Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất bia tại Việt Nam ghi nhận tốc độ tăng trưởng ấn tượng từ 11% đến 15% mỗi năm, đạt sản lượng 2,59 tỷ lít vào năm 2010 và vượt mốc 2,63 tỷ lít vào năm 2011. Với quy mô khoảng 350 cơ sở sản xuất phân bố trên toàn quốc, ngành đồ uống đóng góp nguồn thu ngân sách rất lớn nhưng đồng thời tạo ra áp lực ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Trung bình, quy trình sản xuất thải ra lượng nước thải gấp 8 đến 14 lần thể tích bia thành phẩm, tương đương 8 đến 14 mét khối nước thải cho mỗi mét khối bia xuất xưởng. Nước thải ngành bia mang đặc thù ô nhiễm hữu cơ rất cao, với nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5) dao động từ 2.000 đến 3.000 mg/l và nhu cầu oxy hóa học (COD) lên tới 4.000 đến 5.000 mg/l, vượt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT nhiều lần.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm xuất phát từ thực trạng phần lớn các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ chưa đầu tư hệ thống xử lý hoàn chỉnh hoặc vận hành kém hiệu quả, xả trực tiếp gây phú dưỡng hóa nguồn nước mặt và suy thoái tầng nước ngầm tại nhiều địa phương. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Khoa học Môi trường của tác giả Nguyễn Tú Oanh, dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Ngô Thị Lan Phương tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, tập trung đánh giá hiệu quả xử lý nước thải tại các đơn vị điển hình gồm Nhà máy Bia Hà Nội – Hải Phòng, Nhà máy Bia Sài Gòn – Phú Thọ, Công ty Bia Việt Hà và Nhà máy Đồ uống NADA Nam Định trong giai đoạn 2010 đến 2014. Mục tiêu cốt lõi của đề tài là làm rõ hiện trạng công nghệ, phân tích đặc tính dòng thải và đề xuất mô hình xử lý tối ưu, giúp giảm thiểu 85% đến 95% tải lượng ô nhiễm, tiết kiệm 20% lượng nước cấp qua tuần hoàn và nâng cao hiệu quả kinh tế - môi trường cho doanh nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng lý thuyết xử lý nước thải sinh học và lý thuyết cân bằng vật chất trong quy trình sản xuất sạch hơn. Trong đó, lý thuyết phân hủy kỵ khí đóng vai trò chủ đạo, giải thích cơ chế chuyển hóa hợp chất hữu cơ cao phân tử qua hai pha axit hóa và kiềm hóa để tạo thành khí metan chiếm từ 75% đến 80% thể tích sinh khí. Tiếp đó, lý thuyết oxy hóa sinh hóa hiếu khí làm sáng tỏ quá trình vi sinh vật sử dụng oxy hòa tan để khoáng hóa triệt để cacbon, nitơ và photpho thành các chất vô cơ bền vững.

Mô hình nghiên cứu tích hợp chuỗi quá trình cơ học, hóa lý và sinh học nhiều bậc nhằm tối ưu hóa hiệu quả làm sạch. Bốn khái niệm chuyên ngành then chốt được chuẩn hóa bao gồm:

  • Tải trọng thể tích hữu cơ xác định mức độ chịu tải của công trình sinh học, đạt giá trị tối ưu từ 6 đến 15 kg COD/m3.ngày đối với bể xử lý kỵ khí dòng chảy ngược.
  • Tỷ lệ dinh dưỡng tối ưu BOD:N:P trong nước thải bia, ghi nhận thực tế ở mức 75:1 đối với nitơ và 310:1 đối với photpho, làm căn cứ bổ sung vi chất cho bùn hoạt tính.
  • Quá trình keo tụ tạo bông hóa lý nhằm loại bỏ các hạt huyền phù và chất keo kích thước từ 1 đến 100 micromet trước khi qua xử lý sinh học.
  • Bể phản ứng sinh học theo mẻ SBR hoạt động qua chu kỳ 4 pha nghiêm ngặt gồm nạp nước, phản ứng, lắng và xả nước, thích hợp cho các trạm xử lý có diện tích mặt bằng hạn chế.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tiến hành khảo sát thực nghiệm trên cỡ mẫu gồm 4 nhà máy bia đại diện cho các vùng địa lý, công nghệ thiết bị và quy mô công suất từ dưới 100 m3/ngày đến trên 3.000 m3/ngày tại khu vực phía Bắc: Nhà máy Bia Hà Nội – Hải Phòng, Nhà máy Bia Sài Gòn – Phú Thọ, Công ty Bia Việt Hà và Nhà máy Bia NADA Nam Định. Phương pháp chọn mẫu phi xác suất có chủ đích được áp dụng nhằm bao quát đầy đủ 3 nhóm hình thức tổ chức sản xuất: doanh nghiệp thuộc tổng công ty nhà nước, nhà máy địa phương và đơn vị liên doanh quốc tế.

Nguồn dữ liệu sơ cấp được thu thập trực tiếp thông qua việc lấy mẫu nước thải tại các phân xưởng nấu, lên men, rửa chai và đầu ra sau hệ thống xử lý trong các đợt quan trắc định kỳ từ năm 2011 đến năm 2014. Dữ liệu thứ cấp tổng hợp từ các báo cáo đánh giá tác động môi trường, nhật ký vận hành kỹ thuật và niên giám thống kê của ngành đồ uống. Phương pháp phân tích hóa lý tiêu chuẩn APHA được lựa chọn để xác định chính xác các chỉ tiêu pH, COD, BOD5, TSS, Tổng Nitơ và Tổng Photpho, bởi phương pháp này mang lại độ lặp lại cao, triệt tiêu sai số nền và tương thích tuyệt đối với ma trận hữu cơ đậm đặc của nước thải sản xuất bia.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Khảo sát thực nghiệm và phân tích dữ liệu quan trắc tại các nhà máy đã mang lại 4 phát hiện trọng tâm về đặc tính dòng thải và hiệu suất công nghệ:

Thứ nhất, nước thải đầu vào mang tải lượng ô nhiễm hữu cơ và độ kiềm rất cao. Tại Nhà máy Bia Việt Hà và Bia Sài Gòn – Phú Thọ, giá trị COD đầu vào dao động từ 1.800 đến 4.500 mg/l, BOD5 từ 1.000 đến 2.600 mg/l, trong khi nước rửa chai sử dụng dung dịch xút nồng độ 1% đến 3% NaOH làm pH nước thải tổng hợp tăng vọt lên mức 9,5 đến 11,0.

Thứ hai, hiệu quả xử lý có sự phân hóa rõ rệt giữa các mô hình công nghệ. Trạm xử lý tích hợp bể kỵ khí UASB kết hợp bể hiếu khí Aerotank tại Bia Sài Gòn – Phú Thọ đạt hiệu suất khử COD lên đến 92% và khử BOD5 đạt 94%, đưa nồng độ COD sau xử lý xuống dưới 80 mg/l. Ngược lại, các cơ sở chỉ áp dụng công nghệ lắng cơ học hoặc hồ sinh học đơn giản chỉ đạt hiệu suất loại bỏ COD khiêm tốn từ 45% đến 60%.

Thứ ba, sự phân bố tải lượng ô nhiễm không đồng đều giữa các công đoạn. Phân xưởng nấu và lên men chỉ chiếm 25% đến 30% tổng lưu lượng nước thải nhưng đóng góp tới 70% tổng tải lượng COD phát sinh của toàn bộ nhà máy.

Thứ tư, nước làm mát gián tiếp chiếm tỷ trọng từ 35% đến 40% tổng lượng nước cấp nhưng hầu như không bị ô nhiễm chất hữu cơ, với hàm lượng COD đo được luôn dưới mức 20 mg/l, hoàn toàn đủ điều kiện để thu hồi và tái sử dụng tuần hoàn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tạo nên nồng độ chất hữu cơ cực cao trong nước thải bia bắt nguồn từ sự hiện diện của bã malt, tinh bột gạo không tan, dịch đường sót lại và xác nấm men Saccharomyces rơi vãi trong quá trình lên men và lọc bia. Khi đối chiếu với các nghiên cứu tại Bỉ và Úc, nước thải của các nhà máy nội địa Việt Nam có nồng độ COD cao hơn từ 15% đến 25% do định mức tiêu hao nguyên vật liệu trên đơn vị sản phẩm còn lớn và công nghệ thu hồi men thừa chưa triệt để.

Về phương diện trực quan hóa, toàn bộ tập dữ liệu quan trắc đầu vào và đầu ra có thể được biểu diễn sinh động thông qua biểu đồ cột chồng so sánh nồng độ COD, BOD5, SS giữa 4 nhà máy nghiên cứu trước và sau xử lý. Song song đó, một bảng ma trận cân bằng dòng vật chất có thể mô tả chi tiết lưu lượng nước cấp, lượng nước thải công nghệ và tải lượng ô nhiễm phân bổ theo từng công đoạn từ xay nghiền, ngâm nấu, lên men đến chiết rót. Sự kết hợp giữa biểu đồ cột và bảng số liệu phân luồng dòng thải giúp các kỹ sư môi trường nhận diện trực quan điểm nghẽn ô nhiễm, khẳng định rằng giải pháp kết hợp kỵ khí UASB chịu tải 9 đến 15 kg COD/m3.ngày với bể bùn hoạt tính hiếu khí là cấu hình tối ưu nhất để đảm bảo nước thải sau xử lý đạt chuẩn xả thải loại A theo quy chuẩn hiện hành.

Đề xuất và khuyến nghị

Trên cơ sở phân tích thực trạng công nghệ và dòng thải, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp chiến lược nhằm tối ưu hóa công tác bảo vệ môi trường trong ngành sản xuất bia:

  1. Triển khai phân luồng triệt để 4 dòng thải nội vi nhà máy: Ban giám đốc và bộ phận kỹ thuật môi trường tại các nhà máy cần tái cấu trúc mạng lưới đường ống thu gom riêng biệt cho 4 dòng thải gồm nước làm mát tuần hoàn, nước thải sinh hoạt, nước thải công nghệ nồng độ cao và nước mưa chảy tràn. Mục tiêu giảm 30% đến 40% thể tích nước thải cần đưa vào trạm xử lý tập trung, thực hiện hoàn thành trong vòng 6 đến 9 tháng kể từ khi phê duyệt phương án.

  2. Nâng cấp trạm xử lý bằng module kết hợp UASB và Aerotank cải tiến: Đội ngũ kỹ sư vận hành tiến hành bổ sung bể lọc kỵ khí dòng chảy ngược UASB với tải trọng thiết kế 9 đến 12 kg COD/m3.ngày kết hợp thiết bị sục khí vi bọt tại bể hiếu khí. Giải pháp hướng tới chỉ tiêu đạt hiệu suất khử COD trên 95%, BOD5 trên 96% và giảm 50% chi phí điện năng tiêu thụ, áp dụng trong lộ trình từ 12 đến 18 tháng.

  3. Thu hồi và tái sinh 100% bã hèm, men thải làm thức ăn chăn nuôi: Phòng quản trị sản xuất phối hợp phân xưởng nấu lắp đặt thiết bị ép lọc khung bản để tách triệt để pha rắn hữu cơ trước khi xả nước rửa vào cống gom, giảm ngay 60% tải lượng COD đầu vào hệ thống xử lý, triển khai liên tục trong suốt chu kỳ vận hành hàng năm.

  4. Tăng cường giám sát tự động và trung hòa pH nước rửa chai: Ban lãnh đạo doanh nghiệp đầu tư trạm quan trắc tự động liên tục đo pH, DO, COD và lưu lượng tại cửa xả, kết hợp bể điều hòa có hệ thống châm axit tự động nhằm duy trì độ pH ổn định từ 6,5 đến 7,5 trước khi đưa vào bể sinh học, hoàn tất lắp đặt trong vòng 3 đến 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc, là tài liệu tham khảo đắc lực cho 4 nhóm đối tượng sau:

  1. Ban quản lý và kỹ sư vận hành tại hơn 350 nhà máy sản xuất đồ uống: Cung cấp thông số vận hành thực tế của bể UASB và SBR, giúp giảm từ 15% đến 25% chi phí năng lượng xử lý bùn và nước thải, đồng thời tránh rủi ro bị xử phạt vi phạm hành chính về môi trường.

  2. Các đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu công nghệ môi trường: Ứng dụng nguồn dữ liệu thiết kế tải trọng hữu cơ từ 6 đến 15 kg COD/m3.ngày và mô hình cân bằng dòng thải để lập dự toán, thiết kế hệ thống module xử lý nước thải công nghiệp thực phẩm với độ tin cậy cao.

  3. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường: Sử dụng các phát hiện về tải lượng ô nhiễm thực tế và hệ số phát thải từ 8 đến 14 m3 nước thải/m3 sản phẩm để thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường và cấp giấy phép môi trường chuẩn xác.

  4. Học viên cao học, giảng viên và sinh viên ngành Môi trường: Khai thác phương pháp luận đánh giá chuỗi công nghệ, kỹ thuật phân tích chất nền hữu cơ theo tiêu chuẩn APHA và ma trận dữ liệu quan trắc phục vụ các đề tài nghiên cứu chuyên sâu về sản xuất sạch hơn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vì sao nước thải ngành sản xuất bia lại có hàm lượng COD và BOD5 rất cao? Nước thải bia phát sinh lượng lớn hợp chất hữu cơ hòa tan từ malt đại mạch, đường và protein dư thừa trong công đoạn nấu, cùng xác nấm men Saccharomyces rửa trôi khi lọc. Dữ liệu thực tế cho thấy nồng độ COD thường chạm mức 4.000 đến 5.000 mg/l và BOD5 đạt 2.000 đến 3.000 mg/l, đòi hỏi quá trình xử lý sinh học chuyên sâu.

  2. Tại sao công nghệ kỵ khí UASB lại được ưu tiên lựa chọn cho nước thải bia? Bể UASB xử lý tối ưu dòng nước thải có nồng độ ô nhiễm hữu cơ đậm đặc với tải trọng cao từ 9 đến 15 kg COD/m3.ngày. Công nghệ này đạt hiệu suất khử COD từ 70% đến 85%, sinh ra lượng bùn dư rất thấp và tạo ra khí metan chiếm 75% đến 80% thể tích, mang lại giá trị tái sinh năng lượng.

  3. Biện pháp phân luồng dòng thải đem lại lợi ích kinh tế gì cho doanh nghiệp? Phân luồng giúp tách riêng 35% đến 40% lượng nước làm mát sạch để tái tuần hoàn trực tiếp, không đưa qua trạm xử lý. Giải pháp này giúp cắt giảm 30% quy mô dung tích bể xử lý, hạ định mức nước cấp xuống còn 8 m3/m3 bia và tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí hóa chất mỗi năm.

  4. Nước thải rửa chai có tính chất gì đặc biệt và cần xử lý ra sao? Nước rửa chai có độ kiềm cao với pH từ 9,5 đến 11,0 do sử dụng dung dịch NaOH 1% đến 3% để tẩy rửa nhãn và cặn bẩn. Nguồn thải này bắt buộc phải qua bể điều hòa thu gom chung và trung hòa pH về khoảng 6,8 đến 7,5 để bảo vệ hệ vi sinh vật trong các công trình xử lý sinh học phía sau.

  5. Hệ thống bể SBR có ưu điểm gì so với bể Aerotank truyền thống trong ngành bia? Bể SBR tích hợp quá trình phản ứng hiếu khí và lắng bùn trong cùng một đơn vị công trình qua chu kỳ 4 pha nghiêm ngặt, giúp giảm 30% diện tích xây dựng mặt bằng. Mô hình này rất phù hợp với các nhà máy quy mô nhỏ công suất dưới 300 m3/ngày nhờ khả năng vận hành linh hoạt theo mẻ.

Kết luận

Tổng kết toàn bộ công trình nghiên cứu về hiện trạng và công nghệ xử lý nước thải ngành sản xuất bia:

  • Khẳng định nước thải bia có tải lượng hữu cơ cực cao với COD lên tới 5.000 mg/l và lưu lượng xả thải gấp 8 đến 14 lần thể tích bia thành phẩm.
  • Chỉ ra 70% tải lượng ô nhiễm hữu cơ tập trung chủ yếu tại hai công đoạn nấu dịch đường và lên men.
  • Chứng minh mô hình tích hợp bể kỵ khí UASB và hiếu khí Aerotank đạt hiệu suất khử COD vượt trội trên 92%.
  • Đề xuất giải pháp phân luồng 4 dòng thải giúp tái sử dụng 35% lượng nước làm mát và tối ưu hóa chi phí đầu tư.
  • Xác lập bộ thông số kỹ thuật chuẩn xác theo tiêu chuẩn APHA làm cơ sở thiết kế và nâng cấp hệ thống xử lý cho 350 cơ sở bia toàn quốc.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là cung cấp giải pháp công nghệ toàn diện kết hợp giữa sản xuất sạch hơn và xử lý cuối đường ống. Kế hoạch hành động tiếp theo cần tập trung thí nghiệm mô hình pilot trong vòng 6 tháng và tiến tới thương mại hóa công nghệ trong 12 tháng tới. Các doanh nghiệp đồ uống và kỹ sư môi trường hãy áp dụng ngay các khuyến nghị từ luận văn để chuyển đổi xanh và đạt chuẩn xả thải bền vững.