مژگان قربانی
دکتری تخصصی مهندسی محیط زیست
چکیده
با توجه به رشد روز افزون جمعیت و کمبود منابع آب تصفیه پساب و استفاده مجدد از آن اهمیت پیدا می کند، یکی از محدودیت های پساب وجود فلزات سنگین است. فاضلابهای صنعتی غالبا حاوی موادی هستند که در روش های تصفیه متداول حذف نمی گردند. فلزات سنگین از جمله مهمترین آلاینده های آب در صنایع مختلف از جمله واحدهای تولیدی فولاد می باشد. آب به عنوان یکی از عناصر ضروری در هر کارخانه فولاد پس از عبور از مراحل مختلف آلوده و تبدیل به فاضلاب می شود. تخلیه این فاضلاب در منایع آب سطحی و زیر زمینی باعث آلودگی شدید محیط زیست می گردد. با تصفیه مناسب این نوع فاضلاب علاوه بر تامین آب مورد نیاز جهت آبیاری یا شستشو، میتوان از آلوده نمودن منابع طبیعی آب نیز جلوگیری به عمل آورد. استفاده از روش ستون جذب با استفاده از کربن فعال پودری (PACT) روش نوینی در صنعت تصفیه آب و فاضلاب می باشند.
واژه‌های کلیدی: کربن فعال پودر(PACT)، حذف فلزات سنگین، جذب، تصفیه پساب، صنایع فولاد.
مقدمه
صنایع فولاد یکی از مهمترین صنایع مصرفکننده آب و دارای مصارف آب متنوع و فراوانی میباشد. آب مصرفی در این صنایع دارای حجم بالایی بوده و آب در واحدهای مختلف این صنایع شامل انباشت و برداشت، گندلهسازی، ذوب و پالایش، ریختهگری و …، مصرف شده و حجم بالایی از پساب حاوی یون های فلزی را تولید می نماید. قسمت اعظم پساب صنایع آهن و فولاد از بخش خنک سازی، تولید می شود. همچنین پساب بخش جمع آوری گرد و غبار، دارای مقادیر متنابهی ذرات معلق جامد است که این مواد با روغن، آهن و اسید همراه هستند. از جمله عمده ترین آلایند ه هاییکه در این گونه پسابهای به چشم می خورد، می توان به فلزات سنگین از قبیل کروم، مس، نیکل، روی، کادمیوم و غیره اشاره کرد که به شدت برای انسان و محیط زیست سمی و خطرناک می باشند. باتوجه به حجم بالای این پساب تخلیه آن به محیط بدون رعایت موارد کنترلی میتواند صدمات قابل توجهی به محیط زیست وارد نماید. در دهه های اخیر مقررات و محدودیت های قانونی متعددی در مورد روش های تصفیه و دفع فاضلابهای صنعتی به محیط زیست وضع شده است. با توجه به این امر متخصصان، تصفیه پساب و استفاده مجدد از آب حاصل از تصفیه را برای این صنعت پیش بینی کرده اند، تکنولوژی نوین امروز قادر به بازیافت بیش از ۹۰% از آب مصرفی از پسابهای مذکور است. این امر ضمن رفع مشکلات زیست محیطی و حفظ منابع آبی از نظر اقتصادی نیز برای این صنعت بسیار حائز اهمیت است. ]۱[
پسابهای تولیدی صنایع فولاد:
به منظور بررسی روشهای تصفیه و استفاده بهینه از پسابهای این صنایع، در قدم اول پسابهای تولیدی ازنظر کمی و کیفی مورد شناسایی قرار می گیرند. آنالیـزهای انجامشده در چهار گروه خواص فیزیکی، فلزات سنگین، مواد مختلف موجود در پساب (مانند یونها، چربی و روغن، TDS، TSS، SS، دترجنتها) و پارامترهای میکروبی و بهداشتی (BOD، COD، DO و کلیفرم) انجام می پذیرند، که براساس نتایج حاصل از آزمایشهای یاد شده برای انواع پساب تولیدی در کارخانه و همچنین باتوجه به هر یک از پسابها درخصوص تصفیه، دفع و یا استفاده مجدد پساب در بخشهای مختلف کارخانه پیشنهادهایی ارائه و از نظر فنی و اقتصادی مورد بررسی و مقایسه قرار می گیرند و درنهایت پیشنهادهای بهینه انتخاب می شوند.
با توجه به کیفیت فاضلاب های تولیدی، ۲ نوع سیستم تصفیه فاضلاب پیشنهاد می گردد.
- سیستم تصفیه فاضلاب صنعتی
- سیستم تصفیه فاضلاب بهداشتی
سیستم تصفیه فاضلاب صنعتی:
کیفیت فاضلاب های صنایع فولاد بسته به نوع فرآیند متنوع می باشد، اما برای اکثر این فاضلاب ها، فرآیند زیر قابل استفاده می باشد.
آشغالگیری، متعاداسازی، ایستگاه پمپاژ، چربی گیری، انعقاد و لخته سازی، ته نشنی و فیلتر شنی.
سیستم تصفیه فاضلاب بهداشتی:
کیفیت فاضلاب های بهداشتی معمولا در همه جا یکسان می باشد و لذا با توجه به حجم فاضلاب بهداشتی تولیدی، ابعاد تصفیه خانه مشخص می شود. فرآیند تصفیه فاضلاب برای اجتماعات زیر ۵۰۰۰ نفر معمولا هوازی گسترده می باشد. و شامل قسمتهای زیر می باشد
آشغالگیری، متعادلساز، ایستگاه پمپاژ، لجن فعال از نوع هوازی گسترده، ته نشینی، کلر زنی، هاضم لجن.
انواع روشهای جذب و دفع فلزات سنگین در پساب صنایع:
الف: روشهای حذف فیزیکو شیمیایی
رسوبدهی شیمیایی با آهک و سود، حذف فلزات سنگین با استفاده از فرآیند PACT ، استفاده از نانوتکنولوژی، اکسیداسیون و احیاء شیمیایی، جذب سطحی، الکترودیالیز، فیلتراسیون، فرآیند تبادل یون ( بازیابی مس، نیکل، کروم، کادمیوم و روی) ، فرآیندهای غشایی از قبیل: اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون.
ب: روشهای حذف بیولوژیکی:
فرآیند بیوجذب، حذف فلزات سنگین و بازیافت مس و روی از محلول های آبی توسط بیومس غیرفعال جلبک قهوه ای سارگاسوم، حذف فلزات سنگین کادمیم و مس توسط ماکروجلبک دریایی، کاربرد کیتوزان در حذف فلزات سنگین از آب و فاضلاب، فیتواکسترکشن (Phytoextraction)
ج: استفاده از نانو تکنولوژی:
ذرات نانو ساختار انعطاف پذیر زیادی در تصفیه آلاینده ها دارند. از طرفی در روشهای متداول رفع آلودگی فلزات سنگین شاهد واکنشهای جانبی می باشیم که خود عاملی مضر برای محیط زیست هستند اما در این روش تولید این محصولات جانبی نامطلوب به صفر می رسد. اساس کار این روش بر پایه نانو فیلتراسیون یا جداسازی مواد حل شده از حلال با گذراندن محلول از غشایی که قطر منافذ آن بین ۵/۰ تا ۲ نانو متر میباشد، استوار است. ذرات نانو ساختار با پایه آهنی قادر به تجزیه آلودگیهای بسیار پایدار همچون فلزات سنگین(نیکل و جیوه) می باشد. ]۲[
روش تحقیق
روش PACT
فرآیند ترکیبی پودر کربن فعال- لجن فعال جهت تصفیه فاضلابهای صنعتی با ترکیبات دیر تجزیه شونده مانند فلزات سنگین بکار می رود. در سه دهه اخیر کاربرد این روش بدلیل هزینه کمتر، بازدهی بالاتر و تجهیزات ساده تر نسبت به روشهای دیگر، گسترش یافته است. افزوده این پودر به فاضلابهای صنعتی باعث افزایش سرعت تجزیه زیستی مواد آلی و فلزات سنگین، افزایش سرعت ته نشینی و تغلیظ لجن و در نتیجه افزایش امکان تجزیه مواد دیر تجزیه شونده می گردد. همچنین استفاده از پودر کربن فعال سبب افزایش راندمان حذف رنگ، کدورت، COD، BOD میشود.
کاربرد فرایندPACT در حذف فلزات سنگین از فاضلاب های صنعتی
فرآیند ترکیبی پودر کربن فعال-لجن فعال (PACT) به عنوان فرآیندی جهت تصفیه فاضلابهای صنعتی از جمله صنایع فلزی با بار آلی زیاد و وجود ترکیبات دیر تجزیه شونده و یا بازدارنده رشد میکروبی همچون فلزات سنگین مورد استفاده قرار می گیرد. در سه دهه اخیر کاربرد فرآیندPACT جهت تصفیه فاضلابهای صنعتی گسترش فراوانی یافته است کاربرد این فرآیند به دلیل حصول بازدهی مشابه با دیگر روشهای پیشرفته و هزینه های سرمایه گذاری و بهره برداری کمتر و نیز سادگی تجهیز سیستم های در حال بهره برداری و عملیات نسبتا ساده کنترل و بهره برداری از واحدها به ویژه برای تصفیه فاضلابهای صنعتی و حذف با آلی قابل تجزیه سریع، مواد آلی دیر تجزیه شونده، ترکیبات ویژه معدنی و آلی مانند رنگ، عناصر فلزی، ترکیبات حلقوی و مواد باز دارنده رشد در دهه های اخیر در بسیاری از مراکز صنعتی و تصفیه خانه های فاضلاب شهری و صنعتی مورد استقبال واقع شده است. مطالعات و تجربیات نشان می دهند که مهمترین دلایل افزایش بازدهی حذف فلزات سنگین در چنین سیستمهایی شامل افزایش جذب و تسریع رشد باکتریها و بهبود خصوصیات ته نشینی لخته های تولید شده می باشد.
فلین و همکاران در مطالعات خود بر روی بررسی سیستم های در حال بهره برداری به این نتیجه رسیدند که افزودن پودر کربن فعال به سیستم لجن فعال موجب افزایش سرعت تصفیه زیستی مواد آلی، بهبود شبکه متنوع میکرو ارگانیسمها و ذرات کربن، افزایش سرعت ته نشینی و تغلیظ لجن، تسریع حذف مواد آلی، کنترل نوسان غلظت مواد آلی، امکان پذیری افزایش سن لجن بدون بروز شرایط بادکردگی (بالکینگ) لجن و در نتیجه افزایش امکان تجزیه مواد آلی دیر تجزیه شونده می گردد و با جذب مواد فعال سطحی پدیده تولید کف را به حداقل می رساند. ]۳[
آدامز با کاربرد این فرآیند در تصفیه فاضلاب مخلوط صنعتی و شهری با BOD و COD معادل ۱۷۰۰ تا ۳۲۰۰ میلی گرم در لیتر و مقایسه نتایج به دست آمده با فرآیند لجن فعال نشان داد که میزان حذف بار آلی در حدود ۲۵% خواهد شد. وی این فرآیند را در تصفیه فاضلاب صنایع نساجی، رنگ و تکمیل پارچه بکار برده و بهبود حذف بار آلی را با افزایش تا حدود ۲۰% مشاهده کرد. ]۴[
بررسی های مروری مارکوز نشان داد که کاربرد این فرآیند در تصفیه فاضلاب صنایع شیمیایی و پتروشیمی در چند دهه اخیر موجب حذف بسیار مناسب مواد آلی دیر تجزیه شونده و سپس فراهم نمودن شرایط برای حذف تدریجی آنها از طریق تجزیه زیستی به دلیل تامین اکسیژن و ایجاد شبکه متنوع میکروارگانیسم ها در سیستم می باشد. ]۵[
کاربرد این فرآیند برای حذف ترکیبات مختلف آلی و معدنی بویژه در فاضلاب صنایع فلزی و آبکاری و حذف فلزات سنگین، صنایع شیمیایی تولید پلیمر، پالایشگاههای نفت و صنایع کاغذ، فولاد سازی، نساجی و تولید رنگهای صنعتی نشان داده که علاوه بر کاهش بار آلی وجود پودر کربن فعال موجب جذب سریع مواد رنگی و آروماتیک ها گردیده، آبگیری از لجن را ساده نموده و هضم لجن را بهبود بخشیده و حساسیت سیستم را در برابر نوسان کیفیت فاضلاب به حداقل می رساند. ]۶[
روش بهره برداری از فرآیند
در این فرآیند فاضلاب بوسیله پمپ از مخزن فاضلاب خام به واحد هوادهی تزریق شده و هوای مورد نیاز توسط کمپرسور تامین می گردد. برای پخش یکنواخت حبابهای هوا و ایجاد شرایط یکنواخت اختلاط در واحد هوادهی دیفیوزرهای هوا به موازات هم در کف واحد هوا دهی تعبیه می گردد لجن برگشتی به وسیله یک پمپ ایرلیفت در ضلع ورودی وارد شده و مایع مخلوط به طور یکنواخت از سرریز خروجی قابل تنظیم خارج می گردد.
مخلوط پودر کربن فعال و آب در داخل مخزنی استوانه ای شکل تهیه شده و بوسیله یک دوزینگ پمپ به واحد هوادهی تزریق می گردد. عمل اختلاط پودر کربن و آب نیز توسط یک لوله فرعی هوا (انشعاب فرعی از لوله هوا) در زمان مورد نیاز انجام می پذیرد.
فرآیندPACT یک فرآیند ترکیبی جذب و تجزیه است که امکان حذف ترکیبات آلی غیر قابل تجزیه یا دیر تجزیه شونده و مواد معدنی از قبیل فلزات سنگین را به طور قابل ملاحظه ای افزایش می دهد. فلزات سنگین ترکیباتی هستند که به علت دیر تجزیه پذیر بودن و تجمع در بافت ها بوسیله تعداد کمی از میکرو ارگانیسمها تجزیه می شوند و محدودیت های زیادی را در فرآیند لجن فعال ایجاد می کنند.
کاربرد این فرآیند در حذف فلزات سنگین از فاضلاب های حاوی فلزات سنگین نشان می دهد که غلظت بهینه پودر کربن فعال در واحد هوادهی این فرآیند و افزایش زمان ماند هیدرولیکی جهت حذف فلزات سنگین بسیار حائز اهمیت می باشد.
بنابراین سیستمPACT به عنوان یک گزینه مناسب اقتصادی با کارایی بالا در حذف فلزات سنگین و مواد معدنی تجزیه ناپذیر از فاضلابهای صنعتی حائز اهمیت می باشد. ]۷[
بحث و نتیجه گیری
از بین آلاینده های متفاوتی که از طریق فاضلابهای مختلف صنعتی در محیط زیست تخلیه می شوند، فلزات سنگین دارای اهمیت ویژه ای هستند. در میان فلزات سنگین، مس و روی به علت کاربرد گسترده در صنایع مختلف وحضور در فاضلاب صنایع از اهمیت ویژه ای برخوردارند. فلزات سنگین از جمله مس و روی به دلیل داشتن ویژگی هایی نظیر تجمع پذیری در بافتها، تجزیه ناپذیری، مقاومت به فعل و انفعالات بیولوژیکی و سمیت با راهیابی به زنجیره غذایی و بدن موجودات زنده، در نهایت انسان را تحت تأثیر عوارض سمیت، سرطان زایی، اثرات ژنتیکی کوتاه مدت و بلند مدت قرار می دهند. بنابراین تصفیه و حذف این فلزات از فاضلابها قبل از تخلیه به محیط زیست ضروری می باشد. برای حذف فلزات سنگین روشهای مختلف فیزیکوشیمیایی و بیولوژیکی قابل کاربرد هستند. از روشهای متداول حذف فلزات سنگین از فاضلاب می توان به رسوبدهی شیمیایی با آهک و سود، فرآیند تبادل یون، اکسیداسیون و احیاء شیمیایی،جذب سطحی، الکترودیالیز، فیلتراسیون و فرآیندهای غشایی از قبیل: اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون اشاره نمود.
