مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف آمونیوم (NH₄⁺) از آب و فاضلاب به دلیل اثرات منفی آن بر کیفیت آب (مانند اوتریفیکاسیون و سمیت برای آبزیان) و سلامت انسان (در غلظت‌های بالا) از اهمیت بالایی برخوردار است. آمونیوم معمولاً در فاضلاب شهری، صنایع کشاورزی، دامپروری و تولید کودهای شیمیایی یافت می‌شود. در ادامه روش‌های سنتی و نوین حذف آمونیوم، بهینه‌سازی، فرمول‌ها و ساختارهای اجرایی ارائه می‌شود:

روش‌های سنتی حذف آمونیوم:

1. نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون بیولوژیکی:

   • نیتریفیکاسیون: تبدیل آمونیوم به نیترات (NO₃⁻) توسط باکتری‌های هوازی (مانند Nitrosomonas و Nitrobacter).

     • فرمول واکنش:

       ​​ NO2−​+2H++H2​ONO2 →باکتری‌ها NH4+​+1.5O2
     • -NO3→​باکتری‌هاNO2−​+0.5O2 ​​

   • دنیتریفیکاسیون: تبدیل نیترات به نیتروژن گازی (N₂) توسط باکتری‌های بی‌هوازی.

     • فرمول واکنش:

       −​​ N2​↑+H2​O → باکتری‌ها NO3

   • مزایا: سازگار با محیط زیست و مناسب برای فاضلاب‌های شهری.

   • معایب: نیاز به کنترل دقیق دما، pH و زمان ماند.

2. تبادل یونی (Ion Exchange):

   • استفاده از رزین‌های تبادل کاتیونی (مانند زئولیت‌های طبیعی یا مصنوعی) برای جایگزینی NH₄⁺ با یون‌های بی‌خطر (مانند Na⁺).

   • فرمول کلی:

     +R-Na+NH4+​→R-NH4​+Na

   • مزایا: بازده بالا در pH ~۶–۸.

   • معایب: نیاز به احیای دوره‌ای با محلول NaCl و هزینه بالای رزین.

3. ته‌نشینی شیمیایی (Chemical Precipitation):

   • افزودن منیزیم فسفات (MAP) برای تشکیل رسوب استروویت (MgNH₄PO₄·6H₂O).

   • فرمول واکنش:

     ↓Mg2++NH4+​+PO43−​+6H2​O→MgNH4​PO4​⋅6H2​O

   • مزایا: امکان بازیابی فسفات و نیتروژن به عنوان کود.

   • معایب: هزینه بالای مواد شیمیایی و نیاز به تنظیم دقیق pH (~۸–۹).

روش‌های نوین حذف آمونیوم:

1. فرآیندهای غشایی (Membrane Processes):

   • اسمز معکوس (RO): جداسازی آمونیوم با استفاده از غشاهای نیمه‌تراوا.

   • الکترودیالیز (Electrodialysis): استفاده از غشاهای انتخابی و جریان الکتریکی.

   • مزایا: بازده بالا (تا ۹۵٪).

   • معایب: هزینه بالای انرژی و گرفتگی غشاها.

2. جاذب‌های پیشرفته (Advanced Adsorbents):

   • استفاده از زیولیت‌های اصلاح‌شده، نانوذرات اکسید فلزی یا بیوچار (Biochar).

   • مکانیسم: جذب NH₄⁺ از طریق تبادل یونی یا جذب سطحی.

   • مزایا: ظرفیت جذب بالا (تا ۵۰ mg/g برای زیولیت) و امکان بازیابی جاذب.

3. الکتروشیمیایی (Electrochemical Methods):

   • الکتروکواگولاسیون (Electrocoagulation): استفاده از الکترودهای آهن یا آلومینیوم برای تولید هیدروکسیدهای فلزی که آمونیوم را جذب می‌کنند.

   • الکترواکسیداسیون (Electrooxidation): اکسیداسیون آمونیوم به نیتروژن گازی با استفاده از الکترودهای ویژه (مانند Ti/PbO₂).

   • فرمول واکنش:

     −----​NO3−​+8H++6eالکترولیز→NH4+​+2H2​O

   • مزایا: حذف کامل و تولید محصولات بی‌خطر.

4. فرآیندهای ترکیبی (Hybrid Processes):

   • ترکیب روش‌های بیولوژیکی و شیمیایی (مانند SHARON-ANAMMOX) برای حذف کارآمدتر آمونیوم.

   • ANAMMOX (Anaerobic Ammonium Oxidation): تبدیل مستقیم آمونیوم و نیتریت به نیتروژن گازی توسط باکتری‌های بی‌هوازی.

     • فرمول واکنش:

       N2​↑+2H2O → باکتری‌ها −​​​ NH4+​+NO2

   • مزایا: کاهش مصرف انرژی و تولید لجن کمتر.

بهینه‌سازی روش‌ها:

• pH:

  • نیتریفیکاسیون: pH ~۷–۸.

  • ته‌نشینی شیمیایی (MAP): pH ~۸–۹.

  • جذب سطحی: pH ~۶–۷ برای زیولیت‌ها.

• غلظت اکسیژن: ۲–۴ mg/L برای نیتریفیکاسیون.

• نسبت مولی مواد شیمیایی: در روش MAP، نسبت Mg:NH ₄:PO ₄ ≈ ۱:۱:۱.

• زمان ماند هیدرولیکی (HRT): ۶–۱۲ ساعت در فرآیندهای بیولوژیکی.

ساخت و اجرا:

1. طراحی سیستم:

   • برای فاضلاب شهری: استفاده از فرآیندهای بیولوژیکی (نیتریفیکاسیون/دنیتریفیکاسیون) همراه با ANAMMOX.

   • برای فاضلاب صنعتی: ترکیب الکتروکواگولاسیون با تبادل یونی.

2. مواد و تجهیزات:

   • رزین‌های تبادل یونی، مواد شیمیایی (MgCl₂، H₃PO₄)، الکترودهای آهن/آلومینیوم، غشاهای RO.

3. نصب و راه‌اندازی:

   • ساخت راکتورهای بیولوژیکی، ستون‌های تبادل یونی یا سیستم‌های الکتروشیمیایی.

   • نصب پمپ‌ها، بلوئرهای هوادهی و سنسورهای کنترل pH/اکسیژن.

4. نگهداری:

   • احیای رزین‌ها، تمیزکاری غشاها و مدیریت لجن تولیدی.

فرمول‌های کلیدی:

• محصول انحلال (Ksp) برای استروویت:

  Ksp​=[Mg2+][NH4+​][PO43−​]=2.5×10−13

• بازده حذف:

  
  بازده (%)=((Cf/​Ci​​)-1)×100

نتیجه‌گیری:

روش‌های سنتی مانند نیتریفیکاسیون/دنیتریفیکاسیون و تبادل یونی به دلیل سادگی و هزینه نسبتاً پایین، هنوز در صنعت استفاده می‌شوند. اما روش‌های نوین مانند ANAMMOX، الکتروشیمیایی و جاذب‌های پیشرفته به دلیل بازده بالا، کاهش مصرف انرژی و سازگاری با محیط زیست، برای سیستم‌های پیشرفته مناسب هستند. انتخاب روش نهایی باید بر اساس غلظت آمونیوم، هزینه پروژه و الزامات زیست‌محیطی انجام شود. بهینه‌سازی پارامترهایی مانند pH، زمان ماند و نسبت مواد شیمیایی، نقش کلیدی در افزایش بازده دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب