کاربرد انواع فیلتر در تصفیه‌ فاضلاب صنایع فلزی

روان‌کننده‌های صنایع فلزی (MWF) به‌طور گسترده جهت خنک سازی و روان کردن قطعات فلزی حین انجام عملیات روی آنها استفاده می‌شود. میزان مصرف سالیانه جهانی این روغن‌ها حدود (۹)۱۰٭۲ L بوده و میزان فاضلاب آن بیش از ۱۰ برابر این مقدار می‌باشد، چراکه این روغن‌ها جهت استفاده باید رقیق شوند. روان‌‌کننده‌های مصرف شده به علت دارا بودن مواد شیمیائی مختلف، حضور بیو سایدها و غیره، سبب آلودگی‌های شدید زیست‌محیطی و انتشار بودی فساد شده شده که لزوم تصفیه و دفع نهائی مناسب و کامل را توجیه می‌نماید. آلاینده‌های اصلی فاضلاب صنایع فلزکاری شاملCOD (۸۰۰۰mg/L -۵۰۰۰)، فلزات سنگین (برحسب نوع صنعت)، TSS (براده‌های فلزات)، مواد محلول (آهن، سرب، آلومینیوم، نیتروژن، فسفر و ...) و مواد آلی روغنی با زنجیره‌های بلند و حلقوی بوده که نیاز به روش‌های خاصی برای تصفیه دارد. برای تصفیه این فاضلاب‌ها روش‌های مختلف فیزیکی، شیمیائی و بیولوژیکی موجود است. تصفیه‌های فیزیکی و شیمیائی معمول، می‌توانند این فاضلاب‌ها را تصفیه کرده، اما استانداردهای دفع را تأمین نمی‌کنند. در این بررسی‌ به مقایسه روش‌های مختلف فیزیکی و شیمیائی تصفیه این فاضلاب‌ها با تکیه بر روش فیلتراسیون پرداخته و روش‌های مناسب با توجه به استانداردهای دفع ارائه شده است.
۱) مقدمه:
استفاده از آب در تمامی صنایع امری اجتناب‌ناپذیر است که در نهایت آب مصرفی و یا مقداری از آن بسته به نوع صنعت به‌صورت فاضلاب وارد محیط زیست می‌شوند. با توجه به معضلاتی که تخلیه این پساب‌ها در محیط زیست ایجاد می‌کنند، کاهش حجم فاضلاب و یا تصفیه آنها لازم به نظر می‌رسد. فاضلاب روغن‌های فلزکاری که هدف اصلی آن روان کردن، کم کردن اصطکاک و خنک کردن می‌باشد، از زمره فاضلاب‌هائی است که دارای آلودگی بسیار بالا بوده و به‌عنوان یک فاضلابسمی (به‌دلیل وجود مواد افزودنی مانند مواد بازدارنده خوردگی و مواد بازدارنده رشد باکتری) برای محیط‌های پذیرنده مطرح می‌باشد (۱).
روغن‌های فلزکاری (Metalworking fluid) از زمان‌های یونان باستان تا کنون استفاده می‌شده است اما فرمولاسیون و مطالعه در مورد مکانیزم آنها در هنگام استفاده در دو دهه اخیر مورد توجه قرار گرفته است (۲). روغن‌های فلزکاری را می‌توان به دو گروه عمده با پایه آب و با پایه روغن تقسیم کرد. روغن‌های فلزکاری بر پایه آب را می‌توان در دو طبقه سنتتیک و نمیه سنتتیک قرار داد (۳و۴). گروه دوم روغن‌های فلزکاری به‌طور گسترده در صنایع فلزکاری استفاده شده و در نتیجه حجم زیادی از مواد شیمیائی آلی در فاضلاب این فاضلاب حضور خواهند داشت. در حقیقت به علت گوناگونی این ترکیبات در فاضلاب صنایع فلزکاری، تصفیه‌خانه‌های متداول با مشکلات زیادی در زمینه تصفیه این مواد روبه‌رو هستند (۵و۶و۷).
اتحادیه اروپا از صنایع فلزکاری خود خواسته است که محصولاتی بی‌خطر و قابل پذیرش توسط محیط زیست حین عمل‌آوری و مصرف این محصولات تولید نمایند (۸). قوانین موجود نه تنها به بی‌خطر بودن فرآیند برای کارگران اشاره دارد، بلکه بی‌خطری برای محیط زیست نیز مدنظر می‌باشد. طبق قانون (۶۰/۲۰۰۰/EC) اتحادیه اروپا، توجه زیادی به کاهش اثرات سوء زیست محیطی صنایع فلزکاری و فاضلاب آنها و کاهش حجم این قبیل فاضلاب‌ها دارد.
آلاینده‌های اصلی فاضلاب صنایع فلزکاری شامل (COD (۵۰۰۰۰-۸۰۰۰۰ mg/L، فلزات سنگین (بر حسب نوع صنعت)، TSS (براده‌های فلزات)، مواد محلول (آهن، سرب، آلومینیوم، نیترات، فسفر و ...) و مواد آلی روغنی با زنجیره‌های بلند و حلقوی بوده که نیاز به روش‌های خاصی برای تصفیه دارد. برای تصفیه این فاضلاب‌ها روش‌های مختلف فیزیکی، شیمیائی و بیولوژیکی موجود است. در اوایل دهه ۱۹۹۰، عمده روش‌های تصفیه، فیزیکی (اولترافیلتراسیون و تبخیر) یا شیمیائی (اضافه‌ کردن ماده منعقد کننده) بود اما در دهه اخیر توجه به روش‌های بیولوژیکی برای تصفیه این فاضلاب‌ها بیشتر شده است. روغن‌های فلزکاری از نظر ترکیبات تشکیل دهنده بسیار گسترده بوده که همین امر در ایجاد یک روش تصفیه یا بازیابی واحد برای روغن‌های مختلف، ایجاد اشکال می‌کند. خلاصه ترکیبات تشکیل دهنده روغن‌های فلزکاری به شرح جدول ۱ می‌باشد.
برخی آلاینده‌های این روغن‌ها، هنگام تماس روغن‌ها با سطح فلز در حال فرآیند وارد روغن می‌شود. این آلاینده‌ها شامل براده‌های فلزات به‌صورت TSS، آلاینده‌های آلی موجود در سطح فلزات نظیر روغن، دوده، گریس ورودی به روغن فلزکاری از دستگاه‌های فلزکاری به علت نشتی و عدم آبند بودن دستگاه‌ها، میکروارگانیسم‌های موجود در سطح فلزات و دستگاه‌ها و آلاینده‌های محیطی موجود نظیر ذرات معلق هوا می‌باشد. اما آلاینده‌های اصلی فاضلاب تظیر COD، نیتروژن، گوگرد، فسفر و ترکیبات آلی حلقوی، ناشی از ترکیبات تشکیل دهنده این روغن‌ها بوده که در صورت ورود به منابع پذیرنده محیط سبب آلودگی شدید این منابع خواهد شد. لذا تصفیه این روغن‌ها از لحاظ زیست‌محیطی از اهمیت خاصی برخوردار است.
۲) روش‌های تصفیه بازیابی فاضلاب فلزکاری
به‌طور کلی، روش‌های مختلف تصفیه فاضلاب صنایع فلزکاری برای روغن‌های برپایه روغن شامل متعادل‌ساز جریان، جداسازی ثقلی روغن‌های آزاد، شکست شیمیائی امولسیون، فلوکلاسیون، شناورسازی با هوای محلول و زلال‌سازی فیلتراسیون جهت حذف روغن، می‌باشد (۵). اما با توسعه روزافزون استفاده از روغن‌های فلزکاری سنتتیک و نیمه سنتتیک، حذف روغن اهمیت کمتری یافته است. در حال حاضر حذف مواد آلی به‌عنوان فرآیند اصلی در تصفیه این‌گونه فاضلاب‌ها در نظر گرفته می‌شود.
