تصفیه آب شهری و مراحل آن از نگاه مهندسی آب

آب، ارزشمندترین منبع حیات بر روی کره زمین است و تأمین آب سالم و بهداشتی برای شهروندان، یکی از مهمترین مسئولیتهای هر جامعه مدرن به شمار می رود. تصفیه آب شهری فرایندی پیچیده، علمی و چندمرحله ای است که طی آن آب خام حاصل از منابع طبیعی مانند رودخانه ها، سدها، چاهها و چشمه ها به آبی شرب، گوارا و عاری از هرگونه آلودگی فیزیکی، شیمیایی و میکروبی تبدیل میشود.

این فرآیند اگرچه برای عموم مردم ناشناخته است، اما نقشی حیاتی در حفظ سلامت جامعه، پیشگیری از بیماریهای همه گیر و ارتقای کیفیت زندگی ایفا می کند. در این مقاله که از نگاه یک مهندس آب به رشته تحریر درآمده، قصد داریم به صورت کامل و دقیق به تصفیه آب شهری و مراحل آن بپردازیم و شما را با تکتک گامهای این فرآیند شگفت انگیز آشنا کنیم؛ از ورود آب خام تا لحظه ای که آب تصفیه شده به شیرهای خانه های شما میرسد.

آشنایی با مراحل تصفیه آب شهری نه تنها برای مهندسان و فعالان صنعت آب ضروری است، بلکه برای هر شهروند آگاهی بخش و ارزشمند خواهد بود؛ چراکه با درک این مراحل، بهتر میتوانیم از منابع آبی محافظت کنیم و قدردان زحمات صدها متخصصی باشیم که امنیت آبی شهرها را تضمین میکنند.

در ادامه این مقاله، ابتدا با منابع تامین آب شهری آشنا می شویم، سپس به صورت مرحله به مرحله فرآیند تصفیه را بررسی میکنیم و در پایان نیز به سؤالات متداول شما در این زمینه پاسخ خواهیم داد.

برای مشاهده مقاله‌های بیشتر به وبلاگ دریاصنعت مراجعه کنید.

منابع تامین آب شهری

پیش از آنکه به سراغ مراحل تصفیه آب شهری برویم، لازم است بدانیم آب شرب ما از کجا تامین میشود. به طور کلی، شهرها از سه منبع اصلی آب خام دریافت میکنند:

1. آبهای سطحی: شامل رودخانه ها، دریاچه ها، سدها و مخازن آب. این منابع معمولاً در دسترس ترین گزینه برای تامین آب شهری هستند اما به دلیل تماس مستقیم با محیط، بیشترین میزان آلودگی (گل و لای، برگ، پسماند و آلاینده های شیمیایی) را دارند.
   
2. آبهای زیرزمینی: شامل چاههای عمیق، سفرههای آب زیرزمینی و چشمه ها. این آبها به دلیل عبور از لایه‌های خاک و صخره به طور طبیعی فیلتر میشوند و معمولاً شفافیت بهتری دارند، اما ممکن است حاوی املاح معدنی بالا، آهن، منگنز و در برخی مناطق نیترات باشند.
   
3. آبهای بازیافتی: در برخی شهرها، بخشی از آب مصرفی پس از تصفیه مجدد، دوباره به چرخه مصرف بازگردانده میشود.
   

کیفیت آب از هر یک از این منابع با دیگری متفاوت است و فرآیند تصفیه نیز بر اساس کیفیت آب ورودی طراحی و تنظیم میشود. به همین دلیل است که مراحل تصفیه آب شهری ممکن است در شهرهای مختلف کمی با یکدیگر تفاوت داشته باشد.

مراحل تصفیه آب شهری از نگاه مهندسی آب

فرآیند تصفیه آب شهری در تصفیه خانه های مدرن معمولاً شامل هفت مرحله اصلی است. در ادامه، هر یک از این مراحل را به صورت دقیق و فنی بررسی میکنیم.

