THỦY PHÂN BÙN THẢI GIẤY ĐÃ XỬ LÝ SƠ BỘ KIM LOẠI NẶNG Ở pH = 4.0 BẰNG ENZYME CELLULOSE

THỦY PHÂN BÙN THẢI GIẤY ĐÃ XỬ LÝ SƠ BỘ KIM LOẠI NẶNG Ở pH = 4.0 BẰNG ENZYME CELLULOSE Hiện nay đang được coi là một lượng chất thải lớn cần có giải pháp xử lý chúng không thì chúng sẽ là chất thải nguy hại đối với môi trường cho dù tiềm năng tái chế chúng thành nhiên liệu có lợi để phục ngược lại cho chúng ta rất cao. Do đó nhóm đã quyết định chọn đề tài “Thủy phân bùn thải giấy đã qua xử lý kim loại nặng ở pH = 4.0 bằng enzyme cellulase” đây sẽ là một hướng để giải quyết vấn đề xử lý bùn thải từ ngành công nghiệp sản xuất và chế biến giấy. Góp phần tạo ra được nguồn nhiên liệu sinh học để có thể thay thế cho nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt làm giảm áp lực ô nhiễm môi trường vì nhiên liệu sinh học không chứa hợp chất thơm, các chất độc hại và hơn nữa nhiên liệu sinh học khi thải vào đất có tốc độ phân hủy nhanh gấp 4 lần so với nhiên liệu dầu mỏ. Có thể mang lại giá trị kinh tế cho ngành công nghiệp sản xuất và chế biến giấy nói riêng cho nền kinh tế Việt Nam nói chung.

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

- -ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THỦY PHÂN BÙN THẢI GIẤY

ĐÃ XỬ LÝ SƠ BỘ KIM LOẠI NẶNG Ở pH = 4.0

BẰNG ENZYME CELLULOSE

Giáo viên hướng dẫn: Th.S Phạm Thị Thanh Hòa Sinh viên thực hiện: Phùng Gia Ngọc 2009120131

Trần Xuân Tùng 2009120169 Lớp: 03DHMT2

Khoá: 03

Tel: 01675.77.7979 Mail: tungtran2394@gmail.com

2 Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường

3 Lớp: 03DHMT2_Khoá 03

4 Giảng viên hướng dẫn: Th.S Phạm Thị Thanh Hòa

Tel: 0938.488.722 Mail: hoapt106@yahoo.com.vn

Tên đề tài: THỦY PHÂN BÙN THẢI GIẤY ĐÃ XỬ LÝ SƠ BỘ KIM LOẠI NẶNG

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG

Chương 1 Mở đầu

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội thì nhu cầu của con người ngày càng tăng.Một trong những nhu cầu không thể thiếu đó là việc sử dụng giấy và các sản phẩm từ giấytrong cuộc sống sinh hoạt hàng ngày từ đó sản lượng giấy sản xuất cũng tăng theo từngnăm từng tháng Theo báo cáo của Tổng công ty giấy Việt Nam năm 2012 thì ngành giấycủa Việt Nam trong 20 năm qua đã đạt tốc độ tăng trưởng hàng năm 15% - 16%

Đơn vị tính: Kg/năm/người.

Năm 2010 Năm 2011 Năm 2012

26,44 29,61 32,7

Bảng 1.1.1: Mức tiêu thụ giấy bình quân 1 người.

Nguồn: Công ty TNHH giấy An Bình

Bảng 1.1.2: Mức tiêu thụ giấy ở Việt Nam.

Nguồn: Công ty TNHH giấy An Bình

Đơn vị tính: ngàn tấn.

Năng lực sản xuất bột giấy 420 650 640

Tiêu thụ bột giấy 466,9 517,8 598,9

Bảng 1.1.3: Năng lực ngành giấy Việt Nam

Nguồn: Công ty TNHH giấy An Bình

Từ những bảng trên cho ta thấy được thực trạng của ngành giấy đã và đang phát triểnrất mạnh Kéo theo đó là một lượng lớn chất thải do ngành thải ra cũng tăng một cách độtbiến từ đó góp phần làm ảnh hưởng đến chất lượng môi trường cụ thể là gây ô nhiễm môitrường nước và môi trường đất do nước thải và bùn thải sau quá trình xử lý của các nhàmáy So với các nước trong khu vực và trên thế giới thì công nghệ và trình độ sản xuất giấycủa Việt Nam còn lạc hậu Lượng nước thải và chất thải sau quá trình xử lý sinh ra tính trênmột đơn vị sản phẩm cao hơn rất nhiều Điều này cho ta thấy rằng lượng bùn thải thu đượcsau quá trình xử lý cũng khá cao Trong khi đó, ngành giấy Việt Nam chưa có đủ cơ sởkhoa học để chứng minh rằng bùn thải giấy không gây hại đến môi trường, vì vậy mỗi công

ty phải tự đưa ra cho mình một giải pháp để xử lý chúng

Theo Tài liệu hướng dẫn Sản xuất sạch hơn ngành giấy của Hợp phần Sản xuất sạchhơn thuộc Bộ Công Thương, với quy trình công nghệ hiện nay thành phần cellulose trongbùn giấy là khá lớn Quy trình sản xuất giấy làm thất thoát những sợi cellulose có kíchthước nhỏ hơn mạng lưới kết cấu định hình, do đó tùy thuộc vào loại hình nhà máy sảnxuất, khoảng 30 - 50% tổng số sợi cellulose so với ban đầu được thải ra và lượng cellulosenày vẫn chưa được tận dụng một cách phù hợp và triệt để

Từ những nguyên nhân và dẫn chứng trên ta thấy được bùn thải giấy hiện nay đangđược coi là một lượng chất thải lớn cần có giải pháp xử lý chúng không thì chúng sẽ làchất thải nguy hại đối với môi trường cho dù tiềm năng tái chế chúng thành nhiên liệu có

lợi để phục ngược lại cho chúng ta rất cao Do đó nhóm đã quyết định chọn đề tài “Thủy phân bùn thải giấy đã qua xử lý kim loại nặng ở pH = 4.0 bằng enzyme cellulase”

đây sẽ là một hướng để giải quyết vấn đề xử lý bùn thải từ ngành công nghiệp sản xuất vàchế biến giấy Góp phần tạo ra được nguồn nhiên liệu sinh học để có thể thay thế chonguồn nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt làm giảm áp lực ô nhiễm môi trường vì nhiênliệu sinh học không chứa hợp chất thơm, các chất độc hại và hơn nữa nhiên liệu sinh họckhi thải vào đất có tốc độ phân hủy nhanh gấp 4 lần so với nhiên liệu dầu mỏ Có thể

mang lại giá trị kinh tế cho ngành công nghiệp sản xuất và chế biến giấy nói riêng cho nềnkinh tế Việt Nam nói chung.

Hướng nghiên cứu nói trên cũng góp phần ổn định và đảm bảo an ninh năng lượngđáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của con người cũng như các ngành công nghiệp

1.2. Mục đích nghiên cứu

Tách cellulose từ bùn thải giấy sau khi đã được xử lý sơ bộ kim loại Sau đó chuyểncellulose thu được thành glucose dựa trên khả năng hydrat hóa của enzyme cellulase thôngqua quá trình thủy phân để biến đổi cơ chất (bùn giấy) thành đường glucose

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Bùn thải của quá trình sản xuất giấy của Công ty TNHH New ToyoPulppy (Việt Nam)

− Góp phần làm đa dạng hơn các phương pháp xử lý bùn thải cụ thể là bùn thải giấy

− Phát huy sáng tạo ra các phương pháp mới, tiến bộ hơn, hoàn thiện hơn từ các nghiên cứu

trước đó

Ý nghĩa thực tiễn:

− Giảm thiểu tác động ô nhiễm môi trường do thải một lượng lớn bùn thải giấy

− Góp phần làm tăng trưởng kinh tế ngành công nghiệp sản xuất và chế biến giấy

− Đảm bảo an ninh năng lượng Quốc Gia

Chương 2 Tổng quan2.1 Khái niệm bùn thải giấy

Bùn thải giấy là một loại chất thải ở dạng sệt hoặc ở dạng rắn sau quá trình xử lý nướcthải của các Công ty sản xuất và chế biến giấy thải ra Nguồn phát sinh chính thường là từ

bể lắng sơ cấp, thứ cấp (bể lắng cặn) và cặn từ tầng làm khô của trạm xử lý nước thải (quátrình ép bùn) Ngoài ra còn có một lượng lớn bột giấy từ quá trình xeo giấy được thải ra vàtrộn lẫn với bùn của bể lắng Bùn thải giấy có thành phần glucan cao và có cấu trúc phântán nên bùn thải giấy là nguồn nguyên liệu thích hợp cho quá trình chuyển hóa sinh họcthành các sản phẩm có giá trị mà không qua tiền xử lý Nhưng hàm lượng tro trong bùn thảigiấy cao, có nguồn gốc từ các phụ gia vô cơ trong quá trình sản xuất giấy, gây trở ngại choquá trình chuyển hóa sau này

Bùn thải giấy được phát sinh từ các chất thải rắn lơ lửngtrong nước thải của quá trìnhsản xuất giấy Các chất thải này đươc đưa vào hệ thống thoát nước thải và đưa vào hệ thống

xử lý nước thải giấy tạo thành bùn thải giấy Bùn thải giấy được chia ra thành 2 loại: bùnthải giấy sơ cấp và bùn thải giấy thứ cấp

Đối tượng nghiên cứu ở đây gồm 3 loại hình sản xuất giấy chính đó là từ nguyên liệuthô, từ bột giấy và tái chế giấy đã qua sử dụng để đánh giá được khả năng thu hồi nănglượng sinh học của cả 3 loại bùn thải giấy này Nhưng theo tình hình thực tế thì việc sảnxuất giấy từ nguyên liệu thô gặp khó khăn về kinh tế cũng như nguồn nguyên liệu nên loạihình sản xuất này không còn phổ biến Thế nên nhóm sẽ rút gọn lại đối tượng nghiên cứucho đúng theo thực tiễn chỉ còn lại 2 loại hình đó là sản xuất giấy từ bột giấy và giấy tái chế

đã qua sử dụng

2.1.1 Bùn thải giấy tại Công ty TNHH New Toyo Pulppy

Hình 2.1.1.1: Quy trình xử lý nươc thải Công ty TNHH New Toyo Polppy

Công suất hoạt động nhà máy là 4.160 tấn giấy/tháng với công suất hệ thống xử lýnước thải 3.000 – 3.200 m3/ngày.đêm và lượng bùn thải ra khoảng 1,8 tấn/ngày

− Bùn thải sơ cấp: được vớt từ bể tuyển nổi

− Bùn thải thứ cấp: được lấy sau máy ép bùn, vào thời gian xả bể lắng ly tâm Tuy nhiên, vẫn

bị lẫn một phần bùn thải sơ cấp trong bể chứa bùn

2.1.2 Nguồn phát sinh bùn thải giấy

Bùn thải giấy được hiểu là bùn thải phát sinh từ quá trình xử lý nước thải ngành giấy.Bùn thải là những chất rắn lơ lửng và cặn từ quá trình xử lý nước thải bao gồm bùnthải sơ cấp và bùn thải thứ cấp (Nguyễn Văn Phước và các cộng sự, 2012) Thông thường 2loại bùn thải sơ cấp và thứ cấp sẽ được trộn lẫn và đưa vào thiết bị tách nước trước khi xửlý

Dựa vào quy trình xử lý nước thải nói chung, nước thải ngành giấy nói riêng, nguồnphát sinh bùn thải giấy có thể biểu diễn bằng sơ đồ sau:

Hình 2.1.1.2 Nguồn phát sinh của bùn thải giấy

Thành phần hữu cơ phân hủy sinh học (cellulose, hemicellulose, lignin, trong bùnthải giấy chiếm khoảng 60 - 80%, còn lại là các thành phần như tro, hydrocarbon đa vòng(PAHs), phenol và một số kim loại nặng như Ni, Cu, Pb, Zn, Cr, Hg, Cd…

Theo Tài liệu hướng dẫn sản xuất sạch hơn ngành giấy, nếu tính trung bình thì ở ViệtNam khi sản xuất ra 1 tấn giấy sẽ sinh ra một lượng chất thải rắn khoảng từ 45 - 85 kg, thìnăm 2013 Việt Nam thải ra khoảng 76.500 – 144.500 tấn bùn thải (1,7 triệu tấn giấy) Nếulượng bùn thải này được tận dụng sẽ cung cấp một nguồn nhiên liệu đáng kể cho xã hội vàđáp ứng nhu cầu giải quyết ô nhiễm môi trường hiện nay

2.1.2.1 Bùn thải sơ cấp

Bùn thải sơ cấp là bùn thải phát sinh từ quá trình xử lý sơ bộ để loại bỏ các chất rắn

có thể lắng và thu gom trong nước thải Trong một trạm xử lý nước thải với bể xử lý sơcấp và hệ thống bùn hoạt tính truyền thống, bùn sơ cấp nhiều hơn so với bùn thứ cấp,chiếm khoảng 70% bùn tổng số tính theo trọng lượng khô (Elliot and Mahmood, 2006;Monte et al, 2009)

Hàm lượng chất rắn trong nước thải giấy chiếm khoảng 1.844 – 8.260 mg/L vớithành phần chủ yếu là xơ, hạt rắn và bột đệm (Pokhrel and Viraraghavan, 2004; Mahmoodand Elliott, 2006)

Hàm lượng chất rắn bay hơi trong bùn sơ cấp gần bằng hàm lượng chất rắn bay hơitrong nước thải đầu vào, trừ khi bể lắng sơ cấp tiếp nhận một dòng tuần hoàn lớn từ quátrình xử lý bùn (Nguyễn Văn Phước và các cộng sự, 2012)

Bùn sơ cấp thô có pH trong khoảng 6,5 – 8,0 và độ kiềm trong khoảng 500 – 1.500

mg CaCO3/L

So với bùn sinh học, bùn sơ cấp có thể dễ dàng tách nước tạo thành bánh bùn khô vàcho tỉ lệ thu giữ chất rắn cao hơn

2.1.2.2 Bùn thải thứ cấp

Bùn thải thứ cấp sinh ra từ các công trình xử lý nước thải bằng tác nhân sinh học như

bể bùn hoạt tính, bể bùn hoạt tính có màng lọc (MBR), lọc sinh học và đĩa quay sinh học(RBC) Bùn thứ cấp có hàm lượng chất rắn trong khoảng 1 – 2% (Mahmood and Elliott,2006)

Bùn thứ cấp có màu xám nhạt hay nâu đậm, nhớt và khó tách nước, chứa chủ yếu các

tế bào vi khuẩn

Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến nồng độ bùn là khả năng lắng của chất rắntrong nước thải đi về bể lắng 2 Bùn lắng tốt là loại bùn già có chỉ số thể tích bùn SVI <

100, bùn có SVI > 150 thường lắng kém (Nguyễn Văn Phước và các cộng sự, 2012)

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng lắng gồm:

- Tính chất sinh học của chất rắn Lượng vi sinh vật dạng sợi nhiều sẽ làm bùn khó lắng

- Diện tích bề mặt bể lắng

- Tải trọng chất rắn vào bể lắng

- Hạn chế của thiết bị phân phối nước và thu bùn

2.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam

2.2.1 Trên thế giới

Hiện tại thì trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu xử lý bùn thải giấy nên nhóm có tìm hiểu một số tài liệu sau để làm cơ sở nghiên cứu cho đề tài mà nhóm đã đưa rađược xác thực hơn và có cơ sở để làm Các tài liệu tham khảo khao học như sau:

− Ronalds W Gonzalez Research Assistant Professor, North Carolina State UniversityRonalds, “Ethanol Production from Paper Industry Sludge Examined”

− Jiayi Zhang, Lee R.Lynd, Chemical and Biochemical Engineering, Thayer School ofEngineering, Dartmouth College, Hanover, “Ethanol Production from Paper Sluge bySimultaneous Saccharification and Co-Fermentation using Recombiant Xylose-FermentingMicroorganisms”

− Li Kang, We Wang, Venkata Ramesh Pallapolu and Yoon Y.Lee, “Enhanced EthanolProduction from De-ashed Paper Sludge by Simultameous Sccharification andFermentation and Simultaneous Saccharification and Co-fermentation”

− Kluveromyces Marxianus , Jilin Corn Research and Development Center, Jilin, ChinaLaboratory of Resources Engineering, Purdue University West Lafayette, “Production ofEthanol from Recycled Paper Sludge using Cellulose and Yeast”

2.2.2 Tại Việt Nam

Tại Việt Nam thì chưa có đề tài nghiên cứu nào từ việc sản xuất nhiên liệu sinh học từcellulose hay thủy phân cellulose bằng enzyme cellulase trong bùn thải giấy mà chỉ có một

số bài nghiên cứu về thủy phân cellulose bằng enzyme trong phế phẩm nông lâm sản vàtrong thực phẩm Đây cũng là một nguồn tài liệu để nhóm nghiên cứu cho đề tài của mình.Các tài liệu tham khảo đó như sau:

− Trần Đình Toại, Phạm Hồng Hải, Nguyễn Bá Kiên, Hoàng Thị Bích, Đỗ Trung Sỹ, Nghiêncứu tối ưu hóa quá trình thủy phân cellulose tách từ rơm rạ thành đường tan của nấm mốcAspergillus Terrius để sản xuất ethanol nhiên liệu sinh học”, Tạp chí Khoa học và Côngnghệ đăng ngày 20/2/2011

− Nguyễn Xuân Cự - Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Nghiên cứu khảnăng thủy phân bằng axít loãng và bước đầu đánh giá hiệu quả sản xuất etanol sinh học từthân cây ngô, Tạp chí Khoa học và Công nghệ đăng năm 2010

− Phước Toàn, Thanh Mai, CÔng nghệ sản xuất cồn sinh học từ nguồn nguyên liệuLignocellulose, tạp chí Khoa học và Công nghệ đăng năm 2009.

