ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------------

NGUYỄN PHƢƠNG NHUNG

NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP XỬ LÝ Ô NHIỄM
NƢỚC 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
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------------

NGUYỄN PHƢƠNG NHUNG

NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP XỬ LÝ Ô NHIỄM
NƢỚC THẢI LÀNG NGHỀ SẢN XUẤT GIẤY
ĐỐNG CAO, BẮC NINH

Chuyên ngành : Vi sinh vật học
Mã số

: 60 42 40

Chƣơng 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU ......................................................... 14
1.1. Khái niệm nƣớc thải và các chỉ tiêu nƣớc thải .................................... 14
1.1.1. Khái niệm nước thải............................................................................. 14
1.1.2. Các chỉ tiêu nước thải:......................................................................... 14
1.2. Các phƣơng pháp xử lý nƣớc thải ........................................................ 16
1.2.1. Phương pháp xử lý cơ học ................................................................... 16
1.2.2. Phương pháp hóa học .......................................................................... 16
1.2.3. Phương pháp hóa lý ............................................................................. 17
1.2.4. Phương pháp sinh học ......................................................................... 18
1.2.4.1. Phương pháp xử lý hiếu khí (aerobic) ............................................. 20
1.2.4.2. Phương pháp thiếu khí (anoxic) ...................................................... 25
1.2.4.3. Phương pháp kỵ khí (anaerobic) ...................................................... 25
1.3. Một số công trình xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp sinh học: ...... 30
1.3.1. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên ........30
1.3.2. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện
nhân tạo ............................................................................................ 31
1.3.2.1. Xử lý hiếu khí .................................................................................... 31
1.3.2.2. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí ....................... 35
1.3.2.3. So sánh phương pháp xử lý hiếu khí và kỵ khí ............................... 36
1.4. Tình hình sản xuất giấy ở Việt Nam và ở làng nghề tại Bắc Ninh .... 37
1.4.1. Tình hình sản xuất giấy ở Việt Nam ................................................... 37
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 ................................................. 40
1.4.3. Một số phương pháp xử lý nước thải công nghiệp giấy .................... 43
1.4.3.1. Thành phần tính chất nước thải sản xuất giấy ............................... 43
1.4.3.2. Các phương pháp xử lý nước thải ngành công nghiệp giấy........... 44
Chƣơng 2 - ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............ 47
2.1. Mẫu .......................................................................................................... 47
2.2. Hóa chất và thiết bị dùng trong nghiên cứu ........................................ 47
2.2.1. Hóa chất................................................................................................ 47

2.4.9.1. Phân loại theo phương pháp truyền thống ...................................... 60
2.4.9.2. Phân loại theo phương pháp sinh học phân tử ............................... 60
Chƣơng 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 64
3.1. Đánh giá thực trạng xử lý nƣớc thải ở làng nghề ............................... 64
3.2. Lựa chọn biện pháp xử lý ...................................................................... 65
3.2.1. Phương pháp xử lý kỵ khí .................................................................... 66
3.2.1.1. Ảnh hưởng của chất mang đến hiệu suất xử lý .............................. 66
3.2.1.2. Ảnh hưởng của bùn kị khí đến hiệu suất xử lý ............................... 67
3.2.1.3. Động học quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí ..... 69
3.2.1.4. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất của quá trình xử lý ......... 70
3.2.2. Phương pháp bùn hoạt tính................................................................. 71
3.2.2.1. Kết quả phân tích số lượng VSV có khả năng sinh enzym CMC –
aza, amylaza trong các mẫu nghiên cứu ....................................................... 72
3.2.2.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh enzym CMC – aza,
amylaza của 3 chủng MMĐ4, IMC4, BBL2 ................................................. 75
3.2.2.3. Ảnh hưởng tỉ lệ giống cấy ban đầu đến số lượng tế bào vi khuẩn
trong dịch lên men.......................................................................................... 81
3.2.2.4. Ảnh hưởng của thời gian và tốc độ lắc đến khả năng hình thành
bùn hoạt tính .................................................................................................. 82
3.2.2.5. Ảnh hưởng của tỉ lệ dịch giống bổ sung đến các chỉ tiêu thủy hóa
của nước thải .................................................................................................. 83

5


3.2.2.6. Ảnh hưởng của tỉ lệ bùn hoạt tính đến hiệu suất của quá trình
xử lý ................................................................................................................ 85
3.2.2.7. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ ban đầu đến hiệu suất quá
trình xử lý ....................................................................................................... 87
3.2.2.8. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất quá trình xử lý .......................... 88

