سولفات آلومینیوم در تصفیه آب چه کاربردهایی دارد؟

عملکرد سولفات آلومینیوم به عنوان یک منعقدکننده در تصفیه آب چگونه است؟

درک فرآیند لخته‌سازی و نقش سولفات آلومینیوم در ناپایدار کردن ذرات معلق

تصفیه آب با فرآیند لخته‌سازی آغاز می‌شود که در آن ناخالصی‌های بسیار ریز به هم نزدیک شده و در مرحله بعدی قابل حذف می‌شوند. آلوم در این مرحله عملکرد بسیار خوبی دارد، زیرا هنگام حل شدن، یون‌های سه‌ظرفیتی آلومینیوم (Al³⁺) را آزاد می‌کند که به طور موثر بار منفی ذرات معلق در آب — مانند ذرات رس، ذرات آلی و حتی برخی از میکروب‌های مضر — را خنثی می‌کنند. وقتی این بارها خنثی شوند، ذرات دیگر یکدیگر را دفع نمی‌کنند و در فرآیند اختلاط سریع (که معمولاً حدود یک تا دو دقیقه طول می‌کشد) به هم می‌چسبند. بیشتر تصفیه‌خانه‌های آب در میابند که آلوم در محدوده pH بین ۵٫۵ تا ۷٫۵ بهترین نتیجه را دارد. مقدار آلوم مورد نیاز بسته به میزان کدری آب و نوع آلاینده‌های موجود متغیر است و معمولاً بین ۵۰ تا ۳۰۰ میلی‌گرم در لیتر می‌باشد.

مکانیسم شیمیایی سولفات آلومینیوم در تشکیل لخته و حذف ناخالصی‌ها

پس از تراز شدن بارها، آلوم از طریق هیدرولیز تجزیه شده و هیدروکسید آلومینیوم (Al(OH)3) ایجاد می‌کند. این ماده به صورت جامدی شبیه ژل تشکیل می‌شود که بسیار خوب مواد ناخواسته را از آب جدا می‌کند. هنگامی که این ذرات کوچک به نام فلوک‌ها رشد می‌کنند، اندازه‌شان می‌تواند از نیم میلی‌متر تا سه میلی‌متر برسد. این امر باعث می‌شود به خوبی در مخازن تصفیه ته‌نشین شوند. هنگامی که همه چیز به درستی کار کند، این روش حدود ۸۵ درصد تا تقریباً تمام کدورت نمونه‌های آب را حذف کرده و تقریباً دو سوم تا چهار پنجم ترکیبات آلی مزاحم را نیز از بین می‌برد. مطالعات نشان می‌دهند که این فلوک‌های هیدروکسیدی از طریق ایجاد پیوند در سطوح خود به آلاینده‌های محلول مختلفی مانند یون‌های فسفات و انواع فلزات سنگین می‌چسبند. این عمل چسبندگی در واقع کارایی کلی سیستم تصفیه را افزایش می‌دهد.

مقایسه با منعقدکننده‌های جایگزین: کارایی، هزینه و ملاحظات عملی

کلرید فریک می‌تواند تقریباً تمام فسفر موجود در آب را حذف کند، گاهی اوقات تا حدود ۹۸ درصد، که بسیار بهتر از آلوم است که تنها حدود ۷۰ تا ۸۵ درصد فسفر را حذف می‌کند. نقطه ضعف آن این است که کلرید فریک به لوله‌ها و تجهیزات خیلی سریع‌تر آسیب می‌زند، به همین دلیل شهرداری‌ها مجبورند هزینه‌های اضافی برای تعمیر و تعویض پرداخت کنند. پلیمرهای مصنوعی گزینه دیگری هستند که آب بسیار شفافی تولید می‌کنند و پس از تصفیه حجم کمی لجن باقی می‌ماند، اما قیمت این مواد آنقدر بالاست که استفاده از آنها را برای بیشتر تصفیه‌خانه‌های فاضلاب روزمره غیرعملی می‌کند. به همین دلیل بسیاری از شهرها هنوز هم به استفاده از آلوم ادامه می‌دهند، با وجود جایگزین‌های جدیدتر. آلوم دهه‌هاست که مورد استفاده قرار می‌گیرد، به‌صورت قابل اعتمادی کار می‌کند، نیازی به رویه‌های پیچیده راه‌اندازی ندارد و مانند برخی گزینه‌های پیشرفته‌تر، بودجه را تحت فشار قرار نمی‌دهد. برای دولت‌های محلی که با بودجه محدود و زیرساخت‌های قدیمی دست و پنجه نرم می‌کنند، استفاده از همان چیزی که می‌شناسند منطقی به نظر می‌رسد، حتی اگر از نظر فنی بهترین عملکرد را نداشته باشد.

نگرانی‌های زیست‌محیطی: آلومینیوم باقیمانده و ایمنی بلندمدت در آب تصفیه‌شده

سازمان جهانی بهداشت سطح حداکثر مجاز ۰٫۲ میلی‌گرم در لیتر را برای آلومینیوم باقیمانده در آب آشامیدنی تعیین کرده است، زیرا نگرانی‌هایی دربارهٔ اثرات احتمالی آن بر عملکرد مغز در طول زمان وجود دارد. تأسیسات تصفیه آب که از روشهای نوین فیلتراسیون استفاده می‌کنند، می‌توانند مقادیر باقیمانده آلومینیوم را در مقایسه با روشهای قدیمی، حدود ۷۰ تا شاید حتی ۹۰ درصد کاهش دهند. نظارت بر سطح pH در طول فرآیند و افزودن یک مرحله اضافی با غشاهای خاص پس از تصفیه، به اطمینان از رعایت این محدوده‌های ایمن تعیین‌شده توسط مراجع بهداشتی کمک می‌کند. این امر سلامت مردم را تضمین می‌کند بدون آنکه کارایی کلی فرآیند تصفیه را کاهش دهد.

بهبود شفافیت آب و حذف کدری در سیستم‌های آب شهری

سولفات آلومینیم همچنان انتخاب رایجی برای تصفیه آب در شهرها است، زیرا می‌تواند میزان کدری آب را حدود ۹۰ درصد کاهش دهد. اتفاقی که می‌افتد این است که بار الکتریکی ذرات ریز مانند ذرات رس، خاک ریز و حتی جریان‌های کوچک موجودات شناور در منبع آب را خنثی می‌کند. این ذرات سپس به هم می‌چسبند و لخته‌های بزرگ‌تری تشکیل می‌دهند که به راحتی ته‌نشین می‌شوند. پژوهشی که در سال ۲۰۲۱ منتشر شد نشان داد که با اعمال صحیح آن، سطح کدری به کمتر از ۰٫۳ NTU می‌رسد که در واقع با دستورالعمل‌های سازمان جهانی بهداشت برای آب آشامیدنی شفاف مطابقت دارد. این عملکرد عالی به معنای کاهش فشار روی فیلترها در مراحل بعدی سیستم است. تاسیسات به طور کلی بهتر کار می‌کنند و پول نیز صرفه‌جویی می‌شود، که این امر به ویژه برای سیستم‌های آب شهرهای بزرگ که میلیون‌ها نفر را هر روز تأمین می‌کنند، حائز اهمیت است.

حذف مواد آلی، عوامل بیماری‌زا و فلزات سنگین از طریق لخته‌سازی

روش عملکرد آلوم در انعقاد به این معنی است که می‌تواند انواع مختلفی از آلاینده‌ها را همزمان حذف کند. مواد آلی حل‌شده در آب به لخته‌های هیدروکسید آلومینیومی که در حین تصفیه تشکیل می‌شوند، متصل می‌شوند. همچنین باکتری‌هایی مانند اشریشیا کولی و انگل‌هایی مانند ژیاردیا نیز به‌صورت فیزیکی در این فرآیند گرفته می‌شوند. زمانی که pH بین ۶٫۵ تا ۷٫۵ نگه داشته شود، تحقیقات نشان می‌دهد که میزان حذف فلزات سنگین از جمله سرب، آرسنیک و کروم بین ۸۵٪ تا ۹۲٪ است. چیزی که این روش را بسیار ارزشمند می‌کند، توانایی آن در حذف همزمان چندین آلاینده و کاهش نیاز به ضدعفونی‌های اضافی است. با این حال، تنظیم دقیق دوز آلوم بسیار مهم است، زیرا اگر آلومینیوم باقی‌مانده بیش از حد باشد، ممکن است از حد ایمن ۰٫۲ میلی‌گرم در لیتر فراتر رود که برای هیچ‌کس مطلوب نیست.

