Thiết kế xử lý nước thải nhà máy giấy Tân Mai - Đồ án Lê Ngọc Anh, ĐHSPKT TP.HCM

Giải pháp thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy giấy công suất 4800m³/ngày. Đánh giá công nghệ, quy trình vận hành và tiêu chuẩn môi trường hiện hành.

• Tác giả: Lê Ngọc Anh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thái Anh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Môi trường
• Đề tài: Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy Giấy - Bột giấy Tân Mai - Kon Tum, công suất 4800 m3/ngày đêm
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống xử lý nước thải nhà máy giấy bột giấy Tân Mai Kon Tum

Nhà máy giấy bột giấy Tân Mai tại Kon Tum hoạt động với công suất lớn, sinh ra lượng nước thải đáng kể. Nước thải này chứa nhiều chất ô nhiễm phức tạp, đặc trưng cho ngành sản xuất giấy. Thiết kế một hệ thống xử lý hiệu quả là yêu cầu bắt buộc để bảo vệ nguồn nước và hệ sinh thái. Hệ thống được tính toán cho công suất 4800 mét khối mỗi ngày đêm, đáp ứng lưu lượng xả thải trung bình của nhà máy. Việc xử lý phải đạt các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp. Đồ án này trình bày toàn bộ quy trình từ phân tích tính chất nước thải đến lựa chọn công nghệ phù hợp. Mục tiêu cuối cùng là giảm thiểu tối đa tác động tiêu cực của hoạt động sản xuất giấy đến môi trường tự nhiên. Đây là một công trình có ý nghĩa thực tiễn cao cho khu vực.

1.1. Giới thiệu nhà máy giấy bột giấy Tân Mai Kon Tum

Nhà máy giấy bột giấy Tân Mai là cơ sở sản xuất lớn đóng trên địa bàn tỉnh Kon Tum. Nhà máy sử dụng nguyên liệu chính là gỗ từ các vùng lân cận để sản xuất bột giấy và giấy thành phẩm. Quy trình sản xuất bao gồm nhiều công đoạn nấu, tẩy, rửa và xeo giấy. Công suất thiết kế của nhà máy dẫn đến lưu lượng nước thải đầu ra khoảng 4800 mét khối mỗi ngày đêm. Vị trí nhà máy gần các nguồn nước tự nhiên càng làm tăng yêu cầu về xử lý nước thải trước khi thải ra môi trường.

1.2. Đặc điểm nước thải ngành sản xuất giấy bột giấy

Nước thải từ sản xuất giấy bột giấy có thành phần phức tạp và nồng độ ô nhiễm cao. Chúng chứa hàm lượng lớn chất hữu cơ hòa tan, thể hiện qua chỉ tiêu COD và BOD. Chất rắn lơ lửng và độ màu cũng là những vấn đề nổi bật. Độ pH của nước thải thường dao động mạnh, có thể kiềm hoặc axit tùy công đoạn. Các hợp chất lignin, xenlulo và hóa chất tẩy trắng góp phần làm tăng độc tính. Việc xử lý cần kết hợp nhiều phương pháp để loại bỏ đồng thời các nhóm chất ô nhiễm này.

II. Phân tích các vấn đề ô nhiễm trong nước thải nhà máy giấy Tân Mai

Nước thải từ nhà máy giấy bột giấy Tân Mai gây ra nhiều vấn đề ô nhiễm nghiêm trọng. Các chỉ tiêu chính như COD, BOD, chất rắn lơ lửng và độ màu thường vượt xa giới hạn cho phép. Lượng chất hữu cơ lớn làm cạn kiệt oxy hòa tan trong nước, gây chết cá và các sinh vật thủy sinh. Các chất rắn lơ lửng làm đục nước, ảnh hưởng đến quá trình quang hợp của tảo và rong. Độ màu cao từ lignin và các sản phẩm phân hủy gây mất mỹ quan và cản trở ánh sáng xuyên qua nước. Nước thải có độ pH không ổn định, gây xáo trộn môi trường nước tự nhiên. Nếu không được xử lý, nước thải sẽ ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm, ảnh hưởng đến đời sống và sức khỏe cộng đồng. Các quy định hiện hành đặt ra yêu cầu khắt khe về nồng độ xả thải.

