ứng dụng công nghệ hóa sinh trong ngành sản xuất bia

ứng dụng công nghệ hóa sinh trong công nghiệp sản xuất bia cách xử lý chất thải của ngành sản xuất bia trong môi trường xử lý nước thải ngành công nghệ sản xuất bia vấn đề ô nhiễm môi trường do các ngành công nghiệp sản xuất bia

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VAN XUÂN KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

- -BÀI TIỂU LUẬN

Đề tài: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HÓA SINH TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI NGÀNH SẢN XUẤT

BIA

Người hướng dẫn : Th.s Nguyễn Đình Đề

Họ và tên sinh viên : Nguyễn Hằng Nga

Mã sinh viên : 115110042

Nghệ An, 04/2018

MỤC LỤC

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

I Đặt vấn đề

1.Lý do chọn đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu

3 Nội dung nghiên cứu

PHẦN II NỘI DUNG

2 1.Khái niệm chung

2.2 Giới thiệu về nghành công nghiệp sản xuất bia và phương pháp xử lý nước thải nhà máy bia

2.2.1 Tình hình phát triển nghành công nghiệp sản xuất bia

a Trên Thế giới

b Ở Việt Nam

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

I Đặt vấn đề

1.Lý do chọn đề tài

Bia là một loại đồ uống giải khát phổ biến trên toàn thế giới Ở Việt Nam bia được

du nhập khá muộn, nhưng lại rất nhanh chóng lan rộng trwn khắp các tỉnh thành trong cả nước cụ thể theo số liệu mới công bố của Hiệp hội Bia –Rượu – Nước giair khát Việt Nam, hiện cả nước có 329 cơ sở sản xuất bia tại 49/64 tỉnh thành phố trong cả nước (năm 2017) Trong đó chỉ có 20 nhà máy đạt công suất trên 20 triệu lít/năm Nhưng với sản lượng đó vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu của người tiêu dùng

Bia là một loại đồ uống có nồng độ cồn thấp và các chất hòa tan trong bia hầu hết được cơ thể hấp thụ Vì vậy bia có giá trị dinh dưỡng và khả năng sinh năng lượng, chính điều này đã làm bia trở thành thức uống không thể thiếu Đặc biệt là CO2 bão hòa trong bia có tác dụng làm giảm nhanh cơn khát của người uống, nhờ những ưu điểm này nên số lượng bia tiêu thụ trong và ngoài nước ngày càng cao

Để đáp ứng được nhu cầu sử dụng của người tiêu dùng, thì sự xuất hiện của nhà máy bia ngày càng nhiều và kéo theo đó là quá trình xử lý nước thải và chất thải không ngừng tăng lên Cùng với các loại nước thải sinh hoạt và nước thải của các nhà máy bia trở thành vấn đề nang giải của nhà nước Để hạn chế ô nhiễm môi trường do quá trình xả thải chưa qua xử lý triệt để thì các nhà máy đá áp dụng công nghệ hóa sinh vào quá trình xử lý chất thải của việc sản xuất Do vậy vấn đề phát triển sản xuất bia

là một nhu cầu cấp thiết để chống hiện tượng nhập lậu bia gây lãng phí một lượng ngoại tệ rất lớn (ước tính số lượng bia nhập lậu bia mỗi năm khoảng 45 triệu lít, tiêu tốn khoảng 40 triệu USD) [4] Sự gia tăng về số lượng bia kéo theo vấn đề môi trường nảy sinh rất đáng quan tâm Ngành sản xuất bia góp phần tạo ra một lượng lớn các chất thải gây ô nhiễm môi trường dưới cả 3 dạng: chất thải rắn, khí thải và đặc biệt là nước thải Hầu hết các cơ sở sản xuất bia ở Việt Nam đều thải trực tiếp nước thải vào hệ thống thoát nước công 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 ra một lượng lớn các chất hữu cơ ra môi trường sẽ tạo nguồn ô nhiễm các ổ dịch bệnh, ảnh hưởng trực tiếp tới toàn cộng đồng Để hạn chế được ô nhiễm môi trường từ chính các chất thải, thì các nhà máy sản xuất bia cần có các phương án an toàn và hiệu quả như phương pháp sử dụng bể UASB hay phương pháp yếu khí

