بررسی تصفیهپذیری پساب صنایع غذایی آماده با فرایند شیمیایی انعقاد و لختهسازی
محورهای موضوعی : تکنولوژی آب و فاضلاب
میترا غلامی مقدم
1
,
فریبا استوار
2
*
,
محدثه توکلی
3
1 - 1- کارشناسی ارشد مهندسی عمران-محیط زیست، موسسه آموزش عالی جهاد دانشگاهی رشت، گیلان، ایران
2 - پژوهشگر پژوهشکده محیط زیست جهاددانشگاهی
3 - کارشناس پژوهشی، ، پژوهشکده محیط زیست جهاددانشگاهی، گیلان، ایران
کلید واژه: پساب, صنایع غذایی آماده, انعقاد و لخته¬سازی, جارتست, آهن (III) کلراید, COD,
چکیده مقاله :
هدف از این پژوهش، بررسی تصفیهپذیری پساب صنایع غذایی آماده با استفاده از فرآیند شیمیایی انعقاد و لختهسازی بود. در این فرآیند از منعقد کننده فریک کلراید (FeCl3) به همراه کمک منعقد کننده‌های پلی آکریل آمید و آهک استفاده شد. بهمنظور بررسی اثر متقابل پارامترهای تأثیرگذار بر فرآیند تصفیه، نرمافزار طراحی آزمایش (DOE) به مدل مرکب مرکزی (CCD) مورد استفاده قرار گرفت. عوامل تأثیرگذار بر فرایند انعقاد و لختهسازی از قبیل غلظت منعقد کننده FeCl3 در محدودهی غلظتی mg/L500-2000، pH اولیه در محدودهی 10-5، کمکمنعقدکنندهی آهک و پلی الکترولیت به ترتیب با غلظت‌های mg/L 25-100 و mg/L 5/2 -5/0 توسط دستگاه جارتست مورد ارزیابی قرار گرفتند. برای تعیین مقادیر بهینه، میزان اکسیژن خواهی شیمیایی (COD) بهعنوان آزمون هدف انتخاب شد. مقایسه‌ی شرایط بهینهی تکعامله و اثر متقابل داده‌ها با استفاده از نرمافزار طراحی آزمایش، مقدار بهینهی pH برابر 5/7، غلظت منعقدکننده FeCl3 بهمقدار mg/L 1250و کمکمنعقدکنندههای آهک و پلیالکترولیت بهترتیب با غلظت‌های mg/L 60 و 5/1، راندمان حذف COD برابر 15/94% را نشان داد. بررسیهای آماری نشان داد، مقدار F-value برابر 48/19، نشاندهندهی مطابقت خوب این مدل با نتایج آزمایشگاهی است. همچنین، مقادیر P-value کمتر از 0500/0، بیانگر معنی‌دار بودن آزمایش است. با مقایسه نتایج آزمایشگاهی و نتایج پیش‌بینی‌شده نرمافزار، همبستگی خوبی بین نتایح مشاهده گردید. درنهایت، نتایج حاصل از پژوهش نشان داد که تصفیهی پساب کارخانهی صنایع غذایی با استفاده از منعقدکنندهی FeCl3 امکانپذیر بوده و پساب تصفیه شده، استانداردهای تخلیه به زمین‌های کشاورزی برای آبیاری مزارع را داراست.
This research aims to investigate the treatability of prepared food industry wastewater using the chemical process of coagulation and flocculation. Ferric chloride (FeCl3) coagulant was used in this process along with polyacrylamide and lime flocculant aids. In order to investigate the mutual effect of the parameters affecting the treatment process, the design of experiments (DOE) software with the central composite model (CCD) was used. Effecting factors on the coagulation and flocculation process such as FeCl3 coagulant concentration in the concentration range of 500-2000 mg/L, initial pH in the range of 5-10, lime and polyelectrolyte with the concentration ranges of 25-100 mg/L and 0.5-2.5 mg/L respectively were evaluated by Jartest device. Chemical oxygen demand (COD) analysis was chosen as the target test to determine the optimal values. Comparison of optimal conditions of single agent and mutual effect of data using experiment design software, an optimal value of pH equal to 7.5, FeCl3 coagulant concentration of 1250 mg/L, and coagulants of lime and polyelectrolyte with concentrations of 60 and 1.5 mg/L respectively, showed COD removal efficiency of 94.15%. Statistical analysis showed that the F-value equal to 19.48 indicates the good agreement of this model with the laboratory results. Also, P-values less than 0.050 indicate the significance of the test. By comparing the laboratory and the predicted results, a good correlation between the results was observed. Finally, the results of this research showed that it is possible to treat the wastewater of the food industry using FeCl3 coagulant, and the treated wastewater meets the standards of discharge to agricultural lands for fields irrigation
AbdollahzadehSharghi, E., Yadegari, F., & Davarpanah, L. J. J. o. E. H. E. (2018). Investigation of Coagulation and Flocculation Process in Chemical Pre-Treatment of Livestock Wastewater. 6(1), 99-110.
Abubakar, M., Okonkwo, P., Edomwonyi-Otu, L. J. N. J. o. E. S., & Research, T. (2023). KINETIC STUDIES AND OPTIMIZATION OF PROCESS PARAMETERS FOR ACTIVATED SLUDGE TREATMENT OF TANNERY WASTEWATER USING DESIGN EXPERT. 9(2), 96-108.
Akbal, F., Camcı, S. J. C. E., & Technology. (2010). Comparison of electrocoagulation and chemical coagulation for heavy metal removal. 33(10), 1655-1664.
Alkhamisi, S. A., Ahmed, M. J. E. C., & Change, F. o. A. i. t. G. C. C. C. F. A. i. t. C. o. C. (2014). Opportunities and challenges of using treated wastewater in agriculture. 109-123.
Amin, A., Al Bazedi, G., & Abdel-Fatah, M. A. J. A. S. E. J. (2021). Experimental study and mathematical model of coagulation/sedimentation units for treatment of food processing wastewater. 12(1), 195-203.
Arola, K., Ward, A., Mänttäri, M., Kallioinen, M., & Batstone, D. J. W. r. (2019). Transport of pharmaceuticals during electrodialysis treatment of wastewater. 161, 496-504.
Atta, H. A., Hummadi, K. K., M-Ridha, M. J. J. D., & TREATMENT, W. (2022). The application of response surface methodology and Design-Expert® for analysis of ciprofloxacin removal from aqueous solution using raw rice husk: kinetic and isotherm studies. 248, 203-216.
Balbinoti, J. R., dos Santos Junior, R. E., de Sousa, L. B. F., de Jesus Bassetti, F., Balbinoti, T. C. V., Jorge, R. M. M., & de Matos Jorge, L. M. J. J. o. W. P. E. (2023). Plant-based coagulants for food industry wastewater treatment. 52, 103525.
Barbera, M., & Gurnari, G. (2018). Wastewater treatment and reuse in the food industry: Springer.
Bayuo, J., Abukari, M. A., & Pelig-Ba, K. B. J. A. W. S. (2020). Optimization using central composite design (CCD) of response surface methodology (RSM) for biosorption of hexavalent chromium from aqueous media. 10(6), 1-12.
Chen, J., Eraghi Kazzaz, A., AlipoorMazandarani, N., Hosseinpour Feizi, Z., & Fatehi, P. J. M. (2018). Production of flocculants, adsorbents, and dispersants from lignin. 23(4), 868.
Fitriani, N., Mohamed, R. M. S. R., Affandi, M., Nurdin, R. R., & Kurniawan, S. B. J. J. o. E. E. (2023). Performance of intermittent slow sand filter processing units in treating food court wastewater. 24(4).
Gasemloo, S., Khosravi, M., Sohrabi, M. R., Dastmalchi, S., & Gharbani, P. J. J. o. C. P. (2019). Response surface methodology (RSM) modeling to improve removal of Cr (VI) ions from tannery wastewater using sulfated carboxymethyl cellulose nanofilter. 208, 736-742.
Gulzamana, H., & Baloo, L. J. A. o. t. R. S. f. C. B. (2021). Design Expert Application in the Optimization of Cadmium (II) by Chitosan from Produced water. 25(6), 4687-4695.
Hernández, K., Muro, C., Ortega, R. E., Velazquez, S., & Riera, F. J. E. T. (2021). Water recovery by treatment of food industry wastewater using membrane processes. 42(5), 775-788.
Ho, Y.-C., Chua, S.-C., & Chong, F.-K. (2020). Coagulation-flocculation technology in water and wastewater treatment. In Handbook of Research on Resource Management for Pollution and Waste Treatment (pp. 432-457): IGI Global.
Hu, R., Liu, Y., Zhu, G., Chen, C., Hantoko, D., & Yan, M. J. J. o. W. P. E. (2022). COD removal of wastewater from hydrothermal carbonization of food waste: Using coagulation combined activated carbon adsorption. 45, 102462.
Jia, X., Li, M., Wang, Y., Wu, Y., Zhu, L., Wang, X., . . . Ecotechnology. (2020). Enhancement of hydrogen production and energy recovery through electro-fermentation from the dark fermentation effluent of food waste. 1, 100006.
Kaur, B., Garg, R. K., & Singh, A. P. J. J. o. E. T. T. (2021). Treatment of wastewater from pulp and paper mill using coagulation and flocculation. 9(1), 158-163.
Khettaf, S., Boumaraf, R., Benmahdi, F., Bouhidel, K.-E., & Bouhelassa, M. J. A. L. (2021). Removal of the neutral dissolved organic matter (NDOM) from surface water by coagulation/flocculation and nanofiltration. 54(17), 2713-2726.
Khoshvaght, H., Delnavaz, M., & Leili, M. J. J. o. W. P. E. (2021). Optimization of acetaminophen removal from high load synthetic pharmaceutical wastewater by experimental and ANOVA analysis. 42, 102107.
Khouni, I., Louhichi, G., Ghrabi, A., Moulin, P. J. P. S., & Protection, E. (2020). Efficiency of a coagulation/flocculation–membrane filtration hybrid process for the treatment of vegetable oil refinery wastewater for safe reuse and recovery. 135, 323-341.
Louhıchı, G., Bousselmı, L., Ghrabı, A., Khounı, I. J. E. S., & Research, P. (2019). Process optimization via response surface methodology in the physico-chemical treatment of vegetable oil refinery wastewater. 26, 18993-19011.
Mateus, A., Torres, J., Marimon-Bolivar, W., Pulgarín, L. J. W. R., & Industry. (2021). Implementation of magnetic bentonite in food industry wastewater treatment for reuse in agricultural irrigation. 26, 100154.
Muhamad Ng, S. N., Idrus, S., Ahsan, A., Tuan Mohd Marzuki, T. N., & Mahat, S. B. J. M. (2021). Treatment of wastewater from a food and beverage industry using conventional wastewater treatment integrated with membrane bioreactor system: A pilot-scale case study. 11(6), 456.
Pervez, M. N., Mishu, M. R., Stylios, G. K., Hasan, S. W., Zhao, Y., Cai, Y., . . . Naddeo, V. J. W. (2021). Sustainable treatment of food industry wastewater using membrane technology: A short review. 13(23), 3450.
Popoola, L. T. J. H. (2019). Nano-magnetic walnut shell-rice husk for Cd (II) sorption: design and optimization using artificial intelligence and design expert. 5(8).
Qasim, W., Mane, A. J. W. R., & Industry. (2013). Characterization and treatment of selected food industrial effluents by coagulation and adsorption techniques. 4, 1-12.
Shrivastava, V., Ali, I., Marjub, M. M., Rene, E. R., & Soto, A. M. F. J. C. (2022). Wastewater in the food industry: Treatment technologies and reuse potential. 293, 133553.
Sibiya, N., Amo-Duodu, G., Tetteh, E. K., & Rathilal, S. J. M. T. P. (2022). Response surface optimisation of a magnetic coagulation process for wastewater treatment via Box-Behnken. 62, S122-S126.
Turan, N. B., Erkan, H. S., Engin, G. O. J. P. S., & Protection, E. (2017). The investigation of shale gas wastewater treatment by electro-Fenton process: Statistical optimization of operational parameters. 109, 203-213.
Vijayan, G., Saravanane, R., Sundararajan, T. J. J. o. G., & Protection, E. (2017). Study on the effect of variation of flow in sequencing batch reactor using PCA and ANOVA. 5(4), 56-74.
طاهریون, & پور, م. (2019). ارزیابی فرآیند انعقاد و لخته سازی در حذف فلزات سنگین از پساب شیمیایی مجتمع فولاد مبارکه. علوم و تکنولوژی محیط زیست, 21(6), 46-60.
کوهستانی, اسلامی, زاده, ک., & رامین. (2019). بهینهسازی آماری با استفاده از طراحی مرکب مرکزی برای فرایند سیلیس‌زدایی از زئولیت طبیعی جهت جذب آب از سوخت دیزل. سوخت و احتراق, 12(4), 97-110.
پژوهش و فناوری محیط‌زیست، 1403،(15)9، 47-64
| |||
بررسی تصفیهپذیری پساب صنایع غذایی آماده با فرایند شیمیایی انعقاد و لختهسازی
|
|
| |
1- کارشناسی ارشد مهندسی عمران-محیط زیست، موسسه آموزش عالی جهاد دانشگاهی رشت، گیلان، ایران 2- دکتری شیمی تجزیه، پژوهشکده محیط زیست جهاددانشگاهی، گیلان، ایران 3- کارشناس پژوهشی، پژوهشکده محیط زیست جهاددانشگاهی، گیلان، ایران | |
چکیده | اطلاعات مقاله |
هدف از این پژوهش، بررسی تصفیهپذیری پساب صنایع غذایی آماده با استفاده از فرآیند شیمیایی انعقاد و لختهسازی بود. در این فرآیند از منعقد کننده فریک کلراید (FeCl3) به همراه کمک منعقد کننده‌های پلی آکریل آمید و آهک استفاده شد. بهمنظور بررسی اثر متقابل پارامترهای تأثیرگذار بر فرآیند تصفیه، نرمافزار طراحی آزمایش (DOE) به مدل مرکب مرکزی (CCD) مورد استفاده قرار گرفت. عوامل تأثیرگذار بر فرایند انعقاد و لختهسازی از قبیل غلظت منعقد کننده FeCl3 در محدودهی غلظتی mg/L500-2000، pH اولیه در محدودهی 10-5، کمکمنعقدکنندهی آهک و پلی الکترولیت به ترتیب با غلظت‌های mg/L 25-100 و mg/L 5/2 -5/0 توسط دستگاه جارتست مورد ارزیابی قرار گرفتند. برای تعیین مقادیر بهینه، میزان اکسیژن خواهی شیمیایی (COD) بهعنوان آزمون هدف انتخاب شد. مقایسه‌ی شرایط بهینهی تکعامله و اثر متقابل داده‌ها با استفاده از نرمافزار طراحی آزمایش، مقدار بهینهی pH برابر 5/7، غلظت منعقدکننده FeCl3 بهمقدار mg/L 1250و کمکمنعقدکنندههای آهک و پلیالکترولیت بهترتیب با غلظت‌های mg/L 60 و 5/1، راندمان حذف COD برابر 15/94% را نشان داد. بررسیهای آماری نشان داد، مقدار F-value برابر 48/19، نشاندهندهی مطابقت خوب این مدل با نتایج آزمایشگاهی است. همچنین، مقادیر P-value کمتر از 0500/0، بیانگر معنی‌دار بودن آزمایش است. با مقایسه نتایج آزمایشگاهی و نتایج پیش‌بینی‌شده نرمافزار، همبستگی خوبی بین نتایح مشاهده گردید. درنهایت، نتایج حاصل از پژوهش نشان داد که تصفیهی پساب کارخانهی صنایع غذایی با استفاده از منعقدکنندهی FeCl3 امکانپذیر بوده و پساب تصفیه شده، استانداردهای تخلیه به زمین‌های کشاورزی برای آبیاری مزارع را داراست. |
نوع مقاله: پژوهشی تاریخ دریافت: 26/09/1402 تاریخ پذیرش: 29/05/1403 دسترسی آنلاین: 30/06/1403
كليد واژه‌ها: پساب، صنایع غذایی آماده، انعقاد و لختهسازی، جارتست، آهن (III) کلراید، COD |
| |
[1] *پست الکترونیکی نویسنده مسئول: f_os_46@yahoo.com
Journal of Environmental Research and Technology, 9(15)2024. 47-64
|
Investigating the treatability of prepared food industry wastewater using the chemical process of coagulation and flocculation
Mitra Gholami Moghadam1, Fariba Ostovar*2, Mohadeseh Tavakoli3*1 1- MSc in Civil-Environmental Engineering, Higher Education Research Institute of ACECR, Rasht, Iran 2- PhD in Analytical Chemistry, Environmental Research Institute of ACECR (Academic Center for Education, Culture and Research), Rasht, Iran 3- Research expert, Environmental Research Institute of ACECR (Academic Center for Education, Culture and Research), Rasht, Iran | ||
Article Info | Abstract | |
Article type: Research Article
Keywords: Wastewater, prepared food industry, coagulation and flocculation, jar test, iron (III) chloride, COD | This research aims to investigate the treatability of prepared food industry wastewater using the chemical process of coagulation and flocculation. Ferric chloride (FeCl3) coagulant was used in this process along with polyacrylamide and lime flocculant aids. In order to investigate the mutual effect of the parameters affecting the treatment process, the design of experiments (DOE) software with the central composite model (CCD) was used. Effecting factors on the coagulation and flocculation process such as FeCl3 coagulant concentration in the concentration range of 500-2000 mg/L, initial pH in the range of 5-10, lime and polyelectrolyte with the concentration ranges of 25-100 mg/L and 0.5-2.5 mg/L respectively were evaluated by Jartest device. Chemical oxygen demand (COD) analysis was chosen as the target test to determine the optimal values. Comparison of optimal conditions of single agent and mutual effect of data using experiment design software, an optimal value of pH equal to 7.5, FeCl3 coagulant concentration of 1250 mg/L, and coagulants of lime and polyelectrolyte with concentrations of 60 and 1.5 mg/L respectively, showed COD removal efficiency of 94.15%. Statistical analysis showed that the F-value equal to 19.48 indicates the good agreement of this model with the laboratory results. Also, P-values less than 0.050 indicate the significance of the test. By comparing the laboratory and the predicted results, a good correlation between the results was observed. Finally, the results of this research showed that it is possible to treat the wastewater of the food industry using FeCl3 coagulant, and the treated wastewater meets the standards of discharge to agricultural lands for fields irrigation. | |
| ||
[1] * Corresponding author E-mail address: f_os_46@yahoo.com
مقدمه
بهطوركلي، پساب‌های صنعتی به دليل پايين بودن نمك‌هاي معدني محلول نسبت به آب درياها، جزء آب‌هاي شيرين اما آلوده محسوب مي‌شود. استفادهی مجدد و بهره‌گيري از پساب تصفيه شده به جاي آب شيرين برای آبياري، كشاورزي، فضاهاي سبز و... داراي فوايد اقتصادي فراواني بوده و در مقايسه با شيرين‌سازي آب شور درياها بهمراتب ارزان‌تر است. اين مسئله در كشور ما كه در بسياري از نقاط آن مردم با كمبود آب شيرين مواجه هستند؛ حائز اهميت بوده و از مصرف آب آشاميدني براي كشاورزي جلوگيري مي‌كند (Alkhamisi, Ahmed, & Change, 2014; Amin, Al Bazedi, & Abdel-Fatah, 2021). صنایع غذایی به صنایعی اطلاق می‌شود که مواد خوراکی موردنیاز برای انسان و یا حیوانات را تأمین می‌کند. طي قرن گذشته، رشد عظيمي در مصرف آب فرآيندهاي صنعتي روي داده است. از لحاظ خصوصیات پساب، تنوع زیادی در مورد پساب‌های صنایع غذایی مشاهده می‌شود. صنایع غذایی1 بهعنوان یکی از بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان آب در جهان شناخته می‌شوند که میزان زیادی از فاضلاب را تولید می‌کنند. پساب تولیدی مواد غذایی و فعالیت‌های کشاورزی منبع اصلی آلودگی محیط زیست است. حضور آلاينده‌هاي سمي در جريان پساب ازجمله مواردي است كه مي‌تواند در پساب صنايع غذايي مهم تلقي شود (Jia et al., 2020; Mateus, Torres, Marimon-Bolivar, Pulgarín, & Industry, 2021; Pervez et al., 2021). همچنین مدیریت آن در بین سخت‌ترین و پرهزینه‌ترین پساب‌ها است زیرا فاضلاب فرآوری مواد غذایی می‌تواند حاوی مقادیر زیادی مواد مغذی، کربن آلی، مواد آلی نیتروژن دار، مواد معدنی، جامدات معلق و محلول باشد و به همین دلیل از نظر بیوشیمیایی و شیمیایی اکسیژن زیادی دارد. این فاضلاب می‌تواند آلودگی و خطراتی برای محیط زیست و حیات دریایی ایجاد کند. تصفیه فاضلاب صنایع غذایی بهمنظور حفاظت از منابع آب و سلامت محیط زیست بسیار حیاتی است. علاوه بر این، تصفیه فاضلاب صنایع غذایی می‌تواند به کاهش هزینه‌های صنایع غذایی برای دفع فاضلاب و همچنین بهبود شرایط بهداشتی کارکنان و جامعه محلی کمک کند (Hernández, Muro, Ortega, Velazquez, & Riera, 2021).
روشهای مختلفی بهمنظور تصفیه پساب‌های صنایع غذایی مورد استفاده قرار گرفته است. بهعنوان مثال، هو2 و همکاران در سال 2022 میلادی، حذف COD پساب از کربن‌سازی هیدروترمال ضایعات مواد غذایی با استفاده از انعقاد جذب کربن فعال ترکیبی را مورد بررسی قرار دادند. این مطالعه، جذب کربن فعال ترکیبی (AC) را برای کاهش COD در پساب HTC بهمنظور ارتقای زیستتخریبپذیری آن، مورد بررسی قرار داد. نتایج تجربی نشان دادند که پلیآلومینیوم سولفات آهن (PAFS) و پلیآکریلآمید (PAM) بهترتیب، منعقدکننده و کمکمنعقدکنندهی بهینه بوده و با PAFS، PAM و AC که بهترتیب مقدار g/L 6، g/L 10، g/L 3 بودند؛ میتوانند موجب کاهش غلظت COD تا 41/68 % شوند (Hu et al., 2022). همچنین، محمد3 و همکاران نیز در سال 2021 میلادی، تصفیهی پساب صنایع غذایی و آشامیدنی با استفاده از تصفیهی پساب معمولی ادغام شده با سیستم بیوراکتور غشایی را بررسی کردند. پیکربندی غشای HF و FS در دو سطح مختلف جامدات معلّق مخلوط مایع (MLSS) مورد ارزیابی قرار گرفت و بهترتیب برابر با ml/L 6000 و ml/L 12000 شد. نتایج نشان داد که میزانCOD و TSS برای انواع غشایHF وFS ، برای دو سطح مختلف MLSS بیش از 84% بود. هر دو نوع MBR بهطور مداوم به میزان COD و TSS بین 80% تا 95% دست یافتند. (Muhamad Ng, Idrus, Ahsan, Tuan Mohd Marzuki, & Mahat, 2021).
یکی از مهمترین مواد در تصفیه آب و فاضلاب منعقد کننده‌ها هستند. مکانیزم آنها به‌گونه‌ای است که به ذرات جامد می‌چسبند و باعث تهنشینی آنها می‌شوند. از منعقد کننده‌ها برای بی‌نظمی تعلیق کلوئیدی و خنثی کردن مواد جامد معلق استفاده می‌شود. به‌طورکلی انعقاد یا کواگولاسیون یک فرآیند شیمیایی است که منعقد کننده در آن بهعنوان ماده شیمیایی برای حذف ذرات معلق جامد، شفاف‌سازی آب، آهک زنی، ضخیم شدن لجن، حذف رنگ (مواد آلی طبیعی)، آلک (فیتوپلانکتون) باکتری‌ها و ویروس‌ها و آبگیری لجن، مورد استفاده قرار می‌گیرد (Balbinoti et al., 2023; Kaur, Garg, & Singh, 2021; Shrivastava, Ali, Marjub, Rene, & Soto, 2022). در این فرآیند از نرم‌افزارهای طراحی آزمایش برای شرایط بهینه استفاده می‌شود.
طراحی آزمایش، مجموعه اقداماتی است که توسط مدل‌سازی و بهینهسازی متغیرهای واکنش از طریق روشهای آماری انجام می‌شود (Abubakar, Okonkwo, Edomwonyi-Otu, & Research, 2023). طراحی آزمایش، شامل یک سری از آزمایشها است که در آن بهطور آگاهانه در متغیرهای ورودی فرایند، تغییراتی ایجاد میگردد تا از این طریق، مقدار تغییرات حاصل، در پاسخ خروجی فرایند مشاهده و شناسایی شود. از مزایای طراحی آزمایش میتوان به کاهش هزینه، کاهش تعداد آزمون، بررسی جامع سیستم موردمطالعه و امکان بهینهسازی سیستم در مقادیر مطلوب پاسخها یا متغیرهای ورودی اشاره کرد (Popoola, 2019; طاهریون & پور, 2019).
در این مطالعه، از روش طراحی آزمایش مرکب مرکزی (CCD) که یکی از استانداردهای روش سطح پاسخ است، استفاده شده تا میزان بهینهشدهی پارامترهای تأثیرگذار بر میزان حذف غلظت COD پساب کارخانه صنایع غذایی، با استفاده از منعقدکننده فریک کلراید (FeCl3) و کمکمنعقدهها مشخص گردد (کوهستانی، اسلامی‌زاده, رامین، 2019). روشهای مرکب مرکزي و باکس بنکن از روشهای اصلی طراحی سطح پاسخ می‌باشند. در این بین، روش طرح مرکب مرکزي از اعتبار بیشتری برخوردار است. در این مدل با دقت بیشتری میتوان اثر ترم‌های درجه اول، درجه دوم و برهمکنش آنها در پاسخ نهایی را بررسی کرد. علاوهبراین، روش CCD طیف بسیار وسیعی از تغییرات در مقادیر ورودی‌ها و پاسخها را در فضای سطحی و حجمی (دو و سه بعدی) می‌تواند توصیف کند. لذا، در این پژوهش از روش CCD بهمنظور مدل‌سازی، تجزیه و تحلیل و بهینهسازی فرایند استفاده شد و بررسیهای آماری انجام گرفت (Atta, Hummadi, M-Ridha, & TREATMENT, 2022; Fitriani, Mohamed, Affandi, Nurdin, & Kurniawan, 2023; Gulzamana & Baloo, 2021).
مواد و روش‌ها
این مطالعه از نوع بنیادی- کاربردی بوده و در آزمایشگاه آب، فاضلاب و میکروبی مرکز تحقیقات پژوهشکده محیط زیست جهاد دانشگاهی واحد گیلان انجام شد و هدف آن بررسی کارایی فرایند تصفیه شیمیایی به روش انعقاد و لختهسازی با استفاده از منعقد کننده FeCl3 برای تصفیهی پساب صنایع غذایی بیرونبر بود. بهمنظور بررسی تصفیهپذیری پساب صنایع غذایی (تولید غذای آماده) از فرایند انعقاد و لختهسازی و با استفاده از نرمافزار طراحی آزمایش با مدل CCD جهت مطالعهی اثر پنج متغیر ورودی مستقل و تعیین میزان حذف غلظت COD استفاده شد. با استفاده از روش‌هاي طراحی آزمایش، برخلاف روش‌هاي معمول میتوان تغییر همزمان دو یا چند فاکتور را مورد بررسی قرار داد. همچنین، با روش طراحی آزمایش میتوان نحوه و میزان تأثیر فاکتورهاي مختلف بر پاسخ را بررسی کرد و شرایط آزمایش را به سمت بهترین راندمان سوق داد (Bayuo, Abukari, & Pelig-Ba, 2020; Gasemloo, Khosravi, Sohrabi, Dastmalchi, & Gharbani, 2019).
پارامترهای pH، غلظت منعقدکننده و غلظت کمکمنعقدکنندهها (پلیالکترولیت و آهک) بهعنوان متغیر مستقل انتخاب شدند. درحالی‌که، غلظت باقیماندهی COD، پاسخ خروجی مدنظر بود. این روش توانست با حداقل تعداد آزمایش، تأثیر پارامترهای مختلف فرایند انعقاد و لختهسازی را مورد بررسی قرار دهد. آزمون CCD از روشهای متداول سطح پاسخ است. در این روش، تمام فاکتورها در 5 سطح مطالعه می‌شوند و امکان تصفیهپذیری پساب کارخانهی صنایع غذایی و اثر آن بر حذف غلظت COD بهعنوان پارامتر هدف با استفاده از منعقدکنندههای شیمیایی، موردمطالعه قرار گرفت.
بهمنظور انجام آزمایشهای مذکور، محلول Fecl3 بهعنوان منعقدکننده در محدوده غلظتی mg/L 2000-500، و کمکمنعقدکنندهی آهک و پلی الکترولیت به ترتیب با غلظت‌های mg/L 25-100 و mg/L 5/2 -5/0 مورد بررسی قرار گرفتند. جهت تنظیم pH، محلولهای اسید هیدروکلریک (HCl) و سدیم هیدروکسید (NaOH) در گسترهی غلظتی mol L-1 1/01-0/0 استفاده شد. متغیرهای مورد بررسی شامل pH اولیهی پساب، غلظت منعقدکننده و غلظت کمکمنعقدکنندههای پلیالکترولیت و آهک بهعنوان سطوح موردنظر ارزیابی شدند. پس از بررسی pH اولیهی پساب، تنظیم pH در محدودهی 10-5 انجام گرفت و فرآیند انعقاد و لخته سازی با استفاده از دستگاه جارتست، انعقاد تند در دور rpm 120 و انعقاد کند در مدت زمان min 20 با دور آهستهی rpm 30 انجام شد. جدول 1 فاکتورهای آزمایشی و سطوح آنها را نشان میدهد. پس از پایان فرایند انعقاد و لختهسازی و تهنشینی پساب تصفیه شده، نمونه مورد بررسی فیلتر شد و مقدار غلظت COD باقیمانده محاسبه گردید. درنهایت، پس از تعیین شرایط بهینه تصفیه، پارامترهای نیترات، فسفات، آمونیاک، کدورت، منگنز، آهن، روغن و چربی، هدایت الکتریکی، کل جامدات محلول و pH پساب خام و تصفیه شده، بررسی شدند.
جدول (1) فاکتورهای آزمایشی مورد مطالعه و سطوح آنها
فاکتور | سطوح فاکتورها | ||||
2 | 1 | 0 | 1- | 2- | |
pH | 5 | 6 | 5/7 | 9 | 10 |
FeCl3 (mg/L) | 500 | 800 | 1250 | 1750 | 2000 |
Lime (mg/L) | 25 | 40 | 60 | 85 | 100 |
Poly (mg/L) | 5/0 | 1 | 5/1 | 2 | 5/2 |
ماتریس طرح مرکب مرکزی بهمنظور بررسی پارامترهای تأثیرگذار در فرآیند انعقاد و لختهسازی با استفاده از منعقد کننده آهن(III) کلرید، در جدول 2 نشان داده شده است.
آزمایش | پلی الکترولیت | آهک | FeCl3 | pH |
|---|---|---|---|---|
1 | 5/1 | 25 | 1250 | 5/7 |
2 | 5/1 | 60 | 1250 | 5 |
3 | 5/1 | 60 | 1250 | 10 |
4 | 5/1 | 60 | 1250 | 5/7 |
5 | 2 | 40 | 1750 | 6 |
6 | 2 | 40 | 1750 | 6 |
7 | 1 | 85 | 1750 | 9 |
8 | 5/2 | 60 | 1250 | 5/7 |
9 | 1 | 85 | 800 | 6 |
10 | 5/1 | 60 | 1250 | 5/7 |
11 | 5/1 | 60 | 500 | 5/7 |
12 | 1 | 40 | 800 | 9 |
13 | 5/1 | 60 | 1250 | 5/7 |
14 | 2 | 85 | 800 | 6 |
15 | 5/1 | 60 | 2000 | 5/7 |
16 | 5/1 | 60 | 1250 | 5/7 |
17 | 5/0 | 60 | 1250 | 5/7 |
18 | 5/1 | 100 | 1250 | 5/7 |
19 | 2 | 85 | 1750 | 9 |
20 | 5/1 | 60 | 1250 | 5/7 |
21 | 2 | 40 | 800 | 9 |
يافتههای پژوهش
آنالیز و شناسایی پساب خام
ابتدا، بهمنظور شناسایی پساب خام صنایع غذایی که از نوع بیرونبر است؛ آنالیز پارامترهای فیزیکی و شیمیایی و ترکیبات موجود در پساب انجام گرفت. فاکتورهای مهم در پساب مانند COD، EC، آمونیاک، نیترات، فسفات، کدورت، چربی و روغن4، و TDS مورد آنالیز و بررسی قرار گرفت. هر آزمایش سه بار تکرار و میانگین و انحراف استاندارد آنها گزارش شد. نتایج حاصل از این بررسی در جدول 3 نشان داده شده است.
جدول (3) میانگین و انحراف استاندارد پساب کارخانهی تولید غذای آماده
داده آماری | EC (mS/cm) | TDS (mg/L) | COD (mg/L) | کدورت | آمونیاک (mg/L) | نیترات (mg/L) | فسفات (mg/L) | O&G |
میانگین | 39/1 | 33/874 | 07/1800 | 30/58 | 80/5 | 20/143 | 03/7 | 54/148 |
انحراف استاندارد | 004/0 | 11/4 | 91/0 | 59/0 | 04/0 | 78/1 | 08/0 | 14/1 |
بررسی فرآیند تصفیه پساب صنایع غذایی
در این بررسی، از منعقدکنندهی شیمیایی آهن (III) کلرید (FeCl3) استفاده شد. از کمک منعقدکنندهی پلیمری پلیآکریلآمید (پلی الکترولیت) و کمکمنعقد کنندهی آهک جهت جداسازی رسوبات استفاده گردید. طراحی آزمایش با نرمافزار Design Expert با مدل CCD انجام شد و اثر پارامترهای تأثیرگذار بر فرایند تصفیه مورد ارزیابی قرار گرفت. از آنجایی که مهمترین پارامتر درجهت تخلیهی پساب تصفیه شده به محیط پذیرنده، COD است؛ این پارامتر بهعنوان پارامتر هدف، انتخاب شد. بررسیهای اولیه جهت تعیین محدوده پارامترهای مورد مطالعه انجام شد و سپس طراحی آزمایش مطابق با نتایج اولیه آزمایشگاهی توسط نرمافزار انجام گرفت (Hu et al., 2022).. جدول مربوط به طراحی آزمایش انجام شده بههمراه راندمان حذف، در جدول 4 نشان داده شده است.
جدول (4) ماتریکس طراحی آزمایش و راندمان حذف COD به دست آمده از منعقدکنندهی FeCl3
FeCl3 (mg/L) | Lime (mg/L) | Poly (mg/L) | pH | COD (mg/L) | راندمان حذف COD | |
1 | 1250 | 25 | 5/1 | 5/7 | 96/237 | 78/86% |
2 | 1250 | 60 | 5/1 | 10 | 59/217 | 91/87% |
3 | 1250 | 60 | 5/1 | 5 | 66/241 | 57/86% |
4 | 1250 | 60 | 5/1 | 5/7 | 55/130 | 74/92% |
5 | 1750 | 40 | 2 | 9 | 48/356 | 19/80% |
6 | 1750 | 40 | 2 | 9 | 48/306 | 97/82% |
7 | 1750 | 85 | 1 | 6 | 85/426 | 28/76% |
8 | 1250 | 60 | 5/2 | 5/7 | 4/232 | 08/87% |
9 | 800 | 85 | 1 | 9 | 14/273 | 82/84% |
10 | 1250 | 60 | 5/1 | 5/7 | 2/121 | 26/93% |
11 | 500 | 60 | 5/1 | 5/7 | 40/432 | 97/75% |
12 | 800 | 40 | 1 | 6 | 51/243 | 48/86% |
13 | 1250 | 60 | 5/1 | 5/7 | 17/105 | 15/94% |
14 | 800 | 85 | 2 | 9 | 29/321 | 15/82% |
15 | 2000 | 60 | 5/1 | 5/7 | 96/337 | 22/81% |
16 | 1250 | 60 | 5/1 | 5/7 | 48/106 | 08/94% |
17 | 1250 | 60 | 5/0 | 5/7 | 14/223 | 60/87% |
18 | 1250 | 100 | 5/1 | 5/7 | 25/184 | 79/89% |
19 | 1750 | 85 | 2 | 6 | 88/180 | 95/89% |
20 | 1250 | 60 | 5/1 | 5/7 | 05/115 | 60/93% |
21 | 800 | 40 | 2 | 6 | 51/293 | 69/83% |
تأثیر پارامترهای عملیاتی در فرآیند تصفیهی پساب مواد غذایی
در این بخش به مطالعه و بررسی اثر متقابل پارامترهای عملیاتی که شامل pH، کمکمنعقدکنندهها و منعقدکننده FeCl3 است، پرداخته شد.
اثر متقابل pH و غلظت منعقد کننده FeCl3
یکی از مهمترین پارامترهای تأثیرگذار بر راندمان حذف آلاینده‌های مختلف در تصفیهی پساب، pH است که بر ظرفیت جذب و تجزیهی ترکیبات هدف و توزیع بار الکتریکی مؤثر است. براساس مطالعات گذشته، pH نقش قابلتوجهی در حذف غلظت COD داشته است. در این مطالعه، بهمنظور بررسی اثر pH بر واکنش، مقدار اولیهی آن در محدوده 10-5 با استفاده از برنامه‌‌‌‌ی طراحی آزمایش مورد بررسی قرار گرفت. ابتدا، بررسی اثر متقابل تغییرات غلظت منعقدکننده FeCl3 در محدودهی غلظتی mg/L 2000-500 و تغییرات pH در محدوده 10-5 نمونه انجام شد. شکلهای 1 و 2 بررسی حذف غلظتی و راندمان درصدی COD را نشان میدهد.
شکل (1) تأثیر متقابل pH و غلظت FeCl3 بر میزان حذف غلظتی COD
شکل (2) بررسی میزان حذف غلظت COD با تغییر میزان pH و غلظت FeCl3
اثر متقابل غلظت منعقد کننده FeCl3 و کمک منعقد کننده آهک
پس از تعیین غلظت بهینهی منعقدکننده و pH بهینه، اثر متقابل تغییرات غلظت منعقدکننده FeCl3 و کمک منعقدکننده آهک در pH و مقدار کمک منعقدکننده پلیمری ثابت به ترتیب برابر 5/7 و mg/L 5/1 مورد بررسی قرار گرفت. مقادیر تغییرات غلظتی منعقدکننده و کمک منعقدکننده بهترتیب در بازهی mg/L 2000-500 و mg/L 100-25 قرار گرفت. نتایج حاصل در شکلهای 3 و 4 نشان داده شده است.
شکل (3) تأثیر متقابل غلظت FeCl3 و آهک بر میزان حذف غلظتی COD
شکل (4) بررسی حذف میزان غلظت COD با تغییر غلظت FeCl3 و آهک
اثر متقابل غلظت منعقد کننده FeCl3 و کمک منعقد کننده پلی‌آکریل آمید
همچنین، بررسی اثر متقابل تغییرات غلظت منعقدکنندهی FeCl3 و کمکمنعقدکنندهی پلیالکترولیتی نیز، درجهت تعیین تأثیر کمکمنعقدکننده پلیآکریلآمید در فرایند تصفیهی پساب صنایع غذایی بیرونبر و تأثیر متقابل دو پارامتر در بازهی غلظتی mg/L 2- 5/0 موردارزیابی قرار گرفت. در این آزمونها، غلظت منعقدکننده در محدودهی mg/L 2000-500 و غلظت کمکمنعقدکننده در مقدار ثابت mg/L 5/62 تنظیم شد و pH نمونهی پساب اولیه در مقدار ثابت 5/7 قرار داده شد. شکلهای 5 و 6 بررسی میزان حذف غلظتی و درصدی COD با استفاده از منعقدکنندهی FeCl3 و کمکمنعقدکنندهی پلیالکترولیت را نشان میدهد.
شکل (5) تأثیر متقابل غلظت FeCl3 و پلیالکترولیت بر میزان حذف غلظتی COD
شکل (6) بررسی حذف میزان غلظت COD با تغییر غلظت FeCl3 و پلیالکترولیت
نتایج آنالیز واریانس
نتایج آماری ANOVA
یکی از ابزارهای پرکاربرد در تحقیقات آماری، تحلیل واریانس5 است. در این روش سعی بر این است که اختلاف بین چند جامعه آماری، ارزیابی شود. باتوجه به پراکندگی کل داده‌ها، آنالیز واریانس بین گروه‌های مختلف در این روش امکانپذیر است. به این ترتیب، میتوان برابر بودن میانگین داده‌ها را بین گروه‌های مختلف آزمود. در جدول 5، نتایج آماری بررسی تصفیه پذیری پساب صنایع غذایی بیرونبر با استفاده از منعقد کننده FeCl3 بررسی شده است.
جدول (5) نتایج ANOVA برای مدل سطح پاسخ مربعی
| مقدار P | مقدار F | میانگین مربعات | درجه آزادی | مجموع مربعات | منبع |
معنی دار | 0008/0 | 48/19 | 09/42 | 14 | 31/589 | مدل |
| 0331/0 | 59/7 | 40/16 | 1 | 40/16 | A-Fecl3 |
| 1819/0 | 28/2 | 92/4 | 1 | 92/4 | B-lime |
| 2994/0 | 92/1 | 79/2 | 1 | 79/2 | C-Poly |
| 3538/0 | 01/1 | 18/2 | 1 | 18/2 | D-pH |
| 2117/ | 95/1 | 22/4 | 1 | 22/4 | AB |
| 0189/0 | 17/10 | 96/21 | 1 | 98/21 | AC |
| 2900/0 | 35/1 | 91/2 | 1 | 91/2 | AD |
| 0539/0 | 72/5 | 36/12 | 1 | 36/12 | BC |
| 0803/0 | 42/4 | 54/9 | 1 | 54/9 | BD |
| 0689/0 | 90/4 | 58/10 | 1 | 58/10 | CD |
| 0001/0> | 09/158 | 57/341 | 1 | 57/341 | A2 |
| 0075/0 | 65/15 | 82/33 | 1 | 82/33 | B2 |
| 0033/0 | 18/22 | 91/47 | 1 | 91/47 | C2 |
| 0030/0 | 91/22 | 50/49 | 1 | 50/49 | D2 |
|
|
| 16/2 | 6 | 96/12 | باقیمانده |
معنی دار | 0422/0 | 35/7 | 72/7 | 1 | 72/7 | شانس تشابه |
|
|
| 05/1 | 5 | 25/5 | خطای خالص |
|
|
|
| 20 | 27/602 | همبستگی کل |
شاخص‌های رگرسیونی منعقد کنندهی آهن (III) کلرید
جهت بررسی مطابقت داده ها و مقایسه ضرایب رگراسیون، نتایج حاصل از بررسی شاخص‌های رگراسیونی تصفیه پساب صنایع غذایی به روش انعقاد و لختهسازی با استفاده از منعقد کننده FeCl3 با توجه به طراحی آزمایش انجام گرفته به مدل CCD در جدول 6 نشان داده شده است.
جدول (6) شاخص های رگر سیونی سطح پاسخ مربعی
47/1 | R2 | 9785/0 | |
میانگین | 54/86 | محاسباتی R2 | 9683/0 |
ضریب تغییرات (%) | 70/1 | R2 پیش‌بینی‌شده | 9535/0 |
صحت | 7726/13 |
سنجش میزان مطابقت داده های تجربی و پیش‌بینی‌شده (ارزیابی شایستگی مدل)
نمودار مقادیر پیشبینی شده مدل در مقابل مقادیر واقعی حاصل از آزمایشها در شکل 7 آورده شده است. استفاده از نمودار احتمال نرمال برای باقی‌مانده‌ها جهت ارزیابی شایستگی مدل توسعه یافته بسیار سودمند است. این نمودارها یک ابزار مهم تشخیص جهت کشف و توضیح انحراف سیستماتیک مبتنی بر این فرض که خطاها بهطور نرمال توزیع شده‌اند و مستقل از یکدیگر می‌باشند؛ هستند. هر چه انحراف از خط نیمساز کمتر باشد نشانگر تطابق بهتر پاسخهای پیشبینی شده از مدلها با پاسخهای واقعی است. در حالت ایدهآل مقادیر پیشبینی شده پاسخها با مقادیر واقعی آنها بسیار به هم نزدیکاند.
شکل (7) نمودار مقدار تجربی پاسخ در مقابل پاسخهای پیشبینی شده در فرآیند حذف غلظت COD با استفاده از منعقدکنندهی FeCl3
مقایسه آنالیز پساب تصفیه شده با استانداردهای محیط زیست
پس از بررسی اثر منعقد کننده FeCl3 و پارامترهای تأثیرگذار بر فرایند انعقاد و لختهسازی و تعیین شرایط بهینه با بالاترین راندمان حذف COD از پساب غذای بیرونبر، پارامترهای دیگر از قبیل نیترات، فسفات، آمونیاک، کدورت، منگنز، آهن، دترجنت، روغن و چربی، هدایت الکتریکی و TDS نیز در پساب تصفیه شده آنالیز شد و با مقادیر پارامترهای ذکر شده در پساب خام (قبل از تصفیه) مورد مقایسه قرار گرفت که در جدول 7 نشان داده شده است. همچنین، مقادیر استاندارد محیط زیست جهت تخلیه پساب به محیط پذیرنده نیز در جدول 7 قرار داده شد و با مقادیر غلظتی پساب تصفیه شده مقایسه گردید.
جدول (7) مشخصات عمومی پساب قبل و بعد از تصفیه، راندمان و مقادیر مجاز تخلیه به آبهای سطحی و مقادیر مجاز
آلاینده | قبل از تصفیه | بعد از تصفیه | راندمان | مقادیر مجاز تخلیه به آبهای سطحی | مقادیر مجاز مصارف کشاورزی |
نیترات (mg/L) | 53/143 | 69/14 | 76/89% | 10 | - |
فسفات (mg/L) | 7 | 0 | 100% | 6 | - |
آمونیاک (mg/L) | 8/5 | 48/0 | 72/91% | 5/2 | - |
کدورت (NTU) | 30/58 | 00/0 | 100% | 50 | 50 |
منگنز (mg/L) | 5/0 | 00/0 | 100% | 1 | 1 |
آهن (mg/L) | 3 | 00/0 | 100% | 3 | 3 |
دترجنت(mg/L) | 33/5 | 36/76% | 5/1 | 5/0 | |
چربی و روغن(mg/L) | 148 | 10 | 26/93% | 10 | 10 |
EC (mS/cm) | 339/1 | 117/0 | 26/91% | - | - |
TDS(mg/L) | 875 | 9/74 | 72/91% | مقدار TDS محیط اطراف را بیش از 10 درصد افزایش ندهد. | - |
COD (mg/L) | 1800 | 97/123 | 11/93% | 60 (لحظه‌ای 100) | 200 |
بحث در نتایج
بررسی تأثیر پارامترهای عملیاتی در فرآیند تصفیه پساب صنایع غذایی
پس از بررسیهای آزمایشگاهی و دستیابی به نتایج حاصل از پارامترهای عملیاتی در فرآیند تصفیه پساب صنایع غذایی، نتایج حاصل مورد بحث و ارزیابی قرار گرفت.
اثر متقابل pH و غلظت منعقد کننده FeCl3
با توجه به شکلهای 1 و 2، افزايش بیش از مقدار بهینهی منعقدکنندهی FeCl3، باعث معكوس شدن بار آنها و افت راندمان حذف COD شده است. در مواردي كه مكانيسم غالب انعقاد، جذب و خنثي‌سازي بار است؛ با بيشتر شدن منعقدکننده از مقداري كه با نام غلظت بحراني منعقدکننده6 (CCC) شناخته مي‌شود؛ درصد حذف، افت مي‌كند و دليل آن معكوس شدن بار سطحي كلوييدها بهدليل جذب بيش از حد محصولات هيدروليز است (AbdollahzadehSharghi, Yadegari, & Davarpanah, 2018; Khettaf, Boumaraf, Benmahdi, Bouhidel, & Bouhelassa, 2021). نتایج بررسی نشان داد، استفاده از منعقدکننده FeCl3 تا غلظت مشخصی، راندمان حذف را افزایش داده و پس از غلظت بحرانی، کاهش راندمان حذف و افزایش غلظت باقیمانده COD مشاهده شده است (Louhıchı, Bousselmı, Ghrabı, Khounı, & Research, 2019). در بررسی اثر pH در راندمان تصفیه پساب صنایع غذایی با استفاده از منعقدکننده FeCl3 میتوان مشاهده کرد، افزایش pH تا غلظت مشخصی، تأثیر مثبت بر فرایند تصفیه داشته و پس از آن، بهدلیل تغییر ماهیت فرایند انعقاد، راندمان حذف را کاهش میدهد. در حقیقت، pH يك عامل مؤثر در واكنش‌هاي شيميايي و بيوشيميايي و تشکیل ترکیبات فلزی است. تأثير pH اوليه محيط، بسته به نوع فرايند مورداستفاده، برای تصفيه و نوع آلاينده بسيار متفاوت است. در حقیقت، در pHهاي بالا، حلاليت هيدروكسيدهاي آهن كاهش مي‌يابد و اين تركيبات با رسوب كردن، باعث حذف كلوييدهايي كه جذب آنها شده‌اند، مي‌شوند. با كمتر شدن pH از مقدار بهینه نیز، هيدروكسيدهاي آهن، حل شده و باعث ورود مجدد كلوييدهايي كه جذب آنها شده بودند به آب مي‌شوند و به اين صورت راندمان تصفيه كاهش مي‌يابد (Akbal, Camcı, & Technology, 2010).
بررسی اثر متقابل دو پارامتر نیز تأثیر مستقیم غلظت منعقدکننده FeCl3 و pH را تا مقدار مشخص و بهینه برای هردو پارامتر نشان داده و پس از آن کاهش راندمان مشاهده می‌شود. در نتیجه دو پارامتر بر یکدیگر اثر مستقیم داشته و همسو می‌باشند. بالاترین راندمان تصفیه نیز در حدود 94 درصد با غلظت باقیمانده COD برابر mg/L 101، در غلظت منعقدکننده برابر mg/L 1250، pH برابر 5/7 و غلظت کمکمنعقدکننده پلیمری mg/L 5/1 مشاهده شد.
اثر متقابل غلظت منعقد کننده FeCl3 و کمک منعقد کننده آهک
باتوجه به شکلهای 3 و 4 که مقادیر حذف غلظتی و راندمان حذف COD پساب را نشان میدهند؛ افزایش غلظت کمکمنعقدکنندهی آهک تا غلظت مشخصی که در محدودهی غلظتی mg/L 60 تا 65 است؛ سبب افزایش راندمان حذف COD از پساب صنایع غذایی شده و پس از این غلظت، به دلیل بالا بردن زیاد pH محیط (قلیایی نمودن پساب) و تبدیل یون‌های Fe3+ به هیدروکسید آهن، موجب کاهش راندمان حذف ترکیبات آلی و معدنی و درنتیجه، کاهش راندمان حذف COD مشاهده می‌شود (Barbera & Gurnari, 2018; Qasim, Mane, & Industry, 2013). افزایش غلظت منعقدکنندهی FeCl3 نیز تا غلظت بحرانی، افزایش راندمان حذف را درپی داشته و پس از آن، کاهش راندمان حذف مشاهده شده است. باتوجه به نتایج نشانداده شده در شکلهای 3 و 4 و بررسی هرکدام از پارامترهای تأثیرگذار، دو پارامتر غلظت منعقدکننده و کمکمنعقدکننده آهک، اثر همسو و مستقیم داشته و با افزایش هردو پارامتر تا غلظت مشخصی، افزایش راندمان حذف و پس از آن، کاهش راندمان حذف و افزایش غلظت COD مشاهده شده است. نهایتاً، مقادیر بهینهی منعقدکننده وکمک‌منعقد‌کننده، بهترتیب برابر mg/L 1250 و mg/L 5/62 بهعنوان مقادیر غلظتی بهینه با بالاترین راندمان حذف COD حدود 94 درصد انتخاب شدند.
اثر متقابل غلظت منعقد کننده FeCl3 و کمک منعقد کننده پلی‌آکریل آمید
شکلهای 5 و 6، تأثیر مثبت کمکمنعقدکننده در فرایند تصفیه را نشان میدهد. باتوجه به نتایج نشان داده شده؛ غلظت منعقدکننده و کمکمنعقدکننده (لختهساز) اثر قابلتوجهی بر فرایند انعقاد/ لختهسازی در تصفیهی پساب صنایع غذایی دارد. غلظت کمکمنعقدکننده تا مقدار مشخصی سبب افزایش راندمان حذف COD شده و پس از آن، افزایش اندکی در راندمان حذف مشاهده شده است. افزایش راندمان حذف با افزایش غلظت کمکمنعقدکننده، بهدلیل چسباندن ذرات معلّق ایجاد شده بهیکدیگر و جداسازی بهتر لخته‌ها از محیط پساب می‌شود (Khouni, Louhichi, Ghrabi, Moulin, & Protection, 2020). در حقیقت، کمکمنعقدکنندهها با ایجاد پل بین ذرات ریز لخته حاصل از فعالیت منعقد‌کننده‌ها، آنها را به صورت لخته‌های درشت و سنگین در آورده و عمل تهنشینی را سرعت می‌بخشند (Chen, Eraghi Kazzaz, AlipoorMazandarani, Hosseinpour Feizi, & Fatehi, 2018; Ho, Chua, & Chong, 2020). افزایش غلظت منعقدکنندهی FeCl3 نیز، همانطور که در بررسیهای قبلی انجام گرفت؛ تا غلظت بحرانی، سبب افزایش راندمان حذف COD شده و پس از آن به دلیل معكوس شدن بار سطحي كلوييدها و جذب بيش از حد محصولات هیدرولیز، کاهش راندمان حذف COD و درنتیجه افزایش غلظت باقیمانده COD در پساب تصفیه شده مشاهده شد. بررسی اثر متقابل غلظت منعقدکنندهی FeCl3 و کمکمنعقدکنندهی پلیمری پلیآکریلآمید نیز بهدلیل یکسان بودن رفتار شیمیایی، دارای اثر متقابل مستقیم و همسو بوده و افزایش هردو پارامتر تا غلظت مشخصی افزایش راندمان حذف COD و پس از آن سبب کاهش راندمان شد. نتایج نشان داد که بیشترین میزان حذف غلظت COD زمانی حاصل شد که کمکمنعقدکنندهی پلیالکترولیت در غلظت mg/L 5/1 و غلظت منعقدکنندهی FeCl3 برابر mg/L 1250 مورداستفاده قرار گرفت.
بحث در نتایج آماری ANOVA
با توجه به نتایج نشان داده شده در جدول (5)، مقدار F-value برابر با 48/19، نشاندهندهی مطابقت خوب این مدل با نتایج آزمایشگاهی است. در این مدل، تنها 0008/0 % احتمال خطا و عدم مطابقت داده ها وجود دارد که این فراوانی می‌تواند بهعلت نویز ایجاد شود. مقادیر P-value کمتر از 0500/0 نیز بیانگر معنی‌دار بودن آزمایش است. همچنین، مقادیر بیشتر از 1000/0 نشان میدهد که شرایط مدل معنی‌دار نیست (Turan, Erkan, Engin, & Protection, 2017). اگر تعدادی شرایط نامطلوب در مدل وجود داشته باشد (به جز موارد موردنیاز برای تأیید مراحل آزمایش)، ممکن است کاهش تعداد مراحل مدل، مدل را بهبود بخشد. عدم تناسب F-value در مقدار 35/7 بهمعنی عدم پردازش قابلتوجه است. تنها 22/4 درصد احتمال دارد که عدم تناسب F-value به دلیل نویز رخ دهد (Khoshvaght, Delnavaz, & Leili, 2021; Sibiya, Amo-Duodu, Tetteh, & Rathilal, 2022).
بررسی شاخص‌های رگرسیونی
بررسیهای آماری شاخص‌های رگرسیونی جدول 6 بیانگر این موضوع است کهR2 پیش‌بینی‌شده با مقدار 9535/0 که میزان همبستگی پیشبینی شده نرمافزار است؛ مطابقت بهتری با دادههای حاصل از نتایج آزمایشگاهی و همبستگی تجربی دارد. همچنین، با توجه به R2 کل که دارای میانگین کلی برابر 54/86 در مدل مورد استفاده است؛ پیشبینی کننده بهتری برای پاسخ نسبت به مدل فعلی است. در برخی موارد، یک مدل مرتبه بالاتر نیز ممکن است پیشبینی بهتری ارائه دهد (Arola, Ward, Mänttäri, Kallioinen, & Batstone, 2019).
"صحت" نسبت سیگنال به نویز را اندازه‌گیری می‌کند و زمانیکه این نسبت بیشتر از 4 باشد؛ آزمون انجام شده مطلوب است (Vijayan, Saravanane, Sundararajan, & Protection, 2017). در نتیجه نسبت مشاهده شده در این آزمون که برابر با 773/13 است؛ نشان‌دهنده یک سیگنال مناسب است و این مدل می‌تواند برای انجام فضای طراحی استفاده شود.
شکل 7، نمودار مقدار تجربی پاسخ در مقابل پاسخهای پیشبینی شده به‌وسیله‌ی مدل مرتبه‌ی دوم را نشان میدهد. در نمودار رسم شده، نزدیکی نقاط به خط راست با زاویه‌ی 45 درجه، بیانگر کیفیت مناسب مدل اجرا شده است و میتوان به نتایج حاصل از طراحی آزمایش اعتماد نمود. در حقیقت، با استفاده از منعقدکننده FeCl3، مقادیر پیش‌بینی‌شده توسط نرمافزار به نتایج کسب شده به روش تجربی و واقعی نزدیک بوده و مطابقت خوبی بین نتایج وجود دارد. در نتیجه، آزمایش دارای ضریب رگراسیون بالا است و میتوان به نتایج اعتماد نمود.
مقایسه پساب تصفیه شده با استانداردهای محیط زیست
با توجه به نتایج نشان داده شده در جدول 7 و مقایسه نتایج حاصل از تصفیه پساب غذای بیرونبر با مقادیر غلظتی استاندارد محیط زیست، مقدار COD پساب تصفیه شده که حدود mg/L 124 است؛ قابل تخلیه به زمین‌های کشاورزی جهت آبیاری مزارع بوده و با تصفیه تکمیلی میتوان به آبهای سطحی یا چاه جاذب نیز تخلیه نمود. همچنین، آنالیز پارامترهای مهم محیط زیستی نیز نشان داد که مقادیر غلظتی پارامترهای فسفات، آمونیاک، کدورت، منگنز، آهن، چربی و روغن و TDS به مقادیر استاندارد جهت تخلیه به هرسه محیط پذیرنده از قبیل آبهای سطحی، چاه جاذب و زمین‌های کشاورزی رسیده است. درنهایت با بررسی تمامی پارامترهای مهم محیط زیستی، پساب تصفیه شده صنایع غذایی حاضر، قابل تخلیه به زمین‌های کشاورزی جهت آبیاری مزارع بوده و با اینکار میتوان علاوه بر صرفه‌جویی در مصرف آب، با توجه به مقادیر استاندارد باقیمانده نیترات و آمونیاک، مواد معدنی موردنیاز زمین‌های کشاورزی را تامین کرد.
نتیجه‌گیری
در این پژوهش به بررسی میزان تصفیهپذیری پساب کارخانهی صنایع غذایی بیرونبر با فرآیند شیمیایی انعقاد و لختهسازی پرداخته شد. پس از تعیین محدوده پارامترهای تأثیرگذار، طراحی آزمایش بهکمک نرمافزار DOE، با مدل مرکب مرکزی (CCD) انجام شد. در این آزمایشها، مقدار منعقدکنندهی آهن (III) کلرید در محدوده غلظتی mg/L 500-2000 و کمکمنعقدکنندههای آهک و پلیالکترولیت بهترتیب در مقادیر غلظتی mg/L 25-100 و 5/2 – 5/0 تعیین شد. همچنین، pH اولیه بین10-5 انتخاب گردید. جهت تعیین مقادیر بهینه، آنالیز COD بهعنوان آزمون هدف انتخاب شد. پس از آزمایشهای انجام شده و مشخص شدن شرایط بهینه، نهایتاً سنجش آلاینده‌های فیزیکی و شیمیایی انجام گرفت و دادههای حاصل، بررسی آماری شد. نتایج بررسی شرایط بهینهی تکعامله و اثر متقابل داده‌ها با کمک نرمافزار طراحی آزمایش نشان داد که منعقدکنندهی آهن (III) کلرید، منعقدکنندهی مناسبی برای تصفیهی پساب صنایع غذایی غذای بیرونبر بوده و بیشترین میزان حذف غلظت COD برابر با میزان 15/94% را در مقدار منعقد کننده برابر mg/L 1250 و مقادیر کمک منعقد کننده پلیمری و آهکی به ترتیب برابر mg/L 5/1 و mg/L 5/62 نشان داد. در نتیجه‌ی این آزمایشها، pH بهینه 5/7 حاصل شد. بررسیهای آماری نیز نشان داد که مقدار 48/19 در مدل F-value نشان دهندهی مطابقت خوب این مدل با نتایج آزمایشگاهی بوده و همچنین، مقادیر P-value کمتر از 0500/0 نیز بیانگر معنی‌دار بودن آزمایش است. همچنین، مطابقت خوبی بین نتایج واقعی آزمایشگاه و نتایج پیش‌بینی‌شده نرمافزار مشاهده شد. در عین حال، این آزمایشها نشان داد که منعقد کننده FeCl3، علاوه بر کاهش قابلتوجه COD، باعث حذف چشم‌گیر مقدار آلاینده‌های پساب مانند آمونیاک، نیترات، فسفات و ... نیز شده و پساب تخلیه شده مطابق با استانداردهای تخلیه محیط زیستی به زمین‌های کشاورزی، قابل تخلیه برای آبیاری مزارع کشاورزی است.
منابع
AbdollahzadehSharghi, E., Yadegari, F., & Davarpanah, L. J. J. o. E. H. E. (2018). Investigation of Coagulation and Flocculation Process in Chemical Pre-Treatment of Livestock Wastewater. 6(1), 99-110.
Abubakar, M., Okonkwo, P., Edomwonyi-Otu, L. J. N. J. o. E. S., & Research, T. (2023). KINETIC STUDIES AND OPTIMIZATION OF PROCESS PARAMETERS FOR ACTIVATED SLUDGE TREATMENT OF TANNERY WASTEWATER USING DESIGN EXPERT. 9(2), 96-108.
Akbal, F., Camcı, S. J. C. E., & Technology. (2010). Comparison of electrocoagulation and chemical coagulation for heavy metal removal. 33(10), 1655-1664.
Alkhamisi, S. A., Ahmed, M. J. E. C., & Change, F. o. A. i. t. G. C. C. C. F. A. i. t. C. o. C. (2014). Opportunities and challenges of using treated wastewater in agriculture. 109-123.
Amin, A., Al Bazedi, G., & Abdel-Fatah, M. A. J. A. S. E. J. (2021). Experimental study and mathematical model of coagulation/sedimentation units for treatment of food processing wastewater. 12(1), 195-203.
Arola, K., Ward, A., Mänttäri, M., Kallioinen, M., & Batstone, D. J. W. r. (2019). Transport of pharmaceuticals during electrodialysis treatment of wastewater. 161, 496-504.
Atta, H. A., Hummadi, K. K., M-Ridha, M. J. J. D., & TREATMENT, W. (2022). The application of response surface methodology and Design-Expert® for analysis of ciprofloxacin removal from aqueous solution using raw rice husk: kinetic and isotherm studies. 248, 203-216.
Balbinoti, J. R., dos Santos Junior, R. E., de Sousa, L. B. F., de Jesus Bassetti, F., Balbinoti, T. C. V., Jorge, R. M. M., & de Matos Jorge, L. M. J. J. o. W. P. E. (2023). Plant-based coagulants for food industry wastewater treatment. 52, 103525.
Barbera, M., & Gurnari, G. (2018). Wastewater treatment and reuse in the food industry: Springer.
Bayuo, J., Abukari, M. A., & Pelig-Ba, K. B. J. A. W. S. (2020). Optimization using central composite design (CCD) of response surface methodology (RSM) for biosorption of hexavalent chromium from aqueous media. 10(6), 1-12.
Chen, J., Eraghi Kazzaz, A., AlipoorMazandarani, N., Hosseinpour Feizi, Z., & Fatehi, P. J. M. (2018). Production of flocculants, adsorbents, and dispersants from lignin. 23(4), 868.
Fitriani, N., Mohamed, R. M. S. R., Affandi, M., Nurdin, R. R., & Kurniawan, S. B. J. J. o. E. E. (2023). Performance of intermittent slow sand filter processing units in treating food court wastewater. 24(4).
Gasemloo, S., Khosravi, M., Sohrabi, M. R., Dastmalchi, S., & Gharbani, P. J. J. o. C. P. (2019). Response surface methodology (RSM) modeling to improve removal of Cr (VI) ions from tannery wastewater using sulfated carboxymethyl cellulose nanofilter. 208, 736-742.
Gulzamana, H., & Baloo, L. J. A. o. t. R. S. f. C. B. (2021). Design Expert Application in the Optimization of Cadmium (II) by Chitosan from Produced water. 25(6), 4687-4695.
Hernández, K., Muro, C., Ortega, R. E., Velazquez, S., & Riera, F. J. E. T. (2021). Water recovery by treatment of food industry wastewater using membrane processes. 42(5), 775-788.
Ho, Y.-C., Chua, S.-C., & Chong, F.-K. (2020). Coagulation-flocculation technology in water and wastewater treatment. In Handbook of Research on Resource Management for Pollution and Waste Treatment (pp. 432-457): IGI Global.
Hu, R., Liu, Y., Zhu, G., Chen, C., Hantoko, D., & Yan, M. J. J. o. W. P. E. (2022). COD removal of wastewater from hydrothermal carbonization of food waste: Using coagulation combined activated carbon adsorption. 45, 102462.
Jia, X., Li, M., Wang, Y., Wu, Y., Zhu, L., Wang, X., . . . Ecotechnology. (2020). Enhancement of hydrogen production and energy recovery through electro-fermentation from the dark fermentation effluent of food waste. 1, 100006.
Kaur, B., Garg, R. K., & Singh, A. P. J. J. o. E. T. T. (2021). Treatment of wastewater from pulp and paper mill using coagulation and flocculation. 9(1), 158-163.
Khettaf, S., Boumaraf, R., Benmahdi, F., Bouhidel, K.-E., & Bouhelassa, M. J. A. L. (2021). Removal of the neutral dissolved organic matter (NDOM) from surface water by coagulation/flocculation and nanofiltration. 54(17), 2713-2726.
Khoshvaght, H., Delnavaz, M., & Leili, M. J. J. o. W. P. E. (2021). Optimization of acetaminophen removal from high load synthetic pharmaceutical wastewater by experimental and ANOVA analysis. 42, 102107.
Khouni, I., Louhichi, G., Ghrabi, A., Moulin, P. J. P. S., & Protection, E. (2020). Efficiency of a coagulation/flocculation–membrane filtration hybrid process for the treatment of vegetable oil refinery wastewater for safe reuse and recovery. 135, 323-341.
Louhıchı, G., Bousselmı, L., Ghrabı, A., Khounı, I. J. E. S., & Research, P. (2019). Process optimization via response surface methodology in the physico-chemical treatment of vegetable oil refinery wastewater. 26, 18993-19011.
Mateus, A., Torres, J., Marimon-Bolivar, W., Pulgarín, L. J. W. R., & Industry. (2021). Implementation of magnetic bentonite in food industry wastewater treatment for reuse in agricultural irrigation. 26, 100154.
Muhamad Ng, S. N., Idrus, S., Ahsan, A., Tuan Mohd Marzuki, T. N., & Mahat, S. B. J. M. (2021). Treatment of wastewater from a food and beverage industry using conventional wastewater treatment integrated with membrane bioreactor system: A pilot-scale case study. 11(6), 456.
Pervez, M. N., Mishu, M. R., Stylios, G. K., Hasan, S. W., Zhao, Y., Cai, Y., . . . Naddeo, V. J. W. (2021). Sustainable treatment of food industry wastewater using membrane technology: A short review. 13(23), 3450.
Popoola, L. T. J. H. (2019). Nano-magnetic walnut shell-rice husk for Cd (II) sorption: design and optimization using artificial intelligence and design expert. 5(8).
Qasim, W., Mane, A. J. W. R., & Industry. (2013). Characterization and treatment of selected food industrial effluents by coagulation and adsorption techniques. 4, 1-12.
Shrivastava, V., Ali, I., Marjub, M. M., Rene, E. R., & Soto, A. M. F. J. C. (2022). Wastewater in the food industry: Treatment technologies and reuse potential. 293, 133553.
Sibiya, N., Amo-Duodu, G., Tetteh, E. K., & Rathilal, S. J. M. T. P. (2022). Response surface optimisation of a magnetic coagulation process for wastewater treatment via Box-Behnken. 62, S122-S126.
Turan, N. B., Erkan, H. S., Engin, G. O. J. P. S., & Protection, E. (2017). The investigation of shale gas wastewater treatment by electro-Fenton process: Statistical optimization of operational parameters. 109, 203-213.
Vijayan, G., Saravanane, R., Sundararajan, T. J. J. o. G., & Protection, E. (2017). Study on the effect of variation of flow in sequencing batch reactor using PCA and ANOVA. 5(4), 56-74.
طاهریون, & پور, م. (2019). ارزیابی فرآیند انعقاد و لخته سازی در حذف فلزات سنگین از پساب شیمیایی مجتمع فولاد مبارکه. علوم و تکنولوژی محیط زیست, 21(6), 46-60.
کوهستانی, اسلامی, زاده, ک., & رامین. (2019). بهینهسازی آماری با استفاده از طراحی مرکب مرکزی برای فرایند سیلیس‌زدایی از زئولیت طبیعی جهت جذب آب از سوخت دیزل. سوخت و احتراق, 12(4), 97-110.
[1] Food Industry
[2] Hu
[3] Muhamad
[4] Oil & Grease: O&G
[5] Analysis of Variance
[6] Critical Concentration of Coagulant