حذف فلزات سنگین در فاضلاب

با رشد صنعت و فعالیت‌های انسانی، حضور فلزات سنگین در فاضلاب‌ها و پساب صنعتی افزایش یافته است. این فلزات غیر قابل تجزیه بوده و ممکن است سمی یا سرطان زا باشند. فاضلاب آلوده به فلزات سنگین به محیط زیست راه پیدا کرده و سلامت انسان و اکوسیستم را تهدید می‌کند. بنابراین، حذف فلزات سنگین در فاضلاب یک مسأله جدی است که باید مورد توجه قرار گیرد. در این مقاله، به بررسی انواع فلزات سنگین در فاضلاب، اهمیت حذف آن‌ها، روش‌های مختلف جهت حذف آن‌ها و نکات انتخاب روش مناسب پرداخته خواهد شد.

همچنین بخوانید: روش های تصفیه فاضلاب

فلزات سنگین در آب کدام اند؟

رایج ترین فلزات سنگین در آب عبارتند از: سرب (Pb)، روی (Zn)، مس (Cu)، آرسنیک (As)، کادمیوم (Cd)، کروم (Cr)، نیکل (Ni) و جیوه (Hg). این فلزات در فاضلاب و آب آشامیدنی بالاتر از مقادیر استاندارد جهانی وجود دارند. حد مجاز فلزات سنگین در آب آشامیدنی طبق دستورالعمل سازمان بهداشت جهانی (WHO) یا آژانس حفاظت از محیط زیست (EPA) برای مس، سرب، نیکل، آرسنیک، کادمیوم و کروم به ترتیب ۱.۵، ۰.۰۵، ۰.۱، ۰.۰۱، ۰.۰۰۵ و ۰.۱ mg/l تعیین شده است.

اهمیت حذف فلزات سنگین

حذف یون‌های فلزی سنگین از فاضلاب یکی از فرآیندهای قابل توجه است تا از مشکلات زیست محیطی ناشی از تخلیه مستقیم یا غیرمستقیم فاضلاب صنعتی به محیط زیست جلوگیری شود. از آنجایی که این مواد برای سلامت انسان و سایر موجودات زنده سمی شناخته شده اند، پساب‌های حاوی فلزات سنگین باید به درستی تصفیه شوند تا استانداردهای سختگیرانه تخلیه را رعایت کنند. علاوه بر این، فلزات سنگین زیست تخریب ناپذیر هستند، بنابراین تخلیه غلظت کمی از این مواد ممکن است منجر به تجمع طولانی مدت شود. درنتیجه، بازیافت فلزات سنگین ممکن است یک رویکرد امیدوارکننده برای حل این مسئله باشد.

روش‌های حذف فلزات سنگین از آب

برای حذف فلزات سنگین از آب از روش‌های مختلفی می‌توان استفاده کرد. در ادامه برخی از رایج ترین روش‌ها که معمولاً برای حذف فلزات سنگین از ‌فاضلاب صنعتی استفاده می‌شوند، ارائه می‌شود:

جذب سطحی

فرآیند جذب به دلیل هزینه پایین، در دسترس بودن و ماهیت دوستدار محیط زیست، به طور گسترده برای حذف فلزات سنگین از فاضلاب استفاده می‌شود. هم جاذب‌های تجاری و هم جاذب‌های زیستی برای حذف فلزات سنگین از فاضلاب با ظرفیت حذف بالا استفاده می‌شوند.

مکانیسم جذب توسط ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی جاذب و فلزات سنگین و شرایط عملیاتی (مانند دما، مقدار جاذب، مقدار pH، زمان جذب و غلظت اولیه یون‌های فلزی) تعریف می‌شود. به طور کلی، در این فرایند با عبور جریان فاضلاب از محیط جاذب، یون‌های فلزات سنگین روی سطح جاذب، جذب می‌شوند. این روش دارای هزینه‌های عملیاتی پایین، ظرفیت حذف بالا، اجرای آسان و تصفیه ساده با بازیافت یون‌های فلزی سنگین جذب شده است.

انواع مختلفی از محیط های جاذب را می‌توان برای حذف فلزات سنگین استفاده کرد:

• جاذب‌های بر پایه کربن: استفاده از نانو جاذب‌های بر پایه کربن (دارای حفرات با ابعاد نانو)، به‌ویژه کربن‌ فعال (AC)، نانولوله‌های کربنی (CNTs) و گرافن (GN)، به دلیل مساحت سطح بسیار بالا‌
• جاذب‌های بر پایه کیتوسان
• جاذب‌های معدنی: جاذب‌های معدنی مانند زئولیت، سیلیس و خاک رس کاندیدای خوبی برای تصفیه آب با هزینه‌های عملیاتی پایین هستند.
• جاذب‌های مغناطیسی: جاذب‌های مغناطیسی مواد خاصی هستند که ذرات آهن (معمولاً نانوذرات مغناطیسی مانند Fe3O4) را در خود جای می‌دهند. ماده پایه می‌تواند کربن، کیتوسان، پلیمرها، نشاسته یا بیومس باشد.
• جاذب‌های زیستی
• جاذب‌های چارچوب های فلزی – آلی (MOFs): مانند خانواده زیرکونیوم-MOFs (مانند UiO-66)

رسوب شیمیایی

رسوب شیمیایی یک روش نسبتاً ساده و مقرون به صرفه است که به طور گسترده در صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد و یکی از موثرترین و کامل‌ترین روش‌ها محسوب می‌شود. این فرآیند اساساً شامل افزودن رسوب‌دهنده‌های شیمیایی به آب است که با یون‌های فلزی واکنش می‌دهند و رسوب‌های نامحلول را تشکیل می‌دهند. این رسوب‌ها سپس با استفاده از جداسازی فیزیکی مثل فیلتراسیون یا زلال سازی از آب حذف می‌شوند.

در این فناوری، پارامتر اصلی که حذف فلزات سنگین از فاضلاب را بهبود می‌بخشد، تنظیم pH به شرایط قلیایی است. آهک و سنگ‌های آهک به دلیل دسترسی آسان و هزینه پایین در اکثر کشورها معمولاً به عنوان عوامل رسوب دهنده استفاده می‌شوند. از رسوب آهک می‌توان برای تصفیه موثر پساب معدنی با غلظت مناسب فلز استفاده کرد. 

شناورسازی با هوای محلول (DAF)

شناورسازی با هوای محلول (DAF) یک روش تصفیه فاضلاب است که در آن مواد منعقد کننده شیمیایی به فاضلاب اضافه می شوند تا آلاینده ها به صورت ذرات کوچک جمع شوند. سپس با وارد کردن حباب‌های هوا، ذرات به سمت سطح حرکت کرده و یک لایه لجن تشکیل می‌دهند که قابل حذف است. در حالی که انواع دیگری از شناورسازی نیز وجود دارد، از جمله شناورسازی یونی و شناورسازی رسوبی، DAF محبوب‌ترین نوع فناوری شناورسازی برای حذف فلزات است. از جمله مزایای DAF می‌توان به راندمان و انتخاب پذیری بالا، زمان ماند کوتاه، هزینه‌های عملیاتی پایین و حجم لجن کمتر و متمرکزتر در مقایسه با ته‌نشینی اشاره کرد.

رزین تبادل یونی (IX)

یکی دیگر از روش‌هایی که در صنعت برای حذف فلزات سنگین از پساب استفاده می‌شود، تبادل یونی است. مبدل یونی جامدی است که می‌تواند یون‌های مثبت یا منفی را با یون‌های محیط اطرافش جابجا کند. رزین‌های تبادل یونی آلی مصنوعی رایج‌ترین ماتریس‌های مورد استفاده برای تبادل یونی هستند. استفاده از رزین تصفیه آب برای حذف فلزات سنگین برای محلول غلیظ فلزی جواب گو نیست؛ زیرا ماتریس به راحتی توسط مواد آلی و سایر جامدات موجود در فاضلاب آلوده می‌شود. هم‌چنین، این روش گزینش‌ناپذیر است و به شدت به pH محلول حساس است.

فیلتراسیون غشایی

فیلتراسیون غشایی توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرده است و به طور موثر مواد جامد معلق، ترکیبات آلی و آلاینده‌های معدنی مانند فلزات سنگین را از فاضلاب حذف می‌کند. فیلتراسیون غشایی بسته به اندازه ذرات در انواع مختلفی وجود دارد. علاوه بر این، غشاها می‌توانند از مواد پلیمری یا سرامیکی مانند سیلیکون کاربید ساخته شوند. غشاهای سرامیکی از نوع سیلیکون کاربید به دلیل استحکام بسیار بالای آنها در برابر شرایط حرارتی و شیمیایی، برای حذف فلزات سنگین بسیار مناسب هستند و در محیط‌های خشن که اغلب فلزات سنگین در فاضلاب یافت می‌شوند، عملکرد عالی دارند.

غشاهای سرامیکی به کاهش مصرف انرژی، افزایش ظرفیت و اشغال فضای کم کمک می‌کنند. علاوه بر این، فیلتراسیون غشایی نیاز کمی به مواد شیمیایی برای افزایش عملکرد حذف فلزات سنگین دارد و از آلودگی کمی برخوردار است.

انواع فیلتراسیون غشایی که معمولاً برای حذف فلزات سنگین استفاده می‌شوند، شامل اولترافیلتراسیون (UF)، نانوفیلتراسیون (NF)، میکروفیلتراسیون (MF)، اسمز معکوس (RO) و الکترودیالیز است.

نکات انتخاب روش مناسب

انتخاب مناسب‌ترین روش برای حذف یون‌های سنگین از پساب به عوامل کلیدی زیادی از جمله هزینه عملیات، غلظت اولیه یون‌های فلزی، اثرات زیست‌محیطی، مقادیر pH، مواد شیمیایی اضافه شده، راندمان حذف و امکان‌سنجی اقتصادی بستگی دارد.

جذب سطحی به دلیل عملکرد ساده، قابلیت اجرای گسترده، نرخ حذف بالا و هزینه بازیابی پایین به عنوان موثرترین روش برای حذف یون‌های فلزی سنگین از فاضلاب مورد بررسی قرار گرفته است. با این حال، استفاده از این روش عمدتاً به انتخاب مواد کم هزینه، توان جذب بالا، و فرآیندهای بازیابی موثر بستگی دارد. در مقایسه با جذب، روش غشایی از نظر فنی پیشرفته‌تر و کاربردی‌تر است؛ اما به حداقل رساندن هزینه جداسازی و فولینگ ممبران هنوز چالش برانگیز است.

روش‌های مبتنی بر مواد شیمیایی، به ویژه رسوب شیمیایی، از نظر فنی کامل و کاربردی هستند. آن‌ها هم‌چنین به عنوان روش‌های مقرون به صرفه مدنظر قرار می‌گیرند. اما باید توجه داشت که استفاده از این روش ممکن است باعث مصرف بیش از حد مواد شیمیایی و تولید حجم زیادی لجن شود، پس قبل از انتخاب این روش باید به این نکات هم توجه کنیم.