Bước đầu nghiên cứu hiệu quả của thiết bị hợp khối trong xử lý nước thải của sản xuất bia

MỤC LỤC MỞ ĐẦU Bia là một loại nước giải khát cao cấp và rất thông dụng trong đời sống hàng ngày, được mọi người ưa chuộng. Bia mang hương vị đặc trưng riêng và là loại nước uống mát bổ có bọt mịn xốp, độ cồn thấp, có vị đắng dễ chịu. Khi được sử dụng đúng mức, bia tạo nên sự thoải mái và tăng cường sức lực cho cơ thể. Bia không những chứa các thành phần dinh dưỡng cao mà còn có tác dụng giải khát rất hiệu quả do có chứa CO2 bão hòa. Nhờ những ưu điểm này mà bia được sử dụng rộng rãi ở hầu khắp các nước trên thế giới và sản lượng ngày càng tăng. Việt Nam là nước thuộc khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, với dân số trên 80 triệu hứa hẹn một thị trường đầy tiềm năng của các loại nước giải khát trong đó có bia. Ngành công nghiệp sản xuất bia cũng là một trong các ngành công nghiệp mang lại lợi nhuận cao ở Việt Nam hiện nay, các cơ sở sản xuất bia Việt Nam cùng song song tồn tại và phát triển với các hãng bia danh tiếng trên thế giới . Phát triển sản xuất công nghiệp một mặt góp phần tăng sản phẩm cho xã hội, phục vụ đời sống con người, nhưng mặt khác, chính công nghiệp cũng sẽ gây ra những tác hại to lớn cho môi trường sinh thái, vì nó tạo ra các chất thải gây ô nhiễm môi trường. Bảo vệ môi trường là vấn đề ngày càng trở nên cấp thiết mang tính toàn cầu vì chất lượng môi trường ảnh hưởng tới mọi hoạt động sống và phát triển trên hành tinh. Cùng với các ngành công nghiệp khác, sự phát triển nhanh về số lượng và quy mô của các doanh nghiệp sản xuất bia cũng như sự tăng nhanh về sản lượng bia đã tạo ra một lượng lớn các chất thải gây ô nhiễm môi trường dưới cả ba dạng : chất thải rắn, khí thải và nước thải. Hiện nay hầu hết các cơ sở sản xuất đều thải trực tiếp nước thải vào hệ thống thoát nước công cộng không qua xử lý. Hơn nữa, phần lớn các cơ sở công nghiệp này đều nằm trong thành phố xen với khu dân cư. Việc thải một lượng lớn chất hữu cơ ra môi trường sẽ tạo nguồn ô nhiễm và các ổ dịch bệnh, ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe của cộng đồng. Nguồn gây ô nhiễm chính của sản xuất bia là nước thải với lưu lượng lớn, tải lượng các chất bẩn hữu cơ cao, gây những hậu quả nghiêm trọng cho môi trường, cần được ưu tiên giải quyết. Với điều kiện kinh tế nước ta còn nghèo, việc nhập khẩu một dây chuyền xử lý với hệ thống thiết bị hoàn chỉnh là một vấn đề rất khó khăn đối với không chỉ với các cơ sở sản xuất bia công suất nhỏ mà ngay cả đối với các nhà máy bia lớn. Vì vậy, để phù hợp với thực tế khách quan trên, cần phải nghiên cứu và thiết kế hệ thống xử lý khả thi về mặt công nghệ cũng như về giá thành chi phí xử lý. Đề tài:”Bước đầu nghiên cứu hiệu quả của thiết bị hợp khối trong xử lý nước thải của sản xuất bia.” nhằm khảo sát một số thông số kỹ thuật cần thiết cho việc thiết kế hệ thống xử lý quy mô công nghiệp. CHƯƠNG I HIỆN TRẠNG SẢN XUẤT, TIÊU THỤ BIA TRÊN THẾ GIỚI TRONG KHU VỰC VÀ Ở VIỆT NAM I.1. Hiện trạng sản xuất và tiêu thụ bia trên thế giới và trong khu vực Bia là loại nước giải khát đã được sản xuất từ rất lâu đời trên thế giới. Từ thời cổ đại, bia đã được chế biến từ lúa mạch nhưng phải đến thế kỷ 19, khi Louis Pasteur thành công trong những nghiên cứu về vi sinh vật và Christian Hansen (người Đan Mạch) phân lập được nấm men và áp dụng vào sản xuất bia thì bia mới thực sự trở thành một thứ đồ uống hảo hạng, được nhiều người khắp nơi trên thế giới ưa chuộng. Các nước có sản lượng bia cao là Mỹ, CHLB Đức (trên 10 tỷ lít/năm). Những năm gần đây, với tốc độ phát triển kinh tế nhanh của nhiều nước trên thế giới, chất lượng cuộc sống của người dân ngày càng được đảm bảo, nhu cầu tiêu dùng gia tăng đã làm cho sản lượng bia trên toàn thế giới tăng tới 2,3% /năm. Ước tính tới năm 2005 sản lượng bia đạt 153 tỷ lít/năm. Năm 1999, ba nước đứng đầu thế giới về tiêu thụ bia là CH Séc, Ailen và Đức (Bảng I.1) trong khi Mỹ ở vị trí thứ 12. Bảng I.1. Sản lượng tiêu thụ bia bình quân đầu người trên thế giới năm 1999 [20] Thứ tự Nước Sản lượng (lít/người) 1 Cộng hòa Séc 160,7 2 Ailen 152,8 3 Đức 127,5 4 Áo 108,9 5 Luxemburg 106,6 6 Đan Mạch 104,6 7 Anh 99,0 8 Bỉ 97,7 9 Australia 95,0 10 Slovakia 86,4 11 Hà Lan 85,3 12 Mỹ 84,4 13 New Zealand 84,0 14 Phần Lan 80,1 15 Venezuela 75,7 16 Nam Tư 74,6 17 Hungary 70,7 18 Tây Ban Nha 68,8 19 Canada 68,1 20 Gabon 65,7 21 Bồ Đào Nha 64,3 22 Thụy Điển 59,3 23 Thụy Sỹ 58,8 24 Ba Lan 58,4 Tuy nhiên, ở Châu Âu, tình hình sản xuất và tiêu thụ bia cũng có chiều hướng thay đổi khác nhau: - Tại CHLB Đức, tình hình sản xuất và tiêu thụ bia có chiều hướng giảm trong vài năm trở lại đây: năm 2002 giảm so với năm 1999 tới 4,9 % (bảng I.2). Tổng tiêu thụ tuy giảm nhưng xuất khẩu lại tăng đều hàng năm: năm 2002 tăng hơn so với năm 1999 là 16,68 %. Bảng I.2. Tình hình sản xuất, tiêu thụ và xuất, nhập khẩu bia tại CHLB Đức [19] 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 Sản xuất (tỷ lít/năm) 11,42 11,48 11,17 11,28 11,04 10,85 10,83 Xuất khẩu (triệu lít/năm) 899,9 923,7 893 947,5 1075,2 1084,2 1105,6 Nhập khẩu (triệu lít/năm) 301,5 327,9 282,3 305,4 368,9 380,6 330,5 Tổng tiêu thụ (tỷ lít/năm) 10,799 10,768 10,455 10,477 10,311 10,090 10,039 Tiêu thụ trên đầu người (lít/người) 131,9 131,2 127,5 127,5 125,3 122,4 121,5 - Tại Ý, sản lượng bia đạt 1,22 tỷ lít/năm trong năm 1998. Mặc dù sản lượng bia của Ý thấp so với các nước khác ở Châu Âu, nhưng mức tiêu thụ trên đầu người lại rất cao: 26,9 lít/người trong năm 1998. Do vậy lượng bia nhập khẩu vào nước Ý tăng cao, đạt 368,1 triệu lít/năm, bia được nhập từ: Đức (159,4 triệu lít), Hà Lan (45,27 triệu lít), Anh (36,2 triệu lít), Đan Mạch (35,7 triệu lít). Tuy nhiên, Ý cũng xuất khẩu bia, con số này chỉ chiếm một phần rất nhỏ (37,3 triệu lít/năm). Các nước nhập khẩu bia Ý đó là Anh, Hy Lạp, Tây Ban Nha, Bỉ, Albani và ngay cả Mỹ. [18] Ở một số nước Châu Á, tình hình sản xuất bia có chiều hướng gia tăng, điển hình là Trung Quốc, đây là thị trường bia lớn thứ hai trên thế giới chỉ sau Mỹ và dự báo sẽ vượt Mỹ trong vài năm tới. Sản lượng bia của Trung Quốc đạt xấp xỉ 22 tỷ lít bia/năm. Tuy nhiên, lượng tiêu thụ bia tính trên đầu người ở nước này vẫn còn thấp 15 lít/người, so với lượng bia bình quân tiêu thụ trên thế giới 22,1 lít/người (2001), và thấp hơn so với một số nước Châu Á khác như Đài Loan và Singapore. [18] I.2. Hiện trạng sản xuất, tiêu thụ bia và xu thế phát triển ngành bia Việt Nam I.2.1. Hiện trạng sản xuất và tiêu thụ bia ở Việt Nam Ngành công nghiệp bia ở Việt Nam đã có từ rất lâu. Nhà máy bia đầu tiên tại Việt Nam đã được xây dựng dưới thời Pháp thuộc vào năm 1890 – Nhà máy bia Hà Nội. Ban đầu nhà máy chỉ sản xuất 150 lít/ngày với hơn 30 công nhân. Đến năm 1954, khi miền Bắc được hoàn toàn giải phóng, Nhà máy bia Hà Nội được Nhà nước trực tiếp quản lý, tiếp tục sản xuất bia và ngày càng mở rộng về quy mô, số lượng cũng như về chất lượng sản phẩm, không ngừng phát triển cho tới ngày nay. Sau giải phóng miền Nam, một loạt các nhà máy, cơ sở sản xuất bia khác đã được hình thành ở nước ta như: Nhà máy bia Sài Gòn, nhà máy bia Đà Nẵng (thiết bị của Tiệp Khắc), nhà máy bia Huda ở Huế (thiết bị Đan Mạch), nhà máy bia Vinh (thiết bị Đan Mạch), nhà máy bia Đông Nam Á (thiết bị Đan Mạch), công ty bia Việt Hà, các nhà máy bia liên doanh trung ương và địa phương khác... góp phần nâng cao sản lượng bia trên toàn quốc. So với các nước Châu Âu và một số nước Châu Á, sản lượng bia bình quân đầu người ở Việt Nam còn rất thấp mặc dù sản lượng này đã tăng gấp đôi từ 84,5 triệu lít/năm vào năm 1984 lên 168,5 triệu lít/năm vào năm 1992. Trong năm 1992, Việt Nam đã có 38 cơ sở có công suất lớn hơn 0,5 triệu lít/năm. Đến năm 1993 có thêm 3 liên doanh nước ngoài với công suất 3 – 30 triệu lít/năm và 11 cơ sở, nâng công suất từ 1 triệu đến 3 triệu lít/năm, do đó đã nâng sản lượng bia toàn quốc lên trên 200 triệu lít/năm. Năm 1994, sản lượng bia của Việt Nam là 300 triệu lít, năm 1995 đạt trên 500 triệu và với tốc độ tăng 16,8%, năm 1996 đạt xấp xỉ 600 triệu lít/năm. [7] Cũng trong năm 1996, Tổng công ty Rượu - Bia - Nước giải khát Việt Nam được thành lập và đã có những bước trưởng thành đáng kể cả về số lượng và chất lượng, các đơn vị thành viên của Tổng công ty, từ những bước đi ban đầu của thời kỳ đổi mới, đã và đang khẳng định được vai trò hạt nhân của mình trong sự phát triển chung của ngành Rượu - Bia - Nước giải khát Việt Nam trong cơ chế thị trường theo định hướng xã hội chủ nghĩa. Ngành sản xuất bia ở Việt Nam có tốc độ tăng trưởng nhanh. Tuy nhiên từ năm 1998 đến nay, tốc độ tăng trung bình ổn định ở 8 – 10% (bảng I.3) Bảng I.3. Tốc độ tăng trưởng bình quân của ngành sản xuất bia ở Việt Nam [2] Giai đoạn Tốc độ tăng trưởng bình quân, % 1991 – 1992 26,62 1993 – 1994 44,3 1995 – 1996 17 1997 – 1998 10 1998 – 2003 8 – 10 Theo số liệu của Hiệp hội Rượu - Bia - Nước giải khát Việt Nam, năm 2001 sản lượng bia tiêu thụ toàn ngành đạt 803,2 triệu lít, tăng 11% so với năm 2000, bình quân tiêu thụ 9 – 10 lít/người/năm. Sản lượng bia năm 2002 là 893 triệu lít. [2] Trong vài năm gần đây, nền kinh tế nước ta đã có những phát triển vượt bậc trên mọi lĩnh vực, đời sống của nhân dân ngày một được nâng cao, nhu cầu tiêu thụ về bia cũng như các loại nước giải khát rất lớn dẫn đến việc hình thành hàng loạt các doanh nghiệp, cơ sở sản xuất bia. Từ chỗ chỉ có hai nhà máy bia Hà Nội và Sài Gòn thì đến nay cả nước đã có tới 469 cơ sở sản xuất bia với đủ các thành phần kinh tế tham gia, trong đó bao gồm 2 Công ty quốc doanh trung ương, 6 Công ty liên doanh với nước ngoài và 461 cơ sở sản xuất bia địa phương, tư nhân, cổ phần... được phân bố tập trung chủ yếu ở các thành phố lớn và những khu vực dân cư đông đúc. [2] Để đáp ứng nhu cầu của thị trường, các sản phẩm bia cũng rất đa dạng và phong phú về chủng loại. Ngoài các sản phẩm bia trung bình tiên tiến như bia 333, bia Hà Nội và các loại bia liên doanh khác, trên thị trường cũng xuất hiện những sản phẩm bia cao cấp của các hãng bia nổi tiếng trên thế giới như Tiger, Heniken, Carlsberg. Trong 5 năm (1995 – 2000), Tổng công ty Rượu - Bia - Nước giải khát Việt Nam đã đầu tư đổi mới công nghệ, thiết bị với số vốn là 410 tỷ đồng. [17] Công ty bia Hà Nội đang thực hiện dự án đầu tư đổi mới thiết bị, nâng công suất từ 50 triệu lít/năm lên 100 triệu lít/năm, trong đó có một số hạng mục đã hoàn thành như: thiết bị lò hơi, máy phát điện, hệ thống xử lý nước, cải tạo nâng cấp nhà chiết chai, hệ thống chiết keg với công suất 80 keg/giờ, hệ thống dây chuyền chiết chai 30000 chai/ giờ , cũng đang tiếp tục tiếp nhận và lắp đặt hệ thống thiết bị nhà nấu, hệ thống tank lên men. [17] Công ty bia Sài Gòn đã thực hiện dự án đầu tư nâng công suất từ 140 triệu lít/năm lên công suất 160 triệu lít/năm và đang tiếp tục đầu tư bổ sung thiết bị đồng bộ để đạt công suất 210 triệu lít/năm. Trong 5 năm (1995 – 2000), Công ty bia Sài Gòn đã thực hiện một số dự án cải tạo và nâng cấp trang thiết bị công nghệ như: hệ thống thu hồi CO2, dây chuyền chiết chai, máy soi chai tự động, hệ thống chiết keg với công suất 80 keg/giờ, hệ thống pha bia tự động, máy thử bia nhanh,... và một số công trình xử lý chất thải khác. [17] Toàn bộ các công trình đầu tư chiều sâu, đầu tư mới, đầu tư bổ sung đều có trang thiết bị và công nghệ cao, hiện đại, tiên tiến nhất đang được áp dụng ở các nước có nền công nghiệp phát triển, vừa đáp ứng được yêu cầu phát triển của Tổng công ty Rượu - Bia - Nước giải khát Việt Nam, vừa khẳng định vai trò nòng cốt hạt nhân của Tổng công ty trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngành Rượu - Bia - Nước giải khát Việt Nam. I.2.2. Xu thế phát triển ngành bia Việt Nam Bia được xem là ngành công nghiệp trọng điểm của Việt Nam vì đóng góp nhiều cho ngân sách quốc gia. Theo chủ trương của Chính phủ cũng như định hướng phát triển đến năm 2010, Việt Nam không cấp giấy phép đầu tư, cũng như không phê duyệt mở rộng công suất của các dự án nước ngoài trong lĩnh vực công nghiệp sản xuất bia. Theo quy hoạch phát triển, sản lượng bia đến năm 2010 là 1500 triệu lít, có nghĩa là tiếp tục tăng trưởng từ 10 – 12% từ nay đến năm 2010. Dự báo sản lượng bia đến 2020 sẽ tăng so với 2005 khoảng 1,8 lần, mức tiêu thụ bình quân đầu người tăng khoảng 2 lần. (Bảng I.4) Bảng I.4. Dự báo sản lượng và mức tiêu thụ bia qua các giai đoạn [2] Giai đoạn Sản lượng triệu lít Mức tiêu thụ bình quân lít/người/năm 2005 1150 – 1200 10 2010 1500 16 – 16,5 2020 2100 20 Việt Nam và Châu Á là một trong những khu vực có mức tiêu dùng bia đang tăng nhanh. Căn cứ vào thu nhập, thị hiếu tiêu dùng, dự kiến chủng loại sản phẩm bia như sau: Bia lon: 10 – 15%, bia chai: 50 – 60%, bia hơi: 30%. [2] Ở Việt Nam, thị trường tiêu thụ bia ở trong nước vẫn là chính, thị trường xuất khẩu chủ yếu là khu vực Đông Nam Á, Châu Á Thái Bình Dương, một phần Châu Âu và Mỹ. Sản lượng xuất khẩu dự kiến khoảng 20 – 30 triệu lít/năm với sản phẩm chủ yếu của Công ty bia Hà Nội và Công ty bia Sài Gòn. [2] CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA VÀ CÁC CHẤT THẢI II.1. Công nghệ sản xuất bia II.1.1. Nguyên liệu cho sản xuất bia II.1.1.1. Nguyên liệu chính Bia được sản xuất từ các nguyên liệu chính gồm: Malt (đại mạch nảy mầm), gạo tẻ, hoa houblon, nước, nấm men. Hiện nay, nguyên liệu chính để sản xuất bia là malt đại mạch và hoa houblon đều phải nhập ngoại. Từ nhiều năm nay, Việt Nam đã trồng thử nghiệm đại mạch và houblon ở một số vùng nhưng năng suất thu hoạch còn thấp, chất lượng đều chưa đạt yêu cầu. Để dần có thể tiến tới việc hạn chế nhập khẩu, nước ta đang tiếp tục các công trình trồng thử hai loại cây trên.[4] Malt (đại mạch nảy mầm) Malt là hạt đại mạch được nảy mầm trong nhưng điều kiện nhân tạo (ở nhiệt độ và độ ẩm thích hợp). Trong quá trình nảy mầm, một lượng lớn các enzym hình thành và tích tụ trong hạt đại mạch, trong đó chủ yếu là nhóm enzym amylaza, ngoài ra còn có enzym proteaza và các enzym khác. Các enzym trong malt đại mạch là tác nhân phân giải các hợp chất gluxit, protein trong malt thành nguyên liệu mà nấm men có thể sử dụng để lên men (các loại đường, axit amin tự do, các vitamin).[4] Hạt đại mạch chứa 4- 5% độ ẩm, 76% độ hòa tan. Thành phần hoá học chủ yếu là tinh bột (khoảng 58 %) và protein (10%) (Bảng II.1) Gạo tẻ Ở Việt Nam, gạo tẻ thường được sử dụng làm thế liệu kèm theo malt để hạ giá thành sản phẩm. Tỷ lệ sử dụng khoảng 30%. Gạo tẻ là nguồn nguyên liệu trong nước, dễ kiếm, với 76% độ hòa tan, 12% độ ẩm. Thành phần hoá học chủ yếu là tinh bột (75 %) và protein (8 %) (Bảng II.1). Ngoài gạo tẻ, một số loại ngũ cốc khác giàu tinh bột như tiểu mạch, bột mì, bột ngô, thóc nếp... cũng được sử dụng làm nguyên liệu kèm theo đại mạch để sản xuất bia. Bảng II.1. Thành phần hóa học của malt và gạo tẻ tính theo phần trăm chất khô [5] Thành phần Tỷ lệ phần trăm trong malt (%) Tỷ lệ phần trăm trong gạo tẻ (%) Hàm ẩm 4 – 5 12 Độ hòa tan 76 76 Tinh bột 58 75 Đường khử 4 Saccaroza 5 Chất béo 2,5 1 – 1,5 Protein 10 8 Pentoza hòa tan 1 Khoáng 2,5 1 – 1,2 Xơ 6 0,5 – 0,8 Hexoza và pentoza không hòa tan 9 Hoa houblon Hoa houblon chứa các chất thơm, các chất có vị đắng đặc trưng. Nhờ đó bia có vị dễ chịu, có hương thơm, bọt lâu tan và bền khi thời gian bảo quản kéo dài. Thành phần hoá học của hoa houblon chủ yếu là các glycozit (chất đắng) (15 – 21%) và các hợp chất protein (15 – 21%) (Bảng II.2) Bảng II.2. Thành phần hóa học của hoa houblon tính theo phần trăm chất khô [5] Thành phần Tỷ lệ phần trăm trong houblon (%) Nước 11 – 13 Chất đắng 15 – 21 Polyphenol 2,5 – 6 Chất khoáng 5 – 8 Protein 15 – 21 Tinh dầu thơm 0,3 – 1 Xenluloza 12 – 14 Các hợp chất khác 26 – 28 Nước nguyên liệu Công nghiệp sản xuất bia đòi hỏi một lượng lớn nước cho các mục đích sử dụng khác nhau: nước nguyên liệu, nước làm lạnh, nước rửa thiết bị, bao bì, vệ sinh nhà xưởng, nước nồi hơi...Chất lượng bia phụ thuộc nhiều vào chất lượng nguồn nước cấp. Nước dùng cho sản xuất bia phải là nước đã qua xử lý, đạt các tiêu chuẩn nước nguyên liệu cho sản xuất nước giải khát: - Không màu, không mùi - Chỉ số Coli = 0 - Độ pH của nước: 6,5 - 7 - Độ cứng: 8 - 120H - NH3 và NO2- : không có - Fe2+: không có hoặc có rất ít [5] Nấm men 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 lại 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 kỹ thuật hết sức quan trọng. Hai chủng nấm men thường được dùng trong sản xuất bia là nấm men nổi Saccharomyces cerevisiae và nấm men chìm Saccharomyces carlsbergensis. Sử dụng nấm men nổi đòi hỏi phải kèm theo những biện pháp lọc cẩn thận mới có sản phẩm trong suốt vì tế bào nấm men vẫn còn trong dịch lên men ngay cả ở cuối thời kỳ lên men phụ. Nấm men chìm có ưu điểm hơn đó là trong quá trình phát triển, tế bào của chúng kết dính vào nhau thành chùm rồi lắng xuống đáy thiết bị lên men thành lớp chặt, thuận lợi cho việc tách lớp tế bào đó làm men giống cho các đợt sản xuất tiếp sau.[4]. Ngoài ra, nấm men chìm có khả năng lên men ở nhiệt độ dưới 0oC trong khi nấm men nổi chỉ cần nhiệt độ thấp hơn 10oC đã trở nên vô hoạt. Nhờ những ưu điểm đó mà chủng nấm men S. carlsbergensis được sử dụng rất rộng rãi trong ngành công nghiệp sản xuất bia. II.1.1.2. Phụ liệu Ngoài các nguyên liệu chính, công nghệ sản xuất bia còn sử dụng các phụ liệu sau: - Chất trợ lọc diatomit: Được sử dụng nhằm nâng cao hiệu quả và rút ngắn thời gian lọc bia. Khi rửa thiết bị, chất trợ lọc cuốn theo nước rửa sẽ làm tăng hàm lượng chất rắn trong nước thải. Trong hệ thống xử lý, chất trợ lọc thường lắng lại ở bể lắng sơ cấp. Định mức diatomit cho 1000 lít bia là 1,5 kg. - Muối hạt: Được sử dụng nhằm tăng hiệu quả làm lạnh, phải đảm bảo sạch, ít tạp chất. Định mức muối hạt cho 1000 lít bia là 4 kg. - Hóa chất khử trùng (Xút, P3 + Reecon + Dioree, Ozonia...): Được sử dụng để chế dung dịch rửa (CIP nóng, CIP lạnh), khử trùng, vệ sinh thiết bị. Các chất này được tuần hoàn tái sử dụng đến khi loãng được xả ra cùng với nước thải làm cho pH của nước thải thay đổi. - Dầu mỡ, tác nhân lạnh (amoniắc, freon, glycol...): Được sử dụng trong máy nén, máy lạnh. Khi bị rò rỉ chúng sẽ gây ô nhiễm môi trường nước, không khí. II.1.2. Công nghệ sản xuất bia Quy trình công nghệ sản xuất bia được tóm tắt trong sơ đồ hình II.1. Quy trình bao gồm các công đoạn chính sau: - Chuẩn bị nguyên liệu - Nấu - đường hoá - Lên men - Lọc bia - Bão hoà CO2 và chiết bia II.1.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu Ở giai đoạn này, malt được làm ẩm trước khi nghiền nhỏ, gạo được nghiền thành bột và ngâm trương nhằm tăng hiệu quả đường hóa. II.1.2.2. Nấu - đường hoá Quá trình nấu Gạo và malt được nghiền và định lượng sẵn cho từng mẻ nấu. Lượng nguyên liệu cần cho một mẻ nấu là: malt: 565 kg, gạo: 240 kg, houblon: 4 kg. Cho 20 kg bột malt và nước ở 48 – 50oC vào nồi nấu gạo, khuấy đều rồi cho 240 kg bột gạo. Lượng nước vào nồi theo tỷ lệ 1 nguyên liệu với 4 – 4,5 nước theo trọng Bia hơi thành phẩm Nước rửa Nước công nghệ Bã malt Bã hoa Hình II.1. Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất bia Nước Malt Gạo tẻ Nghiền bột Ngâm trương Hồ hóa Dịch hóa Đun sôi Nghiền bột Ngâm khuấy kỹ Đường hóa Lọc trong Nấu hoa Lọc bã hoa Để lắng 30’ Làm lạnh nhanh Lên men chính Làm lạnh Lên men phụ Lọc trong Bão hòa CO2 Thanh trùng Chiết chai, lon Chiết bom Men giống Thu hồi men Rửa bã ThuCO2 Bia chai, lon thành phẩm Houblon lượng. Mở hơi nâng dần nhiệt độ này lên đến 75oC và giữ ở nhiệt độ này chừng 20 phút, nâng tiếp đến 85oC giữ chừng 8 – 10 phút rồi hạ xuống 75oC và cho 30 kg bột malt đã hòa với nước để dịch hóa. Thời gian dịch hóa 20 – 30 phút rồi nâng đến sôi và giữ cho sôi trong 15 – 30 phút. [1] Quá trình đường hoá Cho tiếp 515 kg malt còn lại cùng với nước vào nồi đường hóa. Lượng nước cho vào theo tỷ lệ 1/ 3,5 – 4 ở 48 – 55oC, khuấy đều, giữ một thời gian rồi bơm dịch đang sôi ở nồi gạo sang để nâng nhiệt độ dịch đường hóa lên 60 – 67oC và giữ nhiệt độ này 50 – 60 phút, sau đó nâng tiếp đến 76oC và giữ 15 – 20 phút cho đến khi kết thúc đường hóa (thử bằng iot âm tính). [1] Nhờ tác dụng của hệ enzym gồm a, b -amilaza, tinh bột được chuyển thành glucoza, maltoza, maltotrioza, maltotetraoza, fructoza, saccaroza và các dextrin có phân tử lượng khác nhau trong khoảng nhiệt độ 63 – 780C. Các loại đường này hòa tan vào dung dịch chính là thành phần chính của nước nha [4]. Lượng protein hòa tan chiếm 40 – 50% lượng protein có trong malt. Enzym proteaza thuỷ phân protein thành albumin, pepton, polypeptit; enzym peptidaza thuỷ phân peptit thành các aminoaxit ở nhiệt độ 45-520C. Nhờ tác dụng của enzym phitaza, các chất hữu cơ chứa photpho được chuyển hoá mạnh tạo thành axit photphoric ở nhiệt độ tối ưu 480C. Các phốt pho vô cơ giữ vai trò rất quan trọng trong sự hình thành tính đệm của môi trường, yếu tố này rất quan trọng, nâng cao tính ổn định và hoạt lực của các enzym. Lọc dịch đường - nấu hoa Quá trình lọc dịch đường diễn ra theo 2 bước: - Bước 1: Lọc hỗn hợp dịch đường thu nước nha đầu. - Bước 2: Dùng nước nóng rửa bã lọc thu nước nha cuối và tách bã malt. Nước nha đầu và nước nha cuối sau khi lọc được đưa vào nồi nấu hoa. Quá trình nấu hoa houblon nhằm mục đích tạo hương vị cho bia. Nấu hoa gồm 2 giai đoạn: Khi dịch đường ở nồi nấu hoa sôi, cho 2/3 lượng hoa vào và trước khi kết thúc nấu khoảng 10-15 phút thì cho nốt lượng hoa còn lại. Thời gian nấu sôi từ 60-90 phút. Ở nhiều cơ sở sản xuất bia, houblon được bổ xung dưới dạng bột hoặc cao houblon. Tách bã và làm lạnh dịch đường Sau khi nấu hoa, dịch đường được lọc tách bã hoa rồi được bơm vào thùng lắng xoáy, để lắng trong 30 phút rồi bơm dịch qua lạnh nhanh bản mỏng để hạ nhiệt độ xuống còn khoảng 8 – 100C để thích hợp cho quá trình lên men chính, sau đó ôxy được bổ sung vào với lượng 30 – 35 ml khí /lít tạo điều kiện thuận lợi cho nấm men phát triển rồi chuyển vào thiết bị lên men. Lượng nấm men được bổ xung với tỷ lệ 1- 1,5 % so với lượng dịch đường. II.1.2.3. Quá trình lên men Đây là quá trình quan trọng nhất trong công nghệ sản xuất bia: đường có trong nước nha được lên men dưới tác dụng của nấm men. Nấm men giống được chuẩn bị trong thiết bị chuyên dụng theo quá trình vô trùng kín. Quá trình lên men gồm lên men chính và lên men phụ. Lên men chính: Thời gian cho quá trình lên men chính thường từ 6 – 10 ngày, nhiệt độ duy trì trong giai đoạn lên men chính từ 8 – 100C. Khi lên men, nhiệt độ của dịch đường trong thùng tăng và cho phép lên đến 14 – 16oC với áp suất khống chế ở mức 1,3 – 1,5 bar. [1] Lên men phụ: Sau khi quá trình lên men chính kết thúc, nhiệt độ hạ xuống 40C, giữ tiếp trong một ngày nữa rồi tiếp tục làm lạnh bia trong thùng xuống -10C . Khi làm lạnh, men lắng xuống phía dưới đáy thùng và sẽ được lấy ra và chuyển vào thùng chứa men, các cặn mịn và các chất keo tụ (tanin, protein, pectin không tan và nhựa hoa houblon) lắng làm trong bia cũng được lấy ra trước khi đi lọc bia. Lượng men thu hồi được có thể sử dụng lại nhiều lần và theo tỷ lệ do bộ phận kỹ thuật công nghệ quyết định. Khi nhiệt độ trong thùng hạ xuống tới -10C giữ thêm 1 – 3 ngày nữa sau đó đem đi lọc. Khí CO2 thoát ra trong quá trình lên men khá sạch, được nén đóng chai thu hồi để nạp lại cho bia ở giai đoạn bão hoà CO2. Lượng CO2 dư có thể bán cho các cơ sở sản xuất nước giải khát. Thùng lên men liên hợp (Combitank) được thiết kế có áo lạnh và bảo ôn bên ngoài. Phần áo lạnh được thiết kế sao cho có thể điều chỉnh được nhiệt độ của lượng bai trong thùng khi cần thiết. Công nghệ hiện đại có ưu điểm lớn là đã rút ngắn thời gian lên men, cải thiện điều kiện lao động cho công nhân, tránh được sự tạp nhiễm và hao hụt sản phẩm. II.1.2.4. Lọc bia Bia được làm trong nhờ quá trình lọc có sử dụng chất trợ lọc diatomit hoặc tách ly tâm. Bia sau khi lọc được đưa về thùng chứa bia thành phẩm. II.1.2.5. Bão hoà CO2 và chiết bia Từ thùng chứa bia trong bia có thể được bão hoà thêm CO2 (nếu cần thiết) rồi đưa đi chiết chai, chiết bom hoặc đóng lon. Bao bì được rửa, sau đó chiết, đóng nắp, thanh trùng, kiểm tra, dán nhãn, đóng két và xuất xưởng. II.1.3. Nhu cầu về vật tư, nhiên liệu, năng lượng và nước Nhu cầu về vật tư: Nhu cầu về vật tư, nguyên liệu cho sản xuất bia được thể hiện trong bảng II.3: Bảng II.3. Nhu cầu nguyên liệu, vật tư cho sản xuất bia [1] Số TT Tên nguyên liệu Nguồn cung ứng Đơn vị tính Chỉ tiêu cho 1000 lít bia Khối lượng yêu cầu cho 1 năm sản xuất Tỷ lệ trong bia A NGUYÊN LIỆU CHÍNH 1 Malt đại mạch Nhập tấn 0,113 690 70% 2 Gạo tẻ Trong nước tấn 0,048 288 30% 3 Hoa houblon Nhập tấn 0,0008 4,8 B NGUYÊN LIỆU PHỤ 1 Chất trợ lọc Nhập kg 1,5 9000 2 Muối hạt Trong nước tấn 0,004 24 3 Muối mỏ Trong nước tấn 0,0003 1,8 4 NaOH Nhập tấn 0,0014 8,4 Nhu cầu nhiên liệu: Than (than cám, than củ...), dầu FO để đốt lò cung cấp hơi nước cho quá trình sản xuất. Định mức cho 1000 lít bia từ 70-75kg than hoặc 45-60 kg dầu FO [2]. Nhu cầu năng lượng: Điện được sử dụng để vận hành thiết bị, chiếu sáng, sinh hoạt, bảo vệ...Trung bình định mức điện 120 KWh /1000 lít bia. Nhu cầu nước: Với định mức sử dụng cho 1000 lít bia hơi là 10 m3 nước, lấy ví dụ một nhà máy sản xuất bia với năng lực sản xuất trong một ngày là 20.000 lít bia thì lượng nước cần thiết cho sản xuất 200 m3. Trong đó bao gồm: Nước cho nấu bia (nước công nghệ): 20 m3/ngày. Nước cho các nhu cầu làm mát, rửa thiết bị, vệ sinh sàn, rửa chai: 130 – 140 m3/ngày. Nước sinh hoạt: định mức sử dụng cho một người trong một ngày là 80 – 100 lít/người. Nếu nhà máy có 100 công nhân làm việc thì sẽ tiêu thụ từ 8 – 10 m3 nước/ngày. Nước cấp cho nồi hơi: Nhà máy có 2 lò hơi, mỗi lò công suất 1 tấn hơi/giờ thì lượng nước tiêu thụ trong một ngày từ 30 – 48 m3. Nước cứu hỏa: có thể được lấy từ bể dự trữ của nhà máy. Do sự cố xảy ra hỏa hoạn là biến cố ngẫu nhiên nên không tính là nguồn nước sử dụng thường xuyên. Khi sử dụng để cứu hỏa, lượng nước hao hụt sẽ được bổ sung. [1] II.2. Các nguồn thải chính trong sản xuất bia và tác động của chúng đến môi trường Các nguồn thải chính trong sản xuất bia gồm có khí thải, chất thải rắn và nước thải, được thể hiện trong bảng II.4, ngoài ra còn có các nguồn ô nhiễm phụ khác đó là ô nhiễm nhiệt, mùi và tiếng ồn. Bảng II.4. Các nguồn thải chính trong sản xuất bia [1] Nguồn thải Nguồn ô nhiễm Tác động đến môi trường 1. Nạp, nghiền nguyên liệu - Bụi, khí thải - Ô nhiễm khí 2. Nấu, đường hoá bằng hơi - Nồi hơi - Rửa nồi nấu - SO2, NOX, CO2, CO, bụi - Nước thải - Ô nhiễm khí - Ô nhiễm đất, nước 3. Lắng - lọc - Rửa thiết bị lên men - Chất thải rắn (bã malt, bã hoa - Nước thải - Ô nhiễm đất, nước - Ô nhiễm khí 4. Làm lạnh NH3, freon...rò rỉ - Ô nhiễm khí 5. Lên men - Rửa thiết bị lên men - CO2 - Nước thải - Ô nhiễm khí - Ô nhiễm nước 6. Lọc bia tươi - Chất thải rắn (men bia, trợ lọc, cặn protein) - Nước thải - Ô nhiễm đất - Ô nhiễm nước 7. Bão hoà CO2 - CO2 - Ô nhiễm khí 8. Rửa và chiết bom, chai, lon - Bia rơi vãi - Ô nhiễm nước 9. Rửa nhà xưởng vệ sinh công nghiệp - Nước thải - Ô nhiễm nước 10. Chất thải sinh hoạt - Bã thải rắn - Nước thải - Ô nhiễm đất, nước - Ô nhiễm nước II.2.1. Các chất thải gây ô nhiễm môi trường không khí Khí ô nhiễm phát sinh chủ yếu ở bộ phận lò hơi và lên men chính. Lượng và loại phụ thuộc vào thiết bị sử dụng và điều kiện công nghệ. Khí CO2 sinh ra trong quá trình lên men chính khá sạch và có thể tận thu nhờ thiết bị thu hồi và được đóng chai ở áp lực cao để sử dụng. Các chất khí và bụi ô nhiễm phát sinh chủ yếu do đốt nhiên liệu than, dầu ở lò hơi gồm SO2, NOx, CO2, CO, bụi than... Các khí này đều là khí độc gây nhức đầu, chóng mặt, các bệnh về mắt, các bệnh về đường hô hấp, bệnh ngoài da... làm ảnh hưởng đến sức khoẻ của người lao động và dân cư vùng phụ cận. Thêm vào đó, các khi này góp phần tạo mưa axit gây phá huỷ các công trình kiến trúc, phá huỷ hạ tầng cơ sở...Như vậy, để khắc phục, có thể thay đổi nguyên liệu đầu vào bằng lượng than với hàm lượng lưu huỳnh thấp, các lò hơi đều cần phải có hệ thống tách bụi, lọc khí, có ống khói cao sẽ hạn chế lượng khí thải độc hại và không gây ô nhiễm cục bộ, giảm ô nhiễm môi trường không khí. Bụi từ khâu xay, nghiền nguyên liệu có thể khắc phục bằng cách sử dụng phương pháp xay ướt, lọc bằng túi vải hoặc bao che kín hệ thống nghiền và tải liệu. Ngoài ra còn có khí NH3, freon... có thể sinh ra khi hệ thống máy lạnh bị rò rỉ. II.2.2. Chất thải rắn Chất thải rắn sản xuất được phát sinh ở nhiều công đoạn sản xuất. Lượng chất thải rắn phát sinh phụ thuộc vào công nghệ sản xuất, trình độ thao tác công nhân và các biện pháp quản lý mặt bằng...Các chất thải rắn bao gồm các chất thải có thể xử lý sinh học giàu chất hữu cơ và các chất thải không thể xử lý sinh học. [7] Chất thải giàu chất hữu cơ có thể xử lý sinh học chiếm lượng lớn bao gồm bã malt và men bia... có thể được tận thu: cứ 100 kg nguyên liệu ban đầu có thẻ thu được 125 kg bã tươi với hàm lượng chất khô 20 – 25%. Bã malt được dùng làm thức ăn gia súc. Bã ướt, đặc biệt trong mùa hè, rất dễ bị chuyển hoá. Để bảo quản bã lâu hơn, ở một số xí nghiệp nước ngoài người ta ủ bã trong các hầm xi măng đặc biệt. Men bia có giá trị dinh dưỡng cao, có thể sử dụng làm thuốc chữa bệnh, thuốc bổ và làm thức ăn bổ sung cho gia súc rất hiệu quả. Mầm malt, các phế liệu hạt tạo ra trong quá trình làm sạch, phân loại, ngâm hạt đại mạch và nghiền malt cũng được tận dụng làm thức ăn gia súc. Bã hoa houblon và cặn protein hiện ít được sử dụng cho chăn nuôi vì có vị đắng, thường được xả ra cống làm tăng tải lượng ô nhiễm của nước thải. Cặn protein có thể được dùng làm thức ăn cho cá. ở nhiều nước người ta đã thử dùng cặn này làm chất kết dính cho làm đường và làm phân bón. Các chất thải rắn dễ chuyển hoá sinh học nếu không được xử lý kịp thời sẽ bị thối rữa, làm mất mỹ quan cơ sở, gây ô nhiễm đất, nước, không khí, ảnh hưởng tới sức khoẻ của công nhân và cộng đồng dân cư xung quanh. Các chất thải không thể xử lý sinh học bao gồm bao bì, thuỷ tinh, két nhựa, xỉ than, chất trợ lọc... Những phần có giá trị có thể hợp đồng bán lại cho các cơ sở sản xuất như bao bì, vỏ lon, chai. Xỉ than được tận dụng sản xuất vật liệu xây dựng. Phần còn lại được thu gom và vận chuyển cùng với rác thải sinh hoạt. Công tác quản lý chất thải rắn cần phải được thực hiện tốt, sẽ góp phần làm tăng lợi ích kinh tế cho nhà máy bằng việc thu thêm các s._.ản phẩm phụ, giảm chi phí xử lý nước thải. II.2.3. Nước thải Dựa vào đặc thù của ngành sản xuất mà nước thải được chia làm 3 loại: Nước thải sản xuất, nước thải sinh hoạt và nước mưa chảy tràn. [7] Nước thải của quá trình sản xuất bia là nguồn thải chính đáng lưu ý. Công nghệ sản xuất bia sử dụng một lượng nước lớn và thải ra một lượng nước thải đáng kể. Lượng nước thải ra lớn gấp 10 – 20 lần lượng bia thành phẩm. Nước thải của sản xuất bia (hình II.2) bao gồm: [8] - Nước làm lạnh, nước ngưng, đây là nguồn nước thải ít hoặc gần như không bị ô nhiễm, có khả năng tuần hoàn sử dụng lại. - Nước thải từ bộ phận nấu, đường hoá, chủ yếu là nước vệ sinh thùng nấu, bể chứa, sàn nhà...nên chứa bã malt, tinh bột, bã hoa, các chất hữu cơ... - Nước thải từ hầm lên men là nước vệ sinh các thiết bị lên men, thùng chứa, đường ống, sàn nhà, xưởng... có chứa bã men và chất hữu cơ... - Nước thải từ công đoạn rửa chai, đây cũng là một trong những dòng thải có độ ô nhiễm lớn trong công nghệ sản xuất bia. Về nguyên lý chai để đóng bia được rửa qua các bước: rửa với nước nóng, rửa bằng dung dịch kiềm loãng nóng (1 – 3% NaOH), tiếp đó là rửa sạch bẩn và nhãn bên ngoài chai và cuối cùng là phun kiềm nóng rửa bên trong và bên ngoài chai, sau đó rửa sạch bằng nước nóng và nước lạnh. Do đó dòng thải của quá trình rửa chai có độ pH cao và làm cho dòng thải chung có giá trị pH kiềm tính. Thành phần hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thải của sản xuất bia bao gồm protein và aminoaxit từ nguyên liệu và nấm men, hydratcacbon (dextrin và đường) cũng như pectin tan hoặc không tan, axit hữu cơ, rượu... từ nguyên liệu và sản phẩm rơi vãi. Ngoài nước thải ra từ khu vực sản xuất, một nguồn ô nhiễm khác đó là nước thải sinh hoạt thải ra từ nhà vệ sinh, nhà bếp phục vụ cán bộ công nhân viên. Nước thải chủ yếu chứa các chất gây ô nhiễm là BOD, SS, N, P, vi sinh vật, có mức độ ô nhiễm trung bình. Nước thải này nếu không được xử lý thích đáng cũng gây ra những tác động xấu đến môi trường. Một nguồn khác đó là nước mưa chảy tràn. Nước mưa do chảy tràn nên đã cuốn theo chất thải trong quá trình sản xuất khác như cặn dầu, đất cát, rác thải... Nguồn nước này có thể được coi là nguồn nước quy ước sạch và cho phép xả trực tiếp vào nguồn thải sau xử lý. Công nghệ sản xuất bia là quá trình công nghệ gián đoạn, lại phụ thuộc nhiều vào mùa vụ, thời tiết trong năm. Vì vậy, nước thải của sản xuất bia biến động lớn cả về lưu lượng cũng như về thành phần tính chất trong ngày sản xuất, thậm chí thay đổi Xay Nấu Nấu hoa Tách bã (xoáy lốc) Làm lạnh Len men chính, phụ Lọc bia Bia tươi Chiết bia Đóng nắp Thanh trùng Kiểm tra dán nhãn đóng két Malt Máy lạnh Hình II.2. Sơ đồ công nghệ và dòng thải của quá trình sản xuất bia Làm nguội nước nóng Nước làm lạnh Hoa, phụ gia Lọc bã bia Nước thải Nhãn, két hư hỏng Bao bì hư hỏng Rửa chai, lon Chai, lon sạch Môi chất làm lạnh Môi chất lạnh tuần hoàn Bã bia Nước nóng Bã lọc Bã hoa Phụ gia Hơi Hơi Chất trợ lọc Bã men Bia rơi vãi Xút, hơi Gạo Sản phẩm Nước cấp để rửa sàn, thiết bị từng giờ. Để thiết kế và xây dựng hệ thống xử lý cần biết chính xác lưu lượng, các đặc tính của nước thải để lựa chọn phương pháp xử lý khả thi với hiệu quả cao. Bảng II.5 thể hiện các nguồn nước thải chính và đặc trưng của mỗi loại, trong đó nguồn phát sinh gây ô nhiễm lớn nhất đó là từ quá trình rửa chai, bom, vệ sinh thiết bị, nhà xưởng. Bảng II.6 chỉ ra những đặc tính điển hình của nước thải từ sản xuất bia. Hàm lượng BOD5 và SS của nước thải sản xuất bia khá cao (BOD5 = 450 mg/l, SS = 244 – 650 mg/l) , trong khi đó tổng nitơ lại thấp (24 – 50 mg/l). Bảng II.5. Các nguồn nước thải của sản xuất bia và đặc trưng [1] Nguồn phát sinh Thành phần trong nước thải Đặc trưng - Nấu, đường hoá - Lắng, tách bã - Rửa thiết bị lên men - Rửa thiết bị lọc - Rửa chai, bom Bã hạt, đường Protein, đường Nấm men, bia, protein Diatomit, nấm men, bia Bia, xút, nhãn chai BOD, SS BOD BOD SS, BOD pH cao, BOD, SS Bảng II.6. Đặc trưng điển hình của nước thải nhà máy bia [1] Đặc trưng Khoảng giá trị pH SS, mg/l BOD5 200C, mg/l (trung bình) COD, mg/l (trung bình) Tổng nitơ, mg/l 5,5 - 7,4 244 - 650 450 590 24 - 50 II.2.4. Các nguồn ô nhiễm khác Ô nhiễm nhiệt Trong ngành sản xuất bia, các công đoạn nấu, nồi hơi, thanh trùng... có các bộ phận gia nhiệt làm tăng nhiệt độ trong khu vực sản xuất, ảnh hưởng đến sự bay hơi, phát tán bụi và các chất khí gây ô nhiễm. Điều này yêu cầu nhà máy phải bố trí hệ thống thông gió hợp lý để giảm ô nhiễm cục bộ. Tương tự với các cơ sở sản xuất cũ dùng hầm lạnh cần trang bị áo chống lạnh cho công nhân. Ô nhiễm tiếng ồn Tiếng ồn trong các nhà máy bia chỉ xảy ra cục bộ của từng phân xưởng khi thiết bị hoạt động, từ khâu xay nghiền nguyên liệu, xưởng động lực... Khi sử dụng các thiết bị cũ, tiếng ồn thường xuyên lên tới trên 85 dB. Tuy nhiên các bộ phận sinh ồn lớn đều có thể khống chế giảm tác động tới bên ngoài bằng cách đóng kín cửa, ghi biển báo. Môi trường vi khí hậu và an toàn lao động Mùi gây ra trong nhà máy bia do nhiều nguồn như nước dịch đường khâu nấu, nồi hơi, bộ phận xử lý nước thải hoặc cống thải... Tác động của mùi tới con người phụ thuộc rất nhiều vào việc bố trí nhà xưởng theo hướng gió hợp lý. Tại một số cơ sở nhỏ, công nhân vẫn phải dùng sức người vận chuyển nguyên liệu, sản phẩm, dễ gây bệnh đau lưng nghề nghiệp. Các cơ sở cần quan tâm giải quyết thiết bị vận chuyển hợp lý. Tùy theo quy mô, mức độ hiện đại cũng như mối quan tâm tới hiện trạng môi trường của ban lãnh đạo mà mỗi cơ sở sản xuất bia có một vài đặc thù riêng về môi trường. CHƯƠNG III CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT BIA III.1. Các phương pháp bổ trợ xử lý sinh học Phương pháp bổ trợ cho quá trình xử lý sinh học phổ biến nhất đó là phương pháp cơ học. Để tách các hạt lơ lửng ra khỏi nước thải thường sử dụng các quá trình thủy cơ (gián đoạn hoặc liên tục): lọc qua song chắn hoặc lưới, lắng dưới tác dụng của lực trọng trường hoặc lực ly tâm và lọc. Việc lựa chọn phương pháp xử lý tùy thuộc vào kích thước của hạt, tính chất hóa lý, nồng độ hạt lơ lửng, lưu lượng nước thải và mức độ làm sạch cần thiết. [8] Quá trình lắng thường được tiến hành trước xử lý sinh học (lắng sơ cấp) và sau xử lý sinh học (lắng thứ cấp). III.2. Các phương pháp xử lý sinh học Phương pháp phổ biến và kinh tế nhất để xử lý nước thải chứa chất hữu cơ là phương pháp sinh học. Các quá trình xử lý sinh học sử dụng để phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước thải có thể chia thành 2 loại chính: Các quá trình xử lý hiếu khí và các quá trình xử lý yếm khí. Trong các hệ thống hiếu khí, các vi sinh vật sử dụng oxy để oxy hóa sinh hóa các hợp chất hữu cơ và vô cơ có thể chuyển hóa sinh học. Còn các hệ thống yếm khí không cần cung cấp oxy, vi sinh vật phân giải các chất hữu cơ thông qua quá trình lên men. Tùy theo hàm lượng chất hữu cơ có trong nước thải và các điều kiện khác như thành phần, tính chất nước thải, lưu lượng dòng thải, mặt bằng xây dựng, kinh phí cho phép, các điều kiện địa lý, thủy văn của nguồn nước, nơi tiếp nhận nước thải và mức độ cần thiết xử lý nước thải... mà có thể lựa chọn phương pháp khác nhau như xử lý yếm khí, hiếu khí bằng bùn hoạt tính hay lọc sinh học. III.2.1. Phương pháp xử lý yếm khí Phương pháp này chủ yếu sử dụng cho nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao (COD>1500 mg/l), hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS) hoặc bã thải rắn lớn (bã malt, bã men, cặn protein). Đối với nước thải quá trình sản xuất bia khi chưa được phân luồng, hàm lượng COD, BOD5 không quá lớn do đó không nên sử dụng phương pháp xử lý yếm khí. Tuy vậy, trong hệ thống xử lý nước thải tại nhà máy bia, để xử lý bùn dư (sản phẩm của quá trình xử lý sinh học) có thể áp dụng phương pháp yếm khí, hầm tiêu hủy bùn. Hơn nữa, quá trình yếm khí ngoài CH4 được tạo ra còn có H2S, NH3 sẽ gây mùi khó chịu cho khu vực xung quanh. [1] III.2.2. Phương pháp xử lý hiếu khí III.2.2.1. Cơ chế Bản chất là quá trình oxy hóa. Các vi sinh vật sử dụng oxy để oxy hóa các hợp chất hữu cơ và các hợp chất vô cơ có thể chuyển hóa sinh học được có trong nước thải, đồng thời chính các vi sinh vật sử dụng một phần hữu cơ và năng lượng khai thác được từ quá trình oxy hóa để tổng hợp nên sinh khối của chúng. Cơ chế của quá trình oxy hóa: Oxy hóa các hợp chất hữu cơ không chứa Nitơ: CxHyOz + (x + - ) O2 ® xCO2 + H2O - Oxy hóa các hợp chất hữu cơ có chứa Nitơ: CxHyOzN + (x + - - ) O2 ® xCO2 + H2O + NH3 + E - Oxy hóa các hợp chất hữu cơ không chứa Nitơ tổng hợp sinh khối: CxHyOz + NH3 + (x + - - 5) O2 ® (x – 5)CO2 +H2O + C5H7NO2 + E - Oxy hóa các hợp chất hữu cơ có chứa Nitơ tổng hợp sinh khối: CxHyOzN + NH3 + (x + - - )O2 ® (x – 10)CO2 +H2O + 2C5H7NO2 +E - Quá trình tự hủy của sinh khối vi khuẩn: C5H7NO2 + 5O2 ® 5CO2 + 2H2O + NH3 + E - Oxy hoá các chất vô cơ: Fe2+ ® Fe3+ S2- (trong xistein) ® SO42- P ® PO43- Mn2+ ® Mn4+ III.2.2.2. Tác nhân sinh học Vi sinh vật trong quá trình xử lý hiếu khí bao gồm 2 nhóm chính: Vi khuẩn (gồm các vi khuẩn hô hấp hiếu khí hoặc tùy tiện) và nguyên sinh vật. Các nhóm vi khuẩn hô hấp hiếu khí quan trọng là: Pseudomonas, đặc biệt là P. putida và P. stutzeri Aerobacter aerogenes Nitrosomonas vinogradski (có khả năng nitrit hóa) Bacillus subtilis (đóng vai trò quan trọng trong quá trình thủy phân protein) Flavobacterium và Alcaligenes (đối với nước thải giàu Fe, S) Các nhóm vi khuẩn hô hấp tùy tiện gồm: Cellulomonas bizotera (có khả năng oxy hóa celluloza) Nitrobacter ( có khả năng nitrat hóa) Rhodopseudomonas (sắc tố màu đỏ) : làm bùn hoạt tính (trong hệ thống aeroten) có màu hồng. Microthirix, Thiothrix (dạng sợi): làm bùn hoạt tính trắng, xốp. Các nguyên sinh vật Trùng roi (Euglena) Trùng tơ (Ciliatae) Các nguyên sinh vật này có kích thước lớn (30 – 50 m), khả năng lắng nhanh, ăn được vi khuẩn, bông bùn kích thước nhỏ, làm nước trong. Quy luật phát triển của vi sinh vật trong môi trường nuôi cấy Vi sinh vật chuyển hóa các hợp chất hữu cơ nhờ hệ enzym mà chúng tổng hợp được. Các hợp chất được chuyển hóa chính là nguồn nguyên liệu để tổng hợp sinh khối và khai thác năng lượng cho quá trình trao đổi chất. Trong môi trường nước, vi sinh vật phát triển theo các giai đoạn khác nhau tùy thuộc vào đặc tính sinh lý và tốc độ sinh sản của chúng. Quá trình phát triển của vi sinh vật được chia thành nhiều giai đoạn như minh họa trên hình III.1 [8] Hàm lượng sinh khối X, mg/l D C E F (1) A B (2) Thời gian t Hình III.1. Đường cong sinh trưởng của tế bào (1) và biến thiên BOD (2) - Giai đoạn tiềm phát (A-B): vi sinh vật chưa thích nghi với môi trường hoặc đang biến đổi để thích nghi. Đến cuối giai đoạn này tế bào vi sinh vật mới bắt đầu sinh trưởng. Các tế bào mới tăng về kích thước nhưng chưa tăng về số lượng. - Giai đoạn sinh trưởng lũy tiến (pha logarit hay pha chỉ số) (B-C): vi sinh vật phát triển với tốc độ riêng không đổi. Sau một thời gian nhất định, tổng số tế bào cũng như trọng lượng tế bào tăng lên gấp đôi. - Giai đoạn giảm tốc độ (C-D): do dinh dưỡng đã cạn kiệt, vi sinh vật không còn sinh trưởng ở mức độ cực đại, nhiều tế bào đã già, tốc độ phát triển giảm dần tới mức cân bằng ở cuối pha. - Giai đoạn cân bằng (giai đoạn dừng) (D-E): số lượng tế bào sống được giữ ở mức không đổi, nghĩa là số lượng tế bào chết đi tương đương với số lượng tế bào mới sinh ra. Tính chất sinh lý của tế bào vi sinh vật bắt đầu thay đổi, cường độ trao đổi chất giảm đi rõ rệt. - Giai đoạn suy vong (E-F): sự tích lũy sản phẩm trao đổi chất có tác động ức chế và tiêu diệt vi sinh vật, tốc độ sinh sản giảm đi rõ rệt và dần dần ngừng hẳn, dẫn đến số lượng tế bào sống giảm đi rất nhanh và bắt đầu có hiện tượng tự hủy. Trong pha logarit, sinh khối tăng theo biểu thức: trong đó: - tốc độ tăng trưởng của sinh khối, mg/l.t X - hàm lượng sinh khối, mg/l m - tốc độ sinh trưởng riêng, l/t t - thời gian, h. III.2.2.3. Các phương pháp hiếu khí xử lý nước thải 1. Xử lý hiếu khí trong điều kiện tự nhiên Cánh đồng lọc và cánh đồng tưới Nước thải được đưa vào cánh đồng tưới nhờ hệ thống cống, mương dẫn. Các chất ô nhiễm có trong nước thải được hấp thụ và giữ lại trong đất. Nhờ khu hệ vi sinh vật tự nhiên trong đất, nước sẽ phân hủy chúng thành các chất đơn giản để cây trồng hấp thụ. Nước thải sau khi ngấm vào đất, một phần được cây trồng sử dụng, phần còn lại chảy vào hệ thống tiêu nước ra sông hồ hoặc bổ sung cho nước ngầm. Cánh đồng tưới có 2 chức năng: xử lý nước thải và tưới bón cây trồng. Khi cánh đồng chỉ làm chức năng xử lý nước thải thì sẽ được gọi là cánh đồng lọc. Nước thải trước khi đưa vào cánh đồng tưới hoặc cánh đồng lọc cần qua xử lý sơ bộ để loại bỏ rác, các vật thô cứng, cát sỏi, dầu mỡ, các chất huyền phù... để tránh cho các lỗ hổng và mao quản lớp đất mặt bị bít kín làm giảm sự thoáng khí, ảnh hưởng xấu đến khả năng oxy hóa các chất bẩn của hệ vi sinh vật. Phương pháp này đơn giản, không tốn kém, kết hợp xử lý nước thải và canh tác nhưng ít được sử dụng vì cần diện tích đất lớn, phải có hệ thống kênh mương dẫn từ nguồn thải đến nơi xử lý. Phương pháp này đòi hỏi địa điểm phải cách xa khu dân cư, không ảnh hưởng đến chất lượng nước ngầm, nước thải không có vi sinh vật gây bệnh, không chứa chất thải độc hại, hàm lượng chất hữu cơ không quá lớn. Hồ sinh học Hồ sinh học hay còn được gọi là hồ oxy hóa hoặc hồ ổn định. Đó là một chuỗi hồ gồm từ 3 đến 5 hồ. Nước thải chảy qua hệ thống hồ trên với một vận tốc không lớn. Trong hồ nước thải được làm sạch bằng các quá trình tự nhiên bao gồm cả tảo và các vi khuẩn nên tốc độ oxy hóa chậm, đòi hỏi thời gian lưu thủy học lớn (30 đến 50 ngày). [8] Xử lý nước thải trong hồ sinh học là biện pháp xử lý đơn giản. Phương pháp này không yêu cầu kỹ thuật cao, chi phí đầu tư , vận hành ít, quản lý đơn giản, thích hợp sử dụng khi có nhiều diện tích đất và khi không đòi hỏi chất lượng cao đối với nước sau xử lý. Hồ sinh học được phân thành các loại sau: + Hồ tự nhiên: tác nhân vi sinh vật trong tự nhiên, chủ yếu là các vi khuẩn (hô hấp hiếu khí, yếm khí, tùy tiện), các loại thủy nấm, các nguyên sinh vật, tảo. + Hồ hiếu khí: Nước thải chảy qua hồ với vận tốc không lớn. Nguồn oxy cung cấp cho hồ là sự làm thoáng không khí qua bề mặt hồ. Các loại tảo và phù du thực vật đóng vai trò lớn trong việc cung cấp oxy cho hồ. Các vi sinh vật sử dụng oxy sinh ra trong quá trình quang hợp của tảo và oxy được hấp thụ từ không khí để phân hủy các chất thải hữu cơ. Còn tảo sử dụng CO2, NH4+, photphat được giải phóng ra từ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ để thực hiện quá trình quang hợp. Độ sâu tối ưu của hồ từ 0,6 – 1,2 m để đáp ứng được nhu cầu oxy hòa tan trong nước một cách tốt nhất. Loại hồ này thường sử dụng kết hợp với nuôi trồng thủy sản, chủ yếu là cá. Nhược điểm của hồ là không thể xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao. Thông thường các hồ hiếu khí tự nhiên chỉ tải được nước thải có chỉ số BOD5 < 300 mg/l. + Hồ tùy tiện: vi sinh vật trong hồ bao gồm các vi khuẩn (hô hấp hiếu khí, yếm khí và tùy tiện), tảo, nguyên sinh vật, thủy nấm, động vật hạ đẳng và các sinh vật khác. Chúng có quan hệ tương hỗ và đóng vai trò cơ bản đối với sự chuyển hóa các chất gây ô nhiễm. Độ sâu tối ưu của hồ là khoảng 2,5 m. Hồ tùy tiện không tải được nước thải có độ ô nhiễm cao (chỉ số BOD5 khoảng 200 mg/l) . Trong hồ tùy tiện xảy ra 3 quá trình: - Phân hủy yếm khí các chất hữu cơ tan và không tan dưới dạng huyền phù và cặn lắng ở lớp nước sâu cũng như trong lớp bùn đáy. - Oxy hóa các chất hữu cơ hòa tan ở lớp nước mặt, nơi có độ oxy hòa tan cao do khuếch tán bề mặt và một lượng nhỏ từ quang hợp của tảo. - Quang hợp của tảo ở lớp nước phía trên nhờ năng lượng mặt trời. 2. Xử lý hiếu khí trong điều kiện nhân tạo Quá trình oxy hóa bằng lọc sinh học Quá trình lọc sinh học dựa trên sự hoạt động của các vi sinh vật dưới dạng màng sinh học. Màng sinh học hiếu khí là một canh trường tập trung gồm chủ yếu là các vi khuẩn hô hấp hiếu khí và hô hấp tùy tiện. Hệ thống lọc sinh học (biofiltre) còn được gọi là lọc tia hay lọc nhỏ giọt (trickfiltre). Thiết bị phản ứng sinh học chính của hệ thống này có 2 dạng kết cấu chính: Tháp lọc và bể lọc sinh học. Dạng khác của xử lý hiếu khí bằng màng sinh học là đĩa lọc sinh học và dạng màng bám dính. Dạng tháp lọc chiếm ít mặt bằng hơn, nguyên tắc làm việc của thiết bị này là tạo ra bề mặt giá thể trong tháp bằng cách cho các vật liệu đệm (như đá, gỗ, các vật liệu đệm bằng nhựa PVC dạng bóng, hoa, tấm...). Chất lỏng được tưới từ trên xuống chảy thành màng trên bề mặt giá thể, không khí được thổi từ dưới lên sục qua lớp màng tạo ra bề mặt tiếp xúc pha giữa pha khí và lỏng (giống như một tháp đệm). Quá trình chuyển hóa chất hữu cơ do oxy hóa hiếu khí nhờ màng vi sinh vật: Các chất hữu cơ trước hết bị phân hủy nhờ vi sinh vật hô hấp hiếu khí và tùy tiện ở lớp ngoài của màng. Khi lớp màng dày, ở lớp trong của màng sát với bề mặt cứng của vật liệu lọc, do không có oxy các vi khuẩn hô hấp tùy tiện phát triển có thể chuyển sang phân hủy yếm khí làm tróc lớp màng ra khỏi vật liệu lọc dễ gây tắc cục bộ, tạo các vùng yếm khí làm giảm hiệu quả xử lý. Vì vậy trong công nghệ, việc tạo màng sinh học sao cho màng có kích thước 150 – 350 m, độ dày tối ưu cho quá trình oxy hóa mang tính quyết định, màng sinh học tái tạo không gây tắc đệm, không tạo vùng yếm khí. Hiệu quả oxy hóa của tháp lọc sinh học phụ thuộc vào các yếu tố: các chỉ tiêu sinh hóa, trao đổi khối, chế độ thủy lực và kết cấu thiết bị. Theo chiều cao của tháp và tải trọng thủy lực, với một số loại nước thải công nghiệp có thể đạt hiệu suất 90%. Xử lý nước thải bằng tháp lọc sinh học có nhiều ưu điểm: [1] Ít nhạy cảm khi tải trọng thay đổi nên thiết bị vận hành ổn định hơn. Thiết bị dạng tháp nên chiếm ít mặt bằng. Bề mặt tiếp xúc pha lớn, cấp khí cưỡng bức nên quá trình chuyển hóa nhanh, thiết bị gọn. Tốn ít năng lượng cho cấp khí. Tuy nhiên, hệ thống này lại có nhược điểm: Chi phí lớn, vận hành phức tạp. Yêu cầu có khu hệ vi sinh vật ổn định. Quá trình oxy hóa bằng bể aeroten Aeroten là bể oxy hóa được cấp khí cưỡng bức. Trong hệ thống, các vi sinh vật sinh trưởng, phát triển và tồn tại dưới dạng bông sinh học (bùn hoạt tính). Việc cấp khí đáp ứng 2 yêu cầu của quá trình: Đảm bảo độ oxy hòa tan, giúp cho vi sinh vật thực hiện quá trình oxy hóa các chất ô nhiễm. Duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng trong nước cần xử lý, tạo ra hỗn hợp lỏng - huyền phù, tạo điều kiện tối ưu cho quá trình tiếp xúc giữa 3 pha: rắn, lỏng, khí, đảm bảo hiệu quả oxy hóa. Trong quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong nước thải, lượng sinh khối (bùn hoạt tính) được tạo thành, một phần bùn được tuần hoàn trở lại bể aeroten để ổn định hàm lượng sinh khối trong bể, phần còn lại được đưa về bể xử lý bùn dư. Hiệu suất xử lý nước thải trong hệ thống phụ thuộc vào thành phần và tính chất nước thải, điều kiện thủy động học và điều kiện môi trường như: nhiệt độ, pH của nước thải, sự có mặt của các nguyên tố dinh dưỡng... Phương pháp này vận hành tương đối đơn giản, ổn định, chi phí xây dựng tương đối thấp. Tuy nhiên một hạn chế rất lớn của hệ thống này là chi phí cho cấp khí khá lớn. Thực tế cho thấy, chi phí vận hành hệ thống chủ yếu là chi phí do cấp khí. Mặc dù còn hạn chế, hệ thống Aeroten là hệ thống xử lý có hiệu quả và đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới và bước đầu đã được áp dụng tại một số nhà máy sản xuất đường, bia... ở Việt Nam. III.2.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa trong bể aeroten 1. Độ oxy hòa tan (DO) Điều kiện đầu tiên để đảm bảo cho bể aeroten hoạt động có hiệu quả là phải đảm bảo cung cấp đủ lượng oxy hòa tan trong môi trường lỏng một cách liên tục, đáp ứng đầy đủ nhu cầu oxy hóa của vi sinh vật. Để đảm bảo tốc độ oxy hóa, độ oxy hòa tan trong bể cần đạt giá trị DO ³ 4 mg/l. Thiếu oxy hoà tan cũng là một trong những nguyên nhân gây hiện tượng “phồng” của bùn do vi khuẩn dạng sợi phát triển mạnh. Việc cung cấp đủ oxy hoà tan còn có tác dụng làm phân giã các khối bông lớn do lắng đọng, tránh các điểm chết trong thiết bị phản ứng, nâng cao hiệu quả làm sạch và rút ngắn thời gian lưu của nước thải trong hệ thống xử lý. Độ oxy hòa tan phụ thuộc nhiều yếu tố như phương thức cấp khí (thổi khí hoặc nén khí), chiều cao cột nước, kết cấu thiết bị phân phối khí (đường kính hạt khí càng giảm thì bề mặt riêng càng lớn, hàm lượng DO càng tăng). Hiệu suất sử dụng oxy hoà tan phụ thuộc nhiệt độ xử lý, tính chất nước thải, tỷ số F/M ( Food/ Microorganismes) là tỷ lệ giữa nguồn dinh dưỡng – chất hữu cơ và lượng sinh khối dùng để xử lý, tốc độ sinh trưởng, đặc tính sinh lý và đặc trưng của vi sinh vật. 2. Nhiệt độ và pH Nhiệt độ nước thải trong bể aeroten có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động sống của các vi sinh vật. Tốc độ phản ứng sinh học sẽ tăng cực đại tại giá trị nhiệt độ tối ưu. Nhiệt độ này thường nằm trong khoảng 16 – 37oC. Khi nhiệt độ nước thải tăng, độ oxy hòa tan trong nước sẽ giảm. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng sinh hóa được thể hiện qua biểu thức sau: [8] rT = r20 . q (T – 20) trong đó: rT, r20 - Tốc độ phản ứng ở ToC và 20oC tương ứng q - Hệ số nhiệt độ (có giá trị trung bình 1,04 đối với hệ thống bùn hoạt hóa) T - Nhiệt độ, oC Nhiệt độ cao có thể làm chết các vi sinh vật, còn nhiệt độ quá thấp, tốc độ oxy hóa sẽ giảm đáng kể và quá trình thích nghi của vi sinh vật với môi trường bị chậm lại. Giá trị pH tối ưu đối với hệ thống aeroten nằm trong khoảng từ 6,5 đến 8,5. 3. Hàm lượng sinh khối (MLSS) và tỷ lệ F/M Để có tốc độ oxy hoá tối ưu, phải lựa chọn phương pháp xử lý, thiết bị và nồng độ sinh khối thích hợp nhằm duy trì sự trao đổi chất ổn định trong suốt quá trình xử lý. Trong các hệ thống aeroten , sinh khối được tách khỏi nước đã xử lý trong bể lắng thứ cấp và được tuần hoàn lại một phần vào bể aeroten. Tuy nhiên với các loại nước thải giàu chất hữu cơ, nguồn nguyên liệu cho quá trình tổng hợp sinh khối phong phú nên lượng sinh khối tạo thành lớn. Hàng ngày phải loại ra một tỷ lệ nào đó sao cho lượng sinh khối có trong bể ổn định, đảm bảo tốc độ oxy hoá và hiệu quả xử lý nước thải. Đối với bể aeroten, hàm lượng sinh khối trong bể có thể từ 500 – 3000 (mg/l). Tùy theo hàm lượng và bản chất của các 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 thường sử dụng hàm lượng sinh khối cao 1500 – 3000 (mg/l) Với các hệ thống aeroten thông thường hàm lượng sinh khối dao dộng trong khoảng từ 500 – 1500 (mg/l). Tỷ lệ F/M (Food/Microorganism = Thức ăn/ Vi sinh vật) cũng là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong bể aeroten. Nếu F/M <1: hàm lượng sinh khối tạo thành ít, kích thước bông bùn tối ưu, bùn lắng nhanh, bể hoạt động hiệu quả. Nếu F/M >1: vi khuẩn phát triển nhanh, 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. 