nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở fbbr (fluidized bed biological reactor) với chất mang hạt pva gel ở tải trọng hữu cơ cao
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.64 MB, 91 trang )
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
MỤC LỤC
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ..................................................................................... 3
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................ 5
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. 6
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 7
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ............................................................... 10
1.1
Tổng quan về ngành sản xuất bia tại Việt Nam ...............................................10
1.2
Quá trình sản xuất – Chế biến bia ....................................................................10
1.2.1
Nguyên liệu sản xuất .................................................................................10
1.2.2
Quá trình sản xuất – Chế biến bia ............................................................ 12
1.3
Tổng quan về nước thải bia..............................................................................14
1.3.1
Nguồn gốc nước thải bia ...........................................................................14
1.3.2
Thành phầ n – tính chấ t nước thải bia .......................................................15
1.3.3
Các tác động môi trường của nước thải bia .............................................17
1.4
Hệ thống xử lý nước thải của một số nhà máy bia ..........................................17
1.4.1
Nhà máy bia Sabmiller ..............................................................................17
1.4.2
Nhà máy bia Viê ̣t Nam (VBL)....................................................................19
1.4.3
Nhà máy bia Sài Gòn – Củ Chi .................................................................20
1.5
Tổng quan về quá trình phân hủy kỵ khí .........................................................22
1.5.1
Q trình phân hủy kỵ khí .........................................................................22
1.5.2
Các yếu tố cần quan tâm trong q trình phân hủy kỵ khí .......................28
1.6
Tổng quan về cơng nghệ sinh học kị khí tầng dãn nở và giá thể pva-gel ........37
1.6.1
Giới thiệu về cơng nghệ sinh học kị khí tầng dãn nở ................................ 37
1.6.2
Giới thiệu về giá thể PVA-gel ...................................................................40
1.7
Một số nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý kỵ khí kết hợp giá thể PVA-Gel
..........................................................................................................................41
CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................... 43
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
1
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
2.1
Vật liệu nghiên cứu ..........................................................................................43
2.1.1
Nước thải ...................................................................................................43
2.1.2
Giá thể PVA gel .........................................................................................43
2.1.3
Bùn nuôi cấy ban đầu ................................................................................44
2.2
Sơ đồ nghiên cứu ............................................................................................. 44
2.3
Mơ hình nghiên cứu .........................................................................................45
2.4
Chế độ vận hành ............................................................................................... 48
2.5
Phân tích mẫu – Xử lý số liệu ..........................................................................50
2.6
Xử lý số liệu .....................................................................................................50
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 52
3.1
Kết quả vận hành tải trọng 20 (Tải trọng 20 kg/m3.ngày) ............................... 52
3.1.1
Kết quả phân tích các chỉ tiêu ...................................................................52
3.1.2
Nhận xét chung về kết quả các thí nghiệm ở tải trọng 20 kgCOD/m3.ngày .
...................................................................................................................53
3.2
Kết quả vận hành tải trọng 25 (Tải trọng 25 kg/m3.ngày) ............................... 56
3.2.1
Kết quả phân tích các chỉ tiêu ...................................................................56
3.2.2
Nhận xét chung về kết quả các thí nghiệm ở tải trọng 25 kgCOD/m3.ngày .
...................................................................................................................57
3.3
Kết quả vận hành tải trọng 30 (Tải trọng 30 kg/m3.ngày)............................... 61
3.3.1
Kết quả phân tích các chỉ tiêu ...................................................................62
3.3.2
Nhận xét chung về kết quả các thí nghiệm ở tải trọng 3 ...........................62
3.4
Kết quả vận hành bể FBBR qua các tải trọng ..................................................66
3.4.1
Thông số các chỉ tiêu qua các tải ............................................................. 66
3.4.2
Nhận xét chung về kết quả qua các thí nghiệm.........................................68
3.5
Đề xuất công nghệ áp dụng FBBR vào thực tế................................................77
KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ........................................................................................ 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 83
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 85
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
2
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Sơ đồ sản xuất bia. .........................................................................................12
Hình 1. 2Dây chuyền xử lý nước thải nhà máy bia Sabmiller. .....................................18
Hình 1. 3 Dây chuyền xử lý nước thải nhà máy bia Việt Nam. ....................................20
Hình 1. 4 Dây chuyền xử lý nước thải nhà máy bia Sài Gòn – Củ Chi. .......................21
Hình 1. 5 Quá trình phân huỷ chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí. ............................... 24
Hình 1. 6 Sơ đồ phản ứng xảy ra trong quá trình sinh học kỵ khí. ............................... 28
Hình 1. 7 Bể kỵ khí đệm giãn nở (FB/EB). ...................................................................38
Hình 1. 8 Giới thiệu về hạt PVA gel. ............................................................................41
Hình 2. 1 Sơ đồ nghiên cứu. ..........................................................................................45
Hình 2. 2 Mơ hiǹ h thí nghiê ̣m. ......................................................................................46
Hình 2. 3 Mơ hình thí nghiệm thực tế. ..........................................................................47
Hình 3. 1 Kết quả xử lý COD ở tải trọng 20 kgCOD/m3.ngày. ....................................53
Hình 3. 2 Kết quả xử lý BOD5 ở tải trọng 20 kgCOD/m3.ngày. ...................................53
Hình 3. 3 Sự thay đổi giá trị pH ở tải trọng 20 kgCOD/m3.ngày. .................................54
Hình 3. 4 Kết quả xử lý TP ở tải trọng 20 kgCOD/m3.ngày. ........................................54
Hình 3. 5 Hiệu quả xử lý TKN tải trọng 20kgCOD/m3.ngày. .......................................55
Hình 3. 6 Sự thay đổi thành phần Nito trong TKN ở tải trọng 20 kgCOD/m3.ngày .....56
Hình 3. 7 Hiệu quả xử lý COD ở tải trọng 25 kgCOD/m3.ngày. .................................57
Hình 3. 8 Hiệu quả xử lý BOD5 ở tải trọng 25 kgCOD/m3.ngày. ................................ 58
Hình 3. 9 Sự thay đổi giá trị pH ở tải trọng 25 kgCOD/m3.ngày. .................................59
Hình 3. 10 Hiệu quả xử lý TP ở tải trọng 25 kgCOD/m3.ngày. ....................................60
Hình 3. 11 Hiệu quả xử lý TKN ở tải trọng 25 kgCOD/m3.ngày..................................60
Hình 3. 12 Sự thay đổi thành phần Nito trong TKN ở tải trọng 25 kgCOD/m3.ngày. ..61
Hình 3. 13 Hiệu quả xử lý COD ở tải trọng 30 kgCOD/m3.ngày. ................................ 63
Hình 3. 14 Hiệu quả xử lý BOD5 ở tải trọng 30 kgCOD/m3.ngày. ............................... 63
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
3
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
Hình 3. 15 Sự thay đổi giá trị pH ở tải trọng 30 kgCOD/m3.ngày. ............................... 64
Hình 3. 16 Hiệu quả xử lý TP ở tải trọng 30 kgCOD/m3.ngày. ...................................65
Hình 3. 17 Hiệu quả xử lý TKN ở tải trọng 30 kgCOD/m3.ngày..................................65
Hình 3. 18 Sự thay đổi thành phần Nito trong TKN ở tải trọng 30 kgCOD/m3.ngày. ..66
Hình 3. 19 Trung bình nồng độ và hiệu xuất xử lý COD qua các tải trọng hữu cơ. .....68
Hình 3. 20 Hiệu quả xử lý COD qua các tải trọng hữu cơ. ...........................................68
Hình 3. 21 Trung bình nồng độ và hiệu suất xử lý BOD5 qua các tải trọng hữu cơ. ....70
Hình 3. 22 Sự thay đổi giá trị pH qua các tải trọng hữu cơ. ..........................................70
Hình 3. 23 Hiệu quả xử lý TP qua các tải trọng hữu cơ. ..............................................71
Hình 3. 24 Hiệu quả xử lý TKN qua các tải trọng hữu cơ. ...........................................72
Hình 3. 25 Sự thay đổi thành phần Nito trong TKN qua các tải trọng hữu cơ. ............73
Hình 3. 26 Sự thay đổi hàm lượng VFA theo chiều cao cột mơ hình. ..........................74
Hình 3. 27 Các hạt gel trước khi nghiên cứu và ở cuối mỗi tải trọng nghiên cứu. .......76
Hình 3. 28 Sơ đồ cơng nghệ áp dụng bể kỵ khí FBBR với giá thể PVA gel. ...............78
Hình PL. 1 Máy bơm định lượng DME. ......................................................................85
Hình PL. 2 Tủ điện. .......................................................................................................85
Hình PL. 3Thùng chứ nước thải đầu vào. .....................................................................85
Hình PL. 4 Hai bơm tuần hồn. .....................................................................................85
Hình PL. 5 Nước thải lấy từ van dưới, van giữa và van cuối của bể FBBR. ................86
Hình PL. 6 Van lấy mẫu ................................................................................................ 86
Hình PL. 7 Đáy nón Inox .............................................................................................. 86
Hình PL. 8 Lưới chắn gel ngăn gel vào đường tuần hồn .............................................86
Hình PL. 9 Hạt PVA – gel trước khi đem sấy. .............................................................. 87
Hình PL. 10 Hạt PVA – gel sau khi sấy ở 105oC. .........................................................87
Hình PL. 11Hạt PVA – gel sau khi sấy ở 550oC. ..........................................................87
Hình PL. 12 Mẫu thí nghiệm chỉ tiêu TP. .....................................................................87
Hình PL. 13Thực hành thí nghiệm tại phịng thí nghiệm trường. .................................87
Hình PL. 14 Khu vực lấy nước thải tại nhà máy bia…………………………………87
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
4
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1 Tính chất đặc trưng của nước thải bia ...........................................................15
Bảng 1. 2 Tính chất nước thải một số nhà máy bia .......................................................16
Bảng 1. 3 Thông số nước thải nhà máy bia Sabmiller ..................................................17
Bảng 1. 4 Thông số nước thải nhà máy bia Việt Nam ..................................................19
Bảng 1. 5 Thông số nước thải nhà máy bia Sài Gòn – Củ Chi .....................................21
Bảng 1. 6 Các điều kiện vận hành trong bể FB kỵ khí ..................................................39
Bảng 2. 1 Tính chất đặc trưng của nước thải sản xuất bia ............................................43
Bảng 2. 2 Các thông số kỹ thuâ ̣t của ha ̣t PVA- gel .......................................................44
Bảng 2. 3 Kích thước thiết bị phản ứng ........................................................................48
Bảng 2. 4 Các thông số vận hành qua các tải trọng.......................................................49
Bảng 2. 5 Các phương pháp phân tích mẫu ...................................................................50
Bảng 3. 1 Các thông số vận hành ở tải trọng 20 kgCOD/m3.ngày ................................ 52
Bảng 3. 2 Kết quả phân tích các chỉ tiêu ở tải trọng 20 kgCOD/m3.ngày .....................52
Bảng 3. 3 Các thông số vận hành ở tải trọng 25 kgCOD/m3.ngày ................................ 56
Bảng 3. 4 Kết quả phân tích các chỉ tiêu ở tải trọng 25 kgCOD/m3.ngày. ....................57
Bảng 3. 5 Các thông số vận hành ở tải trọng 30 kgCOD/m3.ngày ................................ 61
Bảng 3. 6 Kết quả phân tích các chỉ tiêu ở tải trọng 30 kgCOD/m3.ngày .....................62
Bảng 3. 7 Thông số các chỉ tiêu qua các tải trọng hữu cơ ...........................................66
Bảng 3. 8 Số liệu thí nghiệm VFA ở các tải trọng hữu cơ ............................................74
Bảng 3. 9 Hàm lượng sinh khối dính bám lên hạt PVA gel ở cuối mỗi tải trọng .........77
Bảng PL. 1 Kết quả phân tích các thông số pH, COD, TP, TKN, NH4-N, SS, BOD5 ..88
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
5
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
BOD
Nhu cầu oxy sinh hoá (Biological Oxygen Demand)
COD
Nhu cầu oxy hoá học (Chemical Oxygen Demand)
TSS
Tổng chất rắn lơ lửng (Total Suspended Solid)
HRT
Thời gian lưu nước thuỷ lực (Hydraulic Retention Time)
TKN
Tổng nitơ Kjeldahl (Total Kjeldahl nitrogen)
DO
Oxy hòa tan (Dissolved Oxygen)
OLR
Tải lượng chất hữu cơ (Organic loading rate)
SRT
Thời gian lưu bùn (Sludge retention time)
CSTR Thiết bị bể khuấy liên tục (continuously stirred tank reactor-CSTR)
FA
Ammonia tự do (free ammonia-FA)
IC50, IC90, IC100 Nồng độ gây độc làm giảm tương ứng 50%, 90%, và 100% khả
năng sinh methane trên một thời gian chiếu sáng cố định.
LCFAs Các axit béo mạch dài (long chain fatty acids-LCFAs)
MPB
Vi khuẩn sinh methane (methane producing bacteria-MPB)
EPS
Hợp chất polymer ngoại bào ( Extracell polymeric substances)
SRB
Vi khuẩn loại bỏ sulfate (sulfate reducing bacteria-SRB)
TAN
Tổng N-NH3 (total ammonia nitrogen-TAN)
VFAs
Các axit béo có khả nang bay hơi (volatile fatty acids-VFAs)
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
6
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
PHẦN MỞ ĐẦU
1.
TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Bia là một loại thức uống giải khát có từ lâu đời và rất được ưa chuộng trên thế
giới. Ở các nước phương Tây, bia được xem là nước giải khát. Bia tiế p tu ̣c thố ng tri ̣thi ̣
trường đồ uố ng có cồ n, sản phẩ m bia chiế m 97.3% tổ ng sản lươ ̣ng đồ uố ng có cồ n
đươ ̣c tiêu thu ̣, theo WHO, 2014. Viê ̣t Nam đươ ̣c đánh giá là quố c gia đứng đầ u khu
vực Đông Nam Á về mức tiêu thu ̣ bia và nằ m trong nhóm đứng đầ u danh sách 25 nước
có lươ ̣ng bia tiêu thu ̣ tăng cao nhấ t thế giới.
Theo đánh giá của tổ chức nghiên cứu thi ̣ trường Euromonitor International, với
dân số gầ n 90 triê ̣u người, Viê ̣t Nam đang trở thành nước sản xuấ t bia hấ p dẫn nhấ t
khu vực. Báo cáo của Hiệp hội Bia - Rượu - Nước giải khát (VBA) cho thấy, trong
năm 2015 ước tính sản lượng bia đạt 3,4 tỷ lít, tăng 40,72% so với năm 2010 (2,416 tỷ
lít)... Bên ca ̣nh đó, mức tiêu thu ̣ bia bình quân đầ u người ta ̣i Viê ̣t Nam khoảng 31-32
lit́ /năm, so với mức 47 lit́ ta ̣i Nhâ ̣t Bản, 78 lit́ ta ̣i My,̃ hoă ̣c 107 lit́ ở Đức, thì cơ hô ̣i cho
thi ̣ trường bia phát triể n còn rấ t lớn. Nhiều hãng bia và nước giải khát nổi tiếng thế
giới đã đầu tư vào Việt Nam trong nhiều năm nay, trong đó có các hãng Carlsberg,
Heineken, Tiger, San Miguel…
Trước nhu cầ u gia tăng năng suấ t trong ngành chế biế n bia ngày mô ̣t nâng cao thì
ngày càng có nhiề u nhà máy đươ ̣c xây dựng. Hiện nay, cả nước có khoảng trên 320
nhà máy bia và các cơ sở sản xuất bia với tổng năng lực sản xuất đạt trên 800 triệu
lít/năm. Song song với phát triển kinh tế thì ngành cơng nghiệp sản xuất bia cũng đang
là mối quan tâm lớn trong vấn đề ô nhiễm môi trường đặc biệt là nước thải. Các loại
nước thải bia chứa hàm lượng lớn các chất lơ lửng, COD và BOD rấ t cao dễ gây ô
nhiễm môi trường và cần phải xử lý trước khi xả vào nguồn tiếp nhận. Chính vì vâ ̣y,
các nghiên cứu khoa ho ̣c về phương pháp xử lý nước thải bia mô ̣t cách có hiê ̣u quả cầ n
đươ ̣c thực hiê ̣n nhiề u hơn nhằ m phu ̣c vu ̣ cho viê ̣c ứng du ̣ng các công nghê ̣ này trong
sản xuấ t để làm giảm tác đô ̣ng đế n môi trường. Đề tài “Nghiên cứu xử lý nước thải sản
xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR (Fluidized Bed Biological
Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao” được thực hiện nhằm
góp phần tìm ra giải pháp khử các chất ơ nhiễm hữu cơ có trong nước thải sản xuất bia
một cách hiệu quả là cần thiết.
2.
MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở
FBBR (Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
7
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
cơ cao nhằm xác định hiệu quả xử lý thích hợp và thơng số vận hành tải tro ̣ng hữu cơ
tối ưu của mơ hình trong xử lý nước thải bia.
2.2 Nội dung nghiên cứu của đề tài
Đề tài tập trung vào nội dung chính sau:
- Tổng quan thành phần, tính chất và hiện trạng công nghệ xử lý nước thải sản xuất
bia..
- Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý COD, TKN, TP của nước thải sản xuất bia
bằng mơ hình bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR với chất mang hạt PVA-Gel ở tải
trọng hữu cơ cao với 3 tải trọng 20, 25, 30 kgCOD/m3.ngày.
- Đề xuất thông số vận hành (HRT, OLR, pH) thích hợp cho các bể phản ứng kỵ
khí sử dụng giá thể PVA-Gel khi áp dụng thực tế.
- Đánh giá sinh khối (theo VS) dính bám trên hạt PVA-Gel.
3. Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu ứng dụng bể phản ứng sử dụng q trình phân
hủy kỵ khí và kỵ khí kết hợp để xử lý nhiều loại nước thải khác nhau. Bên cạnh đó, bể
phản ứng áp dụng phân hủy kỵ khí có vật liệu làm giá thể rất phong phú, đa dạng về
vật liệu và kích thước.Việc sử dụng giá thể hạt polyvinyl alcohol (PVA-Gel) làm giá
thể trong bể FBBR xử lý nước thải bia là một nghiên cứu mới và là đề tài có tính thực
tiễn cao.
Kết quả nghiên cứu là cơ sở ban đầu đánh giá hiệu quả xử lý của bể FBBR đối với
nước thải sản xuất bia và khả năng áp dụng của bể phản ứng kỵ khí có chất mang hạt
PVA-Gel đối với các loại nước thải cơng nghiệp có chứa hàm lượng chất hữu cơ cao.
Xem xét khả năng ứng dụng của giá thể hạt PVA-Gel trong xử lý nước thải sản
xuất bia, góp phần rút ngắn thời gian khởi động cho các hệ thống xử lý kỵ khí sử dụng
bùn hạt, tăng khả năng ứng dụng thực tiễn của các bể kỵ khí FBBR (Fluidized Bed
Biological Reactor).
Có ý nghĩa thực tế sử dụng công nghệ vào xử lý nước thải bia.
4.
-
Nâng cao hiệu quả xử lý nước thải bia.
Giảm chi phí thiệt hại, sự cố môi trường.
Hạn chế ảnh hưởng gây ô nhiễm môi trường.
PHẠM VI – GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
Mơ hình nghiên cứu đươ ̣c tiến hành trên mơ hình quy mơ phịng thí nghiệm tại
Phịng Cấp Thốt Nước trường Đại học Tài nguyên và Môi trường thành phố
Hồ Chí Minh trong điều kiện bình thường: nhiệt độ ngồi trời.
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
8
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
-
-
Nước thải đươ ̣c sử du ̣ng trong nghiên cứu là nước thải thực lấy từ Công ty
TNHH Nhà Máy Bia Heineken Việt Nam (phường Thới An, quận 12, thành phố
Hồ Chí Minh).
Tải trọng hữu cơ vận hành mơ hình trong nghiên cứu này là 20, 25, 30
kgCOD/m3.ngày.
Nghiên cứu các thơng số phân tích mẫu được thực hiện tại phịng thí nghiệm
mơi trường, trường Đại học Tài ngun và Mơi trường thành phố Hồ Chí Minh.
