d. Định hướng phát triển nền công nghiệp bia Việt Nam đến năm 2020
3.1.TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
3.1.1. Phương pháp cơ học
Phương pháp xử lý cơ học thường là giai đoạn đầu tiên trong dây chuyền công nghệ xử lý nước thải (giai đoạn tiền xử lý), có nhiệm vụ loại ra khỏi nước thải tất cả các vật có thể gây tắc nghẽn đường ống, làm hư hại máy bơm và làm giảm hiệu quả xử lý cho các giai đoạn sau, cụ thể:
- Loại bỏ hoặc cắt nhỏ những vật nổi lơ lửng có kích thước lớn trong nước thải như mảnh gỗ, nhựa, gạc bông, giẻ rách, vỏ hoa quả…
- Loại bỏ cặn nặng như cát, sỏi, mảnh thủy tinh, mảnh kim loại… - Loại bỏ phần lớn dầu mỡ.
Các công trình bố trí trong giai đoạn tiền xử lý gồm song chắn rác, lưới chắn rác, thiết bị nghiền, cắt vụn rác (nếu cần), bể lắng cát, bể điều hòa, tách dầu mỡ, lọc cơ học…
Nước thải công nghiệp sản xuất bia có chứa mảnh thủy tinh vỡ (chai vỡ), nhãn giấy, nút chai, hàm lượng chất lơ lửng cao (400 – 800 mg/l)… nên cần phải qua giai đoạn xử lý cơ học trước khi sang các giai đoạn xử lý tiếp theo.
3.1.2. Phương pháp hóa học – hóa lý
Cơ sở của phương pháp hóa học là các phản ứng hóa học, các quá trình hóa lý diễn ra giữa chất bẩn với hóa chất cho thêm vào.
Các phương pháp hóa học như oxi hóa, trung hòa, trao đổi ion, đông keo tụ, khử trùng, còn các phương pháp hóa lý như tuyển nổi, hấp phụ…
Phương pháp trung hòa, điều chỉnh pH:
Nước thải thường có những giá trị pH khác nhau. Muốn nước thải được xử lý tốt bằng phương pháp sinh học phải tiến hành trung hòa và điều chỉnh pH về vùng 6,5 – 7,5.
Trung hoà có thể thực hiện bằng trộn dòng thải có tính axit với dòng thải có tính kiềm hoặc sử dụng các hoá chất như: H2SO4, NaOH, NaHCO3, Na2CO3, CaO, Ca(OH)2, MgO, CaCO3… Điều chỉnh pH thường kết hợp ở bể điều hoà hay bể keo tụ.
Đặc trưng chung nước thải ngành bia có giá trị pH kiềm tính do dòng thải của quá trình rửa chai có độ pH cao. Mặt khác, nước vệ sinh các thiết bị trong nhà xưởng cũng chứa axit nên có sự dao động pH qua từng công đoạn. Vì vậy, cần phải
điều chỉnh pH về giá trị thích hợp cho xử lý sinh học phía sau; công đoạn này được thực hiện kết hợp trong bể điều hòa.
Phương pháp keo tụ:
Keo tụ là một hiện tượng làm mất sự ổn định của các hạt huyền phù dạng keo để cuối cùng tạo ra các cụm hạt khi có sự tiếp xúc giữa các hạt.
Người ta sử dụng các loại phèn nhôm, phèn sắt hoặc hỗn hợp hai loại phèn này để làm chất keo tụ.
Hiện nay, thông thường người ta cho thêm các chất trợ keo như polymer hữu cơ để tăng cường quá trình tạo bông và lắng như polyacrylamit. Nó tan trong nước và có tác dụng như những cầu nối kết hợp các hạt phân tán nhỏ thành tập hợp hạt lớn có khả năng lắng tốt hơn. Vì vậy, việc bổ sung thêm chất trợ keo tụ sẽ giúp giảm liều lượng các chất keo tụ, giảm thời gian keo tụ và nâng cao tốc độ lắng các bông keo.
Đối với nước thải ngành bia thì phương pháp này không thích hợp vì trong nước thải bia, hàm lượng các chất hữu cơ ở trạng thái hòa tan và trạng thái lơ lửng cao mà các chất này không thích hợp cho phương pháp keo tụ.
Phương pháp hấp phụ:
Hấp phụ có nghĩa là sự chuyển dịch một phân tử từ pha lỏng đến pha rắn. Phương pháp này được dùng để loại bỏ các chất bẩn hòa tan trong nước mà phương pháp xử lý sinh học cùng các phương pháp khác không loại bỏ được với hàm lượng rất nhỏ. Thông thường đây là các hợp chất hòa tan có độc tính cao hoặc các chất có mùi, vị và màu rất khó chịu.
Các chất hấp phụ thường dùng là than hoạt tính, đất sét hoạt tính, silicagen, keo nhôm… Trong đó than hoạt tính được sử dụng phổ biến nhất.
