Chương 2: Nước dùng và nước thải trong CBTS

GIỚI THIỆU• Nhà máy chế biến thực phẩm/CBTS yêu cầu nướcdùng có chất lượng cao • Ngoài ra, nước cấp phải có giá cả hợp lý • Nước từ hai nguồn: nước mặt/nước ngầm → xử lýnhà nước, tư nhân

Chương 2:

Nước dùng và nước thải

trong CBTS

NƯỚC CẤP/DÙNG

I GIỚI THIỆU

• Nhà máy chế biến thực phẩm/CBTS yêu cầu nướcdùng có chất lượng cao

• Ngoài ra, nước cấp phải có giá cả hợp lý

• Nước từ hai nguồn: nước mặt/nước ngầm → xử lý(nhà nước, tư nhân hoặc nhà máy CBTS)

• Vùng đông dân cư và đô thị hóa, nước ngọt thườngthiếu, đặc biệt là nguồn nước có chất lượng tốt

• Khả năng cung cấp số lượng nước lớn có chất lượng

• Xử lý sơ bộ nước cấp là cần thiết để tránh các ảnhhưởng tiềm tàng đến cấu trúc và mùi vị của thựcphẩm, cũng như làm hư hỏng sản phẩm

• Nước dùng trong chế biến thực phẩm phải an toàncho người sử dụng: không có chất hữu cơ, màu, mùi

và vị

• Trong công nghiệp thực phẩm/CBTS, cần loại bỏ sự

hiện diện của chất gây rối loạn nội tiết

(endocrine-disrupting chemicals) trong nước cấp (từ nước mặt:

ven biển, sông, suối,…) vì gây những ảnh hưởngnghiêm trọng đến sức khỏe con người

• Lượng nước dùng trong CBTS thường lớn nhằmbảo đảm hiệu quả vệ sinh

• Các yếu tố ảnh hưởng đến lượng nước sử dụng: loạisản phẩm chế biến, qui mô sản xuất, qui trình sửdụng, và mức độ “thực hành giảm thiểu lượng nướcdùng”

Nhu cầu nước cho một số ngành chế biến thực phẩm

II NƯỚC CẤP

• Nước cấp là một nguồn làm nhiễm bẩn thực phẩm

• Nước được dùng với nhiều mục đích khác nhautrong chế biến thực phẩm: vệ sinh, ngâm rửa, tẩytrắng, mạ băng, làm mát, gia nhiệt và là một thànhphần của thực phẩm

• Nước dùng trong chế biến thực phẩm: nước cấpsinh hoạt/nước giếng thường thỏa mãn tiêu chuẩnnước uống  nhưng cần phải xử lý để đạt các tiêuchuẩn trong chế biến thực phẩm

• Ba loại nước dùng chính: chế biến, làm mát và lò

1. Nước chế biến (process water)

• Nước dùng trong chế biến bao gồm: nước rửa và vệsinh nguyên liệu thô, máy móc và thiết bị chế biến,nhà xưởng

• Nước dùng trong nấu/thêm trực tiếp vào sản phẩmphải thỏa mãn chất lượng và không làm thay đổi chấtlượng sản phẩm → nước không chứa các chất ônhiễm ảnh hưởng đến cảm quan (nước không quácứng, không màu, mùi và vị)

• Ngoài chất lượng nước, thiết kế, lắp đặt và bảodưỡng hệ thống cấp nước cũng rất quan trọng

2. Nước làm mát/giải nhiệt (cooling water)

• Nước làm mát được sử dụng cho thiết bị điều hòakhông khí, các quá trình sản xuất hoặc phát điện

• Nước làm mát chủ yếu là dùng trong tháp làm mát

• Nước làm mát được dùng trong chế biến thực phẩmnhư: làm nguội sản phẩm, trong công nghiệp rượu biachai được rửa bằng nước lạnh

• Theo nguyên lý hoạt động, các hệ thống làm lạnhbằng nước bao gồm:

✓ Hệ thống xả thẳng: nước từ nguồn được đưavào hệ thống làm lạnh, sau đó lại xả ra ngoài

✓ Hệ thống tuần hoàn: nước sau khi làm lạnh, đưaqua làm thoáng cho giảm nhiệt độ, sau đó lại cấptrở lại hệ thống làm lạnh

Tùy theo phương pháp và cấu tạo của hệ thống làm

mãn các tiêu chuẩn khác nhau

✓ Hệ thống xả thẳng: dùng trực tiếp nước nguồnqua xử lý sơ bộ: lắng và clo hóa sơ bộ chống rongrêu

✓ Hệ thống tuần hoàn: chất lượng nước yêu cầucao hơn: xử lý sơ bộ, xử lý ổn định, xử lý chốngrong rêu, xử lý giảm độ cứng

Việc xử lý nước làm lạnh nhằm chống đóng/lắngcặn trong hệ thống, chống hiện tượng ăn mòn kimloại, chống sự phát triển của rong rêu

Hệ thống xả thẳng

3. Nước cấp cho nồi hơi (boiler feedwater)

• Nước cấp cho nồi hơi phải đáp ứng các tiêu chuẩnbắt buộc

• Vận hành lò hơi an toàn phụ thuộc vào mức độnhiễm bẩn của nước cấp (hàm lượng các chất hóa họctrong nước càng thấp → an toàn cao và giảm chi phívận hành)

• Nước cấp cho nồi hơi thì hàm lượng ôxy, sắt, đồng,silic và dầu phải thấp (ppb)

➢ Thành phần và tính chất cặn nồi hơi

• Do tác dụng của nhiệt, của các hóa chất đồng thời doquá trình bốc hơi trong nước nồi hơi xảy ra các quátrình lý hóa khác nhau, một loạt hợp chất bị phân hủy

và một loạt hợp chất khác sinh ra → cặn kết bám hoặccặn lắng  gây tác hại đến hoạt động của nồi hơi

• Tùy theo xuất xứ và cấu tạo, mỗi loại cặn đều cónhững tính chất hóa lý đặc trưng

• Theo tính chất lý học, cặn được đánh giá theo các chỉtiêu: màu sắc, độ cứng, độ kết bám lên bề mặt kim

• Thành phần hóa học của cặn bám chia làm 4 nhóm:a) Cặn bám kim loại kiềm thổ (Ca, Mg): CaCO3,

CaSO4, CaSiO3, Ca3(PO4)3, MgO, Mg(OH)2 Tùytheo thành phần nào chiếm đa số mà cặn được gọitheo các gốc cacbonat, sunfát, photphat,…

b) Cặn bám oxit sắt gồm FeSiO3, Fe3(PO4)2,

III MỐI NGUY TỪ NƯỚC ĐẾN THỰC PHẨM

• Mối quan tâm mầm bệnh khác nhau:

nhiễm phân (nước uống) >< ngộ độc thực phẩm

Bacillus cereus, Staphylococcus aureus ( chế biến)

• Phát triển mầm bệnh: trong nước không tăng sinhnhưng trong thực phẩm phát triển rất nhanh

• Hấp thu và nồng độ hóa chất/mầm bệnh: trong nướctương đối ổn định hoặc giảm do pha loãng

Trong thực phẩm/bề mặt: tăng (nhuyễn thể hai mảnh)

• Chế biến:

Nước uống không qua chế biến

Nước dùng trong chế biến sẽ trải qua một số côngđoạn chế biến (đóng hộp, nấu)  giảm mầm bệnh

• Con người phơi nhiễm với tác nhân gây bệnh/hóachất độc hại qua::

Ăn thực phẩm chứa nước bị nhiễm bẩn

Ăn thực phẩm được thu hoạch ở vùng nước nhiễmbẫn

Ăn thực phẩm mà tiếp xúc với nước nhiễm bẩn trongquá trình chế biến

IV XỬ LÝ SƠ BỘ NƯỚC CẤP

• Xử lý sơ bộ nước cấp là cần thiết để loại bỏ các chấtđộc/gây nguy hại cho sức khỏe con người

• Nước ngầm/mặt bị ô nhiễm các chất: kim loại nặng,

chất ô nhiễm hữu cơ bền như PCBs (polychlorinated

biphenyls), chất hữu cơ hòa tan,…

• Sự khác biệt về chất lượng trong sản phẩm cuốithường là do chất lượng nước dùng trong chế biến,hơn là do nguyên liệu/quá trình chế biến

• Các nhà chế biến phải chắc chắn rằng nước cấp sửdụng thỏa mãn các điều kiện:

✓Nguồn nước cung cấp đủ về số lượng bất kể thờitiết

• Chất rắn: lọc, lọc màng

• Muối (kể cá độ cứng): lọc màng, trao đổi ion

• Điều chỉnh pH: trung hòa

• Hóa chất ô nhiễm: lọc, lọc màng, trao đổi ion, thanhoạt tính

• Vi khuẩn, virus, protozoa: lọc màng,chlorine/ozone, UV

• Tảo: than hoạt tính

1 Xử lý chất hữu cơ

• Các hệ thống sử dụng rộng rãi cho xử lý chất hữu

cơ dùng các phương pháp thông thường như: kết tủa,keo tụ/tạo bông, bể lắng, lọc

• Các hạt phân tán, lơ lửng và keo gây ra độ đục vàmàu của nước có thể được xử lý hiệu quả bằng cácquá trình lắng, nhưng việc xáo trộn và khuấy nướcsau khi thêm chất keo tụ làm các hạt lắng nhanh

• Các bông cặn này đủ lớn để lắng dưới tác dụng củatrọng lực hoặc có thể xử lý bằng cách lọc

Keo tụ và tạo bông

(coagulation and flocculation)

Các hạt keo trong nước thường lắng rất chậm do kíchthước nhỏ Ngoài ra, chúng là các hạt mang điện tích(thường là điện tích âm) nên chúng đẩy nhau

Khi các hạt keo trung hòa điện tích, chúng sẽ kết hợplại với nhau tạo thành các bông cặn đủ lớn để lắng

Trong nước, bề mặt các hạt keo tích điện âm sẽ hútmột lớp điện tích dương, đến lượt lớp điện tích dươngnày sẽ hút các điện tích âm tạo thành lớp điện tích képxung quanh hạt keo

Ion trong các lớp bị phân tán và càng xa bề mặt hạtrắn sự phân tán càng tăng

Thế zeta giữ cho các hạt không kết dính vào nhau:

σ : chiều dày của vùng ảnh hưởng hạt tích điện

DEw : hằng số điện môi tương đối

q : tích điện trên hạt

Lực hút giữa các phân tử hoặc giữa các hạt là lực vander Waal.

Khi thế zeta > lực hút van der Waal → các hạt khôngdính nhau

Keo tụ hóa học là quá trình làm giảm thế zeta dùngchất điện phân Chất điện phân có 2 tác dụng:

• giảm σ (như muối NaCl)

• ép lớp điện tích kép → giảm ảnh hưởng của bề mặttích điện

Để tạo phản ứng keo tụ thường thêm các muối nhômhoặc sắt như:

• Phèn nhôm, Al2(SO4)3·18H2O

• Sắt (III) clorua, FeCl3·6H2O

• Sắt (III) sunfat, Fe2(SO4)3

• Sắt (II) sunfat, FeSO4·7H2O

• Vôi, CaO

Có/không thêm polymer và chất trợ keo tụ

Quá trình keo tụ rất phức tạp và bao gồm sự phân ly,thủy giải và polymer hóa

Giá trị pH có vai trò quan trọng trong sự keo tụ hóahọc phụ thuộc vào độ kiềm

Phèn nhôm có hiệu quả keo tụ cao nhất ở pH = 5,5 – 7,5 Phèn sắt pH: 3,5 - 6,5 và 8-9

Al2(SO4)3 + Ca(HCO3)2 → 2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2

Al2(SO4)3 + 3Ca(OH)2→ 2Al(OH)3 + 3CaSO4

2FeCl3 + 3Ca(HCO3)2 → 2Fe(OH)3 + 3CaCl2 + 6CO22FeCl3 + 3Ca(OH)2 → 2Fe(OH)3 + 3CaCl2

Nhiệt độ tăng, chuyển động nhiệt của các hạt keotăng lên làm tăng tần số va chạm và kết quả kết ínhtăng

Liều keo tụ: 2 – 5 mg Al/l hoặc 4 – 10 mg Fe/l

- Màu đen do mangan hoặc chất hữu cơ

→ xử lý bằng trao đổi ion và dùng lọc sắt (dùng thêmchất xúc tác)

2. Xử lý màu, mùi và vị (tt)

➢ Than hoạt tính (dạng hạt hoặc bột) thường dùng

để xử lý chất hữu cơ, màu, mùi và vị do nó có diệntích bề mặt lớn (từ 500 đến 1500 m2/g)

- Khả năng hấp phụ phụ thuộc vào: đặc tính của chấthấp phụ, diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ, kích thướchạt, hóa học bề mặt

- Than hoạt tính có thể hấp phụ:

+ Các chất hữu cơ không phân cực như: dầu khoáng+ Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi: benzene, toluene,ethylbenzene, Xylen

+ Các hydrocarbon polyaromatic (PAC), phenol

+ Các dẫn xuất halogen: I, Br, Cl, H và F

+ Nấm men

+ Các sản phẩm lên men khác nhau

+ Các chất không phân cực (các chất không tan trongnước )

- Khả năng hấp phụ phụ thuộc vào: đặc tính của chấthấp phụ, diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ, kích thướchạt, hóa học bề mặt

- Hấp phụ là một quá trình gồm 3 bước:

+ dịch chuyển các chất được hấp phụ đến bề mặt hạthấp phụ

+ dịch chuyển từ bề mặt hạt hấp phụ vào bên trong dokhuếch tán bên trong các lỗ

+ hấp phụ bên trong các vi lỗ

➢ Xử lý sắt/mangan

Có các phương pháp:

Ôxy hóa + lọc cát Nước có pH > 7, thế ôxy hóa

khử thấp, hàm lượng Fe thấp (< 3 mg/l)

tục, hàm lượng Fe thấp (không phụ thuộc pH)

3. Làm mềm nước (water softening)

• Trong chế biến thực phẩm, nước cứng làm cho lớpda/bì/vỏ ngoài bị dai hoặc làm mất màu/mùi của sảnphẩm Ngoài ra, nước cứng tạo ra các cặn lắng, làmlãng phí xà phòng, chất tẩy rửa

• Làm mềm nước thực chất là quá trình xử lý giảmhàm lượng Ca/Mg

• Các phương pháp cơ bản là: hóa học, trao đổi ion vàkhử khoáng

➢ Phương pháp hóa học

• Làm mềm bằng vôi (khử độ cứng cacbonat) được

áp dụng khi cần phải giảm cả độ cứng và độ kiềm

2CO2 + Ca(OH)2 → Ca(HCO3)2

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O

Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + 2CaCO3↓ + 2H2O 2NaHCO3 + Ca(OH)2 → Na2CO3 + CaCO3↓ + 2H2O

Trong nước, nếu tổng hàm lượng [HCO3-] + [CO32-] <[Ca2+] + [Mg2+]  MgSO4, MgCl2, phản ứng với vôi:MgSO4 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + CaSO4

MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + CaCl2

 giảm độ cứng Mg, nhưng không giảm độ cứng toàn phần

• Làm mềm bằng vôi/soda

CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3↓ + Na2SO4

CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3↓ + 2NaCl

• Làm mềm bằng photphat

3CaCl2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓ + 6NaCl

3MgSO4 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2↓ + 3Na2SO4

3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓ + 6NaHCO3

3Mg(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2↓ + 6NaHCO3

Chỉ diễn ra thuận lợi ở nhiệt độ > 100oC Sau xử lý,

độ cứng giảm xuống còn 0,04 – 0,05 mg/l

Do giá thành Na3PO4 cao nên chỉ dùng với liều lượng

➢ Phương pháp trao đổi ion

Là các hạt nhựa hữu cơ tổng hợp không tan trongnước nhưng bề mặt có hoạt tính hóa học (cation hoặcanion) → R-Na

2R-Na + Ca(HCO3)2 → R2-Ca + 2NaHCO3

2R-Na + Mg(HCO3)2 → R2-Mg + 2NaHCO3

Để khôi phục khả năng trao đổi ion

của Na-cationit rửa bằng dung dịch

NaCl → quá trình hoàn nguyên

R2-Ca + NaCl → 2R-Na + CaCl2

Vấn đề vệ sinh

• Nước phải chảy tuần hoàn qua vật liệu lọc để tránhnước bị tù/đọng

• Rửa cột trước khi vận hành

• Nếu cột ngưng hoạt động > 6 tiếng  tháo rửa 2 lầntrước khi sử dụng

• Nếu nhiễm vi sinh: khử trùng cột (NaOCl)

Tần suất không quá 1 lần/tháng

• Sau khi khử trùng/vệ sinh  tháo rửa 4 lần trướckhi sử dụng

4. Khử trùng (water disinfection)

• Các tác nhân khử trùng phản ứng với các hợp chấtkhác  tạo chất độc

• xuất hiện dư lượng

• ảnh hưởng đến người vận hành: hít, tiếp xúc da

+ Hiệu quả giảm ở pH > 8,0

+ Phản ứng với hợp chất nitơ tạo chloramine (có mùi,hiệu suất giảm)

+ Phản ứng với các hợp chất hữu cơ khác tạotrichalomethane

Cl2 + H2O = HOCl + H++ ClCa(OCl)2 + 2H2O = 2HOCl + Ca2++ 2OH-

-HOCl = H++ OClKhả năng khử trùng của Cl2 và HOCl =100 × OCl-

-Dư lượng chlorine dư tương ứng 1

mg/L ở pH = 7 (mg/L)

➢ Chorine (tt)

b Ozone

• Khử trùng nước 0,4 mg/L trong 5 phút, diệt bào tử 2mg/L

• Ngoài khử trùng, ozone còn dùng để: hệ thống tháplàm mát, trước khi lọc cát/than hoạt tính để loại chấthữu cơ hòa tan (phenol), độ đục, sắt, mangan, màu

• Các ưu điểm:

+ Dễ sử dụng

+ Không tạo các hợp chất hữu cơ gây ung thư

+ Phổ diệt khuẩn rộng và diệt được virus

+ Vi sinh vật không phát triển cơ chế kháng ozone

+ Phân hủy thành ôxy

• Các khuyết điểm:

+ Làm mất màu, tẩy trắng

+ Dễ phản ứng với chất hữu cơ trong nước+ Tạo ra sản phẩm phụ (bromate)

+ Cần nhiều năng lượng

+ Chi phí đầu tư và vận hành cao

c Tia UV

• Dùng để bất hoạt hoặc phá hủy vi sinh vật

• Là loại bức xạ điện từ có bước sóng từ 100 – 400nm

• Các khuyết điểm:

+ Hiệu quả cho nước không đục

+ Hạt lơ lửng  chỗ trốn của vi khuẩn+ Thời gian tiếp xúc làm giới hạn lưu tốc+ Vệ sinh đèn thường xuyên

