Đặt vấn đề Bia là một trong những đồ uống phổ bi n và lâu đời nhất th giới, với nhiều bằng chứng cho thấy nó có từ hơn 7000 năm trước công nguyên và đang ngày càng được ưa chuộng sử dụng hàng ngày. Bia được sản xuất tại iệt Nam cách đây trên 100 năm tại nhà máy bia ài G n và nhà máy bia Hà Nội, đ n nay, ngành bia iệt Nam đã phát triển với 129 cơ sở sản xuất bia nằm trên 43 tỉnh thành trên khắp cả nước với sản lượng sản xuất trong năm 2015 đạt 4,6 tỷ lít. Đ n thời điểm năm 2015, iệt Nam lọt vào danh sách 10 nước có sản lượng sản xuất bia lớn nhất th giới ở vị trí thứ 8, chi m 2,42% tổng sản lượng bia toàn cầu. Ở châu Á, iệt Nam là thị trường sản xuất bia lớn thứ ba, chỉ sau Trung Quốc và Nhật Bản [7].
Công nghiệp sản suất bia đang là ngành tạo ra nguồn thu lớn cho ngân sách nhà nước và có hiệu quả kinh t , vì vậy trong mấy năm qua sản xuất bia đã có những bước phát triển khá nhanh. ấn đề môi trường lớn nhất trong nhà máy bia là lượng nước thải rất lớn theo ước tính quá trình sản xuất ra 1 lít bia thành phẩm sẽ tạo ra 3 – 10 lít nước thải [12], đ c tính của nước thải sản xuất bia là có nồng COD và chất rắn lơ lửng cao bắt nguồn từ các sản phẩm phụ ho c dư thừa từ các quá trình sản xuất như các mảnh vụn ngũ cốc, lượng men bia c n dư, nhãn mác, … [16], ngoài ra, trong nước thải sản xuất bia cũng có m t nitơ và phốtpho [12]; độ pH dao động từ 2 – 12 và thường bị ảnh hưởng bởi lượng hóa chất sử dụng cho mục đích tẩy rửa ho c vệ sinh như NaOH, HNO3, H3PO4,…vì vậy chúng có khả năng đe dọa nghiêm trọng đ n thủy vực đón nhận n u không được xử lý. Nước thải bia có khả năng phân hủy sinh học cao thể hiện qua tỷ lệ BOD:COD cao [19, 21], do đó các nhà máy xử lý nước thải sản xuất bia thường sử dụng các công nghệ sinh học. Công nghệ xử lý sinh học xử lý nước thải sản xuất bia có thể là kỵ khí ho c hi u khí [12, 20].
Công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia thường là UA B k t hợp với Aerotank ho c BR. Tuy nhiên, các công nghệ k t hợp trên vẫn 2 còn nhược điểm là hiệu quả xử lý nitơ và phốtpho chưa cao do trong cơ ch hoạt động thi u quá trình xử lý thi u khí khử nitrat và quá trình hoạt động của PAOs xử lý phốtpho. Trong các công nghệ xử lý nước thải có khả năng xử lý đồng thời nitơ và phốtpho hiện nay, công nghệ AAO truyền thống (Anaerobic/Anoxic/Oxic) là một công nghệ rất phổ bi n và đã được ứng dụng nhiều trên th giới [30, 32]. Không chỉ có khả năng loại bỏ dinh dưỡng, các nghiên cứu về công nghệ AAO [30, 31, 32] cho thấy hiệu quả xử lý COD của công nghệ AAO luôn đạt trên 90% ở bất kỳ điều kiện vận hành nào.
Công nghệ màng lọc sinh học MBR là một công nghệ xử lý nước thải đầy hứa hẹn được áp dụng rộng rãi trong xử lý nước thải đô thị và công nghiệp nhờ các ưu điểm nổi trội của nó như tạo ra nước thải đầu ra chất lượng tốt với độ ổn định cao, ít chi m diện tích, khả năng kiểm soát HRT và SRT một cách riêng biệt , dễ vận hành, tạo ra rất ít b n dư, thời gian thích nghi ban đầu ngắn, có khả năng loại bỏ vi khuẩn, giúp giữ lại trong bể phản ứng từ đó hạn ch hiện tượng bị rửa trôi ra khỏi bể phản ứng gây giảm sinh khối trong hệ thống và duy trì ML cao trong bể phản ứng [24, 25, 33, 40]. ì vậy MBR có thể được vận hành ở tỉ lệ F/M rất thấp, khoáng hóa hoàn toàn chất hữu cơ phân hủy sinh học và lượng b n sinh ra thấp; vi khuẩn sinh trưởng chậm nitrat hóa được giữ lại và tích tụ ngày càng nhiều trong hệ thống dẫn đ n quá trình nitrat hóa đạt hiệu quả cao và ổn định [38]. M c d công nghệ màng lọc sinh học MBR đã cho thấy cải thiện hiệu quả trong loại bỏ chất hữu cơ và tổng nitơ Kjeldahl (TKN), tuy nhiên tổng nitơ (TN) và tổng phốt pho (TP) chưa được loại bỏ đáng kể (Wen et al., 2004; Han et al., 2005; Li et al., 2005; Pollice et al., 2008; Liu et al., 2010; Gao et al., 2002; Khan and Ilyas. ì vậy hướng theo mối quan tâm này đưa ra đề xuất k t hợp quá trình loại bỏ chất dinh dưỡng sinh học(biological nutrient removal – BNR) với công nghệ MBR để loại bỏ đồng thời chất hữu cơ và nitơ, phốt pho.
ự k t hợp của MBR với một quá trình loại bỏ chất dinh dưỡng sinh học (BNR) được coi là một lựa chọn tốt có thể cải thiện hiệu suất hệ thống về loại bỏ dinh dưỡng và hỗ trợ kiểm soát bẩn màng 3 [39]. Công nghệ k t hợp AAO và MBR là công nghệ mới k t hợp nhiều ưu điểm của cả 2 công nghệ trên, từ đó có tiềm năng rất lớn tạo ra d ng nước thải sau xử lý đạt chất lượng cao. Đã có một vài nghiên cứu về khả năng xử lý nước thải của công nghệ k t hợp Anaerobic/Anoxic/Membrane BioReactor [38, 42] và AAO – MBR [37, 39, 40, 41] đã thu về được nhiều k t quả khả quan, đ c biệt là hiệu suất xử lý COD và nitơ rất cao và ổn định. Qua những phân tích như trên, đề tài “Đánh giá ảnh hưởng của tải trọng đến hiệu quả xử lý nước thải sản xuất bia bằng MBR kết hợp AAO” được ti n hành, nhằm mang lại cở sở đánh giá và một góc nhìn mới trong khả năng xử lý nước thải của mô hình mới Kỵ khí/Thi u khí/Màng lọc sinh học (Anaerobic/Anoxic/ MBR) trong xử lý nước thải bia.2 Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá khả năng xử lý đồng thời chất hữu cơ và nitơ, phốt pho trong nước thải sản xuất bia với tải trọng đầu vào thay đổi từ 0,5 kgCOD/m3.ngày đ n 1,25 kg COD/m3.ngày bằng mô hình Anaerobic/Anoxic/MBR.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng - Nước thải bia, nước thải được lấy tại bể điều hòa và sau xử lý kỵ khí của hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia Sài Gòn.
- Vật liệu làm các bể của mô hình Anaerobic/Anoxic/MBR là Acrylic glass ở quy mô ph ng thí nghiệm. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu hiệu quả của mô hình Anaerobic/Anoxic/MBR trong loại bỏ đồng thời chất hữu cơ và và nitơ, phốt pho trong nước thải sản xuất bia. - Mô hình nghiên cứu đ t tại công ty TNHH MT Môi trường Hi-Tech BK, 148 Rạch Bà Lớn, huyện Bình Chánh, TpHCM.4 Nội dung nghiên cứu - Thi t lập mô hình Anaerobic/Anoxic/MBR nhằm loại bỏ đồng thời chất hữu cơ và nitơ, phốt pho. - Vận hành mô hình với tải trọng COD tăng dần từ 0,5 đ n 1,25 kgCOD/m3.
- Đánh giá hiệu quả xử lý chất hữu cơ, nitơ, phốt pho và theo dõi sinh khối.5 Phương pháp nghiên cứu Tổng hợp tài liệu Tổng hợp các thông tin, số liệu, tài liệu qua các nghiên cứu, bài báo, đánh giá, chuyên đề liên quan đ n đề tài từ các giáo trình, sách báo, tạp chí và internet. Từ đó phân tích, tổng hợp , làm nền tảng cho quá trình định hướng và thực hiện. Phương pháp thí nghiệm và phân tích Toàn bộ kỹ thuật lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu môi trường được ti n hành theo đúng các quy định của tiêu chuẩn iệt Nam và tiêu chuẩn quốc t (theo Standard Methods) Thực nghiệm mô hình Thi t k , ch tạo và vận hành mô hình xử lý ở quy mô ph ng thí nghiệm. Lên k hoạch vận hành, lấy mẫu, phân tích mẫu để đánh giá hiệu quả XLNT của mô hình nghiên cứu.
5 Đối chiếu, so sánh Các số liệu và k t quả có được sẽ được d ng để đối chi u và so sánh với các tư liệu từ sách báo và đề tài nghiên cứu khác có liên quan. Qua đó nhận xét, đánh giá về hiệu quả xử lý của mô hình một cách khách quan nhất. Thống kê, xử lý số liệu Tất cả các số liệu phân tích trong luận văn này là giá trị trung bình của hai lần thí nghiệm. K t quả biện luận được lấy theo giá trị trung bình cho từng nghiệm thức bằng phần mềm Excel.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: K t quả của đề tài sẽ đóng góp cho khoa học thêm cơ sở lý thuy t và các thông số vận hành mô hình Kỵ khí/Thi u khí/Màng lọc sinh học (Anaerobic/Anoxic/MBR) cũng như một lựa chọn công nghệ mới trong xử lý nước thải sản xuất bia.
Ý nghĩa thực tiễn: - ề m t kỹ thuật: hệ thống k t hợp AAO với MBR với mô hình Anaerobic/Anoxic/MBR có khả năng xử lý đồng thời COD, nitơ, phốt pho. Nâng cao chất lượng nước thải sau xử lý để có thể đạt loại A QC N 40:2011/BTNMT. - ề m t kinh t : sự k t hợp của màng lọc MBR vào trong quá trình AAO giúp giảm lượng b n sinh ra trong bể phản ứng, qua đó giảm chi phí xử lý b n thải. - ề m t môi trường: màng lọc MBR đ t trong ngăn hi u khí của bể AAO sẽ giúp ngăn ch n việc bị rửa trôi khỏi bể phản ứng theo d ng nước thải, qua đó giảm thời gian thích nghi cần thi t và tăng hiệu suất xử lý chung của quá trình.
Ngoài ra, với khả năng lưu giữ hoàn toàn và chất rắn lơ lửng trong bể phản ứng, màng lọc c n giúp giảm ảnh hưởng của sự thay đổi HRT và các thông số vận hành khác lên hiệu suất xử lý và tính ổn định của hệ thống.7 Tính mới của đề tài iệc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ k t hợp Anaerobic/Anoxic/MBR vào xử lý nước thải sản xuất bia có những tính mới sau: Lần đầu sử dụng k t hợp công nghệ AAO và MBR ở quy mô phòng thí nghiệm. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ k t hợp Anaerobic/Anoxic/MBR trong xử lý nước thải bia sản xuất chưa từng được thực hiện trước đây. 7 CHƯƠNG II: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về nước thải bia 2.1 Công nghệ sản xuất bia Quy trình sản xuất bia được thể hiện ở hình 2.