مطالعه نیتریفیکاسیون بیولوژیک فاضلاب سنتتیک با استفاده از تلفیق فرآیند نیتریفیکاسیون بیولوژیک متداول با فرآیند نانوالکتروفوتوکاتالیستی

کاربرد فرآیندهای فیزیکوشیمیایی تلفیق شده با فرآیند نیتریفیکاسیون بیولوژیک می تواند جهت ارتقای حذف نیتروژن آمونیاکی از فاضلاب سنتتیک به خصوص در غلظت های بالا سودمند باشد؛ بنابراین، در این مطالعه، یک فرآیند الکتروفوتوکاتالیستی حاوی پلاتین به عنوان آند و گرافیت پوشش داده شده با مخلوط نانو لوله های کربن و کربن بلاک به عنوان کاتد در ترکیب با لامپ های فرابنفش و نانوکاتالیست ترکیبی (اکسید روی و سیلیکا) تثبیت شده بر روی صفحات شیشه ای جهت کمک به حذف بیولوژیک نیتروژن آمونیاکی استفاده شد. در ابتدا، راندمان هر یک از فرآیندها (الکتروفوتوکاتالیستی و نیتریفیکاسیون بیولوژیک) به صورت مجزا با استفاده از روش آماری سطح پاسخ مبتنی بر طراحی مرکب مرکزی مورد بررسی واقع شد. در مورد راکتور الکتروفوتوکاتالیستی، کارایی حذف قسمت های مختلف فرآیند از ترتیب افزایشی که در ادامه می آید پیروی نمود: فرآیند فوتوکاتالیستی > فرآیند الکتروشیمیایی > فرآیند الکتروفوتوکاتالیستی. حذف نیتروژن آمونیاکی با کاهش غلظت اولیه نیتروژن آمونیاکی و افزایش زمان ماند و شدت جریان افزایش یافت. با توجه به نتایج می توان ابراز داشت که حذف الکتروفوتوکاتالیستی نیتروژن آمونیاکی مستقل از ph اولیه است. شرایط بهره برداری بهینه جهت فرآیند الکتروفوتوکاتالیستی، که 87 درصد راندمان حذف نیتروژن آمونیاکی را محقق ساخت، در ph اولیه 5/4، غلظت نیتروژن آمونیاکی 200 میلی گرم نیتروژن بر لیتر، زمان واکنش 90 دقیقه و شدت جریان 550 میلی آمپر به دست آمد. کاربرد آب دریا به عنوان الکترولیت جایگزین در راکتور الکتروفوتوکاتالیستی ثابت کرد که این الکترولیت از کلرید سدیم خالص کارایی بیشتری دارد. نتایج گویای این است که 3/97 درصد نیتروژن آمونیاکی تحت شرایط بهینه بهره برداری حذف گردید (غلظت اولیه نیتروژن آمونیاکی = 917 میلی گرم نیتروژن بر لیتر، زمان ماند هیدرولیکی = 108 دقیقه، شدت جریان = 8/1 آمپر و ph اولیه = 4/8) که بیانگر توانایی بالای این الکترولیت جهت حذف غلظت های بالای نیتروژن آمونیاکی است. در ارتباط با فرآیند نیتریفیکاسیون بیولوژیک، حداکثر حذف نیتروژن آمونیاکی با افزایش زمان واکنش و نرخ جریان هوا و رسیدن آن ها به بیشترین سطح خود رخ داد، در حالی که نتایج نشان داد که چگونه افزایش و یا کاهش نسبت بیکربنات سدیم به کلراید آمونیوم باعث کاهش حذف نیتروژن آمونیاکی می گردد. جهت بالاترین راندمان حذف نیتروژن آمونیاکی 7/98 درصد، نسبت بهینه بیکربنات سدیم به کلراید آمونیوم، نرخ جریان هوا و زمان واکنش به ترتیب 48/3، 86/0 لیتر بر دقیقه (44/3 لیتر حجم هوا به لیتر حجم راکتور در دقیقه) و 65/24 ساعت بر اساس غلظت اولیه نیتروژن آمونیاکی برابر با 200 میلی گرم نیتروژن بر لیتر به دست آمد. با توجه به فرآیند تلفیقی، نشان داده شده است که کاربرد فرآیند الکتروفوتوکاتالیستی با راندمان 60 درصد به عنوان پیش تصفیه می تواند باعث کاهش زمان واکنش فرآیند نیتریفیکاسیون بیولوژیک از 65/24 ساعت به 5/7 ساعت (کل زمان فرآیند تلفیقی 9 ساعت) شود به نحوی که استاندارد وضع شده جهت تخلیه نیتروژن آمونیاکی به آب های پذیرنده نیز تأمین شود. افزون بر این، با این الگو، حذف نیتروژن آمونیاکی با غلظت 600 میلی گرم نیتروژن بر لیتر طی مدت 31 ساعت در راکتور نیتریفیکاسیون بیولوژیک محقق شد. در کل، افزایش غلظت نیتروژن آمونیاکی باعث افزایش زمان ماند مورد نیاز جهت تأمین استاندارد تعیین شده گردید. به طور جالب توجه، با زمان بندی مناسب (3 ساعت نیتریفیکاسیون بیولوژیک سپس 5/1 ساعت فرآیند الکتروفوتوکاتالیستی)، حذف همزمان نیتروژن آمونیاکی و نیترات در شکل تلفیقی با کاربرد فرآیند الکتروفوتوکاتالیستی به عنوان تصفیه تکمیلی محقق شد (تحت شرایط بهینه بهره برداری جهت هر دو فرآیند الکتروفوتوکاتالیستی و نیتریفیکاسیون بیولوژیک). در نتیجه، می توان ابراز داشت که تلفیق فرآیندهای الکتروفوتوکاتالیستی و نیتریفیکاسیون بیولوژیک می تواند یک راهکار کارآمد جهت حذف نیتروژن آمونیاکی باشد.