Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải nhà máy bia sau xử lý kỵ khí bằng quá trình stick bed và swim bed
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.13 MB, 101 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------- o0o --------------
ĐẶNG MINH SƠN
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHÀ
MÁY BIA SAU XỬ LÝ KỴ KHÍ BẰNG Q TRÌNH
STICK-BED VÀ SWIM-BED
Chun ngành:
Cơng nghệ mơi trường
Mã số:
11250527
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2013
PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
♦
Họ và tên:
ĐẶNG MINH SƠN
♦
Ngày, tháng, năm sinh:
29/11/1985
♦
Địa chỉ liên lạc:
Quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh
Nơi sinh:
QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
(Bắt đầu từ Đại học đến nay)
Đại học
♦
Hệ đào tạo: Chính quy
♦
Thời gian học: Từ 06/2004 đến 06/2008
♦
Nơi học: Trường Đại học Văn Lang, Tp. HCM
♦
Ngành: Công Nghệ Môi Trường
Bồi dưỡng sau đại học
♦
Thời gian: 2009
♦
Nơi học: Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh
♦
Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường
Cao học
♦
Thời gian học: Từ 2011đến nay
♦
Nơi học: Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh
♦
Chun ngành: Cơng nghệ Mơi trường
Bình Định
i
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS NGUYỄN TẤN PHONG
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. ĐẶNG VIẾT HÙNG
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS MAI THANH PHONG
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 26 tháng 01 năm 2013
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. GS.TS LÂM MINH TRIẾT (CT)
2. TS. TRẦN TIẾN KHÔI (TK)
3. TS. ĐẶNG VIẾT HÙNG (PB1)
4. PGS.TS MAI THANH PHONG (PB2)
5. PGS.TS NGUYỄN TẤN PHONG (UV)
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
Bộ môn quản lý chuyên ngành
ii
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
KHOA MÔI TRƯỜNG
VIỆT NAM
--------------------------------
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày
tháng
năm 2012
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên Học viên: ĐẶNG MINH SƠN
MSHV: 11250527
Ngày, tháng, năm sinh: 29/11/1985
Nơi sinh: Bình Định
Chun ngành: Cơng nghệ Mơi trường
I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHÀ
MÁY BIA SAU XỬ LÝ KỊ KHÍ BẰNG Q TRÌNH SWIM-BED VÀ STICKBED.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-
Xác định tải trọng COD vận hành thích hợp của mơ hình ứng với các tải
trọng thí nghiệm tăng dần 0,5; 1; 1,5; 2; 3 kg COD/m3.ngày.
-
So sánh khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm của mô hình ứng với các tải trọng
COD khác nhau.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
Ngày
/ / 2012
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
Ngày
/ / 2012
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
PGS.TS. NGUYỄN TẤN PHONG
TS. ĐẶNG VŨ BÍCH HẠNH
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
KHOA QL CHUN NGÀNH
PGS.TS. NGUYỄN TẤN PHONG
TS. ĐẶNG VŨ BÍCH HẠNH
TRƯỞNG PHỊNG ĐT – SĐH
TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH
iii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS.Nguyễn Tấn Phong, người thầy đã
hướng dẫn tôi thực hiện luận văn tốt nghiệp và tạo điều kiện thuận lợi để tơi thực
hiện nghiên cứu ở Phịng thí nghiệm, Khoa môi trường, trường Đại Học Bách khoa
Tp.HCM.
Đồng thời tôi xin cảm ơn tất cả các thầy giáo, cô giáo Khoa Môi Trường - Trường
Đại Học Bách khoa Tp.HCM đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những tri thức quý
báu giúp tơi hồn thành chương trình đào tạo và Luận văn thạc sĩ.
Xin chân thành cảm ơn tập thể các anh chị nhân viên Phịng thí nghiệm, Khoa mơi
trường, trường Đại Học Bách khoa Tp.HCM đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ trong
nghiên cứu và phân tích thử nghiệm.
Và cuối cùng, xin được chân thành biết ơn cha mẹ, vợ con, anh chị em trong gia
đình và anh em bạn bè thân mến đã động viên, giúp đỡ, đồng hành trong suốt thời
gian học và trong quá trình thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn !
Tp. HCM, ngày 07 tháng 07 năm 2012
iv
TÓM TẮT
Luận văn nghiên cứu khả năng xử lý nước thải bia sau xử lí kị khí bằng cơng nghệ
Stick-Bed và Swim-Bed. Mơ hình nghiên cứu gồm 3 bể với thể tích như sau: Bể
thiếu khí – 11,5 lít, bể hiếu khí – 11,5 lít và bể lắng – 8 lít. Mơ hình nghiên cứu là
sự kết hợp hệ thống Swim-bed và Stick-Bed sử dụng giá thể nhúng chìm, bể thiếu
khí sử dụng giá thể Bio-fix và bể hiếu khí sử dụng giá thể Bio-fringe. Nước thải
nghiên cứu được lấy từ trạm xử lý nước thải của nhà máy bia Heniken, quận 12,
tp.HCM. Nghiên cứu được thực hiện từ 01/03 đến 30/06 năm 2012 tại phịng thí
nghiệm Cơng nghệ mơi trường, Khoa môi Trường, Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí
Minh.
Nghiên cứu được tiến hành liên tục trên 5 tải trọng hữu cơ (0,5 kgCOD/m3.ngày ; 1
kgCOD/m3.ngày; 1,5 kg COD/m3.ngày, 2 kg COD/m3.ngày và 3 kgCOD/m3.ngày).
Mơ hình được vận hành với các chỉ tiêu: pH là từ 6,6 – 8, DO trong bể Swim-bed và
Stick-Bed lần lượt là 4 và 0,5. Đồng thời, các chỉ tiêu ô nhiễm được đánh giá gồm:
pH, TSS, COD, BOD5, TN, N-NH4+, N-NO3- , P-PO43- và T.coliform.
Qua thời gian nghiên cứu, kết quả cho thấy kết quả xử lý chất ô nhiễm ở tải 2 (1
kgCOD/m3.ngày) là cao nhất và thấp nhất là ở tải 5 (3 kgCOD/m3.ngày). Thành
phần % hiệu quả loại bỏ các chất ơ nhiễm trung bình thu được qua các tải trọng của
nghiên cứu lần lượt là: TSS 87%, COD 81%, BOD5 76%, TN 68%, P-PO43- 44%.
v
ABSTRACT
The Thesis names: Research on the possibility of brewery waste water treatment
after anaerobic process with Stick-bed and Swim-Bed system. The pilot-scale
includes three tanks with volumes as: anoxic tank – 11.5 liters, aerobic tank – 11.5
liters and settling tank – 8 liters. This pilot is combination of Swim-Bed and Stickbed system which use immersion carriers, the aerobic tank uses Bio-fringe carriers
and the anoxic tank uses Bio-fix carriers. Waste water usage was collected from
Brewery waste water treatment in district 12, Ho Chi Minh city. This study was
performed from 1st march to 30th June, 2012 at the environment technology
laboratory, Environment Faculty, Polytechnic University Ho Chi Minh city.
The study was operated with 5 organic load rates (0.5 kg COD/m3.day; 1kg
COD/m3.day; 1.5 kg COD/m3.day, 2 kg COD/m3.day and 3 kg COD/M3.day)
.Operation parameters such as HRT, pH were 10h and 6.5-8, respectively. DO in
Stick- bed and Swim-bed were 0.5 and 4. This study was tested with different
parameters including: pH, TSS, COD, BOD5, N-NH4+, N-NO3- , P-PO43- , Total
coliform.
In conclusion, the best removal is organic load rate 1 (1kg COD/m3.day) and the
worst removal is organic load rate 5 (3kg COD/m3.day). In terms of overall
performances the following mean removal rates were obtained: TSS 87%, COD
81%, BOD5 76%, TN 68%, P-PO43- 44%.
vi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
BOD
Nhu cầu oxy sinh hóa (Bio-chemical Oxygen Demand)
BF
Sợi sinh học (Bio-Fringe)
BTNMT
Bộ tài nguyên môi trường
BX
Tấm sinh học (Bio-Fix)
COD
Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)
C/N
Tỷ lệ Carbon/Nitrogen
DO
Oxy hòa tan (Demand oxygen)
MLSS
Cặn lơ lửng của hỗn hợp bùn hoạt tính (Mixed Liquor
Suspended Solids)
MLVSS
Cặn bay hơi của hỗn hợp bùn hoạt tính (Mixed Liquor
Volatile Suspended Solids)
N-NH4+
Ammonium Nitrogen ion (Ion nitơ ammoni)
N-NO2-
Nitrite Nitrogen ion (Ionnitơ nitrit)
N-NO3-
Nitrate Nitrogen ion (Ion nitơ nitrat)
P-PO43-
Orthophosphate
PAOs
Vi sinh vật tích lũy photpho (Photphate Accumulatin
Organisms)
PVA – gel
Polyvinyl Alcohol Gel
QCVN
Quy chuẩn Việt Nam
SS
Chất rắn lơ lửng (Suspended Solids)
SVI
Chỉ số thể tích bùn lắng (Sludge Volumn Index)
TKN
Tổng nitơ Kjendahl (Total Nitrogen Kjendahl)
TN
Tổng nitơ (Total Nitrogen)
TP
Tổng photpho (Total phosphorus)
TSS
Tổng chất rắn (Total suspended solids)
VFAs
Axit béo dễ bay hơi (Volatile Fatty Acids)
vii
DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1 Thành phần hóa học của hoa Houblon .................................................... 15
Bảng 2.2 Đặc trưng của nước thải bia .................................................................... 15
Bảng 3.1: Thành phần nước thải nhà máy bia ........................................................ 44
Bảng 3.2 Lưu lượng nước ở các tải ........................................................................ 49
Bảng 4.1 Kết quả SVI qua các tải trọng nghiên cứu ............................................... 68
viii
DANH SÁCH HÌNH
Hình 2.1: Đại mạch hai hàng và đại mạch nhiều hàng ........................................... 10
Hình 2.2: Quy trình sản xuất Malt ......................................................................... 10
Hình 2.3: Sơ đồ dây chuyền sản xuất bia điển hình. ............................................... 12
Hình 2.4: Quá trình A/O ........................................................................................ 26
Hình 2.5: Quá trình A2O ....................................................................................... 26
Hình 2.6: Quá trình Bardenpho cải tiến 5 ngăn ...................................................... 27
Hình 2.7: Quá trình UCT cải tiến ........................................................................... 27
Hình 2.8: Quá trình VIP ........................................................................................ 27
Hình 2.9: Quá trình Johannesburg ......................................................................... 27
Hình 2.10: Quy trình công nghệ tram xử lý nước thải nhà máy bia Sài Gịn - KCN
Tân Đơng Hiệp B – Dĩ An – Bình Dương: ............................................................. 30
Hình 2.11: Quy trình cơng nghệ tram xử lý nước thải nhà máy bia Bavane Lieshout,
Hà Lan: ................................................................................................................. 30
Hình 2.12: Quy trình cơng nghệ xử lý nước thải nhà máy bia VBL, quận 12. ........ 31
Hình 2.13: Cấu tạo chi tiết vật liệu tiếp xúc Bio-Fringe ......................................... 33
Hình 2.14: Mặt cắt ngang sợi vật liệu tiếp xúc ....................................................... 33
Hình 2.15: Quy trình BF – SQ xử lý nước thải bằng quá trình Swim – Bed
BioFringe .............................................................................................................. 34
Hình 2.16: Quy trình BF – O xử lý nước thải bằng quá trình Swim – Bed BioFringe
.............................................................................................................................. 35
Hình 2.17: Quy trình BF – AO xử lý nước thải ...................................................... 36
Hình 2.18: Cấu tạo giá thể BioFix ......................................................................... 37
Hình 2.19: Q trình xử lý kị khí ứng dụng q trình Stick – Bed Bio-Fix ............ 38
Hình 2.20: Quá trình Nitrat hóa và khử Nitrat ứng dụng Stick-Bed Bio-Fix........... 39
Hình 2.21: Q trình chuyển hóa N trong nước thải bằng phương pháp sinh học ... 42
Hình 2.22: Q trình chuyển hóa P trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh
học. ....................................................................................................................... 43
Hình 3.1: Bio-fringe trước và sau khi nghiên cứu .................................................. 45
ix
Hình 3.2: Bio-fix trước và sau khi nghiên cứu ....................................................... 46
Hình 3.3: Cấu tạo mơ hình nghiên cứu .................................................................. 47
Hình 3.4: Mơ hình trước và sau khi chạy nước thải................................................ 48
Hình 4.1: Giá trị pH của mơ hình nghiên cứu theo thời gian .................................. 54
Hình 4.2: Biến thiên nơng độ COD theo thời gian nghiên cứu ............................... 56
Hình 4.3: Nồng độ COD trung bình qua các tải ..................................................... 57
Hình 4.4: Hiệu suất xử lý COD trung bình qua các tải ........................................... 58
Hình 4.5: Nồng độ BOD5 trung bình qua các tải .................................................... 59
Hình 4.6: Hiệu suất xử lý BOD5 trung bình qua các tải .......................................... 60
Hình 4.7: Nồng độ TN trung bình qua các tải ........................................................ 61
Hình 4.8: Hiệu suất xử lý TN trung bình qua các tải .............................................. 61
Hình 4.9: Nồng độ N-NH4+ trung bình qua các tải ................................................. 62
Hình 4.10: Hiệu suất xử lý N-NH4+ trung bình qua các tải ..................................... 63
Hình 4.11: Biến thiên nồng độ N-NO3- theo các tải................................................ 64
Hình 4.12: Nồng độ Phốtpho trung bình qua các tải ............................................... 65
Hình 4.13: Hiệu suất xử lý Phốtpho trung binh qua các tải .................................... 65
Hình 4.14: Nồng độ SS trung bình qua các ngày.................................................... 67
Hình 4.15: Hiệu suất xử lý SS trung bình qua các tải ............................................. 67
x
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................iii
TÓM TẮT .............................................................................................................. iv
ABSTRACT ............................................................................................................ v
DANH MỤC VIẾT TẮT ........................................................................................ vi
DANH SÁCH BẢNG ............................................................................................ vii
DANH SÁCH HÌNH ............................................................................................ viii
CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU ............................................................................................ 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................... 1
1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .............................................................................. 2
1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .................................................... 2
1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .............................................................................. 2
1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................................... 3
1.6 TÍNH MỚI ĐỀ TÀI ........................................................................................... 4
1.7 TÍNH KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI.......................................... 4
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................... 5
2.1 NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI ....... 5
2.1.1 Các nghiên cứu trong nước ............................................................................. 5
2.1.2 Các nghiên cứu ngoài nước ............................................................................. 6
2.2 NƯỚC THẢI NHÀ MÁY BIA VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ..................... 9
2.2.1 Nguyên liệu và Quy trình sản xuất bia ............................................................ 9
2.2.2 Nguồn phát sinh nước thải ............................................................................ 14
2.2.3 Thành phần và tính chất nước thải nhà máy bia ............................................ 15
2.2.4 Tác động của nước thải bia đến môi trường .................................................. 16
2.2.5 Các phương pháp sinh học ứng dụng trong xử lý nước thải bia ..................... 18
2.2.6 Một số công nghệ xử lý nước thải bia ........................................................... 30
2.3 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SWIM-BED VÀ STICK-BED ..................... 32
2.3.1 Tổng quan về quá trình Swim-bed với giá thể Bio-fringe .............................. 32
2.3.2 Tổng quan về quá trình Stick-bed và giá thể Bio-fix ..................................... 37
xi
2.3.3 Các q trình xử lý trong mơ hình kết hợp Swim-bed và Stick-bed ............... 39
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................... 44
3.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ......................................................................... 44
3.1.1 Nước thải ...................................................................................................... 44
3.1.2 Tính chất của giá thể dùng trong nghiên cứu ................................................. 45
3.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................ 46
3.2.1 Mơ hình nghiên cứu ...................................................................................... 46
3.2.2 Ngun lý hoạt động ..................................................................................... 48
3.2.3 Vận hành mơ hình......................................................................................... 49
3.3. LẤY MẪU VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ............................................. 50
3.3.1. Lấy mẫu ....................................................................................................... 50
3.3.2 Phương pháp phân tích ................................................................................. 50
3.3.3 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm (phần mềm excel). .......................... 53
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................... 54
4.1 GIÁ TRỊ pH VÀ DO ....................................................................................... 54
a) Giá trị pH .......................................................................................................... 54
b) Giá trị DO ......................................................................................................... 55
4.2 HIỆU QUẢ XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ ............................................................. 55
4.2.1 Kết quả nghiên cứu xử lý COD ..................................................................... 56
4.2.2 Kết quả nghiên cứu xử lý BOD5.................................................................... 58
4.3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ ....................................................... 61
4.3.1 Tổng Nitơ (TN) ............................................................................................ 61
4.3.2 Nitơ Amonia (N-NH4+) ................................................................................. 62
4.3.3 Nitơ Nitrat (N-NO3) ...................................................................................... 63
4.4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XỬ LÝ PHỐTPHO (P-PO43-) ............................... 64
4.5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XỬ LÝ SS ............................................................ 66
4.6 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SVI ....................................................................... 68
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................... 69
5.1 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 69
5.2 KIẾN NGHỊ .................................................................................................... 70
xii
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 71
Tiếng Việt ............................................................................................................. 71
Tiếng Anh ............................................................................................................. 71
Websites ................................................................................................................ 72
PHỤ LỤC.............................................................................................................. 72
PHỤ LỤC A .......................................................................................................... 72
PHỤ LỤC B ........................................................................................................... B
PHỤ LỤC C ........................................................................................................... E
1
CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Việt Nam là nước thuộc khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, với dân số trên 80 triệu người
hứa hẹn một thị trường đầy tiềm năng của các loại nước giải khát trong đó có bia.
Ngành công nghiệp sản xuất bia cũng là một trong các ngành công nghiệp mang lại
lợi nhuận cao ở Việt Nam hiện nay, các cơ sở sản xuất bia Việt Nam cùng tồn tại và
phát triển với các hãng bia danh tiếng trên thế giới.
Việc đầu tư xây dựng các nhà máy bia được triển khai mạnh mẽ từ những năm 1990
trở lại đây. Số các nhà máy bia là 469 vào năm 1998 với các quy mô khác nhau từ
100.000 lít/năm đến 100 triệu lít/năm. Mức tiêu thụ bình quân đầu người tăng lên
nhanh chóng trong hơn 10 năm qua từ mức dưới 10 lít/người/năm vào năm 1997 đã
đạt mức 18 lít/người/năm vào năm 2006 và theo dự kiến trong vài năm tới con số sẽ
là 28-30 lít/người/năm. Số liệu thống kê cho thấy trong ngành sản xuất bia có ba
doanh nghiệp có sản lượng trên 100 triệu lít/năm là Sabeco (năng lực sản xuất trên
300 triệu lít/năm), Habeco (trên 200 triệu lít/năm) và cơng ty liên doanh nhà máy
bia Việt Nam (trên 100 triệu lít/năm). Có 15 doanh nghiệp bia có cơng suất lớn hơn
15 triệu lít và 19 doanh nghiệp có sản lượng sản xuất thực tế trên 20 triệu lít.
Khoảng 268 cơ sở cịn lại có năng lực sản xuất dưới 1 triệu lít/năm.(Nguồn: Kết quả
nghiên cứu đánh giá tình trạng lạm dụng rượu bia ở VN - Chương trình hợp tác y tế
VN-Thụy Điển; Cơ quan thực hiện: Viện Chiến lược và chính sách y tế)
Phát triển sản xuất cơng nghiệp một mặt góp phần tăng sản phẩm cho xã hội, phục
vụ đời sống con người, nhưng mặt khác, chính cơng nghiệp cũng sẽ gây ra những
tác hại to lớn cho môi trường sinh thái, vì nó tạo ra các chất thải gây ơ nhiễm môi
trường. Bảo vệ môi trường là vấn đề ngày càng trở nên cấp thiết mang tính tồn cầu
vì chất lượng môi trường ảnh hưởng tới mọi hoạt động sống và phát triển trên hành
tinh. Cùng với các ngành công nghiệp khác, sự phát triển nhanh về số lượng và quy
mô của các doanh nghiệp sản xuất bia cũng như sự tăng nhanh về sản lượng bia đã
tạo ra một lượng lớn các chất thải gây ô nhiễm môi trường dưới cả ba dạng: chất
thải rắn, khí thải và nước thải.
2
Hiện nay hầu hết các cơ sở sản xuất đều thải trực tiếp nước thải vào hệ thống thốt
nước cơng cộng không qua xử lý.Hơn nữa, phần lớn các cơ sở công nghiệp này đều
nằm trong thành phố xen với khu dân cư.Việc thải một lượng lớn chất hữu cơ ra
môi trường sẽ tạo nguồn ô nhiễm và các ổ dịch bệnh, ảnh hưởng trực tiếp tới sức
khỏe của cộng đồng. Nguồn gây ơ nhiễm chính của sản xuất bia là nước thải với lưu
lượng lớn, tải lượng các chất bẩn hữu cơ cao, gây những hậu quả nghiêm trọng cho
môi trường, cần được ưu tiên giải quyết.
Trong những năm gần đây, công nghệ xử lý nước thải cho các nhà máy sản xuất bia
luôn được cải tiến. Tuy nhiên hiệu quả xử lý vẫn chưa cao, tốn nhiều chi phí đầu tư,
vận hành và bảo dưỡng. Vì vậy, việc thúc đẩy nghiên cứu các công nghệ mới để
ứng dụng vào việc giải quyết vấn đề nước thải cho các nhà máy sản xuất bia là rất
thiết thực.
1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
♦Đánh giá khả năng xử lý nước thải sản xuất biasau q trình kị khí bằng sự kết hợp
mơ hình Swim-bed và Stick-bed với các tải trọng hữu cơ khác nhau.
♦Đánh giá khả năng xử lý COD, Nitơ, phốt pho của quá trình Stick-Bed với giá thể
Bio-Fix và Swim-Bed với giá thể Bio-Fringe.
1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
♦ Đối tượng nghiên cứu cụ thể: nước thải của nhà máy bia Heniken, quận 12, Tp.
Hồ Chí Minh.
♦ Phạm vi nghiên cứu: hiệu quả của mơ hình xử lý nước thải sản xuất bia sau bể kị
khí bằng sự kết hợp quá trình swim-bed và stick-bed.
1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
♦ Thu thập thông tin và tổng quan các tài liệu liên quan đến các phương pháp xử lý
nước thải nhà máy sản xuấtbiahiện nay.
♦ Thu thập thông tin và tổng quan các tài liệu liên quan đến khả năng xử lý nước
thải của phương pháp xử lý nước thải bằng công nghệ Swim-Bed và Stick-Bed sử
3
dụng giá thể Bio-fringe và Bio-fix; nghiên cứu cơ chế và bản chất của phương pháp
này trong việc chuyển hóa các chất ơ nhiễm.
♦ Nghiên cứu trên mơ hình thực nghiệm về công nghệ xử lý nước thải bia bằng sự
kết hợp mơ hình Swim-Bed và Stick-Bed sử dụng giá thể Bio-fringe và Bio-fix:
- Thiết lập mơ hình xử lý và phương pháp vận hành mơ hình.
- Vận hành mơ hình thực nghiệm với các chế độ khác nhau.
- Lấy mẫu, phân tích các chỉ tiêu ơ nhiễm của mơ hình nghiên cứu theo các vị trí
nghiên cứu nhất định.
- Xác định khả năng xử lý COD, Ni tơ, Phốt pho trên mơ hình.
- Xác định hiệu quả xử lý COD, Ni tơ, Phốt pho đối với từng quá trình.
- Chọn thông số tối ưu cho việc thiết kế và vận hành cho mơ hình.
1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
♦ Phương pháp thu thập tài liệu
Tham khảo, tổng hợp số liệu về thành phần tính chất nước thải cơng nghiệp theo các
tài liệu trong và ngồi nước. Tìm hiểu nghiên cứu các công nghệ xử lý nước thải,
những nghiên cứu đã được thực hiện trong và ngồi nước.
Thu thập, tìm hiểu các nghiên cứu đã được thực hiện về xử lý loại bỏ nitơ, phospho
trong nước thải cũng như các công trình đã áp dụng trên thế giới để có cơ sở và
phương hướng nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam.
♦ Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên mơ hình qui mơ phịng thí
nghiệm
Mơ hình nghiên cứu được xây dựng bằng nhựa trong suốt, đảm bảo các điều kiện
sinh trưởng cũng như hoạt động của vi sinh trong nghiên cứu. Nước thải thực tế
cung cấp chạy cho mơ hình nghiên cứu. Các mẫu phân tích được lấy từ nhiều vị trí
trên mơ hình, phân tích các chỉ tiêu nghiên cứu.
4
♦ Phương pháp phân tích các chỉ tiêu mơi trường
Các chỉ tiêu lý hóa được phân tích trong suốt q trình nghiên cứu. Các chỉ tiêu
nghiên cứu cụ thể như: pH, COD, DO, NO2-, NO3-, TN, TP, MLSS, NH4+ được xác
định trong nghiên cứu.
♦ Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm (phần mềm excel)
Từ số liệu thơ, tính tốn hiệu suất xử lý, hiệu suất chuyển hóa, vẽ đồ thị, đưa ra
những phân tích nhận xét đánh giá và kết luận.
1.6 TÍNH MỚI ĐỀ TÀI
Tìm cơng nghệ xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia mới có nhiều ưu thế hơn các
công nghệ hiện tại:
♦Đề tài đưa ra hướng nghiên cứu mới là sử dụng các giá thể bio-fix và bio-fringe để
nâng cao hiệu suất xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia sau bể kị khí.
♦Cơng nghệ phù hợp để xây dựng đối với những nhà máy có diện tích vừa phải.
♦Giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng cho hệ thống.
♦Tiết kiệm chi phí và nhân công cho việc khảo sát, thiết kế, xây dựng và lắp đặt hệ
thống xử lý.
1.7 TÍNH KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
♦ Tính khoa học
Tồn bộ kết quả của đề tài đựợc rút ra từ những thí nghiệm có căn cứ khoa học rõ
ràng, việc tính tốn, xử 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.
♦ Tính thực tiễn
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là cơ sở lựa chọn công nghệ xử lý nước thải cho các nhà
máy sản xuất bia.
5
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1 NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI
2.1.1 Các nghiên cứu trong nước
Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt bằng sự kết hợp mơ hình Swimbed và Stick-bed, Thái Vân Anh (2012)
Nghiên cứu thực hiện nhằm đánh giá tính khả thi của việc sử dụng hệ thống kết hợp
Swim-bed (giá thể Bio-fringe) và Stick-bed (giá thể Bio-fix) có sử dụng giá thể
nhúng chìm.Nghiên cứu được tiến hành trên 4 tải trọng hữu cơ 0.5; 1; 1.5; 2 kg
COD/m3.ngày).Tải trọng xử lý tốt nhất là 1kg COD/m3.ngày. Hiệu quả loại bỏ TSS
91 %, COD 86.8%, BOD5 80%, N-NH4+ 72 %, P-PO43- 42%, và T-coliform 99.8%.
Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải giết mổ bằng mơ hình Swim-bed và stick-bed,
Lê Quang Huy (2012)
Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải giết mổ bằng mơ hình Swim-bed và Stickbed. Mơ hình nghiên cứu gồm 4 bể: bể kỵ khí, bể thiếu khí, bể hiếu khí, bể lắng. Bể
kỵ khí và bể thiếu khí sử dụng Stick-bed BioFix, cịn bể hiếu khí dùng Swim-Bed
BioFringe như là một chất mang sinh khối. Mơ hình vận hành liên tục theo các tải
trọng từ 3.5-6.5 kgCOD/m3.ngày. Kết quả quá trình thực nghiệm cho thấy hiệu quả
xử lý COD, SS trên 90 %, TKN và amonia trên 65%.Q trình nitrat và khử nitrat
diễn ra hồn toàn ở các tải trọng 3.5 và 4.5 kg COD/m3.ngày.
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Swim-bed để khử COD và Nitrate hóa nước thải
cao su do Nguyễn Lễ (2010)
Nghiên cứu này hướng tới công nghệ Swim-bed trong việc khử COD và q trình
nitrat hóa trong việc xử lý nước thải cao su. Kết quả cho thấy rằng hiệu quả xử lý
COD và q trình nitrat hóa cao ở những tải nhỏ hơn hay bằng 1 kg COD/m3.ngày,
hiệu quả khử COD và nitrat hóa thấp khoảng 86% và 20%. Nồng độ sinh khối tăng
khi tải trọng thể tích tăng, ở tải trọng 2 kg COD/m3.ngày và 3 kg COD/m3.ngày lần
lượt là 6800 mg/L và 7900 mg/L .
6
Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến thủy sản bằng công nghệ Swim-Bed sử dụng
giá thể Bio-fringe, Nguyễn Lâm Phương (2012)
Nghiên cứu được thực nhằm đánh giá hiệu quả xử lý các chất hữu cơ và dinh dưỡng
trong nước thải thủy sản bằng công nghệ Swim-Bed sử dụng giá thể Bio-fringe ở
các tải trọng khác nhau từ 0.5-3.0 kg COD.m3.ngày.Thời gian lưu nước khoảng 6h ở
tất cả các tải trọng. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu quả loại bỏ COD cao nhất đạt
94% ở tải trọng 1.0 kg COD/m3.ngày ứng với tải trọng nito 0.14 kg N/m3.ngày thì
hiệu quả loại bỏ COD đã giảm xuống chỉ còn 88% và hiệu suất nitrate hóa cũng
giảm chỉ cịn 65%. Nồng độ sinh khối tăng trong bể Swim-Bed khi tăng tải trọng
COD và ở tải trọng 3.0 kg COD/m3.ngày, nồng độ sinh khối trong bể đạt được
6.324 mg/L.
2.1.2 Các nghiên cứu ngồi nước
♦ Ứng dụng cơng nghệ Swim-Bed như một q trình sinh trưởng bám dính mới để
xử lý nước thải tải trọng cao, Joseph D. Rouse et al (2004)
Mơ hình nghiên cứu gồm 2 bể phản ứng có thê tích lần lượt là: 7,7 lít và 21,6 lít.
Trong các bể phản ứng, nước thải được đưa vào sau bên trong ngăn sục khí bằng
bơm nước thải.Khí nén cũng được đưa vào gần đáy của tấm hướng dòng nhằm tạo
sự xáo trộn và oxy hóa nước thải trong khi tuần hồn suốt bể phản ứng.
Sợi Bio-Fringe (BF) trong bể phản ứng 7,7 lít dài 520mm và có 94 sợi giá thể, cịn
trong bể phản ứng 21,6 lít sợi BF dài 1.540mm và có 245 sợi giá thể. Các sợi BF
này được xoắn lại để các sợi giá thể tủa ra nhiều hướng trong không gian.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu suất xử lý COD của mơ hình lên đến 80% ở tải
trọng 12 kgCOD/m3.ngày với thời gian lưu nước là 3h.
♦ Sự giảm khối lượng bùn dư và đặc tính sinh khối trong q trình xử lý nước thải
bằng mơ hình Swim-Bed, Yingjun Cheng et al (2007)
Bể phản ứng sử dụng vật liệu BF trong nghiên cứu này được làm từ nhựa tổng hợp,
có ngăn hướng dịng khí lên và xuống. Thể tích hiệu dụng là 21,6 lít. Nước thải đầu
vào được đưa vào sâu dưới đáy của ngăn hướng dịng khí lên bằng một bơm nước
7
thải có lưu lượng khoảng 2 l/h. Khí cũng được đưa vào gần đáy tấm hướng dịng khí
lên, nhằm tạo sự xáo trộn và oxy hóa nước thải trong khi nó tuần hồn suốt bể phản
ứng. Nước thải nhân tạo đầu vào có COD từ 450 – 3150 mg/l, TN từ 45 – 315 mg/.
Mơ hình thực nghiệm được chia làm 5 giai đoạn tương ứng với sự thay đổi tải trọng
đầu vào từ 1 – 7 kgCOD/m3.ngày.
Mơ hình nghiên cứu đạt hiêu quả xử lý COD trên 80% ở tải trọng trên
7kgCOD/m3.ngày. Vật liệu BF cho phép khối lượng bùn lớn dính bám, lượng bùn
bám dính dao động từ 42 g MLVSS/m – BF đến 251 g MLVSS/m – BF . Sản lượng
bùn quan sát và sản lượng bùn đầu ra dao động từ 0,13 kgMLSS/kgCODxử lý đến
0,29
kgMLSS/kgCODxử
lý
và
từ
0,06
kgMLSS/kgCODxử
lý
đến
0,21
kgMLSS/kgCODxử lý .
♦ Q trình khử nitrat và nitrat hóa đồng thời với sự giảm thể tích bùn dư trong hệ
thống sinh trưởng bám dính bằng kết hợp q trình lên men kị khí và hiếu khí
Swim-Bed, Xiaochen Xu et al (2009)
Mơ hình thực nghiệm gồm một bể phản ứng lên men kị khí dịng chảy ngược, một
bể phản ứng ứng dụng quá trình Swim-Bed và một bể lắng. Các bể phản ứng đều
được làm từ nhựa tổng hợp với thể tích hữu ích lần lượt là 6; 10 và 2,5 lít.
Sáu miếng giá thể Bio-Fill (BL) được gắn vào khoảng giữa của bể lên men kị khí
với tỉ lệ thể tích là 50%.Một bơm nước thải với lưu lượng 20 lít/ph được sử dụng
cung cấp dịng tuần hồn nội bộ với vận tốc 2,5cm/s bảo đảm sinh khối và cơ chất
tiếp xúc với nhau trong bể phản ứng.
Bể phản ứng Swim – Bed (SB) gắn một sợi vật liệu BioFringe (BF) dài 500mm. Sợi
BF được xoắn lại để các sợi giá thể có thể tủa ra 3 hướng. Bể lắng có diện tích bề
mặt là 0,017m2.
Nước thải nhân tạo được sử dụng là nguồn nước đầu vào trong suốt các giai đoạn
thực nghiệm chính của nghiên cứu này. Nước thải đầu vào với COD từ 1.000 –
2.000 mg/l, TN từ 65 – 130 mg/l và pH từ 3,6 – 4,9. Tỉ lệ C: N: P đầu vào khoảng
30: 2: 1.
8
Hệ thống được vận hành liên tục với sự thay đổi tải trọng chất hữu cơ từ 1,5 – 4,5
kgCOD/m3.ngày và tải trọng Nitơ từ 0,1 – 0,3 kgN/m3.ngày.
Kết quả thực nghiệm cho thấy, hiệu quả xử lý tổng Nitơ của mơ hình kết hợp từ 84
– 97% dưới tải trọng từ 2,7 – 4,5 kgCOD/m3.ngày, sản lượng bùn dư từ 0,13 – 0,17
kg MLSS/kgCODxử lý .
♦ Nghiên cứu quá trình nitrat hóa bán phần do sự phân hủy bùn kị khí bằng Swimbed và q trình bùn hoạt tính và so sánh đặc tính bùn của chúng do Sen Quiao,
Yuki Kawakubo, Toichiro Koyama và Kenji Furukawa thuộc Đại học Kunamoto
thực hiện trong đề tài luận án Tiến sĩ
Nghiên cứu này đánh giá sự vận hành của bể Swim-bed với vật liệu đệm làm bằng
sợi acrylic cải tiến và bùn hoạt tính trong bể Swim-bed (SBSA) đối với q trình
nitrat bán phần của bùn kị khí được lấy từ nhà máy xử lý nước thải đô thị.Việc so
sánh những đặc tính của bùn từ những bể trên cũng được thực hiện. Tỉ lệ chuyển
hóa trung bình từ amoni thành nitrit khoảng 52.3% và 40% với tải trọng Nitơ tương
ứng cao khoảng 3kgN/m3.ngày theo thứ tự hai bể trên. Hiệu quả khử BOD5 trung
bình là 74.3% và 64.4% theo thứ tự hai bể trên. Kích thước hạt bùn lấy từ bể SBAS
quan sát có kích thước xấp xỉ gấp 3 lần bùn cấy ban đầu (229µm so với 88µm).
Lượng bùn này tương ứng cũng có protein ngoại bào cao, chỉ ra rằng bùn lắng tốt
hơn so với bùn lấy từ bể SBAS. Mặc dù tỉ lệ nitrit và amoni dòng vào dao động
trong cả hai bể ở mức độ nào đó nhưng nồng độ oxy hịa tan thấp ( trung bình
khoảng 2.5 so với 0.35mg/l ), chất rắn lơ lửng thấp (33.3 so với 33.5 mg/l) và
khoảng 50% amoni chuyển hóa thành nitrit chứng tỏ tiềm năng ứng dụng quá trình
Anammox đối với việc loại bỏ nitơ.
9
2.2 NƯỚC THẢI NHÀ MÁY BIA VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
2.2.1 Nguyên liệu và Quy trình sản xuất bia
a) Nguyên liệu sản xuất
Nguyên liệu chính dùng để sản xuất bia gồm các thành phần cơ bản: Malt, đại
mạch, hoa houblon và nước. Ngồi ra, nhằm mục đích hạ giá thành và đa dạng hóa
sản phẩm các nhà máy sản xuất thường dùng nguyên liệu thay thế là gạo, để tăng
hiệu xuất của quá trình sản xuất người ta thường sử dụng thêm một số chế phẩm
enzyme.
♦ Nước:
Do thành phần chính của bia là nước nên nguồn nước và các đặc trưng của nó có
ảnh hưởng rất quan trọng tới các đặc trưng của bia. Nhiều loại bia chịu ảnh hưởng
hoặc thậm chí được xác định theo đặc trưng của nước trong khu vực sản xuất bia.
Mặc dù ảnh hưởng của nó cũng như là tác động tương hỗ của các loại khống chất
hịa tan trong nước được sử dụng trong sản xuất bia là khá phức tạp, nhưng theo quy
tắc chung thì nước mềm là phù hợp cho sản xuất các loại bia sáng màu. Do đó, để
đảm bảo sự ổn định về chất lượng và mùi vi của sản phẩm, nước cần được xử lý
trước khi tham gia vào quá trình sản xuất bia nhằm đạt được các chỉ tiêu chất lượng
nhất định.
♦ Đại mạch:
Là nguyên liệu có tính chất truyền thống để sản xuất bia (có thể thay thế một phần
nguyên liệu khác nhưng nguyên liệu chủ yếu vẫn chính là đại mạch nảy mầm).
Đại mạch cũnggiống như những ngũ cốckhác bao gồm hai thành phần chính
làglucidvà protein nhưng đại mạch có hàm lượng cao hơn so với các loại ngũ cốc
khác và quan trọng nhất là tỷ lệ glucid/protein cân đối thích hợp cho việc sản xuất
bia.
10
Hình 2.1: Đại mạch hai hàng và đại mạch nhiều hàng
♦ Malt:
Là tên gọi của ngũ cốc nảy mầm (đại mạch, tiểu mạch, hạt gạo, thóc gạo, thóc
mếm). Tuy nhiên ở Việt Nam chưa trồng được đại mạch, do đó phải nhập malt từ
nước ngồi nên chi phí sản xuất tăng lên. Do vậy giá thành của từng loại bia tương
ứng với hàm lượng malt nguyên chất, từ đó cũng một phần quyết định xem bia có
ngon hay khơng.
ĐạiMạch
Nước
Ngâm, Làm Ướt
Ươm Mầm
Sấy
Tách Mầm Rễ Malt
Malt
Hình 2.2: Quy trình sản xuất Malt
Rễ Mầm
11
♦ Hoa Houblon
Thuộc họ dây leo, sống lâu năm (30÷40 năm), có chiều cao trung bình 10-15m.
Hiện nay trên thế giới đang trồng trên 100 giống hoa houblon khác nhau. Loại thực
vật này chỉ thích hợp với khí hậu ơn đới nên được trồng nhiều ở Đức, Liên Bang
Nga, Pháp, Mỹ, Trung Quốc,…
Hoa houblon có hoa đục và hoa cái riêng biệt cho từng cây, trong sản xuất bia chỉ
sử dụng hoa cái chưa thụ phấn. Hoa đực không được sử dụng vì nó rất nhỏ, chứa ít
lượng phấn hoa (lupulin), chất đắng cũng rất kém.
Hoa houblon là nguyên liệu cơ bản đứng thứ 2(sau đại mạch) của 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 bền bọt, làm tăng độ bền keo và độ ổn định thành phần
sinh họccủa sản phẩm do những đặc tính cực kì đặc biệt như vậy nên hoa houblon
vẫn giữ một vai trị độc tơn và là ngun liệu không thể thay thế trong ngành sản
xuất bia.
Bảng 2.1: Thành phần hóa học của hoa Houblon
Thành phần
Tỷlệ (%)
Thành phần
Tỉ lệ (%)
Nước
10 – 13
Axitamin
0.1
Tổng chất đắng
15 – 21
Protein (N*6.25)
15 – 21
Tinh dầu thơm
0.5 – 1
Chấtbéo
3
Tanin
2.5 – 6
Tro
8
Đường khử
2
Cellulose, lignin và
Pectin
2
những chất còn lại
40
