علوم ترشيح الوسائط المتعددة: استخدام وتجديد ترشيح رمل الكوارتز والكربون المنشط ورمل المنغنيز

الترسيب والتعويم يحلان مشكلة الملوثات التي "تغرق" و"تطفو". ولكن هناك نوع آخر من الشوائب في الماء-المواد الصلبة العالقة الدقيقة والجسيمات الغروية والمواد الذائبة-التي لا تغوص ولا تطفو. ما يجب القيام به؟

هذا هو المكان الذي يأتي فيه الترشيح. ببساطة، الترشيح ينطوي على السماح لمياه الصرف الصحي بالتدفق من خلال طبقة وسائط الترشيح، والاعتماد على الاعتراض الفيزيائي، والامتزاز، والعمل الكيميائي لوسائط الترشيح لاحتجاز الملوثات المتبقية.

الترشيح هو عملية "حارس البوابة" في وحدات المعالجة الفيزيائية ولحظة فاصلة في العديد من عمليات معالجة مياه الصرف الصحي، مما يشير إلى الانتقال من "المعالجة المسبقة" إلى "المعالجة المتقدمة". تعتمد العديد من عمليات معالجة مياه الصرف الصحي التي تهدف إلى إعادة استخدام المياه المستصلحة والتدفقات السائلة المستقرة والمنخفضة التعكر- بشكل كبير على الترشيح! تتناول هذه المقالة وسائط الترشيح الثلاثة الأكثر استخدامًا-رمل الكوارتز، والكربون المنشط، ورمل المنغنيز-وما تفعله، وكيفية استخدامها في-الموقع، وكيفية تجديدها وصيانتها عند انسدادها أو تشبعها.

لا تفكر في الترشيح ببساطة على أنه "غربلة الرمال"؛ فهو يتضمن في الواقع عدة وظائف تعمل معًا.

الاعتراض الميكانيكي: يتم اعتراض الجسيمات الأكبر من فجوات وسائط المرشح مباشرة. هذه هي طريقة الترشيح الأكثر بديهية، ولكنها غير فعالة بالنسبة للجزيئات الأصغر من الفجوات.

الانحشار بالقصور الذاتي: عندما يتدفق الماء حول جزيئات وسط المرشح، تنحرف الجزيئات الدقيقة عن خطوطها الانسيابية بسبب القصور الذاتي وتتصادم مع سطح وسط المرشح، وتصبح ملتصقة. كلما كان تدفق المياه أقوى، كلما كان تأثير الاعتراض أكثر أهمية.

الامتزاز والالتصاق: تعمل التفاعلات الفيزيائية والكيميائية (قوى فان دير فالس، والقوى الكهروستاتيكية) على سطح وسائط المرشح على امتصاص الجزيئات الصغيرة على السطح. كما يوفر الهيكل المسامي للكربون المنشط قدرة امتصاص مادية قوية. هذه هي الآلية الرئيسية لتصفية وإزالة الجزيئات الدقيقة والمواد المذابة.

التخثر الحيوي: بعد أن يتشكل الغشاء الحيوي على سطح وسائط الترشيح، يمكن للبوليمرات خارج الخلية التي تفرزها الكائنات الحية الدقيقة أن تلتصق بالمواد الصلبة العالقة في الماء، بينما تقوم في نفس الوقت بتحلل بعض المواد العضوية، مما يحسن جودة النفايات السائلة.

الترسيب: تكون سرعة تدفق الماء بطيئة للغاية في مسام طبقة الفلتر، وتستقر بعض الجزيئات الصغيرة على سطح وسط الفلتر بسبب الجاذبية.

رمل الكوارتز هو وسيلة الترشيح الأكثر استخدامًا. يتميز رمل الكوارتز بالصلابة العالية، والخصائص المستقرة، والتكلفة المنخفضة، والتوافر على نطاق واسع.

مناسب لـ: إزالة المواد الصلبة العالقة والعكارة وبعض الجزيئات الغروية من الماء. يمكن تقليل تعكر النفايات السائلة بشكل ثابت إلى أقل من 1 NTU. يمكن استخدامه كوحدة معالجة عميقة للنفايات السائلة في خزان الترسيب الثانوي، أو كمرشح أولي -لمرشحات الكربون المنشط وأنظمة الأغشية.

معلمات التشغيل: حجم الجسيمات الفعالة المستخدمة بشكل شائع هو 0.5 ~ 1.2 مم، سمك طبقة المرشح هو 0.7 ~ 1.5 م، وسرعة الترشيح هي 5 ~ 10 م / ساعة. تؤدي سرعة الترشيح العالية جدًا إلى زيادات سريعة في فقدان الرأس وتقصير وقت الدورة؛ تؤدي السرعة المنخفضة جدًا إلى انخفاض استخدام المعدات.

الأنواع الشائعة: خزانات تصفية الضغط (مغلقة ومضغوطة، مدفوعة بمضخة) ومرشحات الجاذبية (النوع المفتوح، التي تعتمد على اختلاف مستوى الماء لتدفق الجاذبية).

نقاط الصيانة الرئيسية: جوهر هو الغسيل العكسي. مع زيادة كمية المواد المحتبسة، يرتفع فقدان الرأس وينخفض ​​تدفق النفايات السائلة، مما يستلزم الغسيل العكسي-باستخدام تدفق الماء العكسي لتفريق طبقة المرشح وطرد الشوائب المحتبسة. تبلغ كثافة الغسيل العكسي عادة 12-15 لتر/(م²·ث)، مع معدل تمدد يبلغ حوالي 25%-45%، ويستمر من 5 إلى 10 دقائق. يتم استخدام المياه النظيفة للغسيل العكسي. قد يكون تنقية الهواء ضروريًا لتعزيز تأثير الغسيل. أثناء التشغيل، يجب فحص ارتفاع طبقة المرشح بانتظام للتأكد من انخفاضه (فقدان الرمال أو تآكلها). إذا تجاوز النقصان 10%، فيجب إضافة الرمل لمنع ترقق طبقة المرشح والاختراق اللاحق للمواد الصلبة العالقة في التدفق.

يمتلك الكربون المنشط مساحة سطحية ضخمة محددة (500-1500 متر مربع لكل جرام) وبنية مسامية دقيقة متطورة، مما يُظهر قدرة امتصاص قوية للغاية للمواد العضوية واللون والرائحة.

مناسب لـ: إزالة المواد العضوية الذائبة (COD)، واللون، والكلور المتبقي، والرائحة من الماء. يتمتع الكربون المنشط بقدرة على التخفيض السريع للكلور الحر وغالباً ما يستخدم لإزالة الكلور لحماية أنظمة الأغشية النهائية؛ وله تأثير إزالة كبير على الأصباغ الاصطناعية والمواد الدبالية وغيرها من المواد التي تعمل على تطوير الألوان؛ كما أنه يتمتع بقدرة كبيرة على امتصاص المواد المسببة للروائح-مثل الثيول والفينول.

معلمات التشغيل: أنواع الكربون المنشط شائعة الاستخدام تعتمد على الفحم -وقشرة الفاكهة-. سمك طبقة الفلتر هو 1-2 متر، وسرعة الترشيح هي 4-10 متر/ساعة، ويجب أن يبقى الماء بين وسائط الفلتر لمدة 6-15 دقيقة على الأقل؛ وقت الاتصال غير الكافي يقلل بشكل كبير من كفاءة الامتزاز.

التجديد والاستبدال: يتطلب الكربون المنشط العلاج بعد تشبع الامتزاز. التجديد الحراري هو الطريقة الأكثر شمولاً-التحلل الحراري وتغويز المادة العضوية الممتزة عند درجة حرارة 800-900 درجة يستعيد قدرة الامتصاص، ويحقق معدل تجديد يتراوح بين 85%-95%. تتضمن هذه الطريقة تكاليف استثمار وتشغيل عالية، وهي مناسبة للتجديد المركزي في الأنظمة الكبيرة. يستخدم التجديد الكيميائي الأحماض أو القلويات أو المذيبات العضوية لامتصاص المادة الممتزة؛ إنه سهل التشغيل ولكن لديه معدل تجديد منخفض (50%-70%) ويولد نفايات سائلة متجددة تتطلب معالجة. في معدات معالجة المياه صغيرة الحجم، يعد استبدال الكربون المنشط المشبع بالكربون الجديد أكثر اقتصادا؛ يمكن التخلص من نفايات الكربون من قبل المنظمات المهنية أو استخدامها كوقود للحرق.

نقاط الصيانة: تتطلب مرشحات الكربون المنشط أيضًا الغسيل العكسي المنتظم بكثافة 10-12 لتر/م² · ثانية لمنع التآكل المفرط لجزيئات الكربون المنشط. راقب بانتظام COD أو لون النفايات السائلة. إذا تم اكتشاف علامات الاختراق، قم بالتبديل على الفور إلى خزان الكربون المنشط الاحتياطي أو الاستعداد للتجديد. تنمو الكائنات الحية الدقيقة بسهولة على سطح الكربون المنشط؛ لذلك يجب التحكم في الكلور المتبقي في السائل أثناء التشغيل، ويجب تطهير طبقة الكربون بانتظام إذا لزم الأمر.

رمل المنغنيز عبارة عن وسائط ترشيح خاصة، تتكون أساسًا من ثاني أكسيد المنغنيز (MnO₂). وهي لا تعتمد على الاعتراض الفيزيائي بل على الأكسدة التحفيزية الكيميائية.

مناسب لـ: إزالة أيونات الحديد والمنغنيز من المياه الجوفية أو مياه الصرف الصناعي على وجه التحديد. يوجد الحديد في صورة Fe²⁺ مذابة، والمنغنيز في صورة Mn²⁺ مذابة، والتي لا يمكن إزالتها عن طريق الترسيب والترشيح التقليدي. يعمل فيلم ثاني أكسيد المنغنيز النشط الموجود على سطح وسط مرشح رمل المنغنيز على أكسدة Fe²⁺ وMn²⁺ حفزيًا، مما يؤدي إلى توليد رواسب هيدروكسيد Fe³⁺ وMn⁴⁺، والتي يتم بعد ذلك الاحتفاظ بها وإزالتها بواسطة طبقة المرشح.

معلمات التشغيل: حجم الجسيمات الفعال لرمل المنغنيز: 0.6 ~ 2.0 مم؛ سمك طبقة المرشح: عموما 0.8 ~ 1.2 م. يتم التحكم في سرعة الترشيح بشكل عام عند 5-8 أمتار في الساعة؛ ستؤدي السرعة العالية جدًا إلى تفاعل أكسدة غير كافٍ، مما يؤدي إلى تغلغل الحديد والمنغنيز. يجب ألا يقل الرقم الهيدروجيني المؤثر عن 6.5 (يتوقف تفاعل الأكسدة تقريبًا أقل من الرقم الهيدروجيني 6.0)، ويجب أن يكون الأكسجين المذاب كافيًا (بشكل عام، يلزم التهوية قبل الدخول إلى طبقة المرشح).

نقاط الصيانة: أثناء عملية إزالة الحديد والمنجنيز باستخدام وسائط مرشح رمل المنغنيز، سوف يترسب هيدروكسيد الحديد (اللون البني المحمر-) بشكل مستمر على سطح طبقة المرشح، مما يتطلب الغسيل العكسي المنتظم لإزالته. تبلغ كثافة الغسيل العكسي عادةً 15-18 لترًا/(م²·ث)، وهي أعلى قليلاً من كثافة رمل الكوارتز، مع التحكم في معدل التمدد بنسبة 30%-50%. بعد التشغيل لفترة طويلة، قد يتقادم الفيلم النشط الموجود على سطح رمل المنغنيز أو ينفصل، مما يقلل من كفاءة المعالجة. يمكن تحقيق تجديد الغشاء عن طريق إضافة كمية صغيرة من برمنجنات البوتاسيوم بشكل دوري، والذي يعمل على تجديد غشاء MnO₂ النشط تحت تأثير أكسدة برمنجنات البوتاسيوم. إذا ظل التأثير غير مرضٍ بعد عمليات التجديد المتعددة، فيجب استبدال بعض أو كل وسائط المرشح. لا يمكن استخدام مرشحات رمل المنغنيز في وقت واحد مع الكلور، حيث سيؤدي الكلور إلى إتلاف الفيلم الحفاز النشط على سطح رمل المنغنيز، مما يؤدي إلى فقدان وظيفة إزالة الحديد والمنغنيز.

الغسيل العكسي مطلوب عند زيادة الضغط التفاضلي؛ لا تنتظر حتى تصبح النفايات السائلة غائمة قبل البدء.
السيطرة على كثافة الغسيل العكسي بعناية؛ الغسيل العكسي غير الكافي لن ينظف بشكل صحيح، في حين أن الغسيل العكسي المفرط سيؤدي إلى فقدان وسائط المرشح.
تحقق بانتظام من سمك وسائط الفلتر وقم بتجديدها على الفور إذا لزم الأمر. تحقق أيضًا من أغطية توزيع المياه وطبقة الدعم بناءً على حالة التدفق.
إذا كان سيتم إيقاف تشغيل الجهاز لفترة طويلة، فاحتفظ بالمياه في الخزان لمنع وسائط الترشيح من التكتل والتصلب.
التحقق من قيمة اليود للكربون المنشط عند الوصول؛ إذا كانت أقل من قيمة التصميم، فسيتم تقليل تأثير الامتزاز، وينبغي رفض الكربون المنشط.