تجهیزات تصفیه فاضلاب الکتروشیمیایی برای کشت آفت کش و فاضلاب شیمیایی

۱. نمای کلی محصول

پساب شیمیایی آفت‌کش‌ها به عنوان یکی از دشوارترین پساب‌های صنعتی جهت تصفیه شناخته می‌شود. این پساب ناشی از سنتز مواد مؤثره آفت‌کش‌ها (علف‌کش‌ها، حشره‌کش‌ها، قارچ‌کش‌ها، تنظیم‌کننده‌های رشد گیاهی و غیره)، تولید واسطه‌ها و فرآوری فرمولاسیون است. ویژگی‌های کیفی آب آن بسیار پیچیده و حاد است: پساب دارای غلظت‌های بسیار بالای مواد آلی است (COD معمولاً ۵۰۰۰ تا ۵۰۰۰۰ میلی‌گرم در لیتر است و در برخی از مایعات مادر به بیش از ۱۰۰۰۰۰ میلی‌گرم در لیتر می‌رسد)، حاوی تعداد زیادی آلاینده‌های مقاوم و به شدت سمی برای موجودات زنده است (ارگانوفسفره‌ها، ارگانوکلره‌ها، پیرتروئیدها، تریازین‌ها، ترکیبات اگروشیمیایی غنی از نیتروژن، ترکیبات هتروسیکلیک، نیتروبنزن‌ها، اسیدهای فنوکسی‌کربوکسیلیک و غیره)، اغلب حاوی غلظت‌های بالای نمک است (Cl⁻، SO₄²⁻، PO₄³⁻، Na⁺ و غیره، TDS ۳٪ الی ۱۵٪)، مقادیر زیادی حلال‌های آلی دارد (متانول، دی‌کلرومتان، ترکیبات آروماتیک متداول، زایلن، DMF و غیره)، دارای نسبت بسیار پایین BOD₅/COD (۰.۰۲ الی ۰.۱۰) است، زیست‌تخریب‌پذیری بسیار ضعیفی را نشان می‌دهد، حاوی فسفر (آلاینده شاخص آفت‌کش‌های ارگانوفسفره) است و کیفیت و کمیت آب به شدت با فصل تولید محصول و تغییرات بچ دستخوش نوسان می‌شود.

تصفیه پساب آفت‌کش‌ها و مواد شیمیایی از دیرباز یکی از گلوگاه‌های اصلی این صنعت بوده است که دشواری کلیدی اصلی آن عبارتند از: سمیت شدید برای موجودات زنده—ارگانوفسفره‌ها، ارگانوکلره‌ها، پیرتروئیدها و سایر سموم دفع آفات اثر کشنده یا بازدارنده قوی بر میکروارگانیسم‌های لجن فعال دارند (هدف طراحی آن‌ها از بین بردن آفات/پاتوژن‌ها/علف‌های هرز است). هنگامی که سیستم بیولوژیکی در تماس مستقیم با آب خام قرار می‌گیرد، تعداد زیادی از میکروارگانیسم‌ها ممکن است طی چند ساعت تا چند روز از بین بروند. شوری بالا فرآیندهای بیولوژیکی را بیشتر مهار کرده و حتی می‌تواند سیستم را فلج کند—سنتز آفت‌کش‌ها شامل استفاده گسترده از فرآیندهای خنثی‌سازی اسید-باز و رسوب‌دهی نمکی (salting-out) است که منجر به شوری پساب بین ۵٪ تا ۱۵٪ می‌شود. فشار اسمزی بالا مستقیماً منجر به مرگ میکروارگانیسم‌های لجن فعال می‌گردد. فصلی بودن شدید و ویژگی‌های وابسته به بچ محصولات، منجر به تغییرات شدید در کیفیت پساب می‌شود—تولید آفت‌کش‌ها به شدت فصلی است (تولید متمرکز قبل از کشت بهاره). هنگام تغییر خط تولید بین محصولات مختلف، COD و انواع مواد سمی در پساب به طور همزمان تغییر می‌کنند و سیستم بیولوژیکی نمی‌تواند به سرعت سازگار شود. دشواری در دستیابی به استانداردها از طریق تصفیه پیشرفته—COD پساب خروجی پس از تصفیه بیولوژیکی معمولاً حاوی فسفر آلی باقی‌مانده و مواد آلی پایدار است و روش‌های متداول تصفیه پیشرفته قادر به کاهش پایدار آن تا حد استاندارد تخلیه نیستند. این سیستم از فناوری اکسیداسیون الکتروشیمیایی با بهره‌گیری از اکسیداسیون آندی مستقیم و الکتروکاتالیز استفاده می‌کند. اثر هم‌افزایی رادیکال‌های هیدروکسیل تولید شده (·OH) و اکسیدان‌های قوی مانند کلر فعال، ساختار شیمیایی آلاینده‌های مشخصه در پساب آفت‌کش‌ها را دقیقاً هدف قرار می‌دهد:

ارگانوکلره‌ها: پیوندهای C-Cl اکسید شده و شکسته می‌شوند، یون‌های کلرید به صورت Cl⁻ حذف می‌گردند، ساختار آلی تحت تخریب حلقه‌باز قرار می‌گیرد و سمیت زیستی از بین می‌رود.

پیرتروئیدها: پیوندهای استری و ساختارهای سیکلوپروپان اکسید و شکسته می‌شوند و گروه‌های فعال حشره‌کشی غیرفعال می‌گردند.

تریازین‌ها (مانند آترازین): حلقه تریازین روی سطح آنولیت اکسید و باز می‌شود و سمیت زیستی را به طور چشمگیری کاهش می‌دهد.

نیتروبنزن‌ها و اسیدهای فنوکسی‌کربوکسیلیک: حلقه‌های آروماتیک اکسید و باز می‌شوند، گروه‌های نیترو حذف می‌گردند و ترکیبات به مولکول‌های کوچک زیست‌تخریب‌پذیر تبدیل می‌شوند. ترکیبات هتروسیکلیک: حلقه‌های هتروسیکلیک N/S/O اکسید و باز شده و سمیت را از بین می‌برند. نیتروژن آمونیاکی و فسفر کل: نیتروژن آمونیاکی توسط کلر فعال به N₂ اکسید شده و حذف می‌گردد؛ فسفر آلی به ارتوفسفات تبدیل شده و می‌تواند توسط انعقاد الکتریکی و رسوب‌دهی هم‌افزا یا رسوب‌دهی شیمیایی متعاقب آن حذف شود. نسبت B/C پساب تصفیه‌شده به طور قابل توجهی از ۰.۰۲-۰.۰۸ به بیش از ۰.۳۰ افزایش می‌یابد، سمیت زیستی از بیش از ۹۰٪ به کمتر از ۲۰٪ کاهش می‌یابد و COD به شدت افت می‌کند، که شرایط ورودی ایمن و زیست‌تخریب‌پذیری را برای سیستم‌های بیولوژیکی بعدی فراهم می‌سازد. برای پساب خروجی بیولوژیکی، تصفیه عمیق الکتروشیمیایی تمامی استانداردهای تخلیه برای COD و رنگ را به طور کامل برآورده می‌کند.

کل فرآیند تنها برق مصرف می‌کند، بدون افزودن هیچ گونه ماده شیمیایی کار می‌کند و پسماندهای خطرناکی مانند لجن آهن یا کربن اشباع تولید نمی‌نماید. الکترودها برای شرایط پیچیده پساب آفت‌کش‌ها حاوی مقادیر زیاد نمک، روغن و حلال‌های آلی سازگار هستند و در دما و فشار نرمال با ایمنی کار می‌کنند. با تنظیم سریع جریان، این سیستم می‌تواند در عرض چند دقیقه به نوسانات شدید کیفیت آب ناشی از تغییر خط تولید آفت‌کش‌ها پاسخ دهد، بدون اینکه نیازی به دوره طولانی سازگاری و انتظار در سیستم‌های بیوشیمیایی سنتی باشد. این یک راه‌حل فنی کلیدی برای پاسخگویی به چهار دشواری کلیدی پساب آفت‌کش‌ها یعنی: «سمیت بالا، تخریب دشوار، شوری بالا و نوسانات شدید» است.

۲. دشواری‌های تصفیه پساب‌های آفت‌کش و شیمیایی و راهکارهای ارائه‌شده توسط این تجهیزات

۳. اصل کارکرد

پساب شیمیایی آفت‌کش‌ها پس از آشغال‌گیری، ته‌نشینی یا فیلتراسیون جهت حذف مواد جامد معلق، وارد راکتور الکتروشیمیایی می‌شود، جایی که واکنش‌های اصلی زیر تحت عمل الکترودها رخ می‌دهد:

(۱) اکسیداسیون ساختار شاخص آفت‌کش‌های ارگانوفسفره (عملکرد اصلی)

آفت‌کش‌های ارگانوفسفره (گلایفوسیت، کلرپیریفوس، مالاتیون، دیمتوات، دی‌کلرووس و غیره) شاخص‌ترین آلاینده‌ها در پساب آفت‌کش‌ها هستند. سمیت زیستی آن‌ها و مشکلات انطباق با استاندارد فسفر کل ناشی از پایداری پیوندهای P-C و P-S است:

گلایفوسیت (PMIDA): (HO)₂P(=O)—CH₂—NH—CH₂—COOH، پیوند P-C بر روی سطح آند اکسید و شکسته می‌شود و فسفر آلی به ارتوفسفات (PO₄³⁻) تبدیل می‌گردد.

کلرپیریفوس (O,O-دی‌اتیل-O-(۳،۵،۶-تری‌کلرو-۲-پیریدیل) تیوفسفات): پیوندهای P-S و P-O شکسته می‌شوند، حلقه پیریدین باز شده و اتم کلر حذف می‌گردد.

(۲) کلرزدایی و باز شدن حلقه در آفت‌کش‌های ارگانوکلره

آفت‌کش‌های ارگانوکلره: پیوند C-Cl و حلقه آروماتیک آفت‌کش، منشأ سمیت و تخریب‌ناپذیری هستند:

پیوند C-Cl در سطح آند شکسته شده و کلر به صورت Cl⁻ حذف می‌شود.

حلقه آروماتیک کلرزدایی‌شده توسط رادیکال‌های هیدروکسیل مورد حمله قرار گرفته و باز می‌شود و به اسیدهای آلی مولکول کوچک تبدیل می‌گردد.

در نهایت، به CO₂ و H₂O معدنی‌سازی می‌شود.

(۳) غیرفعال‌سازی گروه‌های فعال در پیرتروئیدها و سایر آفت‌کش‌ها

پیوند استری اکسید و شکسته می‌شود که منجر به از دست رفتن خاصیت حشره‌کشی می‌گردد.

ساختار سیکلوپروپان اکسید و باز می‌شود.

حلقه تریازین (آترازین و غیره) در سطح آند اکسید و باز شده و N را به صورت NH₃/N₂ آزاد می‌کند.

نیتروبنزن‌ها: حذف نیترات + باز شدن حلقه بنزن.

ترکیبات هتروسیکلیک (پیریدین، پیریمیدین، تیازول و غیره): باز شدن حلقه هتروسیکلیک و حذف سمیت زیستی.

(۴) اکسیداسیون الکتریکی مستقیم (معدنی‌سازی اسکلت آلی)

اسکلت آلی (حلقه آروماتیک، حلقه هتروسیکلیک، زنجیره کربنی طولانی و غیره) در مولکول آفت‌کش مستقیماً الکترون از دست داده و در سطح آند اکسید می‌شود. درشت‌مولکول‌ها به تدریج به اسیدهای آلی مولکول کوچک تجزیه شده و در نهایت به CO₂ و H₂O معدنی‌سازی می‌شوند.

(۵) اکسیداسیون الکتریکی غیرمستقیم (اکسیداسیون با طیف وسیع توسط ·OH و کلر فعال): رادیکال‌های هیدروکسیل (·OH) در اثر الکترولیز آب در آند تولید می‌شوند. به طور همزمان، غلظت بالای طبیعی یون‌های کلرید در پساب (پساب آفت‌کش‌ها معمولاً حاوی Cl⁻ با غلظت بین ۳۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰ میلی‌گرم در لیتر است) الکترولیز شده و کلر فعال (Cl₂، HOCl، OCl⁻) تولید می‌کند که اکسیداسیون آلاینده‌هایی را که در تماس مستقیم با آند نبوده‌اند، در محلول تکمیل می‌نماید.

(۶) حذف نیتروژن آمونیاکی: کلر فعال نیتروژن آمونیاکی را به گاز نیتروژن اکسید می‌کند (2NH₃ + 3HOCl → N₂ + 3Cl⁻ + 3H₂O) و به راندمان حذف ۸۰٪ تا ۹۵٪ دست می‌یابد.

۴. مزایای اصلی (ویژه پساب‌های آفت‌کش و شیمیایی)

۵. پارامترهای فنی (قابل سفارشی‌سازی)

۶. جایگاه فرآیندی

گزینه ۱: پیش‌تصفیه و سمیت‌زدایی

پساب آفت‌کش (آب خام/آب ترکیبی) ← آشغال‌گیر/مخزن متعادل‌سازی ← ته‌نشینی/شناورسازی (حذف SS و روغن) ← تجهیزات تصفیه الکتروشیمیایی (تبدیل ارگانوفسفره/کلرزدایی ارگانوکلره/باز کردن حلقه هتروسیکلیک/حذف سمیت/ارتقای B/C) ← مخزن میانی/مخزن بافر ← سیستم بیولوژیکی (اسیدی‌سازی هیدرولیزی + A/O یا A²/O) ← رسوب‌دهی فسفر کل (فسفرزدایی شیمیایی) ← تخلیه منطبق با استانداردها

نکته: واحد سمیت‌زدایی الکتروشیمیایی یک تضمین‌کننده اصلی و غیرقابل جایگزین برای پیش‌تصفیه بیولوژیکی پساب آفت‌کش‌ها است. پساب آفت‌کشی که تحت سمیت‌زدایی الکتروشیمیایی قرار نگرفته باشد و مستقیماً وارد سیستم تصفیه بیولوژیکی شود، به دلیل سمیت بالای خود ظرف چند ساعت تا چند روز باعث مرگ تعداد زیادی از میکروارگانیسم‌ها می‌گردد. مرحله الکتروشیمیایی فرآیندهای تبدیل فسفر آلی به ارتوفسفات، کلرزدایی از ارگانوکلره‌ها، باز کردن حلقه هتروسیکلیک، حذف سمیت و ارتقای B/C را کامل می‌کند، با نرخ تبدیل فسفر کل ۸۵٪ الی ۹۵٪ یا بیشتر؛ B/C خروجی بزرگتر یا مساوی ۰.۳۰، و نرخ حذف COD مرحله بیولوژیکی ۵۰٪ تا ۸۰٪ افزایش می‌یابد. پس از سمیت‌زدایی الکتروشیمیایی، پساب توسط سیستم بیولوژیکی تصفیه می‌شود و فسفر کل از طریق رسوب‌دهی شیمیایی بعدی (افزودن آهک/نمک‌های آهن/نمک‌های آلومینیوم) به حد استاندارد کاهش می‌یابد.

گزینه ۲: کاهش حجم مایع مادر با غلظت بالا

مایع مادر آفت‌کش با غلظت بالا (حاوی سموم تکنیکال و حلال‌های آلی با غلظت بالا) ← مخزن جمع‌آوری ← تجهیزات تصفیه الکتروشیمیایی (نرخ حذف COD بین ۵۰٪ تا ۸۰٪) ← ورود پساب خروجی به سیستم یکپارچه پساب کارخانه ← تصفیه متداول

توضیح: به طور سنتی، مایع مادر با غلظت بالا که در حین سنتز آفت‌کش‌ها تولید می‌شود، به عنوان پسماند خطرناک از طریق سوزاندن خارج از سایت دفع می‌گردد که بسیار پرهزینه است. تصفیه الکتروشیمیایی امکان پردازش ناپیوسته (بچ) این نوع مایع مادر با غلظت بالا را در محل فراهم می‌کند—که به طور چشمگیری COD و سمیت را کاهش داده و در عین حال فسفر آلی را با راندمان بالا به ارتوفسفات تبدیل می‌نماید—و ورود پایدار آن به سیستم یکپارچه پساب کارخانه را تضمین می‌کند. این امر سوزاندن پسماندهای خطرناک/حمل‌ونقل به خارج از سایت را بین ۷۰٪ تا ۹۰٪ کاهش می‌دهد و منجر به صرفه‌جویی سالانه قابل توجه در هزینه‌های دفع می‌گردد.

گزینه ۳: تصفیه بیولوژیکی پیشرفته پساب خروجی (ارتقا و انطباق با استانداردها)

پساب آفت‌کش ← پیش‌تصفیه ← سیستم بیولوژیکی ← مخزن ته‌نشینی ثانویه ← واحد تصفیه پیشرفته الکتروشیمیایی (حذف COD مقاوم باقی‌مانده، بقایای ارگانوفسفره و رنگ) ← تخلیه منطبق با استانداردها