مقالات

فعالیت‌های مربوط به توسعه منابع آب تغییراتی را در محیط‌زیست به دنبال دارد. اثرات زیست‌محیطی سیستم‌های توسعه منابع آب، در ضمن مفید بودن می‌تواند مضر هم باشند. برای مثال مخازن سدها اغلب بخش‌هایی از بستر سیل گیر رودخانه و نیز حوزه آبریز را تخریب می‌نمایند، درحالی‌که از طرف دیگر دریاچه‌ای به وجود می‌آورند و به‌این‌ترتیب بعضی از خصوصیات زیست‌محیطی و اکولوژی این رودخانه‌ها در حوزه‌های آبریز از دست می‌رود. افزایش دمای زمین به این معنی است که سطح آب دریا بالا خواهد رفت و مناطق ساحلی و رودخانه‌ها را غرقاب و زندگی بیش از ۱۰۰ میلیون جمعیت را به مخاطره خواهد انداخت.

گذشته از آن الگوی بارندگی‌ها بی‌تردید تغییر کرده و کشاورزی مختل می‌شود، همچنین این تغییر الگو باعث می‌شود که طوفان‌ها و گردبادها، پرقدرت‌تر شده و موجب جاری شدن سیل شود. همین‌طور امکان دارد که نواحی گرم و خشک جهان کوچک‌تر شوند و از آن جا که این دگرگونی‌ها سریع خواهد بود، اکوسیستم‌های طبیعی یعنی زمین‌های مرطوب یا زمین‌های هموار و اصولاً جانوران و گیاهانی که به زندگی در شرایط آب و هوایی معین خو گرفته‌اند ناگهان خود را با اوضاع متفاوت مواجه خواهند دید و همین مسئله باعث نابودی و انقراض بسیاری از این گونه‌های جانوری و گیاهی خواهد شد.

تخریب جزایر مرجانی، صید بی‌رویه ماهی و آلودگی اقیانوس‌ها، فجایعی ساخته‌و پرداخته دست بشر است. مواد نفتی، فاضلاب و رسوبات مواد شیمیایی، کودهایی که به درون دریا می‌ریزند بدون شک ماهی‌ها و پرندگان دریایی را بیمار می‌سازد و مواد ناشی از پسماندها موجب رشد خزه‌های دریایی شده درنتیجه باعث نابودی حیات دریایی می‌گردد. از طرف دیگر آلودگی آب‌های زیرزمینی ناشی از نشت و نفوذ شیرابه در جایگاه‌های دفن زباله، از معضلات عمده‌ای است که مسائل بهداشتی زیست‌محیطی عدیده‌ای را ایجاد نموده است. در اثر فعل‌و انفعالات و واکنش‌های مختلف در درون گودال‌ها و انبارهای زباله و نزدیک بودن سطح بسته گودال‌ها به آب‌های زیرزمینی، شیرابه به سهولت در این آب‌ها نفوذ کرده و هرگونه مصارف آنی آب را غیرممکن می‌سازد.

این مسئله از آن‌جهت اهمیت بیشتری می‌یابد که جداسازی مواد سمی، صنعتی و بیماری‌زای مراکز بهداشتی درمانی، از زوائد شهری انجام می‌شود و مراکز دفع زباله، پذیرای هرگونه زوائدی می‌باشند. به‌طوری‌که این مواد با ایجاد تغییرات نامطلوب در خواص فیزیکی و شیمیائی و بیولوژیکی کیفیت آب را پایین می‌آورند و گاهی نیز آلودگی‌ها زوال‌پذیرند و به‌آسانی تجزیه و تقلیل داده می‌شوند مانند مواد زائد کشاورزی، حیوانی و … بعض زباله‌ها به‌آسانی یا هرگز تجزیه نمی‌شوند و انحطاط پذیرند مانند جیوه، سرب، پلاستیک و…که باید حتی‌المقدور از انداختن یا ریختن آن‌ها در آب جلوگیری شود؛ زیرا وجود این عناصر در آب آشامیدنی به‌اندازه بالاتر از حد مجاز تأثیر مخربی بر سلامت انسان می‌گذارند و آب را به منشأ بیماری‌های گوناگون مبدل می‌سازند.

مقادیر غیرمجاز پلاستیک باعث بروز بسیاری از اختلالات ژنتیکی و سرطان پوست می‌شود. موجودات ذره‌بینی مانند میکروب‌ها، قارچ‌ها و …  باعث بروز انواع بیماری‌های انسانی شده و بهداشت آب را به خطر می‌اندازند. بعضی از جلبک‌ها، نوعی مواد سمی تولید می‌کنند که هم باعث بیماری شده و هم تأسیسات و فرایند تصفیه را دچار اشکال می‌کنند. شهرنشینی و فعالیت‌های صنعتی و کشاورزی زمینه بسیار مساعدی برای رشد و انتقال آلودگی‌ها از طریق آب به وجود آورده است. اگر فرض شود که هر مترمکعب آب آلوده می‌تواند تا ۴۰ مترمکعب آب سالم را آلوده سازد مجموعه پساب‌هایی که هرروز تولید می‌شود تهدیدی بسیار جدی برای منابع آب خواهد بود.

به گزارش سازمان بهداشت جهانی تقریب از هر سه نفری که در کشورهای درحال‌توسعه زندگی می‌کنند یک نفر آب آشامیدنی سالم در دسترس ندارند. هرسال سه میلیون کودک زیر ۱۰ سال به علت کمبود آب سالم و امکانات بهداشتی از بین می‌روند. در کشورهای جهان سوم ۸۰ درصد کل بیماری‌ها مربوط به مصرف آب آلوده است که ۳۳ درصد کل مرگ‌ومیر در این کشورها، باعث می‌شود، یعنی درواقع ۲۵ هزار نفر در روز به دلیل استفاده از آب آلوده از بین می‌روند. این سناریو تیره و غم‌افزا ممکن است موجب شود که دولت‌های جهانی به خود آمده و دست به اقدامات جدی بزنند؛ زیرا به‌رغم همه این دشواری‌ها تا حدودی جا برای امیدواری هست و به کمک اقدامات مناسب و عزم و اراده لازم برای بکار گرفتن آن‌ها می‌توان از روند نابودی منابع آب کاست و یا آن را متوقف نمود.

از طرفی پیشگیری از آلوده سازی آب یکی از راه‌های علمی و باصرفه است، موفقیت این امر در گروه یک عزم ملی و فراگیر است. ایجاد اهرم‌های قوی قانونی، استحکام و قاطعیت در برخورد با آلوده‌کنندگان منابع آب و پیامدهای ناشی از آلودگی آن برای افزایش آگاهی عمومی ازجمله مواردی است که باید در سطح جهانی به آن توجه اکید مبذول شود و کشورهای مختلف با توجه به شرایط اجتماعی، صنعتی و کشاورزی و انواع آلاینده‌ها و پساب‌های ناشی از فعالیت‌های انسانی، استانداردهای خاصی برای خود تهیه‌کرده‌اند و بسیاری از عوامل تشکیل‌دهنده این استانداردها در سطح جهانی یکسان و مشابه است؛ بنابراین کشورهای درحال‌توسعه نیز باید در جهت رفع مشکلات زیست‌محیطی و حفظ بهداشت جامعه خود بکوشند و از این استانداردها بهره‌گیری نمایند.

آلودگی‌های آب

آب هر گز به‌طور خالص در هیچ کجای دنیا یافت نمی‌شود. حتی آب بارانی که در مناطق غیر آلوده نواحی جغرافیائی به زمین می‌بارد شامل گازهای N₂، O₂ و CO₂محلول در آن است و همچنین گردوغبار یا ذرات معلق در اتمسفر به‌صورت تعلیق در آب حمل می‌شوند. آب چشمه‌ها نیز معمولاً دارای ترکیباتی حمل شده از فلزاتی مثل Na، Mg، Ca و Fe است.

آب سخت

آبی است که مقدار قابل‌توجهی از ترکیبات فلزات در آن وجود دارد. حتی آب نوشیدنی ما هم ازنظر شیمیایی خالص نیست و درست است که ذرات جامد معلق و باکتری‌های مضر آن از بین رفته‌اند اما بازهم ازنظر شیمیایی خالص نیست. اصولاً آب خالص برای نوشیدن نامطبوع است. استفاده‌های طبیعی از آب عبارت‌اند از:

• زیبایی و تفریحی
• ذخیره آب مصرفی عمومی مردم
• محیط‌زیست آبی جانوران آبزی
• کشاورزی
• صنعتی

اکنون در جهان بیش از ۵۰۰ کیلومترمکعب آب در رابطه با صنعت مورداستفاده قرار می‌گیرد که نصف آن پس از تصفیه پساب‌های صنعتی مجدداً استفاده می‌شود. بر طبق محاسبات سازمان ملل یک‌سوم آب‌های شیرین جهان آلوده‌اند.

تعریف آب پاک و آب آلوده

هیچ تعریف خاصی برای پاک یا آلوده بودن مطلق آب وجود ندارد. در واقع آب پاک بنا به کاربرد آن بایستی دارای شرایط خاصی باشد. مثلاً برای مصرف – کشاورزی – یا صنعت نیازمند استانداردهای کیفیت خاص خود است.

معمولاً آبی را آلوده می‌گویند که مقدار اکسیژن محلول در آن از مقداری که برای زندگی آبزیان ضروری است کمتر باشد. هرگاه مواد آلی از طریق تخلیه فاضلاب به آب‌ها وارد شوند به علت خاصیت اکسید شوندگی شدید این مواد که با مصرف اکسیژن محلول در آب صورت می‌گیرد اکسیژن محلول در آب به صفر می‌رسد و گفته می شود که آب بشدت آلوده است.

آب دارای خواص فیزیکی ویژه‌ای است:

• وزن مخصوص آب در ۴ درجه سانتی‌گراد ۱ است
• گرمای ویژه آب بالا است
• هدایت حرارتی زیادی دارد
• حلالیت زیاد در برابر سایر اجسام
• انبساط آب در حال انجماد

آب از دو عنصر هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده و اولین بار هنری کاواندیش و لاوازیه عناصر آن را جدا نمودند.

اندازه‌گیری کیفیت آب

آلودگی موجود در آب برحسب میلی‌گرم در لیتر (mg/lit) اندازه‌گیری می‌شود. در قدیم از روش ppm وزنی استفاده می‌شد که این روش در آلودگی به‌صورت حجمی اکنون در هوا مطرح است.

۱ میلی‌لیتر آب برابر یک گرم آب است و از ppm هم می‌توان استفاده نمود؛ لیکن در سایر مایعات چون ۱ میلی‌لیتر برابر یک گرم نیست، بنابراین استفاده از ppm منسوخ و mg/lit متداول است.

اندازه‌گیری کیفیت آب به دلایل زیر دشوار است:

1. ممکن است آلوده‌کننده کاملاً شناخته‌شده نباشد.
2. غلظت آلوده‌کننده ممکن است این‌قدر کم باشد که اندازه‌گیری دقیق آن بسیار دشوار باشد.

اندازه‌گیری اکسیژن محلول در آب یا DO

حداکثر اکسیژنی که در درجه حرارت نرمال (۲۵ درجه سانتی‌گراد) می‌تواند در آب حل شود ۹ میلی‌گرم در لیتر است و هر چه حرارت اضافه شود، اکسیژن محلول تقلیل می‌یابد. در دمای ۳۵ درجه سانتی‌گراد اکسیژن محلول به ۷ میلی‌گرم در لیتر می‌رسد و در دمای صفر درجه اکسیژن محلول معادل ۱۴ میلی‌گرم در لیتر است. اکسیژن محلول در آب به‌وسیله دستگاه اندازه‌گیری اکسیژن اندازه‌گیری می‌شود.

BOD چیست؟

BOD نرخ مصرف اکسیژن در داخل آب توسط ارگانیسم‌ها است. اگر BOD کم باشد آب پاک و فاقد ارگانیسم است یا آنکه ارگانیسم‌های داخل آب مرده و نیازی به مصرف اکسیژن ندارند. BOD مقدار اکسیژن لازم برای ثبات بیولوژیکی در آب است. اندازه تأسیسات تصفیه بیولوژیکی خصوصاً میزان هوادهی فاضلاب در حوضچه‌های هوادهی را می‌توان با اندازه BOD محاسبه نمود.

اگر BOD آب ppm 1 باشد، تقریباً آب خالص است. آب با BOD تا ppm 5 نسبتاً خالص فرض می‌شود و وقتی‌که BOD به بیشتر از ppm 5 برسد خلوص آب مورد تردید قرار می‌گیرد؛ اما اگر مقدار BOD از ppm 20 تجاوز کند سلامت عمومی مورد خطر واقع می‌شود. آزمایش‌های BOD تخمین واقع‌ بینانه‌ای از کیفیت اکسیژنی که وارد به آب شده است را فراهم می‌سازد.

TOC چیست؟

چون سوخت‌وسوز کربن تولید CO₂ می‌نماید لذا با احتراق کامل یک نمونه می‌توان به ارگانیسم‌.های موجود در فاضلاب پی برد. با سوزاندن نمونه در داخل یک لوله و اندازه‌گیری CO₂ پی به TOC یا مجموع کل کربن آلی پی می‌بریم.

• روش راکتور ناپیوسته متوالی (SBR)

هنگامی که دبی فاضلاب ورودی به سیستم تصفیه خیلی کم باشد، در نظر گرفتن واحدهای هوادهی و ته نشینی به صورت مجزا باعث افزایش هزینه تصفیه به ازای هر مترمکعب فاضلاب می گردد. در چنین مواردی، با انجام یک تغییر در روش لجن فعال، این روش برای به کارگیری در سیستم تصفیه، مناسب سازی می شود. طی این تغییر، مخازن هوادهی و ته نشینی را با یکدیگر ترکیب نموده و فرآیندهای هوادهی و ته نشینی را به صورت متناوب و در زمان هایی متوالی به انجام می رسانند. سادگی و به صرفه بودن این روش توانسته است آن را به عنوان یک روش معمول هضم بی هوازی در پساب های تولید الکل معرفی نماید. در این روش، پساب خروجی تولید الکل در برکه هایی که 3 تا 6 متر عمق دارند، ذخیره شده و طی چندین روز تحت شرایط بی هوازی تجزیه می شوند. این فرایند اقتصادی است و بار BOD زیادی را نیز می توان به آن وارد کرد؛ زیرا مشکل دفع لجن اضافی کمتر است.

• روش دیسک های بیولوژیکی چرخان (RBC)

در تمامی روش های مبتنی بر لجن فعال، رشد میکروارگانیسم ها به صورت معلق بوده و مقداری انرژی صرف هوادهی می شود. در شرایطی که هزینه تامین انرژی بسیار بالا باشد، می توان با استفاده از روش RBC، انرژی مصرفی را کاهش داد؛ چرا که در این روش، میکروارگانیسم ها بر روی صفحاتی گردان و نیمه مستغرق در فاضلاب چسبیده و روی آن ها رشد می کنند.

• روش راکتور بیولوژیکی غشایی (MBR)

امروزه یکی از روش های پیشرفته تصفیه فاضلاب، روش غشایی است که در این روش، جداسازی میکروب ها توسط غشا انجام می شود. با نصب این غشاها درون راکتور بیولوزیکی، دیگر نیازی به بخش های ته نشینی و فیلتراسیون نیست و همین غشاها وظیفه جداسازی فاضلاب تصفیه شده از لجن را انجام می دهند. استفاده از غشا باعث می شود در فضای کم، تصفیه فاضلاب با راندمان بالا انجام شود؛ به طوری که کیفیت فاضلاب تصفیه شده از استانداردهای فاضلاب برای تخلیه به آب های سطحی نیز بهتر است.

در تصفیه فاضلاب، غشای بایوراکتور، فناوری جدیدی محسوب می شود که ترکیبی از تصفیه به روش لجن فعال وسنتی و فن آوری نوین جداسازی توسط غشا است. به دلیل خاصیت جداسازی قوی ممبرین، لجن فعال و مواد آلی با مولکول های بزرگ می توانند در مخزن MBR جمع آوری شده و آب تمیز هم می تواند با عبور از میان ممبرین، تصفیه گردد. فرایندهای مربوط به سیستم MBR، بایوراکتور و فیلتراسیون آب می توانند به صورت همزمان انجام شوند. مخزنی برای لجن رسوب شده لازم نیست. در این روش، غلظت لجن بسیار بیشتر از روش سنتی است. زمان اقامت فاضلاب در مخزن(HTR) و زمان اقامت لجن در مخزن (SRT) می توانند به صورت جداگانه کنترل شوند. در روش MBR نه تنها فاضلاب معمولی بلکه بسیاری از فاضلاب های آلوده شده با مقادیر بسیار زیاد موادآلی نیز می توانند تصفیه گردند.

• روش راکتورهای بایوفیلمی با بستر متحرک (MBBR)

در سیستم MBBR از آکنه هایی استفاده می شود که در مخزن هوادهی شناور می باشند. بایوفیلم یا لایه میکروبی، بر روی آکنه های غوطه ور رشد کرده و به این ترتیب توده بیولوژیکی شناور در محیط فاضلاب که نقش تجزیه کننده مواد آلی را به عهده دارد، افزایش می دهد. از این روش برای حذف مواد آلی فرار، از جمله پساب های حاوی فنول، الکل ها و آلدهیدها استفاده می شود.

• روش های تصفیه با غشا

فرایندهای غشایی در صنایع مختلفی همچون تصفیه آب و فاضلاب، برای حذف برخی از آلاینده های آلی به کار می روند. به تازگی بررسی این فناوری برای حذف فنول، آلدهیدها، انواع الکل ها و مواد آلی فرار دیگر، معمول شده است. مصرف کم انرژی و افزایش مقیاس راحت توسط مدول های غشایی، از مزایای اصلی این فناوری ها هستند.؛ در حالی که باید به رسوب گرفتگی غشا به دلیل ذرات و کلوئیدهای موجود در جریان خوراک و محدود کردن زمان ماند در غشا توجه شود. مهم ترین فناوری های غشایی که برای حذف مواد آلی فرار استفاده می شوند عبارتند از:

استخراج با حلال بر پایه غشا

نانو فیلتراسیون-اسمز معکوس

بایوراکتور غشایی

راکتور فتوکاتالیستی غشایی

روش های غشایی بر اساس غلظت یا فشار به عنوان نیرو محرکه طبقه بندی می شوند. غشاهای مایع، فرایندهای تحت اختلاف غلظت هستند؛ در حالی که نانو فیلتراسیون- اسمز معکوس و تبخیر غشایی، با اختلاف فشار بین غشایی کار می کنند.

• استخراج با حلال بر پایه غشا

به تازگی جداسازی مخلوط آب-الکل با استفاده از فرایندهای غشایی به طور گسترده مطالعه شده است که اکثریت بر استفاده از مدول های الیاف توخالی علاقه مند شده اند. در این راستا غشاهای پلی پروپیلن با استفاده از حلال های آلی به عنوان استخراج کننده و مخلوطی از هیدروکربن ها به کار رفته اند. بدین ترتیب مشخص شد که استفاده از MTBE به عنوان عامل استخراج کننده، به علت قطبیت بالاتر  و امکان ترکیب بیشتر باندهای هیدروژن با الکل، می تواند بهتر از هیدروکربن های احتمالی باشد.

• نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس

استفاده از فرایندهای غشایی در ترکیب با فرایندهای جذب سطحی، توسعه یافته است. اسمز معکوس، یک روش نمک زدایی بر پایه غشا است که اغلب برای جداسازی جامدات محلول (همچون یون ها) از محلول های آبی استفاده می شود. غشاها معمولا به طور انتخاب گر عمل می کنند و باعث عبور برخی ذرات(مانند آب) برای ایجاد نفوذ انتخابی از درون آن ها می شوند؛ در حالی که بقیه ذرات محلول (مانند یون ها) را به طور انتخابی نگه می دارند. حذف آلاینده های آلی و سمی توسط انتقال انتخاب گر درون غشا کاربرد گسترده ای دارد به استفاده در مقیاس بزرگ رسیده است.

پژوهش هایی که برای توسعه غشاهای اسمز معکوس توسط جان کدوت صورت گرفت، در سال 1984 میلادی منجر به ایجاد گونه جدیدی از غشا شد که اولین نمونه در دسته بندی نانوفیلتراسیون شناخته می شود. غشاهای ساخته شده توسط کدوت، یون های کلرید را با شار بالا از خود عبور می دادند و در مقابل، یون های سولفات را به خوبی و به سرعت جدا می کردند. از لحاظ علمی، این دسته از غشاها مایبن دسته بندی اولترافیلتراسیون و اسمز معکوس قرار می گرفتند؛ بنابراین مشهور به اسمز معکوس سست یا باز و همین طور اولترافیلتراسیون محکم شدند. این روش عمدتا برای حذف آلاینده های صنعتی و طبیعی، نمک های معدنی، رنگ و سختی آب و پساب استفاده می شد.

• جداسازی به وسیله تبخیر

جداسازی به وسیله تبخیر، برای حذف مواد آلی از محلول های آبی استفاده می شود. به طور کلی در این روش، آب در سمت خوراک غشا و بخار در سمت تراویده از هم جدا می شوند که هم زمان است با تبخیر ترکیبات تراویده.

• بایوراکتورهای غشایی

یکی از فناوری های جدید در تخریب بیولوژیکی آلاینده ها استفاده از بایوراکتورهای غشایی است که به طور گسترده در واحدهای تصفیه استفاده می شوند. زمانی که پساب حاوی مقدار قابل توجهی از مواد معدنی باشد، تصفیه آن ها با MBR مشکل است. در حقیقت وقتی مقدار اسیدیته و یا نمک به اندازه کافی زیاد باشد، نباید از روش های بیولوژیکی استفاده کرد.

• راکتورهای فتوکاتالیستی غشایی

اخیرا تخریب نوری ترکیبات پساب ها با فتوکاتالیست TiO2 به طور گسترده استفاده می شود. در راکتورهای فتوکاتالیستی، TiO2 یا به صورت دوغابی در مخلوط واکنش وجود دارد و یا بر روی مواد حاملی چون شیشه، کوارتز، فلز تیتانیوم، زیولیت ها و … ثابت می شود. در این روش، محصولات جانبی حاصل از تخریب نوری مخلوط، به عنوان بزرگ ترین مشکل، شناخته می شوند.  راکتورهای فتوکاتالیستی غشایی، سیستم های ترکیبی هستند که راکتور با سطح فتوکاتالیست، با فرایند غشایی همراه می شود. برخی عملیات اضافی همچون انعقاد، لخته سازی و رسوب دهی که در فتوراکتورهای معمول برای جدا کردن کاتالیست از محلول تصفیه شده ضروری هستند، در PMR ها حذف شده اند.

• غشاهای میان تهی

متاسفانه روش های یاد شده دارای اشکالاتی هستند که از مهم ترین آن ها می توان به عدم کنترل مناسب pH و نیز سازگاری کم با تغییر شرایط عملیاتی اشاره کرد؛ بنابراین بسیاری از محققان به دنبال روش های نوین جهت کاهش مواد VOC می گردند. با توجه به این که کنترل شرایط در غشاهای هالو فایبر به آسانی صورت می گیرد و نیز شرایط فیزیکی (مانند سطح تماس) خوبی ایجاد می کنند، به عنوان روش های نوین جداسازی مورد توجه قرار گرفته اند.

انتخاب پذیری برای جداسازی مواد ندارد. از بین تمامی تماس دهنده های غشایی، غشاهای هالو فایبر توجه زیادی را به سوی خود جلب کرده اند. این غشا نسبت سطح به حجم زیادی را برای عمل جداسازی و انتقال جرم، در اختیار قرار می دهد.

غشاهای هالو فایبر گاز-مایع دستگاه هایی هستند که امکان تماس مستقیم دو فاز را فراهم می کنند تا انتقال جرم بین آن ها صورت بگیرد؛ در حالی که یکی از فازها در دیگری  پراکنده نشود. در هالو فایبرهای گاز-مایع، جریان گاز از یک طرف غشا حرکت می کند و جریان مایع از طرف دیگر غشا- معمولا در خلاف جهت جریان گاز- عبور می کند. تماس بین گاز و مایع از پروس های غشا رخ می دهد و معمولا فرض می شود که مایع، این پروس ها را اشغال نکرده، بلکه گاز آن ها را اشغال می کند.

