Đề tài Xử lý nước thải các nhà máy bia theo mô hình lọc ngược kị khí – aeroten hoạt động gián đoạn

XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÁC NHÀ MÁY BIA THEO MÔ HÌNH LỌC NGƯỢC KỊ KHÍ – AEROTEN HOẠT ĐỘNG GIÁN ĐOẠN PGS.TS Trần Đức Hạ PGS.TS Nguyễn Văn Tín I. ĐẶT VẤN ĐỀ Bia được sản xuất tại Việt Nam cách đây trên 100 năm tại nhà máy Bia Sài Gòn và nhà máy Bia Hà Nội. 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, các nhà máy liên doanh với các hãng bia nước ngoài. 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. Trong số đó, bia địa phương sản xuất ở 311 cơ sở (chiếm 97,18% số cơ sở) nhưng sản lượng chỉ chiếm 37,41% sản lượng bia cả nước (đạt 231 triệu lít) và đạt 60,73% công suất thiết kế. Công nghiệp sản xuất bia đang là ngành tạo ra nguồn thu lớn cho ngân sách nhà nước và có hiệu quả kinh tế, vì vậy trong mấy năm qua sản xuất bia đã có những bước phát triển khá nhanh. Do mức sống tăng, mức tiêu dùng bia ngày càng cao. Năm 2000 có khoảng 81 triệu người và đến năm 2005 có thể là 89 triệu người dùng bia. Do vậy mức tiêu thụ bình quân theo đầu người vào năm 2005 dự kiến đạt 17 lít/người/năm (sản lượng bia đạt khoảng 1.500 triệu lít, tăng gấp 2 lần so với năm 2000). Bình quân lượng bia tăng 20% mỗi năm. Công nghiệp sản xuất bia tạo nên một lượng lớn nước thải xả vào môi trường. Hiện nay tiêu chuẩn nước thải tạo thành trong quá trình sản xuất bia là 8-14 l nước thải/ lít bia, phụ thuộc vào công nghệ và các loại bia sản xuất. Các loại nước thải này chứa hàm lượng lớn các chất lơ lửng, COD và BOD dễ gây ô nhiễm môi trường. Vì vậy các loại nước thải này cần phải xử lý trước khi xả ra nguồn nước tiếp nhận. II. NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BIA ĐỊA PHƯƠNG Tải lượng ô nhiễm trong nước thải bia thải bia là 6-18 kg BOD5, 9-30 kg COD, 2-4 kg cặn lơ lửng... cho 1000 lít bia. Các nghiên cứu về thành phần, tính chất nước thải sản xuất bia cho thấy hàm lượng các chất ô nhiễm trong nước thải các cơ sở sản xuất bia địa phương lớn hơn tiêu chuẩn cho phép rất nhiều lần (bảng 1). Bảng 1. Thành phần và tiêu chuẩn xả nước thải sản xuất bia ra nguồn nước mặt TT Chỉ tiêu Nước thải trước xử lý* Tiêu chuẩn thải ** 1 pH 6-9,5 6-9 2 Hàm lượng cặn lơ lửng, mg/l 150-300 100 3 BOD5, mg/l 700-1500 50 4 COD, mg/l 850-1950 100 5 Tổng Nitơ (TN) 15-45 60 6 Tổng Phốtpho (TP) 4,9-9,0 6 7 Coliform, MPN/100 ml <10.000 10.000 Ghi chú:* Theo các số liệu nghiên cứu tại công ty Bia ong Thái Bình, Công ty Bia Nghệ An, Nhà máy Bia NADA, nhà máy Bia Hạ Long ... ** Cột B theo TCVN 5945-1995, nước thải công nghiệp, Tiêu chuẩn thải ra nguồn nước mặt loại B. Do có hàm lượng chất hữu cơ cao, cặn lơ lửng lớn, nước thải sản xuất bia gây mùi hôi thối, lắng cặn, giảm nồng độ oxy hoà tan trong nước nguồn khi tiếp nhận chúng. Mặt khác các muối nitơ, phốt pho... trong nước thải bia dễ gây hiện tượng phú dưỡng cho các thuỷ vực. Nước thải nhà máy bia cần được xử lý sinh học, đảm bảo yêu cầu xả ra nguồn nước mặt theo quy định của TCVN 5945-1995. Sau khi nghiên cứu các số liệu về số lượng, thành phần và tính chất nước thải sản xuất của nhà máy bia địa phương (Công ty bia ong Thái Bình, Nhà máy bia NADA Nam Định, Nhà máy bia Hạ Long, Công ty