بخشی از مقاله
چکیده
راکتور بیوفیلمی بستر متحرک در دو مرحله ناپیوسته و پیوسته برای حذف یون پرکلرات بصورت بی هوازی استفاده شد. در مرحله ناپیوسته بازدهی %87 در غلظت 2mgClO4-/L بدست آمد و همچنین در مرحله پیوسته در غلظت مشابه بازده %79 مشاهده گردید. در مرحله ناپیوسته به دلیل عدم تخلیه لجن داخل راکتور غلظت مواد معلق فرار به بیش از 10000mg/L افزیش یافت و در مرحله پیوسته به دلیل برون شویی مواد معلق فرار غلظت آنها در سیستم به کمتر از 1000mg/L رسید. از سوی دیگر پارامترهای Umax و KB معادله کینکنون-استور به ترتیب 0,24mgClO4-/L.d و 0,34mgClO4-/L.d بدست آمد.
1. مقدمه
یون پرکلرات یک اکسیدکننده قوی الکتروشیمیایی قابل انفجار در حالت جامد است. این یون پایدار بوده و به دو صورت طبیعی و مصنوعی در طبیعت یافت میشود. منابع طبیعی شامل معدن کاری و سنگ معدن حاوی رسوبات غنی نیترات سدیم به عنوان یکی از منابع پرکلرات میباشند. منابع مصنوعی شامل تولید و نگهداری سوخت جامد برای موشکها و راکتها، تولید جنگ افزارها، دفع جنگ افزارها، استفاده آتش بازی، احتراق و انفجار برای دفع مواد حاوی پرکلرات، دفع رنگها و آبکاری میباشد. پرکلرات ها به عنوان یکی از مواد سمی برای انسان می باشند که با مختل کردن فعالیت های غده تیروئید صدمات بسیار زیادی را به انسان وارد می کند
این ماده دارای خواص شدیدا سرطان زایی می باشد و همچنین باعث اختلال در فعالیت های رشته های عصبی در داخل بدن می گردد و همچنین صدمات جبران ناپذیری به دستگاه های تناسلی وارد میکند و همچنین با از بین بردن مقاوت بدن و کاهش سطح ایمنی در بدن، شرایط را برای مواجه شدن با تعداد زیادی از بیماری ها مسائد میکند و یکی از عوامل اصلی ایجاد سرطان می باشد
سیستمهای تصفیه آب و فاضلاب زیادی برای حذف پرکلرات از آب زیرزمینی مورد استفاده قرار گرفته است. آلودگی آبهای زیرزمینی به پرکلرات اهمیت بیشتری نسبت به آلودگی خاک و دیگر منابع دارند به این دلیل که پرکلرات در آب بسیار محلول میباشد. از این رو از روشهای تبادل یون، بیوراکتورها، تجزیه زیستی در محل، صافیهای غشایی، اصلاح توسط گیاهان، استفاده از نانو ذرات آهن و راکتورهای کتالیتیک جهت تصفیه آب آشامیدنی و آب زیرزمینی تا بحال استفاده گردیده است. چهار فرایند برای تصفیه پرکلرات ممکن است به طور عملی بکار گرفته شود که اینها شامل تجزیه بی هوازی، اسمز معکوس، جذب سطحی توسط کربن فعال گرانوله و تبادل یون میباشد
اولین بار تجزیه میکروبی پرکلرات در خاک مشاهده شد [4]، سپس نشان داده شد که باکتریها قادرند پرکلرات و کلرات در تنفس سلولی خود به کار ببرند . تعدادی باکتری ایزوله شده میتوانند پرکلرات را به طور کامل به کلر در تنفس سلولی خود احیاء کنند
بیوراکتورها سیستمهای تصفیه بیولوژیکی هستند که برای پاکسازی آبهای سطحی و زیرزمینی از پرکلرات از میکروارگانیسمها به عنوان مصرف کنندگان پرکلرات در آنها استفاده می شود. باکتریها میتوانند در آب و خاک تحت شرایط بیهوازی پرکلرات را احیاء کنند، میکروارگانیسمهایی که اغلب برای تصفیه پرکلرات استفاده میشود بیهوازی اختیاری هستند که از گیرندههای الکترونی مثل نیترات، سولفات و پرکلرات برای احیای مواد آلی استفاده میکنند. آب زیرزمینی به طور طبیعی حاوی تعدادی از باکتریهای احیاء کننده پرکلرات میباشد . راکتور بستر سیال - FBR - و راکتورهای بستر ثابت - PBR - دو نوع از گستردهترین راکتورها هستند و برای حذف پرکلرات استفاده میشوند .
روش های بیولوژیکی و غیر بیولوژیکی فراوانی برای حذف پرکلرات از آبهای آشامیدنی تا کنون توسعه یافته است. انواع روشهای آبیوتیک همانند تبادل یونی [9]، فیلترهای غشایی [10] ، جذب توسط کربن فعال [11]، با تکیه بر روشهای فیزیکی و یا شیمیایی یون پرکلرات را از آب جداسازی می کنند. از سوی دیگر، روشهای بیولوژیکی با بهرهگیری از باکتریهای خورنده پرکلرات - PRB - و تبدیل کردن پرکلرات به کلرید غیر سمی عمل تصفیه را انجام میدهند که این فرایند در اشکال مختلفی در راکتورهای گوناگون دیگری انجام شده و نتایج موفقیت آمیزی نیز حاصل گردیده است
در مقایسه با روشهای آبیوتیک، روشهای بیولوژیکی میتوانند بدون ایجاد غلظتهایی از جریانهای زائد دیگری که نیاز به تصفیههای ثانوی داشته باشند، پرکلرات را به اندازه مشخصی حذف نماید [13] و همچنین به طور کلی روشهای بیولوژیکی هزینه کمتری نیز دارند. هر چند که با کاهش یافتن قیمت رزینها در تبادلگرهای یونی سبب شده است که این دو تکنولوژی بیشتر از گذشته به لحاظ اقتصادی قابل مقایسه باشند. یکی دیگر از ویژگی های روشهای بیولوژیکی این است که میتوانند همزمان چندین نوع از آلودگیها را حذف نمایند. آلودگیهایی چون کروم، سیلینات و دی کلرومتان
حذف میکروبی پرکلرات به کلرید توسط مجموعهای از باکتریهای کاهش دهنده پرکلرات صورت میگیرد که این روش به عنوان یکی از بهترین روشها در حذف پرکلرات شناخته میشود. باکتریهای مصرف کننده پرکلرات با استفاده از یک آنزیم به نام پرکلرات ریدوکتاز، پرکلرات را به کلرات و سپس به کلریت تبدیل میکنند، سپس کلریت با سوپر اکسید شدن به کلرید و مولکول اکسیژن تبدیل میشود .
حذف پرکلرات در آب های زیرزمینی با غلظت های ورودی 100 میکروگرم در لیتر توسط غشاء الیاف میان تهی به نحوی که خروجی سیستم عاری از یون پرکلرات باشد توسط اکسایش هیدروژن در یک بیوراکتور غشایی صورت گرفته است [12] نشان داده شده است که جمعیت میکروبی میتواند پرکلرات را از غلظت اولیه 50 میلیگرم در لیتر به پایین تر از حد مجاز در 24 ساعت کاهش دهد. مشاهده شده که 65 میلی گرم در لیتر حذف کامل پرکلرات توسط کنسرسیوم میکروبی موجود در بیوراکتور Batch که در آن از آهن صفر ظرفیتی استفاده شده، صورت پذیرفته است. غلظت هایی در حدود 160 تا 3000 میلی گرم در لیتر در آب های زیرزمینی و با فاضلاب های تولیدی از وسایل مربوط به مسائل نظامی در پیشران موشکها یا در صنایع پالایش فلزات دیده میشود [17] به علاوه غلظتهای بالاتری از محلول پرکلرات در حدود 60000 -500 میلیگرم در لیتر نیز از فرایند تبادل یونی رزینها در حذف پرکلراتها تولید میشود.
در اینجا هدف استفاده از راکتور بیوفیلمی بستر متحرک میباشد. این راکتور جرم میکروبی زیادی را در حامل پلاستیکی متحرک نگه میدارد و موجبات حذف هر چه بیشتر مواد آلی و غیر آلی را فراهم میآورد، بنابراین انتظار میرود این سیستم کارایی به مراتب بیشتر از راکتورهای قبلی مانند بستر ثابت و بستر سیال داشته باشد. از جمله مزیتهای این سیستم عدم نیاز به شستشوی معکوس و تأمین سرعت بالا جریان سیال برای فلودایز کردن بستر میباشد که علاوه بر سادگی، کاهش هزینه عملیاتی را در پی دارد. بنابراین انتظار میرود با حداقل هزینه و سادگی حذف پرکلرات صورت پذیرد، این روش بیولوژیکی ضمن فرایند تصفیه ماده جانبی مضر که نیاز به تصفیه مجدد داشته باشد نمی کند.
2. مواد و روشها
-1-2 بذر میکروبی و نحوه تهیه خوراک
خوراک مورد استفاده از اتانول به همراه مواد مغذی تهیه گردید. طبق تئوری برای اکسایش هر گرم اتانول به 2,43 گرم اکسیژن نیاز میباشد. خوراک ورودی با نسبت COD/N/P به ترتیب 100/5/1 تهیه شد و برای فسفر و نیتروژن آن از پتاسیم دی هیدروژن فسفات و اوره استفاده شد .[18] مشخصات خوراک ورودی بدون وجود سدیم پرکلرات در جدول 1 آمده است. مقادیر جدول به ازای COD برابر با 750mg/L که معادل با 0,3 گرم اتانول در یک لیتر محلول خوراک میباشد ارائه شده است.
به منظور راه اندازی بیوراکتورها از لجن برگشتی تانک لجن فعال تصفیه خانه شهرک اکباتان استفاده شد. سیستم بصورت ناپیوسته راه اندازی و در این مرحله حجم بیوراکتور بستر متحرک 7680cm3 انتخاب شد.
بعد از مرحله سازگاری، سیستم بصورت پایا راه اندازی شد. برای بررسی عملکرد راکتور بیوفیلمی بستر متحرک روی فاضلاب حاوی یون پرکلرات با توجه به پایداری این یون و سرعت پایین واکنشهای بی هوازی، مدت زمان 24 ساعت به عنوان زمان ماند انتخاب گردید. در این مرحله بارگذاری آلی ثابت بوده و به مرور زمان غلظت سدیم پرکلرات افزایش داده شد.
جدول 1 مشخصات خوراک ورودی
-2-2 راکتور و تجهیزات
آزمایشات در مقیاس آزمایشگاهی انجام شد و نمای سادهای از پایلوت در شکل 1 آورده شده است. راکتور از پلکسیگلاس ساخته شده و حجم آن7/6 لیتر میباشد. درصد پرشدگی حجمی راکتور با حامل پلاستیکی 40 انتخاب شد. رشد بیوفیلم در راکتور MBBR روی حاملهای پلاستیکی که آزادانه در بیوراکتور به دلیل همزن مکانیکی حرکت میکنند اتفاق میافتد. جنس حاملهای پلاستیکی پلیاتیلن سنگین - HDPE - بوده و شکل ظاهری آنها بصورت استوانهای با ارتفاع 7mm و قطر 10mm میباشد که دو پره ضربدری درون آن قرار دارد.
حاملهای پلاستیکی مورد استفاده در این مطالعه توسط شرکت جسکو تامین شد و سطح ویژه آن برابر 500m2/m3 می باشد. آزمایشات در دمای 20 10C انجام گرفت. مقدار pH به وسیله pH متر و سنجش COD به وسیله دستگاه رنگ سنج1 اندازه گیری شد
بر طبق تئوری پرکلرات در مرحله پایانی حذف به کلرید - Cl- - تبدیل میشود، از اینرو برای اندازه گیری میزان پرکلرات مصرفی، میزان کلر موجود در پساب خروجی مورد سنجش واقع شد. در این روش از نیترات نقره AgNO3 استاندارد در مجاورت اندیکاتور پتاسیم دی کرومات K2Cr2O7 استفاده میشود. در ابتدا آب را خنثی میکنیم و سپس آزمایش را انجام میدهیم، تفاوت میزان کلر ورودی از کلر خروجی میزان تبدیل پرکلرات به یون کلرید را بیان می کند، این روش تا 0,15 میلی گرم کلر در لیتر آب را میتواند اندازه گیری میکند.
