Hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ công nghệ sản xuất giấy tái chế có khử mực [21]

Nguyên liệu (Bìa carton, giấy loại văn phòng, báo loại…)

Đánh tơi thủy lực

Xử lý nhiệt (Tách băng keo, nhựa)

Làm sạch thô

(Sàng thô- Lọc cát nồng độ cao)

Khử mực - Tẩy - Rửa

Làm sạch tinh (Sàng – Lọc cát tinh)

Bảng 1.3 Bảng đặc tính nước thải giấy khử mực

vì vậy mà lượng bùn sinh ra trong quá trình sản suất bột giấy khử mực là rất lớn [21]

1.1.2 Công nghệ sản xuất giấy (xeo giấy) và đặc tính nước thải

Nguyên tắc hoạt động

Hình 1.4 Sơ đồ công nghệ xeo giấy [14]

Hiện nay, hầu hết các nhà máy sản xuất giấy đều sử dụng công nghệ gia keo kiềm tính thay thế cho công nghệ gia keo trong môi trường axít trước đây Máy xeo giấy sử dụng phổ biến là các loại máy xeo lưới dài và máy xeo lưới đôi với các hòm phun thủy lực có thể điều khiển chế độ dòng chảy của dòng bột theo chiều ngang của băng giấy Sau khi có bột, giấy được sản xuất trên máy xeo giấy bao gồm các công đoạn: chuẩn bị bột (nghiền, sàng, làm sạch, phối trộn với các phụ gia…), hình thành trên

lưới, hộp, sấy, cuộn, thành phẩm giấy (xem Hình 1.4) Trước khi đưa vào máy xeo, bột

được nghiền nhỏ để làm đồng đều và mềm mại, sau đó bột được phối trộn với phụ gia như: bột đá, tinh bột, cationic, keo AKD và một số chất khác ở tỷ lệ nhất định rồi bơm lên hòm phun bột của máy xeo Từ đây bột được phun lên lưới hình thành tờ giấy ướt, sau đó được tách nước, sang hệ thống hộp sấy, gia keo bề mặt (có hoặc không) làm

thủy lực

Nghiền, sàng, lọc cát

Ép, sấy trước, gia keo

Nước thải chứa sơ sợi, cát

Cuộn, Cắt cuộn

Thành phẩm

giấy

Sấy sau,

Ép quang

Nước thải chứa

sơ sợi, chất phụ gia

Hòm lưới hình thành

nhẵn bề mặt rồi được chuyển sang bộ phận hộp quang, cuộn, cắt khổ và chuyển đến bộ

phận bao gói và gia công [14, 20] Các hóa chất thường sử dụng như sau: [17, 18]

 Nhóm keo: Là các chất có tác dụng gia keo trên bề mặt hoặc gia keo nội bộ tờ giấy

nhằm làm tăng khả năng chống thấm chất lỏng (nước) của giấy Ví dụ: keo nhựa thông, nhựa thông biến tính, nhựa thông phân tán, AKD, ASA…

 Nhóm chất độn: Là những chất trộn lẫn vào trong bột giấy, nó vừa có vai trò thay

thế bớt lượng xơ sợi trong giấy đồng thời tăng độ nhẵn, độ đục, độ đồng đều bề mặt Ví dụ: cao lanh, CaCO3 nghiền hoặc kết tủa…

 Nhóm phụ gia, phẩm màu: Là những chất cho vào hỗn hợp bột giấy làm cho giấy

có chất lượng cao hơn, tăng một số tính chất thẩm mỹ như màu, độ bóng láng, giảm giá thành sản phẩm Tỷ lệ của nhóm chất này chiếm một lượng nhỏ trong giấy Ví dụ: polyacrylamit, tinh bột cation, chất tăng trắng, chất khử bọt…

Trong một các công đoạn của quá trình xeo giấy tuy không thải ra môi trường các hoá chất độc hại nhưng lại thải ra môi trường một lượng lớn nước thải có chứa:

 Lượng đáng kể xơ xợi xelulozơ từ phần tách loại từ các công đoạn làm sạch cùng

sơ sợi, sạn cát Thông thường, để sản xuất 1 tấn giấy thì thải ra môi trường 50 –

150 kg xơ xợi

 Phần nước lọc ra từ thiết bị tách nước có chứa sơ sợi,bột đá và các chất phụ gia

Đặc tính nước thải sản xuất giấy như ở Bảng 1.4

Bảng 1.4 Đặc tính nước thải của quá trình xeo giấy

1.2.1 Đặc thù của ngành giấy thế giới và tình hình ô nhiễm môi trường

Do xu hướng phát triển chung của nền kinh tế trên thế giới, dẫn tới mức tiêu thụ giấy cũng tăng, công nghiệp giấy ngày càng phát triển Hiện nay, bình quân thế giới hiện là: 54 Kg/người/năm Một số nước có nền sản xuất bột lớn như: Canada, Thụy điển, Phần lan, Mỹ, Braxin, công nghiệp giấy từ buổi đầu sơ khai là kết những cây cỏ lại với nhau thành tấm, thì giờ đây đã được tự động hoá về mọi mặt, cả về công nghệ lẫn thiết bị, đã có hẳn những công ty lớn chuyên về hoá chất ngành giấy Trên thế giới

có rất nhiều nhà máy công suất 1 triệu tấn/năm với những dàn xeo khổ rộng 9 m, 12 m tốc độ 1700m/phút [9, 20]

Với thiết bị công nghệ hiện đại, chu trình sản xuất tuần hoàn khép kín Chính vì thế với các nhà máy sản xuất giấy và bột giấy trên thế giới hiện nay lượng nước cung cấp cho sản xuất bột giấy và giấy đã giảm tới mức tối đa 7 – 15 m3 nước/1 tấn giấy và nhất là lượng hóa chất trong quá trình nấu bột được tuần hoàn khép kín không bị tổn

thất ra ngoài nhiều như các công nghệ lạc hậu, hơn nữa trong công đoạn xeo giấy nước trắng sinh ra được xử lý tuần hoàn lại, cho nên giảm được lượng nước thải và các hóa chất trong quá trình xeo giấy

Trên thế giới hiện nay không những sản xuất bột giấy và giấy từ gỗ mà công nghệ sản xuất bột giấy và giấy từ giấy phế liệu đã qua sử dụng cũng rất là phát triển, với mục đích nhằm thu hồi lại giấy đã qua sử dụng đồng thời cũng làm giảm quá trình khai thác nguồn nguyên liệu từ thiên nhiên (như gỗ, nước, điện, than, hóa chất…) xem

Hà Lan

Úc Nhật Bản USA Thụy Điển Phần Lan Canada

42 Với đặc thù ngành sản xuất giấy trên thế giới của các nước phát triển là sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên, tiết kiệm năng lượng, nước sạch và phát thải ít, nên lượng nước thải thải ra môi trường không bị ô nhiễm nặng nề như các nước đang phát triển

Và một điều quan trọng là họ đã có những ứng dụng công nghệ hiện đại và điều kiện

để xây dựng, vận hành hệ thống xử lý nước thải hiệu quả [13]

1.2.2 Đặc thù của ngành giấy Việt Nam và tình hình ô nhiễm môi trường

Hiện nay, các nước phát triển có mức sử dụng giấy tính theo đầu người là 200 – 300kg/năm, các nước Đông Nam á cũng đạt 30 – 100 kg/năm Trung bình những năm qua, nước ta nhập khoảng trên dưới 100 ngàn tấn giấy các loại mỗi năm Tính về số giấy sản xuất trong nước thì Việt Nam mỗi năm tiêu thụ gần 300 ngàn tấn, tính theo đầu người đạt xấp xỉ 4kg/năm Đây là chỉ số rất quan trọng trong việc đánh giá mức

độ phát triển văn hóa Theo chỉ số này Việt Nam đứng cuối cùng trong khu vực và thuộc loại thấp nhất thế giới [21]

Ở Việt Nam công nghiệp giấy còn rất nhỏ bé Năng lực sản xuất bột giấy đạt khoảng 150 – 170 ngàn tấn/năm, năng suất thiết kế của các cơ sơ sản xuất giấy vào khoảng 250 ngàn tấn/năm Trong những năm gần đây sản lượng giấy trong nước đạt khoảng 200 – 250 ngàn tấn/năm, trong đó bột giấy khoảng 120 – 150 ngàn tấn Lượng bột giấy thiếu hụt được bù đắp bằng việc xử lý giấy cũ và bột nhập khẩu

Về sản phẩm, ngành đã sản xuất được các loại giấy chủ yếu là: giấy in báo, giấy

in, giấy viết, giấy vệ sinh, sinh hoạt, giấy bao bì, giấy vàng mã nội địa và xuất khẩu Chất lượng giấy nói chung chỉ đạt mức trung bình hoặc dưới trung bình so với khu vực và trên thế giới Những loại giấy khác (giấy bao bì chất lượng cao, giấy kỹ thuật như: các loại giấy lọc, giấy cách điện,…) được nhập khẩu

Đặc điểm nổi bật của ngành giấy Việt Nam là rất phân tán Với tổng sản lượng (trên 200 ngàn tấn/năm) tương đương một xí nghiệp trung bình ở các nước phát triển, ngành giấy Việt Nam có tới khoảng 100 cơ sở sản xuất Qui mô vô cùng đa dạng và phân bố khắp ba miền Bắc, Trung, Nam Ngoài ba cơ sở Bãi Bằng, Tân Mai, Đồng

