مرجع تخصصی 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.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب