مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تصفیه آب به روش نانو فیلتراسیون:

۱. مقدمه

نانو فیلتراسیون (NF) یک فرآیند غشایی با اندازه منافذ ۰.۱ تا ۱ نانومتر است که قادر به حذف ترکیبات آلی با وزن مولکولی بالا (۲۰۰–۱۰۰۰ دالتون)، یون‌های دوظرفیتی (مانند Ca²⁺، Mg²⁺) و آلاینده‌های میکروبی است. این روش برای نرم‌سازی آب، حذف فلزات سنگین و کاهش کدورت کاربرد گسترده دارد.

۲. مکانیسم عملکرد

• حذف فیزیکی: ذرات بزرگتر از اندازه منافذ غشا به دام می‌افتند.

• دافعه بار الکتریکی: غشاهای NF معمولاً بار منفی دارند و یون‌های مثبت (مثل Ca²⁺) را دفع می‌کنند.

• انتقال حل‌شونده: ترکیبات خنثی با وزن مولکولی پایین ممکن است از غشا عبور کنند.

۳. پارامترهای طراحی کلیدی

پارامتر محدوده بهینه توضیح

نوع غشا پلی آمید، سلولز استات انتخاب بر اساس نوع آلاینده و pH آب

فشار عملیاتی ۵–۲۰ بارفشار بالاتر برای آب‌های شور

درجه بازیابی ۵۰–۸۵٪ نسبت آب تصفیه‌شده به آب ورودی

شار غشایی ۱۰–۳۰ LMH (لیتر/متر²/ساعت) بهینه برای جلوگیری از گرفتگی

pH آب ۳–۱۰ جلوگیری از تخریب غشا

۴. محاسبات کلیدی

الف. محاسبه سطح غشا مورد نیاز

سطح غشا (m²) = دبی آب تصفیه‌شده (m³/day) / (شار غشایی (LMH) × ۲۴)  

• مثال: دبی ۱۰۰ m³/day و شار ۲۰ LMH → سطح ≈ ۱۰۰ / (۲۰ × ۲۴) ≈ ۰.۲۱ m².

ب. محاسبه انرژی مصرفی

انرژی (kWh/m³) = (فشار (bar) × دبی (m³/h)) / (۳۶۰۰ × راندمان پمپ)  

• مثال: فشار ۱۵ بار، دبی ۵ m³/h، راندمان ۷۰% → انرژی ≈ (۱۵ × ۵) / (۳۶۰۰ × ۰.۷) ≈ ۰.۰۳ kWh/m³.

ج. بازیابی آب

بازیابی (%) = (دبی آب تصفیه‌شده / دبی آب ورودی) × ۱۰۰  

۵. ساخت و تجهیزات

الف. اجزای اصلی سیستم

• پیش‌تصفیه: فیلترهای شنی، میکروفیلتراسیون یا اولترافیلتراسیون برای جلوگیری از گرفتگی غشا.

• ممبران NF: ماژول‌های مارپیچی (Spiral Wound) یا صفحه‌ای (Flat Sheet).

• پمپ فشار بالا: از جنس استیل ضدزنگ برای تحمل فشار عملیاتی.

• سیستم شستشوی معکوس (CIP): استفاده از محلول‌های اسیدی یا بازی برای احیای غشا.

ب. مصالح و مواد

• غشا: پلی آمید نازک (TFC) یا سلولز استات.

• محفظه فشار: استیل ضدزنگ یا فایبرگلاس.

• لوله‌کشی: PVC مقاوم به فشار یا استیل.

۶. اجرا و مراحل راه‌اندازی

۱. پیش‌تصفیه آب: حذف ذرات معلق > ۱۰ μm با فیلترهای کارتریج.
۲. تنظیم pH: اسیدی یا بازی کردن آب برای جلوگیری از رسوب‌گیری (مثلاً تنظیم pH ≈ ۶–۸).
۳. تزریق آنتی‌اسکالانت: جلوگیری از تشکیل رسوبات معدنی روی غشا.
۴. راه‌اندازی سیستم: افزایش تدریجی فشار برای جلوگیری از شوک به غشا.
۵. پایش مداوم: اندازه‌گیری فشار، شار، و هدایت الکتریکی آب خروجی.

۷. چالش‌ها و مدیریت

• گرفتگی غشا (Fouling):

  • علت: تجمع مواد آلی، معدنی یا بیولوژیکی.

  • راهکار: شستشوی دوره‌ای با محلول NaOH (pH ۱۲) یا اسید سیتریک (pH ۲).

• رسوب‌گیری (Scaling):

  • علت: اشباع نمک‌های کلسیم یا سولفات.

  • راهکار: تزریق آنتی‌اسکالانت (مثل پلی آکریلیک اسید).

• خوردگی: استفاده از مواد مقاوم در برابر خوردگی در قسمت‌های مرطوب.

۸. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب ورودی: ۵۰ m³/day

• آلاینده اصلی: سولفات (SO₄²⁻) با غلظت ۸۰۰ mg/L

• هدف: کاهش سولفات به ≤ ۲۰۰ mg/L

محاسبات:

• شار غشایی: ۱۵ LMH → سطح غشا = ۵۰ / (۱۵ × ۲۴) ≈ ۰.۱۴ m².

• فشار عملیاتی: ۱۰ بار → انرژی مصرفی ≈ (۱۰ × ۲.۰۸) / (۳۶۰۰ × ۰.۷) ≈ ۰.۰۰۸ kWh/m³.

• بازیابی آب: ۷۰% → دبی پساب غلیظ = ۵۰ × ۰.۳ = ۱۵ m³/day.

تجهیزات:

• ماژول مارپیچی با سطح ۰.۲ m².

• پمپ فشار بالا با ظرفیت ۳ m³/h.

• سیستم تزریق آنتی‌اسکالانت با دوز ۲ mg/L.

۹. پیشرفت‌های نوین

• غشاهای نانوکامپوزیتی: ترکیب نانوذرات (مثل TiO₂) برای افزایش مقاومت شیمیایی.

• سیستم‌های هیبریدی: ترکیب NF با اسمز معکوس (RO) یا اکسیداسیون پیشرفته (AOPs).

• غشاهای کم‌انرژی: کاهش فشار عملیاتی تا ۵ بار با استفاده از غشاهای نسل جدید.

۱۰. نتیجه‌گیری

نانو فیلتراسیون به عنوان یک روش کارآمد و انعطاف‌پذیر، جایگاه ویژه‌ای در تصفیه آب صنعتی و شرب دارد. طراحی دقیق بر اساس پارامترهای آب ورودی، انتخاب غشای مناسب و مدیریت چالش‌هایی مانند گرفتگی، کلید موفقیت سیستم است. فناوری‌های نوین مانند غشاهای نانوکامپوزیت و سیستم‌های هوشمند پایش، آینده این روش را متحول خواهند کرد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تصفیه آب و فاضلاب به روش بیوفیلتر:

۱. مقدمه

بیوفیلتراسیون یک روش زیست‌محیطی برای حذف آلاینده‌های آلی، نیتروژن، فسفر و ترکیبات سمی از آب و فاضلاب با استفاده از میکروارگانیسم‌های چسبیده به یک بستر جامد (رسانه) است. این روش به دلیل هزینه پایین، سازگاری با محیط زیست و راندمان بالا، در تصفیه خانه‌های شهری و صنعتی کاربرد گسترده دارد.

۲. مکانیسم عملکرد

• تجزیه هوازی: باکتری‌ها و قارچ‌ها، آلاینده‌های آلی را به CO₂ و H₂O تبدیل می‌کنند.

• نیترات‌زدایی: باکتری‌های بی‌هوازی نیترات (NO₃⁻) را به نیتروژن گازی (N₂) تبدیل می‌کنند.

• جذب سطحی: آلاینده‌ها روی سطح رسانه یا بیوفیلم جذب می‌شوند.

۳. انواع بیوفیلترها

نوع رسانه کاربرد

بیوفیلتر چکنده سنگ، پلاستیک یا سرامیک تصفیه فاضلاب شهری

بیوفیلتر غوطه‌ور شن، زغال یا پکینگ پلیمری حذف نیتروژن و فسفر

MBBR حامل‌های متحرک (مثل پلی اتیلن) تصفیه پساب صنعتی با بار آلی بالا

۴. طراحی سیستم بیوفیلتر

الف. پارامترهای کلیدی طراحی

۱. نوع آلاینده: BOD، نیتروژن، فسفر یا ترکیبات خاص.
۲. رسانه: سطح ویژه (m²/m³)، تخلخل و مقاومت مکانیکی.
۳. بار آلی: بر حسب kg BOD/m³/day.
۴. زمان ماند هیدرولیکی (HRT): معمولاً ۲–۸ ساعت.
۵. اکسیژن مورد نیاز: DO ≥ ۲ mg/L برای فرآیند هوازی.

ب. محاسبات کلیدی

۱. محاسبه حجم راکتور:

حجم (m³) = دبی (m³/day) × زمان ماند (day)  

• مثال: دبی ۱۰۰ m³/day و HRT = ۶ ساعت (۰.۲۵ روز) → حجم ≈ ۲۵ m³.

۲. بار آلی:

بار آلی (kg BOD/m³/day) = (غلظت BOD ورودی (mg/L) × دبی (m³/day)) / حجم راکتور (m³)  

• مثال: BOD ورودی ۳۰۰ mg/L، دبی ۵۰ m³/day، حجم ۱۰ m³ → بار آلی = ۱.۵ kg/m³/day.

۳. نیاز به اکسیژن:

اکسیژن مورد نیاز (kg O₂/day) = (BOD ورودی (kg/day) × راندمان حذف) / ۰.۳  

• مثال: BOD ورودی ۱۵ kg/day، راندمان ۹۰% → نیاز ≈ ۴۵ kg O₂/day.

۴. سطح ویژه رسانه:

سطح ویژه مؤثر (m²/m³) = (بار آلی × ۱۰۰۰) / نرخ بارگذاری (g BOD/m²/day)  

۵. ساخت و تجهیزات

الف. انتخاب رسانه

• پکینگ پلاستیکی: سطح ویژه ۲۰۰–۵۰۰ m²/m³، مناسب برای MBBR.

• شن و سنگ: ارزان، اما سطح ویژه پایین (۵۰–۱۰۰ m²/m³).

• زغال فعال: جذب ترکیبات آلی + زیست‌پالایی.

ب. اجزای سیستم

• راکتور: مخزن بتنی، فایبرگلاس یا فلزی با سیستم توزیع آب.

• سیستم هوادهی: دیفیوزرهای حباب ریز یا هوادهی سطحی.

• سیستم برگشت لجن: برای حفظ تراکم بیومس.

ج. مراحل اجرا

۱. آماده‌سازی رسانه: شستشو و ضدعفونی.
۲. ایجاد بیوفیلم: تلقیح رسانه با باکتری‌های مورد نظر (مانند Nitrosomonas).
۳. راه‌اندازی تدریجی: افزایش دبی به مرور زمان برای تطبیق میکروارگانیسم‌ها.
۴. پایش مداوم: اندازه‌گیری DO، pH، دما و غلظت آلاینده‌ها.

۶. چالش‌ها و مدیریت

• گرفتگی رسانه: شستشوی معکوس با آب یا هوا.

• تغییرات دما: استفاده از عایق‌بندی یا سیستم‌های گرمایش/سرمایش.

• سمیت آلاینده‌ها: پیش‌تصفیه برای حذف مواد بازدارنده رشد میکروبی.

• تعویض رسانه: هر ۵–۱۰ سال بسته به فرسودگی.

۷. مثال طراحی

شرایط:

• دبی فاضلاب: ۲۰۰ m³/day

• BOD ورودی: ۴۰۰ mg/L

• هدف: حذف ۹۰% BOD

• روش انتخابی: بیوفیلتر چکنده با پکینگ پلاستیکی

محاسبات:

• بار آلی: ۴۰۰ mg/L × ۲۰۰ m³/day = ۸۰ kg BOD/day.

• حجم راکتور: با فرض بار آلی ۰.۵ kg BOD/m³/day → حجم = ۸۰ / ۰.۵ = ۱۶۰ m³.

• مساحت سطحی: با فرض ارتفاع ۳ متر → مساحت = ۱۶۰ / ۳ ≈ ۵۳.۳ m².

• سیستم هوادهی: نیاز اکسیژن ≈ ۸۰ × ۰.۹ / ۰.۳ = ۲۴۰ kg O₂/day.

تجهیزات:

• راکتور بتنی به ابعاد ۱۰m × ۵.۳m × ۳m.

• پکینگ پلاستیکی با سطح ویژه ۳۰۰ m²/m³.

• هوادهی با ۲۰ دیفیوزر حباب ریز.

۸. پیشرفت‌های نوین

• نانو رسانه‌ها: افزایش سطح ویژه تا ۱۰۰۰ m²/m³ با استفاده از نانولوله‌های کربنی.

• بیوفیلترهای هوشمند: کنترل خودکار پارامترها با سنسورهای IoT.

• بیوفیلترهای هیبریدی: ترکیب با روش‌های شیمیایی برای حذف فلزات سنگین.

۹. نتیجه‌گیری

بیوفیلترها به عنوان یک روش پایدار و مقرون‌به‌صرفه، نقش کلیدی در تصفیه آب و فاضلاب دارند. طراحی دقیق بر اساس پارامترهای هیدرولیکی و بیولوژیکی، انتخاب رسانه مناسب و مدیریت بهینه فرآیند، تضمین‌کننده عملکرد مؤثر سیستم است. فناوری‌های نوین مانند نانو رسانه‌ها و سیستم‌های هوشمند، آینده این روش را امیدوارکننده ساخته‌اند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تصفیه آب به روش اکسیداسیون پیشرفته (AOPs):

۱. مقدمه

اکسیداسیون پیشرفته (AOPs) به فرآیندهایی اطلاق می‌شود که با تولید رادیکال‌های آزاد (به ویژه رادیکال هیدروکسیل OH·)، آلاینده‌های آلی، میکروارگانیسم‌ها و ترکیبات سمی را به طور کامل به مواد بی‌خطر تبدیل می‌کنند. این روش برای حذف آلاینده‌های مقاوم (مانند داروها، آفت‌کش‌ها و رنگ‌های صنعتی) ایده‌آل است.

۲. مکانیسم عملکرد

• تولید رادیکال هیدروکسیل (OH·): این رادیکال با قدرت اکسیداسیون بالا (E° = ۲.۸ V) پیوندهای آلی را شکسته و آن‌ها را به CO₂ و H₂O تبدیل می‌کند.

• منابع تولید OH·:

  • ترکیب UV + H₂O₂: H₂O₂ + UV → ۲OH·

  • ترکیب O₃ + H₂O₂: O₃ + H₂O₂ → OH· + O₂

  • فتوکاتالیست‌ها (مثل TiO₂/UV): TiO₂ + UV → e⁻ + h⁺ → OH·

  • فرآیند فنتون: Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + OH· + OH⁻

۳. انواع روش‌های AOPs

روش ترکیبات کلیدی کاربرد اصلی

UV/H₂O₂ لامپ UV، پراکسید هیدروژن حذف ترکیبات آلی مقاوم

O₃/UV ژنراتور ازون، لامپ UV گندزدایی و اکسیداسیون همزمان

فتوکاتالیست‌ها نانوذرات TiO₂، UV تخریب آلاینده‌های آلی و معدنی

فرآیند فنتون Fe²⁺، H₂O₂ تصفیه پساب‌های صنعتی با COD بالا

۴. طراحی سیستم AOPs

الف. پارامترهای طراحی کلیدی

۱. نوع و غلظت آلاینده: تعیین دوز مناسب اکسیدان‌ها (مثلاً H₂O₂ یا O₃).
۲. کیفیت آب: pH، کدورت، و حضور بازدارنده‌ها (مانند کربنات).
۳. انرژی مورد نیاز: محاسبه دوز UV یا قدرت ژنراتور ازون.
۴. زمان تماس: بهینه‌سازی زمان واکنش برای دستیابی به راندمان ≥ ۹۰%.

ب. محاسبات کلیدی

۱. محاسبه دوز H₂O₂:

دوز (mg/L) = (غلظت آلاینده (mg/L) × ضریب استوکیومتری) / راندمان  

• مثال: برای اکسیداسیون ۱۰ mg/L فنول با ضریب ۱.۵ → دوز ≈ ۱۵ mg/L.

۲. انرژی UV مورد نیاز:

انرژی (mJ/cm²) = شدت تابش (μW/cm²) × زمان تماس (ثانیه)  

• حداقل انرژی برای حذف ویروس‌ها: ۴۰–۱۰۰ mJ/cm².

۳. مصرف ازون:

دوز O₃ (mg/L) = ۱.۵ × غلظت COD (mg/L)  

۴. محاسبه زمان تماس:

زمان (دقیقه) = حجم راکتور (L) / دبی (L/min)  

۵. ساخت و تجهیزات

الف. سیستم UV/H₂O₂

• تجهیزات:

  • لامپ UV-C (طول موج ۲۵۴ نانومتر) در محفظه کوارتز.

  • پمپ دوزینگ H₂O₂ با دقت ±۰.۱ mg/L.

  • مخزن واکنش از جنس استیل ضدزنگ یا PVC مقاوم به UV.

• اجرا:
  ۱. تزریق H₂O₂ به جریان آب.
  ۲. عبور آب از محفظه UV برای فعال‌سازی رادیکال‌ها.

ب. سیستم O₃/UV

• تجهیزات:

  • ژنراتور ازون (تولید ازون با تخلیه الکتریکی).

  • مخزن تماس ازون با زمان ماند ۱۰–۲۰ دقیقه.

  • سیستم تخریب ازون باقیمانده (کاتالیست یا گرما).

ج. سیستم فتوکاتالیستی (TiO₂/UV)

• تجهیزات:

  • نانوذرات TiO₂ پوشش‌دهی‌شده روی سطح شیشه یا سرامیک.

  • لامپ UV-A (طول موج ۳۶۵ نانومتر).

  • راکتور پلاگ فلو برای حداکثر تماس آب با کاتالیست.

۶. چالش‌ها و مدیریت

• هزینه انرژی بالا: استفاده از سیستم‌های خورشیدی برای تامین انرژی UV.

• تشکیل محصولات جانبی: پایش ترکیبات حدواسط (مثل آلدئیدها) با GC/MS.

• خوردگی تجهیزات: استفاده از مواد مقاوم (فولاد ضدزنگ، تفلون).

• بهینه‌سازی pH:

  • فرآیند فنتون: pH بهینه ≈ ۳.

  • فتوکاتالیست‌ها: pH ≈ ۶–۸.

۷. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب: ۵ m³/h

• آلاینده: ۵ mg/L آفت‌کش دیازینون

• روش انتخابی: UV/H₂O₂

محاسبات:

• دوز H₂O₂: ۱۰ mg/L (بر اساس آزمون آزمایشگاهی).

• انرژی UV: ۱۰۰ mJ/cm² → زمان تماس = ۱۰۰,۰۰۰ μJ/cm² / ۲۰۰ μW/cm² = ۵۰۰ ثانیه ≈ ۸ دقیقه.

• ابعاد راکتور: حجم = ۵ m³/h × ۰.۱۳ h (۸ دقیقه) ≈ ۰.۶۵ m³.

تجهیزات:

• لامپ UV با توان ۱۰۰۰ وات.

• پمپ دوزینگ H₂O₂ با ظرفیت ۵۰ لیتر/ساعت.

• مخزن واکنش استیل به حجم ۱ m³.

۸. پیشرفت‌های نوین

• استفاده از نانوذرات هیبریدی: ترکیب TiO₂ با گرافن یا نانوذرات فلزی برای افزایش راندمان.

• سیستم‌های پلاسما: تولید رادیکال‌ها با تخلیه الکتریکی در آب.

• AOPs خورشیدی: استفاده از نور خورشید برای فعال‌سازی فتوکاتالیست‌ها.

۹. نتیجه‌گیری

AOPs به عنوان یک فناوری پیشرفته، قادر به حذف آلاینده‌های مقاوم و خطرناک با راندمان بالا است. طراحی سیستم نیازمند تحلیل دقیق آلاینده، محاسبه دوز اکسیدان‌ها و انرژی، و انتخاب مواد مقاوم است. ترکیب AOPs با روش‌های دیگر (مثل فیلتراسیون) می‌تواند هزینه‌ها را کاهش و کارایی را افزایش دهد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تصفیه آب با کربن فعال: طراحی، محاسبات، ساخت و اجرا

۱. مقدمه

کربن فعال (Activated Carbon) به دلیل ساختار متخلخل و سطح ویژه بالا، یکی از مؤثرترین روش‌ها برای حذف آلاینده‌های آلی، رنگ، بو، و ترکیبات شیمیایی از آب است. این روش به دو صورت کربن فعال پودری (PAC) و کربن فعال گرانولی (GAC) استفاده می‌شود.

۲. مکانیسم عملکرد

• جذب سطحی (Adsorption): آلاینده‌ها به سطح کربن فعال چسبیده و از آب جدا می‌شوند.

• جذب فیزیکی و شیمیایی: بسته به نوع آلاینده، پیوندهای واندروالسی یا کووالانسی شکل می‌گیرند.

۳. انواع کربن فعال

نوع کاربرد مزایا معایب

پودری (PAC)تزریق مستقیم در آب واکنش سریع، انعطاف‌پذیری بالا نیاز به جداسازی پس از استفاده

گرانولی (GAC)استفاده در فیلترهای ثابت قابلیت احیای مجدد هزینه اولیه بالا

۴. طراحی سیستم کربن فعال

الف. انتخاب نوع کربن

• پارامترهای مؤثر:

  • اندازه منافذ: میکروپور (حذف مولکول‌های کوچک) یا مزوپور (حذت ترکیبات بزرگ).

  • سطح ویژه: هرچه بیشتر، جذب بهتر (معمولاً ۵۰۰–۱۵۰۰ m²/g).

ب. محاسبات کلیدی

۱. ظرفیت جذب کربن:

• بر اساس ایزوترم جذب فروندلیچ یا لانگمیر.

• مثال برای ایزوترم فروندلیچ:

  q = K_f × C^(1/n)  
  q: ظرفیت جذب (mg/g), C: غلظت آلاینده (mg/L), K_f و n: ثوابت تجربی.  

۲. دوز کربن فعال (PAC):

دوز (mg/L) = (غلظت آلاینده (mg/L) × دبی (m³/day)) / (ظرفیت جذب (mg/g) × راندمان)  

• مثال: حذف ۱۰ mg/L فنول با ظرفیت جذب ۲۰۰ mg/g و راندمان ۹۰% → دوز ≈ ۵۵.۵ mg/L.

۳. زمان تماس (GAC):

زمان تماس (دقیقه) = (حجم بستر (L) × تخلخل) / دبی (L/min)  

• زمان تماس معمول: ۱۰–۳۰ دقیقه.

۴. سرعت فیلتراسیون (GAC):

سرعت (m/h) = دبی (m³/h) / سطح مقطع فیلتر (m²)  

• محدوده بهینه: ۵–۱۵ m/h.

ج. ابعاد فیلتر (GAC)

• ارتفاع بستر: معمولاً ۱–۳ متر.

• قطر فیلتر: بر اساس دبی و سرعت فیلتراسیون.

  قطر (m) = (۴ × دبی (m³/h) / (سرعت (m/h) × π))√  

۵. اجرا و تجهیزات

الف. سیستم PAC

• تجهیزات:

  • مخزن ذخیره PAC و پمپ دوزینگ.

  • میکسر سریع برای اختلاط یکنواخت.

• اجرا: تزریق PAC در خط لوله ورودی به مخزن انعقاد.

ب. سیستم GAC

• تجهیزات:

  • فیلترهای فولادی یا FRP با بستر کربن.

  • سیستم شستشوی معکوس (آب + هوا) برای جلوگیری از گرفتگی.

• اجرا:
  ۱. آب از بالا به پایین از بستر کربن عبور می‌کند.
  ۲. پس از اشباع، کربن با حرارت یا مواد شیمیایی احیا می‌شود.

۶. چالش‌ها و مدیریت

• اشباع کربن: پایش مداوم کیفیت خروجی و تعویض به موقع.

• احیای کربن:

  • حرارتی: گرمایش تا ۸۰۰–۱۰۰۰°C در محیط بدون اکسیژن.

  • شیمیایی: شستشو با اسید یا باز.

• دفع کربن مصرفی: سوزاندن در زباله‌سوزهای مجاز یا دفن بهداشتی.

۷. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب: ۵۰ m³/h

• آلاینده: ۵ mg/L ترکیبات آلی (TOC)

• روش انتخابی: فیلتر GAC

محاسبات:

• ظرفیت جذب: ۱۵۰ mg/g (بر اساس ایزوترم فروندلیچ).

• زمان تماس: ۲۰ دقیقه → حجم بستر = (۵۰ m³/h × ۰.۳۳ h) / ۰.۵ (تخلخل) ≈ ۳۳ m³.

• ارتفاع بستر: ۲.۵ متر → سطح مقطع = ۳۳ / ۲.۵ ≈ ۱۳.۲ m².

• قطر فیلتر: (۱۳.۲ × ۴ / π)√ ≈ ۴.۱ متر.

تجهیزات:

• فیلتر FRP با قطر ۴ متر و ارتفاع ۳ متر.

• سیستم شستشوی معکوس با شدت ۱۰ L/m²/s.

۸. پیشرفت‌های نوین

• نانوکربن فعال: افزایش سطح ویژه تا ۳۰۰۰ m²/g با استفاده از نانولوله‌های کربنی.

• کربن فعال بارگذاری‌شده: ترکیب با نانوذرات فلزی (مثل نقره) برای گندزدایی همزمان.

• سیستم‌های هیبریدی: ترکیب GAC با ازون یا UV برای افزایش راندمان.

۹. نتیجه‌گیری

سیستم‌های کربن فعال به دلیل انعطاف‌پذیری و راندمان بالا، گزینه‌ای کلیدی در تصفیه آب هستند. طراحی دقیق بر اساس پارامترهای آلاینده، دبی، و ویژگی‌های کربن، همراه با مدیریت بهینه احیا و تعویض، تضمین‌کننده عملکرد مؤثر سیستم است. استفاده از فناوری‌های نوین مانند نانوکربن می‌تواند هزینه‌ها را کاهش و کارایی را افزایش دهد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

روش‌های سنتی و نوین حذف رنگ در تصفیه آب:

۱. اهمیت حذف رنگ از آب

رنگ در آب معمولاً ناشی از ترکیبات آلی (مانند هیومیک اسید، فولویک اسید) یا آلاینده‌های صنعتی (رنگ‌های نساجی، پساب کاغذسازی) است. این ترکیبات نه تنها ظاهر آب را نامطلوب می‌کنند، بلکه ممکن است سمی یا سرطان‌زا باشند.

• استانداردها: آب شرب باید فاقد رنگ قابل تشخیص باشد (معمولاً بر اساس مقیاس Pt-Co ≤ ۱۵ واحد).

۲. روش‌های سنتی حذف رنگ

الف. انعقاد و لخته‌سازی (Coagulation/Flocculation)

• مواد منعقدکننده:

  • آلوم (سولفات آلومینیوم): رایج برای حذف رنگ‌های طبیعی (دوز: ۲۰–۱۰۰ mg/L).

  • کلرید فریک: مؤثر در pH پایین (۴–۶) برای رنگ‌های صنعتی.

• مکانیسم: خنثی‌سازی بار ذرات رنگی و تشکیل لخته‌های سنگین.

• طراحی:

  • مخزن اختلاط سریع: زمان ماند ۳۰–۶۰ ثانیه، گرادیان سرعت (G) ≈ ۳۰۰–۱۰۰۰ s⁻¹.

  • ته نشینی: سرعت سرریز ۰.۵–۱.۵ m/h.

ب. جذب سطحی با کربن فعال (Activated Carbon)

• انواع:

  • کربن فعال پودری (PAC): دوز ۱۰–۵۰ mg/L (برای رنگ‌های موقت).

  • کربن فعال گرانولی (GAC): در فیلترها با سرعت ۵–۱۵ m/h.

• مزایا: جذب طیف وسیعی از ترکیبات آلی.

• معایب: هزینه بالای تعویض کربن اشباع‌شده.

ج. اکسیداسیون شیمیایی

• کلرزنی:

  • واکنش: اکسیداسیون رنگ‌ها، اما ممکن است ترکیبات جانبی سرطان‌زا (THMs) تشکیل دهد.

• پرمنگنات پتاسیم (KMnO₄): مناسب برای رنگ‌های فنولی (دوز: ۲–۱۰ mg/L).

۳. روش‌های نوین حذف رنگ

الف. اکسیداسیون پیشرفته (AOPs)

• ترکیبات:

  • ازون (O₃): اکسیداسیون مستقیم ترکیبات رنگی (دوز: ۱–۵ mg/L).

  • UV/پراکسید هیدروژن (H₂O₂): تولید رادیکال‌های OH· برای تخریب رنگ.

• پارامترها:

  • انرژی UV: ۴۰–۱۰۰ mJ/cm².

  • زمان تماس: ۱۰–۳۰ دقیقه.

ب. فیلتراسیون غشایی (Membrane Filtration)

• انواع:

  • اولترافیلتراسیون (UF): حذف ذرات > ۰.۰۱ μm.

  • نانوفیلتراسیون (NF): حذف ترکیبات با وزن مولکولی ۲۰۰–۱۰۰۰ دالتون.

• شار غشایی: ۱۰–۳۰ LMH (لیتر بر متر مربع در ساعت).

ج. بیوفیلتراسیون (Biofiltration)

• مکانیسم: تجزیه ترکیبات رنگی توسط میکروارگانیسم‌ها (مانند Phanerochaete chrysosporium).

• رسانه: شن، کربن فعال، یا پکینگ پلیمری.

• پارامترها:

  • زمان ماند: ۶–۱۲ ساعت.

  • pH: ۶.۵–۷.۵.

د. فوتوکاتالیست‌های نانویی (TiO₂/UV)

• مکانیسم: تخریب رنگ تحت تابش UV با استفاده از نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم.

• کاربرد: سیستم‌های نقطه مصرف (Point-of-Use).

۴. محاسبات کلیدی

الف. محاسبه دوز منعقدکننده

• آزمون جارتست (Jar Test): تعیین دوز بهینه بر اساس حذف رنگ و کدورت.

