آلودگی هوا از موضوعاتی که در زمینه های مختلف برای انسان مشکل‌ساز بوده است و همواره به عنوان یک پارامتر حیاتی برای ادامه زندگی بشر مورد توجه فراوان قرار گرفته است. از بین منابع مختلف آلاینده های هوا، گاز هیدروژن سولفید به‌دلیل خاصیت خورندگی و بوی بسیار نامطبوع همواره مورد توجه مهندسین فعال در زمینه محیط زیست بوده است. منابع آلودگی هوا میتوانند بر حسب نوع آلودگی، تعداد و توزیع فضایی آنها و نوع مواد منتشره تقسیم‌بندی شوند. در یکی از این طبقه‌بندی ها، گازهای آلاینده هوا به گروه های زیر تقسیم می شود:
گازهای خوردنده
گازهای محرک
گازهای بودار
اصولاً بررسی روش های انتشار بو از آن جهت حائز اهمیت می باشد که میتوان در مسائل مختلف مانند جانمایی تصفیه خانه های فاضلاب استفاده شود. چراکه بوی متصاعد شده از تاسیسات فاضلاب شهری، نارضایتی های اجتماعی را بدنبال دارد. لذا جانمایی تصفیه خانه های فاضلاب به نحوی که بوی ایجاد شده به مناطق مسکونی منتقل نشود اهمیت فراوانی دارد.
یکی از مهم ترین ترکیبات تولید کننده بو در تاسیسات تصفیه‌خانه فاضلاب گاز هیدروژن سولفید می باشد. این گاز به وسیله میکروارگانیسم های چسبیده به دیواره لوله¬ها و رسوبات سیستم فاضلاب تولید می شود. هیدروژن سولفید گازی خورنده و سمی است. همچنین به دلیل سمیت آن برای کارکنان تصفیه خانه فاضلاب، کنترل این گاز در خطوط فاضلاب ضروری است. علاوه بر بوی آزار دهنده، گاز هیدروژن سولفید می تواند منجر به بروز مشکلاتی نظیر خوردگی تاسیسات و خطرات جدی برای کارگران تصفیه خانه ها گردد. خوردگی یکی از مشکلات عمده در خطوط جمع آوری فاضلاب در سراسر دنیا میباشد، که باعث ایجاد خسارت های اقتصادی زیادی میشود.
هیدروژن سولفید گازی بی رنگ و شدیداً سمی است که به آسانی در آب حل شده و دارای قابلیت اشتعال و انفجار است. هیدروژن سولفید گازی خطرناک و کشنده است که در غلظت های پایین بوی تخم مرغ گندیده و در غلظت های بالا بوی شیرین دارد. این گاز قابل انفجار بوده و چنان‌چه در غلظت های بین ۴ % تا ۴۴ % در هوا، در معرض شعله باز و یا منبع تولید جرقه قرار گیرد، باعث ایجاد حریق و انفجار میشود. برای تشریح مکانیسم تولید گاز هیدروژن سولفید باید در ابتدا گفت که این گاز در اثر شرایط بی هوازی درون فاضلاب تولید میشود. اولین محل تولید این گاز در سیستم فاضلاب شهری، شاید خطوط انتقال فاضلاب باشد. از آنجا که لوله فاضلاب معمولاً به صورت نیمه‌پر طراحی میشود جریان فاضلاب در لوله با هوا در تماس است. این تماس از ایجاد شرایط بی هوازی کامل در فاضلاب داخل شبکه جمع‌آوری و خطوط انتقال جلوگیری میکند. در خطوط اصلی انتقال فاضلاب که قطر لوله نسبتاً بزرگ و سطح تماس فاضلاب باهوا بیشتر است، میزان تولید هیدروژن سولفید کمتر از خطوط فرعی و نیمه اصلی است. در لایه‌ای که باکتری ها در سطح داخلی لوله های فاضلاب بوجود می آورند، شرایط کاملاً بی هوازی است و این لایه که از میکروارگانیسم های رشته‌ای و مواد ژلاتینی ترشح شده توسط میکروب ها تشکیل میشود محل مناسبی برای رشد باکتری های کوچکتر احیاء کننده سولفات به هیدروژن سولفید می باشد. مشخصات فیزیکی و شیمیایی گاز هیدروژن سولفید در جدول زیر آورده شده است.
