استخلاص وإزالة المواد المغذية من مياه فضلات الخنزير باستخدام مفاعل الاندماج الجديد للتحلل الستروفيتي وإعادة التدوير.
نبذة:
في دراسة حديثة، يحدث التحلل الستروفيتي بالتعرية الهوائية من إطلاق الأمونيا وتم تصميم مفاعل اندماج جديد لتزامن استخلاص وإزالة كل الأمونيا النيتروجينية (TAN) وكل ملح حمض الفوسفوريك (PT) من مياه فضلات الخنزير بواسطة إعادة التدوير الداخلية الستروفيتية. وجد أن التحلل الستروفيتي بواسطة تعرية الهواء ملائماً. تحدث إزالة نسبة من الأمونيا النيتروجينية من فضلات المياه الاصطناعية مع الاحتفاظ بأكثر من 80% بإعادة التدوير لناتج التحلل الستروفيتي المتكون في ظروف مناسبة لستة مرات بدون إضافة مغنسيوم إضافي أو مصدر للفوسفات. ويوضح استمرار عملية الاندماج بالمفاعل أن 91%من الأمونيا النيتروجينية و97% من ملح حمض الفسفوريك تقريباً في مياه فضلات الخنزير يمكن أن تزال وتستخلص بعمليات إعادة التدوير المقترحة مع إضافة ماء البحر المر. أوضح التقييم الاقتصادي للنظام المقترح أن تكلفة الترسيب الستروفيتي يمكن أن توفر تقريبا 54% باختيار عملية إعادة التدوير المقترحة مقارنةً بطرق غير إعادة التدوير.
إن النيتروجين والفسفور من العوامل اللازمة للتركيب الصناعي للأحماض النووية والبروتين، ويعدان من أهم البوليمرات في الحياة. بالرغم من أن وجود هذه العوامل بكميات كبيرة في مياه الجسم المستلمة مما يؤدي إلي حدوث تتريف الذي ينتج عنه نضوب عاجل للأكسجين الذائب في مياه الجسم و بالتالي زيادة السمية في الحياة المائية. يتوافر كل من النيتروجين والفسفور بشكل أساسي في مياه البيئة من الإطلاق الصناعي والمحلي لمياه الفضلات. من بين مياه الفضلات مياه فضلات الخنزير التي تحتوي علي تركيز عالي من كل الأمونيا النيتروجينية وكل ملح حمض الفسفوريك. من الممكن أن يسبب نقل مياه الفضلات غير المعالجة بشكلٍ كافٍ إلي قضايا بيئية خطيرة. ولذلك؛ فإن تكنولوجيا معالجة فضلات مياه الخنزير العملية والفعالة تحتاج إلي السيطرة علي ثلوث المواد المغذية. علاوة على ذلك، يعد مصدر الفسفور محدود وغير متجدد. وقد استنتج أن المخزون الإحتياطي المتاح الذي يمكن الوصول إليه من صخور الفوسفات النظيفة من المحتمل أن تُستنفذ في خلال الخمسين عامًا القادمة. 2. هناك اهتمام متزايد-في الوقت الحالي-بتقنيات استخلاص وإزالة الأمونيا النتروجينية وملح حمض الفسفوريك بواسطة التحليل الستروفيتي الذي يحدث في هذا التفاعل 3,4,5,6.
التفاعل الستروفيتي (MgNH4PO4 ∙ 6H2O)مركب أبيض متبلور] قابلية ذوبان الناتج
(Ksp) = 7.08 × 10–147 والذي يتكون من ماغنسيوم وأمونيا وفوسفات بتركيز متساوي في عدد المولات، ويمكن لهذا الناتج أن يتبلور بشكل طبيعي عند درجة حموضة من 7-11 عندما تتعدي الأيونات النشطة من Mg2+, , و PO43–قابلية الذوبان الديناميكية الحرارية للناتج الستروفيتي9 . تقنياً، إن التحلل الستروفيتي أثبت احتوائه علىتقنيات واعدة للتزامن مع استخلاص وإزالة الأمونيا النيتروجينية وملح حمض الفسفوريك. وعلى الرغم من ذلك، إزالة الأمونيا النيتروجينية بالطريقة الستروفيتية لا تبدو عملية اقتصادية، للأسباب التالية:
(1)الكميات الكبيرة من الماغنسيوم والفوسفات الخارجي والقلوية اللازم إضافتها لمياه الفضلات.
(2)صعوبة الحصول علي نقاء ستروفيتي عالي.
(3)عدم تأسيس سوق للستروفيت كمخصب زراعي أو مواد للصناعة.
بالتغاضي عن تكاليف الطاقة المستهلكة وبتوحيد الطاقات البشرية،نجد النفقات اللازمة من أجل التحليل الستروفيتي لإزالة الأمونيا النيتروجينية تشتمل على مصادر الماغنسيوم والفوسفات وهيدروكسيد الصوديوم (NaOH). وإذا أخذنا بعين الاعتبارتكلفة المواد الكاشفة النقية المستخدمة في التفاعل (مثل ثاني كلوريد الماغنسيوم MgCl2 و6 جزيئات مياه6H2O والفوسفات ثنائي الصوديوم الهيدروجينية Na2HPO4 و 12 جزئ ماء12H2O وماغنسيوم : نيتروجين : فوسفاتMg:N:P بنسبة 1:1:1). وتكلفة كل من الماغنسيوم والفوسفات وهيدروكسيد الصوديوم تقدر ب 8.6،81.4،10 % ، على التوالي من إجمالي التكلفة الكلية. يعد استخدام مصادر الماغنسيوم قليلة التكلفة اقتراحًا عظيمًا لتقليل نفقات عملية التحليل الستروفيتي[sup]4[/sup][sup],[/sup][sup]11[/sup][sup],[/sup][sup]12[/sup][sup],[/sup][sup]13[/sup][sup],[/sup][sup]14[/sup][sup],[/sup][sup]15[/sup]. علاوةً علي ذلك، سعر السوق لأملاح الفوسفات عادةً أكثر عدة مرات من أملاح الماغنسيوم، لذلك يمكن تقليل تكلفة التحليل الستروفيتي بشكلٍ علمي عن طريق استخدام مصادر فوسفات قليلة التكلفة، ولكن تندر مصادر الفوسفات قليلة التكلفة. يعد السائل المهدر الذي يحتوي على الفوسفات أيضًا ضروري للغاية، لذا من الصعب تقليل هذه النفقات لمستوى مقبول للتطبيق العملي عندما يكون الاعتماد الكلي قائم على استخدام مصادر فوسفات وماغنسيوم قليل التكلفة للتحليل الستروفيتي.
وبجمع مصادر الماغنسيوم والفوسفات قليل التكلفة مع إعادة التدوير الستروفيتية، يمكن تقليل تكلفة العملية بأكملها. تشتمل الاقتراحات المقدمة المستخدمة في إعادة التدوير الستروفيتية بشكلٍ أساسي على التحول الحراري المباشر[sup]17[/sup][sup],[/sup][sup]18[/sup][sup],[/sup][sup]19[/sup]وهيدروكسيد الصوديوم المولد للحمى[sup]8[/sup][sup],[/sup][sup]20[/sup][sup],[/sup][sup]21[/sup][sup],[/sup][sup]22[/sup][sup],[/sup][sup]23[/sup] . يستخدم مولد الحمى الستروفيتي العمليتين الشائعتين اللتان تحدثان تحت الحالة الصلبة في درجة حرارة أكبر من 100°C. النواتج النشطة للتحلل الحراري المباشر وهيدروكسيد الصوديوم المولد للحمي الستروفيتي هي فوسفات الماغنسيوم أحادي الهيدروجين (MgHPO[sub]4[/sub]) وماغنسيوم الصوديوم الفوسفات (MgNaPO[sub]4[/sub]) بالتتابع والتي يمكن أن تتفاعل مع مكونة الستروفيت. على الرغم من أن التحلل الحراري المباشر أو هيدروكسيد الصوديوم غير مهمان، مولد الحمى أدى إلي التحلل الستروفيتي والماغنسيوم ثنائي الفوسفات (Mg[sub]2[/sub]P[sub]2[/sub]O[sub]7[/sub]) يبذل جهد مناسب للتأثير على إزالة الأمونيا النيتروجينية والذي يتكون بشكل إيجابي نتيجةً لإزالة الماء من مركب MgHPO[sub]4[/sub] في درجة حرارة أكبر من 80[sup]19[/sup][sup].[/sup][sup]20[/sup] °C. بالإضافة لذلك فإن كمية Mg[sub]2[/sub]P[sub]2[/sub]O[sub]7[/sub] تزداد في ناتج التحلل الحراري مع زيادة في عدد إعادة التدوير وينتج عنه تقليل سريع في معدل إزالة الأمونيا النيتروجينية[sup]19[/sup].[sup]22[/sup][sup],[/sup]في عمليات إعادة التدوير الستروفيتية الجارية يزيد فصل وتحويل من المواد الصلبة وبين المفاعلات المختلفة صعوبة العملية والتي ينتج عنها زيادة في تكلفة المعالجة ككل. ولحل تلك القضية اقترحنا عملية التحلل الستروفيتي الجديد والتي تقوم على تقنيات تعرية الهواء. يمكن أن تقلل تلك العملية درجة حرارة التحلل الستروفيتي وتوقف تكوينMg[sub]2[/sub]P[sub]2[/sub]O[sub]7[/sub].
وفي غضون ذلك صممنا مفاعل اندماج للتحلل وإعادة التدوير الستروفيتية والتي يمكن أن توفر تكلفة الفردية للمفاعل المولد الحمى.
الهدف الرئيسي من الدراسة:
تحقيق فاعلية وآلية التحلل الستروفيتي بواسطة تعرية الهواء وفاعلية إزالة الأمونيا النيتروجينية عن طريق إعادة تدوير نواتج التحلل وفعاليات استخلاص وإزالة الأمونيا النيتروجينية وملح حمض الفسفوريك بواسطة عمليات مستمرة لمفاعل الاندماج. كما أنمقاصد تقليل التكلفة الكيميائية للتحلل الستروفيتي i)) الحصول علي الستروفيت من مياه فضلات الخنزير بماء البحر المر كمصدر للماغنسيومii)) دراسة ظروف التحلل الستروفيتي بتعرية الهواء وإزالة الأمونيا النيتروجينية من مياه الفضلات المركبة بواسطة إعادة التدوير داخلياً. (iii) المعالجة المستمرة لمياه فضلات الخنزير باستخدام العمليات المقترحة بإضافة مصادر الماغنسيوم الخارجي وإتمام استخلاص الستروفيت المتكون.
النتائج والمناقشة
تكوين الستروفيت باستخدام ماء البحر المر كمصدر للماغنسيوم
صورة1 (الموجودة بالمصدر) تصف التغيير في فاعلية إزالة الأمونيا النيتروجينية مع قيم درجة الحموضة ونسبة الكتلة المولية للمغنسيوم: النيتروجينMg:N. لوحظت زيادة واضحة في إزالة الأمونيا النيتروجينية عندما كانت نسبة الكتلة المولية للمغنسيوم: النيتروجين أزيد من معدل 1ــ1.15 عند قياس درجة الحموضة. ومع ذلك فإن نسبة الكتلة المولية للمغنسيوم : النيتروجين أكبر من 1.15 لا تتعرض للزيادة في إزالة الأمونيا النيتروجينية. وذلك يمكن أن يرجع إلي أن كمية الفوسفات المتبقية في المحلول لتكوين الستروفيت تحت الظروف الموجودة. اتفق هذا الاكتشاف مع التحقيقات السابقة[sup]24[/sup]’[sup]25[/sup]. علاوة على مانتج عن هذه الدراسة، فإن الزيادة المناسبة في جرعات أملاح المغنسيوم والتي وجد أنها مفيدة في إزالة الأمونيا النيتروجينية من مياه فضلات الخنزير.
نسبة الأمونيا النيتروجينية المزالة من مياه فضلات الخنزير بواسطة التحلل الستروفيتي بإضافة ماء البحر المر كمصدر للمغنسيوم بنسب مختلفة للكتلة المولية للمغنسيوم : النيتروجين (1ــ105) ودرجة حموضة (8ـ10.5).
درجة حموضة المحلول عامل رئيسي والذي يؤثر على تكوين الستروفيت[sup]21[/sup][sup]26,[/sup]. عملياً، يمكن أن تؤثر على نوع الأيونات الأساسية Mg[sup]2+[/sup])) للستروفيت في المحلول وينشأ عنها التحكم في الأيونات النشطة الناتجة من Mg[sup]2+[/sup] .عندما تتعدى الأيونات النشطة الناتجة الذوبانية الديناميكية الحرارية للناتج الستروفيتي[sup]27[/sup] ، يحدث تبلور للستروفيت. كما هو موضح في الصورة 1، فإن الحد الأقصى لإزالة الأمونيا النيتروجينية من مياه فضلات الخنزير قد تمت ملاحظته عند درجة حموضة 9.5. عندما تزيد درجة الحموضة من 8 إلي 9.5 فإن H[sup]+[/sup] يقل تركيزها بسرعة ونسبة HPO[sub]4[/sub][sup]2–[/sup] تزيد بشكل كبير في المحلول لتصل إلي 87% (عند درجة حموضة 8) و99% (عند درجة حموضة 9) من كل أنواع ملح حمض الفوسفوريك. بالتالي، فإن حدوث هذا يؤدي إلي زيادة سريعة في إزالة الأمونيا النيتروجينية[Eq. (1)]. على الرغم من ذلك،عند درجة حموضة أكبر من 9.5، يزداد تركيز الهيدروكسيد في المحلول ويتبدل إلي NH[sub]3[/sub] والتي لا يمكن أن تترسب بتكوين الستروفيت،حيث تصبح أكثر من مجرد دليل. بالإضافة إلي ذلك،عند معدل الحموضة هذا، بعضMg[sup]2+[/sup] لايمكن أن تتفاعل مع وOH[sup]–[/sup] لتكوين Mg[sub]3[/sub](PO[sub]4[/sub])[sub]2[/sub] غير المتبلور وMg(OH)[sub]2[/sub][sup]29[/sup]على التوالي. وعلاوةً على ذلك، أثناء هذا التفاعل تقل كمية أيونات المغنسيوم Mg[sup]2+[/sup] التي تشتمل عليها بلورات الستروفيت وينتج عنها نقص في فاعلية إزالة الأمونيا النيتروجينية.
وقد قدم تقريراً باختلاف درجات الحموضة المثلى (8.5[sup]30[/sup], 9[sup]31[/sup], 8.9–9.25[sup]32[/sup], 9.5–10.5[sup]27[/sup])لإزالة الأمونيا النيتروجينية من مياه فضلات الخنزير. وقد وجدنا في هذه الدراسة أن إزالة الأمونيا النيتروجينية من مياه فضلات الخنزير تحت ظروف نسبة مغنسيوم :نيتروجين :فسفور 1.15 :1:1 و كانت درجة حموضة 9.5 مناسبة. وفي الظروف المثلى، تبين أن نقاء الستروفيت بنسبة 93.5%. وبتحليل معدلات المغنسيوم والنيتروجين والفسفور في عينة متوازنة من الستروفيت بعد إذابة العينات في 0.5 % محلول حمض نيتريك وحسبت نسبة كتلة المغنسيوم :النيتروجين: الفسفور لتكون1.06:1:1.09 . واستخدم الستروفيت المتجمع في إجراء التحاليل اللاحقة.
الرابط مصدر المقال
