رابطه پویا بین قلیائیت و pH در فاضلاب بدون تخلیه

قلیائیت در فاضلاب عمدتاً توسط سه گونه ایجاد می‌شود: هیدروکسید (OH⁻)، کربنات (CO₃²⁻) و بی‌کربنات (HCO₃⁻). این سه گونه یک سیستم بافر متعادل پویا را تشکیل می‌دهند که گونه‌های غالب با pH تغییر می‌کنند:
CO₂ + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ H+ + HCO3- ⇌ 2H+ + CO32-

این تعادل، شکل اولیه قلیائیت را در محدوده‌های مختلف pH تعیین می‌کند:

۱. pH

۲. pH 6.3-10.3: بی‌کربنات (HCO₃⁻) گونه غالب است، که محدوده رایجی برای اکثر فاضلاب‌ها می‌باشد.

۳. pH > ۱۰.۳: کربنات‌ها (CO₃²⁻) و هیدروکسیدها (OH⁻) شروع به غلبه می‌کنند.

نسبت توزیع قلیائیت کل در آب (عمدتاً HCO₃⁻ و CO₃²⁻) دقیقاً توسط pH تعیین می‌شود.

تأثیرات کلیدی و منطق کنترل:

۱. کنترل رسوب (نرم‌سازی): آب با قلیائیت و سختی بالا، در طول گرمایش و تغلیظ، به شدت مستعد تشکیل رسوب کربنات کلسیم (CaCO₃) است که باعث گرفتگی غشاها و اواپراتورها می‌شود.

افزودن اسید (مانند H₂SO₄) pH را کاهش می‌دهد و HCO₃⁻ را به گاز CO₂ تبدیل می‌کند (که از طریق برج سلب حذف می‌شود): 2HCO₃⁻ + H₂SO₄ → 2CO₂↑ + 2H₂O + SO₄²⁻

این تبدیل بین «قلیاییت» و «pH» است. مقدار اسید اضافه شده مستقیماً توسط قلیائیت آب خام (مصرف قلیائیت) تعیین می‌شود و توسط pH هدف (معمولاً 6.5-7.0) کنترل می‌شود.

۲. کنترل خوردگی

pH و قلیائیت بیش از حد پایین (

۳. بهینه‌سازی تبخیر و تبلور

قبل از ورود به اواپراتور، pH باید در محدوده مناسب (معمولاً >9.5) تنظیم شود. pH بالا باعث رسوب سیلیکون و تبخیر نیتروژن آمونیاکی می‌شود، اما pH و قلیائیت بیش از حد بالا می‌تواند منجر به رسوب‌گذاری نمک‌های دیگر (مانند Mg(OH)₂) شود. کنترل دقیق مقدار NaOH اضافه شده اساساً به معنای جایگزینی قلیا برای دستیابی به یک pH هدف دقیق است.

در مهندسی، «تبدیل» در درجه اول به دو نوع محاسبه اشاره دارد:

۱. محاسبه قلیائیت با توجه به pH و کل کربن معدنی (CT) (محاسبه نظری)

۲. محاسبه دوز اسید/باز مورد نیاز برای رسیدن به pH هدف با توجه به قلیائیت (روش مهندسی هسته)

فرمول اصلی و مراحل محاسبه:

۱. رابطه نظری

عبارت دقیق برای قلیائیت کل (Alk) به صورت زیر است: Alk = [HCO₃⁻] + 2[CO₃²⁻] + [OH⁻] - [H⁺] (eq/L)

با استفاده از ثابت‌های یونیزاسیون اولیه و ثانویه اسید کربنیک (K₁، K₂) و کل کربن معدنی (CT)، هر عبارت را می‌توان به صورت تابعی از [H⁺] بیان کرد. این یک محاسبه پیچیده است که معمولاً با کمک نرم‌افزارهایی مانند PHREEQC انجام می‌شود.

۲. «تبدیل» در عمل مهندسی: محاسبه دوز اسید/باز

این رایج‌ترین محاسبه مورد استفاده در طراحی ZLD است. اصل، تعیین مقدار اسید/باز مورد نیاز برای خنثی کردن قلیائیت (یا اسیدیته) در آب تا pH هدف است.

مثال: مقدار اسید سولفوریک (H₂SO₄) مورد نیاز برای کاهش pH فعلی آب به pH هدف را محاسبه کنید.

با توجه به اینکه قلیائیت آب منبع Alk₁ = 300 میلی‌گرم در لیتر (به صورت CaCO₃) است، و pH هدف باید به 6.8 کاهش یابد (که در آن نقطه قلیائیت باقیمانده تقریباً Alk₂ ≈ 50 میلی‌گرم در لیتر است).

فرمول: دوز اسید (میلی‌گرم در لیتر) = (Alk₁ - Alk₂) × (وزن معادل اسید) / (وزن معادل CaCO₃)

محاسبه: معادل CaCO₃ = 50 گرم بر معادل؛ معادل H₂SO₄ = 98/2 = 49 گرم بر معادل (زیرا 1 مولکول H₂SO₄ 2 اتم H⁺ فراهم می‌کند)؛ مقدار مورد نیاز H₂SO₄ = (300 - 50) میلی‌گرم بر لیتر × (49/50) = 250 × 0.98 = 245 میلی‌گرم بر لیتر

این بدان معناست که برای هر تن آب تصفیه شده، تقریباً ۲۴۵ گرم اسید سولفوریک خالص مورد نیاز است. هسته اصلی این محاسبه «اختلاف قلیائیت» است، نه مقدار مستقیم pH، که کاملاً منطق «محاسبه با استفاده از ضریب ظرفیت» را مجسم می‌کند.