ما هي الطرق الفعالة للتعامل مع ارتفاع نسبة النيتروجين في المياه المستعملة؟ شكرًا
Thread Content
كيف يتم التعامل مع ارتفاع نسبة النيتروجين الأموني في معالجة المياه العادمة؟
ما هي المكونات بالتحديد؟
لدى شركتنا خزان تصفية كبير، يتم وضع المياه الملوثة فيه لمدة 10 أيام إلى نصف شهر، مع تهويتها في الوقت نفسه. انخفض محتوى النيتروجين الأمونيائي في مؤشرات جودة المياه بشكل كبير. :ههه
تم إزالته في ظروف قلوية، ومن حيث المبدأ فإن ذلك غير مسموح به، ولا يُنصح باستخدام هذه الطريقة
هناك العديد من الطرق لإزالة النيتروجين الأموني، وعادةً ما يتم استخدام الطرق البيولوجية لأن تكلفتها منخفضة. تتمتع أساليب مثل A/O وA2/O وSBR وCASS والخنادق الأكسدية بقدرة جيدة على إزالة النيتروجين الأموني، حيث يمكن تحقيق معدل إزالة يصل إلى أكثر من 98%.
التنقية بالهواء: في الظروف القلوية (pH > 10.5)، يكون نيتروجين الأمونيا في المياه الملوثة موجودًا بشكل أساسي على هيئة NH3 (الشكل 20-2). عند تعريض المياه الملوثة للهواء بشكل كافٍ، فإن غاز NH3 القابل للتبخر في الماء سينتقل من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية، وبذلك يتم التخلص من نيتروجين الأمونيا في الماء. يتم تجهيز برج الإزالة بمواد مالئة من الخشب أو البلاستيك، حيث يدخل تيار الهواء من الجزء السفلي من البرج، بينما ينزل الماء الملوث من الجزء العلوي إلى خزان التجميع في الجزء السفلي من البرج. العوامل الرئيسية المؤثرة في فعالية طرد الأمونيا هي: (1) الرقم الهيدروجيني؛ عادةً ما يتم رفع الرقم الهيدروجيني إلى ما بين 10.8 و11.5 ； (2) درجة الحرارة: عند انخفاض درجة حرارة الماء، تزداد قابلية ذوبان الأمونيا، مما يقلل من كفاءة عملية الإزالة. على سبيل المثال، عند درجة حرارة 20 درجة مئوية، تصل نسبة إزالة الأمونيا إلى 90–95%، بينما تنخفض هذه النسبة إلى حوالي 75% عند درجة حرارة 10 درجات مئوية. وهذا يشكل صعوبة في تشغيل أجهزة الإزالة في فصل الشتاء ； (3) الحمل الهيدروليكي: إذا كان الحمل الهيدروليكي (م³/م²·ساعة) مرتفعًا جدًا، فإنه سيعطل حالة تدفق الماء اللازمة للإزالة الفعّالة، مما يؤدي إلى تكوين ستار مائي ； إذا كان الحمل المائي منخفضًا جدًا، فقد لا يتم ترطيب المواد المستخدمة بشكل كافٍ، مما يؤدي إلى سوء أداء النظام وتكوّن برج جاف. الحمل الهيدروليكي المعتاد يتراوح بين 2.5 و5 م³/م²·ساعة ； (4) نسبة الغاز إلى الماء: بالنسبة لارتفاع البرج المحدد، فإن زيادة تدفق الهواء يمكن أن يرفع من معدل إزالة الأمونيا ； لكن مع زيادة تدفق الهواء، يزداد الانخفاض في الضغط أيضًا، لذلك هناك حد أقصى لتدفق الهواء. عمومًا، يمكن أن تكون نسبة الغاز إلى الماء بين 2500 و5000 (م3/م2) ； (5) تركيب وارتفاع المواد المستخدمة في عملية الإزالة: نظرًا لأن تكرار رش الماء وتكوّن قطرات الماء يُعدان عاملين أساسيين في عملية إزالة الأمونيا، فإن شكل المواد المستخدمة وحجمها والمسافة بينها وطريقة ترتيبها كلها تؤثر على فعالية عملية الإزالة. عمومًا، يكون المسافة بين الحشوات من 40 إلى 50 مم، أما ارتفاع الحشوات فيكون من 6 إلى 7.5 متر. إذا زادت المسافة بين الحشوات، فإنه يلزم ارتفاع حشوة أكبر ； (6) التحكم في ترسب الرواسب: يؤدي ترسب رواسب كربونات الكالسيوم على المواد المستخدمة في عملية التنقية إلى انخفاض كفاءة أداء برج التنقية. تشمل تدابير السيطرة على الترسبات: غسل طبقة الترسبات بماء عالي الضغط ； إضافة مواد منع تكون الرواسب إلى المياه الداخلة: استخدام هواء خالٍ أو ذي محتوى منخفض من ثاني أكسيد الكربون لعملية الإزالة (مثل استخدام غازات العادم المُستخدمة في امتصاص الأمونيا وإعادة استخدامها) ； استخدام مواد تعبئة بلاستيكية غير عرضة لتكون الرواسب بدلاً من الخشب وما شابه. طريقة النفخ بالهواء لإزالة الأمونيا، حيث يمكن تحقيق معدل إزالة يتراوح بين 60 و95%، وهي طريقة بسيطة وفعالة، كما أن تكاليف التشغيل والبنية التحتية منخفضة، ويمكنها معالجة مياه الصرف الناتجة عن تصنيع الأمونيا ذات التركيز العالي. لكن كفاءة الإزالة تكون منخفضة في درجات الحرارة المنخفضة، وغالبًا ما يؤدي تراكم الرواسب إلى إعاقة التشغيل بشكل خطير، كما أن الأمونيا الناتجة عن عملية الإزالة تسبب تلوثًا ثانويًا للبيئة.
إزالة النيتروجين الأمونيائي من المياه الملوثة: يوجد النيتروجين في المياه الملوثة عادةً في صورة مركبات نيتروجينية عضوية، وأمونيا، ونترات، ونتريتات. يحول المعالجة البيولوجية معظم النيتروجين العضوي إلى أمونيا، ويمكن بعد ذلك تحويلها إلى نترات. تشمل عمليات إزالة النيتروجين المستخدمة حاليًا أربع طرق، وهي: النتراتة البيولوجية وإعادة النتراتة، والامتصاص الانتقائي باستخدام الزيوليت، والتنقية بالهواء، والكلورة في نقاط محددة. أولاً: النيتراتة البيولوجية وإعادة النيتراتة البيولوجية (طريقة إزالة النيتروجين بيولوجياً)
(أ) النيتراتة البيولوجية: في الظروف الهوائية، يحدث تحويل النيتروجين الأموني إلى نيتريت ونيترات بفعل بكتيريا النيتريت وبكتيريا النيترات، ويُطلق على هذه العملية اسم النيتراتة البيولوجية. عملية التنترة البيولوجية تتم وفق المعادلة التالية: NH4+ + 2O2 = NO3- + 2H+ + H2O. من هذه المعادلة يتضح أن: (1) خلال عملية التنترة، يلزم 4.57 جرامًا من الأكسجين لتحويل 1 جرام من نيتروجين الأمونيا إلى نيتروجين النترات ； (2) يتم إطلاق أيونات H+ أثناء عملية النترة، مما يستهلك القلوية في مياه الصرف؛ فلكل جرام واحد من أكسدة نيتروجين الأمونيا، يتم استهلاك 7.1 جرام من القلوية (محسوبة بوحدة CaCO3). العوامل الرئيسية التي تؤثر على عملية النتردة هي: (1) قيمة الـ pH، حيث يكون معدل عملية النتردة أسرع عندما تكون قيمة الـ pH بين 8.0 و8.4 عند درجة حرارة 20 درجة مئوية. نظرًا لانخفاض الرقم الهيدروجيني أثناء عملية النترة، فعندما يكون قلوية مياه الصرف غير كافية، يجب إضافة الجير للحفاظ على الرقم الهيدروجيني عند مستوى يزيد عن 7.5 ； (2) درجة الحرارة: عندما تكون درجة الحرارة مرتفعة، تكون سرعة التنتري سريعة. درجة الحرارة المثالية لبكتيريا النيتريت هي 35 درجة مئوية، وتنخفض نشاطها بشكل كبير عند درجات حرارة أقل من 15 درجة مئوية، لذا يجب ألا تقل درجة الحرارة عن 15 درجة مئوية ； (3) مدة بقاء الحمأة: سرعة تكاثر بكتيريا النيتريفيكيشن منخفضة جدًا، حيث تبلغ أقصى معدل نمو لها 0.3–0.5 يومًا في اليوم (عند درجة حرارة 20 درجة مئوية، وقيمة pH تتراوح بين 8.0 و8.4). للحفاظ على كمية معينة من بكتيريا النيتريفيكاسيون في الخزان، يجب أن يكون وقت بقاء الرواسب أطول من الوقت الأدنى اللازم لتكاثر هذه البكتيريا. في التشغيل الفعلي، يجب عادةً اختيار قيمة أكبر من 2، أو أكبر من 2 ； (4) الأكسجين المذاب: يعتبر الأكسجين مستقبلاً للإلكترونات في عملية التحويل البيولوجي، وانخفاض تركيزه يؤثر سلباً على سير هذه العملية. بشكل عام، أثناء عملية النترة في خزان التهوية في طريقة الحمأة النشطة، يجب أن يظل الأكسجين المذاب فوق 2–3 ملغ/لتر ； (5) حمل الطلب الكيميائي على الأكسجين: البكتيريا النيتريفية هي نوع من البكتيريا ذاتية التغذية، بينما بكتيريا أكسدة الطلب الكيميائي على الأكسجين هي بكتيريا غير ذاتية التغذية. إذا كانت نسبة BOD5 مرتفعة جدًا، فإن البكتيريا هيتروتروفية ذات معدل نمو عالي ستتكاثر بسرعة، مما يؤدي إلى عدم حصول بكتيريا النتريفيكاسيون أوتوتروفية على الميزة، وبالتالي ينخفض معدل النتريفيكاسيون. لذلك، من أجل إتمام عملية النيتراتة بشكل كامل، يجب الحفاظ على مستوى حمل BOD5 عند ما لا يزيد عن 0.3 كجم (BOD5)/كجم (SS).يوم. (٢) التحلل البيولوجي للنيترات: في ظروف نقص الأكسجين، يُطلق على عملية تحويل أيونات NO2--N وNO3--N إلى غاز النيتروجين (N2) بفعل البكتيريا اللاهوائية القادرة على تحليل النيترات (بكتيريا التحلل)، اسم التحلل البيولوجي للنيترات. مانحات الإلكترونات (مانحات الهيدروجين) في عملية إزالة النترات هي أنواع مختلفة من الركائز العضوية (مصادر الكربون). كمثال على استخدام الميثانول كمصدر للكربون، فإن معادلته التفاعلية هي: 6NO3− + 5CH3OH → 5CO2 + 4H2O + 3N2 + 6OH−. كما يتضح من ذلك، ففي عملية إزالة النترات بيولوجيًا، لا يتم اختزال NO3−-N وNO2−-N فحسب، بل يتم أيضًا أكسدة وتحلل المواد العضوية. العوامل الرئيسية التي تؤثر على عملية إزالة النيتروجين: (1) درجة الحرارة، فإن تأثير درجة الحرارة على عملية إزالة النيتروجين أكبر مقارنة بعمليات المعالجة البيولوجية للمياه الملوثة الأخرى. عمومًا، من الأفضل الحفاظ على درجة حرارة تتراوح بين 20 و40 درجة مئوية. في فصل الشتاء حيث تكون درجات الحرارة منخفضة جدًا، يمكن اتخاذ تدابير مثل زيادة مدة بقاء الحمأة وتقليل الحمل، من أجل الحفاظ على فعالية عملية إزالة النيتروجين ； (2) قيمة الرقم الهيدروجيني: يتم التحكم في قيمة الرقم الهيدروجيني أثناء عملية إزالة النترات بين 7.0 و8.0 ； (3) الأكسجين المذاب: يؤدي الأكسجين إلى تثبيط عملية إزالة النيتروجين عن طريق عملية النتردة. عمومًا، يجب الحفاظ على تركيز الأكسجين المذاب في مفاعلات إزالة النترات أقل من 0.5 ملغ/لتر (في طريقة الحمأة النشطة) أو أقل من 1 ملغ/لتر (في طريقة الغشاء الحيوي) ； (4) مصدر الكربون العضوي: عندما يحتوي مياه الصرف على كمية كافية من مصدر الكربون العضوي، بحيث يكون BOD5/TN > (3–5)، فلا حاجة لإضافة مصدر كربون خارجي. عندما يكون نسبة الكربون إلى النيتروجين في المياه الملوثة أقل من هذه النسبة، يصبح من الضروري إضافة كربون عضوي إليها. يُستخدم الميثانول غالبًا ككربون عضوي إضافي. نظرًا للاستهلاك الإضافي للميثانول للأكسجين المذاب، فإن كمية الميثانول المضافة تكون عادةً ثلاثة أضعاف كمية NO3--N. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا استخدام موت الكائنات الدقيقة ； الكربون العضوي الذي يتم إطلاقه بعد عملية التحلل الذاتي، والذي يُعرف بـ "مصدر الكربون الداخلي"، يتطلب ذلك بقاء الحمأة لفترة طويلة أو انخفاض معدل الحمل، بحيث تكون الكائنات الدقيقة في مرحلة ركود أو انحدار في منحنى نموها، ولذلك يجب زيادة حجم الخزان المستخدم. ثانيًا: اختيار الزيوليت لعملية الامتصاص التبادلي
الزيوليت هو نوع من أملاح السيليكات والألومينات، ويمكن التعبير عن تركيبه الكيميائي بالصيغة (M2+، 2M+)O.Al2O3.mSiO2•nH2O، حيث m=2 إلى 10، وn=0 إلى 9. يمثل M2+ الأيونات الموجبة ثنائية التفريغ مثل Ca2+ وSr2+، بينما يمثل M+ الأيونات الموجبة أحادية التفريغ مثل Na+ وK+. ويعتبر الزيوليت مادة لتبادل الأيونات من النوع الحمضي الضعيف. في البنية ثلاثية الأبعاد للزيوليت، توجد مسارات وتجاويف منتظمة، مما يمنحه خصائص ممتازة مثل تأثير التصفية، والقدرة على اختيار الذرات المراد امتصاصها، بالإضافة إلى الاستقرار الحراري والشكلي. هناك أنواع عديدة من الزيوليت الطبيعي، والنوع الرئيسي المستخدم في إزالة النيتروجين الأمونيائي هو الزيوليت المائل. ترتيب الاختيارية في تبادل الكاتيونات بواسطة الزيوليت المائل هو: K+، NH4+ > Na+ > Ba2+ > Ca2+ > Mg2+. باستخدام الزيوليت المائل ذو الانتقائية العالية لأيون NH4+، يمكن استخدام عملية الامتصاص بالتبادل لإزالة نيتروجين الأمونيا من الماء. يمكن إعادة استخدام الحجارة المشبعة بالامتصاص بعد إعادة تنشيطها. يؤثر مستوى الرقم الهيدروجيني للمحلول بشكل كبير على قدرة الزيوليت على إزالة الأمونيا. عندما يكون الرقم الهيدروجيني مرتفعًا جدًا، يتحول NH4+ إلى NH3، مما يؤدي إلى ضعف عملية الامتصاص والتبادل ； عندما يكون الرقم الهيدروجيني منخفضًا، تزداد قوة الامتصاص التنافسي لأيونات H+، مما يعيق إزالة أيونات NH4+. عادةً، يكون مستوى الرقم الهيدروجيني للمياه الداخلة في النطاق من 6 إلى 8. عند معالجة المياه الصناعية الشديدة التلوث التي تحتوي على نيتروجين أمونيا بتركيز 10–20 ملغ/لتر، يمكن أن يصل تركيز المادة في المياه الناتجة إلى أقل من 1 ملغ/لتر. عند الاختراق، يكون حجم الماء المتدفق حوالي 100 إلى 150 سعة سرير. تبلغ السعة التبادلية للعمل للزيوليت حوالي 0.4×10-3 نانومول/غرام. يمكن إعادة تنشيط الزيوليت الذي وصلت قدرته على امتصاص الأمونيوم إلى الحد الأقصى، باستخدام لبن الجير بتركيز 5 جرام/لتر أو محلول الجير المشبع. تبلغ كمية السائل المستخدم في عملية إعادة التدوير حوالي 3 إلى 5% من كمية المياه المُعالجة. تُظهر الدراسات أن إضافة 0.1 مول من NaCl إلى محلول إعادة تدوير الجير يمكن أن يزيد من كفاءة عملية إعادة التدوير. لمعالجة مشكلة ترسبات إعادة تكرير الجير، يتم أيضًا استخدام محلول كلوريد الصوديوم بنسبة 2% كسائل لإعادة التكرير، وفي هذه الحالة يكون استهلاك السائل المستخدم كبيرًا. يجب معالجة السوائل الناتجة عن إعادة التصنيع والتي تحتوي على تركيزات عالية من الأمونيا. ومن طرق المعالجة: (1) استخدام الهواء لإزالة الأمونيا، سواء عن طريق التخلص منها أو امتصاصها بواسطة حمض الكبريتيك لاستخدامها كسماد ； (2) الإزالة بالبخار: يكون السائل المكثف عبارة عن محلول أمونيا بتركيز 1%، ويمكن استخدامه كسماد ； (3) الأكسدة الكهربائية (الكلورة الكهربائية): تحويل الأمونيا إلى غاز N2 عن طريق الأكسدة. ثالثًا: الإزالة بالهواء: في الظروف القلوية (pH > 10.5)، يكون نيتروجين الأمونيا في المياه الملوثة موجودًا بشكل أساسي على هيئة NH3 (الشكل 20-2). عند تعريض المياه الملوثة للهواء بشكل كافٍ، فإن غاز NH3 القابل للتبخر في الماء سينتقل من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية، وبذلك يتم التخلص من نيتروجين الأمونيا في الماء. يتم تجهيز برج الإزالة بمواد مالئة من الخشب أو البلاستيك، حيث يدخل تيار الهواء من الجزء السفلي من البرج، بينما ينزل الماء الملوث من الجزء العلوي إلى خزان التجميع في الجزء السفلي من البرج. العوامل الرئيسية المؤثرة في فعالية طرد الأمونيا هي: (1) الرقم الهيدروجيني؛ عادةً ما يتم رفع الرقم الهيدروجيني إلى ما بين 10.8 و11.5 ； (2) درجة الحرارة: عند انخفاض درجة حرارة الماء، تزداد قابلية ذوبان الأمونيا، مما يقلل من كفاءة عملية الإزالة. على سبيل المثال، عند درجة حرارة 20 درجة مئوية، تصل نسبة إزالة الأمونيا إلى 90–95%، بينما تنخفض هذه النسبة إلى حوالي 75% عند درجة حرارة 10 درجات مئوية. وهذا يشكل صعوبة في تشغيل أجهزة الإزالة في فصل الشتاء ； (3) الحمل الهيدروليكي: إذا كان الحمل الهيدروليكي (م³/م²·ساعة) مرتفعًا جدًا، فإنه سيعطل حالة تدفق الماء اللازمة للإزالة الفعّالة، مما يؤدي إلى تكوين ستار مائي ； إذا كان الحمل المائي منخفضًا جدًا، فقد لا يتم ترطيب المواد المستخدمة بشكل كافٍ، مما يؤدي إلى سوء أداء النظام وتكوّن برج جاف. الحمل الهيدروليكي المعتاد يتراوح بين 2.5 و5 م³/م²·ساعة ； (4) نسبة الغاز إلى الماء: بالنسبة لارتفاع البرج المحدد، فإن زيادة تدفق الهواء يمكن أن يرفع من معدل إزالة الأمونيا ； لكن مع زيادة تدفق الهواء، يزداد الانخفاض في الضغط أيضًا، لذلك هناك حد أقصى لتدفق الهواء. عمومًا، يمكن أن تكون نسبة الغاز إلى الماء بين 2500 و5000 (م3/م2) ； (5) تركيب وارتفاع المواد المستخدمة في عملية الإزالة: نظرًا لأن تكرار رش الماء وتكوّن قطرات الماء يُعدان عاملين أساسيين في عملية إزالة الأمونيا، فإن شكل المواد المستخدمة وحجمها والمسافة بينها وطريقة ترتيبها كلها تؤثر على فعالية عملية الإزالة. عمومًا، يكون المسافة بين الحشوات من 40 إلى 50 مم، أما ارتفاع الحشوات فيكون من 6 إلى 7.5 متر. إذا زادت المسافة بين الحشوات، فإنه يلزم ارتفاع حشوة أكبر ； (6) التحكم في ترسب الرواسب: يؤدي ترسب رواسب كربونات الكالسيوم على المواد المستخدمة في عملية التنقية إلى انخفاض كفاءة أداء برج التنقية. تشمل تدابير السيطرة على الترسبات: غسل طبقة الترسبات بماء عالي الضغط ； إضافة مواد منع تكون الرواسب إلى المياه الداخلة: استخدام هواء خالٍ أو ذي محتوى منخفض من ثاني أكسيد الكربون لعملية الإزالة (مثل استخدام غازات العادم المُستخدمة في امتصاص الأمونيا وإعادة استخدامها) ； استخدام مواد تعبئة بلاستيكية غير عرضة لتكون الرواسب بدلاً من الخشب وما شابه. طريقة النفخ بالهواء لإزالة الأمونيا، حيث يمكن تحقيق معدل إزالة يتراوح بين 60 و95%، وهي طريقة بسيطة وفعالة، كما أن تكاليف التشغيل والبنية التحتية منخفضة، ويمكنها معالجة مياه الصرف الناتجة عن تصنيع الأمونيا ذات التركيز العالي. لكن كفاءة الإزالة تكون منخفضة في درجات الحرارة المنخفضة، وغالبًا ما يؤدي تراكم الرواسب إلى إعاقة التشغيل بشكل خطير، كما أن الأمونيا الناتجة عن عملية الإزالة تسبب تلوثًا ثانويًا للبيئة. رابعًا: التكلور عند نقطة الانعطاف، وهو طريقة يتم فيها إضافة كمية مفرطة من الكلور أو هيدروكسيد الكلوريت (أكثر من “نقطة الانعطاف”)، بحيث يتم أكسدة الأمونيا الموجودة في المياه العادمة بالكامل إلى غاز N2. يُطلق على هذه الطريقة اسم طريقة التكلور عند نقطة الانعطاف. يمكن تمثيل التفاعل كالتالي:
NH4+ + 1.5HOCl → 0.5N2 + 1.5H2O + 2.5H+ + 1.5Cl-
من المعادلة، يتضح أن الكمية النظرية من الكلور المطلوبة للوصول إلى نقطة الانعطاف هي 7.6 كجم/كجم من (NH3-N)، بينما الكمية الفعلية المطلوبة تتراوح بين 8 إلى 10 كجم/كجم من (NH3-N). عند إجراء التفاعل عند قيمة pH تتراوح بين 6 و7، يمكن تقليل كمية المادة المستخدمة إلى الحد الأدنى. عادةً ما تكون مدة التلامس من 0.5 إلى 2 ساعة. يمكن تقليل تكوين الكلورامينات الضارة (مثل NCl3) والمركبات العضوية المكلورة أثناء التفاعل، من خلال السيطرة الصارمة على قيمة الرقم الهيدروجيني وكمية الكلور المستخدمة. تصل نسبة إزالة النيتروجين الأمونيائي باستخدام طريقة التكلور عند نقاط التحول إلى 90–100%، كما أن فعالية المعالجة مستقرة ولا تتأثر بدرجة حرارة الماء، بالإضافة إلى أن تكلفة التجهيزات الأساسية ليست مرتفعة. لكن تكاليف تشغيله مرتفعة ； يجب معالجة الكلور المتبقي والمركبات العضوية المحتوية على الكلور بعد ذلك.
(أ) النيتراتة البيولوجية: في الظروف الهوائية، يحدث تحويل النيتروجين الأموني إلى نيتريت ونيترات بفعل بكتيريا النيتريت وبكتيريا النيترات، ويُطلق على هذه العملية اسم النيتراتة البيولوجية. عملية التنترة البيولوجية تتم وفق المعادلة التالية: NH4+ + 2O2 = NO3- + 2H+ + H2O. من هذه المعادلة يتضح أن: (1) خلال عملية التنترة، يلزم 4.57 جرامًا من الأكسجين لتحويل 1 جرام من نيتروجين الأمونيا إلى نيتروجين النترات ； (2) يتم إطلاق أيونات H+ أثناء عملية النترة، مما يستهلك القلوية في مياه الصرف؛ فلكل جرام واحد من أكسدة نيتروجين الأمونيا، يتم استهلاك 7.1 جرام من القلوية (محسوبة بوحدة CaCO3). العوامل الرئيسية التي تؤثر على عملية النتردة هي: (1) قيمة الـ pH، حيث يكون معدل عملية النتردة أسرع عندما تكون قيمة الـ pH بين 8.0 و8.4 عند درجة حرارة 20 درجة مئوية. نظرًا لانخفاض الرقم الهيدروجيني أثناء عملية النترة، فعندما يكون قلوية مياه الصرف غير كافية، يجب إضافة الجير للحفاظ على الرقم الهيدروجيني عند مستوى يزيد عن 7.5 ； (2) درجة الحرارة: عندما تكون درجة الحرارة مرتفعة، تكون سرعة التنتري سريعة. درجة الحرارة المثالية لبكتيريا النيتريت هي 35 درجة مئوية، وتنخفض نشاطها بشكل كبير عند درجات حرارة أقل من 15 درجة مئوية، لذا يجب ألا تقل درجة الحرارة عن 15 درجة مئوية ； (3) مدة بقاء الحمأة: سرعة تكاثر بكتيريا النيتريفيكيشن منخفضة جدًا، حيث تبلغ أقصى معدل نمو لها 0.3–0.5 يومًا في اليوم (عند درجة حرارة 20 درجة مئوية، وقيمة pH تتراوح بين 8.0 و8.4). للحفاظ على كمية معينة من بكتيريا النيتريفيكاسيون في الخزان، يجب أن يكون وقت بقاء الرواسب أطول من الوقت الأدنى اللازم لتكاثر هذه البكتيريا. في التشغيل الفعلي، يجب عادةً اختيار قيمة أكبر من 2، أو أكبر من 2 ； (4) الأكسجين المذاب: يعتبر الأكسجين مستقبلاً للإلكترونات في عملية التحويل البيولوجي، وانخفاض تركيزه يؤثر سلباً على سير هذه العملية. بشكل عام، أثناء عملية النترة في خزان التهوية في طريقة الحمأة النشطة، يجب أن يظل الأكسجين المذاب فوق 2–3 ملغ/لتر ； (5) حمل الطلب الكيميائي على الأكسجين: البكتيريا النيتريفية هي نوع من البكتيريا ذاتية التغذية، بينما بكتيريا أكسدة الطلب الكيميائي على الأكسجين هي بكتيريا غير ذاتية التغذية. إذا كانت نسبة BOD5 مرتفعة جدًا، فإن البكتيريا هيتروتروفية ذات معدل نمو عالي ستتكاثر بسرعة، مما يؤدي إلى عدم حصول بكتيريا النتريفيكاسيون أوتوتروفية على الميزة، وبالتالي ينخفض معدل النتريفيكاسيون. لذلك، من أجل إتمام عملية النيتراتة بشكل كامل، يجب الحفاظ على مستوى حمل BOD5 عند ما لا يزيد عن 0.3 كجم (BOD5)/كجم (SS).يوم. (٢) التحلل البيولوجي للنيترات: في ظروف نقص الأكسجين، يُطلق على عملية تحويل أيونات NO2--N وNO3--N إلى غاز النيتروجين (N2) بفعل البكتيريا اللاهوائية القادرة على تحليل النيترات (بكتيريا التحلل)، اسم التحلل البيولوجي للنيترات. مانحات الإلكترونات (مانحات الهيدروجين) في عملية إزالة النترات هي أنواع مختلفة من الركائز العضوية (مصادر الكربون). كمثال على استخدام الميثانول كمصدر للكربون، فإن معادلته التفاعلية هي: 6NO3− + 5CH3OH → 5CO2 + 4H2O + 3N2 + 6OH−. كما يتضح من ذلك، ففي عملية إزالة النترات بيولوجيًا، لا يتم اختزال NO3−-N وNO2−-N فحسب، بل يتم أيضًا أكسدة وتحلل المواد العضوية. العوامل الرئيسية التي تؤثر على عملية إزالة النيتروجين: (1) درجة الحرارة، فإن تأثير درجة الحرارة على عملية إزالة النيتروجين أكبر مقارنة بعمليات المعالجة البيولوجية للمياه الملوثة الأخرى. عمومًا، من الأفضل الحفاظ على درجة حرارة تتراوح بين 20 و40 درجة مئوية. في فصل الشتاء حيث تكون درجات الحرارة منخفضة جدًا، يمكن اتخاذ تدابير مثل زيادة مدة بقاء الحمأة وتقليل الحمل، من أجل الحفاظ على فعالية عملية إزالة النيتروجين ； (2) قيمة الرقم الهيدروجيني: يتم التحكم في قيمة الرقم الهيدروجيني أثناء عملية إزالة النترات بين 7.0 و8.0 ； (3) الأكسجين المذاب: يؤدي الأكسجين إلى تثبيط عملية إزالة النيتروجين عن طريق عملية النتردة. عمومًا، يجب الحفاظ على تركيز الأكسجين المذاب في مفاعلات إزالة النترات أقل من 0.5 ملغ/لتر (في طريقة الحمأة النشطة) أو أقل من 1 ملغ/لتر (في طريقة الغشاء الحيوي) ； (4) مصدر الكربون العضوي: عندما يحتوي مياه الصرف على كمية كافية من مصدر الكربون العضوي، بحيث يكون BOD5/TN > (3–5)، فلا حاجة لإضافة مصدر كربون خارجي. عندما يكون نسبة الكربون إلى النيتروجين في المياه الملوثة أقل من هذه النسبة، يصبح من الضروري إضافة كربون عضوي إليها. يُستخدم الميثانول غالبًا ككربون عضوي إضافي. نظرًا للاستهلاك الإضافي للميثانول للأكسجين المذاب، فإن كمية الميثانول المضافة تكون عادةً ثلاثة أضعاف كمية NO3--N. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا استخدام موت الكائنات الدقيقة ； الكربون العضوي الذي يتم إطلاقه بعد عملية التحلل الذاتي، والذي يُعرف بـ "مصدر الكربون الداخلي"، يتطلب ذلك بقاء الحمأة لفترة طويلة أو انخفاض معدل الحمل، بحيث تكون الكائنات الدقيقة في مرحلة ركود أو انحدار في منحنى نموها، ولذلك يجب زيادة حجم الخزان المستخدم. ثانيًا: اختيار الزيوليت لعملية الامتصاص التبادلي
الزيوليت هو نوع من أملاح السيليكات والألومينات، ويمكن التعبير عن تركيبه الكيميائي بالصيغة (M2+، 2M+)O.Al2O3.mSiO2•nH2O، حيث m=2 إلى 10، وn=0 إلى 9. يمثل M2+ الأيونات الموجبة ثنائية التفريغ مثل Ca2+ وSr2+، بينما يمثل M+ الأيونات الموجبة أحادية التفريغ مثل Na+ وK+. ويعتبر الزيوليت مادة لتبادل الأيونات من النوع الحمضي الضعيف. في البنية ثلاثية الأبعاد للزيوليت، توجد مسارات وتجاويف منتظمة، مما يمنحه خصائص ممتازة مثل تأثير التصفية، والقدرة على اختيار الذرات المراد امتصاصها، بالإضافة إلى الاستقرار الحراري والشكلي. هناك أنواع عديدة من الزيوليت الطبيعي، والنوع الرئيسي المستخدم في إزالة النيتروجين الأمونيائي هو الزيوليت المائل. ترتيب الاختيارية في تبادل الكاتيونات بواسطة الزيوليت المائل هو: K+، NH4+ > Na+ > Ba2+ > Ca2+ > Mg2+. باستخدام الزيوليت المائل ذو الانتقائية العالية لأيون NH4+، يمكن استخدام عملية الامتصاص بالتبادل لإزالة نيتروجين الأمونيا من الماء. يمكن إعادة استخدام الحجارة المشبعة بالامتصاص بعد إعادة تنشيطها. يؤثر مستوى الرقم الهيدروجيني للمحلول بشكل كبير على قدرة الزيوليت على إزالة الأمونيا. عندما يكون الرقم الهيدروجيني مرتفعًا جدًا، يتحول NH4+ إلى NH3، مما يؤدي إلى ضعف عملية الامتصاص والتبادل ； عندما يكون الرقم الهيدروجيني منخفضًا، تزداد قوة الامتصاص التنافسي لأيونات H+، مما يعيق إزالة أيونات NH4+. عادةً، يكون مستوى الرقم الهيدروجيني للمياه الداخلة في النطاق من 6 إلى 8. عند معالجة المياه الصناعية الشديدة التلوث التي تحتوي على نيتروجين أمونيا بتركيز 10–20 ملغ/لتر، يمكن أن يصل تركيز المادة في المياه الناتجة إلى أقل من 1 ملغ/لتر. عند الاختراق، يكون حجم الماء المتدفق حوالي 100 إلى 150 سعة سرير. تبلغ السعة التبادلية للعمل للزيوليت حوالي 0.4×10-3 نانومول/غرام. يمكن إعادة تنشيط الزيوليت الذي وصلت قدرته على امتصاص الأمونيوم إلى الحد الأقصى، باستخدام لبن الجير بتركيز 5 جرام/لتر أو محلول الجير المشبع. تبلغ كمية السائل المستخدم في عملية إعادة التدوير حوالي 3 إلى 5% من كمية المياه المُعالجة. تُظهر الدراسات أن إضافة 0.1 مول من NaCl إلى محلول إعادة تدوير الجير يمكن أن يزيد من كفاءة عملية إعادة التدوير. لمعالجة مشكلة ترسبات إعادة تكرير الجير، يتم أيضًا استخدام محلول كلوريد الصوديوم بنسبة 2% كسائل لإعادة التكرير، وفي هذه الحالة يكون استهلاك السائل المستخدم كبيرًا. يجب معالجة السوائل الناتجة عن إعادة التصنيع والتي تحتوي على تركيزات عالية من الأمونيا. ومن طرق المعالجة: (1) استخدام الهواء لإزالة الأمونيا، سواء عن طريق التخلص منها أو امتصاصها بواسطة حمض الكبريتيك لاستخدامها كسماد ； (2) الإزالة بالبخار: يكون السائل المكثف عبارة عن محلول أمونيا بتركيز 1%، ويمكن استخدامه كسماد ； (3) الأكسدة الكهربائية (الكلورة الكهربائية): تحويل الأمونيا إلى غاز N2 عن طريق الأكسدة. ثالثًا: الإزالة بالهواء: في الظروف القلوية (pH > 10.5)، يكون نيتروجين الأمونيا في المياه الملوثة موجودًا بشكل أساسي على هيئة NH3 (الشكل 20-2). عند تعريض المياه الملوثة للهواء بشكل كافٍ، فإن غاز NH3 القابل للتبخر في الماء سينتقل من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية، وبذلك يتم التخلص من نيتروجين الأمونيا في الماء. يتم تجهيز برج الإزالة بمواد مالئة من الخشب أو البلاستيك، حيث يدخل تيار الهواء من الجزء السفلي من البرج، بينما ينزل الماء الملوث من الجزء العلوي إلى خزان التجميع في الجزء السفلي من البرج. العوامل الرئيسية المؤثرة في فعالية طرد الأمونيا هي: (1) الرقم الهيدروجيني؛ عادةً ما يتم رفع الرقم الهيدروجيني إلى ما بين 10.8 و11.5 ； (2) درجة الحرارة: عند انخفاض درجة حرارة الماء، تزداد قابلية ذوبان الأمونيا، مما يقلل من كفاءة عملية الإزالة. على سبيل المثال، عند درجة حرارة 20 درجة مئوية، تصل نسبة إزالة الأمونيا إلى 90–95%، بينما تنخفض هذه النسبة إلى حوالي 75% عند درجة حرارة 10 درجات مئوية. وهذا يشكل صعوبة في تشغيل أجهزة الإزالة في فصل الشتاء ； (3) الحمل الهيدروليكي: إذا كان الحمل الهيدروليكي (م³/م²·ساعة) مرتفعًا جدًا، فإنه سيعطل حالة تدفق الماء اللازمة للإزالة الفعّالة، مما يؤدي إلى تكوين ستار مائي ； إذا كان الحمل المائي منخفضًا جدًا، فقد لا يتم ترطيب المواد المستخدمة بشكل كافٍ، مما يؤدي إلى سوء أداء النظام وتكوّن برج جاف. الحمل الهيدروليكي المعتاد يتراوح بين 2.5 و5 م³/م²·ساعة ； (4) نسبة الغاز إلى الماء: بالنسبة لارتفاع البرج المحدد، فإن زيادة تدفق الهواء يمكن أن يرفع من معدل إزالة الأمونيا ； لكن مع زيادة تدفق الهواء، يزداد الانخفاض في الضغط أيضًا، لذلك هناك حد أقصى لتدفق الهواء. عمومًا، يمكن أن تكون نسبة الغاز إلى الماء بين 2500 و5000 (م3/م2) ； (5) تركيب وارتفاع المواد المستخدمة في عملية الإزالة: نظرًا لأن تكرار رش الماء وتكوّن قطرات الماء يُعدان عاملين أساسيين في عملية إزالة الأمونيا، فإن شكل المواد المستخدمة وحجمها والمسافة بينها وطريقة ترتيبها كلها تؤثر على فعالية عملية الإزالة. عمومًا، يكون المسافة بين الحشوات من 40 إلى 50 مم، أما ارتفاع الحشوات فيكون من 6 إلى 7.5 متر. إذا زادت المسافة بين الحشوات، فإنه يلزم ارتفاع حشوة أكبر ； (6) التحكم في ترسب الرواسب: يؤدي ترسب رواسب كربونات الكالسيوم على المواد المستخدمة في عملية التنقية إلى انخفاض كفاءة أداء برج التنقية. تشمل تدابير السيطرة على الترسبات: غسل طبقة الترسبات بماء عالي الضغط ； إضافة مواد منع تكون الرواسب إلى المياه الداخلة: استخدام هواء خالٍ أو ذي محتوى منخفض من ثاني أكسيد الكربون لعملية الإزالة (مثل استخدام غازات العادم المُستخدمة في امتصاص الأمونيا وإعادة استخدامها) ； استخدام مواد تعبئة بلاستيكية غير عرضة لتكون الرواسب بدلاً من الخشب وما شابه. طريقة النفخ بالهواء لإزالة الأمونيا، حيث يمكن تحقيق معدل إزالة يتراوح بين 60 و95%، وهي طريقة بسيطة وفعالة، كما أن تكاليف التشغيل والبنية التحتية منخفضة، ويمكنها معالجة مياه الصرف الناتجة عن تصنيع الأمونيا ذات التركيز العالي. لكن كفاءة الإزالة تكون منخفضة في درجات الحرارة المنخفضة، وغالبًا ما يؤدي تراكم الرواسب إلى إعاقة التشغيل بشكل خطير، كما أن الأمونيا الناتجة عن عملية الإزالة تسبب تلوثًا ثانويًا للبيئة. رابعًا: التكلور عند نقطة الانعطاف، وهو طريقة يتم فيها إضافة كمية مفرطة من الكلور أو هيدروكسيد الكلوريت (أكثر من “نقطة الانعطاف”)، بحيث يتم أكسدة الأمونيا الموجودة في المياه العادمة بالكامل إلى غاز N2. يُطلق على هذه الطريقة اسم طريقة التكلور عند نقطة الانعطاف. يمكن تمثيل التفاعل كالتالي:
NH4+ + 1.5HOCl → 0.5N2 + 1.5H2O + 2.5H+ + 1.5Cl-
من المعادلة، يتضح أن الكمية النظرية من الكلور المطلوبة للوصول إلى نقطة الانعطاف هي 7.6 كجم/كجم من (NH3-N)، بينما الكمية الفعلية المطلوبة تتراوح بين 8 إلى 10 كجم/كجم من (NH3-N). عند إجراء التفاعل عند قيمة pH تتراوح بين 6 و7، يمكن تقليل كمية المادة المستخدمة إلى الحد الأدنى. عادةً ما تكون مدة التلامس من 0.5 إلى 2 ساعة. يمكن تقليل تكوين الكلورامينات الضارة (مثل NCl3) والمركبات العضوية المكلورة أثناء التفاعل، من خلال السيطرة الصارمة على قيمة الرقم الهيدروجيني وكمية الكلور المستخدمة. تصل نسبة إزالة النيتروجين الأمونيائي باستخدام طريقة التكلور عند نقاط التحول إلى 90–100%، كما أن فعالية المعالجة مستقرة ولا تتأثر بدرجة حرارة الماء، بالإضافة إلى أن تكلفة التجهيزات الأساسية ليست مرتفعة. لكن تكاليف تشغيله مرتفعة ； يجب معالجة الكلور المتبقي والمركبات العضوية المحتوية على الكلور بعد ذلك.
في الظروف القلوية، يكون التنقية في برج الإزالة فعالًا للغاية.