مرجع تخصصی آب و فاضلاب

روش‌های سنتی و نوین حذف سولفید هیدروژن (H₂S) در تصفیه آب و فاضلاب:

۱. اهمیت حذف سولفید هیدروژن

سولفید هیدروژن (H₂S) گازی سمی با بوی تخم مرغ فاسد است که در فاضلاب و آب‌های زیرزمینی یافت می‌شود.

• خطرات: خوردگی لوله‌ها، سمیت برای انسان و محیط زیست، ایجاد بو و طعم نامطبوع.

• استانداردها:

  • آب شرب: حداکثر مجاز ۰.۰۵ mg/L (USEPA).

  • فاضلاب: بسته به کاربرد مجدد، معمولاً ≤ ۱ mg/L.

۲. روش‌های سنتی حذف H₂S

الف. هوادهی (Aeration)

• مکانیسم: انتقال H₂S از فاز مایع به گاز با استفاده از تماس هوا-آب.

• طراحی:

  • برج‌های هوادهی (Packed Towers): استفاده از پکینگ (مانند سرامیک یا پلاستیک) برای افزایش سطح تماس.

  • پارامترها:

    • نسبت هوا به آب (A/W): ۵–۲۰ (بر حسب حجم).

    • ارتفاع برج: ۳–۱۰ متر.

• فرمول:

  راندمان حذف = ۱ - e^(-KLa * t)  
  KLa: ضریب انتقال جرم (h⁻¹)، t: زمان تماس (h).  

ب. اکسیداسیون شیمیایی

• مواد شیمیایی:

  • کلر (Cl₂): اکسیداسیون H₂S به سولفات (SO₄²⁻).

    • واکنش:

      H₂S + ۴Cl₂ + ۴H₂O → H₂SO₄ + ۸HCl  

    • دوز: ۸.۳۴ mg Cl₂ به ازای هر mg H₂S.

  • پراکسید هیدروژن (H₂O₂): اکسیداسیون به سولفات بدون باقیمانده مضر.

    • واکنش:

      H₂S + ۴H₂O₂ → H₂SO₄ + ۴H₂O  

    • دوز: ۲–۴ mg H₂O₂ به ازای هر mg H₂S.

ج. جذب سطحی (Activated Carbon)

• مکانیسم: جذب H₂S روی سطح کربن فعال.

• محدودیت: نیاز به تعویض مکرر کربن اشباع‌شده.

۳. روش‌های نوین حذف H₂S

الف. اکسیداسیون پیشرفته (AOPs)

• ترکیبات: ازون (O₃) + UV یا H₂O₂ + UV.

• مکانیسم: تولید رادیکال‌های آزاد (OH·) برای اکسیداسیون سریع.

• پارامترها:

  • دوز ازون: ۱–۳ mg/L.

  • انرژی UV: ۴۰–۱۰۰ mJ/cm².

ب. تصفیه بیولوژیکی (Biofiltration)

• مکانیسم: استفاده از باکتری‌های اکسیدکننده سولفید (مثل Thiobacillus).

• طراحی:

  • بیوراکتورهای هوازی: زمان ماند ۲–۶ ساعت، pH ۷–۸.

  • رسانه بیوفیلتر: پکینگ آلی (مانند کمپوست) یا مصنوعی.

ج. فیلترهای شیمیایی (Greensand)

• مکانیسم: اکسیداسیون H₂S توسط منگنز اکسید (MnO₂) روی بستر شن سبز.

• واکنش:

  H₂S + MnO₂ → MnS + H₂O  

• بازسازی: شستشو با پرمنگنات پتاسیم (KMnO₄).

د. سیستم‌های الکتروشیمیایی

• مکانیسم: اکسیداسیون H₂S در آند و تولید گاز هیدروژن در کاتد.

• ولتاژ: ۲–۵ ولت، جریان: ۱۰–۵۰ mA/cm².

۴. محاسبات کلیدی

الف. هوادهی

• محاسبه ارتفاع برج (Z):

  Z = (Q * (C_in - C_out)) / (KLa * A * (C_in - C_eq))  
  Q: دبی (m³/h)، C_eq: غلظت تعادلی H₂S (از قانون هنری).  

ب. کلرزنی

• مصرف کلر:

  دوز کلر (kg/day) = (غلظت H₂S (mg/L) × دبی (m³/day) × ۸.۳۴) / ۱۰۰۰  

ج. بیوفیلتر

• بار سطحی (Loading Rate):

  LR (kg H₂S/m³/day) = (غلظت ورودی × دبی) / حجم راکتور  

۵. طراحی سیستم‌ها

الف. هوادهی

• اجزا:

  • پمپ آب، پکینگ برج، دمنده هوا.

  • مخزن جمع‌آوری گاز H₂S با فیلتر کربن فعال.

• مصالح: فایبرگلاس یا استیل ضدزنگ برای جلوگیری از خوردگی.

ب. بیوراکتور هوازی

• پارامترها:

  • اکسیژن محلول (DO) ≥ ۲ mg/L.

  • دما: ۲۰–۳۵°C.

• تجهیزات: دیفیوزرهای حباب ریز، سیستم کنترل pH.

۶. مقایسه روش‌ها

روش مزایا معایب هزینه

هوادهی بدون مواد شیمیایی راندمان پایین در غلظت‌های بالا کم

کلرزنی سریع، مؤثرتشکیل محصولات جانبی (THMs) متوسط

بیوفیلتر سازگار با محیط زیست نیاز به کنترل دقیق شرایط متوسط

AOPs حذف کامل آلاینده‌ها هزینه بالای تجهیزات بالا

۷. اجرا و چالش‌ها

• خطرات ایمنی: H₂S گازی سمی و قابل اشتعال است → نیاز به سیستم‌های تهویه و حسگرهای گاز.

• خوردگی: استفاده از مواد مقاوم (مثل PVC یا FRP) در تجهیزات.

• مدیریت لجن: در روش‌های شیمیایی، لجن حاوی گوگرد نیاز به دفع ایمن دارد.

۸. مثال طراحی

شرایط:

• دبی فاضلاب: ۱۰۰ m³/day

• غلظت H₂S ورودی: ۰.۱ mg/L → هدف: ≤ ۱۰ mg/L

• روش انتخابی: کلرزنی.

محاسبات:

• دوز کلر = mg/L۱۰ × ۸.۳۴ = ۸۳.۴ mg/L.

• مصرف روزانه = (۸۳.۴ × ۱۰۰) / ۱۰۰۰ = ۸.۳۴ kg/day.

تجهیزات:

• مخزن ۵۰۰ لیتری هیپوکلریت سدیم با پمپ دوزینگ.

• مخزن تماس ۳۰ دقیقه‌ای با میکسر.

۹. نتیجه‌گیری

انتخاب روش حذف H₂S به عواملی مانند غلظت اولیه، هزینه، و ملاحظات محیط‌زیستی بستگی دارد. روش‌های سنتی مانند هوادهی و کلرزنی برای سیستم‌های کوچک مناسب هستند، در حالی که فناوری‌های نوین مانند AOPs و بیوفیلتراسیون برای غلظت‌های بالا و نیاز به پایداری محیطی پیشنهاد می‌شوند. ترکیب روش‌ها (مثل هوادهی + کلرزنی) می‌تواند راندمان را افزایش دهد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

روش‌های سنتی و نوین حذف کلیفرم‌ها در تصفیه آب و فاضلاب

۱. کلیفرم‌ها و اهمیت حذف آنها

کلیفرم‌ها (شاخص آلودگی مدفوعی) شامل باکتری‌هایی مانند E. coli هستند که نشانگر آلودگی آب به پاتوژن‌های خطرناک (مانند وبا و حصبه) می‌باشند.

• استانداردهای مجاز:

  • آب شرب: صفر کلیفرم در ۱۰۰ میلی‌لیتر (WHO/EPA).

  • فاضلاب تصفیه‌شده: ≤ ۱۰۰۰ MPN/100 mL (بر اساس کاربرد مجدد).

۲. روش‌های سنتی حذف کلیفرم‌ها

الف. کلرزنی (Chlorination)

• مکانیسم: گندزدایی با واکنش کلر با دیواره سلولی باکتری.

• پارامترهای کلیدی:

  • CT Value: غلظت کلر (mg/L) × زمان تماس (دقیقه) → حداقل ۱۵ mg·min/L برای حذف ۹۹.۹% کلیفرم.

  • باقیمانده کلر آزاد: ۰.۲–۰.۵ mg/L (برای جلوگیری از آلودگی ثانویه).

• معایب: تشکیل ترکیبات جانبی سرطان‌زا (THMs، HAAs).

ب. جوشاندن (Boiling)

• کاربرد: سیستم‌های کوچک یا اضطراری.

• شرایط: جوشاندن آب به مدت ۱ دقیقه (در سطح دریا) تا ۳ دقیقه (ارتفاعات بالا).

ج. فیلتراسیون شن (Sand Filtration)

• مکانیسم: حذف فیزیکی باکتری‌ها همراه با ذرات معلق.

• راندمان: ۵۰–۹۰% (در صورت ترکیب با انعقاد).

۳. روش‌های نوین حذف کلیفرم‌ها

الف. پرتو فرابنفش (UV Disinfection)

• مکانیسم: تخریب DNA باکتری با طول موج ۲۵۴ نانومتر.

• پارامترهای طراحی:

  • دوز UV: حداقل ۴۰ mJ/cm² برای حذف ۹۹.۹۹% کلیفرم.

  • شفافیت آب: NTU < ۱ برای عبور مؤثر پرتو.

• مزایا: عدم تشکیل ترکیبات جانبی، مناسب برای آب‌های کم کدورت.

ب. فیلتراسیون غشایی (Membrane Filtration)

• انواع:

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

  • نانوفیلتراسیون (NF) و اسمز معکوس (RO): حذف کامل باکتری‌ها.

• شار غشایی: ۵۰–۱۵۰ LMH (لیتر بر متر مربع در ساعت).

ج. الکتروکوآگولاسیون (Electrocoagulation)

• مکانیسم: تولید یون‌های فلزی (Al³⁺/Fe³⁺) با جریان الکتریکی برای لخته‌سازی و حذف باکتری.

• ولتاژ: ۱۰–۵۰ ولت، زمان تماس: ۱۰–۳۰ دقیقه.

د. اکسیداسیون پیشرفته (AOPs)

• ترکیبات: ازون/پراکسید هیدروژن (O₃/H₂O₂)، UV/کلر.

• مکانیسم: تولید رادیکال‌های آزاد (مانند OH·) برای تخریب دیواره سلولی.

۴. محاسبات کلیدی

الف. محاسبه دوز کلر

• فرمول:

  دوز کلر (mg/L) = (CT مورد نیاز) / زمان تماس (دقیقه)  

  • مثال: CT = ۱۵ mg·min/L، زمان تماس = ۳۰ دقیقه → دوز = ۰.۵ mg/L.

ب. انرژی UV مورد نیاز

• فرمول:

  انرژی (mJ/cm²) = شدت تابش (μW/cm²) × زمان تماس (ثانیه)  

  • مثال: شدت ۴۰۰ μW/cm²، زمان ۱۰۰ ثانیه → انرژی = ۴۰ mJ/cm².

ج. مساحت غشا در فیلتراسیون

• فرمول:

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

  • مثال: دبی ۱۰ m³/day، شار ۱۰۰ LMH → سطح ≈ ۴.۱۶ m².

۵. طراحی سیستم‌ها

الف. سیستم UV

• اجزا:

  • لامپ‌های UV-C در محفظه استیل ضدزنگ.

  • سیستم تمیزکننده خودکار (برای جلوگیری از رسوب).

• نکات: نصب پس از فیلتراسیون برای کاهش کدورت.

ب. سیستم کلرزنی

• تجهیزات:

  • مخزن ذخیره کلر (گاز/مایع).

  • مخزن تماس با زمان ماند ≥ ۳۰ دقیقه.

ج. سیستم الکتروکوآگولاسیون

• طراحی:

  • سلول الکترولیتی با الکترودهای آلومینیوم/آهن.

  • منبع تغذیه DC با کنترل جریان.

۶. مقایسه روش‌ها

روش مزایا معایب هزینه

کلرزنی ارزان ، باقیمانده محافظ تشکیل THMs کم

UV عدم ترکیبات جانبی وابسته به شفافیت آب متوسط

غشایی حذف کامل باکتری‌ها هزینه بالای نگهداری بالا

الکتروکوآگولاسیون حذف همزمان فلزات سنگین مصرف انرژی بالا متوسط-بالا

۷. اجرا و چالش‌ها

• کلرزنی: مدیریت THMs با استفاده از کربن فعال یا جایگزینی کلرامین.

• UV: پایش مداوم شدت لامپ‌ها و شفافیت آب.

• غشایی: شستشوی معکوس (Backwash) دوره‌ای برای جلوگیری از گرفتگی.

• الکتروکوآگولاسیون: جایگزینی الکترودها به دلیل خوردگی.

۸. مثال طراحی

شرایط:

• دبی فاضلاب: ۲۰۰ m³/day

• روش انتخابی: ترکیبی از UV + کلرزنی.

محاسبات:

• دوز UV: ۴۰ mJ/cm² → انتخاب دستگاه با توان ۸۰۰ W و زمان تماس ۶۰ ثانیه.

• دوز کلر: ۰.۵ mg/L (برای باقیمانده محافظ) → مصرف روزانه: ۰.۱ kg/day.

تجهیزات:

• محفظه UV با ۱۰ لامپ ۸۰ واتی.

• مخزن ۵۰۰ لیتری هیپوکلریت سدیم با پمپ دوزینگ.

۹. نتیجه‌گیری

انتخاب روش حذف کلیفرم‌ها به عواملی مانند هزینه، مقیاس سیستم، و ملاحظات محیط‌ زیستی بستگی دارد. روش‌های سنتی مانند کلرزنی برای سیستم‌های بزرگ مقرون‌به‌صرفه هستند، در حالی که فناوری‌های نوین مانند UV و غشایی برای آب‌های با کیفیت بالا و حساسیت بهداشتی مناسب‌اند. ترکیب روش‌ها (مثال: UV + کلر) می‌تواند ایمنی و راندمان را افزایش دهد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

روش‌های سنتی و نوین حذف کدورت در تصفیه آب و فاضلاب:

۱. کدورت و اهمیت حذف آن

کدورت ناشی از ذرات معلق مانند رس، سیلت، مواد آلی و میکروارگانیسم‌هاست که بر کیفیت آب و کارایی فرآیندهای تصفیه (مانند گندزدایی) تأثیر منفی می‌گذارد.

• استانداردهای مجاز: کدورت آب شرب معمولاً باید ≤ ۱ NTU باشد.

۲. روش‌های سنتی حذف کدورت

الف. انعقاد و لخته‌سازی (Coagulation/Flocculation)

• مواد منعقدکننده:

  • آلوم (سولفات آلومینیوم): رایج، دوز ۱۰–۱۰۰ mg/L.

  • کلرید فریک: مناسب برای آب‌های سرد، دوز ۵–۵۰ mg/L.

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

• طراحی:

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

  • مخزن لخته‌سازی: زمان ماند ۲۰–۴۰ دقیقه، G ≈ ۲۰–۸۰ ثانیه⁻¹.

ب. تهنشینی (Sedimentation)

• انواع:

  • تهنشینی ساده (مخازن مستطیلی یا دایره‌ای).

  • تهنشینی با لوله‌های شیبدار (Tube Settlers).

• پارامترهای طراحی:

  • سرعت سرریز (Overflow Rate): ۰.۵–۳ m³/m²/h (بسته به ذرات).

  • زمان ماند: ۲–۴ ساعت.

ج. فیلتراسیون (Filtration)

• انواع فیلترها:

  • شن سریع: سرعت ۵–۱۵ m/h، ضخامت لایه ۰.۶–۱ m.

  • شن کند: سرعت ۰.۱–۰.۴ m/h.

• مواد فیلتر: شن، آنتراسیت، کربن فعال.

۳. روش‌های نوین حذف کدورت

الف. فیلتراسیون غشایی (Membrane Filtration)

• انواع:

  • میکروفیلتراسیون (MF): حذف ذرات > ۰.۱ μm.

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

• مزایا: راندمان بالا (> ۹۹٪)، نیاز به فضای کمتر.

• چالش‌ها: گرفتگی غشا (Fouling)، هزینه بالای تعمیرات.

ب. شناورسازی با هوای محلول (DAF)

• مکانیسم: تزریق حباب‌های ریز هوا برای شناورسازی ذرات.

• کاربرد: آب‌های با کدورت بسیار بالا یا جلبک‌ها.

• پارامترهای طراحی:

  • فشار تزریق هوا: ۴–۶ bar.

  • زمان تماس: ۱۰–۳۰ دقیقه.

ج. الکتروکوآگولاسیون (Electrocoagulation)

• مکانیسم: استفاده از جریان الکتریکی برای تولید یون‌های فلزی (آلومینیوم/آهن) و تشکیل لخته.

• مزایا: کاهش مصرف مواد شیمیایی، حذف همزمان فلزات سنگین.

۴. محاسبات کلیدی

الف. محاسبه دوز منعقدکننده

• آزمون جارتست (Jar Test):

  • انتخاب دوز بهینه بر اساس کدورت باقیمانده.

• فرمول:

  دوز (kg/day) = (دوز بهینه (mg/L) × دبی (m³/day)) / ۱۰۰۰  

  • مثال: دبی ۱۰۰۰ m³/day و دوز آلوم ۳۰ mg/L → ۳۰ kg/day.

ب. طراحی مخزن ته نشینی

• مساحت سطحی:

  A (m²) = دبی (m³/h) / سرعت سرریز (m/h)  

  • مثال: دبی ۵۰ m³/h و سرعت سرریز ۱ m/h → A = ۵۰ m².

ج. شار غشایی در فیلتراسیون

• فرمول:

  شار (LMH) = دبی (L/h) / سطح غشا (m²)  

  • محدوده معمول: ۵۰–۱۵۰ LMH برای UF.

۵. طراحی سیستم‌ها

الف. سیستم انعقاد-ته نشینی

• اجزا:

  • مخزن اختلاط سریع با میکسر مکانیکی.

  • مخزن ته نشینی با شیب ۱–۲٪ برای جمع‌آوری لجن.

• مصالح: بتن با پوشش اپوکسی یا فایبرگلاس.

ب. سیستم DAF

• تجهیزات:

  • تانک فشار برای اشباع هوا.

  • مخزن شناورسازی با اسکیمر برای جمع‌آوری لجن.

ج. سیستم الکتروکوآگولاسیون

• اجزا:

  • سلول الکترولیتی با الکترودهای آلومینیوم/آهن.

  • منبع تغذیه DC (ولتاژ ۱۰–۵۰ ولت).

۶. مقایسه روش‌های سنتی و نوین

روش مزایا معایب هزینه

انعقاد-ته نشینی هزینه پایین، سادگی اجرا نیاز به فضای زیاد کم

فیلتراسیون غشایی راندمان بالا، فضای کم هزینه بالای نگهداری بالا

DAF مناسب برای کدورت بالا مصرف انرژی بالا متوسط

الکتروکوآگولاسیون کاهش مواد شیمیایی نیاز به برق پیوسته متوسط-بالا

۷. اجرا و چالش‌ها

• روش‌های سنتی:

  • چالش: مدیریت لجن و تغییرات کیفیت آب خام.

  • اجرا: نیاز به پایش مداوم pH و دوز منعقدکننده.

• روش‌های نوین:

  • چالش: هزینه اولیه بالا و نیاز به نیروی متخصص.

  • اجرا: یکپارچه‌سازی با سیستم‌های هوشمند کنترل.

۸. مثال طراحی

شرایط:

• دبی: ۵۰۰ m³/day

• کدورت ورودی: ۵۰ NTU → هدف: ≤ ۱ NTU

• روش انتخابی: انعقاد با آلوم + فیلتر شن سریع.

محاسبات:

• دوز آلوم: ۳۰ mg/L (بر اساس جارتست) → مصرف روزانه: ۱۵ kg/day.

• مخزن ته نشینی:

  • سرعت سرریز: ۱ m/h → سطح مقطع: ۵۰۰/۲۴ ≈ ۲۰.۸ m².

• فیلتر شن:

  • تعداد فیلترها: ۲ واحد با قطر ۳ متر (مساحت هر فیلتر: ۷ m²).

  • سرعت فیلتراسیون: ۵ m/h.

تجهیزات:

• مخزن ۱۰۰۰ لیتری آلوم با پمپ دوزینگ.

• فیلترهای شن با لایه‌های شن و ذغال آنتراسیت.

۹. نتیجه‌گیری

انتخاب روش حذف کدورت به عواملی مانند هزینه، راندمان، و ویژگی‌های آب خام بستگی دارد. روش‌های سنتی مانند انعقاد-تهنشینی برای سیستم‌های بزرگ مقرون‌به‌صرفه هستند، در حالی که فناوری‌های نوین مانند فیلتراسیون غشایی برای آب‌های با کدورت پایین و نیاز به کیفیت بالا مناسب‌اند. ترکیب روش‌ها (مثل DAF + فیلتراسیون) می‌تواند بازدهی را افزایش دهد.

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

گندزدایی در تصفیه آب و فاضلاب: روش‌ها، محاسبات

۱. اهمیت گندزدایی

• حذف پاتوژن‌ها: باکتری‌ها، ویروس‌ها، و انگل‌ها (مانند اشرشیاکلی، کوکسیدیوم).

• پیشگیری از بیماری‌ها: وبا، حصبه، و اسهال‌های عفونی.

• مطابقت با استانداردها: رعایت حد مجاز باقیمانده مواد گندزدا (مثل کلر باقیمانده ≤ ۰.۲–۰.۵ mg/L).

۲. روش‌های گندزدایی

الف. روش‌های شیمیایی

۱. کلرزنی (Cl₂, NaOCl, Ca(OCl)₂):

• مزایا: ارزان، باقیمانده مؤثر، گسترده در سیستم‌های شهری.

• معایب: تشکیل ترکیبات جانبی سرطان‌زا (THMs، HAAs).

• فرمول واکنش:

  Cl₂ + H₂O → HOCl + HCl  
  HOCl → H⁺ + OCl⁻ (گندزدایی مؤثر در pH < ۸)  

۲. ازون (O₃):

• مزایا: قدرت اکسیداسیون بالا، عدم تشکیل باقیمانده شیمیایی.

• معایب: هزینه بالا، نیمه‌عمر کوتاه (نیاز به تزریق در محل).

• فرمول واکنش:

  O₃ → O₂ + O· (رادیکال آزاد اکسیژن)  

۳. کلرآمین‌ها (NH₂Cl):

• مزایا: کاهش تشکیل THMs، باقیمانده پایدار.

• معایب: قدرت گندزدایی کمتر نسبت به کلر آزاد.

۴. دی‌اکسید کلر (ClO₂):

• مزایا: عدم تشکیل THMs، مؤثر در حذف ویروس‌ها.

• معایب: خطر انفجار در غلظت بالا.

ب. روش‌های فیزیکی

۱. پرتو فرابنفش (UV):

• مکانیسم: آسیب به DNA پاتوژن‌ها با طول موج ۲۵۴ نانومتر.

• مزایا: عدم تشکیل ترکیبات جانبی، مناسب برای آب‌های کم کدورت.

• معایب: نیاز به آب شفاف، عدم باقیمانده گندزدا.

۲. گرمایش (پاستوریزاسیون):

• کاربرد: سیستم‌های کوچک یا روستایی.

۳. محاسبات کلیدی

الف. دوز گندزدا

• فرمول پایه (CT Value):

  CT = غلظت گندزدا (mg/L) × زمان تماس (دقیقه)  

  • مثال: برای حذف ۹۹.۹% ویروس‌ها با کلر (CT ≈ ۱۵ mg·min/L).

ب. محاسبه باقیمانده کلر

• فرمول:

  باقیمانده کلر = دوز تزریقشده – مصرفشده در واکنش با آلاینده‌ها  

ج. انرژی UV مورد نیاز

• فرمول:

  انرژی (mJ/cm²) = شدت تابش (μW/cm²) × زمان تماس (ثانیه)  

  • حداقل انرژی برای گندزدایی: ۴۰ mJ/cm² (برای باکتری‌ها).

۴. طراحی سیستم‌های گندزدایی

الف. کلرزنی

• مخزن تماس: زمان ماند ≥ ۳۰ دقیقه برای اطمینان از CT کافی.

• تجهیزات:

  • سیستم تزریق گاز کلر (فشار پایین).

  • مخازن ذخیره هیپوکلریت سدیم.

ب. سیستم UV

• پارامترهای طراحی:

  • شفافیت آب: NTU < ۱ برای عبور مؤثر پرتو.

  • تعداد لامپ‌ها: بر اساس دبی و انرژی مورد نیاز.

• اجزای سیستم:

  • محفظه استیل ضدزنگ با لامپ‌های UV.

  • سیستم تمیزکننده خودکار (برای جلوگیری از رسوب).

ج. ازون‌زنی

• ژنراتور ازون: تولید ازون با تخلیه الکتریکی یا تابش UV.

• مخزن تماس: زمان تماس ≈ ۱۰–۲۰ دقیقه.

۵. مقایسه روش‌های گندزدایی

روش مزایا معایب کاربرد

کلرزنی ارزان ، باقیمانده مؤثرتشکیل THMs، خطر سمیت شبکه‌های آب شهری

UV عدم ترکیبات جانبی نیاز به آب شفاف بیمارستان‌ها، صنایع دارویی

ازون قدرت اکسیداسیون بالا هزینه بالا ، نیمه‌عمر کوتاه استخرهای شنا ، آب بطری

کلرآمین‌ها کاهش THMs قدرت گندزدایی کمتر سیستم‌های توزیع طولانی

۶. اجرا و چالش‌ها

• کلرزنی:

  • خطرات: نشت گاز کلر (نیاز به سیستم‌های ایمنی).

  • مدیریت THMs: استفاده از کربن فعال یا اصلاح pH.

• UV:

  • رسوب بر لامپ‌ها: نیاز به تمیزکاری دوره‌ای.

• ازون:

  • تولید در محل: نیاز به تجهیزات پیچیده.

۷. پیشرفت‌های نوین

• گندزدایی ترکیبی: استفاده همزمان از UV + کلر برای کاهش THMs.

• فناوری پلاسما: تولید رادیکال‌های آزاد برای گندزدایی سریع.

• نانوفتوکاتالیست‌ها: استفاده از TiO₂ تحت UV برای تخریب آلاینده‌ها.

۸. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب: ۵۰۰ m³/day

• روش گندزدایی: کلرزنی با هیپوکلریت سدیم (غلظت ۱۰% کلر).

• CT مورد نیاز: ۱۵ mg·min/L.

محاسبات:

• زمان تماس: ۳۰ دقیقه → غلظت کلر = CT / زمان = ۱۵ / ۳۰ = ۰.۵ mg/L.

• دوز هیپوکلریت سدیم: (۰.۵ mg/L) / (۰.۱) = ۵ mg/L.

• مصرف روزانه: m³/day ۵۰۰ × ۵ mg/L = ۲.۵ kg/day.

تجهیزات:

• مخزن ۱۰۰۰ لیتری هیپوکلریت سدیم.

• پمپ دوزینگ با دقت ±۰.۱ mg/L.

• ۹. نتیجه‌گیری

انتخاب روش گندزدایی به عواملی مانند هزینه، کیفیت آب، و استانداردهای بهداشتی بستگی دارد. کلرزنی هنوز پرکاربردترین روش است، اما فناوری‌هایی مانند UV و ازون به دلیل ایمنی و کاهش ترکیبات جانبی در حال گسترش هستند. پایش مداوم باقیمانده گندزدا و تطابق با استانداردهای جهانی کلید موفقیت است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تنظیم pH در تصفیه آب و فاضلاب: روش‌ها

۱. اهمیت تنظیم pH

• بهینه‌سازی فرآیندها:

  • انعقاد و لخته‌سازی (بهینه در pH ۶–۸ برای آلوم).

  • گندزدایی (کلر در pH < ۸ مؤثرتر است).

• جلوگیری از خوردگی: حفظ pH نزدیک خنثی (۷–۸.۵) برای کاهش خوردگی لوله‌ها.

• حذف فلزات سنگین: رسوب‌دهی فلزات (مانند آهن و منگنز) در pH خاص.

۲. روش‌های تنظیم pH

الف. افزایش pH (قلیایی‌سازی)

• مواد شیمیایی:

  • آهک (CaO یا Ca(OH)₂): ارزان، اما تولید لجن زیاد.

