دراسة حول خصائص تجفيف الحمأة البلدية

أخذ حمأة التجفيفبلدية مقاطعة تشينغبو معالجة مياه الصرف الصحي تتناول هذه الورقة البحثية، التي تستخدم النباتات كمادة خام، الاختلافات في خصائص الحمأة قبل وبعد التجفيف من جوانب التحليل الصناعي، والتركيب المجهري، والتركيب الأساسي، والقيمة الحرارية، وتوفر بيانات أساسية لتحقيق تجفيف وحرق الحمأة.

الحمأة هي منتج ثانوي لـ عملية معالجة مياه الصرف الصحيتتميز الحمأة بمحتوى مائي عالٍ (يبلغ عادةً حوالي 98%)، وحجم كبير، وخصائص يصعب التخلص منها، كما أن تركيبها معقد، إذ تحتوي على كميات كبيرة من المواد العضوية، والمعادن الثقيلة، والأملاح، والمواد صعبة التحلل، والكائنات الدقيقة الممرضة، وبيض الطفيليات، وغيرها. ومع تطور معالجة مياه الصرف الصحي، تزداد أهمية المعالجة والتخلص السليمين من الحمأة، إذ تُشكل الحمأة غير المعالجة تهديدًا كبيرًا للبيئة.

بحسب بيانات معهد أبحاث E20، يُعالج أكثر من نصف الحمأة الناتجة عن محطات معالجة مياه الصرف الصحي ويُتخلص منها في مدافن صحية، ما يؤدي إلى فقدان أكثر من 18% منها. كما يُتخلص من أكثر من 50% من محتوى الماء في 80% من الحمأة المجففة بطريقة الدفن التقليدية. لا تقتصر أضرار هذه الطريقة على التلوث البيئي الثانوي الخطير، بل تتعداها إلى استهلاك مساحات شاسعة، ما يُنذر بعدم وجود أراضٍ كافية للدفن على المدى البعيد. لذا، يقترح المعهد ما يلي: معالجة الحمأة وقد ساهمت متطلبات التخلص من النفايات في "خطة المياه العشر" و"الخطة الخمسية الثالثة عشرة" في تعزيز نمو سوق معالجة الحمأة والتخلص منها في ظل السياسات المواتية، كما تطورت تكنولوجيا ومعدات المعالجة ذات الصلة بسرعة.

ترى "أفضل الإرشادات الفنية الممكنة لمعالجة الحمأة والتخلص منها في محطات معالجة مياه الصرف الصحي" أن تجفيف الحمأة وحرقها هو التوجه الذي تتبناه بلادنا في المستقبل. ولتحقيق تجفيف الحمأة وحرقها بكفاءة عالية واستهلاك منخفض للطاقة، من الضروري دراسة خصائص الحمأة قبل التجفيف وبعده دراسة منهجية من زوايا متعددة.

في هذه الورقة، تمت دراسة خصائص الحمأة المجففة قبل وبعد التجفيف من جوانب التحليل الأساسي، والتركيب المجهري، والتركيب الأساسي، والقيمة الحرارية، مما وفر بيانات أساسية لتحقيق تجفيف وحرق الحمأة.

معدات تجريبية

البلدية حمأة التجفيف تُجفف الحمأة باستخدام مجفف الأغشية الرقيقة، ويُوضح الشكل التخطيطي لهيكل هذا المجفف. يتكون جهاز تجفيف الأغشية الرقيقة من غلاف ودوار وجهاز تشغيل. يقوم الدوار بنشر الحمأة المجففة على شكل طبقة رقيقة على الجدار الداخلي لغلاف المجفف، ثم يجففها بواسطة البخار ذي درجة الحرارة العالية أو زيت التوصيل الحراري الموجود داخل الغلاف.

التحليل الأساسي والمقارنة قبل وبعد تجفيف الحمأة

تم تمرير بخار ساخن بدرجة حرارة 160 درجة مئوية وضغط 0.6 ميجا باسكال إلى مجفف الأغشية الرقيقة لتجفيف الحمأة المنزوعة الماء، التي كانت نسبة رطوبتها حوالي 80%، إلى أقل من 30%. تم أخذ عينات من الحمأة قبل وبعد التجفيف وتحليلها عدة مرات. أظهرت النتائج انخفاضًا في محتوى المواد المتطايرة في الحمأة بعد التجفيف، حيث انخفض محتوى المواد المتطايرة في قاعدة التجفيف بنسبة تتراوح بين 4.53% و8.66%. في الوقت نفسه، ارتفع محتوى الرماد في الحمأة، وانخفضت القيمة الحرارية العالية لقاعدة التجفيف بمقدار يتراوح بين 0.335 و1.15 ميجا جول/كجم. يعود ذلك بشكل رئيسي إلى أن المركبات العضوية المتطايرة في الحمأة وبعض جزيئات الحمأة الدقيقة تتحول، أثناء عملية التجفيف الحراري، إلى غازات عادم مع بخار ماء التجفيف، وتدخل إلى قسم معالجة غازات العادم اللاحقة.

مقارنة البنية المجهرية للحمأة قبل وبعد التجفيف

يوضح الشكل التالي البنية المجهرية للحمأة قبل التجفيف وبعده. كما هو واضح، فإن بنية الحمأة قبل التجفيف تكون مفككة نسبيًا، حيث تتجمع كمية كبيرة من البوليمرات خارج الخلوية حول الغرواني، مكونةً بنية تكتل واضحة. وبهذه الطريقة، تُغلّف المياه المرتبطة، والمياه البينية، والمياه داخل الخلايا في الحمأة داخل تكتلات الحمأة، مما يجعل من الصعب تجفيفها أكثر بفعل العوامل الفيزيائية والكيميائية. بالمقارنة مع الحمأة بعد التجفيف، تتميز الحمأة قبل التجفيف بمسامية أعلى، ومساحة سطحية نوعية أكبر، وقابلية انضغاط عالية، ويمكن تفتيت تكتلات الحمأة بتطبيق قوة ميكانيكية أقل أو بتوفير الحرارة. مع تبخر الماء من الحمأة، تنهار بنية تكتلات الحمأة تدريجيًا، مكونةً بنية تكتل ذات سطح متماسك وفراغات تتقلص تدريجيًا كما هو موضح في الشكل على اليمين. ومع ذلك، فإن كفاءة تبخر الماء ستنخفض أيضًا مع انخفاض نسبة الفراغات في الحمأة.

مقارنة تركيب الحمأة قبل وبعد التجفيف

يوضح الشكل نتائج تحليل المسح الطيفي بالأشعة تحت الحمراء قبل وبعد تجفيف الحمأة. تشمل المجموعات الوظيفية الرئيسية للحمأة الجافة جزيئات الماء الحرة (H2O)، ومجموعات الهيدروكسيل (-OH)، ومجموعات الميثيلين (-CH2)، ومجموعات الميثيلين (-CH3)، والحلقات العطرية، ومجموعات الكربونيل (C=C)، ومجموعات الكربونيل (CO)، والهيدروكربونات المهلجنة، وغيرها. يشير هذا إلى ارتفاع محتوى المواد العضوية في الحمأة، والتي قد تشمل البروتينات والدهون والنشا والسليلوز. وقد أظهرت الدراسات أن محتوى البروتين في المواد العضوية للحمأة يزيد عن 60%، بينما تبلغ نسبة الدهون حوالي 20%، ونسبة النشا والسليلوز حوالي 15%. وينتج عن تحلل هذه المواد العضوية غازات الأمونيا (NH3) وكبريتيد الهيدروجين (H2S) والمركبات العضوية المتطايرة (VOCs) وغيرها من الغازات ذات الرائحة الكريهة.

البوليمرات خارج الخلية (EPS) هي بوليمر عالي الكثافة يتكون من البروتين والسكريات المتعددة وكمية قليلة من الدهون والأحماض النووية والدبال. يشير الكشف عن المركبات المميزة للبوليمرات خارج الخلية إلى وجود كمية كبيرة منها في الحمأة. وباعتبارها مكونًا عضويًا هامًا في الحمأة، فإن محتوى البوليمرات خارج الخلية يحدد شدة امتصاص الأشعة تحت الحمراء للمجموعات الوظيفية المميزة للحمأة. وبمقارنة أطياف الأشعة تحت الحمراء للحمأة قبل التجفيف وبعده، واستبعاد التداخل الطفيف للشوائب الموجودة في الحمأة أثناء عملية التحليل، يتضح أن شدة امتصاص الأشعة تحت الحمراء للحمأة قبل التجفيف أعلى بكثير من شدتها بعد التجفيف. وبالمقارنة مع الحمأة قبل التجفيف، أظهرت أطياف الحمأة بعد التجفيف انخفاضًا في شدة قمم الكتف عند 1654 و1543 سم⁻¹ (C=C) و2924 سم⁻¹ (CH) و1076 سم⁻¹ (CO)، مما يشير إلى تحلل مواد شبيهة بالبروتين أثناء عملية تجفيف الحمأة. وهذا يفسر أيضاً انخفاض محتوى المواد العضوية ومحتوى المواد المتطايرة بعد تجفيف الحمأة.

مقارنة محتوى الرطوبة والمواد العضوية والقيمة الحرارية للحمأة قبل وبعد التجفيف

تُعدّ المادة العضوية في الحمأة المصدر الرئيسي لقيمتها الحرارية، كما يؤثر محتواها من الرطوبة تأثيراً كبيراً على هذه القيمة. فارتفاع نسبة الرطوبة في الحمأة يُؤدي إلى انخفاض قيمتها الحرارية، مما يُؤثر سلباً على عملية حرقها. علاوة على ذلك، يُستهلك جزء كبير من طاقة النظام في عملية تجفيف الحمأة لتبخير الماء منها.

انخفض محتوى المادة العضوية في الحمأة بعد التجفيف انخفاضًا طفيفًا، وانخفضت معها القيمة الحرارية العالية للحمأة الجافة انخفاضًا طفيفًا أيضًا. دُرست العلاقة بين محتوى الرطوبة في الحمأة والقيمة الحرارية، وكذلك العلاقة بين محتوى المادة العضوية في الحمأة والقيمة الحرارية، وحُسب معامل الارتباط بين المتغيرات باستخدام الانحدار الخطي، ثم أُجري تحليل الارتباط.

توجد علاقة عكسية بين محتوى الرطوبة في الحمأة الجافة وقيمتها الحرارية المنخفضة، حيث تتناقص هذه العلاقة مع ازدياد محتوى الرطوبة. ومع ذلك، فإن معامل الارتباط بين محتوى الرطوبة في الحمأة الجافة والقيمة الحرارية المنخفضة هو 0.882، وقيمة P لاختبار F هي 0.061 عند مستوى ثقة 95%. وبما أن قيمة P لاختبار F أكبر من 0.05، فإن محتوى الرطوبة في الحمأة الجافة لا يُظهر ارتباطًا خطيًا ذا دلالة إحصائية مع القيمة الحرارية المنخفضة.

بلغ معامل الارتباط بين محتوى المادة العضوية في الحمأة الخام وقيمتها الحرارية العالية على أساس الوزن الجاف 0.997، وكانت قيمة P لاختبار F تساوي 0.0033 عند مستوى ثقة 95%. وبما أن قيمة P لاختبار F أقل من 0.05، فإن محتوى المادة العضوية في الحمأة الخام يرتبط ارتباطًا وثيقًا بقيمتها الحرارية العالية على أساس الوزن الجاف.

كان محتوى المادة العضوية في الحمأة الجافة مرتبطًا ارتباطًا إيجابيًا بالقيمة الحرارية العالية للمادة الجافة، حيث تزداد القيمة الحرارية العالية للمادة الجافة مع زيادة محتوى المادة العضوية. علاوة على ذلك، بلغ معامل الارتباط بين محتوى المادة العضوية في الحمأة الجافة والقيمة الحرارية العالية للمادة الجافة 0.973، وكانت قيمة P لاختبار F تساوي 0.014 عند مستوى ثقة 95%. وبما أن قيمة P لاختبار F أقل من 0.05، يتضح وجود ارتباط معنوي بين محتوى المادة العضوية في الحمأة الجافة والقيمة الحرارية العالية للمادة الجافة.

يتضح من التحليل السابق أن القيمة الحرارية للحمأة ترتبط ارتباطًا وثيقًا بمحتواها من الرطوبة والمواد العضوية، وأن هناك علاقة طردية قوية بين محتوى المواد العضوية في الحمأة وقيمتها الحرارية على أساس الوزن الجاف. كما يُشير هذا إلى أنه في حال استخدام كميات كبيرة من الإضافات غير العضوية لمعالجة الحمأة الناتجة عن محطة معالجة مياه الصرف الصحي وتجفيفها، فإنه على الرغم من تأثيرها الملحوظ في التجفيف، إلا أن إضافة كميات كبيرة من هذه المواد لا تُحسّن فقط الحمل على نظام عملية تجفيف الحمأة، بل تُقلّل أيضًا بشكل كبير من محتوى المواد العضوية فيها، مما يُؤثر سلبًا على عملية تجفيف الحمأة وحرقها لاحقًا.

خاتمة

في هذه الورقة، تم تحليل خصائص الحمأة المجففة قبل وبعد التجفيف باستخدام الحمأة المجففة من منطقة تشينغبو في شنغهاي كمادة خام.

(1) مع تقدم عملية التجفيف، تتقارب بنية سطح الحمأة تدريجياً، وتقل الفجوة تدريجياً، وتقل كفاءة التجفيف تدريجياً.

(2) ستحدث عملية تجفيف الحمأة تحللًا طفيفًا للمواد العضوية، بحيث ينخفض ​​محتوى المواد العضوية والمواد المتطايرة في الحمأة بعد التجفيف بشكل طفيف.

(3) ترتبط القيمة الحرارية المنخفضة للحمأة عكسيًا بمحتواها من الرطوبة، ولكن لا توجد علاقة خطية واضحة. في المقابل، توجد علاقة خطية طردية بين القيمة الحرارية العالية للحمأة ومحتواها من المواد العضوية. لذا، من الضروري خفض محتوى الرطوبة في الحمأة وتقليل فقدان المواد العضوية فيها لضمان الحفاظ على قيمتها الحرارية.