تقنيات الأكسدة المتقدمة لمعالجة مياه الصرف الصحي العميقة: المقارنة والاختيار
مع إصدار الحكومات المحلية لمعايير تصريف الملوثات، تواجه محطات معالجة مياه الصرف الصحي مشكلة التطوير والتجديد. حتى في محطات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية، تُخلط أحيانًا نسبة معينة من مياه الصرف الصناعي بالمياه الواردة، مما يزيد من تعقيد تركيب المياه الخام وارتفاع محتوى المواد العضوية صعبة التحلل. وهذا يُشكل صعوبات كبيرة في الامتثال لمعايير CODCr عند تطوير وتجديد محطات معالجة مياه الصرف الصحي.
أصدرت الحكومة تباعًا "التدابير العشرة للمياه" و"المبادئ التوجيهية لمعالجة المسطحات المائية السوداء والكريهة الرائحة في المناطق الحضرية"، مقترحةً بذلك فترات زمنية لتحسين جودة البيئة المائية على مستوى البلاد ومعالجة المسطحات المائية السوداء والكريهة الرائحة في المناطق الحضرية. كما طبقت الحكومات المحلية تباعًا معايير لتصريف الملوثات في محطات معالجة مياه الصرف الصحي. ويتمثل المؤشر الأساسي في خفض محتوى الطلب الكيميائي للأكسجين (COD) في المياه إلى 50 ملجم/لتر، و30 ملجم/لتر وفقًا لمتطلبات المعايير المختلفة، وحتى إلى أقل من 20 ملجم/لتر لتحقيق قيمة إعادة الاستخدام. ويتزايد استخدام تكنولوجيا الأكسدة المتقدمة في المعالجة العميقة لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي.
هناك ثلاث عمليات أكسدة متقدمة لإزالة CODcr من الماء، وهي: أكسدة فينتون، وأكسدة ClO2 التحفيزية، وأكسدة O3 التحفيزية. تُجرى الآن مقارنة اقتصادية وفنية لعمليات الأكسدة التحفيزية الثلاث المذكورة أعلاه.
عملية أكسدة فينتون
يُطلق على مزيج أملاح الحديدوز وبيروكسيد الهيدروجين اسم كاشف فينتون، الذي يُمكنه أكسدة وإزالة المركبات العضوية التي يصعب تحللها والتي لا يُمكن إزالتها بتقنيات معالجة مياه الصرف الصحي التقليدية بفعالية. يكمن جوهره في أن H2O2 يُولّد جذور هيدروكسيل شديدة التفاعل (OH) تحت التأثير التحفيزي لـ Fe2+، والتي تتفاعل مع معظم المركبات العضوية لتحللها.
خصائص عملية أكسدة فينتون
1) الأكسدة غير انتقائية ولها قدرة قوية على إزالة المواد العضوية؛
2) تتحلل المادة العضوية في النهاية إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، دون أي منتجات وسيطة سامة أو ضارة، مما يضمن السلامة والحماية البيئية؛
3) يجب أن تكون قيمة الرقم الهيدروجيني لمياه الصرف الصحي بين 2 و 4. يجب تعديل مياه الصرف الصحي إلى حمضية ثم تعديلها إلى محايدة بعد اكتمال الأكسدة؛
4) يؤدي الاستهلاك العالي للمواد الكيميائية اللازمة للتحلل الكامل لطلب الأكسجين إلى ارتفاع تكاليف المعالجة؛
5) وقت الاستجابة السريع قصير.
تعتبر أكسدة فينتون مناسبة للتطبيقات العالية، مما يؤدي إلى تكاليف معالجة عالية؛
من الصعب تطبيق طريقة أكسدة كاشف فينتون في محطات معالجة مياه الصرف الصحي الكبيرة والمتوسطة الحجم بسبب الحاجة إلى تعديل الأحماض والقلويات، واستهلاك الكواشف العالي، ووقت التفاعل الطويل، وحجم الحمأة الكبير.
طريقة أكسدة كاشف فينتون مناسبة لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي الصغيرة والمتناهية الصغر ذات المياه الواردة الحمضية، وخاصة لمعالجة مياه الصرف الصحي الحمضية في بعض مؤسسات الصبغة والمبيدات الحشرية والمستحضرات الصيدلانية الوسيطة.
عملية الأكسدة التحفيزية لـ ClO2
تُعد طريقة الأكسدة الحفزية بثاني أكسيد الكلور إحدى تقنيات الأكسدة المتقدمة لمعالجة المياه، والتي تم تطويرها وتحسينها استنادًا إلى طريقة الأكسدة الكيميائية. يقوم مبدأ الأكسدة الحفزية بثاني أكسيد الكلور على استخدام مؤكسد قوي - ثاني أكسيد الكلور - لتحفيز أكسدة الملوثات العضوية في مياه الصرف الصحي تحت درجة حرارة وضغط طبيعيين، وبوجود محفزات سطحية. تُؤكسد الملوثات العضوية مباشرةً إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، أو تُؤكسد الملوثات العضوية كبيرة الجزيئات إلى ملوثات عضوية صغيرة الجزيئات، مما يُحسّن قابلية التحلل البيولوجي لمياه الصرف الصحي ويزيل الملوثات العضوية بفعالية.
خصائص عملية الأكسدة التحفيزية لـ ClO2
1) قدرة أكسدة ClO2 طويلة الأمد؛
2) التفاعل بين ClO2 والمركبات العضوية لا ينتج عنه أي كلوريدات عضوية متباعدة تقريبًا ولا ثلاثي كلورو الميثان المسبب للسرطان؛
٣) يُظهر التفاعل مع المركبات العضوية انتقائيةً ملحوظة، وترتبط قدرة الأكسدة ارتباطًا وثيقًا بأنواع البدائل في المركبات العضوية. استخدام محفزات فعّالة يتغلب على انتقائيتها في أكسدة المواد العضوية؛
4) يؤدي تحلل المواد العضوية بشكل أساسي إلى توليد مركبات جزيئية صغيرة تحتوي على مجموعات أكسجين، مما يمكن أن يزيد من قيمة BOD5 لمياه الصرف الصحي ويحسن قابلية التحلل البيولوجي؛
5) يجب أن تكون قيمة الرقم الهيدروجيني لمياه الصرف الصحي حمضية قليلاً (حوالي 6)، لذلك من الضروري ضبط مياه الصرف الصحي إلى حمضية ثم ضبطها إلى محايدة بعد الأكسدة.
6) وقت رد الفعل: ما بين 45 إلى 60 دقيقة.
2. المناسبات المناسبة للأكسدة التحفيزية لـ ClO2
بسبب قيمة الرقم الهيدروجيني الحمضية (حوالي 6) المطلوبة لتكنولوجيا الأكسدة الحفزية لثاني أكسيد الكلور، يجب تعديل مياه الصرف الصحي إلى حمضية ثم إلى محايدة بعد الأكسدة، مما يحد من تطبيقها في محطات معالجة مياه الصرف الصحي الكبيرة والمتوسطة الحجم.
نظراً للانتقائية الكبيرة في تفاعل ثاني أكسيد الكلور مع المركبات العضوية، من الضروري اختيار المحفزات المناسبة. في التطبيقات العملية، يُعد اختيار المحفزات معقداً وصعباً، مما يحد من ترويجها وتطبيقها في مياه الصرف الصناعي.
في الوقت الحاضر، تشمل المجالات التي تم فيها تطبيق تقنية الأكسدة الحفزية لثاني أكسيد الكلور بنجاح ما يلي:
1) تم تحقيق نتائج جيدة في معالجة مياه الصرف الصحي الناتجة عن غاز الفحم، ومياه الصرف الصحي المحتوية على السيانيد عالي التركيز، ومياه الصرف الصحي المحتوية على بارا أمينوبنزيل إيثر، ومياه الصرف الصحي المحتوية على الفينول فورمالدهيد، ومياه الصرف الصحي الناتجة عن الطباعة والصباغة، والتي يمكنها إزالة أصعب الملوثات العضوية التي يمكن تحللها وتحسين قابلية التحلل البيولوجي لمياه الصرف الصحي؛
2) له تأثيرات جيدة في إزالة اللون وإزالة COD على الأصباغ القابلة للأكسدة بسهولة والتي تذوب في الماء مثل الأصباغ الكاتيونية والأصباغ الآزوية والأصباغ غير القابلة للأكسدة بسهولة والتي تذوب في الماء مثل الأصباغ الكبريتيدية.
عملية الأكسدة التحفيزية للأوزون
الأكسدة التحفيزية للأوزون هي استخدام جذور الهيدروكسيل [OH] التي يُنتجها الأوزون تحت تأثير محفز لأكسدة الملوثات العضوية في الماء وتحليلها. بفضل قدرة الأكسجين القوية على الأكسدة وتفاعل الأكسدة غير الانتقائي، يُمكنه أكسدة وتحلل الغالبية العظمى من المركبات العضوية بسرعة (بما في ذلك بعض المركبات العضوية عالية الاستقرار وصعبة التحلل).
محفزات الكربون المنشط المحمّلة بالمعادن هي مواد مركبة تتكون من خليط من أجزاء بلورية وغير متبلورة صغيرة، ويحتوي سطح المحفز على عدد كبير من المجموعات الوظيفية الحمضية أو القاعدية. إن وجود هذه المجموعات الوظيفية الحمضية أو القاعدية، وخاصةً مجموعات الهيدروكسيل والفينول، يمنح المحفز ليس فقط القدرة على الامتزاز، بل أيضًا القدرة على التحفيز. في العملية التآزرية للأوزون/المحفز، يتحلل الأوزون تحت تأثير المحفز لإنتاج [·OH]، مما يُحفّز تفاعلًا متسلسلًا. يُنتج هذا التفاعل أيضًا ذرة أكسجين أحادية مؤكسدة شديدة التفاعل [·O].
خصائص الأكسدة التحفيزية للأوزون
1) قدرة قوية للغاية على أكسدة الملوثات العضوية وإزالة المواد العضوية؛
2) إن مشاركة المحفزات تقلل بشكل كبير من انتقائية الأكسدة ويمكن تطبيقها عالميًا تقريبًا؛
3) تتحلل المادة العضوية في النهاية إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، دون أي منتجات وسيطة سامة أو ضارة، مما يضمن السلامة والحماية البيئية؛
4) يمكن أن تكون قيمة الرقم الهيدروجيني محايدة أو قلوية، وليس هناك حاجة لتعديل قيمة الرقم الهيدروجيني لمياه الصرف الصحي؛
5) يقوم مولد الأوزون بتوليد الأوزون من الكهرباء والهواء، دون استخدام المواد الكيميائية، مما يضمن السلامة والنظافة في الموقع؛
6) وقت تفاعل الأكسدة قصير نسبيًا، ويتم التحكم فيه عمومًا عند حوالي 30 دقيقة، وحجم المفاعل صغير.
المناسبات المناسبة للأكسدة التحفيزية للأوزون
بفضل الخصائص المذكورة أعلاه، تُعدّ تقنية الأكسدة التحفيزية بالأوزون مناسبةً تقريبًا لتحلل CODcr في محطات معالجة مياه الصرف الصحي الكبيرة والمتوسطة والصغيرة، ولجميع أنواع مياه الصرف. بمقارنة عمليات الأكسدة الثلاث المذكورة أعلاه، يتبين أن عملية الأكسدة التحفيزية بالأوزون تتميز بفعاليتها العلاجية الجيدة، وإمكانية تطبيقها على نطاق واسع، وتقنيتها المتطورة. في الوقت نفسه، تُعدّ تطبيقاتها ناجحةً للغاية في محطات معالجة مياه الصرف الصحي المحلية والأجنبية.
لأن مياه الصرف الصحي المراد معالجتها بعمق هي مياه الصرف من خزان ترسيب خضع للمعالجة الهوائية البيولوجية، فإن نسبة الطلب البيولوجي البيوكيميائي (BOD) إلى الطلب الكيميائي الكيميائي (COD) في مياه الصرف الصحي منخفضة جدًا. ولخفض قيمة الطلب الكيميائي الكيميائي (COD) بشكل أكبر، يجب استخدام طرق معالجة متطورة. من بين جميع طرق المعالجة المتقدمة، تتميز تقنية الأكسدة الحفزية بالأوزون بتأثيرات معالجة جيدة، وتطبيقات واسعة، وتقنية متطورة. في الوقت نفسه، هناك العديد من التطبيقات الناجحة في محطات معالجة مياه الصرف الصحي المحلية والأجنبية. وبالمقارنة مع طرق الأكسدة المتقدمة الأخرى، تتميز هذه التقنية بانخفاض تكلفة الاستثمار، وتحملها العالي لتغيرات جودة المياه، وسهولة التشغيل والصيانة، وانخفاض تكاليف التشغيل.
