انعقاد، ترسیب و حذف فلزات سنگین
انعقاد (Flocculation)
عمل انعقاد برای حذف مواد معلق یا کلوئیدی به کار می رود. کلوئیدها ذراتی هستند که دامنه اندازه آنها 0.1 الی 1 نانومتر می باشد. این ذرات در حالت عادی ته نشین نشده و نمی توان آنها را با فرایند های معمول تصفیه فیزیکی حذف نمود. کلوئید های موجود در فاضلاب، آبگریز یا آب دوست هستند. کلوئیدهای آبگریز (گل رس و غیره) هیچ کششی به محیط مایع نداشته و در حضور الکترولیت ها پایداری ندارند. آنها به سادگی با انعقاد ته نشین می شوند. کلوئیدهای آب دوست مانند پروتئین ها، کشش قابل ملاحظه ای را به آب نشان می دهند. آب جذب شده برای لخته سازی بازدارنده است و غالباً به تصفیه ویژه ای برای رسیدن به انعقاد موثر نیاز است.
خصوصیات الکتریکی کلوئیدها باعث پیدایش نیروی دافعه ای می شود که از تراکم و ته نشینی آنها جلوگیری می کند. یون های پایدارساز به شدت جذب یک لایه ثابت داخلی شده و بار ذره ای را تولید می کند که با والانس و عدد یون های جذب شده تغییر می کند. یون های با بار مخالف لایه کم تراکم (diffuse) خارجی را تشکیل می دهند که توسط نیروهای الکترواستاتیکی در نزدیکی سطح نگه داشته می شوند. پتانسیل زتا عبارت است از افت پتانسیل بین slipping plane و توده محلول که به بار الکتریکی ذره و ضخامت لایه دوگانه بستگی دارد. ضخامت لایه دو گانه (X) با غلظت و والانس الکترولیت های غیر ویژه (nonspecific) نسبت عکس دارد. نیروی کششی واندروالس در مجاورت ذرات کلوئیدی موثر است. پایداری یک کلوئید ناشی از نیروهای دافعه الکترواستاتیکی است و در مورد کلوئیدهای آب دوست در اثر حل شدن (solvation) که یک لایه آب عمل انعقاد را به تاخیر می اندازد می باشد. در ادامه با چگونگی مکانیسم انعقاد و کاربرد آن در پکیج تصفیه فاضلاب و دستگاه تصفیه RO بیشتر آشنا می شویم/
مکانیسم انعقاد (Flocculation process)
انعقاد حاصل دو مکانیسم اساسی است:
1. انعقاد پری سینتیک یا الکتروسینتیک، که در آن پتانسیل زتا بوسیله یون ها یا کلوئیدهای با بار مخالف تا سطح کمتر از نیروهای جاذبه واندروالس کاهش می یابد.
2. انعقاد ارتوسینتیک، که در آن ذرات (micelles) انباشته شده و توده هایی را تشکیل می دهند که ذرات کلوئیدی را دور خود جمع می کند.
افزودن کاتیون های با بار زیاد، بار ذره و فاصله موثر لایه مضاعف را کاهش داده و در نتیجه پتانسیل زتا کاهش می یابد. با حل شدن ماده منعقد کننده، کاتیون ها بار منفی روی کلوئیدها را خنثی می کنند. این امر قبل از شکل گیری لخته قابل رویت اتفاق می افتد و اختلاط سریع که کلوئید را اندود می کند در این فاز موثر است. سپس لخته های ریز شکل می گیرند که به علت جذب H بار مثبت را در دامنه اسیدی نگه می دارند. این لخته های میکرو، اغلب برای خنثی سازی و پوشاندن ذرات کلوئیدی بکار می روند. عمل لخته سازی (فلوکولاسیون)، کلوئیدها را با یک لخته اکسید آبی (hydrous) متراکم می کند. در این فاز، جذب سطحی نیز فعال است. کلوئیدهایی که در ابتدا جذب نشده اند، با گیر کردن در لخته ها حذف می شوند.
در صورت لزوم، ابتدا باید قلیائیت افزوده شود (بیکربنات بدون اینکه pH بالا برود باعث تولید قلیائیت می شود که مزیت است). سپس آلوم یا نمک های آهن (III) اضافه می شوند. این نمک ها کلوئیدها را با Al3 یا Fe3 و لخته های ریز را با بار مثبت می پوشانند. کمک منعقد کننده ها مانند سیلیس فعال و یا پلی الکترولیت ها برای تشکیل بیشتر لخته ها و کنترل پتانسیل زتا در خاتمه افزوده می شوند. پس از افزودن قلیا و ماده منعقد کننده، اختلاط سریع 1 تا 3 دقیقه ای و به دنبال آن لخته سازی با افزودن کمک منعقد کننده به مدت 20 تا 30 دقیقه توصیف شده است. ناپایداری را می توان از طریق افزودن پلیمرهای کاتیونی به انجام رسانید که می تواند سیستم را بدون ایجاد تغییری در PH به نقطه ایزوالکتریک برساند. اگر چه پلیمرها به عنوان یک منعقد کننده 10 تا 15 برابر آلوم تاثیر دارند ولی به میزان قابل ملاحظه ای گران هستند.
مشخصات مواد منعقد کننده
مقبولترین منعقد کننده در تصفیه فاضلاب و همچنین پیش تصفیه آب سولفات آلومینیوم یا آلوم {Al2(SO4)3.18H2O} است که به شکل مایع یا جامد در دسترس است. وقتی که آلوم در حضور قلیائیت به آب افزوده می شود، واکنش مربوطه به صورت زیر است:
هیدروکسید آلومینیوم دارای فرم شیمیایی Al2O3.xH2O بوده و یک آمفوتر است که می توان به عنوان اسید و یا یک باز عمل نماید. مقادیر بالای آلوم مصرف شده در تصفیه اغلب فاضلاب های صنعتی، بسته به pH لخته سازی می تواند منجر به ترسیب ثانویه لخته آلوم شود.
نمک های آهن (III) نیز عموماً بعنوان منعقد کننده به کار می روند ولی ایراد آن در این است که کار کردن با آن دشوار است. اکسید آهن آبی نامحلول در pH بین 3 تا 13 تولید می شود:
بار لخته در محدوده اسیدی مثبت و در محدوده قلیایی منفی بوده و در محدوده pH از 6.5 تا 8 مخلوط می باشد. حضور آنیون ها، دامنه لخته سازی موثر را تغییر می دهند. یون سولفات محدوده اسیدی را افزایش می دهد ولی از محدوده بازی می کاهد. یون کلراید، محدوده ها را اندکی در هر دو جهت زیاد می کند.
آهک یک ماده منعقد کننده واقعی نیست اما با قلیائیت بی کربناتی برای ترسیب کربنات کلسیم و با ارتوفسفات برای ترسیب هیدروکسی آپاتیت کلسیم واکنش می دهد. هیدروکسید منیزیم در pH بالا رسوب می کند. زلال سازی خوب اغلب به حضور قدری Mg(OH)2 ژلاتینی نیاز دارد اما این امر آبگیری لجن را مشکل می سازد. در اغلب موارد می توان لجن آهکی را تغلیظ نموده، آبگیری کرده، و آن را کلسینه نمود تا کربنات کلسیم به آهک تبدیل شده و مورد استفاده مجدد قرار گیرد.
کمک منعقد کننده ها
افزودن برخی از مواد شیمیایی انعقاد را با افزایش تعداد لخته هایی که زود ته نشین می شود افزایش خواهد داد. سیلیس فعال یک پلیمر با زنجیره کوتاه است که برای پیوند دادن ذرات خیلی ریز آلومینیوم هیدراته به همدیگر به کار می رود. مقدار زیاد سیلیس به علت خصوصیات الکترونگاتیوی آن شکل گیری لخته را محدود می سازد. مقادیر معمول آن 5 تا 10mg/l می باشد.
