نگاهی به تصفیه و به‌سازی آب

در این مقاله به مفاهیم اصلی تصفیه و به‌سازی آب پرداخته شده است. همچنین مفاهیم اصلی در خصوص شناخت ویژگی‌های آب و عناصر و شاخص‌های تشکیل‌دهنده در منابع آبی که مورد استفاده قرار می‌گیرند، مورد بحث قرار گرفته و معرفی می‌شوند.

   فرآیند به‌سازی و تصفیه آب به این معناست که آب خام در دسترس، با استفاده از به‌کارگیری تجهیزات مناسب، دارای ویژگی‌هایی شود که جهت مصرف مورد نظر بهره‌بردار، مناسب و مطلوب تلقی گردد. مهم‌ترین حوزه‌های مصرف آب را می‌توان به موارد زیر تقسیم‌بندی کرد:

• آب شرب و بهداشتی
• آب فرآیندی
• آب در تاسیسات حرارتی برودتی
• سازه‌های آبی (نظیر استخر شنا، جکوزی و…)
• کشاورزی و شیلات
• آتش‌نشانی

در هر یک از موارد فوق، تمهیداتی جهت تبدیل آب خام به شرایط مدنظر در همان کاربرد را می‌توان اجرا کرد. بدیهی‌است که شرایط مطلوب با توجه به استاندارد‌های تعریف شده و نیز شرایط کاری در همان زمینه تعریف و تعیین می‌شوند.

تصفیه و به‌سازی آب از سه منظر باید مورد بررسی قرار بگیرد:

1- پالایش فیزیکی آب

2- پالایش و اصلاح شیمیایی آب

3- پالایش بیولوژیکی آب

   به‌طور کلی در تمام‌ حوزه‌های تصفیه و به‌سازی آب، ‌باید به بررسی هر سه منظر پرداخته و ضرورت یا عدم ضرورت تصفیه در این خصوص مورد بحث قرار گیرد و راهکار مورد نظر ارائه شود. خاطرنشان می‌سازد در برخی از موارد، نیازی به تصفیه و پالایش در هر سه مورد نیست. به‌عنوان مثال، در آب تغذیه دیگ بخار، نیازی به انجام فرآیند گندزدایی و ضدعفونی آب وجود ندارد.

در ادامه به بررسی دقیق‌تر هر سه مورد عنوان شده می‌پردازیم.

1- پالایش فیزیکی آب

منظور از پالایش فیزیکی آب، حذف ذرات معلق حل‌نشدنی از آب است که علاوه بر ایجاد کدورت در آب، موجب اختلال در عملکرد سایر سیستم‌ها و تجهیزاتی که از آب به عنوان سیال عامل انتقال حرارت استفاده می‌کنند، می‌شود.

   لازم به ذکر است، اگرچه رسوب ناشی از ذرات معلق‌حل نشدنی، همانند رسوب کلسیم و منیزیم سخت نمی‌باشند اما موجب افزایش پتانسیل رسوب‌گذاری شده و منجر به تشدید آن می‌گردند. از این‌رو توجه به کنترل میزان این ذرات و حذف آن تا حد امکان بسیار حائز اهمیت است.

   مقدار ذرات معلق‌ حل‌نشدنی موجود در آب با پارامتر TSS بر حسب مقدار جرمی آن در واحد حجم (میلی‌گرم در لیتر یا ppm) اندازه‌گیری شده و نمایش آن در مقدار کدورت آب بر حسب NTU بیان می‌گردد.

   به‌منظور حل مشکلات فیزیکی آب (حذف ذرات معلق حل نشدنی) از تجهیزاتی نظیر استرینر [1]، هیدروسیکلون [2]، فیلترشنی، فیلتر کربن فعال [3] و نیز مواد منعقد‌کننده و…. استفاده می‌شود.

2- پالایش و اصلاح شیمیایی

منظور از پالایش و اصلاح شیمیایی آب، حذف و یا کنترل عواملی‌است که موجب ایجاد رسوب سخت و چسبنده در مسیر انتقال یا توزیع آب شده و نیز عواملی که باعث خوردگی در سطوح فلزی که با آب در تماس هستند، می‌شوند. در واقع مساله‌ی اصلی در راهبری تاسیسات حرارتی برودتی که از آب به عنوان سیال عامل انتقال حرارت استفاده می‌کنند، تشکیل رسوب ناشی از نمک‌های موجود در آب است که علاوه بر اختلال در عملکرد تجهیزات، موجب کاهش کارآیی و نیز افزایش مصرف انرژی می‌گردد. به طور مثال تشکیل یک لایه رسوب به ضخامت 6 میلی‌متر، موجب افت انتقال حرارت تا 40% خواهد شد. از این‌رو مساله حذف عوامل تشکیل‌دهنده رسوب سخت و خوردگی باید به‌عنوان هدف اصلی در طراحی سیستم تصفیه آب قرار گیرد. در این خصوص روش‌های متعددی وجود دارد که در بخش بررسی روش‌ها به آن پرداخته شده است. از طرف دیگر، برای برخی از فرآیندها نظیر تولید مواد شیمیایی، صنایع غذایی، صنایع آرایشی بهداشتی و نیز داروسازی، کاهش مقدار نمک‌های موجود در آب و نیز کنترل رفتار یون‌ها، بسیار مهم بوده و الزاما باید مورد توجه و کنترل قرار‌گیرد.

   تجهیزاتی که معمولا برای کاهش مشکلات ناشی از وجود ناخالصی شیمیایی در آب مورد استفاده می‌گیرند، عبارتند از رزین‌های تبادل یونی [4] که به صورت سختی‌گیر رزینی [5] و یا سیستم‌های دی‌یونایزر (شامل ستون کاتیونی و آنیونی)، دستگاه‌های آب شیرین‌کن به روش اسمز معکوس [6] و نیز دستگاه‌های ضدرسوب فیزیکی (در انواع مختلف الکترونیکی، الکترو مغناطیسی، مغناطیسی و اولتراسونیک).

3- پالایش بیولوژیکی

بدیهی‌است وجود میکرو‌ارگانیسم‌ها در آب به دلیل ایجاد آلودگی میکروبی و تبعات آن (جهت استفاده برای شرب یا فرآیندهای تولیدی) همراه با نگرانی بوده و کاربر را ملزم به حذف آن می‌کند، اما باید در نظر داشت این مهم در تاسیسات حرارتی برودتی که در آن دمای آب در محدوده 5 تا 40 درجه سانتی‌گراد در حال چرخش است، می‌تواند با تشکیل لایه‌های رسوب زیستی [7] موجب ایجاد خرابی و اختلال در عملکرد آن‌ها شود. این مشکل عمدتا در مدار آب خنک‌کن (نظیر آب چرخشی برج‌های خنک‌کننده که عمدتا به صورت تشکیل و رشد جلبک اتفاق می‌افتد) روی می‌دهد و موجب افزایش مصرف انرژی و بروز خسارت و تخریب در تجهیزات می‌گردد. بنابراین رفع آلودگی میکروبی در آب، از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است.

   به‌منظور حذف یا کاهش بار آلودگی میکروبی می‌توان از روش‌های شیمیایی نظیر مواد ضدحیات [8]، تزریق کلر (به صورت گاز یا مایع)، تزریق هیپوکلرید سدیم، گاز اُزن و… یا از روش‌ فیزیکی استفاده از نور فرابنفش [9] استفاده کرد.

   پیش از آن که به بحث در خصوص تجهیزات و روش‌های مختلف در امر تصفیه آب پرداخته شود، برخی اصطلاحات و مفاهیم در این حوزه مورد تعریف و بازبینی قرار می‌گیرد. در واقع با این هدف که مهم‌ترین پارامترهای موجود در آنالیز آب، قابل ارزیابی و تحلیل باشد، نسبت به معرفی و شرح این مفاهیم اقدام می‌شود.

مفهوم مهم‌ترین پارامترها در آب

• شاخص: هدایت الکتریکی [10]

   معرف: EC

   واحد اندازه‌گیری: میکروزیمنس بر سانتیمتر ( به صورت µs/cm نمایش داده می‌شود)

مفهوم این شاخص، قابلیت عبور جریان الکتریکی از آب است. در واقع آب خالص، قدرت عبور جریان الکتریکی را نداشته و تنها در صورتی که به آن نمک‌ اضافه شود توانایی عبور جریان الکتریکی را خواهد داشت. در واقع اندازه هدایت الکتریکی در یک نمونه آب مورد آزمایش، با میزان نمک‌های موجود در آب رابطه‌ مستقیم دارد. از این رو می‌توان نتیجه گرفت که مقدار بالای EC آب، حکایت از وجود نمک‌های بیشتر و بالعکس دارد. در ادامه رابطه ‌بین مقدار جرمی نمک‌های محلول در آب و هدایت الکتریکی توضیح داده شده است.

• شاخص: مقدار املاح موجود در آب [11]

   معرف: TDS

   واحد اندازه‌گیری: میلی‌گرم بر لیتر یا ppm

جمع جرمی نمک‌های موجود در آب را TDS می‌نامند. مفهوم این پارامتر این است که چنانچه یک لیتر از آب را در دمای 180 درجه سانتی‌گراد تبخیر کنیم، نمک‌های موجود در آن باقی می‌مانند. مقدار جرم این نمک‌ها (در واحد لیتر) پس از توزین در قالب پارامتری به نام TDS معرفی می‌شود. بین TDS و هدایت الکتریکی رابطه‌ی مستقیم وجود دارد. برای آب‌های با هدایت الکتریکی کمتر از 10000 میکروزیمنس مقدار TDS معادل عددی در بازه 0/55 تا 0/7 مقدار EC در نظر گرفته می‌شود. برای مقادیر بالاتر، ضریب مذکور بیشتر خواهد بود.

• شاخص: ذرات معلق حل نشدنی [12]

   معرف: TSS

   واحد اندازه گیری: میلی‌گرم در لیتر یا ppm

مقدار جرمی ذرات معلق حل نشدنی در آب را در واحد حجم (لیتر) اندازه‌گیری کرده و مقدار آن را TSS می‌نامند. این شاخص رابطه مستقیم با منبع آب خام داشته و در آب‌های سطحی، بالاتر از منابع آب زیرزمینی است.

• شاخص: کدورت [13]

   معرف: Turbidity

   واحد اندازه‌گیری: NTU

کدورت آب، ناشی از وجود ذرات معلق حل نشدنی در آب می‌باشد. این مورد با پارامتر رنگ تفاوت دارد. معیار اندازه‌گیری آن از تفرق [14] نور تابیده‌شده به آب است.

• شاخص: اسیدیته PH

   معرف: PH

   واحد اندازه گیری: بدون واحد

عدد PH   آب یا غلظت یون‌های هیدروژن، شرایط اسیدی یا قلیائی آب را مشخص می‌کند. مقدار PH محدوده‌ی بین 0 تا 14 است و عدد 7=PH نشان‌دهنده آب خنثی است.

• شاخص: قلیائیت [15]

   معرف: Alk

   واحد اندازه گیری: میلی‌گرم در لیتر یا ppm

قلیائیت به معنای شاخص اسیدیته پذیر بودن آب است. به این معنا که مقدار اسید اضافه شده برای تغییر PH آن چه میزان باید باشد. قلیائیت پارامتر مهمی در تعیین وضعیت رسوب‌گذاری یا خوردگی آب در تاسیسات محسوب می‌شود. همچنین میزان قلیائیت در تعیین پارامتر LSI بسیار نقش مهمی دارد.

• شاخص: رنگ

   معرف: Color

   واحد اندازه‌گیری: ” Co.Pt” یا Hazen

وجود رنگ در آب (که نباید با کدورت اشتباه گرفته شود) ناشی از موادآلی و یا سایر عناصر رنگی آزاد مثل آهن یا منگنز است. با توجه به علت‌یابی دلیل رنگی شدن آب ‌باید نسبت به رفع آن اقدام کرد.

• سختی کل

   معرف: Total Hardness

   واحد اندازه‌گیری: میلی‌گرم در لیتر یا ppm

مقدار جرمی تمام یون‌های مثبت موجود در آب نظیر سدیم، کلسیم، پتاسیم، منیزیم و… را در واحد لیتر، سختی کل می‌نامند. از این رو باید توجه داشت که همواره مقدار سختی کل از مقدار TDS کمتر است. اهمیت مقدار سختی کل در آنجاست که عامل اصلی رسوب‌گذاری در تجهیزات به‌شمار آمده و با توجه به ویژگی‌ کاتیون‌ها همواره یکی از موارد ارزیابی در خصوص شرایط آب خام محسوب می‌شود.

• سختی موقت

   معرف: ندارد.

   واحد اندازه‌گیری: میلی‌گرم در لیتر یا ppm

منظور از سختی موقت، جمع جرمی دو یون کلسیم (Ca) و منیزیم (Mg) است. این شاخص از آنجا اهمیت دارد که این دو کاتیون، پتانسیل رسوب‌گذاری بالایی داشته و به سرعت ته‌نشین شده و تشکیل رسوب سخت‌ داده و در ادامه موجب به‌هم پیوستن سایر کاتیون‌ها و آنیون‌های موجود در آب را می‌گردند. از این‌رو حذف و یا کنترل عملکرد کلسیم و منیزیوم بسیار حائز اهمیت است. با استفاده از سختی‌گیر رزینی، عملا این دو کاتیون خطرناک و مخرب با یون سدیم که به مراتب یون بی‌آزارتر و کمتر مخرب است، جایگزین می‌شود.

   در جمع‌بندی نهایی می‌توان اذعان داشت که آب در دسترس دارای املاح (نمک‌های محلول در آب) بوده که به دو شکل کاتیون و آنیون در تعادل یونی هستند. کاتیون‌ها عمدتا شامل یون‌های کلسیم، منیزیم، سدیم و پتاسیم هستند و آنیون‌ها عمدتا شامل یون کلراید، سولفات، نیترات، نیتریت، بی‌کربنات، سیلیس و فسفات می‌باشند. از دسته آنیون‌های موجود در آب باید به یون سیلیس توجه ویژه‌ای داشت چرا که در سیستم‌های انتقال حرارت، مخرب و تشدید کننده‌ی سختی رسوب است.

• شاخص LSI

شاخص دیگری که باید به آن توجه شود، شاخص LSI یا همان ضریب لانگلیر است که اختصار یافته عبارت Langelier Saturation Index می‌باشد. این شاخص ترکیبی از پارامترهای شیمیایی و فیزیکی آب است که با محاسبات مربوط محاسبه شده و تعیین کننده وضعیت آب به لحاظ خوردگی و یا رسوب‌گذاری است. مثبت بودن این شاخص نشان‌دهنده پتانسیل رسوب‌گذاری آب و منفی بودن آن مبین پتانسیل خوردگی آب مورد استفاده است. جهت محاسبه LSI آب می‌باید شاخص‌های زیر را در اختیار داشت:

• مقدار TDS
• PH
• Ca برحسب کربنات کلسیم
• T دما (بر حسب درجه کلیون)
• Alk قلیائیت بر حسب کربنات کلسیم

فرمول محاسبه LSI به قرار زیر است:

LSI = PH- PH_s

در رابطه فوق PH_s به صورت زیر محاسبه می‌شود:

PH_s = (9.3 +A+B)-(C+D)

نحوه محاسبه پارامترهای A، B، C و D نیز در ادامه آمده است:

A= (Log₁₀[TDS] – 1)/10 (TDS as mg/)

B=  -13.12 * Log₁₀(T) + 34.55

C= Log₁₀ [Ca ] – 0.4

D = Log₁₀[Alk]

چنانچه مقدار LSI محاسبه شده برابر با صفر شود، یعنی آب نه تمایلی به خوردگی دارد و نه رسوب‌گذاری.

در ذیل محدوده جدول تحلیلی مقدار LSI ارائه شده است:

[1] Strainer

[2] Hydro Cyclone

[3] Activated Carbon Filter

[4] Ion Exchanger

[5] Resin Softener

[6] Reverse Osmosis Systems

[7] Bio Fouling

[8] Biocide

[9] Ultra Violet (UV)

[10] Electrical Conductivity

[11] Total Dissolved Solids

[12] Total Suspended Solids

[13] Turbidity

[14] Diffraction

[15] Alkalinity