حذف کدورت در تصفیه آب و فاضلاب
روشهای سنتی و نوین حذف کدورت در تصفیه آب و فاضلاب:
۱. کدورت و اهمیت حذف آن
کدورت ناشی از ذرات معلق مانند رس، سیلت، مواد آلی و میکروارگانیسمهاست که بر کیفیت آب و کارایی فرآیندهای تصفیه (مانند گندزدایی) تأثیر منفی میگذارد.
استانداردهای مجاز: کدورت آب شرب معمولاً باید ≤ ۱ NTU باشد.
۲. روشهای سنتی حذف کدورت
الف. انعقاد و لختهسازی (Coagulation/Flocculation)
مواد منعقدکننده:
آلوم (سولفات آلومینیوم): رایج، دوز ۱۰–۱۰۰ mg/L.
کلرید فریک: مناسب برای آبهای سرد، دوز ۵–۵۰ mg/L.
مکانیسم: خنثیسازی بار سطحی ذرات و تشکیل لختههای سنگین.
طراحی:
مخزن اختلاط سریع: زمان ماند ۳۰–۶۰ ثانیه، گرادیان سرعت (G) ≈ ۳۰۰–۱۰۰۰ ثانیه⁻¹.
مخزن لختهسازی: زمان ماند ۲۰–۴۰ دقیقه، G ≈ ۲۰–۸۰ ثانیه⁻¹.
ب. تهنشینی (Sedimentation)
انواع:
تهنشینی ساده (مخازن مستطیلی یا دایرهای).
تهنشینی با لولههای شیبدار (Tube Settlers).
پارامترهای طراحی:
سرعت سرریز (Overflow Rate): ۰.۵–۳ m³/m²/h (بسته به ذرات).
زمان ماند: ۲–۴ ساعت.
ج. فیلتراسیون (Filtration)
انواع فیلترها:
شن سریع: سرعت ۵–۱۵ m/h، ضخامت لایه ۰.۶–۱ m.
شن کند: سرعت ۰.۱–۰.۴ m/h.
مواد فیلتر: شن، آنتراسیت، کربن فعال.
۳. روشهای نوین حذف کدورت
الف. فیلتراسیون غشایی (Membrane Filtration)
انواع:
میکروفیلتراسیون (MF): حذف ذرات > ۰.۱ μm.
اولترافیلتراسیون (UF): حذف ذرات > ۰.۰۱ μm.
مزایا: راندمان بالا (> ۹۹٪)، نیاز به فضای کمتر.
چالشها: گرفتگی غشا (Fouling)، هزینه بالای تعمیرات.
ب. شناورسازی با هوای محلول (DAF)
مکانیسم: تزریق حبابهای ریز هوا برای شناورسازی ذرات.
کاربرد: آبهای با کدورت بسیار بالا یا جلبکها.
پارامترهای طراحی:
فشار تزریق هوا: ۴–۶ bar.
زمان تماس: ۱۰–۳۰ دقیقه.
ج. الکتروکوآگولاسیون (Electrocoagulation)
مکانیسم: استفاده از جریان الکتریکی برای تولید یونهای فلزی (آلومینیوم/آهن) و تشکیل لخته.
مزایا: کاهش مصرف مواد شیمیایی، حذف همزمان فلزات سنگین.
۴. محاسبات کلیدی
الف. محاسبه دوز منعقدکننده
آزمون جارتست (Jar Test):
انتخاب دوز بهینه بر اساس کدورت باقیمانده.
فرمول:
دوز (kg/day) = (دوز بهینه (mg/L) × دبی (m³/day)) / ۱۰۰۰
مثال: دبی ۱۰۰۰ m³/day و دوز آلوم ۳۰ mg/L → ۳۰ kg/day.
ب. طراحی مخزن ته نشینی
مساحت سطحی:
A (m²) = دبی (m³/h) / سرعت سرریز (m/h)
مثال: دبی ۵۰ m³/h و سرعت سرریز ۱ m/h → A = ۵۰ m².
ج. شار غشایی در فیلتراسیون
فرمول:
شار (LMH) = دبی (L/h) / سطح غشا (m²)
محدوده معمول: ۵۰–۱۵۰ LMH برای UF.
۵. طراحی سیستمها
الف. سیستم انعقاد-ته نشینی
اجزا:
مخزن اختلاط سریع با میکسر مکانیکی.
مخزن ته نشینی با شیب ۱–۲٪ برای جمعآوری لجن.
مصالح: بتن با پوشش اپوکسی یا فایبرگلاس.
ب. سیستم DAF
تجهیزات:
تانک فشار برای اشباع هوا.
مخزن شناورسازی با اسکیمر برای جمعآوری لجن.
ج. سیستم الکتروکوآگولاسیون
اجزا:
سلول الکترولیتی با الکترودهای آلومینیوم/آهن.
منبع تغذیه DC (ولتاژ ۱۰–۵۰ ولت).
۶. مقایسه روشهای سنتی و نوین
روش مزایا معایب هزینه
انعقاد-ته نشینی هزینه پایین، سادگی اجرا نیاز به فضای زیاد کم
فیلتراسیون غشایی راندمان بالا، فضای کم هزینه بالای نگهداری بالا
DAF مناسب برای کدورت بالا مصرف انرژی بالا متوسط
الکتروکوآگولاسیون کاهش مواد شیمیایی نیاز به برق پیوسته متوسط-بالا
۷. اجرا و چالشها
روشهای سنتی:
چالش: مدیریت لجن و تغییرات کیفیت آب خام.
اجرا: نیاز به پایش مداوم pH و دوز منعقدکننده.
روشهای نوین:
چالش: هزینه اولیه بالا و نیاز به نیروی متخصص.
اجرا: یکپارچهسازی با سیستمهای هوشمند کنترل.
۸. مثال طراحی
شرایط:
دبی: ۵۰۰ m³/day
کدورت ورودی: ۵۰ NTU → هدف: ≤ ۱ NTU
روش انتخابی: انعقاد با آلوم + فیلتر شن سریع.
محاسبات:
دوز آلوم: ۳۰ mg/L (بر اساس جارتست) → مصرف روزانه: ۱۵ kg/day.
مخزن ته نشینی:
سرعت سرریز: ۱ m/h → سطح مقطع: ۵۰۰/۲۴ ≈ ۲۰.۸ m².
فیلتر شن:
تعداد فیلترها: ۲ واحد با قطر ۳ متر (مساحت هر فیلتر: ۷ m²).
سرعت فیلتراسیون: ۵ m/h.
تجهیزات:
مخزن ۱۰۰۰ لیتری آلوم با پمپ دوزینگ.
فیلترهای شن با لایههای شن و ذغال آنتراسیت.
۹. نتیجهگیری
انتخاب روش حذف کدورت به عواملی مانند هزینه، راندمان، و ویژگیهای آب خام بستگی دارد. روشهای سنتی مانند انعقاد-تهنشینی برای سیستمهای بزرگ مقرونبهصرفه هستند، در حالی که فناوریهای نوین مانند فیلتراسیون غشایی برای آبهای با کدورت پایین و نیاز به کیفیت بالا مناسباند. ترکیب روشها (مثل DAF + فیلتراسیون) میتواند بازدهی را افزایش دهد.
حذف جلبک در تصفیه آب و فاضلاب
روشهای سنتی و نوین حذف جلبک در تصفیه آب و فاضلاب: طراحی، محاسبات و اجرا
۱. مقدمه
جلبکها به دلیل رشد سریع در حضور نور، مواد مغذی (نیتروژن و فسفر)، و آب گرم، چالش بزرگی در سیستمهای تصفیه آب و فاضلاب ایجاد میکنند. حذف آنها برای جلوگیری از گرفتگی فیلترها، کاهش کیفیت آب، و تولید ترکیبات سمی (مثل مایکروسیستین) ضروری است.
۲. روشهای سنتی حذف جلبک
الف. روشهای شیمیایی
۱. سولفات مس (CuSO₄):
مکانیسم: مختل کردن فتوسنتز و نابودی سلولهای جلبک.
دوز مصرف: ۰.۲–۰.۵ mg/L (بسته به گونه جلبک).
محدودیت: سمیت برای آبزیان و تجمع مس در محیط.
۲. کلرزنی:
مکانیسم: اکسیداسیون دیواره سلولی جلبک.
دوز مصرف: ۱–۵ mg/L (بسته به کدورت آب).
محدودیت: تشکیل ترکیبات جانبی سرطانزا (THMs).
۳. آلوم (سولفات آلومینیوم):
مکانیسم: لختهسازی و حذف جلبکها همراه با ذرات معلق.
دوز مصرف: ۱۰–۵۰ mg/L.
ب. روشهای فیزیکی
۱. فیلتراسیون (شن، کربن فعال):
کاربرد: حذف جلبکهای معلق.
طراحی: استفاده از فیلترهای چندلایه با سرعت جریان ۵–۱۵ m/h.
۲. هوادهی:
مکانیسم: کاهش مواد مغذی (فسفر) با اکسیداسیون.
اجرا: هوادهی عمقی با دیفیوزرهای حباب ریز.
۳. روشهای نوین حذف جلبک
الف. فناوریهای پیشرفته اکسیداسیون
۱. ازونزنی (O₃):
مکانیسم: تخریب دیواره سلولی جلبک با رادیکالهای آزاد.
دوز مصرف: ۱–۳ mg/L.
مزایا: عدم تشکیل لجن و حذف همزمان ترکیبات آلی.
۲. اولتراسونیک (Ultrasonic Treatment):
مکانیسم: ایجاد حفرههای ریز (Cavitation) برای تخریب سلولها.
انرژی مورد نیاز: ۲۰–۵۰ W/L به مدت ۱۰–۳۰ دقیقه.
ب. روشهای بیولوژیکی
۱. زیستکنترل (Bio-control):
استفاده از موجودات رقیب: مانند دافنی (کک آبی) یا باکتریهای جلبکخوار.
محدودیت: نیاز به شرایط زیستمحیطی خاص.
۲. گیاهپالایی (Phytoremediation):
استفاده از گیاهان آبزی: مانند نی (Phragmites) برای جذب مواد مغذی.
ج. فناوری نانو
۱. نانوذرات اکسید فلزی (مثل TiO₂):
مکانیسم: تولید رادیکالهای آزاد تحت نور UV برای تخریب جلبک.
دوز مصرف: ۰.۱–۰.۵ g/L.
۲. نانوفیلترها:
کاربرد: حذف انتخابی جلبکها با اندازه منافذ ۱۰–۱۰۰ نانومتر.
۴. محاسبات کلیدی
الف. محاسبه دوز مواد شیمیایی
فرمول پایه:
دوز (mg/L) = (غلظت هدف × حجم آب) / خلوص ماده
مثال: برای حذف جلبک با سولفات مس (غلظت هدف ۰.۳ mg/L، حجم آب ۱۰۰۰ m³، خلوص ۹۸%):
دوز = (۰.۳ × ۱,۰۰۰,۰۰۰) / ۰.۹۸ ≈ ۳۰۶ mg/m³ ≈ ۰.۳۰۶ kg/day
ب. انرژی مورد نیاز اولتراسونیک
فرمول:
انرژی (kWh) = (توان دستگاه (W) × زمان (h)) / ۱۰۰۰
مثال: دستگاه ۵۰۰ W برای ۳۰ دقیقه:
انرژی = (۵۰۰ × ۰.۵) / ۱۰۰۰ = ۰.۲۵ kWh
۵. طراحی سیستمها
الف. سیستم شیمیایی
تجهیزات: مخازن ذخیره مواد شیمیایی، پمپهای دوزینگ، میکسرهای سریع.
اجرا: تزریق ماده شیمیایی در ابتدای فرآیند تصفیه (قبل از لختهسازی).
ب. سیستم اولتراسونیک
پارامترهای طراحی:
فرکانس امواج: ۲۰–۴۰ kHz (بهینه برای حفرهسازی).
تعداد مبدلها: بر اساس حجم آب و شدت آلودگی.
اجرا: نصب مبدلها در کانالهای ورودی یا مخازن ذخیره.
ج. سیستم نانوذرات
طراحی:
تزریق نانوذرات در مخزن واکنش با زمان ماند ۱–۲ ساعت.
استفاده از لامپ UV برای فعالسازی نانوذرات TiO₂.
۶. مقایسه روشهای سنتی و نوین
روش مزایا معایب
سولفات مس ارزان، سریع سمیت زیستمحیطی
کلرزنی باقیمانده گندزدا تشکیل THMs
ازونزنی عدم لجن، حذف ترکیبات آلی هزینه بالا
اولتراسونیک عدم نیاز به مواد شیمیایی مصرف انرژی بالا
نانوذرات راندمان بالا در دوز کم هزینه اولیه بالا
۷. اجرا و چالشها
روشهای سنتی:
چالش: مدیریت لجن و باقیمانده مواد شیمیایی.
اجرا: نیاز به پایش مداوم pH و دوز مواد.
روشهای نوین:
چالش: هزینه بالای تجهیزات و نیاز به نیروی متخصص.
اجرا: یکپارچهسازی با سیستمهای موجود (مثل ترکیب UV و نانوذرات).
۸. نمونه طراحی عملی
شرایط:
حجم آب: ۵۰۰ m³/day
روش انتخابی: ترکیبی از آلوم (۲۰ mg/L) و اولتراسونیک (۳۰ دقیقه با ۴۰ kHz).
محاسبات:
دوز آلوم: m³ ۵۰۰× ۲۰ mg/L = ۱۰ kg/day.
انرژی اولتراسونیک: W ۵۰۰ × ۰.۵ h = ۲۵۰ Wh/day.
تجهیزات:
مخزن ۲۰۰ لیتری آلوم با پمپ دوزینگ.
دستگاه اولتراسونیک با ۱۰ مبدل ۵۰ واتی.
۹. نتیجهگیری
انتخاب روش حذف جلبک به عواملی مانند هزینه، راندمان، و ملاحظات محیط زیستی بستگی دارد. روشهای سنتی مانند سولفات مس و کلرزنی به دلیل هزینه پایین هنوز پرکاربرد هستند، اما روشهای نوین مانند اولتراسونیک و نانوذرات با وجود هزینه اولیه بالا، سازگاری بیشتری با محیط زیست دارند. ترکیب روشها (مثل استفاده همزمان از آلوم و UV) میتواند بازدهی را افزایش دهد.
گندزدایی در تصفیه آب و فاضلاب
گندزدایی در تصفیه آب و فاضلاب: روشها، محاسبات
۱. اهمیت گندزدایی
حذف پاتوژنها: باکتریها، ویروسها، و انگلها (مانند اشرشیاکلی، کوکسیدیوم).
پیشگیری از بیماریها: وبا، حصبه، و اسهالهای عفونی.
مطابقت با استانداردها: رعایت حد مجاز باقیمانده مواد گندزدا (مثل کلر باقیمانده ≤ ۰.۲–۰.۵ mg/L).
۲. روشهای گندزدایی
الف. روشهای شیمیایی
۱. کلرزنی (Cl₂, NaOCl, Ca(OCl)₂):
مزایا: ارزان، باقیمانده مؤثر، گسترده در سیستمهای شهری.
معایب: تشکیل ترکیبات جانبی سرطانزا (THMs، HAAs).
فرمول واکنش:
Cl₂ + H₂O → HOCl + HCl HOCl → H⁺ + OCl⁻ (گندزدایی مؤثر در pH < ۸)
۲. ازون (O₃):
مزایا: قدرت اکسیداسیون بالا، عدم تشکیل باقیمانده شیمیایی.
معایب: هزینه بالا، نیمهعمر کوتاه (نیاز به تزریق در محل).
فرمول واکنش:
O₃ → O₂ + O· (رادیکال آزاد اکسیژن)
۳. کلرآمینها (NH₂Cl):
مزایا: کاهش تشکیل THMs، باقیمانده پایدار.
معایب: قدرت گندزدایی کمتر نسبت به کلر آزاد.
۴. دیاکسید کلر (ClO₂):
مزایا: عدم تشکیل THMs، مؤثر در حذف ویروسها.
معایب: خطر انفجار در غلظت بالا.
ب. روشهای فیزیکی
۱. پرتو فرابنفش (UV):
مکانیسم: آسیب به DNA پاتوژنها با طول موج ۲۵۴ نانومتر.
مزایا: عدم تشکیل ترکیبات جانبی، مناسب برای آبهای کم کدورت.
معایب: نیاز به آب شفاف، عدم باقیمانده گندزدا.
۲. گرمایش (پاستوریزاسیون):
کاربرد: سیستمهای کوچک یا روستایی.
۳. محاسبات کلیدی
الف. دوز گندزدا
فرمول پایه (CT Value):
CT = غلظت گندزدا (mg/L) × زمان تماس (دقیقه)
مثال: برای حذف ۹۹.۹% ویروسها با کلر (CT ≈ ۱۵ mg·min/L).
ب. محاسبه باقیمانده کلر
فرمول:
باقیمانده کلر = دوز تزریقشده – مصرفشده در واکنش با آلایندهها
ج. انرژی UV مورد نیاز
فرمول:
انرژی (mJ/cm²) = شدت تابش (μW/cm²) × زمان تماس (ثانیه)
حداقل انرژی برای گندزدایی: ۴۰ mJ/cm² (برای باکتریها).
۴. طراحی سیستمهای گندزدایی
الف. کلرزنی
مخزن تماس: زمان ماند ≥ ۳۰ دقیقه برای اطمینان از CT کافی.
تجهیزات:
سیستم تزریق گاز کلر (فشار پایین).
مخازن ذخیره هیپوکلریت سدیم.
ب. سیستم UV
پارامترهای طراحی:
شفافیت آب: NTU < ۱ برای عبور مؤثر پرتو.
تعداد لامپها: بر اساس دبی و انرژی مورد نیاز.
اجزای سیستم:
محفظه استیل ضدزنگ با لامپهای UV.
سیستم تمیزکننده خودکار (برای جلوگیری از رسوب).
ج. ازونزنی
ژنراتور ازون: تولید ازون با تخلیه الکتریکی یا تابش UV.
مخزن تماس: زمان تماس ≈ ۱۰–۲۰ دقیقه.
۵. مقایسه روشهای گندزدایی
روش مزایا معایب کاربرد
کلرزنی ارزان ، باقیمانده مؤثرتشکیل THMs، خطر سمیت شبکههای آب شهری
UV عدم ترکیبات جانبی نیاز به آب شفاف بیمارستانها، صنایع دارویی
ازون قدرت اکسیداسیون بالا هزینه بالا ، نیمهعمر کوتاه استخرهای شنا ، آب بطری
کلرآمینها کاهش THMs قدرت گندزدایی کمتر سیستمهای توزیع طولانی
۶. اجرا و چالشها
کلرزنی:
خطرات: نشت گاز کلر (نیاز به سیستمهای ایمنی).
مدیریت THMs: استفاده از کربن فعال یا اصلاح pH.
UV:
رسوب بر لامپها: نیاز به تمیزکاری دورهای.
ازون:
تولید در محل: نیاز به تجهیزات پیچیده.
۷. پیشرفتهای نوین
گندزدایی ترکیبی: استفاده همزمان از UV + کلر برای کاهش THMs.
فناوری پلاسما: تولید رادیکالهای آزاد برای گندزدایی سریع.
نانوفتوکاتالیستها: استفاده از TiO₂ تحت UV برای تخریب آلایندهها.
۸. مثال طراحی
شرایط:
دبی آب: ۵۰۰ m³/day
روش گندزدایی: کلرزنی با هیپوکلریت سدیم (غلظت ۱۰% کلر).
CT مورد نیاز: ۱۵ mg·min/L.
محاسبات:
زمان تماس: ۳۰ دقیقه → غلظت کلر = CT / زمان = ۱۵ / ۳۰ = ۰.۵ mg/L.
دوز هیپوکلریت سدیم: (۰.۵ mg/L) / (۰.۱) = ۵ mg/L.
مصرف روزانه: m³/day ۵۰۰ × ۵ mg/L = ۲.۵ kg/day.
تجهیزات:
مخزن ۱۰۰۰ لیتری هیپوکلریت سدیم.
پمپ دوزینگ با دقت ±۰.۱ mg/L.
۹. نتیجهگیری
انتخاب روش گندزدایی به عواملی مانند هزینه، کیفیت آب، و استانداردهای بهداشتی بستگی دارد. کلرزنی هنوز پرکاربردترین روش است، اما فناوریهایی مانند UV و ازون به دلیل ایمنی و کاهش ترکیبات جانبی در حال گسترش هستند. پایش مداوم باقیمانده گندزدا و تطابق با استانداردهای جهانی کلید موفقیت است.
زلالسازی در تصفیه آب و فاضلاب
زلالسازی در تصفیه آب و فاضلاب: مرور جامع
۱. تعریف و مکانیسمها
زلالسازی (Coagulation) فرآیندی شیمیایی-فیزیکی برای حذف ذرات کلوئیدی و معلق در آب با استفاده از مواد منعقدکننده است. مکانیسمهای اصلی عبارتند از:
خنثیسازی بار الکتریکی: کاهش دافعه بین ذرات.
لختهسازی جاروبی (Sweep Flocculation): تشکیل پوشش هیدروکسید فلزی که ذرات را جذب میکند.
۲. انواع مواد منعقدکننده
نمکهای معدنی:
سولفات آلومینیوم (آلوم)؛ رایج، مؤثر در pH ۶–۸.
کلرید فریک/سولفات فریک؛ مناسب برای حذف فسفر و رنگ.
پلیمرهای آلی: پلیآکریل آمید (کمک منعقدکننده).
منعقدکنندههای طبیعی: مانند مورینگا (پایدار و سازگار با محیط زیست).
۳. طراحی واحدهای زلالسازی
مخزن اختلاط سریع (Rapid Mix):
هدف: توزیع یکنواخت منعقدکننده.
پارامترها: زمان ماند (۱۰–۶۰ ثانیه)، گرادیان سرعت (G ≈ ۳۰۰–۱۰۰۰ ثانیه⁻¹).
مخزن لختهسازی (Flocculation):
هدف: تشکیل لختههای بزرگ.
پارامترها: زمان ماند (۲۰–۴۰ دقیقه)، G ≈ ۲۰–۸۰ ثانیه⁻¹.
۴. محاسبات کلیدی
دوز منعقدکننده: بر اساس آزمون جارتست (Jar Test) تعیین میشود (محدوده آلوم: ۵–۱۰۰ میلیگرم/لیتر).
اصلاح pH: استفاده از آهک یا سودا اش برای تنظیم pH بهینه (آلوم: pH ≈ ۶–۸، فریک: pH ≈ ۴–۹).
تولید لجن: محاسبه بر اساس دوز منعقدکننده و TSS آب خام.
۵. شباهتها و تفاوتهای آب و فاضلاب
شباهتها: استفاده از مواد منعقدکننده مشابه، هدف حذف ذرات.
تفاوتها:
فاضلاب: غلظت بالای مواد آلی، نیاز به دوز بالاتر یا ترکیب منعقدکننده-پلیمر.
آب شرب: حساسیت به باقیمانده فلزات (مثل آلومینیوم).
۶. انتخاب منعقدکننده
عوامل مؤثر:
کیفیت آب (کدورت، pH، مواد آلی).
هدف تصفیه (حذف فسفر، رنگ، فلزات سنگین).
هزینه و مدیریت لجن.
روش انتخاب: انجام آزمون جارتست برای تعیین دوز و ترکیب بهینه.
۷. کاربرد مواد منعقدکننده در حذف آلایندهها
منعقدکنندهکاربرد اصلی
آلوم کاهش کدورت، حذف پاتوژنها.
کلرید فریک حذف فسفر، رنگ، و فلزات سنگین.
پلیمرهای کاتیونی بهبود لختهسازی در فاضلابهای صنعتی.
مورینگا تصفیه پایدار در جوامع محلی.
۸. اجرا و مصالح ساخت
مصالح: بتن با پوشش اپوکسی، استیل ضدزنگ، یا پلیاتیلن.
تجهیزات: میکسرهای مکانیکی، سیستمهای دوزینگ خودکار (بر پایه pH/کدورت).
چالشها: خوردگی، تغییرات سریع کیفیت آب، مدیریت لجن.
۹. ملاحظات محیط زیستی
باقیمانده منعقدکننده: کنترل آلومینیوم در آب شرب.
لجن: دفن بهداشتی یا استفاده در کشاورزی (بسته به ترکیب شیمیایی).
۱۰. پیشرفتهای اخیر
منعقدکنندههای هوشمند: پاسخگو به تغییرات آنی کیفیت آب.
نانو مواد: افزایش راندمان در دوزهای پایین.
نتیجهگیری: انتخاب و طراحی سیستم زلالسازی نیازمند تحلیل دقیق کیفیت آب، هدف تصفیه، و هزینههای عملیاتی است. آزمونهای آزمایشگاهی و پایش مداوم کلید موفقیت هستند.
واحد لختهسازی در تصفیه آب و فاضلاب
واحد لختهسازی در تصفیه آب و فاضلاب: محاسبات، انواع، شیوه ساخت و اجرا، طراحی، شباهتها و تفاوتها
۱. هدف لختهسازی
لختهسازی (Coagulation & Flocculation) فرآیندی برای حذف ذرات ریز معلق، کلوئیدها، و مواد آلی با خنثیسازی بار سطحی آنها و تشکیل لختههای بزرگتر است. این فرآیند در مراحل اولیه تصفیه آب و فاضلاب انجام میشود.
۲. مواد منعقدکننده و کاربردها
ماده منعقدکننده فرمول شیمیایی میزان مصرف (mg/L) pH بهینه کاربرد اصلی
آلوم (سولفات آلومینیم)Al2(SO4)3Al2(SO4)3 ۱۰–۱۰۰ ۶–۸حذف کدورت، رنگ، و فسفر
کلروفریک (FeCl₃)FeCl3FeCl3 ۱۰–۱۵۰ ۴–۶حذف فلزات سنگین، فسفر، و رنگ
پلیآلومینیوم کلراید (PAC)۵–۵۰ ۶–۹ مناسب برای آبهای سرد و کمکدورت
پلیمرهای آلی (PAM)پلیآکریل آمید ۶–۸ ۰.۱–۵ بهبود لختهسازی به عنوان کمک منعقدکننده
۳. شیوه انتخاب منعقدکننده
آنالیز آب/فاضلاب: اندازهگیری کدورت، pH، TOC، و غلظت یونهای مزاحم (مانند سولفات).
آزمایش جارت (Jar Test):
تعیین دوز بهینه و pH مناسب برای هر ماده.
ارزیابی راندمان حذف و سرعت تشکیل لخته.
ملاحظات اقتصادی: هزینه مواد، حجم لجن تولیدی، و نیاز به تنظیم pH.
۴. محاسبات کلیدی
۱. دوز منعقدکننده:
دوز (mg/L)=غلظت آلاینده (mg/L)*راندمان انعقاد
مثال: برای حذف ۵۰ mg/L فسفر با راندمان ۹۰٪:
دوز FeCl₃=۵۰۰.۹≈۵۶ mg/L.دوز FeCl₃=۰.۹۵۰≈۵۶mg/L.
۲. مقدار لجن تولیدی:
لجن (kg/day)=Q*(دوز منعقدکننده TSS ورودی)*۱۰−۳
Q: دبی (m³/day).
۳. انرژی اختلاط (G Value):
G=P*μ*V
P: توان مصرفی (W)، μ: ویسکوزیته آب (Pa.s)، V: حجم مخزن (m³).
مقادیر پیشنهادی:
اختلاط سریع: G=۳۰۰–۱۰۰۰ s⁻¹، زمان ماند: ۳۰–۶۰ ثانیه.
لختهسازی: G=۲۰–۸۰ s⁻¹ ، زمان ماند: ۱۵–۴۰ دقیقه.
۵. انواع واحدهای لختهسازی
نوع واحد مکانیسم کاربرد مزایا معایب
مخزن اختلاط سریع همزن مکانیکی یا هیدرولیک تزریق مواد منعقدکننده کنترل دقیق انرژی اختلاط هزینه بالای نگهداری
لختهسازهای پلکانی جریان آب از روی پلهها تصفیه خانههای کوچک ساده و کمهزینه راندمان پایین در بارهای بالا
لختهسازهای لولهای ایجاد تلاطم در لولههای پیچان سیستمهای فشرده صرفهجویی در فضانیاز به فشار آب بالا
۶. طراحی و ساخت
۱. مخزن اختلاط سریع:
مواد ساخت: بتن مسلح با پوشش اپوکسی یا استن لس استیل.
همزن: پروانههای توربینی با سرعت ۱۰۰–۳۰۰ دور بر دقیقه.
سیستم تزریق: پمپهای دوزینگ با دقت ۱٪.
۲. لختهسازهای مکانیکی:
اجزا: پرههای چرخان، شفت عمودی، و موتور الکتریکی.
محاسبه توان موتور:
P=(G^2*μ*V)
۳. لختهسازهای هیدرولیک:
کانالهای با جریان آهسته: شیب ۰.۱–۰.۳٪ و سرعت ۰.۲–۰.۶ m/s.
بافلها (Baffles): ایجاد تلاطم کنترلشده.
۷. شباهتها و تفاوتها
معیار تصفیه آب تصفیه فاضلاب
هدف اصلی حذف کدورت و رنگ حذف مواد آلی و فسفر
مواد منعقدکننده رایج آلوم ، PAC کلروفریک، پلیمرها
pH عملیاتی۶–۸ ۴–۷ (بسته به نوع فاضلاب)
انرژی اختلاطG = ۳۰۰–۱۰۰۰ s⁻¹ G = ۵۰–۲۰۰ s⁻¹
لجن تولیدیکمحجم با رطوبت بالاپرحجم با مواد آلی بیشتر
۸. مثال کاربردی
طراحی واحد لختهسازی برای حذف فسفر از فاضلاب شهری:
دبی: ۵۰۰ m³/day.
غلظت فسفر ورودی: ۱۰ mg/L.
انتخاب ماده: کلروفریک با دوز ۴۰ mg/L.
مقدار لجن:
لجن=۵۰۰*(۴۰*۲۰۰)*۱۰−۳=۱۲۰ kg/day.مخزن اختلاط:
حجم: V=۵۰۰*۰.۰۱=۵ m.
توان همزن: P=۵۰^۲*۰.۰۰۱*۵=۱۲.۵W.
۹. ملاحظات زیستمحیطی
مدیریت لجن: خشککردن، کمپوست، یا دفن بهداشتی.
کاهش مصرف مواد: استفاده از سیستمهای بازیابی مواد منعقدکننده.
پایش مداوم: اندازهگیری pH، کدورت، و باقیمانده مواد شیمیایی.
۱۰. جدول مقایسه مواد منعقدکننده
ماده هزینه راندمان تولید لجن ملاحظات
آلوم پایین متوسط متوسط نیاز به تنظیم pH
کلروفریک متوسط بالا زیاد مناسب برای فاضلاب اسیدی
PAC بالا بالا کم عملکرد بهتر در آب سرد
پلیمرها بسیار بالا بسیار بالا بسیار کم نیاز به دوز دقیق
با انتخاب دقیق مواد منعقدکننده و طراحی بهینه واحد لختهسازی، میتوان راندمان تصفیه را افزایش و هزینههای عملیاتی را کاهش داد. آزمایش جارت و پایش مداوم پارامترهای کیفی آب/فاضلاب برای موفقیت این فرآیند ضروری است.
تصفیه شیمیایی فاضلاب
تصفیه شیمیایی فاضلاب، واحدها، روشها، محاسبات، ساخت و شیوه اجرا
۱. مقدمه
تصفیه شیمیایی فاضلاب با استفاده از واکنشهای شیمیایی برای حذف آلایندهها (مانند مواد آلی، فلزات سنگین، و عوامل بیماریزا) انجام میشود. این روشها معمولاً در ترکیب با فرآیندهای فیزیکی یا بیولوژیکی استفاده میشوند.
۲. انواع روشهای تصفیه شیمیایی
۲.۱. انعقاد و لختهسازی (Coagulation & Flocculation)
هدف: حذف ذرات ریز معلق و کلوئیدی.
مواد شیمیایی:
منعقدکنندهها (Coagulants): آلوم (Al₂(SO₄)₃)، کلروفریک (FeCl₃)، پلیآلومینیوم کلراید (PAC).
لختهسازها (Flocculants): پلیآکریل آمید (PAM).
واحدها:
مخزن اختلاط سریع (Rapid Mix Tank): تزریق منعقدکننده با سرعت بالا (G ≥ ۳۰۰ s⁻¹).
مخزن لختهسازی (Flocculation Basin): اختلاط آهسته (G = ۲۰–۸۰ s⁻¹) برای تشکیل لخته.
حوضچه تهنشینی (Clarifier): جداسازی لخته.
محاسبات:
دوز منعقدکننده: دوز (mg/L)=(mg/L)راندمان انعقاد/(غلظت آلاینده)
زمان ماند: ۱–۲ دقیقه در اختلاط سریع، ۱۵–۳۰ دقیقه در لختهسازی.
۲.۲. رسوبسازی شیمیایی (Chemical Precipitation)
هدف: حذف فلزات سنگین (مانند کروم، سرب، روی) و فسفر.
مواد شیمیایی:
آهک (Ca(OH)₂): برای رسوب فلزات به صورت هیدروکسید.
سولفید سدیم (Na₂S): برای تشکیل سولفیدهای فلزی.
واحدها:
مخزن تنظیم pH: افزودن آهک یا اسید برای رسیدن به pH بهینه (معمولاً ۸–۱۱).
مخزن رسوبسازی: تشکیل رسوب.
فیلتر پرس یا سانتریفیوژ: جداسازی رسوبات.
محاسبات:
مقدار آهک: دوز (kg)=راندمان/(غلظت فلز (mg/L)×Q×۰.۰۰۱)
pH مورد نیاز: بسته به نوع فلز (مثلاً pH ≈ ۹ برای رسوب آهن).
۲.۳. اکسیداسیون شیمیایی (Chemical Oxidation)
هدف: تجزیه مواد آلی سمی (مانند فنل، سیانید) و گندزدایی.
مواد شیمیایی:
کلر (Cl₂)، ازن (O₃)، پراکسید هیدروژن (H₂O₂)، پتاسیم پرمنگنات (KMnO₄).
فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته (AOPs): ترکیب ازن/UV، Fenton (H₂O₂ + Fe²⁺).
واحدها:
راکتور اکسیداسیون: تماس فاضلاب با اکسیدان.
سیستم تزریق گاز (برای ازن یا کلر).
محاسبات:
نیاز اکسیدان: دوز (mg/L)=راندمان/(غلظت آلاینده (mg/L)×ضریب استوکیومتری)
زمان تماس: ۱۵–۶۰ دقیقه بسته به نوع آلاینده.
۲.۴. تبادل یونی (Ion Exchange)
هدف: حذف یونهای فلزی (مانند کلسیم، منیزیم، نیترات).
مواد: رزینهای تبادل یونی (کاتیونی یا آنیونی).
واحدها:
ستون تبادل یونی: پر از رزین.
سیستم احیا: استفاده از اسید (HCl) یا نمک (NaCl) برای احیای رزین.
محاسبات:
ظرفیت رزین: (eq/L)=۱۰۰۰/(بار یونی (meq/g)×چگالی رزین (g/L)(eq/L))
زمان چرخه: (h)=(بار یونی ورودی (eq/h))/(ظرفیت رزین (eq/L)×حجم رزین (L)).
۲.۵. گندزدایی (Disinfection)
هدف: حذف پاتوژنها (باکتریها، ویروسها).
مواد شیمیایی:
کلر، دی اکسید کلر، ازن، UV.
واحدها:
مخزن تماس کلر: زمان تماس ۱۵–۳۰ دقیقه.
سیستم UV: لامپهای فرابنفش در کانال.
محاسبات:
CT Value: CT=غلظت (mg/L)×زمان تماس (min)
دوز UV: (mJ/cm²)=((s)سطح (cm²))/(انرژی لامپ (W)×زمان)
۳. ساخت و شیوه اجرا
۳.۱. مراحل ساخت واحدهای شیمیایی
۱. طراحی:
تعیین دوز مواد شیمیایی بر اساس آنالیز فاضلاب.
انتخاب جنس تجهیزات (فولاد ضدزنگ، PVC، بتن پوششدار).
۲. ساخت:نصب مخازن اختلاط، پمپهای تزریق، و سیستمهای کنترل.
ساخت راکتورهای مقاوم در برابر خوردگی (برای اسیدها یا بازها).
۳. راهاندازی:کالیبراسیون پمپهای تزریق و سنسورهای pH/ORP.
تست عملکرد با دوزهای پایین و افزایش تدریجی.
۳.۲. چالشهای اجرایی
خوردگی تجهیزات: استفاده از مواد مقاوم مانند Hastelloy یا تفلون.
مدیریت پسماندهای شیمیایی: جمعآوری و دفع لجنهای خطرناک مطابق استانداردهای EPA.
اتوماسیون: نصب سیستمهای کنترل پیالسی (PLC) برای تنظیم دوز.
۴. مثال کاربردی
تصفیه فاضلاب صنعتی حاوی کروم:
مراحل:
۱. تنظیم pH به ۲–۳ با اسید سولفوریک.
۲. اکسیداسیون کروم III به VI با بیسولفیت سدیم.
۳. رسوبسازی با آهک در pH ≈ ۸.۵.
۴. فیلتراسیون و دفع لجن.مواد مصرفی: H₂SO₄, NaHSO₃, Ca(OH)₂.
۵. ملاحظات زیستمحیطی
کاهش مصرف مواد شیمیایی: بازیافت مواد (مانند احیای رزین).
استانداردهای خروجی: رعایت حد مجاز BOD، COD، TSS و فلزات سنگین.
انرژیدهی سبز: استفاده از اکسیدانهای طبیعی یا انرژی خورشیدی در AOPs.
تصفیه شیمیایی یک ابزار قدرتمند برای حذف آلایندههای پیچیده است، اما نیاز به طراحی دقیق، مدیریت مواد شیمیایی و رعایت الزامات ایمنی دارد. انتخاب روش مناسب به نوع آلاینده، هزینه و مقررات محلی بستگی دارد.
اُزن در تصفیه آب
اُزن در تصفیه آب
۱. مکانیزم اثر اُزن در ضدعفونی آب
اُزن (O3) یک اکسیدکننده قوی است که با تخریب دیواره سلولی و اجزای حیاتی میکروارگانیسم ها (مانند پروتئینها، آنزیمها و DNA) باعث نابودی آنها میشود.
مراحل اصلی:
اکسیداسیون دیواره سلولی: اُزن به لیپیدها و پروتئینهای دیواره سلولی باکتریها حمله کرده و آنها را تخریب میکند.
تخریب آنزیمها و DNA: رادیکالهای آزاد حاصل از تجزیه اُزن (مانند•OH•) به مولکول های حیاتی میکروب ها آسیب میزنند.
لیز سلولی: نفوذپذیری غشای سلولی افزایش یافته و سلول منهدم میشود.
۲. میزان اثرگذاری اُزن
باکتریها: کاهش ۹۹.۹٪ (۳ log) با دوز ۰.۵–۲ mg/L و زمان تماس ۱–۵ دقیقه.
ویروسها: مقاومتر از باکتریها؛ نیاز به دوز ۱–۳ mg/L و زمان تماس ۵–۱۰ دقیقه.
کیستها (ژیاردیا، کریپتوسپوریدیوم): اُزن مؤثرتر از کلر است (نیاز به دوز ۲–۴ mg/L).
عوامل مؤثر در کارایی:
pH آب: اُزن در pH خنثی تا کمی قلیایی (۷–۸.۵) پایدارتر است.
دما: افزایش دما باعث کاهش حلالیت اُزن در آب میشود.
موجودات آلی (TOC): مواد آلی با اُزن واکنش داده و دوز مورد نیاز را افزایش میدهند.
۳. فرمولهای محاسبه دوز اُزن
الف) دوز اُزن مورد نیاز (Ozone Demand)
دوز اُزن (mg/L)=اُزن مورد نیاز برای ضدعفونی+اُزن مصرفی برای اکسیداسیون مواد آلی/معدنی
مثال:
اگر TOC=2mg/L و نیاز به ۱ mg/L اُزن برای ضدعفونی باشد:
ب) زمان تماس (Ct Value)
Ct=غلظت اُزن (mg/L)×زمان تماس (دقیقه)
مقدار Ct برای ۹۹٪ کاهش باکتریها: ۰.۱–۰.۳ mg·min/L.
مقدار Ct برای ویروسها: ۰.۵–۱.۵ mg·min/L.
۴. طراحی واحد اُزنزنی
اجزای اصلی سیستم:
ژنراتور اُزن: تولید اُزن از هوا یا اکسیژن خالص با استفاده از تخلیه الکتریکی یا UV.
مخزن تماس (Contact Chamber): انتقال اُزن به آب و حفظ زمان تماس کافی.
سیستم تزریق: دیفیوزرهای نازلی یا ونتوری برای اختلاط اُزن با آب.
تخریب اُزن باقیمانده: استفاده از UV یا فیلتر کربن فعال برای جلوگیری از انتشار گاز سمی.
پارامترهای طراحی:
۱. ظرفیت ژنراتور:
ظرفیت (g/hr)=Q×D×60
Q: دبی آب (m³/hr)، D: دوز اُزن (mg/L).
۲. ابعاد مخزن تماس:
V=Q×t
V: حجم مخزن (m³)، t: زمان تماس (معمولاً ۵–۱۵ دقیقه).
۳. راندمان انتقال اُزن:
۸۰–۹۰٪ با استفاده از ونتوری یا دیفیوزرهای کارآمد.
۵. مزایا و معایب اُزنزنی
مزایا:
قدرت ضدعفونی بالا (موثرتر از کلر در نابودی ویروسها و کیستها).
عدم تولید ترکیبات جانبی مضر (مثل تریهالومتانها).
اکسیداسیون همزمان آلایندههای آلی (رنگ، بو، فلزات).
معایب:
هزینه بالای تولید اُزن و مصرف انرژی.
نیمهعمر کوتاه اُزن در آب (۱۵–۳۰ دقیقه) و نیاز به تزریق مداوم.
سمیت گاز اُزن برای انسان (حداکثر مجاز در هوا: ۰.۱ ppm).
۶. مثال طراحی
ورودی: دبی آب = ۱۰ m³/hr، TOC = ۳ mg/L، نیاز به ۲ log کاهش باکتریها.
محاسبات:
دوز اُزن = ۱ mg/L (ضدعفونی) + ۱.۵ mg/L (اکسیداسیون TOC) = ۲.۵ mg/L.
ظرفیت ژنراتور ۱۰×۲.۵×۶۰=۱۵۰۰g/hr=۱.۵kg/hr.
حجم مخزن تماس m³۱۰×(۱۰/۶۰)=۱.۶۷m³.
۷. استانداردها و نکات ایمنی
غلظت مجاز اُزن در آب آشامیدنی: حداکثر ۰.۱ mg/L (WHO).
تخریب گازهای باقیمانده: استفاده از کاتالیزورهای حرارتی یا UV.
نصب سنسورهای O₃: برای پایش غلظت در هوا و آب.
جمع بندی
اُزن یک روش کارآمد برای ضدعفونی آب است، اما نیاز به طراحی دقیق و رعایت الزامات ایمنی دارد. محاسبه دوز بر اساس کیفیت آب و اهداف تصفیه، همراه با انتخاب ژنراتور مناسب و مخزن تماس کافی، کلید موفقیت سیستم است. در پروژههای بزرگ، انجام آزمایشهای پایلوت برای بهینه سازی ضروری است.
نمونه برداری و آزمایش فاضلاب
نمونه برداری و آزمایش فاضلاب فرایندی حیاتی برای کنترل کیفیت آب، حفظ محیط زیست، و اطمینان از انطباق با استانداردهای بهداشتی است. این فرایند شامل جمعآوری نمونه های فاضلاب و انجام آزمایشهای مختلف برای شناسایی آلایندهها و ارزیابی ویژگیهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی آن است. در زیر مراحل و نکات کلیدی این فرایند توضیح داده شدهاند:
۱. نمونهبرداری از فاضلاب (Sampling)
نمونه برداری باید به گونهای انجام شود که نماینده واقعی ترکیب فاضلاب باشد. روشهای رایج شامل:
الف) روشهای نمونه برداری
نمونه فوری (Grab Sample): جمعآوری یک نمونه در زمان و مکان مشخص.
مناسب برای پارامترهای ناپایدار (مانند کلر باقیمانده) یا مواقعی که تغییرات غلظت سریع است.
نمونه ترکیبی (Composite Sample): جمعآوری چند نمونه در بازههای زمانی مشخص و مخلوط کردن آنها.
مناسب برای پارامترهای میانگین (مانند BOD، COD، فلزات سنگین).
ب) نقاط نمونه برداری
ورودی و خروجی تصفیه خانه ها
نقاط انتقال فاضلاب (مانند چاهکهای بازرسی یا لوله های خروجی صنعتی)
منابع خاص آلاینده (مانند پساب صنعتی یا بیمارستانی)
ج) ملاحظات نمونهبرداری
استفاده از ظروف استریل و مناسب (مانند بطریهای شیشهای یا پلاستیکی مقاوم به مواد شیمیایی).
ثبت اطلاعات محیطی (دما، زمان، مکان، pH اولیه).
حفظ نمونه ها در دمای مناسب (معمولاً ۴°C) و انتقال سریع به آزمایشگاه.
۲. پارامترهای آزمایش فاضلاب
آزمایشها به سه دسته اصلی تقسیم میشوند:
الف) آزمایشهای فیزیکی
کدورت (Turbidity): اندازهگیری ذرات معلق.
جامدات معلق (TSS): وزن ذرات جامد در نمونه.
رنگ و بو: شناسایی آلایندههای خاص.
دما: تأثیر بر فرایندهای بیولوژیکی.
ب) آزمایشهای شیمیایی
pH: اسیدیته یا قلیایی بودن فاضلاب.
اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی (BOD): میزان اکسیژن مصرفشده توسط میکروارگانیسمها.
اکسیژن مورد نیاز شیمیایی (COD): اندازهگیری کل مواد آلی اکسیدشدنی.
نیتروژن و فسفر: عوامل تغذیهگر (Eutrophication) در آبهای طبیعی.
فلزات سنگین (سرب، کادمیوم، جیوه): سمی و خطرناک برای محیط زیست.
هیدروکربنها و مواد آلی فرار (VOCs).
ج) آزمایشهای بیولوژیکی
تعداد کلیفرمها: شاخص آلودگی مدفوعی (مانند E. coli).
پاتوژنها (باکتریها، ویروسها، انگلها): مانند سالمونلا یا کووید-۱۹ در فاضلاب.
تست سمیت: ارزیابی اثر فاضلاب بر موجودات زنده (مثلاً با استفاده از دافنی).
۳. روشهای آزمایشگاهی
روشهای استاندارد: استفاده از پروتکلهای بینالمللی مانند ISO، APHA (کتاب Standard Methods)، یا EPA.
دستگاههای پیشرفته:
اسپکتروفتومتر برای اندازهگیری COD و نیترات.
کروماتوگرافی (GC/MS) برای شناسایی ترکیبات آلی.
PCR برای تشخیص پاتوژنهای ویروسی یا باکتریایی.
۴. نکات ایمنی
استفاده از تجهیزات حفاظت فردی (دستکش، عینک، ماسک).
اجتناب از تماس مستقیم با فاضلاب به ویژه در نمونههای بیمارستانی یا صنعتی.
ضدعفونی تجهیزات پس از استفاده.
۵. کاربردهای نتایج آزمایش
پایش محیط زیست: جلوگیری از آلودگی آبهای سطحی و زیرزمینی.
انطباق با قوانین: اطمینان از رعایت استانداردهای تخلیه فاضلاب (مانند استاندارد سازمان محیط زیست ایران).
بهینهسازی تصفیه خانه ها: تنظیم فرایندهای تصفیه بر اساس داده های آزمایش.
ردیابی بیماریها: نظارت بر شیوع بیماریها از طریق شناسایی پاتوژنها در فاضلاب (مانند پایش کووید-۱۹).
۶. چالشهای رایج
تغییرات سریع در ترکیب فاضلاب (به ویژه در فاضلاب صنعتی).
نیاز به تجهیزات تخصصی و نیروی انسانی آموزشدیده.
هزینه بالای آزمایشهای پیشرفته (مانند سنجش فلزات سنگین).
با انجام دقیق نمونه برداری و آزمایش فاضلاب، میتوان از سلامت اکوسیستمها و جوامع انسانی محافظت و از تحمیل جریمه های قانونی اجتناب کرد.