آب از منابع مختلفی از جمله آب های زیرزمینی، آب های سطحی و تصفیه خانه های شهری در اختیار مصرف کنندگان قرار می گیرد تا بتوانند از آن در مصارف مختلف استفاده کنند. تصفیه آب آشامیدنی، همواره یکی از اصلی ترین چالش های مصرف کنندگان بوده و انتخاب روش و دستگاه مناسب، از مهمترین تصمیمات آنها به شمار می رود.
از آنجاییکه در هر کدام از منابع اشاره شده، معمولاٌ آلاینده هایی وجود دارند که می بایست برای تصفیه آب شرب از بین رفته و یا به حد استاندارد برسد، در این مقاله به بررسی این آلاینده ها و روش های مختلف برای تصفیه آنها پرداخته می شود.
در این مقاله، آلاینده های مختلف آب در قالب دسته بندی زیر معرفی و روش های تصفیه متناسب با هر کدام از آنها توضیح داده شده اند:
- ذرات جامد معلق
- میکروب ها
- مواد جامد محلول (املاح)
- مواد آلی
قدمت ابتدایی ترین روش های تصفیه آب که مربوط به استفاده از فیلترهای شنی بوده، به حدود سالهای 1800 میلادی برمی گردد. از آن موقع تا کنون، پیشرفت های زیادی در زمینه شناسایی آلاینده ها در آب و همچنین روش های مختلف تصفیه آنها صورت گرفته است. ضمن اینکه استانداردهای گوناگون بین المللی و کشوری برای استفاده از آب شرب و مقادیر مجاز املاح و آلاینده های موجود در آن نیز تدوین و استفاده از آن در مناطق مختلف دنیا اجباری شده است.
خوشبختانه امروزه با توجه به پیشرفت در روش ها و فناوری های تصفیه آب، می توان درصد بالایی از این آلاینده ها را شناسایی و با کنترل آنها، به آب تصفیه شده قابل شرب دسترسی داشت.
برای آشنایی بیشتر با ماهیت آلودگی ها و همچنین درک روش های تصفیه، بهتر است ابتدا کمی در مورد ساختار مولکولی آب توضیحاتی داده شود. مولکول آب ماهیت قطبی دارد، دارای دو بار مغناطیسی مخالف هم (مثبت و منفی) که مانند آهن ربا عمل می کند.
به همین دلیل، قطب منفی آن به سمت قطب های مثبت و قطب مثبت به سمت قطب های منفی سایر مولکول های اطراف جذب می شوند. همین جاذبه مغناطیسی مولکولی آب باعث می شود که آب در حالت عادی دارای ناخالصی و آلاینده های مختلف (قابل مشاهده یا غیر قابل مشاهده) بوده و عملاً آب کاملاً خالص بصورت طبیعی در دسترس نباشد.
نکته مهم در کنترل آلاینده ها این است که اولاً نوع و مقدار آنها در آب چقدر است و ثانیاً آب تصفیه شده قرار است به چه منظوری مورد استفاده قرار گیرد. به عنوان مثال، آبی که برای کشاورزی مناسب است، ممکن است برای شرب مناسب نبوده و همچنین آب مناسب شرب برای تولید مواد دارویی از استاندارد لازم برخوردار نباشد.
آلاینده ها و ناخالصی های موجود در آب معمولاٌ از سه نوع زیر هستند:
- مواد معدنی
- مواد آلی
- میکروب
انواع این مواد می توانند هم بصورت معلق و هم بصورت کاملاً محلول در آب وجود داشته باشند.
در ادامه به بررسی انواع آلاینده های اصلی و روش تصفیه آنها برای استفاده آب شرب پرداخته خواهد شد.
همانطور که گفته شد، مولکولهای آب چون قطبی هستند، توسط نیروی مغناطیسی به یکدیگر می چسبند. این نیروی کششی بستری ایجاد می کند تا ذرات ریز داخل آب بصورت معلق بین مولکول های آب قرار گیرند. این ذرات جامد معلق خودشان جذب مولکول های آب نمی شوند. بلکه تنها در میان آنها بصورت شناور حرکت می کنند.
ذرات معلق انواع زیادی مانند خاک، شن، ماسه، آهن اکسید شده دارند که بعضی از آنها با چشم غیر مسلح قابل مشاهده بوده و برخی نیز قابل مشاهده و تشخیص با چشم عادی نیستند.
مقدار ذرات معلق در آب های سطحی مانند رودخانه و مرداب ها به میزان قابل ملاحظه ای بیشتر از آب های زیرزمینی است. در واقع لایه های بستر زمین در زمان عبور آب به سمت سفره های آب زیرزمینی مانند فیلتر عملکرده و بسیاری از ذرات معلق را از آب جدا می کند. ذرات معلق موجود در آب های خارج شده از آب چاه معمولاٌ بیشتر ناشی از شن و گل داخل سفره های زیرزمینی است که توسط پمپ از چاه خارج می شود.
ورود آلودگی ذرات معلق در آبهای سطحی، زیرزمینی و آب چاه می تواند به دلیل حوادث طبیعی مانند سیل و زمین لرزه نیز اتفاق بیفتد.
ویژگی مهم ذرات معلق در آب این است که این ذرات را می توان با فیلتراسیون فیزیکی از آب جدا کرد. با عبور دادن آب خام حاوی ذرات معلق از فیلترهای با اندازه حفره های متناسب، می توان این مواد را از آب جدا نمود.
از آنجاییکه عمده ذرات معلق بسیار کوچک هستند، ابعاد آنها را با میلیمتر یا اینچ نمی توان بیان کرد. واحد اندازه گیری ابعاد ذرات معلق، میکرون است. برای روشن شدن بیشتر این واحد، به عنوان مثال می توان گفت که قطر موی سر انسان حدود 100 میکرون است. چشم غیر مسلح تنها می تواند ذرات معلق بالای 40 میکرون را مشاهده و تشخیص دهد.
در نمودار زیر می توانید ابعاد و نسبت ذرات معلق معمول در آب را مشاهده و مقایسه کنید:
بیشترین دلیل نامطلوب بودن وجود ذرات معلق، به ظاهر ناخوشایند ایجاد شده در آب برمی گردد. ذرات معلق باعث ایجاد کدورت و رنگ در آب شده و به همین دلیل برای استفاده های خوراکی و صنعتی قابل استفاده نمی باشند. همچنین خود ذرات معلق می توانند یک بستر برای حمل میکروب های خطرناک و بیماریزا در آب باشند. بنابراین وجود ذرات معلق در آب یک مشکل و تهدید مهم است که می بایست راه مناسبی برای رفع آن در نظر گرفته شود.
فیلتراسیون، قدیمی ترین روش حذف ذرات معلق از آب به شمار می رود. منظور از فیلتراسیون، عبور آب از سطحی با حفره های خیلی ریز است (می توانید یک الک رو تصور کنید). حفره های موجود در فیلتر باید به اندازه ای ریز باشند که بتوانند ذرات معلق را درگیر خود کرده و از آب جدا کنند و در عین حال اجازه عبور آب تصفیه شده را نیز بدهند.
آب خوراک تصفیه نشده می بایست یا با نیروی ثقلی و یا با فشار تولیدی پمپ از فیلتر عبور کرده و ذرات معلق ضمن عبور از این فیلترها از آب جدا شوند. به مرور زمان و با تجمع ذرات معلق در سطح فیلتر، نیاز به فشار بیشتری برای عبور آب از فیلتر خواهد بود. بنابراین، پس از مدتی، فیلتر نیاز به شستشو و یا تعویض خواهد داشت.
میزان و نوع فیلتراسیون بستگی به ابعاد ذرات معلقی دارد که توسط فیلتر جذب و از آب حذف می شود. بر همین اساس، پنج سطح (Level) فیلتراسیون تعریف می شود:
- ماکرو فیلتراسیون (microfiltration): برای حذف ذرات معلق بالای 1 میکرون
- میکرو فیلتراسیون (microfiltration): برای حذف ذرات معلق بین 0.1 تا 1 میکرون
- اولترا فیلتراسیون (ultrafiltration): برای حذف ذرات معلق بین 0.01 تا 0.1 میکرون
- نانو فیلتراسیون (nanofiltration): برای حذف ذرات معلق بین 0.001 تا 0.01 میکرون
- هایپر فیلتراسیون (hyperfiltration) یا اسمز معکوس (reverse osmosis): برای حذف ذرات معلق زیر 0.001 میکرون
عمده ذرات معلق، مواد جامد غیر زنده هستند. اما برخی از ذرات معلق در دسته دیگری قرار می گیرند. این ذرات، جانداران زنده ای هستند که به آنها میکروارگانیسم و یا میکروب گفته می شود که شامل باکتری، ویروس و انگل ها هستند. این آلایندها هم زنده هستند و هم مانند سایر ذرات جامد در آب معلق می باشند و با آب ترکیب و واکنش شیمیایی ندارند.
خطراتی که باکتری، ویروس و انگل می توانند برای سلامتی انسان ایجاد کنند، بر کسی پوشیده نیست و مدارک و مطالعات زیادی نیز در این خصوص انجام شده و وجود دارد.
علاوه بر خطری که میکروب های بیماریزا برای سلامتی دارند، میکروب های غیر بیماریزا (مانند باکتری آهن) نیز منجر به مشکلاتی مانند تشکیل لایه های لزج به نام "بیوفیلم" (biofilm) در لوله ها و تجهیزات می شوند.
آلودگی میکروبی می تواند از طرق مختلفی از جمله سیل، نشت فاضلاب، وجود مشکل در تأسیسات تصفیه آب شهری و یا سایر موارد به آب مصرفی نفوذ کند. ضدعفونی آب به صورت کلی از سه طریق زیر امکانپذیر است:
- تخریب غشاء میکروب: توسط اضافه کردن یک ماده اکسید کننده مانند کلر، ازن و یا آب اکسیژنه به آب
- جدا کردن میکروب از آب به وسیله فیلتر: با استفاده از اولترافیلتراسیون (فیلترهای UF)
- غیر فعال کردن میکروب و جلوگیری از رشد و تکثیر آن در بدن میزبان: با تابش نور اشعه ماوراء بنفش (UV) در یک بازه طول موج مشخص
در زمان استفاده از مواد اکسید کننده و یا تابش اشعه UV برای ضدعفونی آب، دو پارامتر شدت (Intensity) و زمان تماس (Exposure Time) بسیار مهم هستند.
برای از بین رفتن انواع میکروب با استفاده از مواد اکسید کننده، جداولی وجود دارند که میزان شدت و زمان تماس مواد اکسید کننده برای از بین رفتن میکروب مدنظر در آن بیان شده است.
اشعه ماوراء بنفش (UV) که طول موجی بین 10 تا 400 نانومتر دارد، خاصیت میکروب کشی دارد که در طول موج 254 نانومتر به حداکثر خود می رسد. در این طول موج، اشعه ماوراء بنفش می تواند DNA میکروب ها را با سرعت و اثربخشی بالایی تخریب کرده و از تکثیر آنها جلوگیری نماید. البته همانطور که اشاره شد، شدت و مدت زمان تابش باید به اندازه کافی باشد تا ضدعفونی بصورت مناسب انجام شود.
لازم به ذکر است که خطر میکروب های بیماریزا در صورتی است که میکروب در بدن میزبان شروع به رشد و تکثیر کند. در این صورت است که میزان بالای میکروب، موجب وارد شدن آسیب به سلولها و بافت های بدن می شود. مقدار محدود میکروب بدون قابلیت تکثیر، مشکلی برای فرد ایجاد نخواهد کرد. با توجه به این موضوع باید در نظر داشت که میکروب پس از عبور آب از تابش اشعه ماوراء بنفش، کماکان در آب وجود دارد. اما چون قابلیت تکثیر ندارد، مشکلی به وجود نخواهد آمد. این موضوع، پایه اصلی روش ضدعفونی آب با اشعه یووی در مصارف و صنایع مختلف به شمار می رود.
شرکت های سازنده دستگاه یووی، ظرفیت های دستگاه های خود را بر اساس "دبی آب عبوری" مشخص می کنند. یعنی در زمان تست این دستگاه ها اطمینان حاصل می شود که دبی آب عبوری در مدت زمان و تحت تابش با شدت مشخصی از اشعه قرار گرفته و ضدعفونی آب بصورت صحیح انجام می شود.
یکی دیگر از انواع آلاینده های موجود در آب، مواد جامد محلول (Dissolved Solids) یا همان "املاح" هستند. برخلاف ذرات معلق، مواد جامد محلول بصورت یون (ion) بوده و دارای بار الکتریکی مثبت یا منفی هستند. یون های با بار الکتریکی مثبت با نام “کاتیون” (cation) و یون های با بار الکتریکی منفی با نام “آنیون” (anion) شناخته می شوند.
یونها به دلیل حل شدن نمک های معدنی در آب به وجود می آیند. واضح ترین مثال، نمک کلرید سدیم یا همان نمک طعام است. این ماده بصورت طبیعی دانه های کریستالی دارد. اما زمانی که در آب حل می شود، به کاتیونهای سدیم و آنیونهای کلراید تبدیل می شود.
از کاتیونهای معروف می توان به یونهای کلسیم، آهن، پتاسیم و منیزیوم و همچنین از آنیونهای معروف هم به کربنات، سولفات، نیترات و بی کربنات اشاره نمود که معمولاً در آب بصورت محلول وجود دارند.
علیرغم اینکه املاح و یون های محلول در آب قابل مشاهده نیستند، اما می توانند منجر به ایجاد مشکلاتی شوند که به عنوان نمونه می توان به موارد زیر اشاره نمود:
- یونهای کلسیم، آهن و منیزیوم باعث تشکیل رسوب در تجهیزات و سیستم لوله کشی می شوند. این رسوبات در طول زمان باعث افت عملکرد تجهیزات مانند پمپ ها و هیترها شده و ظاهر ناخوشایندی نیز در آنها ایجاد می کند.
- احتمال مسمومیت با موادی مانند آرسنیک، سرب، مس، کروم، سیانید و سایر املاح برای انسان وجود دارد.
- ایجاد خوردگی در سطوح فلزی با توجه به pH پایین و یون کلراید تشدید می شود.
- املاحی مانند سولفات، باعث ایجاد مشکلاتی در سیستم گوارش انسان و حیوانات می شوند.
املاح محلول در آب یا به دلیل ساختار مواد معدنی سفره های زیرزمینی و یا توسط انسان از طریق کودهای شیمیایی و پساب واحدهای صنعتی وارد آب می شوند.
برخلاف ذرات معلق، یونها با توجه به داشتن بار الکتریکی و قطبی بودن مولکول آب، جذب مولکولهای آب شده و نمی توان آنها ار با فیلتراسیون فیزیکی ساده از آب جدا نمود. برای حذف یونها از آب باید از روش های دیگری استفاده نمود. تصفیه مواد جامد محلول از سه روش اصلی زیر انجام می گیرد:
- تبادل یون (Ion Exchange)
- اکسیداسیون و فیلتراسیون (Oxidation and Filtration)
- اسمز معکوس (Reverse Osmosis)
روش تبادل یون توسط دانه هایی به نام "رزین" (Resin) انجام می شود. رزین یک شبکه پلیمری است که در بعضی از نقاط آن، یونهای متحرک با بار الکتریکی ضعیف قرار گرفته اند. اگر بار الکتریکی یون متحرک رزین، منفی باشد، به آن رزین آنیونی و در صورتیکه بار الکتریکی یون متحرک، مثبت باشد، رزین کاتیونی گفته می شود.
زمانی که یک مایع حاوی یون های با بار الکتریکی قوی تر، از روی دانه های رزین عبور می کنند، جای خود را با یونهای متحرک قرار گرفته روی دانه های پلیمری رزین تعویض می کنند. به این پدیده، "تبادل یون" گفته می شود.
رزین ها به شکل دانه های بسیار ریز پلاستیکی یا ژله ای هستند که در انواع بسیار مختلفی تولید و در مصارف گوناگونی مورد استفاده قرار می گیرند. به عنوان مثال، در رزین هایی که برای سختی گیری آب مورد استفاده قرار می گیرند، یون های متحرک قرار گرفته در دانه های رزین، یون سدیم هستند که بار الکتریکی ضعیفی دارند. زمانی که آب از روی این رزین عبور می کند، کاتیون های محلول در آب که دارای بار الکتریکی قوی تر هستند (مانند یون های کلسیم، آهن و منیزیوم)، جای خود را با یونهای سدیم موجود در دانه های رزین تعویض می کنند. به این ترتیب آب خروجی از رزین، بجای یونهای نامبرده شده، حاوی یون سدیم بوده و از رسوب گذاری نمک های کلسیم و منیزیوم در لوله ها و تجهیزات جلوگیری می شود.
انواع زیادی از رزین ها با ساختار پلیمری مختلف تولید شده است که در صنایع مختلفی از جمله تصفیه آب مورد استفاده قرار می گیرند. به عنوان مثال علاوه بر رزین های سختی گیر، رزین های آنیونی با یون متحرک کلراید می توانند برای حذف نیترات و سولفات محلول در آب استفاده شوند.
بعضی از فلزات محلول مانند آهن و منگنز، پس از ترکیب با مواد اکسید کننده مانند هوا، کلر و یا ازن، اکسید شده و بصورت ذرات معلق در می آیند. بنابراین، یکی از بهترین روش ها برای حذف این مواد، تزریق یک ماده اکسید کننده به آب و سپس جداسازی مواد اکسید شده با فیلتراسیون فیزیکی است.
اسمز معکوس
اسمز، یک پدیده بسیار جالب طبیعی است. زمانی که دو آب با غلظت متفاوت املاح محلول، توسط یک غشای نیمه تراوا (صفحه ای با حفره های بسیار ریز در حدود 0.001 میکرون) از هم جدا شده باشند، آب بصورت طبیعی از سمت با غلظت پایین تر به سمت غلیظ تر حرکت می کند. در این فرآیند تنها آب خالص از غشا عبور می کند و املاح در همان سمت باقی می مانند.
اسمز یک پدیده بسیار مهم و حیاتی است. این پدیده در تمامی اندامها و سلولهای انسان و سایر موجودت زنده بصورت مستمر در حال انجام است.
به فشاری که باعث می شود مولکولهای آب از بخش با غلظت کمتر به سمت غلظت بیشتر حرکت کند، "فشار اسمزی" گفته می شود. هر چه اختلاف غلظت بین دو سمت غشا بیشتر باشد، این فشار اسمزی بیشتر خواهد بود.
با استفاده از همین خاصیت، روشی برای تصفیه آب ابداع شد به نام "اسمز معکوس". در این روش، یک غشاء نیمه تراوا با حفره های بسیار ریز (حدود 0.001 میکرون) به نام ممبران (Membrane) ساخته شده و با استفاده از یک پمپ، فشاری بیشتر از فشار اسمزی به سمت آب با غلظت بالاتر وارد می شود. در این حالت با بالاتر بودن فشار وارده نسبت به فشار اسمزی، آّب خالص از سمت غلیظ تر به سمت رقیق تر حرکت کرده در حالیکه املاح در همان سمت اولیه باقی بمانند. با این روش، می توان غلظت املاح در آب را کاهش داد.
از دستگاه های تصفیه آب اسمز معکوس در موارد زیادی از جمله تصفیه آب های خانگی، تصفیه آب های نیمه صنعتی و صنعتی استفاده شده و فشار مورد نظر ممبران نیز توسط پمپ تعبیه شده روی این دستگاه ها تأمین می شود.
مواد آلی بخشی از مواد محلول در آب هستند که به واسطه ساختار مولکولی و ترکیب اتم های کربن و هیدروژن آنها، در یک طبقه جداگانه قرار می گیرند.
بسیاری از این مواد آلی، ساختار مولکولی قطبی ضعیفی دارند که باعث می شود مانند یونهای محلول، به مولکول های آب چسبندگی داشته باشند. اصطلاحاً به این نوع مواد آلی، مواد "هیدروفیلیک" (Hydrophilic) یا "آب دوست" گفته می شود. از جمله این مواد می توان به الکل، اسید استیک و قند اشاره نمود.
برخی دیگر از مواد آلی محلول در آب که ساختار مولکولی قطبی ندارند، تمایل دارند که به یکدیگر بچسبند و تشکیل توده های بزرگتری بدهند. به این دسته از مواد آلی، "هیدروفوبیک" (Hydrophobic) یا "آب گریز" کفته می شود. مواد نفتی، روغن های گیاهی و موادی از جمله Methyl Tert-Butyl Ether (MTBE) و Perfluorooctanoic Acid (PFOA) از جمله این نوع مواد آلی محسوب می شوند. تصفیه این دسته از مواد آلی با توجه به ویژگی های خاصی که دارند، نیاز به روش جداگانه و ملاحظات خاص خود را دارد.
اثرات نامطلوب مواد آلی در آب می تواند از بوی ناخوشایند گرفته تا تهدید سلامتی به دلیل سرطان زا بودن برخی از این مواد، وجود داشته باشد! بنابراین دقت لازم در تصفیه آب حاوی این نوع مواد آلی باید در نظر گرفته شود. پساب کارخانجات صنعتی، دامداری و کشاورزی، و همچنین تخلیه مواد دارویی و نفوذ آن به داخل آبهای زیرزمینی، روز به روز به مقدار و خطرات این مواد در آب اضافه کرده است.
یکی از متداولترین و بهترین روشهای تصفیه مواد آلی از آب، جذب سطحی (adsorption) است. یکی از بهترین و پرکاربردترین مواد برای حذف مواد آلی محلول در آب با روش جذب سطحی، کربن فعال (Activated Carbon) می باشد. کربن فعال با توجه به تخلخل بسیار بالایی که در ساختار خود دارد، از توانایی جذب انواع بسیار زیادی از مواد آلی برخوردار است. کربن فعال معمولاً به دو صورت گرانول جهت ریختن در مخازن و یا بصورت قالبی (کارتریج) جهت قرار گیری در هوزینگ ها مورد استفاده قرار می گیرند. میزان اثربخشی فیلتر کربن بستگی به زمان تماس آب با کربن (سرعت خطی آب بر حجم کربن) دارد.
کربن فعال علاوه بر مواد آلی، یک ماده بسیار مناسب برای حذف "کلر" و "کلرامین" از آب نیز می باشد. نوع خاصی از کربن فعال به نام کربن فعال کاتالیتیک (Catalytic)، هم به عنوان اکسید کننده و هم به عنوان جاذب می تواند مورد استفاده قرار بگیرد. این ماده در واقع یک اکسید کننده قوی است که در کنار آن خاصیت جذب سطحی هم دارد.
مواد جاذب دیگری نیز برای حذف مواد آلی و معدنی از آب وجود دارند که معمولاً برای حذف انواع خاصی از مواد مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از قدیمی ترین نوع این مواد، آلومینای فعال (Activated Alumina) است. مواد جاذب مخصوص دیگری نیز مانند مواد جاذب آرسنیک و فلوراید وجود دارند که در صورت نیاز می توان از آنها استفاده نمود.
دسترسی به آب آشامیدنی با میزان املاح و آلاینده های در حد مجاز و سالم، همواره از دغدغه های اصلی در سراسر دنیا بوده است. در طول زمان با توجه به حوادث طبیعی و همچنین صنعتی تر شدن زندگی، این مشکل در حال پیچیده تر شدن هم هست. اما خوشبختانه فناوری های تصفیه آب هم به مرور پیشرفت و گسترش قابل توجهی داشته است.
در این مقاله، روش های مختلف تصفیه آب با توجه به نوع آلاینده های مختلف مورد بررسی قرار گرفت تا دید جامع تری نسبت به موضوع تصفیه آب شرب وجود داشته باشد. بصورت کلی جمعبندی روش های مختلف تصفیه آب شرب که در این مقاله مطرح شد، در شکل زیر قابل مشاهده هستند:
شاید بتوان گفت امروزه روش اسمز معکوس (RO) مهمترین فناوری است که برای تصفیه و نمکزدایی آب می تواند مورد استفاده قرار گیرد. با توجه به فراوانی آب دریاها و امکان تبدیل آن به آب شرب توسط فرآیند اسمز معکوس، تنها دغدغه مهم، تأمین انرژی لازم برای کارکرد و توسعه واحدهای نمکزدایی با این روش است.
نظرات