4. Thành phần dinh dưỡng Để tăng tốc độ phản ứng sinh hoá, duy trì sự phát triển của vi sinh vật, đảm bảo quá trình làm sạch nước theo yêu cầu thì dòng thải phải được cung cấp đầy đủ dinh dưỡng C, N, P và một số nguyên tố khoáng cho vi sinh vật phát triển. Các nguyên tố vi lượng thường có sẵn trong nước thải nhưng thành phần nitơ và photpho của nước thải sản xuất bia thường thấp. Sự thiếu hụt các thành phần này sẽ kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật, hạn chế quá trình oxy hoá sinh học. Thiếu nitơ và photpho trong thời gian dài là một trong những nguyên nhân thay đổi tương tác trong khu hệ vi sinh vật của hệ thống aeroten. Các vi khuẩn vi khuẩn dạng sợi thuộc nhóm Mircrothrix, Thiothrix phát triển được trong nước thải nghèo nitơ, photpho. Vì chúng phát triển mạnh, lấn át trực khuẩn làm cho khối bùn trong bể tăng lên. Hiện tượng này gọi là sự phồng lên cuả bùn. Khi đó bùn xốp, khó lắng, dễ bị cuốn ra khỏi hệ thống xử lý, làm giảm sự sinh trưởng của bùn hoạt tính, giảm cường độ quá trình oxy hoá. Chỉ số thể tích bùn lớn gây khó khăn cho quá trình lắng bùn ở bể lắng thứ cấp sau xử lý nước thải. Tương tác giữa các thành phần dinh dưỡng phụ thuộc vào đặc trưng của nước thải và tỷ lệ của chúng được xác định bằng thực nghiệm. Người ta thường lấy tỷ lệ COD : N : P = 100 : 5 : 1. Trong xử lý sinh học, nguồn nitơ được sử dụng dưới nhiều dạng khác nhau tuỳ theo tính chất của nước thải. Có thể dùng muối nitrat, muối amôn, urê... Cũng như nitơ, photpho là thành phần không thể thiếu được trong quá trình phát triển của vi sinh vật. Ngoài tác dụng cung cấp nguồn dinh dưỡng, muối photpho còn tạo tính đệm ổn định cho môi trường, duy trì pH ổn định cho quá trình xử lý. Photpho thường được bổ xung dưới dạng muối photphat KH2PO4, (NH4)2HPO4 và supephotphat... 5. Các chất độc Việc kiểm soát hàm lượng các chất độc trong nước thải cũng là một trong những yếu tố quan trọng để đảm bảo sự hoạt động của hệ thống aeroten. Việc xác định này chỉ cho ta thấy loại nước thải nào có thể xử lý bằng bùn hoạt tính trong bể aeroten được hay không. Nồng độ muối vô cơ trong nước thải không quá 10 g/l. Nếu là muối vô cơ thông thường, có thể pha loãng nước thải và xử lý bằng phương pháp bùn hoạt tính, còn nếu là các chất độc như kim loại nặng, các chất độc hữu cơ thì phải tiến hành phân tích cẩn thận và có biện pháp xử lý riêng biệt (hấp phụ, trao đổi ion...), sau đó mới có thể xử lý bằng phương pháp sinh học. III.2.2.5. Các dạng bể aeroten và phương thức cấp khí 1. Các dạng bể aeroten Bể aeroten có nhiều loại, phạm vi ứng dụng rộng. Có nhiều loại bể aeroten khác nhau tuỳ theo cách phân loại. [8] Theo chế độ làm việc của bùn hoạt tính Bể aeroten không tái sinh bùn. Bể aeroten có tái sinh bùn. Theo chế độ thuỷ động Aeroten đẩy. Aeroten khuấy trộn. Aeroten trung gian. Theo tải lượng bùn Aeroten tải trọng cao. Aeroten tải trọng trung bình. Aeroten tải trọng thấp. Theo số bậc cấu tạo trong aeroten Aeroten 1 bậc . Aeroten 2 bậc. Aeroten nhiều bậc. Theo chiều dẫn nước thải vào Xuôi chiều. Ngược chiều. Trong thực tế , một số dạng hệ thống aeroten thường được sử dụng gồm: Hệ thống aeroten truyền thống Hình III.2. Sơ đồ làm việc của hệ thống aeroten truyền thống Nước thải sau bể lắng sơ cấp được trộn đều với bùn hoạt tính tuần hoàn ở ngay đầu bể aeroten. Đối với nước thải có độ ô nhiễm trung bình, lưu lượng tuần hoàn thường từ 20 – 30% lượng nước thải đi vào. Dung tích bể được thiết kế với thời gian lưu nước để làm thoáng trong bể từ 6 – 8 giờ đối với dùng khí nén, hoặc 9 – 12 giờ đối với cấp khí cơ học. Bể aeroten có hệ thống cấp khí giảm dần theo chiều dòng chảy Hình III.3. Sơ đồ làm việc của hệ thống aeroten cấp khí giảm dần theo dòng chảy Sơ đồ này áp dụng khi thấy rằng ở đầu vào của bể cần lượng oxy lớn hơn do đó phải cấp không khí nhiều hơn ở đầu vào và giảm dần ở các ô tiếp sau để đáp ứng cường độ tiêu thụ không đều oxy trong toàn bể. Ưu điểm của sơ đồ này là: - Giảm được lượng không khí cấp vào tức là giảm công suất của máy nén khí. - Không có hiện tượng làm thoáng quá mức làm ngăn cản sự sinh trưởng của vi khuẩn khử các hợp chất chứa nitơ. Bể aeroten có hệ thống cấp khí theo tầng Hình III.4. Sơ đồ làm việc của hệ thống aeroten cấp khí theo tầng Ưu điểm của hệ thống này là nước thải, bùn hoạt tính, oxy hòa tan được khuấy trộn tức thời sao cho nồng độ các chất được phân bố đều tại mọi điểm trong bể, không xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ ở bất cứ phần nào của bể. Hệ thống aeroten có bể tái sinh bùn Hình III.5. Sơ đồ làm việc của hệ thống aeroten có bể tái sinh bùn Nước thải từ bể lắng sơ được trộn đều với bùn hoạt tính đã được tái sinh (bùn đã được xử lý đến ổn định trong bể tái sinh) đi vào bể aeroten, ở đây, nước thải được xử lý rồi cùng với bùn chảy sang bể lắng thứ cấp. Bùn lắng ở đáy bể lắng thứ cấp được bơm tuần hoàn để tái sinh. Ở bể tái sinh, bùn được làm thoáng trong thời gian từ 3 – 6 giờ để oxy hóa hết các chất hữu cơ đã hấp thụ, bùn sau khi tái sinh trở thành ổn định. Bùn dư được xả ra ngoài trước ngăn tái sinh. Ưu điểm của sơ đồ này là bể aeroten có dung tích nhỏ, chịu được sự dao động của lưu lượng và chất lượng nước thải. 2. Các phương thức cấp khí Bộ phận phân phối khí là phần cấu trúc cơ bản quan trọng của bể aeroten. Không khí được cấp vào bể aeroten với 2 chức năng chính là: Xáo trộn hỗn hợp bùn hoạt hóa với nước thải. Khuếch tán khí vào hỗn hợp để cung cấp oxy cho quá trình hoạt động của vi sinh vật. Không khí được cấp vào nước thải bằng những phương thức sau: Nén qua bộ phận khuếch tán ngập trong nước bằng sục khí. Dùng khuấy cơ học trộn không khí vào chất lỏng. Cấp khí nén khuếch tán Không khí nén được sục vào khối chất lỏng nhờ các bộ phận phân phối khí bố trí ở đáy thiết bị hoặc tầng tùy theo cấu trúc của hệ thống. Cấp khí nén khuếch tán gồm 3 nhóm chính trên cơ sở kích thước bọt khí được tạo ra: Bọt khí lớn (đường kính > 6 mm) Bọt khí trung bình (đường kính từ 4 – 5 mm) Bọt khí mịn : khuếch tán không khí qua vật liệu xốp hoặc màng đàn hồi có lỗ nhỏ. Phương pháp này tạo ra khả năng khuấy trộn đều, vận hành đơn giản, ổn định và an toàn... Hệ thống xử lý không những được cấp oxy của không khí nén mà còn sử dụng được oxy từ khí quyển nhờ khi sục khí tạo khuấy trộn mạnh làm tăng khả năng tiếp xúc với không khí qua mặt thoáng. Một số thiết bị cấp khí nén khuếch tán được sử dụng phổ biến gồm: - Đĩa xốp DP320: Hệ thống cấp khí gồm các đĩa phẳng được gắn lên các giá đỡ bằng chất dẻo hoặc thép không rỉ được sắp xếp thành hàng hay phân bố đều ở đáy bể. Đĩa được làm từ các hạt canidon nhân tạo (nhôm a) được hàn bằng ống thủy tinh ở nhiệt độ cao. Các hạt được chọn phải đảm bảo một sự hài hòa giữa hiệu suất oxy hóa đủ lớn và sự làm việc lâu dài vật liệu bền đối với hầu hết các hóa chất xâm thực. - Vòi phun Dipair: Dipair là máy sục khí tĩnh nhúng chìm, rất phù hợp với cách bố trí thành sàn ở đáy bể. Thiết bị gồm 2 bộ phận chính: ống khuếch tán khí và chóp. Ống khuếch tán là một ống hở, khí được cấp vào ở đáy ống, tạo dòng hỗn ._.