Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nước thải nhà máy bia bằng công nghệ AAO kết hợp giá thể tiên tiến

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG-TPHCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Tấn Phong
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Lê Đức Trung
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Đặng Viết Hùng
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM
ngày 18 tháng 01 năm 2017
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS. TS Nguyễn Phước Dân
2. PGS.TS Lê Đức Trung
3. PGS.TS Đặng Viết Hùng
4. TS. Nguyễn Xuân Dương
5. TS. Nguyễn Nhật Huy
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi
luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

i


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐỘC lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Mai Xuân Thưởng

MSHV: 7140481

Ngày, tháng, năm sinh: 23/06/1990

Nơi sinh: Sóc Trăng

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
MN: 60 52 03 20
I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHÀ MÁY
BIA BẰNG CÔNG NGHỆ AAO KẾT HỢP GIÁ THỂ TIÊN TIẾN
II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải nhà máy bia của mô hình AAO kết hợp với giá thể Biofringe
và BioFix ở các tải trọng 3, 4; 5; ố; 7 kgCOD/m3.ngày.
Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình đối với các chỉ tiêu COD, NII4+, TKN, TN, TP và
ss.
Xác định thông số vận hành tối ưu của mô hình.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/01/2016
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN TẤN PHONG
Tp. HCM, ngày 15 tháng 12 năm 2016
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

2


TRƯỞNG KHOA
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luân văn này tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS
Nguyễn Tấn Phong người đã tận tình hướng dẫn và tài trợ kinh phí trong suốt quá trình nghiên
cứu.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn các thầy cô trong khoa Môi Trường và Tài Nguyên, Trường Đại
Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh; đã truyền đạt những kiến thức quý báu, đó là nền tảng vững
chắc cho tác giả thực hiện luận văn này.
Tác giả xin cảm ơn các thầy, cô, anh, chị ở phòng Thí nghiêm Khoa Môi Trường và Tài
Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả thực hiện đề tài khi mô hình thí nghiệm được
hoạt động tại đây.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha, mẹ và các bạn tôi, những người đã
động viên, tạo động lực và đồng hành cùng tôi suốt quá trình thực hiện luận văn.
Chân thành cảm ơn!
TP. HCM, tháng 12 năm 2016

Mai Xuân Thưởng

3


TÓM TẮT
Nghiên cứu này sử dụng quá tnnh AAO kết hợp giá thể tiên tiến Biofringe (Swim - bed) và
Biofix (Stick - bed) để xử lý nước thải nhà máy bia. Mô hình nghiên cứu bao gồm 4 bể: bể kỵ khí

(10 lít), bể thiếu khí (10 lít), bể hiếu khí (10 lít) và bể lắng (2.5 lít). Bể kỵ khí và bể thiếu khí sử
dụng công nghệ Stick - bed với BioFix làm giá thể, còn bể hiếu khí sử dụng công nghệ Swim - bed
với giá thể Biofringe. Nước thải trong nghiên cứu được lấy từ hệ thống xử lý nước thải nhà máy Bia
Việt Nam, Quận 12, Tp.Hồ Chí Minh.
Mô hình được vận hành chạy thích nghi trong thời gian 30 ngày với tải trọng 3
kgCOD/m3.ngày, sau đó tiến hành đánh giá hiệu quả xử lý COD, NĨỈ4+, NO2', NO/ TKN, TN, TP,
ss ở 4 tải trọng 4, 5, ố, 7 kgCOD/m3.ngày tương ứng với các chế độ tải (1-4).
Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu suất xử lý COD đạt từ 79.23% - 97.3%, Ammonia từ 67.8%
- 88.4%, TKN từ 78% - 92.1%, TN từ 37% - 77.5%, TP từ 56.5 - 87% và ss từ 81.7% - 89.1%. Nhìn
chung, hiệu suất xử lý của mô hình cao nhất ở chế độ 1 (4 kgCOD/m3.ngày) và thấp nhất ở chế độ
4 (7 kgCOD/m3.ngày), nồng độ nitơ đầu ra của hệ thống còn khá cao khoảng 64.3 mg/1 nên chưa
đạt tiêu chuẩn xả thải.

4


ABSTRACT
Anaerobic/Anoxic/Oxic (AAO) process combined with Biofringe (Swim-bed) and BioFix
(Stick-bed) carrier applied brewery wastewater treatment. The volume of reactor has been designed
with 4 tanks: anaerobic tank (10 L), anoxic tank (10 L), aerobic tank (10 L) and settling tank (2.5
L). Anaerobic tank and anoxic tank have used Stick - bed technology with Biofix material as
biomass carrier, aerobic tank have used Swim - bed technology using BioFringe material as biomass
carrier. Brewery wastewater was collected from equalization tank of wastewater treatment system
which was loacated at Viet Nam Brewery Limitted Company (VBL), District 12, Ho Chi Minh city.
The pilot-scale was operated in 30 days with loading rate: 3 kg COD/m3.day. Then evaluating
the efficiency to remove organic (COD), Ammonia (NĨỈ4+), Total Nitrogen Kjeldahl (TKN), Total
Nitrogen (TN), Total Phosphorus (TP) and Settleable Solids (SS) at loading rates: 4, 5, 6, 7
kgCOD/m3.d with 4 mode (Run 1- 4), respectively. The result of the experimentation shows that the
removal efficiency of COD from 79.23% to 97.3%, Ammonia from 67.8% to 88.4%, TKN from
78% to 92.1%, TN from 37% to 77.5%, TP from 56.5 to 87% và ss from 81.7% to 89.1%.

Overall, the highest removal efficiency was at Run 1 (4 kgCOD/m3.d) and the lowest at Run
4 (7 kgCOD/m3.d), but total nitrogen concentration was also high about 64.3 mg/L so it was not
qualified enough to dismiss into environment.

V


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập -Tự do - Hạnh phúc
LỜI CAM ĐOAN
Họ và tên học viên: Mai Xuân Thưởng

MSHV: 7140481

Ngày tháng năm sinh: 23/06/1990

Giới tính: Nam

Nơi sinh: Sóc Trăng
Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
Tên đề tài: Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nước thải nhà máy bia bằng công nghệ AAO kết
hợp giá thể tiên tiến
Ngày bắt đầu: 11/01/2016

Ngày hoàn thành: 04/12/201ố

Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Tấn Phong
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Những kết quả và số liệu trong luận văn chưa
được ai công bố dưới bất cứ hình thức nào. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Nhà trường về
sự cam đoan này.

HCM, ngày 13 tháng 12 năm 2016

Mai Xuân Thưởng

vi


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG ..........................................................................................................X
DANH MỤC HÌNH .......................................................................................................... xi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................... xii
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ............................................................................................. 1
1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................................. 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................. 1
1.3. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu .............................................................................. 2
1.4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................. 2
1.5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 2
1.5.1. Phương pháp nghiên cứu hồi cứu .................................................................. 2
1.5.2. Phương pháp phân tích .................................................................................. 2
1.5.3. Phương pháp nghiên cứu thực nghiêm trên mô hình ..................................... 2
1.5.4. Phương pháp xử lý số liệu và nhận xét .......................................................... 2
1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ..................................................................................3
1.7. ...................................................................................................................... Tính
của đề tài ...........................................................................................................................3
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHÀ MÁY
BIA VÀ GIÁ THỂ TIÊN TIẾN ...................................................................................... 4
2.1 Tổng quan công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia ................................................... 4
2.1.1 Công nghệ sản xuất bia................................................................................... 4

2.1.2 Đặc tính nước thải nhà máy bia...................................................................... 6
2.1.3 Các công nghệ ứng dụng xử lý nước thải nhà máy bia .................................. 7

7

mới


2.2 Một số nghiên cứu về công nghệ xử lý nước thải bia ................................................. 8
2.2.3 Trong nước ...................................................................................................... 8
2.2.4 Nước ngoài ...................................................................................................... 9
2.3 Tổng quan về giá thể ................................................................................................. 11
2.3.1 Tổng quan về giá thể BioFinge ..................................................................... 11
2.3.2 Tổng quan về giá thể BioFix ......................................................................... 13
2.3.3 Các quá trình xử lý trong mô hình ứng dụng giá thể .................................... 13
2.3.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng giá thể trong và ngoài nước ....................... 15
2.4

Tổng quan về công nghệ AAO...................................................................... 18

2.4.1 Giới thiệu công nghệ AAO ............................................................................ 18
2.4.2 Tình hình nghiên cứu về công nghệ AAO .................................................... 19
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................... 23
3.1. Mô hình nghiên cứu ................................................................................................. 23
3.2. Nước thải .................................................................................................................. 25
3.3. Bùn nuôi cấy ............................................................................................................ 25
3.4. Nội dung thí nghiệm ................................................................................................ 25
3.5. Phưomg pháp lấy mẫu, phân tích ............................................................................. 26
3.5.1 Phưomg pháp lấy mẫu ................................................................................... 26
3.5.2 Phưomg pháp phân tích ................................................................................. 26

3.5.3 Phưomg pháp xử lý số liệu ............................................................................ 27
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU...................................................................... 29
4.1 ..................................................................................................................... Giai
thích nghi của mô hình .................................................................................................... 29
4.2 Giai đoạn khảo sát chính ........................................................................................... 33

8

đoạn


4.2.1 Khả năng xử lý COD............................................................................................. 33
4.2.2 Khả năng xử lý nitơ .............................................................................................. 36
4.2.3 Khả năng xử lý photpho........................................................................................ 41
4.2.4 Khả năng xử lý ss.................................................................................................. 43
4.2.5 Hiệu quả duy trì MLSS của mô hình ở các tải trọng ............................................ 44
4.2.6 Hiệu suất xử lý và thông số vận hành ở các tải trọng khác nhau .......................... 45
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................ 47
5.1 Kết luận .................................................................................................................... 47
5.2 Kiến nghị ................................................................................................................. 47
Tài liệu tham khảo............................................................................................................ 49
Lý lịch trích ngang ........................................................................................................... 53
Phụ lục.............................................................................................................................. 54

9


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Đặc tính chung của nước thải nhà máy bia................................................... 7
Bảng 2.2: Chù kỳ vận hành công nghệ SBR có bổ sung bùn hạt hiếu khí .................. 10

Bảng 3.2: Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích ...................................................... 26
Bảng 4.1: Đặc tính nước thải đầu vào giai đoạn thích nghi ....................................... 29
Bảng 4.2: Chỉ số SVI trong giai đoạn thích nghi ....................................................... 30
Bảng 4.3: Ket quả phân tích trung bình các chỉ tiêu giai đoạn thích nghi .................. 31
Bảng 4.4: Trung bình nồng độ và hiệu suất xử lý COD ở các chế độ tải ................... 34
Bảng 4.5: Trung bình nồng độ và hiệu suất xử lý Ammonia ở các chế độ

tải ....... 37

Bảng 4.6: Trung bình nồng độ và hiệu suất xử lý TKN ở các chế độ tải .................... 39
Bảng 4.7: Trung bình nồng độ TKN, NO2', NCV, TN đầu ra ở các chế độ tải .......... 40
Bảng 4.8: Trung bình nồng độ và hiệu suất xử lý TN ở các chế độ tải....................... 40
Bảng 4.9: Trung bình nồng độ và hiệu suất xử lý photpho ở các chế độ tải ............... 42
Bảng 4.10: Trung bình nồng độ và hiệu suất xử lý ss ở các chế độ tải ....................... 43
Bảng 4.11: Chỉ số SVI ở các chế độ tải khác nhau của mô hình ................................ 45

X


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Công nghệ sản xuất bia ................................................................................. 4
Hình 2.2: Mô hình xử lý nước thải bia bằng mô hình lọc ngược kết hợp SBR ............ 9
Hình 2.3: Sợi BioFringe trước và sau khi bùn bám dính ............................................ 12
Hình 2.4: cấu tạo giá thể BioFix ................................................................................. 13
Hình 2.5: quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí .............................. 14
Hình 2.6: Quá trình chuyển hoá nitơ trong nước bởi vi sinh vật ................................ 15
Hình 2.7: Mô hình nghiên cứu của Đoàn Thị Thu Hà và cộng sự .............................. 17
Hình 2.8 : Mô hình công nghệ AAO ........................................................................... 19
Hình 3.1: Sơ đồ mô hình trong nghiên cứu ................................................................. 23
Hình 3.2: cấu tạo thực thế của giá thể ......................................................................... 25

Hình 4.1: Chỉ số sVI của bể hiếu khí trong giai đoạn thích nghi ................................ 31
Hình 4.2: Khả năng xử lý COD của bể kỵ khí và mô hình ......................................... 32
Hình 4.3: Hiệu suất xử lý COD, TN, TP, ss của mô hình ........................................... 33
Hình 4.4: Hiệu suất xử lý và nồng độ COD đầu vào, đầu ra của bể kỵ khí ................ 34
Hình 4.5: Hiệu suất xử lý và nồng độ COD đầu vào, đầu ra của mô hình .................. 36
Hình 4.6: Hiệu suất xử lý và nồng độ Ammonia đầu vào, đầu ra của mô hình ..........38
Hình 4.7: Hiệu suất xử lý và nồng độ TKN đầu vào, đầu ra của mô hình .................. 39
Hình 4.8: Hiệu suất xử lý và nồng độ TN đầu vào, đầu ra của mô hình ..................... 41
Hình 4.9: Hiệu suất xử lý và nồng độ TP đầu vào, đầu ra của mô hình ..................... 43
Hình 4.10: Hiệu suất xử lý và nồng độ ss đầu vào, đầu ra của mô hình ..................... 44
Hình 4.11 : Giá trị MLSS của các bể ở các chế độ tải ttong nghiên cứu .................... 45
Hình 4.12: Hiệu suất xử lý của mô hình ở các chế độ tải khác nhau .......................... 46

xi


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AAO

Anaerobic - Anoxic - Oxic

BF

BioFingre

BX

Biofix

COD

Chemical Oxygen Demand

MLSS

Mixed Liquor Suspended Solids

MLVSS

Mixed Liquor Volatile Suspended Solids

OLR

Organic Loading Rate

ss

Suspended Solids

SVI

Sludge Volume Index

TN

Total Nitrogen

TKN

Total Kjeldahl Nitrogen

TP

Total Phosphorus

xii


Học viên: Mai Xuân Thưởng

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1.

Đặt vấn đề
Sản xuất bia là ngành công nghiệp giá trị hàng tỷ đôla, tạo ra nhiều việc làm và đóng

góp vào nguồn thuế quốc gia (Richey, 2012). Một trong những thách thức đối với ngành sản
xuất bia hiện nay là tiêu thụ nguồn nước (Simate, 2012). Theo ước tính, để sản xuất được 1
lít bia nhà máy phải thải ra từ 3-10 lít nước thải (Fakoya & van der Poll, 2013), do đó làm
phát sinh một lượng nước thải rất lớn. Đặc tính của nước thải nhà máy bia là giàu các hợp
chất hữu cơ, nitơ, photpho...(Avinash Kumar Sharda et al, 2013), vì vậy nếu không được
xử lý triệt để thì đây sẽ là nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Để xử lý nước thải
nhà máy bia công nghệ thường được ứng dụng là ƯASB kết hợp với Aerotank hoặc SBR.
Tuy nhiên, nhược điểm của các công nghệ này là hiệu quả loại bỏ nitơ, photpho chưa cao.
Vì vậy, việc “nâng cao” hiệu quả xử lý nước thải nhà máy bia là một nhu cầu cần thiết nhằm
đáp ứng tiêu chuẩn xả thải vào môi trường.
Mô hình AAO đã được ứng dụng để loại bỏ nitơ, photpho trong nước thải từ những
năm 1979 (Syed R. Quasim, 2014), công nghệ này có sự kết hợp của cả 3 quá trình xử lý kỵ

khí, thiếu khí và hiếu khí nên làm tăng hiệu quả loại bỏ nitơ và photpho (Bo Zhang, 2000).
BioFringe và BioFix là 2 loại giá thể tiên tiến gần đây được NET Co., Ltd tung ra thị trường
với nhiều ưu điểm như diện tích bề mặt lớn, lượng bùn lưu giữ nhiều, tuổi thọ bền bỉ... rất
thích hợp cho xử lý kỵ khí và hiếu khí giúp tiết kiệm chi phí đầu tư và vận hành. Vì vậy,
việc kết hợp giữa công nghệ AAO cùng với giá thể BioFringe và Biofix để xử lý nước thải
nhà máy bia là cơ sở để tác giả lựa chọn đề tài làm hướng nghiên cứu nhằm mang lại một
giải pháp mới cho vấn đề xử lý nước thải nhà máy bia hiện nay.
1.2.

Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải nhà máy bia của mô hình AAO kết hợp với giá
the Biofringe và BioFix ở các tải trọng khác nhau.
- Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình đối với các chỉ tiêu COD, NH4+, TKN, TN,
TP.


Học viên: Mai Xuân Thưởng

1.3.

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong

Phạm vỉ và đối tượng nghiên cứu
- Phạm vi nghiên cứu: nước thải có thành phần hữu cơ cao và gàu chất dinh dưỡng và
đây là bước đầu nghiên cứu ưên mô hình AAO kết hợp giá thể BioFringe và BioFix
ở quy mô phòng thí nghiêm.
- Đối tượng nghiên cứu cụ thể: nước thải từ nhà máy bia Việt Nam, quận 12, Tp.HCM.

1.4.

Nội dung nghiên cứu
- Xác định khả năng xử lý COD, NĨỈ4+, TKN, TN, TP và ss của mô hình.
- Xác định thông số tối ưu cho việc vận hành mô hình.

1.5.

Phương pháp nghiên cứu

1.5.1. Phương pháp nghiên cứu hồi cứu
Tham khảo, tổng hợp số liệu về thành phần tính chất nước thải bia theo các tài liệu
trong và ngoài nước. Tìm hiểu nghiên cứu các công nghệ xử lý nước thải bia, những nghiên
cứu đã được thực hiện trong và ngoài nước.
Thu nhập, tìm hiểu các nghiên cứu đã được thực hiện về xử lý loại bỏ nitơ, photpho
trong nước thải cũng như các công trình đã áp dụng trên toàn thế giới để có cơ sở và phương
hướng nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam.
1.5.2. Phương pháp phân tích
Các chỉ tiêu lý hoá được phân tích trong suốt quá trình nghiên cứu bao gồm pH, COD,
NH4+, NO2', NO3', TKN, TN, TP, MLSS, SVI.
1.5.3. Phương pháp nghiền cứu thực nghiệm trên mô hình
Mô hình nghiên cứu được xây dựng bằng nhựa trong suốt, đảm bảo các điều kiện sinh
trưởng cũng như hoạt động của vi sinh. Nước thải thật được cung cấp để chạy cho mô hình.
Mẩu phân tích được lấy từ mô hình sau đó phân tích các chỉ tiêu để nghiên cứu.
1.5.4. Phương pháp xử lý số liệu và nhận xét
Từ số liệu thô tính toán hiệu suất xử lý, vẽ đồ thị, đưa ra những phân tích, nhận xét
đánh giá và kết luận.
1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học: kết quả của đề tài được rút ra từ những thí nghiệm có căn cứ khoa
học rõ ràng, xứ lý số liệu thông qua quy hoạch thực nghiệm và các phương pháp thống kê
toán học nên đảm bảo tính khoa học của đề tài.

2


Học viên: Mai Xuân Thưởng

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong

Ý nghĩa thực tiễn: là cơ sở để lựa chọn công nghệ xử lý nước thải cho các nhà máy
bia.
1.7. Tính mới của đề tài
Sử dụng nước thải nhà máy bia để nghiên cứu hiệu quả xử lý của mô hình AAO kết
hợp với giá thể BioFringe và BioFix đó là tính mới của đề tài.

3


Học viên: Mai Xuân Thưởng

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ xử LÝ NƯỚC THẢI NHÀ
MÁY BIA VÀ GIÁ THẺ TIÊN TIẾN
2.1 Tổng quan công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia
2.1.1 Công nghệ sản xuất bia
Các công đoạn chính trong sản xuất bia được thể hiện trong Hình 2.1

tniih l^K>ni?ch
niiJ»

Qiia trinh thủy plrm linh bội

ộưa trinh n.m

Quà trinh lởn niLĩi vá ;JL :ĩj?|li

Hữaii thiựii san phằỄH

Hình 2.1: Công nghệ sản xuất bia (Harrinson, 2009).

4


Học viên: Mai Xuân Thưởng

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong

Bia được sản xuất từ các nguyên liệu chính là malt đại mạch, nước, hublon và nấm
men. Nhiều loại nguyên liệu thay thế malt trong quá trình nấu là gạo, đường và các loại dẫn
xuất từ ngũ cốc, các nguyên liệu phụ khác được sử dụng trong quá trình lọc và hoàn thiện
sản phẩm như bột trợ lọc, các chất ổn định. Tỷ lệ các thành phần nguyên liệu phụ thuộc vào
chủng loại bia sẽ được sản xuất. Nhìn chung quá trình sản xuất bia được chia làm 5 công
đoạn như sau:
- Tạo malt (mạch nha): lúa mì sẽ được ngâm ở nhiệt độ khoảng 10 - 20°C trong vòng
48 giờ, sau 1-2 ngày hạt sẽ nảy mầm. Hạt sau khi nảy mầm được sấy khô ở nhiệt độ
50 - 110°C trong vòng 1-2 ngày, đến đây quá trình tạo malt coi như hoàn thành.
- Thủy phân tinh bột: malt và gạo (nguyên liệu) được đưa đến bộ phận nghiền nguyên
liệu thành các mảnh nhỏ, sau đó được chuyển tới thiết bị hồ hóa và đường hóa bằng
cách điều chỉnh hỗn hợp ở các nhiệt độ khác nhau. Hệ enzyme thích hợp chuyển hóa
các chất dự trữ có trong nguyên liệu thành dạng hòa tan trong dịch (enzyme thủy phân
tinh bột tạo thành đường, thủy phân các chất protein thành axít amin), các chất hoà tan

khác sau đó được đưa qua lọc hèm để tách đường và các chất hoà tan khỏi bã bia. Dịch
hèm được đưa qua máy lọc nhằm tách bã hèm ra khỏi nước nha.
- Quá trình nấu: dịch đường sau khi lọc được nấu với hoa houblon và đun sôi trong
60-90 phút. Mục đích của quá trình này là nhằm ổn định thành phần của dịch đường,
tạo cho sản phẩm có mùi thơm đặc trưng của hoa hublon, dịch sau khi nấu được đưa
qua bồn lắng xoáy nhằm tách cặn trước khi chuyển vào lên men.
- Lên men và ổn định: dịch đường sau lắng có nhiệt độ khoảng 90 - 95°c được hạ nhiệt
độ nhanh đến 8 - 10°C và bổ sung oxy với nồng độ 6 - 8 mgO2/lít để chuẩn bị lên men.
• Chuẩn bị men giong: nấm men được nuôi cấy ttong phòng thí nghiệm, sau đó được
nhân trong các điều kiện thích hợp để đạt được mật độ cần thiết cho quá trình lên
men.
• Lên men chính: việc lên men có thể được thực hiện trong các bể không có bảo ôn
và đặt trong nhà lạnh được kiểm soát nhiệt độ theo chế độ nhiệt độ chung của
phòng lên men. Thời gian lên men chính thường là 5-7 ngày. Nấm men sẽ được
lấy một phần để tái sử dụng cho lên men các bể tiếp theo hoặc được thải bỏ.
• Lên men phụ: để hoàn thiện chất lượng bia (tạo hương vị đặc trưng). Thời gian

5


Học viên: Mai Xuân Thưởng

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong

lên men từ 14-21 ngày hoặc hơn tuỳ thuộc vào yêu cầu của từng loại bia.
- Hoàn thiện sản phẩm: sau lên men, bia được đem lọc để đạt được độ trong theo yêu
cầu nhằm loại bớt polyphenol và protein trong bia, tăng tính ổn định trong quá trình
bảo quản. Trong quá trình lọc và hoàn thiện sản phẩm người ta sẽ pha loãng bia về
nồng độ mong muốn theo tiêu chuẩn sản phẩm bằng những thiết bị chuyên dùng, trong
và sau khi lọc bia được bão hòa thêm CO2 để đảm bảo tiêu chuẩn bia thành phẩm.

Tiếp theo được thanh trùng và được chiết vào chai, lon, keg để đáp ứng nhu cầu người
tiêu dùng và đảm bảo cho việc vận chuyển bia đến nơi tiêu thụ (Sản xuất sạch hơn
trong ngành bia - Trung tâm Sản xuất sạch, 2008).
2.1.2 Đặc tính nước thải nhà máy bia
Đặc tính của nước thải nhà máy bia là có COD cao do giàu các hợp chất hữu cơ như
tinh bột, xenluloza, đường, axít, nitơ, photpho, nhiệt độ từ 25 - 38°c đôi khi có thể cao hơn,
pH dao động từ 2 - 12 phụ thuộc vào thành phần hóa chất sử dụng để làm sạch và khử trùng
(xút, acid phosphoric, acid nitric). Nồng độ nitơ và photpho thường phụ thuộc vào quá trình
chế biến nguyên liệu và lượng men bia có trong nước thải (Goldammer,2008). Nước thải
bia cũng chứa thành phần lơ lửng tương đối cao khoảng 3000 mg/L. Nhìn chung nước thải
nhà máy bia thường dễ phân hủy sinh học và không có độc tính do không chứa kim loại
nặng (Brewers of Europe, 2002). Tuy nhiên, nếu không được xử lý mà thải trực tiếp vào
nguồn nước hoặc hệ thống thoát nước đô thị thì sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng và hao tốn
kinh phí của thành phố (G.s. Simate, 2015).
Đặc tính chung của nước thải của các nhà máy bia được thể hiện ttong Bảng 2.1
Bảng 2.1: Đặc tính chung của nước thải nhà máy bia (Rao et al, 2007)
Chỉ tiêu
pH

Giá trị
3-2

2

Nhiệt độ (°C)

18-40

3

COD (mg/L)

2000-6000

4

BOD (mg/L)
COD/BOD

120-3600
1.67

6

VFA (mg/L)

1000-2500

7

TN (mg/L)

25-80

STT
1

5

6

Học viên: Mai Xuân Thưởng

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong

8

TP (mg/L)

10-50

9

TKN (mg/L)

25-80

10

TS (mg/L)

5100-8750

TSS (mg/L)

2900-3000

TDS (mg/L)

2020-5940

11
12

2.1.3 Các công nghệ ứng dụng xử lý nước thải nhà máy bia
Hầu hết nước thải ở các nhà máy bia đều được yêu cầu xử lý đến một mức độ thích
hợp trước khi xả thải vào môi trường. Quá trình xử lý có thể được thực hiện bằng 3 phương
pháp: vật lý, hóa học và sinh học hoặc kết hợp cả ba (H. Huang, 2009).
2.1.3.1

Phương pháp vật lý

Là phương pháp đầu tiên thường để xử lý sơ bộ, bao gồm các công trình ứng dụng quá
trình vật lý để loại bỏ chất ô nhiễm ở dạng thô, thay vì chất ô nhiễm ở dạng hòa tan (Simate
et al., 2011). Xử lý sơ bộ bao gồm các quá trình điều hòa lưu lượng, sàng lọc và lắng trọng
lực. Nhìn chung, phương pháp vật lý ít tiêu hao năng lượng nhưng hiệu quả loại bỏ chất ô
nhiễm thấp.
2.1.3.2

Phương pháp hóa học

Các loại hóa chất khác nhau có thể được thêm vào nước thải nhà máy bia để làm thay
đổi tính chất hóa học của nước (H. Huang, 2009). Xử lý bằng phương pháp hóa học bao
gồm việc điều chỉnh pH, keo tụ và tạo bông để loại bỏ tạp chất trong nước thải (L. Lampinen,
1987).
Phương pháp hóa học có ưu điểm là có thể ứng dụng một cách nhanh chóng (Mohan,
2008), nhưng nhược điểm của phương pháp này so với phương pháp vật lý là phải bổ sung
hóa chất làm tăng chi phí xử lý (Metcalf & Eddy, 1991).
2.1.3.4 Phương pháp sinh học

Thực tế nước thải nhà máy bia có cả tính chất hóa học và sinh học do chứa hàm lượng
cao chất hữu cơ và vi sinh. Vì vậy, phương pháp sinh học thường được lựa chọn để xử lý
sau khi đã tiền xử lý bằng phương pháp vật lý và phương pháp hóa học (Degrémont,1989).
Xử lý bằng phương pháp sinh học đóng vai trò trung tâm trong hệ thống xử lý nước
thải, quá trình này chủ yếu dựa trên các hoạt động của vi sinh để sử dụng chất hữu cơ và

7


Học viên: Mai Xuân Thưởng

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong

một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Có thể chia vi sinh vật thành
3 nhóm tương ứng thành 3 phương pháp xử lý sinh học như sau:
- Phương pháp hiếu khí (aerobic) bao gồm các quá trình: bùn hoạt tính (activated
sludge), phân huỷ sinh học đệm cố định (fixed bed bioreactor), phân huỷ sinh học đệm
lơ lửng (moving bed bioreactor), lọc sinh học (trickling filter).
- Phương pháp kỵ khí (anaerobic) bao gồm các quá trình: kỵ khí kiểu tiếp xúc
(Anaerobic Contact), kỵ khí có lóp đệm dãn (Fluidized Bed) và kỵ khí bùn dòng chảy
ngược (Upflow Anaerobic Sludge Blanket).
- Phương pháp thiếu khí (anoxic): thường được áp dụng để loại các chất dinh dưỡng như
nitơ và photpho. Nguyên tắc là trong điều kiện thiếu oxy hoà tan (hàm lượng oxy hoà
tan trong hệ thống xử lý được giữ ở mức xấp xỉ 1 mg/L), việc khử nitrate hoá sẽ xảy
ra như sau : NO3' -ỳ NO2’ và NO2' + chất hữu cơ -> N2 + co2 + H2O.
2.2

Một số nghiên cứu về công nghệ xử lý nước thải bia

2.2.3 Trong nước

Trần Đức Hạ và cộng sự (2002) đã thực nghiên cứu xử lỷ nước thải nhà máy bia bằng
mô hình lọc ngược kỵ khí kết hợp SBR. Hệ thống được bố trí như sau:

