إعادة استخدام مياه الصرف الناتجة عن منتجات الألبان المعالجة بواسطة مفاعل حيوي للأغشية والتصفية النانوية

 

: الجدوى الفنية والاقتصادية

1 المقدمة

صناعة الألبان لها أهمية كبيرة في كل من الاقتصاد البرازيلي والعالمي. تعد البرازيل سادس أكبر منتج للحليب في جميع أنحاء العالم ولديها القدرة على أن تصبح واحدة من أكبر مصدري منتجات الألبان بسبب مزاياها التنافسية ،
بما في ذلك توافر المياه والأراضي وانخفاض تكلفة الإنتاج. ومع ذلك ، لكي يصبح هذا حقيقة واقعة ، تحتاج صناعة الألبان الوطنية إلى إضافة قيمة لمنتجاتها وإيجاد عمليات إنتاج أكثر كفاءة واستدامة لتكون أكثر تنافسية في الأسواق الخارجية.

على وجه التحديد ، يجب معالجة القضية الرئيسية للإمداد المستدام بالمياه. البرازيل ، مثلها مثل العديد من البلدان الأخرى ، تعاني من نقص المياه الإقليمي رغم أن البلاد ككل لديها إمدادات مياه مستقرة. وبالتالي ، هناك حاجة إلى فحص أوثق لفرص إعادة استخدام المياه الإقليمية من أجل الحفاظ على إمدادات المياه العذبة. قيمت دراسة أجراها Andrade وشركاؤه مدى صلاحية خطة الترشيح النانوي للغشاء الحيوي على مرحلتين (MBR − NF) لمعالجة مياه الصرف في منتجات الألبان. وكان مصدر القلق الرئيسي هو نوعية المياه المعالجة فيما يتعلق بإعادة استخدامها المحتملة والتكلفة الإجمالية للمخطط.

2. صناعة الألبان مياه الصرف الصحي

جاءت مياه الصرف المستخدمة من مصنع ألبان برازيلي كبير في ولاية ميناس جيرايس ينتج الحليب المعقم ، واللبن الزبادي ، والجبن "الميناس" ، ريكويجاو (جبن الكريمة) ، وبيتيس سويس تبلغ سعة معالجة الحليب في المصنع 800 متر مكعب في اليوم. يأتي حوالي 77 ٪ من النفايات السائلة من عمليات تنظيف وحدات العمل و 23 ٪ من المرافق (أنظمة التبريد والتدفئة) ، وتنظيف المناطق الخارجية ، والغسيل ومياه الصرف الصحي من مراحيض المباني الإدارية. يشتمل نظام معالجة مياه الصرف الصحي الحالي على الفرز وتعويم الهواء المذاب والمعالجة البيولوجية للحمأة المنشطة. تم جمع النفايات السائلة المستخدمة في هذه الدراسة بعد مراحل التصفية و DAF.

3. جهاز تجريبي

تم بناء نظام MBR-NF ذو المقعد على أساس أغشية PAM انتقائية (ريو دي جانيرو ، البرازيل) 0.044 متر مربع وحدة غشاء من ألياف البولي إميدميد المجوف (HF) بحجم 0.5 ميكرون ونفاذية المياه النظيفة تبلغ 177 L/(h.m2.bar). استخدم النظام خزان تخزين سعة 13.4 لترًا وخزانًا بيولوجيًا سعة 4.4 لتر وصهاريجين تخزين مياه الناتجة  4.0 لتر. كان استخراج المياه الناتجة  عن طريق مضخة فراغية مع مضخة غشائية تستخدم للتدفق الخلفي (الشكل 1).

صورة 1

تم تلقيح MBR مع الحمأة من خزان الحمأة المنشطة للمصنع. بعد فترة تأقلم مدتها 28 يومًا ، تم تشغيل النظام بشكل مستمر لمدة 40 يومًا في وقت التلامس الهيدروليكي (HRT) لمدة 6 ساعات ووقت الاحتفاظ بالحمأة لمدة 60 يومًا بتدفق يبلغ 16 LMH. تم استخدام مهوي واحد ، يعمل عند 1 Nm³ air / h ، لكلٍ من تهوية العملية والغسيل العكسي للغشاء بالتدفق الخلفي عند 45 LMH لمدة 15 ثانية كل 15 دقيقة . على مدار 40 يومًا من تشغيل MBR ، تم تحديد التدفق الحرج أربع مرات باستخدام طريقة TMP ، بعد التنظيف الكيميائي في كل مناسبة ، باستخدام وقت الترشيح لمدة 18 دقيقة و التدفق البالغ 0.05 بار. يتوافق التدفق الحرج مع القيمة التي لوحظ فيها انخفاض التدفق خلال 18 دقيقة من التغلغل عند ضغط ثابت.

اعتمد اختبار NF (الشكل 2) على غشاء NF90 (Dow-Filmtec) في خلية اختبار الألواح المسطحة التي توفر مساحة غشاء تبلغ 0.0062 m2 ، وتم استخدام المياه الناتجة من MBR كمياه التغذية. كان نفاذية المياه النظيفة الغشاء 2.3 لتر / (h.m2.bar). كان الترشيح عند 10 بار بسرعة تدفق متقاطع قدرها 7.8 م / ث ومعدل استرداد يتخلل 45 ٪. تم قياس التدفق الحرج باستخدام زيادات خطوة ضغط 5 بار.

صورة 2

تم تحليل مياه الصرف الخام ، الناتجة من  MBR ، الناتجة من   NF  ل COD ، اللون ، والمواد الصلبة الكلية. تم تحليل تخلل NF بدرجة أكبر عن الرقم الهيدروجيني ، والقلوية ، والمواد الصلبة الذائبة الكلية ، COD ، والمعادن لتقييم مدى ملاءمتها لمياه المرافق.

4. الجدوى الاقتصادية

تم حساب صافي القيمة الحالية (NPV) ، ومعدل العائد الداخلي (IRR) ، وفترة الاسترداد للاستثمار على أساس فترة 15 عامًا:

صورة3

حيث S هي الربح أو الخسارة في السنة (التدفق النقدي) ، i هو سعر الفائدة المدروس ، و t هو عدد السنوات. يتم إعطاء IRR بواسطة سعر الفائدة i عند الصفر NPV. يتم الحصول على الاسترداد في الوقت الذي تكون فيه السنوات التي يصبح فيها S الإجمالي موجبًا (أي أن التكلفة الإجمالية تنتقل من العجز إلى الفائض). تم تقييم تأثير عمر الغشاء على أساس تردد استبدال الغشاء من 1 إلى 7 سنوات لكل من الأغشية MBR و NF. استندت الحسابات إلى تدفق مياه الصرف الصحي من 1000 متر مكعب في اليوم واسترداد بنسبة 45 ٪ للـ NF (أي 450 متر مكعب في اليوم من المياه المتخللة) ، وإعادة استخدام المياه المستردة في المصنع للتبريد ومياه تغذية الغلايات ، وعمليات الغسيل.

وتمت مقارنة تكاليف إعادة الاستخدام مع تلك الخاصة بتزويد مياه الشرب وتصريفها إلى المجاري في أعقاب نظام المعالجة التقليدي. كان من المفترض أن يتم تصريف مجاري مياه الصرف الصحي المحتجزة من NF من مخطط إعادة الاستخدام إلى المجاري - بتكلفة أقل لكل متر مكعب من تلك الناتجة عن تصريف النفايات السائلة من العملية التقليدية بسبب انخفاض تركيز المواد العضوية (75 ملجم / لتر COD cf. 180 ملغم / لتر). وبالمثل ، يتم تخفيض تكاليف إمدادات المياه للمصنع من خلال استرداد 450 متر مكعب / يوم من المياه العادمة.

التكاليف التي تم بحثها (الجدول 1) والمتعلقة بالاستثمار الأولي والعمالة (مهندس واحد وأربعة فنيين ومشغلين) ، ومعالجة حمأة MBR والتخلص منها (بناءً على وقت الاحتفاظ بالمواد الصلبة لمدة 60 يومًا) ، واستهلاك الطاقة ، والمواد الكيميائية لتنظيف الأغشية ، صيانة واستبدال الغشاء. تم تعديل القيم الأولية بمعدل 4.5 ٪ في السنة للسنوات اللاحقة ، وهذا هو هدف التضخم في البرازيل. تم الحصول على تكاليف الغشاء من التقديرات من اثنين من موردي الأغشية التجارية ومتطلبات مساحة الغشاء المحددة بناءً على تدفق يبلغ 15 L / h.m² لكل من MF و NF. استندت تكاليف العمالة إلى دفع 13 رواتب سنوية بالإضافة إلى 70٪ للضرائب ورسوم العمل.

الجدول 1: قيمة البنود التي تم أخذها في الاعتبار لحساب التقييم الاقتصادي.

Itemitem	Valuevalue
Initial unit cost	R$ 5,000,000.00
Monthly salary of an engineer professional	R$ 4,500.00
Monthly salary of a technical professional	R$ 2,500.00
Sludge disposal	R$ 7.72/m3
Electricity rate (daily average cost per kW)	R$ 11.86/kW
Electricity rate (daily average cost per kWh)	R$ 0,20507/kWh
Treated water rate	R$ 6.881/m3
Wastewater disposal in public sewage system rate	R$ 6.193/m3
High COD and TSS load wastewater disposal rate, conventional scheme	R$ 20.68
Low COD and TSS load wastewater disposal rate, reuse	R$ 6.19
Environmental value added	R$ 0.06/m3
Maintenance	5% of initial investment
Chemical agents for membrane cleaning	2% of initial investment
Microfiltration membrane replacement	R$ 280/m2
Nanofiltration membrane replacement	R$ 400/m2

1 RS$ = 0.3 USD

تم الحصول على أسعار إمدادات المياه وتصريف المياه العادمة إلى المجاري من منشأة مياه (COPASA) بناءً على استهلاك مياه صناعي قدره 1000 متر مكعب في اليوم ؛ يتم تحديد تكاليف تصريف النفايات السائلة الصناعية بواسطة حمل COD و TSS في البرازيل (مبدأ "الملوث يدفع"). كان الفرق في تحميل COD مساوياً بقيمة 0.1312 دولار أمريكي لكل كيلوغرام من COD المصرَّح. تم تطبيق قيم استهلاك الطاقة البالغة 0.54 كيلو واط ساعة / متر مكعب للـ NF و 1.1 كيلو واط / متر مكعب للـ MBR ، بناءً على التكاليف التي توفرها أداة الطاقة للإمداد المستمر.

تم الانتهاء من تحليل الحساسية لمعدل المياه المعالجة وتصريف النفايات السائلة ، لتقييم تأثير هذه المتغيرات على التقييم الاقتصادي. تم اعتبار معدلات تتراوح بين 2 و 12 ريال برازيلي (0.6 إلى 4 دولارات أمريكية) لكل متر مكعب من المياه لفترة عمر غشاء ثابتة في خمس سنوات. تم اعتبار معدل تصريف النفايات السائلة 90٪ من المعدل لكل متر مكعب من المياه المعالجة ، وفقًا لمرفق المياه COPASA. تم حساب NPV و IRR لكل حالة.

5. النتائج

وأظهرت النتائج MBR لإزالة حوالي 99 ٪ من COD (الشكل 3). إزالة NF 88 ٪ من COD المتبقية (الجدول 2). كانت قيم المواد الذائبة في ناتج NF ضمن تلك المطلوبة للتبريد والتغذية للمرجل ، في حين أن تركيزات القلوية والكالسيوم تجاوزت تلك المطلوبة لتغذية المياه المرجل الضغط المتوسط (الجدول 3). تم العثور على نوعية المياه المحتجزة NF لتكون عالية بما فيه الكفاية للسماح بتصريفها المباشر إلى البيئة دون علاج. تم افتراض تدفقات مستدامة من 15.9 و 18.5 LMH على التوالي لتقنيات عملية MBR و NF ، على أساس التدفقات الحرجة المقاسة من 21.6 و> 25.1 LMH.

صورة4

كفاءة إزالة MBR ، NF  والجمع بين كلتا العمليتين.

Dairy effluent	MBR permeatea	NF permeatea	Global system efficiency
COD (mg/L)	3274	34 (99%)	4 (88%)	100%
Color (Hu)	2163	35 (98%)	15 (58%)	99%
TS (mg/L)	3366	1783 (47%)	233 (87%)	93%
Alkalinity (mg/L)	641	1167 (−82%)	166 (86%)	74%
TN (mg/L)	115	12 (89%)	7 (40%)	94%
Sodium (mg/L)	606	600 (1%)	69 (89%)	89%
pH	7.72	9.05	8.99	−

تتوافق القيم الموجودة بين قوسين مع كفاءة إزالة MBR و NF

TN - إجمالي النيتروجين

TS - مجموع المواد الصلبة