Table of Contents
הבנה של זיהום מתכת כבד במים
מתכות כבדות כגוןעופרת, כספית, קדמיום, ארסן, כרום, ניקל הם מרכיבים המתרחשים באופן טבעי כי להיות רעיל כאשר הם מצטברים באספקת מים מעל גבולות סף, פריקות תעשייתיות, פעולות כרייה, ריצה חקלאית, וסילוק פסולת לא תקין הם מקורות אנתרוגניים ראשוניים (אך בניגוד לא מזוהים אורגניים), מתכות כבדות הן בלתי ניתנות למדידה ונמשכות בסביבה, המחוברת לאורגניזמים מסוכנים אלה, אפילו לריכוזים אורגניים, אפילו לזיהומים סביבתיים נמוכים).
השפעות בריאותיות וסביבתיות
ההשפעות החרפות והכרוניות של רעילות מתכת כבדה מתועדות היטב.חשיפה מובילה פוגעת בהתפתחות הקוגניטיבית אצל ילדים וגורמת לבעיות לב וכלי דם אצל מבוגרים. מרקורי, במיוחד methylmercury, הוא נוירוטוקסין רב עוצמה שפוגעת במערכת העצבים המרכזית. קדימיום מצטבר בכליות ובעצמות, מה שמוביל לכשלים לא חוקיים ולאוסטאופורוזיס.
הגבלות של שיטות טיפול חד-צדדיות
שיטות טיפול חד-קונבנציונליות להסרת מתכת כבדה כוללות משקעים כימיים, מודעות, חילופי יון, סינון קרום, וטיפול ביולוגי.כל אחד יש מגבלות טבועות המונעות השגת הסרה מלאה בתנאי איכות מים משתנים.
- (FLT:0Chemical משקעיםFLT:1 יעיל עבור ריכוזים גבוהים אבל יוצר כמויות גדולות של פעוט רעיל, דורש בקרת pH זהירה, ולעתים קרובות לא להפחית ריכוזים למגבלות של פריקה רגולטורית.
- (FLT:0)AdsorptionFLT:1) באמצעות פחמן מופעל או חומרים טבעיים יכול להסיר מגוון רחב של מתכות אך סובל משקע, עלויות גבוהות להתחדשות, וירידה ביעילות בנוכחות של מושגים מתחרים.
- (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
- (FLT:0) מנברן filtrationFIRLT:1 תהליכים כמו אוסמוזה הפוכה מספקים איכות גבוהה אבל דורש צריכת אנרגיה גבוהה, ניקוי קרום תכופים, וטיפול נאות למניעת קשקשים.
- (FLT:0) טיפול ביולוגי (Biological Treatmentph:1) באמצעות ביוסורציה או ביוקפיון הוא ידידותי לסביבה ויעילה, אך דורש עצירות מיקרוביאלית מסוימת, זמני שימור ארוכים ותחזוקה זהירה של תנאים סביבתיים.
חסרונות חד-פעמיים אלה יוצרים מקרה משכנע לשילוב טכנולוגיות מרובות כדי לנצל את נקודות החוזק המשלימות שלהם ולהפצה על חולשות אינדיבידואליות.
מדוע שילוב שיטות טיפול? היתרון הסינרגיסטי
שיטות טיפול משולב ממינוף העיקרון כי תהליך רב צעד יכול לכוון מתכות כבדות באמצעות מנגנוני הסרה שונים בו זמנית או באופן משמעותי.לדוגמה, צעד טרום טיפול מסיר מוצקים גדולים חומר אורגני, ומאפשר צעד מלוטש מאוחר יותר לפעול ביעילות רבה יותר. Synergies להתעורר כאשר שיטה אחת משפרת את הביצועים של מערכות הפחתה פעילות גופנית אחת - כגון שיפור הסינון של חלקיקים לפני סינון של ממין, או מהפך לצורות מזיקות יותר של מתחמיכות כימיות.
גישות משולבות עבור מתכת כבדה
כמה אסטרטגיות טיפול משולב פותחו ומותאמות בשנים האחרונות.למטה הן הגישות הנפוצות והיעילות ביותר, יחד עם המנגנונים, היישומים ונתוני הביצועים שלהם.
מודעות וגישור
שילוב מודעות עם coagulation מפצה על יכולת ספיגה מהירה של פרסומות ואפקט ההמולה של coagulants, בתהליך שני שלבים אלה, coagulants כגון אלומיניום, ferric chloride, או פוליאלומיה chloride (מפרקים) מוספו לראשונה כדי destabilize חלקיקים קולואידים ו-Solretamated מתכת מורכבת.
הפליטה ו-Ion Exchange
(המחזורים המוקדמים של filtration ו- ion Exchange הם רכבת טיפול מלוטשת קלאסית. A Sand filter או מולטימדיה המסנן הראשון מסירים מושעה חלקיקים גדולים יותר, הגנה על חילופי יון מרעה ומרחיב את חיי השירות שלהם.הטור של התחדשות אוטומטית חייב להיות משולב מערכת מתכת כבדה מזיקה (למשל, קו2+, Pb2+, C2 גרם) עבור גישה מזיקהתמימית במיוחד עבור הגנה מפני חמצן (USFicial) או הגנה מפני הגנה מפני הגנה מפני הגנה מפני זיהום אווירית (או הגנה).
טיפול ביולוגי וכימיה
טיפול ביולוגי מרת מיקרואורגניזמים לטבוליט, פרסומות, או להפוך מתכות כבדות.לדוגמה, חיידקים ממריצים את ה- pH (SRB) להפחית את הסולפט ל-Sulfide, אשר לאחר מכן precipitate מתכות כבדות רבות כמו הסרת מתכת דלקתית שנותרה לאחר מכן, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000
Membrane Filtration ואלקטרוקוגציה
אלקטרוקוגניציה (EC) כוללת יישום זרם חשמלי לאלקטרודות מקריות, שחרור זרמי מתכת כי coagulate contaminants in situ. כאשר בשילוב עם אולטרה-סינון או ננומטרה, מערכת משולבת EC-membrane מקטין באופן דרמטי את צריכת membrane כי חלקיקים מכווצים הם גדולים וקלים יותר נדחה מחקר בכתב העת של חומרים מסוכנים אשר הוכיחו כי הוא כפול של מערכת קירור שטח מוגבל (Falsetratratative) כאשר הוא מקבל טיפול מופחתת של מערכת העיכול (Ricuptextexa) ו-Fal Retracereative) הוא נמוך יותר ויותר מודאג יותר ויותר נדחה, בעודוריד (Ricuptretretextexapreative) הוא מקבל טיפולית (Duptretretofreative) הוא נמוך יותר ויותר מודאג) הוא נמוך יותר ויותר נדחה משקל (Rine) הוא נמוך יותר ויותר מודאג).
יעילות השוואתית ועלויות ניתוח
כאשר בוחנים שיטות טיפול משולבות, יעילות ועלויות הן חשוב ביותר.למטה הוא סקירה השוואתית המבוססת על ספרות שפורסמה ומחקרים בקנה מידה טייס.
- (FLT:0) Adsorption + Coagulation: ההרחבה:ראה LT:1 (הוציאה 95-99% של Pb, Cd, Cu. Medium Capital Cost (כלי תפוצה, סינון, עמודות הפעלה) נשלטות על ידי צריכת כימית ומודעות חלופיות.
- (FLT:0)Filtration + Ion Exchange: ההרחבה 1 (Ion Exchange: ⁇ ) מוציאה 90-99% מהמתכות די שוות ערך ואסרניק.נמוך לעלויות הון בינוניות עבור מערכות קטנות.
- (FLT:0) ביולוגי + כימיקלים Precipitation:cioFLT:1 הסר > 99% של Fe, Mn, Zn, Ni. Cost-competitive לטיפול גבוה בשפכים חומציים.
- (FLT:0)mebrane + אלקטרוקוגניציה: OVAFLT:1 הסרה > 99% של תערובת רב-מטאלי.העלות הון גבוהה יותר עקב קרום ואספקת אנרגיה יכול להיות 0.5–2 קילוואטh / m3, אבל מפחיתה את תדירות החלפת membrane.
ניתוחי עלות מחזור חיים מצביעים על כך ששיטות משולבות הופכות לגבוהות מבחינה כלכלית כאשר מערכות חד-ממדיות דורשות החלפת מדיה תכופית, מינון כימי נרחב, או לייצר פענוח מופרז שמחירי הרשאות של הארגון הבריאות העולמי (ראה:0) הנחיות להורדת איכות מים מ'FLT:1) מדגישות כי יעילות העלות צריכה להיות מוערכת בהקשרים מקומיים, בהתחשב בזמינות אנרגיה, מומחיות עבודה, ותקני פריקה.
אתגרים ושיקולים תפעוליים
למרות יתרונות ברורים, שיטות טיפול משולב מציגות אתגרים מעשיים שיש לטפל בהם כדי להבטיח הצלחה ארוכת טווח.
- מורכבות אופטימיזציה של FLT:0 (Process אופטימיזציה מורכבות:FLT:1ir) כל רכיב חייב להיות מכוון לוויריאציות הכימיה מים. overdosing coagulants או overloading biofilters יכול להרגיז את המערכת.אוטומטי מערכות בקרה עם ניטור בזמן אמת - כגון pH, זעזוע וחיישנים ריכוז מתכת - נדרשים לעתים קרובות.
- (FLT:0)Sludge and Waste Management:FLT:1 שיטות משולבות לעתים קרובות לייצר שני זרמי פסולת או יותר - פעוט כימי, פרסומות מובזבזות, רזות, וביומסה ביולוגית.
- עלויות תחזוקה ותחזוקתיות: FLT:1 integrating מספר פעולות יחידה מגבירות את ההשקעה הראשונית. משאבות, שסתום, וחיבור של צריכת תחזוקה סדירה.
- (FLT:0) אנשי צוות מיומנים: FLT:1 מפעילי חייב להבין לא רק טכנולוגיות בודדות אלא גם אינטראקציות שלהם.אימון ושימור הם קריטיים, במיוחד בהגדרות מרוחקות או נמוכות של קוד.
אסטרטגיות מייגציה כוללות עיצובים מודולריים המאפשרים התקנה בשלב, שימוש בחומרים עמידים ומקומיים זמינים, ותוכניות הכשרה חזקות. בדיקות טייס עם מים ספציפיים באתר הוא חיוני לפני פריסה בקנה מידה מלא.
מחקרים בטיפול משולב
פסולת תעשייתית: אלקטרו-פלינג Facility בדרום קוריאה
צמח אלקטרו-מחדש ב-ANסאן, דרום קוריאה, נתקל במגבלות פריקה מחמירות עבור כרום (0.05 מ"ג / L) ניקל (0.1 מ"ג / L) מערכת המשקעים הכימיים של השלב הבודדים לא הצליחו לעמוד בסטנדרטים אלה בשל נוכחותם של סוכנים מורכבים. שילוב של משקעים כימיים אלקליין לאחר הסרת משקעים לא ציות מוחלט, אלא משקעים הוסרו, ו-99 חזרות נזילות נשומות עם ירידה משמעותית לעומת 15%.
Acid Mine Drainage: Abandoned Coal Mine במערב וירג'יניה
מכרה פחם נטושה מתפורר ברזל (30 מ"ג / L) ומניגאן (8 מ"ג / L) לתוך זרם מים ראש היה מתווך באמצעות מערכת פסיבית משולבת: ניקוז אבן גיר חמצן עבור הסתגלות pH, ואחריו סדרה של אטריות אירוביות המכילות קפסולות ו- sulf-Lediclecupic נשאר מתחת ל-carecat-Licleiclecrecatscrecat-Lscreative, לאחר ניתוח אנרגיה מופחתת 2 מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"ד 2"מ"מ"ל-L"ד ו-L"ד 2"ד, לאחר מכן, לאחר ניתוח צריכת אנרגיה מופחתת 2 ליטר ברזל מופחתת 2 מ"מ"מ"מ"מ"ד ו-Lic R.
אזהרת מים: ארנניק בבנגלדש
מיליוני בארות צינור בבנגלדש מכילים רמות ארסן מעל 50 מיקרוגרם / L. יחידת טיפול בקנה מידה הקהילה בשילוב aeration ו-חול סינון (כדי חמצון ולהסיר ברזל ו arsenic) עם עמודה מופעלת של אלומיניום מופעלת משולבת.השלב סינון של מערכת החיסון להפחית אותר מ -200 מיקרוגרם / L ל 20g / L / μ / , ו- 10 ליטר נמוך יותר של מערכת מים נמוכה יותר של מחזור נמוך של מערכת הדם.
כיוונים עתידיים ב-Chele Metal Remediation
מחקר לשיטות טיפול משולב מתקדם במהירות, מונע על ידי תקנות מחמירות יותר והצורך בשימוש במים בר קיימא.Promising גבולות כוללים:
- (FLT:0)Nanomaterial-enhanced Adsorbents:FLT:1 Graphene oxide, צינורות פחמן, ומסגרות אורגניות מתכת (MOFs) מציעים אזורי משטח ספציפיים מאוד וסלקטיביות.שלב אלה עם סינון membrane יכול להשיג הסרה כמעט בלתי שפויה של מתכות מרובות בלחץ נמוך.
- שילוב אנרגיה מתחדשת:0 (FLT:1, המופעל על ידי השמש אלקטרוקוגניציה ואווירה המונעת רוח יכול להפחית את טביעת הרגל פחמן של מערכות משולבות, מה שהופך אותם קיימא עבור יישומים מחוץ לריד.
- (FLT:0) אופטימיזציה באמצעות למידת מכונה: ההרחבה 1 (Artificial Intelligence) יכולה לחזות מינון של כפייה אופטימלי, התחדשות מחדש של מרווחי זמן, ולוח הזמנים לניקוי קרום מבוסס על נתונים באיכות מים בזמן אמת, שיפור יעילות וצמצום הפסולת.
- (FLT:0) כלכלה מעגלית מתקרבת:FLT:1irua Recovery of Heavy מתכות כבדות מ שאריות טיפול (למשל, מזחלות ממוספרות ממולאות או מפרסומות מובזבזות) לשימוש חוזר בייצור נחקר.זה יכול להפוך את הזרמים פסולת למשאבים יקרי ערך, מזרז עלויות טיפול.
- (FLT:0) מערכות ביולוגיות-אלקטרוניות-אלקטרוניקה: איורFLT:1 תאי דלק מיקרוביאליים ומערכות ביו-אלקטרוניקה יכולים במקביל לטפל מתכות כבדות וליצור חשמל, המציעות פרדיגמת טיפול עצמי.
האתגר המתמשך הוא לדרג את חידושי המעבדה הללו לפיילוט וליישומים בקנה מידה מלא תוך שמירה על יכולת ופשטות.מחקר משותף בין האקדמיה, התעשייה וסוכנויות הרגולטור יהיה חיוני להאיץ את אימוץ ברחבי העולם.
מסקנה
אמצעי מתכת כבדים של משאבי מים נשאר איום קריטי לבריאות הציבור ושלמות סביבתית.שיטות טיפול בודדות, בעוד שימושיות, הם בקושי מספיקים לעמוד בסטנדרטים באיכות המים מחמירים יותר בתנאים משתנים.שילוב שיטות טיפול - בין אם מודעות לחשיפה, filtration-ion Exchange, לחץ דם ביולוגי והשקעה ממין, או membrane-electcoulation השקעות, לבין הטבות סינרגיות כי מעלה 99% יעילות של צריכת חשמל מתקדמת, אך גם כן, כמו גם כן, כגון מגבלות אבטחה תחרותית, לחץ דם תפעולית, יכולות לספק יעילות.