ĐẶT VẤN ĐỀ Nƣớc ta có điều kiện tự nhiên vô cùng thuận lợi cho việc phát triển nông nghiệp, trong đó diện tích trồng mía làm nguyên liệu phục vụ cho ngành sản xuất đƣờng mía cũng rất rộng lớn. Cây mía và nghề làm mật đƣờng ở Việt Nam đã có từ xa xƣa, nhƣng ngành công nghiệp mía đƣờng mới đƣợc bắt đầu từ thế kỷ thứ XX, đây là một trong những ngành công nghiệp chiếm vị trí quan trọng trong nền kinh tế nƣớc ta. Trong những năm gần đây, do sự đầu tƣ công nghệ và thiết bị hiện đại, các nhà máy đƣờng đã không ngừng nâng cao chất lƣợng sản phẩm đáp ứng nhu cầu tiêu dùng và giải quyết đƣợc cho rất nhiều ngƣời lao động có việc làm. Sản lƣợng đƣờng Việt Nam sản xuất đƣợc trong niên vụ 2013/2014 ƣớc đạt 1,6 triệu tấn đƣờng, chỉ chiếm khoảng 0,9% tổng sản lƣợng đƣờng của cả thế giới.
Niên vụ này, năng suất mía bình quân cả nƣớc đạt khoảng 63,9 tấn mía/ha, tăng khoảng 19,5% so với mƣời năm trƣớc đây. Bên cạnh sự phát triển của kinh tế thì vấn đề môi trƣờng rất quan trọng. Nƣớc thải của ngành công nghiệp mía đƣờng luôn chứa một lƣợng lớn chất hữu cơ bao gồm cacbon, nitơ, phốtpho. Các chất này dễ bị phân hủy bởi các vi sinh vật gây mùi hôi thối, làm ô nhiểm các nguồn tiếp nhận.
Phần lớn chất rắn lơ lửng có trong nƣớc thải ngành công nghiệp mía đƣờng ở dạng vô cơ, khi thải ra môi trƣờng tự nhiên các chất thải này có khả năng lắng và tạo thành một lớp dày ở đáy nguồn nƣớc, phá hủy hệ sinh vật làm thức ăn cho cá. Các bùn lắng này chứa các chất hữu cơ làm cạn kiệt oxi có trong nƣớc và tạo ra các khí nhƣ H2S, CO2, CH4. Ngoài ra trong nƣớc thải còn chứa một lƣợng đƣờng khá lớn gây ô nhiễm nguồn nƣớc. Công ty TNHH mía đƣờng Việt Nam – Đài Loan là công ty liên doanh với nƣớc ngoài sớm nhất của miền Bắc về sản xuất và kinh doanh đƣờng mía.
Sản lƣợng hằng năm 90.000 tấn đƣờng thành phẩm, công suất ép 6.000 tấn mía cây/ngày, có thể nâng công suất ép 12.000 tấn mía cây/ngày. Hệ thống quản lý chất lƣợng của Công ty đã đƣợc cấp chứng chỉ đạt tiêu 1 chuẩn quốc tế ISO 9001: 2008. Nhƣng thực tế đã nhiều năm nay, trong quá trình sản xuất, vận hành nhà máy ép mía và làm men, Công ty này đã xả chất thải, đặc biệt là nƣớc thải không xử lý đúng quy trình ra môi trƣờng, gây ô nhiễm nghiêm trọng và ảnh hƣởng sức khỏe của ngƣời dân nơi đây. Chính vì tầm quan trọng của công tác bảo vệ môi trƣờng, tôi đã thực hiện khóa luận tốt nghiệp với đề tài: “Tính toán thiết kế hệ thống xử lý nƣớc thải của Công ty TNHH Mía đƣờng Việt Nam – Đài Loan tại Thị trấn Vân Du, huyện Thạch Thành, tỉnh Thanh Hóa” sẽ góp phần đƣa ra quy trình xử lý cho loại nƣớc thải này, giúp Công ty có thể tự xử lý trƣớc khi đƣa ra cống thoát nƣớc chung, nhằm thực hiện đúng những quy định của Nhà nƣớc về môi trƣờng.
2 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan quy trình công nghệ sản xuất đƣờng Nguyên liệu để sản xuất đƣờng là mía. Mía đƣợc trồng ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Việc chế biến đƣờng phải thực hiện nhanh, ngay trong mùa thu hoạch để tránh thất thoát sản lƣợng và chất lƣợng đƣờng.
Công nghiệp chế biến đƣờng hoạt động theo mùa vụ do đó lƣợng chất thải cũng phụ thuộc vào mùa thu hoạch. Quy trình công nghệ sản xuất đƣờng gồm hai giai đoạn: sản xuất đƣờng thô và sản xuất đƣờng tinh luyện. Thành phần của mía và nước mía Thành phần của mía thay đổi theo vùng, nhƣng dao động trong khoảng đƣợc trình bày trong bảng 1.1: Thành phần của nƣớc mía Thành phần Phần trăm Nƣớc 69 - 75% Sucrose 8 - 16% Đƣờng khử 0,5 - 2,0% Chất hữu cơ 0,5 - 1,0% (ngoại trừ đƣờng) Chất vô cơ 0,2 - 0,6% Hợp chất Nitơ 0,5 - 1% Tro (phần lớn là K) 0,3 - 0,8% (Nguồn: Công ty môi trường Ngọc Lân) Nƣớc mía có tính axit (pH = 4,9 - 5,5), đục (do sự hiện diện của các chất keo nhƣ sáp protein, nhựa, tinh bột và silic) và có màu xanh lục. Nƣớc mía có màu do chlorophyll, anthocyanin, saccharetin và tanin từ thân cây mía gây ra; hay do các phản ứng phân hủy hóa học nhƣ khi cho vào nƣớc mía lƣợng nƣớc vôi, hoặc dƣới tác dụng của nhiệt độ, nƣớc mía bị đổi màu và còn do sự phản ứng của các chất không đƣờng với những chất khác.
3 Chlorophyll thƣờng có trong cây mía, làm cho nƣớc mía có màu xanh lục. Trong nƣớc mía, chlorophyll ở trạng thái keo, dễ dàng bị loại bỏ bằng phƣơng pháp lọc. Anthocyanin chỉ có trong loại mía có màu sẫm, ở dạng hòa tan trong nƣớc. Khi thêm nƣớc vôi, màu đỏ tía của anthocyanin bị chuyển sang màu xanh lục thẫm.
Màu này khó bị loại bỏ bằng cách kết tủa với vôi (vì lƣợng vôi dùng trong công nghệ sản xuất đƣờng không đủ lớn) hay với H2SO4. Saccharetin thƣờng có trong vỏ cây mía. Khi thêm vôi, chất này sẽ trở thành màu vàng đƣợc trích ly. Tuy nhiên, loại màu này không gây độc, ở môi trƣờng pH <7,0 màu biến mất.
Tanin hòa tan trong nƣớc mía , có màu xanh, khi phản ứng với muối sắt sẽ biến thành sẫm màu. Dƣới tác dụng của nhiệt độ tanin bị phân hủy thành catehol, kết hợp với kiềm thành protocatechuic. Khi đun trong môi trƣờng axit phân hủy thành các hợp chất giống saccharetin. Ở nhiệt độ cao hơn 200oC, đƣờng sucrose và hai loại đƣờng khử (glucose và fructose) bị caramen hóa và tạo màu đen.
Ở nhiệt độ cao hơn 55oC, đƣờng khử đã bị phân hủy thành các hợp chất có màu rất bền. Để loại bỏ các tạp chất trong nƣớc mía có thể áp dụng trong các biện pháp sau. Với độ đục đƣợc loại bằng phƣơng pháp nhiệt và lọc. Nhựa và pectin, muối của các axít hữu cơ, vô cơ, chất tạo màu…đƣợc loại bỏ bằng phƣơng pháp xử lý với vôi.
Hóa chất làm trong và tẩy màu Làm trong và tẩy màu nhằm mục đích hoàn thiện, loại bỏ các chất màu trong dung dịch, nhằm chuẩn bị để dung dịch nƣớc đƣờng đƣợc trong suốt và quá trình kết tinh diễn ra dễ dàng hơn. Vôi sống (CaO) Vôi sống là chất vô định hình có độ phân tán cao, khi hòa tan trong nƣớc có tính chất keo. Độ hòa tan của vôi trong nƣớc còn giảm khi nhiệt độ tăng. Tác dụng của vôi bao gồm: 4 - Làm trơ phản ứng axit của nƣớc mía hỗn hợp và ngăn ngừa sự chuyển hóa đƣờng sacaroza.
- Kết tủa hoặc đông tụ những chất không đƣờng, đặc biệt protein, pectin, chất màu và những axit tạo muối không tan. Tạo các điểm đẳng điện để ngƣng kết các chất keo. - Tác dụng cơ học: Những chất kết tủa đƣợc tạo thành có tác dụng kéo theo những chất lơ lửng và những chất không đƣờng khác. - Sát trùng nƣớc mía: Với độ kiềm khi có 0,35% CaO, phần lớn vi sinh vật không sinh trƣởng.
Tuy nhiên có trƣờng hợp phải dùng đến lƣợt 0,8% CaO b. Khí SO2: SO2 đƣợc dùng trong sản xuất đƣờng có thể ở dạng khí, lỏng hoặc muối (NaHSO3, Na2SO3, Na2S2O4), và hiện nay thƣờng dùng nhất là dạng khí vì có khả năng giảm pH. Tác dụng của SO2 bao gồm: - Trung hòa lƣợng vôi thừa: Ca(OH)2 + H2SO3 CaSO3 + H2O - Làm giảm độ kiềm, độ nhớt của dung dịch; - Tẩy màu nƣớc mía và ngăn ngừa sự tạo màu; - Là chất xúc tác chống oxi hóa, nó ngăn chặn ảnh hƣởng không tốt của ôxi không khí. H3PO4: Hàm lƣợng photphat trong mía là yếu tố rất quan trọng.
Bản thân cây mía chứa một hàm lƣợng P2O5 nhất định tùy thuộc vào điều kiện canh tác, phân bón…đƣợc kết hợp với vôi để làm trong nƣớc mía. Có nhiều hóa chất đƣợc sử dụng để làm trong và tẩy màu cho nƣớc mía trƣớc khi tinh luyện đƣờng. Nhƣng vôi vẫn là hóa chất quan trọng đƣợc dùng nhiều trong sản xuất đƣờng. Bởi vì, vôi đƣợc dùng từ rất lâu đời và là phƣơng pháp đơn giản nhất nhƣng đem lại hiệu quả tốt khi xử lý độ trong và độ màu của nƣớc mía.
Công nghệ sản xuất đường thô Quy trình công nghệ sản xuất đƣờng thô từ mía đƣợc trình bày nhƣ sau: đầu tiên ngƣời ta ép mía cây dƣới các trục ép áp lực. Để tận dụng hết đƣờng có trong cây mía, dùng nƣớc hoặc nƣớc mía phun vào bã mía để mía nhả đƣờng. Bã mía ở máy ép cuối còn chứa một lƣợng nhỏ đƣờng chƣa lấy hết, xơ gỗ vào khoảng 40 - 50% nƣớc. Nƣớc mía có tính axit (pH =4,9 - 5,5), đục, có màu xanh lục (chứa 13 - 15% chất tan, trong chất khô chứa 82 - 85% đƣờng saccarosa).
Nƣớc mía đƣợc xử lý bằng các chất hóa học nhƣ vôi, CO2, SO2, phốt phát rồi đƣợc đun nóng để làm trong. Quá trình xử lý này có tác dụng làm kết tủa các chất rắn, huyền phù và lắng các chất bẩn. Dung dịch trong đƣợc lọc qua máy lọc chân không. Bã lọc đƣợc loại bỏ, đem thải hoặc dùng làm phân bùn.
Nƣớc mía sau khi lọc còn chứa khoảng 88% nƣớc, sau đó đƣợc bốc hơi trong lò nấu chân không. Hỗn hợp tinh thể và mật đƣợc thu vào máy ly tâm để tách đƣờng ra khỏi mật rỉ. Rỉ đƣờng là dung dịch có độ nhớt cao, chứa khoảng 1/3 đƣờng khử. Sản phẩm phụ của quá trình sản xuất đƣờng gồm có: bột giấy, tấm xơ ép từ bã mía; nhựa, bê tông từ bã mía; phân bùn, thức ăn gia súc, alcohol, dấm, axeton, axit citric,…và từ mật mía.
Lƣợng nƣớc thải trong công nghiệp sản xuất đƣờng thô rất lớn bao gồm nƣớc rửa mía cây và ngƣng tụ hơi, nƣớc rửa than, nƣớc xả đáy lò hơi, nƣớc rửa cột trao đổi ion, nƣớc làm mát, nƣớc rửa sàn và thiết bị, nƣớc bùn bã lọc dung dịch đƣờng rơi vãi trong sản xuất… Ngoài bã bùn đƣợc dùng để sản xuất phân hữu cơ, nƣớc thải từ các công đoạn trong nhà máy đƣợc phân thành các nhóm sau đây: - Nhóm A: nƣớc thải có độ nhiễm bẩn không cao, chủ yếu có nhiều chất lơ lửng ở dạng vô cơ nên chỉ cần lọc sơ bộ qua song chắn rác và lắng tiếp xúc để loại bỏ chất lơ lửng, sau đó trộn với nƣớc thải đã xử lý và nƣớc ngƣng tụ rồi xả ra nguồn tiếp nhận. - Nhóm B: nƣớc thải có nhiều chất hữu cơ cần đƣợc tách riêng để xử lý.