  • سود سوزآور (NaOH): گران‌تر، اما محلول‌پذیری بالا.

  • کربنات سدیم (Na₂CO₃): مناسب برای سیستم‌های با قلیاییت کم.

• واکنش شیمیایی:

  CaO + H₂O → Ca(OH)₂  
  Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O  

ب. کاهش pH (اسیدی‌سازی)

• مواد شیمیایی:

  • اسید سولفوریک (H₂SO₄): رایج، اما خطر خوردگی بالا.

  • اسید هیدروکلریک (HCl): سریع‌العمل، اما انتشار گاز سمی.

  • CO₂ تزریقی: ایمن‌تر، مناسب برای سیستم‌های حساس.

• واکنش شیمیایی:

  H₂SO₄ + 2HCO₃⁻ → 2CO₂ + 2H₂O + SO₄²⁻  

۳. محاسبات و فرمول‌های کلیدی

الف. محاسبه دوز مواد شیمیایی

• فرمول پایه:

  دوز (mg/L) = (ΔpH × قلیاییت (mg/L CaCO₃)) / (وزن معادل ماده × خلوص ماده)  

• مثال:

  • برای کاهش pH از ۹ به ۷ با اسید سولفوریک (H₂SO₄، خلوص ۹۸%):

    • قلیاییت آب = ۱۵۰ mg/L CaCO₃

    • وزن معادل H₂SO₄ = ۴۹ g/mol

    • دوز ≈ (۲ × ۱۵۰) / (۴۹ × ۰.۹۸) ≈ ۶.۲ mg/L

ب. اصلاح قلیاییت

• رابطه قلیاییت و pH:

  قلیاییت = [HCO₃⁻] + 2[CO₃²⁻] + [OH⁻] - [H⁺]  

۴. طراحی سیستم‌های تنظیم pH

• انتخاب ماده شیمیایی:

  • هزینه: آهک ارزان‌تر از سود سوزآور.

  • ایمنی: CO₂ ایمن‌تر از اسیدهای معدنی.

  • لجن: آهک لجن بیشتری تولید می‌کند.

• تجهیزات:

  • مخازن ذخیره: ضد خوردگی (فایبرگلاس یا استیل ضدزنگ).

  • سیستم تزریق: پمپ‌های دوزینگ با کنترلر pH.

  • میکسرها: اختلاط سریع برای جلوگیری از لکه‌گیری (Channeling).

۵. مقایسه مواد شیمیایی

ماده مزایا معایب کاربرد

آهک ارزان ، در دسترس لجن زیاد، رسوب‌گیری فاضلاب‌های صنعتی

NaOH واکنش سریع، لجن کم گران، خطرناک سیستم‌های کوچک

CO₂ایمن، بدون لجن هزینه بالای تجهیزات آب شرب و استخرها

H₂SO₄ مؤثر، ارزان خوردگی، خطر انفجار صنایع شیمیایی

۶. مراحل اجرا

۱. آزمایش آب: اندازه‌گیری pH اولیه، قلیاییت، و دما.
۲. انتخاب ماده: بر اساس هزینه، ایمنی، و کارایی.
۳. محاسبه دوز: با استفاده از آزمون‌های جارتست یا فرمول‌های شیمیایی.
۴. تزریق ماده: استفاده از پمپ‌های دوزینگ با کنترلر اتوماتیک.
۵. میکس و ماند: اطمینان از اختلاط کامل (حداقل ۱–۲ دقیقه).
۶. پایش مداوم: سنسورهای pH آنلاین و تصحیح دوز.

۷. چالش‌های رایج

• تغییرات ناگهانی کیفیت آب: نیاز به سیستم‌های کنترل تطبیقی.

• خوردگی تجهیزات: استفاده از مواد مقاوم در برابر اسید/باز.

• مدیریت لجن: بهینه‌سازی دوز برای کاهش تولید لجن.

۸. پیشرفت‌های نوین

• سیستم‌های هوشمند: کنترلرهای PID با قابلیت یادگیری ماشین.

• نانوذرات: استفاده از نانوذرات اکسید فلزی برای تنظیم pH و حذف آلاینده‌ها.

• مواد دوست دار محیط زیست: جایگزینی CO₂ به جای اسیدهای قوی.

۹. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب: ۱۰۰۰ m³/day

• pH اولیه: ۹ → pH هدف: ۷

• ماده انتخابی: CO₂ (با خلوص ۹۹%)

محاسبات:

• دوز CO₂ ≈ ۲ mg/L (بر اساس آزمون جارتست)

• مقدار کل CO₂ مورد نیاز: m³/day ۱۰۰۰ × ۲ mg/L = ۲ kg/day

تجهیزات:

• مخزن ذخیره CO₂ تحت فشار.

• پمپ دوزینگ با دقت ±۰.۱ pH.

