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:

Al2(SO4)3. 8H2O3Ca(OH)2 > 3CaSO42Al(OH)318H2O

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:

Fe33OH > Fe(OH)3

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.

باکتریولوژی و تصفیه آب و فاضلاب

مرحله دوم تصفیه فاضلاب که مهم ترین مرحله زدودن آلودگی پساب های صنعتی و فاضلاب می باشد به وسیله میکروب ها انجام می گیرد. میکروب ها یا موجودات ذره بینی از باکتری ها، جلبک ها، قارچ ها و پروتوزوئر تشکیل شده اند. بعضی از میکرب ها مثل جلبک ها را از خانواده گیاهان و بعضی دیگر مثل پروتوزئرها (مثل آمیب Amoebae) را از خانواده جانوران دانسته اند ولی به طور کلی حد فاصلی نمی توان قایل شد.
بعضی از باکتری ها و ویروس ها و پاره ای از پروتوزئر ها، پاتوژن بوده که برای انسان بیماری زا و بسیار خطرناک می باشند و در حقیقت تصفیه فاضلاب برای جلوگیری از انتشار این قبیل پاتوژن ها می باشد. در ضمن نباید فراموش کرد که میکروب ها عوامل اصلی تصفیه فاضلاب می باشند و با استفاده صحیح، می توانند در خدمت بشر به کار گرفته شوند. با توجه به اینکه بخش عمده موجودات ذره بینی در آب و فاضلاب را باکتری ها تشکیل می دهند، شرح بیشتری از این موجودات در ادامه ارائه می شود.

باکتری ها و کاربرد آنها در پکیج تصفیه فاضلاب و دستگاه تصفیه RO

باکتری ها به اشکال و اندازه های مختلف یافت می شوند. باسیل ها که به صورت لوله ای شکل می باشند بیشتر از دیگر انواع در پکیج تصفیه فاضلاب دیده می شوند. غالب آنها از تجزیه مواد آلی انرژی لازم برای ادامه حیات و سوخت و ساز (متابولیسم) خود را به دست می آورند و گروهی نیز هستند که از مواد معدنی می توانند تغذیه کنند. باکتری ها را به طور کلی به سه گروه می توان تقسیم نمود:

• باکتری های هوازی یا Aerobes
• باکتری های بی هوازی Anaerobes
• باکتری های فاکولتاتیو یا اختیاری که هم در محیط اکسیژن می توانند ادامه حیات بدهند و هم در محیطی که اکسیژن وجود ندارد (Facultative Bacteria)

سیستم های هوازی عبارتند از سیستم هایی که در آن میکروب های هوازی از اکسیژن محلول استفاده کرده و تولید سلول های دیگری می نمایند. مثلا تجزیه قند در شرایط هوازی (که باکتری های هوازی عامل آن هستند) به شرح زیر می باشد:

C6H12O6 -> 6CO26H2O

در سیستم های غیر هوازی (بی هوازی) مواد آلی بدون حضور اکسیژن تجزیه می شوند:

مواد آلی > اسیدهای آلی آب دی اکسید کربن

اسیدهای آلی > دی اکسید کربن متان
مثلا تجزیه قند در محیط غیر هوازی بدین صورت است:

C6H12O6 -> CH43CO2

یعنی در حقیقت باکتری های غیر هوازی در محیط مناسب تولید اسیدهای آلی و سپس تولید گاز متان می نمایند. امروزه این فرآیند به علت تولید انرژی (متان که به عنوان سوخت مصرف می شود) توجه زیادی پیدا نموده است.
میکرو ارگانیزم های (باکتری ها) هوازی، غیرهوازی و فاکولتاتیو را تحت عنوان گروهی به نام هتروتروف که گاهی نیز به آنها ساپروفیت Saprophyte نیز می گویند نام می برند. این گروه میکروب هائی هستند که فقط قادر به استفاده مواد آلی می باشند. در مقابل آنها گروهی دیگر از باکتری ها تحت نام باکتری های اتوتروف Autotroph هستند که از مواد معدنی نیز می توانند تغذیه نمایند. این گروه از CO2 به عنوان منبع کربن استفاده می کنند و معروف ترین آنها نیتروسومونا و نیتروباکتر هستند که در تجزیه آمونیاک و نیترات ها و تولید گاز ازت در سیستم های تصفیه بیولوژیکی فعال می باشند.

