XỬ LÝ NƯỚC THẢI TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA
TỔNG QUAN HỆ THỐNG SẢN XUẤT BIA VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI
Bia được sản xuất lâu đời trên thế giới, là sản phẩm lên men có tác dụng giải khát, tạo sự thoải mái và tăng cường sức lực cho cơ thể Các nước có sản lượng sản xuất bia cao là Mỹ, CHLB Đức với sản lượng trên 10 tỷ lít/năm, và còn rất nhiều nước với sản lượng trên 1 tỷ lít/năm
Thành phần chính của bia bao gồm : 80 - 90 % nước; 3 - 6 % cồn; 0,3 - 0,4
H2CO3 và 5 - 10% là các chất tan, trong đó 80% là gluxit, 8-10% là các hợp chất chứa nitơ Ngoài ra, còn có sự hiện diện của axit hữu cơ, chất khoáng và một số vitamin.
Nguyên liệu chính để sản xuất bia bao gồm malt đại mạch, các nguyên liệu thay thế như gạo, lúa mì và ngô, hoa Houblon, men và nước Trong đó, nước là thành phần chủ yếu và cần phải là nước mềm, với hàm lượng sắt và mangan thấp nhất có thể Nước cũng phải được khử trùng trước khi sử dụng trong quá trình nấu và đường hóa.
I.1.2 Công nghệ sản xuất bia
Các công đoạn chính của Công nghệ sản xuất bia được miêu tả bao gồm:
Hình 1.1: Sơ đồ công nghệ dây chuyền sản xuất bia
Hình 1.2: Công nghệ sản xuất bia và các dòng thải của nó
Chuẩn bị nguyên liệu cho quá trình nấu bia bao gồm malt đại mạch và các nguyên liệu thay thế như gạo, lúa mì, và ngô Những nguyên liệu này cần được làm sạch trước khi được xay và nghiền ướt, nhằm tăng bề mặt hoạt động của enzym và rút ngắn thời gian nấu.
- Lọc dịch đường để thu nước nha và loại bỏ bã malt Quá trình gồm hai bước: Bước 1: Lọc hỗn hợp dịch đường thu nước nha đầu;
Bước 2 : Dùng nước nóng rửa bã thu nước nha cuối và tách bã malt
- Nấu với hoa houblon để tạo ra hương vị cho bia, sau đó nước nha được qua thiết bị tách bã hoa
Để làm lạnh nước nha từ nồi nấu, nhiệt độ khoảng 100°C cần được hạ xuống mức phù hợp cho quá trình lên men, khoảng 10 đến 16°C Quá trình này diễn ra qua hai giai đoạn: giai đoạn đầu tiên sử dụng nước lạnh để giảm nhiệt độ xuống khoảng 30°C.
2 dùng tác nhân lạnh glycol để hạ nhiệt độ xuống còn chừng 14°C
- Lên men chính và lên men phụ: Đây là các quá trình quan trọng trong sản xuất bia Quá trình lên men nhờ tác dụng của men giống để chuyển hóa đường thành alcol etylic và khí cacbonic:
Trong giai đoạn lên men chính kéo dài từ 6 đến 10 ngày, nhiệt độ được duy trì ở mức 8 đến 10°C Sau đó, quá trình lên men phụ được thực hiện bằng cách giảm nhiệt độ của bia non xuống còn 1 đến 3°C và áp suất từ 0,5 đến 1 at, với thời gian lên men là 14 ngày cho bia hơi và 21 ngày cho bia đóng chai lon.
Quá trình lên men phụ kéo dài giúp cặn lắng và làm bão hòa CO2, từ đó nâng cao chất lượng và độ bền của bia Sau khi nấm men tách ra, một phần được phục hồi để làm men giống, trong khi phần còn lại có thể được sử dụng làm thức ăn gia súc Để thực hiện giai đoạn lên men phụ, bia non cần được hạ nhiệt độ, có thể sử dụng tác nhân làm lạnh glycol.
Lọc bia là quá trình loại bỏ các tạp chất không tan như nấm men, protein và houblon, giúp bia trở nên trong suốt hơn Quá trình này thường được thực hiện trên máy lọc khung bản với sự hỗ trợ của chất trợ lọc diatomit.
Trước khi chiết chai, bia được bão hòa CO2 từ khí lên men trong bình áp suất Các dụng cụ chứa như chai, lon, và két phải được rửa và thanh trùng đúng tiêu chuẩn vệ sinh Quá trình chiết chai được thực hiện trong điều kiện chân không để giảm thiểu tiếp xúc với không khí Sau đó, bia được đóng nắp và thanh trùng ở các chế độ nhiệt khác nhau nhằm đảm bảo chất lượng trong suốt thời gian bảo hành.
Trong công nghệ sản xuất bia, nước được dùng vào các mục đích:
- Làm nguyên liệu pha trộn theo tỷ lệ nhất định để nghiền ướt malt và gạo (hay lúa mì ) và bổ sung tiếp trong quá trình nấu - đường hóa
- Sản xuất hơi nước dùng cho quá trình nấu - đường hóa, nấu hoa, thanh trùng.
- Một lượng nước lớn dùng cho quá trình rửa chai, lon, thiết bị máy móc và sàn thao tác.
I.1.3 Các nguồn phát sinh nước thải sản xuất bia
Nước thải của Công nghệ sản xuất bia bao gồm :
- 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 quá trình nấu - đường hóa chủ yếu bao gồm nước vệ sinh thùng nấu, bể chứa và sàn nhà Loại nước thải này thường chứa bã malt, tinh bột, bã hoa và các chất hữu cơ.
Nước thải từ hầm lên men là loại nước được sử dụng để vệ sinh các thiết bị như thùng chứa, đường ống, sàn nhà và xưởng sản xuất, chứa bã men và các chất hữu cơ.
- Nước thải rửa chai, đây cũng là một trong những dòng thải có ô nhiễm lớn trong Công nghệ sản xuất bia
Quá trình rửa chai để đóng bia bao gồm nhiều bước quan trọng: đầu tiên, chai được rửa bằng nước nóng, sau đó sử dụng dung dịch kiềm loãng nóng (1 - 3% NaOH) để loại bỏ bụi bẩn Tiếp theo, bề mặt bên ngoài chai cũng được làm sạch, và cuối cùng, chai được phun kiềm nóng để rửa cả bên trong và bên ngoài Sau khi hoàn tất, chai sẽ được rửa sạch bằng nước nóng và nước lạnh Kết quả là dòng thải từ quá trình này có độ pH cao, tạo ra dòng thải chung với giá trị pH kiềm tính.
Hình 1.3 Sơ đồ nước sử dụng sản xuất bia và các dòng thải của nó
Kiểm tra nước thải từ các máy rửa chai đối với loại chai 0,5 lít cho thấy mức độ ô nhiễm trong bảng:
Hình 1.4 Ô nhiễm nước thải từ máy rửa chai bia (đối với loại chai 0,5l)
I.1.4 Đặc tính dòng nước thải
Trong sản xuất bia, công nghệ chủ yếu không thay đổi giữa các nhà máy, với sự khác biệt chủ yếu nằm ở phương pháp lên men nổi hoặc chìm Tuy nhiên, yếu tố quan trọng nhất là cách sử dụng nước trong quá trình rửa chai, lon, thiết bị và sàn nhà, dẫn đến sự khác biệt lớn về tải lượng nước thải và hàm lượng ô nhiễm giữa các nhà máy bia Ở những nhà máy áp dụng biện pháp tuần hoàn nước và công nghệ rửa tiết kiệm, như tại CHLB Đức, lượng nước sử dụng và nước thải được giảm thiểu đáng kể.
- Định mức nước cấp : 4 - 8 m 3 /1000 lít bia; tải lượng nước thải : 2,5 - 6 m 3 /1000 lít 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 đến 3000mg/l ;
- Tổng nitơ : 30 đến 100 mg/l; tổng photpho: 10 đến 30 mg/l
Để sử dụng nước hiệu quả, định mức nước thải của nhà máy bia không nên dưới 2 đến 3 lít cho mỗi 1000 lít bia sản phẩm Thực tế, lượng nước thải tại nhiều nhà máy bia lớn thường cao gấp 10 đến 20 lần so với lượng bia sản xuất.
Hình 1.5 Đặc tính nước thải nước thải từ nhà máy bia ở Việt Nam
Hình 1.6 Đặc tính dòng thải nhà máy bia Haniken
CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA
Để giảm lượng nước thải và các chất gây ô nhiễm nước thải trong công nghệ sản xuất bia , cần nghiên cứu thăm dò các khả năng sau:
Phân luồng các dòng thải là cần thiết để tái sử dụng hiệu quả những dòng nước ít ô nhiễm, như nước làm lạnh và nước ngưng, cho quá trình rửa thiết bị, sàn và chai.
- Sử dụng các thiết bị rửa cao áp như súng phun tia hoặc rửa khô để giảm lượng nước rửa
Để hạn chế ô nhiễm trong dòng nước rửa sàn, cần giảm thiểu rơi vãi nguyên liệu, men, hoa houblon và thu gom kịp thời bã men, bã malt, bã hoa và bã lọc.
Nước thải từ công nghệ sản xuất bia chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ hòa tan và lơ lửng, chủ yếu là hydratcacbon, protein và axit hữu cơ, có khả năng phân hủy sinh học Tỷ lệ BOD5/COD dao động từ 0,50 đến 0,7, cho thấy tính phù hợp với phương pháp xử lý sinh học Tuy nhiên, để vi sinh vật phát triển hiệu quả, cần bổ sung kịp thời các chất dinh dưỡng như nitơ và photpho khi thiếu hụt.
Trước khi tiến hành xử lý sinh học, nước thải cần được sàng lọc để loại bỏ các tạp chất thô như giấy nhãn, nút bấc và các hạt rắn khác Đặc biệt, dòng thải rửa chai có pH cao cần được trung hòa bằng khí CO2 từ quá trình lên men hoặc khí thải từ nồi hơi.
I.2.1 Phương pháp bùn hoạt tính
Bùn hoạt tính, hay còn gọi là bùn vi sinh hoạt tính, là loại bùn thải phát sinh từ hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Trong bùn hoạt tính chứa nhiều chủng vi sinh vật có lợi như vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm và động vật nguyên sinh Các vi sinh vật này bám vào các chất lơ lửng trong nước thải để cư trú, sinh sản và phát triển, đồng thời sử dụng chất hữu cơ trong nước làm thức ăn, phân hủy chúng, tăng sinh khối và hình thành các hạt bông bùn được gọi là bùn hoạt tính.
I.2.1.1 Thành phần bên trong bùn hoạt tính
Bùn hoạt tính là một quần thể vi sinh vật bao gồm vi khuẩn, nấm, Protozoa, tích trùng và các động vật không xương sống như giun, dòi, bọ, nhặng Vi sinh vật trong bùn hoạt tính đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý nước thải, giúp cải thiện chất lượng nước.
Có 5 nhóm vi sinh vật trong bùn hoạt tính, được tìm thấy như sau:
Vai trò chính của vi sinh vật trong xử lý nước thải là loại bỏ chất dinh dưỡng hữu cơ Quá trình này bao gồm sự tham gia của các loại vi khuẩn hiếu khí, vi khuẩn kỵ khí và vi khuẩn tùy nghi.
Chủ yếu được sử dụng trong các nhà máy xử lý mới, trong môi trường hiếu khi.
Vi khuẩn này sử dụng oxy tự do trong nước để phân hủy các chất ô nhiễm trong nước thải, đồng thời chuyển đổi chúng thành năng lượng cần thiết cho sự phát triển và sinh sản của chúng.
Để vi khuẩn hiếu khí phát triển hiệu quả, cần bổ sung oxy một cách cơ học vào hệ thống Việc này đảm bảo vi khuẩn thực hiện chức năng của mình một cách chính xác, đồng thời hỗ trợ quá trình phát triển và sinh sản của chúng trên nguồn thức ăn sẵn có.
Các chủng vi khuẩn :Bacilus, mycobacterium tuberculosis, nocardia, lactobacillus, pseudomonas Aeruginosa.
Vi khuẩn kỵ khí đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước thải trong môi trường thiếu oxy, giúp giảm khối lượng bùn và sản xuất khí metan Khi được xử lý và làm sạch đúng cách, khí metan trở thành nguồn năng lượng thay thế hiệu quả Việc sử dụng vi khuẩn kỵ khí không chỉ giảm thiểu tiêu thụ điện năng mà còn mang lại những lợi ích lớn cho môi trường trong quá trình xử lý nước thải.
Vi khuẩn kỵ khí có khả năng sử dụng oxy từ nguồn thức ăn của chúng mà không cần bổ sung thêm oxy, giúp thực hiện hiệu quả các chức năng của mình Bên cạnh đó, chúng còn có khả năng loại bỏ photpho từ nước thải, mang lại lợi ích lớn trong quá trình xử lý nước thải.
Hình 1.9.Vi khuẩn kỵ khí
Vi khuẩn này được biết đến là loại linh hoạt và dễ sống nhất, với khả năng chuyển đổi giữa trạng thái kỵ khí và hiếu khí tùy thuộc vào điều kiện môi trường xung quanh.
Động vật nguyên sinh là những sinh vật đơn bào có màng tế bào, sống trong các hệ thống xử lý nước thải và có khả năng di chuyển trong ít nhất một giai đoạn phát triển Chúng lớn gấp 10 lần vi khuẩn và thực hiện nhiều chức năng có lợi trong quá trình xử lý nước thải.
Động vật nguyên sinh đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý nước thải thứ cấp bằng cách loại bỏ vi khuẩn và keo tụ các vật lơ lửng, góp phần nâng cao chất lượng nước.
Phản ánh sức khỏe của bùn hoạt tính
Động vật nguyên sinh là chỉ số sinh học quan trọng phản ánh sức khỏe của bùn trong hệ thống xử lý nước thải Chúng có khả năng tồn tại đến 12 giờ trong môi trường thiếu oxy, nhưng thường được gọi là vi sinh vật hiếu khí, do đó, chúng là những chỉ số tuyệt vời cho môi trường hiếu khí.
2.4.6: Kết quả so sánh với phương pháp bùn hoạt tính truyền thống
Phương pháp MBR cho thấy hiệu quả vượt trội so với bùn hoạt tính truyền thống, với tỷ lệ xử lý COD, TSS và hợp chất nito N-NH4 đạt gần 99%, 99,9% và 99,2% Đặc biệt, hiệu quả xử lý photpho của MBR đạt 96,6%, cao hơn 8,1% so với phương pháp CAS chỉ đạt 88,5% Mặc dù lượng bùn sinh ra từ MBR chỉ cao hơn CAS 0,05 kg VSS/COD.ngày, nhưng hiệu quả xử lý vẫn đáng kể.
I.3.1 Tổng quan về hai phương pháp xử lí nước thải hiếu khí và kị khí
Hiện nay, trong công nghệ xử lý nước thải tại các nhà máy bia, hai phương pháp chính được sử dụng là hiếu khí và kị khí Dưới đây là bảng tổng quát so sánh và đánh giá mức độ hiệu quả của hai phương pháp này.
Nội dung Phương pháp hiếu khí Phương pháp kị khí
Vi sinh vật hiếu khí sinh trưởng và pháp triển nhờ cung cấp lượng oxy liên tục và thường xuyên
Nếu không được cung cấp đủ lượng oxy thì VSV sẽ chết hoặc hoạt động yếu dần.
Vi sinh vật kỵ khí hoạt động hiệu quả trong môi trường không có oxy, và sự hiện diện của oxy sẽ làm giảm khả năng xử lý của chúng.
Giống nhau Đều sử dụng VSV để phân hủy chất hữu cơ và kim loại nặng trong nguồn nước Khác nhau:
Nguồn oxy được cung cấp liên tục và không thể thiếu trong suốt quá trình xử lý của VSV
Không được cung cấp oxy liên tục vì thế mà quá trình này diễn ra đơn giản và ít phực tạp hơn so với phương pháp hiếu khí.
Oxy hóa chất hữu cơ
Tổng hợp tế bào mới
Methane hóa Quá trình sinh hóa
VSV hiếu khí dùng để xử lý nước thải chứ nhiều chất hữu cơ và tồn tại dưới dạng hữu cơ hòa tan.
VSV kỵ khí dùng để khử lượng chất độc trong ngành công nghiệp, đặc biệt ngành chế biến thực phẩm, sản xuất bia.
Công nghệ xử lý hiếu khí gồm:
Hồ sinh học hiếu khí
Công nghệ xử lý kỵ khí gồm:
VSV xử lý hiếu khí gồm:
VSV xử lý kỵ khí gồm:
Methanothrix Ưu điểm Ít gây ra mùi hôi, tạo ra Giảm hao phí điện năng sử nguồn nước đảm bảo đạt tiêu chuẩn
Khả năng vận hành đơn giản
Bùn sau xử lý có thể tái sử dụng làm phân bón
Chi phí đầu tư thấp dụng, ít tạo ra bùn
Tạo ra khí metan lớn có thể dùng để cấp lò hơi
Có thể xử lý nguồn nước với tải trọng cao
Chi phí vận hành cao
Tạo ra lượng bùn thải lớn
Chỉ áp dụng để xử lý nguồn thải có nồng độ ô nhiễm thấp
Tốc độ phân hủy lâu
Tốc độ phản úng diễn ra chậm hơn
Hình 1.24.Bảng tổng quan đánh giá
Tùy thuộc vào điều kiện và tính chất của nguồn nước, việc lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp là rất quan trọng Mỗi phương pháp xử lý nước có những ưu điểm và đặc trưng riêng, do đó cần được áp dụng cho từng loại nguồn nước cụ thể Để đạt hiệu quả tối ưu trong việc loại bỏ ô nhiễm, có thể kết hợp hai phương pháp xử lý khác nhau.
I.3.2 Quy trình xử lí nước thải nhà máy bia
Để đảm bảo nước thải thải ra môi trường đạt tiêu chuẩn cho phép theo QCVN 40:2011/BTNMT, việc xử lý nước thải là rất cần thiết Dưới đây là quy trình xử lý nước thải hiệu quả.
Hình 1.25.Công nghệ xử lí nước thải nhà máy bia
Khi lựa chọn các công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia cần quan tâm tới những tiêu chí sau:
Lưu lượng nước thải phát sinh, thành phần và tính chất của nước thải cần xử lý.
Diện tích mặt bằng để xây dựng hệ thống, kinh phí dự toán ban đầu.
Vật liệu sử dụng trong hệ thống xử lý nước thải
Thiết bị sử dụng trong hệ thống xử lý nước thải
Giới hạn tiếp nhận của nước thải sau xử lý
Chi phí vận hành của hệ thống sau khi hoàn thành
Khả năng xử lý của hệ thống khi nhà máy mở rộng sản xuất, lưu lượng phát sinh nước thải nhiều
Các nhà máy bia có yêu cầu công nghệ tương tự và đặc tính nước thải gần giống nhau do quy trình sản xuất ít thay đổi Tuy nhiên, sự khác biệt chủ yếu nằm ở quá trình rửa chai, lon và thiết bị Sau khi xử lý thô để loại bỏ rác cặn, các nhà máy xử lý nước thải được chia thành hai giai đoạn chính.
Giai đoạn 1 của quá trình xử lý nước thải nhà máy bia sử dụng phương pháp kị khí thông qua bể UASB, nhắm đến việc xử lý lượng COD và BOD cao (> 2000 mg/l) với tỉ lệ COD:BOD > 0.5 Phương pháp này không chỉ giúp giảm chi phí xử lý mà còn xử lý hiệu quả khối lượng nước thải lớn, đồng thời giảm thiểu lượng bùn thải trong giai đoạn tiếp theo Sau khi hoàn tất giai đoạn 1, nước thải sẽ được loại bỏ từ 65% - 85% COD, 60%-80% SS, 8%-12% photpho, và 15%-50% nito.
Giai đoạn 2 trong quy trình xử lý nước thải sử dụng phương pháp hiếu khí nhằm loại bỏ các chất hữu cơ còn lại Phương pháp này đạt hiệu suất cao từ 80% đến 95%, giúp nước thải sau giai đoạn 2 đạt tiêu chuẩn chất lượng đầu ra về chỉ số COD, BOD và SS.
I.3.3 Hệ thống Scasa nhà máy bia Haniken
Nhà máy bia Heineken xử lý 5.150m^3 nước thải mỗi ngày, sử dụng hệ thống SCADA tiên tiến để kiểm soát chất lượng nước thải ở cả đầu vào và đầu ra, cũng như trong toàn bộ quá trình sản xuất.
Hình 1.26 SCADA nhà máy bia Heniken
Quy trình xử lý nước thải tại nhà máy bia Haniken bắt đầu bằng việc thu gom nước thải vào hầm bơm, nơi có thiết bị lượm rác thô tự động loại bỏ các chất thải lớn Mỗi giờ, máy lấy mẫu sẽ thu thập nước thải để kiểm tra Nước thải sau đó được đưa qua thiết bị lọc rác tinh để loại bỏ các cặn nhỏ hơn, trước khi vào bể điều hòa nhằm ổn định nồng độ pH và các chất ô nhiễm Trước khi vào bể điều hòa, nồng độ pH, COD và TSS của nước thải được kiểm soát tự động; nếu vượt quá giá trị cài đặt, nước thải sẽ được dẫn về bể xử lý sự cố Từ bể sự cố, nước thải sẽ được bơm vào bể điều hòa với lưu lượng được điều chỉnh dựa trên các thông số pH, COD và TSS, đảm bảo hệ thống luôn ổn định.
Nước từ bể điều hòa được chuyển đến bể xử lý sinh học kị khí UASB, nơi vi sinh vật trong bùn hoạt tính chuyển hóa các chất hữu cơ COD và BOD thành nước thải, biogas, metan và CO2 Van xả khí an toàn được lắp đặt để kiểm soát khí biogas, giúp thu gom và xử lý khí này để vận hành nồi hơi Lượng biogas dư thừa sẽ được đốt bằng đầu đốt chuyên dụng, trong khi khí biogas được làm lạnh để loại bỏ hơi nước và sau đó được dẫn trở lại để tái sử dụng.
Sau khi nước thải được xử lý tại bể UASB, nó sẽ tiếp tục được xử lý tại bể bùn hoạt tính hiếu khí để loại bỏ hoàn toàn các chất hữu cơ còn lại Quá trình này diễn ra với việc cung cấp oxy liên tục thông qua các máy thổi khí Tiếp theo, bùn hoạt tính sẽ được chuyển đến bể lắng sinh học để tách bùn ra khỏi nước thải Cuối cùng, nước thải sẽ được khử trùng tại bể khử trùng nhằm loại bỏ coliform, ecoli và các vi khuẩn có hại khác.
I.3.4 Chi phí xây dựng và vận hành nhà máy bia
Chi phí đầu tư theo khảo sát cho ngành đồ uống với đặc điểm xử lí bằng phương pháp sinh học: dao động từ 8.000.000 – 12.000.000 /m^3.
Chi phí xử lý nước thải phụ thuộc vào hàm lượng COD và BOD Đối với nước thải từ nhà máy Haniken, có hàm lượng COD từ 1000 mg/lít trở lên, mức giá xử lý là 18.000 VND/m³.
