Thông số Giá trị Lưu lượng (m3 /t) 150 – 300 BOD5 (kg/t) 90 – 330 COD (kg/t) 270 – 1200 SS (kg/t) 30 – 50
Nhìn chung, có thế thấy đặc thù của ngành giấy được mô tả như sau [15]:
- Thiết bị cũ và lạc hậu chiếm hần hết ở các đơn vị nhỏ và vừa (chiếm hơn 98% số lượng đơn vị và 66% năng lực sản xuất, công nghệ cũ gây ơ nhiễm cao).
- Chi phí vốn đầu tư lớn (1800 USD/1 tấn giấy từ cây nguyên liệu và 1000÷1200 USD/1tấn giấy từ bột giấy).
- Thu hồi vốn chậm, lợi nhuận thấp, rủi ro lớn.
- Chi phí xử lý chất thải cao, chiếm 20÷25% tổng chi phí đầu tư.
- Chu kỳ kinh doanh trồng cây nguyên liệu dài, thường 7÷9 năm với cây nguyên liệu sợi ngắn, 15÷20 năm với cây nguyên liệu sợi dài. Như vậy, đầu tư trồng cây nguyên liệu cũng cần nhiều vốn và chứa nhiều rủi ro, …
1.3. Xử lý nước thải của quá trình sản xuất giấy
Hiện nay, hệ thống xử lý nước thải ở các nhà máy sản xuất bột giấy và giấy gồm hai phần: xử lý nội vi và xử lý ngoại vi. Xử lý nội vi thực chất là q trình xử lý nước thải ra tuần hồn trở lại để sản xuất bột và giấy, đặc biệt từ “nước trắng” dư thừa có thể xử lý tuần hồn tái sử dụng triệt để. Nước thải trong quá trình sản xuất bột giấy và giấy khi ra khỏi phân xưởng gồm hai nguồn chính [14]:
- Nguồn nước thải từ công đoạn sản xuất bột giấy: Thành phần chính trong nước thải là lignin, xút, clo, các chất keo nhựa cây…
- Nguồn nước thải từ công đoạn xeo giấy: Thành phần trong nước thải gồm nước
thải rơi rớt, nước trắng dư thừa, nước vệ sinh, nước ở bơm chân không, nước phun rửa chăn lưới xeo, nước làm mát, sơ sợi mịn, bột đá…
Nước thải trong quá trình sản xuất bột giấy và giấy chứa nhiều các chất rắn lơ lửng, lignin, hóa chất tẩy trắng bột, chất phụ gia và các chất hữu cơ hòa tan. Tiêu chuẩn về nước thải trong sản xuất bột giấy và giấy ở Việt Nam được thực hiện theo
QCVN 12 : 2008/BTNMT cho nhà máy bột giấy và giấy và QCVN 40 : 2011/BTNMT cho nhà máy công nghiệp.
Hệ thống xử lý nước thải hiện đại áp dụng cho nhà máy bột giấy và giấy bao gồm nhiều cấp, tùy theo yêu cầu chất lượng nước thải, nguồn tiếp nhận của các nước khác nhau mà hệ thống xử lý nước thải khác nhau. Tuy nhiên, hệ thống xử lý nước thải thông thường cho nhà máy bột giấy và giấy sẽ bao gồm các công đoạn sau: Tiền xử lý, xử lý cấp I, xử lý cấp II và xử lý cấp III. Sự giảm ô nhiễm đạt được phụ thuộc vào chất lượng nguồn nước thải và công nghệ,thiết bị của hệ thống xử lý. Tỷ lệ giảm các thông số ô nhiễm của một số thiết bị và hệ thống trong các công đoạn xử lý được chỉ ra ở tài liệu tham khảo [20, 21].
1.3.1. Tiền xử lý
Đây là q trình xử lý hồn tồn bằng vật lý. Nước thải được thu gom và qua hệ thống sang để giữ lại các chất rắn có kích thước lớn rồi tập trung ở bể thu gom nước thải. Đây là bước xử lý sơ bộ, mục đích của q trình này là khử tất cả các tạp chất, vật thể có thể gây ra sự cố trong q trình vận hành hệ thống xử lý nước thải. Từ bể thu gom, nước thải sẽ được bơm lên hệ thống sàng hoặc lưới lọc để thu hồi sơ sợi có trong nước thải. Nước sau khi sàng, lọc sẽ được đưa sang bể chứa trung gian hoặc bể cân bằng trước khi đưa sang xử lý cấp I.
1.3.2. Xử lý sơ cấp (xử lý cấp I)
Quá trình xử lý cấp I là quá trình tách loại các chất lơ lửng có trong nước thải. Tuy nhiên, ở tuyển nổi bằng vi khí, tùy theo cơng nghệ áp dụng có thể làm giảm chỉ số COD của nước thải (45% ÷ 75%). Có nhiều phương pháp xử lý lý – hóa có thể áp dụng, nhưng thông dụng hơn cả là phương pháp lắng và phương pháp tuyển nổi, hoặc kết hợp cả phương pháp lắng và phương pháp tuyển nổi.
Trong phương pháp lắng, các chất rắn sẽ lắng xuống nhờ trọng lực. Một trong những thông số quan trọng của phương pháp lắng là tải trọng bề mặt (đó chính là lưu lượng trên một đơn vị bề mặt lắng theo thời gian (giờ)). Bể lắng thơng thường có chiều
cao khoảng 3 ÷ 5 m và thời gian lưu khoảng 6 ÷ 12 giờ. Đường kính của bể lắng hình trịn khơng nên lớn hơn 50 m và chiều rộng của bể lắng hình chữ nhật khơng nên lớn hơn 30 m, thì khi đó nguy cơ bị xáo trộn do gió và phá vỡ dòng chảy. Để tăng cường hiệu quả lắng, các chất keo tụ và tạo bông được bổ sung, các chất rắn lắng xuống tạo thành bùn và được lấy ra bằng các thiết bị nạo bùn hoặc bằng các bơm hút.
Trong phương pháp tuyển nổi, một lượng lớn bọt khí được đưa vào nước thải. Các bọt khí nhờ sức căng bề mặt hút dính các chất huyền phù rắn (SS), tạo nên các khối có tỷ trọng nhỏ hơn nước, nhờ vậy khối chất này nổi lên trên mặt nước và được tách đi. Mặt khác, bọt khí cung cấp oxy cho các chất ơ nhiễm hịa tan trong nước thải (COD, BOD), thực hiện q trình ion hóa. Kết quả là lượng TSS,COD và BOD giảm.
Quá trình xử lý cấp I bằng phương pháp tuyển nổi có năm yếu tố quan trọng đó là: Kích thước bọt khí, lượng oxy khuếch tán vào nước của bọt khí, tốc độ chuyển động của nước, diện tích bề mặt và chiều cao của bể tuyển nổi.
Tùy thuộc vào công nghệ và thiết bị tuyển nổi có thể giảm TSS tới 99,8% và giảm COD, BOD tới 45% ÷ 73%.
Trong phương pháp kết hợp lắng và tuyển nổi, các chất keo tụ, tạo bơng và bọt khí được đưa vào bể xử lý. Bọt khí thường lớn hơn, có tác dụng làm vật mang chất rắn lơ lửng lên trên mặt nước và cung cấp oxy cho nước trong bể. Ở phương pháp này, bùn nổi được cơ cấu hút bùn lấy đi chuyển vào bể chứa bùn, cịn bùn chìm dưới đáy được các thiết bị nạo vét bùn lấy đi đưa vào bể chứa.
1.3.3. Xử lý sinh hóa (xử lý cấp II)
Trong quá trình xử lý cấp II, các vi sinh vật tự nhiên dùng chất hữu cơ trong nước thải để làm thức ăn sinh trưởng và tạo ra tế bào mới (oxy hóa các chất hữu cơ, tổng hợp tế bào mới, phân hủy nội bào). Một số vi sinh vật bị tách ra dưới dạng bùn. Q trình này có thể là hiếu khí hoặc kỵ khí hoặc xử lý kỵ khí tiếp nối xử lý hiếu khí vì cả hai cách xử lý này bổ sung cho nhau. Hoạt động sinh học phụ thuộc vào các thông số
như loại tạp chất hữu cơ, hàm lượng chất dinh dưỡng, nhiệt độ, pH và sự có mặt của các chất độc hại với vi sinh vật.
Quá trình xử lý cấp II có thể được cải thiện bằng việc bổ sung các chất dinh dưỡng. các nguyên tố photpho (P) và nitơ (N) được cho vào để tăng hoạt tính của vi khuẩn ở dạng các hợp chất amoni photphat, amoni nitrat, ure, axit photphoric, phân đạm. Bổ sung vi khuẩn như các vi sinh vật tạo bơng. Thường các hệ thống hiếu khí và kỵ khí hoạt động ở khoảng nhiệt độ 20 ÷ 400C vì ở nhiệt độ cao hơn thì khả năng lắng của bùn kém.
1.3.4. Xử lý cấp III
Tùy theo yêu cầu chất lượng nước thải đầu ra mà trong hệ thống xử lý nước thải có thể bố trí q trình xử lý cấp III như hấp phụ bằng than hoạt tính, siêu lọc, ozon hóa, fenton hóa, kết tủa hóa học… để loại bỏ hầu như hồn toàn BOD, COD và khử màu, khử mùi để đưa nước có thể quay lại tái sử dụng.
1.4. Xử lý nước thải ngành giấy bằng phương pháp xử lý sinh học
Xử lý nước thải sản xuất bột giấy và giấy bằng phương pháp sinh học dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động sống của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải.
Nguyên tắc của phương pháp xử lý sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải. Một số loại virut cũng tồn tại trong các hệ thống xử lý nước thải, nhưng chúng hoàn toàn khơng tham gia vào q trình loại bỏ các chất hữu cơ và làm sạch mơi trường. Qua q trình hoạt động của các vi sinh vật, các chất hữu cơ ơ nhiễm được khống hóa trở thành những chất vơ cơ, các chất khí đơn giản (như H2S hay CO2) và nước [16].
Để có thể áp dụng kỹ thuật sinh học một cách hiệu quả, nước thải phải có tỷ lệ BOD/COD tối thiểu là 0.4, thậm chí giá trị tối thiểu trên có thể lên tới 0.5 [19]. Nước thải từ các nhà máy giấy có chứa hàm lượng lớn các chất hữu cơ hịa tan, có thể phân
hủy bằng con đường sinh học nên việc lựa chọn các kỹ thuật sinh học để xử lý nước thải nhà máy giấy đã được nhiều nhà khoa học quan tâm.
Thông thường nước thải của ngành công nghiệp giấy rất đa dạng về thành phần, việc áp dụng các kỹ thuật sinh học vì thế khó có thể sử các chủng vi sinh vật đơn lẻ để xử lý mà thường dùng một hệ vi sinh vật. Các kỹ thuật sinh học để xử lý nước thải công nghiệp giấy và bột giấy đã được phát triển từ khá lâu và đây là phương pháp cho hiệu quả xử lý khá tốt. Người ta thường chia các phương pháp xử lý sinh học thành sinh học hiếu khí và sinh học yếm (kị) khí tùy thuộc vào đặc điểm sinh trưởng và phát triển của các loại vi sinh vật trong hệ thống.
1.4.1. Phương pháp xử lý sinh học kỵ khí
Xử lý sinh học kỵ khí là q trình xử lý khơng có oxy, sự phân hủy các chất hữu cơ hịa tan sẽ tạo ra khí CH4, và CO2. Khí CH4 sinh ra có thể được đốt để sinh hơi cho xử lý bùn hoặc đốt trong nồi hơi. So với xử lý hiếu khí, nhu cầu chất dinh dưỡng của xử lý kỵ khí thấp hơn, lượng bùn sinh ra cũng thấp hơn, dẫn đến việc giảm chi phí xử lý bùn thải. Lượng bùn thải trong q trình xử lý kỵ khí cịn được giảm thấp nếu giảm nồng độ phốtphát trong nước thải. Lượng bùn kỵ khí này dễ ổn định hơn và quá trình khử nước thực hiện cũng dễ hơn so với bùn hiếu khí [15].
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 vật hiếu khí. Chính vì vậy mà hệ thống xử lý kỵ khí có những ưu điểm sau:
- 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 cơ đầu vào khoảng 30g COD/lít/ngày ở 300C và 50g COD/lít/ngày ở nhiệt độ 400
C với nước thải với nồng độ chất hữu cơ trung bình. Đối với những nước thải có thành phần phức tạp khác (khơng tan, khó
phân huỷ sinh học, có độc tính v.v.), tải trọng hữu cơ có thể giảm hơn nhưng vẫn cao hơn nhiều so với hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí [19].
- Một ưu điểm khác của hệ thống kị khí là bùn kỵ khí có thể bảo quản trong một thời gian dài (hơn 1 năm) mà khơng cần ni dưỡng bằng dưỡng chất. Hoạt tính của bùn vẫn giữ nguyên khi bùn được giữ ở nhiệt độ nhỏ hơn 15oC. Do đó, có thể sử dụng lượng bùn dư của hệ thống này làm nhân cho hệ thống khác và giảm thời gian vận hành hệ thống.
- Vốn đầu tư để xây dựng hệ thống xử lý kỵ khí khơng nhiều, diện tích sử dụng cho hệ thống nhỏ, và thời gian sử dụng dài hơn hệ thống hiếu khí là những ưu điểm nổi bật của hệ thống kỵ khí.
Bên cạnh những ưu điểm, hệ thống xử lý kỵ khí cịn 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 biểu thị độc tính, hoặc làm cản trở sự sinh trưởng, phát triển của những vi khuẩn tạo khí mêtan. 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, q trình xử lý kỵ khí thường tạo thành khí H2S với mùi hơi khó chịu. Lượng khí này có thể thải ra mơi trường cùng dịng thải với những hệ thống xử lý kị khí có thiết kế chưa đạt. Đối với những hệ thống xử lý kỵ khí hồn chỉnh, ln kèm theo hệ thống thu hồi khí sinh học, và xử lý khí H2S trong dịng thải.
Hầu hết tất cả các dạng nước thải công nghiệp, với nồng độ chất độc hại không quá cao, thì hệ thống xử lý kỵ khí đều có thể sử dụng để xử lý. Những nghiên cứu gần 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) (<40C) hay ở điều kiện nhiệt độ cao (thermophilic), với nhiều loại nước thải khác nhau như nước thải giấy, nước thải dệt nhuộm, nước thải cao su v.v…
Hệ thống xử lý kỵ khí cịn được áp dụng để xử lý bùn (ví dụ như bùn cống rãnh và phân vật ni): Q trình phân hủy kỵ khí đã áp dụng để ổn định bùn cống rãnh, 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 sinh vật kỵ khí để phân giải các hợp chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí. Vi sinh vật sử dụng theo nguyên lý này cũng có thể sử dụng dưới dạng sinh trưởng lơ lửng hoặc sinh trưởng bám dính [19]. Q trình phân giải kỵ khí bao gồm hai giai đoạn:
- Giai đoạn thuỷ phân: Các vi sinh vật tiết ra các enzym thuỷ phân để phân hủy các hydratcacbon thành đường đơn, protein thành albumozơ, pepton, peptit, axitamin, còn chất béo thành glyxerin và các axit béo.
- Giai đoạn tạo khí: Sản phẩm thuỷ phân sẽ tiếp tục bị phân giải tạo thành sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp chủ yếu là CO2 và CH4. Ngồi ra cịn có N2, H2S và muối khống.
Q trình phân huỷ kị khí cuối cùng tạo ra một hỗn hợp khí CH4, CO2, N2, H2... Trong đó có tới 65% là CH4 (khí mêtan) vì vậy, q trình này cịn được gọi là lên men metan [2]. Các điều kiện ảnh hưởng tới quá trình lên men metan là:
- Nhiệt độ tối ưu của quần thể vi sinh vật sinh metan từ 35 – 550C. Dưới 100C vi sinh vật metan hầu như không hoạt động.
- pH môi trường: pH tối ưu là 6.4 – 7.5
Hệ thống xử lý kỵ khí tốc độ cao:
Từ khi hình thành, hệ thống xử lý kỵ khí đã có nhiều dạng khác nhau như lọc kỵ khí với dịng nước thải đi từ dưới lên (Upflow Anaerobic Filter-UAF), hệ thống màng lọc cố định với dòng từ trên xuống (Dowflow Stationary Fixed Film- DSFF), hệ thống xử lý kỵ khí với dịng hướng lên qua một lớp bùn (Upflow Anaerobic Sludge 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 vẫn liên 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 (Expanded Granular Sludge Bed- EGSB) được hình thành bởi giáo sư Lettinga và các cộng sự của ông. Lý do để hệ thống xử lý