مواد شیمیایی و فرآیندی برای حذف نیتروژن آمونیاکی از آب

۱. نیتروژن آمونیاکی چیست؟

نیتروژن آمونیاکی به آمونیاک به شکل آمونیاک آزاد (یا آمونیاک غیر یونی، NH3) یا آمونیاک یونی (NH4+) اشاره دارد. pH بالاتر و نسبت آمونیاک آزاد بیشتر؛ در مقابل، نسبت نمک آمونیوم زیاد است.

نیتروژن آمونیاکی یک ماده مغذی در آب است که می‌تواند منجر به اوتریفیکاسیون آب شود و آلاینده اصلی مصرف‌کننده اکسیژن در آب است که برای ماهی‌ها و برخی از موجودات آبزی سمی است.

اثر مضر اصلی نیتروژن آمونیاکی بر موجودات آبزی، آمونیاک آزاد است که سمیت آن ده‌ها برابر بیشتر از نمک آمونیوم است و با افزایش قلیائیت افزایش می‌یابد. سمیت نیتروژن آمونیاکی ارتباط نزدیکی با مقدار pH و دمای آب استخر دارد، به طور کلی، هرچه مقدار pH و دمای آب بالاتر باشد، سمیت آن قوی‌تر است.

دو روش رنگ‌سنجی با حساسیت تقریبی که معمولاً برای تعیین آمونیاک استفاده می‌شوند، روش کلاسیک معرف نسلر و روش فنل-هیپوکلریت هستند. تیتراسیون‌ها و روش‌های الکتریکی نیز معمولاً برای تعیین آمونیاک استفاده می‌شوند. هنگامی که محتوای نیتروژن آمونیاک بالا باشد، می‌توان از روش تیتراسیون تقطیر نیز استفاده کرد. (استانداردهای ملی شامل روش معرف نات، اسپکتروفتومتری اسید سالیسیلیک، روش تقطیر-تیتراسیون هستند)

۲. فرآیند حذف فیزیکی و شیمیایی نیتروژن

① روش رسوب شیمیایی

روش رسوب شیمیایی، که به عنوان روش رسوب MAP نیز شناخته می‌شود، افزودن منیزیم و اسید فسفریک یا هیدروژن فسفات به فاضلاب حاوی نیتروژن آمونیاکی است، به طوری که NH4+ موجود در فاضلاب با Mg+ و PO4- در محلول آبی واکنش می‌دهد تا رسوب فسفات منیزیم آمونیوم با فرمول مولکولی MgNH4P04.6H2O تولید شود، به طوری که به هدف حذف نیتروژن آمونیاکی دست یابد. فسفات آمونیوم منیزیم، که معمولاً با نام استروویت شناخته می‌شود، می‌تواند به عنوان کمپوست، افزودنی خاک یا ضد حریق برای ساخت محصولات سازه‌ای استفاده شود. معادله واکنش به شرح زیر است:

منیزیم + + NH4 + + PO4 – = MgNH4P04

عوامل اصلی مؤثر بر اثر تصفیه رسوب شیمیایی عبارتند از مقدار pH، دما، غلظت نیتروژن آمونیاکی و نسبت مولی (n(Mg+) : n(NH4+) : n(P04-)). نتایج نشان می‌دهد که وقتی مقدار pH برابر با 10 و نسبت مولی منیزیم، نیتروژن و فسفر 1.2:1:1.2 باشد، اثر تصفیه بهتر است.

با استفاده از کلرید منیزیم و دی سدیم هیدروژن فسفات به عنوان عوامل رسوب دهنده، نتایج نشان می‌دهد که اثر تصفیه زمانی بهتر است که مقدار pH برابر با 9.5 و نسبت مولی منیزیم، نیتروژن و فسفر 1.2:1:1 باشد.

نتایج نشان می‌دهد که MgC12+Na3PO4.12H2O نسبت به سایر ترکیبات عامل رسوب‌دهنده برتری دارد. وقتی مقدار pH برابر با 10.0، دما 30 درجه سانتیگراد، n(Mg+) : n(NH4+) : n(P04-) = 1:1:1 باشد، غلظت جرمی نیتروژن آمونیاکی در فاضلاب پس از هم زدن به مدت 30 دقیقه از 222 میلی‌گرم در لیتر قبل از تصفیه به 17 میلی‌گرم در لیتر کاهش می‌یابد و میزان حذف 92.3٪ است.

روش رسوب شیمیایی و روش غشای مایع برای تصفیه فاضلاب صنعتی با غلظت بالای نیتروژن آمونیاکی ترکیب شدند. تحت شرایط بهینه‌سازی فرآیند رسوب، میزان حذف نیتروژن آمونیاکی به ۹۸.۱٪ رسید و سپس تصفیه بیشتر با روش فیلم مایع، غلظت نیتروژن آمونیاکی را به ۰.۰۰۵ گرم در لیتر کاهش داد و به استاندارد ملی انتشار درجه یک رسید.

