مقارنة عمليات معالجة مياه الصرف الصحي في المغاسل
في ظل ظروف كثافة تيار تبلغ 10 مللي أمبير/سم² ومعدل تدفق الأوزون 200 مل/دقيقة، تمت مقارنة تأثيرات إزالة سمك القد لاثنتي عشرة عملية على مياه الصرف الصحي للغسيل، بما في ذلك عملية التخثير الكهربائي (المفوضية الأوروبية)، وعملية أكسدة الأوزون، وعملية اقتران التخثير الكهربائي بالفصل المغناطيسي، وعملية اقتران التخثير الكهربائي بأكسدة الأوزون (E-مجلس النواب)، وعملية التخثير الكهربائي المقترنة بعملية الأكسدة التحفيزية للأوزون (المفوضية الأوروبية+O₃/O₃ المحفز)، وعملية التخثير الكهربائي المقترنة بعملية الأكسدة التحفيزية الكهربائية (المفوضية الأوروبية+EO)، وعملية اقتران التخثير الكهربائي ببيروكسيد الهيدروجين (المفوضية الأوروبية/H₂O₂)، وعملية اقتران الأشعة فوق البنفسجية ببيروكسيد الهيدروجين (الأشعة فوق البنفسجية/H₂O₂)، وعملية اقتران الأشعة فوق البنفسجية بأكسدة الأوزون (الأشعة فوق البنفسجية/O₃)، وعملية التخثير الكهربائي المقترنة بعملية أكسدة الأشعة فوق البنفسجية بالأوزون (المفوضية الأوروبية+الأشعة فوق البنفسجية/O₃). عملية اقتران الأكسدة بالأشعة فوق البنفسجية وبيروكسيد الهيدروجين والأوزون (الأشعة فوق البنفسجية/H₂O₂/O₃)، وعملية اقتران الحديد والكربون وبيروكسيد الهيدروجين. تظهر النتائج في الشكل 2 (حيث تمثل a~l على المحور الأفقي للشكل العمليات الاثنتي عشرة المذكورة أعلاه بالتسلسل).
كما هو موضح في الشكل 2، تُظهر العمليات التي تعتمد على التخثير الكهربائي (المفوضية الأوروبية) كفاءةً أعلى بكثير في إزالة الطلب الكيميائي للأكسجين (سمك القد) من مياه الصرف الصحي الناتجة عن غسل الملابس مقارنةً بالعمليات الأخرى غير القائمة على التخثير الكهربائي، ولذلك تُعطى الأولوية للعمليات القائمة على التخثير الكهربائي. في ظل الظروف نفسها، تُحقق أنظمة العمليات المُقترنة وعمليات الأكسدة المتسلسلة بالتخثير الكهربائي نتائج أفضل في إزالة الطلب الكيميائي للأكسجين مقارنةً بعمليات التخثير الكهربائي وعمليات الأكسدة المنفردة، حيث زاد معدل إزالة الطلب الكيميائي للأكسجين بنسبة تتراوح بين 16.3% و47%. بالمقارنة مع عملية التخثير الكهربائي، زادت معدلات إزالة الطلب الكيميائي للأكسجين في عمليات E-مجلس النواب، وEC+O₃/O₃ المحفز، وEC+EO، وEC+الأشعة فوق البنفسجية/O₃ بنسبة 21.3%، و27.2%، و20%، و16.3% على التوالي. قد يُعزى ذلك إلى أن إدخال الأوزون والتحفيز الكهربائي يزيدان من إنتاج جذور الهيدروكسيل (·أوه) في النظام، مما يُعزز إزالة المواد العضوية. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع أقطاب DSA بنشاط تحفيزي كهربائي عالٍ أثناء التحليل الكهربائي ويمكنها توليد ·أوه، وهو ما يتوافق مع نتائج بحث هيفرون وآخرون. تنتج أنظمة الأوزون والأوزون/المحفز ·أوه و·O₂⁻ وH₂O₂ أثناء التفاعل، ويتم تحويل ·O₂⁻ إلى ·أوه في النظام، مما يعزز إزالة سمك القد بشكل أكبر.
بالمقارنة مع عملية الأكسدة بالأكسجين (O₃) وحدها، زادت معدلات إزالة الطلب الكيميائي للأكسجين (سمك القد) في عمليات E-مجلس النواب وEC+O₃/O₃ المحفز وEC+الأشعة فوق البنفسجية/O₃ بنسبة 41.1% و47% و36.1% على التوالي. يُستخدم التحليل الكهربائي (المفوضية الأوروبية) عادةً كعملية معالجة أولية لإزالة العكارة والمواد العضوية الطبيعية، حيث يُنتج مواد مُخثِّرة في الموقع في الماء من خلال الأنودات التضحية. عند استخدام ألياف الكربون ككاثود، يُنتج أيضًا بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂)، مما يُعزز إزالة الطلب الكيميائي للأكسجين (سمك القد) من مياه الصرف الصحي الناتجة عن الغسيل. (برنال-مارتينيز وآخرون). أظهرت النتائج أن عملية التخثير الكهربائي مع الأوزون مجتمعةً تُحقق معدلات إزالة تصل إلى 60% لكل من الطلب الكيميائي للأكسجين (سمك القد) والطلب البيولوجي للأكسجين (الجسم₅) في مياه الصرف الصناعي، بينما تُحقق عملية التخثير الكهربائي مع الأوزون (E-مجلس النواب) معدلات إزالة تصل إلى 84%، و79%، و95%، و96%، و99% لكل من الطلب الكيميائي للأكسجين، والطلب البيولوجي للأكسجين، واللون، والعكارة، ومجموع البكتيريا القولونية على التوالي. وقد توصل غارسيا-موراليس وزملاؤه إلى نتائج مماثلة، مُبينين أن التأثير التآزري لعملية التخثير الكهربائي مع الأوزون مجتمعةً يُحسّن من فعالية إزالة اللون والعكارة والطلب الكيميائي للأكسجين.
لذلك، تم اختيار العمليات القائمة على التخثير الكهربائي، بما في ذلك عملية اقتران التخثير الكهربائي بالأوزون (E-مجلس النواب)، والتخثير الكهربائي المقترن بعملية الأكسدة التحفيزية الكهربائية (المفوضية الأوروبية+EO)، والتخثير الكهربائي المقترن بعملية الأكسدة التحفيزية بالأوزون (المفوضية الأوروبية+O₃/O₃ المحفز)، والتخثير الكهربائي المقترن بعملية الأكسدة فوق البنفسجية بالأوزون (المفوضية الأوروبية+الأشعة فوق البنفسجية/O₃)، كعمليات مفضلة لمعالجة مياه الصرف الصحي الناتجة عن غسيل الملابس.
تحليل تأثيرات إزالة الملوثات في مياه الصرف الصحي الناتجة عن غسيل الملابس
1- تأثيرات إزالة الملوثات تحت كثافات تيار مختلفة
تم التحقق من تأثير خمس عمليات (SS-E-مجلس النواب، علامة CE-مجلس النواب، المفوضية الأوروبية+O₃/O₃ المحفز، المفوضية الأوروبية+الأشعة فوق البنفسجية/O₃، وEC+EO) على الطلب الكيميائي للأكسجين (سمك القد)، والعكارة، ومركبات لاس في مياه الصرف الصحي الناتجة عن غسيل الملابس، وذلك بضبط معدل تدفق الأوزون عند 200 مل/دقيقة، تحت ظروف كثافة تيار كهربائي تبلغ 5، 10، 15، و20 مللي أمبير/سم² في مرحلة التخثير الكهربائي. تُظهر النتائج في الشكل 3 أنه عند تغيير كثافة التيار فقط في مرحلة التخثير الكهربائي، تُحقق عملية المفوضية الأوروبية+الأشعة فوق البنفسجية/O₃ أفضل تأثير في إزالة الطلب الكيميائي للأكسجين، حيث تصل أعلى نسبة إزالة إلى 89.8% عند كثافة تيار كهربائي تبلغ 10 مللي أمبير/سم². تليها عملية المفوضية الأوروبية+O₃/O₃ المحفز ثم عملية علامة CE-مجلس النواب. فيما يخص العكارة، تُظهر عمليتا SS-E-مجلس النواب وCE-مجلس النواب أفضل النتائج في إزالة الملوثات، حيث تتجاوز نسبة الإزالة فيهما 90%. أما العمليات الثلاث الأخرى، وهي المفوضية الأوروبية+O₃/O₃ المحفز وEC+الأشعة فوق البنفسجية/O₃ وCE-مجلس النواب، فتُظهر نتائج أفضل في إزالة ملوثات لاس، حيث تصل نسبة الإزالة فيها إلى أكثر من 98.2%.
بالإضافة إلى ذلك، في عملية المفوضية الأوروبية+EO، تم ضبط كثافة التيار في مرحلة التخثير الكهربائي عند 10 مللي أمبير/سم²، بينما تم تغيير كثافة التيار في مرحلة التحفيز الكهربائي إلى 5 و10 و15 و20 مللي أمبير/سم² على التوالي، وذلك لدراسة تأثير هذه العملية على إزالة كل من الطلب الكيميائي للأكسجين (سمك القد) والعكارة ومركبات لاس من مياه الصرف الصحي الناتجة عن غسيل الملابس. أظهرت النتائج أن معدل إزالة الطلب الكيميائي للأكسجين في عملية المفوضية الأوروبية+EO، عند كثافات التيار الأربع، كان أقل من 80%. وعندما كانت كثافة التيار في مرحلة التحفيز الكهربائي 10 مللي أمبير/سم²، بلغ معدل إزالة العكارة أعلى مستوياته، متجاوزًا 90%. وعندما كانت كثافة التيار في مرحلة التحفيز الكهربائي 10 و15 و20 مللي أمبير/سم² على التوالي، تجاوز معدل إزالة مركبات لاس في عملية المفوضية الأوروبية+EO 90%.
تأثيرات إزالة الملوثات في ظل معدلات تدفق الأوزون المختلفة
تم التحقق من تأثير عمليات إزالة مختلفة على الطلب الكيميائي للأكسجين (سمك القد) والعكارة ومركبات لاس في مياه الصرف الصحي الناتجة عن غسيل الملابس، وذلك بضبط كثافة التيار في مرحلة التخثير الكهربائي عند 10 مللي أمبير/سم²، في ظل معدلات تدفق الأوزون 100 و200 و300 و400 مل/دقيقة على التوالي. تُظهر النتائج في الشكل 4 أن معدلات إزالة الطلب الكيميائي للأكسجين (سمك القد) في عمليتي علامة CE-مجلس النواب وEC+الأشعة فوق البنفسجية/O₃ تتجاوز 90%، بينما تصل معدلات إزالة العكارة القصوى في عمليتي SS-مركز إي إتش أو سي وCE-مجلس النواب إلى 100%، أما معدلات إزالة مركبات لاس في عمليات المفوضية الأوروبية+O₃/O₃ المحفزة وEC+الأشعة فوق البنفسجية/O₃ وCE-مجلس النواب فتتجاوز 99%. على الرغم من أن معدل إزالة سمك القد لعملية التحفيز المفوضية الأوروبية+O₃/O₃ يمكن أن يتجاوز 80٪، إلا أن جودة النفايات السائلة لا تفي بمعيار إعادة الاستخدام.
بعد دراسة متأنية، تم اختيار عملية اقتران التخثير الكهربائي والأكسدة بالأوزون (E-مجلس النواب) لمعالجة مياه الصرف الناتجة عن غسيل الملابس. في ظل كثافة تيار تبلغ 15 مللي أمبير/سم² ومعدل تدفق أوزون 400 مل/دقيقة (ما يعادل جرعة أوزون 69.12 ملجم/لتر)، بلغت معدلات إزالة الطلب الكيميائي للأكسجين (سمك القد) والعكارة ومركبات لاس من مياه الصرف 97.6% و99.9% و99.6% على التوالي. تتوافق جودة المياه المعالجة مع المعايير المحددة في بريطانيا العظمى/T 18920-2020 (معيار جودة المياه المُعاد تدويرها للاستخدامات الحضرية المتنوعة) وGB/T 19923-2005 (معيار جودة المياه المُعاد تدويرها للاستخدامات الصناعية)، مما يفي بمتطلبات إعادة الاستخدام. إضافةً إلى ذلك، فإن قطب الكاثود في هذه العملية عبارة عن صفيحة قطب كهربائي من ألياف الكربون. تم قياس تركيز H₂O₂ عند 10 دقائق من التفاعل على أنه 4.42 ملغم/لتر باستخدام طريقة قياس الطيف الضوئي لملح التيتانيوم، مما يثبت أن H₂O₂ يتم توليده أثناء التفاعل.
تُقدّر تكلفة المعالجة بناءً على مولد الأوزون، وطاقة مصدر التيار المستمر، وزمن التفاعل، وما إلى ذلك، كما هو موضح في المعادلة (1). يُعرَّف كفاءة الطاقة الكهربائية (تكافؤ الفرص في التوظيف) بأنها الطاقة الكهربائية (كيلوواط ساعة) اللازمة لخفض تركيز الملوثات في متر مكعب واحد من الماء بمقدار عشرة أضعاف، حيث U هو الجهد (فولت)، وI هو التيار المطبق (أمبير)، وT هو زمن التحليل الكهربائي (ساعة)، وV هو حجم الماء في المفاعل (متر مكعب)، وC₀ وC هما تركيزا الطلب الكيميائي للأكسجين (سمك القد) الابتدائي والنهائي (ملغم/لتر) على التوالي. في ظل ظروف التشغيل المثلى، يبلغ استهلاك الطاقة لهذه العملية 86.2 كيلوواط ساعة/(متر مكعب·عشرة أضعاف)، ويمكن تطبيق هذه التقنية على معالجة مياه الصرف الصحي في المستشفيات والفنادق ومغاسل الملابس.
التحليل الحركي وخصائص إزالة الجزيئات البلاستيكية الدقيقة
1- التحليل الحركي
استنادًا إلى النتائج المذكورة أعلاه، أُجري تحليل حركي لإزالة كل من سمك القد وLAS من مياه الصرف الصحي الناتجة عن غسيل الملابس باستخدام عملية C-مركز إي إتش أو سي، وذلك في ظل معدل تدفق للأوزون قدره 400 مل/دقيقة وكثافات تيار كهربائي تبلغ 5 و10 و15 و20 مللي أمبير/سم². استغرقت عملية التفاعل 60 دقيقة، وتم أخذ عينات كل 10 دقائق. يوضح الشكل 5 منحنيات إزالة كل من سمك القد وLAS. مع تقدم التفاعل، ازدادت معدلات إزالة كل من سمك القد وLAS بسرعة خلال أول 30 دقيقة، ثم تباطأ معدل الزيادة خلال الثلاثين دقيقة التالية، وأصبحت منحنيات الإزالة أكثر استقرارًا. بالنسبة لـ سمك القد، كان معدل الإزالة في أول 30 دقيقة هو الأسرع عند كثافة تيار كهربائي تبلغ 15 مللي أمبير/سم²؛ أما بالنسبة لـ لاس، فكان معدل الإزالة في أول 30 دقيقة هو الأسرع عند كثافة تيار كهربائي تبلغ 20 مللي أمبير/سم². أشارت نتائج المطابقة إلى أن عمليات إزالة سمك القد و لاس بواسطة عملية C-مركز إي إتش أو سي تتوافق مع نموذج حركية التفاعل من الدرجة الأولى، كما هو موضح في الشكل 6.
خصائص إزالة الجزيئات البلاستيكية الدقيقة
تشير اللدائن الدقيقة عمومًا إلى الألياف البلاستيكية، والشظايا، والجسيمات التي يقل حجمها عن 5 مم. وتُعدّ اللدائن الدقيقة المنبعثة من المنسوجات الاصطناعية أثناء الغسيل مصدرًا رئيسيًا لها في المحيطات ومحطات معالجة مياه الصرف الصحي. في هذه الدراسة، قُدِّر أن (40-150) × 10⁴ من اللدائن الدقيقة تُطلق في البيئة لكل 100 لتر من الماء أثناء غسل الملابس المنزلية. وتُمكن عملية علامة CE-مجلس النواب من إزالة اللدائن الدقيقة من مياه الصرف الصحي الناتجة عن الغسيل بكفاءة عالية. ففي ظل كثافة تيار تبلغ 15 مللي أمبير/سم² ومعدل تدفق أوزون يبلغ 400 مل/دقيقة، تصل نسبة إزالة اللدائن الدقيقة في عملية علامة CE-مجلس النواب إلى 94.2%. ويُستنتج أن الإزالة الفعالة لللدائن الدقيقة بواسطة عملية علامة CE-مجلس النواب تُعزى بشكل أساسي إلى التخثير الكهربائي. يمكن لأقطاب الألومنيوم أن تولد في الموقع مواد تخثر ملح الألومنيوم أثناء التفاعل، والتي تشكل رواسب متكتلة لإزالة الجزيئات البلاستيكية الدقيقة من الماء من خلال آليات مثل التعادل الكهربائي، والربط بالامتزاز، والاحتجاز الشبكي.