روشهای حذف فلزات سنگین از آب

وجود یون های فلزات سنگین از سری عناصر واسطه مانند: مس، آهن، نیکل و سرب و….. در محیط زیست به دلیل سمی بودن آنها برای بسیاری از فرم های حیات، موضوعی مهم است. برخلاف آلوده کننده های آلی که اکثر آنها مستعد تخریب بیولوژیکی هستند، یون های فلزی به محصولات نهایی بی ضرر تبدیل نمی شوند. آلودگی فلزات سنگین در جریان پسماند آبی بسیاری از صنایع مانند آبکاری فلزات، استخراج معدن، مراکز دباغی، نقاشی، تولید رادیاتور ماشین و همچنین در منابع کشاورزی که در آنها به مقدار زیاد از کودها و اسپری های قارچ کش استفاده می شود، وجود دارد. بنابراین در یک روش موثر، حذف فلزات سنگین از آب و فاضلاب به روش اکولوژیکی بسیار مهم است.

طیف وسیعی از فلزات سنگین می توانند در آب یافت شوند، اما رایج ترین آنها عبارتند از:

• سرب (Pb): از سرب در باتری ها، رنگ ها، گلوله ها و سایر محصولات استفاده می شود. قرار گرفتن در معرض سرب می تواند باعث آسیب به مغز، سیستم عصبی و سایر اندام ها شود.
• کادمیوم (Cd): از کادمیوم در باتری ها، روکش فلزات و پلاستیک ها استفاده می شود. قرار گرفتن در معرض کادمیوم می تواند باعث آسیب به کلیه ها، ریه ها و استخوان ها شود.
• مس (Cu): مس به طور طبیعی در سنگ ها و خاک ها یافت می شود و در لوله کشی، سیم کشی و سایر محصولات استفاده می شود. غلظت های بالای مس می تواند باعث مشکلات گوارشی، تهوع و استفراغ شود.
• نیکل (Ni): از نیکل در روکش فلزات، فولاد ضد زنگ و باتری ها استفاده می شود. قرار گرفتن در معرض نیکل می تواند باعث تحریک پوست، آسم و سایر مشکلات تنفسی شود.
• روی (Zn): روی به طور طبیعی در سنگ ها و خاک ها یافت می شود و در گالوانیزه کردن فلز، لاستیک و محصولات دیگر استفاده می شود. غلظت های بالای روی می تواند باعث تهوع، استفراغ و اسهال شود.
• علاوه بر این فلزات سنگین رایج، فلزات سنگین دیگری مانند آرسنیک، جیوه، سلنیوم و کروم نیز می توانند در آب یافت شوند.

تکنولوژی های پذیرفته شده بسیاری برای بازیابی فلزات از فاضلاب وجود دارد که شامل رسوب دادن شیمیایی، شناورسازی، جذب بیولوژیکی، بازیابی الکترولیتی، جداسازی غشایی، حذف به وسیله جذب در سطح مواد معدنی و جذب در سطح کربن فعال است. کربن فعال علی رغم کاربرد فراوانش، ماده گران قیمتی است که هرچه کیفیت آن بالاتر باشد قیمت آن نیز بیشتر است. همچنین کربن فعال به عوامل کمپلکس دهنده برای بهبود حذف مواد غیرآلی نیاز دارد.

مضرات وجود فلزات سنگین در آب

وجود فلزات سنگین در آب آشامیدنی تهدیدی جدی برای سلامتی انسان به شمار می رود. قرار گرفتن طولانی مدت در معرض این فلزات، حتی در سطوح پایین، می تواند منجر به عوارض جانبی متعددی شود:

