تصفیه آبهای شرب آلوده به نیترات با استفاده از دنیتریفیکاسیون اتوتروفیک در بیوفیلتر هیدروژنی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترای مهندسی عمران- محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس، تهران

2 استاد مهندسی عمران- محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس، تهران

3 استادیار دانشکده مهندسی محیط زیست، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد اهر

4 استادیار مهندسی عمران- محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس، تهران

چکیده

در این تحقیق سیستمی شامل اتصال یک روش مؤثر و اقتصادی برای تولید در محل و کنترل شده هیدروژن و دی‌اکسید کربن و استفاده از بیوراکتور با بستر ثابت، طراحی شد و توانایی آن در حذف نیترات از آب شرب مورد ارزیابی قرار گرفت. هدف اصلی این پژوهش توسعه یک فناوری ارزان بود که برای یون نیترات کاملاً انتخابی عمل کند و برای دیگر پارامترهای کیفی آب شرب، کمترین تغییرات را داشته باشد. گازهای هیدروژن و دی اکسید کربن به‌ترتیب به‌عنوان دهنده الکترون و منبع کربنی باکتری‌های دنیتریفایر اتوتروفیک، با روشی ارزان با اعمال ولتاژ بسیار پایین برق مستقیم (10-5 ولت) در راکتور الکتروشیمیایی با الکترولیز متانول تولید شدند و به بیوراکتور دنیتریفیکاسیون تلقیح شده توسط باکتری‌های دنیتریفایری که به طور طبیعی در آب حضور دارند، تزریق ‌شد. نتایج بهره‌برداری پایلوت با آب یک چاه آلوده به نیترات با غلظت 120 میلی‌گرم در لیتر در آبخوان تهران به‌مدت 160 روز نشان داد که با مصرف انرژی الکتریکی نسبتاً پایین و تنها با تزریق دو گاز بی ضرر هیدروژن و دی‌اکسید کربن، بدون افزودن هیچ گونه ماده شیمیایی دیگر، برای غلظتهای نیترات معمول موجود در منابع آبی شرب با زمان ماند 2 تا 5 ساعت می‌توان به راندمان حذف بیش از 95 درصد دست یافت.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Treatment of Nitrate-contaminated Drinking Water Using Autotrophic Denitrification in a Hydrogenised Biofilter

نویسندگان [English]

  • Ramazan Vagheei 1
  • Hossein Ganjidoust 2
  • AliAkbar Azimi 3
  • Bita Ayati 4
1 Ph.D. Student of Civil and Environmental Eng., Tarbiat Modares University, Tehran
2 Prof. of Civil and Environmental Eng., Tarbiat Modares University, Tehran
3 Assist. Prof. of Civil and Environmental Eng., Azad University, Ahar Branch
4 Assist. Prof. of Civil and Environmental Eng., Tarbiat Modares University, Tehran
چکیده [English]

In this research, a system was designed and constructed that included an efficient, economically feasible method for adjustable, in-situ generation of hydrogen and carbon dioxide coupled with a packed bed bioreactor. The system was subsequently tested for its ability to remove nitrate from drinking water. The major objective was to develop an economical technology with a high selectivity for nitrate ions but causing minimum changes in other drinking water quality parameters. Hydrogen (as the electron donor) and carbon dioxide (as the carbon source for autotrophic denitrifier bacteria) were generated in a cost-effective way by applying a very low DC voltage (5-10 volts) in an electrochemical reactor using methanol electrolysis. The gases were injected into a denitrification bioreactor inoculated with denitrifier bacteria which are naturally present in water. Finally, the system was put to a pilot operation to remove nitrate from a nitrate-contaminated well (a typical contamination range of 120 mg/L as NO3-) in Tehran aquifer for a period of 160 days. The results showed that the system was capable of achieving a nitrate removal efficiency of 95% with an HRT of 2-5 hr while its power consumption was minimal and only required the two harmless gases, hydrogen and carbon dioxide, to be injected without any chemical additions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nitrate removal
  • Drinking Water
  • Hydrogenised Biofilter
  • Autotrophic Denitrification
1- WHO. (2003). Guidelines for drinking water quality, 3rd Ed., World Health Organization, Geneve.