NH3 Oxygen > NO2 Energy

به غیر از هوا (اکسیژن)، رشد و تکثیر باکتری ها به عوامل دیگری نیز بستگی دارد. غذای اصلی باکتری ها مواد آلی کربنه است ولی به ازت و فسفر نیز محتاج می باشند. در مرحله بعد نیاز باکتری ها به گوگرد، پتاسیم و آهن و بعضی از فلزات مثل سدیم، منگنز، کلسیم و منیزیم و غیره زیاد است و این عناصر در سوخت و ساز باکتری ها نقش دارند.
حرارت نیز یکی دیگر از عوامل اصلی در فعالیت باکتری ها می باشد و معمولاً هر نوع باکتری به خصوصی در درجه حرارت مشخصی حداکثر فعالیت را از خود نشان می دهد. از نظر فعالیت بهینه باکتری ها در درجه حرارت های متفاوت باکتری ها را به 4 گروه تقسیم می کنند:

نوع	درجه حرارت فعالیت	نام لاتین
باکتری های کرایوفیل	-5 تا 5 درجه سانتیگراد	Cryophiphils
باکتری های سایکروفیل	5 تا 20 درجه سانتیگراد	Psychrophils
باکتری های مزوفیل	20 تا 45 درجه سانتیگراد	Mesophils
باکتری های ترموفیل	45 تا 55 درجه سانتیگراد	Thermophils

تعداد محدودی از باکتری ها در محیط های اسیدی و قلیائی می توانند دوام بیاورند و کلاً در pH بین 5 تا 9 زنده می مانند ولی غالباً در pH 6.5 تا 7.5 فقط می توانند به فعالیت خود ادامه بدهند و تکثیر شوند.
باکتریهای پاتوژن مثل پاراتیفوئید (دیسانتری)، اسهال خونی، وبا و شبه وبا از جمله باکتری هایی هستند که به وسیله آب آلوده منتشر می شوند. 
باکتری های کلیفرمی Coliform Bactreria این گروه باکتری هایی هستند که به وفور در مدفوع انسان و بدن موجودات (انسان یا حیوان) یافت می شود و هر انسان در روز در حدود 200 میلیون باکتری کلیفرمی از خود دفع می نمایند. چون این باکتری ها غالباً از انسان و یا سایر حیوانات می باشند در نتیجه پیدایش آن ها در آب نشان دهنده آلودگی آب می باشد. گروهی از باکتری های کالیفرمی را به نام Eshrishia Coli و اصطلاحاً به نام E – Coli می نامند. در صورتیکه E-Coli در آب یافت شود هر چقدر که آن آب تمیز باشد آلوده تلقی شده و حتما باید ضد عفونی گردد. چون شناسائی باکتری های E-Coli ساده می باشد و وجود آنها در آب امکان آلوده بودن آن آب به پاتوژن ها را می رساند بنابراین یکی از شاخص های مهم آلودگی می باشد.
خود باکتری های E-Coli تا چندی پیش خطرناک تلقی نمی شدند و تنها خطر آن ها انتقال مقاومت از یک نسل باکتری به نسل دیگر بود که در نتیجه باعث پرورش پاتوژن ها می شوند که در مقابل بسیاری از داروها و آنتی بیوتیک ها مقاومت دارند. در سال های اخیر بعضی از عفونت ها به باکتری ها E-Coli نسبت داده شده اند. E-Coli و انواع آب در دستگاه تصفیه آب اثری ندارند و تنها نقش آنها به عنوان شاخص آلودگی (میکروبیولوژیکی)آب تصفیه شده می باشند.
باکتری ها از طریق تقسیم دو تائی Binary Fission تکثیر می شوند در نتیجه در یک سیستم آماده (که همه امکانات رشد و تکثیر وجود داشته باشد) تعداد آنها به سرعت زیاد می شود.
منحنی رشد باکتری ها در شکل زیر دیده می شود در این منحنی چهار مرحله منفک برای رشد و تکثیر باکتری ها در نظر گرفته شده که عبارتند از:
مرحله تاخیری (Lag Phase)، فاز رشد لگاریتمی (Log phase)، فاز ثابت (Stationary phase)، و بالاخره فاز مرگ (Death phase).

شکل (1) منحنی رشد باکتری ها

در صورتیکه محیط برای رشد باکتری ها آماده باشد، پس از زمان کوتاهی که به نام فاز تاخیری معروف می باشد، باکتری ها به زودی شروع به تکثیر می کنند و به سرعت تکثیر می شوند. پس از زمان محدودی، رشد آنها به علت تمام شدن مواد غدایی و تولید مواد شیمیایی مسموم کننده متوقف می شود. سپس برای مدتی تغییری در آن انجام نمی گیرد (فاز ثابت) و پس از مدتی مرگ شروع می شود. منحنی رشد و تکثیر باکتری ها بسیار مهم می باشد و در بسیاری از فرآیندها توجه زیادی به آن می شود.

ویروس ها

موجودات ذره بینی بخصوصی که از مواد آلی و معدنی برای تغذیه استفاده می کنند و به صورت انگل باکتری ها می باشند و روی باکتری ها زندگی کرده، از سیستم های تولید مثل باکتری استفاده کرده و تکثیر می شوند و در این صورت غالباً باکتری قبول کننده از بین می رود. بنابراین به ویروس ها باکتریوفاژ نیز گفته می شود.
ویروس ها بسیار ریزتر از باکتری ها هستند (بین 0.02 تا 2 میلی میکرون) و بسیاری از آن ها به صورت مولکول های شیمیایی به حالت پایدار باقی می مانند در نتیجه به صورت غیر فعال برای سالیان دراز به حیات خود ادامه می دهند.
ویروس ها عامل بسیاری از بیماری های خطرناک مثل فلج (POLIO)، آبله و غیره شناخته شده اند.

جلبک ها

جلبک (Algae) موجودات ذره بینی چند سلولی می باشد که قادر به انجام عمل فتوسنتز است:

6CO212H2O > C6H12O66H2O6O2

دی اکسیدکربن به عنوان منبع کربن مورد استفاده قرار گرفته و سلول های جدید همراه گلوکز سنتز می شوند. این یکی از بزرگترین و مهم ترین فرآیندهای طبیعی می باشند که در حقیقت حیات را ممکن ساخته است. درتاریکی جلبک ها نیز احتیاج به اکسیژن برای تنفس و مواد کربنه برای تغذیه دارند. رشد جلبک ها به میزان بسیار زیادی به ازت و فسفر محلول در آب بستگی دارد و گاهی در دریاچه هایی که فاضلاب تصفیه شده را دریافت می کنند به علت مواد غذایی (کربن، ازت، فسفر) حالتی که اصطلاحاً به نام Algal bloom که اصطلاحا به آن شکوفایی جلبکها گفته می شود، اتفاق می افتد که باعث انهدام زود هنگام دریاچه می گردد و عامل آن رشد بیش از حد خزه ها و جلبک ها می باشد. بعضی از انواع جلبک به عنوان منابع پروتئین مورد استفاده قرار می گیرند. به طور کلی جلبک ها می توانند دارای مزاحمت های زیادی در آب ها و فاضلاب های تصفیه شده شوند.

پروتوزوئا PROTOZOA

موجوداتی ذره بینی و چند سلولی می باشند که از سایر موجودات ذره بینی به حیطه حیوانات نزدیک ترند. به سه گروه اصلی تقسیم می شوند که عبارتند از آمیب، سیلیات و فلاژلات (Flagellate، Ciliate، Amoebae) بعضی از انواع آمیپ ها، پاتوژن بوده وخطرناک می باشند. پروتوزئرها در تصفیه فاضلاب نقش عمده ای را ایفا می کنند و وجود آنها شاخصی برای کیفیت آب محسوب می شود (فاضلاب تصفیه شده غنی از پروتوزوئا می باشد).

موجودات بزرگتر

موجودات دیگری نیز در اکولوژی آب های آلوده و در چرخه میکروارگانیزم های پکیج تصفیه فاضلاب زندگی می کنند که از جمله کرم های حلقوی، نماتدها (Nematodes) و سایر نرم تنان می توان نام برد.
این موجودات معمولاً انگل های بسیار خطرناکی محسوب می شوند.