بررسی کارایی سولفات آلومینیوم، کلرور فریک، پلی آلومینیوم کلراید، پلیمر و آهک در تصفیه پساب سنگ‌بری

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهنوزدهم، شماره سه، پاییز 96

بررسی کارایی سولفات آلومینیوم، کلرور فریک، پلی آلومینیوم کلراید، پلیمر و آهک در تصفیه پساب سنگ­بری

محمد فهیمی­نیا[1]

 محسن انصاری[2]

شهرام نظری[3]

غریب مجیدی[4] ^*

gharibmajidi@gmail.com

زهرا احمدی[5]

وحیده فهیمی­نیا[6]

چکیده

زمینه و هدف: در کارخانه‌های سنگ­بری مقادیر زیادی آب مصرف می‌شود و استفاده مجدد از آب در فرآیند امری ضروریست. این مطالعه با هدف بررسی کارایی سولفات آلومینیوم، کلرور فریک، پلی آلومینیوم‌ کلراید، پلیمر و آهک در حذف کدورت، کل جامدات معلق و کل جامدات از پساب صنعت سنگ­بری انجام شد.

روش بررسی: این مطالعه در مقیاس آزمایشگاهی و با استفاده از دستگاه جارتست صورت پذیرفت. آزمایشات بر اساس غلظت­های متغیر منعقدکننده (25، 50، 75، 100، 200 و 500 میلی گرم در لیتر) انجام گردید. مراحل اختلاط سریع، اختلاط آرام و سکون انجام شد و عواملی از قبیل کدورت، کل جامدات معلق، کل جامدات، pH و هدایت الکتریکی مورد بررسی قرار گرفت. 

یافته­ها: کارایی ‌منعقدکننده‌ها در حذف کدورت تقریباً یکسان بود. بالاترین میزان حذف کدورت مربوط به آهک (8/99%) و پایین‌ترین میزان حذف مربوط به سولفات آلومینیوم (4/86 %) بود. آهک و پلی‌آلومینیوم‌ کلراید راندمان بالایی در حذف کل جامدات معلق داشتند. بیشترین میزان حذف کل جامدات معلق مربوط به آهک (1/99%) و کمترین میزان حذف مربوط به کلرور فریک (3/57%) بود. راندمان آلوم و پلیمر در حذف کل جامدات بالاتر از سایر منعقد‌کننده‌ها بود. بیشترین میزان حذف کل جامدات مربوط به آلوم (5/82 %) و پایین‌ترین میزان حذف مربوط به پلی‌آلومینیوم ‌کلراید (70 %) برآورد گردید. 

بحث و نتیجه‌گیری: استفاده از مواد منعقدکننده می‌تواند موجب افزایش راندمان تصفیه و تسریع در بازگشت آب به چرخه گردد. آلوم و آهک در حذف کدورت، کل جامدات معلق و کل جامدات کارایی بالایی دارند و برای تصفیه پساب سنگ­بری می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند.

واژه­های کلیدی: پساب، سنگ­بری، آهک، سولفات آلومینیوم، کلرور فریک

Efficiency of aluminum sulfate, ferric chloride, poly aluminum chloride, polymer and lime in marble processing effluent treatment

Mohammad Fahiminia[7]

Mohsen Ansari²

Shahram Nazari³

Gharib Majidi^4*

gharibmajidi@gmail.com

Zahra Ahmadi⁵

Vahideh Fahiminia⁶

Abstract

Background and Objective: Because of high consumption on water in marble processing, issue of water reuse in the process, is essential. Therefore this study was conducted with purpose of survey efficiency of aluminum sulfate, ferric chloride, poly aluminum chloride, polymer and lime in removal of turbidity, total suspended solids and total solids of marble processing wastewater.

Method: This study was performed on laboratory scale and using the jar test. The experiments was done based on various doses of coagulant (25, 50, 75, 100, 200 and 500 mg/l). Steps of rapid mixing, slow mixing and stable was done, and the factors such as turbidity, total suspended solids, total solids, pH, and electrical conductivity (EC) were investigated.

Findings: Coagulants efficiency in the turbidity removal was approximately identical. The maximum rates of removal of the turbidity related to lime (99.8%) and a minimum rate of removal was related to aluminum sulfate (86.4%). Poly aluminum chloride and lime were high efficiency in the removal of the total suspended solids. The maximum rates of removal of the total suspended solids related to lime (99.1%) and the minimum rate of removal was related to ferric chloride (57.3%). Alum and polymer efficiency in removal of the total solids was higher than other coagulants. The maximum rates of removal of total solids related to alum (82.5%) and the minimum rate of removal was related to polyaluminum chloride (70%).

Discussion and Conclusions: Use of coagulants can increase the treatment efficiency and accelerates return the water to cycle. Alum and lime have high performance in removal of turbidity, total suspended solids, and total solids and can be used for marble processing wastewater treatment.

Key words: Effluent, Marble Processing, Alum, Aluminum Sulfate, Ferric Chloride.

مقدمه

ایران با دارا بودن معادن گسترده سنگ‌های نما و تزیینی شاهد استقرار کارخانجات سنگ­بری فراوانی در استان‌ها و شهرهای مختلف است. در کشور ایران ٤٩٢٥ واحد صنعتی کوچک و بزرگ در زمینه بریدن، شکل دادن و تکمیل سنگ فعالیت می‌نمایند. در سطح استان قم 186 واحد سنگ­بری فعال وجود دارد که تماماً در اطراف شهر قم (حداکثر تا شعاع ١٥ کیلومتری) قرار دارند (1).

در کارخانه‌های سنگ­بری در طی برش، شستشو، پاک­سازی و صیقل‌کاری مقادیر زیادی آب مصرف می‌شود. در یک کارخانه سنگ­بری با اندازه متوسط، روزانه 150-50 متر مکعب آب کاربرد دارد. پس از انجام این عملیات، پسابی حاوی 2 تا 10 درصد وزنی پودر سنگ، تولید می‌شود. بر اساس آخرین سرشماری صنعتی که در سال 1392 توسط اداره صنعت، معدن و تجارت استان قم انجام شده است، حجم آب مصرفی سالیانه در کارخانه‌های سنگ­بری بالغ بر 4000000 متر مکعب می­باشد. (2، 3).

یکی از راهکارها برای کاهش مصرف آب و حفظ ذخایر آبی به­ ویژه در مناطقی که با مشکل کم آبی مواجه‌اند، استفاده مجدد از پساب در فرآیند می‌باشد (4). استان قم با مشکلاتی از قبیل کم آبی و جیره‌بندی آب در فصول گرم و کیفیت پایین منابع آب مواجه می‌باشد (5). این امر لزوم استفاده مجدد از آب را در صنعت ضروری ساخته است.

اگر کدورت آبی که به طور مجدد مورد استفاده قرار می‌گیرد، بالاتر از مقادیر قابل قبول باشد، ممکن است پودرهای سنگ موجود در آب باعث ایجاد مشکلاتی در صیقل‌کاری در هنگام فرآوری سنگ گردد و هم­چنین ممکن است منجر به گرفتگی لوله‌ها شود (3). حداکثر کدورت باقیمانده آب پاک باید کمتر از NTU 15 باشد (6). در صورت استفاده از آب با کیفیت پایین در مراحل پایانی و پرداخت، محصولی با کیفیت پایین به دست می‌آید زیرا مواد جامد معلق در آب باعث خراش بر روی سطح محصول می‌شوند (2).

در کارگاه­های کوچک برای تصفیه و استفاده مجدد از پساب، از حوضچه ته‌نشینی استفاده می‌شود در حالی­که در کارگاه­های بزرگ به طور معمول از روش­های فیزیکوشیمیایی استفاده می‌گردد (7). انعقاد و لخته‌سازی جزء فرآیندهای فیزیکوشیمیایی می‌باشند که به طور گسترده‌ای در تصفیه فاضلاب استفاده شده‌اند. دو هدف اصلی فرایندهای انعقاد و لخته‌سازی، ته نشین نمودن سریع ذرات کلوییدی محلول که بسیار آهسته ته نشین می‌شوند یا در شرایط معمولی ته نشین نمی‌شوند و منجر به کدورت باقیمانده می‌گردند و دیگری حذف کدورت باقیمانده از آب یا فاضلاب و به دست آوردن آب یا فاضلاب شفاف‌تر می‌باشد (3). در حال حاضر برای انجام فرایند انعقاد، از مواد گوناگونی بهره می‌گیرند. این مواد به دو دسته منعقد کننده و کمک منعقد کننده تقسیم می‌شوند. مواد کمک منعقد کننده موادی هستند که جهت بالا بردن چگالی ذرات به هم چسبیده و تسریع در فرایند ته‌نشینی، استفاده می‌شوند. از مواد منعقدکننده می‌توان به سولفات آلومینیوم (آلوم)، کلرور فریک، سولفات فریک، سولفات فرو و پلی آلومینیوم کلراید (پک) اشاره نمود. از مواد کمک منعقدکننده می‌توان بنتونیت، پلی الکترولیت ها، آلومینات سدیم و سیلیکات سدیم را نام برد (8، 9).

مطالعاتی در زمینه بررسی کارایی منعقدکننده­ها در تصفیه پساب سنگ­بری انجام شده است. در مطالعه‌ای که توسط ارسلان و همکاران در سال 2005 صورت گرفت، کارایی آلومینیوم سولفات و کلرور فریک در حذف کدورت، کل جامدات معلق و کل جامدات پساب صنعت سنگ­بری بررسی شد (10). در مطالعه دیگری که توسط Ersoy و همکاران در سال 2009 انجام شد، کارایی کلرید فریک، آلومینیوم کلراید و سولفات آلومینیوم در حذف کدورت از پساب صنعت سنگ­بری بررسی گردید (3).

در مطالعه­ای دیگر که توسط Solak و همکاران در سال 2009 با عنوان بررسی حذف کدورت و مواد معلق از فاضلاب صنایع سنگبری توسط فرایند انعقاد الکتریکی انجام شد، لزوم بهره­گیری از تکنولوژی­های نوین در جهت بهبود کیفیت پساب سنگبری در هنگام استفاده مجدد از آن در فرآیند و نیز کاهش زمان حذف کدورت و ذرات معلق مورد تاکید قرار گرفت (7).

با توجه به این­ که تاکنون هیچ مطالعه­ای در ایران در این زمینه انجام نشده است، این مطالعه با هدف بررسی کارایی منعقدکننده‌های سولفات آلومینیوم، کلرور فریک، پلی‌آلومینیوم کلراید، آهک و پلیمر در حذف کدورت، کل جامدات معلق و کل جامدات از پساب صنایع سنگ­بری انجام گردید.

روش بررسی

این مطالعه در مقیاس آزمایشگاهی در تابستان سال 1393 انجام شد. پساب مورد استفاده در این مطالعه، از کارخانه سنگ­بری پاکیران تهیه شد. کارخانه سنگ­بری مورد مطالعه با مساحتی 2 هکتاری در مجتمع شهر سنگ استان قم قرار دارد. وزن تولیدات ماهانه این واحد به طور میانگین 800 تن بوده و برای تولید نهایی این میزان محصول 16000 متر مکعب آب مصرف می شود. تعداد نمونه­های مورد مطالعه 30 نمونه با حجم یک لیتر بود. پساب مورد استفاده از خروجی نهایی کارخانه سنگ­بری برداشت گردید.

ابتدا مشخصات اولیه پساب از جمله کدورت، کل جامدات معلق، کل جامدات،  pHو هدایت الکتریکی اندازه‌گیری شد. به منظور تعیین نوع و مقدار غلظت بهینه ماده منعقد کننده، از آزمایش جار استفاده گردید (11). انواع مواد منعقد کننده مصرفی شامل سولفات آلومینیوم، کلرور فریک، پلی آلومینیوم کلراید، پلیمر و آهک بود. مواد منعقدکننده مصرفی در این تحقیق، از شرکت مرک آلمان خریداری شد. میزان غلظت منعقدکننده مصرفی به ترتیب 25، 50،  75، 100، 200 و  500 میلی گرم در لیتر بود. پس از افزودن مواد منعقدکننده مراحل اختلاط سریع (100 دور در دقیقه به مدت یک دقیقه)، اختلاط آرام (40 دور در دقیقه به مدت 10 دقیقه) و سکون (30 دقیقه) انجام شد. برای هریک از غلظت­های مصرفی، پارامترهای کدورت، کل جامدات معلق، کل جامدات، pH و EC بر اساس دستورالعمل‌های موجود در کتاب آزمایش‌های استاندارد آب و فاضلاب، اندازه‌گیری گردید (11).

نمودارهای مربوط به کارایی هر یک از منعقدکننده‌های ذکر شده در حذف کدورت، کل جامدات معلق و کل جامدات با استفاده از نرم‌افزار 2010 Excel ترسیم گردید. برای اندازه‌گیری کدورت، EC و pH به ترتیب دستگاه کدورت سنج (مدل AQVALITIC)، EC متر (مدل CANT20) و  pH متر  (مدل R.T.CO) به کار گرفته شد.  

نتایج

در این تحقیق کارایی سولفات آلومینیوم، کلرور فریک، پلی آلومینیوم کلراید، آهک و پلیمر در حذف کدورت، کل جامدات معلق و کل جامدات بررسی شد. هم چنین تاثیر این مواد بر هدایت الکتریکی و pH نیز مورد ارزیابی قرار گرفت. مشخصات اولیه‌ی پساب کارخانه سنگ­بری در جدول 1 آمده است.

در شکل 1 نتایج مربوط به تاثیر مواد منعقدکننده مختلف بر کاهش کدورت از پساب ارایه شده است. بالاترین میزان حذف کدورت مربوط به آهک با غلظت 25 میلی‌گرم در لیتر است که 8/99 درصد می‌باشد. پایین‌ترین میزان حذف نیز مربوط به سولفات آلومینیوم با غلظت 25 میلی‌گرم در لیتر است که 4/86 درصد می‌باشد. به جز آلوم، در بقیه موارد درصد حذف کدورت بالای 95 درصد می‌باشد.

در شکل 2، درصد حذف کل جامدات معلق در غلظت­های مختلف مواد منعقد کننده آمده است. بیشترین راندمان حذف را آهک در غلظت 100 میلی‌گرم در لیتر با میزان 1/99 درصد داراست. کمترین میزان حذف نیز مربوط به کلرور فریک با غلظت 75 میلی‌گرم در لیتر است که برابر 3/57 درصد می‌باشد. به جز کلرور فریک، در بقیه موارد درصد حذف کل جامدات معلق بالاتر از 5/77 درصد می‌باشد.

در شکل 3 درصد حذف کل جامدات آورده شده است. همان طور که مشاهده می‌کنید بیشترین درصد حذف کل جامدات مربوط به آلوم با غلظت 100 میلی‌گرم در لیتر است که 5/82 درصد می‌باشد. البته پلیمر با غلظت 25 میلی‌گرم در لیتر راندمان 7/81 درصد در حذف کل جامدات دارد. پایین‌ترین میزان حذف مربوط به پلی‌آلومینیوم کلراید است که در تمامی غلظت­ها دارای حذف حدودا 70 درصد می‌باشد.

مقدار غلظت بهینه مواد منعقدکننده در حذف کدورت، کل جامدات معلق و کل جامدات در شکل 4 آمده است. مقادیر بهینه آهک، پک، پلیمر، آلوم و کلرید فریک در حذف کدورت به ترتیب برابر 25، 75، 100، 200 و 500 میلی‌گرم در لیتر است. هم چنین مقادیر بهینه پلیمر، آلوم، آهک، پک و کلرید فریک در حذف کل جامدات معلق و کل جامدات برابر 25، 100، 100، 100 و 500 میلی‌گرم در لیتر است.

در جداول 2 و 3 مقادیر pH و EC قبل و بعد از انجام آزمایش جارتست آمده است. مقادیر pH  پساب سنگ­بری برابر 2/7 و  EC  برابر  5/12 میکروموهس در سانتی‌متر است. پس از انجام آزمایش جارتست بیشترین و کمترین میزان pH به ترتیب برابر 17/9 و 41/6 بود که مربوط به آهک و کلرید فریک می‌باشد. هم چنین بیشترین و کمترین هدایت الکتریکی به ترتیب برابر 14/12 و 54/2 میکروموهس در سانتی‌متر است که مربوط به آهک و کلرید فریک می‌باشد.

جدول 1- مشخصات فاضلاب خام سنگ­بری

Table 1. Characteristics of Raw Stone Cutting wastewater

شکل 1- تاثیر غلظت­های مختلف مواد منعقدکننده در کاهش کدورت

Figure 1. The effect of different concentrations of coagulant material in reducing turbidity

شکل 2- تاثیر غلظت­های مختلف مواد منعقدکننده در کاهش کل جامدات معلق

Figure 2. The effect of different concentrations of coagulant material to reduce total suspended solids

شکل 3- تاثیر غلظت­های مختلف مواد منعقدکننده در کاهش کل جامدات از پساب

Figure 3. The effect of different concentrations of of coagulant material in reducing the solids from wastewater

شکل 4- مقدار غلظت بهینه مواد منعقدکننده در حذف کدورت، کل جامدات معلق و کل جامدات از پساب

Figure 4. The optimum concentration of coagulants in the removal of turbidity, total suspended solids and total dissolved solids from wastewater.

جدول 2- تاثیر مواد منعقدکننده بر میزان  pH

Table 2- Effect of coagulants on the pH

جدول 3- تاثیر مواد منعقدکننده بر میزان  EC

Table 3- The impact of Coagulants on the EC

بحث و نتیجه‌گیری

راندمان حذف کدورت، کل جامدات معلق و کل جامدات تقریبا در همه منعقدکننده‌ها بسیار بالا بود. بالاترین میزان حذف کدورت مربوط به آهک (8/99 %)  و پایین‌ترین میزان حذف نیز مربوط به سولفات آلومینیوم  (4/86%) بود. بالابودن حذف کدورت می تواند به دلیل ظرفیت بالای جذب سطحی مولکول­های آهک نسبت به ذرات عامل کدورت باشد (12). بیشترین راندمان حذف کل جامدات معلق مربوط به آهک (1/99%) و کمترین میزان حذف مربوط به کلرور فریک (3/57%) بود. بیشترین درصد حذف کل جامدات مربوط به آلوم (5/82%) و  پایین‌ترین میزان حذف مربوط به پلی‌آلومینیوم کلراید (70%) بود.

مقادیر بهینه آهک، پک، پلیمر، آلوم و کلرید فریک در حذف کدورت به ترتیب برابر 25، 75، 100، 200 و 500  میلی‌گرم در لیتر برآورد شد. هم­چنین مقادیر بهینه پلیمر، آلوم، آهک، پک و کلرید فریک در حذف کل جامدات معلق و کل جامدات برابر 25، 100، 100، 100 و 500 میلی‌گرم در لیتر محاسبه گردید.

سولفات آلومینیوم، کلرور فریک و پلیمر میزان هدایت الکتریکی را به میزان قابل توجهی کاهش داد، اما پلی‌آلومینیوم کلراید و آهک موجب اندکی افزایش در هدایت الکتریکی گردید. کلرید فریک میزان pH را اندکی کاهش داد، در حالی که پلیمر، پلی‌آلومینیوم کلراید و آلوم موجب اندکی افزایش شد. آهک نیز pH را افزایش داد که این افزایش نسبت به سایر مواد منعقد کننده بیشتر بود.

در مطالعه‌ای که توسط ارسلان و همکاران (2005) انجام شد، کارایی آلومینیوم سولفات و کلرور فریک در حذف کدورت، کل جامدات معلق و کل جامدات پساب صنعت سنگ­بری بررسی شد. میزان غلظت بهینه آلومینیوم سولفات در حذف کدورت و کل جامدات معلق به ترتیب برابر  200 و 500 میلی‌گرم در لیتر بود. میزان غلظت بهینه کلرور فریک در حذف کدورت و مواد جامد معلق به ترتیب برابر  300  و 500 میلی‌گرم در لیتر برآورد شد. هم چنین برای حذف کل جامدات از پساب، غلظت 100 میلی‌گرم در لیتر در بین تمام غلظت‌ها مناسب‌تر است (10).

در مطالعه دیگری که توسط Ersoy و همکاران (2009) انجام شد، کارایی کلرید فریک، آلومینیوم کلراید و سولفات آلومینیوم در حذف کدورت از پساب صنعت سنگ­بری بررسی گردید. آلومینیوم کلراید بیشترین کارایی را در حذف کدورت داشت و بقیه کارایی یکسانی داشتند (3). این نتایج مشابه نتایجی است که در این مطالعه به دست آمد. در بین منعقدکننده‌ها آلومینیوم کلراید بیشترین کارایی را در حذف کدورت داشت.

استفاده از مواد منعقدکننده در تصفیه پساب صنایع سنگ­بری می‌تواند موجب افزایش راندمان تصفیه، کاهش زمان ته‌نشینی و تسریع در بازگشت آب به چرخه مصرف گردد. کارایی ‌منعقدکننده‌ها در حذف کدورت تقریبا یکسان بود. آهک و پلی‌آلومینیوم‌کلراید راندمان بالایی در حذف کل جامدات معلق داشتند. راندمان آلوم و پلیمر در حذف کل جامدات بالاتر از سایر منعقد‌کننده‌ها برآورد گردید. در مجموع کارایی آلوم و آهک در حذف کدورت، کل جامدات معلق و کل جامدات بالا بود. در کارخانه‌ها و کارگاه­های سنگ­بری می‌توان از آلوم و آهک برای تصفیه پساب سنگ­بری استفاده نمود.

بر اساس استعلام، قیمت هر 5 ماده شیمیایی به کار رفته در این مطالعه، در جدول 4 نمایش داده شده است. در کشور ایران به دلیل وجود معادن آهک و در دسترس بودن آن، قیمت تمام شده آهک مصرفی به ازای واحد میلی گرم بر لیتر پساب، از سایر مواد شیمیایی مصرفی پایین­تر است. پس از آهک، هزینه تمام شده مصرفی برای تصفیه هر متر مکعب پساب توسط آلوم نسبت به سایر منعقد کننده­ها کمتر است.

جدول 4- ارزیابی اقتصادی مواد شیمیایی مصرفی در تصفیه هر متر مکعب پساب خروجی سنگ­بری

Table 4.  Economic assessment of chemicals material used in the purification of each cubic meter stone cutting effluent

منابع

1. مسافری. محمد و همکاران، تابستان 1386، مدیریت زیست محیطی زایدات جامد صنایع سنگ­بری مطالعه موردی استان قم، مجله علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره  9، شماره 2، صفحه 73-65.
   1. Ozyonar, F., Karagozoglu, B., 2012. Systematic assessment of electrocoagulation for the treatment of marble processing wastewater. Int J Environ Sci Technol. Vol. 9, pp. 637-46.
   2. Ersoy, B., Tosun, I., Günay, A., Dikmen, S., 2009. Turbidity removal from wastewaters of natural stone processing by coagulation/flocculation methods. Clean–Soil, Air, Water. Vol. 3, pp. 225-32.
   3. Laitinen, N., Kulovaara, M., Levänen, E., Luonsi, A., Teilleria, N., Nyström, M., 2002. Ultrafiltration of stone cutting mine wastewater with ceramic membranes-a case study. Desalination. Vol. 149, pp. 121-125.
   4. Aghababaei, H., Fahiminia, M,. 2009. Environmental Engineering in small communities and rural areas (water, wastewater, solid waste): Ebtekar Danesh.
   5. Jones B. G, et al. Industrial Wastewater Management, Treatment and Disposal. Third Edition. Alexandria, Virginia: McGraw-Hill; 2008. p. 420-28.
   6. Solak, M., Kilic, M., Yazici, H., Sencan, A., 2009. Removal of suspended solids and turbidity from marble processing wastewaters by electrocoagulation: Comparison of electrode materials and electrode connection systems. Journal of hazardous materials. Vol. 172, pp. 345-352.
   7. Kent, D., Coagulation and  Flocculation.  Water treatment plant operation. 1: Beard publication.
   8. علیپور. ولی و همکاران، 1383، تصفیه آب: اصول نظری و عملی بهره‌برداری از تاسیسات آب شرب، چاپ اول، انتشارات دانش‌نما، 1383، صفحه 25-15.
      1. Arslan, E., Aslan, S., pek, U., Altun, S., 2005. Physico-chemical treatment of marble processing wastewater and the recycling of its sludge. Waste Management & Research. Vol. 23, pp. 550–559.
      2. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 20 ed: American Water Work Association; 2005.
      3. Ghazy, Sh., Gad, A., 2014. Lead separation by sorption onto powdered marble waste. Arabian Journal of Chemistry. Vol. 7, pp. 277–286.