عملية التفريغ في معالجة مياه الصرف الصحي

يعتبر تفريغ الغاز والتهوية عمليتين شائعتين لنقل الكتلة في معالجة المياه. الأول هو إزالة الغاز المذاب في الماء، بينما الثاني هو إذابة الغاز (الهواء) في الماء.

تنتمي عملية تفريغ الغاز إلى عملية فصل نقل الطور الغازي السائل، أي يتم إدخال الغاز (الغاز الحامل) إلى مياه الصرف الصحي لجعلها متلامسة بشكل كامل مع بعضها البعض، بحيث يمر الغاز المذاب والمواد المذابة المتطايرة في مياه الصرف الصحي. واجهة الغاز السائل ونقلها إلى الطور الغازي، وبالتالي تحقيق الغرض من إزالة الملوثات. ولذلك، فإن عملية التفريغ غالبا ما تسمى "تجريد".

غالبًا ما تحتوي المياه ومياه الصرف الصحي على غازات مذابة، وتحتوي المياه الطبيعية على مجموعة متنوعة من الغازات. وبما أن الأكسجين والنيتروجين هما المكونان الرئيسيان للغلاف الجوي، فإن المياه السطحية تحتوي بشكل أساسي على هذين الغازين. ثاني أكسيد الكربون هو عنصر مشترك آخر في الغلاف الجوي، وتختلف تركيزه من مكان إلى آخر، ويعتمد إلى حد كبير على الإنتاج الصناعي وظروف الاستيطان البشري في المنطقة.

ولذلك، فإن ثاني أكسيد الكربون هو أيضًا غاز شائع في الماء. على سبيل المثال، يتم إنتاج كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون عندما يتم تحييد مياه الصرف الصحي المحتوية على حامض الكبريتيك بالحجر الجيري، كما يتم إنتاج كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون أيضًا عندما تمر المياه عبر مبادل أيونات الهيدروجين أثناء عملية التليين وتحلية المياه.

تختلف خصائص النيتروجين والأكسجين تمامًا عن خصائص ثاني أكسيد الكربون. لن يتأين الاثنان السابقان في الماء، وبالتالي فإن هذه الجزيئات ستنتج ضغط الغاز في المحلول؛ ينتج ثاني أكسيد الكربون حمض الكربونيك القابل للتأين في الماء، لذا فإن الأجزاء التي لم تتفاعل بعد هي فقط التي تنتج ضغط الغاز. عندما تكون قيمة الرقم الهيدروجيني أقل من 4.5، فإن كل ثاني أكسيد الكربون المذاب في الماء يوجد في شكل غاز؛ عندما تكون قيمة الرقم الهيدروجيني أعلى من 8.5، يتأين ثاني أكسيد الكربون بالكامل.

وتشمل الغازات المؤينة الشائعة الأخرى كبريتيد الهيدروجين (H2S)، وHCN، وNH3.

يؤثر تنفس الكائنات الحية على تكوين الغازات في الماء. يمكن لبكتيريا التربة أن تنتج كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون في مياه الآبار؛ لا يوجد أكسجين في مياه الآبار العميقة لأن بعض البكتيريا استهلكت الأكسجين من المياه السطحية المتسربة. ينتج الحطام العضوي الموجود في قاع المستنقعات والبحيرات الضحلة بشكل عام كبريتيد الهيدروجين والميثان بعد التحلل اللاهوائي، ويوجد غاز الميثان أحيانًا في مياه الآبار.

قد تؤدي الغازات المذكورة أعلاه إلى تآكل النظام، أو تكون ضارة في حد ذاتها، أو تضر بالمعالجة اللاحقة، لذا يجب فصلها وإزالتها.

الغرض الرئيسي من عملية التفريغ هو إزالة الغازات الضارة المختلفة من الماء، في حين أن الغرض الرئيسي من التهوية هو أكسجة الماء. إن عملية تفريغ الغاز هي في الأساس عملية نقل طور فيزيائي، في حين أن التهوية أكثر تعقيدًا. جنبا إلى جنب مع الأكسجين الموجود في الهواء الذي يدخل الماء، ستحدث بعض تفاعلات الأكسدة في نفس الوقت. لذلك فهي عملية فيزيائية كيميائية وحتى كيميائية حيوية.

مع دخول العمليات البيوكيميائية في مجال معالجة مياه الصرف الصحي، حظيت تكنولوجيا التهوية أيضًا بالاهتمام. على سبيل المثال، تكنولوجيا الترشيح البيولوجي الهوائي، وتقنية SBR (معالجة الحمأة المنشطة بالدفعة التسلسلية)، وما إلى ذلك.

وفقًا لنظرية توازن الطور الغازي السائل ومعدل نقل الكتلة، في نظام ثنائي الطور بين الغاز والسائل، يتناسب الضغط الجزئي للغاز المذاب في الطور الغازي مع تركيز الغاز في الطور السائل.

عندما يكون الضغط الجزئي لطور الغاز للمكون أقل من الضغط الجزئي لتوازن طور الغاز المقابل لتركيز المكون في محلوله، سيحدث نقل جماعي للمكون المذاب من الطور السائل إلى الطور الغازي. يعتمد معدل نقل الكتلة على الفرق بين الضغط الجزئي المتوازن للمكونات والضغط الجزئي للطور الغازي.

تختلف علاقة توازن الطور الغازي السائل ومعدل نقل الكتلة باختلاف نظام المادة ودرجة الحرارة وظروف التلامس في المرحلتين. بالنسبة لنظام مادة معين، عن طريق زيادة درجة حرارة الماء، باستخدام الهواء النقي أو عملية الضغط السلبي، وزيادة منطقة الاتصال بالغاز والسائل والوقت، وتقليل مقاومة انتقال الكتلة، يمكن تقليل تركيز المحلول في الماء والكتلة يمكن زيادة معدل النقل.

تتناسب ذوبان الغاز في السائل مع الضغط الجزئي المتوازن للغاز على سطح السائل، وهو قانون هنري. قانون آخر مهم حول ذوبان الغاز هو قانون دالتون، الذي ينص على أن الضغط الكلي للغاز المختلط يساوي مجموع الضغوط الجزئية لكل من هذه الغازات، وهذا يرتبط مباشرة بنسبتها المولية أو نسبة الحجم.

على سبيل المثال، يحتوي الهواء عمومًا على 80% نيتروجين و20% أكسجين، ويكون الضغط الجوي عادةً 101325 باسكال (760 ملم زئبقي). ينص قانون دالتون على أن الضغط الجزئي للأكسجين في الهواء يبلغ 152 مم زئبق (0.20X760 مم زئبق)، والضغط الجزئي لـ N2 هو 608 مم زئبق (0.80×760 مم زئبق).

درجة الحرارة لها تأثير كبير على ذوبان الغاز. عندما ترتفع درجة الحرارة، سوف تنخفض الذوبان. وذلك لأن الزيادة في درجة الحرارة تؤدي إلى زيادة ضغط بخار الماء نفسه، بحيث تقوم جزيئات الماء الفائضة من الواجهة السائلة والغازية بحمل جزيئات الغاز الأخرى بعيدًا.

هناك عامل آخر له تأثير مهم على ذوبان الغاز وهو انتشار جزيئات الغاز في الماء. عندما ترتفع درجة الحرارة، يتسارع نشاط الغاز، وتقل لزوجة الماء، ويزداد معدل الانتشار.

1. خزان التفريغ

خزان التفريغ هو أبسط مرافق التفريغ وأكثرها فعالية. ويمكن الاعتماد على الاتصال بين السائل والهواء على سطح حمام السباحة لإزالة الغازات الذائبة. يسمى خزان التفريغ هذا بخزان التفريغ الطبيعي، وهو مناسب للغازات الذائبة المتطايرة ويمكن استخدامه لامتصاص بخار المكثفات الحمضية. درجة حرارة الماء مرتفعة، وسرعة الرياح عالية، وهناك مناطق مفتوحة وليس من السهل إنتاج تلوث ثانوي. يرتبط تأثير التفريغ عمومًا بوقت التخزين وعمق طبقة الماء ومساحة سطح السائل.

لتعزيز تأثير تفريغ الغاز، يمكن عادةً تركيب أنبوب تنفيس بلاستيكي به ثقوب في حوض السباحة أو يمكن تركيب أنبوب رش الماء على سطح الماء، والذي يصبح حوضًا معززًا لتفريغ الغاز. يجب أن يكون ارتفاع تركيب أنبوب رش الماء من 1.2 إلى 1.5 متر من سطح الماء. لمنع فقدان الماء، يمكن إضافة حواجز أو مصاريع حولها.

يمكن أيضًا تصميم حوض التفريغ على شكل حوض سباحة مستطيل الشكل. يتم إضافة عدة أقسام إلى المسبح بشكل متعمد لزيادة درجة تقسيم الماء، ويتم تركيب أنبوب بلاستيكي به فتحات في قاع الماء للتهوية.

2. برج التفريغ

من أجل تحسين كفاءة تفريغ الغاز، واستعادة الغازات المفيدة، وتجنب التلوث الثانوي، عادة ما يتم استخدام برج تفريغ الغاز لتحقيق هذا الغرض. بشكل عام، أبراج التفريغ تكون من نوع التعبئة أو نوع اللوحة.

الأول هو برج تفريغ معبأ، حيث تتم إضافة الماء إلى أعلى البرج، أحيانًا من خلال أنبوب نفاث، ويتدفق السائل إلى الأسفل بطريقة تشبه الفيلم من خلال سطح التعبئة (مثل حلقات راشيكج)، و يتم نفخ الهواء من أسفل البرج، في مرحلة مستمرة، من الأسفل إلى الأعلى، في اتصال معاكس مع مياه الصرف الصحي.

يستخدم الهواء عمومًا كغاز الامتزاز لإزالة الغازات غير الذائبة، مثل ثاني أكسيد الكربون أو الأمونيا أو كبريتيد الهيدروجين أو الميثان. غالبًا ما تستخدم أبراج التفريغ المعبأة في المصافي ومصانع الورق لامتصاص بخار المكثفات الحمضية.

برج تفريغ آخر هو نوع من الألواح، السمة الرئيسية له هي أنه يتم تثبيت عدد معين من اللوحات في البرج، وتتدفق مياه الصرف الصحي أفقيًا من خلال اللوحات وتتدفق إلى اللوحة التالية من خلال النازل. يمر الهواء عبر طبقة الماء على اللوحة بطريقة فقاعية أو نفثية، ويتغير تكوين الطور الغازي وطور الماء في البرج بخطوات على طول ارتفاع البرج.

يمكن استخدام الغاز المنبعث من مياه الصرف الصحي ذهابًا وإيابًا من خلال الامتصاص. على سبيل المثال، يتم استخدام محلول NaOH لامتصاص HCN المجرد لتوليد NaCN، ويتم امتصاص H2S لتوليد Na2S، ثم يتم تبخير المحلول المشبع وتبلوره. يمكن أيضًا امتصاص كبريتيد الهيدروجين بواسطة الكربون المنشط، وبعد وصوله إلى مرحلة التشبع، يتم غسله بمحلول كبريتيد النيتروز، ويمكن استعادة الكبريت بعد التبخر.