ما هي استخدامات كبريتات الألومنيوم في معالجة المياه؟

كيف تعمل كبريتات الألومنيوم كمادة تجليط في معالجة المياه

فهم عملية التخثر ودور كبريتات الألومنيوم في إزالة استقرار الجسيمات المعلقة

تبدأ معالجة المياه بالتخثر، وهي عملية تجمع فيها الشوائب الصغيرة معًا حتى يمكن إزالتها لاحقًا. يعمل مادة الشبة (المنى) بشكل جيد في هذه المرحلة، لأنه عند ذوبانها، تُطلق أيونات الألومنيوم ثلاثية التكافؤ (Al³⁺) التي تعمل أساسًا على إلغاء الشحنات السالبة الموجودة على المواد العالقة في الماء مثل جزيئات الطين، وقطع صغيرة من المواد العضوية، بل وحتى بعض الكائنات الدقيقة الضارة. وعندما تتعادل هذه الشحنات، تتوقف الجسيمات عن تنافرها وتبدأ بالالتصاق ببعضها البعض خلال مرحلة الخلط السريع التي تستغرق عادة دقيقة أو دقيقتين. يجد معظم مصانع معالجة المياه أن أفضل نتائج تُحصل عليها باستخدام الشبة تكون عندما يكون درجة حموضة الماء (pH) بين 5.5 و7.5. ومع ذلك، فإن كمية الشبة المطلوبة تختلف بشكل كبير، وعادة ما تتراوح بين 50 إلى 300 ملليغرام لكل لتر، وذلك اعتمادًا على مدى عكورة الماء وأنواع الملوثات الموجودة.

الآلية الكيميائية لكبريتات الألومنيوم في تكوين التخثرات وإزالة الشوائب

بعد موازنة الشحنات، يبدأ الألوم في التحلل من خلال التحلل المائي الذي يُنتج هيدروكسيد الألومنيوم (Al(OH)3). ويتكوّن هذا المركب على شكل مادة صلبة تشبه الهلام، وهي فعّالة جدًا في الالتصاق بالشوائب التي نرغب في إزالتها من الماء. وعندما تتكوّن هذه التجمعات الصغيرة التي تُعرف بالرقائق (flocs)، يمكن أن تصل إلى أحجام تتراوح بين نصف ملليمتر وصولاً إلى ثلاثة ملليمترات، مما يجعلها تستقر بسهولة في خزانات المعالجة. وعندما يعمل كل شيء بشكل صحيح، فإن هذه الطريقة تزيل ما يقارب من 85% إلى جميع العكورة الموجودة في عينات الماء، كما تعالج نحو ثلثي إلى أربعة أخماس المركبات العضوية المزعجة أيضًا. وتُظهر الدراسات أن الرقائق الهيدروكسيدية تلتصق بأنواع مختلفة من الملوثات الذائبة مثل أيونات الفوسفات وأنواعًا مختلفة من المعادن الثقيلة من خلال تكوين روابط على أسطحها. وفي الواقع، يؤدي هذا الالتصاق إلى تحسين كفاءة نظام التنقية بأكمله.

المقارنة مع مواد التخثر البديلة: الكفاءة، التكلفة، والاعتبارات العملية

يمكن لكلوريد الحديديك إزالة معظم الفوسفور من الماء، أحيانًا ما يصل إلى 98%، وهي نسبة أفضل بكثير من كبريتات الألمنيوم التي تحقق حوالي 70 إلى 85%. العيب مع ذلك هو أن كلوريد الحديديك يتسبب في تآكل الأنابيب والمعدات بشكل أسرع بكثير، ما يعني أن البلديات تضطر لإنفاق مبالغ إضافية على الإصلاحات والاستبدال. تعد البوليمرات الصناعية خيارًا آخر يُنتج ماءً شفافًا جدًا مع القليل من الرواسب المتبقية بعد المعالجة، لكن هذه المواد تأتي بأسعار مرتفعة تجعلها غير عملية بالنسبة لمعظم محطات معالجة مياه الصرف اليومية. ولهذا السبب لا تزال العديد من المدن تعتمد على كبريتات الألمنيوم رغم وجود بدائل أحدث. فقد كانت كبريتات الألمنيوم مستخدمة منذ عقود، وتعمل بموثوقية دون الحاجة إلى إجراءات إعداد معقدة، ولا ترهق الميزانية كما تفعل بعض الخيارات الأكثر تطوراً. بالنسبة للحكومات المحلية التي تعاني من ضائقة مالية وتتعامل مع بنية تحتية قديمة، فإن الاعتماد على ما هو معروف يعد أمرًا منطقيًا، حتى لو لم يكن الأفضل تقنيًا.