Các chất ô nhiễm trong nước thải bia là những chất có khả năng phân hủy sinh học. Hiệu quả khử các chất này bằng phương pháp sinh học tương đối dễ nên không cần sử dụng phương pháp hấp phụ.
Tuyển nổi:
Phương pháp này dựa trên nguyên tắc: các phần tử phân tán trong nước có khả năng tự lắng kém, nhưng có khả năng kết dính vào các bọt khí nổi lên trên bề mặt. Sau đó người ta tách các bọt khí cùng các phần tử dính ra khỏi nước.
Phương pháp tuyển nổi được dùng rộng rãi trong luyện kim, thu hồi khoáng sản quý và cũng được dùng trong xử lý nước thải để tách các hạt keo lơ lửng, tách dầu mỡ... Tuy nhiên, đối với nước thải ngành bia, do hàm lượng các chất lơ lửng không cao lắm và khả năng tự lắng tương đối tốt nên phương pháp tuyển nổi hầu như không được áp dụng.
Phương pháp trao đổi ion:
Trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với các ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau. Các chất này gọi là các ionit và chúng hoàn toàn tan trong nước.
Phương pháp này được dùng để loại các ion kim loại cũng như các chất chứa asen, xianua, chất phóng xạ ra khỏi nước; đồng thời nó còn được dùng phổ biến để làm mềm nước, loại ion Ca2+, Mg2+ ra khỏi nước cứng.
Đối với nước thải bia thì phương pháp này hầu như không được sử dụng.
Phương pháp khử trùng:
Dùng các chất có tính độc đối với vi sinh vật, tảo, động vật nguyên sinh, giun, sán... để làm sạch nước, đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh đổ vào nguồn tiếp nhận
hoặc tái sử dụng. Khử trùng có thể dùng các hóa chất hoặc tác nhân vật lý như ozon, tia tử ngoại.
Các chất khử trùng thường dùng nhất là khí hoặc nước clo, nước Javen, vôi clorua, các hypoclorit, cloramin B...
Trong quá trình xử lý nước thải, công đoạn khử trùng thường được đặt ở cuối quá trình. Đối với nước thải ngành bia, sau khi qua các phương pháp xử lý cơ học, hóa học, hóa lý và sinh học thì hàm lượng các vi sinh vật gây bệnh đã giảm đáng kể nhưng để đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh đổ vào nguồn hoặc tái sử dụng thì cần phải qua bước khử trùng cuối cùng.
3.1.3. Phương pháp sinh học
Phương pháp sinh học là sử dụng các vi sinh vật để phân giải các chất ô nhiễm hữu cơ có trong nước thải. Vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số khoáng chất làm nguồn dinh dưỡng để xây dựng tế bào, đồng thời tổng hợp năng lượng cho quá trình sống. Nhờ hoạt động sống của vi sinh vật, các chất ô nhiễm được chuyển hoá và nước thải được làm sạch.
Quá trình xử lý sinh học nước thải có thể chia làm hai quá trình là phân huỷ yếm khí và phân huỷ hiếu khí; có thể xử lý trong điều kiện tự nhiên hay trong điều kiện nhân tạo.
3.1.3.1. Xử lý sinh học nước thải trong điều kiện tự nhiên.
Cơ sở của phương pháp xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên là dựa vào hoạt động sống của hệ vi sinh vật có trong đất, nước mặt để chuyển hoá các hợp chất ô nhiễm.
Xử lý nước thải trong hồ sinh học:
Thực chất của quá trình xử lý này là sử dụng khu hệ vi sinh vật (vi khuẩn, tảo, nguyên sinh vật…) tự nhiên có trong nước mặt để làm sạch nước.
Hồ sinh học là dạng xử lý trong điều kiện tự nhiên được áp dụng rộng rãi hơn cả vì có những ưu điểm như: tạo dòng nước tưới tiêu và điều hòa dòng thải, điều hoà vi khí hậu trong khu vực, không yêu cầu vốn đầu tư, bảo trì, vận hành và quản lý đơn giản, hiệu quả xử lý cao. Tuy nhiên, nhược điểm của hồ sinh học là yêu cầu diện tích lớn và khó điều khiển được quá trình xử lý, nước hồ thường có mùi khó chịu đối với khu vực xung quanh.
Theo nguyên tắc hoạt động của hồ và cơ chế phân giải các chất ô nhiễm mà người ta chia ra làm 3 loại hồ:
a. Xử lý nước thải bằng hồ hiếu khí.
Hồ hiếu khí làm sạch nước bằng quá trình oxi hoá nhờ các vi sinh vật hiếu khí và hô hấp tuỳ tiện có trong nước.
Nhu cầu oxi cho quá trình oxi hoá được đáp ứng nhờ khuếch tán bề mặt hoặc làm thoáng nhân tạo. Ở hồ làm thoáng tự nhiên, oxi không khí dễ dàng khuếch tán vào lớp nước phía trên và ánh sáng mặt trời chiếu rọi, làm cho tảo phát triển tiến hành quang hợp thải ra oxi. Để đảm bảo ánh sáng qua nước, chiều sâu của lớp nước phải nhỏ, thường là 30 – 40cm, do chiều sâu nhỏ nên thường thì diện tích lớn. Thời gian lưu nước từ 3 – 12 ngày. Ở hồ làm thoáng nhân tạo nguồn cung cấp oxi cho vi sinh vật hiếu khí là các thiết bị khuấy trộn cơ học hoặc nén khí. Nhờ vậy, mức độ hiếu khí trong hồ thường mạnh hơn, đều hơn và độ sâu của hồ cũng lớn hơn (2 – 4,5m). Thời gian lưu nước trong hồ khoảng 1 – 3 ngày.
b. Xử lý nước thải bằng hồ kị khí.
Dùng để lắng và phân hủy cặn bằng phương pháp sinh hóa tự nhiên dựa trên cơ sở sống và hoạt động của loại vi sinh vật kỵ khí.
Chuyển hóa yếm khí
Loại hồ này dùng để xử lý nước thải công nghiệp có độ nhiễm bẩn cao. Trong quá trình xử lý sinh mùi thối khó chịu nên cần đặt cách xa nhà máy. Để duy trì điều kiện kỵ khí thì chiều sâu hồ phải lớn, thường lấy bằng 2,4 – 3,6m.
c. Xử lý nước thải bằng hồ tùy nghi.
Hồ sinh học tùy tiện sâu từ 1,5 – 2m. Ngoài tầng hiếu khí phía trên hồ còn có các tầng kỵ khí tùy tiện, kỵ khí lớp bùn cặn lắng phía dưới. Thời gian lưu nước trong hồ từ 3 – 5 ngày.
Oxi cung cấp cho quá trình chuyển hóa chất hữu cơ trong hồ chủ yếu là do quang hợp của tảo và khuếch tán từ không khí qua bề mặt hồ. Ngoài ra các vi khuẩn tùy tiện hoặc vi khuẩn kỵ khí còn sử dụng oxi liên kết từ nitrit, nitrat, sunphat… để oxi hóa chất hữu cơ.
Vùng 1: Hiếu khí, vùng 2: tùy nghi, vùng 3: kị khí
Hình 3.1. Ví dụ về dòng trao đổi vật chất trong hồ sinh học. 3.1.3.2. Xử lý sinh học nước thải trong điều kiện nhân tạo.
a. Cơ sở lý thuyết của quá trình sinh học yếm khí.
- Nguyên lý của phương pháp
Xử lý sinh học bằng vi sinh yếm khí là quá trình phân huỷ các chất hữu cơ, vô cơ có trong nước thải khi không có oxi. Phương pháp này dùng để ổn định cặn và xử lý nước thải công nghiệp có nồng độ COD, BOD cao. Quá trình phân hủy các chất thực hiện nhờ các chủng vi khuẩn kị khí bắt buộc và kị khí không bắt buộc.
- Cơ chế của quá trình xử lý yếm khí
Chất ô nhiễm CH4 +CO2 +H2S +E
Quá trình phân hủy các chất hữu cơ là quá trình phức tạp trong môi trường không có không khí, gồm nhiều giai đoạn và sản phẩm cuối cùng là CH4, CO2, H2S, NH3…
Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân
Các hợp chất hữu cơ phân tử lượng lớn như protein, gluxit, lipit... bị phân hủy dưới tác dụng của các Enzym hydrolaza của vi sinh vật thành các chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ như đường đơn, axit amin, axit hữu cơ, peptit, glyxerin...
28
Trong giai đoạn này, các hợp chất gluxit phân tử lượng nhỏ, các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ (protein) phân hủy nhanh hơn, trong khi các hợp chất hữu cơ có phân tử lượng lớn như tinh bột, các axit béo được phân hủy chậm, đặc biệt là cellulose và lignocellulose chuyển hóa rất chậm và không triệt để do cấu trúc phức tạp. Các vi sinh vật tham gia vào quá trình thủy phân phụ thuộc vào các chất ô nhiễm đầu vào và các đặc trưng khác của nước thải.
Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men axit hữu cơ
Các sản phẩm thủy phân sẽ được các vi sinh vật hấp thụ và chuyển hóa trong điều kiện yếm khí. Sản phẩm phân giải là các axit hữu cơ phân tử lượng nhỏ như axit propionic, axit butyric, axit lactic..., các chất trung tính như rượu, andehyt, axeton. Ngoài ra, một số khí cũng được tạo thành như CO2, H2, H2S, một lượng nhỏ CH4...
Thành phần của các sản phẩm trong giai đoạn lên men phụ thuộc vào bản chất các chất ô nhiễm, tác nhân sinh học và điều kiện môi trường.
Đặc biệt trong giai đoạn này, nitơ được chuyển thành NH4+ một phần nhỏ được sử dụng để xây dựng tế bào, phần còn lại tồn tại trong nước thải dưới dạng CH4+.
Giai đoạn 3: Giai đoạn lên men axit axetic
Các sản phẩm lên men phân tử lượng lớn như axit béo, axit lactic... sẽ được từng bước chuyển hóa thành axit axetic.
- Chuyển hóa axit lactic:
3 CH3-CHOH-COOH 2 CH3- CH2-COOH + CH3-COOH + CO2 + 2 H2O - Oxy hóa liên kết của các axit béo bằng cơ chế oxy hóa-khử:
R – CH3 CH2COOH + 2 H2O Rn-2 – COOH + CH3COOH Axit béo mạch dài Axit béo mạch ngắn Axit axetic
Giai đoạn 4: Giai đoạn Mêtan hóa
Mêtan hóa là giai đoạn quan trọng nhất của toàn bộ quá trình xử lý yếm khí. Dưới tác dụng của các vi khuẩn mêtan hóa, các axit hữu cơ, các chất trung tính... bị phân giải tạo thành khí metan.
- Khoảng 30% khí CH4 tạo thành do quá trình khử CO2: + Khử CO2 bằng H2:
CO2 + 4 H2
VK
CH4 + 2H2O
- Khoảng 70% khí mêtan còn lại được tạo thành nhờ các quá trình Decacboxyl hóa các axit hữu cơ và các chất trung tính.
+ CH4 được tạo thành do Decacboxyl hóa axit axetic: CH3COOH CH4 + CO2
+ CH4 được hình thành do Decacboxyl hóa các axit hữu cơ khác: 4CH3-CH2-COOH + 2H2O 7 CH4 + 5 CO2
2CH3-( CH2)2-COOH + 2H2O 5 CH4 + 3 CO2
+ CH4 cũng có thể được hình thành do Decacboxyl các chất trung tính:
2C2H5OH 3CH4 + CO2
CH3-CO-CH3 + H2O 2CH4 + CO2
* Tác nhân sinh học.
Trong phân giải yếm khí, các quá trình thủy phân và lên men xảy ra dưới tác dụng của nhiều chủng vi khuẩn khác nhau. Thành phần hệ vi sinh vật trong phân giải yếm khí phụ thuộc chủ yếu vào bản chất của các chất ô nhiễm có trong nước thải.
Vi sinh vật trong giai đoạn thủy phân và lên men axit hữu cơ:
Môi trường giàu xenlulo thường có các vi khuẩn: Bacillus, Pseudomonas, Alcaligenes.
Môi trường giàu protein: Bacillus, Clostridium, Proteus và E.Coli
Môi trường giàu lipit: Bacillus, Pseudomonas, Alcaligenes, Bacterioides. Môi trường giàu tinh bột: Micrococus, Lactobacillus, Pseudomonas, Clostridium.
* Các yếu tố ảnh hưởng đến xử lý sinh học yếm khí.
- Nhiệt độ:
Đây là yếu tố điều tiết cường độ của quá trình bỡi vì nó ảnh hưởng tới hoạt động chuyển hóa của vi sinh vật. Nhiệt độ tối ưu cho toàn quá trình phụ thuộc vào chủng loại vi sinh vật. Trong thực tế, cả 2 nhóm ưa nóng và ưa ấm đều có khả năng phân hủy yếm khí.
Dải nhiệt độ cho quá trình phân giải yếm khí rộng từ 30 – 60oC.Tuy nhiên, nhiệt độ tối ưu cho mỗi quá trình còn phụ thuộc vào đặc tính ưa nhiệt của tác nhân sinh học. Bởi chỉ một khoảng biến động nhiệt độ nhỏ cũng ảnh hưởng tới hoạt lực của vi sinh vật.
Với các vi sinh vật ưa nóng, khoảng nhiệt độ tối ưu của chúng từ 55 – 60oC, còn với các vi sinh vật ưa ấm thì 33 – 37oC.
Để thu được hiệu suất tạo khí metan cao và ổn định thì phải ổn định nhiệt độ trong dải ưa ấm.
- Độ pH:
Thiết bị phân hủy yếm khí được vận hành trong khoảng pH từ 6,6 – 7,6 với khoảng tối ưu từ 7 – 7,2. Mặc dù vậy, vi sinh vật axit hóa có thể chịu được pH = 5,5 nhưng ở giá trị này vi khuẩn metan hóa bị ức chế mạnh.
Thiết bị phân hủy yếm khí cần được trang bị thiết bị đo và điều chỉnh pH khi