سعی بر آن است که مطالب مرجع تخصصی آب و فاضلاب شامل مسایل ، مقالات و اخبار عمران آب و فاضلاب,آب و فاضلاب و به صورت تخصصی فرآیند های تصفیه آب و فاضلاب،مهندسی آب و فاضلاب و صنعت آب و فاضلاب باشد.
دانشنامه آنلاین آب و فاضلاب
رشته های مرتبط:مهندسی عمران آب و فاضلاب،مهندسی تکنولوژی آب و فاضلاب،مهندسی آب و فاضلاب،محیط زیست،مهندسی بهداشت محیط،مهندسی آب،مهندسی شیمی و...
امیرحسین ستوده بیدختی
,.
بررسی روشهای تصفیه آب و فاضلاب در کشورهای توسعه یافته
۱۳۹۰/۰۵/۲۹
19:30
|
بررسی روشهای تصفیه آب و فاضلاب در کشورهای توسعه یافته
(مطالعه موردی ایالات متحده آمریکا)
مجید اسم حسینی1، سیما صولتی فر1، امیر میرزانژاد1، نادر صولتی فر2
1- گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه ارومیه
2- دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه ارومیه
چکیده :
آب و منابع آبي در دنياي امروز جزو ارزشمندترين دارايي‌هاي ممالك به شمار مي‌رود. عمده دغدغه‌هاي جوامع تامين غذا، آب و انرژي است. از اين ميان غذا به دليل امكان متعدد در تامين آن و انرژي به دليل دستيابي به منابع نو به نحوي قابل مرتفع‌سازي است و تنها آب است كه در صورت نبود منابع، جوامع را دچار مشكل مي‌سازد. از اين رو برنامه‌ريزي جهت صرفه‌جويي در مصرف و حفظ منابع موجود در اولويت قرار دارد. از طرف دیگر وقوع خشکسالی‌‌های متعدد و افزایش روز افزون جمعیت، نیاز به آب آشامیدنی سالم و تصفیه آب و بهره‌گيري مناسب‌تر در مصارف صنعتي و كشاورزي را ضروري نموده و پیشرفت تکنولوژی در جهت استفاده از روشهای صنعتی و تجزیه‌ای جهت تصفیه آب و کاهش هزینه‌ها به امری اجتناب ناپذیر تبدیل گردیده است. از آن جمله مي‌توان به ستون‌های کروماتوگرافی، رزین‌ها و مبادله کننده‌های یونی جهت نرم‌سازی و گرفتن سختی آب، همچنین فرایندهای كلریناسیون و فلورايداسيون، صاف‌کردن و ته‌نشینی با روشهای پیشرفته و استفاده از گندزداهای موثر و نیز روشهای صنعتی پیشرفته و استفاده از میکروپروسسورها جهت کنترل تصفیه اشاره كرد. در مطالعه حاضر، فرايند های تصفيه در کشورهای توسعه یافته با مطالعه موردی ايالات متحده آمریکا مورد بررسي قرار گرفته و مزایا و معایب هر يك از این روش‌ها از منظرهاي مختلف بیان گرديده است. مطالعاتي از اين دست مي‌تواند راهگشاي بهره‌گيري از تجارب اخیر جهانی در استفاده از تکنولوژی تصفیه آب در ایران جهت به دست آوردن آب شرب سالم و مناسب با کاهش اتلاف زمان و هزینه باشد.
واژگان کلیدی: تصفيه آب و فاضلاب، کشورهای توسعه یافته، كلريناسيون.
مقدمه
حدود 40 ميليون مايل مكعب آب روي كره زمين موجود است كه اقيانوس‌ها حدود 97% آن را شامل مي‌شوند. 3% بقيه آبهاي آزادند: (الف:) برف و يخ روي سطح كره زمين حدود 25/2% و (ب:) آب زيرزميني قابل استفاده در حدود 3/0% و (ج:) آب آزاد سطحي كمتر از 5/0%. در ايالات متحده ميانگين بارندگي در حدود 6/2 فوت (حجم 5900 كيلومترمكعب) است. از اين ميزان، حدود 71% (معادل 4200 كيلومترمكعب) تبخير مي‌شود و 29% به صورت جويبار جاري مي‌شود. آب آزاد قابل استفاده صرف توليد، تهيه خوراك، مصارف خانگي و عمومي ضروري، توليد انرژي هيدروالكتريكي و كنترل سيلاب مي‌گردد. صنعت و آبياري حدود نيمي از اين مقدار را مصرف مي‌كند كه معادل 4/3% يا 200 كيلومترمكعب بر سال را شامل مي‌شود. البته مقدار مصرف عمومي آب در ايالات متحده در حال افزايش است. براي مثال در سال 1975 ميلادي 40 بيليون گالن آب آزاد مورد استفاده قرار گرفته بود كه در سال 1990 ميلادي به 455 بيليون گالن رسيد و در سال 2002 به 725 بيليون گالن افزايش يافت. منابع اوليه آب آزاد شامل موارد زير بوده‌اند 3:
• آب جمع‌آوري شده از بارش در مخازن و منابع آب
• آبهاي زيرزميني چشمه‌ها، چاه‌هاي آرتزين و حفاري شده
• آبهاي سطحي درياچه‌ها، رودها و جويبارها
• آبهاي دريايي و زيرزميني نمك‌گيري شده
• تجديد آب از فاضلاب‌ها
يكي از عمده‌ترين اقدامات ايالات متحده، «مديريت جامع و واحد» آب است كه با محوريت هماهنگي‌هاي اجتماعي، زيست‌محيطي و تكنيكي انجام گرفته است. مصوبه و دستور آب پاكيزه (CWA) و آب آشاميدني سالم (SDWA) در حفاظت آب، علاوه بر اين كه اهرم فشاري براي حفاظت مقسم‌هاي آبي است، ماموريت‌هاي حوزه مديريت آب آشاميدني را تسهيل مي‌كند 3.
آب سطحي، مزايا و معايب
بزرگترين مزيت استفاده از آب سطحي به عنوان يك منبع آبي آنست كه به آساني قابل دسترس بوده و در استفاده از آن نيازي به آموزش و ابزار پيچيده نيست. اغلب منابع آبي سطحي در ايالات متحده از چندين دهه قبل مورد استفاده بوده‌اند و اطلاعات عمده در زمينه كيفيت و كميت آنها موجود است. آبهاي سطحي عموماً نرم ترند و با توجه به اين مزيت، تصفيه آنها مستلزم صرف انرژي و هزينه كمتري است و بدين جهت در اين کشور مورد توجه بوده است. همچنین در ايالات متحده، سيستم 6000 واحد آبي توسط آبهاي سطحي تغذيه شده و براي جمعيتي حدود 155 ميليون نفر آب شرب تامين مي‌كند1. توجه به آبهاي زيرزميني نيز ناشي از لزوم ذخيره آب چند ده ميليون نفر است.
عمده‌ترين عيب معني‌دار در استفاده از آب سطحي به عنوان منبع آبي، پتانسيل بالاي آلودگي پذيري آن است. اين آلودگي عمدتاً هم از سوي ميكروارگانيسم‌هايي است كه مولد بيماري‌هاي آبي هستند و هم از جانب موادي شيميايي است كه از سطوح جدا شده و وارد رودخانه‌ها و جويبارها مي‌شوند. در ايالات متحده طي 1971-1985، 502 نوع بيماري آبي شيوع يافته و 111228 مورد مبتلا به آنها گزارش شده است و نیز طي 1991-1998، 2100 مورد آلودگي به بيماري‌هاي ويروسي با منشاء آبي يافت شده است 1 كه نشان دهنده آلودگي‌پذيري زياد آبهاي سطحي است. عيب ديگر اغلب آبهاي سطحي كدورت آنهاست كه ناشي از شناورشدن رسوبات است. هرقدر كه كدورت آب افزايش مي‌يابد، هزينه پالايش و زمان عمل روي آن نیز افزايش یافته كه از نظر اقتصادي فاكتور نامطلوبي محسوب مي‌شود.
آب زيرزميني (سيستم‌هاي چاهي)
در گذشته حفاري چاه‌هاي عمودي آبي فقط جهت دسترسي به آب انجام مي‌گرفت. امروزه اغلب در آمریکا، اين امر شامل انجام مراحلي پيچيده و گام به گام به شكل هفت مرحله است 3 :
گام 1: كاربري – بسته به موقعيت و نحوه خروج و نوع ميزان منبع ذخيره، متفاوت است.
گام 2: موقعيت مناسب – بعد از تعيين نوع كاربري، محل از نظر زمين‌شناختي محلي و ساير عوارض بررسي مي‌شود تا از مناسب بودن آن اطمينان حاصل شود.
گام 3: حفاري – بعد از طي گام‌هاي 1 و 2، نوبت حفاري است.
گام 4: گزارشات مهندسي مقدماتي– بعد از حفر چاه، نتايج به صورت مستند ثبت مي‌شوند و بررسي‌هاي مهندسي در جهت بهره‌برداري از منبع آبي به صورت عملي انجام مي‌شود. در اين مرحله با استفاده از پمپ تعيين مي‌شود كه آيا چاه حفر شده توان تامين آب مورد نياز را خواهد داشت. براي اين كار پمپاژ آب به مدت 6 ساعت با دبي برابر يا بيشتر از كاربري مورد نظر انجام مي‌گيرد. سطح تراز بايد با سرعتي جبران شود كه طي 24 ساعت بعد از توقف پمپاژ به حالت عادي برگردد. سپس نمونه‌گيري انجام شده و آب از نظر زيست‌باكتريايي و كيفيت شيميايي آزموده مي‌شود.
گام 5: ارائه مستندات براي اقدام و بهره‌برداري– با استفاده از نتايج، نسبت به بهره‌برداري اقدام مي‌شود.
گام 6: مجوز احداث – اگر محل تائيد گردد، مجوز احداث صادر مي‌شود.
گام 7: مجوز كاربري – بعد از آماده‌سازي محل و تجهيزات، مجوز كاربري و ورود به چرخه كاري صادر مي‌شود.
تجهيزات مورد استفاده بر حسب نوع چاه و شرايط بهره‌برداري در مرجع شماره 3 به تفصيل آورده شده است.
عمده منابع سيستم تامين آب در ايالات متحده، آبهاي زيرزميني است 3. آبهاي زيرزميني فاقد پاتوژن و هر ماده سمي آلي و معدني هستند. علاوه بر آن، بدون رنگ و ذرات معلق (يعني بدون كدورت) بوده و داراي طعم و مزه مطلوبي هستند. اما بدليل قرار داشتن در معرض فرايندهاي بي‌هوازي، حاوي نمك‌هاي و هستند [8]. امر تصفيه آب در ايالات متحده، شامل كنترل موارد زير است:
• آلودگي‌هاي باكتريايي
• هيدروژن سولفيد
• آب سخت
• آب خورنده (Corrosive)
• آهن و منگنز
بر اساس تجربه و با استناد به ويراست هشتم " Manual of Water Utility Operations" انجمن كاربري آب تگزاس، تصفيه آب شامل فرايندهاي زير است:
• حذف زباله‌ها از آب رودخانه‌ها و مخازن آبي
• لايروبي منابع جهت جلوگيري از تجزيه بي‌هوازي كه به كاهش ورود آهن و منگنز از ذرات ريز به محلول آب منجر خواهد شد و ممكن است مستلزم حذف متوالي در عمليات تصفيه باشد. هيدروژن سولفيد و ساير تركيبات بو و طعم‌دار معمولاً طي لايه‌بندي تشكيل مي‌يابد كه نياز به لايروبي را دوچندان مي‌كند.
• تصفيه شيميايي مخازن آبي جهت كنترل رشد جلبك و ساير روينده‌هاي آبي كه مشكل طعم و بو ايجاد مي‌كنند.
• پيش‌لايروبي جهت حذف لجن‌ها پيش از فرايند تصفيه
• هوادهي براي حذف گازهاي ايجاد كننده بو و طعم مانند هيدروژن سولفيد و ساير گازهاي محلول يا اجزاي فرار و اكسيد كردن آهن و منگنز (هر چند كه منگنز يا غلظت‌هاي بالاي آهن در واحدهاي هوادهي حذف نمي‌شوند)
• اكسيداسيون شيميايي آهن، منگنز، سولفيد و تركيبات داراي بو و مزه و پيش‌ماده‌هاي آلي كه ممكن است هنگام افزايش كلر به آب، تري‌هالومتان تشكيل داده باشند.
• استفاده از جاذب جهت حذف مزه و بو
تخمين زده مي‌شود كه بيش از 140 بيليون دلار هزينه لازم است تا يك تصفيه‌خانه فاضلاب شهري در ايالات متحده احداث يا تجهيز شود و يا اين كه كيفيت ساير گونه‌هاي آب در واحدها بهبود يابد تا تحت استانداردهاي لازم به فعاليت خود ادامه دهند6.
تكنيك‌هاي حذف آهن و منگنز و گندزدايي
دفرّيزاسيون و دمنگانيزاسيون عمدتاً از طريق هوادهي منجر به رسوب‌گيري شيميايي اين دو يون از محلول آبي مي‌شوند كه براي اين مقصود از پتاسيم پرمنگنات يا كلر نيز استفاده شده است. تكنيك‌هاي عمده در اين زمينه عبارتند از رسوب‌گيري، اكسيداسيون، مبادله يون، جدايش و هوادهي.
رسوب‌گيري آهن و منگنز از آب در واحدهاي تصفيه آب با تنظيم pH (بوسيله افزودن آهك يا ساير مواد شيميايي) در حدود 11-10 صورت مي‌گيرد و با استفاده از صافي‌هاي شني رسوبات حاصل جداسازي مي‌شوند و براي ادامه كار، دوباره pH به 5/8 تقليل داده مي‌شود. اكسيداسيون يكي از متداول‌ترين روشهاي حذف آهن و منگنز است. براي اين امر از اكسيدان‌هاي هوا، كلر و پتاسيم پرمنگنات استفاده مي‌شود. با استفاده از اين اكسيدان‌ها، آهن و منگنز از درجه اكسايش پائين، به درجه اكسايش بالاتر -كه در آب نامحلول‌تر است- اكسيد مي‌شوند 3،8. هر كدام از اين مواد معايب و مزايايي دارند و از نظر عمل، اندكي با همديگر تفاوت دارند. در اين ميان كلر اهميت فراواني دارد، چرا كه هم گندزداست (براي مواد زنده درون آب و كنترل رشد باكتري‌ها در سيستم تصفيه) 1 و هم براي كنترل ميزان آهن و منگنز (به صورت پركلرين) مورد استفاده قرار مي‌گيرد. در ايالات متحده از دي‌اكسيدكلر جهت حذف بو و طعم اوليه ناشي از تركيبات فنولي در مخازن آبي استفاده شده است2.
با افزودن كلر، مواد آلي آبهاي سطحي و زير زميني توانايي تشكيل TTHMها را مي‌يابند. آبهاي زيرزميني به دليل اسيدي بودن، نيازمند تنظيم pH در 7-5/6 اند به همين خاطر هنگام استفاده از كلر به عنوان اكسيدان، براي تنظيم pH از آهك، سودا يا سود سوزآور استفاده مي‌شود. سود سوزآور سمي است و استفاده از آن در صنعت مستلزم دقت فراوان است. كلر به صورت كلسيم هيپوكلريت ( ) نيز در ايالات متحده مورد استفاده قرار گرفته است2.
مبادله يون كه براي نرم كردن آبهاي سخت نيز مورد استفاده قرار مي‌گيرد از طريق جذب آهن و منگنز از محلول عمل مي‌كند. با عبور آب از ميان رزين، يون‌هاي نامطلوب درون آب جذب رزين شده و با يون‌هاي كم مزاحمت جايگزين مي‌شوند. زماني هم كه غلظت يون در آب پائين است و قابل اكسيد شدن نيز نيست، از جدايش استفاده مي‌كنند3 .
براي از بين بردن باكتري‌هاي بي‌هوازي از گندزداها استفاده مي‌شود 8. اوزون را مي‌توان با توجه به هدف مورد نظر، از قسمت‌هاي مختلفي و در حين مراحل متفاوتي به سيستم تصفيه وارد نمود. البته تاثيرگذاري آن به عنوان ماده گندزدا تحت كنترل pH نيست و با آمونياك برهم كنشي ندارد (Driedger و همكاران، 2001). اوزوناسيون پرهزينه‌تر از كلريناسيون و حتي استفاده از UV به عنوان ضدعفوني كننده است و آيتم عملياتي گراني محسوب مي‌شود. از آنجايي كه اوزون هيچ بقاياي مؤثري از خود در سيستم برجاي نمي‌گذارد لذا برخي مواقع از آن به عنوان عامل تصفيه‌اي بعد از كلريناسيون بهره‌گيري مي‌شود. در گندزدايي متوالي، از اوزون به عنوان گندزداي اوليه و از كلر يا مونوكلرآمين به عنوان گندزداي ثانويه استفاده شده است. پيش‌گندزدايي با اوزون سرعت غير فعال‌سازي را افزايش داده و فاز تاخير در مونوكلرآمين يا كلرزني را حذف مي‌كند (Rennecker و همكاران، 2000). در افزايش متوالي اوزون و كلر، اثر افزايشي با افزايش pH كاهش مي‌يابد (Driedger و همكاران، 2000). در مورد مكانيسم تاثير اوزناسيون مطالعات متعددي صورت گرفته است كه در مرجع شماره 2 اين مقاله آورده شده‌اند. البته اوزوناسيون بعد از كلريناسيون داراي فراورده‌هاي فرعي سمي موتاژنيك كارسينوژني است. برومات يكي از آنهاست كه ناشي از تاثير اوزون مولكولي و راديكال هيدروكسيل (آلدئيد و كتواسيدهاي ناشي از واكنش اوزون با مواد آلي) بر يون بروميد است و توليد كارسينوژن را مي‌نمايد. منبع عمده برم در ايالات متحده چاه‌هاي آركانزاس، اوهايو و ميشيگان (از 2/0 تا 4/0 درصد) است2. تري هالومتان (THM) و هالواستيك اسيد نيز ناشي از تاثير اوزون بر مواد آلي موجود در آب است. روشن شده است كه اوزوناسيون فاضلاب‌هاي شهري منجر به توليد تركيبات موتاژنيك مي‌شود (Monarca و همكاران، 2000) كه مي‌توان اين مواد را با استفاده از كربن فعال تصفيه نمود.
در ايالات متحده اولين تصفيه‌خانه اوزوناسيون در ويتينگ اينديانا در سال 1941 براي كنترل مزه و بو راه‌اندازي شد و امروزه نيز به همين منظور به فعاليت خود ادامه مي‌دهد. علاوه بر اينديانا در استراسبورگ و پنسيلوانيا نيز از اوزون براي آب آشاميدني استفاده مي‌شود. استفاده از اوزون براي آب آشاميدني در ايالات متحده كمتر از مصرف در اروپا است. هزينه انرژي اوزوناسيون بيشتر از هزينه انرژي براي كلريناسيون است. تكنولوژي اوزون راكد مانده و توسعه آن براي تصفيه آب و فاضلاب متوقف شده است2. البته از طريق اوزوناسيون مي‌توان رنگ ناشي از كروماژن‌ها را از بين برد. چرا كه رنگ آب عمدتاً ناشي از حضور گونه‌هاي آلي است كه طول موج منطقه مشخصي از نور مرئي را جذب مي‌كنند7. شيمي اوزوناسيون، مكانيسم حذف رنگ با استفاده از اكسيد كردن ماده كروماژن را مشخص مي‌كند و با مطالعه منبع ورود آن مي‌توان مواد احتمالي باقي در محيط را تعيين و در جهت حذف آن اقدام نمود.
در ايالات متحده، كلريناسيون براي اولين بار در سال 1908 ميلادي براي تصفيه فاضلاب شهري در جرسي‌سيتي نيوجرسي جهت گندزدايي استفاده شده است2. البته مخلوط اكسيدان‌هاي اشاره شده نيز مورد استفاده قرار گرفته است. مطالعه ازمايشگاهي نشان داده است كه اين روش بسيار مؤثرتر از كلرزني است (Venczel و همكاران، 1997).
گندزدايي با كمك پرتو UV (كه اثرات ضدميكروبي آن از اويل قرن بيستم روشن شده است) نيز معايب و مزايايي دارد. مزاياي آن عبارتند از اين كه ويروس‌ها و باكتري‌هاي آب آشاميدني (و با دوز بالاتر، پروتوزوئان‌ها) نابود مي‌شوند، محصولات فرعي موتاژنيك كارسينوژنيك و نامطلوب ندارد، مشكلات طعم و مزه ايجاد نمي‌كند و نياز به افرايش مواد شيميايي را از بين مي‌برد و مهمتر اين كه فضاي كاري كوچكتري نياز دارد. با اين همه، داراي معايبي نيز هست كه عبارتند از اين كه داراي بقاياي مؤثر نخواهد بود و بنابراين نيازمند پيش‌گندزدايي با كلر است، تعيين دوز آن مشكل بوده و در كدورت‌هاي بالا، اثر گندزدايي كمتري دارد، نگه‌داري لامپ UV مشكل است، احتمال واكنش‌هاي پاتوژنيك ميكروبي وجود دارد و هزينه گندزدايي UV (كه براي رقابت با كلريناسيون لازم است دوز را ايجاد كرد) بالاست. Huang و همكاران دريافتند كه UV بعد از اوزوناسيون بهترين تكنولوژي براي پيش‌تصفيه است چرا كه علاوه بر حذف كامل رنگ، منجر به حذف مواد آلي باقيمانده نيز مي‌شود 4. البته از تابش خورشيد و گندزدايي با اشعه الكتروني نيز استفاده شده است2.
تصفيه آب سخت
دو روش مورد استفاده است: (الف:) فرايند مبادله يون و (ب:) فرايند مبادله كاتيوني.
فرايند مبادله يون براي نرمي آبهاي سخت مورد استفاده قرار مي‌گيرد. عمدتاً از رزين‌ها در جايگزيني يون سديم به جاي كلسيم و منيزيم آب سخت استفاده مي‌شود. در مبادله كاتيوني، كليه يون‌هاي ايجاد كننده سختي با قرار گرفتن در معرض رزين مبادله‌گر كاتيوني از آب حذف مي‌شوند و سختي آب به صفر مي‌رسد 3 (در آب نهايي، معادل يون‌هاي ، و موجود در آب اوليه، حضور خواهد داشت كه اگر غلظت بالايي داشته باشد براي افراد داراي پرهيز نمك مشكل‌ساز است ولي در كل نسبت به آب اوليه داراي كيفيت مطلوب‌تري است).
خورندگي آب
يك روش مورد استفاده براي كاهش خاصيت خورندگي ذاتي آب افزودن مواد شيميايي است كه انتخاب آن وابسته به (الف:) كاربري آب، (ب:) مقدار مورد استفاده و (ج:) قيمت مواد شيميايي است. روش مورد استفاده ديگر، همانند مورد حذف آهن و منگنز، استفاده از هوادهي است كه مي‌تواند كربن‌دي‌اكسيد محلول در آب را تا 5 ميلي‌گرم در ليتر كاهش دهد و عواقب خورندگي ناشي از حضور آن را به حداقل برساند. حفاظت كاتدي، روش ديگري است كه براي كنترل خورندگي مورد استفاده قرار مي‌گيرد و در آن با برقراري جريان الكتريكي خارجي، يون درون محلول آبي عكس عمل خورندگي را انجام مي‌دهد. اين عمل با هضم شدن يك الكترود فلزي (آند منيزيم) براي جلوگيري از خوردگي لوله و مخزن انجام مي‌گيرد. آسترپوشي و رنگ‌كاري نيز از اقدامات مورد استفاده در كنترل خورندگي هستند. پايپ‌هاي پلاستيكي، بتن، روي و منيزيم، پلي‌اتيلن، اپوكسي و لعاب‌كاري قيري موارد مورد استفاده در جلوگيري ازخوردگي هستند. لوله‌هاي مختلفي از مواد مقاوم در برابر خوردگي نيز مورد استفاده قرار مي‌گيرند كه عبارتند از PVC، آلومينيوم، نيكل، سيليكون، برنج، برنز، استيل ضدزنگ و بتن مسلح 2و3.
بهينه‌سازي فرايندها
ابزارهاي طراحي فرايندهاي شيميايي شكل يافته بر اساس كامپيوتر بيش از چهار دهه است كه در امر آناليز، ارزيابي و بهينه‌سازي اين فرايندها مورد استفاده قرار گرفته و به خوبي پاسخگوي نيازها بوده‌است. علي‌رغم پيشرفت‌هاي چشمگير در عرصه كاربري كامپيوتريك فرايندهاي شيميايي، مدل‌سازي فرايندها در زمينه زيست‌محيطي و بالاخص تصفيه آب و فاضلاب، به دليل درگير بودن با سيستم‌هاي بيولوژيكي، بسيار مشكل است. چرا كه بستره سيستم پيچيده بوده و شامل هم زيستي ميكروارگانيسم‌ها، تركيبات محلول و نامحلول آلي و معدني است كه پيشگويي سيستم بر اساس قواعد ترموديناميكي و ميكروترانسپورتي را با مشكل مواجه ساخته و كار طراحي و مدل‌سازي كامپيوتري را دشوار مي‌گرداند. علاوه بر اينها، مدل‌سازي در زمينه‌هايي ممكن شده است كه به اندازه كافي پشتوانه علمي شيميايي و بيولوژيك داشته باشد مهندسان Intelligen, Inc. برنامه‌اي كامپيوتري تحت عنوان EnviroPro Designer را به صورت تجاري طراحی کرده اند كه شبيه‌ساز فرايندهاي مربوط به عمليات زيست‌محيطي است و در آن تمهيدات خاصي شامل تعيين و تنظيم مقدار مواد شيميايي خطرناك (همچون VOCها و فلزات سنگين) در نظر گرفته شده و مقادير مجاز هر كدام بر اساس تعيين آژانس حفاظت محيط زيست ايالات متحده لحاظ شده است. اين برنامه به پايگاه داده‌ها متصل است كه امكان دسترسي به خواص ترموديناميكي (جرم مولكولي، نقطه جوش، فشار و حجم بحراني، فشار بخار، ثابت‌هاي قانون هنري، چگالي و ... و نيز COD، TOC، BOD5/COD، TSS و ...) براي چهارهزار ماده شيميايي را در خود دارد5. از آنجايي كه نرم‌افزار جهت كاربري‌هاي گسترده طراحي شده است لذا نحوه بكارگيري آن براي اهدافي مختلف، طي مقالاتي مانند آنچه در مرجع شماره 5 اين مقاله آورده شده است ارائه گرديده و مي‌گردد. با مراجعه به چنين مقالاتي، پتانسيل بالاي نرم‌افزارهايي اين چنين جهت طراحي و مطالعه به كمك شبيه‌سازي فرايندهاي مختلف بيوشيميايي روشن مي‌گردد.
نتيجه‌گيري
به نظر مي‌رسد كه سه فاكتور (و به ترتيب اولويت) در بهره‌برداري از يك منبع آبي قابل استفاده، براي ايالات متحده مورد توجه بوده است:
(1) تكنولوژي و هزينه مورد استفاده با توجه به جمعيت تحت پوشش و در نظر گرفتن توجيه اقتصادي بر پايه جمعيت تحت پوشش از يك منبع و توانايي بهره‌برداري مالي از آن
(2) بهداشت عمومی
(3) سلامت زيست محيطي
براي موقعيت‌هاي مجتمع‌تر انساني (كه شمار زيادي را شامل نمي‌شود)، اولويت دوم بر اول مقدم شمرده شده است. در زمينه آب آشاميدني، به نظر مي‌رسد كه ديد ايالات متحده نسبت به آبهاي زيرزميني نه تنها به عنوان منبع تامين آب است بلكه به عنوان ذخيره آبي كه هم نياز كنوني را مرتفع مي‌كند و هم توان برطرف كردن نيازهاي آتي را دارد نيز هست. عمده اقدامات ايالات متحده حين عمليات تصفيه آب، با توجه به نوع منبع تامين كننده آن، در ابتدا حذف مواد آلي و معدني كروماژن است كه توسط فرايندهاي شيميايي و با بكارگيري مواد شيميايي از جمله اوزون و نيز تابش پرتو UV و اشعه پرانرژي الكتروني صورت مي‌گيرد و منجر به شكستن و اكسيد شدن اين مواد شيميايي مي‌شود. به منظور گندزدايي عمدتاً از كلر (و به صورت كمتر، از اوزون) به صورت مشتقات مختلف آن استفاده شده است. برخي مشتقات كلر علاوه بر اين كه خاصيت گندزدايي دارند، از بين برنده بو و طعم نيز هستند. حضور يون فلزات (به خصوص فلزات سنگين) به عنوان يك عامل سمي در آبهاي ايالات متحده (كه ناشي از حضور صنايع مختلف و آلايندگي آنهاست) مستلزم اتخاذ روندي عملي در جهت حذف يا كاهش غلظت بوده است. براي اين منظور از رسوب‌دهنده‌هاي شيميايي و تنظيم استفاده مي‌شود. مهمترين ماده شيميايي مورد استفاده، اوزون ( ) بوده و از هوادهي نيز جهت اكسايش به درجات بالاتر استفاده شده است. جهت كنترل نيز (جز در برخي مقاصد ويژه) از آهك و آمونياك استفاده شده است. در استفاده ترتيبي از گندزداها، بعد از اوزوناسيون، از كلر و مونوكلروآمين استفاده مي‌شود. براي از بين بردن سختي آب نيز از رزين‌هاي مبادله كننده يون استفاده مي‌شود و به كمك آن، يون فلزات با (عمدتاً) سديم جايگزين مي‌شود. براي كاهش اثر خورندگي آب در ابتدا از هوادهي و در ادامه از مواد شيميايي استفاده مي‌شود. جهت جلوگيري از خورندگي آب نيز ابزار و تجهيزات در معرض تماس با آب از جنس پلاستيك انتخاب شده و از حفاظت كاتدي استفاده مي‌شود. پوشش‌هاي لازم به صورت پليمري نظير پلي‌اتيلن انتخاب شده و مخازن نيز به صورت بتني، رنگ‌كاري شده و يا قيراندود مورد استفاده قرار گرفته‌اند. طراحي و استفاده از نرم‌افزارهايي همچون EnviroPro Designer در اين راستا بوده است و با بهینه سازی شرايط، بازدهي بيشتر را به همراه داشته و احتمال تعديل هزينه‌هاي اقتصادي را نيز به دنبال دارد.
تقدير و تشكر
نویسندگان، مراتب تشكر و قدرداني خود را از دكتر فيروز قادري پاكدل اعلام مي‌دارند.
مراجع:
بهداشت آب - سه شنبه هفدهم اسفند 1389
روشهاي سنتي حفاظت آب و خاك - سه شنبه هفدهم اسفند 1389
قانون حفاظت دريا و رودخانه هاي مرزي از آلودگي با مواد نفتي - سه شنبه هفدهم اسفند 1389
معرفي نرم افزارهاي مجموعه Desktop GIS - سه شنبه هفدهم اسفند 1389
معرفی نرم افزار SEWER - سه شنبه هفدهم اسفند 1389
حذف سولفات از آب - سه شنبه هفدهم اسفند 1389
پمپ ها (Pumps) - سه شنبه هفدهم اسفند 1389
آلودگی های مرز گذر - دوشنبه شانزدهم اسفند 1389
پدیده کاویتاسیون (Cavitation) - دوشنبه شانزدهم اسفند 1389
نانوفیلتر‌ها به‌تصفیه آب درمناطق حادثه‌دیده کمک می‌کنند - دوشنبه شانزدهم اسفند 1389
معرفی برنامه طراحی شبکه های توزیع آب EpaNet 2.00 - دوشنبه شانزدهم اسفند 1389
روان آب - دوشنبه شانزدهم اسفند 1389
پس ماندهاي ناشي از تصفيه آب و روش هاي دفع - دوشنبه شانزدهم اسفند 1389
مختصری در باره چگونگی تصفیه آب و فاضلاب - یکشنبه پانزدهم اسفند 1389
ویژگی لوله های آگفا - یکشنبه پانزدهم اسفند 1389
پروژه تصفیه خانه آب شرب شهرستان تکاب - یکشنبه پانزدهم اسفند 1389
آب به حساب نیامده - یکشنبه پانزدهم اسفند 1389
استفاده از فرایند انعقاد در حذف آرسنیک از آب - یکشنبه پانزدهم اسفند 1389
قطعات مشترک در پمپ ها - یکشنبه پانزدهم اسفند 1389
آب ژاول - شنبه چهاردهم اسفند 1389
باکتریهای آهن(و منگنز) Iron Bacteria - شنبه چهاردهم اسفند 1389
دانلود ضوابط طراحی سیستم های فاضلاب - شنبه چهاردهم اسفند 1389
اتوماسیون در تصفیه خانه های آب - جمعه سیزدهم اسفند 1389
استفاده از فرایند تبادل یون برای حذف آرسنیک - جمعه سیزدهم اسفند 1389
مطالب کلی در مورد تیتراسیون - جمعه سیزدهم اسفند 1389
جلوگیری از تشکیل رسوب در دیگ بخار - پنجشنبه دوازدهم اسفند 1389
مواد منعقد کننده - پنجشنبه دوازدهم اسفند 1389
دانلود ویژگیهای آب - پنجشنبه دوازدهم اسفند 1389
مدیریت منابع آب در برزیل - پنجشنبه دوازدهم اسفند 1389
آب طلای دیگر - چهارشنبه یازدهم اسفند 1389
استفاده از دی اکسید کلر به عنوان گندزدا - چهارشنبه یازدهم اسفند 1389
کروماتو گرافی تبادل یونی - چهارشنبه یازدهم اسفند 1389
راکتور ناپیوسته متوالی - چهارشنبه یازدهم اسفند 1389
مبانی کلرزنی - چهارشنبه یازدهم اسفند 1389
بهداشت آب در سفر - چهارشنبه یازدهم اسفند 1389
آبیاری مغناطیسی - چهارشنبه یازدهم اسفند 1389
خوردگی، زیان‌ها و روشهای کنترل آن - سه شنبه دهم اسفند 1389
تماس دهنده های زیستی چرخان (ROTATING BIOLOGICAL CONTACTORS - سه شنبه دهم اسفند 1389
آب شناسی - سه شنبه دهم اسفند 1389
محروميت ۴/ ۱ ميليارد انسان از دسترسي به آب سالم - سه شنبه دهم اسفند 1389
مبانی کلرزنی - دوشنبه نهم اسفند 1389
راکتور بسته ی متوالی SBR) Sequencing Batch Reactor) - دوشنبه نهم اسفند 1389
خوردگی فلزات و ترمودینامیک شیمیایی - دوشنبه نهم اسفند 1389
خوردگی ( Corrosion ) - یکشنبه هشتم اسفند 1389
وجود یون کلراید (Chloride) در آب - یکشنبه هشتم اسفند 1389
کاربرد پلی آلومینیوم کلراید در تصفیه آب - یکشنبه هشتم اسفند 1389
معرفی تصفیه خانه فاضلاب شماره یک شیراز - یکشنبه هشتم اسفند 1389
دانلود ضوابط طراحی سیستم های آبی - شنبه هفتم اسفند 1389
اثرات کلراید بر انسان و محیط زیست - شنبه هفتم اسفند 1389
(مطالعه موردی ایالات متحده آمریکا)
مجید اسم حسینی1، سیما صولتی فر1، امیر میرزانژاد1، نادر صولتی فر2
1- گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه ارومیه
2- دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه ارومیه
چکیده :
آب و منابع آبي در دنياي امروز جزو ارزشمندترين دارايي‌هاي ممالك به شمار مي‌رود. عمده دغدغه‌هاي جوامع تامين غذا، آب و انرژي است. از اين ميان غذا به دليل امكان متعدد در تامين آن و انرژي به دليل دستيابي به منابع نو به نحوي قابل مرتفع‌سازي است و تنها آب است كه در صورت نبود منابع، جوامع را دچار مشكل مي‌سازد. از اين رو برنامه‌ريزي جهت صرفه‌جويي در مصرف و حفظ منابع موجود در اولويت قرار دارد. از طرف دیگر وقوع خشکسالی‌‌های متعدد و افزایش روز افزون جمعیت، نیاز به آب آشامیدنی سالم و تصفیه آب و بهره‌گيري مناسب‌تر در مصارف صنعتي و كشاورزي را ضروري نموده و پیشرفت تکنولوژی در جهت استفاده از روشهای صنعتی و تجزیه‌ای جهت تصفیه آب و کاهش هزینه‌ها به امری اجتناب ناپذیر تبدیل گردیده است. از آن جمله مي‌توان به ستون‌های کروماتوگرافی، رزین‌ها و مبادله کننده‌های یونی جهت نرم‌سازی و گرفتن سختی آب، همچنین فرایندهای كلریناسیون و فلورايداسيون، صاف‌کردن و ته‌نشینی با روشهای پیشرفته و استفاده از گندزداهای موثر و نیز روشهای صنعتی پیشرفته و استفاده از میکروپروسسورها جهت کنترل تصفیه اشاره كرد. در مطالعه حاضر، فرايند های تصفيه در کشورهای توسعه یافته با مطالعه موردی ايالات متحده آمریکا مورد بررسي قرار گرفته و مزایا و معایب هر يك از این روش‌ها از منظرهاي مختلف بیان گرديده است. مطالعاتي از اين دست مي‌تواند راهگشاي بهره‌گيري از تجارب اخیر جهانی در استفاده از تکنولوژی تصفیه آب در ایران جهت به دست آوردن آب شرب سالم و مناسب با کاهش اتلاف زمان و هزینه باشد.
واژگان کلیدی: تصفيه آب و فاضلاب، کشورهای توسعه یافته، كلريناسيون.
مقدمه
حدود 40 ميليون مايل مكعب آب روي كره زمين موجود است كه اقيانوس‌ها حدود 97% آن را شامل مي‌شوند. 3% بقيه آبهاي آزادند: (الف:) برف و يخ روي سطح كره زمين حدود 25/2% و (ب:) آب زيرزميني قابل استفاده در حدود 3/0% و (ج:) آب آزاد سطحي كمتر از 5/0%. در ايالات متحده ميانگين بارندگي در حدود 6/2 فوت (حجم 5900 كيلومترمكعب) است. از اين ميزان، حدود 71% (معادل 4200 كيلومترمكعب) تبخير مي‌شود و 29% به صورت جويبار جاري مي‌شود. آب آزاد قابل استفاده صرف توليد، تهيه خوراك، مصارف خانگي و عمومي ضروري، توليد انرژي هيدروالكتريكي و كنترل سيلاب مي‌گردد. صنعت و آبياري حدود نيمي از اين مقدار را مصرف مي‌كند كه معادل 4/3% يا 200 كيلومترمكعب بر سال را شامل مي‌شود. البته مقدار مصرف عمومي آب در ايالات متحده در حال افزايش است. براي مثال در سال 1975 ميلادي 40 بيليون گالن آب آزاد مورد استفاده قرار گرفته بود كه در سال 1990 ميلادي به 455 بيليون گالن رسيد و در سال 2002 به 725 بيليون گالن افزايش يافت. منابع اوليه آب آزاد شامل موارد زير بوده‌اند 3:
• آب جمع‌آوري شده از بارش در مخازن و منابع آب
• آبهاي زيرزميني چشمه‌ها، چاه‌هاي آرتزين و حفاري شده
• آبهاي سطحي درياچه‌ها، رودها و جويبارها
• آبهاي دريايي و زيرزميني نمك‌گيري شده
• تجديد آب از فاضلاب‌ها
يكي از عمده‌ترين اقدامات ايالات متحده، «مديريت جامع و واحد» آب است كه با محوريت هماهنگي‌هاي اجتماعي، زيست‌محيطي و تكنيكي انجام گرفته است. مصوبه و دستور آب پاكيزه (CWA) و آب آشاميدني سالم (SDWA) در حفاظت آب، علاوه بر اين كه اهرم فشاري براي حفاظت مقسم‌هاي آبي است، ماموريت‌هاي حوزه مديريت آب آشاميدني را تسهيل مي‌كند 3.
آب سطحي، مزايا و معايب
بزرگترين مزيت استفاده از آب سطحي به عنوان يك منبع آبي آنست كه به آساني قابل دسترس بوده و در استفاده از آن نيازي به آموزش و ابزار پيچيده نيست. اغلب منابع آبي سطحي در ايالات متحده از چندين دهه قبل مورد استفاده بوده‌اند و اطلاعات عمده در زمينه كيفيت و كميت آنها موجود است. آبهاي سطحي عموماً نرم ترند و با توجه به اين مزيت، تصفيه آنها مستلزم صرف انرژي و هزينه كمتري است و بدين جهت در اين کشور مورد توجه بوده است. همچنین در ايالات متحده، سيستم 6000 واحد آبي توسط آبهاي سطحي تغذيه شده و براي جمعيتي حدود 155 ميليون نفر آب شرب تامين مي‌كند1. توجه به آبهاي زيرزميني نيز ناشي از لزوم ذخيره آب چند ده ميليون نفر است.
عمده‌ترين عيب معني‌دار در استفاده از آب سطحي به عنوان منبع آبي، پتانسيل بالاي آلودگي پذيري آن است. اين آلودگي عمدتاً هم از سوي ميكروارگانيسم‌هايي است كه مولد بيماري‌هاي آبي هستند و هم از جانب موادي شيميايي است كه از سطوح جدا شده و وارد رودخانه‌ها و جويبارها مي‌شوند. در ايالات متحده طي 1971-1985، 502 نوع بيماري آبي شيوع يافته و 111228 مورد مبتلا به آنها گزارش شده است و نیز طي 1991-1998، 2100 مورد آلودگي به بيماري‌هاي ويروسي با منشاء آبي يافت شده است 1 كه نشان دهنده آلودگي‌پذيري زياد آبهاي سطحي است. عيب ديگر اغلب آبهاي سطحي كدورت آنهاست كه ناشي از شناورشدن رسوبات است. هرقدر كه كدورت آب افزايش مي‌يابد، هزينه پالايش و زمان عمل روي آن نیز افزايش یافته كه از نظر اقتصادي فاكتور نامطلوبي محسوب مي‌شود.
آب زيرزميني (سيستم‌هاي چاهي)
در گذشته حفاري چاه‌هاي عمودي آبي فقط جهت دسترسي به آب انجام مي‌گرفت. امروزه اغلب در آمریکا، اين امر شامل انجام مراحلي پيچيده و گام به گام به شكل هفت مرحله است 3 :
گام 1: كاربري – بسته به موقعيت و نحوه خروج و نوع ميزان منبع ذخيره، متفاوت است.
گام 2: موقعيت مناسب – بعد از تعيين نوع كاربري، محل از نظر زمين‌شناختي محلي و ساير عوارض بررسي مي‌شود تا از مناسب بودن آن اطمينان حاصل شود.
گام 3: حفاري – بعد از طي گام‌هاي 1 و 2، نوبت حفاري است.
گام 4: گزارشات مهندسي مقدماتي– بعد از حفر چاه، نتايج به صورت مستند ثبت مي‌شوند و بررسي‌هاي مهندسي در جهت بهره‌برداري از منبع آبي به صورت عملي انجام مي‌شود. در اين مرحله با استفاده از پمپ تعيين مي‌شود كه آيا چاه حفر شده توان تامين آب مورد نياز را خواهد داشت. براي اين كار پمپاژ آب به مدت 6 ساعت با دبي برابر يا بيشتر از كاربري مورد نظر انجام مي‌گيرد. سطح تراز بايد با سرعتي جبران شود كه طي 24 ساعت بعد از توقف پمپاژ به حالت عادي برگردد. سپس نمونه‌گيري انجام شده و آب از نظر زيست‌باكتريايي و كيفيت شيميايي آزموده مي‌شود.
گام 5: ارائه مستندات براي اقدام و بهره‌برداري– با استفاده از نتايج، نسبت به بهره‌برداري اقدام مي‌شود.
گام 6: مجوز احداث – اگر محل تائيد گردد، مجوز احداث صادر مي‌شود.
گام 7: مجوز كاربري – بعد از آماده‌سازي محل و تجهيزات، مجوز كاربري و ورود به چرخه كاري صادر مي‌شود.
تجهيزات مورد استفاده بر حسب نوع چاه و شرايط بهره‌برداري در مرجع شماره 3 به تفصيل آورده شده است.
عمده منابع سيستم تامين آب در ايالات متحده، آبهاي زيرزميني است 3. آبهاي زيرزميني فاقد پاتوژن و هر ماده سمي آلي و معدني هستند. علاوه بر آن، بدون رنگ و ذرات معلق (يعني بدون كدورت) بوده و داراي طعم و مزه مطلوبي هستند. اما بدليل قرار داشتن در معرض فرايندهاي بي‌هوازي، حاوي نمك‌هاي و هستند [8]. امر تصفيه آب در ايالات متحده، شامل كنترل موارد زير است:
• آلودگي‌هاي باكتريايي
• هيدروژن سولفيد
• آب سخت
• آب خورنده (Corrosive)
• آهن و منگنز
بر اساس تجربه و با استناد به ويراست هشتم " Manual of Water Utility Operations" انجمن كاربري آب تگزاس، تصفيه آب شامل فرايندهاي زير است:
• حذف زباله‌ها از آب رودخانه‌ها و مخازن آبي
• لايروبي منابع جهت جلوگيري از تجزيه بي‌هوازي كه به كاهش ورود آهن و منگنز از ذرات ريز به محلول آب منجر خواهد شد و ممكن است مستلزم حذف متوالي در عمليات تصفيه باشد. هيدروژن سولفيد و ساير تركيبات بو و طعم‌دار معمولاً طي لايه‌بندي تشكيل مي‌يابد كه نياز به لايروبي را دوچندان مي‌كند.
• تصفيه شيميايي مخازن آبي جهت كنترل رشد جلبك و ساير روينده‌هاي آبي كه مشكل طعم و بو ايجاد مي‌كنند.
• پيش‌لايروبي جهت حذف لجن‌ها پيش از فرايند تصفيه
• هوادهي براي حذف گازهاي ايجاد كننده بو و طعم مانند هيدروژن سولفيد و ساير گازهاي محلول يا اجزاي فرار و اكسيد كردن آهن و منگنز (هر چند كه منگنز يا غلظت‌هاي بالاي آهن در واحدهاي هوادهي حذف نمي‌شوند)
• اكسيداسيون شيميايي آهن، منگنز، سولفيد و تركيبات داراي بو و مزه و پيش‌ماده‌هاي آلي كه ممكن است هنگام افزايش كلر به آب، تري‌هالومتان تشكيل داده باشند.
• استفاده از جاذب جهت حذف مزه و بو
تخمين زده مي‌شود كه بيش از 140 بيليون دلار هزينه لازم است تا يك تصفيه‌خانه فاضلاب شهري در ايالات متحده احداث يا تجهيز شود و يا اين كه كيفيت ساير گونه‌هاي آب در واحدها بهبود يابد تا تحت استانداردهاي لازم به فعاليت خود ادامه دهند6.
تكنيك‌هاي حذف آهن و منگنز و گندزدايي
دفرّيزاسيون و دمنگانيزاسيون عمدتاً از طريق هوادهي منجر به رسوب‌گيري شيميايي اين دو يون از محلول آبي مي‌شوند كه براي اين مقصود از پتاسيم پرمنگنات يا كلر نيز استفاده شده است. تكنيك‌هاي عمده در اين زمينه عبارتند از رسوب‌گيري، اكسيداسيون، مبادله يون، جدايش و هوادهي.
رسوب‌گيري آهن و منگنز از آب در واحدهاي تصفيه آب با تنظيم pH (بوسيله افزودن آهك يا ساير مواد شيميايي) در حدود 11-10 صورت مي‌گيرد و با استفاده از صافي‌هاي شني رسوبات حاصل جداسازي مي‌شوند و براي ادامه كار، دوباره pH به 5/8 تقليل داده مي‌شود. اكسيداسيون يكي از متداول‌ترين روشهاي حذف آهن و منگنز است. براي اين امر از اكسيدان‌هاي هوا، كلر و پتاسيم پرمنگنات استفاده مي‌شود. با استفاده از اين اكسيدان‌ها، آهن و منگنز از درجه اكسايش پائين، به درجه اكسايش بالاتر -كه در آب نامحلول‌تر است- اكسيد مي‌شوند 3،8. هر كدام از اين مواد معايب و مزايايي دارند و از نظر عمل، اندكي با همديگر تفاوت دارند. در اين ميان كلر اهميت فراواني دارد، چرا كه هم گندزداست (براي مواد زنده درون آب و كنترل رشد باكتري‌ها در سيستم تصفيه) 1 و هم براي كنترل ميزان آهن و منگنز (به صورت پركلرين) مورد استفاده قرار مي‌گيرد. در ايالات متحده از دي‌اكسيدكلر جهت حذف بو و طعم اوليه ناشي از تركيبات فنولي در مخازن آبي استفاده شده است2.
با افزودن كلر، مواد آلي آبهاي سطحي و زير زميني توانايي تشكيل TTHMها را مي‌يابند. آبهاي زيرزميني به دليل اسيدي بودن، نيازمند تنظيم pH در 7-5/6 اند به همين خاطر هنگام استفاده از كلر به عنوان اكسيدان، براي تنظيم pH از آهك، سودا يا سود سوزآور استفاده مي‌شود. سود سوزآور سمي است و استفاده از آن در صنعت مستلزم دقت فراوان است. كلر به صورت كلسيم هيپوكلريت ( ) نيز در ايالات متحده مورد استفاده قرار گرفته است2.
مبادله يون كه براي نرم كردن آبهاي سخت نيز مورد استفاده قرار مي‌گيرد از طريق جذب آهن و منگنز از محلول عمل مي‌كند. با عبور آب از ميان رزين، يون‌هاي نامطلوب درون آب جذب رزين شده و با يون‌هاي كم مزاحمت جايگزين مي‌شوند. زماني هم كه غلظت يون در آب پائين است و قابل اكسيد شدن نيز نيست، از جدايش استفاده مي‌كنند3 .
براي از بين بردن باكتري‌هاي بي‌هوازي از گندزداها استفاده مي‌شود 8. اوزون را مي‌توان با توجه به هدف مورد نظر، از قسمت‌هاي مختلفي و در حين مراحل متفاوتي به سيستم تصفيه وارد نمود. البته تاثيرگذاري آن به عنوان ماده گندزدا تحت كنترل pH نيست و با آمونياك برهم كنشي ندارد (Driedger و همكاران، 2001). اوزوناسيون پرهزينه‌تر از كلريناسيون و حتي استفاده از UV به عنوان ضدعفوني كننده است و آيتم عملياتي گراني محسوب مي‌شود. از آنجايي كه اوزون هيچ بقاياي مؤثري از خود در سيستم برجاي نمي‌گذارد لذا برخي مواقع از آن به عنوان عامل تصفيه‌اي بعد از كلريناسيون بهره‌گيري مي‌شود. در گندزدايي متوالي، از اوزون به عنوان گندزداي اوليه و از كلر يا مونوكلرآمين به عنوان گندزداي ثانويه استفاده شده است. پيش‌گندزدايي با اوزون سرعت غير فعال‌سازي را افزايش داده و فاز تاخير در مونوكلرآمين يا كلرزني را حذف مي‌كند (Rennecker و همكاران، 2000). در افزايش متوالي اوزون و كلر، اثر افزايشي با افزايش pH كاهش مي‌يابد (Driedger و همكاران، 2000). در مورد مكانيسم تاثير اوزناسيون مطالعات متعددي صورت گرفته است كه در مرجع شماره 2 اين مقاله آورده شده‌اند. البته اوزوناسيون بعد از كلريناسيون داراي فراورده‌هاي فرعي سمي موتاژنيك كارسينوژني است. برومات يكي از آنهاست كه ناشي از تاثير اوزون مولكولي و راديكال هيدروكسيل (آلدئيد و كتواسيدهاي ناشي از واكنش اوزون با مواد آلي) بر يون بروميد است و توليد كارسينوژن را مي‌نمايد. منبع عمده برم در ايالات متحده چاه‌هاي آركانزاس، اوهايو و ميشيگان (از 2/0 تا 4/0 درصد) است2. تري هالومتان (THM) و هالواستيك اسيد نيز ناشي از تاثير اوزون بر مواد آلي موجود در آب است. روشن شده است كه اوزوناسيون فاضلاب‌هاي شهري منجر به توليد تركيبات موتاژنيك مي‌شود (Monarca و همكاران، 2000) كه مي‌توان اين مواد را با استفاده از كربن فعال تصفيه نمود.
در ايالات متحده اولين تصفيه‌خانه اوزوناسيون در ويتينگ اينديانا در سال 1941 براي كنترل مزه و بو راه‌اندازي شد و امروزه نيز به همين منظور به فعاليت خود ادامه مي‌دهد. علاوه بر اينديانا در استراسبورگ و پنسيلوانيا نيز از اوزون براي آب آشاميدني استفاده مي‌شود. استفاده از اوزون براي آب آشاميدني در ايالات متحده كمتر از مصرف در اروپا است. هزينه انرژي اوزوناسيون بيشتر از هزينه انرژي براي كلريناسيون است. تكنولوژي اوزون راكد مانده و توسعه آن براي تصفيه آب و فاضلاب متوقف شده است2. البته از طريق اوزوناسيون مي‌توان رنگ ناشي از كروماژن‌ها را از بين برد. چرا كه رنگ آب عمدتاً ناشي از حضور گونه‌هاي آلي است كه طول موج منطقه مشخصي از نور مرئي را جذب مي‌كنند7. شيمي اوزوناسيون، مكانيسم حذف رنگ با استفاده از اكسيد كردن ماده كروماژن را مشخص مي‌كند و با مطالعه منبع ورود آن مي‌توان مواد احتمالي باقي در محيط را تعيين و در جهت حذف آن اقدام نمود.
در ايالات متحده، كلريناسيون براي اولين بار در سال 1908 ميلادي براي تصفيه فاضلاب شهري در جرسي‌سيتي نيوجرسي جهت گندزدايي استفاده شده است2. البته مخلوط اكسيدان‌هاي اشاره شده نيز مورد استفاده قرار گرفته است. مطالعه ازمايشگاهي نشان داده است كه اين روش بسيار مؤثرتر از كلرزني است (Venczel و همكاران، 1997).
گندزدايي با كمك پرتو UV (كه اثرات ضدميكروبي آن از اويل قرن بيستم روشن شده است) نيز معايب و مزايايي دارد. مزاياي آن عبارتند از اين كه ويروس‌ها و باكتري‌هاي آب آشاميدني (و با دوز بالاتر، پروتوزوئان‌ها) نابود مي‌شوند، محصولات فرعي موتاژنيك كارسينوژنيك و نامطلوب ندارد، مشكلات طعم و مزه ايجاد نمي‌كند و نياز به افرايش مواد شيميايي را از بين مي‌برد و مهمتر اين كه فضاي كاري كوچكتري نياز دارد. با اين همه، داراي معايبي نيز هست كه عبارتند از اين كه داراي بقاياي مؤثر نخواهد بود و بنابراين نيازمند پيش‌گندزدايي با كلر است، تعيين دوز آن مشكل بوده و در كدورت‌هاي بالا، اثر گندزدايي كمتري دارد، نگه‌داري لامپ UV مشكل است، احتمال واكنش‌هاي پاتوژنيك ميكروبي وجود دارد و هزينه گندزدايي UV (كه براي رقابت با كلريناسيون لازم است دوز را ايجاد كرد) بالاست. Huang و همكاران دريافتند كه UV بعد از اوزوناسيون بهترين تكنولوژي براي پيش‌تصفيه است چرا كه علاوه بر حذف كامل رنگ، منجر به حذف مواد آلي باقيمانده نيز مي‌شود 4. البته از تابش خورشيد و گندزدايي با اشعه الكتروني نيز استفاده شده است2.
تصفيه آب سخت
دو روش مورد استفاده است: (الف:) فرايند مبادله يون و (ب:) فرايند مبادله كاتيوني.
فرايند مبادله يون براي نرمي آبهاي سخت مورد استفاده قرار مي‌گيرد. عمدتاً از رزين‌ها در جايگزيني يون سديم به جاي كلسيم و منيزيم آب سخت استفاده مي‌شود. در مبادله كاتيوني، كليه يون‌هاي ايجاد كننده سختي با قرار گرفتن در معرض رزين مبادله‌گر كاتيوني از آب حذف مي‌شوند و سختي آب به صفر مي‌رسد 3 (در آب نهايي، معادل يون‌هاي ، و موجود در آب اوليه، حضور خواهد داشت كه اگر غلظت بالايي داشته باشد براي افراد داراي پرهيز نمك مشكل‌ساز است ولي در كل نسبت به آب اوليه داراي كيفيت مطلوب‌تري است).
خورندگي آب
يك روش مورد استفاده براي كاهش خاصيت خورندگي ذاتي آب افزودن مواد شيميايي است كه انتخاب آن وابسته به (الف:) كاربري آب، (ب:) مقدار مورد استفاده و (ج:) قيمت مواد شيميايي است. روش مورد استفاده ديگر، همانند مورد حذف آهن و منگنز، استفاده از هوادهي است كه مي‌تواند كربن‌دي‌اكسيد محلول در آب را تا 5 ميلي‌گرم در ليتر كاهش دهد و عواقب خورندگي ناشي از حضور آن را به حداقل برساند. حفاظت كاتدي، روش ديگري است كه براي كنترل خورندگي مورد استفاده قرار مي‌گيرد و در آن با برقراري جريان الكتريكي خارجي، يون درون محلول آبي عكس عمل خورندگي را انجام مي‌دهد. اين عمل با هضم شدن يك الكترود فلزي (آند منيزيم) براي جلوگيري از خوردگي لوله و مخزن انجام مي‌گيرد. آسترپوشي و رنگ‌كاري نيز از اقدامات مورد استفاده در كنترل خورندگي هستند. پايپ‌هاي پلاستيكي، بتن، روي و منيزيم، پلي‌اتيلن، اپوكسي و لعاب‌كاري قيري موارد مورد استفاده در جلوگيري ازخوردگي هستند. لوله‌هاي مختلفي از مواد مقاوم در برابر خوردگي نيز مورد استفاده قرار مي‌گيرند كه عبارتند از PVC، آلومينيوم، نيكل، سيليكون، برنج، برنز، استيل ضدزنگ و بتن مسلح 2و3.
بهينه‌سازي فرايندها
ابزارهاي طراحي فرايندهاي شيميايي شكل يافته بر اساس كامپيوتر بيش از چهار دهه است كه در امر آناليز، ارزيابي و بهينه‌سازي اين فرايندها مورد استفاده قرار گرفته و به خوبي پاسخگوي نيازها بوده‌است. علي‌رغم پيشرفت‌هاي چشمگير در عرصه كاربري كامپيوتريك فرايندهاي شيميايي، مدل‌سازي فرايندها در زمينه زيست‌محيطي و بالاخص تصفيه آب و فاضلاب، به دليل درگير بودن با سيستم‌هاي بيولوژيكي، بسيار مشكل است. چرا كه بستره سيستم پيچيده بوده و شامل هم زيستي ميكروارگانيسم‌ها، تركيبات محلول و نامحلول آلي و معدني است كه پيشگويي سيستم بر اساس قواعد ترموديناميكي و ميكروترانسپورتي را با مشكل مواجه ساخته و كار طراحي و مدل‌سازي كامپيوتري را دشوار مي‌گرداند. علاوه بر اينها، مدل‌سازي در زمينه‌هايي ممكن شده است كه به اندازه كافي پشتوانه علمي شيميايي و بيولوژيك داشته باشد مهندسان Intelligen, Inc. برنامه‌اي كامپيوتري تحت عنوان EnviroPro Designer را به صورت تجاري طراحی کرده اند كه شبيه‌ساز فرايندهاي مربوط به عمليات زيست‌محيطي است و در آن تمهيدات خاصي شامل تعيين و تنظيم مقدار مواد شيميايي خطرناك (همچون VOCها و فلزات سنگين) در نظر گرفته شده و مقادير مجاز هر كدام بر اساس تعيين آژانس حفاظت محيط زيست ايالات متحده لحاظ شده است. اين برنامه به پايگاه داده‌ها متصل است كه امكان دسترسي به خواص ترموديناميكي (جرم مولكولي، نقطه جوش، فشار و حجم بحراني، فشار بخار، ثابت‌هاي قانون هنري، چگالي و ... و نيز COD، TOC، BOD5/COD، TSS و ...) براي چهارهزار ماده شيميايي را در خود دارد5. از آنجايي كه نرم‌افزار جهت كاربري‌هاي گسترده طراحي شده است لذا نحوه بكارگيري آن براي اهدافي مختلف، طي مقالاتي مانند آنچه در مرجع شماره 5 اين مقاله آورده شده است ارائه گرديده و مي‌گردد. با مراجعه به چنين مقالاتي، پتانسيل بالاي نرم‌افزارهايي اين چنين جهت طراحي و مطالعه به كمك شبيه‌سازي فرايندهاي مختلف بيوشيميايي روشن مي‌گردد.
نتيجه‌گيري
به نظر مي‌رسد كه سه فاكتور (و به ترتيب اولويت) در بهره‌برداري از يك منبع آبي قابل استفاده، براي ايالات متحده مورد توجه بوده است:
(1) تكنولوژي و هزينه مورد استفاده با توجه به جمعيت تحت پوشش و در نظر گرفتن توجيه اقتصادي بر پايه جمعيت تحت پوشش از يك منبع و توانايي بهره‌برداري مالي از آن
(2) بهداشت عمومی
(3) سلامت زيست محيطي
براي موقعيت‌هاي مجتمع‌تر انساني (كه شمار زيادي را شامل نمي‌شود)، اولويت دوم بر اول مقدم شمرده شده است. در زمينه آب آشاميدني، به نظر مي‌رسد كه ديد ايالات متحده نسبت به آبهاي زيرزميني نه تنها به عنوان منبع تامين آب است بلكه به عنوان ذخيره آبي كه هم نياز كنوني را مرتفع مي‌كند و هم توان برطرف كردن نيازهاي آتي را دارد نيز هست. عمده اقدامات ايالات متحده حين عمليات تصفيه آب، با توجه به نوع منبع تامين كننده آن، در ابتدا حذف مواد آلي و معدني كروماژن است كه توسط فرايندهاي شيميايي و با بكارگيري مواد شيميايي از جمله اوزون و نيز تابش پرتو UV و اشعه پرانرژي الكتروني صورت مي‌گيرد و منجر به شكستن و اكسيد شدن اين مواد شيميايي مي‌شود. به منظور گندزدايي عمدتاً از كلر (و به صورت كمتر، از اوزون) به صورت مشتقات مختلف آن استفاده شده است. برخي مشتقات كلر علاوه بر اين كه خاصيت گندزدايي دارند، از بين برنده بو و طعم نيز هستند. حضور يون فلزات (به خصوص فلزات سنگين) به عنوان يك عامل سمي در آبهاي ايالات متحده (كه ناشي از حضور صنايع مختلف و آلايندگي آنهاست) مستلزم اتخاذ روندي عملي در جهت حذف يا كاهش غلظت بوده است. براي اين منظور از رسوب‌دهنده‌هاي شيميايي و تنظيم استفاده مي‌شود. مهمترين ماده شيميايي مورد استفاده، اوزون ( ) بوده و از هوادهي نيز جهت اكسايش به درجات بالاتر استفاده شده است. جهت كنترل نيز (جز در برخي مقاصد ويژه) از آهك و آمونياك استفاده شده است. در استفاده ترتيبي از گندزداها، بعد از اوزوناسيون، از كلر و مونوكلروآمين استفاده مي‌شود. براي از بين بردن سختي آب نيز از رزين‌هاي مبادله كننده يون استفاده مي‌شود و به كمك آن، يون فلزات با (عمدتاً) سديم جايگزين مي‌شود. براي كاهش اثر خورندگي آب در ابتدا از هوادهي و در ادامه از مواد شيميايي استفاده مي‌شود. جهت جلوگيري از خورندگي آب نيز ابزار و تجهيزات در معرض تماس با آب از جنس پلاستيك انتخاب شده و از حفاظت كاتدي استفاده مي‌شود. پوشش‌هاي لازم به صورت پليمري نظير پلي‌اتيلن انتخاب شده و مخازن نيز به صورت بتني، رنگ‌كاري شده و يا قيراندود مورد استفاده قرار گرفته‌اند. طراحي و استفاده از نرم‌افزارهايي همچون EnviroPro Designer در اين راستا بوده است و با بهینه سازی شرايط، بازدهي بيشتر را به همراه داشته و احتمال تعديل هزينه‌هاي اقتصادي را نيز به دنبال دارد.
تقدير و تشكر
نویسندگان، مراتب تشكر و قدرداني خود را از دكتر فيروز قادري پاكدل اعلام مي‌دارند.
مراجع:
1- G. Bitton, "Wastewater Microbiology", Wiley-Liss, John Wiley & Sons Inc. Publication, 3rd Ed., 2005.
2- P. N. Cheremisinoff, "Handbook of Water and Wastewater Treatment Technologies", Butterworth-Heinemann, 2002.
3- Frank, R. Spellman, "The Science of Water", CRC Press, Taylor & Francis Group, 2nd Ed., 2008.
4- C. R. Huang, Y. K. Lin, H. Y. Shu, "Wastewater decolorization and TOC-reduction by sequential treatment ", Am. Dyest. Rep., 1994, 83,10.
5- D. Petrides, R . Cruz, J. Calandranis, Willy Verstraete, "Optimization of Wastewater Treatment Facilities Using Process Simulation", Computers Chem. Engng, 1998, 22.
6- P. Sincero, A. Sincero, "Physical-Chemical Treatment of Water and Wastewater", CRC Press, IWA Publishing, 2003.
7- C. Philippe Vandevivere, R. Bianchi, W. Verstraete, "Treatment and Reuse of Wastewater from the Textile Wet-Processing Industry: Review of Emerging Technologies", J. Chem. Technol. Biotechnol. 1998, 72.
8- J. Wright, "Environmental Chemistry", Routledge, Taylor & Francis Group, 1st Ed., 2003
زرنا در جلوگیری از تبخیر و اتلاف آب زراعي در روستاهای استان یزد - سه شنبه هفدهم اسفند 13892- P. N. Cheremisinoff, "Handbook of Water and Wastewater Treatment Technologies", Butterworth-Heinemann, 2002.
3- Frank, R. Spellman, "The Science of Water", CRC Press, Taylor & Francis Group, 2nd Ed., 2008.
4- C. R. Huang, Y. K. Lin, H. Y. Shu, "Wastewater decolorization and TOC-reduction by sequential treatment ", Am. Dyest. Rep., 1994, 83,10.
5- D. Petrides, R . Cruz, J. Calandranis, Willy Verstraete, "Optimization of Wastewater Treatment Facilities Using Process Simulation", Computers Chem. Engng, 1998, 22.
6- P. Sincero, A. Sincero, "Physical-Chemical Treatment of Water and Wastewater", CRC Press, IWA Publishing, 2003.
7- C. Philippe Vandevivere, R. Bianchi, W. Verstraete, "Treatment and Reuse of Wastewater from the Textile Wet-Processing Industry: Review of Emerging Technologies", J. Chem. Technol. Biotechnol. 1998, 72.
8- J. Wright, "Environmental Chemistry", Routledge, Taylor & Francis Group, 1st Ed., 2003
بهداشت آب - سه شنبه هفدهم اسفند 1389
روشهاي سنتي حفاظت آب و خاك - سه شنبه هفدهم اسفند 1389
قانون حفاظت دريا و رودخانه هاي مرزي از آلودگي با مواد نفتي - سه شنبه هفدهم اسفند 1389
معرفي نرم افزارهاي مجموعه Desktop GIS - سه شنبه هفدهم اسفند 1389
معرفی نرم افزار SEWER - سه شنبه هفدهم اسفند 1389
حذف سولفات از آب - سه شنبه هفدهم اسفند 1389
پمپ ها (Pumps) - سه شنبه هفدهم اسفند 1389
آلودگی های مرز گذر - دوشنبه شانزدهم اسفند 1389
پدیده کاویتاسیون (Cavitation) - دوشنبه شانزدهم اسفند 1389
نانوفیلتر‌ها به‌تصفیه آب درمناطق حادثه‌دیده کمک می‌کنند - دوشنبه شانزدهم اسفند 1389
معرفی برنامه طراحی شبکه های توزیع آب EpaNet 2.00 - دوشنبه شانزدهم اسفند 1389
روان آب - دوشنبه شانزدهم اسفند 1389
پس ماندهاي ناشي از تصفيه آب و روش هاي دفع - دوشنبه شانزدهم اسفند 1389
مختصری در باره چگونگی تصفیه آب و فاضلاب - یکشنبه پانزدهم اسفند 1389
ویژگی لوله های آگفا - یکشنبه پانزدهم اسفند 1389
پروژه تصفیه خانه آب شرب شهرستان تکاب - یکشنبه پانزدهم اسفند 1389
آب به حساب نیامده - یکشنبه پانزدهم اسفند 1389
استفاده از فرایند انعقاد در حذف آرسنیک از آب - یکشنبه پانزدهم اسفند 1389
قطعات مشترک در پمپ ها - یکشنبه پانزدهم اسفند 1389
آب ژاول - شنبه چهاردهم اسفند 1389
باکتریهای آهن(و منگنز) Iron Bacteria - شنبه چهاردهم اسفند 1389
دانلود ضوابط طراحی سیستم های فاضلاب - شنبه چهاردهم اسفند 1389
اتوماسیون در تصفیه خانه های آب - جمعه سیزدهم اسفند 1389
استفاده از فرایند تبادل یون برای حذف آرسنیک - جمعه سیزدهم اسفند 1389
مطالب کلی در مورد تیتراسیون - جمعه سیزدهم اسفند 1389
جلوگیری از تشکیل رسوب در دیگ بخار - پنجشنبه دوازدهم اسفند 1389
مواد منعقد کننده - پنجشنبه دوازدهم اسفند 1389
دانلود ویژگیهای آب - پنجشنبه دوازدهم اسفند 1389
مدیریت منابع آب در برزیل - پنجشنبه دوازدهم اسفند 1389
آب طلای دیگر - چهارشنبه یازدهم اسفند 1389
استفاده از دی اکسید کلر به عنوان گندزدا - چهارشنبه یازدهم اسفند 1389
کروماتو گرافی تبادل یونی - چهارشنبه یازدهم اسفند 1389
راکتور ناپیوسته متوالی - چهارشنبه یازدهم اسفند 1389
مبانی کلرزنی - چهارشنبه یازدهم اسفند 1389
بهداشت آب در سفر - چهارشنبه یازدهم اسفند 1389
آبیاری مغناطیسی - چهارشنبه یازدهم اسفند 1389
خوردگی، زیان‌ها و روشهای کنترل آن - سه شنبه دهم اسفند 1389
تماس دهنده های زیستی چرخان (ROTATING BIOLOGICAL CONTACTORS - سه شنبه دهم اسفند 1389
آب شناسی - سه شنبه دهم اسفند 1389
محروميت ۴/ ۱ ميليارد انسان از دسترسي به آب سالم - سه شنبه دهم اسفند 1389
مبانی کلرزنی - دوشنبه نهم اسفند 1389
راکتور بسته ی متوالی SBR) Sequencing Batch Reactor) - دوشنبه نهم اسفند 1389
خوردگی فلزات و ترمودینامیک شیمیایی - دوشنبه نهم اسفند 1389
خوردگی ( Corrosion ) - یکشنبه هشتم اسفند 1389
وجود یون کلراید (Chloride) در آب - یکشنبه هشتم اسفند 1389
کاربرد پلی آلومینیوم کلراید در تصفیه آب - یکشنبه هشتم اسفند 1389
معرفی تصفیه خانه فاضلاب شماره یک شیراز - یکشنبه هشتم اسفند 1389
دانلود ضوابط طراحی سیستم های آبی - شنبه هفتم اسفند 1389
اثرات کلراید بر انسان و محیط زیست - شنبه هفتم اسفند 1389