اثر عناصر معدنی بر آزاد سازی فسفر از لجن زائد حرارت دیده

درحال مشاهده: اثر عناصر معدنی بر آزاد سازی فسفر از لجن زائد حرارت دیده

ادعونی اهدای خون

اثر عناصر معدنی بر آزاد سازی فسفر از لجن زائد حرارت دیده

۱۳۸۹/۱۲/۱۸

17:11

امیرحسین ستوده بیدختی

اثر عناصر معدنی بر آزاد سازی فسفر از لجن زائد حرارت دیده

چکیده

هدف این تحقیق، بررسی تاثیر عناصر معدنی بر آزادسازی فسفر از لجنهای زائد حرارت‌دیده است. آنالیز میکروسکوپی با استفاده از اشعه ایکس انرژی متفرق (EDAX) نشان داد که فسفر در سطح بیومس ِ (توده زنده بیولوژیکی) لجنهای زائد حاصل از شش تصفیه‌خانه فاضلاب در پیوند با آلومینیوم ، کلسیم و منیزیم قرار دارد. میزان تولید فسفر در لجنهای زائد با افزایش غلظت کل ِ آلومینیوم ، کلسیم و منیزیم ، کاهش یافت. با افزودن سولفات‌آلومینیوم Al2(SO4)3، هیدروکسیدکلسیم Ca(OH)2، کلرید‌کلسیم CaCl2، سولفات‌منیزیم MgSO4 ، یا آلومینات‌سدیم NaAlO2 به لجن فعال ِحاصل از فرایند EBPR در مقیاس آزمایشگاهی، فسفر ِحاصل به میزان چشمگیری کاهش یافت.

واژگان کلیدی: لجن فعال؛ عناصر معدنی؛ بازیافت فسفر؛ میکروآنالیز اشعه ایکس.

۱. مقدمه

فسفر (P) جزء جایگزین‌ناپذیر ِتمامی اندام‌های موجودات زنده است. لایه‌های سنگ معدن طبیعی که حاوی فسفر با کیفیت مناسب باشد، اندک و بسیار ناپایدار است) ۱۹۹۹ (Ableson , . از آنجا که بیشترین کاربرد فسفر در کودهاست، مصرف مجدد و بازیافت آن اهمیت بسیاری در تقویت تولید سودآور کشاورزی در بلند مدت دارد)۲۰۰۲ Kuroda et al., ). از سویی دیگر افزایش ورود فسفات معدنی (Pi) به دریاچه‌ها، خلیج‌ها، و دیگر آب‌های سطحی باعث اتروفیکاسیون و در نتیجه رشد فزاینده‌ی فتوتروف‌ها، کاهش اکسیژن محلول، افت ارزش استفاده‌ی تفریحی از آب ، و پیدایش طعم بسیار بد در آب آشامیدنی می‌شود )۱۹٧۱ (Hammond,. از آنجا که اتروفیکاسیون ِآب مشکل بزرگی در سطح جهان است)۲۰۰۴ (de-Bashan & Bashan ، حذف کارآمد Pi از فاضلاب مورد توجه بسیاری قرار گرفته است)۱۹۸۵ (Ohtake et al. ,.

زدایش تسهیل شده ی فسفر بصورت زیستی(EBPR) فرایندی کاملا استقرار یافته بوده که به طور گسترده و بی کم و کاست در تاسیسات تصفیه خانه فاضلاب به مرحله ی اجرا در آمده است)۱۹۹۱ (Sedlak ,. در فرایندهای EBPR میکروارگانیسمهای لجن، Pi اضافی را به صورت پلی‌فسفات‌ که پلیمری خطی از باقیمانده‌های Pi بوده و با پیوندهای پرانرژی فسفوانیدرید به هم وصل میباشد ذخیره کردند،)۱۹٧۵ (Fuhs & Chen,. لجنهای زائد حاصل از فرایندهای EBPR حاوی مقدار زیادی فسفر است و بنابراین ممکن است منبع با دوامی از فسفر برای بازیافت به صورت کود یا ماده اولیه در دیگر محصولات ارزشمند فسفر باشد)۲۰۰۴ (de-Bashan & Bashan,.

