EN |

Search
Close this search box.
Search
Close this search box.
Search
Close this search box.
Search
Close this search box.

فرایندهای تصفیه آب – تصفیه حجم زیاد آب

فهرست مطالب

فهرست مطالب

این مقاله در مورد فناوری ها و تجهیزات مرتبط با فیلتراسیون جریان های حجیم آب و تصفیه فاضلاب که در جریان های روزانه در مقیاس های متوسط تا زیاد رخ می دهد می باشد، که پیشرفت های اخیر در فناوری های مربوطه را برجسته می کند. کاربردهای تصفیه آب های حجیم، همگی دارای ویژگی ­های مشترک هستند. همه آنها دارای نرخ جریان نسبتاً بالایی هستند که نیاز به فیلترهای با ظرفیت بالا دارد. همه آنها با یک مایع تغذیه سروکار دارند که دارای محتوای ذرات جامد معلق یا وجود سایر آلاینده ­ها نسبتاً کم است، به­طوری که آنها به جای عملیات بازیابی جامدات اغلب پیچیده ­تر، نیاز به تصفیه با فرآیندهای شفاف سازی دارند. این سطح آلودگی کم به این معنی است که پارامترهای سیستم درگیر در فرآیند فیلتراسیون همگی نسبتاً ملایم خواهند بود: مایعی که خورنده‌ نیست، ویسکوزیته و چگالی نزدیک به آب خالص دارد و دما عمدتاً نزدیک به محیط است.

مقدمه

چرخه اصلی آب با بارش باران بر روی زمین شروع می­ شود و بیشتر آن از طریق رودخانه­ ها به دریا راه می­ یابد، اگرچه ممکن است این مسیر توسط دریاچه­ ها به تاخیر بیفتد. آب حاصل از سیستم رودخانه/دریاچه را آب سطحی می ­نامند. مقداری از آب باران در زمین فرو می‌ رود و در سفره ‌های زیرزمینی نگهداری می‌ شود، که اگر به ­عنوان آب زیر زمینی برداشت نشود، ممکن است در نهایت به صورت چشمه ظاهر شود. از نقطه نظر تصفیه این دو نوع آب نیازهای بسیار متفاوتی دارند. آب زیرزمینی به دلیل فیلتر طولانی مدت آن توسط سنگ­ های متخلخل اساساً عاری از مواد معلق است، اما به شدت مملو از مواد محلول (آب سخت) از انواع مختلف است و طعم معدنی ­ای دارد که توسط بسیاری به ­عنوان طعم آب خالص پذیرفته شده است. آب سطحی (آب نرم) ، نمک های محلول بسیار کمی دارد، اما اغلب مملو از مواد جامدات معلق ریز و مواد کلوئیدی، با مقدار زیادی مواد آلی محلول است که به آب رنگ قهوه ­ای مشخص و  طعم ناخوشایند می­ دهد.

آب برداشت شده برای مصارف خانگی یا صنعتی از هر منبعی که راحت ‌تر است (معمولاً نزدیک ‌ترین منبع)، تامین می ‌شود، بنابراین کیفیت آب خام توسط زمین ‌شناسی در نقطه برداشت تعیین می‌ شود (به عنوان مثال، شمال و غرب بریتانیا عمدتاً از سنگ ‌های غیرقابل نفوذ و جنوب شرقی آن عمدتاً از تپه ‌های آهکی تشکیل شده است). بنابراین فرآیندهای تصفیه مورد نیاز برای تبدیل آب خام به شیرین تا حد زیادی توسط ماهیت منبع آب خام تعیین می­ شود. به همین دلیل است که محصولات انعطاف پذیری که تطبیق ­پذیری زیادی را در تمام زمینه­ های یک تصفیه خانه داشته باشد، در حال ارائه هستند که تعدادی از این فناوری ها در این مقاله معرفی شده ­اند.

این فرآیندهای تصفیه شامل تصفیه آب خام به حالتی مناسب برای نوشیدن است که برای بسیاری از مصارف خانگی، تجاری و صنعتی دیگر نیز به اندازه کافی خوب است. برخی از مصارف نهایی نیاز مانند آب برای آشامیدن و مصارف خانگی، به ­عنوان ورودی فرآیند (به ­عنوان مثال در تولید مواد غذایی و آشامیدنی یا فرآیندهای دارویی) و نیز به­ عنوان یک ابزار مفید (عمدتاً به شکل بخار) نیاز به درجه خلوص بالاتری دارند که در بخش­ های سوم و چهارم این سری مقالات به این موضوع پرداخته شده است.

در نهایت، نتیجه نهایی استفاده از آب استاندارد یا با آب با خلوص بالا یکسان است، یعنی تولید مقدار زیادی فاضلاب آلوده، گاهی اوقات بسیار آلوده که این امر منجر به دومین بخش عمده چرخه آب می ­شود، یعنی نیاز به تصفیه مناسب فاضلاب ­ها برای بازگرداندن آن­ ها به زمین، یا تخلیه در رودخانه، دریاچه یا دریا. آب به هر شکلی، در نهایت به­ عنوان یک محصول زائد ناشی از فعالیت‌ های خانگی و صنعتی قبل از اینکه بتوان آن را به منابع آبی بازگرداند، نیاز به تصفیه دارد. این فرایندها در بخش پنجم این این سری مقالات مورد بحث قرار گرفته است.

شکل ۱- تصفیه پساب های "صنعتی" و "شهری" قبل از تخلیه آنها به دریای آزاد دو عنصر مهم تصفیه آب حجیم است.

این چرخه اصلی آب را با تکیه بر منابع آب “شیرین” توصیف می­کند، اما اکثریت آب زمین در دریا است که برای استفاده انسان یا حیوان یا برای آبیاری بسیار شور است و باید قبل از اینکه بتوان از آن برای آشامیدن یا آبیاری استفاده کرد نمک زدایی شود. آب شیرین ۲/۶ درصد از آب زمین و  ۹۷/۴ درصد آن را آب شور تشکیل می ­دهد .نمک­ زدایی آب­ های شور که مورد بحث بخش دوم این سری مقالات است یک تکنیک کاملاً شناخته شده است، اما یک روش گران قیمت و بسیار انرژی بر است. بنابراین یا در جاهایی که انرژی ارزان است و یا هیچ منبع آب دیگری وجود ندارد، استفاده می ­شود. هزینه تولید آب شیرین از آب شور به قدری زیاد است که انگیزه صرفه جویی در آب به نسبت بیشتر است. جزء تصفیه پساب در چرخه آب از اهمیت کمتری در کل هزینه­ ها برخوردار است.

انسان کمتر از ۱ درصد از آب شیرین موجود روی زمین را مصرف می ­کند. بیشتر آب ­های شیرین در لایه­ های یخی، یخچال ­ها و کوه­ ها در فاز یخ محبوس شده ­اند. ۷۰% آب شیرین در بخش آبیاری، ۱۰% برای مصارف خانگی و ۲۰% در صنایع مختلف استفاده می­ شود.

البته آب برای زنده ماندن انسان ­ها، حیوانات و گیاهان ضروری است اما وضعیت آب جهانی به دلیل آلودگی آب­ های زیرزمینی، رودخانه ­ها و دریاچه ­ها، دریاهای بیش از حد غنی و کثیف و کمبود آب در جمعیت رو به رشد کشورهای کمتر توسعه یافته به­طور پیوسته بدتر می­ شود.

در حدود ۱/۳ میلیارد از جمعیت جهان به آب آشامیدنی سالم دسترسی ندارند. سالانه تعداد زیادی از مردم (حدود ۱/۸ میلیون نفر) به دلیل بیماری­های اسهالی که ناشی از استفاده از آب ناپاک و ناسالم است جان خود را از دست می ­دهند. جمعیت جهان به­سرعت در حال افزایش است و پیش­بینی می ­شود در سال ۲۰۵۰ به میزان ۳ میلیارد نفر افزایش یابد. حدود ۲/۷ میلیارد نفر در کشورهای در حال توسعه زندگی می­کنند جایی که اثرات اقتصادی استفاده از آب ناسالم ویرانگر است [۲].

در حالی که اکثر مردم در کشورهای توسعه یافته آب تمیز و بهداشتی را بدیهی می ­دانند و اغلب بدون تأمل آن را هدر می ­دهند، به ندرت در کشورهای کمتر توسعه یافته تصفیه آب خام وجود دارد و استاندارد تصفیه در بسیاری از این مناطق پایین است. فناوری مناسب برای دستیابی به استاندارد رضایت‌بخش تولید آب وجود دارد و با ظهور آگاهی سیاسی بیشتر از مشکلات زیست محیطی و  تدوین قوانین سخت‌گیرانه‌تر، فرصت ‌های زیادی برای بهبود تامین آب سالم در جهان وجود دارد.

فرایندهای تصفیه آب

هدف از فرآیندهای تصفیه آب، عمدتاً جداسازی ذرات جامد معلق در آب به میزان، شاید ۰/۵% وزنی یا کمتر از ۱۰ میلی گرم در لیتر ( ppm10) ذرات است. این ذرات می ­توانند به بزرگی شن یا ماسه (مثلاً با قطر ۱ میلی­متر یا بیشتر) یا به کوچکی مواد آلی کلوئیدی یا پاتوژن ­هایی مانند باکتری­ ها یا ویروس ­ها (مثلاً ۰/۱ میکرومتر یا کمتر) باشند [۳].

تجهیزات تصفیه آب

انواع تجهیزات مورد استفاده در فرایند تصفیه آب زیاد گسترده نیستند، اگرچه از نظر اصول فیزیکی تفاوت­ هایی با هم دارند. این فرایندها عبارتند از:

  • برای جداسازی جامدات معلق:
  • صافی ­ها و تجهیزات جداسازی مکانیکی
  • فیلترهای بستر عمیق
  • فیلترهای کارتریج
  • غشاهای میکروفیلتراسیون
  • برای جداسازی قطرات روغن

– فیلترهای کوالسر

  • برای جداسازی میکروارگانیسم­ ها
  • غشاهای انتشار

از آن جا که هدف این مقاله فرایندهای تصفیه حجم زیاد است، در ادامه انواع تجهیزات مورد استفاده برای این منظور مورد بررسی قرار می­ گیرد.

صافی­ ها و تجهیزات جداسازی مکانیکی

برای شروع کار تصفیه آب هیچ راه بهتری به جز استفاده از صافی ­ها وجود ندارد که عملکرد آن­ها کاملاً محافظت از تجهیزات یا فرآیندهای پایین دستی در برابر تأثیر ناخالصی ­هایی است که ممکن است مجراهای باریک یا گذرگاه­ ها را مسدود کند یا به سطوح حساس در برابر سایش آسیب برساند. این صافی ­ها که به­عنوان فیلتر زبر یا میکروصافی نیز شناخته می ­شوند برای فیلتر کردن جریان ­های ورودی – آب شیرین یا فاضلاب – برای حذف ذرات بزرگ انباشته شده در جریان مورد نیاز هستند که اغلب به شکل یک درام چرخان یا آرایه­ای دایره ­ای از شبکه ­های سیمی هستند که در یک انتها بسته شده و در یک محور افقی یا تقریباً افقی در مناطق غربالگری و شستشو می­ چرخند و اغلب به طور خاص برای کانال­های یک تصفیه خانه آب طراحی شده ­اند که شماتیک آن در شکل ۲ نشان داده شده است. درام معمولاً با مش سیمی با اندازه منافذ ۲۵ میکرومتر پوشانده می ­شود، اگرچه پس از ایجاد کیک، ذرات ریز به اندازه ۳ میکرومتر را نیز می ­توان جمع آوری کرد. این یک پیش فیلتر بسیار موثر برای شرایط جریان بالا است.