Ađ

iAớí ra môi trưởng bên ngữài

Hình 2.2: Mô hình xử lý nước thải bia bằng mô hình lọc ngược kết hợp SBR
Vật liệu lọc nổi sử dụng trong các nghiên cứu là polyspirene, đường kính d=5-ố mm.
Nước thải Công ty bia ong Thái Bình có hàm lượng BOD5 hên 900 mg/L, COD hên 1200
mg/L và hàm lượng cặn lơ lửng hên 300 mg/L. Be lọc kỵ khí dòng chảy ngược ƯASB được
thiết kế với tải trọng hữu cơ từ 1 - 7 kgCOD/m3.ngày và HRT từ 0.4 đến 18 ngày, bể SBR
vận hành với chu kỳ: bơm 2 giờ, sục khí 4 giờ, lắng tĩnh 1.5 giờ, xả nước 1.5 giờ. Kết quả
nghiên cứu cho thấy hiệu quả khử BOD lên tới 95%. Ngoài ra, hệ thống này hoạt động ổn
định, khả năng tự động hoá cao, giá thành hạ và hợp khối được công trình, tiết kiệm diện

8


Học viên: Mai Xuân Thưởng

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong

tích xây dựng.
2.2.4

Nước ngoài
Parawira và cộng sự (2004) đã thực nghiên cứu để đảnh giả hiệu quả xử lỷ nước thải

nhà máy bia ở vùng có khí hậu nhiệt đới bằng công nghệ UASB kết hợp với bùn hoạt tính.

Thể tích bể ƯASB là 500 m3 và thời gian lưu nước gần 24 giờ. Nước thải đầu vào có COD
khoảng 12535 mg/L, TSS = 2841 mg/L, TS = 7200 mg/L, TN = 0.023 mg/L, TP = 59 mg/L,
nước thải được bổ sung thêm nitơ để tạo tỉ lệ COD:N:P =100:5:1 đảm bảo cho quá trình
phát triển của vi sinh, nghiên cứu chạy ở tải trọng 6.0 kg COD/m3.ngày và được thực hiện
trong 2 năm. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu quả xử lý trung bình của COD, TS và ss
tương ứng là 57%, 50% và 90%. Nước thải đầu ra của bể UASB chứa hàm lượng nitơ và
photpho cao hơn đầu vào chứng tỏ có quá trình tích lũy chất dinh dưỡng trong hệ thống.
Shu-Guang Wang và cộng sự (2006) đã thực nghiên cứu đảnh giả hiệu quả xử lý nước
thải nhà máy bia bằng công nghệ SBR có bo sung bùn hạt hiếu khí. Be phản ứng có thể tích
làm việc 8.6 L, dạng hình trụ cao 110 cm, đường kính 10 cm, khí nén được sục từ dưới lên
với lưu lượng 500 L/giờ ở nhiệt độ từ 23 - 27°C. Hệ thống hoạt động ở tải trọng là 3.0
kgCOD/m3.ngày tương đương 0.24 kgN/m3.ngày. Mỗi chu kỳ hoạt động của SBR là 6h với
3 chế độ tải cụ thể như sau:
Bảng 2.2 : Chù kỳ vận hành công nghệ SBR có bổ sung bùn hạt hiếu khí
Chu kỳ (phút)

Chế độ 1

Chế độ 2

Chế độ 3

Làm đầy

25

25

25

Khuấy

25

15

15

Sục khí

290

304

18

8

Rút nước

2

2

2

Nghỉ

-

6

6

Lắng

308
4

Bùn hạt được thêm vào hệ thống có kích thước 0.2-0.Ố mm. Kết quả sau 9 tuần hoạt động
bùn hạt có kích thước ổn định từ 2-7 mm, chỉ số SVI giảm từ 87.5 xuống 32 mL/g. Bùn hạt
lắng tốt với tốt độ lắng là 91 m/h. Hiệu quả loại bỏ COD là 88.7%, NĨỈ4+ là 88.9%. Nitơ

9


Học viên: Mai Xuân Thưởng

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong

được loại bỏ thông qua quá trình nitrate hóa và khử nitrate hóa xảy ra ở trong lớp bùn hạt.
A. Alvarado Lassman và cộng sự (2007) đã thực nghiên xử lý nước thải nhà máy bia
bằng công nghệ bể phản kỵ khí có lớp đệm dòng chảy ngược (IFBR). Hệ thống gồm 2 cột
phản ứng, mỗi cột có chiều cao 1.37 m và đường kính 4.48 cm, thể tích làm việc là 1.9 L,
nước được phân phối từ trên xuống với vận tốc 6 m/h, 2 loại giá thể extendosphere dạng
silica và giá the polyethylene dạng bột. Hệ thống được chạy khởi động ở tải trọng 0.5
gCOD/L/d sau đó là các tải trọng từ 10-27 gCOD/L/d. Nước thải bia có nồng độ trung bình
COD = 2083 mg/L, BOD = 1726 mg/L, TSS = 750 mg/L, TKN =116 mg/L và TP = 4.8
mg/L. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả loại bỏ COD lên đến 90%, hệ thống hoạt động
ổn định tải trọng 30 gCOD/L/d và khi có sự hỗ trợ của giá thể tải trọng có thể lên đến 70

gCOD/L/d và lượng giá thể thêm vào tối ưu nhất là 25% thể tích bể phản ứng.
Shao Xiangwen và cọng sự (2007) đã thực nghiên xử lý nước thải nhà máy bia bằng
công nghệ SBR kỵ khí. Hệ thống gồm có cột phản ứng cao 33 cm và đường kính 120 cm, thể
tích làm việc là 45 L, hoạt động ở nhiệt độ khoảng 33°c. Nước thải bia có nồng độ COD từ
22500 - 32500 mg/L, vss từ 1400 - 4800 mg/L, TKN từ 320 - 450 mg/L và TP từ 144 - 216
mg/L, pH từ 3.2 - 3.9. Hệ thống vận hành thích nghi ở tải trọng 1.0 kgCOD/m3d, với chu kỳ
8 giờ (lgiờ làm đầy, 6.35 giờ phản ứng, 0.5 giờ lắng và 0.15 giờ rút nước), HRT = 24 giờ,
sau đó sẽ tăng tải trọng lên từ 1.5 - 5 kgCOD/m3d. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu quả
xử lý COD lên đến 90% và bùn hạt được hình thành sau 60 ngày. Sản lượng formate, acetate,
propionate và butyrate tương ứng là 0.947 gCOD/gVSS.d, 0.786 gCOD/gVSS.d, 0.674
gCOD/gVSS.d và 0.624 gCOD/gVSS.d.
Hang Chen và cộng sự (2015) đã thực nghiên cứu xử lý nước thải nhà máy bia bằng
công nghệ bể phản ứng sinh học màng kỵ khí. Hệ thống thí nghiệm gồm 2 bể: bể khuấy trộn
hiếu khí và bể chứa màng lọc có thể tích 15 L. Tổng diện tích bề mặt màng là 0.047m 2 với
kích thước lỗ rỗng 0.04 pm. Hệ thống được chạy với nước thải nhân tạo trong 140 ngày, ở
tải trọng 2.0, 5.0, 7.5 và 10 gCOD/L/d với thông lượng là 8 L/m2/h, chu kỳ là 10 phút chạy,
1 phút rửa màng. Sau đó chạy với nước thải thật trong 90 ngày ở tải trọng từ 3.5 đến 11.5
gCOD/L/d với HRT là 44 giờ. Nước thải bia có COD là 11.1 ± 2.7gCOD/L, TSS là 770 ±
390 mg/L, TN là 180 ± 100 mg/L, TP là 26 ± 19mg/L. Kết quả nghiên cứu cho thấy, COD
giảm hơn 98%, sản lượng biogas là 0.53 ± 0.015 m3 biogas/kgCOD ở 35°c, sản lượng bùn

10


Học viên: Mai Xuân Thưởng

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong

là 0.029 gVSS/gCOD. Hiệu quả xử lý TN là 54 ± 13%, TPlà 28 ± 11%.
2.3

Tổng quan về giá thể

2.3.1 Tổng quan về giá thể BioFinge
Biofringe là giá thể sử dụng ttong công nghệ Swim - bed, đây là công nghệ có sự kết
hợp ưu điểm của quá trình sinh trưởng dính bám giá thể cố định và giá thể tầng sôi. Sinh
khối dính bám ttên giá thể tạo thành 2 vùng: vùng kỵ khí và vùng hiếu khí trong lớp màng
sinh khối, 2 vùng này tạo điều kiện cho quá trình nitrate hóa và khử nitrate xảy ra. BioFringe
được làm từ các nguyên liệu dệt, các sợi dây treo có nguồn gốc từ polyester, có thể căng
mạnh ra và kết nối dễ dàng và không thấm nước. Ưu điểm của vật liệu tiếp xúc BioFringe:
- Tăng khả năng bám dính 2-5 lần. Giảm thể tích bể xử lý.
- Giảm sản lượng bùn từ 1/5 - 1/10. Không cần khử nước cho bùn.
- Không cần các quá trình tiền xử lý phía trước như keo tụ, tạo bông vì thời gian lưu
bùn dài hơn.
- Một hệ thống BioFringe vận hành ở nồng độ MLSS > 20000 mg/L nên công suất hệ
thống có thể tăng lên. Từ đó, kích thước của bùn bóc ra khỏi vật liệu BioFringe lớn
hơn so với hệ thống bình thường.
- Hệ thống BioFringe có thể vận hành lâu hơn (trên 15 năm) với mức độ bảo dưỡng
thấp.
- Ngoài ra, các sợi giá thể acrylic ưa nước có bề mặt xù xì, rỗ, điều này cho phép một
lượng lớn bùn bám dính trên nó, nhờ sự chuyển động của dòng nước tạo ra chuyển
động “Swimming” làm tăng khả năng tiếp xúc của màng sinh học với cơ chất, giúp
quá trình xử lý đạt hiệu quả cao hơn.

11


Học viên: Mai Xuân Thưởng

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Tấn Phong

Hình 2.3: Sọi BioFringe trước và sau khi bùn bám dính.

12