Nai có qui mô sản xuất trên 10 ngàn tấn/năm đến 50 ngàn tấn/năm, các cơ sở còn lại

có qui mô rất nhỏ, từ vài trăm tấn đến 5000 – 7000 tấn/năm [17, 18]

Về nguyên liệu, ngành sản xuất giấy Việt Nam sử dụng hai loại nguyên liệu chủ yếu là tre nứa và gỗ lá rộng mọc nhanh (bồ đề, mỡ, keo, bạch đàn…) Một vài cơ sở sử dụng bã mía nhưng không đáng kể Để sản xuất khoảng 130 – 150 ngàn tấn bột giấy một năm như hiện nay, ngành giấy sử dụng khoảng 700 ngàn tấn nguyên liệu qui chuẩn (độ ẩm 50%) Nếu tính sinh khối rừng nguyên liệu tăng trưởng mỗi năm khoảng

12 ÷ 15 tấn/ha và sản lượng rừng nguyên liệu giấy đến kỳ khai thác của Việt Nam dưới 100 tấn/ha, thì diện tích rừng bị khai thác cho ngành giấy không phải nhỏ

Lượng giấy cũ sử dụng để tái sinh trong sản xuất ở nước ta còn thấp, tuy chưa có thống kê chính xác nhưng được đánh giá khoảng 10 – 15% so với tổng lượng bột giấy

sử dụng Đó là con số quá khiêm tốn vì ở nhiều nước trên thế giới chỉ số này đạt trên dưới 50% Nhiều vùng trong khu vực (Hàn Quốc, Đài Loan) nhập khẩu rất nhiều giấy

cũ để chế biến và tái sử dụng rất có hiệu quả vì vừa không phải khai thác rừng tự nhiên, lại vừa không phải tổ chức sản xuất bột giấy vừa tốn kém, vừa ô nhiễm môi trường

Về công nghệ, ngành giấy Việt Nam còn lạc hậu và ở trình độ rất thấp Sản xuất bột giấy là khâu có ảnh hưởng mạnh nhất tới môi trường

Bột giấy ở nước ta được sản xuất chủ yếu ở Bãi Bằng bằng phương pháp nấu sunfat (sản xuất bột hóa học) Công ty giấy Bãi Bằng có sản lượng bột giấy chiếm 20 – 30% sản lượng bột giấy toàn ngành Bột giấy ở đây được nấu từ gỗ bồ đề, mỡ, bạch đàn, keo,… (khoảng 50%) và tre nứa (khoảng 50%), theo phương pháp sunphat (dịch nấu là hỗn hợp các dung dịch NaOH và Na2S) Dịch đen sau nấu, rửa, tẩy bột giấy được cô đặc và đốt (không phải nơi nào cũng xử lý như vậy, có nơi thải trực tiếp ra nguồn nước) Khoảng 55% sinh khối nguyên liệu hòa tan vào dịch đen biến thành CO2khi đốt Hóa chất nấu được bổ sung ở dạng sunphat natri (nên gọi là phương pháp

sunphat) và được thu hồi để dùng lại Bởi vậy, ô nhiễm sinh ra ở khu này chủ yếu là khí có mùi, chất hữu cơ, hóa chất kiềm tính rò rỉ và khói lò đốt thu hồi [2]

Công đoạn sản xuất giấy bao gồm nghiền bột, pha chế với các chất phụ gia, xeo giấy và hoàn thiện sản phẩm Các chất ô nhiễm phát sinh và ở công đoạn này không lớn vì nước sản xuất được quay vòng sử dụng theo chu trình khép kín, nước thải chỉ đem theo một lượng nhỏ hóa chất không độc hại, có pH thường là 5.5 – 6.0, và một tỷ

lệ rất nhỏ sơ sợi vụn, ngắn thoát qua lưới xeo Việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật trong sử dụng quay vòng nước trắng (nước trong chu trình) như sử dụng chất tuyển nổi thu hồi xơ sợi và chất phụ gia, tận thu xơ sợi trên tuyến nước thải như ở công ty giấy Bãi Bằng đã làm giảm đáng kể tình trạng ô nhiễm môi trường

Tuy nhiên, điều đáng nói là ngoài công ty giấy Bãi Bằng có thiết kế công nghệ và trang thiết bị khá hoàn chỉnh, nhưng nhiều xí nghiệp giấy khác sản xuất theo phương pháp công nghệ rất “không môi trường” Đó là công nghệ nấu bột giấy từ những loại nguyên liệu khác nhau bằng dung dịch xút (NaOH) ở nhiệt độ cao (130 – 1700C), không có thu hồi hóa chất Toàn bộ dịch đen sau nấu (hỗn hợp của các hóa chất và các thành phần nguyên liệu đã hòa tan) được thải ra môi trường Các xí nghiệp sản xuất giấy theo công nghệ như vậy có nước thải với hàm lượng BOD5 và COD rất cao, vượt xa tiêu chuẩn cho phép [2] Tổng lượng nước thải và giá trị ô nhiễm cho một

tấn giấy ở Việt Nam được trình bày như trong Bảng 1.6

Bảng 1.6 Ô nhiễm của nhà máy giấy và bột giấy điển hình tại Việt Nam

Nhìn chung, có thế thấy đặc thù của ngành giấy được mô tả như sau [15]:

