بخشی از مقاله
مطالعه ای بر روش های تصفیه فاضلاب صنعت تولید خمیر مایه
چکیده:
صنعت تولید خمیرمایه باعث تولید حجم زیادی فاضلاب با بار آلودگی زیاد شده و منجر به خطرات بسیار جدی برای محیط زیست می شود. ملاس اساساَ به عنوان ماده خام اصلی در تولید خمیر مایه به کار می رود. ملاس حاوی 45-50% شکر باقی مانده، 15-20% مواد آلی بدون شکر، 10-15% خاکستر ( کود) و حدود 20% آب می باشد. طی تخمیر خمیر مایه، شکرهای موجود در ملاس منبع کربن و انرژی می باشند. بخش عمده مواد بدون شکر در ملاس توسط خمیر مایه قابل جذب نمی باشند و بدون تغییر در فاضلاب آزاد می شوند. این ترکیبات پس ماند اصلی در فرایند خمیر مایه می باشند. علاوه بر مواد شیمیایی اضافه شده طی
تخمیر ( آنتی فوم ها ، پروپیونیک اسید ، آب نمک و ...). متابولیتهای و سل های باقی مانده خمیر مایه در فاضلاب وجود دارند . درصد بالای مواد آلی و معدنی موجود در پساب واحدهای صنایع غذایی به ویژه صنایع تولید خمیر مایه ، به عنوان یکی از مشکل ترین پساب های صنعتی مطرح شده است، از طرف دیگر وجود مواد سمی نظیر ترکیبات آروماتیک به خصوص فنول ها و درصد بالای مواد معدنی و pH پایین برمشکلات تصفیه این پساب ها افزوده است. ملاس نیشکر همچنین حاوی حدود 2% رنگدانه قهوه ای که ملانوئید نام دارد می باشد که باعث تیره شدن فاضلاب می گردد. بنابراین یک تصفیه مناسب قبل از تخلیه این فاضلاب به محیط زیست ضروری می باشد. در این مطالعه، به مقدمه ای بر ضرورت تصفیه فاضلاب صنعت تولید خمیر مایه و معرفی مشخصات این فاضلاب به منظور یافتن گزینه های مناسب برای تصفیه آن و انواع روشهای تصفیه بیولوژیکی هوازی و غیر هوازی، شیمیایی و فیزیکوشیمیایی جهت تصفیه پذیری و هم چنین به روش هایی جهت دفع ضایعات کارخانه تولید خمیر مایه و حذف بیولوژیکی رنگ پساب توسط میکروارگانیزمها اشاره گردیده است.
واژه های کلیدی: فاضلاب صنعت تولید خمیر مایه، تصفیه هوازی، تصفیه بی هوازی، اکسیژن مورد نیاز شیمیایی
مقدمه:
صنعت تولید خمیرمایه باعث تولید حجم زیادی فاضلاب با بار آلودگی زیاد شده و منجر به خطرات بسیار جدی برای محیط زیست می شود. ملاس اساساَ به عنوان ماده خام اصلی در تولید خمیر مایه به کار می رود. ملاس حاوی 45-50% شکر باقی مانده، 15-20% مواد آلی بدون شکر، 10-15% خاکستر ( کود) و حدود 20% آب می باشد. طی تخمیر خمیر مایه، شکرهای موجود در ملاس منبع کربن و انرژی می باشند. بخش عمده مواد بدون شکر در ملاس توسط خمیر مایه قابل جذب نمی باشند و بدون تغییر در فاضلاب آزاد می شوند. این ترکیبات پس ماند اصلی در فرایند خمیر مایه می باشند. علاوه بر مواد شیمیایی اضافه شده طی تخمیر ( آنتی فوم ها ، پروپیونیک اسید ، آب نمک و ...). متابولیتهای و سل های باقی مانده خمیر مایه در فاضلاب وجود دارند.
درصد بالای مواد آلی و معدنی موجود در پساب واحدهای صنایع غذایی به ویژه صنایع تولید خمیر مایه ، به عنوان یکی از مشکل ترین پساب های صنعتی مطرح شده است، از طرف دیگر وجود مواد سمی نظیر ترکیبات آروماتیک به خصوص فنول ها و درصد بالای مواد معدنی و pH پایین برمشکلات تصفیه این پساب ها افزوده است. ویژگی های فاضلاب صنایع خمیر مایه به مواد خام استفاده شده بستگی دارد و همچنین تخمین زده می شود که حدود 88% از ترکیبات ملاس تبدیل به پساب می شوند. ملاس نیشکر همچنین حاوی حدود 2% رنگدانه قهوه ای که ملانوئید نام دارد می باشد که باعث تیره شدن فاضلاب می گردد. ملانوئیدها پلیمرهایی هستند که ممکن است وزن مولکولی بالا یا پایین داشته باشند، این ترکیب یکی از محصولات نهایی واکنش Millard است که از احیا شکر و آمینو اسیدها در یک فرایند غیرآنزیمی حاصل می شود که این واکنش به طور بسیار موثری در دماهای بالای 50 درجه سانتی گراد و در pH=4-7 انجام می شود، از ملانوئیدها فقط حدود 6-7% در سیستم های تصفیه بیولوژیکی بی هوازی- هوازی، قابل تجزیه بیولوژیکی می باشند، که این به دلیل خواص آنتی اکسیدان این ترکیب می باشد که برای بسیاری از میکرواگانیسم ها در سیستم های تصفیه فاضلاب سمی می باشد. علاوه بر ملانوئیدها، فاضلاب صنایع خمیر مایه ممکن است حاوی ترکیبات رنگی دیگر مانند فنول ها و ملانین ها نیز باشد که فنول ها بیشتر در فاضلاب ملاس نیشکر وجود دارد در حالی که ملانین بیشتر در فاضلاب چغندر وجود دارد. COD فاضلاب تولید شده از صنایع تولید خمیر مایه درمحدوده 80-100 g/l می باشد که از این میزان حدود 40- 50 g/l آن قابل تجزیه بیولوژیکی و بقیه آن غیرقابل تجزیه بیولوژیکی می باشد. همچنین این فاضلاب ( در صورت تخلیه به منابع آب ) حاوی مقادیر بسیار بالای نیتروژن((225-3038 mg/l، فسفر-(1660 4200 mg/l)و پتاسیم می باشدکه این ترکیبات می توانند باعث پدیده ایوتروفیکیشن در منابع ذخیره کننده آب شوند. علاوه بر این، رنگ تیره از ورود نور خورشید به داخل آب جلوگیری می کند و فرایند فتوسنتز را به تاخیر می اندازد و بنابراین برای زندگی موجودات آبزی بسیار مضر می باشد. مطالعات انجام شده بر کیفیت آب رودخانه آلوده شده با فاضلاب صنایع خمیر مایه نشان می دهد که مقادیر بسیار بالای (1.6- 21 g/l) BOD تا شعاع 8 کیلومتری وجود دارد، بنابراین یک تصفیه مناسب قبل از تخلیه این فاضلاب به محیط زیست ضروری می باشد. علاوه بر آلودگی ، قوانین محیط زیست شدید در کارخانجات تولید خمیر مایه را مجبور به بهبود روش های تصفیه موجود و همچنین ابداع روش های جدید برای تصفیه پساب می کند. در سال های اخیر، روش های فیزیکی، شیمیایی، فیزیکو-شیمیایی و بیولوژیکی مختلفی برای تصفیه این نوع پساب پیشنهاد شده است که در ادامه به بررسی جامع و تحلیل آنها پرداخته می شود.
تصفیه بیولوژیکی
وجود BOD و COD بالا اهمیت تصفیه این پساب را به صورت بیولوژیکی نشان می دهد . حضور بعضی مواد سمی مانند فنول ها، مواد آروماتیک و وجود مواد معدنی به مقدار زیاد که به سختی توسط میکروارگانیزمها تجزیه می شوند از جمله مشکلات تصفیه این پساب به روشهای بیولوژیکی می باشد.
-1 فرایند بی هوازی
مقدار زیاد مواد آلی باعث شده است که تصفیه بی هوازی در مقایسه با روش تصفیه هوازی مستقیم، جذاب تر و پر کاربردتر باشد
.بنابراین متان سازی بیولوژیکی، مرحله اولیه تصفیه این فاضلاب با بار آلودگی زیاد می باشد، البته بعد از این واحد اغلب دو مرحله تصفیه هوازی قبل از تخلیه به محیط زیست یا استفاده برای آبیاری وجود دارد. تصفیه هوازی اغلب نه تنها به دلیل مصرف زیاد انرژی برای هوادهی و خشک سازی و غیره، مقرون به صرفه و امکان پذیر نیست، بلکه همچنین حدود %50 از COD بعد از تصفیه هوازی به لجن تبدیل می شود. در مقابل تصفیه بی هوازی بیش از 50% از COD را به بیوگاز تبدیل می کند. تصفیه بی هوازی به طور موفقیت آمیزی در سرعت های زیاد بار گذاری مواد آلی به کار می رود. همچنین بیوگاز تولید شده را می توان برای تولید بخار در بویلرها به کار برد، بنابراین باعث کاهش مصرف انرژی در مرحله تولیدی می شود. علاوه بر این تولید لجن کمتر و نیاز کمتر به مواد مغذی از دیگر مزایای این روش می باشد. کارایی تصفیه فرایند های بی هوازی می تواند توسط نوع میکروارگانیسم و فرایند پیش تصفیه خوراک تحت تاثیر قرار بگیرد. به ویژه تصفیه گرمایی فاضلاب می تواند منجر به تجزیه پذیری سریع مواد آلی در زمان ماند هیدرولیکی کوتاه، سرعت بالای بارگذاری BOD و کاهش سریع آن شود. به هر حال مقدار متان و مقادیر گرمازا بودن بایوگاز تولید شده از سیستم های ترموفیلیک بالا می باشد .
در روش بی هوازی، باکتری های تولید کننده اسید، قندهای موجود درپساب را به اسیدهای آلی از جمله بوتیریک اسید و استیک اسید تبدیل می کنند، مقادیر جزئی آمینو اسیدها و مواد آلی نیتروژن دار نیز شکسته شده و تولید یون آمونیم می کنند. در نهایت
باکتری های متان زا اسیدهای آلی را به متان و دی اکسید کربن تبدیل می کنند و حدود600 لیتر گاز حاوی %65 متان به ازای هر کیلو گرمBOD تجزیه شده به وجود می آورند. در جریان تجزیه بی هوازی، باکتری های احیا کننده سولفات نیز فعال بوده و سولفات موجود در پساب را به یون سولفید احیا می کنند . (Maiorella et al., 1983:90-91)
در برخی واحدها بازیافت آمونیاک از پساب کارخانجات تولید الکل و خمیر مایه امکان پذیر بوده، به این صورت کهpH پساب خروجی را برای آزاد کردن آمونیاک بالا می برند، مایع خروجی ضمن تماس با هوا آمونیاک را آزاد می کند، آمونیاک آزاد شده در یک برج جذب، جذب اسید می شود .نمک آمونیوم ایجاد شده پس از تغلیظ می تواند به عنوان خوراک برای عمل تخمیر یا به عنوان کود به فروش برسد.(.(Skogman, 1979:164 همانطور که ذکر شد اگرچه استفاده مستقیم از سیستمهای بیولوژیکی هوازی برای تصفیه پساب هایی که مواد آلی بالایی دارند به دلیل مسایل اقتصادی و ایجاد توده لجن با مشکل مواجه بوده است، لیکن تلفیق آن با روش های بی هوازی دارای فوایدی است که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:
-1 نیاز به انرژی کم -2 تبدیل مواد آلی به بیوگاز(که می تواند انرژی لازم برای فرایند تخمیر را فراهم کند)
-3 تولید کمترین مقدار لجن و کاهش مواد مغذی مورد نیاز را میتوان نام برد. این شرایط باعث شده است بررسی های فراوانی در مقیاس آزمایشگاهی و پایلوت در این زمینه انجام گیرد و روشهای بی هوازی متنوعی برای این امر توسعه یابد.
برکه های بی هوازی
سادگی و به صرفه بودن این روش توانسته است آن را به عنوان یک روش معمول هضم بی هوازی در پساب های تولید الکل و مواد غذایی معرفی کند . در این روش پساب خروجی در برکه هایی که 3 تا 6 متر عمق دارند ذ خیره شده و طی چندین روز تحت شرایط بی هوازی تجزیه می شوند، این فرایند اقتصادی بوده و بار BOD زیادی را نیز می توان به آن وارد کرد، زیرا مشکل دفع لجن اضافی کمتر است . برای راه اندازی این برکه ها از فضولات تازه گاو استفاده می شود و در ابتدا بار کمی را به سیستم وار د می کنند و پس از افزایش راندمان سیستم بتدریج بار را افزایش می دهند. هر چند این روش، روش ارزانی برای تصفیه است ولی به فضای زیادی نیاز دارد و برای محیط های شهری مناسب نیست. و چون سطح این برکه ها باز است باعث ایجاد بوهای نامطبوع و همچنین تکثیر حشرات موذی می گردد که از معایب آن به شمار می رود. واحدهایی که فاقد فضای لازم می باشند نمی توانند ازاین روش استفاده کنند. با پوشاندن سطح برکه ها می توان مشکل خروج گازهای آلوده کننده را برطرف کرد. امروزه برای جلوگیری از مشکل آلودگی های زیرزمینی استفاده از ورق های پلاستیکی برای عایق بندی کف برکه ها متداول شده است . با این تدابیر می توان این روش را به عنوان روشی مناسب برای تصفیه پساب صنایع تولید الکل و دیگر صنایع غذای با بار آلودگی زیاد در نظر گرفت، هرچند که هزینه های ساخت این نوع واحدهای تصفیه در مقایسه با برکه های ساده بی هوازی به مقدار قابل توجهی افزایش می یابد .
, (1998:2707-2713)Ince گزارش داد که به کار گیری دو برکه بی هوازی به صورت سری باعث می شود که میزان COD خروجی به سطح 600mg/l کاهش یابد. اما به هر حال این سیستم به فضای بسیار زیادی نیاز دارد، همچنین شکل نامناسب و احتمال آلوده شدن آب های زیرزمینی نیز در این روش وجود دارد. اگرچه هنوز برکه ها برای تصفیه پساب های غلیظ به کار می رود اما به هر حال راکتورهای بی هوازی با سرعت بالا، عمومی و پر کاربردتر هستند. از مزیت های این راکتورها جدا شدن زمان ماند هیدرولیکی((HRT از زمان ماند سلولی (SRT) می باشد، آن چنان که میکروارگانیسم های بی هوازی با رشد کند می توانند مستقل از سرعت جریان فاضلاب در راکتور باقی بمانند .
تصفیه هوازی
فاضلاب خارج شده از مرحله بی هوازی دارای مقادیر زیادی مواد آلی و رنگ قهوه ای روشن می باشد از این رو یک تصفیه هوازی بعد از تصفیه بی هوازی لازم می باشد. خشک کردن با استفاده از نور خورشید یکی از گزینه های تصفیه است اما این روش نیازمند فضای زیادی می باشد و همچنین این روش در طول فصول بارندگی قابل اجرا نیست سایر روش هایی که برای تصفیه فاضلاب خروجی از ناحیه بی هوازی وجود دارد در زیر آمده است :
- وتلندهای ساختگی
Billore (2001:275-286) یک وتلند ساختگی را برای تصفیه فاضلاب ملاس خارج از ناحیه بی هوازی به کار برد. فاضلاب خروجی از ناحیه بی هوازی دارای BOD حدود 2500mg/l و COD حدود1400mg/l بود. این وتلند ساختگی برای به دام انداختن جامدات معلق با دانه های شن پر شده بود. زمان ماند وتلند 14.4d بود و کارایی آن برای حذفTSS, BOD, COD وفسفر به ترتیب %64، %85،%42و%79 بود.
- کمپوست سازی بیولوژیکی
فاضلاب ملاس به طور مستقیم یا بعد از مرحله بی هوازی در یک حالت کنترل شده روی نیشکر فشرده شده پاشیده می شود بعد کیک فیلتر شده در فرایند زلال سازی در کارخانه شکر به دست می آید. کمپوست سازی بیولوژیکی یک فرایند هوازی و ترموفیلیک می باشد که نتیجه آن یک محصول غنی از مواد معدنی می باشد که به عنوان کود مورد استفاده قرار می گیرد. رایجترین روش که بعد از مرحله بی هوازی استفاده می شود فرایند لجن فعال می باشد که در آن تلاش های زیادی در بهبود ساختار راکتورها و کارایی آنها انجام گرفته است. به عنوان مثال راکتورهای ناپیوسته متوالی هوازی((SBR یک تکنولوژی نوید بخش برای تصفیه پساب های ناشی از کارخانه های سازنده آبجو می باشد، این راکتورها از یک واحد ته نشینی اولیه، یک واحد نگه دارنده واسطه، دو تانک ذخیره و یک تانک هوازی تشکیل شده است. در سال 1997 از یک واحد SBR با زمان ماند 7 ساعت برای تصفیه فاضلاب نیشکر استفاده کرد، نتایج نشان داد که این سیستم قابلیت حذف BOD %97 وCOD %93 را دارد .یک راکتور دیگر که برای تصفیه فاضلاب استفاده می شود راکتورهای بیولوژیکی چرخان((RBC می باشند 1991:375) ، Bazua .( et al این سیستم از یک واحد بی هوازی300 لیتری با بستر شناور که با یک راکتور 3000 لیتری ، RBC کوپل شده بود ساخته شد . هر دو راکتور با فاضلاب خام ویناس با COD بین 60 تا 70 گرم بر لیتر مورد آزمایش قرار گرفتند . با زمان های ماند دو روز و سرعت بار گذاری 20 Kg COD/m3.d واحد بی هوازی حدود 70% COD را حذف می کرد در حالیکه کمتر از 64% از COD در واحد هوازی حذف می شد .
