Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chế biến sữa bằng công nghệ mbmbr

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ THU HIỀN

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƢỚC
THẢI CHẾ BIẾN SỮA BẰNG CÔNG NGHỆ MbMBR

Chuyên ngành : Công nghệ Môi trƣờng
Mã số : 60.85.06

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, Tháng 8/2012


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : ....................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ..........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ..........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 28. tháng 8 năm 2012
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. ..............................................................

2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA MÔI TRƢỜNG

ii


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ THU HIỀN

MSHV: 10250518

Ngày, tháng, năm sinh: 10/10/1987

Nơi sinh: TP. HCM

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MÔI TRƢỜNG

Mã số : 608506

TÊN ĐỀ TÀI:

I.

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƢỚC THẢI CHẾ BIẾN
SỮA BẰNG CÔNG NGHỆ MbMBR.
II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Đánh giá khả năng xử lý nƣớc thải chế biến sữa của cơng nghệ sinh học
màng nhúng chìm MBR kết hợp với giá thể lơ lững MBBR gọi tắt MbMBR
tại các tải trọng khác nhau : 1,0 kgCOD/m3.ngày ; 1,5 kgCOD/m3.ngày ; 2,0
kgCOD/m3.ngày ; 2,5 kgCOD/m3.ngày.

-

Đánh giá khả năng tái sử dụng nƣớc thải sau xử lý trên cơ sở so sánh chất
lƣợng nƣớc sau xử lý với các tiêu chuẩn tái sử dụng nƣớc trên thế giới.

III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15/09/2011

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/07/2012
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): Tiến sĩ LÊ
HOÀNG NGHIÊM

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƢỞNG KHOA MÔI TRƢỜNG
(Họ tên và chữ ký)

iii


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt khoảng thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp, tuy khơng dài
nhƣng cũng giúp tơi có thêm đƣợc những kiến thức và kinh nghiệm quý báu. Và
trong khoảng thời gian đó tơi nhận đƣợc rất nhiều sự hƣớng dẫn, hỗ trợ và giúp đỡ
từ phía thầy cơ, gia đình và bạn bè. Thơng qua luận văn tôi muốn gởi những lời tri
ân chân thành nhất.
Đầu tiên, tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến TS.Lê Hồng Nghiêm. Thầy đã
ln theo sát, hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện cho tơi để luận văn
đƣợc hồn thành tốt nhất.
Tơi cũng thật sự biết ơn những kiến thức quý báo mà các thầy cô khoa Môi
Trƣờng – Trƣờng Đại học Bách Khoa đã truyền đạt giúp tơi hồn thành tốt luận
văn.
Bên cạnh đó, là sự biết ơn các thầy cô và anh chị trong Phịng thí nghiệm
khoa Mơi Trƣờng đã hỗ trợ và ln tạo điều kiện tốt nhất cho tọi thực hiện tốt luận

văn.
Ngồi ra, tơi cũng xin cảm ơn các anh chị và bạn bè cùng khóa đã ln cùng
nhau phấn đấu và giúp đỡ nhau tận tình.
Cuối cùng, là lời cảm ơn đến gia đình. Gia đình đã hỗ trợ tơi về mặt tinh
thần, luôn động viên rất nhiều trong suốt q trình thƣc hiện luận văn.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 201
Nguyễn Thị Thu Hiền

iv


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Tốc độ cơng nghiệp hố và đơ thị hoá khá nhanh và sự gia tăng dân số gây áp
lực ngày càng nặng nề dối với tài nguyên nƣớc trong vùng lãnh thổ. Môi trƣờng
nƣớc ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi nƣớc
thải, khí thải và chất thải rắn. Ở các thành phố lớn, hàng trăm cơ sở sản xuất công
nghiệp đang gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc do khơng có cơng trình và thiết bị xử lý
chất thải hoặc có các cơng trình xử lý khơng hiệu quả. Trƣớc những thực trạng trên
nghiên cứu đã sử dụng công nghệ sinh học màng nhúng chìm MBR kết hợp với giá
thể lơ lửng MBBR (gọi tắt là MbMBR) để đánh giá khả năng xử lý nƣớc thải nói
chung và nƣớc thải chế biến sữa nói riêng của mơ hình và có thể áp dụng vào thực
tế một cách hiệu quả.
Nghiên cứu tiến hành với các tải trọng 1kgCOD/m3.ngày; 1,5 kgCOD/m3.ngày;
2 kgCOD/m3.ngày và 2,5 kgCOD/m3.ngày. Nƣớc thải trong nghiên cứu đƣợc lấy từ
nhà máy sữa Sài Gòn và DO trong bể đƣợc duy trì ở 2 mgO2/l.
Kết quả nghiên cứu ở tải trọng 1kgCOD/m3.ngày cho thấy hiệu quả xử lý COD
đạt 94 – 99% (ứng với đầu ra 6 – 31 mg/l). Hiệu quả xử lý tổng photpho chƣa cao
chỉ từ 51 – 70% và hiệu quả xử lý tổng nitơ chƣa đƣợc ổn định và thấp hơn 70%
trong những ngày đầu.
Ở tải trọng 1,5 kgCOD/m3.ngày COD dòng ra tƣơng đối ổn định đạt 6 – 18 mg/l

và hiệu quả xử lý đạt 96 – 99%. Tổng photpho trong tải trọng này hiệu quả xử lý đã
tăng lên 60 - 74% do MLSS trong bể lúc này khoảng 4915 mg/l. Do amonia dịng ra
trong thí nghiệm này nhỏ hơn 1 mg/l nên hiệu quả xử lý tổng nitơ cũng tăng lên 86
– 93%.
Hiệu quả xử lý COD luôn ổn định và đạt trên 99% ở tải trọng
2,0kgCOD/m3.ngày. MLSS trong bể lúc này tăng lên 5000 mg/l làm cho hiệu quả
xử lý tồng photpho ổn định và nằm trong khoảng 62 – 79%. Trong dịng ra ở tải
trọng này khơng cịn phát hiện amonia và hiệu quả tổng nitơ đạt khoảng 94%.
Ở tải trọng cuối 2,5 kgCOD/m3.ngày, hiệu quả xử lý các chỉ tiêu đã ổn định và
ln duy trì ở mức cao. Hiệu quả xử lý COD luôn đạt trên 99% và dòng ra ổn định
trong khoảng 3 – 6 mg/l. Hiệu quả xử lý tổng photpho đạt 84 – 94% ứng với MLSS
6000 mg/l. Hiệu quả xử lý tổng nitơ cũng ổn định trong khoảng 87 – 94%.

v


ABSTRACT
Industrialization, urbanization and population, which pressured heavily on
water resources in the territory,accelerated. The water environment in many urban
areas, industrial zones and craft villages increasingly contaminated by waste water,
waste gas and solid waste. In big cities, hundreds of industrial production facilities
are polluting the water environment because they haven’t waste treatment or it no
effect. Before the actual situation, research used Membrance Bio submerged Reator
MBR combining with Moving Bed Biofilm Reactor, MBBR (called MbMBR) BBR
(called MbMBR) which assess the general waste water treatment and wastewater
own dairy processing of model and can be applied into practice effectively.
Research conducted with the load 1.0 kgCOD/m3.ngay; 1.5 kgCOD/m3.ngay;
2.0kgCOD/m3.ngay and 2.5 kgCOD/m3.ngay. Wastewater in the study were taken
from dairies Saigon and DO in the tank is maintained at 2 mg O2 / l.
That load 1.0 kgCOD/m3.ngay, COD removal efficiency reached 94 - 99%

(COD output 6-31 mg / l). Total phosphorus removal efficiency reached from 5170% and total nitrogen removal efficiency was not stable and 70% lower than in the
early days.
At load 1.5 kgCOD/m3.ngay, COD output was relatively stable 6-18 mg / l and
processing efficiency reached 96-99%. In the payload, Total phosphorus removal
efficiency has increased to 60-74%, the MLSS in the tank at about 4915 mg / l.
Cause ammonia output was less than 1 mg / l , total nitrogen removal efficiency
increased 86-93%.
COD removal efficiency stabled over 99% at load 2.0 kgCOD/m3.ngay. MLSS
in the tank rised 5000 mg / l as total phosphorus removal efficiency stability about
62-79%. In output amonia detected and total nitrogen efficiency was about 94%.
At the end of 2.5 kgCOD/m3.ngay load, processing efficiency indicators have
stabilized and are maintained at high levels. COD treatment efficiency always over
99% and output about 3-6 mg / l. Total phosphorus treatment efficiency reached
84-94% corresponding to MLSS 6000 mg / l. Total nitrogen treatment efficiency
and stability in the range of 87-94%.

vi


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ......................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iv
TÓM TẮT LUẬN VĂN .............................................................................................v
ABSTRACT .............................................................................................................. vi
MỤC LỤC ................................................................................................................ vii
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................x
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. xiiii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ xiv
CHƢƠNG 1 ................................................................................................................1
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1

1.1.

Đặt vấn đề .......................................................................................................................... 1

1.2.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ....................................................................................... 2

1.3.

Nội dung nghiên cứu của đề tài.......................................................................................... 2

1.4.

Phạm vi và giới hạn đề tài .................................................................................................. 2

1.5.

Phƣơng pháp nghiên cứu.................................................................................................... 2

CHƢƠNG 2 ................................................................................................................4
TỔNG QUAN .............................................................................................................4
2.1.

Tổng quan về ngành sữa .................................................................................................... 4

2.1.1.

Các nguyên liệu chế biến. .......................................................................................... 5

2.1.2.

Quá trình sản xuất. ..................................................................................................... 6

2.1.3.

Thuyết minh. ............................................................................................................ 10

2.1.4.

Nguồn gốc phát sinh và thành phần của nƣớc thải chế biến sữa. ............................. 11

2.2.

Tổng quan về công nghệ màng MBR (MEMBRANE BIOREACTOR). ........................ 13

2.2.1.

Tổng quan về màng (membrane). ............................................................................ 13

2.2.2.

Tổng quan về bể sinh học màng vi lọc. .................................................................... 15

2.3.

Tổng quan về công nghệ MBBR (MOVING BEB BIOLOGICAL REACTOR). ........... 27

2.3.1.

Công nghệ MBBR. ................................................................................................... 27

2.3.2.

Lớp màng biofilm. ................................................................................................... 30

2.3.3.

Các nghiên cứu và ứng dụng khác nhau của hệ thống MBBR................................. 33

2.4.

Sự kết hợp giữa MBR và MBBR. .................................................................................... 34

CHƢƠNG 3 ..............................................................................................................36
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.............................................................................36

vii


3.1.

Tổng qt phƣơng pháp nghiên cứu................................................................................. 36

3.2.

Mơ hình và vật liệu. ......................................................................................................... 38

3.2.1.

Nƣớc thải. ................................................................................................................. 38

3.2.2.

Bùn hoạt tính. ........................................................................................................... 38

3.2.3.

Màng ........................................................................................................................ 38

3.2.4.

Giá thể ...................................................................................................................... 39

3.2.5.

Mơ hình. ................................................................................................................... 40

3.3.

Vận hành mơ hình. ........................................................................................................... 41

3.3.1.

Kiểm sốt các yếu tố trong q trình vận hành. ....................................................... 41

3.3.2.

Cách thức rửa màng. ................................................................................................ 41

3.4.

Quy trình lấy mẫu và phân tích mẫu. ............................................................................... 42

3.4.1.

Lấy mẫu.................................................................................................................... 42

3.4.2.

Phƣơng pháp bảo quản mẫu và phân tích chỉ tiêu .................................................... 43

3.4.3.

Phân tích mẫu. .......................................................................................................... 43

3.4.4.

Tần suất lấy mẫu ...................................................................................................... 45

3.4.5.

Phƣơng pháp so sánh đánh giá ................................................................................. 45

CHƢƠNG 4 ..............................................................................................................46
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................................46
4.1.

Kết quả vận hành thí nghiệm 1 (Thí nghiệm thích nghi). ................................................ 46

4.1.1.

Chế độ vận hành. ...................................................................................................... 46

4.1.2.

Kết quả phân tích chỉ tiêu thí nghiệm 1. .................................................................. 46

4.2.

Kết quả vận hành thí nghiệm 2 (tải 1 kgCOD/m3.ngày) .................................................. 48

4.2.1.

Chế độ vận hành ....................................................................................................... 48

4.2.2.

Kết quả phân tích chỉ tiêu thí nghiệm 2. .................................................................. 48

4.3.

Kết quả vận hành thí nghiệm 3 (tải 1,5 kgCOD/m3.ngày). .............................................. 52

4.3.1.

Chế độ vận hành ....................................................................................................... 52

4.3.2.

Kết quả phân tích chỉ tiêu thí nghiệm 3. .................................................................. 53

Hình 4. 12. Hiệu quả xử lý COD ở TN3 .................................................................................. 53
4.4.

Kết quả vận hành thí nghiệm 4 (tải 2,0 kgCOD/m3.ngày). .............................................. 57

4.4.1.

Chế độ vận hành ....................................................................................................... 57

4.4.2.

Kết quả phân tích chỉ tiêu thí nghiệm 4 ................................................................... 57

4.5.

Kết quả vận hành thí nghiệm 5 (tải 2,5 kgCOD/m3.ngày). .............................................. 62

4.5.1.

Chế độ vận hành ....................................................................................................... 62

4.5.2.

Kết quả phân tích chỉ tiêu thí nghiệm 4 ................................................................... 63

4.6. So sánh đánh giá hiệu quả giữa các tải trọng ........................................................................ 66
4.6.1. Khả năng xử lý chất hữu cơ COD .................................................................................. 66

viii


4.6.2. Khả năng xử lý Nitơ ....................................................................................................... 67
4.6.4. Khả năng xử lý Photpho ................................................................................................. 70

CHƢƠNG 5 ..............................................................................................................72
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................72
5.1. Kết Luận................................................................................................................................ 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................74
PHỤ LỤC A ..............................................................................................................76
PHỤ LỤC B ..............................................................................................................81
PHỤ LỤC C ..............................................................................................................86

ix


DANH MỤC HÌNH
Hình 2. 1. Qui trình sản xuất chung.
Hình 2. 2.Sơ đồ sản xuất sữa cơ đặc.
Hình 2. 3. Sơ đồ sản xuất sữa bột.
Hình 2. 4. Sơ đồ cơng nghệ sữa chua tĩnh và động.
Hình 2. 5. Sơ đồ cơng nghệ sữa chua nƣớc.
Hình 2. 6. Sơ đồ sản xuất phơ mai.
Hình 2. 7. Sơ đồ sản xuất bơ.
Hình 2. 8. Phân loại màng lọc.
Hình 2. 9. Lọc vng góc và lọc xi dịng.
Hình 2. 10. Hình dạng của MBR.
Hình 2. 11. Cơ chế nghẹt màng.

Hình 2. 12. Mơ tả q trình xử lý của bể MBBR.
Hình 2. 13. Hệ màng biofilm theo khái niệm.
Hình 2. 14. cơ chế trao đổi chất của màng vi sinh vật.
Hình 3. 1. Sơ đồ phƣơng pháp nghiên cứu.
Hình 3. 2. Kích thƣớc màng.
Hình 3. 3. Hình ảnh giá thể K3 của Kaldnes.
Hình 3. 4. Mơ hình thí nghiệm.
Hình 3. 5. Vị trí lấy mẫu.
Hình 4. 1. Hiệu quả xử lý COD ở TN1.
Hình 4.2. Giá trị pH TN1.
Hình 4. 3. Hình ảnh giá thể cuối TN1.
Hình 4. 4. Hiệu quả xử lý COD ở TN2.
Hình 4. 5. Hiệu quả xử lý N-NH3 ở TN2.
Hình 4. 6. Hiệu quả xử lý TKN ở TN2.
Hình 4. 7. Hiệu quả xử lý TP ở TN2.
Hình 4. 8. MLSS và MLVSS trong bể phản ứng.

x


Hình 4. 9. Lớp biofilm trên giá thể ở TN2.
Hình 4. 10. Nitrat và Nitrit dịng ra ở TN2.
Hình 4. 11. Hiệu quả xử lý T-N ở TN2.
Hình 4. 12. Hiệu quả xử lý COD ở TN3.
Hình 4. 13. Giá trị pH ở tải TN3.
Hình 4. 14.Hiệu quả xử lý N-NH3 ở TN3.
Hình 4. 15.Hiệu quả xử lý TKN ở TN3.
Hình 4. 16. Nitrat và Nitrit đầu ra ở TN3.
Hình 4. 17. Hiệu quả xử lý TN ở TN3.
Hình 4. 18. Hiệu quả xử lý TP ở TN3.

Hình 4. 19. MLSS, MLVSS trong bể phản ứng.
Hình 4. 20. Lớp biofilm trên giá thể ở TN3.
Hình 4. 21. Hiệu quả xử lý COD ở TN4.
Hình 4. 22. Giá trị pH đầu vào, đầu ra ở TN4.
Hình 4. 23.Hiệu quả xử lý TP ở TN4.
Hình 4. 24. MLSS, MLVSS trong bể phản ứng.
Hình 4. 25. Lớp biofilm trên giá thể ở TN4.
Hình 4. 26. Hiệu quả xử lý Amonia ở TN4.
Hình 4. 27. Hiệu quả xử lý TKN ở TN4.
Hình 4. 28. Nitrat và Nitrit dịng ra ở TN4.
Hình 4. 29. Hiệu quả xử lý TN ở TN4.
Hình 4. 30. Hiệu quả xử lý COD ở TN5.
Hình 4. 31. Giá trị pH đầu vào, đầu ra ở TN5.
Hình 4. 32. Hiệu quả xử lý Amonia ở TN5.
Hình 4. 33. Hiệu quả xử lý TKN ở TN5.
Hình 4. 34. Nitrat, Nitrit dịng ra ở TN5.
Hình 4. 35. Hiệu quả xử lý TN ở TN5.
Hình 4. 36. Hiệu quả xử lý TP ở TN5.
Hình 4. 37. MLSS, MLVSS trong bể phản ứng ở TN5.

xi


Hình 4. 39. Nồng độ COD của dịng vào và dịng ra của 4 thí nghiệm.
Hình 4. 38. Lớp biofilm trên giá thể ở TN5.
Hình 4. 40. Hiệu quả xử lý COD của 4 thí nghiệm.
Hình 4. 41. Nồng độ Ammonia của dòng vào, dòng ra và hiệu quả xử lý của 4 TN.
Hình 4. 42. Nồng độ N-TKN của dòng vào dòng ra và hiệu quả xử lý của 4 TN.
Hình 4. 43. Nồng độ T-N của dịng vào dịng ra và hiệu quả xử lý của 4 thí nghiệm.
Hình 4. 44. Hiệu quả xử lý T-N của 4 thí nghiệm.

Hình 4. 45. Nồng độ T-N của dịng vào dịng ra và hiệu quả xử lý của 4 thí nghiệm.
Hình 4. 46. Hiệu quả xử lý T-P của 4 thí nghiệm.

xii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2. 1. Những thuận lợi và bất lợi của việc đặt ngập và đặt màng ngoài bể phản
ứng.
Bảng 2. 2. Tóm tắt các phát triển và thƣơng mại hố MBR.
Bảng 2. 3. Một số thơng số thiết kế MBR của các mơ hình thực tế ở một số nơi.
Bảng 2. 4. So sánh bùn hoạt tính thơng thƣờng (AS) và trong MBR.
Bảng 2. 5. Bùn sinh ra trong các quá trình xử lý khác nhau.
Bảng 2. 6. Bảng tóm tắt sản phẩm của EPS trong hệ thống phát triển lơ lửng bám
dính.
Bảng 2. 7. Bảng tóm tắt kích thƣớc hạt/bơng bùn đến sự nghẹt màng.
Bảng 3. 1. Tính chất nƣớc thải chế biến sữa.
Bảng 3. 2. Các thông số của màng MBR.
Bảng 3. 5. Phƣơng pháp và thiết bị phân tích một số chỉ tiêu.
Bảng 3. 6. Tần suất lấy mẫu từng vị trí.
Bảng 3. 7. Các chỉ tiêu QCVN 40:2009/BTNMT.
Bảng 4. 1. Thông số vận hành thí nghiệm 1.
Bảng 4. 2. Kết quả phân tích chỉ tiêu COD, pH của thí nghiệm 1.
Bảng 4. 3. Thơng số vận hành thí nghiệm ở tải 1kgCOD/m3.ngày
Bảng 4. 5. Thơng số vận hành thí nghiệm ở tải 1,5 kgCOD/m3.ngày
Bảng 4. 6. Kết quả phân tích chỉ tiêu (COD, pH, TP, N- NO3-, N-NH3, TKN, NNH3, MLSS, MLVSS) ở TN3.
Bảng 4. 7. Thơng số vận hành thí nghiệm ở tải 2,0 kgCOD/m3.ngày
Bảng 4. 8. Kết quả phân tích chỉ tiêu thí nghiệm 4
Bảng 4. 9. Thơng số vận hành thí nghiệm ở tải 2,5 kgCOD/m3.ngày
Bảng 4. 10. Kết quả phân tích chỉ tiêu thí nghiệm 5.

xiii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BOD

Nhu cầu oxy sinh hoá (Biological Oxygen Demand)

COD

Nhu cầu oxy hoá học (Chemical Oxygen Demand)

SS

Chất rắn lơ lửng (Suspended Solid)

HRT

Thời gian lƣu nƣớc thuỷ lực (Hydraulic Retention Time)

TKN

Tổng nitơ Kjeldahl (Total Kjeldahl nitrogen)

FAU

Đơn vị đo độ đục (Formazin Attenuation Units)

EPS

Hợp chất polymer ngoại bào ( Extracell polymeric substances)

MLSS

Hàm lƣợng chất rắn lơ lửng ( Mixed Liquor Suspended Solids)

MLVSS

Hàm lƣợng chất rắn bay hơi (Mixed Liquor Volatile Suspended

Solids)
DO

Oxy hòa tan (Dissolved Oxygen)

OLR

Tải lƣợng chất hữu cơ (Organic loading rate)

SRT

Thời gian lƣu bùn (Sludge retention time)

SVI

Thể tích lắng của bùn (Sludge volume index)

TSS

Tổng chất rắn lơ lửng (Total suspended solid)

F/M

Tỷ lệ chất dinh dƣỡng trên vi sinh vật (Food to microorganism ratio)

TN

Tổng Nitơ

TP

Tổng Photpho

MBR

Bể sinh học màng (Membrane bioreactor)

MBBR

Bể sinh học giá thể động (Moving bed bioreactor

xiv


Chƣơng 1 : Mở đầu

CHƢƠNG 1
MỞ ĐẦU
1.1.

Đặt vấn đề

Ngành sữa là một ngành cơng nghiệp đặc biệt, bởi nó khơng chỉ đơn thuần chỉ
tạo ra lợi nhuận mà cịn có vai trò lớn do cung cấp một lƣợng thực phẩm quan trọng
cho đời sống. Chế biến sữa là một trong những cơng đoạn quan trọng nhất giúp đa
dạng hóa sản phẩm, tăng chất lƣợng và tăng doanh thu cho ngành sữa Việt Nam. Do
vậy, quan điểm xuyên suốt trong quy hoạch phát triển ngành công nghiệp chế biến
sữa là phát triển ngành trên cơ sở áp dụng công nghệ, thiết bị tiên tiến, không ngừng
đổi mới và cải tiến công nghệ để nâng cao chất lƣợng và đa dạng sản phẩm, nghiên
cứu sản xuất sản phẩm mới với chất lƣợng cao để đáp ứng nhu cầu trong nƣớc và
xuất khẩu.
Bên cạnh đó, việc phát triển ngành cũng cần nghiên cứu chặt chẽ nhằm bảo đảm
vệ sinh, an toàn thực phẩm, nâng cao giá trị dinh dƣỡng cho sản phẩm, tiết kiệm
năng lƣợng, và xử lí chất thải triệt để nhằm bảo vệ mơi trƣờng sinh thái… Do đó,
việc xử lý nƣớc thải ngành sữa phải đƣợc quan tâm từ giai đoạn thiết kế nhà máy.
Hiện nay, bể phản ứng sinh học màng (Membrane Bioreactor – MBR) là công
nghệ đƣợc lựa chọn để xử lý nƣớc thải chế biến sữa vì chất lƣợng nƣớc sau xử lý
tốt, khơng cặn, diện tích xây dựng nhỏ gọn, lƣợng bùn sinh ra ít, thời gian lƣu bùn
lâu... Tuy nhiên việc tắc nghẽn màng do bẩn màng vẫn là một khó khăn trong vận
hành cơng nghệ MBR. Tak và Bae (2005) nghiên cứu và cho thấy việc tắc nghẽn
màng là do chất rắn lơ lửng (72 – 83%). Defrance et al (2000) cũng cho kết quả
tƣơng tự với tỷ lệ 65%.
Chính vì vậy với đề tài “Nghiên cứu đánh giá hiệu qủa xử lý nƣớc thải chế biến
sữa bằng cơng nghệ MbMBR” có thể giảm một lƣợng đáng kể chất rắn lơ lửng, do
đó màng sẽ đƣợc tiếp xúc với nồng độ chất rắn thấp hơn dẫn đến giảm khả năng tắc
nghẽn màng và tăng khả năng ứng dụng công nghệ MBR vào thực tế. Đây là tính
mới của đề tài.
1

Chƣơng 1 : Mở đầu

1.2.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý COD, nitơ và photpho của nƣớc thải chế
biến sữa bằng công nghệ MbMBR.
1.3.

Nội dung nghiên cứu của đề tài

Đề tài tập trung vào các nội dung chính sau đây:
 Đánh giá khả năng xử lý nƣớc thải chế biến sữa của công nghệ sinh học
màng nhúng chìm MBR kết hợp với giá thể lơ lững MBBR gọi tắt
MbMBR tại các tải trọng khác nhau : 1,0 kgCOD/m3.ngày ; 1,5
kgCOD/m3.ngày ; 2,0 kgCOD/m3.ngày ; 2,5 kgCOD/m3.ngày.
 Đánh giá khả năng tái sử dụng nƣớc thải sau xử lý trên cơ sở so sánh chất
lƣợng nƣớc sau xử lý với các tiêu chuẩn tái sử dụng nƣớc trên thế giới.
1.4.

Phạm vi và giới hạn đề tài

Nghiên cứu đƣợc thực hiện trong phịng thí nghiệm trên mơ hình thí nghiệm (lab
scale) gồm một bể MBR kết hợp với MBBR. Nƣớc thải đƣợc lấy từ hố thu gom
hoặc bể điều hoà của Nhà máy sữa Sài Gịn (Vinamilk) – Khu cơng nghiệp Tân
Thới Hiệp – Quận 12 – Tp.HCM.
Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình dựa vào việc loại bỏ : COD, Amonia,
TKN, Tổng Photpho, Nitrat, của nƣớc thải chế biến sữa.

1.5.

Phƣơng pháp nghiên cứu

Phƣơng pháp phân tích và tổng hợp.
Thu thập, tổng hợp các tài liệu, các nghiên cứu trong nƣớc và nƣớc ngoài về
xử lý nƣớc thải chế biến sữa.
Phƣơng pháp thực nghiệm khoa học.
Căn cứ trên các tài liệu đã thu thập bắt đầu tiến hành thiết kế và lắp đặt mơ
hình thí nghiệm (lab scale). Tại phịng thí nghiệm khoa Mơi trƣờng – trƣờng
ĐH Bách Khoa, Thành phố Hồ Chí Minh mơ hình bắt đầu hoạt động thích
nghi với HRT 34,3h, trong 18 ngày khi mơ hình đã đi vào ổn định. Tiếp theo

2


Chƣơng 1 : Mở đầu

ta bắt đầu cho mơ hình hoạt động với các tải trọng khác nhau : 1,0
kgCOD/m3.ngày ; 1,5 kgCOD/m3.ngày ; 2,0 kgCOD/m3.ngày ; 2,5
kgCOD/m3.ngày.
Phƣơng lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu pháp mơi trƣờng.
Tồn bộ kỹ thuật lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu môi trƣờng đƣợc tiến
hành theo đúng các quy định của tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn quốc tế
(theo Standard Methods).
Phƣơng pháp phân tích và tổng kết thực nghiệm.
Các số liệu kết quả thí ngiệm đƣợc phân tích và xử lý bằng phần mềm Excel.

3

Chương 2 : Tổng Quan

CHƢƠNG 2
TỔNG QUAN
2.1.

Tổng quan về ngành sữa

Chế biến sữa và các sản phẩm từ sữa đã trải qua nhiều thời kì cùng với sự phát
triển của khoa học kỹ thuật. Các quốc gia ở khu vực châu Âu và châu Mỹ là những
nhân tố quan trọng góp phần đến sự thay đổi trong cơng nghệ chế biến sữa và các sản
phẩm từ sữa.
Những loại sữa từ động vật đang đƣợc sử dụng trên thế giới gồm có: sữa dê, sữa
bị, sữa cừu. Mỗi lồi động vật sẽ cho sữa với tính chất khác nhau, trong đó, phổ biến
nhất ở Việt Nam là sữa bò. Do vậy, trong suốt phần trình bày này chỉ đề cập tới
nguyên liệu là sữa bị. Cơng nghiệp sản xuất và chế biến sữa đang phát triển không chỉ
ở các nƣớc châu Âu, châu Mỹ mà đang phát triển với tốc độ rất nhanh ở Việt Nam. Do
đó, việc xử lý nƣớc thải ngành sữa phải đƣợc quan tâm từ giai đoạn thiết kế nhà máy.
Sữa và các sản phẩm từ sữa đã gần gũi hơn với ngƣời dân, nếu trƣớc những năm 90
chỉ có 1-2 nhà sản xuất, phân phối sữa, chủ yếu là sữa đặc và sữa bột (nhập ngoại),
hiện nay thị trƣờng sữa Việt Nam đã có gần 20 hãng nội địa và rất nhiều doanh nghiệp
phân phối sữa chia nhau một thị trƣờng tiềm năng với 80 triệu dân. Về mức tiêu thụ
sữa trung bình của Việt Nam hiện nay khoảng 7,8 kg/ngƣời/năm tức là đã tăng gấp 12
lần so với những năm đầu thập niên 90. Theo dự báo trong thời gian sắp tới mức tiêu
thụ sữa sẽ tăng từ 15-20% (tăng theo thu nhập bình quân). Sản phẩm sữa là sản phẩm
dinh dƣỡng bổ sung ngoài các bữa ăn hàng ngày, với trẻ em, thanh thiếu niên và những
ngƣời trung tuổi – sữa có tác dụng lớn hỗ trợ sức khỏe. Trên thị trƣờng có rất nhiều
loại bột ngũ cốc, đồ uống tăng cƣờng sức khỏe… nhƣng các sản phẩm này về chất
lƣợng và độ dinh dƣỡng khơng hồn tồn thay thế đƣợc sữa.

Một dây chuyền sản xuất sữa có giá trị trung bình khoảng vài chục tỷ, đó là một
khoản đầu tƣ khơng nhỏ chƣa tính đến các chi phí xây dựng nhà máy. Cơng đoạn quản
trị chất lƣợng (KSC) nguyên liệu đầu vào và đầu ra là hết sức quan trọng vì nó ảnh
hƣớng đến chất lƣợng của ngƣời tiêu dùng, sữa đầu vào ngun liệu đã ít nhƣng chất
lƣợng khơng đảm bảo nên có nhiều nhà máy khi thu mua sữa tƣơi về phải bỏ đi vì chất

4


Chương 2 : Tổng Quan

lƣợng kém, không qua đƣợc KCS đầu vào gây thất thu. Trong khi sản xuất, việc pha
chế các sản phẩm từ sữa cũng còn nhiều bất cập vì các tỉ lệ vitamin, chất dinh dƣỡng
đƣợc pha trộn theo hàm lƣợng, có thơng tin đầy đủ trên bao bì .
Nguồn cung ngun liệu khơng ổn định, chất lƣợng chƣa đƣợc đảm bảo nên hầu
hết nguồn sữa này đƣợc tiêu thụ trực tiếp qua các cửa hàng sữa tại các thành phố lớn,
cịn các cơng ty sữa sử dụng nguồn sữa nhập ngoại để chế biến những sản phẩm của
mình, trên thị trƣờng hiện tại có các sản phẩm chính nhƣ sau:
 Sữa lỏng (Liquid Milk)-bao gồm sữa tƣơi, sữa đặc.
 Sữa bột (Powder Milk).
 Sữa chua (Drink Yoghurt).
2.1.1. Các nguyên liệu chế biến.
Đƣờng : Đƣờng đƣợc dùng để hiệu chỉnh chất khô và vị ngọt của sản phẩm. Một
số loại đƣờng thƣờng đƣợc sử dụng, nhƣ đƣờng latose, đƣờng saccaroze, đƣờng
glucose, fructo… Chỉ tiêu hóa lý quan trọng của đƣờng là độ ẩm, hàm lƣợng
saccaroze, độ tro, độ màu…
Dầu thực vật : Ngƣời ta có thể dùng dầu đậu nành, dầu dừa, dầu hƣớng dƣơng
hoặc dầu cải để làm nguyên liệu sản xuất một số loại kem. Chỉ tiêu hóa lý quan trọng
của dầu thực vật: chỉ số acid, chỉ số peroxyc…Hàm lƣợng dầu thực vật có thể chiếm từ
6 – 10% khối lƣợng kem thành phẩm. Dầu thực vật cũng đƣợc bảo quản trong những

điều kiện phù hợp.
Các chất ổn định : Các chất ổn định trong sản xuất kem là những hợp chất
ƣa nƣớc, thƣờng có chứa protein hoặc carbonhydrate. Mục đích là để q trình
lạnh đơng ngun liệu sản xuất kem, các tinh thể đá xuất hiện sẽ có kích thƣớc nhỏ,
nên kem đƣợc đồng nhất.
Các chất nhũ hóa : Chất nhũ hóa thƣờng là những hợp chất có tính ƣa nƣớc và ƣa
béo. Trong sữa có chứa một số chất nhũ hóa, nhƣ lecithine, protein, phosphate…
nhƣng với hàm lƣợng thấp. Lòng đỏ trứng gà cũng là một chất nhũ hóa thơng dụng
trong ngành sản xuất kem, nhƣng giá thành cao.

5


Chương 2 : Tổng Quan

Các chất tạo hƣơng : Ngƣời ta sẽ dùng các chất có hƣơng khác nhau nhƣ các loại
hoa quả tự nhiên, hạt khô (đậu phộng, hạt điều, nho khô, hạt socola…), mức
quả, nƣớc quả…vanilla, dâu, sầu riêng, socola…
Chất màu : Mục đích của chất màu là làm tăng màu sắc và vẻ hấp dẫn cho kem.
Có 2 loại:
 Chất màu chính: chất màu tự nhiên và chất màu tổng hợp.
 Các chất khác: Để bảo quản chất lƣợng kem, ngừời ta bổ sung thêm một số loại
acid hữu cơ nhƣ acid citric, acid tatric… để tạo độ chua cần thiết cho kem và
ức chế sự phát triển của một số loại vi sinh có trong kem thành phẩm.
2.1.2. Quá trình sản xuất.
a. Sản xuất sữa tươi uống
Sữa tƣơi uống gồm : Sữa tƣơi thanh trùng, Sữa tƣơi tiệt trùng, Sữa hoàn nguyên.
Nhận
sữa

Kiểm tra
chất lƣợng

Làm lạnh
bảo quản

Gia nhiệt
Li tâm
làm sạch
Tiêu chuẩn
hóa
Đồng hóa
Thanh trùng

Rót chai

Bảo quản

Làm lạnh

Hình 2. 1. Qui trình sản xuất chung(1).

b. Sữa hộp
Khái niệm sữa hộp xuất phát từ việc bảo quản sữa vì sữa là sản phẩm giàu dinh
dƣỡng nên cũng là môi trƣờng thuận lợi cho vi sinh vật phát triển.Theo qui trình sản
xuất, ngƣời ta chia sữa hộp thành 2 nhóm: sữa cơ đặc và sữa bột.
-----------------------(1)

Lâm Xn Thanh, Giáo trình cơng nghệ chế biến sữa và các sản phẩm từ sữa. NXB Khoa học kỹ
thuật Hà Nội.

6


Chương 2 : Tổng Quan

 Công đoạn sản xuất sữa cơ đặc
Nhận sữa
Lọc

Làm lạnh

Tạm chứa

Tiêu chuẩn hóa
Đồng hóa

Thanh trùng
Cơ đặc
Đóng hộp

Tiệt trùng
Hình 2. 2.Sơ đồ sản xuất sữa cơ đặc (1).

c. Công đoạn sản xuất sữa bột
Sau công đoạn xứ lý chung nhƣ trên, sữa cô đặc đƣợc đƣa qua máy sấy. Sữa đƣợc
làm nguội sau sấy, rồi đóng gói và bảo quản.

7

Chương 2 : Tổng Quan
Phối trộn nguyên liệu
Đồng hóa
Thanh trùng
Ủ chín
Bổ sung hƣơng liệu
Làm lạnh đơng, thổi khí
Hình 2. 3. Sơ đồ sản xuất sữa bột (1).

d. Sữa chua
 Yoghurt dạng tĩnh
 Yoghurt dạng động
 Sữa chua uống
Chuẩn bị sữa để lên men
Cấy men

Sữa chua dạng tĩnh

Sữa chua dạng động
Rót

Lên men

Lên men

Làm lạnh
Trộn hƣơng

Làm lạnh, ủ chín

Rót
Làm lạnh, ủ chín
Hình 2. 4. Sơ đồ công nghệ sữa chua tĩnh và động(1).

8

Mứt hoa quả


Chương 2 : Tổng Quan

Lên men

Phối trộn

Chất ổn định
đƣờng mứt
quả

Đồng hóa

Thanh
trùng

Đồng hóa

Làm lạnh

Đồng hóa

UHT

Rót

Rót vơ
trùng

Rót vơ
trùng

Bảo quản
2 tuần

Bảo quản
1 tháng

Bảo quản
vài tháng

Hình 2. 5. Sơ đồ cơng nghệ sữa chua nước (1).

e. Phơ mai và bơ
Nhận sữa

Làm sạch

Tiêu chuẩn
hóa

Thanh
trùng

Làm nguội

Xử lý
muối

Ép thành
bánh

Cắt quện
sữa, tách
nƣớc

Lên men
giai đoạn 2

Cấy men

Ngâm chín

Bao gói

Bảo quản

Hình 2. 6. Sơ đồ sản xuất phơ mai (1).

9

Chương 2 : Tổng Quan

Nhận
cream

Thanh
trùng
cream chín

Bảo quản

Làm lạnh
và ủ chín
vật lý
cream chín

Đóng gói

Đảo trộn
chín

Rửa hạt bơ
chín

Xử lý hạt
bơ chín

Trộn muối
(nếu là bơ

mặn chín)

Hình 2. 7. Sơ đồ sản xuất bơ (1).

2.1.3. Thuyết minh.
Li tâm làm sạch: Sữa đƣợc gia nhiệt đến 400C rồi qua thiết bị li tâm làm sạch để
loại bỏ các tạp chất cơ học, tế bào….
Tiêu chuẩn hóa: Trong phạm vi ở đây,khi nói đến tiêu chuẩn hóa sữa ngƣời ta chỉ
đề cập tới 1 chỉ tiêu đó là chất béo. Cần điều chỉnh sao cho thành phẩm có hàm lƣợng
béo nhƣ đã định (ví dụ nhƣ 3.2% hay 3.6% ). Có thể tiến hành tiêu chuẩn hóa sữa bằng
2 phƣơng pháp:
 Bằng máy ly tâm tiêu chuẩn hóa tự động
 Bằng phối trộn.
Tốt nhất là làm bằng máy ly tâm-điều chỉnh tự động làm đồng thời 2 nhiệm vụ là
tiêu chuẩn hóa sữa và ly tâm làm sạch.
Thanh trùng: Là khâu rất quan trọng, quyết định chất lƣợng và thời gian bảo quản
sản phẩm. Chế độ thanh trùng thƣờng đƣợc sử dụng là 72 – 750C trong vài giây.
Đồng hóa: Làm giảm kích thƣớc các cầu mỡ, làm cho chúng phân bố đều chất béo
trong sữa, làm cho sữa đƣợc đồng nhất. Đồng hóa có thể làm tăng độ nhớt của sữa lên
chút ít nhƣng làm giảm đáng kể q trình oxi hóa, làm tăng chất lƣợng của sữa và các
sản phẩm từ sữa . Các sản phẩm sữa sau khi đồng nhất sẽ đƣợc cơ thể hấp thụ dễ dàng.
Phối trộn : Phối trộn đều các nguyên liệu sữa bột, nƣớc, đƣờng RE, chất ổn
định, chất nhũ hóa,…nhằm tạo ra sữa hồn ngun có thành phần các chất, tỷ trọng,
độ nhớt nhƣ yêu cầu, tạo điều kiện thuận lợi cho q trình đồng hóa.

10


Chương 2 : Tổng Quan

Tiệt trùng UHT (Ultra High Temperature): Q trình tiệt trùng ở 138-1400
nhằm tiêu diệt tồn bộ các vi sinh vật có mặt trong sữa, đồng thời góp phần loại bỏ
những chất gây mùi khó chịu cịn sót lại trong sữa. Nhờ vậy thời gian bảo quản đƣợc
kéo dài, chất lƣợng sản phẩm ổn định.
Cô đặc: để giảm bớt lƣợng nƣớc (tăng lƣợng chất khơ). Có thể cô đặc ở áp suất
thƣờng hoặc cô đặc ở nồi cơ đặc chân khơng.
Ủ chín (ageing) : Hydrate hóa các chất ổn định protein và kết tinh chất béo. Ủ ở 25 trong khoảng 4 giờ.
Lạnh đông : Thổi một lƣợng khơng khí vào hỗn hợp ngun liệu để làm tăng thế
tích của chúng. Lạnh đơng một phần nƣớc trong hỗn hợp tạo các tinh thể với kích
thƣớc rất nhỏ, đồn nhất và phân bố đều trong hỗn hợp.
2.1.4. Nguồn gốc phát sinh và thành phần của nước thải chế biến sữa.
2.1.4.1.

Nguồn gốc phát sinh nước thải chế biến sữa.

Nƣớc thải của nhà máy chế biến sữa nói chung là sự pha loãng của sữa và các sản
phẩm từ sữa do sự rơi vãi từ các công đoạn chế biến, hoặc do sự rị rỉ đƣợc phép của
thiết bị cơng nghệ, cùng với các hóa chất tẩy rửa, dầu mỡ dùng để vệ sinh thiết bị cũng
nhƣ các dụng cụ lƣu trữ, ….
Dựa vào qui trình cơng nghệ sản xuất sữa, ta thấy nƣớc thải chung của nhà máy chế
biến sữa bao gồm:
a. Nước thải sản xuất
 Nƣớc rửa các bồn chứa và can ở các trạm tiếp nhận.
 Nƣớc súc rửa các sản phẩm dƣ bên trong hoặc trên bề mặt của tất cả các đƣờng
ống, bơm, bồn chứa, thiết bị cơng nghiệp, máy đóng gói, ….
 Nƣớc rửa thiết bị, rửa sàn cuối mỗi chu kỳ hoạt động.
 Sữa rò rỉ từ các thiết bị, hoặc do làm rơi vãi nguyên liệu và sản phẩm.
 Một số chất lỏng khác nhƣ sữa tƣơi, sữa chua kém chất lƣợng, bị hƣ hỏng do
quá trình bảo quản và vận chuyển cũng đƣợc thải chung vào hệ thống thoát
nƣớc.

 Nƣớc thải từ nồi hơi, từ máy làm lạnh.
11