Όρια και προοπτικές της επεξεργασίας υγρών αποβλήτων της βιομηχανίας χαρτοπολτού και χαρτιού – Μια ανασκόπηση

Περίληψη

Κάθε χρόνο η βιομηχανία χαρτοπολτού και χαρτιού καταναλώνει δισεκατομμύρια κυβικά μέτρα νερού και παράγει τεράστιες ποσότητες εξαιρετικά μολυσμένων υγρών αποβλήτων που πρέπει να υποβληθούν σε επεξεργασία. Οι συμβατικές τεχνικές επεξεργασίας υγρών αποβλήτων απαιτούν υψηλή ενεργειακή κατανάλωση και ο περιβαλλοντικός τους αντίκτυπος είναι αμφισβητήσιμος. Συνεπώς, η ανάγκη εξεύρεσης νέων βιώσιμων, φιλικών προς το περιβάλλον και αποτελεσματικών τεχνικών επεξεργασίας είναι επιτακτική. Οι μικροβιακές κυψέλες καυσίμου (MFC) αποτελούν την τεχνολογία του μέλλοντος, καθώς επεξεργάζονται ταυτόχρονα τα λύματα και παράγουν καθαρή ενέργεια. Περιγράφηκε η ιστορική εξέλιξη αυτής της τεχνολογίας προς την εφαρμογή της στην επεξεργασία υγρών αποβλήτων. Η εφαρμογή των MFC στην επεξεργασία υγρών αποβλήτων χαρτοπολτού και χαρτιού είναι ένα νέο και αναπτυσσόμενο πεδίο έρευνας που πρέπει ακόμη να ξεπεράσει πολλούς περιορισμούς πριν από τη χρήση του σε βιομηχανική κλίμακα. Στο παρόν άρθρο γίνεται ανασκόπηση των ορίων των συμβατικών μεθόδων επεξεργασίας και της τρέχουσας κατάστασης των συστημάτων MFC για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων χαρτοπολτού και χαρτιού.Το έγγραφο παρέχει μια επισκόπηση των ηλεκτρογενετικών μικροοργανισμών που είναι σε θέση να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια από απόβλητα χαρτοπολτού και χαρτιού. Τα βακτήρια, που απομονώθηκαν σε διάφορα στάδια της παραγωγής χαρτοπολτού και χαρτιού, είναι τα πλέον κατάλληλα για ηλεκτρογενετική δραστηριότητα σε σκληρά περιβάλλοντα. Αποδείχθηκε ότι η τεχνολογία MFC ανταποκρίνεται πλήρως στις απαιτήσεις της βιώσιμης επεξεργασίας υγρών αποβλήτων χαρτοπολτού και χαρτιού και, όσον αφορά το ενεργειακό ισοζύγιο εισροών-εκροών, παραμένει ενεργειακά και περιβαλλοντικά ανταγωνιστική σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους επεξεργασίας.

Εισαγωγή

Τα πρότυπα των βιομηχανικών τεχνολογιών και λύσεων καθορίζουν την κατάσταση του περιβάλλοντος και την ποιότητα ζωής. Όσο μεγαλύτερη είναι η βιομηχανία, τόσο περισσότερα απόβλητα και ρύπανση παράγει συνήθως και τόσο μεγαλύτερες είναι οι επιπτώσεις στο περιβάλλον. Η παραγωγή χαρτοπολτού και χαρτιού (P&P) έχει γίνει μια από τις μεγαλύτερες βιομηχανίες παγκοσμίως και, ταυτόχρονα, είναι ένας από τους βιομηχανικούς τομείς που σχετίζονται περισσότερο με το νερό, καθώς και ένας από τους πιο ενεργοβόρους. Η ζήτηση για προϊόντα της χαρτοβιομηχανίας έχει αυξηθεί με την πάροδο των ετών. Σύμφωνα με την FAOSTAT, η παγκόσμια παραγωγή χαρτιού το 2015 ξεπέρασε τους 390 εκατ. τόνους. Επιπλέον, σύμφωνα με τις προβλέψεις, η παραγωγή χαρτιού πρόκειται να αυξηθεί. Η βιομηχανία χαρτοπολτού και χαρτιού χρειάζεται τεράστιες ποσότητες νερού. Το νερό που χρησιμοποιείται στα εργοστάσια χαρτοπολτού και χαρτιού κυμαίνεται από 5 έως 100 m3 ανά 1 τόνο παραγόμενου χαρτιού, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του υποστρώματος, τον τύπο του παραγόμενου χαρτιού και τον βαθμό επαναχρησιμοποίησης του νερού. Οι διαδικασίες παραγωγής χαρτοπολτού και χαρτιού διαφέρουν σε διάφορα μέρη του κόσμου. Στα σύγχρονα εργοστάσια χαρτοπολτού η κατανάλωση νερού κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 10 και 50 m3 ανά 1 τόνο χαρτιού.Στις αναπτυσσόμενες χώρες παράγονται μεγαλύτεροι όγκοι λυμάτων, καθώς το νερό επαναχρησιμοποιείται σε χαμηλό ποσοστό και η επεξεργασία των λυμάτων είναι ανεπαρκώς οργανωμένη. Στα ελαιοτριβεία που λειτουργούν στις ανεπτυγμένες χώρες η ποσότητα των υγρών αποβλήτων μειώνεται και εφαρμόζονται βιολογικές διεργασίες επεξεργασίας. Ωστόσο, κάθε χρόνο έχουμε να διαχειριστούμε περίπου 3 δισεκατομμύρια m3 υγρών αποβλήτων της βιομηχανίας χαρτοπολτού και χαρτιού. Ο κόσμος αρχίζει να αυστηροποιεί τους κανονισμούς που αφορούν τις αποδεκτές ποσότητες υγρών αποβλήτων και την τοξικότητα των υγρών αποβλήτων των χαρτοβιομηχανιών. Καθώς οι τιμές του νερού αυξάνονται και τα περιβαλλοντικά πρότυπα αυστηροποιούνται, η παγκόσμια αγορά για την επεξεργασία λυμάτων στον τομέα του χαρτοπολτού και του χαρτιού αναμένεται να αυξηθεί από 983,9 εκατομμύρια δολάρια το 2012 σε 1,569 δισεκατομμύρια δολάρια το 2020, σύμφωνα με ανάλυση της Frost and Sullivan. Οι συμβατικές μέθοδοι επεξεργασίας υγρών αποβλήτων χαρτοπολτού και χαρτοποιίας αντιμετωπίζουν είτε τη δευτερογενή ρύπανση των υγρών αποβλήτων είτε την υψηλή παροχή ενέργειας. Έτσι, οι κατασκευαστές P&P έχουν αναγκαστεί να στραφούν από τις συμβατικές τεχνικές επεξεργασίας λυμάτων σε πιο εξελιγμένες που τους επιτρέπουν να πληρούν τα ισχύοντα περιβαλλοντικά πρότυπα. Ως εκ τούτου, η αναζήτηση φιλικών προς το περιβάλλον και αποτελεσματικών τεχνικών για την επεξεργασία των λυμάτων της βιομηχανίας P&P εξακολουθεί να αποτελεί οξύ πρόβλημα.

Στόχος του παρόντος άρθρου είναι να εξετάσει τα όρια των συμβατικών μεθόδων επεξεργασίας και την τρέχουσα τεχνολογία μικροβιακών κυψελών καυσίμου (MFC) για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων P&P, η οποία παράγει καθαρή ενέργεια. Έχει αποδειχθεί ότι η τεχνολογία MFC μπορεί να αποτελέσει το κλειδί για τη βιώσιμη επεξεργασία υγρών αποβλήτων στη βιομηχανία P&P.

Αποσπάσματα τμήματος

Περιορισμοί των συμβατικών μεθόδων επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων χαρτοπολτού και χαρτιού

Η συμβατική επεξεργασία των υγρών αποβλήτων χαρτιού και χαρτοπολτού περιλαμβάνει φυσικοχημικές και βιολογικές μεθόδους. Οι φυσικοχημικές τεχνικές επεξεργασίας είναι η καθίζηση, η πήξη και η καθίζηση, η προσρόφηση, η χημική οξείδωση και η διήθηση με μεμβράνες. Μεταξύ των φυσικοχημικών μεθόδων η πήξη/κροκίδωση είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνική διαχωρισμού για την απομάκρυνση των αιωρούμενων και διαλυμένων στερεών και της οργανικής ύλης από τα απόβλητα P&P.

Χαρακτηριστικά των υγρών αποβλήτων της βιομηχανίας χαρτοπολτού και χαρτιού

Η χημική σύσταση των υγρών αποβλήτων της βιομηχανίας χαρτοπολτού και χαρτιού διαφέρει σημαντικά από εργοστάσιο σε εργοστάσιο. Τα παραγόμενα λύματα είναι συνήθως ιδιαίτερα συμπυκνωμένα και χαρακτηρίζονται από ένα ευρύ φάσμα τιμών COD – δηλαδή 0,5-115 g/l. Οι κύριοι λόγοι για αυτό είναι τα διαφορετικά χαρακτηριστικά του χρησιμοποιούμενου υποστρώματος (π.χ. είδη σκληρής ή μαλακής ξυλείας, ανακυκλωμένο χαρτί κ.λπ.) και οι διαφορές στις διαδικασίες πολτοποίησης και χαρτοποίησης.

Ιστορική εξέλιξη των μικροβιακών κυψελών καυσίμου για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων

Έχουν περάσει σχεδόν 100 χρόνια από τότε που έγινε η πρώτη παρατήρηση των ηλεκτρικών φαινομένων που συνοδεύουν τη διάσπαση οργανικών ενώσεων από μικροοργανισμούς. Η ανακάλυψη του φαινομένου αυτού έγινε από τον M.C. Potter σε Escherichia coli και Saccharomyces cerevisiae με τη χρήση ηλεκτροδίων λευκόχρυσου. Κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το μετρούμενο ηλεκτρικό ρεύμα ήταν αποτέλεσμα της δραστηριότητας του μικροοργανισμού.

Βακτήρια που απομονώνονται από τα υγρά απόβλητα εργοστασίων παραγωγής χαρτοπολτού και χαρτιού

Τα υγρά απόβλητα από τη βιομηχανία P&P είναι πιο δύσκολο να υποβληθούν σε επεξεργασία με MFC λόγω της ειδικής τους σύνθεσης. Ένα από τα κύρια ζητήματα, είναι η αποτελεσματικότητα της αποικοδόμησης της κυτταρίνης, ιδίως παρουσία λιγνινών που έχουν ανασταλτική επίδραση στη δραστηριότητα των μικροοργανισμών. Τα προϊόντα της αποικοδόμησης της λιγνίνης είναι γνωστό ότι έχουν αρνητική επίδραση στα βακτήρια στα συστήματα MFC και η παρουσία τους σε υψηλές συγκεντρώσεις συχνά εμποδίζει τον μεταβολισμό των βακτηρίων.

Συμπεράσματα

Η βιομηχανία χαρτοπολτού και χαρτιού είναι ο τρίτος μεγαλύτερος παραγωγός βιομηχανικών λυμάτων στον κόσμο και παράγει το 42% των παγκόσμιων βιομηχανικών λυμάτων. Οι αυστηρότερες περιβαλλοντικές απαιτήσεις αναγκάζουν τους παραγωγούς χαρτοπολτού και χαρτιού να στραφούν από τα παραδοσιακά συστήματα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων σε πιο εξελιγμένες τεχνικές.