مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف آلومینیوم در تصفیه آب و فاضلاب:

۱. روش‌های سنتی

الف. رسوب‌سازی شیمیایی (Chemical Precipitation)

• مکانیسم:
  افزایش pH آب با افزودن مواد قلیایی (آهک، سود سوزآور) برای تشکیل هیدروکسید آلومینیوم نامحلول:

  Al3++3OH−→Al(OH)3​↓(Ksp​≈1.3×10−33)

• شرایط بهینه:

  • pH: ۶.۵–۸ (زیرا آلومینیوم در pH بالا (>۹) به صورت Al(OH)4−​ محلول می‌شود).

  • مواد شیمیایی: آهک (CaO)، سود سوزآور (NaOH).

• مزایا: هزینه پایین، سادگی اجرا.

• معایب: تولید لجن حجیم، نیاز به مدیریت پسماند.

ب. انعقاد-لخته‌سازی (Coagulation-Flocculation)

• مکانیسم:
  استفاده از منعقدکننده‌های غیرآلومینیومی (مثل کلرید فریک یا پلیمرهای آلی) برای حذف ذرات کلوئیدی آلومینیوم.

• پارامترها:

  • دوز منعقدکننده: ۱۰–۵۰ mg/L.

  • زمان اختلاط سریع: ۳۰–۶۰ ثانیه.

ج. تبادل یونی (Ion Exchange)

• مکانیسم:
  جایگزینی یون Al3+Al3+ با یون‌های بی‌خطر (مثل Na+Na+) روی رزین کاتیونی.

  +R-Na+Al3+→R-Al+3Na

• رزین‌های مؤثر: رزین‌های سولفونیک اسید.

• احیای رزین: استفاده از NaCl غلیظ یا HCl رقیق.

۲. روش‌های نوین

الف. فیلتراسیون غشایی (Membrane Filtration)

• انواع:

  • نانوفیلتراسیون (NF): حذف ۸۰–۹۵٪ یون‌های آلومینیوم با شار ۱۰–۳۰ LMH.

  • اسمز معکوس (RO): راندمان > ۹۹٪ با فشار عملیاتی ۱۵–۳۰ بار.

• فرمول شار غشایی:

  J=(ΔP−Δπ)/(μ⋅Rm​)​

  • J: شار (LMH)، ΔP: فشار، Δπ: فشار اسمزی، μ: ویسکوزیته، Rm​: مقاومت غشا.

ب. الکتروکوآگولاسیون (Electrocoagulation)

• مکانیسم:
  استفاده از الکترودهای آهن یا فولاد ضدزنگ برای تولید یون‌های فلزی که با Al3+Al3+ ترکیب شده و رسوب می‌کنند.

  • واکنش آند:

    -Fe→Fe2++2e

  • تشکیل هیدروکسید آهن:

    ↓Fe2++2OH−→Fe(OH)2​

• پارامترها: ولتاژ ۱۰–۳۰ ولت، زمان تماس ۲۰–۴۰ دقیقه.

ج. جذب سطحی پیشرفته (Advanced Adsorption)

• مواد جاذب:

  • نانوذرات اکسید آهن (Fe3O4Fe3​O4​): ظرفیت جذب تا ۱۲۰ mg/g.

  • زیست‌جاذب‌ها (Biochar): جذب آلومینیوم از طریق گروه‌های عاملی سطحی.

• فرمول ایزوترم لانگمیر:

  (1+KL​⋅Ce)/(qe​=(​Qmax​⋅KL​⋅Ce​​

  • qe​: ظرفیت جذب (mg/g)، Ce​: غلظت تعادلی (mg/L).

۳. بهینه‌سازی روش‌ها

روش هزینه راندمان چالش‌ها کاربرد

رسوب‌سازی کم۷۰–۸۵٪ لجن حجیم صنایع کوچک

الکتروکوآگولاسیون متوسط ۸۵–۹۵٪ مصرف انرژی بالاپساب‌های صنعتی

نانوفیلتراسیون بالا۹۰–۹۸٪ گرفتگی غشا سیستم‌های پیشرفته

جذب نانوذرات بسیار بالا۹۵–۹۹٪ هزینه تولید نانوذرات پژوهش‌های نوین

۴. فرمول‌های کلیدی

• محاسبه دوز آهک در رسوب‌سازی:

  دوز آهک (mg/L)

• ظرفیت رزین تبادل یونی:

۵. ساخت و اجرا

الف. سیستم رسوب‌سازی

• تجهیزات:

  • مخزن اختلاط سریع، تهنشینی، پمپ لجن.

  • مواد: پلی‌اتیلن یا فولاد ضدزنگ.

• اجرا:
  ۱. تزریق آهک به آب.
  ۲. تنظیم pH به ۶.۵–۸.
  ۳. جداسازی لجن Al(OH)3​.

ب. سیستم الکتروکوآگولاسیون

• اجزا:

  • الکترودهای آهنی، منبع تغذیه DC، مخزن واکنش.

• پارامترها: ولتاژ ۲۰ ولت، جریان ۲ A/m².

