مقایسه چرخه حیات بیولوژی فیلترهای معمولی و زیستی

به گزارش زیست آنلاین، فیلتراسیون زیستی که باعث تجزیه بیولوژیکی ماده آلی می‌شود، به عنوان یک جایگزین برای فیلتراسیون معمولی در تصفیه آب آشامیدنی می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. برای مقایسه و شناسایی اثرات زیست‌محیطی و عملکرد این دو نوع فیلتراسیون، روش ارزیابی چرخه حیات زیست ‌محیطی استفاده شده است.

آب آشامیدنی با بسیاری از چالش‌هایی مانند تنزل کیفیت منابع آب و مقررات سختگیرانه روبرو می‌باشد. غلظت آلاینده‌ها به خصوص مواد آلی، روز به روز در منابع آبی افزایش می‌یابد، زیرا استفاده از منابع آبی غیر متدوال تراکم جمعیت رو به افزایش می‌باشد. واحدهای تصفیه‌کننده در حال تلاش برای تغییر فرایندهای تصفیه آب هستند تا چالش‌های موجود برطرف شوند و بهبود کیفیت آب آشامیدنی حاصل شود، اما این کار معمولاً شامل هزینه‌های بالاتر و پیچیدگی‌های عملیاتی و فرایندی می‌شود. به عنوان مثال، یک تصفیه‌خانه آب و فاضلاب، فرایندهای تصفیه معمولی را که شامل انعقاد شیمیایی، لخته‌سازی، ترسیب، فیلتراسیون و گندزدایی است را باید تغییر ‌دهد و هزینه‌های اضافی را صرف تکنولوژی‌های جدیدتر کند.

بیشتر بخوانید: مقاله برتر دومین کنفرانس اقتصاد آب در بخش حسابداری و تحلیل اقتصادی یکی از این اصلاحات معمول و متدوال این است که میزان ماده منعقدکننده را افزایش دهیم تا میزان حذف مواد آلی را بالا ببریم که اغلب توسط آنالیز کل کربن آلی (TOC) اندازه‌گیری می‌شود و هم‌چنین تشکیل محصولات جانبی گندزدایی (DBP) بهتر کنترل شود. این در حالی است که افزایش مصرف مواد منعقد کننده مشکلاتی از قبیل هزینه بالا، تأمین مواد شیمیایی و مدیریت پسماندها را به دنبال دارد.

اصلاح دیگری که در اروپا به طور فزاینده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد، فیلتراسیون زیستی (biofiltration) است. با جلوگیری از عبور مواد باقی‌مانده از فرایند گندزدایی در فیلتر، میکروارگانیسم‌های موجود در فیلترها می‌توانند از مواد آلی منبع آب به عنوان تغذیه استفاده کنند و یک زیست‌توده به عنوان محصول تولید نمایند. برای استفاده از فیلتراسیون زیستی، مواد ضدعفونی کننده باید بعد از فیلتر و یا در جریان‌های بالا دستی استفاده شوند تا قبل از فیلتراسیون عوامل بیماری‌زا از بین روند و موجب سازگاری و رشد بهتر میکروارگانیسم‌ها شود.

تصفیه خانه آب

فیلتراسیون زیستیاستفاده از بیوفیلترها دارای معایب و مزایای متفاوتی است. این روش تصفیه می‌تواند همان کیفیت نهایی آب را که از روش‌های معمولی به دست می‌آید، ارائه دهد. هم‌چنین این روش قادر است میزان کدورت و میکروارگانیسم‌های پاتوژن را مطابق مقررات و استانداردهای موجود حذف نماید.

یکی از مزایای فیلتراسیون زیستی این است که وابستگی به عملیات انعقاد و میزان استفاده از مواد منعقد کننده شیمیایی به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد. دلیل کاهش عملیات انعقاد این است که همراه شدن عملیات انعقاد و تجزیه بیولوژیکی مزایای حذف مواد آلی بیشتری دارد، زیرا در بیوفیلتراسیون ترکیبات آلیفاتیک با وزن مولکولی کم حذف می‌شوند، در حالی‌ که در فرایند انعقاد، ترکیبات آروماتیکی با وزن مولکولی بیشتر حذف می‌شوند. بیوفیلتراسیون می‌تواند ترکیبات آلی زیست تخریب‌پذیر مانند ۲- متیل ایزو بورنئول و ژئوسمین را نیز حذف کند. هم‌چنین فیلتراسیون زیستی قادر است آلاینده‌های خاص آلی مانند آفت‌کش‌ها، داروها و محصولات مراقبت شخصی را که می‌توانند نارسایی داخلی ایجاد کنند، از بین ببرد.

در مقابل، بیوفیلتراسیون‌ها ممکن است برخی معایب را داشته باشند. به عنوان مثال، فیلترهای زیستی به یک دوره سازگاری (حداقل یک ماه) قبل از رسیدن به حالت پایدار حذف آلاینده‌ها نیاز دارند. تغییرات فصلی در کیفیت آب به ویژه تغییر درجه حرارت آب نیز می‌تواند راندمان حذف مواد آلی را تحت تأثیر قرار دهد. یکی از مهم‌ترین عواملی که می‌تواند مزایا و اثربخشی بیوفیلتراسیون را محدود کند، ترکیب مواد آلی موجود در منابع آب است. مواد آلی مختلف و گوناگونی در منابع آب موجود است که فیلتراسیون زیستی قادر به حذف مقادیر ناچیز TOC می‌باشد.

به همین دلیل از ازن برای کمک به تغییر ترکیب مواد آلی موجود در آب همراه با فیلتراسیون زیستی استفاده می‌کنند. به طور خاص، ازن برای افزایش میزان تجزیه زیستی مواد آلی در آب آشامیدنی با اکسیداسیون ساختارهای آلی آروماتیک غیراشباع و تبدیل آن‌ها به ترکیبات پلی‌کربنات اشباع با وزن مولکولی کم، استفاده می‌شود. برای رسیدن به این هدف و افزایش کل ماده آلی حذف شده، ازن پس از انعقاد و قبل از بیوفیلتر به عنوان پیش‌تیمار فیلتراسیون زیستی به سیستم اضافه می‌شود. سایر مزایای افزودن ازن عبارت است از اکسیداسیون ترکیبات طعم‌دار و بودار، ترکیبات آلی و مواد معدنی. از معایب ازناسیون قبل از فیلتراسیون می‌توان به افزایش هزینه، پیچیدگی فرایند و تولید بعضی از محصولات جانبی که سلامتی انسان را به خطر می‌اندازد، اشاره نمود.

با توجه به مزایا و معایب بسیاری از سیستم‌های مختلف فیلتراسیون، برای درک بهتر تفاوت‌ها و انتخاب سیستم مناسب جهت تصفیه با بازدهی بالا، به ارزیابی‌های کمی نیاز است. به طور خاص، ارزیابی چرخه حیات (LCA) با شناسایی راه‌های کاهش استفاده از مواد شیمیایی و کاهش هزینه‌ها، می‌تواند برای تجزیه و تحلیل و هم‌چنین کمک به افزایش بازده سیستم تصفیه مورد استفاده قرار گیرد.

برای رفع این نیاز، مطالعه حاضر با استفاده از روش LCA برای شناسایی، ارزیابی اثرات زیست‌محیطی و مقایسه بین سه نوع فیلتراسیون برای منابع متفاوت آب با ترکیب مختلف و اهداف تصفیه با بازده بالا انجام شده است که در ادامه خلاصه‌ای از آن را بررسی خواهیم کرد.

یک مدل ارزیابی چرخه حیات، برای تعیین میزان اثرات زیست‌محیطی (EIA) سه نوع سیستم تصفیه با تغییرات انواع مواد شیمیایی و مواد مورد استفاده در طی فرایند مورد بررسی قرار گرفته است. فرایندهای مورد استفاده برای تصفیه آب عبارتند از انعقاد سازی، فیلتراسیون، گندزدایی و تنظیم پی‌هاش که کلیت سیستم‌ها یکسان است و فقط نوع فیلتراسیون آن متفاوت می‌باشد. فیلترهای مورد استفاده عبارت‌اند از فیلتر معمولی، فیلتراسیون زیستی بدون استفاده از ازن (nonozonated biofiltration) و فیلتراسیون زیستی همراه با پیش‌تیمار ازناسیون (ozonated biofiltration). برای این ارزیابی همه سیستم‌ها، واحدهای عملکردی یکسانی پیش‌بینی شده است و مواردی هم‌چون کاهش ویروس، کدورت، کریپتوسپوریدیوم و ژیاردیا برای استانداردهای تصفیه مورد بررسی قرار گرفته است.

بیشتر بخوانید: ساخت نانوذره برای حذف مواد سرطان‌زا در آب آشامیدنی روش انجام کاردر این مطالعه برای مقایسه سیستم‌های تصفیه آب آشامیدنی ذکر شده با استفاده از هر کدام از فیلترها، روش LCA تطبیقی در چارچوب استاندارد ISO ۱۴۰۴۰ مورد استفاده قرار گرفته است. واحد عملیاتی برای تصفیه یک متر مکعب از آب سطحی با کیفیت مشخص و رساندن آن به سطح استاندارد آب آشامیدنی تعریف شده است. همانگونه که ذکر گردید، برای سنجش اهداف تصفیه و استانداردهای مختلف آب آشامیدنی، چهار سناریوی تصفیه مورد بررسی قرار گرفته است که مطابق قوانین امریکا، سه سناریوی اول در میزان حذف TOC ثابت صورت گرفت و سناریوی آخر منابع آب را بررسی کرده است. در ارزیابی LCA، هر سیستم تصفیه شامل تولید مواد شیمیایی، مواد زیرساز، انرژی الکتریسیته و سیستم حمل مواد می‌باشد. تمامی موارد که در هر سه نوع سیستم مشابه بودند، برای آنالیز و تجزیه و تحلیل مقایسه‌ای کنار گذاشته شدند. واحدهای عملیاتی مورد استفاده در این تحقیق، مربوط به یک سیستم تصفیه‌خانه چهل ساله است و داده‌ها و معادلات مربوط به مدل‌سازی کل فرایند تصفیه بر اساس طراحی مهندسی متداول و داده‌های تجربی مقالات استفاده شده است.

سه مرحله اول سناریوهای این تحقیق دارای درصد ثابت حذف TOC است که به ترتیب ۳۰، ۴۰ و ۵۰ درصد در نظر گرفته شده است و این مقادیر مستقل از کیفیت منبع آب بوده است. این سناریوها با تنظیم مقدار مواد منعقدکننده بیشترین میزان حذف را در نظر گرفته است. سناریوی چهارم تصفیه بر قابلیت تصفیه منابع آب متمرکز شده است. در واقع چهارمین سناریو تصفیه، نیاز حذف TOC با افزایش انعقادسازی است که براساس مقررات امریکا درصد حذف TOC بین ۱۵ تا ۵۰ درصد و برای هر کدام از منابع آبی بر اساس میزان TOC منبع آب و قلیائیت تعیین شده است.

همانگونه که ذکر گردید، فرایندهای تصفیه مورد استفاده شامل انعقادسازی، فیلتراسیون، گندزدایی و تنظیم پی‌هاش است که در ادامه به طور مختصر به هر یک از این فرایندها می‌پردازیم. تمامی مراحل مورد استفاده در تصفیه به کمک بیوفیلتراسیون بدون استفاده از ازن، به جز یک مرحله، مشابه فیلترهای معمولی است. در این نوع فیلتراسیون، تزریق محلول ضدعفونی کننده پس از فیلتر (به جای اینکه قبل از فیلتر انجام شود) صورت می‌گیرد تا اختلالی در رشد میکروارگانیسم‌ها و تجزیه بیولوژیکی مواد آلی ایجاد نشود. هم‌چنین تمامی مراحل مورد استفاده در تصفیه به کمک بیوفیلتراسیون همراه با استفاده از ازن، به جز یک مرحله، مشابه فیلترهای زیستی بدون ازن است. در این نوع فیلتراسیون، برای افزایش قابلیت تخریب زیستی مواد آلی، ازن قبل از فیلتر به سیستم اضافه می‌شود.

آلوم به عنوان یک ماده منعقد کننده رایج و مؤثر در مرحله انعقاد سازی مورد استفاده قرار گرفته است. برای دستیابی به میزان حذف TOC مورد نیاز توسط فرایند انعقاد، مقدار آلوم با استفاده از مدل نیمه تجربی Edwards Langmuir برای هر منبع آب در هر سناریو محاسبه شد. هم‌چنین میزان آلوم محاسبه شده با حداقل میزان مجاز مقایسه شده تا صحت محاسبات بررسی شود. در نهایت کلرید آهن نیز برای تعیین تفاوت تأثیرات عمده محیط‌زیستی مواد شیمیایی مختلف مورد بررسی قرار گرفته است.

تمامی فیلترهای استفاده شده از نوع دو لایه انتراسیت شنی با محافظ فولاد ضد زنگ و مقطع مربعی می‌باشد. سطح فیلترها بر اساس بارگیری هیدرولیک معمولی ۱۵ متر بر ساعت بود و ارتفاع فیلتر بر اساس عمق مورد نیاز در طول عملیات و هم‌چنین ارتفاع آزاد طراحی در نظر گرفته شد. انرژی مورد نیاز فیلتر شامل انرژی پمپاژ در طول فرایند و شستشو می‌باشد. برای طراحی پمپ مورد استفاده، فرض بر این بود که پمپاژ باید بر تمام افت فشارها غلبه کند، بنابراین ارتفاع کلی در نظر گرفته شده است.

در مرحله گندزدایی، از هیپوکلریت‌سدیم به عنوان ضدعفونی کلر استفاده شده است. در فیلتراسیون معمولی، کلر قبل از فیلتر به سیستم اضافه شد تا فعالیت‌های بیولوژیکی در طول فیلتراسیون به حداقل برسد. برای فیلتراسیون زیستی همراه با ازن، هر گونه گندزدایی به دلیل نیاز زیاد ازن و دوزهای پایین آن، ناچیز در نظر گرفته شده است. به طور خلاصه، زمان استفاده از کلر بر اساس اهداف غیر فعال‌سازی میکروب‌ها، پی‌هاش و دمای آب تعیین می‌شود. هم‌چنین میزان کلر مورد نیاز با توجه به اینکه مقدار یک میلی‌گرم بر لیتر در پایان فرایند باید در سیستم باقی بماند در نظر گرفته می‌شود.

خوردگی در سیستم توزیع آب یکی از عوامل اصلی نگران‌کننده محسوب می‌شود که در پی‌هاش پایین اتفاق می‌افتد. در طول فرایند تصفیه مانند مرحله انعقاد سازی ممکن است پی‌هاش به شدت افت کند، بنابراین کاستیک‌سودا یا هیدروکسیدسدیم به عنوان تنظیم‌کننده پی‌هاش استفاده می‌شود. پی‌هاش نهایی آب برای کنترل خوردگی در ۸.۲ تنظیم می‌شود. برای تعیین مقدار مواد شیمیایی مورد نیاز در تنظیم پی‌هاش، روابط تعادل شیمیایی کربناتی پس از مرحله انعقادسازی و هم‌چنین پس از کلر زنی مورد استفاده قرار گرفته است. هم‌چنین در نهایت آهک نیز برای تعیین تفاوت تأثیرات عمده محیط‌ زیستی مواد شیمیایی مختلف مورد بررسی قرار گرفته است.

بیشتر بخوانید: قابلیت حذف نیترات از آب آشامیدنی توسط سیستم ترکیبی بیوراکتور نتایجدر این مطالعه به طور خلاصه اثرات زیست‌محیطی فیلتراسیون معمولی، فیلتراسیون زیستی معمولی و همراه با استفاده از ازن با توجه به چرخه حیات و با هدف تصفیه و حذف کل هیدروکربن‌های آلی، پاتوژن‌ها و کدورت مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است.

نتایج به دست آمده بیانگر این است که بیوفیلتراسیون معمولی بدون استفاده از ازن، عملکرد بهتر و یا مشابه با بیوفیلتراسیون همراه با ازن در تمام فاکتورهای تأثیرگذار و برای تمامی منابع آب داشته است. این نوع فیلتراسیون نتایج بهتری نسبت به فیلتراسیون معمولی در خصوص حذف TOC با افزایش انعقادسازی در سناریوی چهارم نشان داده شده است. در یک مقایسه اجمالی میان نتایج مشخص گردید که در هر چهار سناریوی تصفیه، نتایج آن به میزان حذف TOC و کیفیت منبع آب بستگی دارد، اما به طور کلی فیلتراسیون زیستی بدون استفاده از ازن، اثرات زیست‌محیطی کمتری نسبت به تصفیه معمولی برای اکثر منابع آب دارد. تنها در قلیائیت‌های پایین بیوفیلتراسیون بدون اوزون عملکرد ضعیف‌تری نسبت به فیلتراسیون معمولی داشت.

به صورت کلی می‌توان نتیجه‌گیری نمود که اثرات زیست‌محیطی باید در کنار سایر اهداف و کاربردهای تصفیه آب مورد توجه قرار گیرد و در یک بررسی چند جانبه در خصوص استفاده از هر کدام از فیلتراسیون‌های معمولی، فیلتراسیون زیستی بدون استفاده از ازن و یا فیلتراسیون زیستی همراه با استفاده از ازن، تصمیم‌گیری شود.

توسط جواد طغیانی

نویسنده: Christopher H. Jones

این مطلب در تاریخ ۱۷ ژوئیه ۲۰۱۸ در مجله Environmental Science: Water Research & Technology منتشر شده است.

https://zistonline.com/vdcexn8f.jh8ozi9bbj.html