Χαρακτηρισμός ρύπανσης και απόδοση αερισμού Ανάκτηση λεπτού-διαχύτη πόρων σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων
Ως κρίσιμο βήμα στη διαδικασία ενεργού ιλύος των σταθμών επεξεργασίας αστικών λυμάτων (WWTP), ο αερισμός για παροχή οξυγόνου όχι μόνο παρέχει επαρκές οξυγόνο για τη διατήρηση των θεμελιωδών δραστηριοτήτων ζωής των μικροοργανισμών, αλλά διατηρεί επίσης την ιλύ σε αιώρηση, διευκολύνοντας την προσρόφηση και την απομάκρυνση των ρύπων. Ο αερισμός είναι επίσης η μονάδα{1}}που καταναλώνει περισσότερο ενέργεια στα WWTP, αντιπροσωπεύοντας το 45% έως 75% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας της μονάδας. Ως εκ τούτου, η απόδοση του συστήματος αερισμού επηρεάζει άμεσα την απόδοση επεξεργασίας και το λειτουργικό κόστος του WWTP. Ο εξοπλισμός αερισμού είναι βασικό συστατικό του συστήματος αερισμού, με τους αεραγωγούς λεπτής φυσαλίδας να είναι οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι σε δημοτικές εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων λόγω της υψηλής απόδοσης μεταφοράς οξυγόνου (ΟΤΕ). Ωστόσο, κατά τη διάρκεια-μακροχρόνιας λειτουργίας, οι ρύποι αναπόφευκτα συσσωρεύονται στην επιφάνεια και στους πόρους των αεριστηρίων. Για να εξασφαλιστεί η ποιότητα των λυμάτων, απαιτείται πρόσθετη παροχή αέρα από φυσητήρες, που οδηγεί σε αυξημένη κατανάλωση ενέργειας. Επιπλέον, η ρύπανση επιδεινώνει την απόφραξη των πόρων και αλλοιώνει το υλικό του αεριστή. Η απώλεια πίεσης (δυναμική υγρή πίεση, DWP) των εξαρτημάτων του αεριστή αυξάνεται κατά την εκτεταμένη λειτουργία, αυξάνοντας την πίεση αέρα εξόδου του φυσητήρα και προκαλώντας περαιτέρω σπατάλη ενέργειας.
Οι ρύποι που συσσωρεύονται στην επιφάνεια και στο εσωτερικό των πόρων των αεριστηρίων λεπτών φυσαλίδων περιλαμβάνουν βιολογική, οργανική και ανόργανη ρύπανση. Η οργανική ρύπανση προκύπτει από την προσρόφηση και καθίζηση οργανικής ύλης και την εναπόθεση μικροβιακών εκκρίσεων. Η ανόργανη ρύπανση αποτελείται συνήθως από χημικά ιζήματα που σχηματίζονται από πολυσθενή κατιόντα, όπως οξείδια μετάλλων. Με βάση το εάν μπορούν να αφαιρεθούν με φυσικό καθαρισμό, οι ρύποι μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως φυσικώς αναστρέψιμες ή φυσικώς μη αναστρέψιμες ρύπανση. Η φυσική αναστρέψιμη ρύπανση μπορεί να αφαιρεθεί με απλές φυσικές μεθόδους όπως το μηχανικό τρίψιμο, καθώς αυτοί οι ρύποι συνδέονται χαλαρά στην επιφάνεια του αεριστή. Η μη αναστρέψιμη ρύπανση δεν μπορεί να εξαλειφθεί με φυσικό καθαρισμό και απαιτεί πιο ενδελεχή χημικό καθαρισμό. Στο πλαίσιο της φυσικής μη αναστρέψιμης ρύπανσης, οι ρύποι που μπορούν να αφαιρεθούν με χημικό καθαρισμό ονομάζονται χημικά αναστρέψιμες ρύπανση, ενώ εκείνοι που δεν μπορούν να αφαιρεθούν ακόμη και με χημικό καθαρισμό θεωρούνται μη αναστρέψιμες ρύπανση.
