Hà Nội, Thứ Hai Ngày 18/11/2019

Phân tích dòng vật–Cơ hội cho xử lý nước thải ngành công nghiệp bia

Mtđt, 12:56 25/04/2019

Biện pháp tuần hoàn nhiệt sinh ra từ quá trình làm lạnh nhanh để gia nhiệt cho quá trình hồ hóa tiết kiệm đươc 5.5% lượng nhiệt. Nếu kết hợp với giải pháp tận thu nước làm mát sẽ thu về được 9% nhiệt.

TÓM TẮT

Nước thải trong công nghiệp sản xuất bia có nguy cơ ô nhiễm cao, cần được xử lý triệt để. Bằng cách lượng hóa các dòng vật chất trong dây chuyền sản xuất và các dòng vật chất ô nhiễm tiêu biểu (COD, SS) của một nhà máy sản xuất bia có dây chuyền sản xuất hiện đại, phân tích và đánh giá các cơ hội tiềm năng cho sản xuất sạch hơn của nhà máy, và cơ hội nâng cao hiệu quả xử lý, tiết kiệm năng lượng cho xử lý nước thải. Kết quả nghiên cứu cho thấy, trong sản xuất, biện pháp tuần hoàn nhiệt sinh ra từ quá trình làm lạnh nhanh để gia nhiệt cho quá trình hồ hóa tiết kiệm đươc 5.5% lượng nhiệt. Nếu kết hợp với giải pháp tận thu nước làm mát để rửa chai, sẽ thu về được 9% nhiệt lượng. Ở Trạm xử lý nước thải, sử dụng bể phân hủy kỵ khí bùn, thu khí biogas tạo điện – nhiệt năng với hệ thống Nhiệt - Điện kết hợp (CHP) sẽ tiết kiệm được 11% nhiệt lượng cần để đun nước nóng cấp cho bộ ổn nhiệt cho bể phân hủy bùn kị khí và tiết kiệm được 43% tổng điện năng tiêu thụ của Trạm XLNT.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Sản xuất sạch hơn, kiểm soát ô nhiễm do các dòng thải, sử dụng năng lượng hiệu quả trong công nghiệp bia đem lại những lợi ích về môi trường (giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính, tiết kiệm nhiên liệu, nước và các tài nguyên khác, giảm thiểu chất ô nhiễm đi vào môi trường, giảm lượng điện tiêu thụ, ...

Trong sản xuất bia, các cơ hội về tiết kiệm nước và năng lượng có thể được áp dụng là: nghiền ướt thay vì nghiền khô malt, thu hồi dịch nha loãng để tái sử dụng nấu hèm, thu hồi hơi nước nóng từ nấu hoa; sử dụng công nghệ lên men nồng độ cao để tiết kiệm năng lượng; sử dụng hệ thống làm lạnh tầng; tận thu nước làm mát để rửa chai, keg, tận thu nước ngưng... [1]. Trong xử lý nước thải Nhà máy bia, thu biogas từ các bể phản ứng kị khí và biến năng lượng (nhiệt, điện), sử dụng các quá trình xử lý nước thải và bùn hiệu suất cao, phát sinh ít chất thải thứ cấp và tiết kiệm năng lượng là các cơ hội tiềm năng [2].

Các hướng giải pháp này được nghiên cứu, đánh giá với một nhà máy bia điển hình, các dòng vật chất và năng lượng được xem xét, lượng hóa. Các kết quả sẽ làm cơ sở chắc chắn cho việc lựa chọn công nghệ sản xuất và xử lý nước thải phù hợp.

2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Một nhà máy sản xuất bia điển hình, có dây chuyền công nghệ sản xuất hiện đại ở Việt Nam đã được lựa chọn, với công suất thiết kế 200 triệu lít bia/năm. Dây chuyền công nghệ sản xuất và thiết bị được nhập khẩu từ Châu Âu (hệ thống lên men Hà Lan, hệ thống lọc Đức, bể làm bia non Hà Lan, lò hơi, hệ thống làm mát và hệ thống tận thu khí CO2 từ Đức…), tuân thủ đầy đủ các tiêu chuẩn về vệ sinh và an toàn thực phẩm. Nhà máy có áp dụng mô hình Làm sạch tại chỗ (Cleaning-in-place CIP).

Dây chuyền sản xuất của Nhà máy gồm 4 công đoạn (Hình 1): (1) Chuẩn bị (làm sạch, nghiền ướt, nghiền khô), (2) Nấu (nấu gạo, nấu malt, lọc bã hèm, làm lạnh), (3) Lên men (lên men chính, lên men phụ), (4) Đóng gói (lọc trong bia, bão hòa CO2, thanh trùng, đóng nhãn…)

Các dòng thải đặc trưng của nhà máy bia bao gồm: nước thải (rửa bể, đường ống, rửa hóa chất, rửa lần cuối), chất thải rắn (chai thủy tinh vỡ, nhãn mác, bã hèm, hồ dán, bã men,…), và khí thải (CO2, CH4, khí có mùi hôi từ quá trình nấu dịch hèm, khói bụi từ dầu đốt, bụi từ quá trình nghiền gạo và malt…).

Bảng 1. Nguyên liệu đầu vào cho sản xuất bia

(Nguồn: Báo cáo ĐTM của Nhà máy)

Hình 1. Dây chuyền sản xuất bia

Nhà máy áp dụng công nghệ xử lý nước thải kị khí và hiếu khí kết hợp, cho phép đạt chất lượng nước thải sau xử lý theo cột A, QCVN 40:2011/BTNMT. Nước thải sản xuất sau song chắn rác, nước thải từ hệ thống xử lý khí thải nồi hơi, nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại được thu về bể điều hòa. Từ đây nước thải được bơm lên cụm xử lý hóa – lý, keo tụ tạo bông bằng phèn nhôm, phèn sắt, lắng lamen, có điều chỉnh pH bằng axit và xút. Sau đó, nước thải được xử lý tiếp tục trong bể phân hủy yếm khí UASB và bể xử lý sinh học với bùn hoạt tính theo mẻ SBR. Nước thải được khử trùng bằng dung dịch Javen rồi xả ra môi trường. Bùn phát sinh được thu gom, tách nước bằng máy ép cơ khí. Do lượng khí sinh học từ quá trình phân hủy kị khí không nhiều nên Nhà máy không thu hồi. Nghiên cứu sử dụng số liệu về đặc trưng nước thải phát sinh từ Nhà máy để tính toán (Bảng 2). Công suất Trạm XLNT là 4.500 m3/ngày.

Bảng 2. Đặc trưng nước thải Nhà máy bia

(Nguồn: Báo cáo ĐTM Nhà máy bia)

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích dòng vật chất (Material Flow Analysis – MFA) để tính toán cân bằng nước sử dụng trong dây chuyền sản xuất và lượng hóa các chất ô nhiễm đi qua các công đoạn của dây chuyền xử lý nước thải. Nguyên tắc của MFA dựa trên định luật bảo toàn vật chất. MFA được sử dụng để so sánh các phương án công nghệ khác nhau, đánh giá các tác động môi trường và làm cơ sở để phân tích tài chính, hỗ trợ cho việc ra quyết định lựa chọn phương án tối ưu.

Hình 2. Sơ đồ tính toán cân bằng chất ô nhiễm trong dây chuyền xử lý nước thải

Nghiên cứu chọn 2 chỉ tiêu ô nhiễm đặt trưng cho nước thải Nhà máy bia là COD và cặn lơ lửng (SS). Sơ đồ tính toán cân bằng vật chất cho dây chuyền xử lý nước thải được thể hiện trong Hình 2. Số công nhân làm việc trong Nhà máy là 441 người [1].

Nghiên cứu cũng sử dụng phương pháp cân bằng năng lượng, đánh giá tiêu thụ năng lượng cho từng công đoạn xử lý, dựa trên công suất, hiệu suất và thời gian hoạt động của từng thiết bị điện [2, 6].

Số liệu được thu thập từ các nguồn: khảo sát tại hiện trường, điều tra phỏng vấn, báo cáo thiết kế cơ sở, báo cáo đánh giá tác động môi trường, báo cáo hoàn thành công trình bảo vệ môi trường, báo cáo kiểm toán năng lượng hàng năm của Nhà máy. Số liệu về công suất thiết bị, các thông số tính toán của từng công đoạn trong dây chuyền sản xuất được lấy từ Báo cáo sản xuất sạch hơn trong ngành bia [1]. Các số liệu định lượng chất thải, nước sản xuất được tính theo đơn vị tấn/năm.

Nghiên cứu sử dụng phần mềm phân tích dòng vật chất STAN (tên đầy đủ là subSTance flow ANalysis) để tính toán cân bằng vật chất cho Trạm xử lý nước thải. Đây là phần mềm được phát triển bởi trường Đại học Kỹ thuật Vienna, Áo (Technische Universität Wien). Phần mềm cho phép người dùng, sau khi thiết kế dây chuyền xử lý, nhập các giá trị đầu vào (khối lượng, nồng độ, hệ số trao đổi…) cho nhiều lớp tính khác nhau (vật liệu, chất, năng lượng), cho các giai đoạn tính toán, tính ra những giá trị chưa biết còn lại, và trình diễn các dòng vật chất dưới dạng Sankey – các mũi tên. Độ dày của các mũi tên tỷ lệ thuận với độ lớn của dòng vật chất đó. STAN cũng cho phép người dùng trích xuất hình ảnh của các MFA dưới dạng ảnh và có thể nhập/xuất dữ liệu thông qua Excel. Người sử dụng có thể xem xét tính bất định của dữ liệu. Thuật toán tính toán sử dụng các công cụ thống kê toán học như đối chiếu dữ liệu và lan truyền lỗi. Nghiên cứu cũng sử dụng phần mềm iSankey để hỗ trợ trình bày, phân tích dòng năng lượng.

3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1 Phân tích MFA cho dây chuyền sản xuất bia

Kết quả lượng hóa vật chất - nguyên vật liệu sử dụng trong toàn bộ dây chuyền sản xuất bia được thể hiện trên Hình 3. Kết quả tính toán thành phần nước sử dụng cũng như dòng thải của toàn bộ dây chuyền sản xuất được trình bày trong Bảng 3.

Bảng 3. Lượng hóa các dòng thải từ dây chuyền sản xuất

Bảng 4. Lượng hóa nước sử dụng cho các công đoạn

Bảng 4 liệt kê các công đoạn tiêu thụ nước trong nhà máy, trong trường hợp không có áp dụng phương án tái sử dụng nước. Toàn bộ nước thải đi vào Trạm xử lý nước thải. Tuy nhiên, nghiên cứu cũng đưa ra phương án tận thu và tuần hoàn một phần nước để tái sử dụng (Bảng 5).

Bảng 5. Các khả năng tái sử dụng nước từ dây chuyền sản xuất Nhà máy bia.

Hình 3. Dòng vật chất trong dây chuyền sản xuất bia

Tuần hoàn nhiệt và tái sử dụng nước nóng trong sản xuất

Sử dụng nước nóng hiệu quả là một lựa chọn hữu ích cho việc tiết kiệm năng lượng của nhà máy. Nghiên cứu lựa chọn giải pháp tận dụng nhiệt sản ra từ khâu làm lạnh nhanh dịch nha để gia nhiệt cho quá trình hồ hóa. Trong quá trình làm lạnh nhanh dịch nha, dịch nha ở nhiệt độ ~ 100oC sẽ được đưa về nhiệt độ ở 9.5oC [3, 4]. Giả thiết hiệu suất của quá trình trao đổi nhiệt là 90%, khối nước nóng sau làm lạnh nhanh có thể đạt tới 85oC [4, 6].

Bảng 6. Bảng tính nhiệt lượng cho nồ hồ hóa và các tham số liên quan

Kết quả cho thấy lượng năng lượng tiết kiệm được từ tuần hoàn nhiệt từ làm lạnh nhanh đạt 691.0 tấn hơi/năm, tiết kiệm khoảng 5%. Nếu kết hợp với tái sử dụng nước làm lạnh nhanh cho công đoạn rửa chai, nhà máy còn có thể tiết kiệm được đến 465,155,083 kcal, tương ứng tiết kiệm được 9% năng lượng (Bảng 7).

Bảng 7. Tiết kiệm nhiệt lượng khi tái sử dụng nước làm lạnh nhanh cho rửa chai

3.2 Phân tích MFA cho dây chuyền xử lý nước thải

Kết quả lượng hóa các dòng chất ô nhiễm được thể hiện trên Hình 4.

Hình 4. Kết quả phân tích dòng vật chất (MFA) Trạm XLNT: theo COD (trái) và TSS (phải)

Sơ đồ MFA trên Hình 4 cho thấy, do Nhà máy không có công đoạn phân hủy kỵ khí bùn thải, lượng bùn sinh ra còn nhiều, tốn điện năng cho công đoạn tách nước từ bùn và tốn chi phí chuyên chở, thải bỏ bùn. Lượng bùn sinh ra từ bể lắng và bùn hoạt tính dư từ bể SBR, bể UASB xấp xỉ 3770 kg/ngày. Cơ hội tiết kiệm năng lượng sẽ có được nếu xử lý bùn bằng phân hủy kỵ khí, thu biogas sản xuất năng lượng.

3.3 Tính toán cân bằng năng lượng

Nghiên cứu so sánh phương án phân hủy kỵ khí, thu hồi và sử dụng khí biogas sản xuất năng lượng (điện và nhiệt năng, thông qua hệ thống CHP - combine heat and power), cấp cho bản thân trạm xử lý thông qua bộ trao đổi nhiệt (Kịch bản 2), với phương án hiện có (Kịch bản 1) về tiêu thụ năng lượng.

Hình 5. Cân bằng điện năng tiêu thụ cho Trạm XLNT theo Kịch bản 1

Bảng 8 Bảng các tham số đầu vào, đầu ra cho tính toán năng lượng cho nhà máy XLNT

Hình 6. Cân bằng điện năng tiêu thụ cho Trạm XLNT theo Kịch bản 2

Theo Kịch bản 2, bùn được đưa về bể phân hủy kỵ khí, khí biogas sinh ra được đưa qua hệ CHP để sản xuất điện và nhiệt. Lượng bùn sau phân hủy còn lại 711.37 kg/ngày tính theo chất khô. Lượng điện tiêu thụ cho xử lý bùn giảm khoảng 5 lần (từ 345 kWh/ngày xuống 65,13 kWh/ngày). Bằng cách lắp đặt hệ thống thu hồi và chuyển hóa điện năng từ khí sinh học từ bể xử lý kỵ khí bùn, Nhà máy có thể tạo ra 763m3 biogas tương ứng với 4,461 kWh/ngày bằng hệ CHP, trong đó, điện năng là 1,735 kWh/ngày, tiết kiệm cho Trạm xử lý 43% điện tiêu thụ. Lượng nhiệt sinh ra từ biogas được quay vòng để đun nước nóng, cung cấp cho bộ Trao đổi nhiệt để duy trì bể phân hủy bùn kị khí ở nhiệt độ 37oC, đảm bảo được 11% nhu cầu nhiệt lượng.

Bảng 9. Kết quả so sánh tiêu thụ năng lượng của Kịch bản 1 và 2

4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Nhờ phương pháp phân tích định lượng các dòng vật chất (lượng nước sử dụng và các dòng thải, các chất ô nhiễm) theo từng công đoạn sản xuất, có thể xác định tiềm năng áp dụng sản xuất sạch hơn, tiết kiệm nước và năng lượng trong sản xuất. Biện pháp tuần hoàn nhiệt từ quá trình làm lạnh nhanh để gia nhiệt cho quá trình hồ hóa mang lại hiệu quả tiết kiệm được ~691 tấn hơi/năm, tương ứng 5.5% nhu cầu nhiệt. Nếu tận dụng thêm nước ở khâu làm lạnh nhanh vào rửa chai, tiết kiệm được 9% nhiệt lượng. Cũng từ kết quả phân tích dòng vật chất theo các công đoạn xử lý nước thải, nghiên cứu đã đề xuất phương án bổ sung công đoạn xử lý bùn bằng phân hủy kị khí, sử dụng bộ trao đổi nhiệt để nâng cao hiệu suất phân hủy, thu biogas để sản sinh năng lượng (điện và nhiệt) với hệ thống CHP. Với phương án này, bù đắp được 11% nhiệt lượng cần để đun nóng nồi hơi, cấp nước nóng cho bộ trao đổi nhiệt để ổn định bể phân hủy kị khí bùn ở 37oC, tiết kiệm được 43% lượng điện tiêu thụ, và 16% tổng nhu cầu năng lượng (bao gồm nhiệt và điện) cho Trạm xử lý nước thải. Bước nghiên cứu tiếp theo, phân tích lợi ích – chi phí, sẽ cho thấy hiệu quả kinh tế của các giải pháp cải thiện này.

LỜI CẢM ƠN: Nghiên cứu được thực hiện trong khuôn khổ Dự án hợp tác quốc tế “Kiểm soát ô nhiễm do nước thải công nghiệp ở lưu vực sông” do Quỹ Nước và Môi trường Kurita (KWEF), Nhật Bản tài trợ, Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường (IESE), Trường Đại học Xây dựng chủ trì thực hiện.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

  • Các Báo cáo đánh giá tác động môi trường, Báo cáo hoàn thành công trình bảo vệ môi trường, các hồ sơ Dự án đầu tư xây dựng các Nhà máy bia ở Việt Nam.
  • Trung tâm Sản xuất sạch Việt Nam. Tài liệu hướng dẫn sản xuất sạch hơn ngành sản xuất bia. Chương trình hợp tác phát triển Việt Nam – Đan Mạch về môi trường. Bộ Công thương.
  • Cruz. Energy and material balances of wastewater treatment, including biogas production, at a recycled board mill. pp. 71, 2016.
  • Gans, S. Mobini, and X. N. Zhang. Mass and Energy Balances at the Gaobeidian Wastewater Treatment Plant in Beijing , China. pp. 203–209, 2010.
  • EPRO Consulting JSC. Báo cáo kiểm toán năng lượng Nhà máy bia. 2013.
  • Nguyễn Việt Anh, Bùi Thị Thủy, Vũ Thị Minh Thanh. Xử lý bùn của Trạm xử lý nước thải. Nhà xuất bản Xây dựng, 2017.

ThS. Trần Thanh Huyền1, GS. TS. Nguyễn Việt Anh2, ThS. Trần Thu Hương2, ThS. Nguyễn Trà My2

1Trung tâm Động lực học thủy khí môi trường, Trường Đại học KHTN, ĐHQG Hà Nội;
2Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường (IESE), Trường Đại học Xây dựng

Loading...
Bạn đang đọc bài viết Phân tích dòng vật–Cơ hội cho xử lý nước thải ngành công nghiệp bia tại chuyên mục Nghiên cứu – Trao đổi. Thông tin phản ánh, liên hệ đường dây nóng : 0913 385 005 - 0917 681 188 Hoặc email: bandientu.mtdt@gmail.com
Tin cùng chuyên mục Nghiên cứu – Trao đổi