Ngành công nghiệp chế biến thực phẩm và đồ uống là một trong những lĩnh vực sử dụng lượng nước lớn nhất, đồng thời cũng tạo ra lượng nước thải đáng kể với thành phần phức tạp. Trong bối cảnh nguồn tài nguyên nước ngày càng khan hiếm và các quy định về môi trường ngày càng nghiêm ngặt, việc đầu tư hệ thống xử lý nước thải chế biến thực phẩm và đồ uống không chỉ là yêu cầu pháp lý mà còn là giải pháp bền vững, tiết kiệm chi phí cho doanh nghiệp trong dài hạn.

Tổng quan về ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống tại Việt Nam

Ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống đang chiếm vị trí quan trọng trong cơ cấu kinh tế Việt Nam, với tỷ trọng lên đến 19,1% – cao nhất trong nhóm ngành công nghiệp chế biến – chế tạo (theo số liệu của Bộ Công Thương). Mặc dù số lượng doanh nghiệp chỉ chiếm khoảng 1% tổng số doanh nghiệp trên cả nước, đây lại là một trong những ngành mũi nhọn và có tiềm năng phát triển cao, đóng góp khoảng hơn 20% doanh thu thuần sản xuất, kinh doanh trong nhóm ngành công nghiệp chế biến hàng năm.

Sự phát triển mạnh mẽ này kéo theo nhu cầu ngày càng tăng về xử lý nước thải, đặc biệt khi các quy định môi trường ngày càng trở nên nghiêm ngặt. Nhiều doanh nghiệp đang phải đối mặt với áp lực khi lượng sản xuất tăng nhanh trong khi hệ thống xử lý nước thải không được mở rộng tương ứng để đáp ứng yêu cầu.

Đặc điểm và thành phần nước thải từ ngành thực phẩm và đồ uống

Nguồn phát sinh nước thải

Nước thải trong ngành chế biến thực phẩm và đồ uống chủ yếu phát sinh từ các hoạt động:

1. Quá trình sơ chế, làm sạch nguyên liệu: Rửa nguyên liệu thô là một trong những công đoạn tạo ra lượng nước thải lớn nhất.
2. Quá trình chế biến sản phẩm: Nước thải từ các công đoạn chế biến, chế biến thành phẩm, quá trình thải bỏ sản phẩm hư hỏng.
3. Vệ sinh máy móc, thiết bị và nhà xưởng: Các hoạt động vệ sinh định kỳ và sau mỗi mẻ sản xuất đòi hỏi lượng nước lớn.
4. Nước làm mát, lò hơi: Nước từ hệ thống làm mát, lò hơi và dầu mỡ rò rỉ từ động cơ.
5. Nước thải sinh hoạt: Phát sinh từ hoạt động của công nhân viên, nhà ăn và căn tin.

Thành phần và tính chất của nước thải

Đặc tính và khối lượng nước thải từ ngành thực phẩm và đồ uống thay đổi theo loại sản phẩm và quy trình sản xuất, nhưng nhìn chung có những đặc điểm chung sau:

1. Hàm lượng chất hữu cơ cao: Nồng độ BOD (Biochemical Oxygen Demand) và COD (Chemical Oxygen Demand) thường vượt ngưỡng cao, có thể lên đến hàng nghìn mg/l, thậm chí hàng chục nghìn mg/l trong một số trường hợp như nước thải từ nhà máy sản xuất dầu ăn, mì gói, đồ uống có cồn.
2. Hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS) cao: Bao gồm các mảnh vụn hữu cơ, cặn bã từ quá trình chế biến.
3. Giàu chất dinh dưỡng: Hàm lượng nitrogen (N) và phosphorus (P) cao, là nguyên nhân gây hiện tượng phú dưỡng hóa nếu xả thải trực tiếp ra môi trường.
4. Hàm lượng dầu mỡ cao: Đặc biệt trong nước thải từ các nhà máy chế biến thực phẩm có nguồn gốc động vật.
5. Nồng độ mùi cao: Thường có mùi hôi thối đặc trưng do quá trình phân hủy chất hữu cơ.
6. pH thay đổi: Tùy thuộc vào loại thực phẩm và quy trình sản xuất, pH nước thải có thể dao động từ axit đến kiềm.

Dưới đây là bảng so sánh nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải ngành thực phẩm với quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT:

Với sự chênh lệch lớn giữa nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải ngành thực phẩm và quy chuẩn cho phép, việc xây dựng hệ thống xử lý nước thải hiệu quả và phù hợp trở nên vô cùng quan trọng.

Tiêu chuẩn xử lý nước thải ngành thực phẩm và đồ uống

Quy chuẩn áp dụng

Tại Việt Nam, nước thải từ ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống phải tuân thủ quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp. Riêng đối với nước thải chế biến thủy sản được quy định riêng trong QCVN 11-MT:2015/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải chế biến thủy sản.

QCVN 40:2011/BTNMT quy định giá trị tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi thải vào nguồn tiếp nhận nước, bao gồm 33 thông số như nhiệt độ, màu, pH, BOD5, COD, chất rắn lơ lửng, các kim loại nặng, dầu mỡ, và nhiều thông số khác.

Quy chuẩn này phân chia giới hạn tối đa cho phép thành hai cột:

• Cột A: Áp dụng cho nước thải công nghiệp thải vào nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt
• Cột B: Áp dụng cho nước thải công nghiệp thải vào nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt

Tính cấp thiết của việc xử lý nước thải

Việc xử lý nước thải ngành thực phẩm và đồ uống không chỉ là yêu cầu pháp lý mà còn mang lại nhiều lợi ích:

1. Bảo vệ môi trường: Nước thải chưa qua xử lý có thể gây ra hiện tượng cạn kiệt oxy trong nước, phú dưỡng hóa, ô nhiễm nguồn nước ngầm và mất cân bằng hệ sinh thái.
2. Tiết kiệm chi phí: Tái sử dụng nước sau xử lý giúp giảm chi phí sử dụng nước, đặc biệt quan trọng với ngành tiêu thụ lượng nước lớn như thực phẩm và đồ uống.
3. Tránh các khoản phạt: Vi phạm quy định về xả thải có thể dẫn đến các khoản phạt nặng, thậm chí đình chỉ hoạt động.
4. Nâng cao hình ảnh doanh nghiệp: Tuân thủ các quy định môi trường giúp doanh nghiệp xây dựng hình ảnh tích cực, đáp ứng yêu cầu của người tiêu dùng và đối tác ngày càng quan tâm đến yếu tố bền vững.

Các công nghệ xử lý nước thải chế biến thực phẩm và đồ uống hiện đại

Dựa trên đặc tính của nước thải ngành thực phẩm và đồ uống, các công nghệ xử lý hiện đại thường kết hợp nhiều phương pháp để đạt hiệu quả tối ưu.

1. Công nghệ AAO (Anaerobic-Anoxic-Oxic)

Công nghệ AAO kết hợp ba quá trình xử lý sinh học: yếm khí (Anaerobic), thiếu khí (Anoxic) và hiếu khí (Oxic). Đây là công nghệ phổ biến nhất hiện nay trong xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ và dinh dưỡng cao như nước thải thực phẩm và đồ uống.

Quy trình xử lý:

• Giai đoạn kỵ khí (Anaerobic): Chất hữu cơ phức tạp được phân hủy thành các hợp chất đơn giản hơn, đồng thời khử hydrocacbon, kết tủa kim loại nặng và photpho.
• Giai đoạn thiếu khí (Anoxic): Khử nitrat (NO3) thành khí nitơ (N2) và tiếp tục giảm BOD, COD.
• Giai đoạn hiếu khí (Oxic): Chuyển hóa amoni (NH4) thành nitrat (NO3), khử BOD, COD và các hợp chất sunfua.

Ưu điểm:

• Hiệu quả xử lý cao, đặc biệt là khả năng loại bỏ nitơ và photpho.
• Chi phí vận hành thấp hơn so với các phương pháp hóa học.
• Khả năng thích ứng tốt với dao động tải trọng.
• Tạo ra ít bùn thải hơn so với các phương pháp xử lý truyền thống.

2. Công nghệ MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor)

MBBR là công nghệ kết hợp giữa phương pháp xử lý bùn hoạt tính truyền thống và lọc sinh học. Đặc điểm nổi bật là sử dụng các vật liệu làm giá thể di động cho vi sinh vật bám dính, tăng cường hiệu quả xử lý.

Ưu điểm:

• Mật độ vi sinh vật cao hơn so với hệ thống bùn hoạt tính thông thường.
• Tải trọng xử lý hữu cơ cao hơn.
• Tiết kiệm diện tích, phù hợp với nhà máy có không gian hạn chế.
• Khả năng chống sốc tải lý tưởng cho nước thải có dao động tải trọng lớn.
• Vận hành đơn giản, ít bị nghẽn tắc.

3. Công nghệ MBR (Membrane Bioreactor)

MBR kết hợp xử lý sinh học với lọc màng, thay thế bể lắng thứ cấp trong hệ thống xử lý truyền thống bằng màng siêu lọc hoặc vi lọc.

Ưu điểm:

• Chất lượng nước đầu ra cao, có thể tái sử dụng trực tiếp.
• Loại bỏ vi khuẩn và virus hiệu quả mà không cần khử trùng.
• Tiết kiệm không gian nhờ kết hợp xử lý sinh học và lọc trong cùng một hệ thống.
• Khả năng xử lý nồng độ bùn cao, giảm sản xuất bùn thải.

4. Tuyển nổi khí hòa tan (DAF – Dissolved Air Flotation)

Công nghệ DAF đặc biệt hiệu quả trong việc loại bỏ dầu mỡ, chất rắn lơ lửng và protein – những thành phần phổ biến trong nước thải thực phẩm và đồ uống.

Nguyên lý hoạt động: Không khí được hòa tan vào nước dưới áp suất cao, sau đó được giải phóng ở áp suất khí quyển, tạo ra các bong bóng khí siêu nhỏ. Các bong bóng này gắn vào các hạt chất rắn lơ lửng, dầu mỡ và các chất có khả năng nổi, đưa chúng lên bề mặt nước, từ đó được gạt bỏ bằng thiết bị gạt cơ học.

Ưu điểm:

• Hiệu suất cao trong loại bỏ dầu mỡ (>95%).
• Thời gian lưu nước ngắn, tiết kiệm diện tích.
• Có thể kết hợp với quá trình keo tụ/tạo bông để tăng hiệu quả.

5. Công nghệ xử lý kỵ khí UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)

UASB là công nghệ xử lý kỵ khí hiệu quả, đặc biệt phù hợp với nước thải có nồng độ COD cao như trong ngành thực phẩm và đồ uống.

Ưu điểm:

• Tiết kiệm năng lượng, thậm chí có thể thu hồi năng lượng từ khí biogas sinh ra.
• Chi phí vận hành thấp do không cần cung cấp oxy.
• Tạo ít bùn thải hơn so với các quy trình hiếu khí.
• Xử lý hiệu quả nước thải có nồng độ COD cao (lên đến 10,000 mg/l).

Quy trình công nghệ xử lý nước thải chế biến thực phẩm và đồ uống điển hình

Dựa trên đặc tính của nước thải ngành thực phẩm và đồ uống, một quy trình xử lý nước thải điển hình thường bao gồm các bước sau:

1. Xử lý sơ bộ

Tách rác thô và tinh: Loại bỏ các chất rắn, rác có kích thước lớn bằng song chắn rác, lưới lọc để tránh tắc nghẽn đường ống và bảo vệ thiết bị bơm.

Bể tách dầu mỡ: Loại bỏ dầu mỡ nổi trên bề mặt nước thải, đặc biệt quan trọng với nước thải từ chế biến thực phẩm có nguồn gốc động vật.

2. Bể điều hòa

Nhiệm vụ của bể điều hòa là cân bằng lưu lượng và nồng độ nước thải, tránh hiện tượng quá tải cho hệ thống xử lý phía sau. Bể điều hòa thường được trang bị hệ thống khuấy trộn hoặc sục khí để ngăn lắng cặn và giảm mùi hôi.

3. Xử lý hóa lý

Bể keo tụ/tạo bông: Hóa chất keo tụ (như PAC) và chất trợ trạo bông (Polymer) được bổ sung để tạo thành các bông cặn lớn, dễ lắng, giúp loại bỏ các chất lơ lửng, một phần COD và màu.

Bể lắng sơ cấp hoặc hệ thống DAF: Tách các bông cặn đã được tạo thành ở bước trước ra khỏi nước thải.

4. Xử lý sinh học

Dựa trên công nghệ AAO hoặc các biến thể:

Bể UASB (xử lý kỵ khí): Xử lý sơ bộ nước thải có nồng độ COD cao, giảm tải cho các công đoạn xử lý phía sau và có thể thu hồi khí biogas.

Bể Anoxic (thiếu khí): Thúc đẩy quá trình khử nitrat (NO3-) thành khí nitơ (N2).

Bể Aerotank (hiếu khí): Bể được trang bị hệ thống sục khí, vi sinh vật hiếu khí sẽ phân hủy các chất hữu cơ còn lại, đồng thời chuyển hóa amoni thành nitrat.

5. Bể lắng thứ cấp

Tách bùn sinh học (bùn hoạt tính) ra khỏi nước thải đã xử lý. Một phần bùn được tuần hoàn về bể Anoxic để duy trì quá trình xử lý, phần dư được bơm về bể xử lý bùn.

6. Xử lý bậc cao (tùy chọn)

Lọc áp lực: Loại bỏ các chất rắn lơ lửng còn sót lại.

Khử trùng: Thường sử dụng Clo hoặc các hợp chất Clo để tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh còn lại trong nước thải.

Lọc màng RO/UF (tùy chọn): Nếu mục tiêu là tái sử dụng nước thải cho quá trình sản xuất, có thể bổ sung công đoạn lọc màng siêu lọc hoặc thẩm thấu ngược.

7. Xử lý bùn thải

Bể chứa và phân hủy bùn: Bùn từ các bể lắng được thu gom, ổn định để giảm thể tích và mùi hôi.

Thiết bị ép bùn: Tách nước khỏi bùn để giảm thể tích, tạo bánh bùn khô dễ vận chuyển và xử lý.

Ứng dụng thực tế hệ thống xử lý nước thải trong ngành thực phẩm và đồ uống

Nghiên cứu điển hình 1: Nhà máy sản xuất đồ uống Suntory PepsiCo Đồng Nai

Nhà máy Suntory PepsiCo tại Đồng Nai đã nâng cấp hệ thống xử lý nước thải để đáp ứng yêu cầu ngày càng tăng của quy mô sản xuất. Hệ thống xử lý nước thải được thiết kế với các công nghệ tiên tiến, bao gồm:

• Bể tiếp nhận với hệ thống lọc rác tinh và thô
• Bể điều hòa với hệ thống khuấy trộn
• Bể UASB để xử lý kỵ khí
• Hệ thống bể sinh học MBBR kết hợp với bể Anoxic
• Hệ thống lọc qua vật liệu thạch anh và than hoạt tính
• Hệ thống khử trùng bằng Clo

Kết quả đạt được:

• Nước thải sau xử lý đạt QCVN 40:2011/BTNMT, cột A
• Công suất xử lý đáp ứng nhu cầu sản xuất hiện tại và tương lai
• Hệ thống vận hành ổn định, tự động hóa công nghệ giúp giảm chi phí nhân công

Nghiên cứu điển hình 2: Nhà máy chế biến thực phẩm San Miguel Pure Foods

Nhà máy chế biến thực phẩm San Miguel Pure Foods tại Bình Dương đã gặp vấn đề với hệ thống xử lý nước thải khi mở rộng sản xuất. Nước thải đầu ra không đạt tiêu chuẩn về Nitơ Amonia và Tổng Nitơ theo QCVN 40:2011/BTNMT, cột A.

Giải pháp:

• Điều chỉnh các thông số vận hành của bể hiếu khí
• Bổ sung vi sinh chuyên biệt Microbe-Lift N1 chứa hai chủng vi sinh Nitrosomonas và Nitrobacter để thúc đẩy quá trình Nitrat hóa

Kết quả:

• Nitơ Amonia sau xử lý đạt 0,3 mg/l (thấp hơn QCVN 40:2011/BTNMT, cột A 10 lần)
• Tổng Nitơ sau xử lý đạt 12 mg/l, đáp ứng yêu cầu của QCVN 40:2011/BTNMT, cột A

Xu hướng phát triển và tối ưu hóa hệ thống xử lý nước thải

1. Tự động hóa và điều khiển thông minh

Các hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) và IoT (Internet of Things) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong giám sát và điều khiển hệ thống xử lý nước thải. Những ưu điểm bao gồm:

• Giám sát liên tục các thông số vận hành
• Phát hiện sớm các sự cố và bất thường
• Tối ưu hóa quá trình xử lý, giảm tiêu thụ hóa chất và năng lượng
• Lưu trữ dữ liệu vận hành phục vụ báo cáo và cải tiến liên tục

2. Kết hợp xử lý nước thải với thu hồi năng lượng

Xu hướng hiện nay là kết hợp xử lý nước thải với thu hồi năng lượng, đặc biệt là từ quá trình xử lý kỵ khí:

• Thu hồi biogas từ bể UASB để phát điện hoặc cung cấp nhiệt
• Sử dụng bùn thải làm nguyên liệu sản xuất phân bón
• Tận dụng nhiệt thừa từ nước thải để tiết kiệm năng lượng

3. Áp dụng công nghệ màng tiên tiến

Công nghệ màng như MBR, UF, RO ngày càng được cải tiến, giảm chi phí và tăng hiệu quả:

• Vật liệu màng mới với khả năng chống fouling cao hơn
• Thiết kế module màng tối ưu, giảm tiêu thụ năng lượng
• Kết hợp màng với các quá trình oxy hóa nâng cao (AOP)

4. Ứng dụng vi sinh chuyên biệt

Việc sử dụng các chủng vi sinh chuyên biệt trong xử lý nước thải đang trở thành xu hướng:

• Vi sinh chuyên biệt xử lý đạm, photpho
• Vi sinh có khả năng phân hủy các hợp chất khó phân hủy sinh học như kháng sinh, chất hoạt động bề mặt
• Vi sinh có khả năng hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ cao, pH thấp/cao)

Lợi ích kinh tế và môi trường của hệ thống xử lý nước thải hiệu quả

Lợi ích kinh tế

1. Tiết kiệm chi phí sử dụng nước: Nước sau xử lý có thể tái sử dụng cho các mục đích như vệ sinh nhà xưởng, tưới cây, làm mát, giảm chi phí sử dụng nước sạch.
2. Tránh các khoản phạt và đình chỉ hoạt động: Tuân thủ quy định về xả thải giúp doanh nghiệp tránh được các khoản phạt hành chính, thậm chí là lệnh đình chỉ hoạt động do vi phạm quy định môi trường.
3. Cải thiện hiệu quả sản xuất: Hệ thống xử lý nước thải hiện đại, tự động hóa giúp giảm chi phí vận hành, nhân công và tối ưu hóa quá trình sản xuất.
4. Tạo sản phẩm phụ có giá trị: Thu hồi dầu mỡ, khí biogas, phân bón từ bùn thải có thể tạo thêm nguồn thu nhập hoặc giảm chi phí năng lượng.