کاربرد طیف سنجی UV-Vis در مدیریت سیستم فاضلاب

دی ۴, ۱۴۰۰
فریده مازوچی-کارشناس ارشد فیزیک
بدون نظرات

مدیریت سیستم فاضلاب شهری و نظارت بر آن یکی از چالش‌های مهم در شهرهای بزرگ و کوچک است. همان طور که می‌دانید، با استفاده از ابزارها و روش‌های پیشرفته، می‌توان هزینه‌های اضافی و زمان تلف شده در بخش‌های مختلف را کمتر کرد. یکی از این بخش‌های مهم سیستم نظارتی، فاضلاب‌ها هستند. یکی از تکنولوژی‌های مطرح برای مدیریت سیستم فاضلاب و تصفیه خانه‌ها طیف سنجی جذبی_عبوری است. در این روش از یک اسپکتروفتومتر در ورودی تصفیه خانه‌ها استفاده می‌شود. به کمک داده‌های به دست آمده از این ابزار، می‌توان مدل‌های آماری از سیستم فاضلاب را ساخت. این مدل‌ها در افزایش عملکرد تصفیه خانه‌ها نقش اساسی دارند. اگر به این موضوع علاقه مند هستید، با ما در ادامه این مقاله همراه باشید.

مدل‌ سازی سیستم فاضلاب شهری

در شهرهای کوچک و بزرگ، سیستم فاضلاب و نظارت بر روی آن یکی از دغدغه‌های مهم مسئولین است. سیستم‌ فاضلاب شهری شامل شبکه‌هایی برای جمع آوری و انتقال فاضلاب است. این سیستم هم چنین شامل تصفیه خانه‌هایی برای حذف و یا سم زدایی اجزای آلی و معدنی فاضلاب است. کیفیت فاضلاب شهری می‌تواند تحت تاثیر عواملی مانند نفوذ آب زیرزمینی، آب طوفان و… نیز باشد. باید این نکته را در نظر بگیریم که برای رعایت استانداردهای نظارتی، سیستم فاضلاب به ابزار‌های نظارتی پیشرفته‌ای نیاز دارد.
یکی از پارامترهایی که در شبکه فاضلاب باید به آن توجه کرد، زمان است. در فرآیند تصفیه واکنش‌هایی وجود دارد که پارامترهای اصلی آن با زمان تغییر می‌کنند. به طور کلی فرکانس (تناوب) داده‌ها در مدل سازی فرآیند تصفیه اهیت زیادی دارد. برای چنین فرآیندهایی، الگوهای روزانه، هفتگی و فصلی باید مشخص شوند.

نظارت بر خط و لحظه‌ای (On-line monitoring)

پیش از مدل سازی، به منظور بررسی کیفیت آب فاضلاب ابتدا به سراغ جمع آوری داده‌ها می‌رویم. برای این کار نقاطی از شبکه فاضلاب را برای مطالعه مشخص می‌کنیم. سپس پارامترهای مورد نیاز به وسیله یک اسپکتروفتومتر را اندازه گیری و بررسی می‌کنیم. این بررسی با اندازه گیری نرخ جریان آب، نمونه برداری و تحلیل داده‌ها در آزمایشگاه همراه است. از طرف دیگر برای بررسی بهتر آب فاضلاب نیاز به روشی کارآمدتر و خارج از محیط آزمایشگاه داریم. یکی از روش‌های مورد استفاده برای این هدف، آنالیز آنلاین و بر خط است. آنالیز بر خط یعنی دیگر نیاز به آزمایشگاه و فراهم آوردن شرایط نیاز نیست. بنابراین در خود محیط بدون نمونه برداری و انتقال به آزمایشگاه می‌توان پارامترهای مورد نظر را مطالعه کرد. در نتیجه این روش به بهبود نظارت کمک بسیاری می‌کند. با این روش می‌توان فهمید که در کجای شبکه فاضلاب نشتی رخ داده است. هم چنین خرابی‌ تجهیزات در تصفیه خانه‌ها به راحتی شناسایی می‌شوند. پس در نتیجه هرچه روش‌های نظارتی دقیق‌تر باشد، می‌توان سریع تر به تغییرات ورودی واکنش نشان داد. این کار باعث کاهش هزینه‌ها (به عنوان مثال، هزینه پمپاژ و هوادهی) و کاهش خطرات افت عملکرد (مانند آلودگی داخلی شبکه فاضلاب و کاهش کیفیت آب) می‌شود.

استفاده از اسپکتروفتومتری در سیستم فاضلاب شهری

اگر با اسپکتروفتومتری آشنایی داشته باشید، می‌دانید که این روش در محدوده UV-vis اطلاعات بسیار مفیدی را به ما می‌دهد. از این اطلاعات برای ارزیابی کیفیت آب فاضلاب نیز استفاده می‌شود. در واقع بخش عمده‌ای از اجزای آلی و غیرآلی (مثلاً نیترات)، تابش در این محدوده را جذب می‌کنند. با مطالعه طیف جذبی-عبوری می‌توان غلظت (به کمک قانون بیر لامبرت) و سایر ویژگی‌های کیفی فاضلاب را اندازه گرفت. هم چنین افزایش کیفیت فیبرهای نوری و ابزارهای شناور امکان استفاده از روش نظارت بر خط سیستم‌های فاضلاب (on-line in wastewater systems) را فراهم می‌کند. در نهایت با استفاده از تحلیل داده‌های چند متغیره و روش‌های کمومتریک (Chemometric) می‌توان اطلاعات طیف‌ها را استخراج کرد.
در فرآیند تصفیه از طریق مدل‌های آماری و استفاده از روش‌هایی مانند PCA (Principal Component Analysis)، داده‌های طیفی را می‌توان تحلیل و بررسی کرد. برای مطالعه کیفیت آب فاضلاب، پارامترهای استانداردی، مانند TOC (Total Organic Carbon)، COD (Chemical Oxygen Demand) و TSS (Total Suspended Solids) با استفاده از رگرسیون حداقل مربعات جزئی پیش بینی می‌شوند.
این نکته را باید در نظر بگیرید که پیش پردازش طیفی (به عنوان مثال هموارسازی، مشتقات اول و دوم و تصحیح پراکندگی) و بهینه سازی محدوده طول موج، کیفیت این پیش بینی‌ها را افزایش می‌دهند. پس می‌توان گفت، طیف‌سنجی UV-Vis یک ابزار قدرتمند برای نظارت بر شبکه فاضلاب است.

مطالعه مقاله قانون بیر لامبرت

طیف سنجی UV-Vis بر خط در دو تصفیه خانه غیرمتمرکز

در مناطق روستایی، جمع آوری و تصفیه فاضلاب در سیستم‌های غیرمتمرکز کوچک یک کار مرسوم است. با این حال، در بسیاری از موارد این عملیات بدون نظارت دقیق انجام می‌شود. این نظارت غیر دقیق می‌تواند علاوه بر انسان، به محیط زیست هم آسیب بزند.
برای روشن شدن بهتر موضوع دو مثال برایتان می‌آوریم. در این مثال‌ها برای بررسی آب فاضلاب، از دو اسپکتروفتومتر در ورودی دو تصفیه خانه غیرمتمرکز استفاده شده است. با کمک این روش و استفاده از مدل‌های آماری متعدد، می‌توان شبکه فاضلاب و تصفیه خانه‌ها را بهتر مدیریت کرد. هم چنین به کمک آن رژیم هوادهی و لجن موجودی بهتر کنترل می‌شوند.
در ابتدا به سراغ یک تصفیه خانه در پرتغال می‌رویم. این تصفیه خانه، فاضلاب یک روستای ۸۰۰ نفری در پرتغال را تصفیه می‌کند. برای این مطالعه، ابتدا یک جریان سنج و یک اسپکتروفتومتر شناور در ورودی تصفیه خانه نصب شد (شکل ۱). سپس داده‌ها طی پنج دوره دو روزه در طول یک سال جمع آوری شدند. نکته جالب این است که داده‌های آنالیز شده در آزمایشگاه با مجموعه داده‌های آنالیز بر خط منطبق بوده‌اند. در پایین شکل ۱ داده‌های اندازه گیری شده و کمیت‌های مورد نظر می‌توانید مشاهده کنید.

**شکل ۱ – اسپکتروفتومتر نصب شده در ورودی تصفیه خانه Castelo Branco**

در حقیقت برای داده‌های به دست آمده جهت توصیف سیستم تصفیه از کالیبراسیون و یک مدل مکانیکی استفاده شده است. با این آزمایش، می‌توان خرابی دبی سنج ورودی (inlet flow meter) را با استفاده از یک load profile COD کنترل کرد.
مورد دوم مطالعه یک تصفیه خانه در ناحیه لیسبون پرتغال است. در واقع این تصفیه خانه برای ۵۰۰۰ نفر به همراه فاضلاب دام‌ها طراحی شده است. در این مطالعه نیز یک طیف سنج UV-Vis شناور در ورودی تصفیه خانه نصب شد. در واقع این اسپکتروفتومتر، در کنار flow meter قرار گرفت. این نظارت بر خط یک سال طول کشید و در طی آن هفت دوره نمونه گیری‌های دو و چهار روزه انجام شد.
در این آزمایش، به کمک داده‌های طیفی، موقعیت‌های غیرعادی (از جمله بازگشت بیش از حد لجن به ورودی تصفیه خانه) مورد بررسی قرار گرفت. در نهایت از طریق داده‌های به دست آمده و به کمک نمودار شکل ۲، می‌توان مقادیر COD را پیش بینی کرد.

شکل ۲ – نمونه ای از یک score plot برای روش آماری PCA به همراه مقایسه داده‌های به دست آمده برای اندازه گیری COD در دوره‌های نمونه گیری مختلف

هم چنین در این مطالعه، طیف‌های به دست آمده برای تخمین لود نیتروژن آلی در ورودی تصفیه خانه استفاده شدند. با استفاده از داده‌های به دست آمده از طیف سنجی مرئی_فرابنفش، یک بیورآکتور (bioreactor) تصفیه را می‌توان با استفاده از نرخ جریان ورودی، COD، نیتروژن آلی و نیتروژن آمونیاکی به عنوان ورودی مدل‌سازی کرد. بنابراین شبیه سازی‌های دینامیکی برای تنظیم چرخه‌های هوادهی به منظور بهینه سازی همزمان انرژی ورودی، حذف COD و حذف پیشرفته نیتروژن به کار می‌روند.

مطالعه مقاله انواع اسپکتروفتومتری(اسپکتروفتومتر، اسپکترومتر، رنگ سنج، نانودراپ، فتومتر)

طیف سنجی جذبی عبوری بر خط در شبکه فاضلاب شهری

متأسفانه در سال‌های اخیر طیف سنجی جذبی عبوری در سیستم فاضلاب شهری هنوز به طور گسترده استفاده نشده است. اما استفاده از طیف سنجی می‌تواند یک گام رو به جلو در مدیریت شبکه فاصلاب باشد.
یکی از چالش‌ها برای محققان این است که هنگامی که درجریان آب طوفان رخ می‌دهد، تغییرات مشخصی در ماتریس کیفیت (quality matrix) آب مشاهده می‌شود. پس در نتیجه به ابزارهای پیشرفته تری برای مطالعه ماتریس کیفیت آب نیاز داریم. اسپکترومتر و اسپکتروفتومتر دو نمونه از این ابزارها هستند.
اسپکتروفتومترهای شناور شامل دستگاه‌های شناور و یا در حقیقت وسیله اندازی گیری آب خارج شده از فاضلاب اصلی می‌باشند. در منطقه لیبسون پرتغال، به طور موقت یک ساپورت شناور در چهار مکان شبکه فاضلاب طراحی شد. این سیستم ساپورتی (شکل ۳) شامل یک ساختار سخت و محکم در اطراف پروب است. در بالای تصویر شکل ۳ می‌توان دید که از سیلندرهای فوم polyurethane برای شناور شدن و محافظت از پروب استفاده می‌شود.
در حقیقت با طراحی پروب به صورت شکل ۳ نیازهای زیر برآورده می‌شود:
۱) غوطه ور شدن دائمی پنجره اپتیکی تا عمق متوسط حدود یک سوم آب فاضلاب
۲) تراز پروب با محور طولی جریان
۳) گردش بدون مانع مایع آزاد از طریق پنجره اپتیکی
۴) محافظت در برابر برخورد با زباله های بزرگ

شکل ۳ – تصویری از سیستم محافظتی مورد استفاده برای اسپکتروفتومتر شناور در ورودی تصفیه خانه به همراه مجموعه داده طیفی، قبل و هنگام بارش باران در محل ورودی

ورود جریان آب باران به فاضلاب

یکی از مواردی که در مطالعه آب‌های فاضلابی باید در نظر بگیریم، ورود آب باران به شبکه فاضلاب است. جریان آب باران در فاضلاب عموما منجر به رقیق شدن مواد محلول می‌شود. نکته‌ی اصلی این است که ترکیبات آب باران با آب فاضلاب متفاوت است. بنابراین ورود آب باران به فاضلاب روی نتیجه نهایی تاثیر می‌گذارد.
شکل ۳ تحلیل یک مجموعه داده طیفی را قبل و هنگام بارش باران در محل ورودی نشان می‌دهد. محققان داده‌های طیفی را در این دو شرایط بررسی کرده‌اند تا بتوانند تاثیر آب باران را هم بررسی کنند. میزان TSS و COD در فاضلاب را می‌توان از طریق طیف و با استفاده از رگرسیون PLS فاصله‌ای تخمین زد. این تخمین به‌طور جداگانه برای شرایط آب‌وهوای خشک و مرطوب بهینه‌سازی شده است.

جمع بندی

یکی از روش‌های کاربردی در مدیریت سیستم فاضلاب شهری، استفاده از روش طیف سنجی UV-Vis بر خط است. در این روش در خود محل طیف سنجی انجام می شود. در حقیقت برای بررسی آب فاضلاب، پارامترهای کیفی کلیدی، در ورودی تصفیه خانه بررسی می‌شوند. پس از طیف سنجی و جمع آوری اطلاعات، می‌توان از فرآیند تصفیه یک مدل ساخت و سناریوهای ممکن را بررسی کرد. در نهایت به کمک طیف گرفته شده از فاضلاب شهری و داده‌های آن می‌توان شبکه فاضلاب مدیریت کرد. هم چنین این فناوری از زیرساخت‌های بهتری استفاده می‌کند. با این روش به حفظ محیط زیست نیز کمک می‌شود. در انتها می‌توانیم نتیجه بگیریم که طیف‌سنجی UV-Vis برخط یک فناوری کلیدی برای مدیریت سیستم فاضلاب شهری است و در آینده نزدیک استفاده از این فناوری در تمام تصفیه خانه‌ها الزامی خواهد شد.