Document Type : Original Article
Abstract
Highlights
استخدام تقنية التخثير الکهربائي في إزالة المتطلب الکيميائي للاوکسجيـن COD)) من مطروحات مياه الفضلات
أ. م/ مصعب عبد الجبار عبد الباقي1 ذرى عزام عبد الحمداني2
1قسم البيئة, کلية الهندسة, جامعة الموصل, العراق musabaltamir@yahoo.com
2القسم المدني- البيئة, کلية الهندسة, جامعة الموصل, العراق lhamdany.thura95@yahoo.com
الملخص العربي :
تمفيهذاالبحثدراسةتأثيراستخدامتقنيةالتخثيرالکهربائيفيإزالةالمادةالعضوية (COD) من مياه الفضلات,إذتمتصميموتشغيلنظامتخثيرکهربائيمختبريذيجريانمستمريتکونمنحوضتخثيرکهربائيبحجمثابت (2) لتروحوضتلبيدوحوضترسيببأحجاممختلفةتتغايرمعتغايرالتصريفالناتجمنتغيرزمنالتخثير الکهربائي,واستخدمتمادةالألمنيوملکلاالقطبين. اما متغيراتالبحث فشملتالترکيزالابتدائيللشائبةوزمنالتخثير کهربائيوالتيارالمستمرالذييمرخلالالأقطابالکهربائية,إذتمتحضيرنماذجمصنعةمختبرياًمنمياهالفضلاتبتراکيزمنCOD 125), 250,500 ,1000) ملغم/لتر, وإخضاعهالمستوياتمنالتيار0.25) , 0.5, 1, 2,4)أمبير, وزمنتخثير 1.5), 5, 10,20) دقيقة. أظهرتالنتائجزيادةکفاءةٳزالة ال COD معزيادةالتيارمن 0.25) إلى (2 أمبير, ومعزيادةزمنالتخثيرللمستوياتالابتدائيةکافة, وابدت التراکيز المنخفضة استجابة اکثر من التراکيز العالية في عملية الإزالة.أعلىکفاءةإزالةتمالحصولعليهالتراکيزابتدائية (125, 250,500,1000) ملغم/لترکانت (99, 93, 91,72)% علىالتوالي,إذتحققتهذهالنسبعندتيار (2) أمبيروزمنتخثير (20) دقيقة,ووجدمنالنتائجأنهذهالتقنيةغيرکفوءةعندالتياراتالعالية (4) أمبير.
الکلمات الدالة:التخثير الکهربائي- إزالة COD- أقطاب الألمنيوم- معالجة مياه الفضلات
المقدمة:
مع زيادة الطلب على الماء بسبب زيادة الکثافة السکانية والتطور في مرافق المجتمع المختلفة والاستخدامات المدنية والصناعية الکثيرة للماء تزداد الحاجة إلى معالجة مياه الفضلات للتقليل من تراکيز الملوثات الموجودة فيها لکبح تأثيراتها على مصادر الماء الخام أو لإعادة استخدامها مرة أخرى, اذ أُبتکرت طرائق کثيرة لمعالجة مياه الفضلات المنزلية والصناعية والتي تتضمن عمليات بيولوجية وفيزيائية وکيميائية مجتمعة أو منفردة تتراوح بين التعقيد والتبسيط.
ومن أهم طرائق معالجة المياه ومياه الفضلات عملية التخثير بإضافة مواد کيميائية لإزالة کثير من الشوائب الموجودة في مياه الفضلات, ومن المعلوم أن إضافة هذه المواد يضيف شوائب أخرى جديدة الى الماء المعالج, وللتقليل من هذه المواد ومن جرعة المخثر الفعال المضافة وجعلها بالکمية الفعالة قدر الامکان استحدثت تقنية التخثير الکهربائي لتوفر فضلاً عن ذلک کفاءة الأداء العالية, وسهولة التشغيل, وکلفة المعالجة لإزالة شوائب کثيرة [1, 2].
أول استفادة من تقنية التحليل الکهربائي للمعدن ظهرت مع التعرف على التيار الکهربائي لکن کان استخدامها محدداً في طلاء المعادن, وفي سنة 1889 ظهرت أول محطة معالجة تستخدم التحليل الکهربائي في معالجة مياه الفضلات في لندن ولم يتم الاعتراف بالطريقة کطريقة معتمدة في معالجة مياه الفضلات إلا في سنة 1909, لکن بقي استخدامها على نطاق ضيق حتى عقد التسعينيات من القرن الماضي ٳذ تطورت منذ ذلک الوقت وانتشرت على نحو متزايد في أمريکا الجنوبية وأوروبا وأمريکا الشمالية في معالجة مياه الفضلات المدنية وکثير من الصناعات لإزالة کثير من الشوائب الموجودة من مياه الفضلات, ٳلا أن المتغيرات التشغيلية والأساليب المتبعة في المعالجة بهذه الطريقة لاتزال قيد البحث والدراسة حتى الوقت الحاضر [3, 4,5].
وتعتبر آلية التخثير الکهربائي من التقنيات الکهروکيميائية التي تتضمن ربط الأقطاب الکهربائية الموجبة والسالبة المغمورة في مياه الفضلات بمصدر تيار کهربائي مستمر الذي يعتبر المسؤول عن انحلال القطب الموجب للمعدن ليطلق أيون المعدن (المخثر( موقعياً عن هذا القطب الموجب المصنوع عادة من مادة الألمنيوم أو الحديد, وفي الوقت نفسه تتحرر أيونات الهيدروکسيد وغاز الهيدروجين عند القطب السالب, وبالتالي تشارک في تکون هيدروکسيد المعدن وغيرها من نواتج التحلل المسؤولة عن عملية التخثير مع أيون المعدن في حين يبرز دور غاز الهيدروجين في إضافة ميکانيکية التعويم للبادات المتکونة في حوض التخثير بهذه الطريقة 6],7].
ومن أهم الشوائب الموجودة في مياه الفضلات الحمل العضوي متمثلاً بالمتطلب الکيميائي للأوکسجين (COD) المسؤول الأول عن استنزاف الأوکسجين من المسطحات المائية, وبالتالي التأثير على الحياة المائية وقيمة المصدر المائي الجمالية والوظيفية من هنا ظهرت الحاجة إلى دراسة تأثير تقنية التخثير الکهربائي على إزالة هذا النوع من الشوائب من مياه الفضلات من خلال أنموذج مختبري ذو جريان مستمر متضمناً فضلاً عن عملية التخثير الکهربائي عمليتي التلبيد والترسيب وهو مايمثل هوة في الدراسات السابقة .
نظرية التخثير الکهربائي:
تتلخص عملية التخثير الکهربائي على تطبيق مصدر تيار کهربائي مستمر بين الأقطاب المعدنية المغمورة في مياه الفضلات، التي غالباً تکون عبارة عن ألواح أو قضبان من الألمنيوم أو الحديد, فعند القطب الموجب يسبب التيار الکهربائي المار حدوث عملية أکسدة (انحلال الأقطاب المعدنية الموجبة( الذي يؤدي إلى انبعاث الأيون المعدني الموجب, أما عند القطب السالب فتحدث عملية اختزال, والذي ينتج عنها انبعاث غاز الهيدروجين وأيون الهيدروکسيد يعقب ذلک اتحاد الأيون المعدني الموجب مع أيون الهيدروکسيد لتشکيل المخثر (هيدروکسيد المعدن(.
يمکن تلخيص التفاعلات التالية خلال عملية التحليل الکهربائي:
عند القطب الموجب
عند القطب السالب
أيونات M وOH- المتولدة (معادلة1 (و ((4) تتفاعل لتشکيل أنواع مختلفة منmonomeric) ) و polymeric)) التي تتحول بالنهاية الى M(OH)3 وفقاً لحرکيات الترسيب المعقدة 8], 9].
في حالة استخدام أقطاب کهربائية من الألمنيوم وخلال مرور التيار الکهربائي تحدث تفاعلات رئيسة تتحرر خلالها أيونات الألمنيوم ((Al+3 وأيونات الهيدروکسيد (OH-) (معادلة (4) و5) )) [10]:
عند القطب الموجب
فضلاً عن حدوث تفاعلات ثانوية عند القطب الموجب أهمها انبعاث غاز الاوکسجين (معادلة (2)
في المحلول
أيونات الألمنيوم المتولدة سوف تمر بردود أفعال تلقائية أخرى لانتاج العديد من أنواعmonomeric) ) مثل Al(OH)2+, Al(OH)2+ وAl(OH)4- او أنواع (polymeric) مثل Al2(OH)24 ,Al6(OH)153+ ,Al7(OH)174+ , Al8(OH)204+,Al13O4(OH)247+, Al13(OH)345+, معدل تشکيل هذه الأنواع المختلفة يعتمد على pH للوسط المائيوأنواع الأيونات الموجودة عند قيم pH تتراوح بين (5-6) منتجان التميئ السائدة Al(OH)2+ وAl(OH)2+وعند pH تتراوح بين (5.2 -8.8 ) يتکون Al(OH)3 الصلب المسؤول عن تکون اللبادات خلال عملية التخثير الکهربائي وفوق pH تساوي (9) يتشکل Al(OH) القابل للذوبان الذي لايؤثر على إزالة الملوثات 8], 9, 11 [.
هيدروکسيد المعدن Al(OH)3 المتکون خلال عملية التخثير الکهربائي يملک مساحة سطحية کبيرة أو بمعنى آخر له خصائص امتزاز عالية, إذ يعمل على امتزاز المرکبات العضوية الذائبة وأنواع مختلفة من الشوائب إضافة إلى أن له القدرة على زعزعة الغرويات الموجودة في المياه ومياه الفضلات مکونة أخيراً اللبادات, هذه اللبادات تزال بسهولة من المحلول المعالج عن طريق الترسيب الذي يعتبر الخيار الشائع في عملية التخثير الکهربائي إضافة إلى إزالتها بالتعويم إلى سطح المحلول من قبل غازي الهيدروجين المتحرر عند القطب السالب والأوکسجين المتحرر عند القطب الموجب (معادلة (2) و(4)), علماً أن الغازين ينتجان من تحلل الماء کهربائياً بالقرب من کلا اللوحين 8], 10].
يوضح الشکل (1) مفاعل خلية التخثير الکهربائي مع التفاعلات الحاصلة داخله.
شکل :(1) يوضح التفاعلات التي تتم خلال عملية التخثير الکهربائي [12]
أهداف البحث:
(1تقييم تأثير تغير زمن التخثير الکهربائي على کفاءة إزالة المتطلب الکيميائي للأوکسجين (COD).
(2تقييم تأثير تغير شدة التيار الکهربائي على کفاءة إزالة المتطلب الکيميائي للأوکسجين (COD).
(3تقييم تأثير تغير مستوى الترکيز الابتدائي للمتطلب الکيميائي للأوکسجين (COD) على کفاءة الإزالة.
الثوابت والمتغيرات:
نظراً لکثرة العوامل وتداخلها أثناء عملية التخثير الکهربائي التي تؤثر بالتالي على عملية إزالة الملوثات المتناولة بالبحث فقد تم تثبيت المتغيرات الآتية:
تثبيت درجة حرارة مياه الفضلات الداخلة لحوض التخثير الکهربائي بمقدار (20) درجة مئوية, نوع النظام المستخدم هو الجريان المستمر Continuous reactor)), حوض التخثير الکهربائي ذي سعة (2)لتر وبأبعاد20) ×10×10) سم, سبعة أقطاب کهربائية تتکون من صفائح من الألمنيوم بنقاوة (98%)تقريباً (أربعة أقطاب کهربائية للقطب السالب وثلاثة أقطاب کهربائية للقطب الموجب(, المساحة الفعالة للأقطاب الموجبة مقدارها (816) سم2 بابعاد 8)×17) سم, وبذلک تکون نسبة المساحة السطحية للأقطاب إلى الحجم (40.8) م2/م3 وهي تقع ضمن الحدود 6.9)(43- م2/م3 والتي أشار ٳليها [13], تثبيت المسافة بين الأقطاب الکهربائية بمقدار (1)سم,2],[8اعتماد أسلوب الربط الکهربائي على التوازي للأقطاب الکهربائية في حوض التخثير, تم اعتماد قيمة الأس الهيدروجيني ضمن الحدود الطبيعية للفضلات المصنعة بعد إضافة المواد لتصنيع الفضلات بحدود.(7.5- 7.8).
أما بالنسبة للمتغيرات التي تم دراسة تأثيرها خلال البحث هي:
استخدام أربعة أزمنة للتخثير الکهربائي (1.5, 5, 10, 20) دقيقة, استخدام خمس قيم للتيار الکهربائي في عملية التخثير الکهربائي 0.25), 0.5, 1, 2, 4) أمبير بکثافة تيار 3.06), 6.13, 12.25, 24.51, 49.02) أمبير/م2, استخدام اربع مستويات من ترکيز الشائبة الأبتدائية للمتطلب الکيميائي للأوکسجين مقدارها )125, 250, 500, (1000 ملغم \لتر.
وتم تقييم کفاءة الإزالة من خلال استخدام المعادلة الآتية:
کفاءة الإزالة = (الترکيز الابتدائي للشائبة – ترکيز الشائبة بعد المعالجة / الترکيز الابتدائي للشائبة ) ×100.
مياه التغذية المصنعة مختبرياً:
لإمکانية السيطرة على خصائص المياه الخام الداخلة إلى المنظومة تم تهيئة مياه فضلات مصنعة مختبرياً للحصول على التراکيز الابتدائية من الشوائب قيد الدراسة وفي هذا السياق
تم تبني استخدام مسحوق الحليب الجاف کمصدر فضلات للمادة العضوية الداخلة للمنظومة [7, 14].
تفاصيل الأنموذج المختبري:
تم تصميم أربع منظومات تتضمن کل منها حوض التخثير الکهربائي بحجم ثابت (2) لتر وحوض التلبيد وحوض الترسيب التي تکون بأبعاد مختلفة مصممة وفقاً لزمن التخثير الکهربائي, ولأجل مقاربة عمل الأحواض الاختبارية لواقع الحال فقد تم خلال البحث اعتماد أسلوب الجريان المستمر في تشغيل المفاعلات الاختبارية, وللسيطرة على تصريف مياه الفضلات الداخلة إلى هذه الأحواض تم الحفاظ على شحنة ثابتة لمياه الفضلات ضمن حوض التجهيز الرئيس ويوضح الشکل (2) المخطط الانسيابي للمحطة المختبرية.
|
مياه الفضلات المعالجة |
حوض
|
Power supply
|
|
A |
|
Power supply + - + - |
|
V |
الطفح
|
V |
|
A |
cm10 cm h
cm 20 L cm L cm
خزان التغذية حوض التخثير الکهربائي حوض التلبيد حوض الترسيب
شکل (2): يوضح المخطط الانسيابي للمنظومة المختبرية.
تم تصميم حوض التلبيد اعتماداًعلى زمن تلبيد (30) دقيقة والذي يقع ضمن المدى 30)-60) دقيقة [15]وتدرج سرعي (G=50 ثا-1)الذي يقع ضمن المدى (100-50) ثا-1 [15] أو ضمن المدى(65-25) ثا-1 [16] ثابتين ، وأما حوض الترسيب فتم تصميمه اعتماداً على معدل الحمل السطحي 30 = SOR) م3\م2\يوم) طبقَاَ للمعايير التصميمية (50 -30) م3\م2\يوم [15], کما تم حساب رقم رنولد (20000>[17] (Re ورقم فرودب ((Fr>10-5 [17]. ويوضح جدول (1) وجدول (2) أبعاد أحواض التلبيد والترسيب لأزمنة التخثير الکهربائي المعتمدة على الترتيب.
جدول (1): يوضح أبعاد وتفاصيل أحواض التلبيد.
|
زمن التخثير الکهربائي (min) |
التصريف Q (cm3/s) |
زمن التلبيد t (min) |
الطول L (cm) |
العرض w (cm) |
الإرتفاع h (cm) |
Power P (W) |
عدد الدورات N (rpm) |
أبعاد المازجة (cm) |
|
1.5 |
22.222 |
32 |
35 |
35 |
35 |
0.1074 |
32 |
18×3 |
|
5 |
6.667 |
30 |
23 |
23 |
23 |
0.0305 |
42 |
12×2 |
|
10 |
3.333 |
34 |
19 |
19 |
19 |
0.0172 |
47 |
10×1.7 |
|
20 |
1.667 |
34 |
15 |
15 |
15 |
0.0085 |
54 |
8×1.3 |
جدول (2): يوضح أبعاد وتفاصيل أحواض الترسيب.
|
زمن التخثير الکهربائي (min) |
التصريف Q (cm3/s) |
زمن الترسيب min)) |
الطول L (cm) |
العرض w (cm) |
الارتفاع h (cm) |
رقم رينولد Re |
رقم فرويد Fr |
|
1.5 |
22.222 |
13 |
45 |
15 |
25 |
34.291 |
3.78×10-4 |
|
5 |
6.667 |
7 |
24 |
8 |
14 |
18.449 |
5.08×10-4 |
|
10 |
3.333 |
5 |
18 |
6 |
10 |
12.749 |
5.61x10-4 |
|
20 |
1.667 |
3 |
12 |
4 |
7 |
9.254 |
7.18x10-4 |
المراحل التشغيلية للمفاعلات الاختبارية:
(1يتم ضبط التصريف عند کل زمن تخثير کهربائي, کما يتم ضبط عدد دورات المزج في حوض التلبيد و درجة الحرارة عند (20)م0 بعد ذلک يتم إتباع الخطوات الأتية عند کل تجربة:
(2 يتم إضافة مسحوق الحليب الى حوض التغذية للوصول إلى المتطلب الکيميائي المطلوب مع المحافظة على عملية المزج داخل هذا الحوض طيلة مدة التجربة لمنع الترسيب داخل الحوض.
(3تربط صفائح الألمنيوم على التوازي إلى جهاز (Power SupplyDC) (A10 ,100 V) کما هو موضح بالشکل (2) ضمن حوض التخثير الکهربائيويتم امرار التيار الکهربائي وحسب القيم المثبتة وتؤخذ قيم الفولتية من الجهاز عند کل تيار.
(4بعد انتهاء زمن المعالجة الذي يشمل (زمن التخثير الکهربائي + زمن التلبيد + زمن الترسيب + زمن استقرار المعالجة) يتم أخذ النماذج المعالجة لقياس ال((COD, وبعد کل تجربة يتم إزالة الترسبات عن سطوح الأقطاب بوضع الأقطاب في محلول حامض الهيدروکلوريک HCL)) المخفف بنسبة حجمية (5%) لمدة لاتقل عن (15) دقيقة ثم تغسل بالماء قبل البدء بالتجربة التالية [18].
(5تعاد الخطوات على قيمة أخرى للتيار الکهربائي وهکذا في بقية التجارب.
(6عند الانتهاء من جميع قيم التيار المثبتة لمستوى الترکيز المعينة من (COD) يتم تغيير مستوى التراکيز إلى مستوى آخر وتعاد الخطوات ذاتها.
تم إعادة کل فحص ثلاث مرات وأخذ المعدل.
|
حوض الترسيب |
|
حوض التخثير حوض التخثير |
|
حوض التلبيد |
شکل (3): صورة توضح احدى منضومات العمل
النتائج والمناقشة:
(1تأثير زمن التخثير والتيار الکهربائي على کفاءة إزالة المتطلب الکيميائي للأوکسجين (COD)
تبين الأشکال من (4) إلى (7) تأثير تغاير زمن التخثير الکهربائي و التيار الکهربائي المسلط على کفاءة إزالة (COD) لمستويات تراکيز (COD) الابتدائية المشمولة بالدراسة (125, 250, 500,1000 ) ملغم/لتر على التوالي.
شکل :(4) تأثير تغير زمن التخثير والتيار الکهربائي على کفاءة إزالة COD لمستوى ترکيز ابتدائي من COD 125(ملغم/لتر).
شکل:(5) تأثير تغير زمن التخثير والتيار الکهربائي على کفاءة إزالة COD لمستوى ترکيز ابتدائي من COD 250(ملغم/لتر(.
شکل (6): تأثير تغير زمن التخثير والتيار الکهربائي على کفاءة إزالة COD لمستوى ترکيز ابتدائي من COD 500(ملغم/لتر(.
شکل (7): تأثير تغير زمن التخثير والتيار الکهربائي على کفاءة إزالة COD لمستوى ترکيز ابتدائي من COD 1000( ملغم/لتر(.
نلحظ من هذه الأشکال أن کفاءة الإزالة تزداد مع زيادة زمن التخثير الکهربائي لجميع المستويات الابتدائية من COD وعند قيم للتيار الکهربائي 0.25), 0.5, 1,(2 أمبير. فمثلا عند مستوى COD ابتدائي (125) ملغم/لتر ولزمن تخثير کهربائي مقداره (1.5) دقيقة وتيار مقداره (2) أمبير کانت کفاءة الإزالة % (54.1) کما هو موضح في شکل (4) وعند زيادة زمن التخثير الکهربائي الى (20) دقيقة فإن کفاءة الإزالة زادت إلى (99) %عند قيمة التيار نفسه.
وتبين الأشکال السابقة أنه مع زيادة التيار الکهربائي من 0.25) إلى (2 أمبير وثبات زمن التخثير الکهربائيتزداد کفاءة إزالة COD للمستويات الابتدائية کافة من COD وللأزمنة جميعها, على سبيل المثال عند زمن تخثير مقداره 20)) دقيقة زادت نسب الإزالة من (64.5, 57.2,56.9 , (35.1% إلى (99, 93, 91, (72% عند زيادة التيار من 0.25) إلى (2 أمبير لتراکيز COD ابتدائية 125), 250, 500,1000 ( ملغم/لتر على التوالي.
ويمکن تعليل زيادة کفاءة الإزالة مع زيادة کل من زمن التخثير الکهربائي و/أو التيار الکهربائيإلى زيادة تحرر أيون الألمنيوم من القطب الموجب وبالتالي زيادة ترکيز نواتج التحلل للألمنيوم وأهمها راسب هيدروکسيد الألمنيوم Al(OH)3 (ويساعد في تکون هذا الراسب تحرر ايون الهيدروکسيد من القطب السالب) (معادلة (4) و(5) و(6)) ٳذيعتبر هذا الراسب المسؤول الأول عن إمتزاز المواد العضوية الذائبة فضلاً عن دوره في إزالة الغرويات العضوية غير الذائبة من خلال آلية الکسح (Sweep) [8,10].
إن کثافة الأيونات المتحررة تعتمد على الوقت والتيار, وتتناسب طردياً معهما حسب قانون فراداي [19] فضلاً عن عامل زيادة کثافة أيون الالمنيوم تولد فقاعات غازي الهيدروجين والأوکسجين المنبعثة من الأقطاب السالبة والموجبة (معادلة ((2 و((4) مما يؤدي إلى إزالة الملوثات بتأثير التعويم في حوض التخثير الکهربائي, وهي ميزة خاصة بعملية التخثير الکهربائي تندمج فيها الإزالة الکيميائية مع الإزالة بالتعويم [10,19] وهذا ماتمت ملاحظته عملياً في حوض التخثير الکهربائي.
ونلحظ عبر الأشکال السابقة أن کفاءة الإزالة تبدأ بالاضطراب بين الزيادة والنقصان عند التيارات العالية الأکثر من (2) أمبير يمکن تعليل السبب في ذلک إلى أن التيارات العالية تؤدي الى زيادة معدل تحرر فقاعات غازي الهيدروجين والأوکسجين عند القطبين السالب والموجب على التوالي التي تعمل بدورها على ٳزالة سريعة لهيدروکسيد الألمنيوم من المحلول بتأثير التعويم[4, 19] وهذا ما يؤدي إلى تقليل کفاءة عملية التلبيد اللاحقة وأيضاً من خلال الملاحظة العملية فإن کثافة الرغوة المتکونة أدت إلى التقليل من حجم حوض التخثير الکهربائي. أضف إلى ذلک ارتفاع درجة الحرارة في المفاعل [19].
2) تأثير الترکيز الابتدائي للمتطلب الکيميائي للأوکسجين على کفاءة الإزالة
توضح الأشکال (8)و (9) و(10) و(11) و(12) تأثير الترکيز الابتدائي للمتطلب الکيميائي للأوکسجين (COD) على کفاءة الإزالة لمستويات التراکيز الابتدائية المشمولة بالدراسة (125, 250, 500, (1000 ملغم/لتر على التوالي.
شکل (8): تأثير تغير الترکيز الابتدائي من COD على کفاءة الإزالة لتيار مقداره 0.25) أمبير(.
شکل (9): تأثير تغير الترکيز الابتدائي من COD على کفاءة الإزالة لتيار مقداره 0.5) أمبير(.
شکل (10): تأثير تغير الترکيز الابتدائي من COD على کفاءة الإزالة لتيار مقداره ( 1أمبير).
شکل (11): تأثير تغير الترکيز الابتدائي من COD على کفاءة الإزالة لتيار مقداره 2) أمبير(.
شکل ((12: تأثير تغير الترکيز الابتدائي من COD على کفاءة الإزالة لتيار مقداره 4) أمبير).
نلحظ عبر الأشکال السابقة أن الزيادة في الترکيز الابتدائي للمتطلب الکيميائي للاوکسجينمن 125)إلى (1000ملغم/لتر عند زمن تخثير و تيار کهربائي ثابت ينتج عنه تقليل في کفاءة الإزالة عند جميع أزمنة التخثير الکهربائي ولکل قيم التيار المار, على سبيل المثال, عند زمن تخثير (1.5) دقيقة و تيار (2) أمبير کانت کفاءة الإزالة (54.1)% لتراکيز داخلة (125) ملغم/لتر وانخفضت إلى (31)% لترکيز داخلة1000) ) ملغم/لتر کما موضح في شکل (11), والسبب في ذلک يعود إلى نفاد سعة هيدروکسيد الألمنيوم في امتزاز المادة العضوية الذائبة مع عدم کفاية نواتج التحلل الأخرى في تخثير الکمية الزائدة من الغرويات العالقة.
الاستنتاجات:
1.زيادة کفاءة إزالة المتطلب الکيميائي للأوکسجينCOD مع زيادة زمن التخثير الکهربائي و/أو مع زيادة التيار الکهربائي عند قيم تيار کهربائي من 0.25) إلى 2( أمبير وعند المستويات الابتدائية کافة من COD.
2. لوحظ أن نسبة إزالة المتطلب الکيميائي للأوکسجينCOD تنخفض مع زيادة الترکيز الابتدائي.
3. أعلى کفاءة إزالة تم الحصول عليها لتراکيز ابتدائية من COD (125, 250, 500, (1000 ملغم/لتر کانت 99), 93, 91,72 (% على التوالي, ٳذ تحققت هذه النسب عند تيار کهربائي (2) أمبير وزمن تخثير کهربائي ( 20دقيقة(.
4.عملية التخثير الکهربائي غير کفوءة عند التيارات العالية أکثر من (2) أمبير في إزالة المتطلب الکيميائي للأوکسجين COD)).
التوصيات:
1.دراسة تأثير عملية التخثير الکهربائي على إزالة ملوثات أخرى وباستخدام متغيرات أخرى.
2.استخدام أقطاب کهربائية من مواد أخرى کالحديد وغيره وعمل مقارنة بينها.
المصادر:
1) Al-Bayati S.M. Q. (2007), "An Investigation to Use Electrocoagulation in the Treatment of Municipal Wastewater of Al-Rustimya Treatment Plant", M.Sc. Thesis, University Of Technology, Department Of Building And Construction Engineering, Baghdad-Iraq.
2) Li X., Song J., Guo J., Wang Z. and Feng Q. (2011), "Landfill Leachate Treatment Using Electrocoagulation", Procedia Environmental Sciences 10, 1159-1164.
3) Holt P., Barton G. and Mitchell C. (1999), "Electrocoagulation As Wastewater Treatment", The Third Annual Australian Environmental Engineering Research Event. 23-26 November Castlemaine, Victoria.
4) Bayar S., Yildiz Y. Ş., Yilmaz A. E. and Irdemez Ş. (2011), "The Effect of Stirring Speed and Current Density on Removal Efficiency of Poultry Slaughterhouse Wastewater by Electrocoagulation Method", Desalination 280, 103-107.
5) Chaturvedi S.I. (2013), "Electrocoagulation: Anovel Waste Water Treatment Method", International Journal of Modern Engineering Research (IJMER), Vol.3, Issue 1, pp – 93 – 100.
6) Casilla H. A. M., Cocke D. L., Gomes J. A.G., Morkovsky P., Parga J.R. and Peterson E. (2007), "Electrocoagulation Mechanism for COD Removal", Separation and Purification Technology 56, 204-211.
7) Tchamango S., Njiki C. P. N., Ngameni E., Hadjiev D. and Darchen A. (2010), "Treatment of Dairy Effluents by Electrocoagulation Using Aluminium Electrodes", Science of the Total Environment 408, 947-952.
8) Akyol A. (2012), "Treatment of Paint Manufacturing Wastewater by Electrocoagulation", Desalination 285, 91-99.
9) Al-Annaz L.A-A.(2014), "Removal of Sulfate Ion Pollutant From Simulated Ground Water Using Electrocoagulation Technique", PhD Thesis, The College Of Engineering, University Of Baghdad
10) Wei F. J., Bing S. Y., Zheng Z., Biao Z. J., Shu L. and Chun T. Y. (2007), "Treatment of Tannery Wastewater by Electrocoagulation", Journal of Environmental Sciences 19, 1409-1415.
11) Un U. T., Koparal A. S. And Ogutveren U. B. (2009), "Electrocoagulation of Vegetable Oil Refinery Wastewater Using Aluminum Electrodes", Journal of Environmental Management 90, 428 - 433
12) Rincon G.(2011), "Kineticsof the electrocoagulation of oil and grease", University of New Orleans Theses and Dissertation, paper 131.
13) Holt P. (2002), "Electrocoagulation: Unravelling and Synthesising the Mechanisms Behind a Water Treatment Process", PhD thesis, University of Sydney.
14) Ni ̓am M. F., Othman F., Sohaili J. and Fauzia Z. (2007), "Electrocoagulation Technique in Enhancing COD and Suspended Solids Removal to Improve Wastewater Quality", Water Science & Technology Vol 56, No 7, pp 47-53.
15) Metcalf and Eddy, Inc. (2003), "Wastewater Engineering Treatment and Reuse", 4th ed., McGaw-Hill, Inc., New York.
16) Steel E. W. and McGhee T. J. (1979), "Water Supply and Sewerage", FIFTH EDITION, McGRAW-HILL KOGAKUSHA, LTD.
17) Davis Mackenzie L., Ph.D., P.E., BCEE (2010), "Water and Wastewater Engineering: Design Principles and Practice", The McGraw – Hill Companies.
18) Phalakornkule C., Mangmeemak J., Intrachod K. and Nuntakumjorn B. (2010), "Pretreatment of Palm Oil Mill Effluent by Electrocoagulation and Coagulation", Science Asia 36, 142 – 149.
19) Katal R. and Pahlavanzadeh H. (2011), "Influence of Different Combinations of Aluminum and Iron Electrode on Electrocoagulation Efficiency: Application to the Treatment of Paper Mill Wastewater", Desalination 265, 199-205.
Use of Electrocoagulation Technology in Removal of Chemical Oxygen Demand (COD) from Wastewater Effluent
Musab A-J. Abdal-Baqi1 Thura A. A. Al-Hamdany2
1Dep.of Environment, College of Engineering, University of Mosul, Iraq
2 Dep. of Civil- Environment, College of Engineering, University of Mosul, Iraq
alhamdany.thura95@yahoo.com
In this research, The effect of using electrocoagulation technology in removal the organic material (COD), from wastewater is practiced. Continuous flow of electrocoagulation in experimental system was designed and turned on. It consists of electrocoagulation reactor with constant volume (2L), flocculation basin and sedemintation basin with different volumes, there is a change in the flow rate with the change in detention time of electrocoagulation. Aluminum plates were used for both electrodes. The studied parameters in the research are the primary concentration of the pollutant, detention time of electrocoagulation and current that pass through electrodes. Synthetic wastewater samples were used with concentration of COD (125, 250, 500,1000) mg/l. at current (0.25, 0.5, 1, 2, 4) A and detention time is (1.5, 5, 10, 20) min .Experiment results show that increase the removal efficiency COD with increase of the current from (0.25 to 2) A and/or detention time for all the initial levels, Low concentrations showed more response than high concentrations in the removal process. The maximum removal efficiency reached (99, 93, 91, 72)% with initial concentration (125, 250, 500, 1000) mg/l respectively. The maximum removal occurred at current (2) A, detention time (20) min. and the results found that this technique not efficient at high current (4) A.
Key word: Electrocoagulation- COD removal- Aluminum electrodes- Wastewater treatment
Keywords
استخدام تقنية التخثير الکهربائي في إزالة المتطلب الکيميائي للاوکسجيـن COD)) من مطروحات مياه الفضلات
أ. م/ مصعب عبد الجبار عبد الباقي1 ذرى عزام عبد الحمداني2
1قسم البيئة, کلية الهندسة, جامعة الموصل, العراق musabaltamir@yahoo.com
2القسم المدني- البيئة, کلية الهندسة, جامعة الموصل, العراق lhamdany.thura95@yahoo.com
الملخص العربي :
تمفيهذاالبحثدراسةتأثيراستخدامتقنيةالتخثيرالکهربائيفيإزالةالمادةالعضوية (COD) من مياه الفضلات,إذتمتصميموتشغيلنظامتخثيرکهربائيمختبريذيجريانمستمريتکونمنحوضتخثيرکهربائيبحجمثابت (2) لتروحوضتلبيدوحوضترسيببأحجاممختلفةتتغايرمعتغايرالتصريفالناتجمنتغيرزمنالتخثير الکهربائي,واستخدمتمادةالألمنيوملکلاالقطبين. اما متغيراتالبحث فشملتالترکيزالابتدائيللشائبةوزمنالتخثير کهربائيوالتيارالمستمرالذييمرخلالالأقطابالکهربائية,إذتمتحضيرنماذجمصنعةمختبرياًمنمياهالفضلاتبتراکيزمنCOD 125), 250,500 ,1000) ملغم/لتر, وإخضاعهالمستوياتمنالتيار0.25) , 0.5, 1, 2,4)أمبير, وزمنتخثير 1.5), 5, 10,20) دقيقة. أظهرتالنتائجزيادةکفاءةٳزالة ال COD معزيادةالتيارمن 0.25) إلى (2 أمبير, ومعزيادةزمنالتخثيرللمستوياتالابتدائيةکافة, وابدت التراکيز المنخفضة استجابة اکثر من التراکيز العالية في عملية الإزالة.أعلىکفاءةإزالةتمالحصولعليهالتراکيزابتدائية (125, 250,500,1000) ملغم/لترکانت (99, 93, 91,72)% علىالتوالي,إذتحققتهذهالنسبعندتيار (2) أمبيروزمنتخثير (20) دقيقة,ووجدمنالنتائجأنهذهالتقنيةغيرکفوءةعندالتياراتالعالية (4) أمبير.
الکلمات الدالة:التخثير الکهربائي- إزالة COD- أقطاب الألمنيوم- معالجة مياه الفضلات
المقدمة:
مع زيادة الطلب على الماء بسبب زيادة الکثافة السکانية والتطور في مرافق المجتمع المختلفة والاستخدامات المدنية والصناعية الکثيرة للماء تزداد الحاجة إلى معالجة مياه الفضلات للتقليل من تراکيز الملوثات الموجودة فيها لکبح تأثيراتها على مصادر الماء الخام أو لإعادة استخدامها مرة أخرى, اذ أُبتکرت طرائق کثيرة لمعالجة مياه الفضلات المنزلية والصناعية والتي تتضمن عمليات بيولوجية وفيزيائية وکيميائية مجتمعة أو منفردة تتراوح بين التعقيد والتبسيط.
ومن أهم طرائق معالجة المياه ومياه الفضلات عملية التخثير بإضافة مواد کيميائية لإزالة کثير من الشوائب الموجودة في مياه الفضلات, ومن المعلوم أن إضافة هذه المواد يضيف شوائب أخرى جديدة الى الماء المعالج, وللتقليل من هذه المواد ومن جرعة المخثر الفعال المضافة وجعلها بالکمية الفعالة قدر الامکان استحدثت تقنية التخثير الکهربائي لتوفر فضلاً عن ذلک کفاءة الأداء العالية, وسهولة التشغيل, وکلفة المعالجة لإزالة شوائب کثيرة [1, 2].
أول استفادة من تقنية التحليل الکهربائي للمعدن ظهرت مع التعرف على التيار الکهربائي لکن کان استخدامها محدداً في طلاء المعادن, وفي سنة 1889 ظهرت أول محطة معالجة تستخدم التحليل الکهربائي في معالجة مياه الفضلات في لندن ولم يتم الاعتراف بالطريقة کطريقة معتمدة في معالجة مياه الفضلات إلا في سنة 1909, لکن بقي استخدامها على نطاق ضيق حتى عقد التسعينيات من القرن الماضي ٳذ تطورت منذ ذلک الوقت وانتشرت على نحو متزايد في أمريکا الجنوبية وأوروبا وأمريکا الشمالية في معالجة مياه الفضلات المدنية وکثير من الصناعات لإزالة کثير من الشوائب الموجودة من مياه الفضلات, ٳلا أن المتغيرات التشغيلية والأساليب المتبعة في المعالجة بهذه الطريقة لاتزال قيد البحث والدراسة حتى الوقت الحاضر [3, 4,5].
وتعتبر آلية التخثير الکهربائي من التقنيات الکهروکيميائية التي تتضمن ربط الأقطاب الکهربائية الموجبة والسالبة المغمورة في مياه الفضلات بمصدر تيار کهربائي مستمر الذي يعتبر المسؤول عن انحلال القطب الموجب للمعدن ليطلق أيون المعدن (المخثر( موقعياً عن هذا القطب الموجب المصنوع عادة من مادة الألمنيوم أو الحديد, وفي الوقت نفسه تتحرر أيونات الهيدروکسيد وغاز الهيدروجين عند القطب السالب, وبالتالي تشارک في تکون هيدروکسيد المعدن وغيرها من نواتج التحلل المسؤولة عن عملية التخثير مع أيون المعدن في حين يبرز دور غاز الهيدروجين في إضافة ميکانيکية التعويم للبادات المتکونة في حوض التخثير بهذه الطريقة 6],7].
ومن أهم الشوائب الموجودة في مياه الفضلات الحمل العضوي متمثلاً بالمتطلب الکيميائي للأوکسجين (COD) المسؤول الأول عن استنزاف الأوکسجين من المسطحات المائية, وبالتالي التأثير على الحياة المائية وقيمة المصدر المائي الجمالية والوظيفية من هنا ظهرت الحاجة إلى دراسة تأثير تقنية التخثير الکهربائي على إزالة هذا النوع من الشوائب من مياه الفضلات من خلال أنموذج مختبري ذو جريان مستمر متضمناً فضلاً عن عملية التخثير الکهربائي عمليتي التلبيد والترسيب وهو مايمثل هوة في الدراسات السابقة .
نظرية التخثير الکهربائي:
تتلخص عملية التخثير الکهربائي على تطبيق مصدر تيار کهربائي مستمر بين الأقطاب المعدنية المغمورة في مياه الفضلات، التي غالباً تکون عبارة عن ألواح أو قضبان من الألمنيوم أو الحديد, فعند القطب الموجب يسبب التيار الکهربائي المار حدوث عملية أکسدة (انحلال الأقطاب المعدنية الموجبة( الذي يؤدي إلى انبعاث الأيون المعدني الموجب, أما عند القطب السالب فتحدث عملية اختزال, والذي ينتج عنها انبعاث غاز الهيدروجين وأيون الهيدروکسيد يعقب ذلک اتحاد الأيون المعدني الموجب مع أيون الهيدروکسيد لتشکيل المخثر (هيدروکسيد المعدن(.
يمکن تلخيص التفاعلات التالية خلال عملية التحليل الکهربائي:
عند القطب الموجب
عند القطب السالب
أيونات M وOH- المتولدة (معادلة1 (و ((4) تتفاعل لتشکيل أنواع مختلفة منmonomeric) ) و polymeric)) التي تتحول بالنهاية الى M(OH)3 وفقاً لحرکيات الترسيب المعقدة 8], 9].
في حالة استخدام أقطاب کهربائية من الألمنيوم وخلال مرور التيار الکهربائي تحدث تفاعلات رئيسة تتحرر خلالها أيونات الألمنيوم ((Al+3 وأيونات الهيدروکسيد (OH-) (معادلة (4) و5) )) [10]:
عند القطب الموجب
فضلاً عن حدوث تفاعلات ثانوية عند القطب الموجب أهمها انبعاث غاز الاوکسجين (معادلة (2)
في المحلول
أيونات الألمنيوم المتولدة سوف تمر بردود أفعال تلقائية أخرى لانتاج العديد من أنواعmonomeric) ) مثل Al(OH)2+, Al(OH)2+ وAl(OH)4- او أنواع (polymeric) مثل Al2(OH)24 ,Al6(OH)153+ ,Al7(OH)174+ , Al8(OH)204+,Al13O4(OH)247+, Al13(OH)345+, معدل تشکيل هذه الأنواع المختلفة يعتمد على pH للوسط المائيوأنواع الأيونات الموجودة عند قيم pH تتراوح بين (5-6) منتجان التميئ السائدة Al(OH)2+ وAl(OH)2+وعند pH تتراوح بين (5.2 -8.8 ) يتکون Al(OH)3 الصلب المسؤول عن تکون اللبادات خلال عملية التخثير الکهربائي وفوق pH تساوي (9) يتشکل Al(OH) القابل للذوبان الذي لايؤثر على إزالة الملوثات 8], 9, 11 [.
هيدروکسيد المعدن Al(OH)3 المتکون خلال عملية التخثير الکهربائي يملک مساحة سطحية کبيرة أو بمعنى آخر له خصائص امتزاز عالية, إذ يعمل على امتزاز المرکبات العضوية الذائبة وأنواع مختلفة من الشوائب إضافة إلى أن له القدرة على زعزعة الغرويات الموجودة في المياه ومياه الفضلات مکونة أخيراً اللبادات, هذه اللبادات تزال بسهولة من المحلول المعالج عن طريق الترسيب الذي يعتبر الخيار الشائع في عملية التخثير الکهربائي إضافة إلى إزالتها بالتعويم إلى سطح المحلول من قبل غازي الهيدروجين المتحرر عند القطب السالب والأوکسجين المتحرر عند القطب الموجب (معادلة (2) و(4)), علماً أن الغازين ينتجان من تحلل الماء کهربائياً بالقرب من کلا اللوحين 8], 10].
يوضح الشکل (1) مفاعل خلية التخثير الکهربائي مع التفاعلات الحاصلة داخله.
شکل :(1) يوضح التفاعلات التي تتم خلال عملية التخثير الکهربائي [12]
أهداف البحث:
(1تقييم تأثير تغير زمن التخثير الکهربائي على کفاءة إزالة المتطلب الکيميائي للأوکسجين (COD).
(2تقييم تأثير تغير شدة التيار الکهربائي على کفاءة إزالة المتطلب الکيميائي للأوکسجين (COD).
(3تقييم تأثير تغير مستوى الترکيز الابتدائي للمتطلب الکيميائي للأوکسجين (COD) على کفاءة الإزالة.
الثوابت والمتغيرات:
نظراً لکثرة العوامل وتداخلها أثناء عملية التخثير الکهربائي التي تؤثر بالتالي على عملية إزالة الملوثات المتناولة بالبحث فقد تم تثبيت المتغيرات الآتية:
تثبيت درجة حرارة مياه الفضلات الداخلة لحوض التخثير الکهربائي بمقدار (20) درجة مئوية, نوع النظام المستخدم هو الجريان المستمر Continuous reactor)), حوض التخثير الکهربائي ذي سعة (2)لتر وبأبعاد20) ×10×10) سم, سبعة أقطاب کهربائية تتکون من صفائح من الألمنيوم بنقاوة (98%)تقريباً (أربعة أقطاب کهربائية للقطب السالب وثلاثة أقطاب کهربائية للقطب الموجب(, المساحة الفعالة للأقطاب الموجبة مقدارها (816) سم2 بابعاد 8)×17) سم, وبذلک تکون نسبة المساحة السطحية للأقطاب إلى الحجم (40.8) م2/م3 وهي تقع ضمن الحدود 6.9)(43- م2/م3 والتي أشار ٳليها [13], تثبيت المسافة بين الأقطاب الکهربائية بمقدار (1)سم,2],[8اعتماد أسلوب الربط الکهربائي على التوازي للأقطاب الکهربائية في حوض التخثير, تم اعتماد قيمة الأس الهيدروجيني ضمن الحدود الطبيعية للفضلات المصنعة بعد إضافة المواد لتصنيع الفضلات بحدود.(7.5- 7.8).
أما بالنسبة للمتغيرات التي تم دراسة تأثيرها خلال البحث هي:
استخدام أربعة أزمنة للتخثير الکهربائي (1.5, 5, 10, 20) دقيقة, استخدام خمس قيم للتيار الکهربائي في عملية التخثير الکهربائي 0.25), 0.5, 1, 2, 4) أمبير بکثافة تيار 3.06), 6.13, 12.25, 24.51, 49.02) أمبير/م2, استخدام اربع مستويات من ترکيز الشائبة الأبتدائية للمتطلب الکيميائي للأوکسجين مقدارها )125, 250, 500, (1000 ملغم \لتر.
وتم تقييم کفاءة الإزالة من خلال استخدام المعادلة الآتية:
کفاءة الإزالة = (الترکيز الابتدائي للشائبة – ترکيز الشائبة بعد المعالجة / الترکيز الابتدائي للشائبة ) ×100.
مياه التغذية المصنعة مختبرياً:
لإمکانية السيطرة على خصائص المياه الخام الداخلة إلى المنظومة تم تهيئة مياه فضلات مصنعة مختبرياً للحصول على التراکيز الابتدائية من الشوائب قيد الدراسة وفي هذا السياق
تم تبني استخدام مسحوق الحليب الجاف کمصدر فضلات للمادة العضوية الداخلة للمنظومة [7, 14].
تفاصيل الأنموذج المختبري:
تم تصميم أربع منظومات تتضمن کل منها حوض التخثير الکهربائي بحجم ثابت (2) لتر وحوض التلبيد وحوض الترسيب التي تکون بأبعاد مختلفة مصممة وفقاً لزمن التخثير الکهربائي, ولأجل مقاربة عمل الأحواض الاختبارية لواقع الحال فقد تم خلال البحث اعتماد أسلوب الجريان المستمر في تشغيل المفاعلات الاختبارية, وللسيطرة على تصريف مياه الفضلات الداخلة إلى هذه الأحواض تم الحفاظ على شحنة ثابتة لمياه الفضلات ضمن حوض التجهيز الرئيس ويوضح الشکل (2) المخطط الانسيابي للمحطة المختبرية.
|
مياه الفضلات المعالجة |
حوض
|
Power supply
|
|
A |
|
Power supply + - + - |
|
V |
الطفح
|
V |
|
A |
cm10 cm h
cm 20 L cm L cm
خزان التغذية حوض التخثير الکهربائي حوض التلبيد حوض الترسيب
شکل (2): يوضح المخطط الانسيابي للمنظومة المختبرية.
تم تصميم حوض التلبيد اعتماداًعلى زمن تلبيد (30) دقيقة والذي يقع ضمن المدى 30)-60) دقيقة [15]وتدرج سرعي (G=50 ثا-1)الذي يقع ضمن المدى (100-50) ثا-1 [15] أو ضمن المدى(65-25) ثا-1 [16] ثابتين ، وأما حوض الترسيب فتم تصميمه اعتماداً على معدل الحمل السطحي 30 = SOR) م3\م2\يوم) طبقَاَ للمعايير التصميمية (50 -30) م3\م2\يوم [15], کما تم حساب رقم رنولد (20000>[17] (Re ورقم فرودب ((Fr>10-5 [17]. ويوضح جدول (1) وجدول (2) أبعاد أحواض التلبيد والترسيب لأزمنة التخثير الکهربائي المعتمدة على الترتيب.
جدول (1): يوضح أبعاد وتفاصيل أحواض التلبيد.
|
زمن التخثير الکهربائي (min) |
التصريف Q (cm3/s) |
زمن التلبيد t (min) |
الطول L (cm) |
العرض w (cm) |
الإرتفاع h (cm) |
Power P (W) |
عدد الدورات N (rpm) |
أبعاد المازجة (cm) |
|
1.5 |
22.222 |
32 |
35 |
35 |
35 |
0.1074 |
32 |
18×3 |
|
5 |
6.667 |
30 |
23 |
23 |
23 |
0.0305 |
42 |
12×2 |
|
10 |
3.333 |
34 |
19 |
19 |
19 |
0.0172 |
47 |
10×1.7 |
|
20 |
1.667 |
34 |
15 |
15 |
15 |
0.0085 |
54 |
8×1.3 |
جدول (2): يوضح أبعاد وتفاصيل أحواض الترسيب.
|
زمن التخثير الکهربائي (min) |
التصريف Q (cm3/s) |
زمن الترسيب min)) |
الطول L (cm) |
العرض w (cm) |
الارتفاع h (cm) |
رقم رينولد Re |
رقم فرويد Fr |
|
1.5 |
22.222 |
13 |
45 |
15 |
25 |
34.291 |
3.78×10-4 |
|
5 |
6.667 |
7 |
24 |
8 |
14 |
18.449 |
5.08×10-4 |
|
10 |
3.333 |
5 |
18 |
6 |
10 |
12.749 |
5.61x10-4 |
|
20 |
1.667 |
3 |
12 |
4 |
7 |
9.254 |
7.18x10-4 |
المراحل التشغيلية للمفاعلات الاختبارية:
(1يتم ضبط التصريف عند کل زمن تخثير کهربائي, کما يتم ضبط عدد دورات المزج في حوض التلبيد و درجة الحرارة عند (20)م0 بعد ذلک يتم إتباع الخطوات الأتية عند کل تجربة:
(2 يتم إضافة مسحوق الحليب الى حوض التغذية للوصول إلى المتطلب الکيميائي المطلوب مع المحافظة على عملية المزج داخل هذا الحوض طيلة مدة التجربة لمنع الترسيب داخل الحوض.
(3تربط صفائح الألمنيوم على التوازي إلى جهاز (Power SupplyDC) (A10 ,100 V) کما هو موضح بالشکل (2) ضمن حوض التخثير الکهربائيويتم امرار التيار الکهربائي وحسب القيم المثبتة وتؤخذ قيم الفولتية من الجهاز عند کل تيار.
(4بعد انتهاء زمن المعالجة الذي يشمل (زمن التخثير الکهربائي + زمن التلبيد + زمن الترسيب + زمن استقرار المعالجة) يتم أخذ النماذج المعالجة لقياس ال((COD, وبعد کل تجربة يتم إزالة الترسبات عن سطوح الأقطاب بوضع الأقطاب في محلول حامض الهيدروکلوريک HCL)) المخفف بنسبة حجمية (5%) لمدة لاتقل عن (15) دقيقة ثم تغسل بالماء قبل البدء بالتجربة التالية [18].
(5تعاد الخطوات على قيمة أخرى للتيار الکهربائي وهکذا في بقية التجارب.
(6عند الانتهاء من جميع قيم التيار المثبتة لمستوى الترکيز المعينة من (COD) يتم تغيير مستوى التراکيز إلى مستوى آخر وتعاد الخطوات ذاتها.
تم إعادة کل فحص ثلاث مرات وأخذ المعدل.
|
حوض الترسيب |
|
حوض التخثير حوض التخثير |
|
حوض التلبيد |
شکل (3): صورة توضح احدى منضومات العمل
النتائج والمناقشة:
(1تأثير زمن التخثير والتيار الکهربائي على کفاءة إزالة المتطلب الکيميائي للأوکسجين (COD)
تبين الأشکال من (4) إلى (7) تأثير تغاير زمن التخثير الکهربائي و التيار الکهربائي المسلط على کفاءة إزالة (COD) لمستويات تراکيز (COD) الابتدائية المشمولة بالدراسة (125, 250, 500,1000 ) ملغم/لتر على التوالي.
شکل :(4) تأثير تغير زمن التخثير والتيار الکهربائي على کفاءة إزالة COD لمستوى ترکيز ابتدائي من COD 125(ملغم/لتر).
شکل:(5) تأثير تغير زمن التخثير والتيار الکهربائي على کفاءة إزالة COD لمستوى ترکيز ابتدائي من COD 250(ملغم/لتر(.
شکل (6): تأثير تغير زمن التخثير والتيار الکهربائي على کفاءة إزالة COD لمستوى ترکيز ابتدائي من COD 500(ملغم/لتر(.
شکل (7): تأثير تغير زمن التخثير والتيار الکهربائي على کفاءة إزالة COD لمستوى ترکيز ابتدائي من COD 1000( ملغم/لتر(.
نلحظ من هذه الأشکال أن کفاءة الإزالة تزداد مع زيادة زمن التخثير الکهربائي لجميع المستويات الابتدائية من COD وعند قيم للتيار الکهربائي 0.25), 0.5, 1,(2 أمبير. فمثلا عند مستوى COD ابتدائي (125) ملغم/لتر ولزمن تخثير کهربائي مقداره (1.5) دقيقة وتيار مقداره (2) أمبير کانت کفاءة الإزالة % (54.1) کما هو موضح في شکل (4) وعند زيادة زمن التخثير الکهربائي الى (20) دقيقة فإن کفاءة الإزالة زادت إلى (99) %عند قيمة التيار نفسه.
وتبين الأشکال السابقة أنه مع زيادة التيار الکهربائي من 0.25) إلى (2 أمبير وثبات زمن التخثير الکهربائيتزداد کفاءة إزالة COD للمستويات الابتدائية کافة من COD وللأزمنة جميعها, على سبيل المثال عند زمن تخثير مقداره 20)) دقيقة زادت نسب الإزالة من (64.5, 57.2,56.9 , (35.1% إلى (99, 93, 91, (72% عند زيادة التيار من 0.25) إلى (2 أمبير لتراکيز COD ابتدائية 125), 250, 500,1000 ( ملغم/لتر على التوالي.
ويمکن تعليل زيادة کفاءة الإزالة مع زيادة کل من زمن التخثير الکهربائي و/أو التيار الکهربائيإلى زيادة تحرر أيون الألمنيوم من القطب الموجب وبالتالي زيادة ترکيز نواتج التحلل للألمنيوم وأهمها راسب هيدروکسيد الألمنيوم Al(OH)3 (ويساعد في تکون هذا الراسب تحرر ايون الهيدروکسيد من القطب السالب) (معادلة (4) و(5) و(6)) ٳذيعتبر هذا الراسب المسؤول الأول عن إمتزاز المواد العضوية الذائبة فضلاً عن دوره في إزالة الغرويات العضوية غير الذائبة من خلال آلية الکسح (Sweep) [8,10].
إن کثافة الأيونات المتحررة تعتمد على الوقت والتيار, وتتناسب طردياً معهما حسب قانون فراداي [19] فضلاً عن عامل زيادة کثافة أيون الالمنيوم تولد فقاعات غازي الهيدروجين والأوکسجين المنبعثة من الأقطاب السالبة والموجبة (معادلة ((2 و((4) مما يؤدي إلى إزالة الملوثات بتأثير التعويم في حوض التخثير الکهربائي, وهي ميزة خاصة بعملية التخثير الکهربائي تندمج فيها الإزالة الکيميائية مع الإزالة بالتعويم [10,19] وهذا ماتمت ملاحظته عملياً في حوض التخثير الکهربائي.
ونلحظ عبر الأشکال السابقة أن کفاءة الإزالة تبدأ بالاضطراب بين الزيادة والنقصان عند التيارات العالية الأکثر من (2) أمبير يمکن تعليل السبب في ذلک إلى أن التيارات العالية تؤدي الى زيادة معدل تحرر فقاعات غازي الهيدروجين والأوکسجين عند القطبين السالب والموجب على التوالي التي تعمل بدورها على ٳزالة سريعة لهيدروکسيد الألمنيوم من المحلول بتأثير التعويم[4, 19] وهذا ما يؤدي إلى تقليل کفاءة عملية التلبيد اللاحقة وأيضاً من خلال الملاحظة العملية فإن کثافة الرغوة المتکونة أدت إلى التقليل من حجم حوض التخثير الکهربائي. أضف إلى ذلک ارتفاع درجة الحرارة في المفاعل [19].
2) تأثير الترکيز الابتدائي للمتطلب الکيميائي للأوکسجين على کفاءة الإزالة
توضح الأشکال (8)و (9) و(10) و(11) و(12) تأثير الترکيز الابتدائي للمتطلب الکيميائي للأوکسجين (COD) على کفاءة الإزالة لمستويات التراکيز الابتدائية المشمولة بالدراسة (125, 250, 500, (1000 ملغم/لتر على التوالي.
شکل (8): تأثير تغير الترکيز الابتدائي من COD على کفاءة الإزالة لتيار مقداره 0.25) أمبير(.
شکل (9): تأثير تغير الترکيز الابتدائي من COD على کفاءة الإزالة لتيار مقداره 0.5) أمبير(.
شکل (10): تأثير تغير الترکيز الابتدائي من COD على کفاءة الإزالة لتيار مقداره ( 1أمبير).
شکل (11): تأثير تغير الترکيز الابتدائي من COD على کفاءة الإزالة لتيار مقداره 2) أمبير(.
شکل ((12: تأثير تغير الترکيز الابتدائي من COD على کفاءة الإزالة لتيار مقداره 4) أمبير).
نلحظ عبر الأشکال السابقة أن الزيادة في الترکيز الابتدائي للمتطلب الکيميائي للاوکسجينمن 125)إلى (1000ملغم/لتر عند زمن تخثير و تيار کهربائي ثابت ينتج عنه تقليل في کفاءة الإزالة عند جميع أزمنة التخثير الکهربائي ولکل قيم التيار المار, على سبيل المثال, عند زمن تخثير (1.5) دقيقة و تيار (2) أمبير کانت کفاءة الإزالة (54.1)% لتراکيز داخلة (125) ملغم/لتر وانخفضت إلى (31)% لترکيز داخلة1000) ) ملغم/لتر کما موضح في شکل (11), والسبب في ذلک يعود إلى نفاد سعة هيدروکسيد الألمنيوم في امتزاز المادة العضوية الذائبة مع عدم کفاية نواتج التحلل الأخرى في تخثير الکمية الزائدة من الغرويات العالقة.
الاستنتاجات:
1.زيادة کفاءة إزالة المتطلب الکيميائي للأوکسجينCOD مع زيادة زمن التخثير الکهربائي و/أو مع زيادة التيار الکهربائي عند قيم تيار کهربائي من 0.25) إلى 2( أمبير وعند المستويات الابتدائية کافة من COD.
2. لوحظ أن نسبة إزالة المتطلب الکيميائي للأوکسجينCOD تنخفض مع زيادة الترکيز الابتدائي.
3. أعلى کفاءة إزالة تم الحصول عليها لتراکيز ابتدائية من COD (125, 250, 500, (1000 ملغم/لتر کانت 99), 93, 91,72 (% على التوالي, ٳذ تحققت هذه النسب عند تيار کهربائي (2) أمبير وزمن تخثير کهربائي ( 20دقيقة(.
4.عملية التخثير الکهربائي غير کفوءة عند التيارات العالية أکثر من (2) أمبير في إزالة المتطلب الکيميائي للأوکسجين COD)).
التوصيات:
1.دراسة تأثير عملية التخثير الکهربائي على إزالة ملوثات أخرى وباستخدام متغيرات أخرى.
2.استخدام أقطاب کهربائية من مواد أخرى کالحديد وغيره وعمل مقارنة بينها.
المصادر:
1) Al-Bayati S.M. Q. (2007), "An Investigation to Use Electrocoagulation in the Treatment of Municipal Wastewater of Al-Rustimya Treatment Plant", M.Sc. Thesis, University Of Technology, Department Of Building And Construction Engineering, Baghdad-Iraq.
2) Li X., Song J., Guo J., Wang Z. and Feng Q. (2011), "Landfill Leachate Treatment Using Electrocoagulation", Procedia Environmental Sciences 10, 1159-1164.
3) Holt P., Barton G. and Mitchell C. (1999), "Electrocoagulation As Wastewater Treatment", The Third Annual Australian Environmental Engineering Research Event. 23-26 November Castlemaine, Victoria.
4) Bayar S., Yildiz Y. Ş., Yilmaz A. E. and Irdemez Ş. (2011), "The Effect of Stirring Speed and Current Density on Removal Efficiency of Poultry Slaughterhouse Wastewater by Electrocoagulation Method", Desalination 280, 103-107.
5) Chaturvedi S.I. (2013), "Electrocoagulation: Anovel Waste Water Treatment Method", International Journal of Modern Engineering Research (IJMER), Vol.3, Issue 1, pp – 93 – 100.
6) Casilla H. A. M., Cocke D. L., Gomes J. A.G., Morkovsky P., Parga J.R. and Peterson E. (2007), "Electrocoagulation Mechanism for COD Removal", Separation and Purification Technology 56, 204-211.
7) Tchamango S., Njiki C. P. N., Ngameni E., Hadjiev D. and Darchen A. (2010), "Treatment of Dairy Effluents by Electrocoagulation Using Aluminium Electrodes", Science of the Total Environment 408, 947-952.
8) Akyol A. (2012), "Treatment of Paint Manufacturing Wastewater by Electrocoagulation", Desalination 285, 91-99.
9) Al-Annaz L.A-A.(2014), "Removal of Sulfate Ion Pollutant From Simulated Ground Water Using Electrocoagulation Technique", PhD Thesis, The College Of Engineering, University Of Baghdad
10) Wei F. J., Bing S. Y., Zheng Z., Biao Z. J., Shu L. and Chun T. Y. (2007), "Treatment of Tannery Wastewater by Electrocoagulation", Journal of Environmental Sciences 19, 1409-1415.
11) Un U. T., Koparal A. S. And Ogutveren U. B. (2009), "Electrocoagulation of Vegetable Oil Refinery Wastewater Using Aluminum Electrodes", Journal of Environmental Management 90, 428 - 433
12) Rincon G.(2011), "Kineticsof the electrocoagulation of oil and grease", University of New Orleans Theses and Dissertation, paper 131.
13) Holt P. (2002), "Electrocoagulation: Unravelling and Synthesising the Mechanisms Behind a Water Treatment Process", PhD thesis, University of Sydney.
14) Ni ̓am M. F., Othman F., Sohaili J. and Fauzia Z. (2007), "Electrocoagulation Technique in Enhancing COD and Suspended Solids Removal to Improve Wastewater Quality", Water Science & Technology Vol 56, No 7, pp 47-53.
15) Metcalf and Eddy, Inc. (2003), "Wastewater Engineering Treatment and Reuse", 4th ed., McGaw-Hill, Inc., New York.
16) Steel E. W. and McGhee T. J. (1979), "Water Supply and Sewerage", FIFTH EDITION, McGRAW-HILL KOGAKUSHA, LTD.
17) Davis Mackenzie L., Ph.D., P.E., BCEE (2010), "Water and Wastewater Engineering: Design Principles and Practice", The McGraw – Hill Companies.
18) Phalakornkule C., Mangmeemak J., Intrachod K. and Nuntakumjorn B. (2010), "Pretreatment of Palm Oil Mill Effluent by Electrocoagulation and Coagulation", Science Asia 36, 142 – 149.
19) Katal R. and Pahlavanzadeh H. (2011), "Influence of Different Combinations of Aluminum and Iron Electrode on Electrocoagulation Efficiency: Application to the Treatment of Paper Mill Wastewater", Desalination 265, 199-205.
Use of Electrocoagulation Technology in Removal of Chemical Oxygen Demand (COD) from Wastewater Effluent
Musab A-J. Abdal-Baqi1 Thura A. A. Al-Hamdany2
1Dep.of Environment, College of Engineering, University of Mosul, Iraq
2 Dep. of Civil- Environment, College of Engineering, University of Mosul, Iraq
alhamdany.thura95@yahoo.com
In this research, The effect of using electrocoagulation technology in removal the organic material (COD), from wastewater is practiced. Continuous flow of electrocoagulation in experimental system was designed and turned on. It consists of electrocoagulation reactor with constant volume (2L), flocculation basin and sedemintation basin with different volumes, there is a change in the flow rate with the change in detention time of electrocoagulation. Aluminum plates were used for both electrodes. The studied parameters in the research are the primary concentration of the pollutant, detention time of electrocoagulation and current that pass through electrodes. Synthetic wastewater samples were used with concentration of COD (125, 250, 500,1000) mg/l. at current (0.25, 0.5, 1, 2, 4) A and detention time is (1.5, 5, 10, 20) min .Experiment results show that increase the removal efficiency COD with increase of the current from (0.25 to 2) A and/or detention time for all the initial levels, Low concentrations showed more response than high concentrations in the removal process. The maximum removal efficiency reached (99, 93, 91, 72)% with initial concentration (125, 250, 500, 1000) mg/l respectively. The maximum removal occurred at current (2) A, detention time (20) min. and the results found that this technique not efficient at high current (4) A.
Key word: Electrocoagulation- COD removal- Aluminum electrodes- Wastewater treatment
)
View on SCiNiTO