Investigation of a Case of Failure of a Reverse Osmosis Project

By

M. Gamal Khedr

Professor Emeritus, National Research Centre, Cairo

mgakhedr@yahoo.fr

 

Abstract

A reverse osmosis (RO) project of 22,000 m3/d was installed for desalination of a groundwater contaminated by the radioactive isotopes radium (Ra 226, 228) to produce drinking water in Qaseem region, Saudi Arabia. The project specified the blending of RO permeate of 20,000 m3/d with 2,000 m3/d of conditioned raw water. Since the radioactive contamination is rather high (195.1 ± 20.2 pCi/L) and it would further increase with time upon withdrawal of groundwater and since, on the other hand, the RO rejection would decrease with time during the membrane lifetime, the project included, as a pretreatment process prior to RO, the partial removal of Ra by adsorption on the active hydrous manganese oxide (HMO) surface and filtration.

 However, upon initial start up the plant failed to realize the tender requirements of both lowering of radioactivity up to the maximum contaminant level (MCL) in drinking water   of ≤ 5 pCi/L as per the norms of the US Environmental Protection Agency, as well as of rejection of salinity by RO to ≤ 500 mg/L according to the norms of the World Health Organization (WHO).

Our consultancy investigation revealed erroneous application of the technology of Ra removal by adsorption on HMO. This lowered Ra rejection, by this process, to only 57.4% while the project book specified a value of 90%. On the other hand, salt rejection by RO was only 88% instead of 96% as per the project description. These deffects resulted in a product water salinity and Ra contamination out of the requested values upon blending the RO permeate with the conditioned raw water.  The consultancy investigation rectified the process of preparation of the active HMO layer which realized the expected Ra adsorption and removal by subsequent filtration. RO performance was also improved by modification of the system design of the RO skids and adopting a developed array according to a standard software projection to obtain salt rejection of 96%. Pilot testing confirmed the satisfaction of the tender conditions.

 

Keywords: Groundwater Treatment, Radium contamination, Hydrous Manganese Oxide, Preparation of HMO, Adsorption on HMO.

                                                    Introduction

Selective membrane processes as RO and nanofiltration (NF) are currently commonly approved as the most efficient and cost effective methods for desalination of brackish groundwater or industrial waste waters of medium salinity (1). On the other hand, RO process was reported to reject efficiently the divalent radioactive ionic species as radium (Ra2+ 226,228) and heavy metal cations (2, 3).

The present project faces the double challenge of a rather high radioactive contamination by Ra 226,228 of 195.1 ± 20.2 pico Curie/L (pCi/L), parallel to too high salinity than suitable for drinking water of 3538.4 mg/L. In view of the similar properties of Ra and Ca, both being alkaline earth metals, consumption of Ra contaminated drinking water would lead to bone deformation, bone cancer and other dangerous attacks then eventual death (4). The present project selected, therefore, the application of RO preceded by a specific pretreatment for partial rejection of radioactivity.

Aim and scope of the project:

  1. Production of drinking water of total dissolved solids (TDS) ≤ 500mg/L according to the norms of the World Health Organization (WHO) (5).
  1. Lowering of the Ra radioactivity to ≤ 5pCi/L according to the norms of the US-Environmental Protection Agency (EPA) (6).
  1. In view of the rather high detected radioactive contamination and the risk of its possible increase with time upon withdrawal of groundwater, and as precaution against the possible decrease of RO rejection during the membrane lifetime, the project book specified partial rejection of Ra by adsorption on the activated MnO2 surface and filtration prior to RO as a double safety barrier against the contamination of drinking water. Hydrous manganese oxide (HMO) on the surface of activated MnO2 is known to adsorb efficiently Ra and other divalent or polyvalent metal cations, under critical specific conditions, and is the basis of a standard method for Ra removal (7).

However, upon the start up of the project neither the specified salt rejection nor the Ra rejection were realized. The present consultancy investigation aims to discover the sources of this failure and propose the adequate rectification for the realization of the project specified performance.

                                               Discussion

Project Facts:

Plant Capacity:

Final product rate of 22,000 m3/d drinking water of which 20,000 m3/d are to be produced by RO then blended with 2,000 m3/d conditioned raw water.

Raw Water Quality:

Groundwater analysis is given by Table 1.

The radioactive contamination is due to combined Ra 226,228 of 195.1 ± 20.2 pCi/L.

Tender Described RO System and Performance:

RO membranes of the modern technology of thin film composite, spiral wound membrane elements of the polyamide chemistry (TFC, SW, PA).

Salt rejection of RO units not ˂ 96%

Percent recovery of 85%

Permeate Flux not >20 lmh

 Investigation of the Failure of the Partial Removal of Ra:

 The project specified the pretreatment of the groundwater for Ra removal by adsorption on freshly prepared surface active layer of HMO then filtration. However, the resultant removal of Ra by this step was quite lower than expected and led to unacceptable contamination of the final drinking water. If we consider the main lines of the procedure of removal of Ra by adsorption on HMO layer:

  1. MnO2 is prepared according to the reaction:

  1. The treatment should start by oxidation of the dissolved iron and manganese from the raw water and filtration for removal of the corresponding oxides to prevent the competitive adsorption of these cations on the HMO layer which lowers Ra adsorption (8).
  1. Upon oxidation of iron and manganese in the aeration towers a part of Ra is, in fact, removed by adsorption on their deposited oxides (9).
  1. The reagents MnSO4 and KMnO4 should separately be dissolved in agitated tanks then mixed in a third tank with continuous agitation.
  1. Since deposition of MnO2 is accompanied by production of H2SO4, an alkali as caustic soda should be dosed to neutralize the pH to the range 8-8.5.
  1. At this pH, a contact time of 10 to 12hrs with agitation is required for deposition of MnO2 and for its surface hydrolysis.
  1. Then the resulting suspension is dosed to the feed stream. Usually a dose of 4 mg/L is used.

 

Analysis of the failure of Ra removal by HMO:

Inspection of the system of preparation of HMO revealed the following defects:

  1. The above described standard procedure for preparation of the HMO was not respected. The dissolved reagents KMnO4 and MnSO4 instead of being mixed together and left over the mentioned contact time for deposition of MnO2 and surface hydrolysis prior to dosing to the raw water stream, they were directly independently added to the feed water stream.
  1. These reagents were, therefore, much diluted before reaction without the correct contact time at the suitable pH for the adequate formation of the active layer.
  1. The added concentrations of these reagents were found to be lower than standard as per equation [1]. According to the operation team this was to prevent the repeated tripping of the plant.

In fact, plant tripping was due to the oxidizing alert caused by the unreacted KMnO4 which raised the oxidation-reduction potential (ORP) in the feed stream above the limit fixed for protection of the PA membranes. The operation decreased the dosing of the oxidizing KMnO4 to avoid the repeated tripping.

 

These problems explain the incomplete reaction of formation of the HMO layer and consequently the observed failure of Ra removal.

While the process flow diagram of the project tender specified 90% Ra rejection, the feed water radioactivity of 195.1 ± 20.2 pCi/L was lowered to 83.3 ± 8.9 pCi/L i.e. by only 57.4%.

Investigation of the failure of RO units to realize the tender requirements of salt and radioisotope rejection.

 

The project four (4) RO skids of 5,000 m3/d each were based on 8 inch, TFC/SW/PA membranes according to an RO system design that enabled rejection of TDS to 401.5 mg/L i.e. by only 88,27 % and Ra rejection to 5.4 ± 1.3 pCi/L  while the project specified RO salt rejection of ≥ 96%.

The consultant investigation had to upgrade Ra rejection from the feed water by correct preparation of the active adsorbing HMO layer in order to enable safe values of radioactivity upon blending with the RO permeate.

When the preparation of the active layer was rectified according to the described standard procedure, a 92.6 % rejection of Ra was realized to give a residual activity in the RO feed of only 14,48 pCi/L.

As for RO Rejection, on the other hand, we have developed, based on RO system design projections using a standard software, a different skid design Fig 1 which resulted in permeate TDS of 124.06 i.e. at 96.5 % salt rejection and practically complete Ra the rectified rejection (for blending calculations we have selected the highest reading), Fig 2.

Pilot testing of Ra removal by adsorption on the rectified HMO layer, and of salt rejection by the modified RO unit design confirmed the realization of the project tender specifications upon blending as follows:

Conclusions

 

  1. A consultancy investigation was conducted for a case of failure of an RO plant which treats groundwater contaminated by the radioactive isotopes Ra 226,228 at an activity quite higher than the permissible MCL in drinking water. The primary inspection revealed that both TDS and radioactivity of the final product water unacceptably exceed the project specifications.
  1. While selective membrane techniques as RO or NF show efficient rejection of divalent and polyvalent ionic species as radioisotopes and heavy metal cations, in case of high concentrations of such dangerous contaminants RO can be successfully combined with other decontamination processes as a double safety barrier to realize drinking water norms.
  1. The pretreatment adsorption of Ra on the adequately prepared active HMO and filtration could realize > 90 % removal of Ra from raw water. Preparation includes mixing of the reagents KMnO4 and MnSO4 with agitation and pH adjustment to the range (8-8.5) over a contact time of 10 hours then dosing to the main stream.
  1. The Ra bind to HMO in the back wash stream of the media filters together with the RO reject stream go to the evaporation ponds where the radioactivity is diluted in the solid state by the rejected salts and goes to the adequate disposal.

References

  • Gamal Khedr, “Optimization of reverse osmosis process efficiency and Environmental safety through reject processing”, Euromembrane International Conference, Hambourg (2004) 600.
  • Gamal Khedr, “Nanofiltration and low energy reverse osmosis for rejection of radioactive isotopes and heavy metal cations from drinking water sources”, Desalination and Water Treatment, 2 (2009) 342 – 350.
  • J. Sorg et al, “Removal of Ra 226 from Sarasota County, Flo., drinking water by reverse osmosis”, J. Am. Water Works Assoc., 72 (4) (1980) 230.
  • M. Finkelsteing and N. Kreiger, “Radium in drinking water and risk of bone cancer in Ontario youths: a second study and combined analysis”, Occup. Environ. Med., 53 (5) (1996) 305 – 11.
  • Drinking-Water Quality Guidelines-WHO, https://www.who.int>guidelines 4th edition (2017).
  • The Radionuclides Final Rule, Environmental Protection Agency, https://www.epa.gov.>dwreginfo>radio December 2000.
  • A. Clifford, “Radon, Radium and Uranium in Drinking Water”, C.R. Cothern & A.P. Rebers, Eds., Lewis Publishers, (1991) 234
  • L. Brink et al, “Radium removal efficiencies in Water Treatment Processes”, J. Am. Water Works Assoc., 70 (1) (1978) 31.
  • Clifford et al, “Evaluating various adsorbents and membranes for removing radium from groundwater”, J. Am Water Works Assoc., (1988) 94 – 104.

Ultra-filtration plants for safe water

By

Alaa Mohamed Ibrahim Sabbah

Water Treatment and Desalination Training Instructor

 1-Introduction

In recent years, surface water purification with ultrafiltration membrane has become an attractive alternative to conventional clarification. No or less need of chemical agents, good quality of produced water independent of feed water quality, good removal efficiency towards microorganisms, less production of sludge, compact process, and easy automation are some of the advantages of ultrafiltration compared to conventional treatment. Originally, ultrafiltration was used to remove turbidity and microorganism from good-quality surface water. Nowadays the main goal is to improve this technology and to apply it to worse quality sources for the removal of microorganisms, natural organic matter (NOM), Total Organic Carbon (TOC) including particulate organic carbon (POC) and dissolved organic carbon (DOC), disinfection by-products (DBPs) and other components. {1}

 Ultrafiltration (UF) involves pressure-driven separation of materials from a feed solution. The technology is used to remove particulate and microbial contaminants, but it does not remove ions and small molecules. Pressure drives the process, which typically operates with a feed pressure of 4 to 100 psig. UF plants are mostly and have low operational labor requirements. These systems, however, can require frequent cleaning. UF membranes have a service life of three to five years or longer, which is comparable to reverse osmosis membranes UF modules are commercially available in tubular, hollow-fiber, plate and frame, and spiral wound configurations.

 UF membranes reject solutes ranging in size from 0.03 microns and larger. The UF membrane process separates molecules in solution on the basis of size. The pore size and molecular weight cut-off (MWCO) are often used to characterize a membrane. The pore size is the nominal diameter of the openings or microspores in the membrane expressed in microns. The MWCO is the molecular mass or weight of a solute that rejects greater than 90 percent. The unit of measurement for MWCO is the Dalton (D). Different membrane materials with the same nominal MWCO may have differing solute rejection. Pore size distribution and uniformity rather than the chemical nature of the membrane material may cause this effect. Because factors other than pore size or MWCO affect the performance of membranes, challenge studies are used to demonstrate membrane performance and benchmark different membranes.  {2}

2- Main fields of applications of Ultrafiltration {3}

  • Municipal and industrial waste water treatment and reuse
  • Drinking water processing, it makes up part of an advanced clarification system and can be integrated after settling or flotation, to filter out particles, removal of bacteria and viruses.
  • Surface water treatment for industrial use
  • Seawater pretreatment for removal of colloidal silica and micron suspended solids to RO feed and to ensure SDI less than 3.0. {4}

3- Information Required For Selection of Adequate UF System  {3}

  • Feed Quality

» Non ionics: turbidity, TSS, COD, TOC, color, silica

» Ionics: dissolved metals, alkalinity, silica

    Since ferric and aluminum cations; if present, may hydrolysis to give the Fouling

    colloidal hydroxides

» Others: temperature, pH

  • Capacity

» Nominal flow

» Peak flow

  • Required filtrate quality

» Micro biological removal efficiency

» Removal of organics and color

  • Other considerations

» Redundancy

» Footprint

 

4- Objective of Ultrafiltration: {3}

  • Colloidal silica and other inorganic colloids removal up to 8%
  • TOC removal:

                                POC Removal – 100 %

                                DOC Removal – 40%

 

 

5- UF System Operating {5}

    Following Operation shall be performed by the system,

  1. Filtration
  2. Hydraulic cleaning (HC)
  3. Chemically Enhanced Backwash

  • Filtration

          During filtration the UF unit receives feed water and produces permeate. Feed flow will be controlled by Flow control Valve.

Filtration Operation shall be terminated immediately for,

  • TMP is higher than 1 bar.
  • Completion of filtration time.

  1. Hydraulic cleaning (HC)
  • HC is performed after completion of Filtration time
  • The foulants that have accumulated during filtration are removed from the membrane surface.
  • HC is combination of several cleaning methods using feed water and clean permeate water.

HC Operation Steps:

Forward flush (FF):

Feed water is pumped from the feed to the concentrate side along the membrane surface.

Backwash (BW): 

Reverse the flow of filtrate at higher flux for short duration to flush out foulants from membrane surface and pores

  1. Chemical Enhanced Backwash (CEB):

 

  • CEB operation is combination of hydraulic cleaning (HC) and Chemical backwash.
  • After HC steps performed, then UF system is filled with chemical solution by Backwash pump.
  • Once the UF unit is filled with the chemical solution then the chemicals are left in the membranes (Soaking).
  • During soak time the chemicals and dislodged foulants are flushed out by backwash

 

6- Clean-In-Place (CIP) {5}

A clean in place (CIP) operation includes backwash and chemical recycle to clean the fibers. The CIP is a on demand operation. The frequency of a CIP is dependant on the feed water quality but can range from 1 to 3 months. The chemical cleaning involving recirculation-soak cycles. Use for recovery cleaning or with specialized chemicals for particular foulants. Depending on the type of fouling there are various chemical solution that can be used during a CIP. In the process of selecting the right chemical cleaning solution it is vital to identify the type of fouling on the membranes.

Fouling {5}

There are four types of fouling common to UF operations including particulate, biological, inorganic, and organic.

Particulate fouling

Is caused by suspended solids, silt, colloids, and turbidity that can be reduced by coagulation, sedimentation, clarification, and media filtration. The common cleaning method for particulate fouling is air scour and backwash.

Biological fouling

Is caused by the growth of microorganisms that can be reduced by using in-line chemical feed of chlorine or biocide or by elimination of nutrients by using coagulation. The common cleaning method for removal of biological fouling is Chemically Enhanced Backwash (CEB) with oxidizers or biocides (Cl2, H2O2, and SBS).

Inorganic fouling

 Is caused by the precipitation of inorganic on the membrane that can be reduced by using oxidation/precipitation and filtration as pretreatment to the UF or in some cases using low hardness water for the alkali chemically enhanced backwash. The common cleaning method for removal of inorganic fouling is chemically enhanced backwash with acid at pH 2 (HCl, H2SO4, Citric, Oxalic Acid).

Organic fouling

Is caused by organics adsorbing on the membrane (organic acids and humus) that can be reduced by using coagulation. The common cleaning method for removal of organic fouling is CEB with alkali at pH 12 (NaOH).

References

{1} Techneau, 06

{2} DOW (UF manual operation)

{3} Pentair (Design of Ultrafiltration plants for safe drinking water)

{4} https://www.aquamech.co.in/ultrafiltration.html

{5} DOW (UF manual operation), Pentair (UF manual operation)

تلوث الماء

بقلم 

ك/ لقاء أبو العباس الفقى

مدير معمل الميكروبيولوجى-المعمل المركزى –شركه مياه الشرب والصرف الصحى بالشرقية

 

قال الحق تبارك وتعالى (أَوَلَمْ يَرَ الَّذِينَ كَفَرُوا أَنَّ السَّمَاوَاتِ وَالْأَرْضَ كَانَتَا رَتْقًا فَفَتَقْنَاهُمَا ۖ وَجَعَلْنَا مِنَ الْمَاءِ كُلَّ شَيْءٍ حَيٍّ ۖ أَفَلَا يُؤْمِنُونَ) (سورة الأنبياء، رقم 30). فالماء هو شريان الحياة الرئيسى للإنسان وباقي الكائنات الحية على وجه الأرض، وعدم وجوده يعني إنعدام الحياه وقد عرف كوكب الأرض بالكوكب المائى نظراً لأن الماء يغطي 70.9℅  بما يشكل ثلثى مساحة الكرة الأرض، وينقسم الماء في الطبيعة إلى مياه سطحية (أنهار- بحار – محيطات) – مياه جوفية – مياه الأمطار، يعتبر الماء من أكثر المصادر الطبيعية وفرة على سطح الكرة الأرضية ولكن نسبة 1% فقط هو المتاح ويستخدم بصورة آمنه بواسطة الإنسان، وطبقاً لتقرير منظمة الصحة العالمية هناك مايزيد عن 750 مليون إنسان ليس لديهم مصدر مياه شرب مناسب، وفى البداية يجب الإشارة إلى تقرير UN-WWDR (2018) والذى تطرق إلى أهمية المياه وإستخداماتها المختلفة والذى أشار طبقاً للدراسات الإحصائية فإن 70%من المياه العذبة المتاحة تستخدم فى الزراعة وأغراض الرى و20% تستخدم فى الأغراض التصنيعية للتطور الإقتصادي و الحضاري والجزء المتبقى 10% تستخدم فى الأغراض المنزلية مثل الطهى والشرب  والإستحمام ،وهناك طلب متزايد على أمدادات المياه نظراً للإرتفاع المستمر فى الكثافة السكانية والتطور الحضارى والصناعى حتى الإستثمار الزراعى المكثف،وإساءة ملف إدارة المياه كلها عوامل تزيد من الضغوط تحت مسمى التطور الحضارى والصناعى والقفزات الإقتصادية، فهى ضغوط تضع الجيل الحالى والأجيال القادمة فى مأزق نظراً لأن كل المصادر الطبيعية للمياه العذبة قد تستنفذ، ويضاف لتلك الضغوط الواقعة على مصادرالمياه الطبيعية مشكله التلوث المائي وهذا التلوث قد يكون تلوثاً طبيعياً (الفيضانات- تسونامى – البراكين – حرائق الغابات-سقوط النيازيك – البرق والرعد)، بجانب التلوث الصناعى نتيجة لأنشطة الإنسان المختلفة والمكثفة فى مجالات عديدة مثل التعدين والتصنيع والرعى الجائر وكذلك إستنزاف الأراضى الخصبة بصورة جائرة وينتج عن ذلك كميات كبيرة من المخلفات الصلبة الملوثة للبيئة مع العلم أن تلك الأنشطة يسهل التحكم فيها بالقوانين والإجراءات الرادعة والحازمة عكس الحال فى التلوث الطبيعى.

قال الله تعالى (ظَهَرَ الْفَسَادُ فِي الْبَرِّ وَالْبَحْرِ بِمَا كَسَبَتْ أَيْدِي النَّاسِ لِيُذِيقَهُم بَعْضَ الَّذِي عَمِلُوا لَعَلَّهُمْ يَرْجِعُونَ) صدق الله العظيم (سورة الروم، 41)

وهناك إرتفاع فى تكاليف توفير مياه شرب نظيفة نظراً لإرتفاع تكاليف طاقة التشغيل وطبقاً للزيادة المفرطة فى أعداد السكان وطبقاً للتغيرات المناخية والبيئية المتزايدة وتشير التقارير أيضاً إلى وجود إرتفاع متزايد فى الملوثات الناتجة حيث أن معظم محطات معالجة المياه لا تزيل هذه الملوثات الخطيرة، وحديثاً لقد أعلن (UN-WWDR (2018 أن هناك حوالى 1.7 بليون إنسان حول العالم يعيشون فى مناطق شحيحة للمياه ومن المحتمل إرتفاع هذا الرقم إلى 3 بليون إنسان فى عام 2050.

بما أن الماء هو الحياه وكل قطرة مياه = حياه فماذا يحدث إذا تلوث وحدث له تغيرات فيزيائية أو كيميائية أو البيولوجى بطريقة مباشرة أوغير مباشرة ؟ بالطبع تلوث المياه يؤثر سلبياً على جميع الكائنات الحية،و يجعل المياه غير صالحة للإستخدام الآدمى، ويزداد معدل تلوث المياه بزيادة الأنشطة البشرية فإذا لم يتواجد رادع وتجريم ووضع حدود وقيود للمحافظة على نوعية وجودة المياه وعدم تلوثيها فأننا جميعاً سنفق على كارثة أرضية بكوكبنا المائى. وقد أدى ظهور هذه المصادر المختلفة للتلوث إلى لفت نظر العالم إلى نوعية المياه ومدى جودتها- ومدى خطورتها على صحة الإنسان والبيئة التى نعيش فيها. حيث كانت البداية الحقيقية مع منتصف القرن الماضى بعقد المؤتمرات واللجان العلمية من جهه منظمة الصحة العالمية بإسناد من هيئة الأمم المتحدة UN  حيث تمكنت المنظمة من إصدار أول دليل إرشادى عام 1971 لوصف وتحديد بعض المعايير الخاصة بنوعية وجودة المياه الصالحة للشرب والإستخدام الآّدمى. وتطورت الإصدارات وأصبح لكل دولة مواصفات خاصة بها لتحديد صلاحية مياه الشرب للإستخدام، وكذلك تطور تنقية ومعالجة المياه السطحية والجوفيه.

والتلوث المائى من أخطر المشكلات التى تواجهها المصادر المائية فى مصر فبالرغم من تعدد المصادر المائية فى الوقت الحالى فمصادر المياه فى جمهورية مصر العربية(مياه نهر النيل مصدراً أساسياً – مياه جوفية – الأمطار الساحلية – مياه البحر الأحمر والمتوسط – إعادة إستخدام مياه الصرف الصحى) (موارد مصر المائية، 2012). إلا أنها تواجه خطر التلوث سواء كان تلوث طبيعى، تلوث كيميائى، تلوث بمياه الصرف الصحى والصناعى والأنشطة السياحية، تلوث بالملوثات النفطية، والمخلفات الزراعية (المبيدات-المخصبات الزراعية) وبالتالى إختلفت نوعية تلك المياه ومدى جودتها بل أدت إلى ندرته، فبالرغم من إصدار رئاسة الجمهورية المصرية فى 29 شعبان لسنة 1402/21 يونيو 1982 قانون رقم (48) للحد من التلوث لحماية نهر النيل والمجارى المائية من التلوث وتنص المادة الثانية بمنع صرف أو إلقاء المخلفات الصلبة أو السائلة أو الغازية فى المجارى المائية إلا بعد الحصول على ترخيص من وزارة الرى وفقاً للضوابط والمعايير التى يصدرها قرار وزيرالرى، وقد أصدر قانون البيئة رقم 4 لسنة 1994 والذى تم تعديله بالقانون 9 لسنه 2009 حيث نص بند 26 بعدم تسرب أو إنصباب أو إنبعاث أو تفريغ لأي نوع من الملوثات فى نهر النيل والمجارى المائية أو المسطحات المائية إلا أن مشكلة التلوث المائي لاتزال قائمة.

نتيجة للمشكلات التى تتعرض لها جمهورية مصر العربية قررت الجهات والمؤسسات الحكومية إلى وضع إستراتيجية لرؤية مصر 2030 والتى قام بإعدادها مجموعة من الخبراء المتخصصين فى الوزارات المختلفة مع الإستعانة بخبرات عدد من الدول والتى حققت نجاحاً فى هذا المجال مثل ماليزيا، الهند وغيرها. حيث إهتمت الرؤية المصرية 2030 بالبعد البيئى وجعلته محوراً أساسياً لكافة القطاعات التنموية والإقتصادية بشكل يحقق مأمونية الموارد الطبيعية ويدعم عدالة إستخدامها وإستغلالها الإستغلال الأمثل والإستثمار فيها لضمان حقوق الأجيال القادمة مع توفير بيئة نظيفة وصحية وآمنه للمواطن المصرى، فمن أهداف هذه الإستراتيجية:-

– الحد من المخلفات الغير معالجة وإستغلالها قدر الإمكان، الحد من التلوث والإدارة الكاملة للمخلفات.

– الحفاظ على توازن النظم الأيكولوجية والتنوع البيولوجى مع رفع كفاءة المحميات الطبيعية المصرية.

– الإداره الرشيدة والمستدامة للموارد الطبيعية بما فى ذلك الموارد المائية (الموقع الرسمى لمجلس الوزراء، 2030).

الخلاصة

  • العمل على التقليل من مصادر تلوث المياه وإن كان التلوث الصناعي أساس تلوث الأمطار (الأمطار الحمضية) وكذلك النفايات والصرف الصحي والمخصبات وغيرها وقد أدى ذلك لحرمان ملايين من البشر على كوكب الأرض من المياه الصالحة للشرب مما أدى إلى إنتشار الأمراض وإرتفاع نسبة الوفيات نتيجة لذلك يجب أن تحظى الموارد المائية بإهتمام وأهمية كبيرة لتوفيرها بالكميات والنوعيات المطابقة للمواصفات العالمية كل حسب إستخدامه سواء المنزلية أو الزراعية أو الصناعية .
  • بناء خزانات جوفية مغطاه بمواد عازلة لتخزين مياه الأمطار والحفاظ عليها من التسريب أو التلوث من مياه الصرف الصحي أو التبخير والإنتفاع منها عند الحاجة في الشرب.
  • بناء محطات رفع للمياه الشرب جيده ذات مواصفات هندسية وبيولوجية صالحة لإنتاج مياه شرب صالحة للإستخدام المنزلي.
  • إجراء أبحاث ودراسات من خلال فريق بحثى من الوزارات المعنية بقطاع المياه والمشاكل التى تتعرض للتنمية الإدارية لتؤكد جودة مياه الشرب وأنها صالحة للإستخدام الآدمى.
  • إستخدام الوسائل البيولوجية و المذيبات الامنة لمعالجة ترسيب النفط في قاع البحار أو المحيطات.
  • التشديد على منع ناقلات النفط والسفن الكبيرة من التخلص من نفاياتھا النفطية بإلقائھا في المياه وإلزامھا بأن تتزود بجھاز لتنقية المياه.
  • التشديد على عدم إلقاء مياه مجارى الصرف الصحى في المسطحات المائية قبل معالجتھا .
  • التشديد على عدم إلقاء مخلفات المصانع السائلة قبل معالجتھا وتقليل نسب الملوثات فيھا بما يضمن إستمرار الحد الآمن.

الطرق المقترحة للحد من التلوّث في جمهورية مصر العربية

  • الحد من التضخّم السكاني والتوعية بخطورة تفاقم تلك المشكلة.
  • بناء المصانع والمطارات والمفاعلات النووية والذرية بعيدة عن المناطق السكنيّة.
  • إجراء المزيد من الدراسات العلمية عن الملوثات وأضرارھا وكيفية منعها ومعالجتها.
  • إعادة تدوير بعض نفايات المصانع بدلاً من إلقائها في المصارف ووصولها إلى المياه الجوفية وتلوثها.
  • التحليل الدورى الكيميائى والحيوى للماء بواسطة مختبرات متخصصة، لضمان المعايير التي تتحقق بها جودة المياه وعدم تلوثها.
  • التأكد من أن الماء(آمن للإستهلاك البشرى- مرضى للمستهلكين- مقدم بتكلفة معقوله)

المراجع

الموقع الرسمى لمجلس الوزراء المصرى،  مصر 2030، إستراتيجية التنمية المستدامة.

سورة الأنبياء آية (30) (القران الكريم).

سورة الروم آية (41) (القران الكريم).

قانون البيئة رقم   4 لسنة 1994 والمعدل بقانون رقم 9 لسنة 2009 لجمهورية مصر العربية.

قانون رقم 48 لسنة 1982 لحماية نهر النيل والمجارى المائية من التلوث.

وزارة الصحة والسكان (2007). الإدارة المركزية لشئون البيئة ، قــرار وزارة الصحة والسكان رقم (458).

موارد مصر المائية (2012). كتاب وزارة الزراعة والجهاز المركزي للتعبئة والإحصاء.

ECESR, W. (2014). Egyptian Center For Economic and Social Rights, Water Pollution.

UN-WWDR (2018). United Nations –World Water Development Report.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wastewater & nanotechnology

Marwa Mohamed Faisle

M.Sc. Chemistry

          Wastewater discharge from agricultural, domestic or industrial source with a negative effect on the water, health, and the environment. The disposal of untreated wastewater into water stream cause much pollution. Due to the fast growing of the global population and the elaboration of living standard there are demands continuously driving. However, in present wastewater treatment technologies are reaching their end for achieving appropriate water quality to attain human and environmental requirements. Nanotechnology based treatment has offered very efficient and ecofriendly access. The benefits of nanotechnology in wastewater treatment technology focused in specific areas: sensing and detection, pollution control and treatment, this achieving through nano-filtration technique, adsorption of pollutants on nano-adsorbents and the contaminants breakdown by nano-catalyst.

                 Rapid increase an interest in the use of nano-materials, well developed internal pore structures of nano-particles and their tendency to functionalize with various chemical surface groups increase their affinity towards target contaminants. Recent studies suggest that many of the recent wastewater problems could be solved using nanomaterials.

               Nano particles have great interacting, absorbing and reacting abilities due to their very small size and elevated proportion of atoms at their surface, they can achieve energy conservation due to their small size which may lead in the end to cost saving. The unique properties of Carbon Nano Tubes CNTs have attracted the attention of many researchers, their high strength, and resistance to acidic and basic media, high surface area good thermal, electrical, and conductive properties brought up the possibility of a novel structure with extra -ordinary properties. The CNTs consist of very thin honeycomb structures of graphene sheets rolled up in cylindrical shape with a few nanometer diameter and many micron or even centimeters length as shown in figure, including single walled CNTs (SWCNTs) and multi-walled CNTs (MWCNTs) distinguished by the layers numbers. Due to the hexagonal network of carbon atoms and strong van der Waals interaction forces between the nanotubes, they form tight bundles as show in figure (1).

Figure (1): Schematic diagram of graphene sheet layers of CNTs.

The CNTs have presented excellent adsorption efficiencies for various organic pollutants, heavy metals, i.e. lead, cadmium, Application of CNTs in wastewater treatment is not restricted to adsorption and filtration; CNTs have strong antimicrobial properties that control microbial pathogens. They are not strong oxidants and relatively inert in water resulting in avoiding the formation of carcogenic disinfection byproducts (DBPs)

The effect of metal and metal oxide nano particles, such as nano silver, nano copper  ,nano gold, titanium dioxide , aluminum oxide, silicon dioxide and zinc oxide on wastewater treatment plants (WWTPs) have been widely investigated. However, few studies have investigated the effect of CNTs on WWTPs.

[References]

  1. M. Faisle, (2017):” Preparation of nanomaterials and its application for wastewater chemical and biological treatment. “M. Sc. Thesis, Chemistry Department, Science faculty, Fayoum University, Egypt.

خصائص الرواسب الصلبة (حمأة) الصرف الصحي

 أحــمــد السـروي

إستشاري معالجة المياه والبيئة

ماجستير الكيمياء البيئية

  1. مقدمة

إن الهدف الرئيسي من عملية معالجة مياه الصرف الصحي هو التخلص من أى مسببات تلوث المياه سواء كانت مواد عضوية أو غيرها عالقة كانت أم ذائبة، ويتم ذلك عن طريق حجزها وإزالتها أو تحليلها إلى مواد وغازات غير ضارة إضافة إلى التخلص من الكائنات الحية الدقيقة الضارة والمسببة للأمراض.

وداخل محطات المعالجة تهدف العمليات الي فصل السوائل (المياه)  عن المواد الصلبة العالقة، وبعد المعالجة يتم التخلص من السيب النهائى بأحد الطرق المناسبة لظروف البيئة المحيطة بمواقع محطات معالجة الصرف الصحى. أما معالجة الحمأة (الرواسب الصلبة) العالقة مع المحتوي المائي والتى تتجمع بعد رسوبها فى أحواض ترسيب منفصلة، أو مع المواد الطافية (الخبث) فيتم التخلص منها مباشرة (بدون معالجة) أو بعد معالجتها. وبالتالى فإن الحمأة السائلة عبارة عن المواد العضوية العالقة التى ترسبت بأحواض الترسيب المختلفة ممزوجة بكمية كبيرة من المياه تختلف نسبتها باختلاف نوعية الصرف الصحي الخام وخصائصه وكذلك نظم معالجته، ومثالاً لذلك نجد أن نسبة المياه بالحمأة المنشطة حوالى ٩٨ %  بينما نسبتها بالحمأة العادية الراسبة بأحواض الترسيب الابتدائية حوالى 95%.

ويتضح من ذلك أن أقل كمية حمأة سائلة نحصل عليها هى الناتجة من أحواض الترسيب النهائى، والتى تعقب نظم المعالجة بالنمو الملتصق (المرشحات الزلطية) إذ تبلغ 0.75 متر مكعب لكل ١٠٠٠ متر مكعب من مياه الصرف الصحى الخام، بينما تكون أكبر كمية لها هى الناتجة من أحواض الترسيب النهائى التى تعقب نظم المعالجة بالاستنبات المعلق(بالحمأة المنشطة) إذ تبلغ كميتها حوالى ٢٠ متر مكعب لكل ١٠٠٠ متر مكعب من الصرف الصحي الخام، أى حوالى ٢٦ ضعفاً. لذا يجب تكثيفها قبل معالجتها أو التخلص منها، أو إعادة الزائد منها (الحمأة المنشطة) إلى أحواض الترسيب الابتدائية.

  1. المقصود بالرواسب الصلبة (الحمأة)

المقصود بالحمأة هو المادة الصلبة المتخلفة المترسبة الناتجة من محطات معالجة الصرف الصحي, تتميز الحمأة الناتجة عن مياه الصرف الصحي البلدية ببعض المواصفات التي تميزها فالحمأة الاولية التي تنتج عن ترسيب مياه الصرف الخام تختلف في خصائصها ومواصفاتها عن الحمأة الثانوية التي ترسبت في احواض الترسيب الثانوية ,ويمكن تقسيم انواع الحمأة لمصدر تولدها والمكان التي ترسبت فيه الي الانواع التالية:

الحمأة الأبتدائية Primary Sludge

هي المخلفات المترسبة من المعالجة الابتدائية بأحواض الترسيب الأبتدائي  ذات لون رمادي غامق يميل للاسود وهي خفيفة القوام كريهة الرائحة وتحتوي علي مواد عضوية ذائبة وعالقة وعلي العديد من الكائنات الممرضة مثل البكتريا Pathogens والفيروسات والطفيليات.

الحمأة الثانوية Secondary Sludge

هي المخلفات المترسبة من المعالجة الثانوية بأحواض الترسيب الثانوي وهي ذات لون بني خفيفة القوام تحتوي علي كتل بيولوجية والعديد من الكائنات الممرضة مثل البكتريا والفيروسات والطفيليات وتسمي ايضا الحمأة البيولوجية حيث انها نتجت بعد مراحل معالجة بيولوجية  .

الحمأة الثانوية للمرشح البيولوجي  Trickling Filter Secondary Sludge

الحمأة الناتجة للترسيب الثانوي للمياه الخارجة من المرشح البيولوجي.

الحمأة المنشطة المنصرفة Wasted Activated Sludge

هي الحماة الزائدة التي تنتج من عمليات المعالجة بالحمأة المنشطة .

الحمأة المختلطة Mixed Sludge

هي المخلفات المترسبة من المعالجة الابتدائية والثانوية عند خلطهما معا تمهيدا لمعالجتهما.

الحمأة المهضومة Digested Sludge

هي الحمأة التي حدث لها اكسدة بيولوجية.

الحمأة المنزوع منها الماء Dewatered Sludge

هي الحمأة التي تم إزالة معظم الماء منها.

الحمأة الأمنة   Safe Sludge

هي الحمأة التي يمكن تداولها وأستخدامها بحيث لا تضر بالصحة العامة ولا بالبيئة , وآمنة تماما للانسان والحيوان , وحتي تكون الحمأة امنة يجب ان يكون تركيز المعادن الثقيلة بها في الحدود الأمنة  المسموح بها , وان يتم خفض محتوي الكائنات الممرضة بها للحدود الأمنة  وذلك بمعالجتها وتثبيتها قبل تداولها .

ويبين الشكل التالي (شكل 1) مراحل معالجة مياه الصرف الصحي في احد المشروعات وتولد انواع الحمأة  المختلفة من كل مرحلة.

  1. انتاج وتولد الحمأة

كمية الحماة المنتجة بصورة مباشرة تعتمد علي كمية المواد العالقة في ماء الصرف ( والتي سيتم ترسيبها كرواسب صلبة ) , كما تعتمد علي كمية المواد الكيميائية المستخدمة. في المعالجة البيولوجية لمياه الصرف جزء كبير من المواد الذائبة يتم تمثيلها بواسطة المجتمعات الميكروبية وتستخدم في بناء المواد والمكونات الحية لللخلايا الجديدة.

وينتج عن معالجة مياه الصرف الصحي كميات من الرواسب الصلبة (الحمأة) تختلف بطبيعة العمليات وطريقة ترسيب الرواسب الصلبة كما يبين الجدول التالي :

جدول أ  : معدل تولد وانتاج الحمأة من العمليات المختلفة

المعالجة المواد العالقة (جرام لكل شخص / يوم) حجم ( لتر لكل شخص / يوم
الترسيب الابتدائي 40-60 0.4-0.8
الترسيب الابتدائي + الهضم اللاهوائي 25-40 0.35-0.70
الترسيب الابتدائي + المرشحات البيولوجية 65-75 1.0-1.9
الترسيب الابتدائي + المرشحات البيولوجية +الهضم اللاهوائي 40-55 0.9-1.8
الترسيب الابتدائي + الحمأة المنشطة 75-90 1.3-2.6
الترسيب الابتدائي + الحمأة المنشطة  +الهضم اللاهوائي 50-65 1.2-2.5
المصدر:

احمد السروي , عمليات معالجة حمأة الصرف الصحي , موسوعة معالجة الصرف الصحي, دار الكتب العلمية , 2018 .

  1. خصائص الحمأة

الحمأة الاولية التي تنتج عن ترسيب مياه الصرف الخام تختلف في خصائصها ومواصفاتها عن الحمأة الثانوية التي ترسبت في احواض الترسيب الثانوية ,ويمكن تقسيم انواع الحمأة لمصدر تولدها والمكان التي ترسبت فيه الي الانواع التالية:

الحمأة الأبتدائية Primary Sludge

هي المخلفات المترسبة من المعالجة الابتدائية بأحواض الترسيب الأبتدائي  ذات لون رمادي غامق يميل للاسود وهي خفيفة القوام كريهة الرائحة وتحتوي علي مواد عضوية ذائبة وعالقة وعلي العديد من الكائنات الممرضة مثل البكتريا Pathogens والفيروسات والطفيليات.

الحمأة الثانوية Secondary Sludge

هي المخلفات المترسبة من المعالجة الثانوية بأحواض الترسيب الثانوي وهي ذات لون بني خفيفة القوام تحتوي علي كتل بيولوجية والعديد من الكائنات الممرضة مثل البكتريا والفيروسات والطفيليات وتسمي ايضا الحمأة البيولوجية حيث انها نتجت بعد مراحل معالجة بيولوجية  .

الحمأة الأمنة  

هي الحمأة التي يمكن تداولها وأستخدامها بحيث لا تضر بالصحة العامة ولا بالبيئة , وامنة تماما للانسان والحيوان , وحتي تكون الحمأة امنة يجب ان يكون تركيز المعادن الثقيلة بها في الحدود الأمنة  المسموح بها , وان يتم خفض محتوي الكائنات الممرضة بها للحدود الأمنة  وذلك بمعالجتها وتثبيتها قبل تداولها .

  1. مصادر الحمأة

تحتوى مياه الصرف الصحى على مواد صلبة عالقة وذائبة، والمواد العالقة قد تكون مواد عضوية أو غير عضوية بعضها قابل للترسيب يجرى التخلص منها فى أحواض ترسيب الرمال والترسيب الإبتدائى أما المواد الغير قابلة للترسيب والمواد العضوية الذائبة فيجرى التخلص منها فى مرحلة العلاج البيولوجى حيث يتم توفير بيئة هوائية تنمو فيها البكتيريا الهوائية التى تقوم بالتغذية على بعضها لبناء خلايا جديدة كما تقوم بتحليل وتكسير وأكسدة الجزء الآخر من المواد

العالقة الغير قابلة للترسيب والمواد الذائبة إلى مواد ثابتة غير عضوية للحصول على الطاقة اللازمة لهذه البكتيريا.

ثم يجرى ترسيب الخلايا البكتيريا المتزايدة العدد لوفرة الغذاء والمواد العالقة التى لم يتم تمثيلها فى أحواض الترسيب الثانوى، يتم إعادة جزء من هذه البكتيريا النشطة والمترسبة فى أحواض الترسيب الثانوية إلى عملية العلاج البيولوجى للمساهمة فى مزيد من تمثيل المواد الغذائية العالقة والذائبة بمياه الصرف الصحى، أما الجزء الثانى فيجرى التخلص منه مع المواد الراسبة فى أحواض الترسيب الابتدائى وتسمى المواد العالقة التى يتم ترسيبها فى أحواض الترسيب الابتدائى بالحمأة الابتدائية، أما المواد العالقة التى يتم ترسيبها فى أحواض الترسيب الثانوي فتسمى بالحمأة الثانوية ويتم توجيه الحمأة الابتدائية وجزء من الحمأة الثانوية التى لا يتم إعادتها لأحواض تجفيف هوائية حيث يجرى نشر الحمأة لتجفيفها بواسطة الهواء الجوى وبعد تمام الجفاف يتم تشوين هذه الحمأة والتخلص منها بالبيع أو بالدفن فى مقالب معدة لذلك.

وكمية الحماة المنتجة بصورة مباشرة تعتمد علي كمية المواد العالقة في ماء الصرف ( والتي سيتم ترسيبها كرواسب صلبة ) , كما تعتمد علي كمية المواد الكيميائية المستخدمة. في المعالجة البيولوجية لمياه الصرف , فجزء كبير من المواد الذائبة يتم تمثيلها بواسطة المجتمعات الميكروبية وتستخدم في بناء المواد والمكونات الحية لللخلايا الجديدة كما ذكرنا.

وينتج عن معالجة مياه الصرف الصحي كميات من الرواسب الصلبة (الحمأة) تختلف بطبيعة العمليات وطريقة ترسيب الرواسب الصلبة .

 

 

  1. الحمأة الابتدائية

تسمى المواد التى ترسب فى قاع أحواض الترسيب الابتدائية بالحماة الابتدائية، ويتم إزالتها دوريا بواسطة كاسحات الحمأة خارج أحواض الترسيب ثم ضخها بواسطة طلمبات إلى أحواض التركيز.

ونظراً لأن كفاءة المرحلة الابتدائية هى إزالة حوالى ٦٠-  ٧٠ % من المواد الغير عضوية , بالإضافة إلى ٣٠ – ٣٥ % من المواد العضوية، لذلك تتميز  الحمأة الابتدائية باحتوائها على مركبات خشنة غير عضوية أكثر من العضوية ويسهل نزع المياه منها عند تجفيفها.

وتختلف كمية وحجم الحمأة الابتدائية طبقا لإختلاف:

  • حجم المياه المعالجة.
  • تركيز المواد العالقة فى المياه الداخلة إلى أحواض الترسيب.
  • كفاءة تشغيل أحواض الترسيب.

ولعملية الترسيب الابتدائي أهمية كبرى حيث أن كفاءة مرحلة الترسيب الابتدائى فى إزالة نسبة كبيرة من المواد العالقة القابلة للترسيب تؤدى إلى نجاح المراحل التى تليها وهى عملية العلاج البيولوجى والترسيب الثانوى وذلك لتخفيف الحمل العضوي الذي تتلقاه هذه العملية.

ونظرا لطبيعة مياه الصرف الصحى والتى تتكون من مجموعة من المواد متفاوتة الصفات، فإن عملية الترسيب الإبتدائى تصبح هى الأخرى عملية معقدة وتتفاوت كفاءة الترسيب بإختلاف عوامل كثيرة متعددة مثل:

١. تصميم حوض الترسيب.

٢. مدة بقاء أو حجز المياه داخل هذا الحوض.

٣. الفرق فى الكثافة بين المواد العالقة الصلبة والسائل الحامل لهذه العوالق.

٤. زيادة حجم المادة العالقة أثناء عملية الترسيب.

5.التيارات الدوامية التى تخالف المسار الطبيعى لتيار المياه داخل الحوض.

6.سلوك بعض المواد العالقة مسار قصير (Short Circuiting) لعدم تساوى   مستوى منسوب الهدار.

٧. الاضطراب Turbulence للمياه وتأثير الرياح السائدة.

  1. الحمأة الثانوية

تسمى المواد التى ترسب فى قاع أحواض الترسيب الثانوية بالحمأة المنشطة،  فى عمليات المعالجة (بالنمو المعلق)  ويتم إزالة الكمية الزائدة عن إحتياج الحمأة المعادة إلى خارج أحواض الترسيب الثانوية، وتتكون الحمأة المنشطة من الكائنات الحية الدقيقة التى استخدمت فى علمية المعالجة البيولوجية، ومعنى هذا أن أغلب مكوناتها هى مواد عضوية قابلة للتحلل وهى مواد أخف فى الوزن وأقل فى الخشونة عن الحمأة الابتدائية وتحتوى على كمية عالية من الرطوبة وليس من السهل تجفيفها بدون تركيزها ومعالجتها بيولوجيا.

وتختلف كمية الحمأة الثانوية الناتجة طبقاً ما يلى:

  • كمية المياه الداخلة إلى المرحلة الثانوية.
  • تركيز المواد العضوية فى المياه الداخلة لأحواض التهوية.
  • كفاءة عملية المعالجة فى المرحلة الثانوية.
  • درجة التركيز وأنواع الكائنات الحية الدقيقة التى تنمو فى أحواض التهوية.

وتختلف طريقة حساب حجم الحمأة المنشطة الناتجة عن طريقة حساب حجم الحمأة الابتدائية حيث يتوقف حجم الحمأة الثانوية على معدل نمو الكائنات الحية الذى يعتمد على عوامل كثيرة مختلفة مثل:

  • درجة الحرارة .
  • أنواع المواد التى تتغذى عليها الكائنات الحية.
  • كمية الأكسجين الذائبة ومدة المكوث فى أحواض التهوية.

ولكن يمكن تقدير هذه الكمية بطريقة سهلة إذا علمنا بأن الخبرة العلمية قد أظهرت أن كل كيلوجرام يزال من المواد العضوية الذائبة (الحيوية)  ينتج ما بين 0.3-0.7 كيلوجرام من الحمأة الثانوية.

  1. الحمأة الثالثية

تنتج الحمأة الثالثية من عمليات المعالجة الثلاثية لمياه الصرف , فعلي سبيل المثال اذا كانت محطة المعالجة تحتوي علي وحدة لمعالجة الفسفور كيميائيا كمعالجة ثلاثية بعد المعالجة الثانوية التقليدية بالحمأة المنشطة فان الرواسب الصلبة الناتجة عن ترسيب الفسفور كيميائيا تعد حمأة ثالثية تحتاج للمعالجة والتخلص الامن منها .

المصادر والمراجع

  1. دليل المتدرب ,البرنامج التدريبي لمشغلي محطات معالجة مياه الصرف الصحي المستوي د , برنامج اعتماد مشغلى مرافق مياه الشرب والصرف الصحى , الوكالة الأمريكية للتنمية الدولية, 2012.
  2. احمد السروي , عمليات المعالجة البيولوجية لمياه الصرف الصحي , موسوعة معالجة الصرف الصحي, دار الكتب العلمية , 2017 .
  3. احمد السروي , عمليات معالجة حمأة الصرف الصحي , موسوعة معالجة الصرف الصحي, دار الكتب العلمية , 2019 .

 

 

 

معيارية جودة المياه

 بقلم : كيميائية / رشا إسماعيل محمد

دبلومة كيمياء تحليلية

تمهيدي ماجستير كيمياء تحليلية

 

مقدمة:

ان مفهوم جودة المياه يعتمد فى الاساس على معايير القياس الكيميائية، الفيزيائية، البيولوجية والأشعاعية وذلك لتقييم نوعية الماء وتعيين تركيز جميع المكونات والأضافات التى تضاف إليها ، ثم مقارنة نتائج هذا التركيز مع الغرض المستخدم له هذه المياه.

والجدير بالذكر  أن الماء المقطر  يعتبر من أكثر أشكال الماء جودة ونقاوة إلا أنها ليست مناسبة لكل الأغراض الحيوية وتعتبر بيئة غير مناسبة لكثير من الكائنات الحية لذلك يتوقف قياس جودة الماء إعتمادًا على الغرض المُستخدم له فالماء الذى يستخدم في المنازل للشرب وإعداد الطعام يختلف عن الماء المُستخدم لتربية الأسماك عن الماء المستعمل لري المزروعات. في حين تتميّز مياه البحار والمحيطات بجودتها العالية بالنسبة للعديد من أنواع الاسماك، إلا أنّها غير مناسبة لبعض الكائنات الأخرى، كذلك الماء المستخدم فى الأغراض الصناعية.

العرض:

يتناول هذا المقال كيفية الوصول الى افضل معيار لقياس جودة المياه، فالماء يعتبر من أحد عناصر الحياة الرئيسية ولا يمكن أن تستمر الحياة بدون مياه. لذلك من الضرورى معرفة كيمياء وبيولوجيا المياه لإيجاد أفضل الطرق المناسبة للمعالجة والحد من تلوث المياه لجعلها مناسبة للأستخدام الشخصي أو الصناعي أو الزراعي.

معايير قياس جودة المياه

1-     المعايير الفيزيائية

  • درجة الحرارة : تؤثر درجة الحرارة بشكل مباشر على العمليات البيولوجية في الماء، حيث يؤدّي إرتفاع درجة الحرارة إلى إنخفاض تركيز الأكسجين المذاب في الماء وزيادة معدل عمليّات الأيض للكائنات الحية وتَسريع تكاثرها ، ويعتبر مِقياسا فى أنتاج الماء لبعض الأغراض الصناعية.
  • العكارة: تؤدي الأجسام العالقة التي لا تَذوب في الماء مثل الطحالب وذرات الرمال والبكتيريا إلى تُعكر لون الماء، الأمر الذي يؤدي إلى تقليل إمكانية دخول أشعة الشمس إلى التجمعات المائية وبالتالي تقليل عملية التمثيل الضوئي وتقليل تركيز الأكسجين مع زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون في الماء، مما يؤثر سلباً على الكائنات الحية، ويتمّ قياس تَعكّر الماء بوحدات NTU ويعتبر مقياس مهم لتقييم جوده الماء، كذلك من الخصائص الطبيعية لمياه الشرب أن يكون صافياً فالحد الأقصى للعكارة في الماء المعالج 5 وحدات.
  • لون وطعم ورائحة الماء: من المعروف أنّ الماء النقي عديم الطعم واللون والرائحة وبالتالي فإنّ وجود أيّ صفة من هذه الصفات يعني تلوّث الماء فاللون يجب أن يكون مقبولاً لا يتجاوز 50 وحدة بمقياس الكوبالت البلاتيني  والطعم أن يكون مقبولاً مستساغاً والرائحة معدومة.

2-     المعايير الكيميائية

عادةً تعتبرالمعايير الكيميائية مقياس للعناصر الكيميائية فى الماء ومنها الأملاح الذائبة فبطريقة طبيعيّة تنتج هذة الاملاح عن ذوبان الصخور أو الأملاح الموجودة في التربة، أو بطريقة غير طبيعية بفعل الإنسان من خلال إستعمال الأسمدة الكيميائية أو خلط الماء الصالح للشرب بمياه الصرف، على سبيل المثال تؤدّي زيادة نسبة النَيترات والفُوسفات في الماء إلى تكاثر الكائنات الحية النباتية بسرعة  وعلى وجه الخصوص الطحالب، مما يقلل التمثيل الضوئي للنباتات وتركيز الأُكسجين فتموت معظم الكائنات التي تعيش في الماء، كما أنّ زيادة النَيترات في ماء الشرب يؤدّي إلى إتصالها مع مادة الهيموجلوبين الموجودة في كرات الدم الحمراء وإعاقة نقل الأكسجين في الجسم.

نتناول هنا فى هذا المقال بعض المعايير الكيميائية منها مثل:

  • الأكسجين: تحتاج الكائنات التي تعيش في الماء إلى نسبة معيّنة من الأكسجين حيث يصل التركيز الأدنى للحياة في الماء إلى 4ملغم/لتر ولا تستطيع الكائنات العيش بتركيز أقلّ من هذا ، ومن الخصائص الطبيعية لماء الشرب مثلا أن يكون تركيز الأكسجين المذاب عند درجة 25 ْم 5-8 ملغم/ لتر بينما يكون تركيز ثاني أكسيد الكربون المذاب عند درجة 25 ْم 2-3 ملغم/ لتر .
  • درجة الحموضة: ويقصد به نسبة درجة حامضية أو قاعدية الماء، حيث يقاس pH في مجال 0ـ 14، وعندما تكون نسبة pH=7  فهو متعادل، أمّا إذا كانت أقلّ من 7 فهو حامضي، أما أكثر من 7 فهو قاعدي.
  • عسر الماء: يقصد بعسر الماء تركيز أيونات الكالسيوم والماغنسيوم مجتمعة في الماء، فكلّما زاد تركيز هذه الأيونات زاد عسر الماء (مانع التصبن)، بخلاف الكالسيوم والماغنسيوم توجد ايضا املاح اخرى مثل الكبريتات، الكربونات والصوديوم وغيرها. وبالتالي يعتبر زيادة الأملاح عائقا فى جودة الماء المستخدم صناعياً، فمن الخصائص الطبيعية لماء الشرب ألا يزيد تركيز الأملاح الذائبة الكلية في الماء عن500 جزء فى المليون.
  • المعادن الثقيلة: قد تتواجد بعض من المعادن الثقيلة بنسبة قليلة جدا فى الماء وهذة المعادن تؤثرعلى صحّة الإنسان سواء كانت معادن طبيعيّة ناتجة عن ذوبان الصخور أو معادن صناعية ناتجة عن الماء العادم فمن المعادن الثقيلة الرصاص، الزئبق، الزرنيخ، الكادميوم، النترات والحديد فمثلا لا يجوز أن تزيد نسبة الرصاص عن 10 ميكروغرامات لكل لتر ويستخدم فى الكشف عن وجود هذة المعادن الثقيلة جهاز الامتصاص الذرى.
  • الفحوص الكيميائية العضوية: هي إختبارات طارئة لا يتم إجراؤها إلا في حالة الشك بإختلاط الماء ببعض المُلوثات كالمُبيدات الحشرية، المواد النِفطية والمُخلفات الصناعية.

3-     المعايير البيولوجية:

يقوم مبدأ المِعيار البيولوجي على قياس نسبة الكائنات الحية وخصوصاً اللافقاريات التي تعتبر أكثر الكائنات حساسية ضد التلوث التي تعيش وتتكاثر داخل الوسط المائي حيث يجب أن يتراوح المُعامل البيولوجى بين 0 و10، وكلّما زادت القيمة من ستة إلى عشرة كان ذلك مِعياراً مرتفع على جودة الماء.

  • قياس متطلب الاكسجين الحيوى على مدار خمسة أيام ((BOD5 : هو معيار يكثر إستخدامه غالباً في قياس تلوّث الماء ويقيس المتطَلب البيولوجي للأكسجين خلال مدّة زمنية لا تتجاوز الخمسة أيام حيث يُحسب كمية الأكسجين المطلوبة لتنفس البكتيريا للقيام بتحلل المواد العضوية الموجودة في الماء؛ ويكون ذلك تحت تأثير درجة حرارة º20 م وتٌقاس وحدتها في الظلام بـ مجم / لتر.
  • فحوص جرثومية: تهدف الفحوص الجرثومية إلى التأكّد من خُلو الماء من بعض الأنواع البكتيرية المسببة للأمراض كالبكتيريا الشريكية القولونية، والبكتيريا القولونية البرازية.

4-     المعايير الإشعاعية :

يقصد بها المواد المشعة، والتي تؤدي إلى تلوث الماء إشعاعياً ، وقد يكون مصدر هذه المواد المشعة ذوبان الصخور أو رمي مُخلفات المواد المشعة الناتجة عن المَصانع أو المُستشفيات أو المُختبرات في الماء، ويعتبر هذا الأمر خطيراً جداً لتأثيره على مبنى المادة الوراثية للإنسان  DNA وتسبب له حدوث طفرات فيها أو الإصابة بمرض السرطان مثل: عنصرى الرادون والراديوم.

من خلال هذة المعايير وقياسها بدقة داخل مختبرات علمية وتحت ايدى متخصصون يمكن الوصول لأفضل جودة للماء وذلك بمتابعة عملية فحص انتاج ومعالجة المياه بشكل دورى بِجمع عينات الفحص و بأخذها مباشرة من مصادرها سواء من محطات التنقية السطحية او من  الآبار الجوفية او من أماكن التخزين المسموح بها ، مع مراعاة إتباع إرشادات الأخصائيين في هذا المجال، وفي حالة إجراء الفحوص لأغراض قانونية، فيقوم المُختبر بجمع العينات، لضمان المِصداقية وعدم التلاعب، وكذلك الأمر بالنسبة للفحوص المتخصصة الدقيقة، كاختبارات الرادون وكبريتيد الهيدروجين, وقد يستخدم فحص العينات لأثبات كفائة وحدات المعالجة للماء المستخدمة فى الأغراض الصناعية والحيوية بشكل عام .

الخلاصة:

بناءًا على ما سبق نجد أن الفحص والتحليل الدورى للماء سواء المستخدم فى الأغراض الشخصية الحياتية (الشرب –الطعام –الأستحمام) أو الأغراض الزراعية أو الأغراض الصناعية (صناعة الأغذية –الأدوية –وغيرها) لها اهميتها قبل المعالجة لتحديد طرق المعالجة اللازمة وبذلك نصل لأفضل معيار لقياس جودة الماء على حسب أستخدامها.

لذلك بإذن الله فى المقالات القادمة سوف نتطرق إلى بعض جوانب أساليب التحليل للماء وطرق المعالجة لها.

 

المراجع:

 

 

 

الإستفادة من الروبة الناتجة عن عمليات تنقية المياه في معالجة مياه الصرف الصناعي

بقلم / أحمد محمد هشام

ماجستير كيمياء تحليلية

كبير مراجعين لنظم إدارة الجودة والبيئة والسلامة والصحة المهنية

Ahmedhasham83@gmail.com

مقدمة:

في عصر التكنولوجيا والأقمار الصناعية لا تزال بعض المشكلات تشكل تحدياً كبيراً علي الصعيدين البيئي والإقتصادي , من هذه المشكلات مشكلة التخلص من مخلفات عمليات معالجة المياه. ويعد الترويب والتنديف أحد أكثر الطرق شيوعًا في عمليات معالجة المياه بسبب بساطتها في التطبيق ، وفعاليتها وغير مكلفة من الناحية الإقتصادية ولكن العيب الرئيسي في تطبيق تقنيات الترويب والتنديف هو التخلص من المواد الصلبة الناتجة عن هذه العملية والتي تعرف ب”الروبة”. ويعتبر التخلص من الروبة   الناتجة عن عمليات معالجة المياه المعضلة الكبيرة لما تحمله من معادن ثقيلة وممرضات وبقايا مواد الترويب1.

الجدير بالذكر أن هذه الروبة تحتوي علي 40-50% من الشبة الغير مستخدمة من الجرعات الأولية المستخدمة في عملية المعالجة مما يجعل التفكير في إعادة إستخدامها أمر حتمي 2.

علي صعيد أخر تشكل مياه الصرف الصناعي بما تحمله من أصباغ معضلة أخري حيث أنها تحتاج إلي عمليات معقدة ومكلفة لمعالجتها. الأصباغ هي مواد كيميائية ملونة ، تتكون غالبا من مركبات عضوية اروماتية (تحتوي في تركيبها علي حلقة بنزين) ملونة (كما يتضح في الرسم التوضيحي رقم 1 – مثال للتركيب الكيميائي لأحد الصبغات) . يتم استخدام الأصباغ الصناعية بشكل متزايد في صناعات النسيج والصباغة بسبب سهولة تطبيقها وفعاليتها من حيث التكلفة، وثبات عالٍ ضد تأثير الضوء ودرجة الحرارة والمنظفات. يتم تصنيع أكثر من 10000 صبغة مختلفة كيميائيا. يقدر الإنتاج العالمي للأصباغ  بحوالي  70 الف طن سنويًا3.

معظم الأصباغ مركبات ضارة للإنسان والحيوان بسبب سميتها وتأثيرها السلبي علي الخلايا  حيث يعتقد بأن بعضها قد يصل تاثيره الي ان يحدث طفرات جينية وغيرها من الخصائص التي تؤثر سلبًا على صحة الإنسان . تصنف لجنة التجارة الدولية الأمريكية الأصباغ إلى 12 نوعا. من بين هذه الأصباغ التفاعلية ، تستخدم الأصباغ الحمضية والأصباغ المباشرة بشكل شائع ، والتي تتواجد بشكل واضح في معظم مياه الصرف الصناعي الناشئة عن صناعات النسيج4.

العرض:

تتوفر العديد من الطرق الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية لمعالجة المخلفات السائلة حيث قام غويندي وفريق عمله بإجراء دراسات لإزالة الأصباغ الحمضية الحمراء باستخدام مزيج من عمليات الترويب والامتزاز حيث  كشفت نتائجهم أن تطبيق عملية الترويب قبل الامتزاز كان فعالاً بشكل واضح لإزالة اللون. إذ استخدمت الشبة (كبريتات الألمونيوم )وكلوريد الحديديك كمخثرات للصبغة لترسيبها ، وتم استخدام الكربون المنشط الحبيبي (GAC) كعامل امتزاز لإزالة ما تبقي من لون 5.

ومن الدراسات الجيدة التي قام بها دانشفار وفريق عمله إجراء تجارب باستخدام الحفز الضوئيOptical catalysis  باستخدام أكسيد الزنك لتحلل صبغة الحمض الأحمر 14 (AR 14) في وجود الضوء الفوق بنفسجي UV. ولقد أشارت نتائج بحثهم  إلى أنه يمكن استخدام عملية UV / ZnO بكفاءة لتكسير صبغة (AR14). كما قاموا بدراسات حول التحلل الحيوي الهوائي لصبغة azo Acid Red 151 (AR 151) بواسطة استخدام مرشح بيولوجي ذو تدفق دفعي متسلسل. وتشير النتائج إلى إزالة لون تصل إلى 99 ٪ من تركيز أولي 50 ملغم / لتر من 6AR 151.

وأيضا ما قام به بهادير وفريق عمله لدراسة إمكانية إزالة صبغة النسيج وإزالة أيونات المعادن باستخدام مخاليط ثنائية من Acid Blue 29 و Reactive Red 2 و Acid Red 97 وتطبيق أنودات حديدية ومحلول الكتروليت من كبريتات الصوديوم في مفاعل كهروكيميائي. اعتمادًا على ظروف التفاعل الكهروكيميائي ، لوحظ أن النسب المئوية لإزالة الصبغة وإزالة أيون المعادن تتراوح ما بين 70.6 –   %96.7  لإزالة الأصباغ النسيجية و 64.9 – 100 ٪ لإزالة أيونات الحديد7.

بينما قام فورلان وفريق عمله بدراسة استخدام المخلفات الزراعية في إزالة الأصباغ التفاعلية مثل (Reactive Black 5 RB 5) و (Reactive Orange 16 RO 16) من خلال معالجة تجمع بين تقنيات الترويب والامتزاز. حيث تم استخدام الكربون المنشط المستخلص من قشر جوز الهند كعامل إمتزاز وكلوريد الألومنيوم كمادة ترويب. تم العثور على كفاءة إزالة ما يقرب من 90 ٪ ل RB 5 و و84 % 8 RO 16.

من الدراسات المذكورة أعلاه ، يمكن أن نستنتج أن تطبيق عمليات مثل الامتزاز ، والحفز الضوئي ، والترشيح الحيوي أثبتت نجاحها في علاج المخلفات السائلة الملونة ، وتبين أن الإزالة تصل إلى 100 ٪. ولكن قد لا يوفر تطبيق هذه الطرق حلاً مجديًا اقتصاديًا للصناعات الصغيرة والمتوسطة بسبب قيود مثل ارتفاع التكاليف والمشاكل في الحفاظ على المعايير التشغيلية للمعالجة. لذلك أجريت بعض الدراسات باستخدام تقنية الترويب مع روبة محطات معالجة المياه كمروب.  حيث تنتج محطات معالجة المياه كميات كبيرة من الروبة أثناء عمليات الترويب مما يشكل تحديًا في عملية التخلص من هذه الروبة. علي صعيد أخر يمكن استغلال هذه الروبة لتحقيق توفير كبير محتمل في جرعة المواد الكيماوية المروبة من خلال استرداد عوامل الترويب من الروبة  أو إعادة استخدام الروبة  نفسها في المعالجة2.

 

تركز الأبحاث الحالية على إعادة استخدام روبة محطات تنقية مياه الشرب لمعالجة مياه الصرف الصناعي المحمل بالصبغات. نظراً لأن مياه الصرف الصناعي من المصابغ تلوث المسطحات المائية القريبة.  وذلك هناك حاجة ماسة لتطوير طرق منخفضة التكلفة لمعالجة مياه الصرف الصناعي خاصة الناتج عن أنشطة المصابغ  حيث أن الطرق المتبعة عادةً مكلفة والتي لا يمكن أن توفر خيار معالجة اقتصادية لمثل هذه الصناعات الصغيرة والمتوسطة2.

لذلك يمكن أن يكون استخدام مواد منخفضة التكلفة مثل روبة محطات معالجة المياه للمعالجة المسبقة لمياه الصرف الصناعي خيارًا ممكنًا لتحقيق النتائج المرجوة للناتج النهائي من المياه المعالجة. ولقد استخدمت بعض الدراسات  هذه الروبة  لمعالجة صرف محمل بأصباغ  Acid Red 94, Acid Yellow 1, Direct Green 26, Reactive Blue 21 لأن هذه كانت تستخدم بشكل متكرر في وحدات الصباغة. تحققت أقصى إزالة لـ   Acid Red 94  (41.5 %) ، Acid Yellow 1 (27 %) ، Direct Green 26  (43.5 %) و Reactive Blue 21(26.2%)2.

رسم توضيحي 2شكل يوضح فعالية الروبة المعاد استخدامها مقارنة كمروبات أخري في إزالة ملوثات مياه الصرف

تم التوصل لطرق لاستعادة مواد الترويب من الروبة الناتجة عن عمليات معالجة المياه باستخدام طرق مثل المعاملة بالأحماض والقلويات وتبادل الأيونات ( ion exchange ) والفصل بالأغشية( membranes )مما يقلل من تكاليف تشغيل محطة معالجة المياه. أجريت دراسات لاستعادة مواد الترويب باستخدام حامض الكبريتيك وحمض الهيدروكلوريك. وتشير النتائج إلى أن الحفاظ على الرقم الهيدروجيني منخفض يمكننا من استعادة بين 70 و 90 ٪ من مواد الترويب. في حالة الاستعادة باستخدام عملية المعاملة بالقلويات ، أجريت الدراسات باستخدام هيدروكسيد الصوديوم وهيدروكسيد الكالسيوم وأظهرت النتائج أنه يمكن إستعادة ما يصل إلى 90 ٪ عند الرقم الهيدروجيني 12 باستخدام هيدروكسيد الصوديوم. ويمكن تعزيز فعالية هذه العمليات من خلال إستخدام الأغشية ، ولكن إنسداد الأغشية بسبب الجسيمات يفرض قيودا على إستخدام هذه التقنية. أكدت الدراسات أيضًا وجود مواد قابلة للذوبان إلى جانب مادة الترويب المستعادة التي تؤثر على نوعية المياه إذا تم استخدامها لتنقية مياه الشرب. وبالتالي  تم اقتراح تطبيق المواد المروبة المسترجعة في معالجة مياه الصرف الصحي والصناعي11-9.

ومن الجدير بالذكر في هذا الصدد الدراسة القيمة التي قام شوا بدراسة إزالة الصبغة على نطاق واسع من مياه الصرف في صناعة النسيج باستخدام  روبة  الشبة المعاد تدويرها. وتبين أن  روبة  الشبة المعاد تدويرها تعتبر مادة جيدة لإزالة الأصباغ من مياه الصرف، وكذلك تقلل جرعة الشبة الحديثة بمقدار الثلث12.

ومن الأمثلة الرائعة علي ذلك هي الدراسة التي قام بها إيشيكاوا وفريق عمله  حيث استخدموا  الشبة المسترجعة باستخدام حمض الكبريتيك لمعالجة مياه الصرف الصحي. وأظهرت النتائج أن إزالة الطلب على الأكسجين الكيميائي COD والنيتروجين الكلي والفوسفور الكلي مع المروبات المسترجعة كانت ذات قسمة اقتصادية وفعالة من الناحية العملية مقارنة بكبريتات الألومنيوم التجارية أو بولي كلوريد الالومينيوم10 كما يتضح من الرسم التوضيحي رقم 2. ولمعرفة نسب الإزالة التي تحققت بكل متغير في هذه هذه الدراسة يمكن الرجوع لجدول110.

 

جدول 1 نسب الإزالة التي تحققت لملوثات مياه الصرف  بإستخدام الروبة المعاد إستخدامها مقارنة بمروبات أخري

الخلاصة :

يمكن اعتبار الروبة الناتجة عن عمليات معالجة المياه كمادة فعالة وغير مكلفة لإزالة اللون من الصرف الصناعي بالصناعات النسيجية مما يقلل من تكلفة المعالجة، يمكن استخدام هذه الروبة   بالاقتران مع طريقة معالجة أخرى مناسبة لتقليل جرعة المروبات الكيميائية.

 

المراجع:

  1. Gastaldini, A.L.G., Hengen, M.F., Gastaldini, M.C.C., Amaral, F.D., Antolini, M.B., Coletto, T.: The use of water treatment plant sludge ash as a mineral addition. Constr. Build. Mater. 94, 513–520 (2015).
  2. Shankar, Y. S., Ankur, K., Bhushan, P., & Mohan, D. (2019). Utilization of Water Treatment Plant (WTP) Sludge for Pretreatment of Dye Wastewater Using Coagulation/Flocculation. In Advances in Waste Management (pp. 107-121). Springer, Singapore.‏
  3. Fatih, D., Sengul, K.: Removal of basic red 46 dye from aqueous solution by pine tree leaves. Chem. Eng. J. 170,67–74 (2011).
  4. Uygur, A.: An Overview of Oxidative and Photooxidative Decolorisation Treatments of Textile Waste Waters. J. Soc. Dyers Col. 113, 211–217 (1997).
  5. Guendy, H.R.: Treatment and reuse of wastewater in the textile industry by means of coagulation and adsorption techniques. J. Appl. Sci. Res. 6, 964–972 (2010).
  6. Daneshvar, N., Salari, D., Khataee, A.R.: Photocatalytic degradation of azo dye acid red 14 in water on Zno as an alternative catalyst to Tio. J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 162, 317–322 (2004).
  7. Bahadir, K.K., Kahraman, A., Cihan, G., Ayla, O.: Electrochemical decolourization of textile dyes and removal of metal ions from textile dye and metal ion binary mixtures. Chem. Eng. 173, 677–688 (2011).
  8. Furlan, F.R., Silva, L.G.D.M.D., Morgado, A.F., de Souza, A.A.U., de Souza, S.M.A.G.U.:Removal of reactive dyes from aqueous solutions using combined coagulation/flocculation and adsorption on activated carbon. Resour. Conserv. Recycl. 54, 283–290 (2010).
  9. Evuti, A.M., Lawal, M.: Recovery of coagulants from water works sludge: a review. Adv. Appl. Sci. Res. 2(6), 410–417 (2011).
  10. Ishikawa, S., Ueda, N., Okumura, Y., Iida, Y., Baba, K.: Recovery of coagulant from water supply plant sludge and its effect on clarification. J. Mater. Cycles Waste Manag. 9(2), 167–172 (2007).
  11. Joshi, S., Shrivastava, K.: Recovery of alum coagulant from water treatment plant sludge: a greener approach for water purification. Int. J. Adv. Comput. Res. 1(2), 101–103 (2011).

Oxidation ponds for municipal wastewater treatment

By:Dr. Mohamed Elsofy Zain Elabedien Ezz Eldien

Microbiology Lab Manger – Reference Lab of Waste Water (RLWW) Holding Company for Water and Wastewater (HCWW)

Introduction:

Oxidation ponds are known as stabilization ponds which provide greater advantages in treatment over mechanically based units. Ponds can be described as self-sufficient treatment units, because the efficacy of treatment is contingent upon the maintenance of the overall microbial communities of bacteria, viruses, fungi, protozoa, and the proper balance of organics such as (light, dissolved oxygen, nutrients, algal presence and temperature) (Amengual-Morro et al., 2012). Ponds are self-sufficient; there is a reduction of operator responsibilities to manage treatment, reduction in labor costs, and increase in the potential fiscal returns from the tangible products generated by the treatment unit (Hosetti and Frost 1998).

Subject:

Ponds can be used for the purpose of ‘polishing,’ or providing additional treatment to what has been found within conventional treatment methods (Veeresh et al.,2010). Ponds simplify the treatment process by reducing the need for multiple treatment units. So oxidation ponds are a treatment processes that can be used in regions where treating of wastewater using conventional treatment methods are expensive. Indeed, oxidation ponds are commonly used in many regions around the world, specifically in places with year-round mild to warm climates.

Types of oxidation ponds:

There are four major types of oxidation ponds: aerobic (high-rate), anaerobic, facultative, and maturation ponds.

1- Aerobic (high-rate) ponds:

Aerobic ponds are known as high-rate algal ponds that maintain dissolved oxygen throughout a depth of 30–45 cm because of algal photosynthetic activity. Photosynthetic activity supplies oxygen during the day, while at night the wind creates aeration due to the shallow depth of the pond (Davis and Cornwell, 2008).

Aerobic ponds are well known for having high biochemical oxygen demand (BOD) removal potential and are ideal for areas where the cost of land is not expensive. Other characteristics of these ponds include a detention time of 2–6 days and a BOD removal efficiency reach to 95 %.

2- Anaerobic ponds:

Anaerobic ponds operate without the presence of dissolved oxygen, the major products are carbon dioxide and methane (Quiroga, 2011), Typically, these ponds are designed to have a depth of 2–5 m, with a detention time between 1 and 1.5 days, an optimum pH less than 6.2, temperatures greater than 15ºC (Kayombo et al., 2010).

Anaerobic ponds can remove 60 % BOD. However, this efficiency is climate dependent, the driving force behind treatment is sedimentation where Helminthes settle to the bottom of the pond, and bacteria and viruses are removed by attaching to settling solids within the pond or die with the loss of available food or by the presence of predators. In practice, anaerobic ponds are usually incorporated alongside facultative ponds (Martinez et al., 2014).

3- Facultative ponds:

A facultative pond is a treatment unit with anaerobic and aerobic conditions. A typical pond is divided into an aerobic surface region consisting of bacteria and algae. Anaerobic bottom region, consisting of anaerobic bacteria, and a region in between anaerobic and aerobic conditions, where bacteria can thrive in both conditions, if used in series, effluent from a previously treated source enters the pond. Facultative ponds treat BOD, typically within a range of 100–400 kg BOD/ha/day, by removing BOD by 95 %. Because facultative ponds employ algae as decomposers, the treatment time can range between 2 and 3 weeks, which are attributed to the photosynthetic processes that occur within the unit. A facultative pond on average has a depth of 1–2 m.

4-Maturation ponds:

Similar to facultative ponds, maturation ponds use algae as a primary driving force in the treatment. Nevertheless, while facultative ponds typically treat BOD, maturation ponds remove fecal coliform, pathogens, and nutrients (Cinara, 2004). In comparison with the other pond types, the characteristics of the maturation pond include a depth range between 1 and 1.15 m, which makes it shallower than all of the ponds besides the aerobic.

Arrangement of ponds:

There are two arrangements for a multiple pond system; series and/ or parallel. In the series arrangement, wastewater is treated in the initial and subsequent ponds and then polished in the final pond; while wastewater flow is evenly divided in the parallel pond arrangement each multiple pond arrangement has its benefits and therefore an operator can change the pond arrangement depending on the situation. For example, ponds operating in parallel prevent interruption of treatment during the cooler months of the year. This is when a pond can experience low biological activity. Low biological activity can create anaerobic conditions within a pond. In addition, the application of ponds in parallel can reduce problems related to periodic low dissolved oxygen concentrations, particularly in the morning hours, On the other hand, ponds in series are ideal during the summer months and also during periods of low biological loading, Nevertheless, the choice of applying multiple ponds can be beneficial for treatment as compared to a single pond arrangement.

Design factors:

Understanding design factors is important in controlling pollutants such as BOD5. There are many factors that affect the efficiency of BOD5 removal in waste stabilization ponds. These factors include raw wastewater strength, food-to-microorganism ratio (F/M), organic loading rates, pH, and hydraulic detention time (HRT).

We will explain in detail these factors in the next issue.

 

References:

Amengual-Morro C, Moya Niell G, Martinez-Taberner A (2012) Phytoplankton as bioindicator for waste stabilization ponds. J Environ Manag 95:S71–S76.

Hosetti B, Frost S (1998) A review of the control of biological waste treatment in stabilization ponds. Crit Rev Environ Sci Techno l28:193–218.

Veeresh M, Veeresh AV, Huddar BD, Hosetti BB (2010) Dynamics of industrial waste stabilization pond treatment process. Environ Monit Assess 169:55–65.

Quiroga FJ (2011) Waste stabilization ponds for waste water treatment, anaerobic pond.

Kayombo S, Mbwette TSA, Katima JHY, Ladegaard N, Jorgensen SE (2010) Waste stabilization ponds and constructed wetland design manual. UNEP International Environmental Technology Center..

Martinez FC, Cansino AT, Garcia MAA, Kalashnikov V, Rojas RL (2014) Mathematical analysis for the optimization of a design in a facultative pond: indicator organism and organic matter. Math Probl Eng 1–12.

Cinara Columbia (2004). Waste stabilization ponds for wastewater treatment: FAQ sheet on waste stabilization ponds.

المعالجة البيولوجية اللاهوائية في المفاعل ذي الجريان الصاعد عبر طبقة الحمأة المعلقة UASB (Upflow Anaerobic Sludge –Blanket Process)

الكاتب : الدكتور المهندس عبد الله صغير

مقدمة :

لقد أصبحت معالجة مياه الصرف الصحي والصناعي من أولويات الدول والحكومات وذلك لحماية البيئة من التلوث المتوقع حدوثه نتيجة صرف هذه المياه، بما قد تحتويه من سموم وجراثيم ومواد غير متحللة ذات تأثير تراكمي، وما قد يتخلف عنها من مخاطر صحية وبيئية، وتلويث مصادر المياه السطحية والجوفية والأوساط الأحيائية فيها.

وإن معالجة مياه الصرف الصحي والصناعي يؤدي توفير استخدام المياه النقية للاستهلاك العام، وحفظ موارد المياه النقية واستخدام المياه المعالجة في ري الأراضي الزراعية.

لقد تطورت في العقود الثلاث الأخيرة وبشكل ملحوظ تقنيات معالجة مياه الصرف الناتجة عن النشاطات الصناعية وبالأخص تقنيات معالجة مياه الصرف ذات الأحمال العضوية العالية والتي تنتج عادة عن الصناعات الغذائية كصناعة الخميرة وصناعة السكر و وصناعة النشاء وصناعة الألبان ….الخ وتتميز مياه الصرف عالية الحمل العضوي بقيم مرتفعة جداً لـ COD والتي قد تصل قيمتها إلى 25000 ملغ/ل وبارتفاع قيمة الـ BOD5 والتي قد تصل قيمتها إلى 10000 ملغ/ل.

تعتبر طرق المعالجة اللاهوائية وخصوصا طريقة المفاعل UASB من الطرق الحديثة في معالجة مياه الصرف الصحي والصناعي لما يمتاز به هذا المفاعل من سهولة في التصميم وقلة تكاليف الاستثمار والتشغيل وكذلك ينتج غاز المتان الذي يمكن أن يستخدم توليد الكهرباء والطاقة.

1- عملية المعالجة في المفاعل UASB:

في مفاعل UASB يدخل الماء المطلوب معالجته من قاع المفاعل ويجري باتجاه الأعلى عبر طبقة الحمأة المؤلفة من حبيبات أو جزيئات متشكلة بيولوجياً,حيث يمكن أن يوصف المفاعل UASBكنظام تمر فيه مياه الصرف أولاً عبر سرير حمأة متمدد يحتوي على تركيز كبير من الكتلة الحيوية,ويمكن أن توجد هذه الحمأة في المفاعل بشكل حبيبات وإن القسم الأعظم من المعالجة يحدث في سرير الحمأة هذا, وإن القسم المتبقي من الملوثات في الماء يمر بعد ذلك عبر ما يدعى بطبقة الحمأة المعلقة والتي هي أقل كثافة من سرير الحمأة كما في الشكل (1)

الشكل (1) :مقطع شاقولي لمفاعل UASB

2-تصميم نظام دخول المياه الخام إلى المفاعل UASB:

من الضروري في المفاعل UASB الحصول على تماس أمثل بين الحمأة الموجودة ضمن المفاعل والمياه الخام الداخلة إلى المفاعل كما هو مبين في الشكل (2) وكذلك أيضاً من الضروري تجنب تشكل أقنية تمر فيها المياه بدون معالجة عبر سرير الحمأة لذلك يجب تصميم نظام دخول وتوزيع المياه الخام ضمن المفاعل بشكل جيد.

وإن تصميم نظام دخول وتوزيع المياه الخام ضمن المفاعل يتعلق بالعوامل الطبوغرافية وبتصميم محطة الضخ واحتمال انسداد أنابيب دخول و توزيع المياه الخام إلى داخل المفاعل .

وبغض النظر عن عدد فتحات التغذية والتوزيع فإن السرعة الأصغرية و الأعظمية للتدفق الخارج من فوهات التوزيع يجب أن يؤخذ بعين الاعتبار في التصميم حيث أن السرعة الأعظمية لخروج المياه الخام من فوهات التوزيع يجب أن لا تزيد عن 4 م/ ثانية والسرعة الأصغرية يجب أن لا تقل عن 0.5 م/ ثانية .

3-تصميم نظام جمع المياه المعالجة في المفاعل UASB:

إن تدفق المياه المعالجة يجب أن يخرج من المفاعل عبر عدة أقنية موزعة في منطقة تفريغ المياه المعالجة,وإن تصميم أقنية جمع المياه المعالجة لا يختلف عن تصميم الهدارات بحيث يصمم بناء على معدل التحميل على هدارات المخرج ويجب أن لا يتجاوز القيمة 185م3/ م.يوم,إن عرض أقنية الجمع يجب أن لا يقل عن 20 سم وذلك من أجل تسهيل عمليات الصيانة.

4- إقلاع المفاعل UASB :

إن من إحدى مساوئ المعالجة البيولوجية اللاهوائية هي زمن الإقلاع الكبير بالمقارنة مع المفاعلات الهوائية,وذلك بسبب صغر معدل الاصطناع الحيوي (إنتاج الحماة), وبالتالي تحتاج المفاعلات اللاهوائية إلى زمن كبير من أجل تحقيق الحالة المستقرة وقد يستغرق زمن إقلاع المفاعلات اللاهوائية حتى 3 أشهر,وهذا يتعلق بشكل أساس بدرجة الحرارة والحمل الهيدروليكي فمثلاً عندما تكون درجة الحرارة أكبر من 20 درجة مئوية فمن المتوقع أن يتم إقلاع المفاعل خلال فترة لا تزيد عن 3- 4 أسابيع أما في حال انخفاض درجة الحرارة فقد يستغرق إقلاع المفاعل 3- 4 أشهر.

5- العوامل التصميمية والتشغيلية المؤثرة على كفاءة المعالجة في المفاعل :UASB

5-1- تأثير التحميل العضوي في واحدة الحجوم ((Organic Load Rate على كفاءة المعالجة في المفاعل UASB :                               

إن كلاً من التحميل الهيدروليكي والتحميل العضوي الملائم للمفاعل UASB يتعلق بخصائص مياه الصرف ونوعية وكمية الأحياء الدقيقة كما هو مبين في الجدول (1) و يوجد ارتباط كبير بين زمن المكوث الهيدروليكي ومعدل الحمولة العضوية في واحدة الحجوم.

وتجدر الإشارة إلى أن هناك علاقة مباشرة بين ثلاث متحولات وهي : درجة الحرارة ضمن المفاعل وزمن المكوث الهيدروليكي فيه ومعدل التحميل العضوي (Organic Load Rate ) والذي يرمز لهOLR فلكل زمن مكوث هيدروليكي في درجة حرارة ثابتة هناك معدل مثالي للتحميل العضوي.

5-2- تأثير زمن المكوث الهيدروليكي (Hydraulic Retention Time) والذي يرمز له بـ HRT على كفاءة المعالجة في المفاعل :UASB

يعتبر زمن المكوث الهيدروليكي من أهم العوامل التصميمية التي تحكم كفاءة المعالجة

فزمن المكوث الهيدروليكي يرتبط بالتدفق الهيدروليكي بالعلاقة:

زمن المكوث الهيدروليكي= التدفق/حجم المفاعل

التدفق = مساحة مقطع المفاعل x السرعة الشاقولية

وبالتالي فإنه من الضروري عند تصميم المفاعل UASB اختيار زمن المكوث الهيدروليكي المناسب الذي يحقق سرعة شاقولية مناسبة من أجل تأمين زمن ملائم للتماس بين المياه الخام وكريات الحمأة الموجودة ضمن المفاعل.

 

الجدول (1) : أسس تصميم المفاعل UASB

تصنيف مياه الصرف تركيز COD للمياه الخام

ملغ/ل

معدل التحميل العضوي

Kg COD / m3.day

زمن المكوث الهيدروليكي

(ساعة)

السرعة الشاقولية للجريان

م/ساعة

الكفاءة المتوقعة

%

منخفضة التلوث أقل أو يساوي 750 1-3 6-18 0.25-0.7 70-75
متوسطة التلوث 750-3000 2-5 6-24 0.25-0.7 80-90
شديدة التلوث 3000-10000 5-10 6-24 0.15-0.7 75-85
فائقة التلوث أكبر من 10000 5-15 أكبر من 24 —- 75-80

 

 

5-3- تأثير درجة حرارة المياه ضمن المفاعل على كفاءة المعالجة في المفاعل :UASB

 إن لدرجة الحرارة دوراً هاماً جداً في عملية المعالجة إذ أن تعداد ونوع البكتريا التي تنمو في المفاعل ومدى نشاطها يرتبطان بإذنه تعالى بشكل وثيق بدرجة الحرارة,وتقسم البكتريا حسب درجة الحرارة المثالية لنموها إلى محبات البرد Pcychrophilic ومحبات الدفء Mesophilic ومحبات الحرارة العالية Thermoohilic,وبشكل عام فإن العمليات الحيوية تتضاعف لكل ارتفاع 10 درجات مئوية في المجال (5-35) درجة مئوية.

5-4- تأثير قيمة الـ pH ضمن المفاعل على تشغيل و كفاءة المعالجة في المفاعل : :UASB

إن وجود نوعين من البكتريا ضمن المفاعل البكتريا المنتجة للحموض والبكتريا المنتجة للميتان يتطلب وجود قيمتين لـ pH ضمن المفاعل حتى يعمل كلا النوعين بشكل فعال فقيمة الـ pH المثالية لعمل البكتيريا المنتجة للحمض هي 5.5-6.5 وقيمة الـ pH المثالية لعمل البكتيريا المنتجة للميتان هي 7.8-8.2.

6- التوصيات:

  1. يعتبر مفاعل UASB من أهم المفاعلات الخاصة بمعالجة مياه الصرف الصحي والصناعي عالية الحمل العضوي .
  2. يمكن استخدام مفاعل UASB في لمعالجة مياه الصرف الصحي والصناعي عالية الحمل العضوي في أغلب بلدان الوطن العربي وخصوصاً دول الخليج العربي وذلك لأن درجة الحرارة في هذه الدول مناسبة لتشغيل هذا المفاعل.
  3. استخدام المعالجة البيولوجية اللاهوائية في معالجة مياه الصرف الصحي والصناعي عالية الحمل العضوي والاستفادة من الغاز الحيوي الناتج في توليد الكهرباء والطاقة الحرارية.

 أهم المراجع المستعملة:

  1. صغير عبد الله , معالجة مياه الصرف الصناعي في الوطن العربي ,2017 , الدار العربية ناشرون- بيروت- الطبعة الأولى.

2- Amin, M. M and Movahedian. H, 2005-“Performance evaluation of UASB system treating slaughterhouse wastewater“, Sharif University of Technology And Esfahan University of Medical Sciences.

3- Ghangrekar Makarand M .and Tom Keenan .2005- “Design of an UASB Reactor,Indian Institute of Technology Kharagpur,.at http:// www.waterandwastewater.com/AskTom! Column.htm.

3- Khanal, S. K. and Huang, J.-C. 2001- anaerobic treatment of industrial wastewater, Part-1 at www.public.iastate.edu

5-Lettinga, G and Tom Keenan. 2002- anaerobic treatment\Anaerobic Biodegradability وNational Environmental Services Agency (NESA)at http://www.uasb.org.

6-Lettinga, G and Tom Keenan of. 2002- “anaerobic treatment \Anaerobic Toxicity” ,National Environmental Services Agency (NESA) ,at http://www.uasb.org.

7- Lettinga, G., A. F. M. van Velsen, S. W. Hobma, W. De Zeeuw , A. Klapwijk 1980- “Use of upflow sludge blanket reactor concept for biological waste water treatment, especially for anaerobic treatment. Biotechnol. Bioengineer..

8-Warren Viessman ,Jr marks J Hammer 1993 “water supply and pollution control “ Fifth Edition Harper Collins collage publishers .

9- Nguyen Tuan Anh and Tom Keenan, 2004 “Methods for UASB Reactor Design,National Environmental Services Agency (NESA). at http:// www.uasb.org/discover/agsb.htm ,.

 

 

HOW TO CHOOSE YOUR RIGHT DISINFECTION SYSTEM-BASICS

Ultraviolet (UV) light has become an established water treatment disinfection technology due to its extremely effective ability to kill or inactivate many species of disease-causing microorganisms. Ultraviolet light disinfection is effective on bacteria, protozoan parasites (e.g. Giardia, Cryptosporidium), and can also be effective for most viruses, providing sufficiently high UV dosage rates are used.

?What is UV disinfection

Disinfection is the reduction of harmful (=pathogenic) microorganisms to a concentration which is not harmful anymore. Typical UV disinfection systems involve the flow of water through a vessel containing UV lamps . As the water passes through this vessel, microorganisms are exposed to intense ultraviolet light energy which causes damage to genetic molecules (i.e. nucleic acids: DNA or RNA) needed for reproductive functions. This damage prevents the microorganism from multiplying or replicating in a human or animal host. Because the microorganism cannot multiply, no infection can occur. Disinfection of water is achieved when UV light causes microbial inactivation

 Examples of the most dangerous pathogens in drinking and waste water

  • BACTERIA: (Coliforms, Salmonella, Vibrio, Legionella, and E.coli)
  • VIRUSES: (Hep A and Polio)
  • PARASITES: (Cryptosporidia and Amoeba)

? How UV works

Ultraviolet (UV) light is energy within the electromagnetic spectrum that has shorter wavelengths than that which are visible to the human eye. UV light is a range of electromagnetic waves from 100 to 400 nanometers (between x-ray and visible light). The division of UV light is classified as Vacuum UV (100-200 nm), UV-C (200-280 nm), UV-B (280-315 nm) and UV-A (315-400 nm). The energy waves provided in the UV-C spectrum demonstrate the germicidal efficiencies that provide highly effective disinfection

NOTE: The violet visible light is not the UV light which disinfect the water, so this light is not indicator that the lamp is working well. Most of the manufacturers recommend to change the lamp every 9000 hours as there is several studies that the lamp performance reduces to 60% after 9000 hours

?How to properly SIZE a UV system

Determining the proper capacity of a UV system is based on three variables: flow rate, dose required, and UV transmittance of the water.Flow rate: you should know the maximum flow rate if there is no system give you the required flow rate, all the manufacturers recommend over sizing (choose the system which has higher flow rate)

  • UV dose: Select an appropriate level of disinfection for the type of source water being treated. there are some pathogens require special dose and there is standards for UV dose like US public health (16 mJ/cm2) and NSF (40 mJ/cm2)
  • Water Quality: UVT is an indicator of water quality, designating the percentage of light which passes a given distance through water. Source water with high concentrations of minerals (ie. Iron, Calcium, Magnesium, Manganese, etc) will contribute to scale build-up on the UV lamp

Options: There are some options you may select with your UV system after selecting the right system like Tri – Clamp, UV intensity monitor and hot water sanitization options

NOTE: There are different application for UV systems rather than disinfection which are TOC reduction, Ozone destruction and chlorine destruction

Eng. Mohamed Mokhlef