تصفیه پساب الکل کارخانجات(تولید اتانول) در واقع bottom product ستون‌های تقطیر الکل می‌باشد که حدوداً ۱۲ تا ۱۵ برابر حجم الکل تولیدی است. این پساب با بار آلی بالایی که دارد قبل از اینکه در رودخانه یا چاه یا … دفع شود، باید تصفیه شده و بار آلی آن کاهش یابد. حدود ۷۰% از کل این پساب از ستون استریپر (stripper) با بار آلی بسیار زیاد و مابقی آن از ستون‌های رکتی فایر (rectifier) و فیوزل اویل (fusel oil) با بار آلی بسیار جزئی خارج می‌شود.
درصد بالای مواد آلی معدنی وجود در پساب واحدهای تولیـد الکل به عنوان یکی از مشکل‌ترین پساب‌هـای صـنعتی مطـرح شـده است. از طـرف دیگـر وجـود مـواد سـمی نظیـر ترکیبـات آروماتیـک (به خـصوص فنل‌هـا) و pH پـایین بـر مشکلات تصفیه این پساب‌ها افزوده است. با توجه بـه رنـگ قهـوه‌ای پایدار که حذف آن از دیگر مشکلات تصفیه پساب این واحـدها اسـت، مسئله تصفیه پساب واحدهای تولید الکل را همـواره بـه عنـوان یـک معضل جهانی مطرح کرده است.
به علت حساسیت مخمرهای تولیدکننده الکل به غلظت بیش از ۱۱ درصد الکل، حجم زیادی از آب برای رقیق کردن الکل اسـتفاده می‌شود که این امر به تولید پساب زیادی منجر خواهد شـد. بـا انجـام فرایند تخمیر در بیشترین غلظت قند مـیتـوان حجـم زیـادی از پساب را کاهش داد. این عمل با به کار گرفتن مخمرهای مقاوم نسبت به غلظت الکل بالا امکان پذیر است. برای رسیدن بـه ایـن موضـوع مقداری از پساب خروجـی بـرای رقیـق‌سـازی مـلاس برگـشت داده می‌شود. این عمل تا ٢٠ درصد جریان برگشتی امکان پذیر اسـت ولـی افــزایش بــیش ازحــد موجــب کــاهش کیفیــت مــلاس مــی‌شــود.
اهمیت تصفیه پساب
سیستم تصفیه آب به ویژه برای تصفیه آب یا تصفیه پساب الکل قبل از تخلیه به آب دریا، رودخانه یا سایر منابع آبی طراحی شده است. معمولاً به این دلیل نصب می شود که پساب حاوی مقدار زیادی مواد شیمیایی، جامدات معلق یا میکروارگانیسم ها است که ممکن است منابع آبی را آلوده کنند. حذف این آلایندگی‌ها بسیار مهم است زیرا آلودگی بر سلامت انسان تأثیر می گذارد و مهمترین آن خود محیط است. صنایع مختلف بسته به مواد شیمیایی یا مواد مورد استفاده باید از فناوری های مختلف تصفیه آب استفاده کنند.
اتانول در آب و هوا حمل می شود و در آب محلول است. این ماده در هوا به مدت زیادی روز به صورت بخار باقی می ماند و در نهایت به مواد شیمیایی دیگر تجزیه می شود. به دلیل فرار بودن اتانول، تمایل دارد بیشتر به فاز بخار برود. به دلیل تشکیل پیوند هیدروژنی با آب، اتانول می‌تواند از خاک وارد آب‌های زیرزمینی شده و به منابه آبی نفوذ کند.
تصفیه پساب الکل و مشکلات زیست محیطی
پساب ایجاد شده توسط کارخانجات الکل سازی، به دلیل استفاده از ملاس به عنوان خوراک، مواد آلی زیادی را در خود دارد. شاخص‌های BOD و COD در این پساب‌ها بالاست و به دلیل وجود رنگدانه‌ها و مواد سمی از جمله فنول، نمیتوان به راحتی آنها را در طبیعت رها کرد. تصفیه پساب الکل یکی از مهمترین جنبه‌های زیست محیطی کارخانجات الکل سازی است که علاوه بر حذف بوی پساب، از ورود مواد سمی ناشی از تولید الکل به طبیعت جلوگیری میکنند. روش‌های حذف این آلایندگی‌ها عمدتا شامل تلفیقی از روش‌های فیزیکی و شیمیایی مانند هوادهی و استفاده از فرایندهای جذب اتفاق می‌افتد. به دلیل وجود ترکیبات زیاد و غلظت آنها، تنها استفاده از یک نوع روش جداسازی بازدهی نخواهد داشت و می‌بایست از ۲ یا چند روش به منظور حذف آلایندگی‌های پساب الکل استفاده کرد.
