أنظمة تنقية المياه

"يعتمد نظام تنقية درينكابل أير "إنفيروجارد" المسجل كبراءة اختراع على استخدام غاز الأوزون ومرشحات الكربون الحبيبي المنشَّط لضمان توفير مياه نقية بنسبة 100% في جميع الأوقات."


تنقية المياه – عملية تقوم بإزالة ملوثات معينة من مصدرٍ للمياه

تطهير المياه – عملية تنقية تعمل على قتل أو إزالة الملوثات البيولوجية مثل الطفيليات والبكتيريا والفيروسات وما إلى ذلك من مصدرٍ للمياه.

قد تظل المياه التي تم تطهيرها ملوثةً بملوثات لم تتأثر بالمعالجة او بالعملية التطهيرية. وفي بعض الحالات، قد تُضاف بالفعل ملوثات إضافية إلى المياه أثناء عملية التطهير. وكمثال لذلك، فإن عملية المعالجة بالكلور تضيف بصفة دائمة تقريبًا بعض المنتجات الثانوية للتطهير. أما غلي المياه فيؤدي في الواقع إلى زيادة تركيز الملوثات غير العضوية.

الكربون المنشط عبارة عن جزيئات من الكربون تم معالجتها لزيادة مساحة سطحها وزيادة قدرتها على امتزاز مجموعة كبيرة من الملوثات، وهو فعال بشكل خاص في امتزاز المركبات العضوية.

يتم خفض نسبة الملوثات في مرشحات حبيبات الكربون المنشط من خلال عمليتين، تتمثل أولاهما في الإزالة الفيزيائية لجزيئات الملوثات عن طريق حبس ما يكون منها كبيرًا لدرجة أنه لا يستطيع المرور عبر المسام (المرشحات ذات المسام الأصغر تكون أكثر فعالية). أما العملية الأخرى التي تسمى بعملية "الامتزاز" فيتم عن طريقها التصاق وتراكم (امتزاز) مجموعة متنوعة من الملوثات الذائبة على سطح جزيئات الكربون. ويُلاحظ أن خصائص المادة الكربونية (حجم الجزيئات والمسام – مساحة السطح – الكيمياء السطحية – الكثافة – الصلابة) تؤثر على كفاءة الامتزاز.

ونظرًا لأن حبيبات الكربون المنشط تعتبر مادة عالية المسامية؛ فإنها تتمتع بمساحة سطح كبيرة للغاية لامتزاز الملوثات. يقول أحد المراجع "تتراوح مساحة سطح رطل واحد من الكربون الحبيبي المنشط بين 60 و150 فدانًا (أكثر من 3 ملاعب كرة قدم)"، وذلك فيما يذهب مقال آخر إلى أن "الكربون المنشط يبدو تحت المسح الإلكتروني المجري كإسفنجة استحمام مسامية. هذا التركيز العالي للمسام داخل وحدة تخزين صغيرة نسبيا ينتج مادة بمساحة سطح هائلة؛ إذ إن ملعقة صغيرة واحدة من الكربون المنشط تُنتج مساحة سطح تساوي مساحة سطح ملعب كرة قدم."

تتكون حبيبات الكربون المنشط من كتل صغيرة من ذرات الكربون مكومة فوق بعضها بعضًا. ومصدر الكربون يتمثل في مجموعة متنوعة من المواد، مثل قشر الفول السوداني أو قشر جوز الهند أو الفحم. يتم تسخين مصدر الكربون الخام في غياب الهواء لإنتاج مادة عالية الكربون، ثم يتم تنشيط الكربون عن طريق تمرير غازات مؤكسدة عبر المادة في درجات حرارة مرتفعة للغاية؛ لتعمل عملية التنشيط هذه عن إحداث المسام التي تعطي بدورها هذه الخواص عالية الامتزازية.

