شيمي ايران

بررسي نيتريفيکاسيون و دنيتريفيکاسيون هم زمان در تصفيه پساب بدون استفاده از منبع کربن خارجي در راکتور ناپيوسته متوالي

مهدي حاج سردار
تهران، دانشگاه آزاد اسلامي واحد علوم و تحقيقات، گروه مهندسي محيط زيست

سيد مهدي برقعي*+
تهران، دانشگاه صنعتي شريف، دانشکده مهندسي شيمي و نفت

اميرحسام حسني
تهران، دانشگاه آزاد اسلامي واحد علوم و تحقيقات ،گروه مهندسي محيط زيست

افشين تکدستان
اهواز، دانشگاه علوم پزشکي جندي شاپور اهواز، گروه مهندسي بهداشت محيط

چكيده: در اين پژوهش، کارايي راکتور ناپيوسته متوالي (SBR) در حذف زيستي نيتروژن از پساب مصنوعي مورد بررسي قرار گرفت. هدف پژوهش، بررسي تأثير يک روش مقرون به صرفه و جديد به منظور حذف ترکيبهاي نيتروژن به ويژه نيترات بوده است. روش به کار گرفته شده شامل راهبرد افزودن منبع کربن داخلي، بيش از يک بار، به راکتور بوده و نتيجههاي به دست آمده تأثير مستقيم و مثبت اين راهکار بر تکميل فرايند دنيتريفيکاسيون را نشان داد. اين پژوهش با در نظر گرفتن زمان ماند سلولي (SRT) برابر 02 روز، نسبت کربن به نيتروژن (C/N) برابر 5/20 انجام شد. پس از برقراري شرايط پايدار، تأثير سه بارگزاري آلي (OLR) برابر 76/2 ، 2 و kg COD/m3d 5/2 بر کارايي روش انتخاب شده، مورد بررسي قرار گرفت .
افزون بر آن، تأثير سه بارگزاري نيتروژن (NLR) برابر 250/2 ، 2/2 و kg N/m3d 25/2 نيز بر نيتريفيکاسيون و دنيتريفيکاسيون هم زمان مورد بررسي قرار گرفت. نتيجههاي به دست آمده نشان داد که در راکتور شاهد يعني انجام عمليات با يک بار شدن راکتور در هر دوره، بازدهي حذف نيتروژن کل (TN) برابر با % 05/67 بود. عملکرد راکتور مورد آزمايش در دوره اول و دوم پژوهش يعني به ترتيب با يک و دو بار افزودن منبع کربن داخلي )افزون بر پر شدن اوليه( در هر سيکل نيز بررسي شد .
در اين پژوهش مشخص شد که با افزايش تعداد دفعههاي افزودن منبع کربن در هر سيکل، بازدهي حذف زيستي نيتروژن افزايش ميبايد. بهترين عملکرد راکتور در دوره دوم و با دو بار افزودن منبع کربن داخلي به صورت آنوکسيک به دست آمد .
در اين شرايط با بارگزاري آلي برابر kg COD/m3d 76/2 و بارگزاري نيتروژن برابر kg N/m3d 250/2، بازدهي حذف نيتروژن کل برابر با % 12 بود. غلظت آمونيوم ، نيترات و نيتريت در پساب خروجي در اين حالت به ترتيب برابر 60/2، 1/5 و mg/L 03/2 بود.

واژههاي كليدي: پساب مصنوعي؛ نيتريفيکاسيون؛ دنيتريفيکاسيون؛ نيتروژن؛ منبع کربن داخلي؛ راکتور ناپيوسته متوالي.
KEYWORDS: Synthetic wastewater; Nitrification; Denitrification; Nitrogen; Internal carbon source; SBR.

