إزالة الفوسفور من مياه الصرف: دور كلوريد الحديديك

الفوسفور عنصر لا غنى عنه للأحياء، لكن وصوله بكميات زائدة إلى المسطحات المائية يغيّر توازنها. ولهذا تُلزَم محطات معالجة الصرف، البلدية والصناعية، بخفض الفوسفور قبل التصريف. ويُعدّ الترسيب الكيميائي بأملاح الحديد أحد أكثر الطرق استعمالًا لتحقيق ذلك، وأشهر هذه الأملاح كلوريد الحديديك (ويُعرف علميًا بكلوريد الحديد الثلاثي، Iron(III) Chloride أو Ferric Chloride).

يتناول هذا المقال المنطق التشغيلي لإزالة الفوسفور بكلوريد الحديديك، لمساعدة المشغّلين والمهندسين على فهم الإضافة قبل اختبارات الجرّة وتقدير الجرعة. أما خصائص المادة نفسها ومقارنتها بالشبّة فلها مقالان مستقلان في الموقع.

لماذا يُنظَّم الفوسفور؟

التخثّث (Eutrophication) هو إثراء الماء بالمغذيات، وخصوصًا مركّبات النيتروجين والفوسفور، فتنمو الطحالب والنباتات المائية نموًا متسارعًا يخلّ بتوازن الكائنات في الماء وبجودته. وتؤدي الأزهار الطحلبية الكثيفة إلى تراجع الغذاء والموائل المتاحة للأحياء المائية. وحين تموت الطحالب وتتحلل ينخفض الأكسجين المذاب، وقد يترتب على ذلك نفوق الأسماك.

لذلك تضع التشريعات حدودًا لتصريف الفوسفور. وكمثال على صيغة هذه الحدود، تشترط التعليمة الأوروبية لمعالجة مياه الصرف الحضرية (91/271/EEC) للتصريف إلى المناطق الحسّاسة للتخثّث أحد أمرين أو كليهما بحسب الوضع المحلي: تركيزًا أقصى للفوسفور الكلي هو 2 ملغ/لتر للمحطات التي تخدم من 10,000 إلى 100,000 مكافئ سكاني و1 ملغ/لتر لما يزيد على 100,000، أو نسبة خفض لا تقل عن 80%. وتختلف الحدود من بلد إلى آخر ومن مصرف إلى آخر، فيُرجع إلى ترخيص التصريف المعمول به في موقعك.

كيف يزيل كلوريد الحديديك الفوسفور؟

الفعّال هنا هو أيون الحديديك. وإذا استُعمل الحديدوز فلا يكون فعّالًا إلا بعد أكسدته إلى حديديك. وتُختصر الصورة المبسّطة للتفاعل في أن أيون الحديديك يتحد مع الفوسفات (الأورثوفوسفات الذائب) فيتكوّن فوسفات الحديديك FePO4 قليل الذوبان، ويُفصل بالترسيب أو الترشيح. وهذه الصيغة تفترض أن كل مول حديد يزيل مول فوسفور.

لكن الواقع أعقد. فأيون الحديديك يتحلل مائيًا في الوقت نفسه فيكوّن ندفًا من هيدروكسيد الحديديك، ويتنافس هذا التحلل مع تكوّن فوسفات الحديديك. وتلتقط هذه الندف الفوسفات بالامتزاز وبالترسيب المصاحب. وتتباين الدراسات في أي المسارين يغلب في الظروف المختلفة، لكنها تتفق على أن الحديد المضاف يتوزع بين التفاعلين، وعلى أن الوصول إلى فوسفور متبقٍّ منخفض يحتاج حديدًا أكثر من المحسوب نظريًا. وسنعود إلى هذه النقطة في فقرة النسبة المولية.

أين يُضاف؟ ثلاث نقاط رئيسية

لا توجد نقطة هي الأفضل دائمًا، وبعض المحطات تجمع بين أكثر من نقطة. ويتوقف الاختيار على الحد المطلوب، والوحدات القائمة، وحساسية الحمأة النشطة، وطريقة التعامل مع الحمأة.

نسبة الحديد إلى الفوسفور (Fe:P)

تُعبَّر الجرعة عادة بنسبة مولية بين الحديد والفوسفور المراد إزالته:

• من الناحية النظرية مول حديد لكل مول فوسفور (1:1)، أي نحو 1.8 غرام حديد لكل غرام فوسفور (حسابًا من الكتل الذرية: Fe = 55.845 وP = 30.974).
• من الناحية العملية تتراوح النسبة المولية عادة بين 1 و3 حين يكون الفوسفور المتبقي في المياه الثانوية فوق 0.5 ملغ/لتر، وتذكر بعض المراجع للإضافة اللاحقة نحو 1.5 إلى 2.5 مول لكل مول فوسفور.
• كلما انخفض الهدف ارتفعت النسبة. فتحقيق فوسفور متبقٍّ منخفض جدًا يحتاج جرعات أعلى بكثير من الحساب النظري، وقد يستلزم ترشيحًا لاحقًا.

مثال حسابي توضيحي، وليس توصية بجرعة: لإزالة 4 ملغ/لتر فوسفور (على هيئة أورثوفوسفات) بنسبة مولية 1.5، يلزم نحو 10.8 ملغ/لتر حديد. وبما أن محتوى الحديد في محلول كلوريد الحديديك بتركيز 40% من Egy Chem Hub يتراوح بين 13 و14% وزنًا، فإن ذلك يعادل نحو 77 إلى 83 غرامًا من المحلول لكل متر مكعب. وتبقى الجرعة الفعلية رهن اختبار الجرّة، لأن الجرعة المثلى تتغير بتركيز الفوسفات والأس الهيدروجيني وتركيب الماء.

وللحصول على أساس سليم للحساب:

• حدّد شكل الفوسفور المطلوب إزالته: الأورثوفوسفات الذائب أم الفوسفور الكلي بما فيه الجسيمي.
• اعتمد في المقارنة وحدة واحدة: كغ حديد، أو كغ FeCl3 لامائي، أو كغ محلول.
• الصيغة FeCl3 تخص المركّب اللامائي، أما المنتج التجاري فمحلول مائي، فيُنسب إلى محتواه من الحديد المذكور في ورقة بياناته.

القلوية والأس الهيدروجيني

يستهلك كلوريد الحديديك قلوية الماء عند تحلله، وتتراوح القيمة المنشورة بين نحو 0.92 و0.93 ملغ/لتر (كـ CaCO3) لكل 1 ملغ/لتر FeCl3 لامائي. وبالحساب المتكافئ يعادل ذلك نحو 2.7 ملغ/لتر (كـ CaCO3) لكل 1 ملغ/لتر حديد. وفي المثال السابق (10.8 ملغ/لتر حديد) يعني ذلك استهلاكًا يقارب 29 ملغ/لتر من القلوية، وهو رقم يُعدّ حدًّا حسابيًا تقريبيًا.

أهمية ذلك في المحطة:

• في الإضافة المتزامنة قد ينخفض الأس الهيدروجيني في الحوض الحيوي انخفاضًا لا تتحمله الكائنات الدقيقة، ولذلك أُجريت بعض الدراسات المخبرية مع إضافة بيكربونات الصوديوم لتعويض القلوية.
• قلوية المياه الخام المنخفضة تستلزم تقدير تكلفة تعويضها (جير أو صودا أو بيكربونات) ضمن الكلفة الكلية، لا سعر المحلول وحده.
• يُراقَب الأس الهيدروجيني بعد نقطة الإضافة مباشرة وفي الحوض الحيوي، ويُحدَّد في الجرّة ما إذا كان التعويض لازمًا.

أثر الإضافة على الحمأة

كل ترسيب كيميائي للفوسفور يزيد كمية الحمأة. فالحديد المضاف يتحول إلى هيدروكسيد وفوسفات غير ذائبين يتراكمان في الحمأة. ولتقدير الحد الأعلى النظري: كل 1 ملغ حديد يعطي في أقصى الحالات نحو 1.9 ملغ هيدروكسيد الحديديك (محسوبًا جافًا)، وهي كتلة تضاف إلى الحمأة المنتجة قبل احتساب الماء المرتبط بها.

وتشير المراجع إلى أن زيادة الجرعة فوق المطلوب ترفع الكلفة وكمية الحمأة معًا. أما أثر الحديد في قابلية الحمأة لنزع الماء، فلا تتفق المراجع المتاحة على قاعدة عامة. لذلك يُقاس هذا الأثر على حمأة المحطة نفسها قبل اعتماد نقطة الإضافة.

مقارنة موجزة بالإزالة البيولوجية

تعتمد الإزالة البيولوجية المعززة للفوسفور (EBPR) على كائنات تتراكم فيها مركبات الفوسفات، وتتناوب بيئتها بين ظروف لاهوائية وهوائية. وتحتاج في المنطقة اللاهوائية إلى مصدر كربون سهل الاستهلاك مثل الأحماض الدهنية الطيارة، وتنافسها كائنات أخرى على هذا الكربون. ولذلك يتأثر أداؤها بتركيب مياه الصرف وبالظروف التشغيلية.

أما الترسيب الكيميائي فيتميز بأنه سريع التنفيذ ولا يستلزم تعديل العملية البيولوجية، ويتحكم المشغّل في النتيجة بتعديل الجرعة. وبالمقابل تُنفق المحطة على المواد الكيميائية باستمرار وتنتج حمأة أكثر. ولذلك تجمع محطات كثيرة بين الأسلوبين: إزالة حيوية لجزء كبير من الفوسفور، وحديد كمرحلة صقل أو دعم للوصول إلى الحد المطلوب. والمفاضلة بين الخيارين ترتبط بالكلفة الرأسمالية والتشغيلية وبظروف كل محطة.

تنبيهات تشغيلية

1. اختبار الجرّة على الماء الفعلي هو الأساس لتحديد الجرعة المثلى ونقطة الإضافة، ويُكرَّر عند تغيّر تركيب الماء.
2. الخلط السريع عند نقطة الحقن: تبيّن الدراسات المخبرية أن الحديد المضاف مباشرة إلى ماء يحتوي الفوسفات أقدر على إزالته من هيدروكسيد حديديك جُهّز مسبقًا، ولذلك تُصمَّم نقطة الحقن بحيث يتشتت المحلول بسرعة في الماء.
3. تجنّب الإفراط في الجرعة: يزيد الكلفة والحمأة، ويستلزم مراجعة حدود الحديد المتبقي في المياه المصرَّفة إن وُجدت في الترخيص.
4. المواد والتداول: المحلول حمضي وشديد التآكل للمعادن. وتُستعمل في الخزانات والمضخات وخطوط الحقن مواد غير معدنية أو مبطّنة مناسبة. وتنص بطاقة السلامة على عدم التخزين مع المعادن والقلويات والمواد المختزلة، وعلى احتمال تولّد كميات كبيرة من الهيدروجين عند ملامسة معادن مثل الألومنيوم والزنك.
5. السلامة: يصنّف الإصدار 2 من بطاقة بيانات السلامة (SDS) لمحلول كلوريد الحديديك بتركيز 40% من Egy Chem Hub بأنه قد يكون أكّالًا للمعادن (H290)، وضارًّا عند البلع (H302)، ويسبب حروقًا جلدية شديدة وتلفًا للعين (H314)، ويسبب تلفًا خطيرًا للعين (H318). ويلزم ارتداء القفازات وحماية العين والوجه والملابس الواقية، والرجوع إلى بطاقة بيانات السلامة قبل التداول.

محلول كلوريد الحديديك بتركيز 40% من Egy Chem Hub

تورّد Egy Chem Hub محلول كلوريد الحديديك بتركيز 40% (Ferric Chloride Solution 40%، الاسم التجاري ECH-FR4014)، وهو محلول مائي بنّي محمرّ يُستعمل مخثّرًا في معالجة مياه الشرب ومياه العمليات ومياه الصرف. تبيّن ورقة البيانات الفنية (TDS) الخصائص التالية:

• التركيز حتى 40% (±2%) وزنًا، أي 400 غ/كغ، وهو ما يعادل نحو 568 غ/لتر عند كثافة نوعية 1.42.
• محتوى الحديد 13 إلى 14%، والحديد الثنائي حتى 1%، والحموضة الحرة حتى 1%.
• الكثافة النوعية 1.42 (±0.02) عند 20 °م، ويذوب في الماء ذوبانًا كاملًا.
• تُحدَّد الجرعة المثلى باختبار الجرّة، ويمكن الحقن مركّزًا أو بعد التخفيف.

يُعبَّأ في براميل HDPE سعة 280 كغ وخزانات IBC سعة 1,400 كغ، ويتوفر سائبًا. المنشأ مصر، والعمر التخزيني 12 شهرًا، والحد الأدنى للطلب برميل واحد (280 كغ). والمنتج مصنَّع في منشأة مدرجة لدى NSF وفق المعيار NSF/ANSI/CAN 60 لاستعمالات التخثير والتندّف في معالجة مياه الشرب. وحد الاستعمال الأقصى المسجَّل في قائمة NSF هو 100 ملغ/لتر محسوبًا على أساس FeCl₃ (وفق بيانات Egy Chem Hub) لتطبيق مياه الشرب، ولا يُقاس عليه تحديد جرعات الصرف. وتتوفر ورقتا TDS وSDS عند الطلب.

للتواصل

لطلب عرض سعر أو مواصفات فنية لمحلول كلوريد الحديديك بتركيز 40%، تواصل مع فريق Egy Chem Hub، وأرفق ما تتوفر لديك من بيانات عن مياهك: مستوى الفوسفور وشكله، والقلوية، ونقطة الإضافة المقترحة، وحد التصريف المطلوب.