مروری جامع بر حذف نیتروژن فاضلاب و فرآیندهای بازیابی آن

مقدمه

تخلیه مقادیر زیادی از فاضلاب خانگی و صنعتی به شدت باعث افزایش محتوای نیتروژن فعال در اکوسیستم های آبی می شود که باعث استرس شدید اکولوژیکی و از بین رفتن تنوع زیستی می شود. در این مقاله که در ادامه مقالات تصفیه فاضلاب شرکت مهندسی کاشفان نیلفام است به بررسی سه نوع رایج فرآیندهای نیتروژن زدایی از جمله فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی می پردازد و عمدتاً بر روی فناوری غشاء برای بازیابی نیتروژن تمرکز دارد.

منظور از حذف نیتروژن از فاضلاب

نیتروژن برای پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک، آنزیم ها، باکتری های نیترات زدایی کننده، باکتری های نیتریفیک کننده و باکتری های آمونیه کننده و همچنین برای رشد گیاه، فتوسنتز، انتقال انرژی و سنتز کود ضروری است. با این حال، نیتروژن اضافی می‌تواند به اکوسیستم‌های آبی آسیب برساند و باعث اتروفیکاسیون سیستم‌های دوزیستان و کاهش اکسیژن محلول شود که می‌تواند منجر به مرگ ماهی‌ها و دیگر موجودات دریایی شود. علاوه بر این، شسته شدن نیترات از خاک می‌تواند آب‌های زیرزمینی را آلوده کند که در صورت بلعیدن، می‌تواند باعث ایجاد مثیموگلوبینمی در نوزادان زیر سه ماه شود.

از آنجایی که فاضلاب صنعتی، فاضلاب کشاورزی و فاضلاب خانگی اغلب حاوی آلاینده های مختلف نیتروژن (مانند نیتروژن آمونیاکی، عنصرنیتروژن ، نیتروژن نیترات و غیره) هستند، نیترات زدایی از فاضلاب برای جلوگیری از تخلیه بی رویه فاضلاب لازم ضروری است.

روش های حذف نیتروژن از فاضلاب

تاکنون بررسی های متعددی در مورد حذف نیتروژن از فاضلاب و استفاده از آنها در پکیج های تصفیه فاضلاب صنعتی انجام شده است.

امروزه روش های اصلی حذف نیتروژن فاضلاب را می توان به فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی تقسیم کرد.

روش های تصفیه فیزیکی

روش های تصفیه فیزیکی، مانند جداسازی آمونیاک، تبادل یونی و جذب، نرخ حذف بالایی برای آلاینده های آلی دارند. با این حال، این روش ها گران هستند و باعث آلودگی ثانویه می شوند که نیاز به تصفیه بیشتری دارد.

روش های تصفیه شیمیایی

فرآیندهای شیمیایی که بر اساس کلرزنی نقطه شکست و رسوب هگزا هیدرات فسفات منیزیم آمونیوم (MAP) دارای مزایای عملیات ساده، سرعت واکنش سریع و نیترات زدایی با سرعت بالا هستند. با این حال، روش های شیمیایی نیازمند کار فشرده، پرهزینه و نیازمند پردازش ثانویه هستند.

روش های تصفیه بیولوژیکی

از طریق اقدامات میکروبی، فرآیندهای بیولوژیکی نیتروژن آلی و نیتروژن آمونیاکی موجود در فاضلاب را به نیترات و نیتریت تبدیل می کند که در نهایت از طریق آمونیزه کردن، نیتریفیکاسیون و نیترات زدایی به نیتروژن تبدیل می شود.

گزینه بیولوژیکی، با راندمان تخریب آلاینده بالا و بدون آلودگی ثانویه هستند. با این حال، این فرآیند بسیار کند است، اغلب به منابع کربن اضافی و مصرف مقدار قابل توجهی انرژی نیاز دارد.

لزوم تصفیه نیتروژن از فاضلاب

الزامات تخلیه سختگیرانه فزاینده برای محتوای نیتروژن، موجب تحقیقات گسترده ای برای بهبود کارایی و عملکرد نیتروژن زدایی شده است و همچنین با کاربردهای متنوع نیتروژن، تقاضای نیتروژن به تدریج در حال افزایش است. بنابراین، بازیافت نیتروژن برای اقتصاد چرخشی و اصلاح زیست محیطی بسیار مهم است.

بهبود مستمر فناوری تشخیص، به ویژه ظهور فناوری تشخیص سریع در محل، تشخیص غلظت نیتروژن آمونیاکی را کارآمدتر، قابل اجرا، سریع تر و مقرون به صرفه تر کرده است. این ویژگی ها پتانسیل بسیار زیادی را برای تشخیص و ارزیابی زودهنگام و دقیق غلظت نیتروژن آمونیاک در فاضلاب ارائه می دهد که برای سلامت انسان و ایمنی جهانی آب محیطی بسیار مهم است.

آشنایی با روش های فعلی فرآیندهای حذف نیتروژن

روش های فعلی فرآیند حذف نیتروژن مزایا و محدودیت های زیست محیطی و فنی دارند.

رسوب شیمیایی

رسوب شیمیایی در تصفیه فاضلاب، مواد ناخواسته محلول را به ذرات جامد تبدیل می کند. این روش در تصفیه فاضلاب خانگی، فاضلاب صنعتی، فاضلاب مزرعه، شیرابه دفن زباله و غیره رایج است. به طور خاص، تشکیل رسوب MAP با افزودن نمک های منیزیم و فسفات ها به طور موثر نیتروژن آمونیاکی را حذف می کند. فسفات آمونیوم منیزیم در صنعت تصفیه فاضلاب استرویت نامیده می شود.

معایب رسوب شیمیایی

اگرچه رسوب شیمیایی دارای مزایایی همچون هزینه ی کم و سهولت بهره برداری است، اما هزینه های عملیاتی بالای آن به دلیل استفاده از مواد شیمیایی، هزینه های بالای انرژی و دفع لجن است. علاوه بر این، به دلیل محدودیت محصول حلالیت، پس از رسیدن نیتروژن آمونیاکی در فاضلاب به غلظت مشخص، یک معرف اضافه می شود که اثر حذف را کاهش دهد و در نتیجه هزینه ورودی را افزایش می دهد. بنابراین، روش رسوب شیمیایی باید با روش های دیگر مناسب برای تصفیه پیشرفته استفاده شود. در سال های اخیر، ته نشینی MAP با جذب ترکیب شده است.

روش جذب

جذب سطحی به دلیل انعطاف پذیری در طراحی و عملکرد، راندمان بالا در کنترل آلودگی، قابلیت استفاده مجدد از جاذب ها، اثرات زیست محیطی کم و هزینه کم جاذب ها به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد. نیترات زدایی جذبی یک فرآیند انتقال جرم است که در آن خواص آبگریز آمونیاک غیر یونی و میل ترکیبی بالای آن برای سطوح جامد، به طور مداوم حرکت آن را از آب به سطح جامد، جایی که از طریق فعل و انفعالات فیزیکوشیمیایی تثبیت می کند، هدایت می کند.

معایب کمپلکس جذب

بازسازی جاذب، نیاز به محدوده pH خاص و ظرفیت جذب ناکافی جاذب های رایج (مانند کربن فعال) جذب را محدود می کند. علاوه بر این، جاذب ها طول عمر کوتاهی دارند و نیاز به جایگزینی دائمی دارند و زباله هایی را تولید می کنند که نیاز به پردازش بیشتر با هزینه اضافی دارند.. فعال‌سازی با بخار، فعال‌سازی اسید/باز، آغشته‌سازی فلز به نمک و عملیات اکسیدانی  تکنیک‌های اصلاح سطح هستند که معمولاً برای مهندسی خواص فیزیکی و شیمیایی جاذب، به‌ویژه کربن‌های فعال استفاده می‌شوند.

حذف بیولوژیکی نیتروژن

روش بیولوژیکی، نیتروژن را از طریق متابولیسم میکروبی طبیعی حذف می کند. به عنوان رایج ترین فناوری در تصفیه فاضلاب، مقرون به صرفه، موثر، کارکرد آسان است و آلودگی ثانویه ایجاد نمی کند. فرآیندهای متداول نیتریفیکاسیون به طور کلی حذف فیزیکی نیتروژن از فاضلاب را انجام می دهند. با این حال، عملیات فعلی مبتنی بر این فرآیند به دلیل مصرف انرژی، تولید لجن و انتشار گازهای گلخانه ای از نظر اقتصادی و زیست محیطی ناپایدار در نظر گرفته می شود. در دهه‌های اخیر، محققان تلاش کرده‌اند تا جایگزین‌های کارآمدتری برای روش‌های مرسوم برای دستیابی به توسعه پایدار بیابند.

معایب روش بیولوژیکی

میکروارگانیسم ها و لجن عمدتاً بر فرآیندهای روش بیولوژیکی تأثیر می گذارند. علاوه بر این، نیاز به سطح بالایی از صلاحیت اپراتور و بازرسی دوره ای دقیق وجود دارد. ظرفیت ته نشینی لجن  به راکتورهای بزرگ، مخازن ته نشینی، هزینه های عملیاتی بالا، سرعت واکنش آهسته، نیاز دارد. در سال های اخیر، یک سیستم بیوالکتروشیمیایی به عنوان  یک بیوتکنولوژی محیطی نوظهور، برای تصفیه فاضلاب حاوی نیتروژن استفاده شده است. به منظور حذف نیتروژن از فاضلاب، از تکنیکی استفاده می شود که از میکروارگانیسم ها برای کاتالیز واکنش اکسیداسیون و کاهش اکسیدهای نیتروژن استفاده می کند. این فرآیند دارای راندمان نیترات زدایی بالا و فرآیند نیترات زدایی تمیز است و در عین حال سرعت رشد و فعالیت میکروارگانیسم ها را در سیستم بهبود می بخشد و بازیافت انرژی را واقعی می کند.

