مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تصفیه آب به روش فیلتر کربن فعال گرانولی (GAC):

۱. مقدمه

فیلتر کربن فعال گرانولی (GAC) یک روش مؤثر برای حذف ترکیبات آلی، کلر باقیمانده، بو، طعم، و برخی فلزات سنگین از آب است. این روش بر پایه جذب سطحی توسط کربن فعال با ساختار متخلخل عمل می‌کند و در تصفیه خانه‌های آب شرب، صنایع غذایی و دارویی کاربرد گسترده دارد.

۲. مکانیسم عملکرد

• جذب فیزیکی: آلاینده‌ها به سطح کربن فعال می‌چسبند.

• جذب شیمیایی: برخی ترکیبات (مانند کلر) با کربن واکنش شیمیایی می‌دهند.

• حذف انتخابی: بسته به اندازه منافذ و ویژگی‌های شیمیایی کربن، آلاینده‌های خاصی جذب می‌شوند.

۳. پارامترهای طراحی کلیدی

پارامتر محدوده بهینه توضیح

نوع کربن فعال زغال سنگ، پوست نارگیل یا چوبانتخاب بر اساس نوع آلاینده

اندازه ذرات ۰.۵–۲.۵ میلی‌مترذرات ریزتر → سطح ویژه بالاتر

سرعت فیلتراسیون ۵–۱۵ متر بر ساعت (m/h)سرعت بالاتر → کاهش زمان تماس

زمان تماس (EBCT) ۵–۳۰ دقیقه زمان لازم برای جذب مؤثر

ضخامت بستر ۱–۳ متر افزایش راندمان جذب

۴. محاسبات کلیدی

الف. محاسبه حجم بستر کربن (Bed Volume)

حجم بستر (m³) = سطح مقطع فیلتر (m²) × ارتفاع بستر (m)  

• مثال: فیلتر با قطر ۲ متر (سطح ≈ ۳.۱۴ m²) و ارتفاع بستر ۲ متر → حجم ≈ ۶.۲۸ m³.

ب. زمان تماس خالی بستر (EBCT)

EBCT (دقیقه) = (حجم بستر (L) / دبی (L/min))  

• مثال: حجم بستر ۶۲۸۰ لیتر، دبی ۱۰۰۰ L/min → EBCT ≈ ۶.۲۸ دقیقه.

ج. ظرفیت جذب کربن

ظرفیت جذب (mg/g) = (غلظت آلاینده ورودی (mg/L) – غلظت خروجی (mg/L)) × حجم آب تصفیه‌شده (L) / جرم کربن (g)  

• مثال: حذف ۵ mg/L کلر با ۱۰۰۰ L آب و ۱۰ kg کربن → ظرفیت ≈ ۵۰۰ mg/kg.

د. عمر مفید فیلتر

عمر (روز) = (جرم کربن (kg) × ظرفیت جذب (mg/g)) / (غلظت آلاینده (mg/L) × دبی روزانه (m³/day))  

• مثال: ۱۰۰۰ kg کربن با ظرفیت ۵۰۰ mg/g، دبی ۵۰ m³/day و غلظت آلاینده ۲ mg/L → عمر ≈ ۵۰۰۰ روز.

۵. ساخت و تجهیزات

الف. اجزای اصلی سیستم

• فیلتر فشار: مخزن فولادی یا فایبرگلاس (FRP) با مقاومت در برابر خوردگی.

• لایه‌های پشتیبان: شن و ماسه درشت در کف برای توزیع جریان.

• سیستم توزیع آب: نازل‌ها یا صفحات سوراخ‌دار برای جلوگیری از کانالیزه شدن.

• سیستم شستشوی معکوس: پمپ آب و هوا برای تمیزکردن بستر کربن.

ب. مراحل نصب

۱. آماده‌سازی بستر:

• ریختن لایه شن (ضخامت ۲۰–۳۰ سانتی‌متر) در کف فیلتر.

• پرکردن مخزن با کربن فعال تا ارتفاع طراحی‌شده.
  ۲. شستشوی اولیه:

• عبور آب با سرعت کم برای حذف ذرات ریز و هوا.
  ۳. راه‌اندازی:

• تنظیم دبی بر اساس سرعت فیلتراسیون طراحی‌شده.

۶. اجرا و نگهداری

• پایش مداوم: اندازه‌گیری فشار تفاضلی (ΔP) و غلظت آلاینده خروجی.

• شستشوی معکوس:

  • فرکانس: هر ۷–۱۴ روز یا هنگام افزایش ΔP به ۰.۵–۱ بار.

  • روش: تزریق آب و هوا با سرعت ۱۰–۱۵ m/h به مدت ۱۰–۲۰ دقیقه.

• تعویض کربن: هنگامی که راندمان جذب به زیر ۸۰٪ برسد.

۷. چالش‌ها و راهکارها

چالش علت راهکار

کانالیزه شدن توزیع نامناسب جریان استفاده از صفحات توزیع مناسب

گرفتگی بستر تجمع ذرات معلق یا بیوفیلم پیش‌تصفیه (فیلتر شنی یا میکروفیلتراسیون)

کاهش ظرفیت جذب اشباع کربن تعویض یا احیای کربن

خوردگی مخزن تماس با کلر یا آب شور استفاده از فایبرگلاس یا استیل ضدزنگ

۸. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب: ۱۰۰ m³/day

• آلاینده: کلر باقیمانده با غلظت ۲ mg/L

• هدف: کاهش کلر به ≤ ۰.۱ mg/L

محاسبات:

• EBCT مورد نیاز: ۱۰ دقیقه → حجم بستر = (۱۰۰ m³/day / ۱۴۴۰ دقیقه) × ۱۰ ≈ ۰.۶۹ m³.

• ابعاد فیلتر: قطر ۱ متر (سطح ≈ ۰.۷۸۵ m²) → ارتفاع بستر = ۰.۶۹ / ۰.۷۸۵ ≈ ۰.۸۸ متر.

• جرم کربن: حجم × چگالی (≈ ۵۰۰ kg/m³) → ۰.۶۹ × ۵۰۰ ≈ ۳۴۵ kg.

تجهیزات:

• مخزن فایبرگلاس با قطر ۱ متر و ارتفاع ۲ متر.

• کربن فعال از پوست نارگیل با اندازه ذرات ۱–۲ mm.

• پمپ شستشوی معکوس با دبی ۲۰ m³/h.

۹. پیشرفت‌های نوین

• کربن فعال بارگذاری‌شده: ترکیب با نانوذرات نقره (Ag) برای گندزدایی همزمان.

• سیستم‌های هوشمند: استفاده از سنسورهای IoT برای پایش لحظه‌ای ΔP و کیفیت آب.

• احیای حرارتی: بازگرداندن کربن اشباع‌شده با حرارت در کوره‌های بدون اکسیژن.

۱۰. نتیجه‌گیری

فیلتر GAC یک روش انعطاف‌پذیر و مؤثر برای حذف طیف وسیعی از آلاینده‌هاست. طراحی دقیق بر اساس پارامترهای هیدرولیکی و جذبی، انتخاب کربن مناسب و نگهداری دوره‌ی، عملکرد سیستم را تضمین می‌کند. ترکیب این روش با فناوری‌های نوین مانند نانوکربن یا سیستم‌های هوشمند، کارایی آن را در صنایع مختلف افزایش می‌دهد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب