کاربرد ازن و بیوفیلتراسیون در تصفیه آب آرشیو مقالات

در این مقاله بررسی خواهیم کرد که چگونه ازن و فیلتراسیون زیستی (بیوفیلتراسیون) می‌تواند به استفاده مجدد از آب آشامیدنی کمک کند.

فرایندهایی پیشرفته تصفیه آب که نیاز به دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس RO را کم یا حذف می‌کنند، در حال کسب محبوبیت هستند و حتی در پروژه‌هایی با مقیاس پایلوت و تجربی نیز تایید شده‌اند.

متخصصان حوزه آب و تامین آب آشامیدنی به کشمکش میان افزایش جمعیت، خشکسالی، کم شدن آب‌های زیرزمینی و منابع آب سطحی کمک می‌کنند. اوایل هیچ راه حلی برای مشکل منابع آب پایدار، دور از ذهن نبود. خوشبختانه، فناوری فعلی توانایی برطرف کردن نگرانی‌های مربوط به تیترهای خبرساز رسانه‌ها که به مساله تصفیه آب فاضلاب پرداخته بودند، را دارد. مانند این تیتر روزنامه «از توالت به شیر آب» که به بررسی استفاده و بازیافت فاضلاب برای مصرف شرب پرداخته بود!

در سرتاسر جهان معمولا آب آشامیدنی از آب های زیرزمینی یا منابع آب سطحی بدست می‌آید. در چندین ایالت آمریکا، از جمله تکزاس، آریزونا، نیومکزیکو و کالیفرنیا، به دلیل رشد جمعیت و خشکسالی‌های طولانی هر دو منبع آبی اشاره شده، تحت فشار بی‌اندازه هستند. کارشناسان همه جا را برای یافتن منابع جدید آب قابل شرب جستجو کرده اند تا به تولید منابع آب پایدار کمک شود. اما یک راه حل جدید که به تازگی ارائه شده است، تصفیه فاضلاب و استفاده دوباره از آن به عنوان آب آشامیدنی است!

روش تصفیه آب سنتی برای تولید آب قابل شرب، از غشاهای اسمز معکوس (RO) برای تصفیه آب استفاده می‌کند. این روش اگرچه موثر است اما مشکل اینجاست که سیستم‌های تصفیه آب مبتنی بر اسمز معکوس صنعتی به انرژی بالایی نیاز دارند. علاوه بر آن، مواد دفعی و ناخالصی ها را تجمیع کرده و بخشی از آب را که بسیار شور و غیر قابل استفاده است، تولید می‌کنند که باید دور ریخته شود.

این بخش به عنوان فاضلاب دفعی شناخته می شود. البته میتوان با کمک تکنیک های فنی تصفیه بیشتری را ایجاد کرد تا فاضلاب کم شود اما این روش ها هزینه بر و محدود هستند. به همین دلیل فرایندهای تصفیه آب پیشرفته که نیاز به اسمز معکوس را کم یا حذف می‌کنند در حال بدست آوردن محبوبیت هستند و در پروژه‌های مقیاس پایلوت یا تجربی نیز تایید گرفته‌اند.

تصویر بالا بخش داخلی محوطه تصفیه آب AOP را نشان می دهد. این کارخانه تصفیه آب به صورت پرتابل و قابل حمل است و توسط Xylem’s MiProTM ارائه شده است.

دو پروژه فیلتراسیون زیستی بهبود یافته با ازن

در کالیفرنیا، دو پروژه جذاب راه را برای نشان دادن کارایی فیلتراسیون زیستی بهبودیافته با ازن، به عنوان یک فرایند تصفیه آب اصلی در تاسیسات، برای استفاده دوباره از آب شرب هموار می‌کنند. آب خالص سن دیه گو (PWSD) - Pure Water San Diego - برنامه فازبندی و چندساله برای استفاده از فناوری اثبات شده تصفیه آب ، برای تولید منبع آب کیفیت بالای امن و ماندگار برای سن دیه گو است.

بنیاد تحقیقات استفاده دوباره از آب (WRRF) - WateReuse Research Foundation - با همکاری منطقه آب دره سن گابریل بالا Upper San Gabriel Valley بررسی انجام داد تا روش‌های مختلف تصفیه آب با استفاده از فیلتراسیون زیستی بهبود یافته با ازن را ارزیابی کند.

در حال حاضر، 80 درصد منبع آب منطقه سن دیه گو از جای دیگری وارد می‌شود. منابع محلی و حفظ شده 20 درصد باقیمانده کل منبع را تشکیل می‌دهند. وابستگی این منطقه به واردات آب باعث شده منبع آب سن دیه گو تحت تاثیر کمبودها و آماده افزایش بها باشد. برای مثال در سال 2008 آب تامین شده از بی دلتا Bay-Delta محدود شد‌، تا از ماهیانی که به خطر افتاده بودند محافظت شود.

علاوه بر این، شرایط خشکسالی در کالیفرنیای جنوبی تاثیر بیشتر بر موجودی منابع آب گذاشت. جمعیت منطقه در سال 2030 به 3.9 میلیون نفر خواهد رسید که در نتیجه تقاضا افزایش خواهد یافت و فشار بیشتری بر این منابع محدود آب ایجاد می‌کند.

برنامه PWSD سرمایه‌گذاری موثری برای نیازهای آبی بعدی شهر است و منبع مطمئنی از آب آشامیدنی ارائه خواهد کرد، که بصورت محلی کنترل شده و میتواند در مقابل خشکسالی موثر باشد. تاسیسات تصفیه آب که روزانه بتواند تا حدود 2260 میلیون لیتر آب تصفیه شده تولید کند، برنامه ریزی شده که تا سال 2021 عملیاتی شود. هدف بلند مدت تولید 6250 میلیون لیتر آب روزانه، معادل یک سوم منابع آب آشامیدنی آتی در سن دیه گو است که برای سال 2035 برنامه‌ریزی شده است.

بعلاوه، محدوده آب شهری دره سن دیه گوی بالا (USGVMWD)  بخشی از تیمی شامل پروژ  02-11 WRRF است که سلسله تصفیه‌های جایگزین برای استفاده دوباره از آب شرب از جمله فیلتراسیون فعال زیستی بهبود یافته با ازن را ارزیابی می‌کند. PWSD بعدا واحدهای آزمایش را برای ارزیابی‌های بلندمدت خرید، تا ثابت کند این فرایند تصفیه آب یکپارچه می تواند به اهداف خود که تولید آب با کیفیت بالا است، برسد. در حالی که کارایی عملیاتی فرایندهای تصفیه آب در منطقه پایین دست را نیز بهبود می‌بخشد. (USGVMWD)  قبلا آزمایش پایلوتی از سیستم انجام داده به عنوان بخشی از پروژه تحقیقاتی WRRF تا نشان دهد که یک سلسله تصفیه آب جایگزین برای روش غشای سنتی RO می‌تواند بطور موفقیت‌آمیزی، آب بازیافتی را طبق استانداردهای آب شرب تصفیه کند.

سیستم فیلتراسیون زیستی بهبود یافته با ازن لئوپولد اوزلیای زیلم Xylem’s Leopold Oxelia  ، تصفیه بوسیله اکسیداسیون ازن و فیلتراسیون فعال زیستی را در یک روش ترکیب می‌کند. اکسیداسیون ازن، کربن فعال را می‌شکند تا آن را از نظر زیستی ضعیف کند. سپس به صورت طبیعی میکروب‌ها را به یک فیلتر بستر وصل کرده و تصفیه زیستی بدون هوازی، کربن فعال نسبتا اکسید شده را برای نابودی کامل کربن فعال (TOC)، ردیابی آلودگی‌ها و اکسیداسیون محصولات فرعی ارائه می‌کند.

سیستم کنترل متمرکز، توالی شستشوی برعکس (بکواش) و فعالیت زیستی را بلافاصله بهینه می‌کند. کنترل فرایند پیشرفته فرصتی برای کمینه ساختن مصرف انرژی مرتبط با تولید ازن فراهم می‌کند در حالیکه کیفیت آب خروجی را حفظ می‌کند. 

پروژه PWSD

کارخانه احیای آب در شمال شهر سن دیه گو، دارای یک سیستم کربن فعال ازن / زیستی است که روزانه قابلیت تولید 113 میلیون لیتر (O₃/BAC)   دارد که پیش تصفیه فیلتراسیون غشا (MF)، ازن معکوس و فرایند اکسیداسیون پیشرفته فرابفنش (UV-AOP) را فراهم می‌کند و روزانه 75 میلیون گالن آب تولید می‌کند.

سپس نمونه آب تولید شده برای کاهش کل مواد جامد حل شده TDS ، با آب بازیافت شده غیرقابل شرب شهر ترکیب می‌شود. آب برای آزمایش نمونه‌برداری شده و به عموم مردم نیز اجازه آزمایش داده شده است.

این سلسله تصفیه O₃/BAC/MF/RO/UV-AOP در حال حاضر در پروژه‌ای در نظر گرفته شده که آب تصفیه شده برای مخازن میرامار Miramar Reservoir را فراهم خواهد کرد. تصمیم در مورد اینکه شهر علاقه خاصی به استفاده از مخزن میرامار دارد (که نیازمند O₃/BAC است) یا مخزن سن ویسنته (که O₃/BAC نخواهد داشت) در سال 2016 رخ خواهد داد. ملاحظات شامل علم اقتصاد، قابلیت ساخت، انعطاف‌پذیری عملیاتی هم در تاسیسات تصفیه و توانایی ذخیره‌سازی و حرکت در سایر منابع آب، همچنین اجازه و پذیرش عمومی است. 

پروژه USGVMWD

پروژه USGVMWD در حال حاضر منابع آب خود را از منطقه آب متروپولیتن کالیفرنیای جنوبی (MWD) وارد می‌کند. MWD آب را از کالیفرنیای شمالی از طریق قنات‌های کالیفرنیا و از رودخانه کلرادو تامین می‌کند. برای پشتیبانی از تولید آب های زیرزمینی از حوزه اصلی سن گابریل، USGVMWD آب وارداتی را با متوسط نرخ 32000 فوت جریب در هر سال، طی دو دهه گذشته ارائه می‌کند. از آنجایی که این منابع آب وارد شده در آینده کمتر قابل اطمینان خواهند بود، USGVMWD به دنبال راهکارهای جایگزین برای تکمیل آب شرب از منابع تجدیدپذیر است.

استفاده دوباره غیر مستقیم آب شرب از طریق شارژ آب زیرزمینی از طریق آبگیرهای گسترده در سطح، به عنوان مناسب‌ترین و نویدبخش‌ترین گزینه شناسایی شده است. علاوه براین، USGVMWD احتمالا شکلی از تصفیه فاضلاب پیشرفته را برای بهبود کیفیت روش فرعی ثالث مورد نظر برای پخش استفاده خواهد کرد.

به دلیل هزینه‌های چشمگیر تصفیه آب کاملا پیشرفته مانند MF, RO, UV-AOP  و پروکسید هیدروژن (UV/H₂O₂)، USGVMWD به دنبال ارزیابی رشته تصفیه‌های جایگزین از جمله ازن و کربن فعال زیستی (BAC) است که می‌تواند تصفیه کافی برای استفاده دوباره از آب از طریق گسترش سطحی را فراهم کند. 

برای پشتیبانی از این ارزیابی، USGVMWD و شرکت فناوری‌های تراسل Trussell Technologies روی پروتکلی همکاری کردند که تامین بودجه آن از طریق بنیاد تامین آب کالیفرنیای جنوبی   Metropolitan Water District of Southern California Foundation Actions انجام می شود، که به اختصار (MWD FAF) نامیده می‌شود.

شرکت فناوری‌های تراسل یک بررسی  پایلوت را اجرا کرد که حذف TOC بوسیله تصفیه‌ی ازن، BAC و تصفیه حوضچه های ته نشینی (SAT) را بررسی می‌کند. هدف این تحقیق کمینه سازی غلظت TOC در تولید آب است. البته با این هدف که بتواند فرایند تصفیه آب را آسانتر کرده و کیفیت و مطلوبیت آب خروجی را نیز بیشتر کند و همچنین با مقررات شارژ آب های زیرزمینی کالیفرنیا سازگار باشد.

این مقررات غلظت TOC فاضلاب را در آب های زیرزمینی تا 0.5 میلی گرم در لیتر محدود می‌کند. اثرات متغیرهایی همچون نوع فیلتر زیستی (کربن فعال دانه‌ای در مقابل زغال انتراسیت)، نسبت ازن به TOC (O₃:TOC) ، زمان تماس فیلتر زیستی با بستر خالی (EBCT)  و زمان مقاومت هیدرولیک SAT (HRT) برای تعیین شرایط عملیاتی بهینه برای کمینه‌سازی حذف TOC بررسی شد.

با نسبت O₃:TOC    1.0، یک EBCT 39 دقیقه‌ای در یک فیلتر BAC و یک HRT 56 روز برای SAT، غلظت ثانویه TOC نهر از 6.3  میلی گرم در لیتر به 1.4 میلی گرم در لیتر کاهش یافت، کاهش 78 درصدی به کمینه‌سازی ترکیب آب موردنیاز برای تطابق با ملزومات TOC شارژ دوباره آب زیرزمینی کالیفرنیا کمک کرد. اثر روی پارامترهای دیگر کیفیت آب از جمله N-نیتروسدیم اتیلامین N-nitrosodimethylamine ، آلودگی‌ها و کل باکتری‌های کلیفرم نیز مستند شد. 

بررسی پایلوت جداگانه‌ای توسط فناوری‌های راسل با پشتیبانی USGVMWD و کنسرسیوم شرکای پروژه به عنوان بخشی از یک بررسی WRRF انجام شد که کارایی چندین مرحله تصفیه برای استفاده دوباره و مستقیم آب شرب از نهر فاضلاب را آزمایش کرد.

این بررسی شامل چندین مرحله تصفیه‌هایی با تنوعی از فرایندهای واحد شامل ازن به تنهایی و ازن به دنبال BAC بود. این بررسی مزایای چشمگیری در کیفیت آب و گندزدایی نشان داد، که امکان تطابق با معیارهای سلامت عمومی برای مولفه‌های شیمیایی و میکروبیولوژیکی را فراهم می‌کند. نقش اولیه ازن در این رشته تصفیه‌ها، گندزدایی ویروس‌ها، کریپتوسپوردیوم Cryptosporidium و باکتری‌ها، همچنین اکسیداسیون آلاینده‌ها است. مثالی از مزایای کیفیت آب BAC حذف 60 تا 95 درصد N- نیتروسدی متیلامین N-nitrosodimethylamine  در آب تغذیه کننده است.

ترکیب ازن و BAC نیز مزایای عملیاتی چشمگیری را برای غشاهای زیرین کم فشار فراهم کرد. برای مثال، جریان غشای اولترافیلتراسیون به هنگام کار با پیش تصفیه ازن و BAC دو برابر شد.

تمیز کردن غشا و تکرار جایگزینی را نیز می‌توان کاهش داد، زیرا پیش تصفیه ازن و BAC جاندارانی را حذف می‌کند که به عنوان فولانت های غشا عمل می‌کنند. پیشرفت‌هایی از این قبیل می‌تواند اثرات چشمگیری بر طراحی و عملیات تاسیسات تمام مقیاس داشته باشد. کنترل شکل‌گیری برومیت عامل مهمی در بررسی‌های MWD FAF و WRRF بود و آزمایشی که شامل اضافه کردن پروکسید هیدروژن پیش از افزودن ازن و پس از آن افزودن کلرین و آمونیاک پیش از افزودن ازن ، هر دو راهکارهای موفقی برای کاهش بودند. 

مزایا

همانگونه که با این بررسی‌های پایلوت نشان داده شده، ازن و فیلتراسیون زیستی پتانسیل کمک چشمگیر به صنعت تصفیه آب و استفاده دوباره آب شرب را دارند. همچنین می توانند مصرف برق را کمینه کرده و قادرند تولید پساب شور را نیز مدیریت کنند. این مزایا فرصتی ایجاد می‌کنند که بتوان در حالت عادی یک دستگاه تصفیه‌ آب مبتنی بر ازن معکوس را برای اجرای استفاده دوباره از آب شرب در نظر بگیرند.  

*ن