Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất bia tại Việt Nam đã có sự phát triển vượt bậc trong những năm gần đây, với sản lượng tăng từ 1,38 tỷ lít năm 2005 lên 4,67 tỷ lít năm 2013, tương đương mức tăng 238,8%, cao nhất thế giới trong giai đoạn này. Công ty Bia - Rượu - Nước giải khát Hà Nội (HABECO) là một trong những đơn vị sản xuất bia lớn nhất Việt Nam, với sản lượng hiện đạt khoảng 100 triệu lít bia mỗi năm. Tuy nhiên, sự gia tăng sản lượng kéo theo lượng nước thải công nghiệp tăng lên đáng kể, từ 1200 m³/ngày đêm năm 2002 lên dự kiến khoảng 3000 m³/ngày đêm hiện nay.

Nước thải sản xuất bia chứa hàm lượng chất hữu cơ cao, với chỉ số BOD dao động từ 1000 đến 1500 mg/l, COD từ 1800 đến 3000 mg/l, cùng các chất rắn lơ lửng và các hợp chất dinh dưỡng như nitơ và photpho. Đặc biệt, tỷ lệ BOD/COD khoảng 0,6 - 0,7 cho thấy nước thải có khả năng phân hủy sinh học cao. Tuy nhiên, hệ thống xử lý nước thải hiện tại của HABECO với công suất 1200 m³/ngày đêm không còn đáp ứng được lưu lượng và chất lượng nước thải phát sinh, dẫn đến nguy cơ ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế cải tạo hệ thống xử lý nước thải của HABECO nhằm nâng công suất xử lý lên 3000 m³/ngày đêm, đảm bảo các chỉ tiêu ô nhiễm đạt quy chuẩn Việt Nam QCVN 40:2011/BTNMT, góp phần phát triển bền vững ngành sản xuất bia và bảo vệ môi trường tại khu vực Hà Nội. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống xử lý nước thải của HABECO tại trụ sở chính ở 183 Hoàng Hoa Thám, Ba Đình, Hà Nội, với dữ liệu thu thập từ năm 2010 đến 2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình xử lý nước thải sinh học, bao gồm:

  • Quy trình xử lý sinh học hiếu khí và yếm khí: Sử dụng vi sinh vật để phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước thải. Quá trình hiếu khí sử dụng oxy để oxy hóa chất hữu cơ, trong khi quá trình yếm khí chuyển hóa chất hữu cơ thành khí metan và cacbonic trong điều kiện không có oxy.

  • Mô hình bể phản ứng UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket): Bể yếm khí hiệu quả cao trong xử lý nước thải có nồng độ hữu cơ cao, tạo khí sinh học (biogas) có thể tận dụng làm năng lượng.

  • Mô hình bể MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor): Bể xử lý sinh học hiếu khí sử dụng giá thể di động để tăng diện tích bám dính vi sinh vật, nâng cao hiệu quả xử lý các chất hữu cơ và các hợp chất dinh dưỡng như nitơ, photpho.

Các khái niệm chính bao gồm: BOD (Biochemical Oxygen Demand), COD (Chemical Oxygen Demand), SS (Suspended Solids), quá trình nitrat hóa - khử nitrat, và các chỉ tiêu môi trường theo QCVN 40:2011/BTNMT.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực tế từ hệ thống xử lý nước thải của HABECO, các báo cáo quan trắc môi trường, tài liệu chuyên ngành về công nghệ sản xuất bia và xử lý nước thải, cùng ý kiến chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật môi trường.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích thành phần và tải lượng ô nhiễm trong nước thải, đánh giá hiệu suất hệ thống xử lý hiện tại, so sánh với các quy chuẩn môi trường hiện hành. Sử dụng phương pháp thống kê mô tả và so sánh để đánh giá hiệu quả xử lý.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2010 đến 2017, bao gồm thu thập số liệu, phân tích hiện trạng, thiết kế phương án cải tạo và đánh giá kinh tế kỹ thuật.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Số liệu được thu thập từ các điểm lấy mẫu nước thải tại các công đoạn sản xuất bia và hệ thống xử lý nước thải của HABECO, đảm bảo tính đại diện cho toàn bộ lưu lượng nước thải.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tăng lưu lượng nước thải vượt công suất thiết kế: Lưu lượng nước thải hiện tại khoảng 3000 m³/ngày đêm, gấp 2,5 lần công suất thiết kế ban đầu 1200 m³/ngày đêm. Điều này dẫn đến quá tải hệ thống xử lý hiện tại, làm giảm hiệu quả xử lý.

  2. Chỉ số ô nhiễm vượt quy chuẩn: Nồng độ BOD trong nước thải đầu vào khoảng 1500 mg/l, sau xử lý bằng bể MBBR đạt khoảng 150 mg/l, vẫn cao gấp 3 lần giới hạn cho phép theo QCVN 40:2011/BTNMT (50 mg/l). Chỉ số SS cũng vượt mức cho phép gấp 10 lần.

  3. Hiệu quả xử lý của các công trình đơn vị: Bể UASB có khả năng giảm COD từ 2500 mg/l xuống còn khoảng 500 mg/l với hiệu suất 75-85%. Bể MBBR tiếp tục xử lý COD còn lại và BOD, đạt hiệu suất xử lý 80-90%. Tuy nhiên, hệ thống hiện tại thiếu bể lắng II và bể khử trùng hiệu quả, ảnh hưởng đến chất lượng nước thải đầu ra.

  4. Phương án cải tạo ưu tiên sử dụng kết hợp UASB và MBBR: Phương án 2 đề xuất bổ sung bể UASB trước bể MBBR, kết hợp bể lắng II và bể khử trùng bằng clo, giúp nâng công suất xử lý lên 3000 m³/ngày đêm và đảm bảo chất lượng nước thải đạt quy chuẩn. Phương án này tận dụng được hệ thống MBBR hiện có, giảm chi phí đầu tư và thuận lợi trong vận hành.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc hệ thống xử lý hiện tại không đáp ứng được là do sự gia tăng đột biến lưu lượng nước thải và tải lượng chất ô nhiễm vượt thiết kế ban đầu. Việc chỉ sử dụng bể MBBR không đủ để xử lý hiệu quả các chất hữu cơ và các hợp chất dinh dưỡng trong nước thải có nồng độ cao.

So sánh với các nghiên cứu và hệ thống xử lý nước thải ngành bia tại các nhà máy khác như Sài Gòn và Kim Bài, việc áp dụng bể UASB kết hợp với bể MBBR đã được chứng minh là hiệu quả trong xử lý nước thải có tải lượng hữu cơ cao, đồng thời tạo ra khí sinh học có thể tận dụng làm năng lượng, giảm chi phí vận hành.

Việc bổ sung bể lắng II và bể khử trùng giúp loại bỏ các chất rắn lơ lửng còn lại và đảm bảo nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn môi trường, giảm thiểu tác động tiêu cực đến nguồn tiếp nhận. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh nồng độ BOD, COD trước và sau xử lý, cũng như bảng tổng hợp hiệu suất xử lý từng công trình đơn vị.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng bể UASB công suất 3000 m³/ngày đêm: Áp dụng công nghệ xử lý yếm khí để giảm tải lượng hữu cơ đầu vào, tạo khí sinh học phục vụ sản xuất. Thời gian thực hiện dự kiến 12-18 tháng, do phòng kỹ thuật và nhà thầu thi công đảm nhận.

  2. Nâng cấp bể MBBR hiện có: Tăng diện tích giá thể và cải tiến hệ thống cấp khí để nâng cao hiệu quả xử lý hiếu khí, xử lý các hợp chất hữu cơ còn lại và các chất dinh dưỡng. Thời gian thực hiện 6-9 tháng, do đội vận hành và bảo trì thực hiện.

  3. Xây dựng bể lắng II và bể khử trùng bằng clo: Đảm bảo loại bỏ hoàn toàn các chất rắn lơ lửng và vi sinh vật gây hại trước khi thải ra môi trường. Thời gian thực hiện 6 tháng, phối hợp giữa phòng kỹ thuật và nhà thầu.

  4. Tăng cường giám sát và quản lý vận hành hệ thống: Thiết lập hệ thống quan trắc tự động các chỉ tiêu môi trường, đào tạo nhân viên vận hành để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. Thời gian triển khai liên tục, do phòng môi trường và vận hành chịu trách nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư môi trường và chuyên gia xử lý nước thải công nghiệp: Nghiên cứu cung cấp giải pháp thiết kế và cải tạo hệ thống xử lý nước thải ngành bia, áp dụng công nghệ UASB và MBBR hiệu quả.

  2. Doanh nghiệp sản xuất bia và nước giải khát: Tham khảo để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí vận hành.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Hiểu rõ đặc điểm nước thải ngành bia, đánh giá tác động môi trường và xây dựng các quy chuẩn, chính sách phù hợp.

  4. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật môi trường: Tài liệu tham khảo thực tiễn về công nghệ xử lý nước thải công nghiệp, phương pháp nghiên cứu và thiết kế hệ thống xử lý.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần cải tạo hệ thống xử lý nước thải của HABECO?
    Do sản lượng bia tăng gấp đôi, lưu lượng nước thải tăng lên 3000 m³/ngày đêm, vượt công suất thiết kế ban đầu 1200 m³/ngày đêm, gây quá tải và giảm hiệu quả xử lý, dẫn đến ô nhiễm môi trường.

  2. Công nghệ UASB có ưu điểm gì trong xử lý nước thải ngành bia?
    UASB xử lý hiệu quả nước thải có nồng độ hữu cơ cao, tạo khí sinh học (biogas) có thể tận dụng làm năng lượng, giảm lượng bùn thải và tiêu thụ ít năng lượng so với phương pháp hiếu khí.

  3. Tại sao kết hợp UASB và MBBR là phương án tối ưu?
    UASB xử lý giai đoạn yếm khí giảm tải lượng hữu cơ lớn, MBBR xử lý tiếp giai đoạn hiếu khí để loại bỏ các chất hữu cơ còn lại và dinh dưỡng, đảm bảo nước thải đạt chuẩn trước khi thải ra môi trường.

  4. Làm thế nào để đảm bảo hệ thống xử lý hoạt động ổn định?
    Cần tăng cường giám sát tự động các chỉ tiêu môi trường, đào tạo nhân viên vận hành, bảo trì định kỳ thiết bị và điều chỉnh quy trình xử lý phù hợp với biến động lưu lượng và chất lượng nước thải.

  5. Khí sinh học tạo ra từ bể UASB được sử dụng như thế nào?
    Khí metan sinh ra có thể được thu hồi và sử dụng làm nhiên liệu cho lò hơi hoặc các thiết bị sản xuất trong nhà máy, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành.

Kết luận

  • Hệ thống xử lý nước thải hiện tại của HABECO không đáp ứng được lưu lượng và chất lượng nước thải phát sinh do sản lượng bia tăng cao.
  • Nước thải ngành bia có đặc tính hữu cơ cao, phù hợp với công nghệ xử lý sinh học yếm khí kết hợp hiếu khí.
  • Phương án cải tạo kết hợp bể UASB và MBBR, bổ sung bể lắng II và bể khử trùng là giải pháp hiệu quả, kinh tế và khả thi.
  • Việc tận dụng khí sinh học từ bể UASB góp phần giảm chi phí năng lượng và tăng tính bền vững cho nhà máy.
  • Khuyến nghị triển khai cải tạo trong vòng 12-18 tháng, đồng thời tăng cường quản lý vận hành và giám sát môi trường để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

Luận văn này cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật quan trọng cho việc nâng cao hiệu quả xử lý nước thải trong ngành sản xuất bia, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành công nghiệp này. Đề nghị các đơn vị liên quan nghiên cứu và áp dụng để đạt được mục tiêu phát triển xanh và sạch.