2.1. Các chỉ tiêu ô nhiễm chính trong nước thải giấy bột giấy

Các chỉ tiêu ô nhiễm quan trọng cần kiểm soát trong nước thải giấy bột giấy bao gồm COD (Nhu cầu oxy hóa học) và BOD (Nhu cầu oxy sinh học). Chỉ tiêu này phản ánh hàm lượng chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học. Chất rắn lơ lửng (SS) và độ màu cũng là hai chỉ tiêu then chốt. Độ pH thường nằm ngoài khoảng trung tính do sử dụng nhiều hóa chất trong nấu và tẩy. Ngoài ra, có thể có các chất dinh dưỡng như nitơ, photpho và một số kim loại nặng từ phụ gia sản xuất.

2.2. Tác động của nước thải giấy bột giấy đến môi trường

Nước thải giấy bột giấy xả trực tiếp ra môi trường gây ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng. Chất hữu cơ trong nước thải phân hủy sẽ tiêu thụ lượng lớn oxy, tạo môi trường yếm khí và gây mùi hôi thối. Chất rắn lơ lửng lắng đọng làm thay đổi đáy sông, phá hủy nơi cư trú của sinh vật đáy. Độ màu che phủ ánh sáng, ức chế quá trình quang hợp của thực vật thủy sinh. Các hóa chất độc hại tích tụ trong chuỗi thức ăn, cuối cùng ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Ô nhiễm nước ngầm cũng là một hệ quả lâu dài.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống xử lý nước thải công suất 4800 m3 ngày đêm

Hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy Tân Mai được thiết kế theo sơ đồ công nghệ đa giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên là xử lý thô bằng song chắn rác và bể tách cát để loại bỏ các tạp chất thô, bảo vệ thiết bị phía sau. Tiếp theo là xử lý sơ cấp trong bể lắng để tách chất rắn lơ lửng và dầu mỡ. Giai đoạn xử lý hóa lý có thể bao gồm keo tụ tạo bông để tăng hiệu suất loại bỏ độ màu và chất hữu cơ khó phân hủy. Phần cốt lõi là xử lý sinh học hiếu khí bằng bể aeroten sục khí hoặc bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính vi sinh vật sẽ phân hủy các chất hữu cơ hòa tan. Nước sau xử lý sinh học đi qua bể lắng thứ cấp để tách bùn. Cuối cùng là khử trùng trước khi thải ra nguồn tiếp nhận. Các công trình được tính toán dựa trên lưu lượng cực đại giờ là 338 mét khối mỗi giờ.

3.1. Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải giấy bột giấy

Sơ đồ công nghệ bao gồm các bước chính: đầu tiên, nước thải thô đi qua song chắn rác thô có khe hở 15mm để loại bỏ rác lớn. Tiếp theo là bể tách cát và hố thu gom có thời gian lưu 15 phút. Nước được bơm vào bể điều hòa để ổn định lưu lượng và nồng độ. Giai đoạn keo tụ tạo bông giúp kết tủa các chất lơ lửng và màu. Sau đó là bể sinh học hiếu khí (bể aeroten) với thời gian lưu nước phù hợp. Bể lắng thứ cấp tách bùn hoạt tính, bùn được tuần hoàn một phần và đưa đi xử lý. Nước trong được khử trùng bằng chlorine trước khi xả ra môi trường.

