مبدأ وطريقة إزالة الصلابة من مياه الصرف الصحي

خلاصة

مع الزيادة المستمرة في الإنتاج الصناعي وتصريف مياه الصرف الصحي المنزلية ، فإن أيونات الصلابة في مياه الصرف الصحي لها تأثير خطير على البيئة وعمليات المعالجة اللاحقة.هذه المقالة توضح بشكل منهجي المبادئ الأساسية لإزالة مياه الصرف الصحي، تحلل بالتفصيل الخصائص التقنية ونطاق التطبيق والمشاكل القائمة لمختلف طرق إزالة المياه مثل الهطول الكيميائي، وتبادل الأيونات، وفصل الغشاء،والامتصاص، وتتطلع إلى اتجاه تطوير تكنولوجيا إزالة مياه الصرف الصحي في المستقبل،يهدف إلى توفير مرجع نظري لتحسين وإبداع التكنولوجيا لعمليات إزالة مياه الصرف الصحي.

1مقدمة

تسبب صلابة مياه الصرف الصحي بشكل رئيسي بوجود أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم (في شكل أملاح مثل كربونات الكالسيوم وكربونات المغنيسيوم وكربونات الكالسيوم وكربونات المغنيسيوم ، الخ.في الإنتاج الصناعي ، يمكن أن تسبب مياه الصرف الصحي عالية الصلابة تقليص المعدات ، والحد من كفاءة تبادل الحرارة ، وزيادة استهلاك الطاقة ، وحتى يؤدي إلى فشل المعدات.في عملية معالجة مياه الصرف الصحي المنزلية وإعادة الاستخدام، يمكن أن تؤثر المياه الصلبة على تأثير الغسيل وتقلل من راحة المياه المنزلية.إفراز مياه الصرف الصحي التي تحتوي على كمية كبيرة من أيونات الصلابة قد يكون لها تأثيرات ضارة على التوازن البيئي لمجسمات المياه الطبيعيةولذلك فإن إزالة أيونات القسوة من مياه الصرف الصحي بشكل فعال لها أهمية كبيرة للعمل المستقر للإنتاج الصناعي، وإعادة تدوير الموارد المائية،وحماية البيئة البيئية.

2مبدأ جفاف مياه الصرف الصحي

عادة ما تنقسم صلابة مياه الصرف الصحي إلى صلابة مؤقتة وصلابة دائمة. تتكون الصلابة المؤقتة أساسا من أملاح البيكربونات من الكالسيوم والمغنيسيوم،والتي يمكن تحليلها إلى ركام كربونات الكالسيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم وإزالتها عن طريق التسخينتتكون الصلابة الدائمة من الكبريتات والكلوريدات ، الخ من الكالسيوم والمغنيسيوم ، والتي تحتاج إلى إزالة عن طريق الطرق الكيميائية أو الفيزيائية أو الفيزيائية الكيميائية.تستند المبادئ الأساسية لإزالة مياه الصرف الصحي بشكل رئيسي إلى تفاعل هطول الأمطار، تبادل الأيونات، اختياري الاختراق الغشاء، الامتصاص، الختفاعل هطول الأمطار هو استخدام بعض العوامل الكيميائية للتفاعل مع أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم لتوليد هطول غير قابل للذوبان، وبالتالي فصلها عن مياه الصرف الصحي؛ طريقة تبادل الأيونات هي استخدام الراتنج تبادل الأيونات لتبادل أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم في الماء وتثبيتها على الراتنج.تستند طريقة فصل الغشاء إلى الفرق في قدرة الحفاظ على الغشاء للأيونات المختلفة لتحقيق فصل أيونات الصلابة من الماء: مبدأ الامتصاص هو إزالة أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم عن طريق الامتصاص من خلال المواقع النشطة على سطح الامتصاص.

3、 طرق إزالة الصلابة من مياه الصرف الصحي

(1) طريقة الترسب الكيميائي

1طريقة رماد الصودا
طريقة رماد الصودا الجليدية هي واحدة من أكثر طرق التساقط الكيميائي استخدامًا لإزالة الصلابة. تتضمن هذه الطريقة إضافة الجليد (Ca (OH) 2) ورماد الصودا (Na 2 CO3) إلى مياه الصرف الصحي.يتفاعل الجير أولاً مع أيونات البيكربونات في الماء لتشكيل هباء كربونات الكالسيوميتم تحويل أيونات المغنيسيوم إلى رماد هيدروكسيد المغنيسيوم. يتفاعل رماد الصودا مع أيونات الكالسيوم في الماء لتشكيل رماد كربونات الكالسيوم. عملية التفاعل هي كما يلي.:
Ca ((HCO_{3}) _{2}+Ca(OH) _{2}السهم الأيمن 2CaCO_{3}السهم الأسفل +2H_ {2}O
Mg ((HCO_{3}) _{2}+2Ca(OH) _{2}السهم الأيمن 2CaCO_{3}السهم السفلي +Mg ((OH) _{2}السهم السفلي +2H_ {2}O
CaSO_{4}+Na_ {2}CO_ {3}السهم الأيمن CaCO_{3}السهم الأسفل +Na_ {2}SO_ {4}

مزايا هذه الطريقة هي انخفاض تكلفة المعالجة، ومجموعة واسعة من المصادر الكيميائية، وتأثير معالجة كبير على مياه الصرف الصحي عالية التركيز.لكن العيوب واضحة أيضاً، مثل إنتاج كمية كبيرة من الوحل وارتفاع تكلفة معالجة الوحل.وإلا فإنه سيؤثر على تأثير إزالة القسوة؛ قد تحتفظ مياه الصرف الصحي المعالجة بكمية معينة من كربونات الصوديوم مما يؤدي إلى زيادة قاسية الماء.

1طريقة هطول الفوسفات
تتضمن طريقة هبوط الفوسفات إضافة الفوسفات إلى مياه الصرف الصحي للتفاعل مع أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم لتشكيل هبوطات غير قابلة للذوبان من الكالسيوم والمغنيسيوم الفوسفات. على سبيل المثال،ثنائي البوليفوسفات الصوديوم (Na 5 P O 10) يتفاعل مع أيونات الكالسيوم لتشكيل هبوبات غير قابلة للذوبان من فوسفات الكالسيومهذه الطريقة لها كفاءة عالية في إزالة الصلابة و تأثير جيد في معالجة مياه الصرف الصحي منخفضة التركيز. ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة تقدم كمية كبيرة من عنصر الفوسفور ،التي قد تؤدي إلى تآكل الأجسام المائية، والسعر المرتفع نسبيًا لعناصر الفوسفات يزيد من تكاليف المعالجة.

(2) طريقة تبادل الأيونات

تستخدم طريقة تبادل الأيونات الأيونات القابلة للتبادل على الراتنجات المبادلة للأيونات لتبادلها مع أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم في مياه الصرف الصحي.الراتنج الحمضي القوي لتبادل الكاتيونات (مثل راتنج حمض السلفونيك) هو مبادل أيونات شائع الاستخدام، وعملية التبادل هي كما يلي:
2R - SO_ {3}H + Ca^{2 + }السهم الأيمن (R - SO_{3}) _ {2}Ca + 2H^{+}
2R - SO_ {3}H + Mg^{2 + }السهم الأيمن (R - SO_{3}) _ {2}Mg + 2H^{+}

عندما تكون الأيونات المتبادلة على الراتنج مشبعة بأيونات الكالسيوم والمغنيسيوممن الضروري استخدام الأحماض (مثل حمض الهيدروكلوريك وحمض الكبريتيك) للتجديد لاستعادة القدرة على تبادل الراتنجميزات طريقة تبادل الأيونات هي تأثير إزالة الصلابة الجيدة، جودة الصرف الصحي المستقرة، والقدرة على تلبية متطلبات جودة المياه العالية.المعدات تحتل مساحة صغيرة نسبيا وسهلة نسبيا في التشغيلومع ذلك ، فإن هذه الطريقة لديها عوائق من ارتفاع أسعار الراتنج وكمية كبيرة من مياه الصرف الصحي الحمضية والقائمة على القلوية التي يتم إنشاؤها خلال عملية التجديد ، والتي تحتاج إلى معالجة مناسبة ،وإلا سوف يسبب تلوث ثانوي؛ الراتنج لديه متطلبات عالية لجودة المياه الواردة ، والشوائب مثل المواد الصلبة المعلقة والمواد العضوية في مياه الصرف الصحي يمكن أن تسبب بسهولة انسداد الراتنج والتسمم ،تؤثر على عمر الخدمة وغيرها من القضايا.

(3) طريقة فصل الغشاء

1التناضح العكسي (RO)
التناضح العكسي هو تقنية تفصل المذيبات والمذيبات في محلول من خلال غشاء شبه قابل للانتقال تحت الضغط. حجم المسام غشاء التناضح العكسي صغير جداً (حوالي 0.2mm).1-1nm)، والتي يمكن أن تعترض بشكل فعال أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم وتحقيق إزالة صلابة مياه الصرف الصحي.جزيئات المياه تمر عبر غشاء التناضح العكسي تحت الضغط، بينما يتم اعتراض أيونات الصلابة ، مما يؤدي إلى الماء المنخفض الصلابة المنتجة. طريقة التناضح العكسي لديها كفاءة عالية في إزالة الصلابة ،ويمكن تخفيض صلابة المياه الصادرة إلى مستوى منخفض جداًوهي مناسبة لأحداث تتطلب جودة عالية للغاية للمياه، مثل المياه الصناعية الإلكترونية، مياه تغذية المرجل، الخ.لكن عيباته هي ضغط العمل العالي واستهلاك الطاقة العالي؛ مكونات الغشاء مكلفة وسهلة التلوث بالمواد العضوية والكائنات الدقيقة وغيرها من الملوثات في مياه الصرف الصحي ، والتي تتطلب تنظيفًا واستبدالًا منتظمًا ،مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف الصيانةوفي الوقت نفسه، تنتج عملية التناضح العكسي كمية معينة من المياه المركزة، ومعالجة المياه المركزة هي أيضا تحديا.

2.تصفية النانو (NF)
حجم مسام غشاء التصفية النانوية هو بين غشاء التناضح العكسي وغشاء التصفية العالية (حوالي 1-10nm) ،ولديه معدل احتفاظ مرتفع للأيونات الثنائية القيمة (مثل أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم)، في حين أن معدل الاحتفاظ للأيونات أحادية القيمة (مثل أيونات الصوديوم والكلوريد) منخفض نسبياً. يمكن أن تعمل عملية الترشيح النانوي عند ضغوط أقل ،الذي يقلل من استهلاك الطاقة مقارنة مع التناضح العكسيلا يمكن للفلاتر النانوية فقط إزالة أيونات الصلابة بفعالية، ولكن أيضا إزالة جزئية للمواد العضوية وأيونات المعادن الثقيلة.غشاءات التصفية النانوية لديها أيضا مشكلة التلوث السهل وتتطلب معالجة مسبقة صارمة للمياه الواردةوعلاوة على ذلك، فإن عمر الخدمة وتأثير إزالة القسوة لأغشية التصفية النانوية تتأثر إلى حد كبير بعوامل مثل نوعية المياه وظروف التشغيل.

(4) طريقة الامتصاص

طريقة الامتصاص هي استخدام المواقع النشطة على سطح المستنشاقات لامتصاص وإزالة أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم. تشمل المستنشاقات الشائعة الكربون النشط والزيوليت والبنتونيت وأكسيدات المعادن,الخ. على سبيل المثال ، يحتوي الزيوليت على بنية منافذ فريدة وأداء تبادل الأيونات ، ويمكن أن يخضع كتيوناته القابلة للتبادل لاستيعاب تبادل مع أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم في مياه الصرف الصحي.طريقة الامتصاص بسيطة في التشغيل ولها تأثير معين في معالجة مياه الصرف الصحي ذات الصلابة المنخفضةعلاوة على ذلك ، يمكن إعادة استخدام بعض المستنشقات من خلال التجدد. ومع ذلك ، فإن قدرة امتصاص المستنشقة محدودة ،مما يؤدي إلى ضعف كفاءة معالجة مياه الصرف الصحي عالية التركيز· عملية تجديد المستنشقات معقدة نسبياً، وتأثير التجديد غير مستقر، والذي قد يؤثر على عمر الخدمة وتأثير إزالة القسوة للمستنشقات.

(5) طرق أخرى

1طريقة التحليل الكهربائي
يستخدم التحليل الكهربائي الشفافية الانتقائية وتأثير الحقل الكهربائي لأغشية تبادل الأيونات لتحفيز الهجرة الاتجاهية للأيونات في الماء،وبالتالي تحقيق إزالة الصلابة من مياه الصرف الصحيأثناء التحليل الكهربائي، غشاء تبادل الكاتيونات يسمح فقط الكاتيونات بالمرور، في حين أن غشاء تبادل الأنيونات يسمح فقط للأنيونات بالمرور. تحت عمل المجال الكهربائي،يهاجر أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم في مياه الصرف الصحي إلى الكهرباء السلبية من خلال أغشية تبادل الكاتيوناتطريقة التحليل الكهربائي لإزالة القسوة لا تتطلب إضافة عوامل كيميائية ولا تنتج سلاداًجعل عملية التشغيل صديقة نسبيا للبيئةومع ذلك، فإن هذه الطريقة تتطلب استثمارًا كبيرًا في المعدات، وتستهلك الطاقة الكهربائية أثناء التشغيل، وتتطلب متطلبات عالية لجودة المياه الواردة.تتطلب معالجة مسبقة صارمة لمنع تلوث الغشاء.