Kuroda و همکارانش شیوه‌ی ساده‌ای را برای بازیافت فسفر، با قابلیت استفاده مجدد از لجن فعال غنی از پلی‌فسفات ارائه کرند. قاعده کلی روش پیشنهادی بر این پایه بود که پلی فسفات را می توان فقط با حرارت دادن لجن فعال تا ٧۰ درجه سانتی‌گراد به مدت یک ساعت و به دنبال آن با رسوب‌گیری به وسیله کلریدکلسیم در دمای اتاق تولید (بازیابی) کرد. محصول این فرایند هیدروکسی‌اپاتیت (Ca5(PO4)3OH) به همراه مقادیر کمی از ترکیبات آلی و کاتیون‌های فلزی (منیزیم، آهن، آلومینیوم) بود. در بسیاری از تصفیه‌خانه‌های فاضلاب (WTP) پسماند لجنی را تحت هضم بی‌هوازی قرار می‌دهند تا گاز متان تولید شود که بالقوه در حرارت دادن لجن برای تولید پلی‌فسفات قابل استفاده است. همچنین ممکن است از یک مبدل حرارتی برای صرفه‌جویی بیشتر در انرژی گرمایی استفاده شود )۲۰۰۲ (Kuroda et al.,. در تحقیقات تازه تر Takiguchi و همکارانش (در سال ۲۰۰۳) نشان دادند که این روش برای بازیافت فسفر از لجن فعال با فرایندEBPR به صورت آزمایشی در مقیاس صنعتی قابل استفاده است. با اینهمه مقدار فسفر حاصل از لجن فعال در طرح آزمایشی ِمقیاس ِصنعتی به میزان چشمگیری کمتر از فسفر ِحاصل در آزمایشگاه بود. از آنجا که لجن فعال حاصل از تصفیه خانه‌های فاضلاب حاوی گونه‌هایی از عناصر معدنی مانند آلومینیوم‌، کلسیم، آهن، و منیزیم است)۲۰۰۱ (Schoenborn et al., ، که ترکیبات کمپلکسی کم‌محلولی با فسفر تشکیل می‌دهند‌، احتمال می‌رود که حضور این عناصر در تولید فسفر از لجن فعال حرارت‌دیده تاثیری منفی داشته‌باشد. در این تحقیق‌، تاثیر عناصری مانند آلومینیوم، کلسیم، آهن ، و منیزیم، در تولید فسفر از لجن فعال حرارت‌دیده مورد بررسی قرار گرفته است.

۲. روش‌ها

۲.۱. تصفیه حرارتی و رسوب‌دهی فسفر

فرایند EBPR در مقیاس آزمایشگاهی که در تحقیق حاضر مورد استفاده قرار گرفته، مشابه موردیست که پیش از این توصیف شد)۲۰۰۲. (Kuroda لجن فعال آزمایشگاهی حاصل از فرایند EBPR، که حداقل یک ماه به طور ثابت نگاه داری شده بود، به دست ‌آمد. غلظت لجن در این فرایند حدود ۲/۳-۵/۲ گرم بر لیتر ثابت نگه‌‌داشته شد. لجن فعال تازه و ته‌نشین‌شده‌ی برگشتی، از شش تصفیه‌خانه مختلف فاضلاب (هیروشیما، ژاپن) تهیه شد که در هیچ یک از فرایند EBPR استفاده نمی‌کردند. اینها مشخصا لجن تصفیه‌خانه فاضلاب بودند. غلظت لجن در محدوده ی ٧/۶-۸/۳ گرم بر لیتر بود. نمونه‌های لجن با استفاده از حمام آب با دمای معین، به مدت یک ساعت در دمای ٧۰ درجه سانتی‌گراد ، طبق توضیح پیشین، حرارت داده شد)۲۰۰۲ (Kuroda et al.,. نمونه‌‌های حرارت دیده در سانتریفیوژ (g۸۰۰۰) به مدت ۵ دقیقه قرار گرفت. برای رسوب‌دهی فسفر به مایع روی لجن (سوپرناتانت) به نسبت استوکیومتری ۱:۱ (Ca:P)کلریدکلسیم افزوده شد)۱۱ (pH . پس از گذشت ۲ ساعت در دمای اتاق، رسوب‌ها با استفاده از سانتریفیوژ(g ۸۰۰۰) به مدت ۵ دقیقه، جمع‌آوری شدند.

۲.2.آنالیز میکروسکوپیSEM و اشعه ایکس

از میکروسکوپ الکترونی پیمایشی(SEM) ,JEOL)۵۹۰۰JSM-) برای عکس‌برداری از میکروارگانیسمهای لجن استفاده شد. نمونه ها به مدت ۲ ساعت با ٪ ۵/۲ گلوتارآلدهید در دمای ۴ درجه سانتی‌گراد تثبیت و سپس با استفاده پیاپی از اتانول، آبگیری شدند. نمونه ها شبانه در دمای ۲۰- درجه سانتی‌گراد خشک و سپس کربن اندود شدند Carbon Coater, JEOL)۵۲۰ (JEC. نمونه‌ها با ولتاژ شتاب‌گیرنده ۲۰ کیلو ولت بررسی و تصاویر با استفاده از نرم‌افزار طراحی دیجیتال ضبط شدند ,JEOL)۵۵۰۲۰(EX-. SEM مجهز به طیف‌سنجی,JEOL)۲۲۰۰(JED- بود که قابلیت آشکارسازی اشعه ایکس نشر شده از نمونه‌ها را در اثر تحریک با پرتو الکترونی داشت. بررسی اشعه ایکس انرژی متفرق (EDAX) با استفاده از طیف‌سنج ۲۲۰۰JED- با ولتاژ شتاب‌گیرنده ی ۲۰ کیلو ولت صورت گرفت.

۲.۳. روش‌های تحلیلی

Piی درون‌سلولی با استفاده از اسید تری‌کلریکِ (TCA) ۱۰٪ سرد به مدت ۳۰ دقیقه از بیومس لجنی استخراج شد. اسید تری‌کلریک سرد همچنین حاوی Pi ای بود که با استفاده از اسیدتری‌کلریک از سطح بیومس لجنی زدوده شد. Pi پس از تنظیم pH با استفاده از روش اسید اسکوربیک )۱۹۸۹ (Clesceri et al., و پلی‌فسفات با هیدرولیز در اسید ‌هیدروکلریک به مدت ٧ دقیقه در دمای ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد تعیین شد )۱۹۶۰. (Harold, مقدار کل فسفر (T-P) پس از هضم پرسولفات‌آمونیوم در دمای ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد به مدت ۳۰ دقیقه، به صورت Pi تعیین شد )۱۹۸۹ (Clesceri et al., غلظت کل منیزیم، آلومینیوم و کلسیم در نمونه‌های پسماند لجن، با استفاده از طیف‌سنج نشر اتمی با پلاسمای جفت‌شده‌ی القایی (ICP-AES) ,Seiko Instrument)۳۰۰۰(SPSs ، پس از هضم نمونه ها در اسید نیتریک و اسید هیدروکلریک تعیین شد.

۲.۴. تحلیل آماری

تحلیل آماری با استفاده از ۵/٧SPSS (SPSS Inc., Chicago, Illinois, USA) انجام شد. از تی- تست تحقیقی برای مقایسه‌ی تغییرات در فسفر درون ِ لجن تصفیه‌خانه فاضلاب و لجن آزمایشگاهی ، پیش و پس از تصفیه حرارتی، استفاده شد. تفاوت‌ها از نظر آماری چشمگیر (۰۵/۰>(p ارزیابی شد . در تعیین رابطه‌ی فسفر و عناصر معدنی از روش رگرسیون استفاده شد. از تجزیه و تحلیل واریانس با ۰۱/۰ و ۰۵/۰α = برای تعیین تاثیر افزودن نمک‌های معدنی در تولید فسفر از لجن فعال آزمایشگاهی حرارت دیده استفاده شد.

۳. نتایج و مباحثه

۳.۱. تولید فسفر با استفاده از تصفیه حرارتی

شکل ۱ داده‌هایی را از تولید فسفر از لجن آزمایشگاهی و لجن مربوط به تصفیه‌خانه فاضلاب نشان می‌دهد. از لجن آزمایشگاهی مقدار زیادی پلی‌فسفات (حدود ۰/۵-۵/۳ درصد فسفر از وزن خشک لجن) به دست آمد. مقدار کل فسفر موجود از ۳/۴ تا ۹/۶ درصد، بر حسب وزن خشک، متغیر بود. تولید مقدار کل فسفر و پلی‌فسفات از طریق حرارت دادن لجن آزمایشگاهی به ترتیب ٧۰٪ و ٪۸۵ بود. در مورد لجن تصفیه‌خانه فاضلاب ، مقدار پلی‌فسفات ۲/۱ تا ۳/۲ درصد و مقدار کل فسفر از ۶/۲ تا ۴/۴ درصد بر حسب وزن خشک، بود (جدول ۱) . مقدار نسبتا کم فسفر در لجن تصفیه‌خانه فاضلاب را می‌توان به این واقعیت نسبت داد که هیچ یک از شش تصفیه‌خانه فاضلاب از فرایند EBPR استفاده نمی‌کردند. همچنین در میزان Piی موجود در لجن آزمایشگاهی و لجن تصفیه‌خانه فاضلاب تفاوت چشمگیری وجود داشت. همان‌طور که در شکل ۱ نشان داده شده است، مقدار فسفر بیشتری در لجن تصفیه‌خانه فاضلاب تعیین شد. از آنجا که مقدار Pi درون‌سلولی را می توان اساسا ثابت در نظر گرفت )۲۰۰۲ (Ohatke et al., این برآورد نشان داد که مقادیر چشمگیری از Pi در سطح لجن تصفیه‌خانه فاضلاب وجود داشت. میزان فسفر حاصل از لجن تصفیه‌خانه فاضلاب بسیار متغیر بود و در محدوده‌ی ۳۴٪ تا ۵۶٪ مقدار کل فسفر قرار گرفت. بعید به نظر می‌رسد که این امر به دلیل مقادیر متفاوت کل فسفر و پلی‌فسفات در لجن تصفیه‌خانه فاضلاب باشد، چرا که هیچ ارتباط مهمی میان فسفر ِحاصل و مقدار آن در لجنهای زائد مشاهده نشد (جدول ۱). افزودن کلریدکلسیم منجر به ته‌نشینی ٪ ۸٧- ٧۴ مقدار کل فسفر و نتیجه بازیافت۲۷ تا ۴۶ درصد از مقدار کل فسفر شد. همان‌طور که در شکل ۱ نشان داده شده است، تولید پلی‌فسفات از لجن تصفیه‌خانه فاضلاب به میزان چشمگیری کمتر از لجن آزمایشگاهی )۳n= و ۰۵/۰(p<بود. حدود ۶۸٪ پلی‌فسفات با تصفیه حرارتی لجن تصفیه‌خانه فاضلاب تولید ، و ٪۶۴ پلی‌فسفات حاصل در فاز مایع به Pi تبدیل شد (اطلاعات مربوط نشان داده نشده‌اند). افزایش Pi در لجن تصفیه‌خانه فاضلاب در اثر تصفیه حرارتی نشان می دهد که مقدار قابل توجهی Pi پس از احیای (کاهش) پلی‌فسفات، در سطح بیومس ِلجنی رسوب می دهد.

۳.۲. تحلیل‌های SEM و EDAX

طیف EDAX مربوط به نمونه‌های لجن تصفیه‌خانه فاضلاب، وجود عناصر مختلفی را در سطح بیومس ِلجنی نشان داد (اطلاعات مربوط نشان داده نشده‌اند). هر یک از عناصر با رویت پیک مشخص در طیف‌های مربوط تعیین شد. سیگنال‌های قوی در مورد آلومینیوم ، سیلیسیم، فسفر، و کلسیم و همچنین سیگنال‌های ضعیف در مورد گوگرد، منیزیم، آهن، و مس مشاهده شد. سیگنال مهمی در مورد فلزات سنگین مانند نیکل، کروم، و سرب مشاهده نشد. توزیع هر عنصر بر سطح لجن تصفیه‌خانه فاضلاب با EDAX مورد تجزیه و تحلیل بیشتری قرار گرفت. برای بررسی ارتباط هر عنصر با فسفر ، نمودار شدت‌ نسبی آلومینیوم، سیلیسیم، کلسیم، گوگرد، منیزیم، آهن، و مس بر حسب شدت نسبی سیگنال EDAX فسفر رسم شد. فسفر رابطه‌ی مشخصی با آلومینیوم، کلسیم و منیزیم داشت(شکل ۲). سیگنال‌های قوی فسفر (شدت نسبی سیگنال > ۴/۰) رابطه‌ی خطی با سیگنال‌های آلومینیوم، کلسیم و منیزیم نشان دادند. رابطه‌ی مهمی میان فسفر و گوگرد، سیلیسیم، آهن یا مس به دست نیامد(اطلاعات مربوط نشان داده نشده است). بررسی‌های مشابهی در مورد ۷۰ نمونه لجن ِبه دست آمده از شش تصفیه‌خانه فاضلاب صورت گرفت. نتایج، تجمع موضعی فسفر با آلومینیوم، کلسیم، و منیزیم را در سطح لجن تصفیه‌خانه فاضلاب تایید کرد (اطلاعات مربوط نشان داده نشده است).

۳.۳. تجزیه ICP-AES و آزمایش‌های مربوط به افزودن عناصر

به منظور بررسی بیشتر رابطه‌ی فسفر با آلومینیوم، کلسیم و منیزیم ، غلظت ِ کل ِ این عناصر در لجن تصفیه‌خانه فاضلاب با استفاده از ICP-AES تعیین شد. نمودار غلظت کل فسفر در فاز مایع پس از تصفیه حراراتی، بر حسب غلظت کل ِ آلوممینیوم، کلسیم و منیزیم در لجن تصفیه‌خانه فاضلاب رسم شد (شکل ۳). مشخص شد که تولید فسفر با افزایش غلظت کل آلومینیوم، کلسیم و منیزیم کاهش می‌یابد. همبستگی بالایی)۶n= ,۴۷۷/۰ (r2= بین فسفر ِتولیدی و غلظت کل آلومینیوم مشاهده شد. در مورد لجن آزمایشگاهی به دست آمده از فرایند EBPR در مقیاس آزمایشگاهی نیز تجزیه ICP-AES صورت گرفت. غلظت کل آلومینیوم، منیزیم و کلسیم در لجن آزمایشگاهی به ترتیب ۱۱، ۱۷ و ۶ میلی مولار بود. این غلظت‌ها در مقایسه با غلظت‌های به دست آمده در مورد لجن تصفیه‌خانه فاضلاب به میزان چشمگیری کم بود(شکل ۳). هنگامی که لجن آزمایشگاهی در دمای ۷۰ درجه سانتی‌گراد به مدت یک ساعت حرارت داده شد، غلظت کل فسفر در فاز مایع به ۱۹ میلی مولار رسید که به مقدار قابل توجهی بیشتر از غلظت فسفر مشاهده شده در لجن تصفیه‌خانه فاضلاب بود. این نتایج نشان می‌دهند که غلظت‌های زیاد آلومینیوم، منیزیم و کلسیم تاثیری منفی در تولید فسفر از لجن تصفیه‌خانه فاضلاب ِ حرارت‌دیده دارند. در تایید این موضوع، تاثیر افزودن نمک‌های معدنی ِ سولفات‌آلومینیوم، هیدروکسیدکلسیم، کلریدکلسیم، سولفات‌منیزیم، یا آلومینات‌سدیم در تولید فسفر از لجن آزمایشگاهی حرارت دیده، بررسی شد (شکل ۴). هر یک از نمک‌ها با غلظت ۵ میلی‌مولار ، پیش از تصفیه حرارتی به لجن آزمایشگاهی افزوده شد. مشاهده شد که با افزودن این نمک‌های معدنی، پیش از تصفیه حرارتی، به لجن آزمایشگاهی از تولید فسفر جلوگیری می‌شود. مخصوصا افزودن سولفات‌آلومینیوم، غلظت کل فسفر و پلی‌فسفات را به ترتیب ۷۷٪ و ۴۴٪ کاهش می‌دهد. تصفیه حرارتی لجنهای زائد در دمای ۷۰ درجه سانتی‌گراد به مدت یک ساعت، گزینه‌ی مناسبی برای بازیافت فسفر، که ماده خام ارزشمندی است، از فاضلاب شهری بود )۲۰۰۴(de-Bashan & Bashan,. تجزیه EDAX آشکار ساخت که فسفر در سطح بیومس ِلجنی در پیوند با آلومینیوم، منیزیم و کلسیم قرار دارد. افزودن نمک‌های آلومینیوم، منیزیم و کلسیم تولید فسفر از لجن آزمایشگاهی ِ حرارت‌دیده را به مقدار چشمگیری کاهش می‌دهد. اطلاعاتی که اینجا ارائه شده است قویا ثابت می‌کند که عناصر آلومینیوم، منیزیم و کلسیم، تولید فسفر از لجنهای زائد را کاهش می‌دهد. در همین رابطه، نشان داده شده که عناصر آلومینیوم، منیزیم و کلسیم قادر به تشکیل کمپلکس‌های شیمیایی کم محلول با Pi بودند )۲۰۰۴(de-Bashan & Bashan,. Pi ،که از هیدرولیز پلی‌فسفات به دست آمد، ممکن است در طول مدت تصفیه حرارتی در سطح بیومس با این عناصر تشکیل رسوب بدهد. پلی‌فسفات حاصل به نوبه خود پیش از هیدرولیز، با این عناصر تشکیل رسوب می‌دهد. در این صورت پلی‌فسفات ِحاصل از فاز مایع زدوده می‌شود. Kuroda و همکارانش (در سال ۲۰۰۲) اظهار کردند که پلی‌فسفات با افزایش کلریدکلسیم ، بدون تنظیم pH ، به سرعت رسوب می‌دهد. البته، شایان ذکر است که در این تحقیق، از طریق شستشوی لجن پیش از تصفیه حرارتی، با سیترات ۱ میلی‌مولار ، به عنوان عامل کی‌لیت ساز، پیشرفتی در تولید فسفر از لجن تصفیه‌خانه فاضلاب حاصل نشد. تاثیر عوامل کی‌لیت ساز قوی مانند EDTA و EGTA هم باید در مورد لجن تصفیه‌خانه فاضلاب آزمایش شوند. همچنین گزارش شد که ریزدانه‌های پلی‌فسفات (PPG) موجود در اندام میکروارگانیسمها، حاوی عناصر آلومینیوم، کلسیم، منیزیم و سیلیسیم بوده است )۱۹۷۹(Tillberg et al.,. تجمع آنها به صورت PPG ممکن است از حرکت پلی‌فسفات جلوگیری ‌کند و در نتیجه تولید پلی‌فسفات را از لجنهای زائد حرارت‌دیده کاهش ‌دهد.

