זיהום מתכת כבד באספקת מים לשתייה מייצג את אחד האיומים המתמשכים והמסוכנים ביותר לבריאות הציבור ולקיימות סביבתית ברחבי העולם.בניגוד לאומני מזון אורגני, מתכות רעילות כגוןעופרת, קדמיום, כספית, ואסרניק אינם מידרדרים; הם נמשכים בסביבה וחיתוך ביולוגי ברקמות חיים, גרימת מחלות כרוניות, הפרעות התפתחותיות וסרטן.

הבנה של מתכת כבדה

מתכות כבדות מוגדרות כאלמנטים מתכתיים עם משקל אטומי גבוה וצפיפות, בדרך כלל מעל 5 גרם / ס"מ3, המציגות רעילות בריכוזים נמוכים.הדברים ביותר במזהמים באספקת מים כוללים להוביל (Pb), כספית (Hg), קדמיום (Cd), ארסן (כפי), כרום (Cr), ונחושה (Cu) מתנהגת באופן שונה במים המבוססים על pH, חמצן, ונוכחות אורגנית או חומר תחרותי.

מקורות מתכת כבדה במים

הפרשות תעשייתיות נשאר המקור העיקרי: אלקטרו-פליג, ייצור סוללות, פעולות כרייה, והפקה של ייצור פיגמנטים לשחרר את קדמיום, להוביל, וכרום לנהרות וממים קרקעיים. agricultural Runoff נושא דשנים פוספטים מציג arsenic and Catmium. Natural Geogenic leaching, במיוחד באזורים עם סלע מיטה עשיר מינרלים, תורם הפצה של מים תוססים ו-Ficular Watereases ל-Ficular, כלומר, כלומר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 אחראיים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 אחראי על פי שירות נחושת, 000, 000, 000 אחראי על פי צינורות מוביל באופן ישיר, 000, 000, 000, 000 אחראי על פי שירות נחושת, 000 כוח חיים, 000, 000, 000, 000 מוביל באופן ישיר, 000 מוביל באופן ישיר, 000 אחראי על ידי כוח חיים, 000 מוביל באופן ישיר, 000, 000 כוח דם אחראי על ידי כוח חיים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 כוח חיים מוביל באופן ישיר, 000

השפעות בריאותיות והגבלות רגולטוריות

חשיפה כרונית למתכות כבדות גורמת לספקטרום של מחלות: להוביל התקפות מערכת העצבים והכליות; כספית פוגעת במוח ובהתפתחות העובר; קדמיום הוא קרcinogen מוכר וגורם לדהור העצם; ארסן מייצר נגעים בעור, סרטן וסוכרת רמות טיפול ראשוניות של ALT / L1LUM) ב- 0.002 מ"ג"מ (L) דרישות טיפול ראשוניות 0.0L) 0.010 מ"ג') 0.002 מ"ג'מ כספית (L) ב- 0.002.

התנהגות של מתכת כבדה במערכות טיפול

מתכות כבדות קיימות בצורות ionic מומסות, המורכבות מרצועות אורגניות או אורגניות, או כמדיקות מבודדות. מדינות הדגימה הללו קובעות אילו מנגנונים להסרת יעילים: צורות אקולוגיות מגיבות להחלפת יון ומשקעים; צורות חלקיקים נלכדים על ידי סינון; מינים מורכבים עשויים לדרוש חמצון מתקדם או טיפול טרום-טרף כדי לשבור את ה-Ailatives עבור עיצוב מלא של כימיקלים משתנים.

עקרונות הליבה של טיפול במים גמישים

עמידות בטיפול במים הולכת מעבר ל Redundancy.It היא היכולת של המערכת לצפות אירועי זיהום, לספוג הלם, להתאים את התפקודים, ולהחלים לרמות ביצועים מקובלות.

גמישות ומודולריות

גמישות מאפשרת לרכבת הטיפול לטפל בעומסים ובסוגים של עיצוב מודולרי - שבו יחידות טיפול ניתן להוסיף, להסיר או לתקן מחדש מבלי לסגור את הצמח כולו - מספק קצבה תפעולית.לדוגמה, אם עלייה ארסן גבוהה מתרחשת, עמודה נוספת של שינוי יון יכול להיות מובא באינטרנט בעוד יחידת מקבילות לעתים קרובות מותאם למשתנים קשים.

Redundancy and Fail-Safe Operation

שלבים קריטיים לטיפול צריך להיות יחידות גיבוי.כלל ה-N+1 - בעל לפחות יחידה אחת מעבר למספר הנדרש לצורך פעולה רגילה - מבטיח כי כשל בציוד יחיד אינו פוגע באיכות המים. לאירועים מתכתיים כבדים, הפלונדנטיות חייבת להרחיב את מערכות המזינים הכימיים, משאבות ואספקת חשמל. גנרטורים גיבוי חירום ודלקים כפולים מונעים הפסקות במהלך כשלי רשת, אשר לעתים קרובות עם אירועים כגון שיטפונות או רעידת אדמה.

סקלאלה ועתיד-Proofing

גידול האוכלוסייה ופיתוח תעשייתי יכול להגדיל עומסים מלוכדים.עיצובים סקאלהטיים מאפשרים הרחבה על ידי הוספת מודולים במקום לבנות מחדש את הצמח.ההוכחה לעתיד כוללת בחירת טכנולוגיות שיכולות להתמודד עם מורדים מתעוררים - כגון אנטימונומיה, thallium, אורניום - אשר עשוי להיות מוסדר בעשורים הבאים.

תגובה מהירה ושליטה הסתגלות

במהלך אירוע זיהום, זמן הוא קריטי.אפקטיבי תגובה כוללים תחנות מדגם אוטומטיות אשר מעוררות אזעקה כאשר ריכוזי מתכת עולים על סף התראה, וקווים עקפים כי נתיב מים בעלי רמה גבוהה להחזיק טנקים או יחידות טיפול ייעודיות.מערכות בקרה הסתגלותיות, באמצעות אלגוריתמי למידת מכונה, יכולים לחזות פריצת דרך מדבקת ולהתאים את קצבי ייצור כימי או זרימה בזמן אמת, צמצום פסולת ולהבטיח עמידה.

טכנולוגיות טיפוליות כבדות למתכת

שום טכנולוגיה בודדת לא יכולה להסיר את כל מתכות כבדות תחת כל התנאים.מערכת גמישה משלבת טכנולוגיות מחסום מרובות שמשלים אחד את השני, ומבטיחה שאם תהליך אחד נכשל או לא פחות מפורצים, אחרים לפצות.

Ion Exchange

חילופי Ion משתמשת resin beads פונקציונלי עם קבוצות sulfonic או carboxylic (החלפת) או קבוצות ammonium quaternary (חילופי) כדי ללכוד ions מתכת כבד.זה מאודסלקטיבי עבור מתכות כמו להוביל, קדמיום, ו chromate פעולה.התהליך הוא reversible - הם מתוחזקים עם חומצה או חוזקות גדולות כוללים יעילות גבוהה עבור זרימת חומרים (n) כדי למנוע irdsdstosicrecerevestosdstostosatedstosated מערכת.

פיתוח: Carbon Adsorption

גרנול הפעיל פחמן (GAC) ואבקה פחמן מופעל (PAC) מודעות מתכות כבדות באמצעות אינטראקציות פיזיות וכימיקליות. האזור הגדול של פחמן (עד 1500 m2/g) וקבוצות פונקציונליות משטחיות נקשרות מתכות כגון כספית, ארסן (III), ולהוביל. GAC הוא יעיל ביותר בשילוב עם טיפול כימי (למשל, חמצון של AsIII) כדי להפחית את הפחתת חומר מבוזר, עם פחמן GRicrecremecreative יכול להיות ממוקד, עם קיבולת מופעלת, עם פחמן, עם פחמן, עם פחמן, לחץ דם אורגני.

הדבקה כימית וקוגנציה

Precipitation כרוך הוספת כימיקלים (לימוזינה, hydroxide , sulfides) כדי להעלות pH, גרימת הידרוקסידים מתכת או sulfides כדי ליצור חלקיקים בלתי פתורים. Coagulants כגון אלומיניום או ferric ferric loride נקשר עם מתכות טופס floc כי להתיישב. שיטה זו היא יעילה עבור 0% שפכים יכול להסיר את המשקעים גבוהים יותר, כמו ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Membrane Filtration

osmosis הפוכה (RO) וננומטריה (NF) מספקים מחסום פיזי הדוחה ions מתכת כבד על בסיס גודל וטעינה. RO בדרך כלל משיג > 95% דחייה עבור רוב השדות מתכת והוא עקבי מאוד.עם זאת, membranes הם נטייה לבודד על ידי מודולים חלקיים, קנה מידה על ידי סידן ומגנזיום, ותקף כימי על ידי oxidants סובלנות.

אלקטרוקוגניציה

אלקטרוקוגניציה (EC) משתמשת אלקטרודות מתכת הקרביות (אלומיניום או ברזל אטי) שיוצרים בקוביות השבו כאשר זרם ישיר מוחל.הצלים מתכת לנטרל מטען, ויצרו flocs כי מודעות מתכות כבדות. EC יעיל מאוד עבור מגוון רחב של מתכות כולל arsenic, להוביל, וכרום (VI) פשוט, ניתוח מינימלי, תוספת כימית, ואפקטיימים של צריכת חשמל כבד, לעתים קרובות, ירידה חשמלית.

ביו-ריגולציה ו Phytoremediation

גישות ביולוגיות להשתמש חיידקים, אצות, או צמחים כדי להסיר מתכות כבדות.לדוגמה, חיידקים sulfate לייצר סולפט מימן כי precipitate מתכות כמו sulfides. Algae ביוקומאקומפוטנציה מתכות בקירות תאים.Buildedlands עם צמחים מושרשים (למשל, קטפורים, hcinth מים) יכול לטפל נמוך-tomodateation חום, אבל טיפול פסיכולוגי לא יכול להיות איטי.

טכנולוגיות מתפתחות: אדמירבטס ו- Capacitive Deionization

מודעות חדשניות כגון תחמוצת גרפן, מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs), ו הידרוקסידים כפולים שכבתיים מציעים יכולות גבוהות וסלקטיביות. Capacitive deionization (CDI) משתמשות באלקטרודות כדי להסיר את הסטיות המוטענות על ידי מודעות אלקטרוסטטיות; היא יעילה באנרגיה וניתוק מחדש. בעוד היא עדיין בשלבי הפגנה, טכנולוגיות אלה מראות הבטחה לשילוב של מערכות מים חכמות.

שיקולים עבור עמידות

מעבר למבחר הטכנולוגיה, עיצוב תשתיות פיזיות ואבטחת סייבר קובע כמה טוב צמח יכול למזג אוויר משבר זיהום.

המונחים: plant Layout

עיצוב מודולרי עם יחידות ממומשות סטנדרטיות מאפשר פריסה מהירה של יכולת טיפול נוספת. במהלך אירוע זיהום, מתקן יכול לבודד במהירות מודולים כושלים ולהביא יחידות לעמוד באינטרנט.כלי שינוי ion-exchange ממונעים, למשל, ניתן להתקין על כריות קונקרטיות ללא יסודות קבועים, צמצום זמן הבנייה.

אחסון חירום ומערכות עקף

ניקוי חירום או מיכלי אחזקה מספקים יכולת buffer לאחסון מים כאשר זיהום עולה על יכולת הטיפול.טנקים אלה יכולים להיות גדולים כמו מספר שעות נפח הייצור של המוצר. במהלך אירוע, מים מזוהמים ניתן להסוות לאחסון ולאחר מכן מחדש באמצעות טיפול בקצב מבוקר.בקווים עקפה מאפשרים עמלות מוקדמות של שלבים חדשים מבלי לסגור את המפעל הראשי.

מעקב בזמן אמת ואוטומציה חכמה

חיישנים מקוונים רצופים ל- pH, התנהגות, עצבנות, ומתכות כבדות ספציפיות (באמצעות אלקטרודות ion-selective, ספקטרום ספיגה אטומי, או פלורנסציית רנטגן) מספקים התראה מוקדמת. Smart Automation משתמשת במערכות SCADA עם מודלים חיזוייים כדי להתאים את מינון כימי, שערי זרימה ותפעול יחידה.

חומרים Robust ו-Corrosion Control

מתכות כבדות וכימיקלים המשמשים לטיפול (עיקים, בסיסים, חמצון) יכולים לקרוס בטון, פלדה ופלסטיקים.שימוש בפוליאתילן בעלות גבוהה, סיבים-מחזקים פלסטיק, או נירוסטה פלדה עבור טנקים, צינורות, ו appurtensiliances מצמצם את קורוזיון וציפוי (למשל, גומי, גומי) במיוחד לאחר טיפול רפויטורי-אופטיד (עופרת) הגנה על צינורות נחושת.

אנרגיה ומשאבים יעילות

צמחים עמידים חייבים לפעול במהלך הזרקות ברשת.על-ידי דור מתחדשים (מסולם עם אחסון סוללות, מיקרו-טרופוביה על ביוגז) מספק עצמאות אנרגיה.תקני התאוששות אנרגיה (למשל, חילופי לחץ ב RO) להפחית את צריכת ה- Sludge Management - כגון dewatering עם חגורת לחץ ושיקום של תחמוצת אנרגיה ל- ELT% - מאשר קיימות ולהפחית את עלויות הפחתת צריכת המים של 15.

מחקר מקרה: בניית עמידות במערכת מים עירונית תעשייתית

קחו בחשבון עיר בגודל בינוני של 150,000 אנשים עם צמח טיפול במים שתוכנן במקור למים משטחים מן הנהר הידוע לקבל את הפרידה התעשייתית במעלה הזרם.הצמח היה קונוגציה קונבנציונלית, סימנטציה, וסינון כפול-מדיה. סדרה של ספיגמי להוביל וגזרוניום מזרימת מפעל הובילה לעלייה ברווחה.

  • (FLT:0 Two-שלב הפוך osmosisFirLT:1) עם שלב ראשון בלחץ נמוך יותר ושלב שני ננומטרה, המספק > 98% דחייה עבור מוביל וגולגולת.
  • (FLT:0)Parallel ion-exchange מללוטש ( 1 מטה הזרם של RO, עם מעבר אוטומטי בין שירות והתחדשות.כל כלי שרף מטפל ב-50% מהזרימה; יחידת עמידה שלישית תמיד זמינה.
  • (FLT:0) Online כבד מנתח מתכת מטלטל 1 (בשיתוף ספקטרום פלזמה) מדגימה כל חמש דקות, עם סףים שנקבעו ב-50% מה- MCL עבור אזעקה מיידית.
  • (FLT:0) טוהר הטוהר של טוהר:1 של 12 מיליון ליטר (כ-6 שעות של ביקוש ממוצע), המחובר לקו רפלקציה שיכול לבודד מים של צריכת מזוהמים.
  • (ב) ,0) מרכיבים ממוקשים בגלדר 1: כל מערכת הריבוי נבנתה מראש מסקילים, המאפשרים יכולת עתידית להכפיל ללא בנייה.
  • (FLT:0) SolarwaveFLT:1 על גג הצמח עם אחסון סוללות 500 קילוואט, כוח כל מערכות ניטור ובקרה במהלך מחוץ לרשת.

לאחר שדרוג, הצמח טיפל בהצלחה בשלושה אירועי זיהום נפרדים במשך שנתיים, כולל ספירת קדמיום שמגיעה ל-0.2 מ"ג / L (40 פעמים MCL) המערכת הגדילה אוטומטית את שיעור המחזור, ועברה יחידת שינוי עמידה ביון, והחזקת מים מוגמרים מתחת לגבולות זיהוי.לא התרחשה הפרעה אספקת המים של העיר השתפרה מ-3.2 ל-8.6 בסולם של 10 כפי שנמדד על ידי מסגרת מים EPA:0.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות ההתקדמות, כמה אתגרים נותרו.הון הגבוה ועלויות האנרגיה של טיפול מתקדם (במיוחד RO) יכולים להיות אוסרים על קהילות קטנות. ניהול סליפא - בין אם ממשקעים, RO רן או תשואות מושקעות - עדיין דורשות סילוק בטוח.

מגמות עיצוב עתידי מצביעות על ביו-remediation משולב, באמצעות ביו-סרטים מהונדסים או אורגניזמים מהונדסים גנטית כי מצטברים באופן סלקטיבית מתכות. תהליכי חמצון מתקדמים (AOPs) באמצעות אוזון, UV, מימן peroxide יכול לשבור את המורכבות המבנית-אורגנית, המאפשרת הסרת מאוחר יותר.ת תאומים דיגיטליים - העתקים וירטואליים של הצמח שסימולציה תרחישים ביתיים - יאפשרו תגובה ללא אסטרטגיות סיכון מבוזרות, כולל טיפול תרופתי (או-או-או-או-מתאים).

מסקנה

אירועים של זיהום מתכת כבד אינם שאלה של אם, אבל כאשר עיצוב תשתיות טיפול במים גמישים פירושו לנוע מעבר לתכנוןים מונעים, חד-צדדיים במערכות מרובות-שכבות, הסתגלות שיכולות לספוג זעזועים ולשמור על מים בטוחים באמצעות משברים. על ידי אימוץ פריסות מודולריות, דרוג רחב של טכנולוגיות טיפול; והשקעה ב ניטור בזמן אמת ואוטומציה, קהילות יכולות לבנות הגנה כי הן יכולות לפתח כיום דרישות בריאותיות פחות מתקדמות לאיומים לאסון.