بررسی میزان کارایی سیستم نانو فیلتراسیون در تصفیه آب شهری

در اینجا می خواهیم به بررسی میزان کارایی سیستم نانو فیلتراسیون در تصفیه آب شهری بپردازیم.

بی شک آب یکی از عناصر بی بدیل عالم ما است و به همین دلیل نیز حضور غیرقابل انکاری را در استمرار حیات زیست کنندگان بر پهنه خاک داشته و خواهد داشت. انسان امروز بیش از گذشتگان خود نقش آب را در سلامت و بهداشت انسان و جامعه برجسته میسازد . بدیهی خواهد بود که بی توجهی به بهداشت و سلامت آب می تواند مشکلات زیست محیطی و بهداشتی فراوان در پی داشته باشد. آنچه دارای اهمیت می باشد این است که آب فاقد آلودگی باشد . آب ممکن است با عواملی مانند مواد رادیواکتیو ، عوامل بیماریزا ، موادشیمیائی که خود شامل مواد معدنی سمی مثل آرسنیک ، جیوه ، کادمیوم ، سرب ، نیتریت و نیترات می باشد و مواد آلی که شامل سموم دفع آفات، پاک کننده ها ، ترکیبات فنلی ، تری هالومتان ها و غیره می باشد ، آلوده شود . آب آشامیدنی باید صاف و زلال باشد، آلوده به عوامل بیماری زا وسموم نباشد، مواد آلی و معدنی آن زیان آور نباشد( ويلتز و دلاركو ، ۱۹۹۶، کومینگ و جولی، ۱۹۹۳، هادسون، ۲۰۰۴) نا مطلوب ترین عناصر موجود در آب، آنهایی هستند که قابلیت تأثیر مستقیم بر سلامتی را دارا می باشند . مهم است که توجه شود آیا  دستگاه تصفیه آب پیشنهادی می تواند به شکل قابل قبولی آب آشامیدنی را تحت تأثیر قرار دهد؟ مقادیر رهنمودی برای بسیاری از مواد شیمیایی موجود در آب آشامیدنی وجود دارد. یک میزان رهنمودی به طور نرمال و معمولی غلظت یک ماده را که هیچ گونه خطری برای سلامت انسان در خلال یک دوره زمانی مصرف می گردد را ارئه می دهد. تعدادی از مطالعات تحلیلی و اکولوژکی بیماریهای واگیردار، به طور آماری نسبت معکوس بین سختی آب آشامیدنی و بیماری های قلب و عروق نشان می دهند. مقدار رهنمود از ۵۰۰ میلی گرم بر لیتر برای سختی به وجود آمد و براساس مزه و با توجه به استفاده های خانگی بود. ولی از سال ۱۹۹۳ عنوان شد که سختی بالاتر از ۲۰۰ میلی گرم بر لیتر ممکن است منجر به رسوب در سیستم توزیع شود (بی نام، ۲۰۱۱؛ دیندارلو و همکاران، ۱۳۸۵؛ بی نام، ۱۹۹۶). منیزیم در درمان بیماری پره اکلامپسی مورد استفاده قرار می گیرد و احتمال خطر مرگ و میر مادران در زمان بارداری را کاهش داده و باعث حاملگی بدون عارضه میگردد. همچنین باعث طول عمر بیشتر می شود. حداقل مقدار مورد نیاز کلسیم ، ۲۰ میلی گرم بر لیتر تعیین شده است. ویژگی اصلی کمبود کلسیم در کودکان، نرمی استخوان و تغییر شکل ساختاری استخوان های در حال رشد می باشد در حالیکه در بزرگ سالان در پوکی استخوان نقش دارد (بی نام، ۲۰۰۹). بنابراین پایش مداوم پارامترهای فیزیکی، شیمیایی و میکروبی آب آشامیدنی از ضروریات است. امروزه دستگاه های آب شیرین کن در تأمین آب مورد نیاز کشورهای مختلف جهان نقش به سزایی دارند و با توجه به افزایش مصرف آب و کاهش منابع طبیعی و تجدیدپذیر آب شیرین، این نقش روز به روز پر رنگ تر می شود. اگرچه استفاده از دستگاه های آب شیرین کن منجر به تولید آب شیرین می شود، ولی این تکنولوژی نیز مانند سایر علوم طبیعی دارای یک سری معایب از جمله مصرف بالای انرژی و تأثیر های زیست محیطی می باشد. به طور کلی می توان گفت که دستگاه های آب شیرین کن از طریق تخلیه کنترل نشده پساب خروجی (پساب نمکی) می توانند به محیط زیست آسیب جدی وارد نمایند، چرا که پساب تولید شده در دستگاههای آب شیرین کن ، دارای باقیمانده مواد شیمیایی به کار گرفته شده در طول فرایند، جامدات محلول بالا، شوری بالا، مواد معدنی خورنده، دمای بالاتر از محیط و همچنین چگالی بالا می باشد ( مژر و همکاران ۲۲۰۱۱؛ لاتمان و هونره ۲۰۰۸). از جمله فرایندهای غشایی مورد استفاده در تصفیه آب می توان به نانو فیلتراسیون اشاره نمود. نانو فیلتراسیون یک فرایند غشایی است که مشخصات جداسازی آن بین اولترافیلتراسیون و اسمز معکوس قرار دارد. غشاهای نانو فیلتراسیون معمولا از دو لایه تشکیل می شوند. لایه های نازک و متراکم عمل جداسازی و لایه محافظ، عمل حفاظت در برابر فشار سیستم را انجام می دهد. غشاها در شکل های مختلف مارپیچی، صفحه ای، لوله ای و فیبری هستند (خاواجی و همکاران ،۲۰۰۸؛ چوبانوگلوس، ۲۰۰۶). از جمله مزایای فنی و اقتصادی استفاده از نانو فیلتراسیون نسبت به روش متعارف تصفیه آب می توان به هزینه کم، بهره برداری آسان و میزان حذف مطلوب اشاره نمود و مزایای آن نسبت به سایر روش های نوین مانند اسمز معکوس در هزینه کمتر بهره برداری، فشار کاری پایین تر، خروجی با کیفیت مناسب، عدم خورندگی خروجی و بازیافت بیشتر آب می باشد ( شات و فوک ، ۲۰۰۷). از نانو فیلترها برای حذف یون های چند ظرفیتی مانند کلسیم و منیزیم، آفت کش ها، مواد آلی، ویروس، باکتری، یون های تک ظرفیتی مانند نیترات، کلراید و سدیم استفاده می گردد. میزان حذف برای موارد گفته شده یکسان نیست و وابسته به نوع غشا، باریون و ظرفیت آن (مواد باردار)، اندازه مواد مواد بدون بار) و همچنین شرایط عملیاتی می باشد. نانو فیلتراسیون می تواند به عنوان یک فرایند پیش تصفیه آب برای اسمز معکوس در تصفیه آب دریا استفاده گردد. از مزایای استفاده از نانو فیلتراسیون کاهش فشار عملیاتی و رسوب گذاری در غشا اسمز معکوس می باشد (داچ ۲۰۰۸؛ تورسن و فلوگستاد : ۲۰۰۶). مکانیسم جداسازی در نانو فیلتراسیون شامل اثر اندازه مولکول (برای محلول غیر یونی)، اختلاف در نفوذپذیری و حلالیت اجزای خوراک و برهم کنش الکتریکی پدیده دونان) بین سطح غشا و یون های موجود در خوراک می باشد(لابزو همکاران ۲۰۰۳؛ عمو عموها، ۱۳۸۹). مطالعات زیادی در خصوص استفاده از فناوریهای نانوفیلتراسیون برای تصفیه آب و فاضلاب انجام شده است. در مطالعات انجام شده توسط وان در برگن (۲۰۰۳) و وان در برگن و اسچیپ*(۱۹۹۸)، حذف آلودگی از آب های سطحی و زیر زمینی، همچنین حذف سختی از آب های زیر زمینی توسط سیستم نانو فیلتراسیون مورد بررسی قرار گرفته است. صباح و هوشیاری (۱۳۹۰) نیز در مطالعه ای به بررسی درصد حذف آلاینده های چالش زا توسط سیستم های نانو فیلتر پرداختند. نتایج مطالعه نشان داد که کارایی سیستم در حذف هدایت الکتریکی (۸۸ درصد)، کل جامدات محلول (۸۵درصد)، سختی کل (۹درصد)، کلسيم (۸۹درصد)، منیزیم (۸۶درصد)، کلراید (۸۸درصد)، سدیم (۸۵درصد) و نیترات ۶۰درصد) می باشد و نشان دادند که کارایی سیستم در حذف نیترات متاثر از ترکیب آب ورودی و شرایط بهره برداری است. در شهر قم کیفیت فیزیکی، شیمیایی و میکروبی آب تصفیه شده توسط دستگاه های آب شیرین کن توسط یاری و همکاران (۱۳۸۶) بررسی گردید. در تحقیق دیگری با عنوان بررسی کیفیت آب استحصال شده از آب شیرین کن های مستقر در شهرها و روستاهای ایران توسط قنادی و فرهاد پور (۱۳۸۴) مشخص گردید که کارآمدی آب شیرین کن ها در حذف اکثر ترکیبات موجود در آب را نشان داد. شومان و استین (۲۰۰۳) در مطالعه ای در آفریقای جنوبی ثابت نمودند، دستگاه های آب شیرین کن قادر است نیترات و كل جامدات محلول را به میزان زیادی در آب خروجی کاهش دهد. از طرفی تحقیقات انجام شده در نقاط مختلف جهان نشان داده است که در دستگاه های آب شیرین کن به دلیل این که زدایش انتخابی وجود ندارد و تمام کاتیون ها و آنیون ها بدون توجه به مفید بودن یا مفید نبودن حذف می گردند، بنابراین می تواند منجر به برهم خوردن تعادل أملاح در آب خروجی شده و سلامت مصرف کننده را به خطر اندازند ( میران زاده و ربانی، ۱۳۸۹). در نتیجه پایش و بررسی مداوم کیفیت آب خروجی از این دستگاه ها لازم و ضروری است. هدف از این مطالعه، بررسی کیفیت و تعیین میزان کارایی سیستم نانو فیلتراسیون و ارزش تغذیه ای آب های تصفیه شده در تصفیه خانه آب ملاثانی و در نهایت مقایسه آب خروجی دستگاه با استاندارد ملی ایران و دستورالعمل سازمان بهداشت جهانی می باشد.

مواد و روشها

 موقعیت جغرافیایی تصفیه خانه آب

شهر ملاثانی از شمال به شهرستان شوشتر و از جنوب به شهر ویس و شهرستان اهواز و از شرق به شهر هفتگل و از غرب به دهستان عنافجه محدود بوده و با وسعتی بالغ بر ۱۶ هزار هکتار دارای ۲۰ هزار نفر جمعیت بوده و در سال ۱۳۴۷ توسط افراد بومی به منظور تأمین آب شرب تاسیسات ابتدایی تأسیس گردید که تنها نسبت به ته نشین نمودن آب رودخانه به طور طبیعی اقدام نموده و به وسیله شبکه معمولی یک جا بین خانوارهای آن زمان به صورت دو ساعت در شبانه روز توزیع می گردید که با پیروزی انقلاب و وسعت شهر، آبرسانی به شورا و سپس به دفتر عمران و بعد از آن به شهرداری و در سال ۱۳۷۲ رسما به شرکت آب و فاضلاب شهری تحویل گردید که اقدامات اساسی و زیربنای کاملی تأسیس گردیده و هم اکنون این اداره به صورت مستقل و منظم به شهروندان محترم خدمات مطلوبی را ارائه می دهد. قابل ذکر است شهر ملاثاني جزء محدود شهر هایی در سطح کشور است که دارای دو شبکه آب شرب تصفیه شده و آب شیرین به صورت مستقل و مجزا می باشد. سیستم آب شیرین کن قابلیت و توان تولید ۳۰۰ متر مکعب آب شیرین را به روش نانو فیلتراسیون در شبانه روز دار دربی نام، ۲۰۱۲). موقعیت جغرافیایی سامانه آب شیرین کن ملاثانی روی نقشه در شکل (1) ارائه شده است. این مطالعه، با استفاده از یک سیستم نانوفیلتراسیون با ظرفیت اسمی معادل ۳۰۰ متر مکعب در روز و میزان بازیابی ۶۰ درصد و با سیستم پیش تصفیه کربن فعال و فیلتر ماسه ای متشکل از سه آوند نانو فیلتر انجام شده است. مشخصات سیستم های پیش تصفيه و واحد نانو فیلتراسیون متشکل از سه أوند که هر یک حاوی چهار غشا به صورت سری می باشد در جدول های (۱) الى (3) آمده است. مشخصات کیفی آب ورودی در جدول (۴) آمده است. این سیستم جزء فرایندهای غشایی تحت فشار است که با کاربرد فشار منجر به عبور آب از داخل غشا شده و در نتیجه درصدی از یون های محلول به وسیله غشا حذف می شوند، در این فرایند آبی که از داخل غشا عبور می کند تحت عنوان آب پر میت یا آب تولیدی شناخته می شود و آبی که پشت غشا به همراه جامدات محلول باقی می ماند جریان تغلیظ شده، آب شور یا پس مانده نامیده می شود. ابتدا آب خام که همان آب لوله کشی شهر می باشد، توسط پمپ تغذیه (فید پمپ) وارد مخازن پیش تصفیه می شود که مراحل ابتدایی تصفیه آب می باشد. اولین مرحله مخزن سیلیس است که حاوی سنگ سیلیس بوده و کار حذف گل ولای آب را انجام می دهد. مرحله دوم کربن اکتیو می باشد که کلر و باقیمانده گل و لای همراه آب را حذف می کند. در مرحله بعد آب وارد یک مخزن استوانه ای استیل به نام شرزینگ می شود که درون این مخزن سه عدد فیلتر کارتریج فیلترهای پنبه ای با منافذ بسیار ریز که اندازه آنها پنج میکرون است می شود و پس از این سه مرحله که مراحل پیش تصفیه است، آب توسط پمپ فشار قوی وارد سه عدد آوند که حاوی دوازده ممبران می باشد می شود و آب با عبور از منافذ بسیار ریز و ناتویی ممبران ها به صورت کاملا تصفیه شده و شیرین توسط یک لوله به قطر ۱ / ۵ اینچ وارد مخازن آب تصفیه می شود. چهار عدد مخزن برای ذخیره سازی آب شیرین نصب شده اند که آب پس از ورود به آنها مجددا” کلرزنی شده و توسط دو عدد پمپ که بوستر پمپ نام دارند، به یک مخزن اصلی هوایی با حجم ۱۲۰ متر مکعب ارسال شده و از آنجا به شبکه توزیع شهر و دستگاه های توزيع الكترونیکی آب، همچنین یک دوش آب مرتفع که برای فروش از طریق تانکر به متقاضیان نصب گردیده ارسال می گردد