Nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý nước thải ngành mía đường theo định hướng thu hồi năng lượng (khí metan)

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 4
1.1. Tổng quan về sản xuất mía đường trên Thế giới và Việt Nam 4
1.1.1. Tổng quan về sản xuất mía đường trên Thế giới 4
1.1.2. Tổng quan về sản xuất mía đường tại Việt Nam 6
1.1.3. Tổng quan về quy trình công nghệ sản xuất đường 8
1.2. Đặc tính nước thải ngành mía đường 13
1.2.1. Các dòng thải 13
1.2.2. Các thông số đặc trưng của nước thải nhà máy đường 14
1.2.3. Ảnh hưởng của nước thải mía đường 18
1.3. Tổng quan về công nghệ sinh học xử lý nước thải và tiềm năng khai thác
năng lượng từ nước thải ngành mía đường 18
1.3.1. Công nghệ xử lý sinh học kỵ khí 19
1.3.2. Công nghệ xử lý sinh học hiếu khí 26
1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy sinh học 27
1.3.4. Nghiên cứu và ứng dụng thu hồi khí sinh học trong nước thải công nghiệp
trên Thế giới và Việt Nam 30
1.3.5. Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xử lý nước thải mía đường trên Thế giới
và Việt Nam 31
1.3.6. Tiềm năng khai thác năng lượng từ nước thải ngành mía đường 35
CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37
2.1. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 37
2.2. Phương pháp nghiên cứu 37
2.2.1. Phương pháp thu thập tài liệu 37
2.2.2. Phương pháp điều tra khả sát thực địa 37
2.2.3. Phương pháp thực nghiệm 37
2.2.4. Phương pháp tổng hợp, xử lý số liệu 42
CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43
3.1. Kết quả khảo sát hoạt động và các dòng nước thải công ty mía đường
Hòa Bình 43

3.1.1. Hoạt động sản xuất 43
3.1.2. Đặc tính dòng và ô nhiễm nước thải 44
3.2. Kết quả khảo sát khả năng xử lý nước thải mía đường bằng hệ UASB 47
3.2.1. Kết quả giai đoạn khởi động hệ UASB 47
3.2.2. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của hệ UASB trong 3
giai đoạn xử lý 49
3.2.3. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý COD của 3 giai
đoạn xử lý 51
3.2.4. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất sinh khí của 3 giai
đoạn xử lý 53
3.2.5. Đánh giá hiệu quả của quá trình thực nghiệm xử lý nước thải mía đường
bằng hệ UASB 56
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO 64
PHỤ LỤC 69
Danh mục bảng

Bảng 1.1. Sản lượng đường của một số quốc gia trên Thế giới 5
Bảng 1.2. Xếp hạng 10 công ty đường lớn nhất Việt Nam theo công suất thiết kế nhà
máy niên vụ 2011 - 2012 8
Bảng 1.3. Thành phần của mía và nước mía 9
Bảng 1.4. Đặc tính nước thải ở các công đoạn sản xuất 15
Bảng 1.5. Đặc điểm nước thải một số nhà máy mía đường 16
Bảng 1.6. Các thông số đặc trưng của nước thải ngành mía đường 17
Bảng 1.7. So sánh các kỹ thuật xử lý yếm khí 24
Bảng 2.1. Thành phần mẫu tổng hợp nước thải mía đường 38
Bảng 2.2. Các thông số tiến hành thực nghiệm 41
Bảng 3.1. Đặc tính dòng và ô nhiễm nước thải công ty mía đường Hòa Bình 46
Bảng 3.2. Kết quả phân tích nước thải tại cống chung và hồ sinh học công ty mía
đường Hòa Bình 46

Bảng 3.3. Trung bình thể tích khí biogas sinh ra hàng ngày và hiệu suất sinh khí mêtan
qua các giai đoạn thí nghiệm 53
Bảng 3.4. Đánh giá hiệu quả của quá trình xử lý thực nghiệm 56
Bảng 3.5. Thiết kế sơ bộ hệ thống xử lý nước thải công ty mía đường Hòa Bình 61
Danh mục hình
Hình 1.1. Tỷ lệ xuất khẩu đường của một số quốc gia trên Thế giới 6
Hình 1.2. Giá đường Thế giới giai đoạn 1960 – 2011 6
Hình 1.3. Sơ đồ công nghệ sản xuất đường và các dòng thải 11
Hình 1.4. Quy trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ 19
Hình 1.5. Sơ đồ hệ UASB 24
Hình 1.6. Hệ kỵ khí khấy trộn liên tục 25
Hình 1.7. Bể CIGAR tại Nhà máy sản xuất tinh bột sắn Sơn Hải - Quảng Ngãi 26
Hình 1.8. Mối quan hệ cộng sinh giữa tảo và vi sinh vật trong hồ hiếu khí 27
Hình 1.9. Bể bùn hoạt tính công ty Bia Hà nội – Mê Linh 27
Hình 1.10. Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải mía đường điển hình 33
Hình 1.11. Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải nhà máyđường Bình Dương 34
Hình 1.12. Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải nhà máy đường Long An 34
Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ UASB thực nghiệm 39
Hình 2.2. Hệ UASB quy mô phòng thí nghiệm 40
Hình 3.1. Sơ đồ công nghệ kèm dòng thải công ty mía đường Hòa Bình 44
Hình 3.2. Biến thiên giữa hiệu suất xử lý COD và pH với bùn chăn nuôi 48
Hình 3.3. Ảnh hưởng giữa hiệu suất xử lý COD và pH với gốc kỵ khí bia 49
Hình 3.4. Bùn hạt và bọt khí hình thành với quá trình khởi động bằng nhân kỵ khí bia 49
Hình 3.5. Mối liên hệ giữa độ kiềm tổng và VFA trong hệ UASB 50
Hình 3.6. pH đầu vào và nhiệt độ hoạt động của hệ 50
Hình 3.7. Ảnh hưởng của tải trọng COD đến hiệu quả xử lý 51
Hình 3.8. Ảnh hưởng của thời gian lưu thủy lực đến hiệu suất xử lý COD 52
Hình 3.9. So sánh hiệu suất xử lý COD của các giai đoạn xử lý 52
Hình 3.10. Hiệu suất sinh khí biogas của 3 giai đoạn xử lý thực nghiệm 54
Hình 3.11. Mối liên hệ giữa thể tích khí biogas và hàm lượng khí metan của 3 giai