روش های تصفیه پساب واحدهای تولید الکل

• استفاده مستقیم از پساب الکل برای آبیاری زمین های کشاورزی

استفاده از زمین به صورت های مختلف، در تصفیه فاضلاب های شهری و صنعتی، مورد توجه قرار گرفته است. در آبیاری زمین های کشاورزی، مجموعه زمین و گیاه به عنوان یک فیلتر زنده عمل کرده و بیشتر مواد آلاینده موجود در پساب را حذف می کنند؛ بنابراین این روش نیز می تواند یک روش تصفیه طبیعی باشد و در مجموعه روش های تصفیه الکلی قرار بگیرد. محدودیت مصرف آب بویژه در ماه های سرد، ظرفیت خاک و ریشه گیاه در جذب مواد و حساسیت گیاهان به بعضی از املاح و مواد سمی، از جمله نکاتی است که می بایست در کاربرد پساب برای آبیاری زمین های کشاورزی در نظر گرفت. از پساب واحد های تولید الکل واقع در محیط های روستایی، با توجه به شرایط آب و هوایی و نوع خاک و میزان بارندگی این مناطق می توان برای آبیاری استفاده کرد.مطالعات نشان داده است که آبیاری حساب شده با این پساب می تواند کیفیت خاک را بهبود بخشد و میزان تولید محصول را (خصوصا در مزارع نیشکر) افزایش دهد. گروهی از محققین بیان می کنند که ارزش کودی 100 مترمکعب از پساب صنعت تولید الکل با وزن مخصوص 1.03 نیوتن بر مترمکعب، معادل یک تن از فضولات گاوی است؛ لیکن خنثی سازی خاصیت اسیدی پساب قبل از استفاده ضروری است.

فواید استفاده از روش آبیاری مستقیم عبارتند از:

• دفع پساب بدون انجام عملیات تصفیه عمده(تصفیه طبیعی توسط خاک)
• جایگزینی مواد معدنی کاهش یافته خاک
• افزایش ظرفیت بافری خاک
• افزایش ظرفیت فیزیکی خاک
• افزایش ظرفیت ماند نمک ها و آب در خاک

از معایب این روش، انتشار بو و مشکلات ناشی از ایجاد حشرات موذی است. تجربه های بدست آمده در اروپا نشان می دهد که با وجود سودهایی که در آغاز برای این عمل وجود دارد، مقدار مصرف آن در زمین، طی سال های متوالی باید کاهش داده شود؛ زیرا ظرفیت اسیدی خاک افزایش می یابد. غلظت بالای کلسیم و منیزیم در پساب، گرچه در ابتدا باعث افزایش خاصیت بافری و pH خاک می شود؛ لیکن کاربرد پی در پی آن موجب تشکیل سولفات می گردد. این سولفات در خاک به سولفید هیدروژن تبدیل شده و می تواند مجددا توسط باکتری های گوگرد به اسید سولفوریک تبدیل و pH خاک را کاهش دهد. نشت نمک ها در خاک های زیرزمینی و ایجاد گندیگی به دلیل تشدید فعالیت های بی هوازی، از مضرات این روش است. از دیگر معایب این روش، خوردگی مخازن نگه دار ی و حمل پساب برای انتقال به زمین های کشاورزی است.

• رقیق سازی پساب با آب و دفع آن در آب های جاری

این روش ساده ترین و آسان ترین راه دفع پساب است که به آب کافی نیاز دارد تا مشخصات پساب خروجی از استاندارد لازم برخوردار باشد. هر لیتر از پساب خروجی، نیاز به 150 تا 200 لیتر آب خام دارد که تامین این آب معمولا بسیار مشکل است. از ویژگی های این روش، عدم نیاز به مکان و فضا برای ذخیره پساب خروجی قبل از تخلیه است. متاسفانه رقیق سازی برای مناطق کم آب از جمله کشور ایران، روش مناسبی به نظر نمی رسد. در فرهنگ زیست محیطی، روش رقیق سازی جایگاهی ندارد و راه حلی برای رفع آلودگی نیست.

• بازیافت مواد معدنی

برخی واحدها پساب را تغلیظ می کنند و سپس آن را به عنوان کود یا خوراک دام به کار می برند. عدم تمایل مردم برای خرید گوشت حیوانات پرورش داده شده با چنین پساب هایی و همچنین قیمت پایین علوفه های دیگر در مقایسه با این علوفه باعث محدودیت در مصرف آن شده است. سوزاندن پساب الکلی می تواند به عنوان وسیله ای برای بازیافت مواد معدنی پساب یا حذف کلیه مواد آلی مدنظر باشد و برای پساب هایی که مواد آلی بالایی دارند می تواند به عنوان بازیافت انرژی به حساب آید. در این روش قبل از سوزاندن ابتدا پساب توسط 4 یا 5 تبخیرکننده که به صورت سری بسته شده اند، به جامد 60% تغلیظ شده و سپس سوزانده می شود. گرمای حاصل از سوزاندن جامدات تغلیظ شده 3000 تا 36000 کیلوکالری بر کیلوگرم است و می تواند گرمای کافی برای مرحله تبخیر را تامین نماید. بازیافت خاکستر حاصل از سوزاندن یکی از موارد اقتصادی این فرآیند است. این خاکستر دارای 30 تا 40% پتاس و  2 الی 3% فسفر است که بعد از حل کردن در آب و خنثی سازی با اسیدسولفوریک، کود پتاسیم باارزشی بدست می آید. وجود 16% کلریدپتاسیم و 7% کربنات پتاسیم در کود تولید شده، موجب کاهش قیمت این کود به نصف کود خالص شده است.

• تصفیه بیولوژیکی 

وجود COD یا BOD بالا در پساب های صنایع الکل، اهمیت تصفیه این پساب را به صورت بیولوژیکی نشان می دهد. حضور بعضی مواد سمی مانند فنول ها و مواد آروماتیک و وجود مواد معدنی به مقدار زیاد که به سختی توسط میکروارگانیسم ها تجزیه می شوند از جمله مشکلات تصفیه این پساب به روش های بیولوژیکی است. در این روش از فرایندهای بیولوژیکی برای حذف آلاینده ها استفاده می شود. روش های بیولوزیکی به دو دسته کلی تقسیم می شوند:

الف.روش های هوازی

فرآیندهای بیولوژیکی که در حضور اکسیژن محلول صورت می گیرد.

ب.روش های بی هوازی

در غیاب اکسیژن محلول توسط میکروارگانیسم ها صورت می گیرد. در روش های بیولوزیکی تصفیه فاضلاب از این فرآیندها استفاده می شود.

• روش لجن فعال

از این روش برا ی حذف مواد آلی فرار از پساب ها استفاده می شود. فرآیند تصفیه فاضلاب به روش لجن فعال متداول، شامل اجزای زیر است:

1.مخزن هوادهی تصفیه فاضلاب

در تصفیه فاضلاب به روش لجن فعال، اکسیداسیون هوازی موادآلی در مخزن هوادهی تصفیه فاضلاب صورت می گیرد. در این روش پساب اولیه وارد شده و با لجن فعال برگشتی مخلوط و مایع مخلوط را تشکیل می دهند که حاوی 1500 تا 2500 میلی گرم در لیتر مواد جامد معلق است. هوادهی فاضلاب توسط روش های مکانیکی تامین می شود. یک ویژگی مهم فرآیند تصفیه فاضلاب با لجن فعال، بازگردانی نسبت زیادی از توده زنده است. این موضوع باعث می شود که متوسط زمان ماند سلولی در تصفیه فاضلاب با روش لجن فعال، بسیار بیشتر از زمان ماند هیدرولیکی فاضلاب گردد.

2.مخزن ته نشینی

این تانک برای ته نشینی فلوک های میکروبی(لجن) تولید شده در طی فاز اکسیداسیون در تانک هوادهی استفاده می شود. در این روش بخشی از لجن ته نشین شده در زلال ساز، مجددا به حوضچه هوادهی فاضلاب بر می گردد و بقیه برای حفظ نسبت غذا به میکروارگانیسم، دفع می گردد.

• دیفیوزهای هوادهی

در روش های هوادهی عمقی، به منظور انتقال و تزریق مناسب هوای فشرده به آب یا فاضلاب، استفاده از دیفیوزرهای توزیع هوا به دلیل تولید حباب های بسیار ریز و درشت موجود می باشند. هر چقدر حباب های هوا کوچک تر باشند، راندمان انتقال اکسیژن به آب بیشتر خواهد بود.

مقدمه

قوانین زیست محیطی، صنایع شیمیایی را مجبور می کنند تا تخلیه های مواد آلی فرار خود را هم در حالت گازی و هم در حالت مایع، کاهش دهند. اتانول از فرآیندهای هیدراسیون اتیلن، احیای CO2، تخمیر  و همچنین به کمک لیپیدها تولید می شود. از طرف دیگر، استفاده از اتانول در بنزین برای بالا بردن عدد اکتان، ورود مقادیر نسوخته اتانول به محیط را افزایش داده است. اگر چه اتانول، ماده شیمیایی خطرناکی نیست، ولی غلظت های بالای آن می تواند مشکلاتی جدی برای سلامتی افراد از قبیل بیماری های چشمی، پوست و تحریک سیستم تنفسی به همراه داشته باشد و اثرات منفی فراوانی نیز بر روی محیط زیست دارد. حذف مواد  (Volatile Organic Compounds)VOC مانند اتانول با روش های مختلفی مانند بایوفیلتراسیون، جذب سطحی، احتراق کاتالیستی و چند روش دیگر انجام شده است که از میان آن ها روش بایوفیلتراسیون، بیشترین کاربرد را دارد.

پساب واحدهای تولید الکل به دلیل BOD(میزان اکسیژن مورد نیاز میکروارگانیسم ها در اکسیداسیون بیوشیمیایی موادآلی موجود) و COD(میزان اکسیژن مورد نیاز برای اکسیداسیون کل مواد) بالا و دارا بودن مواد سمی همچون ترکیبات فنولی و داشتن PH پایین، یکی از مشکلات عمده زیست محیطی است. دفع مستقیم و مستمر این پساب در خاک موجب کاهش کیفیت خاک و از بین رفتن محصولات کشاورزی می شود. همچنین در صورت تخلیه در رودخانه یا دریا، حیات آبزیان را در معرض تهدید جدی قرار می دهد. به منظور جلوگیری از این خطرها، روش های بیولوژیکی، شیمیایی و فیزیکی فراوانی برای تصفیه این پساب پیشنهاد شده است. روش های فیزیکی و شیمیایی بر اساس جذب سطحی، تبادل یونی، فرآیند غشایی و اکسیداسیون های شیمیایی استوار است.

روش های بیولوژیکی بی هوازی در مقایسه با روش های هوازی مقرون به صرفه بوده و در سال های اخیر توسعه زیادی یافته اند. برکه های بی هوازی ۶۰ تا ۷۰ درصد BOD فاضلاب را با زمان ماند ۱ تا ۲ ماه کاهش می دهند. اکثر روش های بی هوازی راکتوری قادرند BOD فاضلاب ورودی را ۷۰ تا ۸۰ درصد کاهش دهند. در این صورت ۱۵ تا ۲۰ درصد BOD با روش های هوازی قابل حذف است. تبخیر پساب به منظور تولید خوراک دام و سوزاندن پساب به منظور بازیافت پتاس از جمله روش های دیگری می باشند که برای دفع پساب واحدهای تولید الکل در مقیاس کم مورد استفاده قرار گرفته اند و در صورتی که مشکلات فناوری ساخت و بهره برداری آن ها در نظر گرفته نشود، هزینه خالص دفع پساب را به دلیل فروش محصولات بدست آمده کاهش می دهند. پساب واحدهای تولید الکل ، به عنوان سوبسترا برای تولید پروتئین تک یاخته نیز مورد تحقیق قرار گرفته است که در صورت فروش محصول به دست آمده، هزینه این روش نیز کاهش می یابد.

پساب واحدهای تولید الکل، به دلیل درصد بالای مواد آلی و معدنی موجود، یکی از مشکل ترین پساب های صنعتی برای تصفیه است. از طرف دیگر، وجود مواد سمی نظیر ترکیبات آروماتیک (به خصوص فنول ها) و PH پایین، بر مشکلات تصفیه این پساب ها افزوده است. با توجه به رنگ قهوه ای پایدار که حذف آن، از دیگر مشکلات تصفیه پساب این واحدها است، مسئله تصفیه پساب واحدهای تولید الکل، همواره به عنوان یک معضل جهانی مطرح شده است.

به دلیل حساسیت های مخمرهای تولید کننده الکل به غلظت بیش از ۹ تا ۱۱ درصد الکل، افزودن حجم زیادی از آب که برای رقیق کردن آن استفاده می شود، می تواند حجم پساب را کاهش دهد. این عمل با به کار گرفتن مخمرهای مقاوم  نسبت به غلظت الکل بالا امکان پذیر است. برای حصول به این موضوع، مقداری از پساب خروجی برای رقیق سازی پساب غلیط اولیه برگشت داده می شود. این عمل تا ۲۰ درصد جریان برگشتی امکان پذیر است.

در حالت متعارف به ازای هر لیتر الکل تولید شده بین ۱۰ تا ۱۵ لیتر پساب تولید می شود. مشخصات کیفی سه نمونه پساب در جدول زیر آورده شده است.

• تبخیر و خشک کردن پساب برای تولید خوراک دام

در این فرآیند جامدات معلق موجود در پساب، پس از سانتریفیوژ در پرس های پیچشی یا چرخشی آبگیری می شوند. این جامدات سپس در داخل خشک کن های دوار با کمتر از ۵ درصد آب خشک می شوند و خوراک دانه ای شکل سبکی به وجود می آورند. مایع خروجی سانتریفیوژ همراه با مایع حاصل از پرس کردن، به تبخیر کننده های عمودی فرستاده می شود و به جامد ۳۵ درصد تغلیظ و سپس در خشک کن های پاششی به ماده خشک تبدیل می شود. روش دیگر بدین گونه است که مایع تغلیظ شده حاصل از تبخیر کننده ها با جامدات مرطوب حاصل از پرس مخلوط شده  و در خشک کن دوار خشک می شوند.

به ازای هر لیتر تولید الکل می توان ۷۰۰ الی ۸۰۰ گرم خوراک دام حاصل از پساب تولید کرد. در سال ۱۹۸۱ در ایالت متحده امریکا ۴۵۴۷۰۰ تن خوراک دام با این روش تولید شده است. این روش، تمام جامدات موجود در پساب را بازیافت می کند و نیاز به فرآیندهای بعدی برای تصفیه ندارد. یکی از معایب این روش تصفیه، نیاز به انرژی فراوان برای تبخیر پساب است. به منظور کاهش مصرف بخار برای دانه بندی نهایی، می توان از گازهای دودکش بویلر جهت گرم کردن خشک کن دوار استفاده نمود. در این طراحی مقدار ۱۱ کیلووات ساعت انرژی الکتریکی برای هر تن دانه خشک جهت حرکت سانتریفیوژها و پمپ های برگشت استفاده می شود.

همچنین می توان پساب تغلیظ شده که دارای ۵۰ تا  ۶۵ درصد جامد است را به عنوان محلول غلیظ برای فروش ارائه کرد. محلول تغلیظ شده، ویسکوز و چسبناک است و اضافه کردن منعقد کننده هایی مانند فسفات آمونیوم یا اسید فسفریک هر چند که حمل و نقل را آسان می کند، ولی هزینه را افزایش می دهد.

به دلیل وجود قند، اسیدهای آلی و گلیسرول در پساب حاصل از تولید الکل، مخمرها و قارچ های مشخصی قادرند در آن رشد کنند. این روش فرآیندی است که در فرانسه توسعه داده شده و در آن پساب خروجی تولید الکل برای پرورش مخمر ترولا به کار می رود و در نهایت به عنوان مکمل غذایی در علوفه دام به مصرف می رسد.

تولید مخمر هوازی وسیله ای موثر برای کاهش BOD پساب و تولید یک محصول جانبی باارزش از پساب واحدهای تولید الکل است. در این فرآیند مخمر ترولا در برج های تخمیر به خوبی هوادهی شده و رشد می کنند. میزان هوادهی ۱۰ مترمکعب به ازای هر کیلوگرم مخمر تولیدی است و گاهی اضافه کردن مواد غذایی تکمیلی از جمله نیتروژن و فسفر لازم است. مقدار ۵٫۶ کیلوگرم آمونیاک، ۱٫۸ کیلوگرم فسفر و ۰٫۴ کیلوگرم منیزیم برای هر ۱۰۰ کیلوگرم مخمر خشک مورد نیاز است. از آن جایی که رشد مخمر گرمازاست، عمل سرد کردن برج تخمیر باید به طور مداوم صورت گیرد تا بتوان دمای بهینه ۳۵ درجه سلسیوس برای رشد مخمرها را حفظ کرد. ترکیبات کربنی ساده مانند الکل باقیمانده، گلیسرول و اسید استیک نیز توسط این مخمر قابل مصرف است.

در این فرآیند ۱۶ کیلوگرم مخمر به ازای هر تن پساب به دست می آید و بیش از ۵۰ درصد BOD پساب کاهش می یابد. با توجه به هزینه بالای این روش و نوسان قیمت محصول تولید شده پروتئین خوراکی دام، انجام مطالعات امکان پذیری اقتصادی قبل از هر گونه سرمایه گذاری ضرورری است. به علاوه هزینه های بالای سیستم خنک کننده و دستگاه های هوادهی از دیگر معایب روش فوق است. در این روش بخشی از آلودگی ها، در پساب ناشی از فرآیند تولید مخمر باقی خواهد ماند و استفاده از این روش به تنهایی برای حل معضل تصفیه پساب تولید الکل کافی نیست و نیاز به تصفیه های بعدی دارد.

مراحل اطمینان از نصب صحیح نمایشگرها و تجهیزات اندازه‌گیری 

دنبال کردن مراحل زیر برای نصب تجهیزات ابزار دقیق، مانع بروز مشکلات در عملکرد آن‌ها خواهد شد و به طراحان، در تشخیص صحیح بازگشت سرمایه (ROI) کمک خواهد کرد.

درحالی‌که سرمایه‌گذاری در سامانه‌های کنترل و اندازه‌گیری الکترونیکی در محیط‌های پیشرفته صنعتی صورت می‌گیرد و نحوه‌ی اتصالات، درست به نظر می‌رسد، همچنان مشکلاتی وجود دارد.

بعضی از دستگاه‌ها به‌طور دقیق عمل می‌کنند، برخی از آن‌ها اصلاً کار نمی‌کنند، بعضی دیگر به‌طور ناگهانی یا گه گاه پیام‌های خطا ارسال می‌کنند. مشکلات اصلی معمولاً در بخش کنترل حساس یا تجهیزات انتقال قدرت اتفاق می‌افتد.

اغلب به جزییات سیم‌کشی در زمان طراحی و نصب تجهیزات کنترل و اندازه‌گیری توجه کمی می‌شود. بعضی از مشکلات مهم سیم‌کشی شامل نصب یا انتخاب نادرست سیم، اتصال نادرست به زمین و حفاظت الکترومغناطیسی نامناسب برای سیم و پایانه می باشد.

چهار مرحله‌ی نصب صحیح تجهیزات ابزار دقیق که شامل اتصال و حفاظت درست می‌باشد، بدین شرح است:

1. پیروی از توصیه‌های سازنده

سازندگان قطعاً توصیه‌های فراوانی جهت طراحی، نصب و نگهداری سیم‌کشی و اتصالات برقی مورداستفاده درزمینه محصولات فیلدباس دارند. این اطلاعات شامل INCOM (شبکه ارتباطات صنعتی)، RS-485 (پروتکل سریال انتقال داده) و لایه‌های فیزیکی اترنت است. پیروی از این توصیه‌ها برای اطمینان از محکم و قابل‏اعتمادبودن ارتباطات ضروری است.

چنانچه بخش‌های شبکه بر اساس توصیه‌های سازنده نصب شوند، موجب انعطاف‌پذیری، سهولت و عدم ایجاد آلودگی صوتی خواهد شد. عدم پیروی از توصیه‌ها اغلب موجب عملکرد نامناسب سیستم خواهد شد. به‌عنوان‌مثال، برای به‏ حداقل ‏رساندن تخریب اطلاعات، اجرای سیم‌کشی ارتباطی در یک صفحه مشترک با بارهای فرکانس بالا (مانند درایوهای با فرکانس قابل تنظیم) توصیه نمی‌شود.

اتصال مناسب به زمین نیز یکی از جنبه‌های مهم میدانی نصب دستگاه است. اکثر سامانه‌های ابزار دقیق دارای دو اتصال الکتریکی (برق) و دستگاه به زمین هستند. دانستن اهداف مختلف این دو سیستم اتصال به زمین، مهم است.

حفاظ باید به‌صورت پیوسته، اطراف شبکه را احاطه نماید و به سیستم اتصال به زمین ساختمان متصل باشد. کد الکتریکی بین‌المللی (NEC 2017) راهنمایی درزمینه کابل‌های اتصال به زمین، فراهم می‌کند.

انتخاب کابل، برای برقراری ارتباط قوی ضروری است. کابل‌های پیشرفته برای ارتباطات RS-485 توصیه می‌شود. کابل‌های کنترل و ابزار دقیق برای کاربردهای RS-458 قابل‌قبول نیست.

علاوه بر این، برنامه‌های توزیع برق و کاربری اتوماسیون، به کابل غلاف‏دار نیاز دارند. بیشتر کابل‌ها با دو نوع غلافِ فویل و روکش پلاستیکی بر روی فویل موجود می‌باشند. هر دو نوع کابل مناسب‏ اند اما روکش پلاستیکی روی فویل، ارجحتر می باشد. فویل، فرکانس‌های رادیویی بالا و تابش ‏های الکتریکی ناپایدار را می‏ پوشاند؛ درحالی‌که فویل روکش پلاستیکی، امواج با فرکانس‌های پایین را پوشش می‌دهد. برای اتصالات معمولی پایانه، کابل باید دارای سیم تخلیه محافظ باشد.

2. چالش‌های زیرساخت و عوامل زیست‌محیطی را درک کنید.

محاسبات ظرفیت سیستم بایستی زمانی انجام شود که سامانه‌های جدید در حال گسترش بوده یا دستگاه‌ها به سامانه‌های موجود، اضافه شده باشند. هدف از محاسبه، تعیین ظرفیت طراحی سیستم برای پشتیبانی از تعداد و نوع دستگاه‌های موردنظر برای استفاده است.

مشکلات پیش‌آمده ممکن است به ظرفیت سیستم ارتباطی نداشته باشند. به‌عنوان‌مثال، بیشتر بارها در سامانه‌های توزیع الکتریسیته مدرن، القایی هستند. این بارها می‌توانند شامل موتورها، ترانسفورماتورها، لوله گازی تابلوهای روشنایی و کوره‌های القایی باشند. بارهای القایی برای عملکرد، نیاز به میدان مغناطیسی دارند. این دستگاه‌های القایی می‌توانند باعث ایجاد هارمونیک (هماهنگ) توسط مدار الکترونیکی شوند که می‌تواند مشکلاتی را برای بارهای متصل ایجاد کند.

تمام هارمونیک‌ها، باعث ایجاد حرارت اضافی در هادی‌ها و دیگر اجزای سیستم توزیع می‌شوند. هارمونیک‌ها همچنین می‌توانند تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ایجاد کنند که تداخل فرکانس رادیویی (RFI) در طیف فرکانس رادیویی نیز نامیده می‌شود. اختلال ایجادشده توسط یک منبع خارجی بر روی مدار الکتریکی توسط القای الکترومغناطیسی، اتصال الکترواستاتیکی یا رسانش الکتریکی است.
سطح بالای هارمونیک‌ها و EMI اغلب منجر به رفتار غیرقابل‌پیش‌بینی تجهیزات الکترونیکی می‌شود، ازجمله انتقال داده‌های نامناسب بین تجهیزات رایانه‌ای و دستگاه‌های میدانی که می‌تواند اثربخشی دستگاه‌های پایش و اندازه‌گیری انرژی را تحت تأثیر قرار دهد.
این مسائل را می‌توان به طرح‌های سیم‌کشی اشتباه، مانند نصب کابل‌های ارتباطی بدون سیستم حفاظتی و نزدیک به سیم‌های حمل بارهای القایی نسبت داد. جایگزینی کابل موجود با کابل دارای محافظ یا تغییر فاصله سیم‌کشی سامانه‌های ارتباطات نسبت به بارهای القایی، می‌تواند این مشکل را برطرف کند.
بااین‌حال، اگر سیم‌کشی مطابق با توصیه‌های سازنده و داده‌ها هنوز نامناسب است، توصیه می‌شود برای بررسی فیلترهای خط و حالت‌دهنده‌ها، با سازنده دستگاه‌های میدانی یا متخصص کیفیت توان مشورت شود.
3. با دقت، اسناد و نقشه‌ها را بررسی کنید.

مشکلات و مسائل بالقوه ذکرشده در بخش قبلی را می‌توان با توجه به جزئیات توصیه‌های سیم‌کشی دستگاه در طول مراحل طراحی و نصب، موردتوجه قرار داد.

همیشه یک روش مناسب، بررسی دقیق اسناد و نقشه‌ها برای اطمینان از جزئیات دقیق سیم‌کشی، ازجمله برخورد مناسب با هر نوع ابزار و دستگاه، سیم‌کشی صحیح برای سیگنال‌ها، اتصال مناسب به زمین و مطابقت با مشخصات برای سیم‌کشی سیستم و بهره‌برداری است.

درنتیجه، مسائل احتمالی قبل از نصب می‌توانند شناسایی و تصحیح شوند که منجر به صرفه‌جویی در زمان عیب‌یابی و هزینه در مقایسه با شناسایی مسائل پس از نصب و راه‌اندازی می‌شود.

4. سامانه‌ها را قبل و بعد از نصب، تست کنید.

استفاده از تجهیزات تست برای اندازه‌گیری ظرفیت، هارمونیک‌ها و EMI قبل و بعد از نصب به‌منظور ساده‌سازی فرآیند سیم‌کشی میدانی، حیاتی است. تست اولیه به طراحان در شناسایی موانع ممکن و پیاده‌سازی اقدامات حفاظتی قبل از بهره‌برداری سیستم کمک می‌کند. این مطالعات همچنین باید بعد از نصب، جهت اطمینان حاصل کردن از سیم‌کشی مناسب، انجام شود.

توجه دقیق به داده‌های دستگاه‌های میدانی در هنگام راه‌اندازی، استفاده ی حداکثر و تست ظرفیت سیستم، به‌راحتی عیب سیستم را شناسایی می‌کند. سطوح EMI و هارمونیک در این دوره‌ها می‌تواند متفاوت باشد، بنابراین چشم‌پوشی از ناسازگاری‌ها یا اشتباهات جمع‌آوری داده‌ها اغلب در کوتاه‌مدت پس از نصب، تصحیح شده و دستگاه می‌تواند به‌درستی کار کند. درصورتی‌که مسائل مربوط به جمع‌آوری داده‌ها شناسایی شوند، می‌توان به‌طور مستقیم با سازنده دستگاه‌های میدانی تماس گرفت تا جهت عیب‌یابی سریع و خدمات‌رسانی به سیستم، پشتیبانی صورت گیرد.

بدون نصب مناسب، استفاده از مزایای دستگاه‌های اندازه‌گیری و کنترل، غیرممکن است. داده‌های بلادرنگی که این دستگاه‌ها ارائه می‌کنند، تعمیر و نگهداری را ساده‌تر، خرابی را کمتر و کارایی سیستم را افزایش می‌دهد.

بااین‌حال، بدون سامانه‌های با عملکرد مناسب، اکثر سازمان‌ها هرگز به‌طور کامل به بازده واقعی سرمایه‌گذاری روی این دستگاه‌ها نمی‌رسند. با پیروی از بهترین شیوه‌ها برای سیم‌کشی و نصب دستگاه، طراحان، نصب کننده‌ها و مدیریت کارخانه می‌توانند به‌طور کامل از دستیابی به اطلاعات زمان واقعی و بدون دردسر ناشی از کارکرد دستگاه و عیب‌یابی و تست، بهره ببرند.

اصول مقدماتی کنترل و ابزار دقیق (IC)
ابزارهای اندازه گیری، دستگاه هایی هستند که قادر به آشکارسازی تغییراتِ فیزیکی یا غیرفیزیکی رخ داده در یک فرآیند مشخص می باشند. این ابزارها تغییرات رخ داده را به شکل خاصی از اطلاعات که برای کاربر قابل‌فهم باشد، تبدیل می کنند. به‌عنوان‌مثال، شکل 1 را در نظر بگیرید.
  

شکل 1. یک مثال از ابزارهای اندازه‌گیری

زمانی که سوییچ بسته می شود، مقاومت، تولید حرارت می کند و دمای مایع موجود در مخزن را افزایش می دهد. سپس این افزایش دما توسط یک ابزار اندازه گیری، تشخیص داده می شود و در مقیاس مناسب آن دستگاه، به نمایش درمی‌آید.
ما می توانیم اطلاعات مربوط به تغییرات فیزیکی رخ داده در یک فرآیند را با نشانگر مستقیم یا از طریق یک ثبت‌کننده دریافت نماییم.

نشانگر
ساده ترین روش ممکن برای اندازه گیری یک کمیت است و به ما این امکان را می دهد که از وضعیت فعلی متغیر در هرلحظه، مطلع باشیم.

شکل 2. اندازه‌گیری یک متغیر از طریق نشانگر

ثبت‌کننده
با استفاده از دستگاهی که قادر به ذخیره سازی داده باشد، می توانیم وضعیت فعلی یک متغیر و نحوه رفتار آن در زمان های گذشته را مشاهده نماییم. در حقیقت یک ثبت‌کننده، تاریخچه ی تغییرات یک متغیر را در اختیار ما قرار می دهد.

شکل 3. یک صفحه‌نمایش نشان می‌دهد که چگونه اندازه‌گیری‌ ها در طول زمان تغییر کرده است.

اجزای یک ابزار اندازه گیری
ابزارهای اندازه گیری در درجه اول از اجزای زیر تشکیل می شوند:
• حسگر (Sensor): حسگرها دستگاه هایی هستند که به‌واسطه ایجاد تغییر در فرآیندی که در حال اندازه گیری آن هستند، در برخی مشخصات فیزیکی آن ها نیز تغییراتی ایجاد می شود.
• تقویت کننده / شکل دهنده (Amplifier / Conditioner): تغییراتی که توسط حسگرها مشخص می شوند، ممکن است بسیار کوچک باشند. درنتیجه نیاز است در چنین شرایطی، سیگنال های مربوط به این تغییرات را ابتدا تقویت نموده و سپس آن ها را به‌گونه‌ای شکل داد که به‌صورت مناسب، قابل‌نمایش باشند.

• نمایشگر (Display): داده های اندازه گیری شده باید به شکلی قابل‌فهم برای کاربر به نمایش دربیایند. این کار را می توان از طریق ابزارهای اندازه گیری مدرّج (درجه‌بندی‌شده) یا نمایشگرهای الکترونیکی انجام داد. این نمایشگرها گاهی اوقات می توانند در نقش یک ثبت‌کننده نیز ظاهر شوند و اطلاعات مربوط به مقادیر قبلی متغیر یا روند تغییرات آن را ثبت و ضبط نمایند.

شکل 4. اجزای یک وسیله اندازه‌گیری

معمولاً اطلاعات تولید­شده توسط ابزار اندازه ­گیری، باید به یک مرکز کنترل (یا اتاق کنترل) که ازنظر فیزیکی در فاصله­ ای نسبتاً دور از ابزار اندازه­ گیری قرار گرفته است، منتقل شوند. به‌طورکلی این اطلاعات باید با یک سری مشخصه­ های معیّن مطابقت داشته باشند.

شکل 5. اطلاعات اندازه ‏گیری ‏شده از دستگاه به اتاق کنترل فرستاده می‌شوند.

چنانچه یک ابزار اندازه ­گیری، قابلیت ارسال اطلاعات را نیز داشته باشد، به آن یک فرستنده (XMTR) می­ گوییم.

طبقه‌بندی تجهیزات ابزاردقیق

 تجهیزات ابزاردقیق دارای طبقه‌بندی‌های مختلفی هستند. به عنوان مثال، می‌توان آن ها را به عنوان تجهیزات ابزاردقیق In-field یا تجهیزات ابزاردقیق پانل طبقه‌بندی نمود. تجهیزات ابزاردقیق In-field در نزدیکی فرآیند یا نقطه اندازه‌گیری نصب می‌شوند. چنانچه در شرایط سخت محیطی قرار بگیرند، باید از نظر فیزیکی قوی باشند. تجهیزات ابزاردقیق پانل در فضای محیطی کنترل شده مستقرند (غالبا یک فضای تمیز با تهویه مطبوع و رطوبت کنترل شده).

طبقه‌بندی دیگر شامل تجهیزات ابزاردقیق نیوماتیک در مقایسه با تجهیزات ابزاردقیق الکتریکی / الکترونیکی است.

تجهیزات ابزاردقیق نیوماتیک

همانطور که از نام آن پیداست، این دستگاه‌ها با هوا فعال می‌شوند.

عدم مصرف برق یکی از مزایای تجهیزات ابزاردقیق نیوماتیک به شمار می‌رود، بنابراین می‌توان از آن ها در مناطقی استفاده نمود که بکارگیری نیروی برق، خطرناک یا پر دردسر است. تجهیزات ابزاردقیق نیوماتیک برحسب یک متغیر واحد کار می‌کنند، این تجهیزات، غیردقیق و تحت تاثیر ارتعاشات و تغییرات دما هستند و دارای الزامات نگهداری بالایی می‌باشند. سیگنال خروجی فرستنده‌ها بین 3 تا 15 psi و بیشینه فاصله انتقال تقریبا در حدود 200 متر است.

شکل 1: نمودار اصلی یک تجهیز ابزاردقیق پنوماتیک

تجهیزات ابزاردقیق الکتریکی/ الکترونیکی

تجهیزات ابزاردقیق الکترونیکی به سه دسته کلی آنالوگ، آنالوگ هوشمند و دیجیتالی تقسیم‌بندی می‌شوند.

آنالوگ:

• خروجی سیگنال: 4-20 میلی‌آمپر
• فاصله انتقال: 1200 متر (به طور معمول)
• انتقال داده برحسب یک متغیر صورت می‌پذیرد
• دقت خوب
• نگهداری آسان

شکل 2: نمودار اصلی یک تجهیز ابزاردقیق الکترونیکی (XMTR)

آنالوگ هوشمند:

• مشخصه‌یابی سنسور به عنوان اندازه‌گیر دما، فشار استاتیک و غیره
• دقت عالی
• خود- تشخیصی (به عنوان مثال، سنسور می‌تواند مشکلات را برحسب عملکرد خود مورد تحلیل قرار دهد)
• تک متغیره

دیجیتال:

• ابزارهای متعدد می‌توانند از یک کابل منفرد استفاده کنند.
• انتقال مقادیر متعدد برای هر ابزار (متغیرهای فرآیند، کالیبراسیون، تشخیص، محدوده)
• فاصله: حدود 1900 متر بدون تکرار کننده
• ظرفیت داده تحت تأثیر مود انتقال (کابل، فیبر نوری، بي سيم) است.

شکل 3: فرستنده‌های دیجیتال

• شیرهای یکطرفه (None Return or Check Valve)

از این نوع شیر برای جلوگیری از بازگشت موادی که به مقصد فرستاده می شوند استفاده می گردد. طرز عملکرد این شیرها به این صورت است که فشار سیال دریچه ی شیر را بلند کرده و باعث عبور سیال می شود و تا زمانی که فشار زیر دریچه بیشتر از فشار روی آن باشد، شیر باز می ماند و عبور مایع یا گاز ادامه می یابد. اگر به هر علتی فشار زیر دریچه کمتر از فشار روی آن شود، وزن خود دریچه و موادی که قصد برگشتن دارند باعث بسته شدن شیر و جلوگیری از بازگشت مواد می شود. این شیرها در انواع مختلفی ساخته می شوند که عبارتند از:

• شیرهای توپی یکطرفه

این شیر دارای یک توپ در فضای استوانه ای است که هنگام عبور جریان بالا آمده و مسیر جریان باز می شود ولی در صورت برگشت جریان، به محل نشست برگشته و مسیر عبور را مسدود می کند.

• شیر یکطرفه دیسکی

این شیر مانند شیر یکطرفه توپی عمل می کند، اما به جای توپ دارای یک صفحه است که به بدنه لولا شده است.

• شیر یکطرفه فنردار

این شیر دارای یک پیستون متصل به فنر است که در یک فضای استوانه ای حرکت می کند. جریان در مسیر رفت به پیستون فشار آورده و آن را از محل نشیمن گاه بلند کرده و باعث عبور جریان می شود، ولی در صورت برگشت جریان، پیستون در اثر نیروی فنر به محل نشیمن گاه برگشته و مسیر عبور را مسدود می کند.

• شیر دیافراگمی (Diaphragm Valve)

این شیر از یک پرده لاستیکی تقویت شده یا جنس قابل ارتجاع دیگر ساخته شده است که داخل بدنه ی شیر به ساقه ی شیر متصل شده است که با حرکت آن پرده ی قابل ارتجاع بالا و پایین شده و مجرای عبور سیال را کم و زیاد و در نتیجه مقدار عبور سیال را کنترل می کند.

از این نوع شیر برای کنترل مواد خورنده مانند اسیدها استفاده می شود. این شیر به طور کامل آب بند است و نیاز به وسایل آب بندی ندارد. در صورتی که مواد از اطراف شیر بیرون بریزد نشان گر سوراخ شدن پرده است. باید توجه داشت که به کار بردن این شیر در دماهای بالا به دلیل ذوب شدن پرده بی فایده است. از این نوع شیر در دماهای کم و فشارهای پایین استفاده می شود.

• شیر اطمینان (Safety or Relief)

تاسیسات تحت فشار که حاوی گاز یا مایع هستند، اغلب شرایط کارشان طوری است که با فشار بالا رونده ولی تحت کنترل مواجه می باشند. برخی اوقات ممکن است ابزارهای کنترل کننده دچار مشکل شوند و کار خود را انجام ندهند و باعث بالا رفتن بیش از حد مجاز فشار دستگاه ها شوند که در این صورت امکان انفجار و بروز خسارات مالی و جانی وجود دارد. برای جلوگیری از چنین حالتی علاوه بر ابزار های کنترل کننده، از وسیله ی دیگری به نام شیر ایمنی روی دستگاه های تحت فشار استفاده می کنند که در صورت بالا رفتن فشار از حد مجاز به صورت خودکار عمل کرده و با باز شدن و خارج کردن مقداری از محتوی سیال مایع یا گاز دستگاه، فشار ان تا حد مجاز پایین بیاورد.

گازهای خارج شده در این شیرها اگر سمی یا اشتعال زا باشند به سمت فلر فرستاده می شوند، در غیر اینصورت در فضا رها می شوند. انواع این شیرها عبارتند از:

Safety valve که روی ظروف محتوی گاز فشار بالا نصب می شوند و به شیر ایمنی فشار معروف می باشند. نحوه ی باز شدن شیرهای اطمینان فشار و مشخصات کاری آن ها ارتباط مستقیم با نحوه ی طراحی قطعات داخلی شیر دارد. در اغلب موارد این طراحی به گونه ای انجام می گیرد که پس از شروع باز شدن شیر، در اثر ازیاد فشار شیر به یک باره و به سرعت تا حد کامل باز می شود.

Relief Valve که روی ظروف محتوی  مایع فشار بالا نصب می شوند و به شیر فشارکن معروف می باشند. با رسیدن فشار بالا دست به فشار مقرر متناسب با مقدار فشار بالا دست باز می شوند و  برخلاف شیرهای PSV به طور ناگهانی عمل نمی کنند.

Safety and Relief Valve که روی ظروف محتوی گاز و مایع فشار بالا نصب می شوند. استفاده از این شیرها خیلی متداول است. معمولا این شیرها طوری طراحی و تنظیم می شوند که وقتی فشار دستگاه 10% از حد مجاز بالاتر برود باز شوند و وقتی 10% از حد مجاز پایین تر برود بسته شوند.

• شیرهای کنترل

معمولا در واحدهای صنعتی شیرهای متعددی به کار برده می شوند که اغلب آن ها درمواقع راه اندازی و یا از سرویس خارج کردن دستگاه ها یک بار با دست باز و بسته می شوند، اما در یک واحد صنعتی علاوه بر این شیرها شیرهای دیگری نیز وجود دارند که به طور دائم به صورت خودکار باز و بسته می شوند و عملیات واحد را کنترل می کنند. ساختمان شیرهای کنترل همانند شیرهای دستی می باشد با این تفاوت که برای باز و بسته کردن شیر از یک عامل نیرو محرکه استفاده می شود که به آن اکچویتور  (actuator) گفته می شود. سه نوع محرک برای شیرها وجود دراد:

نوع اول محرک Multi Turn  است برای شیرهای کشویی، کروی و دیافراگمی استفاده می شود.

نوع دوم محرک ربع گرد است که در شیرهای پروانه ای، سماوری و توپی مورد استفاده قرار می گیرد.

نوع سوم نیز محرک خطی است که در شیرهای کشویی، کروی و دیافراگمی مورد استفاده قرار می گیرد.

اکچویتور شیر می تواند به یکی از سه صورت زیر باشد:

1. شیرهایی که با سیگنال الکتریکی عمل می کنند و دو دسته می شوند:

• در شیرهای سولنوئیدی یک سیم پیچ حول ساقه ی شیر کنترل پیچیده شده است.عبور جریان الکتریکی از سیم پیچ نیرویی ایجاد می کند که باعث باز و بسته شدن شیر کنترل می شود. از این شیرها در مواقعی که جهت باز و بسته شدن شیر به نیروی کم نیاز باشد استفاده می شود.

• شیرهای موتوری که در آن ها ساقه ی شیر به وسیله ی یک موتور که به آن متصل است حرکت می کند. از این شیرها در مواقعی که استفاده می شود که برای کنترل دبی زیاد گاز یا مایع قدرت زیادی لازم باشد.

2. شیرهایی که با سیگنال بادی عمل می کنند. در این شیرها دیافراگم قابل ارتجاع و فنری وجود دارد که در اثر فشار هوای وارد شده باعث فشردگی فنر شده و میزان باز یا بسته بودن شیر را تعیین می کند.

3. شیرهایی که با سیگنال هیدرولیکی عمل می کنند.