جلد 21، شماره 5 - ( 6-1401 )                   جلد 21 شماره 5 صفحات 550-533 | برگشت به فهرست نسخه ها

Ethics code: IR.SSU.SPH.REC.1396.99


XML English Abstract Print


Download citation:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:

Zarei Mahmoudabadi T, Ehrampoush M H, Talebi P, Eslami H. Paper and Cardboard Industries Wastewater Treatment by Coagulation and Flocculation Process and Optimization with Response Surface Methodology: A Laboratory Study. JRUMS 2022; 21 (5) :533-550
URL: http://journal.rums.ac.ir/article-1-6550-fa.html
زارعی محمودآبادی طاهره، احرامپوش محمدحسن، طالبی پروانه، اسلامی هادی. تصفیه فاضلاب صنایع کاغذ و مقواسازی به وسیله فرآیند انعقاد و لخته‌سازی و بهینه‌سازی با روش سطح پاسخ: یک مطالعه آزمایشگاهی. مجله دانشگاه علوم پزشکی رفسنجان 1401; 21 (5) :550-533

URL: http://journal.rums.ac.ir/article-1-6550-fa.html


استادیار گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکده بهداشت، مرکز تحقیقات ایمنی و سلامت شغلی، شرکت ملی صنایع مس ایران، سازمان جهانی ایمنی و دانشگاه علوم پزشکی رفسنجان، رفسنجان، ایران
متن کامل [PDF 1188 kb]   (108 دریافت)     |   چکیده (HTML)  (358 مشاهده)
متن کامل:   (186 مشاهده)
مقاله پژوهشی
مجله دانشگاه علوم پزشکی رفسنجان
دوره 21، مرداد 1401، 550-533
تصفیه فاضلاب صنایع کاغذ و مقواسازی به وسیله فرآیند انعقاد و لخته­سازی و بهینه­سازی با روش سطح پاسخ: یک مطالعه آزمایشگاهی

طاهره زارعی محمودآبادی[1]، محمدحسن احرامپوش[2]، پروانه طالبی[3]، هادی اسلامی[4]

دریافت مقاله: 04/03/1401  ارسال مقاله به نویسنده جهت اصلاح: 02/05/1401  دریافت اصلاحیه از نویسنده: 10/05/1401  پذیرش مقاله: 12/05/1401


چکیده
زمینه و هدف: تصفیه فاضلاب صنایع بازیافت کاغذ و مقواسازی با هدف بازچرخش آب، یکی از نیازهای صنایع می­باشد. لذا هدف این مطالعه، تصفیه فاضلاب صنایع بازیافت کاغذ بوسیله فرآیند انعقاد و لخته­سازی و بهینه­سازی با روش سطح پاسخ بود.
مواد و روشها: در این مطالعه آزمایشگاهی، از روش سطح پاسخ و طرح مرکب مرکـزی جهت طراحی آزمایش­ها، تعیین اثرات متغیرهای مورد مطالعه ( pH، غلظت­های آلوم، پلی آلومینیوم کلراید (Poly- aluminum chloride; PAC) و پلیمرکاتیونی) بر راندمان حذف جامدات معلق کل (Total suspended solid; TSS) و اکسیژن مورد نیاز شیمیایی (Chemical oxygen demand; COD) استفاده شد. تجزیه و تحلیل داده­ها با استفاده از آزمون آماری ANOVA با سطح معنی­دار 05/0 انجام شد.
یافته­ها: نتایج نشان داد که ترکیب پلی آلومینیوم کلراید با پلیمر کاتیونی (شرایط بهینه؛ 5/7=pH، غلظت  PAC­= 450 میلی­گرم بر لیتر، غلظت پلیمر کاتیونی = 5/1 میلی­گرم بر لیتر) راندمان حذف TSS و COD به ترتیب 34/97 و 76/75 درصد بود. ترکیب آلوم با پلیمر کاتیونی (شرایط بهینه؛ 5/8=pH، غلظت آلوم= 550 میلی­گرم بر لیتر، غلظت پلیمر کاتیونی = 2 میلی­گرم بر لیتر) راندمان حذف 96/98 و 83/77 درصد بود. اثرات هم­زمان دو متغیر مستقل pH و غلظت به طور معنی­داری (05/0 > P) در حذف متغیرهای TSS و COD تأثیر داشتند.
نتیجه­گیری: بر اساس نتایج، ترکیب PAC با پلیمر کاتیونی کارآیی بهتری داشته و هم­چنین مقدار COD و  TSS در پساب نهایی به ترتیب بالاتر و پایین­تر از مقادیر استاندارد بوده است. لذا فرآیند انعقاد شیمیایی به عنوان پیش­تصفیه توصیه می­گردد.
واژه­های کلیدی: انعقاد و لخته­سازی، بهینه­سازی، صنایع کاغذ و مقواسازی، تصفیه فاضلاب، روش سطح پاسخ



 

مقدمه
با توجه به مشکلات مربوط به کمبود مواد اولیه چوبی برای صنایع خمیرکاغذ و جلوگیری از اثرات تخریب محیط زیست، یکی از بهترین راه حل­های ممکن در دنیا، بازیافت کاغذهای باطله می­باشد. مزایای بازیافت کاغذ به عنوان کالای استراتژیک و ارزشمند در کشور ما به دلایل سودآوری آن، کاهش وابستگی به واردات این محصول، کاهش هزینه تبدیل و تولید آن از الیاف گیاهی به کاغذ، از اهمیت خاصی برخوردار می­باشد [1]. اما مصرف بالای آب در صنایع بازیافت کاغذ سبب ایجاد مقادیر زیادی از فاضلاب می­شود و صنعت کاغذسازی در میان مهمترین آلوده­کننده­های صنعتی قرار دارد و بنابراین یکی از صنایع نگران کننده می­باشد [2]. تصفیه فاضلاب صنایع بازیافت کاغذ با هدف استفاده مجدد آب و کاهش آسیب به محیط زیست یکی از نیازهای روز صنعت تصفیه فاضلاب در دنیا می­باشد [3]. فاضلاب خروجی از کارخانه­های بازیافت کاغذ، حاوی مقادیر بالایی از ذرات معلق، رنگ، مواد آلی و برخی ترکیبات شیمیایی شامل اسیدهای رزین، فنل­­ها، دی­اکسین­ها و فوران­ها، مواد آلی و معدنی، فلزات سنگین، سیانیدها، سولفیدها و دیگر مواد محلول میباشد که فرآیند بازچرخش پساب تصفیه شده را با مشکلات زیادی همراه می­کند. جداسازی ذرات معلق و مواد آلی یکی از ملزومات اصلی تصفیه فاضلاب این صنایع و کاهش مشکلات مربوط به آن می­باشد [4].
انواع مختلفی از فرآیندهای تصفیه از جمله (تصفیه بیولوژیکی هوازی و بی­هوازی [5]، اکسیداسیون پیشرفته، جذب، الکتروگوالاسیون [6]، فیلتراسیون غشایی [7] و انعقاد و لخته سازی) برای به حداقل رساندن تخلیه فاضلاب صنایع بازیافت کاغذ به محیط زیست مورد بررسی قرار گرفته است. طبق تحقیقات صورت گرفته بر روی چندین نوع فاضلاب این صنعت به طور کلی نسبت BOD5/COD (;Biochemical oxygen demand اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی) کم‌تر از 3/0 برآورد شده که این نسبت جهت استفاده از فرآیندهای بیولوژیکی مناسب نمی­باشد. همچنین مشخص شده است که فرآیند انعقاد و لخته­سازی بر روی افزایش قابلیت تجزیهپذیری زیستی پساب مقواسازی اثر مثبت دارد و نسبت COD/BOD بالای این پساب را پایین می­آورد [9-8]. استفاده از فرآیند انعقاد و لخته­سازی به دلیل سادگی و کارآیی یکی از روش­های مؤثر در جداسازی و بازیافت ترکیبات مزاحم در فاضلاب صنایع مقواسازی میباشد که از طریق بررسی پارامترهای مختلف مانند pH، دوز منعقدکننده، زمان ته نشینی و غیره می­توان راندمان فرآیند را افزایش داد [10-6]. البته محدودیت­ها و چالشهای فرآیند انعقاد لخته­سازی مانند سمیت و خطر سلامتی ناشی از منعقد کننده­ها و تولید مقدار زیاد لجن باید در نظرگرفته شود [11].
در آزمایش­های متداول انعقاد و لخته­سازی، در هر نوبت از آزمایش یکی از عوامل به صورت متغیر و سایر عوامل به صورت ثابت در نظر گرفته و راندمان حذف آلاینده­های مورد بررسی محاسبه می­شوند [12]. به کارگیری ایـن روش سـنتی، عـلاوه بـر نیـاز بـه زمـان طولانی و مواد شیمیایی بیشتر، بـه دلیـل خطـای زیـاد، دارای دقت پایینی اسـت. همچنـین ایـن روش قـادر بـه بررسی اثرات متقابل متغیرها نیست [13- 14]. با استفاده از روش سطح پاسـخ (Respond Surface Method; RSM) ضـمن رفـع محدودیت­های روش­های سنتی، اثرات متقابل متغیرهـای مستقل مختلف در سطوح گونـاگون و اثـرات آن­هـا روی یکدیگر را مورد مطالعه قـرار مـی­دهـد [15]. ایـن روش دارای چهار مرحله اصلی شامل؛ طراحی آزمایش­ها، برازش مدل، راستی آزمایی مدل و بهینهسـازی فرآیند اسـت. طرح آزمایش­هایی مثل مرکـب مرکـزی (Central Composite Design; CCD ) برای روش سطح پاسخ مفید است [17-16]. یکی از مهمترین مزایای استفاده از روش سطح - پاسخ صرفه جویی در وقت و هزینه از طریق کاهش در تعداد آزمایشات، تعیین حالت بهینه برای هر پارامتر و نیز تهیه مدل رگرسیونی فرآیند مورد بررسی است [18]. لذا هدف از مطالعه حاضر بهینه سازی شرایط انعقاد و لخته­سازی (pH، غلظت منعقدکننده­های آلوم، PAC و پلیمر کاتیونی) در تصفیه فاضلاب صنعت بازیافت کاغذ با استفاده از روش سطح پاسخ بوده است.
مواد و روشها
این مطالعه از نوع آزمایشگاهی بوده که در آزمایشگاه دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی شهید صدوقی یزد در سال 1397 (با کد اخلاق: IR. SS. SPH. REC.1396.99) صورت گرفت.
نمونه برداری از فاضلاب ورودی به حوضچه ته نشینی تصفیه خانه شرکت بازیافت کاغذ و مقواسازی شهر یزد انجام شد. پارامترهای pH، هدایت الکتریکی (Electrical Conductivity; EC) در محل اندازه­گیری و بعد از انتقال به آزمایشگاه پارامترهای کدورت، TSS، کل جامدات محلول (Total Dissolved Solids; TDS، COD مطابق با روش­های ارائه شده در کتاب روش­های استاندارد جهت آزمایش­های آب و فاضلاب اندازه­گیری گردید [19].
pH و EC پساب با استفاده از مولتی پارامتر HACH مدل HQ40 ساخت آمریکا، TSS و کدورت با استفاده از DR2000 و TDS بر اساس روش وزن سنجی که در بخش 2540-C استاندارد توضیح داده شده است، مورد سنجش قرار گرفتند [19]. اندازه­گیری COD با استفاده از ویال COD، ساخت شرکت HACH انجام شد به اینصورت که به مدت 2 ساعت در دستگاه هاضم (HACH) در دمای 150 درجه سانتی­گراد گذاشته شد و بعد از سرد شدن با استفاده از دستگاه DR2000 HACH قرائت گردید. همچنین از دستگاه جارتست مدل 402- 7790 (Phipps & Bird، آمریکا) جهت انجام آزمایشات و بهینه­سازی مراحل مورد استفاده قرار گرفت. در این مطالعه از PAC و آلوم به عنوان منعقدکننده و پلیمر کاتیونی C-270 ساخت شرکت Acquah سوئیس به عنوان کمک منعقدکننده مورد استفاده قرار گرفتند. هم­چنین از هیدروکسید سدیم و اسید کلریدریک ( یک نرمال) ساخت شرکت مرک آلمان برای تنظیم pH استفاده گردید [12].
در ادامه پارامترهای pH در مقادیر(5/5، 5/6، 5/7، 5/8، 5/9) غلظت PAC و آلوم (250، 350، 450، 550 میلی­گرم بر لیتر) و غلظت پلیمر کاتیونی  C270( 5/0، 1، 5/1، 2، 5/2 میلی­گرم بر لیتر) تنظیم شد و وارد نرم افزارMinitab  گردید و بر اساس روش سطح - پاسخ و مدل CCD طراحی آزمایش انجام شد. که برای بهینه­سازی مراحل انعقاد و لخته­سازی برای هر کدام از منعقدکنندهها 31 آزمایش طراحی شد. تمام مراحل بهینه سازی فرآیند انعقاد و لخته­سازی با سرعت و مدت زمان اختلاط تند 150 دور در دقیقه در 2 دقیقه، سرعت و مدت زمان اختلاط کند 40 دور در دقیقه در 20 دقیقه انجام گردید [15].
بهینه­سازی مرحله انعقاد و لخته سازی از طراحی آزمایش سطح - پاسخ و به روش طراحی کامپوزیت مرکزی(CCD) و تجزیه و تحلیل داده ها با استفاده از نرم افزار Minitab نسخه 16 و آزمون آماری ANOVA در سطح معنیدار (05/0>P) انجام شد.
نتایج
خصوصیات فاضلاب خام صنعت بازیافت کاغذ استفاده شده در این تحقیق در جدول 1 گزارش شده است.
 

جدول 1- خصوصیات فاضلاب صنعت بازیافت کاغذ
پارامتر واحد میانگین انحراف معیار
pH - 89/6 36/0
هدایت الکتریکی (EC) mS/cm 29/10 63/574
کدورت NTU 66/1957 41/177
کل جامدات معلق (TSS) mg/L 63/2549 76/366
کل جامدات محلول (TDS) mg/L 24/8203 76/429
اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی (COD) mg/L 11/12463 17/1787
 
در ابتدا تأثیر pH، غلظت PAC و پلیمر کاتیونی بر بازده فرآیند و بهینهسازی این متغیرها با استفاده از طرح آزمایشی بررسی شد. تعداد آزمایشات طراحی شده و راندمان حذف آلاینده­های TSS و COD مربوط به هر اجرا در جدول 2 گزارش شده است.
 


جدول 2- طراحی آزمایش برای PAC در ترکیب با پلیمر کاتیونی
سطح پاسخ
(راندمان حذف
بر حسب درصد)
C270
(mg/L)
PAC
(mg/L)
pH Run Order
COD TSS
2/49 18/82 2 550 5/6 1
24/77 84/98 5/1 450 5/7 2
89/40 8/66 1 350 5/6 3
38/77 04/98 5/1 450 5/7 4
59/64 8/95 1 350 5/8 5
89/76 18/98 5/1 450 5/7 6
14/72 68/98 5/1 450 5/9 7
01/77 88/98 5/1 450 5/7 8
77 98 5/1 450 5/7 9
53/49 88/82 2 550 5/6 10
2/44 33/72 2 350 5/6 11
76/76 01/98 5/1 450 5/7 12
79/78 41/99 5/1 650 5/7 13
75 25/96 1 550 5/8 14
42/67 19/92 5/0 450 5/7 15
4/77 97/98 5/1 450 5/7 16
15/47 37/78 1 550 5/6 17
11/40 66 1 350 5/6 18
31/78 05/98 5/1 450 5/7 19
72/47 91/78 1 550 5/6 20
18/74 17/97 2 550 5/8 21
96/53 54/86 5/1 250 5/7 22
2/43 88/71 2 350 5/6 23
19/65 01/95 1 350 5/8 24
79/38 44/63 5/1 450 5/5 25
68/68 13/97 2 350 5/8 26
71 86/95 5/2 450 5/7 27
4/75 97 2 550 5/8 28
68/77 15/98 5/1 450 5/7 29
91/68 14/96 2 350 5/8 30
4/75 97 1 550 5/8 31
 
تأثیر مقادیر مختلف pH و غلظت­های مختلف PAC در ترکیب با پلیمر کاتیونی بر راندمان حذف TSS و COD در شکل­های 1 و 2 نشان داده شده است.
راندمان حذف TSS و COD با افزایش pH در غلظت­های مختلف PAC افزایش مییابد و این افزایش تا pH برابر 5/7 با افزایش همراه بوده و در pH بالاتر راندمان حذف کاهش یافته است. در ادامه راندمان حذف با افزایش pH در غلظت­های مختلف پلیمر کاتیونی، راندمان حذف تا pH برابر 5/7 ادامه داشته و در pH بالاتر راندمان حذف کاهش یافته است. با افزایش غلظت PAC و پلیمر کاتیونی راندمان حذف افزایش می­یابد. این افزایش راندمان برای پلیمر کاتیونی در غلظت 5/1میلی­گرم بر لیتر و برای PAC در غلظت 450 میلی­گرم بر لیتر ادامه داشته و در غلظت­های بالاتر راندمان حذف کاهش نشان داده است.
در نهایت حداکثر راندمان حذف TSS و COD به ترتیب 34/97 و 76/75 درصد در شرایط بهینه با pH برابر 5/7، غلظت 450 میلی­گرم بر لیتر PAC و غلظت 5/1 میلی­گرم پلیمر کاتیونی (C270) اتفاق افتاده است.




شکل 1- اثرات pH محلول، غلظت PAC و پلیمر کاتیونی بر راندمان حذف TSS




شکل 2-  اثرات pH محلول، غلظت PAC و پلیمر کاتیونی بر راندمان حذف COD
در جدول 2 خصوصیات آماری مدل با استفاده از PAC در ترکیب با پلیمر کاتیونی ارائه شده است. در این جدول ضریب هبستگی (R2)، ضریب همبستگی اصلاح شده  (Adj-R2) و ضریب همبستگی پیش بینی کننده (Pred R2) وجود دارد. در یک تحلیل آماری مناسب ضریب همبستگی بهتر است نزدیک به 1 باشد. ضرایب همبستگی اصلاح شده و پیش بینی کننده، اختلافی بیش از 2/0 نداشته باشند. هم­چنین پارامتر دقت کافی که نسبت سیگنال به نویز (Adeq Precision; A.P) را اندازه گیری می­کند. در حالت کلی این نسبت بزرگتر از 4 باشد مطلوب است [6].
 
جدول 2- خصوصیات آماری مدل به منظور حذف TSS و COD با استفاده از PAC در ترکیب پلیمر کاتیونی
پاسخ معادله نهایی با متغیرهای رمزگذاری شده R2 Adj R2 Pred R2 Adeq Precision مقدار P C.V S. D
TSS 98.69+10.07A+6.26B+4.31C-5.9AB-2.22AC-0.73BC-11.71A2-5.01B2-4.42C2 94/0 91/0 75/0 01/22 0001/0 > 76/3 38/3
COD 74.89+6.61A+13.69B+6.94C+1.04AB-0.46A-1.57BC-15.3A2-7.57C2 9/0 85/0 7/0 5/16 0001/0 > 57/8 55/5
 
در ادامه تأثیر pH، غلظت منعقدکننده آلوم و پلیمر کاتیونی بر راندمان حذف آلاینده­های TSS و COD مربوط به هر اجرا در جدول 3 گزارش شده است.
 
جدول 3- طراحی آزمایش برای آلوم در ترکیب با پلیمر کاتیونی
سطح پاسخ
(راندمان حذف بر حسب درصد)
C270
(mg/L)
آلوم
(mg/L)
pH آزمایشات
COD TSS
41/53 2/85 2 550 5/6 1
4/72 33/91 5/1 450 5/7 2
8/38 01/70 1 350 5/6 3
29/73 21/92 5/1 450 5/7 4
19/69 96/84 1 350 5/8 5
69/73 4/91 5/1 450 5/7 6
87/73 09/93 5/1 450 5/9 7
73 8/93 5/1 450 5/7 8
15/74 93 5/1 450 5/7 9
2/53 64/86 2 550 5/6 10
5/41 76 2 350 5/6 11
05/75 53/92 5/1 450 5/7 12
86/70 16/92 5/1 650 5/7 13
74 31/97 1 550 5/8 14
5/65 33/86 5/0 450 5/7 15
02/74 12/93 5/1 450 5/7 16
2/64 35/82 1 550 5/6 17
19/38 98/71 1 350 5/6 18
75/74 48/92 5/1 450 5/7 19
14/43 85/83 1 550 5/6 20
93/78 29/99 2 550 5/8 21
66/59 56/81 5/1 250 5/7 22
9/40 12/75 2 350 5/6 23
08/69 75/84 1 350 5/8 24
2/36 91/66 5/1 450 5/5 25
69/67 92/82 2 350 5/8 26
71 87/93 5/2 450 5/7 27
12/78 51/99 2 550 5/8 28
82/74 03/93 5/1 450 5/7 29
67 01/82 2 350 5/8 30
39/74 59/97 1 550 5/8 31
 
شکل­های 3 و 4 تأثیر مقادیر مختلف pH و غلظت­های آلوم در ترکیب با پلیمر کاتیونی بر راندمان حذف TSS و COD نشان داده شده است.
 راندمان حذف TSS و COD با افزایش pH در غلظت­های مختلف آلوم افزایش مییابد و این افزایش تا pH برابر 5/8 افزایش داشته و در pH بالاتر راندمان حذف کاهش می­یابد. در ادامه راندمان حذف با افزایش pH در غلظت­های مختلف پلیمر کاتیونی، راندمان حذف تا pH برابر 5/8 ادامه داشته و در pH بالاتر راندمان حذف کاهش یافته است. با افزایش غلظت آلوم و پلیمر کاتیونی راندمان حذف کدورت افزایش می یابد. این افزایش راندمان برای پلیمر کاتیونی تا بالاترین غلظت یعنی غلظت 2 میلی­گرم بر لیتر و برای آلوم تا غلظت 550 میلی­گرم بر لیتر ادامه داشته است.
در نهایت حداکثر راندمان حذف TSS و COD به ترتیب 96/98 و 83/77 درصد در شرایط بهینه بر اساس پیش بینی مدل در pH برابر 5/8، غلظت 550 میلی­گرم بر لیتر آلوم و غلظت 2 میلی­گرم پلیمر کاتیونی (C270) به دست آمد.





شکل 3- اثرات pH محلول، غلظت آلوم و پلیمر کاتیونی بر راندمان حذف TSS



شکل 4- اثرات pH محلول، غلظت آلوم و پلیمر کاتیونی بر راندمان حذف COD
خصوصیات آماری مدل با استفاده از منعقدکننده آلوم در ترکیب با پلیمر کاتیونی در جدول 4 گزارش شده است.
 

جدول 4- خصوصیات آماری مدل به منظور حذف TSS و COD با استفاده از آلوم در ترکیب با پلیمر کاتیونی
پاسخ معادله نهایی با متغیرهای رمزگذاری شده R2 Adj R2 Pred R2 Adeq. Precision مقدار P Coefficient of variance (C.V) Standard Deviation (S. D)
TSS 91.25+2.72A+11.32B+0.47C+2.1748-1.59AC+0.79BC-8.04A2-4.47B2-1.3C2 93/0 9/0 72/0 2/21 0001/0> 3 64/2
COD 74.55+9.83A+10.39B+0.69C-3.11AB+0.038AC+0.57BC-12.91A2-6.88B2-2.31C2 95/0 93/0 78/0 62/25 0001/0> 19/8 27/5
 
بحث
نتایج نشان داد که ترکیب PAC با پلیمر کاتیونی اثرات قابل توجهی در حذف TSS و COD داشته است. مقادیر P-Value برای حذف TSS و COD نشان می­دهد مدل­ها برای حذف مؤثر پاسخ­های ذکر شده معنی­دار هستند. ضریب همبستگی R2 که نسبت کل تغییرات پاسخ پیشبینی شده توسط مدل را ارائه می­دهد، نشان دهنده مجموع مربعات ناشی از رگرسیون به کل مجموع مربعات می­باشد. بزرگ بودن مقادیر و نزدیک بودن به 1 مطلوب می­باشد و یک توافق مطلوب با ضرایب همبستگی اصلاح شده ضروری است [21-20]. در این پژوهش در مرحله استفاده از PAC در ترکیب با پلیمر کاتیونی، در تمامی موارد R2 بزرگتر از 9/0 و مطلوب می­باشد. وجود توافق منطقی بین R2 و ضریب اصلاح شده لازم است. با توجه به اینکه اختلاف بین این دو بیش از 2/0 نمی­باشد که نشان دهنده توافق بالای داده­های آزمایشگاهی به دست آمده با داده­های برآورد شده با مدل است. شاخص نسبت سیگنال به نویز (Adeq. Precision) مقادیر پیش بینی شده در نقاط طراحی را با متوسط خطای پیش بینی شده مقایسه مینماید [22]. در این پژوهش نسبت سیگنال به نویز برای حذف TSS و COD به ترتیب برابر 01/22 و 5/16 بوده که در تمامی موارد بزرگتر از 4 می­باشد در نتیجه داده­ها مطلوب بوده و نشان دهنده وجود سیگنال کافی و توان بالای مدل در پیش بینی نتایج می­باشد. ضریب تغییرات (C.V) تکرار مدل را تعریف می­کند. به طور نرمال در صورتی می­توان یک مدل را تکرار پذیر در نظر گرفت که مقدار ضریب تغییرات آن بیشتر از 10 درصد نباشد [23]. ضریب تغییرات در این پژوهش در تمامی موارد زیر 10 درصد می­باشد.
نتایج آنالیز واریانس برای هر پاسخ در ترکیب آلوم با پلیمر کاتیونی در جدول 4 نشان داده شده است. مقادیر P-Value در حذف TSS و COD نشان می­دهد مدل­ها برای حذف مؤثر پاسخهای ذکر شده معنی­دار هستند. ضریب همبستگی R2 برای TSS و COD به ترتیب 93/0 و 95/0 می­باشد که نزدیک به یک بوده و توافق مطلوب با ضرایب همبستگی اصلاح شده را دارا می­باشد. توافق منطقی بین  R2 و ضریب اصلاح شده بیش از 2/0 نمی­باشد که نشان دهنده توافق بالای داده­های آزمایشگاهی به دست آمده با داده­های برآورد شده با مدل است. در این ترکیب نسبت سیگنال به نویز برای حذف TSS و COD به ترتیب برابر 2/21 و 62/25 بوده که بزرگتر از 4 می­باشد در نتیجه داده­ها مطلوب بوده و نشان دهنده وجود سیگنال کافی و توان بالای مدل در پیش بینی نتایج است. ضریب تغییرات نیز برای هر دو پاسخ TSS و COD زیر 10 درصد است.
نتایج به دست آمده در این پژوهش نشان داد که تغییر pH اولیه، بازده حذف آلاینده­ها را تحت تأثیر قرار می­دهد. تحقیقات متعددی نیز در این زمینه نشان دادند که pH اولیه محلول اثر قابل توجهی بر روی عملکرد فرآیند انعقاد و لخته سازی دارد [24]. در فرایند انعقاد و لخته­سازی، pH فاکتور بسیار مهمی است و بر روی همه تعادلهای هیدرولیزی که منشأ گونه­های متفاوت در محلول است، اثر می­گذارد [25]. در این مطالعه بیشترین راندمان فرآیند انعقاد و لخته­سازی برای منعقدکننده PAC در ترکیب با پلیمر کاتیونی در pH خنثی برابر 5/7 بدست آمد. در محیط­های اسیدی، آلومینیوم موجود بیشتر به شکل Al3+ وجود دارد که منجر به جذب، ایجاد اتصال و چسبندگی بین کلوئیدها نمی­گردد. در نتیجه راندمان انعقاد کاهش می­یابد. بر عکس در محیط های قلیایی گونه­های پلیمری بر روی سطح ذرات کلوئیدی جذب شده و باعث تجمع ذرات کلوئیدی می­گردد و راندمان انعقاد افزایش می­یابد. در pHهای بالاتر از 5/8، آلومینیوم موجود در محلول بیشتر به شکل Al(OH)4 دارای بار منفی می­باشد در نتیجه راندمان حذف COD به علت نیروی دافعه بین ذرات کلوئیدی دارای بار منفی و یونهای Al(OH)4 کاهش می­یابد.  Birjandiو همکاران در مطالعه خود بر روی تصفیه فاضلاب صنایع کاغذ و مقوا با استفاده PAC به pH بهینه 5/9 دست یافتند [25].
یکی دیگر از پارامترهای مهم به منظور بهره برداری بهینه عملکرد در فرآیند انعقاد و لخته­سازی، غلظت ماده منعقدکننده است [27-26]. اساساً، غلظت ناکافی و یا غلظت بیش از حد منجر به عملکرد ضعیف تشکیل لخته می­شود. لذا، برای کاهش هزینه­های فرآیند تصفیه و تشکیل لجن مناسب و هم­چنین برای به دست آوردن بهترین عملکرد در تصفیه، تعیین غلظت بهینه منعقدکننده مهم می­باشد
[29-28]. نتایج نشان داد که با افزایش غلظت راندمان حذف آلاینده­ها افزایش یافته است. افزایش غلظت منعقدکننده تا مقادیری بالاتر از مقدار بهینه، سبب پایداری مجدد کلوئیدها می­شود. افزایش حذف COD با افزایش دوز منعقد کننده مصرفی به دلیل افزایش غلظت گونههای مختلف هیدرولیز شده است که ذرات کلوئیدی را ناپایدار می­سازند. در مطالعه‌ای توسط Birjandi و همکاران مشخص شد که حداکثر راندمان حذف کدورت و COD در غلظت بهینه 1550 میلی­گرم بر لیتر از آلوم  و 1314 میلیگرم بر لیتر PAC به ترتیب 23/83 و 02/80 درصد به دست آمد [30]. که نسبت به مطالعه حاضر به راندمان حذف بیشتری برای COD دست یافتند که این می­تواند به علت استفاده از غلظت بیشتر منعقدکننده­های مصرفی باشد.

 پلیمرها با ایجاد پل بین زنجیره­های طولانی بین فلوک­های ریز حاصل از کار منعقد کننده­ها، آن­ها را به صورت لخته­های درشت و سنگین در آورده، عمل ته نشینی را سرعت می­دهد، غلظت ماده منعقدکننده مصرفی و هم­چنین حجم لجن نیز کاهش می­یابد. عملکرد لخته سازها در ابتدا به نوع لخته ساز استفاده شده، وزن مولکولی آن، طبیعت یونی، نوع مواد در سوسپانسیون فاضلاب و نوع فاضلاب بستگی دارد. چنانچه مقدار پلیمری که استفاده می­شود بیش از حد باشد ممکن است کلوئید دوباره ثبات یابد، در این حالت تمام سطح کلوئیدها به وسیله پلیمر پوشیده می­شود و محلی برای ایجاد پل بین آن­ها باقی نمی­گذارد [18]. Wang و همکاران از کلراید آلومینیوم به عنوان منعقدکننده و از پلیمر طبیعی (starch-g-PAM-g-PDMC) به عنوان لخته ساز برای تصفیه فاضلاب کارخانه کاغذ و خمیر کاغذ استفاده کردند. آن­ها در شرایط بهینه ( غلظت منعقدکننده = 871 میلی­گرم بر لیتر، غلظت لخته­ساز = 3/22 میلی­گرم بر لیتر و pH  برابر 5/8) به راندمان حذف 7/95 درصد برای کدورت و 6/72 درصد بازیافت آب دست یافتند [31].  Ansari و همکاران در تصفیه فاضلاب صنایع بازیافت کاغذ، با استفاده از 1500 میلی­گرم بر لیتر PAC در ترکیب با 40 میلی­گرم بر لیتر پلی آکریل امید کاتیونی (PAM-C) به راندمان حذف 39 درصد برای COD و 31 درصد برای BOD در pH طبیعی پساب (9/6) دست یافتند [32].
از جمله محدودیت­های این تکنولوژی می‌توان به تأثیر گذاری دمای پایین پساب ورودی، قلیائیت کم و اختلاط ضعیف بر روی راندمان فرآیندهای انعقاد و لخته‌سازی اشاره کرد و برای داشتن عملکرد مطلوب، نرخ جریان پیوسته و ثابت پساب ضروری می­باشد. هزینه­های بالای بهره برداری و تبعات نامطلوب زیست محیطی دفع لجن تولیدی باید در نظر گرفته شود. هم­چنین علاوه بر این موارد اپراتورهای آموزش دیده برای بهره­برداری مناسب و مطمئن از سیستم لازم میباشد [3]. بنابراین پیشنهاد می شود در مطالعات آتی از سایر منعقد کننده ها و همچنین ترکیب روش انعقاد و لخته سازی با سایر روشها جهت تصفیه کاملتر فاضلاب صنایع بازیافت کاغذ و مقوا استفاده گردد.
نتیجه‌گیری
در این مطالعه به بهینه­سازی فرآیند انعقاد و لخته­سازی با استفاده از منعقدکننده­های آلوم و PAC در ترکیب با پلیمر کاتیونی C-270 به منظور حذف TSS و COD پرداخته شده است. متغیرهای مورد بررسی در این مطالعه، شامل پنج عامل غلظت منعقدکننده، غلظت کمک منعقدکننده، pH، TSS و COD بوده است که آزمایشات بر اساس روش سطح پاسخ طراحی گردید. در مرحله بهینه‌سازی مقدار بهینه متغیرهای مورد بررسی با هدف حداکثر حذف TSS، COD و حداقل میزان ماده مصرفی، بیانگر 450 میلی­گرم بر لیتر PAC به عنوان منعقدکننده و 5/1 میلی­گرم بر لیتر پلیمر کاتیونی به عنوان کمک منعقدکننده در pH برابر 5/7 است. با توجه به راندمان قابل قبول، در دسترس بودن و کاربرد آسان می­توان نتیجه گرفت که استفاده از فرآیند انعقاد و لخته­سازی در مقیاس‌های بزرگ برای تصفیه فاضلاب صنایع بازیافت کاغذ به عنوان یک مرحله پیش تصفیه وکاهش بار آلی ورودی به سیستم برای فرآیند بیولوژیکی استفاده شود.
تشکر و قدردانی
این مقاله قسمتی از طرح تحقیقاتی تصویب شده در مرکز تحقیقات علوم و فناوری­های محیط زیست دانشکده بهداشت دانشگاه علوم پزشکی شهید صدوقی یزد (با کد 5243) میباشد. نویسندگان این مقاله از معاونت تحقیقات و فناوری دانشگاه علوم پزشکی شهید صدوقی یزد به جهت حمایت مالی از این طرح تحقیقاتی کمال تشکر و قدردانی را دارند.   
 

References

 
[1] Liu M, Tan S, Zhang M, He G, Chen Z, Fu Z, et al. Waste paper recycling decision system based on material flow analysis and life cycle assessment: A case study of waste paper recycling from China. J Environ Manage 2020; 255: 109859.
[2] Zazouli MA, Ahmadi M, Charati JY. Pretreatment of paper recycling plant wastewater by electrocoagulation using aluminum and iron electrodes. J Mater Environ Sci 2017; 8(6): 2140-6.
[3] Zarei Mahmoudabadi T, Ehrampoush MH, Talebi P, Fouladi-Fard R, Eslami H. Comparison of poly ferric chloride and poly titanium tetrachloride in coagulation and flocculation process for paper and cardboard wastewater treatment. Environ Sci Pollut Res 2021; 28(21): 27262-72.
[4] Graich A, Mghaiouini R, Bellarbi A, Khaidar M, Laamyem A, Monkade M, et al. Use of a cascade system based on marine sand and bottom ash in the treatment of cardboard manufacturing wastewater by infiltration percolation. Phys Scr 2021; 96(12): 125-711.
[5] Tawfik A, Bakr MH, Nasr M, Haider J, Lim H, Qyyum MA, et al. Economic and environmental sustainability for anaerobic biological treatment of wastewater from paper and cardboard manufacturing industry. Chemosphere 2022; 289: 133-66.
[6] Mehralian M, Khashij M, Dalvand A. Treatment of cardboard factory wastewater using ozone-assisted electrocoagulation process: optimization through response surface methodology. Environ Sci Pollut Res 2021; 28(33): 45041-9.
[7] Sousa MRS, Lora-García J, López-Pérez M-F, Santafé-Moros A, Gozálvez-Zafrilla JM. Operating conditions optimization via the Taguchi method to remove colloidal substances from recycled paper and cardboard production wastewater. Membranes 2020; 10(8): 170.
[8] Toczyłowska-Mamińska R. Limits and perspectives of pulp and paper industry wastewater treatment–A review. Renew Sustain Energy Rev 2017; 78: 764-72.
[9] Eslami H, Zarei Mahmoudabadi T. Modified coagulation processes using polyferric chloride and polytitanium tetrachloride for the removal of anionic dye from aqueous solution. Int J Environ Sci Technol 2022; 19(3): 1811-8.
[10] Eslami H, Esmaeili A, Ehrampoush MH, Ebrahimi AA, Taghavi M, Khosravi R. Simultaneous presence of poly titanium chloride and Fe2O3-Mn2O3 nanocomposite in the enhanced coagulation for high rate As (V) removal from contaminated water. J Water Process Eng 2020; 36: 1013-42.
[11] Teh CY, Budiman PM, Shak KPY, Wu TY. Recent advancement of coagulation–flocculation and its application in wastewater treatment. Ind Eng Chem Res 2016; 55(16): 4363-89.
[12] Zarei Mahmudabadi T, Ebrahimi A, Ehrampoush M, Eslami H. Investigating the effect of coagulation and flocculation-adsorption process on boron removal from industrial wastewater (Case study: Ceramic tile industry). J Rafsanjan Univ 2021; 19(10): 1015-34.
[13] Abdulgader M, Yu QJ, Zinatizadeh AA, Williams P, Rahimi Z. Application of response surface methodology (RSM) for process analysis and optimization of milk processing wastewater treatment using multistage flexible fiber biofilm reactor. J Environ Chem En 2020; 8(3): 103797.
[14] Dargahi A, Mohammadi M, Amirian F, Karami A, Almasi A. Phenol removal from oil refinery wastewater using anaerobic stabilization pond modeling and process optimization using response surface methodology (RSM). Desalin Water Treat 2017; 87: 199-208.
[15] Zarei Mahmudabadi T, Ebrahimi AA, Eslami H, Mokhtari M, Salmani MH, Ghaneian MT, et al. Optimization and economic evaluation of modified coagulation–flocculation process for enhanced treatment of ceramic-tile industry wastewater. AMB Express 2018; 8(1): 1-12.
[16] Darvishmotevalli M, Zarei A, Moradnia M, Noorisepehr M, Mohammadi H. Optimization of saline wastewater treatment using electrochemical oxidation process: Prediction by RSM method. MethodsX 2019; 6: 1101-13.
[17] Momeni MM, Kahforoushan D, Abbasi F, Ghanbarian S. Using chitosan/CHPATC as coagulant to remove color and turbidity of industrial wastewater: optimization through RSM design. J Environ Manage 2018; 211: 347-55.
[18] Tetteh EK, Rathilal S. Effects of a polymeric organic coagulant for industrial mineral oil wastewater treatment using response surface methodology (RSM). Water Sa 2018; 44(2): 155-61.
[19] APHA A. WEF.(2012)“Standard Methods for examination of water and wastewater”. 22nd American Public Health Association (Eds.). Washington. 1360 pp. ed 2014.
[20] Kim S-C. Application of response surface method as an experimental design to optimize coagulation–flocculation process for pre-treating paper wastewater. J Ind Eng Chem 2016; 38: 93-102.
[21] Zahrim A, Nasimah A, Hilal N. Coagulation/ flocculation of lignin aqueous solution in single stage mixing tank system: modeling and optimization by response surface methodology. J Environ Chem Eng 2015; 3(3): 2145-54.
[22] Daud NM, Abdullah SRS, Hasan HA. Response surface methodological analysis for the optimization of acid-catalyzed transesterification biodiesel wastewater pre-treatment using coagulation–flocculation process. Saf Environ Prot 2018; 113: 184-92.
[23] Guvenc SY, Erkan HS, Varank G, Bilgili MS, Engin GO. Optimization of paper mill industry wastewater treatment by electrocoagulation and electro-Fenton processes using response surface methodology. Water Sci Technol 2017; 76(8): 2015-31.
[24] Fendri I, Khannous L, Timoumi A, Gharsallah N, Gdoura R. Optimization of coagulation-flocculation process for printing ink industrial wastewater treatment using response surface methodology. Afr J Biotechnol 2013; 12(30): 4819-26.
[25] Birjandi N, Younesi H, Bahramifar N, Ghafari S, Zinatizadeh AA, Sethupathi S. Optimization of coagulation-flocculation treatment on paper-recycling wastewater: application of response surface methodology. J Environ Sci Health A 2013; 48(12): 1573-82.
[26] Trinh TK, Kang LS. Response surface methodological approach to optimize the coagulation–flocculation process in drinking water treatment. Chem Eng Res Des 2011; 89(7): 1126-35.
[27] Ghafari S, Aziz HA, Isa MH, Zinatizadeh AA. Application of response surface methodology (RSM) to optimize coagulation–flocculation treatment of leachate using poly-aluminum chloride (PAC) and alum. J Hazard Mater 2009; 163(2-3): 650-6.
[28] Ahmad A, Wong S, Teng T, Zuhairi A. Optimization of coagulation–flocculation process for pulp and paper mill effluent by response surface methodological analysis. J Hazard Mater 2007; 145(1-2): 162-8.
[29] Kakoi B, Kaluli JW, Ndiba P, Thiong'o G. Optimization of Maerua Decumbent bio-coagulant in paint industry wastewater treatment with response surface methodology. J Clean Prod 2017; 164: 1124-34.
[30] Birjandi N, Younesi H, Bahramifar N. Treatment of wastewater effluents from paper-recycling plants by coagulation process and optimization of treatment conditions with response surface methodology. Appl Water Sci 2016; 6(4): 339-48.
[31] Wang J-P, Chen Y-Z, Wang Y, Yuan S-J, Yu H-Q. Optimization of the coagulation-flocculation process for pulp mill wastewater treatment using a combination of uniform design and response surface methodology. Water Res 2011; 45(17): 5633-40.
[32] Alavi J, Ansari S, Technical evaluation and economic optimization of coagulation-flocculation process for the pre-treatment of over-reused effluent of paper mills in cardboard recycling industry. Int J Environ Anal Chem 2021: 1-19.


Paper and Cardboard Industries Wastewater Treatment by Coagulation and Flocculation Process and Optimization with Response Surface Methodology:
A Laboratory Study
Tahereh Zarei Mahmoudabadi[5], Mohammad Hassan Ehrampoush[6], Parvaneh Talebi[7], Hadi Eslami[8]


Received: 25/05/22      Sent for Revision: 24/07/22     Received Revised Manuscript: 01/08/22     Accepted: 03/08/22


Background and Objectives: Wastewater treatment of paper recycling and cardboard industries with the aim of water recycling and reducing environmental impact is one of the daily needs of industries. Therefore, the aim of the present study was to optimize the conditions of coagulation and flocculation process in wastewater treatment of paper recycling industries using the response surface method.
Materials and Methods: In this laboratory study, response surface method and central composite design were used to design the experiments and to determine the effects of the studied variables (pH, concentrations of alum, Poly aluminum chloride (PAC), and cationic polymer) on the total suspended solid (TSS) and chemical oxygen demand (COD) removal efficiency. Data analysis was done using ANOVA statistical test with a significant level of 0.05.
Results: The results showed that in the combination of PAC with cationic polymer (optimal conditions; pH=7.5, PAC concentration=450 mg/L, cationic polymer concentration=1.5 mg/L), the TSS and COD removal efficiency were 97.34% and 75.76%, respectively. In combination of alum with cationic polymer (optimal conditions; pH=8.5, alum concentration=550 mg/L, cationic polymer concentration=2 mg/L), removal efficiencies were 98.96% and 77.83%, respectively. The simultaneous effects of two independent variables, pH and concentration, had a significant effect (p<0.05) in removing TSS and COD variables.
Conclusion: The results showed that the combination of PAC with cationic polymer had a better efficiency. Also, the COD and TSS in the final effluent were higher and lower than the standard values, respectively. Therefore, chemical coagulation process is proposed as pretreatment.
Key words: Coagulation and flocculation, Optimization, Paper and cardboard industries, Wastewater treatment, Response surface methodology
Funding: This study was funded by Shahid Sadoughi University of Medical Sciences, Yazd, Iran.
Conflict of interest: None declared.
Ethical approval: The Ethics Committee of Shahid Sadoughi University of Medical Sciences approved the study (IR.SSU.SPH.REC.1396.99).
How to cite this article: Zarei Mahmoudabadi Tahereh, Ehrampoush Mohammad Hassan, Talebi Parvaneh, Eslami Hadi. Paper and Cardboard Industries Wastewater Treatment by Coagulation and Flocculation Process and Optimization with Response Surface Methodology: A Laboratory Study.  J Rafsanjan Univ Med Sci 2022; 21 (05): 533-50. [Farsi]
 
 

[1]- کارشناسی ارشد مهندسی بهداشت محیط، مرکز تحقیقات علوم و فناوریهای محیط زیست، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی شهید صدوقی، یزد، ایران
[2]- استاد گروه مهندسی بهداشت محیط، مرکز تحقیقات علوم و فناوریهای محیط زیست، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی شهید صدوقی، یزد، ایران
[3]- کارشناسی ارشد مهندسی محیط زیست، مرکز تحقیقات علوم و فناوریهای محیط زیست، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی شهید صدوقی، یزد، ایران
[4]- استادیار گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکده بهداشت، مرکز تحقیقات ایمنی و سلامت شغلی، شرکت ملی صنایع مس ایران، سازمان جهانی ایمنی و دانشگاه علوم پزشکی رفسنجان، رفسنجان، ایران
تلفن: 31315241034، دورنگار: 34280071034، پست الکترونیکی: Hadieslami1986@yahoo.com
[5]. MSc, Dept. of Environmental Health Engineering, Environmental Science and Technology Research Center, School of Health, Shahid Sadoughi University of Medical Sciences, Yazd, Iran
[6]- Prof., Dept. of Environmental Health Engineering, Environmental Science and Technology Research Center, School of Health, Shahid Sadoughi University of Medical Sciences, Yazd, Iran
[7]- MSc, Dept. of Environmental Health Engineering, Environmental Science and Technology Research Center, School of Health, Shahid Sadoughi University of Medical Sciences, Yazd, Iran
[8]- Assistant Prof., Dept. of Environmental Health Engineering, School of Health, Occupational Safety and Health Research Center, NICICO, World Safety Organization and Rafsanjan University of Medical Sciences, Rafsanjan, Iran, ORCID: 0000-0001-5137-4764
(Corresponding Author) Tel: (034) 31315241, Fax: (034) 34280071, E-mail: Hadieslami1986@yahoo.com
نوع مطالعه: پژوهشي | موضوع مقاله: بهداشت
دریافت: 1401/2/28 | پذیرش: 1401/5/12 | انتشار: 1401/6/28

ارسال نظر درباره این مقاله : نام کاربری یا پست الکترونیک شما:
CAPTCHA

ارسال پیام به نویسنده مسئول


بازنشر اطلاعات
Creative Commons License این مقاله تحت شرایط Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License قابل بازنشر است.

کلیه حقوق این وب سایت متعلق به مجله علمی دانشگاه علوم پزشکی رفسنجان می باشد.

طراحی و برنامه نویسی : یکتاوب افزار شرق

© 2023 CC BY-NC 4.0 | Journal of Rafsanjan University of Medical Sciences

Designed & Developed by : Yektaweb