Nghiên cứu biện pháp xử lý ô nhiễm nước thải làng nghề sản xuất giấy đống cao, bắc ninh

Đặc trưng ô nhiễm từ sản xuất một số loại hình làng nghề Kết quả phân tích các chỉ số thủy hóa của 3 cơ sở sản xuất Ảnh hưởng của chất mang đến hiệu suất của quá trình xử lý Sự biến đổi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN PHƯƠNG NHUNG

NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP XỬ LÝ Ô NHIỄM NƯỚC THẢI LÀNG NGHỀ SẢN XUẤT GIẤY

ĐỐNG CAO, BẮC NINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội - 2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN PHƯƠNG NHUNG

NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP XỬ LÝ Ô NHIỄM NƯỚC THẢI LÀNG NGHỀ SẢN XUẤT GIẤY

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Bùi Thị Việt Hà đã tận tình giúp đỡ, dìu dắt và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong bộ môn Vi sinh vật học, khoa Sinh học – Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia

Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi suốt thời gian qua Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình, bạn bè và người thân đã giúp đỡ tôi và động viên tôi rất nhiều

Với lòng biết ơn sâu sắc tôi xin chân thành cảm ơn tất cả những sự giúp đỡ quý báu nói trên

Hà Nội, tháng 12 năm 2010

Học viên

Nguyễn Phương Nhung

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 7

Chương 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 Khái niệm nước thải và các chỉ tiêu nước thải 4

1.1.1 Khái niệm nước thải 4

1.1.2 Các chỉ tiêu nước thải: 4

1.2 Các phương pháp xử lý nước thải 6

1.2.1 Phương pháp xử lý cơ học 6

1.2.2 Phương pháp hóa học 6

1.2.3 Phương pháp hóa lý 7

1.2.4 Phương pháp sinh học 8

1.2.4.1 Phương pháp xử lý hiếu khí (aerobic) 10

1.2.4.2 Phương pháp thiếu khí (anoxic) 15

1.2.4.3 Phương pháp kỵ khí (anaerobic) 15

1.3 Một số công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học: 20

1.3.1 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên 20

1.3.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện nhân tạo 21

1.3.2.1 Xử lý hiếu khí 21

1.3.2.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí 25

1.3.2.3 So sánh phương pháp xử lý hiếu khí và kỵ khí 26

1.4 Tình hình sản xuất giấy ở Việt Nam và ở làng nghề tại Bắc Ninh 27

1.4.1 Tình hình sản xuất giấy ở Việt Nam 27

1.4.2 Tình hình sản xuất và xử lý ô nhiễm môi trường ở làng nghề sản xuất giấy Đống Cao, Phong Khê, Bắc Ninh 30

1.4.3 Một số phương pháp xử lý nước thải công nghiệp giấy 33

1.4.3.1 Thành phần tính chất nước thải sản xuất giấy 33

1.4.3.2 Các phương pháp xử lý nước thải ngành công nghiệp giấy 34

Chương 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37

2.1 Mẫu 37

2.2 Hóa chất và thiết bị dùng trong nghiên cứu 37

2.2.1 Hóa chất 37

2.2.2 Thiết bị dùng trong nghiên cứu 37

2.3 Môi trường 37

2.3.1 Môi trường phân lập và nuôi cấy VSV 37

2.3.2 Môi trường lên men dịch thể (g/l) 39

2.4 Phương pháp nghiên cứu 39

2.4.3 Quan sát hình thái khuẩn lạc và hình dạng tế bào 40

2.4.4 Phương pháp nghiên cứu số lượng VSV 41

2.4.5 Phương pháp xác định khả năng sinh enzym 42

2.4.6 Phương pháp lên men dịch thể 43

2.4.7 Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và khả năng enzym 43

2.4.7.1 Ảnh hưởng của môi trường nuôi cấy 43

2.4.7.2 Ảnh hưởng của thời gian 44

2.4.7.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ 44

2.4.7.4 Ảnh hưởng của pH ban đầu 44

2.4.8 Phương pháp xác định các chỉ tiêu thủy hóa của nước thải 44

2.4.8.1 Nhu cầu oxy sinh hóa 44

2.4.8.2 Nhu cầu oxy hóa hóa học (ISO 8245: 1987 (E)) 45

2.4.8.3 Xác định hàm lượng oxy hòa tan (ISO 8245: 1987 (E)) 46

2.4.8.4 Xác định cặn lơ lửng – chất rắn huyền phù (ISO 8245: 1987 (E))46 2.4.8.5 Xác định chất rắn tổng số (ISO 8245: 1987 (E)) 47

2.4.8.6 Xác định nito tổng số 48

2.4.8.7 Xác định photpho tổng số 49

2.4.9 Phân loại các chủng vi khuẩn được lựa chọn 50

2.4.9.1 Phân loại theo phương pháp truyền thống 50

2.4.9.2 Phân loại theo phương pháp sinh học phân tử 50

Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 54

3.1 Đánh giá thực trạng xử lý nước thải ở làng nghề 54

3.2 Lựa chọn biện pháp xử lý 55

3.2.1 Phương pháp xử lý kỵ khí 56

3.2.1.1 Ảnh hưởng của chất mang đến hiệu suất xử lý 56

3.2.1.2 Ảnh hưởng của bùn kị khí đến hiệu suất xử lý 57

3.2.1.3 Động học quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí 59

3.2.1.4 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất của quá trình xử lý 60

3.2.2 Phương pháp bùn hoạt tính 61

3.2.2.1 Kết quả phân tích số lượng VSV có khả năng sinh enzym CMC – aza, amylaza trong các mẫu nghiên cứu 62

3.2.2.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh enzym CMC – aza, amylaza của 3 chủng MMĐ4, IMC4, BBL2 65

3.2.2.3 Ảnh hưởng tỉ lệ giống cấy ban đầu đến số lượng tế bào vi khuẩn trong dịch lên men 71

3.2.2.4 Ảnh hưởng của thời gian và tốc độ lắc đến khả năng hình thành bùn hoạt tính 72

3.2.2.5 Ảnh hưởng của tỉ lệ dịch giống bổ sung đến các chỉ tiêu thủy hóa của nước thải 73

3.2.2.6 Ảnh hưởng của tỉ lệ bùn hoạt tính đến hiệu suất của quá trình

xử lý 75

3.2.2.7 Ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ ban đầu đến hiệu suất quá trình xử lý 77

3.2.2.8 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất quá trình xử lý 78

3.2.2.9 Ảnh hưởng của oxy hòa tan đến hiệu suất quá trình xử lý 79

3.2.2.10 Động học của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính 80

3.3 Thử nghiệm quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học qui mô 200 lít 81

3.3.1 Mô hình hệ thống xử lý thử nghiệm qui mô 200 lít 81

3.3.1.1 Hệ thống xử lý kỵ khí 82

3.3.1.2 Hệ thống xử lý hiếu khí 82

3.3.2 Thử nghiệm quá trình xử lý qui mô 200 lít 82

3.3.2.1 Xử lý kỵ khí 82

3.3.2.2 Xử lý hiếu khí 84

3.4 Phân loại các chủng vi khuẩn được lựa chọn 86

3.4.1 Phân loại dựa vào các đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hóa 86

3.4.2 Phân loại theo phương pháp sinh học phân tử 88

KẾT LUẬN 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Nhu cầu oxy hóa sinh học trong 5 ngày nuôi cấy Cacboxymetyl xenlulozơ Cacboxymetyl xenlulaza Nhu cầu oxy hóa hóa học Oxy hòa tan

