بنام خدا فرایندهای غشایی برای تصفیه آب و فاضلاب دکتر افشین ابراهیمی دانشیار گروه مهندسی بهداشت محیط مرکز تحقیقات محیط زیست دانشکده بهداشت دانشگاه علوم پزشکی اصفهان

محدودیت منابع آب شیرین(Freshwater Shortage) مشکل اساسی در تأمین نیازهای آبی است. نا محدود بودن میزان آب های شور در کرة زمین (دریاها و اقیانوس ها) تغییر و اصلاح کیفیت آب های شور جهت رفع نیازهای آبی نمک زدایی از آب Water Desalination

How Membrane Works? K I D N E Y Works for = 70 years Operational Pressure = 40 mmHg No Fouling - Clogging Large Surface Area Compare with Membrane 1. keep the concentrations of various ions and other important substances constant 2. keep the volume of water in your body constant 3. remove wastes from your body (urea, ammonia, drugs, toxic substances) 4. keep the acid/base concentration of your blood constant

تاریخچه نمک زدایی

History of Membrane Process Osmosis: First reported by a French researcher – Abbe Nollet in 1748: water diffuses from dilute to concentrated solution. Dialysis: by an English scientist - Graham in 1861. Development of practical membrane processes Membrane process Year Application Microfiltration (Germany) 1920 Laboratory use (bacteria filter) Ultrafiltration (Germany) 1930 Laboratory use Hemodialysis (Netherlands) 1950 Artificial Kidney Electrodialysis (USA) 1955 Desalination Reverse Osmosis (USA) 1960 Sea water desalination Ultrafiltration (USA) Concentration of macromolecules

از حدود 400 سال پیش در کشتی ها، برای تولید آب شیرین جهت آشامیدن از قرن نوزدهم (سال 1873) در معادن نیترات در شیلی کشف نفت در کشورهای حاشیه خلیج فارس و در دریای کارائیب توسعه تکنولوژی نمک زدایی بعد از جنگ جهانی دوم

کاربرد سیستم های نمک زدایی در جهان به ترتیب ظرفیت بهره برداری : عربستان امارات متحده عربی اسپانیا به ترتیب استفاده از روش: MSF: واحد های نمک زدایی- 62% RO: واحدهایی نمک زدایی - 25% سایر سیستم ها: - واحدهای نمک زدایی 13%

ظرفيت نصب شده تاسيسات نمک زدايي بر اساس نوع فرايند و کيفيت آب خام

ظرفيت جهاني نمک زدايي در تاسيسات غشايي و گرمايي(2001-1950)

طبقه بندی آب ها از نظر میزان املاح محلول Fresh water (آب شیرین) → TDS < 1000 mg/l Brackish water (آب لب شور) → 1000 < TDS < 10000 mg/l Sea water (آب شور) → 10000 < TDS < 45000 mg/l Brine (آب نمک) → TDS > 45000 mg/l

Ionic composition of sea water (mg/l) Persian

Separation Processes

Separation Processes Membrane Process is essentially a separation process based on molecular properties. Separation processes based on the molecular properties Molecular Property Separation Processes Size Filtration, MF, UF, NF, Dialysis, Gas separation Affinity Adsorption/ Absorption , RO, Evaporation, Gas separation Charge Ion Exchange, Electro dialysis Density Centrifugation Vapour Pressure Membrane Distillation Freezing Point Crystallization Chemical Nature Complexation, Carrier mediated transport

Why do we need MEMBRANE ? Regulatory pressure Smaller footprint requirement Water scarcity- Water reuse and reclamation Improved membrane technology and reduced membrane cost

Alternative Sources of Water Supply by MEMBRANE 1.Desalination of Seawater and Brackish Water Major source of water in arid regions High treatment cost, low transportation cost 2.Wastewater Reuse and Recycling Cost effective Sustainable water source Treated water can be used for industrial and other process

Conventional: Physical-chemical Process Conventional Process Coagulant Addition Raw Water Rapid Mix Coagulation/ Flocculation Sedimentation Filtration Disinfection Disinfection Addition Residual Disinfection Addition To Distribution

Residual Disinfection Addition Membrane Process Membrane Process: Membrane Module To Distribution Residual Disinfection Addition Disinfection Permeate Tank Small area Raw Water Raw Water Tank Easy to operate

Conventional & Membrane Biological Process Conventional ASP Raw sewage Pre-treatment Primary clarifier Activated sludge Secondary clarifier Lime softening Sludge digester Clarification Air stripping Recarbo- nation Sand filtration GAC adsorption RO Treated water Sludge dewatering / disposal Membrane ASP : External Loop Raw sewage Pre-treatment Primary clarifier Activated sludge Secondary clarifier Sludge digester MF/UF RO Treated water Sludge dewatering / disposal Membrane ASP : Immersed Raw sewage Pre-treatment Immersed membrane activated sludge Sludge dewatering / disposal RO Treated water

Merits and Demerits of Membrane Process It reduces the number of unit processes in treatment systems Potential for process automation and plant compactness Much smaller footprint than the conventional plants of the same capacity Easy scale-up, expansion and retrofication Less or no chemical use and provides highest quality water No formation of secondary chemical by-products Less sludge production Water reuse and recycling Demerits Membrane fouling Low membrane life time Low selectivity High capital and operating cost???

تعریف نمك زدايي

منظور از نمک زدایی آب ها، به کارگیری سیستم و فرآیندی است که توسط آن میزان TDS آب تا حد قابل قبول برای مصارف گوناگون تقلیل داده شود.

طبقه بندی فرآیندهای نمک زدایی: گروه اول: فرآیندهایی که در آنها آب از محلول جدا می شود. گروه دوم: فرآیندهایی که در آنها، نمک از محلول جدا می شود.

Desalination Processes فرآیندهای نمک زدایی Desalination Processes

گروه اول فرآیند تقطیر یا تبخیر(Distillation; Evaporation) انجماد (Freezing) اسمز معکوس Reverse Osmosis (RO) استخراج با حلال (Solvent Extraction) گروه دوم فرآیند الکترودیالیزElectrodialysis (ED) فرآیند تبادل یونی (Ion-exchange)

انواع سیستم ها در فرآیند تقطیر 1- تقطیر ناگهانی چند مرحله ای Multi-Stage Flash Distillation (MSF) 2- تقطیر چند تأثیره Multiple-Effect Distillation (MED) 3- تقطیر با تراکم بخار Vapor Compression (VC) 4- تقطیر خورشیدی Solar Distillation

Driving Force in Membrane Separation Pressure driven membrane processes Microfiltration (MF) : P Ultrafiltration (UF) : P Nanofiltration (NF) : P Reverse Osmosis (RO) : P Electrical driven membrane processes Electrodialysis (ED) : E Concentration driven membrane processes Dialysis : C Osmosis : C

انواع انرژی های قابل استفاده انرژی حرارتی حاصل از سوخت های فسیلی انرژی خورشیدی انرژی آب انرژی گرمایی زمین انرژی هسته ای انرژی باد انرژی امواج دریا

فرآیند تقطیر

اصول نمک زدایی با فرآیند تقطیر مراحل عملیات در روش تقطیر: تشکیل بخار آب (از آب دریا) جداسازی بخار آب میعان بخارآب و بازیابی حرارتی

مشکلات عمده در روش تقطیر: تشکیل Scale (کربنات و سولفات کلسیم، هیدرواکسید منیزیم،...) کاهش ضریب تبادل حرارتی افزایش انرژی مصرفی کنترل دما وpH تزریق اسید استفاده از Antiscalants & Antifoam

فرآیند تقطیر بخارآب بخار آب دریا T2 T1 پساب تبخیرکننده کندانسور heater آب شیرین T1 بخارآب کندانسور تبخیرکننده heater

Solar Energy Solar Distillation

روش انجماد

مراحل روش انجماد 2- جداسازی کریستال یخ و شستشوی آن 1- تولید کریستال یخ (با بازیافت انرژی حرارتی از آب شور) 2- جداسازی کریستال یخ و شستشوی آن 3- ذوب کریستال و تولید آب شیرین

فرآیند انجماد آب شستشو آب شور آب دریا P = 0.12 in.Hg Brine محفظه شستشو محفظه انجماد در خلاء Vacuum Freezing محفظه شستشو محفظه ذوب آب شور آب دریا P = 0.12 in.Hg کریستال یخ Brine آب شستشو آب شیرین

اسمز و اسمزمعکوس هر گاه دو محلول آب با غلظت های متفاوت نمک، توسط یک غشاء نیمه تراوا، که فقط امکان عبور آب را فراهم می سازد، از هم جدا شده باشند، به صورت طبیعی آب از سمت محلول رقیق به سمت محلول غلیظ منتقل می شود. این فرایند تحت فشاری انجام می شود که آن را فشار اسمزی Osmotic Pressure” " می نامند: Π = RT.n / V = R.T.C Where: ח: Osmotic pressure (Pa) T: Temperature (°K) R: Ideal gas constant = 8.314 (J/ mol.° K) C: Concentration gradient (difference) ,

فرآیند اسمز غشاء نیمه تراوا اسمز معکوس (RO) اسمز C2 C1 آب C1 > C2

Prof. Simin Naseri

حال چنانچه فشاری به اندازه(P>) P روی محلول غلیظ وارد شود، جهت انتقال آب، معکوس می شود. به این ترتیب، آب از محلول شور جدا می شود و آب شیرین تولید می گردد. برای آب دریاP:400-600 psi (23-27atm) و برای آب لب شور100-150 psi جنس غشاء استات سلولز پلی آمیدهای حلقوی (B9 برای TDS پائین وB10T برای TDS بالا) مشکل اصلی غشا گرفتگی یا Fouling می باشد.

فرآیند الکترودیالیز(ED) - + ورود آب Cl- غشاء عبوردهندة کاتیون Na+ غشاء عبوردهندة آنیون پساب brine آب شیرین پساب brine

Evaluation of Membrane Performance Qc, Cc QF, CF QP CP Selectivity: For dilute aqueous mixtures of a solvent (water) and a solute (particles), the selectivity is expressed in terms of retention “R” towards solute. CF and Cp are solute concentration in feed and permeate R = 100% (complete retention) of solute R = 0% (solute and solvent) pass thru membrane Water Recovery: QP/QF

Membrane Classification Based on Material Biological: Animal or Plant origin Synthetic: Organic (polymeric) and Inorganic (ceramics) membranes are of importance in Env. Eng. (Example of organic membrane: cellulose acetate, cellulose esters, polypropylene polyamides, polysulfones, etc.); organic-cheaper. Ceramic: Alumina, Titania, and Zirconia: high thermal/chemical resistant Based on Morphology or Structure Symmetric: All porous or non-porous (10-200 m)of identical morphology. Asymmetric: membrane constituted of two or more structural planes of non-identical morphologies: - A thin dense layer (0.1 -0.5m)or skin supported by a porous sub layer(50 – 150 m).

A decrease in membrane thickness results in an increased permeation rate

Based on Operational Modes Dead-end: The fluid flows at right angle to the membrane. Cross-flow: The fluid runs parallel to the membrane. High shear force near the membrane surface Minimize cake formation Recycling of feed stream More energy requirement Stable flux Deposited particles form “Cake Layer” Suitable for more concentrated Suspension More frequent cleaning

Based on Pore Size Microfiltration (MF) : 0.15 to 50 micron or higher Ultrafiltration (UF) : 0.003 to 0.2 micron Nanofiltration (NF) : 0.001 to 0.003 micron Reverse Osmosis (RO): 0.0005 micron

Micro filtration Microfiltration: Simple screening mechanism Pore size 0.01 μm - 10 μm P  0.01 to 0.5 MPa Low pressure process Most effectively remove particles and microorganisms (bacteria) High flux Colloids/Macromole ---> theoretically pass through the membrane Micro filtration Solid Particles return Water passes Salts pass Macro molecules pass Typical Retentates Solids Kaolin, silica, yeast, bacteria, dextrose ‘mud’, granular starch, pigments Nominal Pore Size : 0.1 um

Typical MF Membrane System

Ultra filtration Ultrafiltration: Screening and Adsorption Pore size 1 - 100 nm P 0.1 to 1 MPa Membrane is classified in terms of Molecular Weight-Cut off (MWCO) : 1000 - 100,000 MWCO Approx. pore size (nm) 1,000 2 10,000 5 100,000 12 1000,000 28 Two layers: a thin (0.1 to 0.5 µm), skin layer and a porous substructure support layer Separation of macromolecules Only surface deposition - no internal pore plugging- so, relatively easy to remove, irreversible Ultra filtration Solid particles return Macro molecules return Water passes Salts pass Typical Retentates Macromolecules proteins, polyvinyl alcohol, gelatinized starch, pectin, dispersed dyes Nominal Pore Size :0.01um 20000 MWCO

Nano filtration Nanofiltration: NF Removes molecules in the 0.001 micron range P 0.5 to 6 MPa MWCO: 0.2 to 200 NF is essentially a lower-pressure version of reverse osmosis NF performance characteristics between reverse osmosis and ultrafiltration Nanofiltration: Water softening, removal of organic matter, desalting of organic reaction products. Some salts pass some return Water passes Macro molecules return Solid particles Typical Retentates Salts (small molecules) sodium nitrate, sugar, soluble dyes, amino acid Nominal Pore Size :250 MWCO

Reverse Osmosis Typical Retentates Membrane: similar to UF, thin active layer; porous support layer Desalination (seawater and brackish water), metal plating effluent treatment, color removal from textile effluents, production of high purity water (boiler feed, electronics, medical, pharmaceutical) Operating Pressure: 1.0 - 10 MPa RO has the separation range of 0.0001 to 0.001m Salts return Water passes Macro molecules return Solid particles Typical Retentates Dissolved ions sodium, chloride, macromolecules

Flux in RO and NF System: Flux (Fw) = Kw () Kw = Water mass transfer coefficient  = Mean imposed pressure gradient  = Mean osmotic pressure gradient Collier County, FL Typical RO System

Based on Modules Membrane module refers to the device which houses the membrane element: Tubular membrane module Hollow fibre membrane module Spiral wound membrane module Plate and frame

Tubular membrane module Membrane is cast inside the support tube Tubular membranes have a diameter of 5 - 15 mm High SS tolerance Flow is usually inside out Mainly MF and UF Low packing density, high prices per module

Hollow fibre membrane module Consists of a bundle of hundreds and thousands of hallow fiber Entire assembly is inserted into a pressure vessel Feed can be applied inside of the fiber (inside-out flow) outside (outside-in flow) Highest packing density of all. Hollow fiber is used mainly for NF and RO

Spiral wound membrane module Flexible permeate spacer is provided between two flat sheet membranes Membrane: sealed three side and open side is attached to perforated pipe Flow is in a spiral pattern. Membrane envelop is spirally wound along with a feed spacer Filtrate is collected within the envelop and piped out Packing density:high RO and NF

Three major mechanisms of resistance flow: Pore narrowing Membrane Fouling Fouling: Deposition or accumulation of solids on the membrane. Fouling causes resistance to flow through the membrane and eventual decline in overall flux. Three major mechanisms of resistance flow: Pore narrowing Pore plugging Gel/cake formation due to concentration polarization

Operating characteristics of membrane and rapid granular filters

Comparison between membrane filtration and reverse osmosis

Comparison between membrane filtration and reverse osmosis

روش هاي آبگيري جهت تأسيسات آب شيرين کن از دریا 1 ـ آبگيرهاي مستقيم در اين شيوه هدايت مستقيم آب دريا به لوله آبگير و تأسيسات تصفيه مورد نظر مي باشد. 2 ـ آبگير قائم کف دراين روش آبگيري هدايت آب از طريق يک شافت داراي درپوش و منفذهاي روي لوله در زير درپوش ، به لوله آبگير منتهي به ساحل هدايت ميشود. 3 ـ آبگيري با اسکرين هاي پاسيو (Passive Screens) يکي از روشهاي آبگيري مستقيم استفاده از لوله هاي افقي مشبک است که در آن سوراخهاي روي لوله داراي مقطع ذوزنقه اي با اندازه 0/5 تا 10 ميليمتر در امتداد طول لوله با سطح کل بازشدگي به گونه اي ايجاد مي‌شوند که سرعت عبور آب كمتر از 15 سانتيمتر در ثانيه باشد. اندازه، تعداد و شکل منافذ به گونه اي خواهد بود که عبور موجودات و مواد آلي معلق در آب به حداقل برسد. اين شيوه آبگيري براي محلهائي که جريان هاي متقاطع مداوم وجود داشته باشند مناسبتر است.

4 ـ آبگيرهاي زير سطحي اين قبيل آبگيرها ممکن است شامل چاههاي عمودي يا افقي ساحلي، گالري هاي نشتي يا سيستمهاي نشتي احداث شده در بستر دريا باشند. در هريک از اين طرحها مواضع ورود آب به سيستم با آب آزاد دريا با استفاده از پوششهاي ژئولوژيکي (نظير شن ، ماسه دانه بندي شده يا مواد بستر دريا) از يکديگر جدا مي­شود. الف ) چاههاي قائم ساحلي اين چاهها عبارت از حفره هاي کم عمق ايجاد شده در شنهاي ساحلي براي فيلتر نمودن آب برداشتي هستند. چاههاي ساحلي به دليل تصفيه طبيعي مقدماتي آب مي­توانند گزينه هاي مقرون به صرفه اي براي تأسيسات برداشت آب تا حدود 20000 متر مکعب در روز باشند. ب )چاههاي شعاعي کلکتورهاي شعاعي جمع کننده و هدايت کننده آب منتهي به چاه قائم که نقش حوضچه پمپاژ را دارد باعث افزايش ظرفيت آبدهي چاه مي­شود. افزون بر اين، در مناطقي که ضرائب هيدروديناميکي تشکيلات مواد بستري سواحل مناسب نباشد، استفاده از اين روش نياز به حفر چاههاي قائم متعدد را منتفي مي کند. ج ) گالري هاي نشتي سيستم گالري هاي نشت در واقع نوعي از چاه هاي شعاعي است که در بخش قبلي توضيح داده شد. اين شيوه عموماً در نقاطي مورد استفاده قرار ميگيرد که تشکيلات زمين ساختي ساحلي نفوذناپذير يا با نفوذپذيري کم هستند يا ضخامت آنها کافي نيست.

جنبه های میکروبیولوژی

ED RO NF UF MF اجزا + کدورت کريپتو/ژيارديا ويروس TOC رنگ/ طعم/رنگ سختي سولفات -/+ TDS نيترات فلوريد آرسنيک

Membrane Filters More recent development and use in drinking water Microfilters: several tenths of M to M diameter pore size nano- & ultra-filters: retention by molecular weight cutoff Typically 1,000-100,000 MWCO Reverse osmosis filters: pore size small enough to remove dissolved salts; used to desalinate (desalt) water as well as particle removal High >99.99% removal of cellular microbes Virus removals high >99.9% in ultra-, nano- and RO filters Virus removals lower (99%) by microfilters Membrane and membrane seal integrity critical to effective performance

Cryptosporidium Reductions by Membrane Filtration Log10 Cryptosporidium Reduction Membrane, Type Pore Size A, MF 0.2 µm >4.4 B, MF 0.2 µm >4.4 C, MF 0.1 µm 4.2->4.8 D, UF 500 KD >4.8 E, UF 300 KD >4.8 F, UF 100 KD >4.4 MF = microfilter filter; UF = ultrafilter Jacangelo et al., JAWWA, Sept., 1995

عوامل موثر در انتخاب نوع فرایند نمک زدایی: Financial issues. Energy Requirements Source water characteristics Product water requirements Operational and maintenance issues Geographical and location constraints Environmental factors and waste disposal options

عوامل تشکیل دهنده هزینه در نمک زدایی هزینه سرمایه گزاری هزینه انرژی های مصرفی هزینه بهره برداری و نگهداری هزینه تعمیرات هزینه مواد شیمیایی مصرفی هزینه نیروی انسانی هزینه های عمومی

ارزیابی اثرات زیست محیطی

پساب واحد های نمکزدایی بسیار غلیظ است آب شور یا لب شور آب شیرین پساب (brine) انرژی یا کار واحد نمکزدایی پساب واحد های نمکزدایی بسیار غلیظ است (مشتمل برهمة املاح جدا شده از آب، بعلاوه مسی که در اثر خوردگی لوله ها و سیستم های مبدل حرارتی واردآب شده است، و باقیمانده مواد شیمیایی مصرفی).

با پساب واحد نمک زدایی چه باید کرد؟ 1- تخلیه به دریا (برای واحدهایی که در مناطق ساحلی استقراریافته اند)، از طریق لوله کشی تا فاصله حداقل 2 کیلومتری از ساحل و استفاده ازJet Diffusers) 2- تبخیر خورشیدی در حوضچه هایی که برای این کار ایجاد شده اند (برای واحد های داخل خشکی). نمک حاصل در حوضچه تبخیر را می توان با برنامه ریزی مناسب، جداسازی نموده و در داروسازی قابل استفاده است.

روش هاي دفع پساب شور 1 ـ دفع پساب شور از طريق تخليه مستقيم به اقيانوس (بواسطه يک لوله تخليه) 2 ـ تخليه به ساحل يا کناره دريا 3 ـ دفع پساب شور از طريق اختلاط با آب دفعي برج هاي خنک کننده نيروگاه 4 ـ دفع پساب شور از طريق اختلاط با پساب تصفيه شده فاضلاب 5 ـ‌ دفع پساب شور از طريق احداث يک سازه تخليه کننده زير سطحي 6 ـ تزريق در چاه هاي عميق 7 ـ استخرهاي تبخير 8 ـ استخرهاي خورشيدي

نمک زدایی، گزینه ای است که باید در کنار سایر گزینه های تأمین آب در هر منطقه مورد مطالعات امکان سنجی(Feasibility Study) قرارگیرد: انتقال آب از راه دور و از سایر حوزه های آبریز توزیع آب با تانکر انتقال یخ های قطبی حفر چاه های بسیار عمیق استفاده مجدد از فاضلاب تصفیه شده Other options در مورد هریک از گزينه هاي موجود، لازم است جنبه های امکان سنجی فنی و مهندسی، زیست محیطی، سیاسی و اقتصادی بررسی شود تا بهترین گزینه، انتخاب گردد.

نتيجه گيري نمک زدايي تجارتي مطمئن و در حال رشدي است. اسمز معکوس بهترين فناوري نمک‌زدايي در دسترس است که بدليل بازدهي انرژي، قيمت تمام شده آب، انعطاف راهبري، اثرات زيست محيطي کمتر و .... در محدوده وسيعي از مکان ها و شرايط بکار برده مي‌شود.

نتيجه گيري معايب اوليه اسمز معکوس در کارايي و هزينه سرمايه‌گذاري آن بوده که در حال حاضر بدليل پيشرفت هاي دائم در خصوصيات فني و قيمت غشاء بسيار کمتر شده است که اين روند کاهشي با پيشرفت هاي احتمالي و نويد بخش در مواد غشاء‌هاي جديد، ابزار بازيافت انرژي و در فرآيندهاي پيش‌تصفيه پيشرفته مانند کاربرد فرآيندهاي غشايي ترکيبي ادامه خواهد داشت.

دکتر افشین ابراهیمی با تشکر از بذل توجه شما دانشیار گروه مهندسی بهداشت محیط مرکز تحقیقات محیط زیست، دانشکده بهداشت دانشگاه علوم پزشکی اصفهان E-mail: a_ebrahimi@hlth.mui.ac.ir