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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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).

بعض المصطلحات العلمية الخاصة بالمياه والصرف

A

الامتصاص  Absorption

الامتصاص هو دمج مادة ذات حالة في مادة اخري ذات حالة مختلفة ( مثال. السائل يمتص بواسطة مادة صلبة أو غازات تمتص بواسطة سائل ).

حمضي ( حامضي) Acidic

الحمضي هي صفة تصف خصائص  لمواد أو اشياء لها لها رقم هيدروجيني اقل من 7.

 

الحمأة المنشطة   Activated Sludge

هو اصطلاح يطلق علي مجموعة الكائنات الدقيقة الحية التي تري بالميكرسكوب وموجودة في الطبيعة , وتكون في حالة نشطة فعالة , ويطلق علي طريقة المعالجة البيولوجية التي تعتمد علي تلك الكائنات في المعالجة طريقة المعالجة بالحمأة والتي تعد من اشهر طرق المعالجة البيولوجية علي الاطلاق .

والحمأة المنشطة لها القدرة علي استهلاك المواد العضوية كغذاء سواء كانت هذه المواد عالقة او ذائبة في مياه المجاري , ونمو وتكاثر الكائنات الحية الدقيقة والتصاقها بالمواد العالقة يزيد من وزنها مما يسهل عملية فصلها من الماء المعالج بواسطة الترسيب في المروقات النهائية .

عملية الحمأة المنشطة    Activated Sludge Process

عملية الحمأة المنشطة تشير الي مفاعل متعدد الحجرات لوحدة معالجة مياه الصرف لانتاج مياه معالجة ناتجة ذات جودة عالية. الندفات من الكائنات الحية الدقيقة تكون معلقة ومخلوطة مع ماء الصرف في حوض التهوية . كلما نمت الكائنات الحية الدقيقة فانها تحطم المواد العضوية وتزيل المواد المغذية من الحمأة وتحولها الي ماء ,غاز , طاقة  وخلايا جديدة . للمحافظة علي الظروف الهوائية وجعل الحمأة المنشطة عالقة فان امدادات مستمرة وبزمن جيد من الاكسجين تكون مطلوبة. وحدة الحمأة المنشطة تكون عادة  متحدة مع وحدات ابتدائية وثلاثية . كميات كبيرة من الرواسب الصلبة( الحمأة) تنتج خلال نمو البكتيريا وايضا تحتاج الي ان تزال بانتظام وتعالج بصورة ملائمة .

الادمصاص Adsorption

هي عملية تكون بها جزيئات مادة ما مثل غاز أو سائل تتجمع علي سطح مادة اخري مثل مادة صلبة . الجزئيات تنجذب للسطح ولكنها لا تدخل الفراغات الدقيقة للمادة الصلبة مثلما بحدث في الامتصاص .

التهوية  Aeration

هي عملية لتحقيق التلامس بين الهواء والسائل , أو امداد سائل ما بالهواء .

حوض التهوية Aeration Tank

هو غرفة أو حوض لحقن الهواء في الماء .

هوائي (Aerobic)

كائن حي قادر على العيش بوجود الأكسجين فقط، أو عملية تحدث فقط بوجود أكسجين جزيئي في الهواء أو أكسجين ذائب في الماء .

البرك الاختياربة المتقدمة  Advanced Facultative Pond

هي اول خطوة من خطوات انظمة معالجة مياه الصرف بالبرك المتقدمة المتكاملة , وتتكون من بركة اختيارية تقليدية وتحتوي علي حفرة هضم في قاعها , حيث يتم حجز المواد الصلبة وتحلويلها لميثان بواسطة الهضم اللاهوائي . الطبقة السطحية الهوائية تبلغ 1 متر عمق وتقلل من مشاكل الروائح المحتملة . الغاز الحيوي ربما يجمع  قبة غاز تحت سطحية (مغمورة) ويمكن استخدامها   في انتاج  الطاقة.

 

البرك المتقدمة المتكاملة لمعالجة مياه الصرف  Advanced Integrated Wastewater Pond

انظمة البرك المتقدمة المتكاملة لمعالجة مياه الصرف  هي انظمة متطورة لبرك التثبيت التقليدية وهي مبنية علي سلسلة من اربع برك متقدمة : بركة اختيارية متقدمة  تحتوي علي حفرة هضم والتي لها وظيفة تشبه البرك اللاهوائية المندمجة مع البرك الاختيارية , بركة عالية المعدل مغطاة بالطحالب والتي تمد الاكسجين للماء وتأخذ المغذيات والمواد العضوية , بركة ترسيب الطحالب حيث معظم الطحالب  المنتجة في البركة  عالية المعدل المنتجة يتم ازالتها , واخيرا بركة انضاج للتطهير البيولوجي والشمسي .

 

عملية الأكسدة المتقدمة Advanced Oxidation Process

مصطلح عمليات الأكسدة المتقدمة يصف سلسلة من العمليات والتي تستخدم للمعالجة الكيميائية للملوثات العضوية وغير العضوية في مياه الصرف. عمليات الأكسدة المتقدمة تبني علي اساس توليد انواع من الاكسجين الفعال ( النشط) مثل شقوق الهيدروكسيل . توليد شقوق الهيدروكسيل ممكنة من طرق عديدة مثل الاكسدة الحفزية بالضوء , الكيمياء الكهربية . انظمة عمليات الاكسدة المتقدمة هي فوق اكسد الهيدروجين /طاقة , اوزون/طاقة , اوزون/ فوق اكسيد الهيدروجين /طاقة , اكسيد التيتانيوم /طاقة , مركبات الحديد الضوئية  وعمليات الكيمياء الكهربية.

 

إعداد

أحمد السروي

استشاري معالجة المياه والدراسات البيئية

 

Sanitization of water system

By / Ahmed Hasham

Water & Quality Expert

https://www.linkedin.com/in/ahmed-hasham-01024b27/

 

Definition of Sanitization

Sanitization is not an absolute process. It is a partial removal of organisms. The sanitization process should reduce the organism population by some 90%. In water, sanitization is often defined as a 3-logarithm (log) or 1,000-fold reduction in the number of bacteria.

 

Sanitization tactics:

There are two basic tactics for controlling bacterial growing in a potable water system:

  • The first tactic is to keep a constant residual level of biocide agent within the system (continuous dosing).

As example for this technique that water treatment facilities use when they inject sufficient chlorine to provide a residual throughout the distribution system.

  • The second tactic is to periodically sanitize. If for some aim the process protocol not allows the use of continuous chlorination, then periodic sanitization will be essential.

Chemical Sanitization:

Chemical biocides can be divided into two main groups:

  1. Oxidizing: contain chlorine, chlorine dioxide, and ozone.
  2. Non-oxidizing: contain Quaternary ammonium compounds, formaldehyde, and anionic and nonionic surface-active agents.

This table provides some general information about biocides. The table includes recommended contact times for various concentrations, as well as factors to consider when choosing a biocide to use with automated watering systems. Note that some biocides are not recommended for use with automated watering systems at all.

Chlorine

The most common sanitizing agent is chlorine. Chlorine is the cheapest, most readily available, and is effective and easy to handle. Even though ozone and chlorine dioxide are also effective biocides, there is little understanding using these chemicals to sanitize automated water systems. The effectiveness of a sanitizing chemical depending on both concentration and contact time.

Typical sanitization of an automated water system is accomplished using 20 ppm chlorine for 30–60 minutes. Higher concentrations or longer soak times will increase effectiveness; however, do not use a sanitizing solution with a chlorine concentration higher than 50 ppm. Repeated sanitization at higher concentrations can cause corrosion of stainless steel wetted components in an automated watering system.

Thermal Sanitization using Hot Water

Heated water may be used to sanitize a system if it is held in the range above 70°C (158°F). The practical characteristics of handling water at this temperature (the materials of construction and the energy used).

Sanitization Frequency

Sanitization does not kill 100% of bacteria in a watering system, the remaining bacteria can re grow in the system. This means that the components of a water system will need to be re sanitized periodically.

The frequency for your particular system will depend on its design, the frequency of both flushes and filter changes, the supply water quality, and the bacterial quality you are trying to maintain. To determine the sanitization frequency, establish a regular schedule for drawing samples and monitoring the total bacteria count levels. Increase or decrease the frequency of sanitization based on the measured bacterial quality. To destroy an established biofilm, (for example: a watering system that has been in operation for some time and has never been sanitized) repetitive sanitizing cycles are usually required.

The initial chlorine contact may only kill the top sheet of biofilm. Chlorine will also destroy the glycocalyx or slime which is the “glue” that holds biofilm bacteria composed and to the pipe wall, this weakens the biofilm structure. For that reason, it is a great idea to follow chlorine exposure with a high-flow flush. Fresh chlorine is then injected again to the piping to kill the next bacterial layer. This chlorine sanitization/flush cycle may need to be repeated more than a few times on successive days till the gathered biofilm has been removed. For a well-established biofilm, 3-10 cycles may be need.

Sanitization of an Automated Watering System

All the components in an automated watering system should be sanitized at regular intervals. This section describes how to sanitize these components.

RO Units

Continuous chlorination for feed water:

 For reverse osmosis (RO) systems using cellulose acetate membranes, continuous chlorine pretreatment is used to prevent bacteria growth in the RO machine. Chlorine injection is adjusted to provide 0.5 – 2.0 ppm of free chlorine in the feed water and a minimum of 0.3 ppm free chlorine.

Clean-in-place cycle for RO unit:

Regular cleaning of the RO machine is essential because contaminants can precipitate or scale on membrane surfaces, reducing flow rate and quality of the product water. On most of the RO machines, cleaning is done automatically on a periodic basis. Low pH cleaners (Such as citric acid) are used to remove precipitated salts and metals, and alkaline (Such as NaOH) or neutral cleaners are used to remove dirt, silt, and organic foulants.

RO membranes can also become fouled with microorganisms. To minimize biofouling, it is best if the RO machine can operate continuously, or as many hours a day as possible, to minimize stagnant downtime. If a microbiological cleaner is needed, follow the membrane manufacturer’s recommendations.

References:

Joymalya bhattacharya, Sanitization of automated watering system, Generation of pharmaceutical water. CreateSpace Independent Publishing Platform, 2013. — 134 pages, ISBN: 1492393495.

Adsorption

By / Ahmed Hasham

M.Sc. Analytical chemistry

Ahmedhasham83@outlook.com

Adsorption is a process in which substances transfer from  gases or liquids using physical matter known as adsorbent (Worch 2012).

 It is a very efficient technique to purify polluted water. Also, it is used for the removal of metal ions from aqueous solutions, adsorption proofs itself better than other. Generally, adsorption isotherm is an invaluable curve describing the phenomenon governing the retention or mobility of a substance from the aqueous phase  to a solid-phase at a constant temperature and pH (Singh et al. 2016).

Adsorbent type depends on the type of water which need the adsorption technique in its treatment. As an example activated carbon is used as adsorbent in drinking water , wastewater ,industrial waste water , swimming pool and ground water while aluminum oxide and some polymers are used as adsorbent only in waste water and industrial waste water applications (Worch 2012) .

Ø Effect of pH on Adsorption

The surface characteristics of sorbents are affected by the pH value of the solution so it is a main factor in studying the effectivity of a sorbent. Most of heavy metals are cations, so the adsorbent almost anionic. At low pH range , there are further protons presented to protonate with active groups on the surface of sorbent’s so they participate with the heavy metals (Sharma, 2014) . At present, adsorption is broadly accepted in eco-friendly treatment applications all over the world. Liquid–solid adsorption techniques are based on the capability of specific solids to specially concentrate selected substances from liquid phases onto their surfaces. This principle can be used for the removal of contaminants, such as metal ions and organics, from wastewaters (Piraján and Giraldo 2012).

Modeling of adsorption procedures is vital particularly in water treatment techniques. To ensure that the suitable adsorbent is selected to remove the selected pollutant in water with respectable effectiveness, at the right percentage and in the right conditions, scientific mathematical models are employed. Furthermore, these models deliver valuable data that are valuable in developing an adsorption reactor for large-scale adsorption process (Unuabonah, et.al, 2019).

Biomass as adsorbents:

The major difficulty in wastewater and industrial wastewater treatment is the synchronized presence of many and different forms of pollutants as:

  • Dyes.
  • Heavy metals.
  • Phenols.
  • Pesticides.
  • Pharmaceuticals.

Adsorption is the one of the most hopeful methods for waste water treatment. For economic consideration researchers had to turn their attention into lower cost adsorbents. So, a new term introduced, which is called “green adsorption”. It is meant (low-cost adsorbent derived from:

  • Agricultural sources as (fruits, vegetables, foods);
  • Agricultural residues and wastes;
  • Low-cost sources (as activated carbons after pyrolysis / hydrothermal carbonization of agricultural sources) (Kyzas and Kostoglou 2014).

References:

Kyzas, George Z., and Margaritis Kostoglou. 2014. “Green Adsorbents for Wastewaters: A Critical Review.” Materials. Https://doi.org/10.3390/ma7010333.

Moreno-Piraján, Juan Carlos, and Liliana Giraldo. 2012. “Heavy Metal Ions Adsorption from Wastewater Using Activated Carbon from Orange Peel.” E-Journal of Chemistry 9 (2): 926–37. Https://doi.org/10.1155/2012/383742.

Sharma, Sanjay K. 2015. Heavy Metals in Water.

Singh, Santosh Bahadur, Mahesh Kumar Gupta, Neelam Shukla, Girdhari Lal Chaurasia, Satpal Singh, and Praveen Kumar. 2016. “WATER PURIFICATION : A BRIEF REVIEW ON TOOLS AND TECHNIQUES USED IN ANALYSIS , MONITORING AND ASSESSMENT OF WATER QUALITY” 2 (2): 95–102. Https://doi.org/10.18510/gctl.2016.229.

Unuabonah, Emmanuel I., Martins O. Omorogie, and Nurudeen A. Oladoja. 2019. Modeling in Adsorption: Fundamentals and Applications. Composite Nanoadsorbents. Elsevier Inc. Https://doi.org/10.1016/b978-0-12-814132-8.00005-8.

Worch, Eckhard. 2012. Adsorption Technology in Water Treatment – Fundamentals, Processes, and Modeling.

 

معالجة المياه باستخدام تقنية الاغشية الحيوية

Water Treatment Using Membrane Bioreactor Technology

مقدمة

تشير الدراسات إلى أنه خلال العقدين القادمين سيكون وجود الماء النقي محدود للغاية في بقاع كثيرة من العالم, كما أن مشكلتي قلة المياه وتدني جودتها ستواجه الدول النامية والمتقدمة كلا سواء, فالملوحة تزداد في المياه الجوفية وتركيز المعادن الثقيلة يتصاعد, يعتبر ذلك من المصادر القليلة للملوثات التي تتعرض لها مصادر المياه, ولكن يتوفرحالياً حل من أهم الحلول الواعدة الذي يمكنه التخلص من معظم الملوثات المتواجدة في المياه وهو تقنية المعالجة بأغشية المفاعلات الحيوية MBR- Membrane Bioreactor  حيث أن المعالجة باستخدام تقنية الاغشية الحيوية تقوم على المعالجة البيولوجية والفصل الفيزيائي معاً ومقارنةً بالطرق التقليدية للمعالجة توفر الاغشية الحيوية سهولة في التشغيل مع كفاءة أداء عالية.

تقنية المعالجة بالأغشية الحيوية هي تقنية حديثة بدأت في الانتشار خلال العقد الأخير, حيث بدأ فهم نظام الاغشية منذ عام 1960م الذي حدث فيه اول تسجيل لظاهرة الترشيح الغشائي ( التناضح ) بالصدفة بواسطة العالم  ابا نوليه. ولكن لم تكن تستخدم الاغشية وقتها نتيجة تكلفتها المرتفعة جدا.

التطورات الحديثة في تصنيع الاغشية سمحت بانتاج اغشية بكفاءة عالية وسعر اقل، و مع ارتفاع اسعار طرق المعالجة التقليدية اصبح سعر الاغشية مقبول في معالجة مياه الصرف المنزلية والصرف الصناعي.

تاريخ أغشية المفاعلات الحيوية :

التطور في علم و تكنولوجيا المرشحات مر بتاريخ طويل من الدراسات المعملية قبل استخدامه في التطبيقات الصناعية في عام 1748 لاحظ نفاذية المياه الموجودة في مستخلص العنب المستخدم في صناعة النبيذ, وبعد ثمانين عاما من ذلك قام دوبرنيه بملاحظة هروب غاز الأكسجين خلال شقوق الوعاء,كما يعد جراهام(Graham) الرائد في حساب كميات الغاز المتسربة من الاغشية المطاطية,وقامادولف فيك  (Adolf Fick) بكتابة معادلات انتشار الغازات عام 1855 والذي اصبح من أهم القوانين المستخدمة في وصف حركة الانتشار من خلال الاغشية.

أما الاغشية شبه المنفذة فظهرت لأول مرة بواسطة تروب 1967(Traube) و استخدمها بفيفر 1877(Pfeffer)  لقياس ضعوط المحاليل الاسموزية, والتي أدت لظهور النظرية التقليدية للمحاليل (معادلة الضعط الأسموزي لفان هوف 1887) , واستحق هذا العمل لجائزة نوبل في الكيمياء 1901م.

وطور سجموندي (Zsigmondy) فلاتر الجسيمات الصغيرة و الفلاتر الجزيئية واللتي كانت بداية عهد فلاتر الترشيح الميكروني الدقيقة  (microfiltration) و فلاتر الترشيح فوق الميكروني (Ultra filtration ) 1907 – 1920م.

وبعد ذلك بسنوات قليلة ظهر أول نموذج لفلاتر التناضح العكسي بدراسة و إشراف مشيلز 1926 (Michaelis)، منجود 1929 (Manegod)و مكباين 1931(McBain) بأغشية السوليفان او نترات السليلوز .

أما فكرة الغسيل الكلي والكهربي والأغشية الكهربية تأسس بواسطة تويرل و ماير 1930   (Toerell and Meyer)من دراستهم للانتقال عبر الاغشية المتعادلة والاغشية ذات الشحنة الساكنة,

من أهم التطبقات الصناعية للاغشية هو صناعة ال defect-free  ,  high flux ,  anisotropic RO,  asymmetric cellulose acetate ( CA )

بواسطة لوب و سوريرجان في 1962 (Loeb and Sourirajan ), و مع تقنية لوب و سوريرجان الاصلية كان هناك تطويرات عديدة للاغشية . بوصولنا عام 1980 كانت كل من التقنيات : ” التناضح العكسي RO  ، الترشيح فوق الميكرونيUF ، الترشيح الميكرونيMF ، والغسيل الكلي الكهربي ED ” انتشرت في تطبيقات كثيرة حول العالم في محطات كبيرة .

أنواع المرشحات

يوجد في السوق 6 أنواعتجارية للأغشية تستخدم في عملية الفصل أولها المرشحالميكرونيmicro filtration MF  والذي يحجز الجزيئات اكبر من 0.1 ميكروميتر مثل البكتريا والبروتوزوا والطحالب، والترشيح فوق الميكروني ( ultra filtration UF ) الذي يحجز الجزيئات في حجم الفيروسات والمواد الغروية الصغيرة، الترشيح النانومتري ( Nano filtration NF  ) والذي يحجز بعض المواد العضوية الذائبة والايونات ثنائية التكافوء مثل Ca+2 , Mg +2 ، التناضح العكسي ( reverse osmosis RO   ) وهو ما يستطيع حجز الايونات احادية التكافؤ مثل  Na+ , Cl-ولا يسمح الا بمرور الماء ، غسيل الكلى الكهربي ( Electro dialysis ED ) .

الشكل الاتي يوضح الضغط اللازم للتشغيل و حجم الفتحات لكل من عمليات الفصل السابق ذكرها.

المادة المصنعة للغشاء

تصنع عادةً الاغشية من بوليمرات عضوية او مواد سيراميكية ، تتميز البوليمرات بسعرها القليل في الانتاج ولكنها تواجه مشاكل في التباين في مقاس الفتحات بالغشاء كما انها تكون اكثر عرضة للانسداد والتلوث. اما الاغشية المصنوعة من السيراميك توفر جودة عالية وعمر طويل ولكنها لا تعتبر حل اقتصادي في معالجة الكميات الكبيرة. فهي تعتبر حل مقبول في التطبيقات الصناعية. ( scott and smith 1996 ). جميع مصنعي الاغشية MBRيستخدمون البوليمرات في الاغشية الميكرونيه MF. يوضح الجدول الاتي اكثر انواع البوليمرات شيوعا في صناعة الاغشية .

المادة الخام

الاختصار المميزات العيوب
بولي بروبلين

polypropylene

Pp –          تكلفة قليلة

–          يسمح باختلافات عالية في الاس الهيدروجيني PH

–          لا يحتمل الكلور

–          تكلفة تنظيفه بالكيماويات عالية

Polyvinylidene fluoride PVDF –          يتحمل الكلور

–          سهل التنظيف بالكيماويات

–          لا يستطيع تحمل ماء له اس هيدروجيني اكثر من 10 ( PH>10)
Polyether sulphone&polysulphone PES/PS –          يتحمل الكلور

–          سعره مناسب

–          مواد هشة تتطلب الدعم ، او التدفق من الداخل الي الخارج

Polyacrylonitrile PAN –          سعره قليل ، يستخدم عادة فالمرشحات الفوق ميكروية UF –          اقل احتمالا للمواد الكيميائية من PVDF
Cellulose acetate CA –          سعره قليل –          لا يسمح باختلافات عالية في الاس الهيدروجيني

–          نشط بيولوجيا

يمكن تصنيف عمليات الترشيح بحجم المواد المنفصلة أو طريقة فصلها أو القوة المسؤولة عن الفصل .

تستخدم عدة مصطلحات في تقنية الاغشية لمناقشة فاعلية الغشاء :  معدل انتقال المائع من خلال المرشح واللذي يرمز له باسم ( flux  )  بوحدة كجم \ م2 ساعة .

الضغط اللازم لعبور الغشاء ( trans-membrane pressure TMP  ).

السائل الذي يعبر من المرشحات يسمي permeate

اما السائل الذي يحجز على الغشاء يسمي retentate . ( تكوبانجلوس و آل. 2003 )

اشكال المرشحات

هناك ثلاث أشكال رئيسية للاغشية الحيوية :

Multitubes

Hollow fiber

Flat sheet

المعالجة باستخدام معالج الاغشية الحيوية

تتلخص كيفية معالجة المياه عن طريق الاغشية الحيوية في الرسم التالي :

تبدأ المعالجة بالمياه الخام ويتم اضافة الاحماض ( حمض الهيدروليك ) لجعل المياه ذات وسط حمضي لتجنب ترسب كربونات الكالسيوم علي الاغشية وتحويله لثاتي اكسيد الكربون الذي يستطيع بسهولة النفاذ من الاغشية وقد توضع بعض الاضافات مثل ” هكساميتا فوسفات ” لتأخير ترسيب كبريتات الكالسيوم . كما تمر المعالجة بفلترة أولية لمنع وصول المواد الغروية للاغشية ، ويمكن ايضا عمل بعض المعالجات الاولية في حالة وجود اكاسيد المعادن . ثم يتم دخول الماء الي الاغشية في حالة استخدام الاغشية المنفصلة او قد تكون موجودة منذ البداية في وعاء التهوية . بعد ذلك يمكن عمل معالجة اخري وهي عبارة عن فصل غاز ثاني اكسيد الكربون و تقليل حموضية الماء حتي لا تسبب تآكل في المواسير و يمكن ايضا استخلاص الغازات البيولوجية و استخدامها كوقود حيوي في انتاج الطاقة ؛ محاولة في تقليل تكلفة تشغيل المعالجة بالاغشية .

مميزات و عيوب استخدام معالجة الاغشية الحيوية

من أهم مميزات تقنية الاغشية الحيوية هي صغر حجم المحطة مقارنة بالطرق التقليدية، كما لا توجد مشاكل أحواض الترسيب كما في المعالجة باستخدام الحمأة المنشطة او غيرها . وفي بعض الاحيان لا يحتاج لتطهير بعد المعالجة حيث تمنع هذه الاغشية مرور البكتريا و الفيروسات و مسببات الأمراض الاخري.

أما عن أهم العيوب التي تواجه انتشار تلك التقنية فهي ارتفاع رأس المال وقصر عمر المرشحات وايضا ارتفاع تكلفة التشغيل بالاضافة الي الحاجة الي متخصصين ذو كفائة عالية لتشغيل المحطة, ويعتبر اخطر تلك العيوب هو انسداد الاغشية.

خلاصة

تطورعلوم وتكنولوجيا الاغشية شهدت تاريخا طويلا في الدراسات المختبرية قبل إستخدامها في التطبيقات الصناعية. ولكن اليوم، تحظى بقبول واسع باعتبارها من أفضل التكنولوجيا المتاحة لمعالجة المياه وخاصة مياه الصرف الصحي . تناول هذا الموضوع عرض تاريخي لمراحل تطور تقنية الاغشية منذ عام 1748 وحتي الآن . تناول ايضا انواع المرشحات و اشكالها المختلفة المستخدمة وطريقة المعالجة باستخدام الاغشية، كما تناول عرض سريع عن اهم مميزات وعيوب تلك التقنية.

المراجع

1.Handbook of Environmental Engineering, Volume 13: Membrane and Desalination TechnologiesEdited by: L.K. Wang et al., DOI: 10.1007/978-1-59745-278-6_1#Springer ScienceþBusiness Media, LLC 2011

  1. Baker RW (2004) Overview of membrane science and technology. In: Membrane technologyand applications, 2nd edn., Wiley, England, pp 1–14

  1. Mulder M (1996) Basic principles of membrane technology, Kluwer, Netherlands

  1. Brennan MB (2001) Research accelerates on advanced water-treatment technologies as their usein purification grows. SciTechnol 79(15):32–38

  1. Strathmann H (2001) Membrane separation processes: current relevance and future opportunities. AIChE J 47(5):1077–1087

  1. Ferry JD (1936) Ultrafilter membranes and ultrafiltration. Chem Rev 18(3):373–455

7.MWH (2005)  Water Treatment: Principles and Design,  John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, pp. 1445, 1472, 1564.

  1. Taylor, J. S. and M. Wiesner (1999) Membranes, in R. D. Letterman (ed.)  Water Quality and Treatment,  5th ed., 12.American Water Works Association, McGraw-Hill, New York, pp. 11.1–11.71.

  1. U.S. EPA (2005) Membrane Guidance Manual, U.S. Environmental Protection Agency, Washington, D.C., pp. 7-7–7-8.

10.AWWA (1999)  Reverse Osmosis and Nanofiltration,  American Water Works Association Manual M46, Denver, Colorado.

 11.Bergman, R. A. (2005) “Membrane Processes,” in E. E Baruth (ed.),  Water Treatment Plant Design,  McGraw-Hill, New York, pp. 13.1–13.49.

12.Davis, M. L. and D. A. Cornwell (2008) Introduction to Environmental Engineering, McGraw-Hill, New York, p. 876

عمليات الترويب والتنديف لتنقية مياه الشرب

1.مقدمة

بدون الماء لا يمكن أن توجد حياة والماء هو شريان الحياة على كوكب الأرض، حيث يغطى الماء فى حالته السائلة والصلبة أربعة أخماس كوكب الأرض. والماء كبقية السوائل يتمدد بالحرارة وينكمش بالبرودة، إلا أنه يشذ عن هذه القاعدة عند درجة الصفر إلى درجة ٤ مئوية. حيث يتميز الماء فى هذا المدى بخاصية تميزه عن غيره من السوائل إذ يتمدد بالبرودة والتجميد فتقل كثافته ويتحول إلى جليد يطفو على سطح مياه المحيطات والبحار متيحاً فرصة الحياة للكائنات البحرية أسفله. ولو أن الماء كغيره من السوائل ينكمش بالتجمد لرسب الجليد إلى الأعماق وماتت الكائنات البحرية وتراكمت البرودة واختلت الفصول. ويتواجد الماء كمادة فى صور ثلاث:

  • الغازية – بخار الماء
  • السائلة – الماء العادى
  • الصلبة – الجليد

ويتحول الماء من صورة إلى أخرى، فيتحول من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة بالتكثيف، ومن الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة بالتجميد، ومن الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة بالانصهار، ومن الحالة السائلة إلى الحالة الغازية بالتبخير، ويتكون الماء كيميائياً من عنصرى الهيدروجين، والأكسجين، بنسبة  2 الي 1 حجما ونسبة 1الي 8 وزناً. والماء هو أرخص منظف على الإطلاق .ولعهد قريب كانت التنقية الطبيعية كافية لتنقية الماء، إلا أن حضارة الإنسان تصب الكثير من الملوثات الصناعية فى المياه، علاوة على النوعية الخاصة المطلوبة للمياه اليوم، مما أدى إلى تعقيد عمليات تنقية المياه، ويزداد الأمر تعقيداً كلما ارتفع المستوى الحضارى وزاد الاحتياج من كميات المياه للاستخدام الآدمى والصناعى.

ومن هنا بدأت فكرة إنشاء محطات ومنشآت خاصة لمعالجة وتنقية المياه  وتخليصها من الملوثات الصناعية وغير الصناعية وإعادتها إلى مياه آمنة صالحة للاستخدام الآدمى. وتحتوي معظم المياه السطحية (وخاصة نهر النيل) على بعض الشوائب العالقة، بالإضافة إلى بعض أنواع البكتريا والطحالب. أما الأملاح الذائبة فتكون غالبًا مقبولة (حيث أن تركيزها دائما متزنا) كما أن هذه الأملاح في الوقت نفسه مرغوب فيها حيث أنها تدخل في بناء خلايا جسم الإنسان.

ونهر النيل وفروعه هو مصدر المياه السطحية في جمهورية مصر العربية، وتحتوي هذه المياه على نسبة مقبولة جدًا من الأملاح الذائبة تتراوح بين ٢٠٠ إلى ٤٠٠ ملجم/لتر (جزء في المليون) وهذه النسبة المثالية من الأملاح الذاائبة تدخل فى تركيب خلايا جسم الأنسان. والغرض الأساسي من أعمال التنقية للمياه السطحية العكره الطبيعية هو تحقيق الآتي:

١إزالة الكائنات الحية الدقيقة والقضاء عليها، خاصة البكتيريا الممرضة والفيروسات والجراثيم.

٢تحسين الصفات الطبيعية للمياه، وذلك بإزالة اللون والعكارة والرائحة وجعلها مستساغة الطعم عديمة الرائحة.

٣التخلص من الطحالب بطريقة مناسبة لا تؤدى إلى تدميرها تجنبًا لمشاكل اللون والطعم والرائحة.

٤إزالة المواد العالقة أو الطافية.

٥إزالة المواد العالقة صغيرة الحجم.

٦إزالة المواد الصلبة الذائبة العضوية والغير عضوية.

٧إزالة العناصر الجالبة لللون والمذاق والرائحة في المياه.

٨إزالة الدهون والشحوم والزيوت.

٩إزالة المواد العالقة مثل الرمل والطين.

١٠إزالة بعض المركبات الكيميائيه، والتي قد تتعارض مع بعض الإستخدامات الخاصة للمياه.

١١الحد من تلوث المياه.

١٢مواكبة وتطبيق التشريعات والقوانين السائدة ذات الصلة بتنقية مياه الشرب.

وهناك وسائل وطرق كثيرة للتنقية، تعتمد جميعها على نوع الشوائب المحمولة في المياه وكميتها (تعتمد هذه الشوائب بدورها على المصدر)، وعلى الاستعمال المتوقع للمياه المنقاة.

2.خطوات عمليات تنقية المياه السطحية

يُتبع في عمليات تنقية المياه السطحية في مصر (والتي يكون مصدرها غالبًا نهر النيل وفروعه الرئيسية والترع) خطوات شبة موحدة، تتلخص في النقاط التالية:

١أعمال تجميع المياه من المصادر لضخها إلى موقع وحدات التنقية، وتشمل: المأخذ، ومواسير المأخذ، وطلمبات ضخ المياه الخام (ذات الضغط المنخفض عادة) لتوصيل المياه من المأخذ إلى بداية محطة التنقية وهو حوض التوزيع.

٢يتم إضافة جرعة الكلور المبدئى ويلى ذلك إضافة المواد الكيميائية المجلطة.

٣أحواض الترويب والتنديف (المواد الكيميائية المجلطة) ثم الترسيب.

٤الترشيح بالمرشحات الرملية بطيئة المعدل أو سريعة المعدل.

٥التطهير (يشمل الكلورة الابتدائية والكلورة النهائية).

ثم يتم بعد ذلك تجميع المياه المنقاه فى خزانات تجميع أرضية، ثم ضخها للتوزيع بواسطة طلمبات ضخ المياه المنقاة(ذات الضغط العالى) إلى شبكات التوزيع والخزانات العالية.

  1. عمليات تنقية المياه بالترويب والتنديف

الترويب والتنديف من العمليات الهامة فى وحدات تنقية المياه ومعالجة الفضلات السائلة، والتى تستخدم للتخلص من المواد الغروية التى تأتى باللون والعكارة. وعادة تسبب العكارة إلى وجود كميات قليلة من الطين الغروى العالق وبعض المعادن والمواد العضوية أما اللون فيأتى من هايدروكسيد المعادن الغروية، وعادة ينسب إلى مركبات عضوية معقدة تسمى بالأحماض الفولفية .Fulvic acids وفى المحاليل المخففة نسبيا فإن بعض الحبيبات لا تتصرف كجسيمات منفصلة أو منفردة، غير أنها تصادم مع بعضها، وتتحد أثناء ترسبها وبذا تزيد سرعتها. وعملية التجلط تعتمد على فرصة إلتقاء الحبيبات، والدفق السطحى، وعمق الحوض، وميل السرعة فى النظام، ودرجة تركيز الجسيمات، ومقاس الحبيبات وخواص السائل (درجة حرارة، الرقم الهيدروجينى الأيونات العكرة) نوع وطبيعة وخواص المروبات، وزمن وسرعة الترويب.

ولزيادة فعالية عملية التجلط تضاف إلى الماء الخام كميات بسيطة من مواد كيميائية مروبة مثل كبريتات الألمونيوم وكلوريد الحديد. وبعدها يبدأ التجلط وتزداد كفاءة الترسيب، وعملية الترويب والتجلط فعالة لإزالة الحبيبات صغيرة الحجم والمواد المسببة للعكارة والبكتريا. وتنقسم المروبات  إلى عضوية وغير عضوية أو إلى طبيعية وصناعية .

أهمية الترويب والتنديف

الغرض من الترويب والتنديف هو تسهيل عملية إزالة الجسيمات والشوائب والعكارة من الماء المعالج، وخصوصا المواد الصلبة غير القابلة للترسيب Non-Settleable حيث تتم إزالتها من المياه عن طريق استخدام المواد الكيميائية المناسبة لذلك.

وفى عملية الترويب، يتم إضافة مواد كيميائية للمياه العكرة لتتفاعل معها مكونة ندف جيلاتينية Flocs هلامية القوام وذات شحنة كهربية موجبة لتجذب إليها جسيمات العكارة ذات الشحنة السالبة وتلتصق بها ثم تتجمع هذه الجزيئات معا لتشكل جزيئات أكبر حجما وأثقل وزنًا، وعندما تتجمع قطع الندف معا، فإنها تشكل ندفا أكبر وأثقل وتكون أسهل فى الترسيب.

الحاجة لاستخدام المواد المروبة

معظم الجسیمات غیر المرغوبة والمطلوب إزالتھا من المیاه سالبة الشحنة فبالتالى يجب أن تكون المروبات المستعملة فى معالجة المياه ذات شحنة موجبة، فالشحنات الموجبة تعادل الشحنات السالبة وتعجل الترويب، وتحتوى بعض المروبات على أيونات ذات شحنات موجبة أكثر من البعض الآخر فنجد أن تلك المشتملة على أيونات ثلاثية التكافؤ مثل الألومونيوم والحديد (Al+++ , Fe +++)  أشد فعالية بمقدار يتراوح من ٧٠٠-1000 مرة  (كمروبات)من الأيونات الأحادية التكافؤ مثل الصوديوم Na+)) وأشد فعالية بمقدار 50 -60مرة من الأيونات ثنائية التكافؤ مثل الكالسيوم  (Ca++).

المروبات

عادة يتم الإشارة إلى كيماويات الترويب إما بالمروبات الأولية أو مساعدات الترويب، حيث تساعد المروبات الأولية على تعادل الشحنات الكهربائية للجزيئات لتساعد في البدء فى تجمع الندف بطيئة الترسيب معا بحيث لا تنكسر الندف في العمليات التالية،. وفي ضوء هذا التعريف يمكن أن نسمى المروبات بمساعدات التنديف.

يعتمد اختيار المروبات ومساعدات التنديف لاستخدامها فى محطات معينة على الاعتبارات الاقتصادية بالإضافة إلى الكفاءة، والأمان، واعتبارات التخزين. وأفضل طريقة لتحديد أكثر المروبات فعالية هى إجراء الاختبارات والقياسات المعملية، وفى بعض الحالات يتم إجراء اختبار الكأس لتحديد كفاءة المعالجة وتقدير الجرعة الكيميائية، ويجب أن تغطى هذه الاختبارات التغيرات الموسمية.

ويجب مراعاة المرونة عند التصميم لإضافة المروبات بحيث تلائم التغير المستمر للظروف، ويجب توفير العديد من نقاط إضافة مواد الترويب وخاصة البوليمرات، ومن العوامل الهامة أيضاً هو ترتيب إضافة الكيماويات فى جميع الحالات المختلفة.

وعند اختيار المادة المروبة يجب أن يؤخذ فى الاعتبار كمية الروبة وطريقة التخلص منها فالمروبات ذات الأيونات المعدنية تنتج أحجام كبيرة من الروبة أكبر من تلك الناتجة عن البوليمرات، ومن الصعب توقع أو تخمين التفاعلات الفعلية أو كيمة الروبة التى ستنتج بواسطة الحسابات والمعادلات، لذا يجب الاعتماد على التجارب المعملية وعمل محطات تجريبية لإمكان تقدير كفاءة عملية التنقية والجرعة الكيميائية وكمية الروبة.

توجد عدة أنواع من المروبات التى يمكن استخدامها ومن أهمها ما يلى:

١. الشبة(كبريتات الألومنيوم).

٢. أيدروكسيد الكالسيوم (الجير).

٣. كبريتات الأمونيوم

٤. كلوريد الحديدوز.

٥. كبريتات الحديديك.

٦. كلوريد الحديديك.

٧. البوليمرات الكاتيونية.

مساعدات التنديف

تكون الندف التى تنتج عند استخدام الألمنيوم فى كثير من الحالات خفيفة وسهلة التكسير وصعبة الترسيب نوعاً ما، ولذلك يتم الاستعانة بالبوليمرات التى تساعد فى تكوين ندف يمكن إزالتها بسهولة بواسطة الترسيب والترشيح.

ومن الإضافات والمواد التى تستخدم كمساعدات للتنديف ما يلى:

  • البوليميرات الأنيونية وغير الأنيونية ذات الوزن الجزيئى الكبير.
  • السيليكا المنشطة Activated Silica
  • البنتونيت Bentonite

وتضاف هذه المواد الكيماوية عادة بعد مزج المروبات بزمن حوالى من ٥ إلى ٦٠٠ ثانية وإذا كانت المياه التى سيتم معالجتها بمساعدات التنديف موجودة فى مرحلة التنديف فعلاً، يجب إضافة هذه المواد الكيماوية بحيث تنتشر فى كل حوض التنديف.

مكونات عملية الترويب

١. أحواض الترويب

يمكن أن تكون أحواض الترويب مربعة أو مستطيلة أو دائرية، وعادة يتم إنشاؤها من الخرسانة المسلحة المعزولة بالداخل من الصوف الزجاجى والإيبوكسى، ويختلف حجم الأحواض وعددها حسب الطاقة التصميمية لمحطة التنقية.

٢. القلابات الميكانيكية الأفقية (ترويب بطىء).

٣. القلابات الميكانيكية الرأسية (ترويب سريع).

٤. صندوق تروس مخفض ومغير للسرعة.

التنديف (Flocculation)

التنديف هو عملية تقليب بطيئة تسبب تجمع الجزيئات الصغيرة المروبة معا لتكون جسيمات أكبر حجما قابلة للترسيب، وتوفر عملية التنديف التلامس بين الجسيمات لتعزيز تجمعها معا في ندف يسهل إزالتها بالترسيب والترشيح.

وبشكل عام، فإن التلامس والإلتصاق بين الجسيمات يحدث نتيجة للتقليب الخفيف الذي يتم بواسطة الأسلوب الميكانيكى أو الهيدروليكى فى الخلط.

تشكيل الندف

يتم التحكم فى تشكيل الندف بواسطة معدل حدوث الاصطدام بين الجسيمات وفعالية هذه الاصطدامات في تعزيز التلاحم بين الجسيمات، والغرض من التنديف هو خلق ندف ذات خواص جيدة في الحجم، الكثافة والمتانة ليسهل إزالتها فيما بعد في عمليات الترسيب والترشيح. ويتراوح أفضل حجم للندف بين 0.1 ملم إلى حوالي ٣ ملم، ويتوقف هذا الحجم على نوع عملية الإزالة المستخدمة (الترشيح التقليدي أو الترشيح المباشر).

كفاءة عملية التنديف

تعتمد كفاءة عملية التنديف على عدة عوامل أهمها:

  • اختيار الفترة الزمنية المناسبة للتقليب (مدة المكث). ·
  • قوة التقليب السليمة. ·
  • الشكل الصحيح لحوض الخلط الذى يحقق انتظام الخلط. ·
  • وسائل التقليب من المعدات الميكانيكية أو غيرها.
  • وينتج عن عدم كفاية الخلط إلى تلامس غير فعال للجسيمات مما يؤدي إلى
  • ضعف تشكيل الندف. أما الخلط الزائد عن الحد فيتسبب بتفكك الجسيمات
  • المتجمعة (الندف) بعد أن تكون قد تجمعت معا.

 

أحمد أحمد السروي

إستشاري معالجة المياه والدراسات البيئية

 

المراجع العلمية

  • احمد السروي ,العمليات الاساسية لتنقية مياه الشرب , دار الكتب العلمية , 2012.
  • احمد السيد خليل ,عملية تنقية الماء للاستخدام المنزلي , 2008.
  • البرنامج التدريبي لمشغلي محطات تنقية مياه الشرب المستوى (أ) دليل المتدرب ,الجزء الأول, مشروع دعم قطاع مياه الشرب والصرف الصحي , الوكالة الأمريكية للتنمية الدولية , 2012.

 

تطهير المياه بالاشعة فوق البنفسجية

مقدمة

التطهير هو التدمير والقتل النوعي المنتخب للكائنات المسببة للامراض , مما يعني ليس كل الكائنات الحية  تموت وتدمر خلال هذه العملية , بينما يعرف التعقيم بانه قتل وتدمير لكل الكائنات الحية الدقيقة  الموجودة الممرضة وغير الممرضة .

لا تسمح عملية ترويب المواد العالقة مع عمليات الترسيب والترشيح اللاحقة، وكذلك عملية الكلورة المسبقة للمياه بالحصول على إزالة كاملة للبكتريا الضارة، حيث تحافظ حتى 10% من البكتريا والفيروسات على حياتها بعد العمليات السابقة. وكذلك لا تسمح عمليات المعالجة المختلفة لمياه الصرف الصحي بالقضاء نهائياً على الأحياء الممرضة في هذه المياه. لذلك تعتبر عملية التطهير هي العملية النهائية اللازمة لتحضير مياه الشرب وكذلك لمعالجة مياه الصرف الصحي قبل طرحها إلى المجتمعات المائية الطبيعية أو استخدامها للأغراض المختلفة.

في مجال معالجة المياه والمخلفات السائلة فهناك ثلاث مجموعات رئيسية مسببة للمرض مصدرها داخل الحيوان والانسان  ((Human enteric Organisms  وهي  البكتريا والفيروسات والطفيليات الاميبية

والمواد المستخدمة في التطهير وهي ما تعرف بالمطهرات لابد ان تكون – امنة في النقل والتداول والتطبيق –  وتركيزها في المياه المعالجة يمكن قياسه وتقديره  والا تكون هي مصدرا لتلوث البيئة .

ولمعرفة أهمية التطهير لابد من معرفة أهم الكائنات الدقيقة الممرضة  التي تتواجد في مياه الصرف المعالجة والامراض التي تسببها للانسان والحيوان.

خصائص المواد المستخدمة في التطهير

لكي تتم عملية التطهير بنجاح لابد ان تتوفر في المواد المطهرة خصائص معينة  وأهم الخصائص المطلوب توافرها الاتية :

  1. السمية للكائنات الدقيقة الممرضة فلابد ان يكون شديد السمية عند التركيزات الضعيفة , بحيث ان كميات او تركيزات قليلة من المادة المطهرة تكفي للقضاء علي الكائنات الدقيقة الممرضة الموجودة في المكان المراد تطهيره .
  2. الذوبانية لابد ان يذوب في المياه أو في انسجة خلايا الكائنات الممرضة.
  3. الثبات فقدان قدرته علي الابادة مع الوقت قليل , اي تستمر قدرته التطهيرية مدة مناسبة تكفي للقضاء علي الممرضات المطلوب التخلص منها .
  4. غير سام للكائنات العليا لابد ان يكون ساما للكائنات الدقيقة وغير سام للكائنات العليا فمثلا عند تطهير ماء الشرب لابد ان تكون مادة التطهير غير سامة للانسان الذي سوف يشرب ذلك الماء .
  5. التجانس اذا كانت المادة المطهرة سوف تستخدم في صورة سائلة فلابد ان يكون المحلول المطهر متجانسا.
  6. التفاعل مع المواد الجانبية لابد ان لا يمتص من المواد العضوية دون الخلايا البكتيرية أو الفيروسية .
  7. السمية عند درجة الحرارة المطلوبة لابد ان يكون فعالا عند درجة لحرارة المناسبة
  8. القدرة علي الاختراق له القدرة علي اختراق سطح المياه وله القدرة الي الوصول بسهوله  للهدف المراد تطهيره.

تطهير مصادر المياه

تطهير مصادر المياه المستخدمة لاغراض الشرب والاستعمال اليومي من اهم الوسائل التطبيقية لمكافحة التلوث البيولوجي للمياه وخاصة التلوث بالكائنات الحية الدقيقة الممرضة .كما ان التطهير من الوسائل الفعالة لمنع انتشار الاوبئة والامراض المنتقلة بالماء .فاستخدام العوامل المطهرة من شانه ان يحد من نمو وتكاثر الكائنات الممرضة داخل البيئة المائية التي تتمثل في مياه المسطحات المائية المختلفة وخاصة التي تعد موردا لمياه الشرب أو التي تعد مصبا نهائيا لمياه الصرف المعالجة والمطهرة جيدا . وعملية القضاء علي الكائنات الممرضة التي توجد في الماء الملوث هو الهدف من عملية التطهير بالاضافة الي توفير الظروف المناسبة لعدم نمو اية ميكروبات داخل مياه الشرب أو اية مياه يستخدمها الانسان من اولويات مكافحة التلوث البيولوجي للماء  .

التطهير بالاشعة فوق البنفسجية

الأشعة فوق البنفسجية هي جزء من الطيف الكهرومغناطيسي. وتتميز بأطوال موجات أقصر من موجات الضوء المرئي ولكن أطول من الأشعة السينية , توجد هذه الأشعة في ضوء الشمس وطول موجتها تتراوح ما بين 100-400 نانومتر تصل إلى سطح الأرض أقصرمن ذلك لترشيحها وامتصاصها في طبقة الأوزون في الأجزاء الخارجية من الغلاف الجوي . والضوء فوق البنفسجي الواصل إلى سطح الأرض ذات تأثير قاتل للبكتيريا ولذلك فإن ضوء الشمس يلعب دوراً مهماً في القضاء على الميكروبات في البيئة ، وعلى كل فإن الأمواج الأقصــــر في الطيف فوق البنفسجي أكثر فاعلية في قتل العناصر البكتيرية . والجزء الأكثر فاعلية في الطيف هو الذي يقع بين 200-300 وأكثره أيضاً هو 250-265 نانومتر.

إن التطهير الفوق بنفسجي للمياه هو عبارة عن عملية طبيعية تماما وخالية من المواد الكيميائية.

يتراوح طول موجات الشعاع فوق البنفسجي ضمن نطاق 240 حتى 280 نانومترا، حيث يقوم بمهاجمة الحمض النووي الحيويDNA ,RNA  لجميع الكائنات الممرضة كالبكتريا والفيروسات والطفيليات بشكل مباشر. يبدأ الإشعاع برد فعل كيميائي ضوئي يؤدي إلى تدمير المعلومات الجينية الموجودة في الحمض النووي ويمنع تضاعفه , فتعمل الاشعة علي احداث تغيير في الحمض النووي للبكتيريا خاصة في القواعد النتروجينية  في عملية تسمي Thymine dimerization. . حيث تفقد البكتيريا قدرتها على التكاثر وتتلف وتموت . حتى أن الطفيليات مثل Cryptosporidium أو  Giardia، المقاومة بشكل عنيف للمطهرات الكيميائية، تقل بشكل فاعل نتيجة التعرض لهذا  الإشعاع.

 

كيفية اتلاف الاشعة فوق البنفسجية للحمض النووي

تتداخل الاشعة في عملية تضاعف الحمض النووي  حيث تؤثر في عملية ترتيب القواعد النتروجينية فتغير من هذا الترتيب فلا يحدث تضاعف للحمض النووي بصورة صحيحة وتموت الخلية . اثناء نسخ الحمض  النووي تقوم الاشعة باحداث تلف كيموضوئي  وئتكوين روابط جديدة  (ثنائية)بين النيوكليتيدات المتجاورة مكونة جزيئات مزدوجة أو بوليمرات ثنائية الربط بين النيوكليتيدات المتجاورة خاصة الثايمين , ويؤدي تكون الكثير من البوليمرات الثنائية للثايمين في الحمض النووي للبكتريا أو الفيروسات الي منع تضاعف الخلايا ويؤدي لموتها.

كما يمكن استخدام الأشعة فوق البنفسجية لإزالة الكلور وأنواع الكلورامينات من المياه، حيث تسمى هذه العملية بالتحليل الضوئي وتتطلب جرعة أعلى من التطهير العادي. إن الكائنات المجهرية التي تم تطهيرها لا يتم إزالتها من المياه، فتطهير الأشعة فوق البنفسجية لا يزيل العضويات المتحللة أو المركبات اللاعضوية أو الجزيئات في المياه. ومع ذلك، فيمكن استخدام عمليات ألاكسدة بالأشعة فوق البنفسجية للتطهير عن طريق الأثر الكيميائي وفي الوقت ذاته تؤمن مستوى عال من التطهير.

 

المراجع

  • التلوث البيولوجي للبيئة المائية , احمد احمد السروي , مكتبة الدار العلمية – القاهرة 2010.
  • الملوثات المائية (المصدر – التأثير- التحكم والعلاج) , احمد السروي , دار الكتب العلمية 2008.
  •   HARM, W., 1980, Biological Effects of Ultraviolet Radiation, International Union of Pure and Applied Biophysics, Biophysics series, Cambridge University

بقلم

أحمد أحمد السروي

استشاري جودة المختبرات والدراسات البيئية

البريد الاليكتروني    aelserwy71@yahoo.com