در سیستم های متعارف تصفیه فاضلاب های صنعتی حذف فلزات سنگین مشاهده شده است، اما فلزات سنگین در غلظتهای بالاتر از ظرفیت پذیرش، اثرات نامطلوبی بر روی فرآیندهای بیولوژیکی تصفیه فاضلاب می گذارد، بنابراین سیستم های متداول تصفیه بیولوژیکی فاضلاب برای سمیت زدایی از فاضلابهای محتوی غلظتهای بالا از فلزات سنگین مناسب نیستند از این رو از بین روشهای متداول حذف فلزات سنگین از پساب های صنایع بخصوص صنایع فلزی روش جذب سطحی توسط پودر کربن فعال (PACT) به دلیل حصول بازدهی مشابه با دیگر روشهای پیشرفته و هزینه های سرمایه گذاری و بهره برداری کمتر و نیز سادگی تجهیز سیستم های در حال بهره برداری و عملیات نسبتاً ساده کنترل و بهره برداری از واحدها به ویژه برای تصفیه فاضلابهای صنعتی و حذف بار آلی قابل تجزیه سریع، مواد آلی دیر تجزیه شونده، ترکیبات ویژه معدنی و آلی مانند رنگ، عناصر فلزی، وبخصوص فلزات سنگین از قبیل روی،مس،آهن،منگنز و …… در دهه های اخیر در بسیاری از مراکز صنعتی و تصفیه خانه های فاضلاب های صنعتی بخصوص صنایع فلزی مورد استقبال واقع شده است.همچنین مطالعات و تجربیات نشان می دهند که مهمترین دلایل افزایش بازدهی حذف فلزات سنگین درکاربرد این فرآیند برای حذف ترکیبات مختلف آلی و معدنی به ویژه در فاضلاب صنایع آبکاری و حذف فلزات سنگین، صنایع شیمیایی تولید پلیمر، پالایشگاههای نفت و صنایع کاغذ، فولادسازی، نساجی و تولید رنگهای صنعتی نشان داده است که علاوه بر کاهش بار آلی، وجود پودر کربن فعال موجب جذب سریع مواد رنگی و آروماتیک ها گردیده،آبگیری از لجن را ساده نموده و هضم لجن را بهبود بخشیده و حساسیت سیستم را در برابر نوسان کیفیت فاضلاب به حداقل می رساند
مراجع
۱- غلامی، میترا (۱۳۸۱). کاربرد فناوری غشاء جهت حذف رنگرزی فاضلاب صنایع نساجی، پایان نامه دکترا بهداشت محیط، دانشکده بهداشت، دانشگاه تهران.
۲- جعفرزاده، نعمت ا… (۱۳۸۰). مقایسه رفتار سیستم لجن فعال متعارف و اصلاح شده با پودر کربن فعال در حذف ترکیبات بازدارنده رشد میکربی، پایان نامه دکترا بهداشت محیط، دانشکده بهداشت، دانشگاه تهران.
۳- Robertaccio, F.L.,Flynn, B.p.”Truth or consequences: biological fouling and other consideration in the PAC-AS system”, 31th purdue industrial waste conference, pp 855-862,1976
۴- Adams, A.D., “PACT is it really that good”, J. water and waste engineering, VOL 11,NO 3,PPB8-B11,1974
۵- Marquez, M.C,Casta,c. ” Biomass Concentration hn PACT process” , Water
research, Vol 30, NO 9, pp 2079-2085, 1996.
۶- Adams,Ad,” Activated carbon old solution toold problempart 1,2 ” , J. w.s.w, VOL118, NO 8-9, pp46-48, 78-80, 1975.
۷- Clesceri, L.S., et al., “Standard methods for examination of water and wastewater” , APHA, AWWA, WEF, 19th edition, USA, 1998.
۱- Powdered Activated Carbon Treatment