+ Không có dư lượng trong nước

V TÓM LƯỢC

• Nguồn nước ngọt là yếu tố quan trọng ảnh hưởngchất lượng sản phẩm

• Khả năng sẵn có một nguồn nước lớn đủ tiêu chuẩn

là cốt lõi của vấn đề an toàn và chế biến thực phẩm

• Nếu có nhiều nguồn nước khác nhau, cần:

- Phân tích nước để chọn nguồn có chất lượng tốt

- Dự đoán nhu cầu dùng nước trong tương lai

- Nguồn nước phải gần nhà máy để giảm chi phí vậnchuyển

- Phải có các giải pháp xử lý sơ bộ để giảm chi phí

NƯỚC THẢI

I Giới thiệu

• Bất cứ sản phẩm/công đoạn nào trong CBTS cũngphát sinh nước thải → lượng và đặc tính của từng loạinước thải tác động đến khía cạnh kinh tế và môitrường

• Khía cạnh kinh tế của nước thải: lượng sản phẩm bịhao hụt trong quá trình chế biến và chi phí xử lý cácchất thải này  đặc trưng của nước thải

- Lưu lượng thải hàng ngày (volume)

- Tải lượng chất ô nhiễm (load)

• Nếu không xử lý nước thải sẽ gây các tác động xấuđến môi trường: phú dưỡng hóa, cạn kiệt ôxy,…

II Lưu lượng và thành phần nước thải

• Trong CBTS, sự khác biệt về nguyên liệu thô và sảnphẩm cuối liên quan đến sự khác nhau trong qui trìnhsản xuất, dẫn đến lượng nước tiêu thụ khác nhau

Cá da trơn: 5-7 m 3 /tấn sản phẩm

Tôm đông lạnh: 4-6 m 3 /tấn sản phẩm

Surimi: 20-25 m 3 /tấn sản phẩm

Thủy sản đông lạnh hỗn hợp: 4-6 m 3 /tấn sản phẩm

II Lưu lượng và thành phần nước thải

• Mức độ ô nhiễm của nước thải từ quá trình CBTSthay đổi rất lớn phụ thuộc vào:

✓ nguyên liệu thô (tôm, cá, mực, bạch tuộc, cua,

nghêu, sò)

✓ sản phẩm

✓ thay đổi theo mùa vụ

✓ thậm chí ngay trong ngày làm việc

• Hoạt động chế biến chính bao gồm:

✓ tiếp nhận nguyên liệu

✓ phân cỡ và cân

✓ xử lý sơ bộ (cắt tiết, móc ruột, đánh vảy, fillet, lột

da,…)

✓ kiểm tra và sửa cá

✓ chế biến thành các sản phẩm như ngâm muối,

đóng hộp, bao gói và phân phối

• Các chất thải chính trong nước thải CBTS là: máu,nội tạng, vây, đầu, vỏ, da, thịt vụn,…

• Các chất thải này làm tăng nồng độ chất lơ lửngtrong nước thải → có thể thu gom để chế biến thànhcác sản phẩm phụ

• Nước thải CBTS chứa nhiều chất ô nhiễm dạng hòatan, keo và lơ lửng

• Mức độ ô nhiễm phụ thuộc vào quá trình chế biến:thấp (rửa), trung bình (fillet cá) hoặc cao (nước thảichứa máu, nước cá nguyên chất từ nhà máy thức ăn

• Các thông số ô nhiễm quan trọng là: nhu cầu ôxysinh hóa (BOD), nhu cầu ôxy hóa học (COD), tổng

chất rắn lơ lửng, dầu mỡ khoáng (fats, oil and grease)

và lượng nước dùng

• Ngoài ra, còn có mùi khó chịu, nhiệt độ cao, hàmlượng muối cao (bốc nguyên liệu từ tàu thuyền, nướcchế biến và dung dịch muối)

• Giảm nồng độ của các chất này và lượng nước dùng

sẽ giúp giảm chi phí xử lý nước thải