Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất bia tại Việt Nam ghi nhận sản lượng tiêu thụ vượt mốc 3,8 tỷ lít vào năm 2015, đưa nước ta vào nhóm 3 quốc gia có sản lượng tiêu thụ bia hàng đầu khu vực Châu Á. Sự bùng nổ này đòi hỏi năng lực cung ứng ngày càng mở rộng, kéo theo bài toán gay gắt về áp lực phát thải khi quy trình nấu và chiết rót tiêu tốn lượng tài nguyên lớn, trung bình phát sinh từ 4 đến 10 lít nước thải giàu hợp chất hữu cơ cho mỗi lít sản phẩm hoàn thiện. Tại Công ty Cổ phần Bia & Nước giải khát Hạ Long, tiền thân là Nhà máy Liên hợp Thực phẩm Hồng Gai hoạt động từ năm 1967, công suất chế biến đã được nâng cấp liên tục từ 1 triệu lít/năm vào năm 1988 lên tới 50 triệu lít/năm vào năm 2004. Mặc dù doanh nghiệp giữ vai trò chủ lực trong chuỗi cung ứng đồ uống tại tỉnh Quảng Ninh, quy trình sản xuất vẫn chịu ảnh hưởng của các dây chuyền cũ, dẫn đến thất thoát nguyên vật liệu và phát sinh 11 dòng thải riêng biệt ra môi trường.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá hiện trạng xả thải chất thải rắn và nước thải, kiểm toán toàn diện dòng vật chất qua 14 công đoạn sản xuất, xác định chính xác 14 nguyên nhân gây thất thoát tài nguyên và đề xuất 22 giải pháp sản xuất sạch hơn khả thi cho nhà máy. Đề tài được triển khai thực nghiệm trên khuôn viên cơ sở rộng gần 1,5 ha trong thời gian 12 tháng, từ tháng 4/2017 đến tháng 4/2018. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện rõ qua giải pháp công nghệ trọng điểm với tỷ suất hoàn vốn nội tại đạt 29%, thời gian thu hồi vốn chỉ 3,3 năm, giúp doanh nghiệp tiết kiệm 24.000 lít bia thành phẩm và cắt giảm 24.000 lít nước thải công nghiệp trong mỗi quý vận hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng nền tảng lý thuyết Sản xuất sạch hơn được định nghĩa bởi Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc (UNEP, 2014), xem đây là chiến lược phòng ngừa môi trường liên tục áp dụng cho sản phẩm, quy trình và dịch vụ nhằm tăng hiệu quả kinh tế và giảm thiểu rủi ro sinh thái. Nghiên cứu tích hợp mô hình phân cấp quản lý chất thải công nghiệp nhằm chuyển dịch trọng tâm từ phương thức xử lý cuối đường ống bị động sang kiểm soát thất thoát tại nguồn. Khung quy trình đánh giá chuẩn gồm 5 bước với 18 nhiệm vụ chuyên sâu theo hướng dẫn của Bộ Công Thương được áp dụng xuyên suốt để khảo sát chuỗi công nghệ.

Bốn khái niệm kỹ thuật cốt lõi định hình phương pháp luận bao gồm:

  1. Cân bằng vật chất: Quy luật bảo toàn khối lượng nhằm so sánh tổng vật chất đầu vào với tổng sản phẩm đầu ra và lượng vật chất thất thoát.
  2. Kiểm toán dòng thải: Quá trình định lượng chi tiết các dòng năng lượng, nguyên liệu và các điểm phát sinh ô nhiễm trong chu trình vận hành.
  3. Phân tích chi phí - lợi ích môi trường: Đánh giá hiệu quả đầu tư công nghệ xanh qua các chỉ số tài chính ròng.
  4. Tải lượng ô nhiễm: Mức độ phát thải các thông số ô nhiễm hữu cơ đặc trưng bao gồm BOD5, COD, TSS và mật độ vi sinh Coliform.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thu thập dữ liệu sơ cấp được thiết kế với cỡ mẫu điều tra bảng hỏi gồm 70 phiếu khảo sát thực địa. Cỡ mẫu được phân bổ theo phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích nhằm đảm bảo tính khách quan và đại diện: 10 phiếu dành cho cán bộ quản lý và kỹ sư kỹ thuật am hiểu định mức tiêu hao, 30 phiếu dành cho công nhân trực tiếp vận hành các tổ máy, và 30 phiếu dành cho các hộ dân sinh sống tại khu vực lân cận nhà máy để đánh giá tác động ngoại ứng.

Nghiên cứu phối hợp đơn vị tư vấn môi trường tiến hành lấy mẫu thẩm tra nước thải thành 2 đợt độc lập vào tháng 6/2017 và tháng 9/2017 tại 2 vị trí quan trắc: điểm N1 tại nguồn nước thải trước hệ thống xử lý và điểm N2 tại cửa xả sau xử lý. Mẫu nước được phân tích 9 thông số hóa lý nghiêm ngặt theo các Tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành như TCVN 6001-1:2008 cho BOD5, TCVN 6491:1999 cho COD, TCVN 6625:2000 cho TSS và TCVN 6187-1:2009 cho Coliform, sau đó đối chiếu trực tiếp với QCVN 40:2011/BTNMT (cột B).

Lý do lựa chọn phương pháp cân bằng vật chất và phân tích tài chính đầu tư (NPV, IRR, PBP) là nhằm cung cấp cơ sở khoa học định lượng, giúp doanh nghiệp chứng minh rõ hiệu quả kinh tế song hành cùng bảo vệ môi trường trong khung thời gian khấu hao máy móc 10 năm với tỷ suất chiết khấu r = 15%. Toàn bộ dữ liệu thứ cấp được tổng hợp từ hồ sơ kỹ thuật, báo cáo giám sát môi trường định kỳ của doanh nghiệp trong giai đoạn 2015–2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực địa và tính toán cân bằng vật chất đã xác lập những phát hiện khoa học trọng yếu về hiện trạng dòng thải:

Thứ nhất, hệ thống sản xuất phát sinh 11 dòng thải riêng biệt tại các công đoạn nấu, lên men, tàng trữ, lọc và chiết rót, bắt nguồn từ 14 nguyên nhân cốt lõi (gồm 7 nguyên nhân khách quan do đặc thù lão hóa thiết bị và 7 nguyên nhân chủ quan trong thao tác vận hành).

Thứ hai, định mức nguyên liệu sản xuất 1.000 lít bia tiêu tốn khoảng 150 kg malt và nguyên liệu thay thế, thải ra 125 kg bã malt tươi (độ ẩm 75-80%) cùng lượng lớn cặn protein và nấm men dư thừa. Hoạt động súc rửa chai thủy tinh bằng dung dịch xút NaOH và chiết lon tạo ra lượng nước thải lớn chứa hàm lượng chất hữu cơ cao.

Thứ ba, nồng độ ô nhiễm trong nước thải thô chưa qua xử lý có nồng độ BOD5, COD và TSS vượt nhiều lần ngưỡng xả thải tiêu chuẩn, trong đó giai đoạn tách nấm men làm thất thoát khoảng 24.000 lít dịch bia hòa lẫn vào nước thải mỗi quý.

Thứ tư, nghiên cứu đã xây dựng ma trận 22 giải pháp sản xuất sạch hơn, sàng lọc thành 18 giải pháp quản lý nội vi chi phí thấp có thể ứng dụng ngay và 4 giải pháp đổi mới công nghệ đòi hỏi phân tích chuyên sâu.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu cân bằng vật chất và các dòng thải được mô tả trực quan qua biểu đồ cơ cấu dòng vật liệu vào - ra và bảng đối chiếu các chỉ số phân tích môi trường. Việc so sánh nồng độ ô nhiễm trước và sau xử lý cho thấy áp lực xử lý cuối đường ống rất tốn kém chi phí điện năng và hóa chất keo tụ nếu không tiến hành cô lập chất thải tại nguồn.

Khi so sánh với các nghiên cứu điển hình trong ngành, chẳng hạn như dự án chuyển đổi tại Công ty Cổ phần Bia Rượu Sài Gòn – Đồng Xuân (tiết kiệm 45 triệu đồng/năm từ cải tiến làm mát và 550 triệu đồng/năm từ máy rửa chai) hay mô hình tiết kiệm năng lượng tại Nhà máy Bia Thanh Hóa (giảm 10.476 tấn CO2/năm), tiềm năng áp dụng giải pháp tại Công ty Bia & Nước giải khát Hạ Long là rất khả thi.

Giải pháp lắp đặt hệ thống máy ly tâm thu hồi men bia được lựa chọn để đánh giá toàn diện tính khả thi:

  • Về mặt kỹ thuật: Thiết bị ly tâm tự động hóa cao giúp tách triệt để cặn men, nâng cao độ trong và chất lượng cảm quan của bia, diện tích lắp đặt sẵn có trong mặt bằng xưởng tàng trữ và vận hành an toàn.
  • Về mặt kinh tế: Mô hình tài chính chứng minh giá trị hiện tại ròng NPV dương, tỷ suất sinh lời nội bộ IRR đạt 29% (vượt xa mức chiết khấu r = 15%), thời gian hoàn vốn đầu tư PBP là 3,3 năm trong chu kỳ vòng đời máy móc 10 năm. Doanh nghiệp bắt đầu thu lãi ròng bền vững từ năm thứ tư.
  • Về mặt môi trường: Ứng dụng ly tâm men giúp giữ lại 24.000 lít bia/quý, giảm trực tiếp 24.000 lít nước thải phát sinh trong mỗi quý. Tải lượng chất ô nhiễm đưa vào hệ thống xử lý nước thải giảm rõ rệt mỗi quý: cắt giảm 1,53 kg BOD5; 0,74 kg COD; 0,54 kg TSS và loại trừ 69,6 MPN vi khuẩn Coliform phát tán ra môi trường tự nhiên.

Đề xuất và khuyến nghị

Hệ thống giải pháp sản xuất sạch hơn được xây dựng đồng bộ cho doanh nghiệp bao gồm các hành động cụ thể sau:

Thứ nhất, đầu tư lắp đặt máy ly tâm tách men tự động nhằm thu hồi dịch bia cặn tại các thùng lên men. Ban Giám đốc và Phòng Kỹ thuật chịu trách nhiệm phê duyệt và giám sát thi công; mục tiêu cắt giảm 24.000 lít nước thải hữu cơ/quý và thu hồi 24.000 lít sản phẩm; lộ trình triển khai lắp đặt hoàn thiện trong vòng 6 tháng.

Thứ hai, cải tạo toàn diện hệ thống bảo ôn lạnh và đường ống cấp hơi nhiệt. Bộ phận Cơ điện thực hiện việc bọc kín các mối nối hở, thay thế các van xả quá áp và bảo dưỡng bộ trao đổi nhiệt; mục tiêu tiết kiệm 5% đến 10% lượng nhiệt năng tiêu hao và giảm tổn thất điện lạnh; thời gian hoàn thành trong 3 tháng.

Thứ ba, chuẩn hóa quy trình vệ sinh công nghiệp CIP và tối ưu hóa lượng nước rửa chai. Quản đốc phân xưởng và công nhân dây chuyền trực tiếp thực hiện việc gắn vòi phun áp lực ngắt tự động, tuần hoàn nước ngưng tụ và kiểm soát nồng độ dung dịch kiềm súc rửa lon chai; mục tiêu giảm 5% lượng nước sạch tiêu thụ và giảm 3% hóa chất tẩy rửa; áp dụng ngay lập tức với chu kỳ kiểm toán nội vi hàng tháng.

Thứ tư, tái chế toàn diện các dòng thải rắn phụ phẩm hữu cơ. Phòng Kế hoạch - Vật tư phụ trách thu gom 100% bã malt tươi (khoảng 125 kg/1.000 lít bia) và men thải để cung cấp ổn định cho các cơ sở chế biến thức ăn gia súc và phân bón vi sinh; thời gian thiết lập hợp đồng nguyên tắc trong 30 ngày.

Thứ năm, thành lập ban kiểm soát sản xuất sạch hơn nội bộ và tổ chức đào tạo kỹ thuật định kỳ. Phòng Quản lý Môi trường chủ trì tập huấn nâng cao ý thức tiết kiệm tài nguyên cho 100% người lao động; mục tiêu giảm thiểu 100% các sự cố tràn bia hoặc rò rỉ hóa chất do lỗi chủ quan; tiến độ đào tạo định kỳ 6 tháng một lần.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị ứng dụng thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, Ban lãnh đạo và đội ngũ kỹ sư công nghệ tại các nhà máy sản xuất bia, đồ uống lên men. Nhóm đối tượng này có thể sử dụng trực tiếp mô hình phân tích chi phí - lợi ích và hồ sơ kỹ thuật của máy ly tâm men để tái cấu trúc dây chuyền, nâng cao hiệu suất thu hồi dịch bia và đạt mức hoàn vốn nhanh chóng sau 3,3 năm.

Thứ hai, Các chuyên gia tư vấn môi trường, kiểm toán viên năng lượng và cán bộ kỹ thuật phát triển bền vững. Công trình cung cấp quy trình kiểm toán dòng thải chi tiết qua 14 công đoạn cùng phương pháp tính toán cân bằng vật chất chuẩn xác làm tài liệu tham khảo cho các dự án đánh giá môi trường công nghiệp.

Thứ ba, Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Khoa học Môi trường, Quản lý Tài nguyên và Công nghệ Thực phẩm. Luận văn là nguồn tư liệu học thuật phong phú với hệ thống 70 phiếu khảo sát sơ cấp, các phương pháp phân tích mẫu nước đạt chuẩn TCVN và đối sánh chi tiết theo QCVN 40:2011/BTNMT.

Thứ tư, Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và Sở Công Thương tại các địa phương. Báo cáo cung cấp luận cứ thực tiễn để các nhà hoạch định ban hành các chính sách khuyến khích doanh nghiệp vừa và nhỏ chuyển đổi sang mô hình kinh tế tuần hoàn và sản xuất ít phát thải.

Câu hỏi thường gặp

Hoạt động sản xuất bia tiêu tốn tài nguyên và phát sinh ô nhiễm hữu cơ bắt nguồn từ nguyên nhân nào? Nguyên nhân chủ yếu do chế biến bia cần nhiều nước cho các khâu nấu, làm lạnh, lên men và vệ sinh bao bì (tiêu hao từ 4 đến 10 lít nước cho mỗi lít bia). Quá trình đường hóa 150 kg nguyên liệu tạo ra lượng lớn bã malt, xác men và cặn hữu cơ hòa tan làm tăng vọt các chỉ số BOD5 và COD trong nước thải.

Hệ thống máy ly tâm thu hồi men bia mang lại hiệu quả kinh tế định lượng ra sao? Giải pháp đầu tư máy ly tâm có tỷ suất hoàn vốn nội tại IRR đạt 29%, vượt trội so với lãi suất chiết khấu chuẩn 15%, thời gian hoàn vốn ngắn chỉ 3,3 năm trên vòng đời máy 10 năm. Thiết bị giúp tận thu 24.000 lít bia mỗi quý, biến dòng thải lãng phí thành giá trị doanh thu thương mại rõ ràng.

Quy trình kiểm toán dòng thải tại Công ty Bia Hạ Long phát hiện bao nhiêu nguyên nhân gây tổn thất? Nghiên cứu đã bóc tách toàn diện 11 dòng thải phát sinh và chỉ rõ 14 nguyên nhân cốt lõi gây suy hao vật chất. Trong đó bao gồm 7 nguyên nhân khách quan do đặc tính lão hóa của dây chuyền công nghệ và 7 nguyên nhân chủ quan liên quan đến thao tác vận hành, bảo dưỡng nội vi của công nhân.

Nước thải chế biến bia sau xử lý cần đáp ứng những tiêu chuẩn môi trường bắt buộc nào? Nước thải sau xử lý của nhà máy phải đạt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT (cột B). Các thông số bắt buộc kiểm soát bao gồm nhiệt độ, độ pH, BOD5, COD, tổng chất rắn lơ lửng TSS, tổng nitơ, tổng phốt pho, hàm lượng amoni và mật độ vi sinh vật Coliform.

Doanh nghiệp đồ uống có thể áp dụng ngay những giải pháp quản lý nội vi nào với chi phí thấp? Doanh nghiệp có thể áp dụng 18 giải pháp quản lý nội vi đơn giản như: gắn vòi xịt tự ngắt để giảm 5% lượng nước vệ sinh, sửa chữa lớp bảo ôn đường ống để giảm thất thoát nhiệt 5-10%, tận thu 100% bã hèm bán cho ngành chăn nuôi và kiểm tra van khóa nhằm loại trừ triệt để hiện tượng rò rỉ bia.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định và định lượng chuẩn xác 11 dòng thải cùng 14 nguyên nhân thất thoát vật chất xuyên suốt 14 công đoạn chế biến tại Công ty Cổ phần Bia & Nước giải khát Hạ Long.
  • Hệ thống 22 giải pháp sản xuất sạch hơn được đề xuất toàn diện, bao gồm 18 giải pháp quản lý nội vi thực thi ngay và 4 giải pháp đổi mới kỹ thuật chuyên sâu.
  • Giải pháp lắp đặt máy ly tâm men khẳng định tính khả thi vượt trội với tỷ suất sinh lời IRR đạt 29%, thời gian hoàn vốn nhanh 3,3 năm và mang lại giá trị hiện tại ròng NPV dương.
  • Ứng dụng thành công công nghệ này giúp nhà máy thu hồi 24.000 lít bia/quý, giảm tương ứng 24.000 lít nước thải công nghiệp và cắt giảm 1,53 kg BOD5, 0,74 kg COD, 0,54 kg TSS mỗi quý.
  • Công trình đóng góp mô hình thực nghiệm tiêu biểu cho ngành công nghiệp đồ uống Việt Nam trong việc tích hợp hài hòa giữa lợi ích tối ưu hóa chi phí sản xuất và trách nhiệm bảo vệ môi trường.

Doanh nghiệp cần nhanh chóng hoàn thiện thủ tục đầu tư thiết bị ly tâm trong 6 tháng tới và triển khai hệ thống quản trị năng lượng nội vi toàn diện trong 12 tháng tiếp theo. Hãy liên hệ và tham khảo toàn văn công trình nghiên cứu để tiếp cận giải pháp chuyển đổi sản xuất sạch hơn cho doanh nghiệp của bạn ngay hôm nay.