Quá trình phân hủy sinh học nước thải giấy và bột giấy sử dụng kỵ khí nối tiếp hiếm khí

Nước thải từ nhà máy giấy

Với những hoạt động khác nhau, các nhà máy giấy và bột giấy tiêu tốn một lượng lớn nước và xả thải ra một lượng lớn nước thải như dịch đen với nhiều loại chất thải khác (Ingle, 2000, Yedla, 2002). Nguồn dịch đen có màu nâu đen và các chất thải có nồng độ rất cao như:  nhu cầu oxy hóa sinh học (BOD và nhu cầu ôxy hóa hóa học (COD), tổng các chất rắn lơ lửng và các hợp chất cacbon hữu cơ cao (Panesar et al., 1999). Dịch đen từ các nhà máy giấy và bột giấy là một dung dịch keo phức tạp với các thành phần vô cơ khác nhau và các hợp chất hữu cơ cao phân tử như lignin, cacbonhydrat và phức của chúng.

Các phương pháp đang được sử dụng để xử lý nước thải trong các ngành công nghiệp giấy và bột giấy là keo tụ và keo tụ hóa học, lắng, lọc, tuyển nổi và phương pháp sinh học khác nhau như quá trình bùn hoạt tính, lọc sinh học, hồ điều hòa, phân hủy kỵ khí, hồ sinh học. Chi phí xử lý nước thải đòi hỏi các nhà máy đầu tư lớn và chi phí hoạt động cao, vì vậy các nhà máy giấy và bột giấy nhỏ không đủ năng lực.

Vì vậy quá trình xử lý sinh học trở nên kinh tế và thân thiện với môi trường hơn cho việc xử lý nước thải vì chi phí hoạt động, bảo trì thấp. Phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ đã trở nên hấp dẫn và thay thế cho quá trình xử lý hiếu khí bởi trong quá trình xử lý đã  sản sinh ra nhiều khí metan (Webb, 1983). Trong quá trình sản xuất giấy, năng lượng cũng là một trong những chi phí lớn của đầu vào chiểm 30% giá thành của giấy. Vì vậy với lượng sinh khối lớn trong nước thải có khả năng phân hủy sinh học giúp cho chất thải chuyển hóa thành năng lượng, đồng thời giảm bớt quá trình xử lý chất thải tạo ra nguồn năng lượng dồi dào (Mathur, 1998).

Mà hơn nữa quá trình xử lý hiếu khí một số các nguồn thải có thể loại bỏ các chất độc trong quá trình xử lý kỵ khí không thể loại bỏ được (Sierra et al., 1991).

Như đã trình bày ở phần trên, trong nghiên cứu này tác giả đã tiến hành nghiên cứu xử lý nước thải giấy và bột giấy (dịch đen) sử dụng phương pháp kỵ khí (metan sinh học), nối tiếp quá trình phân hủy hiếu khí (quá trình bùn hoạt tính)

Nguyên vật liệu và phương pháp:

Lấy mẫu và bảo quản mẫu: Các mẫu dịch đen của nhà máy sản xuất bột giấy đã được lấy từ Công ty trách nhiệm hữu hạn giấy M/s Staia, Mukstar, Pujnab( Ấn độ) đựng trong các can nhựa đã được rửa sạch. pH và nhiệt độ được đo ngay sau khi lấy mẫu và các mẫu được bảo quản bằng axit ( pH<2) ở điều kiện nhiệt độ 5⁰C để tránh sự biến đổi các tính chất hóa lý.

Phân tích các chỉ tiêu hóa lý của dịch đen: pH và nhiệt độ của dịch đen được đo bằng máy đo pH và nhiệt kế tại điểm lấy mẫu. Phân tích các chỉ tiêu hóa lý được tiến hành theo tiêu chuẩn của APHA (1989).

Các bước thực nghiệm quá trình phân hủy hiếu khí: Bể phản ứng có dung tích 5 lít đổ thêm 2 lít nước thải và 1 lít bùn thải từ nguồn thải gia súc vào ngày đầu tiên thiết lập thí nghiệm. Bùn thải đã được phân lập lấy từ nhà máy sản xuất khí sinh học thực nghiệm. Thuộc khoa Vi sinh học, trường Đại học Nông nghiệp Haryana CCS. Hisar đã sử dụng nguyên liệu ở dạng hạt. Bể phản ứng được kết nối với hai chai thủy tinh có ống dẫn khí, một chai để thu gom khí và chai còn lại để thu gom nước sinh ra từ chai khí. Ống được nối với nhau để tạo điều kiện bổ sung nước thải chưa xử lý và để loại bỏ các chất thải đã được xử lý và đường dẫn khí ra ngoài. Các bể phản ứng kín hoàn toàn, sáp nóng chảy được sử dụng để bịt đường ống tránh khí thoát ra ngoài. Một máy khuấy tiên lục được sử dụng thay máy khuấy từ. Một phần nước thải thô trong bể phản ứng được lưu giữ lại với chu kỳ 20 ngày.  pH nước thải trong bể phản ứng được điều chỉnh trong khoảng 6,7 – 7,3 bằng axit sunfuric 1N hoặc dung dịch NaOH 1N. Tỷ lệ dinh dưỡng COD, Nitơ và Phốt pho duy trì 100: 5: 1 bằng cách thêm vào dung dịch Urê và diamion phốt phát (DAP).

Các bước thực hiện phân hủy hiếu khí: Quá trình phân hủy hiếu khí phần nước thải đã qua xử lý kỵ khí được tiến hành trong theo quy trình ASP. Một bể phản ứng nhựa loại lớn chứa 5 lít nước thải và khoảng 50gm phân bò và thêm 1 lít nước thải đã được nhân giống. Ba bơm sục khí cung cấp Oxy, dựa vào nồng độ khí khuyếch tán và để duy trì nồng độ DO ở ngưỡng 2,4mg/l. Ban đầu bổ  sung nước thải thô  vào bể hiếu khí là ở nồng độ, sau đó tăng dẫn đến khi đạt nồng độ yêu cầu trong chu kỳ bình ổn là 20 ngày.

Dòng chảy từ bể kỵ khí sẽ đi vào bể lắng qua ống dẫn bùn vào bể lắng và bùn thải được tái sử dụng khoảng 50 -60% quay trở lại bể kỵ khí.

Kết quả và thảo luận:

Kết quả phân tích các chỉ tiêu hóa lý dịch đen được trình bày ở Bảng 1. Nước thải có màu nâu đậm, pH = 11. Màu của nước thải là do các hợp chất ligin và pH của dịch đen cao có thể là do các hóa chất sử dụng trong quá trình nấu tẩy bột giấy ( Panesar et al, 1999). Các thông số nước thải như BOD, COD và tổng các chất rắn lơ lửng của nước thải cao hơn nhiều lần so với giới hạn cho phép.

Bảng 1: Tính chất nước thải nhà máy giấy và bột giấy (dịch đen)

Quy trình xử lý theo nguyên tắc xử lý kỵ khí sau đo tiến hành quá trình xử lý hiếu khí như sau: Thể tích hai bể CSTR và ASP duy trì ở mức 5 lít nước thải để đủ sản suất ra một lượng khí đốt phụcvụ cho việc nấu nướng hàng ngày, lượng khí vào, sinh ra và thu được từ bể phản ứng đã được tiến hành trong thời gian lưu (HRT) là 8 ngày trong bể CSTR. Nước thải sau khi được xử lý sinh học kỵ khí được pha loãng với tỷ lệ 50:50 bằng nước cất, sau đo phần nước thải đó được đưa vào bể ASP để tiến hành xử lý phân hủy hiếu khí. Tốc độ khí duy trì là 1ml/ phút, thời gian lưu trong bể ASP là 72h, pH (7,31 ± 0,10) và nhiệt độ 37 ⁰C được duy trì suốt trong thời gian phân hủy hiếu khí, chỉ số sinh khối  bùn (SVI) và hỗn hợp chất rắn lơ lửng(MLSS) được duy trì ở mức trung bình tương ứng là 61,1 ± 2,6 ml/g và 2,72 g/l.

Ban đầu trong quá trình chuyển hóa axit, tổng axit béo bay hơi (TVFA) đã tăng lên và giảm đi khi tăng pH của bể phản ứng do sự có mặt của các vi khuẩn khí metan sinh ra các axit béo bay hơi trong bể phản ứng, nồng độ axit béo thu được là 1236, 88 ± 44,27 mg/l trong giai đoạn nghiên cứu. Lượng khí sinh ra tối đa là 430ml/ngày và  COD giảm 64%, tuy nhiên trong quá trình này nồng độ của một số hợp chất xenluylô không có khả năng phân hủy sinh học như hemicellulose, xylosi, lignin , các hợp chất phenol và các chất độc hại khác nhau, cũng như các hợp chất hữu cơ halogen ( AOX ) là rất cao, tuy nhiên trong giai đoạn này xử lý kỵ khí  BOD đã là đạt 86.15±0.68mg/l (Metcalf và Eddy, 1992), có thể các vi sinh vật đã sử dụng các thành phần cácbonat BOD để chuyển hóa nitrat hóa hoặc để ổn định quá trình kỵ khí.

Kết quả nghiên cứu xử lý nước thải từ hai bể phản ứng CSTR và ASP trong hai tuần đã được trình bày ở bảng 2 và 3. Hàm lượng TS và TDS đã giảm tương ứng với 71,43% và 64,22% trong quá trình xử lý kỵ khí và 72,92% và 75,21% trong quá trình phân hủy hiếu khí, phần lớn được loại bỏ theo phương pháp bùn lắng (McCathy et al., 1991). Sau đó người ta sử dụng nó để làm thức ăn cho các vi sinh vật. Tuy nhiên độ dẫn (EC) lại tăng lên có thể là do toàn bộ các oxy hóa và sự phân hủy các chất hữu cơ hình thành các chất dinh dưỡng đơn giản cho các vi sinh vật (lqbal và Mehta,1998) và tổng nồng độ kiềm cũng tăng lên có thể do sự ôxi hóa ( axit humic), muối của các axit yếu như axit axitic, axit propionic, hydro sunfit, NH₃ và hydroxit (Sawyer et al., 1994). Hàm lượng dầu, mỡ đã giảm xuống 66,15% ở quá trình bế kỵ khí và 79,62% ở quá trình hiếu khí. Hàm lượng dầu và mỡ giảm có thể là do tăng trưởng sinh học đã phá hủy các chất nhũ hoá, có đủ sức hút bám lưu giữ dầu và mỡ trong quá trình oxy hóa của nó (Sawyer et al., 1994). Nồng độ các kim loại nặng rất thấp như kẽm, chì, niken, đồng và crôm với hiệu suất xử lý đạt được là 38,06%, 16,00%, 45,16%, 2,5% và 40,00% trong bể xử lý kỵ khí và cũng giảm 39,47%, 20,00%, 24,24%, 37,04% và 33,33% tương ứng trong bể xử lý hiếu khí xử lý nước thải dịch đen (bảng 2 và 3).

Bảng 2:  Kết quả nghiên cứu trong hai tuần tại bể phân hủy kỵ khí trong (CSTR)

Pha 1= sau 15 ngày, pha 2 = sau 30 ngày, pha 3 = sau 45 ngày, pha 4 = sau 60 ngày

Bảng 3:  Kết quả nghiên cứu trong hai tuần tại bể phân hủy  hiếu khí (ASP) 

Pha 1= sau 15 ngày, pha 2 = sau 30 ngày, pha 3 = sau 45 ngày, pha 4 = sau 60 ngày

Tác giả cũng đã tìm được mối  tương quan tích cực giữa hàm lượng COD giảm và tổng axit béo bay hơi (TVFA) ( r ≥ 0,8 - 0,9), hàm lượng COD với lượng khí sinh ra, TVFA và khí sinh ra trong qua trình kỵ khí và mối tương quan giảm hàm lượng giữa COD và BOD; mối tương quan giảm hàm lượng TS và COD, môi tương quan giảm hàm lượng BOD với pH, pH với hàm lượng COD giảm và pH và giảm hàm lượng TS trong quá trình hiếu khí với hệ số tương quan các thông số khác ở mức vừa phải ( r ≥ 0,8 - 0,5) và hệ số tương quan nhẹ ( r < 0,5)( Bảng 4 và 5)

Bảng 4:  Hệ số tương quan tính chất hóa lý của nước thải giấy và bột giấy quá trình phân hủy kỵ khí (CSTR) 

Bảng 5:  Hệ số tương quan tính chất hóa lý của nước thải giấy và bột giấy trong quá trình phân hủy kỵ khí (CSTR) 

                                                                                  TS.Narsi R. Bishnoi, R.K. Khumukcham and Rajender Kumar                          Department of Environmental Science and Engineering, Guru Jambheshwar University, Hisar-125 001, India  

Lược dịch: ThS.Võ Thành Lê