بررسی تغییرات سه پارامتر کلیدی در پساب صنعت نظامی، تصفیه به کمک فناوری تله ذره‌گیر (BTF).

مقدمه

در نتیجه افزایش جمعیت انسانی و روند سریع صنعتی‌شدن، حجم فاضلاب تولیدشده در سطح جهان به‌طور مداوم در حال افزایش است (Bruno et al., 2021). براساس برآوردها، در حال حاضر تولید جهانی فاضلاب حدود 380 میلیارد مترمکعب است و پیش‌بینی می‌شود که این مقدار تا سال 2050 به 574 میلیارد مترمکعب برسد ((Qadir et al., 2020. این روند رشد چشمگیر، نیاز به بهبود فناوری‌های تصفیه فاضلاب را افزایش داده است. در دهه‌های اخیر، برای دستیابی به کیفیت بالاتر پساب و حذف آلاینده‌ها به‌طور مؤثرتر، استفاده از فناوری‌های پیشرفته و تجهیزات کارآمد افزایش یافته است. بااین‌حال، این پیشرفت‌ها اغلب با افزایش مصرف انرژی در فرایندهای تصفیه همراه بوده است Castellet-Viciano et al., 2018; Fraia et) (al., 2018; Wen et al., 2020.

تصفیه فاضلاب فرایندی چندمرحله‌ای و پیچیده است که هدف اصلی آن حذف آلاینده‌ها و فراهم‌کردن شرایط ایمن برای استفاده مجدد یا تخلیه به محیط زیست است. این مراحل به‌طور کلی شامل روش‌های زیستی، شیمیایی و فیزیکی می‌شوند. روش‌های شیمیایی شامل فرایندهایی مانند تنظیم ^[1]pH، انعقاد و لخته‌سازی، ترسیب شیمیایی، اکسیداسیون و خنثی‌سازی هستند (آذرم و همکاران، 1399؛ Thakur et al., 2014). روش‌های زیستی عمدتاً مبتنی بر استفاده از میکروارگانیسم‌ها و جلبک‌ها برای تجزیه آلاینده‌های آلی است (پازوکی و همکاران، 1385؛Satyawali and Balakrishnan, 2008). روش‌های فیزیکی نیز مراحلی مانند آشغال‌گیری، شناورسازی و ته‌نشینی را در برمی‌گیرند (مانی ورنوسفادرانی، 1394؛ Reis and Sant'Anna Jr, 1985). بسته به نوع آلاینده‌ها، ترکیب این روش‌ها برای بهبود کارایی تصفیه ضروری است (آذرم و همکاران، 1399؛ شیبانی و همکاران، 1392؛ David, 2017).

علاوه بر چالش‌های عمومی تصفیه فاضلاب، حوزه پدافند غیرعامل و به‌ویژه پدافند زیستی نقش مهمی در مدیریت فاضلاب‌های خاص، ازجمله پساب نظامی، ایفا می‌کند. فاضلاب ناشی از تأسیسات و فعالیت‌های نظامی می‌تواند حاوی آلاینده‌های خاص و خطرناکی باشد که نیازمند فناوری‌های تصفیه‌ای پیشرفته و اقدامات حفاظتی ویژه هستند. استفاده از راهکارهای نوین در تصفیه پساب نظامی نه‌تنها موجب کاهش خطرات زیست‌محیطی و جلوگیری از انتشار عوامل شیمیایی و میکروبی می‌شود، بلکه در حفظ امنیت زیستی و پایداری منابع آبی نیز نقش بسزایی دارد. توسعه و اجرای فناوری‌های کم‌مصرف و کارآمد در این حوزه، ضمن کاهش وابستگی به انرژی، می‌تواند گامی مؤثر در راستای حفاظت از محیط‌زیست و امنیت ملی باشد. پساب این صنایع شامل آلاینده‌های گوناگونی است که ناشی از فعالیت‌هایی مانند تعمیر و نگهداری، ساخت و مونتاژ تجهیزات، بسته‌بندی و همچنین فاضلاب‌های اداری و عملیاتی است (Maloney et al., 1998). این نوع پساب‌ها اغلب شامل مواد منفجره، حلال‌ها، اسیدها و ترکیبات خاص دیگر هستند که به‌طور معمول دارای مقادیر بالایی از ^[2]BOD، ^[3]COD، ^[4]TN، ^[5]TP و فلزات سنگین‌اند و در صورت عدم تصفیه مناسب، می‌توانند خطرات جدی زیست‌محیطی ایجاد کنند (Peyton and Glaze, 1988; Almeida et al., 2022).

از میان روش‌های مختلف تصفیه، اکسیداسیون شیمیایی یکی از کارآمدترین تکنیک‌ها برای کاهش آلاینده‌های پیچیده موجود در پساب صنایع نظامی به شمار می‌رود Yasar et al.,) 2007; Van Gijn et al., 2022). همچنین در بسیاری از مطالعات جهت کاهش آلاینده‌های موجود در پساب صنایع نظامی از روش‌های مختلف اکسیداسیون شیمیایی استفاده شده است (Maloney et al., 1998). در این روش از مواد شیمیایی نظیر پراکسید هیدروژن، کلر، دی‌اکسید کلر و پرمنگنات استفاده می‌شود که هرکدام ویژگی‌های خاصی دارند Satyawali and) (Balakrishnan, 2008. امروزه با عنوان «فرایند اکسیداسیون پیشرفته»^[6] از روش‌هایی مانند «نانوبابلینگ»^[7] شامل تزریق مولکول‌های اکسیژن و اٌزون و روش‌های فوتونی مانند تابش UV^[8]  با تولید رادیکال‌های هیدروکسیل برای تجزیه ترکیبات آلی سخت به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند (پازوکی و همکاران، 1385؛ هادوی‌فر و همکاران، 1389؛ Yavuz, 2007; Asaithambi et al., 2012). با توجه به پیچیدگی ترکیبات موجود در پساب صنایع نظامی و محدودیت‌های روش‌های سنتی تصفیه، این مطالعه با هدف بررسی کارایی فناوری تله ذره‌گیر ^[9] (BTF) در بهبود کیفیت پساب و کاهش سه پارامتر کلیدی آلایندگی شامل BOD، COD و ^[10]TDS انجام می‌شود. نتایج این تحقیق می‌تواند به توسعه فناوری‌های پایدارتر و کارآمدتر برای تصفیه این نوع فاضلاب‌ها کمک کند. در ردیابی این هدف، پژوهش حاضر در پیِ پاسخ‌گویی به این سؤال اساسی است: چه تغییرات معناداری در مقادیر BOD، COD و TDS در طول سه دوره زمانی وجود دارد؟

