Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày. đêm

Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 3


MỞ ĐẦU
Thị trường nước giải khát trên thế giới và Việt Nam càng ngày càng phát triển
với vô số các chủng loại đồ uống khác nhau. Mỗi loại nước giải khát mang lại cho
con người một hương vị và cảm giác khác nhau. Bia là một trong số các loại đồ
uống được nhiều người ưa chuộng trên thế giới. Bia là sản phẩm lên men có tác
dụng giải khát, tạo sự thoải mái và tăng cường sinh lực cho cơ thể. Bia đã được sản
xuất từ rất lâu. Hiện nay, sản lượng bia thế giới là trên 100 tỷ lít/năm. Một số nước
sản xuất lượng bia lớn như Mỹ, Đức, Trung Quốc,… Châu Âu và châu Á là hai
châu lục tiêu thụ trên 60% lượng bia toàn thế giới sản xuất (châu Âu 32,80%, châu
Á 28,70% - năm 2004). Ở một số nước công nghiệp tiên tiến, thống kê bình quân
mức tiêu thụ bia năm 2004 khá cao: Cộng Hòa Séc 150 lit/người/năm, Đức 115
lit/người/năm, Úc 110 lit/người/năm,… Điều này cho thấy triển vọng tiếp tục tăng
trưởng của ngành sản xuất bia là rất lớn. Việt Nam cũng là một nước tiêu thụ bia
lớn trên thế giới. Công nghệ sản xuất bia được đưa vào nước ta từ 1890 với nhà máy
bia Sài Gòn và Hà Nội. Các nhà máy sản xuất bia trong nước liên tục tăng sản
lượng bia sản xuất hàng năm để phục vụ nhu cầu nhân dân và đóng góp ngày càng
nhiều cho nền kinh tế quốc dân.
Thành phần chính của bia bao gồm: 80 ÷ 90% nước, 3 ÷ 6% cồn, 0,3 ÷ 0,4%
H
2
CO
3
và 5 ÷ 10% các chất tan. Trong chất tan thì 80% là gluxit, 8 ÷ 10% là các
hợp chất chứa nitơ, ngoài ra còn chứa các axit hữu cơ, chất khoáng, một số vitamin.
Chính vì thế bia là một thức uống bổ dưỡng. Nguyên liệu chính để sản xuất bia bao
gồm: malt đại mạch, nguyên liệu thay thế như gạo, lúa mì, ngô,…; hoa Hublon;
men và nước. Trong đó nước chiếm thành phần chủ yếu. Ở các nhà máy bia có biện

pháp tuần hoàn nước và công nghệ rửa tiết kiệm nước như ở Cộng Hòa Liên Bang
Đức thì định mức nước cấp 4 ÷ 8 m
3
/1000 lit bia. Như vậy, nếu như quá trình sản
xuất không có các biện pháp tiết kiệm nước thì định mức nước cấp cho 1000 lit bia
sẽ trên 8 m
3
. Phần nước cấp sử dụng có mặt trong sản phẩm ít hơn nhiều lần so với
phần nước thải sản xuất tương ứng. Tỷ lệ giữa thể tích nước thải so với lượng bia
được sản xuất ra dao động trong khoảng 2 ÷ 3 lần nếu như có biện pháp sử dụng
nước hiệu quả, còn không thì tỷ lệ này là 10 ÷ 20 lần. Như vậy, lượng nước thải nhà
máy sản xuất bia rất lớn. Đặc tính nước thải nhà máy bia là pH dao động, hàm
lượng chất hữu cơ và chất rắn lơ lửng cao, Nito và Photpho cao. Lượng nước thải
lớn và mức độ ô nhiễm chất hữu cơ cao nên khả năng gây ô nhiễm nguồn nước tiếp
nhận rất cao nếu không xử lý trước khi xả thải. Do đó, việc thiết kế hệ thống xử lý
nước thải nhà máy bia là yêu cầu quan trọng trong quá trình phát triển sản xuất bia
và bảo vệ môi trường.
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 4


CHƢƠNG 1
CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA VÀ NƢỚC THẢI SẢN XUẤT BIA
1.1. Công nghệ sản xuất bia
Nguyên liệu chính để sản xuất bia bao gồm: malt đại mạch, nguyên liệu thay
thế như gạo, lúa mì, ngô,…; hoa hublon; men và nước.
Các công đoạn chính của công nghiệp sản xuất bia bao gồm :
- Chuẩn bị nguyên liệu: Malt đại mạch và nguyên liệu thay thế (gạo, lúa mì,
ngô) được làm sạch rồi đưa vào xay, nghiền ướt để tăng bề mặt hoạt động của
enzym và giảm thời gian nấu.

- Lọc dịch đường để thu nước nha trong và loại bỏ malt. Quá trình gồm hai
bước:
Bước 1: Lọc hỗn hợp dịch đường thu nước nha đầu;
Bước 2: Dùng nước nóng rửa bã thu nước nha cuối và tách bã malt.
- Nấu với hoa houblon để tạo ra hương vị cho bia, sau đó nước nha được qua
thiết bị tách bã hoa.
- Làm lạnh: Nước nha từ nồi nấu có nhiệt độ xấp xỉ 100
o
C được làm lạnh tới
nhiệt độ thích hợp của quá trình lên men, ở nhiệt độ vào khoảng 10 – 16
o
C và qua
hai giai đoạn. Giai đoạn 1 dùng nước lạnh hạ nhiệt độ xuống chừng 60
o
C và giai
đoạn 2 dùng tác nhân lạnh glycol để hạ nhiệt độ xuống còn chừng 14
o
C.
- Lên men chính và lên men phụ: Đây là các quá trình quan trọng trong sản
xuất bia. Quá trình lên men nhờ tác dụng của men giống để chuyển hoá đường
thành alcol etylic và khí cacbonic:
 
22
menlên
6126
22 COOHHCOHC

Nhiệt độ duy trì trong giai đoạn lên men chính (6 đến 10 ngày) từ 8 đến 10
o
C.

Sau đó tiếp tục thực hiện giai đoạn lên men phụ bằng cách hạ nhiệt độ của bia non
xuống 1 đến 3
o
C và áp suất 0,5 đến 1 at trong thời gian 14 ngày cho bia hơi và 21
ngày cho bia đóng chai, lon. Quá trình lên men phụ diễn ra chậm và thời gian dài
giúp cho các cặn lắng, làm trong bia và bão hoà CO
2
, làm tăng chất lượng và độ bền
của bia. Nấm men tách ra, một phần được phục hồi làm men giống, một phần thải
có thể làm thức ăn gia súc. Hạ nhiệt độ của bia non để thực hiện giai đoạn lên men
phụ có thể dùng tác nhân làm lạnh glycol.
- Lọc bia nhằm loại bỏ tạp chất không tan như nấm men, protein, houblon làm
cho bia trong hơn trên máy lọc khung bản với chất trợ lọc là diatomit.
- Bão hoà CO
2
và chiết chai: Trước khi chiết chai, bia được bão hoà CO
2
bằng
khí CO
2
thu được từ quá trình lên men chứa trong bình áp suất. Các dụng cụ chứa
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 5


bia (chai, lon, két) phải được rửa, thanh trùng đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh, sau đó
thực hiện quá trình chiết chai ở điều kiện chân không để hạn chế khác nhau để đảm
bảo chất lượng trong thời gian bảo hành.
Trong công nghệ sản xuất bia, nước được dùng vào các mục đích:
- Làm nguyên liệu pha trộn theo tỷ lệ nhất định để nghiền ướt malt và gạo

(hay lúa mì) và bổ sung tiếp trong quá trình nấu - đường hóa.
- Sản xuất hơi nước dùng cho quá trình nấu – đường hoá, nấu hoa, thanh
trùng.
- Một lượng nước lớn dùng cho quá trình rửa chai, lon, thiết bị máy móc
và sàn thao tác.
1.2. Nƣớc thải nhà máy sản xuất bia
1.2.1. Nguồn thải
Mỗi công đoạn trong quy trình công nghệ đều phát sinh ra nước thải. Nước
thải là nước đã sử dụng trực tiếp tạo sản phẩm và nước vệ sinh. Trong đó, nước vệ
sinh sản xuất chiếm chủ yếu trong tổng lượng nước thải nhà máy. Nước vệ sinh bao
gồm nước vệ sinh thùng nấu, nhà xưởng và phần rất lớn là nước vệ sinh chai trước
khi đóng bia thành phẩm.Về nguyên lý để đóng chai thì phải được rửa qua các
bước: rửa với nước nóng, rửa bằng dung dịch kiềm loãng nóng (1 - 3 % NaOH),
tiếp đó là rửa sạch bẩn và nhãn bên ngoài chai và cuối cùng là phun kiềm nóng rửa
bên trong và bên ngoài chai, sau đó rửa sạch bằng nước nóng và nước lạnh. Do đó,
dòng thải của quá trình rửa chai có độ pH cao vào làm cho dòng thải chung có giá
trị pH kiềm tính. Để giảm lượng nước thải cần xử lý, nhà máy sản xuất cần tìm ra
các giải pháp sử dụng tiết kiệm nước, từ đó giảm chi phí sản xuất cũng như giảm
chi phí đầu tư và vận hành hệ thống xử lý nước thải.
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Cơng nghệ Mơi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 6



Chuẩn bò nguyên liệu
Nấu - đường hóa
Lọc dòch đường
Nấu hoa
Tách bã
Làm lạnh

Lên men chính, phụ
Lọc bia
Bão hòa CO2
Chiết chai, lon
Đóng nắp
Thanh trùng
Kiểm tra, dán nhãn, nhập
kho
Nước
sản
xuất
Hơi nước
Phụ gia

Bã
malt
Hoa hublon
Hơi nước
Bã
malt
Glycol
Men giống
Phục hồi men
Sục khí
Bã men
Nén CO2
Bã lọc
Chất trợ lọc
Bia hơi
Sản phẩm

Nước
thải
Rửa chai
chai
hơi
xút
Hơi
nước
Nước
thải
Gạo
Malt
Nước
c
ấp để
vệ
sinh

Hình 1. Nguồn gốc nước thải trong q trình sản xuất bia
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 7


1.2.2. Đặc tính nước thải
Bảng 1. Nguồn thải và tính chất dòng thải nhà máy sản xuất bia
Nguồn thải
Tính chất dòng thải
Nước làm lạnh, nước ngưng
- Lượng nước thải ít
- Gần như không ô nhiễm

- Có khả năng tuần hoàn sử dụng lại
Nước thải từ bộ phận nấu – đường hóa
(chủ yếu là nước vệ sinh thùng nấu, bể
chứa, sàn nhà,…)
- Lượng nước lớn
- Chứa bã malt, tinh bột, bã hoa, các chất
hữu cơ,…
Nước thải từ hầm lên men (nước vệ sinh
các thiết bị lên men, thùng chứa, đường
ống, sàn nhà,…)
- Lượng nước lớn.
- Có chứa bã men và chất hữu cơ.
Nước thải rửa chai
- Lượng nước lớn.
- pH cao, chất hữu cơ cao, …
Lượng nước thải nhà máy bia lớn. Nước thải chủ yếu là nước vệ sinh thiết bị,
nhà xưởng và thiết bị. Định mức nước thải 7 – 10 m
3
/1000 lit bia [2]. Với các biện
pháp sử dụng nước hiệu quả nhất thì định mức nước thải của nhà máy bia không thể
thấp hơn 2 ÷ 3 m
3
/1000 lit bia [1]. Trung bình lượng nước thải ở nhiều nhà máy bia
lớn gấp 10 ÷ 20 lần lượng bia sản phẩm [1]. Như vậy, một nhà máy bia có công suất
100 triệu lit bia/năm như nhà máy bia Hà Nội, lượng nước thải bình quân gấp 10 lần
lượng bia sản phẩm thì lượng nước thải cần phải xử lý là 2750 m
3
/ngày.đêm. Lượng
nước thải lớn đặt ra yêu cầu về năng suất cao đối với hệ thống xử lý nước thải nhà
máy bia.

Hàm lượng các chất ô nhiễm của các nhà máy bia rất khác nhau do vấn đề sử
dụng nước cho quá trình rửa chai, lon, thiết bị, nhà xưởng,…
Bảng 2. Đặc tính nước thải của một số nhà máy bia [1]
Thông số
Đơn vị
Nhà máy I
Nhà máy II
Nhà máy III
pH
-
5,7 ÷ 11,7
-
-
BOD
5

mg/L
1220
775
1622
COD
mg/L
1909
1220
2944
Nito tổng
mg/L
79,2
19,2
-

Photpho tổng
mg/L
4,3
7,6
-
Chất không tan
mg/L
634
-
-
Tải lượng nước thải
m
3
/1000 lit bia
3,2
-
-
Tải trọng ô nhiễm
kg BOD
5
/1000 lit
bia
3,5
-
-
Giá trị pH dòng thải dao động từ khoảng axit yếu tới kiềm mạnh. Nguyên
nhân của tính axit yếu là do bản chất công nghệ sản xuất bia là lên men tinh bột chỉ
tạo ra các axit hữu cơ yếu. Bên cạnh đó, quá trình rửa sử dụng chất tẩy rửa là xút,
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 8

axit hữu cơ làm cho pH của nước thải dao động. Quá trình rửa chai là một nguyên
nhân quan trọng làm pH nước thải cao. Nguyên lý của quá trình rửa chai đóng bia
như sau [1]: rửa với nước nóng, rửa bằng dung dịch kiềm loãng nóng (1 – 3%
NaOH), tiếp đó là rửa sạch bẩn và nhãn bên ngoài chai và cuối cùng là phun kiềm
nóng rửa bên trong và bên ngoài chai, sau đó rửa sạch chai bằng nước nóng và nước
lạnh. Như vậy, khi xử lý nước thải cần quan tâm tới đặc điểm về độ pH để xử lý
hiệu quả.
Hàm lượng các chất hữu cơ trong nước thải cao: BOD
5
khoảng 1000 – 1500
mg/L, COD khoảng 2000 – 3000 mg/L. Đây là thành phần quan trọng nhất trong
yêu cầu xử lý nước thải nhà máy bia. Các chất hữu cơ xuất phát từ quá trình sản
xuất, nước thải mang theo sản phẩm của quá trình lên men cũng như phần nguyên
liệu dư thừa. Quá trình vệ sinh thiết bị và nhà xưởng sử dụng chất tẩy rửa làm hàm
lượng chất hữu cơ tăng lên.
Tổng Nito và Photpho trong nước thải nhà máy bia cũng cao. Tổng Nito dao
động 30 ÷ 100 mg/L, tổng Photpho 10 ÷ 30 mg/L, cao hơn giá trị cho phép QCVN
40: 2011/BTNMT/cột A.
Hàm lượng chất rắn không tan cao. Nguyên nhân do cặn bã của quá trình lọc
dịch đường, lên men, lọc bia,… đi theo dòng nước thải. Phần chất rắn không tan
này là phần mang theo các chất hữu cơ đi vào nước thải. Phần chất rắn không tan có
thể loại bỏ bằng phương pháp lắng, lọc.
Lưu lượng dòng thải và đặc tính dòng thải còn biến đổi theo chu kỳ và mùa
sản xuất. Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa với mùa đông lạnh nên tiêu thụ ít
bia vào mùa đông, thay vào đó lượng bia tiêu thụ được trong mùa hè lại rất lớn. Do
đó, khi thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia cần quan tâm tới yếu tố mùa
vụ sản xuất để đảm bảo công suất xử lý lúc cao điểm và tính linh hoạt của hệ thống
khi không phải mùa cao điểm sản xuất.

1.3. Tác động đến môi trƣờng của nƣớc thải sản xuất bia
Hoạt động sản xuất bia có mức độ ô nhiễm khá lớn. Sự ô nhiễm này chủ yếu là
do các chất có nguồn gốc hữu cơ hòa tan trong các dòng thải, kèm theo đó là nước
thải chung có độ màu và độ đục cao, hàm lượng, chất rắn lơ lửng cao và vi sinh vật,
nấm men, nấm mốc.
Sự hiện diện của các chất độc hại trong nước thải sẽ gây ảnh hưởng trực tiếp
tới hệ động vật dưới nước và hệ sinh thái thủy vực. chúng không những làm chết
các loài thủy sinh mà còn làm mất khả năng tự làm sạch của nguồn nước nơi tiếp
nhận.
Hàm lượng chất hữu cơ cao sẽ làm tăng các chất dinh dưỡng có trong nguồn
nước, tạo hiện tượng phú dưỡng hóa kênh rạch, thúc đẩy sự phát triển bùng nổ của
các loại rong tảo…
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 9


Hàm lượng chất rắn cao sẽ dẫn đến hiện tượng tắc nghẽn các đường cống thoát
nước chung của địa phương. Sau thời gian tích tụ lâu ngày và dưới những điều kiện
yếm khí, chúng có thể bị phân hủy bởi các vi sinh vật hoại sinh. Kết quả của quá
trình này là sản sinh ra khí CH
4
, CO
2
, H
2
S trong đó hydrosulfua là chất khí gây ra
mùi thối đặc trưng.
1.3.1. Lượng nước thải
Nhu cầu sử dụng nước của nhà máy bia thường lớn nên hầu hết khai thác nước
ngầm để phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt của nhà máy. Việc khai thác nước ngầm

có nguy cơ gây nên sự cạn kiệt nguồn nươc ngầm vào mùa khô, dân cư trong khu
vực có nguy cơ không đủ nước dùng.
Đối với vấn đề thoát nước, hoạt động của nhà máy bia có thể làm gia tang mức
chịu tải của hệ thống thoát nước tập trung hoặc làm tang thêm lưu lượng dòng chảy,
làm ô nhiễm các nguồn tiếp nhận nước thải. Vì vậy cần phải xem xét và đánh giá
thực tế về khả năng tiêu thoát nước của khi vực dự án, khả năng xảy ra tình trạng
ngập lụt…
1.3.2. Nhiệt độ
Nước thải từ phân xưởng lên men có nhiệt độ từ 10 - 14
o
C
Nước thải từ phân xưởng nấu có nhiệt độ từ 46 – 55
o
C, cao hơn rất nhiều tiêu
chuẩn cho phép đối với nước thải công nghiệp - TCVN 5945-2005. Do vậy nó ảnh
hưởng đến môi trường như sau:
- Nhiệt độ nước tăng cao gây ảnh hưởng xấu đến đời sống các loài thủy
sinh và quá trình tự làm sạch của nước.
- Nhiệt độ tăng làm giảm nồng độ oxy hòa tan dẫn đến tình trạng mất cân
bằng của oxy trong nước, quá trình phân hủy hữu cơ sẽ diễn ra trong điều kiện phân
hủy kị khí, điều này làm cho cá và các loài thủy sinh khác bị chết hoặc làm giảm tốc
độ sinh trưởng.
1.3.3. Hàm lượng Oxy hòa tan
DO của nhà máy bia thường rất thấp, do trong nước thải chứa nhiều các hợp
chất hữu cơ dễ bị phân hủy. DO thường dao động 0 – 1,7 mg/l. Tại phân xưởng
men: DO
min
= 0 ; DO
max
= 0,5mg/l. Tại cống chung: DO = 1,4 - 1,7mg/l.

Bảng 3: Tiêu chuẩn phân loại mức độ ô nhiễm
Mức độ ô nhiễm
DO (mg/l)
BOD
5
(mg/l)
SS (mg/l)
Rất nhẹ
> 6,5
< 3,0
< 20
Nhẹ
4,5 - 6,5
3,0 – 4,9
20 - 49
Tương đối nặng
2 – 4,4
5 – 15
50 - 100
Nặng
< 2,0
> 15
> 100
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 10


(Nguồn: Tổ chức Y tế thế giới, năm 2006)
- Giảm DO cũng đồng nghĩa với việc môi trường nước bị ô nhiễm do chủ
yếu là chất hữu cơ.

- DO thấp kìm hãm sự phát triển của sinh vật thủy sinh.
- Ảnh hưởng tới quá trình phân hủy chất hữu cơ.
- Ngoài ra, con người cũng sẽ gặp nguy hiểm khi sử dụng nguồn nước trên
phục vụ cho nhu cầu ăn uống.
1.3.4. Độ pH
Phân xưởng lên men: pH = 0,5 (tính axit mạnh).
Phân xưởng rửa chai: pH = 8,5 – 10 (tính kiềm).
Nước thải sản xuất: pH = 6 – 7,5 (pH thay đổi theo từng công đoạn sản xuất
bia).
Nước thải khi chảy ra môi trường, pH sẽ thay đổi, điều này phụ thuộc: mức độ
pha loãng, thành phần và sinh khối của sinh vật thủy sinh.
 Ảnh hưởng
- Tính axit của môi trương nhà máy bia gây ảnh hưởng xấu trực tiếp tới
đời sống thủy sinh vật và nhiều hậu quả xấu khác.
- Tưới cây bằng nước có tính axit sẽ làm tăng độ hòa tan của một số kim
loại có sẵn trong đất như: Al
3+,
Zn
2+
,…
1.3.5. Hàm lượng chất rắn lơ lửng
Hàm lượng chất rắn lơ lửng thường từ 255 đến 700 mg/l so với mức cho phép
là 100 mg/l (mức độ ô nhiễm là rất nặng).
Hàm lượng chất rắn lơ lửng có giá trị lớn nhất thường ở trong phân xưởng lên
men và nấu.
Hậu quả là : làm giảm khả năng hòa tan oxy vào nước; làm thay đổi độ trong,
hạn chế sự xâm nhập của ánh sang vào các tầng nước, do đó ảnh hưởng tới khả
năng quang hợp của tảo và các thực vật dưới nước; làm dày thêm lớp bùn lắng đọng
ở đáy. Chất rắn lơ lửng là tác nhân gây tắc nghẽn cống thoát nước.
1.3.6. Nhu cầu oxy sinh hóa

Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) ở nhà máy bia thường rất lớn, thường giao động
trong khoảng 310 – 1400 mg/l. Nước thải ra làm cho nguồn tiếp nhận bị ô nhiễm
mùi và có độ màu của nước thải bia. Do hàm lượng chất hữu cơ cao dẫn đến xuất
hiện qua trình phân hủy kị khí các sản phẩm của quá trình này làm cho nước bị biến
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 11


đổi thành màu đen, bốc mùi hơi thối khó chịu do xuất hiện các khí độc hại (andehyt,
H
2
S, NH
3
, CH
4
,…), khí này góp phần gây ô nhiễm môi trường không khí cùng với
mùi men bia gây ra sự khó chịu cho người dân xung quanh. Gây ảnh hưởng xấu đến
quần thể sinh vật thủy sinh xung quanh cửa cống và khu vực tiếp nhận.

Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 12


CHƢƠNG 2
LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN XỬ LÝ NƢỚC THẢI SẢN XUẤT BIA
2.1. Cơ sở lý thuyết xử lý nƣớc thải
2.1.1. Phương pháp cơ học
Xử lý cơ học truyền thống thường đóng vai trò như một công đoạn xử lý sơ
bộ. Trước khi xử lý, nước thải cần phải được loại bỏ các tạp chất thô lẫn trong nước
như bụi, đất, chất rắn thô. Xử lý cơ học nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả của

các bước xử lý tiếp theo. Các dạng xử lý cơ học gồm: song hay lưới chắn rác để
ngăn các vật có kích thước lớn tránh tắc bơm; bể lắng cát, bể lắng sơ cấp giúp loại
bỏ cặn nặng gây cản trở cho quá trình xử lý sinh học, đặc biệt là quá trình xử lý
bằng bể aerotank hay bể lọc sinh học; bể lắng thứ cấp để lắng bùn hoạt tính và tuần
hoàn cho aerotank.
2.1.2. Phương pháp hóa lý
2.1.2.1. Đông tụ và keo tụ
Quá trình lắng chỉ có thể tách được các hạt huyền phù nhưng không thể tách
được các chất gây nhiễm bẩn ở dạng keo và hoà tan vì chúng là những hạt rắn có
kích thước quá nhỏ. Để tách các hạt rắn đó một cách hiệu quả bằng phương pháp
lắng, cần tăng kích thước của chúng nhờ sự tác động tương hỗ giữa các hạt phân tán
liên kết thành tập hợp các hạt, nhằm làm tăng vận tốc lắng của chúng. Việc khử các
hạt keo rắn bằng lắng trọng lực đòi hỏi trước hết cần trung hoà điện tích của chúng,
thứ đến là liên kết chúng với nhau. Quá trình trung hoà điện tích được gọi là quá
trình đông tụ, quá trình tạo thành các bông lớn hơn từ các hạt nhỏ gọi là quá trình
keo tụ.
Các chất đông tụ thƣờng dùng: Các chất đông tụ thường dùng là các muối
nhôm, sắt hoặc hỗn hợp của chúng. Việc lựa chọn chất đông tụ phụ thuộc vào các
tính chất hoá lý, chi phí, nồng độ tạp chất trong nước, pH và thành phần muối trong
nước. Trong thực tế người ta thường sử dụng các chất đông tụ sau:
Al
2
(SO
4
)
3
.18H
2
O, NaAlO
2

, Al
2
(OH)
5
Cl, KAl(SO
4
)
2
.12H
2
O, NH
4
Al(SO
4
)
2
.12H
2
O.
2.1.2.2. Tuyển nổi
Phương pháp tuyển nổi thường được sử dụng để tách các tạp chất phân tán
không tan, tự lắng kém ra khỏi pha lỏng. Quá trình tuyển nổi được thực hiện bằng
cách sục các bọt khí nhỏ vào trong pha lỏng. Các khí đó kết dính với các hạt và khi
lực nổi của tập hợp các bóng khí và hạt đủ lớn sẽ kéo theo hạt cùng nổi lên bề mặt,
sau đó chúng tập hợp lại với nhau thành các lớp bọt chứa hàm lượng các hạt cao
hơn trong chất lỏng ban đầu. Hiệu suất của quá trình tuyển nổi phụ thuộc vào số
lượng bọt khí. Kích thước tối ưu của bọt khí nằm trong khoảng 15 đến 30 µm. Tác
nhân thông dụng nhất được sử dụng trong tuyển nổi là không khí.
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 13

Ngoài ra, trong số các kỹ thuật xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý còn
có hấp phụ, trao đổi ion, điện hóa, tách bằng màng,… nhưng do đặc tính nước thải
sản xuất bia nên chúng không được sử dụng để lằm sạch nước thải sản xuất bia.
2.1.3. Phương pháp hóa học
Đây là kỹ thuật xử lý nước thải sử dụng các loại tác nhân hóa học. Phương
pháp này có thể sử dụng để xử lý sơ bộ trước khi xử lý sinh học hay để xử lý cuối
cùng trước khi xả ra nguồn tiếp nhận. Các phương pháp được sử dụng gồm có:
trung hòa, oxy hóa và khử. Đối với nước thải sản xuất bia thì phương pháp oxy hóa
và khử không được sử dụng, mà thường quan tâm tới phương pháp trung hòa. Trung
hòa đóng vai trò như một kỹ thuật tối ưu quá trình xử lý sinh học. Tác nhân hóa học
được bổ sung có định lượng trước khi xử lý sinh học để tạo điều kiện sinh trưởng,
phát triển cho các vi sinh vật.
2.1.4. Phương pháp sinh học
Do đặc tính của nước thải sản xuất bia là thành phần các chất hữu cơ cao cùng
với tổng Nitơ và photpho cao nên phương pháp sinh học thường được sử dụng trong
xử lý loại nước thải này.
2.1.4.1. Nguyên lý chung của quá trình oxy hoá sinh hoá
Quá trình oxy hoá sinh hoá là quá trình các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ
cũng như các chất khác để tổng hợp nên sinh khối tế bào dưới tác dụng của các
enzym do chúng sản sinh ra. Trong quá trình xử lý nước thải, quá trình làm sạch các
chất ô nhiễm trong nước thải là một quá trình gồm 3 giai đoạn [1]:
- Di chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào vi sinh vật
do khuếch tán đối lưu và phân tử;
- Di chuyển chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuếch tán
do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế bào;
- Quá trình chuyển hoá các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng
lượng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thụ năng lượng.
Các giai đoạn trên có quan hệ rất chặt chẽ với nhau và quá trình chuyển hoá

các chất đóng vai trò chính trong quá trình xử lý nước thải.
2.1.4.2. Sự phát triển của tế bào vi sinh vật
Dựa trên đặc tính sinh lý và tốc độ sinh sản của vi sinh vật, quá trình phát triển
của chúng được chia thành nhiều giai đoạn: tiềm phát, luỹ tiến, tốc độ chậm, cân
bằng, suy tàn.
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 14


Giai đoạn tiềm phát: vi sinh vật chưa thích nghi với môi trường hoặc đang
biến đổi để thích nghi. 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 luỹ tiến: vi sinh vật phát triển với tốc độ riêng không đổi. Sau một
thời gian nhất định, tổng số tế bào cũng như trọng lượng tế bào tăng lên gấp đôi.
Giai đoạn tốc độ chậm: tốc độ phát triển giảm dần tới mức cân bằng ở cuối
pha. Ở các vi sinh vật cho sản phẩm trao đổi chất thì giai đoạn này chính là giai
đoạn hình thành sản phẩm như các enzym, alcol, axit hữu cơ, vitamin,…
Giai đoạn cân bằng: số lượng tế bào sống được giữ ở mức không đổi, nghĩa là
số lượng tế bào chết đi tương đương với số lượng tế bào mới sinh ra. Tính chất sinh
lý của tế bào vi sinh vật bắt đầu thay đổi, cụ thể là cường độ trao đổi chất giảm đi rõ
rệt.
Giai đoạn suy tàn: tốc độ sinh sản giảm đi rõ rệt và dần dần ngừng hẳn, dẫn
đến số lượng tế bào sống giảm đi rất nhanh và bắt đầu có hiện tượng tự huỷ.
Nguyên nhân suy tàn chủ yếu do nguồn thức ăn trong môi trường dã cạn, sự tích luỹ
sản phẩm trao đổi chất có tác động ức chế và đôi khi tiêu diệt cả vi sinh vật.
2.1.4.3. Ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau lên tốc độ oxy hoá sinh hoá
Tốc độ oxy hoá sinh hoá phụ thuộc vào nồng độ các chất hữu cơ, hàm lượng
các tạp chất và mức độ ổn định của dòng nước thải vào hệ thống xử lý. Các yếu tố
chính ảnh hưởng lên tốc độ phản ứng sinh hoá là chế độ thuỷ động, hàm lượng oxy
trong nước thải, nhiệt độ, pH, các nguyên tố chính cũng như kim loại nặng và các

muối khoáng.
Ảnh hƣởng của nhiệt độ
Tốc độ phản ứng oxy hoá sinh hoá tăng khi tăng nhiệt độ. Song thực tế nhiệt
độ nước thải trong hệ thống xử lý nước thải được duy trì trong khoảng 20 đến 30
o
C.
Khi nhiệt độ tăng quá ngưỡng trên có thể làm cho các vi sinh vật bị chết, còn ở
nhiệt độ quá thấp tốc độ làm sạch sẽ bị giảm và quá trình thích nghi của vi sinh vật
với môi trường mới bị chậm lại, các quá trình nitrat hoá hoạt tính keo tụ và lắng bùn
bị giảm hiệu suất. Còn trong phạm vi tối ưu trên, khi nhiệt độ tăng tốc độ quá trình
phân huỷ các chất hữu cơ tăng gấp 2 đến 3 lần. Tuy nhiên khi nhiệt độ nước thải
tăng thì độ hoà tan của oxy trong nước bị giảm. Do đó để duy trì nồng độ oxy hoà
tan trong nước người ta tiến hành sục khí mãnh liệt và liên tục.
Ảnh hƣởng của kim loại nặng
Bùn hoạt tính có khả năng hấp thụ các muối kim loại nặng. Khi đó hoạt động
sinh hoá của chúng bị giảm do sự phát triển mạng của vi khuẩn dạng sợi làm cho
bùn hoạt tính bi phồng lên. Muối của các kim loại này làm giảm tốc độ làm sạch.
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 15


Nồng độ cho phép của các chất độc để quá trình oxy hoá sinh hoá có thể xảy ra phụ
thuộc vào bản chất của các chất đó.
Hấp thụ và nhu cầu oxy
Đối với các vi sinh vật hiếu khí, để oxy hoá các chất hữu cơ, các vi sinh vật
cần có oxy và nó chỉ có thể sử dụng oxy hoà tan. Để cung cấp oxy cho nước thải
người ta tiến hành quá trình thông khí, khuếch tán dòng không khí thành các bóng
nhỏ phân bố đều trong khối chất lỏng.
Đối với các vi sinh vật yếm khí, oxy là một chất độc với chúng. Khi trong môi
trường có oxy sẽ ức chế quá trình mêtan hoá và ảnh hưởng tới hiệu quả của quá

trình.
Các nguyên tố dinh dƣỡng và vi lƣợng
Để có phản ứng sinh hoá, nước thải cần chứa hợp chất của các nguyên tố dinh
dưỡng và vi lượng. Đó là các nguyên tố N, S, P, K, Mg, Na, Cl,… trong đó N, P, K
là các nguyên tố chủ yếu, cần được đảm bảo một lượng cần thiết trong xử lý sinh
hoá. Hàm lượng các nguyên tố khác không cần phải định mưucs vì chúng có trong
nước thải ở mức đủ cho nhu cần của các vi sinh vật.
Khi thiếu nitơ lâu dài, ngoài việc cản trở quá trình sinh hoá các chất bẩn hữu
cơ còn tạo ra bùn hoạt tính khó lắng.
Khi thiếu photpho dẫn đến sự phát triển của vi khuẩn dạng sợi, là nguyên nhân
chính làm cho bùn hoạt tính bị phồng lên, khó lắng và bị cuốn ra khỏi hệ thống xử
lý, làm giảm sinh trưởng của bùn hoạt tính và giảm cường độ quá trình oxy hoá.
Các nguyên tố dinh dưỡng tốt nhất ở dạng các hợp chất tương tự nhưu trong
các tế bào vi sinh vật. Hàm lượng các nguyên tố dinh dưỡng phụ thuộc vào thành
phần của nước thải và ty lệ giữa chúng được xác định bằng thực nghiệm. Để tính
toán sơ bộ người ta thường lấy tỷ lệ BOD : N : P = 100 : 5 : 1. Tỷ lệ này chỉ đúng
cho 3 ngày đầu, còn khi quá trình xử lý kéo dài để tránh giảm hiệu suất của bùn
hoạt tính cần giảm lượng nitơ và photpho trong nước thải. Khi quá trình xử lý kéo
dài 20 ngày thì tỷ lệ BOD : N : P cần giữ ở mức 200 : 5 : 1.
Khi trong nước thải không có đủ nitơ và photpho người ta bổ sung chúng bằng
cách đưa thêm phân nitơ, photpho và kali vào. Mặt khác, thường nước thải sinh hoạt
có chứa các chất dinh dưỡng này, do đó khi kết hợp xử lý nước thải sản xuất và loại
nước thải này thì không cần phải bổ sung các nguyên tố dinh dưỡng.
Ngoài ra giá trị pH cũng ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tạo men trong tế bào
và quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng vào tế bào. Đối với đa số vi sinh vật
khoảng giá trị pH tối ưu là 6,8 đến 8,5.
2.1.4.4. Các phương pháp xử lý sinh học
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 16

Nước thải có thể được xử lý bằng phương pháp sinh học sẽ được đặc trưng bởi
chỉ tiêu BOD và COD. Để có thể xử lý bằng phương pháp này nước thải sản xuất
cần không chứa các chất độc và tạp chất, các muối kim loại nặng hoặc nồng độ của
chúng không được vượt qua nồng độ cực đại cho phép và có tỷ số BOD/COD ≥ 0,5.
Người ta có thể phân loại các phương pháp sinh học dựa trên các cơ sở khác
nhau. Nhưng nhìn chung có thể chia chúng thành hai loại chính nhưu sau:
- Phương pháp hiếu khí là phương pháp xử lý sử dụng các nhóm vi sinh vật
hiếu khí. Để đảm bảo hoạt động sống của chúng cần cung cấp oxy liên tục và duy trì
nhiệt độ trong khoảng 20 đến 40
o
C.
- Phương pháp yếm khí là phương pháp sử dụng các vi sinh vật yếm khí để
phân giải các hợp chất hữu cơ có trong nước thải.
Trong xử lý nước thải công nghiệp, các phương pháp hiếu khí được ứng dụng
rộng rãi hơn cả.
Phƣơng pháp hiếu khí
Phương pháp hiếu khí là phương pháp sinh học được sử dụng phổ biến trong
xử lý nước thải giàu chất hữu cơ. Các quá trình của phương pháp có thể xảy ra ở
điều kiện tự nhiên hoặc trong điều kiện xử lý nhân tạo. Trong các công trình nhân
tạo, người ta tạo ra các điều kiện tối ưu cho quá trình oxy hoá sinh hoá nên hiệu suất
xử lý và tốc độ xử lý cao hơn rất nhiều so với các công trình tự nhiên.
Các công trình nhân tạo
Xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí với các công trình nhân tạo bao
gồm hai cơ chế làm sạch chính là dạng bùn hoạt tính lơ lửng và dạng màng sinh
học.
Bể aerotank
Nước thải có hàm lượng cao các chất hữu cơ được nạp vào bể cung cấp chất
dinh dưỡng cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển. Hệ vi sinh vật hiếu khí phát
triển cần tới oxy cho quá trình hô hấp nên bể có hệ thống sục khí (không khí hoặc

oxy bão hoà). Hệ thống sục khí ngoài nhiệm vụ cung cấp oxy cho sự phát triển của
vi sinh vật, còn có nhiệm vụ làm bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng, tăng cường quá
trình tiếp xúc giữa vi sinh vật và các chất hữu cơ. Nước sau khi qua aerotank tới bể
lắng thứ cấp, bùn hoạt tính lơ lửng theo dòng nước sẽ được tách và tuần hoàn một
phần bùn hoạt tính lại bể aerotank để cung cấp vi sinh vật cho bể aerotank.
Lọc sinh học
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 17


Bể lọc sinh học là một thiết bị phản ứng sinh học trong đó các vi sinh vật sinh
trưởng cố định trên lớp màng bám trên lớp vật liệu lọc. Thông thường, nước thải
được tưới từ trên xuống qua lớp vật liệu lọc bằng đá hoặc các vật liệu khác nhau.
Màng sinh học bao gồm các vi khuẩn, nấm và động vật bậc thấp được nạp vào
hệ thống cùng với nước thải. Mặc dù lớp màng này rất mỏng song cũng có hai lớp:
lớp yếm khí ở sát bề mặt đệm và lớp hiếu khí ở ngoài. Do đó quá trình lọc sinh học
thường được xem như là quá trình hiếu khí nhưng thực chất là hệ thống vi sinh vật
hiếu – yếm khí.
Khi dòng nước thải chảy trùm lên lớp màng nhớt này, các chất hưuũ cơ được
vi sinh vật chiết ra còn sản phẩm của quá trình trao đổi chất sẽ được thải ra qua
màng chất lỏng. Oxy hoà tan được bổ sung bằng hấp thụ từ không khí.
Nước thải được phun đều lên lớp đệm tạo ra lớp màng nhớt gọi là màng sinh
học, phủ trên các đệm. Quá trình oxy hoá xảy ra như cơ chế nói trên. Sinh khối vi
sinh vật tách ra khỏi nước trong thiết bị lắng thứ cấp.
Xử lý sinh học hiếu khí bằng các quá trình tự nhiên
Các quá trình hiếu khí trong xử lý sinh học có thể xảy ra ở điều kiện tự nhiên
và trong các công trình nhân tạo. Quá trình làm sạch nước thải ở điều kiện tự nhiên
được tiến hành bằng cách tưới nước thải ở dạng phun mưa trên các cánh đồng được
chuẩn bị riêng cho mục đích này đồng thời cho cả canh tác, hay lọc nước thải qua
cánh đồng lọc và trong các hồ sinh học.