2- Yang, C. Y., Wu, D. C., and Chang, C. C. (2007). “Nitrate in drinking water and risk of death from colon cancer in Taiwan.” Environment International;DOI:10.1016/j.envint.

3- U.S. Environmental Protection Agency (U.S. EPAb). (1987). Nitrate-nitrite health advisory office of drinking water, U.S. Government Printing Office, Washington, D.C.

4-Nitrate Elimination Co., Inc. (NECI) (1998). “Nitrate: health risks to consumers.” <http://www.nitrate.com/nitrate> (July 16, 2007)

5-Tricker, A. R P. R. (1991). “Carcinogenic N-nitrosamines in the diet: Occurrence, formation, mechanisms and carcinogenic potential.” Mutat. Res., 259,277-289.

6- Vagheei, R., Ganjidust, H., Ayati, B., and Azimi, A. (2008) “An economc hydrogen and carbon dioxide generator for application to hydrogenotrophic denitrification of drinking water in practical scales.” International Conference on Environment  (ICENV 2008), Penang, Malaysia.

7- Richard, S., Ceazan, M. L., Brooks, M. H. (1994). “Autotrophic, hydrogen-oxidizing, denitrifying bacteria in groundwater, potential agents for bioremediation of nitrate contamination.” Environmental  Microbial, 60 (6) 1949-1955.

8- Bruce, R. E., and McCarty, P.L. (2001). Environmental biotechnology principles and applications, McGraw-Hill New York.

9- Reising, A. R., and Schroeder, E. D. (1996). “Denitrification incorporating microporous membranes.” Environmental Engineering, 122 (7), 599-604.

10- Chang, C. C., Tseng, S. K., and Huang, H. K. (1999). “Hydrogenotrophic denitrification with immobilized Alcaligenes eutrophus for drinking water treatment.” Bioresource Technology, 69, 53-58.

11- Ho, C. M., Tseng, K. S., and Chang. Y. J. (2001). “Autotrophic denitrification via a novel membrane-attached biofilm reactor.” Applied Microbiology, 33 (3), 201-205.

12- Zumft, W.G., Balows, A., Truper, H. G., Dworkin, M., Harder, W.H., and Schleifer, K. (2006). “The prokaryotes: a handbook on the biology of bacteria, vol. 2. New York: Springer-Verlag, 793-817.

13- AWWA, APHA, WEF. (2005). Standard methods for the examination of water and wastewater, 21th Ed., American Public Health Association, USA.

14- Glass, C., and Silverstein, J.(1998). “Denitrification kinetics of high nitrate concentration water: pH effect on inhibition and nitrate accumulation.” Wat. Res., 32 (3), 831-839.

15- Lee, K. C., and Rittmann, B. E. (2003). “Effects of pH and precipitation on autohydrogenotrophic denitrification using the hollow-fiber membrane-biofilm reactor.” Wat. Res., 37 (1-3), 1551-1556.

16- Gross. H., Schnoor, G., and Rutten, P. (1988). “Biological denitrification process with hydrogen-oxidizing bacteria for drinking water treatment.” Water Supply, 6 (3), 193-198.

17- Kurt, M., Dunn, I. J., and Bourne, J. R. (1987). “Biological denitrification of drinking water using autotrophic organisms with H2 in a fluidized bed biofilm reactor.” Biothechnology Bioengineering, 29,
493-501.

18- Dries, D., Liessens, J., Verstrate, W., Stevens, P., de Vos, P., and de Ley, J. (1988). “Nitrate removal from drinking water by means of hydrogenotrophic denitrifiers in a polyurethane carrier reactor.” Water supply, 6 (3), 181-192.

19- Ginocchio, J. (1984) “Nitrate levels in drinking water becoming too high.” Water Treatment, 88,143-147.

20- Smith, R. L., Buckwalter, S.P., Deborah, A., Repert, D., and Miller, N. (2005). “Small-scale, hydrogen-oxidizing-denitrifying bioreactor for treatment of nitrate-contaminated drinking water.” Wat. Res., 39,
2014-2023.

21- Lee, K.C., and Rittmann, B. E. (2002). “Applying a novel autohydrogenotrophic hollow-fiber membrane biofilm reactor for denitrification of drinking water.” Wat. Res., 36, 2040-2052.