تصفیه متعارف آب

تصفیه متعارف آب

فهرست:

• اختلاط، انعقاد و لخته سازی
• ملاحظات طراحی اختلاط سریع (Rapid Mixing)
• اختلاط بسیار سریع یا اختلاط در خط
• حوض لخته سازی
• مکانیسم انعقاد و لخته سازی
• حوزه الکترواستاتیکی یک ذره کلوئیدی منفی
• نیروهای جاذبه ذرات کلوئیدی
• مکانیسم ناپایدارسازی کلوئیدها
• کیفیت آب خام و تاثیر آن در کواکولاسیون
• آزمایش جار و مکانیسم کواکولاسیون
• سولفات آلومینیوم یا آلوم
• سولفات فرو و فریک و کلریدفریک
• مقایسه آلوم و کلرید فریک
• کمک منعقد کننده ها
• ته نشینی
• تقسیم بندی سیستم های ته نشینی از نظر بهره برداری
• حوضچه (دانه گیر)
• فرایند شناورسازی با هوای محلول (daf)
• فرایند فلوکولاسیون
• فیلتراسیون یا صاف سازی
• انواع محیط و کاربرد آنها در صافی
• گندزدایی
• و …

تصفیه متعارف، ترکیبی از فرآیندهای اختلاط، لخته سازی، ته نشینی و صاف کردن می باشد. این نوع تصفیه برای فراهم آوردن امکان حذف مؤثر کدورت آب در هر حد و اندازه را مهیا می سازد و موفقیت این تصفیه اصولا به مرحله ته نشینی بستگی دارد که بیشتر ذرات معلق را قبل از ورود آب به صافی ها حذف میکند. بعد از مرحله ته نشینی، آبی که وارد صافی میشود معمولا دارای کدورت ۱۰ تا ۱۵ NTU می باشد.

اختلاط، انعقاد و لخته سازی

در تصفیه خانه های که آب های سطحی را تصفیه مینمایند و مشکل آنها کدورت می باشد، روش متداول حذف کدورت ترسیب شیمیایی کلوئیدها با کمک مواد منعقد کننده یا کواگولانت است و شامل اختلاط سریع، انعقاد و لخته سازی یا فلوکولاسیون (Flocculation)، ته نشینی و صاف سازی است.

هدف از اختلاط سریع، پخش سریع مواد شیمیایی در آب ورودی به تصفیه خانه می باشد. مقدار ماده منعقد کننده و کمک منعقدکننده موردنیاز توسط آزمایش جارتست (Jar Test) تعیین میشود در عمل اختلاط باید سریع انجام شود زیرا هیدرولیز ماده منعقد کننده غالبا فوری (کمتر از چند ثانیه) رخ میدهد و ناپایدار شدن کلوئیدها نیز در زمان بسیار کمی حاصل میشود. دو نوع اختلاط سریع هیدرولیکی (Hydrolic Rapid Miing و اختلاط سریع مکانیکی (Mechanical Rapid Miing) وجود دارد.

ملاحظات طراحی اختلاط سریع (Rapid Miing)

برای کواگولاسیون یکسان، اختلاط کامل لازم است و در نتیجه باید در طراحی واحدهای اختلاط سریع توجه کافی مبذول داشت. در طراحی مخازن اختلاط سریع دو مکانیسم غالب ناپایدارسازی ذرات می بایست در نظر گرفته شود.

الف – جذب سطحی و خنثایی بار

ب – به دام افتادن ذرات در میان رسوبات یا انعقاد جارویی است مثل تشکیل  (Al(OH3 و ( Fe(OH3 واکنش الف بسیار سریع بوده و در مدت زمان میکروثانیه بدون تشکیل پلیمر و و اگر پلیمر تشکیل شود، حدود یک ثانیه انجام میگیرد. واکنش (ب) آهسته بوده و در مدت زمان بین ۷-۱ ثانیه اتفاق می افتد.

پارامترهای مورد نیاز جهت طراحی حوضهای اختلاط سریع عبارتند از: زمان اختلاط (t)، گرادیان سرعت (G) حجم حوض اختلاط (V)، ویسکوزیته آب و انرژی (P) مورد نیاز برای اختلاط کواگولانت با آب می باشد. مهمترین پارامترها، زمان و گرادیان سرعت می باشد. گرادیان سرعت، معیاری از سرعت نسبی دو ذره سیال و فاصله بین آنهاست. مثلا دو ذره با سرعت نسبی ۱m/s و فاصله ۰.۱ متر، گرادیان سرعت 10^s-1 خواهد بود. با وجود این، مفهوم مفیدتر گرادیان سرعت، بر حسب تحلیل انرژی در واحد حجم داده می شود و برای همزنهای پنوماتیک یا مکانیکی مطابق معادله زیر است.

معادله (۱)

که در آن

G = گرادیان سرعت یا شدت به هم زنی بر حسب Sec^-1

V = حجم مخزن اختلاط m3

P = انرژی ورودی، وات ( N/m.s)

μ= ویسکوزیته آب، ( N/m.s / m3)

اختلاط سریع به طرق مختلفی انجام می شود، اما در طرح های جدید از تانکهای اختلاط با پره (back mi) با اختلاط کننده های تعبیه شده در مسیر ( in – Line flash) استفاده می شود.

مخازن اختلاط در ارقام G بین ۷۰۰ تا ۱۰۰۰ و زمان اختلاط Sec ۱۰ – ۶۰ عمل می کنند. بهترین واحد مخازن اختلاط، مخازن مربعی پره دار می باشند. واحد مؤثرتری ممکن است تانک مربعی با پره و تیغه مسطح باشد و مقادیر G و t به صورت زیر می باشد.

حاصلضرب G×t در اختلاط سریع عبارتند از:

۳۰۰۰۰ – ۲۰۰۰۰ ≅ Gt

بعضی از مراجع (نظیر کتاب استیل) Gt را برای اختلاط سریع بین ۳۰۰۰۰ تا ۶۰۰۰۰ و زمان ماند را معمولا ۶۰ تا ۱۲۰ ثانیه (حدود ۲ دقیقه) بیان داشتند.

اختلاط بسیار سریع (Blenders) یا اختلاط در خط ( in- line blender)

این اختلاط را میتوان مستقیما در خط لوله قرار داد که به این نوع مخلوط کن ها را in-line blender یا in – line mixer می گویند. این نوع اختلاط بسیار سریع برای آبهای با کدورت بالا و قلیائیت بالا بسیار مناسب می باشند. زمان ماند آنها کمتر از یک ثانیه (معمولا ۰.۵ ثانیه) و G آنها بین ۳۰۰۰ تا ۵۰۰۰۰ 1-Sec می باشد.

این نوع مخلوط کن ها باعث اختلاط سریع و أني با کمترین اتصال کوتاه میشود و هزینه آن با توجه به حذف تسهیلات معمول مخازن اختلاط سریع کاهش می یابد.

حوض لخته سازی (Flocculation)

هدف از حوض لخته سازی یا اختلاط آرام یا فلوکولاسیون آن است که ذرات ریزی که در حوضچه های اختلاط سریع ناپایدار شده اند به همدیگر نزدیک نموده تا با ایجاد لخته یا فلوک (Floc) وزن آنها افزایش یافته و بتوانند در حوض ته نشینی، ته نشین و حذف گردند یا این که در عمل فیلتراسیون گرفته شوند. بنابراین هدف حوض اختلاط آرام یا فلوکولاسیون تشکیل فلوک است در حالی که هدف حوض اختلاط سریع، ناپایدار کردن ذرات کلوئید می باشد. لخته سازها نیز همانند اختلاط سریع به صورت هیدرولیکی و مکانیکی تقسیم می شوند.

لخته سازهای مکانیکی هم به دو دسته با محور عمودی و افقی تقسیم بندی می شوند. در طراحی لخته سازها همانند اختلاط سريع أو G مهم هستند و از همان رابطه اختلاط سریع استفاده میشود. یکی از پارامترهای طراحی برای فلوکولاسیون عدد بی بعد Gt است که بین 10⁴ تا 10⁵ می باشد. به طور کلی زمان اختلاط آرام(t)  ۳۰ تا ۴۰ دقیقه و G از ۱۰ تا ۱-۷۵ Sec متغیر می باشد و بعضی از مراجع زمان اختلاط آرام را تا ۶۰ دقیقه بیان داشتند. سرعت جریان در این حوضچه ها از ۰.۳ تا ۰.۴۵ متر در دقیقه متغیر است.

معیارهای طراحی حوض اختلاط أرام مکانیکی و هیدرولیکی در جدول ۱ آمده است.

Gt=10⁴ – 10⁵

هر چه مقدار G زیاد و زمان کوتاه باشد لخته ها کوچک و متراکم تر تولید می شوند ولی در صورتی که مقدار کم و زمان طولانی باشد، لخته های تولیدی سبکتر و بزرگتر می باشد. چون لخته های بزرگ و فشرده در حوض های ته نشینی، ساده تر حذف می شوند. ممکن است تغییر مقدار G در طول حوض فلوکولاسیون سودمند باشد. حوضچه های لخته ساز اغلب برای لخته سازی تنزلی (tapered) طراحی می شوند یعنی جریان در طول حوضچه با کاهش G اعمال شده مواجه می شود. در لخته سازی تنزلی G در طی اول حوضچه زیاد، در بعدی متوسط و در آخر حداقل است. در این شرایط تولید سريع لخته های ریز و متراکم که در مقادیر و کمتر در مراحل بعدی به لخته های بزرگ و متراکم با سرعت ته نشینی زیاد تبدیل می شوند، ایجاد خواهد شد. عدد G برای فلوکولاتورهایی که به طرز مکانیکی حرکت داده می شوند به طریق زیر محاسبه می شوند. اول انرژی ورودی تعیین می شود.

معادله (۱)

P=DVp

P= انرژی ورودی، وات N.m/s

D= نیروی بازدارنده روی پردها، N

Vp= سرعت پره ها، m/s

جدول 1. معیارهای طراحی واحد فلوكولاسیون

*مراحل فلوکولاسیون، مراحل فلوکولاسیون، تعداد کانال در اختلاط هیدرولیکی با تعداد محورهای افقی فلوکولاتور مکانیکی می باشد.

سرپره و دیگر ساختارها در فلوکولاتور باید 0.3 متر باشد تا از بوجود آمدن محل های با گرادیان سرعت بیش از حد جلوگیری شود.

مکانیسم انعقاد و لخته سازی

مشخصات کلوئیدها

ذرات کلوئیدی که بخش مهمی از ذرات غیر قابل ته نشینی هستند، معمولا در محدوده یک میلی میکرون (10^-6 mm) تا یک میکرون ( mm 10^-3) و ذرات فوق کلوئیدی در محدوده یک میکرون تا ۱۰۰ میکرون قرار میگیرند. در این دامنه اندازه ذرات ویژگیهای نظیر سرعت ته نشینی ناچیز دارند.

ذرات کلوئیدی دارای بار الکتریکی هستند. کلوئیدها دارای یک سطح بی نهایت بزرگ بر حسب واحد حجم ذرات هستند یعنی دارای سطح ویژه بزرگی می باشند. به خاطر سطح بزرگ، کلوئیدها متمایل به جذب موادی مانند مولکول های آب و يونها از آب محیط خود می باشند. همچنین کلوئیدها نسبت به محیط آبی خود دارای یک بار الکترواستاتیکی هستند.

مواد جامد کلوئیدی در آب را می توان بر اساس میل کششی آنها نسبت به آب، آبدوست (هیدروفیل) و آب گریز (هیدروفوب) تقسیم بندی کرد.کلوئیدهای آب دوست به لحاظ وجود گروههای قابل انحلال در آب روی سطح خود، میل کششی به آب دارند. بعضی از این گروهها عبارتند از: آمینو، کربوکسیل سولفونیک و هیدروکسیل می باشند. چون گروه های فوق میل به انحلال در آب دارند، هیدراته شدن را ترجیح داده و سبب بوجود آمدن یک لایه نازک آب بر سطح کلونید هیدروفیل میشود. اغلب این لایه آب یا فیلم را آب هیدراته يا أب چسبیده (bound water) می نامند.

معمولا کلوئیدهای آلی مانند پروتئین ها و محصولات تجزیه آنها، أب دوست هستند. کلوئیدهای هیدروفوبی، میل ترکیبی ناچیزی به آب دارند و در نتیجه فیلم آب یا آب هیدراته محصولی بر سطح آنها تشکیل نمی شود. معمولا کلوئیدهای معدنی مانند مواد رسی، آبگریز می باشند. ذرات کلوئیدی نیروهای الکترواستاتیکی دارند که این نیروها در بقاء یک پراکندگی کلوئیدی مهم می باشند. راههایی که ذرات کلوئیدی باردار می شوند عبارتند از:

الف – تغییر در ساختمان کریستالی ذرات: ذره سیلیسی وقتی که تبادل یونی انجام میدهد مثلا آلومینیوم جایگزین می شود. هنگامی که آلومینیوم سه ظرفیتی جای Si را گرفت. ذره دارای بار منفی می شود (شماتیک الف).

ب- جذب بعضی از یون ها روی سطح ذره: معمولا کلوئیدها، آنیونها را گرفته و دارای بار منفی می شوند.

ج – یونیزاسیون سطحی ذرات (انحلال یونی): مثلا در مورد پروتئینها که از اسید آمینه تشکیل شده اند و در حالت خنثی (۶.۵ – ۴ = pH) بصورت R می باشند.

که این نقطه خنثی را ایزوالکتریک می گویند. اگر pH تغییر کند باعث میشود که ذره از حالت خنثی به حالت باردار تبدیل شود.

ادامه مطلب را با دانلود فایل پیوستی مشاهده کنید.

حتما بخوانید:

⇐ دانلود کتاب تصفیه آب

⇐ تصفیه آب های سطحی