ج. سیستم نانوفیلتراسیون

• تجهیزات:

  • پمپ فشار بالا، ماژول‌های غشایی مارپیچی، سیستم CIP.

• اجرا:

  • پیش‌تصفیه با فیلتر شنی.

  • تنظیم pH برای جلوگیری از رسوب‌گیری.

۶. نتیجه‌گیری

• روش سنتی: رسوب‌سازی با آهک برای صنایع کوچک مقرون‌به‌صرفه است.

• روش نوین: نانوفیلتراسیون و الکتروکوآگولاسیون برای حذف با راندمان بالا پیشنهاد می‌شوند.

• بهینه‌سازی: ترکیب روش‌ها (مثل پیش‌تصفیه با رسوب‌سازی + نانوفیلتراسیون) برای کاهش هزینه و افزایش راندمان.

• مدیریت پسماند: بازیافت آلومینیوم از لجن یا استفاده از جاذب‌های قابل احیا.

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

تصفیه آب به روش فوتوکاتالیست:

۱. مقدمه

فوتوکاتالیست یک فناوری پیشرفته مبتنی بر استفاده از نور (معمولاً UV) و مواد نیمه‌هادی (مانند دی‌اکسید تیتانیوم TiO₂) برای تخریب آلاینده‌های آلی، میکروارگانیسم‌ها و ترکیبات سمی در آب است. این روش به دلیل راندمان بالا، عدم تولید لجن و سازگاری با محیط زیست، در تصفیه آب و فاضلاب کاربرد گسترده دارد.

۲. مکانیسم عملکرد

۱. فعال‌سازی کاتالیست: تابش نور UV به نانوذرات TiO₂، الکترون‌های آن را برانگیخته و جفت حفره-الکترون (e⁻/h⁺) ایجاد می‌کند.
۲. تولید رادیکال‌های آزاد:

• حفره‌های مثبت (h⁺) با آب واکنش داده و رادیکال هیدروکسیل (OH·) تولید می‌کنند.

• الکترون‌ها (e⁻) با اکسیژن محلول ترکیب شده و سوپراکسید (O₂⁻) ایجاد می‌کنند.
  ۳. تخریب آلاینده‌ها: رادیکال‌های آزاد، پیوندهای آلی را شکسته و آن‌ها را به CO₂، H₂O و ترکیبات ساده تبدیل می‌کنند.

۳. پارامترهای طراحی کلیدی

پارامتر محدوده بهینه توضیح

نوع کاتالیست TiO₂ (آناتاز)، ZnO، نانوکامپوزیت‌هاانتخاب بر اساس طیف جذب نور و آلاینده

شدت نور UV۲۰۰–۴۰۰ نانومتر (UVA)طول موج مناسب برای فعال‌سازی TiO₂

غلظت کاتالیست ۰.۱–۲ گرم بر لیتر بهینه برای تعادل سطح فعال و پراکندگی

زمان تماس ۳۰–۱۲۰ دقیقه بسته به نوع و غلظت آلاینده

pH آب ۳–۹ تأثیر مستقیم بر فعالیت کاتالیست

۴. محاسبات کلیدی

الف. محاسبه انرژی نور مورد نیاز

انرژی (W/m²) = (شدت نور (μW/cm²) × مساحت سطح کاتالیست (m²)) / ۱۰۰  

• مثال: شدت نور ۱۰۰۰ μW/cm² و مساحت ۲ m² → انرژی ≈ ۲۰ W/m².

ب. نرخ واکنش فوتوکاتالیستی

نرخ تخریب (mg/L/min) = (k × C × I × S) / (۱ + k × C × t)  
k: ثابت سرعت، C: غلظت آلاینده، I: شدت نور، S: سطح کاتالیست، t: زمان  

ج. حجم راکتور

حجم (L) = دبی (L/h) × زمان تماس (h)  

• مثال: دبی ۱۰۰ L/h و زمان تماس ۱ ساعت → حجم = ۱۰۰ L.

۵. ساخت و تجهیزات

الف. اجزای اصلی سیستم

• منبع نور UV: لامپ‌های LED یا فشار متوسط با طول موج ۳۶۵ نانومتر.

• نانوذرات کاتالیست: پوشش‌دهی TiO₂ روی سطوح (شیشه، سرامیک) یا استفاده به صورت سوسپانسیون.

• راکتور: مخزن شیشه‌ای یا استیل ضدزنگ با قابلیت عبور نور.

• سیستم گردش آب: پمپ‌های مقاوم به خوردگی و فیلترهای نگهدارنده کاتالیست.

ب. مصالح و مواد

• نانوذرات TiO₂: آناتاز با خلوص ≥ ۹۹%.

• پشتیبان کاتالیست: سرامیک متخلخل، فایبرگلاس یا نانولوله‌های کربنی.

• محفظه راکتور: کوارتز یا شیشه UV-transparent برای عبور نور.

۶. مراحل اجرا

۱. آماده‌سازی کاتالیست:

• پوشش‌دهی TiO₂ روی سطوح با روش‌های سل-ژل، اسپری یا رسوب الکتروشیمیایی.

