بخشی از مقاله
چکیده
تخلیه کنترل نشده فاضلاب های صنعتی و استفاده بیش از حد از کودهای شیمیایی در کشاورزی سبب افزایش آلودگی نیترات در آبهای سطحی و زیرزمینی میشوند. هدف اصلی این تحقیق بررسی عملکرد یک بیوراکتور غشایی دو مرحله ای انوکسیک-اکسیک با غشای غوطه ور جهت حذف بیولوژیکی نیترات، COD و نیتریت تولیدی از آب آشامیدنی بود. بعلاوه تاثیر تغییرات pH و غلظت اکسیژن محلول روی عملکرد سیستم بررسی شد. شرایط عملیاتی برای بیوراکتور انوکسیک و اکسیک، زمان ماند هیدرولیکی ثابت 17 و 36 ساعت به ترتیب و غلظت نیترات و نسبت کربن به نیتروژن ورودی 150 mg NO3/L و 2 بود.
نتایج داده های آزمایش ها نشان داد که در تمام مدت عملیات، مقادیر - N-NO3 - /50 + - N-NO2 - /3 در خروجی بیوراکتور انوکسیک کمتر از استاندارد شماره 1053 سازمان ملی استاندارد ایران - [ - N-NO3 - /50 + - N-NO2 - /3@ 1 - بود. استفاده از استیک اسید به عنوان تنها منبع کربن، نیاز به تنظیم pH خارجی را به حداقل رساند و همچنین درصد حذف نیترات در pH های بالاتر از 7 بیشتر از 7pHبود. COD باقی مانده در خروجی بیوراکتور انوکسیک، در بیوراکتور اکسیک حذف شد. COD خروجی از بیوراکتور غشایی دو مرحله ای انوکسیک- اکسیک همواره کمتر از 15 mg/L و متوسط درصد حذف آن 92/8±0/1 بود.
کلمات کلیدی:بیوراکتور غشایی، دنیتریفیکاسیون بیولوژیکی، آب آشامیدنی، نیترات، نیتریت، اکسیژن محلول، .pH
-1 مقدمه
دفع نادرست فاضلاب های شهری و صنعتی و استفاده بیش از حد از کودهای شیمیایی و حیوانی از جمله دلایل اصلی آلودگی آب آشامیدنی به نیترات می باشد. نگرانی بزرگ در ارتباط با وجود نیترات در آب آشامیدنی خطر ابتلا به سندرم کودکان آبی است .[1] حداکثر غلظت مجاز نیترات و نیتریت در آب آشامیدنی توسط سازمان بهداشت جهانی - WHO - برابر11/3 mg NO3-N/L - معادل - 50 mg NO3/L و 1 mg NO 2-N/L - معادل - 3/28 mg NO2/L به ترتیب گزارش شده است .[2]راکتورهای بیولوژیکی معمولاً در تصفیه فاضلاب به کار میروند و علاوه بر توانایی حذف نیترات پتانسیل حذف سایر آلایندهها از جمله کرومات، پرکلرات و کاهش مواد شیمیایی آلی را نیز دارا میباشند .[3]
حذف بیولوژیکی نیترات برای تصفیه آب آشامیدنی از سال 1804 در اروپا مورد استفاده قرار گرفته است .[4] حذف نیترات به صورت طبیعی در طبیعت به عنوان بخشی از چرخه نیتروژن رخ میدهد. حذف بیولوژیکی نیترات برای آب آشامیدنی توسط باکتریهای نیتراتزدا با کاهش نیترات به گاز نیتروژن در غیاب اکسیژن - شرایط انوکسیک - رخ میدهد. در شکل - 1 - فرایند کلی تصفیه بیولوژیکی آب آشامیدنی نشان داده شده است.برخلاف فرآیندهای جداسازی تعویض یونی، اسمز معکوس و الکترودیالیز، در حذف بیولوژیکی، نیترات به جای تجمع در یک جریان پساب، به گاز نیتروژن کاهش مییابد و به سادگی از جریان پساب حذف میشود.
بیشتر بررسیهای صورت گرفته در مورد حذف بیولوژیکی نیترات با استفاده از گونه های خاصی صورت گرفته است که در شرایط کم هوازی قادر به حذف نیترات هستند و این موضوع سبب برداشتی عمومی شده که حذف نیترات تنها در شرایط انوکسیک امکان پذیر است. با این حال تحقیقات Mateju و همکاران نشان داده است که با استفاده از گونه های خاصی حذف نیترات در حضور اکسیژن هم امکان پذیر است .[6] سنتز آنزیم های حذف کننده نیترات زمانی آغاز میشود که شرایط برای باکتریها دنیتریفایر مناسب باشد. سنتز این آنزیم ها تحت شرایط بی هوازی رخ میدهد گرچه امکان حذف نیترات در حضور اکسیژن هم وجود دارد.
حتی در برخی موارد نیاز به حضور مقدار کمی اکسیژن هم وجود دارد. کاهش نیترات به گاز نیتروژن طی چهار مرحله و طبق معادله زیر صورت می گیرد که هر مرحله آن توسط یک آنزیم کاتالیست میشود:درصد حذف نیترات بسته به پایدار بودن شرایط عملیاتی بیوراکتور انوکسیک و بروز مشکلات عملیاتی در بیوراکتور انوکسیک متغیر است. علاوه بر غلظت اکسیژن محاول - DO - موجود در بیوراکتور انوکسیک، نرخ جریان برگشتی و نیز DO موجود در آن هم بر فرایند دنیتریفیکاسیون تاثیر دارد. Tan و Ng گزارش کردند که غلظت بالای DO - به طور میانگین - 5/0±1/5 mg/L در جریان برگشتی با نسبت جریان برگشتی بالاتر از 3 نرخ حذف نیتروژن کل - TN - را کاهش داد. اما جریان برگشتی با غلظت DO برابر با mg/L 3/0±4/7 برای نرخ جریان برگشتی برابر با 1، 3/5 و 10 باعث افزایش نرخ حذف TN تا میزان 63، 80، 84 و 89 درصد شد.
کاهش بیشتر غلظت اکسیژن محلول موجود در جریان برگشتی تا mg/L 1/0±9/8 روی راندمان حذف TN تاثیری نداشت .[7]در پژوهش های متعدد روی تغییرات pH بر درصد حذف نیترات مطالعه شده است. نتایج پژوهش های انجام شده نشان داده که pH موثر برای دنیتریفیکاسیون در سیستمهای با بیومس سوسپانسیونی بین 7-7/5 بوده است .[11] -[8]طی فرایند دنیتریفیکاسیون معادل 0/375 مول اسیدیته به ازای کاهش هر مول نیترات و تبدیل آن به گاز نیتروژن مصرف میشود - معادله . - 2 بنابراین در سیستم هایی با میزان بافر ناکافی، محیط بازی میشود .[10]
باکتریهای حذف کننده نیترات نیازبه یک عامل الکتروندهنده - سوبسترا - برای کاهش نیترات به گاز نیتروژن دارند. در تصفیه معمولی پساب به دلیل وجود منابع کربن کافی برای نیتراتزدایی معمولاً نیاز به افزودن سوبسترای اضافه نیست ولی در تصفیه آب آشامیدنی معمولاً افزودن سوبسترا لازم میباشد. استفاده از منبع کربن مناسب در حذف هتروتروفیک نیترات میتواند از طریق تولید CO2 کافی برای خنثی کردن قلیاییت تولید شده در طی فرآیند نیترات زدایی هتروتروفیک، نیاز به منبع خارجی برای تنظیم pH را به حداقل برساند. الکل ها - مانند متانول - و اسیدهای چرب فرار - مانند استیک اسید - دو منبع کربن اصلی در فرایند نیترات زدایی هتروتروفیک هستند .[12] استیک اسید و متانول طبق معادله های کلی زیر در واکنش حذف نیترات شرکت میکنند:
برخلاف متانول، استیک اسید میزان کافی CO2 برای کنترل pH در محدوده مناسب 5/5 - ؛ - 6/8 و همچنین افزایش قلیاییت سیستم برای مقابله با تغییرات pH تولید میکند .[12] بنابراین یکی از اهداف پژوهش اخیر استفاده از استیک اسید به عنوان منبع کربن جهت به حداقل رساندن استفاده از اسید برای تنظیم pH است.مساله مهم در ارتباط با کاربرد حذف بیولوژیکی نیترات از آب آشامیدنی، نیاز به تصفیه نهایی برای حذف بیومس و باقیمانده کربن آلی میباشد . [13] همراه شدن تکنولوژی غشایی با سیستم بیولوژیکی سنتی باعث کاهش و یا حذف تصفیه نهایی و جلوگیری از خروج میکروارگانیسم ها از سیستم بیولوژیکی می شود .[8]
در تحقیق حاضر عملکرد یک بیوراکتور غشایی دو مرحله ای انوکسیک- اکسیک با غشای غوطه ور جهت حذف بیولوژیکی نیترات، نیتریت و اکسیژن مورد نیاز شیمیایی - COD - از آب آشامیدنی در طول مدت 34 روز مورد بررسی قرار گرفت. همچنین تاثیر تغییرات pH و غلظت DO نیز روی عملکرد سیستم بررسی شد. شرایط عملیاتی، زمان ماند میکروبی - SRT - ثابت 110 روز برای بیوراکتور انوکسیک و 220 روز برای بیوراکتور اکسیک و زمان ماند هیدرولیکی - HRT - ثابت 17 ساعت برای بیوراکتور انوکسیک و 36 ساعت برای بیوراکتور اکسیک بود. همچنین مقادیر نیترات ورودی و نسبت کربن به نیتروژن - C/N - با منبع کربن اسید استیک ورودی، ثابت و برابر 150 mg/L و 2 به ترتیب، در نظر گرفته شد.
-2 مواد و روش ها
دیاگرام شماتیک از سیستم آزمایشگاهی بکار برده شده در تحقیق حاضر در شکل - 2 - آورده شده است. غشاء مورد استفاده در بیوراکتور از شرکت Kubota ژاپن تهیه شد. این غشاء از نوع صفحه ای تخت، با سطح مقطع 0/1 m2 و سایز حفرات کمتر از 0/4 میکرومتر بود.آب سنتزی حاوی غلظت 150 mg/L نیترات بود. اسید استیک به عنوان منبع کربن و KH2PO4 به عنوان منبع فسفر با نسبت C/N=2 و P/N=0/03 به خوراک اضافه شد. به منظور آماده کردن حجم و غلظت کافی مایه تلقیح برای آزمایشات، مخلوط میکروبی از واحد لجن فعال تصفیهخانه فاضلاب کارخانه روغن نباتی کوروش گرفته شد و پس از انتقال به آزمایشگاه، عملیات سازگاری به مدت یک ماه درون ظرفهای پلی اتیلن ترفتالات 10 لیتری انجام شد.
از مخلوط میکروبی ته نشین شده در انتهای عملیات ناپیوسته بعنوان مایه تلقیح برای راه اندازی سیستم استفاده گردید. pH و دمای داخل سیستم در طول زمان آزمایشات در حدود 7/5 و 25 درجه سانتیگراد ثابت نگه داشته شد. در زمان راه اندازی بیوراکتور مقدار مخلوط جامدات معلق میکروبی - MLSS - بیوراکتور غشایی انوکسیک و اکسیک حدود 4000 و 2000 میلی گرم بر لیتر به ترتیب بود. شرایط عملیاتی، SRT ثابت 110 روز برای بیوراکتور انوکسیک و 220 روز برای بیوراکتور اکسیک و HRT ثابت 17 ساعت برای بیوراکتور انوکسیک و 36 ساعت برای بیوراکتور اکسیک بود.غلظت MLSS - روش - D 2540، جامدات معلق فرار - MLVSS - - روش - E 2540 و نیترات - روش - 4500- NO3-B بر اساس روش استاندارد [14] APHA اندازهگیری شد. برای تعیین میزان نیتریت از تست کیتهای شرکت مرک و بر اساس روش -B APHA 4500-NO2 استفاده شد .[14] غلظت COD از روش
