بهبود کنترل PH پساب‌های صنعتی

كنترل PH پساب‌های صنعتی بعلت تغییرات مداوم شرایط و مشخصات شیمیایی و فیزیكی پساب، كار بسیار دشواری است. برای تنظیم PH پساب، با توجه به شرایط آن از مواد قلیایی یا اسیدی استفاده می‌شود. طراحی سیستم كنترل PH پساب، با بررسی داده‌های حاصل از آزمایشات انجام شده بر روی نمونه‌های جمع‌آوری شده از پساب صورت می‌گیرد. امروزه در اكثر موارد از نمونه‌گیری‌های اتوماتیك جهت بدست آوردن میزان قلیائیت و اسیدی بودن پساب استفاده می‌شود. این دستگاهها با نمونه‌برداری از پساب و تیتراسیون آن قادرند تا شرایط پساب را بطور دقیق گزارش كنند. طراح با استفاده از این اطلاعات وسم منحنی‌های مربوطه می‌تواند سیستم مناسب برای كنترل PH پساب را طراحی كند. در این مقاله با بررسی شرایط پساب، روش مناسب برای انتخاب سیستم كنترل PH ارایه شده است.
در هنگام تصفیه بیولوژیكی، فیزیكی و شیمیایی پساب، دستیابی به PH مطلوب و حفظ آن بسیار با اهمیت بوده و باید اطمینان حاصل كرد كه پساب تصفیه شده با استانداردهای تخلیه پساب یا پیش تصفیه صنعتی مطابقت دارد. لازم بذكر است كنترل PH پساب، اغلب یكی ازمشكلترین جنبه‌های طراحی سیستم تصفیه پساب است.
در نظر بگیرید چه اتفاق می‌افتد وقتی یك شیمیست یك باز را با یك اسید تیتر می‌كند. ممكن است ml۱۰۰ اسید اضافه كند اما نقطه پایان تیتراسیون با آخرین قطره مشخص می‌شود. در حالی كه قطره آخر حدود یك قسمت از كل ۲۰۰۰ قطره افزوده شده، است.
در طی تصفیه پساب، سیستم كنترل PH باید وظیفه‌ای همانند تیتراسیون را انجام دهد. لازم به توضیح است كه این عملیات نسبت به تیتراسیون آزمایشگاهی دشوارتر است زیرا در این حالت تركیب پساب بطور مداوم تغییر می‌كند. طراحی سیستم مناسب،‌نیاز به اطلاعات دقیقی در مورد دبی، PH، قلیائیت یا اسیدیته پساب و میزان و سرعت تغییرات این پارامترها دارد.
در حالت كلی یك سیستم كنترل PH شامل یك یا چند راكتور، همزن،‌تجهیزات اندازه‌گیری، كنترل‌كننده‌ها و سیستم‌های تزریق ماده شیمیایی است. همچنین ممكن است از مخازن متعادل‌سازی، پیش از راكتورها و مخازن رقیق‌سازی استفاده شود. طراح سیستم باید تعداد، ‌اندازه و ترتیب راكتورها و مخازن متعادل‌سازی، شدت اختلاط در هر كدام از آنها و اندازه سیستم‌های تزریق ماده شیمیایی را تعیین كند. همچنین جنبه‌های مختلف سیستم كنترل نظیر عملیات پس‌خور یا پیش‌خور و روشهای كنترل نظیر تناسبی، انتگرالی، مشتقی و تطبیقی یا غیرخطی باید طی طراحی سیستم مشخص شوند. طراحی سیستم مناسب باید بر اساس تجزیه و تحلیل منطقی دبی، PH و داده‌های حاصل از تیتراسیون نمونه‌های جمع‌آوری شده از پساب طی مدتی كه PH بیشترین تغییرات را داشته، انجام گیرد. . نمونه‌ها باید از نقاطی جمع‌آوری شوند كه سیستم كنترل در آنجا قرار داده خواهد شد.
●جمع‌آوری خودكار داده‌ها
طی مرحله جمع‌آوری داده‌ها كه عموماً یك الی چهار هفته طول می‌كشد، داده‌های مربوط به دبی و PH پساب بطور مداوم ثبت می‌شوند. مدت زمان نمونه‌برداری باید بحد كافی طولانی باشد تا همه عوامل مهمی كه بر PH پساب تاثیرگذار هستند موردبررسی قرار گیرند. یكی از موارد فوق، چرخه‌های شست وشوی هفتگی بوده كه دارای حجم‌های متفاوتی از عوامل پاك‌كننده اسیدی یا قلیایی هستند.
اما مواردی كه بندرت اتفاق می‌افتند، نباید بعنوان مبنایی در طراحی سیستم در نظر گرفته شوند. هنگامی‌كه این موارد اتفاق می‌افتند، برای جلوگیری از تاثیر آنها بر سیستم كنترل PH، باید در همان محل كنترل PH ، انجام شود. همچنین حوادث نامطلوبی نظیر تركیدگی یك مخزن اسید نباید در مبنای طراحی در نظر گرفته شوند.
ثبت‌كننده‌های مدرن PH ، عموماً دارای كلید‌هایی هستند كه برای فعال كردن سایر تجهیزات استفاده می‌شوند. تكنیك جمع‌آوری داده‌ها این طور تعریف شده است كه وقتی PH پساب خارج از محدوده از پیش تعیین شده شود، ثبت‌كننده PH با نمونه‌گیری پی‌درپی فعال خواهد شد. محدوده PH بر اساس پر شدن ساعتی بطری‌های نمونه‌گیری طی یك دوره آزمایشی عموماً ۲۴ ساعته، تنظیم می‌شود.
اگر ثبت پیوسته PH جریان پساب در دسترس باشد، از آن می‌توان برای انتخاب محدوده PH استفاده كرد. اما اگر هیچ اطلاعاتی قابل دسترسی نباشد، محدوده PH بین ۵ الی ۱۱ را می‌توان انتخاب كرد. هر نمونه پساب با PH بالا یا پایین، در یك بطری جداگانه جهت تیتراسیون آزمایشگاهی جمع‌آوری می‌شود. داده تیتراسیون با دبی و PH ثبت شده تركیب می‌شود تا ثبت پیوسته‌ای از قلیائیت یا اسیدیته پساب ایجاد شود. با این اطلاعات، مهندس طراح می‌تواند ساختار سیستم كنترل اصلی، اندازه مخازن متعادل‌سازی، راكتورها و سیستم‌های تزریق جهت خنثی‌سازی شیمیایی را طراحی كند.
●تجزیه و تحلیل داده‌ها
پس ازنمونه‌برداری، نمونه مربوط به هر زمان جهت تعیین میزان ماده شیمیایی لازم، تیتر می‌شود. نمونه‌های پساب اسیدی و بازی با مواد شیمیایی مختلفی تیتر می شوند. همه منحنی‌های تیتراسیون از نقطه صفر شروع شده و با افزایش میزان متفاوتی از ماده شیمیایی به هر نمونه، به نقطه خنثی می‌رسند. برای تجزیه و تحلیل داده‌های بدست آمده در شرایط استفاده از مواد شیمیایی مختلف، میزان همه مواد شیمیایی افزوده شده باید به قلیائیت تبدیل شده و برحسب میلی‌گرم در لیتر از كربنات كلسیم بیان شوند. این نوع تبدیل در صنعت تصفیه پساب متداول بوده و نحوه محاسبات آن در كتاب روش‌های استاندارد (Standard Methods) توضیح داده شده است.
وقتی داده‌های تیتراسیون به قلیائیت تبدیل شدند، سپس بصورت نرمال درآورده می‌شوند. بنابراین تمام منحنی‌ها در حالتی كه هیچ ماده‌ای اضافه نشده، از نقطه ۷PH= عبور می‌كنند و دیاگرامی ایجاد می‌شود. بالاترین و پایین‌ترین نقاط قلیائیت بر روی منحنی‌ شكل فوق، بیانگر شرایطی بوده كه پساب به بیشترین مواد شیمیایی جهت خنثی‌سازی نیاز دارد. این نقاط با داده‌های دبی متناظر، تركیب شده و سپس جهت تعیین اندازه سیستم تزریق مواد شیمیایی استفاده می‌شوند.
برای تعیین مقدار مواد شیمیایی لازم بر حسب گالن در دقیقه، داده‌های قلیائیت به گالن‌های مواد شیمیایی خنثی‌كننده مورد نیاز برای هر گالن پساب تبدیل شده و سپس این عدد در دبی پساب بر حسب گالن در دقیقه ضرب می شود. برای مشخص كردن میزان واقعی مواد شیمیایی مورد نیاز در هر لحظه، طراح به ثبت دقیق میزان دبی جریان هر نمونه جمع‌آوری شده، نیاز دارد. طراحان باید به این نكته توجه كنند كه گاهی اوقات وقتی دبی جریان پساب به نزدیك صفر می‌رسد، PH به بیشترین مقدار ممكن می‌رسد.
در نزدیكی ۷PH= منحنی‌های با بیشترین شیب، بیشترین اهمیت را دارند. در این ناحیه PH پساب حتی نسبت به تغییرات ناچیزی از مواد شیمیایی بسیار حساس است. بنابراین منحنی‌های با بیشترین شیب، میزان افزودن مواد شیمیایی جهت كنترل PH در محدوده موردنظر را تعیین می كنند.
آب خالص بیشترین شیب ممكن را در PH خنثی دارد زیرا افزودن هر مقدار ماده شیمیایی سریعاً PH را تغییر می‌دهد. همچنین جریانهایی كه بیشترین نیاز به ماده شیمیایی دارند، عموماً كمترین خلوص را دارا هستند، بنابراین آنها معمولاً منحنی‌های با بیشترین شیب را ندارند.
برای دسترسی اسانتر داده‌ها در هنگام طراحی سیستم، می‌توان یك منحنی PH مركب رسم كرد. این منحنی مركب، منحنی‌های با بیشترین نیاز به مواد شیمیایی درنواحی دور از PH بالا و پایین و همچنین منحنی‌های با بیشترین شیب در ناحیه خنثی را معرفی می‌كند.
لازم به ذكر است كه منحنی مركب در ۶PH= از اسیدیته mg/l۴۰ و در ۹PH= از قلیائیت mg/l۶۵ می‌گذرد. بیشترین میزان ماده شیمیایی مورد نیاز mg/l ۶۰۰، ۱ و دقت لازم برای كنترل PH در محدوده ۶ الی ۹ معادل mg/l۱۰۵ (مجموع ۴۰ و ۶۵ میلی‌گرم در لیتر) است.
قابلیت دامنه، یك اصطلاح در مهندسی كنترل بوده كه دقت عمل یك شیر كنترل یا پمپ اندازه‌گیری را بیان می‌كند و معادل نسبت حداكثر ظرفیت آن به حداقل افزایش قابل قبول آن است. قابلیت دامنه مورد نیاز ۲۴/۱۵ (۱۶۰۰ تقسیم بر ۱۰۵) است. این عملیات را می‌توان با استفاده از یك پمپ اندازه‌گیری كه در ارتباط با یك راكتور است، انجام داد.
شینسكی (shinskey) قابلیت دامنه مطلوب برای یك پمپ اندازه‌گیری را برابر ۲۰:۱ و برای شیر كنترل را برابر ۳۵:۱ الی ۱۰۰:۱ در نظر گرفته است. وقتی قابلیت دامنه مورد نیاز به این مقادیر نزدیك باشد طراحی باید یك سیستم كنترل PH دو مرحله‌ای را در نظر بگیرد.
●اندازه راكتور
طی عملیات كنترل PH، اختلاط مناسب موجب یكنواخت‌سازی پساب می‌شود. در این حالت سیستم كنترل می تواند مقدار ماده شیمیایی مصرفی مورد نیاز را بصورت مناسبی تعیین كند. اندازه واقعی همزن بستگی به اندازه راكتور دارد. از آنجایی كه مخازن و همزن‌ها عموماً پرهزینه‌ترین اجزاء سیستم تصفیه پساب هستند لذا در هنگام طراحی بلحاظ اقتصادی سعی می‌شود كه اندازه راكتورها تا حد امكان كوچك در نظر گرفته شوند. اماگاهی اوقات سرعت واكنش خنثی‌سازی كند بوده و در نتیجه تعیین دقیق اندازه راكتور مشكلتر است. همچنین در بعضی مواقع ممكن است میزان پساب ورودی به سیستم بطور ناگهانی افزایش یابد. در این شرایط استفاده از یك راكتور بزرگتر اقتصادی‌تر بوده زیرا در غیر این صورت باید از یك سیستم تزریق ماده شیمیایی كه به اندازه كافی بزرگ باشد، استفاده كرد.هرگونه اختلاط یا همزدن پساب قبل از اینكه جریان پساب به راكتور برسد، می‌تواند بر اندازه راكتور كنترل PH، موثر باشد. در بیشتر موارداثر یك پساب با PH كم یا زیاد را می‌توان با عبور آن از سیستم پساب دیگر كاهش داد زیرا مخلوط كردن این جریان با سایر جریانها باعث ایجاد PH مناسب‌تر می‌شود. بنابراین با در نظر گرفتن یك مخزن متعادل‌سازی جریانها كه قبل از راكتور واقع می‌شود، می‌توان دامنه نوسانات PH را بنحو مطلوبی كنترل كرد.
