ارزیابی فرآیند انعقاد و لخته سازی در حذف فلزات سنگین از پساب شیمیایی مجتمع فولاد مبارکه

علوم و فناوری محیط زیست، دوره بیست و یکم، شماره شش، شهریورماه 98

بررسی فرآیند انعقاد و لخته سازی در حذف فلزات سنگین از پساب شیمیایی مجتمع فولاد مبارکه

مسعود طاهریون [1] ^*

taheriyoun@cc.iut.ac.ir    

علیرضا معماری پور [2]

چکیده

زمینه و هدف: پساب دستیابی از صنایع فولاد به عنوان یکی از منابع آلاینده فلزات سنگین نقش به سزایی در محیط زیست آلودگی‌سازی ایفا می‌نماید. دریافت بهینه و حذف این آلاینده‌ها جهت حفظ محیط‌زیست و رسیدن به استانداردهای بسیار مهم است. در مجتمع فولاد مبارکه طی فرآیند تولید ورق‌های فولادی گالوانیزه و قلع اندود، پسابی تولید می‌شود که دارای مقادیر بالایی از فلزات آهن و کروم باشد. در این تحقیق ارزیابی کارآیی فرآیند انعقاد و لخته سازی در حذف این فلزات از پساب تصفیه خانه مجتمع فولاد مبارکه می شود.

روش بررسی: برای طراحی آزمایش‌ها از روش طراحی مرکب مرکزی که متداول‌ترین نوع طراحی در روش رویه پاسخ است، می‌شود. تغییرات مورد بررسی در این تحقیق چهار عامل pH، کدورت، دارای منعقدکننده و کمک کننده است که در پنج سطح مطالعه قرار گرفته است. برای هر یک از فلزات مورد بررسی یک مدل رگرسیونی درصد حذف بر حسب عوامل پزشکی به دست آمده است.

یافته ها: نتایج مرحله مدلسازی نشان می دهد pH تاثیرگذارترین عامل بر این خروجی و کدورت حذف تاثیرگذارترین عامل بر درصد کروم بوده است. نتایج مرحله‌ی بهینه‌سازی‌ بهینه‌کننده‌ی مصرف‌کننده (کلرور فریک) 397 میلی‌گرم بر لیتر، کمک منعقدکننده (پلی الکترولایت) 06/0 میلی‌گرم بر لیتر، pH بهینه 25/10 و ورودی بهینه 103 NTU می‌باشد.

بحث و نتیجه گیری: رویه پاسخ روش درمانی در طراحی آزمایش‌ها است که با ساخت مدل رگرسیونی مرتبه دوم از فرآیند انعقاد ولخته‌سازی، امکان پیش‌بینی شرایط مختلف بهره‌برداری و تأثیر هم‌زمان بر عوامل پاسخ داده می‌شود.

واژه های کلیدی: انعقاد و لخته سازی، فلزات سنگین، روش رویه پاسخ، طراحی مرکب مرکزی، بهینه سازی.

ارزیابی فرآیند انعقاد و لخته سازی در حذف فلزات سنگین از پساب شیمیایی مجتمع فولاد مبارکه

مسعود طاهریون ^*

taheriyoun@cc.iut.ac.ir 

علیرضا معماری پور [4]

خلاصه

زمینه و هدف: فاضلاب صنعت فولاد به عنوان یکی از منابع آلودگی فلزات سنگین نقش مهمی در آلودگی محیط زیست دارد. بنابراین، تصفیه و حذف بهینه این آلاینده ها برای حفاظت از محیط زیست و دستیابی به استانداردهای تخلیه بسیار مهم است. در مجتمع فولاد مبارکه پساب تولید فولاد گالوانیزه و فولاد قلع اندود حاوی غلظت بالایی از فلزات آهنی و کروم می باشد. در این تحقیق کارایی فرآیند انعقاد و لخته سازی در حذف این فلزات از پساب تصفیه خانه شیمیایی فولاد مبارکه مورد بررسی قرار گرفته است.

روش : برای طراحی آزمایش‌ها از روش طراحی مرکب مرکزی که رایج‌ترین نوع طراحی در روش سطح پاسخ (RSM) است، استفاده می‌شود. متغیرهای مورد مطالعه در این تحقیق چهار فاکتور pH، کدورت ورودی، غلظت ماده منعقد کننده و کمک منعقد کننده هستند که هر کدام در پنج سطح مورد بررسی قرار گرفته اند. برای هر یک از فلزات مورد مطالعه، یک مدل رگرسیونی درصد حذف بر اساس عوامل موثر به دست آمده است.

