متن توضیح ویدیو:

در ویدیوی زیر، مراحل و روش طراحی یک سیستم ممبرانی را از صفر تا 100 شرح خواهیم داد. همچنین منابعی مناسب جهت استفاده ی مهندسین جوان معرفی خواهیم کرد. امید است که با به اشتراک گذاری این اطلاعات، خدمتی به جامعه­ی علمی صنعت آب و فاضلاب ارائه دهیم.

بخش اول: مبنای انتخاب روش تصفیه

در طراحی یک سیستم ممبرانی برای استفاده­ی مجدد آب یا پساب ابتدا به مقایسه­ی آنالیز آب ورودی و آنالیز آب مورد نیاز کارفرما برای استفاده در آن صنعت خاص می­پردازیم.

در گام اول آنالیز آب ورودی به سیستم را مورد بررسی قرار میدهیم. این آنالیز عموما گویای نیاز های تصفیه ای خواهد بود و ما را به سمت انتخاب ممبران مناسب هدایت خواهد کرد تا با هزینه ی کمتر، مصرف انرژی کمتر و فشار پایین تر  اهداف پروژه را تامین کنیم.

نانو فیلتراسیون و اسمز معکوس دو تکنولوژی ممبرانی هستند که مورد استفاده­ی وسیعی قرار گرفته اند. این دو روش کاربرد های متفاوتی دارند که در زیر به اختصار به آن می­پردازیم.

نانوفیلتراسیون (Nano Filtration)

این تکنولوژی در ایران کمتر شناخته شده است و استفاده از آن به موارد خاص محدود شده است. این روش نسبت به RO به انرژی کمتری نیاز دارد. این سیستم به خوبی یون های دو ظرفیتی آب را جدا می­کند اما قادر به حذف یون های تک ظرفیتی نیست. گاهی نیاز کارفرما فقط سختی گیری آب است. این آب ممکن است به هدف استفاده در میک آپ کولینگ بازیابی شود که هدف تنها سختی گیری آب بوده و حذف یون های تک ظرفیتی مثل سدیم و کلر در بهبود آن امر تاثیر مستقیمی ندارد.

از کاربرد های مهم نانوفیلتراسیون در دنیا، در تصفیه خانه های آب شرب است. طبق استاندارد، برای تصفیه آب شرب، به حذف یون های تک ظرفیتی نیاز نیست و صرفا با حذف بخشی از سختی، هدف آب شرب تامین میشود. گرچه در ایران صنعت تصفیه­ی آب و فاضلاب شهری به سمت سیستم های ممبرانی نرفته است و تصفیه خانه­ی آب در مقیاس بزرگ شهری که از نانوفیلتراسیون استفاده کرده باشد وجود ندارد، اما در اروپا این تکنولوژی بسیار رایج است و با حجم ها و مقیاس های مختلفی دیده می­شود. گاهی آب ورودی تصفیه خانه را به دو بخش تقسیم کرده، بخشی را از نانوفیلتر عبور داده و اصطلاحا آن را سختی گیری میکنند. بخش دیگر پس از مراحل پیش تصفیه مستقیما و بدون سختی گیری به آن می پیوندد. این آب مناسب شرب خواهد بود.

به کار گیری ممبران های دارای تکنولوژی بالاتر(مانند اسمز معکوس) برای این کاربرد ها موجب بالا رفتن هزینه های غیرضروری پروژه می­شود. استفاده از فیلتر های نانو با فشار کاری کمتر (نزدیک به یک سوم تا یک پنجم فیلتر های RO) می­تواند دراین شرایط راه گشا باشد.

فشار کاری فیلترها به نوع ممبران و سورس آب ورودی بستگی دارد. برای اب های سطحی، فشار ممبران های RO در محدوده ی 30 بار قرار دارد. در عوض فیلتر های نانو میتوانند با فشار 8 تا 10 بار، محصول خروجی مورد نیاز را تولید کنند.

به عنوان مثال، هنگامی که حذف سختی مد نظر باشد و (و با این فرض که سورس آب ورودی، brackish water است،  ) با استفاده از NF به جای RO میتوان با فشار 8 بار در دمای مینیمم 15oC کار کنیم. در حالی که با اسمزمعکوس ممکن است به 14 بار فشار نیاز داشته باشیم. علاوه بر این که کلاس لوله ها و شیر آلات نیز به حدی ارتقاء پیدا کرده و احتمال گرفتگی ممبران نیز بیشتر می شود. بنابر این، انتخاب ممبران های NF متناسب با نیاز،  می تواند از تحمیل هزینه های اضافی به پروژه جلوگیری کند.

و به عنوان مهندس فرایند وظیفه ی ماست که با توجه به شرایط پروژ ه و با نگاهی به انواع ممبران موجود تشخیص دهیم که از سیستم نانو فیلتراسیون و یا سیستم اسمز معکوس استفاده کنیم و نیز این که در صورت استفاده از ممبران های نانو فیلتراسیون، کدام شرکت، مدل و سری می توانند با کمترین هزینه نیاز های پروژه ی ما را برطرف کنند.

سازنده های فیلتر های نانو، از نظر کاربرد این نوع ممبران ها را در دو دسته تولید میکنند.

دسته­ی اول صرفا قابلیت حذف رنگ و مواد محلول آلی را دارند. و درصد حذف یون های دو ظرفیتی در آن ها بسیار پایین و نزدیک به 50 یا 60 درصد است.

مثال: NF90270

حال اگر ما بخواهیم سختی گیری هم بکنیم، یعنی بالای 90 درصد یون های دو ظرفیتی و 60 تا 70 درصد یون های تک ظرفیتی را حذف کنیم از ممبران های دسته­ی دوم استفاده میکنیم. این ممبران ها ریجکشتن بالاتری دارند. مانند سری NF90400 از برند دوپونت. اگر در شرایطی که امکان تشکیل فیلم بیولوژیکی روی ممبران بالا باشد به ممبران هایی نیاز داشته باشیم که در برابر فولینگ مقاومت داشته باشند، در همین سری می­توانیم از مدل NF90400-34 استفاده کنیم.

عدد 34 نشان دهنده ی اندازه­ی فید اسپیسر مابین لایه های ممبران است. هرچه این اندازه بزرگ تر باشد، فاصله ی بیشتری بین دو لایه ممبران بوده و در نتیجه هنگام عبور فید احتمال بروز گرفتگی کمتر است.

سیستم های RO

کاربرد های غالب این سیستم شامل نمک زدایی آب دریا و تولید آب صنعتی است.

کاربرد های صنعتی آن نظیر تولید آب برای میک آپ کولینگ تاور و بویلر هاست که در این استاندارد، حذف یون های تک ظرفیتی نیز از اهمیت و استاندارد های خاصی برخوردار است. به همین دلیل در کشور ما از RO استفاده می شود.

.

.

.

روش و مراحل طراحی و تعیین چیدمان درست سیستم و تعداد و مدل المان های اسمز معکوس از صفر تا 100:

استارت طراحی رو زدیم و میخواهیم ممبرانی استفاده کنیم که مارا به هدف نهایی نزدیک کند.

به عنوان مهندس فرایند، هنر و عملکرد ما در انتخاب موجه بهترین نوع المان ظاهر میشود.

به طور خلاصه برای این انتخاب، اولین گام بررسی آنالیز آب و دومین گام بررسی نیاز های کارفرما (آنالیز آب خروجی یا آب محصول) است. در این مرحله به کارگیری تجربیات موفق در تشخیص مراحل مورد نیاز پیش تصفیه بسیار مهم است. پس از انتخاب پیش تصفیه و در نظر گرفتن آنالیز آب خواسته شده و استاندارد های آب ورودی RO، گام سوم مدل سازی سیستم RO در نرم افزار است. همه ی سازنده های ممبران، نرم افزار مربوط به طراحی ممبران های خود را در وبسایت خود شرکت به طور رایگان قرار داده اند و این نرم افزار ها قابل دانلود هستند.

در طراحی حداقل از دو نرم افزار مختلف استفاده خواهیم کرد.

  1. نرم افزار رسوب گذاری
  2. نرم افزار طراحی RO

گام اول، بررسی آنالیز و سورس آب:

انواع منابع ورودی آب عبارت اند از:

الف) آب دریا (sea Water)

ب) آب سطحی (Brackish water)

ج) فاضلاب (Wastewater)

  • فاضلاب شهری (Municipal Wastewater)
  • فاضلاب صنعتی (Industrial Wastewater)

هر یک از منابع بالا آنالیز های کاملا متفاوتی دارند. برای مثال غلظت شوری کل (TDS) و غلظت همه­ی یون های تشکیل دهنده ی آن، مقادیر BOD، COD، TOC در همه­ی آن ها با یکدیگر متفاوت است. بنابر این نوع پیش تصفیه، نوع المان های اسمز معکوس، تعداد استیج ها، متریال مورد استفاده و فشار کاری سیستم نیز متاثر از سورس آب ورودی خواهد بود. اگر سورس اولیه ی آب پروژه ای در مرحله ی طراحی مشخص نباشد. در این صورت ممکن است بعد از اجرای پروژه مسائل پیش بینی نشده ای به وجود آیند.

نکته­ی دیگر این است که این آب از چه طریقی به سیستم وارد می­شود:

الف) چاه (From Well)

ب) آبگیر سطحی (From Intake)

گام دوم:

ماهیت آب و آنالیز آن را ملاحظه کردیم، محصول خروجی آب به خواسته ی کارفرما را مورد توجه قرار میدهیم. همانطور که گفته شد، با مقایسه­ی این دو سیستم مناسب تصفیه و پیش تصفیه را انتخاب می­کنیم. این سیستم می­تواند اسمز معکوس و یا نانوفیلتراسیون و یا روش های دیگر باشد.

گام سوم، آنالیز آب و استفاده از نرم­افزار رسوب گذاری:

هنگامی که نرم افزار را باز میکنیم معمولا در مرحله ی اول از ما آنالیز آب را میخواهد. یون های خاصی که در عملکرد سیستم RO موثر هستند در نرم افزار مشخص شده و مقادیر آن ها از ما خواسته شده است. هر چه ما قادر باشیم این آنالیز را دقیق تر و کامل تر به نرم افزار ارائه دهیم، میتوانیم فیدبک بهتری را داشته باشیم و به درستی مخاطرات مربوط به سیستم را  پیش بینی کرده باشیم. باید آنالیز را با نرم افزار های رسوب گذاری چک کنیم. برای مثال ممکن است 75% ریکاوری از سیستم انتظار رود تا آب مورد نیاز آن صنعت تامین شود. امکان پذیری این موضوع لازم است با نرم افزار های رسوب گذاری نیزبررسی شود چرا که ریکاوری بالاتر علاوه بر ظرفیت و دبی آب ورودی به خواص آن آب نیز بستگی دارد. گاهی استفاده از مواد آنتی اسکالانت یا ضد رسوب میتواند مشکل رسوب گذاری را حل کند. اما گاهی نیز بسته به آنالیز و ویژگی های آب، ریکاوری بالاتر از حد مجاز موجب رسوب گذاری سریع تر و کوتاهی عمر ممبران های اسمز معکوس خواهد شد و استفاده از مقادیر زیاد انتی اسکالانت نمیتواند موجب جلوگیری از اسکیل المان بشود، بلکه مازاد انتی اسکالانت، مواد مغذی و خطر رشد بیولوژیکی را نیز افزایش می دهد. درصد مناسب ریکاوری میتواند توسط نرم افزار های ارائه شده توسط خود این شرکت ها مورد بررسی قرار گیرد. این نرم افزار ها همچنین مقدار مناسب اسید مورد استفاده هم گام با آنتی اسکالانت را نیز بررسی میکنند. ممکن هم هست اصلا نیاز به استفاده از انتی اسکالانت نباشد و با استفاده از اسید به تنهایی میزان اسکیل کربنات کلسیم پایین بیاید و همه ی این ها توسط این نرم افزار ها مشخص می شوند.

خروجی نرم افزار رسوب گذاری نتیجه ای مشابه زیر میدهد:

برای بازیابی آب چاه مذکور، با آنالیز ارائه شده، با تزریق 1PPM اسید، میتوان به ریکاوری 75% دست پیدا کرد.

نرم­افزار طراحی RO:

نرم افزار طراحی RO  را باز می­کنیم. در این مرحله، سه پارامتر مهم را در نظر میگیریم.

  1. منبع آب ورودی
  2. سن طراحی المان
  3. دمای حداقل و حداکثر

منبع آب ورودی

انتخاب منبع آب در نرم افزار طراحی اهمیت ویژه ای دارد. زیرا در طراحی نرم افزار، به ازای هر یک از منابع مختلف آب، محدودیت­ها و روش­های محاسبه­ی مختلف و مخصوصی لحاظ شده است. برای مثال هنگامی که منبعWell Water  را انتخاب میکنیم،SDI>3  بوده و تارگت رنج طراحی فلاکس بین 27-34 lmh خواهد بود. این رنج برای فاضلاب کمتر و در حدود 20-26 lmh خواهد بود. در صورت انتخاب سورس اشتباه آب (به طور مثال، انتخاب فاضلاب به جای آب چاه)، با بالا بردن فلاکس نرم افزار هشدار میدهد و اجازه­ی طراحی در فلاکس بالاتر از محدوده­ی فاضلاب را به ما نمی­دهد. بنابراین ما برای حل مشکل وارنینگ ها مجبور به افزایش تعداد المان می­شویم.

همانطور که دیدید، انتخاب درست سورس آب، 50 درصد از مسیر طراحی را توسط نرم­افزار برای ما روشن می­کند.

سن طراحی المان

از نکاتی که هنگام طراحی مد نظر قرار میدهیم میتوان به سن ممبران اشاره کرد. این فاکتور در نرم افزار Hydranautics با برچسب membrane age و در نرم افزار Dupont با برچسبflow factor  موجود است. با انتخاب عدد سن نرم افزار ماWorst case  طراحی را مشخص میکنیم. برای مثال، طراحی سیستم های BW بر اساس طول عمر 3 ساله­ی ممبران معقول و منطقی می باشد. این عدد می­تواند بر­اساس کیفیت آب ورودی و احتمال گرفتگی و موارد دیگر متغیر باشد.

دمای حداقل و حداکثر آب

لازم به ذکر است که فشار کاری ممبران ها در دما های مختلف متفاوت است. به این ترتیب که هر چه دما بالاتر باشد، به فشار کمتری برای عبور سیال از ممبران نیاز است. دمای بالا درصد عبور نمک از ممبران های RO را بالا می برد. در مقابل، در دمای پایین عبور نمک کمتر بوده و اصطلاحا ریجکشن بهتری از ممبران حاصل می شود. در همین حال فشار مورد نیاز برای کارکرد سیستم در دما­های پایین­تر افزایش می یابد. در سیستم های اسمز معکوس، این اختلاف فشار می­تواند تا 10 بار برای 15 درجه ی سانتیگراد اختلاف دما باشد. بنابر این در سایز کردن و خرید پمپ های فشار قوی، دما معیار تاثیر گذاری است. سایز پمپ در دمای حداقل انتخاب میشود. این دما به طور معمول به رکورد های دمایی سایت پروژه در تابستان و زمستان و با توجه به اختلاف دمایی در طول شبانه روز بستگی دارد.

تب یا برگه­ی دوم نرم افزار، در ادامه چیدمان یا Configuration سیستم را طراحی خواهیم کرد

ورودی های این قسمت، دبی آب ورودی، دبی آب محصول و ریکاوری دستگاه هستند. با وارد کردن دو پارامتر، پارامتر دیگر توسط نرم افزار محاسبه می­شود.

ورودی دیگر، سن ممبران است که در قسمت قبل بیان شد. به طور میانگین این سن را 3 سال در نظر می­گیریم.

پس از تعیین ورودی ها، نوبت به چیدمان المان ها می­رسد. در چیدمان المان های سیستم اسمز معکوس سه پارامتر به شرح زیر قرار دارد:

  • تعداد المان ها در هر پرشر وسل: این تعداد معمولا 6 یا 7 عدد در هر پرشر وسل بوده و تنظیم آن با توجه به فلاکس صورت می­گیرد.
  • تعداد پرشر وسل در هر استیج: قائده­ی کلی 2(2n) : 2n : n می­باشد. یعنی تعداد پرشر وسل های هر استیج نصف استیج قبلی خودش است. برای مثال 4 : 2 یا 18 : 6 : 3
  • تعداد استیج ها: تعداد استیج های RO با توجه به سورس آب انتخاب می­شود. به عنوان مثال برای آب های سطحی می­توان با استفاده از 2 استیج به ریکاوری 80% دست یافت. اگر ریکاوری بالاتر مدنظر باشد، طبق تجربه­ی عملی شرکت آبسان، با استفاده از 3 استیج می­توان به نتیجه­ی مطلوب رسید. (استثنا: اگر سورس آب ورودی، خود محصول سیستم RO دیگری باشد نیز 2 استیج پاسخگو خواهد بود.)

انتخاب مدل المان

ممبران های اسمز معکوس دسته بندی خیلی گسترده ای دارند. هر یک از تولید کننده ها ……. . شرکت های برتر در این زمینه مانند هایدروناتیکس و دوپونت در لیست خود، هر یک بیش از 10 نوع ممبران در دسته ی BW یا آب سطحی دارند.  برای انتخاب بهترین نوع ممبران از میان این لیست بلند، بهترین روش این است که کاتالوگ های آن ها را مورد بررسی قرار دهیم. معیار هایی که در هر کاتالوگ بررسی شده است شامل موارد زیر می­باشد:

  • میزان آبدهی (GPD)

 

  • میزان ریجکشن نمک که در ممبران های RO عموما از 99 درصد به بالا هست.
  • Active Surface– سطح فعال
  • Feed spacer– جدا کننده که همانند تکنولوژی نانوفیلتراسیون در اینجا نیز مطرح بوده و اهمیت بالایی دارد.

این فید اسپیسر ها یا جداکننده های مورد استفاده در دو سایز 34 و 28 میلیمتر موجود هستند. (در برند توری موارد 31 mm هم موجود میباشد.)

به طور نرمال دو تایپ از ممبرین ها وجود دارد که با بیشتر از آن ها استفاده میکنیم. این دو تایپ بر اساس سطح فعال ممبران ها دسته بندی می شوند. این دو تایپ 400 و 440 FT2  سطح فعال دارند.

امروزه در پلنت های بزرگ تر تمایل به سمت ممبران هایی با سطح فعال 440 ft2 بیشتر است زیرا همراه با افزایش سطح فعال، تعداد ممبران مورد نیاز کمتر می­شود، تعدادPressure vessel  ها و نیز، ابعاد پکیج کوچکتر و مقرون به صرفه تر می شود. البته در مواجهه با آب های چالشی، مانند بازیابی فاضلاب شهری یا آب های سطحی با TOC بالا که احتمالBiofouling  و Organic fouling دارند، ترجیح بر استفاده از فید اسپیسرهای 34 mm است. این سری با نامlow fouling  شناخته می شود زیرا احتمال گرفتگی ناشی از پارتیکولیت فولینگ و اسکیلینک در آن ها پایین تر بوده و گرفتگی دیرتر رخ می­دهد.  بنابراین مدل های -34 دوپونت و مدل موازی آن در هایدروناتیکس (_LD) را برای آب هایی که چالشی بوده و احتمال گرفتگی بیشتری دارند استفاده میکنیم. حال آنکه در این سری ها معمولا گزینه ای با سطح 440 وجود ندارد.

سری زیر از برند Hydranautics هستند:

CPA5:     CPA5_LD (Low Fouling)

SWC5:    SWC5_LD (Low Fouling)

همانطور که اشاره شد، تشخیص و انتخاب تکنولوژی و ممبران مناسب میتواند منجر به مصرف انرژی کمتر و ارائه­ی محصول مورد نیاز شود.

الگوریتم انتخاب مدل المان در نرم افزار:

  1. در بالا بحث شد که هرچه دمای آب بالاتر باشد، قدرتSalt rejection ممبران RO، وعبور ناخواسته ی نمک از ممبران و ورود آن به آب محصول بیشتر خواهد بود. با در نظر گرفتن این نکته، بالاترین دمای آب را (که به عنوان مثال در یک پروژه ی خاص ممکن است 25 یا 30 درجه باشد، ) ملاک تعیین شوری آب پرمیت یا محصول خروجی قرار میدهیم. به این معنی که در بد ترین حالت عبور نمک یا  (worst case scenario) چه میزان نمک عبوری کل در آب محصول داریم.
  2. در این مرحله ممبران های مختلف را در نرم افزار امتحان کرده و خروجی هر یک را ثبت میکنیم. مشخص میکنیم که از لیست ممبران های موجود در دسته­ی آب سطحی، کدام یک در دمای طراحی یا ماکزیمم، TDS نهایی کمتر و یا برابر با خواسته­ی کارفرما در آب خروجی را دارا هستند. هر مدلی که این رنج را ساپورت نکند کنار گذاشته شده و لیست ما به ممبران هایی که دارای این قابلیت هستند محدود می شود. به عنوان مثال، از لیست 10 تایی ممبران های هایدروناتیکس برای آب سطحی، 4 مدل ممبران در محدوده ی مجاز خواهند بود.
  3. در مرحله ی بعد در دمای مینیمم فشار عملکردی پمپ را محاسبه و سایز آن را تعیین میکنیم. به عنوان مثال اگر مینیمم دمای طراحی 15 درجه باشد، سایز پمپ فشار قوی بر اساس طول عمر 3 سال و دمای مینیمم انتخاب می شود. از بین ممبران های انتخاب شده درمرحله­ی قبل، که همگی دارای شرایط آنالیز آب خروجی بودند، ممبرانی را انتخاب میکنیم که کمترین فشار کاری را در دمای مینیمم داشته باشند. زیرا این کار هزینه های جاری پروژه را به حداقل می رساند. علاوه بر آن فشار کمتر بر ممبران، احتمال گرفتگی آن را کاهش می دهد.
  4. پس از طی این مراحلTDS آب در دمای ماکزیمم و در سن 3 ساله­ی ممبران و فشار پمپ در دمای مینیمم و سن 3 ساله­ی ممبران را در نرم افزار به دست می آوریم. حال این امکان وجود دارد که از بین برند های موجود بهترین گزینه را نیز با هم مقایسه کنیم. برای این منظور می­توانیم گزارش نهایی نرم افزار برند هایدروناتیکس را با گزارش نرم افزار دوپونت و یا توری مقایسه کرده و در به این روش، از میان 30 – 40  مدل ممبران در دسته­ی مشابه، قرار دارند، بهترین انتخاب را انجام دهیم.

