بازیافت فاضلاب شهری و صنعتی برای آینده ای پایدار

در سال‌های اخیر، عواملی همچون محدودیت منابع آبی همراه با تقاضای فزاینده برای آب شیرین، الگوهای آب و هوایی که مرتب در حال تغییر هستند و نگرانی‌های زیست‌محیطی، استفاده مجدد از آب را به عنوان یک راه‌حل پیشرو در نبرد برای افزایش تاب آوری آبی مطرح کرده است. استفاده مجدد از آب و بازیافت فاضلاب شهری و صنعتی روش هایی کارآمد برای حصول به آینده ای پایدار به شمار می روند.

استفاده مجدد از آب چیست؟

استفاده مجدد از آب همچنین به عنوان بازیافت آب یا احیای آب هم شناخته می شود. به فرآیند جمع آوری پساب، آب حاصل از بارندگی، آب شور یا آب خاکستری و تصفیه آن در صورت نیاز برای مقاصدی مانند مصرف خانگی، فرآیندهای صنعتی، پر کردن آب های سطحی یا زیرسطحی و احیای حوضه آبریز «استفاده مجدد از آب» گفته می­ شود. اصطلاح استفاده مجدد از فاضلاب شهری عموماً به فرآیند تصفیه ثالث پس از آن نمک زدایی اطلاق می شود که با صرف هزینه ای کمتر از نمک زدایی آب دریا، از فاضلاب، آب آشامیدنی تولید می کند.

در سراسر جهان، جوامع و کسب­ وکارها در حال سرمایه‌گذاری در طرح­ های استفاده مجدد از آب هستند. بدین ترتیب می ­توان از وجود آب آشامیدنی سالم در مناطق مسکونی، کافی بودن آب جهت استفاده در فرایندهای صنعتی و به دنبال آن، گسترش صنایع و ایجاد شغل، رفع نیاز آبی بخش کشاورزی برای تولید غذا، حفظ محیط زیست و تضمین آینده اقتصادی جهان اطمینان حاصل نمود.

استفاده مجدد از آب با فراهم سازی یک پورتفولیوی آبی گسترده به عنوان روشی اثبات شده برای بهبود تاب­ آوری آبی شناخته می شود. در سال‌های اخیر، تعداد زیادی از کشورها استفاده مجدد از آب را در استراتژی‌های مدیریت آب خود لحاظ کرده اند تا از وجود منبع تامین آب محلی مقاوم به خشکسالی، ایمن، مطمئن و کنترل شده اطمینان حاصل کنند.

شرکت Bluefield Research، شرکتی است که خدمات تجزیه و تحلیل و هوشمندسازی داده های بازار آب را ارایه می­ دهد. این شرکت بر طبق نتایج تازه­ ترین نظرسنجی خود، اعلام نموده است که بزرگی بازار استفاده مجدد از 1.8 میلیارد دلار است و انتظار می رود تا سال 2027 ، 27 درصد رشد داشته باشد. پیش بینی می شود که تنها در ایالات متحده، حجم آب بازیافتی تولید شده از 4.8 میلیارد گالن در روز، تا سال 2027 به 6.6 میلیارد گالن در روز افزایش یابد که افزایش خیره کننده 37 درصدی را نشان می دهد.

چشم انداز استفاده مجدد از آب در ایالات متحده

به طور کلی، در ایالات متحده استفاده مجدد از آب روندی رو به رشد است. بر اساس اطلاعات شرکت Bluefield Research ، 39 ایالت از 50 ایالت ایالات متحده در حال حاضر مقررات یا دستورالعمل هایی برای استفاده مجدد از آب دارند و سه ایالت دیگر در حال تصویب مقررات در این زمینه، هستند. فلوریدا با بیشترین میزان استفاده مجدد از آب، به عنوان یک بازار آب کامل در نظر گرفته می ­شود. در حالی که کالیفرنیا، جنوب و غرب میانه بزرگترین فرصت برای رشد کوتاه مدت، به ویژه در مورد فرصت های استفاده مجدد از آب در حوزه صنعت را دارند.

هرچند کالیفرنیا هنوز به اندازه فلوریدا برای بهره ­گیری کامل از قابلیت­ های استفاده مجدد از آب آماده نیست؛ اما مدتهاست که بازیافت آب در این ایالت انجام می­ شود. 100 سال پیش برای نخستین بار از آب بازیافتی برای آبیاری مناظر استفاده شد. از آن زمان، مراکز مختلف در سراسر کالیفرنیا به انجام فعالیت­ جهت بهبود فرآیند تصفیه و استفاده مجدد سودمند از فاضلاب و نوآوری در این زمینه می پردازند. امروزه، منابع آب بازیافتی تقریباً 9 درصد از نیازهای آب شهری این ایالت را تامین می کند و استفاده مجدد از آب در حوزه کشاورزی، منابع آب قابل اعتمادی را برای کشاورزان در سراسر ایالت فراهم ساخته است.

افزایش استفاده از آب بازیافتی، منبع تامین آب پایدار و درازمدتی را فراهم ساخته و به افزایش انعطاف پذیری در مقابله با خشکسالی در سراسر کالیفرنیا کمک می ­کند. علاوه بر این، استفاده مجدد از آب نقشی راهبردی در حفاظت از محیط زیست در این ایالت دارد. بسیاری از مناطق کالیفرنیا با استفاده مجدد ایمن و مؤثر از آب برای مصارف آشامیدنی، صنعتی و کشاورزی می‌توانند اتکای فعلی و آینده را به منابع آب وارداتی کاهش دهند.

استفاده مجدد از آب در سنگاپور و کشورهای همسایه ­اش

کشور سنگاپور با اجرای موفق برنامه نوآورانه تامین آب به نام Four National Taps یک نمونه موثر برای کشورهای همسایه خود ایجاد کرده است. این سیستم مدیریت منابع آبی بر چهار پایه استوار است: آب بازیافتی که NEWater نامیده می­ شود؛ آب به­ دست آمده از حوضه آبریز محلی (مخازن آب باران و روان آب)، آب وارداتی (عمدتا از مالزی)؛ و آب نمک ­زدایی شده.

این رویکرد مدیریت یکپارچه آب، کارایی هر منبع را به حداکثر ممکن می‌رساند، نیازهای آب­ بر صنایع محلی را برطرف می‌کند و آگاهی از مسائل جهانی مانند تغییرات آب و هوایی، خشکسالی­های فزاینده، گسترش شهرنشینی و افزایش هزینه انرژی را افزایش می­ دهد.

کشورهای همسایه نیز با الهام گرفتن از الگوی سنگاپور، برنامه‌های اقدام مشابهی را برای ایجاد پایداری آب اجرا کرده‌اند. مقدمه این کار ساده بود:  چهار رویکرد اصلی شامل منابع آب طبیعی و مصنوعی طوری در هم تنیده شده­ اند تا به افزایش انعطاف­ پذیری کشور در برابر بلایای طبیعی مکرر و کمبود آب فصلی منجر شوند.

بر اساس چشم­ انداز آب صنعتی، عملیات روزانه برخی از صنایع مهم در خاور دور به­خصوص صنایع نیم ­رسانا، بسیار آب­ بر است. علاوه بر این، تأسیسات صنعتی معمولاً در مناطق پرجمعیت شهری واقع شده‌اند و برای استفاده از منابع طبیعی آب شیرین با مصارف شهری در رقابت هستند.

توانایی تولید مقادیر قابل توجه آب با کیفیت بالا، در عین حداقل نگه­ داشتن اثرات زیست­ محیطی و رعایت دقیق­ ترین­ مقررات تخلیه، بازار استفاده مجدد از آب در خاور دور را در سال های اخیر شتاب بیشتر و جدی ­تری گرفته است.

در سال 2015، تقریباً 360 میلیون متر مکعب آبی که در بخش کشاورزی برای آبیاری استفاده شده؛ آب بازیافتی بوده­ است که نشان دهنده 31 درصد از کل مقدار آب بازیافتی مورد استفاده در این ایالت است.

 IPR یا  DPR؟

یکی از بزرگترین عوامل تغییر دیدگاه ­ها در مورد استفاده مجدد از آب، این است که  در سال های اخیر، نهادهایی مانند سازمان ملل لزوم پرداختن به این موضوع را به ­رسمیت شناخته اند. به عنوان نمونه، «گزارش توسعه جهانی آب» در سال 2017، بر فاضلاب به عنوان یک منبع آبی ایمن و پایدار تمرکز داشت؛ در همین حال، مطالعات موردی موفق در استفاده مجدد از آب، این رویکرد را از حوزه آبیاری کشاورزی و کاربردهای محدود در مصارف شهری به حوزه­ های دیگری از جمله آب آشامیدنی هم، گسترش داده است.

IPR و DPR چیست و چه تفاوتی بین آنها وجود دارد؟

در حال حاضر دو شیوه استفاده مجدد از آب آشامیدنی در حال رایج شدن هستند: استفاده مجدد مستقیم از آب آشامیدنی (DPR) و استفاده مجدد غیرمستقیم از آب آشامیدنی (IPR). در شیوه IPR، فاضلاب تصفیه شده به منابع آب سطحی یا زیرسحطی هدایت می­شود و بعداً مطابق با استانداردهای آب آشامیدنی، احیا و تصفیه می شود. در شیوه DPR، آب پالایش شده حاصل از تصفیه فاضلاب بدون هیچ نوع «بافر» محیطی به طور مستقیم به سیستم تامین آب شهری وارد می شود.

پس از اینکه دهه‌ها استفاده مجدد از آب به شیوه IPR، انجام می­شد؛ عواملی همچون: نیاز به بهبود کیفیت پساب، پیشرفت فن‌آوری‌های تصفیه و افزایش تقاضا برای منابع آبی، سرانجام باعث جلب توجه به DPR شد. در حالی که ایالت­هایی مانند کالیفرنیا، آریزونا، نیومکزیکو، تگزاس و اوکلاهاما فعالانه به سمت استفاده از DPR می­روند؛ سایر ایالت ها استفاده از DPR را ممنوع کرده و منحصراً از روش IPR استفاده می کنند.

به همین دلیل، علیرغم وجود گرایش عمومی و آمادگی سراسری برای اجرای برنامه های کاربردی استفاده مجدد از آب، ایالات متحده در زمینه استقرار گسترده DPR کمی عقب­تر از کشورهایی مانند سنگاپور است. این عمدتاً به دلیل مقررات سختگیرانه ­تر و همچنین وجود نگرانی عمومی در مورد خطرات بالقوه ­ایست که در صورت عدم اجرای دقیق DPR سلامت آب حاصله را تهدید می­ کند؛ است.

در حالی که هیچ­گونه شواهد اپیدمیولوژیک قابل اعتمادی وجود ندارد که نشان دهد استفاده از آب بازیافتی باعث شیوع بیماری در ایالات متحده شده است؛ انتقال احتمالی بیماری عفونی توسط ارگانیسم‌های بیماری‌زا و انتشار آلاینده‌های آلی، نگرانی اصلی عمومی در مورد DPR را شکل می­ دهد. با این حال، این نگرانی‌ها در کشورهای توسعه‌یافته تقریباً بی‌اساس هستند، در این کشورها ده‌ها تأسیسات DPR تحت نظارت سخت­گیرانه و رعایت دقیق‌ترین استانداردهای بهداشتی، آب آشامیدنی با کیفیت بالا تولید می‌کنند.

بازیافت فاضلاب شهری و صنعتی برای کاربردهای صنعتی

نیروگاه‌ها، صنایع غذایی و آشامیدنی، صنایع شیمیایی، استخراج، نفت و گاز و پتروشیمی مهم­ترین بخش‌های صنعتی هستند که استفاده مجدد از فاضلاب دارند. عوامل اصلی نیاز به فن آوری های صنعتی کارآمدتر در استفاده مجدد از آب چیست؟

در بیشتر موارد این عوامل نقش اصلی را دارند: کمبود آب، افزایش آگاهی عمومی از مسئولیت اجتماعی شرکت (CSR)، و نیاز به کاهش هزینه ها از طریق به حداکثر رساندن بازیافت آب. با این حال، برخی از صنایع هنوز در اتخاذ راهکارهای استفاده مجدد از آب، در مقیاس گسترده تردید دارند.

تاسیسات برق در مناطق کم­ آب برای تامین آب موردنیاز خود با چالش زیادی روبرو هستند و باید به منابع آب جایگزین تکیه کنند. کاربردهای استفاده از آب در تاسیسات برق شامل برج خنک­کننده جایگزین، تغذیه دیگ بخار، کنترل محیطی، بهداشت، آبیاری منظر و نظارت بر محیط زیست است. به عنوان مثال، عملیات روزانه یک نیروگاه ترموالکتریک بسیار آب ­بر بوده و برای ادامه فعالیت آن به مقدار زیادی آب شیرین نیاز است.

برای رفع این نیاز مبرم به آب، بخش برق به جای رقابت با بخش شهری برای دسترسی به منابع آب محلی؛ می­ تواند استفاده مجدد از فاضلاب شهری را به عنوان یک منبع آب جایگزین در دستورکار بگذارد.

عموما بخش برق برای تامین آب موردنیاز خود از منابع آب تخریب شده (آبی که به علت وجود آلودگی­های فیزیکی، شیمیایی یا خصوصیات بیولوژیکی قابل استفاده توسط محیط ­زیست یا موجودات زنده نیست) یا غیر متعارف (آبی که از از آب‌های سطحی شیرین یا آب‌های زیرزمینی تامین نمی‌شود: آب جمع­آوری شده از نزولات جوّی، فاضلاب بازیافتی، آب خاکستری، آب حاصل از فرایندهای تبرید، آب حاصل از فرایندهای تصفیه آب، آب نمک ­زدایی شده، آب حاصل از فرایندهای زیرآب زنی دیگ بخار) استفاده می­ کند. اگرچه اینطور به نظر می­ آید که فاضلاب بازیافتی به دلیل دسترسی آسان و میزان نامحدودش، یک انتخاب بدیهی است؛ اما بلوفیلد گزارش می ­دهد که در حال حاضر تنها 60 نیروگاه از 5000 نیروگاه در 16 ایالت ایالات متحده از آب بازیافتی شهری استفاده می­ کنند.

Palo Verde یکی از نمونه‌های نادر نیروگاه با محوریت استفاده مجدد است که بزرگترین مولد برق در ایالات متحده محسوب می­شود. مجموع خروجی خالص این نیروگاه 4030 مگاوات، که نیازهای برق تقریباً چهار میلیون نفر را در شبانه روز برآورده می‌کند. Palo Verde به دلیل موقعیت جغرافیایی بیابانی خود، تنها تاسیسات انرژی هسته ای است که برای خنک سازی از 100 درصد آب بازیافتی استفاده می­ کند. بر خلاف سایر نیروگاه­ های هسته ­ای، میزان تخلیه آب در تأسیسات احیای آب Palo Verde (WRF)  صفر است. یعنی هیچ فاضلابی به رودخانه ­ها، نهرها یا اقیانوس­ها رهاسازی نمی­ شود.

صاحبان تأسیسات صنعتی، مسائل مربوط به مدیریت آب در تأسیسات را به دو روش مورد بررسی قرار می­دهند:

• چگونگی تامین منابع آب برای انجام عملیات صنعتی و تخلیه فاضلاب حاصله
• رعایت استانداردهای کیفی تخلیه فاضلاب

وجود یک طرح مدیریت استفاده مجدد، می­تواند به مدیریت آب در صنایع کمک کند:

• کاهش میزان تقاضای آب شیرین
• کاهش حجم فاضلاب تولید شده
• به حداقل رسانی میزان فاضلاب تخلیه شده
• کاهش هزینه های تامین آب شیرین و تصفیه پساب
• فراهم سازی فرصت­ های بازیافت برای محصولات جانبی صنعتی مشخص (در برخی موارد)

البته نباید این نکته را از نظر دور داشت که انجام صحیح و مدیریت فرایند استفاده مجدد  نیازمند دانش، سرمایه گذاری مالی و اصلاح عملیات کنونی برنامه­ های DPR و IPR است. با این حال، در اغلب موارد با سنجیدن جوانب مثبت و منفی، اجرای طرح مدیریت استفاده مجدد؛ پایدارترین، کارآمدترین، مقرون‌به‌صرفه‌ترین و زیست‌محیطی‌ترین جایگزین محسوب می­شود.

یکی از عوامل کلیدی آمادگی بازار، وضع مقررات حمایتی از تسریع رشد استفاده مجدد از آب و قانون گذاری­های تشویقی در این زمینه است. از این­ رو با وجود حداقل فشار، همه پیش‌بینی‌ها نشان‌دهنده پذیرش بسیار گسترده طرح‌های مدیریت استفاده مجدد از آب در تأسیسات صنعتی در سراسر جهان است.

از تخلیه تا نوشیدن – استفاده مجدد از آب برای کاربردهای آب آشامیدنی

دلایل زیر نشان می­ دهد که استفاده از آب بازیافتی پایدارتر و مقرون به صرفه تر از توسعه منابع آبی جایگزین است:

• آب حاصل از فرایند استفاده مجدد از نظر محیط زیست سالم است؛ زیرا فشار بر منابع آب شیرین و سیستم های طبیعی را کاهش می ­دهد
• ایمن است – آب به نحوی تصفیه می شود تا با سختگیرانه­ ترین استانداردهای کیفیت آب مطابقت داشته باشد
• پایدار است – فاضلاب یک منبع دائمی و تجدیدپذیر آب شیرین است
• قابل کنترل به صورت محلی است – هر شهر یا روستایی می­تواند بدون تکیه بر همسایه­ های خود برای تامین آب یا محدود بودن به استفاده از منابع آبی طبیعی، آب موردنیاز خود را تامین کند که منجر به استقلال کامل آبی می­شود.

استفاده مجدد از آب متعارف را در مرحله بعدی قرار دهید

روش­های استاندارد استفاده مجدد از آب معمولاً شامل اولترافیلتراسیون (UF)، اسمز معکوس (RO) و فرآیند اکسیداسیون پیشرفته فرابنفش (UV/AOP) است. کلرامین، که معمولاً در فرآیند RO استفاده می شود؛ رسوب زیستی غشاها را کنترل می کند. با این حال، کلرامین یکی از مواد تشکیل ­دهنده محصولات جانبی ضدعفونی مانند NDMA (یک آلاینده آلی خطرناک و ماده­ای مشکوک به سرطان زا بودن)است.

وجود کلرامین در صورت مصرف بیش از حد، نه تنها خطر اکسیداسیون غشاء را افزایش می دهد؛ بلکه به عنوان یک پاک کننده رادیکال های آزاد عمل می کند؛ انرژی­ بیشتری نیاز دارد و به سیستم های تصفیه بزرگتری نیاز دارد که باید CAPEX و OPEX بالاتری داشته باشند.

برای غلبه بر این مشکل، راه حل هایی مانند اسمز معکوس جریان پالس (PFRO™) وجود دارند که فرآیند استفاده مجدد از آب را کاملاً بدون کلرامین امکان پذیر می کنند. برخلاف سیستم‌های RO استاندارد که تحت شرایط هیدرولیک پیوسته و اسمزی کار می‌کنند، PFRO از شرایط هیدرولیکی متناوب استفاده می‌کند که بین حالت تولید بدون خروجی و حالت فلاشینگ سوئیچ می‌کند. در طی این فرایند، آب شور با سرعت بالا تخلیه می‌شود.

میکروارگانیسم‌ها در شرایط هیدرولیکی که دائماً در حال تغییر هستند؛ به سختی می­توانند زنده بمانند؛ بنابراین، ریسک رسوب بیولوژیکی و پوسته‌پوسته شدن را کاهش می‌دهد. در این صورت، سیستم می­تواند با نرخ های شار بسیار بالا (50 درصد بیشتر از حد معمول) کار کند، ریسک  افزایش سریع رسوب بیولوژیکی از بین می­رود و منجر به صرفه جویی کلی CAPEX در حدود 20 درصد می شود.

منابع آب سطحی و زیرسطحی ما در سرتاسر جهان در معرض خطر استفاده بیش از حد قرار دارند. زمانی نمی­ گذرد که تقاضا برای آب از میزان آب تامین شده توسط باران، رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و مخازن طبیعی، پیشی بگیرد. به همین دلیل است که صرفه جویی و استفاده مجدد از آب به عنوان روش های پایدار، امکان پذیر و عملی برای کاهش تقاضای آب صنعتی و شهری و اطمینان از انعطاف پذیر بودن منابع آبی برای نسل های آینده پذیرفته شده است.

منابع

---