1. پیشینۀ پژوهش

میکوکا و زلینسکا (2020) متداول‌ترین روش مدیریت پساب‌های صنایع تقطیری و تخمیری را استفاده از آن‌ها برای تهویه خاک معرفی نمودند که این امر مستلزم غلیظ کردن فاضلاب است و ممکن است به دلیل نیتروژن بالای آن باعث آلودگی خاک شود. بنابراین، روش ته‌نشینی تقطیر ارجح می‌گردد. در این مطالعه روش‌های تصفیه بیولوژیکی و فیزیکوشیمیایی و فناوری‌های ترکیبی مورد بحث قرار داده شده است؛ زیرا برای تخریب مؤثر مواد آلی، به‌ویژه از نظر استفاده مجدد از آب، یک تصفیه جامع که شامل چندین فناوری متوالی است باید به‌کار گرفته شود. همچنین بهبود روش‌های تصفیه غشایی و یافتن مواد غشایی جدید که رسوب غشایی را کاهش دهد و نفوذ، مصرف انرژی و میزان احتباس مواد را بهینه نماید، ضروری است. در اینجا، در بین روش‌ها توجه ویژه‌ای به ته‌نشینی تقطیر شده است زیرا منبع ارزشمندی از پلی‌ساکاریدها و اسیدهای چرب فرار ^[11] (VFAs) و همچنین آنتی‌اکسیدان‌های طبیعی ازجمله پلی‌فنول‌ها و سایر ترکیبات زیست‌فعال مورد علاقه در صنایع دارویی، آرایشی و غذایی است. در این میان شناسایی و استفاده از حلال‌های زیست‌تخریب‌پذیر، قابل استفاده مجدد و غیرسمی برای استخراج مؤثر ترکیبات زیست‌فعال و در تعامل با فناوری‌های مبتنی بر توسعه پایدار ضروری است (Mikucka & Zielińska, 2020).

بالبوئنا (2021) تصفیه فاضلاب حاصل از تولید اتانول را با تقطیر غشایی بررسی نموده است. این فاضلاب در دمای 70-90 درجه سانتی‌گراد از ستون تقطیر خارج می‌گردد و به ازای هر لیتر اتانول، 12-20 لیتر ته‌نشینی حاصل می‌شود. محدودیت اصلی تقطیر غشایی نیاز به انرژی برای گرم‌کردن جریانی است که باید تصفیه شود. در اینجا، آزمایش‌ها با استفاده از محلول ته‌نشینی مصنوعی و صنعتی انجام شده است. در طی مراحل تصفیه اجزای غیرفرار از غشا به‌طور کامل رد شدند درحالی‌که اجزای فرار به‌طور کامل جدا شدند که می‌توان به‌عنوان اسیداستیک بازیافت نمود. بااین‌حال، حذف COD مناسب و قابل‌مقایسه با سایر روش‌های ته‌نشینی بود. تجزیه‌وتحلیل امکان‌سنجی فنی و اقتصادی نشان داد که تقطیر غشایی برای استفاده در کارخانه تولید اتانول و تصفیه فاضلاب مناسب است (Balbuena, 2021).

لیو و همکاران (2021) در پژوهشی با عنوان «مروری بر حذف میکروپلاستیک‌ها در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب جهانی: ویژگی‌ها و مکانیسم‌ها» به بررسی رفتار میکروپلاستیک‌ها در فناوری‌های مختلف تصفیه فاضلاب پرداختند. آن‌ها از روش تحلیل کمی برای مقایسه کارایی حذف میکروپلاستیک‌ها در 38 تصفیه‌خانه فاضلاب در 11 کشور استفاده کردند و دریافتند که فناوری‌های مبتنی بر فیلتر عملکرد بهتری در حذف میکروپلاستیک‌ها دارند. همچنین، مشخص شد که میکروپلاستیک‌های با اندازه بزرگ‌تر به‌راحتی در مراحل اولیه ته‌نشینی جدا می‌شوند، درحالی‌که میکروپلاستیک‌های کوچک‌تر و پلی‌اتیلن توسط باکتری‌های موجود در سیستم بیورآکتور به دام می‌افتند. این مطالعه تأکید کرد که تأثیرات منفی میکروپلاستیک‌ها و محصولات ناشناخته ناشی از تغییرات آن‌ها نیازمند تحقیقات بیشتری است (Liu et al. 2021).

دانگ و همکاران (2021) در پژوهشی با عنوان «مقایسه تحلیل‌های استروژنی، طیف‌سنجی و سم‌شناسی آب، فاضلاب و فاضلاب‌های فرآوری‌شده در پایگاه‌های نظامی منتخب» به بررسی کارایی روش‌های مختلف تصفیه فاضلاب برای کاهش استروژنیسیته و سایر شاخص‌های زیستی منفی پرداختند. آن‌ها چهار فرایند تصفیه شامل روش‌های معمول و پیشرفته را آزمایش کردند و نشان دادند که فناوری‌های پیشرفته ازجمله غشاهای بیولوژیکی و اکسیداسیون پیشرفته، کاهش قابل‌توجهی در استروژنیسیته (تا 100%) و سایر شاخص‌های زیستی منفی (بین 65% تا 100%) ایجاد کردند.

نتایج نشان داد که استفاده از بیورآکتورهای غشایی بی‌هوازی و سیستم‌های تصفیه‌ای با فیلتراسیون غشایی و فیلتر کربن فعال، بالاترین درصد کاهش آلودگی را داشته و کیفیت آب تولیدی بهبود یافته است. همچنین، ارتباط معنی‌داری بین استروژنیسیته، سمیت سلولی و واکنش‌پذیری تیول مشاهده شد که امکان استفاده از واکنش‌پذیری تیول برای غربالگری اولیه استروژنیسیته را فراهم می‌کند (Dong et al. 2021).

تحقیقات احمَد و همکاران (2022) نشان داد که استفاده هم‌زمان از ریزجلبک‌ها برای تصفیه فاضلاب و تولید سوخت زیستی می‌تواند یک رویکرد اقتصادی برای رفع مسائل مربوط به تصفیه باشد. مطالعه ایشان کاربرد جلبک‌ها در تصفیه زیستی، تولید انرژی زیستی و تولید ترکیبات زیست‌فعال را ارائه می‌دهد. همچنین مشکلات و فرصت‌های فعلی در بخش مبتنی بر جلبک را که اخیراً بسیار امیدوارکننده شده است، نشان می‌دهد (Ahmad et al., 2022).

طبق پژوهش آن و همکاران (2023)، مشخص شد که روش غشای مبتنی بر «اکسید گرافن»^[12] دارای خواص بسیار عالی مانند پایداری شیمیایی خوب، هزینه آماده‌سازی کم، عملکرد عالی فیلتراسیون و نگهداری و کنترل رسوب غشایی نسبتاً راحت است. براساس این ویژگی‌ها، انتظار می‌رود غشای «اکسید گرافن» در تصفیه پیشرفته فاضلاب صنعتی به کار رود (An et al., 2023).

اوکونکو و همکاران (2023) در پژوهشی با عنوان «تحلیل سری زمانی TSS^[13]، TDS، BOD، COD و کدورت پساب در اتاق‌های پیش‌فیلتراسیون تانک سپتیک خانگی پیشرفته» به بررسی سیستم تانک سپتیک پیشرفته در تصفیه اولیه پساب خانگی پرداختند. در این مطالعه، نتایج نشان داد که این سیستم قادر است به‌طور قابل‌توجهی TDS، کدورت و BOD نمونه‌ها را قبل از فیلتراسیون کاهش دهد. همچنین COD و TDS نمونه‌ها با گذشت زمان کاهش و افزایش یافت که به دلیل ایجاد فشار در سیستم بود. این یافته‌ها به تعیین زمان مناسب برای انتقال مایعات به مرحله بعدی بازیافت (فیلتراسیون شنی) کمک کرد. بهینه‌سازی طراحی و عملیات سیستم تانک سپتیک پیشرفته برای دستیابی به هدف بازیافت و تبدیل بهینه بیوپسماندها حائز اهمیت است (Okonkwo et al. 2023).

احمِد و همکاران (2024) در پژوهشی با عنوان «استراتژی‌های حذف و مدیریت میکروپلاستیک‌ها در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب» به بررسی چالش‌های مربوط به دفع میکروپلاستیک‌ها از طریق فاضلاب صنعتی و اثرات زیست‌محیطی آن‌ها پرداخته‌اند. این مطالعه نشان داد که میکروپلاستیک‌ها به دلیل ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی متنوع خود، تعاملات مختلفی با فناوری‌های تصفیه دارند و بازده حذف آن‌ها متفاوت است. روش‌های مختلفی مانند زیست‌پالایی، راکتورهای غشایی ^[14] (MBR)، انعقاد الکتریکی و تکنیک‌های فیلتر پیشرفته برای حذف میکروپلاستیک‌ها ارزیابی شدند. از میان این روش‌ها، سیستم‌های MBR با توانایی حذف بیش از 9/99 درصد میکروپلاستیک‌ها عملکرد بهتری داشتند، هرچند هزینه‌های سرمایه‌گذاری و عملیاتی آن‌ها بالاست. این پژوهش تأکید دارد که برای کاهش آلودگی میکروپلاستیک‌ها، استفاده از جایگزین‌های پلاستیکی و اعمال کنترل‌های سخت‌گیرانه ضروری است. علاوه بر این، اصلاح پیش‌فرایندها به‌منظور کاهش اندازه و تغییر مشخصات سطحی میکروپلاستیک‌ها می‌تواند بازده حذف را افزایش دهد Ahmed et al 2024))

حَمَلای و همکاران (2025) در پژوهشی با عنوان «طراحی و ساخت یک واحد تصفیه آب معکوس دوگانه برای استفاده نظامی و اضطراری» به طراحی و ساخت یک واحد تصفیه آب قابل‌حمل پرداختند که می‌تواند آب قابل شرب از منابع مختلف طبیعی در شرایط نظامی و اضطراری تأمین کند. این واحد تصفیه شامل فرایندهایی مانند تبادل یون واحدهای فیلتراسیون واحد نرم‌سازی آب و اسمز معکوس است. در آزمایش‌های انجام‌شده با استفاده از نمونه‌های آب از رودخانه کادونا و دیگر منابع آب، این واحد تصفیه توانسته است با موفقیت مواد مضر و فلزات سنگین را حذف کرده و ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی آب را به استانداردهای ملی کیفیت آب آشامیدنی نیجریه برساند. به‌طور خاص، این واحد فیلتراسیون توانسته است کدورت آب را از 1105 «NTU»^[15] به 05/4 «NTU» کاهش دهد و سختی آب را از 208 میلی‌گرم بر لیتر به 60 میلی‌گرم بر لیتر کاهش دهد. همچنین، عملکرد واحد اسمز معکوس در حذف یون‌های ناخواسته و فلزات سنگین، به‌ویژه کادمیوم، گزارش شده است که با افزایش تعداد واحدهای اسمز معکوس، می‌توان به بهبود کارایی در حذف فلزات سنگین دست‌یافت (Hamalai et al. 2025).

زارعی محمودآبادی و همکاران (۱۳۹۹) در پژوهشی با عنوان «تأثیر فرایند انعقاد و لخته‌سازی همراه با جذب سطحی در حذف بور از فاضلاب صنایع؛ مطالعه موردی: صنایع کاشی و سرامیک» به بررسی فرایندهای انعقاد، لخته‌سازی و جذب سطحی برای حذف عنصر بور از فاضلاب صنعتی پرداختند. در این مطالعه آزمایشگاهی، تأثیر پارامترهایی نظیر pH، غلظت پلی آلومینیوم کلراید و استفاده از پلیمرهای آنیونی و کاتیونی بر راندمان حذف بور بررسی شد. نتایج نشان داد که با استفاده از pH بهینه ۸ و غلظت ۴۰۰ میلی‌گرم بر لیتر پلی آلومینیوم کلراید، راندمان حذف به 7/35 درصد رسید. ترکیب این فرایند با پلیمرهای آنیونی و کاتیونی راندمان حذف را به 2/54 درصد افزایش داد. همچنین، در فرایند جذب سطحی با pH بهینه ۵ و زمان تماس ۱۵ دقیقه، راندمان حذف به ۵۰ درصد رسید. بررسی ایزوترم‌ها نشان داد که جذب بور از ایزوترم فروندلیچ و سینتیک درجه اول تبعیت می‌کند. نتایج این پژوهش نشان داد که فرایند تلفیقی انعقاد و لخته‌سازی با جذب سطحی می‌تواند یک روش مؤثر برای حذف بور از فاضلاب صنعتی باشد (زارعی محمودآبادی و همکاران، ۱۳۹۹).

اصل هاشمی و همکاران (۱۴۰۰) در پژوهشی با عنوان «حذف مواد آلی موجود در فاضلاب چرم‌سازی به روش هوازی و بی‌هوازی» به بررسی بار آلی فاضلاب خام چرم‌سازی و تأثیر فرایندهای تصفیه هوازی و بی‌هوازی بر کاهش آن پرداختند. در این مطالعه، مقادیر بار آلی با استفاده از شاخص‌های «DOC»^[16] و «UV₂₅₄» مشخص شد و نقش وزن مولکولی ترکیبات با استفاده از اولترافیلتراسیون بررسی گردید. نتایج نشان داد که میانگین غلظت DOC در فاضلاب خام برابر 900 میلی‌گرم در لیتر بوده و تصفیه هوازی توانسته است به‌طور متوسط ۱۵ درصد از DOC و ۵۰ درصد از «UV₂₅₄» را کاهش دهد. این پژوهش همچنین نشان داد که مرحله هوازی در کاهش ترکیبات با وزن مولکولی کم مؤثر است. بااین‌حال، برخی مواد مقاوم و سمی، حتی پس از تصفیه، باقی می‌مانند و ممکن است در طول فرایند تصفیه تغییر شکل داده و به ترکیبات جدید تبدیل شوند. این یافته‌ها اهمیت توجه به مواد مقاوم و سمی در فاضلاب چرم‌سازی را برجسته می‌سازد (اصل هاشمی و همکاران، ۱۴۰۰).

فتاحی و همکاران (1400) در پژوهشی با عنوان «بررسی عملکرد حوضچه متعادل‌سازی در راندمان تصفیه فاضلاب بهداشتی به روش لجن فعال» تأثیر استفاده از حوضچه متعادل‌ساز در بهبود راندمان تصفیه فاضلاب پادگان نظامی را مورد بررسی قرار دادند. این تحقیق نشان داد که نوسانات بالای دبی ورودی به تصفیه‌خانه در اماکن کم‌جمعیت مانند پادگان‌ها می‌تواند بر کارایی فرایند لجن فعال اثر منفی بگذارد. نتایج حاکی از آن بود که بدون استفاده از حوضچه متعادل‌ساز، راندمان حذف BOD₅، COD، TSS و آمونیاک به ترتیب 61%، 61%، 68% و 24% بود که با استانداردهای پساب خروجی سازگار نبود؛ اما با به‌کارگیری حوضچه متعادل‌ساز و تثبیت دبی ورودی، راندمان حذف این پارامترها به‌طور میانگین به 90%، 90%، 19/89% و 59/81% افزایش یافت. این نتایج نشان‌دهنده تأثیر قابل‌توجه حوضچه متعادل‌سازی در بهبود فرایند تصفیه و ارتقای کیفیت پساب خروجی است (فتاحی و همکاران، 1400).

در پژوهش‌های پیشین، از فناوری‌های متداول تصفیه آب و پساب استفاده شده است که به دلیل محدودیت‌هایی همچون راندمان پایین یا هزینه‌های بالا، نیاز به بهبود دارند. پژوهش حاضر با معرفی سیستم تصفیه تله ذره‌گیر، به‌عنوان روشی نوآورانه تلاش می‌کند این مشکلات را حل کند. این فناوری نه‌تنها باعث افزایش کارایی تصفیه می‌شود، بلکه هزینه‌های عملیاتی را کاهش داده و اثرات زیست‌محیطی را به حداقل می‌رساند.

2. روش‌شناسی تحقیق

پژوهش حاضر به لحاظ هدف و با توجه به ماهیت تبیینی خود، جزئی از تحقیقات ترکیبی بنیادی و کاربردی است و از نظر روش‌شناسی، جزو تحقیقات توصیفی-تحلیلی محسوب می‌شود. روش جمع‌آوری اطلاعات در این تحقیق به‌صورت تجربی و با استفاده از نمونه‌برداری از پساب انجام شده است. در این مطالعه، پساب صنایع نظامی به‌عنوان یکی از مهم‌ترین منابع تولید آلودگی مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا پساب موردنیاز از سازمان تحقیقات و جهاد خودکفایی نزاجا گرفته‌شده و توسط گالن‌های پلی‌اتیلنی 20 لیتری به آزمایشگاه مرکز تحقیقات فرآوری مواد معدنی ایران جهت سنجش اولیه پارامترهای آلایندگی و سپس به آزمایشگاه تخصصی هیدروبیولوژی و لیمنولوژی دانشکده منابع طبیعی دانشگاه تهران جهت تصفیه منتقل شد.

سیستم تصفیه تله ذره‌گیر با ابعاد 20×15×25 سانتی‌متر از جنس شیشه مطابق با شکل (1)، ساخته شد. این سیستم دارای سه بخش شامل بخش جداسازی مواد سطحی با چگالی کم، بخش جداسازی ذرات درشت با چگالی بالا و بخش جداسازی ذرات ریز و معلق است.

شکل 1: سیستم تصفیه تله ذره‌گیر با نمایش مسیر جریان آب (فلش‌های قرمز) و سه بخش شامل جداسازی ذرات سطحی با چگالی کم (1)، جداسازی ذرات درشت با چگالی بالا (2) و جداسازی ذرات ریز معلق (3)

در بخش جداسازی مواد سطحی و سرنشین‌ها، مواد سبک مانند کف و مواد روغنی جدا می‌شوند. مواد سنگین در مرحله بعدی جداسازی شده و بعضاً مواد معلقی که در اثر آبگیری به سنگین تبدیل شده‌اند. بخش بعدی جداشونده، مواد معلق هستند که هم‌زمان با تبدیل جریان متلاطم به تیغه‌ای توسط تله ذره‌گیر جدا می‌شوند. نتیجه کلی آبی با حداقل آلودگی‌ها است.

در آزمایشگاه مرکز تحقیقات فرآوری مواد معدنی ایران پارامترهای BOD (اکسیژن‌خواهی زیستی)، COD (اکسیژن‌خواهی شیمیایی)، TDS (کل جامدات محلول) اندازه‌گیری شد. پس از سنجش اولیه، پساب در آزمایشگاه لیمنولوژی و هیدروبیولوژی دانشکده منابع طبیعی دانشگاه تهران در مخزن پلی‌اتیلنی طی سه ساعت با تأثیر فرایند نانوبابلینگ اکسیژن خالص قرار گرفت و سپس وارد سیستم تصفیه تله ذره‌گیر شد. هر 24 ساعت یک نمونه از پساب تصفیه‌شده (مرحله نهایی تصفیه) گرفته شد و پارامترهای آلودگی مجدداً اندازه‌گیری شدند (شکل 2). نمونه‌برداری‌ها به‌صورت تصادفی طی بازه ده روز صورت گرفت و هر آزمایش با سه تکرار انجام شد. در نهایت براساس نتایج به‌دست‌آمده، میزان عملکرد روش تصفیه به‌کار گرفته ‌شده محاسبه شد.

برای تجزیه‌وتحلیل داده‌ها از آزمون Repeated Measures ANOVA استفاده شد. این آزمون برای مقایسه تغییرات پارامترهای آلودگی در طول زمان و در مراحل مختلف تصفیه به کار رفت. آزمون Repeated Measures ANOVA به محقق این امکان را می‌دهد که تأثیرات زمان و فرایندهای مختلف تصفیه را بر روی هر یک از پارامترهای آلودگی ارزیابی کند و تغییرات آن‌ها را بررسی نماید. پس از تجزیه‌وتحلیل داده‌ها، عملکرد سیستم تصفیه تله ذره‌گیر با استفاده از نتایج به‌دست‌آمده از آزمون Repeated Measures ANOVA محاسبه شد. ازآنجاکه یکی از پیش‌شرط‌های این آزمون، همسانی واریانس است، برای ارزیابی این فرض از آزمون Mauchly's Test of Sphericity استفاده شد. در مواردی که این فرض نقض شد، اصلاحات Greenhouse-Geisser و Huynh-Feldt برای تنظیم درجات آزادی و افزایش دقت تحلیل به کار گرفته شدند. به‌طور خاص، تغییرات در مقادیر BOD، COD و TDS در مراحل مختلف تصفیه
و در زمان‌های مختلف مورد ارزیابی قرار گرفت.

شکل 2: مراحل فرایند اعمال‌شده در تصفیه پساب سازمان تحقیقات و جهاد خودکفایی نزاجا

3. تجزیه‌وتحلیل یافته‌ها

پژوهش حاضر با هدف ارزیابی کارایی سیستم تصفیه تله ذره‌گیر در کاهش آلاینده‌های پساب صنایع نظامی انجام شد. این نوع پساب‌ها به دلیل مقادیر بالای آلاینده‌هایی همچون BOD، COD و TDS، خطرات محیط زیستی قابل‌توجهی به همراه دارند و نیازمند تصفیه مؤثر پیش از رهاسازی به محیط زیست هستند. در این راستا، آزمایش‌هایی در بازه زمانی ده روزه طراحی و اجرا شد تا تغییرات این پارامترها و عملکرد سیستم تصفیه مورد سنجش قرار گیرد. در ادامه، نتایج حاصل از این آزمایش‌ها به تفکیک ارائه و تحلیل شده است تا میزان اثربخشی این سیستم و روند کاهش آلاینده‌ها به‌صورت دقیق‌تر بررسی شود.

BOD

یکی از معضلات تصفیه فاضلاب و رهاسازی آن به محیط زیست وجود BOD بالا است که بوی نامطبوعی نیز با خود به همراه دارد. این پارامتر در پساب صنایع نظامی کمی بالا است و در شرایط بی‌هوازی بوی نامطبوعی ایجاد می‌نماید و یکی از فاکتورهایی است که پیش از رهاسازی به محیط لازم است اصلاح گردد. در فرایند تصفیه پساب صنایع نظامی، بیشینه BOD پساب 79/226±67/7326 میلی‌گرم بر لیتر در نمونه اول آزمایش و کمینه BOD پساب 32/25±67/159 میلی‌گرم بر لیتر در نمونه دهم آزمایش ثبت شد. روند تغییرات BOD در طول دوره آزمایش در شکل (3)، نمایش داده شده است. در مطالعات پیشین با انواع روش‌ها ازجمله تصفیه زیستی (Kida et al., 1995; Mohamed et al., 2022)، لجن فعال و تصفیه بی‌هوازی (Ghosh et al., 1985; Garcia-Calderon et al., 1998; Lovato et al., 2019; Xu et al., 2021)، اسمز معکوس (Maiorella et al., 1983; Yavuz, 2007)، کربن فعال Bernardo et al., 1997; Yang et) al., 2010)، استفاده از اکسیدکننده‌ها Patton et al., 2022; Pistocchi et al., 2022; Van Gijn et) al., 2022)، پیش‌تصفیه کاتالیزوری (Chaudhari et al., 2008)، ته‌نشینی و تقطیر (مراغه زویک و عبدالله زاده، 1387؛ Gebreeyessus et al., 2019) مبادرت به کاهش BOD شده است. همچنین کارایی مؤثر سیستم تله ذره‌گیر در کاهش BOD براساس تحقیقات پیشین در فاضلاب‌های صنایع لبنی، انسانی و دامداری (94%) (مانی ورنوسفادرانی، 1394) و همچنین فاضلاب صنعت الکل‌سازی (97%) (معزی و همکاران، 1401؛ Moezzi and Javanshir Khoei, 2023) گزارش شده است. از طرف دیگر، در ارتباط با پساب نظامی Almedia و همکاران (2022) در سه مرحله تصفیه ترکیبی فیزیکی، زیستی و شیمیایی، به کاهش 86% دست یافتند. در این تحقیق نیز با تکیه بر عملکرد نانوبابلینگ و افزایش ظرفیت اکسیژنی فاضلاب و همچنین عملکرد سیستم تله ذره‌گیر در حذف ذرات و مواد اکسیدشده و کواگوله‌شده، کاهش مشخص BOD (82/97%) مشاهده شد.

شکل 3: تغییرات BOD طی 10 روز در سیستم تصفیه تله ذره­گیر

COD

وجود COD بالا در فاضلاب، علاوه‌بر داشتن خطرات محیط زیستی حاد، مانع پیشروی روند تصفیه فاضلاب با روش‌های معمول است. در پساب صنایع نظامی مقدار COD نیز بالا بوده و در صورت رهاسازی به محیط زیست، مخاطراتی در پیش خواهد داشت. در فرایند تصفیه پساب صنایع نظامی، بیشینه COD پساب 76/1118±67/14256 میلی‌گرم بر لیتر در نمونه اول آزمایش و کمینه COD پساب 53/31±00/412 میلی‌گرم بر لیتر در نمونه دهم آزمایش ثبت شد. روند تغییرات COD در طول دوره آزمایش در شکل (4)، نمایش داده شده است. در مطالعات پیشین نیز با انواع روش‌ها ازجمله تصفیه زیستی (Kida et al., 1995; Mohamed et al., 2022)، تجزیه هوازی (Thakur et al., 2014; Zhang et al., 2018)، لجن فعال و تصفیه بی‌هوازی (Ghosh et al., 1985; Fitzgibbon et al., 1995; Xu et al., 2022)، اسمز معکوس (Maiorella et al., 1983; Zhang et al., 2021)، کربن فعال (هادوی‌فر و همکاران، 1389؛ Lei et) al., 2007; Yang et al., 2010; Hu et al., 2022)، پیش‌تصفیه حرارتی- کاتالیزوری Lele et al.,) 1989; Chaudhari et al., 2008)، بستر غوطه‌ور (Reis and Sant'Anna Jr, 1985)، ته‌نشینی و تقطیر (مراغه زویک و عبدالله زاده، 1387؛ Balbuena, 2021; Gebreeyessus et al., 2019) و استفاده از اکسیدکننده‌ها Vijayaraghavan et al., 1999; Mnadal et al., 2003; Yavuz, 2007; Patton et al.,) 2022)، مبادرت به کاهش COD شده است. همچنین کارایی مؤثر سیستم تله ذره‌گیر در کاهش COD براساس تحقیقات پیشین در فاضلاب‌های صنایع لبنی، انسانی و دامداری با کاهش 20/94% (مانی ورنوسفادرانی، 1394) و همچنین فاضلاب صنعت الکل‌سازی با کاهش 50/95% (معزی و همکاران، 1401؛ Moezzi and Javanshir Khoei, 2023) گزارش شده است. در این مطالعه نیز با تکیه بر عملکرد نانوبابلینگ و افزایش ظرفیت اکسیژنی فاضلاب و همچنین عملکرد سیستم تله ذره‌گیر در حذف ذرات و مواد اکسیدشده و کواگوله‌شده، کاهش
مشخص COD (11/97%) مشاهده شد.

شکل 4: تغییرات COD طی 10 روز در سیستم تصفیه تله ذره‌گیر

TDS

یکی از مشخصه‌های فیزیکی فاضلاب، کل مواد جامد محلول است که دربرگیرنده مواد معدنی، نمک‌ها، فلزات محلول و سایر مواد آلی موجود در فاضلاب است. حضور این مواد خصوصاً در غلظت‌های بالا شرایطی نامطبوع، در ارتباط با سلامت موجودات زنده را، ایجاد می‌نمایند (رضایی، 1394). پساب صنایع نظامی غالباً بار ذرات بالایی دارند و با ورود مستقیم به محیط زیست می‌تواند موجب آلودگی و افزایش کدورت و اختلال در اکوسیستم شود. در فرایند تصفیه پساب صنایع نظامی، بیشینه TDS پساب 35/84±00/1200 میلی‌گرم بر لیتر در نمونه اولیه آزمایش و کمینه TDS پساب 32/13±67/157 میلی‌گرم بر لیتر در نمونه دهم ثبت شد. روند تغییرات TDS در شکل (5)، نمایش داده شده است. در این تحقیق، کاهش TDS در اثر اکسید شدن مواد و کمک به تشکیل ذرات معلق که توسط تله ذره‌گیر از بدنه آبی جدا می‌شوند، صورت می‌گیرد (86/86%). آن‌چنان‌که در مطالعات پیشین عنوان شده است کاهش TDS بر عملکرد تصفیه اثر مثبت داشته و روند کاهش آلاینده‌های موجود در فاضلاب را بهبود می‌بخشد (یزدانبخش و همکاران، 1398). در مطالعات دیگر این روند کاهش با روش‌های مختلف از 20/76% تا 10/84% گزارش شده‌اند (Taherizadeh et al., 2021). در سیستم طراحی‌شده، ذرات اکسیژن آزاد به بخشی خاصی از ترکیبات حمله نموده و با تغییر در ساختار شیمیایی، آن‌ها را به ذرات قابل ته‌نشینی تبدیل می‌کنند Pistocchi et al., 2022;) (Van Gijn et al., 2022; Walpen et al., 2022. از طرف دیگر، حضور پررنگ‌تر مولکول‌های اکسیژن آزاد باعث افزایش غلظت OH و در نتیجه ایجاد اکسیدکننده‌های ثانویه که قوی‌تر و
فعال‌تر هستند، می‌شود Beltrán et al., 2001; Taherizadeh et al., 2021; Walpen et al., 2022)).

