تصفیه فاضلاب | مهار فن ابزار

به دلیل کمبود آب در دنیا تصفیه فاضلاب و بازگرداندن آب مصرف شده به چرخه اهمیت پیدا کرده است.
توسعه تصفیه‌خانه‌های فاضلاب مستلزم رفع موانع موجود و ارائه راه‌کارهای جدید است.
قدیمی بودن لوله‌های انتقال و فناوری‌های به کار رفته یکی از مهمترین چالش‌های پیش روی صنعت تصفیه فاضلاب ایران است.

فاضلاب چیست؟

به آبی گفته می‌شود که در نتیجه مصرف شدن آلوده شده و دیگر قابل استفاده نیست. فاضلاب‌ها را می‌توان به صورت زیر تقسیم بندی کرد.

فاضلاب بهداشتی یا انسانی: شامل فاضلاب خانگی، فاضلاب اماکن تجاری و فاضلاب مؤسسات عمومی
فاضلاب خانگی: شامل فاضلاب سرویس‌های بهداشتی خانه‌ها، مغازه‌ها، فروشگاه‌ها
فاضلاب صنعتی: آب تولید شده از مصرف کارخانه‌ها، کارگاه‌ها و مجموعه‌های صنعتی
فاضلاب کشاورزی: فاضلاب‌های بوجود آمده از فعالیت‌های کشاورزی
فاضلاب سطحی یا سیلاب: شامل آب‌های ناشی از ذوب برف و یخ و یا بارندگی

در این بین فاضلاب‌های صنعتی به دلیل مصرف بالا و تنوع نوع آلاینده‌ها از اهمیت بیشتری برخوردار بوده و همواره تصفیه فاضلاب‌های صنعتی چالش‌های بیشتری دارد.

فاضلاب‌های صنعتی، محصولات جانبی کارخانجات تولیدی هستند. کارخانجات مختلفی که می‌توانند مواد غذایی، پوشاک، نوشیدنی، کاغذ و انواع مواد شیمیایی مورد نیاز ما را تولید کنند. در تمامی این محصولات آب بعنوان یک ماده مصرفی در بخشی از فرایند تولید مورد استفاده قرار می‌گیرد.

با توجه به تنوع کارخانجات صنعتی و حجم بالای فاضلاب صنعتی در کشور نیازمند شناسایی روش‌های مناسب برای مدیریت فاضلاب‌های صنعتی هستیم.

اهمیت تصفیه فاضلاب

تصفیه فاضلاب به فرایندی گفته می‌شود که در آن فاضلاب تبدیل به آبی می‌شود که بتوان از آن استفاده مجدد کرده یا بدون آسیب و خطر در محیط رها کرد.

آب پاک و سالم یکی از اساسی‌ترین منابع انسان‌ها برای زندگی بر روی کره زمین است. یکی از روش‌های دست‌یابی به آب سالم تصفیه فاضلاب است. فاضلاب‌ها امروزه یکی از منابع با ارزش و ضروری تامین آب به شمار می‌آیند. در گذشته فاضلاب‌ها به دلایل مختلف به عنوان زباله‌های به درد نخور و بی ارزش شمرده می‌شدند.

امروزه روش‌های تصفیه فاضلاب از دو جنبه اهمیت دارند:

مشکلات ناشی از کمبود آب
آلوده کردن محیط زیست در اثر رها کردن در طبیعت

دسته بندی فاضلاب‌های صنعتی

انتخاب روش تصفیه فاضلاب وابسته به نوع و مقدار آلاینده‌های موجود در فاضلاب یا در اصطلاح کیفیت فاضلاب است. پارامترهای مختلفی در تعیین کیفیت فاضلاب‌های صنعتی مورد توجه قرار می‌گیرند، مثل دمای فاضلاب خروجی، غلظت مواد آلاینده، دبی خروجی فاضلاب، بوی فاضلاب و … .

کیفیت و کمیت فاضلاب‌های صنعتی در کارخانجات مختلف متفاوت است به همین دلیل روش های تصفیه آن نیز متفاوت است .از این رو شناسایی آلاینده‌ها و ناخالصی‌ها اهمیت بالایی دارد.

ناخالصی‌های موجود در فاضلاب‌های صنعتی را می‌توان به دو گروه کلی آلاینده‌های آلی و آلاینده‌های غیرآلی طبقه‌بندی کرد.

آلاینده‌های غیرآلی

شامل انواع نمک‌های معدنی، مواد قلیایی، کلر، آمونیاک، اسیدهای معدنی و … .

آلاینده‌های آلی

شامل انواع قندها، چربی‌ها، روغن، پروتئین‌ها، هیدروکربن‌ها، اسیدهای آلی و… .

در جدول شماره ۱ انواع آلاینده‌های موجود در فاضلاب‌های صنعتی به تفکیک صنعت آورده شده است.

جدول شماره 1 خلاصه انواع آلاینده‌های موجود در فاضلاب‌های صنعتی

برخی از آلاینده‌های آلی

نسبت به تجزیه مقاوم هستند و وجود آن‌ها برای زندگی آبزیان سمی و خطرناک است. از طرف دیگر وجود آلاینده‌های آلی در آب موجب کاهش مقدار اکسیژن محلول در آب می‌شود. درصورتی که مقدار اکسیژن محلول در آب از حداقل مجاز آن کمتر باشد، آن آب آلوده محسوب می‌شود.

باتوجه به این موضوع، حذف یا کاهش غلظت آلایندهای آلی برای حفظ سلامت محیط و موجودات از اهمیت بالایی برخوردار است.

چالش‌های پیش روی صنعت تصفیه فاضلاب

چالش‌های توسعه تصفیه‌ خانه‌های فاضلاب عبارتند از:

کمبود آب: یکی از عوارض تغییر آب و هوا، کمبود آب است. گرم‌تر شدن کره زمین موجب بوجود آمدن دوره‌های خشکسالی مختلف در نقاط مختلف جهان شده است. کمبود آب مسئله‌ای است که امروزه برای توسعه و تامین آب بسیار مورد توجه است.
استفاده از فناوری‌های جدید: آب سیاه یا همان فاضلاب امروزه بسیار با ارزش شده است. مهندسان و طراحان به دنبال ساخت و به کار بردن فناوری‌های جدید در استفاده مجدد از فاضلاب‌ها و بازیابی و تصفیه فاضلاب‌ها هستند. اهمیت توسعه فناوری‌های جدید تصفیه فاضلاب بسیار بالا است.
بازچرخانی فاضلاب‌ها و فاکتورهای بهینه‌سازی: جمع‌آوری فاضلاب و استفاده مجدد از آن، یکی از معضلات مهم در صنعت فاضلاب محسوب بوده است. هزینه‌ها و فناوری‌های مورد نیاز برای جمع‌آوری و بهینه‌سازی از جمله موارد مهم و مورد توجه در بازچرخانی فاضلاب‌ها هستند.
اتوماسیون پایش: یکی از نکات مهم در امر استفاده از آب و همچنین تصفیه فاضلاب، پایش لحظه به لحظه کیفیت فاضلاب خروجی است که باید به صورت اتوماتیک صورت گیرد.

آنالیز فاضلاب:

کنترل ترکیب شیمیایی فاضلاب و خنثی سازی آن نیازمند ابزارهای دقیق اندازه‌گیری است. امروزه یکی از چالش‌های پیش روی صنعت فاضلاب تجهیزات دقیق اندازه‌گیری و دقت آن‌ها در شرایط مختلف است.
آموزش در زمینه‌های فناوری‌های تصفیه آب: یکی از مسائلی که در زمینه توسعه فناوری‌های تصفیه آب باید انجام شود، بحث آموزش و ترویج عمومی در تمامی سطوح تحصیلی و سنی است.
کاهش سمیت: یکی از مسائل موجود در صنعت آب و فاضلاب حذف یا کاهش درصد عناصر فلزات سنگین است. حذف فلزات سنگین از فاضلاب‌های صنعتی، نیازمند استفاده از فناوری‌های پیشرفته است که بتواند مقدار این فلزات را در آب تصفیه شده به حد مجاز برساند.
الگوی مصرف انسان‌ها: الگوی مصرف آب توسط جوامع مختلف بشری متفاوت است. با اصلاح این الگو می‌توان مقدار آلودگی موجود در فاضلاب‌ها را کنترل و تا حد مناسبی کاهش داد.
سیستم مدیریتی و کنترل فرایندها: نیاز به سازمان یا همکاری نهادهای مختلف ملی در زمینه کنترل و تصفیه آب بسیار حائز اهمیت است.
زیرساخت‌ها: قدیمی بودن زیرساخت‌ها از چالش‌های اصلی تصفیه خانه‌ها در آینده خواهد بود. ما به تکنیک‌هایی مثل شناسایی از راه دور برای یافتن محل لوله‌ها و ارزیابی وضعیت آن‌ها و نیز روش‌های تعویض غیرقهری لوله‌ها نیاز داریم

نقش فناوری‌های نوین در تصفیه فاضلاب

استفاده از فناوری‌های پیشرفته باعث کاهش و به حداقل رساندن ضایعات و زباله‌های جانبی تولیدی و بازیابی محصولات با ارزش از ضایعات می‌شود، ضایعاتی که یکی از بزرگترین مشکلات قرن حاضر هستند.
فرایندهای معمول و قدیمی تصفیه آب و فاضلاب مصرف انرژی بالایی دارند.
همچنین در این روش‌ها تجهیزات و سرمایه‌ گذاری اولیه بالایی نیاز است
و علاوه بر آن هزینه تعمیرات و نگهداری تجهیزات در این روش‌ها بسیار بالا است.
یکی از معضلات روش‌های سنتی دفع لجن و تجزیه لجن بوجود آمده در فرایند تصفیه فاضلاب است.
این معضلات در حالی در مورد روش‌های سنتی مطرح می‌شود
که در فناوری‌های جدید تصفیه فاضلاب، بازیابی و تولید انرژی مطرح است.
روش‌های جدید از نظر اقتصادی مقرون به صرفه بوده
و نیاز به تجهیزات، انرژی و هزینه اولیه کمتری هستند.
علاوه بر این‌ در فرایند تصفیه فاضلاب در روش‌های جدید لجن تولید یا ضایعات جامد تولید نمی‌شود.

براساس گزارش موسسه Lux Research تقریباً یک چهارم شرکت‌های استارتاپی یا نوپا بر روی مباحثی همچون مانیتور کردن، پیش بینی و کنترل از طریق سنسورها و اینترنت اشیاء کار می‌کنند؛ به همین نسبت شرکت بر روی سیستم‌های تصفیه آب تمرکز کرده‌اند. نمودار شکل ۱ نشاندهنده حوزه فعالیت شرکت‌های استارتاپی فعال در حوزه آب و فاضلاب است که توسط موسسه Lux Research بررسی شده‌اند.

روش‌های مختلف تصفیه فاضلاب

در فناوری‌های تصفیه آب، فرایندهای پیش تصفیه فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی مختلفی بر روی فاضلاب اولیه انجام می‌شود. از جمله روش‌های فیزیکی-شیمیایی می‌توان فیلتراسیون، منعقد کردن، ته نشین سازی، شناور سازی ، جذب، تبادل یون، اکسیداسیون پیشرفته، الکترولیز و احیای شیمیایی را نام برد.

سیستم‌های تصفیه بیولوژیکی به طور موثری باعث از بین بردن آلاینده‌های سمی می‌شوند. این روش‌ها نسبتاً ارزان قیمت بوده و نسبت به سایر روش‌ها ارجحیت دارند. از جمله روش‌های بیولوژیکی می‌توان جذب بیولوژیکی، اضمحلال بیولوژیکی به صورت هوا زی، بی هوا زی یا فرایندهای ترکیبی با استفاده از باکتری‌، مخمر، گیاهان، جلبک، قارچ و آنزیم‌ها.

عمدتاً فاضلاب‌ها بسیار رنگی بوده و حاوی اکسیژن بیولوژیکی و شیمیایی بالایی هستند؛ هدایت الکتریکی بالایی داشته و از نظر شیمیایی قلیایی محسوب می‌شوند. بر همین اساس پارامترهای مختلفی بر روی هزینه تمام شده برای انتخاب روش تصفیه فاضلاب اثر گذار هستند.

فاکتورهای مختلفی بر روی انتخاب روش اثر گذار هستند. فاکتورهایی همچون نوع آلاینده‌هایی که باید تصفیه شوند، ترکیب شیمیایی فاضلاب، هزینه مواد شیمیایی مورد نیاز، هزینه عملیاتی، هزینه جمع آوری زباله تولید شده در اثر فرایند تصفیه.

در ادامه به بررسی چند فناوری جدید در تصفیه فاضلاب می‌پردازیم:

استفاده از ازن و ازن ژنراتور

از بین فناوری های متعدد موجود در فرایندهای تصفیه آب و فاضلاب، استفاده از فناوری ازن به دلیل قابلیت گندزدایی بالاتر و سایر مزایایی که نسبت به کلر دارد در صنایع مختلف بسیار رواج یافته است.

ازن مولکولی با ۳ اتم اکسیژن، گازی آبی رنگ با بوی زننده است که به دلیل دارا بودن خاصیت اکسیدکنندگی قوی به صورت یک ضدعفونی کننده در فرایند تصفیه آب و فاضلاب در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. خاصیت گندزدایی و ضدعفونی کنندگی ازن بسیار بیشتر از کلر، دی اکسید کلر، کلروآمین ها و سایر ضدعفونی کننده ها می باشد که به همین دلیل از بین برنده‌ی بسیاری از باکتری ها، ویروس ها، تخم ها و کیست های انگلی می باشد که بسته به نوع صنعت و ترکیبات فاضلاب، کاربردهای مختلفی می‌یابد.

ازن کمک می‌کند تا مواد مضر، رنگ، بو و میکروارگانیسم‌ها مستقیما و بدون ایجاد محصولات جانبی مضر یا مواد باقی مانده از بین روند. عدم توانایی کلر در حذف کامل آلودگی های میکروبی، تغییر در کیفیت آب و اثرات مخرب زیست محیطی ناشی از استفاده از کلر، سبب گردید تا استفاده از گاز ازن بیشتر مورد توجه قرار گیرد.

nke-bearings-for-wind-energy

فناوری پلاسما

فناوری پلاسما به عنوان نسل جدید فناوری‌های تصفیه فاضلاب در دنیا شناخته می‌شود. این فناوری نسبت به سایر فناوری‌های موجود دارای مزایایی است که موجب شده تحقیقات گسترده‌ای در راستای صنعتی کردن آن انجام شود. از جمله مزایای مهم این فناوری در تصفیه آب مقرون به صرفه بودن در کاربردهای صنعتی، افزایش ظرفیت تصفیه خانه‌های فاضلاب و عدم استفاده از مواد شیمیایی است.

جرقه‌های ایجاد شده در داخل آب یا فاضلاب صنعتی، در اثر برخورد با ذرات محلول و مولکول‌های آب باعث افزایش انرژی و در نتیجه دمای موضعی در محیط می‌شوند. در اثر این پدیده، کاویتاسیون پلاسمایی رخ داده و حباب‌هایی در ابعاد نانو و میکرو متری در داخل محیط آبی ایجاد می‌شود.

در اثر واپاشی حباب‌ها دمای موضعی آب یا پساب بالا رفته و می‌تواند باعث از بین رفتن باکتری‌ها و میکروارگانیسم‌های موجود در آب یا پساب شود. از طرفی این جباب‌ ها حاوی الکترون و یون می‌باشند که با واپاشی آنها انواع رادیکال‌های قوی و گندزدا تشکیل می‌شوند. وجود پرتو فرابنفش و آزادسازی رادیکال‌های O و OH باعث اکسیداسیون مواد محلول در آب یا فاضلاب می‌شود. این رادیکال‌ها در نهایت باعث ایجاد لخته و رسوب در فاضلاب می‌شوند که در نهایت به صورت جامد قابل جداسازی است.

جاذب‌های طبیعی

با توجه به فعالیت صنایع پتروشیمی و صنایع غذایی در کشور، آلاینده‌های آلی سهم بسزایی در فاضلاب‌های صنعتی دارند. از این رو راه‌کارهای حذف آلاینده‌های آلی از فاضلاب‌های صنعتی در کشور بسیار مورد توجه هستند.

آیروژل الیاف کربن یک جاذب بسیار قوی، غیر سمی، طبیعی و قابل بازیافت است. آیروژل الیاف کربن می‌تواند انواع آلاینده‌های آلی موجود در فاضلاب‌های صنعتی‌ را جذب کند. این ماده را می‌توان از مواد سلولزی مختلف مثل کتان یا کاغذ باطله تولید کرد.

آیروژل الیاف کربن یک ماده با سطح ویژه بسیار بالا و دانسیته کم است که می‌تواند مواد آلی مختلف را بین ۱۰۰ تا ۲۰۰ برابر وزن خود جذب کند. این ماده یکی از بهترین جاذب‌های روغن و انواع آلاینده‌های آلی است.

روش‌های غشایی

غشاهای پلیمری شامل انواع اولترا فیلتراسیون (UF)، نانو فیلتراسیون (NF)، میکرو فیلتراسیون (MF)، اسمز معکوس (RO) است که کاربردهای بسیاری در صنایع آب و فاضلاب دارند. در اغلب موارد طراحی و ساخت تصفیه خانه های آب و فاضلاب با استفاده از سیستم‌های تصفیه غشایی به صورت پکیج تصفیه فاضلاب غشایی و سیستم های اسمز معکوس RO می باشد.

استفاده از این فرایندها به دلیل دارا بودن مزایایی مانند کاهش مصرف انرژی، انتقال جرم با راندمان بالا و سهولت کاربرد ، اهمیت بسزایی در صنایع مختلف از جمله تصفیه خانه‌های صنعت آب و فاضلاب صنعتی همچون تصفیه فاضلاب‌ پتروشیمی‌ها دارند.

فن آوری های فاضلاب ساخته شده در درسدن که در صنعت نوشیدنی در سراسر جهان به کار می رود

فاضلاب صنعت نوشیدنی حاوی COD، TSS و رنگ بالایی است. توسعه فرآیند کارآمد برای کاهش غلظت آلاینده از فاضلاب صنعت نوشیدنی مورد نیاز است. در این مقاله کاربرد انعقاد الکتریکی و جذب با استفاده از کربن فعال مورد بررسی قرار گرفت. شرایط بهینه برای فرآیند انعقاد الکتریکی، فاصله بین الکترود 2 سانتی متر، ولتاژ 12 و آرایش تک قطبی بود که رنگ، COD و TSS را به ترتیب 3/51، 3/56 و 2/70 درصد کاهش داد. مرحله بعدی فرآیند جذب با دوز 10 گرم در لیتر پودر کربن فعال بود. رنگ، COD و TSS را به ترتیب 98.66، 92.15 و 90.12 درصد کاهش داد. نتایج نشان داد که انعقاد الکتریکی و جذب سطحی می‌تواند پساب صنعت نوشیدنی را با استانداردهای کیفی تعیین‌شده تصفیه کند.

مرحله 1:

یکی از بزرگترین تولیدکنندگان نوشیدنی در آمریکای جنوبی در طول توسعه تولید خود برای برنامه ریزی و ساخت تصفیه خانه بیولوژیکی فاضلاب با ما قرارداد بسته است. راه حل تصفیه فاضلاب ما از بیوراکتورهای Trickle Flow تشکیل شده است که از آن زمان تاکنون به طور موثر عمل می کنند. با حداکثر غلظت حدود 6000 COD mg/l و تغذیه 8m3 ^/h، فناوری TFR توسط DAS Environmental Expert در مدت زمان کوتاهی به 90 درصد ظرفیت تخریب خود رسید. مشتری قبلاً با ما قرارداد بسته بود تا قبل از اتمام پروژه، سیستم خود را از راه دور نظارت کنیم.

گام 2:

کارشناسان محیط زیست درسدن یک سیستم فاضلاب را در سال 2017 نصب کردند، زمانی که افزایش شدید حجم تولید نیاز به ارتقا داشت. هر روز بیش از ده محصول مختلف با حجم کل 3.5 میلیون. لیتر در سایت La Matanza بطری می شود. اتخاذ روش تصفیه فاضلاب ضروری شد. رهبری شرکت در La Matanza، درخواست کرد که تصفیه فاضلاب شرکت منحصراً از روش های بی هوازی استفاده کند. علاوه بر این، سیستم باید خودکار می شد، با تلاش کمی کار می کرد و به کمترین فضای ممکن نیاز داشت.

راه حل های تصفیه انرژی کارآمد برای فاضلاب حاصل از بطری سازی نوشیدنی ها

شرکت های صنعت نوشیدنی با رقابت سختی روبرو هستند. مصرف آب یکی از مهم ترین عوامل هزینه در این بخش است، زیرا آب عنصر اصلی محصولات آنها مانند لیموناد، آب معدنی، آب میوه، آبجو، شراب و سیب است. علاوه بر این، شستشوی بطری، یا تمیز کردن ماشین‌ها و تجهیزات نیز به مقدار زیادی آب تمیز نیاز دارد. این امر باعث می شود مصرف آب شیرین یک عامل هزینه ضروری در تولید نوشیدنی ها باشد. DAS Environmental Expert از تولیدکنندگان نوشیدنی در تصفیه فاضلاب حمایت می کند و به آنها کمک می کند تا هزینه های تامین آب و مدیریت فاضلاب را دهند. تولید نوشابه‌ها معمولاً آب فرآیند را با قند و سایر مواد زیست تخریب پذیر آلوده می‌کند.

خلاصه:

آب در بیشتر صنایع فرآیندی برای طیف وسیعی از کاربردها استفاده می شود. امروزه فرآیندها و سیستم‌هایی که از آب استفاده می‌کنند، تحت قوانین زیست‌محیطی سختگیرانه‌تر در مورد پساب‌ها قرار می‌گیرند و تقاضای فزاینده‌ای برای آب شیرین وجود دارد. این تغییرات نیاز به مدیریت بهتر آب و به حداقل رساندن پساب را افزایش داده است. ترکیبی از مدیریت تقاضای آب و مفاهیم تولید پاکتر منجر به مزایای اقتصادی و زیست محیطی شده است. صنعت نوشابه نیاز به مقدار زیادی آب شیرین دارد که در طی فرآیندهای مختلف از جمله تولید نوشیدنی، شستشوی بطری ها، شستشوی کارخانه و همچنین شستشوی کف و محل کار عمومی، مقدار قابل توجهی فاضلاب آلوده تولید می کند. اکثر صنایع از پساب و مصرف عمده آب شیرین استفاده مجدد نمی کنند. صنعت نوشیدنی یکی از صنایع بزرگ در پاکستان است و مطالعه حاضر بر روی صنعت نوشابه/نوشابه در شهرک صنعتی هاتار، هاتار، پاکستان انجام شد تا امکان سنجی استفاده مجدد از کارخانه شستشوی بطری فاضلاب با انجام آزمایش تصفیه، مانند رقیق شدن فاضلاب در نسبت های مختلف، اسمز معکوس و تبادل یونی. (نویسنده)

به عنوان مثال

در شاخه های دیگر، مانند تولید شراب، نوسانات بار فصلی از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است. بنابراین، ما به شما سیستم های تصفیه فاضلاب سفارشی مطابق با الزامات فنی تولید شما را پیشنهاد می کنیم. فن آوری های تصفیه بی هوازی نه تنها امکان کاهش بار آلی (COD)، بلکه بازیابی انرژی از پساب را نیز فراهم می کند. با فن‌آوری لجن بی‌هوازی بالارونده (UASB) حتی تولید بیوگاز از جریان‌های فاضلاب با بارگذاری بالا امکان‌پذیر است. در مرحله 1 تصفیه فاضلاب، متان تولید می شود که می تواند در یک واحد تولید همزمان به برق و گرما تبدیل شود. متعاقباً، در مرحله دوم، تصفیه هوازی به عنوان مثال با استفاده از راکتور بیوفیلم بستر متحرک (MBBR) یا راکتور جریان قطره‌ای (TFR) برای دستیابی به محدودیت‌های تخلیه مورد نیاز انجام می‌شود.

تصفیه فاضلاب در اکثر بخش‌های صنعتی و به‌ویژه در صنعت نوشیدنی‌ها، به دلیل استفاده از حجم زیادی از آب، یک نگرانی است. این آب برای تولید، صلاحیت تجهیزات، شستشو و نظافت استفاده می شود. 42 درصد از آب مصرفی برای تولید نوشابه های گازدار به شبکه فاضلاب ریخته می شود. این مقاله بر روی تصفیه بیولوژیکی فاضلاب در یک کارخانه نوشیدنی در مراکش تمرکز دارد. اولین مرحله، توصیف کامل فاضلاب از نظر نرخ جریان و غلظت آلاینده بود. بر اساس این نتایج، ما یک تصفیه خانه فاضلاب متشکل از یک مخزن یکسان سازی و یک تصفیه بیولوژیکی با دو راکتور دسته ای توالی (SBR) پیشنهاد می کنیم. تصفیه فاضلاب با استفاده از GPS-X v4.0 مدل‌سازی و شبیه‌سازی شد

راه حل های تصفیه فاضلاب مواد غذایی و آشامیدنی DesaliTec™

جهان تقریباً 7.6 میلیارد نفر دارد (و تعداد بیشتری از مردم) که برای تولید غذایی که جمعیت ما را تغذیه می کند به صنعت غذا و نوشیدنی متکی هستند. در عین حال، آب شیرین موجود زمین به سرعت در حال کاهش است و کمبود آب را نه تنها برای صنایع، بلکه برای کل بشریت به یک تهدید مهم تبدیل می کند. بنابراین، استفاده مجدد از آب در صنعت غذا و نوشیدنی یک موضوع فوری است که با برخی مسائل نظارتی، فرهنگی و بودجه ای قابل توجه همراه است.

1. چالش های نظارتی برای استفاده مجدد از آب در کارخانه های غذا و نوشیدنی

تولیدکنندگان مواد غذایی و نوشیدنی باید از مقررات محلی، ایالتی و فدرال محیط زیست و کیفیت تولید پیروی کنند، البته استانداردهای صنعتی را نیز ذکر نکنیم. در سطح محلی، هر شهرداری تعیین می‌کند که چگونه فاضلاب تأسیسات باید مدیریت و تخلیه شود. علاوه بر این، لایه‌های مقررات ایالتی و EPA به محافظت از کیفیت آب محلی برای ساکنان به طور کلی کمک می‌کند، اما گاهی اوقات با دید تأسیسات برای تصفیه و استفاده مجدد از آب تداخل می‌کند، حتی اگر این به معنای بهبود بیشتر کیفیت آب در منطقه با کاهش تخلیه باشد. یک مثال عالی، تردید در استفاده مجدد از فاضلاب برای مصارف آشامیدنی است.

2. ملاحظات فرهنگی استفاده مجدد از آب در صنایع غذایی و آشامیدنی

همانطور که در بالا ذکر شد – بسیاری هنوز از ایده “توالت به شیر” ناراحت هستند – که در غیر این صورت به عنوان استفاده مجدد از برخی آب های فاضلاب برای آب آشامیدنی یا حمام شناخته می شود. با این حال، بسیاری از تأسیسات تولید مواد غذایی و نوشیدنی در حال حاضر از مقداری آب در کاربردهای مختلفی استفاده می کنند که در آن آب بازیافتی هیچ تماسی با محصول نهایی غذا یا نوشیدنی ندارد. به عنوان مثال، بسیاری از کارخانه ها از آب در چیلرها، بویلرها، اواپراتورها، برای تمیز کردن وسایل نقلیه، کف، برای آبیاری و برای کاهش گرد و غبار استفاده مجدد می کنند. برخی حتی از آب برای شستشوی توالت ها در این مرکز استفاده مجدد می کنند.

با این حال، استفاده مجدد از آب در طول پخت، تمیز کردن و تولید محصول نهایی، همچنان یک مانع فرهنگی مهم باقی مانده است، اگرچه فناوری‌هایی مانند سیستم‌های تصفیه آب اسمز معکوس صنعتی وجود دارند که می‌توانند آب بازیافتی حتی خالص‌تر از آب آشامیدنی تصفیه‌شده شهری تولید کنند. آب تصفیه شده با این فناوری های پیشرفته را می توان حتی در حال حاضر به عنوان آب تغذیه دیگ بخار، یخ، بخار، تمیز کردن غذا، آماده سازی و آب مواد مورد استفاده قرار داد.

3. ملاحظات بودجه ای برای بازیافت آب در صنایع غذایی و آشامیدنی

امروزه فن آوری های بازیافت و استفاده مجدد آب وجود دارد که می تواند تا 98 درصد از آب یک تاسیسات را بازیابی کند. با این حال، بسیاری از تصمیم گیرندگان، عمدتاً به دلایل مالی، در ارتقای تجهیزات تردید دارند. با این حال، با توجه به افزایش ناامنی آبی، پیاده‌سازی سیستم‌های تصفیه آب صنعتی برای استفاده مجدد و بازیافت آب را می‌توان سرمایه‌گذاری در آینده این شرکت و سیاره زمین دانست. تأسیسات غذایی و آشامیدنی همچنین می توانند کاهش قابل توجهی در هزینه آب داشته باشند زیرا نیاز به منابع آبی خارجی را کاهش می دهند و وضعیت امنیت آب خود را در برابر خشکسالی و سایر مشکلات زیرساختی زیست محیطی یا شهری بهبود می بخشند. این پس انداز در مخارج عملیاتی اغلب می تواند مخارج سرمایه ای را در کمتر از 12 ماه جبران کند. کارخانه‌های مواد غذایی و نوشیدنی که سیستم‌های تصفیه آب خود را ارتقا می‌دهند، توانایی خود را برای انطباق با شرایط نامشخص منابع آب و پایبندی یا حتی فراتر از اهداف پایداری شرکت بهبود می‌بخشند.

خلاصه

صنایع نوشیدنی اغلب مقادیر زیادی از مواد آلی را با فاضلاب خود تخلیه می کنند. تطهیر پساب از واجبات آنهاست، اما بی اهمیت است. در میان اجزای فاضلاب، حذف مواد آلی محلول اغلب به تلاش زیادی نیاز دارد. بنابراین، یک تکنیک موثر خاص باید در نظر گرفته شود. حباب‌های میکرو (1 تا 100 میکرومتر) دارای چندین ویژگی خاص مرتبط با تصفیه فاضلاب هستند. در این مطالعه، اثربخشی ریزحباب‌ها برای تصفیه و تصفیه فاضلاب آشامیدنی مورد ارزیابی قرار گرفت. آب پرتقال، نوشیدنی اسید لاکتیک و شیر به عنوان بسترهای مدل مواد آلی محلول استفاده شد و آزمایش‌های تجزیه انجام شد. نرخ عرضه هوا توسط میکرو حباب ها 0.05٪ (هوا / فاضلاب) در دقیقه ^-1بود. نتایج نشان داد که کل کربن آلی (TOC) در یک ظرف آزمایشی حاوی شیر (محتوای نیتروژن بالا) 93.1٪ از 11.0 به 0.76 گرم در طول انکوباسیون 10 روزه کاهش یافت. TOC نوشیدنی اسید لاکتیک (حداقل محتوای نیتروژن) 66.3٪، از 15.6 به 5.26 گرم، و TOC آب پرتقال (محتوای نیتروژن متوسط) 82.7٪، از 14.8 به 2.55 گرم کاهش یافت. مقدار زیادی ذرات آلی ذرات معلق روی سطح آب در شیر با حباب‌های ریز شناور می‌شد و به راحتی حذف می‌شد، در حالی که تقریباً هیچ ماده شناوری در آب پرتقال و نوشیدنی اسید لاکتیک مشاهده نشد. در مقابل، در تیمار حباب بزرگ (قطر 0.1 تا 2 میلی متر)، تنها 37.0٪ از TOC در شیر حذف شد. در حالی که تیمارهای حباب ماکرو بی هوازی در طول انکوباسیون بودند، تیمارهای حباب ریز به سرعت به شرایط هوازی بازگشتند و 10 برابر فراوانی باکتری را به ارمغان آوردند (>10). ⁸سلول mL ^-1). این نتایج نشان می‌دهد که میکروحباب‌ها در تأمین اکسیژن و تسریع رشد باکتری‌های هوازی بسیار برتر از حباب‌های بزرگ هستند و فاضلاب حاوی ترکیبات نیتروژنی بیشتر به طور مؤثرتری نسبت به آن با نیتروژن کمتر با تخریب میکروبی و جداسازی شناور تصفیه شد.