- Thiết bị cũ và lạc hậu chiếm hần hết ở các đơn vị nhỏ và vừa (chiếm hơn 98% số lượng đơn vị và 66% năng lực sản xuất, công nghệ cũ gây ô nhiễm cao)

- Chi phí vốn đầu tư lớn (1800 USD/1 tấn giấy từ cây nguyên liệu và 1000÷1200 USD/1tấn giấy từ bột giấy)

- Thu hồi vốn chậm, lợi nhuận thấp, rủi ro lớn

- Chi phí xử lý chất thải cao, chiếm 20÷25% tổng chi phí đầu tư

- Chu kỳ kinh doanh trồng cây nguyên liệu dài, thường 7÷9 năm với cây nguyên liệu sợi ngắn, 15÷20 năm với cây nguyên liệu sợi dài Như vậy, đầu tư trồng cây nguyên liệu cũng cần nhiều vốn và chứa nhiều rủi ro, …

1.3 Xử lý nước thải của quá trình sản xuất giấy

Hiện nay, hệ thống xử lý nước thải ở các nhà máy sản xuất bột giấy và giấy gồm hai phần: xử lý nội vi và xử lý ngoại vi Xử lý nội vi thực chất là quá trình xử lý nước thải ra tuần hoàn trở lại để sản xuất bột và giấy, đặc biệt từ “nước trắng” dư thừa có thể xử lý tuần hoàn tái sử dụng triệt để Nước thải trong quá trình sản xuất bột giấy và giấy khi ra khỏi phân xưởng gồm hai nguồn chính [14]:

- Nguồn nước thải từ công đoạn sản xuất bột giấy: Thành phần chính trong nước

thải là lignin, xút, clo, các chất keo nhựa cây…

- Nguồn nước thải từ công đoạn xeo giấy: Thành phần trong nước thải gồm nước

thải rơi rớt, nước trắng dư thừa, nước vệ sinh, nước ở bơm chân không, nước phun rửa chăn lưới xeo, nước làm mát, sơ sợi mịn, bột đá…

Nước thải trong quá trình sản xuất bột giấy và giấy chứa nhiều các chất rắn lơ lửng, lignin, hóa chất tẩy trắng bột, chất phụ gia và các chất hữu cơ hòa tan Tiêu chuẩn về nước thải trong sản xuất bột giấy và giấy ở Việt Nam được thực hiện theo

QCVN 12 : 2008/BTNMT cho nhà máy bột giấy và giấy và QCVN 40 : 2011/BTNMT cho nhà máy công nghiệp

Hệ thống xử lý nước thải hiện đại áp dụng cho nhà máy bột giấy và giấy bao gồm nhiều cấp, tùy theo yêu cầu chất lượng nước thải, nguồn tiếp nhận của các nước khác nhau mà hệ thống xử lý nước thải khác nhau Tuy nhiên, hệ thống xử lý nước thải thông thường cho nhà máy bột giấy và giấy sẽ bao gồm các công đoạn sau: Tiền xử lý,

xử lý cấp I, xử lý cấp II và xử lý cấp III Sự giảm ô nhiễm đạt được phụ thuộc vào chất lượng nguồn nước thải và công nghệ,thiết bị của hệ thống xử lý Tỷ lệ giảm các thông

số ô nhiễm của một số thiết bị và hệ thống trong các công đoạn xử lý được chỉ ra ở tài liệu tham khảo [20, 21]

1.3.1 Tiền xử lý

Đây là quá trình xử lý hoàn toàn bằng vật lý Nước thải được thu gom và qua hệ thống sang để giữ lại các chất rắn có kích thước lớn rồi tập trung ở bể thu gom nước thải Đây là bước xử lý sơ bộ, mục đích của quá trình này là khử tất cả các tạp chất, vật thể có thể gây ra sự cố trong quá trình vận hành hệ thống xử lý nước thải Từ bể thu gom, nước thải sẽ được bơm lên hệ thống sàng hoặc lưới lọc để thu hồi sơ sợi có trong nước thải Nước sau khi sàng, lọc sẽ được đưa sang bể chứa trung gian hoặc bể cân bằng trước khi đưa sang xử lý cấp I