فرآیند بازیابی نیتروژن

فرآیندهای فعلی برای حذف مواد آلی و مواد مغذی خطی هستند (تولید مصرف – دفع). در نتیجه، این فرآیندها ناپایدار هستند، زیرا از تبدیل ترکیبات واکنشی تولید شده با استفاده از انرژی، چه به طور طبیعی (مانند فتوسنتز) یا توسط فرآیندهای صنعتی (مانند سنتز آمونیاک)، به تولید آلودگی منجر میشود. بازیابی منابع از فاضلاب وضعیت فعلی را تحت محدودیت استانداردهای انتشار تغییر خواهد داد. روش های مختلف بازیابی نیتروژن (به عنوان آمونیاک) به صورت جهانی مورد مطالعه قرار گرفته است. با این حال، بازیابی نیتروژن به دلیل عدم وجود رسوبات آماده و عدم سرمایه گذاری در فناوری های مربوطه همچنان پیچیده است. با این حال، چندین مطالعه نشان داده است که آمونیاک را می توان به طور موثر با استفاده از فناوری غشایی بازیابی کرد، این فناوری که سایر آلاینده ها را رد می کند و محصولات جانبی مانند کود را تولید می کند. فرآیندهای فعلی بازیافت نیتروژن شامل حذف آمونیاک، ته نشینی MAP و فناوری غشاء است.

غشاها موادی با قابلیت جداسازی انتخابی هستند. جداسازی غشایی شامل جداسازی انتخابی، خالص سازی و تغلیظ اجزای مختلف مخلوط مایع با استفاده از غشاء است. این روش با فیلتراسیون سنتی  متفاوت است  زیرا  جداسازی غشایی می تواند در سطح مولکولی رخ دهد. می تواند در دمای محیط بدون تغییر فاز کار کرد. غلظت و جداسازی همزمان انجام می شود. اضافه کردن مواد دیگر لازم نیست. خواص مواد جدا شده بدون تغییر است. این یک عملیات سازگار، قوی و پایدار است. فرآیندهای غشایی استاندارد برای بازیابی آمونیاک شامل تقطیر غشایی (MD)، اسمز پیشرو (FO)، اسمز معکوس (RO)، نانو فیلتراسیون (NF) و استفاده از بیوراکتورهای غشایی بی هوازی است.

نتیجه گیری

در میان چندین فرآیند استاندارد برای نیتروژن زدایی و بازیابی نیتروژن ، روش های بیولوژیکی به نظر می رسد کارآمدترین فرآیندهای تصفیه، با راندمان حذف بیش از 90٪ باشد. همچنین، عملکرد نیترات زدایی این فرآیند عمدتاً تحت‌تاثیر pH، دما، زمان ماند لجن، نسبت کربن به نیتروژن ، زمان ماند هیدرولیکی و غیره قرار دارد.

 ته نشینی MAP در سال‌های اخیر در نیترات زدایی فاضلاب مرسوم بوده است. این روش  به دلیل هزینه کم، عملکرد ساده و راحت، فقدان خطوط لوله و دیگر انسداد تجهیزات حمل و نقل و بازیابی همزمان نمک آمونیوم و ارتوفسفات بسیار مورد توجه بوده است.

با این حال، این فرآیندهای تصفیه نیتروژن هنوز هم فضایی برای بهبود دارند. برای مثال، هزینه‌های عملیاتی بالای روش‌های بیولوژیکی برای دفع لجن ناخواسته، روش‌ها را از نظر اقتصادی نامطلوب می‌سازد. در نتیجه، چندین استراتژی کنترل (مانند کنترل DO، کنترل C/N، و غیره) یکپارچه شده و مورد تحقیق قرار می‌گیرند تا گزینه بهینه‌ای که بتواند اکثر پارامترهای تأثیرگذار را پوشش دهد، زمان راه‌اندازی را کاهش دهد و کارایی را بهبود بخشد.

فناوری غشاء و فرآیندهای غشایی فرآیند اولیه بازیابی نیتروژن در چند سال گذشته بوده است. این روش جایگزین روش سنتی تصفیه لجن فعال فاضلاب شده است. روش های غشایی مختلف برای تصفیه فاضلاب بر اساس نیاز به ارائه کیفیت بهتر پساب و در عین حال کاهش هزینه موجود است. در میان چندین فناوری غشایی برای بازیابی نیتروژن که در بالا توضیح داده شد، بیوراکتور غشایی بهترین کاربرد را دارد.

برای استعلام قیمت پکیج تصفیه فاضلاب و مشاوره برای ساخت و طراحی پکیج های تصفیه فاضلاب مورد نیاز خود میتوانید با کارشناسان ما در شرکت مهندسی کاشفان نیلفام در ارتباط باشید