تتوقف عملية الامتزاز على العوامل الخمسة التالية:

  1. الخواص الفيزيائية لحبيبات الكربون المنشط، مثل حجم المسام وتوزيعها ومساحة السطح
  2. الطبيعة الكيميائية لمصدر الكربون
  3. (كمية الأكسجين والهيدروجين المصاحبة لها)
  4. التركيب الكيميائي للملوثات ونسبة تركيزها
  5. درجة حرارة المياه ورقمها الهيدروجيني
  6. معدل تدفق المياه أو زمن تعرض حبيبات الكربون المنشط للمياه.

من المهم أن يتم استبدال الخرطوشة وفقًا لتعليمات الشركة المصنعة.

مميزات مرشحات حبيبات الكربون المنشط:

  • تُستخدم مرشحات حبيبات الكربون المنشط للمعالجة التجميلية للمياه؛ حيث يمكنها خفض نسبة الكلور والمواد الدقيقة وتحسين طعم ورائحة المياه.
  • لا تحد حبيبات الكربون الكبيرة من حيث مساحة السطح من تدفق المياه بنفس درجة مرشحات الكربون المنشط ذات الكتلة الصلبة، ما يجعلها ملائمة للحالات التي يكون من المهم فيها المحافظة على معدل تدفق وضغط مياه جيدين، مثلما يكون الأمر في حالة مرشحات المنازل
  • بساطة الصيانة وانخفاض تكلفتها. وعادةً ما تستدعي الحاجة تغيير خرطوشة المرشح الغير مكلفة ماديا كل فترة، بما يتراوح بين بضعة أشهر وعام واحد، اعتمادًا على استخدام المياه وتوصيات الشركة المصنعة.
  • لا تحتاج مرشحات حبيبات الكربون المنشط إلى الكهرباء ولا تتسبب في إهدار المياه.

وخلاصة القول أن مرشحات حبيبات الكربون المنشط تُعد أجهزة فعالة وقيمة في معالجة المياه، لكن – مع ذلك – يجب مراعاة القيود المفروضة على استخدامها؛ حيث يتعين المحافظة على معدل تدفق موحد – لا يتجاوز مواصفات الشركة المصنعة – لتحقيق الأداء الأمثل، ويتعين تغيير الخرطوشة بعد معالجة عدد الجالونات المقرر للمرشح.

تمر المياه عبر حجرة شفافة تتعرض فيها للأشعة فوق البنفسجية التي تقوم بالقضاء على البكتيريا والفيروسات بصورة فعالة. ومع ذلك، فإن درجة كفاءة عمل نظام الأشعة فوق البنفسجية يتوقف على مقدار جرعة الطاقة التي يمتصها الكائن الحي؛ إذ لو لم تكن جرعة الطاقة مرتفعة بما يكفي، فإن المادة الوراثية للكائن الحي قد تتأذى فحسب بدلًا من أن تتحطم بالكلية.

مميزات استخدام الأشعة فوق البنفسجية:

  • لا يتولد عن استخدامها نشوء أي منتجات ثانوية سامة أو غير سامة معروفة
  • تقوم بإزالة بعض الملوثات العضوية.
  • لا تُخلف أي رائحة أو طعم في المياه المعالجة.
  • تحتاج إلى زمن تلامس ضئيل للغاية (بضع ثوانٍ، في مقابل التطهير الكيميائي يحتاج إلى دقائق).)
  • تعمل على تحسين طعم المياه؛ نظرًا لأنه يتم التخلص من بعض الملوثات
  • والكائنات الدقيقة الضارة
  • تعمل على قتل العديد من الكائنات الدقيقة المسببة للأمراض أو تجعلها غير فاعلة
  • لا تؤثر على المعادن الموجودة في المياه.

عيوب استخدام الأشعة فوق البنفسجية:

  • الأشعة فوق البنفسجية غير ملائمة للمياه ذات الكميات الكبيرة من المواد الصلبة العالقة والمياه العكرة ذات اللون أو المواد العضوية القابلة للذوبان؛ إذ يمكن لهذه المواد أن تتفاعل مع الأشعة فوق البنفسجية وتحد من الأداء التطهيري. وبالنسبة للعكارة، فإنها تجعل من الصعوبة على الأشعة أن تنفذ من خلال المياه ويمكن أن "تُواري" الكائنات المسببة للأمراض فتحميها من الأشعة.
  • الأشعة فوق البنفسجية غير فعالة مع الملوثات غير الحية والرصاص والأسبستوس والعديد من المواد الكيميائية العضوية والكلور وما إلى ذلك.
  • تتسم الحويصلات الخفية الأبواغ (الكريبتوسبوريديوم) الصلبة بأنها تتمتع بمقاومة معقولة للأشعة فوق البنفسجية
  • تحتاج طاقة كهربائية لكي تعمل. وفي الحالات الطارئة حين لا تتوافر الطاقة الكهربائية، فإنها لن تعمل.
  • عادةً ما تُستخدم الأشعة فوق البنفسجية كمرحلة تنقية أخيرة في بعض أنظمة الترشيح. فإذا كنت مهتمًا بإزالة الملوثات بالإضافة إلى البكتيريا والفيروسات، فإنك ستظل بحاجة إلى استخدام مرشح كربوني عالي الجودة أو نظام تناضح عكسي بالإضافة إلى نظام الأشعة فوق البنفسجية.

يتحول تركيب جزئ الأكسجين إلى الأوزون O3 باستخدام الطاقة. وتحدث هذه العملية من خلال تفريغ المجال الكهربائي كما هو الحال في مولدات الأوزون من نوع CD-Type (تفريغ كورونا “Corona” الكهربائي لمحاكاة البرق).

الأوزون هو أحد المكونات التي تحدث بصورة طبيعية في الهواء الطبيعي ويمكن إنتاجه بتفاعل الأشعة فوق البنفجسية للشمس مع الغلاف العلوي للأرض (الأمر الذي يشكل طبقة حماية الأوزون) عن طريق البرق أو قد يتم إنتاجه صناعياً باستخدام مولد الأوزون.

يحتوي جزئ الأوزون على ثلاث ذرات من الأكسجين بينما يحتوي جزئ الأكسجين العادي على ذرتين فقط والأوزون هو غاز متفاعل ونشط للغاية وعمر النصف للأوزون قصير قبل ان يعود الى الاوكسجين وهو أقوى وأسرع مؤكسد يمكن أن ينتجه الإنسان ويقوم بأكسدة كافة البكتيريا والفطريات والخماير والمواد العضوية والفيروسات عند التعرض لها بصورة كافية. وفي المنزل، غالباً ما يتحد الأوزون مع مرشح الكربون المُنشَط ليحقق معالجة للماء بصورة أكثر اكتمالاً.

مزايا استخدام الأوزون:

  • الأوزون في الأساس هو أحد المنظفات التي تقضي على جميع الملوثات البكيترية بصورة فعالة.
  • يقوم الأوزون بأكسدة وترسيب الحديد والكبريت والمنجنيز وبذلك يمكن ترشيحها من المحلول.
  • كما يقوم الأوزون بأكسدة وتفتيت العديد من المواد الكيميائية العضوية بما في ذلك العديد من المواد التي تسبب مشاكل في الرائحة والطعم.
  • لاتسبب المعالجة بالأوزون في حدوث طعم أو رائحة في الماء. ونظراً لأن الأوزون يتكون من الأكسجين ويتحول إلى الأكسجين النقي، فإنه يتلاشى بدون أثر بمجرد استخدامه.

عيوب استخدام الأوزون:

تحتاج عملية المعالجة بالأوزون إلى الكهرباء لكي تعمل. وفي حالات الطوارئ عندما تنقطع الكهرباء فإنها لا تعمل ولا يكون الأوزون فعالاً في إزالة المعادن والأملاح المتحللة.

في حالات الطوارئ، يُعد الغليان أفضل طريقة لتنقية المياه غير الآمنة بسبب وجود الطفيليات أو البكتيريا.

عندما تكون المياه عكرة، يجب ترشيحها قبل الغليان. وتُعد المرشحات التي تُصمم للاستخدام عند إقامة المخيمات أو مرشحات القهوة والمناشف (الورقية أو القطنية) أو الشاش القطني أو السدادة القطنية طرق فعالة لتصفية الماء العكر.

ضع الماء في وعاء نظيف واغليه جيداً بصورة تامة واستمر في الغليان لمدة 3 دقائق على الأقل (ستساعد تغطية الوعاء على تقليل معدل التبخر). فإذا كنت موجوداً في مكان يقع فوق مستوى سطح البحر بمقدار 5,000 قدم، فيجب عليك رفع زمن الغليان إلى 5 دقائق على الأقل (بالإضافة إلى دقيقة واحدة تقريباً لكل 1,000 قدم إضافي). ويجب أن يستمر تغطية الماء المغلي في الوقت الذي يبرد فيه.

مزايا غلي الماء

  • سيتم القضاء على مسببات المرض الموجوده في الماء إذا تم غليه لمدة كافية.
  • كما يساعد الغليان أيضاً على طرد المركبات العضوية المتطايرة التي قد تكون موجودة أيضاً في الماء. وتعمل هذه الطريقة بصورة جيدة على جعل الماء الملوث بالكائنات الحية آمن للشرب غير أنه بسبب العناء لا يتم في المعتاد استخدام الغليان لتنقية ماء الشرب إلا في الحالات الطارئة.

عيوب غلي الماء:

  • لا يجب استخدام الغليان عندما يكون هناك معادن سامة (الرصاص، الزئبق، الحرير الصخري، المبيدات الحشرية، المذيبات...إلخ) أو نترات لوثت الماء.
  • قد يعمل الغليان على زيادة تركيز أي ملوثات ضارة والتي لا تتبخر في الوقت الذي تتبخر فيه المياه النقية نسبياً.
  • يلزم وجود طاقة لغلي الماء.

إن التقطير هو عكس الغليان من نواح عديدة. ولإزالة الشوائب من الماء بالتقطير عادةً ما يتم غليان الماء في حجرة تجعل الماء يتبخر ويترك البخار النقي (أو النقي في معظمه) والملوثات غير المتطايرة خلفه. ويتحرك البخار تجاه جزء مختلف من الوحدة ويتم تبريده حتى يتكثف ثانيةً ويتحول إلى ماء سائل. ويتقطر الماء الناتج في وعاء التخزين. وتظل الأملاح والترسبات والمعادن – وأي شيء لم يغلي أو يتبخر – في جهاز التقطير ويجب إزالتها. وتُعد المركبات العضوية المتطايرة مثالاً جيداً على الملوثات التي تتبخر وتتكثف مع بخار الماء. ويجب استخدام مصيدة البخار أو مرشح الكربون أو غيرها من الأدوات مع جهاز التقطير لضمان إزالة الملوثات تماماً.

مزايا التقطير:

  • تنتج وحدة التقطير الجيدة ماء نقي للغاية، وتُعد إحدى الطرق العملية القليلة في إزالة أملاح النترات والكلورايد وغيرها والتي لا يمكن لمرشح الكربون إزالتها.
  • يعمل التقطير أيضاً على إزالة مسببات الامراض ويكون ذلك غالباً بالقضاء عليها وتركها عندما يتبخر بخار الماء.
  • لا تنخفض الجودة مع مرور الوقت – فطالما يتم الحفاظ على نظافة جهاز التقطير وعمله على نحو سليم فتكون الجودة العالية للماء المعالج ثابتة.
  • لا يجب استبدال خرطوشات الترشيح, ما لم يتم استخدام مرشح الكربون لإزالة المركبات العضوية المتطايرة.