3.2. Thiết kế các công trình xử lý chính trong hệ thống

Thiết kế chi tiết bao gồm các thông số kỹ thuật của từng công trình. Hố thu gom có thể tích 84.5 mét khối, chiều dài 6.7m, rộng 4.3m và chiều cao hữu ích 3m. Bể điều hòa được tính toán để chứa lưu lượng đỉnh và điều hòa nồng độ. Bể keo tụ tạo bông được thiết kế với buồng trộn nhanh và buồng tạo bông. Bể sinh học hiếu khí có thời gian lưu nước và tải trọng hữu cơ phù hợp để đạt hiệu quả xử lý cao. Bể lắng thứ cấp có diện tích mặt cắt ngang đảm bảo tốc độ lắng của bông bùn. Hệ thống bơm được chọn với công suất thực tế 5.5kW, hoạt động luân phiên.

IV. Kết luận và ứng dụng của hệ thống xử lý nước thải nhà máy giấy Tân Mai

Hệ thống xử lý nước thải công suất 4800 mét khối mỗi ngày đêm đã được thiết kế hoàn chỉnh cho nhà máy giấy bột giấy Tân Mai. Hệ thống áp dụng kết hợp nhiều phương pháp cơ học, hóa lý và sinh học. Thiết kế đảm bảo loại bỏ hiệu quả các chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng và độ màu. Nước thải sau xử lý đạt các chỉ tiêu quy định tại QCVN 12-MT:2015/BTNMT, cột B. Công trình có tính khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế cho nhà máy. Việc triển khai xây dựng sẽ góp phần bảo vệ môi trường nước tại Kon Tum. Mô hình này có thể tham khảo áp dụng cho các nhà máy giấy có công suất và tính chất nước thải tương tự. Cần vận hành và bảo trì thường xuyên để duy trì hiệu quả lâu dài.

4.1. Hiệu quả xử lý của hệ thống thiết kế

Hệ thống được thiết kế để đạt hiệu suất loại bỏ cao với các chỉ tiêu chính. Hiệu suất loại bỏ COD dự kiến đạt trên 90%, BOD trên 95% và chất rắn lơ lửng trên 95%. Độ màu cũng được giảm thiểu đáng kể qua giai đoạn keo tụ và sinh học. Nước thải đầu ra có nồng độ các chất ô nhiễm nằm trong giới hạn cho phép. Quá trình xử lý sinh học hiếu khí ổn định, chịu được dao động tải trọng. Hệ thống vận hành tự động hóa một phần, giảm nhân công. Hiệu quả xử lý phụ thuộc lớn vào việc kiểm soát pH và cung cấp oxy đầy đủ cho vi sinh vật.

4.2. Ứng dụng và triển vọng áp dụng rộng rãi

Thiết kế này cung cấp một giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh cho vấn đề xử lý nước thải giấy bột giấy. Nguyên lý và công nghệ có thể áp dụng cho nhiều nhà máy tương tự trong ngành. Việc tuân thủ quy chuẩn môi trường giúp doanh nghiệp hoạt động bền vững và tránh bị xử phạt. Hệ thống có thể nâng cấp khi công suất nhà máy tăng. Nước thải sau xử lý có thể được tái sử dụng một phần trong sản xuất, giảm tiêu hao nước sạch. Dự án là ví dụ điển hình cho sự kết hợp giữa kỹ thuật môi trường và thực tiễn sản xuất công nghiệp. Triển vọng áp dụng rộng rãi tại các khu công nghiệp chế biến gỗ và giấy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về nhà máy bột giấy Tân Mai Kon Tum Nhà máy Bột giấy và giấy Tân Mai - Kon Tum đang hoàn thiện phần việc thiết kế kỹ thuật và thiết kế xây dựng. Tổ chức đấu thầu xây dựng nhà xưởng và đấu thầu mua máy móc thiết bị bổ sung, phấn đấu triển khai xây dựng nhà xưởng trong năm 2018. Triển khai lắp đặt thiết bị vào giữa năm 2019 với mục tiêu hoàn thành dự án vào cuối quý IV/2019 và đưa vào hoạt động vào đầu quý I/2020.

Quy mô của dự án 70.000 tấn bột BCTMP/năm trên diện tích đất sử dụng là 57,76 ha tổng mức đầu tư 1,700 tỷ đồng. Tổng quan về nước thải ngành sản xuất giấy [2] Công nghiệp sản xuất giấy đã có từ hàng nghìn năm. Giấy là nhu cầu cần thiết trong cuộc sống con người để phục vụ nhiều mục đích khác nhau: giấy viết, giấy gói, trong thông tin, sinh hoạt,… Ở những nước công nghiệp phát triển, mức sử dụng giấy tính bình quân cho một đầu người trong 1 năm khoảng 300 kg, trong khi các nước đang phát triển chỉ ở mức 10 kg hoặc thấp hơn. Giấy được sản xuất chủ yếu từ nguồn thực vật, đặc biệt là gỗ, bằng nhiều phương pháp khác nhau.

Đồng thời cũng là ngành công nghiệp gây ra nhiều vấn đề tác động đến môi trường. Công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy chiếm vị trí khá quan trọng trong nền kinh tế nước ta. Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp và dịch vụ khác, nhu cầu về các sản phẩm giấy ngày càng tang. Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích đạt được to lớn về kinh tế-xã hội, ngành công nghiệp này cũng đang phát sinh nhiều vấn đề môi trường bức xúc cần phải giải quyết, đặt biệt là nước thải phát sinh trong quá trình sản xuất giấy, bột giấy đây là một trong những loại nước thải khó xử lý (về công nghệ và chi phí xử lý).

Nguyên liệu chủ yếu để sản xuất giấy và bột giấy là xơ sợi thực vật, chủ yếu từ gỗ, các loại cây ngoài gỗ như đay, gai, tre, nứa; các phụ phẩm nông nghiệp như rơm, bã mía; các vật liệu tái sinh (giấy vụn, giấy đã qua sử dụng,…). Tùy theo mục đích sử dụng mà sản phẩm giấy cũng rất đa dạng và phong phú như: giấy in, giấy viết, giấy vệ sinh, khăn giấy,. Công nghiệp sản xuất giấy thường bao gồm hai công đoạn chính: sản xuất bột giấy và tạo hình giấy từ bột giấy. Về công nghệ sản xuất giấy và bột giấy cũng khác nhau, nhưng tựu chung lại bao gồm các bước chính sau: nguyên liệu thô 6 (tre, nứa, gỗ,.), gia công nguyên liệu thô, nấu, rửa, tẩy trắng, nghiền bột, xeo giấy và định hình sản phẩm.

Trong công nghiệp giấy, để tạo sản phẩm có độ dai, trắng, không lẫn tạp chất, cũng như thu hồi được tối đa xenlulo trong nguyên liệu, cần phải sử dụng rất nhiều hóa chất trong các công đoạn khác nhau. Các loại hóa chất được sử dụng ở công đoạn nấu, tẩy trắng, xeo giấy như đá vôi, xút, cao lanh, nhựa thông, các chất kết dính tự nhiên và tổng hợp, các chất oxy hóa để khử lignin như clo, hypoclorit, peroxit,. Công nghệ sản xuất giấy và bột giấy là một công nghệ sản xuất nhiều nước. Tùy theo công nghệ và sản phẩm, lượng nước cần thiết để sản xuất 1 tấn giấy thành phẩm 3 3 thường dao động từ 80 m đến 450 m.

Nước được sử dụng cho các công đoạn rửa nguyên liệu, nấu, tẩy, xeo giấy và sản xuất hơi nước. Ở các nhà máy, hầu như tất cả lượng nước đưa vào sử dụng cuối cùng đều trở thành nước thải và mang theo tạp chất, hóa chất, bột giấy, các chất ô nhiễm dạng hữu cơ và vô cơ. Trong đó dòng thải từ các quá trình nấu bột và tẩy trắng có mức độ ô nhiễm và độc hại nhất. Dòng thải từ quá trình nấu và rửa sau nấu chứa phần lớn các hợp chất hữu cơ hòa tan, các hóa chất nấu và một phần xơ sợi.

Dòng thải có màu tối nên thường được gọi là dịch đen. Dịch đen có nồng độ chất ô nhiễm khoảng 25 đến 35%, tỷ lệ giữa chất hữu cơ và vô cơ khoảng 70:30. Thành phần hữu cơ là lignin hòa tan vào dịch kiềm, sản phẩm phân hủy hydratcacbon, axit hữu cơ. Thành phần vô cơ gồm những hóa chất nấu, một phần nhỏ là NaOH, Na 2S tự do, Na2SO4, Na2CO3 còn phần nhiều là kiềm Natrisunphat liên kết với các chất hữu cơ trong kiềm.

Dòng thải từ công đoạn tẩy trắng của các nhà máy sản xuất bột giất bằng phương pháp hóa học và bán hóa học thường chứa các hợp chất hữu cơ, lignin, hòa tan và các hợp chất tạo thành những chất đó với chất tẩy ở dạng độc hại, có khả năng tích tụ sinh học trong cơ thể sống như các hợp chất clo hữu cơ. Khi tẩy bằng các hợp chất chứa clo, các thông số ô nhiễm đặc trưng: BOD vào khoảng 15 ÷ 17 kg/tấn bột giấy, COD khoảng 60 ÷ 90 kg/tấn bột giấy, đặt biệt giá trị AOX (các hợp chất clo hữu cơ) khoảng 4 ÷ 10 kg/tấn bột giấy. Dòng thải từ quá trình nghiền bột và xeo giấy chủ yếu chứa xơ mịn, bột giấy ở dạng lơ lửng và các chất phụ gia như nhựa thông, phẩm màu, cao lanh. Công nghệ sản xuất giấy[3] 7 Các công nghệ bột hóa học: Bản chất của công nghệ bột hóa là sử dụng hóa chất để hòa tan các thành phần không phải sợi xellulô trong nguyên liệu, giải phóng xellulô dưới dạng bột (sợi).

Có hai công nghệ bột hóa chính. Công nghệ Kraft: là công nghệ nấu bột bằng kiềm. Kiềm đây là hỗn hợp NaOH và Na2S có chức năng hòa tan lignín và semixellulô để giải phóng sợi xellulô. Khi đó nước thải (dịch nấu chứa hóa chất nấu và các hợp chất tự nhiên có trong gỗ, nhiều nhất là lignin) sẽ chứa nhiều kiềm (pH cao) và có mùi đặc trưng của các hợp chất lưu huỳnh (các tiol và sulphua-mercaptan), chỉ số COD và độ màu (do lignin) rất cao.

Về khía cạnh bột giấy nếu cần tẩy trắng nó sẽ tiêu thụ nhiều hóa chất tẩy trắng hơn so với bột nấu bằng phương pháp sulphit. Đây là công nghệ phổ biến nhất trên thế giới và cả ở Việt Nam. Một nhà máy bột giấy hoàn chỉnh bao gồm đầy đủ các công đoạn như được trình bày trong Hình 4. Trong dây chuyền này nước, năng lượng và hóa chất được tuần hoàn tối đa.

