کاربرد سیستم ازن-UV در تصفیه فاضلاب

بسیاری از ما، نمودار رنگی کلاس علوم که چرخه آب نامیده می‌شد را از دوران مدرسه به یاد می‌آوریم. چرخه‌ی تبخیر آب از اقیانوس آبی به سمت آسمان، بارش باران به داخل دریاچه‌ها و رودخانه‌ها، رسیدن آن به حیوانات، گیاهان و خانه‌ها و بازگشت آن به دریا. اما امروزه این تصویر، به این سادگی نیست. نمودار مرکز تحقیقات زمین‌شناسی ایالات متحده (USGS)‌ به‏ روزرسانی شده است، ولی پالایشگاه‌های نفت، کارخانه‌های تصفیه آب و کارخانه‌های کاغذسازی، کجای این نمودار قرار گرفته‌اند؟

فاضلابی که توسط شهرها و صنایع درحال ‏توسعه تولید می‌شود، مانع بزرگی در برابر تامین آب شُرب این جوامع به شمار می رود. برای مثال، شهرداری‌ها حداقل بخشی از آب خود را از منابع آب‌ سطحی (مثل رودخانه‌ها، دریاچه‌ها، آب‌انبارها و …) تامین می‌کنند. این منابع در معرض انواع آلاینده‌ها از هوا، آب و خاک اطرافشان قرار دارند. برخی از این آلاینده‌ها ممکن است فلزاتی با غلظت ناسالم، انگل‌های مُضر یا باکتری‌هایی مانند اشرشیا کلی، کریپتوزپوریدیوم و لیستریا باشند.

تصفیه موثر چنین فاضلابی برای محافظت طولانی‏ مدت از منابع آب و پذیرش نظام‌مند در راستای افزایش آگاهی و امنیت عمومی، امری ضروری است. مردم، آب را از منابعی تامین می‌کنند که دیگر به آن اندازه که قبلاً امید می‌رفت، ایمن نیستند. آنچه اهمیت دارد این است که اطمینان حاصل شود از فرآیندهای درستی برای تصفیه‌ی آب استفاده می‌شود.

ازن و UV

اخیراً سازمان حفاظت از محیط زیست آمریکا (EPA)، لیستی از بهترین فناوری‌های موجود جهت برآورده ساختن الزامات آیین نامه‌ی تصفیه‌ی بهبود‌یافته آب‌های سطحی (LT1) را منتشر کرده است. دو مورد از روش‌های تصفیه بسیار مفید عبارتند از UV و ازن. هر دو روش، مدت‌هاست که برای غیرفعال‎سازی ارگانیسم‌های بیماری ‏زا که می‌توانند در سیستم‌های آب و فاضلاب رشد کنند، مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

لامپ بخار جیوه کم‏فشار، نور UV را با بیشینه شدت مشخص با طول موج nm 254 و nm 185 منتشر می‌کند. تابش با طول موج کوتاه، در شکستن پیوندهای مولکولی DNA میکروارگانیسم‌ها موثر است. همچنین تابش UV، انرژی لازم را برای تجزیة ازن فراهم می‌کند که منجر به تشکیل دو رادیکال هیدروکسیل می‌شود. این اُکسنده، جزء کلیدی فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته (AOP) مانند ترکیب ازن و UV است.

ازن با پتانسیل اکسایش eV 2.07، قوی‌ترین اُکسنده و ماده‌ی گندزدای تجاری موجود در دنیا است. بیش از ۱۰۰ سال است که ازن در فرآیندهای تصفیه آب مورد استفاده قرار می‌گیرد و یک مرحله کاربردی بسیار مهم برای تولید آب معدنی، فرآیند تصفیه آب استخر، صنایع غذایی، استفادة مجدد صنعتی و … است.

ترکیب ازن و UV که تحت عنوان ازن‏زنی نورکافتی هم شناخته می‏شود، به دلیل پتانسیل اکسایش بسیار بالای رادیکال هیدروکسیل (۲.۸ eV)، آلاینده‌های آلی را به طور موثرتری نابود می‌کند. برای واکنش‌های ازن-UV در محلول آبی، به ازن، انرژی داده می‌شود و ازن در ترکیب با آب، یون OH^– تولید می‌کند که از هر اکسنده‌ی شیمیایی، قوی‌تر و دارای گزینش‌پذیری کمتری است. با تبدیل هر مولکول ازن به دو رادیکال هیدروکسیل، ازن به طرز موثری با آلاینده‌های آلی‌ واکنش می‌دهد. این روش که اهداف اکسیداسیون را به سمت حمله‏ کننده‌های چندگانه هدایت می‌کند، اکسیداسیون را به طور چشمگیری متحول کرده است. با فعالیت هیدروکسیل‌های بسیار فعال و غیرگزینش‌پذیر بر روی بسیاری از اهداف، توانایی مولکول‌های ازن برای اثربخشی بیشتر، تقویت می‏شود. یکی از فواید فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته (مانند ترکیب ازن-UV) این است که با افزایش میزان اکسیداسیون، حتی ارگانیسم‌های سرسختی که در برابر تخریب، مقاوم هستند، تا حدی اکسید شده و به آسانی زیست‌تخریب‏ پذیر می‌شوند. بر طبق اظهارات Paul Overbeck، مدیر اجرایی انجمن بین‏ المللی ازن (IOA)، مزایای سیستم ترکیبی ازن-UV برای تصفیه آب‌ آلوده، یک رویکرد عالی است که الزامات آیین نامه‌ی تصفیه‌ی بهبود‌یافته آب‌های سطحی (LT1) را برآورده می‌سازد.

میزان مصرف ازن، سطح تابش UV و pH آب، سه پارامتر اصلی برای موفقیت یک سیستم ترکیبی ازن-UV به شمار می‌روند. برای دستیابی به میزان مصرف مناسب ازن، باید سرعت بالای حل ‏شدن ازن در آب از طریق انتقال موثر گاز ازن به درون محلول آبی حفظ شود. به منظور عملکرد موثر، سیستم ازن-UV باید شامل این موارد باشد: یک راکتور تزریق تحت فشار اختلاط UV/O₃، سیستم تولید میکروحباب، تجدید پایدار منطقة اختلاط گاز به مایع و تقویت حلالیت گاز برای استفاده بهتر از تابش UV. با افزایش pH، ازن به آسانی به هیدروکسیل تبدیل می‌شود. بنابراین، سرعت اکسیداسیون آلاینده‌های مشخصی مانند آفت‌کش‌ها و سیانید افزایش می‌یابد. تعادل بین سطح pH، نورکافت UV و میزان ازن، باید در طراحی سیستم و کنترل بیشینه کارایی در نظر گرفته شوند.

همان‏طور که Paillard و همکاران (۱۹۹۸) در یک بررسی کاربردی اشاره کردند: “برای تولید ازن با سرعتی مشخص، قدرت متوسط تابش باید در حدی باشد که در آن، بازدهی اکسیداسیون به حداکثر درجه خود برسد. در مقادیر پایین‌تر از این، مقداری از ازن به صورت حل‏ شده باقی می‌ماند که بازدهی اکسیداسیون و سینتیک واکنش را محدود می‌کند. در مقادیر بالاتر، راندمان اکسیداسیون، ثابت باقی می‌ماند ولی نسبت راندمان انرژی به مقدار سوبسترای تخریب ‏شده، کاهش می‌یابد. بنابراین قدرت تابش ایده‌آل، پایین‏ترین میزانی است که در آن، ازن حل‏شده و ازن گازی کاملاً مصرف شوند.”

رنگ‏دانه‌های فاضلاب

یکی از عوامل مشکل‌ساز فاضلاب‌، رنگ‌دانه‌های مورد استفاده در کارخانه‌های نساجی، آهارزنی و فرآیندهای شیمیایی است. برخی از رنگ‌دانه‌های موجود در فاضلاب این فرآیندها، آلرژی ‏زا، سمّی و حتی جهش‌زا و سرطان ‏زا هستند. بدتر اینکه، به ندرت می‌توان اجزای رنگی را با استفاده از روش‌های سنتی تصفیة بیولوژیکی و تجمع ـ انعقاد، کاملاً حذف کرد.

میزان رنگ توسط موسسه تولید رنگ‌دانه آمریکا(ADMI)  اندازه‌گیری و آنالیز می‌شود. تصفیه به روش ازن-UV فقط در مدت زمان یک ساعت، قادر است رنگدانه فاضلاب را تا ۹۵% (از ADMI 4000 به ADMI 200) کاهش دهد. همچنین سیستم ازن-UV، توانایی بسیاری در تبدیل مواد آلی به معدنی و کاهش سمیت برخی رنگ دانه‌ها از خود نشان می‏دهد. علاوه بر راندمان قابل توجه، تصفیه به روش ازن-UV در این زمینه (۸۰۰ مترمکعب فاضلاب در روز)، هزینه‌های ماهانه‌ی تصفیه را به میزان ۳۰% کاهش می‌دهد. اسیدی بودن سیال، به کاهش رنگ توسط UV و ازن کمک می‌کند چراکه حضور رنگ‌دانه‌ها در pH پایین، غالب‌تر است.

سورفکتانت‌ها

سایر اجزای برخی از فاضلاب‌های صنعتی عبارت‏اند از سورفکتانت‌ها (مواد فعال سطحی)؛ از جمله مواد شوینده و امولسیون‌کننده‏ها. میزان تاثیر و ساختار شیمیایی منحصر به فرد این مواد (هر دو آب‌گریز و آب‌دوست هستند)، تصفیة آن‏ها را بسیار مشکل می‌کند و اغلب منجر به تخریب جزئی و حضور باقی‎مانده‌های زیادی در پساب می‌شود. بنابراین، این مواد، پتانسیل ایجاد نگرانی برای سلامت عمومی و اثرات زیست محیطی را دارد.

کاربرد ازن و UV برای حذف سورفکتانت‌ها، بسیار موثرتر از روش‌های بیولوژیکی است. در pH پایین، حمله ازن الکترون‏دوست، ترکیبات آلی را تجزیه می‌کند و رادیکال هیدروکسیل، واکنش‌های زنجیره‌ای را ایجاد می‌کند که منجر به تبدیل نهایی مواد آلی به معدنی می‌شود. همچنین می‌توان “سیستم ازن-UV” را به عنوان یک مرحله پیش‌‏تصفیه موثر در ترکیب با تصفیة بیولوژیکی به کار برد.

فنول‌ها

فنول‌ها ترکیبات معمول دیگری در فاضلاب هستند که به دلیل ساختار شیمیایی حلقه بنزنی که دارند، هم سمی و هم سخت‏ تجزیه‏ شونده می‏باشند. ترکیبات آروماتیک‌ هالوژن‌دار که مقاوم هستند و توسط فرآیندهای تصفیه بیولوژیکی متداول به سختی حذف می‌شوند، مشکلات جدی ایجاد می‏کنند.

با روش تصفیه ازن-UV، عنصرهای کلر و نیتروژن حلقه بنزن با سرعت نسبتاً بالایی حذف می‏شوند و این امر، باعث تجزیة کامل فنول می‏شود. Ku و Su (1996) در مطالعه خود به حذف ۹۹ درصدی دی‌کلرو فنول ۲ و ۴، کلرو فنول ۲ و نیترو فنول توسط سیستم ازن-UV در مدت زمان حدود ۱۵ دقیقه اشاره کرده‌اند. در ازن‌دهی نورکافتی فنول‌ها، حذف کل کربن آلی توسط تابش UV قابل چشم‌پوشی است و ازن‌دهی می‌تواند میزان آن را تا ۳۰ درصد کاهش دهد، اما ترکیب ازن و UV باعث حذف ۹۵ درصدی می‌شوند.

گندزدایی بهینه

مطالعات بارها نشان داده است که سیستم ترکیبی ازن-UV برای گندزدایی و تجزیه ترکیبات آلی، موثرتر از هر روشی است که به تنهایی مورد استفاده قرار گیرد. Kemizu (1998) نشان داد که با اضافه‏کردن UV، سرعت اکسیداسیون ازن از ۱۰ تا ۱۰۴ برابر افزایش می‌یابد. همچنین برای ترکیباتی که به واکنش با ازن مقاوم هستند (مانند اسیدها، الکل‌ها، اسیدهای آمینو و اسیدهای چرب)، واکنش‌های ازن-UV با سرعت ۱۰ تا ۱۰۳ برابر، سریع‌تر پیش می‏روند.

ترکیب ازن-UV، راه‌حلی خلاقانه برای بسیاری از مشکلات تصفیه آب و فاضلاب به شمار می‌رود. هنگامی که فرآیند به طور صحیح مهندسی شده باشد، واکنش‌های سینرژیک (هم‏افزایی)، شرایط مطلوب اکسیداسیون و گندزدایی را ایجاد می‌کنند که حتی برخی از بادوام‌ترین و مشکل‌زاترین اجزای فاضلاب را از بین می‌برند. با کارکردن روی واکنش‌ها و سرعت‎بخشیدن به آن‏ها، تصفیه با روش ازن-UV به حداکثر راندمان خود می‌رسد و تقاضا برای روش‌های تصفیة سنتی شیمیایی و بیولوژیکی و محصولات جانبی حاصل از آن‏ها را کاهش می‌دهد.