نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استاد، گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشگاه علوم پزشکی شهید بهشتی، تهران، ایران

2 دانشجوی دکتری تخصصی مهندسی بهداشت محیط، گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشگاه علوم پزشکی شهید بهشتی، تهران، ایران

3 کمیتة پژوهشی دانشجویان، گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکدة بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی شهید بهشتی، تهران، ایران

4 کارشناس ارشد مهندسی بهداشت محیط، گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکدة بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی کاشان، کاشان، ایران

چکیده

اهدافتحقیقات اخیر نشان داده است که فرایند اکسایشی پیشرفته‌ای به‌نام فرایند پرسولفات/ اشعة فرابنفش در حذف آلاینده‌های آلی مقاوم به تجزیة بیولوژیکی راندمان قابل‌توجهی داشته است. با توجه به اینکه از مزایای این فرایند محدودبودن تولید محصولات جانبی مضر و نیز قوی‌بودن این فرایند در تجزیة مواد آلی ذکر شده است، به‌نظر می‌رسد این فرایند در گندزدایی فاضلاب‌های شهری نیز گزینة مناسبی باشد.
مواد و روش‌ها پس از جمع‌آوری و انتقال نمونه به آزمایشگاه، آزمایش گندزدایی در ظروف استریل 1 لیتری روی 5/0 لیتر نمونه انجام و دوزهای مورد نیاز از مواد شیمیایی به نمونه تزریق شد. از روش مستقیم آزمون مستقیم کلیفرم‌های گرماپای برای سنجش میکروبی استفاده شد.
یافته‌ها نتایج این تحقیق نشان داد پرسولفات و اشعة UV، هر کدام به‌تنهایی قادر به کاهش قابل‌قبول کلیفرم‌های گرماپای نیست. اما، استفادة توأم از اشعة UV و پرسولفات (با غلظت کمتر از 30 میلی‌مولار) حدود 5 لگاریتم کاهش کلیفرم‌های گرماپای را نشان داد، این در حالی بود که پرسولفات حتی با دوز 300 میلی‌مولار تنها حدود 3 لگاریتم کاهش کلیفرم‌های گرماپای داشت.
نتیجه‌گیرینتایج این تحقیق نشان می‌دهد اشعة UV تأثیر تشدیدکنندگی شدیدی بر خاصیت گندزدایی پرسولفات دارد و با توجه به محدودیت استفاده از عوامل گوگرددار در تصفیة فاضلاب، به‌نظر می‌رسد استفاده از اشعة UV در کنار مقدار جزئی از پرسولفات این محدودیت را تا حدود زیادی بهبود می‌بخشد و آثار محیط‌زیستی و اقتصادی زیانبار گندزداهای متداول را به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Evaluation of Persulfate / UV advanced oxidation process in disinfection of municipal wastewater

نویسندگان [English]

  • Anoushiravan Mohseni Bandpey 1
  • Reza Nemati 2 3
  • Narges Hakimi 4
  • Parviz Norouz 2

چکیده [English]

Background: Recent research has shown that an Advanced Oxidation Process known as Persulfate/UV, has a high capability in removing of persistent organic pollutants. Given that the advantages of this process are limited production of harmful byproducts and strong ability for degradation of persistent organic thus it seems this process be also suitable for disinfection of municipal wastewater treatment plant effluents.
Materials & Methods: After collection, the effluent samples were transferred to the lab. Then the disinfection experiments were carried out in a 1 L sterile reactor with 0.5 L of sample and various doses were injected. The direct method was used to measure the microbial populations (thermo-tolerant coliforms).
Results: The result of this research indicated that Persulfate and UV irradiation cannot be able to meet the needs of thermo tolerant coliforms inactivation, but simultaneous using of them (Persulfate/UV) could inactivated approximately 5 logs thermo-tolerant coliforms (Persulfate dose <30 mM). While Persulfate (without UV irradiation) even with 300 mM could inactivated less than 3 logs thermo-tolerant coliforms.
Conclusion: The results of this research show UV irradiation has a strong synergistic effect on persulfate disinfection efficiency. Due to the restriction of the use of sulfur compounds in wastewater treatment, it seems that the use of UV irradiation with less amounts of persulfate can largely improve this restriction and significantly reduce the economic and environmental impact of traditional disinfectants.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • persulfate
  • thermo-tolerant coliforms
  • free radicals
  • UV
  • disinfection

مقدمه

در دهه‌های اخیر، روش‌ها و فناوری‌های جدیدی برای گندزدایی پساب خروجی تصفیه‌خانه‌های فاضلاب شهری پیشنهاد شده است [1-5]. علت این امر به معایب روش‌های متدوال گندزدایی مربوط می‌شود، مانند تولید محصولات جانبیِ مضر برای سلامت انسان و محیط‌زیست، مقرون‌به‌صرفه نبودن از نظر اقتصادی و کارایی پایین [6-9].

تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که فرایندهای اکسایشی پیشرفته (AOPs: Advanced Oxidation Processes) و دارای عواملی مانند اشعة UV، ازن، آب اکسیژنه، و معرف‌های فنتون، در تصفیة عوامل مقاوم به تصفیة بیولوژیکی و نیز گندزدایی پساب‌های خروجی، بسیاری از معایب مذکور را ندارد [4 و 10-12]. این فرایندها به‌دلیل تولید رادیکال‌های آزاد قوی واکنشگر و دارای مزایای بیشتر نسبت به اکسیدکننده‌های متداول اهمیت یافته است. رادیکال‌های آزاد بسیار واکنش‌پذیرند و قادرند لیپیدهای غشای سلولی و دیگر اندامک‌های اصلی سلولی از جمله DNA و RNA را تحت تأثیر قراردهند [13]. اخیراً، فرایندهای نوین AOP بر اساس تشکیل رادیکال‌های سولفات (SO4-) در تجزیة آلاینده‌های آلی توسعه یافته است [14-16]. نوع خاصی از این فرایند، UV/S2O82- یا فرایند پرسولفات/ اشعة فرابنفش است که در حذف آلاینده‌های آلی با تجزیه‌پذیری پایین راندمان قابل‌توجهی نشان داده است [17]. در این فرایند یون پرسولفات در حضور اشعة فرابنفش به‌صورت واکنش زیر رادیکال سولفات تولید می‌کند [17].

 

 

رادیکال‌های سولفات تولیدشده در محیط‌های آبی از رادیکال‌های هیدروکسیل نسبتاً پایدارتر است [17]. با این حال باید توجه داشت که در سیستم پرسولفات-آب نیز امکان تولید رادیکال هیدروکسیل وجود دارد [18 و 19].

با توجه به اینکه از مزایای فرایند پرسولفات/ اشعة فرابنفش محدودبودن تولید محصولات جانبی مضر و نیز قوی‌بودن این فرایند در تجزیة مواد آلی ذکر شده است (پتانسیل اکسایش احیا V6/2) [18]، به‌نظر می‌رسد این فرایند در گندزدایی پساب‌های خروجی فاضلاب خانگی نیز گزینة مناسبی باشد. در این مطالعه به این مسئله پرداخته‌ایم و کارایی این فرایند در گندزدایی پساب خروجی فاضلاب تصفیه‌شدة شهری بررسی شده است.

مواد و روش‌ها

مواد شیمیایی مصرفی و منبع اشعة فرابنفش

محیط کشت A-1 Medium (شمارة محصول 100415)، پرسولفات سدیم (شمارة محصول 1-27-7775) و سایر مواد مصرفی (شامل اسید سولفوریک، هیدروکسید سدیم و جزآن) از شرکت مرک آلمان خریداری شد. برای تأمین اشعة UV نیز از لامپ UV ساخت شرکت NARVA آلمان با طول موج 254 نانومتر و قدرت 125 وات استفاده شد.

در این مطالعه تمامی وسایل شیشه‌ای و ظروف مورداستفاده در بخش میکروبیولوژی بر اساس شرایط ذکرشده در کتاب استاندارد متد [20] پاکسازی و استریل و سپس استفاده شد.

جمع‌آوری نمونه

نمونه‌های مورد آزمایش در این تحقیق به‌صورت روزانه از پساب خروجی حوضچة ته‌نشینی ثانویه و قبل از مرحلة گندزدایی تصفیه‌خانة فاضلاب شهری در ظرف 10 لیتری استریل به آزمایشگاه منتقل و آزمایش شد. کل نمونه‌ها حداکثر در 5 ساعت و در دمای آزمایشگاه آزمایشِ گندزدایی شد.

ارزیابی اولیة پساب مورد آزمایش

بر اساس روش‌های ذکرشده در کتاب استاندارد متد [20] آزمایش هایفکال کلیفرم (بخش 9221 E)، کل ذرات معلق (TSS)، اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی پنج روزه (BOD5) و اکسیژن مورد نیاز شیمیایی (COD) روی نمونه‌های تهیه‌شده از پساب خروجی انجام شد. همچنین، آزمایش‌های تعیین pH و اکسیژن محلول با دستگاه‌های موجود در آزمایشگاه انجام گرفت تا خصوصیات کلی نمونه‌های مورد آزمایش مشخص شود.

آزمایش‌های گندزدایی

پس از انتقال نمونه به آزمایشگاه، آزمایش گندزدایی در ظروف استریل 1 لیتری روی 5/0 لیتر نمونة همزده با همزن مگنتی انجام شد. برای رسیدن به غلظت‌های مورد نظر (جدول 1) دوزهای مورد نیاز از مواد شیمیایی به نمونه تزریق شد. در آزمایش‌هایی که به اشعة فرابفش نیاز بود لامپ UV (125 وات، طول موج 254 نانومتر، ساخت شرکت NARVA، آلمان) داخل نمونه قرار داده می‌شد. برای بالانرفتن دمای نمونه بر اثر لامپ UV از جریان آب سرد استفاده شد.

 

جدول 1. مراحل انجام آزمایش‌های گندزدایی و دوزهای تزریقی پرسولفات (میلی‌مولار)

فاز دوم گندزدایی توأم با پرسولفات و اشعة بنفش

(زمان تماس 15 دقیقه)

فاز نخست گندزدایی با پرسولفات

(زمان تماس 30 دقیقه)

0

0

5

5

10

15

15

20

20

40

25

50

30

60

 

در فاز نخست آزمایش‌های گندزدایی (عدم‌استفاده از لامپ UV)، زمان تماس 30 دقیقه و در فاز دوم ( استفاده از لامپ UV) 15 دقیقه بوده است. 

آزمایش‌های میکروبیولوژی

در این تحقیق فکال‌کلیفرم‌های گرماپای شاخص گندزدایی انتخاب شد و از روش مستقیم (آزمون مستقیم کلیفرم گرماپای) ذکرشده در کتاب استاندارد متد، ویرایش بیست‌ویکم، برای شمارش تعداد کلیفرم‌های مدفوعی قبل و بعد از آزمایش‌های نمونه‌ها استفاده شد (بخش 9221 E). محیط کشت مورد استفاده در این روش محیط A1-Medium است [20]. زمان قراردادن محیط کشت‌ها در بن‌ماری 2±21 ساعت و تولید گاز در لوله‌های دورهام و ایجاد کدورت در هر یک از لوله‌ها طی این زمان مثبت‌بودن نتیجة آزمایش تلقی شده است [20].

یافته‌ها

خصوصیات کلی پساب مورد آزمایش

در جدول 2 خصوصیات کلی و فیزیکی- شیمیایی و بار میکروبی نمونه‌های پساب نشان داده شده است.

 

جدول 2. خصوصیات فیزیکی- شیمیایی و میکربیولوژیکی پساب

پارامتر

دامنه

میانگین

حداقل

حداکثر

TS (mg / L)

258

700

532

TDS (mg / L)

185

550

5/480

COD (mg / L)

7/28

58/100

2/34

BOD5 (mg / L)

4/15

8/75

19/21

کلیفرم مدفوعی

(MPN/100 ml)

105×1/2

105×5/4

105×5/3

pH

8/6

9/7

5/7

دما

4/16

22

2/18

گندزدایی با دوزهای مختلف پرسولفات

در شکل 1 تأثیر دوزهای مختلف پرسولفات سدیم (بر حسب میلی‌مولار) در غیرفعال‌سازی کلیفرم‌های گرماپای نشان داده شده است. پرسولفات اگرچه خود اکسیدکننده‌ای نسبتاً قوی محسوب می‌شود (E0 = 2.01 V) [21]، همان‌طور که در شکل 1 مشاهده می‌شود، به‌تنهایی قادر به کاهش میزان قابل‌قبولی از کلیفرم‌های گرماپای نبوده است. در دوز نسبتاً بالای 300 میلی‌مولار توانسته استاندارد خروجی [22] مورد نظر را برآورده سازد. در این دوز که زمان تماس 30 دقیقه است، حدود 3 لگاریتم حذف مشاهده می‌شود.

گندزدایی با دوزهای مختلف پرسولفات در حضور اشعة UV

در شکل 2 نتایج دوزهای مختلف پرسولفات تزریق‌شده به نمونه‌ها در حضور اشعة UV نشان داده شده است. همان‌طور که مشاهده می‌شود، نسبت به حالت عدم‌حضور اشعة UV، در دوزهای نسبتاً بسیار پایینی استاندارد مورد نظر برآورده شده است.