درشت ‌ترین فیلتراسیون آب توسط این صافی ‌ها، چه واحدهای درون خطی و چه واحدهای بزرگ ‌تر انجام می ‌شود. واحدهای درون خطی اغلب می ­توانند به وسیله دمیدن از مواد جامد جمع ­آوری شده پاک شوند (در غیر این صورت برای تمیز کردن باید از واحد جدا شوند)، در حالی که واحدهای بزرگتر به طور مداوم کار می ­کنند و جامدات جمع ­آوری شده یا شسته شده یا از سطح جمع ­آوری خراشیده می ­شوند. مدیای تصفیه معمولاً یک صفحه فلزی سوراخ ­دار یا یک مش سیمی است که به شکل یک استوانه برای واحدهای درون خطی یا یک صفحه بزرگ یا صفحه سیمی برای صافی ­های پیوسته است.

شکل ۲- شماتیک صافی درام چرخان

در یک شکل دیگر، صافی­ های مورد استفاده برای جریان ­های بزرگ آب ممکن است دارای آرایه ­هایی از میله­ های عمودی باشد که با تنظیم عرض شکاف امکان دستیابی به فیلترهای ظریف تا درشت وجود دارد. بنابراین برای هر کاربردی قابل تنظیم بوده و نسبت به آرایه درام چرخان دارای نیازهای تعمیر و نگه­داری کم خواهد بود. حداقل عرض شکاف برای نمونه ­های موجود در بازار mm  ۵ و حداکثر آن mm 100 می­باشد. نمونه­ای از این صفحات در شکل ۳ نشان داده شده است.

شکل ۳- تصویر صفحات شکاف دار مورد استفاده به عنوان صافی برای تصفیه حجم زیاد آب

واحد ترکیبی (Combination Unit)

واحد ترکیبی برای پیش تصفیه مکانیکی در تصفیه­خانه های آب شهری و صنعتی استفاده می شود. آب تصفیه نشده را می توان به وسله گرانش یا نیروی پمپ به واحد تغذیه کرد. سپس آب به سمت یک صفحه که به صورت پلکانی در حال حرکت است هدایت می شود که در آن جداسازی مکانیکی انجام می شود. در نهایت در قسمت شستشو صفحه­ ها شسته، آبگیری و مواد زائد به جا مانده پرس می ­شود و شن و ماسه­ ای که توسط صفحه فیلتر جدا نشده است در تله شنی جدا می ­شود. می ­توان یک سیستم هوادهی و همچنین یک سیستم اسکراپر (scrapper) برای حذف آلاینده ­ها به دستگاه اضافه کرد. شن و ماسه توسط یک نوار نقاله پایین به یک نوار نقاله تخلیه یا یک پمپ شن و ماسه منتقل می ­شود. شماتیک این سیستم و واحد واقعی به ترتیب در شکل های ­۴ و ۵ نشان داده شده است.

شکل ۴- شماتیک واحد ترکیبی
شکل ۵- تصویر واقعی واحد ترکیبی

فیلتر دیسک چرخان

فناوری دیگر در این بخش شامل استفاده از چندین دیسک فیلتر چرخان و مدیای پارچه ­ای است. آبی که باید فیلتر شود از طریق کانال ورودی به سمت درام جریان می ‌یابد و سپس با نیروی گرانش یا پمپ به بخش‌ دیسک­ های فیلتر از طریق دهانه‌ های درام جریان می‌ یابد و از محیط فیلتر عبور می ‌کند. جامدات معلق جدا شده در داخل پارچه فیلتر جمع می ­شوند. هنگامی که سطح آب داخل درام فیلتر تا یک نقطه از پیش تنظیم شده افزایش می­ یابد، درام از طریق روتور شروع به چرخش می ­کند و شستشوی معکوس مدیای فیلتر شروع می ­شود و بنابراین شستشوی مداوم در حین فیلتراسیون امکان پذیر است. این طراحی فیلتراسیون راندمان بالا و نرخ جریان بالا در حداقل فضا را فراهم می­ کند. شکل ۶ شماتیک این فرایند را نشان می­ دهد.

نصب پارچه مخمل قابل تعویض بر روی مدیای پارچه ­ای اصلی در هر دو سمت دیسک، ترکیبی از صافی و فیلتراسیون عمقی و در نتیجه فیلتراسیون با راندمان بالا را فراهم می­ کند. این تکنیک جداسازی فسفر از آب را بدون نیاز به الکترولیت ­ها فراهم می ­کند.

شکل ۶- شماتیک فیلتر دیسک چرخان

فیلتر تسمه ­ای

تکنیک دیگر در این زمینه فیلترهایی به نام فیلترهای تسمه ­ای است که می ­تواند جایگزین خوبی برای سیستم­ های صافی غلتک چرخان البته در مقیاس کوچک باشد. این نوع فیلتر یک فیلتر تسمه ­ای خودکار و خود تمیز شونده است که ذرات را از آب به روشی مقرون به صرفه و کم فضا حذف می­ کند. فیلتر تسمه­ ای قابلیت جایگزیتی با فیلتراسیون استاندارد اولیه فاضلاب شهری و فرایندهای ته نشینی را البته در مقیاس کوچکتر دارد و به دلیل اثر بخشی آن تا ۵۰% صرفه جویی در سرمایه گذاری را ارائه می دهد. این فیلتر در مزارع پرورش ماهی نیز قابل استفاده است. از مزایای دیگر آن این است که لجن بسیار خشکی را تحویل می ­دهد که نیاز به پردازش بیشتر جهت بازیابی آب نیست.

در این نوع فیلتر، آب تصفیه نشده به داخل فیلتر هدایت می ­شود و با عبور آب از صفحه فیلتر تسمه ­ای، ذرات جدا می ­شوند. صفحه تسمه ­ای زمانی که نیاز به تمیز کردن دارد می­ چرخد. تسمه عمدتاً با برس تمیز می ­شود و سپس با آب با فشار بالا شستشو می ­شود که هم ارزان ­تر و هم از بسیاری جهات بهتر از تمیز کردن هوا است. ذرات جدا شده توسط برس از فیلتر به پرس منتقل می ­شوند که لجن را به مقدار زیادی خشک می­ کند. پساب به طور جداگانه از فیلتر خارج می ­شود و به طور معمول می تواند به آب ورودی برگردد. شماتیک این نوع فیلتر در شکل ۷ آورده شده است.

شکل ۷- شماتیک فرایند فیلتر تسمه ای

فیلترهای بستر عمیق

یکی از پرکاربردترین و هنوز هم اصلی ­ترین نوع فیلتری که برای شفاف سازی جریان­ های زیاد آب ورودی به تصفیه خانه استفاده می­ شود، فیلتر بستر عمیق (یا شنی) است. بیش از ۱۰۰ سال است که این روش اساسی برای تصفیه آب شیرین برای ایمن کردن آن برای نوشیدن بوده است. به­طور معمول، چنین فیلترهای شنی از نوع گرانشی هستند، اما فیلترهای جریان رو به بالا نیز در مواردی که دبی بالاتری مورد نیاز است یا جایی که کدورت زیاد آب، فیلترهای شنی جریان پایین معمولی را غیر عملی می­ کند، استفاده می ­شود. شماتیک هر دو نوع سیستم در شکل ۸ نشان داده شده است.

فلزات و ترکیبات آن­ ها در محیط فیلتر باقی می ­مانند و می ­توانند یک مشکل جدی در تصفیه آب خام، به­ویژه از منابع آب زیرزمینی یا آب ­های سطحی با نسبت بالایی از محتوای روان آب کشاورزی باشند. این ترکیبات ممکن است در ارگانیسم­ ها، به ویژه آن­هایی که در نزدیکی زنجیره غذایی قرار دارند، جمع شوند و باعث ایجاد طیفی از اثرات سمی شوند. یون ‌های فلزی موجود در آب خام از شسته شدن مواد معدنی در زمین، پساب ‌های صنعتی، فرآیندهای شیمیایی، شیرابه‌های محل‌ های دفن زباله و زمین‌های آلوده به وجود می ‌آیند.

فیلترهای شنی جریان پایین معمولی برای جداسازی ذرات جامد از مایع با نرخ جریان تا حدود m۳/h.m۲ ۱۵ از سطح فیلتر موثر هستند، اگرچه فیلترهایی با نرخ جریان بالاتر نیز در دسترس هستند. با انتخاب مناسب مدیای فیلتر، مواد معلق ژلاتینی و همچنین دانه ­ای را می ­توان بدون ایجاد اختلاف فشار بالا فیلتر کرد.

بستر توسط یک جریان معکوس و رو به بالا از آب تصفیه شده تمیز می­ شود که برای انبساط و سیال شدن دانه­ های بستر کافی است. هنگامی که مایع شستشوی معکوس کافی از بستر عبور کرد، ذرات بستر تحت تأثیر گرانش در جای خود قرار می­ گیرند. اگر همه ذرات از یک ماده باشند، بزرگ ‌ترین ذرات در پایین بستر و کوچک ‌ترین آن ‌ها در بالا قرار می‌ گیرند، که تا آنجا که به فیلتراسیون مربوط می ‌شود، راه اشتباهی است. بهترین شرایط برای فیلتراسیون جریان پایین آن است که با داشتن بزرگترین منافذ (ایجاد شده توسط بزرگترین ذرات) در بالای بستر، ابتدا آب خام ورودی از این منافذ عبور کند.

مدیاهای فیلتر معمولی برای فیلتر جریان رو به پایین شامل ماسه ­های سیلیسی منتخب و زغال سنگ یا آنتراسیت هستند که جامدات خنثی و سختی هستند و در اندازه ­های مختلف ذرات موجود هستند. یک راه حل برای مشکل تطبیق اندازه منافذ در بستر، استفاده از لایه ­هایی از مواد جامد مختلف، با چگالی متفاوت است. اگر متریال متراکم‌تر کوچک‌ترین اندازه ذرات را نیز داشته باشد، لایه‌ ها پس از شستشوی معکوس با ریزترین در پایین و درشت‌ ترین در بالا، جابجا می ‌شوند.

مواد مورد استفاده در بسترهای جریان پایین چند لایه عبارتند از: آنتراسیت با وزن مخصوص ۱/۴، ماسه صاف (۲/۶۵) و گارنت (۳/۸۳). در صورت لزوم می توان از مگنتیت (۴/۹) برای لایه چهارم استفاده کرد.

شکل ۸- شماتیک فیلترهای شنی با جریان رو به بالا (سمت چپ) و جریان رو به پایین (سمت راست)

یک سیستم فیلتر چند مدیای دو مرحله ­ای، که در شکل ۹ نشان داده شده است، برای تصفیه آب­ های سطحی کدر که از رودخانه ­ها، دریاچه ­ها، مخازن یا دریاها می ­آیند، اما رنگ، آهن و منگنز کمی دارند، ایجاد شده است. در حین کارکرد، محلول ­های اکسید کننده و منعقد کننده به مجرای اولیه (بالایی) تزریق می ­شوند و یک منعقد کننده دیگر نیز قبل از مجرای دوم (پایین) تزریق می شود. مدیای فیلتر اولیه شامل آنتراسیت است که توسط یک لایه ماسه سیلیسی پشتیبانی می­ شود. مدیای فیلتر ثانویه شامل یک لایه متوسط از ماسه سیلیس است که توسط لایه نهایی گارنت یا سولفات باریم پشتیبانی می ­شود. این سیستم دارای چهار مرحله خود تمیز شونده قابل برنامه ریزی است که از اصل شستشوی معکوس معمولی استفاده می ­کند.

شکل ۹- فیلتر چند مدیای دو مرحله ای
فیلترهای جریان بالا

روش جایگزین برای تطبیق جهت جریان با اندازه منافذ، انجام فیلتراسیون در جهت جریان رو به بالا است. با فیلتر شنی جریان بالا، جهت جریان از پایین به بالای بستر است. نتیجه این است که از کل عمق بستر برای به دام انداختن مواد جامد استفاده می ‌شود و لایه بالایی ریز به عنوان منطقه پاکسازی نهایی عمل می ‌کند. این نوع فیلتر ظرفیت جامدات معلق kg/m۲ ۴۸ – ۲۹ ارائه می ­دهد که بسته به چگالی ماده معلق، ظرفیت بیشتری در واحد سطح نسبت به فیلترهای معمولی جریان پایین می ­دهد. یک تثبیت کننده بستر در بالای بستر لازم است تا آن را در زمان عبور جریان با نرخ بالا ثابت نگه دارد تا حداکثر استفاده از ظرفیت بستر جهت حفظ مواد جامد معلق انجام شود. بستر با جریان رو به بالا، با مایع شستشوی معکوس تمیز می ­شود، اما قبل از شستشو با جریان هوا منبسط می ­شود تا حداکثر راندمان تمیز کنندگی را به دست آورد. این حالت عملکرد به فیلتر جریان بالا اجازه می­ دهد تا آب­های کدر را با سرعت جریان بالا و به مدت طولانی ­تر تصفیه کند، در حالی که فرایند تمیز کردن خوب عملکرد مناسب آن را تضمین می ­کند.

واحدهای فیلتراسیون شنی حجم زیاد آب که تاکنون توضیح داده شد تحت نیروی گرانش کار می­ کنند و شامل حجم بسیار زیادی آب خام هستند. در نتیجه واحدهای بسیار بزرگی هستند تا توان تصفیه این حجم از آب را داشته باشند (شکل ۱۰). یک روش جایگزین ممکن، تحت فشار قرار دادن مخزن حاوی فیلتر و پمپاژ آب خام به داخل فیلتر است، بنابراین اختلاف فشار در آن را افزایش داده و در نتیجه سرعت جریان را افزایش می‌ دهد. این فرآیند بسیار گران‌ تر است و معمولاً برای تصفیه­ های با مقادیر کوچک یا کیفیت بالا استفاده می‌ شود که ممکن است علاوه­ بر فیلتراسیون شامل فرآیندهای شیمیایی نیز باشد.

فیلترهای بستر عمیق در حال توسعه دائمی هستند مانند استفاده از مواد پیشرفته که در برابر ساییدگی ناشی از شن بسیار مقاوم هستند و این به معنای افزایش عمر تجهیزات و نگهداری ساده ­تر است. علاوه ­بر این، می‌ت وان سرعت تمیز کردن شن و ماسه (نسبت شن/آب) را با کمک دو سرریز قابل تنظیم با جعبه شستشوی مخصوص طراحی شده، بهینه کرد که تلفات را هنگام شستشوی معکوس به حداقل ‌رساند. امکان گسترش ساده جهت تصفیه بیولوژیکی نیز در این فیلترها وجود دارد. در ادامه پیشرفت­های صورت گرفته در این زمینه بیان شده ­اند.

شکل ۱۰- تصفیه خانه با حجم آب زیاد
فیلتر با مخزن تحت فشار

شکل ۱۱ یک فیلتر با مخزن تحت فشار را نشان می ­دهد که در حالت جریان رو به بالا کار می ­کند و برای حذف آهن محلول از منابع آب ساخته شده است. مدیای فیلتر به شکل بستری از دی اکسید منگنز کاتالیز شده به شکل دانه ­ای به عمق تقریبی ۱ متر است. این مدیا این توانایی را دارد که آهن محلول را با اکسیژن موجود در آب واکنش دهد و اکسیدهای آهن نامحلول تشکیل دهد که رسوب کرده و در بستر باقی می ­مانند. تمیز کردن مدیا پس از فرایند توسط یک فرآیند شستشوی معکوس با سرعت بالا انجام می­شود که مدیای بستر را سیال کرده و آهن رسوب شده را حذف می­ کند.

شکل ۱۱- فیلتر با مخزن تحت فشار برای حذف آهن محلول
فیلتر بستر متحرک

توسعه عمده فیلتر بستر عمیق این بوده است که به مواد بستر اجازه می ­دهد به ­طور مداوم از طریق مخزن فیلتر به سمت پایین حرکت کنند و سپس از طریق یک منطقه تمیز کننده به بالای بستر منتقل شوند. سازندگان روی توسعه فیلتر بستر متحرک تمرکز کرده ­اند که تمیز کردن بهتر بستر را فراهم می ­کند و نیازی نیست که برای شستشوی معکوس، سیستم خاموش شود. بنابراین این یک فیلتر واقعاً پیوسته است. شکل ۱۲ نمونه­ ای از یک فیلتر شنی خود تمیزشونده پیوسته معمولی را نشان می ­دهد. این دستگاه هیچ قطعه متحرک مکانیکی ندارد، اما می ­توان نرخ جریان تغذیه تا m۳/h.m۲ ۲۵ را از محیط فیلتر به دست آورد.

ساختار اصلی فیلتر یک مخزن استوانه ­ای با کف مخروطی است. آب خام از (۱)، جایی که که یک سیستم ورودی قرار دارد تغذیه می ­شود و (۲) جریان را به ­طور مساوی در بستر فیلتر توزیع می­ کند. این بستر از شن و ماسه با اندازه دانه از پیش تعیین شده تشکیل شده است که با توجه به ماهیت و مقدار مواد جامد معلق در آب خام انتخاب شده است. آب از بستر ماسه جریان می ­یابد و از فیلتر در سرریز خارج می ­شود (۵). بستر شن به طور مداوم به سمت پایین حرکت می ­کند و توسط یک پمپ هواکش (۶) از پایین مکیده می­ شود، که ماسه کثیف را به سمت بالا به بالای فیلتر به داخل ماسه شوی (۷) می برد.

شکل ۱۲- فیلتر شنی بستر متحرک

ماسه شسته شده از طریق محفظه (۸) دوباره به داخل فیلتر می ­ریزد. افت فشار در سراسر فیلتر به دلیل فرآیند شستشوی مداوم که بستر فیلتر را تمیز نگه می ‌دارد، در یک مقدار کم و ثابت باقی می‌ ماند. قلب سیستم، ماسه شوی است که از طریق ایرلیفت (airlift)، مخلوط غلیظی از ذرات شن، آب و خاک را دریافت می­ کند. به دلیل عملکرد میکروحباب ­های هوا که در پخش کننده هوا (۹) ایجاد می شود، کثیفی از شن و ماسه جدا می ­شود. ماسه شوی به گونه ­ای طراحی شده است که هر دانه شن و ماسه را با شست و شو تمیز می ­کند. ذرات کثیفی توسط عملکرد حباب هوا به سمت بالا شناور می ­شوند و فیلتر را روی سرریز (۱۰) رها می ­کنند و مقداری از آن­ها با آب شستشو از بین می ­روند. این آب دفعی کسر کوچکی از کل آب تغذیه شده به فیلتر است و پس از آبگیری لجن به ورودی فیلتر بازگردانده می ­شود.

توصیه می ­شود که از یک غربال جلوتر و همراه با این نوع فیلترها استفاده شود. فیلترهای خودتمیزشونده پیوسته از این دست، یکی از قابل اعتمادترین انواع فیلتر آب حجیم موجود با هزینه راه­ اندازی پایین و راندمان تصفیه بالا محسوب می­ شوند. مجموعه ای از فیلترهای بستر متحرک در مقیاس کامل و شماتیک یک واحد از آن به ترتیب در شکل ­های ۱۳و ۱۴ آمده است.

عملکرد بدون وقفه مزایای متعددی نسبت به فیلترهای شنی شستشوی معکوس معمولی دارد. در فیلترهای شنی معمولی، ذرات با افزایش افت قبل از ادامه عملیات، ماسه باید با شستشوی معکوس تمیز شود. زمان شستشوی معکوس هر چند هم کوتاه باشد، زمان عملیات موثر را کاهش می ­دهد. از زمانی که فناوری فیلتر شنی پیوسته توسعه یافت، امکان دستیابی به یک راه حل بهینه برای نیاز به فرآیند تصفیه مداوم آب و فاضلاب در حالی که کیفیت ثابتی از فیلتر حتی در جریان ­های بالا ارائه شود، ایجاد شد. از دیگر مزایای این سیستم عبارتند از: عدم نیاز به پمپ­های شستشو، عدم نیاز به مخزن آبکشی و مخزن برای آب شستشو و عدم نیاز به شیرهای اتوماتیک برای شستشوی معکوس.

شکل ۱۳- مجموعه ای از فیلترهای بستر متحرک
شکل ۱۴- شماتیک یک واحد فیلتر بستر متحرک

فیلتر کربن

در کاربردهایی که آب حاوی آلاینده‌ های محلول است که نمی ‌توان آن‌ها را با فیلتراسیون تماسی یا بیوفیلتراسیون حذف کرد، کربن فعال برای حذف با جذب سطحی ایده‌ آل است. کربن فعال یکی از قوی ­ترین جاذب ­های جهان است و می ­تواند برای حذف طیف وسیعی از آلاینده ­ها از پساب ­های صنعتی و شهری و همچنین از آب ­های سطحی و زیرزمینی در تولید آب آشامیدنی استفاده شود. فیلترهای کربنی اغلب مستقیما بعد از فیلترهای شنی نصب می ­شوند. سپس آب می ­تواند از طریق جاذبه به فیلترهای کربن انتقال یابد. فیلترهای کربن را می ­توان برای کاربردهای آب آشامیدنی یا آب خام عمدتاً برای حذف منگنز و بهبود طعم و بوی آب استفاده کرد. شکل ۱۵ تصویر واقعی یک فیلتر کربن را باری تصفیه حجم زیاد آب نشان می ­دهد.

شکل ۱۵- فیلترهای کربن برای تصفیه حجم زیاد آب

بازیابی آب باران

در حال حاضر تفکر زیادی در مورد جمع ­آوری فوری آب باران و استفاده از آن برای کاربردهای آب شیرین کم اهمیت، مانند شستشو، آبیاری و غیره وجود دارد. یک سیستم خودکار که آب باران و فاضلاب را از پشت بام ­ها و پیاده­روها در داخل و اطراف یک ساختمان جمع ­آوری می ­کند، آن را در یک مخزن ذخیره می­ کند و سپس آن را فیلتر می ­کند تا یک منبع آب خالص تولید کند در شکل ۱۶ نشان داده شده است. این سیستم می ­تواند تمام ترکیبات آلی از جمله روغن، گریس و مواد شوینده را حذف کند.

شکل ۱۶- سیستم بازیافت آب باران

رویکرد مشابهی در حال حاضر برای بازیافت به اصطلاح «آب خاکستری» در حال اتخاذ است، که تمام آبی است که به فاضلاب خانگی می ­رود به جز آن که از شستشوی توالت می­آید. این شامل آب حمام، دوش و شستشوی لباس است. همچنین ممکن است شامل سینک آشپزخانه باشد، مشروط بر اینکه محتوای سمی نداشته باشد.

مشکلات اصلی بازیابی آب باران و آب خاکستری، پذیرش عمومی و هزینه مدارهای لوله کشی بسیار متفاوت برای بردن دو نوع آب در اطراف خانه یا آپارتمان است.

۴-  سیستم­ های آب خنک کننده

برج خنک کننده هیپربولیک هر جا که موضوع صنعت موردبحث قرار می­ گیرد یکی از جذاب­ ترین مناظر است (شکل ۱۷). توده بخار آن که تصور می ­شود پسابی سمی است، نمادی برای بسیاری از اثرات زیست ­محیطی مخرب بر اثر فعالیت ­های صنعتی است. البته این توده نشانه ­ای از هدر رفتن گرماست و بنابراین باید به تدریج کاهش یابد.

سیستم ­های خنک کننده برای نیروگاه­ های بزرگ (کارخانه­ ها، نیروگاه­ ها و غیره) دو نوع هستند: یکبار عبور و چرخشی. سیستم‌ های یک بار عبور توسط نیروگاه ‌های بزرگ واقع در کنار دریا یا رودخانه ‌های بزرگ استفاده می ‌شوند که آب خنک‌کننده ‌شان را می ‌گیرند، در صورت لزوم آن را تصفیه می ‌کنند، از آن استفاده می ‌کنند و آن در جایی که از آن آمده تخلیه می ‌کنند. سیستم ‌های گردشی دارای ذخیره‌ای از آب هستند که برای خنک ‌سازی استفاده می ‌شود، سپس برای دفع گرمای باقی ‌مانده خنک می ‌شود و سپس به منبع آب بازگردانده می ‌شود.

شکل ۱۷- منظره ای از برج های خنک کننده

تا آنجا که به کار فیلتراسیون مربوط می­ شود، آب خنک کننده باید از نوعی مبدل حرارتی عبور کند، که عملکرد اصلی آن ­ها توسط ضرایب انتقال حرارت تمیز دیکته می ­شود، اما عملکرد واقعی آن­ ها به دلیل ایجاد رسوب بر روی سطوح تبادل حرارت  (که برخی از آنها به شکل کانال­ های باریک هستند یا غیر قابل دسترس هستند) کاهش می­ یابد. این وظیفه سیستم فیلتراسیون است که باید جلوتر از مبدل­ های حرارتی نصب شود تا مواد معلق – حیوانی، گیاهی یا معدنی – را از آب خنک کننده خارج کند.

تصفیه آب خنک کننده در هر کدام از دو نوع سیستم مورد استفاده ضروری است. در خنک‌ سازی یکبار عبور، آب با کیفیتی است که منبع آن در زمان برداشت دارد، بنابراین فرآیند تصفیه نسبتاً گسترده ‌تر دارد. از سوی دیگر، سیستم ‌های چرخشی باید فقط مقدار کمی آب تشکیل دهنده داشته باشند (برای جبران آب از دست رفته در اثر تبخیر)، اما همچنین باید مواد جامد معلق جمع ‌شده از جریان خنک‌کننده را نیز حذف کنند.

درجه فیلتراسیون مورد نیاز به مقدار آبی که باید تصفیه شود و کیفیت آب تصفیه شده لازم برای تمیز نگه داشتن سطوح انتقال حرارت تا حد امکان بستگی دارد. یک صافی به عنوان فیلتر ورودی، قبل از یک فیلتر ظریف مانند سیستم بستر عمیق یا فیلتر چند کیسه­ ای مورد نیاز است. اگر مواد آلی یا کلوئیدی زیادی در آب ورودی وجود دارد، حتی ممکن است لازم باشد که اولترافیلتراسیون را به عنوان مرحله نهایی در نظر بگیرید.

آب گرم در حوضچه برج خنک کننده و مواد آلی انباشته شده، شرایط رشد کاملی را برای باکتری­ ها فراهم می­ کند. شیوع بیماری­ های مرتبط با سیستم­ های آب خنک کننده دلیلی برای نگرانی جدی است. شرایطی که تحت آن بیماری می­ تواند در سیستم های آبی رشد کند و به محیط منتقل شود، متنوع و پیچیده است. یک برج خنک کننده با اندازه متوسط می تواند روزانه بین ۲ تا ۳ کیلوگرم ماده جامد از جمله گرد و غبار، اگزوز موتور، گرده و حشرات را جمع ­آوری کند. این­ ها با هم یک بیوفیلم را در داخل سیستم ایجاد می ­کنند، به­ویژه در مناطق کم جریان حوضچه برج خنک کننده، که می ­تواند به­عنوان منبع غذایی برای باکتری­ ها عمل کند.

کار زیادی برای ارزیابی جایگزینی ترکیبات شیمیایی رایج برای کنترل رسوب زیستی در سیستم‌ های خنک‌کننده در حال انجام است. جایگزین ­هایی مانند برم، ازن زن، اشعه ماوراء بنفش و پاستوریزاسیون همگی در حال آزمایش هستند که کارایی آن­ ها به کیفیت آب در گردش بستگی دارد. تجمع زباله‌ های معدنی و آلی در آب در گردش با فعالیت مواد شیمیایی تداخل می ‌کند و فیلتراسیون مدت‌ هاست که به عنوان راهی برای حفظ کارایی این مواد شناخته شده است. مدیاهای فیلتر مدرن و سیستم ‌های غشایی اجازه حذف باکتری‌ ها را می‌ دهند و بنابراین اینها جزء مهمی از فرآیند تصفیه هستند.

همه سیستم ­های خنک کننده بزرگ نیستند و برخی از آنها با استفاده از واحدهای خود تمیز شونده مانند آنچه در شکل ۱۸ نشان داده شده است، به خوبی تمیز می­ شوند. این یک نمونه معمولی از یک فیلتر خودکار مؤثر است که سه المنت فیلتر (در اینجا به نام pod) در حال استفاده به صورت موازی را نشان می­ دهد. تحت عملکرد معمولی فیلتر، تمام podهای فیلتر در حال استفاده هستند و سیستم کنترل، افت فشار را کنترل می ­کند. هنگامی که افت فشار به یک سطح از پیش تعیین شده می­ رسد، میله جمع کننده توسط موتور موقعیت­ یابی می­ چرخد تا زمانی که روی اولین pod تراز شود. در حالی که pod‌های باقیمانده به عملیات فیلتر کردن ادامه می ‌دهند، دریچه‌ های شستشوی معکوس باز می ‌شوند تا بخشی از آب تصفیه ‌شده بتواند pod اول را شستشو دهد. به این ترتیب، المنت­ های فیلتر باز می‌ شوند و آلاینده ‌ها معمولاً در یک مخزن جمع‌آوری می ‌شوند. هر pod به نوبه خود به این ترتیب تمیز می ­شود و در نهایت دریچه ­های شستشوی معکوس بسته می­ شوند و فیلتر به حالت فیلتر کامل باز می ­گردد.

المنت­ هایی که از این نوع سیستم فیلتراسیون استفاده می ­کنند از یک سیم پیچ مارپیچی از دجنس فولاد ضد زنگ تشکیل شده اند. برآمدگی ­های موجود در سطح بالایی سیم پیچ شکاف فیلتراسیون دقیق را تا درجه جداسازی مورد نیاز تضمین می ­کند. درجه­ بندی استاندارد معمولاً ۱۲، ۲۵ و ۱۲۰ میکرون است. در حین خود تمیز شوندگی، جریان مایع معکوس می ­شود و فشردگی فنر به مقدار کمی شل می ­شود. بنابراین، فاصله بین پیچ ­های سیم پیچ افزایش می ­یابد و به آلاینده­ هایی که در ساختار سیم پیچ گیر افتاده ­اند، اجازه می ­دهد تا در طول شستشوی معکوس حذف شوند. یک شیر بای پس اتوماتیک معمولاً در اطراف فیلتر نصب می شود. این شیر به سیستم کنترل متصل است و در صورت مسدود شدن فیلتر توسط ذراتی که قابل شستشوی معکوس نیستند، به طور خودکار باز می ­شود.

شکل ۱۸- سیستم فیلتر خودکار خود تمیز شونده برای مدارهای برج خنک کننده

فیلتر نشان داده شده در شکل ۱۹ از نوع دروخ خطی و خود تمیز شونده است که برای فیلتر کردن آب صنعتی و هم چنین تاسیسات کوچک آب خنک کننده مناسب است. زمانی که افت فشار به حد از پیش تعیین شده می رسد، شستشوی معکوس یکی از فیلترها آغاز می ­شود و فیلترها به صورت جداگانه و به ترتیب تمیز می ­شوند، در حالی که باقیمانده فیلترها عملیات فیلتراسیون را ادامه می­ دهند.

شکل ۱۹- فیلتر درون خطی آب صنعتی. A، شستشوی معکوس المنت ها، B، المنت فیلتر. C، اتصال فشار بالا، D، ورودی، E، اتصال کم فشار، F، تخلیه شستشوی معکوس، G، خروجی

نتیجه گیری

هدف از تصفیه آب حذف مواد ناخواسته از آب و ایمن ساختن آن برای مصارف خانگی یا مناسب برای یک هدف خاص در صنعت یا کاربردهای پزشکی است. تکنیک‌های بسیار متنوعی برای حذف آلاینده‌هایی مانند جامدات ریز، میکروارگانیسم‌ها و برخی مواد معدنی و آلی محلول، یا آلاینده‌های پایدار محیطی در دسترس هستند. انتخاب روش به کیفیت آب تصفیه شده، هزینه فرآیند تصفیه و استانداردهای کیفی مورد انتظار از آب فرآوری شده بستگی دارد. تجهیزاتی مانند صافی­ها از انواع مخلف، فیلترهای بستر عمیق، فیلترهای فشار، فیلتر بستر متحرک و فیلتر کربن هستند که معمولاً در فرایند تصفیه آب استفاده می­شوند. بسته به مقیاس کیفیت آب خام (منبع) ممکن است تعدادی یا تمامی این تجهیزات مورد استفاده قرار گیرد. بازیافت آب باران که یک راه آسان و سازگار با محیط زیست برای کاهش هزینه­های آب و انرژی است که فرایند فیلتراسیون آن را مناسب برای بسیاری از کاربردهای کم اهمیت می­کند. در فرایندهای صنعتی آب در برج خنک کننده به صورت مداوم در حال چرخش است و ممکن است از محیط پیرامون این برج خنک کننده ذراتی معلق ریز و درشت وارد برج شوند. برای جلوگیری از چرخش مداوم این گونه ذرات از سیتم فیلتراسیون استفاده می­شود تا ذرات ریز و درشت معلق را از آب در حال گردش برج خنک کننده جدا کند.

مراجع

[۱]        Sutherland, Kenneth S., and George Chase. Filters and filtration handbook. Elsevier, 2011.

[۲]        Ahmed, Farah Ejaz, Boor Singh Lalia, and Raed Hashaikeh. “A review on electrospinning for membrane fabrication: Challenges and applications.” Desalination 356 (2015): 15-30.

[۳]        Sutherland, Ken. “Water filtration: Bulk water filtration techniques.” Filtration & separation 45, no. 10 (2008): 17-19.

[۴]        Luff, Richard, and Brian Clarke. “Water Treatment Guidelines For Use in Emergencies.” (2006).

[۵]        https://www.nordicwater.com/product/dynadrum/

نویسنده: امین فروزان

FavoriteLoadingذخیره پست

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

پنج + دوازده =

Previous slide
Next slide