یافته‌ها: نتایج مرحله مدل‌سازی نشان می‌دهد که pH مؤثرترین عامل بر غلظت آهن پساب و کدورت ورودی مؤثرترین عامل در حذف درصد کروم است. نتایج بهینه سازی دوز منعقد کننده بهینه (کلرید آهن) 397 میلی گرم در لیتر، غلظت کمک منعقد کننده (پلی الکترولیت) 06/0 میلی گرم در لیتر، pH بهینه 25/10 و کدورت ورودی بهینه 103 NTU را نشان می دهد.

بحث و نتیجه‌گیری : RSM روشی مؤثر در طراحی آزمایشی است که با توسعه مدل رگرسیونی مرتبه دوم فرآیند انعقاد لخته‌سازی، می‌توان شرایط عملیاتی مختلف و تأثیر همزمان عوامل بر پاسخ را پیش‌بینی کرد.

کلمات کلیدی: انعقاد و لخته سازی، فلزات سنگین، روش سطح پاسخ (RSM)، طراحی کامپوزیت مرکزی، بهینه سازی

مقدمه

بسیاری از فلزات صنعتی بسیار سنگین هستند که در صورت انجام بدون آسیب انسان به محیط زیست آسیب می‌رسانند و به سلامت می‌شوند(1). پساب صنایع فولادی حاوی مقادیر زیادی از فلزات سنگین است که در مراحل مختلف تولید مثل آهک پزی، گندله‌سازی، تولید و پرداخت شمش (تختال) و همچنین عملیات خنک‌کاری، ریخته گری ادامه و واحدهای ورق تولید گالوانیزه، قلعود و رنگی تولید می‌شود. (2و3و4). سرب، کادمیوم، کروم،آهن، مس، جیوه، نیکل و روی جمله مهم‌ترین فلزات سنگین می‌شوند که به عنوان آلاینده در محیط‌زیست می‌شوند. در حال حاضر روشهای متنوعی جهت حذف فلزات سنگین از محیط آبی وجود دارد که از جمله می‌توان به روش‌هایی چون فیلتراسیون، جذب سطحی، اکسیداسیون، اسمز معکوس، انعقاد و لخته سازی و ترسیب شیمیایی اشاره کرد (5-10).

روش انعقاد و لخته‌سازی یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین روش‌ها برای انتخاب پساب‌های صنعتی می‌باشد که آن‌ها با کنترل عوامل مانند دما، pH و زمان ماندگاری منعقدکننده می‌توانند راندمان را تا میزان زیادی افزایش دهند. در آزمایش‌های متداول در وجود چند عامل در یک صورت، در هر نوبت از آزمایش، یکی از عوامل نقش‌آفرینی و سایر عوامل ثابت در نظر گرفته می‌شود که این شکل از انجام آزمایش در صورت‌دادن عوامل و سطوح تعریف‌شده، انجام می‌شود. باعث ایجاد تعداد زیاد آزمایش شده و انجام آن به صرف هزینه و زمان بسیار بسیار خواهد شد (11و12و13). در چنین شرایطی روش‌های طراحی آزمایش (DOE) می‌توان با بهره‌گیری از روش‌های آماری، تعداد آزمایش‌ها را به طور قابل توجهی کاهش داد. طراحی یک سری از آزمایش‌ها است که در آن به طور خاص شامل تغییرات در فرآیندهای ورودی، تغییرات ایجاد می‌شود تا از این طریق تغییرات حاصل در پاسخ خروجی، مشاهده و شناسایی شود. روش رویه پاسخ (RSM) یکی از کارآمدترین روش‌های طراحی آزمایش می‌باشد که با انجام اصلاحاتی در روش مشهور تاگوچی، اولین بار توسط دو محقق به نام‌های باکس و ویلسون در سال 1951 ابداع شد. از جمله مهم‌ترین مزایای استفاده از این روش می‌توان صرفه‌جویی در هزینه‌ها و هزینه‌های کاهش چشمگیر تعداد آزمایش‌ها، قابلیت تعیین حالت بهینه برای هر مرکز و نیز تهیه مدل رگرسیونی روند بررسی اشاره کرد (14و15). مهمترین تحقیقات انجام شده در این زمینه شامل موارد زیر می‌باشند: از جمله مهم‌ترین مزایای استفاده از این روش می‌توان صرفه‌جویی در هزینه‌ها و هزینه‌های کاهش چشمگیر تعداد آزمایش‌ها، قابلیت تعیین حالت بهینه برای هر مرکز و نیز تهیه مدل رگرسیونی روند بررسی اشاره کرد (14و15). مهمترین تحقیقات انجام شده در این زمینه شامل موارد زیر می‌باشند: از جمله مهم‌ترین مزایای استفاده از این روش می‌توان صرفه‌جویی در هزینه‌ها و هزینه‌های کاهش چشمگیر تعداد آزمایش‌ها، قابلیت تعیین حالت بهینه برای هر مرکز و نیز تهیه مدل رگرسیونی روند بررسی اشاره کرد (14و15). مهمترین تحقیقات انجام شده در این زمینه شامل موارد زیر می‌باشند:

خلیل و حلیل (1391) روشهای حذف فلزات سنگین از پساب‌های صنعتی شامل فرآیندهای جذب زیستی و جاذب پوکه معدنی طبیعی، استخراج شکل جامد با استفاده از فوم پلیمری، ترسیب الکتروشیمیایی و فیلتراسیون را بررسی کردند. نتایج نشان می‌دهد روش جذب با پوکه معدنی روش ارزانی نسبت به روش‌های دیگر، اما برای فلزات سنگین روش ترسیب الکتروشیمیایی مناسب‌تر می‌باشد(16). Mg را بررسی نمود. نتایج نشان داد pH بهینه جهت حذف، در صورت استفاده از آهک به عنوان منعقدکننده برابر 5/9 بوده و در صورت استفاده از 250 میلی‌گرم در هر لیتر سدیم سولفات میزان راندمان به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد(17).

ال سمرانی و همکاران (2008). استفاده از دو منعقدکننده کلرورفریک و پلی کلراید را برای حذف کدورت و فلزات سنگین Cr، Pb، Zn و Cu انجام دادند. نتایج نشان می دهد که مستقیماً فلزات نهایی با کدورت نهایی پساب در هر دو نوع منعقد کننده دارد (18). هردیا و همکاران (2009) میزان تأثیرگذاری منعقدکننده های جدید ساخته شده از جوهر مازو(تانین) را در حذف فلزات Zn، Ni، و Cu مورد مطالعه قرار دادند. نتایج نشان داد در صورت استفاده از 10 میلی‌گرم بر لیتر جوهر مازو، 75 در صد از این مقدار کاهش می‌یابد (19).

(2012) لیو و همکاران. کاربردهای منعقدکننده‌های پلی سولفات فریک، کلرورفریک و سولفات فریک را در تصفیه پساب شیرابه یک مرکز دفن با استفاده از روش طراحی آزمایش «رویه پاسخ» بررسی نمودند. در حالت بهینه استفاده از پلی سولفات فریک با 8 میلی‌گرم بر لیتر در pH برابر 6، کلرورفریک با 10 میلی‌گرم در لیتر درpH برابر 8 و سولفات فریک با مقدار 12 میلی‌گرم بر لیتر در pH برابر 5/7 میزان حذف هیومیک اسید را دارند. (20).

شهزاد و همکاران (2014) به بررسی استفاده از دو منعقدکننده آلوم و پودر گیاه اولیفرا در حذف فلزات سنگین کروم و سرب پرداختند. سه عامل pH، منعقدکننده و هدایت کننده به عنوان عوامل موثر در بهینه سازی در نظر گرفته شده است. شرایط بهینه برابر 2 گرم برلیتر پودر گیاه اولی‌فرا، 20 میلی‌لیتر گرم بر لیتر آلوم در pH برابر 6/6 و هدایت الکتریکی برابر 3 میلی‌گرم زیمنس بر سانتی متر می‌باشد(21).

هدف از انجام این تحقیق، بهینه سازی فرآیند انعقاد و لخته سازی پساب تصفیه خانه گالوانیزه مجتمع فولاد مبارکه با هدف حذف دو فلز سنگین آهن و کروم می باشد. مراحل طراحی آزمایش با استفاده از مدل طراحی آزمایش« رویه پاسخ» انجام شده است. عوامل تأثیرگذار در این تحقیق چهار عامل منعقدکننده (کلرورفریک)، کمک منعقدکننده (پلی الکترولیت)، pH و کدورت اولیه در نظر گرفته شده است که در مرحله بهینه سازی مقدار بهینه هریک مشخص می شود.

مواد و روش ها

مواد و وسایل

وسایل و دستگاه های مورد استفاده در این تحقیق در جدول (1) نشان داده شده است.

جدول 1- وسایل و دستگاه های مورد استفاده در این تحقیق

میز 1. دستگاه ها و تجهیزات مورد استفاده در این مطالعه

پساب مورد استفاده در این تحقیق از تصفیه خانه‌ای پساب گالوانیزه و قلع اندود مجتمع فولاد مبارکه اصفهان نمونه برداری شده است. پساب مورد نظر از ترکیب چهار نوع پساب کرومی، فنلی، روغنی و اسیدی- قلیایی تشکیل می‌شود که پیش از ترکیب، هریک به صورت جداگانه پیش می‌رود. مشخصات پساب ورودی به تصفیه‌خانه مطابق جدول (2) می‌باشد. بر اساس این جدول از میان فلزات سنگین مورد استفاده قرار گرفته است.

جدول 2- مشخصات پساب مورد مطالعه

جدول 2. بررسی خصوصیات فاضلاب

استفاده از نوع کلرورفریک با درصد خلوص 41 درصد و کمک منع مصرفی، پلی الکترولایتPERROCRYL 8723 محصول شرکت هنکل آلمان می باشد.

روش انجام

آزمایش جارتست

آنالیز جارتست روش استاندارد ASTM2035 انجام شده است. آزمایش جار در واقع مدلی کوچک از واحدهای اختلاط سریع، انعقاد، لخته‌سازی و ته نشینی می باشد. بر این اساس از بشرهای 1 لیتری استاندارد به عنوان ظروف آزمایش استفاده می‌شود. نمونه آزمایش برنامه آزمایش ابتدا به مدت دو دقیقه با سرعت 80 تا 120 دور بر دقیقه و پس از آن به مدت 20 دقیقه با سرعت 20 دور بر دقیقه، مخلوط می‌گردند. سپس ظروف از زیر دستگاه آزمایش خارج شده و مدت 30 دقیقه جهت ته‌نشینی، ساکن نگه داشته می‌شود. پس از مرحله ته نشینی، میزان مورد نیاز نمونه از حدود 2 سانتی متری سطح ظرف توسط سرنگ برداشته شده و جهت انجام آزمایش جذب اتمی مورد استفاده قرار می گیرد(22).

آنالیز جذب اتمی

برای اندازه گیری عناصر کروم و آهن از روش اسپکتروفتتریوم جذب اتمی مطابق با دستور العمل ASTM E1812 استفاده شده است. برای آنالیز با این روش، نمونه ای از اسیدهای معدنی حل شده و به آن داده می شود. در یک تجزیه جذب اتمی توسط دستگاه، عنصر مورد اندازه‌گیری توسط شعله تبخیر می‌شود و به حالت مؤثری کاهش می‌یابد. دقت این روش در حد ppm بوده و برای هر عنصر نیاز به لامپ آن عنصر می‌باشد. لازم به ذکر است در اندازه‌گیری عنصر کروم با این روش، مجموع کروم سه ظرفیتی و شش ظرفیتی محاسبه می‌شود (23).

آنالیز کدورت

برای اندازگیری کدورت از دستگاه Digital Direct – Reading Turbidimeter ساخت شرکت Metrohm سوییس استفاده می شود. این آنالیز مطابق با دستورالعمل 2130 کتاب روشهای استاندارد انجام شده است. در این روش ابتدایی دستگاه کدورت‌سنج با استفاده از محلول‌های فرمازین (استانداردهای مرجع) تنظیم و کالیبره می‌شود. برای کار با دستگاه پس از روشن کردن، سلولی حاوی نمونه‌ای استاندارد را درون دستگاه قرار می‌دهیم. را فشار دهید و مقدار آن را می خوانیم. اگر این مقدار محدوده‌ای درست را به ما نشان دهد، دستگاه کالیبره می‌شود و ما می‌توانیم نمونه را درون دستگاه گذاشته و دکمه‌ای را بخوانیم. عدد قرائت شده میزان کدورت را بر حسب NTU بیان می‌کند (24).

طراحی آزمایش

آزمایش‌های طراحی شده در این تحقیق توسط نرم‌افزار Design Expert 8 و به روش استاندارد رویه پاسخ که روش «طراحی مرکب مرکزی» می‌باشد، انجام شده است. در این روش هر عامل در پنج سطح تعریف می‌شود و دارای سه نقطه طراحی شامل نقاط فاکتوریل، محوری است. و مرکزی می باشد. نقاط فاکتوریل در بردارنده بازه‌ای اصلی تغییرات یک تغییر (عامل) می‌شود و توسط کاربر به مدل داده می‌شود. نقاط محوری در بردارنده نقاط محدود خارج از اصلی ترین تغییر عامل مورد نظر می‌باشد و توسط مدل مشخص می‌شود و نقاط مرکزی کمترین و کمتر از هر عاملی باشد (25).