با توجه به شکل 2، در دوز 25 میلی‌مولار و زمان تماس 15 دقیقه، میزان کلیفرم‌های گرماپای به حدود MPN/100 mL 200 رسیده است که حدود 25/3 لگاریتم (معادل 94/99 درصد) کاهش در میزان کلیفرم‌های گرماپای است. نکتة قابل‌توجه دیگر در این شکل دوز صفر پرسولفات است که در این حالت نمونه به‌مدت 15 دقیقه با اشعة UV در تماس بوده و میزان غیرفعال‌سازی کلیفرم‌های گرماپایی در حدود 23/0 لگاریتم (معادل 41 درصد) را در پی داشته است.

شکل 1. تأثیر دوزهای مختلف پرسولفات در غیرفعال‌سازی کلیفرم‌های گرماپای

شکل 2. تأثیر دوزهای مختلف پرسولفات در حضور اشعة ماورای بنفش در غیرفعال‌سازی کلیفرم‌های گرماپای (زمان تماس 15 دقیقه)

 


در شکل 3 کارایی گندزدایی پرسولفات در حضور و عدم‌حضور اشعة UV بر حسب لگاریتم کاهش کلیفرم‌های گرماپای نشان داده شده است. همان‌طور که در این شکل دیده می‌شود اشعة UV تأثیر تشدیدکنندگی قابل‌توجهی در کارایی گندزدایی پرسولفات نشان می‌دهد. در حضور اشعة UV، غلظت حدود 25 میلی‌مولار پرسولفات به‌مراتب مؤثرتر از غلظت 300 میلی‌مولار پرسولفات بدون حضور اشعة UV است (غلظت بیش از 10 برابر).  

شکل 3. مقایسة غیرفعال‌سازی کلیفرم‌های گرماپای در دوزهای مختلف PS در حضور و عدم‌حضور اشعة UV

 

 

نتیجه‌گیری

در این تحقیق اشعة UV تأثیر تشدیدکنندگی شدیدی بر خاصیت گندزدایی پرسولفات نشان داد. با توجه به محدودیت استفاده از عوامل گوگرددار در تصفیة فاضلاب، به‌نظر می‌رسد استفاده از اشعة UV در کنار مقدار جزئی از پرسولفات، این محدودیت را تا حدود زیادی بهبود می‌بخشد و آثار محیط‌زیستی و اقتصادی زیانبار گندزداهای متدوال، به‌خصوص تولید محصولات جانبی مضر، را به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد.

 

تشکر و قدردانی

این مقاله حاصل پروژة دانشجویی گروه مهندسی بهداشت محیط دانشکدة بهداشت دانشگاه علوم پزشکی شهید بهشتی است. بدین وسیله، نویسندگان از تمامی افرادی که در انجام این تحقیق نقش داشته‌اند تشکر و قدردانی می‌کنند.

[1] Bustos Y, Vaca M, López R, Bandala E, Torres L, Rojas-Valencia N. Disinfection of Primary Municipal Wastewater Effluents Using Continuous UV and Ozone Treatment. Treatment. J. Water Resour. Prot. 2014; 6(1): 16-21.
[2] Bischoff A, Cornel P, Wagner M. Choosing the most appropriate technique for wastewater disinfection–parallel investigation of four disinfection systems with different preceding treatment processes. Water Pract Tech. 2012; 7(3): 54-66.
[3] Ferro G, Fiorentino A, Alferez MC, Polo-López MI, Rizzo L, Fernández-Ibáñez P. Urban wastewater disinfection for agricultural reuse: effect of solar driven AOPs in the inactivation of a multidrug resistant E. coli strain. Appl Catal B-Environ. 2015; 178: 65-73
[4] Karpova T, Pekonen P, Gramstad R, Öjstedt U, Laborda S, Heinonen-Tanski H, et al. Performic acid for advanced wastewater disinfection. Water Sci. Technol. 2013; 68(9): 2090–2096.
[5] Saghi MH, Allahabadi A, Rahmani-Sani A,Vazeiri T, Hekmatshoar R. Removal of Reactive Orange 3 dye from aqueous solution by biosorption technology. J Sabzevar Univ Med Sci. 2012; 19(2): 127-35. [in Persian]
[6] Dareini F, Amini mohamadiye A, Zarei-Sani H, Saghi MH. Removal of acid black 1 dye from aqueous solution using nano-iron particles. J Sabzevar Univ Med Sci. 2014; 20(5): 782-90. [in Persian]
[7] Wert EC, Rosario-Ortiz FL, Drury DD, Snyder SA. Formation of oxidation byproducts from ozonation of wastewater. Water Res. 2007; 41(7): 1481-90.
[8] Rebhun M, Heller-Grossman L, Manka J. Formation of disinfection byproducts during chlorination of secondary effluent and renovated water. Water Environ Res. 1997; 69(6): 1154-62.
[9] Krasner SW, Westerhoff P, Chen B, Rittmann BE, Amy G. Occurrence of disinfection byproducts in United States wastewater treatment plant effluents. Environ. Sci. Technol. 2009; 43(21): 8320-5.
[10] Kühn KP, Chaberny IF, Massholder K, Stickler M, Benz VW, Sonntag HG, et al. Disinfection of surfaces by photocatalytic oxidation with titanium dioxide and UVA light. Chemosphere. 2003; 53(1): 71-7.
[11] Koivunen J, Heinonen-Tanski H. Inactivation of enteric microorganisms with chemical disinfectants, UV irradiation and combined chemical/UV treatments. Water Res. 2005; 39(8): 1519-26.
[12] Hamdi M, Soleimani B, Nasr Isfahani B, Mandegar, HA. Study of the status of graduates from 1990 to 1995 in Isfahan School of Health in terms of employment and education. Journal of Research in Medical Sciences. 1998, 3(1): 6-32. [in Persian]
[13] Lee OM, Kim HY, Park W, Kim TH, Yu S. A comparative study of disinfection efficiency and regrowth control of microorganism in secondary wastewater effluent using UV, ozone, and ionizing irradiation process. J Hazard Mater. 2015; 295: 201-8.
[14] Selvakumar A, Tuccillo ME, Muthukrishnan S, Ray AB. Use of Fenton's reagent as a disinfectant. Remed. J. 2009; 19(2): 135-42.
15. Rastogi A, Al-Abed SR, Dionysiou DD. Sulfate radical-based ferrous–peroxymonosulfate oxidative system for PCBs degradation in aqueous and sediment systems. Appl Catal B-Environ. 2009; 85(3–4): 171-9.
16. Deng Y, Ezyske CM. Sulfate radical-advanced oxidation process (SR-AOP) for simultaneous removal of refractory organic contaminants and ammonia in landfill leachate. Water Res. 2011; 45(18): 6189-94.
17. Yuan R, Ramjaun SN, Wang Z, Liu J. Effects of chloride ion on degradation of Acid Orange 7 by sulfate radical-based advanced oxidation process: Implications for formation of chlorinated aromatic compounds. J Hazard Mater. 2011; 196: 173-9.
18. Shu HY, Chang M-C, Huang SW. UV irradiation catalyzed persulfate advanced oxidation process for decolorization of Acid Blue 113 wastewater. Desalin Water Treat. 2014; 54(4-5): 1013-21.
19. Oh SY, Kang SG, Chiu PC. Degradation of 2,4-dinitrotoluene by persulfate activated with zero-valent iron. Sci Total Environ. 2010; 408(16): 3464-8.
20. Liang C, Wang Z-S, Bruell CJ. Influence of pH on persulfate oxidation of TCE at ambient temperatures. Chemosphere. 2007; 66(1): 106-13.
21. Federation, Water Environmental, and American Public Health Association(USA). Standard methods for the examination of water and wastewater. American Public Health Association (APHA): Washington, DC, 2005.
22. Hussain I, Zhang Y, Huang S, Du X. Degradation of p-chloroaniline by persulfate activated with zero-valent iron. Chem Eng J. 2012; 203(1): 269-76.
23. Iranian Environmental Protection Organization(Iran),  Guidelines for wastewater reuse in agricultural purposes, 1994.
24. Kwon M, Kim S, Yoon Y, Jung Y, Hwang TM, Lee J, Kang JW. Comparative evaluation of ibuprofen removal by UV/H2O2 and UV/S2O8 2 - processes for wastewater treatment. Chem Eng J. 2015; 269(1): 379–90.
25. Salari D, Niaei A, Aber S, Rasoulifard MH. The photooxidative destruction of CI Basic Yellow 2 using UV/S2 O8 2− process in a rectangular continuous photoreactor. J Hazard Mater 2009; 166(1): 61–6.
26. Souza BS, Dantas RF, Agulló -Barceló M, Lucena F, Sans C, Esplugas S, et al. Evaluation of UV/H2O2 for the disinfection and treatment of municipal secondary effluents for water reuse. J. Chem. Technol. Biotechnol.. 2013;88(9):1697-706.