ارزیابی پارامترهای اصلی موثر بر فرایندهای تصفیه لجن تصفیه‌خانه‌های فاضلاب شهری به روش لجن فعال با استفاده از ماده رسی حالت‌دهنده نانومونت‌موریلونیت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی آب، فاضلاب و محیط زیست، دانشکده مهندسی عمران، آب ومحیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

هدف: با توجه به نقش تعیین‌کننده عملکرد بهینه فرایندهای تصفیه لجن مازاد بیولوژیکی شامل تغلیظ، هضم و آبگیری در کارایی کلی تصفیه‌خانه‌های فاضلاب به روش لجن فعال، در این پژوهش پارامترهای عملیاتی مؤثر بر این مراحل به‌منظور دستیابی به شرایط بهینه استفاده از نانومونت‌موریلونیت و شکل اصلاح‌شده اسیدی- حرارتی آن به عنوان مواد حالت‌دهنده لجن مورد ارزیابی قرار گرفت. هدف از این مطالعه، بررسی کارآمدی این مواد در بهبود آبگیری‌پذیری لجن، افزایش هضم‌پذیری و ارتقای تولید متان بود.
روش پژوهش: بررسی‌ها تحت شرایط آزمایشگاهی با نمونه‌های لجن واقعی برداشت شده از تصفیه‌خانه فاضلاب جنوب تهران انجام شد. پارامترهای اصلی مورد بررسی شامل مدت زمان فیلتراسیون، مقاومت ویژه فیلتراسیون، مدت زمان مکش موئینه‌ای، پتانسیل زتا، آب پیوندی و هضم‌پذیری لجن بودند. همچنین برای تشخیص ارتباط بین پارامترهای نانو‌مونت‌موریلونیت و اصلاح شده آن با شاخص‌های یاد شده، از همبستگی به روش پیرسون بهره‌گیری شد و در نهایت نقشه حرارتی بین پارامترهای ذکر شده ترسیم گردید.
یافته‌ها: حداکثر کاهش مقاومت ویژه فیلتراسیون با استفاده از نانومونت‌موریلونیت به میزان 300 میلی‌گرم بر گرم جامدات خشک لجن برای لجن مازاد بیولوژیکی و لجن هضم شده به ترتیب1012×6/7 و 1012×52/8 و با استفاده از اصلاح شده آن به میزان 200 میلی‌‌گرم بر گرم جامدات خشک لجن برای لجن مازاد بیولوژیکی و لجن هضم شده به ترتیب برابر1012×6/2 و 1012×45/3 متر بر کیلوگرم حاصل گردید. در خصوص مدت زمان فیلتراسیون و مدت زمان مکش موئینه‌ای، به‌کارگیری نانو‌مونت موریلونیت و اصلاح‌شده آن در دوز یادشده به ترتیب 31 ،26 ، 2 و 2/3 ثانیه برای لجن مازاد بیولوژیکی و 192، 164، 6 و 5 ثانیه برای لجن هضم‌شده بود. نتایج بررسی تاثیر دوز بهینه اصلاح‌شده آن بر پتانسیل زتا و آب پیوندی نشان می‌‌دهند که استفاده از آن، به ترتیب برابر 93/8 و 80/4 درصد برای لجن مازاد بیولوژیکی و 89/7 درصد و 77/9 درصد برای لجن هضم‌شده بی‌‌هوازی را کاهش داد. همچنین تاثیر مثبت بر هضم‌پذیری لجن و به تبع آن افزایش تولید متان نیز مشخص گردید. نمودار نقشه حرارتی بین پارامتر‌ها در دوزهای 350 ،300 ،250 ،200 ،150 ،100 ،0 نشان داد که پارامترهای مدت زمان فیلتراسیون، مدت زمان مکش موئینه‌ای، مقاومت ویژه فیلتراسیون از همبستگی بسیار بالایی (97-98 درصد) برخوردارند.
نتیجه‌گیری: هر دو گزینه مورد بررسی، نانو مونت‌موریلونیت و اصلاح شده اسیدی حرارتی نانو مونت‌موریلونیت، با وجود میزان مصرفی متفاوت، از کارآمدی خوبی در حالت‌دهی، تغلیظ و آبگیری لجن برخوردار بوده و همبستگی قوی بین سه پارامتر مدت زمان فیلتراسیون، مدت زمان مکش موئینه‌ای و مقاومت ویژه فیلتراسیون وجود دارد. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Addai-Mensah, J. (2007). Enhanced flocculation and dewatering of clay mineral dispersions. Powder Technology, 179(1), 73-78. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2006.11.008
Alvarenga, E., Hayrapetyan, S., Govasmark, E., Hayrapetyan, L., & Salbu, B. (2015). Study of the flocculation of anaerobically digested residue and filtration properties of bentonite based mineral conditioners. Journal of Environmental Chemical Engineering, 3(2), 1399-1407.
Bratby, J. (2016). Coagulation and flocculation in water and wastewater treatment. IWA publishing.
Cainglet, A., Kujala, K., Liimatainen, M., Prokkola, H., Piippo, S., Postila, H., Ronkanen, A.-K., & Heiderscheidt, E. (2023). The influence of coagulant type on the biological treatment of sewage sludge. Science of The Total Environment, 869, 161706. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.161706
Dereli, R. K., Wang, X., van der Zee, F. P., & van Lier, J. B. (2018). Biological performance and sludge filterability of anaerobic membrane bioreactors under nitrogen limited and supplied conditions. Water Research, 137, 164-172. https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.03.015
Du, Y., Cao, B., Zhang, W., Yang, P., Xu, Q., Wang, D., & Shen, X. (2017). Improvement of wastewater sludge dewatering properties using polymeric aluminum-silicon complex flocculants conditioning: Importance of aluminum/silicon ratio. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 530, 134-145.
El-Khateeb, M., Hassan, G. K., El-Liethy, M. A., El-Khatib, K. M., Abdel-Shafy, H. I., Hu, A., & Gad, M. (2023). Sustainable municipal wastewater treatment using an innovative integrated compact unit: microbial communities, parasite removal, and techno-economic analysis. Annals of Microbiology, 73(1), 35. https://doi.org/10.1186/s13213-023-012-739
Fang, Z., Suhua, H., Xu, L., Jian, F., Qi, L., Zhiwei, W., Chuanchang, L., & Yuanlai, X. (2021). Adsorption kinetics and thermodynamics of rare earth on Montmorillonite modified by sulfuric acid. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 627, 127063.
Foo, C. T., Mahmood, C. S., & Mohd Salleh, M. A. (2011). The study of aluminum loss and consequent phase transformation in heat-treated acid-leached kaolin. Materials Characterization, 62(4), 373-377. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2011.01.017
Geng, Y.-K., & Zhou, Y. (2022). Reduction of refractory Maillard reaction products by Fe3+ during thermal hydrolysis pretreatment and enhanced sludge biodegradability. Journal of Hazardous Materials, 430, 128400. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.128400
Ghaffour, N., & Qamar, A. (2020). Membrane fouling quantification by specific cake resistance and flux enhancement using helical cleaners. Separation and Purification Technology, 239, 116587. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020116587  
Guo, Z., Ma, L., Dai, Q., Yang, J., Ao, R., & Wang, L. (2019). Dewatering performance of sewage sludge under pretreatment with modified corn-core powder. Science of The Total Environment, 684, 402-412. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.05366
Kazemi, M., & Badalians Gholikandi, G. (2023). Digested wastewater sludge dewatering process using water treatment plants chemical sludge and walnut shell activated carbon powder. Journal of Material Cycles and Waste Management, 25(2), 1096-1107. https://doi.org/10.1007/s10163-023-01596-w
Kinoti, I. K., Karanja, E. M., Nthiga, E. W., M’thiruaine, C. M., & Marangu, J. M. (2022). Review of Clay-Based Nanocomposites as Adsorbents for the Removal of Heavy Metals. Journal of Chemistry, 2022(1), 7504626. https://doi.org/https://doi.org/10.1155/2022/7504626
Kurniawan, S. B., Abdullah, S. R. S., Imron, M. F., Said, N. S. M., Ismail, N. I., Hasan, H. A., Othman, A. R., & Purwanti, I. F. (2020). Challenges and opportunities of biocoagulant/bioflocculant application for drinking water and wastewater treatment and its potential for sludge recovery. International journal of environmental research and public health, 17(24), 9312. https://doi.org/10.3390/ijerph17249312
Lin, L., Li, R.-H., Yang, Z.-Y., & Li, X.-Y. (2017). Effect of coagulant on acidogenic fermentation of sludge from enhanced primary sedimentation for resource recovery: Comparison between FeCl3 and PACl. Chemical Engineering Journal, 325, 681-689. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.05.130
Liu, M., Liu, X., Wang, W., Guo, J., Zhang, L., & Zhang, H. (2018). Effect of SiO2 and Al2O3 on characteristics of lightweight aggregate made from sewage sludge and river sediment. Ceramics International, 44(4), 4313-4319. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.12,022
Ma, W., Zhao, L., Liu, H., Liu, Q., & Ma, J. (2017). Improvement of sludge dewaterability with modified cinder via affecting EPS. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 11(6), 19. https://doi.org/10.1007/s11783-017-0967-x
Masihi, H., & Badalians Gholikandi, G. (2020). Using acidic-modified bentonite for anaerobically digested sludge conditioning and dewatering. Chemosphere, 241, 125096. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.125096
Masihi, H., & Badalians Gholikandi, G. (2021). Using thermal-acidic-modified kaolin as a physical-chemical conditioner for waste activated sludge dewatering. Chemical Engineering Journal, 412, 128664. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128664
Mena-Duran, C. J., Sun Kou, M. R., Lopez, T., Azamar-Barrios, J. A., Aguilar, D. H., Domínguez, M. I., Odriozola, J. A., & Quintana, P. (2007). Nitrate removal using natural clays modified by acid thermoactivation. Applied Surface Science, 253(13), 5762-5766. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2006.12.103
Muangrak, W., Thouchprasitchai, N., Phongboonchoo, Y., & Pongstabodee, S. (2020). Dual Functional Composite of Montmorillonite-Rich/Chitosan (MCC) for Decolorizing the Water Used in Joss Paper Process: Thermodynamic, Isotherm, and Kinetic Studies. Applied Sciences, 10(21), 7493. https://doi.org/10.3390/app10217493
Rice, E. W., Baird, R. B., Eaton, A. D., & Clesceri, L. S. (2012). Standard methods for the examination of water and wastewater.
Sahinkaya, E., Yurtsever, A., Isler, E., Coban, I., & Aktaş, Ö. (2018). Sulfate reduction and filtration performances of an anaerobic membrane bioreactor (AnMBR). Chemical Engineering Journal, 349, 47-55. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.05.001
Sanchis-Perucho, P., Torres, K. M. M., Ferrer, J., & Robles, Á. (2023). Evaluating the potential of off-line methodologies to determine sludge filterability from different municipal wastewater treatment systems. Chemical Engineering Journal, 468, 143537. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143537
Sarkar, A., Mushahary, N., Basumatary, F., Das, B., Basumatary, S. F., Venkatesan, K., Selvaraj, M., Rokhum, S. L., & Basumatary, S. (2024). Efficiency of montmorillonite-based materials as adsorbents in dye removal for wastewater treatment. Journal of Environmental Chemical Engineering, 1. 112519., (3)2. https://doi.org/10.1016/j.jece.2024.112519
Schober, P., Boer, C., & Schwarte, L. A. (2018). Correlation coefficients: appropriate use and interpretation. Anesthesia & analgesia, 126(5), 1763-1768. https://doi.org/ 10.1213/ANE.0000000000002864
Wang, F., He, Z.-W., Tang, C.-C., Zhou, A.-J., Liu, W., Ren, Y.-X., Li, Z., & Wang, A. (2024). Aluminum chloride enhances the production of short-chain fatty acids from waste activated sludge: Insights to performance, mechanism, and implications. Journal of Water Process Engineering, 57, 104668. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2023.104668
Wang, P., Shen, X., Qiu, S., Zhang, L., Ma, Y., & Liang, J. (2024). Clay-Based Materials for Heavy Metals Adsorption: Mechanisms, Advancements, and Future Prospects in Environmental Remediation. Crystals, 14(12), 1046. https://www.mdpi.com/2073-4352/14/12/1046
Wei, H., Gao, B., Ren, J., Li, A., & Yang, H. (2018). Coagulation/flocculation in dewatering of sludge: A review. Water Research, 143, 608-631. https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.07.029
Wójcik, M. (2020). Investigation of filtration properties and microbiological characteristics of sewage sludge after physical conditioning with the use of ground walnut shells. Powder Technology, 361, 491-498. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.11.100
Wójcik, M., & Stachowicz, F. (2019). Influence of physical, chemical and dual sewage sludge conditioning methods on the dewatering efficiency. Powder Technology, 344, 96-102. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.12.001
Wu, Y., Zhang, P., Zhang, H., Zeng, G., Liu, J., Ye, J., Fang, W., & Gou, X. (2016). Possibility of sludge conditioning and dewatering with rice husk biochar modified by ferric chloride. Bioresource Technology, 205, 258-263. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.01.020
Xu, M., Wang, J., & Wu, J. (2024). Recent advances of silicate materials for wastewater treatment: a review. Materials Research Express. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ad2c63
Yang, Q., Zhao, Y., Zhang, Q., Wang, J., Xu, B., Zhang, X., Xiong, H., Zhou, H., & Xiao, R. (2025). Structural characterization of modified straw combined with CPAM conditioned sludge filter cake and analysis of its structure-performance relationship with sludge dewatering performance. Journal of Environmental Chemical Engineering, 13(1), 115266. https://doi.org/10.1016/j.jece.2024.115266
Yu, W., Yang, J., Shi, Y., Song, J., Shi, Y., Xiao, J., Li, C., Xu, X., He, S., Liang, S., Wu, X., & Hu, J. (2016). Roles of iron species and pH optimization on sewage sludge conditioning with Fenton's reagent and lime. Water Research, 95, 124-133. https://doi.org/10.1016/j.watres.2016.03.016
Zhang, J., Yue, Q., Xia, C., Yang, K., Zhao, P., Gao, B., & Yu, H. (2017). The study of Na2SiO3 as conditioner used to deep dewater the urban sewage dewatered sludge by filter press. Separation and Purification Technology, 174, 331-337. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2016.11.004
Zhang, X., Kang, H., Zhang, Q., Hao, X., Han, X., Zhang, W., & Jiao, T. (2019). The porous structure effects of skeleton builders in sustainable sludge dewatering process. Journal of Environmental Management, 230, 14-20. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.09.049
Zhang, Y., Gong, L., Jiang, Q., Cui, M.-H., Zhang, J., & Liu, H. (2020). In-situ CO2 sequestration and nutrients removal in an anaerobic digestion-microbial electrolysis cell by silicates application: Effect of dosage and biogas circulation. Chemical Engineering Journal, 399, 125680. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125680