مرجع تخصصی آب و فاضلاب

روش‌های سنتی و نوین حذف رنگ در تصفیه آب: طراحی، محاسبات و اجرا

۱. اهمیت حذف رنگ از آب

رنگ در آب معمولاً ناشی از ترکیبات آلی (مانند هیومیک اسید، فولویک اسید) یا آلاینده‌های صنعتی (رنگ‌های نساجی، پساب کاغذسازی) است. این ترکیبات نه تنها ظاهر آب را نامطلوب می‌کنند، بلکه ممکن است سمی یا سرطان‌زا باشند.

• استانداردها: آب شرب باید فاقد رنگ قابل تشخیص باشد (معمولاً بر اساس مقیاس Pt-Co ≤ ۱۵ واحد).

۲. روش‌های سنتی حذف رنگ

الف. انعقاد و لخته‌سازی (Coagulation/Flocculation)

• مواد منعقدکننده:

  • آلوم (سولفات آلومینیوم): رایج برای حذف رنگ‌های طبیعی (دوز: ۲۰–۱۰۰ mg/L).

  • کلرید فریک: مؤثر در pH پایین (۴–۶) برای رنگ‌های صنعتی.

• مکانیسم: خنثی‌سازی بار ذرات رنگی و تشکیل لخته‌های سنگین.

• طراحی:

  • مخزن اختلاط سریع: زمان ماند ۳۰–۶۰ ثانیه، گرادیان سرعت (G) ≈ ۳۰۰–۱۰۰۰ s⁻¹.

  • ته نشینی: سرعت سرریز ۰.۵–۱.۵ m/h.

ب. جذب سطحی با کربن فعال (Activated Carbon)

• انواع:

  • کربن فعال پودری (PAC): دوز ۱۰–۵۰ mg/L (برای رنگ‌های موقت).

  • کربن فعال گرانولی (GAC): در فیلترها با سرعت ۵–۱۵ m/h.

• مزایا: جذب طیف وسیعی از ترکیبات آلی.

• معایب: هزینه بالای تعویض کربن اشباع‌شده.

ج. اکسیداسیون شیمیایی

• کلرزنی:

  • واکنش: اکسیداسیون رنگ‌ها، اما ممکن است ترکیبات جانبی سرطان‌زا (THMs) تشکیل دهد.

• پرمنگنات پتاسیم (KMnO₄): مناسب برای رنگ‌های فنولی (دوز: ۲–۱۰ mg/L).

۳. روش‌های نوین حذف رنگ

الف. اکسیداسیون پیشرفته (AOPs)

• ترکیبات:

  • ازون (O₃): اکسیداسیون مستقیم ترکیبات رنگی (دوز: ۱–۵ mg/L).

  • UV/پراکسید هیدروژن (H₂O₂): تولید رادیکال‌های OH· برای تخریب رنگ.

• پارامترها:

  • انرژی UV: ۴۰–۱۰۰ mJ/cm².

  • زمان تماس: ۱۰–۳۰ دقیقه.

ب. فیلتراسیون غشایی (Membrane Filtration)

• انواع:

  • اولترافیلتراسیون (UF): حذف ذرات > ۰.۰۱ μm.

  • نانوفیلتراسیون (NF): حذف ترکیبات با وزن مولکولی ۲۰۰–۱۰۰۰ دالتون.

• شار غشایی: ۱۰–۳۰ LMH (لیتر بر متر مربع در ساعت).

ج. بیوفیلتراسیون (Biofiltration)

• مکانیسم: تجزیه ترکیبات رنگی توسط میکروارگانیسم‌ها (مانند Phanerochaete chrysosporium).

• رسانه: شن، کربن فعال، یا پکینگ پلیمری.

• پارامترها:

  • زمان ماند: ۶–۱۲ ساعت.

  • pH: ۶.۵–۷.۵.

د. فوتوکاتالیست‌های نانویی (TiO₂/UV)

• مکانیسم: تخریب رنگ تحت تابش UV با استفاده از نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم.

• کاربرد: سیستم‌های نقطه مصرف (Point-of-Use).

۴. محاسبات کلیدی

الف. محاسبه دوز منعقدکننده

• آزمون جارتست (Jar Test): تعیین دوز بهینه بر اساس حذف رنگ و کدورت.

• فرمول:

  دوز (kg/day) = (غلظت رنگ (mg/L) × دبی (m³/day)) / راندمان (%)  

ب. انرژی مورد نیاز سیستم UV/H₂O₂

• فرمول:

  انرژی (kWh/m³) = (توان لامپ (W) × تعداد لامپ‌ها × زمان تابش (h)) / دبی (m³/h)  

ج. سطح غشا در نانوفیلتراسیون

• فرمول:

  سطح (m²) = دبی (m³/day) / (شار غشایی (LMH) × ۲۴)  

۵. طراحی سیستم‌ها

الف. سیستم انعقاد + کربن فعال

• اجزا:

  • مخزن اختلاط سریع با میکسر مکانیکی.

  • فیلترهای GAC با لایه ۱–۲ متری.

• مصالح: فایبرگلاس یا استیل ضدزنگ.

ب. سیستم AOPs

• تجهیزات:

  • ژنراتور ازون با ظرفیت ۱۰–۵۰ گرم/ساعت.

  • محفظه UV با لامپ‌های فشار متوسط.

ج. سیستم بیوفیلتر

• طراحی:

  • راکتور با بستر متخلخل و سیستم هوادهی.

  • پایش مداوم DO و دما.

۶. مقایسه روش‌ها

روش مزایا معایب هزینه

انعقادهزینه پایین، سادگی اجرا تولید لجن زیاد کم

کربن فعال مؤثر برای طیف وسیعی از رنگ‌ها نیاز به تعویض دوره‌ای متوسط

AOPs حذف کامل آلاینده‌ها هزینه بالای انرژی بالا

نانوفیلتراسیون عدم نیاز به مواد شیمیایی هزینه نگهداری بالا بالا

۷. اجرا و چالش‌ها

• تولید لجن: در روش‌های شیمیایی، مدیریت لجن حاوی رنگ‌های رسوب‌کرده ضروری است.

• گرفتگی غشا: در فیلتراسیون غشایی، شستشوی معکوس دوره‌ای مورد نیاز است.

• کنترل pH: در اکسیداسیون پیشرفته، pH باید بین ۶–۸ حفظ شود.

۸. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب: ۱۰۰ m³/day

• غلظت رنگ: ۵۰ واحد Pt-Co (ناشی از هیومیک اسید).

• روش انتخابی: ترکیب انعقاد با آلوم + کربن فعال گرانولی (GAC).

محاسبات:

• دوز آلوم: ۳۰ mg/L (بر اساس جارتست) → مصرف روزانه = ۳ kg/day.

• فیلتر GAC:

  • سرعت فیلتراسیون ۱۰ m/h → سطح = ۱۰۰/۲۴/۱۰ ≈ ۰.۴۲ m².

  • قطر فیلتر: ≈ ۰.۷ متر.

تجهیزات:

• مخزن ۵۰۰ لیتری آلوم با پمپ دوزینگ.

• فیلتر GAC با لایه ۱.۵ متری کربن.

۹. نتیجه‌گیری

انتخاب روش حذف رنگ به عواملی مانند نوع رنگ، غلظت اولیه، و هزینه عملیاتی بستگی دارد. روش‌های سنتی مانند انعقاد و کربن فعال برای سیستم‌های کوچک و متوسط مناسب هستند، در حالی که فناوری‌های نوین مانند AOPs و نانوفیلتراسیون برای آلاینده‌های پیچیده یا نیاز به کیفیت بالا پیشنهاد می‌شوند. ترکیب روش‌ها (مانند انعقاد + UV/H₂O₂) می‌تواند راندمان را افزایش داده و هزینه‌ها را بهینه کند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب