معالجة مياه الصرف الصحي المحتوية على الأحماض

تُعرَّف المياه العادمة الحمضية بأنها المياه ذات الرقم الهيدروجيني الأقل من 6. وبحسب أنواع الأحماض وتركيزاتها، تُقسَّم المياه العادمة الحمضية إلى مياه عادمة حمضية غير عضوية ومياه عادمة حمضية عضوية. كما تُقسَّم إلى مياه عادمة حمضية قوية ومياه عادمة حمضية ضعيفة؛ ومياه عادمة حمضية أحادية ومياه عادمة حمضية متعددة؛ ومياه عادمة حمضية منخفضة التركيز ومياه عادمة حمضية عالية التركيز. عادةً ما تحتوي المياه العادمة الحمضية، بالإضافة إلى الأحماض، على أيونات المعادن الثقيلة وأملاحها ومواد ضارة أخرى. وتنتج هذه المياه من مصادر متنوعة، تشمل تصريف مياه المناجم، والمعالجة المائية للمعادن، ودرفلة الصلب، والمعالجة الحمضية السطحية للصلب والمعادن غير الحديدية، والصناعات الكيميائية، وإنتاج الأحماض، والأصباغ، والتحليل الكهربائي، والطلاء الكهربائي، والألياف الصناعية، وغيرها من القطاعات الصناعية. ومن أكثر أنواع المياه العادمة الحمضية شيوعًا مياه عادمة حمض الكبريتيك، تليها مياه عادمة حمض الهيدروكلوريك ثم مياه عادمة حمض النيتريك. تُصرّف الصين سنوياً ما يقارب مليون متر مكعب من نفايات الأحماض الصناعية، وإذا ما تم تصريف هذه النفايات مباشرةً دون معالجة، فإنها ستؤدي إلى تآكل الأنابيب، وإتلاف المحاصيل، والإضرار بالأسماك، وإلحاق الضرر بالسفن، وتدمير البيئة. لذا، يجب معالجة نفايات الأحماض الصناعية لتتوافق مع معايير التصريف الوطنية قبل تصريفها، ويمكن إعادة تدويرها واستخدامها. تشمل طرق معالجة نفايات الأحماض: المعالجة بالملح، والتركيز، والمعادلة الكيميائية، والاستخلاص، واستخدام راتنجات التبادل الأيوني، والفصل الغشائي، وغيرها.

1. ملح لإعادة التدوير

تعتمد عملية الترسيب الملحي على استخدام كمية كبيرة من الماء المالح المشبع لترسيب معظم الشوائب العضوية في الحمض المُستخدَم. إلا أن هذه الطريقة تُنتج حمض الهيدروكلوريك، مما يؤثر على استخلاص حمض الكبريتيك من الحمض المُستخدَم واستخدامه. لذا، دُرست طريقة الترسيب الملحي للشوائب العضوية في الحمض المُستخدَم باستخدام محلول مشبع من بيكبريتات الصوديوم.
يحتوي الحمض المُستخدَم على حمض الكبريتيك وشوائب عضوية متنوعة، أبرزها كمية ضئيلة من حمض 6-كلورو-3-نيتروتولوين-4-سلفونيك، بالإضافة إلى متصاوغات أخرى ناتجة عن تفاعل التولوين مع التولوين خلال عمليات السلفنة والكلورة والنترجة. تعتمد طريقة الترسيب الملحي على استخدام كمية كبيرة من الماء المالح المشبع لترسيب معظم الشوائب العضوية في الحمض المُستخدَم. لا تقتصر فوائد إعادة تدوير الحمض بالترسيب الملحي على إزالة الشوائب العضوية فحسب، بل تُسهم أيضًا في استعادة حمض الكبريتيك لإعادة استخدامه في دورة الإنتاج، مما يوفر التكاليف والطاقة.

2. طريقة التحميص

يتم تطبيق طريقة التحميص على الأحماض المتطايرة مثل حمض الهيدروكلوريك، والتي يتم فصلها عن المحلول عن طريق التحميص لتحقيق تأثير الاستخلاص.

3. طريقة التعادل الكيميائي

يُعدّ التفاعل الأساسي بين الحمض والقاعدة H+(aq) + OH-(aq) = H2O أساسًا هامًا لمعالجة مياه الصرف الحمضية. تشمل الطرق الشائعة لمعالجة هذه المياه: المعادلة وإعادة التدوير، والمعادلة المتبادلة بين الحمض والقاعدة، ومعادلة الأدوية، والمعادلة بالترشيح، وغيرها. في بدايات بعض مصانع الحديد والصلب في الصين، اعتمدت معظمها على طريقة المعادلة الحمضية القاعدية لمعالجة مخلفات التخليل بحمض الهيدروكلوريك وحمض الكبريتيك، حتى تصل قيمة الرقم الهيدروجيني إلى معايير التصريف. تُستخدم كربونات الصوديوم (رماد الصودا)، وهيدروكسيد الصوديوم، والحجر الجيري كمواد خام في هذه العملية، وتتميز هذه المواد برخص ثمنها وسهولة إنتاجها.

4. طريقة الاستخلاص

الاستخلاص السائل-السائل، المعروف أيضًا بالاستخلاص بالمذيبات، هو عملية تستخدم اختلاف ذوبانية مكونات المادة الخام السائلة في المذيب المناسب لتحقيق الفصل. في معالجة مياه الصرف المحتوية على الأحماض، من الضروري ضمان تلامس كامل بين مياه الصرف الحمضية والمذيب العضوي، بحيث تنتقل الشوائب الموجودة في الحمض إلى المذيب. وتشمل متطلبات المستخلص ما يلي: (1) أن يكون الحمض الناتج خاملًا، فلا يتفاعل كيميائيًا معه، ولا يذوب فيه؛ (2) أن تتمتع الشوائب الموجودة في الحمض الناتج بمعامل توزيع عالٍ بين المستخلص وحمض الكبريتيك؛ (3) أن يكون سعره منخفضًا ومتوفرًا بسهولة؛ (4) أن يكون سهل الفصل عن الشوائب، مع فقدان ضئيل أثناء عملية الاستخلاص. تشمل المستخلصات الشائعة البنزين (التولوين، والنيتروبنزين، والكلوروبنزين)، والفينولات (الكريوزوت الخام ثنائي الفينول)، والهيدروكربونات المهلجنة (ثلاثي كلورو الإيثان، وثنائي كلورو الإيثان)، وإيثر الأيزوبروبيل، وN-503.

5. طريقة راتنج التبادل الأيوني

إن المبدأ الأساسي لمعالجة سائل النفايات الحمضية العضوية بواسطة راتنج التبادل الأيوني هو أن بعض راتنجات التبادل الأيوني يمكنها امتصاص الأحماض العضوية من محلول الأحماض النفايات واستبعاد الأحماض غير العضوية وأملاح المعادن لتحقيق فصل الأحماض والأملاح المختلفة.

6. طريقة الفصل الغشائي

بالنسبة للسوائل الحمضية، يمكن استخدام طرق المعالجة الغشائية مثل الديال والتحليل الكهربائي. تعتمد عملية استخلاص الأحماض الحمضية بالأغشية بشكل أساسي على مبدأ الديال، الذي يعتمد على فرق التركيز. يتكون الجهاز بالكامل من غشاء الديال الانتشارية، ولوحة توزيع السائل، ولوحة التقوية، وإطار لوحة تدفق السائل، وغيرها، ويحقق فصل المواد في السائل.

7. طريقة التبلور بالتبريد

طريقة التبلور بالتبريد هي طريقة لخفض درجة حرارة المحلول وترسيب المادة المذابة. تُستخدم هذه الطريقة في معالجة الأحماض المستعملة، حيث يتم تبريد الشوائب الموجودة في الحمض المستعمل لاستعادة محلول الحمض الذي يفي بالمتطلبات ويمكن إعادة استخدامه. على سبيل المثال، يحتوي حمض الكبريتيك المستعمل الناتج عن عملية غسل الأسيل في مصنع الدرفلة على كمية كبيرة من كبريتات الحديدوز، والتي تُعالج بعملية التركيز والتبلور والترشيح. بعد إزالة كبريتات الحديدوز بالترشيح، يمكن إعادة الحمض إلى عملية تخليل الصلب لاستخدامه مرة أخرى.

للتبلور بالتبريد تطبيقات صناعية عديدة، ويتضح ذلك هنا من خلال عملية التخليل في معالجة المعادن. في عمليات تصنيع الصلب والمعالجة الميكانيكية، يُستخدم محلول حمض الكبريتيك عادةً لإزالة الصدأ عن سطح المعدن. لذا، فإن إعادة تدوير الحمض المُستعمل تُسهم بشكل كبير في خفض التكاليف وحماية البيئة. ويُستخدم التبلور بالتبريد في الصناعة لتحقيق هذه العملية.

8. طريقة الأكسدة

تُستخدم هذه الطريقة منذ زمن طويل، ومبدأها تحليل الشوائب العضوية في حمض الكبريتيك المُستعمل باستخدام عوامل مؤكسدة في ظروف مناسبة، بحيث يمكن تحويلها إلى ثاني أكسيد الكربون والماء وأكاسيد النيتروجين، وغيرها، وفصلها عن حمض الكبريتيك، مما يسمح بتنقية حمض الكبريتيك المُستعمل واستعادته. ومن المؤكسدات الشائعة الاستخدام بيروكسيد الهيدروجين، وحمض النيتريك، وحمض البيركلوريك، وحمض الهيبوكلوروس، والنترات، والأوزون، وغيرها. ولكل مؤكسد مزاياه وعيوبه.