یك واكنش خنثی سازی ممكن است بعلت واكنش كند بعضی مواد موجود در پساب یا در حالت عمومی‌تر بدلیل بعضی مواد شیمیایی كه برای خنثی‌سازی وارد پساب می‌شوند، سرعت پایینی داشته باشد. آهك و منیزیم نمونه‌هایی از مواد شیمیایی خنثی‌كننده بوده كه سرعت واكنش آنها كند است. اگرچه سرعت واكنش آنها خیلی كند‌تر از هیدروكسید سدیم وكربناب كلسیم است ولی بعلت ارزان بودن آنها، عموماً‌در سیستم‌های تصفیه پساب از آنها استفاده می‌شود.
در سیستم‌های تصفیه پساب عموماً از آهك و اكسید منیزیم بصورت دوغابه استفاده می‌شود. برای مواد شیمیایی دوغابه‌ای، شدت واكنش خنثی‌سازی متناسب با مساحت سطح تماس ذرات بوده و زمانی كه PH به حالت خنثی نزدیك می‌شود، به دلیل اینكه ذرات واكنش‌دهنده در این دوغابه‌ها اندازه یكنواختی ندارند، سرعت واكنش كاهش می‌یابد. در واكنش خنثی سازی پساب، ابتدا ذرات كوچك موجود در دوغابه‌ كه فعالیت بیشتری دارند واكنش می‌دهند و زمانی كه PH به محدوده خنثی‌نزدیك می‌شود واكنش‌پذیری سیستم كمتر شده و ذرات باقی مانده دوغابه وارد واكنش می‌شوند.
اگر وقتی آهك بعنوان ماده شیمیایی خنثی ساز در یك راكتور كوچكتر از اندازه معمول استفاده می‌شود PH به محدوده بالای ۹ برسد یك فرارفت كنترل نشده ایجاد خواهد شد. اگر اكسید منیزیم بعتوان ماده خنثی ساز در یك راكتور كوچكتر از اندازه معمول استفاده شود مشكلات كمتر است. اكسید منیزیم تنها بر ذرات كوچك و بعضی ذرات درشت موجود در پساب تاثیر‌گذار است زیرا اكسید منیزیم فقط PH پساب را می‌تواند به نزدیكی ۹ هدایت كند.
گاهی اوقات مشكلات بوجود آمده بر اثر سرعت پایین مواد را می‌توان با طراحی یك واحد خنثی‌سازی دومرحله‌ای برطرف كرد. این عمل ممكن است با برگشت دادن مواد واكنش‌نداده به راكتور مرحله اول انجام شود. پس ماده تازه یا یك ماده واكنش‌پذیرتر به منظور تكمیل واكنش خنثی‌سازی می‌تواند در مرحله دوم استفاده شود.
در بعضی موارد كامل شدن واكنش خنثی سازی پساب با آهك یا منیزیم حدود یك ساعت طول می‌كشد. اگر پساب دارای مواد شیمیایی كند واكنش‌دهنده یا ماده خنثی‌ساز دوغابه‌ای باشد، برای تهیه بهینه حجم راكتور و همزن مورد نیاز ممكن است به تست‌های راكتور در مقیاس پایلوت نیاز باشد.
●مدلسازی
گاهی اوقات از یك مخزن متعادل‌سازی به منظور اختلاط پساب‌های اسیدی و قلیایی استفاده شده تا نیازی به راكتور خنثی‌سازی نباشد. این موضوع را می‌توان با داده‌های بدست آمده از نمونه‌برداری‌های انجام شده از پساب ارزیابی كرد. از تركیب داده‌های تیتراسیون و دبی، میزان مواد شیمیایی مورد نیاز بدست می‌آید كه این عمل با انتگرال‌گیری عددی به منظور مشابه‌سازی عملكرد یك مخزن متعادل‌سازی انجام شود.
برای انجام این كار، مقادیر PH و دبی ثبت‌شده از داده‌های جمع‌آوری شده اولیه در فواصل زمانی مشخصی (عموماً هر ۱ الی ۱۰ دقیقه) تقسیم می‌شوند و داده‌ها در یك صفحه بصورت خطوط دبی و PH ترسیم می شوند. اگر از یك ترسیم‌كننده الكترونیك استفاده شود، می‌توان مستقیماً از داده‌های بدست آمده نمودارهای مربوطه را رسم كرد.
پس منحنی‌ تیتراسیون طراحی برای تبدیل هر نقطه از داده PH به قلیائیت (برحسب میلی‌گرم در لیتر) استفاده می‌شود. با ضرب این عدد در شدت جریان پساب، منحنی‌ میزان قلیائیت برحسب lb/min بدست می‌آید. با انتگرال عددی منحنی قلیائیت می‌توان بطور مستقیم تاثیر مخزن متعادل‌سازی را بر روی سیستم تصفیه پساب مدلسازی كرد. برای جریان عبوری از یك مخزن با حجم ثابت می‌توان از رابطه زیر استفاده كرد.
كه
C = قلیائیت مخزن (mg/L as CaCo۳)
Cw = قلیائیت خوراك (mg/L as CaCo۳)
F= شدت جریان عبوری از مخزن در طی افزایش زمان (gal/min)
V= حجم مخزن (gal)
T&#۹۱۶;= فاصله زمانی (min)
بدین ترتیب با انتگرال‌گیری از داده‌های بدست آمده، می‌توان قلیائیت پساب متعادل شده را در هر لحظه بدست آورد. همچنین می‌توان وضعیت PH مخزن متعادل سازی را توسط تیتراسیون مشخص كرد. شكل (۸) كاربردی از این روش مدلسازی را برای یك جریان پساب واقعی نشان می‌دهد كه سه مخزن متعادل‌سازی مختلف برای یك دوره ۸ ساعته مورد ارزیابی قرار داده شده‌اند. این شكل نحوه تغییرات PH را در مخازن با اندازه‌های مختلف نشان می‌دهد.
در این مورد، یك مخزن متعادل‌سازی ۱۰۰۰ گالنی یا بزرگتر می‌تواند مشكلات PH پایین را بدون نیاز به سیستم افزودنی ماده شیمیایی خنثی‌كننده، رفع كند.
یك مخزن ۴۰۰۰ گالنی نیز می‌تواند مشكلات PH بالا را دراین شرایط بخوبی برطرف كند. افزایش حجم مخزن نشان می‌دهد كه دوره نمونه‌برداری نباید در شرایط تخلیه‌های قلیایی قابل ملاحظه باشد. بنابراین طرح نهایی این سیستم شامل یك مخزن متعادل‌سازی ۲۰۰۰ گالنی و یك راكتور منفرد بایك سیستم تزریق ماده شیمیایی اسیدی است.
●●نتیجه‌گیری
برای طراحی سیستم كنترل PH، نیاز به اطلاعاتی در مورد شرایط عملیاتی پساب نظیر دبی، PH و قلیائیت است. این اطلاعات از طریق نمونه‌برداری و تیتراسیون بدست می‌آیند و سپس با رسم منحنی‌های مربوطه می‌توان میزان ماده شیمیایی مورد نیاز برای خنثی‌سازی پساب را محاسبه كرد. در نهایت با در نظر گرفتن موارد فوق، طراحی و تعیین ظرفیت مناسب مخازن خنثی سازی و متعادل‌سازی انجام می‌شود.
لازم به ذكر است برای طراحی سیستم كنترل PH باید موارد زیر در نظر گرفته شوند.
▪ نمونه‌برداری پساب باید بدقت و با در نظر گرفتن شرایط سیستم انجام شود.
▪طول دوره نمونه‌برداری باید به نحوی باشد كه شرایط عمومی پساب را در بر گیرد.
▪استفاده از یك مخزن متعادل‌ساز می‌تواند باعث اختلاط پساب‌ها با یكدیگر و در نتیجه موجب كاهش میزان مصرف مواد شیمیایی مورد نیاز برای واكنش خنثی سازی در راكتور كنترل PH شود.

مهندس میرفرید عطارچی- مهندس پریدخت صدیق‌ابراهیم‌نیا

منبع : ماهنامه صنعت برق