• فرمول:

  دوز (kg/day) = (غلظت رنگ (mg/L) × دبی (m³/day)) / راندمان (%)  

ب. انرژی مورد نیاز سیستم UV/H₂O₂

• فرمول:

  انرژی (kWh/m³) = (توان لامپ (W) × تعداد لامپ‌ها × زمان تابش (h)) / دبی (m³/h)  

ج. سطح غشا در نانوفیلتراسیون

• فرمول:

  سطح (m²) = دبی (m³/day) / (شار غشایی (LMH) × ۲۴)  

۵. طراحی سیستم‌ها

الف. سیستم انعقاد + کربن فعال

• اجزا:

  • مخزن اختلاط سریع با میکسر مکانیکی.

  • فیلترهای GAC با لایه ۱–۲ متری.

• مصالح: فایبرگلاس یا استیل ضدزنگ.

ب. سیستم AOPs

• تجهیزات:

  • ژنراتور ازون با ظرفیت ۱۰–۵۰ گرم/ساعت.

  • محفظه UV با لامپ‌های فشار متوسط.

ج. سیستم بیوفیلتر

• طراحی:

  • راکتور با بستر متخلخل و سیستم هوادهی.

  • پایش مداوم DO و دما.

۶. مقایسه روش‌ها

روش مزایا معایب هزینه

انعقادهزینه پایین، سادگی اجرا تولید لجن زیاد کم

کربن فعال مؤثر برای طیف وسیعی از رنگ‌ها نیاز به تعویض دوره‌ای متوسط

AOPs حذف کامل آلاینده‌ها هزینه بالای انرژی بالا

نانوفیلتراسیون عدم نیاز به مواد شیمیایی هزینه نگهداری بالا بالا

۷. اجرا و چالش‌ها

• تولید لجن: در روش‌های شیمیایی، مدیریت لجن حاوی رنگ‌های رسوب‌کرده ضروری است.

• گرفتگی غشا: در فیلتراسیون غشایی، شستشوی معکوس دوره‌ای مورد نیاز است.

• کنترل pH: در اکسیداسیون پیشرفته، pH باید بین ۶–۸ حفظ شود.

۸. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب: ۱۰۰ m³/day

• غلظت رنگ: ۵۰ واحد Pt-Co (ناشی از هیومیک اسید).

• روش انتخابی: ترکیب انعقاد با آلوم + کربن فعال گرانولی (GAC).

محاسبات:

• دوز آلوم: ۳۰ mg/L (بر اساس جارتست) → مصرف روزانه = ۳ kg/day.

• فیلتر GAC:

  • سرعت فیلتراسیون ۱۰ m/h → سطح = ۱۰۰/۲۴/۱۰ ≈ ۰.۴۲ m².

  • قطر فیلتر: ≈ ۰.۷ متر.

تجهیزات:

• مخزن ۵۰۰ لیتری آلوم با پمپ دوزینگ.

• فیلتر GAC با لایه ۱.۵ متری کربن.

۹. نتیجه‌گیری

انتخاب روش حذف رنگ به عواملی مانند نوع رنگ، غلظت اولیه، و هزینه عملیاتی بستگی دارد. روش‌های سنتی مانند انعقاد و کربن فعال برای سیستم‌های کوچک و متوسط مناسب هستند، در حالی که فناوری‌های نوین مانند AOPs و نانوفیلتراسیون برای آلاینده‌های پیچیده یا نیاز به کیفیت بالا پیشنهاد می‌شوند. ترکیب روش‌ها (مانند انعقاد + UV/H₂O₂) می‌تواند راندمان را افزایش داده و هزینه‌ها را بهینه کند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

روش‌های سنتی و نوین حذف بو و طعم در تصفیه آب:

۱. اهمیت حذف بو و طعم

بو و طعم نامطبوع در آب معمولاً ناشی از ترکیبات آلی (مانند جلبک‌ها، فنول‌ها)، مواد معدنی (سولفید هیدروژن، آهن)، یا محصولات جانبی فرآیندهای تصفیه (مثل کلروفرم) است. این مشکلات نه تنها کیفیت آب را کاهش می‌دهند، بلکه ممکن است نشانگر وجود آلاینده‌های خطرناک باشند.

• استانداردها: آب شرب باید فاقد بو و طعم قابل تشخیص در دمای ۲۵°C باشد.

۲. روش‌های سنتی حذف بو و طعم

الف. هوادهی (Aeration)

• مکانیسم: حذف ترکیبات فرار (مثل H₂S) با انتقال آن‌ها به فاز گازی.

• طراحی:

  • برج‌های پکینگ: افزایش سطح تماس هوا-آب با استفاده از پکینگ پلاستیکی یا سرامیکی.

  • آب‌فشان‌ها (Cascades): ایجاد آبشار برای اکسیژن‌دهی و حذف گازها.

• پارامترها:

  • زمان تماس: ۱۰–۳۰ دقیقه.

  • نسبت هوا به آب: ۵:۱ تا ۲۰:۱.

ب. جذب سطحی با کربن فعال (Activated Carbon)

• مکانیسم: جذب ترکیبات آلی و فنولی روی سطح کربن.

• انواع کربن: پودری (PAC) یا گرانولی (GAC).

• پارامترهای طراحی:

  • دوز کربن پودری: ۵–۵۰ mg/L (بسته به شدت آلودگی).

  • سرعت فیلتراسیون GAC: ۵–۱۵ m³/h/m².

ج. اکسیداسیون شیمیایی

• کلرزنی (Cl₂):

  • محدودیت: تشکیل ترکیبات جانبی (THMs) با بو و طعم نامطبوع.

• ازون (O₃):

  • مزایا: اکسیداسیون قوی و حذف ترکیبات آلی.

  • دوز: ۱–۳ mg/L.

۳. روش‌های نوین حذف بو و طعم

الف. اکسیداسیون پیشرفته (AOPs)

• ترکیبات:

  • UV/پراکسید هیدروژن (H₂O₂): تولید رادیکال‌های OH· برای تخریب ترکیبات آلی.

  • ازون/UV: افزایش راندمان اکسیداسیون.

• پارامترها:

  • انرژی UV: ۴۰–۱۰۰ mJ/cm².

  • دوز H₂O₂: ۲–۱۰ mg/L.

ب. فیلتراسیون غشایی (Membrane Filtration)

• انواع:

  • نانوفیلتراسیون (NF) و اسمز معکوس (RO): حذف ترکیبات با وزن مولکولی پایین.

• شار غشایی: ۱۰–۳۰ LMH (لیتر بر متر مربع در ساعت).

ج. بیوفیلتراسیون (Biofiltration)

• مکانیسم: استفاده از میکروارگانیسم‌ها برای تجزیه ترکیبات آلی.

• رسانه: شن، کربن فعال، یا پکینگ پلیمری.

• پارامترها:

  • زمان ماند: ۱–۴ ساعت.

  • pH بهینه: ۶.۵–۸.

د. فوتوکاتالیست‌ها (نانو TiO₂)

• مکانیسم: تخریب ترکیبات آلی تحت تابش UV با استفاده از نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم.

• کاربرد: سیستم‌های نقطه مصرف (Point-of-Use).

۴. محاسبات کلیدی

الف. محاسبه دوز کربن فعال (PAC)

• فرمول:

  دوز (kg/day) = (غلظت ترکیب هدف (mg/L) × دبی (m³/day)) / راندمان جذب (٪)  

  • مثال: حذف ۲ mg/L ترکیب آلی با دبی ۱۰۰ m³/day و راندمان ۹۰٪ → دوز ≈ ۲۲۲ kg/day.

ب. انرژی مورد نیاز سیستم UV/H₂O₂

• فرمول:

  انرژی (kWh/m³) = (توان لامپ (W) × تعداد لامپ‌ها × زمان تابش (h)) / دبی (m³/h)  

ج. سطح مورد نیاز فیلتر GAC

• فرمول:

  سطح (m²) = دبی (m³/h) / سرعت فیلتراسیون (m/h)  

۵. طراحی سیستم‌ها

الف. سیستم کربن فعال

• اجزا:

  • مخزن تماس برای PAC یا بستر GAC.

  • سیستم شستشوی معکوس برای احیای کربن.

• مصالح: استیل ضدزنگ یا فایبرگلاس.

ب. سیستم AOPs

• تجهیزات:

  • لامپ‌های UV-C در محفظه کوارتز.

  • تزریق خودکار H₂O₂ یا ازون.

ج. سیستم بیوفیلتر

• طراحی:

  • راکتور با بستر متخلخل و سیستم هوادهی.

  • پایش مداوم DO و pH.

۶. مقایسه روش‌ها

روش مزایا معایب هزینه

کربن فعال مؤثر برای طیف وسیع ترکیبات نیاز به تعویض دوره‌ای متوسط

AOPs حذف کامل آلاینده‌ها هزینه بالای انرژی بالا

بیوفیلتر سازگار با محیط زیست زمان راه‌اندازی طولانی متوسط

نانوفیلتراسیون عدم نیاز به مواد شیمیایی هزینه نگهداری بالا بالا

۷. اجرا و چالش‌ها

• کربن فعال: مدیریت اشباع‌شدگی و دفع کربن مصرفی.

• AOPs: کنترل دقیق دوز مواد شیمیایی و انرژی.

• بیوفیلتر: حفظ شرایط بهینه برای رشد میکروارگانیسم‌ها.

• تغییرات فصلی: افزایش رشد جلبک‌ها در تابستان نیاز به تنظیم دوز اکسیدان‌ها دارد.

۸. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب: ۲۰۰ m³/day

• مشکل: بوی گل‌مانند ناشی از جلبک‌ها (ترکیبات ژئوسمین و MIB).

• روش انتخابی: ترکیب اکسیداسیون با ازون + فیلتر GAC.

محاسبات:

• دوز ازون: ۲ mg/L → مصرف روزانه = ۰.۴ kg/day.

• فیلتر GAC:

  • سرعت فیلتراسیون ۱۰ m/h → سطح = ۲۰۰/۲۴/۱۰ ≈ ۰.۸۳ m².

  • قطر فیلتر: ≈ ۱ متر.

تجهیزات:

• ژنراتور ازون با ظرفیت ۵۰۰ گرم/ساعت.

• فیلتر GAC با لایه ۱.۵ متری کربن گرانولی.

۹. نتیجه‌گیری

انتخاب روش حذف بو و طعم به عواملی مانند منشأ آلاینده، مقیاس سیستم، و هزینه بستگی دارد. روش‌های سنتی مانند کربن فعال و هوادهی برای سیستم‌های کوچک مناسب هستند، در حالی که فناوری‌های نوین مانند AOPs و نانوفیلتراسیون برای آلاینده‌های پیچیده یا نیاز به کیفیت بالا پیشنهاد می‌شوند. ترکیب روش‌ها (مانند ازون + کربن فعال) می‌تواند راندمان را افزایش داده و هزینه‌ها را بهینه کند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

روش‌های سنتی و نوین حذف آهن و منگنز در تصفیه آب و فاضلاب:

۱. اهمیت حذف آهن و منگنز

آهن (Fe) و منگنز (Mn) از جمله فلزات محلول در آب هستند که باعث ایجاد مشکلاتی مانند لکه‌دار کردن سطوح، طعم و بوی نامطبوع، و رسوب‌گیری در لوله‌ها می‌شوند.

• استانداردهای مجاز:

  • آهن: ≤ ۰.۳ mg/L (WHO/EPA).

  • منگنز: ≤ ۰.۰۵ mg/L.

۲. روش‌های سنتی حذف آهن و منگنز

الف. هوادهی و اکسیداسیون

• مکانیسم: تبدیل آهن و منگنز محلول (Fe²⁺, Mn²⁺) به اشکال نامحلول (Fe³⁺, Mn⁴⁺) با استفاده از اکسیژن.

• طراحی:

  • برج‌های هوادهی (Aeration Towers): استفاده از پکینگ برای افزایش سطح تماس هوا-آب.

  • آب‌فشان‌ها (Cascades): ایجاد آبشار برای افزایش اکسیژن‌دهی.

• فرمول اکسیداسیون:

  ۴Fe²⁺ + ۳O₂ + ۶H₂O → ۴Fe(OH)₃↓ (زرد-قرمز)  
  ۲Mn²⁺ + O₂ + ۲H₂O → ۲MnO₂↓ (سیاه)  

ب. فیلتراسیون با رسانه‌های اکسیدکننده

• رسانه‌ها:

  • گرین سند (Greensand): پوشش‌دهی با منگنز اکسید (MnO₂) برای کاتالیز اکسیداسیون.

  • BIRM (Batalytic Iron Removal Media): ترکیب سیلیس و اکسید آهن.

• پارامترهای طراحی:

  • سرعت فیلتراسیون: ۵–۱۵ m³/h/m².

  • شستشوی معکوس: با آب یا هوا برای احیای رسانه.

ج. اکسیداسیون شیمیایی

• مواد شیمیایی:

  • کلر (Cl₂): اکسیداسیون سریع آهن و منگنز.

    • دوز: ۰.۶–۱.۲ mg Cl₂ به ازای هر mg آهن/منگنز.

  • پرمنگنات پتاسیم (KMnO₄): مؤثر برای منگنز.

    • واکنش:

      ۳Mn²⁺ + ۲KMnO₄ + ۲H₂O → ۵MnO₂↓ + ۲K⁺ + ۴H⁺  

۳. روش‌های نوین حذف آهن و منگنز

الف. فیلتراسیون غشایی (نانوفیلتراسیون/اسمز معکوس)

• مکانیسم: حذف یون‌ها با استفاده از غشاهای نیمه‌تراوا.

• پارامترها:

  • شار غشا: ۱۰–۳۰ LMH (لیتر بر متر مربع در ساعت).

  • راندمان: > ۹۵% برای آهن و منگنز.

ب. تصفیه بیولوژیکی

• مکانیسم: استفاده از باکتری‌های اکسیدکننده (مثل Gallionella برای آهن و Leptothrix برای منگنز).

• طراحی:

  • بیوراکتورهای هوازی: زمان ماند ۴–۸ ساعت، DO ≥ ۲ mg/L.

  • فیلترهای بیولوژیکی: استفاده از شن یا زغال به عنوان بستر رشد باکتری.

ج. اکسیداسیون پیشرفته (AOPs)

• ترکیبات: UV/پراکسید هیدروژن (H₂O₂) یا ازون (O₃).

• مکانیسم: تولید رادیکال‌های OH· برای اکسیداسیون سریع.

د. رزین‌های تبادل یونی

• مکانیسم: جایگزینی یون‌های آهن و منگنز با یون‌های بی‌ضرر (مانند Na⁺).

• محدودیت: مناسب برای غلظت‌های پایین (Fe < ۵ mg/L).

۴. محاسبات کلیدی

الف. محاسبه دوز کلر

• فرمول:

  دوز کلر (mg/L) = (غلظت آهن + غلظت منگنز) × ۱.۵  

  • مثال: آهن = ۲ mg/L، منگنز = ۱ mg/L → دوز = ۴.۵ mg/L.

ب. محاسبه سطح فیلتر گرین سند

• فرمول:

  سطح (m²) = دبی (m³/h) / سرعت فیلتراسیون (m/h)  

  • مثال: دبی ۱۰ m³/h، سرعت ۱۰ m/h → سطح = ۱ m².

ج. انرژی مورد نیاز AOPs

• فرمول:

  انرژی (kWh/m³) = (توان دستگاه (W) × زمان تماس (h)) / دبی (m³/h)  

۵. طراحی سیستم‌ها

الف. سیستم هوادهی + فیلتراسیون

• اجزا:

  • هوادهی: برج پکینگ با دمنده هوا.

  • فیلتر: لایه‌های شن و گرین سند.

• مصالح: فایبرگلاس (FRP) برای مقاومت در برابر خوردگی.

ب. سیستم بیولوژیکی

• پارامترها:

  • بار آلی: ۰.۱–۰.۳ kg Fe/m³/day.

  • کنترل pH: ۶.۵–۷.۵ برای رشد بهینه باکتری.

ج. سیستم نانو فیلتراسیون

• تجهیزات:

  • پمپ فشار بالا (۸–۲۰ bar).

  • غشاهای پلی آمیدی یا سلولزی.

۶. مقایسه روش‌ها

روش مزایا معایب هزینه

هوادهی بدون مواد شیمیایی نیاز به فیلتراسیون تکمیلی کم

گرین سند مناسب برای غلظت‌های بالا نیاز به احیای دوره‌ای با KMnO₄ متوسط

بیوفیلتر سازگار با محیط زیست زمان راه‌اندازی طولانی متوسط

نانوفیلتراسیون حذف کامل یون‌ها هزینه بالای انرژی و نگهداری بالا

۷. اجرا و چالش‌ها

• رسوب‌گیری: نیاز به شستشوی معکوس دوره‌ای در فیلترها.

• مدیریت لجن: لجن اکسید آهن/منگنز نیاز به خشک‌کردن و دفع ایمن دارد.

• تغییرات کیفیت آب: پایش مداوم pH و غلظت آهن/منگنز.

۸. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب: ۵۰ m³/day

• غلظت آهن: ۵ mg/L، منگنز: ۱ mg/L

• روش انتخابی: هوادهی + فیلتر گرین سند.

محاسبات:

• هوادهی: زمان تماس ۳۰ دقیقه → حجم مخزن = ۵۰ m³/day / ۲۴ ≈ ۲.۱ m³.

• فیلتر گرین سند:

  • سرعت فیلتراسیون ۱۰ m/h → سطح = ۵۰/۲۴/۱۰ ≈ ۰.۲۱ m².

  • قطر فیلتر: (۰.۲۱ × ۴/π)√ ≈ ۰.۵ متر.

تجهیزات:

• برج هوادهی با پکینگ پلی پروپیلن.

• فیلتر گرین سند با سیستم شستشوی معکوس خودکار.

۹. نتیجه‌گیری

انتخاب روش حذف آهن و منگنز به عواملی مانند غلظت اولیه، هزینه، و پایداری محیطی بستگی دارد. روش‌های سنتی مانند هوادهی و گرین سند برای سیستم‌های کوچک و متوسط مناسب هستند، در حالی که فناوری‌های نوین مانند نانو فیلتراسیون و AOPs برای آب‌های با غلظت بسیار بالا یا نیاز به کیفیت ممتاز پیشنهاد می‌شوند. ترکیب روش‌ها (مثل هوادهی + بیوفیلتر) می‌تواند راندمان را بهینه کند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب