نکاتی مهم در مورد پیش تصفیه سیستم های اسمز معکوس

سیستم های تصفیه آب به روش اسمز معکوس (RO) و نانو فیلتراسیون (NF)، مدتها است که برای نمک زدایی، سختی گیری و تصفیه آب از آلاینده ها و ناخالصی ها مورد استفاده قرار می گیرند. با توجه به کاهش منابع آبهای تمیز و با کیفیت در دنیا، استفاده از این سیستم ها برای تصفیه آبهای سطحی، آبهای زیرزمینی و پساب برای بکارگیری آنها در مصارف مختلف شرب و صنعتی، روز به روز در حال گسترش است. منابع آب اشاره شده، معمولاً دارای میزان بالایی از مواد آلاینده، مواد آلی و ذرات معلق هستند که با ممبرانهای اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون سازگاری ندارند. ممبرانهای اسمز معکوس و نانو فیلتراسیون، برای حذف نمک و یونهای محلول در آب، طراحی و ساخته شده اند و نه ذرات معلق موجود در آب. بنابراین، وجود یک بخش "پیش تصفیه" (Pre-treatment) مناسب در این سیستمها، باعث افزایش عمر مفید سیستم و کاهش هزینه های عملیاتی قابل توجه در آنها خواهد شد.

حوزه طراحی سیستم پیش تصفیه اسمز معکوس، بدلیل پیچیدگی و تنوع موارد آن مانند ذرات جامد معلق، نرخ رسوب گذاری و تأثیر کیفیت آب خوراک بر روی عمر و استهلاک ممبرانها، جزو مباحثی است که همواره مد نظر مهندسین و سازندگان این رشته قرار داشته و دارد.

متأسفانه یکی از دلایل افزایش یافتن اهمیت این موضوع، ایجاد هزینه های هنگفت و یا حتی شکست در طرح های تصفیه آبی بوده است که بخش پیش تصفیه در آنها بخوبی طراحی نشده بودند.

بررسی کیفیت آب خوراک سیستم تصفیه آب اسمز معکوس

اولین و مهمترین قدم در طراحی یک سیستم تصفیه آب اسمز معکوس (RO)، ارزیابی کیفیت و کمیت آب خوراک است. جدول شماره (1)، حداقل اطلاعات لازم جهت آنالیز آب خوراک را نشان می دهد. در مورد برخی از پارامترها مانند TOC، TSS، دما و PH، علاوه بر اندازه گیری در زمان آزمایش، نتیجه اندازه گیری آنها در زمانهای مختلف سال نیز می بایست مد نظر قرار گیرد تا مقادیر مینیمم، متوسط و ماکزیمم آنها در طراحی سیستم، لحاظ شوند.

اهداف انجام پیش تصفیه آب در سیستم اسمز معکوس

اولین و مهمترین هدف انجام پیش تصفیه در سیستم های RO، رساندن کیفیت آب به حدی است که برای وارد شدن به ممبرانها قابل قبول باشد. پیش تصفیه مناسب، ضمن به حداقل رساندن گرفتگی، رسوب گذاری و استهلاک ممبرانها، باعث افزایش راندمان و طول عمر آنها نیز خواهد شد.

یکی از اتفاقات نامطلوب مهمی که در سیستم های اسمز معکوس اتفاق می افتد، گرفتگی ممبرانها است. منظور از گرفتگی (Fouling)، چسبیدن موادی مانند گل و لای، رس، ماسه، ذرات جامد معلق، لجن بیولوژیکی، جلبک، سیلیس، لخته های آهن و مانند آنها به سطح غشای ممبران و یا بدتر از آن، نفوذ در داخل حفره های آن است. پدیده "گرفتگی"، معمولاً در ممبرانهای ابتدایی مرحله اول سیستم اسمز معکوس بوجود آمده و بتدریج به ممبرانهای بعدی گسترش پیدا می کند.

عوامل ایجاد گرفتگی در غشاهای اسمز معکوس را می توان در قالب سه دسته زیر، تقسیم بندی کرد:

- ذرات معلق

- میکروارگانیسم ها

- مواد آلی

البته بسته به شرایط عملیاتی سیستم و همینطور شیمی آب، برخی مواد فلزی موجود در آب مانند آهن و منگنز، ممکن است در نقاط مختلفی از سیستم اکسید شده و باعث ایجاد گرفتگی در ممبرانها شوند. همینطور، امکان رشد و نمو میکروارگانیسم ها در تمام نقاط سیستم RO وجود داشته و ممکن است موجب گرفتگی ممبرانها در آن نقاط شود. بصورت کلی، گرفتگی ناشی از میکروارگانیسم ها و مواد آلی، متداولترین نوع گرفتگی در ممبرانها بوده و کنترل آنها در سیستم هایی که آب خوراک آنها از آبهای سطحی و یا پساب تأمین می شود، بسیار مشکل است.

یکی دیگر از از مهمترین و شایعترین عوامل مخرب ممبرانها، "رسوب گذاری" است. منظور از رسوب گذاری (Scaling)، ته نشینی و رسوب نمک های کم محلول در آب مانند سولفات کلسیم، سولفات باریم، کربنات کلسیم، سیلیس، فلورید کلسیم و یا انواع دیگر نمک ها بر روی سطح ممبران است.

پدیده رسوب گذاری، معمولاً در ممبرانهای انتهایی دستگاه RO اتفاق می افتد. دلیل این موضوع هم، افزایش غلظت املاح آب در این بخش ها است. در رسوب گذاری، پس از تشکیل کریستال های اولیه نمک روی سطح ممبران، سرعت رسوب و رشد این کریستالها به سرعت و بصورت تصاعدی افزایش پیدا می کند.

با توجه به مطالب فوق، عدم انجام پیش تصفیه مناسب، باعث افزایش تعداد دفعات شستشوی ممبرانها می شود تا بتوان عملکرد آنها از نظر میزان آبدهی و درصد عبور املاح را به حالت اولیه بازگرداند. تعداد دفعات زیاد شستشو، باعث افزایش هزینه تأمین مواد شیمیایی و نیز افزایش زمان خاموشی سیستم خواهد شد. ضمن اینکه، در برخی موارد، این شستشوی زیاد می تواند منجر به کاهش دائمی عملکرد و عمر ممبران و استهلاک آن شود.

نقش پیش تصفیه

نقش پیش تصفیه یک سیستم RO، رساندن کیفیت آب خوراک به میزان قابل قبول به عنوان آب ورودی به ممبران ها است تا از عملکرد پیوسته و مطمئن سیستم، خاطری آسوده داشته باشیم.

نوع و گستردگی سیستم پیش تصفیه، بستگی به نوع منبع آب خوراک ( آب چاه، چاه های ساحلی، آب دریا، آبهای سطحی و یا پساب های تا حدی تصفیه شده) دارد. در این موارد، علاوه بر تفاوت آنالیز شیمیایی آب خوراک، تفاوت و نوسان شرایط کیفیت منبع آب در فصول و شرایط آب و هوایی مختلف نیز از اهمیت بالایی برخوردار است.

در جدول شماره (2)، مقادیر حداکثر مجاز توصیه شده برای پارامترهای آب ورودی به ممبرانهای RO و NF بیان شده است:

روش های مختلف پیش تصفیه سیستم اسمز معکوس

یک روش و سیستم کامل و جامع قابل استفاده برای تمام دستگاه های RO با انواع آب خوراک، وجود ندارد. سیستم های پیش تصفیه، می توانند بصورت شیمیایی، مکانیکی و یا ترکیبی از آنها باشند. در جداول شماره (3) و (4)، روش های متداول و مورد قبولی که معمولاً در سیستم های اسمز معکوس مورد استفاده قرار می گیرند، معرفی و تشریح شده اند:

جدول شماره (3) – روش های مختلف پیش تصفیه شیمیایی سیستم های اسمز معکوس

جدول شماره (4) – روش های مختلف پیش تصفیه مکانیکی سیستم های اسمز معکوس

معیار قابل قبول بودن عملکرد سیستم پیش تصفیه RO، رسیدن به اهداف زیر است:

- تعداد دفعات مورد نیاز شستشوی ممبرانها به 3-4 مرتبه در سال و یا حتی کمتر برسد.

- طول عمر ممبرانها به بیش از 5 سال برسد.

- ظرفیت آبدهی و میزان عبور املاح ممبرانها در محدوده قابل قبول قرار داشته باشد.

درست است که با افزایش دفعات شستشوی ممبرانها می توان ظاهراً در کوتاه مدت، عملکرد پایین یک بخش پیش تصفیه را جبران کرد، اما باید در نظر داشت که این کار به دلیل ایجاد توقف کاری در واحد، هزینه های انسانی و مواد شیمیایی و همینطور استهلاک ممبرانها، در دراز مدت به هیچ عنوان جایگزین مناسبی برای یک واحد پیش تصفیه کارآمد در یک سیستم اسمز معکوس نخواهد بود.  

برای بسیاری از سیستمهای RO شهری که از آب خوراک زیرزمینی با کیفیت بالا استفاده می کنند، باز هم استفاده از فیلترهای کارتریجی 1 تا 5 میکرون به عنوان یک فیلتر پیش تصفیه، می بایست در نظر گرفته شود. زیرا بسیاری از عواملی که باعث ایجاد گرفتگی و یا رسوب گذاری در ممبرانها می شوند، الزاماً به دلیل کیفیت آب خوراک نیستند. به عنوان مثال، ورود ذرات معلق از طریق خطوط لوله انتقال سیمانی، ذرات ناشی از خوردگی در لوله های فولادی و آهنی، صدمه دیدگی دیواره چاه، لخته های گوگرد ناشی از اکسید شدن سولفید هیدروژن، و یا حتی ذرات باقیمانده از گل حفاری که با گذشت چندین ماه از بهره برداری چاه، امکان وجود آنها در آب خروجی چاه وجود دارد و یا ایجاد مشکل در واحد پیش تصفیه سیستم، همگی از عواملی هستند که در نظر گرفتن یک سیستم فیلتراسیون کارتریجی ذرات معلق را به عنوان یک اجبار در سیستم RO، مطرح می کنند.

در مثالهای زیر، نشان داده می شود که طراحی و عملکرد واحد پیش تصفیه، چگونه می تواند بر روی عملکرد تصفیه آب سیستم اسمز تأثیرگذار باشد:

مثال 1 – تزریق بیش از حد مواد منعقد کننده در بخش پیش تصفیه، ممکن است باعث ورود لخته های آهن به واحد RO و نهایتاً گرفتگی ممبرانها شود.

مثال 2 – استفاده بیش از حد کلر برای از بین بردن میکروارگانیسم ها، ممکن است منجر به تخریب ممبرانها و کاهش عمر آنها شود.

مثال 3 – استفاده از کربن فعال در بخش پیش تصفیه با هدف حذف مواد آلی و کلر، می تواند منجر به رشد میکرو ارگانیسم ها شود. زیرا بستر کربن فعال، یک محیط مناسب برای کشت و تکثیر میکرارگانیسم ها به شمار می رود.

مثال 4 – احتمال اینکه برخی از فلزات مانند آهن، آلومینیوم، کبالت و گاهی آرسنیک در مواد شیمیایی مورد استفاده در بخش پیش تصفیه واحد RO وجود داشته باشند، هست. لذا، انتخاب و استفاده از مواد شیمیایی مناسب که ناخالصی های موجود در آنها در محدوده قابل قبول باشد، از اهمیت بالایی برخوردار است.

مثال 5 – استفاده از اسید برای کاهش PH آب ورودی به سیستم اسمز معکوس با هدف کاهش احتمال رسوب گذاری، باعث تبدیل کربنات به گاز دی اکسید کربن می شود که می بایست با انجام فرآیند مناسب (مانند Degasification)، از آب تصفیه شده خروجی واحد حذف شود.

مثال 6 – برخی از پلیمرهای کاتیونی مورد استفاده در بخش پیش تصفیه، ممکن است با مواد پیش گیری کننده از رسوب (Scale Inhibitor) دارای بار منفی، ترکیب شده و احتمال گرفتگی ممبران ها را افزایش دهند.

مثال 7 – تزریق بیش از حد اسید سولفوریک برای کاهش PH آب ورودی با هدف کاهش احتمال رسوب گذاری، می تواند منجر به رسوب گذاری ناشی از نمک های سولفات ناشی از اسید در ممبرانها شود.