پلی الکترولیت ها، پلیمرهای با وزن مولکولی بالا هستند که حاوی گروه های قابل جذب سطحی بوده و پل هایی را میان ذرات یا لخته های باردار تشکیل می دهند. بدین طریق لخته های بزرگ (0.3 تا 1mm) وقتی به وجود خواهند آمد که مقادیر کم پلی الکترولیت (1 تا 5mg/l) همراه با آلوم یا کلرور فریک افزوده شود. پلی الکترولیت زیاد از pH تاثیر نمی پذیرد و می تواند به تنهایی از طریق کاهش بار موثر روی کلوئید به عنوان منعقد کننده به کار رود. سه نوع پلی الکترولیت وجود دارد: کاتیونی، که روی کلوئید یا زره لخته دارای بار منفی جذب می شود، آنیونی که گروه های آنیونی را روی ذره کلوئید تعویض کرده و اجازه پیوند هیدروژنی را بین کلوئید و پلیمر می دهد، و غیر یونی که جذب شده و از طریق پیوند هیدروژنی بین سطوح جامد و گروه های قطبی پلیمر تشکیل لخته می دهد.
در مورد آب های معدنی (آب چاه و چشمه)، معمولاً وجود گازهای طبیعی موجود در آب، ترکیبات گوگردی، آهن و یا منگنز می تواند دلیل وجود بوی نامطلوب باشد. بنابراین هوادهی این گونه آب ها باعث خروج گازهای معدنی شده و یا ترکیبات آهن و منگنز را به صورت نامحلول درآورده و در نهایت تا حد زیادی در حذف بو و طعم موثر واقع می شود. ولی در مورد آب های سطحی (آب رودخانه و دریاچه) هوادهی چندان موثر نیست، زیرا این گونه آب ها معمولاً از میزان اکسیژن محلول قابل توجهی برخوردارند و عوامل طعم دهنده در این آب ها ترکیبات آلی ناشی از منشاء گیاهی و یا صنعتی و انسانی می باشند که به سادگی توسط اکسیژن محلول، اکسید و تجزیه نمی شوند. بنابراین برای کنترل عوامل ذکر شده ابتدا منشاء آلودگی را باید تحت کنترل قرار داد. برای این منظور در مخازن آب های سطحی و یا دریاچه ها از سولفات مس (کات کبود) استفاده می گردد تا جلوی رشد جلبک ها گرفته شود. به همین ترتیب از تخلیه پساب های صنعتی به اینگونه منابع باید خودداری شده تا عوامل ایجاد کننده طعم و بو از بین بروند. لازم به ذکر است که غلظت سولفات مس لازم در آب در حدود 0.1 تا 0.3 میلی گرم در لیتر ذکر شده است. میزان ازت (نیتروژن به صورت آلی، نیترات، نیتریت و آمونیاک) و همچنین ترکیبات فسفر از عوامل مهم در رشد جلبک در آب های سطحی می باشند، لذا کنترل ورود این ترکیبات به آب های سطحی بسیار مهم است.
آشغالگیری
در پساب های صنعتی و فاضلاب های بهداشتی بارها مشاهده شده است که غلظت های سمی و بازدارنده آلاینده های آلی و معدنی می تواند فرآیند بیولوژیکی تصفیه را کند کرده، یا اگر در غلظت های بالا وجود داشته باشند، کاملاً آن را متوقف سازد. میکروارگانیسم ها تا اندازه ای خودشان را به حضور این آلاینده ها سازگار می کنند. غلظت بعضی از مواد مجاز در فرآیند هوازی در جدول 1 ذکر شده است.
در تصفیه پساب و فاضلاب باید به این نکته توجه داشت که به ندرت موقعیتی پیش می آید که محیط کشت های خالصی از میکروارگانیسم ها بتوانند برای فرآیند تصفیه مورد استفاده قرار گیرند. این امر عمدتاً به دلیل حضور انواع آلاینده های آلی و معدنی در فاضلاب می باشد که باعث کاهش رشد میکروارگانیزم ها می شود. این شرایط می تواند باعث تحریک یا متوقف کردن واکنش ها شود. بعنوان مثال جدول 3 غلظت های تحریک کنندگی و بازدارندگی کاتیون های قلیایی و قلیایی خاکی را در هضم بی هوازی نشان می دهد.