فرآیندهای تصفیه آب آشامیدنی

به منظور تولید آب آشامیدنی گوارا و مطلوب برای مصرف کننده، باید به صورت مؤثری آلاینده های بیولوژیک و شیمیایی موجود در آب را حذف نمود. آلاینده های شیمیایی شامل نیترات، فلزات سنگین، رادیونوکلئوتیدها، آفت کش ها، مواد دارویی، ترکیبات شیمیایی فعال هورمونی و دیگر زنوبیوتیک ها[1] می باشد. آب تصفیه شده باید عاری از انگل ها و پاتوژن های میکروبی، کدورت، رنگ، طعم و بو باشد. برای رسیدن به این هدف، آب خام (آب سطحی یا زیرزمینی) تحت فرآیندهای بیولوژیکی و فیزیکی و شیمیایی قرار می گیرد که جزئیات بیشتر این فرآیندها در ادامه شرح داده خواهد شد. گاهی اوقات، گندزدایی به تنهایی برای منابع آب خام محافظت شده کافی می باشد. معمولا برای دستیابی به آب آشامیدنی سالم به موانع چندگانه نیاز است. گندزایی با انعقاد، لخته سازی و فیلتراسیون ترکیب می شود. تصفیه اضافی برای حذف ترکیبات خاص ممکن است شامل تصفیه با پیش هوادهی و کربن فعال باشد. فرآیندهای تصفیه بستگی به کیفیت منابع آب مورد نظر دارد.

دو دسته بندی کلی برای تصفیه خانه های آب وجود دارد:

• تصفیه خانه های دارای فیلتراسیون متعارف:

فرآیندهای پیش رو در این نوع تصفیه خانه شامل انعقاد، لخته سازی و فیلتراسیون می باشد (شکل 1). آب خانم به سرعت با منعقد کننده های بر پایه آهن یا آلومینیوم مخلوط می شود. رایجترین منعقدکننده های مورد استفاده سولفات آلومینیوم که آلوم نام دارد، سولفات آهن و یا کلرید فریک می باشد. هدف استفاده از منعقد کننده، بهبود قدرت ته نشینی فلوک ها می باشد. همچنین پلیمرهای با وزن مولکولی بالا به صورت پلیمرهای آنیونی، کاتیونی و غیریونی به شکل تجاری وجود دارند و گاهی اوقات این پلیمرها به عنوان منعقد کننده اولیه استفاده می شوند. پلی الکترولیت ها علاوه بر تولید لجن کمتر، می توانند براحتی آبگیری شوند. بعد از انعقاد، روی فلوک های تشکیل شده، ته نشینی و زلال سازی صورت می گیرد. زلال سازی پساب با عبور از صافی شنی یا دیاتومه ای انجام می شود و در نهایت آب قبل از توزیع گندزدایی می شود.

شکل 1- فلودیاگرام فرآیند تصفیه متداول آب آشامیدنی

• تصفیه خانه های با هدف سختی گیری:

فرآیندهای سختی گیری، با حذف کلسیم و منیزیم به سبک سازی آب کمک می کنند و در نهایت، رسوبات کلسیم و منیزیم را تشکیل می دهند. پس از ته نشینی رسوبات، فیلتراسیون و گندزدایی انجام می شود.

میکروبیولوژی فرآیندها و سرنوشت نهایی پاتوژن ها و انگل ها در تصفیه خانه آب

مقدمه

در تصفیه خانه آب، انگل ها و پاتوژن های میکروبی می توانند توسط فرآیندهای فیزیکی از قبیل انعقاد، ترسیب، فیلتراسیون و جذب حذف شوند و یا توسط گندزدایی غیرفعال شده و یا در pH بالای فرآیند سختی گیری از بین بروند. نگران کننده ترین گونه های انگل ها و پاتوژن ها که در آب آشامیدنی وجود دارند در زیر آورده شده است.

