روش‌های تصفیه آب (۱)

۱- مقدمه

آب، بیشترین اهمیت را در زندگی روزمره‌ی ما دارد، از این رو، نیاز به حفظ و بهبود کیفیت آن به طور پیوسته افزایش می‌یابد. آلاینده‌های مختلفی منابع با ارزش آب ما را آلوده می‌کنند. اصلی‌ترین منابع آلودگی آب، صنعت، مصارف خانگی، فعالیت‌های کشاورزی و سایر تغییرات جهانی و زیست‌محیطی است. آب‌های سطحی و زیرزمینی در بسیاری از نقاط جهان آلوده شده و برای مصارف آشامیدنی مناسب نیست. تا سال ۲۰۲۰، جمعیت جهان به بالای ۷/۹ میلیارد نفر خواهد رسید و به همین دلیل جمعیت جهانی به احتمال زیاد کمبود قابل توجهی را در زمینه‌ی دسترسی به آب تازه تجربه خواهد کرد.

با توجه به این موضوع، تلاش‌هایی برای مقایسه فناوری‌های مختلف بازیابی و تصفیه آب صورت گرفته است. دراین مقاله مقایسه‌ای بین فناوری‌های مختلف از نظر کارایی، تولید لجن، چرخه عمر فناوری و قابلیت اجرا صورت گرفته است. هدف این مقاله راهنمایی برای انتخاب نوع فناوری یا ترکیب آن‌ها برای کاربردهای مختلف است تا بتوان فناوری درست و دقیق را انتخاب کرد.

به دلیل متعدد بودن روش‌های تصفیه آب، این مبحث در دو مقاله ارائه می‌شود. در مقاله اول توضیحی در مورد انواع آلاینده‌های آب داده شده و پس از آن مراحل تصفیه آب و فناوری‌هایی که در هر بخش به کار می‌رود، معرفی می‌گردد. فناوری‌های مرحله اول و دوم دراین مقاله و فناوری‌های مرحله سوم در مقاله بعد معرفی می‌گردند. در انتهای مقاله دوم به طور خلاصه بیان می‌شود که چطور می‌توان بهینه‌ترین فناوری برای تصفیه پساب یک منطقه را با توجه به شرایط آن منطقه انتخاب کرد. هم‌چنین توضیح کوتاهی در مورد مدیریت پسماند روش‌های تصفیه آب داده می‌شود.

۲- آلاینده‌های آب

قبل از صحبت در مورد روش‌های تصفیه آب باید در مورد کیفیت و کمیت آلاینده‌های آب صحبت کرد. آلاینده‌های زیادی در پساب وجود دارد ولی تنها بالاتر از یک محدوده مشخص به نام (حد مجاز) سمیت می‌توان آن‌ها را مشاهده کرد. ماهیت آلاینده‌هایی که در پساب وجود دارد به این بستگی دارد که آیا پساب صنعتی، کشاورزی و یا شهری است. آلاینده‌های مختلف را می‌توان به سه دسته‌ی آلی، غیرآلی و زیستی تقسیم‌بندی کرد. متداول‌ترین آلاینده‌های غیرآلی فلزات سنگین هستند که به شدت سمی و سرطان‌زا می‌باشند. به علاوه نیترات‌ها، سولفات‌ها، فسفات‌ها، فلورایدها، کلرایدها و اگزالات‌ها نیز اثرات سمی جدی دارند. منشا اصلی آلاینده‌های آلی سمی آفت‌کش‌ها هستند که خود شامل حشره‌کش‌ها، علف‌کش‌ها و قارچ‌کش‌های حاوی هیدروکربن‌های چندهسته‌ای^[۱]، فنول‌ها^[۲]، بی‌فنیل‌های پلی‌کلرینه^[۳]، هیدروکربن‌های آروماتیک‌هالوژن‌دار^[۴]، فرمالدهیدها، بی‌فنیل‌های پلی‌برومینه ^[۵]، بی‌فنیل‌ها^[۶]، شوینده‌ها، روغن‌ها، گریس‌ها و غیره هستند. علاوه بر موارد گفته شده، هیدروکربن‌های معمولی، الکل‌ها، آلدهیدها، کتون‌ها^[۷]، پروتئین‌ها، مواد دارویی و غیره نیز در پساب‌ها یافت می‌شوند. میکروب‌های مختلفی که در پساب‌ها یافت می‌شوند عامل بیماری‌های مختلفی هستند. میکروب‌های خطرناک شامل باکتری‌ها، قارچ‌ها، جلبک‌ها، پلانکتون‌ها، آمیب‌ها، ویروس‌ها و سایر کرم‌هامی‌باشند. این آلاینده‌های آب در حالت‌های مختلف محلول، کلوئیدی و سوسپانسیون در داخل آب باقی می‌مانند.

۳- فناوری‌های تصفیه و بازیابی پساب

پیدا کردن روش‌های مناسب و ارزان برای تصفیه و بازیابی پساب موضوع مهمی است که دانشمندان مختلف به دنبال پیدا کردن راهکار برای آن هستند. فناوری‌های تصفیه آب به سه منظور استفاده می‌شوند: ۱- احیا منابع آب ۲- تصفیه پساب ۳- بازیابی آب. در حال حاضر، فرآیندها و عملیات‌های واحد با هم ادغام می‌شوند تا چیزی را که مرحله اول، مرحله دوم و مرحله سوم^[۸] تصفیه آب نامیده می‌شود، پدید آورند. تصفیه اولیه شامل فرآیند‌های خالص‌سازی ابتدائی از آلاینده‌های فیزیکی یا شیمیایی است در حالیکه دومین مرحله تصفیه آب، حذف آلاینده‌های زیستی را مورد توجه قرار می‌دهد. طی سومین مرحله تصفیه آب، پساب(که توسط اولین و دومین مرحله تصفیه شده است) به آبی با کیفیت خوب تبدیل می‌شود که می‌تواند برای مصارف مختلف آب آشامیدنی، صنعتی، دارویی و غیره استفاده شود. سومین مرحله تصفیه آب، بالغ بر ۹۹درصد آلاینده‌ها را حذف می‌کند و آب به محصولی با کیفیت ایمن و برای مصرف مشخص تبدیل می‌شود. در یک واحد صنعتی تصفیه آب، تمامی این سه مرحله برای دستیابی به آبی با کیفیت بالا و ایمن باهم ترکیب می‌شوند. شماتیک کامل مراحل تصفیه آب در شکل ۱ آمده است.

شکل۱-نمایش طبقه‌بندی شده‌ی فناوری‌های تصفیه و بازیابی آب

با وجود توسعه فناوری‌های متنوع برای تصفیه و احیا آب، روش‌های تصفیه و احیایی که اقتصادی، موثر و سریع باشند هنوز به عنوان یک چالش مطرح هستند. نکته‌ای که باید در اینجا مورد توجه قرار بگیرد، مدیریت آلاینده‌های حذف شده(لجن) از محیط است. وقتی که یک فناوری تصفیه آب مورد بررسی قرار می‌گیرد تمامی هزینه‌های احداث، عملیات، نگهداری، تعمیر تجهیزات و مدیریت آلاینده‌های باقی‌مانده باید در نظر گرفته شود. یک مقایسه بین فناوری‌های مختلف تصفیه و بازیابی پساب از نظر قابلیت اجرا و هزینه‌ها در جدول۱ انجام شده است.

جدول۱- مقایسه قابلیت اجرا و قیمت روش‌های مختلف تصفیه و بازیابی آب

فناوری‌های تصفیه و بازیابی آب به بخش‌های زیر طبقه‌بندی می‌شوند:

۱-۳ فناوری‌های تصفیه آب: مرحله اول

۲-۳ فناوری‌های تصفیه آب: مرحله دوم

۳-۳- فناوری‌های تصفیه آب: مرحله سوم

موارد اول و دوم دراین مقاله و مورد سوم به همراه راهنمای انتخاب مناسب‌ترین فناوری برای هر شرایط، در مقاله بعد بررسی می‌شوند.

۱-۳- فناوری‌های تصفیه آب،مرحله اول:

دراین بخش، آب با استفاده از روش‌های غربالگری، فیلتراسیون، سانتریفوژ کردن، ته‌نشینی، لخته‌سازی، جاذبه و شناورسازی تصفیه می‌شود. در حالت عادی این روش‌ها وقتی استفاده می‌شوند که آب به شدت آلوده باشد. خلاصه‌ای از هرکدام ازین روش‌ها در ادامه آمده است.

۱-۱-۳- غربالگری، فیلتراسیون و جداسازی با سانتریفوژ

غربالگری جزو ابتدایی‌ترین مراحل تصفیه است و اصلی‌ترین هدف آن، جدا کردن ضایعات جامد از داخل آب است. این ضایعات شامل پارچه، کاغذ، چوب، چوب پنبه، مو، ضایعات آشپزخانه و... است.

در فرآیند فیلتراسیون، آب از محیطی شامل حفرات ریز عبور می‌کند. یک دستگاه با قطر حفرات حدود ۰/۱ تا ۰/۵ میکرومتر برای این منظور استفاده می‌شود. این مرحله برای جداسازی سوسپانسیون‌های جامد، گریس‌ها، روغن‌ها، باکتری‌ها و... استفاده می‌شود. آبی که پس از فیلتراسیون تولید می‌شود برای فرآیندهایی نظیر جذب، تبادل یونی یا غشاها استفاده می‌شود. هزینه فیلتراسیون برای هر میلیون لیتر آب تصفیه شده به این روش بین ۲۵ تا۴۵۰ دلار است. (آمارهای مربوط به قیمت برای سال ۲۰۱۲ است.)

فرآیند سانتریفوژ کردن برای جداسازی سوسپانسیون‌های جامد با سایز ذرات حداکثر ۱ میکرون استفاده می‌شود. پساب به داخل دستگاه‌های سانتریفوژ وارد شده و با سرعت‌های مختلف می‌چرخد(سرعت چرخش بستگی به چگالی ذرات دارد)، لجن حاصل جمع‌آوری شده و پساب تازه مجدد وارد دستگاه می‌شود. یکی دیگر از کاربردهای ‌این مرحله جداسازی روغن‌ها و گریس‌هاست. هزینه سانتریفوژ برای هر میلیون لیتر آب تصفیه شده به این روش بین ۲۵ تا۴۵۰ دلار است.

۲-۱-۳- ته‌نشینی و جدایش به کمک جاذبه

دراین فرآیند، سوسپانسیون‌های جامد، شن، ماسه‌ها و گل‌ها داخل تانک ریخته شده و در شرایط آرام یا نیمه آرام در بازه‌های زمانی مختلف نگهداری می‌شوند تا در اثر جاذبه ته‌نشین شوند. سرعت ته‌نشینی بستگی به اندازه، چگالی ذرات و سرعت (اگر آب در حال حرکت باشد) دارد. در بعضی موارد از ترکیبات آلومینیوم‌دار برای افزایش ته‌نشینی ذرات استفاده می‌شود. جدایش به کمک جاذبه فقط تا ۶۰ درصد می‌تواند سوسپانسیون‌های جامد را کاهش دهد. به‌طور کلی، ته‌نشینی قبل از روش‌های معمول تصفیه انجام می‌شود.‌ این روش برای تصفیه پساب‌های ناشی از صنعت کاغذ و پالایشگاه‌ها بسیار مفید است. آبی که پس از این مرحله تولید می‌شود برای فرآیندهایی نظیر منبع آب صنایع، آب‌بری فرآیند تبادل یونی یا غشاها استفاده می‌شود. هزینه تمام شده تصفیه آب با ‌این روش بین ۵ تا ۱۰دلار برای هر میلیون لیتر است.

۳-۱-۳- لخته‌سازی

گاهی سوسپانسیون‌های جامد طی مرحله ته‌نشینی و جدایش به کمک جاذبه ته‌نشین نمی‌شوند. در چنین مواردی از اضافه کردن مواد شیمیایی مشخصی برای رسوب دادن جامدهای ته‌نشین نشده استفاده می‌شود که به این فرآیند لخته‌سازی می‌گویند. زاج سفید، نشاسته، مواد آهنی، سیلیکای فعال و نمک‌های آلومینیوم برای این منظور استفاده می‌شوند. بعلاوه پلیمرهای سنتزی آنیونی، کاتیونی و غیریونی سنتزی نیز موثر هستند ولی معمولا هزینه آن‌ها بالاتر از منعقدکننده‌های معمولی است. pH، دما و زمان تماس مهم‌ترین عوامل کنترل‌کننده در فرآیند انعقاد است. در واحد‌های تصفیه زیستی، میکروب‌ها و هرگونه مواد ارگانیک شناور در آب با اضافه کردن منعقدکننده‌های مشخص حذف می‌شوند.

۴-۱-۳- شناورسازی

شناورسازی یک جزء ضروری و رایج در یک چرخه رایج تصفیه آب است. سوسپانسیون‌های جامد، روغن‌ها، گریس‌ها، جامدهای زیستی و غیره با چسبیدن به گاز یا هوا در فرآیند شناورسازی جدا می‌شوند. به عبارت دیگر آلاینده‌ها دراین روش روی حباب‌های گاز و هوا شناور شده و ازین طریق خارج می‌شوند. جامدها به گاز یا هوا می‌چسبند و ذرات آگلومره را تشکیل می‌دهند که به نوبت روی سطح آب جمع می‌شوند و سپس به راحتی حذف می‌شوند. از عبور جریان هوای فشرده در راستای آب برای کمک به فرآیند شناورسازی استفاده می‌شود. بیش از ۷۵درصد سوسپانسیون‌های جامد و بیش از ۹۹درصد روغن و گریس‌ها با ‌این روش حذف می‌شوند. این روش برای تصفیه پساب‌های ناشی از صنعت کاغذ و پالایشگاه‌ها بسیار مفید است. هزینه این روش از ۵ تا ۲۵ دلار برای هر میلیون لیتر آب تصفیه شده متفاوت است.

۲-۳- فناوری‌های تصفیه آب مرحله دوم:

فناوری‌های تصفیه آب مرحله دوم شامل روش‌های زیستی برای حذف آلاینده‌های میکروبی محلول و غیرمحلول است. آب در محفظه‌ای که شامل غلظت بالایی از میکروب است می‌چرخد. میکروب‌ها(عموما باکتری‌ها و قارچ‌ها) مواد آلی را به آب، کربن دی‌اکسید و گازهای آمونیاکی تبدیل می‌کنند. در بعضی موارد ‌این مواد آلی به سایر محصولات نظیر الکل، گلوکز، نیترات و... تبدیل می‌شود. علاوه براین، میکروب‌ها سمیت مواد غیرآلی سمی را از بین می‌برند. حداکثر غلظت کل مواد حل شده جامد$\left(\mathrm{TDS}\right)$ ^[۹]، فلزات سنگین، سیانیدها، فنول‌ها و روغن نباید از ۱۶۰۰۰، ۲/۰، ۶۰/۰، ۱۴۰ و ۵۰ میلی‌گرم بر لیتر بیشتر شود. تصفیه زیستی آب شامل روش‌های هوازی و غیرهوازی است. بسته به موادی که استفاده می‌شود، هزینه تصفیه زیستی بین ۲۰ تا ۲۰۰ دلار برای هر میلیون لیتر متفاوت است.

۱-۲-۳- فرآیند هوازی

هنگامی که هوا یا اکسیژن به‌طور آزادانه در پساب حل شده و در دسترس باشد، مواد آلی زیست‌تخریب‌پذیر توسط روش هوازی تجزیه می‌شوند، ‌این فرآیند توسط باکتری‌های هوازی انجام می‌شود. متغیرهای مهم فرآیند میزان اکسیژن موجود در محیط، زمان ماند، دما و فعالیت‌های زیستی باکتری است. اضافه کردن برخی مواد شیمیایی که رشد باکتری‌های هوازی را افزایش می‌دهد می‌تواند سرعت واکنش را بالا ببرد. ‌این روش برای حذف نیاز زیستی به اکسیژن^[۱۰]، نیاز شیمیایی به اکسیژن^[۱۱]، مواد آلی سوسپانسیون شده یا حل شده، مواد آلی فرار، نیترات‌ها، فسفات‌ها و... به کار می‌رود. غلظت مواد آلی تخریب پذیر توسط این فرآیند می‌تواند تا بیش از ۹۰ درصد کاهش یابد. عیب ‌این روش در تولید حجم زیادی جامد زیستی است که نیاز به مدیریت و تصفیه‌ی هزینه‌بر بعدی دارد. فرآیند هوازی با لجن فعال یا مخزن‌های اکسیداسیون انجام می‌شود.

یک نمایش ساده از فرآیند تجزیه هوازی در زیر آورده شده است:

$\mathrm{مواد} \mathrm{آلی} + \mathrm{اکسیژن} + \mathrm{باکتری} \stackrel{}{\leftarrow \mathrm{دی} \mathrm{اکسید} \mathrm{کربن} + \mathrm{آب} + \mathrm{باکتری} + \mathrm{محصولات} \mathrm{جانبی}}$

۲-۲-۳- فرآیند غیرهوازی

اگر اکسیژن آزاد داخل پساب در دسترس نباشد دراین صورت تجزیه غیرهوازی که خالص‌سازی^[۱۲] نامیده می‌شود، اتفاق می‌افتد. باکتری‌های غیرهوازی، مواد پیچیده آلی را به ترکیبات آلی ساده‌تر بر پایه نیتروژن، کربن و گوگرد تبدیل می‌کنند. گازهای تولید شده دراین فرآیند، نیتروژن، آمونیاک، هیدروژن سولفید و متان هستند.‌این روش برای کاهش بار زیستی موجود در پساب به کار می‌رود.

فرآیند غیرهوازی توسط معادله زیر نمایش داده می‌شود:

$\mathrm{مواد} \mathrm{آلی} + \mathrm{باکتری} \stackrel{}{\leftarrow \mathrm{دی} \mathrm{اکسید} \mathrm{کربن} + \mathrm{متان} + \mathrm{باکتری} + \mathrm{محصولات} \mathrm{جانبی}}$

۴- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

همانطورکه در مقاله بیان شد، به دلیل رشد روزافزون جمعیت جهانی نیاز به آب سالم و ارزان به سرعت در حال افزایش است. در این میان روش‌های مختلفی برای تصفیه آب ابداع شده که شاخص‌ترین آن‌ها را می توان در سه مرحله تقسیم‌بندی کرد. در مرحله اول روش‌هایی قرار دارند که برای آب‌هایی با شدت آلودگی بالا و حاوی ذرات بزرگ به کار می‌روند. فناوری‌های تصفیه آب مرحله دوم شامل روش‌های زیستی برای حذف آلاینده‌های میکروبی محلول و غیرمحلول است. اینکه کدام روش برای یک مکان مشخص به‌کار برود به عوامل متنوعی نظیر قیمت تمام شده، هزینه تعمیرات و نگهداری و... بستگی دارد. هم‌چنین هرکدام ازین روش‌ها توانایی محدود و مشخصی برای حذف آلاینده‌ها دارند. در مقاله بعد مرحله سوم فرآیندهای تصفیه آب به همراه ذکر نحوه انتخاب مناسبت‌ترین روش برای تصفیه آب با توجه به شرایط مورد بحث قرار خواهد گرفت.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۵- مراجع

[1] Vinod Kumar Gupta, ab Imran Ali,c Tawfik A. Saleh,b Arunima Nayaka. "Chemical treatment technologies for waste-water recycling—an overview" , RSC Advances, 2, (2012) pp.6380-6388.

۶-پاورقی‌ها

[1]polynuclear hydrocarbons (PAHs)

[2]phenols

[3]Polychlorinatedbiphenyls

[4]halogenated aromatic hydrocarbons

[5]polybrominated biphenyls

[6] biphenyls

[7]ketones

[8]Primary. Secondary. tertiary

[9] total dissolvedsolids

[10] biological oxygendemand (BOD)

[11] chemical oxygen demand (COD)

[12]putrefaction