ĐHQG HN-MÔN-XỬ LÝ ĐỘC CHẤT TRONG ĐẤT NGẬP NƯỚC ĐỐI VỚI NƯỚC THẢI NHÀ MÁY GIẤY

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Khoa Môi trường Môn: Xử Lý Độc Chất Trong Đất Ngập Nước XỬ LÝ ĐỘC CHẤT TRONG ĐẤT NGẬP NƯỚC ĐỐI VỚI NƯỚC THẢI NHÀ MÁY GIẤY GV:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Khoa Môi trường

Môn: Xử Lý Độc Chất Trong Đất Ngập Nước

XỬ LÝ ĐỘC CHẤT TRONG ĐẤT NGẬP NƯỚC ĐỐI VỚI NƯỚC THẢI NHÀ MÁY GIẤY

GV: PGS.TS Nguyễn Thị Loan

Sinh viên thực hiện: Đặng Thị Hoa

MSV: 10000844 Lớp: K55 - Công nghệ môi trường

2

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU

PHẦN NỘI DUNG

I Tổng quan

1.1 Giới thiệu chung về nhà máy giấy PANPAPER ở Kenya

1.1.1 Vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên của nhà máy

1.1.2 Quy trình sản suất giấy của nhà máy

1.1.3 Đặc tính nước thải và các độc chất trong nước thải của nhà máy 1.2 Giới thiệu chung về đất ngập nước và cơ chế xử lý độc chất qua đất ngập nước

1.2.1 Giới thiệu chung

1.2.2 Cơ chế xử lý độc chất qua đất ngập nước

II Nghiên cứu xử lý nước thải nhà máy PANPAPER qua đất ngập nước 2.1 Đề xuất sơ đồ xử lý nước thải nhà máy có sử dụng hệ thống đất ngập nước

2.2 Tính toán và đưa ra các thông số thiết kế

PHẦN KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

3

PHẦN MỞ ĐẦU

Kenya là một quốc gia tại miền đông Châu Phi đang phát triển với sự bùng

nổ dân số và hàng loạt các ngành công nghiệp, nông nghiệp Kết quả là nguồn nước ngày càng trở nên ô nhiễm từ cả hai nguồn : nguồn điểm và nguồn phân tán

Với sự phát triển và gia tăng các khu công nghiệp chết biến đường, cà phê, nhà máy dệt, nhà máy thuộc da, nhà máy giấy và lò giết mổ Hồ Victoria lưu vực phía đông Châu Phi là nguồn dự trữ nước ngọt lớn thứ hai thế giới và là nguồn gốc của sông Nile Hồ có diện tích mặt nước khoảng 68.800 km2 , Diện tích này tiếp giáp với Kenya(6%) , Tanzania (51%) và Uganda ( 43% )

Do đô thị hóa và sử dụng không hợp lý tài nguyên nước nên hồ Victoria hiện đang phải đối mặt với rất nhiều mối đe dọa , bao gồm cả nguyên nhân từ suy thoái đất, lũ lụt và hạn hán Tổng lượng nước thải hàng năm là 7,292 triệu mét khối xuống hồ bao gồm nước thải xử lý không đầy đủ từ chín thành phố lớn và các

4

ngành công nghiệp khác nhau như sản xuất rượu, đường , dệt may, da và bột giấy

và nhà máy giấy Trong đó, đáng quan tâm nhất là nước thải từ các nhà máy giấy

ở Webuye đổ vào sông Nzoia với ước tính trung bình xả 35.000 m3

mỗi ngày Việc sử dụng các vùng đất ngập nước nhân tạo đã lan rộng đến nhiều lĩnh vực khác bao gồm xử lý nước thải công nghiệp , nước mỏ axit , nước thải nông nghiệp và nước rỉ rác Năm 1993 đã có hơn 150 hệ thống đất ngập nước ở Bắc

Mỹ, dao động trong kích thước từ một vài mét vuông đến hơn 500 ha Đối với các

cơ sở, khối lượng nước thải lớn nhất lên đến 80.000 m3/ ngày đang được xử lý Những vùng xử lý bao gồm khoảng 30-40 ha cho chế biến thực phẩm ( khoai tây , thịt và đường) , dầu khí, và các ngành công nghiệp giấy và bột giấy Do đó đất ngập nước có rất nhiều tiềm năng trong việc xử lý nước thải công nghiệp bao gồm

cả nước thải từ bột giấy và nhà máy giấy

Do đặc tính nước thải và điều kiện tụ nhiên của vùng thì việc ứng dụng đất ngập nước để xử lý nước thải nhà máy giấy là giải pháp phù hợp, thân thiện với môi trường, chi phí đầu tư thấp, hiệu quả xử lý cao so với nhiều phương pháp xử lý

nước thải khác Vì vậy mục đích của đề tài là : Thiết kế hệ thống đất ngập nước

để xử lý nước thải nhà máy giấy PANPAPER ở Kenya

5

PHẦN NỘI DUNG

I Tổng quan

1.1.1 Vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên của nhà máy

Hình1.1 Bản đồ của Kenya với hồ Victoria và tiểu lưu vực sông Nzoia Điểm nghiên cứu,PanPaper Mills, nằm trên bờ sông Nzoia trong đô thị Webuye

PANPAPER là khu nhà máy sản xuất giấy ở Kenya Nằm trên bờ sông

Nzoia trong thị trấn Webuye, trong vùng cao nguyên miền tây Kenya Các nhà máy đang ở vị trí toàn cầu 00 ° 35'440 "N 34 ° 47'110" E , độ cao 1640m so với mực nước biển có nghĩa là trong lưu vực hồ Victoria , khoảng 400 km về phía tây bắc Thành phố Nairobi (hình 1.1)

Khu vực có khí hậu nhiệt đới với nhiệt độ trung bình từ 14°C-27°C Lượng mưa trung bình hàng năm là 1671mm (JICA / gok, 1992) Độ ẩm tương đối khác

6

nhau 41-68% và tốc độ gió là trong khoảng 1,0-1,7 m/s (Dữ liệu tử trạm khí tượng Nzoia)

1.1.2 Quy trình sản suất giấy của nhà máy

Nhà máy PANPAPER bắt đầu sản xuất giấy và bột giấy vào cuối năm 1974 ban đầu có công suất 45.000 tấn giấy mỗi năm Quy mô sản xuất ngày càng được

mở rộng và ngày nay nhà máy có công suất 150.000 tấn mỗi năm Sản lượng trung bình hàng năm hiện nay đạt khoảng 120.000 tấn Công ty cung cấp 80 % lượng giấy tiêu thụ trong nước Nhà máy sử dụng quá trình Kraft để làm bột giấy hóa học Bột giấy được tẩy trắng bằng clo ( 60% là khí đốt và 40% là sodium hypochlorite) Clo được sản xuất tại một nhà máy điện thuộc quy mô trong nhà máy từ việc điện phân nước muối

Công nghệ Kraft:

Là công nghệ nấu bột bằng kiềm Kiềm đây là hỗn hợp NaOH và Na2S có chức năng hòa tan lignin và semixellulô để giải phóng sợi xellulô Khi đó nước thải (dịch nấu chứa hóa chất nấu và các hợp chất tự nhiên có trong gỗ, nhiều nhất là lignin) sẽ chứa nhiều kiềm (pH cao) và có mùi đặc trưng của các hợp chất lưu huỳnh (các tiol và sulphua-mercaptan), chỉ số COD và độ màu (do lignin) rất cao Về khía cạnh bột giấy nếu cần tẩy trắng nó sẽ tiêu thụ nhiều hóa chất tẩy trắng hơn so với bột nấu bằng phương pháp sulphit Đây là công nghệ phổ biến nhất trên

thế giới

Trong dây chuyền này nước, năng lượng và hóa chất được tuần hoàn tối đa Dòng liệu (gỗ) đi từ trái sang phải qua các công đoạn nấu, sàng (loại bỏ mấu, mảnh chưa chín), rửa, tẩy bằng oxygen, rửa trước khi sang công đoạn tẩy trắng bằng hóa chất Nước sạch hầu như chỉ sử dụng để rửa bột ở công đoạn cuối của quá trình nấu bột, sau đó đi ngược dòng để rửa bột thô, dịch thải ở đây có nồng độ

hóa chất và chất hữu cơ rất cao và có màu đen nên được gọi là dịch đen

7

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ Kraft của nhà máy Dịch đen được cô đặc đến mức đốt được, bổ sung Na2SO4 và được phun vào

lò thu hồi hoạt động ở điều kiện đủ để khử sunphat thành sunphua, phần hữu cơ sẽ cháy sinh nhiệt dùng để sản xuất hơi sử dụng cho nhà máy, tro-xỉ là các hợp chất

Na được chuyển thành Na2CO3 và Na2S Hòa tan tro-xỉ này thu được dịch xanh, cho phản ứng với vôi sẽ tái sinh được dịch trắng là hỗn hợp NaOH + Na2S quay lại nấu bột

Theo sơ đồ công nghệ kraft, hệ chưng bốc dịch đen và lò hơi thu hồi hóa chất vừa đóng vai trò thu hồi 95% hóa chất nấu bột vừa đóng vai trò xử lý trên 90% chất ô nhiễm của toàn nhà máy

Nội dung các bước của quy trình:

Chuẩn bị

nguyên liệu

Bóc vỏ và cắt vụn

Sản phẩm giấy rất đa dạng Hiện nay có khoảng 90% nguyên liệu thô để sản xuất giấy là gỗ Các loại nguyên liệu thô được sử dụng gồm có gỗ cứng, gỗ mềm, các loại nguyên liệu thô ngoài gỗ và giấy loại

Nguyên liệu thô từ gỗ được nghiền và sau đó cắt thành mảnh Sản xuất bột

giấy

Sản xuất bột giấy

 Thành phần chính của gỗ là xenlulôzơ và lớp gian bào chủ yếu bao gồm linhin, các chất kết dính xenlulôzơ và xenlulôzơ Do đó, cần sử dụng các phương pháp để phá vỡ lớp gian bào của linhin, thu được bột

8

 Quá trình sản xuất bột được chia thành hai phương pháp, quá trình sản xuất bột hóa học, quá trình sản xuất bột cơ học

và quá trình kết hợp hai phương pháp trên

 Sản xuất bột bằng phương pháp hóa học có thể tách xenlulôzơ từ cấu trúc gỗ mà ít ảnh hưởng đến chất lượng của xenlulôzơ Thêm vào đó, chất lượng bột giấy sản xuất bằng hóa học tốt hơn so với sản xuất cơ học hoặc bán cơ học về độ bền, độ trắng và đặc tính phai màu Tuy nhiên vì khả năng thu hồi xenlulôzơ từ gỗ thấp hơn so với phương pháp nghiền bột cơ học nên phương pháp nghiền bột hóa học đòi hỏi chi phí cao Ở các nước phát triển, khoảng 90% quá trình sản xuất bột giấy dung phương pháp hóa học, nhất

là phương pháp bột Kraft

 Nấu: Xơ được tách chọn lọc từ linhin bằng cách nấu với hóa chất ở nhiệt độ và áp suất cao trong nồi nung Đối với quy trình sản xuất bột Kraft, quá trình nấu được thực hiện theo mẻ với kiềm (NaOH) và hơi nước Điều khó tránh khỏi là một phần xenlulôzơ và bán xenlulôzơ bị hòa tanTrong trường hợp sản xuất bột cơ học, linhin được tách

ra chủ yếu do nghiền

Trong trường hợp sử dụng giấy loại, nguyên liệu thô là giấy loại được làm rối trong quá trình tái tạo bột giấy Sau đó bột được tẩy mực nếu cần thiết Chất tuyển nổi thường được sử dụng trong quá trình tẩy mực

Sản xuất

giấy

Sàng sợi, hình thành lớp sợi, tách nước và sấy khô

 Nghiền vụn: Sợi bột giấy được nghiền vụn và xay cùng với nước Sợi bột được làm rối kỹ Sau đó được cắt, thủy hóa, trương nở và xoắn vào nhau

 Chuẩn bị:

- Bột được làm sạch và tách nước Hỗn hợp bột giấy được tẩy trắng bằng hydrogen peroxide ( 50-60 % ) ở độ pH 3-4 , tiếp theo hydro sulfit ở pH 9-11 Axit sulfuric và natri hydroxit được sử dụng để duy trì phạm vi pH tương ứng

- Cuối cùng là trộn với các hoá chất và xúc tác khác Các chất phụ gia và chất độn được thêm vào hỗn hợp bột giấy trong

bể trộn Thông thường, các chất hoá học được sử dụng là nhựa thông, bột đá, chất tạo màu (có thể có), chất tẩy trắng quang học và chất kết dính

 Hỗn hợp bột giấy được làm sạch để loại bỏ các chất phụ gia thừa và tạp chất, sau đó được đưa vào máy sản xuất giấy với nồng độ khoảng 1%

 Bột giấy được đưa vào lưới xeo Nước chảy xuống từ nước xeo, sau đó được ép và tách nước Lớp sợi hình thành Sau công đoạn ép, lớp giấy ướt được sấy khô bằng máy sấy Quy trình

phụ

Cấp nước điện và

 Thành phần phụ trợ bao gồm: hệ thống cấp nước, cấp điện, nồi hơi, hệ thống khí nén và mạng lưới phân phối hơi

9

nhiệt  Ngành sản xuất giấy và bột giấy sử dụng rất nhiều nước và

nguồn nước được cung cấp từ mạng lưới cấp nước ở địa phương hoặc từ các giếng khoan của nhà máy Có một số nhà máy lấy nước từ sông để sử dụng trong sản xuất, trong trường hợp này nguồn nước phải được xử lý trước khi sử dụng Tuy nhiên, nước dùng cho nồi hơi phải được xử lý cẩn thận để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu

1.1.3 Đặc tính nước thải và các độc chất trong nước thải của nhà máy

- Các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ gỗ, bao gồm cả lignin , tannin , đường,

và xenlulo; phụ gia như chất kết dính , tinh bột , resinates và hóa chất nấu

vô cơ

- Trong quy trình Kraft , lignin tạo ra methyl mercaptan gây mùi và catechols

( Elvers et al , 1990) Catechols sau đó có thể bị oxy hóa bởi oxi không khí tạo quinon, phần lớn nước thải từ quy trình nghiền kratf có màu nâu đen

- Nếu các nhà máy sử dụng clo để tẩy trắng bột giấy , một số hợp chất clo hữu

cơ clo được tạo ra: trong đó một số hợp chất đã được xác định bao gồm

chloroform , axit chloroacetic , và các loại khác nhau của phenolclo Lignin hòa tan cũng có thể được khử trùng bằng clo, các chlorolignins rất khó để phân hủy Nước trắng từ nhà máy giấy có chứa các chất vô cơ được thêm vào như chất độn khoáng chất , thuốc nhuộm và các chất phụ gia khác như

tinh bột , keo , làm bóng , defoamers , slimicides , và các tác nhân tạo phức

- Nước thải nhà máy giấy có chứa các chất độc hại ( Johnston etal , 1996; Cục

kiểm soát ô nhiễm nước, 1976) bao gồm: lignin clo và phenol ,nhựa cây và axit ; slimicides , và các hợp chất lưu huỳnh

Quá trình xử lý nước thải của nhà máy kết hợp cả hệ thống hồ hiếu khí trước khi thải ra Sông Nzoia của lưu vực hồ Victoria Các thông số xử lý trước đó cho thấy nước thải rất ít khi đáp ứng các quy chuẩn do chính phủ quy định Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước đã qua xử lý và xả ra sông Nzoia trung bình :

Các

chỉ

tiêu

phospho

VSV

10

Mg/

L

394±340 52 ± 3 52 ± 6 0,64±0,09 2,56±0,40 0,74±0,06 6x103

Đơnvị hình thành khuẩn lạc/ml cặn thải

Trong khi quy chuẩn quốc gia quy định :

BOD (30 mg/l), COD (100 mg/l), TSS (30 mg/l) and phenols (0.05 mg/l)

1.2 Giới thiệu chung về đất ngập nước và cơ chế xử lý độc chất qua đất ngập nước

1.2.1 Giới thiệu chung

Đất ngập nước (ĐNN) bao gồm: những vùng đầm lầy, đầm lầy than bùn, những vực nước bất kể là tự nhiên hay nhân tạo, những vùng ngập nước tạm thời hay thường xuyên, những vực nước đứng hay chảy, là nước ngọt, nước lợ hay nước mặn, kể cả những vực nước biển có độ sâu không quá 6m khi triều thấp (Ramsar, 1971)

Đất ngập nước được chia thành: Đất ngập nước tự nhiên và Đất ngập nước nhân tạo

- Đất ngập nước tự nhiên: Những vùng ngập nước thường xuyên có nhiều

loại cây chịu nước như lau, sậy chứa đựng rất nhiều loài vi sinh sống dưới lớp bề mặt có tiềm năng oxy hóa và tiềm năng khử khác nhau cũng như hỗ trợ tính đa dạng của những loài vi sinh vật như vi khuẩn, nấm, actinomycetes, động vật nguyên sinh

- Đất ngập nước nhân tạo: Được phân loại theo chế độ hoạt động như dòng

chảy mặt, dòng chảy ngang, dòng chảy đứng theo phương xuống hoặc dòng chảy đứng theo phương lên Hệ thống đất ngập nước nhân tạo đã được sử dụng thành công trong xử lý nước thải đô thị, nước chảy bề mặt từ khu đô thị…

1.2.2 Cơ chế xử lý độc chất qua đất ngập nước

 Cơ chế vật lý, hóa học

11

Lắng xuống, đóng cặn: loại bỏ chất hạt và chất rắn lơ lửng

Thấm hút bề mặt: bao gồm các quá trình hấp thụ và hấp phụ, xảy ra trên bề mặt

của các loài thực vật, chất nền, trầm tích, rác rưởi

Ôxi hóa, khử và kết tủa hóa học: chuyển biến kim loại dưới tác dụng của dòng

chảy, thông qua sự tiếp xúc của nước với chất nền và rác thành dạng chất rắn không tan và lắng xuống, đây là một biện pháp hữu hiệu hạn chế tác hại của các kim loại có tính độc trong ĐNN

Sự quang phân, ôxi hóa: phân hủy, ôxi hóa các hợp chất dưới tác dụng của ánh

sáng mặt trời

Sự bay hơi: xảy ra khi có áp suất đủ lớn, hợp chất sẽ chuyển sang thể khí

 Cơ chế sinh học

Các chất hữu cơ hòa tan được phân hủy bởi các vi sinh vật trong đất và vi sinh vật bám dính trên thực vật Có sự nitrat hóa và phản nitrat hóa do tác động của vi sinh vật Dưới các điều kiện thích hợp, một khối lượng đáng kể các chất ô nhiễm

sẽ được thực vật hấp thụ; Sự phân hủy tự nhiên của các chất hữu cơ trong môi trường…

II Nghiên cứu xử lý nước thải nhà máy PANPAPER qua đất ngập nước

Thực hiện 1 thí nghiệm xử lý nước thải nhà máy giấy bằng đất ngập nước nhân tạo để đánh giá hiệu quả xử lý trước khi đi vào thiết kế và ứng dụng thực tế :

Thiết kế vùng đất ngập nước , xây dựng dựa trên tiêu chí cơ bản về kích thước thích hợp đã được WPCF (1990) và các nghiên cứu thí điểm về diện tích đất

có sẵn để xử lý nước thải nhà máy giấy Thí nghệm xây dựng một hệ đất ngập

nước kết hợp ban đầu là hệ thống :

Dòng chảy tràn trên bề mặt FWS để xử lý TSS, BOD, COD Sau đó là hệ thống

dòng chaỷ ngang phía dưới bề mặt SSF : để xử lý N nhờ quá trình phản nitrat hóa,

xử lý P và chủ yếu là xử lý phenol

Từ kết quả nghiên cứu về động lực học phenol trong vùng đất ngập nước nhân tạo

đã thí nghiệm, kết luận như sau: