۳ روش فیزیکی حذف آلاینده‌های غیرآلی از آب
فرآیندهای حذف یا کاهش آلاینده های غیرآلی آب را می‌توان به سه دسته اصلی تقسیم کرد: فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی. برای انتخاب روش مناسب لازم است که با جنبه‌های عملی و فناوری هر یک از این دسته روش‌ها آشنا شویم. در این مقاله سعی داریم به بررسی فناوریهای تصفیه آب و حذف آلاینده‌های غیرآلی با استفاده از روش‌های فیزیکی بپردازیم.
آلاینده‌های رایج در آب‌های صنعتی شامل انواع فلزات معلق، فلزات حل شده، نیترات، سولفات و سیانیدها است. فلزات و شبه فلزهای معمول شامل آرسنیک، آنتیموان، سلنیوم، سرب، مس، کادمیوم و روی هستند.
فناوریهای تصفیه فیزیکی را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد:
- شفاف‌سازی یا Clarification
- فیلتراسیون
- فرآیندهای غشایی Membrane processes
۱ شفاف‌سازی
شفاف‌سازی از فرآیندهای چندگانه برای حذف ذرات معلق، یعنی ذراتی که به شکل ذره هستند و در داخل آب حل نشده‌اند، است. این فرایندها شامل انعقاد (coagulation)، لخته‌شدن (flocculation)و ته‌نشینی (settling) است. به طور کلی فرآیندهای فیزیکی به جز در فرایندهای غشائی دقیق (مانند اسمز معکوس)، آلاینده های حل شده را حذف نمی‌کند.
انعقاد، فرآیند افزودن یک ماده منعقدکننده شیمیایی برای ناپایدار کردن یک ذره باردار است که در نتیجه آن، این ذره با ذرات دیگر آگلومره شده و ته نشین می‌شود. منعقدکننده‌های رایج عبارتند از کلریدفریک یا سولفات فریک، سولفات آلومینیوم و مواد شیمیایی اختصاصی که توسط شرکت‌هایی مانند BASF و Nalco تولید میشوند. مقدار مورد استفاده معمول ۱۰ تا ۱۰۰ ppm می‌باشد. معمولا مرحله انعقاد همراه با مخلوط‌سازی شدید انجام می‌شود.
لخته‌شدن فرآیندی است که معمولا به دنبال انعقاد یا اغلب به عنوان یک فناوری مستقل به کار می‌رود که تجمع و رسوب ذرات را افزایش می‌دهد. در حین فرایند لخته‌سازی، مخلوط‌سازی ملایم آهنگ برخورد ذرات را تسریع می‌کند، و ذرات ناپایدارشده برای تشکیل رسوبات بزرگ‌تر جمع میشوند.
لخته‌سازی تحت تاثیر چند پارامتر اصلی، از جمله سرعت، شدت و زمان مخلوط‌سازی است. فلوکولانت‌ها، ترکیبات آلی خاصی هستند که توسط شرکت هایی مانند BASF و Nalco تهیه و معمولا در مقادیر۱ تا ۵ ppm مورد استفاده قرار می‌گیرند. در تصویر زیر که نشاندهنده یک آزمایش Jar است، مشاهده می‌شود که ذرات می‌توانند با استفاده از یک منعقدکننده و مخلوط‌سازی ملایم آگلومره شده و رسوب کنند.
فرایند فلوکوله‌شدن در آزمون Jar
تفاوت انعقاد و لخته سازی در ذراتی است که رسوب می‌کنند؛ البته ذراتی که در آب حل نشده‌اند. واکنش‌های ته‌نشینی ذراتی از آلاینده‌های حل شده، یک فرآیند تصفیه شیمیایی است.
یک دستگاه شفاف‌کننده قطعه‌ی بزرگی از تجهیزات است که با انعقاد و فلوکوله کردن به حذف مواد جامد معلق کمک می‌کند. معمولا در بخش شفاف‌کننده مجددا از لجن استفاده می‌کنند، به این ترتیب بخشی از جامدات که به پایین شفاف‌کننده (لجن) نشست می‌کنند، به ورودی شفاف‌کننده تزریق میشوند تا به عنوان ماده “seed” برای رسوب بیشتر جامدات عمل کنند. آب شفاف‌کننده، فلوکولانت و لجن بازیافتی در یک مخزن مخلوط‌سازی سریع در بخش ورودی به سیستم شفاف‌کننده با هم مخلوط میشوند. آب تصفیه‌شده سپس به بخش میانی شفاف‌کننده انتقال پیدا می‌کند.
یک نمونه صنعتی از سیستم شفاف ساز
لجن تولید شده در زیر بخش شفاف کننده بوسیله یک پمپ تخلیه می‌شود. لجن ممکن است به یک حوضچه تخلیه (مانند دستگاه مرکزی تصفیه) پمپ شود، اما قبل از تخلیه، آب آن کاملاً حذف می‌شود. روش‌های حذف آب از لجن عبارتند از یک حوضچه خطی برای خشک کردن و “mucking” دوره‌ای، یا نوعی از فیلتر پرس (ورق و قاب، کمربند و غیره). لجن را بسته به خصوصیات آن می‌توان در محل دفن زباله شهری یا دفن زباله، رها کرد.
۲ فیلتراسیون
روش‌های فیلتراسیون عبارتند از فیلتر کیسه‌ای bag filters، فیلترهای کارتریجی cartridge filters، فیلترهای شنی sand filters و فیلتر چندگانه multimedia filters است. فیلترهای چندگانه معمولا از زغال سنگ، شن و گارنت استفاده می‌کنند و احتمالا رایج‌ترین فیلترهای موجود در حال حاضر هستند. این فیلترها از مخازن تحت فشار استفاده می‌کنند که برای حذف آلاینده‌های معلق و بازگشت دوره‌ای این جریان مجدد برای انتقال این آلاینده‌ها به جریان هدررفت استفاده می‌شود. Backwashing میتواند از طریق یک سوییچ فشار قابل تنظیم، یک تایمر( هر ۱۲ ساعت یک بار) یا به صورت دستی توسط فشردن یک دکمه توسط اپراتور انجام شود.
شماتیک یک فیلتر چندگانه
یک نمونه وافعی از فیلتر چند کاره
اگر فرایند سیستم شفاف سازی جزئی از فرایندهای اصلی تصفیه آب باشد، آب خروجی از فیلترها برای بخش شفاف سازی ارسال می‌شود.
۳ فرایندهای غشائی
رایج‌ترین تکنولوژی‌های غشایی عبارتند از میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس. این‌ها به ترتیب بر حسب کاهش اندازه منافذ، افزایش راندمان حذف و افزایش نیاز به فشار ذکر شده است.
میکروفیلتراسیون
میکروفیلتراسیون (MF) رایج ترین نوع از فرایندهای غشایی است. فیلتراسیون استریل (sterile filtration) را با استفاده از اندازه منافذ ۳ – ۰۵/۰ میکرون می‌سازند. MF بسیاری از مواد جامد معلق را حذف می‌کند، اما هیچ آلاینده حل شده‌ای را حذف نمی‌کند.
اولترافیلتراسیون
اولترافیلتراسیون (UF) نسبت به (MF) فنآوری غشایی قوی‌تر است، در نتیجه ذرات کلوئیدی، پلیمرها و مولکول‌های زیستی را حذف می‌کند. UF با استفاده از اندازه منافذ ۰۳/۰تا ۱/۰ میکرون و در فشار ۳۰ تا ۱۵۰ psi کار می‌کند. همچنین فناوری UF نیز آلاینده‌های حل شده را حذف نمی‌کند.
یک سیستم نانوفیلتراسیون
نانوفیلتراسیون
غشاهای نانوفیلتراسیون (NF) دارای اندازه منافذ ۰۰۱/۰ تا ۰۰۶/۰ میکرون هستند؛ سیستم‌های نانوفیلتراسیون دارای فشار ورودی تا ۲۰۰ psi هستند. نانوفیلتراسیون میتواند جامدات، باکتری‌ها، آلاینده‌های با وزن مولکولی بالا و یون‌های دوظرفیتی یا بزرگ‌تر مانند سولفات را حذف کند. بنابراین، قادر خواهد بود تا برخی از آلاینده‌های محلول را حذف کند. با این وجود، نانوفیلتراسیون یون‌های تک ظرفیتی مانند نیترات و سدیم را حذف نخواهد کرد.
اسمز معکوس
اسمز معکوس (RO) قویترین تکنولوژی غشاء با اندازه منفذهای ۰۰۱/۰ تا ۰۰۰۱/۰ میکرون و فشار تعذیه تا ۱۰۰۰ psi است. اسمز معکوس جامدات، باکتری‌ها، ویروس‌ها و مواد جامد محلول را همانند NF حذف می‌کند. اسمز معکوس میتواند ۹۵ تا ۹۹ درصد از نمکهای معدنی و آلی باردار شده، با یون های با ظرفیت بالاتر که نرخ رد شدن بیشتری را دارند، حذف می‌کند. یون‌های تک ظرفیت مانند نیترات‌ها تنها در حد جزئی رد میشوند.
اسمز معکوس معمولا به عنوان آخرین راه حل برای کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، مگر در کارهای عمومی که منع می‌شود. معایب RO عبارتند از:
- یک جریان هدررفت با حجم بالا و پیوسته ایجاد می‌کند؛
- میتواند مصرف انرژی بالایی داشته باشد؛
- حذف یون‌های یک ظرفیتی مانند نیترات ممکن است محدود باشد؛
- گازهای حل شده مانند آمونیاک را حذف نخواهد کرد.
شتاب دهنده واتک اولین مرکز تخصصی شتاب دهی در حوزه آب، می باشد که بستری مناسب برای پرورش و تجاری سازی ایده‌های خلاقانه و نوآورانه حوزه آب را فراهم کرده است. جهت ثبت طرح خود به سایت واتک مراجعه کنید.
