Tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia công suất 3000 m3/ngày đêm

Ngành công nghiệp sản xuất bia đang phát triển mạnh mẽ, kéo theo đó là sự gia tăng lượng nước thải phát… 102 trang · Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng · 2012.

• Tác giả: Ngô Thị Nguyệt Ánh
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Hồng Côn
• Trường học: Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường
• Đề tài: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Xử Lý Nước Thải Nhà Máy Bia Công Suất 3000 m3/ngày
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• Lời mở đầu
• 1. Chương 1: Tổng quan
• 1.1. Sự ra đời của ngành bia và phân loại các kiểu bia
• 1.1.1. Sự ra đời của ngành bia
• 1.1.2. Phân loại bia
• 1.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ của ngành bia trên thế giới và Việt Nam
• 1.2.1. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bia trên thế giới
• 1.2.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bia ở Việt Nam
• 1.3. Công nghệ sản xuất bia
• 1.3.1. Các phương pháp sản xuất bia
• 1.3.1.1. Phương pháp lên men truyền thống
• 1.3.1.2. Phương pháp lên men hiện đại
• 1.3.2. Thành phần các chất có trong bia thành phẩm
• 1.3.3. Nguyên liệu, phụ liệu sử dụng cho sản xuất bia
• 1.3.3.1. Nguyên liệu chính trong chế tác bia
• 1.3.3.2. Các chất phụ gia trong công nghệ sản xuất bia
• 1.3.4. Năng lượng trong quy trình sản xuất bia
• 1.3.5. Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất bia
• 1.4. Các chất thải phát sinh trong quá trình sản xuất bia
• 1.4.1. Chất thải rắn
• 1.4.2. Nguồn gốc phát sinh nước thải trong quy trình sản xuất bia
• 1.4.3. Đặc tính và tải lượng của nước thải phát sinh trong quy trình sản xuất bia
• 2. Chương 2: Các phương pháp xử lý nước thải
• 2.1. Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải
• 2.1.1. Phương pháp xử lý cơ học
• 2.1.2. Phương pháp xử lý hóa-lý
• 2.1.3. Phương pháp xử lý sinh học
• 2.2. Một vài phương pháp ứng dụng trong xử lý nước thải bia
• 2.3. Bể điều hòa
• 2.4. Bể tuyển nổi
• 2.5. Bể khử trùng
• 3. Chương 3: Đề xuất và lựa chọn phương án xử lý nước thải sản xuất bia
• 3.1. Cơ sở lựa chọn quy trình xử lý nước thải sản xuất bia
• 3.2. Đặc trưng nước thải của cơ sở lựa chọn thiết kế và phân tích lựa chọn công nghệ xử lý
• 3.2.1. Phân tích đặc trưng nước thải để lựa chọn công nghệ thiết kế
• 3.3. Phương án thiết kế 1
• 3.3.1. Thuyết minh hệ thống
• 3.4. Phương án thiết kế 2
• 3.4.1. Thuyết minh hệ thống
• 3.5. Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế
• 3.5.1. Phân tích các phương án thiết kế
• 3.5.2. Lựa chọn phương án thiết kế
• 4. Chương 4: Tính toán một số công trình đơn vị trong hệ thống xử lý nước thải sản xuất bia
• 4.1. Nước thải đầu vào có các đặc trưng
• 4.2. Song chắn rác thô
• 4.3. Hầm tiếp nhận
• 4.4. Song chắn rác tinh
• 4.5. Bể tuyển nổi
• 4.5.1. Tính toán thiết kế
• 4.6. Nhiệm vụ của bể
• 4.7. Tính toán bể
• 4.8. Nhiệm vụ của bể
• 4.9. Tính toán bể
• 4.10. Nhiệm vụ bể lắng
• 4.11. Tính toán bể lắng
• 4.12. Mương khử trùng
• 4.12.1. Nhiệm vụ
• 5. Chương 5: Tính toán kinh tế
• 5.1. Chi phí đầu tư xây dựng
• 5.1.1. Chi phí xây dựng công trình
• 5.1.2. Chi phí thiết bị
• 5.2. Chi phí vận hành hệ thống xử lý nước thải
• 5.2.1. Chi phí hóa chất sử dụng
• 5.2.2. Chi phí điện
• 5.2.3. Chi phí nhân công
• 5.2.4. Chi phí bảo dưỡng máy móc thiết bị
• 5.3. Giá thành xử lý 1 m3 nước thải
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia

Ngành công nghiệp sản xuất bia đang phát triển mạnh mẽ, kéo theo đó là sự gia tăng lượng nước thải phát sinh. Việc thiết kế một hệ thống xử lý nước thải hiệu quả cho nhà máy bia có công suất 3000 m3/ngày là rất cần thiết. Hệ thống này không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn nước thải hiện hành.

1.1. Đặc điểm nước thải từ nhà máy bia

Nước thải từ nhà máy bia thường chứa nhiều chất hữu cơ và vi sinh vật. Đặc điểm này đòi hỏi các phương pháp xử lý phù hợp để giảm thiểu ô nhiễm. Các thành phần chính trong nước thải bao gồm tinh bột, đường, và các chất phụ gia khác.

1.2. Tầm quan trọng của hệ thống xử lý nước thải

Hệ thống xử lý nước thải không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tái sử dụng nước, tiết kiệm chi phí cho nhà máy. Việc này góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao hình ảnh của doanh nghiệp trong mắt cộng đồng.

II. Các thách thức trong thiết kế hệ thống xử lý nước thải

Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy bia gặp nhiều thách thức. Các vấn đề như công suất xử lý không đủ, công nghệ lạc hậu, và chi phí đầu tư cao là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Công suất xử lý không đảm bảo

Nhiều nhà máy bia hiện nay chưa có hệ thống xử lý nước thải đạt yêu cầu. Điều này dẫn đến việc xả thải trực tiếp ra môi trường, gây ô nhiễm nghiêm trọng.

2.2. Công nghệ xử lý lạc hậu

Nhiều nhà máy vẫn sử dụng công nghệ xử lý cũ, không hiệu quả. Việc cập nhật công nghệ mới là cần thiết để nâng cao hiệu suất xử lý và giảm thiểu chi phí vận hành.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống xử lý nước thải hiệu quả

Để thiết kế một hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy bia, cần áp dụng các phương pháp hiện đại và hiệu quả. Các phương pháp này bao gồm xử lý cơ học, hóa lý và sinh học.

3.1. Phương pháp xử lý cơ học

Xử lý cơ học là bước đầu tiên trong quy trình xử lý nước thải. Phương pháp này giúp loại bỏ các chất rắn lơ lửng và giảm tải cho các bước xử lý tiếp theo.

3.2. Phương pháp xử lý sinh học

Xử lý sinh học sử dụng vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải. Đây là phương pháp hiệu quả và thân thiện với môi trường, giúp giảm thiểu ô nhiễm.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống xử lý nước thải

Hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy bia không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn mang lại lợi ích kinh tế. Việc tái sử dụng nước thải đã qua xử lý có thể giảm chi phí sản xuất cho nhà máy.

4.1. Tái sử dụng nước thải

Nước thải sau khi xử lý có thể được tái sử dụng cho các mục đích không tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm, như tưới cây hoặc làm mát thiết bị.

4.2. Giảm chi phí sản xuất

Việc sử dụng nước tái chế giúp giảm chi phí mua nước sạch, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế cho nhà máy.

V. Kết luận về thiết kế hệ thống xử lý nước thải

Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy bia là một nhiệm vụ quan trọng và cần thiết. Việc áp dụng các công nghệ hiện đại sẽ giúp nâng cao hiệu quả xử lý và bảo vệ môi trường.

5.1. Tương lai của hệ thống xử lý nước thải

Với sự phát triển của công nghệ, hệ thống xử lý nước thải sẽ ngày càng hiệu quả hơn. Các giải pháp mới sẽ giúp giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ nguồn nước.

5.2. Khuyến nghị cho các nhà máy bia

Các nhà máy bia cần đầu tư vào hệ thống xử lý nước thải hiện đại và tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường để đảm bảo phát triển bền vững.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất bia là một trong những ngành công nghiệp thực phẩm - đồ uống có tốc độ tăng trưởng cao và đóng góp nguồn thu ngân sách đáng kể tại Việt Nam cũng như trên thế giới. Theo số liệu thống kê trong tài liệu, giai đoạn những năm 2000, tốc độ tăng trưởng bình quân của ngành bia Việt Nam đạt 14,9%/năm; riêng năm 2003 sản lượng đạt 1.290 triệu lít, tiêu thụ bình quân đầu người đạt 16 lít/năm và đóng góp vào ngân sách nhà nước khoảng 3.650 tỷ đồng. Cả nước có khoảng 350 cơ sở sản xuất bia, trong đó có nhiều đơn vị quy mô lớn như SABECO (công suất năm 2006 đạt 600 triệu lít/năm), VBL (400 triệu lít/năm) và HABECO (trên 200 triệu lít/năm).

Cùng với sự gia tăng sản lượng, hoạt động sản xuất bia làm phát sinh một lượng lớn chất thải vào môi trường, trong đó nước thải là vấn đề ô nhiễm trọng tâm. Định mức tiêu thụ nước cho sản xuất bia dao động từ 4 đến 10 $hl$ nước trên 1 $hl$ bia thành phẩm ($1\text{ }hl = 100\text{ lít}$). Nước thải phát sinh từ nhiều công đoạn khác nhau như lọc bã hèm, lọc dịch đường, súc rửa thiết bị, rửa chai bằng dung dịch kiềm nóng ($1\text{ - }3%\text{ NaOH}$) và nước thải sinh hoạt của cán bộ công nhân viên. Dòng thải này mang hàm lượng chất hữu cơ cao, nồng độ chất rắn lơ lửng lớn và độ pH biến thiên mạnh. Một số nhà máy chưa xây dựng hoàn thiện hệ thống xử lý, công suất không đồng bộ hoặc chất lượng nước sau xử lý chưa đạt tiêu chuẩn đã gây ô nhiễm nguồn tiếp nhận và ảnh hưởng đến đời sống dân cư. Do đó, việc thiết kế một trạm xử lý nước thải hoàn chỉnh, đạt chuẩn xả thải là yêu cầu cấp thiết.

Khóa luận tốt nghiệp tập trung giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu sau:

1. Khảo sát tổng quan về ngành sản xuất bia, quy trình công nghệ, nguyên phụ liệu sử dụng và định lượng các nguồn phát sinh chất thải (khí thải, chất thải rắn, nước thải).
2. Phân tích thành phần, đặc tính ô nhiễm của nước thải sản xuất bia để làm cơ sở tính toán công nghệ.
3. Tổng quan và đánh giá các phương pháp xử lý nước thải (cơ học, hóa lý, sinh học), từ đó đề xuất hai phương án công nghệ và lựa chọn phương án xử lý tối ưu.
4. Tính toán thiết kế chi tiết kích thước, thông số thủy lực và kỹ thuật của từng công trình đơn vị trong hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia công suất $3000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$.
5. Tính toán kinh tế sơ bộ bao gồm chi phí đầu tư xây dựng công trình, chi phí mua sắm thiết bị và chi phí vận hành thường niên để xác định giá thành xử lý $1\text{ m}^3$ nước thải.

Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thu gom và xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia với công suất thiết kế $3000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$.

Phạm vi nghiên cứu:

• Không gian: Trạm xử lý nước thải tập trung của nhà máy bia.
• Thời gian và căn cứ kỹ thuật: Khóa luận được thực hiện năm 2012, áp dụng Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 51:2008 (Thoát nước - Mạng lưới và công trình bên ngoài) và đối chiếu chất lượng nước thải đầu ra theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết công nghệ sinh hóa sản xuất bia và kỹ thuật xử lý nước thải công nghiệp:

• Khái niệm và đặc trưng sinh hóa: Phân loại các chủng nấm men sử dụng trong sản xuất bia gồm men nổi (Saccharomyces cerevisiae, nhiệt độ lên men 10–25°C) và men chìm (Saccharomyces carlsbergensis, nhiệt độ lên men 0–10°C, khả năng lên men triệt để đường raffinose và tái sử dụng 6–8 đời). Nước thải bia mang bản chất hữu cơ cao từ malt đại mạch, nấm men, glucid và protein hòa tan.
• Cơ chế xử lý sinh học kỵ khí (bể UASB): Quá trình chuyển hóa chất hữu cơ diễn ra qua 3 giai đoạn: lỏng hóa các hợp chất phức tạp, chuyển hóa thành axit hữu cơ và giai đoạn metan hóa tạo ra hỗn hợp khí sinh học chứa 65–70% $CH_4$ và 25–30% $CO_2$. Quá trình đòi hỏi kiểm soát nhiệt độ (tối ưu 35°C), tỷ lệ dinh dưỡng $C/N = (25\text{ - }30)/1$, và pH từ 6,5 đến 7,5.
• Cơ chế xử lý sinh học hiếu khí bùn hoạt tính (bể Aerotank): Quá trình oxy hóa và khoáng hóa chất hữu cơ hòa tan/dạng keo bởi quần thể vi sinh vật hiếu khí lơ lửng trong điều kiện cấp khí nhân tạo liên tục, với thời gian lưu nước từ 4 đến 8 giờ.
• Các quá trình cơ học và hóa lý: Tách rác bằng song chắn rác thô và lưới chắn rác tinh hình nêm; điều hòa lưu lượng và nồng độ; tuyển nổi bọt khí tách cặn lơ lửng có tỷ trọng bé ($SS$); trung hòa độ kiềm/axit bằng hóa chất; tách bùn bằng bể lắng trọng lực và khử trùng nước bằng hợp chất chứa Clo.
• Quy chuẩn và tiêu chuẩn áp dụng:
  • TCXDVN 51:2008: Quy chuẩn tính toán mạng lưới thoát nước và các công trình xử lý nước thải.
  • QCVN 40:2011/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (Cột B dùng cho nguồn tiếp nhận không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt).

Phương pháp nghiên cứu được triển khai:

• Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu: Thu thập số liệu thống kê ngành, quy trình công nghệ sản xuất bia và các công trình xử lý nước thải thực tế.
• Phương pháp đánh giá tỷ lệ ô nhiễm: Phân tích tỷ số $BOD_5/COD = 1600/3000 = 0,6$ (nằm trong dải 0,5–0,75), chứng minh nước thải có khả năng phân hủy sinh học rất tốt để lựa chọn dây chuyền sinh học kỵ khí kết hợp hiếu khí.
• Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Ứng dụng các công thức thủy lực, cân bằng vật chất và động học bùn hoạt tính để tính toán thể tích, diện tích bề mặt, thời gian lưu nước, lượng khí cấp và lượng bùn phát sinh cho từng hạng mục công trình.
• Phương pháp tính toán kinh tế: Thống kê khối lượng xây dựng, danh mục máy móc thiết bị, lượng hóa chất và điện năng tiêu thụ để dự toán tổng chi phí đầu tư và chi phí vận hành trên $1\text{ m}^3$ nước thải.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan

Chương I trình bày lịch sử phát triển ngành bia từ 7000 năm trước công nguyên tại Babylon, các nghiên cứu của Louis Pasteur năm 1875 về hoạt động của nấm men và phân loại 3 kiểu bia chính: Ale (lên men nổi ở 15–23°C), Lager (lên men chìm ở 7–12°C và 0–4°C, chiếm sản lượng lớn nhất thế giới) và Bia lai. Chương tổng hợp số liệu tiêu thụ bia toàn cầu (Cộng hòa Czech dẫn đầu với 156,9 lít/người/năm vào năm 2007) và cơ cấu tiêu thụ tại Việt Nam.

Quy trình sản xuất bia trải qua các công đoạn: Chuẩn bị nguyên liệu (đại mạch ươm mầm tạo malt khô có độ ẩm $< 4,5%$, gạo thế liệu tối đa 50%), nấu và đường hóa, nấu hoa houblon (hoa cái chưa thụ phấn chứa 15–20% nhựa đắng), lắng nóng, lên men chính và phụ, lọc trong và đóng chai thanh trùng. Nhu cầu năng lượng gồm điện năng (8–12 kWh/hl) và nhiệt năng (150–200 MJ/hl, trong đó nồi nấu hoa chiếm 30–40% lượng hơi).

Chương thống kê định lượng các nguồn phát sinh chất thải:

• Chất thải rắn phát sinh trên 1 hectolit bia: Bã hèm (21–27 kg), nấm men (3–4 kg), vỏ chai vỡ (0,9 chai), nhãn giấy (1,5 kg), bột trợ lọc (0,2–0,6 kg), bùn hoạt tính (0,3–0,4 kg).
• Khí thải: Bụi nghiền nguyên liệu, hơi nhiệt từ nồi nấu, khí $CO_2$, nguy cơ rò rỉ môi chất lạnh ($NH_3$, CFC).
• Nước thải: Bao gồm nước thải sản xuất và sinh hoạt. Nước thải rửa chai có độ kiềm cao do dung dịch NaOH nóng 1–3%; nước lọc bã hèm và dịch đường có tải lượng $BOD_5$, $COD$ và $SS$ rất lớn.

Thông số ô nhiễm	Nồng độ trong nước thải sản xuất bia	QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B)
pH	6,0 – 8,0	5,5 – 9,0
$BOD_5$ (mg/l)	900 – 1.400	$\le 50$
$COD$ (mg/l)	1.200	$\le 150$
$SS$ (mg/l)	500 – 600	$\le 100$
Tổng Nitơ (mg/l)	30	$\le 40$
Tổng Phốt pho (mg/l)	22 – 25	$\le 6$
$NH_4^+$ (mg/l)	13 – 16	$\le 10$

Chương II: Các phương pháp xử lý nước thải

Chương II tổng quan nguyên lý hoạt động của 3 nhóm phương pháp xử lý:

• Xử lý cơ học: Tách rác thô và cặn không tan bằng song chắn rác (loại thô 30–200 mm, loại trung bình 5–25 mm), bể lắng cát (loại bỏ hạt vô cơ nặng), bể vớt dầu mỡ và bể lọc. Xử lý cơ học giúp giảm tới 60% chất không tan và 20% $BOD$.
• Xử lý hóa lý: Áp dụng các quá trình trung hòa độ kiềm/axit, keo tụ tạo bông và tuyển nổi bằng bọt khí áp suất khí quyển hoặc chân không để tách cặn nhẹ và mỡ khó lắng.
• Xử lý sinh học: Phân loại thành điều kiện tự nhiên (hồ sinh học, cánh đồng tưới) và nhân tạo (bể Aerotank, bể Biophin, bể UASB). Xử lý sinh học nhân tạo có thể đạt hiệu suất khử $BOD$ từ 90–95%.

Chương phân tích sâu cấu tạo và nguyên tắc vận hành của các công trình chuyên dụng trong xử lý nước thải bia: Bể điều hòa có sục khí chống lắng cặn (hệ số điều hòa $K > 1,4$); Bể tuyển nổi; Bể trung hòa đưa pH về 6,6–7,6; Bể UASB (xử lý kỵ khí dòng chảy ngược qua lớp bùn hạt, sinh khí $CH_4$); Bể Aerotank khuấy trộn hoàn toàn (làm thoáng bằng khí nén hoặc máy khuấy cơ học); Bể lắng đợt II và Bể khử trùng (dùng Clo, Javel hoặc $Ca(ClO)_2$).

Chương III: Đề xuất và lựa chọn phương án xử lý nước thải sản xuất bia

Căn cứ vào thông số nước thải đầu vào thiết kế:

• Lưu lượng: $Q = 3000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$
• $BOD_5 = 1600\text{ mg/l}$
• $COD = 3000\text{ mg/l}$
• $SS = 400\text{ mg/l}$
• Tổng Nitơ $= 60\text{ mg/l}$
• Tổng Phốt pho $= 8\text{ mg/l}$

Tỷ số $BOD_5/COD = 0,6$ cho thấy xử lý sinh học là giải pháp phù hợp. Vì nồng độ $COD$ lên tới $3000\text{ mg/l}$, hệ thống cần kết hợp kỵ khí (UASB) để hạ $COD$ xuống dải 400–800 mg/l trước khi xử lý hiếu khí (Aerotank).

Tác giả đề xuất 2 phương án công nghệ:

• Phương án 1: Nước thải $\rightarrow$ Song chắn rác thô $\rightarrow$ Hầm tiếp nhận $\rightarrow$ Lưới chắn rác tinh $\rightarrow$ Bể điều hòa $\rightarrow$ Bể tuyển nổi $\rightarrow$ Bể trung hòa $\rightarrow$ Bể UASB $\rightarrow$ Bể Aerotank $\rightarrow$ Bể lắng II $\rightarrow$ Mương khử trùng $\rightarrow$ Xả ra nguồn tiếp nhận (QCVN 40:2011/BTNMT Cột B). Xử lý bùn: Bùn lắng II tuần hoàn một phần về Aerotank, bùn dư dẫn về bể nén bùn trọng lực rồi ép qua máy ép băng tải để chôn lấp/làm phân bón.
• Phương án 2: Sơ đồ sử dụng bể lắng cát và bể chứa, kết hợp điều chỉnh nhiệt độ, pH và các công trình sinh học phân hủy.

Lựa chọn công nghệ: Tác giả lựa chọn Phương án 1 vì việc bố trí bể tuyển nổi giúp hạ $SS < 150\text{ mg/l}$ trước khi vào bể kỵ khí, tránh gây nghẽn lớp bùn kỵ khí hạt của bể UASB; hệ thống Aerotank phía sau đảm bảo hiệu suất xử lý $BOD_5$ triệt để (75–90%), đồng thời bể UASB sinh ít bùn và tiết kiệm năng lượng cấp khí.

Chương IV: Tính toán một số công trình đơn vị trong hệ thống xử lý nước thải sản xuất bia

Chương IV thực hiện tính toán thiết kế chi tiết toàn bộ các hạng mục công trình đơn vị thuộc Phương án 1:

• Song chắn rác thô: Tính toán kích thước mương dẫn, số lượng thanh đan, góc nghiêng và tổn thất áp lực qua song chắn rác thô để giữ lại rác có kích thước lớn.
• Hầm tiếp nhận (Hố gom): Tính toán dung tích chứa nước thải tập trung, công suất bơm chìm nâng nước thải lên các công trình xử lý tiếp theo.
• Lưới chắn rác tinh (hình nêm): Tính toán lưu lượng qua lưới nêm để tách triệt để bã hèm vụn và cặn mịn.
• Bể điều hòa: Tính toán dung tích điều hòa lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm trong 24 giờ; tính toán hệ thống đường ống phân phối khí nén dưới đáy bể để chống lắng cặn và ngăn ngừa phân hủy yếm khí sinh mùi.
• Bể tuyển nổi: Tính toán diện tích vùng tuyển nổi, hệ thống hòa tan bọt khí áp lực nhằm tách các hạt cặn lơ lửng nhẹ và dầu mỡ, hạ nồng độ $SS$ xuống mức an toàn ($< 150\text{ mg/l}$) trước khi vào khối sinh học.
• Bể trung hòa: Tính toán thể tích bể, thời gian phản ứng và liều lượng hóa chất (axit/kiềm) cần châm tự động để duy trì dải pH từ 6,6 đến 7,6.
• Bể kỵ khí UASB: Tính toán diện tích bề mặt, chiều cao vùng phản ứng kỵ khí, vận tốc dòng dâng, tải trọng thể tích chất hữu cơ ($kg\text{ }COD/m^3\text{ ngày}$), hệ thống máng phân phối nước thải đều dưới đáy bể và cấu tạo bộ tách 3 pha (khí - lỏng - rắn).
• Bể bùn hoạt tính Aerotank khuấy trộn hoàn toàn: Tính toán thể tích vùng làm thoáng, các hệ số động học sinh học vi sinh, thời gian lưu nước, tỷ lệ dinh dưỡng $BOD:N:P$, lưu lượng bùn hoạt tính tuần hoàn từ bể lắng II, nhu cầu oxy hòa tan lý thuyết và thực tế ($kg\text{ }O_2/\text{ngày}$), số lượng đĩa phân phối bọt khí mịn và công suất máy thổi khí.
• Bể lắng đợt 2 (Bể lắng đứng): Tính toán đường kính bể, chiều cao vùng lắng, ống trung tâm, máng thu nước răng cưa và vùng chứa bùn hoạt tính lắng.
• Mương khử trùng: Tính toán chiều dài, chiều rộng mương tiếp xúc có vách ngăn dòng chảy ziczac, thời gian tiếp xúc của nước thải với dung dịch Chlorine (tối thiểu 15–30 phút) và liều lượng Clo hoạt tính tiêu thụ.
• Khu vực xử lý bùn: Tính toán bể nén bùn trọng lực (giảm độ ẩm và thể tích bùn dư) và lựa chọn máy ép bùn băng tải.

Chương V: Tính toán kinh tế

Chương V tổng hợp các khoản mục chi phí thực hiện dự án hệ thống xử lý nước thải công suất $3000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$:

• Chi phí đầu tư xây dựng: Tổng chi phí xây dựng các khối bể bằng bê tông cốt thép chống thấm, móng công trình, mương dẫn, hố thu và nhà điều hành.
• Chi phí thiết bị: Chi phí mua sắm máy bơm chìm nước thải, lưới lọc rác nêm, máy nén khí, máy thổi khí, đĩa khuếch tán khí mịn, máy khuấy trộn hóa chất, bơm định lượng, máy ép bùn băng tải, van và hệ thống đường ống công nghệ.
• Chi phí vận hành thường niên:
  • Chi phí hóa chất tiêu thụ (dung dịch NaOH, $H_2SO_4$ trung hòa, phèn/hóa chất keo tụ, Chlorine khử trùng).
  • Chi phí điện năng tiêu thụ cho toàn bộ động cơ máy bơm, máy thổi khí, máy ép bùn và hệ thống chiếu sáng.
  • Chi phí nhân công quản lý, vận hành và bảo trì trạm xử lý.
  • Chi phí bảo dưỡng, thay thế vật tư tiêu hao định kỳ cho máy móc thiết bị.
• Giá thành xử lý đơn vị: Tổng hợp định phí và biến phí để tính toán giá thành xử lý cho mỗi mét khối ($1\text{ m}^3$) nước thải sản xuất bia đạt chuẩn.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thành việc tính toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho trạm xử lý nước thải nhà máy bia công suất $3000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, mang lại các kết quả định lượng cụ thể:

Chỉ tiêu ô nhiễm	Nồng độ đầu vào thiết kế	Nước thải đầu ra sau xử lý	QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B)	Hiệu suất xử lý toàn hệ thống
pH	6,0 – 8,0	6,5 – 7,5	5,5 – 9,0	Đạt chuẩn
$BOD_5$ (mg/l)	1.600	$\le 50$	$\le 50$	$\ge 96,87%$
$COD$ (mg/l)	3.000	$\le 150$	$\le 150$	$\ge 95,00%$
$SS$ (mg/l)	400	$\le 100$	$\le 100$	$\ge 75,00%$
Tổng Nitơ (mg/l)	60	$\le 40$	$\le 40$	$\ge 33,33%$
Tổng Phốt pho (mg/l)	8	$\le 6$	$\le 6$	$\ge 25,00%$

Các giải pháp kỹ thuật cụ thể do tác giả đề xuất và hoàn thiện trong khóa luận:

• Bố trí công trình tuyển nổi đứng trước khối xử lý sinh học nhằm giảm hàm lượng $SS < 150\text{ mg/l}$, giải quyết triệt để nguy cơ trôi và rửa trôi bùn hạt kỵ khí trong bể UASB do cặn bã bia gây ra.
• Tích hợp bể trung hòa tự động kiểm soát pH (6,6–7,6), khắc phục tính kiềm cao đột biến từ nước thải rửa chai chứa NaOH và nước thải mang tính axit từ các công đoạn lên men.
• Ứng dụng chuỗi công nghệ kết hợp UASB – Aerotank giúp tận dụng ưu điểm phân hủy kỵ khí tải trọng cao (giảm phần lớn $COD$ với mức sinh bùn thấp), sau đó dùng Aerotank xử lý triệt để phần $BOD$ còn lại đạt hiệu suất 75–90%, tối ưu hóa lượng điện tiêu thụ cho máy thổi khí.
• Thiết kế hệ thống xử lý bùn đồng bộ gồm bể nén bùn trọng lực kết hợp máy ép bùn băng tải, giảm thể tích bùn thải trước khi chuyển giao chôn lấp hoặc tận dụng làm phân bón hữu cơ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Đồ án chủ yếu dựa trên số liệu tính toán lý thuyết công nghệ và định mức quy chuẩn thiết kế tại thời điểm thực hiện (năm 2012); chưa tiến hành chạy mô hình thực nghiệm thực địa trên mẫu nước thải biến động nhiệt theo mùa của nhà máy; chưa đi sâu thiết kế chi tiết hệ thống thu gom, lưu trữ và tái sử dụng năng lượng từ lượng khí biogas sinh ra ($CH_4$) từ bể UASB.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Bổ sung thiết kế hệ thống thu hồi và tinh chế khí sinh học ($CH_4$) từ bể UASB làm nhiên liệu đốt bổ trợ cho nồi hơi nhà máy bia.
  • Nghiên cứu nâng cấp cụm xử lý sinh học để loại bỏ triệt để Nitơ và Phốt pho, hướng tới đáp ứng tiêu chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT Cột A khi nguồn tiếp nhận có yêu cầu bảo vệ cao.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

• Sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Môi trường, Công nghệ Hóa học và Công nghệ Thực phẩm trong quá trình làm đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp về xử lý nước thải công nghiệp.
• Các kỹ sư môi trường, cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy sản xuất bia, nước giải khát tham khảo trong việc cải tạo, vận hành hoặc xây dựng mới hệ thống xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao.

Phần có giá trị tham khảo cao nhất trong văn bản là các bảng thông số thiết kế chi tiết ở Chương IV (kích thước hình học, thông số tải trọng thủy lực, các hệ số động học bùn hoạt tính bể Aerotank, hệ thống phân phối khí bọt mịn, bể UASB) và phương pháp tính toán dự toán kinh tế ở Chương V.

Câu hỏi thường gặp

1. Lưu lượng và các thông số ô nhiễm đầu vào chính dùng để tính toán thiết kế hệ thống là bao nhiêu?
Hệ thống được thiết kế với công suất $3000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$. Các thông số ô nhiễm đầu vào gồm: $BOD_5 = 1600\text{ mg/l}$, $COD = 3000\text{ mg/l}$, $SS = 400\text{ mg/l}$, Tổng Nitơ $= 60\text{ mg/l}$, Tổng Phốt pho $= 8\text{ mg/l}$, pH biến thiên từ 6,0 đến 8,0.

2. Tại sao tác giả lại kết hợp cả hai công trình sinh học kỵ khí (UASB) và hiếu khí (Aerotank)?
Tỷ số $BOD_5/COD = 0,6$ cho thấy nước thải rất thuận lợi cho xử lý sinh học. Tuy nhiên, do nồng độ $COD$ đầu vào rất cao ($3000\text{ mg/l}$), nếu chỉ dùng bể hiếu khí sẽ tiêu tốn lượng điện năng cấp khí cực lớn và phát sinh khối lượng bùn khổng lồ. Bể UASB được dùng ở bậc 1 để khử phần lớn tải lượng hữu cơ (đưa $COD$ về khoảng 400–800 mg/l) với lượng bùn sinh ra ít, sau đó bể Aerotank ở bậc 2 sẽ tiếp tục oxy hóa triệt để các chất hữu cơ còn lại đạt chuẩn xả thải.

3. Bể tuyển nổi đóng vai trò gì trong dây chuyền công nghệ đã chọn?
Bể tuyển nổi có nhiệm vụ tách các hạt cặn lơ lửng nhẹ khó lắng tự nhiên (bã hèm vụn, xác men) và dầu mỡ bằng bọt khí mịn, đảm bảo hạ nồng độ chất rắn lơ lửng xuống mức $SS < 150\text{ mg/l}$ trước khi đưa nước thải vào bể UASB, tránh hiện tượng nghẹt và trôi lớp bùn kỵ khí hạt trong bể UASB.

4. Nước thải sau xử lý phải đạt tiêu chuẩn nào và hiệu suất khử BOD5, COD của hệ thống đạt bao nhiêu?
Nước thải sau xử lý đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B), với $BOD_5 \le 50\text{ mg/l}$ (hiệu suất xử lý đạt trên $96,8%$) và $COD \le 150\text{ mg/l}$ (hiệu suất xử lý đạt $95%$).

5. Bùn thải phát sinh trong hệ thống được xử lý như thế nào?
Bùn hoạt tính lắng tại đáy bể lắng đợt 2 được gom về hố thu bùn; một phần được bơm tuần hoàn về bể Aerotank để duy trì nồng độ vi sinh, lượng bùn dư còn lại được dẫn về bể nén bùn trọng lực để giảm thể tích nước rồi đưa qua máy ép bùn băng tải để ép khô thành bánh bùn trước khi đem chôn lấp hoặc làm phân bón.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Ngô Thị Nguyệt Ánh đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ tính toán, thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia công suất $3000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$. Bằng việc kết hợp hợp lý giữa các công trình xử lý cơ học, hóa lý (tuyển nổi, trung hòa) và sinh học hai bậc (kỵ khí UASB - hiếu khí Aerotank), hệ thống bảo đảm xử lý nước thải đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B). Toàn bộ quy trình tính toán thủy lực, lựa chọn thiết bị và hạch toán chi phí kinh tế được trình bày mạch lạc, cung cấp cơ sở kỹ thuật tin cậy cho công tác bảo vệ môi trường trong ngành công nghiệp sản xuất bia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Hiện nay, ngành công ngiệp sản xuất bia đã và đang phát triển rất mạnh trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Trở thành một trong những ngành công nghiệp hàng đầu đem lại giá trị kinh tế cao cho nền kinh tế thế giới nói chung cũng như tại Việt Nam nói riêng. Tuy nhiên, cùng với tốc độ phát triển nhanh và mạnh của ngành công nghiệp bia đã đem lại rất nhiều lợi ích về kinh tế thì ngành công nghiệp bia cũng đem lại không ít các vấn đề về môi trường cho môi trường xung quanh. Trong quá trình hoạt động sản xuất thì các nhà máy bia ngoài tạo ra sản phẩm là bia thương phẩm, còn phát sinh một lượng lớn chất thải, trong đó đặc biệt đáng quan tâm đó là nước thải.

Mặc dù, hiện nay khi các nhà máy bia được xây dựng thì đều quan tâm đến việc xây dựng đồng bộ hệ thống xử lý nước thải phục vụ cho nhà máy. Nhưng do một số vấn đề khách quan cũng như chủ quan: chưa xây dựng xong, công suất xử lý không bảo đảm, hệ thống xây dựng không đồng bộ, chất lượng nước thải đầu ra không đạt tiêu chuẩn, yếu tố kinh tế mà hiện nay có một số nhà máy bia đã thải trực tiếp nước thải chưa qua xử lý ra môi trường, đem lại tác động xấu ảnh hưởng đến mỹ quan cho môi trường xung quanh, cũng như chất lượng sống của người dân sống xung quanh các nhà máy bia. Vậy nên việc thiết kế một hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy bia để phần nào hạn chế được những tác động xấu do các nhà máy bia mang lại cho môi trường hiện nay càng trở nên cần thiết không chỉ ở Việt Nam mà trên cả thế giới. Vì vậy, em đã chọn đề tài “Tính toán, thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia công suất 3000m3 / ngày đêm” làm đề tài khóa luận tốt nghiệp của mình, với mong muốn góp một phần công sức của mình vào công cuộc bảo vệ môi trường ngành bia nói riêng và môi trường công nghiệp nói riêng.

SV: Ngô Thị Nguyệt Ánh 1 Lớp: MT1201 Khóa luận tốt nghiệp Khoa môi trường CHƢƠNG I : TỔNG QUAN I.1 ) Sự ra đời của ngành bia và phân loại các kiểu bia I.1) Sự ra đời của ngành bia [8,14] Từ 7000 năm trước công nguyên, người dân Babilon đã biết sản xuất bia từ đại mạch. Trải qua hàng nghìn năm sản xuất và uống bia người ta vẫn chưa biết được nhân tố nào làm chuyển hóa nguồn nguyên liệu thành sản phẩm bia. Một thời gian dài sau công nguyên con người đã phát hiện ra vai trò của hoa houblon và đến năm 1875, Lui Paster đã khám phá ra hoạt động của nấm men tạo nên chất và hình thành hương vị đặc biệt của bia. Sau đó, một số nhà khoa học của Mỹ và Nga đã chứng minh rằng nấm men tạo nên các enzym và các enzym này có khả năng chuyển hóa đường thành ancol, axit và CO 2 đó là các thành phần quan trọng nhất của bia.

Vậy nói một cách tổng thể bia là một loại đồ uống chứa cồn được sản xuất bằng quá trình lên men đường lơ lửng trong môi trường lỏng và nó không được chưng cất sau khi lên men. Nguồn nguyên liệu chủ yếu dùng để lên men là ngũ cốc. Mặt khác những loại đồ uống chứa cồn cũng được sản xuất từ việc lên men đường nhưng có nguồn gốc khác không là ngũ cốc nói chung không được gọi là “bia“, mặc dù chúng cũng được sản xuất bằng cùng một phản ứng sinh học gốc men bia. Quá trình sản xuất bia được gọi là nấu bia.