Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu biện pháp xử lý ô nhiễm nước thải làng nghề sản xuất giấy Đống Cao, Bắc Ninh

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:125

Thêm vào BST

Báo xấu

113
lượt xem 18
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài: Đánh giá hiện trạng môi trường nước thải làng nghề sản xuất 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 đưa ra.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu biện pháp xử lý ô nhiễm nước thải làng nghề sản xuất giấy Đống Cao, Bắc Ninh

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 1
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 Chuyên ngành : Vi sinh vật học Mã số : 60 42 40 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. BÙI THỊ VIỆT HÀ Hà Nội – 2010 2
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 3
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 . X ử l ý n ư ớc t h ả i b ằ ng p h ư ơ n g p h á p s i n h h ọ c t ron g đi ề u ki ệ n 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 2.4.1. Phương pháp lấy mẫu và bảo quản ................................................... 39 2.4.2. Phương pháp phân lập VSV .............................................................. 39 4
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 . Ng hi ên cứu m ột s ố yếu t ố ả nh hưởng đ ến s i nh t r ưởng và k hả n ă n g e n z y m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 5
3 . 2 . 2 .6 . Ảnh h ưởng c ủa t ỉ l ệ b ùn ho ạ t t í n h đ ến hi ệ u s uấ t c ủa q uá t r ì n h x ử l ý . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 .1 0 . Độ ng họ c c ủa q uá t r ì nh x ử l ý nướ c t hả i b ằ ng p h ươ ng p há p b ù n h o ạ t t í n h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 6
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BOD5 Fivedays Biochemical Oxygen Nhu cầu oxy hóa sinh học Demand trong 5 ngày nuôi cấy CMC Cacboxymetyl xenlulozơ CMC - aza Cacboxymetyl xenlulaza COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa hóa học DO Dissolved Oxygen Oxy hòa tan OD Optical Density Mật độ quang học QCVN Quy chuẩn Việt Nam SS Suspended Solid Chất rắn lơ lửng T-N Total Nitrogen Tổng nitơ T-P Total Phosphorus Tổng Photpho TS Total Solid Chất rắn tổng số VSV Vi sinh vật 7
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên bảng Trang 1.1 So sánh phương pháp xử lý hiếu khí và kỵ khí 25 1.2 Đặc trưng ô nhiễm từ sản xuất một số loại hình làng nghề 32 3.1 Kết quả phân tích các chỉ số thủy hóa của 3 cơ sở sản xuất 54 3.2 Ảnh hưởng của chất mang đến hiệu suất của quá trình xử lý 56 3.3 Sự biến đổi các chỉ tiêu nước thải theo thời gian có bổ sung 57 5% bùn kị khí 3.4 Sự biến đổi các chỉ tiêu nước thải theo thời gian có bổ sung 58 10% bùn kị khí 3.5 Sự biến đổi các chỉ tiêu nước thải theo thời gian có bổ sung 58 15% bùn kị khí 3.6 Sự biến đổi các chỉ tiêu nước thải theo thời gian có bổ sung 58 20% bùn kị khí 3.7 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất quá trình xử lý kỵ khí 61 Thành phần VSV trong nước thải 3.8 Khả năng sinh enzym CMC – aza, amylaza của 126 chủng 61 3.9 VSV phân lập tính theo số chủng và đơn vị % 62 Đặc điểm hình thái, khuẩn lạc và khả năng phân giải CMC, 3.10 tinh bột từ các chủng VSV phân lập 63 Ảnh hưởng môi trường lên men dịch thể đến khả năng sinh 3.11 enzym CMC – aza, amylaza 66 Ảnh hưởng môi trường lên men dịch thể đến số lượng tế bào 3.12 của dịch lên men 66 Ảnh hưởng tỉ lệ giống cấy ban đầu đến số lượng tế bào vi 3.13 khuẩn trong dịch lên men 72 Ảnh hưởng của thời gian và tốc độ lắc đến khả năng hình 8
3.14 thành bùn hoạt tính 73 Ảnh hưởng của tỉ lệ dịch giống bổ sung đến số lượng tế bào 3.15 của 3 chủng vi khuẩn trong nước thải 74 Ảnh hưởng tỉ lệ dịch giống bổ sung đến các thành phần trong 3.16 nước thải 74 Khả năng phân giải các chất hữu cơ trong nước thải theo thời 3.17 gian có bổ sung 10% bùn hoạt tính 75 Khả năng phân giải các chất hữu cơ trong nước thải theo thời 3.18 gian có bổ sung 15% bùn hoạt tính 75 Khả năng phân giải các chất hữu cơ trong nước thải theo thời 3.19 gian có bổ sung 20% bùn hoạt tính 76 Khả năng phân giải các chất hữu cơ trong nước thải theo thời 3.20 gian có bổ sung 25% bùn hoạt tính 76 Ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ ban đầu đến hiệu suất 3.21 xử lý 77 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất quá trình xử lý 3.22 Ảnh hưởng của oxy hòa tan đến hiệu suất quá trình xử lý 78 3.23 Sự biến đổi các thành phần trong nước thải theo thời gian 80 3.24 bằng phương pháp xử lý kỵ khí ở quy mô 200 lít 83 Ảnh hưởng của thời gian xử lý và thời gian khuấy trộn đến 3.25 hiệu suất của quá trình xử lý 85 Đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hóa 3.26 86 9
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình Tên hình Trang 1.1 Sơ đồ phân giải các chất hữu cơ trong quá trình phân hủy kị 17 khí 1.2 Sơ đồ làm việc của bể aeroten truyền thống 19 1.3 Sơ đồ làm việc của aeroten được cấp khí giảm dần theo dòng 23 ch ả y 1.4 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải bằng bể ổn định – tiếp xúc 24 1.5 Đóng góp của giá trị sản xuất ngành giấy trong GDP 28 1.6 Sơ đồ công nghệ sản xuất giấy và các nguồn nước thải 33 3.1 Sơ đồ tổng quát xử lý nước thải sản xuất giấy 56 3.2 Động học quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí 60 Ảnh hưởng của môi trường lên men dịch thể đến khả năng 3.3 sinh enzym 67 Ảnh hưởng thời gian nuôi cấy đến khả năng sinh enzym 3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ nuôi cấy đến khả năng sinh enzyme 68 3.5 Ảnh hưởng pH đến khả năng sinh enzyme 69 3.6 Động học của quá trình xử lý nước thải có bổ sung 20% bùn 71 3.7 hoạt tính 81 Hệ thống xử lý thử nghiệm qui mô 200 lít 3.8 Các bước tiến hành xác định trình tự ADN vi khuẩn 83 3.9 Kết quả điện di sản phẩm PCR 88 3.10 Vị trí phân loại của chủng IMC4, MMC4 và BBL2 với các 88 3.11 loài có quan hệ họ hàng gần dựa vào trình tự gen 16S rARN 90 10
11
MỞ ĐẦU Ở nông thôn Việt Nam làng nghề là một trong những mô hình sản x u ấ t đ ặ c t h ù . N h i ều s ản p h ẩ m đ ư ợc s ản x u ấ t t rự c t i ếp t ại cá c l àn g n g h ề đ ã t rở t h àn h t h ư ơn g p h ẩm t r a o đ ổ i , g ó p p h ần c ải t h i ện đ ời s ố n g g i a đ ì n h v à t ận d ụ n g n h ữ n g l ao đ ộ n g d ư t h ừ a l ú c n ô n g n h àn . Đ a s ố các l àn g n g h ề đ ã t rải qua lịch sử phát triển hàng trăm năm, song song với quá trình phát triển k i n h t ế - x ã h ộ i , v ăn h ó a v à n ô n g n g h i ệp củ a đ ất n ư ớ c. H i ện n a y t r ê n cả n ư ớ c có k h o ản g 1 . 4 5 0 l àn g n g h ề n h ư n g d o ản h 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 p h á t t ri ển l àn g n g h ề g i ữ a c ác v ù n g t ro n g c ả n ư ớc k h ô n g đ ồ n g đ ều . T rên c ả 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, B ắ c Ni n h , H ả i Dư ơ n g , N a m Đ ị n h v à Th a n h Hó a l à n h ữ n g đ ị a p h ư ơ n g c ó 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 p h át t r i ển củ a l àn g n g h ề t ro n g n h ữ n g n ă m g ầ n đ â y đ ã v à đ an g g ó p phần đáng kể trong chuyển dịch cơ cấu kinh tế ở địa phương, cải thiện và n ân g c ao đ ời s ố n g củ a n g ư ời d ân l àn g n g h ề. V ới t ố c đ ộ t ăn g t rư ởn g G P D 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 cũng mang lại nhiều bất cập, đặc biệt là vấn đề môi trường và xã hội. Với 1
đặc trưng sản xuất manh mún, thủ công, nhỏ lẻ hộ gia đình, đặc biệt là n h ữ n g l àn g n g h ề t ái c h ế l à l o ại l àn g n g h ề có k h ả n ăn g g â y ô n h i ễ m t ớ i c ả 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 n g h i ê m t r ọ n g , t á c đ ộ n g t rự c t i ếp t ới s ứ c k h ỏ e n g ư ời d ân v à n g à y c à n g t r ở 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 đâ y 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 đ ều ch o t h ô n g s ố ô n h i ễ m v ư ợt t i êu ch u ẩn ch o p h ép . K ết q u ả n g h i ên cứ u của Viện Bảo hộ lao động gần đây cho thấy trong các làng nghề, tỷ lệ mắc b ện h n h i ều n h ất l i ên q u an đ ến h ô h ấp n h ư v i ê m h ọ n g ch i ế m 3 0 , 5 6 % , v i ê m p h ế q u ản 2 5 % h a y đ au d â y t h ần k i n h ch i ế m 9 , 7 2 % [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. X u ất p h át t ừ v ấn đ ề t h ự c t i ễn củ a n g àn h g i ấ y n ư ớ c t a n ó i ch u n g v à củ a l àn g n g h ề s ản x u ấ t g i ấ y Đ ố n g C ao n ó i r i ên g , ch ú n g t ô i đ ã ch ọ n đ ề t à i n g h i ê n c ứ u l à “ Ng h i ê n c ứ u b i ệ n p h á p x ử l ý ô n h i ễ m n ư ớ c t h ả i l à n g n g h ề s ả n x u ấ t g i ấy Đố n g C a o , B ắ c Ni n h ” . 2
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 k h ả n ăn g p h â n g i ải cá c h ợp ch ất h ữ u cơ t r o n g n ư ớc t h ải , đ ư a r a n h ữ n g g i ải p h áp k h ắc p h ụ c v à h ạn ch ế ô n h i ễ m d o h o ạ t đ ộ n g s ản x u ất g i ấ y g â y r a. 3
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]. Nư ớ c t h ả i c ô n g n g h i ệ p g i ấ y v à b ộ t g i ấ y l à d u n g d ị c h t h ả i t ừ n h à má y, cơ sở sử dụng các qu y trình công nghệ sản xuất ra các sản phẩm giấ y và bột giấ y [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) 4
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 nằm trong khoảng 8 – 10 ppm, và dao động mạnh phụ thuộc vào nhiệt độ, sự 5
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]: - Phương pháp cơ học - Phương pháp hóa học và lý học - Phương pháp sinh học Việc lựa chọn phương pháp xử lý nào cho thích hợp là tùy thuộc vào đặc tính của nước thải và mức độ làm sạch. 1.2.1. Phương pháp xử lý cơ học Phương pháp này là giai đoạn sơ bộ ít khi là giai đoạn cuối cùng của quá trình của quá trình xử lý nước thải sản xuất. Phương pháp này dùng để loại bỏ các tạp chất không tan (tạp chất cơ học) có ở trong nước. Các tạp chất này có thể là vô cơ hoặc hữu cơ [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. 6
- 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. 1.2.3. Phương pháp hóa lý Cơ sở của phương pháp này là dựa trên các quá trình keo tụ, hấp phụ, trích ly, bay hơi, tuyển nổi, trao đổi ion… [16]. - Keo tụ: dùng các chất keo tụ và các chất trợ keo tụ để liên kết các chất bẩn có trong nước thải ở dạng lơ lửng và keo thành những bông có kích thước lớn hơn. Các bông này khi lắng xuống sẽ kéo theo các chất không tan trong nước xuống theo. - 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 bay lên theo hơi nước. 7
- 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 s ở củ a p h ư ơ n g p h á p xử l ý s i n h h ọ c : Ph ư ơn g p h áp s i n h h ọ c đ ư ợ c áp d ụ n g đ ể k h ử cá c ch ất h ữ u cơ ở d ạn g k eo v à d ạn g h ò a t an t ro n g n ư ớ c t h ải n h ờ q u á t rì n h đ ồ n g h ó a củ a V SV , ch ú n g s ử d ụ n g các ch ất h ữ u cơ t ro n g n ư ớ c t h ải l à m n g u ồ n d i n h d ư ỡn g , t ro n g q u á t rì n h t r ao đ ổ i ch ất cá c V S V p h ân h ủ y v à s ử d ụ n g cá c h ợp ch ất h ữ u cơ đ ể s i n h n ăn g l ư ợn g p h ụ c v ụ cho hoạt động sống và xây dựng tế bào mới làm tăng sinh khối, để biến các ch ất h ữ u c ơ n à y t h àn h k h í h o ặc t h àn h v ỏ t ế b ào củ a v i s i n h d ễ k eo t ụ v à 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. 8
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÷109 tế 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, proteaza phân hủy protein, lipaza phân hủy chất béo…thành các sản phẩm có 9