بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تصفیه لجن فعال مازد با روش الکتروفنتون توسط ترکیبات حد واسط دوگانه رادیکال هیدروکسیل و کلرین فعال
چکیده:
مقدمه و اهمیت موضوع: لجن فاضلاب حاوي تمام ترکیبات و اجرام مضري که در فاضلاب یافت می شود و با توجه به اینکه %60 کل هزینه هاي تصفیه خانه هاي فاضلاب مربوط به مدیریت لجن می باشد انتخاب یک روش با کارایی و راندمان مناسب، حداقل هزینه و اثرات زیست محیطی و نیز سهولت ساخت و راهبري آسان ضروري است.
مواد و روشها: در این مطالعه تصفیه لجن فعال مازاد با روش الکتروفنتون براي اولین بار مورد بررسی قرار گرفته و تاثیر پارامترهاي بهره برداري مانند غلظت اولیه H2O2 ، شدت جریان الکتریکی، زمان ماند و pH در تصفیه لجن فعال مازاد با تعیین میزان کاهش غظت COD و کلیفرمهاي کل مدفوعی مورد بررسی قرار گرفت و کارایی شدت جریان الکتریکی جهت اکسیداسیون لجن فعال مازاد و مقدار انرژي مصرفی محاسبه گردید.
نتایج و بحث: یافته هاي تحقیق نشان می دهد COD لجن فعال مازاد توسط اکسیداسیون غیر مستقیم و بواسطه تخریب ترکیبات آلی لجن توسط رادیکال هیدروکسیل و گونه هاي کلرین فعال تحت شرایط بهینه 57 میلی مول پراکسید هیدروژن، 10 میلی آمپر بر سانتی متر مربع شدت جریان، 120 دقیقه زمان ماند، pH=3 و 12 گرم در لیتر سدیم کلراید به عنوان ساپورتینگ الکترولیت به مقدار %72 کاهش می یابد.
این در صورتی است که با زمان ماند 10 دقیقه کلیفرم کل مدفوعی در pH=3 به میزانتقریباً %100 حذف می گردد.
نتیجه گیري: بر اساس نتایج بدست آمده انتخاب شرایط بهینه در کارایی فرآیند الکترفنتون تاثیر بسزایی داشته و عدم ایجاد شرایط بهینه با کاهش شدید راندمان همراه خواهد بود. این فرآیند با کارایی انرژي بالا می تواند به عنوان یک روش جایگزین روشهاي متدوال جهت اکسیداسیون لجن مازاد فاضلاب باشد.
کلمات کلیدي: تصفیه لجن فعال مازاد، الکتروفنتون، رادیکال هیدروکسیل، کلرین فعال
.1 مقدمه
لجن فعال حاوي آلاینده هاي آلی، میکروبی بعضاًو شیمیایی در غلظت بالا می باشد به نحوي که اگر به طور کامل تثبیت نشده و به طور بهداشتی دفع نگردد آلودگی منابع آبهاي سطحی و زیر زمینی و خاك را به همراه خواهد داشت. به همین دلیل مدیریت لجن به عنوان یکی از مسائل مهم در تصفیه خانه هاي فاضلاب بوده و در مجموع می توان گفت 30-60 درصد از هزینه هاي بهره برداري یک تصفیه خانه را شامل می گردد. در کشورهاي توسعه یافته مدیریت لجن به سختی صورت می گیرد از طرف دیگر به دلیل وجود قوانین سخت گیرانه براي دفع لجن، گرم شدن جهانی، تغییرات آب و هوایی و افزایش گازهاي گلخانه اي تولیدي از مخازن زائدات، مدیریت لجن به عنوان یک چالش اقتصادي، سیاسی و زیست محیطی می باشد.[1-3]
روشهاي سنتی دفع فاضلاب (مانند دفع در دریا، سوزاندن، کشاورزي و باغبانی) به دلیل هزینه هاي بالاي سرانه جهت راهبري و بهره برداري و نیز پتانسیل آلوده سازي محیط زیست از اعتماد لازم برخوردار نمی باشند. علی رغم مزایاي روشهاي بیولوژیکی هوازي و بیهوازي، بخصوص روش بیهوازي در تثبیت لجن مانند کاهش حجم، حذف بو و پاتوژنها، نیاز به انرژي کم و بازیافت متان، این روشها نیاز به زمان ماند بالا براي تثبیت کامل لجن دارند2]و.[4-5 اصلی ترین محدودیت روشهاي هوازي نیاز به انرژي بالا و غیر فعال سازي پایین پاتوژنها می باشداخیراً. یک روش بیولوژیکی دیگر استفاده از کرم خاکی براي تثبیت لجن فاضلاب می باشد که آن نیز به دلیل زمان بسیار طولانی تثبیت (در حدود 160 روز) داراي محدودیت می باشد.[1] روشهاي دیگر مکانیکی، فیزیکی و شیمیایی براي کاهش حجم و تثبیت لجن، استفاده از پیش تصفیه با متد حرارتی و ازن زنی[6]، التراسونیک[2]، نمکهاي کلسینیت آلومینیوم[7]، خاکستر فرار و لایم[8]، ازن زنی و کلرزنی[9]، و اکسیداسیون مرطوب[10] و غیره می باشند که به دلیل هزینه هاي بالا و افزایش حجم لجن، افزایش COD و BOD محلول و در نتیجه نیاز به تصفیه اضافی با روش تکمیلی، تولید محصولات جانبی مضر از جمله دي اکسینها و کاهش قابلیت ته نشینی لجن از محدودیت خاص خود برخوردارمی باشند. یک روش قابل قبول و پایدار براي مدیریت طولانی مدت لجن باید از نظر محیط زیست و جنبه هاي اقتصادي و اجتماعی از مقبولیت برخوردار باشداخیراً. تلاشهاي قابل توجهی در زمینه توسعه متدهاي جدید مدیریت و تولید محصولات مفید از لجن انجام شده است. یکی از این متدها استفاده از روشهاي الکتروشیمیایی می باشد که تاکنون در هیچ متونی کاربرد آن در این حیطه مشاهده نشده است.
مزایایی روش الکتروشیمیایی مانند سازگاري با محیط زیست، تطبیق پذیري و تنوع، کارایی انرژي، ایمنی، جوابگویی با اتوماسیون، مقرون به صرفه بودن، عدم استفاده از مواد شیمیایی و عدم تولید لجن اضافی مربوط به آن، مقبولیت استفاده از این متد
براي تخریب و حذف مواد آلی را افزایش داده است.[11-13] مزایایی دیگر این فرآیندها راهبري آن در دما وفشار معمولی و عدم آزادسازي مواد فرار و باقیمانده هاي مضر می باشد. فرآیند الکتروفنتون (Electro-Fenton) به عنوان یکی از روشهاي اکسیداسیون پیشرفته (Advanced oxidation processes (AOPs)) به طور گسترده براي تصفیه انواع مواد آلی موجود در فاضلاب ها مورد استفاده قرار گرفته است.[13-14] برخی از کاربردهاي آن جهت حذف مواد آلی که با نتایج بسیار خوبی همراه بوده است به شرح ذیل می باشد: تصفیه شیرابه محلهاي دفن زباله[15]، حذف و تجزیه ترکیبات خاص مانند -4 نیتروفنل[16]، فنل[17]، رنگهاي طبیعی و مصنوعی[18-19]، زائدات دارویی[20] و غیره. لذا در این مطالعه تثبیت لجن فعال فاضلاب بوسیله فرآیند الکتروفنتون مورد بررسی قرار گرفت و براي تعیین کارایی این سیستم اثر پارامترهاي بهره برداري همچون شدت جریان، زمان بهره برداري، غلظت پراکسید هیدروژن و سدیم کلراید بر روي میزان حذف COD و کلیفرم کل مدفوعی مورد بررسی قرار گرفت. به علاوه میزان انرژي مصرفی، کارایی معدنی سازي و درجه واکنش محاسبه ومورد بررسی قرار گرفت.
.1,1 خلاصه اي از فرآیند الکتروفنتون
فرآیند الکتروفنتون یک روش الکترولیز غیرمستقیم می باشد که از طریق تولید اکسیدانهاي قوي مثل رادیکال HO° بواسطه واکنش الکتروشیمیایی بین پراکسید هیدروژن و یون Fe2+ (واکنش (1و تجزیه و تخریب آلاینده ها به وقوع می پیوندد. و با توجه به اینکه رادیکال HO° دومین گونه اکسیدان قوي شناخته شده بعد از فلورین می باشد با آلاینده ها وارد واکنش شده و آلاینده ها را به طور غیر انتخابی و کامل تخریب می نماید. پراکسید هیدروژن به عنوان یک واکنش گر پاك و قابل قبول از نظر محیط زیست می باشد به طوري که هنگام تخریب به آب و اکسیژن تجزیه شده وهیچ ماده مضري به داخل محلول اضافه نمی نماید یون Fe2+
اساساً از کاهش Fe3+ در سطح کاتد دوباره تولید می گردد (واکنش 21](2و.[19
واکنش الکتروشیمیایی تخریب یا معدنی شدن لجن فعال بواسطه رادیکال HO° به صورت زیر می باشد (واکنش BM) (3 در اینجا به عنوان شاخص لجن فعال می باشد).
هنگامی که از سدیم کلراید به عنوان الکترولیت استفاده می شود یا اینکه لجن حاوي گونه هاي مختلف کلرین می باشد. علاوه بر ایجاد هدایت الکتریکی بالا، طبق واکنش 4 و 5 یونهاي هیپوکلریت تشکیل شده و لجن فعال طبق واکنش 6 بواسطه الکترولیز غیر مستقیم توسط یونهاي هیپوکلریت اکسید می گردد.
فرآیند الکتروفنتون عموماً به چهار گروه تقسیم بندي می شوند. (i) پراکسید هیدروژن و یون Fe2+ به صورت الکتروشیمیایی و به ترتیب از طریق واکنش اکسیژن در سطح کاتد و آند قربانی (آند آهن) تولید می گردند. (ii) پراکسید هیدروژن از بیرون و بطور دستی به راکتور اضافه شده ویون Fe2+ از طریق آند قربانی تولید می گردد. Fe2+ (iii) از بیرون و بطور دستی به راکتور اضافه شده و پراکسید هیدروژن از طریق واکنش اکسیژن در سطح کاتد تولید می گردد. (iiii) در یک سلول الکترولیتی از یک واکنشگر فنتون براي تولید HO° استفاده شده و Fe2+ از طریق کاهش Fe3+ در سطح کاتد تولید می شود.[17] در این مطالعه پراکسید هیدروژن از بیرون و بطور دستی به راکتور اضافه شده ویون Fe2+ از طریق آند قربانی آهن تامین گردید.
.2 روش کار:
.1,2 مواد شیمیایی و لجن مورد استفاده
در مطالعه حاضر لجن خام مورد استفاده از خط برگشت لجن تصفیه خانه فاضلاب کشتارگاه طیوران همدان برداشت گردید. به دلیل اینکه محدوده زمانی انجام تحقیق محدود به یک فصل خاص می شد اختصاصات لجن تغییرات زیادي نداشته و در طول تحقیق سعی می شد از نمونه هاي تازه استفاده شود. نمونه هاي برداشتی تحت درجه حرارت 4 درجه سانتی گراد به آزمایشگاه منتقل شدند. اختصاصات نمونه لجن خام مورد استفاده در جدول 1 آورده شده است.
در این تحقیق از اسید سولفوریک و هیدروکسید سدیم براي تنظیم pH استفاده شد. و از سدیم کلراید براي بهبود هدایت الکتریکی و به عنوان ساپورتینگ الکترولیت (supporting electrolyte) استفاده گردید. کلیه مواد شیمیایی مورد استفاده از شرکت مرك آلمان و با خلوص %99/5 تهیه گردید. و از آب مقطر براي شستشوي الکترودها قبل از انجام هر آزمایش استفاده شد.
.2,2 راکتور الکتروشیمیایی:
شکل 1 راکتور مورد استفاده در این تحقیق را نشان می دهد. فرآیند در یک بشر 800 لیتري با حجم موثر 450 میلی لیتر انجام گردید. الکترودها از جنس آهن، به شکل میله اي، به تعداد 6 عدد در آند و 6 عدد در کاتد و به ابعاد 12×1×1 سانتی متر بود. و الکترودها به طوري در راکتور قرار می گرفت که میزان سطح موثر الکترود در حدود 195 سانتی متر مربع باشد. فاصله الکترودها یک سانتی متر در نظر گرفته شد. آرایش الکترودها در این تحقیق به صورت منوپلار (Monopolar) بود. الکترودها به منبع برق مستقیم وصل می شدند. شرکت سازنده منبع برق شرکت ارم ترونیک (Aram Tronik) ایران بود. این منبع شدت جریان 0-6 آمپر و میزان ولتاژ 0-30 ولت را تامین می کرد. همه آزمایشات در یک اختلاط مناسبی جهت اطمینان از اختلاط کامل لجن و تماس موثر لجن با سطح الکترود انجام می گرفت . اختلاط به وسیله همزن در مکانیکی دقیقه با 300 دور در دقیقه تامین می شد.
.3,2 متدلوژي
سسیتم در زمان ماندهاي 5-140 دقیقه، شدت جریان 3/75-12/5 میلی آمپر بر سانتی متر مربع، غلظت پراکسید هیدروژن 23-80 میلی مول، غلظت سدیم کلراید 6-16 گرم درلیتر، راهبري گردید و براي ارزیابی عملکرد سیستم COD و کلیفرم کل در ابتدا و انتهایی واکنش مورد سنجش قرار گرفت. کلیه آزمایشات در درجه حرارت آزمایشگاهی و در درجه حرارت 25 درجه سانتی گراد انجام گرفت. و کلیه متغییرها بر اساس روش آماري One at a time اپتیمم گردیدTDS .[12] و EC توسط یک هدایت سنج آزمایشگاهی مدل HACH و pH توسط یک pHمتر مدل HACH اندازه گیري شد. براي بررسی متغییر pH از pHهاي بافري 2/0، 3/0، 4/0، 5/0، 6/0 و 7/0 استفاده گردید. TSS، TS ،COD، TC بر اساس روش استاندارد کتاب استاندارد متد اندازه گیري گردید.[22]
کارایی حذفCOD و TC با اندازه گیري آن قبل و بعد از فرآیند الکتروفنتون و طبق فرمول ذیل بدست آمد.
در اینجاCo و Ct به ترتیب غلظت در قبل و بعد ازانجام فرآیند الکتروفنتون می باشد.
در حالت اپتیمم کلیه متغییرها (شدت جریان، غلظت پراکسید هیدروژن ، غلظت سدیم کلراید و(pH واکنش درجه یک طبق معادله زیر براي معدنی شدن لجن بر اساس میزان حذف COD محاسبه گردید.
در اینجا Ka ثابت تخریب و t زمان واکنش می باشد.
در هر زمان از انجام فرآیند میزان انرژي مصرفی الکتروشیمیایی و کارایی انرژي جهت معدنی سازيمحاسبهطبق معادلات ذیل گردید.[23]
دراینجاVمتوسط ولتاژ کاربردي ( ولت)، I شدت جریان الکتریکی (A)، t زمان واکنش (s)، ∆C اختلاف میزان CODدر ورودي و خروجی راکتور (mg/L)،F ثابت فارادي (96,485.3 C/mol) و VR حجم راکتور (L) است.
.3 یافته هاي پژوهش و بحث:
1,3 اثر غلظت. پراکسید هیدروژن و سدیم کلراید
معدنی شدن لجن فعال بوسیله مکانیسم الکتروفنتون تحت شرایط مختلف آزمایشگاهی مورد بررسی و اثر پارامترهاي اختصاصی مورد ارزیابی قرار گرفت. دو عامل اکسید کننده در این مطالعه رادیکال HO° و کلرینهاي فعال می باشند ولی با توجه به اینکه اندازه گیري رادیکال HO° کار مشکلی بوده و کلرینهاي فعال نیز در لحظه تولید و مصرف می شوند به گونه ایی که زمان کافی براي نمونه برداري و اندازه گیري آن وجود ندارد ما این دو اکسیدان را به طور غیر مستقیم با اپتیممپراکسیدنمودن غلظت هیدروژن و سدیم کلراید مورد ارزیابی قرار دادیم. عملکرد فرآیند الکتروفنتون در تثبیت لجن مرتبط با غلظت پراکسید هیدروژن می باشد. از این جهت که در تولید رادیکال HO° نقش اساسی ایفا کرده و با تولید هرچه بیشتر این رادیکال معدنی شدن بالاتري بدست می آید. در این تحقیق ما پراکسید هیدروژن را به طور دستی وارد راکتور کردیم و با توجه به اینکه تنها مکانیسم معدنی شدن لجن فعال با اضافه کردن پراکسید هیدروژن، اکسیداسیون غیرمستقیم مواد آلی توسط رادیکال HO° می باشد بهینه سازي مقدار پراکسید هیدروژن الزامی است و غلظت آن به عنوان یک پارامتر محدودکننده و مهم در کارایی فرآیند الکتروفنتون می باشد. همانطوري که در شکل 2 نشان داده شده است تحت شرایط ثابت pH=3، I=10mA/cm2غلظت،NaCl=12g/L هر چه پراکسید هیدروژن بالاتر می رود کاهش بیشتري در مقدار COD مشاهده می شود غلظت 57 میلی مول میزان بهینه پراکسید هیدروژن براي معدنی کردن لجن فعال می باشد و در مدت زمان 120 دقیقه میزان COD از مقدار 7800mg/L به مقدار2212mg/L کاهش پیدا می کند. غلظتهاي بالاتر پراکسید هیدروژن اثر جزیی در کاهشCOD داشته و پراکسید هیدروژن طبق واکنشهاي10و 11 تجزیه می گردد .[13]
هنگامی که پراکسید هیدروژن به تنهایی مورد استفاده قرار می گرفت تنها COD %47 کاهش پیدا می کرد. لذا هنگامی که از سدیم کلراید به عنوان ساپرتینگ الکترولیت استفاده کردیم راندمان بالا رفت که دلیل این امر اکسیداسیون لجن بوسیله رادیکال HO° و کلرین هاي فعال بصورتتواماً بود. به گونه ایی که استفاده از سدیم کلراید در تولید الکتریکی کلرین هاي فعال بکار رفته و طبق واکنشهاي 4 الی 6 (براي هیپوکلریت) مواد آلی موجود در لجن فعال را اکسید می نماید. این موضوع در مطالعات گذشته نیز گزارش شده است.13]و.[23 شکل 3 نشان می دهد مقدار بهینه 12 گرم در لیتر سدیم کلرایدحد, COD را تا %72 کاهش می دهد. افزایش مقدار سدیم کلراید علاوه بر اکسیداسیون غیر مستقیم لجن فعال با افزایش هدایت الکتریکی در کاهش زمان اکسیداسیون لجن فعال نقش بسزایی ایفا کرده و در نتیجه با کاهش زمان اکسیداسیون در یک شدت جریان الکتریکی ثابت مقدار انرژي مصرفی بشدت کاهش می یابد. از طرف دیگر استفاده از سدیم کلراید در کاهش افت اهمیک با جلوگیري از رسوب یونهاي Ca2+ یا Mg2+ بر روي سطح الکترودها در حضور برخی آنیون ها مانند HCO3- و SO4-2 ممانعت بعمل آورده و کارایی انرژي را بالا می برد. البته نظافت دستی الکترود نیز به صورت دوره اي از افت اهمیک جلوگیري کرده و افزایش کارایی را به همره دارد12]و.[25-24
.2,3 تاثیر pH
مطالعات گذشته نشان می دهد که pH نقش اساسی در فرآیند الکتروفنتون ایفا می نماید. البته این نقش به تولید الکتریکی پراکسید هیدروژن بر می گردد. این مطالعات نشان می دهدpH=3 به عنوان pH اپتیمم به طور وسیع در تصفیه انواع فاضلابها به کار گرفته شده است14]و.[17 براي بررسی تاثیرpH از شرایط ثابت I=10mA/cm2، H2O2=57mmol، t=120min، g/L NaCl=12 استفاده شد(شکل (4 و نتایج آزمایشات صورت گرفته در خصوص نقشpH بر روي معدنی شدن لجن فعال نشان داد pH اسیدي بخصوص pH= 2/5-3 بیشترین راندمان را در