• آسیب به ارگان ها: فلزات سنگین می توانند با گذشت زمان در بدن تجمع یافته و باعث آسیب به اندام های حیاتی مانند کبد، کلیه و مغز شوند. این تجمع می تواند منجر به کاهش عملکرد و نارسایی احتمالی اندام شود.
• اثرات عصبی: فلزات سنگین می توانند سیستم عصبی را مختل کنند و منجر به مشکلات رشدی در کودکان، کاهش توانایی های ذهنی در بزرگسالان و افزایش خطر ابتلا به بیماری های عصبی  مانند آلزایمر شوند.
• سرطان: برخی از فلزات سنگین مانند آرسنیک و کروم با افزایش خطر ابتلا به انواع سرطان ها مرتبط بوده اند.
• مشکلات تولید مثل: فلزات سنگین موجود در آب و فاضلاب می توانند بر سلامت باروری زنان و مردان تأثیر منفی بگذارند و به طور بالقوه منجر به ناباروری یا نقص های مادرزادی شوند.

روش های حذف فلزات سنگین از آب

روشهای حذف فلزات سنگین از آب و فاضلاب عبارتند از :

• رسوب دهی شیمیایی
• تعویض یون
• جذب سطحی
• فیلتراسیون غشایی
• روش های بیولوژیکی
• فتوکاتالیز
• الکترودیالیز (انعقاد الکتریکی)

در ادامه به توضیحات بیشتر درباره روش‌های حذف فلزات سنگین از آب همراه با برخی نکات اضافی پرداخته شده است.

رسوب دهی شیمیایی

این روش به طور گسترده برای حذف انواع فلزات، به خصوص زمانی که غلظت اولیه آنها زیاد است، کاربردی و مؤثر است. در این روش، مواد شیمیایی مانند آهک، سولفیدها یا هیدروکسیدها اضافه می شوند که باعث می شوند فلزات حل شده رسوباتی غیرقابل حل تشکیل دهند که به راحتی قابل فیلتر کردن هستند.

انتخاب مواد شیمیایی بستگی به نوع فلزی دارد که هدف قرار می دهید، زیرا فلزات مختلف با رسوب دهنده های متفاوتی واکنش نشان می دهند. در حالی که این روش از نظر اقتصادی به صرفه است، انتخاب رسوب دهنده های سازگار با محیط زیست و دفع مناسب لجن فلزی حاصل شده بسیار مهم است.

تعویض یون

این روش از رزین هایی حاوی یون های باردار استفاده می کند که با یون های فلزات سنگین موجود در آب تبادل می شوند. سپس رزین حاوی فلز از آب تصفیه شده جدا می شود و اغلب می توان آن را برای استفاده مجدد احیا کرد.

این روش برای حذف طیف وسیعی از فلزات، با قابلیت انتخاب بالایی برای اهداف خاص، موثر است. با این حال، هزینه های اولیه راه اندازی و احیای رزین برای کاربردهای بزرگ مقیاس می تواند قابل توجه باشد.

جذب سطحی

این روش از ماده ای با سطح بالایی استفاده می کند که یون های فلزات سنگین را از طریق نیروهای شیمیایی یا فیزیکی ضعیف جذب و نگه می دارد. کربن فعال به دلیل ساختار متخلخل گسترده اش یک انتخاب محبوب است، اما مواد دیگری مانند برخی رس ها، زئولیت ها و رزین های مصنوعی نیز می توانند مؤثر باشند.

جذب سطحی روشی کارآمد و نسبتاً ساده برای اجرا است، اما برای حفظ اثربخشی آن، باید به طور دوره ای جاذب تعویض یا احیا شود.

فیلتراسیون غشایی

این روش از غشاهای نیمه تراوا استفاده می کند که به مولکول های آب اجازه عبور می دهند و در عین حال آلاینده های بزرگتر، از جمله فلزات سنگین را مسدود می کنند. فناوری های مختلف غشایی وجود دارد که برخی از آنها به طور خاص برای حذف مؤثر فلزات حل شده طراحی شده اند.

اسمز معکوس (RO) یک نمونه رایج است، اما از تکنیک های دیگری مانند نانوفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون نیز می توان استفاده کرد. فیلتراسیون غشایی می تواند به نرخ حذف عالی دست یابد و برای طیف وسیعی از فلزات سنگین قابل اجرا است. با این حال، این روش ممکن است برای حذف مواد جامد معلق که می تواند غشاها را مسدود کند، نیاز به مراحل پیش تصفیه داشته باشد و فرآیند آن می تواند پرمصرف باشد.

روش های بیولوژیکی

روشی نوظهور که از توانایی طبیعی برخی میکروارگانیسم ها (مانند باکتری ها، قارچ ها یا جلبک ها) یا مواد بیولوژیکی برای جذب و انباشت فلزات سنگین استفاده می کند. این روش راه حلي سازگار با محیط زیست و بالقوه کم هزینه برای حذف فلزات سنگین ارائه می دهد.

با این حال، روش های بیولوژیکی هنوز در حال توسعه هستند و ممکن است برای همه انواع فلزات سنگین یا سناریوهای با غلظت بالا مناسب نباشند. علاوه بر این، اثربخشی آن می تواند تحت تأثیر عواملی مانند سرعت رشد و تحمل فلز عامل بیولوژیکی انتخاب شده قرار گیرد. پیشنهاد میکنیم برای کسب اطلاعات بیشتر مقاله تصفیه بیولوژیکی فاضلاب را مطالعه نمایید.

حذف فلزات سنگین از آب با روش فتوکاتالیز

فتوکاتالیز یک فرآیند شیمیایی است که از نور برای فعال کردن یک کاتالیزور برای تسریع واکنش های شیمیایی استفاده می کند. در زمینه حذف فلزات سنگین از آب، از فتوکاتالیز برای تجزیه مولکول های فلزات سنگین به ترکیبات بی ضررتر مانند یون های فلزی و دی اکسید کربن استفاده می شود.

مراحل فرآیند فتوکاتالیز به ترتیب زیر است:

• جذب نور: یک کاتالیزور فتوکاتالیست، مانند دی اکسید تیتانیوم (TiO2)، نور را جذب می کند. این نور انرژی لازم برای ایجاد جفت های الکترون-حفره را فراهم می کند.
• ایجاد رادیکال های آزاد: جفت های الکترون-حفره ایجاد شده در کاتالیزور می توانند با مولکول های آب واکنش داده و رادیکال های آزاد هیدروکسیل و سوپراکسید تولید کنند.
• اکسیداسیون فلزات سنگین: رادیکال های آزاد بسیار واکنش پذیر هستند و می توانند به فلزات سنگین حمله کرده و آنها را به یون های فلزی اکسید کنند.
• تجزیه مولکول های آلی: رادیکال های آزاد همچنین می توانند مولکول های آلی موجود در آب را تجزیه کنند.
• رسوب یون های فلزی: یون های فلزی اکسید شده می توانند با سایر یون ها یا مولکول ها رسوب کرده و از آب جدا شوند.

حذف فلزات سنگین با روش الکترودیالیز

الکترودیالیز (ED) یک روش جداسازی غشایی است که از میدان الکتریکی برای انتقال یون ها از طریق غشاهای نیمه تراوا استفاده می کند. این روش می تواند برای حذف فلزات سنگین از آب، به ویژه در مواردی که غلظت فلزات سنگین کم تا متوسط ​​باشد، موثر باشد.

در فرآیند الکترودیالیز، آب حاوی فلزات سنگین بین دو الکترود قرار می گیرد و توسط غشاهای نیمه تراوا به محفظه های جداگانه تقسیم می شود. هنگامی که جریان الکتریکی اعمال می شود، یون های فلزات سنگین (کاتیون ها) به سمت کاتد (الکترود منفی) جذب می شوند، در حالی که آنیون ها (مانند کلرید، سولفات و نیترات) به سمت آند (الکترود مثبت) حرکت می کنند. یون های آب (H+ و OH-) نیز تحت تاثیر میدان الکتریکی قرار می گیرند، اما به دلیل سرعت کم حرکت آنها، به طور قابل توجهی از غشاها عبور نمی کنند.

انتخاب بهترین روش بهینه برای حذف فلزات سنگین از آب و فاضلاب

انتخاب روش بهینه برای حذف فلزات سنگین به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله:

• نوع خاص و غلظت فلزات سنگین موجود در آب: هر نوع فلز سنگین خواص شیمیایی و فیزیکی خاص خود را دارد که بر اثربخشی روش های مختلف حذف تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، برخی از فلزات به راحتی با رسوب دهنده های شیمیایی رسوب می کنند، در حالی که برخی دیگر ممکن است به روش های جذب سطحی یا تبادل یونی پاسخ بهتری نشان دهند. غلظت فلزات سنگین نیز مهم است، زیرا برخی از روش ها برای حذف غلظت های بالا مناسب تر از غلظت های پایین هستند.
• سطح مورد نظر برای تصفیه و بازده حذف مورد نیاز: در برخی موارد، ممکن است فقط حذف یک بخش قابل توجهی از فلزات سنگین برای رسیدن به استانداردهای کیفیت آب کافی باشد. در حالی که در موارد دیگر، ممکن است حذف کامل فلزات سنگین ضروری باشد. انتخاب روش مناسب به سطح مورد نظر تصفیه و بازده حذف مورد نیاز بستگی دارد.
• حجم آبی که باید تصفیه شود (کاربردهای صنعتی در مقابل خانگی): روش های مختلف حذف فلزات سنگین برای مقیاس های مختلف مناسب هستند. برخی از روش ها برای تصفیه حجم زیادی از آب در کاربردهای صنعتی مناسب تر هستند، در حالی که برخی دیگر برای تصفیه حجم کمتری از آب در کاربردهای خانگی مناسب تر هستند.
• ملاحظات اقتصادی، از جمله هزینه های اولیه راه اندازی، هزینه های بهره برداری و نگهداری، و الزامات دفع برای هر محصول زائد تولید شده: هزینه های مرتبط با روش های مختلف حذف فلزات سنگین می تواند به طور قابل توجهی متفاوت باشد. در هنگام انتخاب روش مناسب، باید هزینه های اولیه راه اندازی، هزینه های عملیاتی و نگهداری، و همچنین هزینه های دفع هر محصول جانبی تولید شده را در نظر گرفت.
• ردپای محیطی و پایداری روش انتخاب شده: برخی از روش های حذف فلزات سنگین می توانند اثرات زیست محیطی قابل توجهی داشته باشند. به عنوان مثال، برخی از روش ها ممکن است از مواد شیمیایی مضر یا تولید ضایعات خطرناک استفاده کنند. هنگام انتخاب روش مناسب، باید ردپای محیطی و پایداری روش انتخاب شده را در نظر گرفت.

منابع اصلی آلودگی آب با فلزات سنگین

منابع اصلی آلودگی آب آشامیدنی با فلزات سنگین را می توان به دو دسته کلی تقسیم کرد:

منابع ناشی از فعالیت های انسانی (آنتروپوژنیک):

• آلاینده های صنعتی: فعالیت های صنعتی مانند معدن، پالایش فلزات، تولیدات کارخانه ای و دفع زباله از عوامل اصلی آلودگی آب با فلزات سنگین هستند. این فرآیندها می توانند آلاینده هایی حاوی فلزات سنگین را وارد محیط زیست کنند که سپس وارد آبراه ها شده و یا به منابع آب زیرزمینی نفوذ می کنند.
• روش های کشاورزی: استفاده از برخی سموم دفع آفات، علف کش ها و کودهای شیمیایی در کشاورزی می تواند باعث ورود فلزات سنگین به محیط زیست شود. این آلاینده ها سپس می توانند از طریق روان آب یا نفوذ به منابع آب زیرزمینی به منابع آب برسند.
• فرسودگی زیرساخت ها: خوردگی زیرساخت های قدیمی آب، به ویژه لوله های سربی که به طور معمول در ساختمان های قدیمی یافت می شوند، می تواند منجر به ورود سرب به آب آشامیدنی شود. این موضوع به ویژه در مناطق شهری قدیمی نگران کننده است.

منابع طبیعی:

• آلودگی زمین شناسی: فرآیندهای طبیعی زمین شناسی می تواند باعث هوازدگی و فرسایش سنگ ها و ذخایر معدنی حاوی فلزات سنگین شود. این فلزات سپس می توانند حل شده و به منابع آب زیرزمینی نفوذ کنند. این موضوع در مناطقی که از نظر زمین شناسی زیربنایی دارای سطوح بالای فلزات سنگین خاصی هستند، نگران کننده است.

حذف فلز کروم از فاضلاب صنعتی

احیاء کروم شش ظرفیتی از مجموع ظرفیت های شش و سه و در نتیجه ترکیب هیدروکسیدی یون کروم سه ظرفیتی روش رایج کنترل کروم شش ظرفیتی می باشد. تکنیک تصفیه احیاء استاندارد، کاهش PH زائدات به حدود 3-2 با استفاده از اسیدلولفوریک می باشد و سپس تبدیل کروم شش ظرفیتی به سه ظرفیتی با عوامل احیاء کننده نظیر دی اکسید سولفور، بی سولفیت سدیم، متابی سولفیت یا هیدروسولفیت یا سولفات فرو است.

پس از آن کروم سه ظرفیتی با استفاده از ترتیب هیدروکسیدی حذب می شود. استفاده از دی اکسید سولفور به عنوان یک عامل احیاء کننده در حذف ضایعات حاوی کروم رایج ترمی باشد. کروم سه ظرفیتی به شکل هیدروکسید کرومیک با استفاده از آهک یا سودسوزآور یا روش تبادل یونی حذف می شود.

شرکت مهندسی فراب زیست فراز طراح و مجری انواع سیستم های تصفیه فاضلاب صنعتی و حذف فلزات سنگین با بهره گیری از تکنولوژی های نوین می باشد. لطفا جهت کسب اطلاعات بیشتر با ما تماس حاصل فرمایید.

وجود ازت و فسفر زیاد در فاضلاب تصفيه شده زمانی مشکل ساز می شود که این فاضلاب به يک جريان آب سطحی با دبی کم يا اکوسيستم حساس تخليه شود. از مهمترین اثرات نامطلوب گزارش شده از حضور مواد زائد فسفر دار میتوان به کاهش اکسیژن محلول در آبهای پذیرنده، ایجاد خاصیت سمی برای زندگی آبزیان، وقوع پدیده یوتریفیکاسیون (رشد بیش از حد جلبک ها و گیاهان آبزی) اشاره کرد.

روش های شیمیایی حذف فسفر از فاضلاب

• افزایش نمکهای فلزی (آهن و آلومینیم)
• افزودن آهک

با استفاده از نمکهای فلزی بین ۸۰ تا ۹۰ درصد حذف فسفر فراهم می شود . به منظور رساندن غلظت فسفر تا ۱ میلی گرم در لیتر استفاده از نمکهای فلزی همراه با زلالساز توصیه می شود. از این طریق در صورت بهینه بودن عملیات زلالسازی غلظت فسفر در خروجی تا ۱ میلی گرم در لیتر و همچنین غلظت TSS تا کمتر از ۱۵ میلی گرم در لیتر کاهش خواهند یافت. به منظور رساندن پیوسته غلظت فسفر تا ۰٫۵ میلی گرم در لیتر انجام فیلتراسیون فاضلاب تصفیه شده توصیه می شود. افزودن آهک هم می تواند به تانک ته نشینی اولیه و هم خروجی زلالساز ثانویه انجام شود. سیستمهای افزودن آهک به منظور حذف فسفر به دو صورت می باشند:

1- سیستم تک مرحله ای با مصرف کم آهک

2- سیستم دو مرحله ای با مصرف زیاد آهک

نکته مهم در سیستمهای تزریق آهک مستلزم اعمال کنترل دقیق بر pH و فرآیند اختلاط می باشد.

روشهای بیولوژیکی حذف فسفر از فاضلاب

این روشها عمدتا تکنیکهای تغیر شکل یافته ای از فرایند لجن فعال می باشند که شامل فرآیند فوستریپ (phostrip ) میباشد.

تنها فرایند بیولوژیکی حذف فسفر است که در مسیر جریان لجن برگشتی یک ناحیه بی هوازی منظور شده است. ۲۰تا ۳۰ درصد از جریان لجن برگشتی وارد تانک بی هوازی آزاد کننده فسفر می شود. فسفر در این تا نک آزاد می شود و سپس همراه جریان سرباره راهی تانک ترسیب شیمیایی شده و در آنجا با افزودن آهک به طریق شیمیایی رسوب داده می شود. در این سیستم چون تنها بخشی از جریان فاضلاب در معرض تصفیه شیمیایی قرار می گیرد ، مقدار آهک مصرفی نسبت به سیستمهای صرف آهکزنی کمتر بوده و لجن تولیدی کمتر است.

روشهای بیولوژیکی حذف فسفر در تصفیه آب و فاضلاب

فرآیند اصلاح شده باردن فو (modified bardenpho process)

این فرایند به منظور حذف نیتروژن و فسفر طراحی شده است. در این سیستم برگشت لجن از مراحل بی هوازی به مرحله آنوکسیک درون برگشت می شود.

فرایند A2O

در وهله نخست به منظور حذف فسفر طراحی شده است ولی به منظور انجام نیتریفیکاسسون هم استفاده می شود. با قطع عمل هوادهی در بالا دست تانک هوادهی منطقه ای بیهوازی ایجاد می شود.

فرایند (UCT (university of capetown

به منظور حذف نیتروژن و فسفر طراحی شده است روشهای بیولوژیکی حذف فسفر فرایند UCT

فرایند SBR ( sequencing batch reactor)

با اعمال تغییراتی در سیستم SBR متعارف از طریق افزودن دو مرحله بیهوازی و هوادهی امکان حذف فسفر فراهم می شود. شامل ۵ مرحله : ۱- مرحله پر شدن ۲- مرحله اختلاط بی هوازی ۳- مرحله هوادهی ۴ – مرحله ته نشینی ۵ – مرحله تخلیه

به جز فرایند فوستریپ در سایر فرایندهای بیولوژیکی حذف فسفر ،میزان حذف فسفر به نسبت BOD/P در فاضلاب ورودی بستگی دارد.در صورتی که نسبت BOD/P در رنج مطلوب باشد فرایند های A/O و UCT و فرایند اصلاح شده باردن فو و فرایندهای اصلاح عملیاتی لجن فعال می توانند مقدار فسفر را در خروجی به ۱ الی ۲ میلی گرم در لیتر برسانند.

برای رساندن غلظت فسفر تا حدود فوق حداقل نسبت TBOD/TP می بایست برابر با ۲۰ به ۱ ونسبت SBOD/SP بین ۱۲ به ۱ و ۱۵ به ۱ باشد. در صورت نیاز به تصفیه بیشتر بایستی فرایند زلالسازی را به نحوی بهینه کرد تا مقدار TSS در خروجی تا کمتر از ۲۰ میلی گرم در لیتر کاهش یابد و یا اینکه از سیستم فیلتراسیون استفاده کرد.

برای تمامی سیستمهای یاد شده اکیدا توصیه می شود که با انجام آزمایشات در مقیاس پایلوت عملکرد هر سیستم را بسته به نوع فاضلاب تعیین نمود و بهترین سیستم را مشخص کرد.