مراحل تصفیه آب صنعتی

پیش تصفیه آب صنعتی

فرایندهای مختلفی برای تصفیه آب در مقیاس صنعتی با توجه به نوع ورودی و کاربردهای آن وجود دارد. این فرایندها، توانایی تصفیه آب خام با مشخصات کیفی معینی را دارند. ارتقا کیفیت آب ورودی در بخش تصفیه اصلی توسط پیش تصفیه انجام می شود.

یکی از اهداف اصلی بخش پیش تصفیه، حذف یا جداسازی ذرات معلق نامحلول در آب است. برای جداسازی ذرات معلق نامحلول فرایندهایی نظیر ته نشینی، انعقاد و لخته سازی، فیلتراسیون فیزیکی و یا فیلتراسیون غشایی استفاده می شود. در انتخاب این فرایندها بسته به کیفیت آب ورودی، موارد بسیاری تاثیر گذار است. برای مثال اندازه ذرات معلق یکی از عوامل اصلی در انتخاب فرایند مناسب پیش تصفیه است.

در پیش تصفیه استفاده از فرایندهای دیگری نیز به منظور ارتقا کیفیت آب خام به میزان کیفی مورد نیاز در تصفیه اصلی امکان پذیر است. از این فرایندها میتوان به ضد عفونی و گند زدایی، فرایند تبادل یونی، تنظیم PH، فرایندهای حذف BOD ، COD و حذف اکسید کننده های موجود در آب پیش از تصفیه اصلی آب صنعتی اشاره داشت.

انواع پیش تصفیه آب صنعتی

ته نشینی

ته نشینی یا زلال سازی(Sedimentation & Clarification) یکی از فرایندهای سنتی پیش تصفیه آب صنعتی است. در این فرایند آب ورودی به منظور ته نشینی ذرات معلق نامحلول در مخازنی با ظرفیت بالا و طراحی خاص به مدت زمان معینی نگهداری می شود. از معیارهای مهم در طراحی مخازن ته نشینی می توان شکل ظاهری آن، زمان ماند، نرخ بار سطحی و ناحیه ورودی و خروجی لجن اشاره كرد. عموما مخازن مستطیلی با جریان افقی به علت وجود قابلیت پایداری نسبت به شوك های ناشی از بارگذاری نسبت به سایر مخازن بیشتر مورد استفاده هستند. از دیگر فواید مخازن مستطیلی استفاده از دیوار مشترك بین آنها است، كه باعث اقتصادی شدن طراحی آن می گردد.

در مخزن های ته نشینی دایره ای پیش تصفیه آب صنعتی، ورود آب از دو طریق ورود از مركز و ورود از محیط دایره مخزن صورت میپذیرد. در مخازن با ورودی محیطی، مشکل جریانات مدار كوتاه (short circuit) كمتر از حالت ورود از مركز به چشم می خورد. از مزیت های مخازن دایره ای می توان به سهولت جمع آوری لجن اشاره كرد. از این رو این نوع مخازن در مواردی كه حجم لجن تولیدی نسبت به جریان ورودی بالاست مورد استفاده قرار میگیرد.

در مخازن ته نشینی سیستم پیش تصفیه آب صنعتی مربعی معمولا ورودی در مرکز مخزن قرار میگیرد. این نوع مخازن دارای برخی مزایای هر دو نوع مخازن مستطیلی و دایره ای، نظیر استفاده از دیوار مشترك برای دو تانک و همچنین سهولت جمع آوری لجن می باشند. با این حال از مشكلات مخازن مربعی میتوان به عدم توزیع یكنواخت جریان در سطح تانک به دلیل شکل سازه خروجی و دشواری جمع آوری لجن ته نشین شده در گوشه های مخزن اشاره كرد.

انعقاد و لخته سازی

روش پیش تصفیه فرایند انعقاد و لخته سازی (Coagulation & flocculation) برای جداسازی ذرات ریز، کلوییدها و مواد معلق نامحلول سبک از آب صنعتی که به صورت معمول امکان ته نشینی آنها وجود ندارد، مورد استفاده قرار میگیرد. بار الکتریکی سطحی ذرات کلوییدی سبب دفع ذرات کوچک و عدم تجمع آنها می شود. در این روش از ماده منعقد کننده با بار مخالف برای خنثی سازی بار سطحی (Zeta Potential) ذرات استفاده می شود. مواد منعقد کننده فلزی به دو گروه ترکیبات آلومینیوم و آهن تقسیم می شوند. بعد از افزودن ماده منعقد کننده و خنثی شدن بار الکتریکی ذرات، که سبب ایجاد کشش میان ذرات کلوییدی می شود، ذرات کوچک به یکدیگر متصل شده، سنگین و ته نشینی خواهند شد.

فرایند لخته سازی بلافاصله بعد از فرایند انعقاد انجام می شود و در آن فلوک های میکرونی به یکدیگر متصل شده و ذرات قابل رویت با قابلیت ته نشینی را تشکیل می دهند. این فرایند در مخزنی مجهز به همزمن با دور پایین و با افزودن مواد کمک منعقد کننده (coagulant aids) صورت میگیرد. مواد کمک منعقد کننده، پلمیرهای غیر آلی هستند که راندمان اتصال فلوکها را تسریع می کنند. پس از آن آب به مخزن ته نشینی یا زلال سازی (clarification) منتقل می شود. در این بخش فلوکهای تشکیل شده در مخزن زلال سازی با روش های مختلف از کف مخزن جمع آوری می شوند.

فیلتراسیون فیزیکی

در تصفیه آب صنعتی، فرایندی که برای جداسازی ذرات معلق نامحلول با توزیع اندازه مشخص که به روشهای مختلفی انجام می شود فیلتراسیون فیزیکی تلقی میگردد. در روشهای مختلف این نوع فیلتراسیون، ذرات معلق آب بعد از عبور از یک بستر یا فیلتر، به صورت فیزیکی جداسازی می شوند. از جمله فیلترهای مرسومی که امروزه مورد استفاده قرار میگیرند، میتوان به فیلترهای شنی، کیسه ای، میکرو فیلترها و یا دیسک فیلترها اشاره داشت.

فیلتر خود شوینده

در برخی فیلتر های فیزیکی، شستشوی معکوس سطح فیلتر در آنها به صورت هوشمند و اتوماتیک انجام می شود، به این نوع فیلترها، خود شوینده (Self-cleaning filter) گفته می شود. در این نوع فیلتراسیون افت فشار مهمترین نشانه برای تشخیص گرفتگی و شروع عملیات شستشوی معکوس است. سیستم کنترل بلافاصله پس از رسیدن افت فشار به میزان از پیش تعیین شده، فیلتر را در وضعیت شستشوی معکوس قرار می دهد و گرفتگی ایجاد شده در سطح فیلتر را از بین میبرد.

میکرو فیلترها

میکرو فیلترها (Micro filter) یا فیلترهای کارتریج، که در اشکال استوانه ای و از جنس پلی پروپیلن یا الیاف پلی استر طراحی و ساخته می شوند. در این نوع فیلتر ها جریان ورودی از سطح خارجی فیلتر به سمت مرکز نفوذ کرده و در حین عبور، ذرات معلق در فیلتر جداسازی می شوند. میکرو فیلترها در دو نوع پلی پروپیلن (PP Melt Blown) و الیاف تابیده پلی استر (Polyester string wound) بین مش ۱ تا ۱۰۰ میکرومتر ساخته می شوند. حداکثر دمای عملیاتی در فیلترهای پلی پروپیلن ۷۵ درجه سانتیگراد و در فیلترهای الیاف پلی استر برابر ۱۲۰ درجه سانتیگراد است. میزان افت فشار در میکرو فیلترها کم بوده و ظرفیت جداسازی تقریبا پایینی دارند. با توجه به عدم قابلیت شستشوی معکوس این نوع فیلتر ها، بسته به میزان کدورت آب صنعتی ورودی، طول عمر آنها متغیر است.

در ساختار متریال هوزینگ این فیلترها تنوع بالایی وجود دارد که وابسته به نوع سیال و میزان خورندگی آن می توان متریال مورد نظر را انتخاب کرد. بسیاری از میکروفیلتر ها در سایز پایین قادر به حذف برخی از انگل ها، باکتری ها، جلبک و ویروس ها هستند و از کاربرد های متنوع آنها می توان به صنایع تصفیه آب و فاضلاب، داروسازی، کشاورزی و غیره اشاره نمود.

گند زدایی

گند زدایی آب (disinfection) به معنی حذف و یا غیر فعال کردن میکروارگانیسم های پاتوژنیک از آب است. آب مورد استفاده شرب یا کشاورزی به منظور حذف باکتری ها، ویروس، انگل و دیگر موجودات زنده و بیولوژیکی مضر به گندزدایی نیاز دارد. معمولا در حذف این نوع آلاینده های آب صنعتی از ترکیبات کلر یا گاز کلر استفاده می شود. از دیگر فرایند های گندزدایی پرتو دهی با اشعه فرابنفش، ازن با دستگاه ازن ژنراتور، گاما و یا حرارت دهی قابل ذکر می باشند. عملکرد این فرایند ها با آسیب رساندن به ساختار سلولی میکروارگانیسم ها، مانع از تکثیر آنها خواهد شد.

تنظیم PH در فرایند تصفیه آب صنعتی

به میزان اسیدی و یا بازی بودن یک محلول PH اطلاق میگردد. اهمیت تنظیم PH آب شرب به جهت سلامتی انسان و همچنین جلوگیری از خوردگی لوله و اتصالات شبکه توزیع بسیار بالا می باشد. محدوده PH مناسب برای آب شرب بین ۶٫۵ تا ۷٫۵ است. به منظور جلوگیری از خوردگی لوله و اتصالات در تنظیم PH آب آهک و یا سود مورد استفاده قرار می گیرد. تنظیم PH متناسب با کیفیت آب خام ورودی یک فرایند ضروری در پیش تصفیه آب شیرین کن های صنعتی است که باعث افزایش طول عمر ممبران ها می گردد.

رزین های تبادل یونی

واژه سیستم تبادل یونی همانطور که از اسم آن مشخص است به تبادل یون ها بین دو الکترولیت دلالت دارد. رزین های تبادل یونی معمولا به صورت کاتیونی اسیدی که به منظور تبادل یون کاتیونی مثبت و یا آنیونی بازی که به منظور تبادل یون آنیونی منفی می باشند. به منظور سختی زدایی و حذف برخی از یون ها در آب از سیستم تبادل یونی در پیش تصفیه استفاده می شود. رزین های تبادل یونی معمولاً به منظور حذف سولفات، سیلیکات، کلسیم، کلر، منیزیم و … مورد استفاده قرار می گیرند. بسترهای رزینی می توانند به صورت اتمسفریک و یا تحت فشار طراحی و ساخته شوند. رزین های آنیونی و کاتیونی می توانند هر کدام به تنهایی و یا در کنار هم و به عنوان بستر مخلوط به کار برده شوند.  این رزین ها در صنایع مختلف از جمله آب و فاضلاب، دارویی، پتروشیمی ها، صنایع هسته ای و دیگر صنایع کاربرد دارند. رزین ها بعد از مدت مشخصی وابسته به نوع سیال، اشباع شده و نیاز به احیا دارند. فرایند احیا به ترکیبی از فرایند های بکواش، فلاشینگ و شستشوی مواد شیمیایی گفته می شود.

تصفیه آب‌های شور

امروزه فرایند های مختلفی به منظور تصفیه آب های شور برای مصارف صنعتی و غیر صنعتی در دنیا به کار برده می شود که مرسوم ترین آنها فرایند اسمز معکوس (Reverse Osmosis) و حرارتی (Thermal) است. هر یک از این فرایندها مزایا و معایب نسبت به یکدیگر دارند. هزینه تمام شده آب تولیدی در فرایندهای تصفیه حرارتی به دلیل بالا بودن هزینه های بهره برداری خصوصا هزینه انرژی مصرفی، از فرایند اسمز معکوس بالاتر است. بکارگیری فرایند تصفیه آب حرارتی معمولا در واحدهایی که به دنبال بازیافت حرارت اتلافی هستند، دارای توجیه اقتصادی است. در فرایندهای حرارتی، آب شور با بهره گیری از روشهای مختلف تبخیر و مجدد به فاز مایع باز میگردد. این تغییر فاز منجر به جداسازی املاح محلول در آب یا حذف شوری آب می شود. فناوری MED (Multi Effect Desalination)  و MSF (Multi Stage Flash) فرایندهای تصفیه آب صنعتی متداول در واحدهای آب شیرین کن حرارتی هستند.

آب شیرین کن حرارتی

فرایندهای مختلف آب شیرین کن های حرارتی اعم از MED و MSF همگی بر مبنای تبخیر آب و میعان مجدد آن برای کاهش شوری بنا شده اند. در این آب شیرین کن ها، آب دریا بعد از طی مرحله پیش گرمایش، در فشار پایین طی چند مرحله تبخیر شده و سپس مجدد به فاز مایع تبدیل می شود. آب میعان شده، از هر گونه پاتوژن یا عامل بیماری زا عاری بوده و مناسب شرب می باشد. بخشی از آب خام ورودی نیز با غلظت بالاتر از واحد آب شیرین کن با رعایت ملاحظات محیط زیستی دفع می شود. تفاوت اصلی میان فرایندهای MED و MSF در نحوه انتقال حرارت و تبخیر آب شور ورودی به سیستم تصفیه آب صنعتی است.

آب شیرین کن اسمز معکوس

اسمز معکوس فرایند انتقال جرم بر مبنای اختلاف غلظت در دو طرف یک غشای نیمه تراوا است. این فرایند به منظور خالص سازی آب و جداسازی یونهای محلول یا اصطلاحا کاهش شوری آب در واحدهای شیرین سازی یا نمک زدایی آب مورد استفاده قرار می گیرد. در این فرایند فشار مورد نیاز برای غلبه بر فشار اسمزی به وسیله پمپ فشار قوی تأمین می شود. پس از آن آب با فشار از غشای نمیه تراوا یا ممبران ها عبور کرده و به دو جریان آب شیرین و آب شورتر تقسیم می شود. میزان فشار اسمزی به مقدار شوری آب به طور مستقیم وابسته است. با افزایش شوری آب، فشار اسمزی و در نتیجه آن فشار پمپ مورد نیاز برای فرایند اسمز معکوس افزایش می یابد.

غشاهای اسمز معکوس اجازه عبور هیچ عامل بیماری زا اعم از میکرب، باکتری و … را از آب شور ورودی به آب شیرین نمی دهند. به این دلیل آب شیرین تولیدی توسط دستگاه های تصفیه آب صنعتی اسمز معکوس با فرض وجود طراحی و بهره برداری صحیح، با قابلیت اطمینان بسیار بالا، عاری از هرگونه عامل بیماری زا است.

نسبت آب تصفیه شده به آب خام ورودی یکی از شاخصهای طراحی فرایند اسمز معکوس است. این نسب ریکاوری نامیده می شود. افزایش ریکاوری و استفاده حداکثری از ظرفبت شیرین سازی یکی از اهداف طراحی واحد آب شیرین کن اسمز معکوس است. میزان ریکاوری به ذرات محلول آب ورودی(TDS)، فشار آب ورودی و تعداد ممبرانهای موجود در هر مخزن تحت فشار وابسته است. ریکاوری شیرین سازی آب دریاها از ۳۵ تا ۵۵ درصد و ریکاوری شیرین سازی آبهای لب شور، آبهای سطحی و آبهای چاه از ۵۰ تا ۹۰ درصد متغیر است.

 تصفیه نهایی آب صنعتی

تصفیه نهایی آب صنعتی (Post treatment) با هدف مناسب سازی و بهینه سازی کیفیت آب برای مصرف کننده نهایی انجام می شود. به عنوان مثال آب خروجی از آب شیرین کن های صنعتی کیفیت مطلوب جهت استفاده در صنایع داروسازی را ندارند و نیاز به تصفیه نهایی دارند. از این رو فرایند های مختلفی که در بالا به آنها اشاره شد وجود دارند، که با توجه بسته به کیفیت آب مورد نیاز انتخاب و مورد استفاده قرار میگیرند. با این حال رایج ترین روش تصفیه آب صنعتی با درصد خلوص بالا و حذف یون های مورد نظر، رزین های تصفیه آب میباشد.