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

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.

 

Application of Laser Controlled Nanoparticles in Waste water treatment

By

Mohamed Elsofy Zain Elabedien Ezz Eldien

1- Prof. Dr.Y.Abd Elhameed Badr Department of laser with matter interaction, National institiute of laser enhanced science, cairo university

2-Dr.M.Samir Mousa Sanitary Engineering department, faculty of engineering,Helwan university, Elmataria

National Institute of Laser Enhanced Science, Cairo University, Cairo, Egypt

Microbiology lab manager, wastewater reference lab,  Holding company for water and wastewater

Abstract: in the area of water purification, nanotechnology offers the possibility of an efficient removal of pollutants and germs. Today nanoparticle, nanomembrane and nanopowder used for detection and removal of chemical and biological substances includes metals, nutrients, organics, viruses, bacteria, parasites antibiotics. Nonmaterial’s reveal good result than other techniques used in water treatment because of its high surface area (surface/volume ratio) (1) . The aim of this work is to study effect of silver nanoparticle Ag NPs before and after photofragmentation as coagulant and as disinfectant in wastewater; this has been carried out through flocculation, coagulation, and disinfection techniques. Flocculation has been carried out using silver nanoparticle; Coagulation has been dedicated using this material and disinfection also. Effect of each of the previous technique on PH, total dissolved solids, total suspended solids , biological oxygen demand, chemical oxygen demand ,total coliform  and fecal coliform . The optimum practical conditions for each technique and for the whole study have been selected.

Keywords:  Nanoparticles, photofragmentation, coagulant, disinfectant, biological oxygen demand, chemical oxygen demand.

__________________________________________________________________________________

Introduction

 

The most of the countries are facing drinking water problems and countries are very severe especially in developing countries. The world is facing formidable Challenges in meeting rising demands of clean water as the available supplies of freshwater are depleting due to (i) extended droughts, (ii) population growth, (iii) more stringent health-based regulations and (iv) competing demands from variety of users.

(2, 3, 4).The River Nile, the longest river in the world, is the main source of irrigation in Egypt. Historically, Egypt’s rich agricultural land, with the exception of a few scattered oases in the desert, has consisted of the 1,200 km strip of the Nile River Valley and the Nile Delta. The annual per capita share of the country’s water resources is approximately 875 m3, of which 84 percent is crop water demand, with the consumptive use being nearly 68 percent. Estimation of the municipal water use depends on population growth rates, the consumption in liter/Capita/day, and distribution system losses

expressed as conveyance efficiency Estimation of Municipal Water use. From February to September, water released from the High Aswan Dam (HAD) for irrigation, Municipal, and industrial purposes is sufficient to maintain the required navigational draft in the Nile (5, 6, 7).

Everyone generates wastewater. Typical residential water usage is from 75 to 100 gallons per person per day. Seventy-three percent of the population is connected to a centralized (Municipal) wastewater collection and treatment system, while the remaining 27 Percent uses on-site septic systems. Water is not used up. When people are through with water it becomes wastewater—better known as sewage—that must be cleaned up before it is returned to the environment for reuse. In one way or another, all water is recycled. In the past, people had the idea that Wastewater was something that could be disposed of—it would just disappear. This idea has caused many people to assume that when they dispose of the wastewater they also dispose of any problems or hazards related to it. Today we recognize that we must recycle water to maintain sustainable supplies of safe drinking water for future generations. In order to clean up or treat wastewater for recycling, it is important to understand what Wastewater contains, what problems it may cause, and what it takes to clean it up. Chemically enhanced primary treatment (CEPT) is a wastewater treatment method that can also be used as an efficient preliminary step to biological secondary treatment (such as activated sludge and trickling filters). CEPT adopts the coagulation and flocculation processes and accomplishes a remarkable increase in the removals of common pollutants and contaminants such as BOD (biochemical oxygen demand), COD (chemical oxygen demand), and TSS (total suspended solids) present in the influent. In Egypt law 48 of 1982 necessitates secondary treatment of wastewater prior to disposal in water courses. This requires the achievement of relatively high levels of treatment. Secondary treatment (which is required to reach regulations limits) invariably uses biological treatment processes which require high operation and maintenance costs. Many types of chemicals have been studied as coagulants including alum, lime, ferric chloride and polymers. The main objective of the research is to investigate the effectiveness of the AgNPs controlled by laser (to different particles size) in wastewater line when used as coagulant in the measure of PH, conductivity, removal percent of BOD, COD, TSS, TVS, total and fecal coliform from municipal wastewater then study the effect of AgNPs (with different sizes) as disinfectant on total and fecal colifrorms removal percent.

Materials and methods

Freshly collected sewage samples were distributed among the six jars after thorough mixing. Coagulant dosage was then added in varying proportions in each jar followed immediately by the initiation of flash mixing, 100 RPM. After 1 minute, mixing was reduced to 30 RPM and held at this level for 20 minute. Finally, a quiescent settling period of 30 minute was allowed. At the end of the settling period, a sample of the supernatant was analyzed for the various parameters. Jar testing experiments were carried out using three samples one taken from the effluent of the  grit removal  from Abu Rawash  treatment plant (ARTP),  samples two of return activated sludge (RAS) and samples three  from effluent of  Zenin wastewater plant.

The specification of the instruments used for chemicals analyses are  the TSS, TVS, BOD, COD, Conductivity, PH, sludge volume index (SVI),Total coliform, Fecal coliform .

All experiments procedure According to procedure in standard methods for the examination of water and wastewater 20th Ed.(8)

Silver nanoparticles AgNPs preparation  :

preparation method  of AgNPs. (according to Borohydride – Creighton Method )(9)  used this chemical as follow:

Silver nitrate ( AgNo3), Sodium Borohydride (NaBH4), Sodium laureth sulfate.

The characterization of silver nanoparticles Prepared by NaBH4

silver nps prepared by chemical method were investigated using UV-Visible spectrophotometer and Transmission Electron Microscope (TEM).  In previous work in our group we irradiated Ag NPs with 308 nm excimer laser. The maximum absorption and the full width at half maximum have been decreased as the number of pulses increased up to 100,000 pulses due to the size reduction. The Ag NPs irradiated with 308 nm excimer laser system see fig. (1)  .

silver nps prepared by chemical method were investigated again after irradiation with 100,000 pulses (plus) of excimer laser 308 nm using UV-Visible spectrophotometer and Transmission Electron Microscope (TEM). These nps had (have) different sizes.

The characterization of AgNPs (sample B)obtained by chemical reduction using NaBH4 is (in) given Fig. (2) . Fig.2(a) shows that the AgNPs are characterized by an absorption band at 409.5 nm. The average size of the AgNPs  is 21±5  as seen in Fig2 (b).

References

  • Dhermendra Tiwari, J.Behari and Prasenjit Sen, 2008. Application of nanoparticles in wastewater treatment.
  • US Bureeau of reclamation and sandia national laboratories, 2003. Desalination and water purification technology roadmap a report of the executive committee water purification.
  • US Environmental protection agency, 1998b. microbial and disinfection by-product rules. Fedral register, 63:69389-69476.
  • US Environmental protection agency, 1999. Alternative disinfectants and oxidants guidance manual. EPA Office of water report 815-R-99-014.
  • Abdel-Gawad S.T., 1998. ‘Agricultural Drainage Water Reuse Policy: Conservation and Challenges’, Proceedings of Arab Water 98, Volume 1, Cairo, Egypt, April 26-28, 1998.
  • Abdel-Gawad S.T., 1998. ‘Environmental Concerns, Health Risks and Mitigation Measures of Irrigation Water Pollution’, Proceedings of International Workshop on Drainage Water Reuse in Irrigation, Sharm El-Sheikh, Egypt, May 3-5, 1998.
  • Abdel-Gawad, S.T., 2001. ‘The Role of Water Reuse in Sustainable Agriculture in Egypt’, Regional Workshop on Water Reuse in the Middle East and North Africa, 2-5 July, Cairo, Egypt.
  • Standard Methods for the Examination of Water and Waste Water, 18th Edition, 1992, published by American Public Health Assoc., American Water Works Assoc. & Water EnvironmentFederation
  • A. Creighton, C. G. Blatchford and M. G. Albrecht, J. Chem. Soc., Faraday Trans., 75, 790 (1979)
  • . P.V.Kamat,M.Fluminai,G.V.Hartland, J.Phy.chem. B 102(1998)3123.
  • Badr,M.A.Mahmoud,J.Mol.Struct.749(2005)187.(excimer laser photofragmentation of metallic nanoparticles)
  • Badr,M.G.Abd El Wahed,M.A.Mahmoud,APPl.surf.sci.253(2006)2502.

 

 

 

Recent Development in Halogenation Technology in Water Disinfection

Introduction

                Disinfection is the selective destruction of pathogenic organisms; sterilization is the complete destruction of all microorganisms. Disinfection may be considered as one of the most important processes in water and wastewater treatment. This practice used in water and wastewater treatment has resulted in the virtual disappearance of waterborne diseases.

Disinfection may be accomplished through the use of chemical agents, physical agents, mechanical means, and radiation. In wastewater treatment, the most commonly used disinfectant is chlorine; however, other halogens, ozone, and ultraviolet radiation,and organic disinfectants have been used.

  1. Recent Environmental Concerns and Regulations

       Protection of public water supplies relies heavily on the use of disinfectants. Disinfectants are used to maintain a residual in the distribution system to prevent any health problems and to maintain the water quality standards. Since the new regulation requirements, the water industry has been looking for alternative chemicals or techniques to replace chlorine. In this section, instead of studying halogenation technology, we present techniques to reduce halogenation by-products. Different techniques include (a) chlorine dioxide, (b) chloramines, (c) coagulant, (d) ozonation, (e) organic disinfectants, and (f) ultraviolet light [1–2,3–4,5–6]. To comply with the upcoming stringent law, the techniques were tested by different plants. In the past, we have used chlorine to disinfect the finished drinking water, but then it may produce trihalomethanes (THMs) and other products. These can be potential carcinogens. This includes most of the halogens, especially the chlorine [7].

           Chlorine is a major halogen used in water treatment for controlling microbial quality. Marhaba [8].described the US Environmental Protection Agency (US EPA) initiated and negotiated the rule-making process for the Disinfectant/Disinfections By Products (D/DBPs) Rule in 1992. Owing to the complexity of the problems, US EPAhad to draw on the expertise of others to prepare the rule. The regulation was proposed in two steps.

           Stage 1 of the D/DBPs Rule was proposed in 1994 and became effective in December 1998. It lowered the total THM (TTHM) maximum contaminant level (MCL) from 0.100 to 0.0800 mg/L and three other classes of DBPs. The rule also set maximum residual disinfectant levels (MRDL) for three disinfectants. To provide necessary data for stage 2 of the D/DBP regulations, the Information Collection Rule (ICR) (begun July 1, 1997, ended December 1998) was proposed in 1994 with stage 1 of the D/DBP Rule. Stage 2 was re-proposed in 2000 and required even lower MCLs for DBPs than those proposed in stage 1. The 1996 Amendments to the Safe Drinking Water Act (SDWA) require US EPAto promulgate the stage 2 Rule by May 2002. Stage 1, proposed in 1994 and promulgated in 1999, provided maximum contaminant levels (MCLs) for the sum of five haloacetic acids (HAAs) at 0.6 mg/L, BrO3 at 0.010 mg/L, and brominates trihalomethane (THMs) at 0.08 mg/L. Stage 2 MCLs of 0.040 mg/L for TTHMs and 0.020 mg/L for HAAs were proposed. Table 1 gives a summary of the proposals according to the affected parameters.

 

Table 1 Proposed Disinfectant Level on Disinfectant Residuals and DBPs

Parameter Effective Stage 1 (mg/L) Anticipated Stage 2 (mg/L)
MRDL for chlorine 4.0 4.0
MRDL for chloramines 4.0 4.0
MRDL for chlorine dioxide 0.8 0.8
MCL for TTHM 0.08 0.04
MCL for five haloacetic acids (HAAs) 0.06 0.02
MCL for bromate ion 0.01  
MCL for chlorite ion 1.0  
  1. Chlorine Dioxide

Chlorine dioxide is widely used as an alternative to chlorine for treating drinking water . Numerous chlorine dioxide generation technologies have recently been developed to improve the conversion efficiency and purity of chlorine dioxide [9]. Water utilities use chlorine dioxide for peroxidation, control of taste and odor problems, and inactivation of common pathogens. Because chlorine dioxide is an oxidizing agent that does not chlorinate, it is often used for lower THM concentrations in finished water to meet levels established by the US EPA.

  1. Chloramines

Owing to the D/DBP rule, many water utilities may be switching from chlorine to alternative disinfectants. Chloramines have become the disinfectant of choice to replace free chlorine in distribution systems because they produce fewer DBPs while controlling the re-growth of bacteria. Controlling nitrification is essential if chloramines are to be a viable alternative disinfectant scheme for distribution systems in all types of environments.

El-Shafy and Grunwald [10].  studied the formation of THMs and its species from the reaction of chlorine with humic acid substances. This has caused much attention because of their carcinogenic and dangerous health effects. They found residual chlorine in water entering the distribution pipelines was on average 0.75 mg/L and decreased with distance until it reaches zero. The low velocity and large volume of reservoirs increased the residence time and correspondingly provided conditions for more chlorine decay and accordingly an increase in THM formation. The residence time and decay of chlorine were used as good predictors for the formation of THM and Chloroform in this study.

  1. Coagulant

The evaluation of 16 sites, with optimized coagulation provide an assessment of the technique and illustrate its capabilities to meet the requirements of Disinfectants/Disinfections by-product rule (D/DBP), were done by Bell-Ajy et al. [11]  .

Jar tests were used to determine the effectiveness of optimized coagulation for the removal of organic carbon, DBP precursors, particles, and turbidity when supernatant results were compared with conventional treatment. Jar-test results indicated that optimized coagulation could enhance the removal of organic carbon and DBP precursors.

 

  1. Ozone

Ozonation is one of the alternative techniques to replace traditional chlorine . Although the use of ozone will not produce chlorinated THM, haloacetic acids or other chlorinated by products, it will react with nature organic material. Ozone and its primary reactive product, the hydroxyl free radial (OH−), are strong oxidizers.

The oxidation by-products typically include aldehydes, aldo and keto acids, carboxylic acids, and peroxide. Grosvener [12]  presented a paper providing a detailed summary of ozonation and by-product formation chemistry, effective approaches toward the control of by-product formation, and DBP precursor removal technologies. Natural organic materials (NOM), a major component of total organic materials, is a complex matrix of total organic chemicals that can be derived from partial bacterial degradation of soil, living organisms, and plant detritus.

  1. Organic Disinfectants

Wang [13] has studied the use of various organic disinfectants for water purification, swimming pool water disinfection, and sludge disinfection. The major advantage of using organic disinfectants is that organic disinfectant will not be consumed easily by the target influent water, wastewater, or sludge containing organics.

  1. Ultraviolet (UV)

Hartz [14] described the pilot study at Midway Sewer District, located south of Seattle, WA. Owing to new regulation requirements, the district commissioned an investigation of alternative methods of disinfection, a pilot study to determine the effectiveness of ultraviolet irradiation. The UV process involved subjecting the wastewater to light energy in which lamps are tuned to emit certain light frequencies . In the case of UV used for microorganism inactivation, the lamps are tuned to a specific emission wavelength, for low-pressure lamps, the frequency most effective for inactivation around 250 nm. A number of variables regarding the effectiveness of the UV systems included: (a) light intensity, (b) residence time, and (c) effluent requirements. The results were that the percentage of light transmission for this pilot trial was slightly lower than normal. It was indicated that trickling filter tended to produce a wastewater that has a lower percentage light transmission. Then, owing to the solid content contact unit following the trickling filter system, the residual turbidity is lowered and the light transmittance is slightly increased. The UV light transmission was about 62% for an unfiltered sample of the wastewater. Filtration of the wastewater sample improved the light transmission by 5%. The district has found this technique as a possible alternative.

 

By

Ahmed Ahmed Elserwy

Water & Environmental Consultant

Ain Shames University, Faculty of Science

 

 

References

[1]. T. Governor, Water Engineering Management, February, 30–33 (1999).

[2].. W. Sung, B. Reilley-Matthews, D. K. O’Day, and K. Horrigan, JAWWA, 92, 53–63 (2000).

[3].. L. K. Wang, J. New England Water Works Association, 89, 250–270 (1975).

[4].. L. K. Wang, Water and Sewage Works, 125, 99–104, (1978).

[5].. L. K. Wang, Y. T. Hung and N. K. Shammas (eds.), Physicochemical Treatment Processes.

Humana Press, Totawa, NJ. 2004.

[6].. L. K. Wang, N. K. Shammas and Y. T. Hung (eds.), Advanced Physicochemical Treatment

Processes. Humana Press, Totawa, NJ. 2005

[7]. M. Krofta and L. K. Wang, Removal of Trihalomethane Precursors and Coliform Bacteria by Lenox Flotation-Filtration Plant, Water Quality and Public Health Conference, US Department of Commerce, National Technical Information Service, Springfield, VA, Technical Report PB83-244053, 1983, pp. 17–29.

[8]. T. F. Marhaba, Water Engineering Management, January, 30–34 (2000).

[9]  G. Gorden, JAWWA 91, 163–174 (1999).

[10]  M. A. El-Shafy and A. Grunwald, Water Research 34, 3453–3459 (2000).

[11]  K. Bell-Ajy, E. Mortezn, D. V. Ibrahim, and M. Lechevallier, JAWWA, 92, 44–53 (2000).

[12]  T. Grosvenor, Water Engineering Management, 30–39 (1999).

[13]  L. K. Wang, J. New England Water Works Association, 89, 250–270 (1975).

[14] K. Hartz, Water Engineering Management, August, 21–23 (1999).

 الإسموزية والضغط الإسموزي  (محاولة تفسير وفهم لظاهرة فيزيائية )

عند الوصول إلي حالة الإتزان ، فإن جانب المحلول الأعلي في التركيز يحصل علي ارتفاع أكبر في منسوب المحلول من جانب المحلول الأقل في التركيز رغم تساوي ارتفاع المحلولين علي جانبي الغشاء في البداية.إن الإسموزية هي عملية طبيعية تلقائية ديناميكية وفيها تنتقل جزيئات الماء أو المذيب خلال غشاء شبه منفذ من الوسط الأقل إلي الوسط الأعلي في تركيز المواد الذائبة لتعادل تركيز المحلولين علي جانبي الغشاء . وهي عملية مهمة وتلعب دورا متكاملا في كثير من الأنظمة البيولوجية ، والأنسجة الحية من أجل الحفاظ على بيئة داخلية مثالية ، وكذلك إنتقال المياه إلي النبات من التربة عبر أغشية الجذر وهو مهم لعملية البناء الضوئي وغيره من العمليات الحيوية الهامة.

هذا الفرق في الإرتفاع الناتج بين المحلولين علي جانبي الغشاء شبه المنفذ عند الإتزان هو ما يسمي بالضغط الإسموزي ، وبمعني أخر هو الضغط الخارجي المطلوب لمنع تدفق المياه بين المحلولين المختلفين في التركيزعبر الغشاء شبة المنفذ.

والسؤال الواضح الذي يطرح نفسه هو كيف يمكن أن يتحرك المذيب عبر غشاء شبه منفذ من منطقة ذات ضغط تناضحي أقل إلى ضغط تناضحي أعلى متغلبا على الضغط الهيدروستاتيكي.

على سبيل المثال ، في الشكل الموضح أدناه ، يتم فصل ذراعي أنبوب عن طريق غشاء شبه نفاذ حيث يحتوي الذراع الايمن على محلول ذو تركيز منخفض من المذاب مقارنة بتركيز محلول ذراع الجانب الأيسر.

في البداية ، يكون المستوى هو نفسه في ذراعي الأنبوب . عندما يبدأ التناضح ، فإنه يدفع المذيب من ذراعه اليمني إلى ذراعه اليسرى عبر الغشاء شبه النفاذ ، حتى يساوي الضغط التناضحي في الذراع الأيمن مع الضغط الهيدروستاتيكي الذي يمارسه الذراع الأيسر.

وعلى الرغم من أن التناضح هو ظاهرة مألوفة ، وله أهمية محورية في النظم الطبيعية ، إلا أنه نادراً ما يفسر كيف يمكن أن يعمل على المستوى الجزيئي. وفي حين أن هناك العديد من النظريات والتفسيرات التي حاولت تفسير الخاصية الاسموزية ، فإن كل منها استطاع تفسير جزء من ظواهر تلك العملية وأخفق في تفسير جزء أخر ولا يوجد حتي الأن رؤية شاملة لماذا تحدث الخاصية الأسموزية ؟ وفي هذا المقال سيتم استعراض ومناقشة ثلاثة من أهم تلك التفسيرات: 1- الإنتشار بسبب التدرج المفترض لتركيز المياه ، 2- جزيئات المياه المقيدة ، 3- عدد الجسيمات أو ضغط البخار لفانت هوف .

الإنتشار بسبب التدرج المفترض لتركيز المياه

هو تفسير بسيط جدا للتناضح ، حيث أن جزيئات المياه تنتقل وتنتشر عبر التدرج في تركيزها من المحلول النقي حيث يكون الماء هو أكثر تركيزاً من المحاليل التي تحتوي علي مواد مذابة لأن المذاب يجب أن يأخذ بعض المساحة في المحلول فتخفيف الماء عن طريق المذاب يؤدي إلى انخفاض تركيز الماء ، وبالتالي يحدث انتشار للماء على طول التدرج في تركيزها من المرتفع إلى المنخفض .

يبدو تفسير جيد ، أليس كذلك ؟ لكن هناك خطأ ما.

فمثلا لو افترضنا أن المحلولين علي جانبي الغشاء أحدهما من الماء النقي والأخر محلول من السكر ، فلماذا لا تتدفق المياه بشكل عشوائي عبر مسام الغشاء في أي من الاتجاهين ، مما يؤدي إلى عدم وجود ضغط تناضحي؟

نعم ، تركيز الماء أقل على الجانب الذي به محلول السكر ، ولكن ماذا يعني ذلك لأي مسام فردية؟ إذا لم يكن جزيء السكر بالقرب من المسام ، فإن تركيز الماء هو نفسه على جانبي المسام ، وإذا كان جزيء السكر قريبًا بما يكفي من المسام ليحجب جزءاً منها ويمنع جزيئات الماء من الهروب ، فإنه يجب أن يمنع تدفق المياه في كلا الاتجاهين ، دون تمييز ، فقد تضرب جزيئات الماء التي تحاول اختراق المسام من الجانب الأخر جزيء السكر ، لكن جزيئات الماء في نفس الجانب تدفع أيضًا جزيء السكر.

أيضاً إذا كان هذا صحيحًا ، فيجب أن يكون تركيز الماء قادراً على التنبؤ باتجاه التناضح عند استخدام المذيبات المختلفة. على سبيل المثال ، يحتوي محلول السكروز(0.2 مولالي أي على 0.2 مول من السكر في كيلوغرام من الماء) على تركيز مائي يبلغ 937 جم / لتر ، بينما يحتوي محلول كلوريد الصوديوم (0.2 مولالي) على تركيز ماء أعلى بكثير – 989 جم / لتر.  ولذلك يجب أن يحصل محلول السكروز على الماء من محلول كلوريد الصوديوم إذا تم فصل الاثنين عن طريق غشاء نصف نافذ .

لكن الحقيقة هي أن المحلول الملولاي للسكروز مع إحتواءه علي تركيز ماء أقل من نفس تركيز المحلول المولالي لكلوريد الصوديوم يزيح المزيد من الماء في إتجاه محلول كلوريد الصوديوم لذلك ، لا يبدو أن تدرج تركيز الماء مهم.
لذلك هذا التفسير لا يمكن الدفاع عنه.

تفسير المياه المقيدة

هذا يعني أن أي مادة قابلة للذوبان في الماء (مثل السكروز أو كلوريد الصوديوم) سوف يرتبط بجزيئات المياه ويكون الجزئات أو الأيونات المماه ويمنع جزيئات الماء تلك من التحرك بحرية . لذلك ، فإن جانب غشاء شبه المنفذ والذي به بماء نقي له تركيز ماء “حر” أعلى من الجانب الذي به جزيئات ذائبة .

أو بطريقة أخري فإن المياه تنتقل من المحاليل المائية ذات الجهد الكيميائي الأكبر إلي المحاليل ذلت الجهد الكيميائي الأقل عند فصلهم بغشاء شبه منفذ ،حيث أن المياه النقية ذات جهد كيميائي أكبر.

ولكن إذا تحرك الماء في اتجاه من الجهد الكيميائي الأعلي إلى الجهد الكيمائي الأقل على أساس تركيز المذاب فقط ، فمثلا  إذا  كنت تفصل محلولين من ملح كلوريد الصوديوم والسكروز لهما نفس التركيز المولي بغشاء شبه منفذ ، يجب أن ينتقل الماء من جانب كلوريد الصوديوم (المول 58.5 جرام) حيث يوجد المزيد من الماء لجانب السكروز(المول 342 جرام) ، حيث يوجد ماء أقل. لكن هذا لا يحدث ، حيث يمتص محلول كلوريد الصوديوم الماء أكثر .

والواقع الفعلي هو أن التناضح لا يعتمد على درجة إماهة ولا حجم جزيئات المذاب بقدر ما يعتمد علي عدد جزيئات المذاب .

عدد الجسيمات أو قانون فانت هوف .

يستند هذا التفسير على قانون فانت هوف. وفقا لهذا القانون لمحلول مخفف في درجة حرارة ثابتة ، فإن الجهد التناضحي يتناسب مع تركيز وعدد جزيئات المذاب. وليس حجم أو طبيعة الجزيئات المذابة فقط . لذلك ، على سبيل المثال ، سيكون لأيون الصوديوم الصغير نفس التأثير التناضحي مثل جزيء السكروز الكبير ، وكلاهما سيعادل جزيء نشا كبير جدا. هذا يعني أيضا أن المواد المؤينة مثل كلوريد الصوديوم يجب أن يكون لها تأثير تناضحي أكبر من المواد غير المؤينة مثل السكروز لأنه عندما تتأين ، فإنها تولد المزيد من الجسيمات . قانون فانت هوف يفسر إلى حد ما التناضح بشكل أفضل من التفسرين السابقين ، ولكن الحقيقة هي أن قانون فانت هوف هو علاقة تجريبية ، وليس وصفاً مادياً لماذا يحدث التناضح.

π = iMRT

حيث ، π هو الضغط التناضحي للمحاليل

i هو معامل فانت هوف.

M = التركيز المولي mol / L.

R = الثابت العام للغازات  L · atm / mol    0.08206= K

T = درجة الحرارة المطلقة في K= 273 + °C))

ولذلك فإن الضغط التناضحي يعتمد على 1- التركيز المولي للمادة المذابة 2- عامل فانت هوف ، وهو يعبر عن مدى ترابط أو تفكك المواد الذائبة في المحلول أو عدد الجسيمات التي يتفكك فيها المذاب في الماء ، فمثلا السكروز = 1 وكلوريد الصوديوم = 2 .

مثال : ما هو الضغط التناضحي لمحلول 1.00 مولار من السكروز عند 25 درجة مئوية؟

عندما ندخل في المعادلة ، لدينا:

(π = i (1.00 mol / L) (0.08206 L atm / mol K) (298 K)

ومع ذلك ، هناك  مجهولين: π وهو ما نريد ، و i معامل فانت هوف

وهو ثابت تجريبي بدون وحدة يرتبط بدرجة تفكك المذاب ، وهذا يعني أنه مجرد رقم مثل 1 أو 2 يجب أن نحدده بالتجربة . ويمكنك التنبؤ بما يمكن أن تكون عليه القيمة النظرية ، ولكن القيمة الحقيقية لا توجد إلا في التجربة ، وهو يمثل “درجة التفكك”. وبذلك يكون معامل فانت هوف للسكروز هو 1 ، لأن السكروز لا يتأين في المحلول وتبقى جزيئات كاملة. وبالتالي فإن الجواب هو (24.4atm).

مثال أخر : ما هو الضغط التناضحي (عند 25 درجة مئوية) لمياه البحرتحتوي على حوالي 35.0 جرام من كلوريد الصوديوم لكل لتر. (تحتوي مياه البحر على أملاح أخرى ، ولكننا سنقوم بتجاهلها.)

نحول جرام إلى مول:

35.0 جم / لتر ÷ 58.443 جم/ مول = 0.599 مول / لتر

الآن ، قم بتوصيل المعادلة:

π = (i) (0.599 مول / لتر) (0.08206 لتر atm / mol K) (298 K)

ولكن ما  قيمة معامل فانت هوف لمحلول كلوريد الصوديوم؟

عندما يتأين كلوريد الصوديوم في المحلول ، فإنه ينتج أيونات الصوديوم والكلوريد. حيث ينتج مول واحد من كلوريد الصوديوم مول من كل نوع من الأيونات. لذا فإن عامل فانت هوف نظريا يساوي 2 ، ومع ذلك ، سنستخدم 1.8

لذا ، فان الحل:

π = (1.8) (0.599 mol/L) (0.08206 L atm / mol K) (298 K)

π = 26.4 atm

لماذا استخدم 1.8 لمعامل فانت هوف بدلاً من 2 ؟

هذا له علاقة بمفهوم يسمى الإقتران الأيوني . حيث أن عدد معين من أيونات الصوديوم وأيونات الكلوريد يجتمعان عشوائياً معًا ويكوّنا أيون كلوريد الصوديوم المزدوج . هذا يقلل من العدد الإجمالي للجسيمات في المحلول ، وبذلك يقلل معامل فانت هوف.

بقلم م/ يحيي علي

 

المصادر :

تحلية المياه باستخدام تكنولوجيا التناضح إلى الأمام Forward osmosis

  يعرف التناضح إلى الأمام Forward osmosis أو التناضح المباشر أو التناضح هو نقل المذيب (الماء عادة) عبرغشاء نفاذي انتقائي من منطقة ذات إمكانيات تناضحية أقل إلى منطقة ذات اسموزية عالية محتمل وخلال هذه العملية يتم رفض المذاب أو الذائب عن طريق الغشاء و بنفس الطريقة التي يتم بها غشاء التناضح العكسي . تقليديا، يتم تعريف التناضح   Osmosis باسم صافي حركة المياه عبر غشاء شبه منفذ يقودها اختلاف الضغط التناضحي عبر الغشاء ويسمح الغشاء الشبه منفذ بمرور الماء، لكنه يرفض الجزيئات أو الأيونات المذابة. كما يعرف الضغط التناضحي Osmotic pressure بأنه هو القوة الدافعة للعديد من التطبيقات التي سيتم مراجعتها ومناقشتها ولفهم الجوانب النظرية والتطبيقية للتناضح بشكل أكبر في مجال معالجة المياه يكون التناضح العكسي Reverse Osmosis  عملية مألوفة بشكل عام أكثر من التناضح Osmosis .  يستخدم التناضح العكسى RO ضغط هيدروليكي لمعارضة وتجاوز الضغط التناضحي لمحلول التغذية المائي لإنتاج المياه النقية  ففي التناضح العكسى RO الضغط المطبق هو الدافع لقوة النقل الجماعي من خلال الغشاء و لإنتاج المياه المحلاة باستخدام عملية التناضح إلى الأمام .  أما المزايا الرئيسية لاستخدام FO هي أنها تعمل في ضغوط هيدروليكية منخفضة أو معدومة ، ولديها طرد لكثير  من الملوثات  والاملاح المركزة ، وقد يكون لها ميل سفلي غشائي أقل من عمليات الغشاء المدفوعة بالضغط وذلك نظرًا لأن الضغط الوحيد الذي ينطوي عليه عملية FO يرجع إلى مقاومة التدفق في وحدة الغشاء. الجدير بالذكر أنه فى بعض المحطات يتم استخدام الطريقتين FO/RO combination التناضح الى الامام  Forward osmosis ثم التناضح العكسى Reverse Osmosis ويؤدى ذلك الى تقليل استهلاك الطاقة بالنسبة لوحدة التناضح العكسى لان معظم تركيزات الاملاح يتم التخلص منها فى مرحلة ال FO .

 

 

بقلم / كيميائى . أحمد محمود

استشارى معالجة مياه وصرف صحى

شركة ماتيتو لمعالجة المياه