فرآیندهای مبتنی بر غشا مورد استفاده در تصفیه فاضلاب شهری

مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت):

چکیده

استفاده مجدد از فاضلاب به عنوان یک مفهوم پایدار، قابل اعتماد و بازیابی انرژی به عنوان یک رویکرد امیدوارکننده برای کاهش کمبود آب در سراسر جهان است. با این حال، بازار استفاده مجدد از آب باید با تلاش‌­های طولانی مدت توسعه یابد زیرا در حال حاضر تنها کمتر از 4% از کل فاضلاب در سراسر جهان برای استفاده مجدد از آب تصفیه شده است. علاوه بر این، آب بازیافتی باید معیارهای ایمنی بهداشتی، ظاهر، پذیرش زیست ‌محیطی و امکان‌سنجی اقتصادی را بر اساس دستورالعمل‌های استفاده مجدد از آب محلی خود برآورده کند. علاوه بر این، فاضلاب شهری به عنوان یک منبع آب جایگزین برای استفاده مجدد غیر شرب یا قابل شرب، به طور گسترده‌­ای توسط فرایندهای مختلف تصفیه غشایی برای کاربردهای مجدد، تصفیه شده است. با جمع‌آوری موارد استفاده مجدد در مقیاس آزمایشگاهی و آزمایشی تا حد امکان، هدف این بررسی، ارائه خلاصه‌ای جامع از فرایندهای تصفیه مبتنی بر غشا است که عمدتاً بر عملکرد فیلتراسیون هیدرولیکی، ظرفیت حذف آلاینده‌ها، هدف استفاده مجدد، پتانسیل مقاومت در برابر رسوب، بازیابی منابع و مصرف انرژی کمتر متمرکز است. پیشرفت‌­ها و محدودیت‌­های فرایندهای مختلف غشایی به تنهایی یا همراه با سایر فرایندهای ممکن مانند فرایندهای ضدعفونی و فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته نیز برجسته شده است. چالش‌های پیش روی فناوری‌های مبتنی بر غشا برای کاربردهای استفاده مجدد از آب، از جمله موانع نهادی، تخصیص مالی و درک عمومی، به‌عنوان حوزه‌هایی بیان می‌شوند که نیاز به تحقیق و توسعه بیشتر دارند.

چالش‌ها، چشم اندازها و نتیجه‌گیری

در حالی که استفاده مجدد از فاضلاب شهری یک رویکرد امیدوار کننده برای کاهش آلودگی آب و کاهش کمبود آب ارائه می‌شود، نسبت فاضلاب استفاده مجددشده بسیار کم است. حجم کل استفاده مجدد از آب تقریباً 14.2 billion m³/y  است که در بازار جهانی آب در سال 2017 گزارش شده است که کمتر از 4%  از حجم کل فاضلاب خانگی (250-350 billion m³/y) است. در واقع، نسبت استفاده مجدد در بین کشورها و مناطق مختلف بر اساس شرایط واقعی به طور قابل توجهی متفاوت است. در مناطقی که  دچار کم آبی شدید می­‌باشند، مانند منطقه عربی، 23% از فاضلاب جمع‌­آوری ­شده، بیشتر برای آبیاری و تغذیه آب زیرزمینی مورد استفاده مجدد قرار می‌­گیرد. دولت سنگاپور با اراده مستقل از تقاضای آب، به 40% استفاده مجدد از کل فاضلاب می‌­رسد. برخی از کشورها مانند اسرائیل و تونس در استفاده مجدد از فاضلاب با نرخ استفاده مجدد بیش از 80% پیشتاز هستند. علاوه بر این، ایالات متحده آمریکا به عنوان پیشگام در مفاهیم و فناوری استفاده مجدد از زباله، بیش از یک پنجم ظرفیت آب استفاده مجدد را در سراسر جهان دارد، در حالی که تنها نرخ ملی استفاده مجدد از آب را 9.7% ارائه می‌دهد. در اروپا، تقریباً 2.4% از کل پساب فاضلاب تصفیه شده شهری مورد استفاده مجدد قرار می‌­گیرد. در این شرایط جهانی، رویکرد استفاده مجدد از آب، بازاری امیدوارکننده با پتانسیل بالا خواهد بود. همانطور که پارلمان اروپا با پیشنهاد خود در ماه می سال 2020 تخمین زد، افزایش استفاده مجدد از آب در آبیاری کشاورزی از 1.7 billion m³/y  به 6.6 billion m³/y  تا سال 2025 می­تواند تنش آبی را تا 5% کاهش دهد. به طور کلی، اجرای تاسیسات فاضلاب مستلزم هزینه سرمایه­‌گذاری قابل توجهی است. تحت مدیریت یکپارچه منابع آب یک منطقه، اجرای استفاده مجدد از فاضلاب ممکن است به کمک­‌های مالی یا یارانه‌­های دولتی نیاز داشته باشد. متأسفانه، موانع نهادی، تخصیص مالی و اولویت‌های مختلف سازمانی می‌تواند پیشرفت پروژه‌های استفاده مجدد از آب را در برخی موارد دشوار کند.

در حال حاضر، تولید آب استفاده مجدد از تصفیه‌های مختلف مبتنی بر غشا اهداف متعدد مصرف آب را برآورده می‌کند. با این حال، تصمیم نهایی برای ترویج استفاده مجدد از فاضلاب به عوامل اقتصادی، مقررات و سیاست‌های دولتی و مهم‌تر از همه، پذیرش عمومی منعکس کننده تقاضای آب، امنیت و الزامات تامین آب قابل اطمینان در شرایط محلی بستگی دارد. دستورالعمل‌­های استفاده مجدد از فاضلاب حتی برای همان هدف استفاده مجدد از آب در جهان یکسان نمی­‌باشد. "راهنمای استفاده ایمن از پساب، فضولات و آب خاکستری در کشاورزی و آبزی پروری" که توسط WHO در سال 2006 منتشر شد، به عنوان مرتبط­‌ترین سند تنظیم ­کننده استفاده مجدد از فاضلاب در نظر گرفته می‌­شود که به طور گسترده توسط بسیاری از کشورها پذیرفته ­شده یا به آن اشاره شده است. علاوه بر این، برخی کشورها استانداردهای استفاده مجدد قوی‌تری را ایجاد می‌­کنند که تضمین­‌های بیشتری برای استفاده مجدد ایمن ارائه می‌­کند. به عنوان مثال، استاندارد استفاده مجدد در کشور فرانسه، تنظیم میکروارگانیسم‌ها، از جمله انتروکوک مدفوعی فازهای خاص FNA و اسپور باکتری‌های بی‌هوازی سولفاته را نسبت به WHO تکمیل می‌کند. با این حال، پس از بررسی مقاله نوشته‌­شده توسط M. Gurel و همکارانش، مشاهده می­‌شود که در ایالات متحده، محدودیت‌های کیفیت از یک ایالت به ایالت دیگر متفاوت است و اجرای یک استاندارد واحد به دلیل شرایط ملی و/یا محلی دشوار به نظر می‌رسد. به موازات شواهد علمی و فناوری‌های پیشرفته، بهبود مستمر استانداردها و دستورالعمل‌های استفاده مجدد موجود با بازنگری/گسترش ضروری است. علاوه بر این، کنترل و نظارت در هنگام استفاده مجدد به همراه بازخورد عمومی برای ارزیابی ایمنی ضروری می‌­باشد. همچنین شایان به ذکر است که اختلافات فرهنگی و مذهبی افکار عمومی و پذیرش استفاده مجدد از پساب را، جهت می­‌دهد. علاوه بر این، برخی از کشورهای در حال توسعه هنوز استفاده مستقیم از پساب تصفیه شده را بدون مطابقت با استانداردها و خطرات مرتبط اجرا می‌­کنند. در این صورت پیشنهاد می­‌شود استانداردهای کیفی فاضلاب به صورت گام به گام، در بازه‌­های زمانی مناسب و با توجه به قابلیت‌های تصفیه برای کشورهای در حال توسعه وضع شود.

فرایندهای ضدرسوب همیشه کانون تحقیقاتی در فیلتراسیون غشایی است. در این زمینه، یک روش تمیز­کردن دوره‌­ای برای هر سیستم فیلتراسیون غشایی ضروری است. علاوه بر این، بسیاری از مطالعات بر تقویت روش­‌های ضد­ رسوبی غشاها با انتخاب مونومرهای جدید، بهبود فرایند پلیمریزاسیون سطحی، غشای ترکیبی آلی/غیر آلی، و به طور ویژه، اصلاح سطح غشاهای معمولی با روش‌های فیزیکی و شیمیایی متمرکز شده‌اند. به­ طور کلی، عملکرد نفوذ غشا اصلاح­ شده را می­توان به طور قابل توجهی بدون از بین بردن خواص نگهداری آن بهبود بخشید و عملکرد ضد رسوبی آن نسبت به حالت اصلاح نشده مطلوب ­تر می­باشد. بنابراین، غشای اصلاح ­شده یک گزینه امیدوار کننده برای تصفیه آب تولید شده است، به ویژه اگر در زمینه استفاده مجدد از فاضلاب یا مطابق با مقررات دفع استفاده شود.

تغییرات کیفیت فاضلاب از نظر سبک زندگی، تغییرات فصلی و دوره­‌های اوج مصرف، در نهایت می‌­تواند بر عملکرد تصفیه، مانند کیفیت پساب، نرخ بار آلی و مکانیسم­‌های رسوب تاثیر بگذارد. علاوه بر این، اگرچه بسیاری از مطالعات همان طور که در بخش‌های آخر ذکر شد، اهداف استفاده مجدد را با موفقیت به دست آوردند، گزارش‌های منتشر شده هنوز فاقد عملیات طولانی‌مدت و/یا مقیاس بزرگ (مقیاس صنعتی) و نظارت بر عملکرد فیلتراسیون و بهینه‌سازی استراتژی‌های کنترل رسوب می­باشند. در این موارد، مطالعات باید بسیار دقیق‌تر بر شرایط واقعی فاضلاب مورد نظر متمرکز شود، تا حد امکان عوامل تاثیر بالقوه را مورد توجه قرار دهد و شرایط عملیاتی را تحت شرایط غیر ایده‌آل بهینه‌سازی کند.

با انجام تحقیقات طولانی مدت، می­توان به طور منطقی پیش­بینی کرد که استفاده مجدد از آب غیرقابل شرب، به احتمال زیاد موفقیت­‌آمیز بوده و میزان آشنایی و اعتماد مورد نیاز مردم برای پذیرش را ایجاد می­‌کند. در بازار جهانی استفاده مجدد از آب، 97.7% از تولید آب برای مصارف غیر شرب مورد استفاده مجدد قرار می­‌گیرد که 52% آن برای آبیاری و 20% برای چرخش مجدد آب در فرایندهای صنعتی است. از سوی دیگر، تنها 2.3% از تولید آب برای مصارف آشامیدنی و بیشتر برای استفاده مجدد غیرمستقیم قابل شرب استفاده می‌­شود. به عنوان مثال، NEWater اعلام کرد در برنامه استفاده مجدد از آب آشامیدنی سنگاپور، نمی­‌توان مستقیماً مورد استفاده قرار داد، در عوض، قبل از این که به طور جمعی در تصفیه خانه‌­های آب برای استفاده آشامیدنی تصفیه شود، باید در مخازن تخلیه شود تا با آب باران مخلوط شود. دلیل پایین بودن توزیع استفاده مجدد از آب آشامیدنی (2.3%) عمدتاً می‌­تواند ناشی از نگرانی‌­های عمومی در مورد خطرات بهداشتی و هزینه گران فرایندهای تصفیه پیشرفته باشد. با این حال، تولید آب کاملا تصفیه ­شده، زمانی که با موفقیت در کاربردهای عملی­تر مورد استفاده قرار گیرد (به عنوان مثال، آب آشامیدنی)، ممکن است حمایت کافی برای جبران هزینه­‌های بالای تصفیه را به دست آورد. در فرایند جمع‌آوری مراجع، مقالات تحقیقاتی منتشر­شده بیشتری یافته ­شد که بر فرایندهای NF/RO با هدف دستیابی به سطوح قابل قبول استفاده مجدد آب قابل شرب، در مقایسه با فرایندهای تصفیه مبتنی بر MF/UF/MBR تمرکز داشتند. با توسعه علم پیشرفته، که با افزایش تقاضا برای آب آشامیدنی با کیفیت بالا، رشد جمعیت و منابع محدود هدایت می‌شود، انتظار می‌رود که در آینده شاهد گسترش کاربردهای استفاده مجدد از آب آشامیدنی، به­ ویژه در مناطق کم آب باشیم. این امر مستلزم دسترسی مطمئن به اطلاعات علمی معتبر برای عموم، تصمیم گیرندگان و رسانه‌های محلی، به منظور بهبود درک منابع آب در منطقه و تجزیه و تحلیل هزینه‌ها/منافع گزینه‌­های تصفیه آب می‌­باشد.

در نهایت، چندین مطالعه ارزیابی چرخه حیات احیای فاضلاب را به­ عنوان یک رویکرد غیر متمرکز برای مدیریت فاضلاب شهری انجام داده­اند. آن­ها تاکید کردند که احیای فاضلاب محلی از نظر زیست محیطی نسبت به سیستم متمرکز مشترک، به­ویژه برای مصارف غیر شرب، کشاورزی و شهری، با مزیت­های زیست محیطی و اقتصادی، ارجحیت دارد. استفاده مجدد از فاضلاب تصفیه­شده به ویژه زمانی مفید است که بتواند جایگزین آب شیرین ­شده گردد. بنابراین، ارزیابی چرخه حیات جامع تکنیک‌های مبتنی بر غشا در تصفیه فاضلاب شهری، به‌ویژه در سناریوهای مختلف (کشورهای در حال توسعه در مقابل کشورهای توسعه ‌یافته؛ کشورهایی که با کمبود آب مواجه هستند در مقابل کشورهای دارای آب کافی؛ کشورهایی که برق به عنوان منبع انرژی دارند در مقابل کشورهای دارای انرژی تجدید پذیر کافی) باید انجام شود.

این مقاله، توضیحی جامع در زمینه وضعیت جهانی استفاده مجدد از آب، مقررات استفاده مجدد و عملکرد تصفیه مبتنی بر غشا در استفاده مجدد از فاضلاب شهری ارائه می‌دهد. فرایندهای تصفیه مبتنی بر غشا، مانند فیلتراسیون غشایی مستقیم و سیستم‌های غشایی هیبریدی، عمدتاً در این بررسی ارزیابی شده‌اند. مزایا و محدودیت­های آن­ها در اهداف استفاده مجدد، در جدول فهرست شده است. فرایندهای جداسازی غشایی اغلب کیفیت برتری را نسبت به فاضلاب تصفیه­شده برای برآورده کردن دستورالعمل­های استفاده مجدد محلی ارائه می­دهند. این کار بر عملکرد فرایندهای مختلف تصفیه مانند: ظرفیت حذف آلاینده­ها، حذف میکروارگانیسم­ها، پتانسیل رسوب غشایی، بهره­وری، اهداف استفاده مجدد، نرخ بازیافت آب و مصرف انرژی، تأکید کرد. علاوه بر این، تحقیقات آینده با تمرکز بر حذف میکروآلاینده، استراتژی‌های مکانیسم رسوب، بازیابی منابع و ارزیابی چرخه عمر استراتژی‌های تصفیه شهری مبتنی بر غشا، برای کاربردهای آب قابل شرب و غیر قابل شرب، همچنان به بررسی سیستماتیک بیشتری نیاز خواهد داشت.

دانلود فایل: فرآیندهای مبتنی بر غشا مورد استفاده در تصفیه فاضلاب شهری برای استفاده مجدد از آب-پیشرفته‌ترین و تحلیل عملکردی

Reference

Yang J, Monnot M, Ercolei L, Moulin P. Membrane-based processes used in municipal wastewater treatment for water reuse: state-of-the-art and performance analysis. Membranes. 2020 Jun 25;10(6):131.

DOI: http://dx.doi.org/10.3390/membranes10060131

مترجم: علیرضا کرفی