المياه المستخدمة في الصناعات الدوائية

بقلم / أحمد محمد هشام

ماجستير كيمياء تحليلية 

خبير معالجة المياه وأنظمة الجودة 

Ahmedhasham83@gmail.com

الماء هو عنصر رئيسي يستخدم في كثير من عمليات التصنيع الدوائي وتصنيع المنتجات الحيوية. يستخدم الماء على نطاق واسع كمادة خام ، ، وكمذيب في مختلف العمليات الصناعية والمعملية ، التركيبات الدوائية، المكونات الصيدلانية الفعالة.

المياه المستخدمة لإنتاج الأدوية سواء لغسل المعدات ، أو لشطف الحاويات أو ككواشف تحليلية ، يجب أن تلبي الجودة من حيث المتطلبات التي تمليها المعايير التي نشرها دستور الأدوية الأمريكي (USP) ، دستور الأدوية الأوروبي (EP).

الماء له خواص كيميائية فريدة بسبب القطبية و الروابط الهيدروجينية. هذا يعني أنها قادرة على حل ، امتصاص أو تعليق العديد من المركبات.

مراقبة جودة المياه خلال عمليات الإنتاج والتخزين والتوزيع عملية حتمية ، بما في ذلك الجودة الميكروبيولوجية والكيميائية ،. المياه يمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، وبعضها تتطلب الجودة الميكروبيولوجية . عادة ما يتم تقييم المواصفات الميكروبية عن طريق الاختبارات التي تستغرق 48 إلى 72 ساعة على الأقل لإصدار النتائج.

لأن المياه الصيدلانية بشكل عام تنتجها عمليات مستمرة وتستخدم في المنتجات وعمليات التصنيع بعد وقت قصير من تصنيعها  فهي عادة تستخدم قبل اصدار نتائج الاختبارات الميكروبية . عدم تلبية متطلبات المواصفات تتطلب التحقيق في سبب هذا الفشل من حيث نتائج اختبار العينات السابقة المقبولة و نتيجة اختبار أخذ العينات اللاحقة مقبولة. ليضمن تحقيق الحد الأدنى من المعايير الكيميائية والميكروبيولوجية المطلوبة.

المياه المستخدمة في إنتاج المواد الدوائية أو كمصدر تغذية لمحطات إنتاج المياه النقية يجب أن تلبي متطلبات لوائح مياه الشرب (NPDWR) (40 CFR 141) من قبل وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) أو لوائح مياه الشرب للاتحاد الأوروبي أو اليابان ، أو المبادئ التوجيهية لمنظمة الصحة العالمية لمياه الشرب.

إنتاج المياه الصيدلانية وتخزينها وأنظمة التوزيع يجب تصميمها وتركيبها وصيانتها بواسطة الأشخاص المؤهلين لضمان إنتاج موثوق للمياه بجودة التي تفي بالمتطلبات التي تمليها المعايير التي نشرها دستور الأدوية الأمريكي (USP) ، دستور الأدوية أوروبا (EP).

هذا ومن الضروري التحقق من صحة عملية إنتاج المياه المتولدة والمخزنة والموزعة لضمان  جودة المياه وأنها تحقق المواصفات المطلوبة ولاتتعدي قدرة المحطة المنتجة.

أنواع المياه

هناك العديد من الأنواع المختلفة من المياه المستخدمة لأغراض دوائية. وصفت في دستور الأدوية الأمريكي الاستخدامات ، الطرق المقبولة للتحضير ، ومواصفات الجودة. هذه المياه يمكن أن يكون تنقسم إلى نوعين: المياه التي تنتج عادة في الموقع حيث يتم استخدامها (bulk water) ؛ و المياه المعبأة ، والتي يتم إنتاجها وتعبئتها و تعقيمها للحفاظ على الجودة الميكروبية في جميع مراحل تعبئتها. هناك عدة أنواع متخصصة من المياه المعبأة (packaged water)، تختلف في تطبيقاتها المعينة ، قيود التعبئة والتغليف ، وغيرها من سمات الجودة.

ماء الحقن (Water for injection  WFI)

هو ماء لإعداد الأدوية للإعطاء عن طريق الحقن كما يتم استخدامه بكميات كبيرة كوسيلة لإذابة أو تخفيف المواد الفعالة بالتركيبات الدوائية الأخري.

المياه النقية (Purified Water) هي المياه المستخدمة لإعداد الأدوية بخلاف الأدوية المطلوبة لتكون معقمة وغير متجانسة على حد سواء ، ما لم يكن هناك ما يبررها وسمح بها. المياه النقية التي تلبي اختبار السموم الداخلية الموصوفة في  Ph. Eur monograph 0008 يمكن استخدامها  في تصنيع مياه الغسيل الكلوي.

نوع المياه المطلوب لكل عملية يمكن الاطلاع عليها من الجدولين التاليين :

 أما بالنسبة لمواصفات المياه النقية ومياه الحقن فهي كما بالجدول التاي من أكثر من مرجع معتمد :

مما سبق يتضح مدي أهمية عمليات تنقية المياه في الصناعات الدوائية وفي مقالات لاحقة بإذن الله سيتم التطرق لكيفية التحقق من صلاحية الأنظمة المائية في الصناعات الدوائية.

المراجع : 

1. Note for Guidance on Quality of water for pharmaceutical use (CPMP/QWP/158/01-EMEA/CVMP/115/01).
2. Ph. Eur. monograph “Water for Injections” (0169).
3. Ph. Eur. monograph “Water, purified” (0008).
4. Ph. Eur. monograph “Substances for pharmaceutical use” (2034) .
5. CPMP Position Statement on the Quality of Water used in the production of Vaccines for parenteral use (EMEA/CPMP/BWP/1571/02 Rev.1).
6. ICH Q9 (Quality risk management), EMA/CHMP/ICH/24235/2006.

7.  Shukshith K.S, N. Vishal Gupta, water for pharmaceutical use, nt. J. Pharm. Sci. Rev. Res., 36(1), January – February 2016; Article No. 35, Pages: 199-204

 

التخلص من الحمأة الناتجة عن عمليات المعالجة الكيماوية

مقدمة:

تشير التقديرات إلى أنه في عام 1971 في الولايات المتحدة ، ما يقرب من 2 مليون طن جاف تم إنتاجها من حمأة الشبة سنويًا في محطات معالجة المياه. وتلك المحطات التي تسخدم أملاح الحديديك أنتجت مايقدر بحوالي 0.3 مليون طن جاف في السنة.

في البرازيل ، قدرت شركة المياه الحكومية في ساو باولو أن سبعة محطات معالجة مياه رئيسية في منطقة العاصمة ، أنتجت ما مجموعه 90 طن المواد الصلبة الجافة لكل يوم.

إجمالي الخسائر الناتجة عن عمليات الغسيل العكسي للمرشحات 120 مليون لتر / يوم ، أي ما يعادل المياه الكافية

لتزويد أكثر من 450،000 نسمة بالمياه

في الماضي ، كان الشاغل الرئيسي لمزودي مياه الشرب هو انتاج مياه بأعلى مستوى ممكن من الجودة. ولم تك معالجة المخلفات الناتجة عن المحطات تشغل بالهم علي الإطلاق.

كان المتبع هو تصريف البقايا إلى نفس المجرى المائي الذي تم استخراج المياه منه. بحجة إعادة المياه ببساطة إلى الجسم المائي من حيث تم اشتقاقها. ومع ذلك يتجاهل التلوث بالنفايات الكيميائية من هذه المخلفات على البيئة.

وتتميز الحمأة المائية بشكل عام بتركيزات الطلب الأوكسجيني البيولوجيBOD في حدود المئات ، وتركيزات COD في الآلاف ملغ / لتر.

النسبة بين  BOD / COD عادة حوالي 15: 1  مما يشير إلى أن الحمأة تكون بيولوجيًا مستقرة نسبيا، ولا تقدم عادةً نسبة عالية من الأكسجين في الجسم المتلقي للماء.

بشكل عام ، يمكن وصف حمأة النفايات الناتجة عن محطات معالجة المياه بأنها ضخمة، هلامية وعادة تضم الألومنيوم أو هيدروكسيدات الحديد، مواد غير عضوية مثل الغرويات الطينية ، الحديد، والمنغنيز، و مواد عضوية مثل الطحالب والبكتيريا و الفيروسات، وكل المواد المزالة من عمليات معالجة المياه. تحتوي هذه المخلفات على سبعون عنصر بما فيها السيليكا، الألومنيوم، الحديد، التيتانيوم، الكالسيوم، البوتاسيوم، المغنيسيوم، و المنغنيز.

تقدير كميات الحمأة:

تتكون حمأة محطات المياه من المواد المعلقة بالماء الخام و هيدروكسيدات المعادن المخثرة. من الواضح أن كمية الحمأة المنتجة لكل وحدة حجم من المياه المعالجة تختلف على نطاق واسع وتعتمد إلى حد كبير على خصائص المياه الخام و نوع المعالجة. معلومات من مختلف المحطات التي تستخدم كبريتات الألومنيوم ، أظهرت أن إنتاج الحمأة يتراوح بين 12 إلى 59 كجم جاف المواد الصلبة لكل مليون لتر من المياه المعالجة.

يمكن تقدير كمية الحمأة المتوقعة من عملية المعالجة من المعادلة التالية :

  • معالجة الحمأة بالتجميد :  
  • تعتمد الفكرة علي ان ذرات الماء تتأثر بالتبريد وتنفصل عن البنية الجلاتنية مما يجعل الحمأة أكثر تركيزاً كما يتضح ذلك في الصورة التالية  
    المعاملة بالحرارة :  المعالجة الحرارية ، حيث درجات الحرارة من 85 درجة مئوية إلى 200 درجة مئوية ، ويتم تطبيق ضغوط تصل إلى 1300 كيلو باسكال (190 رطل / بوصة مربعة) لكسر الطبيعة الهلامية لل flocs للمساعدة في التخلص من محتواها المائي.
  • أحواض معالجة الحمأة

 

  • واحدة من أكثر الطرق شعبية لعلاج الحمأة بسبب بساطته وانخفاض تكلفة التشغيل. في المناطق التي تتوفر فيها مساحة كبيرة من الأرض ،وتعتبراقتصادية للغاية. وكذلك تعتبر أحواض التجفيف وسيلة فعالة في حالة توافر مساحة الأرض المناسبة لها .
  • ويوضح الشكل التالي بشكل مجمل عملية معالجة الحمأة في أحد المحطات

بقلم / أحمد محمد هشام

ماجستير كيمياء تحليلية بيئية

 

 

 

تلوث المياه

بقلم / أحمد محمد هشام

ماجستير كيمياء تحليلية

نائب رئيس التحرير

Ahmedhasham83@gmail.com

 

تحتوي البيئة على متغيرات فيزيائية وكيميائية وبيولوجية تتفاعل معًا في كل وقت. في المستوى الحالي للتنمية البشرية ، يمكن للأنشطة البشرية التأثير على توازن هذه الأمور سلبًا أو إيجابًا ، مما يؤثر على سلامة البيئة. الهدف المستدام للحفاظ على البيئة دون تأثير سلبي.

إن المحافظة الحالية على البيئة أكثر مما كانت عليه في الماضي مما يتيح للبشرية تحقيق هدف النمو المستدام.

المخلفات السائلة والإنبعاثات الغازية من الأنشطة المختلفة التي تطلق في الماء أو الهواء أو التربة يمكن لكل من هذه الخزانات المحتملة قبول كمية محدودة من الملوثات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية بعدها نفقد السيطرة.

قانون المياه هو واحد من أكثر القضايا المثيرة للجدل للتقدم الحديث لأن الماء يتغير باستمرار. موقع الماء يتغير باستمرار. تتأثر المياه أيضًا بالمناخ ، بالطريقة المستخدمة.

يمكن تعريف المياه السطحية على أنها المياه الموجودة على سطح الأرض والتي لا تتدفق في قناة محددة جيدًا. معظمنا يعتقد أن المياه السطحية والمجاري المائية هي نفس الشيء ، ولكن من ناحية قانون المياه لايعتبر ذلك صحيحاً.

تتجدد المياه السطحية طبيعيا بواسطة الأمطار والينابيع ويتحول إلى أشكال أخرى بشكل طبيعي من خلال التبخر والتسرب تحت السطح في باطن الأرض.

تعتبر المياه السطحية مياه يسرة ( غير عسرة ) وتهدف عمليات معالجتها بصورة عامة إلى إزالة المواد العالقة التي تسبب ارتفاعا في العكر وتغيرا في اللون والرائحة.

وبناءاُعليه يمكن أن تقتصر عمليات تنقييتها علي  الترسيب والترشيح والتطهير. وتتكون المواد العالقة من مواد عضوية وطينية، كما تحتوي على بعض الكائنات الدقيقة مثل الطحالب والبكتيريا. ونظرا لصغر حجم هذه المكونات وكبر مساحتها السطحية مقارنة بوزنها فإنها تبقى معلقة في الماء ولا تترسب.

إضافة إلى ذلك تؤثر خواصها السطحية والكيميائية بالمياه، ولذا تستخدم عمليات الترويب لمعالجة المياه السطحية، حيث تستخدم بعض المواد الكيميائية لتقوم بإخلال اتزان المواد العالقة وتهيئة الظروف الملائمة لترسيبها وإزالتها من أحواض الترسيب.

ويتبع عملية الترسيب عملية ترشيح باستخدام مرشحات رملية لإزالة ما تبقى من الرواسب، ومن المروبات المشهورة كبريتات الألمنيوم  (الشبة) وكلوريد الحديديك، وهناك بعض الكائنات الدقيقة المساعدة مثل بعض البوليمرات العضوية والبنتونايت والسليكا المنشطة. ويمكن أيضا استخدام الكربون المنشط لإزالة العديد من المركبات العضوية التي تسبب تغيرا في طعم ورائحة المياه. تتبع عمليتي الترسيب والترشيح عملية التطهير التي تسبق إرسال تلك المياه إلى المستهلك.

تتجدد المياه السطحية طبيعيًا بواسطة هطول الأمطار وتفقد بشكل طبيعي من خلال التفريغ بالتبخر والتسرب تحت السطح إلى باطن الأرض. وإن كانت هناك مصادر أخرى للمياه الجوفية مثل المياه الأحفورية و المياه الرسوبية, إلا أن هطول الأمطار هو المصدر الأعظم، كما أن المياه الجوفية التي نشأت بهذه الطريقة تعرف باسم المياه النيزكية.

مصادر التلوث:

استخدام المواد الكيميائية ، في صناعات معدنية محددة ، بدأ يزعج البيئة خلال “الثورة الصناعية”. على الرغم من أن بعض أيونات المعادن يتم توزيعها في البيئة بشكل منطقي من خلال العمل الجيولوجي والبيولوجي. تم تحديد سمية العديد من هذه الملوثات بشكل جيد.تم تعيين تركيز تصريف الملوثات في كل تصنيف للمياه السطحية بواسطة وكالة حماية البيئة لتؤخذ في الاعتبار. سوف ينقل مجرى مائي مستمر في اتجاه مجرى النهر الملوثات إلى ممر مائي أقل ، وربما يكون أكثر قدرة على التحكم في التلوث. يتم إعادة تعبئة مجرى مائي متحرك بالأكسجين المذاب من السطح ليحل محل الأكسجين المستخدم من قبل الكائنات في الماء لمعالجة الملوثات العضوية. على العكس من ذلك. قد يتم استنفاد الأكسجين المذاب المتبقي خلال هذا الوقت وترسب المواد الصلبة القابلة للترسيب في قاع الممر المائي .

أي عملية تصنيع ، حيث الماء الذي يتم الحصول عليه من نظام معالجة المياه أو البئر يأتي في تفاعل مع عملية أو منتج قد تضيف ملوثات إلى الماء. ثم يصنف الناتج عن العملية على أنه مياه صرف .

وصفت منظمة الصحة العالمية أن التسمم المهني عن طريق المبيدات الحشرية قد حدث في عدة ملايين من الحالات في جميع أنحاء العالم وتقديم أدلة على أن المبيدات كانت مسؤولة عن التأثير الشديد على العديد من الجوانب الصحية.

من بين جميع أنواع الملوثات المبلغ عنها ، تعتبر المعادن الثقيلة لديها الخطر الرئيسي على سلامة الأغذية. تشمل المصادر الرئيسية للمعادن الثقيلة في تربة الأراضي الزراعية استخدام الأسمدة والري والتعدين والصرف الصحي وإعادة استخدام الحمأة والصهر.

نظرًا لعمليات التصنيع الواسعة وغير القياسية لبعض عمليات التعدين والصهر ، تزعج الكميات الكبيرة من المعادن الثقيلة الأراضي الزراعية من خلال الري بمياه الصرف الصحي ونقل النفايات وتطبيقات إعادة استخدام الحمأة وترسبها في الغلاف الجوي والتي ثبت أنها مهمة بشكل خاص.

يشير الري بمياه الصرف إلى استخدام تصريف المجاري لأغراض الري دون أي معالجة أو إزالة المواد الصلبة ببساطة ، والتي تحتوي عادة على مواد سامة. في بعض المناطق ، تدفق مياه الصرف الصحي غير المعالجة مأخوذة من المدن الصغيرة إلى الحقول الزراعية مباشرة. يعتبر الري بالصرف الصحي وسيلة فعالة للتخفيف من نقص الموارد المائية ، ولكن المناطق التي تتلقى مياه الصرف الصحي التي وجدت ملوثة بالمعادن الثقيلة ، حيث كان الزئبق (Hg) والرصاص (Pb) والكادميوم (Cd) أكبر ملوثات المعادن الثقيلة الخطيرة. يتزايد تراكم المعادن الثقيلة بسرعة خاصة في الأراضي الزراعية مع الزراعة المركزة ونظام الري الكبير. بشكل مؤقت ، أصبحت مواد النفايات الناتجة عن الإنتاج الحيواني المركّز ، والتي تحتوي على تركيزات عالية من As والزنك والنحاس ، مصادر تلوث مهمة مع نمو صناعة تربية الحيوانات. ليس لتلوث المياه والتربة آثار ضارة على سلامة الأغذية فحسب ، بل يمكن أن يؤثر سلبًا بزيادة المخاطر الصحية التي يواجهها الإنسان .

 

للاطلاع على أكبر مكتبة مجانية في مجال علوم وهندسة المياه يرجى زيارة المنتدى من الرابط التالي

watertechexperts.com/vb/forum.php

للاطلاع على مزيد من المقالات باللغة الانجليزية يرجى زيارة مدونتنا باللغة الانجليزية من الرابط التالي

www.water-tech-market.com/blog

لارسال أي استفسارات أو أسئلة أو طلبات يرجى الانضمام لجروب المنتدى على الفيس بوك من الرابط التالي

www.facebook.com/groups/waterexperts

المراجع :

Alley, E. Roberts. 2007. Water Quality Control Handbook. Environment. Vol. 1. https://doi.org/10.1036/0071467602.

Bonito, Lindsay T., Amro Hamdoun, and Stuart A. Sandin. 2016. “Evaluation of the Global Impacts of Mitigation on Persistent, Bioaccumulative and Toxic Pollutants in Marine Fish.” PeerJ. https://doi.org/10.7717/peerj.1573.

Closmann, Charles E. 2018. “Environment.” In A Companion to Nazi Germany. https://doi.org/10.1002/9781118936894.ch25.

Crini, Grégorio, Eric Lichtfouse, Lee D. Wilson, and Nadia Morin-Crini. 2018. “Conventional and Non-Conventional Adsorbents for Wastewater Treatment.” Environmental Chemistry Letters, no. 0123456789. https://doi.org/10.1007/s10311-018-0786-8.

Hairston, James E, Extension Water, and Quality Scientist. 1999. “Water Quality And Pollution Control Handbook.”

Lu, Yonglong, Shuai Song, Ruoshi Wang, Zhaoyang Liu, Jing Meng, Andrew J. Sweetman, Alan Jenkins, et al. 2015. “Impacts of Soil and Water Pollution on Food Safety and Health Risks in China.” Environment International 77: 5–15. https://doi.org/10.1016/j.envint.2014.12.010.

Vitale, Paula, Pamela Belén Ramos, Viviana Colasurdo, María Belén Fernandez, and Gladys Nora Eyler. 2019. “Treatment of Real Wastewater from the Graphic Industry Using Advanced Oxidation Technologies: Degradation Models and Feasibility Analysis.” Journal of Cleaner Production 206: 1041–50. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.09.105.

 

 

معالجة الصرف الصناعي لصناعة الالبان

1.مقدمة

تحتل صناعة الألبان مكانة متميزة ضمن صناعات المواد الغذائية في العالم . غير أن هذه الصناعة تعد مصدرا هاما من مصادر تلوث المجارى المائية ، خاصة فيما يتعلق بالمشاريع الإنتاجية الكبيرة.

تتميز صناعة منتجات الألبان بتنوع منتجاتها وبالتالي بتعدد خطوط الإنتاج. وبينما تقتصر خطوط الإنتاج في بعض المنشآت على خط أو اثنين تضم بعض المنشآت الأخرى كافة خطوط الإنتاج بالإضافة إلى الوحدات الخدمية المختلفة التي تقوم بتوفير إمدادات المياه والطاقة للمنشأة ومتطلبات الصيانة والتخزين والتعبئة واختبارات وتحاليل الجودة.

ونظراً لأن المواد الخام تكون عرضه للتلوث الميكروبي فإن تصميم الآلات والمعدات يسمح بسهولة التنظيف والتعقيم ويحقق الشروط الصحية أثناء التشغيل . وتعتمد المنشآت القديمة على معدات مكشوفة والإنتاج على دفعات (متقطعة)،  بينما تعتمد المنشآت الحديثة على أنظمة الإنتاج المغلقة والإنتاج المستمر، ويتم إيقاف الإنتاج لأغراض التنظيف والتطهير مرة واحدة في اليوم على الأقل.

تحصل المنشآت على احتياجاتها من المياه من مصادر متنوعة: شبكات المياه العامة، الآبار والترع وتتوقف عمليات معالجة المياه على مصدرها والغرض من الاستخدام .

وتتعدد استخدامات المياه في المنشآت، فتستخدم في العمليات الصناعية أو لأغراض النظافة العامة وغسل المعدات أو لإمداد الغلايات بالمياه اللازمة لعمليات إنتاج البخار (تتم معالجة المياه الخاصة بالغلايات لمنع تكون التكلسات داخل الغلاية) أو لأغراض التبريد والأغراض المعيشية المختلفة.

2.العمليات الصناعيـة الرئيسية المتسببة في التلوث

يوضح الجدول رقم (1) العمليات الصناعيـة الرئيسية المتسببة في التلوث والمدخلات والمخرجات ومؤشرات التلوث.

جدول (1) العمليات الإنتاجية في صناعة منتجات الألبان و مجال تأثير الملوثات الناتجة عنها

 

 

3.الصرف السائل  لصناعة الالبان

يعد الصرف السائل في صناعة منتجات الألبان المصدر الرئيسي للتلوث حيث قد يتضمن الملوثات التالية:

  • ألبان تالفة أو مرتجعه يتم تصريفها على شبكة الصرف (أكسجين حيوي ممتص) .
  • شرش اللبن الناتج عن عملية التخثر (أكسجين حيوي ممتص) .
  • الفاقد المنسكب من آلات التعبئة (أكسجين حيوي ممتص) .
  • مياه تفوير الغلايات وأبراج التبريد ومياه الغسل العكسي للميسرات التي تحتوي على نسبة مرتفعة من المواد الصلبة الذائبة والمواد الصلبة العالقة .
  • المياه المستخدمة فى غسيل الأرضيات والمعدات والتي تكون ملوثة بالزيوت والشحوم وآثار المنظفات .
  • زيوت التشحيم المستهلكة المتولدة عن الورش والجراج والتي قد يتم تصريفها على شبكة الصرف .

ويوضح الجدول رقم (2) خصائص الصرف السائل لنموذج لمصانع منتجات الألبان

 

4.معالجة الصرف الصناعي لصناعة االالبان

  • حيث أن الصرف السائل الناتج عن هذه الصناعة يحتوي على حمل عضوي مرتفع (أكسجين حيوي ممتص وأكسجين كيميائي مستهلك ومواد صلبة عالقة) فإن إجراءات نهاية الأنبوب تتضمن استخدام خزانات الترسيب والمعالجة البيولوجية. وتتضمن إجراءات المعالجة الأوليـة اسـتخدام المصافي ومعادلة سـريان الصرف السائل( تثبيت التدفق) والتحكم في الأس الهيدروجيني وإزالة الدهون عن طريق التعويم بالهواء ، ثم يتبع ذلك إجراءات المعالجة البيولوجية.

ويعد حجز المياه في برك (في حالة توفر المساحات اللازمة) من وسائل المعالجة الفعالة. وتتضمن أساليب المعالجة البيولوجية استخدام الحمأة المنشـطة. ويراعى عند تصميم محطات معالجة الصرف السائل طبيعة هذه الصناعة من حيث تغير معدل التدفق موسمياً .

ويبين الشكل التالي مخطط مبسط لمشروع معالجة الصرف الصناعي لاحد مصانع االالبان

 

يتكون مشروع المعالجة من الوحدات التالية :

  • – مرشح تصفية لإزالة المواد الصلبة الكبيرة .
  • – حوض تثبيت وتساوي للتدفق لتجميع مياه الصرف وتثبيت معدل تدفقها الي وحدات المعالجة.
  • – وحدة للطفو للهواء المذاب لإزالة الزيوت من ماء الصرف .
  • – حوض المياه المعالجة .
  • – المياه المعالجة تذهب لمرشح متعدد الطبقات لحجز المواد العالقة الدقيقة .
  • – تخرج المياه صالحة للطرح في شبكة الصرف الصحي.

 

بقلم

أحمد أحمد السروي

إستشاري جودة المختبرات والدراسات البيئية

 

المراجع العلمية

  1. احمد السروي , طرق معالجة المخلفات الصناعية السائلة , دار الكتب العلمية , 2017
  2. احمد السروي , معالجة مياه الصرف الصناعي , دار الكتب العلمية , 2007

3.دليل الرصد الذاتي لصناعة الالبان , وزارة البيئة المصرية , 2003.

جمع العينات في محطات معالجة مياه الصرف الصناعي

1.مقدمة

يغطي الرصد البيئي للمنشأة الصناعية الإنبعاثات إلى الهواء  والصرف السائل والمواد الصلبة والنفايات الخطرة , ويشمل الرصد البيئي تحديد الملوثات والإنبعاثات الخطرة من كل صناعة, وتحديد أوجه التلوث لكل خط إنتاج , وتحديد أوجه التلوث من الوحدات الخدمية في كل قسم , وتسجيل مخرجات القياسات والتحاليل لمعاملات التلوث في السجل البيئي .

ويتطلب رصد الملوثات والإنبعاثات إعطاء عناية خاصة للأساليب المستخدمة وذلك نتيجة للتأثير المتوقع لها على تفسير النتائج، ومن ثم على دقة البيانات الناتجة ومدى الاعتماد عليها.

  1. الرصد البيئي للصرف السائل للمنشأة الصناعية

وتضع اللوائح الحدود الخاصة بتركيزات ملوثات محددة في مياه الصرف عند إلقائها في المسطحات المائية المستقبلة. ولأغراض الرصد، فإن القيم الملقاة لمواد أو ملوثات محددة يتم التعبير عنها غالبا بالكميات الكلية لكل وحدة زمنية. وفي بعض الأحيان يتم التعبير عن هذه القيم بكميات محددة لكل طن من المنتج أو ككفاءة تنقية. وقد تم وضع حدود قصوى للعديد من معاملات التلوث: الأكسجين الكيميائي/الأكسجين الحيوي ، المواد الصلبة العالقة الكلية، الفوسفور والنيتروجين .

معاملات التحكم المرصودة: تشمل المعاملات النمطية للتحكم في مياه الصرف ما يلي:

  • دفق(تدفق) مياه الصرف م3/يوم
  • المواد الصلبة العالقة الكلية مجم/لتر
  • درجة الحرارة (درجة مئوية )
  • الطلب الكيميائي على الأكسجين COD ( الاكسجين الكيميائي المستهلك ) مجم اكسجين/لتر
  • الطلب البيوكيميائي على الأكسجين BOD   () مجم اكسجين/لتر
  •  النتروجين الكلي مجم/لتر
  •  الأس الهيدروجيني
  • التوصيل الكهربي ميكروسيمنز/سم
  1. جمع العينات

تعرف عملية جمع العينات بانها اخذ جزء من كل بحيث ان يكون هذا الجزء ممثلا ومعبرا عن الكل  , فالعينة التحليلية هي العينة التي يتم الحصول عليها من مكونات الكمية الكلية (مجتمع البحث) بعد القيام بعمل ما عليها (استخلاص- تحلل ….) والتخفيف أو التركيز اذا كان ذلك ضروريا , ومن ثم تستخدم في عملية قياس حقيقية.

إن أخذ العينات بأسلوب جيد هو عامل أساسي لتحديد مواصفات مياه الصرف التي يتم التخلص منها. وهناك تعليمات عامة لأخذ عينات مياه الصرف. ومع ذلك فإن المشاكل المرتبطة بأخذ عينات مياه صرف الصناعات النسيجية والناتجة عن التغير في نوعية مياه الصرف أو معدلات الدفق يجب حلها كل على حدة، آخذين في الاعتبار الأسباب الناتجة عن التشغيل.

وقد تكون العينات مفردة grab sample أو عينات مركبة Composite Sample ، أو عينات مركبة متناسبة مع الدفق. وتوضح العينة المفردة تركيبة مياه الصرف عند لحظة أخذ العينة. وعند أخذ مجموعة من العينات المفردة يمكن متابعة الأحمال القصوى، والتغير في نوعية مياه الصرف وكذلك مجال تغير معاملات التلوث المعنية. وتوضح العينة المركبة متوسط التركيب خلال الفترة الزمنية المختارة. وعادة ما يتم أخذ عينة مركبة على مدى ٢٤ ساعة متناسبة مع الدفق بحيث يكون جهاز أخذ العينات محكومًا بمقياس الدفق.

والغرض من وضع برنامج لأخذ وتجهيز عينات مختلفة للتحليل وإجراء مختلف الأختبارات عليها هو :

  • التأكد ان عمليات معالجة تنقية مياه الصرف قد تمت بنجاح .
  • مدي الكفأءة التي تعمل بها كل وحدة من وحدات المعالجة .
  • الحصول علي سجلات وبيانات تبين اذا كانت وحدات المعالجة تعمل وفقا لتصميمها ام لا .
  • ظبط عملية التحكم في المعالجة وتكاليفها .
  • اكتشاف الاسباب التي تؤدي الي متاعب ومشاكل التشغيل التي تؤثر علي كفاءة التنقية وبالتالي وضع الحلول المناسبة لعلاجها وتلافيها في المستقبل .
  • جمع المعلومات اللازمة للتخطيط المستقبلي لعمل توسعات في محطة المعالجة .

ويتم تحديد فترة أخذ العينة وحجم العينة لكل حالة على حدة على أساس التحاليل المستخدمة وكذلك الأسباب التي تؤثر على دقة أخذ العينات ودقة التحاليل. وغالبا  ما يتم أخذ عينات تحاليل مياه الصرف لمدة ٢٤ ساعة لمدة من 5 الي 7 ايام  , وفي بعض الأحيان يتم تجميد العينات وجمعها معا لتغطي فترة أطول. ويتم اخذ العينات لتحديد الأكسجين الكيميائي المستهلك والمواد الصلبة العالقة TSS,COD يوميا أو باستمرار ويتم تحليلها يوميا. وعادة ما  يتم أخذ العينات لتحديد الاكسجين الحيوي المطلوب BOD والمغذيات أسبوعيا. ويتم القياس المستمر لكل من الأس الهيدروجيني والتوصيل الكهربي.

ومن المحتمل أن يحتاج كل مصنع لبرنامج التحليل الخاص به. ويغطي هذا البرنامج عادة مدى واسع من القياسات والتحاليل، طبقا لما تم وضعه مسبقا في خطة الرصد الذاتي. ويجب إجراء القياسات والتحاليل طبقا للمعايير القياسية التي توصي بها السلطات.

تشمل عملية جمع العينات العناصر الهامة الاتية:

  • الهدف من تحليل العينات
  • طريقة اخذ العينات
  • ادوات اخذ العينات
  • أنواع العينات
  • طريقة اخذ عينات الحمأة
  • مراقبة الجودة في جمع العينات وتحليلها.

الحسابات

يتم حساب كميات مياه الصرف وتسجيلها طبقا للمواصفات الموضوعة في خطة الرصد. ويتم حساب الصرف غالبا كما يلي:

ويتم أيضا التحكم في كفاءة المعالجة البيولوجية لمياه الصرف بواسطة حساب النقص في المادة العضوية (BOD, COD) بين مياه الصرف غير المعالجة قبل الترسيب الأولي ومياه الصرف المعالجة بعد الترويق الثانوي.

ويشمل التقرير النمطي لرصد التخلص من مياه الصرف قيم المتوسطات الشهرية والتغيرات في مياه الصرف عند نقاط الرصد قبل وبعد المعالجة، وقيم الحدود طبقا للقانون وأيضا بعض بيانات الإنتاج.

 

أحمد أحمد السروي

إستشاري الدراسات البيئية

 

المراجع العلمية

  1. احمد السروي , طرق معالجة المخلفات الصناعية السائلة , دار الكتب العلمية , 2017.
  2. احمد السروي , معالجة مياه الصرف الصناعي , دار الكتب العلمية , 2007.
  3. احمد السروي , اساسيات الجودة في المختبرات البيئية , دار الكتب العلمية , 2012.

4.دليل الرصد الذاتي, وزارة البيئة المصرية , 2003.

معالجة مياه الصرف الصناعي بالصناعات الدوائية

مما لاشك فيه أن تقدم الدول ورقيها يقاس بمدي اهتمامها بالبيئة وحماية الإنسان من أخطار التلوث سواءاً تلوث الماء أو الهواء أو الغذاء … ولكن انتشار الأمراض والأوبئة جعل من تصنيع وتطوير الأدوية والمستحضرات الطبية أمراً حتمياً علي الرغم من أن هذه الصناعات سواءاً الكيميائية أو البيولوجية قد ينشأ عنها مخلفات خطرة جدا ،،،،لذلك كان التوجه لمعالجة مياه الصرف الصناعي (المخلفات السائلة)الناشئة عن هذه الصناعات وتم تشريع القوانين التي تضبط وضع هذه المنشأت حتي لاتكون سبباً في تلوث البيئة .

وسوف نتطرق في هذا المقال لمعالجة مياه الصرف الصناعي بشكل مبسط ..حيث أن مياه الصرف الصناعي تختلف في خصائصها من صناعه الي أخري بل وتختلف في نفس المصنع من يوم ليوم أخر ومن ساعه الي ساعه علي حسب الأنشطه القائمه في وقت تدفق مياه الصرف الي محطة معالجة مياه الصرف الصناعي .ونظرا لذلك الإختلاف فسوف يختلف تصميم محطة معالجة مياه الصرف الصناعي طبقاً لنوعية وخصائص مياه الصرف التي ستقوم المحطة بمعالجتها.

ومن الجدير بالذكر أن مياه الصرف الصناعي الناتجة عن الصناعات الدوائية تكون علي هيئة دفعات أثناء الانتاج فعلي سبيل المثال عمليات التخمر تستغرق من عدة أيام الي عدة أسابيع وفي هذه الحالة لايتم انتاج مياه صرف صناعي الا بعد انتهاء العملية .وتستخدم الصناعات الدوائية عدداً من المذيبات والمطهرات والاضافات أثناء الانتاج وتنظيف الأجهزة والمعامل  تختلف في مجملها من صناعة الي أخري ومن منتج الي أخر ومن دولة الي دولة .وبالرغم من أن معظم عمليات التنظيف تتم بالبخار إلا أن 297 مصنع متخصص بالصناعات الدوائية بالولايات المتحدة أنتجت 539 مليون متر مكعب من الصرف الصناعي سنه1990م.

مصادر مياه الصرف الصناعي في مصانع الأدوية :

  • مياه غسيل الزجاجيات والعبوات وأدوات المعامل .
  • مياه غسيل تنكات التحضير .
  • مياه تطهير الأرضيات الخاصة بالمعامل ومناطق الانتاج .
  • بقايا مواد كيماوية تم سكبها بشبكة الصرف الصناعي .
  • بقايا محاليل التعقيم والتطهير .وبشكل أبسط فإن خصائص مياه الصرف الناتجه عن مصنع للمضادات الحيوية ستختلف عن خصائص مياه الصرف الناتجه عن مصنع للكيماويات ستختلف عن مياه صرف مصنع للأمصال واللقاحات وهكذا .
    ومن الجدير بالذكر أن ايرلندا تنتج 43 طن / BOD في اليوم  من الصناعات الدوائية فقط .كما أن أمريكا عام 1983 م نتج عن صناعاتها الدوائية 200 ألف طن حمأة .

 

طرق المعالجة :

  • معالجة فيزيائية وتشمل عمليات التناضح العكسي والتحليل الكهربي والتبخير والمعالجة بالكربون النشط والترشيح والتعويم .
  • معالجة كيميائية وتشمل عمليات التعادل والاختزال والترسيب وتعتمد علي عمليات التعادل 50% من محطات معالجة الصرف الصناعي بينما تقوم عمليات الإختزال علي استخدام أكاسيد الكبريت لتقوم باختزال المواد المؤكسدة.
  • معالجة حرارية وتهدف لتحويل المواد العضوية الي كتلة صغيرة الحجم ذات تأثير سمي منعدم تقريباًوقد تكون المعالجة الحرارية في وجود الهواء (INCINERATION)أو بمعزل عن الهواء (PYROLYSIS).
  • معالجة بيولوجية وفيها يتم استخدام الكائنات الدقيقة لتحويل المواد العضوية الي ثاني أكسيد الكربون +ماء (باستخدام بكتيريا هوائية) أو يتم تحويل المواد العضوية الي ميثان وثاني أكسيد الكربون وماء (بإستخدام بكتيريا لاهوائية)… ومن الجدير بالذكر ان 1/3 محطات الصرف الصناعي للصناعات الدوائية تستخدم المعالجة البيولوجية لمعالجة مخلفاتها .

وتضم المعالجة البيولوجية نظام يسمي بالحمأة النشطة  ونظام أخر يسمي بالأحواض المهواه ميكانيكياً.

وفي النظام الأول (الحمأة النشطة) يتم استرجاع جزء من الحمأة المترسبة بأحواض الترسيب الثانوي إلي أحواض التهوية لتعمل علي تنشيط البكتيريا ويتم استخدام الكائنات الدقيقة في عملية مستمرة وعلي اتصال بالمواد العضوية في وجود الأكسجين .

وفي النظام الثاني (الأحواض المهواة ميكانيكياً) وفيها يتم تثبيت المواد العضوية في وجود الأكسجين من خلال أنظمة التهوية دونما استرجاع لأي جزء من الحمأة لأحواض التهوية .

  • كفاءة ازالة الأنظمة المختلفة للملوثات من مياه الصرف الصناعي:

 

ان الهدف الذي تتم من أجله انشاء محطات معالجة مياه الصرف الصناعي هو الوصول بهذه المياه الي الحدود المسموح بها حتي يمكن صرفها الي شبكة الصرف الصحي العامه

ولذلك فان عملية التعادل لهذه المياه والوصول بالرقم الهيدروجيني من 6-9 هدف رئيسي من الأهداف الاستراتيجية في عمليات المعالجة وسوف يوضح الجدول أدناه الكميات اللازمة لاتمام عملية التعادل بمواد كيمائية مختلفة.

 

بقلم 

كيميائي / أحمد محمـد هشام

ماجستير كيمياء تحليلية بيئية 

Ahmedhasham83@gmail.com

للاطلاع على أكبر مكتبة مجانية في مجال علوم وهندسة المياه يرجى زيارة المنتدى من الرابط التالي

watertechexperts.com/vb/forum.php

للاطلاع على مزيد من المقالات باللغة الانجليزية يرجى زيارة مدونتنا باللغة الانجليزية من الرابط التالي

www.water-tech-market.com/blog

لارسال أي استفسارات أو أسئلة أو طلبات يرجى الانضمام لجروب المنتدى على الفيس بوك من الرابط التالي

www.facebook.com/groups/waterexperts

Introduction in Dissolved Air Flotation

Introduction [1]

                    Flotation may be used in lieu of the normal clarification by solids-downward-flow sedimentation basins as well as thickening the sludge in lieu of the normal sludge gravity thickening. Water containing solids is clarified and sludges are thickened because of the solids adhering to the rising bubbles of air. The breaking of the bubbles as they emerge at the surface leaves the sludge in a thickened condition.

                  In a flotation system for solid/liquid separation, there are at least two methods by which gas bubbles can be used to increase the buoyancy of suspended solids: (a) entrapment of the bubbles in the particle structure; and (b) adhesion of the bubbles to the particle surface (see Fig. 1). In the former case, as the gas bubbles rise toward the surface, the controlled turbulence in the inlet compartment causes contact between the solids.

The floc, formed by the natural floc-forming properties of the materials or by the chemicals

that have been added, increases in size because of more contact with other solids.

Eventually, a structure is formed that does not permit rising gas bubbles to pass through or around it. [2]

 

What is a DAF?

Dissolved air flotation (DAF) is a water treatment process that clarifies wastewater by removing suspended solids. The removal is achieved by dissolving air in the water or wastewater under pressure and then releasing the air at atmospheric pressure in a flotation tank. The released air forms tiny bubbles which adhere to the suspended matter causing the suspended matter to float to the surface of the water where it is then removed by a skimming device. Chemicals can be added to the feed water to improve solids removal.

Where and why are DAFs used?

DAFs are widely used in treating industrial wastewater effluents from oil refineries, chemical plants and paper mills to the food & beverage industries. DAFs are used to removed suspended solids, such as  Total Suspended Solids (TSS), Fats, Oil & Grease (FOG) and other pollutants from wastewater so that the water is suitable for re-use or discharge to a wastewater treatment facility.

How does a DAF work?

Wastewater is fed into a DAF system and hit with a stream of “whitewater”, which is recirculated clarified water from the DAF that’s super saturated with dissolved air. As these two mixtures blend together, microscopic bubbles attach to solid particulates, giving them enough buoyancy to surface in the DAF tank.

As solids accumulate in a floating layer on the top of the DAF tank, a skimmer gently nudges the sludge toward a discharge hopper.

Any solids that don’t float will sink to the “V” bottom of the DAF tank. Settled solids are concentrated and discharged by an automatically controlled pneumatic drain valve.

The clarified water flows out via an under-over weir on either side of the DAF unit. Some of this water is used in the recirculation loop while the rest flows out of the vessel.

What are Common Types of DAFs?

  • Open Tank

Open Tank DAFs are ideal for treating wastewater that is heavily loaded with solids.  This type of wastewater requires significant amounts of free surface area for flotation and separation.   Open tank DAFs are normally rectanglar in shape and are built wider and longer as the free separation area requirement increases.

  • Plate Pack

Plate Pack DAFs are characterized by high-built (tall) tanks with inclined, corrugated plate packs.  Water is introduced into the plate packs in a cross-flow configuration, reducing the distance solids have to float to be effectively separated. As they collide with an angled plate, light solids accelerate upward and heavy particles settle. Wastewater enters the plate pack heavily laden with flocculated contaminants and exits devoid of suspended and colloidal solids.

Which DAF Type is Right for My Application?

Generally speaking, a plate pack DAF unit is suited for high hydraulic and low solids loading rates. Open style DAF tanks are better suited for high solids loading rates.

But before we go and place plate pack DAFs and open tank DAFs into specific applications or industries, let’s understand one concept: anywhere you can use a plate pack DAF unit, you can also use an open tank DAF unit, but the opposite does not hold true. Similar to the rule that says, “a square is a rectangle, but a rectangle is not a square.” The trade off for always going with an open style tank is the amount of floor space they occupy, and their overall cost, especially as flow rates rise above a few hundred gallons per minute.

 

 

 

What are Common Components of a DAF?

Flotation Tank

The Flotation Tank is where the water separates from pollutants.  The water is flowing through the flotation tank at a slow speed, giving time for heavy objects to settle down and lighter objects to float up to the top with help from bubbles and flocculators.  The flotation tank can vary in depth, width and length based on the application and the time needed for pollutants to be removed.

The Dewatering Grid is a rectangular framework of angular steel plates that lock sludge in place as it rises to the surface. Only when sludge has thickened enough to rise above the top edge of the grid can it be skimmed and pushed to the float hopper.

The Dewatering Grid helps:

  • Operators control sludge thickness
  • Eliminate pre-mature removal of solids
  • Reduce build-up and/or re-entrainment of sludge
  • Generate drier sludge

Skimmers

While many DAF system designs push sludge across the entire length of the tank in the same direction as the wastewater flow called a Co-Current Skimmer, another design uses a skimmer assembly that rotates against the hydraulic flow of the water called a Counter-Current Skimmer.  The Counter-Current Skimmer design shortens the sludge skimming distance and eliminates solids carry-over.

Flocculators are designed to provide the mixing action and retention time required to adequately coagulate and flocculate solids in wastewater to improve solids removal.

DAF pumps are a key component of all DAF Systems. On it rides some of the largest capital, operations and maintenance expenses involved in wastewater pre-treatment systems.

DAF manufacturer’s approach recycle pumps in two different manners.

The first way is to provide a specialty white water pump.  This pump not only pumps the water but also dissolves the air into the water.  These types of pumps are often more difficult to find and are more expensive.  Also, with putting air in the pump, there is always a risk of cavitation, which causes internal damage and results in more-frequent-than-desired parts replacement.

The second way is a more efficient and cost effective approach.  It is to combine a standard ANSI pump with an angled air dissolving tube.  In this second case, the pump doesn’t do any air dissolving – it just pumps water.  No air in the pump, means very little risk for cavitation.  In this way, standard ANSI recycle pumps don’t do any air dissolving – it just pumps water. That means we can provide higher solids tolerances, use stronger pump materials, operate at lower pressures, and do it at a cost much lower than possible with a specialty whitewater pump.

Angled Air Dissolving Tube

Where many DAF system manufacturers use a mechanical means to dissolve air into water, i.e. a specialty “whitewater pump,” there is a more efficient and cost-effective approach.

The air dissolving tube is where whitewater is generated.  This short expansion in the recirculation piping allows clarified effluent and a small volume of compressed air to mix until saturation is achieved. The angled configuration allows for increased water and air interface so saturation occurs almost instantly.

This design works so well that often a customer will change from their specialty whitewater pump to an ANSI pump and angled air dissolving tube.

By

Ahmed Ahmed Elserwy

Water & Environmental Consultant

Ain Shames University, Faculty of Science.

References

[1]   Nicholas P. Cheremisinoff, Handbook of Water and Wastewater   Treatment Technologies, Butterworth-Heinemann,2002,p 62.

[2]Lawrence K. Wang,  Physicochemical treatment processes, Humana Press Inc, Totowa, New Jersey 0751,2004.

 

Wastewater of Ceramic Industry

Introduction

          Generally the term of ceramics (ceramic products) is used for inorganic materials (with possibly some organic content), made up of nonmetallic solid prepared by the action of heat and subsequent cooling. Ceramic materials may have a crystalline or partly crystalline structure, or may be amorphous (e.g., a glass). Because most common ceramics are crystalline, the definition of ceramic is often restricted to inorganic crystalline materials, as opposed to the noncrystalline glasses.

      The traditional ceramic industries are sometimes referred to as the clay products or silicate industries. In recent years new products have been developed as a result of the demand for materials that withstand higher temperatures, resist greater pressure, have superior mechanical properties, possess special electrical characteristics, or can protect against corrosive chemicals.

         Ceramic industry consumes large amounts of water in molds washing and final products and in polishing of final products that generates large amount of polluted water that contains harmful chemicals with negative impact on environment.

         Pollution aspects related to the ceramic industry are mainly due to dust emission both in workplace and in ambient air. Effluents are characterized by higher concentration of suspended solids.

          Large volumes of wastewater are generated during the process. Process wastewater is generated mainly when clay materials are flushed out and suspended in flowing water during the manufacturing process and equipment cleaning. The added directly to ceramic body mixes; is subsequently evaporated into the air during the drying and firing stages.

          Different conventional physicochemical treatments have been used to treat the ceramic wastewater. Removal of pollutants produced by industrial plants is requirement for reuse of water and to obtain environmental standards. The pollutants in the Ceramic wastewater are different suspended solids, dissolved solids, chemical oxygen demand and Low Biochemical oxygen demand. This wastewater caused serious environmental problems due to their high color, large amount of suspended solids, and high chemical oxygen demand. So, they have to be removed before being discharged into the environment.

        Limits of pollutants in wastewater are depending on the type of receiving water body. The parameters that should be monitored and/or inspected are biochemical oxygen demand BOD, chemical oxygen demand COD, pH, temperature, total suspended solids TSS, and  total dissolved solids TDS,

          The problem of ceramic wastewater utilization may be solved with different treatment techniques for reuse or recycle / treated wastewater and recovery of treated water.

           Different physicochemical treatments have been used to treat the Ceramic wastewater such as coagulation with mineral coagulants and organic coagulants aids followed by sedimentation and sand filtration. The proposed system of the study under investigation is to treat the effluent for reuse or discharge into the receiving body needs the following units: screens, equalization tank, feed pump, flow regulator, mixing tank, flocculation tank and clarifier.

Effluents of Ceramic Industry                    

       Effluents of ceramic industry are characterized by:

  • Highest levels of water pollution that generated from washing of molds and final products to remove any suspended impurities on the pieces. Impurities are removed after the pouring stage and before the drying stage.
  • Spent lube oil from garage and workshops if discharged to sewer will give oily wastewater.
  • Tile polishing generates a large quantity of wastewater high in suspended solids and settable solid.
  • Industrial wastewater.

Typical effluent characteristics of the Egyptian ceramic industry are shown in the following Table 1.

Table1: Typical effluent characteristics of the Egyptian ceramic industry [1].

Parameter Average analysis (mg/liter)
pH 7.5
Total suspended solid 700
Total dissolved solid 220
Biological oxygen demand 30
Chemical oxygen demand 400
Oil and grease 25

       Effluent guidelines are applicable for direct discharges of treated effluents to surface waters for general use. Site-specific discharge levels may be established based on the availability and conditions in the use of publicly operated sewage collection and treatment systems or, if discharged directly to surface waters.

Ceramic Industry Wastewater [1].   

        Wastewater from ceramic industry generated from all industrial activities in the ceramic plants.

  1. Industrial process wastewater

       Process wastewater is mainly generated from cleaning water in preparation and casting units, and various process activities (e.g. glazing, decorating, polishing, and wet grinding). Process wastewater is characterized by turbidity and coloring, due to the very fine suspended particles of glaze and clay minerals. The potential pollutants of concern include suspended solids (e.g. clays and insoluble silicates), suspended and dissolved heavy metals (e.g. lead and zinc), sulfates, boron, and traces of organic matter.

  1. Process Wastewater Treatment

       Techniques for treating industrial process wastewater in ceramic industry include flow and load equalization with pH adjustment; sedimentation for suspended solids reduction using settling basins or clarifiers; multimedia filtration for reduction in nonsettleable suspended solids; dewatering and disposal of residuals in landfills, or if hazardous in designated hazardous waste disposal sites. Additional engineering controls may be required for advanced metals removal using membrane filtration or other physical/chemical treatment technologies.

Tables 2 present effluent guidelines for ceramic industry sector guideline values for process effluents in this sector are indicative of good international industry practice as reflected in relevant standards of countries with recognized regulatory frameworks. These levels should be achieved, without dilution, at least 95 percent of the time that the plant or unit is operating, to be calculated as a proportion of annual operating hours. Deviation from these levels in consideration of specific, local project conditions should be justified in the environmental assessment [2].

Table 2: Effluent level for ceramic tile [2].

Pollutant Units Guideline value
pH 6-9
BOD5 mg/l 50
TSS mg/l 50
Oil & Grease mg/l 10
Lead mg/l 0.2
Cadmium mg/l 0.1
Chromium (Total) mg/l 0.1
Cobalt mg/l 0.1
Copper mg/l 0.1
Nickel mg/l 0.1
Zinc mg/l 2.0
Temperature increase ºC < 3º

 

Selections of Industrial Wastewater Treatment Processes

        The Selections of industrial wastewater treatment processes or a combination of processes depends on:

  • The characteristics of industrial wastewater, these consider the form of the pollutant, i.e. suspended colloidal or dissolved, the biodegradability, and the toxicity of the organic or inorganic components.
  • The required effluent quality .consideration should also give to possible restriction such as an effluent bioassay aquatic toxicity limitation.
  • The possibility of reuse or recycle of treated effluents.
  • The costs and availability of land for any given wastewater treatment problem.

High operating costs due to the use of chemical substances and high amount of sludge and its disposal costs are shown as the important disadvantages of chemical treatment [3].

Therefore, researchers have focused on new alternative methods or alternative coagulants to reduce chemical usage by improving discharge standard with adding low cost substance.

Examples of wastewater of ceramic industry around the World

           Ceramic industry wastewaters contain high concentration of suspended & total solids and significant amount of dissolved organics resulting in high BOD or COD loads. Suspended solids can be removed from the wastewater by chemical precipitation. However, dissolved BOD/COD compounds can only be removed by biological or chemical oxidation [4].

            In a ceramic factory in Turkey, the effluent wastewater from chemical sedimentation stage was having high COD average 720 ppm. An experiment using biological activated sludge unit on a lab scale was applied to this effluent. The best results were obtained with  θc= 20h of hydraulic & θc=20 days of solids retention times (sludge age) resulting in effluent COD concentration of 40 mg/ 1 from a feed wastewater of 270 mg/1 COD content. The suspended solids content of the activated sludge effluent was approximately 52 mg/1[5].

        In Malaysia, boron is extensively used in the ceramic industry for enhancing mechanical strength of the tiles. The discharge of wastewater containing boron to the environment causes severe pollution problems. Boron is also dangerous for human consumption & causes organism’s reproductive impediments if the safe intake level is exceeded. Current methods to remove boron include ion- exchange, membrane filtration, and precipitation- coagulation, biological and chemical treatment. These methods are costly to remove boron from the wastewater and hence infeasible for industrial wastewater treatment. Adsorption- flocculation mechanism is proposed for boron removal from ceramic wastewater by using Palm Oil Mill Boiler (POMB) bottom ash and long chain polymer or flocculants. Ceramic wastewater is turbid and milky in color which contains 15 mg/ L of boron & 2000mg / L of suspended solids.

The optimum operating condition for boron adsorption on POMB bottom ash & flocculation using polymer were investigated. Adsorption isotherm of boron in bottom ash was also investigated to evaluate the adsorption capacity.  Adsorption isotherms modeling were conducted based on Langmuir & Freundlich isotherms. The results show that coarse POMB bottom ash with particle size larger than 2 mm is a suitable adsorbent where boron is removed up to 80% under the optimum conditions ( pH= 8.0, dosage = 40 g bottom  ash 300 ml wastewater, residence time= 1 h). Under the optimum operating conditions, the boron and suspended solids concentration of the treated wastewater were reduced to 3 mg /L & 5 mg /L respectively, satisfying the discharge requirements by Malaysia Department of Environment (DOE). The modeling study shows that the Adsorption isotherm of boron onto POMB bottom ash conformed to the Freundlich Osotherm. The proposed method is suitable for boron removal in ceramic wastewater especially in regions where POMB bottom ash is abundant [6].

Example in Egypt

      The objective of this work study the effect of industrial effluents on soil chemical properties when faba bean was grown on soils irrigated with the effluent of ceramic, paper & starch factories. Results showed increases in soil pH, ECe (soil salinity) and soil organic matter (OM) [7].

       Industrial liquid waste of the 10th of Ramadan city is estimated about 1700 m3/day from the dying industry, 370 m3/day from the ceramics 700 m3/day from the paper and 2000 m3/day from starch industry [43]. The objectives of this work were to assess and evaluate the effect of the direct use of industrial effluent of ceramic, paper, starch industries on some chemical properties of sandy and calcareous soils, on the amounts of chemically available of macro- micro- & biotoxic- elements and on the plant growth in these soils [7].

        Two surface soil samples having variable origins & CaCO3 content were collected from the 10th of Ramadan city (Typic Quartizipasament, El Sharkia Governorate) and from Ras Sedr researches station (Typic Torripsament, South Saini Governorate). Industrial effluents of ceramic, paper, starch factories in the 10th of Ramadan city were collected. [7].

The water treatments are tap water (control), ceramic, paper & starch industrial waste effluent. Soil mechanical analysis & the conventional chemical soil properties were determined using the standard methods [46]. Chemically available Fe, Mn, Zn, Cu, Pb, Cd, Co & Ni was spectrophotometer. All above chemical properties were determined according to Page et al (1982) [8]. The obtained results were subjected to analysis of variance with the Duncan multiple range test according to procedures outlined by steel & Torrie (1980) [43], [9].

 

By

Ahmed Ahmed Elserwy

Water & Environmental Consultant

Technical Manager Louts for Water Treatment

References

[1]    Egyptian Environmental Affairs Agency (EEAA); Egyptian Pollution Abatement Project (EPAP) Inspection Manual of Ceramic Industry, 2003.

[2]   Environmental, Health, and Safety Guidelines for Ceramic Tile and Sanitary Ware Manufacturing, international finance cooperation, World Bank group, April 2007.

[3]  Alpaslan, M.N., Dolgen, D.,and Akyarli, A., Liquid Waste Management Strategies for Coastal Areas, Water Science and Technology, 46( 8): 169-175. 2002.

[4]  Economic and Social Commission for Western Asia, “Wastewater Treatment Technologies a General Review “, United Nation, 11 September 2003.

[5]  Dincer A.R., FKargi, “Characterization and biological treatment of ceramic industry wastewater “, Bioprocess Engineering 23 (2000) 209-212 .

 [6]    Mei  Fong Shong ,Kah Peng Lee,Hui Jiun Cheing ,Iii  Izyan Syavwani Binti Ramli “Removal of boron from ceramic industry wastewater by adsorption –flocculation mechanism using palm oil mill boiler (POMB)bottom ash and polymer ” School of chemical Environmental Engineering , The university of Nottingham Malaysia Campus ,Jalan Borga, 43500,Selangor Darul  Ehsan, Malaysia,(9 may 2009).

[7]    Eid, M.A ,.Elgala, A.M ,.Hassan F.A, and Ramadan, W.F ” Effect of Industrial Effluents on soil Chemical Properties and Plant Growth” paper presented at 2nd international conference on soil of urban, industrial and mining area ,Cairo, Egypt, 2005.

[8]   Page ,A.R,R.H. Miller,and D.R.Keeney,”Methods of Soil Analysis,Part2,2nd edition “,Soil Sci.Soc.of Am.Madison,WI,(1982).

[9]   Steel, R.G,and J.H.Torrie, “Principals and procedures of statistics : A Biometrical Approach ,2nd edition ” McGraw-Hill, New York, (1980).

معالجة المياه الناتجة عن الصناعات النسيجية والمصابغ

تمت العديد من الأبحاث الدراسية على تطبيقات ازالة اللون و متطلب الأكسجين الكيمائي  من المياه التي تحتوي علي صبغة الأسود التفاعلي 5 (RB-5) وذلك باستخدام نظام الاوزون .

وقد أجريت تلك الابحاث فى كل من :

  • قسم الهندسة البيئية ، كليه الشؤون المدنية والبيئة
  • المعهد الهندسي ، باندونغ ، باندونغ ، اندونيسيا
  • فريق بحوث هندسه المياه والصرف الصحي ، الهندسة البيئية
  • الاداره ، المعهد الأول في باندونغ ، باندونغ ، اندونيسيا
  • مركز بحوث العلوم البيولوجية والتكنولوجيا الحيوية ، المعهد العلمي في باندونغ ، اندونيسيا

 

نبذة مختصرة  : ينتج عن الصناعات النسيجية كميات هائلة من المياه العادمة  التى تحتوى على فضلات الصناعة ملونة  و تحتوى على مجموعة متنوعة بمختلف التركيزات  من الاصباغ والالوان المستخدمة فى الصناعة .

نظرا لارتفاع تركيزات المواد العضوية فى النفايات السائلة مع زيادة استخدام الاصباغ الاصطناعية الحديثة عن صورتها التقليدية وعدم فعالية اساليب المعالجة البيولوجية التقليدية  مع أساليب العلاج الغير فعاله لإزاله  الألوان بشكل  كامل  والتحلل العضوى اللازم . ومن ناحية اخرى  فإن المعالجة الفيزيائية-الكيميائية قد تكون مدمرة ومسيئة للبيئة فى بعض الاحيان مرتبطا بمراحل تراكب الملوثات .

لذلك عمل العلماء على البحث فى حلول لازالة اللون الناتج من المواد الكيميائية , متطلب الأكسجين الكيمائي عن طريق الاوكسجين وذلك بتطبيق تجارب على عينات المياه التى تم اخذها وتعريضها للمعالجة  بكميات مختلفة من تركيزات الاوزون من 1.16 ؛ 3.81 ؛ 18.79 ؛ و 40.88 ملى جم/دقيقه استخدمت في التجربة.

وكانت مياه الفضلات المتنوعة التي تحتوي علي الأسود التفاعلي (RB-5) تركيزات 40 ملى جم/لتر  ، 100 ملى جم/لتر

وأظهرت نتائج البحوث اعلي كفاءه إزاله  ألوان من 96.9 ٪ وقد تحقق بعد 5 ساعات وقت الحضانة ، في حين ان اعلي كفاءه إزاله   متطلب الأكسجين الكيمائي   COD من77.5% تم تحقيقه بعد ساعتين من وقت الحضانة.

 

المقدمة : تحتل اندونيسيا المرتبة الاولي بين أكبر عشره دول منتجه للمنسوجات في العالم وثاني أكبر في جنوب شرق اسيا مع أكثر من 4500 شركة , وتعتبر صناعه المنسوجات والملابس هي واحده من أقدم الصناعات في اندونيسيا ومركز للوظائف مع حلول عام 2030 تهدف الحكومة لزيادة قيمة الدولة من المنسوجات والملابس مما يعني ان هذه الصناعة ستسهم بنحو 5 % في الصادرات العالمية.

وعلي الرغم من ان قطاع المنسوجات هو القطاع المزدهر في الاقتصاد ولكن المشكلة الأكثر اهميه هي

الأثر الجانبي لهذه الصناعات. وتميز عمليه تصنيع المنسوجات بارتفاع استهلاك الموارد مثل المياه والوقود ومجموعه متنوعة من المواد الكيميائية مع كثرة النفايات الناتجة من تلك الصناعة تؤدي الممارسات الشائعة لكفاءة العمليات المنخفضة إلى هدرا كبيرا في الموارد واضرارا جسيمه بالبيئة الرئيسية. تلك المشاكل المرتبطة بصناعه النسيج هي عاده المرتبطة بتلوث المسطح المائي بسبب تصريف الفضلات السائلة غير المعالجة فيه .

فأثناء عملية الإنتاج ،تستخدم أنواع مختلفه من المواد الكيميائية مثل الأحماض القوية ، والقلويات القوية

والمركبات المكلوره غير العضوية ، ونقص الكلور في الصوديوم ، والمركب العضوي مثل ماده الصبغ ، عامل التبييض ، التشطيبات الكيميائية ، النشا، المواد المثخنة، المواد الكيميائية النشطة السطحية ، عوامل الترطيب وأملاح المعادن. وتستخدم الاصباغ المختلفة خلال مرحله الصباغة لتلوين المنسوجات مع استخدام الوان متعددة  لتحسين أفضل المنتجات وبذلك تستهلك كميات كبيره من المياه وتنتج كميات أكبر من المياه العادمة من خطوات مختلفه في الصباغة وغالبا ما تكون المياه المستعملة من وحدات الطباعة والصباغة الغنيه بالألوان ، وتحتوي علي بقايا الأصباغ والمواد الكيميائية المتفاعلة ، مثل المكونات المعقدة ، والعديد من complex components, many aerosols, high COD وايضا BOD

وأكثر من ذلك بكثير لذلك يصعب تحلل المياه العادمة السائلة و قد يؤدي إلى مشكله بيئية مثل المغذيات في استقبال المسطحات المائية و المخاوف البيئية بشأن السمية المحتملة والمسرطنة لبعض الاصباغ العضوية التى تعمل على انخفاض الرؤية بحيث يصعب الاختراق الضوئي والنشاط الضوئي ، مما تسبب في انخفاض الأوكسجين المذاب في المسطحات  المائية

وقد استخدمت أساليب عديده مثل المعالجة البيولوجية والفيزيائية والكيميائية للمواد الصبغية التى تحتوي علي مياه الفضلات. ومن بين هذه التقنيات العلاجية ، الحماة المنشطة ، والتفاعل الرخو ، الامتزاز هي الأساليب الأكثر شيوعا في اندونيسيا. عمليات المعالجة البيولوجية كثيرا ما تستخدم لعلاج النفايات السائلة لصناعة النسيج. ومع ذلك ، لا يتم إزاله  اللون بسهوله من الجراثيم القائمة علي عمليات العلاج. ولذلك ، ونظرا للآثار البيئية والقيود علي كل من أعلاه. كان لابد البحث عن الجمع بين واحده من أساليب العلاج البيولوجي مع غيرها وهناك حاجه إلى تقنيات مثل الاكسده الكيميائية لضمان اتباع نهج فعال من حيث التكلفة وأفضل طرق التكنولوجيا التي من الصعب ان تتحلل الاصباغ/المواد الكيميائية ومعالجه ومكافحه التلوث.

وكان الهدف من البحث  التخلص من الاصباغ  في مياه الفضلات النسيجية عن طريق بعض الأساليب التي تعزز  المعالجة البيولوجية وقابليه تحلل العناصر العضوية مثل الأوزون.

المواد المستخدمة:

  • تم الحصول علي صبغه الأسود (RB-5) التفاعلية من البراتاكيم. وتمت إذابه الصبغة في الماء المقطر إلى تركيز معين لمحاكاة مياه الفضلات المتوقعة من صناعة النسيج .
  • تم إنتاج الأوزون بواسطة مولد الأوزون من نوع الكورونا (RSO25) مع الهواء الجاف
  • أجريت تجارب في درجه حرارة الغرفة ولم يوفر اي تبريد للمفاعلات.نبذة عن الإجراءات والتحليلات التجريبية :
    • حجم المفاعل 2 لتر .
    • ينتج O3 من الهواء المجفف مع الناتج O3 من 1.16 ,3.81 , 18.79و 40.88 ملى غرام /دقيقه ومعدل التدفق من مجرى الغاز 0.6 , 1.4 , 2:4 لتر / الدقيقة
    • تقاس جرعه الأوزون بواسطة iodometry طريقه القياس بالأساس باخذ التركيز الاولي RB-5 المستخدمة في هذه الدراسة كان40 ملى غرام/لتر ، و 100 ملى غرام/لتروالتى تضاف لمحاكاة المحتوي العضوي للمياه العادمة لصناعة النسيج خلال التجارب ، أخذ العينات في نظام الدفعات في الوقت العادي فواصل لقياسات COD والألوان وفقا للطرق القياسية لفحص المياه والصرف الصحي.

    النتائج والمناقشات :

     

    إزالة اللون :

    • إزاله الالوان مع التغيرات المختلفة في تركيز الصبغة  وتظهر التغييرات في تركيز الصبغة واللون من التركيز الاولى 5-40 ملى جم/لتر بعد الأوزون ، مبينه في الشكل 2
    • كانت إزاله الألوان سريعة جدا خلال أول 60 دقيقه باستثناء الجرعات 1.16 ملى جم/دقيقه وكان معدل المحاباة الاوليه اعلي بالنسبة لجرعات الأوزون الأعلى. وقت المعالجة  15 دقيقه .
    • وكانت إزاله  ألوان حوالي 40 % لجرعات الأوزون 1.16 و 3.81 ملى جم/دقيقه ، وأكثر من 60 % بالنسبة لجرعات الأوزون من 18.79 و 40.88 ملى جم/دقيقة. تم الحصول علي نتيجة مماثله بواسطة 50 ملى جم /لتر
    • التغيرات في تركيز الصبغة وإزاله ألوان من التركيز الاولي من النسبة العادية5-100 ملى جم/لتر
    • بعد الأوزون في الشكل 2 (السفلي). مع جرعات الأوزون من 40.88 ملى جم/دقيقه ، وأفضل كفاءه لإزاله اللون هو 96.9 ٪ في 300 دقيقه حضانة الوقت.
    • وتتطابق كفاءه إزاله الألوان مع جرعات الأوزون التي تبلغ 1.16 ملى جم/دقيقه مع 87.5 %. وزادت كفاءه إنهاء التلوث مع زيادة في جرعه الأوزون.
    • وأظهرت النتائج التي تم الحصول عليها في هذه الدراسة ان اللون يختفي تماما تقريبا ل 40-60 دقيقه ملى جم/لتر  RB-5 المجلس الوطني الأول.) و 150 دقيقه (100 ملى جم/لتر RB-5 الاوليه) من الأوزون ، مما يجعلها واعده.
      الشكل 2 كفاءه إزاله  ألوان 40 ملى جم/لتر (العلوي) و 100 ملى جم/لتر (اقل) التركيز الاولي RB-5 دالة على الأوزون.

       

      • تستخدم كمياه خام لتطبيق الإنتاج الأنظف للتحليلمقابل أمتصاص طيف الاشعه فوق البنفسجية

      المعالجة من النسبة العادية RB-5 أظهرت ان انهيار الهيكل الكيميائي حدثت اثناء العملية. ومع ذلك ، المنتجات التي تنتجها تتطلب المزيد من العلاج لكمالية عملية التحلل ويعتبر اضمحلال الامتصاص في منطقه الاشعه فوق البنفسجية دليلا علي التحلل

      الشكل 3 صوره بصريه لتدرج اللون من RB-5 (العليا: 40 ملى جم/لتر  واقل: 100 ملى جم/لتر الاوليه التركيز) كوظيفة علاج الأوزون مع جرعه من 40.88 ملى جم /دقيقه.

       

      وأجريت معالجه المياه المستعملة في صناعة المنسوجات باضافه 100 ملجم/لتر RB-5 مع 1 جم/لتر من النشا في المفاعل والأوزون لمده 120 دقيقه حضانة. بعد فتره الحضانة ، معدل تحلل ألوان إبطا بالمقارنة مع RB-5 دون أضافه النشاء. وجود المواد العضوية في المياه المستعملة تجعل معدل كفاءه إزاله  الألوان ينخفض من 90 % إلى 75 % (الشكل 4).

    • إزاله   COD  :
      • الأكسجين الكيميائى المطلوب هو المعامل المتغير  الشائع المستخدم  لتوصيف المادة العضوية

      و موجود في مياه المستخرجة بعد صناعة  المنسوجات

      • هذا يعتمد علي الاصباغ المستخدمة في عمليه الإنتاج.
      • قابلية التحلل البيولوجى
      • * وقد أجريت التحلل البيولوجى لعينة مياه الناتجة من الصناعات النسيجية التي تحتوي علي الصبغة العادية RB-5 مع العناصرالعضويه.* علي الرغم من عدم تحديد النواتج المتحولة ، فان التحلل الناتج من  RB-5 إلى أخرى من قبل المنتجات التى تم رصدها من قبل التغيير في درجه الاكسده.

        * أظهرت نتائج البحوث ان تم زيادة قيم BOD5/COD من RB-5 المخلوط معهم  كعلاجات فى وجود عملية الأوزون الشكل5

        * يشير ذلك إلى ان التقسيم الجزئي للمجمع إلى مركب ابسط يحدث بعد عمليه الاوزون  ، مما يجعلها أكثر سهوله و مناسبه لمعالجه العملية البيولوجية.


      •  الشكل 5 تغير مؤشر قابليه التحلل الإحيائي (BOD5/COD) اثناء الأوزون الخاص بالRB5.
      • الخاتمة :

        تم تصميم انظمة معالجه الأوزون والتي تم تقديمها علي نطاق معملى  مع صبغة RB-5 لتقييم المعالجة

        على أوجه كفاءة بنظام لإزاله  الألوان و COD. وتشير النتائج إلى ان الأوزون يظهر الكفاءة الواعدة في إزاله  كل من اللون وCOD. ونظرا لان نظام الأوزون يمثل التكلفة بدلا من التحلل في نهاية المطاف لاستكمال تمعدن المركبات العضوية  والأفضل من ذلك هو توزيع المركبات القابلة للتحلل بسهوله أكبر. بعد الاكسده الجزئية من قبل يمكن استخدام الأوزون والعملية البيولوجية التي تستخدم الكائنات المجهرية في عمليه ما بعد المعالجة التمعدن الكامل للصبغة والعناصر العضوية في مياه الفضلات.

        ولذلك ، فان استخدام الأوزون بالاضافه إلى عمليه التحلل البيولوجي ، قد توفر عمليه أكثر اقتصادا وفعالية في معالجه المياه الناتجة من الصناعات النسيجية ذات الألوان العالية.

         

        بحث مترجم بواسطة

        كيميائية / رشا إسماعيل

        تمهيدي ماجستير كيمياء تحليلية

Using of synthetic polymers as coagulant aids in industrial wastewater treatment

Coagulation

          The principal units of chemical treatment of industrial wastewater that are Coagulation, flocculation and precipitation.

Coagulation is a destabilization process by particle charge neutralization and initial aggregation of colloidal and finely divided suspended matter by inorganic coagulant. To accelerate this process, a coagulant aid (often a high molecular weight cationic polymer) may be used.

The colloids commonly found in wastewater are stable because of the electrical charge that they carry. The charge of colloids can be positive or negative. However, most colloidal particles in wastewater have a negative charge [1].

       In addition, coagulation can also produce the removal of particles larger than colloidal particles due to the entrapment of such particles in the flocs formed during coagulation. In most water treatment plants, the minimal coagulant concentration and the residual turbidity of the water are determined by the Jar-Test technique. Besides, physicochemical treatment allows reducing dissolved, suspended, colloidal and non settable matter as well as coloring from dyes. Coagulation or flocculation process was conducted for the treatment of industrial wastewater to achieve maximum removal of COD, BOD and TSS [2], [3].

        The optimum dose of a coagulant or flocculent is defined as the value above which there is no significant difference in the increase in removal efficiency with a further addition of coagulant or flocculent.

      Coagulation takes place in rapid mix or flash mix basin they are very rapid. The primary function of rapid mix is to disperse the coagulant so that it contacts all of the wastewater.

 

Coagulants and coagulants aids

       Coagulants, i.e., chemicals that are added to the water to achieve coagulation, should have the following three properties:

  1. Trivalent metallic cations or polymers whose effectiveness as coagulants has been determined.
  2. Nontoxic and without adverse physiological effects on human health.
  3. 3. Insoluble or low solubility in the pH ranges common in water-treatment practice. This is necessary in order to have an efficient coagulation process and to be able to leave the lowest possible residual of the chemical in the treated water. [4]

       There are many chemicals and polymers that are used in coagulation and flocculation to treat wastewater. The chemicals are used either alone or with various other coagulant aids to promote settling of suspended solids in wastewater.  Choices of specific coagulants and coagulants aids depend on the nature of the solid-liquid system to be separated. Salt content and pH affect the surface charges of suspended solids. The sign, magnitudes, and distribution of these surface charges strongly influenced the type and quantity of coagulant to be used.     

Polymers as coagulants aids

       Polymers are frequently used in conjunction with metal salts to aid in the coagulation process [5].polymers facilitate the use of lower dose of metal salts , enhance floc formation , improve settling efficiency ,increase overflow rate and reduce sludge production .

       Polymers may be divided into categories: natural and synthetics .important natural polymer includes polymers of biological origin and those are derived from starch products, cellulose derivatives, and alginates. Synthetic polyelectrolyte consists of simple monomers that are polymerized into high molecular weight substances. Polymer are classified as anionic (negatively charged), cationic (positively charged) or uncharged (nonionic).

      There are three different methods to destabilize colloidal particles. First, polyelectrolyte acts as coagulant lowering the charges of the wastewater particles. Cationic polyelectrolyte is usually used for wastewater since wastewater particles are normally negatively charge.

       Accurate and precise control of dosage is very important for feeding of polymers in treatment plants. There is a narrow range for maximum performance. Concentrations lower than necessary will not produce effective coagulation, whereas over dosing of polymers will results in charge reversal and restabilization of the colloidal system. Also polymers are more expensive compared to metallic salts. However, this is usually more than compensated for by the lower polymer dosage as well as the reduced sludge production [6].

  1. Polyacrylamides

         Polyacrylamide (PAM) is a commonly used as polymeric flocculent because it is possible to synthesize polyacrylamides (PAMs) with various functionalities (positive, neutral and negative charge) which can be used to produce a good settling performance at relatively low cost. The advantage of polymeric flocculants is their ability to produce large, dense, compact and stronger flocs with good settling characteristic compared to those obtained by coagulation.

      Nonionic PAM is used as a flocculent in solid-liquid separations, usually as an aid to primary coagulants such as aluminum and iron salts. The majority of anionic PAM is used in water treatment and industrial wastewater treatment [7].

          Furthermore, the polymer performance is less dependent on pH. There are no residual or metal ions added such as Al3+ and Fe3+, and the alkalinity is maintained.

The flocculation performance of flocculants primarily lies on the type of flocculant and its molecular weight, ionic nature and content, on the suspension content in the wastewater and the type of wastewater [7].

  1. Polyaluminum Chloride (PAC)

       Polyaluminum Chloride is PAC for short. It is a kind of water-soluble inorganic polymers with high molecular weight. The structural formula is [AL2(OH) nCL6– nLm], in which the (m) represents the degree of polymerization.

      Polyaluminum chloride (PAC) coagulant has been developed and used in water and wastewater treatment since 1980s throughout the world [8].

      In recent years, much attention has been paid to hydrolyzing metal salt coagulants namely polyaluminum chloride   due to its higher coagulant efficiency and relative low cost compared to the conventional coagulants [9-10].

Besides, PAC poses a good structure and higher charge density which leads to decrease in dosage requirements and hence lesser sludge production [11].

       The application of PAC as a coagulant for the removal of color, COD and ammonia from water and wastewater has been investigated by several researchers, [12-13].

        Polyaluminum Chloride has high treatment efficiency for Suspended solids, heavy metals, and chemical oxygen demand (COD), and a superior performance at low water temperature in water and waste-water treatment. [14].

       PAC has been found by others to be an acceptable alternative flocculating and coagulating agent for drinking water, wastewater, and industrial water treatment   [15,16].

Role of polymers in Interparticle bridging

Since synthetic polymeric compounds have large molecular sizes and multiple electrical charges along a molecular chain of carbon atoms, they are effective for the destabilization of colloids in water.

The interparticle bridging process was summarized by [17].  As follows.

Figure 1.1 a shows the simplest form of bridging, a polymer molecule will attach to a

colloidal particle at one or more sites. Colloidal attachment is caused by coulombic attraction if the charges are of opposite charge or from ion exchange, hydrogen bonding, or vander Waal’s forces.

Figure 1.1b shows the second reaction, in which the remaining length of the polymer molecule from the colloidal particle in the first reaction extends out into the solution.

Attachment can occur to form a bridge if a second particle having some vacant adsorption sites contacts the extended polymer molecule. Thus, the polymer serves as the bridge. However, if the extended polymer molecule does not contact another particle, it can fold back on itself and adsorb on the surface of itself, as shown in Figure 1.1c. The original particle is restabilized.

If the quantity of polymer is overdosed, polymer segment may saturate the colloidal surfaces, thus no sites on the surfaces are available for interparticle bridging. This reaction (Figure 1.1d) causes restabilization of the particles. Intense agitation in solution can cause restabilization because polymer-surface bonds or bridges formed are destroyed. These reactions are shown in Figure 1.1e and 1.1f respectively.

        Cationic polymers can be effective in coagulating negatively charged clay particles; they do not require a large molecular weight to be effective in destabilization. Electrostatic forces or ion exchange is the process by which the polymers become attached to the clay particles. In general, cationic polymers assist in particle destabilization by charge neutralization and therefore assist in color and suspended solids removal [18].

         Anionic polymers of large molecular weight or size are able to bridge the energy barrier between two negatively charged particles, thereby effectively enhancing the coagulation efficiency. Generally speaking, anionic polymers can only assist in the physical process of flocculation. Polymers reduce turbidity by inter-particle bridging but do not affect the removal of color. The use of polymers offers a number of benefits. For instance, polymers increase the rate of flocculation, produce larger, denser floc that settles faster and strengthen the floc which helps improve filtration. They enable a greater volume of wastewater to be treated in a given plant size.

By

Ahmed Ahmed Elserwy

Water & Environmental Consultant

References

[1]   Koohestanian, A., Hosseini, M. and Abbasian, Z., The Separation Method for Removing of Colloidal Particles from Raw Water. American-Eurasian J. Agric. & Environ. Sci., 4, 266-273(2008).

[2]  Abu hassan, M. A., Li, T.P. and noor, Z.Z., coagulation and flocculation treatment of wastewater in textile industry using chitosan. J. Chem. Nat. Resour. Eng., 4, 43-53(2009).

[3] Egyptian Environmental Affairs Agency (EEAA); Egyptian Pollution Abatement Project (EPAP) Inspection Manual of industrial wastewater treatment plants ,January 2003).

[4]  Mackenzie, L. D. and D. A. Cornwell, Introduction to Environmental Engineering, PWS Publishers, Boston, MA, 1985.

[5]  Binnie, C., Kimber, M. and Smethurst. G., Basic water treatment. Thomas Telford Ltd., London, 2002.

[6]  Viessman, W Jr. and Hammer, M. J, Water Supply and Pollution Control, 5th ed., Harper Collins College Publishers, New York, NY, 1993.

[7]  Qian J.W,  Xiang X.J, Yang W.Y, Wang M,  and Zheng B.Q, Flocculation performance of different polyacrylamide and the relation between optimal dose and critical concentration, Eur. Polym. J. 40: 1699–1704, 2004.

[8]  Jiang, J. Q., 2001. Development of coagulation theory and pre-polymerized coagulants for water treatment Separation and Purification Methods, 30(1), 127-141.

[9]  Hu C., Liu H. and Qu J., Preparation and characterization of polyaluminum chloride containing high content of Al13 and active chlorine, Colloids and Surf. A: Physicochem. Eng. Asp.260, 109-117 (2005).

[10]  Wang Y., Gao B.Y., Xu X.M., Xu W.Y. and Xu G., Characterization of floc size, strength and structure in various aluminum coagulants treatment, J. Colloid Interf. Sci., 332, 354-359 (2009).

[11]   McCurdy K., Carlson K. and Gregory D., Flocs morphology and cyclic shearing recovery: comparison of alum and polyaluminum chloride coagulants, Water Res., 38, 486– 494 (2004).

[12]  Gao B., Hahn H.H. and Hoffmann E., Evaluation of aluminium –silicate polymer composite as a coagulant in water treatment, Water Res., 36, 3573-3581 (2002).

[13]  Wang D., Sun W., Xu Y., Tang H. and John G., Speciation stability of inorganic polymer flocculant-PACI, Colloid Surf. Physicochem. Eng. Asp., 243, 1-10 (2004).

[14]  Dempsey, B.A., Chemistry of coagulants. Influence of coagulation on the selection, operation, and performance of water treatment facilities and processes, Seminar of the American Water Works Association (AWWA), Denver. Colorado: 19-30, 1987.

[15]   ClearTech Industries Inc, Drinking water treatment. Clear PAC-180: 1327-41, 2008.

[16]  Alhadidi A, Kennedy M, Diepeveen A, and Prummel H, Scaling potential calculations using different methods. Desalination and Water Treatment 6:138-143, 2009.

[17]  Bagwell, T., Henry, H.B. and Kenneth, M.B., Handbook of public water systems. 2nd Edition, HDR Engineering Inc., New York, 2001.

[18] Yan Jin “Use of a high resolution  photographic technique for studying coagulation/flocculation in water treatment ” civil and geological engineering department, University of saskatchewan saskatoon, Canada, (2005).