Luận văn Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm - Lê Trọng Ân

Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây nền công nghiệp thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng phát triển không ngừng. Kinh tế phát triển, thu nhập được nâng cao, đời sống người dân được cải thiện… Tuy nhiên, bên cạnh những thành tựu đạt được thì chúng ta đang phải đối mặt với một vấn đề mang tính toàn cầu và đe dọa đến sự sống, đó là vấn đề ô nhiễm môi trường. Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường đang trở nên rất bức xúc không những cho mỗi quốc gia mà còn cho toàn nhân loại, trong đó hoạt động sản xuất công nghiệp được xác định là một trong những nguyên nhân ô nhiễm chính. Vì vậy vấn đề bảo vệ môi trường là vấn đề toàn cầu, là quốc sách của hầu hết các quốc gia trên thế giới. Trong giai đoạn hiện nay, sự toàn cầu hóa và hợp tác quốc tế để cùng nhau phát triển là rất cần thiết cho mỗi quốc gia và Việt Nam cũng không nằm ngoài xu thế đó. Tuy nhiên, chúng ta cũng đang đứng trước những thuận lợi và thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là vấn đề môi trường. Chính phủ Việt Nam đã rất quan tâm đến vấn đề này nên đã ban hành nhiều văn bản pháp luật như: luật bảo vệ môi trường (1994), nghị định 26/CP ngày 26/4/1996 của Chính Phủ về xử phạt hành chính… và luật môi trường sửa đổi bổ sung (2006) nhằm quản lý và bảo vệ môi trường tốt hơn. Chúng ta đã gia nhập WTO (11/1/2007) thì vấn đề môi trường là vô cùng quan trọng; nó có thể quyết định đến thành công hay thất bại của một doanh nghiệp. Trong xu thế phát triển chung đó, ngành công nghiệp Rượu- Bia- Nước giải khát, không những vừa mang lại lợi nhuận cao mà còn đóng góp đáng kể (hơn 5000 tỷ đồng) cho ngân sách của nhà nước. Vì thế, nhà máy bia Sài Gòn - Miền Trung, được xây dựng tại khu công nghiệp Phú Tài - Thành phố Quy Nhơn - Tỉnh Bình Định, công suất tối đa 50 triệu lít/năm có kế hoạch mở rộng lên 100 triệu lít/năm trong tương lai. Nhà máy sẽ góp phần giải quyết việc làm cho các lao động, không chỉ lao động trực tiếp trong nhà máy mà còn các lao động ở các mạng lưới phân phối và tiêu thụ sản phẩm; đồng thời đóng góp một phần không nhỏ cho ngân sách nhà nước. Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích to lớn, các loại chất thải (đặc biệt là nước thải) phát sinh từ hoạt động sản xuất tại nhà máy có tác động tiêu cực tới hệ sinh thái và môi trường xung quanh. Do đó, vấn đề quan tâm nhất là nguồn nước thải từ quá trình sản xuất bia cần phải được xử lý một cách hiệu quả. Với những lý do trên, đề tài “Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty Cổ phần bia Sài Gòn - Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm” đã được lựa chọn làm đồ án tốt nghiệp. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 1 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA, CÁC CHẤT THẢI TỪ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA VÀ HIỆN TRẠNG XỬ LÝ I.1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA I.1.1. Tình hình sản xuất, tiêu thụ Bia trên thế giới và ở Việt Nam I.1.1.1. Sơ lược về Bia Định nghĩa bia của Pháp: “Bia là một loại đồ uống thu được từ quá trình lên men dịch các chất chiết từ đại mạch nảy mầm, có bổ sung không quá 15% nguyên liệu đường khác và hoa houblon”. [1] Định nghĩa bia của Đức: “Bia là một loại đồ uống thu nhận được nhờ lên men, không qua chưng cất và chỉ sử dụng đại mạch nảy mầm, hoa houblon, nấm men và nước”. [1] Định nghĩa Bia của Việt Nam: “Bia là loại đồ uống lên men có độ cồn thấp, được làm từ nguyên liệu chính là malt đại mạch, houblon, nấm men và nước”. [1] Bia là loại nước giải khác có truyền thống lâu đời, có giá trị dinh dưỡng cao và có độ cồn thấp, mùi vị thơm ngon và bổ dưỡng. Uống bia với một lượng thích hợp không những có lợi cho sức khỏe, ăn cơm ngon, dễ tiêu hóa mà còn giảm được sự mệt mỏi sau ngày làm việc mệt nhọc. Khi đời sống kinh tế xã hội phát triển nhu cầu tiêu thụ bia của con người càng tăng. So với những loại nước giải khát khác, bia có chứa một lượng cồn thấp (3 – 8%), và nhờ có CO2 trong bia nên tạo nhiều bọt khi rót, bọt là đặc tính ưu việt của bia. Về mặt dinh dưỡng, một lít bia có chất lượng trung bình tương đương với 25g thịt bò hoặc 150g bánh mỳ loại một, hoặc tương đương với nhiệt lượng là 500 kcal. Vì vậy bia được mệnh danh là bánh mỳ nước.[1] Ngoài ra trong bia còn có vitamin B1, B2, nhiều vitamin PP và axit amin rất cần thiết cho cơ thể. Trong 100ml bia 10% chất khô có: 2,5 – 5 mg vitamin B1, 35 – 36 mg vitamin B2 và PP [1]. Chính vì vậy từ lâu bia đã trở thành thứ đồ uống quen thuộc được rất nhiều người ưa thích. Nước ta có khí hậu nhiệt đới, dân số tương đối lớn, hơn 83 triệu người và có tỉ lệ dân số trẻ chiếm đa số nên tiềm năng tiêu thụ nước giải khát nói chung và bia nói riêng là rất lớn, cần được khai thác. Thực tế, ngành công nghiệp bia ở nước ta ngày càng phát triển mạnh và có những bước tiến đáng kể về số lượng và chất lượng. Thành công của ngành bia không những đóng góp một tỷ trọng không nhỏ vào ngân sách nhà nước mà còn góp phần tạo công ăn việc làm cho hàng vạn lao động. [1] Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 2 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. I.1.1.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bia trên thế giới Đối với các nước có nền công nghiệp phát triển, đời sống kinh tế cao thì bia được sử dụng như một thứ nước giải khát quan trọng. Hiện nay, trên thế giới có 25 nước sản xuất bia với tổng sản lượng trên 100 tỷ lít/năm, trong đó: Mỹ, Đức, mỗi nước sản xuất trên dưới 10 tỷ lít/năm; Trung Quốc 7 tỷ lít/năm (bảng 1.1). Thống kê bình quân mức tiêu thụ hiện nay ở một số nước công nghiệp tiên tiến năm 2004 như sau: Cộng hòa Czech hơn 150 lít/người/năm; Đức 115 lít/người/năm; Mỹ trên 80 lít/người/năm (bảng 1.2). Bảng 1.1. Sản lượng bia các nước (triệu lít) [1] Quốc gia 2002 2003 2004 2005 Mỹ 23300 23340 23440 23270 Đức 10840 10550 10580 10580 Nga 7390 7560 8420 8840 Brazin 8500 8300 8260 8500 Mexico 6400 6640 6200 6300 Anh 5670 5800 5880 5890 Tây Ban Nha 2790 2970 3020 3020 Ba Lan 2600 2730 2800 2850 Canada 2200 2300 2320 2320 Hà Lan 2490 2510 1920 2190 Bảng 1.2. Tình hình tiêu thụ bia trên thế giới năm 2004 [1] Quốc gia Xếp hạng năm 2004 Tổng lượng tiêu thụ (triệu lít) Bình quân đầu người (lít) Tỉ lệ tăng so với năm 2003 Trung Quốc 1 28640 22,1 14,6% Mỹ 2 23974 81,6 0,9% Đức 3 9555 115,8 -1,6% Brazin 4 8450 47,6 2,8% Nga 5 8450 58,9 11,1% Nhật 6 6549 51,3 0,7% Anh 7 5920 99,0 -1,8% Mexico 8 5435 51,8 2,0% Tây Ban Nha 9 33,76 83,8 0,9% Ba Lan 10 26,70 69,1 -2,4% CH Czech 15 18,78 156,9 2,1% Tổng lượng tiêu thụ trên thế giới năm 2003 khoảng 144,296 tỷ lít, năm 2004 khoảng 150,392 tỷ lít (tăng 4,2%). Bảng 1.3. Phân chia lượng bia tiêu thụ theo vùng [1] Vùng Lượng bia tiêu thụ (%) Vị thứ Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 3 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. Châu Âu 32,8 1 Châu Á 28,7 2 Bắc Mỹ 17,4 3 Trung / Nam Mỹ 14,4 4 Châu Phi 4,7 5 Địa Trung Hải 1,4 6 Trung Đông 0,6 7 Lượng bia tiêu thụ tăng hầu hết khắp các vùng, ngoại trừ vùng Địa Trung Hải, đẩy lượng tiêu thụ bia trên thế giới tăng lên. Nhưng lượng tăng đáng kể nhất là Trung Quốc với tốc độ tăng đến 14,6% (bảng 1.2). Châu Á là một trong những khu vực có lượng bia tiêu thụ tăng nhanh, các nhà nghiên cứu thị trường bia của thế giới nhận định rằng Châu Á đang dần giữ vị trí dẫn đầu về tiêu thụ bia trên thế giới. Trong khi sản xuất bia ở Châu Âu có giảm, thì ở Châu Á, trước kia nhiều nước có mức tiêu thụ bia theo đầu người thấp, đến nay đã tăng bình quân 6,5%/năm. Thái Lan có mức tăng bình quân cao nhất 26,5%/năm; tiếp đến là Philippin 22,2%/năm; Malaysia 21,7%/năm; Indonesia 17,7%/năm. Đây là những nước có tốc độ tăng nhanh trong khu vực. Các nước xung quanh ta như Singapor đạt 18 lít/người/năm, Philippin 20 lít/người/năm… (theo số liệu của Viện rượu bia NGK Việt Nam). Thị trường bia Nhật Bản chiếm 66% thị trường bia khu vực với 30,9 tỷ USD. Lượng bia tiêu thụ năm 2004 đã đạt trên 6500 triệu lít (theo nguồn từ Kirin news – Nhật Bản) Thị trường bia của Trung Quốc phát triển là nguyên nhân chủ yếu thúc đẩy sự tăng trưởng của ngành công nghiệp bia Châu Á. Đến năm 2004, tổng lượng bia tiêu thụ ở Trung Quốc là 28.640 triệu lít, xếp thứ hạng đầu tiên trên thế giới. Tổng lượng bia tiêu thụ ở các nước khu vực Châu Á trong năm 2004 đạt 43.147 triệu lít, tăng 11,2% so với năm 2003. [1] Quy mô sản xuất bia của nhà máy – chính sách thị trường Trong công nghiệp sản xuất bia, quy mô sản xuất mang ý nghĩa kinh tế rất lớn. Chính vì vậy, tại các thị trường mà thõa mãn được nhu cầu như Mỹ, Nhật một số hãng bia siêu lớn thống lĩnh thị trường: Thị trường Mỹ do 5 công ty kiểm soát, còn Nhật do 4 công ty kiểm soát chiếm 40% thị phần, tại Canada 94% thị trường do 2 công ty kiểm soát [1]. Tại Trung Quốc, trong số hơn 800 nhà máy bia thì 18 nhà máy có công suất lớn hơn 150 triệu lít/năm và đã sản xuất 2.500 triệu lít/năm, chiếm ¼ sản lượng bia của cả nước. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 4 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. Do thị trường bia trên thế giới đang phát triển một cách năng động, các hãng bia sử dụng các chiến lược kinh doanh khác nhau. Tại Mỹ và Châu Âu, do thị trường bia đã ổn định, chiến lược kinh doanh bia là dành thị phần, giảm chi phí sản xuất. Ngược lại, tại Trung Quốc là nơi thị trường đang tăng trưởng thì chiến lược là phát triển sản xuất, tăng sản lượng và nâng cao chất lượng. Ngoài ra cần phải xây dựng nhà máy bia phân tán ở nhiều vùng nhằm thu hút người tiêu dùng. I.1.1.3. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bia ở Việt Nam Bia được đưa vào Việt Nam từ năm 1890 cùng với sự có mặt của Nhà máy Bia Sài Gòn và Nhà máy Bia Hà Nội, như vậy ngành bia Việt Nam đã có lịch sử hơn 100 năm. Hiện nay, do nhu cầu của thị trường, chỉ trong một thời gian ngắn, ngành sản xuất bia có những bước phát triển mạnh mẽ thông qua việc đầu tư và mở rộng các nhà máy bia đã có từ trước và xây dựng các nhà máy bia mới thuộc Trung ương và địa phương quản lý, các nhà máy liên doanh với các hãng nước ngoài. Công nghiệp bia phát triển kéo theo sự phát triển của các ngành sản xuất khác và hàng năm ngành bia đã đóng góp cho ngân sách nhà nước một lượng đáng kể. Tình hình sản xuất bia trong nước Do tác động của nhiều yếu tố như tốc độ tăng trưởng GDP, tốc độ tăng dân số, tốc độ đô thị hóa, tốc độ đầu tư… mà ngành công nghiệp Bia phát triển với tốc độ tăng trưởng cao. Chẳng hạn như năm 2003, sản lượng bia đạt 1290 triệu lít, tăng 20,7% so với năm 2002, đạt 79% so với công suất thiết kế, tiêu thụ bình quân đầu người đạt 16 lít/năm, nộp ngân sách nhà nước khoảng 3650 tỷ đồng. [1] Về số lượng cơ sở sản xuất Số lượng cơ sở sản xuất giảm xuống so với những năm cuối thập niên 1990, đến năm 2003 chỉ còn 326 cơ sở sản xuất so với 469 cơ sở năm 1998 [1]. Điều này là do yêu cầu về chất lượng bia, về mức độ vệ sinh an toàn thực phẩm ngày càng cao, đồng thời do sự xuất hiện của nhiều doanh nghiệp bia lớn có thiết bị và công nghệ tiên tiến… nên có sự cạnh tranh gay gắt, nhiều cơ sở sản xuất quy mô nhỏ, chất lượng thấp không đủ khả năng cạnh tranh đã phá sản hoặc chuyển sang sản xuất sản phẩm khác. Trong các cơ sở sản xuất đó, Sabeco có năng suất trên 200 triệu lít/năm, Habeco có năng suất hơn 100 triệu lít/năm, 15 nhà máy bia có năng suất trên 15 triệu lít/năm và khoảng 165 cơ sở sản xuất có năng suất dưới 1 triệu lít/năm. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 5 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. 