افزایش کارایی ته‌نشینی و فیلتراسیون پس از تصفیه با آلوم

هنگامی که با آلوم تیمار می‌شوند، لخته‌ها در بسترهای ته‌نشینی حدود ۴۰ تا ۶۰ درصد سریع‌تر از ذرات بدون تیمار ته‌نشین می‌شوند و این امر باعث جداسازی بهتر مواد جامد می‌گردد. ته‌نشینی سریع‌تر به این معناست که فیلترها کمتر دچار گرفتگی می‌شوند و بنابراین می‌توانند مدت طولانی‌تری قبل از نیاز به تمیزکاری کار کنند و میزان شست‌شوی معکوس را حدود ۳۰ درصد کاهش می‌دهند. نکته جالب توجه این است که قوام چسبنده لخته‌های هیدروکسید آلومینیوم مانند یک لایه فیلتر اضافی در داخل بسترهای شن عمل می‌کند. این لخته‌ها ذرات بسیار ریزی با اندازه کمتر از یک میکرومتر را که از مرحله اولیه لخته‌سازی عبور کرده‌اند، به دام می‌اندازند. تمام این بهبودها در کنار هم به این معنا هستند که سیستم‌های تصفیه با کیفیت می‌توانند بیش از ۹۹٫۹ درصد از کل ذرات موجود در خروجی آب نهایی را حذف کنند.

حذف مؤثر فسفر در پساب شهری و صنعتی

آلوم به دلیل واکنش‌های تبادل لیگاند که در حوزه تصفیه آب بسیار مورد بحث قرار می‌گیرند، عملکرد خوبی در حذف فسفر دارد. اساساً هنگامی که یون‌های Al3+ با یون‌های ارتوفسفات (PO4^3-) ترکیب می‌شوند، ترکیبی به نام فسفات آلومینیوم (AlPO4) تشکیل می‌دهند که در آب حل نمی‌شود. این ماده سپس ته‌نشین شده و به صورت مکانیکی از آب فیلتر می‌شود. بر اساس داده‌های جمع‌آوری‌شده از ۴۵ تأسیسات مختلف پساب در سراسر اروپا، محققان مشاهده کردند که استفاده از آلوم در حدود ۸۸ درصد از این تصفیه‌خانه‌ها، سطح فسفر کل را به زیر ۰٫۵ میلی‌گرم بر لیتر کاهش داده است. این مقدار در واقع با الزامات دستورالعمل چارچوب آب اتحادیه اروپا برای استانداردهای آب تمیز مطابقت دارد. این ماده به ویژه در تصفیه پساب واحدهای فرآوری مواد غذایی و تولید نساجی بسیار مؤثر است، زیرا پساب این صنایع معمولاً دارای سطوح بسیار بالایی از فسفر است و گاهی در آزمایش‌های غلظت به میزان بالای ۱۵ میلی‌گرم بر لیتر نیز می‌رسد.

کاهش کدورت و آلاینده‌ها در جریان‌های پساب با بار بالا

عمل دوگانه ی انعقادی و فلکوکیالاسیون آلومینیوم آن را برای تصفیه آب های فاضلاب پیچیده و بارگذاری بالا مناسب می کند:

• مواد معلق کالویدا : ذرات شارژ منفی را در آب هایی با توربیت بیش از ۱۰۰۰ NTU خنثی می کند
• فلزات سنگین : فلزات سنگین: Pb2+ و Cr3+ را از طریق تشکیل هیدروکسید در pH 9 - 9.5 به هم ریخته می کند
• بارگذاری های ارگانیک : نیاز شیمیایی به اکسیژن (COD) را در 65-80% در فاضلاب کارخانه کاغذی از طریق اتصال با لیگنین و پروتئین کاهش می دهد

داده های میدان از هفت پارک صنعتی در چین نشان می دهد که آلومین 98٪ کل مواد جامد معلق (TSS) را در جریان هایی با محتوای اولیه مواد جامد بالاتر از 5،000 میلی گرم در لیتر از بین می برد و عملکرد قوی را در شرایط سخت نشان می دهد.

مطالعه موردی: اجرای موفق در کارخانه های تصفیه فاضلاب شهری

یک کارخانه شهری اروپایی که به 1.2 میلیون نفر خدمت می کند، پس از تغییر به انعقادی سولفات آلومینیوم پیشرفت های قابل توجهی را به دست آورد. این تاسیسات که ۳۰۰ هزار متر3/روز آب فاضلاب را پردازش می کنند، گزارش داده اند:

در طول یک آزمایش 18 ماهه، این کارخانه سطح آلومینیوم باقی مانده را کمتر از 0.2 میلی گرم در لیتر حفظ کرد در حالی که 94٪ حذف فسفر و 82٪ کاهش COD را به دست آورد، که اثربخشی و قابلیت اقتصادی آلومینیوم را در مدیریت فاضلاب در مقیاس بزرگ تأیید می کند.

بهینه سازی عملکرد سولفات آلومینیوم: دوز، pH و شرایط آب

محدوده pH ایده‌آل و استراتژی‌های دوزدهی برای حداکثر بازدهی لخته‌سازی

بهترین نتایج لخته‌سازی زمانی اتفاق می‌افتد که سطح pH بین حدود 5.5 تا 7.5 حفظ شود. در این محدوده، فرآیند بسیار کارآمدتر می‌شود و گاهی بهبود آن می‌تواند نسبت به خارج از این محدوده تا 40 تا 60 درصد افزایش یابد. در مورد مقدار آلوم مورد نیاز، اکثر فرآیندها به میزانی بین 5 تا 200 میلی‌گرم در لیتر نیاز دارند. اما اگر آب بسیار کدر باشد یا آلاینده‌های زیادی داشته باشد، در برخی موارد ممکن است مقادیری تا 500 میلی‌گرم در لیتر مورد نیاز باشد. برای تعیین دقیق بهترین مقدار در یک محل خاص، آزمون جار یکی از قابل‌اطمینان‌ترین روش‌های موجود است. این کار به جلوگیری از مصرف بیش از حد آلوم کمک می‌کند که می‌تواند منجر به باقی ماندن آلومینیوم اضافی در آب فراتر از حد مجاز سازمان جهانی بهداشت (0.2 میلی‌گرم در لیتر) شود. با این حال، هنگامی که pH بالاتر از 7.5 برود، مشکلاتی پیش می‌آید، زیرا هیدروکسید آلومینیوم کمتر در آب حل می‌شود. این امر تشکیل لخته‌های مناسب را دشوارتر کرده و در نهایت کارایی کلی فرآیند تصفیه را کاهش می‌دهد.

تأثیر دمای آب، قلیائیت و ترکیب یونی

آبی که دمای آن زیر ۱۰ درجه سانتی‌گراد باشد، واقعاً سرعت واکنش‌ها را در فرآیندهای تصفیه کند می‌کند. این بدان معناست که تشکیل لخته‌ها بسیار کندتر انجام می‌شود و گاهی اوقات تا ۳۰ تا ۵۰ درصد بیشتر از حالت عادی طول می‌کشد و همچنین اپراتورها مجبورند مواد را برای مدت زمان طولانی‌تری مخلوط کنند. در مورد سطوح قلیائیت، این پارامتر نقش مهمی در جلوگیری از اسیدی شدن سیستم پس از افزودن آلوم دارد. اگر سطح قلیائیت به زیر ۵۰ میلی‌گرم در لیتر (بر اساس کربنات کلسیم) برسد، اکثر تأسیسات تصفیه نیاز به آهک یا سودااش اضافی پیدا می‌کنند تا pH را به اندازه کافی پایدار نگه دارند و عملکرد مناسبی داشته باشند. چالش دیگری زمانی پیش می‌آید که غلظت یونی آب بالا باشد، یعنی بیش از ۱۰۰۰ میکروزیمنس بر سانتی‌متر. این شرایط در واقع لایه‌های الکتریکی ظریف اطراف ذرات را فشرده می‌کند و باعث می‌شود ذرات کمتر به هم بچسبند. نتیجه چیست؟ در این شرایط، فرآیند لخته‌سازی حدود ۴۰ درصد کارایی خود را از دست می‌دهد. تمام این متغیرها دلیل اهمیت داشتن سیستم‌های نظارتی دقیق و لحظه‌ای را نشان می‌دهند، به‌ویژه برای تأسیساتی که در طول فصل‌های مختلف با کیفیت متغیر آب سروکار دارند.

مزایا و چالش‌های استفاده از سولفات آلومینیوم در تصفیه آب

مزایای کلیدی: صرفه اقتصادی، قابلیت اطمینان و انعطاف‌پذیری در سیستم‌های مختلف تصفیه

آلوم، یا سولفات آلومینیوم، به عنوان یک منعقدکننده مقرون‌به‌صرفه و قابل اعتماد در بسیاری از تأسیسات تصفیه آب، هم در محیط‌های شهری و هم صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در مقایسه با گزینه‌هایی مانند کلرید فریک، این ماده هزینه‌های عملیاتی را حدود ۳۰ تا ۵۰ درصد کاهش می‌دهد و در عین حال نرخ حذف مواد معلول مانند کدری و پاتوژن‌های مضر را بالای ۹۵ درصد حفظ می‌کند. چیزی که این ماده را بسیار انعطاف‌پذیر می‌کند، عملکرد خوب آن در سیستم‌های کوچک روستایی تا تأسیسات بزرگ تصفیه شهری است. اپراتورها می‌توانند دوز مصرفی را بر اساس نوع کیفیت آبی که روزانه با آن مواجه هستند، تنظیم کنند. زمانی که سطح pH در محدوده مناسب ۵٫۵ تا ۷٫۵ نگه داشته شود، آلوم قادر است حدود ۷۰ تا ۹۰ درصد از آلاینده‌های آلی مزاحم را حذف کند. و در نهایت، زمانی که هزینه اهمیت داشته باشد، آلوم اغلب راه‌حل‌های PAC را به راحتی شکست می‌دهد و برای تأسیساتی که به بودجه خود توجه نزدیکی دارند، گزینه بهتری محسوب می‌شود.

محدودیت‌های رایج: تولید لجن، نیاز به تنظیم pH و ملاحظات زیست‌محیطی

الوم البته معایبی نیز دارد. این ماده در مقایسه با پلیمرهای مصنوعی حدود ۱۵ تا ۳۰ درصد لجن بیشتری تولید می‌کند که به معنای هزینه‌های دفع بالاتر و لجستیک پیچیده‌تر برای مدیریت پسماند است. هنگامی که الوم در فرآیندهای تصفیه آب تجزیه می‌شود، در واقع سطح pH را کاهش می‌دهد. برای خنثی کردن این اثر، تأسیسات تصفیه آب مجبورند هزینه‌هایی را برای مواد قلیایی مانند آهک صرف کنند. این خرید مواد شیمیایی می‌تواند تقریباً ۲۰ درصد از کل بودجه عملیاتی آنها را به خود اختصاص دهد تا سطح اسیدیتۀ آب مناسب حفظ شود. ناظران محیط زیست به طور دقیق میزان آلومینیوم باقیمانده در آب تصفیه شده را پایش می‌کنند، بنابراین رعایت توصیه سازمان جهانی بهداشت مبنی بر حداکثر ۰٫۲ میلی‌گرم در لیتر ضروری است. خبر خوب این است که تحقیقات اخیر نشان می‌دهد زمانی که بهره‌برداران روش‌های دوزدهی خود را دقیق تنظیم کنند و آنها را با سیستم‌های فیلتراسیون جدیدتر ترکیب کنند، می‌توانند تولید لجن را حدود ۴۰ درصد کاهش دهند. این رویکرد همچنین به رعایت استانداردهای مهم EPA و AWWA برای آب آشامیدنی سالم بدون compromise کیفیت کمک می‌کند.

سوالات متداول

نقش اصلی سولفات آلومینیوم در تصفیه آب چیست؟

سولفات آلومینیوم به عنوان یک منعقدکننده در تصفیه آب عمل می‌کند و به ناپایدار کردن ذرات معلق کمک می‌کند تا بتوان آنها را به‌طور موثر از طریق فرآیندهای تصفیه بیشتر حذف کرد.

سولفات آلومینیوم چگونه بر سطح pH آب تصفیه شده تأثیر می‌گذارد؟

سولفات آلومینیوم تمایل به کاهش سطح pH آب تصفیه شده دارد، به همین دلیل تأسیسات اغلب نیاز دارند مواد قلیایی مانند آهک را اضافه کنند تا محدوده بهینه pH برای تصفیه مؤثر حفظ شود.

آیا استفاده از سولفات آلومینیوم با نگرانی‌های زیست‌محیطی همراه است؟

بله، آلومینیوم باقیمانده در آب تصفیه شده نگران‌کننده است، زیرا ممکن است تأثیرات بالقوه‌ای بر سلامتی داشته باشد. بنابراین، سیستم‌های تصفیه تلاش می‌کنند سطح باقیمانده را پایین‌تر از ۰٫۲ میلی‌گرم بر لیتر نگه دارند که توسط سازمان جهانی بهداشت توصیه شده است.

با وجود محدودیت‌هایش، چرا سولفات آلومینیوم نسبت به سایر منعقدکننده‌ها ترجیح داده می‌شود؟

سولفات آلومینیوم از نظر هزینه مقرون‌به‌صرفه، قابل اعتماد و چندمنظوره است که این امر آن را به گزینه‌ای محبوب برای بسیاری از شهرداری‌ها تبدیل کرده، به‌ویژه آن‌هایی که با محدودیت بودجه و زیرساخت‌های موجود مواجه هستند.