+E-mail: [email protected]f.edu عهده دار مکاتبات *
35
مقدمه
يکي از اصليترين هدفهاي تصفيه پساب حذف مواد مغذي از آن است. مواد مغذي موجود در پساب به طور عمده شامل نيتروژن و فسفر مي باشد. ورود پسابهاي داراي مقدارهاي بالاي نيتروژن به منابع پذيرنده مانند درياچهها و رودخانهها ميتواند مشکلاتي همچون يوتريفيکاسيون را سبب شود. اين پديده ميتواند اکسيژن محلول در منابع آب پذيرنده را پايين آورده و موجب مرگ آبزيان شود. بنا به دليلهاي ياد شده حذف نيتروژن از پساب به عنوان يکي از انواع تصفيه پيشرفته پساب اهميت زيادي پيدا کرده است .
22223
موجب کاهش اکسيژن خواهي شيميايي (COD) نيز ميشوند و
ميتوانند تکميل کننده فرايندهاي تصفيه فيزيکي و شيميايي واکنش اکسايش ـ کاهش کلي نيتريفيکاسيون نيز به صورت پساب باشند [2]. معادله) 3( قابل بيان است:
روش هاي زيستي حذف مواد مغذي، نسبت به روشهاي )3( 2NH4 2O2 NO32H HO فيزيکي و شيميايي داراي برتريهايي نيز هستند. به عنوان نمونه در فرايند دنيتريفيکاسيون، دنيتريفايرها نيترات را به گاز نيتروژن )2N(
لجنسرماي ه گذدورريارزي و کمتريبهره توليبرداردي ميصرفه شود جوو يي ميهمچنينشود [3در]. هزينههاي و تبديدر ل آنم يباکترکنندي. هادنيي تريفيکاسيهتروتروفون اختدري اريشرا يط نقش اصلآنوکسيي کرا بازيانجام ممييشوکنند.د ناپي يکوستهي از متوالي)1(روش )هاي (SBR مزيستيي باشدحذف. ا ينين فرايتروژن ند استفادهشامل 4از رامرحلهکتور در ايدهندهن فرايند نالکتروني ترات هستندپذ ي[6].رنده کاهش الکترونن يميترات درباشند و فرايندمواد دنآلييتر ييفاي غيرکاس يآليون پر شدن، واکنش، ته نشيني و تخليه مي باشد. در برخي موارد توسط معادله) 4( قابل بيان است [7]:
يک مرحله استراحت نيز در ميان دو سيکل متوالي در نظر گرفته ميشود.
راکتور SBR ميتواند ميزان نيتروژن کل)2( (TN) در پساب )4( 2NO3 10e12H  N2 6H O2 خروجي را به ميزان چشمگيري کاهش دهد [4]. در يک تصفيه خانه پساب به روش SBR به منظور حذف زيستي راکتورهاي ناپيوسته متوالي داراي انعطاف پذيري بالايي ميباشند. مواد مغذي)3( (BNR) يا به عبارتي براي تکميل نيتريفيکاسيون و زماني که حذف مواد مغذي از پساب مهم باشد، استفاده از SBR دنيتريفيکاسيون، مراحل واکنش به صورت هوازي و آنوکسيک اهميت پيدا ميکند دليل آن هم اين است که باکتريهاي مورد نياز ميباشد. دراين صورت شرايط آنوکسيک براي نيتريفاير و دنيتريفاير به طور همزمان در يک مخزن رشد و تکثير دنيتريفيکاسيون لازم است .افزون بر آن براي حذف فسفر نياز پيدا مي کنند. رشد همزمان اين ريزجانداران به سادگي به ايجاد شرايط بي هوازي نيز هست .سامانههاي متعارف لجن فعال و با تناوب زمان هوادهي و واکنش در راکتور با زمانبندي مناسب نيازمند يک مخزن جداگانه به منظور برآورده نمودن اين شرايط هستند.
انجام مي پذيرد و امکان حذف نيتروژن و فسفر به طور همزمان اين در حاليست که با استفاده از راکتور SBR مي توان اين عمل را توسط اين دو گروه از باکتريها فراهم ميشود [5]. در يک راکتور انجام داد و با تغيير زمان بندي سيکلهاي گوناگون نيتريفيکاسيون )نيتراتزايي( و دنيتريفيکاسيون )نيتراتزدايي( و همچنين تغيير تعداد سيکلها در هر روز، مواد مغذي موجود دو فرايند زيستي ميباشند که در روشهاي متعارف به منظور در پساب خروجي را کنترل نمود [4].

)2( Sequencing batch reactor )3( Biological nutrient removal
)0( Total nitrogen
38
در اين ميان با وجود ديگر روشهاي حذف نيتروژن مانند اکسايش پيشرفته [1]، حذف زيستي نيتروژن از پساب محبوبيت بيشتري يافته است. روشهاي زيستي افزون بر حذف نيتروژن و فسفر ،
حذف زيستي نيتروژن به صورت پي در پي مورد استفاده قرار ميگيرند زيرا تکميل کننده يکديگر مي باشند. حذف زيستي نيتروژن در SBR نيز از طريق بهکارگيري اين دو فرايند هوازي و آنوکسيک انجام مي پذيرد.
در اثر نيتريفيکاسيون در ابتدا آمونيوم به کمک باکتريهاي اکسيد کننده آمونيوم به نيتريت تبديل ميشود و سپس نيتريت توسط باکتريهاي اکسيد کننده نيتريت، به نيترات تبديل ميشود .
نيتريفيکاسيون که فرايندي هوازي بوده و در آن اکسيژن پذيرنده الکترون محسوب ميشود، توسط باکتريهاي اوتوتروف هوازي انجام ميپذيرد.
مي توان نيتراتزايي را به صورت معادلههاي)1( و) 2( بيان کرد:
)1( NH4 3O2 2NO22HO2 4H2 )2( NO O NO همانگونه که ياد شد به منظور حذف زيستي نيتروژن در راکتور ناپيوسته متوالي نياز به فرايند هوازي نيتريفيکاسيون و فرايند آنوکسيک دنيتريفيکاسيون آن هم به صورت متوالي هست .
ميتوان اين عمل را در دو مخزن هوازي و بي هوازي که به صورت متوالي قرار گرفتهاند، انجام داد. در پژوهش حاضر شرايط انجام اين دو فرايند در يک مخزن مورد بررسي قرار گرفته است .
قابل ذکر است در صورتي که شرايط آنوکسيک در راکتور ناپيوسته متوالي در نظر گرفته نشود، شاهد حضور نيترات در پساب خروجي از راکتور خواهيم بود. استاندارد کشور ايران mg/L 55 نيترات در پساب خروجي را براي تخليه به آب هاي سطحي مجاز دانسته است و براي برآورده نمودن اين استاندارد، فراهم نمودن شرايط آنوکسيک )غير هوازي()1( افزون بر شرايط هوازي)2( اجتناب ناپذير است. در اين صورت مي توان نيترات توليد شده در مرحله هوازي يعني نيتريفيکاسيون را در مرحله آنوکسيک يعني دنيتريفيکاسيون حذف نمود .
همچنين براي تکميل دنيتريفيکاسيون در راکتور ناپيوسته متوالي بايد منبع کربن مورد نياز در اختيار ريزجاندارهاي هتروتروف قرار داده شود اين در حالي است که ريزجاندارهاي اتوتروف ميتوانند از کربن دي اکسيد به عنوان منبع کربن استفاده کنند .
به طور معمول براي اين منظور در عمليات تصفيه زيستي از يک منبع کربن خارجي)3( استفاده مي کنند.
منبع کربن داخلي شامل کربن موجود در خوراک ورودي و کربن تجمع يافته در سلول ريزجانداران در جريان تصفيه پساب ميباشد حال آنکه منبع کربن خارجي بايد از خارج به سامانه تصفيه پساب افزوده شود که اين موضوع موجب افزايش نيروي کار و هزينه ميشود. منابع کربن خارجي جهت تکميل دنيتريفيکاسيون شامل متانول، اتانول، استات، استيک اسيد، گليسيرين، ملاس و برخي فرمولاسيونهاي تجاري ديگر ميباشد .انتخاب يکي از اين منابع کربن خارجي به منظور انجام دنيتريفيکاسيون به عاملهايي مانند هزينه، روش حمل، سينتيک واکنش و شرايط ذخيره سازي آنها بستگي دارد [8].
يکي از راه هاي افزايش بازده حذف نيتروژن پر شدن مرحله به مرحله)4( در SBR مي باشد. اين روش مي تواند نيتروژن کل (TN)
-39877465537

در پساب خروجي را تا mg/L 2 نيز کاهش دهد و بازده حذف نيتروژن را نيز تا % 88 نيز افزايش دهد ولي اين روش
)0( Step feeding
)5( Total kjeldahl nitrogen
)7( Nitrogen Loading Rate
به صورت مرسوم آن، نيازمند يک منبع کربن خارجي است [8].
در پژوهش حاضر به جاي استفاده از منبع کربن خارجي، از راهبرد چند بار پر شدن راکتور در شرايط آنوکسيک و در يک چرخه استفاده شد. به اين ترتيب با افزودن منبع کربن داخلي، عمليات تصفيه زيستي پساب مصنوعي به منظور حذف نيتروژن به طور کامل انجام پذيرفت .
معادله) 5( نشان مي دهد که بازدهي حذف نيتروژن تابعي از تعداد دفعههاي پر شدن راکتور و نسبت کربن به نيتروژن )C/N( در خوراک ورودي است [15].
 ( k / xn1)/((k / x) )n )5( :در اين رابطه
η : بازدهي حذف نيتروژن(%) γ : ضريب کوچک تر از 1 k : مقدار کربن مورد نياز براي کاهش يک ميليگرم نيترات نيتروژن به گاز نيتروژن (mg) x : نسبت C/N n : تعداد دفعههاي پر شدن راکتور
بنابراين بازدهي حذف نيتروژن با بيشتر شدن تعداد دفعههاي پر شدن راکتور افزايش مي يابد. از طرفي در يک تعداد دفعههاي پر شدن مفروض، بازدهي حذف نيتروژن با افزايش نسبت C/N افزايش مييابد.
شکلهاي نيتروژن مورد بررسي در اين پژوهش شامل نيتروژن کل (TN)، کجلدال نيتروژن)5( (TKN)، آمونيوم) +4NH( ، نيترات )-3NO( و نيتريت) -2NO( بود. در هر مرحله با در دست داشتن بارگذاري نيتروژن)6( (NLR) و با توجه به مقدار اين پارامتر ها در پساب خروجي، راندمان حذف نيتروژن محاسبه شده و کارايي استفاده از پساب ورودي به عنوان منبع کربن داخلي بررسي شد .

بخش تجربي
راکتور ناپيوسته متوالي (SBR)
در اين پژوهش از يک راکتور با ارتفاع 75 سانتيمتر ، قطر 24 سـانت يمتر و حجم مفيد 28 ليتر استفاده شد. جنس اين راکتور پلکسي گلـس بـودهو دو شير نمونه برداري و همچنين دو شـ ير برقـ ي بـرا ي تخليـ ه پسـاب
)2( Anoxic
)0( Aerobic
)3( External carbon source
33

جدول

3
ـ

ويژگ
ي
ها
ی

راکتور

مورد

استفاده
.

نوع
هوادهي

نوع

اختلاط

در

مرحله

آنوکسيک

اختلاط
نوع

در

مرحله
هوازي

حجم

خوراک

ورودي

روزانه

(
ليتر
)

حجم

مفيد

(
ليتر
)

کل

حجم

(
ليتر
)

ارتفاع

(
متر
)

قطر

(
متر
)

شکل

جنس

پايين

از

کمک

پمپ

به

هوا

بره
زدن

م

ميکسر

توسط

هم

زدن

با

حباب

بر
هوا

و

واتر

پمپ

18

28

31

75
/
5

24
/
5

استوانه
اي

پلکسي

گلس

جدول

3

ـ

ويژگ

ي

ها

ی

راکتور



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید