1
دانشیار گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
2
دانش آموخته کارشناسی ارشد مهندسی صنایع چوب و فراوردههای سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
3
استادیار گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
4
دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی صنایع چوب و فراوردههای سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
10.22034/ijwp.2025.2063966.1712
چکیده
بیان مساله و اهداف: افزایش روزافزون مصرف آب و تولید پساب در صنایع خمیر و کاغذ، بهویژه در فرایندهای پخت سودا و کرافت، منجر به تولید حجم عظیمی از مایع سیاه با بار آلایندگی بسیار بالا شده است. این پسابها عمدتاً حاوی لیگنین، فنولها، ترکیبات گوگردی، سیلیس و خاکستر هستند که نهتنها تیمار و دفع آنها را دشوار میسازند، بلکه تهدیدی جدی برای محیط زیست و منابع آبی به شمار میروند. روشهای سنتی تصفیه، از جمله تبخیر و سوزاندن به دلیل هزینههای زیاد انرژی، نیاز به سرمایهگذاری عظیم، هزینه عملیات زیاد و بازده نسبتاً کم از کارایی و صرفه اقتصادی لازم در مقیاس صنعتی برخوردار نیستند.از این رو در این پژوهش، اثربخشی تیمار زیستی مایع سیاه حاصل از فرایند پخت سودا و کرافت کاه گندم با بهرهگیری از باکتری Bacillus subtilis و با استفاده از سلولهای آزاد در کاهش پارامترهای آلودگی نظیر اکسیژن موردنیاز بیولوژیکی (BOD)، اکسیژن مورد نیاز شیمیایی (COD)، کل مواد جامد معلق (TSS) و کل مواد جامد حل شده (TDS) مورد بررسی قرار گرفت. مواد و روشها: در این مطالعه، مایع سیاه پخت از فرایند سودا و کرافت کاه گندم در شرایط کنترلشده آزمایشگاهی تهیه شد. تیمار زیستی با استفاده از سلولهای آزاد B. subtilis که از مرکز کلکسیون میکروارگانیسمهای صنعتی ایران تهیه گردیده بود، صورت گرفت. سلولهای باکتریایی پس از تکثیر و آمادهسازی در محیط کشت مایع حاوی مواد مغذی (کربن و نیتروژن) به نمونههای مایع سیاه رقیقشده افزوده شدند. شرایط بهینه برای تیمار (pH=7، دمای 30 درجه سانتیگراد و دور شیکر 80 دور در دقیقه) در بازه زمانی 0، 1، 3، 7، 11 و 14 روز در نظر گرفته شد. شاخصهای کلیدی آلودگی شامل BOD، COD، TDS و TSS در روزهای مختلف از تیمار اندازهگیری شد. تمامی آزمونها در سه تکرار انجام گرفت و تحلیل آماری دادهها با استفاده از نرمافزار SPSS صورت پذیرفت. نتایج: یافتهها نشان داد که B. subtilis توانایی قابل توجهی در کاهش شاخصهای آلودگی مایع سیاه، به ویژه در فرایند سودا دارد. در پساب سودا، میزان کاهش COD پس از 14 روز تیمار به 04/51 درصد و در کرافت به 03/38 درصد رسید. کاهش BOD در سودا برابر با 54/67 و در کرافت 14/40 درصد بود. همچنین میزان کاهش TDS و TSS در سودا به 88/45 و 43/22 درصد و در کرافت به ترتیب 32/49 و 32/17 درصد ثبت شد. عملکرد تیمار زیستی در روزهای ابتدایی (1 تا 5) بیشترین کارایی را نشان داد و پس از آن به علت کاهش منابع غذایی و احتمال افزایش سمیت محیط، آهنگ کاهش شاخصها کندتر شد. تحلیل منحنیهای رشد و تخریب آلایندهها نشان داد که کارایی B. subtilis در پساب کرافت به دلیل حضور لیگنین متراکم و ترکیبات گوگردی، به طور معناداری پایینتر از پساب سودا است. نتیجه گیری: نتایج حاصل از این پژوهش نشان میدهد که تیمار زیستی مایع سیاه پخت سودا و کرافت با استفاده از باکتری B. subtilisبه صورت سلولهای آزاد، میتواند در کاهش آلایندههای اصلی نظیر BOD، COD و TDSپساب موثر باشد و به عنوان رویکردی اقتصادی، کارآمد و دوستدار محیط زیست در تصفیه اولیه پسابهای صنایع سلولزی مورد استفاده قرار گیرد. فرایند تصفیه زیستی با باکتریها به دلیل بهرهوری زیاد، کاهش تولید لجن و سازگاری با شرایط عملیاتی میتواند جایگزین مناسبی برای روشهای پرهزینه شیمیایی و حرارتی باشد و زمینه بهبود عملکرد فرآیندهای بعدی مانند لجن فعال و تولید بیوگاز را فراهم کند.
[1] Buraimoh, O. M., Amund, O. O. and Ilori, M. O., 2015. Kraft lignin degradation by autochtonous streptomyces strains isolated from a tropical lagoon ecosystem. Microbiol Biotech Food Sci, 5 (3) pp. 248-253. http://dx.doi.org/10.15414/jmbfs.2015/16.5.3.248-253
[2] Chang, Y.C., Choi, D., Takamizawa, K. and Kikuchi, S., 2014. Isolation of Bacillus sp. strains capable of decomposing alkali lignin and their application in combination with lactic acid bacteria for enhancing cellulase performance. Bioresource technology, 152, pp.429-436. DOI: 10.1016/j.biortech.2013.11.032
[3] Dafinov, A., Font, J. and Garcia-Valls, R., 2005. Processing of black liquors by UF/NF ceramic membranes. Desalination, 173(1), pp.83-90, https://doi.org/10.1016/j.desal.2004.07.044
[4] abd-elsalam, h.e. and el-hanafy, A.A., 2009. Lignin biodegradation with lignolytic bacterial strain and comparism of Bacillus subtilis and Bacillus spisolated from Egyptian soil. American-Eurasian Journal of Agriculture and Environmental Sciences, 5(1), 39-44.https://www.researchgate.net/publication/237566835
[5] Mahesh, S., Prasad, B., Mall, I.D. and Mishra, I.M., 2006. Electrochemical degradation of pulp and paper mill wastewater. Part 1. COD and color removal. Industrial & engineering chemistry research, 45(8), pp.2830-2839. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ie0514096
[6] Zhang, L., Chen, K. and Peng, L., (2017). Comparative research about wheat straw lignin from the black liquor after soda-oxygen and soda-AQ pulping: structural changes and pyrolysis behavior. Energy & Fuels, 31(10), pp.10916-10923. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.energyfuels.7b01786
[7] Tutuş, A.H.M.E.T. and Eroğlu, H.Ü.D.A.V.E.R.D.I., 2003. A practical solution to silica problem in straw pulping. Appita Journal, 56(2), pp.111-115. https://www.researchgate.net/publication/279572437
[8] Tutus, A. and Eroglu, H., 2004. An alternative solution to the silica problem in wheat straw pulping. Appita: Technology, Innovation, Manufacturing, Environment, 57(3), pp.214-217. https://search.informit.org/doi/abs/10.3316/informit .
[9] Kumar, S., Haq, I., Prakash, J., Singh, S.K., Mishra, S. and Raj, A., 2017. Purification, characterization and thermostability improvement of xylanase from Bacillus amyloliquefaciens and its application in pre-bleaching of Kraft pulp. 3 Biotech, 7(1), pp.1-12,DOI: 10.1007/s13205-017-0615-y
[10] Lihong, M., Furong, L. and Jinli, W., 2009. Biological treatment of high-pH and high-concentration black liquor of cotton pulp by an immediate aerobic-anaerobic-aerobic process. Water Science and Technology, 60(12), pp.3275-3284. https://doi.org/10.2166/wst.2009.737
[11] Kamali, M., Gameiro, T., Costa, M.E.V. and Capela, I., 2016. Anaerobic digestion of pulp and paper mill wastes–An overview of the developments and improvement opportunities. Chemical Engineering Journal, 298, pp.162-182. https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.03.119
[12] Kumar, A., Kumar, J. and Bhaskar, T., 2020. Utilization of lignin: A sustainable and eco-friendly approach. Journal of the Energy Institute, 93(1):235–271https://doi.org/10.1016/j.joei.2019.03.005
[13] Mir-Tutusaus, J.A., Baccar, R., Caminal, G. and Sarrà, M., 2018. Can white-rot fungi be a real wastewater treatment alternative for organic micro pollutants removal, A review. Water research, 138, pp.137-151 https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.02.056
[14] Coleman, G., 1967. Studies on the Regulation of Extracellular Enzyme Formation by Bacillus subtilis. Microbiology, 49(3), 421-431.https://doi.org/10.1099/00221287-49-3-421
[15] Kyoung, S. M., Gyeongtaek, G., Han, M. W., Yunje, K. and Youngsoon, U., 2015. A dye-decolorizing peroxidase from Bacillus subtilis exhibiting substrate-dependent optimum temperature for dyes and b-ether lignin dimer. Scientific Reports, 5: 8245, https://doi.org/10.1038/srep08245
[16] Olanike, M. B., Olukayode, O. A. and Matthew, O. I., 2015. Kraft lignin degradation by autochtonous streptomyces strains isolated from a tropical lagoon ecosystem. J Microbial Biotech Food Sci, 16: 5 (3) pp. 248-253, http://ir.unilag.edu.ng:8080/xmlui/handle/123456789/955
[17] Hassan, E., Abd-Elsalam and Amr A. El-Hanafy, A., 2009. Lignin Biodegradation with Ligninolytic Bacterial Strain and Comparison of Bacillus subtilis and Bacillus sp. isolated from Egyptian Soil. American-Eurasian J. Agric. & Environ. Sci., 5 (1): pp. 39-44. https://www.researchgate.net/publication/237566835
[18] Aguilar-Torrejón, J. A., Balderas-Hernández, P., Roa-Morales, G., Barrera-Díaz, C. E., Rodríguez-Torres, I. and Torres-Blancas, T., 2023. Relationship, importance, and development of analytical techniques: COD, BOD, and, TOC in water An overview through time. SN Applied Sciences, 5(4), 118.https://doi.org/10.1007/s42452-023-05318-7
[19] Yang, J., Zhao, J., Jiang, J., Xu, H., Zhang, N., Xie, J. and Wei, M., 2021. Isolation and characterization of Bacillus Sp. capable of degradating alkali lignin. Frontiers in Energy Research, 9, 807286.. https://doi.org/10.3389/fenrg.2021.807286
