همه چیز درمورد اصول تصفیه آب شهری

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

همه چیز درمورد اصول تصفیه آب شهری

 

 

مقدمه

آب مهم‌ترین ماده غذایی در رژیم غذایی انسان‌هاست. یک انسان بالغ به نوشیدن ۲ لیتر (۸ لیوان) آب در طول روز نیاز دارد تا آب ازدست‌رفته بدن خود از طریق تعرق، دستگاه تنفسی و ادرار را جبران کند؛ اما استفاده از بسیاری از منابع آبی برای تأمین این نیاز به‌سادگی امکان‌پذیر نیست. ٪۹۹٫۷ منابع آب روی کره زمین برای انسان قابل‌استفاده نیست. این آب‌ها شامل آب دریا، یخچال‌های طبیعی و رطوبت موجود در هوا می‌شود. تنها آب شیرین موجود در رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و آب‌های زیرزمینی می‌تواند به مصرف انسان برسد؛ اما بسیاری از منابع آب شیرین نیز برای نوشیدن انسان مناسب نیست. بسیاری از بیماری‌های خطرناک مانند وبا در اثر استفاده از آب شربی که حاوی بیماری‌های انگلی است، به وجود می‌آید. منابع آب شیرین می‌توانند حاوی مقادیر زیادی از پساب‌های صنعتی و نیز مواد شیمیایی استفاده‌شده در کشاورزی باشند که این مواد نیز ممکن است سمی بوده و بر سلامت آب آشامیدنی تأثیرگذارند؛ بنابراین انسان‌ها نیازی ضروری به دسترسی به یک منبع آب شیرین سالم برای آشامیدن دارند.

علاوه بر نیاز به آب شرب، انسان‌ها حجم بیشتری از آب را نیز برای کاربردهای دیگر استفاده می‌کنند. این استفاده‌ها می‌تواند برای کاربردهای خانگی (مانند آشپزی، شست‌وشو و …)، صنعتی، کشاورزی و مقاصد تفریحی باشد؛ بنابراین کیفیت منابع آب شیرین برای هر بخش از زندگی روزمره از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است.

بنابراین دولت‌ها و سازمان‌ها، قوانین مختلفی را برای بررسی، تصفیه و محافظت از منابع آب شیرین تصویب کرده‌اند.

منابع آب شیرین

آب شور برای مصرف انسان مناسب نیست و آب موجود در یخچال‌های طبیعی و بخار هوا برای مصرف انسان به‌سادگی در دسترس نیست. با این حساب تنها ٪۰٫۳ از آب کره زمین به شکل آب شیرین وجود دارد. حجم عظیمی از این آب (در حدود ٪۹۸٫۵) نیز در زیر زمین و به شکل آب‌های زیرزمینی وجود دارد. منابع باقیمانده آب مانند رودخانه‌ها و دریاچه‌ها با نام آب‌های سطحی شناخته می‌شوند. استفاده از آب‌های سطحی یا زیرزمینی، منطقه به منطقه متفاوت است. به‌صورت کلی، آب‌های زیرزمینی تمیزتر بوده و به تصفیه کمتری نیاز دارند؛ اما آب‌های سطحی در دسترس‌اند.

آلودگی‌های آب شیرین

واضح است که منابع آب شیرین تنها از آب خالص تشکیل نشده‌اند و بررسی ترکیبات شیمیایی این منابع نشان می‌دهد که آب شیرین به‌صورت محلولی از آب و ذرات حل‌شده در دسترس‌اند. محلول آب شیرین می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

1. یون‌ها (مانند Na⁺، Ca²⁺، F^– و HSO₄^–)

2. گازهای محلول (مانند O₂ و CO₂)

3. سایر مولکول‌های حل‌شده طبیعی (مانند محصولات جانبی آلی)

4. مولکول‌های حل‌شده ناشی از فعالیت‌های بشری (مانند پساب‌های صنعتی و کشاورزی)

علاوه بر ذراتی که در آب شیرین حل شده‌اند، ذرات زیادی نیز به‌صورت معلق در این آب وجود دارند. برخی از این ذرات عبارت‌اند از:

1. باکتری‌ها

2. بقایای شناور (مانند شاخ و برگ درختان، زباله‌ها و …)

3. شن و ماسه و خاک

نوع و میزان این آلودگی‌ها در یک نمونه آب، به منبع آن و روش تصفیه آب بستگی دارد. برخی از ذرات محلول مانند اکسیژن، اجتناب‌ناپذیرند. برخی دیگر مانند یون F^–، ذراتی مفیدند که حتی ممکن است در مراحل تصفیه آب به آن اضافه شوند؛ اما بیشتر این ذرات حل‌شده برای سلامت آب آشامیدنی خطرناک هستند و یا موجب می‌شوند که آب شیرین، قابل‌شرب نباشد (مانند Ca²⁺ که به‌عنوان عامل سختی آب شناخته شده و می‌تواند موجب بروز رسوب شود). این ذرات بایستی با تصفیه آب از آبی که قرار است به مصارف شهری و آشامیدنی برسد، حذف شوند.

تصفیه آب شهری با غربالگری

آب سطحی (آب رودها و دریاچه‌ها) معمولاً حاوی ذرات بزرگی مانند شاخ و برگ درختان، ماهی‌ها و آبزیان و زباله‌هاست که در آب شناورند. این ذرات می‌توانند موجب انسداد سیستم تصفیه آب شهری شده و بایستی پیش از ورود آب به واحد تصفیه، از آن جدا شوند. تجهیزات تصفیه آب قابل شرب شهری معمولاً دارای تورهای غربال بزرگی هستند که ناحیه ورود آب شیرین را پوشش داده‌اند. ذرات باقیمانده به دلیل اندازه ابعاد خود نمی‌توانند از این غربال‌ها عبور کرده و بدین ترتیب از آب حذف می‌شوند. این تورهای غربال بایستی به‌صورت دوره‌ای تمیز شده تا ذرات چسبیده به آن از بین رفته و موجب کاهش دبی آب ورودی نشوند. همچنین ممکن است برخی آبزیان در این نواحی شروع به رشد و تکثیر کرده و موجب انسداد این تورها شوند که برای از بین بردن آنها از پتاسیم پرمنگنات (KMnO₄) استفاده می‌شود.

لای‌گیری آب شهری

سایر ذرات معلق و انحلال ناپذیر مانند شن و خاک آن‌قدر کوچک هستند که بتوانند به‌آسانی از تورهای غربال عبور کنند. این ذرات به کمک روش دیگری که لای‌گیری نامیده می‌شود از آب جدا می‌شوند. وقتی آب به حالت راکد درمی‌آید، با گذشت زمان ذرات معلق در کف آب ته‌نشین می‌شوند؛ چون چگالی بیشتری نسبت به آب دارند. سپس آب فاقد ناخالصی‌های معلق می‌تواند بدون ایجاد آشفتگی در لایه پایین حاوی گل‌ولای، از لایه بالا جمع‌آوری شود.

برخی اوقات ذرات نامحلول بسیار کوچک‌اند و به‌سرعت ته‌نشین نمی‌شوند. در این مواقع از دو فرآیند منعقد سازی و لخته سازی استفاده می‌شود. با استفاده از این فرآیندها، ذرات بزرگ‌تری ایجاد شده که سریع‌تر ته‌نشین می‌شوند. در لخته سازی با هم زدن آب، ذرات کوچک بدون سطوح سفت‌وسخت در کنار هم انباشته می‌شوند. وقتی‌که انباشتگی ذرات به اندازه کافی بزرگ شد، توده ایجادشده می‌تواند ته‌نشین شود. سایر ذرات معلق به‌خوبی با لخته سازی متراکم نمی‌شوند. برای حذف آنها از آب باید از انعقاد استفاده شود. انعقاد، فرآیند جمع‌آوری ذرات در یک دسته یا توده است که عموماً با افزودن برخی مواد شیمیایی به نام منعقد کننده‌ها صورت می‌گیرد. مهم‌ترین منعقد کننده‌هایی که در تصفیه آب شهری و آب شرب مورداستفاده قرار می‌گیرند، آلومینیوم سولفات (Al₂(SO4)₃) و سایر نمک‌های آلومینیوم و آهن (مانند آلومینیوم کلرید، آهن کلرید، آهن سولفات و …) هستند. این نمک‌ها با یون‌های طبیعی موجود در آب برای تولید رسوب جامد، واکنش می‌دهند. وقتی این رسوب تشکیل شد، سایر ذرات معلق موجود در آب در آن به دام افتاده و توده ایجادشده در کف آب ته‌نشین می‌شود.

رسوب‌گیری آب شهری

مراحلی که تا اینجا بیان شد برای حذف و تصفیه ذرات نامحلول در آب شهری به کار رفت. پیش‌ازاین نیز بیان شد که علاوه بر این ذرات، ذرات محلولی به شکل مولکول و یون نیز در آب حضور دارند. بخش زیادی از این یون‌ها می‌توانند توسط رسوب‌گیری از آب حذف شوند. رسوب‌گیری عبارت است از واکنش یون‌های محلول در آب با سایر یون‌ها برای تولید جامدات نامحلول که می‌توانند توسط لای‌گیری یا فیلتراسیون از آب جدا شوند. تفاوت رسوب‌گیری با لای‌گیری در این است که در رسوب‌گیری، ذراتی که حذف می‌شوند به‌عنوان بخشی از یک واکنش شیمیایی، رسوب را تشکیل می‌دهند اما در انعقاد، ذرات حذف‌شده بخشی از واکنش شیمیایی نبوده و تنها در رسوبی که توسط افزودن مواد شیمیایی به آب تشکیل می‌شود، به دام می‌افتند.

