TỔNG QUAN VỀ NGÀNH SẢN XUẤT BIA
Lịch sử hình thành của ngành sản xuất bia
Bia là một trong những đồ uống lâu đời nhất của nhân loại, có nguồn gốc từ ít nhất thiên niên kỷ 5 TCN Loại đồ uống này đã được ghi chép trong các văn bản cổ của Ai Cập và Lưỡng Hà (Mesopotamia).
Giống như nhiều chất chứa đường khác, đồ uống như bia có thể đã được phát minh độc lập ở các nền văn minh khác nhau trên thế giới Các nghiên cứu hóa học trên bình gốm cổ cho thấy bia đã được sản xuất cách đây khoảng 7.000 năm tại khu vực hiện nay là Iran, đánh dấu một trong những ứng dụng đầu tiên của công nghệ sinh học thông qua quy trình lên men tự nhiên.
Bia có nguồn gốc lâu đời tại Lưỡng Hà, với chứng cứ đầu tiên là bức vẽ 6.000 năm tuổi của người Sumeria mô tả việc uống bia qua cần hút từ thùng công cộng Bia cũng được nhắc đến trong Thiên sử thi Gilgamesh, một tác phẩm 3.900 năm tuổi, tôn vinh nữ thần Ninkasi, vị thần bảo trợ cho bia, trong đó chứa công thức làm bia cổ nhất và quy trình sản xuất từ lúa mạch qua bánh mì Bia đã trở thành một phần thiết yếu trong đời sống của các nền văn minh trồng ngũ cốc ở phương Tây cổ đại, đặc biệt là tại Ai Cập và Lưỡng Hà.
Bia đã từng là quan trọng đối với người La Mã trong thời kỳ đầu, nhưng trong thời kỳ Cộng hòa La
Rượu vang đã trở thành đồ uống có cồn phổ biến hơn bia, mà trước đây được coi là lựa chọn của những người man rợ Tacitus từng chỉ trích bia do người Đức sản xuất, phản ánh sự thay đổi trong sự ưa chuộng đồ uống trong xã hội.
Người Thracia đã sử dụng bia làm từ lúa mạch đen từ thế kỷ 5 TCN, theo ghi chép của Hellanicos trong các tác phẩm của ông Loại bia này được gọi là brutos hay brytos.
Hoa bia được bổ sung vào bia để tạo vị đắng, bảo quản và hương vị, là một phát kiến tương đối mới, vì trong thời Trung cổ, các loại thảo mộc khác thường được sử dụng thay thế cho hoa bia, gọi là gruit Hoa bia đã được trồng tại Pháp từ thế kỷ 9, và tài liệu cổ nhất ghi nhận việc sử dụng hoa bia trong sản xuất bia có niên đại từ năm 1067, do nữ tu viện trưởng Hildegard viết: "Nếu người ta định làm bia từ yến mạch, nó được chuẩn bị cùng hoa bia."
Trong thời Trung cổ ở châu Âu, bia chủ yếu được sản xuất trong gia đình Tuy nhiên, vào thế kỷ 14 và 15, quá trình sản xuất bia đã chuyển từ hoạt động gia đình sang sản xuất thủ công, với các quán bia và tu viện bắt đầu sản xuất bia hàng loạt để tiêu thụ.
Vào thế kỷ 15, ở Anh, bia không có hoa bia được gọi là ale, trong khi bia có hoa bia được nhập khẩu từ Hà Lan từ năm 1400 Hoa bia bắt đầu được trồng ở Anh từ năm 1428 Ban đầu, hoa bia không được ưa chuộng, với Công ty bia rượu London tuyên bố không cho phép bất kỳ thành phần nào ngoài nước, mạch nha và men bia trong sản xuất ale Tuy nhiên, đến thế kỷ 16, thuật ngữ ale đã được sử dụng để chỉ các loại bia mạnh, và cả ale lẫn bia đều bắt đầu sử dụng hoa bia.
Năm 1516, William IV, Công tước xứ Bavaria, đã ban hành Reinheitsgebot (Luật tinh khiết), quy định rằng bia chỉ được làm từ nước, lúa mạch và hoa bia, với men bia được thêm vào sau phát kiến của Louis Pasteur vào năm 1857 Luật này sau đó đã được áp dụng trên toàn nước Đức khi thành lập Đế chế Đức vào năm 1871 dưới thời Otto von Bismarck và đã được cập nhật để phù hợp với xu hướng hiện đại trong sản xuất bia Đến nay, Reinheitsgebot vẫn được xem là tiêu chuẩn độ tinh khiết cho bia, mặc dù vẫn có những tranh cãi xung quanh vấn đề này.
Cho đến gần đây, hầu hết các loại bia đều thuộc nhóm ale Bia lager, được phát hiện tình cờ vào thế kỷ 16 khi bia được lưu trữ trong các hầm lạnh, đã trở thành loại bia phổ biến hơn ale từ đó.
Sự phát minh động cơ hơi nước vào năm 1765 đã đánh dấu bước ngoặt trong công nghiệp hóa sản xuất bia Các cải tiến công nghệ, bao gồm nhiệt kế và tỷ trọng kế vào thế kỷ 19, giúp các nhà sản xuất bia nâng cao hiệu quả và kiểm soát nồng độ cồn tốt hơn Trước cuối thế kỷ 18, mạch nha chủ yếu được làm khô bằng lửa từ gỗ, than củi và trấu.
Vào năm 1600, từ "than cốc" được sử dụng để chỉ quá trình sản xuất mạch nha, tuy nhiên, các loại mạch nha này thường không được bảo vệ tốt khỏi khói từ lò sấy, dẫn đến hương vị có chút khói trong bia Các nhà sản xuất mạch nha và bia đã nỗ lực giảm thiểu vị khói trong sản phẩm cuối cùng Sự phát minh của lò nướng hình trống bởi Daniel Wheeler vào năm 1817 đã cho phép tạo ra mạch nha nướng chín kỹ, mở đường cho việc sản xuất các loại bia đen như porter và stout Năm 1857, Louis Pasteur phát hiện ra vai trò của men bia trong quá trình lên men, giúp các nhà sản xuất bia ngăn chặn vị chua do vi sinh vật không mong muốn.
Vào năm 1953, Morton W Coutts, một nhà phát minh người New Zealand, đã phát triển kỹ thuật lên men liên tục, cách mạng hóa ngành công nghiệp bia bằng cách giảm thời gian ủ từ 4 tháng xuống dưới 24 giờ Công nghệ này vẫn được áp dụng bởi nhiều nhà sản xuất bia lớn trên toàn thế giới, bao gồm cả Guinness Hiện nay, ngành công nghiệp bia đã trở thành một lĩnh vực kinh doanh khổng lồ toàn cầu, chủ yếu tập trung vào các tổ hợp được hình thành từ các nhà sản xuất nhỏ hơn Mặc dù bia chủ yếu là đồ uống có cồn, nhưng cũng có nhiều biến thể, trong đó có bia không cồn, được sản xuất thông qua quá trình xử lý để giảm lượng cồn, xuất phát từ các xu hướng ở phương Tây.
Ngành bia Việt Nam có hơn 100 năm lịch sử, bắt đầu với hai nhà máy bia do Pháp xây dựng ở miền Bắc và miền Nam vào những năm 1890 Hiện nay, ngành bia đã trở thành một phần quan trọng của nền kinh tế, đóng góp đáng kể vào ngân sách nhà nước và tạo ra nhiều cơ hội việc làm cho người lao động.
Bia là một trong những đồ uống có cồn được ưa chuộng nhất, chiếm 95% giá trị sản lượng đồ uống có cồn vào năm 2005 và tăng lên 97% vào năm 2006.
Các công nghệ sản xuất bia và tác động đến môi trường
I.2.1 Quy trình công nghệ sản xuất:
Chuẩn bị nguyên liệu Nghiền Đường hóa nguyên liệu Lọc bã, nấu hoa và làm lạnh dịch đường Lên men Thành phẩm
Nguồn nguyên liệu chính: Đại mạch ( ĐM ) và hoa houblon.
Nguyên liệu thay thế: dạng hạt ( bột tiểu mạch, gạo - thóc tẻ, ngô); dạng đường (đường mía và đường củ cải, đường thủy phân, đường invertaza, xiro tinh bột).
Bảng: Phương pháp sơ chế ĐM và các nguyên liệu thay thế ĐM.
Nguyên liệu Chế biến Khả năng thay thế ĐM
1 ĐM ĐM sản xuất bia vàng
Ngâm ĐM trong 6 – 8 ngày đêm ĐM sản xuất bia đen
Ngâm ĐM trong 7 – 9 ngày đêm
2 Nguyên liệu thay thế dạng hạt
Bột tiểu mạch Hòa trộn với nước đường hóa Hạn chế
Gạo Dùng trực tiếp (xay), chế biến với bột malt Nguyên liệu thay thế phổ biến nhất Thóc tẻ
Ngâm trong nước có độ cứng cacbonat cao
nảy mầmxay đường hóa với malt ĐM
Ngâm nước ấm (t o = 50 o C), có chứa SO2
(nồng độ 0,1 – 0,2 %)nghiền thô nghiền mịn
3 Nguyên liệu thay thế dạng đường Được bổ sung trực tiếp vào dịch đường ở giai đoạn nấu hoa Houblon
Tùy thuộc loại bia, từ 10 – 15%
Hoa houblon là thành phần thiết yếu trong quy trình sản xuất bia, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra hương thơm đặc trưng Nó không chỉ giúp tăng cường khả năng tạo và giữ bọt mà còn cải thiện độ bền keo và ổn định thành phần sinh học của sản phẩm.
Bảng: Các dạng của hoa Houblon, ưu nhược điểm và mức độ phổ biến
Dạng Một số ưu nhược điểm Mức độ phổ biến
Hoa Houblon (tươi hoặc khô)
- Không bảo quản được lâu.
- Hiệu quả sử dụng thấp
Hoa Houblon tươi ít sử dụng; chủ yếu dùng hoa khô.
Chế phầm từ nghiền Ưu:
- Giảm hao phí chất đắng trong thời gian bảo quản.
- Hiệu quả sử dụng cao.
- Sử dụng chính xác liều lường.
- Lược bỏ được hệ thống thiết bị lọc bã hoa.
- Giảm bớt được các các chất
Chiếm 40% tổng lượng Houblon của thế giới dùng cho sản xuất bia.
Humulon chiết ly Humulon đồng phân bất lợi
Mục đích của việc nghiền malt là tăng diện tích tiếp xúc với nước, từ đó giúp nước xâm nhập vào các thành phần của nội nhũ nhanh hơn Điều này dẫn đến quá trình đường hóa và thủy phân các thành phần khác diễn ra nhanh chóng và triệt để hơn.
Gồm: nghiền khô, nghiền có phun ẩm vào hạt, nghiền nước.
Malt sau khi nghiền sẽ hòa tan với nước theo tỷ lệ phù hợp và dưới tác dụng của enzyme ở nhiệt độ nhất định sẽ được đường hóa trong nồi nấu malt Tương tự, gạo cũng sẽ được hồ hóa và sau đó phối trộn với malt trong nồi nấu để hoàn tất quá trình đường hóa trước khi chuyển sang nồi lọc.
Giai đoạn này nhằm hoà tan hoàn toàn đường, khoáng chất và protein quan trọng, tách chúng ra khỏi các thành phần không hoà tan như vỏ trấu và chất sơ Tại nồi lọc, chất lỏng được tách ra khỏi trấu và các chất sơ để thu được lượng đường còn lại Dịch đường này sau đó được đun sôi và houblon hoá để chiết xuất chất đắng, tinh dầu thơm và các hợp chất từ hoa houblon, tạo ra dịch đường với vị đắng và hương thơm nhẹ nhàng Quá trình này cũng nâng cao độ bền keo của dịch đường, ổn định thành phần sinh học và tăng cường hoạt tính bề mặt, hỗ trợ trong việc tạo và giữ bọt Cuối cùng, sau khi đun sôi và houblon hoá, toàn bộ oxy sẽ bay ra theo hơi nước, để lại nhiều cặn trong dịch đường.
Để tách cặn hiệu quả, đường cần được bơm qua bồn lắng cặn trước khi chuyển sang bộ phận làm lạnh nhanh, nhằm hạ nhiệt độ xuống mức phù hợp cho quá trình lên men.
Các phương pháp đường hóa nguyên liệu: đường hóa theo phân đoạn và đường hóa toàn khối.
Phương pháp lên men chìm là một kỹ thuật cổ điển được sử dụng phổ biến trước đây, với ưu điểm là hiệu suất đường hóa cao Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là yêu cầu vốn đầu tư thiết bị lớn, thời gian đường hóa cho mỗi mẻ kéo dài và tiêu tốn nhiều năng lượng hơn so với phương pháp toàn khối.
- Phương án tam phân đoạn: thường sử dụng trong sản xuất bia đen, hoặc bia vàng chất lượng cao
- Phương án nhị phân đoạn: dùng phổ biến trong công nghiệp sản xuất bia vàng.
- Phương án nhất phân đoạn:
Ngoài các phương án cải tiến đã đề cập, còn có những giải pháp khác như phương pháp rút gọn, đường hóa dưới áp suất, và đường hóa từng phần của bột nghiền.
Đường hóa theo phương pháp toàn khối:
Phương pháp cổ điển, nhưng vẫn được áp dụng rộng rãi, đặc biệt ở Châu Âu như: Anh, Bỉ, Pháp,
Công nghệ sản xuất này có ưu điểm nổi bật là tính đơn giản, giúp dễ dàng cơ giới hóa và tự động hóa các giai đoạn trong quy trình Phương pháp sản xuất bao gồm cả việc tăng dần và giảm dần nhiệt độ, mang lại hiệu quả cao trong quá trình sản xuất.
Đường hóa khi có sử dụng nguyên liệu thay thế:
1) Trường hợp thay thế ít ( 10 – 15%): xử lý nguyên liệu thay thế bằng cách: hầm nhừ hoặc đường hóa theo phương pháp phân đoạn.
2) Trường hợp thay thế nhiều: không sử dụng những phương án nêu trên được, cần làm các công việc sau:
- Malt đại mạch phải nghiền thô, bột nghiền có kích thước to hơn bình thường.
- Phần nguyên liệu hạt chưa ươm mầm nghiền thật mịn.
- Dùng nước mềm và hạ pH của nó xuống 5,3 – 5,4 bằng cách axit hóa.
- Dùng các loại chế phẩm enzim để tăng cường hoạt lực thủy phân.
I.2.1.4 Lọc bã nấu hoa và làm lạnh dịch đường
Sử dụng hai thiết bị phổ biến trong quy trình lọc là thùng lọc đáy bằng và máy lọc ép khung bản Máy ép khung bản có ưu điểm vượt trội so với thùng lọc đáy bằng, bao gồm tốc độ lọc nhanh hơn, chất lượng dịch đường trong hơn và năng suất ổn định, không bị ảnh hưởng bởi độ nhuyễn và mức độ nghiền của malt Hơn nữa, khi sử dụng máy ép khung bản, lượng nước rửa bã cũng giảm, giúp tiết kiệm không gian và giảm thể tích thiết bị so với thùng lọc đáy bằng.
Nhược điểm của máy ép khung bản: dùng lao động cơ bắp nhiều trong quá trình thao tác, nguyên liệu dùng cho một mẻ phải đủ lớn.
Nấu dịch đường với hoa Houblon:
Trong quá trình sản xuất, dịch đường ban đầu và dịch rửa bã được kết hợp trong thiết bị đun hoa, với nhiệt độ duy trì không dưới 70°C Quá trình đun sôi kéo dài từ 1,5 đến 2,5 giờ, trong đó quá trình houblon hóa diễn ra trong khoảng 70 phút.
Một số phương pháp nâng cao hệ số sử dụng hoa houblon:
Nghiền hoa nạp vào thiết bị đun sôi.
Trích ly hoa bằng dịch đường: nấu hoa sơ bộ ở nhiệt độ thấp.
Xử lý Houblon bằng dung dịch kiềm.
Xử lý hoa bằng siêu âm.
Tái sử dụng bã hoa: đã được ứng dụng từ lâu nhưng có nhiều nhược điểm nên nay ít được áp dụng.
Trích ly chất đắng và cô đặc dưới dạng cao hoa: giải pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất, tiện
Làm lạnh và tách cặn dịch đường
Hệ thống cổ điển làm nguội dịch đường theo kiểu hở bao gồm hai bộ phận chính: bể làm nguội dịch đến 60 độ C và hệ thống làm lạnh dịch đường đến nhiệt độ lên men Hệ thống này sử dụng máy làm lạnh kiểu phun và giàn làm lạnh đồng trục để đảm bảo hiệu quả làm lạnh.
Hệ thống kín để làm nguội và tách cặn dịch đường bao gồm thùng làm nguội kín hạ nhiệt độ xuống 60 độ C và giàn làm lạnh kiểu kín hạ nhiệt độ xuống 6 – 10 độ C Hệ thống này có hai loại: thùng đơn chức năng và thùng đa chức năng.
Làm trong bia: dùng máy ly tâm hoặc máy lọc để tách cặn của dịch đường trước khi lên men.
Quá trình lên men là giai đoạn quan trọng chuyển hóa dịch đường houblon thành bia nhờ hoạt động của nấm men, tạo ra cồn và CO2 Bên cạnh đó, nhà sản xuất còn thu được dịch lên men với các cấu tử có tỉ lệ khối lượng hài hòa và cân đối.
Quá trình lên men gồm hai giai đoạn:
Quá trình lên men chính diễn ra ở nhiệt độ 6 – 8 °C, mang lại sự thay đổi lớn về lượng và biến đổi sâu sắc về chất trong các thành phần hòa tan của dịch đường Quá trình này được chia thành hai loại: lên men chìm và lên men nổi.
1) Lên men chìm: Dịch đường Houblon hóa sau khi tách cặn và làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết (6 – 10 o C), được đưa sang khu vực lên men chính bao gồm các thiết bị dạng hở Sau khi dịch đường đã chiếm 1/3 thể tích của thùng lên men thì nạp nấm men vào dịch Sau đó bơm dịch vào đến thể tích cẩn thiết.
NGUỒN GỐC VÀ TÍNH CHẤT NƯỚC THẢI CỦA NHÀ MÁY BIA SÀI GÒN - HOÀNG QUỲNH
Tổng quan nhà máy bia Sài Gòn - Hoàng Quỳnh
Nhà máy bia Sài Gòn - Hoàng Quỳnh, thuộc tổng công ty bia Sài Gòn - Bình Tây, đã hoạt động từ năm 2004 tại KCN Vĩnh Lộc, huyện Bình Chánh, TPHCM Với công suất 80 triệu lít mỗi năm, nhà máy trang bị 2 dây chuyền chiết chai với công suất 13.500 chai/h và 1 dây chuyền chiết lon có công suất 11.300 lon/h Lưu ý rằng nhà máy Hoàng Quỳnh không sản xuất bia hơi.
Quy trình công nghệ sản xuất, nguồn gốc phát sinh nước thải
II.2.1 Dây chuyền công nghệ sản xuất bia Nhà máy bia Hoàng Quỳnh
Sàng, tách sạn, kim loại
Sàng, tách sạn, kim loại
Lọc hèm Đường hóa Hồ hóa Đun sôi
Bụi Tiếng ồn Nhiêt dư
Phân phối Lưu thông Bán hàng Nước thải
Nước thải, xút thải thu hồiChai, thùng hỏng
II.2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ sản xuất
Nguyên liệu chính đưa vào sản xuất là Malt đại mạch, Gạo, Hublon và một số phụ gia khác.
Malt và gạo được chuẩn bị từ kho nguyên liệu sẽ được tách tạp chất, cân và chuyển đến bộ phận xay, nghiền Quá trình xay-nghiền malt cần đảm bảo vỏ nguyên liệu giữ nguyên vẹn, hạn chế tối đa sự vỡ vụn để không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lọc dung dịch sau này.
Bột gạo được nấu trong nồi gạo, trong khi bột Malt được xử lý trong nồi nấu Malt để thực hiện quá trình dịch hóa Sau khi cháo gạo hoàn thành, nó sẽ được bơm qua nồi Malt để tiến hành quá trình đường hóa.
Quá trình đường hóa thủy phân tinh bột và prôtêin thành đường, axit amin và các chất hòa tan, là nguyên liệu chính cho quá trình lên men Dung dịch sau khi được lọc qua nồi lọc (Lauter tun) để loại bỏ bã hèm, sẽ trở thành “nước nha” Sau đó, “nước nha” này được đun sôi và thêm Hublon để thực hiện hublon hóa, tạo hương vị đặc trưng cho bia.
Sau khi hublon hóa, dịch được chuyển qua thiết bị lắng xoáy để loại bỏ cặn, sau đó hạ nhiệt nhanh xuống 7-8 độ C Dịch nha lạnh được đưa vào tank lên men để tiến hành quá trình lên men Nấm men được nuôi cấy từ phòng thí nghiệm và chuyển sang phòng gây men, sau đó được đưa vào các tank lên men với tỉ lệ phù hợp Công ty cổ phần Bia Sài Gòn – Hoàng Quỳnh sử dụng nấm men đã được nhân giống sẵn từ Tổng Công ty Bia Rượu - NGK Sài Gòn.
Trong quá trình sản xuất bia, lên men chính và lên men phụ được thực hiện trong cùng một bồn Sau khi hoàn tất lên men phụ, bia sẽ được pha với nước đã khử khí và tiệt trùng tuyệt đối, với tỷ lệ tối đa là 25% Cuối cùng, bia được lọc trong và chuyển vào các bồn chứa, từ đó được đưa đến dây chuyền chiết.
Quá trình lên men được chia thành 2 giai đoạn chính và phụ:
Giai đoạn đầu của quá trình lên men, gọi là lên men chính, diễn ra với sự tiêu hao cơ chất mạnh mẽ, trong đó một lượng lớn đường được chuyển hóa thành cồn và CO2 Sản phẩm của giai đoạn này là bia non đục, mang mùi và vị đặc trưng, nhưng chưa phù hợp để sử dụng như một loại nước giải khát Nhiệt độ lý tưởng trong quá trình lên men chính dao động từ 7-9 độ C.
Sau giai đoạn lên men chính, bia sẽ trải qua quá trình lên men phụ và ủ bia Trong giai đoạn này, quá trình lên men diễn ra chậm, giúp bia lắng trong và giảm thiểu các sản phẩm phụ có thể ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng Đồng thời, hương vị của bia cũng được cải thiện, với nhiệt độ trong giai đoạn lên men phụ tăng từ 2-5 độ C.
Thời gian lên men chính khoảng 14 ngày, sau đó được chuyern sang chế độ lên men phụ trong khoảng 7 ngày Tổng thời gian lên men là 21 ngày.
Sau khi bia hoàn tất quá trình lên men phụ, nó sẽ được chuyển sang pha bia và lọc trong Quá trình lọc không chỉ giúp tạo ra sự ổn định cho bia mà còn đảm bảo sự đồng đều cho sản phẩm Bia được lọc trong sẽ được chứa trong các bồn chứa thành phẩm, từ đó được đưa vào dây chuyền chiết Sau khi chiết và đóng nắp, sản phẩm sẽ được thanh trùng theo công nghệ phù hợp để tiêu diệt men, kéo dài thời gian bảo quản và sử dụng Cuối cùng, hạn sử dụng sẽ được in lên bao bì, bia sẽ được đóng thùng và nhập kho thành phẩm để xuất đi tiêu thụ.
II.2.3 Tính chất nước thải
II.2.3.1 Đặc trưng nước thải sản xuất bia Việt Nam
Nhà máy bia gặp phải vấn đề môi trường nghiêm trọng do lượng nước thải lớn chứa nhiều chất hữu cơ như tinh bột, xenluloza, đường, axit, phốt pho và nitơ Nước thải này có pH và nhiệt độ cao, vượt xa mức cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam, do đó cần phải được xử lý trước khi thải ra môi trường.
Lượng nước thải trong sản xuất bia phụ thuộc vào lượng nước sử dụng, với khoảng 1,5 hl/hl nước không đi vào hệ thống nước thải Điều này có nghĩa là lượng nước thải được tạo ra bằng tổng lượng nước sử dụng trừ đi 1,5 hl/hl.
Lưu lượng và đặc tính dòng nước thải trong sản xuất bia thay đổi tùy thuộc vào quy mô, sản lượng và mùa vụ Tại Việt Nam, quá trình sản xuất 1.000 lít bia sẽ tạo ra khoảng 2 kg chất rắn lơ lửng.
10 kg BOD5, pH dao động trong khoảng 5,8 - 8 Cá biệt, tại một số địa phương, hàm lượng chất ô nhiễm ở mức cao: BOD5 1700- 2700mg/l; COD 3500-4000mg/l, SS 250-350mg/l, PO4 3- 20-40mg/l, N-
NH3 12-15mg/l Ngoài ra, trong bã bia còn chứa một lượng lớn chất hữu cơ, khi lẫn vào nước thải sẽ gây ra ô nhiễm ở mức độ cao
Nước thải nhà máy bia bao gồm:
- Nước thải vệ sinh các thiết bị
- Nước thải từ công đoạn rửa chai, thanh trùng bia chai
- Nước thải từ phòng thí nghiệm
- Nước thải vệ sinh nhà xưởng
- Nước thải sinh hoạt của công nhân nhà máy
Tóm tắt đặc trưng nước thải của công nghiệp sản xuất bia:
II.2.3.2 Tính chất nước thải nhà máy bia Hoàng Quỳnh Địa điểm lấy mẫu: bể gom nước thải, trước song chắn rác
Thời gian lấy mẫu: 11h30 ngày 19/8/2008
Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả TCVN 5945 – 2005
Nước thải từ nhà máy bia Hoàng Quỳnh chứa hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) và nhu cầu oxy hóa học (COD) vượt quá tiêu chuẩn cho phép Ngoài ra, nước thải có độ pH cao và nhiệt độ khoảng 30°C.
Cần xử lý chất dinh dưỡng, BOD, COD, SS và ổn định pH Đồng thời cần khử trùng nước thải trước khi thải ra môi trường
XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHÀ MÁY BIA
Các phương pháp XLNT nhà máy bia
Nước thải từ các nhà máy bia chứa nhiều hợp chất hữu cơ như tinh bột, xenluloza, đường, axít, phốt pho và nitơ Những hợp chất này sẽ bị vi sinh vật oxi hoá, tạo ra các sản phẩm cuối như CO2, H2O, NH3 và các sản phẩm trung gian như rượu, aldehit, axit Nếu được thải trực tiếp ra môi trường, nước thải này sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng.
Có nhiều phương pháp xử lý nước thải từ các nhà máy rượu, bia, bao gồm sử dụng màng lọc, phương pháp hóa học và phương pháp sinh học Trong số đó, phương pháp sinh học được xem là hiệu quả tối ưu và được áp dụng phổ biến nhất.
Phương pháp này sử dụng vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thải Các vi sinh vật lấy chất hữu cơ và khoáng chất làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng Trong quá trình phát triển, chúng hấp thụ dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản, dẫn đến tăng sinh khối Quá trình phân huỷ này được gọi là quá trình oxi hoá sinh hoá.
Quá trình xử lý nước thải có thể chia ra làm 2 quá trình chính là phân huỷ kị khí và hiếu khí.
Quá trình phân huỷ kị khí
Quá trình phân hủy kị khí diễn ra khi các chất bẩn hữu cơ bị phân hủy bởi vi sinh vật trong môi trường không có ôxy Phương trình cơ bản mô tả quá trình này là một yếu tố quan trọng trong việc hiểu rõ cơ chế phân hủy kị khí.
Sau khi qua bể kị khí, khoảng 10-20% chất hữu cơ vẫn chưa được phân hủy và tiếp tục được xử lý bởi hệ hiếu khí Để cung cấp ôxy cho quá trình xử lý này, hệ thống gồm hai máy thổi khí và phân tán khí được sử dụng Lượng ôxy cung cấp phụ thuộc vào nồng độ ôxy hòa tan trong nước (DO).
Quá trình phân huỷ hiếu khí
Quá trình phân hủy hiếu khí là sự phân hủy các chất hữu cơ nhờ vào vi sinh vật hiếu khí, trong đó có sự tham gia của ôxi Phương trình cơ bản của quá trình này thể hiện sự chuyển hóa chất hữu cơ thành các sản phẩm đơn giản hơn, đồng thời giải phóng năng lượng cần thiết cho vi sinh vật.
Mỗi phương pháp xử lý nước thải đều có ưu và nhược điểm riêng Phương pháp xử lý kị khí yêu cầu diện tích nhỏ, tạo ra năng lượng dưới dạng khí sinh học biogas và chỉ tạo bùn bằng 10% so với hệ thống hiếu khí, đồng thời có chi phí vận hành thấp Tuy nhiên, phương pháp này không thể khử triệt để 100% và không xử lý được nitơ và phốt pho Ngược lại, phương pháp xử lý hiếu khí có khả năng xử lý triệt để, bao gồm cả nitơ và phốt pho, nhưng yêu cầu thể tích lớn, sinh nhiều bùn, tiêu tốn nhiều năng lượng cho sục khí và có chi phí vận hành cao.
Điều kiện thực tế tại nhà máy bia Hoàng Quỳnh
Quỹ đất trống của nhà máy cho khu xử lý nước thải là 400 m² Hiện tại, tình hình sản xuất đã ổn định và công ty không có kế hoạch mở rộng quy mô hay tăng cường công suất sản xuất Lưu lượng và tính chất nước thải cũng đang duy trì ở mức ổn định.
Hệ thống XLNT được đầu tư bởi tổng công ty bia Sài Gòn – Bình Tây
Trình độ ứng dụng công nghệ tại chỗ
Nhà máy hiện chưa có nhân viên chuyên trách về môi trường để quản lý hệ thống xử lý, do đó các vấn đề liên quan đến môi trường được giao cho phòng kỹ thuật điều hành xử lý.
Hệ thống xử lý nước thải đang áp dụng tại nhà máy
Hệ thống xử lý nước thải (XLNT) tại nhà máy được thiết kế bởi Công ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế Xây dựng Chân Phương và hoàn thành vào năm 2006 Tuy nhiên, hiện nay hệ thống này đang gặp vấn đề về sự ổn định trong hoạt động.
KCN Vĩnh Lộc chưa hoàn thành khu xử lý nước thải tập trung, dẫn đến việc nước thải từ nhà máy bia Hoàng Quỳnh được xả thẳng vào cống thoát nước chung của KCN, gây ô nhiễm môi trường.
Quy trình công nghệ hệ thống XLNT đang áp dụng tại nhà máy:
Bể nén và phân hủy bùn hiếu khí
Thuyết minh dây chuyền công nghệ XLNT nhà máy bia Hoàng Quỳnh:
Nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất được xử lý tại ngăn tách rác 3 lớp Ngăn này có 3 tầng song chắn rác giúp loại bỏ cặn và rác lớn Rác được giữ lại sẽ được thu gom thủ công và xử lý cùng với rác sinh hoạt.
Nước thải được dẫn về bể gom và bơm lên bể điều hòa để cân bằng pH, nơi có hệ thống cấp hóa chất điều chỉnh pH phù hợp cho bể UASB Bể UASB phân hủy kị khí khoảng 90% chất hữu cơ trong nước thải, với bùn cặn được tập trung trong bể chứa bùn yếm khí dư Sau quá trình phân hủy, nước thải được lắng tại bể lắng UASB, rồi tiếp tục qua bể trung gian và ba bể Aerotank để xử lý hiếu khí triệt để chất hữu cơ Cuối cùng, nước thải được khử trùng trước khi ra ngoài, trong khi bùn lắng từ bể lắng UASB và aerotank được xử lý tại bể nén bùn và phân hủy bùn hiếu khí.
Bể chứa bùn yếm khí dư
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
Số liệu thiết kế
2 Tính chất nước thải, tiêu chuẩn áp dụng và mức độ cần xử lý
Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả TCVN 5945 – 2005
Để lựa chọn phương pháp và công nghệ xử lý nước thải (XLNT) phù hợp, cần xác định mức độ ô nhiễm để đảm bảo hiệu quả xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải vào khu XLNT tập trung theo tiêu chuẩn xả thải 5945 – 2005 loại B, với các yêu cầu cơ bản.
+ Hàm lượng chất lơ lửng 100mg/l
Mức độ cần thiết XLNT: thường được xác định theo:
Hàm lượng chất lơ lửng (dùng cho tính toán công nghệ xử lý cơ học)
Hàm lượng BOD (dùng cho tính toán các công trình và công nghệ xử lý sinh học)
Mức độ cần thiết XLNT theo chất lơ lửng được tính theo công thức:
Trong đó: m = hàm lượng chất lơ lửng của nước thải sau xử lý = 100mg/l
Ctc = hàm lượng chất lơ lửng trong hỗn hợp nước thải = 200 mg/l
+ Mức độ cần thiết XLNT theo BOD5
Lt = hàm lượng BOD5 của nước thải sau xử lý = 50 mg/l
Ltc = hàm lượng BOD của hỗn hợp nước thải = 1230 mg/l
Kết quả tính toán về mức độ cần thiết XLNT cùa các phương án đang xét cho thấy cần thiết phải xử lý sinh học hoàn toàn.
Đề xuất công nghệ
Nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất qua hệ thống thu gom nước thải vào hệ thống xử lý nước thải của nhà máy.
Nước thải từ cống xả được dẫn qua song chắn rác thô (SCR) vào ngăn tiếp nhận, nơi các loại rác lớn được giữ lại Công nhân nhà máy thường xuyên theo dõi và thu gom rác tại SCR thô để đảm bảo quá trình xử lý nước thải hiệu quả.
Nước từ ngăn tiếp nhận được bơm lên bể điều hòa SCR tinh, nơi giữ lại rác thải nhỏ Tại bể điều hòa, axit được bổ sung để điều chỉnh pH, trong khi hệ thống sục khí hoạt động để hạn chế lắng cặn Nước sau đó được bơm qua bể UASB, nơi diễn ra quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ và khí thải được thu gom riêng Tiếp theo, nước thải từ bể UASB chảy vào bể SBR, nơi kết hợp quá trình nạp nước thải và sục khí Sau khi sục khí, nước thải được lắng trong bể trước khi chuyển sang bể khử trùng, nơi được châm clo và khuấy trộn trước khi thải ra nguồn tiếp nhận.
Hầm bơm kết hợp bể điều hòa
Ước tính hiệu suất xử lý
Bảng 2.3 Bảng ước tính hiệu suất các công trình xử lí
Hiệu suất xử lí Đặc tính mg/l Đặc tính %
BOD5 = 1063 Hầm bơm kết hợp bể điều hòa
Tính toán các công trình đơn vị
Song chắn rác là thiết bị quan trọng giúp loại bỏ các tạp chất lớn trong hệ thống thoát nước Do lượng rác thường không đáng kể, việc làm sạch song chắn rác thường được thực hiện bằng phương pháp thủ công.
Bảng 3.1 Thông số thiết kế song chắn rác thô
Thông số Phương pháp làm sạch thủ công
Kích thước song chắn rác:
Khe hở giữa các thanh, mm Độ dốc theo phương đứng, độ
Tốc độ dòng chảy trong mương đặt song chắn rác, m/s
Tổn thất áp lực cho phép, mm
(Xử lý nước thải đô thị và công nghiệp – Lâm Minh Triết)
Tính toán kích thước song chắn rác
Nước thải được dẫn về trạm xử lý của cụng ty bằng ống nhựa ỉ400 mm, chảy vào mương đặt song chắn rác.
Chọn tốc độ dòng chảy trong mương là vs = 0,3 m/s (v = 0,3 – 0,6 m/s) Độ sâu chôn đáy cuối cùng của hệ thống thoát nước thải là: H = 0,7m Chọn kích thước mương dẫn rộng 0,4m
Chiều sâu lớp nước trong mương với Q max h (ứng với giờ có rửa dây chuyền chiết chai với lượng nước rửa 40m 3 ) là:
Chọn kích thước thanh: rộng x dày = b x d = 5mm x 25mm, khe hở giữa các thanh w = 25mm
Số thanh song chắn rác là n, m = n+1
Mối quan hệ giữa chiều rộng mương, chiều rộng thanh và khe hở như sau: w n b n
Chọn số thanh là 13 thanh, ta có khoảng cách các thanh như sau:
Tổn thất áp lực qua song chắn rác
Tổng diện tích các khe chắn, A:
Với: Bm, chiều rộng mương đặt song chắn rác, m b, Chiều rộng thanh chắn rác, m n, Số thanh h, Chiều cao lớp nước trong mương, m
Vận tốc dòng chảy qua song chắn : s
Tổn thất áp lực qua song chắn rác: mm g mm v h s v s 1 , 38 150
Chiều cao xây dựng của phần mương đặt song chắn rác:
Bảng 3.2 Các thông số thiết kế lưới chắn rác tinh
Thông số Lưới cố định Lưới quay
Hiệu quả xử lý cặn lơ lửng, % Tải trọng, l/m 2 phút
Kích thước mắt lưới, mm Tổn thất áp lực, m
Công suất motor, HP Chiều dài trống quay, m Đường kính trống, m
Khi thực hiện các phép chia như 5÷25, 600÷4600, 0,25÷1,5, 0,8÷1,4, 0,5÷3, 1,2÷3,7, và 0,9÷1,5, chúng ta cần chọn lưới chắn rác dạng lưới cố định với kích thước mắt lưới d = 0,5mm Lưới này có khả năng xử lý cặn lơ lửng với hiệu quả đạt E = 25% và tải trọng LA00 l/m².phút Bên cạnh đó, cần xác định kích thước song chắn rác tinh để đảm bảo hiệu suất tối ưu trong quá trình xử lý nước thải.
Ta có diện tích bề mặt lưới yêu cầu:
Tải trọng làm việc thực tế khi Qmax
Tải trọng làm việc thực tế khi Qmin
3 Bể điều hòa kết hợp hầm bơm
Nhà máy hoạt động 3 ca Nước thải ra liên tục, các ngày từ thứ 2 đến thứ 7 với lưu lượng
775m 3 /ng.đ; riêng chủ nhật có thêm nước thải từ khâu rửa các thiết bị gồm sau:
Rửa dây chuyền chiết chai: 40 m 3 /h
3 dây chuyền chiết chai, lưu lượng thải của mỗi dây chuyền: 40 m 3 /h.
Bảng tính toán dung tích bể điều hòa kết hợp với hầm bơm
Giờ trong ngày Qvào (m 3 ) Qra (m 3 ) Q còn lại trong bể (m 3 )
Thể tích bể điều hòa: V = 163,65 – (-6,54) = 170,19 (m 3 ).
Kiểm tra lại thời gian lưu nước ở hầm bơm:
Cộng thêm chiều cao dự phòng (0,5m) và độ sâu mương dẫn nước thải tới hầm bơm (1,5m)Hầm bơm thực tế có kích thước L x B x H = 7,5 x 6,5 x 5,5 (m)
Chọn 2 bơm nhúng chìm DW100; lưu lượng mỗi bơm 35 m 3 /h Hai bơm hoạt động luân phiên nhau.
Biểu đồ lưu lượng và cột áp bơm
Tính toán hệ thống sục khí trong bể điều hòa:
Với a = 3,74: thể tích khí cần cấp cho 1 m 3 nước thải (Theo W.wesley Eckenfelder, Industrial water pollution control, 1989)
Chọn thiết bị phân phối khí dạng đĩa xốp với đường kính 170 mm và diện tích bề mặt 0,022 m² Cường độ sục khí của đĩa đạt 0,11 m³/phút, theo tài liệu "Wastewater Engineering" của Mecalf & Eddy.
Số đĩa trong bể là:
Tính toán đường ống: Đường kính ống dẫn nước thải vào và ra:
Chọn ống có đường kính dnc = 130 mm Đường kính ống dẫn khí chính cung cấp vào bể:
Chọn đường kính ống dẫn khí chính Dk = 70 mm Đường kính ống nhánh:
Bố trí 5 đường ống nhánh dẫn khí dọc theo bể, mỗi ống nhánh gắn 4 đĩa phân phối khí Đường kính mỗi ống
n v d Q ong khí k (m); chọn đường kính ống nhánh là dk 27 mm.
Tính lại vận tốc khí chạy trong ống:
Tính áp lực và công suất máy thổi khí Áp lực cần thiết của máy thổi khí nén (Hct), xác định theo công thức:
Trong đó: Hd – tổn thất áp lực do ma sát trên chiều dài ống dẫn.
Hcb – tổn thất áp lực cục bộ
Hf – tổn thất áp lực qua thiết bị phân phối (dạng đĩa)
H – tổn thất áp lực chiều sâu hữu ích của bể
Hd & Hcb thường không quá 0,4m; Hf không quá 0,5m
Vậy máy thổi khí phải có cột áp tối thiểu 4,8m. Áp lực không khí:
( Theo PGS.TS Hoàng Huệ - xử lý nước thải, trang 122 ).
Chọn máy nén khí loại SSR50, lượng khí sục 2,1m 3 /phút, công suất máy nén khí 1,11 Kw.
Biểu đồ lưu lương và cột áp máy nén khí
Tính toán thùng chứa dung dịch H2SO4 và bơm châm H2SO4 vào bể điều hòa: ( theo Lâm Minh Triết – Xử lý nước thải đô thị và công nghiệp, trang 401)
Lưu lượng thiết kế:Q = 800 m 3 /ng.đ = 33,34 m 3 /h pH vào = 8,84 pH vàomax = 11 pHtrung hòa = 7
Khối lượng phân tử H2SO4 = 98 g/mol
Nồng độ dung dịch H2SO4 = 98%
Trọng lượng riêng của dung dịch = 1,84
Thể tích cần thiết của bề chứa: = 0,0091*24*15 = 3,276 (lít)
Chọn 2 bơm châm axít H2SO4 ( một hoạt động, một dự phòng ). Đặc tính bơm định lượng: Q = 0,01 L/h
Diện tích bề mặt phần lắng
Trong đó A: Diện tích bề mặt phần lắng
LA: Tải trọng bề mặt phần lắng = 12 m 3 /m 2 ngày)
Thể tích ngăn phản ứng bể UASB:
C 0: Hàm lượng COD vào bể UASB
Chọn 2 đơn nguyên hình vuông, cạnh mỗi đơn nguyên là:
Chiều cao phần phản ứng:
Giả sử chiều cao phễu thu khí là hp = 1,5m; chiều cao bảo vệ hbv = 0,3m
chiều cao tổng cộng của bể UASB:
Giả sử mỗi đơn nguyên gồm 1 phễu thu khí Mỗi phễu có chiều cao 1,5m Đáy phễu thu khí hình vuông có kích thước bằng cạnh đơn nguyên: l = W = 6 m
A: Diện tích bề mặt bể
Akh: Diện tích khe hở giữa các phễu thu khí
Ap: Diện tích đáy phễu thu khí a : cạnh đáy phễu thu khí hình vuông
Kiểm tra thời gian lưu nước trong bể:
Giả sử mỗi đơn nguyên có 10 ống phân phối vào, diện tích trung bình cho một đầu phân phối vào: an = 3 , 6
Lượng bùn nuôi cấy ban đầu cho vào bể (TS = 5%)
Css = hàm lượng bùn trong bể, kg/m 3
Vp = thể tích ngăn phản ứng
TS = Hàm lượng chất rắn trong bùn nuôi cấy ban đầu, %
Hàm lượng COD của nước thải sau xử lý kị khí:
Hàm lượng BOD5 của nước thải sau xử lý kị khí:
Lượng sinh khối hình thành mỗi ngày:
ngày kg ngày ngày m m gCOD kgCOD kgVS kgVS/ngày
Thể tích khí metan sinh ra mỗi ngày
V : Thể tích khí metan sinh ra ở điều kiện chuẩn (nhiệt độ 0 o C và áp suất 1atm)
Q: Lưu lượng bùn vào bể kị khí, m 3 /ngày
350,84: Hệ số chuyển đổi lý thuyết lượng khí metan sản sinh từ 1kg BODL chuyển hoàn toàn thành khí metan và CO2, lit CH4/kgBODL
Lượng bùn dư bơm ra mỗi ngày:
Lượng chất rắn từ bùn dư:
Mss = QW*Css = 0,6*30 = 18 kgSS/ngày
Bể trung gian có nhiệm vụ tập trung nước ra từ bể UASB trước khi bơm vào bể SBR
Thể tích bể trung gian được xây dựng đủ chứa lượng nước thải cho 1 mẻ xử lý ở bể SBR (200m 3 ) Thời gian làm đầy nước vào bể trung gian: h h m
Chọn kích thước bể trung gian
Chiều cao bảo vệ chọn 0,5m
Vậy bể trung gian thực tế xây dựng có kích thước L x B x H = 6,5 x 6,5 x 5m
Các thông số tính toán bể SBR:
Lưu lượng thiết kế: 800m 3 /ngđ
Tính chất nước thải: nước thải đầu vào bể SBR là nước đầu ra bể UASB được tập trung tại bể trung gian trước khi bơm vào bể SBR
Tính toán tính chất nước thải vào bể SBR
Thông số Đầu vào bể
Hiệu suất xử lý (%) Đầu ra bể
(Các chỉ tiêu thiết kế bể SBR)
Thời gian hoạt động của bể SBR bao gồm các giai đoạn: tích nước 1,5 giờ, làm thoáng 7 giờ, lắng tĩnh 1,5 giờ và xả nước 1,5 giờ, tổng cộng là 11,5 giờ cho một chu kỳ Ngoài ra, thời gian nghỉ giữa hai mẻ kế tiếp và xả cặn là 30 phút.
Tỷ lệ F/M = 0,1 gr BOD 5 /l gr bùn hoạt tính lơ lửng MLVSS (qui phạm từ 0,04-0,1) Độ tro của cặn Z = 0,2 (thường từ 0,2 - 0,3) hay cặn bay hơi bằng 0,8 cặn lơ lửng
Hệ số động học Y=0,65 gr/gr và K d = 0,05 ngày -1
Nồng độ cặn được cô đặc trong phần chứa bùn phía dưới bể là 8.000 mg/l (trong đó 80% bùn hoạt tính tức 0,8*8000 = 6400mg/l bùn hoạt tính)
Chọn 60% thể tích bể chứa nước trong được tháo đi mỗi ngày
Chọn bể cao 5,8 m, hình vuông có tường dự trữ 0,5m, Lỗ ống phân phối gió đặt trên đáy 0,3m Độ ngập của ông gió 5m
Hàm lượng BOD5 đầu ra 47,8mg/l xả ra nguồn tiếp nhận, cặn lơ lửng 34,7mg/l trong đó 65% là cặn hữu cơ BOD21
BOD 21 trong tế bào bằng 1,42 nồng độ tế bào đã chết (Hay là hệ số chuyển đổi tế bào sang COD)
Nước thải có đủ N, P và vết các kim loại cần thiết cho tế bào phát triển.
Thiết kế 2 bể SBR làm việc xen kẽ
6.1 Tính nồng độ BOD 5 hòa tan trong nước đầu ra:
BOD5 đầu ra = BOD5 hoà tan + BOD5 chứa cặn lơ lửng
BOD5 chứa trong 34,726 mg/l cặn lơ lửng đầu ra:
- Cặn hữu cơ BOD 21 = 0,65*34,726",57 mg/l
- BOD21 khi bị oxy hoá hết chuyển thành cặn tăng lên 1,42 lần (1mg BOD5 tương đương 1,42mg
- Lượng BOD5 chứa trong cặn lơ lửng đầu ra c = 0,68*32,05!,79 mg/l
- Lượng BOD5 hoà tan khi ra khỏi bể: S = 47,8 – 21,79 & mg/l
Thể tích nước chiếm 60%Vbể, Do đó thể tích cần thiết của bể SBR là:
2 bể, mỗi bể hoạt động 2 mẻ/ngày
Chọn ngăn SBR là hình vuông, chiều cao 5,8 m; hình vuông có tường dự trữ 0,5m; mỗi cạnh chiều rộng A = 8 m
Thể tích thực tế 1 bể V = 339,2m 3
6.3 Xác định nồng độ bùn hoạt tính cần thiết để duy trì trong bể.
- Từ công thức 6-1_trang 90_Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải tính thể tích mỗi ngăn SBR:
Với: X- Là nồng độ bùn hoạt tính, mg/l
F/M = 0,1grBOD 5 /1gr bùn hoạt tính - Tỷ lệ BOD5 có trong nước thải và bùn hoạt tính
Q = 200 m 3 /ngd – Lưu lượng cần xử lý 1 mẻ
So = 318,9 mg/l – BOD5 đầu vào
- Nên nồng độ bùn hoạt tính trong bể:
Nồng độ bùn cặn thực trong bể:
(Hàm lượng chất hữu cơ bay hơi trong cặn lơ lửng: = 65%SS = 0,65*77,6 = 50mg/l
- Khối lượng bùn hoạt tính cần có trong bể ( không xả đi):
Khối lượng bùn cặn trong bể
6.4 Tính thể tích bùn choán chỗ sau 7 ngày làm việc(14 mẻ)(trước khi xả) mỗi bể n n Px n SS
G 0 - lượng bùn cần duy trì trong bể sau mỗi lần xả
Px n - Lượng bùn sinh ra trong mẻ thứ n, kg
SS- Lượng cặn hữu cơ đi vào bể mỗi mẻ, kg
Y- Hệ số động học = 0,65 mg/mg
So – Lượng BOD5 đầu vào: S = 318,9 mg/l
S- L ượng BOD5 hoà tan khi ra khỏi bể: S = 26 mg/l
G n-1 : nồng độ bùn hoạt tính trong bể
Tổng bùn cặn sau mẻ thứ nhất :
Lượng bùn cần xả sau mẻ 1: Gxả = G1 – Go = 705,97 – 686,7 = 19,27 kg
6.5 Chiều cao bùn trong bể:
- Thể tích bùn choán chỗ khi cô đặc đến 8000mg/l (hay 8kg/m3), và tỉ trọng bùn là 1,02
- Chiều cao bùn trong bể: h b = V bùn /F bể
Theo kết quả tính excel ta thấy: chiều cao bùn sau 7 ngày (chu kì xả bùn) là 1,814m tương ứng là 947,5kg bùn, chiếm 116m 3
Lượng bùn cần duy trì trong bể là G0 = 686,7kg
Lượng bùn xả Gbx = (947,5 – 686,7)*2bể = 260,8 kg
Thể tích bùn cần xả ra mỗi 7 ngày: Vbx = G/(1,02*8) = 260,8/(1,02*8) = 31,96 m 3
6.6 Chiều cao phần nước trong đã lắng trên lớp bùn: h n = 5,3 – 1,814 = 3,486 m
Chiều cao phần nước trong phía trên bùn theo tính toán hay độ sâu của ống rút nước ra: h =0,6*5,3=3,18 m
Như vậy nếu sau 7 ngày xả một lần:
- Chiều cao lớp nước đã lắng trên mặt bùn ngày thứ 7: 3,486 m
- Chiều cao lớp nước trong xả đi từng đợt: 3,18 m
- Phần nước trong dự trữ dưới ống rút nước để khỏi kéo cặn: h dự trữ = 3,486 – 3,18 = 0,306 m
6.7 Tính lượng oxy cần thiết để khử BOD5 cho một mẻ:
Lượng oxy cần thiết theo điều kiện tiêu chuẩn cho phản ứng ở 20 độ C được tính toán dựa trên công thức 6-15, trang 105 trong tài liệu "Tính toán thiết kế các công trình XLNT" của Trịnh Xuân Lai Công thức này giúp xác định khối lượng oxy cần thiết cho các quá trình xử lý nước thải.
- f, hệ số chuyển đổi từ BOD5 sang COD hay f = BOD 5 /COD
- P, phần tế bào dư xả ra ngoài theo bùn dư, P=Px 1
- 1.42, hệ số chuyển đổi từ tế bào sang COD
Lượng oxy thực tế cần: Áp dụng công thức 6-16_trang 106_Tính toán thiết kế các công trình XLNT_Trinh Xuân Lai me
Với: - Hệ sô điều chỉnh lực căng bề mặt theo hàm lượng muối, đối với nước thải thường lấy = 1
C s20 = 9,02, nồng độ oxy bão hòa trong nước sạch ở 20 0 C, mg/l
C d , nồng độ oxy cần duy trì trong công trình (mg/l) Thường lấy 1,5-2 mg/l đối với xử lý nước thải.
6.8 Tính lượng không khí cần thiết và công suất máy thổi khí.
Trong không khí, oxy chiếm 21% thể tích Giả sử trọng lượng riêng của không khí là 1.2 kg/m³ và hiệu quả vận chuyển đạt 8%, ta có thể tính toán lượng không khí cần thiết cho quá trình.
Lượng không khí cần thiết cho xáo trộn hoàn toàn:
l m me phút m me m EV q M kk L/m 3 phút
Giá trị này nằm trong khoảng cho phép q = 20 – 40 L/m 3 phút.
Lượng không khí thiết kế để chọn máy nén khí sẽ là:
Q kk M kk m 3 /phút = 0,17m 3 /s Áp lực và công suất hệ thống máy nén khí Áp lực cần thiết cho hệ thống khí nén xác định theo công thức:
Với: - h d , Tổn thất áp lực do ma sát dọc theo chiều dài ống dẫn, m
- h f , tổn thất qua thiết bị phân phối khí, m
- H, chiều sâu hữu ích của bể, H=5,3 m
Tổng tổn thất h d, và h c thườngkhông vượt qua 0,4m, tổn thất h f không quá 0,5 m Do đó áp lực cần thiết:
H ct = 0,4+0,5+5,3=6,2 m Áp lực không khí sẽ là:
Công suất máy nén khí: q kW
Công thức trang 148_Xử lý nước thải đô thị và công nghiệp_Lâm Minh Triết (chủ biên) Trong đó:
- = Hiệu suất máy nén khí, = 0,7 0,9, chọn = 0,7.
Chọn công suất máy nén khí là: 11 kW, cột áp 6,5m.
6.9 Bố trí hệ thống dĩa.
Hệ thống phân phối khí được thiết kế dọc theo thành bể, với ống chính đặt trên thành và các ống nhánh chạy xuống đáy bể Lưu lượng khí thổi vào hệ thống đạt 0,17 m³/s.
Chọn trên ống chính gồm 8 ống nhánh, khoảng cách giữa 2 ống nhánh liên tiếp là 0,95m Lưu lượng vào mỗi ống nhánh là qn = Qch/8 = 0,17/8 = 0,02125 m 3 /s.
Số đĩa phân phối khí: n F f 72 1 , 25 73 cái
- f = diện tích phục vụ của mỗi đĩa, tiêu chuẩn f = 11.4 m 2 , chọn f = 1m 2
Vậy số lượng diffuser trên một nhánh là: 73/8 9 cái
Khoảng cách giữa các diffuser trên một nhánh là 0,85m
Tổng diện tích của đĩa : 3 , 4
- Qkhí = Tổng lưu lượng khí, Qkhí = 170 L/s ;
- q = Cường độ sục khí của bề mặt, q = 50L/s.m 2
Diện tích của mỗi đĩa : 0,047
n f đia F đia m 2 ; với n = 73 đĩa. Đường kính của đĩa : 0 244
đia đia d f m = 244mm Đường kính ống phân phối khí
Lưu lượng vào ống chính là Qch = 0,17 m 3 /s và vận tốc trong bảng 7.1 (từ 9 15m/s), chọn đường kính D = 150mm.
Bảng 7.1 - Tốc độ khí đặc trưng trong ống dẫn Đường kính (mm) Vận tốc (m/s)
Ta có, vận tốc khí đi trong ống : v = Qch/S = 0,17/0,0177 = 9,625 m/s (9 15) m/s
Lưu lượng vào mỗi ống nhánh là qn = 0,02125m 3 /s, với vận tốc trong bảng 7.1 (từ 6 9 m/s), chọn đường kính ống nhánh d = 50mm.
Tổng tiết diện các ống nhánh: 0 , 0157
Vậy ống chính có thể đảm bảo vận chuyển khí đủ cho các ống nhánh.
Nội dung tính toán gồm:
Khử trùng nước thải bằng Clo;
Tính toán mương xáo trộn;
Tính toán bể tiếp xúc.
7.1 Khử trùng nước thải bằng Clo
Sau khi hoàn thành các giai đoạn xử lý cơ học và sinh học, nồng độ các chất ô nhiễm được giảm xuống mức tiêu chuẩn quy định, đồng thời số lượng vi trùng cũng giảm đáng kể từ 90 đến 95% Tuy nhiên, lượng vi trùng vẫn còn cao, do đó cần thực hiện giai đoạn khử trùng nước thải để bảo vệ vệ sinh nguồn nước Các biện pháp khử trùng nước thải có thể bao gồm Clo hóa, ozôn, và khử trùng bằng tia hồng ngoại UV Trong đó, phương pháp Clo hóa được ưa chuộng vì tính đơn giản, chi phí thấp và hiệu quả chấp nhận được Phản ứng thủy phân giữa Clo và nước thải diễn ra để đảm bảo nước thải được khử trùng hiệu quả.
Axit hypocloric HOCl rất yếu, không bền và dễ dàng phân hủy thành HCl và Oxy nguyên tử:
HOCl HCl + O hoặc có thể phân ly thành H + và OCl - :
Cả HOCl, OCl - và O là các chất oxy hóa mạnh có khả năng tiêu diệt vi trùng.
Luợng Clo hoạt tính cần thiết để khử trùng nước thải được tính theo công thức:
Lượng Clo hoạt tính cần thiết để khử trùng nước thải (Ya) được tính bằng kg/h, trong đó liều lượng hoạt tính (a) được xác định theo điều 6.20.3 – TCXD-51-84 Đối với nước thải công nghiệp sau khi đã xử lý sinh học hoàn toàn, liều lượng a được chọn là 3 g/m³.
Qtb là lưu lượng nước thải ra khỏi bể SBR, mỗi mẻ 200m 3 xả ra trong 1,5h
Lưu lượng tính toán cho bể khử trùng là 133,3 m³/h, được xác định bằng công thức Qtb = 200/1,5 Để định lượng Clo, quá trình xáo trộn Clo hơi với nước được thực hiện thông qua thiết bị khử trùng gọi là Clorator chân không Để đưa vào nước thải lượng Clo 0,4 kg/h theo tính toán, có thể lựa chọn mua Clorator Loni-100 với các đặc tính kỹ thuật phù hợp.
Bảng 14: Đặc tính kỹ thuật của một kiểu Clorator chân không (Loni-100)
Công suất theo Clo hơi nước (Kg/h) Áp lực nước trước ejector (at) Độ dâng sau ejector (m cột nước)
Chọn 2 Clorator với công suất 0,08 – 0,72 kg/h (một Clorator công tác và một dự phòng) Với các đặc tính kỹ thuật như sau:
Áp lực nước trước Ejector: 2,5 Kg/cm 2
Clorator có trọng lượng 37,5 kg và cần hai bình chứa trung gian bằng thép để tiếp nhận Clo nước cho hai Clorator Clo nước sẽ được chuyển đổi thành Clo hơi và dẫn vào Clorator Để phục vụ cho trạm khử trùng, thường sử dụng các thùng chứa để chứa Clo nước.
Số balông chứa clo cần thiết cho trạm clorator
Lượng clo được lấy ra từ một bình chứa clo trong điều kiện bình thường dao động từ 0.5 đến 0.7 kg/h Việc lựa chọn kích thước bình chứa clo cần dựa vào bảng 4-5 trong sách "Xử lý nước thải đô thị và công nghiệp" của Lâm Minh Triết.
Chọn loại ba lông chứa clo với đặc tính kỹ thuật như sau:
Lượng clo chứa trong balông 25 kg
Lượng Clo lấy ra mỗi giờ từ 1 m 2 diện tích mặt bên của thùng chứa: 3 kg/h.
Số lượng balông chứa clo dự trữ cho nhu cầu sử dụng trong 1 tháng:
Trong đó: q = Trọng lượng Clo trong thùng chứa, q = 37,5 kg.
Số lượng balong dự trữ trong 1 tháng là 12 thùng, được lưu trữ trong kho với tường ngăn độc lập tại trạm Clorator Việc vận chuyển các thùng Clo giữa các vị trí thường sử dụng xe chuyên dụng.
Lưu lượng nước clo trung bình mỗi giờ
Trong đó: a = Lưu lượng clo hoạt tính b =Nồng độ clo hoạt tính trong, b = 0.15%
Lượng nước tổng cộng cần thiết cho nhu cầu của trạm Clorator được xác định theo công thức:
Trong đó: q = Lưu lượng nước cần thiết để làm bốc hơi Clo Khi tính toán sơ bộ, lấy bằng 300 ÷
= Lượng nước cần thiết để hòa tan 1 g Clo, L/g (lít nước cho 1 g Clo); phụ thuộc vào nhiệt độ của nước thải, ở nhiệt độ nước thải là 25 o C thì = 0,1 L/g.
Nước Clo từ Clorator được dẫn đến mương xáo trộn bằng loại đường ống cao su mềm nhiều lớp, đường kính ống 60 – 70 mm với vận tốc 1,5 m/s.
Để tính toán máng trộn vách ngăn có lỗ cho việc xáo trộn Clo, có thể sử dụng bất kỳ loại máng trộn nào theo quy định tại điều 6.20.4 – TCXD-51-84 Thời gian xáo trộn nên được thực hiện nhanh chóng, trong khoảng 1 đến 2 phút.
Trong phương án đang xét, chọn máng trộn kiểu lượn Sự xáo trộn đều nước thải và clo trước khi dẫn vào bể tiếp xúc
Diện tích tiết diện của máng
Trong đó: Qtb lưu lượng tính toán Qtb3,3 m 3 /h = 0,037 m 3 /s = 37 l/s
Vận tốc nước thải trong máng trộn được xác định là từ 0.8 đến 0.9 m/s, trong khi lưu lượng tính toán là 37 l/s Để chọn kích thước phù hợp cho máng trộn, tham khảo bảng 4–6 về kích thước cơ bản của máng trộn kiểu lượn trong tài liệu XLNT đô thị và công nghiệp của Lâm Minh Triết.
Bảng 15 Kích thước máng trộn
(mm) 1755 b2(mm) 150 b(mm) 300 b3(mm) 130 h1(mm) 700 b4(mm) 110 h2(mm) 1030
Chiều sâu lớp nước sau máng trộn
Tổn thất áp lực qua mỗi khe lượn
V1 : vận tốc chuyển động của nước qua khe lượn, v1 = 0,8 m/s
Hệ số phụ thuộc cách bố trí chỗ lượn
Khi bố trí chỗ lượn thuận chiều dòng nước = 2,5
Khi bố trí chỗ lượn ngược chiều dòng nước = 3
Diện tích tiết diện ngang của mỗi khe lượn
Chiều sâu lớp nước trong mỗi khe lượn
Trước khe lượn thứ nhất
Trước khe lượn thứ hai
Trước khe lượn thứ ba
Trước khe lượn thứ tư
7.3 Tính toán bể tiếp xúc