مرحله اول: آبگیری و انتقال آب خام

اولین گام در مراحل تصفیه آب شهری، تامین و انتقال آب خام به تصفیه خانه است. آب از منبع تأمین (سد، رودخانه یا چاه) از طریق تاسیسات آبگیری شامل سازه های دریچه دار، پمپ خانه ها و خطوط لوله اصلی به تصفیه خانه منتقل می شود.

در این مرحله، مهندسان آب باید دبی (حجم آب در واحد زمان) ورودی را بر اساس نیاز جمعیتی، الگوی مصرف و ظرفیت تصفیه خانه تنظیم کنند. پمپخانههای آبگیری با ظرفیتهای گوناگون، وظیفه هدایت آب از منبع تا ابتدای خط تصفیه را بر عهده دارند.

مرحله دوم: آشغالگیری یا غربالگری (Screening)

آب خام در ابتدای ورود به تصفیه خانه، حاوی ذرات درشت مانند شاخ و برگ، پلاستیک، ماهی و سایر اجسام شناور و معلق است. این مواد باید قبل از ورود به مراحل اصلی تصفیه حذف شوند؛ چرا که میتوانند به تجهیزات آسیب بزنند و فرآیند را مختل کنند.

در مرحله آشغالگیری، آب از میان نردهها و توریهای فلزی به نام غربال (Screen) عبور میکند. این غربالها در دو نوع درشت گیر (با فاصله میله های ۲۵ تا ۱۰۰ میلیمتر) و ریزگیر (با فاصله میله های کمتر از ۲۵ میلیمتر) طراحی میشوند. مواد جمع شده به صورت دورانی توسط دستگاههای مکانیزه یا به صورت دستی از روی غربالها برداشته و به محل دفن منتقل میشوند.

مرحله سوم: آشغالگیری ریز (Micro Screening) و حذف شن و ماسه

پس از حذف ذرات درشت، نوبت به حذف ذرات ریزتر مانند شن، ماسه، سیلیس و سایر ذرات با چگالی بالا میرسد. در این مرحله، آب وارد سازهای به نام کانال شن گیر (Grit Chamber) میشود. در این کانال، سرعت آب به گونه ای کنترل میشود که ذرات سنگین (شن و ماسه) به کف کانال ته نشین شوند اما ذرات سبک همچنان در جریان آب باقی بمانند.

روش ته نشینی ذرات در کانالهای شنگیر معمولاً بر اساس «سرعت حد» (Removal Velocity) طراحی میشود. نکته ای که در این مرحله از اهمیت بالایی برخوردار است، محاسبه دقیق زمان ماند هیدرولیکی است؛ چرا که اگر آب خیلی سریع عبور کند، شن و ماسه به درستی ته نشین نمی شوند و اگر بسیار کند حرکت کند، مواد آلی نیز در کف تجمع خواهند کرد.

مرحله چهارم: ته نشینی اولیه (Primary Sedimentation)

در ادامه مراحل تصفیه آب شهری، آب وارد حوضچه های ته نشینی اولیه میشود. در این حوض های بزرگ که به آنها «کلاریفایر» (Clarifier) نیز گفته میشود، سرعت افقی جریان آب به شدت کاهش مییابد و ذرات معلق ریزتر با استفاده از نیروی ثقلی به کف حوضچه ته نشین میشوند.

حوضچه های ته نشینی اولیه معمولاً به صورت مستطیلی یا دایره ای طراحی می شوند و مجهز به دستگاههای لجن روب (Skimmer) هستند که لجن ته نشین شده را به سمت تجمع گاه لجن هدایت می کنند. در این مرحله، قابلیت حذف ذرات معلق و کدورت به ترتیب به ۵۰ تا ۷۰ درصد و ۲۵ تا ۴۰ درصد میرسد.

مرحله پنجم: انعقاد و لخته سازی (Coagulation & Flocculation)

شاید بتوان گفت این مرحله، فنی ترین و مهمترین بخش از مراحل تصفیه آب شهری است. در آب، ذرات ریز معلق وجود دارند که به دلیل بار الکتریکی منفی سطحی، یکدیگر را دفع میکنند و ته نشین نمیشوند. این ذرات کلوئیدی که عامل اصلی کدورت آب هستند، باید پیش از فیلتر شدن، خنثی و سنگین شوند.