اثر حذف یون‌های فلزی دو ظرفیتی (Ni+، Mn+، Zn+، Cu+، Fe+) به غیر از Mg+ بر نیتروژن آمونیاکی تحت اثر فسفات بررسی شد. فرآیند جدیدی از رسوب CaSO4-رسوب MAP برای فاضلاب سولفات آمونیوم پیشنهاد شد. نتایج نشان می‌دهد که تنظیم‌کننده سنتی NaOH را می‌توان با آهک جایگزین کرد.

مزیت روش رسوب شیمیایی این است که وقتی غلظت فاضلاب نیتروژن آمونیاکی بالا باشد، کاربرد سایر روش‌ها مانند روش بیولوژیکی، روش کلرزنی نقطه شکست، روش جداسازی غشایی، روش تبادل یونی و غیره محدود می‌شود. در این زمان، می‌توان از روش رسوب شیمیایی برای پیش‌تصفیه استفاده کرد. راندمان حذف روش رسوب شیمیایی بهتر است و محدود به دما نیست و عملیات آن ساده است. لجن رسوب‌شده حاوی فسفات آمونیوم منیزیم می‌تواند به عنوان کود ترکیبی برای تحقق استفاده از ضایعات استفاده شود و در نتیجه بخشی از هزینه را جبران کند. اگر بتوان آن را با برخی از شرکت‌های صنعتی که فاضلاب فسفات تولید می‌کنند و شرکت‌هایی که آب نمک تولید می‌کنند، ترکیب کرد، می‌تواند در هزینه‌های دارویی صرفه‌جویی کرده و کاربرد در مقیاس بزرگ را تسهیل کند.

عیب روش رسوب شیمیایی این است که به دلیل محدودیت محصول حلالیت فسفات منیزیم آمونیوم، پس از رسیدن نیتروژن آمونیاکی در فاضلاب به غلظت خاصی، اثر حذف آشکار نیست و هزینه ورودی به شدت افزایش می‌یابد. بنابراین، روش رسوب شیمیایی باید در ترکیب با سایر روش‌های مناسب برای تصفیه پیشرفته استفاده شود. مقدار معرف مورد استفاده زیاد، لجن تولید شده زیاد و هزینه تصفیه بالا است. ورود یون‌های کلرید و فسفر باقیمانده در طول دوزینگ مواد شیمیایی می‌تواند به راحتی باعث آلودگی ثانویه شود.

تولیدکننده و تأمین‌کننده عمده سولفات آلومینیوم | EVERBRIGHT (cnchemist.com)

تولیدکننده و تأمین‌کننده عمده فسفات سدیم دی‌بازیک | EVERBRIGHT (cnchemist.com)

② روش ضربه زدن

حذف نیتروژن آمونیاکی با روش دمیدن، تنظیم مقدار pH به قلیایی است، به طوری که یون آمونیاک موجود در فاضلاب به آمونیاک تبدیل شود، به طوری که عمدتاً به شکل آمونیاک آزاد وجود داشته باشد و سپس آمونیاک آزاد از طریق گاز حامل از فاضلاب خارج شود تا به هدف حذف نیتروژن آمونیاکی دست یابیم. عوامل اصلی مؤثر بر راندمان دمیدن، مقدار pH، دما، نسبت گاز به مایع، سرعت جریان گاز، غلظت اولیه و غیره هستند. در حال حاضر، روش دمیدن به طور گسترده در تصفیه فاضلاب با غلظت بالای نیتروژن آمونیاکی استفاده می‌شود.

حذف نیتروژن آمونیاکی از شیرابه محل دفن زباله با روش تخلیه مورد مطالعه قرار گرفت. مشخص شد که عوامل کلیدی کنترل‌کننده راندمان تخلیه، دما، نسبت گاز به مایع و مقدار pH هستند. هنگامی که دمای آب بیشتر از 2590، نسبت گاز به مایع حدود 3500 و pH حدود 10.5 باشد، میزان حذف می‌تواند برای شیرابه محل دفن زباله با غلظت نیتروژن آمونیاکی تا 2000-4000 میلی‌گرم در لیتر به بیش از 90٪ برسد. نتایج نشان می‌دهد که وقتی pH = 11.5، دمای تخلیه 80 درجه سانتیگراد و زمان تخلیه 120 دقیقه باشد، میزان حذف نیتروژن آمونیاکی در فاضلاب می‌تواند به 99.2٪ برسد.

راندمان حذف فاضلاب نیتروژن آمونیاکی با غلظت بالا توسط برج حذف جریان مخالف انجام شد. نتایج نشان داد که راندمان حذف با افزایش مقدار pH افزایش می‌یابد. هرچه نسبت گاز به مایع بیشتر باشد، نیروی محرکه انتقال جرم حذف آمونیاک بیشتر است و راندمان حذف نیز افزایش می‌یابد.

حذف نیتروژن آمونیاکی با روش دمیدن، مؤثر، آسان برای استفاده و کنترل آسان است. نیتروژن آمونیاکی دمیده شده می‌تواند به عنوان جاذب با اسید سولفوریک استفاده شود و اسید سولفوریک تولید شده می‌تواند به عنوان کود استفاده شود. روش دمیدن در حال حاضر یک فناوری رایج برای حذف فیزیکی و شیمیایی نیتروژن است. با این حال، روش دمیدن دارای معایبی مانند رسوب‌گذاری مکرر در برج دمیدن، راندمان پایین حذف نیتروژن آمونیاکی در دمای پایین و آلودگی ثانویه ناشی از گاز دمیدن است. روش دمیدن معمولاً با سایر روش‌های تصفیه فاضلاب نیتروژن آمونیاکی ترکیب می‌شود تا فاضلاب نیتروژن آمونیاکی با غلظت بالا را پیش‌تصفیه کند.

