بخشی از مقاله
چکیده
طراحی بهینه و کارآمد شبکههای جمعآوری فاضلاب نقش مهمی در طرحهای توسعه پایدار دارد. این تاسیسات بسیار پرهزینه بوده و در صورت بروز مشکلاتی مانند خوردگی در این شبکهها، مدیریت اجرایی متحمل هزینههای سنگینی خواهد شد. انتشار گاز هیدروژن سولفید در شبکههای جمعآوری فاضلاب، باعث بروز مشکلاتی چون آزاد شدن بوهای خطرناک در جو و خوردگی لولههای فاضلاب و تاسیسات انتقال دهنده میشود.
انتشار ترکیبات بودار خطرناک در جو، سلامت جامعه را به خطر میاندازد و پدیده خوردگی لولهها، سالانه هزینههای هنگفتی را در بخش نگهداری و مرمت سازی شامل میشود. به منظور جلوگیری از انتشار گاز هیدروژن سولفید، از برخی روشهای شیمیایی استفاده میشود. این روشها شامل تزریق اکسیژن، نیترات، هیدروکسید منیزیم ، هیدروکسید سدیم و نمکهای آهنی میشوند.
جهت بهینه سازی نرخ و موقعیت مصرف هر روش، لازم است با کمترین هزینه به حداکثر میزان کاهش گاز هیدروژن سولفید رسید. در این مقاله، پنج روش کاهش گاز هیدروژن سولفید که به آنها اشاره شد، بحث و بررسی شدهاند. این مقاله دو بحث مهم دارد، ابتدا واکنشهایی که هنگام انتقال فاضلاب در شبکهها رخ میدهند و عوامل موثر در تولید گاز هیدروژن سولفید مشخص میگردند و در نهایت به تفاوتهای بین هر کدام از روشها و نحوه عملکرد آنها پرداخته میشود.
-1 مقدمه
یک شبکه فاضلاب را علاوه بر سیستم جمعآوری و انتقال دهنده میتوان، به دلیل حضور موادی با خواص شیمیایی و بیولوژیکی مشخص، به عنوان یک رآکتور برای انجام واکنشهای بیولوژیکی نیز در نظر گرفت]ژاکوبسن، 2013،. [27 واکنشهای بیولوژیکی فاضلاب میتوانند باعث بروز مشکلات عمدهای مانند کاهش سولفور اکسید شده تحت شرایط بیهوازی در شبکهها شوند که در نهایت منجر به تولید گاز هیدروژن سولفید میشود]گوتیرز،2008،.[3 گاز هیدروژن سولفید یک خطر جدی برای سلامت انسان است و ترکیبات بودار میتوانند مشکلات خوردگی عمدهای در شبکهها ایجاد کنند.
سالانه کارگران فاضلاب در مواجه با انتشار گازهای سمی، آسیبهای جدی میبینند ]نیلسن،2008،.[2 در زمینه تاثیرات سلامت، گاز هیدروژن سولفید در غلظتهای بالای 0/0001 پیپیام موجب آزار و اذیت خواهد شد و در غلظتهای بالای 0/5 پیپیام بوی بدی میدهد، به علاوه در غلظتهای بالای 10 پیپیام موجب تهوع و استفراغ میگردد. در غلظتهای بالاتر از 50 پیپیام، این گاز باعث آسیبهای چشمی و تنفسی میشود و زندگی انسان را تهدید میکند، در حالی که وجود غلظتهای بالاتر از 700 پیپیام این گاز، کشنده خواهد بود.
مطالعات نشان میدهد که غلظت کل سولفید در طیف 0/1-0/5 میلیگرم بر لیتر، مشکلات جزئی خوردگی برای بتن ایجاد میکند، در حالی که خوردگیهای شدید بتن ممکن است در غلظتهای سولفید 2 میلیگرم بر لیتر رخ دهد]ژاکوبسن،2002،.[27 کل سولفید موجود در فاضلاب را میتوان بدین صورت طبقه بندی کرد، رسوب سولفید فلزی و گونههای سولفید محلول که به شکلهای H2S، HS- و S2- وجود دارند. وجود گونههای سولفید محلول در فاضلاب به میزان PH بستگی دارد که از بین این گونهها تنها سولفید هیدروژن - H2S - میتواند در جو فاضلابرو منتشر شود]یانگسیری، 2003،.[4 تولید سولفید محلول ناشی از فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی است که اغلب در شرایط بیهوازی صورت میگیرند.
سولفید محلول که در شرایط بیهوازی تولید شده، در صورتی که دبی فاضلاب کم و دمای آن بالا باشد، میتواند به جو فاضلابرو راه یابد. تولید سولفید محلول را میتوان با حفظ فاضلاب در شرایط هوازی متوقف ساخت. تحت این شرایط، اکسیژن به عنوان پذیرندهی الکترون عمل کرده و تبدیل مواد آلی باعث تولید گاز دی اکسید کربن و بایومس میشود.
در حضور اکسیژن، سولفید محلول موجود که در لایههای عمیق بایوفیلم و مواد تهنشین شده تولید میشود، به شکل سولفات - - - SO42 و سولفور عنصری اکسید خواهد شد]نیلسن،2003،.[6 این تغییر در شرایط فاضلاب - از شرایط بیهوازی به هوازی یا برعکس - به وضوح نشان میدهد که شبکه جمعآوری فاضلاب تنها یک سیستم انتقال نمیباشد، بلکه به عنوان رآکتوری که واکنشهای مختلف در آن در حال انجام است نیز میباشد] ژاکوبسن، 2013،. [52 به منظور کنترل انتشار گاز هیدروژن سولفید در میان محققین مرسوم است که فاضلابهای مشکل ساز را با تزریق مواد شیمیایی کنترل کنند تا شرایط فاضلابروها بهبود یابند.
این اقدامات میتواند مانع از تولید سولفید محلول شده و از انتشار گاز هیدروژن سولفید جلوگیری کند. پژوهش اخیر انجام شده توسط گانیجو و همکارانش نشان میدهد پنج ماده شیمیایی وجود دارد که تولید گاز هیدروژن سولفید را کنترل میکنند که امروزه کاربرد زیادی دارند. این مواد عبارتند از اکسیژن، نیترات، هیدروکسید منیزیم ، هیدروکسید سدیم و نمکهای آهنی]گانیجو، 2011،.[5 در این پژوهش سعی شده تاثیر این مواد در کنترل گاز هیدروژن سولفید بررسی شود و مزایا و معایب کابرد هر یک از این مواد شیمیایی بیان شود.
-2 واکنشهای شبکههای جمعآوری فاضلاب
چنانچه در بخش قبل ذکر شد، تولید هیدروژن سولفید در شبکه فاضلاب حاصل ویژگیهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی ترکیبات فاضلاب است. در شبکههای جمعآوری فاضلاب، واکنشهای مهمی ممکن است رخ دهد که شامل: - 1 تولید سولفید محلول - 2 انتشار سولفید هیدروژن - 3 اکسیداسیون شیمیایی و بیولوژیکی سولفید محلول - 4 خوردگی میشوند]نیلسن،2008،.[7 این فرآیندها میتوانند در یک یا چند فاز انجام شوند]ژاکوبسن،1998،.[6 این فازها در شکل - 1 - نشان داده شدهاند که در ادامه به آنها اشاره میشود:
-1 جو فاضلابرو: فضای محصورشده به هوا - فاز گازی - که در لولههای شبکههای ثقلی وجود دارد.
-2 دیوارهی فاضلابروها: سرعت فاضلاب و تنش برشی وارد بر دیوارهها، بر ساختار بایوفیلم ایجاد شده و مواد تهنشین شده تاثیر میگذارد.
-3 بایوفیلم : بایوفیلم که اغلب از آن به عنوان لجن یاد میشود، یک لایه فشرده از میکروارگانیسمهاست که به کلیه سطوحی که در تماس با فاز آبی هستند، میچسبد.
-4 رسوبات فاضلابروها: رسوبات اغلب در دورههای بدون بارندگی در شبکههای فاضلاب مرکب و در مواقعی که دبی و سرعت جریان پایین است - به خصوص در سااعات شبانه - تهنشین میشوند.
-5 حجم آب: فاضلابی که شامل مواد آلی، مواد مغذی، فلزات سنگین، آلوده کنندهای آلی و میکروارگانیسمها - پاتوژنیک و غیر پاتوژنیک - میشود.
سولفید محلول در شبکههای فاضلاب در وهله اول از کاهش سولفات منشا میگیرد که در لایههای بیهوازی بایوفیلم و مواد تهنشین شده رخ میدهد]نورسکر،1995،.[8 سولفید محلول تشکیل شده به کندی با فاز فاضلاب ترکیب میشود. اکسیداسیون شیمیایی و بیولوژیکی در صورتی میتواند ایجاد شود که پذیرندههای الکترون همچون اکسیژن یا نیترات در فاز فاضلاب وجود داشته باشند.
اکسیداسیون سولفید محلول آن را تبدیل به سولفات و سولفید عنصری میکند] ]نیلسن،2003،. [7 در حضور فلزات - ابتدا آهن، روی و مس - سولفید محلول در فاضلاب با ترکیب فلزی واکنش داده و سولفید فلزی را تشکیل میدهد که در فاضلابرو تهنشین میشود]نیلسن،2005،.[6 در صورتی که اکسیداسیون و تهنشینی در فاضلابرو رخ دهد، احتمال انتشار سولفید محلول در جو شبکه کاهش مییابد.
شرایط حاکم بر شبکههای جمعآوری - هوازی، آنوکسیک و بیهوازی - ، در پنج فازی که به آنها اشاره شد، تعیین کنندهی نوع فرآیندهای شیمیایی و بیولوژیکی در شبکه است. شرایط اکسایش و کاهش مواد، نقش مهمی در واکنشهای شیمیایی و بیولوژیکی فاضلاب دارند. این واکنشها شامل انتقال اکسیژن از یک ترکیب به ترکیب دیگر در مقیاس اتمی یا مولکولی میشود و این انتقال الکترون، اکسایش و کاهش ترکیبات درگیر را آغاز خواهد کرد. مهمترین این پذیرندههای الکترون در سیستم شبکه جمعآوری فاضلاب شامل اکسیژن محلول - O2 - ، نیترات - - - NO3 و سولفات - SO42- - میباشند. این پذیرندههای الکترون نقش مهمی در تعیین واکنشهای شبکه جمعآوری دارند که در ادامه به شرح آنها پرداخته میشود:
-1 هوازی: اکسیژن محلول اضافی در فاضلاب موجب انتقال الکترون و کاهش عنصر مرکزی اکسیژن شده که در نهایت منجر به تولید آب خواهد شد.
-2 آنوکسیک: در شرایطی که غلظت اکسیژن محلول کافی نباشد و نیترات به عنوان پذیرندهی الکترون در شبکه موجود باشد، واکنشهای میکروبی در فاز آنوکسیک قادر به شکلگیری هستند. غلظت نیترات در فاضلاب عموما پایین بوده و در محدوده 0-0/5 گرم در متر مکعب است و به همین دلیل تشکیل شرایط آنوکسیک به صورت طبیعی در شبکههای فاضلاب غیرمعمول است.