دو دسته عمده از یون‌ها عموماً با رسوب‌گیری از آب حذف می‌شوند:

1. یون‌های کلسیم (Ca²⁺) و منیزیم (Mg²⁺) که از مواد معدنی به آب افزوده شده و به‌عنوان سختی آب شناخته می‌شوند. این یون‌ها به‌طور مستقیم برای سلامتی انسان مشکل‌ساز نیستند اما می‌توانند در واکنش‌هایی شرکت کنند که موجب رسوب مواد معدنی نامحلول می‌شود؛ مانند حلقه‌های سفیدی ایجادشده بر روی شیرهای حمام و یا ظروف آشپزی و یا رسوب ایجادشده در دیگ‌های بخار که باعث کاهش عملکرد آنها می‌شود. رسوب می‌تواند از کارایی آب برای مصارف مختلف بکاهد.

2. یون آهن (Fe²⁺) و یون منگنز (Mn²⁺) که می‌توانند موجب تغییر رنگ تأسیسات لوله‌کشی و لکه‌دار شدن لباس‌ها حین شست‌وشو شوند. این یون‌ها همچنین می‌توانند موجب تسریع رشد باکتری‌هایی شوند که بر بو و مزه آب تأثیر می‌گذارند.

3. فرآیند حذف یون‌های کلسیم و منیزیم با نام سختی گیری آب شناخته می‌شود. دو ماده معدنی آهک (Ca(OH)₂) و سدیم کربنات (Na₂CO₃) عموماً در سختی گیری از آب شهری به کار می‌روند. برای حذف یون‌های آهن و منگنز نیز علاوه بر مواد بیان‌شده، از واکنش اکسایش به کمک مولکول‌های اکسیژن (O₂) و یا پتاسیم پرمنگنات (KMnO₄) استفاده می‌شود.

فیلتراسیون آب شهری

معمولاً ذرات ایجادشده توسط واکنش‌های رسوب‌گیری آن‌قدر کوچک بوده که با لای‌گیری از آب جدا نشوند. یک راهکار برای حذف سریع این جامدات، استفاده از فیلترهای گرانشی است. در این فرآیند آب حاوی ناخالصی‌های جامد از یک بستر متخلخل عبور می‌کند. این بستر عموماً از شن و ماسه تشکیل‌شده است. از نیروی جاذبه برای عبور آب از این بستر استفاده می‌شود. مولکول‌های آب می‌توانند از حفرات موجود میان شن و ماسه عبور کرده اما ناخالصی‌های جامد در این بستر باقی می‌مانند. آب خارج‌شده از این فیلتر دیگر حاوی ناخالصی‌های جامد نیست.

برای شست‌وشوی فیلترهای شنی در واحدهای تصفیه آب شهری و آب شرب، از عملیات شست‌وشوی معکوس و عبور معکوس جریان آب استفاده می‌شود.

جذب سطحی در تصفیه آب شرب شهری

ترکیبات آلی محلول در آب (مانند آفت‌کش‌ها و یا پساب‌های صنعتی) می‌توانند موجب مشکلات جدی برای سلامت انسان شوند و همچنین بر بو و مزه آب شرب اثرگذار باشند. برای حذف آنها از فرآیند جذب سطحی استفاده می‌شود. جذب سطحی فرآیندی است که در آن یک ماده به سطح ماده‌ای دیگر می‌چسبد. از فیلتر کربن اکتیو پودری (PAC) برای این عملیات استفاده می‌شود. وقتی‌که این ماده به آب افزوده می‌شود، ترکیبات آلی به دانه‌های گرانول این ماده می‌چسبند. دانه‌های گرانول کربن اکتیو شکل‌های نامنظمی دارند که موجب می‌شود این ماده مساحت سطح زیادی در یک حجم کوچک داشته باشد. کربن اکتیو سپس می‌تواند توسط فرآیند فیلتراسیون از آب خارج شده و مواد آلی چسبیده به خود را نیز از آب جدا کند و باعث تصفیه آب شرب شود.

گندزدایی آب شهری

در بسیاری از منابع آب شیرین برای تأمین آب شرب، بیشتر مشکلات ایجادشده ناشی از مواد شیمیایی نیست بلکه ارگانیزم‌های عفونی (باکتری‌ها) سبب بروز چنین مشکلاتی می‌شوند. کلر (Cl₂) به‌عنوان مهم‌ترین و ارزان‌ترین ضدعفونی‌کننده که می‌تواند بیشتر باکتری‌های عامل بیماری‌های سخت را از بین ببرد، شناخته می‌شود؛ هرچند استفاده از کلر موجب ایجاد محصولات جانبی متعددی می‌شود. یک دسته از محصولات جانبی کلر، تری هالو متان‌ها (THMs) هستند که می‌توانند موجب بروز سرطان شوند. به دلیل وجود نگرانی ناشی از تولید محصولات جانبی کلر، امروزه از کلر در کمترین مقدار ممکن استفاده می‌شود و از سایر روش‌های گندزدایی و ضدعفونی کردن آب شهری و آب شرب نیز در کنار کلر استفاده می‌شود. کلر آمین‌ها گندزداهایی پایدارتر از کلر بوده و محصولات جانبی کم‌خطرتری ایجاد می‌کنند اما هزینه استفاده از آنها بیشتر است. از سایر روش‌ها نظیر استفاده از اشعه فرابنفش (UV)، ازون‌زنی و یا فیلتراسیون پیشرفته نیز می‌توان برای حذف میکرو ارگانیزم‌ها استفاده کرد.

افزودن مواد شیمیایی به آب شهری

مهم‌ترین وظیفه سیستم‌ها و تجهیزات تصفیه آب شهری، حذف مواد خطرناک از آب است؛ اما یکی از مهم‌ترین مراحل در تصفیه آب شرب می‌تواند افزودن مواد شیمیایی به آب برای بهبود کارایی آن در مصرف انسان باشد. برای مثال، فلوئورید (F^–) معمولاً برای محافظت از دندان‌ها، در مراحل تصفیه آب شرب به آن اضافه می‌شود.

تصفیه آب شهری در محل استفاده

پس از تصفیه آب شهری در واحدهای تصفیه آب، این آب در مخازنی ذخیره شده و سپس در بین مصرف‌کنندگان خانگی، صنعتی و تجاری توزیع می‌شود. در بیشتر جوامع، آبی که به خانه‌ها و کارخانجات صنعتی می‌رسد آبی تمیز و فاقد ناخالصی‌هایی است که بر سلامتی انسان اثرگذارند؛ گرچه تجهیزات تصفیه آب شهری و آب شرب ممکن است به‌گونه‌ای عمل کنند که درنهایت آب خروجی از آنها به‌خوبی تصفیه نشده و یا در مسیر لوله‌کشی آن، مجدداً آلودگی‌هایی وارد آب شود. همچنین برخی کاربران شبکه لوله‌کشی آب شهری نیاز به کیفیت متفاوتی از آب شرب دارند. در این شرایط استفاده از تجهیزات و دستگاه‌های تصفیه آب در محل استفاده ضروری است. دستگاه تصفیه آب در محل استفاده آب را به‌گونه‌ای تصفیه می‌کند که کیفیت آن برای استفاده در همان محل، مناسب باشد (مانند تصفیه آب زیر سینکی یا رومیزی آشپزخانه برای شرب، تصفیه آب پکیج و آبگرم کن، تصفیه آب ماشین‌های لباسشویی و ظرف‌شویی، تصفیه آب حمام و …). امروزه دستگاه‌های زیادی برای تصفیه آب در محل استفاده در بازار وجود دارد که دو دسته عمده آنها سختی ‌گیرهای رزینی و دستگاه‌های تصفیه آب حاوی مراحل فیلتراسیون اضافی مانند فیلتر اسمز معکوس (RO) یا فیلتر اولترافیلتراسیون (UF) هستند.

جمع بندی

تصفیه آب شهری و دست‌یابی به آب شرب چه از سوی سازمان‌های دولتی و به‌صورت عمومی صورت بگیرد و چه توسط مصرف‌کننده خانگی انجام شود، نیازمند تجهیزاتی کارآمد است تا موجب افزایش سلامت عمومی جامعه، کاهش میزان هدر رفت آب و همچنین افزایش سطح دسترسی به آب سالم قابل شرب شود. بهتا از نیازهای این حوزه به تصفیه آب آگاهی کامل داشته و آماده است تا با ارائه تجهیزات و خدماتی نوین، پاسخگوی نیاز مصرف‌کننده باشد. برخی فناوری‌های به‌کاررفته در خدمات و محصولات بهتا برای تصفیه آب شهری و آب شرب عبارت‌اند از:

1. فیلترهای شنی

2. فیلترهای جذب سطحی

3. منعقد کننده‌ها

4. گندزدایی

5. اسمز معکوس (RO)، نانوفیلتراسیون (NF) و اولترافیلتراسیون (UF)