ترکیبات آلی مصنوعی از ضایعات صنعت کاغذ: مداخلات بیوتکنولوژیکی یکپارچه

ترکیبات آلی مصنوعی (SOCs) به‌عنوان ترکیبات بیگانه‌بیوتیکی گزارش می‌شوند که محیط‌زیست را از منابع مختلف از جمله زباله‌های صنایع خمیر و کاغذ آلوده می‌کنند: از آنجایی که تقاضا و تولید کاغذ به طور فزاینده‌ای در حال رشد است، انتشار ضایعات صنعتی کاغذ و خمیر متشکل از SOCها نیز انجام می‌شود. افزایش آلودگی SOCها در مخازن طبیعی برای ایجاد آلودگی محیطی. در صنایع خمیر و کاغذ، SOCs یعنی. ترکیبات فنلی، فوران ها، دیوکسین ها، ترکیبات بنزن و غیره در مرحله سفید کردن پالپ تولید می شوند و از اجزای اصلی تخلیه صنعتی هستند. این بررسی مروری بر مداخلات مختلف بیوتکنولوژیکی برای مدیریت پساب زباله کارخانه کاغذ و استراتژی‌های حذف ارائه می‌کند. علاوه بر این، این بررسی همچنین بینشی کلی از روش‌های مختلف برای محدود کردن انتشار SOCs در مخازن طبیعی، محدودیت‌های آن و رویکردهای یکپارچه برای پاکسازی زیستی SOCs با استفاده از رویکردهای میکروبی مهندسی شده ارائه می‌دهد. علاوه بر این، یک مرور مختصر از اصلاح پایدار SOC ها از طریق عوامل بیولوژیکی اصلاح شده ژنتیکی، از جمله نوآوری سیستم مهندسی زیستی در سطح صنعت قبل از تخلیه زباله ارائه می دهد.

معرفی

صنعت کاغذ و خمیر مواد اولیه مختلفی مانند چوب، محصولات مبتنی بر سلولز و غیره را مصرف می کند. هدف اصلی صنعت کاغذ و خمیر تولید در مقیاس بزرگ برای تعیین تقاضا است. این بینش مروری در مورد آلودگی محیطی ناشی از SOCهای تولید شده در مراحل مختلف پردازش (جدول 1). جنگل زدایی برای چوب باعث کاهش سطح اکسیژن در سراسر جهان شده است که مستقیماً مسئول سیل و خشکسالی است.بیشتربخوانید  آلودگی آب توسط تخلیه زباله از صنایع خمیر کاغذ نیز بدنه های آبی را با ترکیبات آلی محلول (DOCs)، ترکیبات آلی مصنوعی (SOCs) و ذرات معلق آلوده می کند (گوپتا و گوپتا، 2019؛ Ramírez-García و همکاران، 2019). ترکیبات آلی که از طریق مصرف آب به انسان می رسد منجر به مشکلات سلامتی می شود که فوری نیستند اما اثرات طولانی مدت دارند. تخلیه زباله همچنین زندگی آبزیان را مختل می کند (کربلایی و همکاران، 2018؛ گوپتا و همکاران، 2019). انتشار مواد شیمیایی و گازهای مضر مانند دی اکسید گوگرد، اکسید نیتروژن، مونوکسید کربن باعث باران اسیدی می شود زیرا محلول در آب هستند و به طور غیرمستقیم به بدنه های آبی می رسند (گوپتا و شوکلا، 2020). متلی مرکاپتان ها، سولفیدهای هیدروژن و سولفیدهای دی متیل به همراه ترکیبات آلی فرار (VOCs) منجر به آلودگی هوا و آب می شوند (سینگ و چاندرا، 2019؛ پینو کورتس و همکاران، 2020). آزمایشات برای پیشگیری از آلودگی توسط صنایع (با استفاده از عوامل سفید کننده جایگزین)، محیط بانان (با انتشار هنجارها) و همچنین توسط مصرف کنندگان (با بازیافت زباله و استفاده از مخازن ته نشینی) در حال استفاده مداوم است. با این حال، این اقدامات تقاضا برای تخریب ضایعات SOC ها از صنعت کاغذ و خمیر کاغذ را برآورده نمی کند (Zumstein et al., 2018; Liu, 2020). در گزارش‌های اخیر، محققان علاقه خود را به پیشرفت‌های بیوتکنولوژیکی برای تخریب آلاینده‌ها نشان داده‌اند (الوز و صیادی، 2016؛ تریپاتی و همکاران، 2017؛ شارما و همکاران، 2020). این بررسی پیشرفت در روش‌شناسی را از طریق عوامل بیولوژیکی مهندسی شده (عمدتاً باکتری‌ها) پوشش می‌دهد که برای پاکسازی زیستی پایدار SOCs بررسی و پیشنهاد می‌شوند.

میز 1

www.frontiersin.org

جدول 1. انواع SOC از صنعت کاغذ.

SOC ها از زباله های صنعت کاغذ

اکوسیستم آلوده و آسیب دیده توسط فعالیت های انسانی با شدت فزاینده به یک مشکل در درجه اول جهانی تبدیل می شود. SOCها در طبیعت منشأ بیگانه بیوتیک دارند و بنابراین مشکلاتی در تبدیل زیستی وجود دارد (Antizar-Ladislao and Galil, 2004؛ Kumar et al., 2019). به دلیل مقاومت، اثرات اکوتوکسیک بر روی بیوسفر دارد. SOCها را می توان اساساً با ترکیباتی مانند متان، اتیلن، آلیفاتیک و آروماتیک تولید کرد. در میان موارد فوق، بیشتر SOCهای مهم صنعتی از آروماتیک ها به دست می آیند، یعنی اتیل بنزن، زایلن، بنزن و تولوئن (Fang et al., 2018). SOCها بر اساس کاربردهای اولیه آنها عمدتاً مانند حلقوی، غیر حلقوی، آروماتیک یا آلیفاتیک طبقه بندی می شوند. SOCها شامل دسته‌های بزرگی مانند کربن‌های آلی فرار (VOCs) و آلاینده‌های آلی نسبتاً نوظهور (EOCs) هستند. VOC ها عمدتاً حاوی حلال های صنعتی، عوامل بنزین، تری هالومتان ها و غیره هستند، در حالی که EOC ها دارای مواد دارویی، مواد مختل کننده غدد درون ریز، هورمون ها، افزودنی های غذایی، میکروپلاستیک ها و غیره هستند (Lapworth et al., 2012; Postigo and Barceló, 2015). SOCها عمدتاً در تصفیه خانه های فاضلاب وجود دارند. بسیاری از SOC ها از طریق تبدیل عکس یا واکنش های شیمیایی مختلف عبور می کنند و بسیاری از آنها در یک سیستم محیط باز بی اثر می مانند.

در کارخانه کاغذ، SOC ها در طی فرآیند خمیر و کاغذ سازی آزاد می شوند. کلر و مشتقات آن به عنوان هالیدهای آلی قابل جذب (AOX) آزاد و مهار شده اند (Savant et al., 2006)، در حالی که سایر عوامل بیگانه بیگانه (اسیدهای رزینی، لیگنین های کلردار، دیوکسین ها، فنولیک (تانن ها) و فوران ها) از طریق خمیرسازی تولید می شوند. و تولید کاغذبرداشت (چاندرا و همکاران، 2011). از موارد فوق، ترکیبات دی بنزوفوران و دی بنزودیوکسین های پلی کلره فوران ها و دیوکسین ها به طور قابل توجهی در برابر تخریب مقاوم بوده و در طبیعت پایدار هستند (گوپتا و شوکلا، 2020). ترکیبات پلیمری فنلی قطبی (تانن ها) در طول فرآیند پوست کندن مواد خام چوب در فاضلاب آزاد می شوند که 50٪ COD این فاضلاب را ایجاد می کند (چاندرا و همکاران، 2018). مطالعه دیگری نشان داد که دی‌ترپن‌های سه حلقه‌ای (اسیدهای رزینی) طبیعی در طی عملیات خمیر‌سازی آزاد می‌شوند که دارای اسیدهای آبی-فوبیک رقت‌انگیز و سطوح سمیت برای حیوانات آبزی در غلظت هستند. 200-800 میکروگرم در لیتر در فاضلاب (Duan et al., 2020). اسیدهای رزین عمدتاً از فرآیند خمیرسازی حاوی دهیدروآبیتیک اسید، اسید آبئیتیک، اسید پیماریک، اسید ایزوپیماریک، اسید لووپیماریک و اسید نئوآبیتیک تولید می‌شوند (Yadav and Chandra، 2018). از بین تمام اسیدهای رزینی، اسید ایزوپیماریک به عنوان بسیار سمی قابل توجه است. بسیاری از SOCها در طی فرآیند شیمیایی مانند تقویم (پوشش برای صافی کاغذ) در صنعت تولید کاغذ به داخل بدنه آب تخلیه می شوند. نمودار شماتیک فرآیندهای خمیر کاغذ آزاد کننده SOCها در شکل 1 نشان داده شده است. دیوکسین ها و فوران ها نیز هنگام واکنش کلر با برخی از کف زدا و نگهدارنده های چوب مانند پنتاکلروفنل (PCP) در طی فرآیند خمیرسازی، شستشو و سفید کردن خمیر آزاد می شوند (بادار و فاروقی، ). بعلاوه، بیشتر SOCهایی که از فرآیند سفیدکننده خارج می شوند عبارتند از: دیتول اتان، بیس (متیل فنوکسی) اتان، دی ایزو پروپیل نفتالین، ترفنیل، کلرومتیل فنوکسی متیل فنیل اتان و غیره (Singh and Chandra, 20). رنگ های زیادی برای چاپ کاغذ در کارخانه های کاغذسازی استفاده می شود. در نهایت، حدود 200 میلیارد لیتر پساب رنگ بر اساس نوع پارچه و رنگ مصرفی آزاد می شود. بسیاری از محققان گزارش کردند که رنگ‌های آلی مصنوعی مانند رنگ‌های آزو، فتالوسیانین و آنتراکینون به‌عنوان پساب در بدنه آب تخلیه می‌شوند و بیشترین تأثیر سمی را بر محیط‌زیست و همچنین سلامت انسان دارند (Tkaczyk et al., 2020).

شکل 1

www.frontiersin.org

شکل 1. نمودار شماتیک فرآیندهای خمیری که SOC های مختلف را آزاد می کنند.

راه هایی برای جلوگیری از تولید SOCs به عنوان زباله

برای ارزیابی و کاهش اثرات خطرناک و بار SOCهای آزاد شده از صنایع خمیر و کاغذ در محیط زیست، فرآیندهای مختلفی مانند استفاده از فرآیند سفید کردن بدون کلر، استفاده از مواد شیمیایی دوستدار محیط زیست برای خمیرسازی، استفاده از خمیرسازی آنزیمی و سفید کردن به جای آن انجام می شود. از فرآیند خمیرسازی شیمیایی و بلیچینگ استفاده شده است. در این میان، چندین روش پیشرفته و قابل توجه دیگر برای کاهش بار SOCها در فاضلاب اتخاذ شده است که در زیر مورد بحث قرار می گیرد.

