Đề tài Nghiên cứu cải tạo hệ thống xử lý nước thải sản xuất giấy tại Công ty Cổ phần Giấy Vĩnh Huê

CHƯƠNG I TỔNG QUAN NGÀNH GIẤY CHÂU Á Các đặc trưng của công nghiệp giấy và bột giấy Châu Á : Sản xuất giấy và bột giấy ở Châu Á tăng nhanh, tương xứng với toàn bộ mức tăng trưởng kinh tế cao trong khu vực (Biểu đồ 1). Các nhà máy mới “xanh” có quy mô thế giới đã đi vào hoạt động. Các nhà máy đã không ngừng đầu tư để nâng cấp nhà máy, cải tiến trang thiết bị nhằm đáp ứng được nhu cầu tăng vọt về giấy và các sản phẩm giấy. Nhu cầu về các loại giấy gói đặc biệt tăng lên rất nhanh. Mặc dù hoạt động đã được phát triễn gần đây trong khu vực nhưng mức tiêu thụ giấy và giấy bìa trên đầu người vẫn còn thấp ở hầu hết các nước đang phát triễn trong khu vực (Bảng 1). Biểu đồ 1. Hiệu suất giấy và bìa khu vực châu Á - Thái Bình Dương Bảng 1. Số liệu thống kê và giấy bìa của một số nước Châu Á Nước Hiệu suất và tiêu thụ giấy và giấy bìa năm 1995 Hiệu suất (1000 tấn) Tiêu thụ (1000 tấn) Tiêu thụ trên đầu người (kg) Australia 2.126 2.988 164 Trung Quốc 24.000 26.449 22 Ấn Độ 3.117 3.389 3,6 Indonesia 3.246 2.642 14 Nhật Bản 29.663 30.214 239 Malaysia 681 2.001 100 New Zealand 871 689 197 Pakistan 216 406 3,1 Philippines 618 815 12 Hàn Quốc 6.878 7.363 164 Thái Lan 2.025 2.269 38 Việt Nam 145 - - (Nguồn : Asia Pacific Papermaker, Vol.6, No.7, July 1996 & Niên giám thống kê Việt Nam, 1994) Trong số 7 nước tham gia chương trình NIEM (Trung Quốc, Ấn Độ, Indonesia, Malaysia, Philippines, Thái Lan, Việt Nam ), mức hiệu suất của Trung Quốc lớn hơn rất nhiều so với 6 nước còn lại (Biểu đổ 2). Sự chênh lệch này là do Trung Quốc có một số lượng lớn các nhà máy (mặc dù nhiều nhà máy có quy mô còn nhỏ so với tiêu chuẩn thế giới). Indonesia đã trải qua quá trình mở rộng nhanh ngành công nghiệp giấy - bột giấy và đã vượt qua Ấn Độ về hiệu suất giấy và giấy bìa. Malaysia và Thái Lan cũng có các kế hoạch nhằm mở rộng ngành công nghiệp giấy và bột giấy. Gần đây, 2 nước này đã hoàn thành thi công hoặc quy hoạch một số nhà máy mới. Theo dự báo trong những năm tới, Indonesia sẽ là nước phát triễn lớn nhất ngành công nghiệp này. Biểu đồ 2. Hiệu suất giấy và giấy bìa ở các nước tham gia dự án NIEM Phân loại nhà máy : Công nghiệp giấy và bột giấy ở Châu Á được đặc trưng bởi 3 nhóm loại nhà máy. Một là nhóm tương đối ít nhà máy có quy mô thế giới, mới được xây dựng trong vài năm gần đây. Các nhà máy này có tính cạnh tranh toàn cầu và nhìn chung đều sử dụng công nghệ tốt nhất hiện có. Tiếp đến là nhóm các nhà máy có quy mô trung bình (có từ 10 – 20 năm tuổi), được xây dựng theo tiêu chuẩn kỹ thuật của những năm cuối thập niên 70 và đầu thập niên 80. Công suất và chất lượng sản phẩn của những nhà máy này còn rất thấp, khó có thể cạnh tranh đầy đủ trên phạm vi toàn cầu, nhưng lại phục vụ được cho thị trường trong nước và khu vực. Một trong những lý do chính khiến các nhà máy này không theo kịp các tiến bộ công nghệ là cho tới gần đây các chính phủ vẫn áp dụng các hàng rào thuế quan nhập khẩu dể bảo hộ các nhà máy trong nước trước sự cạnh tranh quốc tế. Trong một môi trường được bảo hộ, các nhà máy này đã không cải tiến để duy trì sức cạnh tranh. Cuối cùng là nhóm các nhà máy quy mô nhỏ ở Trung Quốc, Ấn Độ và các nước khác sử dụng các nguyên liệu ngoài gỗ. Bảng 2. Các đặc trưng tổng quát về các nhà máy giấy và bột giấy châu Á Các nhà máy lớn và hiện đại Các nhà máy trung bình, 10 – 20 năm tuổi Các nhà máy cũ và nhỏ Cung cấp sợi từ các sản phẩm rừng Công nghệ giấy kraf nghiền bột hoá học, có thu hồi hiệu quả hoá chất TMP trong nghiền bột cơ học Xeo và nghiền bột theo thiết kế đương đại Công suất vào khoảng 1250 – 2500 tấn/ngày với mục tiêu sản xuất cho thị trường thế giới Mức độ kiểm soát quy trình công nghệ cao Các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm tiên tiến trong và ngoài dây chuyền Đội ngũ sản xuất và quản lý có kỹ năng Cạnh tranh trên các thị trường thế giới Chủ yếu cung cấp từ sợi thải và/hoặc từ rừng Chủ yếu là công nghệ giấy kraf nghiền bột hoá học, có hệ thống thu hồi hoá chất tương đối hiệu quả. Sợi tái chế cho các mức yêu cầu về văn hoá và công nghiệp Các công nghệ và thiết bị tương đối hiện đại Công suất khoảng 200 – 800 tấn/ngày, có nhiều loại thành phẩm Mức kiểm soát công nghệ và các trang thiết bị đo lường trung bình Chủ yếu sản xuất cho thị trường nội địa Thường có hệ thống xử lý nước thải Thường thiếu kỹ năng sản xuất nhưng có thể chấp nhận Cạnh tranh trên thị trường khu vực Có khả năng chủ yếu với tới nguồn vốn trong nước Chủ yếu cung cấp từ sợi thải và/hoặc từ sợi ngoài gỗ Chủ yếu là công nghệ xút trong nghiền bột hoá học Chủ yếu là các công nghệ/thiết bị lỗi thời Công suất dưới 100 tấn/ngày, cho thị trường nội địa được bảo hộ Mức trang thiết bị đo lường và kiểm soát công nghệ rất thấp Không có hệ thống thu hồi hoá chất và xử lý nước thải Thiếu nguồn nhân lực được đào tạo Thường nằm ngoài thị trường vốn tiêu chuẩn. I.2. Tổng quan về sản xuất giấy và bột giấy : Khái niệm cơ bản trong sản xuất bột giấy là xử lý một nguyên liệu theo cách tạo ra được các sợi có các đặc điểm cần sử dụng trong xeo giấy. Nguyên liệu sợi có thể là gỗ cứng hay gỗ mềm, các thực vật ngoài gỗ và các phụ phẩm nông nghiệp như tre nứa, rơm, bã mía, vải hoặc các sợi tái sinh. Có một số quy trình công nghệ làm bột giấy khác nhau. Mỗi quy trình thích ứng với các nguyên liệu sợi khác nhau và các yêu cầu xeo giấy khác nhau. Trong các quy trình công nghệ nghiền bột và xeo giấy, nước được sử dụng chủ yếu làm môi trường vận chuyển sợi và đôi khi tạo ra các môi trường thích hợp cho các phản ứng hoá học diễn ra. Trong hầu hết các quy trình công nghệ nghiền bột, các hoá chất được sử dụng để tạo ra các sợi tự do, để tẩy trắng các sợi tới độ sáng mong muốn hoặc để phục vụ cho các mục đích cụ thể khác (kiểm soát mức độ lắng đọng, tăng độ nhớt, …). Trong tất cả các dạng quy trình công nghệ nghiền bột, điện năng được dùng để chạy máy bơm, thiết bị lọc, các băng chuyền và các thiết bị khác, trong khi nhiệt được sử dụng để tạo ra các mức nhiệt độ cần thiết cho các phản ứng hoá học diễn ra. Đầu ra chính của quá trình nghiền bột là bột giấy nhưng cũng kèm theo các phế liệu và năng lượng dư thừa thải vào không khí và nước. Bản thân nước cũng bị phát tán nhiều vào không khí, bốc hơi từ các dạng lỏng của quy trình công nghệ, từ các thiết bị và nồi hơi. Một lượng nhỏ các hợp chất vô cơ dạng khí như Sulphur dioxide, Hydro Sulfide và bụi (Natri Sulphate, Natri carbonate) thoát ra từ các hoá chất trong quy trình công nghệ, từ các quá trình nghiền bột hoá học cùng với các chất hữu cơ bay hơi ở mức thấp, từ nguyên liệu sợi (như các chất chiết xuất), các sản phẩm phản ứng (các sulfide hữu cơ) của các hoá chất và thành phần gỗ. Hầu hết nước của các dây chuyền công nghệ cũng được xả ra thành dòng thải mang theo các hoá chất dư thừa từ dây chuyền công nghệ và các sợi hoà tan. Trong quá trình nghiền bột giấy bằng phương pháp hoá học, ở nhà máy nào có hệ thống thu hồi hiệu quả thì có thể thu hồi 100% hoá chất đã dùng để nghiền bột. Lượng còn lại và một số hoá chất từ khâu tẩy được thải ra ngoài. Đối với các quy trình công nghệ làm bột giấy cơ học và quy trình công nghệ sợi tái chế thì mọi hoá chất đã dùng đều bị thải ra. Những phế liệu từ nguyên liệu sợi, có thể là các chất rắn (các đoạn sợi, mảnh vỏ cây) hoặc ở dạng dung dịch như trong trường hợp hoà tan với carbon hydrat và ion kim loại vô cơ. Nhiệt dư thừa ko được tận dụng. Những đặc điểm cơ bản này của quy trình công nghệ nghiền bột cũng có cơ sở áp dụng trong xeo giấy mặc dù các mức sử dụng nước, hoá chất và năng lượng trong xeo giấy ít hơn rất nhiều so với nghiền bột. Do vậy, tải lượng dòng thải của quá trình xeo giấy thấp hơn tải lượng dòng thải từ nghiền bột. Trong cả quy trình nghiền bột lẫn xeo giấy, các hoá chất dư thừa từ quy trình công nghệ và sản phẩm phản ứng từ các thành phần nguyên liệu sợi với các hoá chất trong quy trình công nghệ đều được thải ra không khí hoặc xả vào nước như là các dòng chất thải rắn. Các sợi và đoạn sợi trong dòng thải nước có tác động đến độ trong và câu trúc đáy của các thuỷ vực do làm thay đổi màu sắc, giảm độ xuyên sâu của ánh sáng dẫn đến làm giảm khả năng hoạt động của đời sống thuỷ sinh. Các thành phần hoà tan khác gây ra các thuộc tính độc hại đối với hệ động vật dưới nước. Các hệ thống nghiền bột và tẩy giấy Sợi lấy từ gỗ, các thực vật ngoài gỗ (tre nứa, bã mía, rơm rạ), vải, hoặc giấy dùng rồi (các sợi tái sinh) hình thành cơ sở cho tất cả các loại giấy và giấy bìa. Trong tất cả các nguyên liệu sợi này, các sợi được gắn kết với độ chắc chắn nhiều/ít khác nhau. Để sản xuất giấy, trước hết cần phải phân loại các sợi riêng theo từng loại. Sau đó xử lý sợi để có được các thuộc tính mong muốn (như độ sáng) và phải được làm sạch để loại bỏ các tạp chất và các chất dư thừa. Sơ đồ1. Sơ đồ dòng đơn giản về các bước chủ yếu trong quy trình nghiền và tẩy giấy hoá học. Trong quá trình phân loại sợi, lignin (thành phần gắn kết các sợi với nhau trong gỗ hoặc thảo mộc) được hoà tan bằng hoá học hay được phân huỷ bằng cơ học. Mức độ hoà tan tuỳ thuộc vào nguyên liệu và cường độ xử lý. Sau khi phân loại sợi, bột giấy được rửa sạch để loại bỏ chất hoà tan trước khi các tạp chất rắn được loại bỏ trong quá trình sàng lọc. Trong nghiền bột hoá học, dung dịch nước có chất hoà tan cần phải tiếp tục được cô sau khi rửa sạch và sau đó đem đốt trong lò đốt hoặc nồi hơi để thu hồi nhiệt năng và các hoá chất bột giấy. Sau khi vận hành nghiền bột, bột giấy thường có màu tối là do màu nguyên liệu hoặc do bột giấy đổi màu trong quá trình nghiền bột. Đối với nhiều ứng dụng trong sản xuất, cần thiết phải khử màu bằng cách tẩy trắng. Tuỳ theo loại bột giấy, có thể tẩy trắng bằng cách phân huỷ hoặc hoà tan chất có màu (chủ yếu là các lignin tồn lưu) hoặc bằng cách biến cải chất liệu. Cách tẩy thứ nhất có thể dùng Chlorine, Hypochlorine, Chlorine Dioxide và oxygen. Cách tẩy thứ hai chủ yếu dùng cho bột giấy cơ học hoặc bột tái chế và có thể dùng peroxides hoặc giảm bớt các tác nhân tẩy như dithionites. Bảng 3. Các hoá chất được sử dụng để tẩy bột giấy Các oxy hoá Dạng Chức năng Ưu điểm Nhược điểm Chlorine và chiết xuất (C+E) Oxy hoá và clo hoá lignin Khử lignin và các hạt có hiệu quả kinh tế Nếu sử dụng không hợp lý có thể làm mất độ dai của bột. Tạo ra clo hữu cơ Hypochlorite (H) Dung dịch NaOCl Oxy hoá, làm sáng màu và hoà tan lignin Dễ làm và dễ sử dụng Nếu sử dụng không hợp lý có thể làm mất độ dai của bột. Tạo ra clorofom. Chlorine Dioxide (D) Hoà tan trong nước Oxy hoá, làm sáng màu và hoà tan lignin Một lượng nhỏ có Cl2 bảo vệ bột giấy không bị phân huỷ Đạt độ trắng cao Không phân huỷ bột Khử các bụi hạt có hiệu quả Phải tiến hành ở hiện trường Tốn kém Tạo ra một số clo hữu cơ Oxygen (O) Khí sử dụng với dung dịch NaOH Oxy hoá và hoà tan lignin Chi phí hoá chất thấp. Tạo ra dòng thải không có clo để thu hồi Sử dụng với lượng lớn phải có thiết bị chuyên dụng. Có thể làm mất độ dai của bột Hydrogen pepoxide (P) Dung dịch 2-5% Oxy hoá và làm sáng màu lignin trong bột giấy hoá học, năng suất cao Dễ sử dụng Chi phí vốn thấp Tẩy bụi hạt tốn kém và không hiệu quả. (Nguồn : Nghiên cứu kinh tế & kỹ thuật về giảm thiểu phát tán công nghiệp trong ngành công nghiệp bột giấy, EC contract, Haskoning, Holland 1993) Các dòng thải của các công đoạn nghiền bột và tẩy trắng có thành phần rất phức tạp (các hợp chất hữu cơ, vô cơ hoà tan cũng như các chất rắn vô