کاربرد روش های اکسیداسیون پیشرفته در تصفیه فاضلاب
فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته (AOP)[1] ، موثر در کاهش مقدار اکسیژن مورد نیاز شیمیایی موجود در آب و پساب و نیز حذف ترکیبات آلی و معدنی قابل اکسید بوده و به منظور تصفیه بسیاری از پساب های صنعتی، آب های زیرزمینی و … مورد استفاده قرار می گیرند. د در سال های اخیر توجه زیادی به روش های اکسیداسیون پیشرفته شده است که از دلایل آن متنوع بودن تکنیک های موجود و نیز کاربرد گسترده آن در تصفیه آب های زیر زمینی، حذف مواد آلی و گندزدایی وسیع آب و فاضلاب می باشد. با توجه به اینکه حد مجاز بسیاري از آلاینده هاي آلی خطرناك بسیار کم بوده و روشهاي تصفیه معمول در اغلب موارد کارایی لازم جهت رساندن غلظت این آلودگی ها را به حد مجاز تعریف شده ندارند، نیاز به تکنولوژي هاي جدید و کارآمد تر اجتناب ناپذیرترمی شود.
این تکنیکها، مبتنی بر فرآیند های تولید رادیکال های آزاد مانند هیدروکسیل(˚OH)، هیدروپروکسیل (HO2˚)و سوپراکسید (O2˚–) می باشد که منجر به شکسته شدن ساختار شیمیایی ترکیبات آلاینده شده و آن را به ترکیباتی تجزیه میکند که خاصیت آلایندگی ندارند. این رادیکالها ثابت سرعت 100 تا 1 میلیون برابر بزرگتر از ثابت سرعت مواد اکسید کننده معمولی دارند و می توانند اکثر ترکیبات آلی مقاوم در برابر اکسیداسیون را از بین ببرند. رادیکالهاي فعال هیدروکسیل تشکیل شده، به مولکول ها حمله کرده و سبب تخریب و تجزیه مولکول ها و تبدیل آنها به مولکولهاي ساده تر می شوند. از مزایای استفاده از این روشها می توان به عملیاتی بودن فرآیند، عدم وجود پساب ثانویه و عدم نیاز به پسا تصفیه و قابلیت کاربرد در شدت جریان و ترکیب درصدهای نوسانی اشاره کرد. تشکیل رادیکال هیدروکسیل به عنوان عامل اکسید کننده با قدرت اکسیدکنندگی 23/2 ولت، در مقایسه با اکسیدکننده های متداول قدرت قابل توجهی دارد. غلظت اکسید کننده، کاتالیست، غلظت اولیه آلاینده و pH محیط از عوامل موثر بر کارآیی تخریب آلاینده به روش اکسیداسیون پیشرفته می باشند.
کاربرد فرآبند اکسیداسیون پیشرفته:
تصفیه شیرآبه زباله
از بین بردن مواد رادیواکتیو
تصفیه پسابهای نفتی ، پتروشیمی و پالایشگاه ها، صنایع لاستیک، کاغذسازی،…
از بین بردن ترکیبات شیمیایی حاصل از سموم کشاورزی
تصفیه پسابها با بار آلی بسیار بالا
حذف بو از گاز خروجی از صنایع
تصفیه خاکهای آلوده به ترکیبات شیمیایی
پیش تصفیه به منظور شکست ماکرومولکولهای غیر قابل تصفیه به روش بیولوژیکی
برخی روش های رایج اکسیداسیون پیشرفته
– کوآگولاسیون و الکتروکوآگولاسیون[2]
فرآیند انعقاد و لخته سازي، به منظور حذف مواد کلوئیدی و ذرات معلق ایجاد کننده کدورت مورد استفاده قرار می گیرند. تکمیل این فرآیند با مرحله ته نشینی انجام می گردد. مواد منعقد کننده و لخته ساز نظیر انواع پلی الکترولیت ها، آلوم، پلی آلومینیوم کلراید،… می توانند این فرآیند را انجام داده و این ذرات را به توده بزرگتر و قابل ته نشینی تبدیل نمایند. به عنوان مثال با انحلال یک پلی الکترولیت کاتیونی، کاتیون ها (یون هاي با بار مثبت) ایجاد می گردد که با جذب ذرات کلوئیدي ،بارهای منفی موجود روی سطح آنها راخنثی می نماید در نتیجه این ذرات به یکدیگر نزدیک تر شده و با تشکیل ذرات درشت تر قابلیت ته نشینی پیدا می کنند. براي این منظور هر چه بار کاتیون منعقد کننده زیاد باشد، منعقد کننده موثرتر خواهد بود. بنابراین منعقد کننده هایی که معمولا استفاده می شوند شامل ترکیبات آلومینیوم و آهن هستند که به ترتیب کاتیون های AL3+ وFe3+ را در آب ایجاد می کنند. اغلب از برخی مواد دیگر هم براي تسهیل انعقاد استفاده می شود که به آنها کمک منعقد کننده گفته می شود. این فاز تصفیه، دومین سدي است که می تواند کدورت و پاتوژن هاي قابل انتقال از طریق آب و آلاینده هاي دیگر را از آب حذف کند و شامل سه بخش اختلاط تند، انعقاد و لخته سازي (اختلاط کند) می باشد.
الکتروکواگولاسیون یک روش موفق در حذف رنگ، آلاینده های آلی، فلزات سنگین،COD، نیترات و… از محیط های آبی و فاضلاب می باشد. الکتروکواگولاسیون در تصفیه آب و فاضلاب در رنج وسیعی کاربرد دارد و کارایی بالایی در حذف آلودگی های آلی، معدنی و پاتوژن ها دارد. این فرایند برای ناپایدار کردن ذرات سوسپانسیون، معلق و آلاینده های محلول می باشد. در این فرایند، به جای تزریق ماده منعقد کننده از جریان الکتریکی مستقیم برای تولید یون های فلزی محلول استفاده می شود. در واقع در این فرآیند، ماده منعقدکننده با انحلال آند تولید می شود و هیدروژن و یون هیدروکسیل نیز در کاتد تولید می شود. در این روش از صفحات جفت شده فلزی تشکیل شده است که طبق اصول الکتروشیمی کاتد بعنوان اکسید کننده و آند بعنوان احیا کننده عمل می کنند. صفحات رسانای فلزی بعنوان الکترود قربانی بکار می روند و ممکن است کاتد وآند از یک جنس یا از جنس های مختلف باشند. درالکتروکواگولاسیون توسط فرایند الکتروشیمیایی عواملی مانند یون های آهن و آلومینیوم در محل تولید می شوند که باعث خنثی شدن بار الکتریکی آلاینده ها و ذرات کلوییدی و حذف آنها می شود. از مزایای این فرایند می توان به حجم کم لجن تولیدی، عدم نیاز به مواد شیمیایی، نیاز به فضای کوچک، هزینه سرمایه گذاری اندک و کاربرد راحت آن اشاره نمود. فرآیند
فنتون و الکتروفنتون[3]
خواص اکسیدکنندگی مخلوط آب اکسیژنه و آهن، تحت عنوان واکنش فنتون معرفی شده است. این واکنش با اضافه نمودن همزمان آهن و پرکسید هیدروژن به منظور حذف آلاینده های مختلف انجام می گردد. در شرایطی که از فرایند فنتون از روش الکتروشیمیایی استفاده شود به آن روش الکتروفنتون اطلاق می شود که به جای استفاده از یون آهن دو ظرفیتی از جریان الکتریسیته و الکترودهای آهن، جهت تولید یون دوظرفیتی آهن استفاده می شود. مزیت عمده فنتون قیمت و سمیت پایین آهن و پراکسید هیدروژن و نیز در دسترس بودنشان می باشد. از معرف فنتون می توان جهت حذف آلاینده های ارگانیک، کاهش سمیت ، حذف BOD و COD و حذف رنگ و بو استفاده نمود.
به طور کلی فرآیند اکسایش فنتون شامل تنظیم pH، واکنش اکسایش، خنثی سازی، انعقاد و ترسیب می باشد.
از معایب مهم این روش می توان به موارد زیر اشاره نمود:
– تشکیل لجن زیاد حاصل از تشکیل هیدروکسید آهن می باشد که نیاز به سیستم جداسازی دارد.
– میزان آهن باقیمانده پس از پایان فرآیند باید کنترل گردد
– کنترل pH بسیار مهم می باشد
– سیستم هیدروژن پراکسید/ تابش ماورا بنفش
تابش ماورابنفش می تواند آب اکسیژنه را فوتولیز کرده و طی واکنش زیر آن را به رادیکال هیدروکسیل تبدیل نماید:
طی واکنش فوق یه ازای فوتولیز 1 مول آب اکسیژنه، 2 مول رادیکال هیدروکسیل تولید می گردد. این سیستم می تواند رنج وسیعی از ترکیبات سمی را متلاشی کرده و غلظت آنها را به حداقل برساند.
سیستم های مبتنی بر ازن
خواص فیزیکی و شیمیایی ازن
ازن یکی از اشکال آلوتروپی اکسیژن بوده و گازي آبی رنگ با بوي تند وناپایدار می باشد. این ترکیب یک اکسید کننده قوي بوده و بسیار قوي تر از اسید هیپوکلرو ( ماده موثر گند زدایی کلر در آب ) می باشد. پتانسیل اکسیداسیون ازن 07/2 می باشد در حالی که پتانسیل اکسیداسیون کلر 36/1 ولت است. حلالیت ازن در آب کمتر از حلالیت کلر بوده و محلول آبی آن نیز ناپایدار می باشد. با تجزیه ازن در آب، رادیکال های آزاد هیدروژن پراکسی و هیدروکسیل تولید می گردد که خاصیت اکسیدکنندگی بسیار بالایی داشته و نقش مهمی در فرآیند گندزدایی ایفا می نماید. با توجه به ناپایداري گاز ازن، باید در محل و زمان مصرف تولید شود و نمی توان آنرا مثل کلر ذخیره نمود.
گندزدایی توسط ازن حاصل اثر مستقیم آن بر باکتری ها و تجزیه دیواره سلولی باکتری ها می باشد. با توجه به قدرت بالای گندزدایی ازن در مقایسه با کلر و سایر گندزداها، زمان کمتری جهت تکمیل فرآیند گندزدایی نیاز است. همچنین نتایج تحقیقات بیانگر توانایی بیشتر ازن در از بین بردن ویروس ها در مقایسه با کلر می باشد.
روش های ازن زنی
فرآیندهای مبتنی بر ازن به عنوان یکی از تکنولوژی های قدرتمند برای تصفیه پساب استفاده می شوند. اثر تزریق ازن را می توان با به کار گیری تابش UV (O3/UV) یا افزودن H2O2 (H2O2/O3) و یا استفاده همزمان از H2O2 و UV(UV/H2O2/O3) افزایش داد. در واقع UV و H2O2 یک سری از واکنش های رادیکالی را که سبب افزایش تجزیه ازن به رادیکال هیدروکسید (OH˚) می شوند راه اندازی می کنند:
ازن در بیشتر بهره وری هایش مثل حذف رنگ، ضدعفونی کردن، حذف بو و طعم، حذف منیزیم و ترکیبات آلی مسمر ثمر می باشد. ازن علاوه بر حذف ویروس و باکتری ها، با داشتن قدرت بالای اکسید کنندگی برای حذف مواد معدنی و فلزات سنگین نیز بسیار کاربرد دارد. گندزدایی به وسیله ازن تابع pH نبوده و باعث تولید و ازدیاد مواد جامد در آب و فاضلاب نمی شود. از مزایاي مهم ازن در تصفیه پساب، اشباع شدن محلول از اکسیژن است که در نتیجه تجزیه ازن رخ می دهد. علاوه بر آن ازن قادر است مواد معدنی را به طور کامل اکسید کرده، آنها را ته نشین و حذف نماید. بنابراین در حذف COD محلول بسیار موثر می باشد. ازن تمايل بسياری به واکنش با ترکيبات غير اشباع (پيوندهای دوگانه و سه گانه نظیر C=C، C=N ، N=N ) دارد که با توجه به اين ويژگی، ازن توانايی فوق العاده ای در اکسيد کردن چربی ها دارد.
شناورسازی هوای محلول
ترکیبات آلی فرار ازصنایع به هوا انتشار می یابند به دلیل اثرات زیان آور این ترکیبات بر انسان حیوانات و گیاهان جلوگیري از انشتار این ترکیبات به هوا امري ضروري است .حذف این ترکیبات ازفاضلاب ها و پسابها با استفاده ازروش عاري سازي با هوا دریک پایلوت آزمایشگاهی روشی عمومی است. براي ارتقا عملکرد حذف از روش شناروسازي با هواي محلول جهت تولید حباب هوا استفاده می شود دراین روش هوا تحت فشارداخل آب حل گردیده و آب فوق اشباع وارد ستون حباب اتمسفري شده و به دلیل افت فشار ناگهانی حبابهاي بسیارریزتولید می شود. آلاینده توسط این حباب ها بالا رفته و به سطح ستون می رسد هواي آلوده جهت حذف نهایی ترکیبات آلی از بالاي ستون حباب وارد ستون کربن فعال می شود تا ترکیبات آلی از بالاي ستون حباب وارد ستون کربن فعال میشود تا ترکیبات آلی فرار ازآن جدا گردد.
مزایای روش اکسیداسیون پیشرفته
– بهره برداری آسان
– توانایی بالا در تصفیه پسابهای بسیار آلوده صنعتی و سمی
– توانایی حذف فلزات سنگین و رادیواکتیو
– حذف ترکیبات شیمیایی ناشی از سموم کشاورزی
– سازگاری با محیط زیست
– کنترل موثر نرخ انتقال الکترون
– در شرایط وخیم از نظر دما و فشار اغلب می توان از این روش استفاده کرد
– عدم نیاز به تجهیزات پیچیده
– مدت زمان ماند کوتاه
– حجم بسیار کم لجن تولیدی
– امکان افزودن مواد شیمیایی جهت بالا بردن عملکرد سیستم