Nghiên ứu xử lý nước thải của quá trình nấu rửa bột giấy theo phương pháp kraft

Trân trọng cảm ơn Công ty Cổ phần Bột giấy Hòa Bình đã tạo điều kiện trong quá trình thực hiện luận văn Tác giả Trang 4 ISO Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam BAT Cô

PHẠM ĐỨC THẮNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CỦA QUÁ TRÌNH NẤU RỬA

BỘT GIẤY THEO PHƯƠNG PHÁP KRAFT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS, TS NGÔ THỊ NGA

HÀ NỘI – 2008

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205035301000000

Luận văn đã hoàn thành về nội dung và tiến độ thực hiện Đây là kết quả nỗ lực của cả giáo viên và học

viên Tôi xin cam đoan bản báo cáo luận văn này là công

trình nghiên cứu của bản thân trong quá trình học tập

tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Nếu luận văn

này là sao chép của một công trình khác tỗi xin chịu

trách nhiệm

Tác giả

Phạm Đức Thắng

Xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể các thầy cô giáo Khoa Công nghệ Môi

trường, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã đào tạo Lớp Cao học Kỹ thuật

Môi trường trong niên khóa 2006 – 2008

Trân trọng cảm ơn Lãnh đạo và toàn thể các đồng nghiệp Viện Công

nghiệp Giấy và Xenluylô đã tạo điều kiện cho tôi học tập và làm việc để hoàn

thành luận văn

Trân trọng cảm ơn Công ty Cổ phần Bột giấy Hòa Bình đã tạo điều kiện

trong quá trình thực hiện luận văn

Tác giả

Phạm Đức Thắng

ISO Tæ chøc tiªu chuÈn quèc tÕ

Bảng 1.1 – Mục tiêu qui hoạch công nghiệp giấy Việt Nam đến năm 2020 5 Bảng 2.1 – Hiệu suất bột giấy và các chất hữu có trong dịch đen khi nấu

gỗ thông theo phương pháp xút

13

Bảng 2.2 – Sự phụ thuộc của lượng chất thải và lượng nước sử dụng vào

trình độ công nghệ của nhà máy bột Sunfat và Sôđa không tẩy trắng

13

công nghệ kiềm của các loại nguyên liệu khác nhau

14

các nguồn thải

Đồ thị 4.2 – ảnh hưởng của hàm lượng COD đầu vào đến hiệu suất xử

1.1 Công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy ở Việt Nam 3

1.2 Quy hoạch phát triển ngành giấy tới năm 2020 5

Chương 2: Công nghệ sản xuất bột giấy theo

phương pháp xút và đặc tính của nước thải

8

2.1 Công nghệ sản xuất bột giấy theo phương pháp xút 8

2.2 Đặc tính của nước thải quá trình nấu rửa bột giấy 11

3.5 Tình hình nghiên cứu và áp dụng công nghệ sinh học kỵ khí

trong xử lý nước thải nấu rửa bột giấy trên thế giới và Việt Nam

41

3.5.1 Tình hình nghiên cứu và áp dụng công nghệ sinh học kỵ khí

trong xử lý nước thải nấu rửa bột giấy trên thế giới

41

3.5.2 Tình hình nghiên cứu và áp dụng công nghệ sinh học kỵ khí

trong xử lý nước thải nấu rửa bột giấy ở Việt Nam

42

4.1.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ vôi sử dụng 44

4.2 Nghiên cứu xử lý nước thải trên quy mô Pilot 53

Phụ lục

Mở đầu

Hiện nay, ngành công nghiệp giấy đang tăng trưởng nhanh chóng và

đóng góp vào tiến trình phát triển chung của nền kinh tế xã hội Tuy nhiên, ngành công nghiệp giấy lại là một trong những ngành gây ô nhiễm trầm trọng,

đặc biệt là đối với các nguồn nước Vì vậy, song song với việc lập kế hoạch phát triển doanh nghiệp, một bài toán khác đặt ra cho ngành giấy là phải xử lý tốt các chất thải, giảm bớt ô nhiếm và bảo vệ tài nguyên môi trường

Ngành công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy Việt Nam còn rất lạc hậu Lượng nước tiêu thụ rất lớn tuỳ thuộc vào công nghệ (khoảng 30ữ100 m3/1 tấn sản phẩm giấy) và phát sinh gần như ngang bằng một lượng nước thải với hàm lượng COD, BOD, TSS và độ màu cao

Để phát triển một cách bền vững, các quốc gia trên thế giới phải luôn tìm kiếm các giải pháp cải tiến công nghệ sản xuất và xử lý các chất thải gây ô nhiễm môi trường Hiện nay, trên thế giới, công nghệ xử lý nước thải theo phương pháp sinh học rất phát triển, trong đó phương pháp xử lý kỵ khí đã có những nghiên cứu ứng dụng trong thực tế Phương pháp này có ưu điểm là không yêu cầu chi phí năng lượng lớn cho quá trình xử lý, không phải đầu tư cho xử lý bùn, do lượng bùn hình thành rất nhỏ Sản phẩm phân giải hoàn toàn các chất hữu cơ trong quá trình xử lý là khí sinh học (Biogas), thành phần chủ yếu là khí metan và cacbonic có thể dùng làm nhiên liệu rất hiệu quả

ở Việt Nam các nhà máy sản xuất bột giấy vừa và nhỏ hầu hết không

có hệ thống thu hồi hoá chất Dịch đen đặc chỉ được sử dụng một phần để cô

đặc làm phụ gia bê tông hoặc được tái sử dụng trong quá trình nấu Hầu như toàn bộ dịch đen nấu bột giấy và nước rửa được thải trực tiếp vào hệ thông thải chung của nhà máy gây ô nhiễm môi trường trầm trọng

Để có thể xác lập được quy trình công nghệ xử lý nước thải cho các nhà máy sản xuất bột giấy qui mô vừa và nhỏ thì còn nhiều vấn đề phải nghiên

với hàm lượng COD và độ mầu rất cao Bởi vậy, trong công nghệ xử lý nước thải ngành giấy cần có sự kết hợp giữa 2 phương pháp kỵ khí và hiếu khí, trong đó công đoạn kỵ khí đặt trước, công đoạn xử lý hiếu khí đặt sau trong quy trình công nghệ Do vậy, việc tìm hiểu ảnh hưởng của các thông số đầu vào, nhất là bản chất của nước thải đến hiệu quả của quá trình xử lý kỵ khí là rất cần thiết, vì nó sẽ có tác động đến hiệu quả của toàn bộ quá trình xử lý

Chính vì những lý do trên mà tôi lựa chọn thực hiện đề tài:"Nghiên cứu

xử lý nước thải của quá trình nấu rửa bột giấy theo phương pháp Kraft"

Dựa trên những đặc tính của nước thải cũng như những nghiên cứu đã

có trên thế giới đề tài đã đặt ra mục đích tiến hành nghiên cứu bao gồm:

Trong nghiên cứu thuộc phạm vi đề tài này, tác giả chú trọng vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đầu vào chủ yếu của nước thải đến quá trình xử lý nước thải nấu rửa bột giấy theo phương pháp sinh học kỵ khí Kết quả này khẳng định việc xử lý sinh học kỵ khí đối với loại nước thải này

là có hiệu quả và tạo tiền đề cho việc xử lý hiếu khí tiếp theo

Thiết lập được qui trình xử lý nước thải của quá trình nấu rửa bột giấy trên qui mô pilot phòng thí nghiệm

Chương 1 Tình hình sản xuất bột giấy và giấy ở việt nam 1.1 Công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy ở Việt Nam

Công nghiệp giấy Việt Nam có một vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, mặc dù qui mô của nó vẫn còn nhỏ bé so với khu vực và thế giới Công nghiệp giấy Việt Nam bao gồm 1.408 cơ sở sản xuất, trong đó có 42 cơ

sở quốc doanh (của Trung ương và địa phương), 39 cơ sở thuộc kinh tế tập thể,

38 xí nghiệp tư nhân và phần còn lại (hơn 1.269 cơ sở) là hộ lao động thủ công cá thể Tổng công suất sản xuất bột giấy và giấy của công nghiệp giấy Việt Nam tương ứng là 200.000 tấn/năm và 400.000 tấn/năm Toàn ngành chỉ

có 3 cơ sở qui mô lớn với công suất trên 20.000 tấn giấy/năm là các công ty Giấy Bãi Bằng (55.000 tấn/năm); công ty Giấy Tân Mai (48.000 tấn/năm) và công ty Giấy Đồng Nai (20.000 tấn/năm); 33 đơn vị qui mô trung bình (>1.000 tấn/năm) và còn lại là các cơ sở sản xuất qui mô nhỏ dưới 1.000 tấn/năm và rất nhỏ

Nói chung, công nghệ sản xuất giấy ở Việt Nam còn ở trình độ thấp và chậm phát triển so với khu vực và thế giới Ngoài các cơ sở lớn ở Bãi Bằng, Tân Mai, Đồng Nai, các doanh nghiệp khác đều sản xuất giấy theo phương pháp kiềm không có thu hồi hoá chất nên khó cải thiện chất lượng, giá thành cao và gây ô nhiễm môi trường

Do qui mô sản xuất nhỏ, sản xuất phân tán nên công nghiệp giấy Việt Nam chưa gây ra những vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng trên diện rộng Tuy nhiên, do hầu hết các cơ sở ít hoặc không đầu tư cho xử lý chất thải (mà trước hết là nước thải) nên vấn đề ô nhiễm cục bộ tại địa phương lại hay xảy ra; nước thải đều không đạt các tiêu chuẩn về môi trường Qua khảo sát người ta thấy ở ba công ty giấy lớn nhất (tại Bãi Bằng, Tân Mai, Đồng Nai)

mặ dù với công nghệ sản xuất tương đối hiện đại có đầ tư cho các công trình

xử lý nước thải nhưng các chỉ tiêu TSS, BOD5, COD của nước thải vẫn cao gấp

vài lần so với tiêu chuẩn cho phép ở các nhà máy còn lại, các chỉ tiêu TSS, BOD5, COD cao gấp chục lần thậm chí hàng 100 lần so với tiêu chuẩn cho phép

Ngành giấy Việt Nam đang đứng trước những cơ hội phát triển mạnh

mẽ Công nghiệp tăng trưởng nhanh, đời sống nhân dân được cải thiện, nhu cầu giấy tiêu dùng và giấy làm bao bì ngày càng tằn lên Mức tiêu thụ giấy bình quân đầu người của Việt Nam năm 2000 là 8kg/người/năm, năm 2004 đã

là 13kg/người/năm Hiện nay các nhà máy giấy của Việt Nam chỉ đâp ứng

được khoảng trên 50% nhu cầu trong nước, còn gần 50% phải nhập khẩu

Sản xuất giấy của Việt Nam trước đây do các doanh nghiệp nhà nước

đảm nhận Hiện nay ngành công nghiệp giấy bao gồm các doanh nghiệp nhà nước (đang được cổ phần hoá) và các doanh nghiệp thuộc khu vực kinh tế tư nhân

Các doanh nghiệp sử dụng công nghệ, sản xuất các sản phẩm khác nhau Các doanh nghiệp nhà nước sử dụng công nghệ hiện đại, sản xuất các loại bột giấy trắng cao cấp, giấy viết, giấy in chất lượng cao Các doanh nghiệp kinh tế tư nhân đa số sử dụng công nghệ cũ, lạc hậu, sản xuất các loại giấu bao bì, giấy bao gói, giấy vệ sinh, giấy viết có chất lượng thấp

Phân bố của các doanh nghiệp sản xuất giấy:

Các doanh nghiệp sản xuất giấy phân bố ở cả 3 miền Bắc, Trung,Nam

ở miền Bắc có nhiều doanh nhiệp lớn như: Nhà máy giấy Bãi Bằng, Việt Trì, Hải Phòng và có làng nghề truyền thống lâu đời Phong Khê (Bắc Ninh), nơi tập trung của hơn 130 doanh nghiệp sản xuất giấy Khu vực miền Trung có nhà máy giấy Tân Bình Khu vực miền Nam có các nhà máy giấy Tân Mai,

Đồng Nai, Long An Ngoài ra, mỗi tỉnh trong cả nước đều có các cơ sở sản xuất giấy thuộc khu vực kinh tế tư nhân

1.2 Quy hoạch phát triển ngành giấy tới năm 2020

Theo qui hoạch phát triển ngành công nghiệp giấy Việt Nam đến năm

2010, tầm nhìn 2020 nhằm xây dựng ngành công nghiệp giấy Việt Nam với công nghệ hiện đại, hình thành các khu vực sản xuất giấy, bột giấy tập trung với công suất đủ lớn, đap ứng nhu cầu trong nước và xuất khẩu Theo kế hoạch vào năm 2010 công nghiệp giấy Việt Nam sẽ có sản lượng 600.000 tấn bột giấy và 1.380.000 tấn giấy các loại Đến năm 2020, đáp ứng được 70% nhu cầu tiêu dùng trong nước, đẩy mạnh xuất khẩu các mặt hàng giấy, tạo thế cạnh tranh với các thị trường trong khu vực và quốc tế ; xây dựng vùng nguyên liệu giấy tập trung nhằm đáp ứng đủ nhu cầu nguyên liệu để cung cấp cho sản xuất 600.000 tấn bột giấy vào năm 2010 và 1.800.000 tấn vào năm 2020, tạo điều kiện để xây dựng các nhà máy chế biến bột giấy tập trung, qui mô lớn

Phấn đấu đến năm 2010, trồng được 470.000ha rừng nguyên liệu, sản xuất được 600.000 tấn bột giấy và 1.380.000 tấn giấy, đến năm 2020 trồng thêm 907.000ha rừng nguyên liệu, sản xuất được 1.800.000 tấn bột giấy và 3.600.000 tấn giấy

Bảng 1.1: Mục tiêu qui hoạch công nghiệp giấy Việt Nam đến năm 2020

(Theo VPPA-Hiệp hội giấy và bột giấy Việt Nam)

Về quy hoạch sản phẩm, ngành giấy tập trung vào sản xuất bột giấy, giấy và xây dựng vùng nguyên liệu Đối với sản xuất bột giấy, ngành giấy sẽ tập trung triển khai những dự án đó được phê duyệt để khắc phục sự mât cân

đối giữa sản xuất bột giấy và sản xuất giấy, đồng thời góp phần tiêu thụ sản phẩm cho người trồng cây nguyên liệu Đốii với sản xuất giấy và khai thác hết năng lực sản xuất của các nhà máy hiện có để đáp ứng đủ nhu cầu giáy in, giấy viết cho tiêu dùng và xuất khẩu Bên cạnh đó, đầu tư xây dựng một số nhà máy sản xuất giấy bao bì (giấy bao bì thông thường và bao bì cao cấp), giấy công nghiệp để đáp ứng nhu cầu trong nước và nguyên liệu cho sản xuất công nghiệp Đối với phát triển vùng nguyên liệu, ngành giấy quy hoạch và xây dựng vùng nguyên liệu giấy tập trung có quy mô đủ lớn, nhằm giải quyết nguyên liệu cho sản xuất giấy và tạo điều kiện cho việc xây dựng các nhà máy sản xuất bột có quy mô lớn Vùng nguyên liệu và các dự án bột giấy và giấy trên toàn quốc được xác định thành 6 vùng (Trung du Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ, duyên hải Trung Bộ, Tây Bắc, Đông Bắc và Bắc Tây Nguyên), tạo

sự phát triển cân đối theo vùng lãnh thổ, đáp ứng chiến lược phát triển kinh tế

sản xuất bột giấy nhằm khắc phục sự mất cân đối giữa sản xuất bột giấy và sản xuất giấy, đồng thời góp phần tiêu thụ sản phẩm cho người trồng cây nguyên liệu giấy

Chương 2 công nghệ sản xuất bột giấy theo phương pháp xút

và đặc tính của nước thải 2.1 Công nghệ sản xuất bột giấy theo phương pháp xút

Công nghệ sản xuất bột giấy theo phương pháp xút với qui mô vừa và nhỏ gần như gống nhau Vì đối tượng nghiên cứu của đề tài là nước thải của nhà máy giấy Hòa Bình nên trong phần giới thiệu công nghệ tác giả cũng xin

được đề cập tới công nghệ nấu rửa bột của nhà máy giấy Hòa Bình Công nghệ nấu bột bao gồm các công đoạn cơ bản sau:

- Chuẩn bị nguyên liệu (Cắt mảnh): Sau khi chọn và phân loại, nguyên liệu gỗ được đưa vào cắt mảnh Mảnh được cắt có kích thước dầy 5ữ10mm, rộng 20ữ25mm, dài 20ữ30mm Mục đích của việc cắt mảnh là để dịch nấu dễ thẩm thấu vào nguyên liệu, giảm được thời gian nấu và hoá chất, bột sẽ chín

đều hơn Cắt mảnh còn tăng được độ chất chặt của nồi, tăng hiệu suất sử dụng thiết bị

- Nấu bột: Nấu bột là một quá trình chủ yếu của công đoạn sản xuất bột giấy Trong nguyên liệu bao gồm nhiều thành phần hoá học khác nhau Thành phần chủ yếu cần thiết để sản xuất giấy là Xenluylô và Hemixenluylô Mục

đích của nấu là dùng phương pháp hoá học, với nhiệt độ nhất định để loại trừ các thành phần khác, thu được Xenluylô và một phần Hemixenluylô

Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến quá trình nấu:

+ Hoá chất: Hoá chất được sử dụng là NaOH, và được tính theo tỷ lệ %

so với nguyên liệu khô tuyệt đối

+ Tỉ lệ dịch: Là tỉ lệ khối lượng nguyên liệu khô tuyệt đối so với khối lượng dịch cho vào nồi để nấu

+ Nhiệt độ: Nhiệt độ để tăng tốc độ phản ứng giữa hoá chất với nguyên liệu Phải đạt nhiệt độ nhất định các thành phần phi xenluylô trong nguyên liệu không cần trong sản xuất giấy mới hoà tan trong dịch nấu Nhiệt độ cao

sẽ rút ngắn được thời gian nấu, giảm được hoá chất Nhiệt độ nấu trong nồi thường ở 140ữ1600C

+ Thời gian: Thời gian nấu là để hoá chất thẩm thấu vào trong nguyên liệu hoà tan các thành phần phi xenluylô Với yếu tố tỉ lệ hoá chất, nhiệt độ nhất định, thời gian dài ngắn quyết định ở nguyên liệu Thời gian dài ngắn còn quyết định ở qui cách mảnh nguyên liệu

- Sàng, rửa bột và thành phẩm: Các phương pháp rửa bột sau

+ Rửa trong nồi: Nếu nấu bột bằng thiết bị nấu áp lực nồi cầu quay, sau khi nấu chín xả bớt hơi, xả hết dịch, cho nước sạch vào nồi, đóng nắp lại cho nồi quay 20ữ30 phút, rồi mở nắp đổ nước rửa ra Làm đi làm lai 3ữ4 lần

+ Rửa khuyếch tán: Tháp rửa khuếch tán hình trụ được xây bằng bêtông, gia công bằng thép hoặc gỗ có đáy hình côn, có bọc lưới phía trong Dịch đen chảy qua lưới và đưa ra ngoài bằng hệ thống đường ống Thể tích của tháp rửa lớn hơn thể tích của nồi nấu khoảng 20%, tháp rửa làm việc gián

đoạn, lần rửa thứ nhất và rửa thứ 2 bằng dịch đen loãng, lần rửa thứ 3 bằng nước sạch

+ Rửa bột trong vít tải: Bột sau nấu được phóng vào bể chứa, dùng bơm bơm bột vào máy ép vít (vít tải) bơm vào đầu to, vỏ máy có bọc lưới phía trong để tách dịch Vít xoắn quay nén bột về đầu nhỏ Quá trình này tạo ra lực

ép vắt độ khô của bột ra khỏi máy 40ữ45% Dịch đen tách qua lưới và chảy vào bể chứa, bột sau máy ép vít lại được pha loãng bằng dịch đen loãng và bơm về máy rửa tiếp theo, thông thường rửa theo phương pháp này phải qua 3 giai đoạn

+ Rửa bột bằng phin lọc chân không: Bột giấy được rửa trên phin lọc chân không theo nguyên lý ngược dòng (nguyên lý rửa bột bằng vít ép) tức là nước và dịch rửa đi ngược chiều với chiều vận chuyển bột

+ Rửa bột trong máy nghiền Hà Lan: Lô rửa bột có cấu tạo dạng lô lưới tròn hoặc hình bát giác, phía trong chia thành nhiều khoang dạng gầu múc Khi lô quay, bột bám lên mặt lưới, dịch đen được thoát ra từ ngoài vào trong qua lưới vào gầu múc và hướng vào tâm trục thoát ra ngoài

Tại nhà máy Bột giấy Hòa Bình, bột từ hệ thống bể khuếch tán hoặc bể phóng được bơm sang sàng rung thô để tách loại những mảnh thô, mấu mắt chưa chín hết Bột tiếp tục qua rửa lưới tròn và rửa lưới đôi để đạt được độ sạch và độ khô nhất định trước khi đem đi bán Tại công đoạn rửa, lượng nước thải ở đây là phần dịch đen bao gồm lignin và các chất hữu cơ hoà tan có mầu

đen và chứa toàn bộ hoá chất trong quá trình nấu Mục đích của quá trình này

là loại bỏ các tạp chất, các thành phần phi xenluylô đã hoà tan trong dịch nấu, các hoá chất còn dư như vôi hoặc xút, nhằm nâng cao chất lượng của bột giấy, giảm bớt tiêu hao của hoá chất tẩy

