روش های پیش تصفیه آب صنعتی؛ فیلتر شنی، کربنی و کارتریجی

سه فیلتر شنی، کربن فعال و کارتریجی میکرونی زنجیره اصلی پیش تصفیه آب صنعتی را تشکیل می دهند. عدم عملکرد درست هر یک از این سه بخش، به تصفیه خانه آسیب می زند.

دستگاه های اسمز معکوس صنعتی (RO) بخش اصلی تصفیه خانه های مدرن هستند، اما ممبران های پلی آمیدی این سیستم ها به شدت در برابر ذرات معلق، کلر آزاد و آلودگی های زیستی حساس و آسیب پذیرند. تعویض زودهنگام ممبران ها به دلیل فولینگ فیزیکی یا تخریب اکسیداتیو، یکی از سنگین ترین هزینه های جاری را به بهره برداران تحمیل می کند. پیش تصفیه فیزیکی درست، دقیقاً همان خط دفاعی مهم است که طول عمر مفید غشاها را تضمین می کند.

اهمیت پیش تصفیه فیزیکی در RO

هدف اصلی از طراحی بخش پیش تصفیه، کاهش دو شاخص کلیدی در آب ورودی به ممبران ها است: کدورت (Turbidity) و شاخص تراکم لجن (SDI).

ممبران های اسمز معکوس نیازمند آبی با کدورت زیر 0.2 NTU و شاخص SDI کمتر از 3 هستند. ورود ذرات معلق، ذرات کلوئیدی، زنگ آهن و مواد آلی به ممبران، باعث گرفتگی مجاری هیدرولیکی و افت شدید دبی پرمیت می شود. تکیه صرف به تزریق آنتی اسکالانت بدون بکارگیری فیلتراسیون فیزیکی مناسب، یک خطای مهندسی بزرگ در طراحی تصفیه خانه است.

فیلتر شنی صنعتی؛ حذف ذرات معلق و کدورت

فیلتر شنی نخستین مرحله از تصفیه فیزیکی است که وظیفه به دام انداختن ذرات معلق درشت، گل و لای، ذرات کلوئیدی و زنگ زدگی لوله ها را بر عهده دارد.

ساختار بستر و لایه بندی سیلیس و آنتراسیت

در فیلترهای شنی تک لایه، از سنگ سیلیس با خلوص بالای 98 درصد در دانه‌بندی های مختلف استفاده می شود. لایه بندی از پایین به بالا از سایزهای خشن به ریز صورت می گیرد:

• لایه کف (زهکش): سیلیس خشن با سایز 8 to 12 mm
• لایه میانی: سیلیس متوسط با سایز 3 to 5 mm
• لایه فعال روئی: سیلیس ریز با سایز 0.8 to 1.2 mm

اما در سیستم های مدرن صنعتی، از فیلترهای چندلایه استفاده می شود. در این سیستم ها روی لایه سیلیس ریز، یک لایه آنتراسیت (ذغال سنگ سخت) با وزن مخصوص کمتر و دانه‌بندی 1.2 to 2.0 mm قرار می گیرد. آنتراسیت به دلیل تخلخل بالاتر، ذرات درشت تر را در عمق بستر محبوس می کند و مانع از گرفتگی سریع سطح سیلیس می شود. این آرایش، ظرفیت نگهداری لجن را تا دو برابر افزایش می دهد.

الزامات عملیاتی و زمان بک واش

راندمان فیلتر شنی به سرعت خطی عبور آب بستگی دارد. سرعت بهینه برای فیلتراسیون صنعتی بین 10 to 15 m/h است.

با محبوس شدن ذرات در بستر فیلتر، افت فشار در طول مخزن افزایش می یابد. هنگامی که اختلاف فشار روی گیج های ورودی و خروجی به حد 0.5 to 0.8 bar برسد، یا کدورت خروجی افزایش یابد، عمل شستشوی معکوس (Backwash) باید آغاز شود. سرعت جریان در بک واش باید حدود 30 to 35 m/h باشد تا بستر حدود 30 to 40 درصد منبسط شده و ذرات محبوس شده کاملاً شسته و از بالای مخزن خارج شوند.

فیلتر کربن فعال؛ جذب مواد آلی و دکلره سازی

پس از حذف ذرات معلق توسط فیلتر شنی، آب وارد فیلتر کربن فعال می شود. این مرحله دو وظیفه حیاتی دارد: حذف کلر آزاد و جذب مواد آلی محلول (TOC).

مکانیسم حذف کلر آزاد و حفاظت از ممبران

بزرگترین دشمن ممبران های اسمز معکوس پلی آمیدی، اکسیدکننده ها به ویژه کلر آزاد است. وجود کلر آزاد حتی در غلظت های بسیار پایین (بالای 0.1 ppm) ساختار پلیمری غشا را به صورت تجدیدناپذیر تخریب می کند.

کربن فعال گرانولی (GAC) کلر را به روش کاتالیستی و بر اساس واکنش زیر احیا می کند:

C + 2 Cl2 + 2 H2O -> 4 HCl + CO2

در این واکنش شیمیایی، کلر آزاد به یون کلرید بی خطر تبدیل می شود. شاخص کیفیت کربن فعال بر اساس عدد یدین (Iodine Number) سنجیده می شود که برای کاربردهای صنعتی باید بالای 900 mg/g باشد.

چالش آلودگی زیستی در بستر کربن

سطح متخلخل کربن فعال و غیبت کلر آزاد پس از لایه های اولیه، بستر کربن را به محیطی ایده آل برای تکثیر باکتری ها تبدیل می کند. اگر بستر کربن به طور منظم بک واش نشود، خود تبدیل به منبع اصلی آلودگی زیستی سیستم RO خواهد شد. ضدعفونی دوره‌ای بستر با آب گرم یا بخار و شستشوی معکوس منظم برای کنترل این مشکل ضروری است.

فیلتر کارتریجی یا میکرونی؛ آخرین سد محافظتی سیستم

فیلتر کارتریجی که در ورودی مستقیم پمپ فشار قوی RO نصب می شود، نقش سوپاپ اطمینان سیستم را دارد. اگر ذراتی از فیلتر شنی فرار کنند یا ذرات کربن خرد شده از فیلتر کربنی خارج شوند، فیلتر کارتریجی مانع ورود آنها به ممبران می شود.

ابعاد، دقت فیلتراسیون و جنس کارتریج ها

فیلترهای کارتریجی متداول در دو نوع اصلی تولید می شوند:

• فیلترهای الیافی تابیده یا فشرده: این فیلترها از الیاف پلی پروپیلن ساخته شده و دارای فیلتراسیون عمقی هستند. دقت آنها معمولاً 5 micron است.
• فیلترهای چین دار: دارای سطح مقطع فیلتراسیون بسیار بالاتری هستند و برای دقت های بالا مانند 1 micron استفاده می شوند.

جنس هوزینگ ها و زمان تعویض

کارتریج ها درون هوزینگ های صنعتی قرار می گیرند. جنس هوزینگ ها متناسب با شوری آب خام و فشار کاری انتخاب می شود:

• هوزینگ FRP: مناسب برای آب های شور و استیل ناتوان در برابر خوردگی.
• هوزینگ استیل (SS316L): مناسب برای صنایع دارویی، غذایی و فشار بالا.

افت فشار نرمال در شروع کار یک کارتریج نو حدود 0.1 to 0.2 bar است. هنگامی که افت فشار کارتریج ها به 1.0 to 1.5 bar برسد، کارتریج ها اشباع شده اند و باید کاملاً تعویض شوند (فیلترهای الیافی قابل شستشو نیستند).

جدول مقایسه فنی سه فیلتر پیش تصفیه

سوالات متداول

۱. چرا نمی توان از فیلتر کارتریجی به عنوان تنها مرحله پیش تصفیه استفاده کرد؟

فیلترهای کارتریجی به دلیل ساختار الیافی فشرده، ظرفیت نگهداری لجن پایینی دارند. اگر آب بدون عبور از فیلتر شنی وارد فیلتر کارتریجی شود، کارتریج ها در کمتر از چند ساعت کاملاً مسدود شده و هزینه تعویض مداوم آنها توجیه اقتصادی پروژه را نابود می کند.

۲. آیا فیلتر کربن فعال تمام کلر موجود در آب را حذف می کند؟

بله، در صورت طراحی درست ارتفاع بستر و زمان ماند هیدرولیکی کافی (EBCT بیش از 5 دقیقه)، فیلتر کربن فعال تمام کلر آزاد را حذف کرده و میزان آن را به صفر ppm می رساند. در صورت عبور کلر، باید بستر کربن بلافاصله تعویض شود.