Mật độ quang học Quy chuẩn Việt Nam Chất rắn lơ lửng Tổng nitơ

Tổng Photpho Chất rắn tổng số

Vi sinh vật

Đặc trưng ô nhiễm từ sản xuất một số loại hình làng nghề

Kết quả phân tích các chỉ số thủy hóa của 3 cơ sở sản xuất

Ảnh hưởng của chất mang đến hiệu suất của quá trình xử lý

Sự biến đổi các chỉ tiêu nước thải theo thời gian có bổ sung

Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất quá trình xử lý kỵ khí

Thành phần VSV trong nước thải

Khả năng sinh enzym CMC – aza, amylaza của 126 chủng

VSV phân lập tính theo số chủng và đơn vị %

Đặc điểm hình thái, khuẩn lạc và khả năng phân giải CMC,

tinh bột từ các chủng VSV phân lập

Ảnh hưởng môi trường lên men dịch thể đến khả năng sinh

enzym CMC – aza, amylaza

Ảnh hưởng môi trường lên men dịch thể đến số lượng tế bào

của dịch lên men

Ảnh hưởng tỉ lệ giống cấy ban đầu đến số lượng tế bào vi

khuẩn trong dịch lên men

Ảnh hưởng của tỉ lệ dịch giống bổ sung đến số lượng tế bào

của 3 chủng vi khuẩn trong nước thải

Ảnh hưởng tỉ lệ dịch giống bổ sung đến các thành phần trong

nước thải

Khả năng phân giải các chất hữu cơ trong nước thải theo thời

gian có bổ sung 10% bùn hoạt tính

Khả năng phân giải các chất hữu cơ trong nước thải theo thời

gian có bổ sung 15% bùn hoạt tính

Khả năng phân giải các chất hữu cơ trong nước thải theo thời

gian có bổ sung 20% bùn hoạt tính

Khả năng phân giải các chất hữu cơ trong nước thải theo thời

gian có bổ sung 25% bùn hoạt tính

Ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ ban đầu đến hiệu suất

xử lý

Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất quá trình xử lý

Ảnh hưởng của oxy hòa tan đến hiệu suất quá trình xử lý

Sự biến đổi các thành phần trong nước thải theo thời gian

bằng phương pháp xử lý kỵ khí ở quy mô 200 lít

Ảnh hưởng của thời gian xử lý và thời gian khuấy trộn đến

hiệu suất của quá trình xử lý

Đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hóa

Sơ đồ làm việc của bể aeroten truyền thống

Sơ đồ làm việc của aeroten được cấp khí giảm dần theo dòng

chảy

Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải bằng bể ổn định – tiếp xúc

Đóng góp của giá trị sản xuất ngành giấy trong GDP

Sơ đồ công nghệ sản xuất giấy và các nguồn nước thải

Sơ đồ tổng quát xử lý nước thải sản xuất giấy

Động học quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí

Ảnh hưởng của môi trường lên men dịch thể đến khả năng

sinh enzym

Ảnh hưởng thời gian nuôi cấy đến khả năng sinh enzym

Ảnh hưởng nhiệt độ nuôi cấy đến khả năng sinh enzyme

Ảnh hưởng pH đến khả năng sinh enzyme

Động học của quá trình xử lý nước thải có bổ sung 20% bùn

hoạt tính

Hệ thống xử lý thử nghiệm qui mô 200 lít

Các bước tiến hành xác định trình tự ADN vi khuẩn

Kết quả điện di sản phẩm PCR

Vị trí phân loại của chủng IMC4, MMC4 và BBL2 với các

loài có quan hệ họ hàng gần dựa vào trình tự gen 16S rARN

MỞ ĐẦU

Ở nông thôn Việt Nam làng nghề là một trong những mô hình sản xuất đặc thù Nhiều sản phẩm được sản xuất trực tiếp tại các làng nghề đã trở thành thương phẩm trao đổi, góp phần cải thiện đời sống gia đình và tận dụng những lao động dư thừa lúc nông nhàn Đa số các làng nghề đã trải qua lịch sử phát triển hàng trăm năm, song song với quá trình phát triển kinh tế - xã hội, văn hóa và nông nghiệp của đất nước

Hiện nay trên cả nước có khoảng 1.450 làng nghề nhưng do ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau như địa lý, đặc điểm tự nhiên, mật độ phân bố dân cư, điều kiện xã hội và truyền thống lịch sử, sự phân bố và phát triển làng nghề giữa các vùng trong cả nước không đồng đều Trên cả nước làng nghề tập trung chủ yếu tại vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng (chiếm khoảng 60%) với khoảng 800 làng, trong đó Hà Tây, Thái Bình, Bắc Ninh, Hải Dương, Nam Định và Thanh Hóa là những địa phương có mật độ làng nghề cao nhất, còn lại ở miền Trung (chiếm khoảng 30%) và miền Nam (chiếm khoảng 10%) (Tổng cục Môi trường tổng hợp, 2008) [4]

Sự phát triển của làng nghề trong những năm gần đây đã và đang góp phần đáng kể trong chuyển dịch cơ cấu kinh tế ở địa phương, cải thiện và nâng cao đời sống của người dân làng nghề Với tốc độ tăng trưởng GPD đạt 8%, làng nghề được coi là có tác động mạnh mẽ nhất làm thay đổi đời sống và bộ mặt nhiều vùng nông thôn, mang lại nhiều lợi nhuận kinh tế và

là nguồn thu chủ yếu của nhiều hộ gia đình

Bên cạnh mặt tích cực, sự phát triển hoạt động sản xuất tại làng nghề

đặc trưng sản xuất manh mún, thủ công, nhỏ lẻ hộ gia đình, đặc biệt là những làng nghề tái chế là loại làng nghề có khả năng gây ô nhiễm tới cả

ba thành phần môi trường không khí, nước và đất Các chất thải phát sinh tại nhiều làng nghề đã và đang gây ô nhiễm và làm suy thoái môi trường nghiêm trọng, tác động trực tiếp tới sức khỏe người dân và ngày càng trở thành vấn đề bức xúc ở hầu hết các địa phương và là một bài toán khó khăn, nan giải với những cơ quan bảo vệ môi trường Một khảo sát mới đây của Viện Khoa học và Công nghệ môi trường (Đại học bách khoa Hà Nội)

và Bộ Khoa học Công nghệ cho thấy, 100% mẫu nước thải ở các làng nghề đều cho thông số ô nhiễm vượt tiêu chuẩn cho phép Kết quả nghiên cứu của Viện Bảo hộ lao động gần đây cho thấy trong các làng nghề, tỷ lệ mắc bệnh nhiều nhất liên quan đến hô hấp như viêm họng chiếm 30,56%, viêm phế quản 25% hay đau dây thần kinh chiếm 9,72% [4]

Tại các làng nghề tái chế giấy, vấn đề ô nhiễm chủ yếu là chất rắn xơ sợi, bột giấy trong nước thải Ví dụ như làng nghề sản xuất giấy tái chế Phú Lâm và Phong Khê (Bắc Ninh) thải ra môi trường khoảng 3.500 m3 nước thải mỗi ngày, mang theo 3000kg bột giấy [4] Nước thải chứa lượng lớn các hóa chất độc hại như xút, thuốc tẩy, phèn kép, nhựa thông và phẩm màu… với hàm lượng BOD5 và COD vượt nhiều lần tiêu chuẩn cho phép Phần lớn nước thải đều không qua xử lý được đổ thẳng vào kênh mương, ao hồ trong khu dân cư

và hòa vào hệ thống tiêu thoát nước chung, gây ô nhiễm môi trường không chỉ trong địa phương mà cả các khu vực và các vùng khác

Xuất phát từ vấn đề thực tiễn của ngành giấy nước ta nói chung và của làng nghề sản xuất giấy Đống Cao nói riêng, chúng tôi đã chọn đề tài

nghiên cứu là “Nghiên cứu biện pháp xử lý ô nhiễm nước thải làng nghề sản xuất giấy Đống Cao, Bắc Ninh”

Mục tiêu của đề tài: Đánh giá hiện trạng môi trường nước thải làng nghề sản xuấy giấy Đống Cao, tuyển chọn và bổ sung các chủng VSV có khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ trong nước thải, đưa ra những giải pháp khắc phục và hạn chế ô nhiễm do hoạt động sản xuất giấy gây ra

Chương 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Khái niệm nước thải và các chỉ tiêu nước thải

1.1.1 Khái niệm nước thải

Nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người

và đã bị thay đổi thành phần, tính chất ban đầu của chúng [19]

Nước thải công nghiệp là dung dịch thải ra từ các cơ sở sản xuất chế biến, kinh doanh, dịch vụ công nghiệp vào nguồn tiếp nhận nước thải [3] Nước thải công nghiệp giấy và bột giấy là dung dịch thải từ nhà máy, cơ sở sử dụng các quy trình công nghệ sản xuất ra các sản phẩm giấy

và bột giấy [19]

Nguồn tiếp nhận nước thải là nguồn nước mặt hoặc vùng nước ven bờ,

có mục đích sử dụng xác định, nơi mà nước thải công nghiệp được xả vào [3]

1.1.2 Các chỉ tiêu nước thải:

Các chỉ tiêu thủy hóa đánh giá độ ô nhiễm của nước thải là nồng độ các hợp chất chứa trong nước được đặc trưng bởi: nhu cầu oxy hóa sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand – BOD), nhu cầu oxy hóa hóa học (Chemical Oxygen Demand – COD), chất rắn tổng số (Total Solid – TS) và chất rắn huyền phù (Suspended solid – SS)… [36, 38, 42, 43, 50]

- Nhu cầu oxy hóa sinh hóa:

Nhu cầu oxy hóa sinh hóa là lượng oxy sử dụng để oxy hóa hiếu khí các hợp chất hữu cơ trong thời gian nhất định để đảm bảo cho quá trình oxy hóa diễn ra Để oxy hoàn toàn cần từ 21 đến 28 ngày, nói chung người ta thường xác định BOD5 tiêu chuẩn ở 200C trong 5 ngày

Quá trình oxy sinh học thể hiện qua phản ứng sau đây:

Chất hữu cơ + O2 → CO2 + H2O + NH3 + sinh khối (tế bào mới)

Chỉ số BOD được dùng để đánh giá mức độ nhiễm bẩn của nước thải, BOD càng cao thì mức độ ô nhiễm càng lớn Đơn vị tính BOD thường sử dụng là mgO2/l

- Nhu cầu oxy hóa hóa học:

Nhu cầu oxy hóa hóa học là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa hóa học các chất hữu cơ trong mẫu thành CO2 và H2O

Hợp chất hữu cơ + Cr2O72- + H+ → CO2 + H2O + Cr3+

COD là một đại lượng dùng để đánh giá sơ bộ mức độ nhiễm bẩn của nguồn nước, COD biểu thị cả lượng chất hữu cơ không thể bị oxy hóa bởi vi khuẩn Nhu cầu oxy hóa hóa học càng lớn thì mức độ ô nhiễm của nước thải càng cao Đây là một trong những chỉ tiêu quan trọng đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải và người ta thường sử dụng chỉ tiêu BOD, COD làm những chỉ tiêu cơ bản trong việc xác định tiêu chuẩn và phân loại nước thải

- Chất rắn tổng số (TS):

Chất rắn tổng số (TS) là toàn bộ lượng chất rắn ở dạng hòa tan hay lơ lửng trong nước thải Được tính bằng khối lượng chất khô còn lại sau khi bốc hơi hết nước trong nước thải (sấy ở nhiệt độ 103 – 1050C đến khối lượng không đổi) Đơn vị mg/l

- Chất rắn huyền phù (SS):

Chất rắn huyền phù (SS) là lượng chất rắn lơ lửng có trong nước thải được giữ trên giấy lọc và được sấy ở nhiệt độ 103 – 1050C đến khối lượng không đổi Đơn vị mg/l

- Nhu cầu oxy hòa tan (DO):

DO là lượng oxy hòa tan trong nước cần thiết cho sự hô hấp của các sinh vật nước (cá, lưỡng thê, thủy sinh, côn trùng…) thường được tạo ra do sự hòa tan từ khí quyển hoặc do quang hợp của tảo Nồng độ DO trong nước

phân hủy hóa chất, sự quang hợp của tảo… Khi nồng độ DO thấp, các loài sinh vật nước giảm hoạt động hoặc bị chết Do vậy, DO là một chỉ số quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm nước của các thủy vực

1.2 Các phương pháp xử lý nước thải

Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý nước thải khác nhau nhưng nói chung có thể chia ra làm 3 phương pháp xử lý [16]:

Các phương pháp xử lý cơ học thường dùng là: lọc qua lưới, lọc qua lớp vật liệu cát, quay ly tâm, xiclon thủy lực

1.2.2 Phương pháp hóa học

Cơ sở của phương pháp này là dựa vào các phản ứng hóa học của các chất bẩn có trong nước thải và các hóa chất cho thêm vào Những phản ứng diễn ra có thể là phản ứng oxy hóa khử, phản ứng tạo chất kết tủa hoặc phản ứng phân hủy các chất độc hại [16]

Các phương pháp hóa học thường dùng là phương pháp oxy hóa, trung hòa keo tụ (đông tụ) Thông thường đi đôi với trung hòa thì có kèm theo quá trình keo tụ và nhiều quá trình vật lý khác Phương pháp ozon hóa, phương pháp điện hóa cũng thuộc phương pháp hóa học

- Phương pháp ozon hóa: là phương pháp xử lý nước thải có chứa chất bẩn hữu cơ ở dạng hòa tan và keo bằng ozon Đặc tính của ozon là chất oxy hóa mạnh, dễ dàng nhường đi oxy

- Phương pháp điện hóa: thực chất của phương pháp này là loại bỏ các tạp chất độc hại có trong nước thải bằng cách oxy hóa điện hóa trên điện cực anot hoặc cũng có thể thu hồi lại các chất quý như đồng, sắt… rồi đưa về dùng lại trong quá trình sản xuất

Thực chất của phương pháp hóa học là nhờ vào các phản ứng oxy hóa khử mà các chất độc hại, bẩn có trong nước thải chuyển thành các chất không độc hại, một phần ở dạng cặn lắng, một phần ở dạng khí Vì vậy để khử các chất độc hại trong nước thải thì thường phải dùng nhiều phương pháp nối tiếp nhau: oxy hóa khử - lắng cặn – hấp phụ

- Hấp phụ: Tách chất hữu cơ, khí hòa tan trong nước thải bằng cách tập trung các chất đó trên bề mặt chất rắn (hấp phụ) hoặc bằng cách tương tác giữa các chất bẩn hòa tan với các chất rắn (hấp phụ hóa học)

- Trích ly: Tách các chất bẩn hòa tan trong nước khỏi nước thải bằng dung môi nào đó nhưng với điều kiện dung môi đó phải không tan trong nước

và độ hòa tan chất bẩn trong dung môi cao hơn trong nước

- Chưng bay hơi: là chưng nước thải để các chất hòa tan trong đó cùng

- Tuyển nổi: Dùng các tác nhân tuyển nổi để thu hút và kéo các chất bẩn lên mặt nước sau đó loại các tác nhân tuyển nổi và chất bẩn khỏi nước Khi tuyển nổi thường dùng các hạt khí nhỏ phân tán và bão hòa trong nước thải, các hạt chất bẩn bám vào các bọt khí nhẹ dần nổi lên

- Thấm tích Dializ (màng bán thấm): dùng màng xốp bán thấm không cho các hạt keo đi qua để tách keo ra khỏi nước thải

- Trao đổi ion: là phương pháp thu hồi các cation và anion bằng các chất trao đổi ion, thường là các chất rắn trong thiên nhiên hoặc vật liệu nhựa nhân tạo

- Tinh thể hóa: là phương pháp loại các chất bẩn khỏi nước ở trạng thái tinh thể

1.2.4 Phương pháp sinh học

Phương pháp sinh học thường dùng để tách các chất phân tử nhỏ, keo

và các hợp chất hữu cơ ra khỏi nước thải [53]

* Cơ sở của phương pháp xử lý sinh học: Phương pháp sinh học được áp dụng để khử các chất hữu cơ ở dạng keo và dạng hòa tan trong nước thải nhờ quá trình đồng hóa của VSV, chúng sử dụng các chất hữu cơ trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng, trong quá trình trao đổi chất các VSV phân hủy và sử dụng các hợp chất hữu cơ để sinh năng lượng phục vụ cho hoạt động sống và xây dựng tế bào mới làm tăng sinh khối, để biến các chất hữu cơ này thành khí hoặc thành vỏ tế bào của vi sinh dễ keo tụ và lắng rồi loại chúng ra khỏi nước thải [20]

Theo quan điểm hiện đại quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình gồm ba giai đoạn [15, 39, 34]:

Giai đoạn 1: Khuếch tán nhằm di chuyển và tiếp xúc chất hữu cơ trên

bề mặt VSV

Giai đoạn 2: Di chuyển chất hữu cơ qua màng bán thấm của tế bào bằng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào

Giai đoạn 3: Chuyển hóa các chất trong tế bào tạo ra năng lượng cho quá trình sinh sản và phát triển của các tế bào Giai đoạn này đóng vai trò quan trọng nhất quyết định mức độ và hiệu quả xử lý nước thải

* Tác nhân sinh học trong quá trình xử lý nước thải:

Trong nước thải phần lớn chứa các VSV có kích thước hiển vi, ngoài ra còn chứa một số cơ thể khác có kích thước lớn, có thể quan sát bằng mắt thường như giun tơ và ấu trùng Một vài nhóm VSV như protozoa và một vài metazoa có tế bào lớn và phức tạp hơn có thể được nhìn thấy dễ dàng dưới kính hiển vi quang học So với các cơ thể khác, VSV có cấu trúc tương đối đơn giản và là tác nhân sinh học chính trong quá trình xử lý nước thải Trong

đó, vi khuẩn là nhóm quan trọng nhất trong xử lý sinh học nước thải, chỉ có thể được nhìn thấy dưới kính hiển vi với độ phóng đại lớn [52]

Phần lớn VSV xâm nhập vào nước từ đất, phân, nước tiểu, các nguồn thải và từ bụi trong không khí rơi xuống Các VSV quan trọng trong xử lý sinh học bao gồm nhiều VSV khác nhau trong như vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, nguyên sinh động vật protozoa, các thể kí sinh và cộng sinh, tảo… Theo Wright và Hobbie (1996), các vi khuẩn nước có thể sử dụng axetat và glucoza

ở nồng độ 1 - 10µg/l Do đó, chúng vượt hẳn các loài khác khi xử lý nước thải [53] Tùy thuộc độ nhiễm bẩn của nước mà vi khuẩn có mặt trong nước thải

có mặt với số lượng ít nhiều khác nhau [53]

Số lượng các VSV trong nước thải chủ yếu là vi khuẩn vào khoảng

105÷109tế bào/ml Các VSV muốn phân hủy được chất hữu cơ chúng phải có khả năng sinh tổng hợp các enzym tương ứng Quá trình phân hủy diễn ra bên ngoài tế bào do các enzym thủy phân như amylaza phân hủy tinh bột,

khối lượng phân tử thấp có thể đi qua màng tế bào vào bên trong tế bào Quá trình này gọi là quá trình phân hủy ngoại bào Các chất này tiếp tục được phân hủy hoặc chuyển hóa thành các chất vật liệu xây dựng tế bào mới Các quá trình này xảy ra trong tế bào gọi là quá trình nội bào

Trong nước thải sinh hoạt, nước thải của các xí nghiệp chế biến nông sản, thực phẩm, thủy sản, các trại chăn nuôi…rất giầu chất hữu cơ, gồm ba nhóm chất: protein 40÷50%, hydratcarbon 50% và chất béo 10% Protein là polyme của các axit amin, là nguồn dinh dưỡng chính cho VSV Hidratcacbon

là các chất đường bột và xenlulozơ Tinh bột và đường rất dễ bị phân hủy bởi VSV, còn xenlulozơ bị phân hủy muộn hơn Chất béo ít tan và VSV phân giải với tốc độ rất chậm [20]

Phần lớn quá trình xử lý sinh học bao gồm phức hợp những quần thể sinh học tương tác với nhau Khi thiết kế hoặc phân tích một quá trình xử lý sinh học cần quan tâm đến cả một hệ sinh thái VSV phát triển trong nước thải

Có 3 nhóm phương pháp xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là:

- Phương pháp kỵ khí (anaerobic)

- Phương pháp thiếu oxy (anoxic)

- Phương pháp hiếu khí (aerobic)

1.2.4.1 Phương pháp xử lý hiếu khí (aerobic)

* Nguyên tắc:

Phương pháp hiếu khí dùng để loại bỏ các hợp chất hữu cơ dễ bị VSV phân hủy ra khỏi nguồn nước Các chất này được các VSV hiếu khí oxy hóa bằng oxy hòa tan trong nước [9]

Chất hữu cơ + O2 VSV CO2 + H2O + Năng lượng (w)

Chất hữu cơ + O2 + W VSV Tế bào mới

Tế bào mới + O2 → CO2 + H2O + NH3

Tổng cộng: Chất hữu cơ + O2 → CO2 + H2O + NH3 + …

Trong phương pháp hiếu khí, NH3 cũng được chuyển hóa bằng oxy hóa khử VSV tự dưỡng (quá trình nitrat hóa)

2NH4+ + 3O2 Nitrosomonas 2NO2- + 4H+ + 2H2O + năng lượng

2NO2- + O2 Nitrobacter 2NO3

- Oxy hóa các hợp chất hữu cơ:

CxHyOz + (x+y-z) O2 → xCO2 + y/2 H2O

- Pha phát triển của VSV:

nCxHyOz + nNH3 + (x+y/4-z/2-5) O2 → (C5H7NO2)n + n(-5)CO2 + n(y-4)/2H2O

- Pha tự phân tế bào:

(C5H7NO2)n + 5nO2 → 5nCO2 + 2nH2O + nNH3

Ở đây CxHyOz là các hợp chất hữu cơ và (C5H7NO2)n là tế bào chất Tất

cả các phản ứng trên đều xảy ra dưới tác dụng của enzym nội bào hay ngoại bào do VSV trong bùn hoạt tính tạo nên Trong quá trình oxy hóa khử các hợp chất hữu cơ bị phân hủy theo thứ tự là: đường, protein, tinh bột, chất béo, các chất cao phân tử (xenluloza, lignin…)

Các VSV hoại sinh có trong nước thải hầu hết là các vi khuẩn hiếu khí,

kỵ khí hoặc kỵ khí tùy tiện Người ta thấy có các chi vi khuẩn như sau:

Pseudomonas, Bacillus, Alcaligens, Flavobacterium, Cytophaga, Micrococcus, Lactobaccillus, Achromobacter, Spirochaeta , Clostridium và 2

Pseudomonas thường gặp ở hầu hết các loại nước thải, sau đó là Bacillus, Alcaligens, Flavobacterium Pseudomonas hầu như có thể đồng hóa mọi chất

hữu cơ, kể cả hợp chất hữu cơ tổng hợp, như polyvinyl alcohol (PVA), và sống khá lâu trong môi trường nước Vì vậy, chi này phải tính đến trước tiên trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ của các công trình vệ sinh và nước

thải Chi Bacillus cũng tồn tại khá lâu trong nước thải và phân hủy được nhiều

dạng hợp chất hữu cơ, đặc biệt là protein và tinh bột Các chi vi khuẩn

Alcaligens và Flavobacterium cũng khá quan trọng gần như hai chi trên, ở nơi

nào có sự phân hủy protein là có mặt hai chi này [20]

Pseudomonas là những trực khuẩn Gram (-), chuyển động do có tiên mao mọc ở một đầu Trực khuẩn có thể là hình que thẳng hoặc hơi cong, không tạo thành bào tử và phát triển ở điểu kiện hiếu khí Nhiều loài của chi này ưa lạnh, nhiệt độ tối thiểu là -2 đến 50C, tối thích là 20 – 250C Tất

cả Pseudomonas đều có hoạt tính amylaza và proteaza, đồng thời lên men

được nhiều loại đường và tạo màng nhày, pH môi trường dưới 5,5 sẽ kìm

hãm vi khuẩn Pseudomonas phát triển và kìm hãm sinh tổng hợp proteaza

Nồng độ muối trong nước tới 5 – 6% thì sinh trưởng của vi khuẩn này bị ngưng trệ [20]

Vi khuẩn Bacillus là trực khuẩn rất phổ biến trong tự nhiên (ở đất, nước

và các loại thực vật như cỏ khô, khoai tây, hoa quả…) Hay gặp nhất là

Bacillus subtilis (trực khuẩn khoai tây) và trực khuẩn cỏ khô (Bacillus mesentericus) Chúng có hình que, gram dương đứng riêng rẽ hoặc kết nối thành chuỗi hoặc thành sợi Đặc điểm của giống này là sinh bào tử, sống hiếu khí hoặc kỵ khí tùy tiện, thường sinh enzym proteaza và amylaza (chủ yếu là

α – amylaza) Hai loài Bacillus này có nhiệt độ sinh trưởng thích hợp là 35 –

450C (thường nuôi cấy ở 370C), tối đa tới 600C Ở môi trường pH dưới 4,5 chúng ngừng phát triển [20]

Ngoài hai loài trên còn gặp Bacillus megaterium, B cereus, B licheniformis, B sterothermophilus…chúng đều là các vi khuẩn dị dưỡng, hoại sinh, trong đó có loài hiếu khí, có loài kỵ khí tùy tiện Trong chi này có

loài gây bệnh than – bệnh nguy hiểm đối với người và gia súc (B anthracis)

Trong quá trình phân giải hiếu khí, oxy cung cấp theo hai giai đoạn hoặc hai pha: pha cacbon – phân hủy các hợp chất hidratcacbon giống như quá trình hô hấp nói chung, giải phóng ra năng lượng, CO2 và nước cùng một

số vật liệu tế bào; pha nitơ – phân hủy các hợp chất hữu cơ có chứa N trong phân tử, như các protein và các sản phẩm phấn hủy trung gian như các peptit, peptone và các axit amin và giải phóng ra NH3 NH3 hay NH4+ là nguồn nitơ dinh dưỡng được VSV sử dụng trực tiếp cho xây dựng tế bào

Từ các axit amin và NH3, VSV có thể tổng hợp thành các protein mới, các enzym và tạo thành tế bào mới Lượng NH3 dư không được sử dụng cho

xây dựng tế bào sẽ được vi khuẩn Nitromonas chuyển thành nitrit (NO2-) và

từ nitrit chuyển thành nitrat (NO3-) nhờ vi khuẩn Nitrobacter, sau đó nhờ vi

khuẩn nitrat hóa chuyển thành nito phân tử (N2) bay vào không khí Pha nitơ này cũng cần có oxy, tuy rằng lượng oxy cung cấp cho các vi khuẩn nitrat không bằng pha cacbon, song lượng oxy cung cấp là rất lớn Các vi khuẩn khử nitrat cần điều kiện hiếu khí thấp (thiếu khí) [20]

Những vi khuẩn nitrat hóa rất mẫn cảm, chúng hoạt động mạnh ở pH

= 7,5÷8,6; khi pH< 7 vi khuẩn phát triển chậm lại, nhưng các vi khuẩn nitrit – nitrat hóa có thể phát triển ở pH thấp Chúng cần một lượng oxy hòa tan trong nước tới hạn 0,5mg/l (nếu quá sẽ là tác nhân ức chế quá trình), nhiệt độ từ 5÷400C

Nhiều vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc có hoạt tính proteaza đều phân

hủy được protein, trong đó có các loài thuộc các chi vi khuẩn Bacillus,

loài xạ khuẩn thuộc chi Streptomyces và Actinomyces; nhiều loài nấm mốc thuộc các chi Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhiropus… tạo thành sản

đó người ta phải bổ sung các chất trợ lắng, thường dùng là phèn nhôm, nên sử dụng các chất trợ lắng vào bể lắng sơ bộ và bể lắng lần hai là an toàn nhất

- Mức độ ô nhiễm: Ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất quá trình xử lý, thông thường hệ thống chỉ hoạt động tốt khi BOD5 = 500mg/l nếu như mức

độ ô nhiễm cao thì lượng oxy sẽ không đủ cho VSV hoạt động, hàm lượng oxy hòa tan tốt nhất cho hệ thống là 2 – 8mg/l

- pH: Là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất quá trình

xử lý, pH tối ưu là 7 – 7,2 Nếu pH thấp hơn VSV hiếu khí sẽ gặp khó khăn

- Oxy hòa tan: Ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động sống của VSV vì hệ thống hiếu khí sử dụng các VSV hiếu khí mà chủ yếu là vi khuẩn, lượng DO thích hợp dao động từ 2 – 8mg/l.Trường hợp thiếu oxy làm cho bùn hoạt tính khó lắng, hiệu suất xử lý không cao Cung cấp oxy cho hệ thống bằng nhiều cách: dùng máy thổi khí hoặc khuấy, nhưng thường sử dụng máy thổi khí có

ưu điểm là tốn ít điện năng, ít ồn hơn so với máy khuấy

- Các ion kim loại nặng: Ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triền của VSV, ở mức độ cao có thể gây chết do đó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả

xử lý, nên phải loại bỏ các ion kim loại ra khỏi nước thải trước khi nước thải vào hệ thống xử lý sinh học

1.2.4.2 Phương pháp thiếu khí (anoxic)

Trong điều kiện thiếu oxy hòa tan xảy ra quá trình khử nitrat thành nitơ

phân tử nhờ các vi khuẩn khử nitrat Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas, Spirium. Những vi khuẩn này đều là dị dưỡng có khả năng khác nhau trong sự khử nitrat theo 2 bước [27]:

- Chuyển hóa nitrat thành nitrit, oxy được giải phóng từ nitrat sẽ oxy hóa chất hữu cơ và tạo N2

khuẩn Themophilus (tốc độ phân hủy trong điều kiện này cao hơn 2 – 3 lần so với tốc độ phân hủy nhờ vi khuẩn Mesophilus ở 34 - 360C)

Sự chuyển hóa các chất hữu cơ trong quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra theo 3 bước:

Bước 1: (Bước thủy phân) Sự chuyển hóa các chất có trọng lượng phân

nguồn năng lượng và carbon cho tế bào Trong giai đoạn này, một số loài VSV có khả năng tấn công các polime ngay cả khi các chất này nằm trong cơ thể rắn Các loài VSV này có chứa các enzym ngoại bào có khả năng thủy phân các nguyên liệu thành các phân tử có trọng lượng thấp, thậm chí các monome, protein thành các axit amin, polisaccharit thành các oligo và các monosaccharit, lipit thành axit béo, axit nucleic thành các purin và pyrimidin Các phân tử nhỏ hòa tan sau đó được các vi khuẩn hấp thụ và sử dụng cho quá trình trao đổi chất của mình

Bước 2: (Bước axit hóa): Bao gồm các vi khuẩn chuyển hóa các sản

phẩm của bước 1 thành phức chất trung gian có phân tử lượng thấp hơn nữa

Do kết quả hoạt động trao đổi chất của nhóm vi khuẩn này, trong hỗn dịch sẽ xuất hiện các loại sản phẩm cuối cùng ở dạng khử, đó là các axit béo bay hơi chứa 2 – 5 nguyên tử cacbon hoặc hơn, etanol (hoặc các rượu hoặc xeton khác) và các axit hữu cơ như axit lactic Do nhiều axit hữu cơ được sinh ra trong quá trình lên men này nên bước hai của quá trình phân hủy kỵ khí được gọi là bước sinh axit [47]

Bước 3: (Bước metan hóa) [20, 46, 51, 56]

Bao gồm vi khuẩn chuyển hóa những sản phẩm cuối cùng đơn giản hơn

đó là CH4 và CO2 (trong đó CH4 chiếm 60 – 75%) Quá trình lên men metan nhạy cảm với việc thay đổi pH, pH tối ưu cho quá trình là 6,8 ÷ 7,4

Hình 1.1: Sơ đồ phân giải các chất hữu cơ trong quá trình phân hủy kị khí

Các vi khuẩn tham gia quá trình phân hủy kỵ khí được chia thành hai nhóm:

- Nhóm vi khuẩn không sinh metan:

Nhóm này gồm có cả vi khuẩn kỵ khí và vi khuẩn kỵ khí tùy tiện Các

vi khuẩn kị khí thường là Gram âm, không sinh bào tử, phân hủy polysaccharit thành axit acetic, axit butyric và CO2, một số loài sinh ra H2

Khi có mặt xenlulozơ, gặp các loài sau đây: Bacillus cereus, B megaterium, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas riboflavina, Pseudomanas reptilorova, Leptespira biflexa, Alcaligenes faecalis và Proteus vulgararis

Khi có mặt tinh bột với hàm lượng cao, sẽ bắt gặp các loài Micrococcus candidus, M varians, M urea, Bacillus cereus, B megaterium, Pseudomonas spp sinh trưởng và phát triển

Trường hợp môi trường giàu protein, quần thể VSV sẽ là Clostridium, Bacillus cereus, B circulans, B sphaerius, M varians, E coly, các dạng

coliform và Pseudomonas spp

Dầu béo thực vật kích thích sinh trưởng các chi Bacillus, Micrococcus, Streptomyces, Alcaligenes và Pseudomonas.

- Vi khuẩn sinh metan:

Những vi khuẩn này sống kị khí nghiêm ngặt, rất mẫn cảm với oxy, 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 loài vi khuẩn sinh metan nói chung là Gram (-), không di động, đa

số không sinh bào tử và kị khí rất nghiêm ngặt Chúng có thể sử dụng NH3

làm nguồn nitơ Chúng phát triển rất chậm Sau khi cấy trên môi trường dinh dưỡng vài tuần mới phát triển thành những dạng hoạt động

Những vi khuẩn phân hủy kị khí gặp ở tất cả mọi nơi trong thiên nhiên, đặc biệt ở những nơi rác bẩn, ở bùn đáy ao hồ tù đọng, cống rãnh, ở những nơi có chất hữu cơ bị phân hủy Ở đây thấy có đủ mặt các nhóm vi khuẩn phân hủy xenlulozơ, protein, chất béo, vi khuẩn amon hóa, vi khuẩn khử sulfat, vi khuẩn tạo thành metan từ axit hữu cơ (vi khuẩn sinh metan)…các nhóm này có hai khoảng nhiệt độ hoạt động: các thể ưa ấm với khoảng 25 –

370C và các cơ thể ưa nhiệt với khoảng 50 – 500C

* Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵ khí:

- Thời gian lưu: Nếu lượng nước thải vào chậm, tốc độ dòng thấp hiệu suất xử lý của hệ thống giảm Nếu tốc độ dòng vào lớn, thời gian lưu

ngắn thì hiệu suất xử lý giảm Thời gian lưu tốt nhất là 8 – 12 h hay 0,6m/h Để tăng hiệu suất xử lý thì phải tạo được grameles (hạt VSV) tức

là đưa một chất mang (than hoạt tính, hóa chất) nuôi VSV bám dính vào tới một mức độ nhất định

- Oxy: Trong xử lý kỵ khí nước thải, oxy được coi là độc tố đối với

các VSV Do đó lí tưởng nhất là tạo được điều kiện kỵ khí tuyệt đối trong

bể xử lý

- Chất dinh dưỡng: Cũng như các VSV khác, VSV phân giải kỵ khí đòi

hỏi các chất dinh dưỡng chủ yếu bao gồm các hợp chất cacbon, nitơ, photpho

và một số các nguyên tố vi lượng với một tỉ lệ thích hợp Việc cung cấp đầy

đủ các chất dinh dưỡng cần thiết sẽ tạo cho bùn có tính lắng tốt và hoạt tính cao, hoạt động tốt trong quá trình xử lý

- Nhiệt độ: Nhóm VSV kỵ khí có 3 vùng nhiệt độ thích hợp cho sự

phân hủy các hợp chất hữu cơ, và ở mỗi vùng nhiệt độ sẽ thích hợp với nhóm VSV kỵ khí khác nhau

Vùng nhiệt độ cao: 450C – 650C : thermophilic

Vùng nhiệt độ trung bình: 200C – 450C: mesophilic

Vùng nhiệt độ thấp: dưới 200C: psychrophilic

Hai vùng nhiệt độ đầu thích hợp cho hoạt động của nhóm các VSV lên men metan, ở vùng nhiệt độ này lượng khí metan tạo thành cao Ở nước ta nhiệt độ trung bình từ 200C - 320C thích hợp cho nhóm VSV ở vùng nhiệt độ trung bình phát triển

- pH: Trong quá trình xử lý kỵ khí, pH môi trường ảnh hưởng lớn

đến tốc độ phân hủy các chất hữu cơ pH tối ưu trong quá trình phân hủy

kỵ khí là 6,5 ÷ 8,5

- Các độc tố: Là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất

xử lý: Cl-, halogen, ion kim loại, chất sát trùng… nồng độ các chất độc cao gây chết VSV

1.3 Một số công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học:

1.3.1 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên

Phương pháp này thường áp dụng cho các trạm xử lý công suất nhỏ, điều kiện đất đai rộng rãi

- Cánh đồng lọc: là khu đất rộng chia làm nhiều ô, nước thải từ các bể

lắng chảy ra phân phối vào đó rồi thấm vào đất Các chất bẩn được giữ lại ở lớp đất phía trên (dày khoảng 30cm) và được VSV phân hủy Công trình này hiệu quả làm sạch cao nhưng cần nhiều diện tích và mực nước ngầm phải nằm sâu [20]

- Cánh đồng tưới: Về nguyên tắc làm việc cũng gần như cánh đồng

lọc nhưng nước thải được sử dụng để tưới cây Công trình này đồng thời thực hiện được cả hai mục đích là xử lý nước thải và sử dụng nó làm phân bón Tuy nhiên, lượng trứng giun sán có trong nước thải dẫn ra cánh đồng tưới còn khoảng 30 – 40% [8] cũng là điều đáng quan tâm, đặc biệt không được các loại rau tươi sống [20]

- Hồ sinh vật: Còn được gọi là hồ oxy hóa hay hồ ổn định nước thải

[40, 51] Các quá trình diễn ra trong hồ sinh vật có thể tóm tắt:

Trước tiên các chất hữu cơ bị phân hủy bởi VSV Các sản phẩm tạo thành được rong, tảo trong hồ sử dụng Hoạt động sống của tảo, rong và các thực vật trong hồ tạo ra oxy tự do hòa tan trong nước và VSV lại sử dụng oxy

để trao đổi chất trong điều kiện hiếu khí

Nhìn chung, các loại hồ sinh vật có ưu điểm là chi phí vận hành và quản lý thấp Song nhược điểm lớn nhất là đòi hỏi một diện tích mặt bằng lớn

và thời gian lưu nước lại khá dài Bên cạnh đó, khi không đảm bảo hiếu khí sẽ

gây mùi khó chịu, là môi trường thích nghi cho các loại động vật cấp thấp phát triển gây ô nhiễm xung quanh Khi thiết kế hồ sinh học nên thực hiện chức năng làm sạch nước thải với các mục đích khác như: hồ điều hòa nước mưa, nuôi trồng thủy sản, hồ chứa nước tưới cho nông nghiệp…

1.3.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện nhân tạo 1.3.2.1 Xử lý hiếu khí

Bể phản ứng sinh học hiếu khí – aeroten

Xử lý nước thải bằng aeroten được nhà khoa học người Anh đề xuất từ năm 1887, nhưng đến năm 1914 mới được áp dụng trong thực tế [20] Mặc dù ngày nay có nhiều loại xử lý nước thải bằng aeroten được phóng tác từ kỹ thuật đầu tiên nhưng về cơ bản thì chúng đều theo một sơ đồ hệ thống chung

Hình 1.2: Sơ đồ làm việc của bể aeroten truyền thống

Bể aeroten là một bể có dạng hình khối chữ nhật hoặc hình trụ, chiều sâu 2 – 5m, chiều rộng gấp đôi chiều sâu Thời gian nước lưu lại trong bể 6 – 12h khi làm sạch hoàn toàn và khi không làm sạch hoàn toàn là 2 – 4h Việc làm sạch được tiến hành nhờ VSV có trong bùn hoạt tính tuần hoàn từ bể lắng đợt 2 Trong bể bố trí hệ thống thổi khí để trộn lẫn bùn hoạt tính với nước thải

và cung cấp oxy cho các VSV hiếu khí hoạt động

Bùn hoạt tính là huyền phù VSV trong nước thải dưới dạng bông màu vàng nâu, có kích thước 3- 150µm, bông này khi tụ hợp lại với nhau thì dễ lắng Bùn hoạt tính gồm vi khuẩn, nấm men, động vật nguyên sinh, các loài giả túc, rong, tảo,… phát triển thành khối gelatin nhầy và chắc Nhìn chung, vi

khuẩn trong bùn hoạt tính gồm Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium và hai vi khuẩn nitrat

hóa Nitrosomonas, Nitrobacter [42]

Các VSV làm sạch nước thải không chỉ đơn thuần do việc phân hủy chất hữu cơ nhanh chóng mà còn nhờ sự tạo bông và gắn kết các chất keo, huyền phù vào trong các cuộn bông đó rồi lắng xuống đáy bể phản ứng

Quá trình oxy hóa các chất bẩn hữu cơ trong aeroten qua ba giai đoạn: + Giai đoạn thứ nhất: tốc độ oxy hóa bằng tốc độ tiêu thụ oxy Ở giai

đoạn này bùn hoạt tính hình thành và phát triển Hàm lượng oxy cần cho VSV phát triển, đặc biệt ở thời gian đầu tiên thức ăn dinh dưỡng trong nước thải rất phong phú, lượng sinh khối trong thời gian này ít Sau khi VSV thích nghi với môi trường, chúng sinh trưởng rất mạnh theo cấp số nhân Vì vậy, lượng tiêu thụ oxy tăng dần

+ Giai đoạn thứ hai: VSV phát triển ổn định và tốc độ tiêu thụ oxy

cũng ở gần như ít thay đổi Chính ở giai đoạn này các chất bẩn hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất Hoạt lực enzym của bùn hoạt tính trong giai đoạn này cũng đạt tới mức cực đại và kéo dài trong một thời gian tiếp theo Điểm cực đại của enzym oxy hóa của bùn hoạt tính thường đạt ở thời điểm sau khi lượng bùn hoạt tính (sinh khối VSV) tới mức ổn định Qua các thông số hoạt động của aeroten cho thấy ở giai đoạn thứ nhất tốc độ tiêu thụ oxy (hay tốc độ oxy hóa) rất cao, có khi gấp 3 lần giai đoạn hai

+ Giai đoạn thứ ba: sau một thời gian khá dài tốc độ oxy hóa cầm

chừng (hầu như ít thay đổi) và có chiều hướng giảm, lại thấy tốc độ tiêu thụ oxy tăng lên Đây là giai đoạn nitrat các muối amon

Sau cùng, nhu cầu oxy lại giảm và phải kết thúc quá trình làm việc của aeroten (làm việc theo mẻ) Cần lưu ý rằng, sau khi oxy hóa được 80 – 95% BOD trong nước thải nếu không khuấy đảo hoặc thổi khí, bùn hoạt tính sẽ lắng xuống đáy, cần phải lấy bùn cặn ra khỏi nước Nếu không kịp thời tách bùn, nước sẽ bị ô nhiễm thứ cấp, do VSV trong bùn (chiếm 70% khối lượng của cặn bùn) bị tự phân

Để tăng cường hiệu quả của bể sục khí và của VSV thì sau khi tách khỏi nước trong bể lắng thì có một lượng bùn hoạt tính được hồi lưu về bể sục khí Lượng bùn hồi lưu so với lượng nước thải có độ ô nhiễm trung bình khoảng 20 – 30% [20]

Phương pháp này áp dụng cho nước thải có hàm lượng BOD trung bình

là 450 – 1000mg/l và có khả năng giảm được 90 – 95% hàm lượng BOD

* Một số aeroten đại diện thường dùng trong xử lý nước thải

- Bể aeroten được cấp khí giảm dần theo dòng chảy

Hình 1.3: Sơ đồ làm việc của aeroten được cấp khí giảm dần theo dòng chảy

Ưu điểm của bể này là giảm được lượng không khí cấp, tức là giảm công suất máy nén khí, giảm điện năng

- Bể Aeroten có ngăn tiếp xúc với bùn hoạt tính đã ổn định (Aeroten ổn định – tiếp xúc)

Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải bằng bể ổn định – tiếp xúc

Bùn hồi lưu được đưa vào ngăn tái sinh (ngăn hoạt hóa) Ở đây, bùn được phục hồi trong khoảng 2 – 3 giờ, có khi tới 6 giờ để oxy hóa hết các chất hữu cơ hấp phụ trên bề mặt và các khe hở của hạt bùn, tới khi ổn định (đạt lượng bùn tối đa và các thông số khác đạt yêu cầu, đặc biệt là khả năng oxy hóa cao nhất và ổn định)

Nước thải từ lắng 1 được trộn đều với bùn hoạt tính tái sinh và ổn định đưa vào ngăn tiếp xúc, quá trình oxy hóa xảy ra tức thì và diễn ra trong thời gian 30 – 60 phút

Ưu điểm của bể: thông khí tích cực có dung tích nhỏ, chịu được sự dao động lớn của lưu lượng và chất lượng nước thải, hiệu suất xử lý khá cao

Lọc sinh học (biofilter)

Nguyên lý của phương pháp lọc sinh học: Dựa trên quá trình hoạt động của VSV ở màng sinh học, oxy hóa các chất bẩn hữu cơ có trong nước Các màng sinh học là tập thể các VSV bao gồm các vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, các động vật bậc thấp… nhưng chủ yếu là vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí và kỵ khí tùy tiện Các vi khuẩn được tập trung ở phần lớp ngoài của màng sinh học Ở đây chúng phát triển và gắn với giá mang là các vật liệu lọc (được gọi là sinh trưởng gắn kết hay sinh trưởng dính bám) Màng này thường dầy khoảng 0,1 – 0,4mm [18, 20, 54, 56]

Cơ sở phương pháp này là VSV được cố định trên bề mặt của chất mang, tại đó các hợp chất hữu cơ sẽ được hấp thụ và phân giải Quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ chủ yếu nhờ vào sự có mặt của VSV hiếu khí trên bề mặt màng và vì vậy chúng phân giải tới O2 và H2O Ngoài ra, trong các lớp sâu của màng chứa các VSV yếm khí, đóng vai trò phân giải chất hữu

cơ thành H2S, NH4+, axit hữu cơ,… Sau đó các chất này lại bị vi khuẩn hiếu khí phân hủy thành H2SO4, HNO3, CO2, H2O Theo thời gian, màng sinh học dầy dần lên, khi lớp màng đã già sẽ bong ra, trôi theo dòng nước thải nhường chỗ cho lớp màng mỏng bám lại tiếp tục phát triển

Lọc sinh học đang được dùng hiện nay chia làm hai loại:

+ Lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước

+ Lọc sinh học có vật liệu tiếp xúc đặt ngập trong nước

Ưu điểm: Sử dụng kỹ thuật này có thể giảm được 80 – 90% BOD, 70 –

90% SS và loại bỏ được 90 – 95% VSV có trong nước thải

Nhược điểm: Hiệu suất của quá trình phụ thuộc rõ rệt vào các điều kiện vật lý để thực hiện quá trình như nhiệt độ, tính chất vật lý của thiết bị, tải trọng thủy lực, cường độ cấp khí, yếu tố về tốc độ oxy hóa sinh học…Hơn nữa kỹ thuật tạo ra các chất mang là rất khó khăn và hiệu suất xử lý chủ yếu phụ thuộc vào kỹ thuật tạo chất mang tốt và cố định tế bào

Phương pháp màng sinh học thường dùng để xử lý nước thải có độ nhiễm bẩn thấp và hiệu quả xử lý thường không cao

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

Các nghiên cứu về xử lý nước thải trong điều kiện kỵ khí từ trước đến nay được nhiều nơi tiến hành Có thể chia phương pháp xử lý kỵ khí thành 2 nhóm:

- Xử lý nước thải bằng phương pháp xử lý kỵ khí với sinh trưởng lơ lửng

Phương pháp xử lý kị khí với sinh trưởng lơ lửng

Trong các quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ, xử lý bằng phương pháp kị khí với sinh trưởng lơ lửng được dùng phổ biến Đó là quá trình phân hủy kị khí xáo trộn hoàn toàn và được thực hiện trong công trình thường được gọi là bể metan (methantank) Quá trình tiếp xúc kị khí và quá trình với lớp bùn kị khí có dòng hướng lên đang được ứng dụng rộng rãi

 Xử lý bằng phương pháp tiếp xúc kị khí (ANALIFT)

 Xử lý nước thải với lớp bùn kị khí với dòng hướng lên (UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket) hay còn gọi là “lên men ở lớp bùn – ANAPULSE”

Xử lý nước thải bằng phương pháp kị khí với sinh trưởng gắn kết

Đây là phương pháp xử lý kị khí nước thải dựa trên cơ sở sinh trưởng dính bám với vi khuẩn kị khí trên các giá mang

 Lọc kị khí với sinh trưởng gắn kết trên giá mang hữu cơ (ANAFIZ)

 Xử lý nước thải bằng lọc kị khí với vật liệu giả lỏng trương nở (ANAFLUX)

1.3.2.3 So sánh phương pháp xử lý hiếu khí và kỵ khí

So sánh phương pháp xử lý hiếu khí và kỵ khí về các mặt sau [27]:

- Về mặt năng lượng: phương pháp hiếu khí tốn nhiều năng lượng, ví

dụ để loại 1kg BOD cần 1 – 2 kwh Phương pháp kỵ khí không cần cung cấp năng lượng, ngược lại còn tạo thêm năng lượng (phân hủy 1 kg BOD tạo ra 0,7m3 CH4)

- Về mặt tạo bùn: Lượng bùn được tạo ra khi phân hủy 1 kg BOD là: + Phương pháp hiếu khí: 500 – 700g

+ Phương pháp kỵ khí: 80 – 300g

- Về hiệu quả xử lý: Hiệu quả xử lý được chỉ ra ở bảng 1.1

Bảng 1.1: So sánh phương pháp xử lý hiếu khí và kỵ khí

Kỵ khí Các thông số xử lý Hiếu khí

Kiểu thông thường

Tải trọng COD (kg/m 3 /ngày) 1 – 2 1 – 3 10 – 20

Khả năng loại COD (%) 95 60 – 90 60 – 90

Sản lượng bùn thu được từ tổng

Biogas Không Sản xuất Sản xuất

1.4 Tình hình sản xuất giấy ở Việt Nam và ở làng nghề tại Bắc Ninh

1.4.1 Tình hình sản xuất giấy ở Việt Nam

Giấy là sản phẩm được chế từ xenluloza Nguyên liệu của công nghiệp giấy là gỗ, tre, nứa, một số thực vật và giấy loại Có rất nhiều loại giấy: giấy tốt in ấn phẩm loại đặc biệt, giấy in viết bình thường, giấy gói, giấy sinh hoạt

Ở các nước phát triển số lượng giấy cho đầu người bình quân là 300kg/người/năm, ở các nước phát triển con số này mới đạt khoảng 10kg/người/năm Ở Việt Nam mức tiêu thụ giấy bình quân năm 1989 chỉ ở mức 1kg/người/năm, năm 2000 tăng lên mức 6,5kg/người/năm và năm 2005

là 9,4kg/người/năm Dự báo năm 2010 mức tiêu thụ giấy bình quân đầu người

tiêu thụ giấy của Việt Nam thuộc loại thấp so với các nước trong khu vực và trên thế giới [21]

Ngành công nghiệp giấy nước ta xuất hiện từ rất lâu, từ khoảng thế kỷ thứ III, sau Công nguyên Năm 1912, nhà máy sản xuất bột giấy đầu tiên bằng phương pháp công nghiệp đi vào hoạt động với công suất 4.000 tấn/năm tại Việt Trì Trong thập niên 1960, nhiều nhà máy giấy được đầu tư xây dựng nhưng hầu hết đều có công suất nhỏ (dưới 20.000 tấn/năm) Năm 1975, tổng công suất thiết kế của ngành giấy Việt Nam là 70.000 tấn/năm nhưng do ảnh hưởng của chiến tranh và mất cân đối giữa sản lượng bột giấy và giấy nên sản lượng thực tế chỉ đạt 28.000 tấn/năm

Năm 1982, Nhà máy giấy Bãi Bằng do Chính phủ Thụy Điển tài trợ đã

đi vào sản xuất với công suất thiết kế là 53.000 tấn bột giấy và 55.000 tấn giấy/năm

Ngành giấy có những bước phát triển vượt bậc, sản lượng giấy tăng trung bình 11%/năm trong giai đoạn 2000 – 2006; tuy nhiên cũng chỉ đáp ứng được gần 64% nhu cầu tiêu dùng (2008) phần còn lại vẫn phải nhập khẩu Mặc dù đã có sự tăng trưởng đáng kể tuy nhiên tới nay đóng góp của ngành trong tổng giá trị sản xuất quốc gia vẫn rất nhỏ

Hình 1.5: Đóng góp của giá trị sản xuất ngành giấy trong GDP

Cuối năm 2007, toàn ngành có trên 239 nhà máy với tổng công suất đạt 1,38 triệu tấn/năm; 66 nhà máy sản xuất bột giấy, tổng công suất 600.000 tấn/năm Tổng công suất 2008 của cả nước đạt 1.110,7 nghìn tấn cao gấp 2 lần tổng công suất năm 2000 Tính trung bình trong giai đoạn 2000 – 2008, sản lượng sản xuất giấy tăng khoảng 16%/năm Hiện nay Việt Nam có khoảng gần 500 doanh nghiệp giấy tuy nhiên đa phần là các doanh nghiệp nhỏ, hộ sản xuất cá thể Toàn ngành có 46% doanh nghiệp có công suất dưới 1.000 tấn/năm, 42% công suất từ 1.000 – 10.000 tấn/năm, chỉ có 4 doanh nghiệp công suất trên 50.000 tấn/năm Công suất trung bình của Việt Nam là 5.800 tấn giấy và 13.000 tấn bột/năm thấp hơn nhiều so với công suất trung bình của các nước có nền công nghiệp giấy phát triển như Đức, Hà Lan và thấp hơn so với các nước có trình độ phát triển tương đương như Thái Lan và Indonesia Bên cạnh đó công nghệ lạc hậu cũng gây lãng phí nguyên vật liệu, tăng cao chi phí sản xuất làm giảm năng lực cạnh tranh của ngành giấy

Nhìn chung trình độ công nghệ của ngành giấy Việt Nam rất lạc hậu Ngoài công ty giấy Bãi Bằng và công ty giấy Tân Mai, các doanh nghiệp còn lại đều sản xuất bột giấy theo phương pháp kiềm không thu hồi hóa chất nên giá thành cao và gây ô nhiễm môi trường Đa phần các xí nghiệp vừa và nhỏ

sử dụng giấy loại với dây chuyền xử lý thô sơ nên tạo ra nhiều chất thải Điều này gây ra ô nhiễm môi trường trầm trọng và cũng làm giảm năng lực cạnh tranh của ngành giấy Theo số liệu thống kê có gần 500 doanh nghiệp sản xuất giấy nhưng chỉ có khoảng 10% doanh nghiệp đạt tiêu chuẩn môi trường cho phép, còn hầu hết các nhà máy đều không có hệ thống xử lý nước thải hoặc có nhưng chưa đạt yêu cầu nên gây ra các vấn nạn về môi trường trầm trọng Ngành công nghiệp giấy là ngành có đặc trưng sử dụng một khối lượng lớn nguyên liệu thô, năng lượng, nước và các hóa chất trong quá trình sản