تعداد آزمایش ها در روش طراحی مرکب مرکزی به صورت رابطه (1) محاسبه می شود:

در رابطه بالا K تعداد عوامل و C _p بیانگر تعداد نقاط تکرار است.

در روش طراحی آزمایش به روش رویه پاسخ، به دلیل وجود تغییرات فراوان، داده ها به صورت کد تبدیل می شوند. این کار باعث می شود مقایسه ها با یک‌دیگر به راحتی انجام شود. روش تبدیل داده ها به کد مطابق با رابطه (2) می باشد:

که در آن مقدار کدشده، مقدار واقعی، مقدار مقادیر در بازه‌های اصلی تغییرات و به ترتیب بالا و پایین بازه‌های اصلی تغییرات می‌شود.

آنالیز واریانس

در طراحی آزمایش به دلیل این‌که تنها بخشی از آزمایش‌ها انجام می‌شود، باید از نتایج اطمینان حاصل شود. آنالیز واریانس روش استاندارد آماری است که به بررسی کمی و کیفی پرداخته و میزان معنی دار بودن هر عامل را بر پاسخ به نظر بررسی می‌نماید. در این روش، تحلیل اطلاعات به صورت مستقیم انجام نمی‌شود، بلکه با تحلیل و بررسی تغییرات داده‌ها، درجه محاسبه می‌شود. هدف اصلی از این آنالیز، استخراج واریانس هریک از عوامل نسبت به واریانس کل است. نتایج آنالیز واریانس شامل درجه آزادی هریک از عوامل (DOF)، واریانس عامل (V)، مجموعه مربعات (SS)، نسبت واریانس هر عامل به واریانس خطا (F) و درصد تأثیر هر عامل بر هدف (P) می باشد. پس از تحلیل واریانس، امکان تعیین ضریب برازش(R ²) و نیز اشاره به نویز (S/N) فراهم می‌شود. ضریب برازش عددی در بازه‌ی صفر و یک بوده و نشان‌دهنده میزان موفقیت مدل در برازش داده‌ها می‌باشد. نسبت به نویز نیز نشان‌دهنده‌ی مدل‌های ارائه‌دهنده‌ی عوامل غیرقابل کنترل می‌باشد و بهتر است مدل آن را نشان دهد. در حالت کلی اشاره به نویز بالاتر از 4 قابل قبول می‌باشد(25).

 نتایج

آزمایش های اولیه برای تعیین عوامل

عامل منعقد کننده

در این آزمایش، کلرور فریک با خلوص 57/40 درصد FeCl3 می‌باشد. آزمایش‌های اولیه جهت عامل محدوده مناسب این عامل به عنوان ورودی به مدل سطح رویه، در شکل (1) نشان داده شده است. در آزمایش‌های کمک‌کننده منعقدکننده بر حسب میلی‌گرم بر لیتر، کدورت ورودی بر حسب NTU و pH به ترتیب برابر 1/0، 60 و 11 می‌باشد. با توجه به نتایج آزمایش‌های اولیه باز تغییرات این عامل در محدوده 350 تا 750 میلی‌لیتر گرم بر لیتر در نظر گرفته شده است.

شکل 1-نتایج آزمایش‌های اولیه جهت تعیین محدوده مناسب دوز منعقدکننده

شکل 1. نتایج آزمایشات اولیه برای یافتن محدوده مناسب دوز منعقد کننده

عامل کمک منعقد کننده

کمک منعقد کننده مورد استفاده در این آزمایش الکترولیت مدلPERROCRYL 8723 ساخت شرکت هنکل می‌باشد. آزمایش‌های عامل اولیه جهت تعیین محدوده متناسب با آن در شکل (2) نشان داده شده است. در آزمایش‌های دارای منعقدکننده برحسب میلی‌گرم بر لیتر، کدورت اولیه بر حسب NTU و pH به ترتیب برابر 400، 50 و 5/11 می‌باشد. باتوجه به نتایج آزمایش های اولیه و ملاحظات اقتصادی، باز تغییرات این عامل نیز در محدوده 05/0 تا 25/0 میلی گرم گرم برلیتر در نظر گرفته شده است.

