Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia Sài Gòn - Quảng Ngãi

Bộ Giáo Dục & Đào Tạo ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG **************  CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc ===oOo===   PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KLTN KHOA : MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG HỌ VÀ TÊN SV : BÙI THỊ THUÝ HẰNG MSSV: 05127034 KHOÁ HỌC : 2005 - 2009 1. Tên đề tài: Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia Sài Gòn-Quảng Ngãi đạt TCVN 5945-2005, loại A. 2. Nội dung KLTN: - Thu thập số liệu nước thải đầu vào để làm cơ sở cho việc đưa ra các biện pháp xử lý hiệu quả và hợp lý nhất, phục vụ cho việc tính toán hệ thống xử lý nước thải của nhà máy Bia Sài Gòn – Quảng Ngãi. - Tổng quan các phương pháp xử lý nước thải bia. - Tìm hiểu các công nghệ xử lý nước thải của vài nhà máy bia đang được áp dụng. - Đề xuất các phương án xử lý nước thải bia cho nhà máy bia Sài Gòn – Quảng Ngãi. - Tính toán kỹ thuật và kinh tế cho các phương án đề xuất. - So sánh, lựa chọn phương án tối ưu để xây dựng hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy bia Sài Gòn – Quảng Ngãi. - Lập bản vẽ thiết kế hệ thống xử lý nước thải của nhà máy. 3. Thời gian thực hiện: Bắt đầu : 03/2009 Kết thúc: 07/2009 4. Họ tên Giáo viên hướng dẫn : ThS. NGUYỄN CỬU TUỆ Nội dung và yêu cầu KLTN đã được thông qua Khoa và Bộ môn. Ngày Tháng năm 2009 Ngày Tháng năm 2009 Ban chủ nhiệm Khoa Giáo Viên Hướng Dẫn ThS. NGUYỄN CỬU TUỆ LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến thầy Th.S Nguyễn Cửu Tuệ đã tận tình chỉ dạy, hướng dẫn tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này. Đồng thời, tôi xin cảm ơn thầy Bùi Quang Mạnh Anh đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong thời gian làm luận văn. Tôi xin chân thành cám ơn ban giám hiệu trường Đại học Nông Lâm Tp.Hồ Chí Minh đã luôn tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được học tập và sinh hoạt tại trường trong suốt thời gian học. Xin chân thành cám ơn các quý thầy cô trong khoa Công Nghệ Môi Trường đã hết sức giúp đỡ, giảng dạy cho tôi ở những năm học vừa qua. Xin cám ơn gia đình là nguồn động viên và là điểm tựa vững chắc đã hỗ trợ và tạo nghị lực cho tôi trong suốt quá trình học tập. Cuối cùng, xin cám ơn các bạn trong lớp ĐH05MT đã luôn bên tôi trong thời gian vừa qua. Tôi xin chân thành cám ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2009 Bùi Thị Thuý Hằng TÓM TẮT KHOÁ LUẬN Nổi tiếng là nhà sản xuất bia hàng đầu tại Việt Nam, Sabeco đã có lịch sử hơn 30 năm hoạt động với thị trường chiếm trọn phân khúc phổ thông, đồng thời, theo chiến lược phát triển, công ty ngày càng mở rộng thêm nhiều chi nhánh trên khắp cả nước, cho nên, việc quan tâm đến vấn đề môi trường mà đặc biệt là quản lý tốt lượng nước thải sản xuất là một điều cấp thiết của công ty trong giai đoạn hiện nay. Khoá luận này tập trung tìm phương án tối ưu để xây dựng hệ thống xử lý nước thải cho dự án đang được triển khai xây dựng gần đây nhất của công ty là nhà máy bia Sài Gòn – Quảng Ngãi, tại tỉnh Quảng Ngãi. Với công suất của nhà máy đưa ra là 100 triệu lít/năm (cho giai đoạn đầu) và nguồn thải là sông Trà Khúc, nước thải đầu ra phải đạt TCVN 5945 – 2005, loại A. Từ việc tham khảo các tài liệu về nước thải ngành bia và tham quan thực tế tại một vài nhà máy bia đã có hệ thống hệ thống xử lý nước thải đạt TCVN 5945 – 2005, loại A và B , khoá luận đã dự tính thông số xả thải của nhà máy và đề xuất 2 phương án xử lý với công suất là 2500 m3/ngày: - Phương án 1: nước thải từ nhà máy được thu gom về hầm bơm sau khi qua thiết bị chắn rác thô. Sau đó, nước thải được bơm lên bể điều hoà, và tiếp tục được bơm qua UASB rồi tự chảy vào bể Aeroten, qua lắng II và cuối cùng được khử trùng bằng Javen trước khi được xả vào nguồn nước. - Phương án 2: tương tự phương án 1, nhưng sử dụng bể trung gian và SBR thay cho bể Aeroten và lắng II. Qua tính toán, phân tích về mặt kinh tế và kỹ thuật, đã lựa chọn phương án 1 là phương án xử lý nước thải cho nhà máy với các tiêu chí: - Đảm bảo hiệu quả xử lý, nước thải đầu ra đạt TCVN 5945 – 2005, loại A. - Vận hành đơn giản. - Giá thành xử lý 1 m3 nước thải: 1075 VNĐ. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT KHOÁ LUẬN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii Chương 1: MỞ ĐẦU - 1 - 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG - 1 - 1.2 CÁC VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG CỦA NGÀNH BIA - 2 - 1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI ĐỀ TÀI - 3 - 1.3.1 Mục tiêu - 3 - 1.3.2 Phạm vi đề tài - 4 - Chương 2: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY BIA SÀI GÒN – QUẢNG NGÃI - 5 - 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHÀ MÁY - 5 - 2.1.1 Địa điểm - 5 - 2.1.2 Quy mô - 5 - 2.2 NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT - 6 - 2.3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT - 7 - 2.3.1 Sơ đồ dây chuyền sản xuất - 7 - 2.3.2 Thuyết minh dây chuyền sản xuất - 9 - 2.4 ĐẶC TRƯNG CỦA NƯỚC THẢI SẢN XUẤT BIA - 12 - 2.4.1 Nguồn gốc nước thải sản xuất - 12 - 2.4.2 Thành phần và tính chất nước thải sản xuất - 12 - 2.5 ĐẶC ĐIỂM NGUỒN TIẾP NHẬN - 14 - Chương 3: PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI BIA - 15 - 3.1 TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI BIA - 15 - 3.1.1 Công đoạn xử lý cơ học - 15 - 3.1.2 Công đoạn xử lý sinh học - 15 - 3.1.3 Khử trùng nước thải - 22 - 3.1.4 Xử lý bùn - 22 - 3.2 HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CỦA MỘT SỐ NHÀ MÁY BIA - 22 - 3.2.1 Nhà máy bia Sài Gòn – Củ Chi - 22 - 3.2.2 Nhà máy bia Sabmiller - 23 - 3.2.3 Nhà máy bia Việt Nam (VBL) - 25 - Chương 4: ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ - THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI TẠI NHÀ MÁY BIA SÀI GÒN – QUẢNG NGÃI - 27 - 4.1 CƠ SỞ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ - 27 - 4.1.1 Yêu cầu của công ty - 27 - 4.1.2 Thành phần, tính chất nước thải tại nhà máy và tiêu chuẩn nước thải sau xử lý - 27 - 4.2 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ - 27 - 4.2.1 Phương án 1 - 27 - 4.2.2 Phương án 2 - 34 - 4.3 SO SÁNH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN - 39 - Chương 5: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ - 40 - 5.1 KẾT LUẬN - 40 - 5.2 KIẾN NGHỊ - 40 - TÀI LIỆU THAM KHẢO - 41 - PHỤ LỤC - 94 - DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Tính chất đặc trưng của nước thải bia - 13 - Bảng 2.2: Tính chất nước thải một số nhà máy bia - 13 - Bảng 2.3: Tính chất nước thải nhà máy bia Sài Gòn – Quảng Ngãi - 14 - Bảng 3.1: Thông số nước thải nhà máy bia Sài Gòn – Củ Chi. - 23 - Bảng 3.2: Thông số nước thải nhà máy bia Sabmiller. - 23 - Bảng 3.3: Thông số nước thải nhà máy bia Việt Nam - 25 - Bảng 4.1: Tính chất nước thải nhà máy bia Sài Gòn – Quảng Ngãi. - 27 - Bảng 4.2: Dự tính hiệu suất xử lý của các công trình đơn vị trong phương án 1 - 29 - Bảng 4.3: Dự tính hiệu suất xử lý của các công trình đơn vị trong phương án 2 - 36 - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Nước thải bia xả vào môi trường. - 3 - Hình 2.1: Mô hình nhà máy bia Sài Gòn – Quảng Ngãi - 5 - Hình 2.2: Sơ đồ công nghệ sản xuất tổng quát. - 8 - Hình 3.1: Bể sinh học hiếu khí khuấy trộn hoàn chỉnh - 17 - Hình 3.2: Hệ SBR - 17 - Hình 3.3: Sơ đồ cơ chế của quá trình phân hủy kị khí. - 18 - Hình 3.4 : Bùn kỵ khí - 21 - Hình 3.5: Dây chuyền xử lý nước thải nhà máy bia Sài Gòn – Củ Chi - 23 - Hình 3.6: Dây chuyền xử lý nước thải nhà máy bia Sabmiller. - 24 - Hình 3.7: Mặt bằng khu xử lý nước thải nhà máy bia Sabmiller - 25 - Hình 3.8: Dây chuyền xử lý nước thải nhà máy bia Việt Nam - 26 - Hình 3.9: Nước thải nhà máy bia Việt Nam - 26 - Hình 3.10: Nước thải nhà máy bia Việt Nam sau khi xử lý. - 26 - Hình 4.1: Sơ đồ công nghệ xử lý theo phương án 1. - 28 - Hình 4.2: Sơ đồ công nghệ xử lý theo phương án 2. - 35 - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT COD  : Nhu cầu oxy hóa học ( Chemical Oxygen Demand)   BOD  : Nhu cầu oxy sinh hóa ( Biochemical Oxygen Demand)   SS  : Chất rắn lơ lửng ( Suspended Solid)   TSS  : Tổng cặn lơ lửng ( Total Suspended Solids)   VSS  : Chất rắn lơ lửng dễ bay hơi ( Volatile Suspended Solid)   MLSS  : Cặn lơ lửng của hỗn hợp bùn ( Mixed Liquor Suspended Solid)   MLVSS  : Chất rắn lơ lửng dễ bay hơi của hỗn hợp bùn (Mixed Liquor Volatile Suspended Solid)   F/M  : Tỷ số thức ăn/ vi sinh vật ( Food and microorganism ratio)   SBR  : Bể hiếu khí hoạt động gián đoạn theo mẻ (Sequencing Batch Reactor)   TP  : Thành phố   KCN  : Khu công nghiệp   TCVN 5945 – 2005  : Tiêu chuẩn Việt Nam – Chất lượng nước – Nước thải công nghiệp – Giới hạn ô nhiễm cho phép.   TCXD 51-84  : Tiêu chuẩn xây dựng 51-84- Thoát nước mạng lưới bên ngoài và công trình.   Chương 1: MỞ ĐẦU 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Bia là loại thức uống được con người tạo ra khá lâu đời, được sản xuất từ các nguyên liệu chính là malt, gạo, hoa houblon, nước; sau quá trình lên men tạo loại nước uống mát, bổ, có độ mịn xốp, có độ cồn thấp. Ngoài ra, CO2 bão hoà trong bia có tác dụng làm giảm nhanh cơn khát và có hệ men khá phong phú như nhóm enzym kích thích tiêu hoá amylaza. Vì những ưu điểm này mà bia được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới. Ngày nay, công nghiệp bia là công việc kinh doanh khổng lồ toàn cầu, bao gồm chủ yếu là các tổ hợp được ra đời từ các nhà sản xuất nhỏ hơn. Với mỗi loại men khác nhau, thành phần sử dụng để sản xuất bia khác, nên các đặc trưng của bia như hương vị và màu sắc cũng thay đổi rất khác nhau. Đơn cử như một số cách sản xuất bia không cồn xuất phát từ thế giới phương Tây, là các loại bia đi qua công đoạn xử lý để loại bỏ bớt cồn. Do đó, trên thế giới có rất nhiều hãng bia, tương ứng với nó là sự xuất hiện của nhiều nhà máy bia, với nhiều loại bia khác nhau. Ở Việt Nam, song song với quá trình phát triển kinh tế, nhu cầu sử dụng nước giải khát ngày càng tăng, trong đó bia được tiêu thụ mạnh nhất trong dòng sản phẩm đồ uống có cồn, chiếm khoảng 89% tổng doanh thu và 97% về khối lượng (Bộ công thương, 2007). Vì thế, trong những năm qua, các nhà máy bia đã được đầu tư xây dựng ngày càng nhiều, cụ thể là hiện nay cả nước có khoảng 470 nhà máy và cơ sở sản xuất với các qui mô khác nhau từ 100.000 lít/năm đến 100 triệu lít/năm, tổng công suất của các nhà máy bia trong nước đã lên đến 2 tỷ lít/năm. Theo tốc độ sản xuất bia tăng trưởng trung bình 18%/năm từ năm 2002 đến 2006, ước tính vào năm 2010, cả nước sẽ sản xuất khoảng 3,5 tỷ lít bia và mức tiêu thụ bình quân đầu người khoảng 40 lít/người/năm. Mặt khác, chính sách của nhà nước khuyến khích xây dựng ngành sản xuất bia như một ngành kinh tế mạnh giúp tăng nguồn thu ngân sách nhà nước, đồng thời khuyến khích các doanh nghiệp thông qua liên doanh, liên kết thực hiện chuyển giao công nghệ để sản xuất thiết bị trong nước. Vì vậy, nhiều nhà máy bia với quy mô sản xuất lớn ứng với trình độ công nghệ, thiết bị hiện đại được đầu tư để đáp ứng nhu cầu trong nước và góp phần đẩy mạnh xuất khẩu. Trong đó, công ty có tốc độ mở rộng thị trường sản xuất trong nước với các nhà máy có công suất lớn phải nói đến tổng công ty Sabeco. Nổi tiếng là nhà sản xuất bia hàng đầu tại Việt Nam, Sabeco đã có lịch sử hơn 30 năm hoạt động trong ngành với các nhãn hiệu bia chiếm trọn phân khúc bia phổ thông, được trên 90% người Việt Nam nhận biết và ưa chuộng, từ đó Sabeco đã khẳng định thế mạnh của mình bởi chất lượng sản phẩm, hương vị bia đậm đà phù hợp với thị hiếu người tiêu dùng trong nước đồng thời mở rộng thị trường ra nước ngoài với các sản phẩm bia đã có mặt tại 24 nước trên thế giới. Năm 2007, theo công ty Navigos, tổng công ty bia Sabeco có thị phần cao nhất cả nước (35% thị phần cả nước). Để giữ vững thị phần bia này, tổng công ty đã có chiến lược mở rộng thị trường sản xuất ra các tỉnh phía Bắc và khu vực miền Trung với công suất lớn, cũng như cổ phần hoá các nhà máy bia phía Nam. Riêng ở khu vực miền Trung, dự án có quy mô sản xuất bia lớn nhất tại tỉnh Quảng Ngãi được tổng công ty Sabeco đầu tư xây dựng là nhà máy bia Sài Gòn – Quảng Ngãi với công suất 100 triệu lít/năm tại khu công nghiệp Quảng Phú được xem như là dự án mới nằm trong kế hoạch mở rộng công suất của Sabeco, dự kiến đến tháng 2/2010 nhà máy sẽ cho ra mẻ bia đầu tiên với tổng vốn đầu tư hơn 1.580,6 tỷ đồng, có khả năng đáp ứng 1/5 tổng sản lượng dự kiến của Tổng công ty. 1.2 CÁC VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG CỦA NGÀNH BIA Sự tăng trưởng của ngành bia đã kéo theo các vấn đề về chất thải sản xuất như chất thải rắn bao gồm bã hèm, bã men, các mảnh thuỷ tinh từ khu vực đóng gói, bột trợ lọc từ khu vực trợ lọc….; khí phát sinh trong quá trình sản xuất từ nồi hơi, hơi và mùi hoá chất sử dụng, mùi sinh ra trong quá trình nấu…..; và nước thải sản xuất. Trong đó, vấn đề môi trường lớn nhất trong nhà máy bia là lượng nước thải. Với đặc tính sản xuất bia là cần nhiều nước, nước được sử dụng chủ yếu trong các công đoạn chế biến pha chế sản phẩm bia, rửa nguyên liệu, súc rửa chai lọ và vệ sinh máy móc thiết bị, nên công nghiệp sản xuất bia vốn đã tạo nên một lượng lớn nước xả thải vào môi trường. Tuỳ thuộc vào công nghệ và các loại bia sản xuất mà lượng nước thải tạo thành dao động trong khoảng 2-8 lít nước thải/1 lít bia (Nguồn: W Driessen and T Vereijken, “Recent Developments in Biological Treatment of Brewery Effluent”, 2-7/3/2003). Trong đó, hoạt động làm sạch malt, làm nguội máy, lọc, vệ sinh công ty và khử trùng tạo ra tới 70% tổng lượng nước thải. Đồng thời, tỉ lệ thuận với sự xuất hiện của nhiều nhà máy bia, nước thải ra từ ngành sản xuất bia cũng không ngừng tăng lên. Cũng giống như các ngành chế biến thực phẩm khác, nước thải sản xuất bia thường có đặc tính chung là chứa hàm lượng lớn các chất ô nhiễm hữu cơ, chất dinh dưỡng, nồng độ oxy hoà tan thấp, vì thế nước thải thường có màu xám đen, mùi hôi thối, làm giảm chất lượng nước thuỷ vực tiếp nhận, gây hậu quả xấu đến các loài sinh vật và sức khỏe con người, đồng thời sự đọng của nước thải tạo điều kiện tốt cho một số côn trùng gây bệnh như ruồi, muỗi phát triển nhanh và làm giảm mỹ quan khu vực, gây ô nhiễm nặng nề đến môi trường, từ đó trở thành vấn đề cấp bách mang tính chất xã hội.
Hình 1.1: Nước thải bia xả vào môi trường. Do đó, thiết kế hệ thống xử lý nước thải phù hợp, đảm bảo yêu cầu xả ra nguồn nước mặt theo quy định của TCVN 5945 – 2005 cho các nhà máy bia là một yêu cầu cấp thiết cho việc bảo vệ môi trường. Đối với khu vực miền Trung, công suất của các nhà máy bia là trên 500 triệu lít/năm, chưa kể đến một số địa phương vẫn đang chuẩn bị triển khai những dự án sản xuất bia tương đối lớn, quy mô từ 100 đến 150 triệu lít/năm, công nghiệp sản xuất bia ở đây tạo nên một lượng lớn nước thải xả vào môi trường. Trong khi đó, khu công nghiệp Quảng Phú vẫn chưa có trạm xử lý nước thải tập trung nên đa số các nhà máy tại đây đều xả nước thải vào sông Trà Khúc – con sông lớn nhất tỉnh Quảng Ngãi và có vai trò quan trọng trong việc chuyển tải phần lớn lượng nước mưa ra biển cũng như cung cấp nước cho vùng đồng bằng tập trung đông dân cư. Vì vậy, việc tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho một nhà máy bia có quy mô lớn như Nhà máy bia Sài Gòn – Quảng Ngãi đạt TCVN 5945 – 2005, loại A, là đề tài mang tính cấp thiết và thực tế. 1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI ĐỀ TÀI 1.3.1 Mục tiêu - Mục tiêu: Đề xuất, tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy bia Sài Gòn – Quảng Ngãi có công suất sản xuất là 100triệu lít bia/năm đạt TCVN 5945 – 2005, loại A. - Ý nghĩa thực tiễn: ở miền Trung, với thực trạng hiện nay như nguồn tài nguyên nước đang trong tình trạng khan hiếm, ô nhiễm nguồn nước mặt, hạn hán, lũ lụt, dịch bệnh...thì vấn đề xử lý nước thải trước khi xả vào nguồn tiếp nhận là rất cần thiết. Khi đề tài này được áp dụng thành công thì nó sẽ góp phần bảo vệ nguồn nước và quần xã thuỷ sinh, nâng cao chất lượng môi trường sống của người dân địa phương. 1.3.2 Phạm vi đề tài - Thu thập số liệu nước thải đầu vào để làm cơ sở cho việc đưa ra các biện pháp xử lý hiệu quả và hợp lý nhằm tính toán hệ thống xử lý nước thải của nhà máy Bia Sài Gòn – Quảng Ngãi. - Tổng quan các phương pháp xử lý nước thải bia. - Tìm hiểu các công nghệ xử lý nước thải mà vài nhà máy bia đang áp dụng. - Đề xuất các phương án xử lý nước thải bia cho nhà máy bia Sài Gòn – Quảng Ngãi. - Tính toán kỹ thuật và kinh tế cho các phương án đề xuất. - So sánh, lựa chọn phương án tối ưu để xây dựng hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy bia Sài Gòn – Quảng Ngãi. - Lập bản vẽ thiết kế hệ thống xử lý nước thải của nhà máy. - Thời gian thực hiện khoá luận: từ tháng 03/2009 đến 06/2009. Chương 2: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY BIA SÀI GÒN – QUẢNG NGÃI 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHÀ MÁY 2.1.1 Địa điểm Nhà máy bia Sài Gòn – Quảng Ngãi thuộc KCN Quảng Phú, tỉnh Quảng Ngãi. Nhà máy nằm ở phía Tây TP. Quảng Ngãi, thuận lợi cho việc sử dụng điện, nước, việc sử dụng nguồn nhân lực và nguyên vật liệu sản xuất, đồng thời không tốn nhiều chi phí cho việc tìm thị trường và tiêu thụ sản phẩm. 2.1.2 Quy mô ( Nhà máy bia Sài Gòn – Quảng Ngãi được Uỷ ban nhân dân tỉnh Quảng Ngãi cấp giấy chứng nhận đầu tư vào tháng 9/2007, do liên doanh nhà thầu KRONES AG (Cộng hoà liên bang Đức) và HASKONING Việt Nam thiết kế, cung cấp vật tư thiết bị và lắp đặt. Dự kiến nhà máy hoạt động vào cuối năm 2009 và đến tháng 2/2010 thì nhà máy sẽ cho ra mẻ bia đầu tiên, tháng 6/2010 thì dự án nhà máy bia hoàn thành. ( Tổng vốn đầu tư ban đầu cho nhà máy là: 1.580,6 tỷ đồng. ( Công suất sản xuất: ( Giai đoạn 1 (từ 2010 – 2015): 100 triệu lít/năm. ( Giai đoạn 2 (2015): 200 triệu lít/năm. ( Mặt bằng: ( Tổng diện tích : 48 ha. ( Diện tích xây dựng cho giai đoạn 1: 15 ha. ( Bố trí mặt bằng nhà máy: hình 2.1
Hình 2.1: Mô hình nhà máy bia Sài Gòn – Quảng Ngãi. ( Chủng loại sản phẩm: cũng giống như các nhà máy bia thuộc tổng công ty bia Sabeco, dự kiến nhà máy bia Sài Gòn – Quảng Ngãi sản xuất các loại bia sau: ( Bia chai Sài Gòn Xanh (Saigon Lager Beer) ( Bia chai Sài Gòn Xuất khẩu (Saigon Export Beer) ( Bia lon 333 (333 Export Beer) ( Bia lon Sài Gòn (Saigon Premium Beer) ( Bia chai Sài Gòn Special (Saigon Special Beer) ( Nguồn nước cấp cho sản xuất: lấy từ hệ thống cấp nước TP. Quảng Ngãi dẫn đến KCN và từ đó phân phối vào nhà máy. ( Nguồn điện: được cấp từ lưới điện quốc gia. ( Nước thải sản xuất: sẽ được xử lý để đạt tiêu chuẩn nước thải loại A, TCVN 5945-2005 (xem phụ lục 1) và xả vào sông Trà Khúc. ( Chất thải rắn: được thu gom tại các phân xưởng và được vận chuyển đến khu chứa rác tập trung của TP. Quảng Ngãi. 2.2 NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT 2.2.1 Nước: là một nguyên liệu không thể thiếu để sản xuất bia, chiếm từ 83 – 90% thành phần chính của bia, với nhiều vai trò: pha loãng malt, gạo, hoà tan các chất chiết, lọc… ( Nguồn nước sử dụng của nhà máy là nguồn nước do thành phố cung cấp. Nước sử dụng cho sản xuất sẽ được kiểm tra mỗi ngày một lần, các chỉ tiêu cần kiểm tra: độ kiềm tổng, độ mặn (hàm lượng muối NaCl), độ cứng, pH, độ đục, hàm lượng Clor. 2.2.2 Malt: là đại mạch nẩy mầm, là nguồn nguyên liệu chính cung cấp chất hoà tan cho dịch đường trước lên men. Ngoài việc cung cấp các hợp chất thấp phân tử dễ hoà tan, chủ yếu là đường đơn giản như: dextrin bậc thấp, các acid amin, các nhóm vitamin…malt còn cung cấp một hệ enzyme rất phong phú, chủ yếu là Amylase và Protease để thuỷ phân tinh bột và protein thành các hợp chất thấp phân tử. 2.2.3 Gạo: được coi là thế liệu hàng đầu trong sản xuất bia do hàm lượng glucid khá cao, giá thành rẻ và thông dụng đối với Việt Nam, hàm lượng lipid thấp nên không ảnh hưởng xấu đến độ bền bọt và cellulose ở giới hạn thấp là yếu tố lý tưởng cho việc sản xuất bia. Nhà máy sẽ sử dụng gạo tại địa phương để sản xuất. 2.2.4 Hoa Houblon: Là nguyên liệu cơ bản, đứng thứ 2 sau đại mạch trong công nghệ sản xuất bia. Hoa Houblon làm cho bia có vị đắng dịu, hương thơm rất đặc trưng, làm tăng khả năng tạo và giữ bọt, làm tăng độ bền keo và ổn định thành phần sinh học của sản phẩm. Do đó hoa Houblon là nguyên liệu không thể thay thế trong công nghệ sản xuất bia. Nhà máy sử dụng 2 dạng chế phẩm là: hoa Houblon dạng viên và dạng cao. ( Dạng viên: là chế phẩm được sản xuất bằng phương pháp nghiền. Cánh hoa khô được nghiền thành bột, không cô đặc và được ép thành viên định hình. Dạng viên thường thơm và ít đắng. ( Dạng cao: là sản phẩm được trích ly bằng dung môi hữu cơ, sau đó dùng các biện pháp để tách dung môi ra và thu được dung dịch cao houblon dạng sệt. Dạng cao thường đắng và ít thơm. 2.2.5 Nấm men Nấm men bia là loại sinh vật đơn bào, kích thước tế bào nấm men bia trung bình 6-9 µm, sinh sản bằng hình thức nảy chồi. Trong sản xuất bia, nấm men sẽ lên men dịch đường thành CO2, C2H5OH. Bên cạnh đó còn tạo ra nhiều sản phẩm bậc hai khác có ảnh hưởng đến chất lượng của bia. 2.2.6 Các chất phụ gia Là các chất được sử dụng dưới dạng các nguyên liệu phụ nhằm đạt được các yêu cầu kỹ thuật cần thiết trong quá trình sản xuất bia. Bao gồm: ( H2SO4 đậm đặc (95%): điều chỉnh pH của dịch đường, xúc tác các phản ứng thủy phân. ( CaCl2: dạng viên, dùng trong giai đoạn đầu của nồi malt. Có tác dụng làm tăng khả năng chịu nhiệt, tăng độ bền tàng trữ bia, kết tủa tannin và anthocyanua có trong vỏ malt, tạo độ trong cho bia. ( Acid lactic: điều chỉnh pH của dịch đường. ( Caramel: tạo độ màu cần thiết cho nước nha. ( ZnCl2: là yếu tố vi lượng giúp nấm men phát triển tốt. ( Acid asorbic: chất chống oxy hoá. ( Collupulin: bản chất là enzyme proteolytic, có tác dụng phân huỷ những chất có phân tử lượng cao trong bia nhằm hạn chế hiện tượng đục bia. ( Maturex: bản chất là acetolactate decarboxylase, nhằm hạn chế tạo diacetyl trong bia. ( Diatomit: bột trợ lọc, dùng trong máy lọc ống. ( Nhựa trao đổi ion: để hạn chế các polyphenol nhằm làm tăng độ trong của bia, dùng trong máy lọc đĩa. ( Hoá chất tẩy rửa: xút, acid HCl, Photphoric acide .v.v. 2.3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT * Thiết bị: các thiết bị được đầu tư theo thiết kế hiện đại đi liền với những công đoạn chính của quá trình sản xuất bia, đáp ứng được các yêu cầu công nghệ (quy mô và quy trình) và sản phẩm (sản lượng và chất lượng) trên cơ sở có tính đến phương án nâng công suất lên 200 triệu lít/năm trong giai đoạn 2. 2.3.1 Sơ đồ dây chuyền sản xuất
Hình 2.2: Sơ đồ công nghệ sản xuất tổng quát. (Nguồn: Báo cáo ĐTM nhà máy bia Sài Gòn – Quảng Ngãi công suất 100 triệu lít/năm, 04/2007) 2.3.2 Thuyết minh dây chuyền sản xuất ( Nhập liệu: Nguyên liệu malt và gạo từ kho chứa sẽ được hút lên phân xưởng nấu bằng hệ thống khí động, được bộ phận cân định lượng phân phối vào các hầm chứa. ( Lọc bụi bằng Cyclon: nguyên liệu từ hầm chứa sẽ được chuyển xuống phễu nhập liệu, sau đó hệ thống quạt sẽ hút nguyên liệu lên Cyclon rồi đưa đến thùng chứa trung gian, khi đó một phần tạp chất lẫn vào trong quá trình vận chuyển đã được loại bỏ. ( Sàng rác và tạp chất lớn: thùng chứa trung gian sẽ nối trực tiếp với máy sàng. Tại đây các tạp chất lớn như: vỏ bao, rác, rơm rạ sẽ bị loại bỏ khỏi nguyên liệu. ( Sàng tách sạn: để đảm bảo loại được hết các tạp chất có hại cho các quá trình tiếp theo, nguyên liệu sẽ tiếp tục được chuyển xuống máy sàng tách sạn. Tại đây, các tạp chất có kích thước nhỏ như: sạn, đất, cát sẽ bị loại bỏ khỏi nguyên liệu. ( Nghiền: nguyên liệu sau khi qua máy sàng tách sạn sẽ được chuyển đến hệ thống cân định lượng, sau đó đến thùng chứa trung gian. Từ thùng chứa trung gian, nguyên liệu sẽ theo hệ thống gàu tải nạp vào máy xay. Máy nghiền ở nhà máy dùng là máy nghiền búa đập và nghiền theo phương pháp nghiền khô. ( Nấu: nhằm trích ly các chất chiết có trong malt và gạo vào dịch nấu. Bên cạnh đó, sự có mặt của hệ enzym có sẵn trong nguyên liệu cũng sẽ xúc tác cho quá trình thủy phân các hợp chất cao phân tử thành những chất có phân tử lượng thấp, chuẩn bị dịch nha cho quá trình lên men. ( Nồi gạo: nhà máy chỉ dùng thế liệu với các sản phẩm bia Saigon xanh, Saigon đỏ, bia 333 với tỉ lệ là 25% (còn với sản phẩm Saigon Special xuất khẩu thì được nấu từ 100% malt). Do nhiệt độ hồ hóa của tinh bột gạo cao (khoảng 830C) nên cần được nấu trước malt khoảng 80 phút. Để tăng hiệu suất thủy phân tinh bột, nhà máy sẽ tiến hành trộn malt lót 2 lần với lượng khoảng 20% lượng gạo thế liệu (nhờ hoạt tính của enzyme - amylase). Ngoài ra, H2SO4 đậm đặc cũng được cho vào nấu để xúc tác thủy phân tinh bột tốt hơn và điều chỉnh pH thích hợp. Ban đầu dịch nấu được gia nhiệt từ 32oC đến khoảng 72oC trong 20 phút, sau đó giữ nhiệt trong 10 phút. Trong giai đoạn này, enzyme - amylase có trong malt lót sẽ xúc tác dịch hóa sơ bộ tinh bột. Kế đến, nhiệt độ được nâng lên khoảng 83oC trong vòng 5 phút và giữ nhiệt trong 10 phút để thực hiện quá trình hồ hóa tinh bột. Sau khi hồ hóa gần hết tinh bột gạo, nhiệt độ của nồi gạo sẽ được hạ xuống khoảng 72oC trong 5 phút và giữ nhiệt trong 20 phút. Trước đó, khi nhiệt độ xuống khoảng 78oC thì malt lót lần 2 được cho vào. Enzyme - amylase trong malt lót lần 2 sẽ tiếp tục thủy phân tinh bột. Sau khi thực hiện điểm dừng ở 72oC, nhiệt độ nồi gạo được nâng lên 100oC trong 25 phút (nếu cao quá sẽ tạo phản ứng caramel, gây mùi vị xấu cho sản phẩm), sau đó lại giữ nhiệt trong 15 phút để hồ hóa hoàn toàn tinh bột, chuẩn bị trộn vào nồi malt. Do tinh bột gạo khó bị đường hóa, nên việc nấu gạo trước sẽ hồ hóa và dịch hóa hoàn toàn tinh bột gạo, từ đó enzyme amylase sẽ dễ dàng thủy phân và đường hóa tinh bột gạo. ( Nồi malt: Đầu tiên, nồi malt sẽ được nâng lên nhiệt độ khoảng 50oC trong 20 phút và giữ nhiệt trong 10 phút. Trong giai đoạn này, các enzyme protease sẽ thủy phân protein thành các polypeptid, petid, acid amin là nguồn dinh dưỡng cho nấm men trong quá trình lên men. Thời gian đạm hóa không kéo dài quá vì cần phải còn lại một lượng protein nhất định cần thiết cho sự tạo độ bền bọt cho sản phẩm bia. Để ổn định hoạt tính cho - amylase, khi nhiệt độ nồi malt khoảng 40oC thì có bổ sung CaCl2 vào. Kết thúc giai đoạn đạm hóa, dịch gạo từ nồi gạo được bơm vào nồi malt, nước cũng được thêm vào. Lúc này nhiệt độ hỗn hợp khoảng 65oC và được giữ ổn định trong 20 phút. Tại nhiệt độ này, ezyme - amylase sẽ hoạt động mạnh và thủy phân tinh bột thành đường maltose, dextrin, do đó giai đoạn này được gọi là điểm dừng đường hóa. Tiếp theo, hỗn hợp được nâng lên nhiệt độ khoảng 75oC trong 15 phút và giữ trong 20 phút. Kế đến, nhiệt độ dịch nha được nâng lên khoảng 76 ± 1oC trong 5 phút để giảm độ nhớt cho dịch nha, chuẩn bị bơm qua thiết bị lọc. ( Vệ sinh nồi nấu: Sau mỗi mẻ nấu vệ sinh lại bằng nước. Kết thúc mẻ cuối thì bơm xút vào nồi ngâm, sau đó chạy cánh khuấy đánh tan các mảng bám ở đáy nồi. Khi bơm dùng xút loãng tráng đường ống dẫn và sau đó vệ sinh lại bằng nước thường. ( Lọc hèm: dịch nha sau khi nấu, bao gồm 2 pha: pha lỏng chứa đựng toàn bộ những chất hoà tan và pha rắn (bã) chứa rất ít chất hoà tan. Quá trình lọc giúp tách pha lỏng khỏi pha rắn, tức là tách dịch nha khỏi bã. Để tận thu tối đa lượng chất hòa tan từ bã sang dịch đường, quá trình lọc tiến hành theo 2 bước: lọc để tách dịch đường và rửa bã. ( Lọc để tách dịch đường: nhiệt độ của dịch nha trong suốt quá trình lọc được giữ ổn định ở khoảng 76oC để giảm độ nhớt và tạo điều kiện cho enzyme thủy phân tiếp tục lượng tinh bột còn sót, nếu lọc ở nhiệt độ thấp hơn thì độ nhớt của dịch lọc cao, khó lọc. ( Rửa bã: sau khi lọc hết dịch đường, quá trình rửa bã được tiến hành bằng nước nóng 75 - 78oC. Không dùng nước nóng hơn vì sẽ làm vô hoạt hệ enzyme amylase, tinh bột sót đã được hồ hóa nhưng không được đường hóa sẽ làm đục dịch đường và sản phẩm bia sau cùng sẽ khó trong. Quá trình diễn ra tương tự như giai đoạn lọc dịch cốt. Khi nồng độ chất hòa tan trong dịch bã giảm xuống mức cần thiết (khoảng 0.3 - 0.5%) thì quá trình rửa bã kết thúc. ( Vệ sinh: sau mỗi mẻ, vệ sinh các bản mỏng bằng cách xịt nước thẳng vào bản mỏng. Sau khi kết thúc mẻ cuối, vệ sinh sạch các bản mỏng, màng cao su chạy xút và sau đó trung hòa lại bằng acid rồi cuối cùng tráng lại bằng nước thường. ( Đun sôi dịch nha với hoa Houblon: ( Mục đích: trích ly chất đắng, tinh dầu thơm, polyphenol, các hợp chất chứa nitơ và các thành phần khác của houblon vào dịch đường ngọt để biến đổi thành dịch đường có vị đắng và hương thơm dịu của hoa. Ổn định thành phần của dịch đường, tạo cho bia mùi vị của houblon, làm cho dịch đường có nồng độ thích hợp với yêu cầu của mọi loại bia. Bên cạnh đó còn làm keo tụ phần lớn các protein bất ổn định và các thành phần không hòa tan, hình thành tủa nóng. Ngoài ra còn vô hoạt enzyme và vô trùng dịch đường. ( Phương pháp đun: dịch đường sau khi lọc được đưa lên bồn chứa trung gian để tạm giữ. Sau đó được bơm xuống nồi đun sôi và được nâng nhiệt độ lên 100oC trong khoảng 30 phút. Sau khi bơm hết dịch đường vào thiết bị đun sôi thì bắt đầu cho hoa houblon dạng cao để hòa tan các hợp chất của hoa houblon nhất là các chất đắng vào dịch đường. Suốt quá trình đun sôi hoa houblon nhiệt độ phải giữ ở 100oC, đồng thời cho màu caramel vào giúp tăng độ màu của bia thành phẩm, acid lactic để chỉnh pH. Sau khi dịch đường sôi khoảng 10 phút thì cho thêm houblon dạng viên để tăng mùi thơm cho bia. Đồng thời cho thêm ZnCl2 vào để làm môi trường cho nấm men phát triển, tăng sinh khối khi lên men, sau đó đun sôi thêm 20 phút rồi tiến hành kiểm tra mẫu trước khi bơm qua phân xưởng lên men. ( Vệ sinh nồi đun: sau khi kết thúc mỗi mẻ nấu, vệ sinh kiểm tra bộ đốt trong sơ bộ, mở van cho thêm xút, mở hơi nóng ở nhiệt độ sôi 60 ± 10oC, mở van xả xút và tráng bằng nước thường, trung hòa bằng xút và sau cùng rửa lại bằng nước thường. ( Lắng cặn: Nước nha thu được sau quá trình houblon hoá chứa các chất cặn như: tủa protein với tannin, polyphenol, chất đắng…Các chất cặn này không gây ảnh hưởng đáng kể đến vị và độ bền keo của bia mà chỉ gây xáo trộn ở giai đoạn đầu của quá trình lên men và khi kết lắng thì làm cho nấm men rất bẩn. Do đó, cần loại chúng ra khỏi dịch đường. Quá trình kết lắng làm trong dịch nha, làm tăng giá trị cảm quan của bia. ( Vệ sinh: sau mỗi mẻ làm vệ sinh bằng nước nóng 950C để xả cặn đi. Sau mỗi tuần tiến hành tẩy rửa. Cuối cùng trước khi vào mẻ mới phải tráng lại bằng nước nóng. ( Làm lạnh nhanh: nước nha từ nhiệt độ 95oC được làm lạnh đến nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men và qua hai giai đoạn. Giai đoạn 1 dùng nước lạnh hạ xuống khoảng 60oC và giai đoạn 2 dùng chất tải lạnh Glycol để hạ nhiệt độ nước nha xuống còn 8oC (đối với men cũ) hay 15oC (đối với men mới). ( Vệ sinh: sau mỗi mẻ tiến hành vệ sinh. ( Lên men chính và lên men phụ: cấy nấm men vào dịch nha trên đường đi đồng thời sục khí để nấm men phân bố đều và tạo điều kiện cho men phát triển nhanh hơn. Châm dịch nha vào thùng ba lần với thời gian châm cách nhau để tạo thời gian cho nấm men thích hợp với môi trường. Khi nước nha vô đầy thùng, đậy thùng lại và điều khiển quá trình lên men. Quá trình lên men chính kéo dài từ 7 – 10 ngày. Kết thúc quá trình lên men chính là bia non, chảy tự nhiên xuống bể lên men phụ. Xác men chết và cặn protein tủa được dẫn vào thùng chứa, cùng với men đem tái sử dụng ép thành bánh và đem đi bán. Nấm men sống hoà lẫn trong dịch bia được rửa lại bằng nước lạnh trước khi tồn trữ trong bồn hình trụ. Khi kết thúc quá trình lên men chính, người ta hoà trộn bia non lại rồi mới cho vào các tank lên men phụ, vừa lên men phụ vừa ủ bia ở nhiệt 0 – 2oC, thời gian từ 15 – 35 ngày. ( Vệ sinh thùng chứa bia: xả nước cho sạch men, cáu cặn trong thùng, sau đó rửa với xút. Xả sạch xút bằng nước rồi dùng chất tiệt trùng, và xả sạch nước tiệt trùng. ( Lọc: khi sản xuất loại bia nào, người ta chuẩn bị lượng nước đã khử oxi sẽ hoà vào bia sau lên men phụ để điều chỉnh đến đúng nồng độ chất tan của loại bia đó. Bia trước khi lọc được làm lạnh đến nhiệt độ 0 – 1oC, chất tải lạnh là glycol. Mục đích làm lạnh là làm giảm sự hao phí CO2 trong quá trình lọc, tăng khả năng bão hoà CO2 trước khi chiết. ( Vệ sinh thiết bị lọc: mỗi ngày theo thứ tự sau: cho xút nóng 650C nồng độ 2% chạy trong thiết bị 15 phút, thanh trùng 30 phút bằng nước nóng 850C, trung hoà bằng acid nitric 0,3% ở 850C trong 15 phút. Cuối tuần tổng vệ sinh, tháo các bộ phận ra và ngâm rửa bằng formol. ( Bão hoà CO2 và chiết chai: trong quá trình lọc, bia từ trạng thái tĩnh ở tank lên men phụ chuyển sang trạng thái động khi bơm cũng như ở đường ống qua thiết bị lọc, bia bị mất một lượng CO2 khá lớn. Muốn cho bia thành phẩm có đủ lượng CO2 cần thiết thì sau quá trình lọc, bia phải qua thiết bị nén. Sau khi bão hoà CO2 xong, bổ sung thêm acid ascorbic, collpulin làm tác nhân chống oxi hoá. Các dụng cụ chứa bia được rửa, thanh trùng. Sau đó thực hiện quá trình chiết chai ở điều kiện chân không. Tiếp theo là đóng nắp và thanh trùng ở các nhiệt độ khác nhau để đảm bảo chất lượng trong thời gian bảo hành. 2.4 ĐẶC TRƯNG CỦA NƯỚC THẢI SẢN XUẤT BIA 2.4.1 Nguồn gốc nước thải sản xuất Nước thải sản xuất tại nhà máy bia có thể được chia làm hai loại: ( Nước thải có hàm lượng chất hữu cơ (đo bằng chỉ tiêu BOD) thấp, bao gồm: - Nước rửa chai công đoạn cuối. - Nước xả từ hệ thống xử lý nước cấp. - Nước làm mát máy và nước rửa sàn vệ sinh nhà máy. ( Nước thải có hàm lượng chất hữu cơ (đo bằng chỉ tiêu BOD) cao, bao gồm: - Nước thải từ công đoạn nấu. - Nước thải từ công đoạn lên men và lọc bia. - Nước rửa chai ban đầu. - Nước thải từ công đoạn chiết chai. Trong các nguồn thải nói trên thì lượng nước thải sinh ra trong công đoạn rửa thiết bị là nguồn ô nhiễm chính vì tại đây, các sản phẩm dư thừa còn lại khi vệ sinh sẽ được thải bỏ và trôi theo dòng nước thải. 2.4.2 Thành phần và tính chất nước thải sản xuất Nước thải từ nhà máy sản xuất bia thường có đặc tính chung: ( Chứa nồng độ cao chất hữu cơ do bã nấu, bã hèm, men, hèm loãng, bia dư rơi rớt, rò rỉ vào nước thải.v.v.. Các chất hữu cơ trong nước thải bia thường ở dạng lơ lửng lẫn dạng hoà tan, chủ yếu gồm các thành phần: đường, bột hoà tan, ethanol, các axit béo dễ bay hơi,… nên dễ phân huỷ sinh học và thường có tỉ lệ BOD/COD = 0.6 – 0.7. ( Lượng chất rắn lơ lửng cao. ( Nhiệt độ cao. ( Độ pH trong nước thải bia dao động lớn, thông thường pH = 3-12. ( Nước thải thường có màu xám đen. ( Nước thải bia còn chứa lượng Nitrogen và Phostpho do men thải, các tác nhân trong quá trình làm sạch thất thoát, chất chiết từ malt và các nguyên liệu phụ. Bảng 2.1: Tính chất đặc trưng của nước thải bia. Thông số  Đơn vị  Nồng độ(a)  Hàm lượng(a)  Mức hiện tại ở Việt Nam(b)   Lưu lượng    2-8 l nước thải/L bia  -   COD  mg/l  2000 - 6000  0.5-3 kg COD/100L bia  1700-2200   BOD  mg/l  1200 - 3600  0.2-2 kg BOD/100L bia  900-1400   TSS  mg/l  200 - 1000  0.1-0.5 kg TSS/100L bia  500-600   Nhiệt độ  oC  18 - 40   -   pH  -  4.5-12   6-8   N  mg/l  25-80   30   P  mg/l  10-50   22-25   (a) Nguồn: W Driessen and T Vereijken, “Recent Developments in Biological Treatment of Brewery Effluent”, 2-7/3/2003 (b) Nguồn: Tài liệu hướng dẫn sản xuất sạch hơn. Ngành: sản xuất bia. Bảng 2.2: Tính chất nước thải một số nhà máy bia. STT  Thông số  Đơn vị  Nhà máy bia       Sabmiller Việt Nam(1)  Hoàng Quỳnh(2)  VBL(3)  San Miguel(4)  Sài Gòn – Củ Chi(5)  SEAB(6)   1  Lưu lượng  m3/ngày  2400  800  2600  700  2800  600   2  pH  -  5 – 12  9  5 – 11  6.5 – 7.5  6.5 – 7  -   3  Nhiệt độ  oC  35  35  36 – 40  -  35 – 40  -   4  TSS  mg/l  800  200  378  1350  -  714   5  COD  mg/l  2500  1440  1712  2700  2000  2857   6  BOD5  mg/l  1700  720  780  1600  500  2000   7  Tổng Nitơ  mg/l  36  38  10.5  24.4  8-10  -   8  Tổng Photpho  mg/l  15  20  3.95  3.61  10  60   (1) Nguồn: Phòng lab, nhà máy bia Sabmiller. (2) Nguồn: Phòng phân tích, nhà máy bia Hoàng Quỳnh. (3) Nguồn: Phòng phân tích, nhà máy bia VBL. (4) Nguồn: Phòng phân tích, nhà máy bia San Miguel. (5) Nguồn: Phòng phân tích, nhà máy bia Sài Gòn – Củ Chi. (6) Nguồn: Trần Xuân Thái, Xử lý nước thải: Một mô hình hay tại nhà máy bia Đông Nam Á. 12/03/2007 . Từ tải lượng nước thải bia là 2-8 lít nước thải/lít bia (Nguồn: W Driessen and T Vereijken, “Recent Developments in Biological Treatment of Brewery Effluent”, 2-7/3/2003) và các bảng tính chất nước thải trên, dự tính tính chất nước thải của nhà máy bia Sài Gòn – Quảng Ngãi như bảng 2.3. Bảng 2.3: Tính chất nước thải nhà máy bia Sài Gòn – Quảng Ngãi. STT  Thông số  Đơn vị  Nồng độ  Tiêu chuẩn so sánh (loại A, TCVN 5945-2005)   1  Lưu lượng  m3/ngày  2500  -   2  pH  -  5-10  6-9   3  Nhiệt độ  oC  35 – 40  40   4  TSS  mg/l  500  50   5  COD  mg/l  1800  50   6  BOD5  mg/l  1300  30   7  Tổng Nitơ  mg/l  37  15   8  Tổng Photpho  mg/l  19  4   9  Coliform  MPN/100ml  107  3000   2.5 ĐẶC ĐIỂM NGUỒN TIẾP NHẬN Nước thải sau khi được xử lý đạt loại A theo TCVN 5945 – 2005, sẽ được xả vào sông Trà Khúc. Đây là con sông lớn nhất lớn nhất tỉnh Quảng Ngãi. Sông Trà Khúc dài 135km, diện tích lưu vực là 3240 km2, chảy qua vùng đồng bằng thấp ven biển, có độ dốc lớn, đầu nguồn của sông có công trình thủy lợi Thạch Nham nên khi chảy về hạ lưu ở địa bàn thành phố Quảng Ngãi, huyện Tư Nghĩa và huyện Sơn Tịnh thì nguồn nước trở nên cạn kiệt. Sông có đặc điểm lưu vực nhỏ, dòng sông hẹp và dốc, nước chảy xiết nên khả năng trữ nước ngầm cho mùa khô khá nghèo nàn nhưng mùa mưa, sông thường gây lũ lớn. Sông Trà Khúc đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển tải phần lớn lượng nước mưa ra biển, đồng thời cung cấp nước cho vùng đồng bằng tập trung đông dân cư. Ngoài ra, sông còn là đường giao thông sông nước giữa vùng cửa biển, đồng bằng với thượng nguồn, giữa dân cư vùng đồng bằng sông Vệ với cư dân vùng đồng bằng sông Trà Khúc và là mối giao lưu đường biển giữa đất liền với đảo Lý Sơn. Chương 3: PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI BIA 3.1 TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI BIA 3.1.1 Công đoạn xử lý cơ học Xử lý cơ học nhằm tách các chất rắn lơ lửng, chất rắn dễ lắng ra khỏi nước thải. Xử lý cơ học là bước ban đầu cho xử lý sinh học. Trong xử lý nước thải bia, thông thường có thể áp dụng các thiết bị như: song chắn rác, lưới lọc, bể điều hoà. ( Song chắn rác: làm bằng kim loại, đặt ở cửa vào của kênh dẫn để giữ lại các tạp vật thô như giẻ, rác, bao nilon, và các vật thải khác nhằm bảo vệ các thiết bị xử lý như bơm, đường ống, mương dẫn…Dựa vào khoảng cách giữa các thanh, người ta chia song chắn rác thành hai loại: ( Song chắn rác thô có khoảng cách giữa các thanh từ 6 đến 100 mm. ( Song chắn rác tinh có khoảng cách giữa các thanh từ 0.03 mm đến 6 mm. ( Lưới lọc: để giữ lại các chất lơ lửng có kích thước nhỏ. Lưới có kích thước lỗ từ 0.5 đến 1mm. Khi tang trống quay với vận tốc 0.1 đến 0.5 m/s, nước thải được lọc qua bề mặt trong hay ngoài, tuỳ thuộc vào sự bố trí đường dẫn nước vào. Trong nhà máy bia là các mẫu trấu, huyền phù… bị trôi ra trong quá trình rửa thùng lên men, thùng nấu, nước lọc bã hèm, sẽ được giữ lại nhờ hệ thống lưới lọc có kích thước lỗ 1mm. Các vật thải được lấy ra khỏi bề mặt lưới bằng hệ thống cào. ( Bể điều hoà: cần thiết cho hệ thống xử lý nước thải bia vì lưu lượng và nồng độ biến đổi theo giờ, thời vụ sản xuất. Bể điều hoà được sử dụng để: ( Điều chỉnh sự biến thiên về lưu lượng của nước thải theo từng giờ trong ngày. ( Kiểm soát pH của nước thải để tạo điều kiện tối ưu cho quá trình sinh học sau đó. ( Tránh sự biến động về hàm lượng chất hữu cơ làm ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn trong các bể xử lý sinh học. ( Là nơi cố định các độc chất đối với quá trình xử lý sinh học làm cho hiệu suất của quá trình này được tốt hơn. 3.1.2 Công đoạn xử lý sinh học Trước khi qua công đoạn xử lý sinh học, trong hệ thống xử lý nước thải bia thường có bể trung hoà để điều chỉnh nước thải về pH và điều kiện dinh dưỡng thích hợp, tạo điều kiện cho sự hoạt động và phát triển của vi sinh vật. Đối với nước thải bia, phương pháp sinh học là phương pháp cho hiệu quả tối ưu và được sử dụng rộng rãi nhất. Trong xử lý sinh học có ba phương pháp chính: xử lý hiếu khí, xử lý kỵ khí và xử lý chất dinh dưỡng (N,P). Dựa trên tính hiệu quả xử lý và kinh tế của các phương pháp, người ta thường sử dụng kết hợp cả hai phương pháp xử lý kị khí và hiếu khí trong một hệ thống xử lý nước thải. 3.1.2.1 Xử lý hiếu khí Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các vi sinh vật hiếu khí phân huỷ chất hữu cơ trong nước thải có đầy đủ oxy hoà tan ở nhiệt độ, pH,…thích hợp. Quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật hiếu khí có thể mô tả như sau: Chất hữu cơ + O2 ( CO2 + H2O + NH4+ + H2S + Tế bào vi sinh vật …+ năng lượng. Cơ chế quá trình sinh học hiếu khí gồm 3 giai đoạn: ( Giai đoạn 1: oxy hoá toàn bộ chất hữu cơ có trong nước thải đáp ứng nhu cầu năng lượng tế bào. ( Giai đoạn 2 (quá trình đồng hoá): tổng hợp và xây dựng tế bào. ( Giai đoạn 3 (quá trình dị hoá): hô hấp nội bào. Khi không đủ cơ chất, quá trình chuyển hoá các chất của tế bào bắt đầu xảy ra bằng sự tự oxi hoá chất liệu tế bào. Phân loại quá trình xử lý sinh học hiếu khí theo cách thức sinh trưởng của vi sinh vật có: Quá trình vi sinh vật lơ lửng (bùn hoạt tính) bao gồm các công trình như bể Aeroten, mương oxy hoá, bể phản ứng hiếu khí dạng mẻ (SBR)…, quá trình vi sinh vật dính bám (quá trình màng vi sinh vật) bao gồm các công trình như: bể lọc sinh học, tháp lọc sinh học, bể sinh học tiếp xúc quay (RBC)…, và kết hợp quá trình vi sinh vật lơ lửng và dính bám. Trong đó, quá trình bùn hoạt tính được sử dụng rộng rãi trong hệ thống xử lý nước thải bia. Trong quá trình này, nước thải và bùn hoạt tính (tập hợp các vi sinh vật) được xáo trộn, do đó, các vi sinh vật được xáo trộn đều với các chất hữu cơ và sử dụng chất hữu cơ như nguồn thức ăn. ( Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hoạt động hiệu quả của quá trình bùn hoạt tính: ( Chất bẩn hữu cơ trong nước thải: nồng độ cơ chất ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của vi sinh vật. Loại nước thải được xử lý hiệu quả bằng quá trình này thông thường có nồng độ BOD khoảng 1000 mg/L (Nguồn: Nguyễn Văn Phước, (2007). Giáo trình Xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp bằng phương pháp sinh học. NXB Xây dựng). Nếu lượng chất hữu cơ cao hơn 1000mg/L sẽ tiêu hao năng lượng lớn do tăng lượng khí cung cấp vào bể. ( Nồng độ oxy hoà tan: lượng oxy cung cấp vào bể được xem là thích hợp khi lượng oxy hoà tan trong nước ra khỏi bể lắng đợt II khoảng 2 mg/L (Nguồn: Nguyễn Văn Phước, (2007). Giáo trình Xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp bằng phương pháp sinh học. NXB Xây dựng). Nếu thiếu oxy, trong bể sẽ xuất hiện vi khuẩn hình que, nấm, làm giảm khả năng lắng và ức chế quá trình nitrat hoá. ( Thành phần dinh dưỡng: hàm lượng chất dinh dưỡng trong bể thích hợp nhất khi tỉ lệ BOD : N : P = 100 : 5 : 1 hay COD : N : P = 150 : 5 : 1 (Nguồn: Nguyễn Văn Phước, (2007). Giáo trình Xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp bằng phương pháp sinh học. NXB Xây dựng). Sự thiếu hụt chất dinh dưỡng trong bể sẽ gây ra hiện tượng bùn khối, làm bùn khó lắng. ( pH và nhiệt độ môi trường nước thải: là yếu tố có ảnh hưởng rất lớn, pH tối ưu cho đa số vi sinh vật là từ 6.5 – 8.5 (pH 9: sẽ phá huỷ cân bằng nguyên sinh chất tế bào, vi sinh vật sẽ chết), nhiệt độ tối ưu là 25 – 35oC. ( Độc tính và các kim loại nặng trong nước thải: gây ức chế đến đời sống của vi sinh vật. Do bùn hoạt tính có khả năng hấp thụ muối của các kim loại nặng, khi đó hoạt tính sinh học của bùn giảm, nên lượng muối vô cơ trong nước thải không được vượt quá 10g/L. ( Nồng độ chất rắn lơ lửng (SS) cao hơn 150mg/L (Nguồn: Nguyễn Văn Phước, (2007). Giáo trình Xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp bằng phương pháp sinh học. NXB Xây dựng). ( Trong hệ thống xử lý nước thải bia, thường dùng một trong các công trình xử lý hiếu khí sau: ( Bể sinh học hiếu khí khuấy trộn hoàn chỉnh (Aeroten): được làm bằng bê tông cốt thép. Nước thải được chảy liên tục vào bể cùng không khí được thổi vào để khuấy trộn bùn với nước thải, đồng thời cung cấp oxy cho vi sinh vật phân huỷ chất hữu cơ. Hỗn hợp bùn cùng nước thải ra khỏi bể Aeroten sẽ chảy sang bể lắng đợt II. Phần lớn bùn hoạt tính lắng lại bể này sẽ được tuần hoàn lại bể Aeroten, còn bùn hoạt tính dư sẽ được xử lý. Bể sinh học hiếu khí khuấy trộn hoàn chỉnh có thể xử lý với hiệu suất 90-98% COD (Nguồn: W Driessen and T Vereijken, Recent Developments in Biological Treatment of Brewery Effluent, 2-7/3/2003). Bể Aeroten   Hình 3.1: Bể sinh học hiếu khí khuấy trộn hoàn chỉnh. ( Bể sinh học hiếu khí hoạt động gián đoạn theo mẻ (hệ SBR): là dạng công trình xử lý sinh học nước thải bằng bùn hoạt tính. Do hoạt động gián đoạn nên số ngăn của bể tối thiểu là 2. Các giai đoạn hoạt động diễn ra trong một ngăn bể bao gồm: làm đầy nước thải, thổi khí, để lắng tĩnh, xả nước thải và xả bùn dư. Hệ SBR làm việc không cần bể lắng đợt 2.
Làm đầy nước  Sục khí  Lắng  Xả nước   Hình 3.2: Hệ SBR. 3.1.2.2 Xử lý kị khí Đây là phương pháp sinh học sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điều kiện không có oxy để phân hủy chất ô nhiễm. ( Cơ chế của quá trình phân hủy kị khí: ( Quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ là quá trình phức tạp, tạo ra nhiều sản phẩm và trải qua nhiều phản ứng trung gian. Tuy nhiên, phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn tóm tắt như sau: Chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới. ( Quá trình phân hủy gồm nhiều giai đoạn có thể được tóm tắt theo sơ đồ hình 3.3. Hình 3.3: Sơ đồ cơ chế của quá trình phân hủy kị khí. (Nguồn: Lâm Minh triết, Nguyễn Thanh Hùng, Nguyễn Phước Dân, (2006). Xử lý nước thải đô thị và công nghiệp. NXB Đại học Quốc gia TP.HCM). ( Tổng quát cơ chế chuyển hóa yếm khí có thể giải thích theo 4 giai đoạn sau: ( Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân Dưới tác động của Enzym hyđrolaza do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ có phân tử lượng lớn như protein, gluxit, lipit, hyđrocacbon.v.v. sẽ bị phân hủy thành các chất hữu cơ có phân tư lượng nhỏ hơn và phần lớn là đều dễ tan trong nước như đường, axit amin, axit hữu cơ.v.v. ( Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men axit hữu cơ Các sản phẩm của quá trình thủy phân sẽ được vi sinh vật hấp thụ và chuyển hóa thành các axit hữu cơ phân tử lượng nhỏ, các rượu và các chất trung tính khác do quá trình lên men đường, phân giải axit và khử amin. Ngoài ra, một số khí cũng được tạo thành như CO2, H2S, H2, NH3 và một lượng nhỏ CH4. Nếu trong nước thải giàu protein thì còn sinh ra các khí độc như mercaptan, scatol, indol... Trong quá trình lên men các axit hữu cơ, các axit amin sẽ được khử amin bằng khử hoặc bằng thủy phân để tạo NH3 và NH4+, một phần sẽ được vi sinh vật sử dụng để tạo sinh khối, phần còn lại thường tồn tại dưới dạng NH4+. ( Giai đoạn 3: Giai đoạn tạo axít axetic Vi khuẩn Acetic chuyển hoá các sản phẩm của giai đoạn acid hoá thành acetate, H2, CO2 và sinh khối mới. ( Giai đoạn 4: Giai đoạn mêtan hóa Đây là giai đoạn quan trọng nhất của toàn bộ quá trình xử lý yếm khí đặc biệt là trong điều kiện xử lý có thu biogas. Acid acetic, H2, CO2, acid formic và methanol chuyển hoá thành metan, CO2 và sinh khối mới. Trong ba giai đoạn đầu, COD trong dung dịch hầu như không giảm, COD chỉ giảm trong giai đoạn metan hoá. ( So với hệ thống xử lý hiếu khí, hệ thống xử lý kị khí có những ưu và nhược điểm sau: ( Ưu điểm: ( Tiêu thụ rất ít năng lượng trong quá trình vận hành. Trong trường hợp nước thải được xử lý ở nhiệt độ từ 25-35oC thì năng lượng yêu cầu trong khoảng từ 0.05-0.1 kWh/m3 nước thải (0.18-0.36 MJ/m3) (Lettinga và ctv., 1998). ( Có khả năng sinh bùn trong quá trình xử lý kỵ khí thấp hơn nhiều so với bùn được tạo ra trong quá trình hiếu khí, vì vậy mà giảm chi phí xử lý bùn thải. Lượng bùn thải trong quá trình xử lý kỵ khí còn được giảm thấp nếu giảm nồng độ photphat trong nước thải. Lượng bùn kỵ khí này dễ ổn định hơn và quá trình khử nước thực hiện cũng dễ hơn so với bùn hiếu khí. ( Nhu cầu dinh dưỡng (N, P) cho hệ thống thấp hơn hệ thống xử lý hiếu khí do sự tăng trưởng và sinh sản của vi sinh vật kỵ khí thấp hơn vi sinh vật hiếu khí. ( Có khả năng chịu được tải trọng cao: những hệ thống kỵ khí hiện nay có thể xử lý với hiệu suất từ 85-90% COD với tải trọng hữu cơ đầu vào khoảng 30g COD/L/ngày ở 30oC và 50g COD/L/ngày ở nhiệt độ 40oC với nước thải có nồng độ chất hữu cơ trung bình (Nguồn: Tôn Thất Lãng, (2003). Mô hình xử lý kỵ khí tốc độ cao và ứng dụng trong xử lý nước thải). ( Có khả năng sinh năng lượng có ích (CH4). Mức độ sinh khí methane phụ thuộc vào tốc độ phân hủy COD đầu vào. ( Bùn kỵ khí có thể bảo quản trong một thời gian dài (hơn 1 năm) mà không cần nuôi dưỡng bằng dưỡng chất. Hoạt tính của bùn vẫn giữ nguyên khi bùn được giữ ở nhiệt độ nhỏ hơn 15oC. Do đó, có thể sử dụng lượng bùn dư của hệ thống này làm nhân cho hệ thống khác và giảm thời gian vận hành hệ thống.