استفاده از انرژی خورشیدی در پکیج های تصفیه فاضلاب

مقدمه

 این مقاله در ادامه سری مقالات تحقیقاتی شرکت مهندسی کاشفان نیلفام  روندی از اختراعات و اجرای فرآیند فوتوکاتالیز و تکنیک های ضد عفونی خورشیدی که به ویژه برای تصفیه فاضلاب صنعتی و خانگی اقتباس شده است را شرح میدهد. تصفیه فوتوکاتالیز فاضلاب با استفاده از انرژی خورشیدی یک راه حل تجدیدپذیر امیدوارکننده برای کاهش تنش های ناشی از بحران جهانی آب است. با توجه به برنامه محیط زیست سازمان ملل متحد، 1/3 جمعیت جهان در کشورهایی زندگی می کنند که دارای تنش آبی هستند و که تا سال 2025 حدود 2/3 از جمعیت جهان با کمبود آب مواجه خواهند شد.

در ادامه آلاینده های عمده ارائه شده از منابع متعدد با تمرکز بر اثرات و خطرات بالقوه زیست محیطی مورد بحث انتقادی قرار گرفته است و تصفیه فاضلاب با تکنیک فوتوکاتالیز، فرآیند الکتروشیمیایی حرارتی خورشیدی، خورشیدی نمک زدایی آب شور و فرآیند اکسیداسیون پیشرفته خورشیدی با چالش هایی ارائه شده و به طور سیستماتیک مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است و هر دو روش فوتوکاتالیز ناهمگن و همگن به کار گرفته شده برای تصفیه فاضلاب بررسی می شوند. در ادامه درباره انرژی خورشیدی در پکیج تصفیه فاضلاب توضیح می دهیم.

آشنایی با اهمیت استفاده از انرژی خورشیدی در پکیج های تصفیه فاضلاب

برای تصفیه فاضلاب خانگی، فناوری‌های نمک‌زدایی خورشیدی اتخاذ شده برای تصفیه آب شور به آب آشامیدنی همراه با چالش‌ها و راه‌حل‌های کلیدی ارائه شده است.

فرآیند اکسیداسیون پیشرفته با استفاده از انرژی خورشیدی برای تخریب آلاینده‌های آلی یک تکنیک مهم است که با توجه به اثربخشی آنها در فرآیند تصفیه فاضلاب مورد بررسی قرار می‌گیرد.

مقاله حاضر انرژی خورشیدی در پکیج های تصفیه فاضلاب بر سه کلید متمرکز شده است مسائلی مانند آلاینده های عمده، تکنیک های تصفیه فاضلاب و مزایای زیست محیطی استفاده از انرژی خورشیدی برای حذف آلاینده ها. این بررسی همچنین ایده های در مورد نیازهای تحقیقاتی بیشتر و نگرانی های عمده ارائه می دهد.

معایب مرتبط با گزینه‌های متداول پکیج تصفیه فاضلاب صنعتی و تصفیه مستقیم فاضلاب مبتنی بر انرژی خورشیدی با سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی برای راحت‌تر کردن آن در طول روز و شب، هر دو ذکر شده‌اند. اگرچه سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی هزینه کلی تصفیه خانه فاضلاب را افزایش می‌دهند، اما کارایی کلی سیستم را بر هزینه‌های زیست‌محیطی نیز افزایش می‌دهند.

روش های مقرون به صرفه استفاده از انرژی خورشیدی در پکیج تصفیه فاضلاب به طور قابل توجهی استفاده موثر از منابع آب را تضمین می کند و در نتیجه به اهداف توسعه پایدار کمک می کند.

تامین برق پکیج های  تصفیه فاضلاب با استفاده از انرژی خورشیدی

در حال حاضر تقاضای آب شیرین به طور تصاعدی افزایش یافته است. نیاز به آب شیرین در خاورمیانه  و سراسر جهان نقش مهمی دارد. آب از جهات مختلف مورد سوء استفاده قرار می گیرد که یکی از آنها هدر رفتن آب در کشاورزی است. در سال های اخیر، مقدار آب مصرفی در بخش تولید به شدت افزایش یافته است.  مصرف آب توسط شرکت ها باعث کمبود آب می شود. روش فوتوکاتالیستی روشی کارآمد و ارزان است که منجر به ایجاد الکترون و حفره هایی برای از بین بردن آلاینده ها و ضایعات آب می شود. فوتوکاتالیز یک ماده نیمه هادی آلی با ساختار سطح انرژی کاملاً مشخص در نظریه کوانتوم جامد است.

روش های استفاده از انرژی خورشیدی در سیستم های  تصفیه فاضلاب

استفاده از انرژی خورشیدی در پکیج تصفیه فاضلاب با روش های زیر قابل دستیابی است

روش فوتوکاتالیز

فوتوکاتالیز یک فناوری کاتالیزوری است که برای سرعت بخشیدن به واکنش های شیمیایی مرتبط با نور استفاده می شود. در مفهوم فوتوکاتالیز، مواد نور را جذب می‌کنند، حفره‌های الکترونی ایجاد می‌کنند که تبدیل شیمیایی را توسط شرکت‌کنندگان واکنش انجام می‌دهد و پس از هر چرخه چنین برهمکنشی، ترکیب شیمیایی آن را بازیابی می‌کند. واکنش‌های فوتوکاتالیز به دو شکل فوتوکاتالیز ناهمگن و فوتوکاتالیز همگن هستند.

فرآیند الکتروشیمیایی حرارتی خورشیدی

در سال‌های اخیر، رشد بسیار سریع فناوری منجر به معرفی مواد مختلف، مواد شیمیایی جدید و فرآیندهایی با پیچیدگی‌های متفاوت شده است. این به نوبه خود با انتشار آنها در اتمسفر در مقدار افزایش آلاینده ها مرتبط است و بنابراین نیاز به حذف کارآمد آنها دارد. نتایج آزمایش‌های زیست‌محیطی نشان می‌دهد که آلاینده‌های بیشتری در آب‌های زیرزمینی وجود دارند  بنابراین پیشرفت‌های عمده در فن‌آوری‌های الکتروشیمیایی مانند شناورسازی الکتروشیمیایی، انعقاد الکتریکی، الکترواکسیداسیون، کاهش الکترومغناطیسی و ضدعفونی الکتریکی، ادغام شده با فناوری پیشرفته فتوولتائیک (PV) مورد بررسی قرار گرفته است.

روش نمک زدایی خورشیدی

نمک زدایی سنتی یک فرآیند پرهزینه و انرژی بر است. خوشبختانه، یک راه خوب برای جایگزینی انرژی سنتی برای نمک زدایی، در دسترس بودن انرژی خورشیدی است. فناوری فتوولتائیک (PV) یک جایگزین جذاب با استفاده از اسمز معکوس (RO) ارائه می دهد. روش‌های مختلف نمک‌زدایی خورشیدی مانند اسمز ، الکترودیالیز، نمک‌زدایی جذبی و فشرده‌سازی بخار به طور جامع توسط دو عامل مهم در نظر گرفته شده است: اولی استفاده بهینه از انرژی الکتریکی و گرمایی سیستم نمک‌زدایی فتوولتائیک برای به حداقل رساندن هزینه، مصرف انرژی اولیه و افزایش عملکرد کلی و دوم روش‌های نوینی است که برای بهبود میزان تولید آب تصفیه‌شده استفاده می‌شود.

فرآیند اکسیداسیون پیشرفته خورشیدی

روش‌های متعددی در تجزیه مواد آلی موجود در محیط وجود دارد، اما فرآیند اکسیداسیون پیشرفته (AOPs) با استفاده از انرژی خورشیدی برای تخریب آلاینده‌های آلی بسیار مؤثر است. رادیکال ها بسیار واکنش پذیر و غیرقابل پیش بینی هستند زیرا یک الکترون جفت نشده است و برای کانی سازی کامل ترکیبات آلی توسط رادیکال های بسیار فعال (OH و O₂) به آب و دی اکسید کربن مفید هستند. از طریق تعامل آنها با آلاینده های آلی، آلاینده های مضر به محصولات کم خطرتر تبدیل می شوند.

فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته (AOPs) واحدی از روش‌های کاتالیزوری و فتوشیمیایی است که می‌تواند در فرآیندهای همگن یا ناهمگن برای بهبود فرآیندهای تخریب اکسیداتیو برای مواد آلی استفاده شود. از سوی دیگر، کاتالیزورهای ناهمگن مزیت قابل بازیافت بودن و استفاده مجدد را دارند. مولکول هایی که رادیکال هیدروکسیل  را در محل در محیط های همگن یا ناهمگن تولید می کنند، از متداول ترین AOP های مورد استفاده هستند.

مزایای زیست محیطی پکیج های تصفیه فاضلاب خورشیدی

گازهای گلخانه ای مانند CO₂، CH₄ و N₂O از تصفیه خانه های زباله و فاضلاب در نتیجه فرآیندهای بیولوژیکی و به عنوان منبع غیرمستقیم به دلیل مصرف انرژی الکتریکی منتشر می شوند. پکیج های تصفیه فاضلاب به توان الکتریکی بالایی برای تصفیه فاضلاب نیاز دارند و مصرف برق منجر به انتشار گازهای گلخانه ای می شود.

استفاده از انرژی خورشیدی باعث میشود گاز های گلخانه منتشر شده در نتیجه ی مصرف برق کاهش یابد.

چالش های عمده در تصفیه فاضلاب با استفاده از انرژی خورشیدی

تمام اشکال مدیریت زباله به انرژی بالایی نیاز دارد که در طول بحران انرژی در سراسر جهان به سختی به دست می آید. انرژی خورشیدی فراوان به طور فعال برای تصفیه زباله های جامد و مایع ترکیب می شود. برای تصفیه زباله های مایع، تکنیک هایی مانند تخریب آلی بیماری زا خورشیدی، تخریب عکس کاتالیزوری خورشیدی، نمک زدایی و تقطیر خورشیدی استفاده می شود.

علیرغم مزایای تصفیه آب در هر تکنیک، چالش های خاصی وجود دارد که باید به آنها پرداخته شود، در بخش زیر چالش های موجود در تصفیه فاضلاب با استفاده از انرژی خورشیدی را بررسی میکنیم دفع پسماند پس از تصفیه فاضلاب، اثرات نامطلوبی بر محیط زیست دارد از این رو یک تکنیک بازیافت باید برای تصفیه پسماندها اجرا شود که کل هزینه را افزایش می دهد. به دلیل هزینه سرمایه بالا، تصفیه خانه های فاضلاب در مقیاس بزرگ در حال حاضر به صورت واقعی وجود ندارد. این به شدت مستلزم تحقیق برای تجزیه و تحلیل بیشتر مدل ها قبل از ساخت واحد ها است.

انرژی خورشیدی برای تصفیه فاضلاب فقط در طول روز بدون مشکل است، در حالی که تصفیه خانه های فاضلاب در طول شب عملکرد ضعیفی دارند. نیاز به سیستم های ذخیره انرژی، هزینه کلی نیروگاه تصفیه فاضلاب را افزایش می دهد. در نوآوری علمی در فن آوری های گنجانده شده برای تصفیه فاضلاب با استفاده از انرژی خورشیدی تاخیر وجود دارد ، زیرا انتقال از تحقیقات آزمایشگاهی به تحقیقات صنعتی هنوز توسعه نیافته است. نمک زدایی خورشیدی روشی قوی برای تصفیه آب شور به آب آشامیدنی قابل حمل است. اگرچه این تکنیک بسیار ساده است، فرآیند تبخیر خورشیدی برای غلبه بر چالش‌های زیر دستخوش چالش‌های زیر است

❖ فاقد واحد کاربرد عملی موثر اقتصادی است

❖ در آستانه کاوش در طراحی ساختاری جدید برای عملکرد موثر.

❖ بدون روش ارزیابی استاندارد

❖ ثبات و مقیاس پذیری نیاز به توسعه بیشتر دارد

• عملکرد واحدهای نمک زدایی سطحی فتوترمال با ترکیب جاذب های خورشیدی با هیدروژل ها بهبود می یابد. اگرچه این تکنیک سودمند است، در زیر اشکالاتی وجود دارد

❖ هزینه آب شیرین تولیدی بالاتر است

❖ نیاز به واحدهای در مقیاس بزرگ

❖ هیدروژل های دارای مواد نانو ذرات باید بررسی شوند

انرژی خورشیدی جدیدترین روش تصفیه فاضلاب

جزئیات علمی مکانیسم مورد استفاده برای تخریب آلاینده با استفاده از انرژی خورشیدی، امکان سنجی و تکنیک هایی است که تاکنون بررسی شده است.مسائل کلیدی اصلی مانند آلاینده‌های موجود در فاضلاب صنعتی و خانگی، تکنیک‌های تصفیه فاضلاب و مزایای زیست‌ محیطی تصفیه فاضلاب تحلیل می‌شوند.

مهمترین یافته ها، ارزش های علمی و سهم کلیدی مقالات مروری حاضر در زیر فهرست شده است.

فتوکاتالیز خورشیدی یک گزینه انرژی سبز بسیار توانا و سبز برای تخریب آلاینده های آلی آسیب پذیر موجود در منابع آب است. با این حال عوامل متعددی مانع اجرای آن در مقیاس بزرگ می شود که در میان آنها مهمترین عامل هزینه نیروگاه، نیاز به کاتالیزور بی حرکت و ماهیت متناوب انرژی خورشیدی است.

تصفیه فاضلاب با تکنیک فتوشیمیایی به یک راکتور خورشیدی نیاز دارد که بتواند بر روی منبع نور کار کند. کاتالیزور باید برای تخریب کامل آلاینده ها موجود در پسماندهای صنعتی بسیار موثر باشد

فرآیند اکسیداسیون پیشرفته خورشیدی به طور موثر برای حذف میکرو آلاینده استفاده می شود که ویژگی شیمیایی متفاوتی را در مقایسه با آلاینده ماکرو نشان می دهد. عملکرد فرآیند اکسیداسیون پیشرفته خورشیدی به شدت به بارگذاری کاتالیزور و تابش خورشیدی بستگی دارد.

نتیجه گیری

تحقیقات فراوان در مورد توسعه عامل حمایت کننده جدیدتر برای افزایش عملکرد کاتالیزور در آزمایشگاه انجام می شود، با این حال روش تکرار از آزمایشگاه به صنعت هنوز قابل بررسی است

تصفیه فاضلاب با استفاده از انرژی خورشیدی با کاهش انتشار گازهای گلخانه ای، استفاده از انرژی معمولی را در آنجا کاهش می دهد. اگرچه فتوکاتالیزور خورشیدی و فرآیند الکتروشیمیایی حرارتی خورشیدی به طور کامل آلودگی با انرژی خورشیدی را کاهش می دهد، برعکس دفع رسوب زباله پس از تصفیه فاضلاب با استفاده از روش های نمک زدایی خورشیدی نیاز به فرآیند بیشتری دارد.

در جنبه های اقتصادی، هیچ گزارش تحلیلی وجود ندارد که پاسخ دهد کدام تکنیک مبتنی بر انرژی خورشیدی از نظر اقتصادی برای تصفیه فاضلاب در سطوح مختلف جذاب است. با این حال، از بررسی های موجود، روش های نمک زدایی خورشیدی برای تصفیه فاضلاب با مقدار کمتر ترجیح داده می شود و فتوکاتالیز خورشیدی برای تصفیه فاضلاب با مقادیر متوسط ​​و زیاد توصیه می شود.

برای طراحی پکیج تصفیه فاضلاب و استعلام قیمت ها با کارشناسان ما در مجموعه مهندسی کاشفان نیلفام در ارتباط باشید.