يمكن أن يؤدي تغير الرقم الهيدروجيني (pH) إلى تغيير جرعة كيماويات معالجة المياه، لأنه يغيّر الأشكال الكيميائية الموجودة، وسلوك الملوثات، ومدى سهولة حدوث تفاعلات المعالجة. فعلى سبيل المثال، يمكن للجرعة نفسها من مادة التخثير أن تنتج ندفًا كثيفة عند قيمة pH معينة وندفًا ضعيفة عند قيمة أخرى. وقد يترك الكلور المتبقي الحر المقاس بالقيمة نفسها، مع تحقيق أداء مختلف في التطهير.

لا يحدد الرقم الهيدروجيني وحده الجرعة الصحيحة. فالقلوية ودرجة الحرارة وتركيز الملوثات والخلط ومدة التلامس تؤثر أيضًا في النتيجة. لذلك، يربط التعديل المفيد بين قيمة pH المقاسة عند نقطة التفاعل وهدف المعالجة وجودة المياه الخارجة من العملية.

يغيّر الرقم الهيدروجيني كيمياء الجرعة

تتفاعل كثير من كيماويات المعالجة مع الماء قبل أن تؤثر في الملوثات. وتُشكّل مخثرات الألومنيوم والحديد مجموعة من الأنواع الذائبة والصلبة مع تغير قيمة pH. وتختلف هذه الأنواع في شحنتها وقابليتها للذوبان، ولذلك تتغير أيضًا قدرتها على زعزعة استقرار الجسيمات وتكوين ندف قابلة للترسيب. ولا يمكن نقل جرعة مخثر محددة عند قيمة pH معينة تلقائيًا إلى قيمة أخرى.

يؤثر الرقم الهيدروجيني أيضًا في الشحنة السطحية وقابلية ذوبان المواد الموجودة أصلًا في الماء. ولا تستجيب الجسيمات العالقة والمواد العضوية الذائبة والمعادن الذائبة جميعها بالطريقة نفسها. تتطلب بعض عمليات المعالجة تجمّع الجسيمات، بينما تتطلب عمليات أخرى تكوين ملوث ذائب في صورة مادة صلبة يمكن فصلها. وأفضل قيمة pH لهدف معين ليست بالضرورة الأفضل لهدف آخر.

في جرعات الأحماض والقلويات، يسهل على نحو خاص إساءة فهم العلاقة. فالرقم الهيدروجيني يصف نشاط أيونات الهيدروجين، لا الكمية الإجمالية من الحمض أو القاعدة اللازمة للوصول إلى قيمة مستهدفة. وقد تتطلب مياه لها قيمة pH ابتدائية واحدة جرعات مختلفة جدًا إذا اختلفت قدرتها على التنظيم.

التخثير: قد تتغير قيمة pH التفاعل أثناء الجرعات

عندما تتحلل أملاح الألومنيوم أو الحديديك مائيًا، فإنها تستهلك القلوية وقد تخفض قيمة pH. وفي المياه ضعيفة القدرة على التنظيم، قد تؤدي إضافة المزيد من المخثر إلى خروج التفاعل عن النطاق الفعال للمنتج المختار. وقد تبدو النتيجة كأنها نقص في الجرعة: ندف صغيرة، أو ترسيب ضعيف، أو زيادة في عكارة المياه المُرشّحة. وقد تؤدي إضافة المزيد من المخثر إلى تعميق تغير pH بدلًا من معالجة المشكلة.

وتحدث الحالة العكسية أيضًا. فعند قيمة pH أعلى، قد يبقى المخثر المعدني في أشكال أكثر ذوبانًا أو يعود إليها، مما يقلل تكوين ندف هيدروكسيد صلبة لازمة لالتقاط الملوثات. ويتوقف النطاق القابل للعمل على تركيبة المخثر ومكونات المياه وهدف الإزالة؛ لذلك لا تناسب نقطة ضبط واحدة جميع الحالات.

قِس قيمة pH للمياه الداخلة، وكذلك بعد إضافة المخثر والخلط السريع. وقِس القلوية أيضًا باستخدام أساس الإبلاغ نفسه بمرور الوقت، وغالبًا ما يُعبَّر عنها بمكافئ كربونات الكالسيوم. ويشير انخفاض pH بعد الجرعة، بالتزامن مع انخفاض القلوية المتبقية، إلى ضرورة الاهتمام بضبط pH قبل زيادة جرعة المخثر.

استخدم اختبارات الأوعية لفصل تأثير pH عن تأثير الجرعة

يغيّر اختبار الأوعية المفيد قيمة pH وجرعة المخثر وفق نمط مضبوط بدلًا من تغييرهما معًا دون تسجيل ذلك. اختبر عدة قيم لـpH مع أكثر من جرعة، باستخدام مياه خام ممثلة للواقع وتسلسل إضافة الكيماويات الذي تعتزم المحطة اتباعه. وأدرج عينة غير معالجة متى أمكن.

حاكِ الخلط السريع والتلبد والترسيب بأكبر قدر تسمح به المعدات. وسجّل قيمة pH بعد إضافة المواد الكيميائية وكذلك بعد الترسيب، إذ قد لا يستمر التعديل الأولي. وقارن عكارة المياه بعد الترسيب أو الترشيح، وحجم الندف وسلوك الترسيب؛ وأدرج، عند الاقتضاء، الألومنيوم أو الحديد المتبقي وإزالة المواد العضوية. ولا تكفي الندف ذات المظهر اللافت دليلًا على نجاح المعالجة إذا كانت جودة المياه المعالجة أو المعادن المتبقية غير مقبولة.

إذا كان تصحيح pH مطلوبًا، فاختبر أيضًا نقطة إضافة الحمض أو القلوي. فقد تؤدي إضافة مادة تصحيح مركزة مباشرةً إلى مجرى المخثر إلى إحداث قيم موضعية شديدة لا يعكسها pH النهائي للكتلة المائية. ويؤثر الخلط والتخفيف في النتيجة بقدر تأثير نقطة الضبط الرقمية.

التطهير: المتبقي ليس النتيجة كاملة

يوجد الكلور الحر في الماء أساسًا على شكل حمض الهيبوكلوروز وأيون الهيبوكلوريت. ومع ارتفاع pH، تزداد نسبة الهيبوكلوريت؛ ومع انخفاضها، تزداد نسبة حمض الهيبوكلوروز. ويُعد حمض الهيبوكلوروز عمومًا الشكل الأكثر فاعلية في التطهير، لذا فإن ثبات تركيز الكلور الحر المتبقي ومدة التلامس لا يضمنان تحقيق مستوى التعطيل نفسه عند قيم pH مختلفة.

لكن هذا لا يعني وجود قاعدة ثابتة تقضي بزيادة الكلور كلما ارتفعت قيمة pH. ينبغي أولًا التمييز بين الكلور المتبقي المطهّر والجرعة المضافة الأولية. فالطلب على الكلور الناجم عن الأمونيا والمواد العضوية وغيرها من المواد المتفاعلة يستهلك جزءًا من الجرعة، ويجب أن يظل المتبقي متاحًا طوال مدة التلامس المطلوبة. كما تؤثر درجة الحرارة والكائنات المستهدفة ومتطلبات المعالجة المعمول بها في النتيجة.

في العمليات القائمة، قارن قيمة pH عند حوض التلامس الخاص بالتطهير، والكلور الحر والكلي عند الاقتضاء، ومدة التلامس ودرجة الحرارة. وإذا تزامن تغير pH مع تغير في الكلور المتبقي، فتحقق مما إذا كان قد طرأ تغير أيضًا على تغذية المواد الكيميائية أو مياه المصدر أو الطلب على الكلور. اتبع معايير التطهير المعتمدة والخاصة بالموقع؛ فقراءة الكلور المتبقي وحدها لا تثبت بلوغ مستوى المعالجة المطلوب.

تؤثر طريقة القياس أيضًا. فقد تعطي عينة تُؤخذ قبل الخلط الكافي، أو تُحلل بعد تأخير غير مضبوط، مقارنة مضللة. استخدم طريقة الاختبار المعتمدة وإجراءات التعامل مع العينات نفسها باستمرار عند تقييم أي تغيير في الجرعة.

للترويب وتعديل pH منحنيان مختلفان للجرعة

توضح إزالة المعادن أن قيمة pH النهائية المطلوبة وكمية القلوي اللازمة مسألتان منفصلتان. فرفع pH قد يقلل قابلية ذوبان بعض المعادن الذائبة من خلال تعزيز ترسيب الهيدروكسيد. وبعد ذلك، يجب أن تكوّن المواد الصلبة جسيمات كبيرة بما يكفي للترويق أو الترشيح. وإذا ظلت قيمة pH منخفضة أكثر من اللازم، فقد يمر المعدن الذائب؛ أما عند ارتفاعها المفرط، فقد تعود بعض المعادن الأمفوتيرية إلى زيادة ذوبانها.

قد تُبقي عوامل التعقيد وغيرها من المكونات الذائبة المعادن في المحلول حتى عندما تبدو قيمة pH الكلية مناسبة. كما قد تعكس الزيادة الظاهرية في تركيز المعادن بعد المعالجة مرور مواد صلبة عالقة عبر المرشح، أو اختلاف العينات المستخدمة لقياس المعادن الذائبة والكليّة. قارن بين عينات متماثلة، وتحقق من طريقة أخذ العينات وترشيحها قبل تفسير النتيجة على أنها إخفاق في الترسيب.

يعتمد الطلب على القلوي على الأحماض والمواد المنظمة الموجودة، وكذلك على نقطة النهاية المطلوبة. أنشئ منحنى معايرة أو منحنى جرعة على نطاق مختبري باستخدام عينة ممثلة: أضف كميات مقاسة تدريجيًا، واخلط جيدًا، وسجّل قيمة pH بعد استقرارها. يكشف المنحنى ما إذا كانت إضافة كمية صغيرة أخرى تؤدي إلى تغير كبير في pH بالقرب من الهدف. كما يكشف المياه التي تحتاج إلى كمية كبيرة من الكاشف قبل أن تبدأ قيمة pH بالارتفاع.

قد تكون مياه الصرف عالية التركيز غير متجانسة؛ لذا يُعد المنحنى المستند إلى عينة واحدة نقطة بداية لا وصفة تغذية دائمة. ويتطلب التحكم الآلي موقع قياس ممثلًا وخلطًا كافيًا وزمن مكوث يسمح بظهور أثر الإضافة السابقة. وقد تؤدي استجابة وحدة التحكم المفرطة أو وضع المسبار قريبًا جدًا من نقطة الحقن إلى التناوب بين جرعات الحمض والقلوي من دون تثبيت قيمة pH في الخزان.

مصدر تغير pH مهم

قد ينشأ تغير pH في المياه الداخلة أو في مرحلة معالجة سابقة أو من تغذية المواد الكيميائية نفسها. ويمكن لتبادل ثاني أكسيد الكربون والتغيرات في القلوية والخلط والنشاط البيولوجي والتصريفات الصناعية أن تغيّر العلاقة بين قيمة pH المقاسة والطلب على المعالجة. ويتطلب التغير الناجم عن انخفاض القلوية استجابة مختلفة عن التغير الناجم عن تعطل مضخة التغذية.

تأمل عينتين لهما قيمة pH واحدة لكن قلويتهما مختلفة. تبدأ القراءتان بالقيمة نفسها، إلا أن العينة الأقل قلوية قد تشهد انخفاضًا أكبر في pH بعد إضافة جرعة متساوية من المخثر. وعلى العكس، قد تتطلب العينة الأعلى قلوية مزيدًا من الحمض للوصول إلى قيمة pH التخثير نفسها. ولا يمكن التنبؤ بأي من النتيجتين على نحو موثوق اعتمادًا على pH وحده.

تضيف درجة الحرارة فرقًا آخر؛ فهي تؤثر في معدلات التفاعل وتكوين الندف وقياس pH. وقد يتباطأ نمو الندف في الماء البارد حتى عندما تظل قيمة pH المقاسة ضمن النطاق المحدد. لذلك قد تؤدي زيادة المخثر دون فحص الخلط ومدة الترسيب إلى إخفاء القيد الفعلي.

ميّز بين كاشف المعالجة والملوِّث

ليس كل مركب كيميائي يُصادف في مجرى مياه صناعية مادةً مضافة للمعالجة.رباعي كلورو الإيثيلين CAS#127-18-4 مذيب صناعي يرتبط باستخدامات مثل التنظيف الجاف وإزالة الشحوم عن المعادن. وإذا وُجد في مياه الصرف، فهو ملوِّث ينبغي توصيفه وإدارته، وليس كاشفًا يُضاف لتعديل pH أو للتخثير.

لا يُعد تغير pH وحده مؤشرًا موثوقًا على إزالة المذيب. ينبغي أن تراعي عملية أخذ العينات والتحليل واختيار طريقة الإزالة خصائص الملوِّث وظروف الموقع؛ كما تتطلب المركبات المتطايرة التعامل المناسب معها أثناء أخذ العينات والمعالجة.

حوّل انحراف pH إلى تغيير جرعة يمكن تبريره

ابدأ بنتيجة العملية التي تغيرت: عكارة المياه بعد الترسيب، أو جودة المياه المُرشّحة، أو الكلور المطهّر المتبقي، أو تركيز المعادن الذائبة. وتحقق من أن قراءة pH تمثل النقطة التي يحدث فيها التفاعل المعني. فالمسبار المعاير في مجرى جيد الخلط أنفع من قراءة تُؤخذ مباشرة بجوار خط الحقن.

راجع معدل تغذية المواد الكيميائية مقارنةً بالتدفق الفعلي للمياه وتركيز المنتج. فثبات إعداد المضخة لا يضمن ثبات الجرعة عند تغير التدفق أو انسداد خط الإمداد أو تحضير محلول بتركيز مختلف. تحقق من الوحدات المستخدمة في السجلات: فالجرعة المعبر عنها بكمية المنتج لا تعادل الجرعة المعبر عنها بكمية المادة الفعالة.

عندما تكون أنظمة القياس والتغذية سليمة، استخدم تغييرًا صغيرًا مضبوطًا أو اختبارًا مختبريًا لتحديد اتجاه الاستجابة. اترك وقتًا كافيًا لانتقال المياه عبر العملية قبل تقييم النتيجة في المراحل اللاحقة. وسجّل الظروف الأولية والتعديل وpH التفاعل والنتيجة، كي يمكن مقارنة أي تغير لاحق على الأساس نفسه.

إذا كانت العملية تقترب من حد تصريف أو مياه شرب أو معدات، فاتبع إجراءات التشغيل الخاصة بالموقع بدلًا من إجراء تصحيح غير محدود. وتأكد من أن تعديل pH لم يتسبب في مشكلة لاحقة، مثل انخفاض فاعلية المطهّر أو زيادة المعادن المتبقية أو عدم استقرار pH النهائي.