مشخصات فیزیکی و شیمیایی هیدروژن سولفید
در فاضلاب های خانگی بیشترین نوع گوگرد موجود یون سولفات می باشد که در غلظت های ۲۰۰ الی ۴۰۰ میلی گرم در لیتر مشاهده میگردد. یون سولفات توسط باکتری های احیا کننده سولفات به سولفید تبدیل میشود. این تبدیل اصولاً در شرایط بی هوازی توسط میکروارگانیسم های موجود در فاضلاب روها و در بخش رسوبات موجود در آن صورت می پذیرد. فعالیت باکتری های احیاء کننده سولفات بیشتر در مناطقی دیده میشود که جریان سیال حرکتی آهسته داشته، هوادهی مناسبی انجام نشده و یا دما بالا باشد.
در pHهای حدود ۷ گوگرد در دو شکل HS- و H2S دیده میشود. در pH های بیش از ۷ غالب گوگرد HS- میباشد. در واکنش های مورد نظر تنها هیدروژن سولفید قادر است از فاز مایع به فاز گاز و برعکس منتقل شود. انتقال هیدروژن سولفید از یک فاز به فاز دیگر بستگی به عواملی همچون دما، pH، میزان تلاطم جریان فاضلاب و میزان تهویه هوای موجود در شبکه جمع آوری فاضلاب دارد.
همچنین مقدار هیدروژن سولفید قابل انحلال در آب به شدت به دما وابسته است. لذا با تغییرات دما نیز هیدروژن سولفید از فاز مایع جدا شده و به فاز گاز منتقل میگردد. مطالعات متعدد محققین نشان داده است که، هوای موجود در شبکه جمع آوری فاضلاب که از طریق شیب زمین جمع آوری میشوند حدود ۳۰۰ میلی گرم در هر مترمکعب هیدروژن سولفید دارد.
مطابق واکنش زیر یون سولفات می تواند با کربن آلی و آب در حضور میکروارگانیسم های مناسب وارد واکنش شده و نهایتاً منجر به تولید یون بی کربنات و هیدروژن سولفید شود.
یون سولفات همچنین در شرایط اسیدی می تواند مطابق واکنش شماره زیر نیز منجر به تولید هیدروژن سولفید گردد.
گوگرد عنصری، می تواند در اثر واکنش های بیوشیمیایی به هیدروژن سولفید تبدیل شود، لیکن حضور یون هیدروژن کافی و pH پایین در این زمینه ضروری است.
به طور معمول در چند کیلومتر اول حرکت فاضلاب، مواد آلی آن توسط میکروارگانیسم ها مصرف شده و میزان اکسیژن محلول در فاضلاب در حالت جریان به صفر می رسد. لذا شرایط بی هوازی در لوله حاکم شده و گازهای حاصل از فرآیند بی هوازی خصوصاً هیدروژن سولفید از فاضلاب خارج میشود. در شرایط بی هوازی سولفات به سولفید تبدیل شده که این امر مطابق واکنش زیر منجر به تولید هیدروژن سولفید می شود.
این گاز در بخش فوقانی لوله تجمع می یابد و با رطوبت موجود در هوا مخلوط می گردد. سپس هیدروژن سولفید به اسید سولفوریک تبدیل می گردد.
سولفوریک اسید تولیدی به مرور زمان با مواد موجود در بتن لوله های فاضلاب روی بتنی واکنش داده و منجر به ایجاد لایه‌ای گچ (CaSO4) در محل فعالیت میکروبی می گردد که ضخامت این لایه به طور مداوم با تولید اسید افزایش می یابد. در کنار تولید سولفوریک اسید ماده‌ای به نام اترینگیت (کلسیم آلومینات) نیز تولید می گردد که باعث ایجاد ترک و حفره در بتن شده و بر عمق نفوذ اسید در بتن می افزاید. تولید سولفوریک اسید و واکنش با جدار لوله و تبدیل آن به گچ و همچنین تولید اترینگیت سبب سست شدن تاج لوله شده و طی چندین سال منجر به ریزش آن می گردد، که باعث انسداد لوله و پس‌زدگی فاضلاب خواهد شد. مشکلات مختصر خوردگی در لوله های بتنی زمانی آغاز می شود که غلظت گوگرد در فاضلاب ۱/۰ الی ۵/۰ میلی گرم بر لیتر بوده و شرایط بی هوازی باشد.
مشکلات شدید خوردگی در لوله های بتنی جمع آوری فاضلاب از غلظت های گوگرد بیش از ۲ میلی گرم بر لیتر در فاضلاب بی هوازی شروع می گردد، لذا روش های اختصاصی تری برای کنترل آن توسط محققین توسعه یافته است.
اگرچه ترکیبات آلی و معدنی مختلف میتوانند در فاضلاب ایجاد بوی نامطبوع کنند، اما هیدروژن سولفید اغلب به عنوان ترکیب اصلی ایجاد بوی نامطبوع و خوردگی در تأسیسات تصفیه خانه فاضلاب شناخته میشود. هیدروژن سولفید غالباً هنگام حضور سولفید محلول، در فاز گاز آزاد میشود. سولفید به دلیل فعالیت بیوفیلم بی‌هوازی در لایه لجن متصل به دیواره‌های لوله فاضلاب ایجاد میشود. باکتری‌هایی که در درجه اول مسئول تشکیل سولفید هستند،"باکتریهای کاهش‌دهنده سولفات"، از سولفات (SO4-2) به عنوان گیرنده الکترونی استفاده می‌کنند و آن را به سولفید کاهش می‌دهند (H2S، HS- و S-2) سپس سولفید از طریق بیوفیلم به بالک فاز مایع پخش نفوذ میکند. هنگامی که در جریان مایع، H2S بتواند وارد فاز گاز شود، مشکلات بو و خوردگی ایجاد میشوند. در شکل زیر شماتیک این فرآیند در شکل زیر نشان داده شده است.
خوردگی در سیستم فاضلاب هنگامی اتفاق می‌افتد که H2S از نظر بیولوژیکی به واسطه باکتریهای تیوباسیلوس به اسید سولفوریک تبدیل شود. اگرچه کاهش فلزات برای محافظت از سلامت عمومی ضروری است، پیش‌تصفیه به طور قابل توجهی در افزایش سولفیدها نقش داشته و منجر به افزایش بوی H2S و در نهایت منجر به تسریع خوردگی میشود. فاضلاب با pH برابر ۵.۶ و غلظت سولفید ۵ میلی‌گرم در لیتر می‌تواند با سرعت ۱.۰ اینچ (۵۴.۲ میلی‌متر) در سال ایجاد خوردگی کند. با بالا بردن pH به ۸، خوردگی تقریباً ۸۸ درصد کاهش می‌یابد و تنها به میزان ۰۱۲.۰ اینچ (۳۰۵.۰ میلی‌متر) در سال می‌رسد. این کاهش در میزان خوردگی باعث افزایش طول عمر تاسیسات فاضلاب از ۲۰ سال به ۱۶۰ سال میشود. از بین بردن خط خوردگی زودرس این امکان را می‌دهد تا از سیستم فاضلاب استفاده طولانی‌تری شده و در تعمیرات گران قیمت صرفه جویی شود.
pH می‌تواند یک پارامتر مهم برای اکثر روش‌های کنترل بوی فاز مایع باشد. با این حال می تواند به طور مستقیم برای کاهش انتشار هیدروژن سولفید نیز استفاده شود.
روش های کنترل گاز هیدروژن سولفید
روش های فیزیکی
روش های فیزیکی اغلب بر اساس حذف فیزیکی گاز هیدروژن سولفید از جریان گازی صورت می گیرد، بدون آنکه تغییرات خاصی در ساختار شیمیایی این گاز صورت گیرد. در این روش مواد آلاینده موجود در هوا بدون تغییر در ساختار مولکولی به فاز دیگر منتقل میشوند.
جذب سطحی
اساسی ترین روش فیزیکی حذف آلاینده ها از هوا سیستم جذب سطحی می باشد. جذب سطحی به معنای چسبیدن اتم ها، یون ها، مولکول های بیولوژیکی یا مولکول های گاز، مایع یا جامدات نامحلول به یک سطح می باشد. همانند کشش سطحی، جذب سطحی نیز ناشی از انرژی سطح می باشد. بدلیل آنکه تمامی اتم های روی سطح یک ماده جاذب با اتم های ماده جاذب دیگر احاطه نشده است، مواد جذب شونده بر روی ماده جاذب قرار میگیرند. این فرآیند عموماً در طبقه جذب های فیزیکی قرار می گیرد که ناشی از نیروهای واندروالسی می باشد. اما گاهاً این پدیده در اثر جذب الکترواستاتیکی بوقوع می پیوندد.
معایب و مزایای روش فیزیکی
مزایای روش فیزیکی عبارتند از:
عدم نیاز به مواد شیمیایی
راهبری بسیار آسان با کمترین وسیله مورد نیاز نگهداری
توانایی تصفیه در غلظت های پائین برای زمان طولانی
توانایی تصفیه در بازه های مختلف غلظت
عدم نیاز به دوره بوم پذیری شبیه سیستم های بیولوژیکی
معایب روش فیزیکی نیز در زیر آورده شده است:
راندمان کم تصفیه در نرخ های بارگذاری بالا
وابستگی به رطوبت، این سیستم ها حتما می بایست در حالت مرطوبت نگهداری شوند تا راندمان حذف کاهش پیدا نکند.
قابلیت اشتعال
خطرات دفع بستر مصرف شده
روش های شیمیایی
روش های شیمیایی بر اساس استفاده از مواد شیمیایی مختلف برای تغییر ماهییت شیمیایی گاز هیدروژن سولفید میباشد. مواد مختلفی برای این منظور بکار می‌رود از جمله: نمک های فلزی مانند سولفات فریک، پرمنگنات پتاسیم، هیدروژن پروکساید. مکانیزم عمل کنترل گاز هیدروژن سولفید توسط ترکیبات آهن، از جمله سولفات فریک (Fe2(So4)3) تشکیل رسوب غیر محلول FeS می باشد. واکنش ترکیبات آهن و هیدروژن سولفید به pH بستگی دارد به صورتی که با کاهش pH بازده واکنش کاسته می شود.
در حالت کلی برای اکسیداسیون های شیمیایی هیدروژن سولفید می توان گفت ارتباط قوی بین ماده جذب شده و سطح ماده شیمیایی، بسته به نوع به نوع ماده شیمیایی، پیوندهای الکترونیکی یونیک یا کووالانسی جدیدی را بوجود می آورند.
فرآیند شیمیایی بدلیل وابسته بودن به ماده شیمیایی و ساختار بستر می تواند در سیستم های مختلف اشکال گوناگونی داشته باشد.
معایب و مزایای روش شیمیایی
مزایای روش شیمیایی حذف گاز سولفید هیدروژن را می توان این گونه بیان کرد:
قابلیت تصفیه گاز، در غلظت های کمتر از غلظت طراحی
تنظیم سریع و اتوماتیکال نسبت به تغییر نرخ بارگذاری
قابلیت ارتقاء برای تصفیه نرخ های بارگذاری بزرگتر
همچنین معایب این روش شامل موارد زیر می گردد:
نیاز به مواد شیمیایی خطرناک
نیاز به مقدار زیادی از مواد شیمیایی برای حذف گازهای با غلظت آلایندگی فراوان
حساسیت نگهداری و راهبری
روش بیولوژیکی
همان گونه از که اسم این روش مشخص است، این روش با موجودات زنده (بیو) سرو کار دارد از و این مواد زنده برای حذف آلاینده های مختلف استفاده میشود. بیوفیلتراسیون تکنولوژیی برای تصفیه آلودگی های هوا و آب میباشد. بیوفیلترها راکتورهای با بستر پرشده می باشند که میکروارگانیسم های تجزیه کننده روی بستر آن واقع شده‌اند. در این روش آلاینده گازی با عبور از این بستر متخلخل بیولوژیکی تصفیه میشود. سیستم های بیولوژیکی بر اساس نحوه عملکرد سیستم و چگونگی ایجاد محیط بیولوژیکی به سه دسته تقسیم میشوند.
بیوفیلتر
صافی چکنده
بیو اسکرابر
با توجه به بازدید کارشناسان این شرکت از تصفیه‌خانه شهرهای شهرکرد و بروجن و با توجه به آزمایشات انجام شده مشاهده میشود که در قسمت‌های ورودی تصفیه‌خانه، لجن فعال برگشتی و در بسترهای لجن در هر دو تصفیه خانه بوی نامطبوع فاضلاب استشمام میشود. البته قابل ذکر است که غلظت ترکیبات مولد بوی نامطبوع در نمونه‌های مورد بررسی خیلی بالا نمی‌باشد و بوی نامطبوع فاضلاب در این قسمت‌ها تقریبا قابل تحمل است. با این وجود به دلیل حجم بالای لجن دپو شده، غلظت ترکیبات مولد بوی نامطبوع در این ناحیه، قابل توجه است.
پیشنهادات برای رفع بوی نامطبوع
با توجه به نتایج بدست آمده از این تحقیق پیشنهاداتی جهت حذف بوی نامطبوع در تصفیه‌خانه‌های مذکور مطرح میشود.
کاهش میزان تولید هیدروژن سولفید با تنظیم pH
دو روش برای کاهش بوهای مربوط به H2S با استفاده از تنظیم pH وجود دارد. یکی تغییر pH فاضلاب چنان‌که تعادل شیمیایی گونه های سولفید غیرفرار را ترجیح دهد و دیگری افزایش موقت اما شدید pH برای غیرفعال کردن باکتریهای کاهش دهنده سولفور.
pH بر توزیع سه گونه سولفید،H2S ، HS- و S-2 در محلول تأثیر می‌گذارد. افزایش pH، سولفید را به اشکال یونی (HS- و S-2) تبدیل میکند که غیرفرار هستند. به عنوان مثال، با pH برابر با ۷، تقریبا ۵۰ درصد سولفیدها به عنوان H2S وجود دارند، در حالی که در pH برابر با ۵.۸، تنها ۳ درصد به عنوان H2S حضور دارند. اگر pH فاضلاب کاهش یابد، نسبت گونه‌های سولفید به سرعت به سمت H2S تغییر میکند، که فرار است. بنابراین، افزایش pH فاضلاب تا زمانی که pH بالا حفظ شود، می تواند مشکلات بو را کاهش دهد.
بر خلاف عوامل کنترل بو که پرهزینه، ناکارآمد، کوتاه مدت و یا محدود به یک موضوع واحد هستند، افزایش pH فاضلاب یک استراتژی ایمن و مقرون به صرفه را برای مدیریت بو، طولانی کردن عمر زیرساخت‌ها، از بین بردن چربی، روغن و گریس و تقویت فرآیندهای تصفیه فاضلاب در پایین دست ارائه می‌دهد.
قابل ذکر است که با تنظیم pH فاضلاب بر روی محدوده بازی، اثر منفی بر روی پارامترهای تصفیه فاضلاب مشاهده نشده است. همچنین در چندین تحقیق اثر مثبت افزایش pH بر روی پارامترهای تصفیه فاضلاب نیز گزارش شده است.
استفاده از بیوفیلترها
دو نوع فیلتر پرکاربرد جهت بررسی حذف بوی نامطبوع فاضلاب استفاده می شود:
استفاده از بیوفیلتر با بستر کود کمپوست
استفاده از بیوفیلتر با بستر متخلخل کربن فعال حاوی عوامل بیولوژیک
کمپوست کردن
کمپوست‌سازی لجن فاضلاب یک فرآیند زیست‌گرمایی هوازی است که اجزای آلی را تجزیه میکند. کمپوست‌سازی حاصل مجموعه‌ی فعالیت‌های پی‌درپی جمعیت‌های میکروبی مختلف باکتری‌ها اکتینوماسیت‌ها و قارچ‌ها است. اگر چه رابطه‌ی بین این میکروب‌ها کامل شناخته شده نیست ولی مشخص است که باکتری‌ها مسئول تجزیه‌ی بخش عمده‌ی مواد آلی هستند.
تبدیل لجن فاضلاب به کود از طریق روش پیرولیز
پیرولیز لجن، فرآیندی است که در آن لجن فاضلاب تحت اکسیژن کم یا آنوکسیک در دماهای نسبتا بالا قرار می‌گیرد و سه محصول عمده گاز سنتزی، بایو‌اویل و بایوچار (ماده کربنی حاصل از پیرولیز) تولید میکند. بایوچار محصولی غنی از کربن است که از تخریب حرارتی مواد آلی به دست می‌آید و عمده‌ترن کاربرد آن در اصلاح و یا حاصل‌خیزی خاک است. کاربرد این مواد کربنی در خاک باعث افزایش حبس کربن خاک، کاهش غلظت دی‌اکسید کربن اتمسفریک، بهبود کیفیت فیزیکوشیمیایی خاک و تغییر مقادیر و در دسترس بودن مواد مغذی میشود. مواد کربنی مشتق شده از پیرولیز لجن فاضلاب مقادیر ارزشمندی از مواد مغذی مانند فسفر، نیتروژن، پتاسیم و مواد آلی فراهم می‌آورد و همچنین حاصل‌خیزی خاک و فعالیت میکروبی خاک را افزایش می‌دهد. انتخاب به کاربردن تبدیل ترموشیمیایی لجن باعث فراهم آوردن تامین مواد اولیه ثانویه و منابع بالقوه مواد غذایی میگردد. از طرفی دیگر، اصلاح ترموشیمیایی می‌تواند به طور قابل توجهی تحرک آلودگی‌های غیرآلی را کم کند و آلودگی‌های بیولوژیکی و آلی را حذف یا کاهش دهد. کادمیوم، کروم، مس، نیکل، سرب و روی عناصری هستند که در لجن ضایعاتی انتظار می‌رود مقادیر بیشتری از حد مجاز داشته باشند. در ساختار بایوچار، فلزات سنگین در ماتریس بایوچار، فیکس، غیر قابل حرکت و پایدار میشوند. در واقع پیرولیز باعث کاهش آزاد شدن فلزات سنگین در خاک و محیط‌زیست میشود.