Επί του παρόντος, οι αεριστήρες με λεπτές φυσαλίδες που χρησιμοποιούνται στην εγχώρια αγορά περιλαμβάνουν παραδοσιακά υλικά από καουτσούκ, όπως μονομερές αιθυλενοπροπυλενοδιενίου (EPDM) και νεότερα υλικά όπως πολυαιθυλένιο υψηλής-πυκνότητας (HDPE). Το στρώμα διανομής αερίου των αεριστηρίων HDPE σχηματίζεται με επίστρωση του εσωτερικού σωλήνα παροχής αέρα με τηγμένο πολυμερές, με διάμετρο πόρων περίπου (4,0 ± 0,5) mm. Το HDPE προσφέρει καλές ιδιότητες χημικής, μηχανικής και αντοχής στην κρούση και μεγάλη διάρκεια ζωής. Ωστόσο, τα μεγέθη των πόρων του είναι ασυνεπή και άνισα κατανεμημένα, καθιστώντας τα επιρρεπή σε εναπόθεση ρύπων. Το υλικό EPDM είναι εξαιρετικά εύκαμπτο, με πόρους που δημιουργούνται από μηχανική κοπή. Οι αεριστήρες EPDM έχουν μεγαλύτερο αριθμό πόρων ανά μονάδα επιφάνειας, παράγοντας μικρότερες φυσαλίδες (τουλάχιστον 0,5 mm). Η υδρόφιλη φύση της ελαστικής μεμβράνης ευνοεί επίσης το σχηματισμό φυσαλίδων. Ωστόσο, οι μικροοργανισμοί τείνουν να προσκολλώνται και να αναπτύσσονται σε επιφάνειες EPDM, χρησιμοποιώντας πλαστικοποιητές ως υπόστρωμα. Ταυτόχρονα, η κατανάλωση πλαστικοποιητών προκαλεί τη σκλήρυνση του υλικού του αεριστή, οδηγώντας τελικά σε ζημιά από κόπωση και μείωση της διάρκειας ζωής. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να διερευνηθούν τα πρότυπα συσσώρευσης ρύπων σε αυτά τα δύο υλικά και οι επακόλουθες αλλαγές στην απόδοση μεταφοράς οξυγόνου και στην απώλεια πίεσης.
Αυτή η μελέτη πήρε λεπτούς αεραγωγούς με φυσαλίδες που αντικαταστάθηκαν μετά από χρόνια λειτουργίας από δύο δημοτικούς WWTP με παρόμοιες συνθήκες διεργασίας με τα ερευνητικά θέματα. Οι ρύποι στους αεραγωγούς εξήχθησαν και χαρακτηρίστηκαν στρώμα προς στρώμα για να αναγνωριστούν τα κύρια συστατικά τους. Με βάση αυτό, αξιολογήθηκε η αποτελεσματικότητα των μεθόδων καθαρισμού στην ανάκτηση της απόδοσης μεταφοράς οξυγόνου των αεριστηρίων, με στόχο την παροχή θεμελιωδών δεδομένων και τεχνικών αναφορών για τη μακροπρόθεσμη βελτιστοποιημένη και σταθερή λειτουργία των συστημάτων αερισμού με λεπτές φυσαλίδες.
1 Υλικά και Μέθοδοι
1.1 Εισαγωγή στις Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων
Και οι δύο WWTP βρίσκονται στη Σαγκάη και χρησιμοποιούν τη διαδικασία Anaerobic-Anoxic-Oxic (AAO) ως βασική επεξεργασία. Το WWTP A χρησιμοποιεί θάλαμο κόκκων vortex + συμβατικό AAO + φίλτρο ινών υψηλής απόδοσης + διαδικασία απολύμανσης UV. Το WWTP B χρησιμοποιεί θάλαμο αεριζόμενης άμμου + συμβατικό AAO + δεξαμενή καθίζησης υψηλής απόδοσης + διαδικασία απολύμανσης UV. Και οι δύο μονάδες πληρούν σταθερά το πρότυπο Βαθμού Α του "Πρότυπου Απόρριψης Ρύπων για Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Αστικών Λυμάτων" (GB 18918-2002). Οι συγκεκριμένες σχεδιαστικές και λειτουργικές παράμετροι φαίνονται στοΠίνακας 1.
1.2 Εξαγωγή και Χαρακτηρισμός Ρύπων Αεριστή
Οι αεριστήρες λεπτών φυσαλίδων που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα ήταν ένας σωληνωτός αεριστής HDPE (Ecopolemer, Ουκρανία) που συλλέχθηκε από το εργοστάσιο Α και ένας σωληνωτός αεριστής EPDM (EDI-FlexAir, ΗΠΑ) που συλλέχθηκε από το εργοστάσιο Β. Οι φωτογραφίες και των δύο φαίνονται στοΕικόνα 1. Ο παλιός σωλήνας HDPE λειτουργούσε εδώ και 10 χρόνια, με διαστάσεις D×L=120 mm×1000 mm και διάμετρο πόρων (4±0,50) mm, ικανός να παράγει λεπτές φυσαλίδες 2~5 mm. Ο παλιός σωλήνας EPDM λειτουργούσε για 3 χρόνια, με διαστάσεις D×L=91 mm×1003 mm, παράγοντας λεπτές φυσαλίδες 1,0~1,2 mm, με ελάχιστη διάμετρο φυσαλίδων 0,5 mm.
Οι παλιοί σωλήνες HDPE και EPDM ανακτήθηκαν από τις αερόβιες δεξαμενές, τοποθετήθηκαν σε φιλμ προσκόλλησης και ξεπλύθηκαν με απιονισμένο νερό. Ο μηχανικός καθαρισμός πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας μια αποστειρωμένη λεπίδα με φλόγα-για την απόξεση των ρύπων που συνδέονται με την επιφάνεια του αεριστή.
Για περαιτέρω μελέτη της επίδρασης της ρύπανσης στην απόδοση μεταφοράς οξυγόνου, πραγματοποιήθηκε χημικός καθαρισμός στο σωλήνα HDPE. Μετά από μηχανικό τρίψιμο, ο σωλήνας HDPE εμποτίστηκε σε διαλύματα HCl 5% και NaClO 5% για 24 ώρες αντίστοιχα. Οι παλιοί σωλήνες, οι μηχανικά καθαρισμένοι σωλήνες και οι χημικά καθαρισμένοι σωλήνες στέγνωσαν σε φούρνο 60 βαθμών (μοντέλο XMTS-6000) για 60 ώρες. Στη συνέχεια, οι επιφάνειές τους εξετάστηκαν χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM, μοντέλο JSM-7800F, Ιαπωνία), φασματοσκοπία ακτίνων Χ ενεργειακής διασποράς (EDX, Oxford Instruments, UK) και ομοεστιακή μικροσκοπία σάρωσης λέιζερ (CLSM, μοντέλο TCS SP8, Γερμανία). Το διάλυμα καθαρισμού HCl διηθήθηκε μέσω μεμβράνης 0,45 μm και πραγματοποιήθηκε ποσοτική ανάλυση πολυσθενών κατιόντων (συμπεριλαμβανομένων ιόντων Ca, Mg, Al, Fe, κ.λπ.) χρησιμοποιώντας επαγωγικά συζευγμένη φασματομετρία οπτικής εκπομπής πλάσματος (ICP, μοντέλο ICPS-7510, Ιαπωνία). Καθώς το HCl και το NaClO μπορούν να προκαλέσουν μετουσίωση και γήρανση της μεμβράνης EPDM, δεν πραγματοποιήθηκε χημικός καθαρισμός στο σωλήνα EPDM. Ο σωλήνας EPDM κόπηκε σε κομμάτια μεμβράνης 5 cm x 5 cm και εμποτίστηκε σε HCl για ποσοτική ανάλυση πολυσθενών κατιόντων στο διάλυμα.
1.3 Συσκευή και μέθοδος δοκιμής για την απόδοση μεταφοράς οξυγόνου αεριστή
Η απόδοση μεταφοράς οξυγόνου των αεριστηρίων λεπτής φυσαλίδας δοκιμάστηκε σύμφωνα με τον «Προσδιορισμό της απόδοσης μεταφοράς οξυγόνου καθαρού νερού των αεραγωγών λεπτής φυσαλίδας» (CJ/T 475-2015). Η ρύθμιση δοκιμής εμφανίζεται στοΕικόνα 2.
Η συσκευή είναι μια κατασκευή από ανοξείδωτο-χάλυβα διαστάσεων 1,2 m × 0,3 m × 1,4 m, με παράθυρα θέασης από οργανικό γυαλί και στις δύο πλευρές. Ο αεριστήρας στερεώθηκε στον κεντρικό πυθμένα χρησιμοποιώντας μεταλλικό στήριγμα, με βάθος βύθισης 1,0 m. Ένας αναλυτής ποιότητας νερού πολλαπλών-παραμέτρων (Hach HQ30D, ΗΠΑ) χρησιμοποιήθηκε για την παρακολούθηση της συγκέντρωσης διαλυμένου οξυγόνου (DO) σε πραγματικό{{9}χρόνο. Ως παράγοντας αποοξυγόνωσης χρησιμοποιήθηκε άνυδρο θειώδες νάτριο και ως καταλύτης χλωριούχο κοβάλτιο. Η ένδειξη του μανόμετρου αντιπροσώπευε τη δυναμική υγρή πίεση του αεριστή (DWP, kPa). Τα αποτελέσματα των μετρήσεων διορθώθηκαν για θερμοκρασία, αλατότητα και DO. Ως δείκτης αξιολόγησης χρησιμοποιήθηκε η τυποποιημένη απόδοση μεταφοράς οξυγόνου (SOTE, %).
Η κατανάλωση ενέργειας του ανεμιστήρα σχετίζεται τόσο με το ρυθμό ροής παροχής αέρα όσο και με την πίεση αέρα εξόδου, οι οποίες επηρεάζονται από το SOTE και το DWP του αεριστή, αντίστοιχα. Επομένως, ένας δείκτης κατανάλωσης ενέργειας αερισμού J (kPa·h/g), που αντιπροσωπεύει τη συνδυασμένη επίδραση του SOTE και του DWP, χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση της απόδοσης του αεριστή. Ορίζεται ως η απώλεια πίεσης που πρέπει να ξεπεράσει ο αεριστής ανά μονάδα μάζας οξυγόνου που μεταφέρεται. Το J υπολογίζεται από την κλίση της προσαρμογής γραμμικής παλινδρόμησης μεταξύ DWP/SOTE και του ρυθμού ροής αέρα (AFR), όπως φαίνεται στην ακόλουθη εξίσωση:
Οπου:
AFRείναι ο ρυθμός ροής αέρα, m³/h.
ραέραςείναι η πυκνότητα του αέρα, που λαμβάνεται ως 1,29 × 10³ g/m³ σε 20 μοίρες.
yO2είναι η περιεκτικότητα σε οξυγόνο στον αέρα, λαμβανόμενη ως 0,23 g O2/g αέρα.
2 Αποτελέσματα και Ανάλυση
2.1 Απόδοση μεταφοράς οξυγόνου νέων, παλαιών και καθαρισμένων αεριστηρίων
Εικόνα 3δείχνει το SOTE και το DWP των αεριστηρίων σε διαφορετικούς ρυθμούς ροής αέρα.
Από τα Σχήματα 3(α) και (β), οι τιμές SOTE για τους νέους σωλήνες HDPE και νέους EPDM ήταν (7,36±0,53)% και (9,68±1,84)%, αντίστοιχα. Ο σωλήνας EPDM παράγει μικρότερες φυσαλίδες με μεγαλύτερη ειδική επιφάνεια, αυξάνοντας την περιοχή επαφής του αερίου-του υγρού και τον χρόνο παραμονής, με αποτέλεσμα υψηλότερο SOTE. Το SOTE και των δύο αεριστηρίων μειώθηκε με την αύξηση του AFR επειδή ένα υψηλότερο AFR αυξάνει τον αριθμό των φυσαλίδων και την αρχική ταχύτητα, οδηγώντας σε περισσότερες συγκρούσεις φυσαλίδων και σχηματισμό μεγαλύτερων φυσαλίδων, γεγονός που εμποδίζει τη μεταφορά οξυγόνου από την αέρια στην υγρή φάση. Το SOTE του σωλήνα EPDM παρουσίασε μια πιο έντονη πτωτική τάση με αύξηση του AFR σε σύγκριση με τον σωλήνα HDPE. Αυτό συμβαίνει επειδή οι πόροι του αεριστή HDPE είναι άκαμπτοι και δεν αλλάζουν με το AFR, ενώ οι πόροι του αεριστή EPDM είναι εύκαμπτοι και ανοίγουν ευρύτερα με αυξημένο AFR, σχηματίζοντας μεγαλύτερες φυσαλίδες και μειώνοντας περαιτέρω το SOTE.
Μετά από μακροχρόνια-λειτουργία, το SOTE του σωλήνα HDPE έπεσε στο (5,39±0,62)%, μείωση 26,7%, κυρίως λόγω της συσσώρευσης ρύπων που φράζει τους πόρους και μειώνει τον αριθμό των αποτελεσματικών πόρων για τη δημιουργία φυσαλίδων. Το μηχανικό τρίψιμο αύξησε το SOTE του σωλήνα HDPE σε (5,59±0,66)%, αλλά η ανάκτηση δεν ήταν σημαντική, πιθανώς επειδή οι ρύποι στον σωλήνα HDPE δεν ήταν μόνο προσκολλημένοι στην επιφάνεια αλλά και εναποτέθηκαν μέσα στους πόρους, καθιστώντας δύσκολη την απομάκρυνσή τους με μηχανικό τρίψιμο. Οι Jiang et al. διαπίστωσε ότι το NaClO μπορεί να αφαιρέσει αποτελεσματικά τους ρύπους από τους σωλήνες HDPE και να αποκαταστήσει την απόδοση αερισμού τους. Μετά τον καθαρισμό του NaClO, το SOTE του σωλήνα HDPE επανήλθε στο (6,14±0,63)%, που είναι το 83,4% του επιπέδου του νέου σωλήνα, αλλά δεν μπορεί να ανακάμψει πλήρως. Αυτό συμβαίνει επειδή, κατά τη διάρκεια παρατεταμένης λειτουργίας, οι ρύποι συνδέονται στενά, αλλοιώνοντας τη δομή των πόρων, εμποδίζοντας τη ροή του αέρα, αυξάνοντας τη συνένωση φυσαλίδων, μειώνοντας την ειδική επιφάνεια της φυσαλίδας και τον χρόνο παραμονής, και έτσι εμποδίζοντας τη μεταφορά οξυγόνου. Ταυτόχρονα, η ρύπανση προκαλεί ανομοιόμορφη κατανομή αέρα, υποβαθμίζοντας τη συνολική απόδοση.
Το SOTE του παλιού σωλήνα EPDM έπεσε στο (9,06±1,75)%, μείωση 6,4%. Εκτός από την απόφραξη των πόρων από τη συσσώρευση ρύπων, η βιολογική ρύπανση καταναλώνει πλαστικοποιητές στο υλικό, σκληρύνοντας τον αεριστή και παραμορφώνοντας τους πόρους. Οι παραμορφωμένοι πόροι δεν μπορούν να επανέλθουν στην αρχική τους κατάσταση, παράγοντας μεγαλύτερες φυσαλίδες και χαμηλώνοντας το SOTE. Ο μηχανικός καθαρισμός αύξησε το SOTE του σωλήνα EPDM σε (9,47±1,87)%, σχεδόν επαναφέροντάς το στο επίπεδο του νέου σωλήνα, υποδεικνύοντας ότι οι ρύποι στον σωλήνα EPDM ήταν χαλαρά προσκολλημένοι στην επιφάνεια και μπορούσαν να αφαιρεθούν κυρίως με μηχανικό τρίψιμο.
Από τα σχήματα 3(c) και (d), το DWP του νέου σωλήνα EPDM ήταν (6,47±0,66) kPa, σημαντικά υψηλότερο από αυτό του νέου σωλήνα HDPE [(1,47±0,49) kPa]. Αυτό συμβαίνει επειδή η διάμετρος πόρων του σωλήνα EPDM είναι μικρότερη από αυτή του σωλήνα HDPE, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη αντίσταση όταν πιέζονται οι φυσαλίδες. Μετά από μακροχρόνια-λειτουργία, το DWP του παλιού σωλήνα HDPE αυξήθηκε σε (4,36±0,56) kPa, 2,97 φορές περισσότερο από αυτό του νέου σωλήνα. Η αύξηση του DWP σχετίζεται τόσο με το βαθμό απόφραξης των πόρων όσο και με τις αλλαγές υλικού. Το μηχανικό τρίψιμο μείωσε το DWP του σωλήνα HDPE σε 2,25 φορές αυτό του νέου σωλήνα. Ο καθαρισμός NaClO το μείωσε περαιτέρω σε (2,04±0,45) kPa, 1,39 φορές περισσότερο από αυτόν του νέου σωλήνα. Αυτό υποδεικνύει και πάλι ότι οι περισσότεροι ρύποι στον σωλήνα HDPE είχαν αποτεθεί μέσα στους πόρους και δεν μπορούσαν να αφαιρεθούν αποτελεσματικά με μηχανικό τρίψιμο, απαιτώντας καθαρισμό NaClO για την αποκατάσταση της απόδοσης. Η DWP του παλιού σωλήνα EPDM αυξήθηκε σε (8,10 ± 0,94) kPa, 1,25 φορές εκείνη του νέου σωλήνα και μειώθηκε σε 1,10 φορές μετά από μηχανικό τρίψιμο.
Εικόνα 4δείχνει την αλλαγή του DWP/SOTE (σημειώνεται ως DWP') με AFR για τους αεριστές.
Χρησιμοποιήθηκε μια εξίσωση γραμμικής παλινδρόμησης για την προσαρμογή του DWP' έναντι του AFR και η παράμετρος κατανάλωσης ενέργειας J ελήφθη από την κλίση. Οι τιμές J για τους νέους σωλήνες HDPE και τους νέους EPDM ήταν 0,064 και 0,204 kPa·h/g, αντίστοιχα, υποδεικνύοντας ότι ανά μονάδα μάζας οξυγόνου που μεταφέρθηκε, ο σωλήνας EPDM πρέπει να ξεπεράσει μεγαλύτερη απώλεια πίεσης. Κατά τη στιγμή της αντικατάστασης, οι τιμές J για τους σωλήνες HDPE και EPDM αυξήθηκαν σε 0,251 και 0,274 kPa·h/g, αντίστοιχα. Η ρύπανση του αεριστή που οδηγεί σε αυξημένη απώλεια πίεσης μπορεί να επηρεάσει την ασφαλή λειτουργία του ανεμιστήρα. Μετά από μηχανικό τρίψιμο, οι τιμές J για τους σωλήνες HDPE και EPDM μειώθηκαν σε 0,184 και 0,237 kPa·h/g, αντίστοιχα. Οι αλλαγές στο J μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ποσοτική ανάλυση των ρύπων αεριστή. Η διαφορά στο J μεταξύ του παλιού σωλήνα και του μηχανικά καθαρισμένου σωλήνα προκαλείται από φυσικά αναστρέψιμη ρύπανση. Η διαφορά μεταξύ του μηχανικά καθαρισμένου σωλήνα και του νέου σωλήνα προκαλείται από μη αναστρέψιμη φυσική ρύπανση. Η διαφορά μεταξύ του μηχανικά καθαρισμένου σωλήνα και του χημικά καθαρισμένου σωλήνα προκαλείται από χημικά αναστρέψιμη ρύπανση, ενώ η διαφορά μεταξύ του χημικά καθαρισμένου σωλήνα και του νέου σωλήνα προκαλείται από μη αναστρέψιμη ρύπανση. Το σχήμα 5 δείχνει τις αλλαγές στην παράμετρο κατανάλωσης ενέργειας J για τους αεριστές.
ΑπόΕικόνα 5, για τον σωλήνα HDPE, η φυσική αναστρέψιμη και η φυσικά μη αναστρέψιμη ρύπανση αντιπροσώπευαν το 35,8% και το 64,2% της συνολικής ρύπανσης, αντίστοιχα. Εντός της φυσικά μη αναστρέψιμης ρύπανσης, η χημικά αναστρέψιμη και η μη αναστρέψιμη ρύπανση αντιστοιχούσαν σε 42,8% και 21,4%, αντίστοιχα. Για τον σωλήνα EPDM, η φυσική αναστρέψιμη και η φυσικά μη αναστρέψιμη ρύπανση αντιπροσώπευαν το 52,9% και το 47,1%, αντίστοιχα. Η μη αναστρέψιμη ρύπανση δεν εμφανίζεται αρχικά, αλλά συσσωρεύεται με την πάροδο του χρόνου, καθορίζοντας τελικά τη διάρκεια ζωής του αεριστή. Επομένως, θα πρέπει να καθιερωθούν εύλογα προγράμματα καθαρισμού για να επιβραδυνθεί η μετάβαση από αναστρέψιμη σε μη αναστρέψιμη ρύπανση και να ελαχιστοποιηθεί η συσσώρευση μη αναστρέψιμων ρύπων.
2.2 Παρατήρηση SEM νέων, παλαιών και καθαρισμένων αεριστών
Εικόνα 6εμφανίζει εικόνες SEM των επιφανειών νέων, παλαιών και μηχανικά καθαρισμένων αεριστηρίων. Η πορώδης δομή του νέου σωλήνα HDPE είναι σαφώς ορατή, ενώ η επιφάνεια του νέου σωλήνα EPDM είναι λεία με καθαρούς-κομμένους πόρους. Μετά από αρκετά χρόνια λειτουργίας, η επιφανειακή μορφολογία και των δύο αεριστηρίων άλλαξε σημαντικά. Ανομοιόμορφοι ρύποι-όμοιοι με ράβδο και μπλοκ κάλυπταν πλήρως την επιφάνεια, με ρυπογόνα συσσωματώματα γύρω και μέσα στους πόρους, εμποδίζοντας τη μεταφορά οξυγόνου και αυξάνοντας την απώλεια πίεσης. Μετά από μηχανικό τρίψιμο, οι περισσότεροι ρύποι στην επιφάνεια του σωλήνα EPDM αφαιρέθηκαν, αλλά οι πόροι παρέμειναν φραγμένοι. Για τον σωλήνα HDPE, το πάχος του στρώματος ρύπων μειώθηκε, αλλά οι πόροι ήταν ακόμα καλυμμένοι.
2.3 Ανάλυση ανόργανης ρύπανσης νέων, παλαιών και καθαρισμένων αεριστών
Το EDX χρησιμοποιήθηκε για την περαιτέρω ανάλυση της κύριας στοιχειακής σύνθεσης των επιφανειών του αεριστή, με τα αποτελέσματα να φαίνονται στοΠίνακας 2. Άνθρακας, οξυγόνο, σίδηρος, πυρίτιο και ασβέστιο ανιχνεύθηκαν και στις επιφάνειες HDPE και EPDM. Ο σωλήνας HDPE περιείχε επίσης μαγνήσιο, ενώ ο σωλήνας EPDM περιείχε αλουμίνιο. Συμπεραίνεται ότι οι ανόργανοι ρύποι στον σωλήνα HDPE ήταν διοξείδιο του πυριτίου, ανθρακικό ασβέστιο, ανθρακικό μαγνήσιο και φωσφορικός σίδηρος, ενώ εκείνοι στον σωλήνα EPDM ήταν διοξείδιο του πυριτίου και οξείδιο του αργιλίου. Αυτά τα ανόργανα ιζήματα σχηματίστηκαν όταν οι συγκεντρώσεις των ανόργανων ιόντων από τα αστικά λύματα και την ενεργοποιημένη λάσπη έφτασαν σε κορεσμό στην επιφάνεια του αεριστή. Μετά το μηχανικό τρίψιμο, τα ανόργανα στοιχεία στις επιφάνειες του αεριστή παρουσίασαν μικρή διαφορά σε σύγκριση με τους παλιούς σωλήνες, υποδεικνύοντας ότι ο μηχανικός καθαρισμός δεν μπορεί να αφαιρέσει αποτελεσματικά τους ανόργανους ρύπους. Οι Kim et al. διαπίστωσε ότι μετά από-μακροχρόνια λειτουργία, οι ανόργανοι ρύποι καλύπτονται από οργανικούς ρύπους, προσκολλώνται σφιχτά στην επιφάνεια και στο εσωτερικό των πόρων, καθιστώντας δύσκολη την απομάκρυνσή τους με μηχανικό τρίψιμο.
Μετά τον καθαρισμό με HCl, τα μεταλλικά ιόντα στις επιφάνειες του αεριστή αφαιρέθηκαν πλήρως. Το HCl διέβρωσε μέρος της οργανικής στιβάδας που κάλυπτε την επιφάνεια, διείσδυσε σε αυτήν και αντέδρασε με μεταλλικά ιόντα, αφαιρώντας τα ανόργανα ιζήματα μέσω εξουδετέρωσης και αποσύνθεσης. Το διάλυμα καθαρισμού HCl που χρησιμοποιήθηκε για τη διαβροχή των αεριστηρίων αναλύθηκε με ICP για τον υπολογισμό της περιεκτικότητας σε ανόργανους ρύπους. Οι περιεκτικότητες σε Ca, Mg και Fe για το σωλήνα HDPE ήταν 18,00, 1,62 και 13,90 mg/cm², αντίστοιχα, ενώ για το σωλήνα EPDM, οι περιεκτικότητες σε Ca, Al και Fe ήταν 9,55, 1,61 και 3,38 mg/cm², αντίστοιχα.
2.4 Ανάλυση οργανικής ρύπανσης νέων, παλαιών και καθαρισμένων αεριστών
Για να εξεταστεί ποσοτικά η κατανομή των οργανικών ρύπων, χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Image J για τον υπολογισμό της αναλογίας βιοόγκου και κάλυψης υποστρώματος των συνολικών κυττάρων, πολυσακχαριτών και πρωτεϊνών από μικρογραφίες CLSM, με τους μέσους όρους να λαμβάνονται ως τελικά αποτελέσματα (Εικόνα 7).
Από το Σχήμα 7(α), οι πρωτεΐνες και τα συνολικά κύτταρα ήταν τα κύρια συστατικά των οργανικών ρύπων στους σωλήνες HDPE και EPDM, αντίστοιχα, με μέγιστους συνολικούς όγκους που φτάνουν τα 7,66×105 και τα 7,02×105 μm3. Ο συνολικός όγκος κυττάρων στο σωλήνα EPDM ήταν 2,5 φορές μεγαλύτερος από αυτόν του σωλήνα HDPE, σύμφωνα με τα ευρήματα των Garrido-Baserba et al., που ανέφεραν υψηλότερη συνολική συγκέντρωση DNA σε παλιούς αεριστές EPDM σε σύγκριση με άλλα υλικά. Wanger et al. διαπίστωσαν ότι όταν οι μικροοργανισμοί προσκολλώνται σε σωλήνες EPDM, εάν το περιβάλλον δεν διαθέτει επαρκές οργανικό υπόστρωμα, στράφηκαν στη χρήση πλαστικοποιητών μεμβράνης EPDM. Οι μικροοργανισμοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν πλαστικοποιητές ως πηγή άνθρακα, επιταχύνοντας την ανάπτυξη και την αναπαραγωγή, εντείνοντας έτσι τη βιολογική ρύπανση στην επιφάνεια του EPDM. Οι περιεκτικότητες πολυσακχαριτών και πρωτεϊνών στο σωλήνα EPDM ήταν πολύ χαμηλότερες από αυτές του σωλήνα HDPE, πιθανώς λόγω της υψηλότερης ηλικίας λάσπης στο φυτό Β σε σύγκριση με το φυτό Α, οδηγώντας σε χαμηλότερη συγκέντρωση εξωκυτταρικής πολυμερικής ουσίας (EPS). Ως κύρια συστατικά του EPS, οι πρωτεΐνες και οι πολυσακχαρίτες που εκκρίνονται από μικροοργανισμούς έγιναν σημαντικές πηγές οργανικών ρύπων στην επιφάνεια του σωλήνα HDPE στο φυτό Α.
Μετά από μηχανικό τρίψιμο, οι ποσότητες των συνολικών κυττάρων, πολυσακχαριτών και πρωτεϊνών στον σωλήνα HDPE μειώθηκαν κατά 1,49×105, 0,13×105 και 1,33×105 μm3, αντίστοιχα. Στον σωλήνα EPDM, οι αντίστοιχες μειώσεις ήταν 2,20×105, 1,88×105 και 2,38×105 μm3, αντίστοιχα. Αυτό δείχνει ότι το μηχανικό τρίψιμο μπορεί να μειώσει την οργανική ρύπανση σε κάποιο βαθμό.
Ωστόσο, για τον σωλήνα HDPE, η περιοχή κάλυψης του υποστρώματος των πολυσακχαριτών και των πρωτεϊνών αυξήθηκε μετά από μηχανικό τρίψιμο-από 2,75% και 6,28% σε 4,67% και 7,09%, αντίστοιχα [Εικόνα 7(β)]. Αυτό συνέβη επειδή οι εξωκυτταρικές πολυμερείς ουσίες (EPS) διαθέτουν υψηλό ιξώδες. Κατά συνέπεια, το μηχανικό τρίψιμο είχε το αντιπαραγωγικό αποτέλεσμα της διάδοσης πρωτεϊνών, πολυσακχαριτών και ανόργανων ρύπων ευρύτερα στην επιφάνεια του σωλήνα HDPE, οδηγώντας σε μεγαλύτερη κάλυψη περιοχής. Αυτό πιθανώς εξηγεί γιατί το μηχανικό τρίψιμο απέτυχε να αποκαταστήσει σημαντικά την απόδοση αερισμού του σωλήνα HDPE.
Μετά τον καθαρισμό με NaClO, τα συνολικά κύτταρα, οι πολυσακχαρίτες και οι πρωτεΐνες στο σωλήνα HDPE μειώθηκαν κατά 2,34×105, 3,42×105 και 4,53×105 μm3, αντίστοιχα, παρουσιάζοντας σημαντικά υψηλότερη απόδοση αφαίρεσης από το μηχανικό τρίψιμο. Το NaClO οξειδώνει λειτουργικές ομάδες οργανικών ρύπων σε κετόνες, αλδεΰδες και καρβοξυλικά οξέα, αυξάνοντας την υδροφιλία των μητρικών ενώσεων και μειώνοντας την προσκόλληση των ρύπων στον αεριστή. Επιπλέον, οι κροκίδες και τα κολλοειδή λάσπης μπορούν να αποσυντεθούν από οξειδωτικά σε λεπτά σωματίδια και σε διαλυμένη οργανική ύλη.
3 Συμπεράσματα
①Οι τιμές SOTE για τους νέους σωλήνες HDPE και νέους EPDM ήταν (7,36±0,53)% και (9,68±1,84)%, αντίστοιχα. Το SOTE του σωλήνα EPDM παρουσίασε μια πιο έντονη πτωτική τάση με αύξηση του AFR σε σύγκριση με τον σωλήνα HDPE. Αυτό συμβαίνει επειδή οι πόροι του αεριστή HDPE είναι άκαμπτοι και δεν αλλάζουν με το AFR, ενώ οι πόροι του αεριστή EPDM είναι εύκαμπτοι και ανοίγουν ευρύτερα με αυξημένο AFR, σχηματίζοντας μεγαλύτερες φυσαλίδες και μειώνοντας περαιτέρω το SOTE.
②Λόγω της συσσώρευσης ρύπων στην επιφάνεια και στους εσωτερικούς πόρους, η απόδοση μεταφοράς οξυγόνου του σωλήνα HDPE μειώθηκε κατά 26,7% και η απώλεια πίεσης αυξήθηκε σε 2,97 φορές μεγαλύτερη από αυτή του νέου σωλήνα. Καθώς οι περισσότεροι ρύποι στον σωλήνα HDPE εναποτέθηκαν μέσα στους πόρους, το μηχανικό τρίψιμο δεν ήταν αποτελεσματικό. Μετά τον χημικό καθαρισμό, το SOTE του σωλήνα HDPE ανέκαμψε στο 83,4% του επιπέδου του νέου σωλήνα και το DWP μειώθηκε σε 1,39 φορές αυτό του νέου σωλήνα, παρουσιάζοντας σημαντική βελτίωση στην απόδοση. Ωστόσο, λόγω της εναπόθεσης ρύπων, δεν μπόρεσε να επανέλθει πλήρως στην αρχική του κατάσταση. Για τον σωλήνα HDPE, η φυσικά αναστρέψιμη, η χημικά αναστρέψιμη και η μη αναστρέψιμη ρύπανση αντιστοιχούσαν σε 35,8%, 42,8% και 21,4% αντίστοιχα.
③Μετά από μακροχρόνια-λειτουργία, η απόδοση μεταφοράς οξυγόνου του σωλήνα EPDM μειώθηκε κατά 6,4% και η απώλεια πίεσης αυξήθηκε σε 1,25 φορές εκείνη του νέου σωλήνα. Μετά από μηχανικό τρίψιμο, η απόδοση αερισμού του σωλήνα EPDM αποκαταστάθηκε σχεδόν στο επίπεδο του νέου σωλήνα, υποδεικνύοντας ότι οι ρύποι στον σωλήνα EPDM ήταν χαλαρά προσκολλημένοι στην επιφάνεια και μπορούσαν να αφαιρεθούν σε μεγάλο βαθμό με μηχανικό τρίψιμο. Για τον σωλήνα EPDM, η φυσική αναστρέψιμη και η φυσικά μη αναστρέψιμη ρύπανση αντιπροσώπευαν το 52,9% και το 47,1%, αντίστοιχα.
④Οι πρωτεΐνες ήταν το κύριο συστατικό των οργανικών ρύπων στο σωλήνα HDPE, ενώ τα συνολικά κύτταρα ήταν το κύριο συστατικό στο σωλήνα EPDM. Αυτό συμβαίνει επειδή οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν πλαστικοποιητές στο υλικό EPDM ως πηγή άνθρακα, επιταχύνοντας την ανάπτυξη και την αναπαραγωγή τους, εντείνοντας έτσι τη βιολογική ρύπανση στους αεριστές υλικού EPDM.