عملية التخثر والتجلط باستخدام كبريتات الألومنيوم؛ من النظرية إلى التشغيل في معالجة المياه ومياه الصرف الصحي
إذا كنت تتعامل مع تصميم أو تشغيل محطات معالجة المياه ومياه الصرف الصحي، فإن عملية التخثر والتجلط باستخدام كبريتات الألومنيوم (Alum Coagulation) هي قلب نظام المعالجة لديك. إنها المكان الذي تأخذ فيه المياه العكرة، الملونة والمليئة بالجسيمات الدقيقة، خطوتها الأولى لتصبح مياه صافية ومطابقة للمعايير.
تستخدم كبريتات الألومنيوم أو «الألوم» منذ عقود كـ مخثر رئيسي في وحدات التخثر والتجلط؛ من محطات المعالجة الصغيرة في القرى إلى الأنظمة الحضرية المعقدة ومياه الصرف الصناعي. سبب هذه الشعبية هو مزيج من ثلاثة عوامل:
السعر المناسب، السلوك الكيميائي القابل للتنبؤ والكفاءة العالية في إزالة العكارة، اللون والفوسفور.
يفحص هذا الدليل عملية التجلط بالألوم من منظور مهندس عملية ومشغل؛ من التفاعلات الكيميائية وتأثير درجة الحموضة والقلوية إلى قيم G، زمن المكوث، اختبار الجرة والأخطاء التشغيلية الشائعة.
إذا كنت تواجه مشكلة في ضبط جرعة الألوم، عكارة المياه الخارجة، عدم استقرار الحمأة أو ارتفاع استهلاك المواد الكيميائية، فإن هذا المحتوى لك.
لمشاهدة الدرجات المناسبة لمعالجة المياه ومياه الصرف، بما في ذلك درجات ١٧٪ و ١٨٪ Al₂O₃، يمكنك زيارة المرجع المتخصص aluminium-sulfate.
🎯 ملاحظة سريعة لمهندسي العمليات
في تصميم وحدة التجلط بالألوم، يجب أن تكون قيمة Gt (حاصل ضرب شدة الخلط G في زمن المكوث t) عادةً في المدى ٢٠٬٠٠٠ إلى ٨٠٬٠٠٠ s⁻¹·s.
القيم الأقل تعطي تجلطات ضعيفة وغير مستقرة، والقيم العالية جدًا تؤدي إلى تكسر التجلطات وعكارة عالية للمياه الخارجة.
ما هو التخثر والتجلط باستخدام كبريتات الألومنيوم؟
في المياه الخام، معظم الجسيمات الدقيقة (الغرويات) لها سطح ذو شحنة سالبة ولا تقترب من بعضها؛ لذلك لا تترسب طبيعيًا وحتى بعد ساعات من المكوث، تبقى المياه عكرة. هنا يدخل كبريتات الألومنيوم إلى الدائرة.
عند حقن الألوم في الماء، تطلق أيونات الألومنيوم (Al³⁺). تتفاعل هذه الأيونات مع أيونات الهيدروكسيد لتشكل هيدروكسيد الألومنيوم (Al(OH)₃)؛ وهو هلام أبيض، ضخم ولزج يجمع مثل مغناطيس كيميائي الجسيمات الدقيقة، المواد العضوية وجزء من المعادن الثقيلة.
تتضمن هذه العملية مرحلتين رئيسيتين:
- التخثر (Coagulation): تحييد الشحنة الكهربائية للجسيمات الدقيقة نتيجة حقن الألوم والخلط السريع.
- التجلط (Flocculation): اندماج الجسيمات المتخثرة ببطء وتشكل تجلطات كبيرة قابلة للترسيب.
«في عملية التخثر والتجلط، يجرد الألوم الجسيمات كيميائيًا من شحنتها، ويوجهها فيزيائيًا نحو الترسيب عن طريق إنتاج هيدروكسيد الألومنيوم.»
المصدر: Water Online – Coagulants Used in Water Treatment
التفاعل الكيميائي الرئيسي لكبريتات الألومنيوم في الماء
Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 3H₂SO₄
نتاج هذا التفاعل وهو هيدروكسيد الألومنيوم، هو التجلط الرئيسي الذي يحبس الجسيمات في داخله.
في نفس الوقت، يؤدي حمض الكبريتيك (H₂SO₄) إلى خفض درجة الحموضة؛ لذلك تعتبر قلوية الماء حيوية لتثبيت درجة الحموضة.
المراحل العملية لعملية التجلط بالألوم في محطات المعالجة
في محطة معالجة قياسية، تتضمن عملية التخثر–التجلط بكبريتات الألومنيوم عادةً المراحل التالية:
- حقن الألوم في الخط: بواسطة مضخة جرعات أو فنتوري في خط مدخل القناة الخام.
- الخلط السريع (Rapid Mixing): إنشاء خلط شديد خلال ٢٠ إلى ٦٠ ثانية لتوزيع موحد للألوم وبدء التخثر.
- التجلط (Flocculation): إنشاء تدفق بطيء ودوراني خلال ١٥ إلى ٣٠ دقيقة لتشكيل تجلطات كبيرة ومستقرة.
- الترسيب (Sedimentation): فصل التجلطات وإنتاج مياه صافية.
- الترشيح: إزالة التجلطات الدقيقة المتبقية وتثبيت جودة المياه النهائية.
📘 دليل تصميم من EPA
وفقًا لوثائق EPA Coagulation Guidance، فإن التصميم الصحيح لوحدة الخلط السريع والتجلط بنفس أهمية اختيار نوع المخثر.
إذا كانت G في الخلط السريع منخفضة، لا ينتشر الألوم جيدًا؛ وإذا كانت عالية جدًا، تتكسر التجلطات الأولية قبل النمو.
تأثير درجة الحموضة، القلوية ودرجة الحرارة على التجلط بكبريتات الألومنيوم
١. نطاق درجة الحموضة الأمثل
تعمل كبريتات الألومنيوم بشكل أفضل في نطاق درجة حموضة يساوي ٦ إلى ٧٫٥ في معالجة مياه الشرب. في درجة حموضة منخفضة جدًا (<٥)، تصبح التجلطات ضعيفة وهلامية، وفي درجة حموضة عالية (>٨)، يتحول هيدروكسيد الألومنيوم إلى جسيمات دقيقة جدًا وغير لاصقة. وفقًا لدليل Health Canada، يساعد الحفاظ على درجة الحموضة في النطاق ٦٫٢ إلى ٧٫٢ في بقاء الألومنيوم المتبقي في الماء عادةً أقل من ٠٫١ mg/L.
٢. دور القلوية
يستهلك الألوم القلوية لإجراء التفاعل. عادةً، كل ١٠ mg/L من الألوم، يمكن أن يؤثر على حوالي ٥٠–٥٥ mg/L من القلوية (حسب CaCO₃).
في المياه التي تقل قلوبتها عن ٥٠ mg/L، يكون حقن الجير، هيدروكسيد الصوديوم أو كربونات الصوديوم ضروريًا لمنع الانخفاض الحاد في درجة الحموضة.
٣. تأثير درجة الحرارة
في درجات الحرارة المنخفضة (أقل من ١٠ درجات مئوية)، تنخفض سرعة التفاعلات وتكوين التجلطات؛ لذلك عادةً ما تكون هناك حاجة إلى زمن مكوث أطول في أحواض التجلط وأحيانًا زيادة جرعة الألوم.
تصميم وحدة الخلط السريع والتجلط بالألوم
الخلط السريع (Rapid Mix)
- زمن المكوث المعتاد: ٢٠ إلى ٦٠ ثانية
- شدة الخلط (G): حوالي ٦٠٠ إلى ١٠٠٠ s⁻¹
- الهدف: توزيع موحد للألوم وبدء عملية تحييد شحنة الجسيمات
التجلط (Flocculation)
- زمن المكوث المعتاد: ١٥ إلى ٣٠ دقيقة (في ٢ أو ٣ أحواض متتالية)
- شدة الخلط (G): ٢٠ إلى ٨٠ s⁻¹ (من الحوض الأول إلى الأخير، بشكل تنازلي)
- Gt الموصى به: ٢٠٬٠٠٠ إلى ٨٠٬٠٠٠ s⁻¹·s
🔹 ملاحظة تصميم وتشغيل
إذا كانت عكارة المياه الخارجة من الترسيب، تتقلب بشدة في فترات زمنية مختلفة، لا تشك فقط في جرعة الألوم؛ تحقق أيضًا من G وزمن المكوث للتجلط، درجة الحموضة، القلوية وأداء البوليمر. في كثير من الأحيان تكون المشكلة في هيدروليكية الحوض وليس في جودة الألوم.
اختبار الجرة (Jar Test)؛ الأداة الرئيسية لتحسين التجلط بالألوم
لتحديد الجرعة المثلى للألوم، لا توجد طريقة موثوقة مثل اختبار الجرة. في هذا الاختبار، يتم تحضير عدة كؤوس تحتوي على مياه خام بجرعات مختلفة من الألوم والبوليمر؛
ثم يتم تنفيذ المراحل التالية:
- خلط سريع ٣٠–٦٠ ثانية (يشبه Rapid Mix)
- تجلط بطيء ١٥–٢٠ دقيقة
- ترسيب ٢٠–٣٠ دقيقة
- قياس العكارة، اللون وإذا لزم الأمر الفوسفور المتبقي
وفقًا للدراسات المنشورة في ResearchGate – Optimizing Coagulant Dosage يمكن لتحسين جرعة الألوم باستخدام اختبار الجرة أن:
- يقلل استهلاك الألوم بحوالي ١٥–٢٠٪،
- يقلل إنتاج الحمأة الكيميائية،
- ويقلل تقلبات جودة المياه الخارجة إلى الحد الأدنى.
جدول نطاقات التصميم في عملية التجلط بكبريتات الألومنيوم
| المعامل | النطاق الموصى به | الوحدة | شرح |
|---|---|---|---|
| جرعة الألوم في مياه الشرب | ١٠ إلى ٤٠ | mg/L | حسب العكارة واللون |
| جرعة الألوم في مياه الصرف الصناعي | ٥٠ إلى ٢٠٠ | mg/L | لإزالة اللون، TSS والفوسفور |
| درجة الحموضة المثلى | ٦٫٠ إلى ٧٫٥ | – | في مياه الشرب والتنقية |
| القلوية الدنيا | > ٦٠ | mg/L (CaCO₃) | لمنع الانخفاض الحاد في درجة الحموضة |
| G للخلط السريع | ٦٠٠ إلى ١٠٠٠ | s⁻¹ | ٢٠ إلى ٦٠ ثانية |
| G للتجلط | ٢٠ إلى ٨٠ | s⁻¹ | ١٥ إلى ٣٠ دقيقة |
| Gt الكلي للتجلط | ٢٠٬٠٠٠ إلى ٨٠٬٠٠٠ | s⁻¹·s | تصميم قياسي لـ AWWA و EPA |
مشاكل شائعة في التجلط بالألوم وحلولها
- عكارة عالية للمياه الخارجة: جرعة غير مناسبة للألوم، درجة حموضة خارج النطاق، خلط غير كاف أو مفرط، أداء ضعيف للبوليمر.
- تشكيل كمية كبيرة من الحمأة: جرعة مفرطة من الألوم، عدم ضبط القلوية، استخدام ألوم بنقاوة منخفضة.
- ترسب على الأنابيب والمعدات: تفاعل الألوم في درجة حموضة غير مناسبة وتشكيل رواسب هيدروكسيد الألومنيوم.
- تقلبات شديدة في جودة المياه: عدم إجراء اختبار جرة منتظم، تغيير مفاجئ في جودة المياه الخام، أو عدم ضبط نظام الجرعات.
⚙️ ملاحظة عملية للمشغلين
في العديد من محطات المعالجة، مشكلة «الاستهلاك العالي للألوم» هي في الواقع مشكلة عدم وجود برنامج اختبار جرة منتظم.
يُقترح بعد كل تغيير ملحوظ في عكارة أو تصريف المياه الخام، إجراء اختبار جرة مرة واحدة على الأقل وإعادة ضبط جرعة الألوم والبوليمر.
شراء، سعر واختيار الدرجة المناسبة من كبريتات الألومنيوم لعملية التجلط
لكي تكون عملية التجلط بالألوم مستقرة وموثوقة، فإن اختيار الدرجة المناسبة من كبريتات الألومنيوم له أهمية كبيرة. في تطبيقات مياه الشرب، عادةً ما تستخدم درجات المعالجة بنقاوة ١٧٪ أو ١٨٪ Al₂O₃ ومحتوى منخفض من الحديد والمعادن الثقيلة. في مياه الصرف الصناعي، حسب الهدف (إزالة اللون، الفوسفور أو TSS)، يمكن استخدام درجات صناعية أكثر اقتصادًا أيضًا.
في موقع aluminium-sulfate يمكنك مشاهدة المواصفات الفنية للدرجات المختلفة، أوراق MSDS، التحليل الكيميائي وأنواع التعبئة (كيس ٢٥ كيلوغرام، جامبوباج طن واحد أو محلول سائب).
🌍 استعلام عن السعر وتصدير كبريتات الألومنيوم لمعالجة المياه ومياه الصرف الصحي
كبريتات الألومنيوم المنتجة محليًا، بسبب نقاوتها المناسبة وسعرها التنافسي، هي إحدى الخيارات الجدية لمشاريع معالجة المياه الحضرية، الصناعية والتصدير إلى دول المنطقة.
يتوفر إمكانية تزويد درجات المعالجة والصناعية، في تعبئات متنوعة ومصحوبة بوثائق تصدير كاملة (CO، MSDS، تحليل).
لاستلام السعر اليومي، الفاتورة الأولية الرسمية والاستشارة الفنية في اختيار الدرجة والجرعة المناسبة، يكفي ملء نموذج الطلب أدناه:
كبريتات الألومنيوم — من أول مليغرام لكل لتر إلى آخر وحدة عكارة؛
لا تزال إحدى أكثر أدوات المهندسين موثوقية للتحكم في عملية التجلط في معالجة المياه ومياه الصرف الصحي.