اهداف انجام پیش تصفیه آب در سیستم اسمزمعکوس

اهداف انجام پیش تصفیه آب در سیستم اسمزمعکوس

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

یکی از اتفاقات نامطلوب و حائز اهمیت در سیستم‌های اسمزمعکوس، گرفتگی ممبران‌ها است.

منظور از گرفتگی (Fouling)، چسبیدن موادی مانند گل و لای، رس، ماسه، ذرات جامد معلق، لجن بیولوژیکی، جلبک، سیلیس، لخته‌های آهن و مانند آن‌ها به سطح غشای ممبران و یا بدتر از آن، نفوذ در داخل حفره‌های آن است. پدیده “گرفتگی”، معمولاً در ممبران‌های ابتدایی مرحله اول سیستم اسمزمعکوس بوجود آمده و بتدریج به ممبران‌های بعدی گسترش پیدا می‌کند.

اهداف انجام پیش تصفیه آب در سیستم اسمزمعکوس

سیستم پیش تصفیه آب شامل :

1. صافی شنی فشاری (حذف مواد معلق و گل ولای)
2. صافی زغالی (حذف رنگ، بو ،کلر آزاد باقی مانده)
3. سختی‌گیر تبادل یونی (عدم رسوب‌گذاری خصوصاٌ رسوبات کربناته و سولفاته روی غشاء)
4. سایر موارد (در صورت نیاز براساس آنالیز آب خام )

عوامل ایجاد گرفتگی در غشای اسمزمعکوس

عوامل ایجاد گرفتگی در غشاهای اسمزمعکوس را می‌توان در قالب سه دسته زیر، تقسیم‌بندی کرد:

– ذرات معلق

– میکروارگانیسم‌ها

– مواد آلی

البته بسته به شرایط عملیاتی سیستم و همین طور شرایط شیمی‌آب، 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 میکروارگانیسم‌ها در تمام نقاط سیستم RO وجود داشته و ممکن است موجب گرفتگی ممبران‌ها در آن نقاط شود. بصورت کلی، گرفتگی ناشی از میکروارگانیسم‌ها و مواد آلی، متداول‌ترین نوع گرفتگی در ممبران‌ها بوده و کنترل آنها در سیستم‌هایی که آب خوراک آن‌ها از آب‌های سطحی و یا پساب تأمین می‌شود، بسیار مشکل است.

یکی دیگر از از مهم‌ترین و شایع‌ترین عوامل مخرب ممبران‎ها، “رسوب‌گذاری” است.

منظور از رسوب‌گذاری (Scaling)، ته‌نشینی و رسوب نمک‌های کم محلول در آب بر روی سطح ممبران است.

مانند سولفات کلسیم، سولفات باریم، کربنات کلسیم، سیلیس، فلورید کلسیم و یا انواع دیگر نمک‌ها.

پدیده رسوب‌گذاری، معمولاً در ممبران‌های انتهایی دستگاه RO اتفاق می‌افتد.

دلیل این موضوع هم، افزایش غلظت املاح آب در این بخش‌ها است.

در رسوب‌گذاری، پس از تشکیل کریستال‌های اولیه نمک روی سطح ممبران، سرعت رسوب و رشد این کریستا‌ل‌ها به سرعت و بصورت تصاعدی افزایش پیدا می‌کند.

با توجه به مطالب فوق، عدم انجام پیش تصفیه مناسب، باعث افزایش تعداد دفعات شستشوی ممبران‌ها می‌شود 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 می‌تواند منجر به کاهش دائمی‌عملکرد و عمر ممبران و استهلاک آن شود.

نقش پیش تصفیه آب

نقش پیش تصفیه یک سیستم RO، رساندن کیفیت آب خوراک به میزان قابل قبول به عنوان آب ورودی به ممبران‌ها 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، چاه‌های ساحلی، آب دریا، آب‌های سطحی و یا پساب‌های 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.

روش‌های مختلف پیش تصفیه آب در سیستم اسمزمعکوس

یک روش و سیستم کامل و جامع قابل استفاده برای تمام دستگاه‌های RO با انواع آب خوراک، وجود ندارد.

سیستم‌های پیش تصفیه، می‌توانند بصورت شیمیایی، مکانیکی و یا ترکیبی از آن‌ها باشند.

در ادامه روش‌های مختلف پیش تصفیه شیمیایی و مکانیکی سیستم‌های اسمزمعکوس در جدوال جداگانه معرفی و تشریح شده‌اند:

 

مواد منعقد کننده / پلیمرهامواد جلوگیری کننده از رسوب (Scale Inhibitor)

هدف	روش مورد استفاده
به عنوان بخشی از فرآیند انعقاد و لخته‌سازی جهت افزایش راندمان جداسازی مواد جامد معلق مورد استفاده قرار می‌گیرند.
این مواد، ضمن ترکیب با مواد محلول، قابلیت انحلال آنها در آب را افزایش می‌دهند. برخی از انواع این مواد نیز نیز با قرار گرفتن روی سطح کریستال‌های رسوب تشکیل شده، از رشد آن جلوگیری می‌کنند.
کمک می‌کنند تا برخی مواد مانند آهن بصورت معلق در آب باقی مانده و رسوب نکنند.	مواد ضد رسوب (Antifoulants)
با کاهش PH، باعث می‌شوند تا امکان رسوب‌گذاری برخی ترکیبات (از جمله کربنات‌ها) روی ممبران کم شود.	اسیدها
باعث حذف کلر پیش از ورود به ممبران می‌شود.	بی سولفیت‌ها

جدول شماره (۳) – روش‌های مختلف پیش تصفیه شیمیایی سیستم‌های اسمزمعکوس

 

 

هدف	روش مورد استفاده
حذف ذرات بزرگ، سنگ و ماسه	صافی توری اولیه
حفاظت از ممبران در برابر ذرات ریز میکرونی	فیلتر کارتریجی
کاهش مواد جامد معلق	کلریفایر
حذف مواد جامد معلق	فیلتر شنی
حدف کلر و مواد آلی	فیلتر کربن فعال
کاهش آهن و منگنز	فیلتر گرین سند
حذف مواد آلی و کاهش فعالیت بیولوژیکی میکروارگانیسم‌ها	ازن
کاهش فعالیت بیولوژیکی میکروارگانیسم‌ها	اشعه ماوراء بنفش
حذف ذرات معلق، مواد آلی و فعالیت بیولوژیکی میکروارگانیسم‌ها	واحد پیش تصفیه متداول (شامل سیستم‌های انعقاد، لخته سازی، ته نشینی و فیلتر شنی)
حذف ذرات معلق و باکتری‌ها و کاهش مواد آلی	میکرو فیلتراسیون (MF) / اولترافیلتراسیون (UF)

جدول شماره (۴) – روش‌های مختلف پیش تصفیه مکانیکی سیستم‌های اسمزمعکوس

معیار قابل قبول بودن عملکرد سیستم پیش تصفیه آب

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

– تعداد دفعات مورد نیاز شستشوی ممبران‌ها به ۳-۴ مرتبه در سال و یا حتی کمتر برسد.

– طول عمر ممبران‌ها به بیش از ۵ سال برسد.

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

درست است که با افزایش دفعات شستشوی ممبران‌ها می‌توان 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، هزینه‌های 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 اسمزمعکوس نخواهد بود.

برای بسیاری از سیستمهای RO شهری که از آب خوراک زیرزمینی با کیفیت بالا استفاده می‌کنند، باز هم استفاده از فیلترهای کارتریجی ۱ تا ۵ میکرون به عنوان یک فیلتر پیش تصفیه، می‌بایست در نظر گرفته شود. زیرا بسیاری از عواملی که باعث ایجاد گرفتگی و یا رسوب‌گذاری در ممبران‌ها می‌شوند، الزاماً به دلیل کیفیت آب خوراک نیستند. به عنوان مثال، ورود ذرات معلق از طریق خطوط لوله انتقال سیمانی، ذرات ناشی از خوردگی در لوله‌های فولادی و آهنی، صدمه دیدگی دیواره چاه، لخته‌های گوگرد ناشی از اکسید شدن سولفید هیدروژن، و یا حتی ذرات باقیمانده از گل حفاری که با گذشت چندین ماه از بهره‌برداری 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 می‌کنند.

اهمیت واحد پیش تصفیه آب در سیستم اسمزمعکوس

هزینه سرمایه‌گذاری و بهره‌برداری یک واحد پیش تصفیه، می‌تواند بیش از ۵۰ درصد مجموع هزینه یک واحد RO بوده و بزرگ‌ترین متغیر هزینه بهره‌برداری و عملکرد سیستم باشد.

غشاهای RO که قادر به جلوگیری از عبور برخی مولکول‌های خاص در محلول هستند، در تماس با مواد آلی و یا مواد معلق جامد ‌می‌توانند در داخل غشا رسوب تولید بنمایند. از این رو حذف این جامدات در غشای RO به منظور اطمینان از وضعیت عملکرد سیستم و نیز جلوگیری از صدمات احتمالی غیر قابل برگشت، مهم است.

انتخاب بهترین سیستم پیش تصفیه به کیفیت آب تغذیه کننده و نوع غشا، شکل و ترکیب آن بستگی دارد.

بنابراین فرایند به کار رفته در یک واحد پیش تصفیه به طور گسترده ای متغیر است.

هر سیستم RO به یک‌فیلتر کارتریج‌به ضخامت۵ تا ۱۰میکرون مجهز است که بلافاصله قبل از پمپ فشار قوی‌قرار ‌می‌گیرد.

فیلتر کارتریج‌تنها برای محافظت‌پمپ و غشا از مواد ریز باقی‌مانده‌که به وسیله‌فیلتراسیون اولیه‌حذف نشده‌اند، استفاده ‌می‌شود.

موارد کاربرد عملیات پیش تصفیه آب

عملیات پیش تصفیه آب به منظور کاهش مشکلات بهره‌برداری از جمله موارد زیر انتخاب ‌می‌شود:

۱- گرفتگی و رسوب کلوییدی

عمده‌ترین مشکل آب تغذیه کننده ناشی از حضور جامدات معلق است. این جامدات براساس اندازه و قابلیت ته نشین شدن آنها، به دو دسته جامدات کلوییدی و غیرکلوییدی دسته بندی ‌می‌شوند. جامدات کلوییدی قطری کوچک تر از ۱ میکرون دارند و طی عملیات ته نشینی قابل حذف ن‌می‌باشند.

اگر چنانچه اجزای کلوییدی دارای بار سطحی خنثی باشند، با افزودن یک ماده شیمیایی منعقد کننده حذف آنها تسهیل ‌می‌شود. ماده منعقد کننده موجب ‌می‌شود تا اجزای کلوییدی به هم چسبیده و در اثر عملیات ته‌نشینی و فیلتراسیون حذف شوند.

جامدات غیرکلوییدی معمولا در طی فرایندهای معمول ته نشینی و فیلتراسیون حذف ‌می‌شوند.

میزان تمایل یک منبع تغذیه کننده به رسوب گذاری و گرفتگی در آن، شاخص تراکم لجن (SDI) نامیده ‌می‌شود. SDI براساس مدت زمانی که نمونه آب از فیلتری به ضخامت ۴۵/۰ میکرون در فشار ثابتی معادل( psi30 )2 بار) جریان ‌می‌یابد، سنجیده ‌می‌شود.

مقادیر SDI بیشتر از ۳ میکرون نشان دهنده این است که آب به عملیات پیش تصفیه اضافی نیاز دارد.

سیستم‌های پیش تصفیه آب که از فیلترهای ریزتر همانند غشاهای میکروفیلتراسیون (MF) و اولترافیلتراسیون (UF) کم فشار استفاده ‌می‌کنند، نتیجه بسیار خوبی در حذف مواد ریزدانه کلوییدی قبل از سیستم RO داشته‌اند. این سیستم‌های MF و UF با جریان بالا، در تما‌می ‌پروژه‌های احیا و استفاده مجدد از فاضلاب، که در آنها فاضلاب خانگی به وسیله RO تصفیه مجدد ‌می‌شود، قابل استفاده است. سیستم میکروفیلتراسیون معمولا مایع تصفیه شده‌ای با SDI بین ۸/۰ تا ۲ تولید ‌می‌کند.

۲- گرفتگی بیولوژیکی

یکی از مهم‌ترین و مشکل‌ترین‌مسائل بهره‌برداری که باید در سیستم‌های RO پیش‌بینی شوند، رشدمیکروب‌ها در سطح غشاء است.

رسوب ناشی از حضور و رشد این میکروب‌ها به گرفتگی بیولوژیکی منسوب است.

تما‌می‌واحدهای تصفیه آب صنعتی و طبیعی دارای دامنه گسترده‌ای از میکروب‌ها شامل باکتریا، پروتوزوا ( تک‌یاختگان ) و جلبک‌ها ‌می‌باشند. این ارگانیسم‌ها به طور قابل توجهی به صورت مواد میکروبی تجمع یافته و در لجن و گل و لای موجود در سطح غشا رشد و نمو ‌می‌کنند. تجمع و رشد مواد میکروبی ممکن است به سرعت شکل گرفته، موجب محدود کردن جریان در غشا گردد. هنگام که تجمع مواد میکروبی در سطح و رسوب‌گذاری در غشا، ممکن است خارج کردن آنها بسیار مشکل و یا ناممکن گردد.

کلرزنی موثرترین روش کنترل گرفتگی بیولوژیکی است.

در بسیاری از سیستم‌ها، به‌منظور کنترل رسوب‌گذاری، میزان‌باقیمانده‌کلر در آب تغذیه کننده در حد ۱ میلی‌گرم در لیتر نگاه‌داشته‌می‌شود.

گاهی اوقات به منظور تصفیه شدید افزایش تا حد ۱۰ میلی‌گرم در لیتر ضروری است.

غشاهای استات سلولزی (CA) قادرند در برابر مقادیر تقریبا بالای کلر، برای مدت کوتاهی مقاومت نمایند. ولی غشاهای پلی‌آمید (PA) مقادیر محسوس کلر را نمی‌توانند تحمیل نمایند. در صورت استفاده از روش کلرزنی در سیستم‌های RO مجهز به غشا PA، کلرزنی صورت گیرد، به کارگیری فرایند کلرزدایی (کاهش کلر) ضروری است.

۳- رسوب‌گذاری

از آنجا که غشای RO مانع از عبور نمک‌ها ‌می‌شود، غلظت نمک در طرفی از غشا، که منبع تغذیه قرار دارد، افزایش ‌می‌یابد.

این امر موجب افزایش و در نتیجه رسوب بعضی از نمک‌ها از حد قابلیت انحلال آنها ‌می‌شود.

رسوب‌گذاری غشا زمانی اتفاق ‌می‌افتد که مقادیری از نمک‌های موجود در آب تغذیه کننده، در سطح غشا رسوب نماید.

هر نمک دارای مشخصات منحصر به فردی است که قابلیت تشکیل رسوب آن را تعیین ‌می‌نماید، اما نمک‌های با قابلیت انحلال کم، نسبت به رسوب گذاری در RO میل شدیدی دارند. معمول‌ترین انواع رسوبات، آنهایی است که با کربنات کلسیم، سولفات کلسیم، سیلیکا، سولفات استرانسیم و سولفات باریم شکل گرفته‌اند.

اگر مقادیر نمک‌ها از حد مجاز قابلیت انحلال تجاوز نماید، انجام مراحل پیش تصفیه آب ضروری است. د

ر اغلب موارد به منظور کاهش میزان غلظت نمک‌ها، کاهش نسبت بازیافت ضروری است.

سایر روش‌های کنترل رسوب، شامل استفاده از بازدارنده‌های شیمیایی رسوب، عامل کمپلکس تنظیم کننده PH و نرم کردن آب ورودی برای کاهش یون‌های کلسیم و منیزیم است.

۴- گرفتگی اسیدی

ترکیبات آهن، منگنز و سولفور، اکسید شده و در صورت حضور اکسیژن در PH ‌های بالا به صورت غیرمحلول و به شکل ماده‌ای ژلاتینی در‌می‌آیند که در غشا رسوب ‌می‌نمایند. در بعضی موارد این مواد عملاً اکسید شده و بدین ترتیب ‌می‌توان آنها را جدا کرد یا این اکسیداسیون را ‌می‌توان با کنترل PH و حذف اکسیژن متوقف کرد.