فرآیند این مرحله در دو زیر گام انجام نمی شوند. این ذرات کلوئیدی که عامل اصلی کدورت آب هستند، باید پیش از فیلتر شدن، خنثی و سنگین شوند.

فرآیند این مرحله در دو زیر گام انجام میشود:

• انعقاد یا لخته‌بندی اولیه (Coagulation): در این گام، مواد منعقدکننده شیمیایی (نظیر پلی‌آلومینیوم کلراید یا PAC، سولفات آلومینیوم موسوم به آلوم، و کلروفریک) به آب خام تزریق می‌شود. این ترکیبات با بار مثبت خود، بار منفی ذرات کلوئیدی را خنثی کرده و شرایط چسبیدن آن‌ها به یکدیگر را مهیا می‌کنند. این عمل در حوضچه‌های اختلاط سریع (Rapid Mix) با همزن‌های دور بالا (بین ۱۰۰ تا ۳۰۰ دور در دقیقه) و در بازه زمانی بسیار کوتاه (چند ثانیه تا یک دقیقه) همراه با کنترل دقیق pH انجام می‌گیرد.
  
• لخته سازی (Flocculation): در این گام، آب به آرامی هم زده میشود تا ذرات خنثی شده به یکدیگر متصل شده و لخته های بزرگتر و سنگینتری با نام «فلوک» (Floc) تشکیل دهند. این اختلاط آرام در حوضچه های لخته سازی با همزنهای کند انجام میشود و سرعت همزدن بهگونهای تنظیم میشود که لخته های شکل گرفته از هم نپاشند.
  

غلظت و نوع مواد منعقد کننده، pH آب و دمای آب از عوامل کلیدی و تعیین کننده در کیفیت لخته سازی هستند و مهندس آب به صورت روزانه این پارامترها را پایش و تنظیم میکند.

مرحله ششم: ته نشینی ثانویه و شفاف سازی (Sedimentation & Clarification)

پس از تشکیل لخته ها، آب وارد حوضچه های ته نشینی ثانویه میشود. در این حوضچه ها، لختههای سنگین شده در اثر نیروی ثقل به کف ته نشین شده و آب شفاف از بخش بالایی حوضچه به سمت گام بعدی هدایت میشود. این مرحله می تواند تا ۸۵ الی ۹۵ درصد از ذرات معلق را حذف کند.

لجن جمع شده در کف حوضچه های ته نشینی به واحد دفع لجن منتقل میشود و بخشی از آن ممکن است برای افزایش راندمان لخته سازی دوباره به فرایند بازگردانده شود. آب شفاف و زلال حاصل از این مرحله، آماده عبور از فیلترها است.

مرحله هفتم: فیلتراسیون (Filtration)

بعد از ته نشینی، آبی که وارد مرحله فیلتراسیون میشود هنوز حاوی ذرات میکروسکوپی، باکتریها و برخی مواد محلول است. برای حذف این ذرات، آب از لایههای فیلتر شنی عبور میکند. این فرآیند، آخرین گام فیزیکی در مراحل تصفیه آب شهری است.

فیلترهای شنی متداول در تصفیه خانه ها به دو دسته تقسیم میشوند:

• فیلترهای شنی تند (Rapid Sand Filters): رایج ترین نوع فیلتر در تصفیه خانه‌های شهری هستند. آب از بالای فیلتر وارد شده و از میان لایههای شن با دانه بندیهای متفاوت (از درشت در پایین تا ریز در بالا) عبور میکند. این فیلترها میتوانند ذراتی در ابعاد چند میکرون را حذفکنند.
  
• فیلترهای فشاری (Pressure Filters): در مواردی که آب با دبی کم تحت فشار قرار میگیرد، از این نوع فیلترها که داخل مخازن بسته قرار دارند، استفاده میشود.
  

پس از مدتی بهره برداری، فیلتر هوا اشباع شده و نیاز به شستشوی معکوس (Backwashing) دارند که در آن آب به صورت معکوس از پایین به بالا عبور کرده و ناخالصیهای تجمع یافته از فیلتر حذف میشوند.

مرحله هشتم: ضدعفونی (Disinfection)

آب پس از عبور از فیلترها، شفاف و زلال است اما ممکن است هنوز حاوی میکروارگانیسم‌های بیماریزا مانند باکتریها، ویروسها و انگلها باشد. اینجاست که مهمترین مرحله از نظر بهداشتی، یعنی ضدعفونی آب آغاز میشود.

متداول ترین روش ضدعفونی در تصفیه خانههای شهری ایران و جهان، استفاده از گاز کلر یا سایر ترکیبات کلرانه مانند هیپوکلریت سدیم است. کلر به چند دلیل انتخاب میشود:

• اثر قوی در نابودی میکروارگانیسمها
• قابلیت باقی ماندن (Residual) در شبکه توزیع برای جلوگیری از آلودگی مجدد
• هزینه پایین و در دسترس بودن

در کنار کلر، روشهای دیگری مانند ازن زنی (Ozonation)، پرتو فرابنفش (UV) و کلرامین نیز در برخی تصفیه خانه ها مورد استفاده قرار میگیرند. مهندسان آب باید میزان کلر باقیمانده در آب را در محدوده مجاز (معمولاً 0.2 تا ۰.۸ میلیگرم در لیتر) تنظیم کنند تا هم میکروارگانیسمها نابود شوند و هم طعم و بوی آب نامطلوب نشود.

مرحله نهم: تنظیم pH و سختی گیر (Optional)

یکی از مراحل تکمیلی در تصفیه آب شهری، تنظیم اسیدیته (pH) و سختی آب است. آب تصفیه شده در برخی تصفیه خانه ها به دلیل افزودن مواد منعقد کننده، اسیدی شده و pH آن از محدوده مطلوب (6.5 تا ۸.۵) خارج میشود.

برای تنظیم pH، از موادی مانند آهک یا سود سوزآور (کاستیک سودا) استفاده می شود. در مواردی که سختی آب بالاست، فرایندهایی مانند سختی گیری با آهک و سود یا استفاده از رزینهای تبادل یونی انجام میشود.

مرحله دهم: ذخیره سازی و توزیع (Storage & Distribution)

آخرین حلقه از زنجیره مراحل تصفیه آب شهری، ذخیره سازی آب تصفیه شده در مخازن و توزیع آن از طریق شبکه لوله کشی اصلی (Transmission Mains) و شبکه توزیع (Distribution Network) است.

آب تصفیه شده ابتدا در مخازن ذخیره (مانند مخازن بتنی زیرزمینی یا مخازن هوایی) نگهداری میشود تا در ساعات پیک مصرف، فشار و دبی لازم تامین شود. سپس از طریق شبکه گسترده ای از لوله ها، شیرآلات و ایستگاههای پمپاژ ثانویه، به منازل، اماکن تأمین شود. سپس از طریق شبکه گسترده ای از لوله ها، شیرآلات و ایستگاههای پمپاژ ثانویه، به منازل، اماکن تجسم از نقاط مختلف شبکه، وظیفه ای است که به صورت روزانه توسط کارشناسان آزمایشگاه تصفیه خانه انجام می شود.

اهمیت کنترل کیفیت در مراحل تصفیه آب شهری

کنترل کیفیت، جزء لاینفک هر یک از مراحل تصفیه آب شهری است. در تصفیه خانه های مدرن، آزمایشگاههای مجهز به صورت روزانه، ساعتی و حتی پیوسته (آنلاین) نمونههای آب را در مراحل مختلف مورد آزمایش قرار میدهند. مهمترین پارامترهایی که پایش می شوند عبارتند از:

• کدورت آب: در تمام مراحل تصفیه اندازه گیری میشود و باید در خروجی کمتر از ۱ NTU باشد.
• pH آب: در محدوده مطلوب برای شرب حفظ شود.
• کلر باقیمانده: در تمام نقاط شبکه رعایت شود.
• باکتریهای کلیفرم و باکتریهای بیماریزا: به صورت منظم در آزمایشگاه میکروبیولوژی بررسی شوند.
• فلزات سنگین (سرب، جیوه، آرسنیک): در آب خام و تصفیه شده اندازهگیری شوند.
• ترکیبات آلی و آفت کش ها: در صورت وجود ظرفیت آزمایشگاهی، پایش شوند.

استاندارد ملی ایران برای آب آشامیدنی (بر اساس استاندارد 1053) و همچنین دستورالعملهای WHO، چارچوبهای مرجع برای ارزیابی کیفیت آب تصفیه نشده محسوب میشوند.

فناوریهای نوین در تصفیه آب شهری

با پیشرفت علم و فناوری، مراحل تصفیه آب شهری نیز روزبهروز هوشمند تر و کارآمدتر میشود. از جمله فناوریهای نوینی که در تصفیه خانه های مدرن به کار گرفته میشوند، میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

1. تصفیه با غشاهای نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس (RO): این فناوری قابلیت حذف ذرات در ابعاد نانومتری، نمکها و حتی ویروسها را دارد و در مناطقی که آب منبع کیفیت پایینی دارد، کاربرد فراوانی یافته است.
   
2. کنترل هوشمند با هوش مصنوعی: سیستمهای هوشمند SCADA و یادگیری ماشین در پایش و تنظیم اتوماتیک دوز مواد منعقد کننده، زمان شستشوی فیلترها و مدیریت انرژی پمپ خانه ها به کار گرفته میشوند.
   
3. تصفیه زیستی (Biological Treatment): استفاده از بیوراکتورهای غشایی (MBR) و فرآیندهای بیولوژیکی برای حذف مواد آلی و آلاینده های نوظهور در حال گسترش است.
   

نمونه موردی: سیستم تصفیه آب و صنایع دریایی

در پایان این مقاله، اشاره به ارتباط مراحل تصفیه آب شهری با صنایع دریایی خالی از لطف نیست. شرکت تولیدی و بازرگانی دریا صنعت آسمان به عنوان یکی از فعالان صنعت آب و دریا، نقشی کلیدی در طراحی، تامین تجهیزات و اجرای پروژه های مرتبط با انتقال، پمپاژ و تصفیه آب ایفا میکند.

تجهیزاتی مانند پمپهای انتقال آب، شیرالات صنعتی، تاسیسات آبگیر و اجزای شبکه توزیع که در مراحل مختلف تصفیه آب شهری مورد استفاده قرار میگیرند، بخشی از محصولات و خدمات این مجموعه هستند. ترکیب دانش مهندسی آب با تخصص صنایع دریایی، امکان طراحی سیستمهای پایدار و مقیاس پذیر را برای شهرها و صنایع بزرگ فراهم کرده است.

جمع بندی

• مراحل تصفیه آب شهری یک فرایند چند مرحله ای، علمی و کاملاً مهندسی شده است که طی آن آب خام از منابع طبیعی به آبی سالم و شرب نهایت ذخیره سازی و توزیع است.
• هر یک از این مراحل با پارامترهای قابل کنترلی مانند دبی، سرعت، pH، دوز مواد شیمیایی و زمان ماند طراحی و بهرهبرداری میشود.
• کنترل کیفیت مستمر در تمامی مراحل، تضمین کننده سلامت آب شرب در شبکه توزیع است.
• فناوریهای نوین مانند غشاهای نانوفیلتراسیون و هوش مصنوعی، آینده تصفیه آب شهری را متحول خواهند کرد.

درک این مراحل، میانبری است برای قدردانی از پیچیدگی هایی که پشت هر جرعه آب سالم وجود است برای قدردانی از پیچیدگی هایی که پشت هر جرعه آب سالم وجود دارد. امیدواریم این مقاله از نگاه مهندسی آب، پاسخگوی سوالات شما بوده هایتان آشنا کرده باشد.

سوالات متداول درباره مراحل تصفیه آب شهری