Dưới đây là sơ đồ sản xuất bột giấy theo phương pháp xút:

Hình 2.1- Sơ đồ công nghệ sản xuất bột giấy theo phương pháp xút và các

nguồn thải

2.2 Đặc tính của nước thải quá trình nấu rửa bột giấy

Bột giấy hóa học được sản xuất bằng cách nấu dăm mảnh gỗ cùng với dung dịch hóa chất thích hợp trong điều kiện nhiệt độ và áp xuất nhất định Quá trình nấu sẽ hòa tan lignin và một phần các chất hữu cơ, giữ lại xenlulo và hemixenlulo gọi là bột giấy Phần hòa tan đi vào trong dung dịch gọi là dịch

đen

Dịch đen là dung dịch bao gồm các hỗn hợp chất vô cơ và hữu cơ Các chất hữu cơ có trong dịch đen chủ yếu là các sản phẩm phân huỷ lignin, hydroxy axit mạch thẳng, các axit bay hơi, chất ête hoà tan không bay hơi bao gồm phenol, các chất thơm có độ trung hợp thấp, các axit béo và nhựa, các hợp chất trung tính cũng như các thành phần trung tính hoà tan trong muối natri Tính chất hoá lý của dịch đen, tỷ lệ các chất vô cơ và hữu cơ cũng như tỷ

lệ giữa các nhóm chất hữu cơ trong dịch đen phụ thuộc vào nguyên liệu cũng như chế độ công nghệ nấu bột giấy

- Dịch đen: có hàm lượng COD, BOD,

Nước thải: có hàm lượng COD, BOD TSS và độ mầu cao

Chất thải rắn, Nước thải có chứa các chất thô như cát sạn, mảnh vỏ

Hóa chất,

Nước, hơi

Nước rửa

Nước rửa

Hàm lượng lignin trong dịch đen chiếm khoảng 50% các hợp chất hữu cơ, là hỗn hợp các chất hữu cơ thơm với phân tử lượng khác nhau Khoảng 70 – 80% lignin kiềm ở dạng keo hoà tan, đây là phần lignin có thể kết tủa được thành dạng bột xốp có màu vàng hoặc nâu khi axit hoá Còn lại 20 – 30% có phân tử lượng thấp được gọi là lignin hoà tan, là phần không kết tủa được khi

pH thay đổi

những nhóm đặc trưng của lignin Trong gỗ cứng chứa 20 – 22%, gỗ mềm chứa 16 – 17%

Nhóm hyđroxyl –OH, số lượng nhóm hyđroxyl phụ thuộc vào phương pháp phân tích lignin, chiếm khoảng 9 – 11% Nhóm hyđroxyl chia làm hai loại: loại liên kết vòng thơm thì mang tính phenol và các tính axit; loại liên kết mạch prropan thì mang tính rượu và phụ thuộc vào vị trí có thể là rượu bậc 1 hoặc bậc 2 Đặc biệt nhóm hyđroxyl ở vị trí α mang tính rượu benzyl có hoạt tính cao

Các chất hữu cơ trong nước thải có thể chia thành bốn nhóm sau:

- Nhóm các chất hữu cơ bay hơi như axit foocmic, axit oxalic axit axetic, các axit dễ bay hơi khác

- Các chất hữu cơ không hoà tan trong nước và trong ete chủ yếu là lignin, kiềm

- Các chất hữu cơ không hòa tan trong nước nhưng hòa tan trong ete bao gồm các hợp chất phenol, axit nhựa, axit béo

- Các chất hòa tan trong nước và trong hỗn hợp rượu–ete bao gồm lacton, hydroxyt axit

Quá trình nấu đã phá hủy và chuyển hóa vào dung dịch đen khoảng 10,2% xenlulo; 22,7ữ25,7% lignin; 7,3ữ7,7% pentozan; 7,2ữ7,5% hexozan và

8,9-tất cả các chất nhựa khoảng 3,5ữ4% so với khối lượng nguyên liệu khô tuyệt

đối

Trong công đoạn nấu thu được loại dịch nấu mầu đen, rất giầu lignin (loại hợp chất hữu cơ từ thực vật rất khó phân hủy) và các hóa chất nấu Để giảm thiểu nồng độ ô nhiễm trong dịch đen người ta thường dùng các biện pháp:

- Tách dịch đen đậm đặc ban đầu từ lưới gạn bột giấy và tuần

hoàn dùng lại ở nồi nấu sẽ giảm được lượng kiềm trong dịch thải

hóa, các phương pháp này có thể giảm tải ô nhiễm COD tới 85%

Tải lượng ô nhiễm của quá trình nấu bột giấy là rất lớn Thải lượng này phụ thuộc vào công nghệ nấu cũng như nguyên liệu sử dụng

Bảng 2.1 - Hiệu suất bột giấy và các chất hữu có trong dịch đen khi nấu

gỗ thông theo phương pháp xút [5]

Bảng 2.2 à Sự phụ thuộc của lượng chất thải và lượng nước sử dụng vào trình độ công nghệ của nhà máy bột Sunfat và Sôđa không tẩy trắng [6]

Trình độ công nghệ BOD

kg/tấn

COD kg/tấn

TSS kg/tấn

Lượng nước sử dụng

m 3 /tấn

Tăng hiệu quả rửa, có

thu hồi hóa chất

Bảng 2.3- Hàm lượng COD, BOD và độ màu trong dịch đen nấu bột giấy

theo công nghệ kiềm của các loại nguyên liệu khác nhau [11]

Phương

pháp nấu

Nguyên liệu thô

Hiệu suất bột giấy, %

BOD 7 kg/tấn

COD kg/tấn

Màu kg/tấn

Các chất vô cơ hoà tan trong nước thải bao gồm natri hydroxyt (NaOH)

và các muối natri (Na2SO4, NaCl, Na2CO3) Hàm lượng các chất vô cơ chiếm

khoảng 20ữ26% so với hàm lượng chất khô trong dịch đen, phụ thuộc vào chế

độ công nghệ nấu bột giấy Natri hydroxyt và muối của nó sẽ làm thay đổi pH của nguồn nước tiếp nhận sang môi trường kiềm

Trong quá trình sản xuất bột giấy, hầu như tất cả lượng nước đưa vào sử dụng sẽ là lượng nước thải ra, nước thải từ quá trình nấu và rửa sau có các yếu

tố gây ô nhiễm chính đó là

- pH cao do kiềm dư gây ra là chính

- Thông số cảm quan (màu đen, mùi, bọt) chủ yếu là do dẫn xuất của lignin gây ra là chính

- Cặn lơ lửng (do bột giấy và các chất độn như cao lin gây ra)

- COD và BOD do các chất hữu cơ hoàn tan gây ra là chính, các chất hữu cơ ở đây là lignin và các dẫn xuất của lignin, các loại đường cao phân tử

và một lượng nhỏ các hợp chất có nguồn gốc sinh học khác

3.2 Nội dung nghiên cứu

Căn cứ vào mục tiêu của đề tài đã đề ra, nội dung nghiên cứu của đề tài

được tiến hành các công việc sau:

- Lấy mẫu tại hiện trường và xác định các thông số ô nhiễm của nước thải: pH, COD, BOD, TSS, độ mầu

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố cơ bản đối với quá trình xử lý nước thải, trong đó bao gồm:

+ Nghiên cứu công đoạn xử lý hóa lý: Tìm hiểu ảnh hưởng của nồng độ vôi sử dụng để xử lý nước thải Từ đó xác định được mức dùng vôi thích hợp

+ Nghiên cứu công đoạn xử lý sinh học kỵ khí: Tìm hiểu ảnh hưởng của tải lượng COD đầu vào và thời gian lưu của nước thải tới hiệu suất xử lý Từ

đó xác định được thời gian lưu nước thải thích hợp cho quá trình xử lý

+ Nghiên cứu công đoạn xử lý sinh học hiếu khí: Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lưu nước thải tới hiệu suất xử lý Từ đó xác định được thời gian lưu nước thải thích hợp cho quá trình xử lý

Nước thải từ công đoạn nấu và rửa sau nấu có rất nhiều chất hòa tan, có nhiều chất nấu và một phần xơ sợi, do đó nước thải cần phải xử lý sơ bộ bằng các phương pháp:

• Phương pháp cơ học (lắng, lọc, tuyển nổi): Để tách các tạp chất thô

dạng bột, dạng sợi

• Phương pháp hóa lý (đông keo tụ): Sử dụng để xử lý một phần chất hữu

cơ hoà tan, hợp chất phôtpho, một số chất độc và khử mầu Các chất keo

tụ thường được sử dụng là phèn sắt, phèn nhôm và vôi Các chất polyme dùng để trợ keo và tăng tốc độ lắng

Như đã nói trong mục 2.2, nước thải nấu rửa bột giấy theo phương pháp kiềm có chứa một lượng lớn các vô cơ và chất hữu cơ hòa tan

Lignin không phải là một hợp chất riêng biệt mà là hỗn hợp các polyme chứa nhân thơm Các mắt xích đơn giản nhất cửa lignin chính là các đơn vị cấu trúc phenylpropan (C6 – C3)

Cấu tạo của lignin rất phức tạp Vì vậy, các quan điểm về cấu tạo lignin cũng còn nhiều điểm chưa thống nhất Tuy vậy, quan điểm chung hiện nay cho là lignin có cấu tạo từ 3 loại đơn vị cấu trúc cơ bản sau:

- Gvaiaxylpropan (I);

- Xyringypropan (II);

- Loại không chứa nhóm metocxyl (III)

Hình 3.1 à Các dạng cấu trúc cơ bản của lignin [5]

Trong gỗ mềm chứa chủ yếu lignin nhóm I Trong gỗ cứng ngoài lignin nhóm I còn chứa nhóm II Trong một số loài thực vật ngắn ngày và đôi khi một số loại gỗ mềm còn chứa lignin thuộc nhóm III

Các chất này chỉ có một số loại nấm có khả năng phân huỷ thành các chất có phân tử lượng nhỏ hơn thì các vi sinh vật mới có khả năng phân huỷ

được) Do đó, để có thể đưa nước thải vào công đoạn xử lý hóa lý thì trước tiên phải xử lý được lignin

Qua việc phân tích các nguyên tố và các nhóm chức, xác định trọng lượng phân tử và sự biến đổi hóa học của các nhóm chức của các chất hữu cơ hòa tan trong nước thải nhà máy bột giấy mà D.J Bennet và các đồng sự đã

đưa ra kết luận: Quá trình kết tủa các chất hữu cơ có mầu trong nước thải bằng vôi là một quá trình hóa học hơn là quá trình vật lý và quá trình tách các chất hữu cơ bằng vôi phụ thuộc vào sự có mặt của các nhóm phenol hoặc các nhóm enol và trọng lượng phân tử của các chất hữu cơ hòa tan trong nước thải phản ứng với vôi hay với các hợp chất của canxi trong môi trường kiềm tạo thành muối hữu cơ canxi không hòa tan lắng xuống

Hình 3.2 à Sơ đồ phản ứng giữa vôi và lignin [6]

Theo kết quả nghiên cứu của H.S Dugal về tác động của các chất hữu cơ có trong nước thải thì các chất hữu cơ có khối lượng phân tử trung bình (Mw) nhỏ hơn 400 thì không bị kết tủa khi xử lý bằng vôi, với Mw>5.000 thì kết tủa hoàn toàn bằng vôi, với 400<Mw<5.000 thì bị kết tủa một phần

Trong thực tế xử lý nước thải, vôi được sử dụng trong xử lý nước thải công nghiệp bột – giấy dưới các dạng sau:

- Nước thải được xử lý bằng một lượng lớn vôi 0,3 – 3,3% tính theo Ca(OH)2 để kết tủa các chất hữu cơ, tạo ra bùn có khả năng lắng nhanh, nồng độ chất khô cao và hiệu quả tách các chất hữu cơ trong nước thải

- Sử dụng bùn vôi kết hợp với vôi thu hồi hoặc đã được hydrat hóa để kết tủa các chất hữu cơ mang mầu trong nước thải

- Xử lý nước thải bằng vôi kết hợp với ion kim loại đa hóa trị

• Phương pháp hóa học (trung hòa nước thải): áp dụng để điều chỉnh pH

của nước thải trước khi đưa vào hệ thống xử lý sinh học

O

+ H2OOH-

3.4.1.2 Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên các kết quả nghiên cứu đã có và kế thừa các kết quả của các đề tài nghiên cứu xử lý nước thải mà Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô đã thực hiện, trong phần xử lý hoá lý đề tài chọn phương pháp kết tủa bằng vôi (Sử dụng với các nồng độ khác nhau) Sau khi xử lý bằng vôi (Xác định được nồng

độ vôi sử dụng thích hợp) phần nước thải trong được trung hoà bằng axit sunphuric

Thực nghiệm: Lấy 0,5 lít nước thải cho vào cốc thuỷ tinh sau đó bổ

sung dung dịch sữa vôi với các nồng độ:3g/l; 5g/l; 7g/l; 10g/l Dùng đũa thuỷ tinh khuấy trộn với thời gian 2 phút, sau đó đổ vào các ống đong có dung tích

1 lít Quan sát tốc độ lắng của bùn vôi và lấy phần nước trong để xác định hàm lượng COD

3.4.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí

3.4.2.1 Cơ sở lý thuyết

Phương pháp sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải là nhờ hoạt động của

hệ vi sinh vật kỵ khí hoạt động phân hủy các hợp chất hữu cơ hòa tan co trong nước thải để tồn tại và phát triển

a Cơ chế quá trình phân hủy kỵ khí

Quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí do một quần thể vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hoạt động không cần sự có mặt của oxi không khí, sản phẩm cuối cùng là một hỗn hợp khí CH4, CO2, N2, H2,àtrong

đó CH4 chiếm tới 60 ữ75% Vì vậy, quá trình này còn được gọi là lên men metan Cơ chế của quá trình bao gồm 3 giai đoạn:

- Giai đoạn 1 (giai đoạn thủy phân): Các hợp chất hữu cơ có trọng lượng

phân tử lớn bị phân hủy do các enzim thủy phân để tạo ra năng lượng và nguồn cacbon để xây dựng tế bào Sản phẩm của giai đoạn này là đường, các axit amin, axit béo phân tử lượng nhỏ

Trong gian đoạn thủy phân, các hợp chất gluxit phân tử lượng nhỏ được phân hủy nhanh; các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ được phân hủy chậm hơn, trong khi các hợp chất hữu cơ phân tử lượng lớn hơn như tinh bột, các axit béo phân tử lượng lớn được phân hủy chậm, đặc biệt zecelulo và liguo zenlulo

được chuyển hóa rất chậm và không triệt để do cấu trúc phức tạp

Các hợp chất ptrotein được phân hủy chậm hơn, trong khi đó các hợp chất hữu cơ phân tử lượng lớn như xenlulo,àthường được phân hủy chậm và không triệt để do cấu trúc phức tạp

Các vi sinh vật tham gia vào quá trình thủy phân phụ thuộc vào các chất

ô nhiễm và các đặc trưng khác nhau của nước thải

- Giai đoạn 2 (giai đoạn lên men axit): Các hợp chất hữu cơ của giai

đoạn 1 được chuyển hóa do hoạt động của vi khuẩn để tạo thành các hợp chất hữu cơ trung gian có phân tử lượng thấp

Trong điều kiện yếm khí, sản phẩm phân giải là các axit hữu cơ phân tử lượng nhỏ như axit propionic, axit lactic, các chất trung tính như rượu, andehit, axeton Thành phần của các sản phẩm trong giai đoạn lên men phụ thuộc vào bản chất các chất ô nhiễm, tác nhân sinh học và điều kiện môi trường

Ngoài ra, trong giai đoạn này các axit amin hình thành do thủy phân protein cũng được khử amin, một phần gốc amin được vi sinh vật sử dụng cho quá trình sinh trưởng và phát triển, một phần được khử

Các sản phẩm lên men phân tử lượng lớn như axit béo, axit lactic,àsẽ

được chuyển hóa đến axit axetci

2CH3 - CHOH- COOH→ 2CH3 – CH2- COOH + CH3 – COOH + CO2 + 2H2O

a Lactic a Propionic a Axetic

Ngoài ra, sự lên men cũng tạo thành các chất trung ticnsh như rượu, andehit, axeton, các chất khí CO2, H2, NH3, H2S và một lượng nhỏ khí Indol,

scatol,à

Trong giai đoạn này BOD và COD giảm không đáng kể, đặc biệt độ pH của môi trường có thể giảm mạnh

- Giai đoạn 3 (giai đoạn lên men metan): Các hợp chất trung gian được

biến đổi thành các sản phẩm cuối là CH4 và CO2 metan: nhờ 3 nhóm vi khuẩn sinh metan : Methano-Bacterium, Methanoscarcina và Methanococcus

Quá trình hình thành khí Mêtan thường xảy ra theo 2 cơ chế chủ yếu sau: + Sự hình thành mêtan do decacboxyl hóa:

CH4 được hình thành do decacboxyl axit axetic

CH4 hình thành do decacboxyl hóa các axit hữu cơ khác

2 4

2 2

2 4

2 2

Hydro hình thành do quá trình lên men các axit hữu cơ, trong điều kiện yếm khí sẽ được các vi khuẩn metanogene sử dụng như là chất nhượng Hydro

để khử CO2 Quá trình khử có thể xảy ra dưới 2 dạng:

Hình 3.3 - Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí [11]

Lên men metan gồm hai pha điển hình: pha axit và pha kiềm

ở pha axit: Hidratcacbon (xenluylô, hemixenluylo, tinh bột, các loại

đường, dextrinà) rất dễ bị phân huỷ và tạo thành các axit hữu cơ có phân tử lượng thấp (axit propionic, butyric, axêticà) Một phần axit béo cũng chuyển thành axit hữu cơ Đặc trưng của pha này là tạo thành axit, pH của môi trường

có thể xuống dưới 5 và kèm theo mùi hôi thối Cuối pha, axit hữu cơ và các chất tan có chứa nitơ tiếp tục bị phân huỷ thành các hợp chất amon, amin, muối cửa axit cacbonic, một lượng nhỏ hỗn hợp khí CO2, N2, CH4, H2, pH của môi trường tăng lên và chuyển về trung tính Mùi rất khó chịu do trong hỗn hợp khí có chứa H2S, indon, scatol, và mercaptan

ở pha kiềm: Pha tạo khí CH4, các sản phẩm thủy phân của pha axit làm cơ chất cho lên men metan và tạo thành CO2, CH4 pH của pha này

Chất hữu cơ phức tạp (hidrat cacbon, protein, lipit)

Chất hữu cơ đơn giản (Đường, axit béo, axit amin)

Axit hữu cơ bay hơi (Propionic, butyric,à)

chuyển hoàn toàn sang kiềm Amin tác dụng với CO2 thành muối cacbonat, tạo cho môi trường có tính đệm rất cao

 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lên men metan:

+ Nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng trước tiên đến quá trình Nhiệt độ tối ưu của quần thể vi sinh vật sinh metan từ 35 ữ55oC Dưới 10oC, vi sinh vật metan hầu như không hoạt động

+ Nguyên liệu là các loại nước thải có độ ô nhiễm cao (BOD từ 4.000

đến 5.000mg/l) Trong các bể phản ứng sinh metan (methantank) cần phải khuấy trộn nguyên liệu Tác dụng của khuấy trộn là để phân bố đều các chất dinh dưỡng, tạo điều kiện chất dinh dưỡng tiếp xúc tốt với vi sinh vật, giải phóng các sản phẩm khí ra khỏi hỗn hợp lỏng - rắn

+ pH môi trường: pH tối ưu của quá trình là 6,4ữ7,5

+ Các ion kim loại có ảnh hưởng rất lớn đến hệ vi sinh vật sinh metan Người ta đã xác định được tính độc của các ion kim loại đến hệ vi sinh vật này như sau: Cr>Cu>Zn>Cd>Ni Giới hạn nồng độ của kim loại này cho phép là:

Cr - 690; đồng - 150; chì - 900; kẽm - 690; niken - 73 mg/l

Quá trình phân hủy kỵ khí được hoàn tất khi CH4 và CO2 được sinh ra Metan là khí ít hòa tan nên thoát ra ngoài và giúp ổn định nước thải Sản phẩm khí của lên men có khoảng 65ữ70% khí metan, 25ữ30% CO2 và một lượng nhỏ là khí khác Khí sinh học thu được (chủ yếu là CH4) có thể dùng làm nhiên liệu, thắp sáng, phát điện

Lên men metan trong tự nhiên được biết đến từ lâu: ở các vùng đáy đầm

hồ, vùng bãi rác thải, trong dạ dày động vật nhai lại, Ngày nay, người ta áp dụng nguyên lí của quá trình này vào xử lí nước thải ô nhiễm chất bẩn cao và

xử lí rác thải Hàng chục năm qua, hàng loạt các quá trình kỵ khí khác nhau

đã được nghiên cứu và phát triển để xử lí bùn cặn, các loại nước thải chứa chất hữu cơ đậm đặc

Các vi sinh vật kỵ khí sử dụng một phần các chất hữu cơ trong nước thải hoặc môi trường để xây dựng tế bào, tăng sinh khối Người ta đã tính toán lượng chất hữu cơ dùng cho mục đích này chỉ khoảng 10% so với tổng số các chất hữu cơ (đối với vi sinh vật hiếu khí con số này là 40%) Do vậy, lượng bùn hoạt tính hình thành trong phân hủy kỵ khí là rất thấp

 Sinh trưởng của vi sinh vật trong nước thải:

 Sinh trưởng lơ lửng-Bùn hoạt tính:

Trong các quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ, xử lí nước thải bằng phương pháp kỵ khí sinh trưởng lơ lửng được dùng phổ biến Đó là quá trình phân hủy kỵ khí xáo trộn hoàn toàn và được thực hiện trong công trình thường được gọi là bể metan (methantank) Ngoài ra, hai quá trình tiếp xúc kỵ khí, quá trình với lớp bùn hoạt tính có dòng hướng lên v.v cũng đang được ứng dụng rộng rãi Phân hủy kỵ khí với sinh trưởng lơ lửng là một trong những quy trình xử lí bùn cặn lâu đời nhất Trong quy trình này không cần có mặt oxi phân tử (O2) Sinh khí metan hay phân hủy các chất hữu cơ trong bể metan có thể thực hiện ở 35ữ370C hoặc 50ữ550C ở nhiệt độ 35ữ370C, khối nguyên liệu trong bể không được gia nhiệt và xáo trộn, do vậy thời gian lên men là khá dài: 30ữ60 ngày (lên len ở tốc độ tiêu chuẩn) Nếu khối nguyên liệu được gia nhiệt tới 50ữ55oC và khuấy đảo trong điều kiện kỵ khí Thời gian lên men rút ngắn lại còn 15 ngày hoặc ít hơn (lên men ở tốc độ cao) Hai

bể nối tiếp cho phép tăng tốc độ quá trình và giảm thể tích thiết bị với tiến hành quá trình ở 1 giai đoạn

 Sinh trưởng dính bám-Màng sinh học:

Đây là phương pháp xử lý kỵ khí nước thải dựa trên cơ sở sinh trưởng dính bám với vi khuẩn kỵ khí trên các giá mang Hai quá trình phổ biến của phương pháp này là lọc kỵ khí và lọc với lớp vật liệu trương nở, được dùng để

xử lý nước thải chứa các chất cacbon hữu cơ Quá trình xử lý với sinh trưởng gắn kết cũng được dùng để khử nitrat

Bảng 3.1 à Hiệu quả của các phương pháp xử lý sinh học kỵ khí [12]

Thông số Đơn vị Hồ kỵ khí Bể phản ứng

tiếp xúc

Bể phản ứng UASB

ưu điểm của phương pháp:

- Không yêu cầu chi phí năng lượng lớn cho quá trình xử lý

- Không phải đầu tư cho xử lý bùn do lượng bùn hình thành là rất nhỏ

- Sản phẩm phân giải hoàn toàn các chất hữu cơ trong quá trình xử lý là khí sinh học (Biogas) thành phàn chủ yếu là CH4, CO2 và có thể dùng làm nhiên liệu rất có hiệu quả

Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ ở điều kiện kỵ khí (lên men metan)

là một quá trình phức tạp Tham gia vào quá trình có tới hàng trăm loài vi

khuẩn kỵ khí bắt buộc và không bắt buộc Các vi khuẩn tham gia quá trình này chia thành hai nhóm: Nhóm vi khuẩn không sinh metan và nhóm vi khuẩn sinh metan

Nhóm vi khuẩn không sinh metan gồm có cả vi khuẩn kỵ khí và vi

khuẩn kỵ khí không bắt buộc Các vi khuẩn kỵ khí thường là gram (-), không sinh bào tử, phân hủy polysaccarit thành axit acetic, axit butyric và CO, một

số loài còn sinh ra H2

Khi có mặt xenluloza, thường gặp các loài sau đây: Bacillus cereus, B

reptilorova, Leptespira biflexa, Alcaligenes faecalis và Proteus vulgraris

Khi có mặt tinh bột với hàm lượng cao, sẽ gặp các loài Micrococcus candidus,

M varians, M urea, Bacillus cereus, B megaterium và Pseudomonas spp

sinh trưởng và phát triển Dầu béo thực vật kích thích sinh trưởng các giống

Bacillus, Micrococcus, Streptomyces, Alcalicagenes và Pseudomonas Trường

hợp trong môi trường giàu protein, quần thể vi sinh vật sẽ là Clostridium, Bacillus cereus, B circulans, B sphaericus, B subtilis, Micrococcus varians, E.coli, các dạng coliform và Pseudomonas spp

Các loài thuộc giống Clostridium phân hủy rất mạnh protein, gồm 3

nhóm:

- Clostridium nhóm I (Clostridium butylicum) phân hủy trực tiếp tinh

bột, sinh axit axetic chủ yếu là axit butylic

- Clostridium nhóm II phân hủy protein sinh axit izovaleric và axit

axetic

- Clostridium nhóm III (Clostridium pefringens), phân hủy protein,

không phân hủy đường, thu nhận năng lượng từ chuyển hóa các axit amin

Vi khuẩn sinh metan là những vi khuẩn sống kỵ khí nghiêm ngặt, rất

mẫn cảm với oxi, sinh trưởng và phát triển chậm Vi khuẩn sinh metan được chia thành 4 giống theo hình thái và khả năng sinh bào tử:

- Methanobacterium hình que, không sinh bào tử

- Methanobacillus hình que, sinh bào tử

- Methanococcus tế bào hình cầu, đứng riêng rẽ, không kết thành chuỗi

- Methanosarsina tế bào hình cầu, kết thành chuỗi hoặc khối

Các vi khuẩn sinh metan nói chung có đặc tính là gram (-), không di

động, đa số không sinh bào tử và kỵ khí rất nghiêm ngặt Chúng có thể sử

nơi, đặc biệt là ở những nơi rác bẩn, ở bùn đáy ao hồ tù đọng, cống rãnh Các nhóm vi khuẩn phân huỷ xennlulozơ, protein, chất béo, vi khuẩn amon hoá, vi khuẩn khử sulfat, vi khuẩn tạo thành metan từ axit hữu cơ (vi khuẩn sinh metan) Nguồn cacbon là các hợp chất hữu cơ, vô cơ đơn giản, như các axit formic, butyric, propionic, axêtic, rượu metanol, etanol, H2, CO2, CO Nguồn nitơ tốt nhất đối với vi khuẩn metan là amoncacbonat và amon clorua Đặc biệt là vi khuẩn metan không sử dụng nitơ trong các axit amin

Để duy trì hệ thống xử lý kỵ khí ổn định và thực sự hiệu quả, các vi khuẩn không lên men metan và các vi khuẩn lên men metan phải ở trạng thái cân bằng động, như vậy bể phản ứng phải đảm bảo không có oxi hòa tan và các chất ức chế (kim loại nặng và các hợp chất sulfit) pH của môi trường nhất thiết là phải ở trong vùng từ 6,6 ữ 7,6 Nếu pH dưới 6,2 thì hoạt động của vi khuẩn lên men metan bị đình chỉ Nhiệt độ môi trường thích hợp đối với các vi khuẩn ưa ấm là 30 ữ38oC, đối với vi khuẩn chịu nhiệt là 49 ữ 57oC

c Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý kỵ khí

Một số kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả xử lý của quá trình phân huỷ kỵ khí bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như: nhiệt độ, pH, hàm lượng chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng, tải trọng hữu cơ và sốc tải trọng

Khi thay đổi điều kiện vận hành hệ thống thiết bị có thể gây ra quá trình mêtan hoá không hoàn toàn, kết quả là giảm pH, quá trình sinh biogas giảm

và hiệu quả xử lý COD cũng giảm

• ảnh hưởng của pH

Trong xử lý kỵ khí giá trị pH của môi trường ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hoạt động, sinh sản và phát triển của vi sinh vật Đối với từng nhóm, chủng vi sinh vật thì mỗi loại có một khoảng pH tối ưu Trong xử lý kỵ khí sinh mêtan thường có hai nhóm vi sinh vật thực hiện quá trình metan hóa

- Nhóm vi khuẩn thủy phân và lên men axit (giai đoạn 1 và 2): Nhóm vi khuẩn này ưa môi trường axit, chúng có thể chịu được môi trường có pH=3ữ9

- Nhóm vi khuẩn sinh metan (giai đoạn 3): Nhóm này ưa môi trường axit nhẹ, kiềm nhẹ (pH=5,5ữ8,5), pH tối ưu là 7,0ữ7,8

• ảnh hưởng của nhiệt độ

Khi xử lý nước thải trong điều kiện kỵ khí do một quần thể vi sinh vật hoạt động, mỗi dạng vi sinh vật sẽ sinh trưởng và phát triển tốt ở một khoảng nhiệt độ tối ưu Nhiệt độ tối ưu của quần thể vi sinh vật sinh metan từ 35ữ550C, dưới 100C chúng hoạt động kém Sự điều chỉnh nhiệt độ thích hợp cho quần thể hoạt động là điều khó khăn Nhiệt độ tối ưu của quần thể vi sinh vật sinh metan từ 35ữ55oC Dưới 100C, vi sinh vật mêtan hầu như không hoạt

động

• Thời gian lưu và tải lượng đầu vào

- Thời gian lưu giữ trong thiết bị phụ thuộc vào đặc tính của nước thải , vào điều kiện môi trường Thời gian lưu quá ngắn sẽ không cho phép các vi khuẩn yếm khí , đặc biệt là vi khuẩn mêtan tiếp xúc và trao đổi với các chất ô nhiễm làm giảm hiệu quả xử lý Thời gian lưu giữ càng lâu càng có lợi cho hiệu quả sinh khí và xử lý nước thải, tiêu diệt được mầm bệnh (vi sinh vật gây

bệnh, ký sinh trùng, ) nhưng lại gây tốn kém cho chi phí xử lý Thời gian tối

ưu cho quá trình phân hủy yếm khí trong hệ thống UASB hoặc lọc yếm khí ;à 0,5 – 0,6 ngày

Với nước thải chứa cơ chất dễ phân hủy như đường, tinh bột, thì thời gian lưu từ 1 – 3 ngày, hiệu suất có thể lớn hơn 90%; còn với nước thải chứa các chất khó phân hủy như lignin, xenlulo, thì thời gian có thể lâu hơn và hiệu suất thấp hơn

- Tải lượng dòng vào: Là yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới hiệu suất xử

lý Tải lượng dòng vào quá cao dễ gây mất cân đối giữa hai quá trình axit hóa

và khí hóa Axit hữu cơ tạo thành lớn làm cho pH giảm đột ngột, không có lợi cho vi khuẩn mêtan Tải lượng dòng vào quá thấp sẽ kéo dài thời gian lưu, đòi hỏi thể tích thiết bị lơn Theo tải lượng dòng vào tối ưu cho quá trình phân hủy

quá trình phân hủy yếm khí giả lỏng tối ưu là 1 – 6kgCOD/m3.ngày

• Tỷ lệ C/N

Các nguyên tố C,N là nguồn dinh dưỡng chủ yếu của vi khuẩn sinh metan kỵ khí Các vi khuẩn kỵ khí có tốc độ sinh trưởng rất chậm nên nhu cầu Nitơ rất thấp, mặt khác quá trình khí hoá cần một lượng lớn Cacbon, vì vậy tỷ

lệ C/N=30:1 là tối ưu Nếu thiếu N sẽ dẫn đến hạn chế sự phát triển sinh khối,

C được phân huỷ chậm, không hoàn toàn Hàm lượng Nitơ dư thừa, vi khuẩn sẽ phân giải và chuyển thành NH4+, gây tạp khí biogas Khi hàm lượng NH4+, NH3 cao sẽ kìm hãm quá trình phân giải yếm khí đặc biệt vi khuẩn metan hoá sẽ bị ức chế khi nồng độ NH4 ≥ 0,15mg/l

• ảnh hưởng của chất kích thích

Trong xử lý kỵ khí, các vi sinh vật sinh mêtan là những vi sinh vật kỵ khí tuyệt đối Để cho vi khuẩn sinh metan phát triển người ta thường bổ sung các chất kích thích Một số chất kích thích như axit oxalic, CH3COONa,

CH3OH, CaSO4 ở một nồng độ nhất định ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình xử

lý nước thải

• ảnh hưởng của chất ức chế

ảnh hưởng của các chất ức chế đến hoạt động của vi sinh vật trong hệ thống xử lý nước thải là rất lớn Nồng độ cloramin B 0,05mg/l ức chế hoàn toàn các vi sinh vật trong hệ xử lý Giaven là chất sát trùng mạnh, rất cần thiết phải loại bỏ trước khi xử lý kỵ khí Khi trong nước thải có giaven, hiệu suất xử

lý kém

Các ion kim loại có ảnh hưởng rất lớn đến hệ vi sinh vật sinh mêtan Người ta đã xác định được tính độc của các ion kim loại đến hệ vi sinh vật này như sau: Cr>Cu>Zn>Cd>Ni Giới hạn nồng độ của kim loại này cho phép là

Cr - 690; đồng - 150ữ500; chì - 900; kẽm - 690; niken - 73 mg/l

• Aminonia

NH3 sẽ làm ức chế quá trình mêtan hóa, và mức độ gây ức chế phụ thuộc vào pH, khi pH>8 thì làm tăng tác dụng ức chế ion NH4+ Khi mà nồng

vậy cần điều chỉnh tỷ lệ C/N = 30:1 cho đầu vào

• Hydrocacbua halogen hóa

Các chất này gây độc hại cho quá trình mêtan hóa Chlorofor ở nồng độ 1mg/l sẽ làm ức chế hoàn toàn quá trình sinh khí

+ Hydrocacbon vòng thơm: gây ảnh hưởng lơn đến các nhóm vi khuẩn mêtan hóa, 5 clo-Fenol là chất độc nguy hiểm nhất trong tất cả các hydrocacbon mạch vòng Chúng hầu như không bị phân hủy bởi các vi sinh vật có trong thiết bị yếm khí, vì có cấu trúc vòng rất bền vững Mức độ ảnh hưởng của các chất hữu cơ mạch vòng:

Cresol > phenol > chlorophenol >hydroxyphenols v.v

Một số kim loại nặng ở nồng độ cực thấp thì có ảnh hưởng tốt cho quá trình với vai trò là nguyên tố vi lượng ( Ni, Cu, Fe, ) nhưng nếu ở nồng độ