13/07/2020
Ngành công nghiệp bia giữ vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm nói riêng và nền kinh tế nói chung của nhiều quốc gia trên thế giới. Tại Việt Nam, ngành sản xuất bia là ngành có tốc độ phát triển mạnh với sức tiêu thụ lớn. Trong năm 2019, với 4,6 tỷ lít bia được tiêu thụ, Việt Nam trở thành thị trường bia lớn thứ ba châu Á, sau Nhật Bản và Trung Quốc. Ước tính bình quân sản xuất 1 lít bia sẽ tạo ra một lượng nước thải từ 3 - 10 lít. Như vậy, với quy mô 4,6 tỷ lít bia được tiêu thụ, lượng nước thải xả thải ra môi trường là trên 20 tỷ lít (20 triệu m3). Đặc trưng của nước thải bia (giống với các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm) là hàm lượng các chất hữu cơ và dinh dưỡng cao (COD > 2.000mg/l, TN > 100mg/l). Nếu toàn bộ lượng nước thải phát sinh này thải trực tiếp ra môi trường, không qua xử lý, sẽ gây ra những hậu quả nghiêm trọng đối với hệ sinh thái và chất lượng nguồn tiếp nhận (sông, ao hồ…).
Hiện nay, trên lưu vực sông (LVS) Nhuệ - Đáy có nhiều nhà máy sản xuất bia lớn như: Nhà máy bia Hà Nội, Nhà máy bia Sài Gòn - Hà Nội, Nhà máy bia Hà Đông, Nhà máy bia Heineken Hà Nội… Việc xử lý an toàn nhằm tái sử dụng nước thải thường rất tốn kém và gặp nhiều khó khăn đối với hầu hết các nhà máy bia. Chính vì vậy, các nhà máy bia đang nỗ lực tìm kiếm các biện pháp để cắt giảm lượng nước sử dụng và nước thải phát sinh trong quá trình sản xuất; xử lý nước thải (XLNT) sản xuất bia hiệu quả; hướng tới mục tiêu tái sử dụng nguồn nước và năng lượng.
Hệ thống XLNT của Nhà máy Bia Heineken Việt Nam tại Thường Tín, Hà Nội
Trong 6 năm qua (2013 – 2019), tốc độ tăng trưởng lượng bia tiêu thụ tại Việt Nam là 6,6%/năm (trung bình thế giới là 0,2%). Theo báo cáo của Tập đoàn nghiên cứu thị trường Euromonitor International (Anh), lượng tiêu thụ bia của nước ta đã tăng từ 2,4 tỷ lít năm 2010 lên 4,6 tỷ lít năm 2019. Cùng với sự tăng trưởng của mức tiêu thụ bia, lượng nước thải phát sinh trong quá trình sản xuất bia cũng tăng từ 14,4 tỷ lít năm 2010 lên 27,6 tỷ lít năm 2019. Trên thị trường bia Việt Nam, 4 Công ty: Tổng Công ty Bia - Rượu - Nước giải khát Sài Gòn (Sabeco); Tổng Công ty CP Bia - Rượu - Nước giải khát Hà Nội (Habeco); Carlsberg Việt Nam và Heineken Việt Nam chiếm khoảng 90% tổng sản lượng bia năm 2018; phần còn lại thuộc về các công ty: Sapporo, AB InBev và Masan.
Bia là loại đồ uống có độ cồn thấp, độ mịn xốp và hương vị đặc trưng, giàu dinh dưỡng, được sản xuất từ các nguyên liệu chính là đại mạch ươm mầm (malt đại mạch), hoa houblon (hoa bia), nước và men. Công nghệ sản xuất bia bao gồm 4 giai đoạn chính: chuẩn bị nguyên liệu, chế biến dịch đường houblon hóa, lên men và hoàn thiện thành phẩm và bảo quản.
Nguồn gốc phát sinh nước thải: Công đoạn nấu, đường hóa (nước thải gồm các chất hydrocacbon, xenlulozơ, hemixenlulozơ, pentozơ trong vỏ trấu, các mảnh hạt, bột, các cục vón, xác hoa, tannin, các chất đắng và chất màu); Công đoạn lên men chính và lên men phụ (nước thải gồm xác men, chủ yếu là protein, các chất khoáng, vitamin và bia cặn); Giai đoạn thành phẩm (nước thải gồm bột trợ lọc, xác men và bia chảy tràn ra ngoài…).
Do đặc tính giàu chất hữu cơ nên nước thải từ quá trình sản xuất bia có tiềm năng thu hồi năng lượng thông qua việc thu gom và sử dụng khí biogas sau quá trình xử lý sinh học kị khí (UBSA). Năm 2019, ước tính với 27,6 tỷ lít nước thải sản xuất bia nếu được xử lý hoàn toàn bằng công nghệ kị khí sẽ thu được 23,18 tỷ lít (0,023 tỷ m3) khí metan (CH4), tương đương với sản xuất được khoảng 46 triệu kWh điện. Hiện nay, nhiều nhà máy sản xuất bia đã thu hồi khí biogas từ các bể UASB và sử dụng trực tiếp cho công đoạn nấu bia đem lại hiệu quả kinh tế cao và là giải pháp được ưu tiên hàng đầu.
Công nghệ XLNT sản xuất bia
Công nghệ truyền thống để XLNT sản xuất bia
Quy trình XLNT phổ biến tại các nhà máy bia ở Việt Nam:
Các công đoạn được áp dụng để XLNT sản xuất bia bao gồm xử lý cơ học, xử lý hóa học và xử lý sinh học. Công đoạn xử lý cơ học là giai đoạn tiền xử lý, hoặc xử lý sơ bộ. Công đoạn xử lý hóa lý bao gồm việc điều chỉnh pH và phương pháp keo tụ. Công đoạn xử lý sinh học là dựa vào hoạt động sinh tồn của vi sinh vật có khả năng phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải.
Quá trình xử lý sinh học hiếu khí đang được ứng dụng khá rộng rãi trong XLNT sản xuất bia. Tuy nhiên, phương pháp có một số nhược điểm: Chi phí của việc thổi khí ôxy cao; xử lý bùn thải trong trạm XLNT, đặc biệt là làm khô bùn sinh học phức tạp và tốn kém do lượng bùn thải tạo ra từ quá trình ôxy hóa hiếu khí tương đối lớn.
Hiện nay, các nhà máy bia đang dần chuyển sang áp dụng công nghệ xử lý sinh học kị khí do chi phí đầu tư thấp, đồng thời, có thể sử dụng trực tiếp khí biogas sinh ra từ quá trình phân hủy kị khí vào sản xuất, giúp các nhà máy bia tự chủ hơn với nguồn cung cấp nhiên liệu từ bên ngoài. Công nghệ xử lý sinh học kị khí được áp dụng phổ biến nhất là sử dụng bể UASB.
Nhà máy bia Sài Gòn - Hà Nội (nằm trong CCN vừa và nhỏ Từ Liêm thuộc LVS Nhuệ - Đáy) có quy mô công suất thiết kế khoảng 100 triệu lít bia/năm. Để XLNT và tận thu nguồn năng lượng từ nguồn nước thải giàu hữu cơ, Nhà máy áp dụng công nghệ xử lý kị khí UASB kết hợp công nghệ SBR (công nghệ phản ứng sinh học theo mẻ), công suất trạm XLNT là khoảng 1.500 - 2.000 m3/ngày, đêm. Mỗi ngày trạm XLNT của Nhà máy sản sinh ra khoảng 1.500 m3 khí CH4 (khoảng 2.000m3 biogas). Toàn bộ lượng khí sinh học này được Nhà máy sử dụng cho mục đích cấp nhiệt nấu bia và chạy máy phát điện, giúp Nhà máy tiết kiệm tới 4.000 kWh điện mỗi ngày.
Một số nhược điểm của công nghệ xử lý sinh học kị khí là chất lượng nước đầu ra phụ thuộc chủ yếu vào quá trình lắng thứ cấp, trong khi hiệu quả lắng ở đây có nhiều yếu tố ảnh hưởng như nồng độ bùn, tải trọng hữu cơ và tải trọng thủy lực đầu vào, nhiệt độ…; Nồng độ bùn trong hệ bùn hoạt tính thấp, dẫn đến giới hạn tải trọng hữu cơ trong bể aeroten; Kích thước công trình lớn; Chiếm nhiều diện tích đất.
Công nghệ XLNT sản xuất bia để tái sử dụng nước sau xử lý
Nước thải sản xuất bia lớn, dẫn đến chi phí xử lý cao. Bên cạnh đó, nước thải sau xử lý không được tái sử dụng do vẫn còn hàm lượng vi sinh vật và hàm lượng cặn tương đối cao. Việc ứng dụng công nghệ màng trong XLNT cho phép khắc phục những nhược điểm trên. Bể xử lý sinh học với màng lọc (MBR) kết hợp giữa công nghệ lọc màng và bể xử lý sinh học nước thải bằng bùn hoạt tính, thay thế vai trò tách cặn của bể lắng thứ cấp và bể lọc nước. Quy trình ứng dụng bể MBR để XLNT sản xuất bia: Bể cân bằng → Điều chỉnh pH → Lắng sơ cấp → UASB → Bể MBR → Khử trùng → Xả ra môi trường
Một số ưu điểm của MBR so với hệ bùn hoạt tính truyền thống là tăng nồng độ bùn hoạt tính trong bể phản ứng sinh học, cho phép tải trọng chất hữu cơ của nước thải đầu vào cao; Tăng hiệu quả sinh học; Giảm thời gian lưu nước và tăng thời gian lưu bùn; Tiết kiệm diện tích xây dựng; Cho phép loại bỏ tất cả vi khuẩn, vi sinh vật có kích thước cực nhỏ, coliform, e-coli… đảm bảo ổn định chất lượng nước sau xử lý theo yêu cầu của các tiêu chuẩn và quy chuẩn kỹ thuật (việc sử dụng màng siêu lọc với kích thước lỗ rỗng trên màng từ 0,1 µm - 0,4 µm cho phép loại bỏ trên 99% lượng vi sinh vật và cặn lơ lửng; nước thải sau xử lý hoàn toàn có thể tái sử dụng cho các mục đích làm mát, rửa, vệ sinh trong nhà máy).
Nước thải sản xuất bia mang đặc trưng của nước thải sản xuất công nghệ thực phẩm với hàm lượng chất hữu cơ và chất dinh dưỡng cao. Công nghệ truyền thống để XLNT này là quá trình bùn hoạt tính kị khí - hiếu khí. Việc áp dụng công nghệ xử lý kị khí giúp các nhà máy tiết kiệm chi phí năng lượng khi sử dụng sản phẩm khí biogas của quá trình xử lý vào công đoạn nấu bia và chạy máy phát điện. Tuy nhiên, công nghệ này có một số nhược điểm như chất lượng nước đầu ra phụ thuộc chủ yếu vào quá trình lắng thứ cấp, cùng với đó việc giới hạn tải trọng hữu cơ trong bể xử lý hiếu khí làm kích thước công trình lớn, chiếm nhiều diện tích đất. Nước thải sau xử lý mới chỉ dừng lại ở việc đáp ứng tiêu chuẩn xả thải, chưa phù hợp cho các mục đích tái sử dụng do hàm lượng cặn và vi sinh vật trong nước còn cao.
Việc ứng dụng công nghệ màng vào quá trình XLNT cho phép khắc phục những nhược điểm trên. Bể MBR kết hợp giữa công nghệ lọc màng và bể xử lý sinh học nước thải bằng bùn hoạt tính, thay thế vai trò tách cặn của bể lắng thứ cấp và bể lọc nước. Ưu điểm của việc ứng dụng MBR là đảm bảo sự ổn định chất lượng nước sau xử lý theo yêu cầu của các tiêu chuẩn, kỹ thuật, đồng thời cho phép hệ bùn hoạt tính vận hành với nồng độ bùn cao, tải trọng lớn, giảm diện tích đất xây dựng.
Trong bối cảnh suy giảm tài nguyên nước, nhiều LVS, trong đó có LVS Nhuệ - Đáy đang bị ô nhiễm nghiêm trọng, nguồn cung cấp nước ngày càng khan hiếm, tăng giá nước, hạn chế diện tích đất xây dựng tại các đô thị. Đồng thời, việc thắt chặt các tiêu chuẩn và quy chuẩn kỹ thuật môi trường liên quan sẽ là động lực thúc đẩy sự phát triển và kết hợp công nghệ màng lọc với các công trình xử lý kị khí nước thải truyền thống, đem đến hướng đi mới về XLNT thu hồi năng lượng và tái sử dụng nước thải sau xử lý.
ThS. Nguyễn Thượng Hiền
Phó Tổng Cục trưởng, Tổng cục Môi trường
ThS. Nguyễn Thị Lan Hương
Vụ Thẩm định đánh giá tác động môi trường
TS. Nguyễn Thị Hồng Liễu
Vụ Quản lý chất thải
ThS. Nguyễn Quốc Hòa, ThS. Trần Hoài Sơn
Khoa Kỹ thuật Môi trường, Đại học Xây dựng
(Nguồn: Bài đăng trên Tạp chí Môi trường sô 6/2020)
