بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
حذف سولفید هیدروژن ناشی از تصفیه فاضلاب
توسط فیلترهاي کربن زیستی
سولفید هیدروژن گاز بدبو و آلاینده ناشی از فاضلاب است که قابل تصفیه با بیوفیلتر هوا اسـت. کـربن زیستی، محیطی مناسب براي تشکیل بیوفیلم و تصفیه H2S میباشد. در پروسه بیـوفیلتر سـه مرحلـه اصلی مشاهده میگردد: اتصال میکروارگانیسمها به سطوح متخلخل بیوکربن و تشکیل بیوفیلم، مصرف سوبسترا (H2S) و رشد بیوماس، شستشو .(Filter Backwashing)
براي جلوگیري از تجمع بیرویه میکروارگانیسمهـا، هـر از 100-200h، فیلتـر بـا آب 32œC شستـشو میشود. رابطه مستقیمی بین میزان تخلخل بیوکربن و بیوفیلم تشکیل شده از یک طرف و میزان حذف
H2S از ســوي دیگــر مــشاهده مــیشــود. محــصول اصــلی ضــمن اکــسیداسیون میکروبــی H2S ،
اسیدسولفوریک است. تنظیم ph، دما، رطوبت و هوادهی ضروري است. ارزیابی کار بیـوفیلتر بـا فـاکتور
Elimination Capacity=EC برآورد میگردد. بیوکربن غلظت بالايH2S را جذب کرده و به تـدریج در اختیار میکروارگانیسمهاي فیلتر قرار داده و رطوبت را حفظ مینماید.
بنابراین بیوکربن گزینهاي مناسب براي رفع سولفید هیدروژن از فاضلاب است.
کلمات کلیدي:
Air BioFilter - Sewage Treatment Plant - Hydrogen Sulfide - Biological Activated Carbon
١
مقدمه:
از صنایع گوناگون و سیستمهاي تصفیه فاضلاب، آلایندههاي گازي بسیاري ماننـد: سـولفیدهیدروژن((H2S، ديمتیـل سولفید، ترپنها و … در اتمسفر پراکنده میشود که براي انسان و سایر موجودات زنده سمی و خطرناك است و عـلاوه بر این برخی از این گازها موجب تخریب لایه اوزون و اثرات سوءزیستمحیطی میگردند(.(4 دو گروه از این آلایندههـا
(VOCS) ترکیبات آلی فرار و ترکیبات گوگردي هستند. که با طراحی بیوفیلترهاي جدید، کاملاً قابل تجزیـه و تـصفیه میباشند. در گذشته بیوفیلترها صرفاً براي تصفیه آب و فاضلاب بکار میرفتند اما از دهه 1990 بیوفیلترهـاي جدیـدي براي تصفیه آلایندههاي هوا طراحی و به کار برده شدهاند.(.(1,4,7,21,32 اساس کار ایـن نـوع فیلتـر تقریبـاً مـشابه و شامل تشکیل بیوفیلم میکروبـی بـر روي سـطوح متخلخـل محـیط و توانـایی ایـن میکروارگانیـسمهـا در خودپـالایی (Self- purfication) و حذف زیستی((Bioremedation میباشـد(.(20 فیلترهـاي تـصفیه هـوا در سـه گـروه کلـی طبقهبندي میشوند.
Biofilters Trickling Biofilters Bioscrubbers
در نوع اول و دوم اجتماعات میکروبی سازگار بر روي محیط جامد مناسب، لایههاي بیوفیلم را تشکیل میدهند. با عبور جریان هواي آلوده (مثال: حاوي (H2S میکروارگانیسمها آن را تجزیه و هوا را پالایش مینمایند. با ایـن تفـاوت کـه در نوع دوم یا چکنده، بیوفیلم بر روي فاز جامد متخلخل (مثال: بیوکربن) تشکیل شده و علاوه بـر آن کـه جریـان هـواي آلوده از خلل و فرج سیستم عبور کرده و در معرض بیوفیلم تصفیه میشود، یک جریان مایع (بافر) نیـز هـم جهـت بـا جریان هوا یا مخالف با آن از سیستم عبور داده میشود. این روش براي آلایندههایی مانند H2S که ضمن تصفیه اسـید
(اسیدسـولفوریک) تولیـد مـیکننـد بـسیار مناسـب بـوده و موجـب تنظـیم pH ، مـواد غـذایی و رطوبـت در فیلتـر میگردد.(.(1,2,4,8,9,19,25 در نوع سوم جریان هواي آلوده در طول یـک کانـال و در خـلاف جهـت بـا افـشانهاي از میکروارگانیسمها برخورد کرده و با هم به چرخش درمیآیند. ضمن این مرحله بـدون وجـود هـیچگونـه فـاز جامـدي، آلایندههاي هوا تصفیه میشوند. البته این روش براي آلایندههاي حلال در آب و بخار آب مؤثر می باشد. چندین کمپانی در هلند و آلمان چندین فیلترهایی را تولید و اجرا میکنند که برخـی از آنهـا توانـایی تـصفیه آلاینـدههـاي هـوا را تـا دارند(.(4 براي حذف H2S ، ترپنها، مرکاپتانهـا و سـایر ترکیبـات مـضر از کمپوسـت، Peat، خاك، بیوکربن و حتی گدازنده آتشفشانی((Lava-Rock به عنوان بستر یا محیط در صفحات تصفیه فاضلاب (Sewage Treatment Plants) استفاده شده است. در مقایسه، بیوکربن به عنوان یک ماده آلی محیطی مناسـب بـراي تـشکیل بیوفیلم و تصفیه H2S میباشد(.(4,8,11,9,16,19,26,28 از بیوفیلترهاي هوا هماکنـون در هلنـد بـراي حـذف فـرم آلوئید ناشی از کارخانجات چوب و تخته سهلایی، حذف فنـل ناشـی از محـصولات رزینـی و غیـره اسـتفاده مـیشـود.