• یا استفاده از سوسپانسیون نانوذرات در آب.
  ۲. نصب سیستم نورپردازی:

• قراردادن لامپ‌های UV در راکتور با فاصله مناسب از سطح کاتالیست.
  ۳. راه‌اندازی سیستم:

• تنظیم pH آب (معمولاً ۵–۷) برای حداکثر فعالیت کاتالیست.

• تزریق آب آلوده به راکتور و فعال‌سازی همزمان نور و کاتالیست.
  ۴. پایش و کنترل:

• اندازه‌گیری غلظت آلاینده، شدت نور و pH به صورت مداوم.

۷. چالش‌ها و مدیریت

• کاهش فعالیت کاتالیست:

  • علت: تجمع آلاینده‌ها روی سطح کاتالیست (فولینگ).

  • راهکار: شستشوی دوره‌ای با محلول اسید رقیق (مانند HNO₃) یا تابش UV شدید.

• هزینه انرژی:

  • راهکار: استفاده از نور خورشید (فتوکاتالیست خورشیدی) یا LED کم‌مصرف.

• جداکردن کاتالیست:

  • راهکار: استفاده از کاتالیست تثبیت‌شده روی بستر ثابت یا فیلتراسیون غشایی.

۸. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب: ۵۰ m³/day

• آلاینده: ۱۰ mg/L فنول

• هدف: کاهش غلظت به ≤ ۰.۱ mg/L

محاسبات:

• زمان تماس: ۶۰ دقیقه → حجم راکتور = ۵۰ m³/day / ۲۴ ≈ ۲.۰۸ m³.

• غلظت کاتالیست: ۱ g/L TiO₂ → نیاز ≈ ۲.۰۸ kg TiO₂.

• انرژی نور: ۳۰ W/m² برای سطح ۱۰ m² → توان کل = ۳۰۰ W.

تجهیزات:

• راکتور شیشه‌ای به حجم ۲.۵ m³ با لامپ‌های UV-A.

• نانوذرات TiO₂ پوشش‌دهی‌شده روی صفحات سرامیکی.

• سیستم کنترل pH و دما.

۹. پیشرفت‌های نوین

• کاتالیست‌های هیبریدی: ترکیب TiO₂ با نانوذرات فلزی (Ag، Au) یا گرافن برای افزایش جذب نور.

• راکتورهای خورشیدی: استفاده از نور طبیعی خورشید به جای UV مصنوعی.

• سیستم‌های ترکیبی: ادغام با اکسیداسیون پیشرفته (AOPs) یا فیلتراسیون غشایی.

۱۰. نتیجه‌گیری

فوتوکاتالیست به عنوان یک روش سبز و مؤثر، توانایی حذف طیف وسیعی از آلاینده‌ها را دارد. طراحی سیستم نیازمند محاسبه دقیق پارامترهای نوری، غلظت کاتالیست و زمان تماس است. استفاده از فناوری‌های نوین مانند نانوکامپوزیت‌ها و سیستم‌های خورشیدی، هزینه‌ها را کاهش و راندمان را افزایش می‌دهد. این روش به ویژه برای تصفیه آب‌های صنعتی و آشامیدنی با آلاینده‌های مقاوم پیشنهاد می‌شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تصفیه آب به روش نانو فیلتراسیون:

۱. مقدمه

نانو فیلتراسیون (NF) یک فرآیند غشایی با اندازه منافذ ۰.۱ تا ۱ نانومتر است که قادر به حذف ترکیبات آلی با وزن مولکولی بالا (۲۰۰–۱۰۰۰ دالتون)، یون‌های دوظرفیتی (مانند Ca²⁺، Mg²⁺) و آلاینده‌های میکروبی است. این روش برای نرم‌سازی آب، حذف فلزات سنگین و کاهش کدورت کاربرد گسترده دارد.

۲. مکانیسم عملکرد

• حذف فیزیکی: ذرات بزرگتر از اندازه منافذ غشا به دام می‌افتند.

• دافعه بار الکتریکی: غشاهای NF معمولاً بار منفی دارند و یون‌های مثبت (مثل Ca²⁺) را دفع می‌کنند.

• انتقال حل‌شونده: ترکیبات خنثی با وزن مولکولی پایین ممکن است از غشا عبور کنند.

۳. پارامترهای طراحی کلیدی

پارامتر محدوده بهینه توضیح

نوع غشا پلی آمید، سلولز استات انتخاب بر اساس نوع آلاینده و pH آب

فشار عملیاتی ۵–۲۰ بارفشار بالاتر برای آب‌های شور

درجه بازیابی ۵۰–۸۵٪ نسبت آب تصفیه‌شده به آب ورودی

شار غشایی ۱۰–۳۰ LMH (لیتر/متر²/ساعت) بهینه برای جلوگیری از گرفتگی

pH آب ۳–۱۰ جلوگیری از تخریب غشا

۴. محاسبات کلیدی

الف. محاسبه سطح غشا مورد نیاز

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

• مثال: دبی ۱۰۰ m³/day و شار ۲۰ LMH → سطح ≈ ۱۰۰ / (۲۰ × ۲۴) ≈ ۰.۲۱ m².