کلمات کلیدی: میکرو حباب ; فاضلاب نوشیدنی ; تطهیر ؛ جداسازی شناور ; تامین اکسیژن ؛ تخریب مواد آلی

1. معرفی

“حباب های ریز” توسط سازمان بین المللی استاندارد (ISO) به عنوان حباب هایی با قطر کمتر از 100 میکرومتر تعریف می شود. در میان حباب‌های ریز، حباب‌هایی با قطر 1-100 میکرومتر به عنوان حباب‌های ریز (MiBs) نامیده می‌شوند [ 1 ، 2 ، 3 ]. MiBها چندین ویژگی خاص دارند که شامل موارد زیر می‌شود: (1) سرعت افزایش بسیار آهسته‌تر در مقایسه با حباب‌های بزرگ (MaBs) (با قطر بین 100 میکرومتر و 2 میلی‌متر) [ 2 ، 4 ]. (2) نسبت بزرگ سطح تماس به حجم حباب [ 5 ]؛ (3) فشار داخلی گاز بالا [ 6 ، 7 ، 8 ]؛ (4) سطح حباب باردار الکتریکی [ 7 ، 9 ]؛ (5) تمایل به جمع شدن و در نهایت حل شدن در آب [ 4 ]. این ویژگی‌ها باعث می‌شود که MiBها در ستون آب طولانی‌تر از MaBs پایدار باشند و بیشتر گاز حباب در آب حل شود. علاوه بر این، مواد آلی و ذرات ریز محلول باردار تمایل به جذب، تغلیظ و تجمع بر روی سطوح ریزحباب دارند [ 8 ، 10 ، 11 ].

خواص ویژه MiBs در بسیاری از زمینه ها اعمال شده است [ 12 ]. یکی از کاربردهای موثر، تامین اکسیژن محلول (DO) به مزارع آبزی پروری است [ 13 ، 14 ، 15 ، 16 ]. Srithongouthai و همکاران. [ 13 ] گزارش داد که استفاده از سیستمی که حباب‌های میکروسکوپی (قطر 5 تا 40 میکرومتر) تولید می‌کند، به سطوح DO در قلم‌های خالص مزارع ماهی اجازه می‌دهد در طول شب از ~5 میلی‌گرم در لیتر به سطوح اشباع (بیش از 6 میلی‌گرم) بازیابی ^شوند. L ^-1). جونی و همکاران [ 17 ] همچنین گزارش داد که استفاده از MiBs در یک سیستم آبزی پروری DO را از 4.5 میلی گرم در لیتر ^7.9میلی گرم در لیتر ^داد. MiBs علاوه بر استفاده در تأسیسات آبزی پروری، برای بهبود کیفیت آب فاضلاب آلوده به مواد خطرناک مختلف، مانند رنگ آزو [ 18 ]، متیلن بلو [ 19 ]، فنل [ 6 ، 20 ]، روغن پالم 8 ، روغن دیزل [ 21 ]، تری کلرواتیلن [ 22 ]، سورفکتانت ها [ 3 ]، آفت کش ها [ 23 ] و باکتری های بیماری زا [ 24 ]. MiBs همچنین برای حذف سلول های ریز جلبکی [ 25 ] و سخت پوستان پلانکتون [ 26 ] استفاده شده است.

حتی اگر فاضلاب آلوده به مواد خطرناک نباشد، تخلیه فاضلاب حاوی مقدار بیش از حد مواد آلی به محیط زیست می‌تواند باعث ایجاد مشکلات جدی اتروفیکاسیون و آلودگی محیط‌زیست آبی شود. نتیجه می تواند شیوع شکوفه های جلبکی مضر [ 27 ]، کاهش اکسیژن [ 28 ] و مرگ و میر انبوه حیوانات اعماق زمین هوازی [ 29 ] باشد. کاهش غلظت مواد آلی در فاضلاب و بارگذاری آلی مرتبط با محیط آبی یک موضوع مهم و فوری است [ 30 ]. صنایع غذایی و آشامیدنی، به ویژه، اغلب مقادیر نسبتا زیادی از مواد آلی را با فاضلاب خود تخلیه می کنند [ 31 ، 32 ]. تأسیسات مرتبط با چنین صنایعی مسئولیت تصفیه و تصفیه پساب خود را قبل از رهاسازی دارند [ 33 ]. ایجاد و بهره برداری از تاسیسات تصفیه فاضلاب برای آنها یک تعهد غیر ضروری است [ 34 ].

در میان اجزای مختلف در فاضلاب، ذرات معلق نسبتاً آسان از پساب حذف می شوند زیرا می توان آنها را با فیلتر کردن [ 35 ، 36 ، 37 ، 38 ]، شناورسازی [ 39 ] و/یا ته نشینی [ 33 ] جدا کرد. بنابراین، حذف لجن و مواد جامد معلق از پساب ها از نظر فنی دشوار نیست. در مقابل، حذف مواد آلی محلول (DOM) اغلب به تلاش زیادی نیاز دارد. DOM باید قبل از تخلیه آب به غلظت کم رقیق یا تجزیه شود. با این حال، رقیق سازی به آب زیادی نیاز دارد [ 40 ] و تخریب مستلزم حفظ شرایط هوازی برای مدت نسبتا طولانی است. این بدان معنی است که مقادیر زیادی هوا (اکسیژن) باید به فاضلاب وارد شود و انرژی و هزینه زیادی لازم است. بنابراین، یک راه جایگزین برای تصفیه DOM در فاضلاب باید در نظر گرفته شود. از آنجا که به خوبی شناخته شده است که MiBها می توانند علاوه بر تامین هوا (اکسیژن) DOM را بر روی سطوح خود جذب و جمع کنند [ 4 ]، ما فرض کردیم که حباب زدن با MiBs راهی موثر برای تصفیه پساب های صنعت نوشیدنی خواهد بود، که در اکثر موارد از مواد آلی به صورت محلول است. اطلاعات مربوطه، با این وجود، هنوز کمیاب است.

در مطالعه حاضر، آب پرتقال، نوشیدنی اسید لاکتیک و شیر به عنوان فاضلاب مدل DOM از صنایع نوشیدنی انتخاب و آزمایش‌های تخریب انجام شد. کاهش در غلظت DOM در طول جوجه کشی از سه بستر مدل اندازه گیری شد، و الگوهای تخریب با یکدیگر مقایسه شدند، زیرا سه بستر حاوی محتوای نیتروژن مختلف الگوهای تخریب کاملا متفاوتی را نشان دادند. به طور همزمان، همانطور که مشخص شد که بخشی از DOM در طی انکوباسیون تحت MiBs به ذرات آلی (POM) تبدیل شده است، مقادیر POM هم در آب معلق و هم روی سطح آب شناور است. در نهایت، اثربخشی نسبی MiBs در مقابل MaBs برای تصفیه و تصفیه این گونه پساب‌ها نیز مورد ارزیابی قرار گرفت و تغییرات فراوانی باکتری‌ها و چندین فاکتور فیزیکوشیمیایی تعیین شد. نتایج این مطالعه اطلاعات ارزشمندی در مورد MiBs برای تصفیه موثر DOM فاضلاب صنعت نوشیدنی، به ویژه برای فاضلاب با محتوای نیتروژن بالا ارائه می‌کند.

برای درک بهتر و آسان تر، تمام اختصارات استفاده شده در مطالعه حاضر در جدول 1 است.

میز 1. فهرست اختصارات مورد استفاده در پژوهش حاضر.

2. مواد و روش ها

2.1. دستگاه تجربی

دو ظرف جوجه کشی (قطر 20 سانتی متر، ارتفاع 100 سانتی متر) برای آزمایش ها استفاده شد ( شکل 1 ). هر ظرف حاوی 30 لیتر محلول آزمایش بود که توسط یک پمپ آب به گردش در می‌آمد، با مایع بستر در 15 سانتی‌متر بالای ته ظرف و 5 سانتی‌متر بالای ته ظرف جریان داشت.

شکل 1. عکس های دستگاه آزمایشی. ( الف ) مجموعه ای از دو ظرف جوجه کشی (30 لیتر) استفاده شد. ( ب ) آب توسط یک پمپ آب به گردش در می آمد و یک مولد حباب ریز از طریق خط هوا به خط گردش آب هر ظرف ادغام می شد.

میکرو حباب ها (MiBs) از طریق یک سیستم برشی گاز-مایع (FB-S15AI، Sakamoto-Giken Inc.، Nankoku، Kochi، ژاپن) تولید شدند که در آن یک میدان برشی گاز با چرخاندن یک مایع ایجاد شد [ 41 ]. خروجی از ژنراتور MiB در خط گردش آب هر ظرف گنجانده شد. هوای عرضه شده به سیستم از طریق یک فیلتر 0.2 میکرومتر از قبل فیلتر شد تا آلودگی میکروبی از جو حذف شود. نرخ جریان هوا و آب به ترتیب 15 میلی لیتر در دقیقه ^و20 لیتر در دقیقه ^بود. MiBهای هوا با قطر متوسط 50 میکرومتر از این طریق تولید و به سیستم ها عرضه شدند ( شکل 2 ). جزئیات تعیین توزیع اندازه حباب همانطور که توسط Mikasa و همکاران توضیح داده شده است. [ 41 ].

شکل 2. توزیع فرکانس قطر ریزحباب ها (MiBs) تولید شده توسط دو نوع ژنراتور MiB. نرخ جریان آب (WF) و نرخ عرضه هوا (AS) به شرح زیر است: «خیر. 1-15 میلی لیتر”: WF 20.5 لیتر در دقیقه ^-1، AS 15 میلی لیتر در دقیقه ^-1، “No. 1-10 میلی لیتر”: WF 20.5 لیتر در دقیقه ^-1، AS 10 میلی لیتر در دقیقه ^-1، “No. 2-15 میلی لیتر”: WF 19.5 لیتر در دقیقه ^-1، AS 15 میلی لیتر در دقیقه ^-1، “No. 2-10 میلی لیتر: WF 19.5 لیتر در دقیقه ^-1، AS 10 میلی لیتر در دقیقه ^-1.

برای مقایسه اثر MiBs در مقابل حباب‌های بزرگ (MaBs)، MaBs توسط یک پمپ هوای آکواریومی (Super Silent Air Pump Pulse 4000، Kotobuki، Nara، ژاپن) تولید شد. نرخ جریان آب و هوا در ظروف MaB مشابه با آزمایش‌های MiB بود.

2.2. بسترهای مدل و جوجه کشی

آب پرتقال تجاری موجود (Ehime Beverage Inc.، Ehime، ژاپن)، نوشیدنی اسید لاکتیک (Asahi Group Foods, Ltd., Tokyo, Japan) و شیر (Snow Brand Milk Products Co., Ltd., Tokyo, Japan) استفاده شد. به عنوان مدل فاضلاب / بستر در این مطالعه. جدول 2 غلظت اولیه کربن آلی و نیتروژن را در سه بستر نشان می دهد. مقادیر میانگین و انحراف معیار از شش تکرار به دست آمد. غلظت کربن آلی ^-1در آب پرتقال، نوشیدنی اسید لاکتیک و شیر به ترتیب این غلظت‌های کربن آلی برای همه آزمایش‌ها با استفاده از آب‌های زیرزمینی به 0.5 گرم در لیتر در لیتر رقیق ^شد. بنابراین غلظت کربن آلی در پساب های رقیق شده 1٪ غلظت در نوشیدنی های اصلی بود. حجم کل آب در هر ظرف آزمایشی برای همه بسترها 30 لیتر تعیین شد.

جدول 2. محتوای کربن و نیتروژن و نسبت C/N هر نوشیدنی مورد استفاده در این تحقیق. میانگین (±SD) مقادیر از شش تکرار به دست آمد. حروف بالانویس مختلف در هر ستون تفاوت های قابل توجهی را نشان می دهد ( 0p <).

هر آزمایش به مدت 10 روز در دمای اتاق (18 تا 25 درجه سانتیگراد) اجازه داده شد. دمای آب در طول آزمایش کنترل نشد. نمونه های فرعی از محلول های آزمایشی در روزهای 0، 1، 3، 5، 7 و 10 پس از شروع انکوباسیون جمع آوری شد. مقداری از مواد آلی همراه با حباب ها در طول انکوباسیون به سطح آب شناور شدند. مواد شناور جمع آوری و با استفاده از یک بشر مخروطی 100 میلی لیتری درست قبل از جمع آوری نمونه های فرعی از ظرف خارج شدند. نمونه های فرعی آب (100 میلی لیتر) از سطح آب با استفاده از فنجان مخروطی جمع آوری شد.

2.3. تعیین کربن آلی

کربن آلی در ظروف جوجه کشی به یکی از سه دسته تقسیم شد: کربن آلی ذرات معلق (POC) شناور در سطح آب (F-POC)، POC معلق در آب (S-POC) و کربن آلی محلول (DOC). .

مقدار کل F-POC با فیلتر کردن تمام مواد شناور بر روی فیلترهای الیاف شیشه ای GF/F (قطر 47 میلی متر؛ Whatman، Maidstone، UK) تعیین شد. پس از حذف مواد شناور، نمونه‌های آب از طریق فیلترهای دولایه GF/F برای تعیین S-POC فیلتر شدند. مقدار کربن آلی در کاغذ صافی پایینی (DOC) از فیلتر بالایی (POC + DOC) به عنوان یک مقدار خالی کم شد، زیرا مقدار DOC جذب شده به یک کاغذ صافی در مقایسه با مقدار POC ناچیز نبود. روی کاغذ صافی نگهداری می شود. این کاغذهای فیلتر برای تعیین کربن آلی با یک آنالایزر عنصری NCH (SUMIGRAPH NC-220F، Sumika Chemical Analysis Service. Ltd.، اوزاکا، ژاپن) استفاده شد. غلظت DOC در فیلترها با استفاده از یک آنالایزر TOC (TOC-L CSH J 100، Shimadzu، کیوتو، ژاپن) اندازه گیری شد. هر دو S-POC و DOC در نمونه های تکراری یا سه تکراری اندازه گیری شدند و مقدار کل S-POC و DOC با ضرب میانگین غلظت در حجم کل آب در ظرف محاسبه شد. کربن آلی کل (TOC: gC) به عنوان مجموع کل F-POC، S-POC و DOC محاسبه شد و به عنوان مقدار کربن در ظرف بیان شد. تمام فیلترها و نمونه های فیلتر تا زمان تجزیه و تحلیل منجمد (20- درجه سانتیگراد) نگهداری شدند.

علاوه بر این، نمونه‌های فرعی (50 میلی‌لیتر) از نمونه‌های آب باقی‌مانده پس از فیلتراسیون برای تجزیه و تحلیل S-POC و DOC با فرمالین (1٪ v / v ) تثبیت شدند و قبل از تعیین فراوانی باکتری‌ها در یخچال نگهداری شدند ( بخش 2.4 ).

2.4. تعیین سایر خصوصیات

تغییرات در فراوانی باکتری، غلظت DO و مقادیر pH در طول آزمایش‌های تخریب با استفاده از شیر و نوشیدنی اسید لاکتیک به‌عنوان دو بستر مدل محتوای نیتروژن بالا و پایین تعیین شد. فراوانی باکتری در نمونه‌های سه‌تایی با روش شمارش مستقیم استاندارد، با استفاده از رنگ فلورسین DAPI (4’،6-diamidino-2-phenylindole؛ غلظت نهایی 1 میکروگرم میلی‌لیتر ^-1) (سیگما آلدریچ ژاپن، توکیو، ژاپن) و یک میکروسکوپ اپی فلورسانس (Olympus BX51-U-LH100HGAPO، توکیو، ژاپن) [ 42 ]. غلظت DO و pH در هر نمونه برداری، در عمق 20 سانتی متری زیر سطح آب با استفاده از دستگاه DO متر (YSI-85، Xylem ژاپن، کاناگاوا، ژاپن) و یک pH متر (D-71، Horiba، کیوتو) تعیین شد. ، ژاپن)، به ترتیب.

2.5. اهمیت آماری

تفاوت غلظت TOC و فراوانی باکتری بین ظروف حباب‌دار با MiBs و MaBs از نظر معنی‌داری با استفاده از t آزمون اگر میزان خطای نوع I ( p value) به ترتیب کمتر از 0.05 و 0.01 باشد، تفاوت‌ها معنی‌دار و بسیار معنی‌دار در نظر گرفته می‌شوند.

3. نتایج

از آنجایی که تنها دو کانتینر و مولد میکروحباب وجود داشت، آزمایش‌های تکراری را نمی‌توان به طور همزمان انجام داد. بنابراین آزمایش ها دو یا سه بار متوالی انجام شد. با این حال، از آنجایی که شرایط جوجه کشی مانند دمای اتاق و زمان جمع‌آوری آب‌های زیرزمینی برای رقیق‌سازی بسترها متفاوت بود، که میانگین‌گیری ساده داده‌های تکرار را نامناسب می‌کرد، داده‌های برای آزمایش‌ها نشان داده می‌شود.

3.1. تغییرات در مقدار کربن آلی

شکل 3 تغییرات در مقادیر F-POC، S-POC و DOC را در طول انکوباسیون 10 روزه برای هر یک از سه بستر نشان می دهد. در آب پرتقال و نوشیدنی اسید لاکتیک، بیشتر کربن آلی در ابتدا به شکل محلول بود و مواد ذرات کمیاب بودند ( شکل 3 A,B). در مقابل، مقدار نسبتاً زیادی S-POC در شیر تشخیص داده شد ( شکل 3 C).

در طول دوره جوجه کشی، مقدار کل DOC در ظروف به سرعت کاهش یافت، از 14.0 (روز 0) به 1.24 گرم سانتی گراد (روز 10) در آب پرتقال ( شکل 3 A)، از 15.3 به 1.98 گرم در نوشیدنی اسید لاکتیک ( شکل 3 B) و از 6.9 تا 0.59 گرم در شیر ( شکل 3 C). مقدار S-POC در طول انکوباسیون در آب پرتقال و نوشیدنی اسید لاکتیک افزایش یافت اما در شیر کاهش یافت. یک نتیجه جالب افزایش محتوای F-POC طی روزهای 1 تا 5 در شیر بود ( شکل 3 C).

در ابتدا، بیش از 90 درصد کربن آلی به شکل DOC در آب پرتقال و نوشیدنی اسید لاکتیک بود ( شکل 3 D,E). درصد DOC به تدریج به 48.6٪ (آب پرتقال) و 37.6٪ (نوشیدنی اسید لاکتیک) در روز دهم کاهش یافت. با این حال، تقسیم انواع کربن آلی در شیر از الگوی زمانی متفاوتی پیروی کرد. برخلاف آب پرتقال و نوشیدنی اسید لاکتیک که در آن نسبت مواد ذرات معلق (F-POC و S-POC) در پایان دوره جوجه کشی نسبتاً زیاد بود ( شکل 3 D, E)، در بستر شیر، نسبت F-POC و S-POC در روز 10 به شدت کاهش یافت ( شکل 3 F).

شکل 4 مقادیر تجمعی F-POC را در طول انکوباسیون 10 روزه نشان می دهد. اگرچه F-POC بسیار کمی در آب پرتقال و نوشیدنی اسید لاکتیک مشاهده شد، افزایش چشمگیر F-POC در شیر طی سه روز اول رخ داد، اما افزایش بعدی مشاهده نشد. در طول دوره انکوباسیون 10 روزه، TOC (F-POC + S-POC + DOC) به 17.3٪ (آب پرتقال)، 33.7٪ (نوشیدنی اسید لاکتیک) و 6.9٪ (شیر) از مقادیر اولیه TOC کاهش یافت. شکل 3 A-C).

3.2. اثرات میکروحباب ها در مقابل حباب های بزرگ

همانطور که در بخش 3.1 ، الگوهای تجزیه در نوشیدنی اسید لاکتیک و شیر کاملاً متفاوت بود ( شکل 3 B، E و شکل 3 C، F، به ترتیب). تفاوت زیادی در غلظت کربن آلی و نیتروژن و همچنین در نسبت C/N وجود داشت ( جدول 2 ). بنابراین ما آزمایش‌های تخریب را با استفاده از دو بستر (نوشیدنی اسید لاکتیک و شیر) انجام دادیم و اثرات MiBs را در مقابل MaBs مقایسه کردیم.

شکل 5 تغییرات در مقادیر TOC و F-POC انباشته شده را در تیمارهای MiB و MaB نشان می دهد. در نوشیدنی اسید لاکتیک، که حاوی نیتروژن آلی کمی بود، تفاوت بین تیمارهای MiB و MaB اندک بود ( شکل 5 A,B). با این حال، تفاوت بین تیمارهای MiB و MaB به وضوح در شیر مشهود بود که دارای محتوای نیتروژن بالایی است ( شکل 5 C, D). در طول انکوباسیون 10 روزه، TOC تا 93.1٪ در تیمار MiB کاهش یافت، در حالی که TOC تنها 37.0٪ در تیمار MaB کاهش یافت ( شکل 5 C). تفاوت بین دو تیمار 01 در روز سوم و پنجم معنی‌دار بود (05/0p<) و در روزهای هفتم و دهم بسیار معنی‌دار بود ( 0p / تجمع F-POC نیز بین دو تیمار به طور قابل توجهی متفاوت بود. تولید بسیار کمی از F-POC در تیمار MaB در مقایسه با تیمار MiB وجود داشت ( شکل 5 D).

نوسانات غلظت DO، فراوانی باکتری ها و مقادیر pH در شکل 6 است. هم در نوشیدنی اسید لاکتیک و هم در شیر، غلظت DO در 24 ساعت اول به شدت کاهش یافت و در طول آزمایش در تیمار MaB تقریباً در صفر باقی ماند، در حالی که DO دوباره پس از روز پنجم یا هفتم در تیمار MiB شروع به افزایش کرد. تفاوت معنی داری ( 0p <) در فراوانی باکتری بین دو تیمار در اکثر روزها در هر دو بستر مایع وجود داشت ( شکل 6 B,E). تعداد باکتری‌ها در تیمار MiB بیش از یک مرتبه بزرگتر از تعداد باکتری‌ها در تیمار MaB تا روز 5 بود، زیرا TOC در تیمار MiB همچنان بالاتر بود (~5 گرم سانتی‌گراد) در این دوره ( شکل 5 C). با این حال، فراوانی باکتری همراه با کاهش TOC در درمان MiB کاهش یافت. مقادیر pH نیز بین تیمارهای MiB و MaB متفاوت بود ( شکل 6 C,F). در هر دو تیمار، مقادیر pH در سه روز اول به سرعت کاهش یافت. پس از آن، pH در تیمار MiB بالاتر از MaB در هر دو بستر بود، در نوشیدنی اسید لاکتیک نزدیک به 5.5 تا 6.0 باقی ماند و در شیر به نزدیک 7 رسید. شکل 6 C,F).

4. بحث

در مطالعه حاضر، سه مدل بستر – آب پرتقال، نوشیدنی اسید لاکتیک و شیر – انتخاب شدند و تخریب این بسترها برای ارزیابی اثربخشی MiBs برای تصفیه و تصفیه فاضلاب صنایع نوشیدنی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که میزان TOC در شیر پس از انکوباسیون 10 روزه کمترین میزان بود. فقط 0.76 gC (6.9٪) باقی مانده است، یعنی 10.3 gC (93.1٪) از TOC اولیه حذف شده است ( شکل 3 C). در مقابل، 5.26 گرم سانتی‌گراد (33.7%) کربن آلی پس از انکوباسیون 10 روزه همچنان در نوشیدنی اسید لاکتیک باقی مانده است ( شکل 3 B). مقدار کربن آلی باقی مانده در آب پرتقال حدواسط این دو بود (2.55 گرم سانتی گراد یا 17.3٪ ( شکل 3 A)). این نتایج نشان می‌دهد که مواد آلی با نسبت C/N نسبتاً کم (با محتوای نیتروژن آلی بالا) در فاضلاب سریع‌تر از مواد آلی با نسبت C/N نسبتاً بالا (با محتوای نیتروژن آلی کم) تجزیه می‌شوند ( جدول 2 ). این نتیجه با این واقعیت تأیید می شود که فراوانی باکتری ها بیش از 10 بود ⁸سلول mL ^-1، که در شیر قدری بیشتر از نوشیدنی اسید لاکتیک در روزهای سوم و پنجم انکوباسیون در تیمار MiB بود ( شکل 6 B، E). این نتایج نشان می دهد که فاضلاب حاوی غلظت بالایی از پروتئین ها و اسیدهای آمینه ممکن است راحت تر از فاضلاب حاوی کربوهیدرات ها خالص شود.

نتایج تیمارهای MiB و MaB روی دو بستر معرف، نوشیدنی اسید لاکتیک و شیر، نشان می‌دهد که کاهش TOC در تیمار MiB بسیار سریع‌تر اتفاق می‌افتد و رشد باکتری سریع‌تر و فراوانی باکتری در تیمار MiB بیشتر از MaB بود. درمان ( شکل 5 و شکل 6 ). در طول دوره انکوباسیون، غلظت DO به صفر کاهش یافت و pH نیز به سرعت کاهش یافت ( شکل 6 ). کاهش pH ممکن است به دلیل تولید اسیدهای آلی با تجزیه بی هوازی (تخمیر) در غیاب اکسیژن باشد. با این حال، در حالی که تیمار MaB بی هوازی باقی ماند و pH نسبتاً پایین باقی ماند، تیمار MiB به سرعت به شرایط هوازی بازگشت و مقادیر pH در پایان دوره جوجه کشی به 6.0-7.0 افزایش یافت ( شکل 6 D,F). این نتایج نشان می‌دهد که MiBs کار بسیار بهتری نسبت به MaBها در تامین اکسیژن و تسریع رشد باکتری‌های هوازی در زمانی که هوا با همان سرعت حباب می‌زند (15 میلی‌لیتر در دقیقه ⁾انجام می‌دهد.

تفاوت بین تیمارهای MiB و MaB در شیر بیشتر از نوشیدنی اسید لاکتیک بود

توضیح این تفاوت ممکن است این باشد که فاضلاب با ترکیبات غنی از نیتروژن (شیر) نسبت به فاضلاب با ترکیبات فقیر از نیتروژن (نوشیدنی اسید لاکتیک) از رشد سریع باکتریایی پشتیبانی می کند و در نتیجه، اولی باعث تسریع تخریب مواد آلی در فاضلاب می شود. .

نکته جالب دیگر تولید F-POC است. مقدار زیادی F-POC در ظرف حاوی بستر شیر شناسایی شد، اما F-POC بسیار کمی در آب پرتقال وجود داشت و تقریباً هیچ F-POC در نوشیدنی اسید لاکتیک وجود نداشت ( شکل 3 و شکل 4 ). نتیجه مشابهی با تولید مقادیر بالایی از F-POC در محلول پپتون نیز به دست آمد (داده‌ها نشان داده نشده است). یک استراتژی برای حذف جامدات معلق (SS) از فاضلابی که حاوی غلظت بالایی از SS است، جداسازی SS با جذب و فیلتراسیون با استفاده از غشاها است [ 35 ، 38 ]. با این حال، فیلتراسیون با مشکلات متعددی مانند رسوب غشاء به دلیل گرفتگی توسط مواد رسوب شده همراه است [ 37 ، 43 ]. مطالعات قبلی استفاده از نانو و حباب‌های میکرو را برای جدا کردن ذرات کوچک روغن پالم [ 8 ] و مواد معدنی [ 39 ، 44 ] روی سطح حباب‌های ریز و حذف آن‌ها با شناور کردن از پساب‌های زباله گزارش کرده‌اند. علاوه بر این، سطوح MiBs تمایل به جذب، متراکم و تجمع مواد آلی محلول دارند [ 38 ]. نتایج تحقیق حاضر ( شکل 3 و شکل 4 نشان می دهد که تجمع DOM روی سطوح حبابدار و جداسازی آن توسط شناور ممکن است راهی موثر برای حذف DOM از فاضلاب با محتوای نیتروژن بالا باشد.

استانداردهای زهکشی فاضلاب اعلام شده توسط وزارت محیط زیست، دولت ژاپن، نشان می دهد که

پساب صنایع نباید بیش از 160 میلی گرم در لیتر ^اکسیژنمورد نیاز شیمیایی (COD) داشته باشد [ 45 ]. این استاندارد با 60 میلی گرم در لیتر ^Cبه عنوان TOC مطابقت دارد. در مطالعه حاضر، مقدار TOC باقی مانده پس از انکوباسیون 10 روزه 0.76 گرم در شیر بود که با 27 میلی گرم در لیتر در لیتر ^TOC، 2.55 گرم سانتی گراد (95 میلی گرم در لیتر در لیتر ^TOC) در آب پرتقال، و 5.26 gC (195 mg-C L- ¹TOC) در نوشیدنی اسید لاکتیک ( شکل 3 ). این نتایج نشان می دهد که تنها بستر تحقیقاتی مبتنی بر شیر پس از درمان MiB استاندارد قانونی ژاپن را پاس کرده است. با این حال، غلظت اولیه کربن آلی در این مطالعه به حدود 0.5 gC L ^-1که حدود 1٪ از غلظت اولیه در نوشیدنی های اصلی بود. این غلظت اولیه TOC ممکن است بسیار بیشتر از پساب صنعتی واقعی باشد. علاوه بر این، ما هوا را در 15 میلی لیتر در دقیقه ¹تا 30 لیتر آب تامین کردیم که معادل تنها 0.05٪ است. v / v ) هوای عرضه شده به فاضلاب در دقیقه. اگر غلظت کربن آلی در پساب های واقعی تخلیه شده توسط صنایع نوشابه سازی کمتر از نصف یا یک سوم غلظت های اولیه مطالعه حاضر باشد و پساب ها با حجم بیشتری از هوا (بیش از 0.05% در دقیقه ⁾تصفیه کاهش بسیار سریعتر و مقدار کمتری از TOC باقیمانده مطمئناً به سطحی کمتر از استاندارد قانونی ژاپن خواهد رسید.

هنگامی که تسهیلات عملی تصفیه فاضلاب نوشیدنی 300 متر مکعب ⁽10 ⁴برابر بیشتر از مطالعه حاضر) را تصور می کنیم، تجهیزات معمولی هوادهی MaBs حدود 62000 دلار هزینه دارند، در حالی که با MiBs حدود 66400 دلار هزینه دارند [ 46 ]. این بدان معناست که تنها 7 درصد تفاوت هزینه و افزایش قابل توجهی در هزینه بر عهده صنایع نوشیدنی نخواهد بود. بنابراین، هنگامی که DOM از فاضلاب نوشیدنی با هزینه های مشابه تصفیه و تصفیه می شود، هوادهی توسط MiBs بسیار موثرتر از MaBs معمولی است.

5. نتیجه گیری ها

نتایج مطالعه حاضر نشان می‌دهد که تیمار با میکروحباب‌ها – تقریباً چند ده میکرومتر در قطر – بسیار برتر از ماکرو حباب‌ها در تأمین اکسیژن، تسریع رشد باکتری‌های هوازی و در نتیجه تخریب DOM است. همچنین پیشنهاد می‌شود که DOM حاوی ترکیبات نیتروژنی بیشتر به طور مؤثرتری نسبت به آن با نیتروژن کمتر با تخریب میکروبی و جداسازی شناور خالص شد. بنابراین، تصفیه میکرو حباب، روشی امیدوارکننده برای تحریک تجزیه DOM در فاضلاب صنایع نوشیدنی است که اغلب حاوی محتوای بسیار بالایی از کربن آلی است. فرآیند تصفیه ممکن است COD را با موفقیت به سطح مجاز قانونی برای تخلیه به محیط طبیعی کاهش دهد.

مشارکت های نویسنده

مفهوم سازی، KF; روش، KF، TO، KM، و TM. اعتبار سنجی، KF; تحلیل رسمی، KF; تحقیق، KF و TH. منابع، TM و MS؛ مدیریت داده، KF و TO. نوشتن – آماده سازی پیش نویس اصلی، KF; نوشتن-بررسی و ویرایش، KF; تجسم، KF; نظارت، TH; مدیریت پروژه، KF و TH. تأمین مالی، TH و MS همه نویسندگان نسخه منتشر شده نسخه خطی را خوانده و با آن موافقت کرده اند.

منابع مالی

این مطالعه با حمایت صندوق تحقیق و توسعه کوچی انجام شد و بخشی از این مطالعه توسط پروژه تحقیقاتی علوم دریایی چهار بعدی کوروشیو (4D-KMS) دانشگاه کوچی و “صندوق تحقیقاتی مدیر” حمایت مالی شد. ، دانشگاه آزاد ژاپن.

بیانیه هیئت بررسی نهادی

قابل اجرا نیست.

بیانیه رضایت آگاهانه

قابل اجرا نیست.

قدردانی ها

نویسندگان از استان کوچی ژاپن برای حمایت مالی از این مطالعه تشکر می کنند. نویسندگان همچنین از پروژه تحقیقاتی چهار بعدی علوم دریایی کوروشیو (4D-KMS)، دانشگاه کوچی و دانشگاه آزاد ژاپن برای حمایت مالی خود صمیمانه تشکر می کنند. نویسندگان از Kenji Yamamoto و Iwao Mitani، Sakamoto Giken Inc، به خاطر حمایت فنی آنها از دستگاه تولید حباب ریز و بحث ارزشمند نیز تشکر می کنند.

تضاد علاقه

نویسندگان هیچ تضاد منافع را اعلام نمی کنند. تامین کنندگان مالی هیچ نقشی در طراحی مطالعه نداشتند. در جمع آوری، تجزیه و تحلیل یا تفسیر داده ها؛ در نوشتن دست‌نوشته یا تصمیم به انتشار نتایج.