تهيئة المياه وحماية البيئة

‏كانت تهيئة المياه ومعالجة مياه الصرف منذ زبن طويل وفيفة أساسية من وظائف البلديات . ولكن تم التعرف بشكل كامل هذه الأيام على تحضير المياه بشكل مناسب للصناعات الكيميائية . وتمثل مياه الصرف الصناعي مشكلة معقدة تتحدى المهندسين الكيميائيين . وإضافة إلى الاعتبارات الأخلاقية والاجتماعية تقضي القوانين التي تمنع وتحد من تلوث الأنهار والهواء لاعتبار هذه المشاكل نفقة ضرورية للتشغيل . ورغم أن الحل نوعي بالنسبة لكل صناعة ( في الواقع مع كل منشأة أو مصنع تقريبا) إلا أنه يمكن ملاحظة بعض المبادئ العامة ، كزيادة إعادة استخدام مياه الصرف ، وضبط التلوث ، واستخلاص النواتج الثانوية من مصدرها إذا أمكن لخفض نفقة العمليات ، ووضع النفايات في حفر لتقليل التلوث إلى أدنى مستوى أو لتحقيق وفر في نفقات التعادل (Neutralization ) .

‏والمعروف أن نوعية وكمية المياه الموجودة مهمة جدا في اختيار موقع المصنع الكيميائي . ولذلك يجب دراسة موارد المياه السطحية والجوفية .

‏المياه الجوفية في العادة مناسبة أكثر لأغراض التبريد بسبب ثبات درجة الحرارة خلال الصيف والشتاء ، ولكن قساوتها ( عسرها ) مرتفعة وقد تسبب تشكل القشور (Scale ‏) التي قد تحد من انتقال الحرارة .

‏يختلف محتوى الماء من الشوائب إلى حد كبير من مكان لآخر في البلاد . والمياه القساوة هي تلك التي تحتوي على كميات غير مرغوبة من أملاح الكلسيوم و المغنيزيوم المنحلة . وتوجد عادة على شكل بيكربونات ، و كلوريدات ، وكبريتات ونترات . تسبب هذه الأملاح رواسب غير منحلة مع الصابون ، وتشكل كبريتات ( كبريتات ) وكربونات و سليكات الكلسيوم قشورا سادة ذات ناقليه حرارية ضعيفة ‏في المراجل . وقد تضعف سليكات المغنيزيوم و كربونات الكالسيوم من انتقال الحرارة في مبادلات العمليات الحرارية .

‏و مع أنه يهطل على الولايات المتحدة في اليوم العادي1.6  × 10  ¹⁰ م ³ من الماء ( المعدل السنوي/ 76 ‏سم ³‏ ) ، ويعود منها 70 % إلى الجو عن طريق التبخر وارتشاح المصانع ، لذا فإن زيادة السكان والصناعة تؤديان إلى الشح المحلي .

‏تصل كميات المياه التي استخدمت في الولايات المتحدة عام 1960 ‏إلى 1.18 × 10 ⁹‏ م³ / يوم ، وفي عام 1980 ‏إلى  2.11 × ⁹10 م ³/ يوم . وقدر إجمالي الوارد المائي العذب المتيسر في الولايات المتحدة بـ 2.46× 10⁹ م³/ يوم ، ومن هنا يتضح أن الطلب سيتجاوز العرض بصورة سريعة .

‏تعد النوعية والكمية وإعادة الاستخدام والتلوث من المشاكل المعقدة ، التي تحتاج إلى دراسة يقوم بها خبير للفصل بين المصادر البديلة من الماء وبين العمليات المثلى للتقليل من إجمالي كلفة الاستخدام . يعتمد اتخاذ القرار عادة على الاستخدام ، أي إذا كان الماء سيستخدم لتوليد الطاقة أو للتسخين أو للتبريد أو الاندماج الفعلي إلى ناتج أو عمليات تصنيعه .

‏يعبر عن القساوة عادة بكمية أملاح الكلسيوم والمغنيزيوم المنحلة ، التي تحسب كمكافئ غرامي لكربونات كلسيوم . ويمكن تقسيم قساوة الماء إلى نوعين : قساوة الكربونات التي تعرف بالقساوة المؤقتة ، والقساوة اللاكربونية وتعرف بالقساوة الدائمة . ‏يمكن عادة خفض القساوة المؤقتة إلى حد كبير، عن طريق التسخين ، بينما ‏تحتاج القساوة الدائمة لاستخدام المعالجة الكيميائية لخفضها .

‏والكربونات أو القساوة الموقتة تحدثها بيكربونات الكلسيوم والمغنيزيوم ، أما القساوة اللاكربونية أو القساوة الدائمة فتنتج من كبريتات وكلور الكلسيوم والمغنيزيوم وإضافة إلى القساوة ، قد توجد أيضا كميات مختلفة من أملاح الصوديوم أو السليكا أو الألومينا أو الحديد ، أو المنغنيز . وقد يتراوح إجمالي الجوامد المنحلة من بضعة أجزاء في المليون في مياه الثلج إلى عدة آلاف الأجزاء في المليون في مياه الينابيع المعدنية . ويعتبر الماء الذي يحتوي على 1000 ppm أملاح منحلة رديء النوعية نسبيا حتى لو كان بنقاوة  99.9 %  ‏.

‏يعبر عن القساوة في الولايات المتحدة ، كما لو كانت بكاملها ناتجة عن كربونات الكلسيوم . والوحدات الشائعة للتعبير عن تحاليل الماء هي عدد الأجزاء في المليون (ppm ) ، أو عدد الحبات ( Grain ) في الغالون ( g / gal ) ، أو عدد الميلليغرامات في اللتر ( mg / L ) ، علما بأن حبة واحدة في الغالون تكافئ  1 ، 17 ppm ‏أو 17.1 ملغ / ل

‏ومن الشوائب الأخرى التي قد توجد في الماء ، هي مواد لا منحلة معلقة (تصنف عادة كعكارة ) ، ومواد عضوية ، وملونات ، وغازات منحلة وهذه الغازات هي : ثاني أكسيد الكربون والأكسجين والنتروجين وفي المياه الكبريتية كبريت الهيدروجين .

‏يعاد استخدام ما يقرب من 5×10 ⁸ م³ ( 133 ×  ⁹10غالون ) من مياه الصرف لاستعمالها في الزراعة والتبريد ومياه العمليات والاستخدامات المنزلية عدا الشرب . قد تسحب الصناعة كميات كبيرة من الماء من المصدر الأصلي وتستخدمها بطرق مختلفة ولكنها تستهلك عمليا كميات قليلة نسبيا لأن معظم الماء يعاد إلى المصدر لكي يستخدم من قبل آخرين .

‏قدرت وزارة التجارة في الولايات المتحدة أن المصنع الكيميائي العادي الذي وصلت نسبة إعادة دوران الماء فيه منذ بضع سنوات من نسبة 2 ‏:1 إلى نسبة 1:5 ، يتوقع له أن يصل في عام 2000 ‏إلى نسبة 1:1 ‏( عجينة وورق ) ، ونسبة 1:27 ‏( مواد كيماوية ) ، ونسبة 1:40 ‏( تكرير نفط ) . يعبر عن معدل الدوران بنسبة إجمالي الماء المستخدم بالنسبة للسحب .

‏يعتبر صبيب المجاري المعالج في كثير من المناطق أفضل نوعية من المياه الطبيعية ، ومع تحسين معالجة مياه الصرف يصبح استخدامها للصناعة ملائما أكثر فأكثر. يستخدم ما يقرب من 70 ‏% ‏من إجمالي المياه الصناعية للتبريد . وتساعد إعادة الاستخدام في الصناعة على خفض التلوث الكيميائي والحراري والبيولوجي ويجعل معالجة المياه أقرب إلى الإشراف المباشر لمدير المصنع .

‏الجدول 1-1  ‏، يبين الاتجاهات في إعادة الاستخدام الصناعي للماء في الولايات المتحدة (10 ⁶ م³ /يوم )