گرفتگی بیولوژیکی در سیستم تصفیه فاضلاب

گرفتگی بیولوژیکی تصفیه آب : تحقیقات آزمایشی انجام شده

در این گونه تاسیسات برای صنایع اَسمزمعکوس بسیار مهم است،

زیرا این تحقیقات ، نقاطی از اُسمزمعکوس را که گرفتگی بیولوژیکی در آنجا اتفاق  می افتد، مشخص می کند.

بطوری که نتایج و توضیحات آن، شامل تئوری میکروبیولوژی است.

به هرحال، این کار بر جنبه های عملی اسمزمعکوس در اکثر کاربردهای تصفیه غیر فاضلابی تاثیر می گذارد.

بعضی از موارد مهم در زیر نوشته شده اند.

• در دسترس بودن مواد مقوی و غذایی در فاضلاب شهری واحد ۲۱ موجب تکثیر باکتریها میشود
• که نتیجه آن ، رشد سریع باکتریها بوده ، و موحب می شود به راحتی به سطح غشا  بچسبند.
• غلظت زیاد آمونیاک در آب، موجب میشود که این ماده با تمام کلر آزادی که به سیستم تزریق شده است،
• واکنش داده تا کلرآمین تشکیل شود. واضح است که این ماده فقط تا حد مشخصی در کنترل بیولوژیکی موثر است.
• زمانی تمیزکاری گرفتگی بیولوژیکی غشا راحت تر انجام میشود که برای کشتن باکتریها از یک بایوساید استفاده شود.
• اگر مدت زمان زیادی از وقوع گرفتگی بیولوژیکی گذشته باشد، تمیزکاری آن مشکلترخواهد بود.
• محلولهای شیمیایی، زمانی در حذف گرفتگی بیولوژیکی موثرند که با سطح غشاء تماس سطحی خوب داشته باشند.
• 

هزینه گرفتگی بیولوژیکی غشا در واحد آب ۲۱

با توجه به پیچیدگی اقتصادی در مورد گرفتگی بیولوژیکی RO باید به این نکته توجه کرد که در زمینه بیولوژیکی میکروارگانیزمها که بیولوژی غشا یا مکانیزم تشکیل لایه ی بیولوژیکی نیز مشابه آنهاست، اطلاعات بسیار کمی وجود دارد .

فقط در ایالات متحده ، کاهش تولید در اثر گرفتگی بیولوژیکی RO،

موجب استفاده از فرآیندهای مخصوص پیش تصفیه آب خوراک و مواد شیمیایی، افزایش هزینه بهره برداری و نگهداری، مصرف انرژی توسط سیستم و کاهش عمر غشا شده است که در نهایت ، ده ها میلیون دلار خسارت به همراه داشته است.

در واحد آب ۲۱ که در کالیفرنیا واقع شده است، گرفتگی بیولوژیکی غشا سالیانه بیش از ۷۰۰ هزار دلار هزینه در بر دارد، که این رقم تقریباً ۲۵% هزینه سالیانه است.

گرفتگی بیولوژیکی مخصوصاً در واحدهای بزرگ RO که

از آب دریا بعنوان آب خوراک استفاده میکنند، رایج و حتی شدن آن بسیار زیاد است.

در حال حاضر، این واحدها بخش اعظمی از آب آشامیدنی موجود

در بسیاره از مناطق خشک دنیا نظیر جزایر قناری و خاورمیانه را تامین میکنند.

اگر اقدامات پیشگیرانه موثر گسترش نیابد، پیش بینی میشود

که فشار اقتصادی ناشی از گرفتگی بیولوژیکی غشا بطور قابل ملاحظه ای دامنگیر RO شود.

تشریح واحد آب ۲۱ در گرفتگی بیولوژیکی تصفیه آب

واحد آب ۲۱ در سال ۱۹۷۰ ساخته شد تا جهت جلوگیری از نفوذ آب دریا، فاضلاب شهری را تصفیه و به آبهای زیر زمینی تزریق کند.

