Đồ Án Tính toán và thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia bằng phương pháp sinh học

MỞ ĐẦU
Sản xuất bia là ngành đồ uống nên trong quá trình sản xuất phải sử dụng rất nhiều nước. Nguyên liệu cho sản xuất bia bao gồm malt, gạo. Nguyên liệu này được nghiền nhỏ sau đó đưa vào chế biến dịch đường. Trong quá trình nấu, nước được sử dụng nhiều cho nấu, cung cấp cho lò hơi để sản xuất hơi nước phục vụ cho công nghệ; nước dùng làm mát các máy móc thiết bị. Nước dùng trong các quá trình sản xuất để chuyển thành sản phẩm hoặc dùng ở dạng hơi thì hầu như không bị thải bỏ hoặc thải rất ít. Nước thải trong sản xuất bia chủ yếu phát sinh từ quá trình rửa, vệ sinh máy móc thiết bị và vệ sinh nhà xưởng; chủ yếu tập trung ở các khu vực lên men, lọc bia và chiết sản phẩm. Với đặc thù của sản xuất bia đòi hỏi phải sử dụng lượng nước rửa và vệ sinh khá lớn. Thực tế cho thấy, đặc tính chung của nước thải trong sản xuất bia là chứa nhiều chất gây ô nhiễm với chủ yếu các chất hữu cơ hòa tan và dạng keo, chất rắn ở dạng lắng và lơ lửng; một số chất vô cơ hòa tan, hợp chất nitơ và phốt pho. Tất cả các chất gây ô nhiễm có trong nước thải đều từ các thành phần như bã malt, cặn lắng trong dịch đường lên men, các hạt trợ lọc trong khâu lọc bia, xác men thải khi rửa thùng lên men, bia thất thoát cùng nước thải trong khâu chiết và khâu làm nguội chai sau khi thanh trùng. Nước thải bia chứa nhiều chất dễ phân hủy sinh học nên có màu nâu thẫm. Nước thải một số bộ phận có độ pH khác nhau nhiều, thường nước thải quá trình lên men có tính axít, nước thải rửa chai có tính kiềm. Hàm lượng ôxy hòa tan trong nước thải của nhà máy bia rất thấp. Nhu cầu ôxy sinh học BOD và hóa học COD đều rất cao vượt quá tiêu chuẩn thải nhiều lần (COD hàm lượng 600-2400mg/l; BOD5 hàm lượng 310-1400mg/l), trung bình lớn hơn 10 lần tiêu chuẩn cho phép. Các giá trị BOD và COD thường thay đổi theo thời gian trong ngày. Các giá trị cao là vào thời điểm xả nước rửa bã nồi nấu và thùng lên men. Với các chỉ số gây ô nhiễm như trên và hệ thống xử lý nước không đảm bảo nên chất lượng nước thải sau khi xử lý không đạt tiêu chuẩn thải. Nước thải chảy theo cống thoát nước thải riêng của nhà máy sau đó chảy vào cống thoát nước chung của khu vực gây ảnh hưởng ô nhiễm môi trường. Do đó, việc tính toán và thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy bia là vấn đề cấp thiết cho quá trình phát triển ngành sản xuất thức uống của Việt Nam hiện nay.
1. Mục đích:
Tính toán và thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia bằng phương pháp sinh học lưu lượng 2000 m3/ngày đêm, với thông số đầu vào như bảng 1, nước sau khi
xử lý đạt tiêu chuẩn loại B theo TCVN 5945-1995.

[TABLE]
[TR]
[TD]TT
[/TD]
[TD]Chỉ tiêu
[/TD]
[TD]Nước thải trước

xử lý
[/TD]
[TD]Tiêu chuẩn thải

(TCVN 5945-1995)
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]1
[/TD]
[TD]pH
[/TD]
[TD]6-12
[/TD]
[TD]6-9
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]2
[/TD]
[TD]Hàm lượng cặn lơ lửng, mg/l
[/TD]
[TD]300
[/TD]
[TD]100
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]3
[/TD]
[TD]BOD , mg/l
5
[/TD]
[TD]1500
[/TD]
[TD]50
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]4
[/TD]
[TD]COD, mg/l
[/TD]
[TD]2000
[/TD]
[TD]100
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]5
[/TD]
[TD]Tổng Nitơ (TN)
[/TD]
[TD]15-45
[/TD]
[TD]60
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]6
[/TD]
[TD]Tổng Phốtpho (TP)
[/TD]
[TD]4,9-9,0
[/TD]
[TD]6
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]7
[/TD]
[TD]Coliform, MPN/100 ml
[/TD]
[TD]<10.000
[/TD]
[TD]10.000[/TD]
[/TR]
[/TABLE]

Bảng 1. Thành phần và tiêu chuẩn xả nước thải sản xuất bia ra nguồn nước mặt


I.1. Phương pháp cơ học:
I.1.1. Nguyên tắc chung:
NỘI DUNG Chương I. Cơ sở lý thuyết

Nước thải có thành phần hết sức phức tạp. Trong nước thải không chỉ chứa các thành phần hoá học hoà tan, các loài vi sinh vật, mà còn chứa các chất không hoà tan. Các chất không hoà tan có thể có kích thước nhỏ và có thể có kích thước lớn. Người ra dựa vào kích thước và tỷ trọng của chúng để loại chúng ra khỏi môi trường nước,
trước khi áp dụng các phương pháp hoá lý hoặc các phương pháp sinh học.
Các vật chất có kích thước lớn như cành cây, bao bì chất dẻo, giấy, giẻ rách, cát, sỏi và cả những giọt dầu, mỡ. Ngoài ra, vật chất còn nằm ở dạng lơ lửng hoặc ở dạng huyền phù.
Tuỳ theo kích thước và tính chất đặc trưng của từng loại vật chất mà người ta đưa ra những phương pháp thích hợp để loại chúng ra khỏi môi trường nước. Những phương pháp loại các chất rắn có kích thước lớn và tỷ trọng lớn trong nước được gọi chung là phương pháp cơ học.
Phương pháp xử lý cơ học có thể loại bỏ được đến 60% các tạp chất không hoà tan có trong nước thải và giảm 20% BOD. Các công trình trong xử lý cơ học bao gồm:
- Song chắn rác hoặc lưới lọc.
- Bể lắng cát.
- Bể lắng.
- Điều hoà lưu lượng dòng chảy.
- Quá trình tuyển nổi.
I.1.2. Song chắn rác:
Song chắn rác nhằm chắn giữ các cặn bẩn có kích thước lớn hay ở dạng sợi: giấy, rau cỏ, rác được gọi chung là rác. Rác được chuyển tới máy nghiền để nghiền nhỏ, sau đó được chuyển tới bể phân hủy cặn (bể mêtan). Đối với các tạp chất < 5 mm thường dùng lưới chắn rác. Cấu tạo của thanh chắn rác gồm các thanh kim loại tiết diện hình chữ nhật, hình tròn hoặc bầu dục Song chắn rác được chia làm 2 loại di động hoặc cố định, có thể thu gom rác bằng thủ công hoặc cơ khí. Song chắn rác được đặt nghiêng một góc 60 – 90 0 theo hướng dòng chảy.
I.1.3. Bể tách dầu mỡ
Bể tách dầu mỡ thường được ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp có chứa dầu mỡ, các chất nhẹ hơn nước và các dạng chất nổi khác. Đối với nước thải sinh hoạt, do hàm lượng dầu mỡ và các chất nổi không lớn cho nên có thể thực hiện việc tách chúng ngay ở bể lắng đợt một nhờ các thanh gạt thu hồi dầu mỡ, chất nổi trên bề mặt bể lắng.
I.1.4. Bể lắng cát
Bể lắng cát dùng để tách các chất bẩn vô cơ có trọng lượng riêng lớn hơn nhiều so với trọng lượng riêng của nước như xỉ than, cát ra khỏi nước thải. Thông thường cặn lắng có đường kính hạt khoảng 0,25 mm (tương đương độ lớn thuỷ lực là 24,5) chiếm 60% tổng số các hạt cặn có trong nước thải.
Theo chiều dòng chảy, bể lắng được phân thành: bể lắng ngang và bể lắng đứng.
Trong bể lắng ngang, dòng nước chảy theo phương ngang hoặc vòng qua bể với vận tốc lớn nhất Vmax = 0,3 m/s, vận tốc nhỏ nhất Vmin = 0,15 m/s và thời gian lưu nước từ 30 – 60 giây. Đối với bể lắng đứng, nước thải chuyển động theo phương thẳng đứng từ dưới lên với vận tốc nước dâng từ 3 – 3,7 m/s, vận tốc nước chảy trong máng thu (xung quanh bể) khoảng 0,4 m/s và thời gian lưu nước trong bể dao động trong khoảng 2 -3,5 phút.
Cát trong bể lắng được tập trung về hố thu hoặc mương thu cát dưới đáy, lấy cát ra khỏi bể có thể bằng thủ công (nếu lượng cát < 0,5 m3/ngày đêm) hoặc bằng cơ giới (nếu lượng cát > 0,5 m3/ngày đêm). Cát từ bể lắng cát được đưa đi phơi khô ở sân phơi và cát khô thường được sử dụng lại cho những mục đích xây dựng.
I.1.5. Bể lắng:
Bể lắng làm nhiệm vụ tách các chất lơ lửng còn lại trong nước thải (sau khi qua bể lắng cát) có tỷ trọng lớn hơn hoặc nhỏ hơn tỷ trọng của nước dưới dạng lắng xuống đáy bể hoặc nổi lên trên mặt nước. Thông thường bể lắng có ba loại chủ yếu: bể lắng ngang (nước chuyển động theo phương ngang), bể lắng đứng (nước chuyển động theo phương thẳng đứng), và bể lắng ly tâm (nước chuyển động từ tâm ra xung quanh) thường có dạng hình tròn trên mặt bằng. Ngoài ra, còn một số dạng bể lắng khác như bể lắng nghiêng, bể lắng được thiết kế nhằm tăng cường hiệu quả lắng.
I.1.6. Điều hoà lưu lượng dòng chảy:
Trong quá trình xử lý nước thải cần phải điều hoà lượng dòng chảy. Trong quá trình này thực chất là thiết lập hệ thống điều hoà lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải nhằm tạo điều kiện tốt nhất cho các công trình phía sau hoạt động ổn định. Bể điều hoà dòng chảy có thể bố trí trên dòng chảy hay bố trí ngoài dòng chảy.
I.1.7. Quá trình tuyển nổi:
Tuyển nổi là quá trình tách các chất ở dạng rắn hoặc dạng lỏng, phân tán không tan trong nước thải có khối lượng riêng nhỏ, tỷ trọng nhỏ hơn nước không thể lắng bằng trọng lực hoặc lắng rất chậm. Phương pháp tuyển nổi được thực hiện bằng cách trộn lẫn các hạt khí nhỏ và mịn vào nước thải, khi đó các hạt khí sẽ kết dính với các hạt của nước thải và kéo theo những hạt vật chất này theo bọt khí nổi lên bề mặt. Khi đó ta có thể dễ dàng loại chúng ra khỏi hệ thống bằng thiết bị vớt bọt.
Để tăng hiệu suất tạo bọt, người ta thường sử dụng các chất tạo bọt như eresol, phenol nhằm giảm năng lượng bề mặt phân pha. Tuỳ theo phương thức cấp không khí vào nước, quá trình tuyển nổi bao gồm các dạng sau:
➢ Tuyển nổi bằng khí phân tán: Khí nén được thổi trực tiếp vào bể tuyển nổi để
tạo thành các bọt khí có kích thước từ 0,1 – 1 mm, gây xáo trộn hỗn hợp khí - nước chứa cặn. Cặn tiếp xúc với bọt khí, kết dính và nổi lên bề mặt.
➢ Tuyển nổi chân không: bão hoà không khí ở áp suất khí quyển, sau đó thoát khí
ra khỏi nước ở áp suất chân không. Hệ thống này ít sử dụng trong thực tế vì khó vận hành và chi phí cao.
➢ Tuyển nổi bằng khí hoà tan: Sục không khí vào nước ở áp suất cao (2-4 at), sau
đó giảm áp giải phóng khí. Không khí thoát ra sẽ tạo thành bọt khí có kích thước 20 - 100m.
I.2. Xử lý sinh học
Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình nhằm phân hủy các vật chất hữu cơ ở dạng hòa tan, dạng keo và dạng phân tán nhỏ trong nước thải nhờ vào sự hoạt động của các vi sinh vật. Quá trình này xảy ra trong điều kiện hiếu khí hoặc kị khí tương ứng với hai tên gọi thông dụng là: qua trình xử lý sinh học hiếu khí và quá trình xử lý sinh học kỵ khí (yếm khí).
Quá trình xử lý sinh học kị khí thường được ứng dụng để xử lý sơ bộ các loại nước thải có hàm lượng BOD5 cao (>1000 mg/l), làm giảm tải trọng hữu cơ và tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình xử lý hiếu khí diễn ra có hiệu quả. Xử lý sinh học kị khí còn được áp dụng để xử lý các loại bùn, cặn (cặn tươi từ bể lắng đợt một, bùn hoạt tính sua khi nén ) trong trạm xử lý nước thải đô thị và một số ngành công nghiệp.
Quá trình xử lý sinh học hiếu khí được ứng dụng có hiệu quả cao đối với nước thải có hàm lượng BOD5 thấp như nước thải sinh hoạt sau xử lý cơ học và nước thải của các ngành công nghiệp bị ô nhiễm hữu cơ ở mức độ thấp (BOD5 < 1000 mg/l). Tùy theo cách cung cấp oxy mà quá trình xử lý sinh học hiếu khí được chia làm hai loại:
- Xử lý sinh học hiếu khí trong điều kiện tự nhiên (oxy được cung cấp từ không khí tự nhiên do quang hợp của tảo và thực vật nước) với các công trình tương ứng như: cánh đồng tưới, cánh đồng lọc, hồ sinh học, đất ngập nước
- Xử lý sinh học hiếu khí trong điều kiện nhân tạo (oxy được cung cấp bởi các thiết bị sục khí cưỡng bức, thiết bị khuấy trộn cơ giới ) với các quá trình và công trình tương ứng như sau: