استفاده از پلی آلومینیوم کلرید به عنوان یک اقدام بازسازی برای بهبود کیفیت آب

خلاصه

هدف

هدف از این مطالعه ارزیابی عملکرد منعقدکننده پلی‌آلومینیوم کلرید (PAC) در بهبود کیفیت آب شش دریاچه کم‌عمق اوتروفیک در منطقه نیمه‌خشک برزیل بود.

مواد و روش ها

ما تأثیر PAC را در کدورت، مواد هیومیک (UV 254 )، فسفر تام و غلظت کلروفیل از طریق آزمایش‌های شیشه آزمایشگاهی ارزیابی کردیم.

نتایج

نتایج نشان داد که PAC عملکرد خوبی در کاهش غلظت کل فسفر و کدورت دارد و با کاهش کارایی در حذف کلروفیل- آ و مواد هیومیک با رسوب گله‌های تشکیل‌شده، کارایی خوبی داشت.

نتیجه گیری

افزودن PAC یک ابزار بالقوه برای بهبود کیفیت آب دریاچه های کم عمق اوتروفیک در منطقه نیمه خشک برزیل است، اما کارایی آن به pH و غلظت ذرات و مواد آلی محلول در دریاچه یا آب مخزن بستگی دارد.

کلمات کلیدی:
انعقاد حذف فسفر؛ رفع کدورت؛ احیای دریاچه؛ منطقه نیمه خشک

1. معرفی

بارگیری فسفر داخلی (P) از رسوبات غنی از فسفر عامل اصلی تاخیر در احیای دریاچه کم عمق پس از کاهش بارگذاری فسفر خارجی در نظر گرفته می شود.سوندرگارد و همکاران، 2000،2003). در نتیجه، چندین روش شیمیایی برای کنترل بارگذاری داخلی فسفر در سراسر جهان به کار گرفته شده است.ولش و کوک، 1999;رایتزل و همکاران، 2005;اسپیرز و همکاران، 2013). پرکاربردترین روش، رسوب و غیرفعال کردن فسفر توسط مواد منعقد کننده، به ویژه آنهایی که بر پایه آلومینیوم (Al) هستند، می باشد.کوک و همکاران، 2005). هنگامی که نمک های Al به آب اضافه می شوند، ترجیحاً Al +3 با PO 4 -3 واکنش داده و رسوبی تشکیل می دهد که پس از انعقاد، لخته سازی و ته نشین شدن بعدی می توان آن را از ستون آب خارج کرد. علاوه بر این، انعقاد و لخته سازی همچنین قادر به حذف ذرات معلق غیر آلی و آلی هستند.جیانگ و گراهام، 1998کدورت و کل فسفر از ستون آب. در میان منعقد کننده های مبتنی بر Al، سولفات آلومینیوم (Al 2 (SO 4 ) 3 ) یا آلوم، رایج ترین ماده شیمیایی مورد استفاده در احیای دریاچه است. اثربخشی آن در حذف فسفر در چندین آزمایش آزمایشگاهی و کل دریاچه گزارش شده است.ولش و شریو، 1994;ون هالبوش و همکاران، 2002;لواندوفسکی و همکاران، 2003). با این حال آلوم ممکن است منجر به غلظت بالای باقیمانده آل شود و به شدت تحت تأثیر دما قرار می گیرد.Van Benschoten & Edzwald، 1990) و pH.

به منظور بهبود فرآیند انعقاد، منعقد کننده های مبتنی بر Al پیش هیدرولیز شده به عنوان پلی آلومینیوم کلرید (PAC) توسعه یافتند. منعقد کننده های پلی آلومینیومی با هیدرولیز جزئی اسید کلرید آلومینیوم در شرایط کنترل شده ساخته می شوند و قلیاییت آب را مصرف نمی کنند. بنابراین، PAC عملکرد انعقادی بهتری نسبت به آلوم دارد به دلیل دامنه pH وسیع‌تر، حساسیت کمتر به دمای پایین آب، دوزهای کمتر مورد نیاز و غلظت‌های باقی‌مانده آلوم کمتر.جیانگ و گراهام، 1998). تعدادی از مطالعات آزمایشگاهی و تجربی مزرعه ای عملکرد برتر PAC را در حذف کدورت و حذف فسفر نشان داده است.رایتزل و همکاران، 2003;گائو و همکاران، 2005;چن و لوان، 2010;دی جولیو و همکاران، 2010;یانگ و همکاران، 2010;نویما و همکاران، 2015;آراجو و همکاران، 2016). کاربرد PAC در آزمایش‌های کل دریاچه، کارایی آن را در حذف فسفر از ستون آب نشان داده است.رایتزل و همکاران، 2005;لوپاتا و گاورونسکا، 2008;Egemose و همکاران، 2011;یانچولا و مارشالک، 2012) و کدورت حتی در دوز کم (1.5 میلی گرم Al.L -1 ) در دریاچه های کم عمق (ون هالبوش و همکاران، 2002) و به عنوان اقدامی برای احیای دریاچه پیشنهاد شده است.

فرآیند انعقاد لخته سازی مستقیماً تحت تأثیر حضور ذرات و مواد آلی محلول موجود در آب قرار می گیرد.ادزوالد، 1993) و همچنین بر اساس شیمی آب (pH و قلیاییت) (پرنیتسکی و ادزوالد، 2006). PAC برای کاهش مصرف قلیایی ایجاد شد اما کارایی آن وابسته به pH است. اثر انعقاد PAC تحت تأثیر زایی آلومینیوم پس از کاربرد آن در آب است که به نوبه خود توسط pH تعیین می شود.ادزوالد، 1993). در pH 6.0-7.0 گونه های شیمیایی آلومینیوم هیدرولیز شده دارای بار زیادی هستند و در حذف ذرات و مواد آلی محلول بسیار کارآمد هستند.یان و همکاران، 2008 الف،ب). جلبک ها همچنین به دلیل ویژگی هایی مانند مورفولوژی، تحرک، بار سطحی و مواد آلی آلگوژنیک می توانند بر انعقاد تأثیر بگذارند.هندرسون و همکاران، 2008 الف،ب،2010).

در منطقه نیمه خشک استوایی شمال شرقی برزیل، هزاران دریاچه مصنوعی اوتروفیک وجود دارد که با وجود شکوفه های مداوم سیانوباکتری های سمی، برای تامین آب مورد استفاده قرار می گیرند. کاربرد مستقیم PAC در این دریاچه ها به عنوان ابزاری ارزان برای مدیریت کیفیت آب پیشنهاد شده است، اما هیچ مطالعه قبلی اثر PAC را در حذف کدورت و فسفر در این دریاچه ها بررسی نکرده است. هدف از این مطالعه ارزیابی عملکرد پلی آلومینیوم کلرید در بهبود کیفیت آب شش دریاچه کم عمق اوتروفیک در منطقه نیمه خشک برزیل از طریق آزمایش‌های جار آزمایشگاهی بود. عملکرد از نظر کدورت و حذف فسفر و همچنین برای مواد هیومیک و کلروفیل- آ ارزیابی شد .

2. مواد و روش ها

2.1. آب خام

نمونه‌های آب از منطقه دریایی شش مخزن در ایالت ریو گراند دو نورته، برزیل جمع‌آوری شد: مخزن Gargalheiras، Passagem das Traíras، Boqueirão، Dourados، Cruzeta و Timbaúba. نمونه ها تا 48 ساعت قبل از شروع آزمایش در آزمایشگاه، در دمای اتاق نگهداری شدند. کدورت (NTU؛ کدورت سنج AP2000)، غلظت کلروفیل a (جسپرسن و کریستوفرسن، 1988) و غلظت فسفر کل (والدراما، 1981;مورفی و رایلی، 1962) برای مشخص کردن آب خام اندازه گیری شد.

2.2. دوز منعقد کننده

منعقد کننده مورد استفاده پلی آلومنیوم کلرید (PAC؛ PANFLOC TE1018 – Pan-Americana S/A)، به صورت مایع (16-18 درصد از Al 2 O 3 ) بود. محلول استوک با غلظت 1 گرم Al.L -1 تهیه شد . شش دوز آزمایش شد: 0، 2، 4، 6، 8 و 10 میلی گرم Al.L -1 .

2.3. آزمایش شیشه

تجهیزات استاندارد jar test (6 پروب با ظرفیت دو لیتر) در روش سنجش مرسوم استفاده شد: اختلاط سریع، لخته سازی و ته نشینی.جدول 1 ). دو لیتر آب خام به هر پروب 2 لیتری منتقل شد. منعقد کننده درست پس از شروع مرحله اختلاط سریع دوز شد. تمام آزمایش ها در دمای اتاق 24 درجه سانتی گراد (1± درجه) انجام شد. پس از زمان ته نشینی، نمونه ها از 7 سانتی متر زیر سطح آب برای تجزیه و تحلیل بعدی جمع آوری شد. کدورت، pH، دما و فسفر کل در نمونه جمع آوری شده اندازه گیری شد. یک نمونه فرعی (غشاء 1.2 میکرومتر) برای اندازه گیری جذب کلروفیل a و همچنین جذب UV 254 (سلول کوارتز 1 سانتی متر؛ اسپکتروفتومتر شیمادزو) فیلتر شد. UV 254 برای نشان دادن محتوای مواد آلی محلول (DOM)، عمدتاً به عنوان مواد هیومیک اندازه گیری شد.Leenheer & Croué، 2003).

