CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA VÀ CÁC CHẤT THẢI

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.

MỤC LỤC

MỤC LỤC -1

MỞ ĐẦU -3

CHƯƠNG I -5

HIỆN TRẠNG SẢN XUẤT, TIÊU THỤ BIA TRÊN THẾ GIỚI TRONG KHU VỰC VÀ Ở VIỆT NAM -5

I.1 Hiện trạng sản xuất và tiêu thụ bia trên thế giới và trong khu vực 5

I.2 Hiện trạng sản xuất, tiêu thụ bia và xu thế phát triển ngành bia Việt Nam 7

I.2.1 Hiện trạng sản xuất và tiêu thụ bia ở Việt Nam 7

I.2.2 Xu thế phát triển ngành bia Việt Nam 9

CHƯƠNG II -10

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA VÀ CÁC CHẤT THẢI -10

II.1 Công nghệ sản xuất bia 10

II.1.1 Nguyên liệu cho sản xuất bia 10

II.1.2 Công nghệ sản xuất bia 13

II.1.3 Nhu cầu về vật tư, nhiên liệu, năng lượng và nước 17

II.2 Các nguồn thải chính trong sản xuất bia và tác động của chúng đến môi trường 18

II.2.1 Các chất thải gây ô nhiễm môi trường không khí 19

II.2.2 Chất thải rắn 20

II.2.3 Nước thải 20

II.2.4 Các nguồn ô nhiễm khác 23

CHƯƠNG III -25

CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT BIA -25

III.1 Các phương pháp bổ trợ xử lý sinh học 25

III.2 Các phương pháp xử lý sinh học 25

III.2.1 Phương pháp xử lý yếm khí 26

III.2.2 Phương pháp xử lý hiếu khí 26

CHƯƠNG IV -40

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN -40

IV.1 Mục đích, nội dung, đối tượng, phương pháp nghiên cứu 40

IV.1.1 Mục đích và nội dung nghiên cứu 40

IV.1.2 Đối tượng nghiên cứu 40

IV.1.3 Phương pháp nghiên cứu 40

IV.2 Kết quả nghiên cứu và thảo luận 43

IV.2.1 Nghiên cứu xử lý bằng bể hợp khối 43

IV.2.2 Nghiên cứu xử lý bằng bể aeroten thông thường 47

CHƯƠNG V -52

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG AEROTEN CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI XƯỞNG BIA BẮC ÂU -52

V.1 Mục tiêu thiết kế 52

V.2 Tính toán thiết kế 53

KẾT LUẬN -58

TÀI LIỆU THAM KHẢO -60

PHỤ LỤC -63

MỞ ĐẦU

Bia là một loại nước giải khát cao cấp và rất thông dụng trong đời sống hàngngày, được mọi người ưa chuộng Bia mang hương vị đặc trưng riêng và là loại nướcuống mát bổ có bọt mịn xốp, độ cồn thấp, có vị đắng dễ chịu Khi được sử dụng đúngmức, bia tạo nên sự thoải mái và tăng cường sức lực cho cơ thể Bia không những chứacác 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 cácnước 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 80triệu 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 lợinhuận cao ở Việt Nam hiện nay, các cơ sở sản xuất bia Việt Nam cùng song song tồntại 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 nhữngtác hại to lớn cho môi trường sinh thái, vì nó tạo ra các chất thải gây ô nhiễm môitrường Bảo vệ môi trường là vấn đề ngày càng trở nên cấp thiết mang tính toàn cầu vìchất 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 củacác doanh nghiệp sản xuất bia cũng như sự tăng nhanh về sản lượng bia đã tạo ra mộtlượng lớn các chất thải gây ô nhiễm môi trường dưới cả ba dạng : chất thải rắn, khíthải và nước thải

Hiện nay hầu hết các cơ sở sản xuất đều thải trực tiếp nước thải vào hệ thốngthoát nước công cộng không qua xử lý Hơn nữa, phần lớn các cơ sở công nghiệp nàyđều nằm trong thành phố xen với khu dân cư Việc thải một lượng lớn chất hữu cơ ramôi trường sẽ tạo nguồn ô nhiễm và các ổ dịch bệnh, ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏecủa cộng đồng Nguồn gây ô nhiễm chính của sản xuất bia là nước thải với lưu lượnglớn, tải lượng các chất bẩn hữu cơ cao, gây những hậu quả nghiêm trọng cho môitrường, cần được ưu tiên giải quyết

Với điều kiện kinh tế nước ta còn nghèo, việc nhập khẩu một dây chuyền xử lývới 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, đểphù 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 Pasteurthành công trong những nghiên cứu về vi sinh vật và Christian Hansen (người ĐanMạch) phân lập được nấm men và áp dụng vào sản xuất bia thì bia mới thực sự trởthành 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 gầnđây, với tốc độ phát triển kinh tế nhanh của nhiều nước trên thế giới, chất lượng cuộcsống của người dân ngày càng được đảm bảo, nhu cầu tiêu dùng gia tăng đã làm chosản lượng bia trên toàn thế giới tăng tới 2,3% /năm Ước tính tới năm 2005 sản lượngbia 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

- Tại Ý, sản lượng bia đạt 1,22 tỷ lít/năm trong năm 1998 Mặc dù sản lượngbia của Ý thấp so với các nước khác ở Châu Âu, nhưng mức tiêu thụ trên đầu người lạirất cao: 26,9 lít/người trong năm 1998 Do vậy lượng bia nhập khẩu vào nước Ý tăngcao, đạt 368,1 triệu lít/năm, bia được nhập từ: Đức (159,4 triệu lít), Hà Lan (45,27triệu lít), Anh (36,2 triệu lít), Đan Mạch (35,7 triệu lít) Tuy nhiên, Ý cũng xuất khẩubia, con số này chỉ chiếm một phần rất nhỏ (37,3 triệu lít/năm) Các nước nhập khẩubia 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, điểnhình là Trung Quốc, đây là thị trường bia lớn thứ hai trên thế giới chỉ sau Mỹ và dựbáo sẽ vượt Mỹ trong vài năm tới Sản lượng bia của Trung Quốc đạt xấp xỉ 22 tỷ lítbia/năm Tuy nhiên, lượng tiêu thụ bia tính trên đầu người ở nước này vẫn còn thấp 15lít/người, so với lượng bia bình quân tiêu thụ trên thế giới 22,1 lít/người (2001), vàthấp 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 tạiViệt Nam đã được xây dựng dưới thời Pháp thuộc vào năm 1890 – Nhà máy bia HàNội 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 trựctiếp 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 đãđược hình thành ở nước ta như: Nhà máy bia Sài Gòn, nhà máy bia Đà Nẵng (thiết bịcủa 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, cácnhà máy bia liên doanh trung ương và địa phương khác góp phần nâng cao sản lượngbia trên toàn quốc

So với các nước Châu Âu và một số nước Châu Á, sản lượng bia bình quân đầungười ở Việt Nam còn rất thấp mặc dù sản lượng này đã tăng gấp đôi từ 84,5 triệulít/năm vào năm 1984 lên 168,5 triệu lít/năm vào năm 1992 Trong năm 1992, ViệtNam 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 triệulít/năm Năm 1994, sản lượng bia của Việt Nam là 300 triệu lít, năm 1995 đạt trên 500triệu 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 Namđược thành lập và đã có những bước trưởng thành đáng kể cả về số lượng và chấtlượng, các đơn vị thành viên của Tổng công ty, từ những bước đi ban đầu của thời kỳđổi mới, đã và đang khẳng định được vai trò hạt nhân của mình trong sự phát triểnchung của ngành Rượu - Bia - Nước giải khát Việt Nam trong cơ chế thị trường theođịnh 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, %

Trong vài năm gần đây, nền kinh tế nước ta đã có những phát triển vượt bậctrên mọi lĩnh vực, đời sống của nhân dân ngày một được nâng cao, nhu cầu tiêu thụ vềbia cũng như các loại nước giải khát rất lớn dẫn đến việc hình thành hàng loạt cácdoanh nghiệp, cơ sở sản xuất bia Từ chỗ chỉ có hai nhà máy bia Hà Nội và Sài Gònthì đến nay cả nước đã có tới 469 cơ sở sản xuất bia với đủ các thành phần kinh tếtham gia, trong đó bao gồm 2 Công ty quốc doanh trung ương, 6 Công ty liên doanhvới nước ngoài và 461 cơ sở sản xuất bia địa phương, tư nhân, cổ phần được phân bốtập 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 vàphong 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 phẩmbia 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 ViệtNam 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 côngsuất từ 50 triệu lít/năm lên 100 triệu lít/năm, trong đó có một số hạng mục đã hoànthành như: thiết bị lò hơi, máy phát điện, hệ thống xử lý nước, cải tạo nâng cấp nhàchiết 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, hệthống tank lên men [17]

Công ty bia Sài Gòn đã thực hiện dự án đầu tư nâng công suất từ 140 triệulít/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 đãthực hiện một số dự án cải tạo và nâng cấp trang thiết bị công nghệ như: hệ thống thuhồi 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 lýchất thải khác [17]

Toàn bộ các công trình đầu tư chiều sâu, đầu tư mới, đầu tư bổ sung đều cótrang 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 tyRượu - Bia - Nước giải khát Việt Nam, vừa khẳng định vai trò nòng cốt hạt nhân củaTổng công ty trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngành Rượu - Bia - Nướcgiải 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 gópnhiều cho ngân sách quốc gia Theo chủ trương của Chính phủ cũng như định hướngphát triển đến năm 2010, Việt Nam không cấp giấy phép đầu tư, cũng như không phêduyệt mở rộng công suất của các dự án nước ngoài trong lĩnh vực công nghiệp sảnxuất bia Theo quy hoạch phát triển, sản lượng bia đến năm 2010 là 1500 triệu lít, cónghĩa là tiếp tục tăng trưởng từ 10 – 12% từ nay đến năm 2010 Dự báo sản lượng biađến 2020 sẽ tăng so với 2005 khoảng 1,8 lần, mức tiêu thụ bình quân đầu người tăngkhoảng 2 lần (Bảng I.4)

Bảng I.4 Dự báo sản lượng và mức tiêu thụ bia qua các giai đoạn [2]

Ở Việt Nam, thị trường tiêu thụ bia ở trong nước vẫn là chính, thị trường xuấtkhẩu 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 chủyếu 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 đãtrồng thử nghiệm đại mạch và houblon ở một số vùng nhưng năng suất thu hoạch cònthấp, 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 nhânphân 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)

Bảng II.1 Thành phần hóa học của malt và gạo tẻ tính theo phần trăm chất khô

[5]

trong malt (%)

Tỷ lệ phần trăm trong gạo tẻ (%)

Xơ 6 0,5 – 0,8Hexoza 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%)

• Nước nguyên liệu

Công nghiệp sản xuất bia đòi hỏi một lượng lớn nước cho các mục đích sửdụng khác nhau: nước nguyên liệu, nước làm lạnh, nước rửa thiết bị, bao bì, vệ sinhnhà xưởng, nước nồi hơi Chất lượng bia phụ thuộc nhiều vào chất lượng nguồn nướccấp Nước dùng cho sản xuất bia phải là nước đã qua xử lý, đạt các tiêu chuẩn nướcnguyên liệu cho sản xuất nước giải khát:

- Không màu, không mùi - Chỉ số Coli = 0

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 trìnhphát triển, tế bào của chúng kết dính vào nhau thành chùm rồi lắng xuống đáy thiết bịlên men thành lớp chặt, thuận lợi cho việc tách lớp tế bào đó làm men giống cho cácđợt sản xuất tiếp sau.[4] Ngoài ra, nấm men chìm có khả năng lên men ở nhiệt độdưới 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 liệusau:

- 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 chấtrắn trong nước thải Trong hệ thống xử lý, chất trợ lọc thường lắng lại ở bể lắng sơcấp 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 đượctuần hoàn tái sử dụng đến khi loãng được xả ra cùng với nước thải làm cho pH củanước 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 nghiềnthành bột và ngâm trương nhằm tăng hiệu quả đường hóa

II.1.2.2 Nấu - đường hoá

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

lượng Mở hơi nâng dần nhiệt độ này lên đến 75oC và giữ ở nhiệt độ này chừng 20phút, nâng tiếp đến 85oC giữ chừng 8 – 10 phút rồi hạ xuống 75oC và cho 30 kg bộtmalt đã hòa với nước để dịch hóa Thời gian dịch hóa 20 – 30 phút rồi nâng đến sôi vàgiữ 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 chovào theo tỷ lệ 1/ 3,5 – 4 ở 48 – 55oC, khuấy đều, giữ một thời gian rồi bơm dịch đangsôi 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 thúcđường hóa (thử bằng iot âm tính) [1]

Nhờ tác dụng của hệ enzym gồm α, β -amilaza, tinh bột được chuyển thànhglucoza, maltoza, maltotrioza, maltotetraoza, fructoza, saccaroza và các dextrin cóphân tử lượng khác nhau trong khoảng nhiệt độ 63 – 780C Các loại đường này hòa tanvào dung dịch chính là thành phần chính của nước nha [4] Lượng protein hòa tanchiếm 40 – 50% lượng protein có trong malt Enzym proteaza thuỷ phân protein thànhalbumin, pepton, polypeptit; enzym peptidaza thuỷ phân peptit thành các aminoaxit ởnhiệt độ 45-520C Nhờ tác dụng của enzym phitaza, các chất hữu cơ chứa photphođược 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 tốnày 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 Quátrình 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 nấukhoảng 10-15 phút thì cho nốt lượng hoa còn lại Thời gian nấu sôi từ 60-90 phút Ởnhiều 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 lắngxoáy, để lắng trong 30 phút rồi bơm dịch qua lạnh nhanh bản mỏng để hạ nhiệt độxuống 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 pháttriển 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 trongnước nha được lên men dưới tác dụng của nấm men

Nấm men giống được chuẩn bị trong thiết bị chuyên dụng theo quá trình vôtrùng 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 suấtkhống 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 vàchuyển 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 ratrước khi đi lọc bia Lượng men thu hồi được có thể sử dụng lại nhiều lần vàtheo 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 sởsản xuất nước giải khát

Thùng lên men liên hợp (Combitank) được thiết kế có áo lạnh và bảo ôn bênngoài Phần áo lạnh được thiết kế sao cho có thể điều chỉnh được nhiệt độ của lượngbai trong thùng khi cần thiết Công nghệ hiện đại có ưu điểm lớn là đã rút ngắn thờigian lên men, cải thiện điều kiện lao động cho công nhân, tránh được sự tạp nhiễm vàhao 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 CO 2 và chiết bia

Từ thùng chứa bia trong bia có thể được bão hoà thêm CO2 (nếu cần thiết) rồiđưa 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]

Đơn vị tính

Chỉ tiêu cho 1000 lít bia

Khối lượng yêu cầu cho 1 năm sản xuất

Tỷ lệ trong bia

• 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 hoặc45-60 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 20.000lít 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 –

- 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 dụngthường xuyên Khi sử dụng để cứu hỏa, lượng nước hao hụt sẽ được bổsung [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 nướcthải, 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]

môi trường

1 Nạp, nghiền nguyên liệu - Bụi, khí thải - Ô nhiễm khí

2 Nấu, đường hoá bằng

- Nước thải

- Ô nhiễm đất, nước

- Ô nhiễm khí

8 Rửa và chiết bom, chai,

lon

9 Rửa nhà xưởng vệ sinh

công nghiệp

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 vàloại 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 nhờthiết 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 lòhơi 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 ảnhhưởng đến sức khoẻ của người lao động và dân cư vùng phụ cận Thêm vào đó, cáckhi 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 thanvới 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 dụngphương 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 chấtthải rắn phát sinh phụ thuộc vào công nghệ sản xuất, trình độ thao tác công nhân và cácbiện pháp quản lý mặt bằng Các chất thải rắn bao gồm các chất thải có thể xử lý sinhhọc 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 bãmalt 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 bịchuyển hoá Để bảo quản bã lâu hơn, ở một số xí nghiệp nước ngoài người ta ủ bãtrong các hầm xi măng đặc biệt Men bia có giá trị dinh dưỡng cao, có thể sử dụng làmthuốc 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 hạtđại 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 vịđắng, 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 làmchất 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 bịthối rữa, làm mất mỹ quan cơ sở, gây ô nhiễm đất, nước, không khí, ảnh hưởng tới sứckhoẻ 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, xỉthan, chất trợ lọc Những phần có giá trị có thể hợp đồng bán lại cho các cơ sở sảnxuất như bao bì, vỏ lon, chai Xỉ than được tận dụng sản xuất vật liệu xây dựng Phầncòn 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 làmtăng lợi ích kinh tế cho nhà máy bằng việc thu thêm các sản 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: Nướcthải 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 nghệsản 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 xuấtbia (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, bểchứa, 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 quacác 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 bêntrong và bên ngoài chai, sau đó rửa sạch bằng nước nóng và nước lạnh Do đó dòngthải của quá trình rửa chai có độ pH cao và làm cho dòng thải chung có giá trị pH kiềmtính

Thành phần hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thải của sản xuất bia bao gồmprotein 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 phẩmrơi vãi

Ngoài nước thải ra từ khu vực sản xuất, một nguồn ô nhiễm khác đó là nướcthải sinh hoạt thải ra từ nhà vệ sinh, nhà bếp phục vụ cán bộ công nhân viên Nước thảichủ yếu chứa các chất gây ô nhiễm là BOD, SS, N, P, vi sinh vật, có mức độ ô nhiễmtrung bình Nước thải này nếu không được xử lý thích đáng cũng gây ra những tácđộng xấu đến môi trường

Một nguồn khác đó là nước mưa chảy tràn Nước mưa do chảy tràn nên đã cuốntheo chất thải trong quá trình sản xuất khác như cặn dầu, đất cát, rác thải Nguồnnước này có thể được coi là nguồn nước quy ước sạch và cho phép xả trực tiếp vàonguồn thải sau xử lý

Công nghệ sản xuất bia là quá trình công nghệ gián đoạn, lại phụ thuộc nhiềuvào mùa vụ, thời tiết trong năm Vì vậy, nước thải của sản xuất bia biến động lớn cả vềlưu 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

Môi chất lạnh tuần hoàn

Bã bia Nước nóng

Bã lọc

Bã hoa

Phụ gia Hơi

từng giờ Để thiết kế và xây dựng hệ thống xử lý cần biết chính xác lưu lượng, các đặctính 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 Hàmlượng 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

BOD, SSBODBOD

SS, BOD

pH cao, BOD, SS

Bảng II.6 Đặc trưng điển hình của nước thải nhà máy bia [1]

• 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 phụthuộc 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 nguyênliệu, sản phẩm, dễ gây bệnh đau lưng nghề nghiệp Các cơ sở cần quan tâm giải quyếtthiết bị vận chuyển hợp lý

Tùy theo quy mô, mức độ hiện đại cũng như mối quan tâm tới hiện trạng môitrường của ban lãnh đạo mà mỗi cơ sở sản xuất bia có một vài đặc thù riêng về môitrường

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 phươngpháp 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 lựctrọng trường hoặc lực ly tâm và lọc Việc lựa chọn phương pháp xử lý tùy thuộc vàokích 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 làphương pháp sinh học Các quá trình xử lý sinh học sử dụng để phân hủy các hợp chấthữu cơ trong nước thải có thể chia thành 2 loại chính: Các quá trình xử lý hiếu khí vàcác 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 thôngqua quá trình lên men

Tùy theo hàm lượng chất hữu cơ có trong nước thải và các điều kiện khác nhưthành phần, tính chất nước thải, lưu lượng dòng thải, mặt bằng xây dựng, kinh phí chophép, 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 lýyếm 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, bãmen, cặn protein)

Đối với nước thải quá trình sản xuất bia khi chưa được phân luồng, hàm lượngCOD, BOD5 không quá lớn do đó không nên sử dụng phương pháp xử lý yếm khí Tuyvậy, trong hệ thống xử lý nước thải tại nhà máy bia, để xử lý bùn dư (sản phẩm củaquá trình xử lý sinh học) có thể áp dụng phương pháp yếm khí, hầm tiêu hủy bùn Hơnnữa, quá trình yếm khí ngoài CH4 được tạo ra còn có H2S, NH3 sẽ gây mùi khó chịucho 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 hợpchất 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 thácđược 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:

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

• 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 hợpđược Các hợp chất được chuyển hóa chính là nguồn nguyên liệu để tổng hợp sinhkhối 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 tùythuộc vào đặc tính sinh lý và tốc độ sinh sản của chúng Quá trình phát triển của visinh vật được chia thành nhiều giai đoạn như minh họa trên hình III.1 [8]

A B

Thời gian τ(2)

(1)

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 biếnđổi 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 pháttriển với tốc độ riêng không đổi Sau một thời gian nhất định, tổng số tế bào cũng nhưtrọng 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 sinhtrưởng ở mức độ cực đại, nhiều tế bào đã già, tốc độ phát triển giảm dần tới mức cânbằng ở cuối pha

- Giai đoạn cân bằng (giai đoạn dừng) (D-E): số lượng tế bào sống được giữ ở mứckhông 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 chấtgiảm đi rõ rệt

- Giai đoạn suy vong (E-F): sự tích lũy sản phẩm trao đổi chất có tác động ức chế vàtiêu diệt vi sinh vật, tốc độ sinh sản giảm đi rõ rệt và dần dần ngừng hẳn, dẫn đến sốlượng tế bào sống giảm đi rất nhanh và bắt đầu có hiện tượng tự hủy

Trong pha logarit, sinh khối tăng theo biểu thức:

X d

dX

.

µ

τ =trong đó:

τ

d

dX

- tốc độ tăng trưởng của sinh khối, mg/l.τ

X - hàm lượng sinh khối, mg/l

µ - tốc độ sinh trưởng riêng, l/τ

τ - 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 Cácchất ô nhiễm có trong nước thải được hấp thụ và giữ lại trong đất Nhờ khu hệ vi sinhvật tự nhiên trong đất, nước sẽ phân hủy chúng thành các chất đơn giản để cây trồnghấp thụ Nước thải sau khi ngấm vào đất, một phần được cây trồng sử dụng, phần cònlại 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 Khicánh 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 tránhcho các lỗ hổng và mao quản lớp đất mặt bị bít kín làm giảm sự thoáng khí, ảnh hưởngxấu 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 tácnhưng ít được sử dụng vì cần diện tích đất lớn, phải có hệ thống kênh mương dẫn từnguồn 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 50ngày) [8]

Xử lý nước thải trong hồ sinh học là biện pháp xử lý đơn giản Phương phápnày không yêu cầu kỹ thuật cao, chi phí đầu tư , vận hành ít, quản lý đơn giản, thíchhợp sử dụng khi có nhiều diện tích đất và khi không đòi hỏi chất lượng cao đối vớinước 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 vaitrò lớn trong việc cung cấp oxy cho hồ Các vi sinh vật sử dụng oxy sinh ra trong quátrình quang hợp của tảo và oxy được hấp thụ từ không khí để phân hủy các chất thảihữu cơ Còn tảo sử dụng CO2, NH4, photphat được giải phóng ra từ quá trình phânhủy 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 hồnày 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 hồhiếu 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 quátrình:

- 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 dokhuếch 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 dạngmàng sinh học Màng sinh học hiếu khí là một canh trường tập trung gồm chủ yếu làcác 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 cấuchính: 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 làtạo 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 xuốngchảy thành màng trên bề mặt giá thể, không khí được thổi từ dưới lên sục qua lớpmàng tạo ra bề mặt tiếp xúc pha giữa pha khí và lỏng (giống như một tháp đệm) Quátrình 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 củamàng Khi lớp màng dày, ở lớp trong của màng sát với bề mặt cứng của vật liệu lọc, dokhông có oxy các vi khuẩn hô hấp tùy tiện phát triển có thể chuyển sang phân hủy yếmkhí làm tróc lớp màng ra khỏi vật liệu lọc dễ gây tắc cục bộ, tạo các vùng yếm khí làmgiảm hiệu quả xử lý Vì vậy trong công nghệ, việc tạo màng sinh học sao cho màng cókích thước 150 – 350 µ, 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 tiêusinh hóa, trao đổi khối, chế độ thủy lực và kết cấu thiết bị Theo chiều cao của tháp vàtải 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 vậtsinh trưởng, phát triển và tồn tại dưới dạng bông sinh học (bùn hoạt tính) Việc cấp khíđáp ứng 2 yêu cầu của quá trình:

- Đảm bảo độ oxy hòa tan, giúp cho vi sinh vật thực hiện quá trình oxyhóa các chất ô nhiễm

- Duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng trong nước cần xử lý, tạo rahỗn hợp lỏng - huyền phù, tạo điều kiện tối ưu cho quá trình tiếp xúcgiữa 3 pha: rắn, lỏng, khí, đảm bảo hiệu quả oxy hóa