همچنین در جنوب آلمان به کمک نوعی بیوفیلتر هوا، اتانول و ایزوپیروپیل الکل حاصل از کارخانه پخـت سـرامیک تـا
99% حذف شدهاند .(4) در سنگاپور نیز دو نوع از این فیلترها براي حذف H2S از فاضلاب و با استفاده از کربن زیستی به اجرا درآمدهاند. در مقایسه با سایر مواد، بازده حذف H2S توسط بیوکربن یکی از بهترین و بالاترین بازدهها میباشـد
(جدول. (4,9,12,15,19).(1
٢
برخی از جدیدترین انواع بیوفیلترهاي هوا به گونهاي طراحی شدهانـد کـه هـمزمـان چنـد آلاینـده را از هـوا تـصفیه و سیستمهاي اقتصاديتري را عرضه نمایند(.(1 امروزه کاربرد بیوفیلترهاي هوا حتی در سفرهاي فضایی مورد توجه قـرار گرفته است. به طوریکه سازمان فضایی آمریکا (NASA) از سال 2000 اقدام به طراحی و سـاخت بیوفیلترهـایی بـراي تصفیه آلایندههاي هوا در فضاپیماها نموده است(.(13,29 این فیلترها توسط کمپانیهاي معتبـري همچـون Bio air clean BBK تولید شده و به تأیید سازمان حفاظت از محیط زیست (EPA) رسیدهاند(.(30,31
-1 زمینه تئوري بیوفیلترهاي حذفکننده سولفید هیدروژن
-1-1 اصول مراحل زیستی
میکروارگانیسمها اعم از باکتريهاي هوازي، بیهوازي، اختیاري، قارچ، جلبک و پروتوزآ در سطح فیلتر رشد میکننـد و لایههایی به نام بیوفیلم را میسازند که بسته به نوع و غلظت ماده آلاینده برخی از این میکروارگانیـسمهـا بـا سیـستم سازگار شده و طی چند روز تا چند ماه بیوفیلم تشکیل میشود(. (1,6,9 سه مرحله اصـلی بیولوژیـک در بیـوفیلتر رخ میدهد:
-1-1-1 اتصال و تثبیت((Attachment & Microbiol Immobilization
ابتدا میکروارگانیسمها بر اساس حرکت فعال یا حرکت براوونی یا رسوب بر اساس جرم حجمی، به سطح محیط نزدیک میشوند. در ادامه اتصال اولیه رخ میدهد که بسته به انرژي تبادل شده و اندروالـسی یـا الکترواسـتاتیک، ایـن اتـصال
میتواند برگشتپذیر باشد یا نباشد. نهایتاً اتصال محکم و کلونیزه شدن میکروارگانیسمها صورت میگیرد کـه بـستگی مستقیم به جنس سطح محیط دارد و بیوکربن بهترین امکان اتصال را ظـرف مـدت کوتـاهتـرین مـدت 8) روز) فـراهم مینماید(.(1,19
-2-1-1 مصرف سوبسترا یا آلاینده (H2S) و رشد و تکثیر میکروارگانیسمها
از آنجایی که بیوفیلم یک تجمع میکروارگانیسمی است، سوبسترا باید بتواند تا حدي در آن نفوذ نماید. عـواملی ماننـد:
حجم سوبستراي انتقالی، نفوذ سوبسترا و میزان مصرف سوبسترا توسـط بیـوفیلم، بـر سـرعت مـصرف سوبـسترا تـأثیر مستقیمی دارد(.(6
-3-1-1 جدا شدن (Detachment)
این مرحله در بقاء و عمر بیوفیلترها نقش مهمی دارد. بهترین مثال براي این مورد شستشوي فیلتر توسط جریان آب یا هوا میباشد که باعث کندهشدن مقادیر اضافی بیوماس و مانع اختلال فیلتر میگردد(.(3,6,23
-2-1 مدلهاي ریاضی
برخی از مدلهاي ریاضی میتوانند پروسه یک بیـوفیلتر را توصـیف کننـد. بـراي مثـال Steady – State Model کـه کنتیک رشد میکروبی را با توجه به قانون دوم Fick’s توضیح میدهد. همچنین براي تعیین پارامترهـاي مطلـوب در بیوفیلتر مانند سرعت و زمان سازگاري (Acclimatization rate)، غلظت اولیه آلاینده، میزان بهینه دمـا و رطوبـت و خصوصاً تعیین ارزش اقتصادي و بازده فیلتر بایستی از مدلهاي ریاضی استفاده نمود(.(6,10,12
-3-1 راههاي حذف H2S در بیوفیلتر
در یک بیوفیلتر جذب H2S میتواند فیزیکی، شیمیایی، زیستی یـا ترکیبـی از مـواد فـوق باشـد. روش زیـستی
توسط میکروارگانیسمها به سه صورت امکانپذیر است(: .(1,4,19
assimilation
mineralization
sulfur oxidation
براي نشان دادن سهم هر یک از روشهاي فیزیکی و زیستی از بیوکربن استفاده شده است. نتایج بیـانگر آن اسـت کـه
بیوکربن بدون حضور بیوفیلم تنها 5.5% قادر به حذف H2S بوده اما با حضور بیوفیلم میـزان حـذف بـه 35.5%
افزایش مییابد(.(9,19 در پدیده تجزیه زیستی H2S که عمدتاً توسط باکتريهاي کمواتو تروف و اکسیدکننده سولفور مانند: Acidithiobacillus thiooxidans و A.Ferrooxidana صورت میگیرد، سـولفید هیـدروژن بـه عنوان دهنده الکترون ابتدا به گوگرد عنصري((S0 تبدیل میگردد. محصول نهایی سولفات (اسید سـولفوریک)
است. محصولات حد واسط میتواند به صورت تیوسولفات، تترا تیونات، سولفیت و غیره باشد(.(5,11,16,17
مطابق فرمول زیر:
٤
-1 طراحی و اجراي بیوفیلتر تصفیهکننده سولفید هیدروژن از فاضلاب
در طراحی و اجراي بیوفیلتر توجه به موارد زیر ضروري میباشد:
-2-1 محیط یا بستر (Media)
در واقع برآورد هزینهها در بیوفیلتر به محیط انتخابی آن بستگی دارد. یک محیط مناسب سطح مورد نیاز بـراي تکثیـر میکروارگانیسمها را فراهم کرده و میزان تخلخل و انسجام آن در عبور و تصفیه آلاینده نقش مهمی ایفا مینماید. انـواع مختلفی از محیط در بیوفیلترهاي آب و فاضلاب و بیوفیلترهاي هوا استفاده شده است، مانند: آنتراسیت، ماسه، BAC،
گرانیت، Peat، رزینهاي تبادل یونی، کانولین، کمپوست، Bark و… که هر کدام مصارف خاص خود را دارند.
حتی نمونههایی از مواد پلاستیکی و بستههاي کوچک با نامهاي تجاري مختلف نیز بـراي تـصفیه آلاینـدههـا در ابعـاد خانگی و هتلهـا کـاربرد دارد(Biological Activated Carbon (BAC) .(1,2,6,10,16,19,27 یـا کـربن زیـستی براي حذف H2S و بوي نامطبوع ناشی از ترکیبات گوگردي گزینهاي شایسته است. زیرا علاوه بر جذب و حفـظ رطوبت، موجب افزایش اکسیداسیون H2S شده و به عنوان بافر براي محافظت میکروارگانیسمهاي فیلتر عمـل مـینمایـد. بیـوکربن هـمچنـین قـادر اسـت غلظـت بـالایی از H2S را جـذب کـرده و بـه تـدریج در اختیـار میکروارگانیسمهاي فیلتر قرار دهد.گذشته از اینها،زمان توقف گاز در بیوفیلتر((Gas Retention Time= GRT
با کاربرد بیوکربن بسیار کوتاه 4-3 ثانیه میگردد. با تأکید بر اهمیت بیوکربن، رابطه مستقیمی بـین میـزان تخلخـل و بیوفیلم تشکیل شده در بیوکربن از یک طرف و میزان حذف H2S از سوي دیگر به اثبات رسیده است. به طوري که اگر همین بیوفیلم در سطح ماده غیرزیستی مانند تفلون ایجاد شود، میزان حذف کاملاً افت مینماید(.(3,9,15,26
-2-2 شستشو (Filter Back washing)
براي جلوگیري از تجمع بیرویه میکروارگانیسمها، مواد حاصل از متابولیسم آنها و اختلال در فیلتر بـر اسـاس غلظـت آلایندة شستشو داده شود. در مورد بیوکربن و براي حذف H2S هـر از 100-200 سـاعت و بـا آب 32°C فیلتـر شـسته میشود. یک دلیل عمده این کار خارج کرد اسیدسولفوریک تولید شده به عنوان محصول عمل باکتريها ضـمن حـذف
H2S میباشد(.(4,6,18,19,23,25,28