Thời gian thực hiện nghiên cứu được tiến hành từ ngày 01/08/2016 đến ngày
12/12/2016.
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
9
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về ngành sản xuất bia tại Việt Nam
Bia được đưa vào Việt Nam từ năm 1890 cùng với sự xuất hiện của nhà máy Bia
Sài Gòn và nhà máy Bia Hà Nội, như vậy Bia Việt Nam đã có lịch sử trên 120 năm.
Hiện nay do nhu cầu của thị trường, chỉ trong một thời gian ngắn, ngành sản xuất bia
có những bước phát triển mạnh mẽ thông qua việc đầu tư và mở rộng các nhà máy bia
có từ trước và xây dựng các nhà máy bia mới thuộc trung ương và địa phương quản lý,
các nhà máy liên doanh với các hãng bia nước ngoài. Báo cáo của Hiệp hội Bia - Rượu
- Nước giải khát (VBA) cho thấy, trong năm 2015 ước tính sản lượng bia đạt 3,4 tỷ lít,
tăng 40,72% so với năm 2010 (2,416 tỷ lít). Lượng bia tiêu thụ của Việt Nam được dự
đốn sẽ cịn tiếp tục tăng cao trong tương lai. Tỷ lệ tiêu thụ bia rượu của Việt Nam
hiện nằm trong Top 25 của thế giới. Ông Dương Đình Giám, Viện trưởng Viện Chiến
lược chính sách Cơng nghiệp, Bộ Công thương, cho biết, theo quy hoạch phát triển
ngành bia rượu, nước giải khát Việt Nam, mục tiêu của nước ta đặt ra là đến năm
2020, tổng sản lượng sản xuất và tiêu thụ bia sẽ đạt 4,5 tỷ lít, tăng khoảng 1,3 tỷ lít so
với hiện tại. Đây là một "mảnh đất màu mỡ" cho các nhà đầu tư ngoại đến "khai phá".
Trước đó, vào giữa năm 2015, Việt Nam xếp thứ 5 trong 10 nước châu Á về tiêu thụ
bia, rượu bình quân, chỉ xếp sau Nhật Bản, Hàn Quốc, Thái Lan và Trung
Quốc. ( Theo số liệu thống kê của Hiệp hội Bia rượu Nước giải khát Việt Nam VBA). Hiện tại, các nhà sản xuất bia hàng đầu thế giới như Heineken, Carlsberg,
Anheuser – Busch InBev, Sapporo đều đã đầu tư xây dựng nhà máy ở Việt Nam.
Như vậy, trong thời gian tới, ngành công nghiệp sản xuất bia của Việt Nam sẽ phát
triển mạnh mẽ hơn nữa, số lượng nhà máy cùng hiệu suất hoạt động sẽ tăng cao. Đồng
thời lượng nước thải đưa vào mơi trường cũng khơng nhỏ. Cần có những phương pháp
xử lý nước thải sản xuất bia phù hợp, có hiệu quả cao, theo tiêu chuẩn xả thải trước khi
thải ra mơi trường.
1.2 Q trình sản xuất – Chế biến bia
1.2.1
Nguyên liệu sản xuất
a. Nước
Là một nguyên liệu không thể thiếu để sản xuất bia, chiếm từ 83 – 90% thành
phần chính của bia, với nhiều vai trị: pha lỗng malt, gạo, hoà tan các chất chiết, lọc…
b. Malt
Là đại mạch nẩy mầm, là nguồn nguyên liệu chính cung cấp chất hoà tan cho
dịch đường trước lên men. Ngoài việc cung cấp các hợp chất thấp phân tử dễ hoà tan,
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
10
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
chủ yếu là đường đơn giản như: dextrin bậc thấp, các acid amin, các nhóm
vitamin…malt còn cung cấp một hệ enzyme rất phong phú, chủ yếu là Amylase và
Protease để thuỷ phân tinh bột và protein thành các hợp chất thấp phân tử.
c. Gạo
Được coi là thế liệu hàng đầu trong sản xuất bia do hàm lượng glucid khá cao,
giá thành rẻ và thông dụng đối với Việt Nam, hàm lượng lipid thấp nên không ảnh
hưởng xấu đến độ bền bọt và cellulose ở giới hạn thấp là yếu tố lý tưởng cho việc sản
xuất bia.
d. Hoa Houblon
Là nguyên liệu cơ bản, đứng thứ 2 sau đại mạch trong công nghệ sản xuất bia.
Hoa Houblon làm cho bia có vị đắng dịu, hương thơm rất đặc trưng, làm tăng khả năng
tạo và giữ bọt, làm tăng độ bền keo và ổn định thành phần sinh học của sản phẩm. Do
đó hoa Houblon là nguyên liệu không thể thay thế trong công nghệ sản xuất bia.
e. Nấm men
Nấm men bia là loại sinh vật đơn bào, kích thước tế bào nấm men bia trung bình
6-9 µm, sinh sản bằng hình thức nảy chồi. Trong sản xuất bia, nấm men sẽ lên men
dịch đường thành CO2, C2H5OH. Bên cạnh đó cịn tạo ra nhiều sản phẩm bậc hai khác
có ảnh hưởng đến chất lượng của bia.
f. Các chất phụ gia
Là các chất được sử dụng dưới dạng các nguyên liệu phụ nhằm đạt được các yêu
cầu kỹ thuật cần thiết trong quá trình sản xuất bia. Bao gồm:
H2SO4 đậm đặc (95%): điều chỉnh pH của dịch đường, xúc tác các phản ứng
thủy phân.
CaCl2: dạng viên, dùng trong giai đoạn đầu của nồi malt. Có tác dụng làm
tăng khả năng chịu nhiệt, tăng độ bền tàng trữ bia, kết tủa tannin và anthocyanua có
trong vỏ malt, tạo độ trong cho bia.
Acid lactic: điều chỉnh pH của dịch đường.
Caramel: tạo độ màu cần thiết cho nước nha.
ZnCl2: là yếu tố vi lượng giúp nấm men phát triển tốt.
Acid asorbic: chất chống oxy hoá.
Collupulin: bản chất là enzyme proteolytic, có tác dụng phân huỷ những
chất có phân tử lượng cao trong bia nhằm hạn chế hiện tượng đục bia.
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
11
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
Maturex: bản chất là acetolactate decarboxylase, nhằm hạn chế tạo diacetyl
trong bia.
Diatomit: bột trợ lọc, dùng trong máy lọc ống.
Nhựa trao đổi ion: để hạn chế các polyphenol nhằm làm tăng độ trong của
bia, dùng trong máy lọc đĩa.
Hoá chất tẩy rửa: xút, acid HCl, Photphoric acide .v.v.
1.2.2
Quá trình sản xuất – Chế biến bia
Hình 1. 1 Sơ đồ sản xuất bia.
Nguồn: Sách Thốt nước – Tập 2- PGS.TS Hồng Văn Huệ [1].
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
12
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
Thuyết minh
Quá trình xay nguyên liệu: Malt và gạo được đưa đến bộ phận nghiền nguyên liệu
thành các mảnh nhỏ, sau đó chuyển sang nồi nấu để tạo điều kiện cho q trình chuyển
hóa ngun liệu và trích ly tối đa các chất hịa tan trong nguyên liệu.
Quá trình nấu bia: Trong quá trình này, malt sau khi được nghiền sẽ hoà tan chung
với nước theo một tỷ lệ phù hợp với từng loại sản phẩm và dưới tác dụng của các
enzyme ở nhiệt độ nhất định sẽ được đường hoá trong “nồi nấu malt”. Tương tự như
vậy, gạo sẽ được hồ hố (q trình tinh bột dưới tác dụng của nhiệt, trương nở và hịa
tan vào trong nước), sau đó được phối trộn lại với nhau trong nồi nấu malt để được
đường hoá trước khi được bơm sang nồi lọc. Mục đích chính của giai đoạn này là hoà
tan hết chất đường, minerals, cũng như một số protein quan trọng phục vụ quá trình
lên men ra khỏi những thành phần khơng hồ tan như vỏ trấu, chất sơ. Sau đó, tại nồi
lọc, người ta lọc hết chất lỏng ra khỏi trấu cũng như các chất sơ và mầm để lấy hết
lượng đường còn bám vào trong trấu. dịch đường này sẽ được đun sôi và houblon hố
nhằm trích ly chất đắng, tinh dầu thơm, polyphenol, các hợp chất chứa nitơ và các
thành phần khác của hoa houblon vào dịch đường để biến đổi nó thành dịch đường có
vị đắng và hương thơm dịu của hoa. Đồng thời quá trình này cũng giúp tăng độ bền
keo của dịch đường, thành phần sinh học của nó được ổn định và tăng hoạt tính sức
căng bề mặt tham gia vào quá trình tạo và giữ bọt. Sau khi q trình đun sơi và
houblon hố kết thúc thì toàn bộ lượng oxy đã bay ra ngoài theo hơi nước và trong
dịch đường có rất nhiều cặn. Do đó dịch đường cần được bơm qua bồn lắng cặn theo
phương pháp lắng xoáy để tách cặn trước khi đưa qua bộ phận làm lạnh nhanh, đưa
nhiệt độ xuống đến mức cần thiết phù hợp với nhiệt độ lên men.
Quá trình lên men: Là giai đoạn quyết định để chuyển hoá dịch đường houblon
hoá thành bia dưới tác động của nấm men thông qua hoạt động sống của chúng. Phản
ứng sinh học chính của q trình này tạo cồn và CO2. Ngồi ra, nhà sản xuất cịn thu
được một dịch lên men có nhiều cấu tử với tỉ lệ về khối lượng của chúng hài hồ và
cân đối. Có thể chia quá trình lên men thành hai giai đoạn: quá trình lên men chính
nhằm thay đổi lớn về lượng và biến đổi sâu sắc về chất trong các cấu tử hợp thành chất
hồ tan của dịch đường; q trình lên men phụ nhằm chuyển hố hết phần đường có
khả năng lên men còn tồn tại trong bia non, đồng thời làm ổn định thành phần và tính
chất cảm quan của sản phẩm. Q trình lên men chính kéo dài từ 7 – 10 ngày. Khi kết
thúc q trình lên men chính, người ta hoà trộn bia non lại rồi mới cho vào các tank
lên men phụ, vừa lên men phụ vừa ủ bia ở nhiệt 0 – 2oC, thời gian từ 15 – 35 ngày.
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
13
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
Làm trong bia: Đây là q trình tách các hạt dạng keo, nấm men sót, các phức
chất protein – polyphenol, và nhiều loại hạt li ti khác để tăng thời gian bảo quản và lưu
hành sản phẩm trên thị trường, tăng giá trị cảm quan về độ trong suốt của bia.
Bão hoà CO2 và chiết chai: trong quá trình lọc, bia từ trạng thái tĩnh ở tank lên
men phụ chuyển sang trạng thái động khi bơm cũng như ở đường ống qua thiết bị lọc,
bia bị mất một lượng CO2 khá lớn. Muốn cho bia thành phẩm có đủ lượng CO2 cần
thiết thì sau q trình lọc, bia phải qua thiết bị nén. Sau khi bão hoà CO2 xong, bổ sung
thêm acid ascorbic, collpulin làm tác nhân chống oxi hoá. Các dụng cụ chứa bia được
rửa, thanh trùng. Sau đó thực hiện q trình chiết chai ở điều kiện chân khơng. Tiếp
theo là đóng nắp và thanh trùng ở các nhiệt độ khác nhau để đảm bảo chất lượng trong
thời gian bảo hành.
1.3 Tổng quan về nước thải bia
1.3.1
Nguồn gốc nước thải bia
• Nấu – đường hóa: Nước thải của cơng đoạn nấu giàu các chất hydroccacbon,
xenlulozơ, hemixenlulozơ, pentozơ trong vỏ trấu, các mảnh hạt và bột, các cục
vón…cùng với xác hoa, một ít tanin, các chất đắng, chất màu.
• Cơng đoạn tiếp theo là lên men chính và lên men phụ: Nước thải của công đoạn lên
men này rất giàu xác men – chủ yếu là chất protein, các chất khoáng, vitamin cùng với
bia cặn.
• Giai đoạn cuối cùng là thành phẩm: Lọc, bão hịa CO2, chiết bock, đóng chai, hấp
chai. Nước thải ở đây chứa bột trợ lọc lẫn xác men, lẫn bia chảy tràn ra ngồi…
• Lượng nước thải từ q trình sản xuất bao gồm:
-
-
Nước lẫn bã malt và bột sau khi lấy dịch đường. Để bã trên sàn lưới, nước sẽ
tách ra khỏi bã.
Nước dùng để rửa thiết bị lọc, nồi nấu, thùng nhân giống, lên men và các loại
thiết bị khác.
Nước rửa chai và két chứa. Nước thải từ q trình này có độ pH cao do ngun
lý rửa chai được tiến hành qua các bước: rửa với nước nóng, rửa bằng dung
dịch kiềm lỏng nóng (1-3% NaOH), tiếp đó là rửa sạch bẩn và nhãn bên ngồi
chai, sau đó rửa sạch bằng nước nóng.
Nước rửa sàn, phịng lên men, phòng tàng trữ.
Nước thải từ nồi hơi.
Nước vệ sinh sinh hoạt.
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
14
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
Nước thải từ hệ thống làm lạnh có chứa hàm lượng clorit cao (tới 500 mg/l),
cacbonat thấp.
-
Thành phầ n – tính chấ t nước thải bia
1.3.2
- Nước thải từ nhà máy sản xuất bia thường có đặc tính chung:
Chứa nồng độ cao chất hữu cơ do bã nấu, bã hèm, men, hèm loãng, bia dư rơi
rớt, rò rỉ vào nước thải.v.v…Các chất hữu cơ trong nước thải bia thường ở dạng lơ
lửng lẫn dạng hoà tan, chủ yếu gồm các thành phần: đường, bột hoà tan, ethanol,
các axit béo dễ bay hơi,…nên dễ phân huỷ sinh học và thường có tỉ lệ BOD/COD =
0,6 – 0,8.
Lượng chất rắn lơ lửng cao.
Nhiệt độ cao.
Độ pH trong nước thải bia dao động lớn, thông thường pH = 4.5 - 12.
Nước thải thường có màu nâu vàng.
Nước thải bia cịn chứa lượng Nitrogen và Phostpho do men thải, các tác nhân
trong quá trình làm sạch thất thốt, chất chiết từ malt và các nguyên liệu phụ.
Bảng 1. 1 Tính chất đặc trưng của nước thải bia
Thông số
Đơn vị
Nồng độ(a)
Lưu lượng
Hàm lượng(a)
Mức hiện tại ở
Việt Nam(b)
2-8 L nước thải/L
bia
-
COD
mg/l
2000 - 6000
0,5-3 kg
COD/100L bia
1700-2200
BOD
mg/l
1200 - 3600
0,2-2 kg
BOD/100L bia
900-1400
TSS
mg/l
200 - 1000
0,1-0,5 kg
TSS/100L bia
500-600
Nhiệt độ
o
C
18 - 40
-
pH
-
4.5-12
6-8
N
mg/l
25-80
30
P
mg/l
10-50
22-25
Nguồn: W Driessen and T Vereijken, “Recent Developments in Biological
Treatment of Brewery Effluent”, 2-7/3/2003.
(a)
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
15
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
Nguồn: Tài liệu hướng dẫn sản xuất sạch hơn. Ngành: sản xuất bia.
(b)
Bảng 1. 2 Tính chất nước thải một số nhà máy bia
Nhà máy bia
STT Thơng số
Đơn vị
Sabmiller Hồng
VN(1)
Quỳnh(2)
VBL(3)
San
Sài Gịn –
SEAB(6)
Miguel(4) Củ Chi(5)
1
Lưu
lượng
m3/ngày
2400
800
5700
700
2800
600
2
pH
-
5 – 12
9
5 – 11
6.5 – 7.5
6.5 – 7
-
3
Nhiệt
độ
C
35
35
36 –40
-
35 – 40
-
4
TSS
mg/l
800
200
378
1350
-
714
5
COD
mg/l
2500
1440
2500 5000
2700
2000
2857
6
BOD5
mg/l
1700
720
15003200
1600
500
2000
7
Tổng
Nitơ
mg/l
36
38
50
24.4
8 - 10
-
8
Tổng
Photpho
mg/l
15
20
40
3.61
10
60
o
(1)
Nguồn: Phòng lab, nhà máy bia Sabmiller.
(2)
Nguồn: Phòng phân tích, nhà máy bia Hồng Quỳnh.
(3)
Nguồn: Phịng phân tích, nhà máy bia VBL.
(4)
(5)
Nguồn: Phịng phân tích, nhà máy bia San Miguel.
Nguồn: Phịng phân tích, nhà máy bia Sài Gịn – Củ Chi.
Nguồn: Trần Xuân Thái, Xử lý nước thải: Một mơ hình hay tại nhà máy bia Đơng
Nam Á. 12/03/2007.
(6)
Nhìn chung, nước thải cơng nghiê ̣p sản xuất bia là loại dễ phân hủy sinh học vì
trong nước thành phần chất hữu cơ chứa chủ yếu là các hydrat cacbon, protein, nước
thải nhà máy bia có pH từ axit đến trung tính hoặc hơi kiềm. Vì có hàm lượng chất
hữu cơ cao nếu không xử lý môi trường khu vực chứa nước thải dễ xảy ra phú dưỡng.
Tỉ số BOD5/COD cao (lớn hơn 0.5), hàm lượng N, P rất cao thuận lợi cho phương
pháp xử lý bằng quá trình sinh học.
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hồng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
16
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
1.3.3
Các tác động môi trường của nước thải bia
Đặc điểm của nước thải sản xuất bia là có hàm lượng các chất hữu cơ trong nước
cao, nhiệt độ lớn, độ pH dao động trong một phạm vi rộng, có nguy cơ gây ơ nhiễm
hữu cơ. Chỉ số BOD, SS, COD cũng khá cao kết hợp với các chất phụ trợ trong quá
trình sản xuất như: CaCO3, CaSO4, NaOH , Na2CO3…sẽ làm cho các chất hữu cơ
trong nước phân hủy nhanh, nếu không được xử lý kịp thời thì sẽ gây ra những mùi
thối khó chịu, gây ô nhiễm nghiêm trọng, gây nguy hại tới sức khỏe của con người.
Các phân tích khoa học cho thấy, nước thải công nghiệp sản xuất bia là một trong
những loại nước thải mang tính ơ nhiễm mạnh và tác động sâu sắc đến mơi trường
nước. Nếu thải ra ngồi mơi trường mà khơng xử lý thì dưới tác dụng của điều kiện
môi trường các vi sinh vật sẽ phân huỷ các chất hữu cơ và sinh ra các mùi thối ảnh
hưởng tới đời sống của khu vực dân cư xung quanh. Nước thải chưa được xử lý thải ra
đồng ruộng sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng ảnh hưởng không nhỏ tới năng suất trồng
trọt.
1.4 Hệ thống xử lý nước thải của một số nhà máy bia
1.4.1
Nhà máy bia Sabmiller
Nhà máy bia Sabmiller tọa lạc tại lô A, khu cơng nghiệp Mỹ Phước 2, huyện Bến
Cát, tỉnh Bình Dương. Nhà máy có tổng diện tích khn viên là 398.475m², trong đó
phần diện tích đất sử dụng khoảng 80.000m2, diện tích khu xử lý nước thải: 2000m2.
Hệ thống xử lý nước thải được đưa vào hoạt động vào tháng 1/2007 với lưu lượng
thiết kế: 2400m3/ngày, nguồn thải đạt loại A, TCVN 5945 – 2005.
Bảng 1. 3 Thông số nước thải nhà máy bia Sabmiller
STT
Thông số
Đơn vi ̣
Thông số nước thải
1
Ph
-
5-12
2
Nhiê ̣t đô ̣
C
35
3
BOD5
mg/l
1700
4
COD
mg/l
2500
5
TSS
mg/l
800
6
N tổ ng
mg/l
36
7
P tổ ng
mg/l
15
o
Dây chuyền xử lý:
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
17
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
Hình 1. 2 Dây chuyền xử lý nước thải nhà máy bia Sabmiller.
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
18
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
1.4.2
Nhà máy bia Viê ̣t Nam (VBL)
Nhà máy bia Việt Nam hoạt động với công suất sản xuất là 150 triệu lít/năm.
Hệ thống xử lý nước thải được thiết kế hiện đại và xử lý cho cả nước thải sản xuất
và nước thải sinh hoạt.
Lưu lượng nước thải hiện tại là 5700 m3/ngày, nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn
loại A, QCVN 40:2011/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công
nghiệp.
Bảng 1. 4 Thông số nước thải nhà máy bia Việt Nam
STT
Thông số
Đơn vi ̣
Thông số nước thải
1
pH
-
5 - 11
2
Nhiê ̣t đô ̣
C
36 - 40
3
TSS
mg/l
378
4
COD
mg/l
2500 - 4800
5
BOD5
mg/l
780
6
N tở ng
mg/l
50
7
P tở ng
mg/l
25
o
(Nguồn: Phịng lab – nhà máy bia Việt Nam).
Dây chuyền xử lý:
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
19
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
Nước thải
Lưới lọc thô
Hố bơm chìm
Thiết bị lọc rác tinh
Khuấy
trộnpH
Hố chất điều chỉnh
Bể trung hồ
Bể UASB
Nước hồi
lưu
Dưỡng khí
Bùn
tuần
hồn
Aerotank
Lắng ly tâm
Hồ cá
Bể nén
bùn
Hố gom nước
Nước
hồi
lưu
Sân phơi bùn
Hình 1. 3 Dây chuyền xử lý nước thải nhà máy bia Việt Nam.
1.4.3
Nhà máy bia Sài Gòn – Củ Chi
Nhà máy bia Sài Gòn – Củ Chi thuộc tổng công ty Sabeco, tọa lạc tại KCN Tây
Bắc Củ Chi, có cơng suất sản xuất đến tháng 12/2008 là 180 triệu lít bia/năm.
Hệ thống xử lý nước thải tại nhà máy được xây dựng với lưu lượng thiết kế đáp
ứng xử lý nước thải cho nhà máy trong cả ba giai đoạn sản xuất: Qtb = 4500 m3/ngày.
Hiện tại, lưu lượng nước thải của nhà máy vào tháng 2/2009 là 2800m3/ngày. Nước
thải sau xử lý đạt loại A , TCVN 5945 – 2005.
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
20
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
Bảng 1. 5 Thông số nước thải nhà máy bia Sài Gịn – Củ Chi
STT
Thơng số
Đơn vi ̣
Thông số nước thải
1
pH
-
6,5 - 7
2
Nhiê ̣t đô ̣
C
35 - 40
3
COD
mg/l
2000
4
BOD5
mg/l
500
5
NH4
mg/l
8 - 10
6
PO4-
mg/l
10
o
(Nguồn: Phịng phân tích - nhà máy bia Sài Gịn-Củ Chi).
Dây chuyền xử lý:
Hình 1. 4 Dây chuyền xử lý nước thải nhà máy bia Sài Gòn – Củ Chi.
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
21
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
1.5 Tổng quan về quá trình phân hủy kỵ khí
1.5.1 Q trình phân hủy kỵ khí
Q trình phân hủy kỵ khí là q trình phân hủy sinh học chất hữu cơ trong điều
kiện khơng có oxy ở điều kiện nhiệt độ từ 30-65oC.
Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí là một quá trình phát
triển tương đối gần đây trong lĩnh vực công nghệ môi trường và phân hủy kỵ khí thích
hợp cho xử lý hầu hết các loại nước thải.
Q trình phân hủy kỵ khí đã được thực hiện thành công trên khắp thế giới trong
việc xử lý nhiều loại nước thải khác nhau có nguồn gốc cơng nghiệp và sinh hoạt. So
với các cơng nghệ hiếu khí truyền thống có khả năng ứng dụng thực tiễn, xử lý nước
thải kỵ khí có nhiều ưu điểm đáng chú ý:
- Thiết kế đơn giản, chiếm ít diện tích mặt bằng, tiêu thụ ít năng lượng hơn, chi phí
xây dựng thấp và vận hành năng lượng thấp.
- Tạo ra khí biogas có chứa 60-75% methane là khí đốt có năng lượng cao.
- Không cần cung cấp quá nhiều chất dinh dưỡng như q trình hiếu khí.
- Thể tích bùn dư phát sinh tương đối thấp (thấp hơn khoảng từ 3 đến 5 lần so với
xử lý sinh học hiếu khí, trung bình khoảng 0,03 ÷ 0,15 g bùn VSS trên 1 gam BOD),
bùn có khả năng tách nước cao và ổn định tốt. Hàm lượng chất rắn khơ trong bùn kỵ
khí dao động trong khoảng 2% (thiết bị phân hủy kỵ khí) đến trên 8% (bể phản ứng
lớp bùn kỵ khí UASB), so với 0.5 - 2% của bùn hiếu khí.
- Bùn thường được duy trì ổn định cả khi khơng được cấp dưỡng trong thời gian
dài mà không gây ra những tổn hại nghiêm trọng.
- Có thể giữ sinh khối vài tháng mà khơng cần cung cấp dịng nước thải.
- Các q trình kỵ khí có thể được áp dụng thực tiễn ở nhiều nơi và nhiều quy mô
khác nhau. Tốc độ tải trọng thể tích rất cao (lên đến 20 - 35 kg COD/m3.ngày) có thể
đạt được trong các hệ thống xử lý UASB hiện đại, nhờ đó tiết kiệm diện tích cho hệ
thống.
- Q trình phân hủy kỵ khí có thể được tiến hành với các chi phí khá thấp do đơn
giản về mặt công nghệ và chi phí các bể phản ứng khơng cao, các bể phản ứng này có
thể vận hành với nhu càu năng lượng nhỏ.
- Xử lý nước thải kỵ khí có thể kết hợp với các phương pháp xử lý khác, với các
phương pháp này, các sản phẩm có ích như ammonia và sulphua có thể được tái sinh.
Tuy nhiên, mặc dù có nhiều ưu điểm, q trình phân hủy kỵ khí khơng thể tạo ra
một biện pháp xử lý hoàn chỉnh. Một số nhược điểm của q trình xử lý kỵ khí có thể
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hồng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
22
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
bao gồm:
Độ nhạy cảm cao của các vi khuẩn methane hóa và các vi khuẩn acetate hóa với
nhiều loại độc chất khác nhau.
Sự ổn định của xử lý kỵ khí theo các lý thuyết thấp, trong quá khứ, đây là
nguyên nhân chính là do thiếu tri thức cơ bản của những kỹ sư giám sát và người vận
hành.
Thời gian khởi động chậm (thơng thường, ít nhất phải mất 3 - 5 tháng) của các hệ
thống quy mô thực tế.
Khả năng xử lý các loại chất dinh dưỡng (nitơ và photpho) thấp, đó có thể là do
khả năng tạo sinh khối chậm.
Dễ rối loạn khi có tạp chất.
Khả năng sinh mùi hơi.
Cần phải có các cơng trình xử lý phía sau để đảm bảo yêu cầu chất lượng nước
đầu ra.
Trong những năm 1960, tại Bellville và Nam Phi, các hệ thống quy mô thực tế
đầu tiên được phát triển dựa trên cấu trúc bể lắng phân hủy DorrOliver để xử lý nước
thải tinh bột. Từ những năm 1970 cho đến nay, việc tìm ra các bể phản ứng cao tải
(tách biệt thời gian lưu nước khỏi thời gian lưu bùn) đã làm tăng số lượng các hệ thống
kỵ khí do hiệu quả về chi phí xử lý. Các bể phản ứng kỵ khí này gồm có: các bể phản
ứng lớp bùn kỵ khí dịng chảy ngược (UASB); các bể phản ứng tiếp xúc; các bể phản
ứng màng vi sinh mở rộng (Microbial Film Expanded Bed - MFEB) và các bể phản
ứng màng sinh học [6].
Quá trình phân hủy kỵ khí (Anaerobic Digestion-AD) là một q trình tự nhiên,
trong đó nhiều loài vi khuẩn khác nhau cùng hoạt động trong mơi trường thiếu oxi để
chuyển hóa các chất hữu cơ thành khí sinh học qua các phản ứng trung gian. Q trình
phân hủy kỵ khí làm giảm các loại vi khuẩn gây bệnh và các thành phần ô nhiễm hữu
cơ trong nước thải, đồng thời sinh khối mới và khí sinh học được tạo ra. Bằng cách đó,
q trình phân hủy sinh học có thể được sử dụng như một cơng cụ giảm ơ nhiễm và
tạo ra năng lượng.
Q trình phân hủy kỵ khí nước thải có nồng độ ơ nhiễm cao thường diễn ra theo
các bước kế tiếp nhau và được tiến hành bởi 4 nhóm vi khuẩn dinh dưỡng. Các nhóm
vi khuẩn này thực hiện nhiệm vụ của mình trong mối quan hệ tương hỗ lẫn nhau và
hình thành nên một chuỗi thức ăn, trong đó sản phẩm cuối cùng là CH4 và CO2. Những
mối tương tác giữa các lồi khác nhau hay các nhóm vi khuẩn khác nhau là rất phức
tạp do sự cạnh tranh về cơ chất diễn ra giữa các lồi hay các nhóm vi khuẩn này. Các
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
23
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
sản phẩm trung gian được tạo ra cũng có thể gây ảnh hưởng ức chế trở lại quá trình
sinh trưởng của vi khuẩn, thay đổi quá trình trao đổi chất hay biến đổi các sản phẩm
cuối cùng của các loài vi khuẩn khác [7].
Theo Giáo trình Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học – PGS.TS Nguyễn
Văn Phước (2007) quá trình phân huỷ kỵ khí chất bẩn là q trình diễn ra hàng loạt
các phản ứng sinh hố rất phức tạp và có thể được mơ tả trên hình 1.5 [2].
Hình 1. 5 Q trình phân huỷ chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí.
Phản ứng tổng qt của q trình có thể được viết:
Hợp chất hữu cơ + H2O → sinh khối + CH4 + CO2 + NH3
Giai đoạn thủy phân:
Trong giai đoạn này, các chất hữu cơ phức tạp được thủy phân thành những chất
đơn giản hơn (để có thể thâm nhập vào tế bào vi khuẩn) với sự tham gia của các
enzym ngoại bào của các vi khuẩn thủy phân (vi khuẩn lên men như Clostridium,
Acetobacterium và Sporomusa). Dưới tác dụng của các loại men khác nhau do nhiều
loài vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ phức tạp như Hidratcacbon, Protein, Lipit dễ
dàng bị phân huỷ thành các chất hữu cơ đơn giản, dễ bay hơi như Etanol, các Axit
béo như Axit Axetic, Axit Butyric, Axit Propionic, Axit Lactic… và các khí CO 2, H2
và NH3.
Q trình thủy phân diễn ra rất chậm, đặc biệt điều kiện nhiệt độ thấp hơn 20oC.
Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ
chất. Chất béo thủy phân rất chậm.
Giai đoạn axit hóa:
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hồng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
24
Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng bể sinh học kỵ khí tầng dãn nở FBBR
(Fluidized Bed Biological Reactor) với chất mang hạt PVA-Gel ở tải trọng hữu cơ cao.
Những hợp chất tạo ra trong giai đoạn thủy phân vẫn quá lớn để được vi sinh vật
hấp thu nên cần được phân giải tiếp. Giai đoạn này bắt đầu bằng sự vận chuyển chất
nền qua màng ngoài tế bào xuyên qua thành đến màng trong rồi đến tế bào chất với
sự tham gia của các protein vận chuyển. Ở đó các axit amin, đường đơn và axit béo
mạch dài đều biến đổi về các axit hữu cơ mạch ngắn hơn, một ít khí Hydro và khí
CO2, ... Giai đoạn này cịn có tên là giai đoạn lên men.
Vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản hơn như: Acid
béo dễ bay hơi, alcohols, acid lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới.
Sự hình thành các acid có thể làm pH giảm xuống 4,0.
Cơ chế axit hóa các axit béo và glycerin (sản phẩm thủy phân chất béo) tương đối
phức tạp, có thể tóm tắt như sau:
-
Glycerin bị phân giải thành một số sản phẩm trung gian để tạo sản phẩm cuối
cùng. Sản phẩm trung gian vẫn song song tồn tại cùng sản phẩm cuối.
-
Axit béo mạch dài LCFA chủ yếu bị phân giải phức tạp như sau:
Axit béo + CoA ↔ Acyl-CoA
Phản ứng hoạt hóa này được thực hiện nhờ enzym Acyl-CoA synthetaza nằm ở
màng trong tế bào vi khuẩn.
Acyl-CoA
Oxy hóa β
Acyl-CoA mạch ngắn hơn + Acetyl-CoA
Acetyl-CoA + H2 + năng lượng tích lũy (ATP)
Axit acetic + CoA
Oxy hóa β lặp
lại liên tục
(Acyl ký hiệu cho nhóm RCO-)
Đối với chất béo, sản phẩm tạo thành chủ yếu là axit acetic.
Đối với các axit béo chứa số C lẻ, trong sản phẩm ngồi axit acetic là chủ yếu
cịn chứa cả axit propionic.
Các axit béo chưa bão hòa được no hóa (ngay sau khi liên kết este được phân cắt)
trước khi trải qua q trình oxy hóa β.
Một số sản phẩm phụ của quá trình như rượu, peroxit, các axit trung gian cũng cơ
thể được tạo thành từ các con đường khác (oxy hóa α, oxy hóa ω, ...) bởi một số
nhóm vi khuẩn và nấm.
SVTH: Bùi Ngọc Anh Thư_0150020039
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm
Ths. Bùi Phương Linh
25