1.3 1.4 1.5 1.6 2 3 4.7 6 0 1 2 3 4 5 6 7 2003 2004 2005 2006 2008 2010 2015 2025 Năm Tỷ lí t Hình 1.1. Đồ thị biểu diễn sản lượng bia cả nước qua các năm [2]. Về mức độ tiêu thụ bia Hai Tổng công ty Sabeco và Habeco có đóng góp tích cực và giữ vai trò chủ đạo trong ngành bia. Riêng năm 2003, doanh thu của ngành Bia- Rượu- NGK Việt Nam đạt 16.497 tỷ đồng, nộp ngân sách nhà nước 5000 tỷ đồng, tạo điều kiện việc làm và thu nhập ổn định cho trên 20.000 lao động. Sản lượng tiêu thụ bia toàn quốc đạt 1290 triệu lít chiếm 78,8% công suất thiết kế, trong đó Habeco và Sabeco đạt 472,28 triệu lít (chiếm 36,61% toàn ngành bia) [1]. Mức tiêu thụ bình quân đầu người ở Việt nam tăng lên nhanh chóng trong vòng 10 năm qua, từ mức dưới 10 lít/người/năm ở năm 1997 tăng lên 18 lít/người/năm vào năm 2006, dự kiến đến năm 2015 là 35 lít/người/năm. 10.5 11 11.5 12.5 13.25 14 15 16 16.83 18 28 35 0 5 10 15 20 25 30 35 40 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2010 2015 Năm lít /n gư ời Hình 1.2. Đồ thị biểu diễn mức tiêu thụ bình quân đầu người qua các năm [2]. Định hướng phát triển nền công nghiệp bia Việt Nam đến năm 2020 Do mức sống ngày càng tăng, mức tiêu thụ ngày càng cao không kể các nước Châu Âu, Châu Mỹ có mức tiêu thụ bia theo đầu người rất cao do có thói quen uống bia từ lâu đời, các nước Châu Á tiêu dùng bình quân 17 lít/người/năm [1]. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 6 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. Truyền thống văn hóa dân tộc và lối sống tác động đến mức tiêu thụ bia, rượu. Ở các nước có cộng đồng dân tộc theo đạo hồi, không cho phép giáo dân uống rượu bia nên mức tiêu thụ bình quân theo đầu người ở mức thấp. Tại Việt Nam, không bị ảnh hưởng của tôn giáo trong tiêu thụ bia nên thị trường còn phát triển. Năm 1995 dân số Việt Nam là 74 triệu người, năm 2000 khoảng 81 triệu người và hiện nay trên 83 triệu người. Do vậy dự kiến mức tiêu thụ bình quân theo đầu người vào năm 2010 là 28 lít/người/năm, sản lượng 3 tỷ lít/năm và đến năm 2015 mức tiêu thụ bình quân là 35 lít/người/năm với sản lượng 6 tỷ lít/năm. [2] I.1.2. Tổng quan chung về công nghệ sản xuất bia I.1.2.1. Đặc trưng nguyên liệu sản xuất bia Bốn loại nguyên liệu chính không thể thiếu trong quá trình sản xuất bia là: malt đại mạch, hoa houblon, nước và nấm men. Chất lượng của chúng quyết định đến chất lượng của bia thành phẩm. Hiểu biết đầy đủ các tính chất của nguyên liệu, tác dụng của chúng đối với quá trình sản xuất và sản phẩm bia là cơ sở của quá trình điều hành sản xuất và xử lý, từ đó có thể điều hành quá trình công nghệ một cách hợp lý nhất. 1. Malt đại mạch và gạo tẻ - Malt đại mạch Chứa hàm lượng tinh bột lớn, vỏ dính rất chắc vào hạt. Hạt lúa mạch được xử lý bằng cách ngâm hạt vào trong nước, để cho chúng nảy mầm đến một giai đoạn nhất định và sau đó làm khô hạt đã nảy mầm trong các lò sấy nhằm thu hạt ngũ cốc đã mạch nha hóa (malt). Mục tiêu chủ yếu của quy trình này là hoạt hóa, tích lũy về khối lượng và hoạt lực của hệ enzym trong đại mạch. Hàm lượng ẩm trung bình của đại mạch thường là 14 – 14,5%. Hàm lượng ẩm có thể biến thiên từ 12% trong điều kiện thu hoạch khô ráo đến trên 20% trong điều kiện ẩm ướt. Đại mạch có độ ẩm cao cần được sấy khô để bảo quản được lâu và không làm mất khả năng nảy mầm. Hàm lượng trung bình của các thành phần tính theo khối lượng chất khô như sau: [1] - Cacbonhydrat tổng số 70 – 85% - Protein 10,5 – 11,5% - Các chất vô cơ 2 – 4% - Chất béo 1,5 – 2% - Các chất khác 1- 2% - Gạo tẻ Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 7 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. Ở Việt Nam, gạo tẻ thường được dùng làm nguyên liệu thay thế kèm theo malt để hạ giá thành sản phẩm. Tỷ lệ gạo khoảng 20 – 30%. Gạo tẻ là nguồn nguyên liệu dễ kiếm, không cần nhập ngoại. Thành phần và tính chất của gạo tẻ như sau: [3] - Hàm ẩm 12% - Độ hòa tan 76% - Tinh bột 75% - Chất béo 1 – 1,5% - Protein 8% - khoáng 1 – 1,2% - Xơ 0,5 – 0,8% 2. Hoa Houblon Đây là thành phần rất quan trọng và không thể thay thế được trong quy trình sản xuất bia, giúp mang lại hương thơm và vị đắng rất đặc trưng, làm tăng khả năng tạo bọt, tăng độ bền keo và ổn định thành phần sinh học của sản phẩm. Bảng 1.4. Thành phần của hoa Houblon [1] Thành phần Hàm lượng (%) Nước 10 – 11 Nhựa đắng tổng số 15 – 20 Tinh dầu 0,5 – 1,5 Tanin 2 – 5 Monosaccarit 2 Pectin 2 Amino axit 0,1 Protein 15 – 17 Lipit và sáp 3 Chất tro 5 – 8 Xenluloza, lignin và các chất khác 40 – 50 Các chế phẩm của hoa houblon: Hoa viên và hoa cao. 3. Nước Công nghệ sản xuất bia đòi hỏi một lượng nước rất lớn như để ngâm đại mạch trong sản xuất malt, hồ hóa, đường hóa, rửa men, rửa thiết bị, cung cấp cho lò hơi… Thành phần và tính chất của nước ảnh hưởng trực tiếp đến toàn bộ quá trình công nghệ và chất lượng bia thành phẩm. Bảng 1.5. Yêu cầu đối với nước dùng trong sản xuất bia [1] Thành phần Đơn vị Hàm lượng Độ pH 6,5 – 7 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 8 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. Độ cứng oH 5 – 12 Muối Cacbonat mg/l 50 Muối Mg2+ mg/l 100 Muối clorua mg/l 75 – 150 CaSO4 mg/l 150 – 200 NH3 và muối NO2 mg/l Không có Sắt Fe2+ mg/l < 0,3 Vi sinh vật Tế bào/ml < 100 Trong quá trình sản xuất bia, cần phải lưu ý một vài điểm nhạy cảm khi nước tiếp xúc với dịch đường, nấm men và bia: - Nước rửa bã cần phải điều chỉnh độ kiềm < 50 mg/l và độ pH = 6,5 để khỏi chiết các chất không mong muốn từ bã. pH của dịch đường trước khi nấu nên là 5,4 để thu được dịch đường sau khi nấu có pH = 5,2. [1] - Nước cọ rửa và rửa nấm men phải được tiệt trùng và khử mùi lạ. - Nước pha loãng bia phải có những đặc tính sau: + Hàm lượng oxy hòa tan < 0,05mg/l + Hàm lượng CO2 > hàm lượng CO2 trong bia nên cần pha loãng + Hàm lượng, thành phần khoáng tương đương với bia + Không có vi sinh vật và mùi lạ. 4. Nấm men Nấm men là loài vi sinh vật đơn bào, có khả năng sống trong môi trường dinh dưỡng chứa đường, nitơ, photpho, và các chất hữu cơ, vô cơ khác. Chúng là vi sinh vật dị dưỡng có khả năng sống trong cả hai môi trường hiếu khí và yếm khí. Nấm men đóng vai trò quyết định trong sản xuất bia vì quá trình trao đổi chất của tế bào nấm men bia chính là quá trình chuyển hóa nguyên liệu thành sản phẩm. Quá trình chuyển hóa này gắn liền với sự tham gia của hệ enzym trong tế bào nấm men. Do đó, việc nuôi cấy nấm men để thu được một hệ enzym có hoạt lực cao là một khâu hết sức quan trọng. Hai chủng nấm men thường được sử dụng trong sản xuất bia là nấm men nổi Sacharomyces cerevisiae và nấm men chìm Sacharomyces carlsbergensis. [3] 5. Các nguyên liệu phụ khác:[1] - NaOH: dùng để trung hòa và vệ sinh, tẩy rửa (CIP) - Axit: HCl, H2SO4 dùng để điều chỉnh pH nước và xử lý men sữa. Ngoài ra còn sử dụng axit lactic, axit nitric, axit photphoric để điều chỉnh dịch hèm trong quá trình nấu và đường hóa, vệ sinh tẩy rửa và sát trùng. - Muối, chất trợ lọc và một số chất khử, enzym. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 9 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. I.1.2.2. Quy trình công nghệ sản xuất bia (hình 1.3) Thuyết minh sơ đồ công nghệ: - Nguyên liệu được kiểm tra chất lượng, số lượng và đưa vào nhập kho. Theo công thức phối liệu sẽ chuyển sang xay, nghiền nhỏ, tạo điều kiện cho các công đoạn sau được thực hiện dễ dàng và triệt để. - Bột gạo sau khi được xay nhỏ sẽ hòa trộn với nước và đem gia nhiệt nấu chín. Tiếp theo cho bột malt vào gia nhiệt, thực hiện đường hóa. Trong môi trường giàu nước, các hợp chất sẽ được thủy phân dưới sự xúc tác của enzym, trong đó quan trọng nhất là sự thủy phân tinh bột, protein và các hợp chất chứa photpho. Chiếm nhiều nhất về khối lượng trong thành phần của các sản phẩm từ quá trình này là đường Dextrin. - Lọc bỏ bã, thu hồi dịch đường. Lọc dịch đường để thu nước nha trong và loại bỏ bã. Quá trình lọc được tiến hành theo hai bước: bước đầu tiên ép để tách dịch cốt và bước thứ hai là rửa bã để chiết rút hết tất cả những phần dinh dưỡng còn bám lại ở đó. - Cho hoa vào dịch đường đun sôi; dưới tác dụng của nhiệt, các chất không hòa tan của hoa được hòa tan chuyển hóa vào dịch đường tạo hương, vị đặc trưng cho bia. Quá trình Houblon hóa nhằm tạo một số yếu tố quan trọng cho bia như trích ly chất đắng, tinh dầu thơm… biến đổi thành dịch đường có vị đắng và hương thơm dịu của hoa – đặc trưng cơ bản về tính chất cảm quan của bia sau này: tạo chất dễ kết lắng các hạt nhỏ li ti trong dịch đường; tạo các hợp chất tham gia vào quá trình tạo bọt và là tác nhân chính giữ bọt cho bia. - Dịch đường sau houblon hóa được tách cặn, chuyển dịch và men vào Tank lên men thực hiện quá trình lên men chuyển đường thành rượu. Quá trình lên men được thực hiện ở nhiệt độ thấp tạo điều kiện cho men hoạt động. Vì vậy, cần phải có giai đoạn làm lạnh nhanh dịch đường trước khi thực hiện lên men. Lên men là giai đoạn quan trọng nhất trong sản xuất bia, quyết định để chuyển hóa dịch đường houblon hóa thành bia dưới tác dụng của men. C6H1206 ---> 2C2H5OH + 2CO2 - QR Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 10 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. Hình 1.3. Công nghệ sản xuất bia kèm theo các dòng thải [8]. - Lọc bia nhằm loại bỏ các chất không tan như nấm men, protein, houblon làm cho bia trong hơn trên máy lọc ép khung bản với chất trợ lọc là diatomit. Tiếp theo bia được bão hòa CO2 và đưa đi chiết chai, bock, lon… - Trong bia thành phẩm, sản xuất theo các phương pháp thông thường luôn Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 Chuẩn bị nguyên liệu Nấu – đường hóa Lọc dịch đường Lọc, tách bã Nấu hoa Houblon Lên men chính, phụ Lọc trong bia Chiết bia Bão hòa CO 2 Đóng nắp Thanh trùng Làm lạnh Kiểm tra-dán nhãn-nhập kho Sản phẩm Malt GạoNước mềm Rửa chai Hơi Xút chai Hơi nước Chất trợ lọc Rửa men giống Phục hồi men Hơi nước Hoa houblon Hơi nước Phụ gia Bã malt Bã hoa+ malt Bã men Sục khí Bã lọc Bia hơi Lò hơi Men giống Nén CO 2 11 Nước rửa sàn, thiết bị Nước thải Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. luôn chứa các tế bào còn sống, bao gồm nấm men thuần chủng và các vi sinh vật lạ khác. Do đó, thanh trùng là giải pháp quan trọng để diệt vi sinh vật nhằm nâng cao độ bền sinh học cho sản phẩm. Có 2 phương pháp thanh trùng bia: thanh trùng cả khối đối với bia hơi và thanh trùng trong bao bì đối với bia chai, lon. - Sau khi thanh trùng, bia hơi được chiết két để vận chuyển đến các cơ sở tiêu thụ ngay trong ngày; còn bia chai sẽ được chuyển đến khâu dán nhãn, nhập kho chờ xuất xưởng. I.2. CÁC CHẤT THẢI TỪ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA VÀ HIỆN TRẠNG XỬ LÝ I.2.1. Nước thải I.2.1.1. Nguồn gốc phát sinh, đặc tính nước thải công nghiệp sản xuất bia Công nghiệp sản xuất bia là một trong những ngành công nghiệp đòi hỏi tiêu tốn một lượng nước lớn cho mục đích sản xuất và vì thế sẽ thải ra môi trường một lượng nước thải lớn. Cụ thể như sau: [1, 4] • Nước làm lạnh, nước ngưng, đây là nguồn nước thải ít hoặc gần như không gây ô nhiễm nên có khả năng tuần hoàn sử dụng lại. • Nước thải từ công đoạn nấu - đường hóa: bao gồm - Nước thải trong quá trình rửa bã sau nấu, - Nước thải do vệ sinh nồi nấu gạo, malt, hoa; vệ sinh thiết bị lọc dịch đường và thiết bị tách bã. Đặc tính của nước thải này có mức độ ô nhiễm rất cao, có chứa bã malt, bã hoa, tinh bột, các chất hữu cơ, một ít tanin, chất đắng, chất màu… • Nước thải từ công đoạn lên men: Nước vệ sinh các tank lên men, thùng chứa, đường ống, sàn nhà… có chứa bã men, bia cặn và các chất hữu cơ. • Nước thải từ công đoạn hoàn tất sản phẩm: Lọc, bão hòa CO2, chiết chai, đóng nắp, thanh trùng. Nước thải chủ yếu từ công đoạn này là nước vệ sinh thiết bị lọc, nước rửa chai và téc chứa. Đây cũng là một trong những dòng thải có ô nhiễm lớn trong sản xuất bia. Nước thải từ công đoạn này có chứa bột trợ lọc, một ít bã men, bia còn lại từ bao bì tái sử dụng, bia rơi vãi trong quá trình chiết, pH cao… • Nước rửa sàn các phân xưởng, nước thải từ nồi hơi, nước từ hệ thống làm lạnh có chứa hàm lượng chlorit cao. • Xút và axit thải ra từ hệ thống CIP, xút từ thiết bị rửa chai. Dòng thải này có lưu lượng nhỏ và cần thu hồi riêng để xử lý cục bộ, tuần hoàn tái sử dụng cho các mục đích khác. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 12 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. • Bên cạnh nước thải sản xuất, một nguồn ô nhiễm khác đó là nước thải sinh hoạt từ nhà vệ sinh, nhà bếp phục vụ cán bộ công nhân viên. Nước thải này chủ yếu chứa các chất gây ô nhiễm BOD, COD, SS, N, P, vi sinh vật ở mức trung bình, nếu nước thải này không được xử lý thích đáng cũng gây ra những tác động xấu đến môi trường. Trong sản xuất bia công nghệ ít thay đổi từ nhà máy này sang nhà máy khác, sự khác nhau có thể chỉ là sự áp dụng phương pháp lên men nổi hay lên men chìm. Nhưng sự khác nhau cơ bản là vấn đề sử dụng nước cho quá trình rửa chai, máy móc, nhà xưởng… Điều đó dẫn đến tải lượng nước thải và hàm lượng các chất ô nhiễm của các nhà máy bia rất khác nhau. Ở các nhà máy bia có biện pháp tuần hoàn nước và công nghệ rửa tiết kiệm nước thì lượng nước thấp, như ở Cộng Hoà Liên Bang Đức nước sử dụng và nước thải bia như sau: [4] - Định mức nước cấp: 4 – 8 m3/1000lít bia, tải lượng nước thải 2,5 – 6 m3/1000 lit bia. - Tải trọng BOD5: 3 – 6 kg/1000 lít bia; tỷ lệ BOD5/COD = 0,55 – 0,7. - Hàm lượng các chất ô nhiễm trong nước thải như sau: BOD5 = 1100 đến 1500 mg/l; COD = 1800 – 3000 mg/l; - Tổng nitơ = 30 đến 100 mg/l; tổng photpho = 10 đến 30 mg/l. Với các biện pháp sử dụng nước hiệu quả nhất thì định mức nước thải của nhà máy bia không thể thấp hơn 2 – 3 m3/1000 lít bia sản phẩm. Trung bình lượng nước thải ở nhiều nhà máy bia lớn gấp 10 đến 20 lần lượng bia sản phẩm. [4] Rosenwinker đã đưa ra kết quả phân tích đặc tính nước thải của một số nhà máy bia như bảng sau: Bảng 1.6. Đặc tính nước thải của một số nhà máy bia [4] Thông số Đơn vị Nhà máy I Nhàmáy II Nhà máy III pH - 5,7 – 11,7 - - BOD5 mg/l 1220 775 1622 COD mg/l 1909 1220 2944 SS mg/l 634 - - Nito tổng mg/l 79,2 19,2 - Photpho tổng mg/l 4,3 7,6 - Tải lượng nước thải m3/1000lít bia - 3,2 - Tải trọng ô nhiễm kgBOD5/1000 lít bia - 3,5 - Lưu lượng dòng thải và đặc tính dòng thải trong công nghệ sản xuất bia còn biến đổi theo chu kì và mùa sản xuất [4]. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 13 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. Bảng 1.7. Đặc trưng nước thải một số cơ sở sản xuất bia trên địa bàn Hà Nội 2007 [5] Tên cơ sở Năng suất tr.l/năm COD mg/l BOD5 mg/l T-N T-P SS mg/l pH Sản phẩm 1. Công ty bia Hà Nội 50 1305 948 15 4,5 226 7,15 Bia hơi,bia lon, bia chai 2. Công ty bia Đông Nam Á 14 853 526 2,7 5,27 337 9,25 Bia chai, bia lon 3.Công ty bia Việt Hà 12 1374 1055 6 3 356 5,54 Bia hơi 4. Nhà máy bia Capital 2,5 1042 745 - - 199 7,03 5. Xưởng bia vi sinh I 0,5 1004 873 - - 241 6,15 6. Công ty bia Quảng Ninh 11 1300 832 6,4 1,25 390 8,5 Bảng 1.8. Thành phần nước thải sản xuất bia của một số Công ty năm 2002 [6] TT Chỉ tiêu Nước thải trước xử lý 1 pH 6-9,5 2 Hàm lượng cặn lơ lửng, mg/l 150-300 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 14 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. 3 BOD5, mg/l 700-1500 4 COD, mg/l 850-1950 5 Tổng Nitơ (TN) 15-45 6 Tổng Phốtpho (TP) 4,9-9,0 7 Coliform, MPN/100 ml <10.000 Ghi chú: Theo các số liệu nghiên cứu tại công ty Bia ong Thái Bình, Công ty Bia Nghệ An, Nhà máy Bia NADA, nhà máy Bia Hạ Long... Công nghiệp sản xuất bia tạo nên một lượng lớn nước thải xả vào môi trường. Hiện nay tiêu chuẩn nước thải tạo thành trong quá trình sản xuất bia là 8 – 14 lít nước thải/ lít bia, phụ thuộc vào công nghệ và các loại bia sản xuất [6]. Do có hàm lượng chất hữu cơ cao, cặn lơ lửng lớn, nước thải sản xuất bia gây mùi hôi thối, lắng cặn, giảm nồng độ oxy hoà tan trong nước nguồn khi tiếp nhận chúng. Mặt khác, các muối nitơ, phốtpho... trong nước thải bia dễ gây hiện tượng phú dưỡng cho các thuỷ vực. Vì vậy các loại nước thải này cần phải xử lý trước khi xả ra nguồn nước tiếp nhận. I.2.1.2. Hiện trạng xử lý [1,4]  Các biện pháp ngăn ngừa, giảm thiểu nước thải Để giảm lượng nước thải và các chất gây ô nhiễm nước thải trong công nghệ sản xuất bia, có thể thực hiện các biện pháp sau: - Phân luồng các dòng thải để có thể tuần hoàn sử dụng các dòng ít hoặc không gây ô nhiễm như nước làm lạnh, nước ngưng. - Sử dụng các thiết bị rửa cao áp như súng phun tia hoặc rửa khô để giảm lượng nước rửa. - Hạn chế rơi vãi nguyên liệu, men, hoa houblon và thu gom kịp thời bã men, bã malt, bã hoa và bã lọc để hạn chế ô nhiễm cho dòng nước rửa sàn. Thực tế hiện nay, tại các công ty bia lớn đang sử dụng hệ thống CIP vệ sinh nên đã giảm đáng kể lượng nước vệ sinh các thiết bị, cũng như giảm lượng hóa chất cho quá trình rửa.  Xử lý nước thải Do đặc tính nước thải của công nghệ sản xuất bia có chứa hàm lượng các chất hữu cơ cao ở trạng thái hoà tan và lơ lửng, trong đó chủ yếu là hiđratcacbon, protêin và các axit hữu cơ, đây là các chất có khả năng phân huỷ sinh học, tỷ lệ giữa BOD và COD trong khoảng 0,5 – 0,7 nên thích hợp với phương pháp xử lý sinh học. Hơn nữa, do nước thải bia có COD, BOD5 cao nên khó xử lý trực tiếp bằng phương pháp sinh học hiếu khí mà thường kết hợp xử lý yếm khí trước rồi qua xử lý hiếu khí. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 15 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. Đây là công nghệ đang được ứng dụng phổ biến xử lý nước thải ngành công nghiệp thực phẩm nói chung và ngành bia nói riêng cho hiệu quả tốt và ổn định. Hiện nay, hầu hết các nhà máy bia đều có hệ thống xử lý nước thải. Tuy nhiên, không phải nhà máy nào cũng xử lý nước ra đạt tiêu chuẩn. Vì vậy, vấn đề môi trường phát sinh từ ngành bia cần được quan tâm và khắc phục. I.2.2. Khí thải [1]  Bụi Bụi có thể được tạo ra tại công đoạn tiếp nhận, vận chuyển và nghiền malt, nghiền gạo đặc biệt là hệ thống nghiền khô. Trong phân xưởng nghiền, bụi có thể thu hồi bằng hệ thống hút và lọc bụi. Bụi là thành phần giàu chất hòa tan, tuy nhiên chủ yếu là các chất có thể gây ảnh hưởng xấu cho sản phẩm.  Khí thải nồi hơi Chủ yếu là khí thải phát sinh từ quá trình đốt nhiên liệu là dầu FO chạy nồi hơi. Các chất ô nhiễm trong khí thải của lò hơi SO2, NOx, CO, VOX. Do vậy, các nhà máy cần xây dựng hệ thống xử lý khí thải nhằm đảm bảo chất lượng khí thải trước khi thải ra môi trường bên ngoài.  Khí CO2 Khí CO2 sinh ra ở công đoạn lên men nhưng khí này thường được thu hồi bằng hệ thống thu hồi CO2 để làm nguồn cung cấp gas cho bia thành phẩm và bán để làm bình cứu hỏa.  Tác nhân lạnh Hiện nay, các nhà máy đang sử dụng những loại tác nhân lạnh như NH3, Glycol, CFC. Tuy nhiên, người ta đã xác định được tác hại to lớn của CFC đến môi trường, đây là khí gây hiệu ứng nhà kính và là tác nhân làm suy giảm tầng ozone vì vậy mà hiện nay CFC được thay thế bằng các tác nhân lạnh khác.  Khí thải từ nhà nấu Trong quá trình đun sôi dịch đường, thành phần các chất dễ bay hơi trong dịch đường và hoa houblon bay hơi thường tạo ra các mùi đặc trưng cho không gian xung quanh nhà nấu. Để giảm lượng khí tạo ra từ nhà nấu, người ta có thể sử dụng các hệ thống ngưng tụ hơi lắp đặt trên các nồi nấu và được nén lại nhờ các máy nén khí. I.2.3. Chất thải rắn I.2.3.1. Chất thải rắn sinh hoạt Rác thải sinh hoạt sinh ra do các hoạt động sinh hoạt của cán bộ công nhân viên trong Nhà máy bao gồm 2 loại: - Loại cứng: vỏ đồ hộp, vật dụng, bao bì nhựa, thủy tinh… Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 16 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. - Loại mềm: thức ăn thừa, vỏ trái cây, giấy, nilon… Ước tính khoảng 0,3 kg/người.ngày [1], như vậy lượng chất thải rắn sinh hoạt sẽ là: 250 người x 0,3 = 75 kg/ngày. Các thành phần này được tập trung lại một cách riêng lẻ, được bán hoặc được loại bỏ. I.2.3.2. Chất thải rắn công nghiệp ( Bảng 1.9) Bảng 1.9. Thành phần và định mức CTR của công nghiệp sản xuất bia [1] Loại chất thải Lượng trung bình (kg/hl bia) Bã malt và hoa houblon 18,86 Men thừa 2,64 Cặn nóng 1,42 Cặn nguội 0,22 Cặn khoáng 0,62 Bụi malt 0,12 Nhãn/ giấy 0,29 Các chất bao gói 0,04  Bã malt và hoa houblon [1] Cứ 100 kg malt nghiền nhỏ có thể tạo ra 110 – 130 kg bã malt đại mạch có độ ẩm 70 – 80% hay khoảng 20 kg/100 lít bia thành phẩm. Vì vậy có thể ước lượng, hàng năm có khoảng 200 tấn bã malt ẩm tương ứng với lượng bia thành phẩm là 1 triệu lít. Bã malt với nhiều thành phần dinh dưỡng nên thường được dùng làm thức ăn gia súc. Để tăng khả năng bảo quản thành phần sản phẩm phụ này và hạn chế chi phí cho vận chuyển, người ta có thể sấy bã malt thành dạng khô. Khác so với bã malt, bã hoa houblon sau quá trình đun sôi thường được loại bỏ, hiếm khi người ta thu hồi bã hoa để tái sử dụng vào bất kì mục đích gì. Vì thế, hầu hết trong các nhà máy bia, người ta thường nghiền nhỏ hoa hoặc sử dụng các chế phẩm hoa cao và hoa viên để giảm nhân công cho công đoạn lọc bã hoa sau quá trình đun hoa. Sau đun hoa, bã hoa sẽ được tách ra trong thiết bị lắng xoáy. Bao bì chứa các chế phẩm hoa như lon thiếc hoặc giấy thiếc được gom tập trung để xử lý.  Cặn nóng Cặn nóng hình thành được tách ra ở thiết bị lắng xoáy, đôi khi được tách ra ở các thiết bị phân tách đặc biệt hoặc ở thùng lắng. Nói chung trong cặn tách ra vẫn còn chứa một phần dịch đường cần được thu hồi lại. Vì thế, ở nhiều nhà máy, người ta đã sử dụng dịch chứa cặn này để làm nước rửa bã nhằm tận thu lượng chất chiết trong dịch đường này, đồng thời làm giàu protein trong bã malt. Tuy nhiên, công đoạn này có thể ảnh hưởng đến chất lượng của dịch đường và để hạn chế ảnh hưởng Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 17 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. đến chất lượng của bia, người ta thường không tận dụng lượng dịch đường còn lại trong bã. [1]  Nấm men thừa Một số lượng lớn nấm men giống sau khi sử dụng còn thừa lại, nếu không được xử lý có thể sẽ dẫn tới sự thối rữa và gây ô nhiễm môi trường. Thông thường, từ 1 triệu lít bia một năm có thể tạo ra 15 – 18 tấn bã men cần được xử lý [1]. Giải pháp tốt nhất là tận dụng nguồn dinh dưỡng giàu vitamin và protein này để làm thức ăn gia súc. Bã men phải được sấy khô nhanh chóng để bảo quản, đồng thời giảm những tác động của chúng đối với hệ vi sinh và hệ thống tiêu hóa của gia súc. Một hướng khác có thể được quan tâm đó là sử dụng nấm men trong ngành dược phẩm.  Bã chất trợ lọc Từ 100 lít bia sau lọc thường tạo ra 500g bùn trợ lọc. Nếu tính cho 1 triệu lít bia trong một năm, sẽ có 5 tấn bùn trợ lọc. [1] So với cách xử lý xả thẳng vào hệ thống nước thải như nhiều nhà máy bia hiện nay vẫn đang sử dụng, biện pháp xử lý lại bột trợ lọc đòi hỏi tốn nhiều nhân công và chi phí. Trong đó, bột trợ lọc có thể được gia nhiệt trở lại và thay thế cho 50% lượng bột mới sử dụng để lọc bia. Nhiều nhà máy bia chỉ xử lý bằng cách đổ bùn trợ lọc thành đống lớn. Nước trong bùn sẽ thoát ra và hạn chế sự dàn trải của bùn trợ lọc trên mặt đất. Chất trợ lọc trong các bể lắng hoặc trong các đường ống lâu ngày sẽ bám cứng và rất khó loại bỏ. Một số giải pháp xử lý hiện nay là ép bùn trợ lọc sao cho giảm lượng nước xuống dưới 50% bằng máy sấy dạng băng và máy ép lọc. Sản phẩm khô sau quá trình này có thể sử dụng làm phân bón nông nghiệp vì có thành phần nấm men bám theo. Hiện nay, người ta cũng có thể sử dụng bột trợ lọc thải để dùng trong công nghiệp xây dựng như sản xuất gạch, xi măng.  Nhãn mác Với hệ thống rửa chai công suất 1 triệu lít bia trên năm, có thể thải ra 1,5 tấn nhãn chai [1]. Số lượng này có thể tăng lên phụ thuộc loại nhãn và số nhãn sử dụng trên chai. Nhãn loại ra từ máy rửa chai được tách ra và được ép để thu hồi lượng kiềm dính trên nhãn. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 18 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. Việc loại bỏ nhãn đòi hỏi tốn nhiều năng lượng để tuần hoàn kiềm trong máy rửa chai đồng thời chỉ thu được bột nhão giấy khó thu hồi và tái sử dụng. Vì thế, nhãn này chủ yếu được chất thành đống.  Chai vỡ Lượng chai vỡ trong nhà máy phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của thủy tinh. Có thể giả định rằng với thủy tinh chất lượng trung bình, hàng năm có khoảng 3,5 tấn vụn thủy tinh từ các bao bì thu hồi lại được tạo ra tương ứng với công suất 1 triệu lít. [1] Những chai bia vỡ được tập trung vào các khu chứa và được gửi trả lại nhà máy thủy tinh để tái chế.  Lon bia Lon bia rỗng, do vỏ mỏng nên dễ bị hư hỏng. Người ta đã ước lượng có khoảng 3 – 4% lon bia không thể sử dụng để chiết và bị loại ra [1]. Các lon được ép và gửi lại nhà sản xuất để tái chế. I.2.3.3. Các chất thải thứ yếu khác - Bìa cứng và bìa cacton đóng hộp - Giấy thải từ phòng quản lý và sản xuất - Kim loại và nhựa thải - Gỗ vụn, lốp xe cũ - Mỡ và chất béo - Dung môi… Các thành phần này được tập trung lại một cách riêng lẻ, được bán hoặc được loại bỏ.  Bên cạnh đó, bùn thải phát sinh trong quá trình xử lý nước thải định kỳ được hút và mang đi chôn lấp bởi Công ty Môi trường Đô thị của địa phương hoặc cũng có thể làm nguồn phân bón cho cây vì thành phần bùn thải chủ yếu là chất hữu cơ, không có kim loại nặng hay các chất độc hại. I.2.4. Các nguồn ô nhiễm khác  Ô nhiễm nhiệt Nhiệt độ môi trường làm việc ở nhà máy bia có thể chia làm 2 loại ảnh hưởng tới sức khỏe con người và môi trường như sau: - Vùng nhiệt độ thấp: Trong phân xưởng lên men, khoảng 6 – 80C - Vùng nhiệt độ cao: Trong khu vực lò hơi, phân xưởng nấu… Do vậy, cần bố trí hệ thống thông gió tốt để thoát nhiệt.  Ô nhiễm tiếng ồn Nhìn chung, tiếng ồn tạo ra ở các vị trí sau: Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 19 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. - Trong phân xưởng nghiền - Trong phân xưởng đóng chai - Gần máy nén chất làm lạnh và không khí - Gần thiết bị ngưng tụ hơi - Gần máy nén hơi Để giảm tiếng ồn phát ra, có thể sử dụng các biện pháp sau: - Lựa chọn vật liệu xây dựng: tường đôi cách âm, cửa sổ kín - Lắp đặt thiết bị giảm âm ở phân xưởng chiết chai - Hạn chế sử dụng tường ghép - Làm vỏ cách âm ở những máy gây ồn lớn. Công nghiệp sản xuất Bia là một trong những ngành công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế cả nước. Ngoài việc giải quyết việc làm cho hàng vạn lao động, còn đóng góp một phần không nhỏ cho ngân sách Nhà nước. Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích to lớn đó, vấn đề chất thải cần phải được quan tâm, đặc biệt là nước thải. Công nghiệp sản xuất Bia là một trong những ngành sản xuất sử dụng lượng nước khá lớn. Do đó, lượng nước thải phát sinh trong quá trình sản xuất cần phải được xử lý một cách hiệu quả. I.3. GIỚI THIỆU CÔNG TY CỔ PHẦN BIA SÀI GÒN – MIỀN TRUNG I.3.1. Giới thiệu sơ lược về Công ty bia Sài Gòn – Miền Trung 1. Tên công ty và vị trí địa lý Tên Công ty : CÔNG TY CỔ PHẦN BIA SÀI GÒN MIỀN TRUNG - BÌNH ĐỊNH Trụ sở giao dịch : KCN Phú Tài – TP Quy Nhơn - tỉnh Bình Định Điện thoại : 056.3841.392 hoặc 056.3841.369 Fax : 056.3841.520 Email : info@sqb.com.vn Website : www.sqb.com.vn Người đại diện theo pháp luật của Công ty: Chức danh : Tổng Giám đốc Họ và tên : Ông Nguyễn Ngọc Triêm. Công ty Bia Sài Gòn Miền Trung- Bình Định nằm ở khu công nghiệp Phú Tài – TP Quy Nhơn - tỉnh Bình Định (thuộc khu vực 5, phường Trần Quang Diệu, TP Quy Nhơn, Bình Định). Vị trí của Nhà máy rất thuận lợi về giao thông, vận chuyển hàng hóa trong quá trình sản xuất, đồng thời cũng thuận tiện trong việc chuyên chở sản phẩm đi tiêu thụ ở các tỉnh Miền Trung và Tây Nguyên. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 20 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. Các hướng tiếp giáp của Công ty: - Hướng Đông : giáp đường Trung Tâm KCN - Hướng Tây : giáp đường nội bộ KCN - Hướng Nam : giáp Công ty giày da An Phú - Hướng Bắc : giáp khu đất trống và nhà dân. 2. Hiện trạng sản xuất và kế hoạch phát triển của Công ty Tiền thân của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung là Công ty bia Qui Nhơn. Công ty bia Qui Nhơn được khởi công xây dựng vào tháng 9 năm 1995 theo quyết định 5146/QĐUB ngày 25 tháng 7 năm 1994 của Ủy ban nhân dân tỉnh Bình Định, với công suất thiết kế ban đầu 5 triệu lít bia/năm. Tháng 10 năm 1998 Công ty tiến hành nâng công suất lên 10 triệu lít bia/năm và đã đi vào hoạt động tháng 3 năm 1999. Tháng 2 năm 2001 Công ty nâng công suất lên 20 triệu lít bia/năm. Năm 2005, công suất cực đại của Công ty là 50 triệu lít bia/năm và đổi tên thành Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung vào năm 2008. Hiện nay, điều kiện kinh doanh sản xuất của Công ty đang trên đà phát triển và có dự định nâng công suất lên 100 triệu lít bia/năm trong tương lai. Các loại sản phẩm và thị trường tiêu thụ Hiện nay sản phẩm của Công ty bao gồm: - Bia chai Qui Nhơn dung tích 330ml và 450ml. - Bia chai Sài Gòn dung tích 355ml (sản phẩm chủ yếu của nhà máy). - Bia chai Lowen dung tích 355ml. - Bia hơi. Bia Sài Gòn hiện nay đang là sản phẩm chủ yếu của Công ty. Nó được tiêu thụ ở các huyện trong tỉnh và các tỉnh lân cận như: Phú Yên, Quảng Ngãi, Gia Lai, KonTum, Đắklăk. Bia Lowen là sản phẩm cao cấp của Công ty do đó sản xuất với số lượng hạn chế, thị trường tiêu thụ cũng hạn chế. I.3.2. Hiện trạng xử lý nước thải tại Công ty Hiện tại Công ty đang vận hành trạm xử lý nước thải được xây dựng trên khuôn đất nằm ở phía Đông của nhà máy, theo tổng thể mặt bằng qui hoạch chung. Cao trình hoàn thiện tại vị trí xây dựng hệ thống xử lý nước thải rất thấp so với cao trình khu vực sản xuất của nhà máy. Tại vị trí xây dựng này, toàn bộ nước thải của nhà máy theo tuyến ống D400 tự chảy về khu xử lý. Lưu lượng thiết kế của trạm xử lý nước thải: - Lưu lượng nước thải thiết kế: Q = 1200 m3/ngày đêm, Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 21 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. - Lưu lượng trung bình: Qtb = 50 m3/h, - Lưu lượng cực đại: Qmax = 100 m3/h. Yêu cầu của nước thải sau xử lý: - Nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn cột A theo TCVN 5945 – 2005. - Nước thải sau xử lý theo đường cống thoát nước chung của khu công nghiệp thải ra sông Hà Thanh. Công nghệ xử lý nước thải được lựa chọn là công nghệ xử lý sinh học yếm khí (UASB) kết hợp với xử lý sinh học hiếu khí dạng mẻ (SBR). Do hệ thống xử lý nước thải được đầu tư tốt, công nghệ xử lý phù hợp với đặc trưng dòng thải; đồng thời được vận hành, theo dõi thường xuyên chất lượng nước đầu ra bỡi các kỹ sư chuyên ngành môi trường nên hiện tại trạm xử lý nước thải của công ty đang vận hành tốt, đáp ứng yêu cầu nước đầu ra theo tiêu chuẩn. I.3.3. Sự cần thiết phải xây dựng hệ thống xử lý nước thải mới Như đã trình bày ở phần trên, hiện tại hệ thống xử lý nước thải của công ty đang vận hành tốt, chất lượng nước đầu ra đảm bảo theo tiêu chuẩn thải nhưng hệ thống này đang xây dựng với lưu lượng nước thải trung bình 1200 m3/ngày đêm (cực đại 2400 m3/ngày đêm). Khi nâng công suất của nhà máy lên 100 triệu lít bia/năm, lượng nước thải cực đại theo ước tính sơ bộ là 4000 m3/ngày đêm. Khi đó, hệ thống xử lý nước thải hiện tại sẽ không đáp ứng được yêu cầu. Vì thế cần thiết phải xây dựng hệ thống xử lý nước thải mới với lưu lượng thiết kế và đặc trưng dòng thải mới để đạt hiệu quả xử lý tốt. Công nghệ xử lý, tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải mới này được trình bày cụ thể ở các chương sau trong đồ án. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 22 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC NƯỚC THẢI. Do đặc tính nước thải của công nghệ sản xuất bia có chứa hàm lượng các chất hữu cơ cao ở trạng thái hòa tan và trạng thái lơ lửng, trong đó chủ yếu là hidratcacbon, protein và các axit hữu cơ, là các chất có khả năng phân hủy sinh học. Tỉ lệ giữa BOD5 và COD nằm trong khoảng từ 0,5 – 0,7 nên chúng thích hợp với phương pháp xử lý sinh học. Nước thải trước khi đưa vào xử lý sinh học cần qua các phương pháp xử lý cơ học, hóa học, hóa lý để loại bỏ các tạp chất thô, các thành phần gây bất lợi cho phương pháp xử lý sinh học. Cụ thể từng phương pháp được trình bày dưới đây. II.1. Các phương pháp hỗ trợ cho phương pháp xử lý sinh học nước thải II.1.1. Phương pháp cơ học [7] Phương pháp xử lý cơ học thường là giai đoạn đầu tiên trong dây chuyền công nghệ xử lý nước thải (giai đoạn tiền xử lý), có nhiệm vụ loại ra khỏi nước thải tất cả các vật có thể gây tắc nghẽn đường ống, làm hư hại máy bơm và làm giảm hiệu quả xử lý cho các giai đoạn sau, cụ thể: - Loại bỏ hoặc cắt nhỏ những vật nổi lơ lửng có kích thước lớn trong nước thải như mảnh gỗ, nhựa, gạc bông, giẻ rách, vỏ hoa quả… - Loại bỏ cặn nặng như cát, sỏi, mảnh thủy tinh, mảnh kim loại… - Loại bỏ phần lớn dầu mỡ. Các công trình bố trí trong giai đoạn tiền xử lý gồm song chắn rác, lưới chắn rác, thiết bị nghiền, cắt vụn rác (nếu cần), bể lắng cát, bể điều hòa, tách dầu mỡ, lọc cơ học… Nước thải công nghiệp sản xuất bia có chứa mảnh thủy tinh vỡ (chai vỡ), nhãn giấy, nút chai, hàm lượng chất lơ lửng cao (400 – 800 mg/l)… nên cần phải qua giai đoạn xử lý cơ học trước khi sang các giai đoạn xử lý tiếp theo. II.1.2. Phương pháp hóa học – hóa lý [8] Cơ sở của phương pháp hóa học là các phản ứng hóa học, các quá trình hóa lý diễn ra giữa chất bẩn với hóa chất cho thêm vào. Các phương pháp hóa học như oxi hóa, trung hòa, trao đổi ion, đông keo tụ, khử trùng; còn các phương pháp hóa lý như tuyển nổi, hấp phụ… + Phương pháp trung hoà, điều chỉnh pH Nước thải thường có những giá trị pH khác nhau. Muốn nước thải được xử lý tốt bằng phương pháp sinh học phải tiến hành trung hòa và điều chỉnh pH về vùng 6,5 – 7,5. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 23 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. Trung hoà có thể thực hiện bằng trộn dòng thải có tính axit với dòng thải có tính kiềm hoặc sử dụng các hoá chất như: H2SO4, NaOH, NaHCO3, Na2CO3, CaO, Ca(OH)2, MgO, CaCO3… Điều chỉnh pH thường kết hợp ở bể điều hoà hay bể keo tụ. Đặc trưng chung nước thải ngành bia có giá trị pH kiềm tính do dòng thải của quá trình rửa chai có độ pH cao. Mặt khác, nước vệ sinh các thiết bị trong nhà xưởng cũng chứa axit nên có sự dao động pH qua từng công đoạn. Vì vậy, cần phải điều chỉnh pH về giá trị thích hợp cho xử lý sinh học phía sau; công đoạn này được thực hiện kết hợp trong bể điều hòa. + Keo tụ Keo tụ là một hiện tượng làm mất sự ổn định của các hạt huyền phù dạng keo để cuối cùng tạo ra các cụm hạt khi có sự tiếp xúc giữa các hạt. Người ta sử dụng các loại phèn nhôm, phèn sắt hoặc hỗn hợp hai loại phèn này để làm chất keo tụ. Hiện nay, thông thường người ta cho thêm các chất trợ keo như polymer hữu cơ để tăng cường quá trình tạo bông và lắng như polyacrylamit. Nó tan trong nước và có tác dụng như những cầu nối kết hợp các hạt phân tán nhỏ thành tập hợp hạt lớn có khả năng lắng tốt hơn. Vì vậy, việc bổ sung thêm chất trợ keo tụ sẽ giúp giảm liều lượng các chất keo tụ, giảm thời gian keo tụ và nâng cao tốc độ lắng các bông keo. Đối với nước thải ngành bia thì phương pháp này không thích hợp vì trong nước thải bia, hàm lượng các chất hữu cơ ở trạng thái hòa tan và trạng thái lơ lửng cao mà các chất này không thích hợp cho phương pháp keo tụ. + Hấp phụ Hấp phụ có nghĩa là sự chuyển dịch một phân tử từ pha lỏng đến pha rắn. Phương pháp này được dùng để loại bỏ các chất bẩn hòa tan trong nước mà phương pháp xử lý sinh học cùng các phương pháp khác không loại bỏ được với hàm lượng rất nhỏ. Thông thường đây là các hợp chất hòa tan có độc tính cao hoặc các chất có mùi, vị và màu rất khó chịu. Các chất hấp phụ thường dùng là than hoạt tính, đất sét hoạt tính, silicagen, keo nhôm… Trong đó than hoạt tính được sử dụng phổ biến nhất. Các chất ô nhiễm trong nước thải bia là những chất có khả năng phân hủy sinh học. Hiệu quả khử các chất này bằng phương pháp sinh học tương đối dễ nên không cần sử dụng phương pháp hấp phụ. + Tuyển nổi Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 24 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc: các phần tử phân tán trong nước có khả năng tự lắng kém, nhưng có khả năng kết dính vào các bọt khí nổi lên trên bề mặt. Sau đó người ta tách các bọt khí cùng các phần tử dính ra khỏi nước. Phương pháp tuyển nổi được dùng rộng rãi trong luyện kim, thu hồi khoáng sản quý và cũng được dùng trong xử lý nước thải để tách các hạt keo lơ lửng, tách dầu mỡ... Tuy nhiên, đối với nước thải ngành bia, do hàm lượng các chất lơ lửng không cao lắm và khả năng tự lắng tương đối tốt nên phương pháp tuyển nổi hầu như không được áp dụng. +Trao đổi ion Trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với các ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau. Các chất này gọi là các ionit và chúng hoàn toàn tan trong nước. Phương pháp này được dùng để loại các ion kim loại cũng như các chất chứa asen, xianua, chất phóng xạ ra khỏi nước; đồng thời nó còn được dùng phổ biến để làm mềm nước, loại ion Ca2+, Mg2+ ra khỏi nước cứng. Đối với nước thải bia thì phương pháp này hầu như không được sử dụng. + Khử trùng Dùng các chất có tính độc đối với vi sinh vật, tảo, động vật nguyên sinh, giun, sán... để làm sạch nước, đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh đổ vào nguồn tiếp nhận hoặc tái sử dụng. Khử trùng có thể dùng các hóa chất hoặc tác nhân vật lý như ozon, tia tử ngoại. Các chất khử trùng thường dùng nhất là khí hoặc nước clo, nước Javen, vôi clorua, các hypoclorit, cloramin B... Trong quá trình xử lý nước thải, công đoạn khử trùng thường được đặt ở cuối quá trình. Đối với nước thải ngành bia, sau khi qua các phương pháp xử lý cơ học, hóa học, hóa lý và sinh học thì hàm lượng các vi sinh vật gây bệnh đã giảm đáng kể nhưng để đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh đổ vào nguồn hoặc tái sử dụng thì cần phải qua bước khử trùng cuối cùng. II.2. Giới thiệu các phương pháp xử lý sinh học nước thải Phương pháp sinh học là sử dụng các vi sinh vật để phân giải các chất ô nhiễm hữu cơ có trong nước thải. Vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số khoáng chất làm nguồn dinh dưỡng để xây dựng tế bào, đồng thời tổng hợp năng lượng cho quá trình sống. Nhờ hoạt động sống của vi sinh vật, các chất ô nhiễm được chuyển hoá và nước thải được làm sạch. Quá trình xử lý sinh học nước thải có thể chia làm hai quá trình là phân huỷ yếm khí và phân huỷ hiếu khí; có thể xử lý trong điều kiện tự nhiên hay trong điều kiện nhân tạo. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 25 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. II.2.1. Phương pháp xử lý sinh học nước thải trong điều kiện tự nhiên [8] Cơ sở của phương pháp xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên là dựa vào hoạt động sống của hệ vi sinh vật có trong đất, nước mặt để chuyển hoá các hợp chất ô nhiễm.  Xử lý nước thải trong hồ sinh học Thực chất của quá trình xử lý này là sử dụng khu hệ vi sinh vật (vi khuẩn, tảo, nguyên sinh vật…) tự nhiên có trong nước mặt để làm sạch nước. Hồ sinh học là dạng xử lý trong điều kiện tự nhiên được áp dụng rộng rãi hơn cả vì có những ưu điểm như: tạo dòng nước tưới tiêu và điều hòa dòng thải, điều hoà vi khí hậu trong khu vực, không yêu cầu vốn đầu tư, bảo trì, vận hành và quản lý đơn giản, hiệu quả xử lý cao. Tuy nhiên, nhược điểm của hồ sinh học là yêu cầu diện tích lớn và khó điều khiển được quá trình xử lý, nước hồ thường có mùi khó chịu đối với khu vực xung quanh. Theo nguyên tắc hoạt động của hồ và cơ chế phân giải các chất ô nhiễm mà người ta chia ra làm 3 loại hồ: a. Xử lý nước thải bằng hồ hiếu khí: Hồ hiếu khí làm sạch nước bằng quá trình oxi hoá nhờ các vi sinh vật hiếu khí và hô hấp tuỳ tiện có trong nước. Nhu cầu oxi cho quá trình oxi hoá được đáp ứng nhờ khuếch tán bề mặt hoặc làm thoáng nhân tạo. Ở hồ làm thoáng tự nhiên, oxi không khí dễ dàng khuếch tán vào lớp nước phía trên và ánh sáng mặt trời chiếu rọi, làm cho tảo phát triển tiến hành quang hợp thải ra oxi. Để đảm bảo ánh sáng qua nước, chiều sâu của lớp nước phải nhỏ, thường là 30 – 40cm, do chiều sâu nhỏ nên thường thì diện tích lớn. Thời gian lưu nước từ 3 – 12 ngày. Ở hồ làm thoáng nhân tạo nguồn cung cấp oxi cho vi sinh vật hiếu khí là các thiết bị khuấy trộn cơ học hoặc nén khí. Nhờ vậy, mức độ hiếu khí trong hồ thường mạnh hơn, đều hơn và độ sâu của hồ cũng lớn hơn (2 – 4,5m). Thời gian lưu nước trong hồ khoảng 1 – 3 ngày. b. Xử lý nước thải bằng hồ kỵ khí Dùng để lắng và phân hủy cặn bằng phương pháp sinh hóa tự nhiên dựa trên cơ sở sống và hoạt động của loại vi sinh vật kỵ khí. Loại hồ này dùng để xử lý nước thải công nghiệp có độ nhiễm bẩn cao. Trong quá trình xử lý sinh mùi thối khó chịu nên cần đặt cách xa nhà máy. Để duy trì điều kiện kỵ khí thì chiều sâu hồ phải lớn, thường lấy bằng 2,4 – 3,6m. c. Xử lý nước thải bằng hồ tùy nghi Hồ sinh học tùy tiện sâu từ 1,5 – 2m. Ngoài tầng hiếu khí phía trên hồ còn có các tầng kỵ khí tùy tiện, kỵ khí lớp bùn cặn lắng phía dưới. Thời gian lưu nước trong hồ từ 3 – 5 ngày. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 26 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. Oxi cung cấp cho quá trình chuyển hóa chất hữu cơ trong hồ chủ yếu là do quang hợp của tảo và khuếch tán từ không khí qua bề mặt hồ. Ngoài ra các vi khuẩn tùy tiện hoặc vi khuẩn kỵ khí còn sử dụng oxi liên kết từ nitrit, nitrat, sunphat… để oxi hóa chất hữu cơ.  Các phương pháp xử lý sinh học nước thải trong điều kiện tự nhiên nhìn chung khó thực hiện được là vì: - Diện tích xây dựng quá lớn, - Ô nhiễm môi trường xung quanh, - Mùa mưa sẽ khó xử lý và nước thải chảy tràn ra sông, - Vi sinh vật gây bệnh cao, - Tuổi thọ công trình thấp. II.2.2. Phương pháp xử lý sinh học nước thải trong điều kiện nhân tạo II.2.2.1. Cơ sở lý thuyết quá trình xử lý sinh học yếm khí [7, 8, 9, 10, 11] Xử lý sinh học yếm khí là một trong những quá trình được sử dụng để xử lý bùn và nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao (BOD > 1800mg/l, SS = 300 -400mg/l), sản phẩm cuối cùng là CH4, CO2.  Nguyên lý của phương pháp Xử lý sinh học bằng vi sinh yếm khí là quá trình phân huỷ các chất hữu cơ, vô cơ có trong nước thải khi không có oxi. Phương pháp này dùng để ổn định cặn và xử lý nước thải công nghiệp có nồng độ COD, BOD cao. Quá trình phân hủy các chất thực hiện nhờ các chủng vi khuẩn kị khí bắt buộc và kị khí không bắt buộc.  Cơ chế của quá trình xử lý yếm khí Cơ chế phân giải yếm khí: Chất ô nhiễm CH4+CO2+H2S+E Quá trình phân hủy các chất hữu cơ là quá trình phức tạp trong môi trường không có không khí, gồm nhiều giai đoạn và sản phẩm cuối cùng là CH4, CO2, H2S, NH3… Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân Các hợp chất hữu cơ phân tử lượng lớn như protein, gluxit, lipit... bị phân hủy dưới tác dụng của các Enzym hydrolaza của vi sinh vật thành các chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ như đường đơn, axit amin, axit hữu cơ, peptit, glyxerin... Trong giai đoạn này, các hợp chất gluxit phân tử lượng nhỏ, các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ (protein) phân hủy nhanh hơn, trong khi các hợp chất hữu cơ có phân tử lượng lớn như tinh bột, các axit béo được phân hủy chậm, đặc biệt là cellulose và lignocellulose chuyển hóa rất chậm và không triệt để do cấu trúc phức Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 Chuyển hóa yếm khí 27 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. tạp. Các vi sinh vật tham gia vào quá trình thủy phân phụ thuộc vào các chất ô nhiễm đầu vào và các đặc trưng khác của nước thải. Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men axit hữu cơ Các sản phẩm thủy phân sẽ được các vi sinh vật hấp thụ và chuyển hóa trong điều kiện yếm khí. Sản phẩm phân giải là các axit hữu cơ phân tử lượng nhỏ như axit propionic, axit butyric, axit lactic..., các chất trung tính như rượu, andehyt, axeton. Ngoài ra, một số khí cũng được tạo thành như CO2, H2, H2S, một lượng nhỏ CH4... Thành phần của các sản phẩm trong giai đoạn lên men phụ thuộc vào bản chất các chất ô nhiễm, tác nhân sinh học và điều kiện môi trường. Đặc biệt trong giai đoạn này, nitơ được chuyển thành NH4+ một phần nhỏ được sử dụng để xây dựng tế bào, phần còn lại tồn tại trong nước thải dưới dạng NH4+. Giai đoạn 3: Giai đoạn lên men axit axetic Các sản phẩm lên men phân tử lượng lớn như axit béo, axit lactic... sẽ được từng bước chuyển hóa thành axit axetic. - Chuyển hóa axit lactic: 3CH3-CHOH-COOH → 2CH3-CH2-COOH + CH3-COOH + CO2 + 2H2O - Oxy hóa liên kết β của các axit béo bằng cơ chế oxy hóa-khử: R – CH3CH2COOH + 2H2O → Rn-2 – COOH + CH3COOH Axit béo mạch dài Axit béo mạch ngắn Axit axetic Giai đoạn 4: Giai đoạn Mêtan hóa Mêtan hóa là giai đoạn quan trọng nhất của toàn bộ quá trình xử lý yếm khí. Dưới tác dụng của các vi khuẩn mêtan hóa, các axit hữu cơ, các chất trung tính... bị phân giải tạo thành khí metan. - Khoảng 30% khí CH4 tạo thành do quá trình khử CO2: + Khử CO2 bằng H2: CO2 + 4H2 VK→ CH4 + 2H2O + Khử CO2 bằng oxy hóa khử: - Khoảng 70% khí mêtan còn lại được tạo thành nhờ các quá trình Decacboxyl hóa các axit hữu cơ và các chất trung tính. + CH4 được tạo thành do Decacboxyl hóa axit axetic: CH3COOH → CH4 + CO2 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 4NADH 2 4NAD CO 2 CH 4 + 2H 2 O 28 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. + CH4 được hình thành do Decacboxyl hóa các axit hữu cơ khác: 4CH3-CH2-COOH + 2H2O → 7CH4 + 5CO2 2CH3-(CH2)2-COOH + 2H2O→ 5CH4 + 3CO2 + CH4 cũng có thể được hình thành do Decacboxyl các chất trung tính: 2C2H5OH → 3CH4 + CO2 CH3-CO-CH3 + H2O → 2CH4 + CO2  Tác nhân sinh học Trong phân giải yếm khí, các quá trình thủy phân và lên men xảy ra dưới tác dụng của nhiều chủng vi khuẩn khác nhau. Thành phần hệ vi sinh vật trong phân giải yếm khí phụ thuộc chủ yếu vào bản chất của các chất ô nhiễm có trong nước thải. - Vi sinh vật trong giai đoạn thủy phân và lên men axit hữu cơ: + Môi trường giàu xenlulo thường có các vi khuẩn: Bacillus, Pseudomonas, Alcaligenes. + Môi trường giàu protein: Bacillus, Clostridium, Proteus và E.Coli + Môi trường giàu lipit: Bacillus, Pseudomonas, Alcaligenes, Bacterioides. + Môi trường giàu tinh bột: Micrococus, Lactobacillus, Pseudomonas, Clostridium. Trong đó các chủng: Lactobacillus, Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Bacterioides chiếm đa số. Phần lớn các vi khuẩn thủy phân và lên men axit hữu cơ ít nhạy cảm với môi trường. Chúng có thể phát triển trong dải pH rộng từ 2 – 7. Tuy nhiên, pHopt = 5 – 7 ở nhiệt độ 33 – 400C. - Vi khuẩn axetogene: Vi khuẩn tạo axit axetic thường phát triển trong môi trường cùng với metan. Vi khuẩn Axetogene tạo H2 trong quá trình lên men nhưng lại bị chính sản phẩm này ức chế. Vì vậy, trong môi trường có các vi khuẩn metan sử dụng H2 hoặc H+ để khử CO2. Một số chủng vi khuẩn Axetogene có hiệu quả metan hóa cao như: + Syntrophobacter woloni, Syn. Wolfei, Syn. Buswweni. Nhiệt độ tối ưu là 33 – 400C, pH = 6 – 8. Hai nhóm vi khuẩn khác cũng có khả năng tạo axit axetic như: + Nhóm vi khuẩn khử sunphat: Selenomonosas, Clostridium và Dasolfovibrio. Trong môi trường hỗn hợp với vi khuẩn metan hóa tạo axit axetic. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 29 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. + Nhóm vi khuẩn Homoacetogen, tạo axit axetic từ CO2 và H2. 2CO2 + 4H2 → CH3-COOH + 2H2O Nhóm này có ý nghĩa đặc biệt vì chúng cạnh tranh H2 với vi khuẩn metan. - Vi khuẩn metan hóa: thuộc 2 nhóm chính + Nhóm ưa ấm (Mesophyl, lên men tạo CH4 ở 35 – 370C, pH=6,8 – 7,5): gồm Methanobacterium (trực khuẩn), Methanococcus (đơn cầu khuẩn), Methanosaccina (bát cầu khuẩn). + Nhóm ưa nóng (Thermophyl, lên men tạo CH4 ở 55 – 600C): gồm Methanobacillus, Methanospirillium, Methanothrix. Vi khuẩn lên men metan là những vi khuẩn yếm khí nghiêm ngặt. Chúng rất mẫn cảm với sự có mặt của O2. Do đó, thiết bị lên men phải kín, pHopt = 6,8 – 7,5.  Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học yếm khí - Nhiệt độ Đây là yếu tố điều tiết cường độ của quá trình bỡi vì nó ảnh hưởng tới hoạt động chuyển hóa của vi sinh vật. Nhiệt độ tối ưu cho toàn quá trình phụ thuộc vào chủng loại vi sinh vật. Trong thực tế, cả 2 nhóm ưa nóng và ưa ấm đều có khả năng phân hủy yếm khí. Dải nhiệt độ cho quá trình phân giải yếm khí rộng từ 30 – 600C. Tuy nhiên, nhiệt độ tối ưu cho mỗi quá trình còn phụ thuộc vào đặc tính ưa nhiệt của tác nhân sinh học. Bởi chỉ một khoảng biến động nhiệt độ nhỏ cũng ảnh hưởng tới hoạt lực của vi sinh vật. Với các vi sinh vật ưa nóng, khoảng nhiệt độ tối ưu của chúng từ 55 – 600C, còn với các vi sinh vật ưa ấm thì 33 – 370C. Để thu được hiệu suất tạo khí metan cao và ổn định thì phải ổn định nhiệt độ trong dải ưa ấm. - Độ pH Thiết bị phân hủy yếm khí được vận hành trong khoảng pH từ 6,6 – 7,6 với khoảng tối ưu từ 7 – 7,2. Mặc dù vậy, vi sinh vật axit hóa có thể chịu được pH = 5,5 nhưng ở giá trị này vi khuẩn metan hóa bị ức chế mạnh. Thiết bị phân hủy yếm khí cần được trang bị thiết bị đo và điều chỉnh pH khi cần thiết để đảm bảo ổn định độ pH của hệ thống ở giá trị trung tính. Nếu pH xuống thấp cần bổ sung kiềm hoặc ngừng cấp liệu để thiết bị tự điều chỉnh. - Nồng độ cơ chất Vi khuẩn thực hiện quá trình phân giải yếm khí có tốc độ tạo sinh khối rất nhỏ. Thực nghiệm cho thấy tỷ lệ C/N cần duy trì ở 30/1. Các yếu tố quan trọng khác như P, Ca, K, Na cũng cần bổ sung tùy theo thành phần và tính chất nước thải cần xử lý. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 30 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. - Tải trọng khối (Tk, kgCOD/m3/ngày) Tải trọng chất hữu cơ phụ thuộc vào tải lượng có trong nước thải, tải trọng thủy lực hay thời gian lưu. Khi tải lượng chất hữu cơ cao sẽ làm dư thừa các axit hữu cơ dẫn đến pH giảm, gây bất lợi cho vi khuẩn metan hóa. Tải lượng chất hữu cơ thấp sẽ không có lợi cho quá trình khí hóa. Thời gian lưu nước phụ thuộc vào đặc tính của nước thải và điều kiện môi trường. Thời gian lưu quá ngắn (tải trọng khối cao) sẽ không cho phép các vi khuẩn yếm khí, đặc biệt là vi khuẩn metan tiếp xúc và trao đổi với các chất ô nhiễm nên làm giảm hiệu quả xử lý; ngược lại thời gian lưu càng lâu càng có lợi cho hiệu quả tạo biogas và xử lý nước thải nhưng gây chi phí tốn kém. Thời gian tối ưu cho quá trình phân hủy yếm khí trong hệ thống UASB là 0,5 – 6 ngày. - Thế oxy hóa khử (hàm lượng H2) trong giai đoạn tạo axit axetic Lactat + H2O → axetat + 2H2 + CO2 + Q Etanol + H2O → axetat + 2H2 - Q Butyrat + H2O → axetat + 2H2 - Q Propionat + H2O → axetat + 3H2 + CO2 - Q Các phản ứng oxy hóa khử này sẽ được thực hiện khi không có các vi khuẩn có khả năng sử dụng H2. Thế oxy hóa khử ảnh hưởng tới quá trình phân giải yếm khí theo nguyên lý Le Chaterier về chuyển dịch cân bằng hóa học: “Mọi sự thay đổi của các yếu tố xác định trạng thái của một hệ cân bằng sẽ làm cho cân bằng chuyển dịch về phía chống lại những thay đổi đó”. Khí H2 sinh ra từ các phản ứng trên nếu không được giải phóng sẽ gây ra áp lực lớn (nồng độ cao), làm cho cân bằng chuyển dịch về phía không sinh ra H2 nữa và hiệu quả lên men axit axetic giảm xuống. Nhờ có quá trình metan hóa làm giảm nồng độ axetat, hơn nữa H2 được các vi khuẩn metan hóa sử dụng để khử CO2 tạo khí CH4 nên nồng độ khí H2 giảm, cân bằng sẽ chuyển dich theo hướng tạo ra sản phẩm axetat và H2. Nếu quá trình này diễn ra liên tục thì hiệu quả xử lý nước thải rất cao. - Các chất độc Các chất ức chế hoặc độc đối với các vi sinh vật phân giải yếm khí khá đa dạng: + Amon: Ức chế quá trình metan hóa. + Hydrocacbua halogen hóa: Ức chế quá trình metan hóa. + Hydrocacbua vòng thơm: Ảnh hưởng lớn tới nhóm vi khuẩn metan hóa. + Một số kim loại nặng. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 31 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN.  Đặc điểm thiết bị UASB Các dạng thiết bị xử lý yếm khí rất đa dạng và phong phú. Từ loại đơn giản như hầm Biogas đến phức tạp như thiết bị UASB. Các dạng xử lý yếm khí như: thiết bị yếm khí tiếp xúc, thiết bị yếm khí giả lỏng, thiết bị xử lý chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính dòng hướng lên (UASB), thiết bị dạng tháp đệm... Trong đó, UASB là dạng xử lý được sử dụng rộng rãi trong xử lý nhiều loại nước thải có nồng độ ô nhiễm chất hữu cơ cao; nó rất phù hợp cho xử lý nước thải bia. Cấu tạo Bể UASB được thể hiện trên hình vẽ 3.1. - Cấu tạo Bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) có thể làm bằng bê tông cốt thép hoặc bằng gạch, thường có mặt bằng hình chữ nhật, được cách nhiệt với bên ngoài. Để tách khí ra khỏi nước thải, trong bể gá thêm tấm phẳng đặt nghiêng so với phương ngang góc ≥ 35o. Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo bể UASB [7]. 1. Vùng phản ứng kị khí; 2. Vùng lắng cặn; 3. Cửa dẫn hỗn hợp bùn nước sau khi đã tách khí đi vào ngăn lắng; 4.Cửa tuần hoàn cặn; 5.Máng thu nước; 6. Nước sang Aeroten; 7. Khí sản phẩm thu được; 8. Ống dẫn hỗn hợp khí. - Nguyên tắc hoạt động Nước thải sau khi điều chỉnh pH theo ống dẫn vào hệ thống phân phối đều trên diện tích đáy bể. Nước thải từ dưới lên với vận tốc 0,6 – 0,9 m/s để giữ cho lớp bùn luôn ở trạng thái lơ lửng. Hỗn hợp bùn kị khí trong bể hấp thụ chất hữu cơ hòa tan trong nước thải, phân hủy và chuyển hóa chúng thành khí (70 – 80% mêtan, 20 – Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 32 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. 30% cácbonic) và nước. Các hạt bùn cặn bám vào các bọt khí được sinh ra nổi lên trên bề mặt làm xáo trộn và gây ra dòng tuần hoàn cục bộ trong lớp cặn lơ lửng. Khi hạt cặn nổi lên va phải tấm chắn phía trên bị vỡ ra, khí thoát lên trên cặn rơi xuống dưới. Hỗn hợp bùn nước đã tách hết khí được chuyển vào ngăn lắng. Hạt cặn trong ngăn lắng tách bùn lắng xuống đáy và tuần hoàn lại vùng phản ứng kị khí. Nước trong được thu vào máng và được dẫn sang bể xử lý đợt II (Aeroten). Khí biogas được thu về bình chứa rồi theo ống dẫn ra ngoài. Bùn trong bể được hình thành hai vùng rõ rệt: ở chiều cao khoảng 1/4 tính từ đáy lên, lớp bùn hình thành do các hạt cặn keo tụ có nồng độ từ 5000 – 7000 mg/l, phía trên lớp này là lớp bùn lơ lửng có nồng độ 1000 – 3000 mg/l gồm các bông cặn chuyển động giữa lớp bùn đáy và bùn tuần hoàn từ ngăn lắng rơi xuống. Bùn trong bể là sinh khối đóng vai trò quyết định trong việc phân hủy và chuyển hóa chất hữu cơ. Nồng độ cao của bùn hoạt tính trong bể cho phép bể làm việc với tải trọng chất hữu cơ cao. Để hình thành khối bùn hoạt tính đủ nồng độ, làm việc hiệu quả đòi hỏi thời gian vận hành khởi động từ 3 – 4 tháng. Nếu cấy vi khuẩn tạo axit và vi khuẩn tạo mêtan trước với nồng độ thích hợp và vận hành với chế độ thủy lực nhỏ hơn 1/2 công suất thiết kế, thời gian khởi động có thể rút xuống còn 2 – 3 tuần. Lượng cặn dư bằng 0,15 – 0,2% lượng COD, tức bằng một nửa cặn sinh ra so với xử lý hiếu khí. Cặn dư định kỳ xả ra bên ngoài và có thể tiếp tục đưa đi làm khô. - Ưu, nhược điểm của UASB + Ưu điểm: - Năng lượng cần thiết cho hệ thống UASB rất thấp. - Lượng bùn tạo thành nhỏ (nhỏ hơn 3 – 20 lần xử lý hiếu khí). - Có thể tuần hoàn hay không tuần hoàn lại bùn. - Tạo sản phẩm khí sinh học CH4 (70 – 80%), là nguồn năng lượng sạch, có thể sử dụng cho sinh hoạt. - UASB rất thích hợp cho xử lý nước thải có nhiều cặn lơ lửng. - UASB có thể phân hủy các chất hữu cơ phức tạp: vòng, halogen… - UASB thích hợp cho xử lý nước thải công nghiệp có hàm lượng và tải lượng ô nhiễm cao. + Nhược điểm: - Các quá trình xảy ra trong thiết bị phức tạp. - Tác nhân sinh học rất nhạy cảm với các yếu tố môi trường. - Quá trình khởi động kéo dài. - Yêu cầu cao sự tương thích giữa thức ăn và hàm lượng sinh khối. - Quá trình cố định vi khuẩn trên lớp đệm rất khó điều khiển. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 33 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. Quá trình xử lý yếm khí tạo ra lượng bùn ít và chi phí năng lượng thấp. Nhược điểm của xử lý yếm khí là thời gian lưu nước thải lớn, thời gian ổn định công nghệ dài (3 – 6 tháng). Qui trình vận hành tương đối phức tạp, hiệu quả xử lý phụ thuộc nhiều vào các yếu tố môi trường, biến động lớn từ 60 – 90%. II.2.2.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình xử lý sinh học hiếu khí [8, 10, 11]  Nguyên lý của quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính Sử dụng các vi sinh vật để oxy hoá các chất hữu cơ và vô cơ có khả năng chuyển hoá sinh học được; đồng thời chính vi sinh vật cũng sử dụng một phần chất hữu cơ và năng lượng khai thác được từ quá trình oxi hoá để tổng hợp nên sinh khối của chúng.  Cơ chế của quá trình xử lý hiếu khí + Oxy hoá các hợp chất hữu cơ không chứa nitơ (Gluxit, hyđrocacbua, pectin, axit hữu cơ, các chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ khác…) CxHyOz + ( 4 2 y zx + − )O2  → v s v xCO2 + 2 y H2O + E + Oxy hoá các hợp chất hữu cơ có chứa Nitơ (Protein, Peptit, axitamin…) CxHyOzN + ( 4 2 y zx + − + 3 4 )O2  → v s v xCO2 + 3 2 y − H2O + NH3 + E + Quá trình oxy hoá các hợp chất hữu cơ để tổng hợp sinh khối: CxHyOz + NH3 + ( 4 2 y zx + − - 5)O2  → v s v C5H7NO2 +(x – 5)CO2+ 4 2 y − H2O +E +Quá trình tự hủy của sinh khối: C5H7NO2 + 5O2 → 5CO2 + 2 H2O + NH3 + E Ngoài ra trong hệ thống còn xảy ra các quá trình nitrit và nitrat hoá: + Nitrit hoá : NH4+ + 3/2 O2 + H2O  → v s v NO2- + 2 H3O+ + E. + Nitrat hoá: NO2- + ½ O2  → v s v NO3- Phương trình tổng quát : NH4+ +2O2+ H2O  → v s v NO3- + 2H3O+ + Oxy hoá các hợp chất vô cơ: 2 4S SO −→ ; 34P PO −→ Fe2+ → Fe3+ (Sự chuyển hoá thành Fe3+ giúp cho ezim tái tạo thường xuyên)  Tác nhân sinh học Tác nhân sinh học được sử dụng trong quá trình xử lý hiếu khí có thể là vi sinh vật hô hấp hiếu khí hay tuỳ tiện, nhưng phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Chuyển hoá nhanh các hợp chất hữu cơ. - Có kích thước tương đối lớn để bông sinh học lắng nhanh (φ =50 – 200 µm). Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 34 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. - Có khả năng tạo nha bào. - Không tạo ra các khí gây ô nhiễm môi trường như: H2S, Indol, Scatol... Dựa trên các yêu cầu đó thì các vi khuẩn hô hấp hiếu khí được sử dụng chủ yếu; ngoài ra còn có vi khuẩn hô hấp tùy tiện và nguyên sinh động vật. • Vi khuẩn hô hấp hiếu khí: + Pseudomonas + Aerobacter aerogenes + Bacillus Subtilis (phát triển trong môi trường giàu protein) + Flavobacterium (phát triển trong môi trường giàu sắt) + Nitrosomonas vinogradski (vi khuẩn nitrit hoá). • Vi khuẩn hô hấp tuỳ tiện: + Cellulosomonas bizotera (có khả năng oxy hoá xenlluloza) + Rhodospeudomonas (có màu hồng) + Nitrobacter (có khả năng nitrat hoá) + Microthrix (vi khuẩn dạng sợi – có màu trắng) + Thiothrix (vi khuẩn dạng sợi – có màu trắng) • Nguyên sinh động vật: Bao gồm 2 dạng chủ yếu: + Trùng tơ (Cillatae) + Trùng roi (Flagellate) Do có kích thước lớn khoảng 30 – 50µm nên trong bể xử lý nó có vai trò như sau: + Bám vào bùn làm cho bùn dễ lắng hơn + Ăn cặn lơ lửng góp phần làm trong nước + Là chỉ thị để đánh giá mức độ cấp khí cho bể + Là chỉ thị để đánh giá các chất độc có trong nước thải.  Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học hiếu khí [8] - Oxi hòa tan (DO) Đây là thông số quan trọng đối với hệ thống xử lý hiếu khí. DO được cấp liên tục để đáp ứng yêu cầu oxy hóa của vi sinh vật. Nếu thiếu oxi hoà tan sẽ gây ra hiện tượng phồng bùn do vi khuẩn dạng sợi phát triển, làm cho bùn xốp, khó lắng. Việc cung cấp oxi còn có tác dụng tạo ra độ đồng nhất các pha trong thiết bị, làm rã các khối bông sinh học lớn, giảm các điểm chết trong thiết bị, nâng cao hiệu quả làm sạch và rút ngắn thời gian lưu nước trong hệ thống. Độ hoà tan của oxi vào trong nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố, không chỉ phụ thuộc vào phương thức cấp khí (công suất máy nén, áp lực nén, đặc trưng của hệ Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 35 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. thống phân phối khí), chiều cao cột nước mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ, tính chất nước thải, tỷ số F/M (nguồn dinh dưỡng/lượng sinh khối), tốc độ sinh trưởng, đặc trưng hình thái và sinh lý vi sinh vật. Để đảm bảo tốc độ oxi hoá các chất bẩn diễn ra tốt, nồng độ oxi hoà tan cần đạt 2 – 4mg/l, lượng khí cung cấp 45 – 90 m3/kg . - pH pH của nước thải có ảnh hưởng lớn đến các quá trình hóa sinh của vi sinh vật, quá trình tạo bùn và lắng. Dải pH tối ưu cho xử lý hiếu khí nước thải từ 6,5 - 8,5. Để đảm bảo pH trong khoảng trên, trong thực tế trước khi cho nước thải vào bể xử lý sinh học hiếu khí, người ta thường điều hoà lưu lượng, điều chỉnh giá trị pH ở bể điều hoà. - Nhiệt độ Nhiệt độ ảnh hưởng tới hoạt động của vi sinh vật. Mỗi vi sinh vật cũng có một khoảng nhiệt độ tối ưu, nếu tăng nhiệt độ quá ngưỡng sẽ ức chế hoạt động của vi sinh vật hoặc bị tiêu diệt hay tạo bào tử. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến DO: + Khi nhiệt độ tăng DO giảm và vận tốc phản ứng tăng lên. + Khi nhiệt độ giảm DO tăng nhưng ngược lại vận tốc phản ứng giảm. Trong bể Aeroten nhiệt độ tối ưu là 20 – 27 0C, nhưng cũng có thể chấp nhận nhiệt độ 16 – 370C. [11] Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ phản ứng sinh học thể hiện qua biểu thức: RT = R20.θ(T – 20) Trong đó: + RT, R20: tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T 0C và ở 200C + θ : hệ số nhiệt độ (có giá trị từ 1,00 – 1,04 ) + T: nhiệt độ xử lý (0C ). - Thành phần dinh dưỡng Thành phần dinh dưỡng trong nước thải chủ yếu là nguồn Cacbon (thể hiện BOD), cùng với N (thường ở dạng NH4+) và P (ở dạng muối photphat) là những nguyên tố đa lượng; ngoài ra còn có các nguyên tố vi lượng như: Mg, Fe, Mn... Tỷ lệ các chất dinh dưỡng phù hợp là C : N : P = 100 : 5 : 1 Thiếu dinh dưỡng trong nước thải sẽ làm giảm mức độ sinh trưởng, phát triển tăng sinh khối của vi sinh vật, thể hiện bằng lượng bùn hoạt tính tạo thành giảm, kìm hãm và ức chế quá trình oxy hoá các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn. Nếu thiếu N một cách kéo dài, ngoài việc cản trở quá trình sinh hoá còn làm cho bùn hoạt tính khó lắng, các hạt bông bị phồng lên trôi nổi theo dòng nước ra Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 36 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. làm cho nước khó trong và chứa một lượng lớn vi sinh vật, làm giảm tốc độ sinh trưởng cũng như cường độ oxy hoá của chúng. Nếu thiếu P, vi sinh vật dạng sợi phát triển và cũng làm cho bùn hoạt tính lắng chậm và giảm hiệu quả xử lý. - Chất độc đối với VSV Các chất độc hữu cơ, vô cơ, đặc biệt là các kim loại nặng, các ion halogen có khả năng ức chế thậm chí làm vô hoạt hệ enzym oxi hóa khử ở vi sinh vật. Vì thế, cần phải xử lý trước các chất độc này. Nồng độ muối vô cơ cần khống chế sao cho < 10 g/l. - Hàm lượng các chất rắn lơ lửng (SS ) ở dạng huyền phù Nếu nồng độ chất lơ lửng không quá 100mg/l thì loại hình xử lý thích hợp là bể lọc sinh học và nồng độ không quá 150mg/l là xử lý bằng aeroten sẽ cho hiệu quả phân huỷ các chất hữu cơ nhiễm bẩn là cao nhất. [8] Hàm lượng chất rắn lơ lửng cao thường làm ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý. Vì vậy, cần phải qua lắng trong giai đoạn xử lý sơ bộ một cách đầy đủ để loại bỏ các cặn lớn và một phần các chất rắn lơ lửng. - Nồng độ chất bẩn hữu cơ trong nước thải Nồng độ cơ chất trong môi trường ảnh hưởng nhiều tới đời sống của vi sinh vật. Vi sinh vật sẽ bị ức chế và bị kìm hãm quá trình hoạt động sống trong trường hợp nồng độ chất bẩn hữu cơ cao hơn nồng độ cho phép. Đối với Aeroten thông thường thì hàm lượng BOD = 500mg/l; đối với Aeroten khuấy trộn hoàn chỉnh thì BOD < 1000mg/l. Nếu BOD cao quá thì cần pha loãng nước thải hoặc qua xử lý kị khí trước rồi qua xử lý hiếu khí sau. - Hàm lượng sinh khối (MLSS ) và tỉ lệ F/M Hàm lượng sinh khối trong bể sinh học hiếu khí thường dao động từ 500 – 3000mg/l. Tuỳ theo hàm lượng và bản chất của chất ô nhiễm trong nước thải cũng như hoạt lực của bùn hoạt tính mà hàm lượng sinh khối sẽ khác nhau: + Các hệ thống cao tải có thể sử dụng hàm lượng sinh khối cao từ 1500 – 3000mg/l. + Với hệ thống Aeroten thông thường thì hàm lượng sinh khối dao động trong khoảng từ 500 – 1500mg/l. Tỷ lệ F/M (Food/ microorganism = chất thải/ vi sinh vật): là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật hiếu khí. + Nếu F/M << 1: Thiếu dinh dưỡng cho vi sinh vật hoạt động. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 37 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. + Nếu F/M >1 : Vi sinh vật phát triển sinh khối, không tạo nha bào nên không kết dính với nhau lại thành bông, kích thước bông bùn giảm, bùn khó lắng làm nước ra sau xử lý không đạt độ trong yêu cầu. + Tỷ lệ F/M = 0,2 ÷ 0,6 : Tạo độ ổn định trong quá trình xử lý hiếu khí.  Các dạng thiết bị thường gặp - Các công trình hiếu khí nhân tạo xử lý nước thải dựa trên cơ sở sinh trưởng dính bám của vi sinh vật – lọc sinh học. + Xử lý nước thải bằng lọc sinh học Nguyên lý của phương pháp lọc sinh học là dựa trên quá trình hoạt động của vi sinh vật ở màng sinh học, oxy hoá các chất bẩn hữu cơ trong nước. Các màng sinh học là tập thể các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hiếu khí, kỵ khí và tuỳ tiện. Các vi khuẩn hiếu khí tập trung ở lớp ngoài của màng sinh học, ở đây chúng phát triển và gắn với giá mang là các vật liệu lọc (được gọi là sinh trưởng dính bám). Trong quá trình làm việc, các vật liệu lọc tiếp xúc với nước chảy từ trên xuống, sau đó nước thải đã làm sạch được thu gom xả vào bể lắng bậc 2. Nước thải vào bể lắng bậc 2 có thể kéo theo những mãnh vở của màng sinh học bị tróc ra khi lọc làm việc. Trong thực tế, một phần nước đã qua bể lắng được quay trở lại làm nước pha loãng cho các loại nước thải đậm đặc trước khi vào bể lọc và giữ nhiệt cho màng sinh học làm việc. Các chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nước thải bị oxi hóa bỡi quần thể vi sinh vật ở màng sinh học. Màng này thường dày khoảng 0,1 – 0,4mm. Các chất hữu cơ trước hết bị phân hủy bỡi vi sinh vật hiếu khí, sau đó thấm sâu vào màng, nước hết oxi hòa tan và sẽ chuyển sang phân hủy bỡi vi sinh vật kị khí. Khi các chất hữu cơ có trong nước thải cạn kiệt, vi sinh vật ở màng sinh học sẽ chuyển sang hô hấp nội bào và khả năng dính kết cũng giảm, dần dần bị vỡ cuốn theo nước lọc. Hiện tượng này gọi là tróc màng. Sau đó lớp màng mới lại xuất hiện. Vật liệu lọc khá phong phú : từ đá dăm, đá ong, vòng kim loại, vòng gốm, than đá, than cốc, gỗ mãnh, chất dẻo tấm uốn lượn... Hình 2.2. Các quá trình trong bể lọc sinh học [8]. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 38 Vật liệu đệm Vùng yếm khí Vùng hiếu khí CHC cacbon DO Sản phẩm cuối Không khí Dòng nước thải Màng sinh học Màng chất lỏng Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. Lọc sinh học đang được dùng hiện nay chia làm 2 loại: + Lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước, + Lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc đặt ngập trong nước. Phương pháp lọc có ưu điểm là: đơn giản, tải lượng chất gây ô nhiễm thay đổi trong giới hạn rộng trong ngày, thiết bị cơ khí đơn giản và tiêu hao ít năng lượng nhưng cũng có nhược điểm là hiệu suất quá trình phụ thuộc rõ rệt vào nhiệt độ không khí, chiều dày màng sinh học, tốc độ oxi hóa, cường độ hô hấp của vi sinh vật, bản chất các chất hữu cơ, đặc tính bể lọc, độ thấm ướt của màng… - Các công trình hiếu khí nhân tạo xử lý nước thải dựa trên cơ sở sinh trưởng lơ lửng của vi sinh vật – kỹ thuật bùn hoạt tính. Trong quá trình xử lý hiếu khí, các vi sinh vật sinh trưởng ở trạng thái huyền phù. Quá trình làm sạch Aeroten diễn ra theo mức dòng chảy qua của hỗn hợp nước thải và bùn hoạt tính được sục khí. Việc sục khí nhằm đảm bảo hai quá trình là nước được bão hoà O2 và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng. Nước thải sau khi đã được xử lý sơ bộ còn chứa phần lớn các chất hữu cơ ở dạng hoà tan cùng các chất lơ lửng đi vào Aeroten. Các chất lơ lửng này là một số chất rắn và có thể là một số chất hữu cơ chưa phải là dạng hoà tan. Các chất lơ lửng là nơi vi khuẩn bám vào để cư trú, sinh sản và phát triển, dần thành các hạt cặn bông. Các hạt này dần dần to và lơ lửng trong nước. Các hạt bông cặn này cũng chính là bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính là tập hợp những vi sinh vật có trong nước thải, hình thành những bông cặn có khả năng hấp thụ và phân huỷ các chất hữu cơ khi có mặt của O2. + Bể Aeroten thường (truyền thống) Nước thải sau khi được tách cặn trong bể lắng sơ cấp sẽ được dẫn vào và trộn với bùn hoạt tính tuần hoàn ở đầu bể aeroten. Tiếp đó xảy ra các phản ứng khoáng hóa các chất hữu cơ, tổng hợp sinh khối và nitrat hóa bỡi các enzym của vi sinh vật trong điều kiện có đủ oxi. Sau khi ra khỏi bể, nước thải đã được làm sạch. Nhược điểm của bể này là chỉ áp dụng để xử lý nước thải có BODv < 400mg/l. + Bể Aeroten làm thoáng kéo dài Bể này được thiết kế với tải trọng chất hữu cơ thấp, chỉ số F/M thấp, thời gian làm thoáng thường 20 – 30h. Bể này sử dụng để xử lý nước thải công nghiệp có công suất < 3500 m3/ngày. Trong bể này, do vi sinh vật bị bỏ đói nên thực hiện quá trình oxy hóa tế bào tăng dẫn tới nước thải ra được xử lý triệt để, lượng bùn thải ít. + Mương oxy hóa Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 39 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. Mương oxy hóa là một dạng cải tiến của bể aeroten khuấy trộn hoàn chỉnh, làm việc trong chế độ làm thoáng kéo dài với hỗn hợp nước thải và bùn hoạt tính