CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHÀ MÁY CHẾ BIẾN SÂU TINH CHẾ CÀ PHÊ ARABICA, CÔNG SUẤT 200 M3/NGÀY CỦA CÔNG TY CP CÀ PHÊ PHÚC SINH SƠN LA

I. ĐẶT VẤN ĐỀ
1. Giới thiệu về cà phê Arabica
Cà phê Arabica hay còn gọi là cà phê Chè, có hạt dài hơn Rubusta. Trong quá trình chế biến, quả Arabica được ngâm ủ lên men giúp dể dàng rửa bỏ lớp chất nhầy bám quanh hạt. Vì vậy vị của Arabica hơi chua, đây cũng được xem là một đặc điểm cảm quan của loại cà phê này. Trong quá trình chế biến cà phê sẽ phát sinh lượng nước thải lớn.
2. Thành phần, tính chất nước thải cà phê
Thành phần các chất ô nhiễm chủ yếu trong nước thải gồm: Các chất cặn bã, các chất lơ lửng (SS), các hợp chất hữu cơ (BOD5; COD), các chất dinh dưỡng (N, P) và vi sinh gây bệnh (Coliform, E.Coli).
Nước thải chế biến cà phê có hàm lượng cặn thô cao, đa số là vỏ cà phê và lớp chất nhớt trên hạt cà phê tại các công đoạn tách vỏ và lên men trong dây chuyền công nghệ chế biến cà phê.

II. CÔNG NGHỆ XỬ LÝ
1. Quy trình công nghệ

2. Thuyết minh quy trình
* Xử lý cơ học
Bể thu gom nhiệm vụ thu gom các nguồn nước thải phát sinh từ hoạt động sản xuất của nhà máy. Phần nước thải sau khi thu gom được đưa bơm lên bể lắng sơ bộ.
Bể lắng sơ bộ có nhiệm vụ lắng, tách các hạt cặn có kích thước lớn trong nước thải. Phần nước thải sau khi lắng được đưa qua bể điều hòa. Phần bùn được bơm về bể chứa bùn.
Bể điều hòa giữ nhiệm vụ điều hòa lưu lượng và ổn định nồng độ trước khi đưa nước thải đến các công trình đơn vị phía sau. Tránh sự biến động về hàm lượng các chất hữu cơ trong nước thải làm ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật trong quá trình xử lý sinh học. Tạo điều kiện cho các công trình phía sau ổn định và đạt được hiệu quả xử lý cao.
* Xử lý hóa lý
Bể Keo tụ – Tạo bông:
Trong nước thải, một phần chất rắn thường tồn tại ở dạng các hạt keo mịn phân tán. Các hạt này không nổi cũng không lắng và do đó tương đối khó tách loại. Ta cần tăng kích cỡ các hạt nhờ tác dụng tương hổ giữa các hạt liên kết phân tán vào các tập hợp hạt để có thể lắng được. Cơ chế quá trình keo tụ xảy ra qua hai giai đoạn:
– Bản thân chất keo tụ phát sinh thủy phân, quá trình hình thành dung dịch keo và ngưng tụ;
– Trung hòa hấp phụ lọc các tạp chất trong nước thải.
Chất keo tụ thường dùng nhất là phèn nhôm. Trong các loại phèn nhôm, Al2(SO4)3 được dùng rộng rãi nhất do có tính hòa tan tốt trong nước, chi phí thấp và hoạt động có hiệu quả trong khoảng pH = 5,0 – 7,5.
Tạo bông cặn xảy ra ngay sau khi kết thúc quá trình keo tụ. Tạo bông giúp các cặn trong quá trình keo tụ được lớn hơn, lắng nhanh và tiết kiệm diện tích của bể lắng.
Bể lắng 1:
Nước thải sau khi được keo tụ – tạo bông được chuyển qua giai đoạn lắng nhằm tách các bông cặn hình thành ra khỏi nước thải nhờ sự khác nhau về tỷ trọng: các chất rắn có khả năng lắng có tỉ trọng lớn hơn tỉ trọng của nước, và các chất nổi có tỉ trọng nhẹ hơn tỉ trọng của nước. Sau khi lắng có thể loại được 50-70% chất rắn lơ lửng, 25 -40% BOD của nước thải.
Sau khi xử lý hóa lý nước thải được dẫn qua xử lý sinh học.
* Xử lý sinh học
Bể kỵ khí: Nước thải sau khi xử lý hóa lý được đưa vào bể kỵ khí. Sản phẩm của quá trình phân hủy bao gồm hỗn hợp khí CH4, CO2, H2S, H2O… cơ chế phân hủy gồm các giai đoạn:
– Phân giải các chất hữu cơ phức tạp và lipit thành các chất hữu cơ đơn giản như monosatcarit, amino axit để tạo thức ăn cho vi sinh.
– Vi khuẩn tạo men axit biến đổi các chất hữu cơ đơn giản thành các axit hữu cơ thường là axit axetic (nhóm vi khuẩn là axit focmơ).
– Nhóm vi khuẩn mêtan chuyển hóa hydro và axit axetic thành khí mêtan và cacbonic (vi khuẩn này là metan focmơ).
Nước thải sau khi qua bể kỵ khí sẽ chảy qua bể thiếu khí.
Bể thiếu khí: Bể thiếu là bể quan trọng trong quá trình xử lý Nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học. Công nghệ khử nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học phổ biến nhất hiện nay là: Nitrat hóa và khử Nitrat, diễn biến của quá trình này như sau:
Hai chủng vi khuẩn phổ biến cho quá trình Nitrat hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter. Nhóm Nitrosomonas sẽ chuyển hóa nitơ amoni thành sản phẩm trung gian là nitơ nitrít và sau đó nhóm Nitrobacter sẽ tiếp tục chuyển hóa nitơ nitrít thành nitơ nitrát. Khoảng pH tối ưu cho chủng khuẩn nitrat hóa thường giao động khoảng 7,5 đến 8,6 nhưng 1 số trường hợp thấp hơn.
Khử Nitrit và Nitrat: Trong môi trường thiếu ôxy các loại vi khuẩn khử nitrit và nitrat Denitrificans (dạng kị khí tuỳ tiện) sẽ tách ôxy của nitrat (NO3-) và nitrit (NO2-) để ôxy hoá chất hữu cơ. Nitơ phân tử N2 tạo thành trong quá trình này sẽ thoát ra khỏi nước.
Bể hiếu khí: Cơ sở lý thuyết của quá trình xử lý sinh học hiếu khí là sử dụng các vi sinh vật hiếu khí phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải bằng bùn hoạt tính có đầy đủ oxy hòa tan ở nhiệt độ, pH… thích hợp.
Bùn hoạt tính là tập hợp các vi sinh vật khác nhau, chủ yếu là vi khuẩn kết lại thành dạng bông với trung tâm là các hạt chất rắn lơ lửng trong nước. Các bông này có màu vàng nâu dễ lắng có kích thước tử 3 đến 150 µm. Chủng loại vi sinh vật có trong bùn hoạt tính là: vi khuẩn, protozoa, rotifer, nấm men, tảo, nguyên sinh động vật…
Các quá trình trong bể diễn ra như sau:
Giai đoạn đầu: Khi khuấy trộn nước thải với bùn hoạt tính, trước hết sẽ diễn ra quá trình hấp phụ các chất hữu cơ và ôxy hóa một phần các chất các chất dễ bị ôxy hóa (chủ yếu là các chất chứa cacbon).
Ở giai đoạn thứ hai diễn ra quá trình tái sinh bùn hoạt tính (nghĩa là phục hồi khả năng hấp phụ của nó) và đồng thời ôxy hóa đến cùng các chất hữu cơ hoà tan khó bị ôxy hóa (các chất chứa nitơ) còn lại – tức là diễn ra quá trình amôn hóa. Tốc độ tiêu thụ ôxy trong giai đoạn này nhỏ hơn nhiều so với giai đoạn đầu.
Giai đoạn thứ ba là quá trình nitrat hóa các muối amôni, tốc độ tiêu thụ ôxy lại tăng lên. Sau quá trình xử lý nước thải, do không tiêu thụ hết lượng ôxy hòa tan, nên ôxy được tích lũy lại và độ thiếu hụt ôxy sẽ bằng 0.
Trong suốt quá trình oxy hóa chất hữu cơ, lượng oxy dư luôn được duy trì ở mức 2 mg/L. Nồng độ bùn hoạt tính trong bể 3.000 – 3.200 mg/L và được kiểm soát.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học hiếu khí là: nhiệt độ, pH, lượng oxi hòa tan, tỷ lệ chất dinh dưỡng, các độc tố…Nước thải sau khi qua bể sinh học hiếu khí đi vào bể lắng 2.
Bể lắng 2 (bể lắng sinh học): là bể tách bùn sinh học ra khỏi hệ thống.
Hỗn hợp bùn và nước thải rời khỏi bể sinh học hiếu khí chảy tràn vào bể lắng sinh học nhằm tiến hành quá trình tách nước và bùn. Bùn sinh học lắng dưới đáy bể.
Một lượng xác định của bùn sinh học (bùn hoạt tính) được tuần hoàn lại bể sinh học hiếu khí nhằm duy trì mật độ bùn hoạt tính tối ưu trong bể.
Lượng bùn dư sau khi tuần hoàn về bể sinh học hiếu khí theo định kỳ bơm về bể chứa bùn để xử lý.
* Oxy hóa nâng cao – Fenton
Điều chỉnh pH: Trong các phản ứng Fenton, độ pH ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng và nồng độ Fe2+ , từ đó ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng và hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ, pH thích hợp cho quá trình là từ 2 – 4, tối ưu nhất là ở mức 2.8.
Phản ứng oxy hóa: Hệ tác nhân Fenton đồng thể (Fenton cổ điển) là một hỗn hợp gồm các ion sắt hóa trị (II) và H2O2, chúng tác dụng với nhau sinh ra các gốc tự do *HO, còn Fe2+ bị oxi hóa thành Fe3+.

Fe²⁺ + H₂O₂ ® Fe³⁺ + *HO + OH^–

Trong giai đoạn phản ứng oxi hóa xảy ra sự hình thành gốc *HO hoạt tính và phản ứng oxi hóa chất hữu cơ. Gốc *HO sau khi hình thành sẽ tham gia vào phản ứng oxy hóa các hợp chất hữu cơ có trong nước cần xử lý. Phản ứng oxy hóa các chất hữu cơ diễn ra như sau:

RHX + H₂O₂ ® H₂O + X^– + CO₂ + H⁺

RHX: hợp chất hữu cơ
X: đại diện cho halide (chất gồm halogen và nguyên tố hay gốc khác)

Nếu hợp chất không có halogen thì phản ứng chỉ tạo ra CO2 và H2O. Ngoài ra, gốc *HO còn có khả năng chuyển chất hữu cơ từ dạng cao phân thành các chất hữu cơ có khối lượng phân tử thấp:

CHC _{(cao phân tử)} +^*HO ® CHC _{(thấp phân tử)} + CO₂ + H₂O + OH^–

Trung hòa và Tạo bông: Sau khi xảy ra quá trình oxi hóa cần nâng pH dung dịch lên >7 để thực hiện kết tủa Fe3+ mới hình thành:

Fe³⁺ + 3OH^– ® Fe(OH)₃

Kết tủa Fe(OH)3 mới hình thành sẽ thực hiện các cơ chế keo tụ, đông tụ, hấp phụ một phần các chất hữu cơ chủ yếu là các chất hữu cơ cao phân tử.
Quá trình lắng: Các bông keo sau khi hình thành sẽ lắng xuống khiến làm giảm COD, màu, mùi trong nước thải. Sau quá trình lắng các chất hữu cơ còn lại (nếu có) trong nước thải chủ yếu là các hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử thấp sẽ được xử lý bổ sung bằng phương pháp khử trùng và lọc áp lực.
* Khử trùng
Khử trùng là quá trình khử trùng nước thải đã được xử lý. Khí Clo và một số hợp chất của nó là các hóa chất khử trùng thông dụng.Clo được đưa vào nước thải bằng hệ thống châm Clo tự động.
Nước thải sau đó chảy vào để tiếp xúc với thời gian lưu nước khoảng 30 phút để Clo tác dụng với Vi sinh vật gây bệnh.
Nước thải sau khi khử trùng được thải ra ngoài đạt QCVN 40:2011/BTNMT, Cột B.
* Xử lý bùn
Bùn thải phát sinh từ quá trình lắng sẽ được thu gom về bể chứa bùn.
Bùn từ bể chứa bùn được bơm lên máy ép bùn để tách nước ra khỏi bùn, giúp bùn được khô hơn, dễ dàng trong quá trình xử lý. Nước trong quá trình ép bùn được tuần hoàn về lại bể điều hòa.