وبلاگ

انواع واکنش‌های شبکه‌های جمع‌ آوری ثقلی تحت شرایط هوازی
در سیستم‌های تصفیه هوازی، میکروارگانیزم‌ها جهت تجزیه بیولوژیکی مواد آلی فاضلاب، نیاز به اکسیژن محلول دارند. غلظت اکسیژن محلول موجود، تابع نرخ هوارسانی به این شبکه‌ها و همچنین نرخ مصرف اکسیژن محلول توسط میکروارگانیزم‌ها است. در مواردی که در این شبکه‌ها میزان اکسیژن محلول کافی نباشد، میکروارگانیزم‌ها هوازی قادر به تجزیه COD محلول فاضلاب نخواهند بود و این شرایط باعث ایجاد ‌‌‌ترکیبات بودار و خورنده می‌شود. بنابراین باید اطمینان حاصل کرد که در شبکه‌های جمع‌ آوری فاضلاب، اکسیژن محلول کافی جهت جلوگیری از ایجاد شرایط بی‌هوازی موجود است]۸[.

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

ارسین کاسیرگا و همکارانش امکان تصفیه فاضلاب را در شبکه‌های جمع‌ آوری طولانی و در حضور اکسیژن محلول کافی بررسی کردند. آن‌ها سینتیک رشد الحاقی و معلق را جهت مشخص شدن میزان هوادهی مورد نیاز در شبکه‌ها بررسی کردند. اگرچه مدل‌های مختلفی جهت توصیف مکانیسم مصرف مواد آلی و نرخ واکنش ارائه شده بود، آن‌ها مدلی جدیدی را برای کمینه‌سازی پارامترهای مورد نیاز در معادلات نرخ بیولوژیکی ارائه دادند. مصرف سوبسترای محلول توسط میکروارگانیسم‌های معلق توسط مطالعات آزمایشگاهی بکار گرفته شد و روابط بین نرخ مصرف و غلظت مواد آلی تجزیه‌پذیر مطالعه شد. در نهایت آن‌ها ‌‌یک رابطه تجربی ارائه دادند که رابطه بین نرخ مصرف و غلظت سوبسترا را در شبکه‌های جمع‌ آوری بیان می‌کرد]۱۱[.

تجزیه مواد آلی فاضلاب تحت شرایط بی‌هوازی
زمانی که اکسیژن در مجاورت فاضلاب نباشد‌‌‌‌، باکتری‌های هوازی دیگر قادر به ادامه حیات و استفاده از مواد غذایی نخواهند بود‌‌‌‌. در چنین حالتی باکتری‌های بی‌هوازی که قادر به استفاده از اکسیژن مواد آلی هستند وارد می‌گردند‌‌‌‌. بدین‌‌‌ ترتیب، تجزیه مواد در اثر وجود باکتری‌های بی‌هوازی، سبب به وجود آمدن اسیدهای آلی‌‌‌‌، کربنات‌های اسیدی، اکسید کربن و هیدروژن سولفوره می‌شوند]۱۲[.
تورکیلد و همکارانش جنبه‌های مربوط به انتشار ‌‌‌ترکیبات فرار را در شبکه‌های جمع‌ آوری فاضلاب بررسی کردند. در این مورد آن‌ها مدلی را بر اساس ارزیابی تشکیل سولفید و غلظت سولفید کل در فاز فاضلاب ارائه دادند. آن‌ها عوامل تاثیرگذار بر تشکیل گاز هیدروزن سولفید، ایجاد بو ناشی از فرآیندهای تخمیر، انتقال جرم در فازهای آب-هوا، انتشار ‌‌‌ترکیبات فرار را بررسی کردند. آن‌ها همچنین نرخ تولید سولفید را در شبکه‌های جمع‌ آوری از طریق معادلات تجربی موجود پیش‌بینی کردند]۸[.

نحوه تشکیل گاز H₂S در فاضلاب
سولفید در فاضلاب به اشکال مختلفی موجود می‌باشد (S^2-، HS^-1، S^2-)که غلظت آن‌ها به PH فاضلاب بستگی دارد. باکتری‌های کاهنده سولفات (SRB) ‌‌‌ترکیبات سولفات را تجزیه کرده و در نهایت گاز هیدروژن سولفید تولید می‌شود. گاز H₂S از سطح فاضلاب متصاعد شده و روی سطح لوله‌ها می نشیند. H₂S متصاعد شده در حضور رطوبت تبدیل به اسید سولفوریک می‌شود. اسید سولفوریک تولید شده به سطح بتن نفوذ کرده و باعث تشکیل سولفات کلسیم می‌شود که ‌‌‌ترکیبی خورنده است شکل ۲-۳ نشان‌دهنده نحوه تشکیل گاز H₂S در شبکه‌ی جمع‌ آوری است]۱۳[.
از عوامل تاثیرگذار در وقوع پدیده خوردگی می‌توان به میزان اکسیژن محلول، دما، غلظت‌‌یون SO₄^2-، شیب و سرعت جریان، زمان ماند، عمق و شعاع هیدرولیکی اشاره کرد. در فرایند بیولوژیکی تحت شرایط بی‌هوازی، ذخیره سازی سولفورها به شکل سولفات، سولفیت و تیوسولفات است و کاهش آن به صورت سولفید توسط باکتری‌های کاهنده در سیتوپلاسم انجام می‌شود. تولید گاز H₂S در شبکه نشان دهنده انجام واکنش‌های بیولوژیکی است که توسط باکتری‌های موجود در شبکه انجام می‌شود و قابلیت شبکه‌های جمع‌ آوری فاضلاب را در انجام واکنش‌های بیولوژیکی نشان می‌دهد]۱۴[.
روند تشکیل گاز H₂S در شبکه جمع‌ آوری فاضلاب ]۱۳[

عوامل موثر در تولید گاز هیدروژن سولفید
نرخ تولید هیدروژن سولفید در شبکه‌های جمع‌ آوری فاضلاب تحت تاثیر عوامل گوناگونی است که در ادامه برخی از این عوامل بیان شده است.
۱- ماده آلی قابل تجزیه: این مواد به عنوان دهنده‌ی الکترون برای باکتری‌های کاهنده‌ی سولفات عمل می‌کنند. مواد آلی تجزیه‌پذیر همچنین به عنوان سوبسترا جهت رشد بایومس و بایوفیلم ضروری می‌باشند. پژوهش‌ها نشان می‌دهد که وجود مواد آلی مانند اتانول، گلوگز و لاکتات، نرخ کاهش سولفات را در شبکه‌ی فاضلاب افزایش می‌دهد]۱۴[. بنابراین می‌توان مشاهده کرد که در فاضلاب‌های صنعتی که غلظت مواد آلی تجزیه‌پذیر بالایی دارند، احتمال کاهش سولفات نسبت به فاضلاب خانگی بیشتر است.
۲- دما: به طور کلی تمامی فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی وابسته به دما هستند. وابستگی نرخ تولید هیدروژن سولفید به دما نسبتا بالاست]۱۴[. در شرایط هوازی با افزایش دما قابلیت مصرف اکسیژن در فاضلاب شبکه‌ها افزایش می‌یابد که در نهایت منجر به ایجاد شرایط بی‌هوازی در شبکه‌ها شده و میزان تولید سولفید محلول افزایش می‌یابد.
۳- PH: غلظت سولفور در فاضلاب، نتیجه‌ی مستقیم وجود گونه‌های سولفید محلول شامل H₂S‌‌‌‌، HS^- و S^2- می‌باشد. در شکل ۲-۴ مشاهده می‌شود که در PH پایین، H₂S گونه‌ی غالب است و با افزایش PH به بالای ۸، HS^- غالب می‌گردد و زمانی که PH بیشتر از ۱۲ باشدS^2- منتشر می‌گردد.
تاثیر PH بر گونه‌های مختلف سولفید ]۱۴[
۴- هیدرولیک شبکه‌ی جمع‌ آوری فاضلاب: چهار پارامتر هیدرولیکی که به عنوان عوامل موثر در انتشار سولفید هیدروژن می‌باشند شامل نسبت سطح به حجم، سرعت جریان، تنش برشی و گرادیان سرعت هستند که به دلیل گسترده بودن مباحث، مجال نحوه تاثیر آن‌ها مهیا نیست.
‌

جلوگیری از انتشار شرایط بی‌هوازی در شبکه‌های متعارف جمع‌ آوری فاضلاب
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]۱۵[.
جیگسیسان و همکارانش روش‌های جلوگیری از انتشار سولفید را در شبکه‌های جمع‌ آوری بررسی کردند. این روش‌ها شامل تزریق اکسیژن، افزودن هیدروکسید سدیم و هیدروکسید منیزیم، نیترات کلسیم و نمک‌های آهنی است. آن‌ها به دنبال مناسب‌ترین و کم‌هزینه‌ترین راهکار و همچنین بهترین مکان افزودن و میزان دز افزودنی بودند. نتایج آن‌ها نشان می‌دهد که تزریق اکسیژن، ارزان‌ترین راهکار جهت جلوگیری از انتشار سولفید است، اما تاثیر آن کم است]۱۶[.
در ادامه نحوه عملکرد اکسیژن و نیترات را به عنوان راهکارهای اساسی جهت جلوگیری از انتشار شرایط بی‌هوازی بیان می‌شود.

تاثیر اکسیژن در کنترل شرایط بی‌هوازی
بالا بردن غلظت اکسیژن از طریق افزودن هوا‌‌ یا تزریق اکسیژن خالص انجام می‌شود و سعی بر این است که فاضلاب در فاز هوازی نگهداری شود و از ایجاد شرایط بی‌هوازی جلوگیری می‌شود. اگر اکسیژن محلول، اطراف بایوفیلم فاضلاب‌رو وجود داشته باشد، اکسیداسیون شیمیایی و بیولوژیکی سولفید صورت گرفته و بر عکس در شرایطی که اکسیژن محلول موجود نباشد، سولفید محلول از بایوفیلم به فاضلاب منتقل می‌شود که در آن جا به شکل هیدروژن سولفید وجود دارد. غلظت اکسیژن محلول بیش از ۵/۰ میلی‌گرم بر لیتر، به طور کلی مانع از تشکیل سولفید محلول در فاضلاب می‌شود]۱۷[.
انحلال اکسیژن خالص پنج برابر انحلال اکسیژن موجود در هوا بوده که رسیدن به غلظت اکسیژن مورد نیاز را با اکسیژن خالص ممکن می‌سازد. با تزریق اکسیژن خالص، غلظت اکسیژن محلول فاضلاب معمولا به ۵ تا ۷ میلی‌گرم در لیتر می‌رسد، درحالی که تزریق هوا غلظت آن را در فاضلاب به حدود ۳ تا ۵ میلی‌گرم در لیتر می‌رساند]۱۸[.

تاثیر نیترات در کنترل شرایط بی‌هوازی
شرایط بی‌هوازی را می‌توان با اضافه کردن نیترات (NO₃^-) به شبکه‌ها کنترل کرد. اما در بعضی موارد اضافه کردن بی‌مورد نیتروژن، باعث رشد بایوفیلم در جداره داخلی لوله‌ها شده و منجر به رخ دادن دینیتریفیکاسیون در تأسیسات ته‌نشینی می‌شود. در این شرایط به دلیل تولید گاز N₂، لجن تأسیسات ‌‌‌‌ته‌نشینی به صورت معلق در آمده و از سیستم خارج می‌شود. بنابراین به دلیل مشکلات عملیاتی اضافه کردن نیترات، اضافه کردن اکسیژن به شبکه‌های جمع‌ آوری کارآمدتر به نظر می‌رسد.
ژیگو ‌‌یوآن و همکارانش تغییر شکل سولفور را تحت شرایط آنوکسیک و بی‌هوازی در صورت افزودن نیترات اضافی در‌‌ یک مدل آزمایشگاهی از شبکه‌های جمع‌ آوری تحت فشار مورد مطالعه قرار دادند. آن‌ها برای این منظور از چهار رآکتور که به صورت سری عمل می‌کردند استفاده کردند و استراتژی اضافه کردن نیترات را در کنترل سولفید موثر بیان کردند. اکسیداسیون سولفید تحت شرایط آنوکسیک در دو مرحله‌‌‌ ترتیبی رخ می‌دهد:
۱- اکسیداسیون سولفید به سولفید عنصری (S_o)
۲- اکسیداسیون سولفید عنصری به سولفات(SO₄^2-)
مرحله دوم زمانی رخ می‌دهد که مرحله اول به طور کامل انجام شود و نرخ انجام آن تقریبا ۱۵ درصد نرخ مرحله اول است. هنگامی‌که نیترات در دسترس نباشد، سولفات و سولفور عنصری با هم به صورت سولفید کاهش می‌یابند. نرخ کاهش سولفات اساسا بالاتر از کاهش سولفید عنصری بود(پنج برابر). پایین بودن نرخ اکسایش و کاهش سولفور عنصری اهمیت این محصول میانی را در تغییر شکل سولفور تحت شرایط آنوکسیک و بی‌هوازی نشان می‌دهد. آن‌ها همچنین ‌‌یک مدل مفهومی از تغییر شکل‌های سولفور در شرایط اضافه کردن نیترات به شبکه‌های تحت فشار ارائه دادند.
ژیگو ‌‌یوان و همکارانش همچنین برای مشاهده تاثیر تزریق اکسیژن در کنترل سولفید شبکه‌ها، از مطالعات آزمایشگاهی که در آن شبکه‌های تحت فشار شبیه‌سازی شده بودند، استفاده کردند. نتایج آن‌ها حاکی از آن است که انتقال اکسیژن در ورودی شبکه‌ها (با غلظتی بین ۲۵-۱۵ میلی گرم بر لیتر) می‌تواند تا ۶۵ درصد میزان تولید سولفید را کاهش دهد. هر چند بالا بردن غلظت اکسیژن در روند تولید سولفید موثر است اما نمی‌تواند این روند را به طور کامل متوقف کند زیرا تولید سولفید صرفنظر از بالا بودن غلظت اکسیژن در فاز آبی، همچنان در لایه‌های زیرین بایوفیلم ادامه دارد. آن‌ها همچنین مشاهده کردند که بالا بردن غلظت اکسیژن، سبب بالا رفتن نرخ مصرف اکسیژن در شبکه می‌شود که منجر به حذف بیشتر مواد آلی نیز می‌شود. بنابراین بهینه کردن انتقال اکسیژن جهت بالا بردن تاثیر آن در کنترل سولفید ضروری است]۱۹[.
یوان و همکارانش همچنین جهت بررسی تاثیر اضافه کردن نیترات بر خصوصیات و فعالیت بایوفیلم موجود در شبکه‌های جمع‌ آوری فاضلاب تحت فشار، از ‌‌یک پایلوت آزمایشگاهی استفاده کردند. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که اضافه کردن نیترات، جمعیت میکروبی باکتری‌های کاهنده سولفات را در بایوفیلم شبکه جمع‌ آوری کاهش نمی‌دهد، بلکه فعالیت این باکتری‌ها را در بایوفیلم ایجاد شده در پایین دست افزایش می‌دهد. طبق نتایج آن‌ها اضافه کردن نیترات روی هم رفته، در کنترل غلظت سولفید در شبکه‌های تحت فشار موثر بوده ‌است. در گزارش آن‌ها ذکر شده که اضافه کردن نیترات پس از ‌‌یک دوره زمانی کوتاه جهت وفق پذیری، اکسیداسیون سولفید بیولوژیکی را در بایوفیلم تحریک می‌کند. آن‌ها همچنین به این نتیجه رسیدند که در اثر اضافه کردن نیترات، در کاهش غلظت متان بسیار موثر است.
هانچان شی و همکارانش در زمینه حذف سولفید شبکه‌های جمع‌ آوری که ناشی از شرایط بی‌هوازی است فعالیت کردند. برای رسیدن به این هدف آن‌ها تاثیر اضافه کردن نیترات را به صورت دوره‌ای در ‌‌یک مدل از شبکه‌های جمع‌ آوری فاضلاب بررسی کردند. نتایج آن‌ها حاکی از آن است که بهترین شرایط کنترل، زمانی است که نرخ نیتروژن به سولفات حداقل بین ۵/۰ تا ۶/۰ باشد]۲۰[.