بخشی از مقاله
چکیده
امروزه افزایش جمعیت و توسعه صنعت باعث افزایش در میزان تولید لجن فاضلاب شده است. انتخاب روش مدیرتی مناسب جهت حفظ محیط زیست و سلامتی انسان و بهرهمندی صحیح از مواد زاید بسیار حایز اهمیت است. هدف از مطالعه حاضر بررسی ویژگیهای لجن بیولوژیک فاضلاب و ترکیب زغال های زیستی - بیوچارهای - ساخته شده از لجن فاضلاب اولیه میباشد. لجن بیولوژیک در دماهای 300، 400 و 500 درجهی سانتیگراد پیرولیز شد. نتایج نشان داد با افزایش دما میزان pH، مقدار خاکستر، میزان فلزات سنگین و میزان سدیم افزایش یافت. از سوی دیگر عملکرد تولید زغال زیستی، میزان نیتروژن کل، میزان فسفر، میزان هدایت الکتریکی، میزان رطوبت، میزان پتاسیم قابل جذب و دسترسی زیستی فلزات سنگین - AB-DTPA - با افزایش دمای تولید کاهش یافت. بنابراین تولید زغال زیستی از لجن بیولوژیک در دمای پایین 300 - درجه سانتی گراد - با توجه به عملکرد و خصوصیات شیمیایی آن برای استفاده به عنوان کود در خاک توصیه می شود.
کلمات کلیدی: لجن فعال، پیرولیز، بیوچار، مدیریت مواد زاید
مقدمه
لجن فاضلاب1 محصول اجتناب ناپذیر تصفیه خانه فاضلاب است که اگر به درستی دفع نشود یک منبع آلودگی جدی است . - Song et al., 2014 - افزایش سریع جمعیت جهان، همچنین افزایش در تعداد لوازم خانگی متصل به فاضلاب منجر به افزایش تدریجی در حجم لجن فاضلاب تولید شده در طی فرآیند تصفیه فاضلاب میشود و به دنبال آن صادر شدن قوانین سختگیرانه برای تصفیه پساب فاضلاب شده است . - Agrafioti et al., 2013 - فرآیند لجن فعال یک روش بیولوژیک هوازی برای تصفیه فاضلاب است و شامل زندگی میکروارگانیسمها به همراه ماده آلی در یک محیط غنی از اکسیژن است - نوریمند و همکاران، . - 1379
واحد بیولوژیک مهم در این روند، مخازن هوادهی هستند که پساب فاضلاب را از مخازن رسوب اولیه دریافت میکنند، علاوه بر این بخشی از توده بیولوژیک - لجن فعال - از مخزن تهنشینی ثانویه به مخازن هوادهی بازگشت داده میشود. به منظور برقراری شرایط هوازی محیط، هوا یا اکسیژن فشرده به درون مخزن تزریق میشود، این عمل علاوه بر هوادهی سیستم باعث آمیختگی کامل مواد نیز میگردد، پس از 6 تا 8 ساعت هم زدن فاضلاب - که اکنون به آن مایع مخلوط شده2 میگویند - ، فاضلاب به سمت مخازن تهنشینی ثانویه هدایت میشود، در این قسمت مواد جامد - لاشههای باکتریها - در اثر تهنشینی از بخش مایع فاضلاب جدا میشوند، بخشی از مواد تهنشین کرده تحت عنوان لجن فعال به مخازن هوادهی بازگشت داده شده و بقیه پس از فراوری و تثبیت از سیستم دفع میشوند - عرفان منش و همکاران، . - 1393
در حال حاضر رایجترین روشهای دفع لجن فاضلاب دفن پس از خشک شدن، سوزاندن و استفاده در زمین میباشد، اما هر یک از این روشها آسیب پذیری خود را دارد . - Song et al., 2014 - مدیریت لجن فاضلاب نه تنها به دلیل مقادیر بالای تولید بلکه به خاطر غلظت بالای فلزات سنگین و عوامل بیماریزا در آن دشوار است. به غیر از روشهای مرسوم مورد استفاده برای دفع لجن فاضلاب - استفاده مستقیم در بخش کشاورزی، سوزاندن و دفن زباله - ، اخیرا فرایند حرارتی این زباله که بر تبدیل زیست توده پیرولیتی متمرکز است بیشتر مور توجه قرار گرفته است . - Hejazifar et al., 2010 - پیرولیز یک فناوری منتخب برای تولید زغال زیستی است. که به عنوان یک جایگزین در مدیریت زباله های آلی مورد استفاده قرار میگیرد .
در جریان پیرولیز سه بخش تولید میشود: مایع، گاز و جامد. بخش مایع و گاز را می توان به عنوان سوخت استفاده کرد در حالی که از بخش جامد به عنوان جاذب استفاده کرد. بعلاوه میتوان بخش جامد را به عنوان زغال زیستی یا بیوچار به طور مستقیم به خاک اضافه کرد . - Shackley et al., 2013 - زغال زیستی کربن جامد متخلخلی است که در شرایط گرمایی و در فضای فاقد یا محدود اکسیژن و درجه حرارت کمتر از 700 درجه سانتیگراد تولید میشود که این فرآیند به عنوان پیرولیز در دمای کم نامیده میشود. ماده جامد حاصل از آن دارای زی تودهی غنی از کربن، گروههای آروماتیک و خواص فیزیکی مناسب است که باعث ذخیرهسازی مطمئن و طولانی مدت کربن در محیط زیست و بهبود خاک میشود. - Shackley et al., 2013; Xue et al., 2012; Blackwell et al., 2009 -
پارامترهای فرایند پیرولیز3 مانند دما، زمان ماند، میزانحرارت، و اندازه ذرات مواد خام بر کیفیت و کمیت ویژگیهای زغال زیستی تولید شده مؤثرند. در میان این پارامترها، دمای پیرولیز بزرگترین اثر را در کیفیت زغال زیستی تولید شده را دارد - Yuan et al., 2015; Agrafioti et al., 2013 . - Tang et al., 2013; افزایش دمای پیرولیز بازده زغال زیستی، میزان ازت کل، ظرفیت جذب آب و ظرفیت تبادل کاتیونی را کاهش میدهد، در حالی که pH و مساحت سطحBET، میزان کربن، مواد مغذی در دسترس و پایداری فلزات سنگین زغال زیستی را افزایش می دهد . - Gaskin et al. 2007; Buah et al., 2007; Agrafioti et al. 2013 -
مواد اولیه زغال زیستی میتواند شامل زبالهها و پسماندها شامل بقایای کارخانههای چوببری، تراشههای چوب، خاک اره، بقایای چمن شهری مانند برگ، چمن بریده و شاخه درخت، بستر طیور، لجن فاضلاب و مواد زاید مقوایی باشد - Koide et al. 2011؛ . - Beesley et al. 2011 همچنین میتوان زغال زیستی را از بقایای محصولات کشاورزی مانند کاه گندم، ذرت، سبوس برنج و تفاله نیشکر و یا سایر مواد آلی تهیه کرد . - Zavallonia et al., 2011 - لذا این تحقیق با هدف تولید و بررسی ویژگیهای زغال زیستی از لجن بیولوژیک در دماهای مختلف پیرولیز انجام شد.
مواد و روشها لجن فاضلاب
لجن بیولوژیک از واحد تصفیه خانه فاضلاب شهری استان چهارمحال و بختیاری بدست آمد. در این واحد فاضلاب شهری تصفیه فاضلاب توسط سیستم لجن فعال و از طریق تجزیه هوازی انجام میشود. لجن آبگیری شده در هوای آزاد به مدت 72 ساعتقرار داده شد تا کاملاً خشک شود. سپس ماده خام اولیه خرد شده و از الک2 میلیمتر عبور داده شد. مشخصات لجن فاضلاب مورد استفاده در جدول 1 ارایه شده است.
پیرولیز لجن فاضلاب
لجن فاضلاب پس از خشک شدن کوبیده شده در دماهای300، 400 و 500 درجهی سانتیگراد پیرولیز شد. برای این فرایند از کوره پیرولیز استفاده شد. برای حفظ فضای بدون اکسیژن در کوره، نیتروژن به مقدار یک لیتر بر دقیقه در کوره عبور داده شد. نرخ افزایش دما در طول فرایند 10 درجه بر دقیقه بود. بعد از رسیدن به دمای مورد نظر، نمونه به مدت 60 دقیقه - زمان ماند - نگه داشته شد. بعد از سرد شدن کوره و نمونه و رسیدن دمای کوره به زیر 100 درجه سانتی گراد زغال زیستی از کوره برداشته شد و توزین شد.
بررسی ویژگیهای زغال زیستی
عملکرد زغال زیستی با توجه به نسبت مقدار زغال زیستی تولید شده به مقدار مادهی آلی اولیه محاسبه شد - . - 2013غلظت فلزات سنگین شامل روی، سرب، کادمیوم، کروم، نیکل، آهن و مس نمونه لجن بیولوژیک فاضلاب و زغالهای زیستی تولید شده پس از هضم به وسیله دستگاه جذب اتمی - Perkin Elmer AAnalyst700 - تعیین شد - ASTM D 5198 - 09, . - 2009 دسترسی زیستی فلزات سنگین نمونه ها به وسیلهی عصاره گیری با AB-DTPA تعیین شد. برای تعیین رطوبت نمونه ها در آون در دمای 103 درجهی سانتی گراد خشک شد تا به وزن ثابت برسد . - ASTM D 2974, 2000 - خاکستر لجن فاضلاب و زغال زیستی تولید شده پس از قرار دادن در کوره دردمای 600 درجهی سانتی گراد تعیین شد - ASTM D 2974,. - 2000
به منظور اندازه گیری pH لجن بیولوژیک فاضلاب و زغال زیستی تولید شده، از روش استاندارد ASTM D 4980-89 استفاده گردید . - ASTM D 4980-89, 1989 - میزان هدایت الکتریکی نمونهها پس از عصارهگیری با آب مقطر به نسبت 1 :10، با استفاده از دستگاه هدایت سنج اندازه گیری شد - رضوانی پور و همکاران . - 1393 غلظت سدیم لجن فاضلاب و زغال زیستی تولید شده از آن پس از هضم نمونهها با نیتریک اسید و اسید کلریدریک به نسبت 1:3 به وسیله دستگاه جذب اتمی اندازه گیری شد . - ASTM D 5198 - 09, 2009 - میزان نیتروژن کل لجن بیولوژیک و زغال زیستی به روش کلدال اندازهگیری گردید - رضوانی پور و همکاران . - 1393 فسفر قابل جذب نمونه لجن و زغال زیستی به روش السن اندازه گیری شد . - Klute 1986 - علاوه براین، میزان پتاسیم تبادلی - قابل جذب - نمونهها پس از عصارهگیری با استات آمونیوم 1 نرمال با استفاده از دستگاه فلیم فتومتر اندازهگیری شد.
نتایج
نتایج حاصل از اندازهگیری ویژگیهای زغال زیستی حاصل از لجن بیولوژیک فاضلاب در دماهای 300، 400 و 500 درجهی سانتیگراد در جدول2 ارایه شده است. مشاهده میشود که با افزایش دما میزان pH و خاکستر نمونه ها افزایش یافت، در حالی که سایر پارامترها سیر نزولی داشتند. افزایش pH با افزایش دما یک پدیده معمولی است که هم در زغال زیستی به دست آمده از لجن فاضلاب و هم دیگر مواد خام مشاهده شده است. افزایش pH در اثر از دست دادن آب از مواد خام با کاهش در مقدار گروهای اسیدی سطح در طول فرایند حرارتی ارتباط دارد. علاوه براین، افزایش pH می تواند به دلیل تجمع ترکیبات معدنی در زغال زیستی هم باشد که می تواند نتیجهی جدایی نمک های فلزات قلیایی از ماتریس آلی با افزایش دما باشد
