معالجة مياه الصرف الصحي للمعادن الثقيلة: الترسيب، الحمأة، ونزع الماء بواسطة مكبس الترشيح

إجابة سريعة: تُعالَج مياه الصرف الثقيلة المعادن بتحويل المعادن الذائبة إلى مواد صلبة غير قابلة للذوبان — عادةً هيدروكسيدات برفع الأس الهيدروجيني بالجير أو الصودا الكاوية، وأحياناً كبريتيدات عندما يكون الحد منخفضاً جداً — ثم ترسيب الحمأة ونزع الماء منها. الحمأة هي الجزء المكلف: حمأة الهيدروكسيد تكون 96–99% ماء عند خروجها من المروّق، والمكبس الترشيحي هو ما يحولها إلى كعكة يمكن نقلها كنفايات خطرة.

ما الذي يُعتبر مياه صرف ثقيلة المعادن

مياه شطف الطلاء الكهربائي وتشطيب المعادن، وحفر لوحات الدوائر المطبوعة، وخطوط التخليل، وتصنيع البطاريات وإعادة تدويرها، ومياه المناجم والمخلفات، ومياه الصرف من المدابغ (الكروم) وبعض تيارات المنسوجات والأصباغ. المعادن التي تدرجها الجهات التنظيمية فعلياً هي مجموعة قصيرة. قواعد تشطيب المعادن الأمريكية في 40 CFR Part 433 تنظم الكادميوم، الكروم، النحاس، الرصاص، النيكل، الفضة، الزنك والسيانيد، بالإضافة إلى إجمالي المواد العضوية السامة، والزيوت والشحوم، والمواد الصلبة العالقة الكلية، ودرجة الحموضة.

الحدود صارمة. بموجب الجزء 433، الحد الأقصى اليومي لإجمالي الكروم هو 2.77 ملغم/لتر والمتوسط الشهري 1.71 ملغم/لتر؛ النحاس 3.38 / 2.07؛ النيكل 3.98 / 2.38؛ الزنك 2.61 / 1.48؛ الرصاص 0.69 / 0.43؛ الكادميوم 0.69 / 0.26؛ الفضة 0.43 / 0.24؛ السيانيد 1.20 / 0.65. تواجه المصادر الجديدة حدًا للكادميوم قدره 0.11 / 0.07 ملغم/لتر. يمكن أن يحمل ماء الشطف من خط الطلي عشرات إلى مئات الملغم/لتر من المعادن، لذا يجب أن تتجاوز كفاءة الإزالة 99% في كثير من الحالات.

الخطوة 1: المعالجة المسبقة للتيارات التي تسبب الترسيب

يجب التعامل مع تيارين قبل أي شيء آخر، وخلطهما في التدفق الرئيسي هو السبب الأكثر شيوعًا لفشل محطة المعالجة في استيفاء شروط التصريح.

• الكروم سداسي التكافؤ لا يترسب كهيدروكسيد. يجب أولاً اختزاله إلى الكروم ثلاثي التكافؤ، عادةً باستخدام ميتابيسلفيت الصوديوم عند درجة حموضة منخفضة، وعندها فقط يمكن ترسيبه كـ Cr(OH)₃ مع المعادن الأخرى.
• سيانيد يتم تدمير السيانيد من أحواض الطلي بالسيانيد بشكل منفصل عن طريق الكلورة القلوية قبل أن ينضم التيار إلى معالجة المعادن. اللائحة صريحة: يتم رصد السيانيد بعد معالجة السيانيد وقبل التخفيف مع التيارات الأخرى.
• عوامل مخلبية (EDTA، سيترات، أمونيا من النيكل غير الكهربائي أو الزنك القلوي) تُبقي المعادن في المحلول وتمنع ترسيب الهيدروكسيد. يتم فصل التيارات التي تحتوي عليها ومعالجتها إما بشكل منفصل أو بجرعة من مُرسِّب أقوى.

الخطوة 2: الترسيب — الهيدروكسيد أو الكبريتيد أو كليهما

ترسيب الهيدروكسيد

ارفع درجة الحموضة بالجير المطفأ أو الصودا الكاوية أو هيدروكسيد المغنيسيوم، فتترسب المعادن كهيدروكسيدات. عند درجة حموضة أقل من 6 يترسب القليل جدًا؛ وتعتمد درجة الحموضة المثلى على أي معدن وأي أيون مقابل موجود، ويصل كل معدن إلى أدنى ذوبانية له عند درجة حموضة مختلفة، لذا عادةً ما يُرسَّب التيار المختلط عند درجة حموضة توفيقية ثم، إذا كان معدن واحد لا يزال فوق الحد، يُصقل عند درجة حموضة ثانية.

يوضح دليل الترسيب الخاص بسلاح المهندسين بالجيش الأمريكي (EM 1110-1-4012) أن ترسيب الهيدروكسيد يمكن أن يخفض تركيز الكروم والنيكل والكادميوم والنحاس والزنك إلى أقل من 1.0 mg/L، لكنه يشير إلى أن الرصاص والمنغنيز والفضة قد لا تتم معالجتها بشكل كافٍ بهذه الطريقة. الجير هو الأرخص لكنه ينتج أكبر كمية من الحمأة: تحذر ورقة الحقائق الخاصة بالترسيب الكيميائي الصادرة عن وكالة حماية البيئة من أن الجير قد يزيد حجم حمأة النفايات بنسبة تصل إلى 50 في المائة مقارنة بالصودا الكاوية.

ترسيب الكبريتيد

كبريتيدات المعادن أقل ذوبانًا بكثير من الهيدروكسيدات. ويسرد الدليل نفسه الصادر عن USACE الذوبانية النظرية في الماء النقي: هيدروكسيد النحاس 2.2×10⁻² mg/L مقابل كبريتيد النحاس 5.8×10⁻¹⁸ mg/L؛ الزنك 1.1 مقابل 2.3×10⁻⁷؛ الرصاص 2.1 مقابل 3.8×10⁻⁹؛ الكادميوم 2.3×10⁻⁵ مقابل 6.7×10⁻¹⁰. وتجري تفاعلات الكبريتيد قرب درجة حموضة متعادلة (7–9)، ويُذكر أن حمأة الكبريتيد أقل عرضة للرشح بنحو ثلاثة أضعاف عند pH 5 مقارنة بحمأة الهيدروكسيد.

السعر قيد المعالجة. كبريتيد الصوديوم وغاز كبريتيد الهيدروجين مواد خطرة، ويجب إزالة الكبريتيد الزائد من النفايات السائلة، كما أن الراسب دقيق وبطيء الترسيب. الحل الوسط المعتاد هو الترسيب بالهيدروكسيد كخطوة رئيسية مع مرحلة تنقية صغيرة بالكبريتيد فقط للمعدن الذي لن يفي بحدوده بطريقة أخرى — عادةً الرصاص أو الكادميوم أو الفضة.

التخثر والترسيب

تكون نديفات الهيدروكسيد المتكونة حديثًا صغيرة. يُضاف كلوريد الحديديك أو بوليمر لبناءها إلى نديفات قابلة للترسيب، ثم يمر الماء إلى وحدة توضيح أو مرسّب صفيحي أو وحدة تعويم بالهواء المذاب. يمثل التدفق السفلي لوحدة التوضيح الحمأة: عادةً 1–4% مواد صلبة، وبكلمات دليل USACE، 96 إلى 99 بالمئة ماء.

الخطوة 3: الحمأة — المحرك الرئيسي للتكلفة

عادةً ما تُصنَّف الحمأة الناتجة عن هيدروكسيد المعادن كنفايات خطرة مُدرجة (في الولايات المتحدة، F006 لحمأة الطلي الكهربائي)، لذلك يتم التخلص منها بالوزن وفقاً لأسعار النفايات الخطرة. كل طن من الماء يُنقل مع المواد الصلبة هو خسارة مالية. لذلك فإن نزع الماء ليس فكرة ثانوية؛ بل يحدد تكلفة تشغيل المصنع بأكمله.

يعطي دليل USACE نتائج مقاسة لمكبس الترشيح الصفيحي والإطاري لحمأة الهيدروكسيد حسب المادة المرسبة:

هناك أمران يبرزان. أولاً، المادة المرسبة التي تختارها في المرحلة الأولية تغيّر نتيجة مكبس الترشيح أكثر مما يفعله المكبس نفسه: فحمأة هيدروكسيد المغنيسيوم تُرشَّح أسرع بأربع مرات وتنتج أقل من نصف الحجم، بتكلفة كواشف تعادل نحو ثلاثة أضعاف تكلفة الجير. ثانياً، حتى الحمأة القِلوِيّة تصل إلى 30% مواد صلبة في مكبس الترشيح، وهو ما نادراً ما تحققه مكبس الحزام أو جهاز الطرد المركزي مع نديف الهيدروكسيد الهلامي.

تحديد حجم مكبس الترشيح لحمأة هيدروكسيد المعادن

ابدأ من المواد الصلبة الجافة يوميًا، وليس من معدل التدفق. خط طلاء ينتج 100 كغ من هيدروكسيد المعدن الجاف يوميًا عند 35% من المواد الصلبة في الكعكة ينتج حوالي 285 كغ من الكعكة، أو حوالي 0.2 م³ عند 1,400 كغ/م³. وهذا يعني دورة أو دورتين يوميًا على مكبس ترشيح بالغرف. النقاط المهمة لهذه الحمأة على وجه الخصوص:

• وقت الدورة طويل. أوقات الترشيح من 7 إلى 9 ساعات في الجدول حقيقية؛ فندف الهيدروكسيد قابلة للانضغاط وتسد القماش. صمّم لدورة واحدة لكل وردية بدلاً من عدة دورات.
• الضغط على الغشاء يساعد. A مكبس ترشيح غشائي يمكن أن يقلل الدورة ويرفع نسبة المواد الصلبة في الكيك عدة نقاط، مما يحقق عائدًا سريعًا عندما يتم تحصيل رسوم التخلص لكل طن من النفايات الخطرة.
• اختيار القماش. بولي بروبيلين أحادي الشعيرة بسطح مكوي يُطلق كعكة الهيدروكسيد بشكل نظيف ويقاوم الجزيئات الدقيقة التي تسد القماش متعدد الشعيرات. انظر تحجيم مكبس ترشيح مياه الصرف من الطلي الكهربائي لاختيار القماش والصفائح.
• المواد. ألواح البولي بروبيلين والقماش تتحمل التغير في الأس الهيدروجيني من المعالجة المسبقة الحمضية إلى الترسيب القلوي دون تآكل؛ يجب أن تكون مضخة التغذية مضخة حجابية تعمل بالهواء المضغوط أو مضخة لولبية بتصميم مقاوم للتآكل.
• الرشح يعود. يحمل راشح مكبس الترشيح جزيئات دقيقة ومعادن مذابة عند درجة الحموضة الخاصة بالترسيب؛ أعدْه إلى مدخل المروّق، ولا تصرّفه مباشرة إلى المصرف أبدًا.

ما الذي يجب إرساله للحصول على عرض لمعالجة ونزح المياه

يتضمن الاستفسار المفيد ما يلي: العملية (نوع الطلاء الكهربائي، الحفر، البطارية، مياه المناجم)، معدل التدفق اليومي، تحليل التيار الخام (كل معدن، السيانيد، الأس الهيدروجيني، المواد المخلبية إن وجدت)، حدود التصريف التي يجب الالتزام بها، وكيفية التخلص من الحمأة. وبناءً على ذلك يمكننا تحديد حجم مرحلة الترسيب، وتقدير المواد الصلبة الجافة يوميًا، واختيار المكبس والقماش والمضخة. إذا كانت لديك حمأة بالفعل، فأرسل عينة: يخبرنا اختبار الترشيح بزمن الدورة والمواد الصلبة في الكعكة قبل تقديم أي عرض سعر.

ذو صلة: كمية الحمأة التي تنتجها محطة معالجة مياه الصرف الصحي, إزالة النيتروجين الأموني، و معدات معالجة مياه الصرف الصناعي.

الأسئلة الشائعة

ما هو الرقم الهيدروجيني المستخدم لترسيب المعادن الثقيلة؟

يُجرى الترسيب الهيدروكسيدي في النطاق القلوي، عادةً بين الأس الهيدروجيني 8 و11 حسب مزيج المعادن؛ وتحت الأس الهيدروجيني 6 لا يترسب تقريبًا أي شيء. لكل معدن درجة الأس الهيدروجيني الخاصة به عند الحد الأدنى للذوبان، لذلك تُرسَّب التيارات المختلطة عند درجة أس هيدروجيني وسطية، ويُصقل المعدن العنيد عند درجة أس هيدروجيني ثانية أو باستخدام الكبريتيد.

لماذا يُعالج الكروم سداسي التكافؤ بشكل منفصل؟

لأن الكروم سداسي التكافؤ يبقى في المحلول عند أي قيمة pH. يجب اختزاله أولاً إلى الكروم ثلاثي التكافؤ، عادةً باستخدام ميتابيسلفيت الصوديوم في ظروف حمضية، وعندها فقط يترسب كهيدروكسيد الكروم مع المعادن الأخرى.

هل ترسيب الكبريتيد أفضل من الهيدروكسيد؟

يصل إلى نسبة أقل بكثير من المعادن المتبقية، بفروق تصل إلى عدة مراتب من حيث الذوبان النظري، كما أن الحمأة ترشح كميات أقل. لكنه أكثر تكلفة، والكواشف المستخدمة خطرة، والراسب يترسب ببطء، لذا يُستخدم عادةً كخطوة تلميع للرصاص أو الكادميوم أو الفضة بدلاً من استخدامه لكامل التيار.

ما مدى جفاف حمأة هيدروكسيد المعدن التي يمكن الوصول إليها في مكبس الترشيح؟

تظهر نتائج المكبس الصفيحي المقاسة حوالي 30% من المواد الصلبة لحمأة الصودا الكاوية، و35% لحمأة الجير، و55% لحمأة هيدروكسيد المغنيسيوم. وتضيف مرحلة العصر الغشائي بضع نقاط إضافية.

هل الحمأة الناتجة عن هيدروكسيد المعادن نفايات خطرة؟

في معظم الولايات القضائية، نعم. في الولايات المتحدة، تُصنَّف حمأة معالجة مياه الصرف الناتجة عن الطلاء الكهربائي كنفايات خطرة F006 وتُتخلَّص منها بالوزن، ولهذا فإن نزع الماء للوصول إلى أعلى نسبة مواد صلبة عملية في الكعكة أمر بالغ الأهمية.

هل يمكنني تصريف راشح مكبس الترشيح مباشرة؟

لا. يحمل الراشح من حمأة الهيدروكسيد جزيئات دقيقة وبعض المعادن الذائبة عند درجة حموضة الترسيب. أعدْه إلى مدخل المروّق حتى يمر عبر الترسيب وتصحيح درجة الحموضة النهائي مرة أخرى.

أرسل تحليل المياه الخام لديك، ومعدل التدفق، وحدود التصريف، وسنقوم بتحديد حجم مرحلة الترسيب ومكبس الترشيح معًا: اطلب عرضًا لمعالجة المعادن الثقيلة.

المراجع: 40 CFR الجزء 433 — فئة المصدر النقطي لتشطيب المعادن (eCFR), فيلق المهندسين بالجيش الأمريكي — EM 1110-1-4012، الترسيب/التخثر/التنديف (2001), وكالة حماية البيئة الأمريكية — صحيفة وقائع تكنولوجيا مياه الصرف الصحي: الترسيب الكيميائي (832-F-00-018).

هذا المقال جزء من دليلنا إلى wastewater sludge dewatering.