Nguyễn-Thùy-Dương-18001371

Do hiệu quả xử lý và đặc tínhnước thải phụ thuộc vào công nghệ áp dụng và nguyên liệu nên có rất nhiềucông nghệ được nghiên cứu ra để giải quyết bài toán ô nhiễm này với cùng mụcđích là

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

KHOA MÔI TRƯỜNG

NIÊN LUẬN

ĐỀ TÀI:

ĐÁNH GIÁ CÁC CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN TRONG

XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIẤY

Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Thị Hà

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thùy Dương

Lớp : K63CNKTMT

LỜI CẢM ƠN

Hà Nội, 2021

Trong quá trình học tập và hoàn thành niên luận này, em đã nhận được sựdạy bảo tận tình của các thầy cô, sự giúp đỡ của các anh chị, bạn bè, sự độngviên to lớn của gia đình và những người thân.

Trước tiên, em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo trong khoaMôi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng

biết ơn sâu sắc và chân thành nhất đến với PGS.TS Nguyễn Thị Hà Cô đã giao

đề tài, nhiệt tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất giúp em thựchiện niên luận này

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 05 năm 2021

Sinh viên

Nguyễn Thùy Dương

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUY TRÌNH SẢN XUẤT GIẤY VÀ NƯỚC THẢI TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT GIẤY 6

1.1 Các quy trình sản xuất giấy 6

1.1.1 Nguyên liệu sản xuất giấy, bột giấy 6

1.1.2 Giai đoạn tách chất xơ 6

1.1.3 Quy trình tẩy trắng 7

1.1.4 Quy trình làm giấy 7

1.2 Nước thải từ các công đoạn và đặc trưng nước thải 8

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIẤY VÀ BỘT GIẤY 9

2.1 Công nghệ xử lý bằng bùn than hoạt tính, xử lý sinh học 9

2.1.1 Công nghệ sinh học hiếu khí 9

2.1.2 Công nghệ xử lý sinh học kỵ khí 11

2.2 Xử lý nước thải nhà máy giấy bằng công nghệ kết tủa polyelectrolytes cation và anonic 13

2.2.1 Polyelectrolytes cation 14

2.2.2 Polyelectrolytes anonic 14

2.3 Công nghệ sử dụng quá trình oxy hóa tiên tiến (AOP) 15

2.3.1 Quá trình tạo ra gốc hydroxyl ( •OH) 16

2.3.2 Cơ chế phản ứng của gốc hydroxyl 16

2.3.3 Ứng dụng của quá trình oxi hóa nâng cao trong xử lý nước thải nhà máy giấy 18

2.4 Hiện trạng công nghệ xử lý nước thải giấy và bột giấy ở Việt Nam 21

KẾT LUẬN 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Nguyên liệu sản xuất giấy 6

Hình 2: Thành phần nước thải trong các công đoạn sản xuất 8

Hình 4: Bể xử lý sinh học màng vi sinh bám dính 11

Hình 5: Bể xử lý kị khí 12

Hình 6: Quy trình sử dụng polyelectrolytes cation và anonic 13

Hình 7: Hiệu quả xử lý nước thải ở các liều lượng PAC khác nhau 14

Hình 8: Quá trình oxi hóa nâng cao 15

Hình 9: Cơ chế hình thành gốc hydroxyl 16

Hình 10: Cơ chế phản ứng của gốc hydroxyl 17

Hình 11: Quá trình oxi hóa sử dụng tác nhân Fenton 18

Hình 12: Mô hình xử lý nước thải bằng quy trình Fenton ở quy mô công nghiệp .19

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

IC: Internal circulation

UASB: Upflow Anaerobic Sludge Blanket

EGSB: Expanded granular sludge bed

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế theo đó cũng xuất hiện nhiều nhàmáy giấy lớn, lượng nước thải từ các nhà máy này ảnh hưởng rất nhiều đến môitrường đất, nước, không khí, đây là các vấn đề môi trường cần giải quyết Ngànhcông nghiệp giấy và bột giấy đã được coi là ngành tiêu thị lượng lớn tài nguyên