Vì vậy để hiểu thêm các nhà máy sản xuất bia xử lý chất thải bằng phương pháp sử dụng công nghệ hóa sinh vào quy trình xử lý nước thải của quá trình sản xuất bia như thế nào? Hiệu quả ra sao nên em chọn đề tài: Ứng dụng công nghệ hóa sinh vào quá trình xử lý nước thải trong ngành công nghiệp sản xuất bia”

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Tìm hiểu chung về công nghiệp sản xuất bia

- Tìm hiểu về thành phần của nước thải

- Biết được cái khái niệm liên quan đến nước thải

- Ứng dụng công nghệ hóa sinh vào quá trình xử lý nước thải

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghành công nghiệp sản xuất bia và phương pháp xử lý nước thải nhà máy bia

- Nguồn gốc và thành phần nước thải trong quá trình sản xuất bia

- Quy trình công nghệ xử lý nước thải sản xuất bia

PHẦN II NỘI DUNG

2 1.Khái niệm chung

- Bia là một loại đồ uống có cồn được sản xuất bằng quá trình lên men lơ lửng trong môi trường lỏng và không được chưng cất sau khi lên men

- Nước thải: là nước được thỉa ra khi sử dụng hoặc từ một quá trình nào đó không còn giái trại sử dụng lại cho quá tình đó nữa

- Nước thải công nghiệp: là nước thỉa được sinh ra trong quá tình sản xuất và các hoạt động phục vụ cho sản xuất như nước thải khi tiến hành vệ sinh công nghiệp hay hoạt động sinh hoạt của công nhân viên

- Nước thải sản xuất bẩn: là nước thải sinh ra từ quá trình sản xuất sản phẩm, xúc rửa máy móc, thiết bị, từ quá trình sinh hoạt của công nhân viên, laoji nước này chưa nhiều tạp chất, chất độc hai, vi khuẩn,

2.2 Giới thiệu về nghành công nghiệp sản xuất bia và phương pháp xử lý nước thải nhà máy bia

2.2.2 Tình hình phát triển nghành công nghiệp sản xuất bia

a Trên Thế giới

- Ngành công nghiệp sản xuất bia có nguồn gốc từ Châu Âu như Đức, Anh, Pháp… với nhu cầu tiêu thụ ngày càng lớn như hiện nay thì ngành sản xuất bia đang chiếm một vị trí quan trọng trong các ngành công nghiệp trên thế giới Giới phân tích cho rằng có một sự tương quan mạnh mẽ giữa tiêu thụ rượu bia và tăng trưởng sản lượng đầu ra của ngành này, báo trước một tương lai đầy triển vọng cho các tập đoàn giải khát khi nền kinh tế đang hồi phục Trung Quốc là thị trường bia lớn nhất thế giới, trong khi thị trường này ở Ấn Độ tăng trưởng từ 12 đến 15%/năm Mức tiêu thụ bia rượu tính theo đầu người ở Trung Quốc dự kiến sẽ tăng từ 37,8 lít năm

2008 lên hơn 53 lít vào năm 2013 Theo tổng giám đốc tập đoàn nước giải khát Trung Quốc Kingway Brewery, thị trường bia ở Trung Quốc sẽ tăng trưởng hai con

số trong những năm tới và mức tăng trưởng sẽ lớn hơn nhiều so với các loại rượu khác

- Dự kiến với mức tăng trưởng kinh tế như hiện nay, mức sống của người dân trên thế giới ngày càng cao thì công nghiệp sản xuất bia sẽ phát triển mạnh trong những năm tới

b Ở Việt Nam

- Bia được đưa vào Việt Nam từ năm 1890 cùng với sự xuất hiện của nhà máy Bia Sài Gòn và nhà máy Bia Hà Nội, như vậy Bia Việt Nam đã có lịch sử trên 120 năm Hiện nay do nhu cầu của thị trường, chỉ trong một thời gian ngắn, ngành sản xuất bia có những bước phát triển mạnh mẽ thông qua việc đầu tư và mở rộng các

nhà máy bia có từ trước và xây dựng các nhà máy bia mới thuộc trung ương và địa phương quản lý, các nhà máy liên doanh với các hãng bia nước ngoài Công nghiệp sản xuất bia phát triển kéo theo sự phát triển của các ngành khác như: vỏ lon nhôm, két nhựa, vỏ chai thủy tinh, các loại nút chai và bao bì khác

- Theo thống kê hiện nay, cả nước có khoảng trên 320 nhà máy bia và các cơ sở sản xuất bia với tổng năng lực sản xuất đạt trên 800 triệu lít/năm Bia địa phương

có 311 cơ sở, chiếm 97,18% số cơ sở nhưng chỉ chiếm 37,4% sản lượng bia cả nước (đạt 231 triệu lít) và đạt 60,73% công suất

- Hiện nay, theo thống kê mới nhất của bộ kế hoạch – đầu tư, bốn tháng đầu năm

2011 các doanh nghiệp trong nước đã sản xuất 714,6 triệu lít bia các loại, tăng 92% so với cùng kỳ năm ngoái Tốc độ tăng trưởng ngành bia tại Việt Nam, theo thống kê của các công ty nghiên cứu thị trường, ước đạt khoảng 15%/năm Việt Nam có khoảng 350 cơ sở sản xuất bia có trụ sở ở hầu hết các tỉnh thành trên cả nước và tiếp tục tăng về số lượng

Sơ đồ quy tình sản xuất bia

một dây chuyền khép kín và có thể chia làm 3

lên men, giai đoạn chiết

+ Giai

đoạn

nấu:

Nguyên liệu (Malt, gạo) được vận chuyển về và chứa trong các kho của công ty, tại đây nguyên liệu được bảo quản cẩn thận sau đó đưa vào các bồn của phân xưởng nấu – đường hóa

• Trong giai đoạn này Malt, gạo được xay còn nguyên vỏ

và nghiền nát được đưa vào trong nồi để nấu (nồi đường hóa) Sau khi nguyên liệu được nấu một thời gian nhất định sẽ tự động lọc bã kỹ và cho ra dịch đường Đường này sẽ được chuyển đến bộ phận lên men

+ Giai đoạn lên men và lọc: Tại đây bộ phận lên men tiếp nhận dịch đường của bộ phận nấu trộn chung với hoa Houlon và một số phụ gia khác để lên men, sau khi trải qua hai quá trình

lên men chính và lên men phụ Quá trình lên men chính sẽ tạo ra bia bán thành phẩm (bia chưa lọc) Bia chưa lọc này sẽ được trải qua quá trình lọc để lọc các tạp chất lẫn trong nước bia và chuyển đến phân xưởng chiết

+ Giai đoạn chiết: Tại đầu Keg inox 30 lít sẽ được súc, hấp, làm lạnh nhằm tiệt trùng vi khuẩn, làm khô ráo sau đó chiết bia và đóng nút, rồi được chuyển đến các kho có trang bị hệ thống làm lạnh và các thiết bị khác để đảm bảo bia tươi sản xuất ra

2.3 Nguồn gốc và thành phần nước thải trong quá trình sản xuất bia

2.3.1 Nguồn gốc nước thải trong quá trình sản xuất bia

- Nấu – đường hóa: nước thải của công đoạn này gaiuf các chất hydroccabon, xenllulo, hemixenlulozo, pentozo trong vỏ trấu, các mảnh hạt và bột, các cục vón, cùng với xác hoa, một ít tanin, các chất đắng, chất màu

- Công đoạn lên men chính và lên men phụ: Nước tahir của công đoạn này rất giàu xác men - chủ yếu là protein, các chất khoáng, vitamin cũng với bia cặn

- Giai đoạn thành phẩm: Lọc, bão hòa CO2, chiết block, đóng chai, hấp chia Nước thải ở đâu chứa bột trợ lọc lẫn xác men, lẫn bia chảy tràn ra ngoài,

- Nước thải từ quy trình sản xuất bao gồm:

• Nước lẫn bã malt và bột sau khi lấy dịch đường Để bã treeb sàn lưới, nước sẽ tách ra khỏi bã

• Nước rửa thiết bị lọc, nồi nấu, thùng nhân giống, lên men và các loại thiết bị khác

• Nước rửa chai và két chứa

• Nước rửa sàn, phòng lên men, phòng tàng trữ

• Nước thải từ nồi hơi

• Nước vệ sinh sinh hoạt

• Nước thải từ hệ thống làm lạnh có chứa hàm lượng clorit cao( tới 500mg/l), cacbonat thấp

2.3.2 Thành phần và tính chất nước thải

pH - 4.5 ~11 6 ~ 9

COD mg/l 1300 ~ 3000 <100

BOD mg/l 600 ~ 1400 <50

Nhiệt độ ºC 36 ~ 40 <40

2.4 Quy trình công nghệ xử lý nước thải sản xuất bia

2.4.1 Phương pháp sử dụng bể UASB

- Phương pháp sử dụng bể UASB (Phương pháp yếm khí) được sử dụng chủ yếu trong quá trình xử lý nước thải công nghiệp khi lượng chất hữu cơ cao (BOD=1500-5000mg/l), xử lý bùn, cặn, bã thải rắn nhờ các vi khuẩn phân huỷ yếm khí các chất hữu cơ

- Quá trình phân huỷ yếm khí không triệt để, do đó sau phân huỷ yếm khí thường có hệ thống phân huỷ hiếu khí để xử lý triệt để các chất ô nhiễm còn lại Phương pháp có ưu điểm là sinh ra ít bùn hơn so với quá trình phân huỷ hiếu khí, không cần thiết bị cung cấp khí

Sơ đồ sử dụng bể UASB

1 Hầm tiếp nhận

- Bể gom: là nơi tiếp nhận

nguồn nước thải trước khi

đi

công trình xử lý nước thải tiếp

theo Có tác dụng điều hòa lưu lượng

nước thải

- Lưới lọc: để giữ lại các chất lơ lửng có

kích

thước

nhỏ

Lưới có kích thước lỗ từ 0,5 đến 1 mm 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

2 Bể điều hòa

- Được dùng để duy trì lưu lượng dòng thải vào gần như không đổi, quan trọng là điều chỉnh độ pH đến giá trị thích hợp cho quá trình xử lý sinh học

- Trong bể có hệ thống thiết bị khuấy trộn để đảm bảo hòa tan và san đều nồng độ các chất bẩn trong toàn thể tích bể và không cho cặn lắng trong bể, pha loãng nồng

độ các chất độc hại nếu có

- Ngoài ra còn có thiết bị thu gom và xả bọt, váng nổi Tại bể điều hòa có máy định lượng lượng acid cần cho vào bể đảm bảo pH từ 6,6 – 7,6 trước khi đưa vào bể xử

lý UASB

3 Bể UASB

- Tại đây diễn ra quá trình phân hủy các chất hữu cơ, vô cơ có trong nước thải khi không có oxy Nước thải được đưa trực tiếp vào phía dưới đáy bể và được phân phối đồng đều ở đó, sau đó chảy ngược lên xuyên qua lớp bùn sinh học dạng hạt nhỏ và các chất hữu cơ, vô cơ được tiêu thụ ở đây

- Quá trình chuyển hóa các chất bẩn trong nước thải bằng vi sinh yếm khí xảy ra theo ba bước:

+ Giai đoạn 1: một nhóm các vi sinh vật tự nhiên có trong nước thải thủy phân các hợp chất hữu cơ phức tạp và lipit thành các chất hữu cơ đơn giản có trọng lượng nhẹ như monosacarit, amino acid để tạo ra nguồn thức ăn và năng lượng cho

vi sinh hoạt động

+ Giai đoạn 2: nhóm vi khuẩn tạo men acid biến đổi các hợp chất hữu cơ đơn giản thành các acid hữu cơ thường là acid acetic, acid butyric, acid Propionic Ở giai đoạn này pH của dung dịch giảm xuống

+ Giai đoạn 3: các vi khuẩn tạo metan chuyển hóa hiđrô và acid acetic thành khí metan và cacbonic pH của môi trường tăng lên

4 Bể sinh học MBBR:

- Phương pháp sinh học hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục

- Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa

- Các vi sinh vật hiếu khí sẽ phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải và thu năng lượng để chuyển hóa thành tế bào mới, chỉ một phần chất hữu cơ bị oxy hóa hoàn toàn thành CO2, H2O, NO3-, SO42- ,…

- Vi sinh vật tồn tại trong bùn hoạt tính của bể sinh học bao gồm Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flacoacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium, và hai loại vi khuẩn nitrate hóa Nitrosomonas và Nitrobacter Thêm vào đó, nhiều loại vi khuẩn dạng sợi như Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix, và Geotrichum cũng tồn tại

- Để thực hiện quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ hòa tan, chất keo và các chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo ba giai đoạn chính như sau:

• Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật

• Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào

• Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới

- Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ các chất hữu cơ, hàm lượng các tạp chất, mật độ vi sinh vật và mức độ ổn định lưu lượng của nước thải ở trạm xử lý

- Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng oxy hóa sinh hóa là chế độ thủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt

độ, pH, dinh dưỡng và các nguyên tố vi lượng… Tải trọng chất hữu cơ của bể sinh học hiếu khí truyền thống thường dao dộng từ 0,32-0,64 kg BOD/m3.ngày đêm

- Nồng độ oxy hòa tan trong nước thải ở bể sinh học hiếu khí cần được luôn luôn duy trì ở giá trị lớn hơn 2,5 mg/l

Tốc độ sử dụng oxy hòa tan trong bể sinh học hiếu khí phụ thuộc vào:

- Tỷ số giữa lượng thức ăn (chất hữu cơ có trong nước thải) và lượng vi sinh vật:

tỷ lệ F/M;

- Nhiệt độ;

- Tốc độ sinh trưởng và hoạt độ sinh lý của vi sinh vật (bùn hoạt tính);

- Nồng độ sản phẩm độc tích tụ trong quá trình trao đổi chất;

- Lượng các chất cấu tạo tế bào;

- Hàm lượng oxy hòa tan.

Các phản ứng sinh hóa cơ bản của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước thải gồm có:

· Oxy hóa các chất hữu cơ:

· Tổng hợp tế bào mới:

· · Phân hủy nội bào:

•Ưu điểm của công nghệ MBBR so với công nghệ truyền thống:

- Tất cả mọi thiết kế đều nhằm mục đích là hiệu quả xử lý, tiết kiệm năng lượng Với công nghệ sinh học xử lý nước thải, chúng ta cần mật độ vi sinh vật cao nhằm mục đích đẩy nhanh quá trình oxy hóa sinh hóa Nói nôm na là càng nhiều vi sinh

ăn chất hữu cơ có trong nước thì quá trình xử lý sẽ nhanh hơn Vấn đề ở đây là làm sao cho bề mặt tiếp xúc giữa nước thải, oxi và vi sinh vật càng cao càng tốt

- Giá thể lưu động MBBR được ứng dụng rộng rãi trên thế giới vài năm trở lại đây Giá thể MBBR dạng hình cầu có kích thước Ø20 cm, có tỷ trọng nhẹ hơn nước nên trong quá trình sục khí, giá thể vi sinh bám dính di chuyển khắp nơi trong bể MBBR Với mật độ này các quá trình oxy hóa để khử BOD, COD và NH4+ diễn ra nhanh hơn gần 10 lần so với phương pháp truyền thống

Bảng 3: So sánh hệ thống MBBR và hệ thống bể sinh học hiếu khí

- P h ư ơ

ng pháp MBBR là chúng ta không cần phải tuần hoàn bùn hiếu khí lại như phương pháp Aerotank, nhược điểm của việc tuần hoàn bùn là làm giảm đi sự hoạt động