صنایع لبنی صنایعی هستند که در آنها شیر را به عنوان ماده اولیه دریافت کرده و سپس طی فرآیندهای صنعتی خود به محصولات و فرآورده­ های مختلف از قبیل ماست، دوغ، شیر پاستوریزه، بستنی، خامه، کره و پنیر تبدیل می­‌نمایند. صنایع لبنی در ایران نقش مهمی در تأمین لبنیات و شیر پاستوریزه دارند.

شیرحاوی آب، چربی پروتئین، لاکتوز، مواد معدنی (املاح) و ویتامین ­های مختلف است. اگر چه ترکیبات هر شیر بسته به نوع دام (گاو یا گوسفند)، نژاد و تغذیه متفاوت است ولی به طور کلی می­ توان ترکیب شیر گاو را که تقریباً تمام کارخانجات مهم از آن استفاده می­ کنند، مطابق جدول 1 دانست.

املاح عمده شیر شامل کلسیم، سدیم، پتاسیم و منیزیم می ­باشد که به فرم فسفات، کلرور، نیترات و کازئینات هستند. همچنین به مقدار خیلی کمی نیز عناصری مانند گوگرد، روی، روبیدیم، سیلیکون، برم، آلومینیوم، آهن و غیره نیز در شیر یافت می ­شود. حجم بالای تولید فاضلاب این صنایع در کنار بار آلودگی قابل توجه آنها باعث شده است که در کشورهای مختلف قوانین سختگیرانه­ ای برای این دسته از صنایع در نظر گرفته شود.

فاضلاب صنایع لبنی معمولاً وقتی وارد آبهای جاری یا طبیعی شوند منجر به تولید پدیده ­های زیر می­ شوند.

1- اکسیژن محلول در آب را به سرعت مصرف نموده و در نتیجه باعث مرگ جانداران آبی خواهند شد.
2- باعث تشکیل لجن در کف رودخانه می­ شوند.
3- قارچ های موجود در فاضلاب به سرعت رشد پیدا می­ کنند.
4- مقدار pH آب تدریجاً کاهش یافته و شرایط مناسب برای حیات جانداران را از بین می­ بردند.

      فاضلاب تولیدی در کارخانه و صنایع لبنی ناشی از شستشوی زمین و عملیات CIP می باشد و حاوی مقادیر بسیار زیادی چربی، COD و BOD و همچنین ذرات معلق یا همان TSS می باشد که در تصفیه فاضلاب صنایع لبنی به طور کامل تصفیه می گردد.
تصفیه فاضلاب صنایع لبنی با توجه به ماهیت و نوع تولیدات آن مانند شیر، ماست، دوغ و پنیر در مرحله اول توسط روشهای فیزیکی، شیمیایی و در مرحله دوم توسط روشهای بیولوژیکی صورت می گیرد. استفاده از روشهای بی هوازی و هوازی و چربی گیر ساده و پیشرفته از ملزومات تصفیه فاضلاب صنایع لبنی است. اما بطور کلی منابع تولید فاضلاب در این کارخانجات را می ­توان در دو بخش اصلی زیر خلاصه نمود.

1- آب شستشوی مخازن در محل دریافت شیر
2- آب شستشوی شیرآلات، لوله­ ها و دیگر تأسیسات

نحوه تولید فاضلاب در کارخانه صنایع لبنی
تولید فاضلاب در کارخانه لبنیات از شستشوی تجهیزات، زمین، ماشین آلات و خطوط انتقال شیر و سایر مواد لبنی ناشی می گردد. لبنیات به علت میزان چربی، کربوهیدرات و پروتئین بالا محیط بسیار مناسبی برای رشد انواع میکروارگانیزم ها، آنزیم ها و باکتری ها می باشد. بنابراین شستشوی ظروف و ماشین آلات مربوط به تولید محصولات لبنی اهمیت بسیار زیادی دارد.
میزان تولید پساب در کارخانه لبنیات به مقدار زیادی به نحوه تولید و نوع محصولات تولیدی بستگی دارد. مهمترین محصولات کارخانه لبنی شامل شیر، دوغ، ماست، کره و پنیر می باشد. به طور کلی ماده اولیه تمامی کارخانه صنایع لبنی شیر می باشد و به ازای هر تن شیر خام ورودی به کارخانه در حدود 4 الی 10 مترمکعب فاضلاب تولید می گردد.
امروزه با به کاربردن ماشین آلات صنعتی در تولید محصولات لبنی و مکانیزه شده فرایند تولید، ضرورت شستشوی در محل یا همان CIP تجهیزات از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد. یک عملیات CIP صحیح و اصولی سبب می شود باقی مانده شیر و فرآورده های آن به طور کامل از مخازن، پاتیل ها، لوله ها و دستگاه های تولید و بسته بندی خارج گردد. همچنین مانع از رشد ارگانیزم ها و باکتری ها می شود. عملیات CIP یا همان شستشوی در محل توسط محلولهای اسیدی یا بازی انجام می گیرد. به طور کلی یک شستشو دارای مراحل زیر می باشد:
1) شستشو با آب سرد
2) شستشو با محلول سود سوز آور در دمای بالا
3) شستشو با آب
4) شستشو با محلول اسید نیتریک یا اسید کلریدریک
5) شستشوی نهایی با آب
در هر کارخانه لبنیات بسته به ماهیت تولید و نوع ماشین آلات از ترکیبی از چند شستشو با مواد مختلف استفاده می گردد. به هر صورت در طراحی تصفیه فاضلاب صنایع لبنی میزان عمده پساب ناشی عملیات CIP می باشد.

ماهیت فاضلاب صنایع لبنی
نخستین قدم در طراحی و اجرا یک واحد تصفیه فاضلاب صنایع لبنی شناخت ماهیت و یا همان کیفیت پساب می باشد. فاضلاب صنایع لبنی دارای میزان بسیار زیادی چربی محلول و غیر محلول می باشد. وجود میزان زیادی کربوهیدارت ها، لیپید و پروتئین از مهمترین ویژگی های فاضلاب صنایع لبنی است. میزان اکسیژن خواهی شیمیایی COD و بیولوژیکی BOD آن بسیار بالا بوده و ذرات جامد معلق فراونی دارد. به طور کلی می توان در یک کارخانه صنایع لبنی باتولیداتی مانند شیر، ماست و دوغ، آنالیز ذیل را ملاک طراحی تصفیه خانه فاضلاب قرار دارد.

همانطور که در آنالیز مشاهده می گردد، وجود مقدار بسیار زیاد چربی و TSS در فاضلاب صنایع لبنی، نیازمند استفاده از روشهای تصفیه فیزیکی و شیمیایی پیش از استفاده از روشهای بیولوژیکی می باشد. واحدهای تصفیه بیولوژیکی اعم از واحدهای بی هوازی و هوازی، نمی توانند میزان بالایی از چربی ها با زنجیره های کربنی بزرگ را حذف نمایند و این چربی ها عملکرد سیستم را مختل می نماید. از این رو استفاده از روشهای حذف فیزیکی چربی و TSS در تصفیه فاضلاب صنایع لبنی ضروری است.

