کنترل PH پساب‌های صنعتی

کنترل PH پساب‌های صنعتی بعلت تغییرات مداوم شرایط و مشخصات شیمیایی و فیزیکی پساب، کار بسیار دشواری است. برای تنظیم PH پساب، با توجه به شرایط آن از مواد قلیایی یا اسیدی استفاده می‌شود. طراحی سیستم کنترل PH پساب، با بررسی داده‌های حاصل از آزمایشات انجام شده بر روی نمونه‌های جمع‌آوری شده از پساب صورت می‌گیرد. امروزه در اکثر موارد از نمونه‌گیری‌های اتوماتیک 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 کنند. طراح با استفاده از این اطلاعات وسم منحنی‌های مربوطه می‌تواند سیستم مناسب برای کنترل PH پساب را طراحی کند. در این مقاله با بررسی شرایط پساب، روش مناسب برای انتخاب سیستم کنترل PH ارایه شده است.
در هنگام تصفیه بیولوژیکی، فیزیکی و شیمیایی پساب، دستیابی به PH مطلوب و حفظ آن بسیار با اهمیت بوده و باید اطمینان حاصل کرد که پساب تصفیه شده با استانداردهای تخلیه پساب یا پیش تصفیه صنعتی مطابقت دارد. لازم بذکر است کنترل PH پساب، اغلب یکی ازمشکلترین جنبه‌های طراحی سیستم تصفیه پساب است.
در نظر بگیرید چه اتفاق می‌افتد وقتی یک شیمیست یک باز را با یک اسید تیتر می‌کند. ممکن است ml۱۰۰ اسید اضافه کند اما نقطه پایان تیتراسیون با آخرین قطره مشخص می‌شود. در حالی که قطره آخر حدود یک قسمت از کل ۲۰۰۰ قطره افزوده شده، است.
در طی تصفیه پساب، سیستم کنترل PH باید وظیفه‌ای همانند تیتراسیون را انجام دهد. لازم به توضیح است که این عملیات نسبت به تیتراسیون آزمایشگاهی دشوارتر است زیرا در این حالت ترکیب پساب بطور مداوم تغییر می‌کند. 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 کلی یک سیستم کنترل PH شامل یک یا چند راکتور، همزن،‌تجهیزات اندازه‌گیری، کنترل‌کننده‌ها و سیستم‌های تزریق ماده شیمیایی است. همچنین ممکن است از مخازن متعادل‌سازی، پیش از راکتورها و مخازن رقیق‌سازی استفاده شود. طراح سیستم باید تعداد، ‌اندازه و ترتیب راکتورها و مخازن متعادل‌سازی، شدت اختلاط در هر کدام از آنها و اندازه سیستم‌های تزریق ماده شیمیایی را تعیین کند. همچنین جنبه‌های مختلف سیستم کنترل نظیر عملیات پس‌خور یا پیش‌خور و روشهای کنترل 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 که PH بیشترین تغییرات را داشته، انجام گیرد. . نمونه‌ها باید از نقاطی جمع‌آوری شوند که سیستم کنترل در آنجا قرار داده خواهد شد.
●جمع‌آوری خودکار داده‌ها
طی مرحله جمع‌آوری داده‌ها که عموماً یک الی چهار هفته طول می‌کشد، داده‌های مربوط به دبی و PH پساب بطور مداوم ثبت می‌شوند. مدت زمان نمونه‌برداری باید بحد کافی طولانی باشد تا همه عوامل مهمی که بر PH پساب تاثیرگذار هستند موردبررسی قرار گیرند. یکی از موارد فوق، چرخه‌های شست وشوی هفتگی بوده که دارای حجم‌های متفاوتی از عوامل پاک‌کننده اسیدی یا قلیایی هستند.
اما مواردی که بندرت اتفاق می‌افتند، نباید بعنوان مبنایی در طراحی سیستم در نظر گرفته شوند. هنگامی‌که این موارد اتفاق می‌افتند، برای جلوگیری از تاثیر آنها بر سیستم کنترل PH، باید در همان محل کنترل PH ، انجام شود. همچنین حوادث نامطلوبی نظیر ترکیدگی یک مخزن اسید نباید در مبنای طراحی در نظر گرفته شوند.