bia Vinh- Nghệ An...) công suất từ 8 triệu đến 20 triệu lít bia/năm, Đề tài “Nghiên cứu xử lý nước thải các nhà máy bia địa phương “ do trường Đại học Xây dựng triển khai đã đề xuất nguyên tắc xử lý nước thải bia địa phương với hàm lượng chất hữu cơ dễ oxy hoá sinh hoá cao được nêu trên hình 1 sau đây. Với nguyên tắc xử lý nước thải như vậy, đề tài đã nghiên cứu dùng bể lọc dòng chảy ngược vật liệu nổi (upflow anaerobic filter - UAF) trong khâu xử lý sinh học kị khí và bể aeroten kết hợp lắng hoạt động theo mẻ (Sequencing Batch Reactor - SBR) trong khâu xử lý sinh học hiếu khí. Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải được nêu trên hình 2. Nước thải Cặn>220 mg/l BOD>500 mg/l Giếng tách nước  Song chắn rác  Bể lắng cát Ngăn thu trạm bơm Xử lý bậc 1: xử lý hoá lý hoặc xử lý sinh học kị khí Cặn lơ lửng <150 mg/l BOD<300 mg/l Xử lý bậc hai: xử lý sinh học hiếu khí Cặn lơ lửng<100mg/l BOD<50 mg/l Coliform<10.000 Xả ra môi trường bên ngoài Hình 1. Sơ đồ nguyên lý xử lý nước thải các nhà máy bia địa phương Bể điều hoà kết hợp lắng cát và song chắn rác  Trạm bơm nước thải Bể aeroten hoạt động gián đoạn (SBR) Bể lọc kị khí vật liệu nổi Bể ủ bùn Xả nước thải ra môi trường bên ngoài Hình 2. Sơ đồ dây chuyền công nghệ XLNT bia theo mô hình UAF và SBR. Các loại bể lọc kỵ khí là các loại bể kín, phía trong chứa vật liệu đóng vai trò như giá thể của vi sinh vật dính bám. Các giá thể làm bằng các loại vật liệu hình dạng, kích thước khác nhau, hoạt động như như vật liệu lọc. Các dòng nước thải có thể đi từ dưới lên hoặc trên xuống. Các chất hữu cơ được vi khuẩn hấp thụ và chuyển hoá để tạo thành CH4 và các loại chất khí khác. Các loại khí sinh học được thu gom tại phần trên bể. Khí CH4 và các loại khí sinh học tạo thành khác được thu hồi ở phía trên. Nước thải đưa vào bể có thể phân phối phía dưới hoặc phía trên theo sơ đồ nêu trên hình 3. KhÝ sinh häc  N−íc vµo KhÝ sinh häc Dßng trµn N−íc ra N−íc vµo N−íc tuÇn hoµn N−íc ra a. b. Hình 3. Bể lọc kỵ khí a - Bể lọc kỵ khí dòng chảy ngược (upflow anaerobic filter - UAF) b - Bể lọc kỵ khí dòng chảy xuôi (Downflow anaerobic filter - ADF) Vật liệu lọc của bể lọc kỵ khí là các loại cuội sỏi, than đá, xỉ, ống nhựa, tấm nhựa hình dạng khác nhau. Kích thước và chủng loại vật liệu lọc, được xác định dựa vào công suất công trình XLNT, hiệu quả khử COD, tổn thất áp lực nước cho phép, điều kiện cung cấp nguyên vật liệu tại chỗ... Các loại vật liệu lọc, cần đảm bảo độ rỗng lớn (từ 90-300 m3/m2 bề mặt bể). Tổng bề mặt của vật liệu lọc có vai trò quan trọng trong việc hấp thụ các chất hữu cơ. Vật liệu lọc nổi sử dụng trong các nghiên cứu triển khai tại trường Đại học Xây dựng là polyspirene, đường kính d=5-6 mm. Loại bể này được gọi là bể lọc ngược kị khí vật liệu nổi (Upflow Anaerobic Floating Blanket-UAFB). Đây là loại vật liệu lọc nhẹ, trọng lượng riêng nhỏ và có tổng bề mặt tiếp xúc lớn . Khi màng vi sinh vật dày, hiệu quả lọc nước thải giảm (tổn thất áp lực lọc tăng). Vật liệu lọc được rửa bằng phương pháp xả tức thời. Trong qúa trình rửa lọc, số lượng vi khuẩn hoạt tính của bể lọc kỵ khí dòng chảy ngược hao hụt ít. Mặt khác việc rửa lọc cũng đơn giản. Bể lọc kỵ khí có một loạt ưu điểm như khả năng tách các chất bẩn hữu cơ (BOD) cao, thời gian lưu nước ngắn, vi sinh vật dễ thích nghi với nước thải, quản lý vận hành đơn giản, ít tốn năng lượng và dễ hợp khối với bể tự hoại và các công trình xử lý nước thải khác. Tuy nhiên cũng như các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học khác, thời gian đưa công trình vào hoạt động dài, bể thường hay bị sự cố tắc nghẽn, hàm lượng cặn lơ lửng trong nước thải ra khỏi bể lớn. Các loại vật liệu lọc có đặc tính kỹ thuật yêu cầu thường có giá thành cao. 6 5 4 3 7 2 1 Hình 4. Sơ đồ cấu tạo bể lọc kỵ khí vật liệu lọc nổi 1.Nước thải vào; 2. Lớp cặn lơ lửng; 3.Vật liệu lọc nổi; 4. Lưới chắn;5.Ngăn tách khí; 6. ống dẫn khí ; 7.ống dẫn nước ra. Aeroten kết hợp lắng hoạt động gián đoạn theo mẻ (Sequencing Batch Reactor - SBR) là một dạng công trình xử lý sinh học nước thải bằng bùn hoạt tính, trong đó tuần tự diễn ra các quá trình thổi khí, lắng bùn và gạn nước thải. Do hoạt động gián đoạn nên số ngăn của bể tối thiểu là 2. Sơ đồ hoạt động của hệ thống bể nêu trên hình 5. N − íc th¶i  BÓ ch¾n r¸c B Ó l¾ng ®ît m ét BÓ SBR 1 BÓ SBR 2 X ¶ bï n ho¹t tÝnh d− K hö trïng X¶ n− íc th¶i ra s«ng, hå Hình 5. Sơ đồ hoạt động của hệ thống aeroten hoạt động gián đoạn SBR. Các giai đoạn hoạt động diễn ra trong một ngăn bể (hình 6) bao gồm: làm đầy nước thải, thổi khí, để lắng tĩnh, xả nước thải và xả bùn dư. Trong bước một, khi cho nước thải vào bể, nước thải được trộn với bùn hoạt tính lưu lại từ chu kỳ trước. Sau đấy hỗn hợp nước thải và bùn được sục khí ở bước hai với thời gian thổi khí đúng như thời gian yêu cầu. Quá trình diễn ra gần với điều kiện trộn hoàn toàn và các chất hữu cơ được ô xy hoá trong giai đoạn này. Bước thứ ba là quá trình lắng bùn trong điều kiện tĩnh. Sau đó nước trong nằm phía trên lớp bùn được xả ra khỏi bể. Bước cuối cùng là xả lượng bùn dư được hình thành trong quá trình thổi khí ra khỏi ngăn bể, các ngăn bể khác hoạt động lệch pha để đảm bảo cho việc cung cấp nước thải lên trạm xử lý nước thải liên tục. Công trình SBR hoạt động gián đoạn, có chu kỳ. Các quá trình trộn nước thải với bùn, lắng bùn cặn... diễn ra gần giống điều kiện lý tưởng nên hiệu quả xử lý nước thải cao. BOD của nước thải sau xử lý thường thấp hơn 50 mg/l, hàm lượng cặn lơ lửng từ 10 đến 45 mg/l và N-NH3 khoảng từ 0,3 đến 12 mg/l. Bể aeroten hoạt động gián đoạn theo mẻ làm việc không cần bể lắng đợt hai. Trong nhiều trường hợp, người ta cũng bỏ qua bể điều hoà và bể lắng đợt một. N − íc th¶i vµo 1 L µm ®Çy n− íc th¶i 4 X¶ n− íc th¶i 2 T hæi khÝ 5 X ¶ bïn d− 3 L¾ng Hình 6. Các bước của bể aeroten hoạt động gián đoạn. Hệ thống aeroten hoạt động gián đoạn SBR có thể khử được nitơ và phốt pho sinh hoá do có thể điều chỉnh được các quá trình hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí trong bể bằng việc thay đổi chế độ cung cấp ô xy. Các ngăn bể được sục khí bằng máy nén khí, máy sục khí dạng Jet hoặc thiết bị khuấy trộn cơ học. Chu kỳ hoạt động của ngăn bể được điều khiển bằng rơle thời gian. Trong ngăn bể có thể bố trí hệ thống vớt váng, thiết bị đo mức bùn, ... Bể aeroten hệ SBR có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, hiệu quả xử lý cao, khử được các chất dinh dưỡng nitơ, dễ vận hành. Sự dao động lưu lượng nước thải ít ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý. Nhược điểm chính của bể là công suất xử lý nước thải nhỏ. Để bể hoạt động có hiệu quả người vận hành phải có trình độ và theo dõi thường xuyên các bước xử lý nước thải. Trên cơ sở phân tích thành phần tính chất nước thải và nghiên cứu trên các mô hình UAFB và SBR phòng thí nghiệm, đề tài “ Nghiên cứu xử lý nước thải bia địa phương “ đã xác định được các thông số thiết kế công nghệ cho bể UAFB và SBR . Bể lọc kỵ khí dòng chảy ngược UAFB được thiết kế với tải trọng chất bẩn hữu cơ tối đa là 10 đến 16kgCOD/m3.ngày. Thông thường tải trọng thiết kế khoảng từ 1 đến 7 kgCOD/m3.ngày. Thời gian nước lưu lại trong bể từ 0,4 đến 18 ngày, có thể xác định từ biểu thức: E = 100(1 − S k ) t m  (1) Trong đó: E - hiệu quả khử COD hoà tan trong nước thải, %; t - thời gian lưu thủy lực (thời gian lưu nước) trong bể, h;Sk và m - các hệ số liên quan đến cấu tạo bể và loại vật liệu (giá thể) lọc. Đối với vật liệu lọc dạng xốp nhẹ diện tích bề mặt 98m2/m3 thì có thể chọn hệ số Sk là 1,0; m = 0,55 hoặc Sk = 1,0; m = 0,40. Quá trình xử lý nước thải trong bể thổi khí phụ thuộc rõ rệt vào sự hình thành bùn hoạt tính. Kết quả nghiên cứu mối quan hệ giữa thời gian hình thành bùn và hiệu quả xử lý trên mô hình bioblock đối với nước thải lấy từ Công ty bia ong Thái Bình về được nêu trên hình 7. 250 200 150 I, ml/l E,% 100 50 0 ngay 1 ngay 5 ngay 10 ngay 15 ngay 20 ngay 25 ngay 30 Hình 7. Quan hệ giữa lượng bùn hoạt tính hình thành I (ml/l) và hiệu quả xử lý nước thải theo BOD E (%) trong mô hình bioblock đối với nước thải Công ty bia ong Thái Bình Từ các kết quả nghiên cứu trên mô hình phòng thí nghiệm, đề tài đã thiết lập được các chỉ tiêu công nghệ để thiết kế bể SBR như sau (bảng 2). Bảng 2. Các chỉ tiêu thiết kế hệ aeroten hoạt động gián đoạn (SBR) Chỉ tiêu thiết kế Giá trị Tổng thể tích Số bể Chiều sâu công tác Tỷ lệ lượng chất bẩn hữu cơ/lượng bùn Liều lượng bùn hoạt tính trong aero ten Thời gian 1 chu kỳ Thời gian lắng bùn hoạt tính Đặc điểm cấp khí Lượng ô xy 0,2-2,0 lần lưu lượng trung bình 1 ngày ≥ 2 3-6 m 0,04-0,2 kgBOD/kg bùn.ngày 2,2-3,0 g/l 4-12 giờ >1 h Cấp khí cho bước làm đầy và khuấy trộn bùn với nước thải Cung cấp đủ cho quá trình ô xy hoá chất hữu cơ và quá trình nitrat hoá như đối với các aeroten truyền thống Phòng Môi trường nước Trung tâm Kỹ thuật môi trường đô thị và khu công nghiệp (CEETIA) đã triển khai thiết kế, chuyển giao công nghệ theo mô hình nêu trên cho một số nhà máy bia địa phương, trong đó có Công ty bia ong Thái Bình, nhà máy bia NADA.... Công ty Bia ong Thái Bình sản xuất chủ yếu là bia hơi, công suất hiện nay là 5 triệu lít/năm. Đến năm 2003, công suất dự kiến sẽ tăng lên 8 triệu lít/năm. Công nghệ sản xuất bia là công nghệ truyền thống theo tiêu chuẩn Việt Nam do công ty POLICO chuyển giao. Lượng nước cần cho quá trình sản xuất bia là 500 m3/ngày, trong tương lai sẽ tăng lên 700 m3/ngày. Nước chủ yếu dùng trong các khâu: nấu, rửa tang bốc, rửa nồi, rửa chai, vệ sinh công nghiệp ... Nước nấu bia khoảng 30 đến 50 m3/ngày (ngày cao điểm đến 60 m3). Nước thải chủ yếu là nước rửa nồi, rửa chai, tang bốc, nước cấn men... khoảng 300 m3/ngày hiện nay sẽ tăng lên 400 m3/ngày khi sản lượng 8 triệu lít bia/năm. Kể cả nước thải sinh hoạt sẽ là 450 m3/ngày. Nước thải Công ty bia ong Thái Bình có hàm lượng BOD5 trên 900 mg/l, COD trên 1200 mg/l và hàm lượng cặn lơ lửng trên 300 mg/l được xử lý theo dây chuyền công nghệ nêu trên hình 8. Sau khi triển khai lắp đặt, Trung tâm kỹ thuật cũng đã tiến hành nghiên cứu, xác định hiệu quả hoạt động cũng như thiết lập chế độ vận hành các công trình UAFB và SBR trong dây chuyền này. Kết quả quan trắc hiệu quả xử lý nước thải qua các công trình được nêu trong bảng 3. Hiệu quả xử lý nước thải theo chỉ tiêu BOD5 phụ thuộc rõ rệt vào sự hình thành bùn hoạt tính trong bể aeroten kết hợp lắng. Trong điều kiện nhiệt độ mùa hè (nhiệt độ trung bình của nước thải là 26,5oC), chỉ số bùn đạt trên 150 ml/ l sau thời gian đưa bể SBR vào vận hành 45 ngày. Hiệu quả xử lý nước thải theo BOD5 đạt tới 95%, đáp ứng yêu cầu xả vào nguồn nước mặt loại B theo quy định của TCVN 5945-1995. Kết quả quan trắc còn cho thấy, sau bể UAF, hàm lượng cặn lơ lửng trong nước thải giảm xuống còn từ 80 đến 140 mg/l, đáp ứng yêu cầu theo 20 TCN 51-84 để bể aeroten làm việc ổn định. Bảng 3. Kết quả quan trắc theo dõi quá trình xử lý nước thải theo chỉ tiêu BOD tại Công ty bia ong Thái Bình Ngày Nước thải đầu vào Nước thải sau UAFB Nước thải sau SBR 3/7/2002 656 338 255 15/7/2002 678 302 146 25/7/2002 639 310 128 30/7/2002 692 264 91 6/8/2002 513 252 69 21/8/2002 762 329 54 5/9/2002 678 224 45 15/9/2002 638 256 40 Từ quá trình quan trắc quá trình xử lý nước thải Công ty bia ong Thái Bình trong hệ thống bể UAFB và SBR, thiết lập được chế độ vận hành hệ xử lý nước thải SBR. Theo đó, đối với mỗi đơn nguyên bể SBR: - Bơm (Q =30 m3/h): 2 h - Sục khí: 4 h - Lắng tĩnh: 1,5 h - Xả nước đã xử lý: 1,5 h. III. KẾT LUẬN Hiện nay, nhu cầu tiêu thụ bia ngày càng tăng. Công nghiệp sản xuất bia tạo nên một lượng lớn nước thải xả vào môi trường. Các loại nước thải này chứa hàm lượng lớn các chất lơ lửng, COD và BOD và cần phải xử lý trước khi xả ra nguồn nước tiếp nhận. Nước thải bia có thể xử lý sinh học kết hợp hai bước kị khí và hiếu khí trong cùng một hệ thống. Đối với các nhà máy bia địa phương công suất nước thải hàng ngày từ vài trăm đến hàng nghìn m3 được xử lý trong hệ thống bể lọc ngược kị khí vật liệu nổi (Upflow Anaerobic Floating Blanket – UAFB) và bể aeroten hoạt động theo mẻ (Sequencing Batch Reactor – SBR) là hợp lý. Các kết quả quan trắc tại trạm xử lý nước thải Công ty Bia ong Thái Bình do CEETIA thiết kế, cho thấy hiệu quả khử BOD trong hệ thống này có thể đạt tới 95%. Ngoài ra, hệ thống này hoạt động ổn định, khả năng tự động hoá cao, giá thành hạ và hợp khối được công trình, tiết kiệm diện tích xây dựng. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Trần Đức Hạ. Xử lý nước thải sinh hoạt quy mô nhỏ và vừa. Nxb Khoa học và Kỹ thuật, 2002. 2. Trần Đức Hạ.Báo cáo đề tài NCKH B94-34-06:Mô hình các trạm xử lý nước thải công suất nhỏ trong điều kiện Việt Nam. Hà Nội, 1995. 2. Nguyễn Văn Tín. Một số kết quả nghiên cứu bể lọc vật liệu lọc nổi. Hội thảo Quốc gia về Hoá học và công nghệ hoá học với chương trình nước sạch và vệ sinh môi trường, Hà Nội, 1998.