Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất đường

1 CHƯƠNG I. PHẦN MỞ ĐẦU I.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngành công nghiệp mía đường là một trong những ngành công nghiệp chiếm vị trí quan trọng trong nền kinh tế nước ta. Trong năm 1998, cả nước đã sản xuất được 700.000 tấn đường, đáp ứng được nhu cầu tiêu dùng trong nước. Trước năm 1990, hầu hết trang thiết bị, máy móc, dây chuyền công nghệ trong các nhà máy đường đều cũ kỷ, lạc hậu, trình độ và chất lượng sản phẩm còn thấp. Trong những năm gần đây, do sự đầu tư công nghệ và thiết bị hiện đại, các nhà máy đường đã không ngừng nâng cao chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên nước thải của ngành công nghiệp mía đường luôn chứa một lương lớn các chất hữu cơ bao gồm các hợp chất của cacbon, nitơ, phốtpho. Các chất này dễ bị phân hủy bởi các vi sinh vật, gây mùi thối làm ô nhiễm nguồn nước tiếp nhận. Phần lớn chất rắn lơ lửng có trong nước thải ngành công nghiệp đường ở dạng vô cơ. Khi thải ra môi trường tự nhiên, các chất này có khả năng lắng và tạo thành một lớp dày ở đáy nguồn nước, phá hủy hệ sinh vật làm thức ăn cho cá. Lớp bùn lắng này còn chứa các chất hữu cơ có thể làm cạn kiệt oxy trong nước và tạo ra các lọai khí như H2S, CO2, CH4. ngoài ra, trong nước thải còn chứa một lượng đường khá lớn gây ô nhiễm nguồn nước. Chính vì tầm quan trọng của công tác bảo vệ môi trường, đề tài về xử lý nước thải ngành công nghiệp mía đường mang tính thực tế. Đề tài sẽ góp phần đưa ra các quy trình xử lý chung cho loại nước thải này, giúp các nhà máy có thể tự xử lý trước khi xả ra cống thóat chung, nhằm thực hiện tốt những quy định về môi trường của nhà nước. I.2. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG THỰC HIỆN  Mục tiêu của đề tài là thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất đường đạt tiêu chuẩn loại B  Nội dung của đề tài Nghiên cứu cơ sở lý thuyết. Thu thập các phương án xử lý nước thải ngành công nghiệp mía đường. Phân tích lựa chọn phương án công nghệ khả thi xử lý nước thải nhà máy đường. 2 CHƯƠNG II.TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CÔNG NGHIỆP MÍA ĐƯỜNG VÀ HIỆN TRANG Ô NHIỄM CỦA NGÀNH NÀY II.1. TỔNG QUÁT QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT Nguyên liệu để sản xuất là mía. Mía được trồng ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Việc chế biến đường phải thực hiện nhanh, ngay trong mùa thu họach để tránh thất thóat sản lượng và chất lượng đường. Công nghiệp chế biến đường họat động theo mùa vụ do đó lượng chất thải cũng phụ thuộc vào mùa thu họach. Quy trình cộng nghệ sản xuất đường gồm hai giai đọan:sản xuất đường thô và sản xuất đường tinh luyện. II.1.1. Thành phần của mía và nước mía Thành phần của mía thay đổi theo vùng , nhưng dao động trong khỏang sau Nước : 69-75% Sucrose : 8-16% Đường khử : 0,5-2,0% Chất hữu cơ : 0,5-1,0% (ngọai trừ đường) Chất vô cơ : 0,2-0,6% Hợp chất Nitơ : 0,5-1% Tro(phần lớn là K) : 0,3-0,8% Nước mía có tính axit (pH = 4,9-5,5), đục(do sự hiện diện của các chất keo như sáp protein, nhựa, tinh bột và silic) và có màu xanh lục. Thành phần của mía như sau: Nước : 75-88% Sucrose : 10-21% Đường khử : 0,3-3,0% Chất hữu cơ : 0,5-1,0% (ngọai trừ đường) Chất vô cơ : 0,2-0,6% Hợp chất Nitơ : 0,5-1% Nước mía có màu do các nguyên nhân sau Từ thân cây mía : màu do chlorophyll, anthocyanin, saccharetin và tanin gây ra. Do các phản ứng phân hủy hóa học: 3 Khi cho vào nước mía lượng nước vôi, hoặc dưới tác dụng của nhiệt độ, nước mía bị đổi màu. Do sự phản ứng của các chất không đường với những chất khác. Chlorophyll thường có trong cây mía, nó làm cho nước mía có màu xanh lục. Trong nước mía, chlorophyll ở trạng thái keo, nó dễ dàng bị lọai bỏ bằng phương pháp lọc. Anthocyanin chỉ có trong lọai mía có màu sẫm, nó ở dạng hòa tan trong nước. Khi thêm nước vôi, màu đỏ tía của anthocyanin bị chuyển sang màu xanh lục thẫm. Màu này khó bị lọai bỏ bằng cách kết tủa với vôi( vì lượng vôi dùng trong công nghệ sản xuất đường không đủ lớn ) hay với H2 SO4. Saccharetin thướng có trong vỏ cây mía. Khi thêm vôi, chất này sẽ trở thành màu vàng được trích ly. Tuy nhiên lọai màu này không gây độc, ở môi trường pH <7,0 màu biến mất. Tanin hòa tan trong nước mía , có màu xanh, khi phản ứng với muối sắt sẽ biến thành sẫm màu. Dưới tác dụng của nhiệt độ tanin bị phân hủy thành catehol, kết hợp với kiềm thành protocatechuic. Khi đun trong môi trường axit phân hủy thành các hợp chất giốngsaccharetin. Ơû nhiệt độ cao hơn 200 o C, đường sucrose và hai lọai đường khử (glucose và fructose) bị caramen hóa và tạo màu đen. Ơû nhiệt độ cao hơn 55 o C, đường khử đã bị phân hủy thành các hợp chất có màu rất bền. Để lọai bỏ các tạp chất trong nước mía có thể áp dụng trong các biện pháp sau: Độ đục :được lọai bằng phương pháp nhiệt và lọc. Nhựa và pectin, muối của các axít hữu cơ, vô cơ, chất tạo màu: được lọai bỏ bằng phương pháp xử lý với vôi. II.1.2. Hóa chất làm trong và tẩy màu  Vôi CaCO2 : Có tác dụng trung hòa các axit hữu cơ có trong nước mía. Phản ứng với axit phốtphoric tạo Ca3(PO4)2. Kết hợp với hợp chất nitơ và pectin tạo kết tủa. Làm kết tủa các hợp chất tạo màu gốc chlorophyll và anthocyanin. Tác dụng với sucrose tạo saccharates, glucosates.  Khí SO2: Trung hòa lượng vôi thừa: CA(OH)2 + H2SO3 = CaSO3 + H2O Tẩy màu nước mía. 4  Khí CO2: Hấp phụ chất tạo màu.  H3PO4: Kết hợp với vôi để làm trong nước mía.  Hóa chất tẩy màu: Dùng Na2S2O4: II.1.3. Công nghệ sản xuất đường thô: Quy trình công nghệ sản xuất đường thô từ mía được trình bày trên hình 1. đầu tiên người ta ép mía cây dưới các trục ép áp lực. Để tận dụng hết đường có trong câym, người ta dùng nước hoặc nước mía phun vào bả mía để mía nhả đường. bã mía ở máy ép cuối còn chứa một lượng nhỏ đường chưa lấy hết, xơ gỗ và khỏang 40-50% nước. Nước mía có tính axit (pH =4,9-5,5), đục, có màu xanh lục (chứa 13- 15%chất tan, trong chất khô chứa 82-85% đường saccarosa). Nước mía được xử lý bằngcác chấ hóa học như vôi, CO2, SO2, phốt phát rồi được đun nóng để làm trong. Quá trình xử lý này có tác dụng làm kết tủa các chất rắn, huyền phù và lắng các chất bẩn. Dung dịch trong được lọc qua máy lọc chân không. Bã lọc được lọai bỏ, đem thải hoặc dùng làm phân bón. Nước mía sau khi lọc còn chứa khỏang 88% nước, sau đó được bốc hơi trong lò nấu chân không. Hỗn hợp tinh thể và mật được thu vào máy ly tâm để tách đường ra khỏi mật rỉ. Rỉ đường là dung dịch óc độ nhớt cao, chứa khỏang 1/3 đường khử. Sản phẩm phụ của quá trình sản xuất đường gồm có:  Bột giấy, tấm xơ ép từi bã mía.  Nhựa, bê tông từ bã mía.  Phân bón, thức ăn gia súc, alcohol, dấm, axeton, axit citric,…và từ mật mía. Lượng nước thải trong công nghiệp sản xuất đường thô rất lớn bao gồm nước rửa mía cây và nhưng tụ hơi, nước rửs than, nước xả đáy lò hơi, nước rửa cột trao đổi ion, nước làm mát, nước rửa sàn và thiết bị, nước bùn bã lọc dung dịch đường rơi vãi trong sản xuất… Ngoài bã bùn được dùng để sản xuất phân hữu cơ, nước thải từ các công đọan trong nhà máy được phân thành các nhóm sau đây:  Nhóm A: nước thải có độ nhiễm bẩn không cao, chủ yếu có nhiều chất lơ lửng ở dạng vơ cơ nên chỉ cần lọc sơ bộ qua song chắn rác và lắng tiếp xúc để lọai bỏ chất lơ lửng, sau đó trộn với nước thải đã xử lý và nước ngưng tụ rồi xả ra nguồn tiếp nhận.  Nhóm B: nước thải có nhiều chất hữu cơ cần được tách riêng để xử lý. 5  Nhóm C: nước ngưng tụ từ lò hơi, không bị nhiễm bẩn nên dùng để pha loãng vơi nước thải (A+B) đã qua xử lý và thái ra nguồn tiếp nhận. 6 7 II.1.4. Công nghệ sản xuất đường tinh luyện Quy trình công nghệ tinh luyện đường gồm 3 giai đọan chính:  Rửa và hòa tan.  Làm sạch.  Kết tinh và hoàn tất. a.Rửa và hòa tan:  Rửa:làm sạch lớp phim mạch bên ngoài hạt đường thô để nâng cao tinh độ của đường.  Hòa tan:Đường sau khi ly tâm được hòa tan vào nước thành dung dịch nước đường nguyên chất để đến khâu hóa chế. b.Làm trong và làm sạch:  Làm trong:Nước đường nguyên chất được xử lý bằng các chất hóa học như vôi,H3PO4 để làm trong. Quá trình xử lý này có tác dụng làm kết tủa các chất rắn,huyền phù và làm lắng các chất bẩn.  Làm sạch:Nước đường sau khi lắng trong được cho thêm than hoạt tính và bột trợ lọc để khử màu và tăng cường khả năng làm trong. Nước đường sau lọc gọi là sirô tinh lọc. c.Kết tinh và hoàn tất: Nhiệm vụ của nấu đường là tách nước từ sirô tinh lọc và đưa dung dịch đến trạng thái bão hòa, sản phẩm nhận được sau khi nấu đường là đường non gồm tinh thể đường và mật cái. Quá trình kết tinh đường gồm có:  Cô đặc sirô.  Tạo mầm tinh thể.  Nuôi tinh thể.  Cô đặc cuối cùng. II.2. SƠ LƯỢC HIỆN TRẠNG NGÀNH SẢN XUẤT ĐƯỜNG Ở VIỆT NAM Ngành đường của Việt Nam nhìn chung khá lạc hậu so với thế giới. Trước 1954, toàn bộ miền Bắc không có nhà máy đường nào. Sau 1975, ở miền Nam đã phục hồi lại các nhà máy đường Bình Dương, Hiệp Hòa, Phan Rang, Khánh Hội, Biên Hòa; xây dựng mới các nhà máy đường La Ngà, Lam Sơn, Tây Ninh.Ngoài các nhà máy lớn còn có nhiều cơ sở sản xuất đường mía thủ công, thô sơ, năng suất thấp ở các vùng trồng mía. 8 Thiết bị sản xuất hầu hết là cũ kỹ, chắp vá, hay gặp sự cố kỹ thuật và bị rò rĩ, nên khối lượng nước thải rất lớn. Hiện nay, chủ yếu có 3 phương pháp làm trong :bằng vôi, sunfit và cacbonat. Phương pháp dùng vôi hầu hết còn dùng trong các cơ sở sản xuất nhỏ, trình độ kém, chủ yếu sản xuất mật vàng và mật trầm. Công nghiệp sản xuất mía đường ở Việt Nam là ngành gây ô nhiễm khá lớn do công nghệ lạc hậu, thiết bị rò rỉ nhiều lại không có bất cứ thiết bị xử lý nào, trong số các chất ô nhiễm có bụi khói lò hơi, bùn lọc, nước thải, khí thoát ra từ các tháp phản ứng sunfit hóa và cacbonat hóa. Riêng bã mía được dùng làm nhiên liệu hoặc để sản xuất giấy bìa, còn mật rỉ được lên men để chế biến cồn. Bảng dưới đây thống kê một số nhà máy đường lớn và khối lượng nước thải của chúng: Bảng Các nhà máy lớn thuộc ngành công nghiệp đường ở miền Nam Nhà máy Địa chỉ Năng suất tấn/ngày Trình độ công nghệ Định mức tiêu thụ/tấn đường Nước thải m 3 /giờ Ghi chú Địa phương KCN CN Nguyên liệu Quảng Ngãi (a) Quảng Ngãi + Đường:135 Mía: 1.500 Sunfit hóa -Mía -Vôi tôi -Lưu hùynh 11,5 tấn 22 kg 6 kg 350 Bình Dương Bình Dương + Đường:135 Mía: 1.500 Sunfit hóa -Mía -Vôi tôi -Lưu hùynh 11,5 tấn 22 kg 6 kg 350 Xả ra rạch Bà Lụa Hiệp Hòa Long An + Đường:125 Mía: 1.500 Sunfit hóa -Mía -Vôi tôi -Lưu hùynh 11,5 tấn 22 kg 6 kg 350 Xả ra sông Vàm Cỏ La Ngà Đồng Nai + Đường:180 Mía: 2.000 Vôi -Mía -Vôi 12 tấn 7 kg 500 Đường Khánh Hội Tp.HCM + Đường:100 Biên Hòa Đồng Nai + Đường:200 II.3. NƯỚC THẢI NGÀNH CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT ĐƯỜNG 9 Do đặc điểm của công nghệ sản xuất đường, ngoài các bã lắng, bã bùn, bã lọc được tách riêng, nước thải được phân thành các nhóm sau: II.3.1. Nước thải từ khu ép mía Ở đây, nước dùng để ngâm ép đường trong mía và làm mát các ổ trục của máy ép. Lọai nước thải này có BOD cao(do có đường thất thoát) và có chứa dầu mỡ. II.3.2. Nước thải rửa lọc, làm mát, rửa thiết bị và rửa sàn Nước thải rửa lọc tuy có lưu lượng nhỏ nhưng giá trị BOD và chất lơ lửng cao. Nước làm mát được dùng với lượng lớn và thường được tuần hoàn hầu hết hoặc một phần trong quy trình sản xuất. Nước làm mát thường nhiễm bẩn một số chất hữu cơ bay hơi từ nước đường đun sôi trong nồi nấu hoặc nồi chân không. Nước chảy tràn từ các tháp làm mát thường có giá trị BOD thấp. Tuy nhiên, do chế độ bảo dưỡng kém và điều kiện vận hành không tốt nên có lượng đường đáng kể thất thoát trong nước làm mát. Lượng nước này sẽ được thải đi. Nước rò rỉ và nước rửa sàn, rửa thiết bị tuy có lưu lượng thấp và được xả định kỳ nhưng có hàm lượng BOD rất cao. II.3.3. Nước thải khu lò hơi Nước thải khu lò hơi được xả định kỳ, với đặc điểm là chất rắn lơ lửng cao và giá trị BOD thấp, nước thải mang tính kiềm. II.3.4. Đặc trưng của nước thải nhà máy đường Đặc trưng lớn nhất của nước thải nhà máy đường là có giá trị BOD cao và dao động nhiều Bảng BOD5 trong nước thải ngành công nghiệp đường Các loại nước thải NM đường thô(mg/L) NM tinh chế đường (mg/L) Nước rửa mía cây 20-30 Nước ngưng tụ 30-40 4-21 Nước bùn lọc 2.900-11.000 730 Chất thải than - 750-1.200 Nước rửa xe các loại - 15.000-18.000 Phần lớn chất rắn lơ lửng là chất vô cơ. Nước rửa mía cây chủ yếu chứa các hợp chất vô cơ. Trong điều kiện công nghệ bình thường, nước làm nguội, rửa than và nước thải từ các quy trình khác có tổng chất rắn lơ lửng không đáng kể. Chỉ có một phần than hoạt tính bị thất thoát theo nước, một ít bột trợ lọc, vải lọc do mục nát tạo thành các sợi nhỏ lơ lửng trong nước. Nhưng trong điều kiện các thiết bị lạc hậu, bị rò rỉ thì hàm lượng các chất rắn huyền phù trong nước thải có thể tăng cao. 10 Các chất thải của nhà máy đường làm cho nước thải có tính axit. Trong trường hợp ngoại lệ, độ pH có thể tăng cao do có trộn lẫn CaCO3 hoặc nước xả rửa cột resin. Ngoài các chất đã nói trên, trong nước thải nhà máy đường còn thất thoát lượng đường khá lớn, gây thiệt hại đáng kể cho nhà máy. Ngoài ra còn có các chất màu anion và cation(chất màu của các axit hữu cơ, muối kim loại tạo thành) do việc xả rửa liên tục các cột tẩy màu resin và các chất không đường dạng hữu cơ(các axit hữu cơ), dạng vô cơ(Na2O, SiO2, P2O5, Ca, Mg và K2O). Trong nước thải xả rửa các cột resin thường có nhiều ion H + , OH - . Dựa vào đặc tính của nước thải, và yêu cầu mức độ xử lý đặt ra : nước thải phải đạt tiêu chuẩn xả thải loại B(TCVN 5945-1995) trong đó quy định giới hạn xả thải của các chất như sau: Bảng tổng kết chất lượng nước thải nhà máy đường Stt Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị Tiêu chuẩn(lọai B) 1 pH mg/l 7,5-8 5,5 -9 2 SS mg/l 1250 100 3 BOD mg/l 5000 50 4 COD mg/l 7000 100 5 N mg/l 16,4 60 6 P mg/l 7,5 6 Việc quản lý tốt quy trình sản xuất , bảo dưỡng thiết bị, chống rò rỉ hoặc thay đổi quy trình công nghệ, sử dụng các công nghệ sạch là biện pháp tốt nhất để giải quyết các chất ô nhiễm ngay trong khâu sản xuất. Ngoài ra, cấn phải áp dụng quy trình xử lý nước thải, nhằm làm giảm việc thải các chất ô nhiễm vào nguồn nước hay vào hệ thống thoát nước chung của thành phố. Theo tin trên báo Tuổi Trẻ, số ra ngày 23/2/1999, Nhà máy đường Sóc Trăng phối hợp với Trung Tâm Công Nghệ Khoa Học và Môi Trường Quốc Gia vừa thử nghiệm thành công và đưa vào sản xuất loại phân hữu cơ vi sinh từ bã bùn. Đây cũng là một biện pháp giải quyết chất thải ô nhiễm của Nhà máy đường rất hiệu quả, với giá thành phân bón lót là 1.000đ/kg, và phân bón thúc là 1.300đ/kg. II.4. KHẢ NĂNG GÂY Ô NHIỄM NGUỒN NƯỚC CỦA NƯỚC THẢI NGÀNH CÔNG NGHIỆP ĐƯỜNG Hiện nay, phần lớn các nhà máy đường và nhiều tổ hợp sản xuất tư nhân chưa có hệ thống xử lý nước thải. Với lưu lượng lớn, hàm lượng chất 11 hữu cơ và chất dinh dưỡng cao, nước thải nhà máy đường đã và đang làm ô nhiễm các nguồn tiếp nhận.  Đường có trong nước thải chủ yếu là đường sucroza và các loại đường khử như glocose và fructoze, trong đó:  Fructoze, C6H12O6 tan trong nước  Sucroze, C12H22O11 là sản phẩm thủy phân của Fructose và Glucose, tan trong nước . Các loại đường này dễ phân hủy trong nước. Chúng có khả năng gây kiệt oxy trong nước, làm ảnh hưởng đến hoạt động của quần thể vi sinh vật nước. Trong quá trình công nghệ sản xuất đường, ở nhiệt độ cao hơn 55 0 C các loại đường glucose và fructoze bị phân hủy thành các hợp chất có màu rất bền. Ơû nhiệt độ cao hơn 200 0 C, chúng chuyển thành caramen(C12H18O9)n. Đây là dạng bột chảy hoặc tan vào nước, có màu nâu sẫm, vị đắng. Phần lớn các sản phẩm phân hủy của đường khử có phân tử lượng lớn nên khó thấm qua màng vi sinh. Để chuyển hóa chúng, vi sinh phải phân rã chúng thành nhiều mảnh nhỏ để có thể thấm vào tế bào. Quá trình phân hủy các sản phẩm đường khử đòi hỏi thời gian phân hủy dài hơn, nên sẽ ảnh hưởng đến quá trình tự làm sạch trong nguồn tiếp nhận. Các chất lơ lửng có trong nước thải còn có khả năng lắng xuống đáy nguồn nước. Quá trình phân hủy kỵ khí các chất này sẽ làm cho nước có màu đen và có mùi H2S. Ngoài ra, nước thải nhà máy đường còn có nhiệt độ cao, làm ức chế hoạt động của vi sinh vật nước. Trong nước thải có chứa các sản phẩm của lưu huỳnh và đôi khi có lẫn dầu mỡ của khu ép mía. Ngày 26/11/1998, Chương trình công nghệ và môi trường Đài truyền hình tỉnh Bình Dương có báo động về tình hình ô nhiễm nước thải do nhà máy đường Bình Dương gây ra trên Rạch Bà Lụa, thuộc phường Phú Thọ, thị xã Thủ Dầu Một. Với khối lượng lớn nước thải chưa xử lý được thải ra hàng ngày, Rạch Bà Lụa không đủ khả năng tự làm sạch và hậu quả là trong khu vực lân cận điểm xả, thực vật nước không phát triển được, một số loài thủy sinh bị chết. Biện pháp hữu hiệu nhất là quản lý tố quy trình sản xuất nhằm hạn chế tải lượng các chất ô nhiễm được đưa vào nước. Ngoài ra, cần phải xử lý nước thải nhà máy đường để góp phần bảo vệ môi trường. 12 CHƯƠNG III.QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHÀ MÁY ĐƯỜNG Theo các tài liệu nghiên cứu, chất lượng và lưu lượng nước thải tổng hợp cu