مركب “نتروجين الأمونيا” والطرق المتبعة لإزالته من مياه الفضلات الصناعية

1996 معالجة مياه الفضلات الصناعية

أ.د أحمد فيصل أصفري

KFAS

نتروجين الأمونيا مياه الفضلات الصناعية الكيمياء

إزالة نتروجين الأمونيا

إن أيون الأمونيوم  بالشكل المفكك لا يشكل ضرراً هاماً على الكائنات العضوية، إلا أن نتروجين الأمونيا NH₃ قد يكون ساماً لتلك الأحياء، ويشكل حالة متوازنة مع الماء حسب قيمة pH وفق المعادلة:

يخترق غاز الأمونيا جدران خلال العضويات الدقيقة، ويسبب موتها، حتى بتراكيز ضعيفة (0.5 – 1) ملغ/ ل، وتزداد هذه الفعالية بزيادة الـ pH كما يبين الشكل (3 – 4).

إن معظم أشكال النتروجين يمكن هدرلتها إلى أمونيا بالفعل البيولوجي، وهذه قد تؤدي إلى انحلال بعض المعادن الثقيلة ومنع ترسيبها، لذلك فإن من الضروري أحياناً إجراء معالجة خاصة لنزع النتروجين العضوي ونتروجين الأمونيا من مياه الفضلات الصناعية.

 

قد يصل تركيز نتروجين الأمونيا في مياه فضلات بعض الصناعات إلى 800 ملغ/ ل.

وهناك طرق عديدة لإزالة نترجين الأمونيا بحسب كون الأمونيا شديدة التركيز مثل: (التقطير – التناضح العكسي – التجريد – الكلورة الحرجة – التصريف في الآبار العميقة)، أو متوسطة التركيز، كما يبين الجدولان (3 – 9) و(3 – 10).

 

 

من أهم الطرق المتبعة لإزالة الأمونيا: التجريد بالهواء – التبادل الأيوني – الكلورة الحرجة.

1 – إزالة الأمونيا بطريقة التجريد بالهواء

تتضمن هذه الطريقة رفع قيمة الـ pH لمياه الفضلات الصناعية إلى مستويات عالية (10.5 – 11.5)، وتأمين تلامس غازي – هوائي كافٍ، لتجريد الأمونيا من المحلول. يعد التجريد بالهواء أكثر فاعلية، خاصة في حال وجود مصدر حراري للتسخين.

من أهم عناصر المعالجة في هذه الحالة رقم الـ pH، وقد وجدنا سابقاً النسب المئوية لأيونات الأمونيوم والأمونيا من أجل قيم مختلفة للـ pH ودرجات حرارة مختلفة.

بعد تحويل أيون الأمونيوم إلى غاز الأمونيا، يؤثر عاملان هامان في انتقال هذا الغاز إلى الجو المحيط، وهما: التوتر السطحي لسطح الفصل بين الماء والهواء، والقوة الدافعة الناتجة عن اختلال تركيزي الأمونيا في الماء وفي الهواء مقاسة حسب قانون هنري (آ – 54).

 

عند تصميم برج التجريد بالهواء تُراعي بعض العناصر ومنها:

– نسبة الغاز/ السائل: (2 – 4) كغ هواء/ كغ ماء.

– الحمولة الهيدروليكية المطبقة عند أعلى البرج: (0.3 – 2) ل/ م²/ ثانية.

– هبوط ضغط الهواء: (0.1 – 0.3) كيلو باسكال (كيلو نيوتن/ م²).

– سرعة طرف المروحة: (46 – 61) م/ ثا.

– سرعة محرك المروحة: واحدة أو اثنتان.

– عمق خلايا التملئة في برج التجريد: (6 – 8) م.

– الفراغات الشاقولية والأفقية بين خلايا التملئة (5 – 10) سم.

 

يبين الشكل (3 – 5) تغيرات نسبة الغاز/ السائل بحسب درجة الحرارة، من أجل تجريد الأمونيا. إذا زادت الحمولة الهيدروليكية المطبقة، تتصل القطرات ببعضها مشكلة صفائح مائية، مما يسبب تخفيض مردود التجريد.

يبين الشكل (3 – 6) تاثير عمق البرج، وكذلك الحمولة الهيدروليكية المطبقة على فعالية إزالة الأمونيا.

 

من مساوىء هذه الطريقة ما يلي:

– التشغيل في الطقس البارد: يزيد انحلال الأمونيا بانخفاض درجات الحرارة، كما أن وجود الجليد يخفض المردود.

– ترسُّب مركبات الكالسيوم الناتج عن تعديل (رفع) الـ pH باستعمال الكلس على صفائح البرج، مما يؤدي إلى تفاعل المحلول مع CO₂ في الهواء، وبالتالي انخفاض الـ pH، وكذلك مردود العملية.

– تلوث الهواء وانطلاق روائح كريهة.

– فساد أخشاب البرج بسبب زيادة الـ pH.

– ترسُّب محاليل ذات قيم pH عالية بسبب التكاثف بعد التجربة.

 

تُستعمل في الأبراج الحديثة المواد البلاستيكية بدلاً من الخشبية كعناصر تملئة.

عندما تكون تراكيز الأمونيا عالية جداً، يعمد لدرء تلوث الجو المحيط إلى غسيل تيار الهواء من برج التجريد بإمراره عبر محلول ممدد من حمض الكبريت، مما يفيد أيضاً في استرجاع الأمونيا كما يبين الشكل (3 – 7).

لقد دلت دراسات حديثة على إمكانية تحقيق إزالة محدودة للأمونا في أحواض تعادل ذات قيم عالية للـ pH مع تحريك سطحي كما يبين الشكل (3 – 8).

ولكن هذه الطريقة تتطلب مساحات كبيرة، ولا تحقق إزالة الأمونيا بأكثر من (30 – 50)%. هناك إمكانية لتحقيق إزالة الأمونيا بتطبيق طريقة الهواء المذرَّر.

 

2- إزالة الأمونيا بطريقة التبادل الأيوني

يتم تبادل أيونات الأمونيا من مياه الفضلات الصناعية بأيونات من شحنة مماثلة في محلول ما.

معظم محاليل التبادل الأيوني المستعملة حالياً هي مواد صنعية، تتألف من شبكة من جذور هيدروكربونية، بمجموعات أيونات قابلة للانحلال. مثلاً يعد مركب الكلينوبتيلولايت مادة فعالة في إزالة الأمونيا.

في المنشأة التالية التي صُممت لإزالة واسترجاع نترات الأمونيوم من مصنع لإنتاج الأسمدة تحتوي مياه فضلاته على 1500 ملغ/ لتر من نترات الأمونيوم [(429) ملغ/ ليتر نتروجين الأمونيا و(214) ملغ/ ليتر نتروجين النترات].

 

تتألف المعالجة كما يبين الشكل (3 – 9) من المراحل التالية:

–  تجمع كل مياه الفضلات الصناعية ومياه الأمطار في أحواض ترسيب كبيرة.

– ترشَّح المياه عبر مرشح ذي وسط ترشيح مضاعف.

– يخفض نتروجين الأمونيا من تركيز 429 ملغ/ ليتر إلى 2 ملغ/ ليتر، باستعمال محلول حمض قوي للتبادل الكاتيوني.

– يخفض نتروجين النترات من تركيز 214 ملغ/ ليتر إلى 3 ملغ/ ليتر، باستعمال محلول أساس (قاعدة) ضعيف (هيدروكسايد).

– يُعاد استخدام المحلول الكاتيوني بوساطة حمض نتريكي 22%.

–  يعاد استخدام المحلول الأيوني بوساطة هيدروكسيد الأمونيوم 7%. تزيح أيونات الهيدروكسايد النترات منتجة بذلك المادة المعاد استخدامها، والحاوية على نترات الأمونيوم المركزة.

– يتم استرجاع نترات الأمونيوم.

 

3- إزالة الأمونيا بالكلورة الحرجة

يضاف الكلور إلى محاليل مائية ممدة لأكسدة أيونات الأمونيوم والحصول على غاز النتروجين.

في شروط ملائمة يمكن تحويل ما يقارب (95 – 99)% من نتروجين الأمونيا إلى غاز النتروجين، وبصورة عامة فإن جزء نتروجين الأمونيا الذي لم يتحول إلى غاز النتروجين يتألف من النتريت وثلاثي كلورايد النتروجين.

 

تتشكل أثناء العملية النترات والكلورامينات وفق التفاعلات التالية:

 

في المنطقة (1) من الشكل أعلاه يكون التفاعل الغالب بين الكلوراين والأمونيا، المعادلة (3 – 5)، وذروة منحني النقطة الحرجة تحدث نظرياً عند النسبة (5/ 1) وزناً بين الكلوراين ونتروجين الأمونيا. في المنطقة (5) تتوافر شروط تشكل الديكلورامين، المعادلة (3 – 6)، وتحدث أكسدة الأمونيا كما في المعادلة (3 – 7).

عند النقطة الحرجة حيث تصبح النسبة النظرية بين الكلوراين ونتروجين الأمونيا (7.7 / 1)، يكون تركيز الأمونيا في حده الأدنى. بعد النقطة الحرجة يحدث تجمع للكلوراين الحر، وكميات صغيرة من الديكلورامين، وثلاثي كلورايد النتروجين والنترات، المعادلتان (3 – 6) و (3 – 8).

 

تبدو القيمة المثالية للـ pH الموافقة للنقطة الحرجة في المجال (pH = 6 -7). إن قيمة الـ pH للكلورة عند النقطة الحرجة يجب أن تبقى حوالي 7، لأن هذا يؤدي إلى نسب مثالية للكلوراين والأمونيا، ومعدلات تفاعل سريعة.

كما يؤدي إلى إنقاص إنتاج ثلاثي كلورايد النتروجين NCl₃ إلى 0.2 ملغ/ ليتر أو أقل، وكذلك إقلال انتشار الروائح الكريهة المرافقة لذلك.

 

عند تطبيق طريقة الكلورة الحرجة لمياه الفضلات الصناعية، من الضروري إجراء معالجة مسبقة للتراكي العالية للمركبات العضوية واللاعضوية (كبريتات – كبيريتيتات – أيونات الحديد – فينولات – حموض أمينية – برومينات – كربوهيدرات)، لأن هذه جميعاً تتطلب كميات كبيرة من الكلوراين، كذلك يجب تأمين تجهيزات مزج فعالة.

لقد وجدنا بأن حوالي 15 ملغ/ ليتر من القلوية على أساس كربونات الكلسيوم تلزم لأكسدة 1 ملغ/ ليتر من نتروجين الأمونيا إلى نترات، لذلك يجب أن تكون قلوية الماء في هذه الحالة عالية بمقدار كاف، بما يسمح بإلقاء الـ pH عند مستوى مناسب.

 

عند تطبيق الكلورة الحرجة يمكن أن تنتج بعض المركبات العضوية المكلورة السامة في محطات المعالجة البلدية، أو يمكن للُسِّمية أن تستمر في المياه الصادرة.

وينتج عن هذا أنه عندما يكون تركيز الأمونيا أكبر من (10 – 15) ملغ/ ليتر وتوجد بعض المركبات العضوية في مياه الفضلات الصناعية فإن طريقة الكلورة الحرجة يجب استبعادها من التطبيق

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]