بخشی از مقاله
چکیده زمینه وهدف : با توجه به قرار گرفتن کشور در شرایط بحران آب، استفاده از پساب تصفیه شده به عنوان منبع غیر مستقیمی برای آشامیدن و استفاده در صنایع و کشاورزی و جلوگیری از آلودگی محیط زیست، منابع آبی و رودخانه و تخریت حیات آبزیان امری ضروی است که هم از نظر محققان بهداشتی و هم از نظر قانونی دارای اولویت و لازم اجرا می باشد. یکی از این منابع عظیم آبی پساب تصفیه خانه فاضلاب شهری می باشد که دارای سطح بالای ترکیبات آلی - - COD, BOD، نیترات و فسفات که امکان استفاده بهینه از آن را مشکل ساخته است.
در این تحقیق سعی شده است تا امکان حذف این ترکیبات از پساب ثانویه با استفاده از جاذب نانو ذرات اکسید آهن - - Fe3O4 MNPs مورد بررسی قرار گیرد تا در صورت امکان به صورت یک سیستم مکمل همراه با سایر سیستم های تصفیه متداول مورد استفاده قرار گیرد. این تحقیق برای بررسی کارایی نانو ذرات Fe3O4 در حذف ترکیبات آلی نیترات - - NO-3 وفسفات - - - PO43 در سیستم بسته انجام شد. اثر pH، زمان و غلضت جاذب به روش یک فاکتور در زمان مورد بررسی قرار گرفت. سپس ایزوترم ها وکنتیک جذب بر مبنایی شرایط بهینه تعیین گردید.
pH=3، زمان تماس 15 و دوز 1g/l شرایط بهینه برای جاذب نانو ذرات اکسید آهن بدست آمد. در شرایط بهینه میزان حذف برای فسفات، نیترات، BOD وCOD به ترتیب 54، 11/5، 56 و 75 درصد و ظرفیت به ترتیب 1.8 - mg/g - ، 1.6، 14و25 بدست آمد. نتایج نشان داد جذب توسط Fe3O4 از مدل فروندلیج و کنتیک درجه اول برای COD و فسفات و برایBOD و نیترات از کنتیک درجه دوم پیروی میکند. آنالیز آماری نشان داد اثرpH بر حذف همه ترکیبات بجز COD معنی - p<0/05 - دار است و اثر زمان نیز فقط بر حذف نیترات وفسفات معنی دار میباشد. می توان بیان داشت که مگنتیت دارای پتانسیل مناسبی برای حذف فسفر، BOD وCOD از فاضلاب می باشد و به عنوان یک روش پاک کارایی مناسبی برای حذف آلایند ها از فاضلاب شهری دارا است.
-1 مقدمه
هرچند صنعت و توسعه آن، باعث رشد و شکوفایی در ابعاد مختلف زندگی بشر به ویژه در بعداقتصادی شده است. ولی به موازات این پیشرفت ها کارخانه ها، مراکز صنعتی و افزایش جمعیت با تولید فاضلاب و پساب های آلوده و گاهی کشنده، زیان های غیر قابل جبرانی به محیط زیست وارده کرده اند.از جمله منابع آلوده کنند آّب های سطحی و زیر زمینی پساب تولیدی درتصفیه خانه های فاضلاب می باشد. [4-1] مهمترین آلایندهای موجود در این پساب، بار بالای COD , BOD، نیترات و فسفات می باشد که دارای اثرات زیان آوری بر سلامت و اکوسیستم هستند.
[5] در بسیاری از شهر های ایران - مشهد ،رشت ساری ،همدان،اراک ،اصفهان ... غلضت بیش از حد نیترات مشاهده شده است. تاکنون در کشور به دلایل مختلف آمار رسمی مبنی بر چگونگی وضعیت نیترات گزارش نشده است. طبق گزارشات موجود و جمع آوری شده در شهر های مختلف، حداکثر مقدار نیترات در دشت مشهد 486mg/l، گیلان ومازندران 110mg/l، کرج 85mg/l، قزوین 96 mg/l، ملایر74 mg/l وکرمانشاه 84mg/l است. وزارات نیرو نیز در گزارش 535 بیان داشته است که تخلیه پساب ثانویه تصفیه خانه فاضلاب به رود خانه ها منجربه افزایش ترکیبات آلی، فسفر و نیترات در این منابع شده است.[8-6] گزارشات دیگر نیز آلودگی زمین ها و محصولاتی که از این آبها جهت آبیاری استفاده می کنند را بیان کرده اند .
افزایش این ترکیبات نرخ مصرف اکوسیستم را افزایش می دهد و مشکلات ناشی از افزایش ترکیبات نیتروژن، فسفر و ترکیبات آلی ظاهر می شود و هر چه منابع آبی کوچکتر باشد اثرات این مشکلات بزرگتر خواهد بود. بنابراین شرایط بحرانی تر خواهد شد. مطالعات نشان می دهد در سال 2020 آب مورد نیاز صنعت 2110 میلیون متر مکعب و مقدار پساب تولید در تصفیه خانه ها 1088 میلیون متر معکب خواهد که نصف میزان مصرفی در صنعت است.
[7] با توجه به این حجم آب مصرفی، بحران خشکسالی و کم آبی کشور، فقدان کارایی مناسب سیستم های تصفیه موجود در کشور، مقدار بالای آلایند ها در پساب ثانویه، آلودگی منابع آبی و صدمات آنها به سلامت انسان و محیط زیست، تصفیه فاضلاب هم از نظر محقیقین بهداشتی و قانونی امری ضروری و داری اولویت است که باید اجرای گردد. روش های متداول حذف و بازیابی فسفر، نیترات و ترکیبات آلی مورد استفاده در تسهیلات تصفیه فاضلاب داری چندین نقص عمده می باشند. این تکنولوژی ها قادر به حذف همه ناخالصی های که نیاز مند تصفیه هستند نمی باشند و حجم بالای از لجن تولید می کنندکه نیازمند تصفیه و دفع بیشتری است.
بنابراین استفاده از سیستم های متداول همراه با سیستم های نوین به کاهش هزینههای تصفیه و پیروی از اصول راهنما کمک می نماید. فرایندهای مانند اکسیداسیون با ازن، جذب با کربن فعال، رس [3] و دیگر جاذب ها، گواگولاسیون و فلوکولاسیون[9] و تعویض یون فرایند های متداولی هستند که برای حذف فسفر، نیترات و مواد الی استفاده می شوند.[10] اما حذف کامل این مواد با برخی از این فرایند ها مشکل و با برخی غیر ممکن می باشد.
امروزه با توجه به هزینه پایین، سادگی وجداسازی سریع وعملکرد بالا، جاذب های مگنتیکی به طور گسترده ای استفاده می شود. این جاذب داری پتانسیل بالای برای جذب و تجزیه موادالی، فسفر و نیترات از فاضلاب می باشد. و از نظر شیمیایی پایدار، سمیت کم و قابلیت بازیافت عالی دارا می باشد. این خصوصیت می تواند کاربرد این روش را برای حذف یون ها و ترکیبات آلی از آب و فاضلاب توسعه دهد. [11] بنابراین هدف این پژوهش بررسی کاربرد جاذب نانو ذرات اکسید آهن - مگنتیت - - - Fe3O4 MNPs به عنوان جاذبی برای جذب فسفر ، نیترات و مواد آلی از جریان پساب ثانویه فاضلاب شهری می باشد که می تواند همراه با سیستم های متداول به عنوان یک سیستم تکمیلی استفاده شود.
-2 مواد و روشها
کلیه مواد استفاده در این شامل محلول اسید هیدروکلرید، اسید فسفریک %85، -Nاتیلن دی آمین دی هیدرو کلراید، سولفانامید، اسید سولفوریک غلیظ، سولفات امونیم فروس، سولفات مگنز، پتاسیم دی کرومات،1و10فناترولین منوهیدرات، سولفات جیوه، آمونیممولیبدات، آمونیم متاوانادات،پتاسیم هیدروژن فتالات، نمک کلرید فریک وسولفات فروس، با درجه آزمایگشاهی از شرکت مرک - نمایندگی ایران - خریداری شد. برای تنظیم pH از - pH meter - Corning Model -En و از دستگاه DR5000 به عنوان دستگاه رنگ سنجی به روش کلرومتریک استفاده شد.
نمونه پساب واقعی مورد استفاده در این کار قبل از واحد گندزدایی ازتصفیه خانه فاضلاب اکباتان نمونه برداری شدکه مشخصات آن به صورت زیراست COD : 43 mg/l، BOD:25mg/l ، :60mg/l - No3- - نیترات، :0mg/l نیتریت و - :8/6 mg/lارتوفسفات - فسفات. پس از آماده سازی جاذب مطالعات جذب در چند بخش شامل تاثیر pH، زمان تماس و میزان جاذب بر فرایند حذف در سیستم بسته مورد بررسی قرار گرفت.
آزمایشات به صورت یک عامل در زمان انجام گرفت. به منظور جلوگیری از تداخل کدورت پساب درنتایج آزمایش، نمونه پساب را قبل انجام آزمایش با فیلتر صافی 0.45 - میکرو متر - صاف کردیم. در نهایت به منظور بررسی راندمان حذف آلایندهها توسط جاذب در شرایط بهینه شده آزمایشات تعیین نیتریت، نیترات، فسفر، BOD,COD مطابق با روش های نیترات - - 4500NO3-B، نیتریت - - 4500-NO2- Colorimetric Method، فسفر - وانادات -مولیبدات - و BOD,COD باروش 5210A و 5210B استاندارد متد انجام شد.[12] آزمایشات در راکتور بسته - Batch - انجام گرفت. نانو ذرات اکسید آهن page6Fe3O4 مورد استفاده در این روش از شرکت ژرفان پژووهان علم نو خریداری شد. برای آنالیز آماری از نرم افزار spss16 و آنالیز رگراسیون خطی چند متغیره استفاده شد.
-2-1تعیین زمان تماس بهینه
برای تعیین تاثیر زمان تماس، در زمانهای 5، 10، 15، 20 و30دقیقه، دوز جاذب 0/5 g/l وpH=5 فرایند جذب انجام شد. تمامی آزمایشات در دمای محیط 20 2 C - - انجام گرفته است.
-2-2 تعیین: pH
بعد تعیین زمان بهینه با ثابت نگه داشتن سایر شرایط، اثر pH بر فرایند جذب با انجام آزمایشات در دامنه 3 pH تا 9، دوزجاذب0/5 g/l با نانو ذرات اکسید آهن انجام گرفت. برای تنظیم pH از اسید سولفوریک 0/1نرمال و سود سوزآور 0/1 نرمال استفاده شد.
تعیینpHZPC
برای تعیین این پارامتر از محلول 0/01NaCl مولار به عنوان الکترولیت و از محلولهای سود و اسید کلریدریک 0/1 مولار به عنوان کنترل کننده pH استفاده گردید. محلول در pH های2تا 12تنظیم و در هرمحلول 0/2 گرم جاذب استفاده شد.[13]
-2-3 مقدار جاذب:
بعد تعیین زمان تماس وpH بهینه با ثابت نگه داشتن سایر شرایط مقدار جاذب نانو ذرات اکسید آهن Fe3O4 در مقادیر 0/ 1-5گرم بر لیتر در آزمایشات مورد استفاده قرار گرفت.
-2-4 تعیین ایزوترم جذب
در این پژوهش از مدل های ایزوترم لانگمویر وفروندلیخ برای مدل سازی ریاضی فرایند جذب استفاده شد.
-2-4-1 ایزوترم جذب فرویندلیچ
معادله فرویندلیچ یا ایزوترم فرویندلیچ بصورت زیر بیان میشود: مقدار ماده جذب سطحی شده Ce - mg/l - تعادلی ماده در محلول وk ثابت های فروندلیچ .
-2-4-2 ایزوترم جذب لانگمویر
معادله لانگمویر یا ایزوترم لانگمویر یکی از ایزوترم های جذب است. که با معادله زیر توضیح داده می شود: 2qe و Ce مشابه ایزوترم فروندلیخ هستند وb وqm ثابت تجربی لانگمویر هستند. یکی از ویژگیهای معادله لانگمویر پارامتر بدون بعد ضریب جداسازی RL می باشد که از رابطه زیر بدست می آید. با استفاده از این پارامتر نوع فرایند را می توان مشخص ساخت. در 1 جذب نامطلوب، 1 خطی ،1 >مطلوب و معکوس پذیر است.
-2-5 کنتیک جذب
برای بررسی کنتیک جذب از کنتیک جذب درجه اول و دوم استفاده شد . شکل خطی شده این معادلات به صورت زیر می باشد k1. وk2 ثابت واکنش درجه اول و دوم هستند.
-3 نتایج
-3-1 بررسی ساختار نانو ذرات اکسید آهن - Fe3O4MNPs -
ویژگی نانو ذرات اکسید آهن مورد استفاده در این پژهش به شرح زیر می باشد. رنگ سیاه ،اندازه کریستال کمتر از 40 نانو متر، خلوص 99/5 %، دانسیته5/31g/cm3 و مساخت سطح ویژه آن 50 m2/g می باشد.
-3-2 تعیین زمان تماس بهینه برای جذب
شکل1 اثر زمان تماس با استفاده از جاذب نانو ذرات اکسیدآهن نشان می دهد. بیشترین بازده حذف برای COD, BOD، فسفات و نیترات در pH=5 ، زمان تماس15 min توسط نانوذرات اکسید آهن برابر 52 ، 10، 36و48 درصد بدست آمد. بنابراین زمان 15دقیقه به عنوان زمان بهینه برای جاذب نانوذرات اکسید آهن انتخاب شد. آنالیز آماری نشان داد که اثر زمان بر حذف COD وBOD با جاذب معنی دار - p>0/05 - نبود،اما بر حذف نیترات و فسفات با جاذب های نانوذرات اکسید آهن معنی دار - - p<0/05 می باشد. شکل.1 تاثیر زمان تماس در فرآیند جذب-COD, BOD,NO3- ,PO43 با Fe3o4 MNPs - مقدارجاذب به ترتیب /5 g/l: زمان : متغیر،. - pH: 5
-3-3 تعیینpH بهینه
شکل2 اثر pH با استفاده از جاذب نانو ذرات اکسید آهن نشان می دهد. بیشترین بازده حذف برای نیترات، COD ,BOD در pH=3، زمان تماس15 min توسط نانو ذرات اکسید آهن برابر 12/5،52 و%64 بدست آمد. اما برای فسفات بیشترین میزان حذف در pH=5 برابر %46 بدست آمد. بنابراین pH=3 برای حذف نیترات، COD, BODو pH= 5 برای حذف فسفات به عنوان مقدار بهینه انتخاب شد.آنالیز آماری نشان داد که اثر pH بر حذف فسفات، نیترات وBOD، بجز COD، معنی دار - p>0/05 - می باشد.
