انعقاد و لخته سازی در تصفیه آب و فاضلاب

در بیشتر آب‌های طبیعی، ذرات معلق و محلول وجود دارد. این ذرات عمدتا در اثر فرسایش زمین، حل شدن مواد معدنی در آب، پوسیدگی پوشش گیاهی و تخلیه زباله های خانگی و صنعتی به منابع آبی ایجاد می‌شوند. این مواد با ایجاد کدورت و یا رنگ شفافیت آب را کاهش می‌دهند. فرایندهای انعقاد و لخته سازی به علت سهولت و مقرون به صرفه بودن، از فرایندهای مرسوم برای حذف ذرات معلق وکلوییدی می‎‌باشند. طی فرایند انعقاد از مواد منعقد کننده (کواگولانت) و کمک منعقد کننده مختلفی استفاده می‌شود. مواد منعقد کننده شامل موادی هستند که جهت ناپایدار‌سازی ذرات و چسباندن آن‌ها به همدیگر استفاده می‌شوند. در حالیکه هدف از اضافه کردن مواد کمک منعقدکننده افزایش دانسیته ذرات به هم چسبیده و کمک به ته‌نشینی سریع‌تر آنها است. 

انعقاد و لخته سازی در تصفیه فاضلاب

زلال سازی شامل فرایندهای انعقاد، لخته سازی و ته نشینی است. در عمل  انعقاد، با اضافه کردن مواد شیمیایی به آب ذرات را آماده چسبیدن به یکدیگر و تشکیل ذرات درشت‌تر می‌کنند که می‌تواند به دلیل خنثی شدن بارهای الکتریکی باشد. بی بار شدن ذرات ریز سبب حذف نیروی دافعه بین ذرات می‌شود. در ضمن فرایند انعقاد می‌تواند تیرگی ناشی از مواد آلی و معدنی، انواع میکروارگانیزم‌ها، رنگ و فسفات را کاهش دهد و یا حذف نماید. مرحله بعدی زلال سازی، لخته سازی است. در این مرحله مواد منعقد شده از طریق بهم زدن آرام به یکدیگر نزدیک می‌شوند و ذرات بزرگتری را به وجود می‌آورند که راحت‌تر ته‌نشین می‌گردند. البته عمل بهم زدن باید با دقت انجام شود تا لخته‌های به وجود آمده از هم پاشیده نشوند. بعد از لخته‌گذاری نوبت به مرحله ته نشینی می‌رسد. در این مرحله ذراتی که منعقد و لخته شده‌اند دارای شرایط مناسبی برای رسوب کردن می‌شوند و آب زلال شده به دست می‌آید. 

کدورت آب 

کدورت آب عموما توسط مواد معلقی نظیر خاک و گل و لای، مواد آلی و معدنی ریز، ترکیبات آلی رنگی محلول و پلانکتون‌ها و سایر میکروارگانیسم‌ها ایجاد می‌گردد و معمولا توسط کدورت سنج و بر مبنای میزان پراکندگی و جذب نور حاصل از منبع نوری حین عبور از محلول بر حسب NTU گزارش می‌گردد. 
ذرات کلوئیدی مهم‌ترین عامل ایجاد کدورت در آب می‌باشند که در صورت عدم انجام موثر فرایند انعقاد و لخته‌سازی موجب دشوار شدن مراحل بعدی تصفیه، افزایش هزینه‌ها و عدم تصفیه با کارایی مناسب می‌گردند. ویژگی مهم این ذرات عدم ته‌نشینی آنها توسط نیروی ثقل است. هنگامی که یک کلوئید جامد در سوسپانسیون باقیمانده و ته‌نشین نشود سیستم در شرایط پایدار قرار دارد. 
مواد و تجهیزات مورد استفاده در فرایند انعقاد و لخته‌سازی باید به شیوه مناسبی به کار گرفته شود تا این عمل کارایی خوبی داشته باشد. موفقیت در این فرایند به موارد زیر بستگی دارد: 
1. مقدار صحیح مواد شیمیایی اضافه شده 
2. نقطه مناسب تزریق در سیستم 
3. میزان و سرعت بهم خوردن آب 

انعقاد و لخته سازی

مواد شیمیایی افزودنی می‌توانند شامل مواد منعقد کننده، مواد تنظیم کننده pH و گاهی هم مواد کمک منعقد کننده برای بالا بردن بازده ‌باشند. 
تاریخچه‌ی استفاده از مواد منعقد کننده در تصفیه‌ی آب به منظور حذف کدورت بسیار طولانی است و به استفاده‌ی مصریان از آلوم در 2000 سال قبل از میلاد برمی‌گردد. سال‌ها بعد در انگلستان در سال 1767 مردم عادی جهت زلالسازی آب‌های گل آلود از این ماده استفاده نمودند. در سال 1884 نیز اولین امتیازات فرایند انعقاد به وسیله‌ی پرکلرید آهن در شرکت نیواورلئان به ثبت رسید و یکسال بعد دانشگاه Rutgers نتایج تحقیقات خود را در مورد آلوم به عنوان یک منعقد کننده انتشار داد. حاصل این تحولات این بود که عمل انعقاد به عنوان پیش فرایندی که فیلتراسیون را کامل خواهد کرد شناخته شده است. 

انعقاد (Coagulation) 

هنگامی که یک ماده منعقد کننده به آب اضافه می‌گردد ناپایدارسازی کلوئیدی رخ داده و لخته منعقد شده ایجاد می‌گردد. برای انجام فرایند انعقاد نیاز است که منعقد کننده‌هایی با بار مخالفِ بار مواد جامد معلق آب به آن افزوده شود تا بار این مواد خنثی گردد. پس از خنثی سازی بار ذرات، این ذرات به یکدیگر می‌چسبند و میکرو فلوک‌ها را ایجاد می‌کنند. برای دستیابی به انعقاد خوب و تشکیل میکروفلوک‌ها، به یک اختلاط سریع و پر انرژی جهت پراکنده کردن درست منعقد کننده و ایجاد برخورد بین ذرات نیاز است. اختلاط بیش از حد اثری بر انعقاد ندارد، اما انعقاد ناکافی از تشکیل کامل میکرو فلوک‌ها جلوگیری می‌کند. بنابراین نیاز است که اختلاط با سرعت و مدت زمان مناسب اعمال گردد. عموما این مرحله 1 تا 3 دقیقه به طول می‌انجامد.

سولفات آلومینیوم (آلوم) و کلرید فریک از مهم‌ترین مواد منعقد کننده می‌باشند، که علی‌رغم معرفی مواد منعقد کننده جدید همچنان بیشترین کاربرد در غالب تصفیه خانه‌های آب و فاضلاب در بسیاری از کشورها شامل کشورهای در حال توسعه یافته نظیر ایران را دارا می‌باشند. این مواد غالبا برای اطمینان از انعقاد بهینه مورد استفاده قرار می‌گیرند. متداولترین ماده کمک منعقد کننده آهک می‌باشد.
مهیا نمودن ذرات ریز برای تبدیل آنها به ذرات درشت‌تر که قابلیت ته‌نشینی بیشتری دارند به دو عامل بستگی دارد:
الف) تحرک ذرات 
ب) ناپایداری ذرات 
به دلیل این که اکثر ذرات کلوئیدی در آب دارای بار منفی هستند، برای پیشرفت انعقاد سازی لازم است یون‌های فلزی با ظرفیت بالا وارد محلول گردند. غلظت‌های بسیار کمی از یون‌های آزاد +Al3 و +Fe3 در محیط برای منعقد کردن ذرات کافی است. یون‌های دو ظرفیتی آزاد ظرفیتی 30 تا 60 مرتبه موثرتر از یون‌های تک ظرفیتی و یون‌های سه ظرفیتی 700 تا 1000 مرتبه موثرتر از یون‌های تک ظرفیتی عمل می‌کنند. یون‌های آهن و آلومینیوم به تنهایی در پدیده انعقاد شرکت نمی‌کنند، بلکه در واقع یون هیدرولیز شده آنها در این پدیده فعال است.  
بیشتر منعقد کننده‌های معدنی ترکیبات آهن و آلومینیوم هستند و به علت خاصیت اسیدی، pH آب را کاهش می‌دهند. pH آب در بار سطحی ذرات و راسب شدن لخته‌ها تاثیر دارد، لازم است pH آب با کمک موادی مثل آب آهک یا سود آلومینیوم تنظیم گردد.
استفاده از نمک‌های فلزات بر اساس خنثی شدن بار الکتریکی کلوئیدی به دلیل وجود بار الکتریکی خود فلزات و یا ترکیبات حاصل از هیدرولیز آنها می‌باشد. به دلیل تولید حجم زیاد لجن در اثر کاربرد منعقد کننده‌های معدنی از مواد کمک منعقد کننده با توجه به مسائل اقتصادی و بازده عمل، استفاده می‌شود.

لخته سازی (Flocculation)

مرحله بعد از انعقاد و تشکیل میکروفلوک‌ها لخته سازی است که در آن به وسیله‌ی به هم زدن محلول به صورت آرام می‌توان احتمال برخورد بین لخته‌های ریز را افزایش داد و به این طریق ذرات درشت‌تری به وجود آورد که به آن‌ها ماکرو فلوک می‌گویند که با چشم غیر مسلح نیز می‌توان آن‌ها را مشاهده کرد. عمل به هم زدن توسط پاروهایی که دارای سرعت کم هستند، می‌تواند انجام شود. در بعضی مواقع نصب تیغه‌ها و صفحات ثابت بین پاروها که باعث قطع گردش مایع می‌شود عمل هم زدن را انجام می‌دهند. عمل هم زدن و تلاطم تولید شده نباید به اندازه‌ای باشد که انرژی سنتیک ذرات معلق زیاد شده و در اثر برخورد با یکدیگر متلاشی شوند و به ذرات کوچکتر تبدیل گردند. دستگاه‌های لخته‌سازی را می‌توان به سه دسته زیر تقسیم کرد: 
1. دستگاه‌های لخته‌سازی مجهز به مانع سرعت
2. دستگاه‌های لخته‌سازی مجهز به همزن 
3. دستگاه‌های لخته‌سازی مجهز به همزن و مانع سرعت 

گاهی اوقات در فرایند لخته سازی، پلیمرهایی با وزن مولکولی بالا را به عنوان کمک منعقد کننده به آب اضافه می‌کنند تا به پل زدن، اتصال و تقویت و اضافه کردن وزن لخته‌ها و همچنین افزایش سرعت ته نشینی کمک کنند. در نهایت نیز هنگامی که لخته به اندازه و استحکام مطلوب خود رسید، آب برای فرایند جدا سازی (ته نشینی، شناورسازی یا فیلتراسیون) آماده است. زمان لازم برای مرحله لخته سازی نیز عموما از 15 دقیقه تا 1 ساعت یا بیشتر می‌باشد.

مزایای فرایندهای انعقاد و لخته سازی

از مزایای فرایندهای انعقاد و لخته سازی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• سهولت و مقرون به صرفه بودن
• جدا سازی انواع مختلف ذرات از آب
• بهبود فرایند فیلتراسیون
• استفاده از مواد شیمیایی فراوان و ارزان قیمت

معایب فرایند انعقاد و لخته‌سازی

از معایب فرایند انعقاد و لخته سازی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• نیاز به افزودن مداوم مواد شیمیایی
• نیاز به پرسنل واجد شرایط جهت طراحی و نگهداری سیستم
• انتقال ترکیبات سمی به فاز جامد و تشکیل لجن که خود نیاز به تصفیه دارد
• فرایند نسبتا وقت گیر

مهم‌ترین پارامترهای موثر در فرایند انعقاد و لخته‌سازی

از مهم‌ترین عوامل موثر در فرایند انعقاد و لخته سازی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
pH :pH شاید مهم‌ترین عامل در فرایند انعقاد است. pH بهینه بسته به نوع منعقد کننده مورد استفاده متفاوت می‌باشد، اما به طور کلی pH بهینه در محدود 5 تا 7 قرار دارد. این محدوده pH پایین از نظر داشتن یون‌های مثبت زیاد که می‌توانند با کلوییدهای با بار منفی واکنش دهند مناسب است. عمل انعقاد باید در این محدوده pH صورت گیرد و در صورت تغییر pH نیاز است که آن را اصلاح کرد. عدم تنظیم pH بهینه ممکن است باعث مصرف بیش از اندازه منعقد کننده شود. لازم به ذکر است که هنگامی که از فروسولفات به عنوان منعقد کننده استفاده می‌شود، pH باید بالای 9.5 نگه داشته شود تا از ترسیب کامل آهن اطمینان حاصل گردد. این امر با افزودن آهک میسر می‌شود. اما باید توجه داشت که حتما آب تصفیه شده را با کربن دی اکسید اصلاح کرد.
قلیاییت آب: قلیاییت آب هم به pH و هم املاح موجود در آب وابسته است. قلیاییت در واقع ظرفیت آب برای خنثی سازی اسیدها بر اساس مقدار کربنات، بی کربنات، هیدروکسید، بورات، سیلیکات و فسفات است. آب با قلیاییت بالا برای انعقاد مناسب‌تر می‌باشد زیرا چنین آبی تمایل بیشتری به داشتن یون‌های با بار مثبت جهت تعامل با کلوییدهای با بار منفی دارد. برای ایجاد قلیاییت مصنوعی در آب جهت بهبود فرایند انعقاد می‎‌توان به آن آهک هیدراته اضافه کرد.
نوع و غلظت ماده‌ی منعقد کننده: نوع و غلظت مناسب ماده منعقد کننده برای فرایند انعقاد ضروری است. انتخاب نوع ماده منعقد کننده و غلظت آن به شرایط آب مورد تصفیه بستگی دارد و باید توسط آزمایش جار تست تعیین شود.
دمای آب: دمای پایین آب از دو جهت مانع فرایند انعقاد می‌شود. اولا هنگامی که دمای آب کاهش می‌‌یابد، تمامی فرایندهای شیمیایی داخل آب با سرعت پایین‌تری انجام می‌شوند. آب سرد حتی پراکندگی یکنواخت منعقد کننده ها در آب را نیز دشوار می‌کند. درنتیجه راندمان فرایند انعقاد کاهش می‌یابد و به دوزهای بیشتری از مواد منعقد کننده نیاز می‌باشد. دوما، آب سرد بر ته نشین شدن لخته‌ها نیز اثر می‌گذارد. در دماهای نزدیک به انجماد، آب بسیار متراکم است که این منجر به معلق نگه داشتن لخته‌ها می‌گردد.
اختلاط: اختلاط کامل جزء اصلی هر واکنش شیمیایی می‌باشد. مواد شیمیایی که منجر به ایجاد فرایند انعقاد می‌شوند را باید با آب مخلوط کرد. اختلاط ضعیف منجر به بروز مشکلات متعددی نظیر لخته‌های کوچک، کدورت بالا در آب تصفیه شده، نیاز به شستشوی معکوس مداوم فیلترها و ... می‌گردد. 
کدورت: مقدار و نوع کدورت آب تاثیر زیادی بر فرایند انعقاد دارد. کدورت موجود در آب‌های سطحی طبیعی از تعداد زیاد ذرات در اندازه‌های مختلف و در غلظت‌های مختلف تشکیل شده است. نوع و مقدار ذرات موجود در آب بسته به بارش و عوامل دستی به طور مداوم تغییر می‌کند. برای مثال، بارش‌های شدید منجر به افزایش کدورت آب و درنتیجه افزایش مقدار منعقد کننده مورد نیاز می‌شود. البته لازم به ذکر است که در آب‌های با کدورت کم نیز به علت سخت بودن برخورد بین ذرات کلوییدی، فرایند انعقاد دشوار می‌باشد. درنتیجه تشکیل لخته‌ سخت است و بخش زیادی از کدورت مستقیما به فیلترها منتقل می‌شود.
مقادیر نمک‌: نمک‌ها ترکیباتی هستند که هم کاتیون و هم آنیون دارند. هنگامی که نمک‌ها در آب حل می‌شوند، کاتیون‌ها و آنیون‌ها از هم جدا می‌شوند، در این حالت این یون‌ها می‌توانند با سایر ذرات باردار موجود در آب برخورد کنند. تمامی آب‌های طبیعی دارای مقادیری از کاتیون‌ها و آنیون‌ها مانند کلسیم، سدیم، منیزیم، آهن، منگنز، سولفات، کلرید، فسفات و ... می‌باشند. برخی از این یون‌ها ممکن است بر راندمان فرایند انعقاد تاثیر بگذارند.
 

آزمایش جار تست (Jar Test)

برای پیش بینی شرایط انعقاد جهت تعیین مقدار مناسب مواد منعقد کننده و کمک منعقد کننده از این شیوه استفاده می‌گردد که رایج ترین راه است. دستگاه تست جار شامل چند همزن است که با یک موتور می‌چرخند و همگی دارای یک سرعت هستند ولی این سرعت می‌تواند برای آزمایش‌های مختلف بر اساس نظر آزمایشگر تغییر کند. این همزن‌ها درون بشرهایی قرار دارند که حجم های یکسانی از آب در آنها وجود دارد و شرایط برای تمام بشرها یکسان است. مواردی که می‌توان توسط این روش مورد ارزیابی قرار داد عبارتند از: سرعت اختلاط، مدت هم زدن، نوع و مقدار ماده منعقد کننده، pH، اندازه لخته، دما، خصوصیات ته نشینی، زمان تشکیل لخته و زلالیت آب تصفیه شده. 
تنها موردی که نمی‌توان ارزیابی نمود، اثر گردش لجن بر روی بازدهی عمل انعقاد است. یک نمونه آزمایش برای روش تست جار را می‌توان به صورت زیر خلاصه نمود:
1. ابتدا مقادیر یکسانی آب مورد استفاده درون بشرها ریخته می‌شود و همزن درون بشرها به مدت یک دقیقه با سرعت 90RPM به هم زده می‌شوند و به مدت 15 تا 20 دقیقه برای انجام لخته‌گذاری هم زدن را ادامه می‌دهند. بهتر است زمان تشکیل اولین لخته یاداشت شود و بعد از خاموش کردن همزن‌ها زمان ته‌نشینی نیز یاداشت شود. مشخص است مقدار ماده منعقد کننده ایده‌آل آن مقداریست که حداقل مصرف آن بهترین نتیجه را از نظر تشکیل فلوک داشته باشد. 
2. مقدار ماده منعقد کننده بدست آمده در آزمایش بالا با حجم‌های مساوی از آب مورد آزمایش در بشرها اضافه می‌گردد و pH هریک از بشرها به ترتیب روی 5، 6، 7، 8 و گاهی هم 9 تنظیم می شود. (توسط محلول قلیایی استاندارد)
3. این نمونه موجود به مدت 3 دقیقه با شدت زیاد و 12 دقیقه با سرعت کم به هم می‌خورد. 
4. نمونه موجود در هر یک از بشرها را از نظر قابلیت ته‌نشینی لخته‌های تشکیل شده آزمایش می‌کنند. برای مثال در یک زمان معین حجم رسوب ته‌نشین شده در هر یک از نمونه‌ها را تعیین و تغییرات به دست آمده را به ازای pH روی کاغذ رسم می‌کنند به این ترتیب بهترین pH برای عمل انعقاد بدست می‌آید. 
5. با به کار بردن pH بدست آمده، آزمایش مربوط به افزایش مقدار ماده منعقد کننده تکرار می‌شود و منحنی تغییرات مقدار ماده منعقد کننده به ازای درصد حذف ذرات معلق در pH اپتیمم رسم می‌گردد. 

آزمایش جار جهت تعیین مقدار بهینه مواد منعقدکننده

فرایند انعقاد و لخته سازی در یک نگاه

اطلاعات کلی در رابطه با فرایند انعقاد و لخته سازی در جدول زیر نمایش داده شده است.

اصول کار

ذرات معلق با افزودن یک ماده منعقد کننده که منجر به خنثی سازی بارهای آن‌ها می‌شوند، بی بار می‌گردند. درنتیجه ذرات تجمع می‌یابند و لخته‌ها را تشکیل می‌دهند و قابل جدا شدن می‌شوند.

پیچیدگی

تکنولوژی نسبتا ساده

عملکرد و کارایی

راندمان بالا در حذف ذرات باردار معلق و محلول

هزینه‌ها

هزینه نسبتا کم

نوع اپراتور مورد نیاز

نیاز به اپراتور ماهر

عملکرد و نگهداری (O&M)

مصرف پیوسته مواد شیمیایی و برق

قابلیت اطمینان

در صورت بهینه سازی شرایط عملیاتی با کیفیت آب/فاضلاب اولیه، قابل اعتماد است

قدرت اصلی

حذف مواد جامد و بهبود فیلتراسیون

ضعف اصلی

نیاز به افزودن مداوم مواد شیمیایی