تاثیر انعقادپذیری و هماوری به همراه تصفیه غشا در تصفیه آب و فاضلاب

چکیده

منبع آب و تقاضا برای سیسم تخلیه فاضلاب باعث ایجاد چالش های زیادی در دهه پیش رو به منظور تامین نیازهای رو به رشد از نقطه نظر جهانی شده است. رشد قابل توجه در صنایع قابل پیش بینی بوده و فناوری جداسازی غشاء به عنوان یکی از راه حل های احتمالی برای پاسخ به درخواست های آینده می باشد. به کارگیری و اجرای فناوری غشاء در فراهم کردن آب آشامیدنی و همچنین در تصفیه آب و فاضلاب مد نظر می باشد. در تولید آب آشامیدنی، غشاها به جایگزینی فناوری جداسازی معمول به دلیل عملکرد بالای آن، پتانسیل در ارتباط با استفاده از مواد شیمیایی کمتر و تولید لجن کمتر و همچنین تامین شرایط بهداشتی می پردازند. فناوری بیوراکتورهای غشایی (MBR) احتمالا شامل مراحل جداسازی غشاء می باشد که دارای بیشترین موفقیت بوده و به عنوان بهترین روش آینده در تصفیه آب و فاضلاب می باشد. مراحل و پیشرفت ها نشان می دهد که این فناوری قابل قبول بوده و به سرعت به عنوان بهترین فناوری موجود برای بسیاری از کاربردهای تصفیه آب و فاضلاب می باشد. یکی از موانع اصلی سیستم بیوراکتورهای غشایی ( (MBR رسوب غشاء می باشد. بررسی ها نشان داده است که کاهش رسوب در سیستم MBR به طور بلقوه توسط انعقاد و لخته سازی انجام می گیرد.

کلیدواژه: انعقاد و لخته سازی، پالایش غشاء، آب آشامیدنی، فاضلاب

مقدمه

منبع جهانی تامین آب و ارزیابی مربوط به سیستم تخلیه فاضلاب نشان داده است. افرادی که از منابع آبی تصفیه شده استفاده می کنند از 79% (4.1 میلیارد) در سال 1990 به 82% (4.9 میلیارد) در سال 2000 افزایش داشته است. به منظور تخلیه فاضلاب، افزایش از 55% (تامین 2.9 میلیارد نفر) به 60% (3.6 میلیارد) در طی این دوره ثبت شده است. در آغاز سال 2000، یک- ششم (1.1 میلیارد نفر) از جمعیت جهان به منابع آبی تصفیه شده دسترسی داشته و دو- پنجم ( 2.4 میلیارد نفر) به منابع آبی تصفیه شده دسترسی نداشتند (WHO/UNIFEC, 2000). در همایش مربوط به آب کشورهای جهان دوم، لاهه، در 17-22 مارس 2000، اهدافی در گزارش VISION 21 مطرح شد که هدف این بود تا سال 2015 نسبت افرادی که به سیستم تخلیه آب و فاضلاب و میزان مناسبی از آب بهداشتی  دسترسی ندارند کمتر شده و تا سال 2025 آب، سیستم تخلیه فاضلاب و بهداشت برای همه فراهم شود (WHO/UNIFEC, 2000).برای رسیدن به این اهداف نیازمند سرویس تامین آب برای 280000 نفر و امکانات سیستم تخلیه فاضلاب برای 340000 نفر به طور روزانه به مدت 15 سال بعد می باشیم. برای پوشش جهانی تا سال 2025، تقریبا می بایست برای 3 میلیارد نفر منبع آب و بیش از 4 میلیارد نفر، سیستم تخلیه فاضلاب را فراهم کرد. بخش منبع آب و سیستم تخلیه فاضلاب با چالش های بیشماری در دهه پیش رو مواجه می باشد به طوری که سازمان های آب می بایست این نیازهای رو به رشد را از نقطه نظر جهانی تامین کنند. از این نقطه نظر، بازار جهانی آب ارزش کلی را در حدود 224 میلیارد یورو با رشد سالانه مورد نظر حدود 16%-20% وابسته به بخش های بازاری تخمین زده است. مشخص شده است که تولید آب آشامیدنی دارای بیشترین رشد با دو برابر شدن ارزش بازاری در دوره بین سال 2000-2015 می باشد. بازار در ارتباط با تصفیه آب و فاضلاب به عنوان یکی از بزرگترین بخش ها با رشد قابل پیش بینی 43% در همین دوره بوده است.

فناوری جداسازی غشاء به عنوان یکی از راه حل های احتمالی برای تامین درخواست های آینده با توجه با منبع آب و سیستم تخلیه فاضلاب می باشد. بررسی های اخیر افزایش سالانه 7.8% را برای تقاضای مواد جداسازی غشاء با ارزش کلی سیستم جداسازی غشاء ( شامل تجهیزاتی چون پمپ و لوله کشی) را نشان می دهد که به 4.8 میلیارد دلار امریکا در سال 2004 رسیده است. آب و تصفیه آب و فاضلاب به عنوان بیشترین کاربرد نهایی برای تجهیزات جداسازی غشاء مد نظر قرار گرفته اند به ترتیبی که تسلط مستمری را ایجاد کرده اند. به کارگیری و گسترش در موارد مصرفی به همراه فروش به مشتریان شهری و صنعتی به عنوان دلیل اصلی این امر می باشد. سیستم جداسازی غشاء به همرا جریان متقاطع از 4.8 میلیارد یورو در سال 2004 به 6.5 میلیارد یورو در سال 2007 بر مبنای جهانی رسیده است به صورتی که نمک زدایی حدود 1.3 میلیارد از این رشد را شامل شده است. سریعترین بخش رشد بنا به پیش بینی، توسعه سیستم واکنشگر زیستی برای دستگاه تصفیه آب و فاضلاب با تخمین نرخ رشد سالانه 15% می باشد.

1- غشاء ها در تولید آب آشامیدنی

فرایند اسمز معکوس (RO) برای نمکزدایی آب شورمزه یا آب دریا برای تولید آب شیرین به عنوان یک صنعت مهم می باشد. انتظار می رود که هزینه نمکزدایی همان طور که در همایش آب جهان دوم ، مکزیک، 2006 مطرح شد به طور قابل توجهی کاهش یابد. گزارش هایی در مورد به کارگیری طرح نمکزدایی برای تولید آب شیرین اغلب موارد در رسانه های جدید مشاهده می شود. اگرچه فناوری جداسازی غشاء برای تولید آب شیرین از طریق نمکزدایی معروف است، کاربرد سیستم جداسازی غشاء در تصفیه آب نوشیدنی در سال های اخیر معمول تر شده است. رایج ترین شکل تصفیه آب آشامیدنی برای منابع سطحی آب، شامل پاکسازی مواد شیمیایی/فیزیکی ذرات ریز از طریق انعقاد، لخته سازی، رسوب گذاری، و فرایند تصفیه به همراه ضد عفونی سازی به منظور غیرفعال کردن میکروارگانیسم های بیماری زای باقیمانده می باشد. به دلیل توانایی جداسازی، این تکنیک توجه بیشتری را نسبت به فناوری جداسازی معمول به سمت خود جلب کرده است.

مطالعاتی نیز انجام شده است تا به بررسی انعقاد و لخته سازی به همراه پالایش غشاء بپردازد. جداسازی غشاء به همراه گزینه های مناسب تصفیه برای به حداقل رساندن رسوبات، همانند انعقاد، به طور کارآمدی برای از بین بردن ذرات ارگانیکی طبیعی  (NOM) و برای تصفیه آب سطحی (Meyn et al., in press ). مورد استفاده قرار می گیرد. مکانیسم از بین بردن ذرات در تصفیه غشاء متفاوت از فناوری های معمول می باشد، که در نهایت میزان انعقاد، موارد کاربردی، نوع مواد منعققد کننده به کار گرفته شده و غیره را تحت تاثیر قرار می دهد. یکی از مزایای مورد نظر فرایند جداسازی غشاء، کاهش انعقاد می باشد. مطالعات اخیر نشان داده است که ترکیب انعقاد، لخته سازی و تصفیه غشاء به عنوان گزینه تصفیه سازی معقول و کارآمد برای آب های سطحی با غلظت بالای NOM می باشد. DOC  و حذف کننده رنگ در غلظت نسبتا پایین مواد منعقد کننده بدست می آیند. نتایج نشان می دهد که میزان منعقد کننده ها زمانی کاهش می یابد که برداشت بالایی از DOC انجام می گیرد که در شرایط قلیایی بهینه فعالیت دارد. نمونه نتایج بدست آمده در شکل 1 نشان داده شده است.

مطالعات بیشتری نیز انجام شده است تا به بررسی اهمیت مرحله لخته سازی ، زمانی که انعقاد و لخته سازی به همراه تصفیه غشاء انجام می گیرد، بپردازد. هدف ارزیابی عملکرد کلی مراحل بر مبنای این فرضیه می باشد که خصوصیات ذرات مورد نیاز برای تصفیه غشاء متفاوت از تکنیک جداسازی معمول می باشد. سه روش لخته سازی دیگر نیز به طور یکسان مورد بررسی قرار گرفتند تا مشخص شود که چگونه این ها بازدهی از بین بردن و همچنین رسوب غشاء را تحت تاثیر قرار می دهند. لخته سازی در دو مرحله انجام می گیرد که شامل مرحله لخته سازی پارویی، و لخته سازی همراستا می باشد. نتایج معمول در شکل 2 نشان داده شده است. لخته سازی همراستا دارای بازدهی حذف مشابهی در زمان حفظ هیدرولیک کوتاه هتر (HRT) در مقایسه با لخته سازی معمول می باشد. متوسط مقدار شکاف و زمان بازداری در ارتباط با لخته سازی همراستا دارای تاثیر مهمی بر روی میزان رسوب غشاء نمی باشد. نتایج نشان داده است که لخته سازی و انعقادسازی به همراه پالایش غشاء بر مبنای پارامترهای طراحی مختلفی در مقایسه با مواردی که برای سیستم های سنتی به کار گرفته می شوند می باشد. استفاده از استراتژی لخته سازی کارآمد همراستا دارای پتانسیل هایی برای مد نظر قرار دادن طرح های تصفیه در مقایسه با سیستم های معمول می باشد. ارزیابی و بررسی های بیشتر این تاثیرها در حال حاضر به مرحله اجرا در می آید. موضوع مربوط به تصفیه آب آشامیدنی به عنوان شرایط لازم برای تامین اثرات بهداشتی مورد نیاز در فرایند تصفیه می باشد. تصفیه (MF) دارای ظرفیتی برای پاکسازی میکرو ارگانیزم های بیماری زا همانند موجودات تک سلولی ، باکتری و ویروس بر مبنای نوع غشاء به کار رفته می باشد.

شکل 2 توصیفی از تاثیر شرایط لخته سازی در ارتباط با از بین بردن DOC در تصفیه آی سطحی

شکل 1. شرح درصد موارد حذف شده DOC برای میزان متفاوتی از Al و Fe بر مبنای منعقد کننده ها (Meyn et al., in press).

ص 3

فناوری نانو فیلترینگ (NF) معمولا قادر می باشد ویروس ها را از بین برد در حالی که فناوری مافوق فیلترینگ به گونه ای می باشد که تنظیم کدر بودن و گیاردیا را به عهده دارد. بسته به خصوصیات و ویژگی های غشاء ، غشای UF معمولا قادر به حذف باکتری بوده در حالی که غشای MF همچنین می تواند این کار را در سطح پایین تری انجام دهد. بکارگیری سیستم MF/UF به عنوان یک حصار بهداشتی موضوع مهمی می باشد.  روش کارآمدتر برای از بین بردن ویروس زمانی می باشد که انعقاد/لخته سازی را با روش فیلترینگ UF/MF ادغام کرده به ترتیبی که ویروس ها جذب شده یا در دسته بزرگتری قرار می گیرند که توسط غشاء حفظ می شوند. مطالعات مربوط به این موضوع نشان داده است که بدون انعقادسازی یا لخته سازی، از بین رفتن ویروس معمولا توسط غشای MF انجام نگرفته و تنها حذف جزئی توسط غشای UF انجام می گیرد. به همراه انعقادسازی/لخته سازی به همراه تصفیه غشاء UF و MF، حصار بهداشتی کارآمدی در برابر ویروس MS2 ایجاد شده، به ترتیبی که غشاء MF ویروس را در حد مشابهی همانندغشای UF حفظ می کند (Fiksdal and Leiknes, 2006). شکل 3 توصیفی از حذف ویروس MS2 در واحد تصفیه MF بدون منعقد کننده یا به همراه منعقد کننده/ لخته سازی با استفاده از دو میزان متفاوت نشان می دهد. حذف ویروس های جزئی، زمانی مد نظر قرار می گیرد که هیچ منعقد کننده ای به کار گرفته نشود. نتایج نشان می دهد که زمانی که انعقادسازی یا لخته سازی در شرایط بهینه انجام می گیرد، حصار بهداشتی برای طرح تصفیه مورد استفاده قرار می گیرد.

غشاها در تصفیه فاضلاب

کنشگرهای زیستی غشاء (MBR) معمولا به عنوان ترکیبی از تصفیه غشاء و تصفیه بیولوژیکی با استفاده از لجن فعال شده (AS) مد نظر قرار داده می شوند به ترتیبی که غشاء جایگرین مواد تطهیرشده در سیستم تصفیه آب و فاضلاب می شود (Gunder and Krauth, 1998; Van der Roest et al., 2002)) . نسل اول MBR (آواخر دهه 1970 و 1980( از غشای فعال شده متقاطع استفاده می کند که در واحدهایی خارج از مخزن لجن فعال شده به همراه پمپ هایی با سرعت جریان بالا وجود دارد. معایب غشای سیالات متقاطع، انرژی بالای مورد نیاز برای تولید سرعت مورد نیاز لجن در سطح غشاء می باشد و این گزینه از جریان برای تصفیه فاضلاب های شهری غیر محتمل می باشد. توسعه فشار در حد پایین موارد غوطه ور شده در اواخر دهه 1980 تا 1990 با جذب غشا درون مخزن لجن فعال شده به عنوان گام مهمی در ماندگار بودن محلول های تجاری برای فرایند MBR می باشد  (Bouhabila et al., 1998; Cote et al., 1998; Davies et al., 1998).  امروزه مجموعه ای از پیکره بندی مراحل در واحدهای بیرونی وجود داشته یا در مخزن هوادهی وارد می گردد، به ترتیبی که سیستم ها تحت فشار پایین خلاء، راه اندازی می شوند. در مقایسه با سیستم لجن فعال شده معمول، چندین مزیت AS-MBRs مشخص شده است (Judd, 2006)، که پیشرفت گزینه های تجاری AS-MBR را ایجاد کرده اند. این موارد شامل واحدهای متراکم به همراه نمونه های کوچک، حذف کامل مواد جامد، ضد عفونی کردن سیالات خروجی، و عملیات در غلظت زیست توده بالاتر منجر به زمان بازداری طولانی لجن، تولید لجن در سطح پایین گشته و مشکلی در افزایش حجم لجن به وجود نمی آید.

یکی از موانع MBRs، رسوب کردن غشاء می باشد که برای تمام سیستم های غشاء معمول می باشد (Judd 2006). رسوب گیری مواد جامد همانند لایه قالب، روزنه بخش ها/ناخالصی با ذرات کلوئیدی، جذب ترکیبات قابل حل و رسوبات زیستی به عنوان اشکال اصلی رسوبات می باشد که مد نظر قرار می گیرند. اهمیت کلویید و ذرات میکرونی در ارتباط با رسوب غشاء در بررسی های قبلی گزارش شده است به ترتیبی که تخمین های متفاوت از اندازه کلی رسوبات که توسط این ذرات ایجاد می گردد بین 25% و 50% متفاوت می باشد (Wisniewski and Grasmick 1996; Defrance et al., 2000; Bouhabila et al., 2001; Bae and Tak, 2005). از نتایجی که در این بررسی ها وجود دارد، مشخص می باشد که کاهش ذرات میکرونی در محدوده غشاء در فعالیت سیستم MBR مد نظر می باشد. کاهش رسوبات در سیستم MBR به طور بلقوه توسط انعقاد پذیری و لخته سازی در این مراحل انجام می گیرد.

شکل 3. توصیفی از حذف ویروس MS2 در واحد میکروفیلتر. a) بدون منعقد کننده B) توسط انعقاد یا لخته سازی با استفاده از دو مقدار.

شکل4. طرح کنشگر BF-MBR به همراه یا بدون منطقه لخته سازی یکپارچه (F-zone) a) و تنوع مواد جامد معلق با گذشت زمان در این کنشگرها b) SP: درجه نمونه برداری

مطالعاتی نیز در آثار پیشین وجود دارد که به بررسی بهبود عملکرد مراحل با استفاده از جریان بالابرنده (یعنی انعقادکننده ها) و همچنین بهبود طراحی کنشگرها  برای تحریک لخته سازی و همچنین کاهش تعداد ذرات میکرونی در محدوده غشاء می پردازد. بررسی جامع این مطالعات فراتر از محدوده این مقاله می باشد. نمونه ای از لخته سازی برای بهبود عملکرد مراحل در پوشش های زیستی مد نظر قرار می گیرد تا به توصیف پتانسیل لخته سازی به همراه مراحل غشاء بپردازد (Ivanovic et al., 2008). مراحل BF-MBR با دو کنشگر غشای مختلف مورد بررسی قرار گرفته است که به ترتیب شامل منطقه انعقادسازی و یا عدم وجود آن می باشد. تحلیل آب در جریانات گردشی متفاوت ( تغذیه آب، کنشگر زیستی، اطراف غشاء، غلظت و غیره) با توجه به چندین پارامتر و با توجه به عملکرد غشاء یعنی (رسوب)انجام شده است، و بر مبنای این فرضیه می باشد که کلوییدها در اصل مسئول این رسوب گذاری می باشند. هیچ ارتباط واضحی بین مقدار اندازه گیری شده برای مواد جامد معلق (SS) و اکسیژن شیمیایی فیلتر شده و غیر فیلتر شده (COD/FCOD) و عملکرد غشا وجود ندارد. به هر حال اندازه گیری توزیع اندازه ذرات (PSD) رابطه نسبتا خوبی را نشان می دهد. در مواردی که درصد متفاوت ذرات میکرونی بالا باشد، افزایشی در نسبت رسوب غشاء مشاهده می شود. توصیفی از پیکره بندی دو کنشگر با یک مدل غشای وارد شونده و مقدار SS اندازه گیری شده در بخش های نمونه برداری متفاوت در شکل 4 نشان داده شده است.

معرفی سوپاپ ورودی آب رسیده به کنشگر غشاء، از منطقه لخته سازی که در کنشگر غشاء قرار گرفته است منجر به کاهش تعداد ذرات میکرونی و کاهش غلظت SS در منطقه غشاء می گردد. تاثیر آن بهبود عملکرد غشاء (یعنی نسبت پایین رسوب) و ابزاری برای کنترل بهتر رسوبات در فرایند BF-MBR می باشد. نتایج تایید می کند که ذرات میکرونی در آب رسیده به کنشگر غشاء به عنوان یک رسوب کننده مهمی بوده و کاهش این بخش ها در آب دارای تاثیر مثبتی بر روی عملکرد غشاء می باشد. تاثیر جانبی طرح کنشگر غشاء به عنوان خصوصیت متمرکزی با توجه به تصفیه فاضلاب می باشد که به این ترتیب ویژگی های آبگیری و تصفیه اندازه گیری می شوند. در مجموع طرح کنشگر تناوبی و افزایش لخته سازی که منتهی به رسوبات کمتری می شود به عنوان استراتژی بلقوه ای برای کنترل رسوبات و به حداقل رساندن آن ها با کاهش ذرات میکرونی در سیالات خروجی فاضلاب ها می گردد (Ivanovic et al., 2008) .