תהליך הסרת גז בטיפול בשפכים

הסרת גז ואוורור הם שני תהליכי העברת מסה נפוצים בטיפול במים. הראשון הוא להסיר את הגז המומס במים, ואילו השני הוא להמיס גז (אוויר) למים.

תהליך הסרת הגז שייך לתהליך הפרדת הפאזות של גז-נוזל, כלומר, הגז (גז הנשא) מוכנס למי השפכים כדי ליצור קשר מלא זה עם זה, כך שהגז המומס והמומסים הנדיפים בשפכים עוברים דרכם. ממשק גז-נוזל והעברה לשלב הגז, ובכך להשיג את המטרה של סילוק מזהמים. לכן, תהליך הסרת הגז נקרא לעתים קרובות "הפשטה".

מים ושפכים מכילים לרוב גזים מומסים, ומים טבעיים מכילים מגוון גזים. מכיוון שחמצן וחנקן הם המרכיבים העיקריים של האטמוספירה, מים עיליים מכילים בעיקר את שני הגזים הללו. פחמן דו חמצני הוא מרכיב אטמוספרי נפוץ נוסף, וריכוזו משתנה ממקום למקום, תלוי במידה רבה בייצור התעשייתי ובתנאי ההתיישבות האנושיים באזור.

לכן, פחמן דו חמצני הוא גם גז נפוץ במים. לדוגמה, כמות גדולה של CO2 נוצרת כאשר מי שפכים המכילים חומצה גופרתית מנוטרלים באבן גיר, וכמות גדולה של CO2 נוצרת גם כאשר מים עוברים דרך מחליף יוני מימן בתהליך הריכוך וההתפלה.

התכונות של חנקן וחמצן שונות בתכלית מאלו של פחמן דו חמצני. השניים הראשונים לא ייננו במים, ולכן מולקולות אלו ייצרו לחץ גז בתמיסה; פחמן דו חמצני מייצר חומצה פחמנית מייננת במים, כך שרק החלקים שעדיין לא הגיבו ייצרו לחץ גז. כאשר ערך ה-pH נמוך מ-4.5, כל הפחמן הדו-חמצני המומס במים קיים בצורת גז; כאשר ערך ה-pH גבוה מ-8.5, כל הפחמן הדו חמצני מיונן.

גזים מייננים נפוצים אחרים כוללים H2S, HCN ו-NH3.

הנשימה של אורגניזמים משפיעה על הרכב הגזים במים. חיידקי קרקע יכולים לייצר כמות גדולה של פחמן דו חמצני במי באר; אין חמצן במי באר עמוקים מכיוון שכמה חיידקים צרכו חמצן מהמים העיליים שחדרו. פסולת אורגנית בתחתית ביצות ואגמים רדודים מייצרת בדרך כלל H2S ו-CH4 לאחר פירוק אנאירובי, ומתאן נמצא לפעמים במי באר.

הגזים הנ"ל עלולים להרוס את המערכת, או להזיק כשלעצמם, או להזיק לטיפול הבא, ולכן יש להפרידם ולהסירם.

המטרה העיקרית של הסרת הגז היא סילוק גזים מזיקים שונים מהמים, בעוד שהמטרה העיקרית של האוורור היא לחמצן מים. תהליך הסרת הגז הוא בעיקר תהליך העברת פאזה פיזיקלית, בעוד שהאוורור מסובך יותר. יחד עם כניסת החמצן באוויר למים, יתרחשו בו זמנית כמה תגובות חמצון. אז זה תהליך פיזיקלי-כימי ואפילו ביוכימי.

כאשר תהליכים ביוכימיים נכנסים לתחום הטיפול בשפכים, זכתה גם טכנולוגיית האוורור לתשומת לב. לדוגמה, טכנולוגיית פילטר ביולוגי מאוורר, טכנולוגיית SBR (Sequencing Batch Actived Sudge treatment) וכו'.

על פי התיאוריה של שיווי משקל פאזה גז-נוזל וקצב העברת מסה, במערכת דו-פאזית גז-נוזל, הלחץ החלקי של הגז המומס בשלב הגז הוא פרופורציונלי לריכוז הגז בשלב הנוזל.

כאשר הלחץ החלקי של שלב הגז של הרכיב נמוך מהלחץ החלקי בשיווי משקל שלב הגז המתאים לריכוז הרכיב בתמיסתו, תתרחש העברת מסה של הרכיב המומס מהפאזה הנוזלית לשלב הגז. קצב העברת המסה תלוי בהפרש בין הלחץ החלקי בשיווי המשקל של הרכיבים ללחץ החלקי של שלב הגז.

יחסי שיווי משקל שלב גז-נוזל וקצב העברת המסה משתנים עם מערכת החומר, הטמפרטורה ותנאי המגע של שני השלבים. עבור מערכת חומר נתונה, על ידי הגדלת טמפרטורת המים, שימוש באוויר צח או פעולת לחץ שלילי, הגדלת שטח וזמן המגע של גז-נוזל והפחתת ההתנגדות להעברת מסה, ניתן להפחית את ריכוז התמיסה במים ולהפחית את המסה ניתן להגדיל את קצב ההעברה.

מסיסותו של גז בנוזל היא פרופורציונלית ללחץ החלקי בשיווי המשקל של הגז על פני הנוזל, שהוא חוק הנרי. חוק חשוב נוסף לגבי מסיסות גזים הוא חוק דלתון, הקובע שהלחץ הכולל של גז מעורב שווה לסכום הלחצים החלקיים של כל אחד מהגזים הללו, וזה קשור ישירות ליחס המולארי או ליחס הנפח שלהם.

לדוגמה, אוויר מכיל בדרך כלל 80% חנקן ו-20% חמצן, והלחץ האטמוספרי הוא בדרך כלל 101325Pa (760 מ"מ כספית). חוק דלטון קובע שהלחץ החלקי של O2 באוויר הוא 152 מ"מ כספית (0.20X760 מ"מ כספית), והלחץ החלקי של N2 הוא 608 מ"מ כספית (0.80×760 מ"מ כספית).

לטמפרטורה יש השפעה רבה על מסיסות הגזים. כאשר הטמפרטורה עולה, המסיסות תרד. הסיבה לכך היא שהעלייה בטמפרטורה גורמת ללחץ האדים של המים עצמם לעלות, כך שמולקולות המים העולות על גדותיהן מממשק נוזל-גז סוחפות משם מולקולות גז אחרות.

גורם נוסף שיש לו השפעה חשובה על מסיסות הגז הוא דיפוזיה של מולקולות גז במים. כאשר הטמפרטורה עולה, פעילות הגז מואצת, צמיגות המים יורדת וקצב הדיפוזיה עולה.

1. מיכל הסרת גז

מיכל הסרת הגז הוא מתקן הסרת הגז הפשוט והיעיל ביותר. זה יכול להסתמך על המגע בין הנוזל לאוויר על פני הבריכה כדי להסיר גזים מומסים. מיכל הסרת גז זה נקרא מיכל הסרת גז טבעי, המתאים לגזים מומסים שהם נדיפים וניתן להשתמש בהם לספוג אדים של עיבוי חומצי. טמפרטורת המים גבוהה, מהירות הרוח גבוהה, יש שטחים פתוחים ולא קל לייצר זיהום משני. השפעת הסרת הגז שלו קשורה בדרך כלל לזמן האחסון, לעומק שכבת המים ולשטח פני הנוזל.

כדי להעצים את אפקט הסרת הגז, לרוב ניתן להתקין בבריכה צינור אוורור מפלסטיק עם חורים או להתקין צינור התזת מים על פני המים שהופך לבריכת הסרת גז משופרת. גובה ההתקנה של צינור ריסוס המים צריך להיות 1.2 ~ 1.5 מ' מפני המים. כדי למנוע איבוד מים, ניתן להוסיף תריסים או תריסים מסביב.

ניתן לעצב את בריכת הסרת הגז גם כבריכת מבולבלת מלבנית. לבריכה מתווספות במודע מספר מחיצות להגדלת דרגת חלוקת המים, ובתחתית המים מותקן צינור פלסטיק עם חורים לאוורור.

2. מגדל הסרת גז

על מנת לשפר את יעילות הסרת הגז, להחזיר גזים שימושיים ולהימנע מזיהום משני, בדרך כלל משתמשים במגדל הסרת גז להשגת מטרה זו. בדרך כלל, מגדלי הסרת גז הם מסוג אריזה או סוג צלחת.

הראשון הוא מגדל הסרת גז ארוז, שבו מוסיפים מים לראש המגדל, לפעמים דרך צינור סילון, והנוזל זורם כלפי מטה בצורה דמוית סרט דרך פני האריזה (כגון טבעות רשיג), וכן אוויר מוכנס מתחתית המגדל, בשלב רציף, מלמטה למעלה, במגע זרם נגדי עם מי השפכים.

אוויר משמש בדרך כלל כגז הספיחה להסרת גזים לא מומסים, כגון פחמן דו חמצני, אמוניה, מימן גופרתי או מתאן. מגדלי הסרת גז ארוזים משמשים לעתים קרובות בבתי זיקוק ובמפעלי נייר לצורך פירוק אדים של עיבוי חומצי.

מגדל הסרת גז נוסף הוא מסוג פלטות, המאפיין העיקרי שלו הוא שבמגדל מותקנות מספר מסוים של לוחות, והשפכים זורמים בצורה אופקית דרך הפלטות וזורמים לצלחת הבאה דרך המורד. האוויר עובר בשכבת המים על הצלחת בצורה מבעבעת או סילון, והרכב פאזת הגז ופאזי המים במגדל משתנה בצעדים לאורך גובה המגדל.

ניתן להשתמש בגז היוצא מהשפכים הלוך ושוב באמצעות ספיגה. לדוגמה, תמיסת NaOH משמשת לקליטת ה-HCN המופשט ליצירת NaCN, ו-H2S נספג ליצירת Na2S, ואז התמיסה הרוויה מתאדה ומתגבשת. ניתן לספוח H2S גם על ידי פחם פעיל, ולאחר שהגיע לרוויה, הוא נשטף עם תמיסה של גופרית חנקן, וניתן לשחזר גופרית לאחר אידוי.