đoạn xử lý thực nghiệm 55
Hình 3.12. Hiệu suất chuyển hóa khí của 3 giai đoạn xử lý thực nghiệm 55
Hình 3.13. Quy trình công nghệ xử lý nước thải mía đường 58
Danh mục ký hiệu và từ viết tắt
AF Lọc sinh học kị khí
BOD

Nhu cầu oxy sinh hóa
BIOGAS Khí sinh học
CSTR Hệ khuấy trộn liên tục
COD Nhu cầu oxy hóa học
DO Oxy hòa tan
EGSB Bể phân hủy kị khí dạng bùn hạt tăng cường
EU

Liên minh Châu Âu
NM Nhà máy
NNK Nhóm nghiên cứu
QCVN Quy chuẩn Việt Nam
SS Chất rắn lơ lửng trong nước
TS Tổng chất rắn
TCCP Tiêu chuẩn cho phép
UASB Hệ thống bùn yếm khí dòng chảy ngược
VSS Chất rắn lơ lửng dễ bay hơi
VSV Vi sinh vật
VFA Axit béo dễ bay hơi
WWF Quỹ động vật hoang dã Thế giới
YK Yếm khí

1

MỞ ĐẦU
Với đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa và các điều kiện thổ nhưỡng thuận
lợi, Việt Nam có nhiều ưu thế trong việc phát triển ngành công nghiệp mía đường
và thực tế, mía đường là một trong những ngành công nghiệp chiếm vị trí quan
trọng trong nền kinh tế nước ta. Hiện nay cả nước có 37 nhà máy đường đang hoạt
động, phân bố rộng cả ba miền đất nước. Niên vụ mía 2012 - 2013 tổng diện tích
trồng mía trên cả nước đạt khoảng 283,2 nghìn hecta. Năng suất mía bình quân đạt
62,4 tấn/hecta, tổng sản lượng mía đạt được 18,5 triệu tấn. Sản lượng mía ép công
nghiệp đạt 16,5 triệu tấn, sản lượng đường đã đạt mức 1.530.000 tấn, tăng hơn 200
nghìn tấn so với niên vụ trước, đáp ứng được nhu cầu trong nước [1, 3].


Trước năm 1990, hầu hết trang thiết bị, máy móc, dây chuyền công nghệ sản
xuất trong các nhà máy đường đều cũ, lạc hậu, trình độ sản xuất và chất lượng sản
phẩm còn thấp. Trong những năm gần đây, do sự đầu tư cải tiến công nghệ và thiết
bị hiện đại, các nhà máy đường đã không ngừng nâng cao năng suất và chất lượng
sản phẩm. Tuy nhiên, so với thế giới năng suất, chất lượng mía đường của chúng ta
còn thấp và chi phí sản xuất mía cao. Những vụ ép gần đây, hầu hết các nhà máy
đường gặp khó khăn do giá đường thế giới giảm mạnh, và tình trạng nhập lậu
đường từ Trung Quốc, Thái Lan đã ảnh hưởng lớn đến sản xuất trong nước [13].
Bên cạnh những khó khăn trong sản xuất và kinh doanh, các nhà máy đường
còn phải đối mặt với các vấn đề môi trường phát sinh trong quá trình sản suất.
Ngành công nghiệp mía đường tiêu thụ nhiều năng lượng hóa thạch (điện, than đá,
dầu diezen ), nhu cầu sử dụng nước lớn và thải ra khối lượng rất lớn các chất thải
rắn, khí thải và nước thải với mức độ ô nhiễm cao. Nước thải ngành công nghiệp
mía đường luôn chứa một lượng lớn các chất hữu cơ bao bao gồm cả các hợp chất
hữu cơ chứa nitơ, phốtpho. Các chất này dễ bị phân hủy bởi các vi sinh vật, gây mùi
hôi thối làm ô nhiễm nguồn nước tiếp nhận. Phần lớn chất rắn lơ lửng có trong nước

thải ngành công nghiệp mía đường ở dạng vô cơ. Khi thải ra môi trường tự nhiên sẽ
lắng đọng và tạo thành lớp trầm tích ở đáy các thủy vực, gây ảnh hưởng đến hệ sinh
thái thủy sinh của thủy vực đó. Lớp bùn trầm tích này còn chứa các chất hữu cơ có


2

thể làm giảm lượng oxy hòa tan trong nước và tạo ra các loại khí nhà kính như CO
2
,
CH
4
Ngoài ra, trong nước thải còn chứa một lượng khá lớn đường thất thoát trong
quá trình sản xuất gây ô nhiễm nguồn nước. Các chất hữu cơ có trong nước thải mía
đường có thể được tận dụng và thu hồi thông qua quá trình xử lý bằng chuyển hóa
sinh học dòng thải hữu cơ và tận dụng sinh khối thải chuyển thành khí nhiên liệu
sinh học (biogas) cung cấp năng lượng cho các nhu cầu tiêu thụ năng lượng của nhà
máy, nước thải sau xử lý các mức có thể tận thu như nguồn dưỡng chất để bón cho
cây mía, hoặc xử lý các mức tiếp theo đạt tiêu chuẩn xả thải QCVN40-2011 cột B
trước khi xả trực tiếp vào nguồn nước tiếp nhận. Khí sinh học thu được góp phần
giảm thiểu ô nhiễm nước, hạn chế khai thác nhiên liệu không tái tạo và giảm phát
thải các khí nhà kính, chủ động trong việc ứng phó với biến đổi khí hậu trong xu thế
chung của thế giới hiện nay.
Nhiều công nghệ xử lý nước thải công nghiệp có thể áp dụng được trong xử
lý nước thải mía đường như xử lý cơ học bằng lắng lọc, xử lý hóa lý bằng keo tụ,
tuyển nổi…và xử lý sinh học yếm, hiếu khí. Tuy nhiên do khác nhau về điều kiện tự
nhiên, điều kiện kinh tế, hiện trạng thiết bị cũng như cơ cấu sản phẩm nên mỗi nhà
máy phải lựa chọn cho mình một phương án tối ưu, khả thi để đảm bảo hiệu quả
kinh tế của quá trình xử lý.
Mặt khác, trong bối cảnh hiệu ứng nhà kính gia tăng gây nên hiện tượng

nóng lên toàn cầu và cuộc khủng hoảng năng lượng kéo dài do sự khan hiếm các
nguồn năng lượng hóa thạch gần như không có khả năng tái tạo. Việc nghiên cứu
khả năng thu hồi năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính càng trở nên bức thiết
đóng góp vào việc phát triển bền vững và thân thiện với môi trường của ngành công
nghiệp mía đường.
Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải ngành mía đường đã và đang được
nhiều nhà khoa học trên thế giới và Việt Nam quan tâm, các nghiên cứu này đã đạt
được những kết quả khả quan. Tuy nhiên, các nghiên cứu này hoặc là chưa xem xét
đến các yếu tố tự nhiên, xã hội và thực tế sản xuất tại Việt Nam hoặc là chưa đánh
giá đúng mức đến tiềm năng thu hồi năng lượng (khí metan).


3

Để đóng góp vào hướng nghiên cứu này góp phần tiết kiệm tài nguyên và
bảo vệ môi trường, luận văn thực hiện đề tài: “Nghiên cứu đề xuất công nghệ xử
lý nước thải ngành mía đường theo định hướng thu hồi năng lượng (khí
metan)”. Mục tiêu nghiên cứu nhằm đề xuất được công nghệ phù hợp xử lý nước
thải mía đường kết hợp với thu hồi sản phẩm phụ có giá trị góp phần giảm thiểu ô
nhiễm môi trường và tăng cường hiệu quả kinh tế. Với nội dung gồm:
 Tổng quan về sản xuất mía đường, hiện trạng xả thải, công nghệ xử lý và khả
năng thu hồi metan.
 Điều tra khảo sát thực địa tại Công ty mía đường Hòa Bình (HOASUCO):
Khảo sát dây chuyền công nghệ sản xuất, khảo sát các dòng thải liên quan
đến nước thải và lấy mẫu nước thải.
 Nghiên cứu thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm để đánh giá khả năng xử
lý nước thải nhà máy mía đường bằng hệ thống xử lý sinh học yếm khí
ngược dòng (UASB) và khả năng thu hồi khí metan.
 Đánh giá hiệu quả của giải pháp công nghệ và đề xuất quy trình công nghệ
xử lý nước thải nhà máy mía đường theo hướng thu hồi năng lượng (khí

metan).


4

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về sản xuất mía đường trên Thế giới và Việt Nam
1.1.1. Tổng quan về sản xuất mía đường trên Thế giới
Đường là một trong những mặt hàng nông sản có giá trị, được sản xuất
khoảng 80% từ cây mía đường và 20% từ củ cải đường. Ba khu vực sản xuất đường
lớn nhất thế giới là Brazil 22%, Ấn Độ 15% và EU 10% [22].
Hiện nay có trên 123 quốc gia và vùng lãnh thổ trên thế giới trồng mía
đường và sản xuất đường từ mía, hàng năm sản xuất được khoảng 160 triệu tấn mía.
Sản lượng mía thế giới tăng trước tiên do phát triển diện tích. Trong thế kỷ 20, nhất
là ở nửa sau thế kỷ, nhiều nước ở Châu Á, Châu Phi, Nam Mỹ phát triển diện tích
trồng mía và công nghiệp đường để đáp ứng nhu cầu trong nước và tìm cơ hội xuất
khẩu, nhất là sau khủng hoảng thiếu đường năm 1974. Trong 4 thập kỷ cuối thế kỷ
20, mỗi thập kỷ diện tích mía trên thế giới tăng bình quân hơn 2,5 triệu ha [22].
Trong vài niên vụ gần đây các quốc gia đầu ngành đạt được sản lượng đường
như liệt kê trong bảng 1.1.



5

Bảng 1.1. Sản lượng đường của một số quốc gia trên Thế giới
Đơn vị: nghìn tấn
Niên vụ
Nước

2010 - 2011 2011 - 2012 2012 -2013
Brazin 38350 36150 37800
Ấn Độ 26574 28830 29750
Thái Lan 9663 10415 10850
EU-27 15667 17461 15790
Nga 2996 5500 5050
Trung Quốc 11199 12324 13065
Mỹ 7104 7521 7779
Khác 36974 39352 40301
Tổng 161642 170967 174453
Nguồn [22]

Từ số liệu bảng 1.1 cho thấy, Brazin và Ấn Độ là hai cường quốc đứng đầu
Thế giới về sản lượng đường đạt được, chiếm khoảng 40% tổng sản lượng đường
của Thế giới. Tiếp đến là các quốc gia thuộc EU-27, sản lượng đường đạt được khá
cao với tỷ lệ 10%.
Xuất khẩu đường thô trên Thế giới đạt 58 triệu tấn niên vụ 2011 - 2012. Dẫn
đầu là Brazin (24,6 triệu tấn) và Thái Lan (9 triệu tấn). Tỷ lệ xuất khẩu đường của
một số quốc gia trên Thế giới được thể hiện ở hình 1.1 [22].


6


Hình 1.1. Tỷ lệ xuất khẩu đường của một số quốc gia trên Thế giới
Giá đường có những biến động lớn qua các năm được thể hiện qua hình 1.2 [22].

Hình 1.2. Giá đường Thế giới giai đoạn 1960 – 2011
Giá đường Thế giới đạt mức kỷ lục vào năm 1975 (148,88 USD/tấn). Sau đó
giảm đáng kể qua các năm. Năm 2011 giá đường Thế giới chỉ còn ở mức 46,62

USD/tấn, giảm 102,26 USD/tấn so với năm 1975.
1.1.2. Tổng quan về sản xuất mía đường tại Việt Nam
Ngành đường của Việt Nam nhìn chung khá lạc hậu so với Thế giới. Trước
1954, toàn bộ miền Bắc không có nhà máy đường nào. Sau 1975, ở miền Nam đã
phục hồi lại các nhà máy đường Bình Dương, Hiệp Hòa, Phan Rang, Khánh Hội,
Biên Hòa; xây dựng mới các nhà máy đường La Ngà, Lam Sơn, Tây Ninh.


7

Ngành sản xuất mía đường ở nước ta vẫn đang gặp nhiều khó khăn, yếu thế
cạnh tranh trên chính thị trường nội địa do mức chênh lệch giá sản xuất ở nội địa
luôn cao hơn so với các nước trên Thế giới cùng với đường nhập lậu từ Trung
Quốc, Thái Lan…dẫn đến lượng hàng tồn kho ngày càng gia tăng.
Ngành mía đường Việt Nam là ngành sản xuất có tính thời vụ, thường chủ
yếu thu hoạch và sản xuất trong thời gian khoảng 5 tháng (tháng 11 đến tháng 4
năm sau), sau đó tồn kho thành phẩm để bán cho các tháng còn lại trong năm. Vì
vậy nên chi phí tồn trữ hàng hóa này rất cao và giá thành sản phẩm khá cao [13].
Trong bối cảnh chung của nền kinh tế cả nước gặp nhiều khó khăn: tốc độ
tăng trưởng GDP thấp, sức tiêu thụ nội địa giảm… ngành mía đường còn gặp thêm
khó khăn bởi sự xâm nhập của đường lậu, tuy nhiên niên vụ mía 2012 - 2013 vẫn
tiếp tục phát triển với mức tăng trưởng khá. Cả nước trồng hơn 298.000 ha mía,
tăng hơn 15.000 ha so với vụ trước; năng suất bình quân đạt 63,9 tấn/ha, tăng với
niên vụ trước 2,2 tấn/ha; tổng sản lượng mía thu được 19,04 triệu tấn, tăng 1,5 triệu
tấn so với cùng kỳ và đã sản xuất được 1,53 triệu tấn đường. Tuy nhiên, so với Thế
giới năng suất, chất lượng mía đường chúng ta còn thấp và chi phí sản xuất mía cao.
Vì vậy, khi giá đường xuống thấp, cả doanh nghiệp chế biến và người trồng mía đều
gặp khó khăn [1,2].
Vụ đường 2012 - 2013, lượng đường tồn kho cuối vụ là gần 400 ngàn tấn,
cao hơn vụ trước 150 ngàn tấn. Giá bán đường thời điểm cuối năm đã giảm từ 1000

– 2000 đồng/kg so với thời điểm đầu năm [2].
Trong 37 nhà máy sản xuất mía đường của cả nước đa số là thuộc doanh
nghiệp nhà nước. Các nhà máy lớn như là: nhà máy đường Nghệ An Tatte & Lyle,
nhà máy đường Sơn La, nhà máy đường Biên Hòa, nhà máy đường Lam Sơn, nhà
máy đường Bourbon Tây Ninh… có công suất từ khoảng 5000 – 12000 tấn/ngày
(Bảng 1.2).


8

Bảng 1.2. Xếp hạng 10 công ty đường lớn nhất Việt Nam theo công suất thiết
kế nhà máy niên vụ 2011 - 2012
TT Công ty Vùng miền
Công suất
(tấn/ngày)
Sản lượng
đường
(tấn/vụ)
1 Quảng Ngãi Duyên hải miền Trung 12200 90180
2 Lam Sơn Bắc Trung Bộ 10500 82120
3 Khánh Hòa Duyên hải miền Trung 10 000 70860
4 N.An-Tate & Lyle Bắc Trung Bộ 9000 58500
5 Bourbon Tây Ninh Đông Nam Bộ 9000 74000
6 Cần Thơ ĐB sông Cửu Long 6500 91508
7 Phú Yên Duyên hải miền Trung 6000 70200
8 Việt Đài Bắc Trung Bộ 6000 58000
9 NIVL Long An ĐB sông Cửu Long 5000 54000
10 Biên Hòa Đông Nam Bộ 4850 52840
Nguồn [13]
Công nghiệp sản xuất mía đường ở Việt Nam là ngành gây ô nhiễm khá lớn

do công nghệ lạc hậu, thiết bị rò rỉ nhiều nhưng chất thải lại không được xử lý thích
hợp. Trong số các chất ô nhiễm có bụi khói lò hơi, bùn lọc, nước thải, khí thoát ra
từ các tháp phản ứng sunfit hóa và cacbonat hóa. Riêng bã mía được dùng làm
nhiên liệu hoặc để sản xuất giấy bìa…, còn mật rỉ được lên men để chế biến cồn.
1.1.3. Tổng quan về quy trình công nghệ sản xuất đường
Nguyên liệu để sản xuất là mía. Mía được trồng ở vùng nhiệt đới và cận
nhiệt đới. Việc chế biến đường phải thực hiện nhanh, ngay trong mùa thu hoạch để
tránh thất thoát sản lượng và chất lượng đường. Công nghiệp chế biến đường hoạt
động theo mùa vụ do đó lượng chất thải cũng phụ thuộc vào mùa thu hoạch


9

a) Thành phần của mía và nước mía
Thành phần của mía thay đổi theo vùng, dao động trong khoảng sau [50]:
Bảng 1.3. Thành phần của mía và nước mía
Thành phần Đơn vị Mía cây Nước mía
Nước
%
69 - 75 75 - 88
Sucrose
%
8 - 16 10 - 21
Đường khử
%
0,5 - 2 0,3 - 3
Chất hữu cơ
(Ngoại trừ đường)
%
0,5 - 1 0,5 - 1

Chất vô cơ
%
0,2 - 0.6 0,2 - 0,6
Hợp chất Nitơ
%
0,5 - 1 0,5 - 1
Tro (Phần lớn là
Kali)
%
0,3 – 0,8
-

 Nước mía có màu do các nguyên nhân sau:
- Từ thân cây mía : màu do chlorophyll, anthocyanin, saccharetin và tanin gây
ra.
- Do các phản ứng phân hủy hóa học: Khi cho vào nước mía lượng nước vôi,
hoặc dưới tác dụng của nhiệt độ, nước mía bị đổi màu.
- Do sự phản ứng của các chất không đường với những chất khác.
- Chlorophyll thường có trong cây mía, nó làm cho nước mía có màu xanh lục.
Trong nước mía, chlorophyll ở trạng thái keo, nó dễ dàng bị loại bỏ bằng
phương pháp lọc.
- Anthocyanin chỉ có trong loại mía có màu sẫm, ở dạng hòa tan trong nước.
Khi thêm nước vôi, màu đỏ tía của anthocyanin bị chuyển sang màu xanh lục
thẫm. Màu này khó bị loại bỏ bằng cách kết tủa với vôi (vì lượng vôi dùng
trong công nghệ sản xuất đường không đủ lớn) hay với H
2
SO
4
.

10

- Saccharetin thường có trong vỏ cây mía. Khi thêm vôi, chất này sẽ trở thành
màu vàng được trích ly. Tuy nhiên loại màu này không gây độc, ở pH < 7,0
màu biến mất.
- Tanin hòa tan trong nước mía, có màu xanh, khi phản ứng với muối sắt sẽ
biến thành sẫm màu. Dưới tác dụng của nhiệt độ tanin bị phân hủy thành
catehol, kết hợp với kiềm thành protocatechuic. Khi đun trong môi trường
axit phân hủy thành các hợp chất giống saccharetin.
- Ở nhiệt độ cao hơn 200
o
C, đường sucrose và hai loại đường khử (glucose và
fructose) bị caramel hóa và tạo màu đen. Ở nhiệt độ cao hơn 55
o
C, đường
khử đã bị phân hủy thành các hợp chất có màu rất bền.
c) Công nghệ sản xuất đường
Năng suất đường thành phẩm của mỗi nhà máy đạt được có sự khác nhau
phụ thuộc vào chất lượng nguyên liệu mía đầu vào, trình độ công nghệ thiết bị sản
xuất và kinh nghiệm của đội ngũ cán bộ kỹ thuật trong quá trình vận hành. Về quy
trình công nghệ sản xuất nhìn chung là tương tự như dưới đây [50].


11


Hình 1.3. Sơ đồ công nghệ sản xuất đường và các dòng thải
Thuyết minh quy trình công nghệ:
1. Chuẩn bị nguyên liệu: Mía được đưa lên băng tải, qua máy khỏa vào máy

băm chặt để tạo thành các mảnh nhỏ và tơi.
2. Giai đoạn ép lấy nước mía


12

Mía nguyên liệu được đưa đến hệ thống gồm nhiều máy ép. Bã mía sau khi
ra khỏi máy ép thứ nhất (1) được đưa đến máy ép thứ hai (2). Bã sau khi ra khỏi
máy ép được tưới nước thẩm thấu nhằm pha loãng lượng nước mía còn chứa trong
bã sau đó bã được đưa đến máy ép thứ ba (3). Bã ra khỏi máy ép thứ ba (3) tiếp tục
được tưới nước nóng rồi đưa đến máy ép thứ tư (4). Việc tưới nước thẩm thấu nhằm
tăng hiệu suất lấy đường, sau đó qua các máy ép kế tiếp nước đường loãng sẽ được
lấy ra và cứ như thế cho tới khi đường được lấy ra ở mức cao nhất.
Các chất thải ở giai đoạn này chủ yếu là nước rửa, bọt váng và bã mía gồm
hai loại: bã dài làm chất đốt cho lò hơi và bã nhuyễn.
3. Làm sạch nước mía
Nước mía sau khi được thu từ máy ép được bơm đến máy lọc để loại các bã
nhuyễn. Sau đó cho cân nước mía và bổ sung dung dịch P
2
O
5
rồi qua bình gia nhiệt
để nâng nhiệt đó lên 70
0
C, tiếp theo là vào tháp sục khí SO
2
, đồng thời bổ sung sữa
vôi. Độ pH của dung dịch được điều chỉnh bằng thiết bị tự động. Công đoạn này gọi
là làm trong, các chất khác cần thiết để xử lý như photphat, cacbonat, xút…sau đó
cho nước mía gia nhiệt lần hai để giảm độ nhớt, chuẩn bị cho bước sau.

Lắng và lọc: nhằm tận dụng lượng đường còn sót lại trong bùn.
Chất thải ở giai đoạn này chủ yếu là bùn gồm các chất vô cơ và hữu cơ chứa
trong nguyên liệu; nước thải từ khâu lọc và nước cấp cho tháp tạo chân không của
máy lọc.
4. Cô đặc nước mía
Nước chè qua bình gia nhiệt rồi vào hệ thống năm nồi cô chân không đa hiệu
(dòng xuôi chiều). Hơi nước gia nhiệt cho nồi cô thứ nhất được lấy từ hơi thứ của
Turbin. Hơi từ nồi thứ năm sẽ được ngưng tụ trong tháp baromet. Trữ lượng đường
của nước chè sẽ tăng, dung dịch này được gọi là siro.
Chất thải ở giai đoạn này có từ nước rửa và nước cấp để làm lạnh có chứa
nước ngưng tụ từ nồi cô đặc có thể có chứa đường.



13

5. Làm sạch mật mía
Là giai đoạn bỏ các tạp chất và khử màu. Bằng cách đưa qua gia nhiệt, lắng nổi
để loại bọt và tạp chất rồi sục SO
2
lần hai để khử màu, giảm độ nhớt để chuẩn bị nấu.
6. Nấu đường trợ tinh
Là giai đoạn siro được cô đặc trong nồi nấu chân không đến trạng thái bão
hòa, khi đó các tinh thể đường xuất hiện và tăng dần kích thước, đạt đến yêu cầu tại
thùng trợ tinh.
7. Ly tâm tách mật
Quá trình ly tâm nhằm tách tinh thể đường ra khỏi mật bằng lực ly tâm. Máy ly
tâm sinh lực ly tâm làm cho mật văng ra qua lưới ly tâm bên thành máy, còn đường
cát hạt to không lọt qua lưới nằm lại. Khả năng tách mật phụ thuộc vào loại “đường
non” và tính năng máy ly tâm.

Nước thải từ giai đoạn này gồm nước thải chứa mật và nước từ tháp ngưng tụ
khâu nấu đường.
8. Hoàn thành sản phẩm
Đường qua sấy cho khô và nguội, rồi qua sàng để phân loại kích thước sản
phẩm theo yêu cầu sau đó cho đóng bao và vận chuyển về kho.
Chất thải trong công đoạn này là bụi đường lẫn với không khí, rác thải từ
khâu đóng bao.
1.2. Đặc tính nước thải ngành mía đường
1.2.1. Các dòng thải
Trong quá trình sản xuất nhà máy mía đường sử dụng lượng nước có thể gấp
khoảng 15 - 20 lần nguyên liệu, dẫn đến lượng nước thải phát sinh lớn. Các dòng
thải có thể được phân loại như sau [11,50,51]:
 Nước thải loại 1:


14

Là nước thải từ các nguồn nước làm mát máy, thiết bị trong dây chuyền sản
xuất của nhà máy. Theo nguồn ô nhiễm, nước thải loại 1 bao gồm nước làm nguội
dầu nước làm nguội đường do không tránh khỏi được những rò rỉ nhất định, nước
làm nguội máy, thiết bị khi thải ra sẽ bị ô nhiễm dầu mỡ, đường. Giá trị BOD
5

thường dao động từ 200 đến 400 mg/L. Lưu lượng nước thải loại này thường trong
khoảng định mức 0,97 - 1,2 m
3
/tấn mía.
 Nước thải loại 2:
Là nước thải từ các cột ngưng tụ tạo chân không của các thiết bị (bốc hơi,
nấu đường…). Đây là loại nước thải có mức ô nhiễm rất nhẹ, thường có trị số BOD

5

thấp (20 - 25 mg/L), SS thấp (30 - 35 mg/L), COD thấp (50 - 60 mg/L). Lưu lượng
của loại nước thải này thường nhỏ, khoảng 0,25 m
3
/tấn mía.
 Nước thải loại 3:
Gồm tất cả các loại nước thải còn lại như nước rửa vệ sinh ở các khu vực
trong nhà máy: nước xả đáy nồi hơi, nước thải phòng thí nghiệm, nước rò rỉ đường
ống, nước thải lọc vải, vệ sinh máy móc thiết bị…Nước thải loại 3 có độ ô nhiễm
rất cao, BOD
5
thường trong khoảng 1200 - 1700 mg/L, COD thông thường khoảng
2200 mg/L, pH < 5, SS thường trong khoảng 780 - 900 mg/L, ngoài ra còn có dầu
mỡ, các thành phần gây màu và mùi.
Lưu lượng nước thải loại này thường bằng 50% tổng lượng nước thải trong
nhà máy trong khoảng 0,99 - 1,3 m
3
/tấn mía.
1.2.2. Các thông số đặc trưng của nước thải nhà máy đường
Do nước thải của ngành công nghiệp mía đường luôn có lưu lượng lớn và
thường chứa một lượng lớn các chất hữu cơ và chất rắn vô cơ. Các chất này dễ bị
lắng đọng và phân hủy bởi các vi sinh vật, gây mùi thối làm ô nhiễm nguồn nước
tiếp nhận. Đường có trong nước thải chủ yếu là đường sucrosa và các loại đường
khử như glucose và fructose, trong đó: Fructose, C
6
H
12
O
6

tan trong nước; Sucrose,


15

C
12
H
22
O
11
là sản phẩm thủy phân của Fructose và Glucose, tan trong nước. Các loại
đường này dễ phân hủy trong nước. Chúng có khả năng gây cạn kiệt oxy trong
nước, tạo ra các loại khí như: H
2
S, CO
2
, CH
4
, làm ảnh hưởng đến hoạt động của hệ
sinh thái thủy sinh.
Tính chất và đặc trưng nước thải qua các công đoạn không giống nhau, có
khi biến động rất lớn (Bảng 1.4) [11].
Bảng 1.4. Đặc tính nước thải ở các công đoạn sản xuất
Công đoạn sản xuất
COD
(mg/L)
BOD
5

(mg/L)
TSS
(mg/L)
Nước làm mát trục ép 277- 290 245 – 255 -
Nước rửa trục ép 2374 – 4762 1300 – 1600 814 – 3494

Nước thải lò hơi 100 – 800 - -
Nước thải tại cống chung 223 – 982 75 – 667 1672
Nước thải từ đáy tháp chưng cất 24500 – 95600 5500 – 22500 -
Đặc tính nước thải của từng nhà máy cũng khác nhau chủ yếu do nguyên
liệu đầu vào và thiết bị, công nghệ suất sản xuất… khác nhau (Bảng 1.5) [11].


16

Bảng 1.5. Đặc điểm nước thải một số nhà máy mía đường
TT

Tên nhà máy
pH
T
(
0
C)
COD
(
mg/L
)

BOD

5

(
mg/L
)
SS
(
mg/L
)

N
ts

(
mg/L
)

P
ts
(
mg/L
)

1
CT đường Bình
Dương
6,9 40,5

301 100 206 17,23 0,95
2

NM đường Hiệp
Hòa
5,8 43,4

223 75 45 5,65 0,06
3
NM đường Sơn
Dương
6,4 32,5

493 292 28 11,67 1,05
4
NM đường Nông
Cống
5,6 25,7

1265 400 54 10,0 1,73
5
NM đường Việt
Trì
4,5 - 4762 1300 1278 192,8 10,4
6
NM đường Cam
Ranh
6,2 33 2354 992 421 162 11
7
CT mía đường
Hòa Bình
6,22

44,7

861 520 114 10,8 0,796
QCVN
40:2011/BTNMT
(cột B)
5,5-
9
40 150 50 100 40 6

Các thông số đặc trưng của nước thải nhà máy đường được thể hiện qua bảng 1.6 [45].




17

Bảng 1.6. Các thông số đặc trưng của nước thải ngành mía đường
Thông số Đơn vị Giá trị
pH - 5,2 - 6,5
Màu sắc - Vàng đỏ
TSS mg/L 760 - 800
VSS mg/L 173 - 2190
N
ts
mg/L 15 - 40
P
ts
mg/L 1,3 - 2,5
COD mg/L 1000 - 4340

BOD
5
mg/L 350 - 2750

Như đã đề cập ở trên, phần lớn chất rắn lơ lửng trong nước thải mía đường là
chất vô cơ. Nước rửa mía cây chủ yếu chứa các hợp chất vô cơ. Trong điều kiện
công nghệ bình thường, nước làm nguội, rửa than và nước thải từ các quy trình khác
có tổng chất rắn lơ lửng không đáng kể. Tuy nhiên trong điều kiện các thiết bị lạc
hậu, bị rò rỉ thì hàm lượng các chất rắn huyền phù trong nước thải có thể tăng cao.
Các chất thải của nhà máy đường làm cho nước thải có tính axit. Trong
trường hợp ngoại lệ, độ pH có thể tăng cao do có trộn lẫn CaCO
3
hoặc nước xả rửa
cột resin.
Ngoài các chất đã nói trên, trong nước thải nhà máy đường còn thất thoát
lượng đường khá lớn, gây thiệt hại đáng kể cho nhà máy.
Bên cạnh đó nước thải còn có các chất màu anion và cation (chất màu của
các axit hữu cơ, muối kim loại tạo thành) do việc xả rửa liên tục các cột tẩy màu
resin và các chất không đường dạng hữu cơ (các axit hữu cơ), dạng vô cơ (Na
2
O,
SiO
2
, P
2
O
5
, Ca, Mg và K
2
O). Dựa vào đặc tính của nước thải, và yêu cầu mức độ xử

lý đặt ra: nước thải phải đạt tiêu chuẩn xả thải loại B (QCVN 40/2011 BTNMT).


18

1.2.3. Ảnh hưởng của nước thải mía đường
Hiện nay, bên cạnh các nhà máy đường đã có hệ thống xử lý nước thải hoàn
chỉnh thì vẫn còn nhiều nhà máy đường và nhiều cơ sở sản xuất tư nhân có hệ thống
xử lý nước thải chưa hiệu quả, thậm chí là không có hệ thống xử lý nước thải, xả
thải trực tiếp ra môi trường. Với lưu lượng lớn, hàm lượng chất hữu cơ và chất dinh
dưỡng cao, nước thải nhà máy đường đã và đang làm ô nhiễm các nguồn tiếp nhận.
Trên thực tế có một số nhà máy mía đường chưa xử lý nước thải đã xả thải
trực tiếp ra môi trường gây ảnh hưởng lớn đến môi trường xung quanh: Nhà máy
mía đường Đắc Nông làm ô nhiễm sông Sê rê pốc khiến cá chết hàng loạt. Công ty
Cổ phần mía đường Lam Sơn gây ô nhiễm nặng nề trong nhiều năm: nguồn nước
ngầm của các hộ dân xung quanh bị hủy hoại và ô nhiễm trầm trọng vì có váng đục,
mùi khét, vào mùa mưa nước thải hôi thối, đen kịt lênh láng ngoài đồng ruộng khiến
hàng chục hecta lúa bị chết…Công ty TNHH Mía đường Cồn Long Mỹ Phát không
qua xử lý đã thải trực tiếp ra sông Cái Lớn, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nguồn
nước, hàng chục bè cá, ao nuôi cá ở xung quanh bị chết và tro bụi từ nhà máy đã
phát tán gây ô nhiễm nghiêm trọng sức khỏe người dân…[49].
Tác động chính nhất từ hoạt động sản xuất mía đường đến môi trường là việc
tiêu thụ quá nhiều nước trong khi nguồn tài nguyên này lại đang bị khai thác quá
mức, để sản xuất được 1 kg đường thì cần đến 150 - 300 lít nước hay là chỉ để rửa 1
tấn mía thì cần đến 10 m
3
nước [21].
1.3. Tổng quan về công nghệ sinh học xử lý nước thải và tiềm năng khai thác
năng lượng từ nước thải ngành mía đường
Đối với nước thải có tải trọng chất hữu cơ cao như nước thải mía đường, việc

áp dụng phương pháp xử lý sinh học là rất phù hợp. Bản chất của phương pháp này
là sự phân hủy các chất hữu cơ nhờ vào hoạt động của các vi sinh vật. Các vi sinh
vật sẽ sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng để làm chất dinh dưỡng tổng
hợp tế bào mới và tạo năng lượng, qua đó làm giảm hàm lượng các chất ô nhiễm
trong nước thải.


19

1.3.1. Công nghệ xử lý sinh học kỵ khí
Xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí (anaerobic) tuy chỉ mới xuất hiện vào
nửa cuối của thế kỷ 20 nhưng đã trở thành một công nghệ có nhiều ưu điểm hơn
công nghệ xử lý sinh học hiếu khí (aerobic). Ở nhiều nước, nó đã trở thành một hệ
thống xử lý được áp dụng rộng rãi.
a) Cơ chế của quá trình phân hủy kỵ khí
Quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ là một quá trình phức tạp
gồm nhiều giai đoạn có thể tóm tắt trong hình 1.4 [42].


Hình 1.4. Quy trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ
Cơ chế phân hủy kỵ khí có thể biểu diễn theo phương trình tổng quát sau đây
[17]:

Tuy nhiên, trong thực tế quá trình phân hủy kỵ khí thường xảy ra theo 4
giai đoạn
 Giai đoạn 1: Giai đoạn thuỷ phân [17,30]
Dưới tác dụng của các enzym hydrolaza do vi sinh vật tiết ra, các hợp chất
hữu cơ phức tạp có phân tử lượng lớn như protein, gluxit, lipit…được phân giải
thành các chất hữu cơ đơn giản có phân tử lượng nhỏ như đường, peptit, glyxerin,
axít amin, axít béo…

20


 Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men axít hữu cơ [17,30]
Các sản phẩm thuỷ phân sẽ được các vi sinh vật hấp thụ và chuyển hoá, các
sản phẩm thuỷ phân sẽ được phân giải yếm khí tiếo tục tạo thành axít hữu cơ phân
tử lượng nhỏ như axit propionic, axit butyric, axit axetic,… các rượu, andehyt,
axeton và cả một số axít amin. Trong giai đoạn này BOD
5
và COD giảm không
đáng kể nhưng pH của môi trường có thể giảm mạnh.
- Sự lên men axit lactic:

- Sự lên men ethanol:

 Giai đoạn 3: Lên men tạo axit axetic
Các sản phẩm lên men phân tử lượng lớn như axit béo, axit lactic sẽ được
từng bước chuyển hoá thành axit axetic:

 Giai đoạn 4: Giai đoạn metan hoá [17]