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.

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

 

التقنيات الخضراء المتقدمة  AGTs لمعالجة مياه الصرف

ترجمة / أحمد محمد هشام 

ماجستير كيمياء تحليلية 

Ahmedhasham83@gmail.com

أهداف التقنيات الخضراء المتقدمة AGTs

تشير التقنيات الخضراء المتقدمة (AGTs) إلى مجموعة من المواد والمنهجيات العملية القائمة على العمليات الكيميائية غير السامة ، والطاقات النظيفة ، والرصد البيئي لإبطاء أو التخلص من الأثر السلبي الناجم عن الأنشطة البشرية.

تهدف التقنيات الخضراء المتقدمة إلى توفير استدامة أفضل من خلال تلبية احتياجاتنا المجتمعية دون إلحاق المزيد من الضرر بالموارد الطبيعية المتبقية او استنذافها

يمكن تحقيق ذلك من خلال:

  • إعادة تدوير البضائع والمنتجات المصنعة.
  • تقليل النفايات والتلوث عن طريق تحسين طرق الإنتاج والاستهلاك البشري .
  • تطوير تقنيات وطاقات بديلة نظيفة لاستبدال تلك التي ثبت أنها تؤثر سلبًا على الصحة وتلوث البيئة.
  • إعداد نماذج اقتصادية لتنفيذ وتسويق الابتكارات ذات الصلة من خلال تشجيع خلق فرص عمل ومهن جديدة في هذا المجال.

 

مجالات تطبيق AGTs

اليوم ، يتم تنفيذ AGTs في مجموعة متنوعة من المجالات التي تتراوح بين الطاقة المتجددة والبيئة النظيفة الآمنة.

الطاقة :

يعتمد أحد مجالات التطبيق المهمة ل AGTs على تطوير أنواع الوقود البديلة. يجري تطوير وتنفيذ مصادر طاقة جديدة نظيفة ومتجددة وفعالة ، بما في ذلك توربينات الرياح ، والخلايا الشمسية ، والمفاعلات الحيوية.

تنتج هذه المصادر الطاقة دون إطلاق نفايات سامة في البيئة مقارنة بالنفايات التي تنتج عن انتاج واستخدام الوقود الأحفوري التقليدي.

التنظيف البيئي والمعالجة:

التطبيق المهم الثاني للتكنولوجيات الخضراء المتقدمة يتعامل مع التنظيف البيئي والمعالجة. ويشمل ذلك تنقية المياه والهواء ومعالجة مياه الصرف الصحي والمعالجة البيئية وإدارة النفايات. يتم استخدام عدد من العمليات الفيزيائية والكيميائية الخضراء لتنظيف البيئة ومعالجتها دون توليد مواد خطرة أو منتجات سامة.

الرصد البيئي والحفاظ على الطاقة:

يتضمن مجال التطبيق الثالث ل AGTs المراقبة بما في ذلك التنبؤ بالطقس ، والرصد عن بعد عبر الإنترنت لعمليات التصريف مع استخدام هذه المعلومات بشكل اكبر في صنع القرارات.حيث تم استخدام التنبؤ المتقدم بالطقس للتنبؤ بالطقس وتأثيره على البنية التحتية بحيث يمكن ، إلى جانب مراقبة المباني ، تقليل هدر الطاقة وانبعاث الغازات الدفيئة.

تمكّن أنظمة المراقبة عن بُعد عبر الإنترنت المدمجة مع شبكة معلومات البلديات والشركات والهيئات البيئية من تتبع التدفقات السائلة والتصريفات في الوقت الفعلي ، مع القدرة على إجراء العمليات أو التغييرات عليها حسب الضرورة لضمان الامتثال  للإشتراطات لمعالجة مياه الصرف الصحي.  وتشير معالجة المياه العادمة بإستخدام التقنيات الخضراء المتقدمة إلى عملية إزالة الملوثات والمكونات غير المرغوب فيها من المياه المنزلية والصناعية والملوثة لإعادتها بأمان إلى البيئة للشرب والري والاستخدامات الصناعية وغيرها.

اليوم ، أدت الزيادة في الوعي البيئي وتعزيز التنظيم الحكومي إلى جعل بعض أنظمة معالجة مياه الصرف التقليدية محل تساؤل. من أجل الفجوة التي خلفتها  التقنيات التقليدية  الأكثر تلويثاً للبيئة، يتم اختبار AGTs  وتنفيذها كبدائل نظيفة لأغراض معالجة مياه الصرف.

يتم استخدام العديد من الخطوات بشكل أساسي أثناء أي عملية معالجة لمياه الصرف.

أولها : فصل المواد الصلبة عن الماء السائل. يتم تحقيق ذلك من خلال الجاذبية حيث أن المواد الصلبة أثقل من الماء السائل. يمكن إزالة المكونات الصلبة الأخرى مثل الزيوت والأخشاب التي تكون أقل كثافة من الماء السائل من سطح الماء من خلال الطفو.

بعد ذلك ، تتعرض المياه العادمة السائلة لعمليات الترشيح للتخلص من أي معلقات غروانية للمواد الصلبة الدقيقة ، والجسيمات والكيمياويات ، والشوائب.

يتعرض الماء المرشح الناتج في المرحلة الأخيرة للأكسدة لتقليل أو إزالة سمية أي ملوثات متبقية وتطهير المياه العادمة قبل إطلاقها في البيئة.

حاليًا ، يتم اختبار عدد من طرق AGT واستخدامها لمعالجة مياه الصرف الصحي إما بمفردها أو مع طرق تقليدية أخرى.

المفاعلات الحيوية:

تعتمد AGTs الأكثر استخدامًا لمعالجة مياه الصرف على مفهوم المفاعل الحيوي. في الأساس ، المفاعل الحيوي عبارة عن جهاز يحتوي على بكتيريا وكائنات دقيقة موضوعة في / على: غشاء مفاعل بيولوجي متحرك ، أو مودع في طبقة معبأة أو ليفية  لتشكيل غشاء حيوي. عادة ما تكون المفاعلات الحيوية مزودة بفواصل مرتبطة بخزانات متتابعة وفاصل ميكانيكي يهدف إلى تسريع انفصال الماء السائل عن المواد الصلبة الحيوية.

بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي أيضًا على أجهزة تهوية لإمداد الأكسجين تهدف إلى تسريع التفاعلات الكيميائية الحيوية التي تقوم بها الكائنات الحية الدقيقة. يؤدي التلامس بين مياه الصرف والبكتيريا / الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في منصة المفاعل الحيوي إلى تفاعلات كيميائية حيوية ، والتي تؤدي في النهاية إلى تحول الملوثات / إلى مواد أخرى أقل سمية أو غير سامة.

في حالة مياه الصرف الصحي المحتوية على المعادن ، تنتج المفاعلات الحيوية الملقحة بالبكتيريا التي تقلل الكبريتات (SRB) كبريتيد الهيدروجين الذي يرسب المعادن الذائبة ككبريتيدات معدنية غير قابلة للذوبان يتم استردادها كمنتجات ثانوية ذات قيمة.

 الترشيح الحيوي :

في الترشيح الحيوي ، تزرع بعض الأنواع المختارة من البكتيريا والكائنات الحية الدقيقة على مرشح حيوي لتشكيل فيلم بيوفيلم. ثم يتم تمرير المياه العادمة من خلال الغشاء الحيوي إما التدفق الصاعد أو التدفق الهابط وبطريقة مستمرة أو متقطعة. خلال هذه العملية ، تسارع الكائنات الحية الدقيقة التي تعمل على الحركة في تسريع تحلل المواد العضوية والملوثات الموجودة في المياه العادمة.

تلعب المتغيرات مثل نشاط الكائنات الحية الدقيقة وعمر الأغشية الحيوية ومستويات الأكسجين ودرجة الحرارة وتكوين الماء أدوارًا رئيسية في أداء الغشاء الحيوي ، وبالتالي جودة مياه الصرف الناتجة.

على الرغم من الاستخدام الشائع لهذا النظام في معالجة المياه العادمة المنزلية ، فإن هذا النوع من AGT  قد يستخدم كوسيلة لإزالة  بعض المعادن الثقيلة من مياه الصرف الصناعية.

المعالجة البيولوجية :

تستخدم عملية المعالجة البيولوجية الكائنات الحية الدقيقة لإزالة وتحييد الملوثات والأنواع الخطرة من مواقع مياه الصرف الملوثة لإنتاج مواد أقل سمية أو غير سامة. يمكن تنفيذ العملية إما في الموقع أو خارج الموقع. تضاف الكائنات الحية الدقيقة مباشرة إلى المواقع الملوثة أثناء عمليات المعالجة في الموقع ، وتتم معالجة المواقع الملوثة في مكان آخر أثناء المعالجة خارج الموقع.

بشكل عام ، عندما يتعلق الأمر بمعالجة الملوثات والمخلفات الخطرة فإن الكائنات الحية الدقيقة لها حدودها حيث لا تتم ازالة جميع الملوثات من خلال المعالجة البيولوجية أو الترشيح الحيوي. ومن الأمثلة على ذلك المعادن الثقيلة مثل النحاس والنيكل والكادميوم والرصاص والزئبق وغيرها. وبالتالي ، تم تطوير تكنولوجيات خضراء متقدمة أخرى لهذا الغرض.

مترجم عن موقع: https://blog.emew.com

إعادة إستخدام المياه

بقلم 

أحمد محمد هشام 

ماجستير كيمياء تحليلية 

Ahmedhasham83@gmail.com

إن عملية إعادة استخدام المياه ضرورة حتمية فرضتها الظروف المحيطة من زيادة السكان وقلة موارد المياه مع تناقص مستمر في نصيب الفرد من المياه حتى في دول حوض النيل .

لذا كان التوجه نحو إعادة استخدام مياه  الفضلات سواء قبل المعالجة أو بعدها كما يتضح بالتفصيل في هذا المقال.

يمكن تقسيم عملية إعادة استخدام المياه لعدة أقسام :

من حيث طريقة إعادة الاستخدام:

*إعادة استخدام مباشر :

ويتضمن نقل مياه الفضلات سواء تمت معالجتها أو لا ضمن مواسير أو أي طريقة نقل أخري إلي الغرض الذي سوف تستخدم فيه المياه دون مرور بأي بحيرات أو أنهار أو أي أنظمة قد تحدث تخفيفاً أو تنقية للمياه.

مثل إعادة استخدام المياه في الري وعمليات التبريد للصناعة .

* إعادة استخدام غير مباشر :

وفيه يتم تصريف مياه الفضلات  سواء تمت معالجتها أو لا إلي انهار أو بحيرات طبيعية ثم نقل هذه المياه إلي أماكن إعادة استخدامها .

من حيث التخطيط لأغراض الاستخدام :

* إعادة استخدام غير مخطط :

وفيه يتم التخلص من المياه سواء تمت معالجتها أو لا إلي الأنهار بغرض التخلص منها فقط .

* إعادة استخدام مخطط :

وتشمل عمليات تجميع لمياه الفضلات وتحديد للأغراض  التي سوف تستخدم بها كأن يتم إنشاء بحيرات تجميع للمياه ومن ثم إعادة استخدامها بالري أو الإطفاء .

مزايا إعادة استخدام مياه الفضلات المعالجة للري :

  • مصدر رخيص للمياه .
  • طريقة اقتصادية للتخلص من مياه الفضلات لمنع التلوث والمشاكل البيئية.
  • استفادة النباتات بالمغذيات الموجودة بمياه الفضلات .
  • تعتبر عملية معالجة إضافية قبل وصول المياه إلي طبقات المياه الجوفية.

عيوب إعادة استخدام مياه الفضلات المعالجة للري :

  • قد توجد تركيزات عالية لبعض الملوثات تكون مؤثرة علي نوعيات معينة من النباتات .
  • المخاطر الصحية من استخدام هذه المياه لري المحاصيل الغذائية .
  • عند استخدام مياه الفضلات دون معالجة تكون مزعجة (كريهة بيئياً)
  • قد تسبب انسدادات لأنظمة الري الحديثة .

إعادة استخدام المياه المعالجة في بحيرات الاستجمام :

في كاليفورنيا تمت إعادة استخدام المياه المعالجة ببحيرات الاستجمام وتم وضع مواصفات يمكن أخذها بعين الاعتبار عند إعادة استخدام المياه لهذا الغرض  ,,, شملت هذه المواصفات ألا يزيد العدد الأكثر احتمالا  لبكتيريا القولون عن 2.2 خلية / 100 مل بعد سبعة أيام من انتهاء عمليات المعالجة.وتتم معالجة مياه الصرف بيولوجيا  ثم تجري عليها عملية  تعويم كيميائي للمخلفات ثم تمرر المياه عبر وسط مرشح (فلتره) ثم تجري عليها عملية التعقيم

يمكن توضيح مراحل معالجة المياه بغرض استخدامها في بحيرات الاستجمام بالشكل التالي :

إعادة استخدام المياه المعالجة في عمليات التبريد بالعمليات الصناعية :

تمت إعادة استخدام المياه المعالجة في عمليات التبريد بأحد مصانع الاستيل بالولايات المتحدة وقد كان المصنع يستهلك كميه كبيرة من المياه من فائض محطة المعالجة ونظراً لان أنظمة التوزيع تكون مكلفة لا يلجأ إليها الكثير من المصنعين  ,,,وقد أثبتت هذه الطريقة في إعادة استخدام المياه نتائج مرضية إذا ما اتخذت الإجراءات اللازمة لترسيب الكالسيوم والفسفور في عمليات المعالجة .

أيضا يتم استخدام المياه المعالجة بأبراج التبريد (الأنظمة المغلقة) ولكن ذلك يخضع لشروط يمكن توضيحها بالجدول التالي :

ويمكن توضيح مراحل المعالجة المطبقة علي مياه الصرف بغرض إعادة استخدامها بأبراج التبريد بالشكل التالي :

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.

 

اﻹختبارات والفحوصات التي تجري لمياه الشرب

 بقلم / أحــمــد السـروي

إستشاري معالجة المياه والبيئة

  1.مقدمة

تجرى عادة اختبارات على أنواع المياه المختلفة ومنها مياه الشرب لتحديد محتواها من المواد العضوية وغير العضوية.  ومعرفة مدي احتوائها علي ملوثات بيولوجية من عدمه ,وتستخدم عادة أجهزة تحليلية للقياس منها ما هو اجهزة تحليل فيزيائية ومنها ما هو اجهزة تحليل كيميائية أو بيولوجية , ومن اشهر الاجهزة المستخدمة في معامل المياه جهاز قياس الطيف الضوئى، وأجهزة قياس الجهد والتوصيل الكهربى، واجهزة قياس العكارة والرقم الهيدروجيني بالإضافة إلى الطرق التقليدية مثل المعايرة الحجمية أو الطرق الوزنية.

  1. انواع التحاليل والفحوصات التى تجرى على المياه

توجد أربعة أنواع من التحاليل التى تجرى على المياه هى:

  • التحاليل الفيزيائية،
  • التحاليل الأشعاعية،
  • التحاليل الكيميائية،
  • والتحاليل البيولوجية.

ا- التحاليل الفيزيائية

  • درجة الحرارة
  • الرائحة
  • الطعم
  • اللون
  • العكارة
  • المواد الصلبة الكلية الذائبة

ب-تحاليل اشعاعية

المواد المشعة (مشتقات من فصيلة ألفا، بيتا).

ج- التحاليل الكيميائية

  • الأس الأيدروجينى.
  • التوصيل الكهربى.
  • المواد العضوية.
  • مركبات الكبريت غير العضوية (كبريتيد – كبريتات).
  • مركبات النيتروجين غير العضوية (نترات-نيتريت-أمونيا- سيانيد).
  • مركبات الفوسفور غير العضوية (فوسفات).
  • مركبات الهالوجين غير العضوية (كلور – كلوريد – فلوريد).
  • الحديد والمنجنيز
  • العناصر الثقيلة

د-التحاليل البيولوجية

  • القولونيات الكلية.
  • القولونيات الغائطية.
  • الطفيليات الأولية.
  • الطحالب والفطريات.

 

3.أنواع وطبيعة المواد التى يجرى تحليلها فى المياه

يتم تحليل المياه للكشف عن المواد العضوية والمواد غير العضوية. وتشمل المواد غير العضوية: المواد الأنيونية، والمواد الكاتيونية، والمواد المولدة للغازات.

المواد العضوية

  • الزيوت – الدهون – الشحوم.
  • الفينول.
  • المنظفات الصناعية.
  • المبيدات الحشرية.
  • المركبات العضوية المتطايرة.
  • المركبات العضوية الحامضية أو القاعدية.

المواد غير العضوية الأنيونية

  • الفوسفات.
  • الكبريتات.
  • السليكات.
  • الكبريتيد.
  • الكلوريد.
  • الفلوريد.
  • النترات.
  • النيتريت.
  • السيانيد.
  • الكربونات.

المواد غير العضوية الكاتيونية

  • الصوديوم – البوتاسيوم.
  • الكالسيوم – ماغنسيوم – باريوم.
  • العناصر الانتقالية (كروم-نحاس-حديد-منجنيز-زنك-نيكل-كوبلت).
  • العناصر الثقيلة والسامة (زئبق- فضة- رصاص- زرنيخ).

المواد غير العضوية المولدة للغازات

  • الأمونيوم.
  • الكربونات – البيكربونات.
  • الكبريتيد.
  • السيانيد.
  • النيتريت.
  1. الاجهزة المستخدمة في التحاليل والفحوصات التى تجرى على المياه

وتنقسم أجهزة التحاليل إلى أنواع متعددة تعتمد على الأساس النظرى والعملى للقياس مثل:

١. أجهزة القياس الطيفى.

٢. أجهزة القياس الكهربى.

٣. أجهزة الفصل الكروماتوجرافى.

٤. أجهزة القياس الإشعاعى.

وتستخدم هذه الأجهزة فى قياس الملوثات من عناصر فلزية أو كتيونية أو أنيونات أو مركبات عضوية.

5.تأكيد جودة تحاليل مياه الشرب

تأكيد الجودة  Quality Assurance تعرف على أنها نشاطات من خلال نظام ضبط الكفاءة وتهدف إلى الحصول على ثقة معقولة يمكن من خلالها تحقيق متطلبات الجودة. ويعطى برنامج تأكيد الجودة القدرة على الحصول على نتائج مناسبة وموثوق بها يمكن الاعتماد عليها

الفوائد التى يمكن الحصول عليها من تطبيق برنامج تأكيد الجودة:

  • تعطى المحلل القدرة على اكتشاف أية مشكلة وإرجاعها إلى مصدرها بطريقة نظامية
  • تعطى معامل التحاليل القدرة على الوصول إلى نتائج مناسبة يمكن الاعتماد عليها.
  • تزيد من ثقة المحلل فى نفسه وفى قدرته على التحليل.
  • تعمل على زيادة وتحسين سمعة المعمل.

عناصر برنامج تأكيد الجودة

يشتمل برنامج تأكيد الجودة على العناصر الآتية :

  • كفاءة تأهيل أعضاء المعمل وتدريبهم
  • توافر الأجهزة المناسبة ومعايرتها
  • صيانة الأجهزة
  • التفتيش والمراجعة للمعمل
  • استراتيجية جمع العينات وتجهيزها
  • استراتيجية تحليل العينات وتسجيل نتائجها

المراجع العلمية

  • احمد السروي , اساسيات الجودة في المختبرات البيئية,2014 , دار الكتب العلمية للنشر والتوزيع.
  • البرنامج التدريبي لمشغلي محطات تنقية مياه الشرب المستوى (ج) دليل المتدرب ,الجزء الثاني الاختبارات المعملية , مشروع دعم قطاع مياه الشرب والصرف الصحي , الوآالة الأمريكية للتنمية الدولية , 2012

 

طرق معالجة المخلفات الصناعية الحامضية والقلوية

  1. مقدمة

زاد الانتاج الصناعي في حميع انحاء العالم وانتشرت المنشآت الصناعية ذات المنتجات المتنوعة, وأصبحت البيئة بمنظوماتها الثلاثة الهوائية والمائية والارضية أكثر تعرضاً للضرر من جراء الملوثات المختلفة التي تطرحها تلك المنشآت ومنها مياه الصرف الصناعية والتي تعرف بالمخلفات الصناعية السائلة والتي يختلف ملوثاتها من صناعة لأخرى نتيجة لاختلاف مدخلات الانتاج من المواد الأولية اللازمة للصناعة والمواد الناتجة أو المصنعة .

تعمل الصناعة على تلويث المجارى المائية بما تلقيه فيها من مخلفاتها ونواتجها الثانوية، سواء من السفن أو المصانع أو المياه الساخنة (التلوث الحراري)، وتؤدى بذلك إلى القضاء على الحياة في المسطحات المائية أو في بعض الحيان إلى تسمم الأسماك وبالتلي حدوث تسمم للإنسان أيضا .

المخلفات الصناعية السائلة  يقصد بها جمع  المخلفات السائلة او شبه السائلة الناتجة عن كافة الأنشطة الصناعية والتحويلية أو الاستعمال لكل مركب مادي مصنع.

  1. الرقم الهيدروجيني

إن تركيز الأيون الهيدروجينى يعتبر أحد المؤشرات الهامة لمياه الصرف. ويعتبر مدى التركيز المناسب لتواجد معظم الحياة البيولوجية صغيرا جدا وحرجا. إن مياه الصرف ذات الأس الهيدروجينى الخارج عن المدى من الصعب معالجتها بالطريقة البيولوجية، وبالتالى إذا لم يتم ضبط (pH) قبل الصرف فإنه سيؤثر عكسيا على (pH) في المياه الطبيعية.

وضبط قيمة الرقم الهيدروجيني هو أحد المهام الرئيسية التي يجب التقيد بها لتوفير البيئة الملائمة للكائنات، وأفضل قيمة للرقم الهيدروجيني هو ٧ أي يكون الوسط متعادلا، أما الارتفاع أو الانخفاض الكبير فإنه يؤدي إلى اضطراب في عملية المعالجة.

كما يعتبر قياس الأس الهيدروجيني أحد أهم الأدلة للتعرف على صرف مخلفات صناعية على شبكة الصرف  الصحي.

  1. المياه الصناعية الحامضية والقلوية

يكون ماء الصرف حامضيا اذا كان الرقم الهيدروجيني له اقل من 7 , ويكون قلويا اذا زاد عن 7 ‏, وتسبب مياه الصرف الحامضية والقلوية اضرارا بيئية كبيرة ,  واضرارا لشبكات الصرف الصحي وبمنشآت محطات معالجة مياه الصرف الصحي اذا وصلت اليها خاصة اذا قل الرقم الهيدروجيني عن قيمة 6 أو زاد عن قيمة 9 .ويجب عمل معادلة لمياه الصرف الصناعية للوصول للرقم الهيدروجيني الي الحدود المسموح بها للصرف الامن علي شبكات الصرف الصحي والتي تبلغ قيمتها من 6 الي 9.ويبين الجدول التالي قيم الرقم الهيدروجيني لمياه الصرف لبعض الصناعات.

4.    معادلة مياه الصرف الحامضية

يمكن عمل معادلة لمياه الصرف الحامضية عن طريق:

  • امرار مياه المخلفات الحامضية فوق الجير.
  • مزج مياه المخلفات الحامضية بالكلس CaO أو بالدولوميت CaO, MgO.
  • إضافة كميات محسوبة من الصودا الكاوية NaOH أو كربونات الصوديوم إلى مياه المخلفات الحامضية.
  • خلط مياه الصرف الحامضية مع مياه صرف قلوية لتحقيق التعادل او لتعديل الرقم الهيدروجيني لدرجة ما.

5.    معادلة مياه الصرف القلوية

يمكن عمل معادلة لمياه الصرف القلوية عن طريق:

  • إضافة ثاني اكسيد الكربون المضغوط الي مياه المخلفات القلوية .
  • إضافة كميات محسوبة من الاحماض القوية كحمض الكبريتيك وحمض الهيدرولكلوريك الي مياه المخلفات القلوية.
  • خلط مياه الصرف القلوية مع مياه صرف حامضية لتحقيق التعادل او لتعديل الرقم الهيدروجيني لدرجة ما.

6.    حوض معادلة مياه الصرف

حوض المعادلة يجب ان يصنع من مادة مقاومة للتأكل أو ان يكون مطليا لمادة قوية ضد التأكل , الحوض مجهز بخلاط جيد لخلط الكيماويات مع مياه الصرف ومزود بجهاز يقيس الرقم الهيدروجيني في الحوض ,  إضافة الأحماض أو القلويات لابد ان يتحكم بها من خلال قياس للرقم الهيدروجيني من خلال تحديد الكميات في المختبر علي عينات من مياه الصرف . ويبين الشكل التالي مخطط مبسط لحوض تعادل يعمل باستمرار.

كما يمكن عمل المعادلة علي مرحلتين لتوفير الكيماويات كما يبين الشكل التالي.

   

أحمد أحمد السروي

إستشاري جودة المختبرات والدراسات البيئية

 

المراجع العلمية

  1. أحمدفيصل أصفري، معالجة مياه الفضلات الصناعية، الكويت، مؤسسة الكويت للتقدم العلمي, ۱۹۹۹ .
  2. احمد السروي , طرق معالجة المخلفات الصناعية السائلة , دار الكتب العلمية , 2017.
  3. احمد السروي , معالجة مياه الصرف الصناعي , دار الكتب العلمية , 2007.

التحاليل المهمة في معامل الصرف الصحي

يلزم تحليل مياه الصرف الصحي للتعرف على خصائص المياه ومن ثم وضع تصاميم المحطة بناءً على هذه الخصائص ويستفاد أيضاً من التحاليل معرفة مدي مطابقة هذه المياه للمواصفات القياسية وأيضاً تحديد كفاءة عملية المعالجة، ومن اهم هذه التحاليل ما يلي:

أولاً التحاليل الفيزيائية والكيميائية:

*-المتطلب البيولوجي للأكسجين (BOD):

وهو كمية الاكسجين المستهلكة بواسطة البكتريا لتحليل المواد العضوية الكربونية الموجودة في الماء وذلك عند درجة حرارة 20 درجة مئوية ولمدة خمسة ايام وذلك مع توفير المغذيات الازمة للبكتريا ومحلول منظم لدرجة الحموضة او الاس الهيدروجيني PH ويجب اجراء هذا الاختبار مره واحده أسبوعيا.

*-الاكسجين الذائب (DO):

يلزم الاكسجين الذائب لأكسدة المواد العضوية الكربونية وتحويلها الي مركبات أولية ثابتة. .Organic + O2→ CO2+H2O + new cells وأيضا في تحويل الامونيا السامة الي نيتريت وذلك بواسطة بكتريا Nitrosomonas)  (ثم تحويل النيتريت الوسيط الي نترات بواسطة بكتريا Nitrobacter) ( ، وتسمي عمليه تحويل الامونيا لنيتريت ثم الي نترات بالنترجة او (Nitrification)  ويلزم معرفة الاكسجين الذائب بأحواض التهوية ويجب ان يكون من  2-3 مليجرام / ليتر وذلك حتي تتم المعالجة البيولوجية وعدم تكاثر البكتريا الخيطية ، ويمكن تعيين الاكسجين بواسطة الأجهزة (Membrane Electrode Method )      ( شكل 1 ) وهذه طريقة سهله ومباشره ، ويتم تعينه أيضا بطريقة  Winkler method titration) )  ويلزم هذه الاختبار أيضا في تعيين المتطلب البيولوجي ( BOD ) ، ويتم اجراء هذا الاختبار يوميا .

*-المتطلب الكيميائي للأكسجين (COD):

وهو كمية الاكسجين المستهلكة لتحليل او اكسدة المواد العضوية الكربونية سواء اكانت قابلة للتحلل البيولوجي أم لا وذلك بواسطة عامل مؤكسد قوي مثل تنائي كرومات البوتاسيوم، وهذا الاختبار يعبر ايضا عن مدي تلوث المياه ولكن يمتاز هذا الاختبار عن المتطلب البيولوجي للأكسجين بالسرعة حيث يستغرق الاختبار ساعتين فقط ويكون المتطلب الكيميائي أكبر بمرةٍ ونصف او مرتين من المتطلب البيولوجي وذلك بالنسبة لمياه الصرف الصحي، ويتم اجراء هذا الاختبار مرتين في الأسبوع.

*-نسبة المواد العالقة (S.S):

يتم تعيين هذا الاختبار عن طريق ترشيح حجم معين من الماء ثم تجفيفها عند 105 درجة مئوية حتى ثبات الوزن وحساب ما يحتويه اللتر من مواد عالقة، ويرجع اهمية هذا الاختبار ليوضح لنا ما تحتويه المياه من ملوثات وأيضا يوضح لنا كفاءة عملية المعالجة وعملية الترسيب ومعرفة مدي مطابقة هذه المياه للمواصفات القياسية، ويتم اجراء هذا الاختبار يوميا.

*-نيتروجين الأمونيا (N-NH3 ):

تعد الأمونيا من المركبات النيتروجينية الشديدة السمية للأحياء المائية، ومصدر هذه الأمونيا هو من تحلل النيتروجين العضوي واليوريا الموجودة في مياه الصرف الصحي وذلك في ظروف لا هوائية، وأهمية هذا الاختبار هو معرفة مدي كفاءة عملية المعالجة ومدي مطابقة المياه للمواصفات القياسية ويتم اجراء هذا الاختبار يوميا.

*-نيتروجين النترات (N-NO3):

يرجع أهمية هذا الاختبار الي معرفة مدي مطابقة المياه للمواصفات القياسية وأيضا في تفسير بعض مشاكل عملية المعالجة حيث تؤدي الزيادة في نيتروجين النترات الي طفو الحمأة من قاع تانك الترسيب الي السطح وذلك بسبب تحول النترات الي غاز النيتروجين فتتسبب فقاعات غاز النيتروجين في صعود الحمأة وزيادة نسبة المواد العالقة وبالتالي تقل كفاءة المعالجة، ويتم اجراء هذا الاختبار مره او مرتين في الاسبوع.

*-الكلور الحر:

دور الكلور في المياه هو التعقيم وقتل البكتريا والفيروسات ومسببات الأمراض وكذلك اكسدة المواد العضوية، ويجب ألا يقل نسبة الكلور الحر في الماء عند 0.5 جزء في المليون وذلك بعد فترة تلامس 30 دقيقة، ويتم اجراء هذا الاختبار يوميا.

*-نيتروجين كلداهل الكلي (TKN):

وهو مجموع النيتروجين العضوي ونيتروجين الأمونيا، ويتم اجراء هذا الاختبار مرة أسبوعيا.

*-قيمة الأس الهيدروجيني (PH):

يلزم قياس الأس الهيدروجيني للمياه الخام حيث يكون المدي المناسب للمعالجة البيولوجية هو (6.5 – 8.5) وأي تغير في هذه القيمة يؤدي الي قلة نشاط البكتريا وقلة كفاءة المعالجة، وان لم يكن قيمة الأس الهيدروجيني في هذا المجال فيكون المياه الداخلة للمحطة تحتوي على صرف صناعي ولابد من ايجاد هذا الصرف ومنعه من الصرف على شبكة الصرف الصحي، ويتم تعيين قيمة ال PH بواسطة Electrometric Method

او  ) PH meter شكل 2 )

ويتم أجراء هذا الاختبار يوميا للمياه الخام وداخل احواض التهوية والمياه المعالجة.

*-المواد العالقة في السائل المخلوط (MLSS)

وهي تعيين نسبة الحمأة الموجودة في أحواض التهوية ونظام المعالجة ويستفاد من هذا الاختبار معرفة كمية الحمأة اللازم ازالتها من النظام، ويتم هذا الاختبار بترشيح حجم معيين من سائل أحواض التهوية وتجفيفه عند درجة حرارة 105 درجة مئوية حتى ثبات الوزن ومن ثم معرفة ما يحتويه اللتر وأيضا ما يحتويه النظام من كمية حمأة، ويتم اجراء هذا الاختبار يوميا.

*-المواد العالقة الطيارة في السائل المخلوط (MLVSS):

وهي تمثل تركيز البكتريا في الوحدة البيولوجية ويستدل منها على نشاط الحمأة وعادة ما تكون نسبتها من 70 – 80 % من قيمة المواد العالقة في السائل المخلوط، ويتم هذا الاختبار بحرق ورقة الترشيح وما تحتويه من مواد عالقة في السائل المخلوط بعد ان تجف ومعلومية الوزن الجاف ويتم حرقها في فرن حرق عند 550 درجة مئوية الي ان يثبت الوزن وبذلك يتم تحديد هذه النسبة، ويستفاد من هذا الاختبار في تعيين معامل الغذاء الي الكائنات الحية F/M))، ويتم اجراء هذا الاختبار مره او أكثر أسبوعيا.

*-وهناك ايضا بعض التجارب المهمة مثل تعيين القاعدية ، الكلوريدات وتعيين نسبة المواد الصلبة الكلية (TDS).

ثانياً التحاليل البيولوجية :

*-العدد الاكثر احتمالاً لبكتريا القولون الكلية (MPN):

ويلزم هذا الاختبار لمعرفة مدي كفاءة عملية التعقيم ومدي مطابقة المياه  للمواصفات القياسية ، ويتم هذا الاختبار بزرع عدد معين من الأنابيب ذات التخفيفات المتتالية في بيئة خاصة لتمييز ونمو بكتريا القولون مثل  بيئة ليوريل تريبتوز Lauryl TryptoseBroth))او  بيئة ماكونكيMacConkey Broth) ) (شكل 3) ، وتحضين هذه الانابيب والتي تحتوي علي انابيب درهام مقلوبة عند درجة 35 – 37 درجة مئوية لمدة 24 ساعة وكشف الانابيب التي تحتوي علي فقاعات غاز وهذه الأنابيب تكون موجبة الاختبار اما باقي الانابيب فتترك لفتره 24 ساعة اخري للتأكيد ثم فحصها مرة اخري ويتم حصر هذه الانابيب وعدها ثم مقارنتها مع جدول العدد الاكثر احتمالا ، ويتم اجراء هذا الاختبار مرة واحدة أسبوعيا علي الاقل .

 

 

مهندس معالجة وكيميائي وأخصائي ميكروبيولوجي  :

السيد عبد الحميد علي

العمل الحالي مدير محطة معالجة الصرف الصحي ومدير مختبر مياه الشرب والصرف الصحي _ وزارة الكهرباء والمياه _ المملكة العربية السعودية _ محافظة الخفجي .

 

 

Neutralization in wastewater treatment and waste stabilization.

NEUTRALIZATION

               Neutralization is a common practice in wastewater treatment and waste stabilization.

If a waste stream is found to be hazardous because of corrosively, neutralization is the primary treatment used. Moreover, neutralization is used as a pretreatment system before a variety of biological, chemical, and physical treatment processes. Since many chemical treatment processes, such as metal precipitation, coagulation, phosphorus precipitation, and water softening are pH dependent, the pH of these processes is adjusted to achieve maximum process efficiency. Furthermore, the pH of the effluent wastewater from different industrial activities also requires adjustment prior to its discharge into receiving water bodies. The US EPA has set pH standards for different types of water; for example, the pH range required to protect marine aquatic life is 5–9. [1]

          Neutralization is the process of adjusting the pH of water through the addition of an acid or a base, depending on the target pH and process requirements. Some processes such as boiler operations and drinking water standards need neutral water at a pH of 7.

          Water or wastewater is generally considered adequately neutralized if (1) its damage to metals, concrete, or other materials is minimal; (2) it has little effect on fish and aquatic life; (3) it has no effect on biological matter (i.e., biological treatment systems).

          In chemical industrial treatment, neutralization of excess alkalinity or acidity is often required. One of the critical items in neutralizing the water is to determine the nature of the substances that cause acidity and alkalinity. This is generally achieved in laboratory scale experiments by preparing titration curves showing the quantity of alkaline or acidic material necessary to adjust the pH of the target wastewater. The nature of titration curves obtained in these experiments is critical in determining the proper chemical type and dose. Methods used for pH adjustment should be selected on the basis of costs associated with the neutralizing agent and equipment requirements for

dispensing the agent.

      In neutralization, several parameters need to be assessed and evaluated before the actual pH adjustment is carried out. These parameters are discussed in the following sections.

  1. pH

pH is the reference indicator for neutralization. Many chemical processes, such as metal precipitation and water softening, which are involved in neutralization, are pH dependent. pH is the negative logarithm of the H+ ion activity in solution .

pH = −log{H+}

If the ionic strength of the waters is not very high (less than 0.01 M), the activity of hydrogen ions can be replaced with the molar concentration of hydrogen ions, If the ionic strength is high, correction factors using the Debye–Huckel equation or Davies equation can be commonly used [1]

       In most practical applications, the pH scale ranges from 1 to 14. In pure water and in the absence of materials other than H+ and OH, water behaves ideally and activity equals molar concentration. Under these conditions, [H+] equals [OH] as required by electroneutrality. At 25oC, the ion product of water (Kw = [H+][OH]) is 10−14.

 

        The process of neutralization is not only limited to bringing the pH to 7; it is invariably used in the processes, where pH adjustment to other than 7 is required depending on the chemical process in question. For example, some processes like biological wastewater treatment require pH to be near neutral, whereas other processes like metal precipitation require pH to be in the alkaline range. Some of the important chemical processes, where pH plays a significant role and where pH adjustment through neutralization is often required, are metal adsorption and biosorption, chemical precipitation, water softening, coagulation, water fluoridation, and water oxidation[2-3] .

 

  1. Acidity and Alkalinity

           Alkalinity is the capacity of water to neutralize acids, whereas acidity is the capacity of water to neutralize bases. The amount of acid or base to be used in the neutralization process depends upon the respective amount of acidity and alkalinity.

The most important source of both alkalinity and acidity in natural waters is from the carbonate system. However, if the wastewater comes from industrial sources, OH or H+ is also a major contributory factor to alkalinity or acidity, respectively. For example, water from acid mine drainage contains a large amount of acidity because of the presence of sulfuric acid produced from the oxidation of pyrite. Both acidity and alkalinity are expressed in terms of acid/base equivalents. In water and wastewaters where the predominant ions controlling pH are [H+], [OH], [HCO3 ], and [CO32], the forms of alkalinity encountered are hydroxide, carbonate, and bicarbonate. These three forms of alkalinity altogether constitute total alkalinity.

 

  1. Buffer Capacity

          The word “buffer” stands for the stubbornness against any change. In environmental chemistry, buffers are always defined in the context of pH.

         pH buffers are those that resist any changes in solution pH when an acid or a base is added into the solution.

          They are very important in chemical neutralization processes. Buffers generally contain a mixture of weak acid and their salts (conjugate base) or weak bases and their conjugate acid. A solution buffered at a particular pH will contain an acid that can react with an externally added base and vice versa. The overall efficiency and chemical cost of the neutralization process depend on the presence of pH buffers in wastewaters.

           In natural waters and wastewaters, the buffering capacity arises due to the presence of phosphates, carbonates, and other weak organic acids. The mineral composition of natural waters is regulated by a buffer system involving natural clay minerals such illite and kaolinite. Careful consideration should be given while neutralizing such waters. If the buffering capacity of the water or wastewater to be neutralized is not taken into account, the actual amount of neutralizing chemical required may vary widely and causes operational problems.

  1. Hardness

Hardness in waters arises from the presence of multivalent metallic cations [4]. The principal hardness-causing cations are calcium, magnesium, ferrous iron, and manganous ions. This parameter is important in water-softening processes. The part of the total hardness that is chemically equivalent to the bicarbonate plus carbonate alkalinities is called carbonate hardness. When both hardness and alkalinity are expressed in mg/L as CaCO3, these two are be related as follows:

When alkalinity < total hardness,

Carbonate hardness (in mg/L) = alkalinity (in mg/L)

When alkalinity > total hardness,

Carbonate hardness (in mg/L) = total hardness (in mg/L)

 

 

NEUTRALIZATION PRACTICES

         Neutralization can be carried out in either batch or continuous mode. In batch mode, the effluent is retained until its quality meets specifications before release. Several processes can be simultaneously carried out when the process is performed batchwise.

        Batch processes are good for small scale treatment plants or small waste volume. For large volumes, a continuous neutralization process is typically used. Figure 6 shows a typical schematic of a continuous neutralization reactor. The use of a batch neutralizing system or continuous flow system depends upon several considerations. In general, continuous flow-through systems are used when

  • Influent flow is relatively constant and sudden variations are not expected.
  • The influent flow characteristics are essentially constant.
  • Effluent chemistry is not very critical. An example is when the process is a part of multistage neutralization process.

Batch neutralization systems are used when:

  • There are large fluctuations in influent properties (i.e., flow and pH).
  • The influent wastewater contains concentrated acids or bases.
  • The effluent quality has stringent discharge limits.

     Neutralization tanks should be constructed with a corrosion-resistant material or should be lined to prevent corrosion. Addition of an acid or an alkali should be controlled by continuous pH measurement, either by withdrawing samples periodically and measuring the

pH or by installing an online pH meter that gives continuous pH readings.

  1. Neutralization of Acidity

The most widely used methods to balance acidity by adding a proper alkaline solution are outlined below (6):

  • Mixing alkaline and acidic wastes such that the net effect is nearly neutral pH.
  • Passing the acidic water through a limestone bed. This water should not contain limestone- coating substances such as metal salts or sulfuric or hydrofluoric acids.
  • Mixing acid waste with lime slurries or dolomitic slurries.
  • Supplementing acidic wastewater with proper amounts of caustic soda or soda ash (Na2CO3).

        Acidic wastes are neutralized either by adding lime alkalis or by adding sodium alkalis.

        The most commonly used lime alkalis are quicklime (CaO) and hydrated or slaked lime (Ca(OH)2) [5–6]. Sodium alkalis involve the use of caustic soda (NaOH) or soda ash (Na2CO3). Calcium and magnesium oxides are considerably less expensive than sodium alkalis and are used more widely (6). Because these oxides are moderately soluble in water, they are typically slurried. Calcium or magnesium alkalis produce more sludge than do sodium alkalis.

             Sodium alkali rapidly reacts with acidic wastes and produces soluble neutral salts when combined with most acidic wastewaters. Between the two types of sodium alkalis, caustic soda is a stronger alkali than soda ash. Caustic soda is available in anhydrous form at various concentrations. Soda ash can be purchased as dry granular material.

        Liquid caustic soda is produced and supplied in a concentration range of 50–73%. Most industries use a 50% caustic soda solution. The specific gravity ranges from 1.47 to 1.53 depending on the temperature. Caustic soda is very corrosive in nature. Hence all containers

and lines that come in to contact with caustic soda during use or shipment should be carefully selected.

         Soda ash, when used as sodium carbonate monohydrate, contains 85.48% sodium carbonate and 14.52% water of crystallization. Hydrated soda ash loses water of crystallization when heated. Heptahydrated and decahydrated are other forms of soda ash used in neutralization practices. Dissolving monohydrated soda ash in water generates heat while heptahydrate and decahydrate absorbs heat in contact with water. Bagged soda ash should not be stored in humid places. Furthermore, excessive air circulation should be avoided. Soda ash contains 99.2% sodium carbonate when shipped.

 

  1. Neutralization of Alkalinity

Lowering the pH of a solution is sometimes necessary in some treatment processes or when wastewater is to be discharged in open streams. Discharge of effluent with a pH greater than 8.5 is undesirable and lowering the pH is generally achieved either by adding an acid or by adding carbon dioxide. The process of adding carbon dioxide is called recarbonation and is often practiced in industrial wastewater neutralization. The commonly used acids for pH adjustment of alkaline wastewaters are sulfuric acid (H2SO4), hydrochloric acid (HCl), and nitric acid (HNO3). Among them, sulfuric acid is the most widely used neutralizing agent. Use of nitric acid is restricted because of more stringent nutrient effluent limitations. There is no direct relationship between pH and alkalinity.

         Hence, titration curves should be established in laboratories before the design of an alkaline wastewater neutralization system. Sulfuric acid used in wastewater treatment could be 77.7% concentration or 97% concentration with an approximate specific gravity of 1.83 [7,8,9]. Sulfuric acid releases a significant amount of heat when added to water. Precautionary measures must be taken to avoid any chemical accident due to the heat generated when practicing neutralization with sulfuric acid. Hydrochloric acid has an average specific gravity of 1.17 and an acid content of 33% by weight. Properly lined tanks should be used to store this classification of hydrochloric acid. Generally polyvinyl chloride tanks or lined steel tanks are used.

 

By

Ahmed Ahmed Elserwy

Water & Environmental Consultant

References

[1]     W. Stumm and J. J. Morgan, Aquatic Chemistry, John Wiley and Sons, New York, 1981.

[2]   J. P. Chen and L. Wang, Characterization of a Ca-alginate based ion exchange resin and its applications in lead, copper and zinc removal. Separation Science and Technology, 36(16),3617–3637 (2001).

[3]   F. N. Kemmer, The Nalco Water Handbook, McGraw-Hill, New York, 1988.

[4]   L. K. Wang, Y. T. Hung, and N. S. Shammas (eds.), Physicochemical Treatment Processes. Humana Press, Totowa, NJ (2005).

[5]M. L. Davis and D. A. Cornwell, Introduction to Environmental Engineering, 3rd ed., McGraw-Hill, New York, 1998.

[6] C. A. Hazen and J. I. Myers, Neutralization tactics for acidic industrial wastewater. In: Process ngineering for Pollution Control and Waste Minimization (D. L. Wise, ed.), Marcel Dekker, New York, 1994.

[7]  US EPA, An Appraisal of Neutralization Processes to Treat Coal Mine Drainage. EPA- 670/2-73-093, U.S. Environmental Protection Agency, Washington, DC, 1973.

[8]   US EPA, Design Manual—Neutralization of Acid Mine Drainage, U.S. Environmental Protection Agency, Municipal Environmental Research Laboratory, EPA-600/2-83-001, U.S. Environmental Protection Agency Technology, Cincinnati, OH, 1983.

[9] US EPA, Evaluation of Flow Equalization at a Small Wastewater Treatment Plant, US Environmental Protection Agency, Municipal Environmental Research Laboratory, EPA- 600/2-76-181, U.S. Environmental Protection Agency, Cincinnati, OH, 1976.

المعادن الثقيلة في المياه مصادرها وتأثيراتها

تسبب المعادن الثقيلة بشكل عام تأثيرًا ضارًا للبشر والأحياء المائية. وكمثال على ذلك ، فإن الرصاص سام جداً للكائنات الحية لأنه يتراكم في العظام والمخ والكليتين والعضلات. قد تكون المعادن الثقيلة السبب وراء العديد من الاضطرابات الخطيرة مثل أمراض الكلى ، الاضطرابات العصبية وحتى الموت.

ويعتبر عنصر الكادميوم العنصر الأكثر سمية بين المعادن الثقيلة حيث تتمكن التركيزات المنخفضة من التراكم في السلسلة الغذائية وتصل إلى الكبد والكليتين وتسبب الضرر إذا كان التعرض مزمنًا. أيضا ، فقد تم اعتباره السبب الرئيسي لمرض Itai-Itai في اليابان

  • الكادميوم

أفادت التقاريرالرسمية  لبرنامج الأمم المتحدة للبيئة 2010 أن له تأثيرات خطيرة. وهو يستخدم في الصناعات التحويلية مثل البطاريات والأصباغ. وتعد أيضاً الأسمدة الفوسفاتية إحدي طرق انتقال الكادميوم إلى البيئة كما يعد تدخين السجائر أحد المصادر الرئيسية للتسمم بالكادميوم

  • الكروم

يستخدم الكروم في مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية ، مثل الجلود والدباغة والصناعات الورقية وهندسة المطاط. يؤدي التعرض لمستويات عالية من الكروم  إلي آثار ضارة على الجهاز العصبي المركزي وتسبب تلف الكبد والكلى. كما يمكن أن يقلل الكروم من معدل التمثيل الضوئي في الأنواع النباتية ؛ كما تم ربطه بالتأثيرات السامة على الاستجابة المناعية في أسماك المياه العذبة .

  • النحاس

وقد استخدم النحاس لفترة طويلة خلال التاريخ القديم في إنتاج الأواني والأسلاك والأنابيب وتصنيع سبائك البرونز. لها دور جيد كعنصر أساسي للهيئات البشرية والحيوانية. لكن الجرعة الأعلى تظهر آثارًا سامة ، مثل الكلى والتلف والمعدة وفقدان القوة

  • الزرنيخ

يتزايد الزرنيخ في المياه بسبب صناعات الأسمدة الفوسفورية ويمكن لتركيزات عالية من الزرنيخ في الماء يكون لها تأثير سيء على الصحة. خلال عام 2012 ، تم العثور على الزرنيخ في غرب البنغال بتركيزات عالية في مياه الشرب في عدة مناطق. معظم الناس في هذه المناطق يعانون من أمراض جلدية.

  • الألومنيوم

يمكن أن يتواجد الألومنيوم بتركيزات عالية في العديد من الموارد المائية الطبيعية بسبب إلازالة الغير كاملة له أثناء عملية المعالجة في محطات مياه الشرب أو نتيجة للتسرب عبر طبقات المياه .المصدر المعتاد للألومنيوم في إمدادات المياه العامة هو ملح الألومنيوم (كبريتات الألومنيوم – الشبة) في عملية الترويب. وفقاً لإرشادات منظمة الصحة العالمية ، ينبغي ألا تزيد تركيزات الألومنيوم الموصى بها على 0.2 ملجم / لتر في الماء

  • الحديد

الحديد هو معدن شائع موجود في معظم موارد المياه الطبيعية. يمكن أيضًا العثور على الحديد بأشكال متعددة ، كجسيمات غروانية أو مرئية ؛ أو كمركب يحتوي على مواد عضوية أو صخورمثل   الهيماتيت {Fe2O3}؛ البيريت {Fe2S2}؛ إلمينيت {FeTiO3}؛ المغنتيت {Fe3O4}

في المياه السطحية الحديد هو عادة في شكل الحديديك (Fe3+)، بينما  الحديدوز  (Fe2+)أكثرقابلية للذوبان ومن المرجح أن يتواجد في ظروف لاهوائية والتي قد تحدث في الغالب في المياه الجوفية أو في مياه الخزانات و قيعان البحيرات. من خلال التعرض لمياه الهواء بسرعة تغير لونها لأن الحديد يتأكسد إلى شكل الحديديك (Fe+3) ويترسب.

وتستخدم أملاح الحديد مثل كلوريد الحديديك (FeCl3) وكبريتات الحديد (FeSo4) لسنوات عديدة كمخثرات على نطاق واسع في معالجة المياه. مع التحكم الجيد في العملية ، يمكن الحفاظ على تركيز الحديد المتبقي أقل من 0.05 ملجم / لتر في مدخل وحدة المياه. يمكن للإزالة غير المكتملة للحديد خلال عملية المعالجة أن تؤدي إلى ترسبات من الحديد في نظام التوزيع علي المدي الطويل .

تركيزات الحديد الموجودة في مياه الشرب ليست ضارة ولكن يمكن أن تسبب طعم غير مقبول عند وجود أكثر من 1 ملجم / لتر. في تركيزات الحديد المنخفضة قد يسبب مشاكل المياه العكارة ، مع رفض المستهلك لهذا المظهر المائي. ويمكن أيضا أن تكون قد شكلت بقع بنية على تجهيزات الغسيل والسباكة. لا تتجاوز القيمة الإرشادية لمنظمة الصحة العالمية 0.3 ملجم / لتر لتجنب تغير اللون. الحديد هو أحد المتغيرات الهامة في توجيه الاتحاد الأوروبي حيث يسمح فقط بتركيز 200 ميكروغرام / لتر.

  • المنجنيز

يمكن العثور على المنجنيز في كل من المياه السطحية والجوفية بتركيزات واضحة ومن الجدير بالذكر أن تركيز المنجنيز في المياه الجوفية هو أعلى بكثير منه في المياه السطحية.

المنجنيز غير مرغوب فيه في مياه الشرب  حتى في تركيزات صغيرة ومن الجدير بالذكر أن  ترسب المنجنيز بشكل عام أقل من الحديد في نظام التوزيع. في عام 2008 ، وضعت منظمة الصحة العالمية قيمة إرشادية للمنجنيز قدرها 0.4 ملجم / لتر لأسباب صحية  لكن التركيز الموصى به في المياه المستخدمة للغسيل أقل من 0.1 ملجم / لتر حتي لاتسبب في حدوث بقع علي الملابس .

يمكن العثور على الحديد والمنجنيز بتركيزات عالية في بعض مصادر المياه. عندما يتم تهوية الماء ، يتم أكسدة الحديد والمنجنيز إلى أكاسيدها منخفضة القابلية للذوبان.

وتجدر الإشارة أن أغلب التركيزات العالية من المنجنيز تؤثر أساسا على المراكز الدماغية والتسمم بالمنجنيز يسبب الهلوسة، النسيان ، ضمور العصب.

وسنتطرق أن شاء الله بالتفصيل في مقال قادم إلي طرق التخلص من المعادن الثقيلة من المياه .

 

كيميائي / أحمد محمد هشام

نائب رئيس التحرير

ماجستير كيمياء تحليلية

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