ب. محاسبه انرژی مصرفی

انرژی (kWh/m³) = (فشار (bar) × دبی (m³/h)) / (۳۶۰۰ × راندمان پمپ)  

• مثال: فشار ۱۵ بار، دبی ۵ m³/h، راندمان ۷۰% → انرژی ≈ (۱۵ × ۵) / (۳۶۰۰ × ۰.۷) ≈ ۰.۰۳ kWh/m³.

ج. بازیابی آب

بازیابی (%) = (دبی آب تصفیه‌شده / دبی آب ورودی) × ۱۰۰  

۵. ساخت و تجهیزات

الف. اجزای اصلی سیستم

• پیش‌تصفیه: فیلترهای شنی، میکروفیلتراسیون یا اولترافیلتراسیون برای جلوگیری از گرفتگی غشا.

• ممبران NF: ماژول‌های مارپیچی (Spiral Wound) یا صفحه‌ای (Flat Sheet).

• پمپ فشار بالا: از جنس استیل ضدزنگ برای تحمل فشار عملیاتی.

• سیستم شستشوی معکوس (CIP): استفاده از محلول‌های اسیدی یا بازی برای احیای غشا.

ب. مصالح و مواد

• غشا: پلی آمید نازک (TFC) یا سلولز استات.

• محفظه فشار: استیل ضدزنگ یا فایبرگلاس.

• لوله‌کشی: PVC مقاوم به فشار یا استیل.

۶. اجرا و مراحل راه‌اندازی

۱. پیش‌تصفیه آب: حذف ذرات معلق > ۱۰ μm با فیلترهای کارتریج.
۲. تنظیم pH: اسیدی یا بازی کردن آب برای جلوگیری از رسوب‌گیری (مثلاً تنظیم pH ≈ ۶–۸).
۳. تزریق آنتی‌اسکالانت: جلوگیری از تشکیل رسوبات معدنی روی غشا.
۴. راه‌اندازی سیستم: افزایش تدریجی فشار برای جلوگیری از شوک به غشا.
۵. پایش مداوم: اندازه‌گیری فشار، شار، و هدایت الکتریکی آب خروجی.

۷. چالش‌ها و مدیریت

• گرفتگی غشا (Fouling):

  • علت: تجمع مواد آلی، معدنی یا بیولوژیکی.

  • راهکار: شستشوی دوره‌ای با محلول NaOH (pH ۱۲) یا اسید سیتریک (pH ۲).

• رسوب‌گیری (Scaling):

  • علت: اشباع نمک‌های کلسیم یا سولفات.

  • راهکار: تزریق آنتی‌اسکالانت (مثل پلی آکریلیک اسید).

• خوردگی: استفاده از مواد مقاوم در برابر خوردگی در قسمت‌های مرطوب.

۸. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب ورودی: ۵۰ m³/day

• آلاینده اصلی: سولفات (SO₄²⁻) با غلظت ۸۰۰ mg/L

• هدف: کاهش سولفات به ≤ ۲۰۰ mg/L

محاسبات:

• شار غشایی: ۱۵ LMH → سطح غشا = ۵۰ / (۱۵ × ۲۴) ≈ ۰.۱۴ m².

• فشار عملیاتی: ۱۰ بار → انرژی مصرفی ≈ (۱۰ × ۲.۰۸) / (۳۶۰۰ × ۰.۷) ≈ ۰.۰۰۸ kWh/m³.

• بازیابی آب: ۷۰% → دبی پساب غلیظ = ۵۰ × ۰.۳ = ۱۵ m³/day.

تجهیزات:

• ماژول مارپیچی با سطح ۰.۲ m².

• پمپ فشار بالا با ظرفیت ۳ m³/h.

• سیستم تزریق آنتی‌اسکالانت با دوز ۲ mg/L.

۹. پیشرفت‌های نوین

• غشاهای نانوکامپوزیتی: ترکیب نانوذرات (مثل TiO₂) برای افزایش مقاومت شیمیایی.

• سیستم‌های هیبریدی: ترکیب NF با اسمز معکوس (RO) یا اکسیداسیون پیشرفته (AOPs).

• غشاهای کم‌انرژی: کاهش فشار عملیاتی تا ۵ بار با استفاده از غشاهای نسل جدید.

۱۰. نتیجه‌گیری

نانو فیلتراسیون به عنوان یک روش کارآمد و انعطاف‌پذیر، جایگاه ویژه‌ای در تصفیه آب صنعتی و شرب دارد. طراحی دقیق بر اساس پارامترهای آب ورودی، انتخاب غشای مناسب و مدیریت چالش‌هایی مانند گرفتگی، کلید موفقیت سیستم است. فناوری‌های نوین مانند غشاهای نانوکامپوزیت و سیستم‌های هوشمند پایش، آینده این روش را متحول خواهند کرد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تصفیه آب و فاضلاب به روش بیوفیلتر:

۱. مقدمه

بیوفیلتراسیون یک روش زیست‌محیطی برای حذف آلاینده‌های آلی، نیتروژن، فسفر و ترکیبات سمی از آب و فاضلاب با استفاده از میکروارگانیسم‌های چسبیده به یک بستر جامد (رسانه) است. این روش به دلیل هزینه پایین، سازگاری با محیط زیست و راندمان بالا، در تصفیه خانه‌های شهری و صنعتی کاربرد گسترده دارد.

۲. مکانیسم عملکرد

• تجزیه هوازی: باکتری‌ها و قارچ‌ها، آلاینده‌های آلی را به CO₂ و H₂O تبدیل می‌کنند.

• نیترات‌زدایی: باکتری‌های بی‌هوازی نیترات (NO₃⁻) را به نیتروژن گازی (N₂) تبدیل می‌کنند.

• جذب سطحی: آلاینده‌ها روی سطح رسانه یا بیوفیلم جذب می‌شوند.

۳. انواع بیوفیلترها

نوع رسانه کاربرد

بیوفیلتر چکنده سنگ، پلاستیک یا سرامیک تصفیه فاضلاب شهری

بیوفیلتر غوطه‌ور شن، زغال یا پکینگ پلیمری حذف نیتروژن و فسفر

MBBR حامل‌های متحرک (مثل پلی اتیلن) تصفیه پساب صنعتی با بار آلی بالا

۴. طراحی سیستم بیوفیلتر

الف. پارامترهای کلیدی طراحی

۱. نوع آلاینده: BOD، نیتروژن، فسفر یا ترکیبات خاص.
۲. رسانه: سطح ویژه (m²/m³)، تخلخل و مقاومت مکانیکی.
۳. بار آلی: بر حسب kg BOD/m³/day.
۴. زمان ماند هیدرولیکی (HRT): معمولاً ۲–۸ ساعت.
۵. اکسیژن مورد نیاز: DO ≥ ۲ mg/L برای فرآیند هوازی.

ب. محاسبات کلیدی

۱. محاسبه حجم راکتور:

حجم (m³) = دبی (m³/day) × زمان ماند (day)  

• مثال: دبی ۱۰۰ m³/day و HRT = ۶ ساعت (۰.۲۵ روز) → حجم ≈ ۲۵ m³.

۲. بار آلی:

بار آلی (kg BOD/m³/day) = (غلظت BOD ورودی (mg/L) × دبی (m³/day)) / حجم راکتور (m³)  

• مثال: BOD ورودی ۳۰۰ mg/L، دبی ۵۰ m³/day، حجم ۱۰ m³ → بار آلی = ۱.۵ kg/m³/day.

۳. نیاز به اکسیژن:

اکسیژن مورد نیاز (kg O₂/day) = (BOD ورودی (kg/day) × راندمان حذف) / ۰.۳  

• مثال: BOD ورودی ۱۵ kg/day، راندمان ۹۰% → نیاز ≈ ۴۵ kg O₂/day.

۴. سطح ویژه رسانه:

سطح ویژه مؤثر (m²/m³) = (بار آلی × ۱۰۰۰) / نرخ بارگذاری (g BOD/m²/day)  

۵. ساخت و تجهیزات

الف. انتخاب رسانه

• پکینگ پلاستیکی: سطح ویژه ۲۰۰–۵۰۰ m²/m³، مناسب برای MBBR.

• شن و سنگ: ارزان، اما سطح ویژه پایین (۵۰–۱۰۰ m²/m³).

• زغال فعال: جذب ترکیبات آلی + زیست‌پالایی.

ب. اجزای سیستم

• راکتور: مخزن بتنی، فایبرگلاس یا فلزی با سیستم توزیع آب.

• سیستم هوادهی: دیفیوزرهای حباب ریز یا هوادهی سطحی.

• سیستم برگشت لجن: برای حفظ تراکم بیومس.

ج. مراحل اجرا

۱. آماده‌سازی رسانه: شستشو و ضدعفونی.
۲. ایجاد بیوفیلم: تلقیح رسانه با باکتری‌های مورد نظر (مانند Nitrosomonas).
۳. راه‌اندازی تدریجی: افزایش دبی به مرور زمان برای تطبیق میکروارگانیسم‌ها.
۴. پایش مداوم: اندازه‌گیری DO، pH، دما و غلظت آلاینده‌ها.

۶. چالش‌ها و مدیریت

• گرفتگی رسانه: شستشوی معکوس با آب یا هوا.

• تغییرات دما: استفاده از عایق‌بندی یا سیستم‌های گرمایش/سرمایش.

• سمیت آلاینده‌ها: پیش‌تصفیه برای حذف مواد بازدارنده رشد میکروبی.

• تعویض رسانه: هر ۵–۱۰ سال بسته به فرسودگی.

۷. مثال طراحی

شرایط:

• دبی فاضلاب: ۲۰۰ m³/day

• BOD ورودی: ۴۰۰ mg/L

• هدف: حذف ۹۰% BOD

• روش انتخابی: بیوفیلتر چکنده با پکینگ پلاستیکی

محاسبات:

• بار آلی: ۴۰۰ mg/L × ۲۰۰ m³/day = ۸۰ kg BOD/day.

• حجم راکتور: با فرض بار آلی ۰.۵ kg BOD/m³/day → حجم = ۸۰ / ۰.۵ = ۱۶۰ m³.

• مساحت سطحی: با فرض ارتفاع ۳ متر → مساحت = ۱۶۰ / ۳ ≈ ۵۳.۳ m².

• سیستم هوادهی: نیاز اکسیژن ≈ ۸۰ × ۰.۹ / ۰.۳ = ۲۴۰ kg O₂/day.

تجهیزات:

• راکتور بتنی به ابعاد ۱۰m × ۵.۳m × ۳m.

• پکینگ پلاستیکی با سطح ویژه ۳۰۰ m²/m³.

• هوادهی با ۲۰ دیفیوزر حباب ریز.

۸. پیشرفت‌های نوین

• نانو رسانه‌ها: افزایش سطح ویژه تا ۱۰۰۰ m²/m³ با استفاده از نانولوله‌های کربنی.

• بیوفیلترهای هوشمند: کنترل خودکار پارامترها با سنسورهای IoT.

• بیوفیلترهای هیبریدی: ترکیب با روش‌های شیمیایی برای حذف فلزات سنگین.

۹. نتیجه‌گیری

بیوفیلترها به عنوان یک روش پایدار و مقرون‌به‌صرفه، نقش کلیدی در تصفیه آب و فاضلاب دارند. طراحی دقیق بر اساس پارامترهای هیدرولیکی و بیولوژیکی، انتخاب رسانه مناسب و مدیریت بهینه فرآیند، تضمین‌کننده عملکرد مؤثر سیستم است. فناوری‌های نوین مانند نانو رسانه‌ها و سیستم‌های هوشمند، آینده این روش را امیدوارکننده ساخته‌اند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تصفیه آب به روش اکسیداسیون پیشرفته (AOPs):

۱. مقدمه

اکسیداسیون پیشرفته (AOPs) به فرآیندهایی اطلاق می‌شود که با تولید رادیکال‌های آزاد (به ویژه رادیکال هیدروکسیل OH·)، آلاینده‌های آلی، میکروارگانیسم‌ها و ترکیبات سمی را به طور کامل به مواد بی‌خطر تبدیل می‌کنند. این روش برای حذف آلاینده‌های مقاوم (مانند داروها، آفت‌کش‌ها و رنگ‌های صنعتی) ایده‌آل است.

۲. مکانیسم عملکرد

• تولید رادیکال هیدروکسیل (OH·): این رادیکال با قدرت اکسیداسیون بالا (E° = ۲.۸ V) پیوندهای آلی را شکسته و آن‌ها را به CO₂ و H₂O تبدیل می‌کند.

• منابع تولید OH·:

  • ترکیب UV + H₂O₂: H₂O₂ + UV → ۲OH·

  • ترکیب O₃ + H₂O₂: O₃ + H₂O₂ → OH· + O₂

  • فتوکاتالیست‌ها (مثل TiO₂/UV): TiO₂ + UV → e⁻ + h⁺ → OH·

  • فرآیند فنتون: Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + OH· + OH⁻

۳. انواع روش‌های AOPs

روش ترکیبات کلیدی کاربرد اصلی

UV/H₂O₂ لامپ UV، پراکسید هیدروژن حذف ترکیبات آلی مقاوم

O₃/UV ژنراتور ازون، لامپ UV گندزدایی و اکسیداسیون همزمان

فتوکاتالیست‌ها نانوذرات TiO₂، UV تخریب آلاینده‌های آلی و معدنی

فرآیند فنتون Fe²⁺، H₂O₂ تصفیه پساب‌های صنعتی با COD بالا

۴. طراحی سیستم AOPs

الف. پارامترهای طراحی کلیدی

۱. نوع و غلظت آلاینده: تعیین دوز مناسب اکسیدان‌ها (مثلاً H₂O₂ یا O₃).
۲. کیفیت آب: pH، کدورت، و حضور بازدارنده‌ها (مانند کربنات).
۳. انرژی مورد نیاز: محاسبه دوز UV یا قدرت ژنراتور ازون.
۴. زمان تماس: بهینه‌سازی زمان واکنش برای دستیابی به راندمان ≥ ۹۰%.

ب. محاسبات کلیدی

۱. محاسبه دوز H₂O₂:

دوز (mg/L) = (غلظت آلاینده (mg/L) × ضریب استوکیومتری) / راندمان  

• مثال: برای اکسیداسیون ۱۰ mg/L فنول با ضریب ۱.۵ → دوز ≈ ۱۵ mg/L.

۲. انرژی UV مورد نیاز:

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

• حداقل انرژی برای حذف ویروس‌ها: ۴۰–۱۰۰ mJ/cm².

۳. مصرف ازون:

دوز O₃ (mg/L) = ۱.۵ × غلظت COD (mg/L)  

۴. محاسبه زمان تماس:

زمان (دقیقه) = حجم راکتور (L) / دبی (L/min)  

۵. ساخت و تجهیزات

الف. سیستم UV/H₂O₂

• تجهیزات:

  • لامپ UV-C (طول موج ۲۵۴ نانومتر) در محفظه کوارتز.

  • پمپ دوزینگ H₂O₂ با دقت ±۰.۱ mg/L.

  • مخزن واکنش از جنس استیل ضدزنگ یا PVC مقاوم به UV.

• اجرا:
  ۱. تزریق H₂O₂ به جریان آب.
  ۲. عبور آب از محفظه UV برای فعال‌سازی رادیکال‌ها.

ب. سیستم O₃/UV

• تجهیزات:

  • ژنراتور ازون (تولید ازون با تخلیه الکتریکی).

  • مخزن تماس ازون با زمان ماند ۱۰–۲۰ دقیقه.

  • سیستم تخریب ازون باقیمانده (کاتالیست یا گرما).

ج. سیستم فتوکاتالیستی (TiO₂/UV)

• تجهیزات:

  • نانوذرات TiO₂ پوشش‌دهی‌شده روی سطح شیشه یا سرامیک.

  • لامپ UV-A (طول موج ۳۶۵ نانومتر).

  • راکتور پلاگ فلو برای حداکثر تماس آب با کاتالیست.

۶. چالش‌ها و مدیریت

• هزینه انرژی بالا: استفاده از سیستم‌های خورشیدی برای تامین انرژی UV.

• تشکیل محصولات جانبی: پایش ترکیبات حدواسط (مثل آلدئیدها) با GC/MS.

• خوردگی تجهیزات: استفاده از مواد مقاوم (فولاد ضدزنگ، تفلون).

• بهینه‌سازی pH:

  • فرآیند فنتون: pH بهینه ≈ ۳.

  • فتوکاتالیست‌ها: pH ≈ ۶–۸.

۷. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب: ۵ m³/h

• آلاینده: ۵ mg/L آفت‌کش دیازینون

• روش انتخابی: UV/H₂O₂

محاسبات:

• دوز H₂O₂: ۱۰ mg/L (بر اساس آزمون آزمایشگاهی).

• انرژی UV: ۱۰۰ mJ/cm² → زمان تماس = ۱۰۰,۰۰۰ μJ/cm² / ۲۰۰ μW/cm² = ۵۰۰ ثانیه ≈ ۸ دقیقه.

• ابعاد راکتور: حجم = ۵ m³/h × ۰.۱۳ h (۸ دقیقه) ≈ ۰.۶۵ m³.

تجهیزات:

• لامپ UV با توان ۱۰۰۰ وات.

• پمپ دوزینگ H₂O₂ با ظرفیت ۵۰ لیتر/ساعت.

• مخزن واکنش استیل به حجم ۱ m³.

۸. پیشرفت‌های نوین

• استفاده از نانوذرات هیبریدی: ترکیب TiO₂ با گرافن یا نانوذرات فلزی برای افزایش راندمان.

• سیستم‌های پلاسما: تولید رادیکال‌ها با تخلیه الکتریکی در آب.

• AOPs خورشیدی: استفاده از نور خورشید برای فعال‌سازی فتوکاتالیست‌ها.

۹. نتیجه‌گیری

AOPs به عنوان یک فناوری پیشرفته، قادر به حذف آلاینده‌های مقاوم و خطرناک با راندمان بالا است. طراحی سیستم نیازمند تحلیل دقیق آلاینده، محاسبه دوز اکسیدان‌ها و انرژی، و انتخاب مواد مقاوم است. ترکیب AOPs با روش‌های دیگر (مثل فیلتراسیون) می‌تواند هزینه‌ها را کاهش و کارایی را افزایش دهد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تصفیه آب با کربن فعال: طراحی، محاسبات، ساخت و اجرا

۱. مقدمه

کربن فعال (Activated Carbon) به دلیل ساختار متخلخل و سطح ویژه بالا، یکی از مؤثرترین روش‌ها برای حذف آلاینده‌های آلی، رنگ، بو، و ترکیبات شیمیایی از آب است. این روش به دو صورت کربن فعال پودری (PAC) و کربن فعال گرانولی (GAC) استفاده می‌شود.

۲. مکانیسم عملکرد

• جذب سطحی (Adsorption): آلاینده‌ها به سطح کربن فعال چسبیده و از آب جدا می‌شوند.

• جذب فیزیکی و شیمیایی: بسته به نوع آلاینده، پیوندهای واندروالسی یا کووالانسی شکل می‌گیرند.

۳. انواع کربن فعال

نوع کاربرد مزایا معایب

پودری (PAC)تزریق مستقیم در آب واکنش سریع، انعطاف‌پذیری بالا نیاز به جداسازی پس از استفاده

گرانولی (GAC)استفاده در فیلترهای ثابت قابلیت احیای مجدد هزینه اولیه بالا

۴. طراحی سیستم کربن فعال

الف. انتخاب نوع کربن

• پارامترهای مؤثر:

  • اندازه منافذ: میکروپور (حذف مولکول‌های کوچک) یا مزوپور (حذت ترکیبات بزرگ).

  • سطح ویژه: هرچه بیشتر، جذب بهتر (معمولاً ۵۰۰–۱۵۰۰ m²/g).

ب. محاسبات کلیدی

۱. ظرفیت جذب کربن:

• بر اساس ایزوترم جذب فروندلیچ یا لانگمیر.

• مثال برای ایزوترم فروندلیچ:

  q = K_f × C^(1/n)  
  q: ظرفیت جذب (mg/g), C: غلظت آلاینده (mg/L), K_f و n: ثوابت تجربی.  

۲. دوز کربن فعال (PAC):

دوز (mg/L) = (غلظت آلاینده (mg/L) × دبی (m³/day)) / (ظرفیت جذب (mg/g) × راندمان)  

• مثال: حذف ۱۰ mg/L فنول با ظرفیت جذب ۲۰۰ mg/g و راندمان ۹۰% → دوز ≈ ۵۵.۵ mg/L.

۳. زمان تماس (GAC):

زمان تماس (دقیقه) = (حجم بستر (L) × تخلخل) / دبی (L/min)  

• زمان تماس معمول: ۱۰–۳۰ دقیقه.

۴. سرعت فیلتراسیون (GAC):

سرعت (m/h) = دبی (m³/h) / سطح مقطع فیلتر (m²)  

• محدوده بهینه: ۵–۱۵ m/h.

ج. ابعاد فیلتر (GAC)

• ارتفاع بستر: معمولاً ۱–۳ متر.

• قطر فیلتر: بر اساس دبی و سرعت فیلتراسیون.

  قطر (m) = (۴ × دبی (m³/h) / (سرعت (m/h) × π))√  

۵. اجرا و تجهیزات

الف. سیستم PAC

• تجهیزات:

  • مخزن ذخیره PAC و پمپ دوزینگ.

  • میکسر سریع برای اختلاط یکنواخت.

• اجرا: تزریق PAC در خط لوله ورودی به مخزن انعقاد.

ب. سیستم GAC

• تجهیزات:

  • فیلترهای فولادی یا FRP با بستر کربن.

  • سیستم شستشوی معکوس (آب + هوا) برای جلوگیری از گرفتگی.

• اجرا:
  ۱. آب از بالا به پایین از بستر کربن عبور می‌کند.
  ۲. پس از اشباع، کربن با حرارت یا مواد شیمیایی احیا می‌شود.

۶. چالش‌ها و مدیریت

• اشباع کربن: پایش مداوم کیفیت خروجی و تعویض به موقع.

• احیای کربن:

  • حرارتی: گرمایش تا ۸۰۰–۱۰۰۰°C در محیط بدون اکسیژن.

  • شیمیایی: شستشو با اسید یا باز.

• دفع کربن مصرفی: سوزاندن در زباله‌سوزهای مجاز یا دفن بهداشتی.

۷. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب: ۵۰ m³/h

• آلاینده: ۵ mg/L ترکیبات آلی (TOC)

• روش انتخابی: فیلتر GAC

محاسبات:

• ظرفیت جذب: ۱۵۰ mg/g (بر اساس ایزوترم فروندلیچ).

• زمان تماس: ۲۰ دقیقه → حجم بستر = (۵۰ m³/h × ۰.۳۳ h) / ۰.۵ (تخلخل) ≈ ۳۳ m³.

• ارتفاع بستر: ۲.۵ متر → سطح مقطع = ۳۳ / ۲.۵ ≈ ۱۳.۲ m².

• قطر فیلتر: (۱۳.۲ × ۴ / π)√ ≈ ۴.۱ متر.

تجهیزات:

• فیلتر FRP با قطر ۴ متر و ارتفاع ۳ متر.

• سیستم شستشوی معکوس با شدت ۱۰ L/m²/s.

۸. پیشرفت‌های نوین

• نانوکربن فعال: افزایش سطح ویژه تا ۳۰۰۰ m²/g با استفاده از نانولوله‌های کربنی.

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

• سیستم‌های هیبریدی: ترکیب GAC با ازون یا UV برای افزایش راندمان.

۹. نتیجه‌گیری

سیستم‌های کربن فعال به دلیل انعطاف‌پذیری و راندمان بالا، گزینه‌ای کلیدی در تصفیه آب هستند. طراحی دقیق بر اساس پارامترهای آلاینده، دبی، و ویژگی‌های کربن، همراه با مدیریت بهینه احیا و تعویض، تضمین‌کننده عملکرد مؤثر سیستم است. استفاده از فناوری‌های نوین مانند نانوکربن می‌تواند هزینه‌ها را کاهش و کارایی را افزایش دهد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

روش‌های سنتی و نوین حذف رنگ در تصفیه آب:

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