دکتر محمدرضا جعفرزاده

مدیرگروه پژوهشی مدیریت و بازچرخانی آب های نامتعارف و استاد گروه آموزشی مهندسی عمران دانشگاه فردوسی

مهندس علیرضا مشرقی

دانشجوی دکتری آب و سازه های هیدرولیکی دانشگاه فردوسی مشهد

نسل جدیدی از چالش‌های زیست‌محیطی همچون تغییرات آب و هوایی، جمعیت رو به رشد و کمبود منابع طبیعی، نیاز به ایجاد سازمان‌های مدیریت و بهره برداری از آبها را جهت اجرای استراتژی‌هایی برای تداوم کفایت آب افزایش می‌دهد. مخازن و منابع آب زیرزمینی که برای دهه‌ها به آن‌ها تکیه می‌شد، به سرعت در حال کاهش هستند و در برخی از مناطق آسیب‌دیده، به طور کامل از بین رفته اند. بخش بزرگی از کشور ایران، کشورهای حوزه خلیج فارس و ... از جمله مناطقی هستند که به طور بحرانی با کمبود آب مواجه می باشند. این موضوع فقط شامل کشورهای در حال توسعه نبوده و کشورهای پیشرفته ای همچون ژاپن، ایالات متحده و استرالیا در سرتاسر جهان با این واقعیت دست و پنجه نرم می کنند که منابع تامین و رفتارهای مصرف باید تغییر کند تا در دسترس بودن منابع آب برای آینده حفظ شود

شکل 1- رتبه بندی کشورهای با وضعیت بحرانی آب

به عنوان مثال در كشور ژاپن، تعداد موارد استفاده از سيستم‌هاي بازچرخاني پسآب­ها در ساختمان‌ها رو به افزايش است؛ به طوري‌كه اين تعداد از 18 مورد در سال 1969 به 104 مورد در سال 2010 رسيده است‌ و تعداد كل پروژه‌هاي استفاده مجدد از پسآب در ساختمان‌ها از سال 1969 تا 2010 برابر 3654 مورد بوده است.

همچنین در كشورهاي عربي، افزايش تنش و بحران آبي و تغييرات آب و هوايي، منجر به جست و جوي روش‌هاي كارآمد مصرف منابع آبي و تأمين آب از طريق فاضلاب تصفيه شده (به خصوص براي بخش كشاورزي)، گرديده است. مقدار كل آبي كه از فاضلاب تصفيه شده به‌دست مي‌آيد و مورد استفاده مجدد قرار مي‌گيرد، حدود 17/2 كيلومتر مكعب در سال برآورد شده است. کشورهای مصر، سوريه، امارات متحده و عربستان جزو بزرگترين مصرف كنندگان در منطقه محسوب شده و حدود 75% از حجم آب مورد استفاده مجدد را به خود اختصاص مي‌دهند[1].

به عنوان مثالی دیگر کالیفرنیای جنوبی در کشور آمریکا، در یک وضعیت خشکسالی ثابت و با جمعیتی بیش از 20 میلیون نفر، به شدت به آب وارداتی از شمال کالیفرنیا و رودخانه کلرادو وابسته است. با این حال، خشکسالی‌های چرخه‌ای بر هر دوی این منابع آب تأثیر می‌گذارد، که با تغییر شرایط محیطی و برداشت بیش از حد آب بیشتر تهدید می‌شوند. از اوایل دهه 2000، سازمان های آب منطقه ای در مناطق منتخب به طور پیوسته، تولید و استفاده از آب بازیافتی را افزایش داده اند. در سال 2019 قانونی به عنوان طرح جدید سبز شهر لس آنجلس تصویب گردید و شهرداری را ملزم به تأمین 70 درصد آب مورد نیاز به صورت محلی و همچنین بازیافت 5 میلیون متر مکعب آب در سال ( تقریباً 10 درصد از کل مصرف) نمود.

چنین اهدافی تنها از طریق استفاده از روش های تصفیه آب پیشرفته ( Advances Water treatment (AWT))، که اغلب شامل اولترافیلتراسیون (UF)، اسمز معکوس (RO) و فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته فرابنفشUV AOP) ) هستند، قابل دستیابی است. این فناوری‌ها چشم‌انداز فعلی و آینده را برای استفاده مجدد از آب هدایت می‌کنند[2].

نظارت لحظه ای بر کیفیت آب و تجزیه و تحلیل های پیشرفته مربوط به آن موجب شده تا پیشرفت قابل توجهی در بازیافت آب در حوزه ها و مناطق مختلف اعم از شهری و یا روستایی، شاهد باشیم.

در این مقاله روش های اصلی بازیافت پسآب ها به آب شرب قابل آشامیدن بررسی می شود.

روش های اصلی بازیافت پسآب ها به آب شرب

دو روش اصلی برای تبدیل فاضلاب به آب آشامیدنی وجود دارد: 1- روش غیر مستقیم (indirect potable reuse (IPR)) 2- روش مستقیم .(direct potable reuse (DPR))روش مستقیم (IPR) شامل رهاسازی فاضلاب تصفیه شده به یک منبع زیست محیطی استراتژیک - مانند مخزن یا آبخوان - است، در حالی که روش غیر مستقیم (DPR)، همانطور که از نام آن مشخص است، شامل انتقال مستقیم فاضلاب بسیار تصفیه شده به سیستم توزیع محلی آشامیدنی است.

هر روش مزایا و چالش هایی دارد:

• DPR به اندازه IPR به لوله کشی یا سیستم پمپاژ نیاز ندارد، که به معنای کاهش سرمایه و هزینه های عملیاتی، همراه با کاهش انتشار آلاینده های کربنی است.
• IPR از موانع نظارتی و قانونی کمتری برخوردار است و اکثر سازمان های مدیریت منابع آب در سرتاسر جهان از سیستم های IPR به صورت کاملا مجاز استفاده می نمایند.
• محبوبیت استفاده از روش مستقیم DPR رو به افزایش است، به ویژه در مواقعی که مکان، زمان و تغییر شرایط محیطی مخازن واسط، امکان استفاده ازروش IPR را محدود می کند.

علیرغم نگرش منفی جوامع در استفاده از روش های IPR و DPR ، بهره گیری از روش های استفاده مجدد از آب برای آشامیدن ضروری به نظر رسیده و در حال افزایش می باشد. با این روش‌ها، سازمان های آب منطقه ای می‌توانند پساب را جمع‌آوری کرده و آب آشامیدنی با کیفیت بالا را برگردانند و از اثرات خشکسالی و رشد جمعیت بر تامین آب بکاهند. علاوه بر این، نوآوری‌های علمی در سیستم‌های تصفیه، نظارت و کنترل، تولید کارآمدتر و مطمئن‌تر آب آشامیدنی را ممکن می‌سازد.

چالش های پذیرش

هنوز دسترسی کامل به راه‌حل‌های IPR و DPR AWT برای همه مناطق آبی، با وجود موانعی چون هزینه‌ زیاد جهت سرمایه گذاری، تعمیر و نگهداری و نیاز به دانش فنی بالا، ممکن نیست. علاوه بر این، نمونه برداری به موقع در روش DPR مانع دیگری است، که در همه مناطق این امکان وجود ندارد.

از آنجاکه دریافت نتایج آزمایشگاهی برای آلاینده‌هایی که اندازه‌گیری آن‌ها بسیار دشوار است، ممکن است هفته‌ها یا حتی ماه‌ها به طول بیانجامد و وقتی نتایج به دست می‌آیند، به دلیل گذشت زمان، نتایج از اعتبار کافی برای فرآیندهای فعلی برخوردار نمی باشد، در حال حاضر سازمان های مسئول برای نظارت بر عوامل بیماری زا به عواملی همچون میزان شفافیت یا حاصلضرب غلظت در زمان تماس ضد عفونی (CT) تکیه می کنند. فناوری های آزمایشگاهی موجود نمی تواند عوامل بیمار زا را در غلظت های بسیار پایین، مانند پایین دست تجهیزات AWT شناسایی کند این درحالیست که سازمان ها برای تصمیم گیری، به نتایج سریع و قابل اعتماد دستگاه های تشخیص پاتوژن نیاز دارند.

فرآیند کامل AWT شامل تصفیه اولیه در تاسیسات احیای آب ( Water reclamation facility (WRF)) با تجزیه میکروبی بی هوازی و هوازی - و ته نشین شدن در یک زلال ساز ثانویه است. سپس آب خروجی از WRF با فناوری هایی مانند UF، RO و UV AOP تحت احیا قرار می گیرد (شکل 2).

 AWTشکل 2- مراحل روش

با اجرای فناوری های تحلیلی جدیدتر برای شناسایی میکروارگانیسم‌های پایین دستِ فرآیندهای AWT، متخصصان می‌توانند از عملکرد صحیح فرآیندهای تصفیه در این روش مطمئن باشند.

استفاده مجدد از شرب و AWT کارآمد به طور فزاینده ای در مناطقی که توسط کمبود آب تهدید می شود، حیاتی است. اما بدون شناسایی پاتوژن ها به شکلی قابل اعتماد و تقریبا آنی، اغلب چاره ای جز پذیرش روش های نظارتی قدیمی گفته شده در بالا وجود ندارد. در روش های UF و RO عملا ویروسی از بین نمی رود اما در AWT که روشی پیشرفته می باشد هم برای دستیابی به استانداردهای تعیین شده توسط متخصصین قانون گذار به ایجاد موانع مکانیکی، نیاز است.

سرعت بخشیدن به نتایج آزمایشات

محققان برای سرعت بخشیدن در روند دستیابی به موقع به نتایج پیشنهاد می دهند که از فناوری اسکن فلورسنت پزشکی برای تشخیص پاتوژن‌ها در غلظت‌های بسیار پایین در پایین دست سیستم‌های فیلتراسیون، مانند UF استفاده شود. این دستگاه‌ها زمان مورد نیاز برای نتایج آزمایش را از یک ماه یا بیشتر به کمتر از نیم روز کاهش می‌دهند و ابزاری را برای تصمیم‌گیری مطمئن و به موقع در مورد تناسب آب برای استفاده مجدد قابل شرب در هر دو سیستم IPR و DPR فراهم می‌کنند.

برای آزمایش کیفیت آب، تکنسین‌ها نمونه ها را از طریق یک اسکنر فلورسنت با حساسیت بالای شناساییِ پاتوژن، ارزیابی سریع (RAPID) می نمایند. این ابزار تحلیلی جدید اعتماد کلی به AWT را بهبود می‌بخشد و زمان ماندگاری پاسخ را در ذخیره‌سازی آب بازیافتی تصفیه شده - مانند سفره‌های آب زیرزمینی یا مخازن آب سطحی - کاهش می‌دهد و در عین حال هزینه‌های کلی سرمایه گذاری و عملیاتی را کمتر می نماید

شکل 3- دستگاه اسکن فلورسنت

این امکان تجزیه و تحلیل داده های پیشرفته را از طریق نرم افزار ابری و اتصال ایمن از راه دور برای انجام تنظیمات عملیاتی تقریباً در لحظه فراهم می کند. علاوه بر این، این اسکنرهای تخصصی مجهز به ابزارهای داخلی پاکسازی، پردازش، تجزیه و تحلیل و مدل سازی برای بهینه سازی فرآیند مستمر هستند.

سخن پایانی

استفاده مجدد از پسآب، بخش مهمی از مشکل جوامع را حل می‌کند و برخلاف روش‌های کوتاه مدت، در آیندهای دور به عنوان روشی ضروری و غیر قابل تغییر باقی خواهد ماند. از مزایای مهم و اصلی استفاده مجدد از پسآب ها میتوان به حفاظت از آب شیرین، حفاظت از منابع آب سطحی و زیرزمینی و تأمین آب اشاره نمود. ایران کشوری خشک و کم‌آب است و با توجه به رشد جمعیت و منابع محدود آب، باید راهکارهای مناسبی برای استفاده بهینه از منابع، اجرا کند؛ لذا استفاده مجدد از پسآبها برای مصارف شهری می‌تواند برای رفع مشکلات کم‌آبی، در کشور ایران بسیار کارآمد باشد.

منابع:

1. Chuyang Y. Tang, Zhe Yang, Hao Guo, Jason J. Wen, Long D. Nghiem, Cornelissen, E., "Potable Water Reuse through Advanced Membrane Technology" Environmental Science & Technology 2018 52 (18), 10215-10223.

https://www.waterworld.com/drinking-water/treatment/article/14070801/water-reuse-technology

1. Matsui, Y. Salveson, A. Assouline, J., " Potable Water Reuse Advances With New Technologies", Water and Wastewater Digest, 2021, Vol 28, PP: 44-56.

https://www.wwdmag.com/water-recycling-reuse/potable-water-reuse-advances-new-technologies