NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IC UASB để xử lý nước THẢI CÔNG NGHIỆP GIẤY tái CHẾ

Kết quảthu được của đề tài góp phần xây dựng cơ sở thực tiễn và lý luận để ứng dụng hệIC-UASB các công trình xử lý nước thải giấy tái chế và các loại nước thải khác tạiViệt Nam... Bên cạ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

- oOo

-TIÊN ĐỨC HUY

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IC UASB

ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP GIẤY TÁI CHẾ

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

MÃ SỐ : 60520320

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2018

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Ngành tái chế chất thải sinh hoạt, tái chế giấy là một ngành kinh tế đangđược chú trọng và thu hút đầu tư Nền tái chế giấy đang ngày càng phát triển vàmang lại lợi ích về kinh tế cũng như về môi trường như tiết kiệm khai thác tàinguyên rừng, giảm bớt lượng giấy thải ra môi trường, tiết kiệm chi phí vận chuyển

xử lý rác thải do giấy phát sinh ra, giảm thiểu lượng chất thải khi sản xuất [35] Tuynhiên, ngành giấy nói chung và sản xuất giấy tái chế nói riêng cũng gây ra nhữngvấn đề về môi trường, đặc biệt là lượng nước thải với tải trọng chất ô nhiễm rất cao,

có thể lên đến 55 kg/m3.d [25] Giải quyết bài toán xử lý nước thải ngành sản xuấtgiấy là vấn đề mang ý nghĩa sống còn với nhiều nhà máy giấy ở nước ta [3]

Xử lý nước thải bằng các công nghệ vi sinh ngày càng được ứng dụng hiệuquả và rộng rãi để xử lý nước thải tải trọng ô nhiễm cao, trong đó có nước thảingành giấy tái chế [29] Đối với những loại nước thải có tải trọng ô nhiễm cao thìcác phương pháp thường được lựa chọn là UASB (Upflow Anaerobic SludgeBlanket), EGSB (Extended Granule Sludge Blanket), [1,4,15]

Trong các nghiên cứu gần đây, kỹ thuật phản ứng tuần hoàn nội IC-UASBđược nhắc đến như là phương pháp xử lý có khả năng xử lý tải trọng chất ô nhiễmcao hơn hẳn các phương pháp trước đó [3,18,29] Bên cạnh đó, công nghệ này còn

có những ưu điểm nổi bật về hiệu suất xử lý và chi phí vận hành[18] Do đó, đề tàiluận văn “nghiên cứu ứng dụng công nghệ IC-UASB để xử lý nước thải côngnghiệp giấy tái chế” là cần thiết thực hiện để mang lại thêm một lựa chọn trong xử

lý nước thải giấy tái chế hiệu quả và kinh tế

2 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Nước thải ngành giấy là một loại nước thải phức tạp về thành phần và tínhchất Khi đánh giá hiệu quả xử lý nước thải giấy thì ta cần đánh giá ở nhiều chỉ tiêunhư: pH, độ màu, độ đục, mùi, COD, BOD, SS, N, P, các kim loại nặng, … Mặtkhác, kỹ thuật IC UASB nổi bật ở khả năng xử lý nước thải có tải trọng ô nhiễm

COD cao, vì thế luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu tải trọng COD và các thông

số vận hành của hệ IC UASB

Nghiên cứu ở qui mô phòng thí nghiệm, thời gian từ tháng 3/2017 đến tháng12/2017

3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu xây dựng mô hình kỵ khí của kỹ thuật phản ứng tuần hoàn nội

IC UASB có khả năng xử lý nước thải có tải trọng COD cao

- Xác định các thông số vận hành tốt nhất của hệ IC UASB nghiên cứu

- Khảo sát công nghệ IC UASB để xử lý nước thải ngành giấy tái chế

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Xây dựng và lắp đặt mô hình quy mô phòng thí nghiệm

- Nghiên cứu phát triển kỹ thuật tuần hoàn nội IC, tìm ra thông số vận hànhtốt nhất của hệ IC UASB khi có bơm tuần hoàn phụ trợ qua các thí nghiệm:

1 Thực hiện khảo sáthiệu quả xử lý COD với các tốc độ nước dâng khácnhau cho hệ IC với bơm tuần hoàn phụ trợ

2 Thực hiện khảo sát hiệu quả xử lý COD theo các tải lượng đầu vào với cácthời gian lưu khác nhau

3 Đánh giá khả năng tạo khí biogas của hệ theo các thông số vận hành

- Đánh giá hiệu quả của hệ IC UASB khi vận hành không có bơm tuần hoànphụ trợ với các tải lượng đầu vào khác nhau

- Đánh giá hiệu quả xử lý COD của hệ IC UASB đối với nước thải giấy

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp hồi cứu

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, các thông tin, số liệu,tài liệu về đốitượng nghiên cứu sẽ được thu thập từ các nguồn sách, báo, gáo trình, tạp chí,internet Những tài liệu, số liệu này sẽ được lựa chọn, phân tích, tổng hợp làm cơ

sở cho việc định hướng và thực hiện nghiên cứu

Phương pháp lấy mẫu và phân tích

Kỹ thuật lấy mẫu tuân theo TCVN 6663-1 : 2011

Các chỉ tiêu phân tích tuân theo TCVN và Standard Methods

Phương pháp thực nghiệm mô hình

Khảo sát hiệu quả xử lý COD trên mô hình IC UASB nghiên cứu

Phương pháp xử lý số liệu

Sử dụng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm để phân tích và tốt nhấthóa quá trình thí nghiệm Đồng thời xử lý số liệu thu được bằng phần mềm Excel

6 TÍNH MỚI VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay, trong các kỹ thuật sinh học kỵ khí xử lý nước thải thì IC UASB là

kỹ thuật tiên tiến có khả năng đáp ứng yêu cầu xử lý nước thải có tải trọng CODcao Ngoài ra, hệ IC UASB còn có ưu điểm so với UASB hay EGSB là có hệ tuầnhoàn nội bộ có thể vận hành tốt mà không cần bơm tuần hoàn phụ trợ Điều nàymang nhiều ý nghĩa về mặt năng lượng, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế của hệthống So với các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam, đề tài đã có sự nâng cao tảilượng COD đầu vào đáng kể, có khảo sát hiệu quả xử lý với các vận tốc nước dângkhác nhau và hệ IC UASB nghiên cứu có khả năng hoạt động với tải trọng cao màkhông cần bơm tuần hoàn phụ trợ Điều này đã củng cố lý thuyết về IC UASB vàkết quả của một số nghiên cứu trong và ngoài nước trước đây

Đối với loại nước thải có tải trọng ô nhiễm cao như nước thải ngành giấy táichế, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ IC UASB là điều rất cần thiết Kết quảthu được của đề tài góp phần xây dựng cơ sở thực tiễn và lý luận để ứng dụng hệIC-UASB các công trình xử lý nước thải giấy tái chế và các loại nước thải khác tạiViệt Nam

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nước thải ngành giấy tái chế

1.1.1 Hiện trạng tái chế giấy trên thế giới và Việt Nam

1.1.1.1 Tái chế giấy trên thế giới

Trên thế giới việc sản xuất tái chế rất phổ biến, từ các sản phẩm tái chế 100%như giấy bao bì đóng gói, bao bì nhựa, túi nhựa cho đến những sản phẩm cao cấp cóhàm lượng tái chế từ 30% tới 80% như giấy văn phòng, giấy in báo, giấy ăn Giấytái chế ngày càng được sử dụng nhiều làm nguyên liệu cho ngành giấy do ưu điểmtiết kiệm được chi phí sản xuất Giá thành bột giấy tái chế luôn thấp hơn các loại bộtgiấy từ các loại nguyên liệu nguyên thủy vì chi phí vận chuyển, thu mua và xử lýthấp hơn Tính trung bình sản xuất 1 tấn giấy từ giấy loại tiết kiệm được 17 cây gỗ

và 1.500 lít dầu so với sản xuất giấy từ nguyên liệu nguyên thủy Bên cạnh đó sảnxuất giấy tái chế có tác động bảo vệ môi trường Tính trung bình sản xuất giấy từbột tái sinh giảm được 74% khí thải và 35% nước thải so với sản xuất giấy từ bộtnguyên thủy [6]

Giấy là vật liệu tái chế nhiều nhất ở châu Âu và hơn một nửa số giấy sảnxuất đến từ tái chế Tại châu Âu, 70,4% giấy sử dụng được thu gom để tái chế [13].Mục tiêu của ngành công nghiệp giấy châu Âu là duy trì tỷ lệ tái chế ở mức 70%[24] Ở tại nhiều nước trên Thế giới, việc thu hồi và sử dụng giấy loại trong Côngnghiệp sản xuất giấy được Chính phủ qui định thành luật pháp ( Mỹ, Đức, ĐanMạch….) Các hoạt động sản xuất giấy từ nguyên liệu giấy loại luôn được Chínhphủ ủng hộ, giấy làm từ bột tái sinh được miễn thuế từ khâu sản xuất đến khâu inấn; việc thu hồi giấy loại sẽ được trợ cấp ( Nhật Bản, Hà Lan…)

Tại một số quốc gia châu Á, nhiều nước chưa có chính sách khuyến khíchthu gom cũng như chưa có hành lang pháp lý điều hành hoạt động này do đó tỉ lệthu hồi giấy đã qua sử dụng còn thấp [6]

Bảng 1.1 Tình hình sử dụng giấy tái chế để sản xuất giấy tại một số nước năm

Nguồn: Tạp chí công nghiệp giấy tháng 12,2008

1.1.1.2 Tái chế giấy tại Việt Nam

Trong tổng số giấy sản xuất trong nước, có tới 70% là nguyên liệu từ nguồngiấy tái chế, nhưng hiện chỉ có 25% giấy đã qua sử dụng được thu hồi [7] Hơn nữa,lượng giấy đã qua sử dụng này cũng chỉ đáp ứng được 50% tổng lượng giấy phếliệu mà ngành công nghiệp giấy trong nước cần Như vậy,theo ước tính hầu hết sốgiấy còn lại bị đem tiêu hủy một cách lãng phí và một lượng ít được giữ lại trongcác thư viện, văn phòng trong lúc đó, Việt Nam phải dùng ngoại tệ để nhập khẩumột lượng giấy phế liệu, giấy tái chế khổng lồ từ nước ngoài để làm nguyên liệu sảnxuất giấy Hiện nay, tỉ lệ thu hồi giấy đã qua sử dụng ở Việt Nam thuộc loại thấpnhất khu vực, chỉ đạt 25% so với Thái Lan là 65%; Trung Quốc là 31%; Nhật Bản61,4%; Đài Loan 88%; Hàn Quốc 67% (Bảng 1.1)

Nguồn thu gom trong nước chủ yếu qua đồng nát là những người thu gomriêng lẻ, các công ty vệ sinh, những người bới rác, các trạm thu mua trung gian.Hiện nay chưa có công ty chuyên doanh giấy thu hồi do đó việc thu gom và tái chếdiễn ra khá tự phát Hơn nữa nhà nước chưa có chính sách khuyến khích thu gomcũng như chưa có hành lang pháp lý điều hành hoạt động này [8].

Bảng 1.2 Tình hình sử dụng giấy tái chế ở Việt Nam

Giấy tái chế (tấn) 233.966 481.650 533.000 903.045

Nhập khẩu (tấn) 80.341 238.975 201.249 452.988

Tỷ lệ giấy thu hồi trong tổng

Tỷ lệ thu hồi giấy đã qua sử

Nguồn: Tạp chí công nghiệp giấy tháng 1, 2009

1.1.2 Quy trình tái chế giấy điển hình

- Bột giấy còn được sản xuất từ giấy loại đã qua sử dụng, tùy thuộc vào loạinguồn gốc nguyên liệu và yêu cầu sản phẩm giấy cần phải sản xuất mà trong quytrình sản xuất bột tái chế được chia làm 2 loại:

+ Công nghệ tái chế nguyên liệu từ lề - hòm hộp cũ, bột sau khi tách loại tạpchất, phân loại xơ sợi bột giấy sẽ được sử dụng cho sản xuất giấy bao gói, hòm hộpcông nghiệp

+ Công nghệ tái sinh các loại giấy văn hóa (giấy in báo, giấy in, giấy viết …)thường có thêm công đoạn khử mực (bột DIP: De-Inking Pulp) Sau quá trình khửmực thường gồm có công đoạn tẩy trắng riêng biệt, sử dụng hydro peoxit hoặc muốihydrosulphit Bột giấy sau tái chế thường có độ trắng nhất định tùy thuộc vào

nguyên liệu đầu vào Bột giấy tái chế sẽ được sử dụng một phần cho quá trình sảnxuất giấy in báo, giấy in, giấy viết, giấy in tạp chí [23].

- Các công đoạn trong chính trong quá trình sản xuất giấy tái chế :

+ Công đoạn chuẩn bị nguyên liệu: Giấy vụn sau khi được tập kết về khophải qua khâu phân loại Có thể chia giấy vụn thành các loại sau: Giấy lề trắng, giấyviết, giấy in, giấy bìa cát tông, giấy xi măng Ô nhiễm chủ yếu trong khâu này là ônhiễm bụi và các chất thải vẫn như: Nilong, phế phẩm loại bỏ của quá trình phânloại chiếm 1 tỷ lệ không nhỏ

+ Công đoạn ngâm kiềm: giấy được đưa vào 1 bể ngâm kiềm để tẩy trắng.Thời gian ngâm tùy thuộc vào loại giấy

VD: Giấy in thì thời gian ngâm lâu nhất, các hóa chất sử dụng trong khâunày là NaOH, Javen Ô nhiễm chính trong công đoạn này là ô nhiễm nguồn nước dolượng hóa chất được hòa tan trong bể ngâm kiềm được được thải trực tiếp ra ngoàikhông hề qua bất kỳ một khâu xử lý nào

+ Công đoạn nghiền giấy: đây là công đoạn kết hợp sau công đoạn tước giấysau khi ngâm tẩy được đưa vào máy nghiền và tạo ra bột giấy có màu đục đượcchứa trong 1 bể rộng Ô nhiễm chủ yếu trong khâu này là do lượng bột giấy bị hòavào nước thải ra môi trường bên ngoài tạo ra một lớp bột tương đối dày trong cáckênh, mương và nó cũng là nguyên nhân gây ra hiện tượng yếm khí trong nước tạomùi hôi thối khó chịu

+ Công đoạn nghiền đĩa : bột được đưa vào hệ thống nghiền đĩa nhằm nghiềnnhỏ bột đạt đến độ nghiền theo chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm rồi cho vào bể chứa

để pha loãng trước khi đưa vào công đoạn xeo giấy

+ Công đoạn xeo giấy: bột giấy được dẫn qua 1 hệ thống máy lên lưới hìnhthành và đưa trực tiếp lên máy xeo, ép ướt bằng một nhiệt độ cao được cung cấp từ

lò hơi Giấy sau khi được sấy, ép được chuyển đến bộ phận hoàn thành để gia công,chế biến thành sản phẩm cuối cùng Phế phẩm của công đoạn này là các đấu xén,đấu lề giấy và được tận dụng đưa lại quá trình tái chế Hầu hết các khâu trong quátrình tái chế giấy đều gây ra ô nhiễm mà ảnh hưởng lớn nhất chính là đến môi

trường nước Nước ô nhiễm không qua bất kỳ một công đoạn xử lý nào lại xả ra hệthống cống, mương, ao hồ gây ảnh hưởng trầm trọng tới môi trường đất.

1.1.3 Nước thải ngành giấy tái chế

Bảng 1.3 Bảng đặc tính nước thải giấy khử mực[23]

Bảng 1.4 Tải lượng ô nhiễm trong dòng nước thải của công đoạn tẩy [5]

Sau khi có bột, giấy được sản xuất trên máy xeo giấy bao gồm các côngđoạn: chuẩn bị bột (nghiền, sàng, làm sạch, phối trộn với các phụ gia…), hình thànhtrên lưới, hộp, sấy, cuộn, thành phẩm giấy (Hình 1.1) Trước khi đưa vào máy xeo,bột được nghiền nhỏ để làm đồng đều và mềm mại, sau đó bột được phối trộn vớiphụ gia như: bột đá, tinh bột, cationic, keo AKD và một số chất khác ở tỷ lệ nhấtđịnh rồi bơm lên hòm phun bột của máy xeo Từ đây bột được phun lên lưới hìnhthành tờ giấy ướt, sau đó được tách nước, sang hệ thống hộp sấy, gia keo bề mặt (cóhoặc không) làm nhẵn bề mặt rồi được chuyển sang bộ phận hộp quang, cuộn, cắtkhổ và chuyển đến bộ phận bao gói và gia công

Bảng 1.5 Đặc tính nước thải của quá trình xeo giấy [5]

Chỉ tiêu Đơn vị Hàm lượng

cơ và vô cơ

1.2 Phương pháp xử lý sinh học kỵ khí

1.2.1 Tổng quan phương pháp xử lý sinh học kỵ khí

Xử lý sinh học kỵ khí là quá trình xử lý không có oxy, sự phân hủy các chấthữu cơ hòa tan sẽ tạo ra khí CH4, và CO2 Khí CH4 sinh ra có thể được đốt để sinhhơi cho xử lý bùn hoặc đốt trong nồi hơi So với xử lý hiếu khí, nhu cầu chất dinhdưỡng của xử lý kỵ khí thấp hơn, lượng bùn sinh ra cũng thấp hơn, dẫn đến việcgiảm chi phí xử lý bùn thải

Chất hữu cơ → CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới

Lượng bùn thải trong quá trình xử lý kỵ khí còn được giảm thấp nếu giảmnồng độ phốtphát trong nước thải Lượng bùn kỵ khí này dễ ổn định hơn và quátrình khử nước thực hiện cũng dễ hơn so với bùn hiếu khí [9]

Hình 1.1 Sơ đồ phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ [7]

Yêu cầu về dinh dưỡng (N, P) của hệ thống xử lý kỵ khí thấp hơn hệ thống xử

lý hiếu khí do sự tăng trưởng và sinh sản của vi sinh vật kỵ khí thấp hơn vi sinh vậthiếu khí Chính vì vậy mà hệ thống xử lý kỵ khí có những ưu điểm sau:

Các hợp chất hữu cơ phức tạp carbohydrates, proteins, lipids

Các chất hữu cơ đơn giản

đường, amino acids, peptides

Các acid béo mạch dài propionate, butyrate,…

AcetateH2, CO2

35%

- Có khả năng chịu được tải trọng cao: Những hệ thống kỵ khí hiện nay có thể

xử lý với hiệu suất từ 85 – 90% COD với tải trọng hữu cơđầu vào khoảng 30gCOD/L.d ở 300 C và 50g COD/L.d ở nhiệt độ 400 C với nước thải với nồng độ chấthữu cơ trung bình Đối với những nước thải có thành phần phức tạp khác (khôngtan, khó phân huỷ sinh học, có độc tính v.v.), tải trọng hữu cơ có thể giảm hơnnhưng vẫn cao hơn nhiều so với hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí [29]

- Một ưu điểm khác của hệ thống kỵ khí là bùn kỵ khí có thể bảo quản trongmột thời gian dài (hơn 1 năm) mà không cần nuôi dưỡng bằng dưỡng chất Hoạttính của bùn vẫn giữ nguyên khi bùn được giữ ở nhiệt độ nhỏ hơn 150 C Do đó, cóthể sử dụng lượng bùn dư của hệ thống này làm nhân cho hệ thống khác và giảmthời gian vận hành hệ thống

- Vốn đầu tưđể xây dựng hệ thống xử lý kỵ khí không nhiều, diện tích sử dụngcho hệ thống nhỏ, và thời gian sử dụng dài hơn hệ thống hiếu khí là những ưu điểmnổi bật của hệ thống kỵ khí

Bên cạnh những ưu điểm, hệ thống xử lý kỵ khí còn một số nhược điểm như

sau: Vi khuẩn tạo khí mêtan có độ nhạy cao với một số chất hóa học nhất định, ví

dụ những chất hydrocarbon có nguồn gốc halogen, một số hợp chất hữu cơ có Nitơ,

CN- và ion tự do của kim loại nặng Trong một số trường hợp những chất này biểuthị độc tính, hoặc làm cản trở sự sinh trưởng, phát triển của những vi khuẩn tạo khímêtan Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy rằng những vi khuẩn kỵ khí

có thể thích nghi một số chất hóa học và có thể phân hủy chúng

Khi xử lý nước thải có hợp chất chứa sunfua, quá trình xử lý kỵ khí thường tạothành khí H2S với mùi hôi khó chịu Lượng khí này có thể thải ra môi trường cùngdòng thải với những hệ thống xử lý kị khí có thiết kế chưa đạt Đối với những hệthống xử lý kỵ khí hoàn chỉnh, luôn kèm theo hệ thống thu hồi khí sinh học, và xử

lý khí H2S trong dòng thải

Hầu hết tất cả các dạng nước thải công nghiệp, với nồng độ chất độc hại khôngquá cao, thì hệ thống xử lý kỵ khí đều có thể sử dụng để xử lý Những nghiên cứugần đây cho thấy rằng hệ thống kỵ khí có thể hoạt động tốt trong điều kiện nước

thải có nồng độ rất thấp (COD < 100 mg/L), ngay ở cả những nhiệt độ rất thấp(psychrophilic) (<40 C) hay ở điều kiện nhiệt độ cao (thermophilic), với nhiều loạinước thải khác nhau như nước thải giấy, nước thải dệt nhuộm, nước thải cao suv.v…

Hệ thống xử lý kỵ khí còn được áp dụng để xử lý bùn (ví dụ như bùn cốngrãnh và phân vật nuôi): Quá trình phân hủy kỵ khí đã áp dụng để ổn định bùn cốngrãnh, phân vật nuôi và sản sinh năng lượng

Nguyên lý chung đối với xử lý sinh học kỵ khí người ta sử dụng nhóm vi sinhvật kỵ khí để phân giải các hợp chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí Vi sinh vật sửdụng theo nguyên lý này cũng có thể sử dụng dưới dạng sinh trưởng lơ lửng hoặcsinh trưởng bám dính [28] Quá trình phân giải kỵ khí bao gồm các giai đoạn:

Giai đoạn thuỷ phân: Các enzym ngoại bào được sản xuất ra bởi các vi khuẩn

thủy phân (hydrolytic bacteria) phân hủy các phân tử lớn thành phân tử nhỏ hơn,dưới dạng dễ phân hủy hơn Tuy nhiên quá trình thủy phân xảy ra tương đối chậm

và có tốc độ phụ thuộc nhiều vào mức độ tiếp xúc của enzyme với cơ chất

Giai đoạn acid hóa (nhóm vi khuẩn lên mem acid – Fermentative acidogenic

bacteria):Bao gồm quá trình lên men và oxi hóa kỵ khí được thực hiện bởi nhóm các

vi sinh vật kỵ khí hoặc tùy nghi như Clostridium, Bifidobacterium, Desulphovibrio,

Actinomyces và Staphylocococcus Quá trình này sẽ chuyển hóa đường, acid amin,

acid béo thành acid hữu cơ Sự hình thành các acid có thể làm giảm pH xuống 4.0.Các amino acid được phân huỷ tạo thành NH3 là một hợp chất rất quan trọng trongquá trình phân huỷ kỵ khí

Giai đoạn acetic: Nhóm vi khuẩn acetic (Acetogenic bacteria) như Syntrobacter wolinii và Syntrophomonas bẻ gãy các acid béo và rượu thành acetate,

hydro và carbon dioxide và sinh khối mới Nhóm vi khuẩn này đòi hỏi thế hydrothấp để chuyển hóa các acid béo Do đó có một mối quan hệ cộng sinh giữa vikhuẩn acetic và vi khuẩn methane Vi khuẩn methane sẽ giúp đạt được thế hydrothấp mà vi khuẩn acetic cần Vi khuẩn acetic tăng trưởng nhanh hơn nhiều so với vikhuẩn methane

Giai đoạn methane hóa

Trong giai đoạn này, vi khuẩn methane hóa (methanogens) như

Methanobacillus, Methanococcus, Methanobacterium và Methanosarcina chịu

trách nhiệm chuyển hóa sản phẩm cuối cùng của phản ứng acetat hóa thành khí

methane và carbon dioxide (Metcalf and Eddy, 1991) Vi khuẩn methane tăng

trưởng chậm Đây là lý do chính tại sao quá trình phân huỷ kỵ khí đòi hỏi thời gianlưu sinh khối cao

Khoảng 72% methane được tạo thành chủ yếu từ cơ chất acetate do nhómmethyl của acetate bị khử thành methane; 28% tổng khí methane sinh ra còn lạiđược tạo ra từ H2 và CO2 (Hình 1.3)

Một số phương trình phản ứng diễn ra trong quá trình phân hủy kỵ khí:

4H2 + CO2 CH4 + 2H2O4HCOO + 4H+ CH4 + 3CO2 + 2H2O

CH3COOH  CH4 + CO2

4(CH3)3N + H2O 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3

Trong 3 giai đoạn: thuỷ phân, acid hóa và acetat hóa, COD trong dung dịchhầu như không giảm, COD chỉ giảm trong quá trình methane hóa.Quá trình phânhuỷ kị khí cuối cùng tạo ra một hỗn hợp khí CH4, CO2, N2 , H2 Trong đó có tới65% là CH4 vì vậy, quá trình này còn được gọi là methane hóa[2] Các điều kiệnảnh hưởng tới quá trình lên methane hóalà: Nhiệt độ tốt nhất của quần thể vi sinhvật sinh metan từ 35 – 550C; Dưới 100C vi sinh vật metan hầu như không hoạt động;

pH môi trường: pH tốt nhất là 6,4 – 7,5

Hình 1.2 Bùn hạt trong hệ thống kỵ khí 1.2.2 Vi sinh vật ứng dụng trong xử lý kỵ khí

1.2.2.1 Giới thiệu chung về vi sinh vật kỵ khí

Vi sinh vật ứng dụng trong xử lý nước thải ngành công nghiệp giấy, bột giấy

và nước thải chứa lignin và các hợp chất lignin (dưới đây gọi tắt là nước thải côngnghiệp giấy – nước thải CNG) rất phong phú Sử dụng kỹ thuật nấm men có thể làmmất màu lignin trong dịch đen; tuy nhiên kỹ thuật này hiện nay vẫn chỉ dừng lại ởquy mô phòng thí nghiệm Các hệ sinh học ứng dụng trong xử lý nước thải củangành công nghiệp giấy và bột giấy là dựa trên hoạt động của các nhóm vi khuẩnphân giải xenlulo, phân giải xilan, phân giải lignin, phân giải tinh bột,

- Phân giải cellulose

Hệ vi sinh vật phân giải cellulose khá phong phú Nấm, xạ khuẩn và vi khuẩnđều có khả năng phân giải cellulose (xem Bảng 1.6) Các nghiên cứu cho thấy cóhai loại enzym chính để phân hủy cellulose là cellulose C1 và cellulose Cx Enzymcellulose C1 tác động sơ bộ vào phân tử cellulose thiên nhiên và biến chúng thànhcác chuỗi cellulose mạch thẳng, sau đó dưới tác dụng của cellulose Cx, cellulose bịphân hủy thành cellobiose, loại đường này có thể tan trong nước, và được chuyểnthành glucose nhờ enzym -glucosidase

Bảng 1.6 Các vi sinh vật kỵ khí phân hủy cellulose

Tên vi sinhClostridium thermocellumClostridium omelianskiiRuminococcus flavefeciens

Ruminococcus albusBacteroides succinogenesButyrivibrio fibrisolvens

- Phân giải lignin

Trong gỗ, lignin chiếm khoảng 20 – 30%; đây là một thành phần tương đốikhó phân hủy bằng phương pháp sinh học Từ lâu, người ta đã nghiên cứu phân hủylignin bằng con đường sinh học nhưng mãi tới cuối những năm 1970 mới thu đượcnhững tiến bộ đáng kể Những hiểu biết cho đến nay thấy rằng sự phân hủy ligninnhanh nhất và phổ biến nhất trong tự nhiên là các loại nấm Các nghiên cứu đã chỉ

ra rằng Actinomices, Streptomyces có thể phân hủy lignin ở các loài gỗ Các loạinấm phân hủy hầu hết các thành phần của gỗ, kể cả lignin được chia thành 3 nhóm:Nấm mục trắng (whitw-rot fungi), nấm mục nâu (brow-rot fungi) và nấm mục mềm(soft-rot fungi) trong đó nấm mục trắng (chủ yếu là Basidiomycetes và một sốAscomycetes) là nhóm phân hủy lignin hữu hiệu nhất [12]

Một đặc điểm của nước thải nhà máy giấy và bột giấy, đặc biệt là nước thảicông đoạn nấu, rửa bột là pH rất kiềm (hoặc rất axit), nên mật độ vi sinh vật cótrong nước thải là rất thấp Để tăng mật độ vi sinh vật ban đầu, rút ngắn thời gian xử

lý cần phải bổ sung thêm một lượng vi sinh vật có khả năng phân hủy các chất cótrong nước thải Việc nghiên cứu tìm ra tập đoàn vi sinh vật có khả năng thích nghi

và phân hủy nhanh các chất ô nhiễm trong nước thải đóng vai trò quan trọng trongcông nghệ xử lý bằng vi sinh

1.2.2.2 Nhu cầu dinh dưỡng vi sinh vật

Chất dinh dưỡng đối vi sinh vật là bất kỳ chất nào được vi sinh vật hấp thụ từmôi trường xung quanh và được chúng sử dụng làm nguyên liệu để cung cấp chocác quá trình sinh tổng hợp tạo ra các thành phần của tế bào hoặc để cung cấp chocác quá trình trao đổi năng lượng Như vậy, chất dinh dưỡng phải là những hợp chất

có tham gia vào quá trình trao đổi chất nội bào [12]

Nguồn thức ăn cacbon của vi sinh vật

Tuỳ từng nhóm vi sinh vật mà nguồn cacbon được cung cấp dưới dạng cacbon

vô cơ (CO2 , ) hoặc cacbon hữu cơ và nguồn năng lượng là ánh sáng mặt trời haynguồn năng lượng là sản phẩm của trao đổi chất (ATP) Trên thế giới hầu nhưkhông có hợp chất cacbon hữu cơ nào mà không bị vi sinh vật phân giải Không ítnhững vi sinh vật có thể đồng hoá được cả các hợp chất cacbon rất bền vững nhưcao su, chất dẻo, dầu mỏ, Đối với những chất hữu cơ không tan trong nước hoặc

có khối lượng phân tử lớn, để hấp thụ được các chất này thì vi sinh vật phải tiết racác enzym ngoại bào thuỷ phân để chuyển hoá chúng thành những hợp chất dễ hấpthụ (đường, axit amin, ) Người ta thường dùng đường làm nguồn thức ăn cacbonkhi nuôi cấy phần lớn các vi sinh vật dị dưỡng Để nuôi cấy các vi sinh vật khácnhau, người ta thường dùng các nồng độ đường không giống nhau Đối với vi sinhvật dị dưỡng, nguồn thức ăn cacbon làm cả hai chức năng: nguồn dinh dưỡng vànguồn năng lượng [22]

Nguồn thức ăn nitơ của vi sinh vật

Nguồn nitơ dễ hấp thụ nhất đối với vi sinh vật là NH3 và NH4 Muối amoni vô

cơ rẻ hơn nhưng thường làm chua môi trường, làm ức chế sự phát triển của vi sinhvật Thường dùng urê làm nguồn nitơ vì tạo môi trường trung tính Đa số các vi sinhvật không có khả năng đồng hóa N2 trong không khí Tuy nhiên có những vi sinhvật có thể chuyển hoá N2 thành NH3nhờ hoạt động xúc tác của một hệ thống enzym

có tên là nitrogenaza Đối với nguồn thức ăn nitơ hữu cơ, vi sinh vật có khả năngđồng hoá rất tốt Các thức ăn này sẽ vừa làm nguồn cacbon vừa là nguồn cung cấpnitơ cho vi sinh vật

Nguồn thức ăn khoáng của vi sinh vật

Nhu cầu của vi sinh vật đối với các nguyên tố khoáng là không giống nhau tuỳthuộc vào từng loài, từng giai đoạn phát triển Các nguyên tố khoáng chia làm 2loại:

Nguyên tố đa lượng: là các nguyên tố mà vi sinh vật sử dụng với lượng lớn.

Đó là các nguyên tố: P, K, S, Mg, Na, Cl, Ca, Fe,

Nguyên tố vi lượng : là các nguyên tố mà vi sinh vật chỉ đòi hỏi một lượng rất

nhỏ: B, Mo, Cu, Zn, Mn, Hàm lượng các nguyên tố khoáng ở nguyên sinh chấtcủa vi sinh vật khác nhau là khác nhau, tuỳ loài, tuỳ giai đoạn, tuỳ điều kiện nuôicấy Nhu cầu một số muối khoáng của vi sinh vật được nêu trong Bảng 1.7

Bảng 1.7 Nhu cầu cần thiết về muối khoáng đối với vi khuẩn, nấm và xạ

1.2.2.3 Ảnh hưởng của các yếu tố vật lý và hóa học đến VSV

Sự phát triển của vi sinh vật trong các thuỷ vực chịu ảnh hưởng của nhiều nhân

tố vật lý và hoá học; những nhân tố này tác dụng cùng nhau và tương hỗ theo nhiềukiểu Chúng ảnh hưởng đến độ lớn, thành phần loài của các quần thể, đến hình thái

và sinh lý của vi sinh vật Đó là các nhân tố: pH, nhiệt độ, độ đục, hàm lượng muối,các chất hữu cơ, các chất vô cơ

Nhiệt độ

Nhiệt độ nước thải ảnh hưởng rất lớn tới chức năng hoạt động của vi sinh vật.Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ oxy hoá của sinh vật tăng, nhưng độ hoà tan oxy trongnước giảm Nhiệt độ đa số vi sinh vật có thể hoạt động được là từ 6-400C Khi nhiệt

độ tăng hoặc giảm quá ngưỡng sẽ ảnh hưởng đến khả năng hoạt hoá của các enzym

Vì vậy, vi khuẩn sẽ ngừng hoạt động, cuối cùng dẫn đến tử vong, còn nhiệt độ quáthấp thì tốc độ làm sạch sẽ bị giảm, quá trình thích nghi của vi sinh vật với môitrường mới sẽ chậm lại [12,28]

Độ pH

Đây là thông số ảnh hưởng rất lớn đến các quá trình sinh học xảy ra trongnước pH cũng ảnh hưởng đến các quá trình vật lý và các phản ứng hoá học xảy ratrong môi trường nước Đối với đa số vi sinh vật, thường sinh trưởng và phát triển ở

pH 6,0 - 8,5 Khi pH nằm ngoài khoảng trên sẽ làm giảm hoạt lực của bùn hoạt tính,

do đó làm giảm hiệu suất của quá trình xử lý [28] Việc đo pH là rất cần thiết đểđiều khiển quá trình lý học, hoá học, sinh học Thông số pH được xác định bằngmáy đo pH

Thành phần các chất trong nước

Thành phần nước thải có vai trò quyết định tới sự sinh trưởng và phát triển của

vi sinh vật Mỗi loài sinh vật chỉ sinh trưởng và phát triển trong một dải nồng độthức ăn nhất định, nếu lớn hơn dải nồng độ đó sẽ ảnh hưởng tới sự phát triển củachúng Mỗi một loài sinh vật có thể sử dụng một số thức ăn nhất định, chúng sẽđồng hoá những loại thức ăn dễ đồng hoá trước, thức ăn khó đồng hoá sau Thànhphần và chất lượng nước thải thể hiện qua các thông số sau:

Nhu cầu oxy sinh hóa BOD

BOD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết mà các vi sinh vật đã sử dụng

để oxy hoá cacbon hữu cơ thành CO2 và nitơ hữu cơ thành NO3- Phương trình tổngquát như sau:

có khả năng phân huỷ sinh học trong nước càng lớn

Trong thực tế, người ta không thể xác định lượng oxi cần thiết để phân huỷhoàn toàn chất hữu cơ vì tốn quá nhiều thời gian mà người ta thường chỉ xác địnhlượng oxi cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 200C, kí hiệu BOD5 Tại thời điểmnày đã có 70 – 80% các chất hữu cơ bị oxy hoá [14,28]

Nhu cầu oxy hoá hoá học COD

COD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hoá hoá học các chấthữu cơ trong mẫu nước thải thành CO2 và H2O Chỉ số COD biểu thị cả lượng cácchất hữu cơ có thể và không thể bị oxy hoá bằng vi sinh vật, do đó, nó có giá trị caohơn BOD Phép phân tích COD có ưu điểm là cho kết quả nhanh nên đã khắc phụcđược nhược điểm của phép đo BOD

Đối với nhiều loại nước thải, giữa chỉ số COD và BOD có mối tương quan nhấtđịnh Vì vậy, khi thiết lập được mối quan hệ tương quan này có thể sử dụng phép đoCOD để vận hành và kiểm soát hoạt động của nhà máy xử lý nước thải

Hàm lượng nitơ

Nitơ là nguyên tố rất cần thiết cho quá trình tổng hợp các chất hữu cơ chứanitơ trong cơ thể vi sinh vật Để tiến hành quá trình đồng hoá được các hợp chấtchứa nitơ có trong môi trường nước, vi sinh vật phải tổng hợp được các enzymngoại bào sẽ phân giải protein thành các amino axit và các thành phần khác [31].Chính vì thế mà trong môi trường nước thường tồn tại các dạng nitơ sau: nitơ amin,nitơ amoniac, nitơ nitrit, nitơ nitrat, nitơ tự do

Xác định hàm lượng nitơ trong môi trường để ta có khái niệm về khả năng sửdụng phương pháp sinh học xử lý ô nhiễm nước và mức độ ô nhiễm nước Khi thiếunitơ lâu dài, ngoài việc cản trở quá trình sinh hoá, các chất hữu cơ còn tạo ra bùnhoạt tính khó lắng [28].

Trong kỹ thuật môi trường, người ta thường xác định nitơ bằng phương phápKjendahl, còn N – NH3, N – NO2- bằng phương pháp so màu

100 : 5 : 1 (đối với 3 ngày đầu) còn đối với thời gian xử lý dài hơn thì tỷ lệ trên là

200 : 5 : 1 [28]

Hàm lượng sunphat

Sunphat sắt luôn có mặt trong nước bị ô nhiễm và trong nước thải Lưuhuỳnh có mặt trong một số aminoaxit cấu tạo nên protein (cystein và methionin).Lưu huỳnh sẽ được chuyển hoá theo phương trình sau trong điều kiện kị khí nhờ vikhuẩn:

Sự có mặt của lưu huỳnh dạng H2Strong nước làm cho nước có mùi thối

Hàm lượng các kim loại nặng

Khi trong nước chứa các kim loại nặng như: chì (Pb), thuỷ ngân (Hg), Crom(Cr), Cadimi (Cd), Asen (As) thì ngoài việc gây hại cho con người, động thực vật sử

dụng nguồn nước, các kim loại nặng này còn có ảnh hưởng nhiều đến hoạt động củacác vi sinh vật trong nước.

Các kim loại nặng ở hàm lượng nhất định nào đó có thể làm cho quá trình traođổi chất của cơ thể vi sinh vật bị rối loạn do sự kìm hãm hoạt động của các enzymkhi có mặt một số kim loại Tuy nhiên đối với một vài kim loại nặng ở dạng vết thìlại có tác dụng tốt nhất định đối với sự pháttriển sinh vật

1.2.3 Hoạt động của bùn trong bể kỵ khí

Đóng vai trò quyết định trong việc phân huỷ và chuyển hoá chất hữu cơ

Chia thành 2 vùng rõ rệt và chiều cao ¼ bể từ đáy tính lên

Lớp bùn hình thành do các hạt cặn keo tụ nồng độ 5 ÷ 7% Lớp bùn lơ lửng nồng độ

1000 ÷ 3000mg/l

Nồng độ cao của bùn cho phép bể làm việc với tải trọng chất hữu cơ cao

Bùn nuôi cấy ban đầu:

Bùn nuôi cấy ban đầu phải có độ hoạt tính metan Độ hoạt tính metan ngày càngcao thì thời gian khởi động càng ngắn Nếu sử dụng được bùn hạt hoặc bùn lấy từmột bể xử lý kỵ khí là tốt nhất Ngoài ra có thể sử dụng bùn chứa nhiều chất hữu cơnhư bùn từ bể tự hoại, phân gia súc hoặc phân chuồng

Nồng độ bùn nuôi cấy ban đầu cho bể UASB tối thiểu là 10 kgVSS/m3 Lượngbùn cho vào bể không nên nhiều hơn 60% thể tích bể.

Khi mới nuôi cấy, vận tốc nước bơm vào bể phải đủ nhỏ để không đẩy bùn rangoài Mặt khác, chất lượng nước đầu vào nên pha loãng trước khi bơm vào bể đểgiảm nồng độ COD nhằm giúp vi sinh vật phát triển tốt Cần chú ý đến lượng khísinh ra để biết được sự phát triển của các vi khuẩn sinh metan

Tuy có nhiều ưu điểm, nhưng UASB vẫn liên tục cải tiến để giảm thời gian lưunước trong hệ thống và gia tăng tốc độ xử lý Vào năm 1983, hệ thống xử lý tốc độcao với lớp bùn hạt mở rộng (Expanded Granular Sludge Bed- EGSB) được hìnhthành bởi giáo sư Lettinga và các cộng sự của ông Lý do để hệ thống xử lý kỵ khítốc độ cao được nghiên cứu và áp dụng trong thực tế là: Giảm được vốn đầu tư khixây dựng hệ thống: với tốc độ xử lý cao sẽ làm giảm kích thước của công trình khiphải xử lý một lưu lượng thải nhất định; Giảm diện tích để xây dựng của hệ thống,phù hợp với những nhà máy có mặt bằng nhỏ; Hệ thống có độ ổn định cao ngay cảvới những điều kiện hoạt động không thuận lợi, khả năng xử lý tải hữu cơ lên đến25g COD/l.ngày

1.3 Các kỹ thuật kỵ khí cao tải trong xử lý nước thải giấy

Từ khi hình thành, hệ thống xử lý kỵ khí đã có nhiều dạng khác nhau như lọc

kỵ khí với dòng nước thải đi từ dưới lên (Upflow Anaerobic Filter-UAF), hệ thốngmàng lọc cố định với dòng từ trên xuống (Dowflow Stationary Fixed Film- DSFF),

hệ thống xử lý kỵ khí với dòng hướng lên qua một lớp bùn (Upflow AnaerobicSludge Bed- UASB), hệ thống sử dụng lớp bùn động (Anaerobic Fluidized Bed-AFB) v.v… Tuy có nhiều ưu điểm, nhưng những hệ thống xử lý kỵ khí này vẫnliên tục cải tiến để giảm thời gian lưu nước trong hệ thống và gia tăng tốc độ xử lý.Vào năm 1983, hệ thống xử lý tốc độ cao với lớp bùn hạt mở rộng (ExpandedGranular Sludge Bed- EGSB) được hình thành bởi giáo sư Lettinga và các cộng sựcủa ông Lý do để hệ thống xử lý kỵ khí tốc độ cao được nghiên cứu và áp dụngtrong thực tế là:

+ Giảm được vốn đầu tư khi xây dựng hệ thống: Với tốc độ xử lý cao sẽ làmgiảm kích thước của công trình khi phải xử lý một lưu lượng thải nhất định;

+ Giảm diện tích để xây dựng của hệ thống, phù hợp với những nhà máy cómặt bằng nhỏ;

+ Hệ thống có độ ổn định cao ngay cả với những điều kiện hoạt động khôngthuận lợi

1.3.1 Hệ thống xử lý kỵ khí với dòng hướng lên qua một lớp bùn (UASB)UASB là kỹ thuật đầu tiên sử dụng vi sinh dạng hạt tự sinh không chất mangđược đề xuất bởi GS Lettinga Đây là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất để xử lýnước thải có độ ô nhiễm hữu cơ cao và kể cả nước thải sinh hoạt [31,36]

Nguyên tắc căn bản của kỹ thuật UASB là sử dụng khả năng tạo thành hạt visinh của một số dạng vi sinh yếm khí nhất định, chúng tạo thành tập hợp keo tụ đặc,thường được gọi là hạt vi sinh Hạt vi sinh có khả năng lắng rất tốt và vì vậy dễ tíchlũy trong khối phản ứng, trong khi loại không có khả năng tạo hạt sẽ trôi theo nước

ra ngoài

Nét đặc trưng nổi bật của hệ xử lý UASB là bộ phận tách ba pha Nhờ các cấutrúc cản khí (sắp xếp theo kiểu dích dắc, xen phủ lẫn nhau của các vòm thu khí) nêndòng khí được thu về các vòm thu khí, tại đó khí thoát ra khỏi nước và tách khỏi cáchạt vi sinh Bộ phận tách pha chia bể yếm khí thành hai vùng: vùng phân hủy nằm ởdưới và vùng lắng ở phía trên Bể xử lý theo kỹ thuật UASB có các đặc trưng chínhsau: nước thải cần xử lý được phân bố đều vào đáy bể chảy ngược lên phía trên vớitốc độ 1 ÷ 2 m/h, cùng với khí tạo thành để duy trì trạng thái lơ lửng của tầng visinh, trên lớp bùn là lớp nước trong không chứa sinh khối và trên cùng là lớp táchpha (rắn - lỏng -khí)

Ưu điểm: Chi phí đầu tư, vận hành thấp, lượng hóa chất cần bổ sung ít, khôngđòi hỏi cấp khí, đỡ tốn năng lượng, có thể thu hồi, tái sử dụng năng lượng từ biogas,lượng bùn sinh ra ít, cho phép vận hành với tải lượng hữu cơ cao, giảm diện tíchcông trình

Nhược điểm: Giai đoạn khởi động kéo dài, dễ bị sốc tải khi chất lượng nướcvào biến động, bị ảnh hưởng bởi các chất độc hại, khó phục hồi sau thời gian ngừnghoạt động [8].

Hình 1.3 Sơ đồ hệ UASB [33]

Mijaylova-Nacheva và Canul-Chuil (2006) đã nghiên cứu bổ sung than hoạttính dạng hạt vào hệ UASB và có hiệu suất loại bỏ tốt các hợp chất béo Hiệu quảloại bỏ COD lên đến 94% ở tỷ lệ chất hữu cơ ở tải lượng 1,24 kg / m3.d Leal và cáccộng sự (2006) đã áp dụng UASB để xử lý dầu và mỡ bẩn của nước thải ngành sữa.Hydrolytic enzyme được bổ sung vào lò phản ứng UASB trong nghiên cứu này đểước lượng hiệu suất của enzyme trên dầu và mỡ Hiệu quả loại bỏ COD trung bình

là 90% khi enzym được sử dụng

Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng bể UASB là khả thi để xử lý nước thải sinhhoạt (Draaijer và các cộng sự, 1992; Vieira và cộng sự, 1994 Seghezzo và cộng sự,1998) Vieira và Souza (1986) báo cáo rằng chi phí lắp đặt hệ thống, phí lao động

và vật tư là khoảng 300 USD/m3.bể phản ứng hoặc 10 USD/người với mức 200lít/người.ngày