البته بحث طراحی به گام های بالا محدود نمی­شود. روش های خاصی برای بهینه سازی سیستم RO وجود دارد. به تعدادی از این موارد در زیر اشاره می­شود:

  • برگرداندن آب (کانسنتریت) به فید ورودی یا Recirculation در صورت امکان
  • استفاده از Energy Recovery Device ها به منظور استفاده از فشار و انرژی کانسنتریت برای کاهش فشار پمپ فشار قوی و جلوگیری از اتلاف انرژی (به خصوص برای آب دریا که به فشار زیادی نیاز دارد.)

علاوه بر آن، هر ساله شرکت های سازنده ی ممبران، سری های جدید تری را به بازار عرضه می­کنند. این ممبران­ها با وجود هزینه­ی اولیه­ی بیشتر، معمولا مزایای فوق العاده­ای به همراه دارند. در حال حاضر تلاش شرکت های سازنده به سمت تولید ممبران های دارای ریجکشن بیشتر (با حذف نمک بیشتر) همراه با مصرف انرژی پایین تر است. از این نمونه  در برند دوپونت میتوان به سری اکو-platinum- و در برند هایدروناتیکس به سری CPA7-LD و CPA7 MAX اشاره کرد.

باید به خاطر داشت که صرفا اجرای نرم افزار و رفع هشدار های آن به معنای تکمیل طراحی و رسیدن به حالت مطلوب نخواهد بود و ما به عنوان مهندس فرایند باید از تجربه های پیشین خود در پروژه های اجرا شده استفاده کنیم. طراحی سیستم RO را نمی­توان سهل انگاشت. برای اجرای یک طرح در اشل صنعتی بهتر است به عقبه­ی شرکت هایی که به مناقصه دعوت میکنیم دقت کنیم و تنها پس از بازدید از پروژه های آن ها طراحی سیستم تصفیه­ی صنعت خود را به آن ها بسپریم.

شرکت آبسان پروژه های زیادی را در سراسر کشور دردست داشته است و در طی این مسیر تجربه­ی زیادی در تصفیه­ی انواع آب های صنعتی، آب های سطحی، آب دریا و … دارد. این شرکت همواره از انواع جدید ممبران و تکنولوژی شرکت های پیشرو استفاده می­کند. شرکت آبسان تجربه­ی زیادی در استفاده از سیستم های اسمز معکوس و پیش تصفیه­ی مورد نیاز آن داشته و در تلاش است تا با همکاری با شرکت های اینترنشنال و لینک های مختلف در اروپا سیستم های خود را بهبود بخشیده و دانش روز دنیا را به کار گیرد.

طراحی RO کاری تخصصی است و شرکت آبسان در خاور میانه جزو اولین شرکت هایی­ست که این سیستم ها را در دبی های بالا و به خصوص در شاخه­ی استفاده­ی مجدد پساب های صنعتی اجرا کرده است. از این نمونه­ها می­توان به بازگردانی 1000 متر مکعب بر ساعت پساب شهری به صنعتی در پالایشگاه اصفهان اشاره کرد. در فولاد مبارکه­ سه پروژه­ی مختلف اجرا شده است که یکی از آن ها آب سطحی با ظرفیت 750 متر مکعب در ساعت و دیگری 1500 متر مکعب در ساعت پساب شهری می­باشد که برای استفاده­ی مجدد صنعتی تصفیه شده اند. در پالایشگاه گاز بیدبلند ریوز پساب اجرا شده است. کار های مشترک زیادی با شرکت OIEC انجام شده است. رفرنس پروژه­ها برای مطالعه­ی بیشتر در وبسایت آبسان موجود است.

ما در تلاشیم تمام این تجربیات را در اختیار کارفرمای خود قرار دهیم و به این وسیله نگه داری و بهره برداری مناسب و بهینه را برای آن ها تضمین کنیم. چرا که در صورت انتخاب یک پیش تصفیه­ی نامناسب و طراحی نادرست و یا عدم انتقال تجربه و استفاده­ی غلط، این سیستم می­تواند به بزرگ ترین معضل یک صنعت شده و حتی با نیاز به تعویض هر ساله­ی ممبران ها با هزینه­ی زیاد سیستم را در حال کار نگه دارد. باید توجه داشت که اشتباه های کوچک اولیه باعث هزینه و پیامد های بزرگ در بهره برداری پروژه نشوند.

معرفی منابع مطالعاتی:

برای شروع کار و آموزش، بهترین روش شروع، مطالعه­ی وب سایت و کتابچه های منوال شرکت های سازنده است. این منابع بسیار کامل و تخصصی هستند.

میکرو فیلتراسیون:

فیلترهایی در بازار به نام فیلتر میکرونی وجود داردکه با مش سایز بالا و در بازه 5 تا 20 میکرون موجود هستند. از این فیلتر ها برای جلوگیری از ورود ذرات جامد به آب خوراک سیستم RO استفاده می کنیم. اما آنچه به عنوان واحد میکروفیلتراسیون می شناسیم، از مش سایزی در رنج 0.1 میکرون یا 100 نانومتر می­باشد. این دو تفاوت زیادی از نظر قابلیت حذف مواد داشته و کاربرد های متفاوتی نیز دارند.

اولترافیلتراسیون:

این فیلتر ها معمولا مش سایز 0.02 ( مانند مدل SFP/SFD شرکت Dupont ) تا 0.08 ( مانند فیلتر های مدل Hyrdocap Max  شرکت Hydranautics ) میکرون دارند.

میکروفیلتراسیون و اولترا فیلتراسیون دو روش پیش تصفیه هستند که قابلیت فیلتراسیون آن ها بر اساس مش سایز یا سایز حفرات آن ها تعیین می شود و از این جهت در دسته ی یکسانی قرار می گیرند.

 

 

 

 

مکانیزم های اولترا فیلتراسیون:

سیستم های UF از نظر جهت عبور آب در دو نوع تعریف می شوند. به طوری که آب خوراک یا آلوده، یا از بیرون به بدنه ی رشته ها برخورد کرده و ذرات معلق را روی سطح بیرونی آن باقی میگذارد و محصول از درون این نی ها جمع آوری می­شود که به این حالت “Outside in”

می گویند.

 

 

حالت دیگر زمانی ست که مایع آلوده یا فید ورودی از داخل الیاف توخالی[1] عبور کرده و محصول از روی بدنه ی الیاف به بیرون تراوش می­کند این حالت “Inside out” نام دارد. در این حالت، حفره ی مرکزی الیاف باز تر است.

 

 

 

آنچه که ما در تصفیه با آن بیشتر سر و کار داریم بیشتر این دو تایپ هستند. البته دسته ی دیگری از UF ها از نوعFlat sheet  هستند که کاربرد کمتری دارند.

 

بک واش فیلتر های UF

همانطور که قبل تر گفته شد فیلتر های اولترا از جهت ورود آب فید دارای یکی از دو مکانیسم Outside-in و Inside-out هستند. در حین بک واش، مسیر جریان آب دقیقا برعکس جریان فید است. اگر حین بهره برداری فید واتر از بیرون الیاف به درون آن نفوذ میکند، هنگام بک واش آب تمیز را از داخل الیاف هدایت میکنیم تا با وارد کردن فشار هنگام خروج آلاینده ها را از سطح بدنه رانده و به بیرون هدایت کند. بالعکس، اگر جریان مدول Inside-Outside هست، یعنی فید به درون الیاف وارد می شود، در هنگام بک واش آب از بیرون الیاف وارد می شود.

 

 

جنس الیاف:

متریال مختلفی برای ساخت فیلتر های UF استفاده می­شود. متریالی که بیشتر توسط برند های معتبر تولید و استفاده می­شوند، یا PES و یا PVDF هستند. هر یک از متریال های موجود در بازار مزیت های مخصوص به خود را دارند. در ادامه مزایا و معایب این دو را به دقت بررسی خواهیم کرد.

 

مبنای انتخاب:

  1. انعطاف:

متریال PVDF در شرایط سخت تر از نظر رنج pH طول عمر بالاتر و از نظر خوردگی تحمل غلظت کلراید بالاتری داشته و انعطاف آن نسبت به کشش و فشار بیشتر است. انعطاف بیشتر موجب تحمل بهتر تنش های ضربه ای وارده می­شود. مزیت الیاف منعطف این است که می­توانیم آن را تحت شستشو های سخت تری قرار بدهیم. این مدول ها در این شرایط نمی­شکنند و تغییر شکل نمی­دهند. مثلا میتوانیم مدول هایی که از متریال PVDF هستند را با آب و هوا هزمان بک واش کنیم بدون این که بر اثر نوسانات ایجاد شده آسیبی ببیند. در مقابل مدول هایی با متریال PES به دلیل انعطاف کمتر فقط با آب بک واش می­شوند و از هوا در شستشوی آن ها استفاده نمی­شود.

تصور کنید سورس آبی داشته باشیم که از نظر رسوب دهی بیولوژیکی و رسوب مواد ارگانیک چالش بر انگیز باشد و بخواهیم پاسخگوی دوبار در روز قلیاشویی و یا هر 48 ساعت اسید شویی باشد. و نسبت به مواد شیمیایی مورد استفاده مقاومت بیشتری از خود نشان دهد. قطعا در این حالت ترجیح می­دهیم که الیافی را انتخاب کنیم که سیکل های شستشوی ما افزایش یافت، از مقاومت لازم برخوردار باشد تا بتوانیم با هوا بک واش های موثر تری را روی آن انجام دهیم.

هرچند متریال PVDF را می­توان همزمان با آب و هوا بک واش کرد. اما متریال PES مزیت های دیگری دارد که تولید کنندگان بر آن تاکید زیادی دارند.

  1. قیمت واحد:

قیمت کمتری دارد. به عبارت دیگر یک متر مربعPES  از یک متر مربع PVDF ارزان تر است. به تازگی در پلنت های بسیار بزرگ نمک زدایی نیز به هدف مدیریت هزینه به سراغ متریال PES رفته اند.

  1. آبدوستی

به دلیل سطح آبدوستی که دارد، آبدهی یا پرمبیلیتی بالاتری دارد. پس می توان انتظار داشت که یک متر مربع PES در واحد زمان میزان آب بیشتری از خود عبوردهد تا یک متر مربع PVDF. مزیت این، در آن است که به ازای دبی ورودی مشخص پروژه ما به متر مربع کمتری یا سطح کوچکتری UF نیاز داریم. این یعنی کاهش هزینه. برای دبی مشابه و همان طرح نامبرده، در صورت استفاده از متریال PVDF باید سطح بیشتری از UF در اختیار گرفته و به عبارت دیگر باید بیشتر هزینه کنیم.

  1. چربی گریزی

سازندگان الیاف UF با متریال PES ادعا می کنند که آبدوستی بیشتر سبب چربی گریزی بالاتر می­شود. در نتیجه متریال PES دیر تر دچار فولینگ می­شود.

ولی این مسائل از نظر عملی جای تحقیق و توسعه دارند و بیشتر در بحث مارکتینگ مطرح هستند. بنابر آنچه که تجربه به ما گفته است، اگر با آب چالش برانگیزی که نیاز به شستشو با کلراید بالا و تعداد دفعات شستشوی زیاد دارند سروکار داریم، ترجیح ما بر استفاده از متریال PVDF است. اما اگر آب مورد تصفیه کمتر چالشی بود (مثل آب سطحی و یا آب دریا که از عمق زیادی برداشت شود) و زیاد مشکلات گرفتگی و بایوفولینگ برای آن مطرح نبود متریال PES را بر می گزینیم.

  1. ریکاوری

متریال PES  در 99% موارد شناخته شده به صورت Inside-Outside هست. این نوع از عملکرد، اطمینان از بک واش موثری را سخت تر میکند. همچنین در بک واش الیاف PES، از هوا استفاده نمی شود. پس ناچاریم آب را با دبی و فلاکس بالاتر (دو برابر فلاکس حالت نرمال بهره برداری) در نظر بگیریم تا بتوانیم با آن یک مدول PES را به طور موثری، بدون هوا بک واش کنیم. پس در شرایط یکسان، حدود 40-50% مصرف آب بک واش بالاتری دارند. در نتیجه به همین نسبت، ریکاروی حداکثر آن ها کمتر خواهد بود. بنابر این در آب های با احتمال فولینگ ترجیح بر این است که دنبال این متریال نرویم. برای مثال برای یک سورس آب ثابت و معلوم، اگر یک مدول PVDF میتواند 97 درصد ریکاوری داشته باشد، یک مدول PES در همان شرایط تنها 90 تا 93 درصد ریکاوری خواهد داشت. به دلیل این که مقداری از آب محصول UF برای بک واش کردن خود واحد استفاده می­شود. بنابراین، اگر در پروژه ای شرایط کمبود آب حاکم است و استفاده ی بهینه از آب و ریکاوری بالا برای کارفرما اهمیت دارد، استفاده از PVDF منطقی تر است. اما به طور مطلق نمی توان این را گفت چون شرایط و معیار های مختلفی در انتخاب نوع و متریال واحد UF تاثیر گذار هستند.

 

الیاف نوظهور و فیلتر های UF سرامیکی

اخیرا متریال های جدیدی به بازار عرضه شده اند. مثلا یک شرکت آلمانی روی متریالی با نام تجاری PAN کار می کند. گفته می شود که این متریال خاصیت آب دوستی بالاتری دارد و فلاکس بالاتری را از خود عبور می دهد.

تایپ جدیدی از UF که در ایران هم از آن صحبت می شود، فیلتر های سرامیکی است. می توان این فیلتر ها را از جهت های مختلفی دسته بندی کرد اما به طور عمده دو جنس زیر شناخته شده تر اند: آلومینیوم اکساید یا سیلیکون کارباید. جنس آلومینیوم اکساید نسبت به سیلیکون کارباید ارزان تر است اما آبدهی پایین تری دارد پس ما سطح بیشتری از آن ها را در فیلتراسیون نیاز داریم. هزینه ی تمام شده ی پروژه باید با مقایسه ی سطح و قیمت این دو مهندسی شود.

مزایا و معایب اولترا فیلتر سرامیکی:

این فیلتر ها در رنج pH 1 تا 14 آسیب نمیبینند. به دلیل ماهیت سرامیکی، در شستشوی شیمیایی، طول عمر بالاتری دارند. برعکس، این عمل حتی موجب افزایش طول عمر آن ها می شود پس از الیاف پلیمری مقاوم تر بوده و طول عمر بالاتری دارند. بنابراین برای چشم انداز 10 یا 15 ساله استفاده از فیلتر های سرامیکی مقرون به صرفه می باشد. تصمیم گیری در این مورد به رویکرد کارفرما و اهداف کوتاه و بلند مدت پروژه بستگی دارد.

مزیت دیگر آن ها در فاضلاب های روغنی ظاهر می شود. فیلتر های سرامیکی تحمل غلظت روغن ورودی بیشتری دارند. در فاضلاب های خاص که روغنی هستند، فیلتر های پلیمری به شدت دچار گرفتگی می شوند. در این حالت، برا یجلوگیری از فولینگ می توان از فیلتر های سرامیکی استفاده کرد که نسبت به روغن حساسیت کمی دارند.

این مسئله می تواند در رابطه با فاضلاب، به عنوان فید ورودی نیز صادق باشد. بهتر است در سیستم های MBR و سایر سیستم های بایولوژیکی، برای کنترل گرفتگی بیولوژیکی برویم سراغ فیلتر هایی با سایز فیلتراسیون بزرگ تر مانند فیلتر هیا سرامیکی و MF ها. با استفاده از حفرات بزرگتر و مش سایز 0.1-0.2 میکرون، هم احتمال بروز گرفتگی کمتر می شود و هم می توان برای بهبود کوالیتی آب خروجی در ادامه از واحد های تکمیلی استفاده کرد.

فیلتر های سرامیکی نسبت به شوک های فیزیکی حساس هستند. برای مثال در حین جابه جایی و یا در اثر ضربه، آسیب میبینند. برای حل این مشکل در برخی سیستم ها می توان ماژول آسیب دیده را جدا یا تعویض کرد.

مش فیلتراسیون کمتر; مدول های سرامیکی هنوز به مش 0.02 پلیمر ها دست پیدا نکرده اند. این فیلتر ها در بهترین حالت 0.1 میکرون قابلیت فیلتراسیون دارند. فعلا در بازار مدل پیشرفته تری از آن ها وجود ندارد.

اشغال فضای بیشتر نسبت به فیلتر های پلیمری  و هزینه ی بیشتر.

برای مقایسه به این مثال توجه کنید:

یک ماژول UF برند هایدروناتیکس 80-105 m2  و یک ماژول سرامیکی حداکثر 10-12 m2 متر مربع فضای فیلتراسیون فراهم می کند. البته کمپانی های سازنده بر این پافشاری می کنند با وجود سطح کمتر، مدول های سرامیکی آبدهی بهتری دارد. با این وجود آبدهی در 12 m2 سطح فیلتر سرامیکی ، با 80 m2 سطح فیلتر پلیمری رقابت نمی کند. به همین دلیل بازار این فیلتر ها کمی از رشد باز مانده است.

 

تاثیر و کاربرد UF در پیش تصفیه ی RO:

سیستم اولترافیلتراسیون مکررا به عنوان پیش تصفیه ی سیستم اسمز معکوس استفاده می شود. دلیل این انتخاب این است که کیفیت آب ورودی به RO در طول عمر آن بسیار موثر است. محصول خروجی UF می تواند شاخص SDI کمتر از 2.5 یا 3 و توربیدیتی زیر 0.5 به دست دهد که این از نظر پیش تصفیه ی RO بسیار مهم خواهد بود. امنیت سیستم RO را در مقابل پارتیکولیت فولینگ و بایوفولینگ به خروجی واحد های پیش تصفیه بستگی دارد. در صورت استفاده از پیش تصفیه ی موثر و کامل، ما به عنوان مهندس طراح می توانیم با اطمینان از رفع خطر گرفتگی، فلاکس بالاتری را برای واحد RO در نظر بگیریم. انتخاب فلاکس بالاتر، دست ما را برای طراحی واحد RO کوچک تر باز می گذارد. همچنین، با وجود این که UF هزینه ی اولیه ای دارد، استفاده از آن در پیش تصفیه ی RO، در دوره ی چندین ساله ی بهره برداری مقرون به صرفه تر خواهد بود چرا که هنگامی که آن هزینه ی اولیه پرداخت می شود با کنترل پارتیکولیت فولینگ و به تعویق انداختن CIP، طول عمر ممبران های RO را افزایش میدهد.

شاید در تصفیه ی آبی مثل آب چاه لزومی به استفاده از UF نباشد، اما می توان گفت که در عرصه های چالش بر انگیزی مثل بازیابی پساب ها، چه صنعتی و چه شهری، استفاده از یو اف خیلی به کاهش مشکلات بعدی RO کمک شایانی کرده است. برای کاهش پیچیدگی های شستشو این سیستم میتواند کاملا به صورت اتوماتیک برنامه ریزی شود به طوری که اپراتور چالش خاصی در بهره برداری نداشته باشد.

شرکت آبسان در استفاده از سیستم های اولترافیلتراسیون در ایران پیشرو بوده و این مسئله در پروژه های پیشین آبسان قابل مشاهده است. ما در اکثر پروژه ها، حتی در ریوز پساب از ممبران های UF استفاده کرده ایم. در اکثر این پروژه ها با توجه به احتمال بالای فولینگ در اثر کیفیت پساب، از متریال PVDF استفاده شده است. پس از تکمیل و اجرای پروژه فید بک خوبی از این سیستم گرفته ایم.

اولین سیستم UF را شرکت آبسان زلال، در سال 1389 در پتروشیمی آبادان راه اندازی کرد. مدول های این سیستم محصول شرکت DOW هستند. با وجود این که آب ورودی آن، از رودخانه ی بهمن شیر، آب چالشی ای محسوب می شود و TSS و توربیدیتی بالایی دارد، مدول های SFP2880 که پس از ده سال همچنان در مدار و در حال بهره برداری هستند، TMP بالایی ندارند و کارفرما از نحوه ی کارکرد آن ها رضایت دارد.

 

برای پرسیدن سوالات خود با شرکت ما مکاتبه کنید.

می توانید از طریق ایمیل Info@absunwater.com سوالات خود را با ما مطرح کنید. ما به سوالات شما پاسخ میدهیم.

و یا اگر مایلید در پروژه ی  خود از سیستم UF استفاده کنید، شرکت آبسان زلال می تواند در این راه  شما را همراهی کند.

[1] Hollow fiber