بخشی از مقاله
چکیده
ورود فلزات سنگین به منابع تامین آب شرب، اثرات زیان بار بر سلامتی انسان و محیط زیست مخصوصا در آب های سطحی شمال کشور دارد. در این تحقیق شبیهسازی دینامیک فرآیند جذب سرب با استفاده از لجن فعال در ستون پیوسته توسط نرم افزار کامسول انجام گرفت. نتایج نشان داد که نتایج شبیه سازی کاملا بر نتایج تجربی منطبق می باشد. با افزایش ارتفاع ستون، شیب منحنی های شکست کاهش یافته و ناحیه انتقال جرم گسترده تر شده است. از این رو با افزایش مقدار ارتفاع بستر، جذب سرب به ازای واحد جرم جاذب در ستون افزایش یافته است.
از طرفی افزایش نرخ جریان افزایش سرعت را به دنبال دارد که این باعث کاهش مقاومت فیلمی میشود و در نهایت افزایش نرخ انتقال جرم را به همراه دارد. همچنین با افزایش غلظت ورودی، میزان بارگذاری آلاینده با بستر افزایش یافته و نیروی رانش به منظور انتقال جرم بیشتر می شود و ضمن کوتاه تر شدن طول ناحیه انتقال جرم، شکست بستر در زمان کوتاه تری اتفاق می افتد.
.1 مقدمه
فلزات سنگین در بیشتر نقاط دنیا در فرمهای فیزیکی و شیمیایی گوناگون و در غلظتهای متفاوت به عنوان آلوده کننده محیط زیست مطرح بوده و ازطریق پسابهای صنعتی، مصرف سوخت، تخلیه فاضلاب های شهری، مصرف لجن حاصل از تصفیه فاضلاب به عنوان بارور کننده زمین، به محیط وارد میگردند و برای انسانها و دیگر موجودات زنده، محیط زیست اثرات زیانباری را به دنبال دارند. اغلب فلزات سنگین در واکنشهای بیولوژیک، سلولهای موجودات زنده تداخل و ایجاد مزاحمت میکنند و یا ممکن است باعث ممانعت برخی واکنشهای بیوشیمیایی سلولها شوند.
وجود فلزات سنگین در فاضلاب شهری، در سیستم تصفیه فاضلاب اختلال ایجاد کرده و باعث کاهش راندمان تصفیه و در موارد حاد توقف فعالیتهای بیولوژیکی سیستمهای تصفیهای میگردد .[2 ,1]یکی از فلزات سنگین خطرناک سرب می باشد. سرب از را ههای مختلف وارد بدن میشود. یکی از راههای جذب سرب به بدن دستگاه تنفسی بوده که جذب سرب غیر ارگانیک از این طریق بستگی به بزرگی ذرات، وضعیت تهویه ریوی و غلظت سرب موجود در هوا دارد. بیشترین راه جذب سرب به بدن از طریق دستگاه گوارش بوده و تماس دست با دهان اصلی ترین راه آلودگی کودکان به سرب است.
جذب گوارشی سرب بر حسب سن متفاوت است، به طوری که کودکان حدود 40 درصد را جذب کرده و این میزان برای بزرگسالان حدود 10 درصد میباشد. از علائم مسمومیت حاد با سرب، بیاشتهایی، تهوع و استفراغ شیری رنگ، بیحالی، سوزش دهان، دلدرد، ایجاد خط آبی روی لثه و تشنج میباشد. اما مسمومیت با سرب غالبا به صورت مزمن ایجاد میشود و تغییرات بیشتر در استخوان و مغز استخوان به وجود میآید که موجب اختلال در ساخت خون و کم خونی میشود .[2 ,1]
امروزه، مدیریت لجن، با توسعه تصفیه خانههای فاضلاب اعم از احداث واحدهای تصفیهخانه جدید و یا بهبود تأسیسات موجود، به یکی از بحرانیترین موضوعات زیستمحیطی، تبدیل شده است . در ایالات متحده سالانه 7 میلیون تن، در اتحادیه اروپا 8 میلیون تن، در ژاپن 3/5 میلیون تن، در تایوان0/2 میلیون تن، در کره 2/43 میلیون تن جامدات خشک و تنها در یکی از شهرهای ترکیه روزانه 220 تا 330 مترمکعب لجن تولید میشود. مطالعات انجام یافته توسط فرزادکیا و همکاران [3] بر روی چهار تصفیهخانه فاضلاب در شهر تهران که به روش هوادهی گسترده لجن فعال کار میکردند، نشان داد که این لجنها در اکثر موارد، خام و تثبیت نشده به محیط دفع میشود.
نتایج تحقیقات دیگر در سال 1379 بر روی لجنهای دفعی از تصفیه خانههای فاضلاب اصفهان نیز نشان داد که هاضم های بیهوازی تصفیهخانه شاهینشهر تنها قادر به تأمین مقررات کاهش سازمان حفاظت محیط زیست پاتوژن در گروه B هستند، این در حالی است که هاضم های بیهوازی تصفیهخانه جنوب آمریکا، هیچ یک از معیارهای استفاده مجدد را تامین نمینمایند .[4] امروزه به دلیل تقاضای روزافزون بازار برای دستیابی به واحدهای عملیاتی مقرون به صرفه، طراحی مناسب برجهای پرشده و استفاده از پرکن هایی با کارآیی بالا ضروری به نظر می رسد.
برای این منظور لازم است هیدرودینامیک و عملیات انتقال جرم در برج ها به طور دقیق بررسی و از دیدگاه ریاضی مطالعه و مدل سازی شوند. مدل ریاضی ستون جذب سطحی، رفتار جذب موادی را که از درون سیال بر روی یک بستر ثابت پرشده جریان مییابد بیان میکند. مدلسازی ستون پرشده بر اساس شرایط زیر استوار شده است: -1 پراکندگی محوری در ستونهای پرشده، درجهت جریان سیال موثر است. -2 پراکندگی در جهت شعاع ستون ناچیز است، زیرا نسبت قطر ستون به ارتفاع آن کم است. -3 سرعت خطی سیال در طول ستون میتواند ثابت یا متغییر باشد، که برحسب شرایط عملیاتی، یکی از دوحالت را میتوان در نظر گرفت.
- 4 غلظت ماده در داخل خلل و فرجهای جاذب و در فاز جامد متوسط1 در نظر گرفته شده است و به ابعاد دانه بستگی ندارد. -5 نفوذ ماده به فاز جامد توسط مقاومتهای فیلم اطراف دانه و مقاومت حفرههای داخله دانه کنترل میشود، که اثرات آنها به صورت یک مقاومت کلی در انتقال جرم ماده موثر است. -6 میان سیال داخل حفرهها و فاز جذب شده تعادل برقرار است، و از مدل تعادلی لانگمیر در مورد محلولهای چند جزئی تبیعت میکند. -7 دانههای جاذب، کروی شکل و به اندازه یکسان و با کسر تخلخل یکنواخت در نظر گرفته شدهاند. -8 دما در طول ستون جذب ثابت است.
- 9 ستون جذب در حالت غیرپایدار بوده و غلظت اجزاء، علاوه بر متغیر بودن نسبت به طول ستون، نسبت به زمان نیز متغیر است و به مرور زمان از ماده جذب شونده اشباع میشود. سلیمان و همکارانش [5] مدلسازی فرآیند جذب فلزات سنگین توسط لجن فعال در ستون بستر ثابت را مورد بررسی قرار دادهاند. سارویندر و پنت [6] به مطالعه تجربی و مدلسازی فرآیند جذب یونهای آرسنیک از محلول آبی توسط آلومینای فعال و اکسید آهن آغشته به آلومینای فعال در ستون های جذب بستر ثابت پرداخته اند. باریالی2 و همکارانش [7] مدلسازی فرآیند جذب سولفید هیدروژن بوسیله کربن فعال در ستون جذب پرشده را به وسیله مدل دینامیک سیالات محاسباتی3 مورد بررسی قرار داده-اند.
ترابیانگجی و همکارانش [8] شبیهسازی ستونهای پرشده، جهت جداسازی محلولهای چند جزئی به روش جذب سطحی را مورد مطالعه قرار دادهاند. فرصت و همکارانش [9] به بررسی تجربی و مدل سازی ریاضی سولفورزدایی از جریان های گازی با استفاده از محلول آبی کیلاتآهن به عنوان شستشو دهنده جریان گازی حاوی سولفید هیدروژن در برج جذب پرداختهاند. در این تحقیق به شبیه سازی ستون پیوسته با نرم افزار کامسول جهت حذف سرب از محلول آبی توسط لجن فعال پرداخته شده است. اثرات پارامترهایی همچون دبی جریان، غلظت اولیه سرب و ارتفاع ستون بررسی شده است.