عيوب التقطير:

  • يستغرق التقطير وقتاً لتنقية الماء حيث يمكن أن تستغرق عملية الحصول على جالون واحد من الماء المقطر خمس ساعات.
  • تستخدم أجهزة التقطير الكهرباء في جميع الأوقات التي يعمل فيها الجهاز.
  • تقوم أجهزة التقطير بإزالة الأكسجين بالكامل من الماء.
  • تحتاج أجهزة التقطير إلى تنظيف دوري للغلاية وعلبة التكثيف والخزان.
  • يُعد التقطير على الطاولة أحد أغلى طرق معالجة الماء في المنزل حيث يستخدم 0,25 إلى 0,35 دولار من الطاقة الكهربائية لكل جالون من الماء المقطر الذي يتم إنتاجه حسب تكاليف استهلاك الكهرباء المحلية. وتكون تكلفة امتلاكها مرتفعة لأنه لن تكون لديك التكاليف المبدئية لوحدة التقطير فحسب ولكن يجب عليك أيضاً دفع تكاليف استهلاك الطاقة الكهربائية لكل جالون من الماء الذي يتم إنتاجه، فإذا كان يكلفك تقطير كل جالون 0,25 دولار وكنت تقوم بتنقية 10 جالون في الأسبوع فإنك ستدفع 130 دولار للحصول على 520 جالون من الماء المقطر في كل سنة.
  • تحتاج معظم وحدات التقطير المنزلية إلى الكهرباء ولن تعمل في حالات الطوارئ عندما لا تتوفر الكهرباء.

التناضح العكسي هو عبارة عن عملية فصل تستخدم ضغط الماء لدفع جزئيات الماء من خلال غشاء يحتوي على مسام دقيقة للغاية مما يخلف ورائه الملوثات ذات الحجم الأكبر. ويتم الحصول على الماء المُنقى من الجانب "النظيف" من الغشاء بعكس عملية التناضح العادية حيث يتحرك الماء بصورة طبيعية من خلال غشاء شبه نافذ... من منطقة منخفضة التركيز إلى منطقة عالية التركيز (بدون تطبيق ضغط خارجي). وجهاز التناضح العكسي المتوسط عو عبارة عن وحدة تكون من مرسبات/ مرشح الكلورين، وغشاء التناضح العكسي، وخزان الماء، ومرشح الكربون المنشط، وتكلف تقريباً 150 إلى 1,500 دولار للجهة التي تستخدم الجهاز.

مزايا التناضح العكسي

  • يعمل التناضح العكسي على تقليل الأملاح ومعظم المواد غير العضوية الموجودة في الماء وبعض المركبات العضوية بصورة كبيرة. وبمساعدة مرشح كربوني جيد لإزالة أي مواد عضوية تنفذ من خلال المرشح، تقترب جودة الماء المعالج من جودة الماء الذي يتم الحصول عليه بالتقطير.
  • عادةً ما يتم التخلص من الطفيليات الدقيقة (بما فيها الفيروسات) عن طريق تشغيل وحدات التناضح العكسي بصورة سليمة غير أن أي عيب في الغشاء سيسمح بتدفق هذه الكائنات الحية إلى الماء "المرشح" – ولذا لا يُنصح باستخدامها مع الماء غير الآمن بيولوجياً.
  • على الرغم من أن أجهزة التناضح العكسي أبطأ من مرشح الكربون أو مرسبات الماء إلا أن أجهزة التناضح العكسي يمكنها تنقية المزيد من الماء كل يوم أكثر من أجهزة التقطير وهي أقل تكلفة في تشغيلها وصيانتها.
  • لا تستخدم أجهزة التناضح العكسي الكهرباء كذلك على الرغم من أنها تحتاج لضغط ماء عالي لتشغيلها وقد لا تعمل بصورة جيدة في بعض حالات الطوارئ.

عيوب التناضح العكسي:

  • استخدام وحدات التناضح العكسي ينتج قليل من جالونات الماء المعالج للشرب أو الطهي في اليوم الواحد.
  • أجهزة التناضح العكسي تهدر المياه، 2 الي 4 جالون من المياه المهدورة لكل جالون من الماء الناتجة التي تم تنقيتها وترشيحها.
  • لا يقضي التناضح العكسي بصورة تامة على بعض المبيدات الحشرية والمذيبات وغيرها من المواد الكيميائية العضوية المتطايرة. ونوصي باستخدام مرشح جيد للكربون المُنشَط للحد من هذه الملوثات.
  • تؤثر عوامل عديدة على كفاءة غشاء التناضح العكسي في تقليل مقدار الملوثات في الماء ومن أهم هذه العوامل الرقم الهيدروجيني بالماء ودرجة الحرارة والضغط وتركيز الملوثات وخصائصها الكيميائية وكذلك نوع وحالة الغشاء.
  • على الرغم من أن مرشحات التناضح العكسي لا تستخدم الكهرباء، إلا أنها تعتمد على ضغط الماء العالي نسبياً لدفع جزيئات الماء عبر الغشاء. وفي الحالات الطارئة التي يضيع فيها ضغط الماء لا تعمل هذه الأجهزة.
  • تحتاج أجهزة التناضح العكسي للصيانة. ويجب تغيير أغشية المرشحات القبلية والبعدية وأغشية التناضح العكسي حسب ما توصي به الشركة المصنعة، كما يجب تنظيف الخزان بصورة دورية.
  • لا يتم كشف الأغشية التالفة بسهولة ولذا يصعب قول ما إذا كان الجهاز يعمل بصورة طبيعية وآمنة .

تمثل أجهزة إنتاج الماء من الجو تقدماً تقنياً مذهلا حيث تقوم أجهزة إنتاج ماء الشرب من الغلاف الجوي بإنتاج ماء نقي وطبيعي من الهواء الذي نتنفسه. وتعمل وحدات إنتاج الماء من الغلاف الجوي بالرطوبة والحرارة بما يعني أنه كلما ارتفعت الرطوبة في الجو كلما زاد الماء الذي تنتجه الأجهزة. وتُعد الرطوبة جزءاً من الدورة المائية للأرض. الماء الذي تنتجه مولدات الماء من الغلاف الجوي التي تحول الرطوبة الموجودة في الجو إلى ماء لا يحتوي على ملوثات أو بكتيريا أو غيرها من الكائنات الدقيقة.

يستخدم جهاز انتاج الماء من الغلاف الجوي نظام براءة اختراع EnviroGuard ™ لتنقية المياه المكتشف من قبل شركة Drinkable Air Inc. ومرشحات حبيبات الكربون المنشط GAS لضمان الحصول على ماء نقي بنسبة 100% في جميع الأوقات. وتحمل وحدات انتاج مياه الشرب من الغلاف الجوي اسم " كاميليان" كاسم تجاري.

كيفية عمل أجهزة إنتاج الماء من الغلاف الجوي.

  • تقوم أجهزة إنتاج ماء الشرب من الغلاف الجوي في البداية بسحب الهواء من خلال مرشح إلكتروستاتيكي يزيل 99% من جميع الجسيمات التي يحملها الهواء.
  • تقوم وحدة التكثيف باستقبال تدفق الهوء الرطب النظيف وتكثف بخار الماء وتحوله إلى سائل.
  • في الوقت الذي يقوم فيه الجهاز بجمع الماء ويقطره في حوض التجميع حيث يتم معالجته بالأوزون فوراً للقضاء على جميع الملوثات البكتيرية.
  • يتم تبريد الحوض بأكمله ومن ثم يتم ضخ هذا الماء البارد المنعش من خلال مرشح كربون حبيبي نشط والذي يقوم بإخراج أي أوزون زائد ويجعل مذاق الماء رائعا.