الغشاء الخزفي + التخثر: إزالة عالية الكفاءة للمواد العضوية الطبيعية (NOM) مع توفير المساحة!

يؤثر تغير المناخ بشكل عميق على محتوى وخصائص NOM في المياه السطحية من خلال آليات معقدة مختلفة، مما يجعل NOM ملوثًا أساسيًا في معالجة مياه الشرب. تظهر مصادر المياه NOM العالية بشكل عام ألوانًا عالية وDOC عالية (جرعات لكل وحدة مساحة). لا يسبب NOM مشاكل اللون والرائحة في المسطحات المائية فحسب، بل يتفاعل أيضًا مع المطهرات لتوليد منتجات ثانوية مسرطنة.

تتسم عمليات معالجة مياه الشرب التقليدية بكفاءة محدودة في إزالة NOM، في حين تعاني عمليات الأغشية العضوية التقليدية من عيوب مثل القابلية للتلوث وضعف مقاومة التآكل. يوفر الغشاء الخزفي المقترن بعملية التخثر حلاً مبتكرًا ومنخفضًا-لاستهلاك الطاقة-وصغير الحجم وعالي الثبات لتنقية المياه السطحية ذات -NOM العالية.

قام فريق بحث أوروبي بتصميم ومقارنة ثلاثة نماذج للمعالجة المسبقة للتخثر والتلبد، مما يحقق التحسين المستمر لتدفق العملية مع ضمان فعالية العلاج:

1. التخثر/التلبد في الخزان التقليدي-

وباعتبارها وضع معالجة كلاسيكي، تستخدم هذه العملية تصميم تفاعل على مرحلتين-: خزان خلط سريع وخزان تلبد بطيء. يتم خلط الماء الخام والمواد المخثرة جيدًا في خزان الخلط السريع قبل دخولها إلى خزان التلبد لاستكمال نمو الكتلة، مع إجمالي وقت الاحتفاظ الهيدروليكي (HRT) يبلغ 21 دقيقة. يوفر هذا الوضع تفاعلًا شاملاً ولكنه يتطلب مساحة كبيرة وتكاليف إنشاء عالية.

2. وضع الخلط السريع

يعمل هذا الوضع على تبسيط تدفق العملية، مما يزيل خزان التلبد البطيء ويحتفظ فقط بوحدة الخلط السريع. يتم خلط مادة التخثر والماء الخام ويدخلان مباشرة إلى وحدة الغشاء، مما يقلل وقت الاحتفاظ الهيدروليكي إلى 7 دقائق. مع الحفاظ على فعالية العلاج الأساسية، فإنه يبسط بشكل كبير تكوين المعدات.

3. وضع التلبد الأنبوبي عبر الإنترنت

هذا هو الحل المدمج الأكثر ابتكارًا في هذه الدراسة. تدفق العملية هو كما يلي: الماء الخام + مادة التخثر ← خلط مضخة تغذية الغشاء ← الندف الأنبوبي ← الغشاء الخزفي ← تتخلل. لا يوجد خزان رد فعل طوال العملية؛ يتم الانتهاء من الخلط والتلبد عبر خطوط الأنابيب. يبلغ وقت الاحتفاظ الهيدروليكي (HRT) 45 ثانية فقط، ويتم التحكم في قيمة G- عند 330 ثانية⁻¹. لديها أصغر بصمة بين الأوضاع الثلاثة.

استخدمت التجربة غشاء سيراميك، والذي، نظرًا لخصائصه المادية غير العضوية المتمثلة في المقاومة الكيميائية والقوة الميكانيكية العالية، أصبح الدعم الأساسي للأجهزة لتشغيل العملية بشكل مستقر.

استخدمت الدراسة DOC واللون والأشعة فوق البنفسجية كمؤشرات تقييم NOM وفرق ضغط الغشاء (TMP) كمؤشر لتقييم تلوث الغشاء، مما يؤدي إلى تحسين النوع والجرعة وقيمة الرقم الهيدروجيني لمواد التخثر.

قارنت التجربة بين كلوريد الألومنيوم المتعدد وكلوريد الحديديك، وكانت النتائج مفيدة للغاية:

إزالة المستند:

حققت أملاح الألومنيوم معدل إزالة يتراوح بين 50%-85% عند درجة حموضة 5.5، وتزداد مع زيادة الجرعة.

حققت أملاح الحديد معدل إزالة أقصى قدره 87% عند درجة حموضة 4.5 و10 ملغم/لتر.

إزالة اللون:

Aluminum salts were optimally removed at pH 5.5, with a dosage as low as 2 mg/L achieving a removal rate >90%.

تمت إزالة أملاح الحديد على النحو الأمثل عند درجة حموضة 5.0، الأمر الذي يتطلب 6... ويتطلب تحقيق نتائج معادلة تركيزات أعلى من ملجم/لتر.

والنتيجة الرئيسية للدراسة هي أن المزيد من التخثر ليس بالضرورة أفضل.

عند 2 ملجم/لتر من ملح الألومنيوم: عدم كفاية تحييد الشحنة، وتكتلات صغيرة، وسهولة انسداد مسام الغشاء.

عند 5 ملغم/لتر من ملح الألومنيوم: قد تحدث إعادة استقرار الشحنة، أو قد يكون الحمل على سطح الغشاء مرتفعًا جدًا.

عند 3 ملغم/لتر من ملح الألومنيوم: يكون تلوث الغشاء في أدنى مستوياته، ويكون التشغيل أكثر استقرارًا.

وهذا يعني أن تحسين الجرعة أكثر أهمية من زيادتها بشكل أعمى.

فيما يتعلق بقاذورات الأغشية، فإنه يظهر ثباتًا قويًا للغاية، مع تلوث غشائي منخفض جدًا لا رجعة فيه. عند جرعة ملح الألومنيوم التي تبلغ 3 ملجم Al/L، يصل معدل تلوث الغشاء إلى المستوى الأمثل، مع ارتفاع ضغط الدورة الواحدة- بحوالي 40 ملي بار فقط. ومع الغسيل العكسي المنتظم، يمكن الحفاظ على التشغيل المستقر على المدى الطويل-.

ومن الجدير بالذكر أن تركيز المعدن المتبقي في النفايات السائلة هو مؤشر أساسي يحد من تشغيل العملية. ضمن نطاق الأس الهيدروجيني الأمثل الذي يتراوح بين 4.5-5.5 لإزالة NOM، تتجاوز التركيزات المتبقية من الألومنيوم والحديد بسهولة 150 ميكروغرام/لتر (حدود الألومنيوم في "معايير جودة مياه الشرب GB5749-2022" هي 200 ميكروغرام/لتر وللحديد 300 ميكروغرام/لتر). في الهندسة العملية، من الضروري تحقيق التوازن بين قيمة الرقم الهيدروجيني وجرعة التخثر، مع الأخذ في الاعتبار كفاءة الإزالة وسلامة النفايات السائلة.

كشفت مقارنة بين أوضاع المعالجة الثلاثة:

بلغت معدلات إزالة اللون وDOC حوالي 80%، مع اختلافات ضئيلة.

وكانت معدلات تلوث الغشاء الذي لا رجعة فيه مماثلة (0.06-0.10 ملي بار / ساعة).

ظلت تعكر النفايات السائلة باستمرار أقل من 0.1 NTU.

لم تظهر الأوضاع الثلاثة أي اختلاف كبير في كفاءة إزالة NOM، لكن وضع التلبد الأنبوبي عبر الإنترنت، مع -وقت الاحتفاظ الهيدروليكي القصير للغاية الذي يبلغ 45 ثانية والتصميم البسيط بدون خزان التفاعل، أصبح الخيار الأمثل.

تؤكد هذه الدراسة أن عملية التخثر-والتلبد + الغشاء الخزفي تنطبق بشكل كامل على احتياجات تنقية المياه السطحية التي تحتوي على نسبة عالية من NOM (محتوى الأكسجين الطبيعي): جرعة التخثر المنخفضة تحقق معالجة متوافقة؛ الغشاء الخزفي قابل للغسل وله عمر طويل؛ واستهلاكها للطاقة التشغيلية أقل بكثير من العمليات التقليدية. يكسر وضع التلبد الأنبوبي عبر الإنترنت قيود البصمة الكبيرة المتأصلة في عمليات معالجة المياه التقليدية، مما يوفر الدعم الفني لبناء محطات مياه الشرب المدمجة والذكية.

في مواجهة معايير جودة مياه الشرب الصارمة بشكل متزايد والتحديات المتمثلة في تلوث مياه المصدر، فإن عملية المعالجة المسبقة للأغشية الخزفية-تعمل على موازنة فعالية المعالجة مع انخفاض تكاليف الهندسة المدنية. بفضل مزاياه الأساسية المتمثلة في كفاءة الإزالة- العالية، والتلوث المنخفض، والتصميم المدمج، وانخفاض استهلاك الطاقة، فإنه يوفر أسلوبًا جديدًا لمحطات المياه التي تتعامل مع مصادر المياه ذات المحتوى العالي من -العضوية- (مثل مياه الخزان في الجنوب وبعض مياه الأنهار في الشمال).