تصفیه فاضلاب صنایع قند و شکر

تصفیه فاضلاب صنایع قند و شکر

تصفیه فاضلاب صنایع تولید قند و شکر از چغندر قند یکی از چالش های زیست محیطی کارخانه های تولید قند و شکر می باشد. صنایع تولید قند و شکر به دلیل مصرف آب بالا در فرایند تولید، فاضلابی با دبی بالا و آلودگی نسبتاٌ بالا تولید می کنند. شرکت مهندسی فران به پشتوانه نزدیک به دو دهه فعالیت در زمینه تصفیه فاضلابهای صنعتی، پروژه های تصفیه خانه فاضلاب صنعتی را طراحی و اجرا می نماید.

صنعت قند از قديمي ترين و در عين حال از پرمصرف ترين صنايع در مصرف آب مي باشد. کمينه سازي مصرف آب با هدف کاهش فاضلاب کارخانه و بهينه سازي تصفيه فاضلاب صنايع قند از مسائلي است که اکثر کارخانه های قند جهان آن را اجرا کرده و يا در حال اجراي آن هستند. نظر به محدود بودن منابع و ذخاير آب در کشورمان و با توجه به خشکسالي هاي پياپي و بحران آب فراگیر، انجام مطالعات و پژوهش در جهت ارائه راهکارهايي براي کاهش مصرف آب، استفاده مجدد و کم کردن حجم فاضلاب توليدي صنايع قند در این کشور از اهميت خاصي برخوردار است.

 

فرایند استخراج قند از چغندر قند

چغندر قند به عنوان یکی از منابع اصلی استخزاج قند در کارخانه های تولید شکر شناخته می شود. كاشت چغندرقند در كشور به طور طبيعي در فصل بهار انجام می شود. اما به دلیل کمبود آب در کشور ضروري است كه بخش عمده آن به كشت پاييزه تبديل شود. در حال حاضر چغندرقنـد در سـيزده اسـتان كـشور شـامل خراسـان رضـوي، خراسـان شـمالي، آذربايجان غربي، فارس، اصفهان، كرمانـشاه، همـدان، كرمـان، خراسـان جنـوبي، مركـزي، لرستان، قزوين و چهارمحال بختياري به صورت بهاره و در استان خوزستان به صورت پاييزه كشت ميشود. در استان اردبيل نيز چغندرقند براي توليـد بـذر كـشت مـيشـود.

کاشت، داشت و برداشت چغندر

چغندر قندهاي رسيده و سالم – آماده برداشت هستند و معمولا بعد از حمل به کارخانه سر و دم آن ها قطع شده و بهتر است که تا حد امکان عاري از مواد خارجي باشد. چغندرها معمولا با کاميون به کارخانه حمل شده و پس از توزين، به قسمت عيار سنجي رفته و با دستگاهی مخصوص از آنان نمونه برداري مي شود تا درصد قند (عيار) نمونه ها اندازه گيري شود. پرداخت قيمت چغندر به کشاورزان بر اساس وزن خالص و درصد قند آن و همچنين با توجه به درصد افت وزني مربوط به خاک و گل و ساير ناخالصي هاي همراه چغندر انجام مي شود.

 

توزین چغندر قند

انتقال چغندر به محل کارخانه

غالبا براي انتقال چغندر از سيلو به محل فرايند از جريان آب استفاده مي شود؛ همچنین در ضمن انتقال اعمالي مانند سنگ گيري و علف گيري نيز انجام مي شود. در برخی از کارخانه های چغندر قند، آب مورد استفاده در مرحله انتقال چغندر قند به فاضلاب کارخانه هدایت می شود. این جریان دارای دبی بالا و آلودگی پایین بیولوژیکی است.

شستشوی چغندر

شستشوي چغندر با استفاده از آب و دستگاههاي شستشویی به شکل نيم استوانه انجام مي شود. در این دستگاه ها با  حرکت بازوهاي گردان و ساييدن چغندرها بهم عمل شستشو صورت مي گيرد. در فرایند شستشو گل و لای چغندر شستشه شده و وارد فاضلاب می شود. فرایند شستشو محتوای ذرات معلق نامحلول در فاضلاب را افزایش می دهد.

دستگاه شست و شوی چغندر

تصفیه فاضلاب صنایع قند و شکر

تهيه خلال چغندر

براي تسهيل استخراج قند از چغندر لازم است که آن را بصورت رشته هاي باريکي به نام خلال درآورد. اين کار در دستگاهي معروف به آسياب خلال صورت مي گيرد. در این مرحله نیز درصد قند چغندرها طي آزمايش اندازه گيري مي گردد و قبل از ورود به مرحله بعد با ترازوهاي مخصوصي توزين مي شوند. در نتیجه با داشتن وزن و درصد قند آنها مي توان مقدار قند وارد شده به فرايند را تعيين کرد. بخشی از محتوای قند وارد شده به فاضلاب در این مرحله وارد می شود.

استخراج قند از خلال

به اين مرحله عصاره گيري يا ديفوزيون نيز گفته مي شود. عمل استخراج قند از خلال در دستگاه ديفيوزر و با استفاده از خاصيت انتشار و فشار اسمزي که مربوط به اختلاف غلظت در داخل و خارج از سلول هاي خلال است صورت مي گيرد. براي خروج  بهتر مواد قندي از خلال، از حرارت و هم زدن نيز کمک گرفته مي شود. معمولا در ديفيوزر آب گرم و خلال در دو جهت مخالف از هم حرکت کرده و مواد قندي به تدريج از خلال استخراج مي شود. در نهايت از يک طرف دستگاه شربت خام و از طرف ديگر تفاله خارج مي شود. تفاله در حقيقت خلالي است که قند موجود در آن تا حد امکان گرفته شده است. البته معمولا مقدار کمي قند در آن باقي مي ماند که جزو ضايعات قندي کارخانه محسوب مي شود.

تصفيه شربت خام

شربت خام خروجي از ديفيوزر رنگ خاکستري متمايل به سبز داشته و ناخالصي زيادي دارد و به همین دلیل بايد آن را تصفيه کرد. در متداولترين روش تصفيه شربت خام، از آب آهک و گاز کربنيک براي جدا سازي ناخالصي ها استفاده مي شود.

تبخير، تغليظ و تبلور

عصاره رقيق به دست آمده حاوي ١٣ تا ١٤.٥ درصد قند است. عصاره پس از عبور از گرمکن وارد تبخيرکن مي شود و آنقدر آب آن تبخير مي گردد تا يک عصاره ٥٥ تا ٦٠ درصد وزني حاصل گردد. بعد از آن عصاره غليظ را صاف کرده و حرارت مي دهند تا شروع به تبلور نمايد. پس از تشکيل قند متبلور، عمل را طوري ادامه مي دهند که بلورهاي قند هرچه بيشتر رشد کنند. در اين حال با استفاده از تجارب عملي، بايد حرارت دادن و اضافه کردن عصاره غليظ را طوري تنظيم کرد که رشد بلورها بطور مناسب انجام شود. حرارت بين ٦٥ تا ٨٠ درجه به مدت ٣ تا ٦ ساعت لازم است.

آب مورد نیاز در فرایند تولید شکر

فرایند تولید شکر از چغندر قند در هر یک از مراحل فوق نیازمند مصرف آب می باشد. لیکن کمیت و کیفیت تبدیل آب به فاضلاب در هر بخش از فرایند متفاوت است. جدول زیر متوسط آب مصرفی در فرایند تولید را در هر بخش نشان می دهد. (توجه شود که آب مورد استفاده در کارخانه های تولید قند وابسته به قدمت فناوری متفاوت است.)

فرآيند آب مورد نياز بر حسب ليتر
انتقال و شستشوي اولیه700
عصاره گيري225
توليد آب آهک10
شستشوي صافيها20
تغذيه ديگ هاي بخار70
کندانسور صافي خلاء90

بررسی نحوه آب مصرفی در کارخانه های قند و شکر از این منظر مهم است که بخش اصلی آب به فاضلاب تبدیل می شود. مطالعات تجربی نشان می دهد که به طور میانگین ۹۰ درصد آب مصرفي در کارخانه تولید قند از چغندر به فاضلاب تبديل مي‎شود. آب مصرفی در خلال فرايندهای عصاره گيري، فرايند تصفيه شربت، واحدهاي پخت،کريستاليزاسيون و سانتريفيوژ و شستشوي کف سالن و خنک کردن  تجهيزات به فاضلاب تبدیل می شود.

منبع تامين آب مصرفي کارخانه تولید شکر

آب رودخانه و بعضا چاه عمده ترين منابع تامین آب مورد نیاز فرایند مي باشند. چنانچه فرض شود که چغندر و نيشکر به طور متوسط حدود ۱۵ تا ۲۳ درصد ماده خشک دارد، تقريبا به ازای هر تن چغندر قند و نيشکر مصرفي حدود ٢۷-٢۰ مترمکعب آب به همراه چغندر و يا نيشکر به خط توليد کارخانه وارد مي ‎شود.

کیفیت و کمیت فاضلاب کارخانه تولید قند وابسته به فناوری تولید و میزان مصرف آب در هر بخش از فرایند دارد. بررسی دقیق منابع تولید فاضلاب به منظور شناسایی منابع تولید فاضلاب در هر بخش برای تعیین راهبرد تصفیه فاضلاب و انتخاب فرایند بهینه حایز اهمیت است.

منبع تامين آب مصرفي کارخانه تولید شکر:

پارامترهای قابل اندازه گيری جهت بررسی فاضلاب صنعت قند و شکر

در جدول زیر می توان غلظت پارامتر های گوناگون که جهت بررسی فاضلاب فرایندهای صنعت قند و شکر قابل اندازه گیری می باشند را مشاهده کرد.

پارامترBOD CODSSDSازت کل PH
غلظت2450-55003200-6400140-30050-2000.5-0.65-6.5

فاضلاب صنعت قند و شکر

مقايسه مقادير آب مصرفي در کارخانه هاي قند کشور با ساير کشورهاي جهان نشان مي دهد که اين صنایع در کشور ما به طور متوسط بيش از ٢ تا ١٠ برابر آب بیشتری مصرف مي کنند. نتايج تحليل موقعيت مکاني کارخانه هاي قند در کشور نشان داده است که بيش از ٩٠ درصد آن ها در دشت ها با بيلان منفي و ٨٥ درصد آن ها در مناطق با آب و هواي خشک و نيمه خشک قراردارند. اين مساله اهمیت توجه به فاضلاب توليدي اين صنايع را بيش از پيش افزایش می دهد.

مقادیر غلظت و حجم  فاضلاب توليدي که در صنايع قند نوسانات شديدي دارد بيش از آنکه به ظرفيت و فناوري توليد وابسته باشد، از نحوه اعمال مديريت مصرف آب و کنترل آلودگي توليدي تاثير می پذيرد. استاندارد کيفيت پساب تصفيه شده خروجي نيز با توجه به منبع پذيرنده آن مي باشد. صنايع توليد قند و شكر با توجه به نياز قابل توجه به منابع آب شيرين، عموما در كنار رودخانه هاي بزرگ كشور نظير زرينه رود، اترك، گاماسياب، كارون، كرخه، دز، زاينده رود و غيره احداث شده اند. برداشت بی رويه آب از اين رودخانه ها از يك سو و از سوي ديگر، تخليه پساب نا منطبق بر استانداردهاي محيط زيست به اين رودخانه ها منجر به بروز مشكلات عديده بهداشتي و محيط زيستي شده است به گونه اي كه به وضوح مي‎توان كاهش شديد كميت و كيفيت آب رودخانه را در پايين دست نسبت به بالادست كارخانه مشاهده نمود.

فاضلاب کارخانه های تولید قند از چغندرقند دارای دماي بالا، مقادیر BOD،COD ،SS ،pH و ماده خشک بالا می باشد. علاوه بر این  فاضلاب دارای مواد مغذي نيتروژن و فسفر، روغن وگريس می باشد. بنابراین دبی بالا و مقدار آلودگی بالای فاضلاب، تصفیه فاضلاب کارخانه قند و شکر را چالش برانگیز می کند. 

 

تصفیه فاضلاب صنایع تولید شکر از چغندر

با توجه به تفاوت در ماهيت پساب حاصل از شستشوي چغندرقند كه عمدتا شامل مواد معلق رسي است و پساب ساير بخش ها كه عمدتا به دليل محتواي قند بالا، BOD و COD بالايي دارد، بهتر است اين دو جريان از يكديگر تفكيك شوند.

پساب حاصل از شستشوي چغندرقند با استفاده از فرايند پيش ته‎ نشيني، انعقاد، لخته‎ سازي قابل بازگشت جهت استفاده مجدد خواهد بود. بهترين روش براي تصفيه پساب ساير بخش ها، به دليل بالا بودن نسبت BOD به COD، بكارگيري فرايندهاي بيولوژيكي بي‎هوازي و متعاقب آن، فرايند هوازي است. به دليل وجود غلظت بالاي كلسيم در پساب، فرايند بي‎هوازي نياز به ملاحظاتي خاص جهت جلوگيري از تشكيل رسوب نمك هاي كلسيم دارد. كلسيم موجود در پساب اين صنايع به دليل به کارگيري آهك در فرايند توليد است.

واحد منشاء آلودگي خصوصيات پساب
توليد شکر و قند فرايند عصاره گيري، فرايند تصفيه شربت، واحدهاي پخت،کريستاليزاسيون و سانتريفيوژ و پساب ناشي از شستشوي کف سالن و خنک کردن تجهيزات.دماي بالاي پساب، BOD،COD ،SS ،DS و pH بالا ناشي از آب آهک، مواد مغذي نيتروژن و فسفر، روغن وگريس.

فرايندهای بی ‎هوازی در تصفيه فاضلاب صنايع توليد قند و شكر

فرايندهاي بيولوژيكي كه در گذشته براي تصفيه پساب صنايع قند مورد استفاده قرار مي‎گرفت و امروزه نيز بعضا در حال بكارگيري است، طراحي و احداث لاگونهاي بي‎ هوازي و اختياري بوده است. با پيشرفت و توسعه صنايع و متعاقب آن بالارفتن ارزش زمين، اجراي لاگونهاي تصفيه پساب به دليل اشغال فضاي گسترده، اقتصادي نيست. همچنين بكارگيري لاگونهاي بي‎هوازي به دليل اينكه بار آلودگي COD را به گاز متان تبديل نموده ولي اين گاز که در ساختار لاگونهای روباز قابل جمع‎ آوری، تصفيه و استفاده نيست، خود منجر به انتشار گاز متان در طبيعت خواهد شد كه اثرات گلخانه‎اي آن به مراتب بيش از دي اكسيدكربن است. در واقع مي‎توان چنين گفت كه با پيشرفت و گسترش صنايع و نيز، لزوم ارتقاي استانداردهاي محيط ‎زيستي، طراحي و اجراي لاگونهاي بي‎هوازي در تصفيه پسابهاي صنعتي، در واقع به معناي كاهش بار آلودگي منابع آبي و انتقال اين آلودگي به هوا به صورت گاز متان است!

امروزه فرايندهاي مرسوم بي‎هوازي در تصفيه پساب صنايع قند، به کارگيري راكتورهاي بسته با اختلاط كامل، بسترثابت و يا پتوي لجن مي‎باشد كه در اين بين مي‎توان به سيستم هاي UASB، EGSB و UAFB اشاره نمود. فرايندهاي فوق با فراهم نمودن امكان رشد بهينه باكتري هاي بي‎هوازي و افزايش غلظت آن باعث مي‎شوند كه بار آلودگي COD پساب در زمان ماند هيدروليكي به مراتب كمتري حذف شده و در نتيجه سطح اشغال اين راكتورها در مقايسه با لاگون، كاهش چشم‎گيري خواهد يافت.

از سوي ديگر، با امكان جداسازي بهينه فازي آب، مواد جامد و گاز (Three Phase Separation) در اين راكتورها، علاوه بر بهبود قابل توجه كدورت در پساب خروجي، امكان جداسازي، پالايش و استفاده از بيوگاز (متان) توليدي ميسر مي‎گردد.

 

توليدسوخت پاك بيوگاز

امروزه استحصال و استفاده از بيوگاز به عنوان منبع سوخت پاك و دوستدار محيط زيست بسيار حايز توجه شده است؛ علاوه بر آن كه مي‎توان از اين گاز علاوه بر منبع تامين برق و حرارت مورد نياز براي تصفيه‎خانه استفاده نمود.

فرايندهاي پالايش بيوگاز عمدتا شامل شيرين ‎سازي (حذف اسيدهاي عمدتا گوگردي) و كاهش محتواي رطوبت آن مي‎باشد. بيوگاز توليدي از فرايند بي‎ هوازي با ورود به سيستم توليد هم‎زمان برق و حرارت (CHP)، علاوه بر تامين حداقل بخشي از برق مورد نياز در فرايند هوازي (برق مورد نياز هواده‎ هاي سطحي و يا عمقي) مي‎تواند با توليد آب گرم جهت كنترل و تثبيت سرعت واكنش بي ‎هوازي در فصول سرد سال بسيار كارآمد باشد.

فرايندهای هوازی در تصفيه فاضلاب صنايع توليد قند و شكر

فرايندهاي هوازي كه در گذشته در تصفيه پساب اين صنايع استفاده شده است نيز اغلب از نوع لاگونهاي هوازي بوده است كه امروزه به دليل بالابودن قيمت زمين، مقرون به صرفه به نظر نمي‎رسد. با پيشرفت فناوري هاي غشايي و امكان تلفيق آن با فرايندهاي هوازي تصفيه فاضلاب از نوع لجن فعال و يا توسعه و توليد بسترهاي پليمري مقاوم جهت رشد باكتري به صورت چسبيده نظير فرايند راكتور بيوفيلمي با بستر متحرك (MBBR)، منجر به افزايش غلظت توده باكتري در مقايسه با راكتورهاي مرسوم لجن فعال و درنتيجه، كاهش قابل توجه در زمان ماند هيدروليكي شده است.

همانطور كه مي‎دانيم، يكي از متداول‎ترين مشكلات بهره ‎برداري از فرايندهاي هوازي لجن فعال (Activated Sludge)، بروز پديده حجيم شدن لجن (Bulking) است كه دليل آن، رشد بي‎رويه باكتري‎ هاي رشته‎ اي (Filamentous) در حوضچه هوادهي است. رشد اين ميكروارگانيسمها باعث بروز مشكل ته نشيني لجن در زلال سازهاي ثانويه شده و ضمن افزايش كدورت پساب تصفيه شده، هدررفت آب در تصفيه‎ خانه (در قالب لجن آبكي) را به دنبال دارد. يك دليل بروز پديده بالكينگ لجن و رشد باكتري هاي رشته‎ اي، وجود تركيبات قندي با غلظت بالا در جريان پساب است كه در مورد پساب هاي صنايع توليد قند و شكر موضوعي اجتناب ناپذير است.

به كارگيري روش هاي كنترل و بهينه سازي فرايند رشد بيولوژيكي و يا استفاده از فرايندهاي جانبي در حذف و نابودي باكتري هاي رشته اي از قبيل به كارگيري امواج اولتراسونيك و يا افزايش شديد تنش برشي در جريان سيال با استفاده از تجهيزات مكانيكي روش هايي متداول در غلبه بر مشكل حجيم شدن لجن در تصفيه پساب صنايع قند و شكر است.

پس از گذر از فرايند هاي بيولوژيكي، با استفاده از فرايند غشايي اولترافيلتراسيون (MBR) و متعاقب آن فرايند اسمز معكوس با تزریق مواد شیمیایی، مي ‎توان آبي با كيفيت جهت مصرف مجدد در چرخه توليد به دست آورد. اين موضوع منجر به كاهش حداقل ۸۰ درصد در مصرف كلي آب كارخانه خواهد شد كه با توجه به حجم بسيارزياد مصرف روزانه آب در اين صنايع، بسيار حايز اهميت است.

 

راهکارهای پيشنهادی جهت مصرف بهينه آب

شرکت مهندسی فران به پشتوانه تسلط بر دانش تصفیه فاضلاب صنعتی، راهکارهای بهینه سازی مصرف آب را قبل از طراحی و ساخت تصفیه خانه فاضلاب صنایع تولید قند بررسی و پیشنهاد می نماید. راهکارهای بهینه سازی کمیت و کمیت فاضلاب وابسته به فناوری تولید کارخانه و قدمت آن متفاوت است. برخی از راهکارهای معمول جهت بهینه سازی مصرف آب عبارتند از:

  • بازيابي واستفاده مجدد از آب براي شستشوي مواد اوليه ورودي
  • استفاده از سيستمهاي حلقوي بسته براي شستشوي نيشکر يا چغندر قند
  • استفاده از كندانس تغليظ شربت قند در واحد شيرآهك

شرکت مهندسی فران با سابقه بیش از ۱۷ سال در صنعت تصفیه فاضلاب صنعتی، آماده همکاری با صنایع تولید قند و شکر در قالب پروژه های مشاوره مهندسی یا طرح ساخت می باشد.