شکل 5: تغییرات TDS طی 10 روز در سیستم تصفیه تله ذره‌گیر

با در نظر گرفتن راندمان روزانه سیستم تصفیه تله ذره گیر در ارتباط با فاکتور BOD، بیشترین بازده با 57/67% در روز دوم و کمترین بازده با 93/15% در روز نهم مشاهده می‌شود (جدول1). در نتیجه می‌توان عنوان نمود کاهش BOD در مراحل ابتدایی فرایند تصفیه به‌صورت مشخص‌تر و با شیب بیشتر در نمودار صورت گرفته است (شکل 3). در ارتباط با فاکتور COD، بیشترین بازده با 07/38% در روز ششم و کمترین بازده با 84/23% در روز دهم مشاهده می‌شود (جدول 1). با توجه به راندمان روزانه و شیب نمودار می‌توان عنوان نمود حذف COD با شیب ملایمی صورت گرفته است (شکل 4). در ارتباط با فاکتور TDS، بیشترین بازده با 76/28% در روز چهارم و کمترین بازده با 28/14% در روز دوم مشاهده می‌شود (جدول 1). با توجه به راندمان روزانه و شیب نمودار می‌توان عنوان نمود حذف TDS نیز مانند شاخص COD با شیب ملایمی طی فرایند تصفیه صورت گرفته است (شکل 5). به‌صورت کلی و براساس نتایج به‌دست‌آمده میزان پارامترهای BOD، COD و TDS به ترتیب 82/97%، 11/97% و 86/86% کاهش داشته‌اند که نشان از کارایی مؤثر سیستم تصفیه تله ذره‌گیر در تصفیه این نوع پساب دارند. در شکل (6)، نمونه پساب اولیه و تصفیه‌شده نشان داده شده است.

جدول 1: درصد راندمان روزانه سیستم تصفیه تله ذره‌گیر در کاهش فاکتورهای مورد سنجش

شکل 6: نمونه پساب تصفیه‌شده طی 10 روز (سمت راست) و نمونه پساب اولیه (سمت چپ)

در این مطالعه، به‌منظور تحلیل تغییرات پارامترهای کیفیت آب در طول زمان، بررسی معناداری تغییرات پارامترهای BOD، COD و TDS در سه دوره زمانی مختلف انجام شد. مقادیر سه دوره زمانی در جدول (2)، آمده است.

جدول 2: نتایج پارامترها طی 10 روز با 3 تکرار (دوره)

تغییرات این پارامترها می‌توانند اطلاعات مهمی در خصوص عملکرد سیستم‌های تصفیه آب و تأثیر آن‌ها بر کیفیت آب فراهم کنند. برای ارزیابی دقیق‌تر این تغییرات و تحلیل همسانی واریانس در داده‌های تکراری مربوط به این پارامترها، از آزمون Mauchly's Test of Sphericity استفاده شده است.

این آزمون برای ارزیابی شرایط مناسب برای انجام تحلیل‌های واریانس تکراری (Repeated Measures ANOVA) به کار می‌رود و بررسی می‌کند که آیا فرض همسانی واریانس برای متغیرهای مختلف برقرار است یا خیر.

در صورتی که فرض همسانی نقض شود، نتایج تحلیل واریانس ممکن است نادرست باشد و نیاز به اصلاحات آماری خواهد داشت. نتیجه آزمون Mauchly برای پارامتر TDS نشان داد که فرض همسانی واریانس نقض شده است (p-value= 0.047)، زیرا مقدار p کمتر از سطح معنی‌داری 05/0 است. این به این معناست که داده‌های مربوط به TDS شرایط همسانی واریانس را ندارند. به همین دلیل، برای اصلاح این نقض و تحلیل دقیق‌تر داده‌ها، از روش‌های اصلاحی Greenhouse-Geisser (با مقدار 651/0) و Huynh-Feldt (با مقدار 716/0) استفاده شده است.

 برای پارامتر COD، نتایج آزمون Mauchly نشان داد که فرض همسانی واریانس نیز نقض شده است (p-value = 0.004) که به معنی نیاز به اصلاحات آماری است. به همین دلیل، برای این پارامتر نیز از روش‌های اصلاحی مشابه Greenhouse-Geisser (با مقدار 574/0) و Huynh-Feldt (با مقدار 603/0) استفاده شد. در مورد پارامتر BOD، نتایج آزمون نشان داد که فرض همسانی واریانس نقض نشده است (p-value= 0.979)، زیرا مقدار p بسیار بزرگ‌تر از سطح معنی‌داری 05/0 است. به این معناست که داده‌های BOD شرایط همسانی واریانس را دارند و نیازی به اعمال اصلاحات آماری برای تحلیل دقیق‌تر این داده‌ها نیست.

مقادیر Greenhouse-Geisser (با مقدار 995/0) و Huynh-Feldt (با مقدار 000/1) نیز نشان می‌دهند که اصلاحات برای این داده‌ها اعمال نشده است (جدول 3).

جدول 3: نتایج آزمون Mauchly برای ارزیابی همسانی واریانس در پارامترهای مورد مطالعه

در (جدول 4)، نتایج آزمون‌های Multivariate نشان‌دهنده اثر معنادار زمان (Period) بر مجموعه‌ای از پارامترهای مورد بررسی است. چهار آزمون مختلف برای ارزیابی این اثر استفاده شده‌اند: Pillai's Trace، Wilks' Lambda، Hotelling's Trace و Roy's Largest Root. ابتدا، آزمون Pillai's Trace نتیجه‌ای معنادار با مقدار F برابر 451/2 و مقدار p برابر 034/0 به‌ دست داد که نشان‌دهنده تغییرات معنادار در داده‌ها به‌دلیل اثر زمان است.

مقدار Partial Eta Squared برابر 380/0 بود که نشان‌دهنده تأثیر قابل‌توجه زمان بر واریانس داده‌ها است. همچنین، آزمون Wilks' Lambda نیز مشابه با Pillai's Trace نتایج معناداری را با مقدار F برابر 309/2 و مقدار p برابر 046/0 ارائه داد که اثر زمان را تأیید می‌کند. مقدار Partial Eta Squared در این آزمون برابر 381/0 بود که نشان‌دهنده تأثیر مشابه زمان بر واریانس داده‌ها است.

در مقابل، آزمون Hotelling's Trace با مقدار F برابر 165/2 و مقدار p برابر 062/0 نتیجه‌ای غیرمعنادار به‌دست داد که نشان‌دهنده عدم تأثیر معنادار زمان بر پارامترهای مورد بررسی است. بااین‌حال، مقدار Partial Eta Squared برابر 382/0 بود که نشان‌دهنده تأثیر نسبتاً بالا است؛ اما این نتیجه به‌دلیل عدم معناداری آزمون باید با احتیاط تفسیر شود. در نهایت، آزمون Roy's Largest Root مقدار F برابر 866/2 و مقدار p برابر 058/0 به‌دست داد که نشان‌دهنده اثر زمان بر داده‌ها است؛ اما چون مقدار p اندکی بیشتر از 05/0 است، این اثر به‌عنوان یک اثر معنادار ضعیف در نظر گرفته می‌شود. مقدار Partial Eta Squared برابر 417/0 بود که بزرگ‌ترین مقدار در بین آزمون‌ها بود و نشان‌دهنده تأثیر قابل‌توجه زمان بر واریانس داده‌ها است.

جدول 4: نتایج آزمون‌های چند متغیره برای بررسی اثر دوره زمانی

در نتیجه، نتایج این تحلیل‌ها حاکی از آن است که تغییرات در پارامترهای BOD، COD و TDS در پساب صنایع نظامی تحت تأثیر دوره‌های مختلف زمانی معنادار است و آزمون‌های Pillai's Trace و Wilks' Lambda بیشترین تأثیر زمان را تأیید می‌کنند. سایر آزمون‌ها، همچون Hotelling's Trace و Roy's Largest Root، نتایج غیرمعناداری داشتند؛ اما مقدار Partial Eta Squared نشان‌دهنده تأثیر قابل‌توجه زمان بر واریانس داده‌ها است. این تأثیرات نشان می‌دهند که فرایند تصفیه پساب، به‌ویژه در کاهش آلاینده‌ها و بهبود کیفیت آب، در طول زمان به‌طور مؤثری عمل کرده است. به‌طور کلی، این نتایج از تأثیر معنادار دوره‌های زمانی بر تغییرات پارامترهای محیطی و کیفیت پساب حکایت دارند و حاکی از کارآمدی فرایند تصفیه در بهبود کیفیت آب در طول زمان هستند.

نتیجه‌گیری و پیشنهاد

با توجه به افزایش فعالیت‌های انسانی و متعاقباً افزایش ورود آلاینده‌های انسان‌ساز به منابع آبی، مشکلات بسیاری در تأمین آب جوامع بشری ایجاد شده است. در ایران نیز به‌عنوان کشوری درحال‌توسعه، استفاده مجدد از پساب‌ها و فاضلاب‌ها مورد چالش است. در این تحقیق، تصفیه پساب صنعتی سازمان تحقیقات و جهاد خودکفایی نزاجا با استفاده از سیستم تله ذره‌گیر مورد مطالعه قرار گرفت.

نتایج نشان داد که مقدار BOD، COD و TDS در نمونه اولیه به ترتیب 79/226±67/7326، 76/1118±67/14256 و 35/00±84/1200 میلی‌گرم بر لیتر بود و پس از فرایند تصفیه این مقادیر به ترتیب 32/25±67/159، 53/31±00/412، 32/13±67/157 میلی‌گرم بر لیتر کاهش یافت. کاهش 82/97% در BOD، 11/97% در COD و 86/86% در TDS تأثیر مثبت سیستم تصفیه بر کیفیت پساب را تأیید کرد.

نتایج همچنین نشان داد که تغییرات پارامترهای BOD، COD و TDS در پساب صنایع نظامی در طول زمان معنادار است. آزمون Mauchly نشان داد که فرض همسانی واریانس برای پارامترهای TDS و COD نقض شده و اصلاحات آماری لازم بود، درحالی‌که برای پارامتر BOD این فرض برقرار بود. همچنین، آزمون‌های Pillai's Trace و Wilks' Lambda تغییرات معناداری در هر سه پارامتر در طول زمان را نشان دادند که نشان‌دهنده تأثیر مثبت فرایند تصفیه بر کیفیت پساب است.

براساس نتایج گزارش‌شده، کارایی سیستم تله ذره‌گیر در فاضلاب صنایع دفاعی و نظامی مشخص و مورد تأیید است و با توجه به کارایی مناسب و ارزان‌قیمت بودن ساخت، سیستم تله ذره‌گیر به‌عنوان سیستمی کارآمد و مقرون‌به‌صرفه در زمینه تصفیه فاضلاب صنایع دفاعی و نظامی پیشنهاد می‌شود.

[1]. Potential of Hydrogen

[2]. Biological Oxygen Demand

[3]. Chemical Oxygen Demand

[4]. Total Nitrogen

[5]. Total Phosphate

[6] .Advanced Oxidation Process

[7] .Nano-bubbling

[8]. Ultraviolet

[9]. Bit Trap Filter

[10]. Total Dissolved Solids

[11]. Volatile Fatty Acids

[12] .Graphene Oxide

[13]. Total Suspended Solids

[14]. Membrane Bio Reactor

[15]. Nephelometric Turbidity Unit

[16]. Dissolved Oxygen Concentration