شرح تفصيلي لعملية الترسيب الكيميائي: مبادئ إزالة الفوسفور والمعادن الثقيلة وأيونات الصلابة

يمكن للمعالجة البيولوجية التقليدية أن تتحلل بكفاءة معظم COD في الماء، ومع إضافة عمليات نزع النتروجين بنقص الأكسجين، يمكن أيضًا إزالة إجمالي النيتروجين بشكل فعال. ومع ذلك، بالنسبة للفوسفور وأيونات المعادن الثقيلة وأيونات الصلابة، فإن تأثير الإزالة للعمليات البيولوجية البسيطة محدود: لا يمكن للكائنات الحية الدقيقة استيعاب سوى كمية صغيرة من الفوسفور من خلال نموها واستقلابها، وهو ما لا يمكنه تلبية المعايير بشكل ثابت؛ في حين أن المعادن الثقيلة وأيونات الصلابة لا يمكن أن تتحلل حيويا، ولا يمكن للأنظمة البيولوجية أن تحقق إزالة فعالة. تعتبر أيونات المعادن الثقيلة سامة للكائنات الحية الدقيقة، ويمكن للتركيزات الأعلى قليلاً أن تمنع التفاعلات البيولوجية؛ تذوب أيونات الصلابة تمامًا في الماء، ولا تستطيع الأنظمة البيولوجية إزالتها.

للتعامل مع هذه المواد، يعد الترسيب الكيميائي ضروريًا-وإضافة عوامل كيميائية لتسبب تغير الأيونات المستهدفة من الحالة الذائبة إلى الحالة غير القابلة للذوبان والترسيب، والذي تتم بعد ذلك إزالته من خلال فصل السائل-الصلب.

المنطق الأساسي للترسيب الكيميائي هو قاعدة منتج الذوبان: إضافة عوامل الترسيب إلى مياه الصرف الصحي تؤدي إلى اندماج أيونات الملوثات الذائبة في الماء مع العوامل، مما يشكل مواد صلبة يصعب ذوبانها في الماء. عندما يتجاوز تركيز هذه المواد حد القدرة الاستيعابية (منتج الذوبان Ksp) للجسم المائي، فإنها سوف تترسب تلقائيًا من الماء، وتشكل رواسب للانفصال.

المفتاح هو أن كمية المرسب المضافة يجب أن تكون كافية لتقليل تركيز الأيونات المستهدفة إلى المستوى المطلوب، ولكن ليس بشكل مفرط-قد يتسبب المرسب الزائد في حدوث تلوث ثانوي (مثل أيونات المعادن والأملاح المتبقية) وزيادة إنتاج الحمأة.

الفوسفور هو السبب الرئيسي للتخثث في المسطحات المائية، ومعايير تصريف الفوسفور الكلي أصبحت صارمة على نحو متزايد. تعتمد عملية الإزالة البيولوجية للفوسفور على البكتيريا المتراكمة -من متعدد الفوسفات لإطلاق الفوسفور لاهوائيًا ثم إزالة الفوسفور الزائد مع الحمأة المتبقية أثناء العمليات الهوائية. ومع ذلك، فإن معدل الإزالة محدود. عندما يكون إجمالي الفوسفور في السائل مرتفعًا جدًا، فإن إزالة الفوسفور البيولوجي غير كافية للوفاء بالمعايير بشكل موثوق، ويجب استخدام إزالة الفسفور الكيميائي كإجراء احتياطي.

المبدأ: تؤدي إضافة أملاح الألومنيوم (PAC) أو أملاح الحديد (كبريتات البوليفريك) إلى تفاعل أيونات المعادن مع أيونات الفوسفات لتكوين فوسفات الألومنيوم أو رواسب فوسفات الحديد؛ يمكن أيضًا إضافة الجير (Ca(OH)₂) لتكوين رواسب هيدروكسي فوسفات الكالسيوم تحت الظروف القلوية.

تفاعل ملح الألومنيوم: Al³⁺ + PO₄³⁻ → AlPO₄↓؛

تفاعل ملح الحديد: Fe³⁺ + PO₄³⁻ → FePO₄↓؛

تفاعل الجير: 5Ca²⁺ + 4OH⁻ + 3PO₄³⁻ → Ca₅(OH)(PO₄)₃↓;

موقع الإضافة: هناك ثلاثة خيارات. تؤدي الإضافة المسبقة-قبل خزان المعالجة البيولوجية إلى وقت تفاعل طويل، ولكن تأثير أملاح الألومنيوم على الكائنات الحية الدقيقة يظل مثيرًا للجدل؛ تستخدم الإضافة المتزامنة في نهاية القسم الهوائي لخزان المعالجة البيولوجية التهوية والتحريك لتعزيز التفاعل، وهو الأسلوب الأكثر شيوعًا في محطات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية، ويعزز المخثر تلبد الحمأة المنشطة؛ بعد -الإضافة بعد خزان الترسيب الثانوي، في قسم المعالجة المتقدمة، يتم إزالة الفسفور المتبقي بشكل مباشر ودقيق، ويتطلب أقل جرعة، وينتج أقل قدر من الحمأة، ولكنه يتطلب منشأة تفاعل وترسيب منفصلة. يعتمد الاختيار المحدد على تدفق العملية ومتطلبات الامتثال للفوسفور.

النقاط التشغيلية الرئيسية: إن مفتاح إزالة الفسفور الكيميائي هو مطابقة جرعة المادة الكيميائية مع إجمالي تركيز الفوسفور في السائل المتدفق. عندما يتقلب تركيز الفسفور الإجمالي في السائل بشكل كبير، يكون من الضروري استخدام مقياس الفسفور الإجمالي عبر الإنترنت أو أخذ عينات دورية لضبط الجرعة. يحتاج الرقم الهيدروجيني للنفايات السائلة إلى الاهتمام-فإضافة أملاح الألومنيوم والحديد تستهلك القلوية، وتنخفض كفاءة إزالة الفوسفور عندما يكون الرقم الهيدروجيني أقل من 6؛ ستؤدي إضافة الجير إلى رفع درجة الحموضة السائلة، مما يتطلب التعديل. تحتوي الحمأة الكيميائية الناتجة عن إزالة الفوسفور على كمية كبيرة من المواد غير العضوية ولها أداء جيد في نزح المياه؛ وينبغي التخلص منها بشكل منفصل عن الحمأة البيولوجية قدر الإمكان.

تحتوي مياه الصرف الصحي الناتجة عن صناعات مثل الطلاء الكهربائي والمعادن والتعدين والإلكترونيات على أيونات معادن ثقيلة مثل النحاس والزنك والرصاص والكادميوم والنيكل والكروم. تعتبر المعادن الثقيلة شديدة السمية وغير قابلة للتحلل-، مما يتطلب رقابة صارمة.

المبدأ: تؤدي إضافة القلويات (NaOH, Ca(OH)₂) أو الكبريتيدات (Na₂S, NaHS) إلى ترسيب أيونات المعادن الثقيلة على شكل هيدروكسيدات أو كبريتيدات. يُعد ترسيب الهيدروكسيد طريقة بسيطة ومنخفضة-التكلفة، مما يجعلها الطريقة السائدة. يحتوي ترسيب الكبريتيد على منتج ذوبان أصغر وكفاءة إزالة أعلى (خاصة بالنسبة للزئبق والكادميوم)، ولكن إضافة الكبريتيد المفرطة تنتج غاز H₂S السام، مما يتطلب ظروفًا قلوية لمنع هروب H₂S. بالنسبة للكروم سداسي التكافؤ (Cr⁶⁺) الموجود في مياه الصرف الصحي المحتوية على الكروم، يجب أولاً اختزاله إلى كروم ثلاثي التكافؤ (Cr³⁺) باستخدام عامل اختزال (ثنائي كبريتيت الصوديوم، ميتابيسلفيت الصوديوم)، ثم ترسيبه على هيئة Cr(OH)₃ مع مادة قلوية.

النقاط التشغيلية الرئيسية: يعد التحكم في درجة الحموضة أمرًا بالغ الأهمية-يتمتع كل معدن ثقيل بنطاق درجة حموضة مثالي لترسيب الهيدروكسيد (عموما بين 8 و10)، وتختلف هذه النطاقات. يجب النظر بشكل شامل في وجود معادن ثقيلة متعددة في مياه الصرف الصحي المختلطة، واختيار قيمة الرقم الهيدروجيني الوسطية أو هطول الأمطار التدريجي. بعد اكتمال تفاعل الترسيب، يجب إضافة مادة تخثر (PAC+PAM) لتعزيز فصل السائل الصلب -؛ وبخلاف ذلك، سوف تتخلل الجزيئات المترسبة الدقيقة إلى النفايات السائلة. يمكن أن تتداخل المجمعات مع هطول الأمطار-على سبيل المثال، السيانيد-الذي يحتوي على مجمعات معادن ثقيلة يتطلب تكسيرًا معقدًا قبل هطول الأمطار.

أيونات الصلابة هي بشكل رئيسي أيونات الكالسيوم (Ca²⁺) والمغنيسيوم (Mg²⁺). إنها تسبب تقشرًا في أنظمة الأغشية (RO، NF)، وتشكل تقشرًا في معدات التبادل الحراري مما يقلل من كفاءة التبادل الحراري، ويؤثر على جودة التنظيف في صناعة الغسيل.

المبدأ: باستخدام العوامل الكيميائية لتحويل أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم إلى CaCO₃ وMg(OH)₂، يمكن إزالة معظم أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم.

نقاط التشغيل: يكون الرقم الهيدروجيني للنفايات السائلة المخففة مرتفعًا ويحتاج إلى تعديله إلى الوضع المحايد عن طريق إضافة حمض قبل دخول وحدات المعالجة اللاحقة أو تفريغها. يتطلب تفاعل الهطول وقتًا كافيًا للاحتفاظ ويجب دمجه مع التخثر والتلبد لتحسين تأثير الهطول. يتم إنتاج الحمأة المخففة بكميات كبيرة، وتتكون بشكل رئيسي من كربونات الكالسيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم، والتي يمكن نزع الماء عنها واستخدامها كمواد بناء أو إرسالها إلى مدافن النفايات.

غالبًا ما يتم إجراء إزالة الفسفور الكيميائي بالتزامن مع مرحلة المعالجة البيولوجية أو بعد المرحلة المتقدمة؛ تعتبر إزالة المعادن الثقيلة بمثابة معالجة أولية عند الطرف المؤثر لحماية النظام البيولوجي؛ عادةً ما يتم إجراء التليين لإزالة الصلابة في الواجهة الأمامية لمعالجة إعادة الاستخدام (قبل نظام الغشاء). يمكن استخدام الثلاثة معًا اعتمادًا على متطلبات جودة المياه-المعادن الثقيلة-التي تحتوي على مياه الصرف الصحي تخضع عادة لترسيب كيميائي لإزالة المعادن الثقيلة قبل الدخول في عملية المعالجة البيولوجية؛ تعد إزالة الفسفور المتزامنة + إزالة الفوسفور المتقدمة ممارسة شائعة لمياه الصرف الصحي البلدية؛ وفي مشاريع إعادة الاستخدام، يتم إجراء التليين قبل الغشاء.