الشواغل البيئية: الألومنيوم المتبقي والسلامة على المدى الطويل في المياه المعالجة

قامت منظمة الصحة العالمية بتحديد الحد الأقصى المسموح به للألومنيوم المتبقي في مياه الصنبور عند 0.2 ملليغرام لكل لتر بسبب المخاوف المتعلقة بالآثار المحتملة على وظائف الدماغ مع مرور الوقت. يمكن لمصانع معالجة المياه التي تستخدم تقنيات ترشيح حديثة أن تقلل من آثار الألومنيوم هذه بنسبة تتراوح بين 70 إلى 90 بالمئة تقريبًا مقارنة بالأساليب القديمة. يساعد تتبع مستويات الأس الهيدروجيني (pH) طوال العملية وإضافة خطوة إضافية باستخدام أغشية خاصة بعد المعالجة في ضمان البقاء ضمن الحدود الآمنة التي حدّدتها السلطات الصحية. وهذا يحافظ على صحة الناس دون التأثير على كفاءة عملية التنقية بأي شكل.

تحسين وضوح المياه وإزالة العكورة في أنظمة المياه البلدية

يظل كبريتات الألومنيوم خيارًا شائعًا لمعالجة المياه في المدن، لأنه يمكنه تقليل عكارة المياه بنسبة تصل إلى حوالي 90٪. ما يحدث هو أن المادة تقوم بإلغاء الشحنات الكهربائية الموجودة على الجسيمات الصغيرة مثل قطع الطين، والأتربة الدقيقة، وحتى الكائنات الحية الدقيقة العالقة في شبكة إمداد المياه. ثم تتجمع هذه الجسيمات معًا مشكلة رقائق أكبر تسهل عملية الترسيب. وأشارت دراسة نُشرت عام 2021 إلى أنه عند استخدامها بشكل صحيح، تنخفض مستويات العكارة إلى أقل من 0.3 NTU، وهو ما يتوافق فعليًا مع المعايير الصادرة عن منظمة الصحة العالمية الخاصة بمياه الشرب الصافية. وحقيقة أن هذه الطريقة فعّالة جدًا تعني تقليل الضغط على المرشحات في المراحل اللاحقة من النظام. مما يجعل محطات المعالجة تعمل بكفاءة أفضل وتوفير المال أيضًا، وهي نقطة مهمة خاصة في أنظمة مياه المدن الكبرى التي تخدم ملايين الأشخاص يوميًا.

إزالة المواد العضوية، والكائنات الممرضة، والمعادن الثقيلة من خلال التخثير

الطريقة التي يعمل بها مادة الشبة من حيث التخثر تعني أنها يمكنها إزالة أنواع مختلفة من الملوثات دفعة واحدة. فالمواد العضوية الذائبة في الماء تلتصق بكتل هيدروكسيد الألومنيوم التي تتكون أثناء المعالجة. كما يتم الاحتفاظ جسديًا بالبكتيريا مثل الإشريكية القولونية والطفيليات مثل الجيارديا خلال هذه العملية أيضًا. وعندما يبقى الأس الهيدروجيني حوالي 6.5 إلى 7.5، تشير الأبحاث إلى معدلات إزالة تتراوح بين 85٪ و92٪ للمعادن الثقيلة بما في ذلك الرصاص والزرنيخ والكروم. ما يجعل هذا الأسلوب ذا قيمة كبيرة هو قدرته على التعامل مع ملوثات متعددة معًا، مما يقلل من الحاجة إلى عمليات التعقيم الإضافية. ومع ذلك، فإن ضبط الجرعة أمر بالغ الأهمية، لأنه إذا بقي الكثير من الألومنيوم الزائد، فقد يتعدى الحد الآمن البالغ 0.2 ملغ في اللتر، وهو ما لا يصب في مصلحة أحد.

تعزيز كفاءة الترسيب والترشيح بعد معالجة الشبة

عند معالجتها بالألوم، تميل الكتل المتكونة إلى الترسب أسرع بنسبة تتراوح بين 40 و60 بالمئة في حوض الترسيب مقارنة بالجسيمات غير المعالجة، مما يجعل فصل المواد الصلبة أكثر كفاءة بكثير. ويؤدي الترسب الأسرع إلى انسداد الفلاتر بوتيرة أقل، وبالتالي يمكن تشغيلها لفترة أطول قبل الحاجة إلى التنظيف، ما يقلل من عمليات الغسيل العكسي بنسبة تقارب 30%. والجدير بالاهتمام هو كيف تعمل القوام اللاصق لكتل هيدروكسيد الألومنيوم كطبقة ترشيح إضافية داخل الأسرّة الرملية. حيث تمتص هذه الكتل الجسيمات الصغيرة جداً التي يقل حجمها عن ميكرومتر والتي قد تفلت من مرحلة التخثر الأولى. وجميع هذه التحسينات مجتمعة تعني أن أنظمة المعالجة الجيدة النوعية يمكنها فعلاً إزالة أكثر من 99.9% من جميع الجسيمات من مياه الخرج النهائية.

إزالة الفوسفور بكفاءة من مياه الصرف الصحي البلدية والصناعية

يعمل الألومن بشكل جيد جداً في إزالة الفوسفور بفضل تفاعلات تبادل الليجانات التي نتحدث عنها كثيراً في دوائر معالجة المياه أساسا، عندما يلتقي أيونات Al3+ مع أيونات الفوسفات العظمي (PO4^3-) ، فإنها تتحد لصنع الفوسفات الألومنيوم (AlPO4) الذي لا يذوب في الماء. هذه المادة بعد ذلك تستقر وتُصفّح ميكانيكياً. نظر الباحثون إلى بيانات من 45 منشأة مختلفة لمياه الصرف الصحي في جميع أنحاء أوروبا، ووجدوا أن استخدام القيقب خفض مستويات الفوسفور الإجمالية إلى أقل من 0.5 ملغ / لتر في حوالي 88 في المئة من هذه المصانع. هذا يفي فعلاً بما تتطلبه توجيهات المياه الإطارية للاتحاد الأوروبي لمعايير المياه النظيفة. هذه المادة تلمع حقاً في معالجة تدفقات النفايات من مصنعي المواد الغذائية ومصنعي المنسوجات لأن مياهها السائلة تميل إلى أن يكون لها مستويات فوسفور عالية جداً،

الحد من الغموض والملوثات في تدفقات مياه الصرف الصحي عالية الحمل

عمل الألومنيوم المزدوج للتخثر والجفاف يجعله مناسبًا لمعالجة مياه الصرف الصحي المعقدة ذات الحمل الكبير:

• المعلقات الكولويدية : يحيد الجسيمات المشحونة سلبا في المياه ذات الغموض الذي يزيد عن 1000 NTU
• المعادن الثقيلة المعادن الثقيلة: تسقط Pb2+ و Cr3+ عن طريق تكوين هيدروكسيد عند pH 9 - 9.5
• الحمل العضوي : يقلل من الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD) بنسبة 65-80% في مياه مصنع الورق من خلال الارتباط بالليجنين والبروتينات

تظهر البيانات الميدانية من سبع حديدات صناعية في الصين أن الألومينوم يحقق إزالة نسبة 98٪ من إجمالي المواد الصلبة المعلقة (TSS) في التدفقات التي يزيد محتوى المواد الصلبة الأولي فيها عن 5،000 ملغ / لتر ، مما

دراسة حالة: التنفيذ الناجح في محطات معالجة مياه الصرف الصحي الحضرية

حققت محطة بلدية أوروبية تخدم 1.2 مليون نسمة تحسينات كبيرة بعد التحول إلى تخثر كبريتات الألومنيوم. معالجة 300،000 متر مكعب من مياه الصرف الصحي / يوم ، أبلغت المنشأة:

خلال تجربة استمرت 18 شهرا، حافظت المحطة على مستويات الألومنيوم المتبقية أقل من 0.2 ملغ / لتر مع تحقيق إزالة الفوسفور بنسبة 94٪ وخفض COD بنسبة 82٪، مما يؤكد فعالية الألومنيوم واستدامته الاقتصادية في إدارة مياه

تحسين أداء كبريتات الألومنيوم: الجرعة، الحموضة، وظروف المياه

نطاق الحموضة المثالي واستراتيجيات الجرعة لتحقيق أقصى كفاءة التخثر

أفضل النتائج للتخثر تحدث عندما يبقى مستوى الـ pH بين حوالي 5.5 و 7.5. داخل هذا النطاق، تصبح العملية أكثر كفاءة بكثير، أحيانا تحسن بنسبة تصل إلى 40 إلى 60 في المئة مقارنة بما يحدث خارج هذه الأرقام. عندما يتعلق الأمر بكمية الخزف التي يجب استخدامها، معظم العلاجات تتطلب ما بين 5 و 200 ملليغرام لكل لتر. لكن إذا كان الماء لغوماً حقاً أو يحتوي على الكثير من الملوثات، فقد تحتاج بعض الحالات إلى 500 ملغ/ لتر. لمعرفة بالضبط ما الذي يعمل بشكل أفضل في مكان معين، لا يزال اختبار الجرة أحد أكثر الطرق موثوقية المتاحة. هذا يساعد على تجنب استخدام الكثير من الألومنيوم الذي يمكن أن يترك خلفه الزائدة من الألومنيوم في الماء فوق الحد الآمن لمنظمة الصحة العالمية من 0.2 ملغ / لتر. هذا يجعل من الصعب تشكيل الأقزام المناسبة وفي نهاية المطاف يقلل من مدى فعالية العلاج بأكمله بشكل عام.

تأثير درجة حرارة الماء والقليّة وتركيب الأيونات

المياه التي تظل دون 10 درجات مئوية تُبطئ بشكل كبير من سرعة التفاعلات خلال عمليات المعالجة. وهذا يعني أن التجمعات (الفлок) تتكون ببطء أكبر بكثير، وقد تستغرق أحيانًا ما بين 30 إلى 50 بالمئة أكثر من المعتاد، ويضطر المشغلون إلى الاستمرار في الخلط لفترات أطول أيضًا. أما مستويات القلوية فتلعب دورًا كبيرًا في منع النظام من أن يصبح حمضيًا جدًا بعد إضافة كبريتات الألمنيوم. فإذا انخفضت القلوية إلى أقل من 50 ملليجرام لكل لتر محسوبة ككربونات الكالسيوم، فإن معظم محطات المعالجة تحتاج إلى إضافة الجير أو كربونات الصودا الإضافية فقط للحفاظ على درجة الحموضة (pH) مستقرة بما يكفي لتشغيلها بشكل صحيح. وتشكل قوة الأيونات العالية في المياه مشكلة أخرى عندما تتجاوز 1000 ميكروسيمنز لكل سنتيمتر. فهذه الحالة تضغط بالفعل الطبقات الكهربائية الصغيرة المحيطة بالجزيئات، مما يجعلها تتكتل معًا بشكل أقل فعالية. والنتيجة؟ تقل كفاءة عملية التخثير بنسبة تصل إلى 40 بالمئة تقريبًا في هذه الظروف. وكل هذه المتغيرات توضح لماذا تُحدث أنظمة المراقبة الفورية الفرق الكبير، خاصة بالنسبة للمنشآت التي تتعامل مع تغيرات في نوعية المياه عبر الفصول المختلفة.

مزايا وتحديات استخدام كبريتات الألومنيوم في معالجة المياه

الفوائد الرئيسية: الفعالية من حيث التكلفة، الموثوقية، والتنوع في أنظمة المعالجة

يُعد الألوم، أو كبريتات الألومنيوم، مادة تجليط رخيصة وموثوقة تُستخدم على نطاق واسع في العديد من منشآت معالجة المياه، سواء في البيئات البلدية أو الصناعية. مقارنةً بخيارات مثل كلوريد الحديديك، فإنه يقلل من تكاليف التشغيل بنسبة تتراوح بين 30 إلى 50 بالمئة، مع الحفاظ في الوقت نفسه على معدلات إزالة تزيد عن 95% للمواد مثل العكورة والكائنات الممرضة الضارة. ما يجعل هذه المادة متعددة الاستخدامات هو فعاليتها العالية سواء في التعامل مع أنظمة المياه الصغيرة في المناطق الريفية أو محطات المعالجة الكبيرة في المدن. يمكن للمشغلين تعديل الجرعات حسب نوع جودة المياه التي يواجهونها يومياً. عندما تبقى مستويات الأس الهيدروجيني ضمن النطاق المثالي الذي يتراوح تقريباً بين 5.5 و7.5، يستطيع الألوم إزالة حوالي 70 إلى 90% من الملوثات العضوية المزعجة. وصراحةً، عندما تكون التكلفة هي العامل الحاسم، فإن الألوم غالباً ما يكون خياراً أفضل من حلول PAC للمنشآت التي تراقب ميزانياتها بدقة.

القيود الشائعة: توليد الطمي، الحاجة إلى تعديل درجة الحموضة، والاعتبارات البيئية

مع ذلك، فإن استخدام الشبة يأتي مع بعض السلبيات. فهي تُنتج ما بين 15 إلى 30 بالمئة من الرواسب أكثر مقارنة بالبوليمرات الصناعية، مما يعني تكاليف إزالة أكبر وتعقيداً في اللوجستيات الخاصة بإدارة النفايات. وعندما تتفكك الشبة في عمليات معالجة المياه، فإنها فعلاً تخفض مستوى الحموضة (درجة الـpH). وللتغلب على هذا التأثير، يضطر مصنعو معالجة المياه إلى إنفاق أموال على مواد قلوية مثل الجير. ويمكن أن تمثل مشتريات هذه المواد الكيميائية ما يقارب 20% من ميزانيتهم التشغيلية الإجمالية، فقط للحفاظ على درجة الحموضة المناسبة للمياه. ويُبقي المراقبون البيئيون عيونهم مفتوحة على كمية الألمنيوم المتبقية في المياه المعالجة بعد المعالجة، وبالتالي يصبح من الضروري الالتزام بتوصية منظمة الصحة العالمية بعدم تجاوز 0.2 ملغ في اللتر. والخبر الجيد هو أن الأبحاث الحديثة تُظهر أنه عندما يقوم المشغلون بضبط طرق الجرعات بدقة ويدمجونها مع أنظمة ترشيح حديثة، يمكنهم خفض إنتاج الرواسب بنسبة تصل إلى نحو 40%. كما يساعد هذا الأسلوب في الالتزام بمعايير الوكالة الأمريكية لحماية البيئة (EPA) والجمعية الأمريكية للمياه (AWWA) الخاصة بمياه الشرب الآمنة دون المساس بالجودة.

أسئلة شائعة

ما الدور الرئيسي لكبريتات الألومنيوم في معالجة المياه؟

تعمل كبريتات الألومنيوم كمادة تجليظ في معالجة المياه، حيث تساعد على إزالة استقرار الجسيمات المعلقة بحيث يمكن إزالتها بفعالية من خلال عمليات المعالجة اللاحقة.

كيف تؤثر كبريتات الألومنيوم على مستويات الأس الهيدروجيني (pH) للمياه المعالجة؟

تُميل كبريتات الألومنيوم إلى خفض مستويات الأس الهيدروجيني (pH) للمياه المعالجة، ولهذا السبب تحتاج المرافق غالبًا إلى إضافة مواد قاعدية مثل الجير للحفاظ على المدى الأمثل للأس الهيدروجيني لضمان فعالية المعالجة.

هل هناك مخاوف بيئية مرتبطة باستخدام كبريتات الألومنيوم؟

نعم، إن وجود الألومنيوم المتبقي في المياه المعالجة يُعد مصدر قلق، لأنه قد يكون له آثار صحية محتملة. وبالتالي، تسعى أنظمة المعالجة إلى الحفاظ على مستويات الألومنيوم المتبقي أقل من 0.2 ملغ/لتر كما يوصي بذلك منظمة الصحة العالمية.

لماذا تُفضل كبريتات الألومنيوم على غيرها من المواد المُجَلْظة بالرغم من محدودياتها؟

يُعد كبريتات الألمنيوم خيارًا مفضلًا للعديد من البلديات، خاصةً تلك التي تعاني من قيود الميزانية والبنية التحتية الحالية، نظرًا لفعاليته من حيث التكلفة وموثوقيته وتنوع استخداماته.