روش‌های تصفیه پساب الکل
سیستم‌های بی‌هوازی (Anaerobic Systems)
راکتورهای بی‌هوازی با شدت جریان زیاد (High Rate Anaerobic Reactors)
سیستم‌های هوازی (Aerobic Systems)
روش‌های ترکیبی فیزیکی و شیمیایی (Physicochemical Methods)
تبخیر و خشک کردن پساب برای تولید خوراک دام
تولید پروتئین تک یاخته ( SCP )
استفاده مستقیم از پساب برای آبیاری زمین های کشاورزی
تصفیه بیولوژیکی
تبخیر و خشک کردن پساب برای تولید خوراک دام
براساس این فرایند، جامدات معلق موجود در پساب پس از سانتریفوژ در پرس‌های پیچشی یا چرخشی، آبگیری می‌شوند. این جامدات سپس در داخل خشک‌کن‌های دوار با کمتر از ۵ درصد آب خشک می‌شوند و خوراک دانه‌ای شکل سبکی به وجود می‌آورند. مایع خروجی سانتریفوژ همراه مایع حاصل از پرس کردن به تبخیرکننده‌های عمودی فرستاده می‌شود و به جامد ٣۵ درصد تغلیظ و سپس در خشک‌کن‌های پاششی به ماده خشک تبدیل می‌شود. روش دیگر، به این گونه است که مایع تغلیظ شده حاصل از تبخیر کننده‌ها با جامدات مرطوب حاصل از پرس مخلوط و در خشک‌کن دوار خشک می‌شوند
استفاده از پساب الکل برای خوراک دام
این خوراک خاصیت انرژی‌زایی بسیار زیادی دارد و می تواند تا ده درصد از آن در جیره غذایی روزانه در نظر گرفت. شروع تغذیه با این خوراک باید کم باشد. پساب تغلیظ شده الکل جایگزین خوبی برای غذا‌هایی مانند جو و ذرت است. استفاده از ضایعات برای کم شدن قیمت جیره‌ی غذایی و استفاده بهتر و بیشتر از محصولات فرعی کارخانه‌ها بسیار مناسب است ولی استفاده بیش از حد این مواد باعث ناراحتی شدید گوارشی برای دام می‌شود.
تولید پروتئین تک یاخته ( SCP )
به دلیل وجود قند، اسیدهای آلی و گلیسرول در پساب حاصل از تولید الکل، مخمرها و قارچ‌های مشخصی قادرند در آن رشد کنند. این روش فرایندی است که در فرانسه توسعه داده شده و در آن پساب خروجی تولید الکل برای پرورش مخمر ترولا به کار میرود و در نهایت به عنوان مکمل غذایی در علوفه دام به مصرف می‌رسد.
مقایسه ی انواع روش های تصفیه پساب واحد اتانول
استفاده از تصفیه پساب الکل در کشاورزی
استفاده زمین به صور مختلف در تصفیه فاضلاب‌های شهری و صنعتی مورد توجه قرار گرفته است. در آبیاری زمین‌های کشاورزی، مجموعه زمین و گیاه به عنوان یک فیلتر زنده عمل کرده و بیشتر مواد آلاینده موجود در پساب را حذف میکنند. محدودیت مصرف آب به ویژه در ماه‌های سرد، ظرفیت خاک و ریشه گیاه در جذب مواد و حساسیت گیاهان به بعضی از املاح و مواد سمی از جمله نکاتی است که می‌بایست در کاربرد پساب برای آبیاری زمین‌های کشاورزی در نظر گرفت.
استفاده از پساب تصفیه شده تولید الکل، برای آبیاری کشت‌های مختلف در ایران مورد تحقیق قرار گرفته و نتایج رضایت بخشی نیز گزارش شده است. در این تحقیق پساب در رقت‌های ۱۰، ۵ و ۲۰ درصد با آب چاه برای کشت گیاهانی نظیر گندم، چغندر، ذرت و یونجه مورد استفاده قرار گرفته و نتایج نشان داده است که کمیت و کیفیت محصولات به دست آمده با آب حاوی ٢٠ درصد پساب بهتری بوده است.
فواید استفاده از روش آبیاری مستقیم
دفع پساب الکل بدون انجام عملیات تصفیه عمده
جایگزینی مواد معدنی کاهش یافته خاک
افزایش خاصیت بافری خاک
بالا بردن خواص فیزیکی خاک مانند ظرفیت آب و نمک
تصفیه بیولوژیکی پساب الکل
وجود BOD و COD بالا اهمیت تصفیه این پساب را به صورت بیولوژیکی نشان می‌دهد. حضور بعضی مواد سمی مانند فنل‌ها و مواد آروماتیک و وجود مواد معدنی به مقدار زیاد که به سختی توسط میکروارگانیزم‌ها تجزیه می‌شوند از جمله مشکلات تصفیه این پساب به روش‌های بیولوژیکی است.
تصفیه پساب الکل در سیستم‌های هوازی
در برکه‌های هوازی با توسعه رشد جلبک ها و باکتری‌ها و ایجاد شرایط پایدار برای همزیستی آنها وکاهش معادل ٧۵ تا ٨٠ درصد BOD گزارش شده است. گرچه حذف جلبک‌ها از خروجی برکه‌ها مشکل است و از طرف دیگر حضور آنها به صورت یک ماده آلی قابل تجزیه کیفیت پساب خروجی از برکه را نیز کاهش می‌دهد.
تصفیه پساب الکل در سیستم‌های بی‌هوازی
رآکتورهای بی‌هوازی
برای پساب‌هایی که دارای BOD بالا هستند، تصفیه بی‌هوازی می‌تواند از لحاظ هزینه به‌صرفه باشد. بویژه با توجه به دمای بالای پساب واحدهای تولید الکل، امکان هضم در شرایط ترمو فیلیک وجود دارد.
در روش بی‌هوازی، باکتری‌های تولید کننده اسید قندهای موجود درپساب را به اسیدهای آلی از جمله اسید بوتیریک و استیک تبدیل میکنند مقادیر جزئی آمینو اسیدها و مواد آلی نیتروژن دار نیز شکسته شده تولید یون آمونیم میکنند. در نهایت باکتری‌های متان‌زا اسیدهای آلی را به متان و دی اکسید کربن تبدیل میکنند و حدود۶٠٠ لیتر گاز حاوی ۶۵ درصد متان به ازای هر کیلو گرم BOD تجزیه شده به وجود می‌آورند. در جریان تجزیه بی‌هوازی، باکتری‌های احیا کننده سولفات نیز فعال بوده سولفات موجود در پساب را به یون سولفید احیا میکنند.
تصفیه پساب متانول
تصفیه پسماندهای صنعت متانول به منظور رعایت قوانین زیست محیطی و تضمین یک رویکرد پایدار برای حفاظت از محیط زیست به عنوان اولویت اصلی در صنعت تولید الکل شناخته شده است. اثرات مضر متانول شامل آسیب شبکیه و اختلالات کلیوی است. دوز کشنده متانول تقریباً ۳۰ تا ۲۴۰ میلی لیتر یا ۱ گرم به ازای هر کیلوگرم از توده بدن انسان است. هنگامی که مصرف بیش از ۳۰ میلی لیتر باشد، آسیب بینایی دائمی ایجاد می شود. تصفیه پساب الکل متانول با استفاده از روش های فیزیکی-شیمیایی مانند جذب فیزیکی و شیمیایی، جداسازی غشایی و روش های بیولوژیکی شامل راکتورهای هوازی و بی هوازی انجام می شود.
انتخاب روش تصفیه پساب الکل متانول عمدتاً به پارامترهای فرآیند، یعنی غلظت متانول در پساب، تقاضای اکسیژن شیمیایی (COD) و pH بستگی دارد. مطالعات بر روی آب و محلول آبی آلوده به متانول با استفاده از جذب و تبخیر و جذب ترکیبی و بازسازی فوتوکاتالیستی گزارش شده است. جذب زیستی به عنوان یک روش جایگزین موثر برای تصفیه پساب الکل و حذف آلاینده‌های متنوع پیشنهاد شده است. در این بین جذب بیولوژیکی به دلیل عدم وجود آلودگی ثانویه و در دسترس بودن ارزان قیمت مواد خام، در سال های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. همچنین جذب زیستی شامل حذف آلاینده های هدف از طریق اتصال سطحی ماده جاذب توسط مکانیسم جذب غیرفعال انجام میپذیرد.
تصفیه پساب الکل توسط روش های بیولوژیکی
مواد طبیعی موجود، از جمله زیست توده گیاهی، بقایای کشاورزی، زیست توده باکتریایی، قارچی و جلبکی طیف وسیعی را برای استفاده به عنوان جاذب زیستی فراهم می کنند. این جاذب‌های زیستی سازگار با محیط زیست هستند و بنابراین دفع جاذب زیستی مصرف‌شده یا بازیافتی همیشه کمتر از جاذب‌های شیمیایی پیچیده است. استفاده از جاذب های مبتنی بر زیست توده دارای ویژگی های انعطاف پذیر با نوسانات گسترده pH و تغییرات دما است.
استفاده از راکتورهای بی‌هوازی در پساب الکل
در این روش پساب الکل در راکتورهای سر پوشیده در تماس با توده میکروارگانیسم‌های بی‌هوازی قرار گرفته و مواد آلی آن سر انجام به دی‌اکسید کربن و متان تبدیل می‌شود. توزیع مناسب پساب و تماس آن با توده فعال میکروبی موجب می‌شود که این گونه رآکتورها از کارایی بالایی برخوردار باشند و زمان ماند به کمتر از یک روز و حتی چند ساعت کاهش یابد. بعلاوه به دلیل سر پوشیده بودن این گونه رآکتورها، جمع آوری گازهای متان تولید شده امکان پذیر بوده و عمومًا از این گازها برای گرمایش رآکتورها و حفظ دما در محدوده ٣۵ تا ٣٧ استفاده می‌شود. تجزیه مواد آلی عمدتًا توسط دو گروه باکتری‌های اسیدزا و متان‌زا صورت می‌گیرد که حفظ شرایط ایده‌آل برای هر دو گروه در یک رآکتور معمولا کار مشکلی است. به ویژه کنترل pH فقط در شرایطی میسر است که کل اسیدهای تولید شده توسط باکتری‌های اسیدزا به طور همزمان توسط باکتری‌های متان‌زا تجزیه شوند. به منظور سادگی عملیات گاهی از رآکتورهای دو مرحله‌ای استفاده می‌شود.
به این معنی که در یک رآکتور تجزیه تا مرحله اسیدزائی و در رآکتور دوم تولید متان صورت می‌گیرد. طبیعی است که در این روش هزینه سرمایه گذاری تا حدی افزایش می‌یابد. امروزه انواع راکتورهای بی‌هوازی در سراسر جهان برای تصفیه بسیاری از فاضلاب‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در ایران تعدادی از کارخانجات قند، شیرپاستوریزه، خمیر مایه و تنها یک واحد تولید الکل برای تصفیه پساب خود از رآکتورهای بی‌هوازی بهره میگیرند. این در حالی است که فقط درکشور هند بیش از ١۵٠ واحد تولید الکل برای تصفیه پساب خود از روش‌های بی‌هوازی استفاده میکنند.
الکترولیز و تصفیه پساب الکل
یکی از فرایندهایی که ساده و به صرفه است استفاده از اسید هیپوکلرو به عنوان اکسیدکننده می‌باشد. در این روش یون کلر ایجاد شده با روش الکترولیز برای تولید اسید هیپوکلرو به کار میرود و آب دریا یا آب نمک به عنوان الکترولیت استفاده می‌شود.
راکتور به کار رفته یک استوانه فولادی است که صفحه‌های سوراخ‌دار فولادی به عنوان کاتد در آن استفاده می‌شوند. در بین این صفحه‌ها میله‌های گرافیتی به عنوان آند قرار دارند.
عمل الکترولیز برای مدت ٢۴٠ دقیقه صورت می‌گیرد و راندمان حذف COD 98 تا ۹۹ بدست می‌آید. با اضافه کردن بی‌سولفیت میتوان کلر باقی‌مانده اضافی را حذف کرد.
تحقیقات در مورد استفاده از ازون نشان می‌دهد که فرایند ازون‌زنی به صورت تک مرحله‌ای و دو مرحله‌ای امید بخش نبوده و کاهش COD ناچیز است. اگر چه رنگ پساب الکل به مقدار قابل توجهی کاهش می‌یابد.