جدول ۲ خلاصه‌ای از روش‌های مختلف تصفیه فیزیکی و شیمیائی این‌گونه فاضلاب‌ها را نشان می‌دهد. این روش‌ها براساس دبی فاضلاب پذیرنده با هم متفاوت بوده که البته دبی‌های ارائه شده به‌صورت تقریبی بوده و اعداد دقیقی نمی‌باشند. برای روش‌های تبخیر، اولترافیلتراسیون و تصفیه شیمیائی این دبی‌ها به‌ ترتیب، ۳۰۰۰ـ۲۵، ۱۵۰۰۰ـ۵۰ و ۱۰۰۰۰۰۰ـ۵۰ گالن در روز می‌باشد. برای سیستم اسمز معکوس، ظرفیت دبی ورودی بر حسب نوع طراحی متغیر بوده و معمولاً این سیستم مقدار ۱۰۰۰۰۰۰ گالن در روز را تحمل می‌کند.
همان‌طور که در جدول ۲ ملاحظه می‌شود، برخی از روش‌ها به‌عنوان تصفیه نهائی نبوده و آلاینده‌های خروجی آنها باید مورد تصفیه قرار گیرند. برای مثال آلاینده‌های هوای ناشی از فرآیندهای تبخیر، سیستم‌های کنترل آلودگی هوا مورد نیاز است و یا برای فرآیند ممبران یا فیلتراسیون نیاز به کوره‌های حرارتی برای از بین بردن مواد آلی جدا شده است. برای تصفیه کامل فاضلاب‌های صنایع فلزکاری، نیاز به یک تأسیسات تصفیه کامل است.
همان‌طور که در شکل ۱ نشان داده شده است، فرآیند مناسب تصفیه فاضلاب صنایع فلزکاری معمولاً شامل سه مرحله است: تصفیه اولیه، ثانویه و ثالثیه. یک سیستم تصفیه مناسب شامل مراحل زیر می‌باشد.
۱ـ۲) فیلتراسیون
ذرات معلق موجود در فاضلاب، در مرحله تصفیه اولیه و توسط روش فیلتراسیون حذف می‌شود. معمولاً مقدار ذرات معلق موجود در فاضلاب کم می‌باشد. اما به جهت ایجاد خوردگی در تأسیسات تصفیه فاضلاب و رسوب در واحدهای تصفیه باید حذف شود. برای این منظور دو نوع فیلتر استفاده می‌شود. برای براده‌های فلزی و ذرات قطبی، از فیلترهای مغناطیسی استفاده می‌شود. فیلترهای مشبکی با قطر ۱۰۰um به آسانی تمیز شده و در پساب خروجی کمتر از ۱/۰ درصد ذرات موجود در فاضلاب ورودی است.
۲ـ۲) تانک متعادل‌سازی
جهت حفظ حالت مداوم جریان از تانک متعادل‌سازی از جنس فولاد ضدزنگ استفاده می‌شود. این تانک دارای دو خروجی بوده که یکی برای واحد امولسیون شکن/سانتریفیوژ و فیلترهای بستر جاذب می‌باشند. هم‌چنین در کف این تانک نیز یک شیر خروجی دیگر تعبیه شده که برای خروج ذرات ته‌نشین شده در کف تانک می‌باشد. در صورتی‌ که از فرآیند امولسیون ‌شکن/سانتریفیوژ استفاده شود، فاضلاب باید تا ۵۰ درجه سانتیگراد حرارت داده شود که برای این منظور، هیترهای الکتریکی در تانک باید تعبیه شود.
۳ـ۲) امولسیون شکن/سانتریفیوژ
این مرحله برای تصفیه روغن‌های فلزکاری معدنی و نیمه سنتتیک استفاده می‌شود. در این مرحله، حذف روغن‌های آزاد، شکست امولسیون‌ها و حذف روغن‌های امولسیون شده به‌دست ‌می‌آید. برای جداسازی فاز آب و روغن نیاز به تزریق دوز مشخصی از مواد شیمیائی می‌باشد.
هنگامی‌که امولسیون شکسته شد، فاضلاب وارد سانتریفیوژ شده که در آن‌جا روغن در مخزنی جمع‌آوری شده و سپس برای سوزاندن به کوره هدایت می‌شود. پساب خروجی از این واحد وارد واحد اولترافیلتراسیون می‌شود.
۴ـ۲) اولترافیلتراسیون
اولترافیلتراسیون تکنیک غشائی است که جهت حذف روغن باقیمانده در فاز آبی استفاده می‌شود چراکه در واحدهای قبلی کمتر از ۹۵ درصد روغن حذف می‌شود. از این فیلترها دو نوع جریان خارج می‌شود: پساب حاوی روغن بسیار کم و مایع غلیظ روغنی. اولترافیلترها به دلیل جلوگیری از عبور مواد روغنی کلوئیدی به‌جای میکروفیلترها معمولاً انتخاب می‌شوند. این فیلترها معمولاً از جنس سرامیک بوده و به‌صورت توبولار بوده و از شستشوی معکوس جهت تمیز کردن آنها استفاده می‌شود.
۵ـ۲) فیلترهای با بستر جاذب
در صورتی‌که روغن فلزکاری ما از نوع سنتتیک بوده و یا پساب خروجی از واحدهای قبلی حاوی مقادیر روغن بالاتر از استانداردها باشد، از فیلترهای با بستر جاذب استفاده می‌شود. این فیلترها براساس مجموعه‌ای از مکانیسم‌های جذب، پیوستگی و انعقاد کار می‌کنند.
جاذب موجود در این فیلترها معمولاً زغال کک بوده که قبل از استفاده با آب خام شستشو شده و سپس تا رسیدن به وزن مشخص با هوا خشک می‌شود. سپس به مدت ۲۴ ساعت و در دمای ۵۰ درجه سانتیگراد خشک می‌شود. هم‌چنین از جاذب‌های غیرآلی نظیر CaCL۲ یا CaSO۴ .H۲O استفاده کرد.
۳) بحث و نتیجه‌گیری
روغن صنایع فلزکاری به‌عنوان ماده‌ای مؤثر در بهبود فرآیندهای فلزکاری مطرح هستند، اما از دیدگاه محیط زیست، در جهت تصفیه فاضلاب ناشی از این روغن‌ها به‌عنوان بخشی از مجموعه مدیریت این صنایع باید توجه خاصی مبذول نمود. سیستم تصفیه ارائه شده به‌عنوان یک نمونه برای تصفیه فاضلاب این صنایع مطرح بوده و به‌عنوان مرجع پیشنهاد نمی‌شود.

۴) منابع و مراجع
(۱) نظری، ع و هاشمیان، ج، تصفیه‌پذیری بیولوژیکی فاز آبدار امولسیون روغن ـ آب، مجله محیط‌شناسی، شماره ۱۳۸۳،۳۰،صفحات ۸۶ ـ ۷۹.
(۲) BP,Lubrication Theory and its Application. BP Trading London, ۱۹۶۹.
(۳) Wilbert, J.O., Lubricants,CuttingFluids and Coolants, Cahners Books, Boston,MA,۱۹۷۳.
(۴) Foltz, G., Fluid fundamentals. In:Lewis, M.(Ed), Cutting Technology, ۲۰۰۲
(۵) Sutton, P.M., Kothair, D., Mishra, P.N., Hachgian, L., Biological treatment of metalworking fluids:anew application for fluidized bed technology, in Proc.the۵۸th Annual Water Pollution Control Federation Conference, ۱۹۸۵, ۱۹-۳۰ PP.
(۶) Sutton,P.M., Mishra, P.N., Waste treatment, in: Byers, J.P. (Ed.), Metalworking Fluids, Marcel Dekker, New York, ۱۹۹۴, PP.۳۶۷-۳۹۱
(۷) Spoors, G., Current waste metalworking fluids treatment, Personal communication, ۲۰۰۳
(۸) BLF (British Lubricants Federation), Boric Acid in Metalworking Fluids. Information sheet Metalworking Fluids Product Stewardship Group, ۲۰۰۳
امیرحسین محوی
عماد دهقانی‌فرد، محمود علیمحمدی

منبع : ماهنامه مهرآب