روش های تصفیه فاضلاب صنایع لبنی
در یک طبقه بندی ساده، تصفیه فاضلاب صنایع لبنی و کارخانه لبنیات از دو بخش تشکیل شده است که شامل، حذف فیزیکی چربی و ذرات جامد معلق (TSS) و بخش دوم حذف بیولوژیکی عوامل COD و BOD توسط واحدهای هوازی و بی هوازی می باشد.
همانطور که گفته شد چنانچه چربی و روغن وارد واحدهای بیولوژیکی تصفیه فاضلاب صنایع لبنی گردد، این سیستم ها دچار مشکل شده و عملکرد آنان مختل می گردد. برای این منظور روشهای پیش تصفیه جهت حذف چربی استفاده می گردد. همچنین به علت غلظت بالای COD استفاده از چند واحد بیولوژیکی به صورت سری امری ضروری است. باید توجه نمود که حداکثر غلظت COD ورودی به واحدهای هوازی نمی تواند بیش از 2000mg/lit باشد.
در مجموع واحدهای تصفیه فاضلاب صنایع لبنی به شرح ذیل می باشند:
1- واحد یکنواخت ساز و چربی گیر ساده: به علت استفاده از محلولهای اسیدی و بازی در خط تولید، در این واحد فاضلاب همگن شده و pH و دبی آن یکنواخت می گردد. در واحد چربی گیر ساده، چربی و روغن غیر محلول موجود در پساب که به حالت غیر محلول می باشد، به دلیل سبکی به روی سطح آمده و به وسیله یک پارو جمع آوری می گردد.
2- واحدهای پیشرفته چربی گیر و حذف ذرات معلق: در این واحدها، چربی محلول و همچنین ذرات جامد معلق فاضلاب به صورت فیزیکی یا شیمیایی حذف می گردند، مهمترین این روشها شامل، چربی گیر DAF، انعقاد و لخته سازی شیمیایی، انعقاد الکتریکی و یا چربی گیر CPI می باشند.
3- واحدهای بی هوازی تصفیه فاضلاب لبنی: به علت میزان بالای غلظت COD، نمی توان فاضلاب کارخانه لبنیات را مستقیماً وارد واحد هوازی نمود، زیرا هم راندمان واحد را به شدت کاهش می دهد و هم میزان لجن تولیدی افزایش می یابد. بنابراین از روشهای بی هوازی که بر پایه تولید گاز توسط باکتریهای بی هوازی طراحی گردیده اند، استفاده می گردد. مهمترین روشهای تصفیه بی هوازی شامل: UASB, UABR, UAFBR, SGSB می باشد.
4- واحدهای هوازی تصفیه فاضلاب صنایع لبنی: این واحدها آخرین مرحله از حذف COD و BOD فاضلاب می باشند و با استفاده از تزریق هوا با حباب های ریز، بخشی از فاضلاب را به شکل لجن درآورده و تصفیه صورت می گیرد. مهمترین واحدهای هوازی شامل هوادهی گسترده، رشد چسبیده ماننده MBBR و PBBR و یا IFAS می باشد. در آخرین مرحله تصفیه فاضلاب صنایع لبنی، ته نشینی قرار دارد که لجن شکل گرفته به علت دانسیته بالا ته نشین گردیده و از سیستم حذف می شود.

تصفیه فاضلاب صنایع لبنی با تولیدات خاص
همانطور که می دانیم ماده اولیه تمامی کارخانه لبنیات شیر می باشد. اما محصولات بسیار گسترده و متنوعی را می توان تولید نمود که از آن جمله می توان به انواع پنیر، خامه، پنیر پیتزا، پودر پفک و بستی اشاره کرد.
باید توجه نمود که کیفیت پساب به نوع محصول تولیدی و همچنین نحوه CIP بستگی دارد و بنابراین نمی توان تمامی سیستم های تصفیه فاضلاب صنایع لبنی را به طور مشابه و یکسان در نظر گرفت.
در جدول زیر کیفیت فاضلاب صنایع لبنی بر اساس نوع محصول تولیدی طبقه بندی شده است

کاربردهای تصفیه فاضلاب صنایع لبنی
مهمترین مشکل زیست محیطی کشور ما در حال حاضر، مشکل کمبود آب می باشد، بنابراین استفاده از منابع تجدید پذیر مانند فاضلاب و بازگرداندن آن به چرخه محیط زیست یکی از موارد ضروری و اجتناب ناپذیر در این خصوص می باشد. استفاده از سیستم تصفیه فاضلاب صنایع لبنی با عنایت به منابع اقتصادی و ظرفیت های تولیدی به سه منظور قابل استفاده می باشد:
1- استفاده از پساب تصفیه شده پکیج تصفیه فاضلاب صنایع لبنی به منظور آبیاری و کشاورزی و اخذ تاییدیه محیط زیست در این خصوص.
2- استفاده از پساب تصفیه شده واحد تصفیه فاضلاب صنایع لبنی به منظور دفع به آبهای سطحی و یا زیر زمینی و بازگرداندن آب به چرخه محیط زیست.
3- طراحی و ساخت تصفیه فاضلاب صنایع لبنی و واحدهای تکمیلی به منظور بازگرداندن آب به ابتدای خط تولید کارخانه لبنیات.

1- حجم فاضلاب

      در کارخانه­ های تولید محصولات لبنی حجم فاضلاب تولیدی عمدتاً به عوامل زیر بستگی دارد.

الف) حجم شیر ورودی به کارخانه: هرچه حجم شیر دریافتی کارخانه بیشتر باشد حاکی از تولید بیشتر محصولات و در نتیجه تولید بیشتر فاضلاب است.

ب) نوع محصول: بدیهی است به سبب تفاوت در فرآیند تولید محصولات مختلف لبنی حجم و کیفیت فاضلاب تولیدی آنها نیز متفاوت خواهد بود.

ج) تکنولوژی تولید: پیشرفت تکنولوژیکی معمولا در جهت تولید فاضلاب کمتر حرکت نموده است. بنابراین هرچه تکنولوژی تولید جدیدتر باشد معمولا فاضلاب کمتری از خط تولید ناشی می­ شود.

د) درصد ضایعات: اشکالات رخ داده در فرآیند تولید معمولا باعث تولید مقادیری محصولات غیرقابل مصرف (ضایعات) می­شود. در اکثر مواقع این ضایعات وارد فاضلاب می­ شوند. بنابراین هرچه مقدار ضایعات کمتر باشد، فاضلاب کمتری نیز تولید خواهد شد.

      معمولاً به منظور برآورد حجم فاضلاب تولیدی یک کارخانه لبنی از یک ضریب تبدیل حجم شیر دریافتی به حجم فاضلاب تولیدی استفاده می ­شود. براساس تجربیات بدست آمده در کارخانه ­های فعال، مقدار این ضریب با توجه به عوامل گفته شده عددی بین 5-2 در نظر گرفته می­ شود. مقدار این ضریب در بیشتر کارخانه­ ها در حدود 4 است.

     به عنوان نمونه حجم فاضلاب تولیدی یک کارخانه که روزانه 500 تن شیر دریافت می ­کند، معادل 2000 متر مکعب برآورد می ­گردد.

2- کیفیت فاضلاب

  كيفيت فاضلاب در صنایع لبنی نیز عمدتاً به عوامل زیر بستگی دارد.

الف) نوع محصول: بدیهی است به سبب تفاوت در فرآیند تولید محصولات مختلف لبنی حجم و کیفیت فاضلاب تولیدی آنها نیز متفاوت خواهد بود.

ب) تکنولوژی تولید: پیشرفت تکنولوژیکی معمولا در جهت جلوگیری از هدر رفت مواد اولیه و محصول می ­باشد. با توجه به اینکه هرچه این هدررفت بیشتر باشد غلظت فاضلاب تولیدی نیز بیشتر خواهد بود لذا تکنولوژی­های جدیدتر معمولا باعث هدررفت کمتر مواد اولیه و محصول و در نتیجه تولید فاضلاب رقیق­تر خواهد شد.

ج) درصد ضایعات: هر چه مدیریت تولید بهتر باشد از هدررفت مواد اولیه و محصول جلوگیری خواهد نمود لذا مدیریت بهتر در تولید در جهت کاهش ضایعات منجر به تولید فاضلاب کمتر و رقیق­ تر خواهد شد.

  آنالیز کیفیت معمول فاضلاب در صنایع لبنی در جدول 2  آمده است.به دلیل تبدیل لاکتوز به اسیدلاکتیک و تشکیل اسید بوتیریک، مقدار pH فاضلاب لبنی به راحتی می­ تواند کاهش یافته و به محدوده 5-4/5 برسد. دمای فاضلاب لبنی در اغلب موارد در محدوده 72-11 و میانگین آن در حدود 20 درجه سانتیگراد است که ارقام بالاتر از 35 درجه بیانگر افت بیش از حد انرژی در خط تولید است.

      انتخاب فرآیند تصفیه یکی از مهمترین بخش­ های طراحی یک سیستم تصفیه فاضلاب می­ باشد که هرگونه اشتباه در آن باعث هدر رفت هزینه ­های مالی و زمانی انجام شده می­ شود. مهمترین عوامل موثر در انتخاب فرآیند تصفیه عبارتند از:

1- حجم فاضلاب
2- غلظت هریک از آلاینده­ ها به خصوص دو شاخص مهم BOD5 و COD
3- نسبت BOD5 به COD
4- راندمان مورد نیاز جهت تصفیه
5- سهولت راهبری و بهره­ برداری از سیستم
6- نوسانات کیفی و کمی در تولید فاضلاب
7- هزینه ساخت، راهبری و بهره برداری از سیستم

از آنجایی که بخشی از مواد آلاینده فاضلاب بصورت معلق بوده و قابلیت ته­ نشینی یا شناورشدن بر روی سطح را دارند، لذا به منظور کاهش بار وارده بر واحدهای بعدی تصفیه بهتر است که ابتدا از یک سپتیک تانک استفاده نمود. بدین ترتیب بخش عمده ­ای از ذرات معلق طی فرآیند ته­ نشینی و شناوری بصورت فیزیکی و با هزینه کمتر و سهولت بیشتر از فاضلاب جدا می­ شوند.

با توجه به اینکه حجم و کیفیت فاضلاب تولیدی کارخانجات لبنی در ساعات مختلف دارای نوسانات زیادی است، حجم نسبتاً زیاد سپتیک تانک باعث می­ شود که عملیات یکنواخت سازی فاضلاب از لحاظ حجم و کیفیت به خوبی انجام شده و فاضلاب خروجی از سپتیک تانک با کیفیت و حجم نسبتاً ثابتی به واحدهای بعدی هدایت شود.

به عبارت دیگر سپتیک تانک علاوه بر حذف ذرات معلق قابل ته­ نشینی و بخشی از ذرات درشت چربی و روغن­، عملیات یکنواخت سازی فاضلاب را از لحاظ کیفیت و کمیت نیز به انجام می­‌رساند.

    همچنین وجود شرایط مناسب برای رشد برخی باکتری­ ها و میکروارگانیسم ­ها در لجن تجمع یافته و ته­ نشین شده در سپتیک تانک، باعث انجام برخی فرآیندهای بیولوژیکی در تصفیه فاضلاب می­ شود. در مواردی که واحدهای بعدی تصفیه در ارتفاع ‌‌بالاتری نسبت به سپتیک تانک قرار گرفته از مخزن دوم سپتیک تانک می­‌توان برای پمپاژ فاضلاب استفاده کرد.

حجم مخزن یکنواخت سازی را در صنایع لبنی حداقل 35 درصد حجم کل فاضلاب روزانه در نظر می ­گیرند. بدیهی چنانچه حجم این مخزن بیش از این مقدار باشد، راندمان آن بیشتر بوده و از بار وارده بر واحدهای بعدی کاسته خواهد شد.

     در مرحله بعد با توجه به آنکه بخش عمده­ اي از آلاينده­ هاي فاضلاب‌ را مواد آلي تشكيل مي­ دهند كه توسط ميكروارگانيسم­ ها قابل تجزيه مي­ باشند، لذا استفاده از فرآیندهای بیولوژیکی مطرح می ­گردد. چراکه تجربيات عملي و دانش تصفيه نشان داده است كه وقتی نسبت BOD5 به COD  بيش از 0/50 باشد، استفاده از روش هاي بيولوژيكي تصفية فاضلاب با توجه به كارايي بالاي آنها اولويت دارد.

بدیهی است هرچه این نسبت بالاتر باشد، راندمان فرآیندهای بیولوژیکی افزایش می­ یابد. از آنجا که حذف چربی موجود در فاضلاب صنایع لبنی این نسبت را افزایش می ­دهد لذا قبل از استفاده از فرآیندهای تصفیه بیولوژیکی باید تا حدامکان چربی و روغن موجود در فاضلاب را حذف نمود.

 کاهش نسبت BOD5 به COD  در فاضلاب با وجود چربی و روغن از آن جهت است که روغن و چربی­ ها به علت حلالیت بسیار کم در آب، به سختی توسط میکرو ارگانیسم­ ها و باکتری­ ها تجزیه می ­شوند. از سوی دیگر ذرات روغن و چربی با احاطه باکتری­ ها مانع جذب مواد به داخل سلول شده و قابلیت تجزیه بیولوژیکی را کاهش می دهند.

از این رو حذف روغن و چربی از فاضلاب صنایع لبنی قبل از واحدهای تصفیه بیولوژیکی، نقش اساسی در کارایی آنها دارد. تجربیات عملی نشان می ­دهد که اغلب مشکلات سیستم­ های تصفیه فاضلاب صنایع لبنی ناشی از ورود مقادیر زیادی از روغن و چربی به واحدهای تصفیه بیولوژیکی است.

    به منظور چربی گیری این فاضلاب بسته به حجم فاضلاب و شرایط هرپروژه از سیستم­های مختلفی از قبیل چربیگیر ثقلی، API، CPI و DAF می­ توان استفاده نمود.

     پس از مرحله حذف روغن و چربی (چربی گیری) نسبت BOD5 به COD فاضلاب به حدود 0/75-0/70 می­رسد که برای استفاده از روش های بیولوژیکی تصفیه فاضلاب مناسب است. اما چون غلظت BOD5 فاضلاب­ در این مرحله معمولاً بیشتر از 1000 میلیگرم در لیتر است، استفاده از فرآیندهای بی­­ هوازی که در غلظت­ های بالا کارایی دارند، از لحاظ فنی و اقتصادی بهتر است.

     از میان فرآیند­های بی­هوازی بیولوژیکی تصفیه فاضلاب در صنایع لبنی معمولا از فرآیند UASB یاABR استفاده می­شود. این فرآیندها با وجود نیاز به انرژی بسیار کم (در برخی موارد امکان تولید انرژی دارند) راندمان بسیار قابل توجهی را در تصفیه فاضلاب دارند

. البته به منظور دستیابی به حداکثر راندمان ممکن در فرآیندهای بی­هوازی لازم است که فاضلاب ورودی به این واحدها بهسازی شوند. عملیات بهسازی عمدتاً شامل تنظیم pH، تنظیم دما و افزودن مقداری قلیائیت برای پیشگیری از کاهش pH می­ باشد.

   پساب خروجی واحدهای بی­هوازی معمولاً دارای BOD5کمتر از 800 میلیگرم در لیتر هستند. از این رو می­توان برای تکمیل فرآیند تصفیه در این مرحله از فرآیندهای هوازی بیولوژیکی استفاده نمود. از میان روش های هوازی بیولوژیکی با توجه به کارایی و سهولت نسبی در بهره برداری آن فرآیند لجن فعال با هوادهی گسترده پیشنهاد می­ شود.

 بدین ترتیب فاضلاب خروجی واحد بی­هوازی وارد مخزن هوادهی شده و در آنجا با انجام هوادهی، اکسیژن موردنیاز میکروارگانیسم ­ها و باکتری­ ها برای انجام فعالیت های بیولوژیکی تأمین می­ گردد. در مخزن هوادهی باکتری­ها بخش عمده­ای از مواد آلی را جذب خود کرده به کمک واکنش ­های بیوشیمیایی درون خود به سلول­های جدید و انرژی تبدیل کرده و باعث تصفیه فاضلاب می­ شوند.

  مخلوط فاضلاب و باکتری ها به مخزن ته­ نشینی (زلال سازی) هدایت شده و در آنجا با کمک نیروی ثقل، توده باکتری و میکروارگانیسم ­ها از آب جدا م ی­شود. بخشی از این توده باکتری (لجن بیولوژیکی) برای ادامه فرآیند­های تصفیه بیولوژیکی به مخزن هوادهی برگشت داده م ی­شود که به همین سبب به این روش لجن فعال می­گویند. مازاد لجن نیز به هاضم لجن انتقال می ­یابد.

    گاهی مقداری از باکتری­ ها به دلایل مختلف در مخزن ته­ نشینی ثانویه ته­ نشین نشده و از آن خارج شده و همراه با پساب از سیستم بیرون می­ روند. به منظور جلوگیری از بروز هرگونه مشکل ناشی از آنها در اغلب موارد از یک سیستم گندزدایی (ضدعفونی) برای حذف آنها استفاده می­ شود.

مزایا و ویژگی های سیستم تصفیه فاضلاب صنایع لبنی

استفاده از به روزترین استانداردهای رایج در طراحی و ساخت سیستم تصفیه فاضلاب صنایع لبنی مهمترین ویژگی این سیستم ها در شرکت فنی مهندسی طرح و کار می باشد. انجام آنالیزهای دقیق بر روی فاضلاب خام کارخانه لبنیات و محاسبه و طراحی مدون با در نظر گرفتن کلیه پارامترهای اقتصادی، مهندسی و اخذ تاییدیه محیط زیست در این خصوص از دیگر ویژگی های سیستم تصفیه فاضلاب صنایع لبنی می باشد.
سازه های به کار رفته در تصفیه فاضلاب لبنی بر اساس نوع احجام و ابعاد و اندازه به صورت فلزی و یا بتنی ساخته می شود.