2.3 Giới thiệu về năng lượng sinh học

Để đảm bảo an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường và thúc đẩy nền kinh tế nôngthôn tại các vùng sâu, vùng xa, ngày 20/11/2007 Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt “Đề ánphát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025” Đề án bao gồm hoạt động củacác cơ quan chính phủ và doanh nghiệp nhằm xây dựng lộ trình sử dụng nhiên liệu sinh họccủa Việt Nam, khung pháp lý, các chính sách khuyến khích sàn xuất, xây dựng mô hình thửnghiệm sản xuất và phân phối nhiên liệu sinh học cũng như các dự án đầu tư của Chính phủ

để phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2025

Nhiên liệu sinh học (Tiếng Anh: Biofuels) là loại nhiên liệu được hình thành từ các

hợp chất có nguồn gốc động thực vật

− Chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ độngvật, dầu dừa…)

− Chế xuất từ ngũ cốc (lúa mì, ngô, đậu tương…)

− Chế xuất từ chất thải trong nông nghiệp (rơm,rạ, phân…)

− Chế xuất từ sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, gỗ thải…)

2.3.1 Phân loại

Nhiên liệu sinh học là khái niệmchung chỉ tất cả những dạng nhiên liệu có nguồngốc sinh học

Nhiênliệu sinh học có thể được phân loại thành các nhóm chính như sau:

− Xăng sinh học (Biogasoline) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng ethanol như làmột loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì Ethanol được chế biếnthông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, xen-lu-lô, lignocellulose.Ethanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thếhoàn toàn cho loại xăng truyền thống

− Khí sinh học (Biogas) là một loại khí hữu cơ gồm Methane và các đồng đẳng khác Biogasđược tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ phế thải nông nghiệp, chủ yếu làcellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay chosản phẩm khí gas từ sản phẩm dầu mỏ

− Diesel sinh học (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự và có thể sửdụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống Biodiesel được điều chế bằng cách dẫn xuất

từ một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ động vật), thường được thực hiện thôngqua quá trình transester hóa bằng cách cho phản ứng với các loại cồn, phổ biến nhất làmethanol

2.3.2 Quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối

Năng lượng sinh học có thể sản xuất từ sinh khối (thứ phụ phẩm nông, lâm nghiệp) bằng 3con đường chính:

− Quá trình thủy phân sinh học sinh khối tạo đường tan và tách lignin sau đó thông qua quátrình lên men dùng xúc tác enzyme chuyển hóa thành cồn sinh học, diezen sinh học và xăngsinh học

− Quá trình lỏng hóa sinh khối tạo dầu sinh học (bio-oil) tiếp theo là chuyển hóa xúc tác,hydro hóa oxy tạo nhiên liệu lỏng

− Quá trình khí hóa sinh khối tạo khí tổng hợp va qua tổng hợp Fischer – Tropsch tạo nhiênliệu: ankan, xăng và diezen

2.4 Thành phần bùn thải giấy

Trong bùn thải giấy có rất nhiều thành phần như:

− Kim loại nặng trong quá trình sản xuất và trong quá trình xử lý nước thải trước đó (chủ yếu

là Al hoặc Fe trong phèn)

− Polyme trong quá trình xử lý keo tụ - tạo bông hay trong quá trình ép bùn

− Bột giấy trong quá trình sản xuất bị thất thoát ra ngoài được đưa và hệ thống xử lý Đây làthành phần chính trong bùn thải giấy và có thể tận dụng lại được

Ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về thành phần chính này

2.4.1 Lignocellulose

Cây thân cỏ thuộc lọai thực vật phi gỗ, cấu tạo chúng bao gồm các thành phần chínhnhư: Cellulose chiếm 20-50%, hemicellulose khoảng 20 – 30%, lignin chiếm khoảng 10-30%, còn lại là thành phần các chất trích ly và khoáng Các thành phần này không nằmriêng rẽ mà chúng liên kết với nhau tạo thành phức hợp được gọi là lignocellulose bềnvững, giúp chúng chống lại các tác nhân phá hủy ngoài môi trường Điều này đã gây ra cản