به دلیل این که این آب با آّبهای زیر زمینی مخلوط می شود لازم است

که استانداردهای آب آشامیدنی سرتاسر ایالات ( کالیفرنیا) را دارا باشد.

تسهیلات تصفیه فاضلاب در واحد ۲۱ طوری طراحی شده است که بتواند

(۱۵ mgd) 0.66 m³/s از پساب فاقد کلر خروجی از یک واحد تصفیه فاضلاب شهری را توسط فرآیندی تصفیه کند.

Q1 تا Q10 ، نشان دهنده محل های نمونه گیری از آب در قیمت های مختلف تصفیه خانه می باشد

( بعنوان مثال Q1 آب خوراک واحد می باشد ب آب ۲۱نبتل

.) فرایندهای تصفیه اولیه شامل شفاف سازی به وسیله آهک با PH بالا ( اکسیدکلسیم)،

دفع آمونیاک در PH بالا با استفاده از هوا، کربن زدایی، کلرزنی مقدماتی ، فیلتراسیون، جذب سطحی توسط کربن فعال، کلرزنی نهایی و یون زدایی آب RO است.

دفع آمونیاک با استفاده ازهوا از سال ۱۹۸۰ میلادی قطع شده است.

یون زدایی بخشی از آب ( حدود  ) در واحد آب ۲۱ به منظور کاهش غلظت  کل جامدات محلول تا حداکثر مقدار مجاز آن ضروری است.

تشریح امکانات سیستم RO با ظرفیت۵mgd

این فرایند، شامل تزریق بازدارنده  رسوب هگزامتافسفات سدیم یا پلیمر آلی ( پلی اکرولیک) به منظور جلوگیری از رسوب مواد معدنی بر روی سطح غشا، تزریق  مستمرو پیوسته ۱ تا  ۳mg/lit کلر آزاد ( در ۵Q ،کربن زدایی) جهت کنترل رشد بیولوژیکی در درون المنتهای RO  و فیلتراسیون فشنگی ( با قطر منافذ  ۲۵ ⴣm) جهت تفکیک نمودن ذرات معلق از آب خوراک است.

سپس فشار آب توسط ۳ پمپ توربینی عمودی مجهز به گاونر جهت تغییر دور پمپ تا  ۴۶۰ psig افزایش می یابد.

بعد از سالها، این امکان بوجود آمده است که فشار عملیاتی اولیه RO تا حدود ۲۲۵psig کاهش داده شود،

در حالی که غشاهای پلیمری با شار بیشتر از نظر اقتصادی در دسترس باشد.

کلرآزاد اضافه شده در ۵Q ( کربن زدایی)  به سرعت با آمونیاک اضافی در آب ترکیب می شود تا منوکلرآمین تولید شود،

بنابراین، غشای RO در معرض کلر آزاد اضافی قرار نمیگیرد.

اسید سولفوریک به آب خوراک تزریق می شود تا PH در حد ۵٫۵ تنظیم شود.

سیستم اُسمزمعکوس از ۶ واحد مشابه تشکیل شده است،

که هر یک از این واحدها دارای ۴۲ المنت تحت فشار است که آرایش آنها در داخل محفظه به صورت  ۱: ۲: ۴ است.

به عنوان مثال: ۲۴ المنت با ۱۲ المنت، سری شده اند واین ۱۲ المنت با ۶ المنت سری هستند.

فشار عملیاتی و آب محصول برای هر واحد فرعی، قابل تنظیم است.  واحدها طوری  طراحی شده اند که قادر به حذف ۹۰% املاح در حالیکه که بازدهی آب ۸۵% است، می باشند. آب DM خروجی از تصفیه کننده نهایی وارد دو برج آکنده  ( محتوی پکینگ ) میشود تا دی اکسید کربن موجود در آب ، دفع شود.

ترسیب شیمایی فاضلاب: به سبب واکنش آهک با قلیاییت فاضلاب، به مقدار آهک مورد نیاز، بطور کلی مستقل از مقدار فسفات موجود است و در درجه ی اول به قلیاییت فاضلاب بستگی دارد.

مقدار آهک مورد نیاز برای ترسیب فسفات در فاضلاب عموماً حدود ۴ و ۱ تا ۵ و ۱ برابر کل قلیاییت با فرمول  CaCO₃ است.

چون برای ترسیب فسفات Ph بالایی لازم است، معمولاً ترسیب همزمان عملی نیست.

اگر آهک را به فاضلاب خام یا خروجی صانویه اضافه کنیم، معمولا قبل از تصفیه ی بعدی با دفع پساب، تنظیم PH ضروری خواهد بود.

برای پایین آوردن مقدار PH از کربن دهی مجدد با کربن دیوکسید  (CO₂)کمک می گیرند.

واکنشهای اصلی ترسیب فسفر با آلومینیوم و آهن به قرار زیر هستند.

ترسیب فسفات با آلومینیوم:

A1⁺^۳+H_nPO³₄^-n                 ↔           A1PO₄+Nh⁺                       (۱۲٫۷)

ترسیب فسفات با آهن:

Fe⁺³+HnPO^3-n₄                 ↔                  FePO₄ +Nh⁺                       (۱۳٫۷)

یک مول زاج یا آهن می تواند یک مول فسفات را ترسیب کند؛

اما این واکنشها به طرز فریبنده ای ساده اند و باید آنها را در پرتو بسیاری واکنشهای رقیب دیگر و با توجه به ثابتتهای تعادل آنها و اثرات قلیاییت، Ph، عناصر کمیاب، و لیگاندهای موجود در فاضلاب بررسی کرد.

به سبب وجود واکنشهای فراوان رقیب، رابطه های  (۱۲٫۷) و (۱۳٫۷) را نمیتوان مستقیماً برای تخمین مقدار لازم مواد شیمیایی به کار برد.

از این رو، مقدار مواد شیمیایی را، به ویژه در صورت پلی مرها، عموماً براساس آزمونهای در مقیاس آزمایشگاهی و گاه با مقیاس واقعی تعیین می کنند

خطهای پر، غلظت فسفات محلول باقیمانده را پس از ترسیب ردیابی میکنند.

فسفاتهای فلزی خالص در ناحیه ی هاشورزده ترسیب می شوند و رسوبهای کمپلکس مخلوط خارج از ناحیه ی هاشور زده، بطرف مقادیر بالاتر ph، تشکیل می شوند.

تعیین مقدار زاج برای جداسازی فسفر

مقدار زاج مایع لازم برای ترسیب فسفر فاضلابی که حاوی ۸ میلیگرم P/1 باشد را تعیین کنید.

همچنین در صورت یکه قرار باشد فاضلاب ۳۰ روزه ای را در تاسیسات تصفیه ذخیزه کنیم، گنجایش تاسیسات را تعیین کنید.

براساس آزمونهای آزمایشگاهی به ازای هر مول فسفر، ۵و۱ مول آلومینیوم لازم خواهد بود.

آهنگ جریان برابر با  (۳ Mgal/d) 10 , 455 m³/d است.

داده های زیر مربوط به موجودی زاج مایع است.

1. فرمول زاج مایع : A1₂(SO₄)₃       . ۱۸ H₂O
2. غلظت زاج= ۴۸%
3. چگالی محلول زاج مایع: ۱۰,۷ Lb/gal = 80 lb/ft³

حل

1. وزن آلومنیوم موجود در هر گالن زاج آلومینیوم را به دست آورید.

