Phospho tồn tại ở trong nước với các dạng H2PO4-, HPO4-2, PO4-3, các polyphosphat như Na3(PO3)6 và phospho hữu cơ từ các nguồn như phân, nước tiểu, ure, phân bĩn dùng trong nơng nghiệp, các chất tẩy rửa sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất. Phospho cũng giống như nito, là cơ chất cần thiết cho vi sinh vật sống và phát triển. Nếu nồng độ phospho cĩ trong nước thải xả ra sơng suối, hồ quá mức cho phép sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng.
Bảng 2.3. Giá trị của các thơng số ơ nhiễm nước thải trong cơng nghiệp QCVN / 24: 2009BTNMT
STT Thơng số Đơn vị A B
1 Nhiệt độ 0C 40 40
2 pH - 6 – 9 5,5 - 9
3 Mùi - Khơng khĩ chịu Khơng khĩ chịu
4 Độ màu - 30 50 5 BOD5(200C) mg/l 50 100 6 COD mg/l 50 100 7 SS mg/l 15 30 8 N tổng mg/l 4 6 9 P tổng mg/l 3000 5000 10 Coliform MPN/ 100ml 20 70
2.6 Các giải pháp giảm thiểu lượng và tải lượng nước thải nhà máy bia
Trong sản xuất bia cơng nghệ ít thay đổi từ nhà máy này sang nhà máy khác, sự khác nhau cĩ thể chỉ là sử dụng phương pháp lên men nổi hay chìm. Sự khac nhau cơ bản là lượng nước sử dụng cho mục đích rửa chai, máy mĩc thiết bị, sàn nhà, số lượng cơng nhân sử dụng nước cho sinh hoạt, . . . Điều này dẫn đến tải lượng nước thải và hàm lượng các chất ơ nhiễm của các nhà nhà máy bia khác nhau.
2.6.1 Tái sử dụng nước thải
Nước làm mát cho máy lạnh, làm lạnh dịch bia → giải nhiệt, tuần hồn.
Nước ngưng tụ trong nấu bia → thu hồi → cấp lại cho nồi hơi (do nước ngưng cịn ở nhiệt độ cao, đây là nước mềm, khơng chứa ion Ca2+, Mg2+ đĩng cặn thành thiết bị).
Nước rửa các thùng lên men, chai như CIP (2 loại nĩng, lạnh) định kì một tuần rửa thùng một lần (ở nhiệt độ cao → tc dụng tẩy rửa cao), xử lý bằng phương pháp lọc, bổ sung thêm hĩa chất → ti sử dụng.
2.6.2 Phân luồng nước thải sản xuất
Dịng 1: đây là nguồn nước qui ước sạch với số lượng lớn khoảng 550 – 600 m3/ ngày đêm gồm nước dùng để làm lạnh trong các thiết bị, tháp giải nhiệt của hệ thống lạnh, nước ngưng ở các nồi nấu...
Dịng 2: Nước thải sinh hoạt được quy định thành nước thải xám và nước thải đen, trong đĩ nước thải xám là nước thải phát sinh từ các hoạt động nấu ăn, tắm rửa, giặc giũ; nước thải đen là nước thải dùng trong việc xả bồn cầu tại các khu vệ sinh. Nước thải đen bắt buộc phải được xử lý cục bộ trước khi xả vào hệ thống xử lý nước thải chung.
Dịng 3: Nước thải sản xuất, là dịng thải lớn với số lượng 1000 – 1200 m3 / ngày đêm từ các phân xưởng nấu, đường hĩa, lên men, lọc, chiết bia... Dịng thải này chủ yếu là nước rửa vệ sinh thiết bị, sàn nhà. Đây là dịng thải chính cần xử lý triệt để. Dịng này cĩ hàm lượng chất hữu cơ cao, dễ bị phân hủy làm ơ nhiễm mơi trường.
2.7 Nước thải nhà máy bia Quy Nhơn
Theo báo cáo năm 2009, Cơng ty bia Quy Nhơn sản xuất được 39,6 triệu lít bia, cĩ giá trị sản xuất chiếm 5,1% giá trị sản xuất cơng nghiệp tồn tỉnh, tiêu thụ được 34,88 triệu lít. Song song đĩ, nhà máy cũng thải ra mơi trường lượng nước thải: 5000m3/ ngày đêm. Tuy nhiên, với hệ thống xử lý yếm khí-hiếu khí cĩ cơng suất thiết kế: 1200m3 / ngày đêm, so với bảng các thơng số ơ nhiễm nước thải cơng nghiệp QCVN 24: 2009/ BTNMT thì nhà máy bia Quy Nhơn với chỉ tiêu nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn Việt Nam của Bộ Tài Nguyên Mơi Trường quy định.
Bảng 2.4. Chỉ tiêu chất lượng nước thải đầu ra của nhà máy bia Quy Nhơn
Chỉ tiêu Đơn vị Quy định Thực hiện
pH 5,5 – 9,0 6,0 – 9,0 SS mg/l 100 < 100 COD mg/l 80 < 80 BOD mg/l 50 < 50 N tổng mg/l 30 < 30 Coliform MPN/ 100ml 5000 < 5000
CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHÀ MÁY BIA
3.1 Hệ vi sinh vật nước thải nhà máy bia
3.1.1 Hệ vi sinh vật trong nước thải nhà máy bia
Các vi sinh vật hiện diện trong nước thải bao gồm các vi khuẩn, virus, nấm, tảo, nguyên sinh động vật, các lồi động vật và thực vật bậc cao.
Nước thải nhà máy bia là loại nước thải giàu chất hữu cơ như hydrocacbon, cellulose, protein, . . . , các vi khuẩn cĩ dạng hình ống giữ vai trị rất quan trọng, trước hết phải kể đến một đại diện là vi khuẩn Sphaerotilus natans hay “nấm nước thải” . Nĩ phủ lên mặt đáy của vùng nước cực bẩn một lớp khối tế bào dày đặc, bằng SVTT: Lương Thị Thắm
mắt thường cũng cĩ thể quan sát được. Loại vi khuẩn này thường phát triển mạnh ở vùng nước cĩ đủ oxygen. Ngồi xuất hiện ở nước thải sinh hoạt, S. natans thường được thấy cĩ trong nước thải của các nhà máy cellulose và thực phẩm. Do sự phát triển mạnh của Sphaerotilus, oxygen bị tiêu thụ nhiều. Khi một lượng lớn S. natans
tích tụ ở những vùng nước lặng sẽ xuất hiện tình trạng báo động về oxygen. Nĩ sẽ làm cho oxygen trong nước biến mất hồn tồn. Cuối cùng rồi cả khối S. natans cũng bị thối rữa, H2S sẽ xuất hiện cùng với một số chất khác. Bên cạnh vi khuẩn, trong nước thải giàu chất hữu cơ cũng cĩ chứa nhiều nấm.
Bảng 3.1 Một số giống vi khuẩn chính cĩ trong bùn hoạt tính và chức năng của chúng khi tham gia xử lý nước thải