۴. نتیجه‌گیری

تصفیه حرارتی لجن تصفیه‌خانه فاضلاب در دمای ۷۰ درجه سانتی‌گراد به مدت یک ساعت باعث تولیدِ مقدار کل فسفر در فاز مایع می‌شود. مشاهده شد که تغییرات بازده تولید فسفر با تغییرات مقدار کل فسفر و پلی‌فسفات موجود در لجن تصفیه‌خانه فاضلاب بی‌ارتباط است. فسفر در سطح لجن تصفیه‌خانه فاضلاب در پیوند با آلومینیوم، منیزیم و کلسیم بود. بنابراین احتمال داشت که غلظت‌های زیاد آلومینیوم، منیزیم و کلسیم، تولید فسفر از لجن تصفیه‌خانه فاضلاب ِ حرارت‌دیده را کاهش دهد. افزودن نمک‌های معدنی سولفات‌آلومینیوم، هیدروکسیدکلسیم، کلریدکلسیم، سولفات‌منیزیم، یا آلومینات‌سدیم به لجن آزمایشگاهی، تولید فسفر را به مقدار چشمگیری کاهش داد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

موضوعات مرتبط: کیفیت,خطوط آبرسانی,شبکه توزیع و تصفیه آب

برچسب‌ها: لجن زائد

ادامه مطلب

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

درحال مشاهده: اثر عناصر معدنی بر آزاد سازی فسفر از لجن زائد حرارت دیده

اثر عناصر معدنی بر آزاد سازی فسفر از لجن زائد حرارت دیده

لیست مطالب

آرشیو موضوعی

برچسب ها

صفحات مهم

لینک دوستان

پیوندها

نویسندگان

آخرین مطالب

آرشیو