gỗ và nước Đây là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường lớn nhất bởiđặc tính của dòng thải chứa lượng lớn thành phần hữu cơ (COD và BOD cao),xút, lignin (dịch đen), các chất đa vòng thơm Đây là những hợp chất có độc tínhsinh thái cao và rất khó phân hủy trong môi trường Đặc biệt, lignin là vấn đềmôi trường chính đối với ngành công nghiệp giấy Do hiệu quả xử lý và đặc tínhnước thải phụ thuộc vào công nghệ áp dụng và nguyên liệu nên có rất nhiềucông nghệ được nghiên cứu ra để giải quyết bài toán ô nhiễm này với cùng mụcđích là giảm ảnh hưởng của nước thải tới môi trường và tiết kiệm tài nguyênnước bằng cách tuần hoàn nước thải Bài niên luận này đã đánh giá hiện trạngcông nghệ, công nghệ tiên tiến và khả năng xử lý nước thải giấy, hiệu suất củacác công nghệ Từ đó, chọn ra công nghệ phù hợp nhất để áp dụng vào xử lýnước thải giấy cho Việt Nam

Mục đích nghiên cứu: Đánh giá được một số công nghệ tiên tiến đang ápdụng trong xử lý nước thải ngành giấy

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Công nghệ xử lý nước thải trong côngnghiệp sản xuất bột giấy ở nhà máy tại Việt Nam và một số nước trên thế giới

Nội dung nghiên cứu:

1) Tổng quan các công nghệ xử lý nước thải ngành sản xuất bột giấy trongnước và quốc tế

2) Đánh giá công nghệ tiên tiến xử lý nước thải và đề ra các giải pháp giảiquyết một số vấn đề trong công nghệ xử lý nước thải theo hướng côngnghệ môi trường xanh

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUY TRÌNH SẢN XUẤT GIẤY

VÀ NƯỚC THẢI TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT GIẤY

1.1 Các quy trình sản xuất giấy

1.1.1 Nguyên liệu sản xuất giấy, bột giấy

Nguyên liệu chủ yếu của sản xuất bột giấy là xơ thực vật, chủ yếu là gỗ,các cây ngoài gỗ như gai, tre, nứa, các phụ phầm nông nghiệp như rơm, bã mía

Hình thái ban đầu của nguyên liệu phụ thuộc vào quá trình nghiền bột vànguồn gốc của nguyên liệu Có thể được nhận dưới dạng khúc gỗ ngắn của gỗtròn vẫn còn vỏ cây, dưới dạng các mảnh vụn có thể được sản xuất từ xưởng cưa

và tạm thời cất giữ để xử lý tiếp

Hình 1: Nguyên liệu sản xuất giấy 1.1.2 Giai đoạn tách chất xơ

Trong giai đoạn tách sợi, một số công nghệ nghiền bột sẽ được phân kỳ.Các khúc gỗ ngắn được giữ trong một nồi áp suất lớn (nồi phân hủy), trong đóđược thêm vào các hóa chất thích hợp trong quá trình nghiền bột hóa học krafthoặc sulphite

 Có 2 phương pháp nghiền chính:

- Nghiền bột sulphite: sử dụng lưu huỳnh điôxit trong nước và một gốccanxi, natri, magie hoặc amoni Quá trình dựa trên axit, hiệu quả không giống

nhau so với quá trình kiềm Quá trình này có ưu điểm: Các điều kiện sản xuất

mà không tạo ra thiol và sunfua không mong muốn

- Nghiền bột sulphat (kraft): sử dụng phương pháp xử lý bao gồm hỗn hợpnatri hydroxit và natri sunfua, được gọi là chất lỏng trắng ở áp suất và nhiệt độcao Quá trình dựa trên bazo, hiệu quả hơn với các loại gỗ khác nhau do lignin

bị nứt bởi NaOH hoặc Na2S Bất lợi là có mùi, có thiol và sulfua Nước xử lýchứa SO2 và có pH kiềm (= 8 – 9)

Sau đó, các chất này được hấp bằng hơi nước ở nhiệt độ cụ thể tách cácsợi và hòa tan một phần lignin và các tạp chất khác Một số thiết bị phân hủyhoạt động liên tục với lượng gỗ nhỏ được nạp liên tục, nước đưa vào không liêntục (theo mẻ) và được thải sau một thời gian nhất định

Sau quá trình phân hủy, bột giấy nấu chín được đưa vào một bình áp suất.Tại đây hơi nước và các vật liệu bay hơi được loại bỏ Sau đó, bã đã nấu chínnày được đưa trở lại chu trình thu hồi hóa chất

Trong quá trình thứ hai sau khi tinh chế, bột giấy được sàng lọc, làm sạch

và phần lớn nước của quy trình được loại bỏ để chuẩn bị cho quá trình sản xuấtgiấy

1.1.3 Quy trình tẩy trắng

Bột giấy thô chứa một lượng đáng kể lignin và các chất đổi màu khác, nóphải được tẩy trắng để tạo ra các loại giấy có màu sáng hoặc màu trắng được ưathích cho nhiều sản phẩm Các sợi được phân định rõ hơn bằng cách hòa tanlignin bổ sung từ xenlulo thông qua quá trình khử trùng bằng clo và oxy hóa.Chúng bao gồm clo dioxide, khí clo, natri hypoclorit, hydro perioxit và oxy.Natri hydroxit, một chất kiềm mạnh được sử dụng để chiết xuất lignin hòa tankhỏi bề mặt sợi Các chất tẩy trắng và trình tự sử dụng chúng phụ thuộc vào một

số yếu tố, chẳng hạn như chi phí tương đối của hóa chất tẩy trắng, loại và tìnhtrạng của bột giấy

1.1.4 Quy trình làm giấy

Bột giấy đã tẩy trắng hoặc chưa tẩy trắng có thể được tinh chế thêm để cắtsợi và làm nhám bề mặt của sợi để tăng cường sự hình thành và liên kết của cácsợi khi chúng đi vào máy giấy

Nước được thêm vào bùn bột giấy để tạo ra một hỗn hợp loãng thườngchứa ít hơn 1% chất xơ Sau đó, bùn loãng được làm sạch trong máy làm sạchlốc xoáy và sàng lọc trong màn hình ly tâm trước khi được đưa vào 'đầu ướt' củamáy tạo giấy Chất pha loãng đi qua một hộp đầu để phân phối bùn xơ một cáchđồng đều trên chiều rộng của tờ giấy sẽ được tạo thành

1.2 Nước thải từ các công đoạn và đặc trưng nước thải

Các công đoạn của quá trình sản xuất giấy và bột giấy cho ra nhiều loạinước thải có thành phần khác nhau:

Hình 2: Thành phần nước thải trong các công đoạn sản xuất

Để sản xuất 1 tấn bột giấy thì thải ra môi trường 2-3 tấn chất thải bao gồmchất thải loại từ gỗ và hóa chất trong quá trình xử lý Tiêu tốn từ 200- 500m3

nước sạch để sản xuất và nó phụ thuộc nhiều vào công nghệ và sản phẩm Tuynhiên trong sản xuất bột giấy thì nước đi vào sản phẩm rất ít nên lượng nướcsạch đi vào thì tương đương với lượng nước thải đi ra Nước thải chứa tới 10-30% xơ, sợi, CaCO3 [1]

Giá trị BOD5 và COD khác nhau giữa các loại gỗ nguyên liệu BOD5 trongkhoảng 100 – 1000 mg/L và COD từ 300 đến 4000 mg/L

[1][1] Phân tích nước thải công nghiệp giấy – 2020 (https://qcvn.com.vn)

Sản xuất giấy

Chuẩn bị gỗ

Tẩy trắng bột giấy Tách chất xơ

Gồm phần lớn các chất hữu

cơ hòa tan, các chất tách chiết như lignin và một phần xơ sợi

Dòng thải có màu tối nên được gọi là dịch đen Dịch đen này có nồng độ chất khô khoảng 25- 35%, tỉ lệ chất hữu cơ

và vô cơ là 70:30

Gồm màu, lignin hòa tan, cacbohydrat, hợp chất tạo thành của các chất đó với chất tẩy ở dạng độc hại như hợp chất clorua vô cơ, giá trị COD và BOD cao

Các chất lơ lửng dạng hạt, COD, thuốc nhuộm

Trong quá trình tẩy trắng giấy 85% tổng nước thải được tạo ra từ côngđoạn tẩy trắng Bằng các chất như clorua, dioxit clorua, peoxit, ozon Trong đó

sử dụng clorua là hiệu quả nhất Tẩy trắng bột giấy bằng ozon được biết là tạo

ra các nhóm andehyt và xeton trên cacbohydrat, những chất này rất dễ bị phânhủy oxy hóa trong điều kiện kiềm Giai đoạn peoxit kiềm được sử dụng để tẩytrắng thêm bột giấy được xử lý bằng ozon, dẫn đến sự phân hủy oxy hóa củacacbohydrat này và do đó góp phần làm tăng giá trị COD

Bảng1: Lượng thải trung bình hằng năm được báo cáo từ các nhà máy giấy Kraft

trong EU

( Nguồn: Pulp Mill Wastewater: Characteristics and Treatment- María Noel Cabrera)

Lưulượng

Lưu lượng theo m3/ADt;

COD, BOD5, AoX, TSS, P, N tính theo kg/ADt.

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIẤY VÀ BỘT GIẤY

2.1 Công nghệ xử lý bằng bùn than hoạt tính, xử lý sinh học

Chương pháp xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học được ứng dụng để

xử lý các chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải cũng như một số chất ô nhiễm

vô cơ khác như H2S, sunfit, ammonia, nitơ,… dựa trên cơ sở hoạt động của visinh vật để phân hủy chất hữu cơ gây ô nhiễm Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ

và một số khoáng chất làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển

2.1.1 Công nghệ sinh học hiếu khí

Quá trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải gồm ba giai đoạn sau:

- Oxy hóa các chất hữu cơ: CxHyOz + O2 = CO2 + H2O + DH (1)

- Tổng hợp tế bào mới: CxHyOz + O2 + NH3 = CO2 + H2O + DH (2)

- Phân hủy nội bào: C5H7NO2 + 5O2 = 5CO2 + 5H2O + NH3 + DH (3)

và hiệu suất cao hơn rất nhiều

Tùy theo trạng thái tồn tại của vi sinh vật, quá trình xử lý sinh học hiếukhí nhân tạo có thể chia thành:

- Xử lý sinh học hiếu khó với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng chủ yếuđược sử dụng khử chất hữu cơ chứa cacbon như quá trình bùn hoạt tính, hồ làmthoáng, bể phản ứng hoạt động gián đoạn, quá trình lên men phân hủy hiếu khí.Trong số những quá trình này, quá trình bùn hoạt tính hiếu khí (Aerotank) là phổbiến nhất

- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám nhưquá trình bùn hoạt tính dính bám, bể lọc nhỏ giọt, bể lọc cao tải, đĩa sinh học, bểphản ứng nitrate hóa với màng cố định

Một cách tổng quát, quá trình này xảy ra theo 4 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử

- Giai đoạn 2: Axit hóa

- Giai đoạn 3: Axetat hóa

- Giai đoạn 4: Metan hóa

Tùy theo trạng thái bùn, có thể chia quá trình xử lý kị khí thành:

- Quá trình xử lý kị khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quátrình tiếp xúc kị khí, quá trình xử lý bùn kị khí với dòng nước đi từ dướilên (UASB)

- Quá trình xử lý kị khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quátrình lọc kị khí

- Quá trình xử lý kị khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quátrình tiếp xúc kị khí, quá trình xử lý bùn kị khí với dòng nước đi từ dướilên (UASB).

- Quá trình xử lý kị khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quátrình lọc kị khí

Hình 5: Bể xử lý kị khí

(Nguồn: Công ty môi trường Tầm Nhìn Xanh - 2019)

Chú thích:

Substrate inflow: Dòng vào chất nền Effluent gas: Khí thải

Effluent substrate: Chất nền nước thải Tank wall (steel): Thành bể thép

Insulation: Vật liệu cách nhiệt gỗ Covering (sheet steel): Bao gồm thép tấm Ground sludge pipe: Đường ống bùn ngầm Ground injection pipe: Đường ống phun đất

Ưu điểm của quá trình xử lý sinh học kị khí so với hiếu khí như:

- Ít tiêu tốn năng lượng vận hành

- Ít bùn dư, nên giảm được chi phí xử lý bùn

- Bùn sinh ra dễ tách nước

- Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm được chi phí bổ sung dinh dưỡng

- Có khả năng thu hồi năng lượng từ khí methane.

- Có khả năng hoạt động theo mùa vì kị khí có thể phục hồi và hoạt độc được sau một thời gian ngưng không nạp liệu

- Tải trọng phân hủy hữu cơ cao do vậy mặt bằng yêu cầu cho hệ thống xử

lý nhỏ

- Nhu cầu tiêu thụ năng lượng thấp do không cần cung cấp oxy

- Có khả năng thu hồi năng lượng

2.2 Xử lý nước thải nhà máy giấy bằng công nghệ kết tủa polyelectrolytes cation và anonic

Cơ chế của quá trình xử lý keo tụ bằng polyelectrolytes cation và anoniclà: Các polyme mạch dài hỗ trợ quá trình tạo cụm hạt kích thước huyền phù củacác hạt keo Các polyelectrolytes sử dụng nguyên lý bắc cầu, điều này sẽ làmcho chi phí xử lý thứ cấp hiệu quả cao trong việc loại bỏ các hợp chất hữu cơđộc hại và các chất màu

Hình 6: Quy trình sử dụng polyelectrolytes cation và anonic

Ngoài hiệu quả keo tụ, các chất polyelectrolytes còn được ứng dụng trongkhâu ép bùn, giúp bùn kết dính nhanh hơn và cô đặc, còn quá trình tuyển nổi thìngười ta sử dụng polyme để gắn kết các chất thải lại, cùng với tác dụng củadòng khí cấp vào, chất thải đã được kết dính sẽ nổi lên trên, giúp quá trình xử lýnước thải đạt hiệu quả cao

Ưu điểm khi sử dụng polyelectrolytes:

- Liều lượng sử dụng thấp, hiệu quả xử lý cao.

- Sử dụng được cả trong môi trường axit cũng như bazơ

- Không làm thay đổi pH của môi trường

- Giảm bớt việc sử dụng nhiều loại hóa chất khác nhau

- Hiệu quả trong việc loại bỏ chất rắn

- Dễ hòa tan trong nước

Polyelectrolytes cation được sử dụng trong ngành công nghiệp giấy trongquá trình hóa lý nhờ khả năng tụ keo, lắng cặn, hút nước, tăng tính cô đặc củabùn thải, giúp việc loại bỏ bùn thải qua máy ép dễ dàng hơn

2.2.2 Polyelectrolytes anonic

- Tên hóa học: Polyme Anion

- Công thức: CONH2[CH2-CH-]n

- Tính chất vật lý: Dạng bột, màu trắng đục, hút ẩm mạnh, có trọng lượngphân tử và độ tích điện khác nhau

Hình 7: Hiệu quả xử lý nước thải ở các liều lượng PAC khác nhau

(Nguồn: Ngọ Thị Hằng (2020) – Nghiên cứu tổng hợp polyme hữu cơ dạng anionic và thăm dò

ứng dụng trong xử lý môi trường – 2020)

2.3 Công nghệ sử dụng quá trình oxy hóa tiên tiến (AOP)

Công nghệ AOP được sử dụng để xử lý triệt để chất hữu cơ khó phân hủygây ô nhiễm trong nước thải bằng các quá trình oxy hóa nâng cao

Các quá trình oxy hóa nâng cao là quá trình phẩn hủy oxi hóa dựa vào gốchydroxyl (•OH) hoạt động tự do, được tạo ra tại chỗ ngay trong quá trình xử lý.Gốc hydroxyl là một trong những tác nhân oxi hóa mạnh nhất được biết từ trướcđến nay, gốc này có khả năng phân hủy không chọn lựa mọi hợp chất hữu cơ, dù

là hợp chất khó phân hủy nhất, biến chúng thành các hợp chất vô cơ không độchại như CO2, H2O, các acid vô cơ…

Từ tác nhân oxi hóa thông thường như hydrogen peroxide, ozone… có thểnâng cao khả năng oxi hóa của chúng bằng các phản ứng khác nhau để tạo ragốc hydroxyl, thực hiện quá trình oxi hóa gián tiếp thông qua gốc hydroxyl Vìvậy các quá trình này được gọi là quá trình oxi hóa nâng cao AOP

Quá trình oxi hóa nâng cao có vai trò quan trọng trong việc đẩy mạng quátrình oxi hóa, giúp phân hủy nhiều loại chất hữu cơ ô nhiễm khác trong nướcthải Các quá trình oxi hóa nâng cao đạt hiệu quả cao để phân hủy các chất ônhiễm hữu cơ khó phân hủy (POPs), hydrocarbon halogen hóa, hydrocarbonaromatic, PCBs, nitrophenol, các chất nhuộm,…