شيمي علمي براي زندگي امروز

چکیده

 درتصفیه خانه های متعارف آب،توجه به بهینه سازی فرایندانعقادبرای حذف موادعالی کربنه(TOC) از اهمیت قابل توجهی برخوردار است.در مناطقی که از سامانه ی صاف سازی مستقیم برای تصفیه ی اب استفاده می شود . اجرای این شیوه چندان مورد توجه نیست. زیرا میزان مواد آلی در آب های زیرزمینی پایین بوده و در فرایند صاف سازی مستقیم نبز حوض ته نشینی بعد از مرحله ی انعقاد وجود ندارد تا حذف قابل توجهی از مواد عالی کربنه در آن صورت گیرد . در اجرای فرایند انعقاد پیشرفته ، توجه به ویژگی های کیفی و غلظت مواد آلی کربنه آب خام ضرورت دارد. به منظور اجرای عملیات حذف مواد آلی کربنه بر مبنای آزمایش جار یا پایلوت، معیارهایحذف تعیین میشود. در کاربرد این فرآیند ، باید اثرات جانبی ان بررسی شده و به منظور اجرای آن تغییراتی که باید در تاسیسات موجود تصفیه خانه ها از جمله تاسیسات ترزیق مواد شیمیایی ، بهره برداری از واحد های لخته سازی ، ته نشینی و صاف سازی وراهبری و مدیریت لجن ایجاد شود ، مورد مطالعه قرار گیرد. بدیهی است که با انجام تغییر در واحدهای بر شمرده میزان لجن تولیدی افزایش یافته و ویژگی های لخته تغییر میکند. همچنین با کاهش (PH) برای حذف (TOC) در عملیات انعقاد بهینه شده، احتمال خوردگی در تاسیسات تصفیه خانه، از دیگر مشکلات و اثرات آن خواهد بود. کلمات کلیدی: مواد آلی کربنه (TOC) ، تصفیه خانه ی آب، بهینه سازی واحد های انعقاد - لخته سازی

سرآغاز

     آب های سطحی همواره حاوی مقادیر زیادی مواد آلی و معدنی حاصل از شست وشوی بستر رودخانه ، انحلال مواد، تجزیه ی برگ ها ،   و سایر میکروارگانیسم های موجود در مسیر آب می باشند . علاوه بر آن تخلیه ی فاضلاب ها و همچنین ورود انواع مختلف آلاینده های خطرناک نظیر بقایای مواد آلی مورد استفاده در کشاورزی به آب های سطحی از کارامدی فرآیند های متداول تصفیه در تامین آب آشامیدنی سالم می کاهدند. با توجه به این که در تصفیه خانه های آب کشور از کلر به عنوان گند زدا استفاده میشود و در برخی از آن ها به علت جلوگیری از رشد جلبک ها به آب خام ورودی نیز کلر اضافه می شود و آب خام ورودی به تصفیه خانه اغلب از منابع سطحی تامین گردیده که حاوی مواد آلی طبیعی (NOM) است، احتمال تشکیل فراورده های جانبی ناشی از گند زدایی فراهم است. به طور کلی روش های کنترل مواد آلی و فراورده های جانبی ناشی از گند زدایی را می توان به سه گروه تقسیم کرد:

•    روش هایی که قبل از ورود آب به تصفیه خانه برای کنترل مواد آلی در آب اعمال میشود، مانند روش های اصلاح کیفیت آب در منابع و مخازن.

• روش هایی که در تصفیه خانه برای کنترل مواد آلی و تشکیل فرآورده های جانبی ناشی از گندزدایی اعمال میشود . مانند انعقاد بهینه ، جذب سطحی با استفاده از کربن فعال ، زدایش مواد آلی با هوا ، صافی سازی غشایی، تغییر محل کلر زنی، استفاده از سایر گندزدا ها.

• روش هایی که در محل مصرف برای حذف مواد آلی و فراورده های ناشی از گند زدایی اعمال می شود . مانند دستگاه های تصفیه ی خانگی. انعقاد پیشرفته در واقع بهینه سازی فرآیند های متداول تصفیه ی آب می باشد که با استفاده از منعقد کننده هایی مانند نمک های آلوم ، آهنو پلیمرهای کاتیونی صورت می گیرد . کار آمد ی انعقاد بیشتر در حذف مواد آلی با وزن مولکولی بالا ، هیدروفوب و اسیدی می باشد.

بهینه سازی فرآیند انعقاد

اجرای شیوه ی انعقاد پیشرفته در فرآیند های تصفیه ی آب در حذف کل مواد آلی کربنه (TOC) با در نظر گرفتن اهداف زیر می باشد:

• کاهش قابل توجه مواد آلی کربنه بدون اضافه کردن مقادیر غیر معقول مواد منعقد کننده.

• اجرای انعقاد پیشرفته با حداقل هزینه

بر مبنای این اهداف استاندارد اجرایی انعقاد پیشرفته در حذف مواد آلی کربنه با استفاده از شیوه ی دو مرحله ای در نظر گرفته شده است. مرحله ی نخست تقلیل درصد خاصی از مواد آلی کربنه ی ورودی بر اساس مواد آلی و قلیائیت آب خام می باشد و مرحله ی دوم زدایش موادآلی کربنه در مواقعی است که با توجه به ویژگی های کیفی آب خام به درصد های مورد نظر حذف مواد آلی کربنه (TOC)در مرحله ی نخست نرسیده باشد. در مورد این شیوه ها، انجام آزمایش جار برای رسیدن به معیار های مرحله دوم حذف TOC و تعیین نوع و میزان مواد منعقد کننده و کمک منعقد کننده ضرورت دارد. از کاربرد انعقاد پیشرفته در فرآیند های متداول تصفیه ی آب ، انجام آزمایش های پیشرفته در فرایند های متداول تصفیه ی آب ، انجام آزمایش های به صورت BENCH یا پایلوتی ، باید صورت گیرد . انجام این کار به منظور تعیین شرایط انعقاد برای رسیدن به معیار های مرحله ی نخست حذف مواد آلی کربنه و یا معیار های مرحله دوم حذف مواد آلی کربنه می باشد.

انعقاد پیشرفته در تاسیسات موجود تصفیه ی آب

در اجرای این شیوه در تصفیه خانه های موجود آب، ممکن است نیازی به انجام تغییرات در تاسیسات زیر باشد:

1- تاسیسات  تزریق مواد شیمیایی ( منعقد کننده های فلزی، مواد پلیمیری، مواد شیمیایی پایین آورنده و بالا برنده ی PH)

2- نحوه ی بهره بر داری از واحدهای لخته سازی ، ته نشینی و صاف سازی

3- راهبری و مدریت لجن تولیدی

انعقاد و لخته سازی یک فرآیند فیزیکی-شیمیایی است که توسط آزمایش جار میزان ماده ی منعقد کننده ،کارامدی و زمان ماند مناسب آن برآورد می شود.

در موردبسیاری از آب ها ، عامل های مختلفی دخالت دارند تا لخته های تشکیل شده در مر حله ی انعقاد و لخته سازی به تواند مواد آلی و کدورت را به دام انداخته و تحت یک شرایط مطلوب ، ته نشینی سریع لخته های تشکیل شده صورت گیرد (هدوسن،1981 ). در صورتی که ته نشینی به طور مطلوب هنجام می شود ، بار ورودی لخته ها به صافی ها کاهش می یابد و در صورت ته نشینی ضعیف، مدت زمان کار کرد صافی ها و ظرفیت تصفیه کاهش خواهد یافت.

در کاربرد های انعقاد پیشرفته ممکن است نیاز به تغییر اساسی در دز منعقد کننده در تاسیسات تصفیه باشد. همچنین ممکن است در بعضی از تصفیه خانه ها ، مواد شیمیایی از قبیل اسید یا آهک به منظور بهبود فرآیند انعقاد ، استفاده شود. برای این منظور نیاز به برنامه ریزی برای تامین مواد شیمیایی خواهد بود . بر مبنای آزمون هایی که قبل از اجرای این شیوه صورت میگیرد ، مییابد میزان مواد شیمیایی واصلاح های لازم ازقبیل اضافه کردن اسید برای کاهش PH قبل از توضیع آب در شبکه مورد نیاز است، تعیین شود.

مواردی که در تغییر تاسیسات  موجود تصفیه آب برای انجام فرآیند انعقاد و لخته سازی پیشرفته نیاز است شامل:

• در نظر گرفتن مخازن ذخیره وتجهیزات مورد نیاز تزریق برای منعقد کننده ها ( افزایش دز مواد منعقد کننده ، نیاز به ساخت مخازن ذخیره ی اضافی و تجهیزات مورد نیاز تزریق برا منعقد کننده ها .

• مواد شیمیایی جدیدی که در انعقاد پیشرفته ممکن است برای کاهش PH مورد نیاز باشد ، مانند استفاده از اسید سو لفوریک.

جدول شماره یک ، حد ماکزیمم اضافه کردن مواد شیمیایی را در فرایند انعقاد و لخته سازی نشان می دهد . این حدود بر مبنای استانداردهای بهداشتی تعیین شده است.

              جدول شماره یک :حداکثر مجاز افزودن مواد شیمیایی در مرحله انعقاد

واحد های تصفیه در بهینه سازی فرایند انعقاد

     با انجام انعقاد پیشرفته و تغییراتی که در دز منعقد کننده  داده می شود ، ممکن است نیاز باشد تا در مرحله ی اختلاط نیز اصلاحاتی صورت گیرد . در حقیقت با افزابش دز منعقد کننده ، میزان لخته بیشتری تشکیل خواهد شد . به همین دلیل لازم است در مرحله لخته سازی ، به منظور جلوگیری از ته نشین شدن لخته ها ،شرایط اختلاط کافی را فراهم ساخت؛ در غیر این صورت ، ته نشین شدن لخته ها در مرحله لخته سازی سبب کاهش موثر حجم حوض لخته سازی خواهد شد . در فرایند بهینه سازی انعقاد ، تغییراتی در مرحله اختلاط ایجاد می شود تا لخته های تشکیل شده به راحتی در مرحله ی ته نشینی و صاف سازی قابل جدا شدن باشد . به این منظور مطالعه های پایلوتی برای تعیین شرایط بهینه ی اختلاط با اضافه کردن مواد شیمیایی، باید انجام شود.

مواردی که در اجرای انعقاد پیشرفته در طی مرحله اختلاط باید در نظر گرفته شود به شرح زیر است:

•  در اختلاط سریع ، توزیع سریع و یکنواخت منعقد کننده های شیمیایی در آب خام انجام می شود. به طور معمول زمان ماند در حدود 10 تا 30 ثانیه و گرادیان سرعت در حدود 300^s-1 تا 1000 می باشد.

• مطلوب ترین اندازه ی لخته ها ( با اندازه موثر 0.1 تا 2 میلی متر) در گرادیان سرعت 20^s-1   تا  70  برای مدت زمان تقریبی 20 دقیقه ایجاد خواهد شد.

• با انجام عمل اختلاط ، تماس بین ذراتی که ناپایدار شده اند افزایش می یابد . ب این ترتیب لخته های قابل ته نشینی یا قابل صاف شدن ایجاد خواهد شد.

 ته نشینی

    مقادیر بالای مصرف ماده ی منعقد کننده و آهک در فرایند انعقاد پیشرفته ، سبب ایجاد لخته ها و ذرات قابل ته نشینی و در نتیجه مقدار لجن به میزان زیاد تری خواهد شد.

   از مواردی که لازم است در بهبود و اصلاح فرایند ته نشینی متعاقب اجرای انعقاد پیشرفته در نظر گرفته شود به شرح زیر است:

•   کنترل و به حداقل رساندن جریان اتصال کوتاه با استفاده از سرریز  یا کانال در بخش بزرگی از مخزن ته نشینی ، اصلاح قسمت ورودی به حوض ته نشینی

• استفاده از صفحه های راه بند برای بهبود توربولانس در ورودی به حوض های ته نشینی

• نصب صفحه های و یا لوله ها داخل مخزن های موجود سبب افزایش سطح و اصلاح وا حد های موجود خواهد شد.

    صاف سازی

      با کاربرد انعقاد پیشرفته و تغییراتی که در دز مواد شیمیایی داده می شود ، کیفیت آب ته نشین شده و در نتیجه اجرا و بهره برداری از صافی ها تحت تأثیر قرار می گیرد . با تغییری که در نقطه ی شکست صافی ها ، ایجاد می شود ، سبب کاهش مدت زمان کارکرد صافی خواهد شد و در نتیجه میزان آب مورد نیاز برای شست و شوی صافی ها افزایش خواهد یافت. در این شیوه با استفاده از مواد کمک منعقد  کننده  یا کمک صافی می توان کیفیت آب صاف شده و مدت زمان کارکرد صافی ها را افزایش داد. کاربرد انعقاد پیشرفته سبب تولید لجن بیشتر ناشی از افزایش میزان دز منعقد کننده  و وجود TOC در لجن خواهد شد.

  اثرات ثانویه ی انعقاد پیشرفته

     در کاربرد انعقاد پیشرفته ممکن است نیاز به تغییر فرایند باشد که متعاقب آن ممکن است اثرات جانبی زیر را در بر داشته باشد:

• با افزایش دز منعقد کننده ، میزان لجن تولیدی بیشتر خواهد بود. کاهش و کنترل میزان تولید لجن می تواند با تنظیم فرایند انعقاد از طریق آزمون جار با تعیین نوع منعقد کننده ی مناسب PH انعقاد و دز اسید و دز منعقد کننده ، استفاده از اسید و پلیمر و شدت اختلاط صورت گیرد . استفاده از پلیمر و شدت اختلاط صورت گیرد . استفاده از اسید و پلیمر ، میزان دز منعقد کننده مورد نیاز را برای حذف TOC و ذرات کاهش خواهد داد . لجن حاصل از انعقاد پیشرفته ، ویژگی های متفاوتی داشته و خاصیت آبگیری آن تغییر خواهد کرد.

         با افزایش دز ماده منعقد کننده ، لجن بیشتری به شکل هیدو کسید فریک یا آلوم ته نشین می گردد. استفاده از اسید برای کاهش PH ، سبب افزایش میزان TOC در لجن می گردد و تغییر PH بر بار الکتریکی لجن تأثیر گذاشته و مدت و میزان آبگیری لجن را تغییر می دهد . میزان رسوبات فلزی در لجن در مقایسه با میزان ذرات گرفته شده توسط ماده ی منعقد کننده افزایش خواهد یافت.در اثر وجود مواد آلی در لجن ، دانسیته ی لجن کاهش یافته و آبگیری آن مشکل می شود.

       بهبود خاصیت آبگیری لجن ممکن است با افزایش پلیمر صورت گیرد . وجود TOC در لجن خاصیت آبگیری آن را نامطلوب می کند ، ولی با افزایش دز مادهی منعقد کننده ، نسبت منعقد کننده به مواد آلی در لجن افزایش یافته و خاصیت آبگیری آن بهتر خواهد شد.

•  در بهینه سازی انعقاد با تغییر PH  و میزان ذرات و مواد آلی که روی سطح لخته ها جذب می شوند، ویژگی لخته ها تغییر می کند. در واقع در فرایند انعقاد و لخته سازی پیشرفته میزان مواد آلی بیشتری نسبت به ذرات روی سطح لخته ها جذب می شود و این باعث تشکیل لخته هایی با دانسیته و سرعت ته نشینی کمتر شده و در نتیجه کارآمدی زلال سازها نیز کاهش می یابد . برای رفع این مشکل بهتر است از کمک منعقد کننده هایی که با ایجاد پل بین لخته ها ، لخته های بزرگتر و با قابلیت ته نشینی بهتر ایجاد می کنند استفاده شود.

          کاهش تراکم لجن در کف حوض ته نشینی به علت تغییر در ویژگی های لجن کاهش زمان ماند لجن در مخزن ته نشینی می باشد. ایجاد لخته های سبک و کاهش کارآمدی زلال سازها سبب انتقال این لخته ها به صافی ها شده که این خود مدت زمان کارکرد صافی ها را کوتاه تر و در نتیجه میزان آب شست وشوی مورد نیاز را افزایش می دهد . بنابراین در کاربرد انعقاد پیشرفته نیاز به انجام مطالعات در مقیاس پایلوت می باشد تا اثر انعقاد پیشرفته روی کاربرد صافی ها در مقیاس پایلوت  و در عمل مشخص شده  و راه حل های گوناگون آن که شامل استفاده از کمک منعقد کننده و کمک صافی ، کاهش بار صافی و حتی ساخت صافی های جدید می باشد مد نظر گرفته و جوانب اقتصادی آن نیز مورد بررسی و ارزیابی قرار گیرد.

•  حذف TOC در مقادیر PH  پایین تر از PH انعقاد معمولی اتفاق می افتد. اگر چه پایین بودن میزان PH در حذفTOC موثر خواهد بود ولی خوردگی تجهیزات و سازه های بتنی تصفیه خانه ، استفاده از پوشش های ضد خوردگی را مورد تأکید قرار می دهد . کنترل PH  آب پس از کاهش آن در اثر انعقاد پیشرفته ، یکی از راه حل ها برای کنترل خوردگی است.

• ممکن است میزان منگنز در آب افزایش یابد . وجود عنصر منگنز در کلروفریک و سولفات فریک که با کاهش PH آب ، منگنز جذب شده روی صافی ها آزاد شده و ایجاد آبی قرمز رنگ بعد از خروجی آن از صافی ها می نماید . همچنین میزان غلظت آهن در آب تصفیه شده افزایش می یابد.

    نتیجه گیری

      فرایند های متداول تصفیه ی آب به گونه ای است که تنها برای حذف کدورت از آب طراحی شده اند. ولی  به منظور حذف TOC و اجرای انعقاد پیشرفته نیاز به تغییراتی در طراحی و بهره برداری خواهد داشت که بعضی از این تغییرات به شرح زیر می باشد:

• تغییر در نوع یا دز منعقد کننده  یا پلیمر؛

• تغییر در شرایط انعقاد ، ممکن است نیاز به کنترل بیشتری توسط اپراتور ها داشته باشد که این کنترل در ارتباط با انتقال آب از ته نشینی به صافی ها و لخته هایی که ممکن است به صافی راه یابند و همچنین شست و شوی معکوس صافی ها و افزایش میزان آب و انرژی برق مورد نیاز خواهد بود که به این منظور ممکن است از ته نشین کننده ها ی صفحه ای یا لو له ای برای بهبود ته نشینی استفاده شود .

• افزایش در میزان دز منعقد کننده ، دفعات تخلیه لجن را افزایش می دهد.

• خوردگی در فلزات و بتن سازه ها و تجهیزات تصفیه خانه که ممکن است در مقادیر PH پایین دهد که به این منظور ، استفاده از پوشش های مقاوم به اسید و رنگ آمیزی ، میزان خوردگی را کاهش خواهد داد.

    منابع مورد استفاده

  1- عمارلویی(1377)،"بهبود کیفیت آب آشامیدنی با استفاده از پودر کربن فعال"، پایان نامه ی کارشناسی ارشد، دانشکده ی بهداشت دانشگاه علو م پزشکی تهران.

2-Shorney.LH,et al.(1998)"Control of disinfection by-product precursors"

3- Singer c.(1999) " Formation and Control of disinfection by-product in drinding water",AWWA.

4- EPA(1999)"Enhanced coagulation and enhanced precipitative softening guidance manual

5-Najm,I.(1998)"Optimizing enhanced coagulation with PAC",AWWA.

     مجله آب و محيط زيست