مبدأ وطريقة إزالة الصلابة من مياه الصرف الصحي

الملخص

مع الزيادة المستمرة في الإنتاج الصناعي وتصريف مياه الصرف الصحي المحلية، يكون لأيونات العسر في مياه الصرف الصحي تأثير خطير على البيئة وعمليات المعالجة اللاحقة. تشرح هذه المقالة بشكل منهجي المبادئ الأساسية لإزالة عسر المياه، وتحلل بالتفصيل الخصائص التقنية ونطاق التطبيق والمشاكل القائمة لطرق إزالة العسر المختلفة مثل الترسيب الكيميائي، وتبادل الأيونات، والفصل الغشائي، والامتصاص، وتتطلع إلى اتجاه تطوير تكنولوجيا إزالة عسر مياه الصرف الصحي في المستقبل، بهدف توفير مرجع نظري لتحسين وابتكار تكنولوجيا عمليات إزالة عسر المياه.

1、 مقدمة

ينتج عسر مياه الصرف الصحي بشكل أساسي عن وجود أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم (في شكل أملاح مثل كربونات الكالسيوم، وكربونات المغنيسيوم، وكبريتات الكالسيوم، وكبريتات المغنيسيوم، وما إلى ذلك) في الماء. في الإنتاج الصناعي، يمكن أن يتسبب عسر المياه العالي في مياه الصرف الصحي في تكون القشور على المعدات، وتقليل كفاءة تبادل الحرارة، وزيادة استهلاك الطاقة، وحتى يؤدي إلى تعطل المعدات؛ في عملية معالجة وإعادة استخدام مياه الصرف الصحي المحلية، يمكن أن يؤثر الماء العسر على تأثير الغسيل ويقلل من راحة المياه المنزلية. بالإضافة إلى ذلك، قد يكون لتصريف مياه الصرف الصحي التي تحتوي على كمية كبيرة من أيونات العسر أيضًا آثار سلبية على التوازن البيئي للمسطحات المائية الطبيعية. لذلك، فإن الإزالة الفعالة لأيونات العسر من مياه الصرف الصحي لها أهمية كبيرة للتشغيل المستقر للإنتاج الصناعي، وإعادة تدوير موارد المياه، وحماية البيئة.

2、 مبدأ إزالة عسر المياه

عادة ما ينقسم العسر في مياه الصرف الصحي إلى عسر مؤقت وعسر دائم. يتكون العسر المؤقت بشكل أساسي من أملاح بيكربونات الكالسيوم والمغنيسيوم، والتي يمكن أن تتحلل إلى رواسب كربونات الكالسيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم وإزالتها عن طريق التسخين؛ يتكون العسر الدائم من الكبريتات والكلوريدات وما إلى ذلك من الكالسيوم والمغنيسيوم، والتي يجب إزالتها من خلال الطرق الكيميائية أو الفيزيائية أو الفيزيوكيميائية. تعتمد المبادئ الأساسية لإزالة عسر المياه بشكل أساسي على تفاعل الترسيب، وتبادل الأيونات، والنفاذية الغشائية الانتقائية، والامتصاص، وما إلى ذلك. تفاعل الترسيب هو استخدام بعض العوامل الكيميائية للتفاعل مع أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم لتوليد رواسب غير قابلة للذوبان، وبالتالي فصلها عن مياه الصرف الصحي؛ طريقة تبادل الأيونات هي استخدام راتنج تبادل الأيونات لتبادل أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم في الماء وتثبيتها على الراتنج؛ تعتمد طريقة الفصل الغشائي على الاختلاف في قدرة الاحتفاظ بالغشاء للأيونات المختلفة لتحقيق فصل أيونات العسر عن الماء؛ مبدأ الامتصاص هو إزالة أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم عن طريق الامتصاص من خلال المواقع النشطة على سطح المادة الماصة.

3、 طرق إزالة العسر من مياه الصرف الصحي

（1） طريقة الترسيب الكيميائي

1. طريقة رماد الصودا والجير
تعد طريقة رماد الصودا والجير واحدة من أكثر طرق الترسيب الكيميائي شيوعًا لإزالة العسر. تتضمن هذه الطريقة إضافة الجير (Ca (OH) ₂) ورماد الصودا (Na ₂ CO3) إلى مياه الصرف الصحي. يتفاعل الجير أولاً مع أيونات البيكربونات في الماء لتكوين راسب كربونات الكالسيوم، بينما تتحول أيونات المغنيسيوم إلى راسب هيدروكسيد المغنيسيوم. يتفاعل رماد الصودا كذلك مع أيونات الكالسيوم في الماء لتكوين راسب كربونات الكالسيوم. عملية التفاعل هي كما يلي:
Ca(HCO_{3})_{2}+Ca(OH)_{2}rightarrow 2CaCO_{3}downarrow +2H_ {2}O
Mg(HCO_{3})_{2}+2Ca(OH)_{2}rightarrow 2CaCO_{3}downarrow +Mg(OH)_{2}downarrow +2H_ {2}O
CaSO_{4}+Na_ {2}CO_ {3}rightarrow CaCO_{3}downarrow +Na_ {2}SO_ {4}

تتمثل مزايا هذه الطريقة في انخفاض تكلفة المعالجة، ومجموعة واسعة من المصادر الكيميائية، وتأثير المعالجة الكبير على مياه الصرف الصحي ذات العسر العالي التركيز. لكن العيوب واضحة أيضًا، مثل إنتاج كمية كبيرة من الحمأة وارتفاع تكلفة معالجة الحمأة؛ تتطلب عملية التفاعل تحكمًا دقيقًا في قيمة الأس الهيدروجيني وجرعة الكواشف، وإلا فسوف يؤثر ذلك على تأثير إزالة العسر؛ قد تحتفظ مياه الصرف الصحي المعالجة بكمية معينة من كربونات الصوديوم، مما يؤدي إلى زيادة قلوية الماء.

1. طريقة ترسيب الفوسفات
تتضمن طريقة ترسيب الفوسفات إضافة الفوسفات إلى مياه الصرف الصحي للتفاعل مع أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم لتكوين رواسب فوسفات الكالسيوم والمغنيسيوم غير القابلة للذوبان. على سبيل المثال، يتفاعل ثلاثي فوسفات الصوديوم (Na ₅ P ∝ O ₁₀) مع أيونات الكالسيوم لتكوين رواسب فوسفات الكالسيوم غير القابلة للذوبان. تتمتع هذه الطريقة بكفاءة عالية في إزالة العسر وتأثير معالجة جيد على مياه الصرف الصحي ذات العسر المنخفض التركيز. ومع ذلك، تقدم هذه الطريقة كمية كبيرة من عنصر الفوسفور، مما قد يؤدي إلى إثراء المسطحات المائية، والسعر المرتفع نسبيًا لعوامل الفوسفات يزيد من تكاليف المعالجة.

（2） طريقة تبادل الأيونات

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

عندما تكون الأيونات القابلة للتبادل على الراتنج مشبعة بأيونات الكالسيوم والمغنيسيوم، فمن الضروري استخدام الأحماض (مثل حمض الهيدروكلوريك وحمض الكبريتيك) للتجديد لاستعادة قدرة تبادل الراتنج. تتمثل مزايا طريقة تبادل الأيونات في تأثير إزالة العسر الجيد، وجودة التدفق المستقرة، والقدرة على تلبية متطلبات جودة المياه الأعلى؛ تشغل المعدات مساحة صغيرة نسبيًا ويسهل تشغيلها نسبيًا. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة لها عيوب تتمثل في ارتفاع أسعار الراتنجات وكمية كبيرة من مياه الصرف الصحي الحمضية والقلوية المتولدة أثناء عملية التجديد، والتي يجب معالجتها بشكل صحيح، وإلا فإنها ستسبب تلوثًا ثانويًا؛ الراتنج له متطلبات عالية لجودة المياه الواردة، ويمكن للشوائب مثل المواد الصلبة العالقة والمواد العضوية في مياه الصرف الصحي أن تتسبب بسهولة في انسداد الراتنج وتسممه، مما يؤثر على عمره الافتراضي وقضايا أخرى.

（3） طريقة الفصل الغشائي

1. التناضح العكسي (RO)
التناضح العكسي هو تقنية تفصل المذاب والمذيب في محلول من خلال غشاء شبه منفذ تحت الضغط. حجم المسام في غشاء التناضح العكسي صغير جدًا (حوالي 0.1-1 نانومتر)، والذي يمكنه اعتراض أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم بشكل فعال وتحقيق إزالة عسر مياه الصرف الصحي. في عملية إزالة العسر، تمر جزيئات الماء عبر غشاء التناضح العكسي تحت الضغط، بينما يتم اعتراض أيونات العسر، مما يؤدي إلى إنتاج مياه منخفضة العسر. تتمتع طريقة التناضح العكسي بكفاءة عالية في إزالة العسر، ويمكن تقليل عسر التدفق إلى مستوى منخفض جدًا. إنها مناسبة للمناسبات التي تتطلب جودة مياه عالية للغاية، مثل مياه الصناعة الإلكترونية، ومياه تغذية الغلايات، وما إلى ذلك. لكن عيوبها هي ارتفاع ضغط التشغيل وارتفاع استهلاك الطاقة؛ مكونات الغشاء باهظة الثمن وتتلوث بسهولة بالمواد العضوية والكائنات الحية الدقيقة والملوثات الأخرى في مياه الصرف الصحي، مما يتطلب التنظيف والاستبدال المنتظمين، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف الصيانة؛ في الوقت نفسه، تولد عملية التناضح العكسي كمية معينة من المياه المركزة، ومعالجة المياه المركزة هي أيضًا تحد.

2. الترشيح النانوي (NF)
حجم المسام في الغشاء النانوي هو بين غشاء التناضح العكسي وغشاء الترشيح الفائق (حوالي 1-10 نانومتر)، ولديه معدل احتفاظ مرتفع للأيونات ثنائية التكافؤ (مثل أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم)، في حين أن معدل الاحتفاظ للأيونات أحادية التكافؤ (مثل أيونات الصوديوم والكلوريد) منخفض نسبيًا. يمكن لعملية الترشيح النانوي أن تعمل بضغوط أقل، مما يقلل من استهلاك الطاقة مقارنة بالتناضح العكسي. لا يمكن للترشيح النانوي إزالة أيونات العسر بشكل فعال فحسب، بل يمكنه أيضًا إزالة المواد العضوية وأيونات المعادن الثقيلة جزئيًا. ومع ذلك، فإن الأغشية النانوية لديها أيضًا مشكلة التلوث السهل وتتطلب معالجة مسبقة صارمة للمياه الواردة؛ علاوة على ذلك، يتأثر عمر الخدمة وتأثير إزالة العسر للأغشية النانوية بشكل كبير بعوامل مثل جودة المياه وظروف التشغيل.

（4） طريقة الامتصاص

طريقة الامتصاص هي استخدام المواقع النشطة على سطح المواد الماصة لامتصاص وإزالة أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم. تشمل المواد الماصة الشائعة الكربون المنشط، والزيوليت، والبنتونيت، وأكاسيد المعادن، وما إلى ذلك. على سبيل المثال، يتمتع الزيوليت ببنية مسام فريدة وأداء تبادل الأيونات، ويمكن لكاتيوناته القابلة للتبادل أن تخضع لتبادل الامتصاص مع أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم في مياه الصرف الصحي. طريقة الامتصاص بسيطة التشغيل ولها تأثير معالجة معين على مياه الصرف الصحي ذات العسر المنخفض التركيز. علاوة على ذلك، يمكن إعادة استخدام بعض المواد الماصة من خلال التجديد. ومع ذلك، فإن قدرة امتصاص المادة الماصة محدودة، مما يؤدي إلى ضعف كفاءة المعالجة لمياه الصرف الصحي ذات العسر العالي التركيز؛ عملية تجديد المواد الماصة معقدة نسبيًا، وتأثير التجديد غير مستقر، مما قد يؤثر على عمر الخدمة وتأثير إزالة العسر للمواد الماصة.

（5） طرق أخرى

1. طريقة التحليل الكهربائي
يستخدم التحليل الكهربائي النفاذية الانتقائية وتأثير المجال الكهربائي لأغشية تبادل الأيونات للحث على الهجرة الاتجاهية للأيونات في الماء، وبالتالي تحقيق إزالة العسر من مياه الصرف الصحي. أثناء التحليل الكهربائي، تسمح أغشية تبادل الكاتيونات بمرور الكاتيونات فقط، بينما تسمح أغشية تبادل الأنيونات بمرور الأنيونات فقط. تحت تأثير المجال الكهربائي، تهاجر أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم في مياه الصرف الصحي إلى القطب السالب من خلال أغشية تبادل الكاتيونات، وبالتالي تنفصل عن الماء. لا تتطلب طريقة التحليل الكهربائي لإزالة العسر إضافة عوامل كيميائية ولا تنتج الحمأة، مما يجعل عملية التشغيل صديقة للبيئة نسبيًا. ومع ذلك، تتطلب هذه الطريقة استثمارًا كبيرًا في المعدات، وتستهلك الطاقة الكهربائية أثناء التشغيل، ولها متطلبات عالية لجودة المياه الواردة، مما يتطلب معالجة مسبقة صارمة لمنع اتساخ الغشاء.

2. الطريقة الميكروبية
الطريقة الميكروبية هي استخدام النشاط الأيضي للكائنات الحية الدقيقة أو التفاعل بين البوليمرات خارج الخلية للكائنات الحية الدقيقة وأيونات الكالسيوم والمغنيسيوم لتحقيق إزالة العسر من مياه الصرف الصحي. على سبيل المثال، يمكن لبعض الكائنات الحية الدقيقة زيادة قيمة الأس الهيدروجيني للبيئة المحيطة عن طريق إفراز مواد قلوية، مما يعزز ترسيب أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم؛ يمكن للمجموعات الوظيفية في البوليمرات خارج الخلية الميكروبية، مثل مجموعات الكربوكسيل والهيدروكسيل، أن تخضع أيضًا للتعقيد والامتصاص مع أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم. تتمتع الطرق الميكروبية بمزايا انخفاض تكلفة المعالجة والصداقة البيئية، لكن عملية المعالجة بطيئة وتتأثر بشكل كبير بظروف النمو الميكروبي مثل درجة الحرارة وقيمة الأس الهيدروجيني والأكسجين المذاب وما إلى ذلك. حاليًا، لا تزال هناك قيود معينة في التطبيقات العملية.

4、 مقارنة واختيار الطرق المختلفة لإزالة العسر

الطرق المختلفة لإزالة العسر من مياه الصرف الصحي لها مزاياها وعيوبها، كما تختلف قابليتها للتطبيق. في التطبيقات العملية، من الضروري أن نأخذ في الاعتبار بشكل شامل عوامل مثل خصائص جودة المياه لمياه الصرف الصحي (مثل تركيز أيون العسر، ومكونات الملوثات الأخرى، وما إلى ذلك)، ومقياس المعالجة، وتكلفة المعالجة، ومتطلبات جودة التدفق، ومتطلبات حماية البيئة، واختيار الطرق المناسبة لإزالة العسر. بالنسبة لمياه الصرف الصحي ذات العسر العالي التركيز، قد يكون الترسيب الكيميائي طريقة أكثر اقتصادية وفعالية؛ بالنسبة للمعالجة صغيرة النطاق التي تتطلب جودة مياه عالية، فإن طرق تبادل الأيونات أو التناضح العكسي أكثر ملاءمة؛ بالنسبة لمياه الصرف الصحي ذات العسر المنخفض التركيز الحساسة للتكلفة، قد يكون للامتصاص أو الطرق الميكروبية بعض الإمكانات التطبيقية. بالإضافة إلى ذلك، في العديد من الحالات، يمكن استخدام مجموعة من الطرق المتعددة لإزالة العسر للاستفادة الكاملة من مزايا كل طريقة، وتحسين تأثير الإزالة، وتقليل تكاليف المعالجة.

5、 الاستنتاج والتوقعات

تكنولوجيا إزالة العسر من مياه الصرف الصحي ذات أهمية كبيرة لضمان الإنتاج الصناعي، وتحقيق إعادة تدوير موارد المياه، وحماية البيئة. في الوقت الحاضر، تم استخدام طرق مختلفة لإزالة العسر، مثل الترسيب الكيميائي، وتبادل الأيونات، والفصل الغشائي، والامتصاص، وما إلى ذلك، على نطاق واسع في الهندسة العملية، ولكن لكل طريقة قيود معينة. في المستقبل، يشمل اتجاه تطوير تكنولوجيا إزالة عسر المياه بشكل أساسي الجوانب التالية: أولاً، تطوير عوامل إزالة عسر جديدة ومواد امتصاص فعالة وصديقة للبيئة واقتصادية لتحسين كفاءة إزالة العسر، وتقليل تكاليف المعالجة والتلوث الثانوي؛ والثاني هو تعزيز البحث والتطوير في مواد الغشاء، وتحسين أداء مكافحة التلوث، ومعدل الاحتفاظ، وعمر خدمة الأغشية، وتقليل تكاليف التشغيل لتكنولوجيا الفصل الغشائي؛ والثالث هو إجراء بحث متعمق حول آلية إزالة العسر الميكروبية، وتحسين عمليات المعالجة الميكروبية، وتحسين استقرارها وكفاءة المعالجة؛ والرابع هو استكشاف عملية التطبيق المشترك للطرق المتعددة لإزالة العسر، وتحقيق المزايا التكميلية، وتحسين تأثير المعالجة الإجمالي. من خلال الابتكار التكنولوجي المستمر وتحسين العمليات، ستلعب تكنولوجيا إزالة عسر المياه دورًا أكثر أهمية في الاستخدام المستدام لموارد المياه وحماية البيئة في المستقبل.