بسیاری از محققین بسیاری از روش‌های مهم و مهم زیست‌محیطی را اتخاذ کرده‌اند که به حذف آلاینده‌های آلی از محیط کمک می‌کند، مانند جذب، تجزیه زیستی، راه‌اندازی، هیدرولیز، فتولیز و غیره (علی و همکاران، 2012). اما هنوز نتایج قابل توجهی به دست نیامده است. علاوه بر این، تکنیک‌های جذب مرسوم که با پس تصفیه با استفاده از کربن فعال دانه‌ای (GAC) ادغام شده‌اند، در سطح جهانی برای حذف AOX برای فاضلاب آسیاب خمیر کاغذ مورد استفاده قرار گرفته‌اند. به گفته عثمان و همکاران. (2013)، تصفیه فاضلاب کارخانه کاغذ GAC مورد استفاده با یک راکتور بیوفیلم ناپیوسته توالی (GACSBBR) قابلیت قابل توجهی در حذف AOX در طولانی ترین زمان نگهداری هیدرولیکی (HRT) دارد (فاروقی و بشیر، 2017). در حال حاضر، محققان نشان داده‌اند که استفاده از جذب بیوچار برای کاهش آلاینده‌های آلی به یک زمینه جالب تحقیقاتی و کانونی تبدیل شده است. بیوچار ساختار متخلخلی دارد و حاوی گروه های عملکردی اکسیژن و مواد معدنی است (Weber and Quicker, 2018). برای از بین بردن رنگ ها، این رنگ ها به انواع مختلف فرآیند درمان می روند (پوزین و موستراگ، 2012). فرآیندهای بیولوژیکی، شیمیایی و فیزیکی را می توان بر اساس مراحل تصفیه فاضلاب (تصفیه اولیه، ثانویه و سوم) انجام داد (سامر، 2015). حذف جامدات آلی و معدنی در تصفیه اولیه از طریق ته نشینی، آسیاب کردن و لخته سازی صورت می گیرد. در حالی که در تیمارهای بیولوژیکی (تصفیه ثانویه)، مواد آلی توسط میکروارگانیسم های هوازی یا بی هوازی با استفاده از فرآیندهای اکسیداسیون بیولوژیکی و بیوسنتز استفاده می شود. در تصفیه ثالثه، فاضلاب تحت فرآیندهای مختلف تصفیه مانند فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته، تبادل یونی، جذب و فرآیندهای اسمز معکوس قرار می گیرد. به عنوان مثال، بسیاری از محققان از جاذب نانوکامپوزیت اکسید آهن-بیوچار استخراج شده از لجن کارخانه کاغذ استفاده کردند (Chaukura et al., 2017).

مطالعه دیگری گزارش/بررسی کرد که بیوچار می‌تواند از مقوا (BCPD)، کود خوک (BC-PM) و چوب کاج (BC-PW) برای استفاده در جذب رنگ‌های آلی مصنوعی مختلف در چندین شرایط پیرولیز تهیه شود. به دلیل محتوای خاکستر بالا، BC-PM خواص جذب قابل توجهی را نشان داد (Lonappan et al., 2016). روش‌های جذب در مقایسه با سایر روش‌ها از جمله روش‌هایی هستند که برای حذف رنگ‌ها استفاده می‌شوندds (سریواستاوا و همکاران، 2018). در طی فرآیند تخریب رنگ‌های آلی مصنوعی، سینتیک‌های تغییر شکل‌های مختلفی را تجربه می‌کند. برخی از تغییرات در عوامل سمی تر و برخی از آنها عوامل غیر سمی است. تکنیک‌های پیشرفته مانند تکنیک‌های پخت اکسیژن، پراکسید هیدروژن و تصفیه ازن برای فرآیند سفید کردن خمیر می‌توانند گزینه‌هایی برای پیش تصفیه ضایعات لجن اولیه باشند که به کاهش بار محیطی تولید SOCها کمک می‌کند. بیشتر دو نوع پیش تصفیه شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرد، قلیایی و اسیدی. پیش تیمار اسیدی برای همی سلولز ترویج می شود در حالی که پیش تیمار قلیایی برای لیگنوسلولز، که استفاده از محصولات آنها را در دسترس تر می کند (هندریکز و زیمن، 2009). با این حال، بسیاری از روش های اصلاح شده برای فرآیند خمیر و سفید کردن آسیاب خمیر کاغذ استفاده شده است. خمیرسازی زیستی برای فرآیند خمیرسازی با استفاده از آنزیم های دوستدار محیط زیست مناسب است و می تواند تولید SOC ها را در مواد زائد کاهش دهد. برخی از تکنیک های دیگر مانند نوآوری در فرآیند سفید کردن را می توان توسط بسیاری از محققان اتخاذ کرد. این تکنیک‌ها تکنیک‌های سفیدکننده بدون کلر عنصری (ECF) و یک تکنیک سفیدکننده کاملاً بدون کلر (TCF) هستند (گوپتا و همکاران، 2019).

بیشتر