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
Quy chuẩn Việt Nam

QCVN

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


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


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

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
1.1

Tên hình
Sơ đồ phân giải các chất hữu cơ trong quá trình phân hủy kị

Trang

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



3.10 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


MỞ ĐẦU
Ở nông thôn Việt Nam làng nghề là một trong những mô hình sản
xuất đặc thù. Nhiều sản phẩm được sản xuất trực tiếp tại các làng nghề đã
trở thành thương phẩm trao đổi, góp phần cải thiện đời sống gia đình và tận
dụng những lao động dư thừa lúc nông nhàn. Đa số các làng nghề đã trải
qua lịch sử phát triển hàng trăm năm, song song với quá trình phát triển
kinh tế - xã hội, văn hóa và nông nghiệp của đất nước.
Hiện nay trên cả nước có khoảng 1.450 làng nghề nhưng do ảnh
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
phát triển làng nghề giữa các vùng trong cả nước không đồng đều. Trên cả
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,
Bắc Ninh, Hải Dương, Nam Định và Thanh Hóa là những địa phương có
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 phát triển của làng nghề trong những năm gần đây đã và đang góp
phần đáng kể trong chuyển dịch cơ cấu kinh tế ở địa phương, cải thiện và

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.
Xuất phát từ vấn đề thực tiễn của ngành giấy nước ta nói chung và
của làng nghề sản xuất giấy Đống Cao nói riêng, chúng tôi đã chọn đề tài
nghiên cứu là “Nghiên cứu biện pháp xử lý ô nhiễm nƣớc thải làng nghề
sản xuất giấy Đống Cao, Bắc Ninh”.

12


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
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 gây ra.

13


Chƣơng 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Khái niệm nƣớc thải và các chỉ tiêu nƣớc 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].
Nước thải công nghiệp giấy và bột giấy là dung dịch thải từ nhà
máy, cơ sở sử dụng các quy trình công nghệ sản xuất ra các sản phẩm giấy
và bột giấy [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].

- 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

15


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 phƣơng pháp xử lý nƣớc 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

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.

17


- 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

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

19


khối lượng phân tử thấp có thể đi qua màng tế bào vào bên trong tế bào. Quá
trình này gọi là quá trình phân hủy ngoại bào. Các chất này tiếp tục được phân
hủy hoặc chuyển hóa thành các chất vật liệu xây dựng tế bào mới. Các quá
trình này xảy ra trong tế bào gọi là quá trình nội bào.
Trong nước thải sinh hoạt, nước thải của các xí nghiệp chế biến nông
sản, thực phẩm, thủy sản, các trại chăn nuôi…rất giầu chất hữu cơ, gồm ba
nhóm chất: protein 40÷50%, hydratcarbon 50% và chất béo 10%. Protein là
polyme của các axit amin, là nguồn dinh dưỡng chính cho VSV. Hidratcacbon
là các chất đường bột và xenlulozơ. Tinh bột và đường rất dễ bị phân hủy bởi

Điều kiện cần thiết cho quá trình: pH 5,5 – 9,0; DO 0,5mgO2/l; Nhiệt
độ 5 – 400C.
Theo phương pháp này các hợp chất trong nước thải được oxy hóa và
phân hủy theo 3 giai đoạn [15,19]:
- Oxy hóa các hợp chất hữu cơ:
CxHyOz + (x+y-z) O2 → xCO2 + y/2 H2O
- Pha phát triển của VSV:
nCxHyOz + nNH3 + (x+y/4-z/2-5) O2 → (C5H7NO2)n + n(-5)CO2 + n(y-4)/2H2O
- Pha tự phân tế bào:
(C5H7NO2)n + 5nO2 → 5nCO2 + 2nH2O + nNH3
Ở đây CxHyOz là các hợp chất hữu cơ và (C5H7NO2)n là tế bào chất. Tất
cả các phản ứng trên đều xảy ra dưới tác dụng của enzym nội bào hay ngoại
bào do VSV trong bùn hoạt tính tạo nên. Trong quá trình oxy hóa khử các hợp
chất hữu cơ bị phân hủy theo thứ tự là: đường, protein, tinh bột, chất béo, các
chất cao phân tử (xenluloza, lignin…).
Các VSV hoại sinh có trong nước thải hầu hết là các vi khuẩn hiếu khí,
kỵ khí hoặc kỵ khí tùy tiện. Người ta thấy có các chi vi khuẩn như sau:
Pseudomonas,

Bacillus,

Alcaligens,

Flavobacterium,

Cytophaga,

Micrococcus, Lactobaccillus, Achromobacter, Spirochaeta, Clostridium và 2
chi nhiễm từ phân Euterobacterium, Streptococcus. Trong số này,



22


Ngoài hai loài trên còn gặp Bacillus megaterium, B. cereus, B.
licheniformis, B. sterothermophilus…chúng đều là các vi khuẩn dị dưỡng,
hoại sinh, trong đó có loài hiếu khí, có loài kỵ khí tùy tiện. Trong chi này có
loài gây bệnh than – bệnh nguy hiểm đối với người và gia súc (B. anthracis).
Trong quá trình phân giải hiếu khí, oxy cung cấp theo hai giai đoạn
hoặc hai pha: pha cacbon – phân hủy các hợp chất hidratcacbon giống như
quá trình hô hấp nói chung, giải phóng ra năng lượng, CO 2 và nước cùng một
số vật liệu tế bào; pha nitơ – phân hủy các hợp chất hữu cơ có chứa N trong
phân tử, như các protein và các sản phẩm phấn hủy trung gian như các peptit,
peptone và các axit amin và giải phóng ra NH3. NH3 hay NH4+ là nguồn nitơ
dinh dưỡng được VSV sử dụng trực tiếp cho xây dựng tế bào.
Từ các axit amin và NH3, VSV có thể tổng hợp thành các protein mới,
các enzym và tạo thành tế bào mới. Lượng NH3 dư không được sử dụng cho
xây dựng tế bào sẽ được vi khuẩn Nitromonas chuyển thành nitrit (NO2-) và
từ nitrit chuyển thành nitrat (NO3-) nhờ vi khuẩn Nitrobacter, sau đó nhờ vi
khuẩn nitrat hóa chuyển thành nito phân tử (N2) bay vào không khí. Pha nitơ
này cũng cần có oxy, tuy rằng lượng oxy cung cấp cho các vi khuẩn nitrat
không bằng pha cacbon, song lượng oxy cung cấp là rất lớn. Các vi khuẩn
khử nitrat cần điều kiện hiếu khí thấp (thiếu khí) [20].
Những vi khuẩn nitrat hóa rất mẫn cảm, chúng hoạt động mạnh ở pH
= 7,5÷8,6; khi pH< 7 vi khuẩn phát triển chậm lại, nhưng các vi khuẩn
nitrit – nitrat hóa có thể phát triển ở pH thấp. Chúng cần một lượng oxy
hòa tan trong nước tới hạn 0,5mg/l (nếu quá sẽ là tác nhân ức chế quá
trình), nhiệt độ từ 5÷40 0C.
Nhiều vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc có hoạt tính proteaza đều phân
hủy được protein, trong đó có các loài thuộc các chi vi khuẩn Bacillus,

VSV, ở mức độ cao có thể gây chết do đó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả

24


xử lý, nên phải loại bỏ các ion kim loại ra khỏi nước thải trước khi nước thải
vào hệ thống xử lý sinh học.
1.2.4.2. Phương pháp thiếu khí (anoxic)
Trong điều kiện thiếu oxy hòa tan xảy ra quá trình khử nitrat thành nitơ
phân tử nhờ các vi khuẩn khử nitrat Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes,
Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus,
Proteus, Pseudomonas, Spirium. Những vi khuẩn này đều là dị dưỡng có khả
năng khác nhau trong sự khử nitrat theo 2 bước [27]:
- Chuyển hóa nitrat thành nitrit, oxy được giải phóng từ nitrat sẽ oxy
hóa chất hữu cơ và tạo N2.
NO3- VSV

NO2- + O2

- Tạo ra nitơ oxit, dinitơ oxit và khí nitơ.
O2 + Chất hữu cơ

N2 + CO2 + H2O

1.2.4.3. Phương pháp kỵ khí (anaerobic)
Phương pháp xử lý kỵ khí là một trong các quá trình cổ xưa nhất được
ứng dụng để xử lý nước thải có độ nhiễm bẩn cao, có khả năng thu hồi năng
lượng, tạo ra ít bùn, khả năng phân hủy chất hữu cơ tới 75% và tạo ra khí thải.
Các nghiên cứu gần đây cho thấy quá trình xử lý kỵ khí có tới 90% chất
hữu cơ trong nước thải biến thành khí sinh học với hàm lượng 60 – 70% có