روشهای تصفیه هوای آلوده
1-1-مقدمه
در سالهای اخیر با مشخص شدن اثرات زیانبار ترکیبات مختلف موجود در هوا تلاشهای زیادی برای یافتن روشهای ارزان و مؤثر حذف مواد آلاینده از هوا شروع شده است.
بیوفیلتراسیون به عنوان روشی که می تواند بدون نیاز به مصرف انرژی زیاد و در شرایط دما و فشار محیط، ماده آلاینده را به ترکیبات بی خطر تبدیل کند، بسیار مورد توجه قرار گرفته اند.
هوای آلوده پدیده ای است که از ترکیب یا اختلاط هوا و مواد یا ذرات خاصی، در مدت زمان معینی تولید می شود و در صورت تداوم، بیماری ها یا اختلالاتی برای انسان، حیوانات و گیاهان ایجاد می کند و به میزان قابل ملاحظه ای، زندگی بشر را به مخاطره می اندازد.
آلاینده های موجود در هوا دو نوعند: اولیه (Primary) و ثانویه (Secondary).
آلاینده های اولیه موادی هستند که در اثر منابع آلوده کننده به هوای محیط وارد می گردند مانند: اکسیدهای سولفور، اکسیدهای نیتروژن.
سولفور هیدروژن، مونوکسید کربن، دی اکسید کربن، سرب، ذرات آلوده یا مواد معلق.
هیدروکربورها، ترکیبات آلی فرار (VOC3).
آلاینده های ثانویه به مواد آلوده یا اطلاق می شود که در اثر فعل و انفعالات موجود در هوای اطراف زمین تشکیل می گردند.
در این پروژه چون به مدل سازی بیوفیلتر مورد استفاده جهت حذف ترکیبات آلی فرار (VOC3) پرداخته شده لذا به شرح مختصری در باره این گروه از آلاینده ها می پردازیم.
1-2-ترکیبات آلی فرار (VOC3)
ترکیبات آلی مایعات یا جامداتی شامل کربن آلی (کربن متنصل به کربن، هیدروژن، نیتروژن یا سولفور و غیر از کربن موجود در کربنات (CaCO3) یا کربید (CO2C) یا CO یا CO2) هستند که شدت های تبخیر بالایی دارند.
به علت فراریت بالا، به میزان زیاد در محیط پخش می شوند و علاوه به تولید بو، خطراتی برای اکوسیستم و سلامتی انسان دارند.
این ترکیبات در ساختمان خود کمتر از 12 اتم کربن دارند و فشار بخار آنها در دمای اتاق بیشتر از Psia01/0 (atm0007/0) و نقطه ئجوش اتمسفریک آنها حدود F 500 (C 260) است.
مواد دارای نقطه جوش بالاتر از این مقدار خیلی آرام در اتمسفرل تبخیر می شونژد مگر آنکه به آنها حرارات داده شود.
البته اگر هم تبخیر شدند در اتمسفر کندانس شده و قسمتی از مسئله ذرات ریز را تشکیل می دهند.
احتمالاً VOC ها به لحاظ گستردگی و تنوع (از نظر انتشار) بعد از ذرات ریز (مواد معلق) قرار می گیرند.
VOCها گروه بزرگی از ترکیبات هستند.
بعضی از آنها نظیر بنزن سمی و سرطانزا می باشند.و بنابراین به عنوان آلاینده های خطرناک با ویژگیهاغی خود طبقه بندی می شوند.
VOCها به دلیل شرکت در واکنش مه دود فتوشیمیایی است که تشکیل آلایندئه های ثانویه ای می دهند.
به عبارتی VOCها در مقابل نور خورشید با اکسید ازت ترکیب شده و تولید ازن یا اکسیدهای قوی دیگری را می کنند و این آلودگی های فتواکسیدان (که باعث ایجاد مه های خرمایی رنگ معروف کالیفرنیا مشهور به Smog است) سه اثر مخرب دارد: برای سلامتی انسان (اختلالات تنفسی، سردرد، تحریک چشمها)، بروی گیاهان (به ویژه جنگل ها) و برروی مواد.
بعضی از VOCها جاذب های قوی اشعه مادون قرمز (IR) هستند و مانند CO2 اثر گلخانه ای دارند، لذا در مسئله هشدار جهانی نقش دارند.
بیش از %80 انتشار VOCها ناشی از مصرف حلال ها (نظیر تینر رنگ و دیگر حلالهای مشابه)، حمل و نقل، ذخیره سازی) VOCها، و وسایل نقلیه موتوری (شامل اتومبیل ها، هواپیماها، قایق ها و موتورهای راه آهن) می باشد.
نتیجه آنکه مصرف اصلی VOC در سوختهای موتوری و حلال هاست منابع دثگری که VOCها را انتشار می دهند گاهی خیلی بزرگند مانند احتراق ناقص در شومینه ها و آتش سوزی جنگل ها.
و گاهی خیلی کوچکند مانند پاک کننده لاک ناخن و قوطی های اسپری رنگ.
علاوه بر این بسیاری از VOCخا نقش ماده واسطه را در تولید پلاستیک و دیگر مواد شیمیایی نظیر کلرید وینیل (ماده اوله اصلی برای پلاستیک های PVC) که به عنوان یک آلاینده خطرناک هوا طبقه بندی می شوند دارند.
حلال ها و سوختهای موتوری عمدتاً از نفت به دست می آیند.
بنابراین بیشتر انتشارات بر اساس نفت قرار دارند.
مقدار کمی بر اساس چوب (نظیر ترپنتین و دود چوب) و زغال سنگ (مقدار کمتری از احتراق زغال سنگ ناشی می شود) قرار دارند.
اما بیشتر انتشار VOCها ناشی از محصولات نفتی پالایش شده می باشد که به عنوان سوخت ها و حلال ها به کار می روند
علاوه بر این بسیاری از VOCخا نقش ماده واسطه را در تولید پلاستیک و دیگر مواد شیمیایی نظیر کلرید وینیل (ماده اوله اصلی برای پلاستیک های PVC) که به عنوان یک آلاینده خطرناک هوا طبقه بندی می شوند دارند.
اما بیشتر انتشار VOCها ناشی از محصولات نفتی پالایش شده می باشد که به عنوان سوخت ها و حلال ها به کار می روند [22,17,16,13] 1-3-روشهای فیزیکی تصفیه هوای آلوده در این روش مواد آلاینده موجود در هوا بدون تغییر در ساختار مولکولی به فاز دیگر منتقل می شوند.
چگالش، جذب سطحی، جذب و جداسازی توسط غشاء از جمله روشهای فیزیکی حذف مواد آلاینده هوا هستند [16,10,7] 1-3-1-چگالش این روش برای جریانهایی استفاده می شود که غلظت آلاینده در آنها بالا بوده و ماده آلاینده ارزش بازیابی داشته باشد.
در این روش هوای آلوده به طور همزمان سرد و فشرده می شود.
بنابراین بخش عمده ای از آلاینده موجود در هوا به صورت مایع جدا می شود.
معمولاً هوای خروجی از این سیستم کاملاً عاری از مواد آلاینده نیست و نیاز به روشهای دیگری برای کاهش غلظت آلاینده به سطح قابل قبول است.
1-3-2-جذب سطحی دئر روش جذب سطحی از مواد جاذبی نظیر کربن فعال و زئولیت برای جداسازی مواد آلاینده از هوا استفاده می شود.
این روش برای تصفیه هوا با غلظت های پایین مواد آلاینده مؤثر است اغلب برای جذب مواد آلی فرار استفاده می شود.
مؤثر بودن این روش وابسته به عواملی نظیر شدن ورود هوای آلوده به برج جذب غلظت آلاینده در هوات و مشخصه های مولکولی ماده آلاینده است.
وقتی ماده جاذب از آلاینده اشباع گردید ماده جاذب باید بازیابی شده یا به عنوان یک ماده آلاینده با نحو مناسبی دفع گردد.
استفاده از جاذب تازه و یا بازیابی ربه هنگام اشباع ، روش جذب سطحی را به روشی نسبتاً پرهزینه تبدیل می کند.
در روش جذب از یک مایع برای جذب ماده آلاینده موجود در هوا استافده می شود.
برای تماس مؤثر گاز و مایع از ستونهای پر شده یا حبابدار استفاده یم شود.
موفقیت این روش بستگی به حلالیت ماده آلاینده در فاز مایع دارد.
برای جذب مواد آلاینده آب درست معمولاً از آب استفاده می شود.
با تغییر PH آب می توان حلالیت ترکیبات اسیدی یا بازی را افزایش داد.
برای ترکیبات آب گریز حلالهای آلی مانند روغن سلیکون استفاده می شود پس از انتقال ماده آلاینده به فاز مایع، اگر فاز مایع آب باشد معمولاً به یک سیستم تصفیه فاضلاب منتقل می شود.
دفع ماده آلاینده از جاذب و سوزاندن جریان هوای حاصل نیز برای بازیابی جاذب امکان پذیر است.
1-3-4-جداسازی توسط غشاء از سیستمهای غشایی نیز برای جداسازی مواد آلاینده از هوا استفاده می شود.
در این روش هوای آلوده تحت فشار و به طور مماسی از سطح یک غشاء عبور می کند.
مواد آلاینده از غضاء عبور کرده و جذب محلول در پشت غشاء می شوند.
همانطور که ملاحظه می شود در روشهای فیزیکی ماده آلاینده بدون تغییر از هوا به یک فاز دیگر منتقل می شود و تخریب نهایی ماده الاینده نیازمند روشهای دیگر است.
این یکی از معایب مهم روشهای فیزیکی است.
1-4-روشهای شیمیایی تصفیه هوای آلوده سوزاندن حرارتی و یا کاتالیستی به طور گسترده ای برای حذف مواد آلاینده آلی از هوا استفاده می شود.
در روش سوزاندن حرارتی، مواد آلاینده در دمای بین 700 تا 1400 درجه سانتیگراد سوزانده می شود.
در روش سوزاندن کاتالیستی، مواد آلاینده در دمای بین 300 تا 700 درجه سانتیگراد سوزانده می شود.
اگر غلظت آلاینده در هوا پایین باشد افزودن سوخت کمی به سیستم ضروری است.
بنابراین روش سوزاندن برای جریانهای با غلظت پایین ماده آلاینده پرهزینه است.
روش سوزاندن به طور ویژه برای جریان هوای نسبتاً غلیظ از ماده آلاینده مناسب است.
یکی از عیبهای مهم این روش امکان تولید ترکسیبات NOX .
بعضی از دیوکسین ها در ضمن فرایند سوختن است.
[5] 1-5-روشهای بیولوژیکی تصفیه هوای آلوده در روشهای بیولوژیکی تصفیه هوا از واکنشهای میکروبی برای حذف ماده آلاینده استفاده می شود.
در این روشها ماده آلاینده جذب فاز مایعی می شود که حاوی میکروارگانیسم های فعال است.
میکروارگانیسمها ماده آلاینده را مصرف کرده و آن را اکسید و یا در مواد خاصی احیا نموده و از انرژی حاصل برای فعالیتهای حیاتی استفاده می کند.
محصول واکنش میکروبی عمدتاً دی اکسید کربن و آب و بیومتیل است.
ماده آلاینده می تواند آلی یا غیرآلی باشد.
میکروارگانیسمهای مورد استفاده برای تصفیه هوا معمولاً از میکروارگانیسم هایی هستند که به طور طبیعی در محیط وجود دارند.
در یک سیستم بیولوژیکی تصفیه هوا معمولاً یک جمعیت مخلوط میکروبی – که یک یا چند گونه در آن غایب هستند – وجود دارد.
برای اینکه یک ماده آلاینده با روشهای میکروبی قابل حذف باشد باید قابل تجزیه بیولوژیکی بوده و برای میکروارگانیسم غیرسمی باشد.
معمولاً مولوکولهای سبک با پیوندهای ساده به راحتی توسط میکروبها مصرف می شوند.
ترکیباتی نظیر الکل ها، آلدئیدها و ترکیبات آروماتیک ساده قابلیت تجزیه بیولوژیکی خوبی دارند.
ترکیباتی نظیر فنل ها، ترکیبات آروماتیک چند حلقه ای و مولکولهای آلی با تعداد اتمهای هالوژن بالا به کندی توسط میکروبها تخریب شده و یا دست نخورده باقی می مانند.
روشهای بیولوژیکی تصفیه هوای آلوده را معمولاً به روشهای بیواسکرابینگ، بیوتریکینگ فیلتراسیون، بیوفیلتراسیون دسته بندی می کنند.
(شکل 1-1) روش بیوفیلتراسیون در فصل جداگانه ای مورد بررسی قرار می گیرد.
1-5-1-روش بیواسکرابینگ در این روش ماده آلاینده موجود در هوای ورودی به سیستم، در یک برج، جذب محلول می شود.
محلول خروجی از برج جذب، به یک بیوراکتور وارد می شود.
ماده آلاینده در بیوراکتور که دارای شرایط بهینه رشد میکروارگانیسم هاست به مصرف می رسد.
به این ترتیب در روش بیواسکرابینگ بر خلاف بیوفیلتراسیون، از میکروارگانیسم های غوطه ور در مایع برای جذب ماده آلاینده استفاده می شود.
برای فعال نگه داشتن میکروبها افزودن محیط کشت تازه به بیوراکتور ضروری است محلول خروجی از بیوراکتور مجدداً به برج جذب منتقل می شود.
فرایند جذب ماده آلاینده ممکن است در برجهای پر شده، برجهای پاششی و یا ستونهای حباب دار انجام شود.
1-5-2-روش بیوتریکلینگ فیلتراسیون این سیستمها عمدتاً شامل یک برج پر شده هستند که برروی سطح ذرات بستر، میکروارگانیسم ها تثبیت شده اند.
محلولی از محیط کشت به طور مداوم از میان ذرات بستر عبور می کند.
با عبور هوای آلوده از میان بستر، مواد آلاینده جذب محلول شده.
بخشی از آن توسط میکروارگانیسم های غوطه ور در محلول مصرف شده و بخشی دیگر به سمت بیوفیلتراسیون موجود برروی سطح ذرات نفوذ کرده و توسط میکروارگانیسم های موجود در آن مصرف می شود.
تنها تفاوت بیوتریکلیگ فیلتراسیون با بیوفیلتراسیون عدم وجود جریان مایع آزاد در بیوفیلتراسیون است.
وجود مایع آزاد در سیستمهای بیواسکرانینگ و بیوتریکلینگ امکان کنترل عوامل مختلف نظیر PH و غلظت مواد مغذلی مورد نیاز میکروارگانیسمها را در مقایسه با روشس بیوفیلتراسیون راحت تر می سازد.
اما در هر صورت نیاز به تخلیه محلول و اضافه کردن محلول تازه به این سیستمها باعث به وجود آمدن جریانی از فاضلاب می شود که خود نیاز به تصفیه شدن دارد.
عیب اصلی بیوفیلتراسیون در مقایسه با دو سیستم دیگر نیاز به حجم زیاد بستر است در سیستمهای بیواسکرابینگ و بیوتریلینگ به دلیل دانسیته بالا میکروبی، شدت واکنش میکروبی به ازای واحد حجم در مقایسه با سیستمهای بیوفیلتراسیون بیشتر و در نتیجه به حجم کمتری نیاز است.
[3] فصل دوم – تثبیت سلولی 2-1-میکروبیولوژی فیلتر ارگانیسم های مسئول اکسیداسیون و تجزیه ترکیبات آلی فرار به دی اکسید کربن و سایر ترکیبات همان باکتری های هتروتروفیک و قارچ هایی هستند که زباله های آلی را در طبیعت، در اماکن دفن یا در تصفیه خانه های فاضلابل تجزیه می کنند، باکتری سودو مناس و قارچ NOCARDI گونه های فعال در چنین شکستها و تجزیه مواد آلی هستند.
گونه هایی همانند FLAVOBACTERIA میتوانند جهت اکسیده کردن ترکیباتی همانند پنتاکلرو فنل، به کار روند.
در یک بستر خاک یا کمپوست حدود یک بیلیون باکتری در هر گرم وجود دارد و جمعیت قارچی نیز 10000 در هر گرم خاک یا کمپوست میباشد.
قارچ ها به تجزیه مولکول های پیچیده تر تمایل دارند و آنزیم های برون سلولی که پلیمرها را میشکنند، از خود دفاع میکنند.
پراکنش گونه ها با نوع سوبسترای مصرفی نوسان دارد.
تحقیقات صورت گرفته برروی میکروبیلوژی بیوفیلتر بیشتر بر شناسایی رده های ویژه منحصر به فرد میکروارگانیسم ها در زمان خاص متمرکز شده است.
بطور مثال، شمارش کل ارگانیسم هایی که قادر به متابولیزه کردن اسیدهای آلی فرار باشند و ...
آزمایشات نشان داده اند که در