③ کلرزنی نقطه شکست

مکانیسم حذف آمونیاک با کلرزنی نقطه شکست این است که گاز کلر با آمونیاک واکنش داده و گاز نیتروژن بی‌ضرر تولید می‌کند و N2 به اتمسفر آزاد می‌شود و باعث می‌شود منبع واکنش به سمت راست ادامه یابد. فرمول واکنش به صورت زیر است:

HOCl NH4 ++ + 1.5 – > 0.5 N2 H2O H++ Cl – 1.5 + 2.5 + 1.5)

وقتی گاز کلر به فاضلاب تا نقطه خاصی منتقل می‌شود، مقدار کلر آزاد در آب کم و غلظت آمونیاک صفر است. وقتی مقدار گاز کلر از این نقطه عبور می‌کند، مقدار کلر آزاد در آب افزایش می‌یابد، بنابراین، این نقطه را نقطه شکست می‌نامند و کلرزنی در این حالت را کلرزنی نقطه شکست می‌نامند.

روش کلرزنی نقطه شکست برای تصفیه فاضلاب حفاری پس از دمش نیتروژن آمونیاکی استفاده می‌شود و اثر تصفیه مستقیماً تحت تأثیر فرآیند دمش نیتروژن آمونیاکی پیش تصفیه قرار می‌گیرد. هنگامی که 70٪ از نیتروژن آمونیاکی موجود در فاضلاب با فرآیند دمش حذف شده و سپس با کلرزنی نقطه شکست تصفیه می‌شود، غلظت جرمی نیتروژن آمونیاکی در پساب کمتر از 15 میلی‌گرم در لیتر است. ژانگ شنگلی و همکارانش فاضلاب نیتروژن آمونیاکی شبیه‌سازی شده با غلظت جرمی 100 میلی‌گرم در لیتر را به عنوان هدف تحقیق در نظر گرفتند و نتایج تحقیق نشان داد که عوامل اصلی و فرعی مؤثر بر حذف نیتروژن آمونیاکی با اکسیداسیون هیپوکلریت سدیم، نسبت مقدار کلر به نیتروژن آمونیاکی، زمان واکنش و مقدار pH بودند.

روش کلرزنی نقطه شکست راندمان حذف نیتروژن بالایی دارد، نرخ حذف می‌تواند به ۱۰۰٪ برسد و غلظت آمونیاک در فاضلاب را می‌توان به صفر کاهش داد. اثر آن پایدار است و تحت تأثیر دما قرار نمی‌گیرد. تجهیزات سرمایه‌گذاری کمتر، پاسخ سریع و کامل؛ اثر استریلیزاسیون و ضدعفونی بر روی بدنه آب دارد. دامنه کاربرد روش کلرزنی نقطه شکست این است که غلظت فاضلاب نیتروژن آمونیاکی کمتر از ۴۰ میلی‌گرم در لیتر باشد، بنابراین روش کلرزنی نقطه شکست بیشتر برای تصفیه پیشرفته فاضلاب نیتروژن آمونیاکی استفاده می‌شود. نیاز به استفاده و ذخیره‌سازی ایمن بالا است، هزینه تصفیه بالا است و محصولات جانبی کلرامین‌ها و مواد آلی کلردار باعث آلودگی ثانویه می‌شوند.

④ روش اکسیداسیون کاتالیزوری

روش اکسیداسیون کاتالیزوری از طریق عمل کاتالیزور، تحت دما و فشار خاص، از طریق اکسیداسیون هوا، مواد آلی و آمونیاک موجود در فاضلاب می‌توانند اکسید شده و به مواد بی‌ضرر مانند CO2، N2 و H2O تجزیه شوند تا به هدف تصفیه برسند.

عوامل مؤثر بر اثر اکسیداسیون کاتالیزوری عبارتند از: ویژگی‌های کاتالیزور، دما، زمان واکنش، مقدار pH، غلظت نیتروژن آمونیاکی، فشار، شدت همزدن و غیره.

فرآیند تخریب نیتروژن آمونیاکی ازن‌دار مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش مقدار pH، نوعی رادیکال HO با توانایی اکسیداسیون قوی تولید می‌شود و سرعت اکسیداسیون به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. مطالعات نشان می‌دهد که ازن می‌تواند نیتروژن آمونیاکی را به نیتریت و نیتریت را به نیترات اکسید کند. غلظت نیتروژن آمونیاکی در آب با افزایش زمان کاهش می‌یابد و سرعت حذف نیتروژن آمونیاکی حدود 82٪ است. CuO-MnO2-CeO2 به عنوان یک کاتالیزور کامپوزیتی برای تصفیه فاضلاب نیتروژن آمونیاکی استفاده شد. نتایج تجربی نشان می‌دهد که فعالیت اکسیداسیون کاتالیزور کامپوزیتی تازه تهیه شده به طور قابل توجهی بهبود یافته است و شرایط مناسب فرآیند 255 درجه سانتیگراد، 4.2 مگاپاسکال و pH = 10.8 است. در تصفیه فاضلاب نیتروژن آمونیاکی با غلظت اولیه 1023 میلی‌گرم در لیتر، سرعت حذف نیتروژن آمونیاکی می‌تواند در عرض 150 دقیقه به 98٪ برسد و به استاندارد تخلیه ثانویه ملی (50 میلی‌گرم در لیتر) برسد.

عملکرد کاتالیزوری فتوکاتالیست TiO2 بر پایه زئولیت با مطالعه میزان تخریب نیتروژن آمونیاکی در محلول اسید سولفوریک بررسی شد. نتایج نشان می‌دهد که دوز بهینه فتوکاتالیست TiO2/زئولیت 1.5 گرم در لیتر و زمان واکنش 4 ساعت تحت تابش فرابنفش است. میزان حذف نیتروژن آمونیاکی از فاضلاب می‌تواند به 98.92٪ برسد. اثر حذف آهن بالا و نانو دی اکسید چین تحت نور فرابنفش بر فنل و نیتروژن آمونیاکی مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد که میزان حذف نیتروژن آمونیاکی هنگامی که pH=9.0 به محلول نیتروژن آمونیاکی با غلظت 50 میلی‌گرم در لیتر اعمال می‌شود، 97.5٪ است که به ترتیب 7.8٪ و 22.5٪ بیشتر از آهن بالا یا دی اکسید چین به تنهایی است.

روش اکسیداسیون کاتالیزوری مزایایی از جمله راندمان بالای تصفیه، فرآیند ساده، مساحت کف کوچک و غیره را دارد و اغلب برای تصفیه فاضلاب‌های نیتروژن آمونیاکی با غلظت بالا استفاده می‌شود. مشکل کاربرد، چگونگی جلوگیری از هدر رفتن کاتالیزور و محافظت از خوردگی تجهیزات است.

⑤ روش اکسیداسیون الکتروشیمیایی

روش اکسیداسیون الکتروشیمیایی به روشی برای حذف آلاینده‌های موجود در آب با استفاده از الکترواکسیداسیون با فعالیت کاتالیزوری اشاره دارد. عوامل مؤثر بر آن عبارتند از چگالی جریان، دبی ورودی، زمان خروجی و زمان محلول‌سازی نقطه‌ای.

اکسیداسیون الکتروشیمیایی فاضلاب آمونیاک-نیتروژن در یک سلول الکترولیتی جریان در گردش مورد مطالعه قرار گرفت، که در آن مثبت، الکتریسیته شبکه Ti/RuO2-TiO2-IrO2-SnO2 و منفی، الکتریسیته شبکه Ti است. نتایج نشان می‌دهد که وقتی غلظت یون کلرید ۴۰۰ میلی‌گرم در لیتر، غلظت اولیه نیتروژن آمونیاک ۴۰ میلی‌گرم در لیتر، سرعت جریان ورودی ۶۰۰ میلی‌لیتر در دقیقه، چگالی جریان ۲۰ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع و زمان الکترولیتی ۹۰ دقیقه باشد، سرعت حذف نیتروژن آمونیاکی ۹۹.۳۷٪ است. این نشان می‌دهد که اکسیداسیون الکترولیتی فاضلاب آمونیاک-نیتروژن چشم‌انداز کاربردی خوبی دارد.

۳. فرآیند حذف بیوشیمیایی نیتروژن

① کل نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون

نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون کل فرآیند نوعی روش بیولوژیکی است که در حال حاضر مدت زیادی است که به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش نیتروژن آمونیاکی موجود در فاضلاب را از طریق مجموعه‌ای از واکنش‌ها مانند نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون تحت عمل میکروارگانیسم‌های مختلف به نیتروژن تبدیل می‌کند تا به هدف تصفیه فاضلاب دست یابد. فرآیند نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون برای حذف نیتروژن آمونیاکی باید دو مرحله را طی کند:

واکنش نیتریفیکاسیون: واکنش نیتریفیکاسیون توسط میکروارگانیسم‌های اتوتروفیک هوازی تکمیل می‌شود. در حالت هوازی، نیتروژن معدنی به عنوان منبع نیتروژن برای تبدیل NH4+ به NO2- استفاده می‌شود و سپس به NO3- اکسید می‌شود. فرآیند نیتریفیکاسیون را می‌توان به دو مرحله تقسیم کرد. در مرحله دوم، نیتریت توسط باکتری‌های نیتریفیکاسیون به نیترات (NO3-) تبدیل می‌شود و نیتریت توسط باکتری‌های نیتریفیکاسیون به نیترات (NO3-) تبدیل می‌شود.

واکنش دنیتریفیکاسیون: واکنش دنیتریفیکاسیون فرآیندی است که در آن باکتری‌های دنیتریفیکاسیون، نیتروژن نیتریت و نیتروژن نیترات را در حالت هیپوکسی به نیتروژن گازی (N2) کاهش می‌دهند. باکتری‌های دنیتریفیکاسیون میکروارگانیسم‌های هتروتروف هستند که بیشتر آنها متعلق به باکتری‌های آمفیتیک هستند. در حالت هیپوکسی، آنها از اکسیژن موجود در نیترات به عنوان گیرنده الکترون و از مواد آلی (جزء BOD در فاضلاب) به عنوان دهنده الکترون برای تأمین انرژی و اکسید شدن و تثبیت استفاده می‌کنند.

کل کاربردهای مهندسی نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون فرآیند عمدتاً شامل AO، A2O، خندق اکسیداسیون و غیره است که روشی بالغ‌تر است که در صنعت حذف بیولوژیکی نیتروژن مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کل روش نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون دارای مزایای اثر پایدار، عملکرد ساده، عدم آلودگی ثانویه و هزینه کم است. این روش همچنین دارای برخی معایب است، از جمله اینکه منبع کربن باید زمانی اضافه شود که نسبت C/N در فاضلاب کم باشد، نیاز به دما نسبتاً سخت باشد، راندمان در دمای پایین کم باشد، مساحت زیاد باشد، نیاز به اکسیژن زیاد باشد و برخی مواد مضر مانند یون‌های فلزات سنگین تأثیر فشاری بر میکروارگانیسم‌ها دارند که باید قبل از انجام روش بیولوژیکی حذف شوند. علاوه بر این، غلظت بالای نیتروژن آمونیاکی در فاضلاب نیز تأثیر مهاری بر فرآیند نیتریفیکاسیون دارد. بنابراین، پیش تصفیه باید قبل از تصفیه فاضلاب نیتروژن آمونیاکی با غلظت بالا انجام شود تا غلظت فاضلاب نیتروژن آمونیاکی کمتر از 500 میلی‌گرم در لیتر باشد. روش بیولوژیکی سنتی برای تصفیه فاضلاب نیتروژن آمونیاکی با غلظت کم حاوی مواد آلی، مانند فاضلاب خانگی، فاضلاب شیمیایی و غیره مناسب است.

②نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون همزمان (SND)

وقتی نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون همزمان در یک راکتور انجام می‌شوند، به آن دنیتریفیکاسیون هضم همزمان (SND) می‌گویند. اکسیژن محلول در فاضلاب توسط سرعت انتشار محدود می‌شود تا یک گرادیان اکسیژن محلول در ناحیه ریزمحیط روی لخته میکروبی یا بیوفیلم ایجاد شود، که باعث می‌شود گرادیان اکسیژن محلول در سطح بیرونی لخته میکروبی یا بیوفیلم برای رشد و تکثیر باکتری‌های هوازی نیتریفیکاسیون و باکتری‌های آمونیاک‌ساز مساعد باشد. هرچه در عمق بیشتری از لخته یا غشاء قرار بگیریم، غلظت اکسیژن محلول کمتر می‌شود و در نتیجه ناحیه بی‌هوازی ایجاد می‌شود که در آن باکتری‌های دنیتریفیکاسیون غالب هستند. بنابراین فرآیند هضم و دنیتریفیکاسیون همزمان تشکیل می‌شود. عوامل مؤثر بر هضم و دنیتریفیکاسیون همزمان عبارتند از مقدار PH، دما، قلیائیت، منبع کربن آلی، اکسیژن محلول و سن لجن.

نیتریفیکاسیون/دنیتریفیکاسیون همزمان در نهر اکسیداسیون کاروسل وجود داشت و غلظت اکسیژن محلول بین پروانه هوادهی شده در نهر اکسیداسیون کاروسل به تدریج کاهش یافت و اکسیژن محلول در قسمت پایین نهر اکسیداسیون کاروسل کمتر از قسمت بالایی بود. نرخ تشکیل و مصرف نیتروژن نیتراتی در هر قسمت از کانال تقریباً برابر است و غلظت نیتروژن آمونیاکی در کانال همیشه بسیار پایین است که نشان می‌دهد واکنش‌های نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون به طور همزمان در کانال اکسیداسیون کاروسل رخ می‌دهند.

مطالعه روی تصفیه فاضلاب خانگی نشان می‌دهد که هرچه CODCr بالاتر باشد، نیترات‌زدایی کامل‌تر و حذف TN بهتر انجام می‌شود. تأثیر اکسیژن محلول بر نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون همزمان عالی است. هنگامی که اکسیژن محلول در محدوده 0.5 تا 2 میلی‌گرم در لیتر کنترل شود، اثر حذف کل نیتروژن خوب است. در عین حال، روش نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون باعث صرفه‌جویی در راکتور، کاهش زمان واکنش، کاهش مصرف انرژی، صرفه‌جویی در سرمایه‌گذاری و حفظ ثبات pH می‌شود.

③هضم و نیترات‌زدایی کوتاه‌مدت

در همان راکتور، از باکتری‌های اکسیدکننده آمونیاک برای اکسید کردن آمونیاک به نیتریت در شرایط هوازی استفاده می‌شود و سپس نیتریت مستقیماً برای تولید نیتروژن با ماده آلی یا منبع کربن خارجی به عنوان دهنده الکترون در شرایط هیپوکسی، دنیتریفیکاسیون می‌شود. عوامل مؤثر بر نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون کوتاه‌مدت عبارتند از دما، آمونیاک آزاد، مقدار pH و اکسیژن محلول.

تأثیر دما بر نیتریفیکاسیون کوتاه‌برد فاضلاب شهری بدون آب دریا و فاضلاب شهری با 30٪ آب دریا. نتایج تجربی نشان می‌دهد که: برای فاضلاب شهری بدون آب دریا، افزایش دما برای دستیابی به نیتریفیکاسیون کوتاه‌برد مفید است. هنگامی که نسبت آب دریا در فاضلاب خانگی 30٪ باشد، نیتریفیکاسیون کوتاه‌برد را می‌توان در شرایط دمای متوسط ​​بهتر انجام داد. دانشگاه صنعتی دلفت فرآیند SHARON را توسعه داده است، استفاده از دمای بالا (حدود 30-4090) برای تکثیر باکتری‌های نیتریت مفید است، به طوری که باکتری‌های نیتریت رقابت را از دست می‌دهند، در حالی که با کنترل سن لجن، باکتری‌های نیتریت از بین می‌روند، به طوری که واکنش نیتریفیکاسیون در مرحله نیتریت انجام می‌شود.

بر اساس تفاوت در میل ترکیبی اکسیژن بین باکتری‌های نیتریت و باکتری‌های نیتریت، آزمایشگاه اکولوژی میکروبی جنت فرآیند OLAND را برای دستیابی به تجمع نیتروژن نیتریت با کنترل اکسیژن محلول برای از بین بردن باکتری‌های نیتریت توسعه داد.

نتایج آزمایش‌های پایلوت تصفیه فاضلاب کک‌سازی با استفاده از نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون کوتاه‌مدت نشان می‌دهد که وقتی غلظت COD، نیتروژن آمونیاکی، TN و فنل ورودی 1201.6، 510.4، 540.1 و 110.4 میلی‌گرم در لیتر باشد، میانگین غلظت COD، نیتروژن آمونیاکی، TN و فنل خروجی به ترتیب 197.1، 14.2، 181.5 و 0.4 میلی‌گرم در لیتر است. نرخ حذف مربوطه به ترتیب 83.6٪، 97.2٪، 66.4٪ و 99.6٪ بود.

فرآیند نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون کوتاه‌برد از مرحله نیترات عبور نمی‌کند و منبع کربن مورد نیاز برای حذف بیولوژیکی نیتروژن را ذخیره می‌کند. این فرآیند برای فاضلاب نیتروژن آمونیاکی با نسبت C/N پایین مزایای خاصی دارد. نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون کوتاه‌برد مزایای لجن کمتر، زمان واکنش کوتاه و صرفه‌جویی در حجم راکتور را دارد. با این حال، نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون کوتاه‌برد نیاز به تجمع پایدار و ماندگار نیتریت دارند، بنابراین چگونگی مهار مؤثر فعالیت باکتری‌های نیتریفیکاسیون به کلید تبدیل می‌شود.

④ اکسیداسیون آمونیاک بی‌هوازی

آموکسیداسیون بی‌هوازی فرآیندی است که در آن نیتروژن آمونیاکی مستقیماً توسط باکتری‌های اتوتروف در شرایط هیپوکسی به نیتروژن تبدیل می‌شود و نیتروژن نیتروز یا نیتروژن نیتروز به عنوان پذیرنده الکترون عمل می‌کنند.

اثرات دما و pH بر فعالیت بیولوژیکی anammoX مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که دمای بهینه واکنش 30 درجه سانتیگراد و مقدار pH 7.8 بود. امکان‌سنجی راکتور بی‌هوازی ammoX برای تصفیه فاضلاب با شوری بالا و غلظت بالای نیتروژن مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که شوری بالا به طور قابل توجهی فعالیت anammoX را مهار می‌کند و این مهار برگشت‌پذیر است. فعالیت بی‌هوازی ammoX لجن سازگار نشده 67.5٪ کمتر از لجن کنترل تحت شوری 30 گرم در لیتر (NaC1) بود. فعالیت anammoX لجن سازگار شده 45.1٪ کمتر از لجن کنترل بود. هنگامی که لجن سازگار شده از یک محیط با شوری بالا به یک محیط با شوری کم (بدون آب نمک) منتقل شد، فعالیت بی‌هوازی ammoX 43.1٪ افزایش یافت. با این حال، راکتور در صورت کارکرد طولانی مدت در شوری بالا، مستعد کاهش عملکرد است.

در مقایسه با فرآیند بیولوژیکی سنتی، ammoX بی‌هوازی یک فناوری حذف بیولوژیکی نیتروژن اقتصادی‌تر است که بدون منبع کربن اضافی، نیاز به اکسیژن کم، عدم نیاز به معرف‌ها برای خنثی‌سازی و تولید لجن کمتر عمل می‌کند. معایب ammox بی‌هوازی این است که سرعت واکنش کند است، حجم راکتور زیاد است و منبع کربن برای amMOX بی‌هوازی نامطلوب است، که برای حل فاضلاب نیتروژن آمونیاکی با تجزیه‌پذیری زیستی ضعیف اهمیت عملی دارد.

۴. فرآیند جداسازی و جذب نیتروژن

① روش جداسازی غشایی

روش جداسازی غشایی، استفاده از نفوذپذیری انتخابی غشا برای جداسازی انتخابی اجزای موجود در مایع است، به طوری که به هدف حذف نیتروژن آمونیاکی دست یابیم. از جمله اسمز معکوس، نانوفیلتراسیون، غشای آمونیاک‌زدا و الکترودیالیز. عوامل مؤثر بر جداسازی غشا عبارتند از ویژگی‌های غشا، فشار یا ولتاژ، مقدار pH، دما و غلظت نیتروژن آمونیاکی.

با توجه به کیفیت آب فاضلاب نیتروژن آمونیاکی تخلیه شده توسط کارخانه ذوب فلزات خاکی کمیاب، آزمایش اسمز معکوس با فاضلاب شبیه‌سازی شده NH4C1 و NaCl انجام شد. مشخص شد که در شرایط یکسان، اسمز معکوس نرخ حذف NaCl بالاتری دارد، در حالی که NHCl نرخ تولید آب بالاتری دارد. نرخ حذف NH4C1 پس از تصفیه اسمز معکوس 77.3٪ است که می‌تواند به عنوان پیش تصفیه فاضلاب نیتروژن آمونیاکی استفاده شود. فناوری اسمز معکوس می‌تواند در مصرف انرژی صرفه‌جویی کند، پایداری حرارتی خوبی دارد، اما مقاومت در برابر کلر و مقاومت در برابر آلودگی ضعیف است.

یک فرآیند جداسازی غشایی نانوفیلتراسیون بیوشیمیایی برای تصفیه شیرابه محل دفن زباله استفاده شد، به طوری که ۸۵٪ تا ۹۰٪ از مایع نفوذپذیر طبق استاندارد تخلیه شد و تنها ۰٪ تا ۱۵٪ از مایع و گل فاضلاب غلیظ به مخزن زباله بازگردانده شد. اوزتورکی و همکارانش شیرابه محل دفن زباله اودایری در ترکیه را با غشای نانوفیلتراسیون تصفیه کردند و میزان حذف نیتروژن آمونیاکی حدود ۷۲٪ بود. غشای نانوفیلتراسیون به فشار کمتری نسبت به غشای اسمز معکوس نیاز دارد و کار با آن آسان است.

سیستم غشایی حذف آمونیاک عموماً در تصفیه فاضلاب با نیتروژن آمونیاکی بالا استفاده می‌شود. نیتروژن آمونیاکی موجود در آب دارای تعادل زیر است: NH4- +OH-= NH3+H2O در حال کار، فاضلاب حاوی آمونیاک در پوسته ماژول غشایی جریان می‌یابد و مایع جاذب اسید در لوله ماژول غشایی جریان می‌یابد. هنگامی که PH فاضلاب افزایش می‌یابد یا دما بالا می‌رود، تعادل به سمت راست تغییر می‌کند و یون آمونیوم NH4- به NH3 گازی آزاد تبدیل می‌شود. در این زمان، NH3 گازی می‌تواند از فاز فاضلاب در پوسته از طریق ریزمنافذ روی سطح فیبر توخالی وارد فاز مایع جذب اسید در لوله شود که توسط محلول اسید جذب شده و بلافاصله به NH4- یونی تبدیل می‌شود. PH فاضلاب را بالای 10 و دما را بالای 35 درجه سانتیگراد (زیر 50 درجه سانتیگراد) نگه دارید، به طوری که NH4 در فاز فاضلاب به طور مداوم به NH3 تبدیل شده و به فاز مایع جذب مهاجرت می‌کند. در نتیجه، غلظت نیتروژن آمونیاکی در سمت فاضلاب به طور مداوم کاهش یافت. فاز مایع جذب اسید، به دلیل اینکه فقط اسید و NH4- وجود دارد، یک نمک آمونیوم بسیار خالص تشکیل می‌دهد و پس از گردش مداوم به غلظت خاصی می‌رسد که قابل بازیافت است. از یک سو، استفاده از این فناوری می‌تواند میزان حذف نیتروژن آمونیاکی در فاضلاب را تا حد زیادی بهبود بخشد و از سوی دیگر، می‌تواند کل هزینه عملیاتی سیستم تصفیه فاضلاب را کاهش دهد.

② روش الکترودیالیز

الکترودیالیز روشی برای حذف جامدات محلول از محلول‌های آبی با اعمال ولتاژ بین جفت‌های غشا است. تحت تأثیر ولتاژ، یون‌های آمونیاک و سایر یون‌های موجود در فاضلاب آمونیاک-نیتروژن از طریق غشا در آب غلیظ حاوی آمونیاک غنی می‌شوند تا به هدف حذف برسند.

روش الکترودیالیز برای تصفیه فاضلاب معدنی با غلظت بالای نیتروژن آمونیاکی مورد استفاده قرار گرفت و نتایج خوبی به دست آمد. برای فاضلاب نیتروژن آمونیاکی با غلظت 2000 تا 3000 میلی‌گرم در لیتر، میزان حذف نیتروژن آمونیاکی می‌تواند بیش از 85٪ باشد و آب آمونیاکی غلیظ 8.9٪ به دست می‌آید. میزان برق مصرفی در طول عملیات الکترودیالیز متناسب با میزان نیتروژن آمونیاکی موجود در فاضلاب است. تصفیه فاضلاب با الکترودیالیز به مقدار pH، دما و فشار محدود نمی‌شود و به راحتی قابل انجام است.

مزایای جداسازی غشایی عبارتند از بازیابی بالای نیتروژن آمونیاکی، عملیات ساده، اثر تصفیه پایدار و عدم آلودگی ثانویه. با این حال، در تصفیه فاضلاب نیتروژن آمونیاکی با غلظت بالا، به جز غشای بدون آمونیاک، سایر غشاها به راحتی رسوب می‌کنند و مسدود می‌شوند و احیا و شستشوی معکوس مکرر است که هزینه تصفیه را افزایش می‌دهد. بنابراین، این روش برای پیش تصفیه یا فاضلاب نیتروژن آمونیاکی با غلظت کم مناسب‌تر است.

③ روش تبادل یونی

روش تبادل یونی روشی برای حذف نیتروژن آمونیاکی از فاضلاب با استفاده از موادی با جذب انتخابی قوی یون‌های آمونیاک است. مواد جاذب رایج مورد استفاده کربن فعال، زئولیت، مونت موریلونیت و رزین تبادلی هستند. زئولیت نوعی سیلیس-آلومینات با ساختار فضایی سه‌بعدی، ساختار منافذ و سوراخ‌های منظم است که در میان آنها کلینوپتیلولیت ظرفیت جذب انتخابی قوی برای یون‌های آمونیاک و قیمت پایین دارد، بنابراین معمولاً به عنوان ماده جاذب برای فاضلاب نیتروژن آمونیاکی در مهندسی استفاده می‌شود. عوامل مؤثر بر اثر تصفیه کلینوپتیلولیت شامل اندازه ذرات، غلظت نیتروژن آمونیاکی ورودی، زمان تماس، مقدار pH و غیره است.

اثر جذب زئولیت بر نیتروژن آمونیاکی واضح است و پس از آن رانیت قرار دارد و اثر خاک و سرامیسیت ضعیف است. روش اصلی حذف نیتروژن آمونیاکی از زئولیت، تبادل یونی است و اثر جذب فیزیکی بسیار ناچیز است. اثر تبادل یونی سرامییت، خاک و رانیت مشابه اثر جذب فیزیکی است. ظرفیت جذب چهار پرکننده با افزایش دما در محدوده 15 تا 35 درجه سانتیگراد کاهش و با افزایش مقدار pH در محدوده 3 تا 9 افزایش یافت. تعادل جذب پس از 6 ساعت نوسان حاصل شد.

امکان‌سنجی حذف نیتروژن آمونیاکی از شیرابه محل دفن زباله با جذب زئولیت مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج تجربی نشان می‌دهد که هر گرم زئولیت پتانسیل جذب محدودی معادل 15.5 میلی‌گرم نیتروژن آمونیاکی دارد، هنگامی که اندازه ذرات زئولیت 30-16 مش باشد، میزان حذف نیتروژن آمونیاکی به 78.5٪ می‌رسد و تحت زمان جذب، دوز و اندازه ذرات زئولیت یکسان، هر چه غلظت نیتروژن آمونیاکی ورودی بیشتر باشد، میزان جذب نیز بیشتر است و برای زئولیت به عنوان یک جاذب، حذف نیتروژن آمونیاکی از شیرابه امکان‌پذیر است. در عین حال، اشاره شده است که میزان جذب نیتروژن آمونیاکی توسط زئولیت کم است و رسیدن به ظرفیت جذب اشباع در عمل برای زئولیت دشوار است.

اثر حذف بستر زئولیت بیولوژیکی بر نیتروژن، COD و سایر آلاینده‌ها در فاضلاب شبیه‌سازی شده روستا مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد که میزان حذف نیتروژن آمونیاکی توسط بستر زئولیت بیولوژیکی بیش از 95٪ است و حذف نیتروژن نیتراتی به شدت تحت تأثیر زمان ماند هیدرولیکی قرار دارد.

روش تبادل یونی مزایای سرمایه‌گذاری کم، فرآیند ساده، بهره‌برداری راحت، عدم حساسیت به سم و دما و استفاده مجدد از زئولیت از طریق احیا را دارد. با این حال، هنگام تصفیه فاضلاب نیتروژن آمونیاکی با غلظت بالا، احیا مکرر است که باعث ایجاد مشکل در عملیات می‌شود، بنابراین باید با سایر روش‌های تصفیه نیتروژن آمونیاکی ترکیب شود یا برای تصفیه فاضلاب نیتروژن آمونیاکی با غلظت کم استفاده شود.

تولید کننده و تامین کننده عمده فروشی زئولیت 4A | EVERBRIGHT (cnchemist.com)