۱۰. نتیجه‌گیری

تنظیم pH یکی از مراحل حیاتی در تصفیه آب و فاضلاب است که به دقت بالا در محاسبات، انتخاب مواد شیمیایی، و طراحی سیستم نیاز دارد. استفاده از کنترلرهای خودکار و مواد سازگار با محیط زیست می‌تواند راندمان و پایداری فرآیند را افزایش دهد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

زلال‌سازی در تصفیه آب و فاضلاب: مرور جامع

۱. تعریف و مکانیسم‌ها

زلال‌سازی (Coagulation) فرآیندی شیمیایی-فیزیکی برای حذف ذرات کلوئیدی و معلق در آب با استفاده از مواد منعقدکننده است. مکانیسم‌های اصلی عبارتند از:

• خنثی‌سازی بار الکتریکی: کاهش دافعه بین ذرات.

• لخته‌سازی جاروبی (Sweep Flocculation): تشکیل پوشش هیدروکسید فلزی که ذرات را جذب می‌کند.

۲. انواع مواد منعقدکننده

• نمک‌های معدنی:

  • سولفات آلومینیوم (آلوم)؛ رایج، مؤثر در pH ۶–۸.

  • کلرید فریک/سولفات فریک؛ مناسب برای حذف فسفر و رنگ.

• پلیمرهای آلی: پلی‌آکریل آمید (کمک منعقدکننده).

• منعقدکننده‌های طبیعی: مانند مورینگا (پایدار و سازگار با محیط زیست).

۳. طراحی واحدهای زلال‌سازی

• مخزن اختلاط سریع (Rapid Mix):

  • هدف: توزیع یکنواخت منعقدکننده.

  • پارامترها: زمان ماند (۱۰–۶۰ ثانیه)، گرادیان سرعت (G ≈ ۳۰۰–۱۰۰۰ ثانیه⁻¹).

• مخزن لخته‌سازی (Flocculation):

  • هدف: تشکیل لخته‌های بزرگ.

  • پارامترها: زمان ماند (۲۰–۴۰ دقیقه)، G ≈ ۲۰–۸۰ ثانیه⁻¹.

۴. محاسبات کلیدی

• دوز منعقدکننده: بر اساس آزمون جارتست (Jar Test) تعیین می‌شود (محدوده آلوم: ۵–۱۰۰ میلی‌گرم/لیتر).

• اصلاح pH: استفاده از آهک یا سودا اش برای تنظیم pH بهینه (آلوم: pH ≈ ۶–۸، فریک: pH ≈ ۴–۹).

• تولید لجن: محاسبه بر اساس دوز منعقدکننده و TSS آب خام.

۵. شباهت‌ها و تفاوت‌های آب و فاضلاب

• شباهت‌ها: استفاده از مواد منعقدکننده مشابه، هدف حذف ذرات.

• تفاوت‌ها:

  • فاضلاب: غلظت بالای مواد آلی، نیاز به دوز بالاتر یا ترکیب منعقدکننده-پلیمر.

  • آب شرب: حساسیت به باقیمانده فلزات (مثل آلومینیوم).

۶. انتخاب منعقدکننده

• عوامل مؤثر:

  • کیفیت آب (کدورت، pH، مواد آلی).

  • هدف تصفیه (حذف فسفر، رنگ، فلزات سنگین).

  • هزینه و مدیریت لجن.

• روش انتخاب: انجام آزمون جارتست برای تعیین دوز و ترکیب بهینه.

۷. کاربرد مواد منعقدکننده در حذف آلاینده‌ها

منعقدکنندهکاربرد اصلی

آلوم کاهش کدورت، حذف پاتوژن‌ها.

کلرید فریک حذف فسفر، رنگ، و فلزات سنگین.

پلیمرهای کاتیونی بهبود لخته‌سازی در فاضلاب‌های صنعتی.

مورینگا تصفیه پایدار در جوامع محلی.

۸. اجرا و مصالح ساخت

• مصالح: بتن با پوشش اپوکسی، استیل ضدزنگ، یا پلی‌اتیلن.

• تجهیزات: میکسرهای مکانیکی، سیستم‌های دوزینگ خودکار (بر پایه pH/کدورت).

• چالش‌ها: خوردگی، تغییرات سریع کیفیت آب، مدیریت لجن.

۹. ملاحظات محیط زیستی

• باقیمانده منعقدکننده: کنترل آلومینیوم در آب شرب.

• لجن: دفن بهداشتی یا استفاده در کشاورزی (بسته به ترکیب شیمیایی).

۱۰. پیشرفت‌های اخیر

• منعقدکننده‌های هوشمند: پاسخگو به تغییرات آنی کیفیت آب.

• نانو مواد: افزایش راندمان در دوزهای پایین.

نتیجه‌گیری: انتخاب و طراحی سیستم زلال‌سازی نیازمند تحلیل دقیق کیفیت آب، هدف تصفیه، و هزینه‌های عملیاتی است. آزمون‌های آزمایشگاهی و پایش مداوم کلید موفقیت هستند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب