Xử lý nước thải bia bằng phương pháp sinh học

Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học tự nhiên MỞ ĐẦU Công nghiệp thực phẩm số ngành cơng nghiệp phổ biến, phát triển gắn liền với nhu cầu đời sống người.Trong nhiều năm gần đây, ngành phát triển với tốc độ lớn, đặc biệt ngành sản xuất rượu bia Bia có hương vị đặc trưng riêng loại nước giải khát có nồng độ cồn thấp, có vị đắng dễ chịu nên ưa chuộng bia chứa thành phần dinh dưỡng cao mà cịn có tác dụng giải khát hữu hiệu có chứa CO bão hồ Nhờ mà bia sử dụng rộng róỉ hầu giới sản lượng hàng năm ngày tăng Kinh tế Việt Nam phát triển theo xu hướng phát triển chung kinh tế giới nên kéo theo nhu cầu tiêu thụ bia loại nước giải khát tăng nhanh Năm 2005: sản lượng bia nước 1.5 tỷ lít/năm Năm 2006: sản lượng bia nước đạt 1.7 tỷ lít/năm Năm 2007: sản lượng bia nước đạt 1.9 tỷ lít/năm Bên cạnh nhà máy bia lớn (Tiger, Heiniken, Huda ) có cơng suất cao, có cơng nghệ đại, đạt tiêu chuẩn từ khâu ngun liệu đến khâu xử lý nước thải, cịn có nhiều nhà máy với công suất nhỏ xây dựng địa phương Tại sở vấn đề xử lý nước thải bị coi nhẹ không quan tâm Lý phần vốn đầu tư có hạn, phần thiết bị cũ, khơng đồng bộ… Hàng loạt ngun nhân dẫn đến việc ô nhiễm môi trường cách nghiêm trọng Nhà máy bia Hà Nội xây dựng từ thời kỳ Pháp thuộc, từ qua sửa chữa thay nhiều lần nên thiết bị không đồng Việc phát triển cơng nghiệp, mặt góp phần tăng sản phẩm cho xã hội, mặt khác gây tác hại vỡ nú tạo chất thải gây ô nhiễm môi trường Vấn đề bảo vệ môi trường ngày trở nên cấp thiết mang tính chất Lê Thị Quỳnh Mai Cơng nghệ hóa – K52B Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học tự nhiên tồn cầu mơi trường ảnh hưởng trực tiếp gián tiếp đến hoạt động sống người Do đó, sở sản xuất bia bắt buộc phải xử lý nước thải sơ triệt để trước thải môi trường Có nhiều phương pháp để xử lý nước thải bia, phương pháp có đặc trưng phạm vi ứng dụng riêng Đặc điểm bật nước thải bia chứa nhiều protein, axit hữu Pectin tan khơng tan… với nước thải có đặc tính sở để lựa chọn nhiều phương pháp xử lý khác nhau: phương pháp sinh học, phương pháp hoá học, phương pháp học, phương pháp hoá lý… Phương pháp sinh học có ưu điểm xử lý triệt để cần có thời gian tiếp xúc, mặt rộng, phù hợp với sở sản xuất lớn Phương pháp hoá lý (lắng-lọc kết hợp) xử lý không triệt để phương pháp sinh học chúng lại có ưu điểm thời gian tiếp xúc ít, tốn diện tích Phương pháp hoá học cần sử dụng nhiều hố chất, tạo bùn “bẩn” nên khơng thể thải trực tiếp môi trường Từ ưu, nhược điểm phương pháp, dựa vào khả đầu tư, vào diện tích sản xuất…Đề tài chọn phương pháp xử lý nước thải bia phương pháp sinh học CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Lê Thị Quỳnh Mai Công nghệ hóa – K52B Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học tự nhiên 1.1 Lý thuyết thiết bị phản ứng 1.1.1 Thiết bị phản ứng cơng nghệ hóa học Cơng nghệ hóa học phát triển gắn liền với gắn liền thiết bị phản ứng, vật liệu làm thiết bị, cấu trúc thiết bị Thiết bị phản ứng công cụ để thực cơng việc kỹ thuật cơng nghệ hóa học nhằm tạo sản phẩm khác Thiết bị phản ứng đa dạng, từ thiết bị đơn giản thùng khuấy gián đoạn cho hệ thống đồng nhất, khơng đồng có trang bị chế đảo trộn cánh khuấy, khớ nộn… cú trang bị hệ truyền nhiệt gắn với thiết bị phản ứng thiết bị dịng chảy Bản chất q trình kỹ thuật chuyển hóa Vì việc tính toán thiết bị tiến hành xác định yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến trình phản ứng cần thiết Để thuận tiện cho việc tính tốn người ta chia thiết bị phản ứng điều kiện lý tưởng làm loại:  Thiết bị khuấy lý tưởng gián đoạn  Thiết bị khuấy lý tưởng liên tục  Thiết bị ống dòng (đẩy lý tưởng) 1.1.1.1 Thiết bị khuấy lý tưởng gián đoạn (Batch Reator – BR) Là loại thiết bị phản ứng làm việc theo mẻ Các chất phản ứng ban đầu đưa vào bình khuấy trộn nhiệt độ xác định, sau khoảng thời gian định lấy toàn sản phẩm nạp tiếp nguyên liệu đầu vào cho mẻ khác Loại thiết bị đơn giản, cần thiết bị phụ trợ, sử dụng tốt cho nghiên cứu thực nghiệm quy mô nhỏ động học loại phản ứng Loại thiết bị thực tế áp dụng lượng nhỏ chất phản ứng tương đối đắt tiền hiệu suất tốt chi phí cơng trình rẻ Lê Thị Quỳnh Mai Cơng nghệ hóa – K52B Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học tự nhiên Hình 1: Thiết bị khuấy trộn lý tưởng gián đoạn 1.1.1.2 Thiết bị khuấy lý tưởng liên tục (Continuos Stirred Tank Reactor – CSTR) Đặc trưng thiết bị khuấy trộn lý tưởng liên tục liên tục tiếp nguyên liệu cho tất cấu tử tham gia phản ứng đồng thời sản phẩm lấy liên tục Điều có nghĩa luụn cú lượng chất đưa vào khối hỗn hợp “cũ” khuấy trộn cho đạt độ đồng nồng độ Như dòng chất (sản phẩm phản ứng) từ thiết bị khuấy lý tưởng liên tục cú cựng thành phần dòng chất bên thiết bị phản ứng Loại thiết bị tích phản ứng khơng đổi suốt q trình phản ứng lưu lượng vào lưu lượng Lê Thị Quỳnh Mai Cơng nghệ hóa – K52B Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học tự nhiên Hình 2: Thiết bị khuấy trộn lý tưởng liên tục 1.1.1.3 Dãy thiết bị phản ứng nối tiếp (Hệ cascade) Hệ cascade hệ thống thiết bị phản ứng khuấy lý tưởng liên tục gồm nhiều thiết bị khuấy lý tưởng liên tục tích nhau, mắc nối tiếp Nồng độ chất điểm thiết bị phản ứng khuấy lý tưởng liên tục có thay đổi nồng độ dòng chất phản ứng chaỷ từ thiết bị khuấy lý tưởng liên tục sang thiết bị khuấy lý tưởng liên tục khác Nếu số lượng thiết bị khuấy lý tưởng liên tục tăng lên thể tích dung dịch thiết bị khuấy lý tưởng giảm thể tích tổng cộng khơng thay đổi Có thể thấy trường hợp đó, độ chuyển húa cho trước thể tích phản ứng thiết bị khuấy lý tưởng liên tục tiến tới thể tích thiết bị phản ứng ống dịng Hình 3: Hệ cascade Lê Thị Quỳnh Mai Cơng nghệ hóa – K52B Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học tự nhiên 1.1.1.4 Thiết bị phản ứng ống dòng (Plug Flow Reactor – PFR) Trong thiết bị phản ứng kiểu dòng chất phản ứng chảy theo dòng chảy đặn dọc theo ống phản ứng, xem có khuyếch tán dọc theo dịng chảy khơng có khác tốc độ điểm dịng chảy Điều có nghĩa vật chất (các chất phản ứng) chảy qua thiết bị ống dòng theo dòng chảy đặn liên tục Thực thiết bị ống dịng xảy khuấy trộn dịng chảy, nhiên thiết phải khơng có khuấy trộn dọc theo chiều chuyển động dòng chảy Điều kiện cần đủ cho thiết bị phản ứng kiểu ống dòng thời gian lưu (residence time) thiết bị phần tử dòng chảy Trong thiết bị ống dũng, dũng chất có giống nhiệt độ nồng độ theo chiều dọc Nồng độ nhiệt độ điểm ống không đổi theo thời gian Thiết bị ống dòng lý tưởng gọi thiết bị phản ứng tĩnh khơng đồng nồng độ chất điểm khác theo hướng trục ống không Về phương diện kỹ thuật thùng khuấy lý tưởng tạo nên với tốc độ xác mong muốn Tuy nhiên ống dũng thỡ có khả đạt gần đến trạng thái lý tưởng Qua ống dịng lý tưởng xem xét khơng có trộn lẫn nguyên tố thể tích nạp vào ống tốc độ dũng trờn toàn mặt cắt ống khơng đổi Hình 4: Thiết bị đẩy lý tưởng (ống dịng) 1.1.2 Tính tốn thiết bị phản ứng Để thuận tiện cho việc theo dõi nghiên cứu tính tốn thiết bị phản ứng người ta đưa ký hiệu sau: Lê Thị Quỳnh Mai Cơng nghệ hóa – K52B Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học tự nhiên (1) Với XA : độ chuyển hóa cấu tử A (XA = 0ữ1) NA0 : số mol A ban đầu NA : số mol A thời điểm xem xét Khi V = const => (2) Hệ số thay đổi thể tích (ε A) phản ứng hóa học định định nghĩa hệ thức: (3) Quy luật phụ thuộc thể tích hỗn hợp phản ứng định nghĩa hệ thức: (4) Từ (1), (2), (3) có: (5) Từ (2) (5), có: Khi V = const => (6) Xuất phát từ phương trình cân vật chất: Lượng chất vào = Lượng chất lấy + Lượng chất chuyển hóa + Lượng chất tích lũy Hình 5: Cân vật chất thiết bị phản ứng (xét theo đơn vị thể tích) Lê Thị Quỳnh Mai Cơng nghệ hóa – K52B Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học tự nhiên 1.1.2.1 Trong thiết bị khuấy trộn gián đoạn Từ đặc điểm thiết bị khuấy trộn gián đoạn ta có phương trình cân vật chất thiết bị là: Lượng chuyển hóa + Lượng tích lũy = (7) Với rA tốc độ phản ứng cấu tử A Từ (1) (7) ta có: (8) => Tích phân vế phương trình (8), kết hợp phưong trình (4) ta có thời gian lưu thiết bị phản ứng: (9) Đồ thị biến đổi nồng độ chất tham gia phản ứng (độ chuyển hóa chúng) thay đổi theo thời gian Hình 6: Sự biến đổi nồng độ hệ khuấy trộn gián đoạn (a) – theo thời gian; (b) – theo khơng gian Phương trình (9) biểu diễn thời gian t cần thiết để hệ phản ứng đạt độ chuyển hóa XA Lê Thị Quỳnh Mai Cơng nghệ hóa – K52B Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học tự nhiên Từ mơ hình tính toán đặc điểm thiết bị khuấy gián đoạn có: Ưu điểm hệ BR: - Thiết bị đơn giản, cần thiết bị phụ trợ, linh hoạt sử dụng - Chất lượng sản phẩm đầu tốt (Xem thêm 1.1.1.1) Nhược điểm hệ BR: - Chất lượng sản phẩm đầu không đồng mẻ - Cần nhiều thời gian chuẩn bị mẻ Do khơng phù hợp với u cầu làm việc cho sản phẩm đầu liên tục 1.1.2.2 Trong thiết bị khuấy trộn liên tục (IMR – CSTR) Từ đặc điểm thiết bị khuấy trộn liên tục ta có phương trình cân vật chất thiết bị là: Lượng chất A nạp vào = Lượng chất A lấy + Lượng chất A chuyển hóa Gọi CA0 : nồng độ nguyên liệu đầu vào : tốc độ dịng thể tích vào : thời gian lưu biểu kiến Với: Lượng chất A vào (mol/đơn vị thời gian): Lượng chất A (mol/đơn vị thời gian): Lượng chất A chuyển hóa (mol/đơn vị thời gian): Ta có: Thời gian lưu biểu kiến: (10) Phương trình (10) biểu diễn thời gian lưu biểu kiến cấu tử A Lê Thị Quỳnh Mai Cơng nghệ hóa – K52B Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Khoa học tự nhiên Đồ thị biến đổi nồng độ chất tham gia phản ứng (độ chuyển hóa chúng) thay đổi theo thời gian (a) (b) Hình 7: Sự biến đổi nồng độ hệ khuấy trộn lý tưởng liên tục (a) – theo thời gian; (b) – theo không gian Do đặc điểm phản ứng có hội để khỏi phản ứng, khơng phụ thuộc vào việc phần thể tích đú thiết bị phản ứng bao lâu, nên thời gian thực không phần tử, trường hợp đưa khái niệm thời gian lưu trung bình Thơng số thời gian lưu trung bình tính tốn theo phương trình sau: Ta có: Tốc độ dịng thể tích vào thiết bị phản ứng: Tốc độ dịng thể tích thiết bị phản ứng: Như trường hợp tốc độ dịng thể tích vào thiết bị phản ứng khác Đối với thiết bị khuấy liên tục thỡ dũng chất khỏi thiết bị thể trạng thái bên toàn thiết bị dùng để xác định thời gian lưu trung bình Lê Thị Quỳnh Mai Cơng nghệ hóa – K52B 10