ویروس ها:

ویروس ها گاهی اوقات در آب آشامیدنی حاصل از تصفیه خانه های متداول آب شناسایی شده اند، و با استانداردهای میکروبی جدید، قوانین آب آشامیدنی سالم و کارایی تصفیه مطابقت دارد. برای مثال انتروویروس ها در سطوح مختلف از 3-20 ویروس در هزار لیتر از آب آشامیدنی خروجی از تصفیه خانه ای که شامل پیش کلرزنی، لخته سازی، ته نشینی، فیلتراسیون شنی، ازن زنی و کلرزنی نهایی می باشد، شناسایی شده است. در کره جنوبی، در نمونه های گرفته شده از آب شیر که با فرایندهای لخته سازی، ته نشینی، فیلتراسیون و کلریناسیون مورد مورد تصفیه قرار گرفته است، 39-48 درصد از نمونه های آزمایش شده با استفاده از ارزیابی کشت سلولی همراه با تکثیر واکنش زنجیره ای پلیمراز، حاوی انتروویروس های عفونی (پولیوویروس نوع 1، اکوویروس نوع 6، کوکساکی ویروس B) و آدنوویروس ها (از قبیل آدنوویروس های نوع 40 و 41) بوده است. در سایر بررسی ها در کشورهای صنعتی، ویروسی در آب تصفیه شده خروجی از تصفیه خانه مشاهده نشده است. در 162 نمونه آب خروجی از واحد فیلتراسیون در لاوال کانادا، ویروسی یافت نشده است (1000 تا 2000 لیتر آب برای هر نمونه). یافته های مشابهی از تصفیه خانه آب در مقیاس کامل در مری سوراسه فرانسه گزارش شده است و همچنین در سه تصفیه خانه آب در اسپانیا نیز گزارش های مشابهی ارائه شده است.

کریپتوسپوریدیوم و ژیاردیا لامبلیا:

اگرچه روش های تغلیظ و شناسایی این انگل ها ارائه شده است اما تکنیک های نظارتی برای پایش مداوم حضور آنها در آب آشامیدنی در بیشتر تصفیه خانه های آب در دسترس نیست. این انگل ها در آب آشامیدنی شناسایی شده اند. برای مشاهده طغیان بیماری آنها به لینک زیر مراجعه کنید.

انگل های تک یاخته ای در آب

پاتوژن های فرصت طلب:

پاتوژن های منتقله توسط آب هستند (از قبیل سودوموناس، آلکالیژنز، اسینتوباکتر و گونه های فلاووباکتریوم) و باعث عفونت های ثانویه بیمارستانی خصوصاً در بین مصرف کنندگان دارای نقص ایمنی می شوند.

لژیونلا:

این پاتوژن باکتریایی نمونه ای از میکروارگانیسم های غیرروده ای می باشد که می تواند از طریق استنشاق آئروسل های آب دوش حمام یا مرطوب سازها منتقل شود. بیماری لژیونلای بیمارستانی ممکن است در اثر موجهه با لژیونلای ناشی از سیستم های توزیع آب بیمارستان حاصل شود.

در حال حاضر سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا فهرستی از پاتوژن های میکروبی بالقوه آب آشامیدنی را برای تنظیم قوانین و مقررات بررسی می کند. این پاتوژن ها از طریق آب منقل می شوند اما مسیرهای دیگری نیز ممکن است برای انتقال آن ها وجود داشته باشد. این فهرست شامل آئروموناس هیدروفیلا، هلیکوباکتر پیلوری، مایکوباکترپوم آویوم و مایکوباکتریوم درون سلولی، آدنوویروس ها، کلسی ویروس ها، کوکساکی ویروس ها، اکوویروس ها و انگل تک یاخته میکروسپوریدیا می باشد.

واحدهای فرآیندی و عملیاتی متعددی در تصفیه خانه ای آب برای تولید آب سالم از نظر میکروبی و شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرند. میزان تصفیه مورد نیاز به منبع آب خام بستگی دارد و بطور کلی آب های سطحی در مقایسه با آب های زیرزمینی به تصفیه بیشتری نیاز دارند. در طراحی واحدهای فرآیندی برای تصفیه آب، به استثنای مرحله گندزدایی، تخریب یا حذف انگل ها، باکتری ها و پاتوژن های ویروسی بطور قابل توجهی مورد بررسی قرار نمی گیرد.

پیش تصفیه منابع آب

پیش تصفیه مرحله است که هدف از طراحی آن بهبود کیفیت منبع آب قبل از ورود به تصفیه خانه می باشد.

ذخیره سازی آب خام (ذخیره سازی خارج از خط)

برای به حداقل رساندن نوسانات کیفیت آب، آب خام در مخازن ذخیره سازی می شود. ذخیره سازی می تواند به صورت فیزیکی (ته نشینی جامدات، تبخیر، خروج گاز به اتمسفر)، شیمیایی (اکسیداسیون – احیا، هیدرولیز، فتولیز) و فرآیندهای بیولوژیکی (چرخه تغذیه، تجزیه بیولوژیکی، نابودی پاتوژن ها) بر کیفیت میکروبی آب اثرگذار باشد. کاهش پاتوژن ها، انگل ها و میکروارگانیسم های شاخص در طول ذخیره سازی متفاوت بوده و متاثر از فاکتورهایی همچون دما، نور خورشید، ته نشینی و پدیده های بیولوژیکی از قبیل شکار، آنتاگونیسم و فعالیت لایتیک[2] فاژهای باکتریایی (چرخه لاتیک یکی از دو چرخه تولید مثل می باشد که در نهایت منجر به تخریب سلول های عفونی و غشا آن ها می شود) می باشد. حرارت مهمترین فاکتور کنترلی پاتوژن های زنده در مخازن می باشد.

به نظر می رسد تحت شرایط مطلوب، ذخیره سازی آب در مخازن می تواند منجر به 1-2 لگاریتم کاهش پاتوژن های باکتریایی شود، در صورتی که کاهش بیشتری در پاتوژن های ویروسی مشاهده شده است. کیست های تک یاخته ای با بدام افتادن در جامدات و ته نشینی در رسوبات حذف می شوند.

صافی های درشت دانه[3]

این صافی ها دارای بستر با دانه های درشت (شن و قلوه سنگ) می باشد و در کاهش کدورت آب و غلظت باکتریایی مؤثر می باشد (تقریباً یک لگاریتم کاهش).

میکرواسترینرها[4]

میکرواسترینرها از فولاد ضدزنگ و یا از سیم های پلی استر با منافذ 15-45 میکرومتر ساخته می شوند. آنها بطور کلی جلبک ها و تک یاخته های نسبتاً بزرگ را حذف می کنند. در میکرواسترینرها جلبک های رشته ای بطور مؤثرتری در مقایسه با جلبک های تک سلولی حذف می شوند.

صافی بستر رودخانه[5]

از جمله واحدهای پیش تصفیه ای می باشد که از سال 1870 در اروپا و بیش از 50 سال است که در آمریکا مورد استفاده قرار می گیرد. در آلمان تقریباً بیش از 16 درصد از آب آشامیدنی بواسطه فرآیندهای صافی بستر رودخانه یا نفوذ تولید می شود.

صافی بستر رودخانه، نشت آب از بستر رودخانه یا دریاچه به چاه تامین کننده یا تولید کننده آب برای تصفیه خانه آب آشامیدنی می باشد. صافی بستر رودخانه شامل فرآیندهای بیولوژیکی، شیمیایی و فیزیکی می باشد. این واحد دارای مزایای خاصی از قبیل حذف پاتوزن ها و انگل ها، حذف سلول های جلبکی، کاهش کدورت و مواد آلی طبیعی و رقیق سازی آب زیرزمینی می باشد. عمل حذف بواسطه ترکیبی از اثرات جذب، غربالگری و تجزیه بیولوژیکی صورت می گیرد. صافی بستر رودخانه با کاهش کربن آلی قابل جذب منجر به کاهش پتانسیل رشد بیولوژیکی در آب می شود (شکل 2).

شکل 2- تأثیر صافی بستر رودخانه بر حذف کربن آلی قابل جذب

صافی بستر رودخانه یک منبع آب باکیفیت را برای تصفیه خانه های آب آشامیدنی فراهم می کند که به مواد شیمیایی نیاز کمتری داشته و آبی با کیفیت مطلوب برای آبزیان، کشاورزی، تفریح و سرگرمی تولید می کند. حذف مؤثر ژیاردیا و کریپتوسپوریدیوم در مطالعه پنج صافی بستر رودخانه در ایالات متحده آمریکا به اثبات رسیده است. در هلند تصفیه با صافی بستر رودخانه منجر به کاهش 4 لگارتیم ویروس ها و 5-6 لگارتیم حذف کلی فاژهای  F-specific یک سروتیپ از کلی فاژها می باشد که شاخص آلودگی مدفوعی حیوانی هستند) شده است.

پیش کلرزنی

مرحله پیش کلرزنی گاهی اوقات برای بهبود شرایط واحدهای فرآیندی (فیلتراسیون – انعقاد – لخته سازی)، اکسید کردن مولد رنگ از قبیل هیومیک اسید و کمک به ترسیب آهن و منگنز بکار می رود. اگرچه پیش کلرزنی تا حدودی میکروارگانیسم های پاتوژن را کاهش می دهد ولی ممکن است موجب افزایش احتمال تولید محصولات جانبی گندزدایی شود.

انعقاد – لخته سازی – ته نشینی

انعقاد شامل ناپایداری و برخورد ذرات کلوئیدی (کلوئیدهای معدنی، سلول های میکروبی، ذرات ویروسی) بوده که توسط منعقد کننده ها (نمک های آهن و آلومینیوم) و گاهی اوقات کمک منعقدکننده ها (سیلیکای فعال، بنتونیت، پلی الکترولیت ها، نشاسته) صورت می گیرد. متداولترین منعقد کننده ها شامل آلوم (سولفات آلومینیوم)، کلرید فریک، سولفات فریک و سولفات فروس می باشد. به عنوان مثال آلوم به صورت هیدروکسید آلومینیوم نامحلول رسوب کرده و شکل فلوکی آن موجب حذف کدورت و آلودگی میکروبی میکروبی می شود.

سختی گیری آب

سختی گیری آب به عنوان یک فرآیند در تصفیه آب در اواسط دهه 1700، توسط فرانسیس هوم در اسکاتلند پیشنهاد گردید و اولین پروژه موفق سختی گیری آب در سال 1897 در وینی پگ کانادا اجرا شده است. سختی بدلیل حضور یون های کلسیم و منیزیم در آب می باشد. دو نوع سختی وجود دارد، یکی سختی کربناته که بدلیل حضور کربنات های کلسیم و منیزیم می باشد و دیگری سختی غیرکربناته که بدلیل کلریدهای کلسیم و منیزیم می باشد. سختی عامل افزایش مصرف صابون و تشکیل پوسته درون لوله هاست. سختی گیری آب شامل حذف سختی کلسیم و منیزیم توسط آهک – سودااش یا رزین های تعویض یونی می باشد. فرآیند آهک – سودااش شامل افزودن آهک آبدیده (هیدروکسید کلسیم) و آهک (Cao)، که ماده ای ارزان قیمت است، به آب می باشد. سختی کربناته طبق معادلات زیر حذف می شود:

سختی گیری با استفاده از کربنات کلسیم و هیدروکسید منیزیم، به حذف مواد آلی طبیعی کمک می کند. کاهش مواد آلی طبیعی منجر به کاهش تشکیل ترکیبات هالوژنه در آب آشامیدنی می شود. pH تولیدی بالاتر از 11 توسط سختی گیری با استفاده از آهک نیز موجب غیرفعال سازی باکتری ها و پاتوژن های ویروسی می شود. در طول سختی گیری (pH=11)، پولیوویروس نوع 1 و ویروس هپاتیت Aبطور مؤثری بیش از 95 درصد حذف یا غیرفعال سازی می شوند. پاتوژن های باکتریایی نیز بطور مؤثری در طول فرآیند آهک زنی کاهش می یابند که علت آن افزایش pH تا بالاتر از 11 می باشد. میزان غیرفعال سازی وابسته به دما می باشد.

حذف باکتریایی در طول فرآیند سختی گیری آب به علت 1) غیر فعال سازی میکروبی در pH نامطلوب (pH>11) بواسطه تخریب ساختار و یا غیر فعال سازی آنزیم های ضروری و 2) حذف فیزیکی میکروارگانیسم ها بواسطه جذب روی فلوک های هیدروکسید منیزیم با بار مثبت (رسوب کربنات کلسیم با بار منفی نمی تواند میکروارگانیسم ها را جذب کند) می باشد.

در خصوص رزین های تعویض یونی، حذف یون های کلسیم و منیزیم از آب بواسطه تعویض این یون ها با سدیم موجود در این رزین صورت می گیرد. ویروس ها بوسیله رزین های آنیونی حذف اما توسط رزین های کاتیونی بخوبی حذف نمی شوند. با این حال، رزین های تبادل یونی را نمی توان برای حذف پاتوزن های میکروبی مورد استفاده قرار داد.

فیلتراسیون

فیلتراسیون به صورت عبور سیال از یک بستر متخلخل برای حذف کدورت (جامدات معلق از قبیل خاک رس، ذرات سیلت، سلول های میکروبی) و ذرات فلوک شده تعریف می شود. فیلتراسیون ممکن است شامل فیلتراسیون شنی تند یا کند، خاکی – دیاتومه ای، فیلتراسیون مستقیم، فیلتراسیون غشایی یا فیلتراسیون کارتریجی باشد. این فرآیند بستگی به بستر صافی، غلظت و انواع جامدات حذف شده از صافی و بهره برداری از آن دارد. فیلتراسیون یکی از قدیمی ترین فرآیندهای مورد استفاده در تصفیه آب است. قبل از سال 1685، یک پزشک ایتالیایی به نام لوک آنتونیو پوریزو، سیستم فیلتراسیون را برای حفاظت از سلامت سربازان در طول جنگ مورد استفاده قرار داد. اولین واحد فیلتراسیون پیشرفته سال 1804 در اسکاتلند ساخته شد. یک بررسی گذشته نگر از طغیان بیماری های منتقله از آب (طغیان بیماری وبا و حصبه) در سراسر جهان به وضوح نشان می دهد، فیلتراسیون آب به عنوان یک مانع مؤثر در مقابل میکروارگانیسم های پاتوژن عمل کرده و تا حد زیادی بیماری های منتقله از طریق آب را کاهش می دهد.

شکل 3 کاهش چشمگیر میزان مرگ ناشی از حصبه در شهر آلبانی و نیویورک، پس از نصب صافی شنی و کلرزنی در دهه های اخیر را نشان می دهد.

شکل 3- تأثیر صافی شنی کند در کاهش نرخ مرگ ناشی از تب تیفوئید در آلبانی

صافی شنی کند

صافی شنی کند شامل یک لایه ماسه (با عمق 60-120 سانتی متر) می باشد که با یک لایه شن درجه بندی شده حمایت می شود (با عمق 30-50 سانتی متر). اندازه دانه های شن بین 0/15-0/35 میلی متر متغیر است و بار هیدرولیکی آن 0/04-0/4 متر بر ساعت می باشد.

صافی شنی تند

صافی شنی تند شامل یک لایه ای از شن می باشد که توسط لایه ای از آنتراسیت، گراول یا کلسیت پوشانده شده است. پساب صافی شنی تند توسط یک لایه سیستم زهکشی تحتانی جمع آوری می شود. میزان فیلتراسیون صافی شنی تند 5-24 متر بر ساعت در مقایسه با 0/1-1 متر بر ساعت فیلتراسیون صافی شنی کند می باشد.

فیلتراسیون خاکی – دیاتومه ای

فیلتر خاکی – دیاتومه ای شامل یک دیواره متخلخل می باشد که این دیواره به عنوان پشتیبانی برای لایه پوششی با ضخامت 0/3 سانتی متر که از دیاتومه تشکیل شده است، بکار می رود. پس از تشکیل لایه پوششی، برای کاهش انسداد این لایه و همچنین برای افزایش بهره برداری از آن، بطور پیوسته مقادیر کمی از دیاتومه به آب خام افزوده می شود. این دیاتومه های افزوده شده خوراک یا بذر بستر فیلتر [6] نامیده می شود. میزان فیلتراسیون در محدوده 0/5-2 گالن بر دقیقه فوت مربع می باشد.

کربن فعال

کربن فعال، جاذبی است که از چوب، زغال بیتمینوس، لیگنیت و یا سایر مواد کربنی ساخته می شود و به طور گسترده ای در تصفیه آب و فاضلاب مورد استفاده قرار می گیرد. این جاذب بوسیله فرآیند احتراق و به منظور افزایش مساحت سطح داخلی فعال می شود. این جاذب مساحت سطح کل 500 تا بیش از 1000 مترمربع بر گرم را به منظور جذب طعم، بو و ترکیبات مولد رنگ، کلر اضافی، ترکیبات سمی و جهش زا (شامل تری هالومتان ها)، پیش سازهای تری هالومتان ها، آفت کش ها، ترکیبات فنلی، رنگ مو و فلزات سمی ارائه می دهد.

فیلتراسیون غشایی

فیلتراسیون غشایی به منظور تصفیه آب و همچنین برای حذف محدوده وسیعی از آلاینده ها مورد استفاده قرار می گیرد. فرآیندهای غشایی شامل اسمز معکوس (حذف کاتیون ها، آنیون ها، فلزات، مواد آلی و میکروارگانیسم ها)، نانوفیلتراسیون (عمدتاً باعث حذف یون هایی نظیر کلسیم و منیزیم، مولکول های کوچک و میکروارگانیسم ها می شود)، اولترافیلتراسیون (حذف ذرات کلوئیدی، مولکول های درشت و میکروارگانیسم ها) و میکروفیلتراسیون (برای حذف ذرات با اندازه میکرونی و کوچکتر) می باشد.

نانوتکنولوژی در تصفیه آب

نانوفیبرها (فیبرهای با قطر کمتر از 100 نانومتر) با نسبت سطح به حجم بالا با استفاده از زنجیره های الکترونی پلیمرهایی نظیر پلی اورتان، پلی کربنات، پلی استایرن، پلی آمید، استات سلولز و سایر مواد ساخته می شوند. به منظور غیرفعال کردن پاتوژن ها می توان سطح نانوفیبرها را با افزودن جرم کش ها اصلاح کرد. برای تولید نانوفیلترهای با خصوصیات ضدمیکروبی و همچنین افزایش مقاومت در برابر انسداد بیولوژیکی می توان نانوذرات نقره را به پلیمرها اضافه کرد. می توان از اتصال نانوذرات نقره و دانه های کوپلیمری متاکلریلیک اسید برای گندزدایی استفاده کرد.

گندزدایی

گندزدایی آخرین مانع در برابر ورود عوامل بیماری زا و انگل ها به آب آشامیدنی می باشد. گندزدایی بطور ویژه باعث غیرفعال سازی ارگانیسم های بیماری زا می شود.

[1] xenobiotics

[2] lytic

[3] Roughing filters

[4] Microstrainers

[5] River Bank Filtration

[6] Body reed

برچسب ها : آزمایش آب, آزمایش شیمیایی آب, آزمایش میکروبی آب, آزمایشگاه آب, آزمایشگاه آب آشامیدنی, آزمایشگاه آب استخر, آزمایشگاه آب و فاضلاب, آزمایشگاه معتمد محیط زیست