Xử lý nước thải nhà máy sữa

 I.  Đặt vấn đề

Sữa nguyên chất có thành phần dinh dưỡng cao. Nó chứa nhiều nước và giàu muối khoáng, protein (chủ yếu là cazein), mỡ bơ, đường (đặc biệt là lactoza) và các vitamin. 

Protein    Casein    Protein nhũ    Đường    Chất béo    Chất tro
Sữa bò        3.6                3        0.6             5.0             3.7              0.7
Sữa dê        3.7               2.9      0.8             4.3             4.3             0.9

Sữa là nguồn dinh dưỡng có giá trị, phù hợp với mọi lứa tuổi, đặc biệt là trẻ em, người lớn tuổi và phụ nữ mang thai. Sữa cung cấp nhiều chất bổ dưỡng và năng lượng cần thiết cho quá trình hoạt động của cơ thể. Ngày nay, khi mức sống ngày được nâng cao thì các sản phẩm sữa càng được sử dụng rộng rãi.
. Chương trình phát triển sữa còn gắn với các chương trình dinh dưỡng học đường, chương trình chống suy dinh dưỡng, cải thiện chiều cao của người Việt Nam.
Như một hệ quả tất yếu, khi có điều kiện khai thác nguyên liệu tại chỗ, ngành công nghiệp chế biến sữa của Việt Nam sẽ có đủ các điều kiện thuận lợi để phát triển. Tuy nhiên, bên cạnh những đóng góp về mặt kinh tế, những sản phẩm dinh dưỡng cần thiết cho cuộc sống của con người, công nghiệp chế biến sữa cũng tạo ra nhiều chất thải góp phần làm ô nhiễm môi trường tự nhiên. Nhiều nhà máy không chú trọng và đầu tư cho hệ thống xử lý nước thải đã gây ra ô nhiễm môi trường trầm trọng cho những khu vực xung quanh. 

II. Các nguồn nước thải, thành phần tính chất

Nước thải của nhà máy chế biến sữa nói chung là sự pha loãng của sữa và các sản phẩm từ sữa do sự rơi vãi từ các công đoạn chế biến, hoặc do sự rò rỉ được phép của thiết bị công nghệ, cùng với các hóa chất tẩy rửa, dầu mỡ dùng để vệ sinh thiết bị cũng như các dụng cụ lưu trữ, ….
Dựa vào qui trình công nghệ sản xuất sữa, ta thấy nước thải chung của nhà máy chế biến sữa bao gồm: 

- Nước thải sản xuất:
+ Nước rửa các bồn chứa và can ở các trạm tiếp nhận.
+ Nước súc rửa các sản phẩm dư bên trong hoặc trên bề mặt của tất cả các đường ống, bơm, bồn chứa, thiết bị công nghiệp, máy đóng gói, ….
+ Nước rửa thiết bị, rửa sàn cuối mỗi chu kỳ hoạt động.
+ Sữa rò rỉ từ các thiết bị, hoặc do làm rơi vãi nguyên liệu và sản phẩm.
+ Một số chất lỏng khác như sữa tươi, sữa chua kém chất lượng, bị hư hỏng do quá trình bảo quản và vận chuyển cũng được thải chung vào hệ thống thoát nước.
+ Nước thải từ nồi hơi, từ máy làm lạnh.
+ Dầu mỡ rò rỉ từ các thiết bị và động cơ.
- Nước thải sinh hoạt. 

Thành phần, tính chất của nước thải ngành chế biến sữa:
Nếu loại trừ nước thải sinh hoạt, thành phần gây ô nhiễm chính trong quá trình sản xuất sữa là sữa và các sản phẩm từ sữa (chiếm 90% tải lượng hữu cơ_BOD). Vì vậy, các chỉ số cần quan tâm đối với nước thải sản xuất là BOD, COD, SS và chất béo. Sữa tươi nguyên chất có giá trị BOD cao (khoảng 100000 mg/l). cho nên những dung dịch sữa pha loãng cũng có ảnh hưởng ô nhiễm rõ rệt. Những thành phần chính tham gia vào BOD của nước thải chế biến sữa là lactose, bơ sữa, protein và acid lactic.
Bản chất của chất thải sinh ra bởi các quá trình khác nhau của nhà máy chế biến sữa nói chung hoàn toàn giống nhau, đều phản ánh sự ảnh hưởng lấn át của sữa. Tuy nhiên các quá trình khác nhau làm ảnh hưởng đến thành phần chi tiết. Vì vậy, thành phần và lưu lượng nước thải của mỗi nhà máy tùy thuộc vào các quá trình thực hiện, điều kiện và công nghệ sản xuất. Muốn xác định chính xác thành phần nước thải của mỗi nhà máy, chúng ta phải tiến hành khảo sát thực tế.
Nhìn chung, nước thải chế biến sữa ban đầu là trung tính hoặc hơi kiềm, nhưng có khuynh hướng trở nên acid hoàn toàn một cách nhanh chóng do sự thiếu hụt của oxy tạo điều kiện lên men của lactose thành acid lactic, khi đó pH giảm và có khả năng gây ra sự kết tủa casein.
Nước thải chế biến sữa thường có hàm lượng chất hữu cơ hòa tan cao, ít chất lơ lửng. Vì vậy, chúng là nguồn thức ăn cho vi khuẩn và các vi sinh vật, gây nên sự thiếu hụt oxy nghiêm trọng do được vi khuẩn và các vi sinh vật tiêu thụ với tốc độ rất nhanh.
Ngoài ra sữa cũng chứa cả Nitơ và Photpho, là thức ăn tốt cho thực vật có thể dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước.
•    Khả  năng gây ô nhiễm của nước thải ngành chế biến sữa ở Việt Nam:
Do thiếu nguồn nguyên liệu tại chỗ nên các nhà máy chế biến sữa ở nước ta chủ yếu xuất phát với nguồn nguyên liệu là dạng sữa thành phẩm nhập ngoại, không sản xuất các loại sản phẩm có nước thải ô nhiễm cao như: phó-mát, bơ, dịch sữa, ….Vì vậy hàm lượng COD, BOD5 trong nước thải chế biến sữa ở nước ta nói chung tương đối thấp, lưu lượng và thành phần nước thải ít thay đổi theo mùa.
Tuy nhiên do trang thiết bị công nghệ, trình độ sản xuất còn kém nên mức độ tiêu hao nguyên liệu cao làm gia tăng ô nhiễm bởi các sản phẩm hỏng hoặc thất thoát nguyên liệu trong quá trình sản xuất.
Bên cạnh đó, các nhà máy chế biến sữa thường nằm gần hoặc trong khu vực dân cư, chưa có hệ thống xử lý nước thải sản xuất do đó nước thải sản xuất chưa qua xử lý được trộn lẫn với nước thải sinh hoạt trước khi đi vào hệ thống cống thoát chung. Điều này gây ô nhiễm môi trường cho các khu vực xung quanh.

III. Quy trình công nghệ xử lý nước thải nhà máy sữa 

Như đã trình bày ở các phần trước, bản chất của nước thải chế biến sữa là sự pha loãng của sữa và các sản phẩm từ sữa, chứa nhiều chất hữu cơ hòa tan với thành phần chính là protein, chất béo, lactose và nói chung là không độc hại hoặc không có ảnh hưởng đến việc vận hành các phương pháp xử lý sinh học. Vì vậy các quá trình sinh học được xem là thích hợp nhất.
Do hàm lượng BOD đầu vào của nước thải khá cao cho nên trước khi vào bể xử lý hiếu khí, ta cho qua bể xử lý kỵ khí UASB nhằm làm giảm BOD5 xuống khoảng 300 – 600 mg/l trước khi xử lý triệt để hơn bằng các công trình hiếu khí.
Ngoài ra, lưu lượng và nồng độ của nước thải chế biến sữa dao động rất lớn theo thời gian sản xuất trong ngày cũng như theo các mùa trong năm cho nên cần có bể điều hòa để làm giảm tác động của sự biến thiên lưu lượng và nồng độ ô nhiễm, đồng nhất nước thải trước khi xử lý. Nước thải chế biến sữa ban đầu thường trung tính hoặc hơi kiềm, nhưng có khuynh hướng trở nên axit hoàn toàn một cách nhanh chóng do sư thiếu hụt oxi tạo điều kiện lên men lactose thành axit lactic làm pH giảm và có khả năng gây ra sự kết tủa casein. Cho nên muốn đạt hiệu quả xử lý cao cần phải chỉnh pH lên giá trị tối ưu tại bể trung hòa. Đồng thời một số nơi nước thải thiếu hụt cả N và P làm giảm hiệu quả vận hành của các công trình xử lý sinh học nên cần thiết bổ sung thêm N, P nhằm đạt tỉ lệ BOD5:N:P= 100:5:1.
Dù trong quá trình sản xuất có thận trọng để không thải bỏ, nước thải chế biến sữa không tránh khỏi chứa mỡ tự do. Tách lượng bơ này và chất rắn lơ lửng được kết hợp bằng thiết bị tuyển nổi khí hòa tan trong các nhà máy xử lý nước thải chế biến sữa sẽ làm tăng hiệu quả xử lý và giảm chi phí đầu tư.

IV. Thuyết minh sơ đồ công nghệ xử lý nước thải nhà máy sữa

Nước thải từ các nguồn trong nhà máy qua hệ thống cống được tập trung tại bể gom nước thải. Trước khi vào hố thu gom có lắp song chắn rác để loại bỏ các tạp chất thô. Tại bể thu gom nước thải có sử dụng một máy bơm để bơm nước thải lên bể điều hòa.
Trong bể đều hòa, ta sử dụng hệ thống làm thoáng bằng khí nén để cấp khí nhằm ổn  định chất lượng nước thải trước khi qua bể trung hòa. Đồng thời với việc ổn định chất lượng nước, hệ thống thổi khí tại bể điều hòa giúp tách một phần dầu mỡ và đưa lên bề mặt. Số dầu mỡ này sẽ được vớt đi bằng hệ thống thu gom trên bề mặt bể để tránh ảnh hưởng đến các công trình xử lý phía sau. 

Sau đó nước được bơm qua bể trung hòa. Tại đây, có sử dụng máy đo pH và máy đo các chỉ tiêu N, P tự động. Nước thải chế biến sữa thường mang tính axit nên phải châm thêm NaOH để đưa về giá trị pH tối ưu cho quá trình xử lý sinh học (khoảng 6.5÷7.5).
Nước thải được đưa qua bể UASB. Bể này có khả năng xử lý BOD và COD cao, có khả năng giảm BOD xuống dưới 500mg/l. Quá  trình hoạt động của bể UASB phải được kiểm tra cẩn thận (tỷ số F/M, hàm lượng N và P) để đảm bảo đầy đủ nguồn dinh dưỡng cho VSV hoạt động. Sau khi ra khỏi bể UASB, nước thải có hàm lượng BOD giảm xuống thích hợp cho quá trình xử lý bằng phương pháp bùn hoạt tính. Khí sinh ra được thu về bình chứa có thể dùng làm khí đốt hoặc chạy máy phát điện Biogas.
Phần bùn ở bể chứa bùn gồm bùn từ bể lắng I, bể UASB và bể Aerotank sẽ được xử lý tại bể nén bùn. Sau khi qua bể nén bùn, bùn được trộn với Polyme để tăng độ kết dính rồi được đưa sang máy ép bùn để tạo thành bánh bùn. Các bánh bùn có thể  dùng làm phân vi sinh bón cây.
. Nước từ bể UASB chảy sang bể aerotank. Bể Aerotank có nhiệm vụ xử lý các chất hữu cơ còn lại trong nước thải. Tại bể Aerotank diễn ra quá trình oxi hóa các chất hữu cơ hòa tan và dạng keo trong nước thải dưới sự tham gia của vi sinh vật hiếu khí. Trong bể Aerotank có hệ thống sục khí trên khắp diện tích bể nhằm cung cấp oxi, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật hiếu khí sống, phát triển và phân giải các chất ô nhiễm. Vi sinh vật hiếu khí sẽ tiêu thụ các chất hữu cơ dạng keo và hòa tan có trong nước để sinh trưởng. Vi sinh vật phát triển thành quần thể dạng bông bùn dễ lắng gọi là bùn hoạt tính.
Khi vi sinh vật phát triển mạnh, sinh khối tăng tạo thành bùn hoạt tính. Hàm lượng bùn hoạt tính nên duy trì ở nồng độ khoảng 2500 – 4000 mg/l; Do đó, một phần bùn lắng tại bể lắng sẽ được bơm tuần hoàn trở lại vào bể Aerotank để đảm bảo nồng độ bùn nhất định trong bể. Nước thải sau xử lý sinh học có mang theo bùn hoạt tính cần phải loại bỏ trước khi đi vào các bể tiếp theo, vì vậy bể lắng có nhiệm vụ lắng và tách bùn hoạt tính ra khỏi nước thải. Nước sạch được thu đều trên bề mặt bể lắng thông qua máng tràn răng cưa. 
Nước thải sau bể lắng sẽ tự chảy sang bể trung gian và được bơm qua bể lọc áp lực đa lớp vật liệu: sỏi đỡ, cát thạch anh và than hoạt tính, để loại bỏ các hợp chất hữu cơ hòa tan, các nguyên tố dạng vết, những chất khó hoặc không phân giải sinh học và halogen hữu cơ. Nước thải sau khi qua bể lọc áp lực sẽ đi qua bể nano dạng khô để loại bỏ lượng SS còn sót lại trong nước thải, đồng thời khử trùng nước thải trước khi nước thải được xả thải vào nguồn tiếp nhận. Nước sau khi qua bể nano dạng khô đạt yêu cầu xả thải vào nguồn tiếp nhận theo quy định hiện hành của pháp luật.