فراخوان طرح‌ها و ایده‌های نوآورانه ارتقاء کیفی آب آشامیدنی

یکی از معضلات بزرگ بشر امروز، تامین آب آشامیدنی سالم است. در کشور عزیزمان ایران نیز برخی از مناطق کشور مشکل تامین آب آشامیدنی دارند. در همین راستا شتابدهنده واتک با همکاری مرکز همکاری‌های تحول و پیشرفت و شرکت مهندسی آب و فاضلاب کشور قصد دارند با برگزاری یک فراخوان چالش طرح و ایده، راه‌کارهای نوین رفع مشکلات آب و آشامیدنی را وارد صنعت کنند.

بخش ۱: تامین آب آشامیدنی، چالش بزرگ قرن

بخش دوم: محورهای اصلی فراخوان

۱) نیترات زدایی

الف) مشکلات وجود نیترات در آب آشامیدنی

ب) وضعیت نیترات در آب‌های آشامیدنی کشور

ج) روش‌های رایج نیترات زدایی

د) روش‌های نوین نیترات زدایی

۲) حذف فلزات سنگین

الف) خطرات وجود فلزات سنگین در آب آشامیدنی

ب) وضعیت فلزات سنگین در آب آشامیدنی کشور

ج) روش‌های رایج حذف فلزات سنگین از آب آشامیدنی

د) روش‌های نوین حذف فلزات سنگین

۳) کاهش شوری آبهای لب شور

الف) مشکلات شوری آب

ب) وضعیت شوری آب‌های کشور

ج) روش‌های رایج کاهش شوری آب‌های آشامیدنی

۴) حذف بوی آب آشامیدنی

الف) مشکل بوی بد آب

ب) وضعیت بوی آب کشور

ج) روش‌های رایج حذف بوی آب

د) روش‌های نوین حذف بوی آب

۵) کاهش کدورت

الف) معضل کدورت آب آشامیدنی

ب) وضعیت کدورت آب‌های کشور

ج) روش‌های رایج کاهش کدورت آب آشامیدنی

د) روش‌های نوین کاهش کدورت آب آشامیدنی

بخش سوم: شاخص‌ها و ملاحظات

……………………………………………………………………………………………………………………………………

بخش ۱: تامین آب آشامیدنی، چالش بزرگ قرن

جمعیت جهان از ۵/۲ میلیارد نفر در سال ۱۹۵۰ به بیش از ۶ میلیارد نفر در سال ۲۰۰۰ افزایش یافته است، تا هر ۲۰ تا۳۰ سال افزایش دو برابری داشته باشد. در سال ۲۰۱۷ این جمعیت در حدود هفت و نیم میلیارد نفر بوده است؛ که تخمین زده می‌شود، در سال ۲۰۵۰ به حدود نه و هفت دهم میلیار نفر برسد. و افزایش ۲۹ درصدی در جمعیت جهان را در پی خواهد داشت.

آمارها نشان می‌دهد بیش از یک میلیارد نفر از اهالی کره زمین که بیشتر آنها در مناطق روستایی زندگی می‌کنند، به آب آشامیدنی بهداشتی و سالم دسترسی ندارند و از آب های سطحی و زیرزمینی ناسالم استفاده می‌کنند. امروزه افزایش آلاینده‌های زیست محیطی تا جایی ادامه پیدا کرده است که آب‌های لوله کشی را نیز تحت تاثیر قرار داده است.

همچنین، تعداد قابل توجهی از تحقیقات، روند جهانی افزایش تقاضای آب و کاهش دسترسی به آن را نشان می‌دهند. بنابراین، بسیاری از مناطق جهان یا با بحران آب درگیر هستند، و یا در آینده نزدیک خواهند بود. در بسیاری از نقاط کشور ایران نیز منابع تامین آبی که سال‌ها مورد استفاده بوده‌اند، به دلیل استفاده بی‌رویه، خشکسالی و … کیفیت اولیه خود را از دست داده‌اند. کاهش کیفیت آب در پشت سدها و چاه‌های تامین کننده آب شرب شهرها و روستا از یک سو و سخت‌گیرانه‌تر شدن استانداردها آب شرب از سوی دیگر تصفیه آب شرب را با چالش بزرگی مواجه کرده است.

بخش دوم: محورهای اصلی فراخوان

اگرچه در کشور ما گام‌های موثری در خصوص پیشرفت‌های علمی و تکنولوژیکی در صنعت تصفیه آب شرب بر داشته شده است، اما هنوز راه درازی برای بومی سازی این فناوری‌ها در پیش است. در همین راستا از فناوران، پژوهشگران، صاحبان صنایع، مخترعین و …. دعوت می‌کنیم تا با هدف تامین آب آشامیدنی سالم برای همه، طرح‌ها و ایده‌های نوآورانه و فناورانه خود را برای ما ارسال کنند. این فراخوان در ۵ محور اصلی برگزار می‌شود:

۱- نیترات زدایی

۳- حذف فلزات سنگین

۴- کاهش شوری آب­

۲- کاهش کدورت

۵- حذف بو

برای آشنایی هر چه بیشتر با اهداف و محورهای فراخوان در ادامه توضیحات مختصری مرتبط با هر موضوع ارائه شده است.

۱) نیترات زدایی

الف) مشکلات وجود نیترات در آب آشامیدنی

وجود نیترات و نیتریت در منابع تامین آب‌های آشامیدنی و سمی بودن آن، باعث شده تا انسان‌ها به دنبال حذف این دو ماده سمی از آب باشد. در اثر استفاده بیش از حد انواع کودهای نیتروژنی و تغییر الگوی استفاده از زمین‌های زراعی میزان این آلایندها در آبها بخصوص آبهای زیر زمینی بیشتر شده است. در حالی که نیترات‌ به عنوان یک ماده غیرسمی برای افراد بالغ شمرده می‌شود، اما احیای NO3  به NO2 باعث تبدیل آهن دو ظرفیتی هموگلوبین را به آهن سه ظرفیتی شده و این هموگلوبین که مت‌هموگلوبین نامیده می شود توانایی لازم را برای حمل اکسیژن در خون ندارد.

در بدن کودکان بزرگتر و بزرگسالان آنزیمی وجود دارد که دوباره مت‌هموگلوبین را به هموگلوبین تبدیل می‌کند اما در شیرخواران این آنزیم کم است بنابراین اگر میزان مت‌هموگلوبین بیش از ده درصد شود، ممکن است به عارضه‌ای به نام “مت‌هموگلوبینمیا” یا “سندروم کودک کبود” تبدیل شوند که به دلیل کمبود اکسیژن در جریان خون است.

با این‌ حال استاندارد اعلام‌ شده از طرف «مؤسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران» برای میزان نیترات در آب آشامیدنی از استاندارد «سازمان جهانی بهداشت» تبعیت می‌کند و حداکثر مقدار مجاز نیترات در آب ۵۰ میلی‌گرم بر لیتر اعلام شده است.

ب) وضعیت نیترات در آب‌های آشامیدنی کشور

در کشور عزیزمان ایران نیز مشکل وجود نیترات در آب‌های آشامیدنی همواره مطرح بوده و هست. معضل وجود نیترات در مناطقی بیشتر بارز است که منبع آب مصرفی، آب‌های زیرزمینی هستند. احتمال حضور نیترات در آب‌های زیرزمینی بیشتر از آب‌های سطحی است.

در خصوص اینکه چه میزان نیترات در آب‌های آشامیدنی کشور وجود دارد، اطلاع دقیقی در دست نیست، اما نکته حائز اهمیت اینست که توسعه و استفاده از روش‌های جدید می‌تواند استاندارد کیفی آب در کشور را بهبود داده و احتمال بروز بیماری‌های مرتبط را کاهش دهد.

ج) روش‌های رایج نیترات زدایی

با توجه به اهمیت حذف نیترات از آب آشامیدنی، روش‌های مختلفی برای حذف نتیرات توسعه پیدا کرده است که البته هر کدام دارای مزایا و معایبی نیز هستند:

v     روش‌های غشائی برای حذف نیترات

مشکلات حذف نیترات توسط اسمز معکوس عبارتست گرفتگی غشاءها و نیاز به تعویض آن با گذر زمان و پساب و پسماند تولیدی. در ضمن بازده این روش در مواردی که کیفیت آب ورودی پایین باشد، اصلاً مناسب نخواهد بود.

توسعه فناوری نانوفیلتراسیون را میتوان تحول مهم و اساسی صنعت آب نامید. توسعه این فناوری باعث شده تا از این روش برای حذف نیترات نیز استفاده شود. آنچه در فناوری نانوفیلتراسیون مطرح است، توسعه غشاءهای جدید برای افزایش بازده و ظرفیت حذف نیترات است.

v     حذف نیترات با استفاده از روش تبادل یونی

بازده روش تبادل یونی با افزایش مواد حل شده کاهش می‌یابد. این مشکل زمانی که مقدار سولفات حل شده بالا باشید بسیار بیشتر است. همچنین در فرایند احیای رزین، مقداری قابل توجهی نیترات در محیط زیست آزاد می‌شود.

v     روش‌های الکتروشیمیایی حذف نیترات

روش‌های الکتروشیمیایی مثل الکترودیالیز دارای محدودیت‌های همچون مصرف انرژی، تولید پساب و مشکل تعمیرات نگهداری هستند.

v     حذف بیولوژیکی نیترات

روش‌های بیولوژیکی حذف نیترات بسیار پیچیده هستند. از جمله مشکلات این روش عبارتند از حساسیت به شرایط محیطی، نیاز به کنترل دقیق و ریسک تشکیل مجدد نیترات.

v     حذف نیترات به روش شیمیایی

از طرفی در روش‌های شیمیایی، آمونیا و نیتروژن تولید شده می‌توانند آثار جانبی نامطلوب داشته باشند و از سوی دیگر هزینه مصرف مواد شیمیایی است.

د) روش‌های نوین نیترات زدایی

محدودیت‌ها و معایب حذف نیترات و نیترت توسط روش‌های رایج باعث شده تا افراد به دنبال روش‌ها جدیدی برای حذف این دو عامل مضر و سمی از آب آشامیدنی باشیم.

اساس توسعه روش‌های جدید رفع مشکلات و چالش‌های روش‌های قبلی و ابداع روش‌های جدید با بازده بیشتر و ارزان قیمت‌تر است. از جمله روش‌های توسعه یافته جدید عبارتند از:

v     حذف نیترات با استفاده از فرایند جذب

توسعه جاذب‌های در دسترس و ارزان قیمت رویکردی نوین برای ارتقاء کیفیت آب و حذف نیترات است. پارامترهای مهم در انتخاب یک جاذب عبارتند از ظرفیت جذب، میزان دسترسی، هزینه ساخت جاذب، بازده جذب به صورت میزان نیترات یا نیتریت حذف شده به ازای گرم جاذب و ساختار شیمیایی و سطح جاذب.

v     نیترات زدایی با استفاده از روش‌های بیولوژیکی

روش‌های غشاء بیولوژیکی روش‌هایی هستند که قابلیت‌های بسیاری در حذف آلایند‌های مختلف از آب دارند. رویکرد توسعه این فناوری برای حذف نیترات از آب آشامیدنی با هدف رفع چالش‌های زیر انجام می‌شود:

  • افزایش سرعت واکنش و در نتیجه کاهش حجم راکتور مورد نیاز؛
  • قابلیت تصفیه آب با غلظت نیترات بالا؛
  • کاهش مقدار لجن تولیدی؛
  • قابلیت استفاده برای فرایندهای صنعتی.

در روش‌های غشاء بیولوژیکی به دنبال توسعه مواد بستری جدید و استفاده از این روش به عنوان یک روش مکمل هستند.

v     روش انعقاد الکتریکی برای حذف نیترات

برای حذف نیترات و تبدیل آن به نیتروژن با استفاده از روش انعقاد الکتریکی از فلزاتی مثل آهن بعنوان الکترود (آند) استفاده می‌شود. از جمله مزایای این روش اینست که نیاز به مواد شیمیایی گران قیمت ندارد، بازدهی فرایند بالاست، به فضای کمی برای پیاده سازی دارد و مقدار لجن تولید شده به نسبت سایر روش‌ها کمتر است.

v     روش بیوکاتالیست در حذف نیترات

بیوکاتالیست‌ها موادی هستند که با قرار گرفتن در واکنش سرعت انجام واکنش را افزایش می‌دهند، بدون اینکه خودشان مصرف شوند. مزایای روش بیوکاتالیست عبارتست از هدفمند بودن، سرعت حذف بالا و دوست دار محیط زیست بودن.

۲) حذف فلزات سنگین

الف) خطرات وجود فلزات سنگین در آب آشامیدنی

فلزات سنگین گروهی از عناصر هستند که چگالی بالا (بیشتر از ۵ گرم بر سانتی متر مکعب) دارند. از بین این عناصر کادمیوم، سرب، جیوه و آرسنیک به دلیل سمیت و تهدید برای سلامتی انسان از اهمیت بیشتری برخوردار هستند. در سالهای اخیر به دلیل توسعه مراکز و فعالیت‌های صنعتی، میزان آزاد شدن این عناصر در محیط زیست بیشتر از حد طبیعی شده است. آلودگی خاک برای منابع آب زیرزمینی تهدیدی بسیار خطرناک در سراسر دنیا محسوب می‌شود.

دوز سمیت این عناصر به نوع فلز، نقش زیستی آن در بدن و نوع موجود زنده‌ای که در معرض آن قرار می گیرد، بستگی دارد. مسمومیت با فلزات سنگین در انسان می تواند منجر به علائم متعددی از جمله آسیب مغزی و کاهش توانایی ذهنی، کاهش عملکرد سیستم اعصاب مرکزی، کاهش سطح انرژی بدن و آسیب به محتوای ژنتیکی شود و به طور کلی ممکن است بر روی پوست، عضلات، گردش خون، ریه، کلیه ها، کبد، قلب و دیگر اعضای حیاتی بدن عوارض خطرناکی بر جای بگذارد.

ب) وضعیت فلزات سنگین در آب آشامیدنی کشور

در حال حاضر مطالعات انجام شده در مناطق مختلف ایران نشان می‌دهد که در اکثر مناطق بررسی شده غلظت فلزات سنگین بیش از استاندارد می‌باشد. در آب‌های زیرزمینی از بین فلزات سنگین میانگین غلظت آرسنیک، سرب و کادمیوم و در آب‌های سطحی میانگین غلظت فلزات سرب، کادمیوم، نیکل، کروم و آهن بیش از استاندارد زیست محیطی گزارش شده‌اند. بر اساس نتایج، همجواری با معادن، صنایع، زمین‌های کشاورزی، سازند زمین و استفاده از سموم و آفت کش ها ارتباط بالایی با افزایش غلظت فلزات سنگین دارد. با توجه به اهمیت موضوع شناخت روش‌های مناسب حذف این فلزات از آب‌های آشامیدنی بسیار ضروری به نظر می‌آید.

ج) روش‌های رایج حذف فلزات سنگین از آب آشامیدنی

تحقیقات نشان می‌دهد که چالش حذف فلزات سنگین در آب‌های زیرزمینی و آب‌های سطحی به دلیل دبی کم بسیار بیشتر است و برای ارتقا کیفیت آب آشامیدنی نیاز است تا از روش‌های تکمیلی بهره گرفته شود. پارامترهای مختلفی در انتخاب یک روش مناسب برای حذف این دسته از آلایند‌ه‌ها وجود دارد. گذراندن استاندارد ۱۰۵۳ آب آشامیدنی، معیار اصلی ارزیابی یک روش برای حذف فلزات سنگین است.

پارامتر اصلی در انتخاب روش مناسب، نوع آلاینده و حالت آن (حل شده یا معلق) است.  از جمله فناوری‌هایی رایج که برای حذف فلزات سنگین استفاده می‌شوند عبارتند از:

روش‌های غشائی

  • اسمز معکوس
  • نانوفیلتراسیون
  • الترافیلتراسیون اصلاح شده

روش‌های فیزیکی/شیمیایی

  • ترسیب شیمیایی
  • تبادل یونی
  • استخراج با حلال
  • انعقاد و لخته سازی
  • جذب سطحی

روش‌های الکتروشیمیایی

  • روش الکترولیز
  • انعقاد و شناوری سازی الکتریکی
  • الکترودیالیز
  • روش جذب خازنی (CDI)

روش‌های بیولوژیکی

  • جذب بیولوژیکی
  • حذف فلزات به کمک میکروب ها
  • استفاده از گیاهان آبزی

دو عامل کارایی و هزینه باعث شده تا هیچ یک از این روش‌ها به صورت مطلق استفاده نشوند. با توجه به افزایش آلودگی آب‌های آشامیدنی در اثر افزایش فعالیت‌های صنعتی، اهمیت اصلاح روش‌های موجود و استفاده از فناوری‌های جدید بیش از پیش احساس می‌شود.

د) روش‌های نوین حذف فلزات سنگین

برای نمونه چند روش کاربردی جدید برای حذف فلزات سنگین پیشنهاد می‌شود:

v     روش‌های الکتریکی

فرآیند انعقاد و شناور سازی الکتریکی با در نظر گرفتن مزایایی از قبیل حجم لجن تولیدی کمتر، هزینه های بهره‌برداری پایین‌تر، جنبه‌های بهداشتی و زیست محیطی مطلوب‌ و بازده بسیار بالاتر نسبت به سایر فرآیندها چشم انداز بسیار مطلوب‌تـری در صـنعت آب و فاضـلاب ایران دارد.

از جمله معایب و چالش‌های کنونی این روش هزینه‌های بالای سرمایه‌گذاری اولیه سیستم است کـه در صـورت فراهم آوردن شرایط لازم جهت ساخت و تولید قسمتی از تجهیزات سیستم مذکور در داخل کشور می‌تواند هزینه تمام شده این روش را کاهش دهد.

v     استفاده از فناوری نانو

در دهه‌های اخیر نانومواد جدیدی برای حذف فلزات سنگین از آب آشامیدنی توسعه پیدا کرده‌اند. نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد این جاذب‌ها می‌توانند مقدار کم آلاینده را نیز جذب کنند. نکته جالب توجه فنی در استفاده از این مواد اینست که با جذب فلزات سنگین توسط جاذب‌ها، رنگ آن‌ها تغییر می‌کند. این جاذب‌ها می‌توانند در سیستم‌های با مقیاس بزرگ و مقیاس کوچک استفاده شوند.

چالش قابل توجه در استفاده از فناوری نانو در حذف فلزات سنگین هزینه تمام شده تولید این جاذب‌ها و تاییدیه‌های لازم از لحاظ اثر بخشی این فناوری است.

v     فناوری‌های تصفیه بیولوژیکی

در فناوری‌های بیولوژیکی از احیاء سولفات بیولوژیکی برای رسوب دادن آرسنیک و دیگر فلزات سنگین استفاده می‌کنند. علاوه بر فلزات سنگین، با استفاده از این فرایند می‌توان نیترات، سلنیم و جیوه را نیز حذف کرد. حذف فلزات سنگینی مثل کروم، آهن، مس و جیوه با استفاده فناوری‌های بیولوژیکی ساده است. در عوض حذف آرسنیک در مقایسه بسیار پیچیده‌تر و سخت است.

v     فوتوکاتالیست

یکی از جدیدترین روش‌های حذف فلزات سنگین از آب استفاده از موادی است که می‌توانند نور خورشید و اشعه فرا بنفش را جذب کرده و تبدیل به انرژی کنند. می‌توان از انرژی حاصله برای شکستن پیوندهای موجود در مواد مختلف استفاده کرد. به این فرایند حذف فوتوکاتالیستی گفته می‌شود. فوتوکاتالیست‌ها به عنوان  مواد خود تمیز شونده علاوه بر انعطاف پذیری بالا در از بین بردن انواع آلاینده‌های مختلف از لحظ اقتصادی نیز در مقایسه با سایر روش ها صرفه دارند.

v     باریکه الکترونی

تاباندن باریکه­های الکترونی به آب باعث تولید هم­زمان گونه‌های  فعال احیاءکننده و اکسیدکننده  (OH) هیدروژن و الکترون آزاد می‌شود که به سرعت و به صورت غیرانتخابی با ترکیبات آلاینده واکنش داده و آن­ها را تجزیه نمایند. از جمله مزایای این روش عملکرد بهتر و عمومی بودن آن در حذف انواع فلزات سنگین است.

v     روش کاویتاسیون

فناوری پلاسما یا کاویتاسیون به عنوان نسل جدید فناوری‌های تصفیه فاضلاب در دنیا شناخته می‌شود. از جمله مزایای مهم این فناوری در تصفیه آب مقرون به صرفه بودن در کاربردهای صنعتی، افزایش ظرفیت تصفیه خانه‌های فاضلاب و عدم استفاده از مواد شیمیایی است.

در اثر فرایند پلاسما، تعدادی جرقه در داخل آب ایجاد می‌شود که می‌تواند باعث تولید حباب‌های بسیار ریزی در ابعاد میکرو و نانو در داخل آب شود. با واپاشی این حباب‌ها مقدار قابل توجهی انرژی به صورت موضعی تولید می‌شود که می‌تواند به تجزیه و حذف انواع آلاینده‌های موجود در آب کمک کند.

۳) کاهش شوری آبهای لب شور

الف) مشکلات شوری آب

در سال­های اخیر با توجه به نقشه­های ماهواره­ای و دادهای ثبت شده ایران و بسیاری از کشورهای جهان دچار خشکسالی شده­اند. وضعیت آب در منطقه خاورمیانه، شمال آفریقا و بخصوص در برخی از مناطق کشور ما بسیار بحرانی است. ایران از نظر جغرافیای در محدوده کمربند خشک زمین واقع شده و تقریباً می­توان ۷۰ درصد از آن را جزء مناطق خشک و نیمه خشک طبقه بندی کرد. متوسط بارش سالانه­ کشور کمتر از یک سوم میانگین جهانی است.

الگوی نابرابر بارش باران در سراسر کشور یک مشکل اضافی است که وضعیت را بدتر کرده است. فقدان آب کافی در مناطق خشک سبب استفاده از آب­های زیرزمینی به عنوان منبع اصلی آب شده است، استفاده از این آب­ها عامل پایین رفتن سطح سفره­های زیرزمینی و شوری بیشتر آب‌های زیرزمینی  شده است.

ب) وضعیت شوری آب‌های کشور

منابع تامین آب شرب در بسیاری از مناطق روستایی و برخی مناطق شهری کشور آبهای زیرزمینی است، که متاسفانه میزان شوری آنها در سال­های اخیر افزایش یافته بگونه­ای که این منابع دیگر توانایی تامین استانداردهای آب آشامیدنی را ندارند. جایگزینی منابع آبی جدید یا امکان پذیر نیست، و یا دارای هزینه بالایی است.

ج) روش‌های رایج کاهش شوری آب‌های آشامیدنی

امروزه روش‌های مختلفی برای نمک‌زدایی آب‌های لب شور وجود دارد که هر کدام دارای محدودیت‌هایی هستند.

v     اسمز معکوس در نمکزدایی آب

تامین انرژی نیز یکی از مشکلات موجود جهان می‌باشد و فرایندهای نمکزدایی نیازمند مقدار قابل توجهی از انرژی می‌باشد. روش‌های که جهت شیرین سازی آب تاکنون توسعه یافته‌اند، مانند اسمز معکوس نیازمند انرژی زیادی و هزینه سرمایه‌گذاری بالا هستند. همچنین یکی از معضلات توسعه روش اسمز معکوس نیاز به تعویض غشاء است که می‌تواند هزینه بر باشد.

v     روش‌های حرارتی کاهش شوری آب

اساس روش‌های حرارتی استفاده از انرژی برای تبخیر آب و سپس تقطیر آن و حذف نمک است. روش‌های حرارتی شامل انواع سیستم تقطیر چند مرحله‌ای MFD (Multistage Flash Distillation)، سیستم تقطیر کننده چند تاثیره، MED ( Multiple – Effect Distillation)، سیستم تقطیر با تراکم بخار، VCD ( Vapor Compression Distillation)  هستند.

همانند روش‌ اسمز معکوس روش‌های حرارتی نیز مصرف انرژی بالایی دارند که باعث شده استفاده از این روش‌ها به صورت مستقل بسیار محدود شود. از دیگر معضلات این روش تولید پسماند بسیار زیاد حاصل از نمکزدایی است. در حال حاضر پسماند خروجی از سیستم‌های نمکزدایی دارای اثرات زیست محیطی هستند، که باید کاهش یابد. در روش‌های نمکزدایی با استفاده از فرایندهای تبخیری مانند MSF، MED پساب دفعی علاوه بر معضل TDS معمولاً دمای (در حدود ۵ تا۱۰ درجه) بیشتر نسبت به دمای محیط پذیرنده (دریا) دارد.

د) روش‌های نوین نمک زدایی

با توجه به محدودیت روش‌های رایج در کاهش شوری آب‌های لب شور، روش‌های جدیدی با هدف کاهش مقدار انرژی، کاهش هزینه‌ها و کاهش مقدار پسماند باقیمانده توسعه پیدا کرده است. از جمله این روش‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

v     کاهش شوری آب با استفاده از روش الکترودیالیز

با توجه به در دسترس بودن انرژی الکتریکی و هزینه کمتر مصرف این انرژی نسبت به سایر انرژی‌ها امروزه سعی شده است تا از این روش‌ها بیشتر استفاده شود.

v     نمک‌زدایی خازنی برای کاهش شوری آب

در مقایسه با روش اسمز معکوس، روش نمک زدایی خازنی (CDI) برای شیرین سازی آب بسیار مقرون به صرفه است و انرژی مصرفی در این روش بسیار کمتر است. از دیگر مزایای این روش ظرفیت بالا، بازدهی بالا، نداشتن پسماند ثانویه و بازگشت پذیری بسیار مناسب آن است.

v     روش‌های بر پایه انرژی‌های تجدید پذیر برای کاهش انرژی کاهش شوری آب

همانطور که اشاره شد، نمکزدایی با استفاده از روش‌های به مقدار انرژی زیادی نیاز دارد. یکی از راه‌کارهایی که امروزه پیشنهاد می‌شود استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر است. از جمله می‌توان با جایگزینی منابع انرژی تجدیدپذیر مانند فتوولتایک خورشیدی ( PV[1]) ، گرمایش خورشیدی، باد و ژئوترمال میزان انرژی لازم و مصرفی را کاهش داد. در حال حاضر استفاده از انرژی‌های تجدید پذیر در فرآیند نمکزدایی هزینه بسیار بیشتری نسبت به سوخت‌های فسیلی دارد. اما با ارتقاء سیستم‌های کنونی با استفاده از نانو مواد و روش‌های نوآورانه، روند کاهش هزینه‌ها نسبت به گذشته شروع شده است.

۴) حذف بوی آب آشامیدنی

الف) مشکل بوی بد آب

احساس بوی نامطلوب در آب می‌تواند ناشی از عوامل مختلفی باشد. طعم و بوی بد آب در ظاهر یک مشکل کم خطر برای سلامتی آب آشامیدنی به شمار می‌آید. اما منشاء این پدیده می‌تواند نشاندهنده وجود مشکلات جدی‌تر در منابع تامین آب و خطوط انتقال باشد. گام اول در رفع بوی نامطبوع آب شناسایی منشاء ایجاد بو است. البته طعم و بوی بد آب معمولاً برای سلامتی خطرناک نیست. اما برای بهبود کیفیت آب آشامیدنی و احساس خوب از نوشیدن آن لازم است مشکل بوی بد حل شود. بوی نامطلوب آب می‌تواند به صورت‌های مختلف آشکار شود که هر کدام در نتیجه یک عامل داخلی است:

  • بوی فاضلاب: ناشی از راکت ماندن آب در لوله‌ها و سیستم نگهداری
  • بوی کلر: ناشی از عدم تنظیم مقدار کلر موجود در آب
  • بوی گوگرد یا تخم مرغ گندیده: ناشی از حضور باکتری سولفور یا سولفید هیدروژن
  • بوی خاک و ماهی: ناشی از حضور عناصر مختلف مثل باریم و کادمیم در آب و رشد جلبک
  • بوی فلزی: ناشی از عدم تنظیم pH و حضور عناصر فلزی در آب مثل مس و …
  • بوی نفت: ناشی از وجود بنزن و ورود مواد نفتی به داخل آب

این عوامل عمدتاً در اثر ورود فاضلاب‌های شهری و روستایی، صنعتی، پساب‌های کشاورزی، ورود مواد مغذی به آب، شرایط نگهداری نامناسب آب و … بوجود می‌آیند.

عمده عامل اصلی بوی نامطبوع آب وجود ژئوسمین[۲] و دومتیل ایزوبورتئول[۳] است که در اثر افزایش مواد مغذی و رشد بیش از حد جلبک‌ها در منابع آب و بروز پدیده گندیدگی در منابع آب پدید می‌آید.

براساس استاندارد ایران مقدار بو باید حداکثر ۲ واحد در ۱۲ درجه سلسیوس و حداکثر ۳ واحد در ۲۵ درجه سلسیوس باشد. واحد اندازه‌گیری بو مقدار آستانه بو[۴] (TON) است.

ب) وضعیت بوی آب کشور

آمارها نشان می‌دهد منابع آب شرب در برخی از مناطق شهری و روستایی کشور دارای مشکل بوی هستند. این مشکلات عمدتاً ناشی از همجواری منابع آب با منابع آلودگی همچون فاضلاب‌ها و رشد جلبک در سرچشمه منبع آب است. این مشکلات در برخی مناطق کشور باعث بروز مشکلاتی برای مردم این مناطق شده است.

ج) روش‌های رایج حذف بوی آب

همانطور که اشاره شد بو می‌تواند ناشی از وجود عوامل مختلفی در منبع آب یا مسیر انتقال است که عمده‌ترین آن جلبک‌ها هستند. فناوری کنترل رشد جلبک‌ها در منابع آب و برکه‌ها را می‌توان به سه دسته اصلی تقسیم کرد؛ فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی.

v     روش‌های فیزیکی حذف بوی آب

در روش‌های فیزیکی از صافی‌های مشبک ریز و تسمه‌ای با پوشش کاغذی برای پوشش برکه‌ها و مخازن استفاده می‌شود. استفاده از این روش در سطح گسترده محدودیت‌هایی دارد.

v     روش‌های شیمیایی حذف بوی آب

رسوب شیمیائی، انعقاد و لخته‌سازی، استفاده از سولفات مس، کلر و پرمنگنات پتاسیم، از مهمترین روش‌های شیمیایی کنترل بو و رشد جلبک‌ها هستند. علاوه بر این روش‌ها از جذب بوسیله زغال یا کربن فعال نیز برای حذف بو استفاده می‌شود. روش‌های شیمیایی دارای محدودیت‌هایی هستند که عمده‌ترین آن هزینه بالای مواد شیمیایی در حجم زیاد است.

بعنوان مثال، استفاده از پرمنگنات پتاسیم به دلیل حلالیت کم، هزینه بالا و ایجاد تغییر رنگ مصرف آن را محدود می‌کند. همچنین اثر کلر نیز با قرارگرفتن در معرض خورشید از بین می‌رود.

یکی از روش‌های شیمیایی موثر در حذف بو، ازن زنی است. ازن  یک عامل اکسید کننده و یک ترکیب میکروب کش  قوی است که می‌تواند عوامل رشد جلبک را از بین ببرد. یکی از چالش‌های استفاده از ازن زنی اینست که به تنهایی قادر به حذف کامل بو نیست و نیاز به یک روش مکمل دارد.

v     حذف بوی آب با استفاده از هوادهی

یکی از روش‌های رایج برای حذف بو هوادهی است. چالش اصلی در روش هوادهی اینست که نمی‌تواند تمامی عوامل ایجاد بو را از بین ببرد و همواره نیاز به یک روش مکمل دارد.

د) روش‌های نوین حذف بوی آب

محدودیت‌های روش‌های رایج و تقاضای بیشتر برای آب سالم باعث شده تا نیاز به توسعه روش‌های جدید همواره احساس شود. از جمله روش‌های جدید می‌توان موارد زیر را نام برد:

v     انعقاد الکتریکی برای حذف بوی آب

درروش انعقاد الکتریکی از فلزاتی مثل آلومینیوم و آهن بعنوان الکترود استفاده می‌شود. این فلزات در اثر عبور جریان و قرار گرفتن در داخل آب، هیدرولیز شده و تولید یون‌هایی با بار مثبت می‌کنند. در ادامه ذرات کلوئیدی با بار منفی، یون‌های مثبت را جذب کرده و خنثی می‌شوند. در نتیجه این خنثی سازی هسته اصلی انعقادی که قابلیت ته نشین شدن را دارد، تشکیل می‌شود. از جمله مزایای این روش اینست که نیاز به مواد شیمیایی گران قیمت ندارد و لخته‌هایی ایجاد می‌شود، بسیار بزرگتر از لخته‌های ایجاد شده توسط مواد منعقد کننده شیمیایی است و همچنین پایداری بیشتری در برابر اسیدها دارند که باعث افزایش بازده این روش می‌شود.

v     روش ترکیبی فراصوت- هوادهی  برای حذف بوی آب

روش فراصوت سوپرهواده و جذب سطحی دارای دو گام اساسی است. با استفاده از این سامانه در گام اول توسط امواج فراصوت، جمعیت جلبک‌های سبز-آبی کاهش یافته، ضمن کاهش سموم آزاد شده از آنها، از میزان ذرات معلق، کدورت و بو و طعم آب کاسته می‌شود. در واقع در این مرحله منبع بو و سمیت ایجاد شده که ناشی از جلبک‌های سبز-آبی است، تضعیف می‌شود.

سپس از فرآیند هوادهی با سوپر هواده استفاده شده تا متابولیت‌های منتشر شده به فاز هوا منتقل شود. این نوع هوادهی نیز به عنوان مکمل فرآیند قبلی در کاهش طعم و بوی آب می‌باشد.

v     روش ترکیبی ازن زنی- هوادهی برای حذف بوی آب

همانطور که اشاره شد ازن زنی به تنهایی قادر به حذف کامل عامل بو نیست و برای بازدهی بهتر نیاز به یک روش مکمل دارد. روش ترکیبی ازن دهی- هوادهی باعث مکمل شدن این فرایند می‌شود که علاوه بر گندزدایی با استفاده از ازن زنی، حذف آلاینده‌ها را سرعت می‌بخشد.

۵) کاهش کدورت

الف) معضل کدورت آب آشامیدنی

کدورت آب معیاری برای میزان جذب یا پراکندگی نور، در اثر وجود ذرات معلق و کلوئیدی در آب است که می‌تواند علاوه بر بد کردن ظاهر آب باعث بروز انسداد در مجاری انتقال آب و نشاندهنده غیر سالم بودن آب (البته به صورت غیر مستقیم) باشد. وجود کدورت در آب می‌تواند مانع ضدعفونی کردن مناسب آب و حذف پاتوژن‌ها (میکروب‌های بیماری زا) شود.

قـسمت عمـده کـدورت در آب‌هـای سطحی ناشی از فرسایش مواد کلوئیدی نظیـر خـرده سـنگ‌ها، خــاک رس و مجاورت منبع آب با فعالیت‌های صنعتی است. میـزان کــدورت اولیــه آب، تــاثیر بــسیار زیــادی در راندمان حذف کدورت از آن دارد، به گونه ای که هر چـه میــزان کــدورت اولیــه، بــالاتر باشــد، رانــدمان روش‌های حذف کدورت بالاتر خواهـد بـود. این امر، ناشی از افزایش تعداد ذرات معلـق و کلوئیـدی موجود در آب و افزایش احتمال برخورد بین آن‌ها برای تشکیل ذرات درشت تر است.

براساس استاندارد آب آشامیدنی ایران حداکثر مقدار مجاز کدورت NTU[5] 5  و حد مطلوب آن کمتر یا مساوی ۱ است.

ب) وضعیت کدورت آب‌های کشور

فرسایش خاک در نزدیکی منابع آب‌های سطحی و وقوع سیلاب دو عامل اصلی کدورت آب‌های آشامیدنی در ایران هستند. از علل افزایش کدورت آب‌های زیر زمینی در ایران می‌توان برداشت‌های بی رویه، سازندهای زمین و وقوع بلایای طبیعی مثل زلزله را نام برد.

ج) روش‌های رایج کاهش کدورت آب آشامیدنی

v     منعقدکننده‌های پلیمری و معدنی

امروزه خطرات ناشی از کاربرد این مواد شیمیایی در فرایندهای تصفیه آب آشکار شده است. اکثر پلـیمـرهـای مـصنوعی و معـدنی، قابـلیت تجزیـه بیولوژیکی ندارند و برخی از آن‌ها موجب سرطان زایی و جهش ژنتیکی در انسان می‌شوند.

v     الترافیلتراسیون

اولترا فیلتراسیون روشی در تصفیه آب می باشد که به وسیله آن می توان ذرات معلق، عوامل کدورت، TSS و گل لای موجود در آب را به طور کامل از بین برد. در این روش ذرات بزرگتر از ۱ نانومتر را به طور حذف می‌شوند.

د) روش‌های نوین کاهش کدورت آب آشامیدنی

محدودیت‌های روش‌های رایج باعث شده تا ما به دنبال استفاده از روش‌های نوین باشیم. چند نمونه از روش‌های نوین برای حذف کدورت آب عبارتند از:

v     بیوپلیمرهای منعقدکننده

امروزه برای جایگزین کردن منعقدکننده‌های شیمیایی از منعقدکننده‌های طبیعی استفاده می‌شود. این دسته از منعقد کننده‌ها به دلیل زیست تخریب پذیری و نداشتن اثرات بیولوژیکی بسیار در حال توسعه هستند. یک نمونه از این دسته منعقدکننده‌ها کیتوسان است. کیتـوسان یـک لختـه سـاز مؤثر و بسیار قوی برای حذف کدورت از آب است که می‌تواند انواع آلاینده‌هـای محلـول در آب را حـذف کند.

v     انعقاد الکتریکی

درروش انعقاد الکتریکی از فلزاتی مثل آلومینیوم و آهن بعنوان الکترود استفاده می‌شود. این فلزات در اثر عبور جریان و قرار گرفتن در داخل آب، هیدرولیز شده و تولید یون‌هایی با بار مثبت می‌کنند. در ادامه ذرات کلوئیدی با بار منفی، یون‌های مثبت را جذب کرده و خنثی می‌شوند. در نتیجه این خنثی سازی هسته اصلی انعقادی که قابلیت ته نشین شدن را دارد، تشکیل می‌شود. از جمله مزایای این روش اینست که نیاز به مواد شیمیایی گران قیمت ندارد و لخته‌هایی ایجاد می‌شود، بسیار بزرگتر از لخته‌های ایجاد شده توسط مواد منعقد کننده شیمیایی است و همچنین پایداری بیشتری در برابر اسیدها دارند که باعث افزایش بازده این روش می‌شود.

بخش سوم: شاخص‌ها و ملاحظات

طرح‌ها رسیده با دو رویکرد اصلی مورد بررسی و ارزیابی قرار خواهند گرفت:

رویکرد اول ارتقا روش‌های رایج با هدف افزایش راندمان، کاهش اثرات مخرب زیستی و کاهش هزینه؛

رویکرد دوم توسعه روش‌های جدیدی که محدودیت‌های روش‌های رایج را نداشته و محاسن قابل قبولی داشته باشند.

لازم به ذکر است که علاوه بر موارد گفته شده روش‌های پیشنهادی باید دارای یکسری ملاحظات فنی اساسی باشند که شامل موارد زیر است:

۱) مقیاس‌پذیری و تکرارپذیری؛ روش پیشنهادی باید امکان تکرار و افزایش مقیاس داشته باشد، زیرا هدف نهایی استفاده در مقیاس انبوه و صنعتی است.

۲) از نظر قیمت تمام شده از قابلیت صنعتی شدن (تولید انبوه) و توجیه اقتصادی بویژه در مقایسه با روش‌ها و محصولات موجود برخوردار باشد.

۳) هزینه تمام شده برای تصفیه آب مقرون به صرفه باشد.

۴) مواد اولیه مورد استفاده، فرآیند ساخت و نیز محصول نهایی نباید سمی بوده یا برای انسان/محیط زیست مخاطره جدی در بر داشته باشد.

۵) سهولت دسترسی و تأمین مواد اولیه مصرفی و فرآیند تولید، از معیارهای اصلی این چالش است.

۶) عملکرد و بازده تولید آب در تمامی فصول کافی باشد؛

۷) اثرات مخرب زیست محیطی نداشته باشد؛

۸) آب خروجی دارای استانداردهای کیفی لازم باشد؛

۹) بهره برداری از سیستم آسان باشد.

در مورد کیفیت آب خروجی معیار استانداردهای ۱۰۵۳ ویژگی های فیزیکی و شیمیایی “مؤسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران” و استانداردهای بین‌المللی آب آشامیدنی مانند EPA و WHO است. همچنین لازم است روش یا فرآیند پیشنهادی به گونه‌ای باشد که سازمان غذا و دارو سالم بودن مواد مورد استفاده (مخصوصاً در بخش مواد نانو) را تایید نماید.

جداول استاندارد ملی ۱۰۵۳ ویرایش پنجم برای ارزیابی کیفیت آب آشامیدنی

ردیفویژگیحد مطلوبمقدار مجازواحد اندازه‌گیری
1کدورتکمتر یا مساوی 1حداکثر 5NTUa
2رنگ-حداکثر 15پلاتین، کبالت برای رنگ حقیقی آب T.C.Ub
3بوحداکثر 2 واحد در 12 درجه سلسیون و حداکثر 3 واحد در 25 درجه سلسیوس-رقم آستانه بو (TONc)
4pH5/8-5/69-5/6
یادآوری۱- نظر به این که کدورت، رنگ و pH علاوه بر قابل پذیرش بودن آب، در کیفیت بهداشتی آب به طور غیر مستقیم نقش دارند، برای آن‌ها حداکثر مجاز تعریف شده است.

یادآوری۲- تامین کدورت کم‌تر یا مساوی یک ان-تی-یو در خروجی تصفیه‌خانه‌های متعارف آب، الزامی است.

a-Nephelometric Turbidity Unit

b-True Color Unit

c- Thershould Odor Number

حداکثر مقدار مجاز مواد شیمیایی سمی در آب آشامیدنی

ردیفنوع ترکیبنمادحداکثر مجاز (میلی گرم بر لیتر)
1آرسنیکAs01/0
2آزبست-MFLa 7
3سربPb01/0
4کروم*Cr05/0
5سلنیومSe01/0
6کادمیومCd003/0
7آنتیموانSb02/0
8جیوه (معدنی)Hg006/0
9مولیبدنMo07/0
10سیانورCN07/0
11بورB5/0
12نیکلNi07/0
13باریمBa7/0
14وانادیمV1/0

حداکثر مجاز و مطلوب مواد شیمیایی معدنی غیر سمی موجود در آب آشامیدنی

ردیف نوع ترکیبحداکثر مطلوبحداکثر مجاز
1کل مواد جامد محلول ................... TDS) a)10001500
2سختی کل بر حسب...................... CaCO3 200500
3کلرور بر حسب.................................... Cl250400
4سولفات بر حسب..............................SO4250400
5هیدروژن سولفوره..............................H2S05/0-
6آهن بر حسب.....................................Fe3/0-
7منگنز بر حسب..................................Mn1/04/0
8آلومینیوم بر حسب..............................AL1/01/0-2/0
9روی بر حسب....................................Zn3
10مس بر حسب...................................Cu12
11نیترات بر حسب............................. NO3-b50
12نیتریت برحسب............................. NO2-b3
13کلسیم برحسب.................................Ca300-
14منیزیم بر حسب...............................Mg30-
15آمونیاک بر حسب..........................NH35.1-
16سدیم بر حسب.......................Na200C200

یادآوری۱ – نظر به ای ن که بین یون منیزیم و سولفات از نظر تغییر طعم و امکان اختلال در جهاز هاضمه ارتباطی وجود دارد، از این رو در شرایطی که مقدار منیزیم از ۳۰ میلی گرم بر لیتر بیش تر باشد، مقدار سولفات نباید بیش از ۲۵۰ میلی گرم بر لیتر باشد.

یادآوری۲ – حداکثر مجاز کل مواد جامد محلول، کلرور، سولفات، آلومینیوم و سدیم ، به علت اهداف غیر بهداشتی بوده و در راستای منافع ملی ارائه شده است.

یادآوری ۳ – مقدار حداکثر مجاز آلومینیوم برای تصفیه خانه‌های بزرگ  ۱/۰ و برای تصفیه خانه‌های کوچک ۲/۰ است.

یادآوری ۴ – حداکثر مجاز سختی از نقطه نظر اقتصادی ارائه شده است.

a- Total Dissolved Solids

b– در مورد نیترات و نیتریت= مجموع نسبت غلظت هر کدام به مقادیر توصیه شده نباید از یک بیش تر باشد.

c– در شرایط نبودن منبع آب با کیفیت برتر در منطقه تا ۲۵۰ میلی گرم بر لیتر مجاز است.

[۱] Photovoltaics

[۲] geosmin

[۳] ۲-Methylisoborneol

[۴] Threshold Odor Numberv

[۵] Nephelometric Turbidity Unit

ثبت طرح