Đề tài Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất đường Nông Cống – Thanh Hoá, công suất 1500 tấn mía/ngày

a* 07/03 – 06/04 07/02 – 06/03 07/01 – 06/02 30 5028,5 5450,5 4791,5 1190,0 1185,4 1217,2 3657,5 4112,9 3652,9 Philippines* 07/03 – 06/04 07/02 – 06/03 07/01 – 06/02 34 2325,7 2203,8 1981,6 2161,9 2036,8 1990,0 226,1 124,0 89,2 Ghi chú trong bảng I.1: * : Các nước sản xuất đường từ nguyên liệu cây mía ** : Các nước sản xuất đường từ nguyên liệu củ cải đường Có những nước mặc dù có sản xuất đường trong nước nhưng vẫn có nhập khẩu sản phẩm đường từ nước khác chẳng hạn như Đức vào trong niên vụ 2003-2004 dù sản lượng xuất khẩu lên tới 1.125.900 tấn nhưng vẫn nhập khẩu đường từ nước khác là 400.700 tấn [17]. I.1.2. Sơ lược về sản xuất và tiêu thụ đường ở Việt Nam Ở Việt Nam nguyên liệu chính để sản xuất đường là cây mía. Từ lâu nay, Việt Nam đã sản xuất mía theo kiểu thủ công. Đến đầu thế kỷ thứ 20 sản xuất đường theo hình thức quy mô công nghiệp bắt đầu ra đời do người Pháp mang công nghệ sang Việt Nam để áp dụng. Bảng I.2 cho thấy lượng mía ép và sản lượng đường sản xuất tại Việt Nam và trong Bảng I.3 cho thấy bình quân nhu cầu đường của Việt Nam: Bảng I.2. Hiện trạng sản xuất và tiêu thụ hàng năm (Đơn vị tính: 1.000 tấn) [12] STT Nội dụng\vụ 94/95 95/96 96/97 97/98 98/99 99/00 00/01 1 Tổng lượng mía ép 6.000 8.570 9.150 9.520 11.080 13.943 13.204 Lượng mía ép công nghiệp 1.350 2.200 2.560 3.860 6.660 8.583 7.204 Lượng mía ép thủ công 4.650 6.370 6.590 5.660 4.420 5.360 6.000 2 Đường sản xuất 342 501 542 605 777 1.014 946 Đường công nghiệp 110 183 213 322 556 746 646 Đường thủ công 232 318 329 283 221 268 300 3 Đường nhập khẩu 145 50 72 95 42,5 - - 4 Lượng đường tiêu thụ trong nước 487 551 614 680 719 874 - Bảng I.3. Bình quân nhu cầu đường của Việt Nam [12] Năm Bình quân nhu cầu (kg/người/năm) Tổng nhu cầu (tấn/năm) 1994 6 400.000 1995 6,5 440.000 1996 7 480.000 1997 - 530.000 - 550.000 2000 - 750.000 Công nghiệp sản xuất đường Việt Nam có xu hướng phát triển mạnh và đóng góp cho việc xây dựng nên kinh tế đáng kể. Theo báo cáo quý II mặt hàng mía đường của Bộ Nông nghiệp và phất triển nông thôn năm 2003, diện tích mía cả nước trong niên vụ 2002/03 đạt 315.000 ha, tăng 1.6% so với diện tích trồng mía niên vụ 2001/02. Năng suất mía bình quân cả nước tăng nhẹ so với niên vụ trước, đạt xấp xỉ 50 tấn/ha. Nhờ vậy, sản lượng mía cả nước tăng lên 15,7 triệu tấn, cao hơn khoảng 500 nghìn tấn so với sản lượng mía niên vụ 2001/02. Tính chung, tổng sản lượng đường cả nước ước đạt 1,2 triệu tấn, cao hơn 100 nghìn tấn so với ước tính trước đây1 chủ yếu là do đường công nghiệp tăng mạnh. Kết thúc vụ 2002/03, cả 44 nhà máy đã đi vào hoạt động với tổng công suất thiết kế lên tới 82.950 tấn mía/ngày. Các nhà máy đã ép được 11,54 triệu tấn mía, đạt 93% công suất thiết kế. Đây là niên vụ có hệ số tận dụng công suất thiết kế cao nhất cho đến nay, tăng đáng kể so với mức 70% của hai niên vụ trước. Sản lượng đường công nghiệp cả nước tính đến hết tháng 6 là 1.056.188 tấn, lần đầu tiên vượt ngưỡng 1 triệu tấn và tăng 37% so với niên vụ 2001/02 [3]. I.2. Các vấn đề môi trường của ngành đường Sản xuất đường thải ra chất thai cả nước thải, chất thải rắn và khí thải. Nhưng do đề tài đề cập chủ yếu là nước thải nên bản đồ án này chỉ nêu những vấn đề môi trường liên quan tới môi trường nước là chính. I.2.1. Ô nhiễm môi trường nước do nước thải nhà máy đường Nước thải từ nhà máy đường chứa một lượng đáng kể các chất rắn lơ lửng, là nguyên nhân chủ yếu gây ra tắc cống rãnh và gây ô nhiễm do các thành phần hữu cơ lắng cặn phân huỷ chậm. Nước thải từ quá trình rửa thiết bị hay trao đổi nhiệt có thê có tính axit hay tính kiềm. Dòng thải này cũng có nồng độ muối cao và có tính độc đối với các sinh vật thuỷ sinh khi thải ra nguồn tiếp nhận [12]. Trong nước thải có chứa một lượng đường sót và các hydrocacbon. Đây là nguyên nhân chủ yếu gây ô nhiễm các dòng thải về mùi (chủ yếu là phân huỷ ra H2S), gây ra màu đen của nước thải, .v.v. Bảng I.4 . Đặc tính nước thải chung của nhà máy đường [12] Các thông số Giá trị pH 4,6 – 7,1 Tổng số 870 – 3500 Lơ lửng 220 – 800 Bay hơi 400 – 2000 BOD5 (mg/l) 300 – 2000 COD (mg/l) 600 – 4380 Tổng Nitơ (mg/l) 10 – 40 Nói chung, nước thải của một nhà máy đường có thể phân thành 3 nguồn nhu sau: Nước thải sản xuất từ dây chuyền công nghệ Nước sinh hoạt dân dụng Nước mưa trên mặt bằng nhà máy Trong ba loại nước thải đã nêu trên, nước thải bị ô nhiễm nhất là nước thải sản xuất nên đòi hòi phải có một qui trình công nghiệ xử lý trước khi thải ra nguồn tiếp nhận bên ngoài nhà máy. Nước bề mặt và nước mưa chả theo đường thoát nước riêng không đưa vào hệ thống cống thải. Trong bảng I.5 cho thấy lượng nước thải từ một số công đoạn khác nhau của nhà máy đường. Bảng I.5 Lượng nước thải từ một số công đoạn trong nhà máy đường [12] Nguồn nước thải Lượng trung bình (lít/ngày/tấn đường) Phân xưởng ép 730 Nước nóng và rửa sân 230 Rửa vải lọc (nếu dùng vải lọc) 360 Nước ngưng tụ 1640 Nước thải nhà máy đường nói chung khá ô nhiễm, Bảng I.6 chỉ ra một số thông số ô nhiễm trong nước thải của một số công đoạn trong nhà máy đường bao gồm cả nước ngưng tụ. Bảng I.6 Đặc tính nước thải của một số phân xưởng trong nhà máy đường [12] Nguồn nước thải Các thông số pH Tổng chất rắn Chất rắn lơ lửng BOD5 Phân xưởng ép 6,7 1760 910 210 Rửa vải lọc 9,5 6970 4000 1765 Nước nóng 7,2 5130 120 5150 Nguyên nhân chủ yếu gây ra mức độ ô nhiễm cao của các dòng thải một phần là do hao hụt, mất mát trong quá trình sản xuất. Có thể đưa ra một số nguyên nhân chính như sau: Do đường rơi vãi, đường mất mát do quá trình xảy ra trong tháp phun nước ngưng tụ Hoá chất tẩy rửa và hoá chất thất thoát như acid clohydric, soda, vôi, ... Nước nhiễm bẩn tràn từ các vòi phun, hầm chứa. Dầu mỡ rơi vãi từ phân xưởng ép Tạp chất xơ và các chất hoà tan khac có trong dòng thải I.2.2. Những giải pháp không chế ô nhiễm môi trường trong công nghệ sản xuất đường I.2.2.1. Những cách tiếp cận chung: Sản xuất đường nói riêng và các ngành công nghiệp nói chung, đều thải ra một lượng chất thải khá lớn. Công nghiệp sản xuất đường sử dụng và thải ra một lượng nước thải rất lớn. Do các hiệu quả của các việc thải những chất thải ra môi trường ngày càng nhiều, nay việc giảm phát thải chất thải nói riêng và các vấn đề môi trường càng được quan tâm và chú ý giải quyết nhằm mục đích giảm thiểu các tác động có hại tới môi trường. Hiện nay xu hướng khống chế sự ô nhiễm môi trường là kết hợp sử dụng các biện pháp công nghệ có tính tới yếu tố bảo vệ môi trường tuân theo các nguyên lý của sản xuất sạch hơn như: tuần hoàn và tái sử dụng chất thải, tối ưu hoá trong việc sử dụng nguyên liệu và năng lượng, .v.v. Biện pháp ‘xử lý chất thải cuối đường ống’ cũng là một trong các hướng đang được sử dụng rộng rãi, nhất là đối với các nước đang phát triển. Những phương hướng xử lý đang được áp dụng trên thế giới hiện này là những phướng sau: Nâng cao chất lượng nguyên liệu, áp dụng công nghệ tiên tiến nhằm làm tối ưu hoá quá trình sản xuất, tăng hiệu suất quá trình đồng thời làm giảm lượng chất thải. Tái sử dụng các phế liệu hoặc có cơ sở tận dụng chất thải của các nhà máy đường để sản xuất các sản phẩm khác. Ứng dụng các phương pháp xử lý chất thải tiên tiến nhằm làm giảm tối đa lượng phát thải và đảm bảo các tiêu chuẩn về môi trường. I.2.2.2. Các cách tiếp cận trong công nghệ sản xuất mía đường: a. Cải thiện chất lượng mía nguyên liệu: Chất lượng mía có ảnh hưởng quan trọng không những tới năng suất, chất lượng đường mà còn liên quan tới lượng các tạp chất có trong mía, tức là lượng chất thải của nhà máy đường sau này. Để có mía chất lượng cao, người ta chú trọng tới rất nhiều khâu: chọn giống mía thích hợp, ché độ canh tác phù hợp, điều kiện đất đai, nhiệt độ, lượng mưa, số giờ nắng trong năm, .v.v. Đó cũng là các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mía. Ngoài ra, khi thu hoạch mía còn phải chú ý tới phương thức vận chuyển sao cho mía trành bị hao hụt đường trứoc khi đem ép. b. Nâng cao hiệu quả của sản xuất: Việc lựa chọn công nghệ trong quá trình sản xuất đóng vai trò quan trọng quyết định tới chất lượng sản phẩm và lượng chất thải. Ví dụ như phương pháp vôi dùng cho sản xuất đường thô, quy trình đơn giản nhưng hiệu suất thu hồi đường thấp. Phương pháp sunfit hoá và cácbonat hoá cho sản phẩm đường trắng, hiệu suất thu hồi đường cao nhưng quy trình và thiết bị phức tạp. Phương pháp làm sạch theo phương pháp sunfit đạt tới 25% và phương pháp cácbonát hoá đạt tới 40% [12]. c. Xử lý chất thải: Trong lĩnh vực xử lý chất thải, người ta quan tâm nhiều đến vấn đề xử lý nước thải trong công nghiệp sản xuất mía đường. Phương hướng xử lý nước thải đã được nghiên cứu và triển khai ở nhiều quốc gia trên thế giới. Các quốc gia dẫn đầu trong lĩnh vực xử lý là: Hà Lan, Pháp, Bỉ, Nhật Bản, .v.v. và các nhà máy xử lý đã được triển khai xây dựng ở nhiều nơi như ở Trung Quốc, Thái Lan, Ấn Độ, Ai Cập, Braxin, .v.v. Để xử lý cơ bản như: cơ học, hoá học, hoá lý, sinh học. Công nghệ xử lý nước thải được quan tam hiện nay là xử lý sinh học do thành phần nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ cao và dễ phân huỷ. I.3. Cơ sở lý thuyết các quá trình xử lý nước thải nhà máy đường Theo nhiều tài liệu về công nghệ xử lý nước thải, với những đặc trưng của nước thải sản xuất đường mía phương pháp xử lý nước thải thường được sử dụng nhiều nhất là xử lý phương pháp sinh học. Phương pháp sinh học xử lý nước thải là phương pháp sử dụng các chủng vi sinh vật để loại bỏ các chất ô nhiễm ra khỏi nước thải. Dựa trên quá trình hô hấp của các vi sinh vật sử dụng trong quá trình xử lý, có thể chia phương pháp xử lý này thành hai loại như sau: Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí (sử dụng vi sinh vật hô hấp hiếu khí hoặc hô hấp tuỳ tiện). Phương pháp xử lý sinh học yếm khí (sử dụng vi sinh vật hô hấp yếm khí hoặc hô hấp tuỳ tiện). I.3.1. Nguyên lý chung của quá trình oxy hoá sinh hoá Quá trình oxy hoá sinh hoá thực hiện được khi các chất hữu cơ hoà tan, các chất keo va phân tán nho trong nước thải được di chuyển vào bên trong tế bào của vi sinh vật. Quá trình xử lý nước thải hoặc còn gọi là quá trình thu hồi các chất bẩn từ nước thải và việc vi sinh vật hấp thụ các chất bẩn đó bao gồm ba giai đoạn sau: Di chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào vi sinh vật do khuếch tán đối lưu và khuếch tán phân tử. Di chuyển chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế bào. Quá trình chuyển hoá các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng lượng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thụ năng lượng. 3 giai đoạn này quan hệ rất chặt chẽ với nhau và quá trình chuyển hoá các chất đóng vai trò chính trong quá trình xử lý nước thải. Phương trình tổng quát các phản ứng tổng của quá trình oxy hoá sinh hoá ở điều khiện hiếu khí có dạng như sau: (1) (2) CxHyOzN : là các chất hữu cơ trong nước thải C5H7NO2 : là công thức theo tỷ lệ trung bình các nguyên tố chính trong tế bào vi sinh vật. ∆H : là năng lượng Phản ứng (1) là phản ứng oxy hoá các chất hữu cơ để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào, còn phản ứng (2) là phản ứng tổng hợp để xây dựng tế bào. Lượng oxy tiêu tốn cho các phản ứng này là tổng BOD của nước thải. Nếu tiếp tục tiến hành quá trình oxy hoá thì khi không đủ chất dinh dưỡng, quá trình chuyển hoá các chất của tế bào bắt đầu xảy ra bằng oxy hoá chất liệu tế bào (tự oxy hoá): Tổng lượng oxy tiêu tốn cho bốn phản ứng trên gần gấp hai lần lượng oxy tiêu tốn của hai phản ứng đầu. Từ các phản ứng này có thể thấy rõ sự chuyển hoá hoá học là nguồn năng lượng cần thiết cho các vi sinh vật. I.3.2. Cơ sở lý thuyết quá trình phân huỷ yếm khí Phương pháp này được sử dụng để xử lý nước thải có hàm lượng BOD và hàm lượng cặn lơ lửng lớn (BOD > 1800 mg/l , SS ≥ 300 – 400 mg/l), dựa vào các quá trình chuyển hoá các chất hữu cơ của vi sinh vật hô hấp yếm khí hoặc tuỳ tiện. Xử lý yếm khí nước thải có nhiều ưu điểm như sau: Có thể xử lý được nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm rất cao và có khả năng phân huỷ được các chất hữu cơ có phân tử lượng lớn, phức tạp mà phương pháp hiếu khí không xử lý được. Lượng bùn dư sinh ra ít. Giá thành rẻ. Sản phẩm của quá trình xử lý này là khí sinh học (Biogas) thành phần chủ yếu là CH4 và CO2 có thể dung làm nhiên liệu. Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm đó cũng có các nhược điểm: Thời gian lưu của nước thải trong thiết bị lâu, nên chi phí ban đầu cho xây dựng cơ bản khá cao. Thời gian ổn định công nghệ dài. Hiệu quả xử lý chỉ đạt 80 đến 90%. Quy trình vận hành tương đối phức tạp. Nếu thiết bị hở khí thoát ra gây ô nhiễm môi trường không khí. I.3.2.1. Cơ chế phân huỷ yếm khí : Về cơ bản có thể chia quá trình phân huỷ yếm khí các chất ô nhiễm hữu cơ thành 3 giai đoạn chính: 1. Giai đoạn thủy phân Trong công đoạn này các thành phần chất hữu cơ không tan hoặc tan ít (có phân tử lượng lớn như protein, lipit, polysacarit, pectin ... ) được chuyển hoá thành các sản phẩm có phân tử lượng nhỏ hơn và phần lớn đều tan. Các chất hữu cơ này sẽ được sử dụng làm cơ chất trong các hoạt động của VSV trong các công đoạn sau. 2. Giai đoạn lên men các axit hữu cơ Các hợp chất hữu cơ đơn giản sản phẩm của quá trình thuỷ phân, các chất béo, polysacarit, protein ... sẽ được lên men thành các ãit hữu cơ như: acetic, lactic, propionic, butyric, ... và các chất khí như: H2 , H2S, NH3 và một lượng nhỏ CH4. Thành phần và tính chất của các sản phẩm phụ thuộc nhiều vào bản chất, thành phần của các chất ô nhiễm có trong nước thải, phụ thuộc vào khu hệ VSV cũng như vào điều kiện môi trường của quá trình hoạt động (pH, nhiệt độ, ... ). Cơ chế của quá trình tạo axits trong phân huỷ yếm khí được chia làm hai dạng chính. Theo Gunnerson và Stucke (1986): Chuyển hoá trực tiếp cơ chất đến axit acetic: + Lên men tạo axit acetic: (Glucoza) + Phân cắt axit béo phân tử lượng lớn bằng phản ứng oxy hoá khử kèm thuỷ phân: Lên men các axit hữu cơ và các chất trung tính khác như etanol, propanol, aceton, ... Trong quá trình lên men các axit hữu cơ, các axit amin sẽ được khử amin bằng quá trình khử hoặc thuỷ phân để tạo NH3 và NH4-, một phần sẽ được VSV sử dụng để tạo sinh khối, phần còn lại thường tồn tại dưới dạng NH4- có thể gây ức chế quá trình phân giải yếm khí. 3. Giai đoạn tạo khí CH4 Các sản phẩm hữu cơ thu được từ giai đoạn lên men sẽ được khí hoá nhờ các vi khuẩn methan hoá được gọi chung là vi khuân Methanogens. Các vi sinh vật này có đặc tính chung là chỉ hoạt động trong môi trường yếm khí nghiêm ngặt. Tốc độ sinh trưởng và phát triển của chúng chậm hơn nhiều so với tốc độ sinh trưởng của các vi sinh vật khác. Khí methan được hình thành chủ yếu theo hai cơ chế: Decacboxyl hoá và khử CO2. Phương trình tổng quát quá trình phân huỷ yếm khí tạo CH4 được biểu diễn thông qua biểu thức: Nhưng trong thực tế cơ chất không được chuyển hoá trực tiếp đến CH4 và CO2 mà phải qua giai đoạn axit hoá. Tạo khí Methan bằng decacboxyl hoá: Không chỉ axit acetic được decacboxyl hoá tạo Methan mà cả các axit bay hơi khác cuãng như các chất trung tính đều có thể được decacboxyl. Từ acetat CH3-COOH CH4 + CO2 + E Từ propionat 4CH3-CH2-CÔH 7CH4 + 5CO2 + E Từ Butyrat 2CH3-(CH2)2-COOH 5CH4 + 3CO2 + E Từ Etanol CH3-CH2OH 3CH4 + 3CO2 + E Từ Aceton CH3-CO-CH3 2CH4 + CO2 + E 70% khí Methan được hình thành theo cơ chế này Tạo khí Methan bằng khử CO2 : có thể theo các cơ chế sau: Khử CO2 bằng H2 theo cơ chế: CO2 + 4H3 CH4 + 2H2O Khử CO2 bằng phản ứng oxy hoá khử: 8NADH+ 8NAD CO2 CH4 + 2H2O 30% khí Methan được hình thành theo cơ chế này. Các vi sinh vật trong phân huỷ yếm khí thường dùng để phân huỷ yếm khí tạo khí Methan là nhưng vi sinh vật sau: (Bảng I.7 ) Bảng I.7. Vi sinh vật phân huỷ yếm khí tạo khí Methan Giai đoạn thuỷ phân Giai đoạn axit hoá Giai đoạn Methan hoá Bacillus Clostridium Lactobacillen Pseudomonas Bacteroides Enderobacterie Syntrophotacter Wolonii Syntrophomonas Wolfei Syntrophus Methanobacterium (que dài) Methanobrevibacter(que ngắn) Methanococcus (dạng hình cầu) Methanópỉillum (dạng sợi) Methanosarcina (dạng hình cầu) Methanobacillú Methanobacthrix I.3.2.2. Các dạng xử lý yếm khí thường được sử dụng 1). Hồ yếm khí: Hồ yếm khí sử dụng các vi sinh vật hô hấp yếm khí hoặc tuỳ tiện để làm sạch nước thải. Hồ được sử dụng để xử lý nước thải công nghiệp có độ ô nhiễm lớn (BOD5 > 180mg/l) [19]. Tuy nhiên hiệu xất xử lý của hồ không lớn lắm (khoảng 70%). Trong các hồ yếm khí thông thường, để đạt yêu cầu về dòng ra của nước thải, thời gian lưu thường phải lớn từ 20 đến 80 ngày do các điều kiện bên ngoài tác động đến như nhiệt độ, pH, tải trọng BOD5, ... khó đạt tối ưu. Khi thiết kế một hồ yếm khí cần đảm bảo các yêu cầu sau: - Hồ cần có độ sâu lớn (>2,5m) để giữ nhiệt vào mùa đông và đảm bảo yêu cầu yếm khí cao. - Hồ phải quy hoạch xa khu dân cư (1500-2000m) để không gây ảnh hưởng đến nước mặt và nước ngầm trong khu vực. - Cửa tiếp nhận nước thải vào hồ nên đặt chìm ở vị trí thích hợp để đảm bảo phân bố đều nước thải vào hồ. - Dung tích hồ phụ thuộc vào hàm lượng các chất ô nhiễm, thời gian lưu của nước và nhiệt độ xử lý. 2). Các dạng thiết bị xử lý yếm khí a). Thiết bị yếm khí tiếp xúc Thiết bị gồm hai bộ phận: thiết bị lên men yếm khí và thiết bị lắng. Thiét bị lên men được trang bị môtơ khuấy vận hành liên tục. Nước thải sau xử lý được đưa qua thiết bị lắng để tách bùn và bùn lại được tuan hoàn trở lại thiết bị yếm khí. Thiết bị có nhược điếm là dung tích thiết bị lớn, cần thiết có thiết bị lắng và nhu câu năng lượng cao. b). Bể UASB (Upflow Anearobic Sludge Blanket) Nước thải được đưa vào bể từ dưới lên. Ở đáy bể có một lớp đệm có chứa các vi sinh vật, chúng thuỷ phân các chất hữu cơ phân tử lượng lớn. Quá trình thuỷ phân và lên men axit hữu cơ xảy ra ở vùng đệm này. Sự lên men tạo khí sinh học xảy ra ở lớp nước phía trên. Phía trên của bể có kết cấu để tách 3 pha: rắng-lỏng-khí. - Khí thoát ra ở phễu thu khí - Bùn được lắng lại nhờ vách ngăn bùn - Nước sau xử lý chảy tràn sau khi được tách pha rắn (bùn) Do khí biogas thu được là hỗn hoẹp khí dễ cháy nên khi thiết kế xây dựng phải cách xa khu dân cư và các công trình quan trọng ít nhất 40m về cuối hướng gió[18]. Nhìn chung, bể UASB có kết cấu đơn giản, hoạt động ổn định và không tốn năng lượng. Tuy nhiên với nước thải có tải trọng BOD cao (>15g/l) thời gian lưu sẽ lớn[19]. I.3.3. Cơ sở lý thuyết quá trình hiếu khí Phương pháp xử lý hiếu khí sử dụng các vi sinh vật hô hấp hiếu khí hoặc tuỳ tiện để phân giải các hợp chất hữu cơ có trong nước thải. Phương pháp này chỉ áp dụng cho nước thải có hàm lượng chất hữu cơ thấp (BOD ≤ 1000 mg/l). I.3.3.1. Cơ chế quá trình, tác nhân và các yếu tố ảnh hưởng a). Cơ chế quá trình: Quá trình oxy hoá các chất hữu cơ có trong nước thải xảy ra bên trong tế bào vi sinh vật, dưới tác dụng của các enzyme nội bào các chất hữu cơ được chuyển hoá phục vụ cho quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Cơ chế của quá trình oxy hoá các chất hữu cơ bao gồm các giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Giai đoạn khuếch tán, các chất ô nhiễm trong nước thải di chuyển tới bề mặt tế bào vi sinh vật do sự khuếch tán đối lưu và khuếch tán phân tử. Tốc độ của quá trình này phụ thuộc vào quá trình tải khuếch tán và trạng thái thuỷ động của môi trường. Giai đoạn 2: Do có sự chênh lệch nồng độ của các chất trong và ngoài tế bào, nên các chất ô nhiễm trên bề mặt tế bào vi sinh vật sẽ di chuyển qua màng bán thấm nhờ quá trình khuếch tán của các chất. Giai đoạn này có thể có một số chất không khuyếch tán qua màng tế bào được do kích thước phân tử lớn hoặc tồn tại dưới dạng dễ tan, có phân tử lượng nhỏ hơn dễ khuếch tán hơn có thể đi vào tế bào vi sinh vật được. Giai đoạn 3: Giai đoạn này xảy ra quá trình chuyển hoá các chất trong tế bào vi sinh vật đồng thời sản sinh ra năng lượng phục vụ quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Các giai đoạn trên có mối quan hệ chặt chẽ với nhau và quá trình chuyển hoá trong tế bào vi sinh vật đóng vai trò quyết định đến mức độ và hiệu quả xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí. Dưới tác dụng của vi sinh vật hô hấp hiếu khí hoặc tuỳ tiện, các chất ô nhiễm sẽ được chuyển hoá: Các quá trình bao gồm: - Phản ứng oxy hoá các hợp chất không chứa Nitơ: - Phản ứng oxy hoá các chất hữu cơ chứa Nitơ: - Các phản ứng tổng hợp nên tế bào: Phản ứng tự oxy hoá Quá trình tự oxy hoá luôn đi kèm theo sự tạo thành tế bào (sinh khối). Sự chuyển hoá hoá học là nguồn cung cấp năng lượng cho các vi sinh vật sinh trưởng và phát triển. Trong các phản ứng trên: CxHyOzN : là công thức tổng quát của các chất hữu cơ trong nước thải C5H7NO2 : là công thức biểu thị thành phần hoá học chính của tế bào vi sinh vật trong giai đoạn hô hấp nội bào. ∆H : là năng lượng giải phóng hoặc thu vào. Khi vi sinh vật tự oxy hoá sẽ dẫn đến sự giảm số lượng tế bào vi sinh vật có trong môi trường. Đồ thị I.8 biểu diễn sự phụ thuộc này: Thời gian, t A Hàm lượng sinh khối (mg/l) B C D E BOD5 Đường cong biến thiên nồng độ của sinh khối Hình I.8 Quy luật sinh trưởng của vi sinh vật b). Tác nhân sinh học Tác nhân sinh học của phương pháp xử lý sinh học hiếu khí có nhiều chủng loại trong đó chủ yếu là vi khuẩn và một số nguyên sinh động vật. Vi khuẩn hô hấp hiếu khí: Aerobacter, Bacillus, Pseudomonas, Citrobacter, Vi khuẩn hô hấp tuỳ tiện: Cellulomonas biazoteza, Nitrosomonas spec Vi khuẩn dạng sợi: Thiothrix, Microthrix, Aphoerotolus, Nguyên sinh động vật chủ yếu là trùng roi: Ciliate và trùng tơ: Flagellatre. c). Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý hiếu khí - Tác nhân sinh học: các vi sinh vật, tuỳ thuộc vào từng loại nước thải, BOD đầu vào mà vi sinh vật có các chủng loại khác nhau, chủ yếu là các loại vi sinh vật hô hấp hiếu khí, hô hấp tuỳ tiện và các nghuyên sinh động vật. Vi sinh vật tồn tại va phát triển dưới dạng huyền phù. Kích thước lý tưởng của bong bùn 50 – 200 µm (kích thướcquá lớn các vi sinh vật khó tiếp xúc với chất hữu cơ và chuyển hoá chúng, kích thước bong bùn quá nhỏ gây khó lắng). Chế độ cấp khí đảm bảo lượng DO, thành phần dinh dưỡng đảm bảo lượng N, P. Khống chế bong bùn không để các vi khuẩn dạng sợi phát triển mạnh quá. Chỉ số SVI lý tưởng là 80 – 150 ml/g. - pH môi trường: khoảng pH tối ưu: 6,5 – 8,5. Hệ thông Aeroten pHopt = 7,5. pH không chỉ ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng của vi sinh vật mà nó còn tác động đến quá trình trao đổi chất. - Nhiệt độ: Tốc độ phản ứng sinh học cực đại tại nhiệt độ tối ưu (khoảng 309C), khi nhiệt độ tăng làm tăng hoạt lực xúc tác của các enzyme nhưng độ hoà tan Oxy giảm. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng sinh học được xác định qua biểu thức sau: ҐT = Ґ20θ(T-20) Trong đó: ҐT và Ґ20 là tốc độ phản ứng tại nhiệt độ T và tại 200C. θ là hệ số nhiệt độ (θ = 1,04), T: nhiệt độ nước thải. - MLSS: nồng độ sinh khối Cần duy trì để đảm bảo quá trình trao đổi chất ổn định (300 – 3000 mg/l) Cao tải : MLSS : 1500 – 3000 mg/l. Aeroten : MLSS : 500 – 1500 mg/l. Thấp tải : MLSS : 300 – 500 mg/l. - F/M (Food/Microorganisms). ( g BOD/g MLSS ) Trong đó: Q : tổng lượng nước thải Sv , Sr : BOD dòng vào và dòng ra V : thể tích bể Aeroten X : hàm lượng sinh khối F/M phụ thuộc vào khả năng oxy hoá của bùn F/M > 1 : BOD tăng, khả năng oxy hoá sinh khối giảm, lượng bùn dư tăng lên và chỉ số SVI không ổn định. F/M ≤ 1 : quá trình oxy hoá BOD tương ứng với quá trình oxy hoá sinh khối, quá trình oxy hoá sinh khối tăng, lượng bùn dư ít và chỉ số SVI ổn định. Trong vận hành hệ thống Aeroten mong muốn duy trì tỷ lệ F/M ≤ 1. - Nguồn dinh dưỡng N, P: Dinh dưỡng làm tăng tốc độ oxy hoá và duy trì tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật. Thiếu dinh dưỡng là nguyên nhân làm thay đổi tương tác trong bể Aeroten, khi đó các vi sinh vật dạng sợi phát triển làm tăng kích thứoc bong bùn (> 200 µm) - hiện tượng phông lên của bùn. Bùn xốp dễ bị cuốn theo nước ra khỏi hệ thống (chỉ số SVI tăng). Thông thường tỷ lệ C:N:P = 100:5:1. Bên cạnh đó phốtpho vừa là nguồn dinh dưỡng vừa có tác dụng đệm ổn định pH nước thải. - Lượng oxy hoá tan (DO) Lượng oxy cung cấp cho quá trình oxy hoá dưới dạng oxy hoà tan bằng các máy sục khí lien tục. Để đảm bảo tốc độ oxy hoá độ hoà tan oxy (DO) cân đạt mức tối thiểu 4 mg/l. Nhu cầu oxy phụ thuộc vào bản chất của nước thải cần xử lý và tải trọng của hệ thống. Thiếu oxy cũng là nguyên nhân làm cho bùn phồng lên do các vi khuẩn dạng sợi phát trine, làm tăng chỉ số SVI ảnh hưởng xấu đến toàn bộ quá trình. Việc cung cấp oxy đầy đủ tạo sự đồng nhất trong thiết bị, nâng cao hiệu quả làm sạch, rút ngắn thời gian lưu nước thải trong bể - Hàm lượng các chất độc: Các chất độc vô cơ hay hữu cơ, các kim loại nặng, có tác dụng vô hoạt enzyme, biến tính Protein, ức chế quá trình trao đổi chất, vì vậy cần khống chế chúng dưới mức độ cho phép: - kim loại nặng < 2 mg/l - Phenol < 140 mg/l - Xianua < 60 mg/l I.3.3.2. Các dạng xử lý hiếu khí thường sử dụng 1). Oxy hoá bằng cấp khí tự nhiên: a). Cánh đồng tưới và cánh đồng lọc Cánh đồng tưới là những khoảng đất canh tác có thể tiếp nhận và xử lý nước thải. Các chất ô nhiễm có trong nước thải được hấp thụ và giữ lại trong đất. Sau đó nhờ khu hệ vi sinh vật trong đất sẽ phân huỷ chúng thành các chất đơn giản giúp cây trồng dễ hấp thụ. Nước thải sau khi ng và đất, một phần được cây trồng sử dụng, phần còn lại chảy vào hệ thống tiêu nước ra sông hồ hoặc bổ xung cho nước ngầm. Cánh đồng lọc được sử dụng khi có khoảng đất trống hiệu quả canh tác nông nghiệp thấp. Trên khoảng đất này người ta phân ra các ô và bố trí hệ thống mương máng, đường ống phân phối và thu, tiêu nước. Số ô thường không bé hơn hài và có diện tích từ 5 đến 8 ha. Độ dốc tự nhiên của cánh đồng lọc không quá 0,02o. Khả năng lọc và làm sạch nước thải phụ thuộc vào loại đất. Người ta thường chọn những vùng đất cát hoặc á cát để làm cánh đồng lọc. Phương pháp này giá thành xây dựng thấp, quản lý đơn giản, hiệu quả làm sạch cao. Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi mặt bằng khá lớn, chế độ làm việc không ổn định, phụ thuộc vào các điều kiện khí hậu, thời tiết, ... b). Hồ sinh học: Xử lý nước thải bằng hồ sinh học thực chất là sử dụng khu hệ vi sinh vật (vi khuẩn, tảo, nguyên sinh vật, ...) tự nhiên có trong nước mặt để làm sạch nước thải. Hồ sinh học là dạng xử lý trogn điều kiện tự nhiên được áp dụng rộng rãi hơn cả vì ngoài chức năng xử lý nước thải, hồ còn đem lại những tiện ích khác như: Kết hợp nuôi trồng thuỷ sản Tạo nguồn nước cho tưới tiêu và điều hoà dòng thải Điều hoà vi khí hậu trong khu vực Nếu biết kết hợp tốt các hô cũng sẽ là những cảnh quan thiên nhiên quý giá. Ở Việt Nam hồ sinh học chiếm một vị trí đặc biệt quan trọng trong xử lý nước thải do: -Hầu hết các đô thị hoặc các vùng công nghiệp đều có nhiều ao hồ hoặc khu đất trống có thể sử dụng. - Không yêu cầu vốn đầu tư lớn - Bảo trì, vận hành và quản lý đơn giản. Theo nguyên tắc hoạt động của hồ và cơ chế phân giải các chất ô nhiễm mà người ta phân biệt 3 loại hồ đó là: Hồ hiếu khí, hồ kỵ khí và hồ tuỳ tiện. Bảng I.9 Một số thông số của hồ sinh học [18] Các thông só Hồ hiếu khí Hồ tuỳ tiện Hồ kỵ khí BOD đầu vào (g/m3) <300 ≤300 >1800 Độ sâu (m) 0,6 -1 1,5 – 2 0 2,5 – 4,5 Thời gian lưu, ngày 2 – 6 7 – 15 5 – 50 Tải trọng BOD,kg/ha.ngày 110 – 220 22 – 55 280 – 1500 Hiệu suất xử lý, % 80 – 95 70 – 95 50 – 80 Hàm lượng tảo, mg/l - 50 - 80 - 2). Oxy hoá bằng cấp khí cưỡng bức Oxy hoá bằng cấp khí cưỡng bức thường được sử dụng là: hệ thống bể Aeroten, Lọc sinh học, ... I.4. Các công nghệ xử lý nước thải đã được áp dụng để xử lý nước thải nhà máy đường I.4.1. Các phương án xử lý nước thải sản xuất đường mía trên thế giới Trên thế giới nhất là các nước phát triển, sự quan tâm đến việc xử lý chất thải nói chung và nước thải nói riêng được quan tâm sớm, được nghiên cứu và áp dụng sớm hơn. Dưới đây là một số hệ thống xửy lý nước thải nhà máy đường đã được sử dụng ở một số nước: Hệ thống xử lý nước thải của nhà máy đường củ cải: Nước ra Bùn NT vào 2 3 4 5b 5a 6 1 1- Sóng chắn rác, rây vớt bọt vẩn 2- Lắng cát có thể dùng loại bể kiểu tiếp tuyến hay xoáy 3- Tuyển nổi và kết bông với chất đa điện li amoni và vôi 4- Lắng trong(lắng1) 5a- Bể lên men metan ANALEFT 5b- Lọc kỵ khí với kỹ thuật màng vi khuẩn ANAFIZ-ANAFLUX 6- Bể Aeroten với kỹ thuật bùn hoạt tính Bảng I.10 Sơ đồ xử lý nước thải ở nhà máy đường củ cai [7] Nhà máy đường Mauritius của Trung Quốc vào năm 1993 đã chọn phương án xử lý nước thải bằng hệ thống xử lý sinh học kỵ khí (yếm khí): Hình I.11. Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải của nhà máy sản xuất đường mía Mauritius – Trung Quốc Song chắn rác Bể tách dầu Hồ điều hoà Hồ yếm khí Hồ hiếu khí Bể bổ xung tảo Hình Sơ đồ xử lý nước thải nhà máy đường Golago Karannath (Ấn Độ) 1 2 Nước từ phân xưởng ép Nước thải khác 3 4 4 5 5 Nước thải sau xử lý Nước ngưng tụ, nước làm mát 6 I.4.2. Các phương án xử lý nước thải nhà máy đường mía ở Việt Nam Nhà máy đường mía liên doanh VINA-BOUBON SUGAR đã chọn phương án 1 trong 3 phương án đã đề xuất. Phương an 1 là hệ thống xử lý nước thải theo phương pháp sinh học kết hợp yếm khí và hiếu khí: Hình I.12. Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải của nhà máy đường liên doanh VINA-BOUBON SUGAR CHƯƠNG II GIỚI THIỆU VỀ NHÀ MÁY SẢN XUẤT ĐƯỜNG NÔNG CỐNG-THANH HOÁ II.1. Lịch sử phát triển của nhà máy đường Nông Cống – Thanh Hoá Với mục tiêu chuyển đổi cơ cấu kinh tế trong nông nghiệp, nâng cao hiệu quả sử dụng đất, khai thác triệt để tiềm năng đất đai, cơ sở vật chất kỹ thuật tại vùng mía Tây Nam tỉnh Thanh Hoá và đưa Thanh Hoá thành trung tâm mía đường của cả nước Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn, UBND tỉnh Thanh Hoá đã phê duyệt dự án xây dựng Nhà máy Đường Nông Cống. Dự án được triển khai từ năm 1997 đến tháng 10 năm 1999 và vận hành chạy thử trong vụ ép 1999/2000. Công suất thiết kế của Công ty la 1.500 tấn mía/ngày. Thị trường chủ yếu tiêu thụ sản phẩm của công ty là thị trường miền Bắc Việt Nam và cũng có một phần sản phẩm được tiêu thụ tại thị trường miền Trung. Công ty đường Nông Cống được xây dựng tại nông trường Lê Đình Chinh, xã Thăng Long, huyện Nông Cống, tỉnh Thanh Hoá, cách quốc lộ 45 là 15 km. Đây là vị trí giáp ranh với vùng mía nguyên liệu ở phía Tây Nam của tỉnh. Diện tích quy hoạch vùng nguyên liệu là 7.000 ha thuộc 25 xã và 6 đơn vị quốc doanh thuộc 4 huyện: Như Thanh, Như Xuân, Nông Cống và Tinh Gia được phân bố cụ thể như sau: Huyện Nông Cống: 2.276 ha phân bố ở 5 xã và 2 nông trường: Yên Mỹ và Lê Đinh Chinh. Huyện Tinh Gia: 1.122 ha phân bố ở 7 xã Huyện Như Thanh: 2.464 ha phân bố ở 11 xã và 3 đơn vị quốc doanh: lâm trường Thanh Kỳ, kho 826 và trại Thnh Lâm. Huyện Như Xuân: 1.138 ha phân bố ở 2 xã và nông trường Bãi Trành. Sự ra đời của nhà máy đã tạo việc làm cho gần 700 lao động trực tiếp, hang ngàn lao động gián tiếp là nông dân trồng mía cùng các hoạt động dịch vụ khác. Số cán bộ, công nhân viên trong nhà máy là 677 người, trong đó 524 lao động dài hạn và 153 lao động thời vụ. Bộ phận trực tiếp sản xuất: 604 người, bộ phận hành chính 73 người. Thời gian làm việc của Nhà máy: 160ngày/vụ (từ giữa tháng 11 năm trước tới cuối tháng 1 năm sau). Số giờ làm việc trong một ngày là: 22 giờ (3 Ca). GIÁM ĐỐC Phòng nguyên liệu Phân xưởng chế luyện Phân xưởng sản xuất phân bón Phân xưởng sản xuát nước thiên nhiên tich khiết PHÓ GIÁM ĐỐC Phụ trách nguyên liệu PHÓ GIÁM ĐỐC Phụ trách kinh doanh PHÓ GIÁM ĐỐC Phụ trách kỹ thuật và sản xuất Phòng tài vụ Phòng kế hoạch vàvật tư Phòng kỹ thuật, KCS Phân xưởng động lực Phòng tổ chức hành chính Hình II.1. Sơ đồ cơ cấu tổ chức hành chính công ty đường Nông Cống – Thanh Hoá II.2. Công nghệ sản xuất đường của nhà máy đường Nông Cống II.2.1. Nguyên liệu cho sản xuất đường Nguyên liệu cho sản xuất đường là mía cây. Các giống mía đang được sử dụng khá đa dạng, trong đó nhiều giống mới được nhập ngoại có năng suất cao (từ 50 - 100 tấn/ha) và độ đường cao (từ 11 – 15%). Trên 20 giống mía được trồng phổ biến ở Việt Nam thuộc 3 nhóm có thời điểm thu hoạch khác nhau: chín sớm, chín trung bình và chín muộn, việc phân bố tỷ lệ hợp lý giữa các giống mía có thời điểm thu hoạch khác nhau tạo điều kiện bảo đảm nguồn nguyên liệu ổn định cho các nhà máy hoạt động trong một thời gian tương đối dài. Thành phần của cây mía phụ thuộc vào giống, chế độ chăm sóc, thời tiết khí hậu, thời điểm thu hoạch. Thông thường mía cây chứa 9 – 13,5% đường Sacaroza, 2% các chất tan khác và 12,5 – 14,2% chất xơ. Tổng hợp thành phần cây mía từ các vùng khác nhau được thể hiện trong bảng II.2. Bảng II.2. Thành phần mía cây STT Thành phần % khối lượng 1 Các loại đường 9,9 – 13,4 2 Các chất xơ 12,5 – 14,2 3 Hợp chất chứa Nitơ 0,14 – 0,5 4 Axit hữu cơ và sáp 0,4 – 0,5 5 Tro 0,5 – 0,6 6 Nước 70,8 – 78,79 Mía được trồng ở Thanh Hoá thuộc nhóm chín trung bình (từ tháng 11 đến hết tháng 4 năm sau). Vùng mía của công ty đường Nông Cống chủ yếu là chác huyện phía Tây Nam tỉnh Thanh Hoá. Hiện tại do tình hình khó khăn về nguyên liệu, công ty mua mía tươi tại ruộng với yêu cầu chất lượng trung bình (bảng II.3). Bảng II.3. Yêu cầu chất lượng mía nguyên liệu Thành phần (tính trung bình) % Hàm lượng đường Sacaro trung bình 12,00 Hàm lượng xơ trung bình 12,50 Hàm lượng phi đường trung bình 2,50 Hàm lượng nước 73,00 II.2.2 Sơ đồ dây chuyên sản xuất và thuyết minh Công nghệ sản xuất đường bao gồm 3 công đoạn chính như sau: Công đoạn ép nước mía Công đoạn làm sạch nước mía (hoá chế) Công đoạn kết tinh, ly tâm, phân loại và đóng bao. ChuÈn bÞ nguyªn liÖu Ðp Lµm s¹ch C« ®Æc NÊu ®­êng KÕt tinh Ly t©m SÊy §­êng s¶n phÈm Hình II.4. S¬ ®å d©y chuyÒn c«ng nghÖ s¶n xuÊt ®­êng kÌm dßng th¶i MÝa Bôi, CTR N­íc N­íc H¬i SO2 H¬i N­íc lµm l¹nh H¬i N­íc lµm l¹nh N­íc lµm l¹nh H¬i N­íc N­íc th¶i B· mÝa Bïn th¶i KhÝ th¶i N­íc N­íc nãng N­íc ng­ng N­íc nãng N­íc vÖ sinh N­íc th¶i RØ ®­êng Bôi ®­êng Tinh thÓ ­ít H¬i Công đoạn ép mía Để tách nước mía ra khỏi cây mía, trong công nghiệp thường sử dụng hai phương pháp chính: phương pháp ép và phương pháp khuếch tán. Phương pháp ép là phương pháp hiện đang được sử dụng rộng rãi tại phần lớn các nhà máy đường của Việt Nam do mía của Việt Nam có độ sạch cao và độ xơ thấp cho phép tách bằng ép hiệu quả hơn. Kinh phí đầu tư cho thiết bị ép (của Trung Quốc hoặc của Ấn Độ) thấp hơn. Phương pháp này được ưa dung còn vì vận hành thiết bị đơn giản và linh hoạt hơn, nhất là khi phải chạy dưới công suất thiết kế. Công ty đương Nông Cống sử dụng phương pháp ép để tách nước mía. Sơ đồ công nghệ ép được thể hiện trong hình 1. Mía nguyên liệu được tập kết về qua cân điện tử để xác định trọng lượng. Sau đó lấy mẫu để kiểm tra độ đường CCS. Mía được cẩu bỏ lên bàn lùa, lùa xuống băng tải, tới máy khoả bằng, đi qua máy băm, đanh tơi, rồi vào hệ 5 máy ép trích ly nước mía. Để tách được triệt đề đường ra khỏi bã mía, tại máy ép 4, dung nước nóng (thu được khi ngưng tụ hơi), thẩm thấu theo nguyên tắc ngược chiều, nước mía ở máy 5 dùng để thẩm thấu cho máy 4, nước mía loãng ở máy 4 dùng để thẩm thấu cho máy ép 3, nước mía ở máy ép 3 được đưa về máy ép 2, nước mía từ máy ép 1 và máy ép 2 là nước mía hỗn hợp được bơm sang khu tinh chế. Thông thường, nước sau ép mía chứa 13% chất tan. Độ tinh khiết có thể đạt tới 82 – 85%. Ngoài đường Sacaroza, trong nước mía còn chứa 0,89 – 1% các chất keo, các chất hoà tan khác chiếm từ 1,39 – 2,33% và chất khô (bảng II.5) Bảng II.5. Thành phần trung bình nước mía sau ép STT Thành phần Tỷ lệ trong nước mía (%) 1 Đường Sacaroza 12,63 2 Đường khử 1,44 3 Protein 0,48 4 Axit tự do 0,14 5 Axit kết hợp 0,15 6 Chất keo 0,41 7 Chất vô cơ (tro) 0,6 8 Nước 78,15 Công đoạn tinh chế Các chất keo và những chất không đường khác gây nhiều bất lợi cho quy trình công nghệ. Các chất keo gây khó khăn cho khâu lọc, phân mật và kết tinh, làm giảm hiệu quả tẩy màu. Mặt khác các chất không đường làm tăng độ hoà tan của đường Sacaroza, tăng lượng mật cuối, tăng tổn thất đường. Công đoạn hoá chế nhằm loại bỏ tối đa các tạp chất hoà tan và không hoà tan, đồng thời trung hoà nước mía (nước mía sau ép thường có pH: 5,0 – 5,5). Hoá chất dùng để tinh chế nước mía khá đa dạng, tuỳ theo công nghệ có thể áp dụng các phương pháp khác nhau, dẫn đến việc phải sử dụng các loại hoá chất khác nhau. Các phương pháp làm sạch thường được sử dụng trong công nghiệp mía đường hiện nay là: phương pháp vôi hoá, sunfit hoá và cacbonat hoá. Các phương pháp trên đều dựa trên nguyên tắc phá hệ keo trong nước mía hỗn hợp dưới tác dụng của pH, nhiệt độ, các chất điện ly (vôi, SO2 , CO2 , P2O5), các chất trao đổi ion. Công ty đường Nông Cống tinh chế nước mía bằng phương pháp sunfit Công đoạn sulphit hoá bao gồm các bước chính sau: Trung hoà bằng sữa vôi sơ bộ (lần 1): nước mía sau ép được bổ xung sữa vôi cho tới pH đạt từ 6,4 – 6,6 để đảm bảo quá trình trung hoà và keo tụ các tạp chất trước khi nước mía được gia nhiệt. Gia nhiệt lần 1: nước mía được đun nóng đến 55 – 75 oC, nhằm làm giảm độ nhớt của dung dịch, mất nước của các keo ưa nước, tăng khả năng lắng của các bong keo tụ và làm tăng hiệu suất của quá trình hấp thụ SO2. Đồng thời ở nhiệt độ cao độ hoà tan của các muối CaSO3 và CaSO4 giảm do đó quá trình kết tủa càng triệt để. Hấp thụ SO2 được sục vào dung dịch sẽ có các phản ứng: SO2 + H2O → H2SO3 H2SO3 → 2H+ + SO3-2 Ca+2 + SO3-2 → CaSO3↓ CaSO3 kết tủa sẽ tạo thành các bong xốp, sẽ hấp phụ các chất không đường và các chất màu khác. Trung hoà bằng sữa vôi lần 2: sau quá trình hấp thụ SO2 lần 1, pH của dung dịch sẽ giảm xuống khoảng 3,5, để tránh sự chuyển hoá của đường Sacarosa ở nhiệt độ cao, dung dịch nước mía được bổ xung nước sữa vôi lần 2, đảm bảo pH được tăng lên đến khoảng 7,1. Gia nhiệt lần 2: dung dịch được gia nhiệt lần thứ 2 đến khoảng 100-105 oC, quá trình lắng đọng của các chất kết tủa sẽ được tăng nhanh song song với độ nhắt của dung dịch giảm. C. Công đoạn bốc hơi, ly tâm tách sản phẩm Nước đường sau làm sạch được đưa vào cô đặc chậm và kết tinh. Công nghệ nấu đường được thực hiện qua 3 giai đoạn (nấu 3 hệ) và lấy ra một sản phẩm. Hỗn hợp được khuấy trợ tinh trước khi đưa vào ly tâm tách đường. Qua 3 hệ nấu A, B, C thu được đường tinh thể và phụ phẩm là mật rỉ. Sản phẩm được sấy khô, làm nguội, sàng phân loại và đóng bao. Mật rỉ thường chiếm 4 – 5% mía nguyên liệu. Thành phần rỉ đường chủ yếu là đường khử và đường Sacaro, tổng lượng đường chiếm tới 52%. Mật rỉ được sử dụng để sản xuất cồn, nấm men, sản xuất mì chính,... Bảng II.6. Thành phần trung bình của mật rỉ trong sản xuất đường mía STT Thành phần % (khối lượng) 1 Nước 25 2 Đường 51 3 Chất hữu cơ khác 3 4 Hợp chất Nitơ 4,5 5 Axit hữu cơ 5,6 6 Tro 10,5 7 Chất màu 0,5 II.3. Các dạng chất thải, nguồn phát sinh và đặc trưng của chất thải nhà máy đường mía Nông Cống – Thanh Hoá Nhà máy sản xuất đường Nông Cống có các chất thải dạng lỏng, rắn , khí từ các nguồn trong dây chuyền sản xuất của nhà máy. Đồ án này chỉ nêu nguồn, đặc trưng của nước thải là chính. Nước ngưng Nước rửa Nước rửa Nước ngưng Đưa làm mát, tuân hoàn sử dụng lại Nước Nước rửa Nước rửa Bùn ép làm phân VS (CaCO3 , CaSO3 ,...) Bã lọc Cặn lắng Nước rửa Hơi nước Hơi nước Nước rửa Nước làm lành, vệ sinh Nước làm lạnh, ngưng tụ, vệ sinh Nước rửa Hơi nước Hơi nước Trò làm phân VS SO2 S Nước vệ sinh Hơi nước Khí lò, CO2, SO2 Điện năng Dầu FO Nước ngưng Ca(OH)2 Khí SO2 Bã mía Mía cây Làm trong (Bổ sung SO2 , gia nhiệt) Ép mía Sản xuất điện, hơi Nước nguồn Đốt S Lắng trong Lọc ép Cô đặc nấu đường Kết tinh Ly tâm Sấy Đường Sản xuất cồn, rượu Sử dụng mục đích khác Nước thải xử lý CO2 Hình II.7 Sơ đồ công nghệ với các dòng thải chính của nhà máy Đường Nông Cống [8] Nước thải sản xuất và sinh hoạt cần xử lý Rỉ đường Không khí thải Hơi nước Nước làm lạnh Nước ngưng Bùn thải Khí thải chứa SO2 720 kg/ngày Khí thải lò hơi Nước mía hỗn hợp 1560T/ngày Xử lý và ép mía Xử lý hoá học nước mía Cô đặc nấu Kết tinh ly tâm Sấy Mía cây 1500 TMN Nước nóng Lò hơi phát điện Hơi nước 961/ngày Điện năng 2181 KW Nồng độ bụi 3000mg/m3 Xử lý bụi η=0,9 Q = 63000m3/ngày Bụi = 300mg/m3 CO2 ~ 12% Lò đốt lưu huỳnh 1800 kg/ngày Q = 65450 m3/ngày SO2 = 11g/m3 Q = 42 tấn/ngày Bùn = 50% Q : 890 m3/ngày Baromet Tháp làm mát nước Q: 39160 m3/ngày Tổn thất : 3916 m3/ngày Không khí Đường thành phẩm 150 T/ngày Q=65T/ngày C=84 Bx Q=28800m3/ngày Bụi = 300mg/m3 Q = 700 m3/ngày COD = 300-2500 mg/l BOD = 1200-1500 mg/l SS = 200-800 mg/l Hình II.8. Sơ đồ công nghệ với tải lượng chất thải của nhà máy Đường Nông Cống (công suất 1.500 TMN) [8] Trong quy trình sản xuất đường mía, nước thải phát sinh từ nhiều công đoạn. Tuỳ theo mục đích sử dụng, nước thải các công đoạn khác nhau có độ ô nhiễm khác nhau. Đặc biệt một số công đoạn có độ ô nhiễm từ cao đến rất cao. Nước thải công đoạn ép mía: chủ yếu từ khâu vệ sinh máy ép, đay là nguồn thải gây ô nhiễm nhất. Do chứa nhiều vụn bã mía, đường, bọt váng rơi vãi nên nước thải có hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS), chất hữu cơ (COD) cao. Nước thải công đoạn hoá chế: có mức độ ô nhiễm cao. Chất gây ô nhiễm ở đây là các hoá chất dung để keo tụ, tạo bong nhằm loại bỏ các tạp chất trong nước mía như: sữa vôi, H3PO4, chất trợ lắng, Nước thải còn chứa một lượng lớn chất rắn là bùn chặn photphat, cacbonat, đường, các tạp chất phi đường nên hàm lượng SS, TS, COD, BOD cao. Nước thải baromet (công đoạn cô đặc nấu đường), có lưu lượng lớn, hàm lượng ô nhiễm thấp, chủ yếu ô nhiễm nhiệt. Nước thải này được làm lạnh, rồi tuần hoàn tái sử dụng. Nước ngưng tụ: ngoài nước thải baromet công đoạn cô đặc, nấu đường còn phát sinh một lượng lớn nước ngưng. Đây là nước hoàn toàn mềm, có thể sử dụng để cấp cho nồi hơi và làm nước trích ly cho công đoạn ép mía. Công đoạn kết tinh: Nước thải của công đoạn này chủ yếu là nước thải làm lạnh trợ tinh C. Nước thải này có thể tái sử dụng sau khi giải nhiệt. Một dung nước thải khác do vệ sinh thiết bị nhà xưởng chứa một lượng chất hữu cơ (đường, mật rỉ cần được xử lý. Công đoạn ly tâm: đường được tách ra khỏi dung dịch nước cái. Một dạng nước thải dưới dạng mật rỉ, chứa 1/3 đường khử có thể tận thu để sản xuất các sản phẩm phụ khác. Nước thải từ rửa, vệ sinh thiết bị, nhà xưởng cũng có đặc trưng như dòng thải của công đoạn nấu. Để giảm lượng nước cấp, giảm lưu lượng nước thải cần xử lý, nhà máy đường Nông Cống đã thực hiện phân luồng dòng thải. Toàn bộ nước thải của nhà máy được phân thành 3 dòng chính như sau: Nước thải loại 1: là nước ngưng tụ hơi sau khi cấp nhiệt tại các thiết bị gia nhiệt, cô đặc, nấu đường. nước ngưng được tuần hoàn tái sử dụng cho lò hơi và một phần dùng cho quá trình công nghệ (nước thẩm thấu cho quá trình ép, nước bổ sung khi ly tâm, ...) Nước thải loại 2: là nước dùng làm lạnh cho các thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp như thiết bị kết tinh đường C, thiết bị ngưng tụ baromet của các hồi cô đặc và nồi nấu, ... Lượng nước này chỉ ô nhiễm nhiệt nên được thu gom tới hồ giải nhiệt bằng giản phun mưa, sau đó tuần hoàn tái sử dụng lại và có bổ sung thêm. Nước thải loại 3: bao gồm nước thải công đoạn ép mía, nước thải rửa thiết bị, vệ sinh nhà xưởng, ... Bảng II.9. Đặc trưng nước thải một số công đoạn của công ty đường Nông Cống – Thanh Hoá [16] STT Chỉ tiêu N1 N2 N3 Đơn vị 1 pH 6,8 4,6 5,6 - 2 to - - 25,3 oC 3 Độ dẫn - - 0,01 mS/cm 4 Độ muối - - 0,00 %NaCl 5 DO - - 1,23 mg/l 6 Độ đục - - 25 NTU 7 COD 421 3.884 1.265 mg/l 8 BOD5 230 1.600 400 mg/l 9 TS 160 3.260 546 mg/l 10 SS 24 71 54 mg/l 11 ∑ N 5,75 45,00 10,00 mg/l 12 ∑ P 0,98 7,67 1,73 mg/l Ghi chú : N1 - Nước thải phân xưởng nấu, N2 - Nước thải Baromet và phân xưởng ép N3 - Nước thải vào hệ thống xử lý, CHƯƠNG III LỰA CHỌN CÁC CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHO NHÀ MÁY SẢN XUẤT ĐƯỜNG NÔNG CỐNG-THANH HOÁ III.1. Lựa chọn phương án xử lý nước thải cho nhà máy đường Nông Cống Để lựa chọn quy trình công nghệ xử lý hợp lý, phải dựa vào thành phần, tính chất của nước thải, bản chất của chất nhiễm bẩn, các điều kiện hợp lý để bảo vệ môi trường. Trong xử lý nước thải người ta chia quá trình xử lý thành 3 công đoạn: Xử lý sơ bộ Xử lý thứ cấp Xử lý bổ sung III.1.1. Xử lý sơ bộ Công đoạn này loại bỏ phần lớn các tạp chất thô cứng, vật nổi, vật nặng ( cát, đá, sỏi, dầu mỡ....) để bảo vệ bơm, đường ống, thiết bị tiếp theo và đưa nước thải vào xử lý thứ cấp có hiệu quả hơn. Công đoạn này thường bao gồm: Song chắn hoặc lưới chắn rác, có thể có máy nghiền và cắt vụn rác, lắng cát, bể điều hoà, bể trung hoà, tuyển nổi và lắng sơ cấp. Bể điều hoà đôi khi có sục khí, bổ sung Clo để khử mùi, khử màu và làm tăng cường oxy hoá. III.1.2. Xử lý thứ cấp Xử lý cơ bản chủ yếu là ứng dụng các quá trình sinh học. Công đoạn này phân huỷ sinh học các chất hữu cơ, chuyển các chất hữu cơ dễ phân huỷ thành các chất vô cơ và chuyển các chất hữu cơ ổn định thành bông cặn dễ loại bỏ ra khỏi nước. Các công trình và thiết bị loại này thường chia ra các nhóm: Bể hiếu khí với bùn hoạt tính (Aeroten) Lọc sinh học hoặc qua cánh đồng lọc Ao hồ hiếu khí (Hồ sinh học) Đĩa quay sinh học Lắng thứ cấp Nhiều trường hợp công đoạn này chỉ gồm có một trong các công trình hoặc thiết bị trên kết hợp với lắng thứ cấp. Có trường hợp công đoạn xử lý thứ cấp này không phải xử lý theo sinh học mà theo quả trình hoá học hoặc lý học như: Keo tụ, hấp phụ, trao đổi ion ... cũng có khi chỉ là lọc đơn thuần 90 III.1.3. Xử lý bổ sung Thông thường công đoạn này chỉ cần khử khuẩn để đảm bảo nước trước khi được đổ vào thuỷ vực không còn vi sinh vật gây bệnh, khử màu, khử mùi và giảm nhu cầu oxy sinh học cho nguồn tiếp nhận. Các phương pháp khử khuẩn thường được sử dụng là:Hấp phụ bằng than hoạt tính, Clo hoá, ozon, tia cực tím.... Nhiều trường hợp, trong hệ thống xử lý nước thải người ta dùng các quá trình công nghệ tổng hợp gồm cả phương pháp cơ học, hoá lí, sinh học. Xử lý bùn cặn Trong quá trình xử lý nước thải, thu được một lượng lớn bùn cặn, đó là các tạp chất vô cơ, hữu cơ. Bùn cạn ở công đoạn xử ls sơ bộ chủ yếu là các cặn vô cơ, bùn cặn thu được ở lắng thứ cấp chủ yếu là tạp chất hữu cơ chứa nhiều sinh khối vi sinh vật. Các công trình thiết bị trong công đoạn này: bể cô đặc cặn bằng trọng lực hay tuyển nổi, bể xử lý bùn cặn hiếu khí hoặc yếm khí và cô đặc cặn, bể lọc bùn chân không, máy lọc ly tâm, máy lọc ép băng tải, sân phơi bùn... Bùn cặn hữu cơ sau ki xử lý, nếu không có chất độc được sử dụng làm phân bón tốt hoặc có thể dùng làm chất đốt. Dựa trên đặc tính của nước thải của nhà máy các hệ thống xử lý có thê được chọn là: 751 NT 2 3 4 Nước sau xử lý 6 7 5 Ghi chú: 1 : Song chắn rác và hồ chứa 2 : Bể lắng sơ cấp 3 : Bể điều hoà 4 : Bể Aeroten 5 : Bể lắng thứ cấp 6 : Hồ sinh học 7 : Bể chứa bùn Tài liệu tham khảo 1. Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga Giáo trình công nghệ xử lý nước thải, NXB KHKT – 2002. 2. PGS.TS. Nguyễn Thị Sơn Bài giảng Vi sinh vật học môi trường, năm 2004 3. Trịnh Xuân Lai Tính toán và thiết kế công trình xử lý nước thải, NXB XD – 2000. 4. Bộ Nông nghiệp và phát triển Nông thôn Tin mía đường, các số trong năm 2004/2005/2006. 5. PGS. TS. Hoàng Văn Huệ Công nghệ môi trường, Tập 1-Xử lý nước, NXB XD – 2004. 6. Trịnh Xuân Lai - Nguyễn Trọng Dương Xử lý nước thải công nghiệp, NXB XD - 7. PGS. TS. Lương Đức Phẩm Công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, NXB GD – 2002. 8. Công ty Đường Nông Cống Báo cáo ĐTM dự án nhà máy đường Nông Cống – 1999. 9. LH Mía đường II ĐTM-Dự án XD nhà máy đường liên doanh 8.000 TMN–VINA BOURBON SUGAR – 1995. 10. Công ty Trách nhiệm Hữu hạn Đường mía Việt Nam – Đài Loan Báo cáo ĐTM dự án XD nhà máy đường liên doanh Việt Nam – Đài Loan – 1995. 11. Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật – Hà Vĩnh Hưng Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố tới quá trình xử lý nước thải sản xuất đường mía bằng bùn hoạt tính – 2001. 12. Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật – Vũ Hoàng Minh Đánh giá hiện trạng môi trường và đề xuất các giải pháp nhằm giảm thiểu ô nhiễm trong ngành công nghiệp sản xuất đường mía – 1998. 13. Luận văn thạc sĩ công nghệ môi trường - Nguyễn Ngọc Hải Nghiên cứu hiện trạng môi trường của các nhà máy đường và đề xuất phương án xử lý bằng hệ thống UASB – 2002. 14. PGS. TS Hoàng Huệ Xử lý nước thải, NXB XD – 2005. 15. Nguyễn Ngộ Công nghệ sản xuất đường mía, NXB KHKT – 1984. 16. CỤC BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG Báo cáo chuyên đề: Hiện trạng sản xuất và môi trường công ty Đường Nông Cống - 2003 17. Tạp chí đường thế giới The International Sugar Journal - Vol.106 No.1271 - 2004 - Vol.106 No. 1268 - 2004 18. Nguyễn Thị Sơn và Nguyễn Ngọc Lân Kỹ thuật xửy lý nước thải nhà máy đường, Viện khoa học và công nghệ Môi trường – 2000. 19. W. Wesley Eckenfelder, Jr. Industrial water pollution control, McGraw-Hill Inc – 2000. 20. Frank Woodard, Ph.D., P.E., Industrial Waste Treatment Handbook, The United States of America - 2001 21. Nicholas P. Cheremisinoff, Ph.D., Biotechnology for Waste and Wastewater Treatment, NOYES Publications – 1996. 22. Nicholas P. Cheremisinoff, Ph.D., Handbook for Waste and Wastewater Treatment Technologies, The United States of America – 2002. 23. Maureen Aller, Susan Fox, Jonathan Pennel Environmental Engineer’s Handbook, CRC Press LLC – 1999.