STT Vi khuẩn Chức năng
1 Pseudomonas Phân hủy hydratcacbon, protein, các chất hữu cơ, . . . và khử nitrat.
2 Arthrobacter Phân hủy hydratcacbon.
3 Bacillus Phân hủy hydratcacbon, protein. 4 Cytophaga Phân hủy các polyme.
5 Zooglea Tạo thành chất nhầy (polysaccarit), chất keo tụ. 6 Acinetobacter Tích lũy polyphosphate, khử nitrat.
7 Nitrosomonas Nitrit hĩa 8 Nitrobacter Nitrat hĩa
9 Sphaerotilus Phân hủy các chất hữu cơ. 10 Alkaligenes Phân hủy protein, khử nitrat.
11 Flavobacterium Phân hủy protein. 12 Nitrococus denitrificans Khử nitrat (thành N2). 13 Thiobaccillus denitrificans Khử nitrat (thành N2) 14 Acinetobacter Khử nitrat (thành N2) 15 hyphomicrobium Khử nitrat (thành N2) 16 Desulfovibrio Khử sunfat, khử nitrat
3.1.2 Chuyển hĩa vật chất của vi sinh vật trong nước thải nhà máy bia
Quá trình chuyển hĩa của vi sinh vật trong nước thải nhà máy bia cũng theo quy luật chuyển hĩa các chất của vi sinh vật trong nước thải. Khi nước thải mới ra khỏi nhà máy, hàm lượng vi sinh vật thường khơng nhiều. Sau một thời gian, những nhĩm vi sinh vật thích nghi được với đặc trưng của nước thải sẽ phát triển mạnh, số lượng và số lồi dần phong phú hơn.
Quá trình trao đổi chất ở vi sinh vật trong nước thải gồm hai quá trình cơ bản là quá trình đồng hĩa và quá trình dị hĩa. Quá trình đồng hĩa xảy ra bên trong tế bào vi sinh vật, là quá trình cần năng lượng để tổng hợp những sản phẩm cấu thành sinh khối tế bào. Năng lượng cho quá trình đồng hĩa được lấy từ các phân tử cao năng như ATP, ADP ... , từ quá trình dị hĩa hoặc từ các chất dự trữ khác trong tế bào. Quá trình dị hĩa cĩ thể xảy ra bên trong và bên ngồi tế bào vi sinh vật, là quá trình phân hủy các chất nhằm cung cấp năng lượng, nguyên vật liệu cho quá trình đồng hĩa.
Mặt khác, tế bào vi sinh vật thường khơng chứa nhiều hợp chất hĩa học giàu năng lượng. Do đĩ, vi sinh vật cần phải nhận thêm các nguồn năng lượng từ bên ngồi như năng lượng của ánh sáng mặt trời ở nhĩm vi sinh vật tự dưỡng quang năng, năng lượng sinh ra từ quá trình oxy hĩa các chất ở nhĩm vi sinh vật tự dưỡng hĩa năng. Đối với các nhĩm vi sinh vật dị dưỡng carbon, chúng sử dụng năng lượng từ quá trình chuyển hĩa các hợp chất carbon hữu cơ trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí.
Trong quá trình chuyển hĩa vật chất, vi sinh vật luơn luơn ưu tiên sử dụng các vật chất dễ chuyển hĩa trước, sau đĩ mới sử dụng đến các vật chất khĩ chuyển hĩa hơn. Do đĩ, đường cong sinh trưởng của vi sinh vật trong nước thải là đường cong sinh trưởng kép.
Hình 3.1 Đường cong sinh trưởng kép của vi sinh vật trong nước thải (Nguồn: Nguyễn Đức Lượng (2003), Cơng nghệ xử lý nước thải) Ghi chú :
1 : giai đoạn thích nghi ban đầu
1 : giai đoạn thích nghi với saccharose 1 : giai đoạn thích nghi với tinh bột 2 : giai đoạn tăng trưởng ban đầu
2 : giai đoạn tăng trưởng khi sử dụng saccharose 2: giai đoạn tăng trưởng khi sử dụng tinh bột 3 : giai đoạn cân bằng
4 : giai đoạn suy vong.
A : đường cong sinh trưởng kép B : đường cong sin trưởng đơn.
Hỉnh 3.2 Quá trình chuyển hĩa vật chất của vi sinh vật
(Nguồn: Nguyễn Đức Lượng (2003), Cơng nghệ xử lý nước thải)
3.2 Một số phương pháp xử lý nước thải nhà máy bia3.2.1 Hệ thống hiếu khí 3.2.1 Hệ thống hiếu khí
Quá trình xử lý sinh học xảy ra trong hệ thống hiếu khí trong nước thải gồm 3 giai đọan:
Oxy hĩa các chất hữu cơ
CxHyOz + O2 CO2 + H2O
Tổng hợp tế bào mới:
CxHyOz + NH3 + O2 CO2 + H2O + C5H7NO2
Phân hủy nội bào
C5H7NO2 + 5O2 CO2 + H2O + NH3
3.2.1.1 Bùn hoạt tính
Quá trình bùn hoạt tính hay bể hiếu khí (aerotank) là quá trình xử lý sinh học hiếu khí, trong đĩ nồng độ cao của các vi sinh vật mới được tạo thành được trộn đều với nước thải. Quy trình xử lý nước thải bằng bùn họat tính được thực hiện với phạm vi ứng dụng rộng rãi xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải cơng nghiệp.
Bàn họat tính bao gồm những vi sinh vật sống kết lại thành dạng hạt hoặc dạng bơng với trung tâm là các chất nền rắn lơ lửng (40%). Chất nền tring bùn hoạt tính cĩ thể đến 90% là phần chất rắn của rêu, tảo và các phần sĩt rắn khác nhau. Bùn hiếu khí ở dạng bơng bùn vàng nâu, dễ lắng là hệ keo vơ định hình cùng bùn kỵ khí ở dạng bơng và dạng hạt màu đen. Những vi sinh vật sống trong bùn là vi khuẩn đơn bào hoặc đa bào, nấm, xạ khuẩn, các động vật nguyên sinh và động vật hạ đẳng. Vai trị cơ bản trong quá trình làm sạch nước thải của bùn họat tính là vi khuẩn. Hệ vi sinh vật đặc trưng trong bùn họat tính như Bacillus, Pseudomonas, Achrobacter, hỗn hợp các vi khuẩn khác như E.coli, Micrococus .
Phần lớn các vi sinh vật trên đều cĩ khả năng xâm chiếm và bám dính trên bề mặt vật rắn khi cĩ cơ chất, muối khống và oxi tạo nên màng sinh học dạng nhầy cĩ màu thay đổi theo thành phần nước thải. Trên lớp màng sinh học cĩ chứa hàng triệu đến hàng tỷ tế bào vi khuẩn, nấm men, nấm mốc….Tuy nhiên khác với hệ quần thể trong bùn hoạt tính thành phần lồi và số lượng các lồi sinh học tương đối đồng nhất
Quá trình sinh học xảy ra qua 3 giai đoạn:
Giai đọan 1: bùn hoạt tính thành phần và phát triển. Lúc này cơ chất và chất dinh dưỡng đang rất phong phú, sinh khối bùn cịn ít. Theo thời gian, quá trình thích nghi của vi sinh vật tăng, chúng sinh trưởng theo cấp số nhân, sinh khối bùn tăng mạnh. Vì vậy, lượng oxy tiêu thụ tăng dần, vào cuối giai đọan này rất cao. Tốc độ tiêu thụ oxy vào cuối giai đoạn này cĩ khi gấp 3 lần ở giai đoạn 2. Tốc độ phân hủy chất bẩn hữu cơ tăng dần.
Giai đoạn 2: Vi sinh vật phát triển ổn định, họat lực enzyme đạt tối đa và kéo dài trong thời gian tiếp theo. Tốc độ phân hủy chất hữu cơ đạt tối đa, các chất hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất. Tốc độ tiêu thụ oxy gần như khơng thay đổi trong một thời gian khá dài.
Giai đọan 3: Tốc độ tiêu thụ oxy cĩ chiều hướng giảm dần và sau đĩ lại tăng lên. Tốc độ phân hủy chất hữu cơ giảm dấn và quá trình nitrat hĩa ammoniac xảy ra. Sau cùng, nhu cầu tiêu thụ oxy lại giảm và quá trình làm việc của Aerotank kết thúc.
SVTT: Lương Thị Thắm- 40 -
Bùn dư Bùn hoạt tính
Khơng khí Nước thải
Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí
3.2.1.2 Lọc sinh học
Thiết bị lọc sinh học là thiết bị được bố trí đệm và cơ cấu phân phối nước thải cũng như khơng khí. Trong thiết bị lọc sinh học, nước thải được lọc qua lớp vật liệu bao phủ bởi lớp màng vi sinh vật. Các vi khuẩn trong màng sinh học thường cĩ hoạt tính cao hơn vi khuẩn trong bùn hoạt tính. Màng sinh học hiếu khí là một hệ vi sinh vật tùy tiện. Ơ ngồi cùng của màng là lớp vi khuẩn hiếu khí mà dễ thấy là trực khuẩn Bacillus ở giữa là các vi khuẩn tùy tiện như Pseudomonas, Micrococus và
Desulfovibrio. Phần cuối cùng của màng là các động vật nguyên sinh và một số vi sinh vật khác. Vi sinh trong màng sinh học sẽ oxi hĩa các hợp chất hữu cơ, sử dụng chúng làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng. Như vậy, các chất hữu cơ được tách ra khỏi nước, cịn khối lượng của màng vi sinh học tăng lên. Màng vi sinh chết được cuốn trơi theo nước và đưa ra khỏi thiết bị lọc sinh học.
Vật liệu đệm là vật liệu cĩ độ xốp cao, khối lượng riêng nhỏ và diện tích bề mặt lớn như sỏi, đá, ống nhựa, xơ dừa…. Màng sinh học đĩng vai trị tương tự như bùn hoạt tính, hấp thụ và phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải. tuy nhiên, vận tốc oxy hĩa trong thiết bị lọc sinh học thấp hơn Aerotank.
Phần lớn các vi sinh vật cĩ khả năng xâm chiếm bề mặt vật rắn nhờ polimer ngoại bào, tạo thành một lớp màng nhầy này. Quá trình diễn ra rất phức tạp. Ban đầu, oxy và thức ăn được vận chuyển tới bề mặt lớp màng. Lúc này, bề mặt lớp màng cịn SVTT: Lương Thị Thắm
tương đối nhỏ, oxy cĩ khả năng xuyên thấu vào trong tế bào. Theo thời gian bề dày lớp màng tăng lên, dẫn tới việc bean trong màng hình thành một lớp kỵ khí nhằm dưới lớp hiếu khí. Khi chất hữu cơ khơng cịn, các tế bào bị phân hủy, trĩc thành từng mảng, cuốn theo dịng nước.
Hình 3.4 Cơ chế màng lọc sinh học
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý trong thiết bị lọc sinh học là: bản chất của chất hữu cơ ơ nhiễm, vận tốc oxy hĩa, cường độ thĩang khí, tiết diện màng sinh học, thành phần vi sinh vật…….
3.2.2 Hệ thống kỵ khí
Quá trình sinh học xảy ra trong hệ thống xử lý kỵ khí gồm cĩ các giai đọan sau: Giai đọan 1: Thủy phân
Các chất hữu cơ cao phân tử như protein, carbohydrat, protein, cellulose, lignin ..., đđược cắt mạch thành các phân tử đđơn giản hơn, dễ phân hủy hơn
Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hĩa protein thành amino acid, carbohydrat mạch đđơn
Quá trình này xảy ra chậm, tốc đđộ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất.
Giai đọan 2: Acid hĩa
Vi khuẩn lên men chuyển các chất hịa tan thành chất đđơn giản như acid béo dễ bay hơi ( chủ yếu là acid acetic, propionic và acid lactic), alcohols, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới
Sự hình thành các acid cĩ thể làm giảm pH xuống 4.0 Giai đọan 3: Acetic hĩa (Acetogenesis)
Acid acetic hĩa chuyển hĩa các sản phẩm của giai đđọan acid hĩa thành acetate, H2, CO2 và sinh khối mới
Giai đọan 4: Methane hĩa (methanogensis)
Vi sinh vật chuyển hĩa methane chỉ cĩ thể phân hủy một số lọai cơ chất nhất đđịnh như CO2, H2, formate, acetate, methanol và methylamines
H2 + CO2 CH4 + H2O
4HCOOH CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH CH4 + CO2
4CH3OH 3CH4 + CO2+ 2H2O
4(CH3)3N+H2O 9CH4+ 3CO 2 + 6H2O + 4NH3
Ở giai đđọan này acetate, H2, CO2 , formate, acetate, methanol và methylamines