ثبت‌کننده‌های مدرن PH ، عموماً دارای کلید‌هایی هستند که برای فعال کردن سایر تجهیزات استفاده می‌شوند. تکنیک جمع‌آوری داده‌ها این طور تعریف شده است که وقتی PH پساب خارج از محدوده از پیش تعیین شده شود، ثبت‌کننده PH با نمونه‌گیری پی‌درپی فعال خواهد شد. محدوده PH بر اساس پر شدن ساعتی بطری‌های نمونه‌گیری طی یک دوره آزمایشی عموماً ۲۴ ساعته، تنظیم می‌شود.
اگر ثبت پیوسته PH جریان پساب در دسترس باشد، از آن می‌توان برای انتخاب محدوده PH استفاده کرد. اما اگر هیچ اطلاعاتی قابل دسترسی نباشد، محدوده PH بین ۵ الی ۱۱ را می‌توان انتخاب کرد. هر نمونه پساب با PH بالا یا پایین، در یک بطری جداگانه جهت تیتراسیون آزمایشگاهی جمع‌آوری می‌شود. داده تیتراسیون با دبی و PH ثبت شده ترکیب می‌شود تا ثبت پیوسته‌ای از قلیائیت یا اسیدیته پساب ایجاد شود. با این اطلاعات، مهندس طراح می‌تواند ساختار سیستم کنترل اصلی، اندازه مخازن متعادل‌سازی، راکتورها و سیستم‌های تزریق جهت خنثی‌سازی شیمیایی را طراحی کند.
●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 کربنات کلسیم بیان شوند. این نوع تبدیل در صنعت تصفیه پساب متداول بوده و نحوه محاسبات آن در کتاب 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 که هیچ ماده‌ای اضافه نشده، از نقطه ۷PH= عبور می‌کنند و دیاگرامی ایجاد می‌شود. بالاترین و پایین‌ترین نقاط قلیائیت بر روی منحنی‌ شکل فوق، بیانگر شرایطی بوده که پساب به بیشترین مواد شیمیایی جهت خنثی‌سازی نیاز دارد. این نقاط با داده‌های دبی متناظر، ترکیب 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 خنثی‌کننده 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 کردن 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 نکته توجه کنند که گاهی اوقات وقتی دبی جریان پساب به نزدیک صفر می‌رسد، PH به بیشترین مقدار ممکن می‌رسد.
در نزدیکی 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 کنترل PH در محدوده موردنظر را تعیین می کنند.
آب خالص بیشترین شیب ممکن را در PH خنثی دارد زیرا افزودن هر مقدار ماده شیمیایی سریعاً PH را تغییر می‌دهد. همچنین جریانهایی که بیشترین نیاز به ماده شیمیایی دارند، عموماً کمترین خلوص را دارا هستند، بنابراین آنها معمولاً منحنی‌های با بیشترین شیب را ندارند.
برای دسترسی اسانتر داده‌ها در هنگام طراحی سیستم، می‌توان یک منحنی PH مرکب رسم کرد. این منحنی مرکب، 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 می‌کند.
لازم به ذکر است که منحنی مرکب 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 کنترل PH در محدوده ۶ الی ۹ معادل mg/l۱۰۵ (مجموع ۴۰ و ۶۵ میلی‌گرم در لیتر) است.
قابلیت دامنه، یک اصطلاح در مهندسی کنترل بوده که دقت عمل یک شیر کنترل یا پمپ اندازه‌گیری را بیان می‌کند و معادل نسبت حداکثر 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 یک پمپ اندازه‌گیری که در ارتباط با یک راکتور است، انجام داد.
شینسکی (shinskey) قابلیت دامنه مطلوب برای یک پمپ اندازه‌گیری را برابر ۲۰:۱ و برای شیر کنترل را برابر ۳۵:۱ الی ۱۰۰:۱ در نظر گرفته است. وقتی قابلیت دامنه مورد نیاز به این مقادیر نزدیک باشد طراحی باید یک سیستم کنترل PH دو مرحله‌ای را در نظر بگیرد.
●اندازه راکتور
طی عملیات کنترل PH، اختلاط مناسب موجب یکنواخت‌سازی پساب می‌شود. در این حالت سیستم کنترل می تواند مقدار ماده شیمیایی مصرفی مورد نیاز را بصورت مناسبی تعیین کند. اندازه واقعی همزن بستگی به اندازه راکتور دارد. از آنجایی که مخازن و همزن‌ها عموماً پرهزینه‌ترین اجزاء سیستم تصفیه پساب هستند لذا در هنگام طراحی بلحاظ اقتصادی سعی می‌شود که اندازه راکتورها تا حد امکان کوچک در نظر گرفته شوند. اماگاهی اوقات سرعت واکنش خنثی‌سازی کند بوده و در نتیجه تعیین دقیق اندازه راکتور مشکلتر است. همچنین در بعضی مواقع ممکن است میزان پساب ورودی به سیستم بطور ناگهانی افزایش یابد. در این شرایط استفاده از یک راکتور بزرگتر اقتصادی‌تر بوده زیرا در غیر این صورت باید از یک سیستم تزریق ماده شیمیایی که به اندازه کافی بزرگ باشد، استفاده کرد.هرگونه اختلاط یا همزدن پساب قبل از اینکه جریان پساب به راکتور برسد، می‌تواند بر اندازه راکتور کنترل PH، موثر باشد. در بیشتر موارداثر یک پساب با PH کم یا زیاد را می‌توان با عبور آن از سیستم پساب دیگر کاهش داد زیرا مخلوط کردن این جریان با سایر جریانها باعث ایجاد PH مناسب‌تر می‌شود. بنابراین با در نظر گرفتن یک مخزن متعادل‌سازی جریانها که قبل از راکتور واقع می‌شود، می‌توان دامنه نوسانات PH را بنحو مطلوبی کنترل کرد.
یک واکنش خنثی سازی ممکن است بعلت واکنش کند بعضی مواد موجود در پساب یا در حالت عمومی‌تر بدلیل بعضی مواد شیمیایی که برای خنثی‌سازی وارد پساب می‌شوند، سرعت پایینی داشته باشد. آهک و منیزیم نمونه‌هایی از مواد شیمیایی خنثی‌کننده بوده که سرعت واکنش آنها کند است. اگرچه سرعت واکنش آنها خیلی کند‌تر از هیدروکسید سدیم وکربناب کلسیم است ولی بعلت ارزان بودن آنها، عموماً‌در سیستم‌های تصفیه پساب از آنها استفاده می‌شود.
در سیستم‌های تصفیه پساب عموماً از آهک و اکسید منیزیم بصورت دوغابه استفاده می‌شود. برای مواد شیمیایی دوغابه‌ای، شدت واکنش خنثی‌سازی متناسب با مساحت سطح تماس ذرات بوده و زمانی که PH به حالت خنثی نزدیک می‌شود، به دلیل اینکه ذرات واکنش‌دهنده در این دوغابه‌ها اندازه یکنواختی ندارند، سرعت واکنش کاهش می‌یابد. در واکنش خنثی سازی پساب، ابتدا ذرات کوچک موجود در دوغابه‌ که فعالیت بیشتری دارند واکنش می‌دهند و زمانی که PH به محدوده خنثی‌نزدیک می‌شود واکنش‌پذیری سیستم کمتر شده و ذرات باقی مانده دوغابه وارد واکنش می‌شوند.
اگر وقتی آهک بعنوان ماده شیمیایی خنثی ساز در یک راکتور کوچکتر از اندازه معمول استفاده می‌شود PH به محدوده بالای ۹ برسد یک فرارفت کنترل نشده ایجاد خواهد شد. اگر اکسید منیزیم بعتوان ماده خنثی ساز در یک راکتور کوچکتر از اندازه معمول استفاده شود مشکلات کمتر است. اکسید منیزیم تنها بر ذرات کوچک و بعضی ذرات درشت موجود در پساب تاثیر‌گذار است زیرا اکسید منیزیم فقط PH پساب را می‌تواند به نزدیکی ۹ هدایت کند.
گاهی اوقات مشکلات بوجود آمده بر اثر سرعت پایین مواد را می‌توان با طراحی یک واحد خنثی‌سازی دومرحله‌ای برطرف کرد. این عمل ممکن است با برگشت دادن مواد واکنش‌نداده به راکتور مرحله اول انجام شود. پس ماده تازه یا یک ماده واکنش‌پذیرتر به منظور تکمیل واکنش خنثی‌سازی می‌تواند در مرحله دوم استفاده شود.
در بعضی موارد کامل شدن واکنش خنثی سازی پساب با آهک یا منیزیم حدود یک ساعت طول می‌کشد. اگر پساب دارای مواد شیمیایی کند واکنش‌دهنده یا ماده خنثی‌ساز دوغابه‌ای باشد، برای تهیه بهینه حجم راکتور و همزن مورد نیاز ممکن است به تست‌های راکتور در مقیاس پایلوت نیاز باشد.
●مدلسازی
گاهی اوقات از یک مخزن متعادل‌سازی به منظور اختلاط پساب‌های اسیدی و قلیایی استفاده شده تا نیازی به راکتور خنثی‌سازی نباشد. این موضوع را می‌توان با داده‌های بدست آمده از نمونه‌برداری‌های انجام شده از پساب ارزیابی کرد. از ترکیب داده‌های تیتراسیون و دبی، میزان مواد شیمیایی مورد نیاز بدست می‌آید که این عمل با انتگرال‌گیری عددی به منظور مشابه‌سازی عملکرد یک مخزن متعادل‌سازی انجام شود.
برای انجام این کار، 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 یک صفحه بصورت خطوط دبی و PH ترسیم می شوند. اگر از یک ترسیم‌کننده الکترونیک استفاده شود، می‌توان مستقیماً از داده‌های بدست آمده نمودارهای مربوطه را رسم کرد.
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 کرد. برای جریان عبوری از یک مخزن با حجم ثابت می‌توان از رابطه زیر استفاده کرد.
که
C = قلیائیت مخزن (mg/L as CaCo۳)
Cw = قلیائیت خوراک (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 کرد. شکل (۸) کاربردی از این روش مدلسازی را برای یک جریان پساب واقعی نشان می‌دهد که سه مخزن متعادل‌سازی مختلف برای یک دوره ۸ ساعته مورد ارزیابی قرار داده شده‌اند. این شکل نحوه تغییرات PH را در مخازن با اندازه‌های مختلف نشان می‌دهد.
در این مورد، یک مخزن متعادل‌سازی ۱۰۰۰ گالنی یا بزرگتر می‌تواند مشکلات PH پایین را بدون نیاز به سیستم افزودنی ماده شیمیایی خنثی‌کننده، رفع کند.
یک مخزن ۴۰۰۰ گالنی نیز می‌تواند مشکلات PH بالا را دراین شرایط بخوبی برطرف کند. افزایش حجم مخزن نشان می‌دهد که دوره نمونه‌برداری نباید در شرایط تخلیه‌های قلیایی قابل ملاحظه باشد. بنابراین طرح نهایی این سیستم شامل یک مخزن متعادل‌سازی ۲۰۰۰ گالنی و یک راکتور منفرد بایک سیستم تزریق ماده شیمیایی اسیدی است.
●●نتیجه‌گیری
برای طراحی سیستم کنترل 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 کرد. در نهایت با در نظر گرفتن موارد فوق، طراحی و تعیین ظرفیت مناسب مخازن خنثی سازی و متعادل‌سازی انجام می‌شود.
لازم به ذکر است برای طراحی سیستم کنترل 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 که شرایط عمومی پساب را در بر گیرد.
▪استفاده از یک مخزن متعادل‌ساز می‌تواند باعث اختلاط پساب‌ها با یکدیگر و در نتیجه موجب کاهش میزان مصرف مواد شیمیایی مورد نیاز برای واکنش خنثی سازی در راکتور کنترل PH شود.