2الطريقة الميكروبية
Microbial method is to use the metabolic activity of microorganisms or the reaction between extracellular polymers of microorganisms and calcium and magnesium ions to achieve the removal of hardness from wastewaterعلى سبيل المثال، يمكن لبعض الكائنات الحية الدقيقة أن تزيد من قيمة حموضة البيئة المحيطة بها عن طريق إفراز المواد القلوية، مما يعزز هطول أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم.المجموعات الوظيفية في البوليمرات خارج الخلايا الميكروبية، مثل المجموعات الكربوكسيل والهيدروكسيل، يمكن أن تخضع أيضاً للتعقيد والامتصاص مع أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم.الطرق الميكروبية لها مزايا منخفضة تكلفة المعالجة وصديقة للبيئة، ولكن عملية المعالجة بطيئة وتتأثر بشكل كبير ظروف نمو الميكروبات مثل درجة الحرارة، قيمة الـ pH، الأكسجين المذاب، الخ.لا يزال هناك بعض القيود في التطبيقات العملية.

4、 مقارنة واختيار الطرق المختلفة لإزالة القسوة

الطرق المختلفة لإزالة القسوة من مياه الصرف الصحي لها مزاياها وعيوبها الخاصة، وتختلف أيضاً في قابلية تطبيقها.من الضروري النظر بشكل شامل في عوامل مثل خصائص جودة المياه في مياه الصرف الصحي (مثل صلابة تركيز الأيونات، المكونات الملوثة الأخرى، وما إلى ذلك) ، ومستوى المعالجة، وتكلفة المعالجة، ومتطلبات جودة الصرف الصحي، ومتطلبات حماية البيئة، واختيار الطرق المناسبة لإزالة صلابة.لمياه الصرف الصحي عالية التركيز، يمكن أن يكون الاصطدام الكيميائي طريقة أكثر اقتصادية وفعالية. للمعالجة على نطاق صغير التي تتطلب جودة عالية للمياه ، تعد أساليب تبادل الأيونات أو التناضح العكسي أكثر ملاءمة.بالنسبة لمياه الصرف الصحي ذات الصلابة المنخفضة الحساسة للتكلفةقد تكون هناك إمكانات تطبيق معينة. بالإضافة إلى ذلك، في العديد من الحالات،يمكن استخدام مزيج من طرق متعددة لإزالة الصلابة للاستفادة الكاملة من مزايا كل طريقة، تحسين تأثير إزالة، وخفض تكاليف المعالجة.

5、 الاستنتاج والآفاق

تكنولوجيا إزالة الصلابة من مياه الصرف الصحي ذات أهمية كبيرة لضمان الإنتاج الصناعي، وتحقيق إعادة تدوير موارد المياه، وحماية البيئة البيئية.في الوقت الحالي، وقد استخدمت طرق مختلفة لإزالة القسوة، مثل الاصطدام الكيميائي، تبادل الأيونات، فصل الغشاء، الامتصاص، الخ، على نطاق واسع في الهندسة العملية،لكن كل طريقة لها قيود معينةفي المستقبل، يتضمن الاتجاه التنموي لتكنولوجيا تصلب مياه الصرف الصحي بشكل رئيسي الجوانب التالية:ومواد تجميد جديدة اقتصادية ومواد امتصاص لتحسين كفاءة تجميد، خفض تكاليف المعالجة والتلوث الثانوي؛ والثاني هو تعزيز البحث والتطوير من مواد الغشاء، وتحسين أداء مكافحة التلوث، ومعدل الاحتفاظ،وعمر الخدمة للأغشيةوالثالث هو إجراء أبحاث متعمقة حول آلية إزالة صلابة الميكروبات ، وتحسين عمليات معالجة الميكروبات ،وتحسين استقرارهم وكفاءة العلاجالرابع هو استكشاف عملية التطبيق المشترك لأساليب متعددة لإزالة القسوة، وتحقيق مزايا تكميلية، وتحسين تأثير المعالجة العامة.من خلال الابتكار التكنولوجي المستمر وتحسين العمليات، سوف تلعب تكنولوجيا إزالة مياه الصرف الصحي دوراً أكثر أهمية في الاستخدام المستدام للموارد المائية وحماية البيئة في المستقبل.