1.3.2 Xử lý sơ cấp (xử lý cấp I)

Quá trình xử lý cấp I là quá trình tách loại các chất lơ lửng có trong nước thải Tuy nhiên, ở tuyển nổi bằng vi khí, tùy theo công nghệ áp dụng có thể làm giảm chỉ số COD của nước thải (45% ÷ 75%) Có nhiều phương pháp xử lý lý – hóa có thể áp dụng, nhưng thông dụng hơn cả là phương pháp lắng và phương pháp tuyển nổi, hoặc kết hợp cả phương pháp lắng và phương pháp tuyển nổi

Trong phương pháp lắng, các chất rắn sẽ lắng xuống nhờ trọng lực Một trong những thông số quan trọng của phương pháp lắng là tải trọng bề mặt (đó chính là lưu lượng trên một đơn vị bề mặt lắng theo thời gian (giờ)) Bể lắng thông thường có chiều

cao khoảng 3 ÷ 5 m và thời gian lưu khoảng 6 ÷ 12 giờ Đường kính của bể lắng hình tròn không nên lớn hơn 50 m và chiều rộng của bể lắng hình chữ nhật không nên lớn hơn 30 m, thì khi đó nguy cơ bị xáo trộn do gió và phá vỡ dòng chảy Để tăng cường hiệu quả lắng, các chất keo tụ và tạo bông được bổ sung, các chất rắn lắng xuống tạo thành bùn và được lấy ra bằng các thiết bị nạo bùn hoặc bằng các bơm hút

Trong phương pháp tuyển nổi, một lượng lớn bọt khí được đưa vào nước thải Các bọt khí nhờ sức căng bề mặt hút dính các chất huyền phù rắn (SS), tạo nên các khối có tỷ trọng nhỏ hơn nước, nhờ vậy khối chất này nổi lên trên mặt nước và được tách đi Mặt khác, bọt khí cung cấp oxy cho các chất ô nhiễm hòa tan trong nước thải (COD, BOD), thực hiện quá trình ion hóa Kết quả là lượng TSS,COD và BOD giảm Quá trình xử lý cấp I bằng phương pháp tuyển nổi có năm yếu tố quan trọng đó là: Kích thước bọt khí, lượng oxy khuếch tán vào nước của bọt khí, tốc độ chuyển động của nước, diện tích bề mặt và chiều cao của bể tuyển nổi

Tùy thuộc vào công nghệ và thiết bị tuyển nổi có thể giảm TSS tới 99,8% và giảm COD, BOD tới 45% ÷ 73%

Trong phương pháp kết hợp lắng và tuyển nổi, các chất keo tụ, tạo bông và bọt khí được đưa vào bể xử lý Bọt khí thường lớn hơn, có tác dụng làm vật mang chất rắn

lơ lửng lên trên mặt nước và cung cấp oxy cho nước trong bể Ở phương pháp này, bùn nổi được cơ cấu hút bùn lấy đi chuyển vào bể chứa bùn, còn bùn chìm dưới đáy được các thiết bị nạo vét bùn lấy đi đưa vào bể chứa

1.3.3 Xử lý sinh hóa (xử lý cấp II)

Trong quá trình xử lý cấp II, các vi sinh vật tự nhiên dùng chất hữu cơ trong nước thải để làm thức ăn sinh trưởng và tạo ra tế bào mới (oxy hóa các chất hữu cơ, tổng hợp tế bào mới, phân hủy nội bào) Một số vi sinh vật bị tách ra dưới dạng bùn Quá trình này có thể là hiếu khí hoặc kỵ khí hoặc xử lý kỵ khí tiếp nối xử lý hiếu khí vì cả hai cách xử lý này bổ sung cho nhau Hoạt động sinh học phụ thuộc vào các thông số

như loại tạp chất hữu cơ, hàm lượng chất dinh dưỡng, nhiệt độ, pH và sự có mặt của các chất độc hại với vi sinh vật

Quá trình xử lý cấp II có thể được cải thiện bằng việc bổ sung các chất dinh dưỡng các nguyên tố photpho (P) và nitơ (N) được cho vào để tăng hoạt tính của vi khuẩn ở dạng các hợp chất amoni photphat, amoni nitrat, ure, axit photphoric, phân đạm Bổ sung vi khuẩn như các vi sinh vật tạo bông Thường các hệ thống hiếu khí và

kỵ khí hoạt động ở khoảng nhiệt độ 20 ÷ 400C vì ở nhiệt độ cao hơn thì khả năng lắng của bùn kém

1.3.4 Xử lý cấp III

Tùy theo yêu cầu chất lượng nước thải đầu ra mà trong hệ thống xử lý nước thải

có thể bố trí quá trình xử lý cấp III như hấp phụ bằng than hoạt tính, siêu lọc, ozon hóa, fenton hóa, kết tủa hóa học… để loại bỏ hầu như hoàn toàn BOD, COD và khử màu, khử mùi để đưa nước có thể quay lại tái sử dụng

1.4 Xử lý nước thải ngành giấy bằng phương pháp xử lý sinh học

Xử lý nước thải sản xuất bột giấy và giấy bằng phương pháp sinh học dựa trên cơ

sở sử dụng hoạt động sống của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải

Nguyên tắc của phương pháp xử lý sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải Một số loại virut cũng tồn tại trong các hệ thống xử lý nước thải, nhưng chúng hoàn toàn không tham gia vào quá trình loại bỏ các chất hữu cơ và làm sạch môi trường Qua quá trình hoạt động của các vi sinh vật, các chất hữu cơ ô nhiễm được khoáng hóa trở thành những chất vô cơ, các chất khí đơn giản (như H2S hay CO2) và nước [16]

Để có thể áp dụng kỹ thuật sinh học một cách hiệu quả, nước thải phải có tỷ lệ BOD/COD tối thiểu là 0.4, thậm chí giá trị tối thiểu trên có thể lên tới 0.5 [19] Nước thải từ các nhà máy giấy có chứa hàm lượng lớn các chất hữu cơ hòa tan, có thể phân

hủy bằng con đường sinh học nên việc lựa chọn các kỹ thuật sinh học để xử lý nước thải nhà máy giấy đã được nhiều nhà khoa học quan tâm

Thông thường nước thải của ngành công nghiệp giấy rất đa dạng về thành phần, việc áp dụng các kỹ thuật sinh học vì thế khó có thể sử các chủng vi sinh vật đơn lẻ để

xử lý mà thường dùng một hệ vi sinh vật Các kỹ thuật sinh học để xử lý nước thải công nghiệp giấy và bột giấy đã được phát triển từ khá lâu và đây là phương pháp cho hiệu quả xử lý khá tốt Người ta thường chia các phương pháp xử lý sinh học thành sinh học hiếu khí và sinh học yếm (kị) khí tùy thuộc vào đặc điểm sinh trưởng và phát triển của các loại vi sinh vật trong hệ thống

1.4.1 Phương pháp xử lý sinh học kỵ khí

Xử lý sinh học kỵ khí là quá trình xử lý không có oxy, sự phân hủy các chất hữu

cơ hòa tan sẽ tạo ra khí CH4, và CO2 Khí CH4 sinh ra có thể được đốt để sinh hơi cho

xử lý bùn hoặc đốt trong nồi hơi So với xử lý hiếu khí, nhu cầu chất dinh dưỡng của

xử lý kỵ khí thấp hơn, lượng bùn sinh ra cũng thấp hơn, dẫn đến việc giảm chi phí xử

lý bùn thải Lượng bùn thải trong quá trình xử lý kỵ khí còn được giảm thấp nếu giảm nồng độ phốtphát trong nước thải Lượng bùn kỵ khí này dễ ổn định hơn và quá trình khử nước thực hiện cũng dễ hơn so với bùn hiếu khí [15]

Yêu cầu về dinh dưỡng (N, P) của hệ thống xử lý kỵ khí thấp hơn hệ thống xử lý hiếu khí do sự tăng trưởng và sinh sản của vi sinh vật kỵ khí thấp hơn vi sinh vật hiếu khí Chính vì vậy mà hệ thống xử lý kỵ khí có những ưu điểm sau:

- Có khả năng chịu được tải trọng cao: Những hệ thống kỵ khí hiện nay có thể xử lý với hiệu suất từ 85 – 90% COD với tải trọng hữu cơ đầu vào khoảng 30g COD/lít/ngày

ở 300C và 50g COD/lít/ngày ở nhiệt độ 400

C với nước thải với nồng độ chất hữu cơ trung bình Đối với những nước thải có thành phần phức tạp khác (không tan, khó

phân huỷ sinh học, có độc tính v.v.), tải trọng hữu cơ có thể giảm hơn nhưng vẫn cao hơn nhiều so với hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí [19]

- Một ưu điểm khác của hệ thống kị khí là bùn kỵ khí có thể bảo quản trong một thời gian dài (hơn 1 năm) mà không cần nuôi dưỡng bằng dưỡng chất Hoạt tính của bùn vẫn giữ nguyên khi bùn được giữ ở nhiệt độ nhỏ hơn 15oC Do đó, có thể sử dụng lượng bùn dư của hệ thống này làm nhân cho hệ thống khác và giảm thời gian vận hành hệ thống

- Vốn đầu tư để xây dựng hệ thống xử lý kỵ khí không nhiều, diện tích sử dụng cho

hệ thống nhỏ, và thời gian sử dụng dài hơn hệ thống hiếu khí là những ưu điểm nổi bật của hệ thống kỵ khí

Bên cạnh những ưu điểm, hệ thống xử lý kỵ khí còn một số nhược điểm như sau:

