Đặc tính bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải của nhà máy sản xuất bia

TÓM TẮT – Bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia hiện đang là nguồn tài nguyên tiềm năng cho sản xuất nông nghiệp. Việc sử dụng bùn thải bia có nhiều ý nghĩa không những cung cấp nguồn dinh dưỡng đa và vi lượng cho cây trồng mà còn cải tạo tính chất đất.

Các mẫu bùn thải bia được thu tại Nhà Máy Bia Heineken (VBL) Tiền Giang và nhà máy bia Sóc Trăng. Việc phân tích các chỉ tiêu hóa, lý, sinh của bùn thải được thực hiện tại phòng thí nghiệm trung tâm phân tích hóa học, Trường Đại học Đồng Tháp và Khoa Sinh học Ứng dụng, trường Đại học Cần Thơ. Kết quả phân tích cho thấy, giá trị pH của bùn thải bia đạt ở mức gần trung tính (6,6-6,8) nhưng độ dẫn điện (EC) dao động 1,5mS/cm đến 2,1mS/cm, với giá trị này cho thấy nồng độ của các ion muối hiện diện trong bùn thải tương đối cao. Hàm lượng chất hữu cơ khá cao (37,12-54,74%), hàm lượng đạm tổng số và lân tổng số cao nhưng K tổng số thấp với các giá trị lần lượt là (1,81-2,39%N; 3,31-4,99%P₂O₅; 0,18-0,2% K₂O). Thành phần các kim loại nặng (Cd, Pb) có trong bùn thải bia đều dưới ngưỡng cho phép theo quy định của Bộ Nông nghiệp và phát triển Nông thôn. Thành phần vi sinh vật gây bệnh (E.coli và Coliform) đều vượt ngưỡng cho phép đối với mẫu gốc từ hệ thống xử lý nước thải nhưng giá trị này sẽ giảm theo thời gian phơi ngoài không khí. Mật số Salmonella cho kết quả đều ở mức không phát hiện. Hàm lượng của các nguyên tố vi lượng (Mn_ts, Zn_ts, Fe_ts, Cu_ts) đều được đánh giá là hữu dụng đối với sản xuất nông nghiệp.

1. GIỚI THIỆU

Bia là một trong năm loại thức uống được tiêu thụ lớn nhất thế giới. Lượng bia tiêu thụ trung bình hàng năm theo thống kê trên đầu người là 23 lít/người/năm (Fillaudeau et al., 2006). Theo nhiều nhà khoa học thì việc lượng nước thải được thải ra từ sản xuất bia là rất lớn, ước tính để sản xuất ra 1 lít bia thì lượng nước thải thải ra môi trường là 3-10 lít (Fillaudeau et al., 2006), trong đó lượng chất thải khô sau khi đã được lắng tụ lại (gọi là bùn thải bia) thì lượng bùn thải này chiếm khoảng 10% trong tổng thể nước thải. Ở Việt Nam, lượng bia tiêu thụ và sản xuất ngày càng nhiều. Theo báo cáo của Bộ Công Thương (2009) thì đến năm 2025 tổng sản lượng bia sản xuất đạt 6,0 tỷ lít. Từ đó, càng đặt ra nhiều hơn nhiệm vụ của nhà nghiên cứu để hạn chế ô nhiễm môi trường do hàm lượng nước thải trong chế biến gây ra.

Xuất phát từ thực tiễn trên, nếu không có phương án sử dụng chất thải này triệt để và kịp thời thì về lâu dài sẽ gây hại đến môi trường (Thomas and Rahman, 2006), thậm chí việc nhà máy để tồn đọng với số lượng lớn này có thể một số độc chất như kim loại nặng (KLN), nguồn vi sinh vật (VSV) gây bệnh trên người còn tồn tại trong bùn thải sẽ theo quy trình sản xuất và chế biến, từ đó gây hậu quả và ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường đất, nước, và sức khỏe cộng đồng (Saviozzi et al, 1994; Thomas and Rahman, 2006). Mục đích của bài viết này là cung cấp thông tin về thành phần dinh dưỡng, hàm lượng kim loại nặng và các thông số vi sinh vật gây bệnh trên động vật (như E.coli, Colifrom, và Salmonella); từ đó định hướng khả năng tái sử dụng nguồn bùn thải này trong hoạt động sản xuất nông nghiệp.

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nguồn bùn thải bia được thu từ khâu xử lý cuối cùng trong quy trình xử lý nước thải. Mẫu bùn thải được thu sau khi được tách nước 1-3 ngày và ẩm độ lúc thu đạt khoảng 60-80%. Mẫu thu cùng thời điểm, ứng với mỗi loại sẽ thu 5 vị trí khác nhau trên đóng bùn theo hình zic zắc.

Mẫu bùn thải được thu tại nhà máy sản xuất bia VBL Tiền Giang, nhà máy bia Sóc Trăng. Mẫu sau khi được thu về được trộn đều và lấy mẫu đem phân tích chỉ tiêu ẩm độ và vi sinh vật gây bệnh. Lượng bùn thải còn lại sẽ được phơi khô với nhiệt độ phòng, sau đó nghiền qua ray 0,5mm (hoặc bằng máy nghiền) và tiến hành phân tích các chỉ tiêu hóa, dinh dưỡng.

Phương pháp phân tích các chỉ tiêu được cụ thể hóa trong bảng phân tích bên dưới.

3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1. Đặc tính hóa, lý của bùn thải bia

3.1.1. Dung trọng và ẩm độ tươi

Kết quả phân tích ở bảng 3.1 cho thấy, dung trọng của các nguồn bùn thải dao động trong khoảng từ 0,16-0,24g/cm3; các mẫu vật liệu bùn thải bia có ẩm độ cao biến động trong khoảng 74,95 đến 81,43%, với ẩm độ này sẽ ảnh hưởng đến việc ủ phân hữu cơ. Do đó, trong quá trình ủ cần phối trộn chung với các nguồn vật liệu khác có ẩm độ thấp. Kết quả phân tích giá trị ẩm độ trên các nguồn vật liệu bùn bia cho thấy các nguồn vật liệu này có ẩm độ tươi cao hơn so với ẩm độ tươi của bùn cống thải (41,48-55,43%) theo báo cáo của Bùi Thị Nga (2014). Tuy nhiên, kết quả này lại tương tự như kết quả nghiên cứu trên bùn thải thủy sản của Võ Phú Đức (2013) với ẩm độ tươi của vật liệu trung bình là 82,6%.

Kết quả này cho thấy bùn thải bia có khối lượng của vật liệu ở trạng thái tự nhiên khá xốp khi được sử dụng để sản xuất phân hữu cơ.

3.1.2. pH_H2O và EC (Electrical Conductivity)

Kết quả nghiên cứu cho thấy, giá trị pH từ hai nguồn vật liệu bùn thải bia dao động từ 6,6 đến 6,8. Với giá trị pH này được xem là ở mức gần trung tính, đây là khoảng pH thuận lợi cho sự phát triển của vi sinh vật (Lê Văn Căn, 1978). Giá trị pH từ nguồn bùn thải này lại thấp hơn kết quả phân tích từ bùn cống thải của tác giả Bùi Thị Nga (2014) (pH = 7,95-8,17). Qua kết quả nghiên cứu có thể kết luận rằng, với giá trị pH đạt được các mẫu vật liệu này rất thích hợp cho việc sử dụng để ủ phân bón hữu cơ (bảng 3.2).

Kết quả phân tích EC của các nguồn bùn thai bia cho thấy, giá trị EC từ nguồn bùn thải bia dao động từ 1,53 đến 2,1mS/cm, kết quả này cao hơn giá trị phân tích EC từ bùn cống thải (EC=0,47-0,53mS/cm) theo Bùi Thị Nga (2014) và bùn thải bia (EC = 0,47mS/cm) theo Thief and Dutorr (1905). Nhìn chung, bùn thải bia có hàm hàm lượng các ion muối tương đối cao, nếu sử dụng trực tiếp bón cho cây trồng có thể sẽ gây mẫn cảm và kém năng suất trên cây. Do đó, cần kiểm tra EC của bùn thải để có biện pháp xử lý, phối trộn phù hợp. Có thể sử dụng bùn thải bia để phối trộn các nguồn vật liệu có ion muối hòa tan thấp để ủ phân hữu cơ trước khi sử dụng nguồn bùn thải này trực tiếp trên cây trồng.

3.2. Đặc tính dinh dưỡng của bùn thải bia

3.2.1. Đạm tổng số

Kết quả phân tích hàm lượng đạm tổng số từ nguồn bùn thải bia có giá trị biến thiên từ 1,81 đến 2,39%; trong đó hàm lượng đạm tổng số từ nguồn bùn thải bia ở Sóc trăng cao hơn so với nguồn bùn thải bia ở Tiền Giang. Tuy nhiên, hai nguồn bùn thải này lại có hàm lượng đạm tổng số cao hơn so với nghiên cứu trên bùn đáy ao nuôi thủy sản của Cao Ngọc Diệp và ctv (2012), Trương Quốc Phú và ctv (2012) và nghiên cứu trên bùn cống thải của Bùi Thị Nga (2014) với giá trị lần lượt là 0,66%; 0,83% và 0,17-0,38%. Mặt khác, hàm lượng đạm tổng số từ hai nguồn bùn thải này lại thấp hơn kết quả phân tích trên bùn cống thải của tác giả Anderson (1959) và tác giả D.Fytili và A.Zanbaniotou (2008) với giá trị N­_ts lần lượt là 5,6-5,96% và 2,4-5,0%. Mặt khác, hàm lượng đạm tổng số trong mẫu bùn thải bia trong phân tích này cũng cho giá trị tương tự với nghiên cứu của Võ Thị Kiều Thanh và ctv., (2012) trên mẫu bùn thải bia VBL Việt Nam (với N­_ts = 1,86%) và trên bùn bia hoạt tính của Nasmith và McKay (1918) (với N­_ts = 2,5%). Nhìn chung, kết quả phân tích cho thấy hàm lượng đạm tổng số từ nguồn bùn thải bia theo đánh giá đều đạt ở mức giàu (bảng 3.3).

3.2.2. Lân tổng số

Hàm lượng lân tổng số ((%P₂O₅) của bùn thải bia có hàm lượng đạt mức giàu vào khoảng 3,31-4,95%. Hàm lượng Pts của bùn thải từ nhà máy bia Sóc Trăng cho giá trị cao hơn hàm lượng tại nhà máy bia Tiền Giang. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu này cho kết quả tương tự như kết quả phân tích bùn cống thải của S. Anderson (1959), Fytili va Zanbaniotou (2008) và nguồn bùn thải bia của Võ Thị Kiều Thanh và ctv (2012) cho giá trị lân tổng số lần lượt là 6,97%; 2,8-11%; và 7,17%. Tuy nhiên, hàm lượng lân tổng số từ hai nguồn bùn thải này lại cao hơn nghiên cứu trên bùn đáy ao theo Trương Quốc Phú và ctv (2012), Cao Ngọc Diệp và ctv (2012), trên bùn thải bia của Ahn (1979), trên bùn bia hoạt tính của tác giả Nasmith và McKay (1918), và từ nguồn bùn cống thải của Bùi Thị Nga (2014) với giá trị của lân tổng số lần lượt là 0,72%; 0,069%; 2,28%; 2,46%; và 0,21-0,4% (bảng 3.3).

3.2.3. Kali tổng số

Hàm lượng K_ts từ nguồn vật liệu bùn thải bia thấp dao động trong khoảng 0,18-0,20%. Kết quả này tương tự như kết quả nghiên cứu trên bùn cống thải của S.Anderson (1959), của Fytili và Zabbaniotou (2008), trên bùn thải bia của Ahn (1979), của Võ Thị Kiều Thanh và ctv (2012) và trên bùn đáy ao nuôi thủy sản của Trương Quốc Phú và ctv (2012) với hàm lượng kali tổng số lần lượt là 0,56%; 0,5-0,7%; 0,33%; 0,18%; và 0,61%.

Kết quả cho thấy hàm lượng kali tổng số từ nguồn bùn thải bia cung cấp lượng kali đạt mức trung bình vì thế cần bổ sung các nguồn giàu kali hoặc bổ sung phân kali.

3.2.4 Hàm lượng chất hữu cơ từ bùn thải bia

Kết quả trong bảng 3.4 cho thấy, hàm lượng cacbon trong các mẫu bùn thải bia có hàm lượng cacbon vào khoảng từ 21,53-31,75%, tương tự như báo cáo của Thomas và Rahman (2006) với %C của bùn thải bia là 36%. Hàm lượng chất hữu cơ của hai nguồn bùn thải này được đánh giá ở mức giàu, dao động trong khoảng 37,12% đến 54,74%. Phần trăm chất hữu cơ của bùn thải bia tại nhà máy bia Tiền Giang cho giá trị hàm lượng cao hơn so với %CHC của bùn thải bia tại nhà máy bia Sóc Trăng.

Nhìn chung, các mẫu có hàm lượng cacbon tương đối cao, rất thích hợp để sử dụng làm chất độn khi ủ phân hữu cơ giúp tăng cường độ thoáng khí, hàm lượng chất hữu cơ và hoạt động của các vi sinh vật trong quá trình ủ phân hữu cơ, giúp cho quá trình hoai mục chất hữu cơ trong khối ủ xảy ra nhanh hơn.

3.3. Hàm lượng của các nguyên tố vi lượng trong bùn thải bia

3.3.1. Hàm lượng Mangan tổng số

Kết quả (Bảng 3.5) cho thấy, hàm lượng Mn_ts của bùn thải bia biến động từ 359-436mg/kg. Hàm lượng vi lượng Mn_ts của bùn thải bia được thu tại Tiền Giang cho giá trị cao hơn bùn thải bia thu tại Sóc Trăng. Mặt khác, kết quả phân tích hàm lượng vi lượng từ hai nhà máy này lại cho giá trị cao hơn giá trị nghiên cứu trên bùn thải bia tại nhà máy bia Hà Nội của Võ Thị Kiều Thanh và ctv (2012) (với Mn_ts= 93,55mg/kg) nhưng lại thấp hơn nghiên cứu cũng trên bùn thải bia của Vriens (1989) với Mn_ts = 882 mg/kg. Ngoài ra, kết quả phân tích trên cũng cho giá trị tương tự với nghiên cứu trên bùn cống thải của Fytili và Zanbaniotou (2008), S.Anderson (1959) và của Ben Rebah và ctv (2002) khi phân tích trên bùn thải đô thị và công nghiệp với giá trị Mn_ts lần lượt 260mg/kg, 134mg/kg; và 292-294mg/kg. Kết quả phân tích này cho thấy hàm lượng vi lượng Mn tổng số trong bùn thài này đều đóng góp và thành phần dinh dưỡng vi lượng cho cây trồng.

3.3.2. Hàm lượng Kẽm

Giá trị hàm lượng kẽm tổng số trong bùn thải bia đạt từ 132mg/kg đến 140mg/kg. Trong đó hàm lượng Zn_ts trong nguồn bùn thải của Tiền Giang đạt giá trị cao hơn trong bùn thải bia ở Sóc Trăng. Tuy nhiên, hàm lượng Zn_ts trong bùn thải bia từ kết quả phân tích này tương tự như kết quả nghiên cứu của Ahn (1979) khi nghiên cứu trên bùn thải bia (với Zn_ts = 142-200mg/kg). Ngoài ra, hàm lượng Zn_ts của cả hai nguồn bùn thải trên đều cho giá trị thấp hơn của S.Anderson (1959), Fytili và Zanbaniotou (2008) khi nghiên cứu trên bùn cống thải và của Ben Rebah và ctv (2002) khi nghiên cứu trên bùn thải đô thị và công nghiệp với giá trị lần lượt của hàm lượng Zn_ts là 2500 mg.kg-1, 1700mg.kg-1; và 403-1308mg.kg-1.

Tuy nhiên, đối với giá trị vi lượng của kẽm tổng số thì nhìn chung, hàm lượng Zn trong các mẫu vật liệu vẫn dưới ngưỡng cho phép của hợp chất kim loại trong bùn thải theo QCVN 07/2009/BTNMT và đạt mức tối hảo đối với hàm lượng vi lượng trong đất.

3.3.3. Hàm lượng Sắt tổng số

Hàm lượng phần trăm Fe₂O₃ tổng số trong các nguồn nguyên bùn thải dao động trong khoảng 0,24-1,51%, được đánh giá từ trung bình đến cao (Bảng 3.5). Hàm lượng Fe₂O₃ đạt giá trị cao nhất là mẫu bùn thải bia được thu tại tỉnh Tiền Giang (với Fe₂O₃= 1,51%). Kết quả này đều tương tự như các nghiên cứu của Vriens (1989), Võ Thị Kiều Thanh (2012) từ bùn thải bia và trên bùn cống thải của Fytili và Zanbaniotou (2008), với giá trị Fe₂O₃ lần lượt là 0,37%; 0,79%; và 0,48%. Tuy nhiên, giá trị này lại thấp hơn nghiên cứu trên bùn thải của Ben Rebah và ctv (2002) với hàm lượng Fe₂O₃đạt 2,45-4,27%.

Nhìn chung, với giá trị này cũng được cho là hàm lượng tối hảo của vi lượng Fe₂O₃ tổng số. Tuy nhiên, khi Fe₂O₃ tổng số đạt giá trị cao thì ta cũng cần được quan tâm nghiên cứu vì mức Fe₂O₃ tổng số cao có thể gây ngộ độc trên những vùng đất có pH đất thấp.

3.3.4. Hàm lượng Đồng tổng số

Hàm lượng Cu trong các mẫu bùn thải bia phân tích cho giá trị từ 201-454mg/kg). Kết quả nghiên cứu hàm lượng này tương tự với kết quả nghiên cứu từ bùn thải bia của Vriens (1989),Võ Thị Kiều Thanh (2012), trên bùn cống thải của S. Anderson (1959) và của Fytili và Zanbaniotou (2008), với giá trị Cuts lần lượt là 110-1790mg/kg; 89,6 mg.kg-1; 916mg/kg; và 800mg.kg-1.Tuy nhiên, giá trị này lại thấp hơn nghiên cứu trên bùn thải đô thị và công nghiệp của Ben Rebah và ctv (2002) với hàm lượng 709-1254mg/kg.

3.4. Hàm lượng kim loại nặng có trong vật liệu nghiên cứu

3.4.1. Hàm lượng Chì

Kết quả phân tích hàm lượng chì của các mẫu vật liệu được thể hiện cụ thể trong hình 3.1 cho thấy, trung bình hàm lượng Pb của các bùn thải bia biến động trong khoảng 0,25- 0,55mg/kg. So với thông tư số 36 /2010/TT-BNN&PTNT quy định về ngưỡng gây hại của các kim loại nặng có trong các loại phân bón hữu cơ thì các mẫu vật liệu này đều dưới ngưỡng cho phép của thông tư với Pb ≤ 300mg/kg, kết quả này tương tự như kết quả nghiên cứu của Vriens (1989) và Võ Thị Kiều Thanh và ctv (2012) khi phân tích hàm lượng chì trên nguồn bùn thải bia và của Ben Rebah và ctv (2002) trên bùn thải đô thị và công nghiệp với giá trị lần lượt theo thứ tự là 7ppm, 8,88ppm, 87-158ppm. Do đó, các nguyên vật liệu này vẫn có thể tái sử dụng để sản xuất phân bón trong ngành nông nghiệp.

3.4.2. Hàm lượng Cadimi

Từ kết quả phân tích như hình 3.2 cho thấy, hàm lượng Cd trong mẫu bùn thải dao động từ 0,11-0,55mg/kg. Nhìn chung, các mẫu bùn thải này đều đạt tiêu chuẩn cho phép theo thông tư số 36 /2010/TT-BNNPTNT về ngưỡng cho phép của Cd (≤ 2,5mg/kg). Mặt khác, giá trị của hàm lượng Cd trong các nguồn vật liệu cao hơn các nghiên cứu của Vrien (1989) khi phân tích tren bùn thải bia và của Ben Rebah và ctv (2002) khi nghiên cứu trên bùn thải đô thị và công nghiệp kết quả từ các tác giả này đều cho hàm lượng Cd ở mức không phát hiện. Mặc dù vậy, một nghiên cứu của Fytili và Zanbaniotou (2008) thì lại cho kết quả hàm lượng Cd rất cao (10ppm) khi phân tích hàm lượng kim loại nặng này trong nguồn bùn cống thải. Do đó, cần kiểm tra các nguồn vật liệu này để có biện pháp sử dụng hợp lý trong phối trộn để ủ phân hữu cơ.

3.5. Mật số vi sinh vật gây bệnh từ bùn thải bia

Giá trị của một số loại vi sinh vật gây bệnh (E.coli, Coliform, và Salmonella) trong mẫu bùn thải bia được thể hiện qua bảng số liệu 3.6. Kết quả phân tích cho ta thấy hàm lượng mật số vi sinh vật có xu hướng giảm theo thời gian phơi mẫu ngoài không khí. Mật số Ecoli trên bùn thải bia thu tại Tiền Giang có mật số Ecoli vượt so với QCVN (theo Thông tư 41/2014/BNNPTNT), nhưng mật số của chúng có chiều hướng giảm khi ta đem mẫu phơi nắng 3 ngày. Trong khi đó, mẫu thu tại Sóc Trăng có mật số E coli thấp hơn so với QCVN. Tuy nhiên, mật số Coliform thu được thu trực tiếp ở cả 2 địa điểm (Tiền Giang và Sóc Trăng) đều vượt ngưỡng cho phép. Nhưng, mật số Colifrom đều giảm thấp khi có xử lý nhiệt. Mật số Salmonella của cả hai vị trí thu mẫu bùn thải đều không phát hiện, phù hợp với quy đinh của Thông tư 36/2010/BNNPTNT về ngưỡng cho phép của bùn thải.

4. KẾT LUẬN

Nhìn chung, nguồn bùn thải bia được thu tại Sóc Trăng và Tiền Giang đều rất phù hợp cho việc tái sử dụng làm phân hữu cơ phục vụ cho sản xuất nông nghiệp, giảm ô nhiễm môi trường. Các kết quả phân tích trong nghiên cứu cho ta thấy giá trị pH của bùn thải bia đạt ở mức gần trung tính (6,6-6,8). Hàm lượng dưỡng chất trong bùn thải đều đạt mức giàu như % chất hữu cơ được đánh giá khá cao (37,12-54,74%), hàm lượng đạm tổng số và lân tổng số cao với các giá trị lần lượt là (1,81-2,39%N; 3,31-4,99%P₂O₅). Thành phần các kim loại nặng (Cd, Pb) có trong bùn thải bia đều dưới ngưỡng cho phép. Thành phần vi sinh vật gây bệnh (E.coli và Coliform) đều vượt ngưỡng cho phép đối với mẫu gốc từ hệ thống xử lý nước thải nhưng giá trị này sẽ giảm theo thời gian phơi ngoài không khí. Mật số Salmonella đều ở mức không phát hiện phù hợp với QCVN về ngưỡng cho phép của mật số vi sinh vật gây bệnh trong bùn thải và phân bón.

Nguyễn Thị Phương (Khoa Tài nguyên và Môi trường, Đại học Đồng Tháp)
Lê Văn Mến (Sinh viên ngành Quản lý đất đai 2013 C, Đại học Đồng Tháp)