کاربرد بهینه فرات سدیم در فرایند حذف کدورت آب رودخانه زاینده‌رود (کدورت معمولی و بالا)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، گروه مهندسی محیط زیست، واحد بوشهر، دانشگاه آزاد اسلامی، بوشهر، ایران

2 استادیار، دانشکده محیط زیست، دانشگاه تهران، تهران، ایران

3 استادیار، دانشکده بهداشت محیط، دانشگاه علوم پزشکی جندی‌شاپور اهواز، اهواز، ایران

4 استادیار، گروه مهندسی محیط‌ زیست، واحد بوشهر، دانشگاه آزاد اسلامی، بوشهر، ایران

چکیده

در تصفیه‌خانه‌های آب شرب به‌منظور ته‌نشینی ذرات کلوییدی از مواد منعقدکننده مختلفی مانند سولفات آلومینیوم (آلوم)، پلی آلومینیوم کلراید و کلرید فریک استفاده می‌شود. این مواد تأثیرات مثبتی در حذف کدورت دارند، اما به‌دلیل محدودیت‌ها و مشکلاتی مانند خورندگی، تولید محصول جانبی مضر و محدودیت‌های دیگر، اثرات نامطلوبی بر روی سلامت انسان و محیط زیست دارند. بنابراین لازم است از مواد شیمیایی کارآمدتر که مشکلات ذکر شده را به حداقل رسانند و باعث ارتقای کیفیت فرایند شوند، استفاده شود. هدف از انجام این پژوهش بررسی تأثیر فرات سدیم تولید شده به روش شیمیایی، بر حذف کدورت آب رودخانه زاینده‌رود در دو وضعیت کدورت معمولی و کدورت بالا بود. این پژوهش در چهار حالت پیشنهادی توسط نرم‌افزار Design Expert که حالت‌های (30×40،60×30، 60×60،40×60) نامیده می‌شود، انجام گرفت. در هر حالت یکی از متغیرهای مستقل اثرگذار روی کدورت از جمله میزان تزریق ماده، سرعت اختلاط آرام، زمان اختلاط سریع و pH آب تغییر داده شد و تأثیر فرات سدیم بر ارتقای راندمان حذف کدورت سنجیده شد. به‌منظور طراحی آزمایش، آنالیز و بهینه‌سازی مجموعه متغیرهای مستقل مؤثر بر حذف کدورت، از روش سطح پاسخ استفاده شد. به‌علاوه در این پژوهش میزان آهن کل باقیمانده ناشی از کاربرد فرات سدیم بر اساس روش استاندارد متد اندازه‌گیری شد. نتیجه پژوهش نشان داد با کاربرد 54/1 میلی‌گرم در لیتر فرات سدیم، در شرایط بهینه pH معادل 5/8، سرعت اختلاط آرام ‌نوسانی 60 دور در دقیقه به‌مدت 7 دقیقه، 50 دور در دقیقه به مدت 7 دقیقه و 40 دور در دقیقه به مدت 6 دقیقه و زمان اختلاط سریع 30 ثانیه با سرعت 120 دور در دقیقه بهینه‌ترین نتایج حذف کدورت در دو وضعیت کدورت معمولی و کدورت وضعیت سیلابی به‌ترتیب با مقادیر حذف 27/95 و 07/95 درصد به‌دست می‌آید. این مقادیر در شرایط متداول‌ تصفیه‌خانه‌های آب معادل 40 دور در دقیقه به‌صورت ثابت به مدت 20 دقیقه و شرایط اختلاط 60 دقیقه است. در این پژوهش همچنین مقایسه‌ای بین تأثیر تزریق پلی‌آلومینیوم کلراید (در حالات سیلابی به همراه پلی الکترولیت) با تأثیر فرات سدیم بر حذف پارامتر کدورت آب انجام شد. نتایج حاصل تأثیر بالاتر فرات سدیم با میزان تزریق کمتر را نشان داد. همچنین نتایج پژوهش نشان داد آهن باقیمانده در هر دو مقطع قبل و پس از فیلتر در دامنه استاندارد بود که این امر به‌دلیل خاصیت واکنش‌پذیری فرات در حذف فلزات است. نتایج پژوهش نشان می‌دهد که فرات سدیم در فرایند حذف کدورت، در دو وضعیت کدورت معمولی و کدورت بالا، دارای تأثیر مثبت است بدون اینکه آهن کل باقیمانده از حد استاندارد تجاوز نماید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Application of Optimum Sodium Ferrate in Zayandehrud River Water Turbidity Removal (Normal and High Turbidity)

نویسندگان [English]

  • Hamid Momtazpour 1
  • Aliakbar Azimi 2
  • Sahand Jorfi 3
  • Tayebe Tabatabaie 4
  • Abdolrahim Pazira 4
1 PhD Student, Dept. of Environmental Engineering, Bushehr Branch, Islamic Azad University, Bushehr, Iran
2 Assist. Prof., Dept. of Environmental Engineering, Faculty of Environment, University of Tehran, Tehran, Iran
3 Assist. Prof., Dept. of Environmental Engineering, Faculty of Environment Health, Ahvaz Jundishapur University of Medical Sciences, Ahvaz, Iran
4 Assist. Prof., Dept. of Environmental Engineering, Bushehr Branch, Islamic Azad University, Bushehr, Iran
چکیده [English]

In drinking water treatments, for coagulation and sedimentation of suspended particles, several coagulants are used such as Alum, PAC and ferric chloride. In spite of their positive effect on turbidity removal, these chemicals cause some problems like corrosion and harmful by-products which result in bad effects on human and environmental health. Therefore, finding and using better and more effective materials without such adverse effects is a necessity. The aim of this research was to study the effect of chemically synthetized sodium ferrate (S.F.) in liquid state for the turbidity removal from Zayandehrud River in two conditions: normal turbidity (less than 100 NTU) and high turbidity (more than 900NTU). This research was performed in four states of 30×60, 40×60, 60×60, and 30×40; in each state, one of the water independent variables effective on water turbidity was changed. These four states were S.F. dosing rate, gentile mixing speed, rapid mixing time and pH. For the experiment design, analysis and optimization of independent variables effective on turbidity removal were used. In addition, the surface response method (RSM-D-Optimal) plus Design Expert-v10 optimization software were used for this study. Finally, in this research, according to the standard methods, the residual total Fe (due to sodium ferrate) was checked in the research in order to ensure that its value was in the allowable range for drinking water. The results showed optimum conditions as: pH of 8.5 and gentle mixing oscillating speed of 60rpm for 7min, 50rpm for 7min and 40rpm for 6min, (instead of 40rpm constant speed for 20min) and rapid mixing time of 30s with 120rpm (instead of  60s, which was conventional in Esfahan water treatment plant). In addition, the results showed that by using only 1.54mg/L of S.F. in the above-mentioned optimum condition, the water turbidity removal efficiencies were 95.17% and 99.07% for normal and high turbidity states, respectively. A comparison was made in this research between using S.F. and poly aluminum chloride (PAC) for both normal and high turbidity. The results showed the better effect of S.F. than PAC. The results also showed that the residual total Fe was in the allowable range before and after the filter (because of the reactivity of ferrate with Fe). From the results of this research, it can be concluded that using S.F. has a positive effect, technically and economically, on water turbidity removal (better effect than conventional chemicals) in both normal and high turbidity. Moreover, the results showed that residual total Fe remains in the allowable range.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Turbidity
  • Sodium Ferrate
  • RSM
  • D-Optimal Method
  • Design Expert Software

Alexander, J., Faisal, I., Hai, K. & Turki, K., 2012, Chemical coagulation-based processes for trace organic contaminant removal: Current state and future potential", Journal of Environmental Management, 48(1),
22-28.

Audette, R.J., Quail, J.W. & Smith, P.J., 1971, "Ferrate (VI) ion, a novel oxidizing agent", Tetrahedron Let. 3, 279-282.

Anquandah, G. & Sharma, V., 2013, "Ferrate (VI) oxidation of propranolol: Kinetics and products", Chemosphere, 91(1), 105-109.

Chroder, C. & Kragert, B., 2012, Oxidation technologies for water and wastewater treatment papiepflieger, Clausthal-zellerfeld, Germany.

Goff, H. & Murmann, R., 1971, "Studies on the mechanism of isotopic oxygen exchange and reduction of ferrate(vi) ion(FeO4)", Journal of American Water Works Association, 93, 6058-6065.

Gersberg, R.M., Lyon, S.R., Brenner, R. & Elkin, B.V., 1988, “Performance of clay-alum flocculation (ccba) process for virus removal from municipal wastewater", Water Research, 22(11), 1449-1453.

Hongyu, W., Yibing, L., Fancheng, Z. & Shuang, S., 2015, "Electrochemical synthesis of ferrate (VI) by regular anodic replacement", International Journal of Electrochemical Science, 10, 7966 -7976.

Jiang, J., Lloyd, B. & Grigore, L., 2001, "Disinfection and coagulation performance of potassium ferrate for potable water treatment", Journal of Environmental Engineering Science, 18(5), 323-328.

Jiang, J. & Lloyd, B., 2002, "Progress in the development and use of Ferrate (VI) salt as an oxidant and coagulant for water and wastewater treatment", Journal of Water Research, 36(6), 1397-1408.

Jun, M. & Wei, L., 2002, "Effectiveness of ferrate (VI) preoxidation in enhancing the coagulation of surface waters", Journal of Water Research Elsevier, 36, 4959-4962.

Kawamura, S., 1991, "Effectiveness of natural polyelectrolytes in water treatment", J. Am. Water Works Assoc., 83(10), 88-91.

Lalsaimawia, S., Lalramnghaki, P. & Tiwari, R., 2015, "Efficient use of ferrate (VI) for the remediation of wastewater contaminated with metal complexes", Journal of Environmental Engineering Resarch, 20(1),
89-97.

Luo, Z., Strouse, M., Jiang, J. & Sharma, V., 2011, "Methodologies for the analytical determination of ferrate (VI): A review", Journal of Environmental Science and Health, 46, 453-460.

Macova, Z., 2009, "Research progress in the electrochemical synthesis of ferrate (VI)", Journal of Electrochimica Acta, 54(10), 2673-2683.

Maghraoui, A., Zerouale, A. & Ijjaali, M., 2015", "Effect of degree of clo− hypochlorite on the wet synthesis of ferrate (vi)", International Journal of Advances in Materials Physics and Chemistry, 6(2), 1053-1058.

Momtazpour, H., 2017, "The evaluation of Ferrate influence for improvement and reduction of chemical materials using in the water treatment with the use steel and chlorine factory wastes for producing Ferrate", PhD Thesis, Boushehr: Islamic Azad University, Science & Research Boushehr Branch, Bushehr, Iran. (In Persian)

Maohong, F. & Ames, I., 2013, Method for synthesis of multifunctional Fe+6-Fe+3 Agent, Pub. No:Us2013/0200009 al, United States Patent Application Publication.

Rios, A., 2014, Dewatering of biosolids By S.F", PhD Thesis, University of Central Florida, Orlando, Florida.

Sharma, V., 2010, "Disinfection performance of Fe (VI) in water and wastewater: A review", Water Science and Technology, 55(1-2), 225-232.