Vi khuẩn tạo khí mêtan có độ nhạy cao với một số chất hóa học nhất định, ví dụ những chất hydrocarbon có nguồn gốc halogen, một số hợp chất hữu cơ có Nitơ, CN- và ion

tự do của kim loại nặng Trong một số trường hợp những chất này biểu thị độc tính, hoặc làm cản trở sự sinh trưởng, phát triển của những vi khuẩn tạo khí mêtan Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy rằng những vi khuẩn kỵ khí có thể thích nghi một số chất hóa học và có thể phân hủy chúng

Khi xử lý nước thải có hợp chất chứa sunfua, quá trình xử lý kỵ khí thường tạo thành khí H2S với mùi hôi khó chịu Lượng khí này có thể thải ra môi trường cùng dòng thải với những hệ thống xử lý kị khí có thiết kế chưa đạt Đối với những hệ thống

xử lý kỵ khí hoàn chỉnh, luôn kèm theo hệ thống thu hồi khí sinh học, và xử lý khí H2S trong dòng thải

Hầu hết tất cả các dạng nước thải công nghiệp, với nồng độ chất độc hại không quá cao, thì hệ thống xử lý kỵ khí đều có thể sử dụng để xử lý Những nghiên cứu gần đây cho thấy rằng hệ thống kỵ khí có thể hoạt động tốt trong điều kiện nước thải có

nồng độ rất thấp (COD < 100 mg/L), ngay ở cả những nhiệt độ rất thấp (psychrophilic) (<40C) hay ở điều kiện nhiệt độ cao (thermophilic), với nhiều loại nước thải khác nhau như nước thải giấy, nước thải dệt nhuộm, nước thải cao su v.v…

Hệ thống xử lý kỵ khí còn được áp dụng để xử lý bùn (ví dụ như bùn cống rãnh

và phân vật nuôi): Quá trình phân hủy kỵ khí đã áp dụng để ổn định bùn cống rãnh, phân vật nuôi và sản sinh năng lượng

Nguyên lý chung đối với xử lý sinh học kỵ khí người ta sử dụng nhóm vi sinh vật

kỵ khí để phân giải các hợp chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí Vi sinh vật sử dụng theo nguyên lý này cũng có thể sử dụng dưới dạng sinh trưởng lơ lửng hoặc sinh trưởng bám dính [19] Quá trình phân giải kỵ khí bao gồm hai giai đoạn:

- Giai đoạn thuỷ phân: Các vi sinh vật tiết ra các enzym thuỷ phân để phân hủy các hydratcacbon thành đường đơn, protein thành albumozơ, pepton, peptit, axitamin, còn chất béo thành glyxerin và các axit béo

- Giai đoạn tạo khí: Sản phẩm thuỷ phân sẽ tiếp tục bị phân giải tạo thành sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp chủ yếu là CO2 và CH4 Ngoài ra còn có N2, H2S và muối khoáng

Quá trình phân huỷ kị khí cuối cùng tạo ra một hỗn hợp khí CH4, CO2, N2, H2 Trong đó có tới 65% là CH4 (khí mêtan) vì vậy, quá trình này còn được gọi là lên men metan [2] Các điều kiện ảnh hưởng tới quá trình lên men metan là:

- Nhiệt độ tối ưu của quần thể vi sinh vật sinh metan từ 35 – 550C Dưới 100C vi sinh vật metan hầu như không hoạt động

- pH môi trường: pH tối ưu là 6.4 – 7.5

Một số hệ thống công nghệ mới trong xử lý vi sinh kị khí như:

 Hệ thống xử lý kỵ khí tốc độ cao:

Từ khi hình thành, hệ thống xử lý kỵ khí đã có nhiều dạng khác nhau như lọc kỵ khí với dòng nước thải đi từ dưới lên (Upflow Anaerobic Filter-UAF), hệ thống màng lọc cố định với dòng từ trên xuống (Dowflow Stationary Fixed Film- DSFF), hệ thống

xử lý kỵ khí với dòng hướng lên qua một lớp bùn (Upflow Anaerobic Sludge Bed- UASB), hệ thống sử dụng lớp bùn động (Anaerobic Fluidized Bed- AFB) v.v… Tuy

có nhiều ưu điểm, nhưng những hệ thống xử lý kỵ khí này vẫn liên tục cải tiến để giảm thời gian lưu nước trong hệ thống và gia tăng tốc độ xử lý Vào năm 1983, hệ thống

xử lý tốc độ cao với lớp bùn hạt mở rộng (Expanded Granular Sludge Bed- EGSB) được hình thành bởi giáo sư Lettinga và các cộng sự của ông Lý do để hệ thống xử lý

kỵ khí tốc độ cao được nghiên cứu và áp dụng trong thực tế là [15]:

 Giảm được vốn đầu tư khi xây dựng hệ thống: Với tốc độ xử lý cao sẽ làm giảm kích thước của công trình khi phải xử lý một lưu lượng thải nhất định;

 Giảm diện tích để xây dựng của hệ thống, phù hợp với những nhà máy có mặt bằng nhỏ;

 Hệ thống có độ ổn định cao ngay cả với những điều kiện hoạt động không thuận lợi.

 Hệ thống xử lý kỵ khí với dòng hướng lên qua một lớp bùn (Upflow Anaerobic Sludge Bed- UASB) [15]:

Bể có cấu tạo 2 ngăn: Ngăn lắng và ngăn lên men Trong bể diễn ra hai quá trình: lọc trong nước thải qua tầng cặn lơ lửng và lên men lượng cặn giữ lại Nhờ các vi sinh vật có trong bùn hoạt tính mà các chất bẩn trong nước thải đi từ dưới lên, xuyên qua lớp bùn bị phân hủy Trong bể, các vi sinh vật liên kết nhau lại và hình thành các hạt bùn lớn đủ nặng để không bị rửa trôi ra khỏi thiết bị Bùn được xả ra khỏi bể UASB từ

3 – 5 năm/lần nếu nước thải đưa vào qua bể lắng hoặc 3 – 6 tháng/lần nếu nước thải

đưa vào xử lý trực tiếp Bể được sử dụng để xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao

Ưu điểm: Chi phí đầu tư, vận hành thấp, lượng hóa chất cần bổ sung ít, không đòi

hỏi cấp khí, đỡ tốn năng lượng, có thể thu hồi, tái sử dụng năng lượng từ biogas, lượng bùn sinh ra ít, cho phép vận hành với tải lượng hữu cơ cao, giảm diện tích công trình

Nhược điểm: Giai đoạn khởi động kéo dài, dễ bị sốc tải khi chất lượng nước vào

biến động, bị ảnh hưởng bởi các chất độc hại, khó phục hồi sau thời gian ngừng hoạt động

1.4.2 Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí

Trong các bể xử lý sinh học theo nguyên lý xử lý sinh học hiếu khí các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hang đầu vì nó chịu trách nhiệm phân hủy các hợp chất hữu cơ hòa tan, các chất keo, và phân tán nhỏ trong nước thải Trong các bể bùn hoạt tính một phần chất thải hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khí sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ còn lại thành tế bào vi khuẩn mới, nên để đảm bảo cho hoạt động sống của chúng cần cung cấp oxi liên tục và duy trì nhiệt độ trong khoảng 20 – 400C [35] Nhóm vi sinh vật hiếu khí có thể sử dụng dưới dạng sinh trưởng lơ lửng hoặc

sinh trưởng bám dính và thuộc các giống Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter,

Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium và hai loại vi khuẩn nitrát

hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter Ngoài ra còn có cácloại hình sợi như

Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix và Geotrichum Ngoài các vi khuẩn

các vi sinh vật khác cũng đóng vai trò quan trọng trong các bể bùn hoạt tính Ví dụ

như các nguyên sinh động vật và Rotifer ăn các vi khuẩn làm cho nước thải đầu ra sạch hơn về mặt vi sinh[16]

Quá trình phân huỷ hiếu khí hay chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong bể xử lý nước thải gồm 3 giai đoạn chủ yếu sau:

- Giai đoạn 1: Oxi hoá các chất hữu cơ

vật sử dụng trực tiếp cho xây dựng tế bào, một lượng nhỏ được vi khuẩn Nitromonas

chuyển thành nitrit (NO2-) và từ nitrit chuyển thành nitrat nhờ vi khuẩn Nitrobacter

Để chuyển thành nitơ phân tử thì cần điều kiện thiếu khí vì vi khuẩn phản nitrat hóa cần điều kiện hiếu khí thấp

- Giai đoạn 2: (Tổng hợp xây dựng tế bào) Giai đoạn này các tế bào vi khuẩn tiến

hành phân bào và tăng nhanh về số lượng Tốc độ phân bào phụ thuộc vào thời gian cần thiết cho các lần phân bào và lượng thức ăn trong môi trường

2 𝐻2𝑂 + ∆𝐻

- Giai đoạn 3: (Tự phân huỷ chất liệu tế bào) Trong giai đoạn này số lượng vi khuẩn

chết đi nhiều hơn số lượng vi khuẩn được sinh ra, do đó mật độ vi khuẩn trong bể giảm nhanh Giai đoạn này có thể do các loài có kích thườc khả kiến hoặc là đặc điểm của môi trường

𝐶5𝐻7𝑁𝑂2 + 5𝑂2 𝑉𝑆𝑉 5𝐶𝑂2 + 2𝐻2𝑂 + 𝑁𝐻3 + 𝐴𝑇𝑃

Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng chủ yếu dùng trong công nghệ hồ sục khí, bùn hoạt tính Còn xử lý hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng bám dính sử dụng trong các giá thể cố định hoặc lơ lửng trong lọc sinh học [16] Một số ứng dụng xử lý sinh học hiếu khí điển hình cho xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt như: