المواد الكيميائية لمعالجة المياه: الدليل الكامل لتنقية المياه الآمنة

المواد الكيميائية الأساسية لمعالجة المياه وتطبيقاتها

تعتمد معالجة المياه على مواد كيميائية محددة لإزالة الملوثات، وقتل مسببات الأمراض، وضمان الاستهلاك الآمن. وتشمل الفئات الأساسية المطهرات (الكلور، الكلورامين، الأوزون)، مواد التخثر (الشب، كلوريد الحديديك)، أدوات ضبط الرقم الهيدروجيني (الجير، الصودا الكاوية)، ومساعدات الترشيح (الكربون المنشط، البوليمرات). . يعتمد اختيار المواد الكيميائية المناسبة على جودة مصدر المياه لديك وأهداف المعالجة والمتطلبات التنظيمية.

تستخدم أنظمة المياه البلدية عادة أساليب متعددة الحواجز تجمع بين العديد من المعالجات الكيميائية، في حين أن التطبيقات السكنية قد تتطلب التطهير الأساسي فقط. إن فهم وظيفة كل مادة كيميائية، ومعدلات الجرعات المناسبة، واعتبارات السلامة يضمن تنقية المياه بشكل فعال دون خلق مخاطر صحية جديدة.

كيماويات التطهير لمكافحة مسببات الأمراض

المطهرات القائمة على الكلور

يظل الكلور هو مطهر المياه الأكثر استخدامًا على مستوى العالم، وهو متوفر في ثلاثة أشكال أساسية: الكلور الغازي (Cl₂)، وهيبوكلوريت الصوديوم (سائل التبييض)، وهيبوكلوريت الكالسيوم (مسحوق). تتراوح تركيزات الكلور الفعالة من 0.2 إلى 1.0 ملغم / لتر في مياه الشرب ، مع أوقات اتصال تصل إلى 30 دقيقة مما يضمن القضاء على مسببات الأمراض بنسبة 99.9%.

تعد محاليل هيبوكلوريت الصوديوم (تركيز 5-15%) أكثر أمانًا في التعامل معها من غاز الكلور وتنتج نتائج تطهير مماثلة. لحمام سباحة سعة 10000 جالون تقريبًا 3-4 أونصات من هيبوكلوريت الصوديوم بنسبة 12.5% تحافظ على مستويات الكلور المناسبة . ومع ذلك، ينتج الكلور منتجات ثانوية للتطهير (DBPs) مثل ثلاثي الهالوميثان عند التفاعل مع المواد العضوية، مما يدفع بعض المنشآت إلى استكشاف البدائل.

الكلورامين والمطهرات البديلة

يوفر الكلورامين (الذي يتكون من الجمع بين الكلور والأمونيا) حماية متبقية طويلة الأمد في أنظمة التوزيع ويولد منتجات ثانوية للتطهير أقل من الكلور وحده . أكثر من 30% من مرافق المياه في الولايات المتحدة تستخدم الآن الكلورامين كمطهر ثانوي، على الرغم من أنه يتطلب نسبًا دقيقة من الأمونيا إلى الكلور (عادةً 1:4 إلى 1:5) لتجنب مشاكل الطعم والرائحة.

يوفر الأوزون (O₃) قوة أكسدة فائقة ولا يترك أي بقايا كيميائية، مما يجعله مثاليًا لإنتاج المياه المعبأة في زجاجات. توفر الأشعة فوق البنفسجية تطهيرًا خاليًا من المواد الكيميائية ولكنها تتطلب ترشيحًا مسبقًا ولا توفر أي حماية متبقية. تناسب كل طريقة تطبيقات مختلفة بناءً على جودة المياه ومقياس المعالجة والمتطلبات التنظيمية.

عوامل التخثر والتلبد

عوامل التخثر الأولية

تعمل مواد التخثر على تحييد الشحنات الكهربائية للجسيمات العالقة، مما يسمح لها بالتجمع معًا لتسهيل إزالتها. كبريتات الألومنيوم (الشب) هي أكثر عوامل التخثر شيوعًا، بمعدلات جرعات نموذجية تبلغ 10-50 ملغم/لتر حسب مستويات التعكر . يعمل كلوريد الحديديك وكبريتات الحديديك بشكل فعال عبر نطاقات الأس الهيدروجيني الأوسع (4-11) مقارنة بنطاق الشب الأمثل وهو 6-8.

مرسبات البوليمر

تعمل البوليمرات الاصطناعية على تعزيز تكوين الكتلة ومعدلات الاستقرار عند إضافتها بعد مواد التخثر الأولية. تعمل البوليمرات الكاتيونية بشكل أفضل مع الجسيمات سالبة الشحنة، بينما تعمل البوليمرات الأنيونية بشكل أفضل مع الملوثات المشحونة إيجابيًا. تتراوح جرعات البوليمر عادة من 0.1 إلى 2.0 ملغم / لتر ، أقل بكثير من مواد التخثر الأولية، مما يقلل من تكاليف المواد الكيميائية وحجم الحمأة بنسبة تصل إلى 30٪.

تعديل الرقم الهيدروجيني والتحكم في القلوية

إن الحفاظ على مستويات الحموضة المناسبة (عادة 6.5-8.5 لمياه الشرب) يضمن كفاءة المعالجة الكيميائية ويمنع تآكل الأنابيب. يرفع الجير (هيدروكسيد الكالسيوم) ورماد الصودا (كربونات الصوديوم) الرقم الهيدروجيني في الماء الحمضي، بينما يعمل حمض الكبريتيك أو ثاني أكسيد الكربون على خفض الرقم الهيدروجيني في الظروف القلوية. يمكن للمياه المسببة للتآكل ذات درجة حموضة أقل من 6.5 أن تتسرب من الأنابيب، مما يؤثر على ما يصل إلى 10 ملايين منزل في الولايات المتحدة. .

توفر الصودا الكاوية (هيدروكسيد الصوديوم) تعديلًا سريعًا لدرجة الحموضة ولكنها تتطلب معالجة دقيقة نظرًا لطبيعتها المسببة للتآكل. لتليين الماء العسر، تتبع جرعات الجير الصيغة التالية: الجير المطلوب (مجم/لتر) = 1.4 × الصلابة الكلية (مجم/لتر مثل CaCO₃) . تحافظ أنظمة التحكم في الأس الهيدروجيني الآلية على المستويات المثالية ضمن ±0.1 من وحدات الأس الهيدروجيني، وهو أمر ضروري لأداء علاج متسق.

الكربون المنشط ووسائط الامتزاز

يزيل الكربون المنشط المركبات العضوية والكلور والطعم والرائحة من خلال الامتزاز. تدوم أسرة الكربون المنشط الحبيبي (GAC) لمدة تتراوح من 6 إلى 24 شهرًا قبل الحاجة إلى الاستبدال، بينما يوفر الكربون المنشط المسحوق (PAC) جرعات مرنة لمشاكل الطعم والرائحة الموسمية. يمكن لـ GAC إزالة أكثر من 90% من الكلور والملوثات العضوية عندما يكون حجمها مناسبًا ، مع أوقات الاتصال النموذجية من 10 إلى 20 دقيقة.

يعتمد اختيار الكربون على الملوثات المستهدفة: يتفوق كربون قشرة جوز الهند في إزالة الجزيئات الأصغر مثل الكلور، بينما يتعامل الكربون القائم على الفحم مع المركبات العضوية الأكبر بشكل أكثر فعالية. تستهدف الوسائط المتخصصة، مثل راتنجات التبادل الأيوني، أيونات معينة (النترات والزرنيخ والصلابة)، مما يتطلب التجديد باستخدام المحاليل الملحية أو الحمضية كل 300-3000 حجم سرير.

كيماويات المعالجة المتخصصة

مثبطات التآكل والحجم

تعمل مركبات الأورثوفوسفات والبولي فوسفات على منع تآكل الأنابيب والقشور المعدنية. يقوم أورثوفوسفات الزنك بإنشاء أغشية واقية على الأجزاء الداخلية للأنابيب، مما يقلل من ترشيح الرصاص والنحاس 50-90% في أنظمة التوزيع . معدلات الجرعات النموذجية هي 0.5-3.0 ملغم/لتر للتحكم في تآكل توازن الفوسفات مع تجنب التصريف المفرط للفوسفات.

المواد الكيميائية الفلورة

يضيف حمض الفلوروسيليك وفلوريد الصوديوم وفلوروسيليكات الصوديوم الفلورايد لمنع تسوس الأسنان. يوصي مركز السيطرة على الأمراض تركيز الفلورايد 0.7 ملغم/لتر بالنسبة لأنظمة المياه المجتمعية، انخفض من النطاق السابق البالغ 0.7-1.2 ملغم/لتر لتقليل مخاطر التسمم بالفلور مع الحفاظ على فوائد الأسنان. أكثر من 73% من أنظمة المياه المجتمعية في الولايات المتحدة التي تخدم 211 مليون شخص تضيف الفلورايد.

مبيدات الطحالب والأكسدة

تتحكم كبريتات النحاس في الطحالب في الخزانات بتركيزات تتراوح بين 0.1-1.0 ملغم/لتر، على الرغم من أن المخاوف البيئية تحد من استخدامها. يقوم برمنجنات البوتاسيوم بأكسدة الحديد والمنغنيز وكبريتيد الهيدروجين مع توفير بعض التطهير. تعمل عمليات الأكسدة المتقدمة باستخدام بيروكسيد الهيدروجين مع الأشعة فوق البنفسجية أو الأوزون على تدمير المستحضرات الصيدلانية واختلال الغدد الصماء بشكل فعال معدلات الإزالة تتجاوز 95٪ .

معايير واعتبارات الاختيار الكيميائي

يتطلب اختيار المواد الكيميائية المناسبة لمعالجة المياه تحليل جودة مياه المصدر من خلال اختبارات شاملة. وتشمل المعلمات الرئيسية التعكر، ودرجة الحموضة، والقلوية، والصلابة، والحديد، والمنغنيز، والمواد الصلبة الذائبة الكلية، والمحتوى الميكروبيولوجي. أ اختبار جرة يحاكي عمليات العلاج، ويحدد أنواع وجرعات التخثر المثالية قبل التنفيذ على نطاق واسع.

العوامل الاقتصادية تؤثر بشكل كبير على الاختيار الكيميائي:

• تكلفة المواد الكيميائية لكل رطل أو جالون، بما في ذلك الشحن والتخزين
• كفاءة الجرعات (المادة الكيميائية الفعلية المطلوبة مقابل المتطلبات النظرية)
• تكاليف معالجة الحمأة والتخلص منها من عمليات التخثر
• متطلبات المعدات لتخزين المواد الكيميائية والتغذية والمراقبة
• تكاليف الامتثال التنظيمي ومتطلبات إعداد التقارير

يشمل تقييم الأثر البيئي تكوين المنتجات الثانوية، وحدود تصريح التصريف، وتأثيرات النظام البيئي طويلة المدى. تفضل المرافق بشكل متزايد المواد الكيميائية التي تقلل من إنتاج الحمأة وتتجنب الملوثات المستمرة في مخلفات المعالجة.

بروتوكولات المناولة والتخزين الآمنة

متطلبات التخزين

تتطلب المواد الكيميائية لمعالجة المياه ظروف تخزين محددة للحفاظ على الفعالية ومنع المخاطر. يتطلب غاز الكلور مباني منفصلة جيدة التهوية مزودة بأنظمة كشف التسرب وأجهزة تنقية الغاز في حالات الطوارئ. تحتاج المواد الكيميائية السائلة إلى احتواء ثانوي 110% من أكبر حجم للخزان لمنع الإطلاقات البيئية أثناء الانسكابات أو فشل الخزان.

يعمل التحكم في درجة الحرارة على إطالة العمر الافتراضي للمواد الكيميائية: يتحلل هيبوكلوريت الصوديوم بشكل أسرع بنسبة 50% عند 90 درجة فهرنهايت مقارنة بـ 70 درجة فهرنهايت، ويفقد 2-4% من الكلور المتوفر شهريًا في ظل الظروف الدافئة. إن التدوير السليم للمخزون باستخدام مبادئ الوارد أولاً يخرج أولاً (FIFO) يمنع استخدام المواد الكيميائية المتدهورة التي تؤثر على فعالية العلاج.

معدات الحماية الشخصية والسلامة

يجب على المشغلين ارتداء معدات الوقاية الشخصية المناسبة عند التعامل مع المواد الكيميائية المركزة:

• قفازات مقاومة للمواد الكيميائية (النتريل أو النيوبرين أو PVC حسب المادة الكيميائية)
• نظارات السلامة أو دروع الوجه للحماية من الرذاذ
• مآزر أو بدلات مقاومة للأحماض للتعامل مع المواد المسببة للتآكل
• حماية الجهاز التنفسي عند العمل مع غاز الكلور أو المواد الكيميائية المتطايرة
• محطات غسيل العين في حالات الطوارئ في غضون 10 ثوانٍ من مناطق التعامل مع المواد الكيميائية

لا تقم أبدًا بخلط المواد الكيميائية دون اتباع الإجراءات المناسبة - فجمع الكلور مع الأحماض ينتج غاز الكلور القاتل، بينما يؤدي خلط الكلور مع الأمونيا بدون نسب مناسبة إلى إنتاج أبخرة الكلورامين السامة. يجب أن تظل أوراق بيانات السلامة (SDS) في متناول جميع المواد الكيميائية، مع تفصيل المخاطر والإسعافات الأولية وإجراءات الاستجابة للانسكابات.

المراقبة والتحكم في الجرعة

الجرعات الكيميائية الدقيقة تمنع سوء المعالجة (عدم كفاية إزالة مسببات الأمراض) والإفراط في المعالجة (الانتهاكات التنظيمية، ومشاكل الذوق، والمواد الكيميائية المهدرة). تستخدم المرافق الحديثة أنظمة آلية مزودة بأجهزة استشعار في الوقت الحقيقي لقياس بقايا الكلور، ودرجة الحموضة، والعكارة، ومعدلات التدفق. تعمل أنظمة الجرعات التناسبية على ضبط معدلات التغذية الكيميائية تلقائيًا بناءً على تدفق المياه ، والحفاظ على العلاج المستمر على الرغم من تقلبات الطلب.

تضمن المعايرة المنتظمة دقة القياس: تتطلب أجهزة تحليل الكلور التحقق الأسبوعي باستخدام معايير قياس الألوان DPD، بينما تحتاج مجسات الأس الهيدروجيني إلى معايرة شهرية باستخدام المحاليل المنظمة. يجب على المشغلين إجراء اختبارات الجرة كل ثلاثة أشهر للتحقق من جرعات التخثر المثالية، حيث تختلف جودة المياه الخام موسميًا مع هطول الأمطار ودرجة الحرارة وأنشطة مستجمعات المياه.

تشمل نقاط المراقبة الحرجة ما يلي:

1. خصائص الماء الخام قبل الإضافة الكيميائية
2. نقاط الحقن الكيميائي للتحقق من الخلط السليم
3. عينات ما بعد العلاج تؤكد استيفاء المعلمات المستهدفة
4. عينات نظام التوزيع تضمن الحفاظ على الحماية المتبقية

الامتثال التنظيمي والتوثيق

يحدد قانون مياه الشرب الآمنة (SDWA) الحد الأقصى لمستويات الملوثات (MCLs) ومتطلبات تقنية المعالجة التي تحدد الاستخدام الكيميائي. يجب صيانة شبكات المياه العامة وجود بقايا مطهر يمكن اكتشافها في 95% من عينات التوزيع الشهرية ، مع بقايا الكلور عادة ما بين 0.2-2.0 ملغم / لتر عند صنابير العملاء.

تضمن شهادة NSF/ANSI Standard 60 عدم إدخال المواد الكيميائية لمعالجة المياه إلى ملوثات ضارة. يجب فقط على المواد الكيميائية المعتمدة من NSF أن تلامس مياه الشرب، حيث أن المنتجات غير المعتمدة قد تحتوي على شوائب تتجاوز الحدود الصحية. يجب على المشغلين توثيق عمليات تسليم المواد الكيميائية، والاستخدام اليومي، والاحتفاظ بسجلات المعالجة لعمليات التفتيش التنظيمية وتقارير الامتثال.

تحدد قواعد المنتجات الثانوية للتطهير إجمالي ثلاثي الهالوميثان إلى 80 ميكروغرام/لتر والأحماض الهالوسيتيك ل 60 ميكروغرام/لتر كمعدلات سنوية جارية. ويجب على الأنظمة التي تتجاوز هذه الحدود تعديل عمليات المعالجة، وربما التحول من الكلور إلى الكلورامين، أو تعديل التخثر لإزالة السلائف العضوية، أو تركيب ترشيح GAC. تتطلب الانتهاكات إخطارًا عامًا ضمن أطر زمنية محددة وخطط عمل تصحيحية مقدمة إلى الهيئات التنظيمية.

التقنيات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

تعمل عمليات الأكسدة المتقدمة (AOPs) التي تجمع بين الأشعة فوق البنفسجية وبيروكسيد الهيدروجين أو الأوزون على تدمير الملوثات التي لا يمكن للمواد الكيميائية التقليدية إزالتها. تعالج هذه الأنظمة بشكل فعال الملوثات الناشئة مثل PFAS (المواد لكل وبولي فلورو ألكيل) في معدلات إزالة تتجاوز 99% لبعض المركبات على الرغم من أن التكاليف الرأسمالية تظل أعلى بمقدار 2-3 مرات من العلاج التقليدي.

يعمل التطهير الكهروكيميائي على توليد مواد مؤكسدة في الموقع من المحاليل الملحية، مما يمنع نقل وتخزين المواد الكيميائية الخطرة. تنتج أنظمة الأكسدة المختلطة الكلور والأوزون وبيروكسيد الهيدروجين في وقت واحد، مما يحقق التطهير مع انخفاض تكوين DBP. تستفيد الأنظمة الصغيرة التي تخدم ما بين 100 إلى 5000 شخص بشكل أكبر من التوليد في الموقع، مما يقلل تكاليف التشغيل بنسبة 20-40% مقارنة بالمواد الكيميائية التي يتم تسليمها.

تركز مبادرات الكيمياء الخضراء على الحد من استخدام المواد الكيميائية من خلال قطارات المعالجة الأمثل والعمليات البديلة. يوفر الترشيح الغشائي (الترشيح الفائق، والترشيح النانوي، والتناضح العكسي) حواجز مادية تزيل مسببات الأمراض والملوثات دون إضافة مواد كيميائية، على الرغم من أنها تتطلب ضخًا كثيفًا للطاقة وتنظيفًا كيميائيًا دوريًا. تمثل الأنظمة الهجينة التي تجمع بين الأغشية مع الحد الأدنى من المعالجة الكيميائية المسبقة مستقبل المعالجة المستدامة للمياه، مما يقلل من استهلاك المواد الكيميائية مع تلبية معايير جودة المياه الصارمة بشكل متزايد.