Phƣơng pháp yếm khí
Các phương pháp yếm khí dc dùng để lên men bùn cặn sinh ra trong quá trình
xử lý bằng phương pháp sinh học, cũng như nước thải công nghiệp chứa hàm lượng
các chất hữu cơ cao. Đây là phương pháp cổ điển nhất dùng để ổn định bùn cặn,
trong đó các vi khuẩn yếm khí phân huỷ các chất hữu cơ.
Để xử lý nước thải người ta sử dụng quá trình lên men khí metan. Đó là quá
trình phức tạp diễn ra theo nhiều giai đoạn. Thông thường quá trình chia ra làm ba
giai đoạn thuỷ phân, axit hoá và mêtan hoá.
Giai đoạn thuỷ phân là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ phức tạp thành
đơn giản. Giai đoạn axit hoá là giai đoạn chuyển hoá các hợp chất hữu cơ đơn giản
thành các axit như axit axetic, axit propionic, axit butyric,… Giai đoạn mêtan hoá là
giai đoạn phân giải các axit đơn giản thành CH
4
, CO
2
, H
2
O,… nhờ sự tham gia của
các vi sinh vật metan hoá.
Các yếu tố chính ảnh hưởng tới hiệu suất quá trình phân huỷ yếm khí gồm:
- Nhiệt độ: nhiệt độ là yếu tố điều tiết cường độ của quá trình. Nhiệt độ tối ưu
cho quá trình này là 35
o
C. Như vậy quá trình có thể thực hiện ở điều kiện ấm (30 tới
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 18


35
o

C) hoặc nóng (50 tới 55
o
C). Khi nhiệt độ dưới 10
o
C vi khuẩn tạo mêtan hầu như
không hoạt động.
- Liều lượng nạp nguyên liệu và mức độ khuấy trộn: Nguyên liệu nạp cho quá
trình cần có hàm lượng chất rắn bằng 7 đến 9%. Tác dụng của khuấy trộn là phân
bố đều dinh dưỡng và tạo điều kiện tiếp xúc tốt với các vi sinh vật và giải phóng khí
sản phẩm ra khỏi hỗn hợp lỏng – rắn.
- Tỷ số C/N: Tỷ số C/N tối ưu cho quá trình là 25/1 đến 30/1.
- pH: pH tối ưu cho quá trình dao động trong phạm vi rất hẹp, từ 6,5 đến 7,5.
Do lượng vi khuẩn tạo ra bao giờ cũng bị giảm trước khi quan sát thấy pH thay đổi,
nên nếu pH giảm thì cần ngừng nạp nguyên liệu, vì nếu tiếp tục nạp nguyên liệu thì
hàm lượng axit tăng lên dẫn đến kết quả là làm chét các vi khuẩn tạo CH
4
.
Ngoài ra phải kể đến ảnh hưởng của dòng vi khuẩn, thời gian lưu cần đủ để
đảm bảo hiệu suất khử các chất gây ô nhiễm và điều kiện không chứa các hoá chát
độc, đặc biệt là kim loại nặng (Cu, Ni, Zn,…), hàm lượng NH
3
và sunfua quá dư
cùng một số hợp chất hữu cơ khác.
Các công trình xử lý yếm khí tự nhiên
Hồ yếm khí là một công trình xử lý yếm khí tự nhiên được sử dụng từ khá lâu.
Nguyên tắc tạo nên điều kiện yếm khí đó là lớp ngăn cách mặt nước với không khí.
Các vi khuẩn yếm khí phân huỷ các chất hữu cơ thành các sản phẩm cuối ở dạng
khí CO
2
và CH

4
, thêm vào đó là hợp chất trung gian phát sinh mùi như các axit hữu
cơ, H
2
S,…
Hồ yếm khí thường được sử dụng trong xử lý nước thải các lò mổ chế biến
thịt.
Các công trình xử lý yếm khí nhân tạo
Các bể tiêu huỷ yếm khí được sử dụng rộng rãi trong xử lý bùn cặn, nước thải
có hàm lượng cao các chất hữu cơ. Bể xử lý yếm khí bùn lơ lửng, dòng chảy ngược
(UASB) đã phát triển và được ứng dụng rất nhiều trong quá trình xử lý nước thải.
Nguyên lý hoạt động của UASB
Dòng nước đi vào từ bên dưới của bể và đi lên trên. Dòng nước vào bên dưới
có tác dụng làm bùn hoạt tính lơ lửng, tăng cường tiếp xúc giữa các chất hữu cơ và
vi sinh vật. Quá trình nước thải đi từ dưới lên cũng là thời gian vi sinh vật phân huỷ
các hợp chất hữu cơ trong nước thải theo ba giai đoạn thuỷ phân, axit hoá và metan
hoá. Các giai đoạn phân huỷ chất hữu cơ phân lớp trong nước thải. Lớp nước trên
cùng trong bể xảy ra giai đoạn metan hoá và khuếch tán khí ra khỏi hỗn hợp rắn –
lỏng. Dưới đáy bể có đường ống xả bùn, phía trên bể có phếu thu khí. Khí thu được
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 19


có chứa 50 đến 60% CH
4
– khí có nhiệt trị cao, có giá trị thu hồi năng lượng. Bùn
trong quá trình phân huỷ yếm khí cũng ít hơn rất nhiều so với quá trình hiếu khí.
2.2. Một số phƣơng án xử lý nƣớc thải nhà máy sản xuất bia
Tuỳ theo quy mô sản xuất, công nghệ sản xuất của mỗi cơ sở để đưa ra quy
trình công nghệ xử lý nước thải một cách tối ưu về kinh tế và kỹ thuật.

Phương án 1: Xử lý hiếu khí.
Nước thải sau khi qua song chắn rác vào bể gom và qua bể điều hoà. Bể điều hoà có
tác dụng điều hoà lưu lượng và nồng độ các chất trong nước thải. Bể lắng I có tác
dụng lắng phần chất rắn lơ lửng trong nước thải, đảm bảo yêu cầu hoạt động của hệ
thống xử lý hiếu khí. Nước thải sau khi được các vi sinh vật hiếu khí sử dụng các
hợp chất hữu cơ sẽ giảm hàm lượng các hợp chất hữu cơ khoảng 80 - 95%. Nước
thải đưa qua bể lắng II để lắng phần bùn hoạt tính lơ lửng theo dòng chảy ra ngoài
trước khi xả ra nguồn tiếp nhận, đồng thời tuần hoàn một phần bùn hoạt tính lại cho
aerotank hoạt động. Nước thải được khử trùng trước khi đưa ra nguồn tiếp nhận.

Hình 2. Sơ đồ khối phương án 1.
Phương án xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí có ưu điểm là hệ thống
đơn giản, dễ vận hành. Tuy nhiên hệ thống chỉ có khả năng xử lý nước thải có nồng
Dòng nước
Bể điều hoà
Bể khử trùng
Bể gom
Bể lắng I
Bể aerotank
Bể lắng II
Nước thải
Nước sau xử lý
Không khí
Không khí
Xử lý bùn
Dòng bùn
Dòng khí
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 20

độ các hợp chất hữu cơ ở mức trung bình (COD khoảng 1000 mg/L) với lưu lượng
thải không lớn.
Phương án 2: Xử lý yếm khí và hiếu khí
Theo như quy trình công nghệ này, nước thải sau khi qua song chắn rác sẽ vào
bể gom. Sau đó, nước thải sang bể điều hoà, quá trình đảo trộn bằng cơ học hoặc
thổi khí sẽ làm nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải đồng đều. Nước thải được
đưa sang bể UASB, các chất hữu cơ trong nước thải được hệ vi sinh vật yếm khí
phân giải thành CH
4
, CO
2
, H
2
O,… Nước ra khỏi UASB vẫn còn một lượng chất
hữu cơ chưa phân huỷ và chất rắn lơ lửng được đưa qua xử lý hiếu khí bằng bể
aerotank. Tại aerotank, không khí hoặc O
2
bão hoà được cấp vào bể đảm bảo cho
quá trình sử dụng oxy của hệ vi sinh vật hiếu khí cũng như quá trình tiếp xúc giữa
cơ chất và vi sinh vật. Nước sau xử lý ở aerotank sẽ được chuyển qua bể lắng II để
lắng bùn lơ lửng trong nước ra và tuần hoàn sinh khối lại bể aerotank. Nước ra khỏi
bể lắng II được khử trùng để đảm bảo vệ sinh trước khi xả ra nguồn tiếp nhận.

Bể điều hoà
Bể khử trùng
Bể gom
Bể lắng I
Bể UASB
Bể aerotank

Bể lắng II
Nước thải
Nước sau xử lý
Không khí
Không khí
Khí sinh học
Xử lý bùn
Dòng khí
Dòng nước
Dòng bùn
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 21


Hình 3. Sơ đồ khối phương án 2.
Đây là phương án xử lý nước thải bia thường được sử dụng ở nhiều cơ sở sản
xuất bia. Quy trình công nghệ này có ưu điểm là đơn giản, dễ vận hành, có khả năng
thu hồi khí sinh học. Nhưng hệ thống xử lý nước thải trên đáp ứng được dòng thải
có mức độ ô nhiễm các hợp chất hữu cơ cao, lưu lượng dòng thải lớn nhưng không
có khả năng xử lý nitơ và photpho trong nước thải.
Phương án 3: Xử lý yếm khí và thiếu khí và hiếu khí

Hình 4. Sơ đồ khối phương án 3.
Bể điều hoà
Bể khử trùng
Bể gom
Bể Anoxic
Bể UASB
Bể aerotank
Bể lắng II

Nước thải
Nước sau xử lý
Không khí
Không khí
Khí sinh học
Xử lý bùn
Dòng khí
Dòng nước
Dòng bùn
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 22


Đối với những dòng thải có đặc tính ô nhiễm ở mức độ cao, lượng nước thải
lớn thì hai phương án trên xử lý không hiệu quả. Với UASB, hiệu suất xử lý khoảng
60 – 70% và aerotank/SBR, hiệu suất khoảng 80 – 90% thì khi COD dòng vào ở
mức 5500 mg/L thì hiệu suất xử lý chung tối đa cho dòng ra là 165 mg/L – cao hơn
QCVN 40 : 2011/ BTNMT/ cột B. Công nghệ xử lý kết hợp yếm – thiếu – hiếu khí
có khả năng xử lý dòng thải có tải lượng ô nhiễm các chất hữu cơ ở mức cao, đồng
thời có khả năng xử lý nitơ và photpho trong dòng thải. Phương án này xử lý triệt để
nên đi kèm với đó là chi phí đầu tư cao và vận hành cũng khá phức tạp.
2.3. Lựa chọn quy trình công nghệ xử lý nƣớc thải
Bảng 4. Chất lượng nước đầu vào và yêu cầu đầu ra của hệ thống xử lý nước thải
TT
Thông số
Đơn vị
Giá trị
QCVN 40: 2011/ BTNMT/ cột B
1
Lưu lượng

m
3
/ngày
700
-
2
Chất rắn lơ lửng
mg/L
350
100
3
BOD
5

mg/L
775
50
4
COD
mg/L
1220
150
5
Nito tổng
mg/L
19,2
40
6
Photpho tổng
mg/L

7,6
6
Dựa trên các thông số dòng thải của nhà máy, ta thấy rằng mức độ ô nhiễm
trong nước thải ở mức độ trung bình. Nitơ và photpho đều gần giới hạn cho phép và
chúng có khả năng giảm một phần trong quá trình xử lý các chất hữu cơ. Với các
thông số trên, để đủ điều kiện xả ra nguồn tiếp nhận cũng như đảm bảo tiết kiệm chi
phí thì ta có thể sử dụng phương án 1 – xử lý hiếu khí. Để đảm bảo khả năng làm
việc của aerotank với tải lượng nước thải trên thì cần chú trọng khâu xử lý sơ bộ
trước khi vào xử lý sinh học.
Thuyết minh dây chuyền công nghệ
1. Song chắn rác
Nước thải sản xuất từ các phân xưởng sản xuất và nước rửa chai, theo đường
mương dẫn chảy về khu xử lý. Phần nước xút rửa chai sẽ được thải từ từ vào hệ
thống, không làm cho pH nước thải tăng. Bể điều hòa được xây dựng trong cùng
mặt bằng của khu xử lý. Nước thải trước khi đi vào bể điều hòa, phần rác thô có
kích thước lớn sẽ được giữ lại tại song chắn rác thô đặt nghiêng 60
0
ở ngăn tách rác.
Rác tách ra sẽ được công nhân vận hành gom vào thùng chứa và mang đi đổ
nơi qui định của nhà máy. Nước thải từ bể điều hòa được bơm lên bể cân bằng nhờ
2 bơm chìm (1 bơm dự phòng hoặc hoạt động đồng thời). Các bơm vận hành hoàn
toàn tự động nhờ hệ thống điều khiển.
2. Bể điều hoà
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 23


Bể điều hoà có chức năng điều hoà lưu lượng và nồng độ nước thải. Bể có hệ
thống khuấy trộn cơ học hoặc sục khí để đảm bảo sự đồng đều nồng độ các chất ô
nhiễm trong nước thải.

3. Bể lắng I
Nước sau khi qua bể điều hoà được bơm sang bể lắng I. Tại đây, dưới tác dụng
của trọng lực, các chất rắn lơ lửng sẽ lắng xuống đáy nón của bể, phần nước trong
được thu và chuyển sang bể aerotank. Chất rắn lơ lửng có thành phần chính là các
chất hữu cơ không tan nên quá trình lắng sẽ giảm tải lượng cho aerotank. Bùn lắng
ở đáy bể được đưa sang bể chứa bùn và xử lý.
4. Bể xử lý sinh học hiếu khí aerotank
Nước thải sau khi xử lý sơ bộ được trộn với bùn hoạt tính từ bể lắng II tuần
hoàn đưa vào bể aerontank. Hệ thống thông khí trong bể cấp oxy cho vi sinh vật
hiếu khí, đồng thời làm bùn hoạt tính lơ lửng, tăng cường quá trình tiếp xúc giữa
sinh khối và các chất dinh dưỡng. Sau thời gian lưu nhất định, nước ra khỏi
aerotank và sang bể lắng II
5. Bể lắng II
Quá trình lắng ở bể lắng II sẽ tách phần bùn hoạt tính trong dòng nước trước
khi chuyển nước sang bể khử trùng.
Một phần bùn hoạt tính được tuần hoàn lại bể aerotank để cung cấp lượng lớn
các vi sinh vật cho quá trình phân huỷ hiếu khí tiếp theo. Phần bùn dư được thu tới
bể chứa bùn và xử lý bùn riêng.
6. Khử trùng
Nước thải sau khi qua bể aerotank và bể lắng II đã đạt một số tiêu chuẩn của
nước thải nhưng trong nước thải vẫn còn chứa vi sinh vật và mầm bệnh. Vì vậy, để
đảm bảo an toàn, nước thải cần được khử trùng trước khi thải vào môi trường.
Để đảm bảo thời gian tiếp xúc giữa nước thải với clo hoạt tính, thể tích của bể
khử trùng phải đủ lớn để nước thải lưu lại trong bể khử trùng tối thiểu là 30 – 45
phút.

Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 24

CHƢƠNG 3
TÍNH TOÁN CÁC CÔNG TRÌNH ĐƠN VỊ
Bảng 5. Yêu cầu thiết kế
TT
Thông số
Đơn vị
Nƣớc thải
QCVN 40: 2011/ BTNMT/ cột B
1
Lưu lượng
m
3
/ngày
700
-
2
SS
mg/L
350
100
3
BOD
5

mg/L
775
50
4
COD
mg/L

1220
150
5
Nito tổng
mg/L
19,2
40
6
Photpho tổng
mg/L
7,6
6
Lưu lượng nước thải tính theo giờ:
Q
h
= 700 : 24 = 29,2 (m
3
/h).
3.1. Song chắn rác
- Lưu lượng nước thải theo giờ lớn nhất:
Q
h
max
= Q
h
. k
max
= 29,2 . 2,2 = 64,2 (m
3
/h).

Trong đó k
max
là hệ số không điều hoà nội suy theo TCVN 7957: 2008.
- Chọn loại song chắn rác có kích thước khe hở b = 16 mm.
- Tiết diện song chắn rác hình chữ nhật có kích thước s × l = 8 × 50 mm.
- Góc nghiêng α = 60
0
.
- Vận tốc trung bình qua các khe v = 0,8 m/s.
Số lƣợng khe hở













Trong đó: k
z
= 1,05 – hệ số tính đến sự thu hẹp dòng chảy;
q
max
= Q
h

max
: 3600 = 17,8 . 10
-3
(m
3
/h).
Chọn số khe là 15, số thanh chắn tương ứng là 16.
Bề rộng thiết kế song chắn rác
B
s
= s . (n-1) + (b . n) = 0,008 . (15 – 1) + (0,016 . 10) = 0,272 (m)
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 25


Trong đó s = 0,008 m – bề dày của thanh song chắn thường lấy.
Chọn B
s
= 0,3 m.
Tổn thất áp lực qua song chắn rác





















Trong đó: k = 2 – hệ số tính đến sự tăng tổn thất áp lực do rác bám (2 ÷ 3)
v
max
= 0,8 m/s – vận tốc nước chảy trong mương cực đại.
ξ = 0,83 – hệ số tổn thất áp lực cục bộ, theo công thức:












Trong đó: α = 60
0
– góc nghiêng đặt song chắn rác;

β = 2,42 – hệ số phụ thuộc hình dạng thanh đan.
Vậy tổn thất áp lực qua song chắn rác là 5 cm.
Chiều dài phần mở rộng trƣớc song chắn rác





 



 






Trong đó B
s
= 0,3 m – chiều rộng song chắn;
B
k
= 0,2 m – bề rộng mương dẫn;
φ = 20
0
– góc nghiêng chỗ mở rộng.
Chọn L
1

= 0,2 m.
Chiều dài phần mở rộng sau song chắn rác
L
2
= 0,5 . L
1
= 0,5 . 0,2 = 0,1 (m).
Chiều dài xây dựng mƣơng đặt song chắn rác
L = L
1
+ L
2
+ L
s
= 0,2 +0,1 +1,5 = 1,8 (m).
Trong đó: L
s
= 1,5 m – chiều dài phần mương đặt song chắn rác.
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 26


Chiều sâu xây dựng mƣơng đặt song chắn rác
H = h
max
+ h
s
+ 0,5 = 0,65 (m).
Trong đó: h
max

– độ đầy ứng với chế độ Q
max
; h
s
– tổn thất áp lực qua song
chắn rác; 0,5 – khoảng cách cốt sàn nhà đặt song chắn rác và mực nước cao nhất.
Bảng 6. Tóm tắt thông số thiết kế mương và song chắn rác
TT
Tên thông số
Giá trị
Đơn vị
1
Chiều dài mương (L)
1,8
m
2
Chiều rộng mương (B
s
)
0,3
m
3
Chiều sâu mương (H)
0,65
m
4
Số thanh chắn
16
Thanh
5

Số khe (n)
15
Khe
6
Kích thước khe (b)
16
mm
7
Bề rộng thanh (s)
8
mm
8
Chiều dài thanh (l)
50
mm
3.2. Bể điều hoà
Bể điều hoà lưu lượng và nồng độ có hệ thống khuấy trộn đảm bảo nồng độ
các chất ô nhiễm đồng đều.
Thời gian lưu nước thải trong bể là 2h.
Thể tích bể cần thiết là: 2 x 700 : 24 = 58,3 (m
3
)
Kích thước bể làm việc: H x B x L = 2,5 m x 5 m x 5 m = 62,5 (m
3
)
Chiều cao bảo vệ 0,3 m.
Kích thƣớc xây dựng bể: cao 2,8 m, dài 5 m, rộng 5 m.
Hệ thống cấp khí có cường độ thổi khí q
k
= 3 m

3
/m.h, chiều dài ống cấp khí là
5 m.
Lưu lượng khí cung cấp: Q
kk
= 3 x 5 × 5 = 75 (m
3
/h).
Hệ thống cấp khí gồm 1 ống chính và 5 ống nhánh.
Khoảng cách giữa các ống nhánh là 1 m, các ống cách tường 0,5 m.
Đường kính ống chính dẫn khí vào bể:






  
  





Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia 700 m3/ngày.đêm - Nguyễn Văn Thắng – KTMT1 K55
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường ĐHBKHN – ĐT : 0438681686 – FAX : 0438693551 27


Chọn ống Ø48.
Đường kính ống nhánh dẫn khí vào bể:




 


  
  





Chọn ống Ø21.
Trong đó v = 10 m/s – vận tốc khí trong ống.
- Đường kính các lỗ phân phối khí d
l
= 3 mm.
- Vận tốc khí qua lỗ phân phối khí v
l
= 15 m/s.
- Lưu lượng khí qua 1 lỗ phân phối khí:
q
l
= v
l
πd
l
2
: 4 = 15 x π x 0,003

2
x 3600 : 4 = 0,381 (m
3
/h).
- Số lỗ trên 1 ống:
N = (Q
kk
/5) : q
l
= 75 : 5 : 0,381 = 65,5 (lỗ).
Vậy mỗi ống có 65 lỗ.
- Khoảng cách giữa các lỗ: 5000 : 65 = 77 (mm)
Bảng 7. Các thông số thiết kế bể điều hoà
TT
Thông số
Giá trị
Đơn vị
1
Chiều dài
5
m
2
Chiều rộng
5
m
3
Chiều cao
2,8
m
4

Thời gian lưu nước
2
h
5
Đường kính ống phân phối khí chính
48
mm
6
Đường kính ống phân phối khí nhánh
21
mm
7
Số lỗ trên mỗi ống nhánh
65
lỗ
3.3. Bể lắng I
Bể lắng I có nhiệm vụ tách phần chất lơ lửng trong nước thải trước khi vào bể
aerotank. Chọn loai bể lắng đứng, xây bằng bê tông cốt thép, có mặt bằng hình tròn.
Giữa bể có ống trung tâm đưa nước vào từ trên xuống, nước ra khỏi ống trung tâm
sẽ tách cặn và nổi lên trên và ra ngoài theo máng thu xung quanh bể, cặn lắng xuống
đáy bể và được rút ra định kỳ.
 Dung tích phần công tác của bể.