Mô tả

Hệ thống xử lý nước thải bia sử dụng công nghệ xử lý hiện đại nhất hiện nay giúp tăng cường khả năng xử lý của hệ thống. Nền kinh tế ngày càng phát triển thì nhu cầu sử dụng nước giải khát của người dân nói chung và bia nói riêng ngày càng mạnh mẽ. Do đó, việc tăng cường sản xuất để phục vụ nhu cầu của người dân, tăng cao lợi nhuận thì vấn đề về môi trường của nước thải ngành bia đang rất đáng được quan tâm. Chính vì vậy, nước thải sản xuất trước khi thải bỏ ra môi trường cần được xử lý để đạt chuẩn yêu cầu về nước thải công nghiệp. Nước thải ngành sản xuất bia có hàm lượng BOD, COD, SS… rất cao nếu không có phương án xử lý sẽ ảnh hưởng nghiệm trọng đến môi trường sống của con người và các loại sinh vật mà nguồn nước thải ra.

Tình hình tiêu thụ bia trên thế giới.

Sơ lược về bia:

Bia là 1 trong những đồ uống lâu đời nhất của loài người, có thể xuất hiện trong thời kì đầu Đồ Đá hay 9.500 trước CN khi mà ngũ cốc lần đầu tiên được gieo trồng. So với những loại nước giải khát khác, bia có chứa một lượng cồn thấp (3 – 8%), và nhờ có CO2 trong bia nên tạo nhiều bọt khi rót, bọt là đặc tính ưu việt của bia.

Về mặt dinh dưỡng, một lít bia có chất lượng trung bình tương đương với 25g thịt bò hoặc 150g bánh mỳ loại một, hoặc tương đương với nhiệt lượng là 500 kcal. Vì vậy bia được mệnh danh là bánh mỳ nước.

Ngoài ra trong bia còn có vitamin B₁, B₂, nhiều vitamin PP và axit amin rất cần thiết cho cơ thể. Trong 100ml bia 10% chất khô có: 2,5 – 5 mg vitamin B1, 35 – 36 mg vitamin B₂ và PP. Chính vì vậy từ lâu bia đã trở thành thứ đồ uống quen thuộc được rất nhiều người ưa thích.

Nước ta có khí hậu nhiệt đới, dân số tương đối lớn, hơn 90 triệu người và có tỉ lệ dân số trẻ chiếm đa số nên tiềm năng tiêu thụ nước giải khát nói chung và bia nói riêng là rất lớn, cần được khai thác.

Tình hình sản xuất và tiêu thụ bia trên thế giới

Đối với các nước có nền công nghiệp phát triển, đời sống kinh tế cao thì bia được sử dụng như một thứ nước giải khát quan trọng.

Hiện nay, trên thế giới có 25 nước sản xuất bia với tổng sản lượng trên 100 tỷ lít/năm, trong đó: Mỹ, Đức, mỗi nước sản xuất trên dưới 10 tỷ lít/năm; Trung Quốc 7 tỷ lít/năm .

Thống kê bình quân mức tiêu thụ hiện nay ở một số nước công nghiệp tiên tiến năm 2004 như sau: Cộng hòa Czech hơn 150 lít/người/năm; Đức 115 lít/người/năm; Mỹ trên 80 lít/người/năm .

Bia được đưa vào Việt Nam từ năm 1890 cùng với sự có mặt của Nhà máy Bia Sài Gòn và Nhà máy Bia Hà Nội, như vậy ngành bia Việt Nam đã có lịch sử hơn 100 năm.

Tình hình sản xuất và tiêu thụ bia tại Việt Nam.

Hiện nay, do nhu cầu của thị trường, chỉ trong một thời gian ngắn, ngành sản xuất bia có những bước phát triển mạnh mẽ thông qua việc đầu tư và mở rộng các nhà máy bia đã có từ trước và xây dựng các nhà máy bia mới thuộc Trung ương và địa phương quản lý, các nhà máy liên doanh với các hãng nước ngoài. Công nghiệp bia phát triển kéo theo sự phát triển của các ngành sản xuất khác và hàng năm ngành bia đã đóng góp cho ngân sách nhà nước một lượng đáng kể.

Tình hình sản xuất bia trong nước

Do tác động của nhiều yếu tố như tốc độ tăng trưởng GDP, tốc độ tăng dân số, tốc độ đô thị hóa, tốc độ đầu tư… mà ngành công nghiệp Bia phát triển với tốc độ tăng trưởng cao. Chẳng hạn như năm 2003, sản lượng bia đạt 1290 triệu lít, tăng 20,7% so với năm 2002, đạt 79% so với công suất thiết kế, tiêu thụ bình quân đầu người đạt 16 lít/năm, nộp ngân sách nhà nước khoảng 3.650 tỷ đồng.

Về số lượng cơ sở sản xuất

Số lượng cơ sở sản xuất giảm xuống so với những năm cuối thập niên 1990, đến năm 2003 chỉ còn 326 cơ sở sản xuất so với 469 cơ sở năm 1998 [1]. Điều này là do yêu cầu về chất lượng bia, về mức độ vệ sinh an toàn thực phẩm ngày càng cao, đồng thời do sự xuất hiện của nhiều doanh nghiệp bia lớn có thiết bị và công nghệ tiên tiến… nên có sự cạnh tranh gay gắt, nhiều cơ sở sản xuất quy mô nhỏ, chất lượng thấp không đủ khả năng cạnh tranh đã phá sản hoặc chuyển sang sản xuất sản phẩm khác.

Trong các cơ sở sản xuất đó, Sabeco có năng suất trên 200 triệu lít/năm, Habeco có năng suất hơn 100 triệu lít/năm, 15 nhà máy bia có năng suất trên 15 triệu lít/năm và khoảng 165 cơ sở sản xuất có năng suất dưới 1 triệu lít/năm.

Mức độ tiêu thụ bia

Hai Tổng công ty Sabeco và Habeco có đóng góp tích cực và giữ vai trò chủ đạo trong ngành bia. Riêng năm 2003, doanh thu của ngành Bia- Rượu- NGK Việt Nam đạt 16.497 tỷ đồng, nộp ngân sách nhà nước 5000 tỷ đồng, tạo điều kiện việc làm và thu nhập ổn định cho trên 20.000 lao động. Sản lượng tiêu thụ bia toàn quốc đạt 1290 triệu lít chiếm 78,8% công suất thiết kế, trong đó Habeco và Sabeco đạt 472,28 triệu lít (chiếm 36,61% toàn ngành bia).

Mức tiêu thụ bình quân đầu người ở Việt nam tăng lên nhanh chóng trong vòng 10 năm qua, từ mức dưới 10 lít/người/năm ở năm 1997 tăng lên 18 lít/người/năm vào năm 2006, dự kiến đến năm 2015 là 35 lít/người/năm.

Do mức sống ngày càng tăng, mức tiêu thụ ngày càng cao không kể các nước Châu Âu, Châu Mỹ có mức tiêu thụ bia theo đầu người rất cao do có thói quen uống bia từ lâu đời, các nước Châu Á tiêu dùng bình quân 17 lít/người/năm.

Truyền thống văn hóa dân tộc và lối sống tác động đến mức tiêu thụ bia, rượu. Ở các nước có cộng đồng dân tộc theo đạo hồi, không cho phép giáo dân uống rượu bia nên mức tiêu thụ bình quân theo đầu người ở mức thấp. Tại Việt Nam, không bị ảnh hưởng của tôn giáo trong tiêu thụ bia nên thị trường còn phát triển.

Năm 1995 dân số Việt Nam là 74 triệu người, năm 2000 khoảng 81 triệu người và hiện nay trên 90 triệu người. Do vậy dự kiến mức tiêu thụ bình quân theo đầu người vào năm 2010 là 28 lít/người/năm, sản lượng 3 tỷ lít/năm và đến năm 2015 mức tiêu thụ bình quân là 35 lít/người/năm với sản lượng 6 tỷ lít/năm.

CÁC QUÁ TRÌNH CƠ BẢN TRONG SẢN XUẤT BIA:

Nguyên liệu sản xuất bia

Bia được sản xuất từ 4 nguyên liệu chính là malt đại mạch, nước, hublon và nấm men. Nhiều loại nguyên liệu thay thế malt trong quá trình nấu là gạo, đường và các loại dẫn xuất từ ngũ cốc; các nguyên liệu khác được sử dụng trong quá trình lọc và hoàn thiện sản phẩm như bột trợ lọc, các chất ổn định; Nhiều loại hóa chất được sử dụng trong quá trình sản xuất như các chất tẩy rửa, các loại dầu nhờn, chất bôi trơn, chất hoạt động bề mặt… Tỷ lệ các thành phần nguyên liệu phụ thuộc vào chủng loại bia sẽ được sản xuất.

• Nước

Do thành phần chính của bia là nước nên nguồn nước và các đặc trưng của nó có ảnh hưởng rất quan trọng tới các đặc trưng của bia. Nhiều loại bia chịu ảnh hưởng hoặc thậm chí được xác định theo đặc trưng của nước trong khu vực sản xuất bia. Mặc dù ảnh hưởng của nó cũng như là tác động tương hỗ của các loại khoáng chất hòa tan trong nước được sử trong sản xuất bia là khá phức tạp, nhưng theo quy tắc chung thì nước được sử dụng trong sản xuất bia là khá phức tạp, nhưng theo quy tắc chung thì nước mềm là phù hợp cho sản xuất các loại bia sáng màu. Do đó, dể dảm bảo sự ổn định về chất lượng và mùi vị của sản phẩm, nước cần được xử lý trước khi tham gia vào quá trình sản xuất bia nhằm đạt được các chỉ tiêu chất lượng nhất định.

Đại mạch được chia ra làm 2 nhóm : mùa đông và mùa xuân, có chu kỳ sinh trưởng 100-120 ngày. Trong đó :

• Đại mạch 6 hàng : đa số được dùng trong sản xuất thức ăn gia súc.
• Đại mạch 2 hàng : đa số được dùng trong sản xuất bia.
• Đại mạch 4 hàng : một số chúng dược dùng trong sản xuất bia.

Malt là hạt đại mạch được nảy mầm trong điều kiện nhân tạo. Hạt đại mạch được ngâm trong nước , sau đó được tạo môi trường ẩm để thích hợp cho việc nảy mầm. Quá trình nẩy mầm, một lượng lớn các enzyme xuất hiện và tích tụ trong hạt đại mạch như : enzyme amylaza, enzyme proteaza. Các enzyme này là những nhân tố thực hiện việc chuyển các chất trong thành phần hạt đại mạch thành nguyên liệu mà nấm men có thể sử dụng để tạo thành sản phẩm là bia, khi hạt đại mạch đã nảy mầm, người ta đem sấy khô ở nhiệt độ cao, trong thời gian ngắn, tùy theo nhiệt độ sấy mà ta thu được những loại malt khác nhau.

 

• Malt vàng : sấy ở nhiệt độ 80⁰C
• Malt socola : sấy ở nhiệt độ 100⁰C

Phải chọn đại mạch chứa ít protein, làm ướt đến 42-48%, nảy mầm ở nhiệt độ tương đối ( 13-18⁰C) và phải thông gió tốt. Trong điều kiện đó, hạt sẽ tích tụ nhiều enzyme, tiêu hao đạm và polysaccharit, đường cũng tích tụ với số lượng vừa đủ.

Quá trình sấy thực hiện nhanh trong 24 giờ. Sau đó loại bỏ mầm vì mầm có thể mang lại cho bia vị  không bình thường. Không thể dùng malt vừa sấy xong để làm bia mà phải qua quá trình bảo quản , vì trong quá trình bảo quản malt sẽ hút ẩm từ không khí, độ ẩm dần dần tăng lên, trong malt lúc này xuất hiện một số hiện tượng hóa lý ngược với lúc sấy khô. Tất cả những thay đổi dẫn đến một sản phẩm hoàn chỉnh đó là malt chín tới.

Thành phần hóa học của malt (tính theo % chất thô )

+ Tinh bột :     58%                             + Chất khoáng : 2,5%

+ Lipid :          2,5%                            + Saccharose   : 5%

+ Đường khử : 4%                              + Protid            : 10%

+ Pentoza       : 8%                              + Cellulose       : 6%

Malt được sử dụng ở dạng chất khô hòa tan thành dịch đường. Malt là nguyên liệu truyền thống, thiết yếu, không thể thiếu được trong quá trình sản xuất bia .

Hoa Houblon

Hoa houblon có tên khoa học là Humulus lupulus L, là một loại cây lưu niên thuộc họ dây leo, có độ cao trung bình từ 6-8m.

Hoa Houblon là nguyên liệu chính thứ 2 dùng để sản xuất bia, hoa Houblon góp phần tạo ra mùi vị đặc trưng của bia, ngoài ra hoa Houblon còn được sử dụng như một chất bảo quản bia, làm tăng tính ổn định, khả năng tạo bọt, tính giữ bọt, làm cho bột mịn và xốp.

Chỉ sử dụng hoa cái trong quá trình sản xuất bia.

Men bia (Yeast)

Men bia được sử dụng trong qui trình này là men Heineken A

Năm 1886, Dr Eilon, học trò của Louis Pasteur phát triển thành công Heineken “A-yeast” – men bia đặc trưng của Heineken vẫn còn được ứng dụng trong công nghệ sản xuất bia ngày nay của Heineken và giúp mang lại cho các sản phẩm của Heineken một hương vị riêng độc đáo.

Yêu cần chất lượng của nấm men trước khi đưa vào làm men.

• Khi đưa vào sản xuất tỉ lệ men chết dưới 2%, tỉ lệ nảy chồi lớn hơn 10%. Thời kỳ mạnh nhất khi độ đường xuống nhanh nhất có thể trên 80%.
• Nấm men đưa vào dịch đường để lên men phải được từ 10-20 triệu tế bào/ml dịch giống.
• Nấm men phải có khả năng chuyển hóa các đường đôi, đường đơn giản, các peptid, acid amin, giải phóng ra CO₂, rược etylic và nhiệt.
• Nấm men phải thuần chủng.

Sản phẩm thay thế (Gạo)

Ở nước ta nguyên liệu thay thế được sử dụng là gạo, do nước ta có nguồn gạo dồi dào, mặc khác việc nghiền, xay gạo cũng giản đơn, không cần phải ngâm .

Gạo được dùng thay thế một phần malt để làm giảm giá thành sản phẩm.

Yêu cầu kỹ thuật của gạo
+ Trắng, đều hạt, không ẩm mốc, không có mùi hôi, sạn rác, không mối mọt
+ Tỷ lệ tạp chất < 2%
+ Độ ẩm : 13-13,5%
+ Tinh bột : 76% chất khô
+ Tro         : 1,1% chất khô
+ Chất béo : 1,6% chất khô
+ Cellulose : 5,8% chất khô

Các công đoạn sản xuất bia:

Chuẩn bị

   Malt và gạo (gọi tắt là nguyên liệu) được đưa đến bộ phận nghiền nguyên liệu thành các mảnh nhỏ, sau đó được chuyển sang nồi nấu để tạo điều kiện cho quá trình chuyển hóa nguyên liệu và trích ly tối đa các chất hoà tan trong nguyên liệu. Các nhà sản xuất bia thường sử dụng các thiết bị nghiền khô hoặc nghiền ướt.

• Đối với gạo: do gạo chưa qua nảy mầm nên cấu trúc tinh bột còn nguyên vẹn, nên gạo cần phải được nghiền càng mịn càng tốt.
• Đối với malt: Việc nghiền malt cần đáp ứng 2 yêu cầu là đảm bảo được hiệu suất chuyển hóa cao trong quá trình nấu và dễ dàng lọc được dịch đường sau khi đường hóa. Độ mịn của malt sau khi nghiền phụ thuộc vào công nghệ lọc hèm sau khi đường hóa và loại máy nghiền được lựa chọn trong hệ thống thiết bị.

Nấu

       Quá trình nấu gồm 4 công đoạn:

• Hồ hóa và đường hóa: nguyên liệu sau khi xay nghiền được hòa trộn với nước theo tỷ lệ nhất định và được chuyển tới thiết bị hồ hóa và đường hóa. Bằng cách điều chỉnh hỗn hợp nguyên liệu ở các chế độ thích hợp (nhiệt độ, thời gian, pH), hệ enzyme có sẵn trong nguyên liệu hoặc các enzyme được bổ sung từ nguồn bên ngoài chuyển hóa các chất dự trữ có trong nguyên liệu thành dạng hòa tan. Các enzyme thủy phân tinh bột tạo thành các loại đường dễ lên men và các dẫn xuất có phân tử lượng thấp hơn của tinh bột. Các enzyme thủy phân các chất protein thành axít amin và các dẫn xuất của protein. Các chất gôm, xenlulo cũng được thủy phân một phần thành các chất hoà tan. Dịch sau khi đường hóa được tách khỏi bã qua máy lọc.
• Lọc dịch đường: hèm được đưa qua máy lọc nhằm tách bã hèm ra khỏi nước nha. Thiết bị lọc dịch đường phổ biến có 2 loại là nồi lọc lắng hoặc máy ép lọc khung bản.
• Đun sôi với hoa houblon: dịch đường sau khi lọc được nấu với hoa houblon bằng cách đun sôi trong 60-90 phút. Mục đích của quá trình nhằm ổn định thành phần của dịch đường, tạo cho sản phẩm có mùi thơm đặc trưng của hoa hublon, diệt khuẩn dịch đường trước khi vào lên men.
• Lắng nóng dịch đường: dịch sau khi nấu được đưa qua bồn lắng xoáy nhằm tách bã hoa houblon và cặn tạo thành trong quá trình lắng nóng trước khi chuyển vào lên men.

Quá trình nấu sử dụng nhiều năng lượng dưới dạng nhiệt năng và điện năng cho việc vận hành các thiết bị; hơi nước phục vụ mục đích gia nhiệt và đun sôi.

Lên men

Làm lạnh và bổ sung ôxy: dịch đường sau lắng có nhiệt độ khoảng 90- 95^oC được hạ nhiệt độ nhanh đến 8 – 10^oC và bổ sung ôxy với nồng độ 6­8 mg O₂/lít. Quá trình lạnh nhanh được thực hiện trong các thiết bị trao đổi nhiệt với môi chất lạnh là nước lạnh 1-2 ^oC.

Chuẩn bị men giống: Nấm men được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, sau đó được nhân trong các điều kiện thích hợp để đạt được mật độ nấm men cần thiết cho lên men

Lên men chính: dịch đường được cấp bổ sung ôxy, làm lạnh đến nhiệt độ thích hợp để tiến hành quá trình lên men chính với thời gian và điều kiện phù hợp. Việc lên men có thể được thực hiện trong các tank không có bảo ôn và đặt trong nhà lạnh được kiểm soát nhiệt độ theo chế độ nhiệt độ chung của phòng lên men. Công nghệ lên men trong phòng lạnh hiện nay không còn phổ biến do tiêu tốn nhiều năng lượng cho việc chạy lạnh cho phòng lên men và khó khăn trong việc thao tác vận hành. Ngày nay việc lên men phổ biến được tiến hành trong các tank liên hoàn được thiết kế phù hợp cho công nghệ lên men của các nhà sản xuất khác nhau với hệ thống kiểm soát nhiệt độ và dễ dàng tự động hóa. Khí CO₂ sinh ra trong quá trình lên men được thu hồi. Thời gian lên men chính thường là 5-7 ngày.Trong trường hợp lên men chìm, sau khi kết thúc lên men chính nấm men kết lắng xuống đáy các tank lên men và được lấy ra ngoài gọi là men sữa. Nấm men sẽ được lấy một phần để tái sử dụng cho lên men các tank tiếp theo hoặc được thải bỏ. Trong trường hợp lên men nổi, nấm men tập trung lên bề mặt và cũng được tách một phần khỏi dịch lên men.

Lên men phụ: dịch sau khi kết thúc giai đoạn lên men chính được chuyển sang giai đoạn lên men phụ để hoàn thiện chất lượng bia (tạo hương và vị đặc trưng). Quá trình lên men này diễn ra chậm, tiêu hao một lượng đường không đáng kể, bia được lắng trong và bão hoà CO₂. Thời gian lên men từ 14-21 ngày hoặc hơn tuỳ thuộc vào yêu cầu của từng loại bia.

Lọc bia và hoàn thiện sản phẩm

Lọc bia: Sau lên men, bia được đem lọc để đạt được độ trong theo yêu cầu. Lọc bia được tiến hành bằng nhiều loại thiết bị khác nhau. Các loại máy lọc bia thường dùng là máy ép lọc khung bản có sử dụng giấy hoặc vải lọc. Trong những năm trước đây nhiều nhà máy sử dụng các máy lọc đĩa nằm ngang với các thiết kế khác nhau. Gần đây các nhà sản xuất bia trong các nhà máy quy mô lớn sử dụng máy lọc nến với các cột lọc là các cột lưới inox có bề mặt lọc rộng, kích thước máy gọn, vận hành hoàn toàn tự động, dễ kiểm soát độ trong của bia và chất lượng bia ổn định hơn. Việc lọc trong bia luôn thực hiện với sự duy trì nhiệt độ lạnh cho bia trước và sau khi lọc khoảng -1^oC đến 1^oC. Tác nhân quan trọng để lọc bia là các loại bột trợ lọc khác nhau. Sau khi lọc chúng trở thành chất thải và là vấn đề gây ô nhiễm lớn trong quá trình sản xuất.

Hoàn thiện sản phẩm, bia có thể được lọc hoặc xử lý qua một số công đoạn như qua hệ thống lọc trao đổi chứa PVPP hoặc silicagel để loại bớt polyphenol và protein trong bia, tăng tính ổn định của bia trong quá trình bảo quản. Nhằm mục đích tăng tính ổn định của bia người ta có thể sử dụng thêm các enzyme hoặc chất bảo quản được phép sử dụng trong sản xuất bia.

Pha bia: Trong công nghệ sản xuất bia gần đây các nhà sản xuất tiến hành lên men bia nồng độ cao (phổ biến trong khoảng 12,5 – 16 độ plato) để tăng hiệu suất thiết bị và tiết kiệm năng lượng. Trong quá trình lọc và hoàn thiện sản phẩm họ sẽ pha loãng bia về nồng độ mong muốn theo tiêu chuẩn sản phẩm trên những thiết bị chuyên dùng. Quá trình pha loãng bia luôn yêu cầu nước tiêu chuẩn cao trong đó hàm lượng ô xy hòa tan dưới 0,05 ppm.

Bão hòa CO₂: Bia trong và sau khi lọc được bão hòa thêm CO₂ để đảm bảo tiêu chuẩn bia thành phẩm trước khi đóng chai, lon.

Lọc bia vô trùng: có nhiều nhà máy bia trang bị hệ thống lọc màng để sản xuất bia tươi đóng chai/lon không thanh trùng.

Như vậy hệ thống lọc bia trong nhà máy sản xuất bia có nhiều cấp độ khác nhau. Tùy theo mục đích mà nhà sản xuất trang bị thiết bị và chất lượng thiết bị đến mức độ cần thiết.

Đóng chai, lon, keg và thanh trùng sản phẩm

Để đáp ứng nhu cầu khác nhau của người tiêu dùng và đảm bảo việc vận chuyển bia đến nơi tiêu thụ, các nhà sản xuất bia phải tiến hành khâu bao gói.

Các bao bì phải được rửa sạch sẽ tiệt trùng trước khi chiết rót. Khâu rửa bao bì tốn nhiều hóa chất và năng lượng kèm theo nước thải với tải lượng BOD cao.

Bia được chiết vào chai, lon keg bằng các thiết bị chiết rót. Tùy theo yêu cầu của thị trường, thời gian lưu hành sản phẩm trên thị trường có thể từ 1 tháng đến hàng năm. Do vậy yêu cầu chất lượng của bia sau khi đóng vào bao bì cũng rất khác nhau. Việc kiểm soát tốt các thông số trong quá trình chiết như hàm lượng ô xy/không khí trong chai/lon đòi hỏi nghiêm ngặt và như vậy cần phải lựa chọn tốt thiết bị chiết rót ngay từ khi đầu tư. Quá trình đóng chai/lon cần độ chính xác cao về hàm lượng ô xy/không khí, mức bia trong chai. Nếu thiết bị làm việc không chính xác sẽ dẫn đến nhiều sản phẩm hỏng, mức hao hụt bia cao, gây tải lượng hữu cơ cao trong nước thải.

Sau khi chiết, sản phẩm được thanh trùng.Quá trình thanh trùng được thực hiện nhờ nước nóng ở các thang nhiệt độ yêu cầu. Yêu cầu kỹ thuật cho khâu thanh trùng được tính bằng đơn vị thanh trùng.

Đơn vị thanh trùng (PE) = t x 1,393 ^{(T – 60)}

Trong đó: t là thời gian thanh trùng (phút); T là nhiệt độ thanh trùng (°C)

Các công đoạn phụ trợ:

Các quá trình vệ sinh:

Trong sản xuất bia quá trình vệ sinh đóng vai trò quan trọng để đảm bảo các yêu cầu công nghệ và an toàn vệ sinh thực phẩm cho sản phẩm. Ngoài ra, việc vệ sinh còn chứa đựng nhiều vấn đề gây ô nhiễm môi trường nếu không được thiết lập quy trình và quản lý đúng mức.Vệ sinh bao gồm các công việc liên quan đến làm sạch khu vực sản xuất và vệ sinh thiết bị.Các thiết bị được chế tạo gần đây luôn trang bị các bộ phận có thể cho phép vệ sinh có thể tiến hành hoàn toàn tự động trong thiết bị (gọi là CIP).

Vệ sinh nhà xưởng, khu vực sản xuất phải được làm thường xuyên để tránh ô nhiễm chéo từ môi trường vào sản phẩm. Công việc chủ yếu thực hiện bằng tay và nhờ sự trợ giúp của các bơm, vòi phun cao áp.

Vệ sinh thiết bị nhờ hệ thống vệ sinh trong thiết bị (CIP) có thể tự động hoá ở các mức độ khác nhau. Các giai đoạn trong quy trình CIP bao gồm:

• Khâu tráng rửa ban đầu: Các bồn chứa và đường ống được rửa bằng nước thường để loại các chất bẩn bám trên bề mặt. Nước rửa không được tái sử dụng mà thải ra hệ thống xử lý nước thải. Mức độ ô nhiễm của nước thải phụ thuộc vào độ bẩn của các bồn và đường ống.
• Khâu rửa bằng hoá chất: Sau khi kết thúc quá trình rửa ban đầu, các bồn chứa và đường ống được súc rửa bằng dung dịch xút nóng ở nhiệt độ 70- 85^oC để tẩy sạch các chất bẩn còn bám ở bề mặt. Thời gian tuần hoàn xút nóng 15-30 phút tuỳ thuộc vào mức độ bẩn của thiết bị. Xút nóng được thu hồi về thiết bị chứa để tái sử dụng. Sau khi tuần hoàn xút nóng thiết bị được tráng rửa bằng nước. Một số thiết bị sau khi rửa bằng xút và tráng rửa có thể phải rửa tiếp bằng dung dịch axit. Sau đó được tráng rửa bằng nước nhiều lần đến khi sạch.
• Khâu súc rửa cuối cùng: Các bồn và đường ống được súc rửa lần cuối với dung dịch nước ở nhiệt độ môi trường để làm sạch các chất tẩy rửa còn lại. Phần nước này được thu hồi và tái sử dụng cho khâu súc rửa sơ bộ.

Do vậy, ngoài khả năng đảm bảo mức độ vệ sinh thực phẩm, quy trình súc rửa, tái sử dụng cho phép tiết kiệm tài nguyên nước và hóa chất sử dụng.

Quá trình cung cấp hơi:

Hệ thống nồi hơi đốt than hoặc dầu với áp suất tối đa là 10 bar, áp suất làm việc trong khoảng 4-6 bar.Thiết bị cung cấp hơi là nồi hơi chạy bằng nhiên liệu hóa thạch (than đá, ga), khí sinh học, hoặc bằng điện.Từ nồi hơi, hơi nước được dẫn trong các ống chịu áp cung cấp cho các thiết bị cần gia nhiệt. Hiệu suất của nồi hơi, các chế độ vận hành, việc bảo ôn cách nhiệt, việc tận thu và sử dụng nước ngưng có ý nghĩa lớn trong việc xem xét hiệu quả của hệ thống cung cấp nhiệt trong nhà máy bia.

Khói thải nồi hơi có chứa CO, CO₂, NO_x, SO_x và bụi thải. Khói thải gây ra hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm không khí các khu vực lân cận.

Quá trình cung cấp lạnh cho sản xuất:

Trong nhà máy bia các quá trình có sử dụng lạnh là quá trình làm lạnh dịch đường từ khâu nấu, quá trình lên men, quá trình nhân và bảo quản giống men, quá trình làm lạnh bia thành phẩm trong các bồn chứa bia thành phẩm, quá trình làm lạnh nước phục vụ lên men và vệ sinh… Hệ thống máy lạnh với môi chất hiện nay thường sử dụng là ammoniac sẽ làm lạnh glycol hoặc nước là các môi chất thứ cấp cho các thiết bị lên men và trao đổi nhiệt.Việc tính toán công suất máy lạnh, thiết kế hệ thống cung cấp lạnh hợp lý sẽ đảm bảo chi phí vận hành thấp, hiệu quả sản xuất cao.

Quá trình cung cấp khí nén:

Khí nén được dùng trong nhiều quá trình trong nhà máy sản xuất bia. Khí nén được cung cấp bởi máy nén khí , chứa sẵn trong các bình chứa. Máy nén khí tiêu tốn nhiều điện năng, khí nén được dự trữ ở áp suất cao trong các balông chứa khí, rất dễ bị rò rỉ, hao phí do thoát ra ngoài trên đường ống.

Quá trình thu hồi và sử dụng CO₂

Bao gồm balông chứa, thiết bị rửa, máy nén CO2 , thiết bị loại nước, lọc than hoạt tính, thiết bị lạnh, thiết bị ngưng tụ CO₂, 1 tank chứa CO₂ , 1 thiết bị bay hơi CO2, hệ thống đường ống, phụ kiện. Toàn bộ CO2 trong quá trình lên men sẽ được thu lại và sử dụng cho việc bão hòa CO2 của bia thành phẩm trong quá trình lọc.

CÁC NGUỒN THẢI TỪ NHÀ MÁY BIA

Nước thải:

Công nghiệp sản xuất bia là một trong những ngành công nghiệp đòi hỏi tiêu tốn một lượng nước lớn cho mục đích sản xuất và vì thế sẽ thải ra môi trường một lượng nước thải lớn. Cụ thể như sau:

• Nước làm lạnh, nước ngưng, đây là nguồn nước thải ít hoặc gần như không gây ô nhiễm nên có khả năng tuần hoàn sử dụng lại.
• Nước thải từ công đoạn nấu – đường hóa: bao gồm
• Nước thải trong quá trình rửa bã sau nấu,
• Nước thải do vệ sinh nồi nấu gạo, malt, hoa; vệ sinh thiết bị lọc dịch đường và thiết bị tách bã.

Đặc tính của nước thải này có mức độ ô nhiễm rất cao, có chứa bã malt, bã hoa, tinh bột, các chất hữu cơ, một ít tanin, chất đắng, chất màu…

• Nước thải từ công đoạn lên men:

Nước vệ sinh các tank lên men, thùng chứa, đường ống, sàn nhà… có chứa bã men, bia cặn và các chất hữu cơ.

• Nước thải từ công đoạn hoàn tất sản phẩm: Lọc, bão hòa CO2, chiết chai, đóng nắp, thanh trùng. Nước thải chủ yếu từ công đoạn này là nước vệ sinh thiết bị lọc, nước rửa chai và téc chứa. Đây cũng là một trong những dòng thải có ô nhiễm lớn trong sản xuất bia.

Nước thải từ công đoạn này có chứa bột trợ lọc, một ít bã men, bia còn lại từ bao bì tái sử dụng, bia rơi vãi trong quá trình chiết, pH cao…

• Nước rửa sàn các phân xưởng, nước thải từ nồi hơi, nước từ hệ thống làm lạnh có chứa hàm lượng chlorit cao.
• Xút và axit thải ra từ hệ thống CIP, xút từ thiết bị rửa chai. Dòng thải này có lưu lượng nhỏ và cần thu hồi riêng để xử lý cục bộ, tuần hoàn tái sử dụng cho các mục đích khác.
• Bên cạnh nước thải sản xuất, một nguồn ô nhiễm khác đó là nước thải sinh hoạt từ nhà vệ sinh, nhà bếp phục vụ cán bộ công nhân viên. Nước thải này chủ yếu chứa các chất gây ô nhiễm BOD, COD, SS, N, P, vi sinh vật ở mức trung bình, nếu nước thải này không được xử lý thích đáng cũng gây ra những tác động xấu đến môi trường.

Trong sản xuất bia công nghệ ít thay đổi từ nhà máy này sang nhà máy khác, sự khác nhau có thể chỉ là sự áp dụng phương pháp lên men nổi hay lên men chìm. Nhưng sự khác nhau cơ bản là vấn đề sử dụng nước cho quá trình rửa chai, máy móc, nhà xưởng… Điều đó dẫn đến tải lượng nước thải và hàm lượng các chất ô nhiễm của các nhà máy bia rất khác nhau. Ở các nhà máy bia có biện pháp tuần hoàn nước và công nghệ rửa tiết kiệm nước thì lượng nước thấp, như ở Cộng Hoà Liên Bang Đức nước sử dụng và nước thải bia như sau:

• Định mức nước cấp: 4 – 8 m³/1000lít bia, tải lượng nước thải 2,5 – 6 m³/1000 lit bia.
• Tải trọng BOD₅: 3 – 6 kg/1000 lít bia; tỷ lệ BOD₅/COD = 0,55 – 0,7.
• Hàm lượng các chất ô nhiễm trong nước thải như sau:

BOD5 = 1100 đến 1500 mg/l; COD = 1800 – 3000 mg/l;

• Tổng nitơ = 30 đến 100 mg/l; tổng photpho = 10 đến 30 mg/l.

Với các biện pháp sử dụng nước hiệu quả nhất thì định mức nước thải của nhà máy bia không thể thấp hơn 2 – 3 m³/1000 lít bia sản phẩm. Trung bình lượng nước thải ở nhiều nhà máy bia lớn gấp 10 đến

TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ

Phương pháp cơ học

Phương pháp xử lý cơ học thường là giai đoạn đầu tiên trong dây chuyền công nghệ xử lý nước thải (giai đoạn tiền xử lý), có nhiệm vụ loại ra khỏi nước thải tất cả các vật có thể gây tắc nghẽn đường ống, làm hư hại máy bơm và làm giảm hiệu quả xử lý cho các giai đoạn sau, cụ thể:

• Loại bỏ hoặc cắt nhỏ những vật nổi lơ lửng có kích thước lớn trong nước thải như mảnh gỗ, nhựa, gạc bông, giẻ rách, vỏ hoa quả…
• Loại bỏ cặn nặng như cát, sỏi, mảnh thủy tinh, mảnh kim loại…
• Loại bỏ phần lớn dầu mỡ.

Các công trình bố trí trong giai đoạn tiền xử lý gồm song chắn rác, lưới chắn rác, thiết bị nghiền, cắt vụn rác (nếu cần), bể lắng cát, bể điều hòa, tách dầu mỡ, lọc cơ học…

Nước thải công nghiệp sản xuất bia có chứa mảnh thủy tinh vỡ (chai vỡ), nhãn giấy, nút chai, hàm lượng chất lơ lửng cao (400 – 800 mg/l)… nên cần phải qua giai đoạn xử lý cơ học trước khi sang các giai đoạn xử lý tiếp theo.

Phương pháp hóa học – hóa lý

Cơ sở của phương pháp hóa học là các phản ứng hóa học, các quá trình hóa lý diễn ra giữa chất bẩn với hóa chất cho thêm vào.

Các phương pháp hóa học như oxi hóa, trung hòa, trao đổi ion, đông keo tụ, khử trùng; còn các phương pháp hóa lý như tuyển nổi, hấp phụ…

• Phương pháp trung hòa, điều chỉnh pH

Nước thải thường có những giá trị pH khác nhau. Muốn nước thải được xử lý tốt bằng phương pháp sinh học phải tiến hành trung hòa và điều chỉnh pH về vùng 6,5 – 7,5.

Trung hoà có thể thực hiện bằng trộn dòng thải có tính axit với dòng thải có tính kiềm hoặc sử dụng các hoá chất như: H₂SO₄, NaOH, NaHCO₃, Na₂CO₃, CaO, Ca(OH)₂, MgO, CaCO₃… Điều chỉnh pH thường kết hợp ở bể điều hoà hay bể keo tụ.

Đặc trưng chung nước thải ngành bia có giá trị pH kiềm tính do dòng thải của quá trình rửa chai có độ pH cao. Mặt khác, nước vệ sinh các thiết bị trong nhà xưởng cũng chứa axit nên có sự dao động pH qua từng công đoạn.Vì vậy, cần phải điều chỉnh pH về giá trị thích hợp cho xử lý sinh học phía sau; công đoạn này được thực hiện kết hợp trong bể điều hòa.

• Phương pháp keo tụ

Keo tụ là một hiện tượng làm mất sự ổn định của các hạt huyền phù dạng keo để cuối cùng tạo ra các cụm hạt khi có sự tiếp xúc giữa các hạt.

Người ta sử dụng các loại phèn nhôm, phèn sắt hoặc hỗn hợp hai loại phèn này để làm chất keo tụ.

Hiện nay, thông thường người ta cho thêm các chất trợ keo như polymer hữu cơ để tăng cường quá trình tạo bông và lắng như polyacrylamit. Nó tan trong nước và có tác dụng như những cầu nối kết hợp các hạt phân tán nhỏ thành tập hợp hạt lớn có khả năng lắng tốt hơn. Vì vậy, việc bổ sung thêm chất trợ keo tụ sẽ giúp giảm liều lượng các chất keo tụ, giảm thời gian keo tụ và nâng cao tốc độ lắng các bông keo.

Đối với nước thải ngành bia thì phương pháp này không thích hợp vì trong nước thải bia, hàm lượng các chất hữu cơ ở trạng thái hòa tan và trạng thái lơ lửng cao mà các chất này không thích hợp cho phương pháp keo tụ.

• Phương pháp hấp phụ

Hấp phụ có nghĩa là sự chuyển dịch một phân tử từ pha lỏng đến pha rắn. Phương pháp này được dùng để loại bỏ các chất bẩn hòa tan trong nước mà phương pháp xử lý sinh học cùng các phương pháp khác không loại bỏ được với hàm lượng rất nhỏ. Thông thường đây là các hợp chất hòa tan có độc tính cao hoặc các chất có mùi, vị và màu rất khó chịu.

Các chất hấp phụ thường dùng là than hoạt tính, đất sét hoạt tính, silicagen, keo nhôm… Trong đó than hoạt tính được sử dụng phổ biến nhất.

Các chất ô nhiễm trong nước thải bia là những chất có khả năng phân hủy sinh học. Hiệu quả khử các chất này bằng phương pháp sinh học tương đối dễ nên không cần sử dụng phương pháp hấp phụ.

• Tuyển nổi

Phương pháp này dựa trên nguyên tắc: các phần tử phân tán trong nước có khả năng tự lắng kém, nhưng có khả năng kết dính vào các bọt khí nổi lên trên bề mặt. Sau đó người ta tách các bọt khí cùng các phần tử dính ra khỏi nước.

Phương pháp tuyển nổi được dùng rộng rãi trong luyện kim, thu hồi khoáng sản quý và cũng được dùng trong xử lý nước thải để tách các hạt keo lơ lửng, tách dầu mỡ… Tuy nhiên, đối với nước thải ngành bia, do hàm lượng các chất lơ lửng không cao lắm và khả năng tự lắng tương đối tốt nên phương pháp tuyển nổi hầu như không được áp dụng.

• Phương pháp trao đổi ion

Trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với các ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau. Các chất này gọi là các ionit và chúng hoàn toàn tan trong nước.

Phương pháp này được dùng để loại các ion kim loại cũng như các chất chứa asen, xianua, chất phóng xạ ra khỏi nước; đồng thời nó còn được dùng phổ biến để làm mềm nước, loại ion Ca²⁺, Mg²⁺ ra khỏi nước cứng.

Đối với nước thải bia thì phương pháp này hầu như không được sử dụng.

• Phương pháp khử trùng

Dùng các chất có tính độc đối với vi sinh vật, tảo, động vật nguyên sinh, giun, sán… để làm sạch nước, đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh đổ vào nguồn tiếp nhận hoặc tái sử dụng. Khử trùng có thể dùng các hóa chất hoặc tác nhân vật lý như ozon, tia tử ngoại.

Các chất khử trùng thường dùng nhất là khí hoặc nước clo, nước Javen, vôi clorua, các hypoclorit, cloramin B…

Trong quá trình xử lý nước thải, công đoạn khử trùng thường được đặt ở cuối quá trình. Đối với nước thải ngành bia, sau khi qua các phương pháp xử lý cơ học, hóa học, hóa lý và sinh học thì hàm lượng các vi sinh vật gây bệnh đã giảm đáng kể nhưng để đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh đổ vào nguồn hoặc tái sử dụng thì cần phải qua bước khử trùng cuối cùng.

• Phương pháp sinh học

Phương pháp sinh học là sử dụng các vi sinh vật để phân giải các chất ô nhiễm hữu cơ có trong nước thải. Vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số khoáng chất làm nguồn dinh dưỡng để xây dựng tế bào, đồng thời tổng hợp năng lượng cho quá trình sống. Nhờ hoạt động sống của vi sinh vật, các chất ô nhiễm được chuyển hoá và nước thải được làm sạch.

Quá trình xử lý sinh học nước thải có thể chia làm hai quá trình là phân huỷ yếm khí và phân huỷ hiếu khí; có thể xử lý trong điều kiện tự nhiên hay trong điều kiện nhân tạo.

• Xử lý sinh học nước thải trong điều kiện tự nhiên:

Cơ sở của phương pháp xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên là dựa vào hoạt động sống của hệ vi sinh vật có trong đất, nước mặt để chuyển hoá các hợp chất ô nhiễm.

• Xử lý nước thải trong hồ sinh học:

Thực chất của quá trình xử lý này là sử dụng khu hệ vi sinh vật (vi khuẩn, tảo, nguyên sinh vật…) tự nhiên có trong nước mặt để làm sạch nước.

Hồ sinh học là dạng xử lý trong điều kiện tự nhiên được áp dụng rộng rãi hơn cả vì có những ưu điểm như: tạo dòng nước tưới tiêu và điều hòa dòng thải, điều hoà vi khí hậu trong khu vực, không yêu cầu vốn đầu tư, bảo trì, vận hành và quản lý đơn giản, hiệu quả xử lý cao. Tuy nhiên, nhược điểm của hồ sinh học là yêu cầu diện tích lớn và khó điều khiển được quá trình xử lý, nước hồ thường có mùi khó chịu đối với khu vực xung quanh.

Theo nguyên tắc hoạt động của hồ và cơ chế phân giải các chất ô nhiễm mà người ta chia ra làm 3 loại hồ:

1. Xử lý nước thải bằng hồ hiếu khí

Hồ hiếu khí làm sạch nước bằng quá trình oxi hoá nhờ các vi sinh vật hiếu khí và hô hấp tuỳ tiện có trong nước.

Nhu cầu oxi cho quá trình oxi hoá được đáp ứng nhờ khuếch tán bề mặt hoặc làm thoáng nhân tạo. Ở hồ làm thoáng tự nhiên, oxi không khí dễ dàng khuếch tán vào lớp nước phía trên và ánh sáng mặt trời chiếu rọi, làm cho tảo phát triển tiến hành quang hợp thải ra oxi. Để đảm bảo ánh sáng qua nước, chiều sâu của lớp nước phải nhỏ, thường là 30 – 40cm, do chiều sâu nhỏ nên thường thì diện tích lớn. Thời gian lưu nước từ 3 – 12 ngày. Ở hồ làm thoáng nhân tạo nguồn cung cấp oxi cho vi sinh vật hiếu khí là các thiết bị khuấy trộn cơ học hoặc nén khí. Nhờ vậy, mức độ hiếu khí trong hồ thường mạnh hơn, đều hơn và độ sâu của hồ cũng lớn hơn (2 – 4,5m).Thời gian lưu nước trong hồ khoảng 1 – 3 ngày.

1. Xử lý nước thải bằng hồ kị khí

Dùng để lắng và phân hủy cặn bằng phương pháp sinh hóa tự nhiên dựa trên cơ sở sống và hoạt động của loại vi sinh vật kỵ khí.

Loại hồ này dùng để xử lý nước thải công nghiệp có độ nhiễm bẩn cao.Trong quá trình xử lý sinh mùi thối khó chịu nên cần đặt cách xa nhà máy. Để duy trì điều kiện kỵ khí thì chiều sâu hồ phải lớn, thường lấy bằng 2,4 – 3,6m.

1. Xử lý nước thải bằng hồ tùy nghi

Hồ sinh học tùy tiện sâu từ 1,5 – 2m. Ngoài tầng hiếu khí phía trên hồ còn có các tầng kỵ khí tùy tiện, kỵ khí lớp bùn cặn lắng phía dưới.Thời gian lưu nước trong hồ từ 3 – 5 ngày.

Oxi cung cấp cho quá trình chuyển hóa chất hữu cơ trong hồ chủ yếu là do quang hợp của tảo và khuếch tán từ không khí qua bề mặt hồ. Ngoài ra các vi khuẩn tùy tiện hoặc vi khuẩn kỵ khí còn sử dụng oxi liên kết từ nitrit, nitrat, sunphat… để oxi hóa chất hữu cơ.

Xử lý sinh học nước thải trong điều kiện nhân tạo:

1. Cơ sở lý thuyết của quá trình sinh học yếm khí:

• Nguyên lý của phương pháp

Xử lý sinh học bằng vi sinh yếm khí là quá trình phân huỷ các chất hữu cơ, vô cơ có trong nước thải khi không có oxi. Phương pháp này dùng để ổn định cặn và xử lý nước thải công nghiệp có nồng độ COD, BOD cao. Quá trình phân hủy các chất thực hiện nhờ các chủng vi khuẩn kị khí bắt buộc và kị khí không bắt buộc.

• Cơ chế của quá trình xử lý yếm khí

Cơ chế phân giải yếm khí:

CH₄+CO₂+H₂S+E

Quá trình phân hủy các chất hữu cơ là quá trình phức tạp trong môi trường không có không khí, gồm nhiều giai đoạn và sản phẩm cuối cùng là CH₄, CO₂, H₂S, NH₃…

Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân

Các hợp chất hữu cơ phân tử lượng lớn như protein, gluxit, lipit… bị phân hủy dưới tác dụng của các Enzym hydrolaza của vi sinh vật thành các chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ như đường đơn, axit amin, axit hữu cơ, peptit, glyxerin…

Trong giai đoạn này, các hợp chất gluxit phân tử lượng nhỏ, các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ (protein) phân hủy nhanh hơn, trong khi các hợp chất hữu cơ có phân tử lượng lớn như tinh bột, các axit béo được phân hủy chậm, đặc biệt là cellulose và lignocellulose chuyển hóa rất chậm và không triệt để do cấu trúc phức tạp. Các vi sinh vật tham gia vào quá trình thủy phân phụ thuộc vào các chất ô nhiễm đầu vào và các đặc trưng khác của nước thải.

Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men axit hữu cơ

Các sản phẩm thủy phân sẽ được các vi sinh vật hấp thụ và chuyển hóa trong điều kiện yếm khí. Sản phẩm phân giải là các axit hữu cơ phân tử lượng nhỏ như axit propionic, axit butyric, axit lactic…, các chất trung tính như rượu, andehyt, axeton. Ngoài ra, một số khí cũng được tạo thành như CO₂, H₂, H₂S, một lượng nhỏ CH₄…

Thành phần của các sản phẩm trong giai đoạn lên men phụ thuộc vào bản chất các chất ô nhiễm, tác nhân sinh học và điều kiện môi trường.

Đặc biệt trong giai đoạn này, nitơ được chuyển thành NH₄⁺ một phần nhỏ được sử dụng để xây dựng tế bào, phần còn lại tồn tại trong nước thải dưới dạng NH₄⁺.

Giai đoạn 3: Giai đoạn lên men axit axetic

Các sản phẩm lên men phân tử lượng lớn như axit béo, axit lactic… sẽ được từng bước chuyển hóa thành axit axetic.

• Chuyển hóa axit lactic:

3CH₃-CHOH-COOH    2CH₃-CH₂-COOH + CH₃-COOH + CO₂ + 2H₂O

• Oxy hóa liên kết của các axit béo bằng cơ chế oxy hóa-khử:

R – CH₃CH₂COOH   + 2H₂O          Rn-2 – COOH         +     CH₃COOH

Axit béo mạch dài                            Axit béo mạch ngắn             Axit axetic

Giai đoạn 4: Giai đoạn Mêtan hóa

Mêtan hóa là giai đoạn quan trọng nhất của toàn bộ quá trình xử lý yếm khí. Dưới tác dụng của các vi khuẩn mêtan hóa, các axit hữu cơ, các chất trung tính… bị phân giải tạo thành khí metan.

• Khoảng 30% khí CH₄ tạo thành do quá trình khử CO₂:
• Khử CO₂ bằng H₂:

CO₂ + 4H₂   CH₄ + 2H₂O

• Khoảng 70% khí mêtan còn lại được tạo thành nhờ các quá trình Decacboxyl hóa các axit hữu cơ và các chất trung tính.
• CH₄ được tạo thành do Decacboxyl hóa axit axetic:

CH₃COOH  CH₄ + CO₂

• CH₄ được hình thành do Decacboxyl hóa các axit hữu cơ khác:

4CH₃-CH₂-COOH  + 2H₂O  7CH₄ + 5CO₂

2CH₃-(CH₂)₂-COOH + 2H₂O 5CH₄ + 3CO₂

• CH₄ cũng có thể được hình thành do Decacboxyl các chất trung tính:

2C₂H₅OH   3CH₄ + CO₂

CH₃-CO-CH₃ + H₂O  2CH₄ + CO₂

 

• Tác nhân sinh học

Trong phân giải yếm khí, các quá trình thủy phân và lên men xảy ra dưới tác dụng của nhiều chủng vi khuẩn khác nhau. Thành phần hệ vi sinh vật trong phân giải yếm khí phụ thuộc chủ yếu vào bản chất của các chất ô nhiễm có trong nước thải.

• Vi sinh vật trong giai đoạn thủy phân và lên men axit hữu cơ:
• Môi trường giàu xenlulo thường có các vi khuẩn: Bacillus, Pseudomonas, Alcaligenes.
• Môi trường giàu protein: Bacillus, Clostridium, Proteus và E.Coli
• Môi trường giàu lipit: Bacillus, Pseudomonas, Alcaligenes, Bacterioides.
• Môi trường giàu tinh bột: Micrococus, Lactobacillus, Pseudomonas, Clostridium.
• Các yếu tố ảnh hưởng đến xử lý sinh học yếm khí
• Nhiệt độ

Đây là yếu tố điều tiết cường độ của quá trình bỡi vì nó ảnh hưởng tới hoạt động chuyển hóa của vi sinh vật. Nhiệt độ tối ưu cho toàn quá trình phụ thuộc vào chủng loại vi sinh vật. Trong thực tế, cả 2 nhóm ưa nóng và ưa ấm đều có khả năng phân hủy yếm khí.

Dải nhiệt độ cho quá trình phân giải yếm khí rộng từ 30 – 60⁰C.Tuy nhiên, nhiệt độ tối ưu cho mỗi quá trình còn phụ thuộc vào đặc tính ưa nhiệt của tác nhân sinh học. Bởi chỉ một khoảng biến động nhiệt độ nhỏ cũng ảnh hưởng tới hoạt lực của vi sinh vật.

Với các vi sinh vật ưa nóng, khoảng nhiệt độ tối ưu của chúng từ 55 – 60⁰C, còn với các vi sinh vật ưa ấm thì 33 – 37⁰C.

Để thu được hiệu suất tạo khí metan cao và ổn định thì phải ổn định nhiệt độ trong dải ưa ấm.

• Độ pH

Thiết bị phân hủy yếm khí được vận hành trong khoảng pH từ 6,6 – 7,6 với khoảng tối ưu từ 7 – 7,2. Mặc dù vậy, vi sinh vật axit hóa có thể chịu được pH = 5,5 nhưng ở giá trị này vi khuẩn metan hóa bị ức chế mạnh.

Thiết bị phân hủy yếm khí cần được trang bị thiết bị đo và điều chỉnh pH khi cần thiết để đảm bảo ổn định độ pH của hệ thống ở giá trị trung tính. Nếu pH xuống thấp cần bổ sung kiềm hoặc ngừng cấp liệu để thiết bị tự điều chỉnh.

• Nồng độ cơ chất

Vi khuẩn thực hiện quá trình phân giải yếm khí có tốc độ tạo sinh khối rất nhỏ. Thực nghiệm cho thấy tỷ lệ C/N cần duy trì ở 30/1. Các yếu tố quan trọng khác như P, Ca, K, Na cũng cần bổ sung tùy theo thành phần và tính chất nước thải cần xử lý.

• Tải trọng khối (Tk, kgCOD/m³/ngày)

Tải trọng chất hữu cơ phụ thuộc vào tải lượng có trong nước thải, tải trọng thủy lực hay thời gian lưu. Khi tải lượng chất hữu cơ cao sẽ làm dư thừa các axit hữu cơ dẫn đến pH giảm, gây bất lợi cho vi khuẩn metan hóa. Tải lượng chất hữu cơ thấp sẽ không có lợi cho quá trình khí hóa.

Thời gian lưu nước phụ thuộc vào đặc tính của nước thải và điều kiện môi trường. Thời gian lưu quá ngắn (tải trọng khối cao) sẽ không cho phép các vi khuẩn yếm khí, đặc biệt là vi khuẩn metan tiếp xúc và trao đổi với các chất ô nhiễm nên làm giảm hiệu quả xử lý; ngược lại thời gian lưu càng lâu càng có lợi cho hiệu quả tạo biogas và xử lý nước thải nhưng gây chi phí tốn kém. Thời gian tối ưu cho quá trình phân hủy yếm khí trong hệ thống UASB là 0,5 – 6 ngày.

• Thế oxy hóa khử (hàm lượng H₂) trong giai đoạn tạo axit axetic

Lactat  +  H₂O    axetat    + 2H₂  +  CO₂  + Q

Etanol  +  H₂O    axetat   + 2H₂  –  Q

Butyrat + H₂O    axetat    +  2H₂  –  Q

Propionat + H₂O   axetat             + 3H₂  +  CO₂  –  Q

Các phản ứng oxy hóa khử này sẽ được thực hiện khi không có các vi khuẩn có khả năng sử dụng H².

Thế oxy hóa khử ảnh hưởng tới quá trình phân giải yếm khí theo nguyên lý   Le Chaterier về chuyển dịch cân bằng hóa học: “Mọi sự thay đổi của các yếu tố xác định trạng thái của một hệ cân bằng sẽ làm cho cân bằng chuyển dịch về phía chống lại những thay đổi đó”. Khí H₂ sinh ra từ các phản ứng trên nếu không được giải phóng sẽ gây ra áp lực lớn (nồng độ cao), làm cho cân bằng chuyển dịch về phía không sinh ra H₂ nữa và hiệu quả lên men axit axetic giảm xuống.

Nhờ có quá trình metan hóa làm giảm nồng độ axetat, hơn nữa H₂ được các vi khuẩn metan hóa sử dụng để khử CO₂ tạo khí CH₄ nên nồng độ khí H₂ giảm, cân bằng sẽ chuyển dich theo hướng tạo ra sản phẩm axetat và H₂. Nếu quá trình này diễn ra liên tục thì hiệu quả xử lý nước thải rất cao.

• Các chất độc

Các chất ức chế hoặc độc đối với các vi sinh vật phân giải yếm khí khá đa dạng:

• Amon: Ức chế quá trình metan hóa.
• Hydrocacbua halogen hóa: Ức chế quá trình metan hóa.
• Hydrocacbua vòng thơm: Ảnh hưởng lớn tới nhóm vi khuẩn metan hóa.
• Một số kim loại nặng.
• Đặc điểm thiết bị UASB

Các dạng thiết bị xử lý yếm khí rất đa dạng và phong phú. Từ loại đơn giản như hầm Biogas đến phức tạp như thiết bị UASB. Các dạng xử lý yếm khí như: thiết bị yếm khí tiếp xúc, thiết bị yếm khí giả lỏng, thiết bị xử lý chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính dòng hướng lên (UASB), thiết bị dạng tháp đệm…

Trong đó, UASB là dạng xử lý được sử dụng rộng rãi trong xử lý nhiều loại nước thải có nồng độ ô nhiễm chất hữu cơ cao; nó rất phù hợp cho xử lý nước thải bia.

• Cấu tạo

Bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) có thể làm bằng bê tông cốt thép hoặc bằng gạch, thường có mặt bằng hình chữ nhật, được cách nhiệt với bên ngoài. Để tách khí ra khỏi nước thải, trong bể gá thêm tấm phẳng đặt nghiêng so với phương ngang góc   35^o.

 

1. Vùng phản ứng kị khí; 2. Vùng lắng cặn; 3. Cửa dẫn hỗn hợp bùn nước sau khi đã tách khí đi vào ngăn lắng; 4.Cửa tuần hoàn cặn; 5.Máng thu nước; 6. Nước sang Aeroten; 7. Khí sản phẩm thu được; 8. Ống dẫn hỗn hợp khí.

• Nguyên tắc hoạt động

Nước thải sau khi điều chỉnh pH theo ống dẫn vào hệ thống phân phối đều trên diện tích đáy bể. Nước thải từ dưới lên với vận tốc 0,6 – 0,9 m/s để giữ cho lớp bùn luôn ở trạng thái lơ lửng. Hỗn hợp bùn kị khí trong bể hấp thụ chất hữu cơ hòa tan trong nước thải, phân hủy và chuyển hóa chúng thành khí (70 – 80% mêtan, 20 – 30% cácbonic) và nước. Các hạt bùn cặn bám vào các bọt khí được sinh ra nổi lên trên bề mặt làm xáo trộn và gây ra dòng tuần hoàn cục bộ trong lớp cặn lơ lửng. Khi hạt cặn nổi lên va phải tấm chắn phía trên bị vỡ ra, khí thoát lên trên cặn rơi xuống dưới. Hỗn hợp bùn nước đã tách hết khí được chuyển vào ngăn lắng.Hạt cặn trong ngăn lắng tách bùn lắng xuống đáy và tuần hoàn lại vùng phản ứng kị khí. Nước trong được thu vào máng và được dẫn sang bể xử lý đợt II (Aeroten). Khí biogas được thu về bình chứa rồi theo ống dẫn ra ngoài.

Bùn trong bể được hình thành hai vùng rõ rệt: ở chiều cao khoảng 1/4 tính từ đáy lên, lớp bùn hình thành do các hạt cặn keo tụ có nồng độ từ 5000 – 7000 mg/l, phía trên lớp này là lớp bùn lơ lửng có nồng độ 1000 – 3000 mg/l gồm các bông cặn chuyển động giữa lớp bùn đáy và bùn tuần hoàn từ ngăn lắng rơi xuống. Bùn trong bể là sinh khối đóng vai trò quyết định trong việc phân hủy và chuyển hóa chất hữu cơ.Nồng độ cao của bùn hoạt tính trong bể cho phép bể làm việc với tải trọng chất hữu cơ cao.

Để hình thành khối bùn hoạt tính đủ nồng độ, làm việc hiệu quả đòi hỏi thời gian vận hành khởi động từ 3 – 4 tháng. Nếu cấy vi khuẩn tạo axit và vi khuẩn tạo mêtan trước với nồng độ thích hợp và vận hành với chế độ thủy lực nhỏ hơn 1/2 công suất thiết kế, thời gian khởi động có thể rút xuống còn 2 – 3 tuần.

Lượng cặn dư bằng 0,15 – 0,2%  lượng COD, tức bằng một nửa cặn sinh ra so với xử lý hiếu khí. Cặn dư định kỳ xả ra bên ngoài và có thể tiếp tục đưa đi làm khô.

• Ưu , nhược điểm của UASB
• Ưu điểm
• Năng lượng cần thiết cho hệ thống UASB rất thấp.
• Lượng bùn tạo thành nhỏ (nhỏ hơn 3 – 20 lần xử lý hiếu khí).
• Có thể tuần hoàn hay không tuần hoàn lại bùn.
• Tạo sản phẩm khí sinh học CH₄ (70 – 80%), là nguồn năng lượng sạch, có thể sử dụng cho sinh hoạt.
• UASB rất thích hợp cho xử lý nước thải có nhiều cặn lơ lửng.
• UASB có thể phân hủy các chất hữu cơ phức tạp: vòng, halogen…
• UASB thích hợp cho xử lý nước thải công nghiệp có hàm lượng và tải lượng ô nhiễm cao.
• Nhược điểm
• Các quá trình xảy ra trong thiết bị phức tạp.
• Tác nhân sinh học rất nhạy cảm với các yếu tố môi trường.
• Quá trình khởi động kéo dài.
• Yêu cầu cao sự tương thích giữa thức ăn và hàm lượng sinh khối.
• Quá trình cố định vi khuẩn trên lớp đệm rất khó điều khiển.

Quá trình xử lý yếm khí tạo ra lượng bùn ít và chi phí năng lượng thấp.Nhược điểm của xử lý yếm khí là thời gian lưu nước thải lớn, thời gian ổn định công nghệ dài (3 – 6 tháng).Qui trình vận hành tương đối phức tạp, hiệu quả xử lý phụ thuộc nhiều vào các yếu tố môi trường, biến động lớn từ 60 – 90%.

1. Cơ sở lý thuyết của quá trình sinh học hiếu khí

• Nguyên lý của quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính

Sử dụng các vi sinh vật để oxy hoá các chất hữu cơ và vô cơ có khả năng chuyển hoá sinh học được; đồng thời chính vi sinh vật cũng sử dụng một phần chất hữu cơ và năng lượng khai thác được từ quá trình oxi hoá để tổng hợp nên sinh khối của chúng.

• Cơ chế của quá trình xử lý hiếu khí
• Oxy hoá các hợp chất hữu cơ không chứa nitơ (Gluxit, hyđrocacbua, pectin, axit hữu cơ, các chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ khác…)

C_xH_yO_z   +   ( )O₂   xCO₂ +  H₂O  + E

• Oxy hoá các hợp chất hữu cơ có chứa Nitơ (Protein, Peptit, axitamin…)

C_xH_yO_zN + (  + )O₂      xCO₂ +   H₂O + NH₃ + E

• Quá trình oxy hoá các hợp chất hữu cơ để tổng hợp sinh khối:

C_xH_yO_z + NH₃ + (  – 5)O₂ C₅H₇NO₂ +(x – 5)CO₂+   H₂O +E

• Quá trình tự hủy của sinh khối:

C₅H₇NO₂     +    5O₂  5CO₂ + 2 H₂O + NH₃ + E

Ngoài ra trong hệ thống còn xảy ra các quá trình nitrit và nitrat hoá:

• Nitrit hoá : NH₄⁺ + 3/2 O₂ + H₂O NO₂^–  + 2 H₃O⁺ + E.
• Nitrat hoá: NO₂^– + ½ O₂ NO₃^–

Phương trình tổng quát : NH₄⁺ + 2O₂ ⁺  H₂O   NO₃^– + 2H₃O⁺

• Oxy hoá các hợp chất vô cơ
• Tác nhân sinh học

Tác nhân sinh học được sử dụng trong quá trình xử lý hiếu khí có thể là vi sinh vật hô hấp hiếu khí hay tuỳ tiện, nhưng phải đảm bảo các yêu cầu sau:

• Chuyển hoá nhanh các hợp chất hữu cơ.
• Có kích thước tương đối lớn để bông sinh học lắng nhanh ( 50 – 200 µm).
• Có khả năng tạo nha bào.
• Không tạo ra các khí gây ô nhiễm môi trường như: H₂S, Indol, Scatol…

Dựa trên các yêu cầu đó thì các vi khuẩn hô hấp hiếu khí được sử dụng chủ yếu; ngoài ra còn có vi khuẩn hô hấp tùy tiện và nguyên sinh động vật.

• Vi khuẩn hô hấp hiếu khí
• Pseudomonas
• Aerobacter aerogenes
• Bacillus Subtilis (phát triển trong môi trường giàu protein)
• Flavobacterium (phát triển trong môi trường giàu sắt)
• Nitrosomonas vinogradski (vi khuẩn nitrit hoá).
• Vi khuẩn hô hấp tùy tiện
• Cellulosomonas bizotera (có khả năng oxy hoá xenlluloza)
• Rhodospeudomonas (có màu hồng)
• Nitrobacter (có khả năng nitrat hoá)
• Microthrix (vi khuẩn dạng sợi – có màu trắng)
• Thiothrix (vi khuẩn dạng sợi – có màu trắng)
• Nguyên sinh động vật: bao gồm 2 dạng
• Trùng tơ (Cillatae)
• Trùng roi (Flagellate)
• Bám vào bùn làm cho bùn dễ lắng hơn
• Ăn cặn lơ lửng góp phần làm trong nước
• Là chỉ thị để đánh giá mức độ cấp khí cho bể
• Là chỉ thị để đánh giá các chất độc có trong nước thải.
• Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học hiếu khí
• Oxy hòa tan ( DO)

Đây là thông số quan trọng đối với hệ thống xử lý hiếu khí. DO được cấp liên tục để đáp ứng yêu cầu oxy hóa của vi sinh vật.

Nếu thiếu oxi hoà tan sẽ gây ra hiện tượng phồng bùn do vi khuẩn dạng sợi phát triển, làm cho bùn xốp, khó lắng. Việc cung cấp oxi còn có tác dụng tạo ra độ đồng nhất các pha trong thiết bị, làm rã các khối bông sinh học lớn, giảm các điểm chết trong thiết bị, nâng cao hiệu quả làm sạch và rút ngắn thời gian lưu nước trong hệ thống.

Độ hoà tan của oxi vào trong nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố, không chỉ phụ thuộc vào phương thức cấp khí (công suất máy nén, áp lực nén, đặc trưng của hệ thống phân phối khí), chiều cao cột nước mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ, tính chất nước thải, tỷ số F/M (nguồn dinh dưỡng/lượng sinh khối), tốc độ sinh trưởng, đặc trưng hình thái và sinh lý vi sinh vật.

Để đảm bảo tốc độ oxi hoá các chất bẩn diễn ra tốt, nồng độ oxi hoà tan cần đạt 2 – 4mg/l, lượng khí cung cấp 45 – 90 m³/kg .

• Độ pH

pH của nước thải có ảnh hưởng lớn đến các quá trình hóa sinh của vi sinh vật, quá trình tạo bùn và lắng. Dải pH tối ưu cho xử lý hiếu khí nước thải từ 6,5 – 8,5.

Để đảm bảo pH trong khoảng trên, trong thực tế trước khi cho nước thải vào bể xử lý sinh học hiếu khí, người ta thường điều hoà lưu lượng, điều chỉnh giá trị pH ở bể điều hoà.

• Nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng tới hoạt động của vi sinh vật. Mỗi vi sinh vật cũng có một khoảng nhiệt độ tối ưu, nếu tăng nhiệt độ quá ngưỡng sẽ ức chế hoạt động của vi sinh vật hoặc bị tiêu diệt hay tạo bào tử.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến DO:

• Khi nhiệt độ tăng DO giảm và vận tốc phản ứng tăng lên.
• Khi nhiệt độ giảm DO tăng nhưng ngược lại vận tốc phản ứng giảm.

Trong bể Aeroten nhiệt độ tối ưu là 20 – 27 ⁰C, nhưng cũng có thể chấp nhận nhiệt độ 16 – 37⁰C.

Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ phản ứng sinh học thể hiện qua biểu thức:

R_T = R₂₀.θ^{(T – 20)}

Trong đó:

• R_T, R₂₀: tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T ⁰Cvà ở 20⁰C
• θ : hệ số nhiệt độ (có giá trị từ 1,00 – 1,04 )
• T: nhiệt độ xử lý (⁰C ).
• Thành phần dinh dưỡng

Thành phần dinh dưỡng trong nước thải chủ yếu là nguồn Cacbon (thể hiện BOD), cùng với N (thường ở dạng NH₄⁺) và P (ở dạng muối photphat) là những nguyên tố đa lượng; ngoài ra còn có các nguyên tố vi lượng như: Mg, Fe, Mn…

Tỷ lệ các chất dinh dưỡng phù hợp là C : N : P = 100 : 5 : 1

Thiếu dinh dưỡng trong nước thải sẽ làm giảm mức độ sinh trưởng, phát triển tăng sinh khối của vi sinh vật, thể hiện bằng lượng bùn hoạt tính tạo thành giảm, kìm hãm và ức chế quá trình oxy hoá các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn.

Nếu thiếu N một cách kéo dài, ngoài việc cản trở quá trình sinh hoá còn làm cho bùn hoạt tính khó lắng, các hạt bông bị phồng lên trôi nổi theo dòng nước ra làm cho nước khó trong và chứa một lượng lớn vi sinh vật, làm giảm tốc độ sinh trưởng cũng như cường độ oxy hoá của chúng.

Nếu thiếu P, vi sinh vật dạng sợi phát triển và cũng làm cho bùn hoạt tính lắng chậm và giảm hiệu quả xử lý.

• Chất độc đối với VSV

Các chất độc hữu cơ, vô cơ, đặc biệt là các kim loại nặng, các ion halogen có khả năng ức chế thậm chí làm vô hoạt hệ enzym oxi hóa khử ở vi sinh vật. Vì thế, cần phải xử lý trước các chất độc này.

Nồng độ muối vô cơ cần khống chế sao cho < 10 g/l.

• Hàm lượng các chất rắn lơ lửng(SS) ở dạng huyền phù

Nếu nồng độ chất lơ lửng không quá 100mg/l thì loại hình xử lý thích hợp là bể lọc sinh học và nồng độ không quá 150mg/l là xử lý bằng aeroten sẽ cho hiệu quả phân huỷ các chất hữu cơ nhiễm bẩn là cao nhất.

Hàm lượng chất rắn lơ lửng cao thường làm ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý. Vì vậy, cần phải qua lắng trong giai đoạn xử lý sơ bộ một cách đầy đủ để loại bỏ các cặn lớn và một phần các chất rắn lơ lửng.

• Nồng độ chất bẩn hữu cơ có trong nước thở

Nồng độ cơ chất trong môi trường ảnh hưởng nhiều tới đời sống của vi sinh vật. Vi sinh vật sẽ bị ức chế và bị kìm hãm quá trình hoạt động sống trong trường hợp nồng độ chất bẩn hữu cơ cao hơn nồng độ cho phép.

Đối với Aeroten thông thường thì hàm lượng BOD = 500 mg/l; đối với Aeroten khuấy trộn hoàn chỉnh thì BOD < 1000 mg/l. Nếu BOD cao quá thì cần pha loãng nước thải hoặc qua xử lý kị khí trước rồi qua xử lý hiếu khí sau.

• Hàm lượng sinh khối (MLSS ) và tỉ lệ F/M

Hàm lượng sinh khối trong bể sinh học hiếu khí thường dao động từ 500 – 3000mg/l. Tuỳ theo hàm lượng và bản chất của chất ô nhiễm trong nước thải cũng như hoạt lực của bùn hoạt tính mà hàm lượng sinh khối sẽ khác nhau:

• Các hệ thống cao tải có thể sử dụng hàm lượng sinh khối cao từ 1500 – 3000mg/l.
• Với hệ thống Aeroten thông thường thì hàm lượng sinh khối dao động trong khoảng từ 500 – 1500mg/l.

Tỷ lệ F/M (Food/ microorganism = chất thải/ vi sinh vật): là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật hiếu khí.

• Nếu F/M << 1: Thiếu dinh dưỡng cho vi sinh vật hoạt động.
• Nếu F/M >1 : Vi sinh vật phát triển sinh khối, không tạo nha bào nên không kết dính với nhau lại thành bông, kích thước bông bùn giảm, bùn khó lắng làm nước ra sau xử lý không đạt độ trong yêu cầu.
• Tỷ lệ F/M = 0,2 ÷ 0,6 : Tạo độ ổn định trong quá trình xử lý hiếu khí.
• Các dạng thiết bị thường gặp

Các công trình hiếu khí nhân tạo xử lý nước thải dựa trên cơ sở sinh trưởng dính bám của vi sinh vật – lọc sinh học.

• Xử lý nước thải bằng lọc sinh học

Nguyên lý của phương pháp lọc sinh học là dựa trên quá trình hoạt động của vi sinh vật ở màng sinh học, oxy hoá các chất bẩn hữu cơ trong nước. Các màng sinh học là tập thể các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hiếu khí, kỵ khí và tuỳ tiện. Các vi khuẩn hiếu khí tập trung ở lớp ngoài của màng sinh học, ở đây chúng phát triển và gắn với giá mang là các vật liệu lọc (được gọi là sinh trưởng dính bám).

Trong quá trình làm việc, các vật liệu lọc tiếp xúc với nước chảy từ trên xuống, sau đó nước thải đã làm sạch được thu gom xả vào bể lắng bậc 2. Nước thải vào bể lắng bậc 2 có thể kéo theo những mãnh vở của màng sinh học bị tróc ra khi lọc làm việc. Trong thực tế, một phần nước đã qua bể lắng được quay trở lại làm nước pha loãng cho các loại nước thải đậm đặc trước khi vào bể lọc và giữ nhiệt cho màng sinh học làm việc.

Các chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nước thải bị oxi hóa bỡi quần thể vi sinh vật ở màng sinh học. Màng này thường dày khoảng 0,1 – 0,4mm. Các chất hữu cơ trước hết bị phân hủy bỡi vi sinh vật hiếu khí, sau đó thấm sâu vào màng, nước hết oxi hòa tan và sẽ chuyển sang phân hủy bỡi vi sinh vật kị khí. Khi các chất hữu cơ có trong nước thải cạn kiệt, vi sinh vật ở màng sinh học sẽ chuyển sang hô hấp nội bào và khả năng dính kết cũng giảm, dần dần bị vỡ cuốn theo nước lọc. Hiện tượng này gọi là tróc màng. Sau đó lớp màng mới lại xuất hiện.

Vật liệu lọc khá phong phú : từ đá dăm, đá ong, vòng kim loại, vòng gốm, than đá, than cốc, gỗ mãnh, chất dẻo tấm uốn lượn.

Lọc sinh học đang được dùng hiện nay chia làm 2 loại:

• Lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước,
• Lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc đặt ngập trong nước.

Phương pháp lọc có ưu điểm là: đơn giản, tải lượng chất gây ô nhiễm thay đổi trong giới hạn rộng trong ngày, thiết bị cơ khí đơn giản và tiêu hao ít năng lượng nhưng cũng có nhược điểm là hiệu suất quá trình phụ thuộc rõ rệt vào nhiệt độ không khí, chiều dày màng sinh học, tốc độ oxi hóa, cường độ hô hấp của vi sinh vật, bản chất các chất hữu cơ, đặc tính bể lọc, độ thấm ướt của màng…

Các công trình hiếu khí nhân tạo xử lý nước thải dựa trên cơ sở sinh trưởng lơ lửng của vi sinh vật – kỹ thuật bùn hoạt tính.

Trong quá trình xử lý hiếu khí, các vi sinh vật sinh trưởng ở trạng thái huyền phù. Quá trình làm sạch Aeroten diễn ra theo mức dòng chảy qua của hỗn hợp nước thải và bùn hoạt tính được sục khí. Việc sục khí nhằm đảm bảo hai quá trình là nước được bão hoà O₂ và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng.

Nước thải sau khi đã được xử lý sơ bộ còn chứa phần lớn các chất hữu cơ ở dạng hoà tan cùng các chất lơ lửng đi vào Aeroten. Các chất lơ lửng này là một số chất rắn và có thể là một số chất hữu cơ chưa phải là dạng hoà tan. Các chất lơ lửng là nơi vi khuẩn bám vào để cư trú, sinh sản và phát triển, dần thành các hạt cặn bông. Các hạt này dần dần to và lơ lửng trong nước.

Các hạt bông cặn này cũng chính là bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính là tập hợp những vi sinh vật có trong nước thải, hình thành những bông cặn có khả năng hấp thụ và phân huỷ các chất hữu cơ khi có mặt của O₂.

• Bể Aerotank thường (truyền thống)

Nước thải sau khi được tách cặn trong bể lắng sơ cấp sẽ được dẫn vào và trộn với bùn hoạt tính tuần hoàn ở đầu bể aeroten. Tiếp đó xảy ra các phản ứng khoáng hóa các chất hữu cơ, tổng hợp sinh khối và nitrat hóa bỡi các enzym của vi sinh vật trong điều kiện có đủ oxi. Sau khi ra khỏi bể, nước thải đã được làm sạch.

Nhược điểm của bể này là chỉ áp dụng để xử lý nước thải có BOD_v< 400mg/l.

• Bể Aerotank làm thoáng kéo dài

Bể này được thiết kế với tải trọng chất hữu cơ thấp, chỉ số F/M thấp, thời gian làm thoáng thường 20 – 30h.

Bể này sử dụng để xử lý nước thải công nghiệp có công suất < 3500 m³/ngày. Trong bể này, do vi sinh vật bị bỏ đói nên thực hiện quá trình oxy hóa tế bào tăng dẫn tới nước thải ra được xử lý triệt để, lượng bùn thải ít.

• Mương oxy hóa

Mương oxy hóa là một dạng cải tiến của bể aeroten khuấy trộn hoàn chỉnh, làm việc trong chế độ làm thoáng kéo dài với hỗn hợp nước thải và bùn hoạt tính chuyển động tuần hoàn và liên tục ở trong mương (trạng thái lơ lửng).

Khi hoạt động, trong mương oxy hóa sẽ hình thành 2 vùng cơ bản :

Vùng oxic : quá trình oxy hóa cacbon và nitrat hóa xảy ra khi có đủ oxy.

Vùng anoxic : là vùng thiếu khí, xảy ra quá trình denitrat hóa.

• Aerotank tải trọng cao

Bể này được áp dụng khi yêu cầu nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn cột B hoặc cột C. Khi đó nước thải vào aeroten sẽ được trộn với 10 – 15% bùn tuần hoàn và hỗn hợp này sẽ được đưa vào bể để làm thoáng trong thời gian 1 – 3h.

Bể Aeroten kết hợp lắng hoạt động gián đoạn theo mẻ (SBR –Sequencing Batch Reactor)

Các giai đoạn hoạt động diễn ra trong một ngăn bể bao gồm: làm đầy nước thải, thổi khí, để lắng tĩnh, xả nước thải và xả bùn dư. Trong bước một, khi cho nước thải vào bể, nước thải được trộn với bùn hoạt tính lưu lại từ chu kỳ trước. Sau đấy, hỗn hợp nước thải và bùn được sục khí ở bước hai với thời gian thổi khí đúng như thời gian yêu cầu. Quá trình diễn ra gần với điều kiện trộn hoàn toàn và các chất hữu cơ được oxy hoá trong giai đoạn này. Bước thứ ba là quá trình lắng bùn trong điều kiện tĩnh. Tiếp đến, nước trong nằm phía trên lớp bùn được xả ra khỏi bể. Bước cuối cùng là xả lượng bùn dư được hình thành trong quá trình thổi khí ra khỏi ngăn bể, các ngăn bể khác hoạt động lệch pha để đảm bảo cho việc cung cấp nước thải lên trạm xử lý nước thải liên tục.

Công trình SBR hoạt động gián đoạn, có chu kỳ. Các quá trình trộn nước thải với bùn, lắng bùn cặn… diễn ra gần giống điều kiện lý tưởng nên hiệu quả xử lý nước thải cao. BOD của nước thải sau xử lý thường thấp hơn 50 mg/l, hàm lượng cặn lơ lửng từ 10 đến 45 mg/l và N-NH₃ khoảng từ 0,3 đến 12 mg/l. Bể aeroten hoạt động gián đoạn theo mẻ làm việc không cần bể lắng đợt hai. Trong nhiều trường hợp, người ta cũng bỏ qua bể điều hoà và bể lắng đợt một.

Hệ thống aeroten hoạt động gián đoạn SBR có thể khử được nitơ và phốt pho sinh hoá do có thể điều chỉnh được các quá trình hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí trong bể bằng việc thay đổi chế độ cung cấp ôxy. Các ngăn bể được sục khí bằng máy nén khí, máy sục khí dạng Jet hoặc thiết bị khuấy trộn cơ học. Chu kỳ hoạt động của ngăn bể được điều khiển bằng rơle thời gian. Trong ngăn bể có thể bố trí hệ thống vớt váng, thiết bị đo mức bùn…

Bể aeroten hệ SBR có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, hiệu quả xử lý cao, khử được các chất dinh dưỡng nitơ, dễ vận hành. Sự dao động lưu lượng nước thải ít ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý.

Nhược điểm chính của bể là công suất xử lý nước thải nhỏ. Để bể hoạt động có hiệu quả người vận hành phải có trình độ và theo dõi thường xuyên các bước xử lý nước thải.

• Ưu , nhược điểm khi sử dụng phương pháp hiếu khí
• Ưu điểm:
• Thời gian xử lý nhanh, thời gian lưu bùn và nước nhỏ thích hợp với các nhà máy có lưu lượng dòng thải lớn và hàm lượng BOD không cao lắm hoặc có thể kết hợp xử lý lần 2 sau bể yếm khí nếu còn hàm lượng BOD cao.
• Hiệu suất xử lý khá cao, chịu được sự dao động lớn của lưu lượng và chất lượng nước thải.
• Bùn sau xử lý có thể tận dụng làm phân vi sinh.
• Hệ thống được cấp khí liên tục nên nước sau xử lý đảm bảo được lượng oxy hoà tan.
• Hạn chế sinh ra khí độc, mùi thối.
• Phương pháp này có thể loại bỏ BOD trong thời gian ngắn, có thể khử được N, P. Hiệu suất khử BOD có thể lên tới 99%.
• Bùn dễ lắng.
• Nhược điểm:
• Tốn năng lượng cho quá trình sục khí.
• Lượng bùn sinh ra nhiều hơn so với yếm khí.
• Thích hợp đối với nước thải có BOD < 1000mg/l và hàm lượng chất độc thấp.
• Khó phân huỷ được một số chất béo và các chất hữu cơ mạch vòng.

Phương pháp xử lý sinh học yếm khí, hiếu khí (điều kiện nhân tạo) rất thích hợp cho nước thải các ngành công nghiệp thực phẩm nói chung và ngành bia nói riêng.