شکل 2- نتایج آزمایشهای اولیه جهت تعیین کننده مناسب کمک منعقد

شکل 2. نتایج آزمایشات اولیه برای یافتن محدوده مناسب دوز کمک منعقد کننده

عامل  pH

از آنجایی که تغییرات pH پساب در هنگام ورود به واحد انعقاد و لخته‌سازی برداشت‌خانه مورد نظر به صورت آنلاین پایش و ثبت می‌شود، باز تغییرات مورد نظر برای این عامل با توجه به تغییرات pH پساب در محدوده 5/9 تا 5/12 در نظر گرفته شده است. شده است.

عامل کدورت ورودی

با توجه به ماهیت تغییرات پساب این واحد، بازه تغییر عامل کدورت در یک بازه زمانی دو هفته ای مورد بررسی قرار گرفته و با توجه به نتایج به دست آمده، بازه‌ای تغییرات این عامل در محدوده 40 تا 120 NTU در نظر گرفته شده است. در جدول (3) چهار عامل مورد بررسی در این تحقیق به همراه بازه‌های تغییرات هریک نشان داده شده است.

جدول 3- عوامل در نظر گرفته شده در آزمایش و بازه تغییرات آن ها

جدول 2. عوامل فرضی در آزمایش و دامنه تغییرات آنها

مدل سازی

آزمایش‌های طراحی شده توسط نرم‌افزاردر جدول (4) ارائه شده است. همان گونه ای که در این جدول مشخص شده است، بر اساس داده های ورودی، نرم افزار تعداد 30 سری آزمایش طراحی شده است که از این تعداد 6 آزمایش به صورت تکراری می باشد. در جدول (2) هم‌چنین نتایج آزمایش جذب اتمی هر یک از نمونه‌های نشان داده شده است. پاسخ اول مربوط به خروجی و پاسخ دوم مربوط به درصد حذف یون کروم کل می باشد. دلیل این که در مورد پاسخ یک درصد از درصد حذف استفاده نشده است، افزایش این یک در برخی از نمونه‌ها پس از انجام آزمایش می‌باشد. این امر به دلیل وجود یون آهن در ماده منعقد کننده کلرورفریک می‌باشد.

در این تحقیق برای هر دو پاسخ مورد بررسی، مدل مرتبه دوم (Quadratic) را به نحو مناسب تری برازش می دهد. معادله‌های رگرسیونی از این برازش مطابق با رابطه (3) و (4) حاصل می‌شود که در آن نتایج بر اساس رابطه (2) به صورت کد وارد شود.

خروجی Fe = رابطه (3)

2.61429 + 3.46708 A + 0.317917 B – 6.09125 C – 1.37125 D + 0.405074 A*A -0.0399256 B*B + 3.00757 C*C + 1.70757 C*C + 1.70757 C*C + 1.70757 A *C -0.100625 A*D – 0.764375 B*C – 0.934375 B*D + 0.641875 C*D 

حذف کروم = رابطه (4)

97.0842 – 0.518042 A – 0.407933 B + 1.13397 C + 3.25949 D + 0.186963 A*A + 0.185226 B*B – 0.239212 C*C * 0.239212 C*2 + 0.099 D + 0.099 D. A*C -0.219550 A*D + 0.601725 B*C + 0.895825 B*D – 0.504112 C*D  

جدول 4- آزمایشهای طراحی شده و نتایج پاسخهای مربوطه بر اساس روش طراحی مرکب مرکزی

جدول 4. آزمایش های طراحی شده و پاسخ های مربوطه بر اساس روش طراحی مرکب مرکزی

نتایج حاصل از تحلیل واریانس این آزمایش در جدول (5) نشان داده شده است. طبق این جدول مقدار F-Value مدل «آهن خروجی» و «درصد حذف کروم» به ترتیب 39/33 و 14/21 می‌باشد و مقدار P-Value هر مدل تنها 01/0 درصد احتمال دارد که مقدار بالای F-Value مربوط باشد. به نویز باشد. به عبارت دیگر بالابودن این ضریب به تأثیر بر عوامل کنترل پذیر (سیگنال) نسبت به عوامل کنترل کننده ناپذیر (نویز) در مدل می‌باشد. مقدار F-Value مدل وقتی قابل قبول است که از مقدار Fcrital بیشتر باشد که در این مدل با توجه به درجه آزادی 14 مدل، Fcritic هردو مدل برابر 6/4 می‌باشد. در جدول همین R-Squared ضریب همبستگی، Adj R-Squared ضریب همبستگی اصلاح شده و Pred R-Squared ضریب همبستگی پیش بینی کننده است. در یک تحلیل مناسب، ضریب همبستگی بهتر است نزدیک به 1 بوده و ضریب همبستگی اصلاح شود و پیش بینی اختلافی بیش از 2/0 نباشد. هم‌چنین دقیق کافی (A Precision)، نسبت به نویز را اندازه‌گیری می‌کند که در حالت کلی نسبت بزرگتر از 4 مطلوب است(24). همانگونه که مشخص است برای هر دو مدل مورد بررسی همه ضرایب فوق در محدوده‌ای مطلوب است که هر دو مدل کفایت را نشان دهد.

جدول 5- نتایج حاصل از تحلیل واریانس مدل خروجی و درصد حذفم

جدول 5. نتایج تحلیل واریانس غلظت آهن پساب و درصد حذف کروم

در شکل (3) نمودارهای احتمال نرمال مدل مربوط به دو پاسخ خروجی و درصد حذف یون کروم نشان داده شده است. همان گونه ای که در هر دو نقطه مشخص است، مکان طراحی پراکندگی ناچیزی از خط مورب دارند که حاکی از کفایت دو مدل می‌باشد.

شکل 3- احتمال نرمال پاسخ این خروجی(سمت راست) و درصد حذف یون کروم(سمت چپ)

شکل 3. نمودار احتمال طبیعی پاسخ غلظت آهن پساب (راست) و درصد حذف کروم (سمت چپ)

در شکل (4)، تصویر آشفتگی دو مدل مشابه نشان داده شده است. نقشه آشفتگی مقایسه همه‌ی عوامل را در یک نقطه مشخص در فضای طراحی آسان می‌کند. شیب تند یا انحنا در این نمودار نشان دهنده این است که پاسخ به عامل مورد نظر حساس است. خط یک نسبتا به طور کامل بدون پاسخ به تغییر آن عامل نشان می دهد. همان گونه ای که در آشفتگی (شکل 4 -الف) مشخص شده، عامل pH (C) بیشتر و عامل کمک منعقدکننده (B)، کمترین تأثیر را بر آن خارج می کند. در خصوص فلز کروم نیز ( شکل 4 -ب) عامل کدورت ورودی (D) تاثیرگذار و دو عامل منعقد کننده (A) و کمک کننده منعقد کننده (B) به طور مشترک کمترین تاثیر را بر درصد حذفم دارد.

               (الف) (ب)

شکل 4- نمودار آشفتگی پاسخ (الف) وجود خروجی (ب)درصد حذف یون کروم

شکل 4. نمودار اختلال پاسخ: پاسخ غلظت آهن پساب (راست) و درصد حذف کروم (سمت چپ)

جهت بررسی همه پاسخ‌ها بر روی، در شکل‌های (5) و (6) نمودار کانتور دوبعدی تأثیرات بر پاسخ درصد حذف کروم و پاسخ آن خروجی نشان داده شده است. شکل (5- الف) اثر متقابل کدورت ورودی و پلی الکترولیت را مشخص می‌کند. همان طور که از جهت خطوط کانتور مشخص است، میزان تأثیر پلی الکترولیت بر حذف کروم در برابر کدورت ورودی ناچیز بوده و از طریق افزایش کدورت درصد ورودی تا بالای 98 درصد افزایش می‌یابد. مطابق شکل (5- ب) دارای pH و FeCl3 در حد بالای بازه‌ها راندمان حذف 99% را نشان داد.

شکل (6 – الف) نیز نشان دهنده تاثیر کم پلی الکترولیت بر این خروجی است. هم‌چنین کدورت بیشتر از 70 NTU نیز بر کاهش خروجی اثر محسوسی نیست. شکل (6- ب) نیز نشان دهنده آن است که افزایش pH بهتری در کاهش آن خروجی در مقایسه با کلرورهای مختلف فریک دارد. تأثیر کلرور فریک در حد پایین بازه تغییر pH محسوس تر است.

               (الف) (ب)

شکل 5- نمودارهای کانتور دوبعدی پاسخ درصد حذف یون کروم (الف- ب و د ، ب- الف و ج )

شکل 5. خطوط دو بعدی پاسخ حذف درصد کروم (a. B&D b. A&C)

               (الف) (ب)

شکل 6- نمودارهای کانتور دوبعدی پاسخ خروجی (الف- B و D ، ب- A و C )

شکل 6. خطوط دو بعدی پاسخ غلظت آهن پساب (a. B&D b. A&C)

بهینه سازی

محصولات کروم بهینه‌سازی فرآیند انعقاد و لخته‌سازی مورد بررسی، 6 تغییر منعقد، کمک منع کننده، pH، کدورت ورودی، خروجی و درصد حذف می‌باشد که از میان 4 متغیر اول به عنوان عوامل ورودی و دو تغییر آخر باشد. به عنوان پاسخ‌ خروجی در مرحله مدل سازی می‌باشند. در مواردی که محصولات متعددی بر روی فرآیند بهینه‌سازی تأثیرگذار باشد، سناریوهای موجود را می‌توان برای بهینه‌سازی فرآیند در نظر گرفت. سناریوی انتخابی که با در نظر گرفتن ملاحظات بهره برداری و پس از بررسی با بهره برداری از مجتمع مجتمع فولاد مبارکه انتخاب شده است، در جدول (6) نشان داده شده است. در این سناریو برای مصرف مواد منعقد کننده و کمک کننده، میزان مصرف این مواد به ترتیب سه و چهار در نظر گرفته شده است. در مقابل هدف «غلظت خروجی» قرار گرفتن در بازه‌ای استاندارد زیست محیطی (3 میلی‌گرم بر لیتر) با درجه درجه سه می‌باشد. برنامه «درصد حذف کروم» نیز با هدف مشخص شدن و با درجه مهم 5 ( بالاترین مهم) در نظر گرفته شده است. در جدول (7) بهینه ترین حالت بر اساس سناریوی انتخابی توسط نرم افزار انتخاب شده است.

جدول 6- سناریوی انتخابی جهت بهینه سازی روند انعقاد و لخته سازی

جدول 6. سناریوی انتخاب شده برای بهینه سازی فرآیند لخته سازی انعقادی

جدول 7- حالت بهینه پیشنهادی بر اساس سناریوی انتخابی

جدول 7. مورد بهینه پیشنهادی بر اساس سناریوی انتخاب شده

بحث کنید

مقایسه نتایج به دست آمده در این مطالعه با مطالعات قبلی در جدول (8) بیان شده است. در این جدول مطالعاتی از جنبه‌های مختلف شامل انواع منعقد، نوع آلاینده، عوامل، روش‌های طراحی آزمایش‌ها و نتایج مقایسه‌ها گرفته شده است. همان طور که می‌شود، عوامل مهم در اکثر مطالعات دو ماده عامل منعقدکننده و pH در نظر گرفته شده است. از طرفی به دلیل عدم استفاده از روش‌های طراحی آزمایش یک مورد، بررسی تأثیر بر هر عامل بر روی انجام شده و تأثیر هم‌زمان عوامل مختلف مورد بررسی قرار گرفته است.

جدول 8- مقایسه نتایج با مطالعات پیشین

جدول 8. مقایسه نتایج با ادبیات

نتیجه گیری

در تحقیق حاضر به مدلسازی و بهینه سازی پساب تصفیه خانه گالوانیزه مجتمع فولاد مبارکه جهت حذف دو عنصر آهن و کروم از پساب این واحد پرداخت شده است. نتایج بررسی در این تحقیق چهار عامل منعقد کننده، کمک کننده منعقد کننده، pH و کدورت ورودی بوده که توسط روش رویه پاسخ، آزمایش‌ها به آن طراحی شده است. نتایج این تحقیق نشان می دهد که با ساخت مدل رگرسیونی مرتبه دوم از فرآیند انعقاد ولخته سازی، امکان پیش بینی شرایط مختلف بهره برداری بدون انجام آزمایش فراهم می شود. هم‌چنین از چهار عامل، عامل میانی pH بیشترین تأثیر را بر درصد خروجی و عامل کدورت ورودی بیشترین تأثیر را بر درصد حذف کروم دارد. در مرحله بهینه‌سازی نیز مقدار بهینه‌سازی‌های مورد بررسی با هدف کاهش میزان مصرف مواد مصرفی، میزان کاهش میزان مصرف کروم و قرار گرفتن در محدوده استاندارد محیط زیستی برای مقدار مصرفی 397 میلی‌گرم بر لیتر کلرورفریک به عنوان منعقدکننده، 06/0 میلی‌گرم بر یک واحد پلی الکترولیت به عنوان کمک منعقد کننده در pHberaber 25/10 و کدورت ورودی 103 NTU می‌باشد. در پایان پیشنهاد می‌شود تاثیر را در راندمان حذف فلزات سنگین مورد مطالعه قرار گرفت.

قدردانی

در پایان برخود لازم نویسندگان می دانند که از تحقیقات و پژوهش های علمی و پژوهشی، خانه و آزمایشگاه مرکزی مجتمع مبارکه اصفهان تقدیر و تشکر می کنم.