chuyển động tuần hoàn và liên tục ở trong mương (trạng thái lơ lửng). Khi hoạt động, trong mương oxy hóa sẽ hình thành 2 vùng cơ bản : Vùng oxic : quá trình oxy hóa cacbon và nitrat hóa xảy ra khi có đủ oxy. Vùng anoxic : là vùng thiếu khí, xảy ra quá trình denitrat hóa. + Aeroten tải trọng cao Bể này được áp dụng khi yêu cầu nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn cột B hoặc cột C. Khi đó nước thải vào aeroten sẽ được trộn với 10 – 15% bùn tuần hoàn và hỗn hợp này sẽ được đưa vào bể để làm thoáng trong thời gian 1 – 3h. + Bể Aeroten kết hợp lắng hoạt động gián đoạn theo mẻ (SBR -Sequencing Batch Reactor) [6] Các giai đoạn hoạt động diễn ra trong một ngăn bể (hình 2.3) bao gồm: làm đầy nước thải, thổi khí, để lắng tĩnh, xả nước thải và xả bùn dư. Trong bước một, khi cho nước thải vào bể, nước thải được trộn với bùn hoạt tính lưu lại từ chu kỳ trước. Sau đấy, hỗn hợp nước thải và bùn được sục khí ở bước hai với thời gian thổi khí đúng như thời gian yêu cầu. Quá trình diễn ra gần với điều kiện trộn hoàn toàn và các chất hữu cơ được oxy hoá trong giai đoạn này. Bước thứ ba là quá trình lắng bùn trong điều kiện tĩnh. Tiếp đến, nước trong nằm phía trên lớp bùn được xả ra khỏi bể. Bước cuối cùng là xả lượng bùn dư được hình thành trong quá trình thổi khí ra khỏi ngăn bể, các ngăn bể khác hoạt động lệch pha để đảm bảo cho việc cung cấp nước thải lên trạm xử lý nước thải liên tục. Công trình SBR hoạt động gián đoạn, có chu kỳ. Các quá trình trộn nước thải với bùn, lắng bùn cặn... diễn ra gần giống điều kiện lý tưởng nên hiệu quả xử lý nước thải cao. BOD của nước thải sau xử lý thường thấp hơn 50 mg/l, hàm lượng cặn lơ lửng từ 10 đến 45 mg/l và N-NH3 khoảng từ 0,3 đến 12 mg/l. Bể aeroten hoạt động gián đoạn theo mẻ làm việc không cần bể lắng đợt hai. Trong nhiều trường hợp, người ta cũng bỏ qua bể điều hoà và bể lắng đợt một. [6] Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 40 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. NT vào Làm day Thoi khí Xa nuoc thai Lang Xa bùn du 1 2 3 4 5 Hình 2.3. Các bước của bể aeroten hoạt động gián đoạn [6]. Hệ thống aeroten hoạt động gián đoạn SBR có thể khử được nitơ và phốt pho sinh hoá do có thể điều chỉnh được các quá trình hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí trong bể bằng việc thay đổi chế độ cung cấp ôxy. Các ngăn bể được sục khí bằng máy nén khí, máy sục khí dạng Jet hoặc thiết bị khuấy trộn cơ học. Chu kỳ hoạt động của ngăn bể được điều khiển bằng rơle thời gian. Trong ngăn bể có thể bố trí hệ thống vớt váng, thiết bị đo mức bùn... Bể aeroten hệ SBR có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, hiệu quả xử lý cao, khử được các chất dinh dưỡng nitơ, dễ vận hành. Sự dao động lưu lượng nước thải ít ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý. Nhược điểm chính của bể là công suất xử lý nước thải nhỏ. Để bể hoạt động có hiệu quả người vận hành phải có trình độ và theo dõi thường xuyên các bước xử lý nước thải.  Ứng dụng cho nước thải ngành bia Do đặc thù nước thải ngành bia có sự dao động lớn về lưu lượng cũng như nồng độ giữa đầu và cuối ca sản xuất, đặc biệt ba tháng giáp tết lượng nước thải tăng cao do công suất sản xuất tăng 20 – 30% công suất trung bình. Do đó, việc sử dụng bể SBR này chủ động hoàn toàn được trong việc xử lý nước thải khi lưu lượng thải ra trong ngày giảm đi so với công suất thiết kế hoặc có sự thay đổi lớn về thành phần của nước thải.  Ưu, nhược điểm khi sử dụng phương pháp hiếu khí [4, 8] - Ưu điểm: + Thời gian xử lý nhanh, thời gian lưu bùn và nước nhỏ thích hợp với các nhà máy có lưu lượng dòng thải lớn và hàm lượng BOD không cao lắm hoặc có thể kết hợp xử lý lần 2 sau bể yếm khí nếu còn hàm lượng BOD cao. + Hiệu suất xử lý khá cao, chịu được sự dao động lớn của lưu lượng và chất lượng nước thải. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 41 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. + Bùn sau xử lý có thể tận dụng làm phân vi sinh. + Hệ thống được cấp khí liên tục nên nước sau xử lý đảm bảo được lượng oxy hoà tan. + Hạn chế sinh ra khí độc, mùi thối. + Phương pháp này có thể loại bỏ BOD trong thời gian ngắn, có thể khử được N, P. Hiệu suất khử BOD có thể lên tới 99%. + Bùn dễ lắng. - Nhược điểm: + Tốn năng lượng cho quá trình sục khí. + Lượng bùn sinh ra nhiều hơn so với yếm khí. + Thích hợp đối với nước thải có BOD < 1000mg/l và hàm lượng chất độc thấp. + Khó phân huỷ được một số chất béo và các chất hữu cơ mạch vòng. Phương pháp xử lý sinh học yếm khí, hiếu khí (điều kiện nhân tạo) rất thích hợp cho nước thải các ngành công nghiệp thực phẩm nói chung và ngành bia nói riêng. Việc ứng dụng và lựa chọn công nghệ cũng như thiết bị của phương pháp này trong xử lý nước thải ngành bia (Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung), xin được trình bày cụ thể trong Chương III. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 42 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. CHƯƠNG III ĐẶC TRƯNG DÒNG THẢI VÀ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHO NHÀ MÁY III.1. Đặc trưng dòng thải Tùy theo tính chất, đặc thù và mức độ ô nhiễm của từng nguồn nước thải trong công nghệ sản xuất bia (sơ đồ hình 1.3), ta có thể phân thành 3 nhóm sau đây: 1. Nhóm 1: Nước thải coi như sạch. Nước làm lạnh, nước ngưng, đây là nguồn nước thải ít hoặc gần như không gây ô nhiễm nên có khả năng tuần hoàn sử dụng lại. 2. Nhóm 2: Nước thải sinh hoạt. Lượng nước dùng cho nhu cầu sinh hoạt của nhân viên điều hành và tham gia sản xuất trong công ty khoảng 250 người. Tiêu chuẩn nước dùng cho sinh hoạt của công nhân được tính theo quy định 20 TCN-33-85 Bộ Xây Dựng như sau: Bảng 3.1. Tiêu chuẩn nước dùng cho sinh hoạt của công nhân [20 TCN-33-85] Loại phân xưởng Tiêu chuẩn dùng nước (lít/người/ca) Hệ số không điều hòa (K giờ) Phân xưởng nóng Q tỏa nhiệt >20 kcal/m3.h 45 2,5 Phân xưởng khác Q tỏa nhiệt <20 kcal/m3.h 25 3,0 Tính toán sơ bộ ta được lượng nước thải vào khoảng 12m3/ngày đêm. Lượng nước thải này có lưu lượng nhỏ và có bể phốt xử lý riêng nên coi như không có ảnh hưởng tới hệ thống xử lý mà ta thiết kế. 3. Nhóm 3: Nước thải trong quá trình sản xuất. Công nghiệp sản xuất bia là một trong những ngành công nghiệp đòi hỏi tiêu tốn một lượng nước lớn cho mục đích sản xuất và vì thế sẽ thải ra môi trường một lượng nước thải lớn. Cụ thể như sau: - Nước thải từ công đoạn nấu - đường hóa: bao gồm + Nước thải trong quá trình rửa bã sau nấu + Nước thải do vệ sinh nồi nấu gạo, malt, hoa; vệ sinh thiết bị lọc dịch đường và thiết bị tách bã. Đặc tính của nước thải này có mức độ ô nhiễm rất cao, có chứa bã malt, bã hoa, tinh bột, các chất hữu cơ, một ít tanin, chất đắng, chất màu… - Nước thải từ công đoạn lên men: Nước vệ sinh các tank lên men, thùng chứa, đường ống, sàn nhà… có chứa bã men, bia cặn và các chất hữu cơ. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 43 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. - Nước thải từ công đoạn hoàn tất sản phẩm: Lọc, bão hòa CO2, chiết chai, đóng nắp, thanh trùng. Nước thải chủ yếu từ công đoạn này là nước vệ sinh thiết bị lọc, nước rửa chai và téc chứa. Đây cũng là một trong những dòng thải có ô nhiễm lớn trong sản xuất bia. Nước thải từ công đoạn này có chứa bột trợ lọc, một ít bã men, bia còn lại từ bao bì tái sử dụng, bia rơi vãi trong quá trình chiết, pH cao… - Nước rửa sàn các phân xưởng, nước thải từ nồi hơi, nước từ hệ thống làm lạnh có chứa hàm lượng chlorit cao. - Xút và axit thải ra từ hệ thống CIP, xút từ thiết bị rửa chai. Dòng thải này có lưu lượng nhỏ và cần thu hồi riêng để xử lý cục bộ, tuần hoàn tái sử dụng cho các mục đích khác. Trong sản xuất bia, công nghệ ít thay đổi từ nhà máy này sang nhà máy khác, sự khác nhau có thể chỉ là sử dụng phưong pháp lên men chìm hay nổi. Nhưng sự khác nhau cơ bản là vấn đề sử dụng nước cho quá trình rửa chai, lon, máy móc thiết bị, sàn nhà… Điều đó dẫn đến tải lượng nước thải và hàm lượng các chất ô nhiễm của các nhà máy bia rất khác nhau. Ở các nhà máy bia có biện pháp tuần hoàn nước và công nghệ rửa tiết kiệm nước thì lượng nước thấp. Hiện nay tiêu chuẩn nước thải tạo thành trong quá trình sản xuất bia là 8 – 14 lít nước thải/lít bia [6]; đồng thời lượng nước thải tạo thành trong quá trình sản xuất bia của Công ty Cổ phần Bia Sài Gòn – Miền Trung (công suất 50 triệu lít bia/năm) ước tính khoảng 8 lít nước thải/lít bia. Do đó, nếu nâng công suất nhà máy lên 100 triệu lít bia/năm thì tổng lượng nước thải ô nhiễm trong quá trình sản xuất từ các nguồn nêu trên ước tính trong khoảng 2600 – 3200 m3/ngày. Tuy nhiên, do đặc thù của ngành bia, vào ba tháng giáp tết thì công suất có thể tăng từ 20 – 30% công suất trung bình (tức công suất nhà máy ba tháng giáp tết đạt 120 – 130 triệu lít bia/năm). Do đó, tổng lượng nước thải lớn nhất ước tính có thể lên tới 4000 m3/ngày đêm. Đây cũng chính là lưu lượng thiết kế hệ thống xử lý nước thải. Căn cứ vào kết quả phân tích nước thải thực tế hiện nay của nhà máy Bia Sài Gòn – Miền Trung (công suất 50 triệu lít bia/năm) và tham khảo một số kết quả phân tích nước thải của các nhà máy bia trong nước và các tài liệu có liên quan thì thành phần chủ yếu nước thải của nhà máy bia có đặc tính trung bình như sau: - BOD5 (mg/l) : 1300-1700 - COD (mg/l) : 2000-3000 - TSS (mg/l) : 400-800 - pH : 8,5 – 11 - Tổng Nitơ (mg/l) : 100 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 44 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. - Tổng Phốtpho (mg/l) : 8 - Tải trọng nước thải (kg BOD5/m3 bia): 3,5 – 4,5 III.2. Lựa chọn công nghệ xử lý nước thải cho nhà máy Các thông số đầu vào và tiêu chuẩn dòng ra của nước thải nhà máy bia Sài Gòn – Miền Trung công suất 100 triệu lít bia/năm: Bảng 3.2. Các thông số đầu vào và tiêu chuẩn dòng ra của nước thải nhà máy Thông số Nước thải đầu vào Nước thải sau xử lý (QCVN 24 – 2009) cột B Lưu lượng (m3/ngày.đêm) 4000 4000 COD (mg/l) 2500 100 BOD (mg/l) 1500 50 SS (mg/l) 600 100 pH 8,5 – 11 5,5 – 9 Tổng Nitơ (mg/l) 100 30 Tổng photpho (mg/l) 8 6 Lựa chọn sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải cho các nhà máy công nghiệp thực phẩm nói chung và nhà máy bia nói riêng là một bài toán kinh tế, kỹ thuật phụ thuộc vào nhiều yếu tố: ▪ Lưu lượng và đặc trưng của nước thải. ▪ Yêu cầu nước thải sau xử lý . ▪ Diện tích và vị trí đất đai sử dụng để xây dựng trạm xử lý nước thải. ▪ Điều kiện kinh tế và kỹ thuật. Như vậy, từ sự phân tích đặc tính nước thải của nhà máy ta thấy nguồn nước thải phát sinh từ nhà máy có nguồn gốc, thành phần và tính chất khác nhau, được phát sinh từ nước làm mát, nước ngưng, nước vệ sinh các thiết bị nấu, lọc, lên men, nước rửa sàn, nhà xưởng, nước rửa chai, téc chứa… Nước thải của nhà máy bia nói chung chứa hàm lượng chất hữư cơ cao ở trạng thái hoà tan và trạng thái lơ lửng, chủ yếu là các hiđratcacbon, protêin, các axit hữu cơ, là các chất có khả năng phân huỷ sinh học gây mùi hôi thối, lắng cặn, giảm nồng độ oxy hoà tan trong nước nguồn khi tiếp nhận chúng. Mặt khác, các muối nitơ, phốtpho trong nước thải bia dễ gây hiện tượng phú dưỡng cho các thuỷ vực; tỷ lệ BOD5/COD = 0,5 – 0,7 thích hợp với xử lý bằng biện pháp sinh học. Xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học gồm xử lý sinh học hiếu khí và xử lý sinh học yếm khí. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 45 Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho dự án nâng công suất của Công ty cổ phần bia Sài Gòn – Miền Trung lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN. Xử lý sinh học bằng vi sinh hiếu khí