آنالیز فیزیکی آب بخشی از آنالیز کیفی آب به شمار می رود که کیفیت آب را از نظر شاخص های فیزیکی مورد سنجش قرار می دهد. ذرات معلق نامحلول، ذرات معلق محلول، کدورت، هدایت الکتریکی و غیره از مهمترین شاخصهای آنالیز فیزیکی آب هستند.
در دانش تصفیه آب پارامترها و شاخص‌هایی درباره آنالیز کیفی آب وجود دارد که محاسبات مربوط به طراحی فرایند تصفیه و نیز بهره‌برداری از تأسیسات مربوط به آن با تحلیل و به‌کارگیری این پارامترها صورت می‌گیرد. بدیهی است درک مفهوم پارامترهای آنالیز کیفی آب، ارتباط آنها با یکدیگر، تحلیل و به‌کارگیری آنها رکن اساسی در طراحی صحیح فرایند و نیز بهره‌برداری اصولی از تأسیسات آب و فاضلاب است. علاوه بر این سنجش کیفی آب آشامیدنی سالم نیازمند آنالیزهای استاندارد و بین المللی برای تضمین کیفیت آب شرب می باشد.
در این نوشتار سعی شده است که تعریف و تحلیل پارامترهای آنالیز کیفی آب به صورت کاملا خلاصه و کاربردی ارائه شده و از شرح و بسط های غیرضروری جلوگیری گردد.
ناخالصی های آب
آب بیشترین و دردسترس ترین حلال در طبیعت است. باتوجه به اینکه تمامی مواد در طبیعت کم و بیش در آب محلول هستند، آب خالص در طبیعت وجود ندارد. حتی به ظاهر خالص ترین منابع آبی در طبیعت مانند آب باران حاوی مقادیری از گازهای محلول نظیر اکسیژن، اکسیدهای نیتروژن، اکسیدهای گوگرد و ذرات معلق است.
حلالیت مواد شیمیایی در آب تابع دما، فشار، PH، پتانسیل شیمیایی و نیز غلظت نسبی سایر مواد حل شده در نمونه آب است. از آن جا که آب سیالی قطبی است بدیهی است حلالیت مواد با ماهیت قطبی در آن بیشتر از مواد غیرقطبی است. از این رو حلالیت نمک‌های معدنی در آب به مراتب فراتر از مواد آلی غیر قطبی نظیر مشتقات نفتی است.
علی‌رغم وجود ناخالصی های محلول در آب، کماکان آب در مقایسه با سایر مواد طبیعی روی زمین در زمره خالص ترین مواد قابل ارزیابی است. چنان که به عنوان مثال خلوص آب دریای خلیج فارس به عنوان یکی از شورترین منابع آب در خاورمیانه با میزان املاح محلول در حدود ۵۰ گرم بر لیتر با محاسبه ای ساده در حدود ۹۵ درصد است و یا آب چشمه‌ها در کوهستان های غرب کشور با میزان املاح محلول در حدود ۳۰۰ میلی‌گرم بر لیتر، به معنای آبی با خلوص ۹۷/۹۹ درصد است.
در این بخش مروری بر پارامترهای آنالیز کیفی آب و ناخالصی در آب خواهیم داشت.
مواد معلق در آنالیز کیفی آب (Suspended Solids)
بخش قابل‌توجهی از پارامترهای آنالیز کیفی آب و ناخالصی موجود در آب، مربوط به موادی است که حلالیت آنها در آب ناچیز است. اگر دانسیته این ناخالصی ها در مقایسه با آب تفاوت قابل توجهی داشته باشد. به مرور زمان ته نشین یا شناور می‌گردند؛ ولی اگر اختلاف دانسیته این مواد با آب کم باشد در مدت زمان کوتاه از آب جدا نشده و به طور طبیعی همواره به صورت معلق در آب باقی خواهند ماند.
مثال هایی از مواد معلق با اختلاف دانسیته زیاد با آب عبارت اند از ذرات شن و ماسه، فلز و گل و لای و… .
مثال هایی از مواد معلق با دانسیته ناچیز با آب عبارت اند از باکتری، جلبک و مواد بسیار ریز کلوئیدی و… .
معیار اندازه گیری میزان مواد معلق بر اساس واحد جرم بر حجم (میلی گرم و یا گرم بر لیتر) است و از آن جا که دانسیته نمونه آب تقریباً برابر با ۱ گرم بر سانتی متر مکعب است می توان پارامتر بدون بعد ppm (جزء در میلیون) را با میلی گرم بر لیتر یکسان در نظر گرفت.
معمول ترین روش اندازه گیری (Total Suspended Solid) TSS نمونه برداری از آب در یک ظرف کاملاً تمیز و خشک و استفاده از فیلترهای کاغذی یا شیشه ای جهت فیلتراسیون ذرات با قطر بالاتر از ۲ میکرون جهت جداسازی ذرات معلق است. وزن ذرات جداسازی شده پس از خشک‌کردن و توزین و تقسیم وزن آن بر حجم نمونه آب اولیه، غلظت TSS را به صورت میلی گرم و یا گرم بر لیتر به دست خواهد داد.
در آنالیز کیفی آب به صورت پیشرفته تر که معمولاً در صنعت تصفیه فاضلاب از آن ها استفاده می‌شود، لازم است ماهیت آلی و معدنی این ذرات معلق از یکدیگر تفکیک شود. از این رو اگر مواد معلق خشک شده را تا دمای ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد حرارت دهیم، وزن آن دسته از مواد معلق که ماهیت آلی دارند به دلیل سوختن و تبدیل به دی اکسیدکربن از وزن کل مواد معلق اولیه با ماهیت معدنی است.
غلظت مواد معلق با ماهیت آلی با پارامتر VSS (مواد معلق فرار،Volatile Suspended Solid ) و غلظت مواد معلق با ماهیت معدنی با پارامتر FSS (مواد جامد غیر فرار، تثبیت شده، Fixed Suspended Solid) بیان می شود.
انحلال گازها در آنالیز کیفی آب
حلالیت گازها در آب تابعی از دما، فشار، قطبیت و جرم مولکولی گاز است. هر چه دما بالاتر باشد، به دلیل افزایش جنبش مولکولی گاز، حلالیت در آب کاهش می یابد. (به بیان دیگر دفع گاز محلول از آب، افزایش می یابد.)
مطابق قانون هنری در ترمودینامیک، در دمای ثابت هرچه فشار بیشتر شود، حلالیت گاز در آب افزایش می یابد. هرچه میزان قطبیت گاز بیشتر باشد، حلالیت آن در آب که سیالی قطبی است، افزایش می یابد. مثلاً حلالیت گاز SO2 به‌مراتب بیشتر از گازهایی مانند N2 و H2 در آب است. در شرایطی که قطبیت گاز ها مشابه هم باشند هرچه جرم ملکولی گاز بیشتر باشد حلالیت آن در آب بیشتر است.
مثلا اگر گاز های Ar, O2, CH4, N2, H2 را با یکدیگر مقایسه کنیم که همگی غیر قطبی هستند، حلالیت Ar در آب با جرم ملکولی ۹۴/۳۹ گرم بر مول، بیشترین و حلالیت هیدروژن در آب با جرم ملکولی ۲ گرم بر مول، کمترین مقدار است. همچنین وجود آلودگی میکروبی در آب نیز منجر به تغییر در غلظت گازهای محلول در آب در منابع آب های سطحی و زیر زمینی می گردد.وجود باکتری های هوازی در آب باعث کاهش غلظت اکسیژن محلول به دلیل مصرف آن توسط باکتری می شود که می تواند باعث بروز فجایع محیط زیستی نظیر مرگ آبزیان مطابق با آنچه اخیراً در تالاب هورالعظیم بودیم باشد.
از سوی دیگر وجود باکتری های بی هوازی با مصرف ترکیبات گوگردی و نیتروژنی در آب، باعث افزایش غلظت H2S ، NH3 در آب و بروز پدیده خوردگی گردند. شایان ذکر است که بعضی گازها نمی توانند در کنار یکدیگر در آب به صورت محلول باقی بمانند و با یکدیگر واکنش داده و یکی از آنها از آب حذف خواهد شد.
شایع ترین مثال دراین خصوص عدم امکان وجود هم زمان گاز سولفید هیدروژن (محصول فعالیت باکتری بی هوازی) با گاز اکسیژن در آب است؛ زیرا اکسیژن با واکنش با این گاز، گوگرد را به حالت عنصری و یا یون سولفات اکسید می کند:
تشکیل ذرات به رنگ زرد لیمویی بر روی تأسیسات بو زدایی از بیوگاز حاصل از تصفیه فاضلاب (و یا لجن فاضلاب) به روش بی‌هوازی، نشانه تولید گوگرد عنصری مطابق واکنش فوق است.
کل مواد جامد در آب (Total Solid ,TS)
اگر یک نمونه با حجم مشخص از آب را تا مرحله خشک شدن حرارت دهیم، حاصل تقسیم جرم باقیمانده در ظرف آزمایش که شامل کلیه محتوای مواد معلق و محلول در آب است بر حجم نمونه اولیه را کل مواد جامد یا TS می نامند.
کل مواد محلول (Total Dissolved Solids TDS)
حاصل تقسیم وزن کل مواد جامد محلول یک نمونه آب که قبل از فرایند تبخیر نمونه، تا سایز ۲ میکرون فیلتر شده و ذرات معلق آن جداسازی شده‌اند بر حجم نمونه اولیه آب را TDS می نامند که از مهم ترین پارامتر های تصفیه آب و نمک زدایی است.
هدایت الکتریکی آب (Electrical Conductivity ,EC)
این پارامتر در آنالیز کیفی آب بیانگر قابلیت رسانایی الکتریکی نمونه آب است که وابستگی مستقیم به میزان املاح یونی موجود در آب دارد.
واحد اندازه‌گیری این پارامتر میکروزیمنس بر سانتی‌متر و یا میکروهو بر سانتی‌متر است. هرچه میزان نمک‌های محلول در آب بیشتر باشد هدایت الکتریکی آب بیشتر است.
به‌عنوان یک قاعده سرانگشتی در خصوص آب‌های سطحی با TDS کمتر از ۱۰۰۰ میلی‌گرم بر لیتر، هدایت الکتریکی تقریباً ۲ برابر TDS است ولیکن به دلیل اینکه با افزایش غلظت نمک های مختلف در آب، تحرک پذیری یون ها که همان عامل انتقال جریان الکتریسیته است، کاهش می یابد، در غلظت های بالاتر از ۱۰۰۰ میلی‌گرم بر لیتر قابل تخمین با قاعده سرانگشتی فوق نخواهد بود.
مثلاً در آب خلیج فارس با TDS در حدود ۵۰۰۰۰ میلی گرم بر لیتر، هدایت الکتریکی تقریبا در حدود ۷۸۰۰۰ میکروزیمنس بر سانتی متر (μS/cm) و یا میکرومو بر سانتی متر (μmho/cm)است.
کدورت در آنالیز کیفی آب (Turbidity)
وجود مواد معلق در آب خصوصاً اگر قطر ذرات بسیار ریز بوده و به صورت کلوئیدی باشند، منجر به پراش نور تابیده شده و یا جذب آن می شود. به طوری که ممکن است با تابش نور به یک نمونه آب، هیچ میزانی از آن به طور مستقیم عبور ننماید.
این ارزیابی کیفی از آب اولین بار توسط فردی به نام جکسون، با به کارگیری یک منبع نوری استاندارد (شمع) و اندازه‌گیری میزان نور عبور کرده از نمونه آب توسط یک گیرنده، انجام شد و واحد آن JTU (واحد کدورت جکسون) نام گرفت. بعد ها به جای اندازه‌گیری میزان پراش نور مورد ارزیابی قرار گرفت که واحد آن NTU(Nephelometric Turbidity Unit) نام گرفت.
ارزیابی کدورت با این روش با استفاده از اشعه مادون قرمز و محاسبه میزان پراش نور و کاهش شدت نور دریافتی در گیرنده صورت می‌گیرد. هرچه میزان مواد معلق در نمونه بیشتر بوده و سایز ذرات معلق کمتر باشد، مقدار کدورت بیشتر است.
میزان کدورت مطلوب آب آشامیدنی بر اساس استاندارد شماره ۱۰۵۳ مؤسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران برابر با NTU 1 و حداکثر مجاز آن NTU 5 است.به طور کیفی و شهودی بین میزان مواد معلق در آب (TSS) و کدورت نمونه (NTU) رابطه مستقیم برقرار است
ولیکن این دو پارامتر به لحاظ ریاضی هیچ ارتباطی با یکدیگر ندارند چرا که علاوه بر غلظت مواد معلق در نمونه، قطر و حتی رنگ ذرات معلق در تعیین NTU تأثیرگذار است.
البته تلاش هایی برای پیش بینی کیفی نمودار وابستگی TSS به NTU بر مبنای ترسیم بهترین منحنی نمودارTSS به NTU برای یک منبع مشخص آب مانند آب رودخانه و یا آب دریا در موقعیت جغرافیایی مشخص صورت‌گرفته است که نمونه‌ای از آن در شکل ذیل قابل مشاهده است:
رابطه تجربی بین TSS و NTU در مطالعه انجام شده توسط مرکز مطالعات و برنامه ریزی منابع آب کشور برزیل در سال ۲۰۱۸ بر اساس داده‌های آزمایشگاهی رودخانه پیرانگا:
TSS rainy = 0.86 Turbidity + 9.99 در فصول بارانی
TSS dry = 0.79 Turbidity + 4.36 در فصول خشک
انجام چنین مطالعاتی که وابستگی کامل و منحصر به فرد به شرایط جغرافیایی و زمانی و ماهیت آلودگی‌های موجود در یک منبع آبی خاص نظیر رودخانه کارون و یا خلیج‌فارس دارد، برای مدل‌سازی و پیش‌بینی شرایط کیفی آب خصوصاً در زمان بهره برداری از پروژه راهگشا خواهد بود.
شرکت فناور مهندسی فران با بیش از ۱۷ سال سابقه و مجهز به دانش روز مهندسی تصفیه آب، طراح و مجری پروژه های تصفیه آب صنعتی و تصفیه پساب صنعتی می باشد.