1. مقدمة عن الأوزون

الأوزون، ذو الصيغة الكيميائية O3، والمعروف أيضًا باسم الأكسجين ثلاثي الذرات أو فوق الأكسيد، سُمي بهذا الاسم نسبةً إلى رائحته السمكية، ويمكن اختزاله ذاتيًا إلى أكسجين في درجة حرارة الغرفة. كثافته النوعية أعلى من كثافة الأكسجين، وهو سهل الذوبان في الماء، وعرضة للتحلل. ولأن الأوزون يتكون من جزيئات أكسجين تحمل ذرة أكسجين، فإنه يكون في حالة مؤقتة فقط. تُستهلك ذرات الأكسجين المحمولة بالأكسدة، بينما تتحد الذرات المتبقية لتكوين الأكسجين وتدخل في حالة مستقرة. لذلك، لا يُسبب الأوزون تلوثًا ثانويًا.

معدل تحلل الأوزون في المحلول المائي أسرع منه في الطور الغازي. يرتبط عمر النصف لتحلل الأوزون في الماء بدرجة الحرارة ودرجة الحموضة (pH). مع ارتفاع درجة الحرارة، يتسارع معدل التحلل. عندما تتجاوز درجة الحرارة 100 درجة مئوية، يكون التحلل شديدًا؛ وعندما تصل درجة الحرارة إلى 270 درجة مئوية، يمكن تحويله فورًا إلى أكسجين. كلما ارتفع الرقم الهيدروجيني، زادت سرعة التحلل. يتحلل الأوزون في الهواء عند درجة الحرارة والضغط الطبيعيين، بعمر نصف يتراوح بين 15 و30 دقيقة.

2. تطبيق الأوزون في معالجة المياه

تستخدم معالجة مياه الصرف الصحي بأكسدة الأوزون الهواء أو الأكسجين المحتوي على تركيزات منخفضة من الأوزون. تتكون مرافق المعالجة الرئيسية من مولدات الأوزون ومعدات اتصال الهواء بالماء. تُستخدم طريقة أكسدة الأوزون بشكل رئيسي لتطهير المياه، وإزالة الملوثات مثل السيانيد، وإزالة ألوان المياه، وإزالة أيونات المعادن مثل الحديد والمنغنيز، وإزالة الروائح الكريهة.

1. تطهير المياه:

الأوزون مبيد فطريات واسع الطيف وسريع المفعول، يتميز بتأثيرات قاتلة أفضل من الكلور على مختلف أنواع البكتيريا المسببة للأمراض، بالإضافة إلى الجراثيم المقاومة والفيروسات وغيرها. بعد تعقيم المياه بالأوزون، تتحسن خصائصها الفيزيائية والكيميائية، مثل العكارة واللون، بشكل ملحوظ. يمكن خفض الطلب الكيميائي للأكسجين (COD) بشكل عام بنسبة 50-70%. كما يمكن لمعالجة أكسدة الأوزون إزالة المواد المسرطنة مثل بنزوات (أ) بيرين.

2. إزالة الملوثات مثل الفينول والسيانيد من الماء:

ترتبط الكمية الفعلية للأوزون ومعدل التفاعل اللازم لمعالجة مياه الصرف الصحي المحتوية على الفينول والسيانيد باستخدام طريقة الأوزون بكمية الملوثات مثل الكبريتيدات في الماء وقيمة الرقم الهيدروجيني للماء، لذلك يجب إجراء المعالجة المسبقة اللازمة. لأكسدة الفينولات في الماء إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، فإن المتطلبات النظرية للأوزون هي 7.14 ضعف محتوى الفينول. باستخدام الأوزون لأكسدة السيانيد، تتمثل الخطوة الأولى في أكسدة السيانيد إلى سيانات سامة قليلاً، والكمية المطلوبة من الأوزون هي نظريًا 1.84 ضعف محتوى السيانيد؛ الخطوة الثانية هي أكسدة السيانات إلى ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين، والمتطلبات النظرية للأوزون هي 4.61 ضعف محتوى السيانيد. تُستخدم طريقة أكسدة الأوزون عادةً بالتزامن مع طريقة الحمأة المنشطة. تُستخدم طريقة الحمأة المنشطة أولًا لإزالة معظم الملوثات، مثل الفينول والسيانيد، ثم تُستخدم طريقة أكسدة الأوزون للمعالجة. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن للأوزون أيضًا تحليل ملوثات مثل ألكيل بنزين سلفونات الصوديوم (ABS)، والبروتينات، والأحماض الأمينية، والأمينات العضوية، والليجنين، والدبال، والمركبات الحلقية غير المتجانسة، والمركبات غير المشبعة المتسلسلة في مياه الصرف الصحي.

3. إزالة اللون من الماء:

يمكن إزالة لون مياه الصرف الناتجة عن الطباعة والصباغة باستخدام طريقة أكسدة الأوزون. غالبًا ما يحتوي هذا النوع من مياه الصرف على كروموفورات، مثل الديازو والأزو، أو مركبات حلقية تحتوي على حلقات بنزين. يمكن لأكسدة الأوزون أن تكسر الروابط ثنائية التكافؤ لكروموفورات الصبغة، وتدمر المركبات الحلقية، مثل البنزين والنفثالين والأنثراسين، التي تُشكل الكروموفورات، مما يُزيل لون مياه الصرف. يتميز الأوزون بسرعة إزالة اللون وتأثير جيد على الأصباغ المحبة للماء، بينما يكون معدل إزالة اللون بطيئًا وتأثيره ضعيفًا على الأصباغ الكارهة للماء. يمكن لمياه الصرف التي تحتوي على أصباغ محبة للماء تحقيق إزالة لون تزيد عن 95% بمعالجتها بتركيز 20-50 ملغم/لتر من الأوزون لمدة 10-30 دقيقة.

4. إزالة أيونات المعادن مثل الحديد والمنجنيز من الماء:

يمكن فصل أيونات المعادن، كالحديد والمنغنيز، عن الماء بأكسدة الأوزون لتكوين أكاسيد معدنية. نظريًا، يبلغ استهلاك الأوزون 0.43 ضعف استهلاك أيونات الحديد و0.87 ضعف استهلاك أيونات المنغنيز.

5. إزالة الروائح والروائح الكريهة:

تنتج الروائح الكريهة في المياه السطحية والمياه الصناعية المُعاد تدويرها عن نواتج تحلل الفطريات الشعاعية والعفن والطحالب، بالإضافة إلى ملوثات مثل الكحول والفينولات والبنزين. يستطيع الأوزون أكسدة هذه الملوثات وتحللها، مما يزيل الروائح الكريهة. وفي الوقت نفسه، يمكن استخدام الأوزون لإزالة الروائح الكريهة في محطات معالجة مياه الصرف الصحي، ومحطات معالجة الحمأة، والنفايات.

6. تحسين مياه الصرف الصحي

بالنسبة لبعض مياه الصرف الصحي التي تحتوي على مركبات عضوية معقدة يصعب تحللها بيولوجيًا، يمكن استخدام خاصية الأوزون المؤكسدة لتحليل هذه المركبات العضوية المعقدة إلى مركبات عضوية بسيطة ذات قابلية تحلل بيولوجي معينة، ثم إخضاعها للمعالجة الكيميائية الحيوية. ويُستخدم هذا عادةً للمعالجة الأولية الأولية لبعض مياه الصرف الكيميائي.

3. مقدمة عن مولد الأوزون

مولد الأوزون هو جهاز يُستخدم لإنتاج غاز الأوزون (O3). الأوزون سريع التحلل ولا يُخزن، لذا يجب إنتاجه واستخدامه في الموقع (في حالات خاصة، يُمكن تخزينه لفترة قصيرة). لذلك، يجب استخدام مولد الأوزون في أي مكان يُمكن استخدام الأوزون فيه.

وفقا لطريقة توليد الأوزون، هناك حاليا ثلاثة أنواع رئيسية من مولدات الأوزون: التفريغ عالي الجهد، والإشعاع فوق البنفسجي، والتحليل الكهربائي.

يتم تقسيم نوع التفريغ عالي الجهد إلى نوع الأنبوب ونوع اللوحة وفقًا لهيكل غرفة تفريغ مولد الأوزون، وهي أيضًا أنواع شائعة من مولدات الأوزون.

4. اختيار معدات الأوزون

1. تحديد جرعة الأوزون لـCOD الصعب التحلل

تم حسابه بناءً على الخبرة باستخدام جرعة COD: الأوزون = 1:4

2. مثال:

تنتج مياه الصرف الصحي الناتجة عن الطباعة والصباغة 20 م 3 / ساعة، مع مؤشر COD يبلغ 300 مجم / لتر عند معالجتها إلى 100 مجم / لتر

(1) تناول جرعة 1:3

(2) تقليل القيمة المطلقة لـ COD بمقدار 300-100=200 ملجم/لتر

(3) وحدة الأوزون المطلوبة = 200 * 3 = 600 ملجم/لتر = 600 جم/م³

(4) الكمية الإجمالية للأوزون المطلوبة في الساعة هي 600 جم / م ³ * 20 م ³ = 12 كجم

(5) معدل استخدام الأوزون 90%، إنتاج الأوزون المطلوب في الساعة = 12 كجم / 0.9 = 13.3 كجم

(6) عامل الأمان هو 1.2، واختيار الأوزون المطلوب لكل ساعة هو 13.3 * 1.2 = 16 كجم/ساعة

هذه بعض جرعات تجارب المشاريع. نظرًا لاختلاف عمليات الإنتاج وتفاوت جودة مياه الصرف الصحي، ولتجنب الخسائر الاقتصادية أو عمليات المعالجة التي لا تحقق النتائج المثالية، يُفضل تحديد جرعة الأوزون من خلال اختبارات على نطاق ضيق عند اختيار معدات الأوزون.

صيغة الحساب لاختيار مستوى الأوزون:

حدّد جرعة الأوزون بناءً على جودة مياه الصرف الصحي وعملية المعالجة، وحدّد استخدام الأوزون بناءً على جرعة الأوزون وحجم مياه المعالجة لكل ساعة، واختر عدد وطراز مولدات الأوزون بناءً على استخدام الأوزون لكل ساعة. صيغة الحساب كالتالي:

ج=ق*ج

في الصيغة: G - كمية الأوزون المستخدمة في الساعة، جم/ساعة

س - الحد الأقصى لسعة معالجة مياه الصرف الصحي بالساعة، م³/ساعة

ج - جرعة الأوزون، جم/م³ من مياه الصرف الصحي

5. تصميم مفاعل اتصال الأوزون

مفاعل التلامس لمعالجة الأوزون هو جهاز يُتيح ذوبان الأوزون في الماء ويضمن زمن تفاعله. لذلك، ينبغي أن يكون لمفاعل التلامس الأوزوني وظيفتان: زيادة معدل ذوبان الأوزون (معدل امتصاص الأوزون)، وزيادة معدل التفاعل (معدل إزالة الملوثات).

متطلبات تصميم خزان اتصال الأوزون:

(1) يتكون حوض التلامس من غرفتين أو ثلاث غرف تلامس متصلة على التوالي، ويفصل بينهما حواجز رأسية؛

(2) تتكون كل غرفة اتصال من منطقة توزيع الغاز ومنطقة تفاعل لاحقة، مفصولة بحاجز توجيه رأسي؛

(3) يجب أن ينتشر غاز الأوزون مباشرة في الماء من خلال قرص تهوية مسامي يقع في الجزء السفلي من منطقة توزيع الغاز، ويجب أن يكون عدد نقاط حقن الغاز متوافقًا مع عدد الأقسام في غرفة التلامس؛

(4) يجب أن يضمن ترتيب قرص التهوية توزيعًا موحدًا للهواء أثناء عملية تغيير توزيع الهواء، حيث يمثل توزيع الهواء في القسم الأول حوالي 50٪ من إجمالي توزيع الهواء؛

(5) يجب أن يكون عمق المياه التصميمي لحوض التلامس 5.5-6 أمتار، ويجب أن تكون نسبة العمق إلى طول منطقة توزيع الغاز أكبر من 4؛

(6) يجب ألا تقل المسافة الواضحة بين أقسام التحويل عن 0.8 متر؛

(7) يجب تركيب جهاز مراقبة الأوزون المتبقي عند مخرج خزان التلامس.