phương pháp xử lý nước thải ngành chế biến sữa

trình bày về phương pháp xử lý nước thải ngành chế biến sữa

Đặt vấn đề

Sữa là nguồn dinh dưỡng có giá trị, phù hợp với mọi lứa tuổi, đặc biệt là trẻ em, người lớn tuổi và phụ nữ mang thai Sữa cung cấp nhiều chất bổ dưỡng và năng lượng cần thiết cho quá trình hoạt động của cơ thể Ngày nay, khi mức sống ngày được nâng cao thì các sản phẩm sữa càng được sử dụng rộng rãi

Cũng như các ngành công nghiệp khác, trong những năm gần đây, ngành công nghiệp chế biến sữa của Việt Nam đã có những bước phát triển mạnh mẽ.Các sản phẩm sữa được sản xuất tại Việt Nam được bày bán và tiêu thụ khắp nơi Chương trình phát triển sữa còn gắn với các chương trình dinh dưỡng học đường, chương trình chống suy dinh dưỡng, … nhằm phấn đấu đưa lượng sữa trên đầu người mỗi năm từ 8 lít hiện nay lên 13-14 lít vào năm 2010 Cải thiện chiều cao của người Việt Nam

Để đáp ứng những nhu cầu đó, chính phủ đã giao cho Bộ công nghiệp gấp rút hoàn thành “Đề án phát triển ngành Công nghiệp sữa đến năm 2010” theo hướng tăng dần tỷ

lệ sử dụng nguyên liệu sữa tươi trong nước và giảm dần tỷ lệ nguyên liệu sữa bột nhập ngoại Tiến hành đầu tư mở rộng hoặc xây dựng mới một loạt cơ sở sản xuất cùng với việc phát triển đàn bò sữa một cách nhanh chóng Mục tiêu năm 2005 Việt Nam tự túc 20% nguyên liệu, tổng công suất các nhà máy chế biến sữa sẽ đạt 667 triệu lít và đến năm 2010 xấp xỉ 40% nhu cầu nguyên liệu, đạt 900 triệu lít

Hiện nay nhu cầu tiêu thụ sữa trong cả nước đạt trên 600 triệu lít/năm, năm 2002 sữa khai thác từ đàn bò trong nước đạt trên 90 ngàn tấn (đáp ứng 14-15% nhu cầu)

Như một hệ quả tất yếu, khi có điều kiện khai thác nguyên liệu tại chỗ, ngành công nghiệp chế biến sữa của Việt Nam sẽ có đủ các điều kiện thuận lợi để phát triển Tuy nhiên, bên cạnh những đóng góp về mặt kinh tế, những sản phẩm dinh dưỡng cần thiết cho cuộc sống của con người, công nghiệp chế biến sữa cũng tạo ra nhiều chất thải góp phần làm ô nhiễm môi trường tự nhiên Nhiều nhà máy không chú trọng và đầu tư cho

hệ thống xử lý nước thải đã gây ra ô nhiễm môi trường trầm trọng cho những khu vực xung quanh Điều này thúc đẩy việc đầu tư, lựa chọn và áp dụng những kỹ thuật xử lý chất thải phù hợp để hạn chế và loại trừ các tác động xấu đến môi trường xung quanh

I.Tổng quan về công nghệ chế biến sữa:

1) Thành phần của sữa:

Sữa nguyên chất có thành phần dinh dưỡng cao Nó chứa nhiều nước và giàu muối khoáng, protein (chủ yếu là cazein), mỡ bơ, đường (đặc biệt là lactoza) và các vitamin.Thành phần của sữa:

Protein Casein Protein nhũ Đường Chất béo Chất tro

Người ta phân Protein thành 2 loại: các protein của dịch đường sữa và các loại casein

 Thành phần chủ yếu của protein dịch đường sữa (chiếm 15÷22%) bao gồm:

β_lactoglobulin, α_lactalbumin, serumalbumin, các globulin miễn dịch và cuối cùng là một lượng nhỏ các enzim

 Cazein là thành phần chủ yếu của protein sữa (chiếm 75÷85%) Đặc trưng của casein là không tan trong môi trường axit yếu Bao gồm: αs1_cazein, β_cazein, k_cazein, y_cazein

 Hidrat cacbon: đường chủ yếu trong sữa là lactoza, chiếm 4÷6% trọng lượng sữa

 Lipit: chất béo của sữa chứa 95÷96% các trilixerol Hàm lượng tương đối cao của các axit béo trọng lượng thấp, trước hết là axit butyric, là đặc điểm đặc trưng của sữa

 Muối khoáng: chủ yếu là các muối của calcium, sodium, potassium và magnesium

ở dạng phosphate, chloride, nitrat và caseinate Ngoài ra, còn sự hiện diện của sulphur, kẽm, rubidium, bromine, nhôm, sắt, … với số lượng rất nhỏ

 Vitamin: A, D, E và K

Ở trong bầu vú của động vật thì sữa hoàn toàn vô trùng nhưng khi đi ra khỏi núm vú thì nó bị nhiễm bởi khu hệ bình thường của động vật, sau đó được bổ sung thêm bởi các

vi sinh vật khác từ người vắt sữa, máy hoặc bình chứa

2) Công nghệ chế biến sữa:

Để xác định các nguồn thải chủ yếu của công nghệ chế biến sữa, ta cần phải hiểu rõ

về các quá trình chế biến và các công đoạn sản xuất chính

Các sản phẩm sữa hầu hết được sản xuất từ sữa bò, một loại thực phẩm tiết ra từ tuyến vú của con bò cái để nuôi dưỡng bê con mới sinh Sữa sau khi được vắt, chứa vào các thùng, can, muốn sản xuất thành các sản phẩm khác phải qua qui trình chế biến sữa bao gồm các bước:

• Tiếp nhận sữa: sữa được đưa vào các bồn trữ cô lập hoặc được làm lạnh

• Xử lý nhiệt (thermization): để trữ được sữa qua vài giờ hoặc vài ngày mà không bị suy giảm về chất lượng, người ta đun sữa ở nhiệt độ 63÷65oC trong vòng 15 giây ngay sau khi tiếp nhận

• Thanh trùng (pasteurization): là phương pháp xử lý nhiệt nhằm giết các vi sinh vật gây bệnh dạng không bào tử hoặc dạng sinh dưỡng và để làm giảm số lượng vi sinh vật

tự sinh đến mức không gây ảnh hưởng đến chất lượng sữa

• Gạn lọc: loại bỏ các cặn lắng và vật lạ trong sữa đồng thời tách ly tâm để vớt váng

• Tiêu chuẩn hóa: hàm lượng sữa béo bằng việc tách riêng một phần sữa để tách kem và sau đó cho sữa đã tách kem trở lại vào bồn chứa.

• Đồng hóa sữa: nhằm giảm kích thước của các hạt sữa, duy trì sự phân tán của chúng thay vì để chúng tập hợp lại thành lớp nổi trên bề mặt

• Khử khí: để đuổi khí và các chất bay hơi gây mùi hôi

3) Chất thải từ các sản phẩm chủ yếu được chế biến từ sữa:

• Sản xuất sữa tươi:

Nguồn gây ô nhiễm chính là các sản phẩm hỏng hoặc các sản phẩm đã quá hạn sử dụng được trả lại

Ngoài ra còn các loại chất thải rắn dùng làm bao bì như chai thủy tinh, chai nhựa PE hoặc các bao bì giấy

• Sản xuất các sản phẩm sữa lên men:

Do độ nhớt của các sản phẩm lên men rất cao nên một số lượng đáng kể bám dính trên bề mặt của thiết bị sản xuất gây nên tải lượng ô nhiễm cao khi vệ sinh thiết bị

Nước thải từ việc sản xuất các sản xuất lên men thường có pH tương đối thấp từ 4.5÷4.7

• Sản xuất bơ:

Bơ về cơ bản là phần chất béo của sữa và được sản xuất từ phần kem được tách ra từ sữa nguyên chất Do đó, nguồn gây ô nhiễm chính trong quá trình sản xuất là nước sữa thải bỏ

• Casein:

Nguồn gây ô nhiễm chính là dịch sữa, nước rửa casein và các hạt casein

4) Thành phần và tính chất nước thải chế biến sữa:

• Các nguồn nước thải của nhà máy chế biến sữa:

Nước thải của nhà máy chế biến sữa nói chung là sự pha loãng của sữa và các sản phẩm từ sữa do sự rơi vãi từ các công đoạn chế biến, hoặc do sự rò rỉ được phép của thiết bị công nghệ, cùng với các hóa chất tẩy rửa, dầu mỡ dùng để vệ sinh thiết bị cũng như các dụng cụ lưu trữ,

Dựa vào qui trình công nghệ sản xuất sữa, ta thấy nước thải chung của nhà máy chế biến sữa bao gồm:

 Nước thải sản xuất:

o Nước rửa các bồn chứa và can ở các trạm tiếp nhận

o Nước súc rửa các sản phẩm dư bên trong hoặc trên bề mặt của tất cả các đường ống, bơm, bồn chứa, thiết bị công nghiệp, máy đóng gói, …

o Nước rửa thiết bị, rửa sàn cuối mỗi chu kỳ hoạt động

o Sữa rò rỉ từ các thiết bị, hoặc do làm rơi vãi nguyên liệu và sản phẩm

o Một số chất lỏng khác như sữa tươi, sữa chua kém chất lượng, bị hư hỏng

do quá trình bảo quản và vận chuyển cũng được thải chung vào hệ thống thoát nước

o Nước thải từ nồi hơi, từ máy làm lạnh

o Dầu mỡ rò rỉ từ các thiết bị và động cơ

 Nước thải sinh hoạt

• Thành phần, tính chất của nước thải ngành chế biến sữa:

Nếu loại trừ nước thải sinh hoạt, thành phần gây ô nhiễm chính trong quá trình sản xuất sữa là sữa và các sản phẩm từ sữa (chiếm 90% tải lượng hữu cơ_BOD) Vì vậy, các chỉ số cần quan tâm đối với nước thải sản xuất là BOD, COD, SS và chất béo Sữa tươi nguyên chất có giá trị BOD cao (khoảng 100000 mg/l) cho nên những dung dịch sữa pha loãng cũng có ảnh hưởng ô nhiễm rõ rệt Những thành phần chính tham gia vào BOD của nước thải chế biến sữa là lactose, bơ sữa, protein và acid lactic

Bản chất của chất thải sinh ra bởi các quá trình khác nhau của nhà máy chế biến sữa nói chung hoàn toàn giống nhau, đều phản ánh sự ảnh hưởng lấn át của sữa Tuy nhiên các quá trình khác nhau làm ảnh hưởng đến thành phần chi tiết Vì vậy, thành phần và lưu lượng nước thải của mỗi nhà máy tùy thuộc vào các quá trình thực hiện, điều kiện

và công nghệ sản xuất Muốn xác định chính xác thành phần nước thải của mỗi nhà máy, chúng ta phải tiến hành khảo sát thực tế

Nhìn chung, nước thải chế biến sữa ban đầu là trung tính hoặc hơi kiềm, nhưng có khuynh hướng trở nên acid hoàn toàn một cách nhanh chóng do sự thiếu hụt của oxy tạo điều kiện lên men của lactose thành acid lactic, khi đó pH giảm và có khả năng gây ra

sự kết tủa casein

Nước thải chế biến sữa thường có hàm lượng chất hữu cơ hòa tan cao, ít chất lơ lửng

Vì vậy, chúng là nguồn thức ăn cho vi khuẩn và các vi sinh vật, gây nên sự thiếu hụt oxy nghiêm trọng do được vi khuẩn và các vi sinh vật tiêu thụ với tốc độ rất nhanh

Ngoài ra sữa cũng chứa cả Nitơ và Photpho, là thức ăn tốt cho thực vật có thể dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước

• Khả năng gây ô nhiễm của nước thải ngành chế biến sữa ở Việt Nam:

Do thiếu nguồn nguyên liệu tại chỗ nên các nhà máy chế biến sữa ở nước ta chủ yếu xuất phát với nguồn nguyên liệu là dạng sữa thành phẩm nhập ngoại, không sản xuất các loại sản phẩm có nước thải ô nhiễm cao như: phó-mát, bơ, dịch sữa, ….Vì vậy hàm lượng COD, BOD5 trong nước thải chế biến sữa ở nước ta nói chung tương đối thấp, lưu

Tuy nhiên do trang thiết bị công nghệ, trình độ sản xuất còn kém nên mức độ tiêu hao nguyên liệu cao làm gia tăng ô nhiễm bởi các sản phẩm hỏng hoặc thất thoát nguyên liệu trong quá trình sản xuất.

Bên cạnh đó, các nhà máy chế biến sữa thường nằm gần hoặc trong khu vực dân cư, chưa có hệ thống xử lý nước thải sản xuất do đó nước thải sản xuất chưa qua xử lý được trộn lẫn với nước thải sinh hoạt trước khi đi vào hệ thống cống thoát chung Điều này gây ô nhiễm môi trường cho các khu vực xung quanh

II Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải:

Hiện nay để xử lý nước thải sinh hoạt hay công nghiệp, trên thế giới có rất nhiều phương pháp khác nhau:

• Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học

• Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học

• Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý

• Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

• Xử lý nước thải bằng phương pháp nhiệt

Mỗi phương pháp đều giúp loại bỏ một số thành phần ô nhiễm có trong nước thải Việc sử dụng riêng lẻ hoặc kết hợp các phương pháp trên, tùy thuộc vào các yếu tố sau:

• Yêu cầu xử lý: cần xác định chất lượng nước đầu ra phải thỏa mãn một yêu cầu cụ thể nào?

• Đặc tính của nước thải: cần xác định cụ thể thành phần các chất gây ô nhiễm có trong nước thải, dạng tồn tại của chúng (lơ lửng, dạng keo, dạng hòa tan, ), khả năng phân hủy sinh học và độ độc của các thành phần vô cơ và hữu cơ

• Chi phí xử lý, chi phí đầu tư cho từng phương án đưa ra

• Các quy định về môi trường của địa phương

1) Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học

Quá trình xử lý cơ học được thực hiện ở giai đoạn đầu của quá trình xử lý hay còn gọi là quá trình xử lý sơ bộ trước khi qua các bước xử lý tiếp theo

Mục đích:

 Nhằm loại bỏ các tạp chất không tan bao gồm các tạp chất vô cơ và hữu cơ trong nước: những vật nổi lơ lửng có kích thước lớn như mảnh gỗ, nhựa, giấy, vỏ hoa quả,…; những cặn như sỏi, cát, mảnh kim loại, thủy tinh, …; dầu mỡ

 Nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả của các bước xử lý tiếp theo

Các công trình bố trí trong giai đoạn này gồm:

Ta có thể làm sạch song chắn và lưới chắn bằng thủ công hay bằng các thiết bị cơ khí tự động hay bán tự động

Thiết bị nghiền và cắt vụn rác: nhằm cắt và nghiền vụn rác thành các hạt, hoặc mảnh nhỏ lơ lửng trong nước thải mà không làm tắc ống, không gây hại cho máy bơm Tuy nhiên loại thiết bị này gây nhiều khó khăn cho các công đoạn xử lý tiếp theo do lượng cặn tăng lên

b)Bể lắng cát:

Bể lắng cát thường đặt sau song chắn, lưới chắn và đặt trước bể điều hòa lưu lượng, chất lượng nước.

Bể lắng cát hoạt động theo nguyên tắc lắng trọng lực nhằm loại bỏ các cặn thô, nặng như cát, sỏi, mảnh vỡ thủy tinh, mảnh kim loại, tro tàn, than vụn, vỏ trứng, v.v… để bảo vệ các thiết bị cơ khí dễ bị mài mòn, giảm cặn nặng ở các công trình xử lý sau.c) Bể tách dầu mỡ:

Thiết bị thu dầu thường được đặt trước cửa xả vào cống chung hoặc trước bể điều hòa ở nhà máy và thường đặt sau bể lắng cát, trước bể lắng đợt I

Ta cần quan tâm đến chất béo vì nó: bít kín đường ống dẫn, khe hở giữa các vật liệu lọc; phá vỡ cấu trúc bùn hoạt tính ở aroten; cản trở quá trình lên men; che phủ mặt thoáng, cản trở xâm nhập oxy vào nước

Quá trình tách dầu mỡ được thực hiện bằng cách hòa tan vào nước những bọt khí nhỏ, những bọt khí này bám vào các hạt cặn làm cho tỷ trọng của tổ hợp cặn khí giảm, lực đẩy nổi xuất hiện, khi lực đẩy nổi đủ lớn hỗn hợp cặn – khí nổi lên mặt nước và được gạt ra ngoài

d)Bể điều hòa lưu lượng và chất lượng:

Có thể đặt sau song chắn rác, trước trạm bơm, bơm đều nước thải lên bể lắng đợt I.Nhằm mục đích điều hòa lưu lượng cũng như chất lượng nước cho các công trình trong hệ thống xử lý nước thải

Thường có thiết bị khuấy trộn nhằm hòa trộn để san bằng nồng độ các chất bẩn cho toàn bộ hệ thống thể tích nước thải có trong bể và để ngăn ngừa cặn lắng trong bể, pha loãng nồng độ các chất độc hại nếu có để đảm bảo chất lượng của nước thải là ổn định đối với hệ thống xử lý sinh học phía sau

Trong bể cũng phải đặt các thiết bị thu gom và xả bọt, váng nổi

e) Bể lắng đợt I:

Nhằm tách các chất rắn lơ lửng có trong nước dựa trên nguyên tắc lắng trọng lực Bể lắng đợt I là một công trình xử lý sơ bộ thường được áp dụng trước khi đưa nước thải tới các công trình xử lý phức tạp hơn

Ngoài việc loại bỏ các chất rắn lơ lửng, bể lắng đợt I còn có thể làm giảm bớt tải lượng BOD, COD cho công trình xử lý sinh học phía sau Hiệu suất của giai đoạn này

có ảnh hưởng đến hiệu suất của công trình xử lý sinh học phía sau

Căn cứ vào chiều nước chảy trong bể, người ta phân biệt thành các dạng: bể lắng ngang, bể lắng đứng, bể lắng Radian

Thông thường người ta thường gộp chung bể lắng cát vào bể lắng đợt I thành một công trình vì bể lắng đợt I hoàn toàn có khả năng lắng cặn của bể lắng cát

2) Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý:

Cơ sở của phương pháp này là các phản ứng sinh hóa diễn ra giữa chất ô nhiễm và hóa chất thêm vào Những phản ứng diễn ra có thể là phản ứng oxy hóa khử, phản ứng trung hòa tạo chất kết tủa hoặc các phản ứng phân hủy chất độc hại Các phương pháp hóa lý thường được ứng dụng nhiều nhất là oxy hóa và trung hòa Nói chung, bản chất của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý là áp dụng các quá trình vật lý và hóa học để loại bớt các chất ô nhiễm mà không thể dùng quá trình lắng ra khỏi nước thải

a) Phương pháp đông tụ:

Là quá trình làm thô hóa các hạt phân tán và nhũ tương Phương pháp này hiệu quả nhất khi sử dụng để tách các hạt phân tán có kích thước 1÷1000µm.

Trong xử lý nước thải sự đông tụ diễn ra dưới ảnh hưởng của các chất đông tụ Chất đông tụ trong nước tạo thành các bông Hydroxit kim loại, lắng nhanh dưới tác dụng của trọng lực Các bông này có khả năng hút các hạt keo, các hạt lơ lửng và kết hợp chúng lại với nhau

Chất đông tụ thường dùng là muối nhôm, muối sắt, các hợp chất của chúng hoặc dung dịch hỗn hợp keo tụ được sản xuất từ bùn đỏ Việc chọn chất đông tụ phụ thuộc vào thành phần, tính chất hóa lý, giá thành, pH, nồng độ tạp chất trong nước

b) Phương pháp keo tụ:

Keo tụ là quá trình kết hợp các hạt lơ lửng khi cho các tạp chất cao phân tử vào nước Khác với quá trình đông tụ, khi keo tụ thì sự kết hợp diễn ra không chỉ do tiếp xúc trực tiếp mà còn do tương tác lẫn nhau giữa các hạt phân tử chất keo tụ bị hấp phụ trên các hạt lơ lửng

Sự keo tụ được tiến hành nhằm thúc đẩy quá trình tạo bông Hydroxit nhôm và sắt với mục đích tăng vận tốc lắng của chúng Việc sử dụng chất keo tụ cho phép giảm lượng chất đông tụ, giảm thời gian đông tụ và tăng vận tốc lắng

Chất keo tụ thường dùng có thể là hợp chất tự nhiên và tổng hợp chất keo tự nhiên là tinh bột, Este, Xenlulose, Dectrin (C6H10O5)n, chất keo vô cơ là Dioxit Silic đã hoạt hóa (xSiO2.yH2O), chất keo tụ hữu cơ tổng hợp (-CH2 – CH – CO – NH2 -), Poliacrilamit kỹ thuật (PAA), PAA hoạt hóa

c) Phương pháp tuyển nổi:

Phương pháp này được sử dụng rộng rãi nhằm loại bỏ các tạp chất không tan và khó lắng hoặc có thể dùng để tách các chất tan như chất hoạt động bề mặt

Tuyển nổi được áp dụng để xử lý nước thải của nhiều ngành sản xuất như: chế biến dầu mỏ, tơ sợi nhân tạo, giấy xenlulo, da, hóa chất, thực phẩm, chế tạo máy

Trong nước thải chế biến thủy hải sản, phương pháp tuyển nổi thường được áp dụng

để xử lý nước thải có chứa các chất lơ lửng và mỡ thủy sản, đặc biệt là xử lý cá Basa; và loại bỏ chất béo trước khi qua giai đoạn xử lý khác Hơn nữa, nó còn được dùng để tách bùn hoạt tính sau khi xử lý hóa sinh

Quá trình này được thực hiện bằng cách đưa các bọt khí mịn vào pha lỏng Bọt khí mịn dính bám vào các hạt, và lực đẩy nổi đủ lớn đẩy các hạt bám dính bọt khí lên bề mặt Hiệu quả phân riêng của tuyển nổi phụ thuộc vào kích thước và bong bóng khí Kích thước tối ưu của bong bóng khí là 15÷30µm

Có nhiều dạng tuyển nổi để xử lý nước thải bao gồm: tuyển nổi với sự tách không khí

từ dung dịch, tuyển nổi với việc cho thông khí qua vật liệu xốp, tuyển nổi hóa học, tuyển nổi điện, tuyển nổi với sự tách không khí bằng cơ khí

d) Phương pháp hấp phụ:

Phương pháp này được sử dụng để làm sạch nước thải khỏi các chất hữu cơ hòa tan, sau xử lý sinh học nếu nồng độ các chất này không cao và không bị phân hủy bởi vi sinh vật hoặc chúng rất độc Ưu điểm của phương pháp này là hiệu quả cao 80÷90%, có khả năng xử lý nhiều chất trong nước thải

Chất hấp phụ thường được sử dụng là: than hoạt tính, các chất tổng hợp và chất thải của vài ngành sản xuất (tro, rỉ, mạt cưa), chất hấp phụ vô cơ (đất sét, silicagen, keo nhôm) và các chất hydroxit kim loại (ít được sử dụng vì năng lượng tương tác của chúng với các phân tử nước lớn)

3) Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học:

Mục đích cơ bản của phương pháp xử lý sinh học là lợi dụng các hoạt động sống và sinh sản của vi sinh vật để phân hủy các hợp chất hữu cơ, làm keo tụ các chất keo lơ lửng không lắng được trong nước thải Các vi sinh vật sử dụng một số chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận được các chất làm vật liệu xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên khối lượng sinh khối được tăng lên

 Loại các bông cặn sinh học ra khỏi nước bằng quá trình lắng trọng lực

Phương pháp này được sử dụng để loại bỏ các tạp chất vô cơ như sulfite, muối amoni, nitrat

Do vi sinh vật đóng vai trò chủ yếu trong quá trình xử lý sinh học nên tùy vào tính chất hoạt động và môi trường sống của chúng, ta có thể chia phương pháp sinh học thành:

3.1 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên:

Cơ sở của phương pháp này dựa vào khả năng tự làm sạch của đất và nguồn nước Việc xử lý nước thải thực hiện trên các công trình:

Để hồ tự nhiên hoạt động bình thường cần phải giữ giá trị pH và nhiệt độ tối ưu Nhiệt độ không được thấp hơn 60C

Theo bản chất của quá trình sinh hóa, người ta chia hồ sinh vật ra các loại:

 Hồ sinh vật tùy tiện (Faculatative pond):

Hồ có độ sâu từ 1,5 đến 2,0m Thời gian lưu nước trong hồ là 5 đến 30 ngày

Trong hồ sinh vật tùy tiện, theo chiều sâu lớp nước có thể diễn ra 2 quá trình: oxy hóa hiếu khí và lên men yếm khí các chất bẩn hữu cơ Vi khuẩn và tảo trong hồ có quan hệ tương hỗ đóng vai trò cơ bản đối với sự chuyển hóa các chất Oxy cung cấp cho quá trình chuyển hóa chất hữu cơ chủ yếu là do quang hợp của tảo và khuyếch tán từ khí

quyển qua bề mặt hồ Ngoài ra, các vi khuẩn tùy tiện hoặc vi khuẩn kị khí còn sử dụng oxy liên kết từ nitrit, nitrat, sunfat, để oxy hóa chất hữu cơ.

3.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện nhân tạo:

a) Xử lý sinh học trong môi trường kị khí:

Trong điều kiện không có oxy, các chất hữu cơ có thể bị phân hủy nhờ VSV và sản phẩm cuối cùng của quá trình này là các chất khí như mêtan (CH4) và cacbonic (CO2) được tạo thành Quá trình chuyển hóa chất hữu cơ nhờ vi khuẩn kị khí chủ yếu diễn ra theo nguyên lý lên men qua các bước:

 Phân hủy các chất hữu cơ phức tạp và các chất béo thành các chất hữu cơ đơn giản hơn như monosacarit, axit amin hoặc các muối piruvat khác Đây

là nguồn dinh dưỡng và năng lượng cho vi khuẩn hoạt động

 Các nhóm vi khuẩn kị khí thực hiện quá trình lên men axit, chuyển hóa các chất hữu cơ đơn giản thành các loại axit hữu cơ thông thường như axit acetic hoặc glixerin, axetat,

2 2 3

2 2

2 3

2 2

4 2

3 4

2

O H OH CH

H

Quá trình lên men kị khí diễn ra trong hai điều kiện nhiệt độ: lên men ấm ở nhiệt độ

từ 29-380C và lên men nóng ở nhiệt độ 49-570C Khi lên men nóng, tốc độ phân hủy chất hữu cơ tăng gần 2 lần so với lên men ấm

Độ pH thích hợp từ 6.6-7.6 với giá trị tối ưu xấp xỉ 7.0 Trong quá trình lên men, pH của hỗn hợp chất hữu cơ sẽ thay đổi từ mức thấp lên mức cao

Yêu cầu nồng độ các chất dinh dưỡng trong nước thải là: COD:N:P=350:5:1 Hàm lượng kim loại nặng trong bùn cặn như đồng, kẽm, niken phải nằm ở mức thấp

Các loại bể kị khí:

 Các loại bể lắng nước thải kết hợp với lên men bùn cặn lắng:

Trong quá trình này diễn ra quá trình lắng cặn nước thải và lên men bùn cặn lắng Đó là:

bể tự hoại, bể lắng 2 vỏ, bể lắng trong kết hợp với ngăn lên men,

 Bể phản ứng yếm khí tiếp xúc

o Bể lọc kị khí: trong bể này có lắp các giá thể vi sinh vật dính bám, là các loại vật liệu hình dạng, kích thước khác nhau, đóng vai trò như vật liệu lọc Các dòng nước thải có thể đi từ trên xuống hoặc từ dưới lên Các chất hữu cơ được

vi khuẩn hấp thụ và chuyển hóa để tạo thành CH4 và các loại chất khí khác

o Bể phản ứng kị khí có dòng nước thải đi qua tầng cặn lơ lửng: dạng điển hình là bể lọc ngược qua tầng bùn kị khí (UASB)

b) Xử lý sinh học trong môi trường hiếu khí:

Khi đưa nước thải vào các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện hiếu khí, các chất hữu cơ ở trạng thái hòa tan, keo và không hòa tan phân tán nhỏ sẽ được hấp phụ lên bề mặt tế bào vi khuẩn Sau đó chúng được chuyển hóa và phân hủy nhờ vi khuẩn

Quá trình này gồm 3 giai đoạn:

 Khuyếch tán, chuyển dịch và hấp thụ chất bẩn từ môi trường nước lên bề mặt tế bào vi khuẩn

 Oxy hóa ngoại bào và vận chuyển các chất bẩn hấp phụ được qua màng tế bào vi khuẩn

 Chuyển hóa các chất hữu cơ thành năng lượng, tổng hợp sinh khối từ chất hữu cơ và các nguyên tố dinh dưỡng khác bên trong tế bào vi khuẩn

Các chất đầu tiên bị oxy hóa để tạo thành năng lượng là cacbonhydrat và một số chất hữu cơ khác Quá trình này được thực hiện trên bề mặt tế bào vi khuẩn nhờ xúc tác của men ngoại bào Một phần chất bẩn được vận chuyển qua màng tế bào vi khuẩn (màng bán thấm) vào bên trong và tiếp tục oxy hóa để giải phóng ra năng lượng hoặc tổng hợp thành tế bào chất Sinh khối vi sinh vật sẽ tăng lên Trong điều kiện thiếu nguồn dinh dưỡng, tế bào chất lại bị oxy hóa nội bào để tạo ra năng lượng cần thiết cho hoạt động sống

Trong quá trình oxy hóa sinh hóa hiếu khí, các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ, lưu huỳnh, photpho cũng được chuyển hóa thành nitrat (NO3-), photphat (PO43-), CO2 và

H2O

Khi môi trường cạn nguồn cacbon hữu cơ, các loại vi khuẩn nitrat hóa (nitrosomonas)

và nitrit hóa(nitrobacter) thực hiện quá trình nitrat hóa

Phân loại:

 Xử lý nước thải theo nguyên lý lọc-dính bám:

Khi nước thải tưới qua lớp vật liệu lọc bằng các phần tử rắn xốp, các vi khuẩn sẽ bị hấp phụ, sinh sống và phát triển trên bề mặt đó Vi khuẩn dính bám vào vật rắn nhờ chất gelatin do chúng tiết ra và có thể di chuyển dễ dàng trong lớp chất nhầy này Đầu tiên vi khuẩn tập trung ở một khu vực, sau đó chúng phát triển lan dần phủ kín bề mặt hạt vật liệu lọc Sau một thời gian, màng sinh vật được hình thành và chia thành hai lớp: lớp ngoài cùng là lớp hiếu khí được oxy khuyếch tán xâm nhập, lớp trong là lớp thiếu khí (anoxic) Bề dày màng VSV từ 600-1000µm, trong đó phần lớn là vùng hiếu khí Thành phần sinh vật chủ yếu của màng là vi khuẩn, ngoài ra còn có các loại động vật nguyên sinh, nấm, xạ khuẩn, Sau một thời gian hoạt động, màng sinh vật dày lên, các chất khí tích tụ phía trong tăng lên và màng bị tách khỏi vật liệu lọc Hàm lượng cặn lơ lửng trong nước tăng lên Sự hình thành các màng VSV mới lại tiếp tục

Điều kiện làm việc bình thường của công trình xử lý nước thải loại này là nước thải

có pH từ 6.5-8.5, đủ oxy, hàm lượng cặn lơ lửng không vượt quá 150mg/l Nếu hàm lượng chất hữu cơ lớn (BOD5 > 200mg/l), nước thải cần được pha loãng

Bao gồm các công trình: bể lọc sinh học nhỏ giọt, bể lọc sinh học cao tải, đĩa lọc sinh học; bể lọc sinh học có vật liệu lọc ngập trong nước.

 Xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính:

Bùn hoạt tính là tập hợp những VSV tự hình thành khi thổi không khí vào nước thải

Đó là những VSV có khả năng hấp thụ và oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước thải khí có mặt của oxy

Khi nước thải đi vào bể thổi khí (bể aeroten), các bông bùn hoạt tính được hình thành

mà hạt nhân của nó là các phân tử cặn lơ lửng Các loại vi khuẩn hiếu khí đến cư trú, tăng dần, cùng với các động vật nguyên sinh, nấm, xạ khuẩn, tạo nên các bông bùn màu nâu sẫm, có khả năng hấp thụ các chất hữu cơ hòa tan, keo và không hòa tan phân tán nhỏ Vi khuẩn và VSV dùng chất nền (BOD) và chất dinh dưỡng (N,P) làm thức ăn

để chuyển hóa chúng thành các chất trơ không hòa tan và thành tế bào mới Trong aeroten lượng bùn hoạt tính tăng dần lên, sau đó được tách ra tại bể lắng đợt II Một phần bùn được quay lại về đầu bể aeroten để tham gia xử lý nước thải theo chu trình mới

Quá trình chuyển hóa chất bẩn trong bể xử lý nước thải được thực hiện từng bước xen kẽ và nối tiếp Một vài loại vi khuẩn tấn công vào các chất hữu cơ có cấu trúc phức tạp để chuyển hóa thành các chất hữu cơ đơn giản, là nguồn chất nền cho vi khuẩn tiếp theo Quá trình này tiếp diễn cho đến khi chất thải cuối cùng không thể là thức ăn cho VSV được nữa Nếu trong nước thải đậm đặc chất hữu cơ hoặc có nhiều chất hữu cơ khó phân hủy, cần có thời gian để chuyển hóa thì phần bùn hoạt tính tuần hoàn phải tách riêng và sục oxy cho chúng tiêu hóa thức ăn đã hấp thụ Quá trình này gọi là tái sinh bùn hoạt tính

Quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính bao gồm các giai đoạn:

 Khuấy trộn tạo điều kiện tiếp xúc nước thải với bùn hoạt tính

 Cung cấp oxy để vi khuẩn và các vi sinh vật khác oxy hóa chất hữu cơ

 Tách bùn hoạt tính ra khỏi nước thải

 Tái sinh bùn hoạt tính tuần hoàn và đưa chúng về bể aeroten

Phân loại theo nguyên lý làm việc:

 Các công trình xử lý sinh học không hoàn toàn: các loại aeroten trộn có hoặc không có ngăn tái sinh bùn hoạt tính

 Các công trình xử lý sinh học hoàn toàn: các loại bể aeroten, kênh oxy hóa

 Các công trình xử lý sinh học nước thải kết hợp ổn định bùn: nay là các bể aeroten, hồ sinh học thổi khí hoặc kênh oxy hóa tuần hoàn với thời gian làm thoáng (cấp khí) kéo dài

 Các công trình xử lý sinh học có tách các nguyên tố dinh dưỡng nitơ và photpho: trong các công trình này ngoài việc oxy hóa các chất hữu cơ cacbon, còn diễn ra các quá trình nitrat hóa (trong điều kiện hiếu khí), khử nitrat (trong điều kiện thiếu khí_anoxic) và hấp thụ photpho trong bùn Các công trình điển hình là các loại aeroten hệ Bardenpho, kênh oxy hóa hoàn toàn

4) Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học:

a) Phương pháp trung hòa:

Thường dùng để khử các chất hòa tan hoặc để xử lý sơ bộ nước thải trước khi xử lý sinh học

Nước thải có chứa các axít vô cơ hoặc kiềm như nước thải của nhiều lĩnh vực công nghiệp thì cần được trung hòa để đưa độ pH của dinh dưỡng nước thải về pH=6,5÷8,5.Trung hòa nước thải có thể thực hiện bằng nhiều cách:

 Trộn lẫn nước thải chứa axít và nước thải chứa kiềm với nhau

 Bổ sung thêm tác nhân hóa học

 Lọc nước qua vật liệu có tác dụng trung hòa

 Hấp phụ khí chứa axít bằng nước thải chứa kiềm hoặc hấp phụ ammoniac bằng nước axít,…

b) Phương pháp oxy hóa khử: oxy hóa bằng clo hoặc bằng H2O2

c) Phương pháp ozon hóa

d) Phương pháp điện hóa

III Lựa chọn phương pháp xử lý nước thải chế biến sữa:

Như đã trình bày ở các phần trước, bản chất của nước thải chế biến sữa là sự pha loãng của sữa và các sản phẩm từ sữa, chứa nhiều chất hữu cơ hòa tan với thành phần chính là protein, chất béo, lactose và nói chung là không độc hại hoặc không có ảnh hưởng đến việc vận hành các phương pháp xử lý sinh học Vì vậy các quá trình sinh học được xem là thích hợp nhất

Do hàm lượng BOD đầu vào của nước thải khá cao cho nên trước khi vào bể xử lý hiếu khí, ta cho qua bể xử lý kỵ khí UASB nhằm làm giảm BOD5 xuống khoảng 300 –

600 mg/l trước khi xử lý triệt để hơn bằng các công trình hiếu khí

Ngoài ra, lưu lượng và nồng độ của nước thải chế biến sữa dao động rất lớn theo thời gian sản xuất trong ngày cũng như theo các mùa trong năm cho nên cần có bể điều hòa

để làm giảm tác động của sự biến thiên lưu lượng và nồng độ ô nhiễm, đồng nhất nước thải trước khi xử lý Nước thải chế biến sữa ban đầu thường trung tính hoặc hơi kiềm, nhưng có khuynh hướng trở nên axit hoàn toàn một cách nhanh chóng do sư thiếu hụt oxi tạo điều kiện lên men lactose thành axit lactic làm pH giảm và có khả năng gây ra sự kết tủa casein Cho nên muốn đạt hiệu quả xử lý cao cần phải chỉnh pH lên giá trị tối ưu tại bể trung hòa Đồng thời một số nơi nước thải thiếu hụt cả N và P làm giảm hiệu quả vận hành của các công trình xử lý sinh học nên cần thiết bổ sung thêm N, P nhằm đạt tỉ

lệ BOD5:N:P= 100:5:1

Dù trong quá trình sản xuất có thận trọng để không thải bỏ, nước thải chế biến sữa không tránh khỏi chứa mỡ tự do Tách lượng bơ này và chất rắn lơ lửng được kết hợp bằng thiết bị tuyển nổi khí hòa tan trong các nhà máy xử lý nước thải chế biến sữa sẽ làm tăng hiệu quả xử lý và giảm chi phí đầu tư

Thuyết minh sơ đồ công nghệ: (hình vẽ)

Nước thải từ các nguồn trong nhà máy qua hệ thống cống được tập trung tại bể gom nước thải Trước khi vào hố thu gom có lắp song chắn rác để loại bỏ các tạp chất thô Tại bể thu gom nước thải có sử dụng một máy bơm để bơm nước thải lên bể điều hòa.Trong bể đều hòa, ta sử dụng hệ thống làm thoáng bằng khí nén để cấp khí nhằm ổn định chất lượng nước thải trước khi qua bể trung hòa Đồng thời với việc ổn định chất lượng nước, hệ thống thổi khí tại bể điều hòa giúp tách một phần dầu mỡ và đưa lên bề mặt Số dầu mỡ này sẽ được vớt đi bằng hệ thống thu gom trên bề mặt bể để tránh ảnh hưởng đến các công trình xử lý phía sau

Sau đó nước được bơm qua bể trung hòa Tại đây, có sử dụng máy đo pH và máy đo các chỉ tiêu N, P tự động Nước thải chế biến sữa thường mang tính axit nên phải châm thêm NaOH để đưa về giá trị pH tối ưu cho quá trình xử lý sinh học (khoảng 6.5÷7.5).Tiếp theo nước tự chảy qua bể lắng I

Nước thải sau khi qua bể lắng I vẫn còn chứa hàm lượng các chất hữu cơ cao nên được đưa qua bể UASB Bể này có khả năng xử lý BOD và COD cao, có khả năng giảm BOD xuống dưới 500mg/l Quá trình hoạt động của bể UASB phải được kiểm tra cẩn thận (tỷ số F/M, hàm lượng N và P) để đảm bảo đầy đủ nguồn dinh dưỡng cho VSV hoạt động Sau khi ra khỏi bể UASB, nước thải có hàm lượng BOD giảm xuống thích hợp cho quá trình xử lý bằng phương pháp bùn hoạt tính Khí sinh ra được thu về bình

Nước thải từ bể UASB được bơm sang bể đệm Từ bể đệm nước thải tiếp tục được bơm sang bể SBR Trong bể SBR, ta bố trí hệ thống phân phối khí trên khắp diện tích bể kết hợp với thiết bị khuấy trộn bề mặt AquaDDM để tăng cường khả năng trao đổi oxy trong bể phản ứng Bể hoạt động gồm 5 pha thực hiện nối tiếp nhau:

 Pha làm đầy (Fill);

đã đạt tiêu chuẩn đối với nguồn thải loại B và có thể xả ra nguồn tiếp nhận

Phần bùn ở bể chứa bùn gồm bùn từ bể lắng I, bể UASB và bể SBR sẽ được xử lý tại

bể nén bùn Sau khi qua bể nén bùn, bùn được trộn với Polyme để tăng độ kết dính rồi được đưa sang máy ép bùn để tạo thành bánh bùn Các bánh bùn có thể đem đi nơi khác một cách dễ dàng, dùng cho bón cây