الف) وزن زاج در هر گالن برابر است با :

زاج بر گالن = ۰,۴۸ × ۱۰,۷ lb/gal = 5,14 lb/gal

ب) وزن آلومینیوم در هر گالن برابر است با:

وزن مولکولی زاج = ۶۶۶,۷

وزن مولکولی آلومینیوم = ۲۶,۹۸

آلومینیوم بر گالن = ۵,۱۴ lb/gal × (۲× ۲۶,۹۸:۶۶۶,۷) = ۰,۴۱۶ lb/gal

2. وزن آلومنیوم لازم به ازای واحد وزن فسفر را به دست آورید.

مقدار نظری: یک مول آلومینیوم در هر مول فسفر: الف

آلومینیوم لازم  ۱,۰lb ×(mwآلومینیوم:mwفسفر)ب:

=۱,۰lb × (۲۶ ,۹۸ : ۳۰,۹۷) = ۰,۸۷ lb آلومینیوم/lb فسفر

3. مقدار محلول زاج لازم به ازای هر پوند فسفر را تعیین کنید.

مقدار زاج = ۱,۵ ×(

= ۳,۱۳ پوند فسفر بر گالن زاج محلول

4. مقدار زاج محلول لازم در روز:

زاج= (۳, ۰ Mgal/d) ( 8 mg فسفر/۱) [۸,۳۴ lb/ Mgal.(mg/1)](3 ,13  پوند فسفر/ گالن زاج محلول)

= ۶۲۶,۵ گالن زاج محلول در روز

5. ظرفیت لازم برای دخیره سازی محلول زاج را بر اساس آهنگ جریان میانگین بدست آورید.

ظرفیت ذخیره سازی: (۶۲۶ ,۵ گالن زاج محلول در روز) (۳۰روزه) = ۱۸۷۹۵ گالن

جنبه های نظری ترسیب شیمیایی فاضلاب

نظریه ی واکنشهای شیمیایی ترسیب بسیار پیچیده است. واکنشهایی که قبلاً ذکر شده صرفا بخشی از آن را توجیه می کند و حتی الزاماً به همان شکل گفته شده هم رخ نمیدهد.

این واکنشها معمولاً ناقص اند و ممکن است واکنشهای جنبی بیشماری با سایر مواد درون فاضلاب رخ دهد.

بنابراین، بحث زیر ماهیت پدیده های دخیل را معرفی میکند.

ماهیت ذرات درون فاضلاب در ترسیب شیمیایی فاضلاب:

دو نوع کلی پراکندگی ذرات جامد کلوییدی در مایعات وجود دارد.

اگر حلال آب باشد، این ذرات را کلوییدهای “آبگریز” و “آبدوست” می نامند.

این دسته بندی بر جاذبه ی سطح ذره نسبت به آب مبتنی است.

ذرات آبگریز جاذبه ی نسبتاً کمی برای آب دارند؛ ذرات آبدوست جاذبه ی  زیادی نسبت به آن دارند.

اما باید توجه داشت که آب می تواند با ذرات آبگریز تا حدی واکنش کند.

برخی از مولکولهای آب عموماً جذب سطح ذرات آبگریز معمولی می شوند، ولی واکنش  بین آب و کلوییدهای آبدوست بسیار زیادتر است.

آب شیرینکن

بارسطحی در ترسیب شیمیایی فاضلاب:

یک عامل مهم در ثبات کلوییدها وجود بار سطحی است.

این بار به روشهای مختلف بوجود می آید که به ترکیب شیمیایی محیط ( در این مورد فاضلاب) و کلویید بستگی دارند.

سوای چگونگی تشکیل این بار سطحی ، اگر قرار باشد برای ته نشینی، ذرات بصورت ذرات بزرگتر و با جرمی کافی به یکدیگر بچسبند (منفقد شوند)، باید آنها را ناپایدار کرد.

بار سطحی عموماً از طریق جذب سطحی انتخابی، یونش، و جایگزیمی همریخت ایجاد میشود.

مثلا: قطره های روغن، حبابهای گاز، یا سایر مواد پراکنده درآب که از نظر شیمیایی بی اثرند از طریق جذب سطحی انتخابی آنیونها ( بخصوص یونهای هیدروکسیل) بار منفی پیدا میکنند.

در مورد موادی چون پروتئینها و میکروارگانیزمها، بار سطحی از طریق یونش گروه های هیدروکسیل و آمینه کسب می شود.

ایزوالکتریک نشان داد که در آن R نشان دهنده ی توده ی جامد است.

ایجاد بار از طریق جایگزینی همریخت درخاک رس و سایر ذرات خاک رخ میدهد و در آن یونهای داخل ساختار شبکه ای  با یونهای محلول جایگزین می شوند( مثلا: جایگزینی سیلیسیم با آلومینیوم ).

وقتی که سطح کلویید یا ذره باردار می شود، برخی یونهای بار مخالف ( که به آنها یونهای نظیر میگویند) به سطح می چسبند.

این یونها، به سبب قدرت کافی نیروهای الکتروستاتیکی و وان دروالسی، در جای خود باقی می مانند تا بر تغییرات گرمایی فایق شوند.

گرداگرد این لایه ی ثابت یونی یک لایه ی پخشی یونی وجود دارد، که تغییرات گرمایی مانع تشکیل لایه ی متراکم دوگانه از آن میشود.

اگر ذره ای در یک محلول الکترولیتی قرار داده شود

وجریان الکتریکی از آن علور کند، آن ذره، بسته به بار سطحی خود،

به یکی از الکترودها جذب میشود و ابری از یونها را به دنبال خود می کشد.

ترسیب شیمیایی فاضلاب

در عملیات تصفیه ی فاضلاب، گاه پتانسیل را در سطح ابر ( که به آن سطح برش میگویند) اندازه گیری میکنند.

مقدار به دست آمده را پتانسیل زتا میخوانند.

از لحاظ نظری، پتانسیل زتا باید با پتانسیل اندازه گیری شده در سطح در برگیرنده ی لایه ی ثابت یونی چسبیده به ذره، برابر باشد.

کاربرد مقدار اندازه گیری شده ی پتانسیل زتا محدود است،

زیرا این مقدار نسبت به ماهیت اجزای محلول متغیر است و از این رو اندازه گیری آن تکرار پذیر نیست.

فرایندهای واحد شیمیایی

فرایندهای تصفیه آب و فاضلاب، فرایندهایی را که در آنها واکنشهای شیمیایی ایجاد کننده ی تغییر باشند فرایندها واحد شیمیایی میخوانند .

در حوزه ی تصفیه ی فاضلاب، فرآیندهای واحد شیمیایی را معمولاً به همراه عملیات واحد فیزیکی و فرآیندهای واحد زیست شناختی بکار میبرند تا اهداف تصفیه را برآورده سازند.

استفاده از مواد شیمیایی مختلف به منظور بهبود نتایج سایز عملیات و فرآیندها نیز بطور مختصر مطرح شده است.

در این بحث ها، دانستن مبانی علم شیمی از سوی خواننده مفروض است.

برخی از فرآیندهای واحد، مانند ترسیب شیمیایی برای جداسازی فسفر، جذب سطحی کربن برای جداسازی ترکیبات آلی، وکلرزنی نقطه ی شکست برای نیتروژن خواهد بود.

در بررسی کاربرد فرآیندهای واحد شیمیایی زیر، باید به خاطر بسپاریم

که یکی از نقاط ضعف ذاتی اکثر فرایندهای واحد شیمیایی ( جذب سطحی کربن فعال شده مستثنی است)، در مقایسه با عملیات واحد فیزیکی، این است که اینها فرآیندهایی هستند که با افزودنیهای شیمیایی انجام می شوند.

برای جدا کردن ماده ای از فاضلاب، اغلب ماده ی دیگری به آن افزوده میشود.

در نتیجه ، همواره با یک افزایش خالص به اجزای محلول در فاضلاب روبه رو هستیم.

مثلاً؛ وقتی برای بالا بردن کارآیی رسوبگذاری ساده، مواد شیمیایی اضافه میکنیم. مقدار کل غلظت مواد جامد محلول در فاضلاب افزایش می یابد.

اگر قرار باشد فاضلاب تصفیه شده به چرخه ی مصرف بازگردد، این نکته می تواند عامل مهمی باشد.
این نوع فرآیند به دلیل مسئله ی افزودن مواد در تقابل با عملیات واحد فیزیکی و فرایندهای واحد زیست شناختی قرار میگیرد،

که این دو را میتوان از آن جهت که ماده ای از فاضلاب جدا می کنند، کسرکننده توصیف کرد.

یکی دیگر از نقاط ضعف فرآیندهای واحد شیمایی آن است که همگی آنها از نظر هزینه ی عملیاتی گران و پرخرج اند. هزینه ی بعضی از این مواد شیمیایی وابسته به هزینه ی انرژی است و میتوان انتظار داشت که به همان نسبت افزایش یابد.

-ترسیب شیمایی

ترسیب شیمایی در فرایندهای تصفیه ی آب و فاضلاب عبارت است از افزودن مواد شیمیایی برای تغییر حالت فیزیکی مواد جامد محلول و معلق و تسهیل جداسازی آنها از طریق رسوبگذاری.

این تغییر در برخی موارد نازل است و جداسازی با به دام افتادن مواد در یک رسوب حجیم که

در درجه ی اول حاوی خود ماده ی لخته کننده است انجام می شود.

افزایش خالص اجزای محلول در فاضلاب نتیجه ی دیگر افزودن ماده ی شیمایی است.

در کنار عملیات مختلف فیزیکی، از فرایندهای شیمیایی نیز به منظور تصفیه ی ثانویه کامل فاضلاب تصفیه نشده،

از جمله جداسازی نیتروژن یا فسفر، یا هر دو استفاده شده است.

فرایندهای شیمیایی دیگری نیز برای حداسازی فسفر از طریق ترسیب شیمیایی ابداع شده اند و به گونه ای طراحی می شوند که با تصفیه ی زیست شناختی همراه شوند.

ترسیب شیمیایی به منظور بهبود عملکردتصفیه خانه

در گذشته ، هنگامی از ترسیب شیمیایی برای افزایش میزان جداسازی مواد جامد معلق و BOD استفاده می شد که

1. تغییرات فصلی در غلظت فاضلاب وجود داشت ( مانند فاضلاب کارخانه ی کمپوت سازی)
2. جد متوسط تصفیه ی مورد نظر
3. کمک به فرایند رسوبگذاری لازم بود.

از حدود سال ۱۹۷۰ به این طرف، نیاز به جداسازی بیشتر ترکیبات آلی و مواد مغذی ( نیتروژن و فسفر)

موجود در فاضلاب باعث توجه دوباره به ترسیب شیمیایی شده است.

در سالهای گذشته از مواد مختلفی بعنوان رسوب دهنده استفاده شده است.

میزان زلالی حاصل به مقدار مواد شیمیایی مصرف شده و دقت کنترل فرایند بستگی دارد. با ترسیب شیمیایی می توان پساب زلالی، که عمدتاً فاقد مواد معلق و یا حالت کلوییدی باشد، بدست آورد.

بین ۸۰ تا ۹۰% کل مواد معلق، ۴۰ تا ۷۰ درصد BOD پنج روزه،

۳۰ تا ۶۰ درصد COD و ۸۰ تا ۹۰% باکتریها را میتوان با ترسیب شیمیایی جدا کرد.

در مقابل، با استفاده از رسوبگذاری متعارف،

فقط ۵۰ تا ۷۰ % کل مواد معلق و ۳۰ تا ۴۰ % مواد آلی ته نشین و جدا می شوند.

مواد شیمیایی افزوده شده به فاضلاب با موادی که یا موادی که یا معمولاً

در فاضلاب موجودند یا به همین منظور اضافه شده اند واکنش میکنند.