2.4. تحلیل داده ها

عملکرد PAC از نظر راندمان حذف (RE) با ته نشینی گله ها، به عنوان درصد کاهش کلروفیل a و غلظت کل ففر، کدورت و جذب UV 254 ارزیابی شد. دوز انتخابی حداقل دوز مورد نیاز برای کاهش 50 درصدی مقادیر متغیرها است. ما همبستگی بین عملکرد PAC در دوز انتخابی و غلظت اولیه کلروفیل و pH را با استفاده از آزمون همبستگی اسپیرمن (r؛ α <0.05) ارزیابی کردیم .

3. نتایج

3.1. شرایط اولیه آب خام

همه مخازن بر اساس اوتروفیک طبقه بندی شدندتورنتون و رست (1993)چون غلظت کلروفیل a > 15 میکروگرم در لیتر و غلظت فسفر کل > 50 میکروگرم در لیتر داشتند .جدول 2 ). Gargalheiras و Passagem das Traíras بالاترین غلظت کلروفیل a و کل فسفر را نشان دادند.

3.2. عملکرد PAC

با افزایش دوز PAC با استفاده از منعقد کننده، pH کاهش یافت، اما pH نهایی همیشه بالای 6.5 بود (داده‌ها نشان داده نشده است). به طور کلی، راندمان حذف به شدت از دوز 0 به 4 میلی گرم Al.L -1 افزایش یافت و مقادیر بالاتری بین دوز 4 تا 6 میلی گرم Al.L -1 برای همه متغیرها بدست آورد.شکل 1 ). سپس دو حالت مشاهده شد: افزایش دوز باعث افزایش راندمان حذف کل فسفر، کلروفیل و کدورت نشد. یا با افزایش دوز Al برای حذف UV 254 راندمان به طور مداوم افزایش می یابد که در آن تنها بالاترین دوز کارایی بالای 50٪ را نشان می دهد. دوز None Al در حذف حداقل 50 درصد از کل فسفر، کدورت، UV 254 و کلروفیل a برای مخزن Passagem das Traíras کارآمد بود.شکل 1 ). افزایش دوز Al از 6 به 10 میلی گرم Al.L -1 باعث کاهش راندمان حذف کلروفیل در مخازن Cruzeta و Passagem das Traíras شد.شکل 1 د).

برای اکثر مخازن، حداقل دوز مورد نیاز برای کاهش حداقل 50 درصد غلظت متغیرها 4 میلی گرم Al.L -1 بود .شکل 2 ). این دوز منجر به مقادیر کدورت ≤ 10 NTU، غلظت کل فسفر ≤ 50 میکروگرم در لیتر – 1 و کلروفیل – غلظت ≤ 15 میکروگرم در لیتر – برای مخازن Cruzeta، Timabúba e Dourados شد. آب مخزن Boqueirão به کدورت 10.3 NTU رسید و غلظت کل ففر به مقادیر کمتر از 50 میکروگرم در لیتر کاهش یافت، اما غلظت کلروفیل بالای 15 میکروگرم در لیتر باقی ماند . راندمان حذف کل فسفر، کدورت و UV 254 برای دوز 4 میلی‌گرم Al.L -1 با غلظت اولیه کلروفیل-آ و pH همبستگی منفی معنی‌داری داشت .شکل 3 ). بیشترین میزان حذف فسفر کل و کدورت برای کلروفیل مشاهده شد – محدوده غلظت 18.8-39.9 میکروگرم در لیتر و محدوده pH 6.8-7.9. بیشترین حذف UV 254 برای همان محدوده pH اما برای غلظت کلروفیل کمتر ( 18.8-27.3 میکروگرم در لیتر ) مشاهده شد.

4. بحث

به طور کلی، PAC در حذف غلظت کل فسفر و کدورت عملکرد خوبی از خود نشان داد، اما کارایی آن تحت تأثیر غلظت کلروفیل- آ و مواد هیومیک قرار گرفت . ما پیشنهاد کردیم که 4 میلی گرم Al.L -1 بهترین دوز (هزینه-منفعت بهتر) برای استفاده در بیشتر مخازن آزمایش شده است. این دوز حالت تغذیه ای آب را از شرایط اوتروفیک به شرایط الیگو-مزوتروفیک در مخازن Cruzeta، Timabúba e Dourados تغییر داد و اثرات واسطه ای بر روی آب Boqueirão در آزمایش های آزمایشگاهی داشت. کارایی حذف کل فسفر برای کاربرد PAC درون دریاچه گزارش شده است.رایتزل و همکاران، 2005;لوپاتا و گاورونسکا، 2008;Egemose و همکاران، 2011;یانچولا و مارشالک، 2012). با این حال، PAC کارایی پایینی در بهبود کیفیت آب در مخازن Gargalheiras و Passagem das Traíras نشان داد.

ارزیابی عملکرد PAC از نظر راندمان حذف متغیرها پس از زمان ته نشینی 30 دقیقه مورد بررسی قرار گرفت. عملکرد پایین نشان دهنده مشکلاتی در رسوب گذاری است که می تواند ناشی از انعقاد ضعیف یا لخته سازی باشد. کلروفیل بالا – غلظت ، pH و مواد هیومیک در شرایط اولیه احتمالاً دلایل حذف با راندمان پایین گله های تشکیل شده توسط PAC در آب Gargalheiras و Passagem das Traíras هستند. همبستگی های ما نشان داد که فسفر کل، کدورت و راندمان حذف UV 254 با مقادیر بالاتر pH اولیه و غلظت کلروفیل- a همبستگی دارند. گزارش شده است که pH اولیه بر عملکرد انعقادی PAC تأثیر می گذارد (یانگ و همکاران، 2010). در حداکثر عملکرد PAC، pH در حدود خنثی (هو و همکاران، 2006;دی جولیو و همکاران، 2010). انعقاد برای محدوده pH 6.0-7.0 مطلوب است به دلیل وجود گونه های Al با بار مثبت که باعث تشکیل گله می شود.پرنیتسکی و ادزوالد، 2006) که عملکرد انعقاد را تعیین می کند (یان و همکاران، 2008 الف). دوز 4 میلی گرم Al.L -1 منجر به pH> 8.0 در آب Gargalheiras و Passagem das Traíras شد و در نتیجه انعقاد را دشوار می کرد. پیشنهاد شده است که آبهای قلیایی بالا به دوز PAC بالاتری برای دستیابی به مقادیر pH مطلوب برای انعقاد نیاز دارند.هو و همکاران، 2006).

فرآیند انعقاد باعث تشکیل گله‌هایی با اندازه، بار و چگالی متفاوت می‌شود، عواملی که مستقیماً در رسوب گله تأثیر می‌گذارند. گله های تشکیل شده توسط سلول های جلبک دارای چگالی کم هستند که ته نشین شدن آنها را دشوار می کند.ادزوالد، 1993;هندرسون و همکاران، 2008 الف). سلول‌های جلبک حاوی اجزایی هستند که چگالی کمتری نسبت به آب ایجاد می‌کنند تا به آن‌ها اجازه می‌دهد در ناحیه سرخوشی باقی بمانند. تجمع لیپید، تولید موسیلاژ، تنظیم یونی و وزیکول های گاز از اجزای سلول جلبک برای جلوگیری از رسوب می باشد.رینولدز، 2006). گزارش شده است که مواد آلی خارج سلولی و سطحی تولید شده توسط جلبک ها تشکیل لخته را مهار می کنند.هندرسون و همکاران، 2008b،2010). لیپوپلی ساکارید روی سطح سلول میکروسیستیس آئروژینوزا تولید شده در اثر رشد بیش از حد، اثرات مهاری بر انعقاد PAC نشان داد.تاکارا و همکاران، 2010که می تواند یکی از دلایل مهم افزایش تقاضای منعقد کننده در آب های غنی از جلبک باشد.تاکارا و همکاران، 2007). همچنین فرآیند لخته سازی تحت تأثیر وجود مواد آلی محلول موجود در آب قرار می گیرد.ادزوالد، 1993) به ویژه مواد هیومیک. مواد هیومیک دارای بار منفی زیادی هستند (یان و همکاران، 2008 الف) که با افزایش pH و با جذب روی سطوح ذرات طبیعی افزایش می یابد.پرنیتسکی و ادزوالد، 2006). حداکثر حذف UV 254 در حدود pH 6.0 مشاهده شد (یان و همکاران، 2008b). مواد هیومیک آبزی با گونه‌های آلومینیوم محلول کمپلکس‌هایی تشکیل می‌دهند که با جذب روی یک جامد حذف می‌شوند و انعقاد را در آب‌هایی که هم جلبک و هم مواد هومیک دارند، دشوار می‌کنند.پرنیتسکی و ادزوالد، 2006).

به طور خلاصه، ما کاربرد PAC را یک تکنیک بازسازی خوب برای مخازن Cruzeta، Timbaúba و Dourados در نظر می گیریم. افزودن پلی آلومینیوم کلرید یک ابزار بالقوه برای بهبود کیفیت آب دریاچه های کم عمق اوتروفیک در منطقه نیمه خشک برزیل است، اما کارایی آن به pH و غلظت ذرات و مواد آلی محلول در دریاچه یا آب مخزن بستگی دارد.