cơ và hữu cơ). Các hợp chất hữu cơ hoà tan chủ yếu là các chất gỗ phân huỷ cùng với các sản phẩm phản ứng liên quan và các hoá chất trong nghiền bột giấy hoặc tẩy trắng. Các chất rắn trong dòng thải chủ yếu gồm có sợi, các mảnh vỏ cây và chất vô cơ. Các dòng thải còn chứa nhiều các chất dinh dưỡng dưới dạng các muối vô cơ gốc nitrogen và phosphorite từ các nguyên liệu sợi và các hoá chất trong quy trình công nghệ. Ngoài ra còn có các nồng độ ion kim loại thấp (gốc từ nguyên liệu sợi, các hoá chất sử dụng và thiết bị) và các chất tồn lưu của các chất hữu cơ được sử dụng trong quy trình công nghệ (như các tác nhân chống bọt, Slimicides và các tác nhân kiểm soát hắc ín) Số lượng chất thải rắn lớn nhất do một nhà máy bột giấy tạo ra có thể thường là vỏ cây và/hoặc các phế liệu từ nguyên liệu. Sợi, bùn hoá chất và sinh học ở khâu xử lý dòng thải cuối đường ống cũng góp phần đáng kể vào tải lượng chất thải rắn cũng như bùn chứa sợi và mực của các khâu hoạt động sợi tái chế. Hầu hết các chất thải rắn trong khâu nghiền bột giấy thường được chôn lấp ngay bên trong địa điểm nhà máy. Lượng chất thải nguy hiểm do ngành công nghiệp bột giấy tạo ra thường rất thấp. Nghiền bột giấy hoá học và bán hoá học : Trong nghiền bột hoá học và bán hoá học, nguyên liệu sợi được xử lý hoá chất ở nhiệt độ và áp lực cao (nấu) nhằm hoà tan hoặc làm mềm thành phần chính của chất lignin (chất liên kết các sợi trong nguyên liệu với nhau) và đồng thời gây ra sự phá huỷ càng ít càng tôt đối với thành phần xenluloze (cho độ dai) của sợi. Việc xử lý này có thể tiến hành liên tục hay theo từng mẻ. Có hai quy trình công nghệ nghiền bột giấy hoá học chính, các quy trình kiểm hoá (quy trình sulphate hoặc quy trình giấy kraft và quy trình xút) và quy trình sulphite. Bảng 4. Sơ lược một vài đặc tính quan trọng của quy trình nghiền bột giấy Sulphate – Xút – Sulphite Quy trình nghiền bột giấy Sulphate Quy trình nghiền bột giấy xút Quy trình nghiền bột giấy Sulphite Là quá trình toàn diện nhất. Tạo ra loại bột giấy dai nhất. Đòi hỏi nhiều năng lượng tinh chế hoặc năng lượng đập nát để làm tăng các thuộc tính của giấy. Bột giấy sulphate có độ sáng không tẩy thấp nhất. Cần nhiều hoá nhất để tẩy màu Hình thành các hợp chất sulphur hữu cơ dễ bay hơi có ngưỡng mùi hôi rất thấp à đôi khi tạo ra mùi hôi nồng nặc Thích hợp với các nguyên liệu chứa lignin thấp như các loại cây một năm, tre nứa và gỗ cứng. Tạo ra sợi yếu hơn so với quy trình sulphate Đòi hỏi nhiều năng lượng tinh chế hoặc năng lượng đập nát để làm tăng các thuộc tính của giấy. Bột giấy xút có độ sáng không tẩy trung bình. Cần nhiều hoá nhất để tẩy màu Rất nhạy với các nguyên liệu sợi có hàm lượng một số loại chất chiết xuất cao. Tạo ra sợi yếu hơn so với quy trình sulphate Đòi hỏi ít năng lượng tinh chế hoặc năng lượng đập nát để làm tăng các thuộc tính của giấy. Bột giấy sulphite có độ sáng không tẩy cao nhất. Cần ít hoá chất để tẩy màu Chủ yếu hình thành khí Sulphur Dioxide. Nghiền bột giấy sulphat và xút : Dịch nấu đã dùng từ nồi nấu trong hệ thống này chứa một lượng rất lớn chất hữu cơ hoà tan của tất cả các dịch trong quy trình công nghệ. Thành phần chi tiết và tác động môi trường của dịch này tuỳ thuộc vào nguyên liệu sợi, hiệu suất nghiền bột và các điều kiện quy trình công nghệ. Một phần chất hoà tan có thể bay hơi được giải phóng từ dịch và trở thành chất ngưng tụ khi áp suất nồi nấu giảm thấp. Nghiền bột giấy sulphite Trong quy trình nghiền bột giấy sulphite nguyên thuỷ (sử dụng vôi làm chất bazơ) chỉ có thể thu hồi được nhiệt và sulphur dioxide. Có thể tận dụng dịch đã sử dụng để tạo ra các hoá chất và các sản phẩm như ethanol, vanillin, men,… Sử dụng một chất gọi là “bazơ hoà tan” như magne, natri, … có thể thu hồi hiệu quả khí sulphur dioxide và do đó làm giảm bớt việc phát tán khí này trong quy trinh công nghệ. Tẩy bột giấy hoá học : Mục đích tẩy bột giấy hoá học là khử và/hoặc làm sáng màu lignin, màu tồn dư trong bột giấy sau nấu và để tẩy mà không gây tổn hao quá mức độ dai hay hiệu suất của bột giấy. Để khử lignin, người ta dùng Chlorine, hypochlorite, chlorine dioxide, oxy hoặc ozone. Sử dụng oxy và đặc biệt là peroxide dưới các điều kiện vừa phải sẽ làm trắng bột giấy mà không hoà tan nhiều lignin. Các dòng thải từ quy trình tẩy có chứa các chất Clo hoá hoà tan nếu sử dụng chlorine, hypochlorite, hoặc chlorine dioxide làm tác nhân tẩy (quy trình tẩy truyền thống). Các dòng thải từ công đoạn tẩy cũng làm tăng lượng BOD, COD, độc tính và màu vào tổng dòng thải. Quy trình tẩy truyền thông được thực hiện qua một số bước trong đó có sử dụng các hợp chất Clo để phân huỷ lượng lignin còn lại. Các giai đoạn chiết xuất kiềm trung gian được sử dụng song song để hoà tan lignin. Tải lượng môi trường các dòng thải của công đoạn tẩy sẽ tăng nếu hàm lượng lignin của bột giấy không tẩy tăng, lượng chất hoà tan từ bột giấy sau nấu đưa vào phân xương tẩy cũng tăng do lượng hoá chất tẩy và nhiệt độ tẩy. I.3. Các hệ thống của nhà máy giấy : Hầu hết các nhà máy giấy đều sử dụng một hệ thống cơ bản giống nhau dựa theo nguyên tắc cơ bản là tạo ra những tấm giấy từ những sợi lơ lửng trong nước và khử nước theo các phương pháp cơ học và bay hơi. Các nguồn cung cấp sợi gồm có bột giấy hoá học, bột giấy bán hoá học, bột giấy cơ học, sợi tái chế, bột vụn va bột nghiền lại. Các chất phụ gia được sử dụng như nhựa thông (keo Newsize), màu, … và rất nhiều chất khác. Khối lượng dòng thải của nhà máy giấy và hàm lượng chất rắn lơ lửng của dòng thải này chủ yếu liên quan đến sự vận hành của máy xeo giấy. Bảng 5 dưới đây trình bày : Các lưu lượng thực và điển hình của lượng nước trội từ quy trình xeo giấy tính bằng m3/tấn (không kể nước từ các nguồn khác). Các số liệu về cha