Dòng liệu (mảnh gỗ, tre) đi từ trái sang phải qua các công đoạn nấu, sàng (loại bỏ mấu, mảnh chưa chín), rửa, tẩy bằng oxygen, rửa trước khi sang công đoạn tẩy trắng bằng hóa chất. Nước sạch hầu như chỉ sử dụng để rửa bột ở công đoạn cuối của quá trình nấu bột, sau đó đi ngược dòng để rửa bột thô, dịch thải ở đây có nồng độ hóa chất và chất hữu cơ rất cao và có màu đen nên được gọi là dịch đen 8 Hình 1. 1: Sơ đồ công nghệ Kraft, các nguồn nước thải và tác nhân ô nhiễm Dịch đen được cô đặc đến mức đốt được, bổ sung Na 2SO4 và được phun vào lò thu hồi hoạt động ở điều kiện đủ để khử sunphat thành sunphua, phần hữu cơ sẽ cháy sinh nhiệt dùng để sản xuất hơi sử dụng cho nhà máy, tro-xỉ là các hợp chất Na được chuyển thành Na2CO3 và Na2S. Hòa tan tro-xỉ này thu được dịch xanh, cho phản ứng với vôi sẽ tái sinh được dịch trắng là hỗn hợp NaOH + Na 2S quay lại nấu bột.

Theo sơ đồ công nghệ kraft, hệ chưng bốc dịch đen và lò hơi thu hồi hóa chất vừa đóng vai trò thu hồi 95% hóa chất nấu bột vừa đóng vai trò xử lý trên 90% chất ô nhiễm của toàn nhà máy bột. Ở Việt Nam hiện chỉ có hai nhà máy có hệ thống này, đó là Công ty giấy Bãi Bằng (nay là Tổng công ty giấy Việt Nam) và Công ty giấy An Hòa mới đưa vào vận hành 2011 mặc dù về nguyên tắc các dự án nhà máy bột giấy mới đều phải có hệ thống này. Bên cạnh đó, ở Việt Nam lại có khoảng 100 nhà máy nhỏ chỉ nấu bột bằng kiềm, khi sử dụng nguyên liệu là tre nứa thậm chí người ta chỉ ngâm kiềm khoảng 5-6 ngày. Phương pháp này được gọi là “kiềm lạnh” được nhập từ Đài Loan và Trung Quốc, chủ yếu để sản xuất giấy vàng mã.

Công nghệ sunphit sử dụng các muối sunphit, nấu ở môi trường axit. Công nghệ này ảnh hưởng mạnh hơn Kraft đến độ bền của sợi xellulô, tuy nhiên sản phẩm có độ trắng cao hơn, công nghệ này không phổ biến ở Việt Nam. 9 Các công nghệ bột bán hóa học: Bao gồm công nghệ TMP (ThermoMechanical Process) sử dụng năng lượng cơ nhiệt để tạo bột thường áp dụng sản xuất báo in và công nghệ CTMP (Chemi-Thermo-Mechanical Process) có hiệu suất bột cao, tiêu thụ ít hóa chất và nước hơn các công nghệ hóa học tuy nhiên lại sử dụng nhiều năng lượng cơ nhiệt cơ hơn. Trong các nhà máy bột giấy hiện đại, có đầy đủ hệ thống cô-đốt dịch đen thu hồi hóa chất và nhiệt thì nước thải sản xuất bột gồm ba dòng chính sau: (i) dịch tẩy trắng chứa nhiều hóa chất tẩy và COD; (ii) nước từ máy xeo làm khô bột; (iii) các loại dịch ngưng từ lò nấu, lò đốt thu hồi và dịch đen chảy tràn.

Công nghệ sản xuất giấy và bột giấy từ nguyên liệu là giấy thải và bột giấy: công nghệ sản xuất bao gồm đánh rã, nghiền, phối chế, xeo giấy, cắt cuộn, và giấy thành phẩm. Sơ đồ công nghệ sản xuất giấy và bột giấy từ nguyên liệu giấy thải: Bột nhập, bột thô, giấy vụn: Bột giấy từ phân Các hợp chất có Đánh rã xưởng bột giấy trong giấy cũ Nghiền Phẩm màu, cao Phôi chế lanh, keo, phèn Nước thải có chứa sợi, hóa chất, tạp Hơi nước từ lò chất, phẩm màu; Xeo giấy hơi giấy vụn Khói thải nhiên liệu Cắt cuộn (FO, DO) từ lò hơi Giấy thành phẩm 10 Bảng 1.