اصول تصفیه آب و پس ماندهای ناشی از تصفیه آب و روش های دفع
روشهای تصفیه آب :
۱ – تصفیه اولیه
۲ – تصفیه ثانویه
۳ – تصفیه نهایی یا پیشرفته
تصفیه اولیه (تصفیه فیزیکی) :
تصفیه یا جدا سازی فیزیکی که در مورد ذرات و مواد شناور آب انجام میگیرد . معروف به تصفیه فیزیکی یا تصفیه اولیه می باشد. در ابتدا برای تصفیه آب کار با حذف مواد معلق و شناور در آب صورت می گیرد. در این مرحله با عبور آب از غربال های مختلف مانند غربالهای میله ای و سپس خرد کردن و در انتها با استراحت آب در تانک ته نشین کننده به سهولت برخی از ذرات شناور و ذرات سنگین از آب جدا میشوند .
تصفیه ثانیویه:
در تصفیه ثانویه هدف حذف مواد جامد ،حذف سختی آب و کاهش آلاینده های آلی می باشد . و به دو روش صورت میگیرد :
الف – روشهای شیمیایی
ب – روشهای بیوشیمیایی
در روشهای شیمیایی موادی به آب اضافه میشوند ، با اضافه کردن این مواد ذرات بسیار ریز در آب بی بار می شوند، بعلت خنثی بودن بدلیل قطبیت به هم جذب شده و تشکلیل توده های بزرگ می دهند. مواد تحت یک سری واکنشهای شیمیایی و فیزیکی رسوب می کنند و با سهولت جدا می گردند. این فرآیند را لخته سازی می گوییم . لخته سازی در بسیاری از موارد استفاده می شود ، از جمله استفاده از آب رودخانه ها که دارای گل و لای هستند .
مواد لخته ساز :
۱ – آب آهک : Ca(OH)2 یا آهک هیدراته هم خاصیت باکتری کشی دارد . هم لخته سازی و هم سختی گیری . در بعضی مواقع از آهک خشک استفاده می کنیم .مقدار آهک استفاده شده از روش Jaytest تعیین می شود .در این روش از آب نمونه برداری می کنیم و با افزودن آب آهک میزان آهک مورد نیاز برای کل سیستم معین می شود . میزان استفاده از آهک در حدودppm10 تا ۳۰ ppm می باشد. با افزودن ۲۰۰ppm آهک به آب در دمای ۳۰ درجه سانتی گراد پس از گذشت ۶ تا ۲۴ ساعت می توان مطمئن بود که تمام باکتری ها از بین رفته اند.
۲ – آلوم یا سولفات آلومینیوم
۳- کلرورفریک یا سولفات فریک
۴ – پلی الکترولیت
۵ – املاحی مثل FeCl2
در حالت بیو شیمیایی تجزیه مواد توسط باکتری صورت میگیرد و هوادهی بسیار ضروری است .
اصطلاح تصفیه زیستی در یک مفهوم گسترده به فنون تصفیه که در آن از موجودات زنده ریز جهت حذف یک ماده از محلول مایع استفاده میشود ، اطلاق می گردد. اینتعریف شامل سیستمهایی نیز می شود که جلبک و گیاهان سبز را برای صاف کردن آب به کار می گیرند . این سیستمها معمولا" به سیستمهای رشد گیاهان در آبهای مغذی (Hydroponics) معروفند اصطلاح تصفیه زیستی یا صافی زیستی که در اینجا مورد استفاده قرار میگیرد . اشاره به حذف آمونیاک و نیتریت به وسیله باکتری دارد .و یا می توان گفت در این تصفیه هدف حذف مواد آلی بوسیله میکروباکتری ها است . اکسیژن دهی خوب در انجام عمل تاثیر گزار می باشد.
خصوصیات بهره برداری از صافیهای زیستی:
مواد محلول مضر از سیستم در حالت معلق، مانند لجن فعال ، و یا در حالت ثابت با صافی خارجی می شود . در هر فرآیند ماده یا موادی به وسیله دستهای از باکتریهای مخصوص ۰ اصولا" نیتروزوموناس و نیتروباکتر) که سعی می شود رشد داده شوند ، کاهش داده می شوند . حذف مواد به وسیله لجن فعال در صنعت تصفیه آب معمول است ولی در پرورش آبزیان کمتر مورد استفاده قرار می گیرد چون غلظت کم فضولات در پساب پرورش ماهی تناسب آن را برای این فرایند کم می کند .در تحقیقات اولیه سیستمهای مدار بسته پرورش و نگهداری آبزیان ، صافیهای غوطه ور معمولترین نوع بودند. این صافیها خیلی زود ، در سطح وسیع ، به وسیله صافیهای قطره ای جایگزین شدند .
انواع صافیهای زیستی :
صافیهای زیستی در انواع مختلف وجود دارند ، برای مثال صافیهای غوطه ور ، قطره ای ، صفحات زیستی گردان یا استوانه های زیستی ، بستر های روان و مصالح سبک .
– صاغیهای غوطه ور:
این صافیها خود به دو دسته تقسیم می شوند جریان به پایین (از بالا به پایین) و جریان به بالا(از کف به بالا)این نوع صافی شاید قدیمی ترین نوع صافی مورد استفاده بوده باشد . اساسا" صافی دارای یک مخزن است که با نوعی مصالح پر شده است . و باکتریها در آن رشد می کنند . آب معمولا" به وسیله یک دوش به سطح صافی ریخته می شود و با نیروی جاذبه بطرف پایین حرکت میکند مصالح داخل صافی دائما به حالت غوطه ور باقی می مانند . در زیر مصالح صافی یک شبکه مشبک وجود دارد که آب تصفیه شده از آن زهکشی شده و به بیرون از واحد هدایت می شود .
– صافی قطره ای:
اصول کار در این صافی ها همانند صافی های غوطه ور هست ولی مصالح در این غوطه ور نیست . آب به طرف پایین داخل مصالح چکانده شده و باکتریها را مرطوب نگاه می دارد ، بدون اینکه آنها را غوطه ور سازد . پساب در زیر کف سوراخدار که که صالح را نگه میدارد، جمع می شود . چون فضای بین ذرات جامد مصالح صافی با هوا پر است باکتریها کمتر از نبود اکسیژن رنج می برند . گردش هوا در داخل مساله نیاز اکسیژنی باکتریها را برآورده می سازد .
– صافیهای گردان :
این صافیها معمولا" به صافیهای زیستی با صفحه گردان یا تماس دهنده های گردان معروفند . یک صفحه زیستی یک صفحه صاف یا موجدار است که بر روی یک محور افقی سوار شده است مجموعه در داخل یک مخزن گردش میکند . تقریبا" ۴۰ درصد از سطح صفحات در آب غوطه ور بوده و با گردش صفحات پوشش زیستس مرطوب نگهداشته می شود . سرعت حرکت نباید آنقدر زیاد باشد که موجب جدا شدن پوشش زیستی گردد .
عوامل موءثر در کارایی صافیهای زیستی :
موءثر بودن عملکرد صافی زیستی در پرورش آبزیان اغلب بستگی به قدرت اکسید کردن آمونیاک به نیترات دارد . بازدهی صافیها به عوامل متعدد شیمیایی ، فیزیکی و زیستی بستگی دارد .
عوامل شیمیایی :
PH صافی زیستی باید در محدودهء بین ۹-۶ کار کند . این محدوده ممکن است برای صافیهای مخصوصی که در آن باکتریها نسبت به پذیرش تغییرات سریع PH کند هستند ، محدود تر باشد .در صافیهای زیستی که باکتریها بتدریج سازگار شدند ممکن است در محدوده ۱۰-۵ عمل کنند . ولی هر قدر PH به سمت حد های بالا و پایین کشیده شود بازده آمونیاک زدایی کاهش میابد . حداقل PH برای توسعه باکتریهای نیتروزوموناس و نیتروباکتر بین۷ – ۶.۵ می باشد محدودیت آمونیاک زدایی از کمی پایینتر از ۷ شروع می شود . بهترین مقدار PH معمولا" در سمت قلیایی حالت خنثی قرار می گیرد ولی دقیقا" مشخص نگردیده است .
اگر PH آب خیلی بسمت حالت اسیدی کشیده شود خطر مسمومیت با گاز Co2 آزاد برای ماهیان احتمالا" باکتریها نیز وجود خواهد داشت . باکتریها میتونند با تغییرات تدریجی PH سازگار گردند . میزان سازگاری تابعی از درجه حرارت ، تغییرات درجه PH ، غلظت آمونیاک و سایر عوامل می باشد . تغییرات سریع PH در حدود ۵/۰ تا ۱ واحد بازدهی تبدیل آمونیاک به نیتریت را در صافی به مقدار قابل توجه کاهش می دهد . تا وقتی که باکتریها با شرایط جدید سازگار شوند افزایش سریع درآمونیاک مشاهده خواهد شد .
آمونیاک و نیتریت :
غلظتهای بسیار بالای آمونیاک و نیتریت برای باکتریهای نیتریت کننده بسیار سمی است . این باکتریها در سطوح مختلف از مسمومیت تاثیر می پذیرند . عوامل عمدهء ایجاد خطر آمونیاک یونیزه نشده (NH3) و اسید نیتریک (HNo3) می باشند .
آمونیاک در مقادیر PH بالا سمی تر است . چون در این شرایط بیشتر آمونیاک کل به شکل یونیزه نشده می باشد . نیتریت در مقادیر PH بالا کمتر سمی است چون به شکل یونیزه شده تبدیل می شود .
اکسیژن:
میزان آمونیاک زدایی در صافیهای زیستی با کاهش میزان اکسیژن قابل دسترس کم میشود . غلظت محدود کننده اکسیژن به دما ، شوری ، غلظت نا خالصیها ، وزن توده زیستی سیستم و عوامل کاهنده بستگی دارد . ولی بسیاری از محققین بر ایتن عقیده هستند که آب خروجی از صافیهای زیستی باید حداقل ۲ میلی گرم در لیتر اکسیژن محلول داشته باشند . برای نگه داشتن غلظت اکسیژن مطلوب در آب خروجی ، باید آب ورودی صافی حداقل ۶-۵ میلی گرم اکسیژن داشته باشد .
شوری :
صافیهای زیستی می توانند تقریبا" در هر محدوده شوری کارآیی داشته باشند . به شرطی که باکتریها بتدریج با تغییرات شوری سازگار شوند . به کار گیری باکتریهای نیتریت کننده آب شیرین در آب شور کاملا" منع شده و بالعکس .
دما :
باکتریهای تولید کننده نیترات ، میتوانند با دامنه وسیعی از دما سازگاری پیدا کنند ، در صورتی که بتدریج با شرایط جدید سازگاری پیدا کنند .
نور :
صافیهای زیستی در تاریکی کامل کارایی بهتری دارند . این مسئله همیشه عملی نیست ، ولی شدت نور در حدود یک درصد از شدت نور روز مانع از آمونیاک زدایی می شود . نیتروباکتر بیشتر به نور حساس است .
تصفیه پیشرفته :
در تصفیه نهایی یا پیشرفته آب تا مرحله زلال سازی و نوشیدن پالایش می شود و به روشهای زیر انجام پذیر است .
– استفاده از سیستم های تعویض یونی
– فعالیت لایدرسودا توسط آهک و کربنات سدیم
– استفاده از غشا
– استفاده از تبخیر
– استفاده از الکترودیالیزه
– استفاده از کربن اکتیو
– روشهای دی نیتری کیشن
روشهای مرسوم :
استفاده از کربن فعال :
کربن فعال با تولید زغال از زغال سنگ ،چوب گردو، نارگیل یا پوست گردو و یا استخوان حیوانات با حرارت دادن آنها در خلاء تا حدود ۹۰۰ درجه سانتیگراد درست میشود . سپس با قرار دادن مواد زغال شده در معرض یک گاز اکسید کننده در درجه حرارت بالا فعال می گردند. گاز یک ساختمان مشبک در زغال ایجاد میکند، به دنبال آن یک سطح داخلی بزرگی در داخل زغال ایجاد می شود . مساحت سطح جذب ماده در حدود ۱،۰۰۰،۰۰۰مترمربع در کیلو گرم برآورد می شود .
کربن فعال برای گرفتن مواد آلی فرار رنگ بو و تیرگی پساب به کار میرود . صافیهای کربنی در بارهای کم مواد آلی بسیار موءثر عمل می کنند .
غلظتهای بالاتر از ۲۰ ppm مواد جامد معلق بر روی ذرات کربن تشکیل رسوب داده و سبب مسدود شدن، کوتاه شدن مسیر، افت انر‍ژی زیاد و کاسته شدن ظرفیت جذب سطحی کربن خواهد شد .
وقتی که ظرفیت جذب سطحی کربن کامل شد یک صافی دانه ای ساده خواهیم داشت صافی های کربن اغلب در کنار صافیهای زیستی ، به عنوان یک مرحله پالایش جهت حذف مواد آلی غیرقابل تجزیه زیستی مورد استفاده قرار می گیرند . این صافیها برای حذف بعضی عناصر شیمیایی اصلی موثر در فیزیولوژی ترکیبات درمانی به کار می روند .
بعد از فعال شدن ، مواد کربنی را می توان در اندازه های مختلف، با ظرفیتهای جذب سطحی متفاوت آماده کرد . دو اندازه بسیار متداول کربن اکتیو پودر شده (PAC) و کربن اکتیو دانه ای (GAC) هستند PAC کربن کاملا آسیاب شده و نرم می باشد که دارای قطر کمتر از الک نمره ۲۰۰ می باشدو GAC دارای قطر بالای ۰/۱ میلی متر بوده PAC به جز تجارت اکواریوم درارتباط صنعت آبزی پروری کار جالب توجهی نکرده است. به علت بزرگ بودن سطح این نوع صافیها جذب سطحی بسیار سریع بوده ، ولی بسیار گران قیمت هستند . کربن فعال نوع GAC در تصفیه پساب مورد استفاده قرار می گیرد .
بعلت هزینه زیاد ،کربن اکتیو معمولا در تولید ماهیهای خوراکی مورد استفاده قرار نمی گیرد ، ولی در مورد تولید ماهی های زینتی در اکواریومهای عمومی که شفافیت آب و روئیت ماهیان مد نظر است و همچنین در تولید ماهیهای کمیاب یا گونه های با ارزش کاربرد دارن
پس ماندهای ناشی از تصفیه آب و روش های دفع
در عمل تصفیه آب که اجزاء معلق و محلول مزاحم باید از آب جدا شوند، در مراحل مختلف انواعی از پس ماند باقی می ماند. اتلاق کلیه این پس ماند به عنوان فضولات (wastes) غیرعاقلانه است زیرا این اصطلاح آشکارا دلالت دارد بر این که هیچ استفاده موثر و سودمندی از پس مانده مترتب نیست و باید آن را دور انداخت. به ویژه باید گفت پس ماندهای تصفیه خانه های آب را باید به عنوان محصولات جانبی در نهان سودمندی ملاحظه کرد. مراحل مختلف تصفیه آب را تقریباً به ترتیب و فور پس مانهائی که ایجاد می کنند، می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:
۱) انعقاد شیمیائی
۲) سختی گیری از آب به وسیله ترسیب شیمیائی
۳) شستشوی صافی های شنی
۴) ته نشینی اولیه آب خام
۵) دفع آهن و منگنز
۶) افزایش کربن فعال
۷) استفاده از خاک های دیاتمه
۸) استفاده از کمک منعقد کننده ها (پلی الکترولیت ها، خاک های رس، سیلیس فعال)
۹) رژنره کرده واحدهای مبادل یون
برطبق طبقه بندی بالا، پس مانده های حاصل از عمل انعقاد فراوان تر از بقیه است و به همین ترتیب نحوه دفع آنها نیز اهمینت بیشتری می یابد.
رسوبات حاصل از انعقاد شیمیائی آب مواد راسب شده در مرحله انعقاد آب هستند و در واقع عمدتاً از جامداتی که از آب حاصل می شود تشکیل شده است.
به طور کلی لجن های حاصل از انعقاد آب احتمالاً حاوی مواد بی اثر چون شن و ماسه، مواد آلی محلول یا معلق، موجودات میکروسکوپی گوناگون و ترکیباتی است که وابسته به نوع مواد شیمیائی به کار رفته در فرآیند است مانند: نمک های آلومینیوم و آهن، پلی الکترولیت ها، آهک، کربنات سدیم، سودسوزآور و مواد مشابه دیگر. این ترکیبات یک لجن یا سوسپانسیون شیمیائی با مقدار رطوبت زیاد ایجاد می کنند. و با توجه نوع مواد به کار رفته در انعقاد رنگ متغیری از زرد کمرنگ تا سیاه دارند.
منعقدکننده هائی که بیش از همه در تصفیه آب به کار می روند املاح آلومینیوم و آهن می باشد. شاید مهمترین پارامتر در تعیین خصوصیات لجن ها مقدار جامدات باشند. وزن خشک لجن ها غالباً ۷۵ الی ۹۵ Ib/cm است.
جامدات تولید شده از انعقاد آب به وسیله املاح آهن مشابه با جامدات حاصله از انعقاد با املاح آلومینوم است. تفاوت مشخص این است که توده لجن مرکب از اکسیدفریک است. نظر به این که اکسیدهای فریک در یک محدوده pH بسیار وسیع تری از اکسیدهای آلومینیوم نامحلول هستند، pH آب مجاور با اکسیدهای آهن در دامنه وسیع تری تغییر می کند.
تا حدودی به همین علت، املاح آهن برای انعقاد به دنبال سختی گیری از آب و رفع رنگ از آب های سخت بیشتر استفاده می شوند. در سال ۱۹۶۵ مصرف سالانه زاج در ایالات متحده امریکا ۶۰۰۰۰۰ تن در مقابل ۱۰۰۰۰۰ تن در سال برای املاح آهن بوده است.
فلاک های هیدورکسید ژلاتینی ناشی از افزایش املاح آلومینیوم و آهن به سختی خشک می شود و دلیل اصلی وزن و حجم زیاد این لجن ها همین قضیه دیر جدا شدن آنها از آب می باشد. تخلیه پس مانده های تصفیه خانه ها به آب گذرهای طبیعی منجر به ایجاد مسائلی شده که در بسیاری از موارد شدید و جدی شده است. آشکارترین اثر از تخلیه این جامدات به یک نهر ایجاد ذخائر یا سواحل لجنی و افزایش مرداب ها در اطراف آن است. به نوبت این مواد متراسب شده ممکن است قسمت های زیادی را پوشانده و لذا رشد موجودات کفی را که به عنوان منبعی از غذا برای حیات ماهی هستند به تاخیر اندازد.
پروراندن و تخم ریزی ماهی نیز ممکن است به وسیله این چنین ته نشست هائی مورد لطمه و زیان قرار گیرد. از نقطه نظر زیبائی تخلیه پس مانده های تصفیه خانه قابل ایراد است چون این عمل به نحو بارزی کدورت و رنگ ظاهری آب های پذیرنده را افزایش می دهد و این امر به صورت جدی ارزش تفریحی چنین آب هائی را پائین می آورد. کدورت افزایش یافته ممکن است تغییرات شیمیائی و بیولوژیکی دقیق تر و حساس تری را در آب های پذیرنده به وجود آورد.
نفوذ نور کاسته شده منجر به فعالیت فتوسنتزی کاهش یافته ای در میان گیاهان آبی خواهد شد و ذرات معلق ممکن است سطوحی برای رشد باکتری ها تامین کنند. احتمال آلودگی باکتریائی آب های پذیرنده به وسیله تخلیه آب شستشوی صافی ها احتمالاً خیلی زیادتر از حد انتظار است و ته نشست های مخازن ته نشینی نیز ثابت شده است که تعداد باکتری های زیادی دارند که معمولاً بیش از ۱۰۰۰ در هر میلی گرم از جامدات است.
به طور کلی از اثرات دفع نهائی لجن های تصفیه خانه ها روی محیط زیست آب و زمین اطلاعات زیادی در دست نیست بر طبق تجربیات Doe و Dean لایه های ضخیم لجن زاج خاک را مسدود می کنند.
مواد باقیمانده از تصفیه آب از لحاظ ترکیب شدیداً متغیر هستند، لذا هیچ مرحله دفع یا تصفیه خاصی نتایج یکسانی نمی دهد، در واقع در حالی که انواعی از روش های دفع و تصفیه وجود دارد احتمالاً فقط یک یا دو روش قابل اجرا برای یک موقعیت خاص موجود خواهد بود. مهمترین روش ها عبارتند از:
الف) روش های تغلیظ جامدات و خشک کردن
ب) روش های احیاء
ج) دفع نهائی
آن چه در دفع لجن اهمیت مقدماتی و عمده ای دارد کاهش حجم است. روش های مختلف دفع جامدات حاصل از انعقاد آب که بیشترین وزن فضولات تشکیل شده در یک تصفیه خانه آب را تشکیل می دهد در زیر معرفی شده است:
۱) تخلیه مستقیم به دریاچه ها و رودخانه ها
۲) ریختن به دریا
۳) تخلیه به لوله های فاضلاب شهر
۴) استفاده از انواع برکه و یا لاگون
۵) تصفیه به وسیله بسترهای خشک کننده شنی
۶) تصفیه به وسیله صافی خلاء
۷) تصفیه به وسیله انجماد
۸) تصفیه به وسیله سانتریفوژ کردن
۹) تصفیه به وسیله انجماد
۱۰) تصفیه به وسیله حرارت و فشار
۱۱) آماده سازی لجن ها با استفاده از پلی الکترولیت ها
۱۲) بازیابی منعقدکننده ها
مراجع استفاده شده:
۱) D.Hendricks "Water Treatment Unit Processes, CRC. ۲۰۰۶
۲) W.Geer tsema, etal "Long-Term Effect of Sludg Application to Land" J.AW WA-Nov.۱۹۹۴
۳) P.L.Thompson. Dewaterability of Alum and Ferric Coagulation Sludges. J.AW WA Apr.۱۹۹۸
ثریا زارعی، کارشناس دپارتمان مهندسی بهداشت محیط دانشکده بهداشت و انستیتو تحقیقات بهداشتی
14