نوع در مراحل تولید کاغذ و استفاده زیاد از آب در هر یکی از این مراحل، باعث شده که صنایع تولید کاغذ در کنار صنایع خودروسازی، نفت و پتروشیمی و صنایع فولادسازی بعنوان بزرگترین صنایع مصرف کننده آب و طبعاً تولید کننده فاضلاب در بین صنایع موجود در جهان باشد این فاضلاب ها در کنار حجم زیاد آنها، دارای غلظت بالایی از BOD ، COD ، PH، مواد معلق ، رنگ و کدورت می باشند. آلاینده های اصلی فاضلاب صنایع کاغذ سازی را میتوان به سه دسته تقسیم کرد :مواد آلی معلق ، رنگ و جامدات غیر آلی.
جدا از تنوع زیاد آلاینده ها و ساختمان پیچیده آنها، بسیاری از ترکیبات موجود در فاضلاب کم محلول در آب هستند و مقاومت آنها در برابر روش های تصفیه خصوصاً تصفیه بیولوژیکی و رنگ تند قرمز مایل به قهوه ای آنها مشکلات زیادی را برای فرآیندهای تصفیه پدید آورده است. در این میان ترکیبات کلردار و مواد رنگ زا به عنوان نگرانی های اصلی در تصفیه این فاضلاب ها است. همچنین تاثیر سوء تخلیه این فاضلابها بر زیبایی و مسائل زیست محیطی را هم باید در نظر داشت. مجموع این عوامل باعث شده تا فاضلاب صنایع کاغذسازی یکی از مشکل ترین تصفیه های صنعتی را داشته باشد که با پیچیدگی در فرایندهای مربوطه همراه است.
عمده رنگ موجود در فاضلاب صنایع کاغذسازی، در فرآیند تولید خمیر از چیپس و در فرآیند رنگبری از لیکور سیاه بوجود می آید و بخش دیگر از تجزیه کربوهیدرات های موجود در ساختمان چوب است.همچنین مطالعات متعدد نشان می دهد که بخش کوچکی از مواد موجود در فاضلاب صنایع کاغذسازی، شامل ترکیبات آلی طبیعی، ترکیبات آلی سنتزی، مواد هیومیک و بصورت مواد معلق کلوئیدی است که توسط تصفیه فیزیکی و با روشهای ته نشینی در کلاریفایرها قابل حذف است. اما بخش بزرگتری از این فاضلابها بصورت محلول در آب و محتوی موادی با ساختاری حلقوی لیگنین و مشتقات آن است که به صورت ترکیبات پلیمری با مقاومت زیاد وابعاد واجرام مولکولی مختلف است.
بعضی از این اجزا دارای بار آنیونی بالایی هستند. این رنگدانه ها در برابر تکنیک های معمول تصفیه مانند تجزیه بیولوژیکی و اکسیداسیون شیمیایی مقاوم هستند و از بین سیستم های تصفیه عبور کرده و رنگ اضافی بر جای می گذارند به همین جهت حذف این بخش از پساب بسیار مشکل و هزینه بر است و مشکل اصلی، حذف رنگ از این فاضلاب هاست
عوامل عمده رنگزایی در فاضلاب صنایع کاغذ سازی را به گروه های زیر نسبت می دهند:
• ساختمان کوئینون
• رادیکالهای آزاد
• کمپلکس های آلی- فلزی
• گروه های -CH=CH-
• گروه های کربنیل (C=O) متصل به حلقه آروماتیک
از بین موارد فوق، گروه های با باند دو گانه متصل به حلقه آروماتیکی و گروه های کوئینونی، عوامل اصلی رنگزایی در فاضلاب ها اعلام شدند.
فاضلاب صنایع کاغذسازی یکی از منابع اصلی لیگنین موجود در آب های عمومی است. این ماده تقریباً دارای قابلیت تصفیه بیولوژیکی متوسط به پائین است. این عنصر بطور تدریجی و در فواصل زمانی طولانی بصورت بیولوژیکی تجزیه شده و باعث تخلیه اکسیژن می شود.
بررسی رفتار و منابع ترکیبات آلاینده های موجود در پساب صنایع کاغذ سازی :
ترکیبات تشکیل دهنده رنگ و آلودگی فاضلابهای صنایع کاغذ سازی از تنوع بسیار زیادی برخوردارند. همچنین منابع مختلفی برای تولید این آلاینده ها و ترکیبات رنگ زا در حین پروسه تولید وجود دارد که پس از جمع شدن فاضلاب هر یک از این واحدها، حجم بسیار زیادی از فاضلاب برای تصفیه شدن در انتظار میماند.
تفاوت در غلظت، اجزاء تشکیل دهنده و بار آلودگی موجود در فاضلاب خروجی هر یک از واحدهای پروسه تولید نیز از جمله عواملی است که باعث بروز مشکلاتی در امر تصفیه این فاضلاب ها می شود.بطور کلی قسمت اعظم این آلودگی ها را ترکیبات استخراجی از چوب که ماهیت طبیعی دارند تشکیل میدهند. این قسمت، شامل مواد و ترکیباتی از قبیل: کربوهیدرات ها، اسیدهای چرب، رزین ها و مواد آلی و غیرآلی ناشی از آنها، لیگنین و مشتقات آن، تانن ها (جوهر مازو) و اسید های آروماتیک و… است
بخش دیگر این آلودگی ها را، ترکیبات شیمیایی و مواد افزودنی که در حین پروسه تولید، استفاده میشود تشکیل می دهد. مانند ترکیبات فلزی، ترکیبات آلی سنتزی، پیگمنت ها، پرکن ها و پکینگ ها، آهار، چسب، صمغ، ضد کف ها، اسیدها و بازها، ضد زنگ، مواد شیمیایی مصرفی برای پخت خمیر وسایر مواد شیمیایی که در خلال فرآیندهای صنعتی، تولید و مصرف می شوند. بعضی از این ترکیبات دارای ساختمان پیچیده و بعضی ساختاری ناشناخته دارند. بعضی از اجزا سازنده چوب مانند اسیدهای رزینی، چربیها، ترکیبات فنولی در حلال های آلی مانند اتانول حل می شوند و برخی دیگر مانند کربوهیدرات ها، تانن ها، نمک های معدنی موجود در چوب توسط آب نیز قابل حل هستند.
بطور کلی، رنگ، مواد آلی معلق و جامدات غیر آلی، آلاینده های اصلی صنایع چوب و کاغذ بحساب می آیند. مکرراً از لیگنین به عنوان یکی از آلاینده های این صنعت نام برده شده است. ولی حالا باید کامل کرد که لیگنین، تاننها که ترکیباتی فنولی هستند و مشتقات آنها که دارای مقاومت زیاد و وزن مولکولی بالا هستند، به عنوان آلاینده های درجه یک در آلودگی، کدورت رنگ و سمیت فاضلاب صنایع کاغذسازی به شمار می آید و حجم زیادی از فاضلاب های تولیدی، شامل این مواد می شود.
از سوئی، موادی که برای تصفیه آب و فاضلاب واحدها مصرف می شود مانند آب مورد نیاز برای واحد بویلر که دارای سختی در حد صفر است، سبب افزایش آلودگی فاضلاب های کاغذ سازی می شود.مانند آهک، نمک های فلزی، پلی الکترولیت های مختلف، سیلیکات ها، اسید و باز و…
مواد آلی طبیعی: شامل مواد هیومیک، موجودات میکروبی و دیگر مواد آلی حل شده ناشی از صنایع کوچک و…
مواد شیمیایی آلی سنتزی: شامل مواد آلی شیمیایی فرار، مواد فرار سطحی و…
محصولات جانبی شیمیایی : مانند مواد افزودنی وارد شده به سیستم و نیز موادی که در خلال فرایند تصفیه آب و دیگر فرایندها تشکیل می شوند.
همانطور که پیشتر ذکر شد منابع مختلفی میتوان برای فاضلابهای صنایع کاغذسازی برشمرد اما منابع اصلی آلودگی در میان واحدهای مختلف صنایع کاغذ سازی ، واحد های تولید خمیر کاغذ و رنگبری آن میباشند.
فاضلاب واحد تولید خمیر کاغذ :مجموعه فعل و انفعالاتی که بر روی خرده های چوب (چیپس)انجام میشود و آن را به خمیر کاغذ تبدیل میکند را در اصطلاح ” فرایند تولید خمیر کاغذ” نامند. این واحد در واقع به جهت تولید مواد خام اولیه از اصلی ترین واحدهای شرکت های کاغذسازی محسوب میشود و عملیات آن مجموعه ای از فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی پیچیده است که بر روی خرده های چوب انجام میشود.این واحد سهم عمده ای در تولید فاضلاب صنایع کاغذسازی دارد که دارای بار آلودگی آلی بسیار زیادی است و نقش مهمی در بار آلودگی نهایی فاضلاب کارخانه دارد.طی فرایند تولید خمیر کاغذ ، خرده چوبها در یک مایع پخت شیمیایی ، پخته میشوند و به اجزا غیر سلولزی حل شده ، تجزیه می گردد فیبرهای سلولزی آزاد شده چندین بار شسته میشوند و نتیجه این فرایندها فاضلابی است که شامل مجموعه ای از آلاینده های چوب مانند پلی ساکارید ها، لیگنین ها، اسیدهای آلی، چربی ها و کربوهیدرات ها و … می باشد.
فاضلاب واحد رنگبری خمیر کاغذ :
این واحد با دارا بودن میزان بسیار بالای لیگنین در پساب خروجی آن که در طی عملیات رنگ زدائی از خمیر کاغذ بجا می ماند، بعنوان منبع اصلی تولید رنگ در فاضلاب های صنایع کاغذسازی محسوب میشود که به همراه آن میزان زیادی نیز آلاینده های آلی وارد پساب می کند.
این عملیات اغلب به دوصورت ممکن است که اجرا شود :
- کلریناسیون خمیر کاغذ برای لیگنین زدایی کامل .
- استفاده از پراکسید هیدروژن باکمک موادی مانند آب اکسیژنه.
در مرحله اول ترکیبات لیگنین کلره میشوند ولی هنوز حلالیت آنها در آب کم است به همین دلیل در مرحله دوم یک محلول کاستیک مانند سود را به خمیر اضافه میکنند تا با افزایش pH این ترکیبات را قابل حل در آب میسازد. و در نتیجه این ترکیبات به همراه آب از خمیر جدا میشوند.آلودگی های که از مرحله کلریناسیون خمیر کاغذ حاصل میشوند عمدتاً ماهیت آلی دارند و اغلب شامل کلرولیگنین ها، فنل ها، اسیدهای چرب، کربوهیدراتها و … است و پارامترهای آلودگی در بعضی از آنها مانند رنگ و میزان سمیت بسیار بالاست که این شدت بیشتر از کلرولیگنین تولیدی است که عامل اصلی آلودگی در فاضلابهاست.
همانطور که گفته شد، این واحد قسمت اعظم رنگ و COD فاضلاب را تولید میکند. علت این امر حجم بالای لیگنین موجود در فاضلاب آن است.
جهت بالا بردن بازده و افزایش کیفیت نهایی محصول، از یکسری مواد شیمیایی افزودنی استفاده میشود که در خلال فرایند تولید کاغذ به چرخه تولید اضافه میشوند این دسته نیز هرچند اندک بر آلودگی فاضلاب صنایع چوب و کاغذ تاثیر می گذارند.یک دسته از این مواد پیگمنت ها هستند که کاربردهای متنوعی در صنعت دارند. در صنایع کاغذ سازی برای اثر گذاری روی رنگ از این مواد خام معدنی استفاده میشود . از دیگر مواد افزودنی در طی فرایند تولید میتوان به مواد آهاری ، چسبها ، رزینها ، منعقدکننده ها، مواد ضد باکتری و ضد کفها اشاره کرد.
علاوه بر موارد ذکر شده در فوق که بعنوان منابع اصلی تولید آلودگی محسوب میشوند، منابع دیگری نیز وجود دارند که به افزایش میزان آلودگی کمک میکنند . شامل :
• آب مورد استفاده در مرحله پوست کنی و شستشوی چوب و تولید چیپس
• مایعات حاصل از بخارات خروجی از دایجستر ها
• مایعات حاصل از بخارات خروجی از تبخیر کننده های واحد بازیافت
• آب سفید خروجی از غربالها و شوینده ها
• آب سفید ماشین های کاغذ سازی
پارامترها مؤثر در انتخاب یک سیستم تصفیه مناسب :
هر روزه با پیشرفت روز افزون تکنولوژی ، تکنیکهای پیشرفته ای برای تصفیه فاضلابهای صنعتی ارائه میشود که اکثر این روش ها امروزه بصورت ترکیبی از روش های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی است که در این صورت به ترتیب به آنها تصفیه مقدماتی، ثانویه و نهایی اطلاق می شود. برای انتخاب سیستم تصفیه مناسب، پس از بررسی کامل مقررات زیست محیطی وشناسائی نوع و میزان آلاینده و مشخصات فاضلاب ورودی و پساب خروجی، اهداف تصفیه مشخص میشود و با توجه به آن روش مناسب یا ترکیبی مطلوب از آنها برگزیده می شود . بدیهی است که کلیه واحد های تصفیه پساب، جهت کاهش میزان آلودگی طراحی میشوند. اما آنچه که مهم است انتخاب بهترین روش و مناسب ترین سیستم برای هر واحد صنعتی با در نظر گرفتن کلیه شرایط پساب، فرایندهای واحد و مشخصات محیط دریافت کننده فاضلاب میباشد.
شرایط اقلیمی، موقعیت جغرافیایی، پارامترهای کمی- کیفی فاضلاب و میزان تصفیه مورد نظر بر اساس ملاک های زیست محیطی محلی، از دیگر عوامل انتخاب یک سیستم تصفیه محسوب می شود. این آلترناتیوها برای تصفیه فقط محدود به ترکیبات آلی نمی شوند، بلکه حذف فلزات و کاهش نمک های حل نشده و دیگر مواد آلاینده نیز مد نظر می باشد. روش های تصفیه اغلب شامل بیش از یک فرایند است و ترتیب آنها در فرایندهای چندگانه بسیار با اهمیت است و معمولاً ترکیبی از روش های مذکور برای انجام عملیات تصفیه استفاده می شود.
در پساب با pH بالا ، احتیاج به مرحله خنثی سازی مقدم بر مثلاً تصفیه بیولوژیکی است چون pH بالا در جهت عکس بر رشد باکتری ها اثر می کند و این مطلوب نیست .
همچنین ترتیب فرایندهای تصفیه بر هزینه های عملیاتی نیز تأثیر گذار است. مثلاً به دلایل متعدد، ته نشین سازی اولیه مقدم بر تصفیه بیولوژیکی دارد مثلاً :
• حذف بعضی BOD با روش های عملیاتی کم هزینه.
• حذف اجسام هرز و ضایعاتی که بر عملیات تصفیه بیولوژیکی اثرگذار است.
• ایجاد جریان همسان سازی شده پیش از ورود فاضلاب به قسمت مربوط به فرایند تصفیه بیولوژیکی.
بطور کلی هر فرایند تصفیه، اهداف ذیل را دنبال می کند :
• حذف مواد معلق و شناور
• حذف مواد آلی وقابل تجزیه
• کاهش کدورت و رنگ تا حد قابل قبول
• از بین بردن عوامل بیماری زا و ناسازگار با محیط زیست
تصفیه بیولوژیکی- اکسیداسیون با اکسیدانت های شیمیایی- انعقاد- روش های الکتروشیمیایی- فرایندهای تبادل یونی- استفاده از کمک منعقد کننده ها مانند خاک رس در کنار آلوم- فرایندهای جذب سطحی- فرایندهای غشایی- واکنش های احیای شیمیایی و … با توجه به شدت آلودگی ها در فضلاب های کاغذ سازی، اغلب روش های فیزیکی که بعنوان روش های “پیش تصفیه” موسوم هستند، به تنهایی برای کاهش میزان آلودگی و رنگ فاضلاب های صنعتی کافی نمی باشند. همچنین هرچند ترکیباتی مانند اسیدهای آلی، الکل های با وزن مولکولی پائین و… طی تصفیه بیولوژیکی حذف میشوند اما بعضی دیگر از آلاینده ها توسط این روش قابل حذف نیستند.
لذا جهت رساندن کیفیت فاضلابها به حد مناسب و مطابق با قوانین زیست محیطی، استفاده از روشهای دیگر تصفیه، از جمله روش های شیمیایی ضروری میباشد.
مهمترین روشهای تصفیه شیمیایی عبارتند از :
فرایند انعقاد و لخته سازی شامل :
• منعقدکننده آلومینیوم آلوم
• منعقدکننده های پلیمری پلی الکترولیت
• کمک منعقد کننده ها شامل خاک رس، اسید، باز، بنتونیت و …
• الکتروکواگولیشن
فرایندهای اکسیداسیون شامل :
• کلریناسیون
• پراکسید هیدرژن
• روش های فتوکاتالیستی
• ازناسیون
• روش های اکسیداسیون ترکیبی و …
• احیای شیمیایی (الکتروشیمیایی(