روش‌های تصفیه آب (۲)

۱- مقدمه

در مقاله‌ی روش‌های تصفیه آب (۱) در مورد اهمیت تصفیه آب، تقسیم‌بندی روش‌های مختلف آن و فرآیندهای مرحله اول و دوم تصفیه آب صحبت شد. در این مقاله در مورد فناوری‌های مرحله سوم تصفیه آب، انتخاب فناوری بهینه تصفیه آب و مدیریت پسماند بحث خواهد شد.

۲- فناوری‌های تصفیه آب: مرحله سوم

مرحله سوم فناوری‌های تصفیه آب در استراتژی تصفیه پساب بسیار مهم هستند زیرا این روش‌ها برای تهیه آب سالم برای انسان استفاده می‌شوند. تکنیک‌هایی که برای این منظور استفاده می‌شوند تقطیر، تبلور، تبخیر، استخراج حلال، اکسیداسیون، انعقاد، رسوب‌گذاری، الکترولیز، الکترودیالیز، تعویض‌یونی، اسمز معکوس و جذب هستند. این روش‌ها در زیر توضیح داده شدند:

۱-۲- تقطیر

در فرآیند تقطیر، آب تا دمای بیشتر از ۱۰۰ درجه (نقطه جوش) حرارت داده می‌شود که طی این فرآیند آب مایع تبخیر شده و آلاینده‌ها باقی می‌مانند و از این طریق آب خالص می‌شود. سپس بخار حاصل سرد شده و تبدیل به آب مایع می‌شود. پساب باید فاقد ناخالصی‌های فرار باشد و آب حاصل از این روش تا حدود ۹۹درصد عاری از ناخالصی‌ها است. انواع مختلف بویلرهای چند مرحله‌ای و تقطیر مضاعف در این فرآیند استفاده می‌شوند. اندازه‌ی بویلرها به مقدار آب مورد نیاز بستگی دارد. کاربردهای آبی که از طریق احیا به دست می‌آید شامل تامین آب آزمایشگاه‌ها و فرآیندهای دارویی است. به علاوه، تقطیر یک ابزار موثر برای تامین آب قابل حمل از دریا و آب‌های شور است. هزینه تامین آب ازین روش بین ۱۵ تا ۲۰۰۰ دلار برای هر میلیون لیتر آب تصفیه شده تغییر می‌کند.

۲-۲- تبلور

تبلور فرآیندیست که در آن آلاینده‌ها از طریق افزایش غلظتشان تا نقطه‌ای که شروع به تبلور می‌کنند، حذف می‌شوند. این شرایط از طریق تبخیر، کاهش دما و یا مخلوط کردن با سایر حلال‌ها به دست می‌آید. این روش به عنوان روشی رایج برای تصفیه پساب با غلظت بالایی از $\mathrm{TDS}$ ^[۱] شامل مواد آلی و غیرآلی محلول در آب به کار می‌رود. در طی این فرآیند، اجزای دیگر نظیر بی‌کربنات‌ها، آمونیاک، سولفیت و ... به گازهای مختلف شکسته می‌شوند و به همین دلیل تبلور، گاهی اوقات ممکن است برای کنترل pH استفاده شود. به‌طور کل، تبلور برای پساب ناشی از برج‌های خنک کننده، بویلرهایی که گاز و زغال سنگ را به عنوان سوخت استفاده می‌کنند وصنعت کاغذ استفاده می‌شود. آب تصفیه شده در این روش کیفیت خوبی داشته و هزینه‌ای بین ۵۰ تا ۱۵۰ دلار برای هر میلیون لیتر آب تصفیه شده دارد.

۳-۲- تبخیر

تبخیر ‌یک فرآیند طبیعی است و به‌طور کل برای کاهش حجم زباله مایع به کار می‌رود ولی در روش‌های نوین به عنوان یک روش تصفیه استفاده می‌شود. مولکول‌های سطح مایع از سطح فرار کرده و سپس به صورت آب مایع خالص جمع‌آوری می‌شوند. تبخیرکننده‌های مکانیکی نیز برای فرآیند بازیابی آب استفاده می‌شوند. در بعضی موارد از تبخیر در خلا برای بازیابی آب استفاده می‌شود. تبخیر برای حذف اجزا آلی و غیرآلی (به جز‌ترکیبات فرار) استفاده می‌شود و حتی در غلظت‌های بالا (حدود ۱۰درصد) نیز کاربرد دارد. این روش برای تصفیه پساب‌های حاوی کود، نفت و پساب‌های ناشی از صنایع دارویی و غذایی به کار می‌رود. همچنین از تبخیر برای تامین آب مورد استفاده در روش تبادل یونی و غشاها استفاده می‌شود. آب ناشی از تبخیر در برج‌های خنک کننده و بویلرها به کار می‌رود. هزینه تامین آب با این روش بین ۱۵ تا ۲۰۰دلار است.

۴-۲- استخراج حلال

حلال‌های آلی، غیرقابل حل در آب و دارای ظرفیت حل کردن آلاینده‌ها برای حذف آلاینده‌ها به آب اضافه می‌شوند، به این روش استخراج حلال گفته می‌شود. رایج‌ترین حلال‌های مورد استفاده بنزن، هگزان، استون و سایر هیدروکربن‌ها هستند. بعضی مواقع حجم کمی از حلال به صورت محلول در آب باقی می‌ماند که دراین صورت از روش تقطیر استفاده می‌شود. این روش فقط برای حذف مواد آلی، روغن‌ها و گریس‌ها کاربرد دارد. هرچند انواع خاصی از‌یون‌های فلزی و یا اکتنیدهای مواد شیمیایی نیز ممکن است با این روش جدا شوند. هزینه ‌این روش از ۲۵۰ تا ۲۵۰۰ دلار متفاوت است.

۵-۲- اکسیداسیون

در اکسیداسیون شیمیایی، ‌ترکیبات آلی به آب، کربن‌دی‌اکسید و ‌ترکیبات دیگری نظیر الکل‌ها، آلدهیدها، کتون‌ها و کربوکسیلیک اسیدها اکسید می‌شوند که این ‌ترکیبات به راحتی زیست‌تخریب‌پذیر هستند.

اکسیداسیون شیمیایی توسط پرمنگنات‌پتاسیم، کلر، ازون، هیدروژن‌پراکسید و دی‌اکسید‌کلرها انجام می‌شود. ماهیت اکسنده و آلاینده، دما، pH و حضور کاتالیست نقش مهمی در این روش و نرخ اکسیداسیون دارد. توسط این روش آلاینده‌هایی نظیر آمونیاک، فنول‌ها، هیدروکربن‌ها و سایر آلاینده‌های آلی جدا می‌شوند. هزینه‌ی این روش بین ۱۰۰ تا ۲۰۰۰دلار برای هر میلیون لیتر برای آب تمیز است. استفاده از مواد فوتوکاتالیست برای تجزیه‌ی آلاینده‌ها نیز زیرمجموعه روش اکسیداسیون است.

۶-۲- رسوب‌گذاری

در رسوب‌گذاری، آلاینده‌های حل شده با کاهش انحلالشان به رسوبات جامد تبدیل می‌شوند و سپس به راحتی می‌توان آن‌ها را از سطح آب جمع کرد. این روش برای حذف یون‌های فلزی و مواد آلی بسیار موثر است ولی حضور روغن‌ها و گریس‌ها ممکن است باعث مشکلاتی در رسوب‌گذاری شود. انحلال‌پذیری آلاینده‌های حل شده با اضافه کردن بعضی مواد شیمیایی و کم کردن دما کاهش می‌یابد. اضافه کردن حلال‌های آلی به آب حلالیت آلاینده‌ها را کاهش می‌دهد ولی این روش پرهزینه است. رایج‌ترین مواد شیمیایی که برای رسوب‌گذاری استفاده می‌شود، زاج، سدیم‌بی‌کربنات، آهن‌کلرید، سولفات‌آهن و آهک است. pH و دما عامل‌های کنترل‌کننده‌ی اصلی این فرآیند است. حدود ۶۰ درصد آلاینده‌ها با این روش قابل حذف هستند. این روش هم‌چنین برای رسوب نیکل و کروم از پساب‌های صنعتی استفاده می‌شود. کاربرد ویژه‌ی این روش در نرم‌سازی آب و حذف فلزات سنگین و فسفات از آب است. بزرگ‌ترین مشکل این روش مدیریت حجم زیاد لجن تولیدی است. هزینه‌این روش بین ۲۰ تا ۵۰۰ دلار برای هر میلیون لیتر آب تصفیه شده است.

۷-۲- تعویض‌یونی

یون‌های سمی موجود در پساب با یون‌های غیرسمی از یک ماده‌ی جامد که تبادلگر یونی نامیده می‌شود، تعویض می‌شوند. تبادلگرهای یونی دو نوع هستند: ۱- تبادلگرهای آنیونی و ۲- تبادلگرهای کاتیونی که به‌ترتیب ظرفیت تعویض کاتیون‌ها و آنیون‌ها را دارند. تبادلگرهای یونی رزین‌های طبیعی و یا سنتزی بوده که دارای سایت‌های فعال روی سطح خود هستند. رایج‌ترین تبادلگرهای یون مورد استفاده، سدیم‌سیلیکات، زئولیت‌ها، پلی‌استایرن‌سولفونیک‌اسید و رزین‌های اکریلیک و متا‌اکریلیک هستند. این فرآیند برگشت‌پذیر بوده و به انرژی کمی نیاز دارد. این روش می‌تواند برای تصفیه غلظت‌های پایین (حداکثر ۲۵۰میلی‌گرم بر لیتر) به کار رود. غلظت مواد آلی و غیرآلی می‌تواند تا ۹۵درصد کاهش ‌یابد. کاربردهای این روش شامل تولید آب قابل حمل، آب برای صنایع، دارو، نرم کردن آب و سوخت‌های فسیلی است. در بعضی مواقع وقتی که روغن، گریس و غلظت‌های بالایی از مواد آلی و غیرآلی در آب موجود باشد، نیاز به یک مرحله پیش تصفیه داریم.‌ یک میلیون لیتر از پساب با هزینه‌ای بین ۵۰ تا ۱۰۰دلار توسط این روش تصفیه می‌شود.

۸-۲- میکرو و الترافیلتراسیون

میکروفیلتراسیون برای حذف ذراتی با اندازه ۰/۰۴ تا ۱ میکرومتر به کار می‌رود و کل ذرات جامد سوسپانسیون موجود در محلول نیز نباید بیشتر از ۱۰۰میلی‌گرم بر لیتر باشد. فیلترهای مورد استفاده در این فرآیند از جنس کتان، پشم، ریون (ابریشم مصنوعی)، سلولز، فایبرگلاس، پلی‌پروپیلن، آکریلیک، نایلون، آزبست و پلیمرهای هیدروکربن‌فلوراید است. این مواد در اشکال مختلف لوله‌ای، دیسک، صفحه‌ای، مارپیچی و فیبرهای تو خالی ساخته می‌شوند. عمر کارتریج‌ها بسته به غلظت آلاینده‌های جامد حل شده در آب از ۵ تا ۸ سال متفاوت است. در صورتی که سوسپانسیون‌های جامد از قبل از آّب جدا شوند عمر فیلترها بالا می‌رود. فشار عملیاتی در این روش بین ۱ تا ۳ بار است. هزینه آب تصفیه شده از ۱۵ تا ۴۰۰ دلار برای هر میلیون لیتر متفاوت است.

۹-۲- اسمز معکوس

اسمز معکوس یا هایپرفیلتراسیون یکی از روش‌های تصفیه آب است که برآمده از فناوری توسعه غشاهاست. این روش به عنوان بهترین فرآیند بازیابی آب توجه زیادی را به خود جلب کرده است. به زبان ساده، اسمز معکوس فرایند تصفیه آبی است که در آن از فشار برای معکوس نمودن جریان اسمزی آب از درون یک غشای نیمه‌تراوا برای تولید آب خالص و حذف‌یون‌ها، مولکول‌ها و ذرات بزرگتر حل شده در آب استفاده می‌شود. اگر ‌یک غشای نیمه‌تراوا بین دو محلول آب خالص و آب ناخالص قرار گیرد آب به صورت طبیعی و تحت خاصیت اسمزی از غلظت پایین‌تر به غلظت بالاتر جریان می‌یابد. این پدیده تا هنگامی که پتانسیل‌های شیمیایی دو طرف برابر گردند ادامه خواهد یافت. در حالت تعادل اختلاف فشار بین دو طرف غشا برابر اختلاف فشار اسمزی است. اگر فشاری برابر با اختلاف فشار اسمزی به محلول غلیظ‌تر اعمال گردد جریان آب قطع خواهد شد. در صورتی‌که فشار اعمال شده بیشتر از فشار اسمزی باشد، جهت جریان طبیعی آب، معکوس خواهد گردید.

در این روش آب با فشار از میان غشایی گذرانده می‌شود که نیترات و سایر مواد معدنی و بسیاری از مواد شیمیایی و میکروارگانیسم‌ها (عمدتاً باکتری‌ها) را حذف می‌کند. نیم تا دو سوم آب پشت این غشا باقی می‌ماند که به عنوان آب پسماند^[۲] دور ریخته می‌شود. می‌توان پسماند خروجی را مجدداً به سیستم بازگرداند تا در مصرف آب صرفه‌جویی به عمل آید. اگر پساب خروجی که نیم تا دو سوم آب را تشکیل می‌دهد در‌ یک سیکل چرخشی وارد شود می‌توان راندمان سیستم را افزایش داد.

غشاهای مختلفی نظیر سلولز، پلی‌اتر و پلی‌آمید در این روش استفاده می‌شوند. برای دستیابی به فیلتراسیون مورد نیاز، اشکال مختلف لوله‌ای، دیسک، صفحه‌ای، مارپیچی و فیبرهای تو خالی استفاده می‌شود. برای حذف آلاینده‌ها، ضرایب توزیع حلال‌ها و انرژی آزاد برهم‌کنش بین آب و غشا پارامترهای مهم این روش هستند. علاوه براین، pH، فشار، سایز و وزن مولکولی حل‌شونده‌ها و زمان عملیات سایر پارامترهای تاثیرگذارند.

تاثیرگذاری و کاربرد اسمز معکوس به طوریست که می‌تواند تا بیش از ۹۹درصد کل ذرات جامد حل شده، مواد حل شده‌ی آلی و باکتری در آب را کاهش دهد. اسمز معکوس برای تصفیه‌ی پساب ناشی از زباله‌های بهداشتی، شیرابه‌های شهری و صنایع مختلف استفاده می‌شود. این روش می‌تواند آب بسیار خالصی را تولید کند که برای صنایع دارویی، پزشکی و الکترونیک به کار می‌رود. عمر غشاهای اسمز معکوس بسته به ماهیت پساب ورودی بین ۲ تا ۵ سال است.

۱۰-۲- جذب

جذب یک پدیده‌ی سطحی است و می توان آن را این‌طور تعریف کرد: « افزایش غلظت‌یک جز خاص در سطح یا فصل مشترک بین دو فاز». پارامترهایی مانند pH، دما، غلظت آلاینده‌ها، زمان تماس، اندازه ذرات جاذب، ماهیت جاذب و آلاینده‌ها روی بازدهی جذب اثر می‌گذارند. وجود ذرات سوسپانسیون جامد و روغن‌ها بازدهی جذب را کاهش می‌دهد و از این رو پیش فیلتراسیون^[۳] لازم است. جاذب‌های مختلفی در فرآیند جذب استفاده می‌شوند که معروف‌ترین آن‌ها کربن فعال، خاکستر، اکسیدهای فلزی، زئولیت‌ها، خزه و بیومس‌ها هستند. اخیرا نانولوله‌های کربنی و کامپوزیت‌های آن‌ها برای حذف فلزات سنگین و آلاینده‌های آلی از آب به‌سازی شده‌اند. در مرحله‌ی صنعتی این روش، آلاینده‌ها از پساب با استفاده از ستون‌های پر شده از جاذب جدا می‌شوند. فرآیند جذب می‌تواند میزان آلاینده‌ها را از ۹۰ تا ۹۹ درصد کاهش دهد. بزرگترین مشکل و چالش در این روش طول عمر جاذب‌ها و بازیابی ستون‌های جاذب است. هزینه‌ی این روش بین ۵۰ تا ۱۵۰ دلار برای هر میلیون لیتر آب است.

۱۱-۲- الکترولیز

الکترولیز فرآیندی است که درآن مواد حل شده در محیط از طریق واکنش‌های الکتروشیمیایی کاهش روی سطح الکترودها تجزیه شده و یا رسوب می‌دهند. در این روش اکثر یون‌های فلزی روی الکترود رسوب می‌دهند در حالی که اکثرترکیبات آلی به کربن‌دی‌اکسید و آب یا محصولات دیگری که غیرسمی ویا کمی سمی هستند، تجزیه می‌شوند. این روش هم‌چنین برای حذف کدورت و رنگ از پساب استفاده می‌شود. پیش‌فیلتراسیون برای این روش نیز ضروری است. فاکتورهای تاثیرگذار روی این روش pH، دما، جریان اعمالی و زمان تماس است. این روش هنوز در حال توسعه بوده و به ندرت به صورت تجاری استفاده می‌شود.

۱۲-۲- الکترودیالیز

یون‌های محلول در آب از‌ یک غشای نیمه‌تراوای انتخابی یونی تحت جریان الکتریکی مشخصی عبور داده می‌شوند. غشاهای انتخابی یون از مواد تبادلگر یونی درست شده و ماهیتا خاصیت انتخابی دارند. میزان حذف ذرات جامد به pH، دما، جریان اعمالی، ماهیت آلاینده‌ها، میزان انتخاب‌پذیری غشاها، سرعت جریان آب، تعداد و چینش مراحل بستگی دارد. غلظت مواد جامد می‌تواند تا بالای ۹۰ درصد توسط این روش کاهش یابد.

۳- انتخاب فناوری تصفیه آب

انتخاب نوع فناوری تصفیه آب به نوع پساب موجود در محیط و مسائل اقتصادی بستگی دارد. آبی که به شدت آلوده شده و حاوی رنگ و پساب‌های جامد است، ابتدا توسط فرآیند‌های مرحله‌ی اول و دوم تصفیه شده و سپس توسط فرآیندهای مرحله سوم تصفیه‌ی آن ادامه می‌یابد. اگر میزان BOD آب ناچیز باشد، نیازی به فرآیند‌های مرحله دوم نیست. اگر آب بدون رنگ و ذرات جامد باشد و با آلاینده‌های آلی، غیرآلی و زیستی آلوده شده باشد در این صورت انجام فناوری‌های مرحله سوم به تنهایی کافیست. به‌طور کلی آب‌های زیرزمینی توسط یون‌های فلزی سمی و آنیون‌ها آلوده می‌شود و فقط فناوری‌های مرحله سوم برای تصفیه‌ی آن کافیست. آب‌های سطحی توسط آلاینده‌های آلی، غیرآلی و زیستی آلوده شده و نیاز به فناوری‌های مرحله دوم و سوم دارد. در نهایت آبی که به شدت آلوده بوده و دارای رنگ، آلاینده‌های جامد و حاوی مواد آلی، غیرآلی و زیستی است نیاز به‌ترکیبی از هر سه مرحله تصفیه دارد.

۴- مدیریت پسماند

از بحث‌های قبلی واضح است که پسماند در هر کدام از فناوری‌های گفته شده تولید می‌شود. از این رو مدیریت پسماندهای ناشی از تصفیه آب از نظر مسائل زیست محیطی و سلامتی یک امر ضروری است. اهمیت این امر به‌طور کلی به خاطر آن است که این پسماندها سمی هستند و اگر وارد آب شوند ممکن است مجدد آب را آلوده کنند.

در حین فرآیندهای غربالگری، فیلتراسیون، سانتریفوژ کردن، ته‎نشینی، لخته‌سازی، جاذبه، شناورسازی، فرآیندهای هوازی و غیرهوازی، تبخیر و فرآیند‌های رسوب‌گذاری حجم زیادی پسماند جامد تولید می‌شود. میکرو و الترافیلتراسیون و اسمز معکوس نیز آبی که حاوی غلظت بالای مواد آلاینده است، تولید می‌کنند. در سمتی دیگر در طی فرآیندهای الکترولیز و غیرهوازی ممکن است گازهایی تولید شوند که برای محیط زیست ضرر دارد. روش‌های زیادی برای مدیریت پسماند وجود دارد که یکی از مهم‌ترین آن‌ها، تبدیل پسماند به مواد مفیدی نظیر کود، تقویت کننده‌ها، مصالح ساختمانی و ... است. برخی پسماندهای سمی سوزانده می‌شوند و خاکستر آن‌ها به عنوان تقویت کننده استفاده می‌شود.‌یک پیشنهاد دیگر این است که پسماندها در کانتینرهای پلاستیکی یا آهنی و به دور از هوا نگهداری شوند. امروزه خاکستر بادی^[۴]، لجن قرمز، ماسه و مواد دیگر به عنوان جاذب‌های پرکاربرد و اقتصادی و برای حذف آلاینده‌ها از آب استفاده می‌شوند. بسیاری از این جاذب‌ها پس از اینکه کارآیی خود را از دست دادند به عنوان تقویت کننده و مصالح ساختمانی استفاده می‌شوند.

۵- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

در این دو مقاله فناوری‌های مورد استفاده در تصفیه آب مورد بحث قرار گرفته و روش‌های مختلف از نظر اصول، نحوه کاربرد، سرعت و قیمت بررسی شدند. امکان‌پذیری هرکدام از فناوری‌های بازیابی آب در مراحل اقتصادی به هزینه‌ی ساخت، نگهداری و اجرا بستگی دارد. مدیریت پسماند نیز یکی از فاکتورهای مهم در انتخاب نوع فناوری است. با در نظر گرفتن این موارد، جذب به عنوان بهترین و فراگیرترین روش برای حذف طیف زیادی از آلاینده‌های آلی و غیرآلی استفاده می‌شود. این روش هم‌چنین یک فرآیند سریع با هزینه‌ی پایین ساخت، نگهداری و اجرا است. اسمز معکوس نیز به‌طور وسیع استفاده شده و یک روش محبوب است زیرا کیفیت آب تولیدی با این روش بالا می‌باشد ولی هزینه‌ی ساخت و نگهداری در مقایسه با سایر روش‌ها بالاست. سایر روش‌ها نیز برای اهداف خاص کاربرد دارند ولی استفاده از آن‌ها به دو مرحله آب قابل حمل و آب برای مصارف صنعتی محدود می‌شود. هزینه‌ی کلی تصفیه آب مجموع هزینه‌ی ناشی از سه مرحله است و از این رو لازم است تا تمامی این فرآیندها به اقتصادی‌ترین شکل خود انتخاب شوند.

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

۶- 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.

۷-پاورقی‌ها

[1] total dissolvedsolids

[2]Concentrate

[3]Pre-filteration

[4]fly ash