كفاءة الإزالة وتحسين العملية للأوكسي تتراسيكلين و2- ميثيل إيزوبورنيول من خلال مرحلتين من الكربون المنشط المسحوق التآزري قبل - جرعات + طبقة ترشيح هيكل ثنائي الطبقة من الكربون المنشط الحبيبي

مع التنفيذ الكامل لـ "معايير جودة مياه الشرب" (GB 5749-2022)، تم إدراج المواد المسببة للرائحة مثل 2-ميثيل إيزوبورنيول (2-MIB) والأوكسيتتراسيكلين، بالإضافة إلى المضادات الحيوية-مثل الملوثات الدقيقة مثل أوكسي تتراسيكلين، في نطاق الرقابة الصارمة. تحقق عمليات التطهير التقليدية-الترسيب-الترشيح-التطهير معدل إزالة إجمالي أقل من 30% لهذين النوعين من المواد العضوية النزرة الكارهة للماء، وهو ما لم يعد كافيًا لتلبية المتطلبات المزدوجة لسلامة جودة المياه والجودة الحسية. في الوقت الحالي، تستخدم محطات المياه المنزلية بشكل شائع-الكربون المسحوق المنشط (PAC) للتحكم في حالات الطوارئ/الروتين-في مصادر المياه الملوثة جزئيًا. ومع ذلك، فإن عملية PAC الفردية لها عيوب مثل وقت الامتزاز المحدود، وتداخل الامتزاز التنافسي، وارتفاع تكاليف الجرعات، واختراق الملوثات المتبقية. إن إضافة الكربون المنشط الحبيبي (GAC) إلى سطح الفلتر لتشكيل عملية حاجز متسلسلة من "امتصاص PAC المسبق + الامتزاز الثانوي العميق لـ GAC" أصبحت تدريجيًا التكنولوجيا السائدة لمحطات المياه المبنية حديثًا والمجددة والموسعة لمعالجة المياه الملوثة بشكل دقيق. تحلل هذه الورقة بشكل منهجي أنماط إزالة الأوكسيتتراسيكلين و2-MIB من خلال عملية الكربون المنشط على مرحلتين، بدءاً من آلية الامتزاز، وحدود الكفاءة، والعوامل المؤثرة الرئيسية، وآلية التآزر الهندسي. فهو يوفر الأساس النظري والحلول العملية لترقية عمليات محطة المياه واختيار الكاشف وتحسين التشغيل، بينما يتطلع أيضًا إلى اتجاه التطوير المستقبلي للعمليات المتكاملة مثل الأكسدة المسبقة المقترنة والكربون المنشط البيولوجي (BAC).

1.1 الخصائص الجزيئية للملوثات المستهدفة

أوكسي تتراسيكلين (OTC) هو مضاد حيوي قطبي من فئة التتراسيكلين-يحتوي على مجموعات هيدروكسيل وأمينية متعددة في جزيئه. في المسطحات المائية الطبيعية، يوجد في شكل زويتيريوني ويتنافس بسهولة على الامتزاز مع المواد العضوية الطبيعية (NOM) مثل حمض الهيوميك من خلال التعقيد. 2-ميثيليزوبورنيول (2-MIB) وهو طحالب غير قطبية، منخفضة-وزن جزيئي-مشتقة-من رائحة ذات عتبة رائحة منخفضة تصل إلى 2-10 نانوغرام/لتر، مما يجعل الأمر صعبًا. لتتمعدن المؤكسدات التقليدية بالكامل. غالبًا ما يتواجد كلاهما في الخزانات والمياه الخام للأنهار خلال فترة ارتفاع الطحالب الصيفية، وينتميان إلى الفئة النموذجية من "الملوثات الدقيقة المتمردة".

1.2 حدود العمليات التقليدية تعمل وحدات التخثر والترسيب والترشيح بشكل أساسي على إزالة الملوثات المعلقة والمرتبطة بالجزيئات الكبيرة، مما يحقق معدلات إزالة تبلغ 10% - 25% فقط للـ 2-MIB المذاب والأوكسي تتراسيكلين. تؤدي عملية الكلورة المسبقة- والتطهير-المرحلة الواحدة بالكلور السائل إلى إنتاج منتجات ثانوية للتطهير بسهولة كما أن كفاءة الأكسدة محدودة بالنسبة إلى 2-MIB. لا يمكن لتطهير نقطة النهاية-وحدها تحقيق التحكم المتوافق في هذين النوعين من المواد؛ يجب بناء حاجز متعدد المستويات باستخدام تقنيات المعالجة العميقة القائمة على الامتزاز.

2.1 آلية الامتزاز تحقق PAC الامتزاز من خلال ملء المسام الصغيرة، وقوى فان دير فالس، والاقتران π-π، والترابط الهيدروجيني: بالنسبة للأوكسيتتراسيكلين، فإن الامتزاز الكيميائي وامتزاز التعقيد هما السائدان؛ بالنسبة إلى 2-MIB، يكون ملء المسام الدقيقة هو السائد. تتوافق حركية الامتزاز مع نموذج الترتيب -الثاني- الزائف، وتتبع متساوي الحرارة في الغالب نموذج فروندليتش. يتفوق حمض PAC المغسول المعتمد على-الفحم-واليود-ذو القيمة العالية-، نظرًا لبنيته المسامية الدقيقة المتطورة جيدًا وقدرة المجموعة الوظيفية السطحية الأقوى على التكيف، على PAC المعتمد على الخشب.

2.2 كفاءة الإزالة الفعلية

بالنسبة للأوكسيتتراسيكلين: في ظل ظروف الاختبار على نطاق صغير-، حققت جرعة PAC البالغة 75 مجم/لتر معدل إزالة يزيد عن 99% لـ 1 مجم/لتر من الأوكسيتتراسيكلين. في ظل وجود DOC الأساسي في المياه الخام، يمكن لمحطات معالجة المياه الفعلية التحكم في مستويات أوكسي تتراسيكلين ميكروجرام/لتر عند مستويات آمنة عن طريق إضافة 1-35 ملجم/لتر. ومع ذلك، فإن الامتزاز التنافسي بواسطة NOM يقلل من قدرة الامتصاص بنسبة 30% إلى 50%.

بالنسبة لـ 2-MIB: حققت جرعة PAC البالغة 15-30 مجم/لتر ووقت اتصال أكبر من أو يساوي 60 دقيقة معدل إزالة يتراوح بين 40%-70% لـ ng/L 2-MIB. الساعة الأولى من الامتزاز هي مرحلة الامتزاز السريع؛ يؤدي تمديد وقت الإقامة في خزان الخلط إلى تحسين الكفاءة بشكل ملحوظ. مستويات عالية من الكلور المتبقي ودرجة الحموضة تمنع قدرة الامتزاز.

عيوب العملية: الجرعات الأولية مقيدة بفترة الإقامة الهيدروليكية. خلال فترات النمو المرتفع للطحالب، تشغل إفرازات NOM والطحالب مواقع الامتزاز، مما يؤدي بسهولة إلى "الامتثال الأولي الذي يتبعه اختراق لاحق". تؤدي جرعات الطوارئ الكبيرة إلى زيادة حمل الحمأة وتكاليف التشغيل، وتتسرب بعض الملوثات ضعيفة الامتصاص مع تدفق المرشح.

3.1 خصائص امتصاص GAC
تعمل GAC في تكوين طبقة ثابتة- مع وقت تلامس للطبقة الفارغة (EBCT) يتراوح من 10 إلى 20 دقيقة، مما يحقق انتشارًا بطيئًا وامتزازًا عميقًا للتتبع المتبقي 2-MIB والأوكسيتتراسيكلين في تدفق PAC السائل. تحقق طبقة الكربون المنشط بيولوجيًا (BAC) التي تتشكل على مدار فترة تشغيل طويلة-تأثيرات تآزرية للتحلل الميكروبي وتجديد الامتصاص في نفس الوقت. عندما يعمل GAC بمفرده، يمكن أن يصل معدل الإزالة 2-MIB إلى 70%-80%، ويبلغ معدل إزالة الأوكسيتتراسيكلين منخفض التركيز حوالي 50%-65%، لكن قدرة الامتصاص الأولية منخفضة نسبيًا وفترة البدء طويلة.

3.2 مزايا بنية مرشح الطبقة المزدوجة-
يمكن أن يؤدي وضع طبقة GAC (مرشح رمل الكربون) بسمك 0.6-1.2 متر أعلى وسائط مرشح رمل الكوارتز إلى احتجاز الملوثات الغروية التي لا يتم امتصاصها بالكامل بواسطة PAC، وحماية طبقة مرشح الرمل الأساسية، والاستفادة في نفس الوقت من ميزة تشغيل المرشح المستمر لتحقيق معالجة عميقة مستقرة طويلة الأمد-. يمكن لعملية الغسيل العكسي تجديد مواقع الامتزاز جزئيًا على سطح GAC، مما يؤدي إلى إطالة عمر الخدمة.

4.1 المنطق التآزري لمرحلتين-من الامتزاز

تصنيف الحمل: يمتص PAC بسرعة معظم الملوثات عالية التركيز ويتنافس مع الجزيئات الكبيرة على المواد العضوية في الواجهة الأمامية، مما يقلل حمل الامتزاز ومعدل التسمم لـ GAC؛ تقوم GAC بإجراء "معالجة دقيقة" على المواد المستهدفة النزرة التي تخترق، وتشكل حاجزًا متدرجًا من "الامتزاز الخشن - الامتزاز الدقيق".

تحسين جودة المياه: يقلل PAC من التعكر المتدفق وNOM، ويحسن جودة المياه المتدفقة من GAC، ويزيد من قدرة امتصاص وحدة GAC لـ 2-MIB والأوكسيتتراسيكلين؛ تحتفظ شركة GAC بمسحوق PAC الناعم، مما يمنع مسحوق الكربون من اختراق شبكة خطوط الأنابيب.

تحسين التكلفة: يمكن أن تؤدي مجموعة -المرحلتين إلى تقليل جرعة PAC بنسبة 20% إلى 40%، مع تمديد دورة تجديد GAC إلى سنة أو سنتين. بشكل عام، يتفوق الاقتصاد التشغيلي على عمليات PAC الفردية ذات الجرعة العالية-أو عمليات GAC الخالصة.

4.2 العوامل الرئيسية المؤثرة على التأثير التآزري

اختيار PAC ونقطة الجرعات: أضف PAC إلى خزان الخلط/قبل التلبد، مما يضمن وقت اتصال أكبر من أو يساوي 40-90 دقيقة؛ إعطاء الأولوية لمركبات PACs من فئة مياه الشرب ذات قيمة اليود أكبر من أو تساوي 1000 مجم/جم وقيمة أزرق الميثيلين أكبر من أو تساوي 200 مجم/جم (مع تصريح النظافة المتعلق بالمياه-).

حجم جسيمات GAC وسمك طبقة المرشح: 8×30 شبكة من الخفاف المطحون المعتمد على الفحم - مناسبة أكثر لـ 2-MIB، و12–20 شبكة مناسبة للمضادات الحيوية؛ EBCT أكبر من أو يساوي 12 دقيقة يضمن إزالة مستقرة للأوكسي تتراسيكلين.

ظروف جودة المياه: درجة الحموضة المحايدة (6.5–8.5)، وانخفاض الكلور المتبقي، والأكسدة المسبقة المعتدلة (O₃ 0.3–0.8 مجم/لتر) يمكن أن تزيد من تحسين معدل الإزالة التآزري لعملية المرحلتين- لكلا النوعين من المواد إلى أكثر من 90%.

4.3 ملخص نتائج التطبيقات الهندسية

تُظهر الاختبارات التجريبية واختبارات الإنتاج في محطات المياه الحالية أن الجمع بين PAC التقليدي (10-20 مجم/لتر) وGAC في مرشح رمل الكربون يحقق معدل إزالة إجمالي يبلغ 80%-92% لـ 2-MIB (10-100 نانوجرام/لتر) و85%-95% للأوكسيتتراسيكلين (0.1-10 ميكروجرام/لتر). وهذا يتفوق بشكل كبير على مستويات المعالجة لـ PAC الفردي (50%-70%) أو GAC الفردي (60%-75%)، ويمكن للنفايات السائلة أن تلبي بشكل ثابت متطلبات GB 5749-2022 ومعايير التحكم في الملوثات الدقيقة الأكثر صرامة في المستقبل.

تشبع الامتزاز والإطلاق الثانوي: إنشاء نظام إنذار مبكر اختراقي من GAC ونظام مراقبة الرائحة/المضادات الحيوية عبر الإنترنت، باستخدام آليات التجديد الحراري أو الاستبدال؛ توحيد عملية التخلص من حمأة PAC لتجنب التدفق العكسي للملوثات.

مخاطر السلامة الحيوية: أثناء تشغيل BAC، التحكم في شدة ودورة الغسيل العكسي لمنع انتشار الأغشية الحيوية المفرط وتوليد المنتجات الثانوية الأيضية البيولوجية؛ تضمن نقاط ما بعد التطهير- أن الكلور المتبقي في شبكة خطوط الأنابيب يفي بالمعايير.

ترقيات اقتران العملية: إضافة مركب البرمنجنات قبل الأكسدة - أو الأوزون بجرعة منخفضة - (O₃/H₂O₂) قبل أن يحقق PAC تأثيرات تآزرية عبر العملية الكاملة "للتحلل التأكسدي-امتصاص PAC-المعالجة العميقة لـ GAC/BAC،" مما يؤدي إلى توسيع نطاق إزالة الملوثات.

الاستنتاج والتوقعات

في السياق الحالي لتحول سلامة مياه الشرب في بلدي من "إمدادات المياه المتوافقة" إلى "إمدادات المياه-الصحية والعالية الجودة"، تعد الإضافة المسبقة لمسحوق الكربون المنشط مع امتصاص الكربون المنشط الحبيبي في قاعدة المرشح حلاً فعالاً ومرنًا واقتصاديًا للتحكم في التلوث الجزئي- ومناسبًا لتجديد معظم محطات المياه التقليدية في الصين، مما يُظهر مزايا تآزرية كبيرة للتعايش الملوثات الدقيقة- مثل أوكسي تتراسيكلين و2-MIB. سوف تتطور تقنيات معالجة المياه المستقبلية نحو "الامتزاز الدقيق، والجرعات الذكية، والتجديد-في الموقع، والتحكم التآزري في الملوثات المتعددة." ومن خلال تقنيات جديدة مثل تعديل سطح الكربون المنشط، والفحم الحيوي الوظيفي، والاقتران الغشائي بالكربون، سيتم بناء نظام متكامل لتنقية المياه لمعالجة التلوث الموسمي المعقد في مصادر المياه، مما يوفر ضمانة فنية أكثر صلابة لسلامة مياه الشرب في المناطق الحضرية والريفية.