طرق المعالجة البيولوجية للمياه الملوثة

بسم الله الرحمن الرحيم
مياه الصرف الصحي و طرق معالجتها (جزء 5)

طرق المعالجة البيولوجية للمياه الملوثة

تعتبر المعالجة البيولوجية لمياه المجاري من أهم مراحل المعالجة التي يجب تطبيقها على المياه في المحطة وتهدف هذه المعالجة إلى أكسدة المواد العضوية المختلفة الموجودة في مياه المجاري وتحويلها إلى مركبات مستقرة وكتلة حيوية تتألف في معظمها من البكتريا وبعض الكائنات الدقيقة التي يمكن فصلها عن المياه ومعالجتها على انفراد وبالتالي الحصول على مياه خالية عملياً من التلوث العضوي ، ويعتبر وجود الأوكسجين والبكتريا أهم عنصرين من العناصر المطلوبة لإنجاح المعالجة البيولوجية إضافة إلى شروط أخرى مثل درجة الحرارة ووجود بعض المغذيات المساعدة، ومن الطرق الشائعة للمعالجة البيولوجية نذكر :
أولاً - المرشحات البيولوجية :
- تعتبر طريقة المرشحات البيولوجية من أقدم طرق المعالجة البيولوجية ويقل استعمالها في الوقت الحاضر ماعدا في بعض إستخدامات المعالجة لمياه الفضلات الصناعية .
- يتألف المرشح البيولوجي من سرير من المواد الحصوية أو البلاستيكية الخشنة توزع فوقه مياه المجاري بواسطة ذراع رشاش دوار حيث تتسرب مياه المجاري عبر فراغات الوسط المرشح ملامسة هذا الوسط الذي تنمو عليه الكائنات العضوية الدقيقة التي تقوم بتفكيك المواد العضوية وأكسدتها بمساعدة الهواء الجوي وتخرج المياه المرشحة من أسفل المرشح إلى حوض ترسيب ثانوي لفصل وإزالة الحمأة عن المياه . والمرشحات البيولوجية نوعان ذات معدل ترشيح عالي أو منخفض ، والحمأة الناتجة تحتاج للتجفيف فقط . و من أهم مساوئ هذه الطريقة انتشار الذباب والبعوض في الموقع وعدم ثبات مردود المعالجة .
ثانياً - الأقراص البيولوجية الدوارة :
- وتعتبر هذه الطريقة إحدى طرق النمو بالغشاء الثابت كما هو الحال في المرشحات البيولوجية، فيما عدا أن الكتلة الحيوية هي التي تلامس الماء أثناء دوران الأقراص وليس الماء هو الذي يلامس الكتلةالبيولوجية .
- تتألف وحدة المعالجة من مجموع أقراص ( بلاستيكية غالباً ) تدور حول محور مرتبط بها وغاطسة إلى حوالي نصف قطرها ضمن مياه المجاري ، وبعد خروجها يدخل الهواء بينها ملامساً الغشاء البيولوجي ( طبقة بيولوجية تنمو على سطح الأقراص ) والذي تجري المعالجة بواسطته . تستعمل هذه الطريقة في محطات المعالجة الصغيرة وعادة يبنى عدد من صفوف أقراص التماس بشكل متتابع خلف بعضها في حوض التهوية ، وتمتاز هذه الطريقة باستهلاكها القليل للطاقة وبقلة الحمأة الناتجة عنها ويبلغ معدل التنقية 85٪ .

ثالثاً – الحمأة المنشطة :
- تعتبر هذه الطريقة من أكثر الطرق شيوعاً في الوقت الحاضر بسبب فاعليتها العالية في المعالجة وسميت بهذا الإسم لأنه يتم إعادة جزء من الحمأة المترسبة في أحواض الترسيب الثانوية إلى حوض التهوية وذلك بشكل مستمر وهذا يساعد في تسريع العملية البيولوجية وزيادة كفاءتها بسبب زيادة كثافة الكتلة الحيوية في حوض التهوية وبالتالي زيادة معدل الاكسدة وتفكيك المواد العضوية إلى مكوناتها الأساسية ، وتدخل المياه المعالجة إلى أحواض التهوية بعد مرورها على أحواض الترسيب الأولية .
- وبالرغم من أنها أكثر كفاءة من المرشحات البيولوجية فهي تحتاج إلى مهارة عالية في التشغيل ومن أهم الأمور الواجب متابعتها في التشغيل :
التغير في معدلات التصريف لمياه المجاري الداخلة للمحطة، التغير في تراكيز المواد الملوثة الموجودة في مياه المجاري، تركيز المواد المعلقة في أحواض التهوية ونسبة المواد المتطايرة فيها، نسبة الرواسب المعادة وتركيز المواد المعلقة بها، تركيز الأكسجين الذائب في أحواض التهوية، كفاءة المزج في أحواض التهوية و لهذا العامل(المزج) أهمية أساسية لعدة أسباب :
* - يساعد على إمداد مياه المجاري في أحواض التهوية بالأكسجين الذائب ويساعد على خلط الأوكسجين مع محتويات أحواض التهوية .
** - يساعد التقليب على إستمرار التلامس بين الكائنات الحية الدقيقة وكل من الأكسجين الذائب والمواد العضوية .
*** - يمنع المواد المعلقة من الترسيب إلى قاع الحوض .
ويتم المزج إما بالتهوية الميكانيكية أو بواسطة الهواء المضغوط. ولطريقة الحمأة المنشطة محاسن عديدة نذكر منها :
1 -لاتحتاج لمساحات واسعة من الأرض مقارنة مع طرق المعالجة الأخرى . 2-كفاءة عالية في المعالجة .3 –لاتحتاج لأيدي عاملة كثيرة . 4 - يمكن إنشاؤها بالقرب من المدن . 5 - لاتؤدي إلى إنتشار الروائح وتجمع الحشرات الضارة كالذباب خاصة بتوفر التشغيل المثالي.
ومن مساوئ هذه الطريقة :
1 -إحتواء الحمأة الثانوية على نسبة رطوبة عالية مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في حجمها ويصعب تجفيفها . 2 -ذات تكاليف عالية . 3 - تحتاج لتجهيزات كهربائية وميكانيكية مرتفعة الكلفة . 4 - تحتاج إلى كوادر فنية متخصصة للتشغيل .
وتندرج ضمنها طريقة التهوية المطولة وخنادق الأكسدة .
رابعاً – التهويـة المطـولة :
وهي إحدى طرق الحمأة المنشطة التي تستخدم لمعالجة التصرفات الصغيرة ، وهي طريقة سهلة ومرنة في تشغيلها ويمكن الإستغناء عن مرحلة الترسيب الإبتدائي ومعالجة مياه المجاري بعد عملية حجز المواد الطافية والرمال إن أمكن ، ومن مزايا هذه الطريقة تثبيت المواد العضوية والإستغناء عن معالجة الرواسب قبل تجفيفها أو استعمالها .
في طريقة المعالجة بالتهوية المطولة تدخل مياه المجاري الخام( بعد حجز المواد الطافية والرمال) لأحواض التهوية حيث تنشط البكتريا الهوائية في أكسدة المواد العضوية ، ويساعد على ذلك عملية التهوية الميكانيكية التي تعطي الأوكسجين الذائب للمياه ، وتسبب عمليات مزج وتحريك مستمرللسائل ضمن الحوض مما يزيد من فعالية عملية المعالجة ، وتخرج المياه من أحواض التهوية لأحواض الترسيب حيث ترسب المواد العالقة ومابها من الكائنات الحية الدقيقة ، ثم يعاد نسبة كبيرة من هذه الرواسب(الحمأة المنشطة الثانوية) إلى أحواض التهوية للحفاظ على التركيز المناسب من المواد العالقة وماتحمله من البكتريا التي تقوم بعملية الأكسدة . ويلزم للحفاظ على تراكيز ثابتة من المواد العالقة في أحواض التهوية أن يتم تصريف نسبة من المواد المترسبة في أحواض الترسيب بدون مشاكل الرائحة حيث تكون هذه الحمأة مؤكسدة لبقائها في أحواض التهوية مدة طويلة . وتدخل عدة مفاهيم أساسية في صلب المعالجة البيولوجية ضمن احواض التهوية نذكر منها: عمر الحمأة، نسبة الغذاء الى كتلة المواد الصلبة الطيارة (F/M) و التي سيتم التطرق اليها بالتفصيل في محاضرات لاحقة ان شاء الله.
ويمكن التخلص من الحمأة الزائدة من هذه العملية بأحد الطرق الآتية :
1 -تجفيف الحمأة الزائدة ضمن أحواض تجفيف ثم إستخدامها كسماد وتصرف الحمأة الزائدة كنسبة من الحمأة المترسبة في أحواض الترسيب الثانوية ، أو كنسبة من تصريف مياه أحواض التهوية .
2 -التشغيل بدون صرف حمأة، أي بإعادة جميع الرواسب من أحواض الترسيب إلى مدخل أحواض التهوية ، على أساس افترضه بعض الباحثون وهو أن الكائنات الحية الدقيقة تتغذى على جزء من مكونات الخلايا البكتيرية غير قابلة للتحلل ، بالإضافة إلى المواد الغير عضوية الموجودة أصلاً في مياه المجاري ، كل هذه المواد التي لم تتأكسد ، تتراكم في أحواض التهوية ويزيد تبعاً لذلك وبالتدريج تركيز المواد العالقة في المياه الخارجة من أحواض الترسيب ، ورغم زيادة هذه المواد العالقة في المياه المعالجة إلا أن هذه المواد تكون مؤكسدة .
3 - إذابة الحمأة الزائدة كيميائياً وإدخالها لأحواض التهوية ليتم أكسدتها مع مياه المجاري ، ويمكن عمل الإذابة إما بصورة مستمرة أو متقطعة حسب سعة محطة المعالجة ، ولكن هذه الطريقة تشكل عبئاً فنياً إضافيا" على التشغيل .
وعموماً يمكن تحديد طريقة التخلص من الحمأة الزائدة إستناداً إلى مجالات استعمال المياه المعالجة وفي حالة استعمالها في الري أو استصلاح الأراضي لايتأثر ذلك بزيادة المواد العالقة في المياه المعالجة .
- التحكم في صرف الحمأة : من أهم أسس أسباب اختيار هذه الطريقة هو إمكانية تشغيلها بسهولة وبساطة لأن المعالجة بالتهوية المطولة تستخدم في التجمعات السكنية الصغيرة والقرى حيث يجب استخدام طرق معالجة لاتحتاج إلى مهارة فنية ، وأبسط هذه الطرق المحافظة على تركيز شبه ثابت للمواد العالقة في أحواض التهوية ، وتصريف الزائد من الحمأة . وهذه الطريقة تعطي كفاءة عالية في المعالجة بشرط عدم تغيير تركيز المواد العضوية بدرجة كبيرة . ويمكن المحافظة على كفاءة المعالجة بالمحافظة على نسبة ثابتة بين الأوكسجين الحيوي المستهلك لمياه المجاري الداخلة لأحواض التهوية ، وتركيز المواد العالقة في هذه الأحواض سواء للمواد العالقة الكلية أو المواد العالقة الطيارة ، ولكن هذه الطريقة تحتاج إلى تحاليل مخبرية يومية .
خامساً – خنـادق الأكسـدة :
وهي طريقة من طرق التهوية المطولة وتصمم بنفس الأسلوب ولكنها تعتمد على البساطة في الإنشاء والتشغيل وتتكون من واحدة أكثر من القنوات التي يتم فيها تهوية وتقليب مياه المجاري ميكانيكياً ومن ميزاتها الأساسية أن كمية الرواسب الزائدة المصروفة من أحواض الترسيب النهائية صغيرة نسبياً ومؤكسدة وتعالج فيها مياه المجاري بعد المصافي، ويمكن إستخدام القنوات للترسيب أيضاً مدة معينة مرة إلى ثلاث مرات يومياً بوقف التهوية للسماح بالترسيب وبعد ذلك يتم تصريف المياه المروقة بعد الترسيب ويعاد تشغيل العملية. وفي أثناء فترة الترسيب يتم حجز مياه المجاري في خطوط التجميع أو بإستخدام وحدتين من قنوات الأكسدة أو بتقسيم القناة إلى جزئين ولايستخدم هذا التشغيل في التدفقات الصغيرة نسبياً ، أما في التشغيل العادي فيجب إنشاء حوض ترسيب نهائي بعد قتوات الأكسدة .

سادساً – بـرك الأكسـدة :
تعتبر برك الأكسدة أبسط الطرق على الإطلاق لمعالجة مياه المجاري والمخلفات الصناعية ويجري إستخدامها بمعظم دول العالم وعلى سبيل المثال تمثل برك الأكسدة ثلث محطات معالجة المجاري في الولايات المتحدة . وتنشأ هذه البحيرات بطرق هندسية بسيطة لاتتعدى في بعض الأحيان أعمال الحفر والتمهيد والتسوية إذا كانت التربة قوية متماسكة ويكون عمقها عادة صغير ومساحتها كبيرة .
وتتم المعالجة في هذه البحيرات بطريقة طبيعية تعتمد على نشاط مشترك متكامل تقوم به الطحالب والبكتريا بالإستعانة بأشعة الشمس وبعض العناصر الموجودة أصلاً في مياه المجاري .
ويفضل قبل أعمال التصميم والتنفيذ عمل دراسة الأمور التالية : طبوغرافية المنطقة ومايحيط بها، طبيعة المياه الجوفية، خصائص التربة ومكوناتها، درجة الحرارة والرياح السائدة والسطوع الشمسي، خصائص مياه الصرف، شكل البحيرات المناسب وأسلوب تشغيلها الأمثلي، تكاليف الإنشاء والأرض والشتغيل، مجالات إستعمال المخلفات السائلة بعد معالجتها .
ويجب أن يحقق شكل البحيرات وعددها الأمور التالية : مرونة التشغيل، إمكانية وقف تشغيل أي وحدة دون التأثير على باقي الوحدات وذلك لعمل الصيانة وتفريغ الرواسب , إذا ساعدت طبوغرافية الأرض على تصميم بحيرات طويلة بعرض صغير فهذا يعطي كفاءة أفضل ( بشرط تعميق البحيرة في منطقة المدخل ) لمرونة التشغيل . وتستخدم بحيرات الأكسدة عادة للتدفقات الصغيرة ولكن لايمنع إستخدامها للتدفقات الكبيرة عند توفر مساحات كافية من الأرض بسعر مناسب ، وعلى سبيل المثال فقد استخدمت بحيرات الأكسدة في كاليفورنيا بأمريكا بمساحة ( 250 ) هكتار وذلك لمعالجة تدفق مبلغ ( 250000 m3/d )
وعموماً يمكن إستخدام برك الأكسدة بعد مرحلة أو أكثر من مراحل المعالجة التالية : حجز المواد الطافية بإستخدام المصافي، حجز الرمال في أحواض منفصلة، أحواض التحليل، أحواض الترسيب الإبتدائية، أحواض أمهوف، بحيرات لاهوائية، أحواض حجز الزيوت والشحوم .
- مميزات برك الأكسدة وأهميتها : بدأ الإهتمام بمعالجة المخلفات السائلة بهذه الطريقة من أجل المناطق الصحراوية الجافة والحارة خصوصاً ، حيث تساعد درجات الحرارة وكذلك أشعة الشمس على نمو الطحالب التي تمد البحيرات بالأكسجين الذائب ولهذه الطريقة مزايا لايمكن توفيرها في طرق المعالجة الأاخرى وتتلخص هذه المزايا كما في الآتي :
1- يمكن تشغيلها بطرق كثيرة ، كما أنه يمكن تغيير طريقة التشغيل في حالة زيادة الأحمال الهيدروليكية والعضوية بدون الحاجة إلى إضافة وحدات جديدة ويتم ذلك بإستخدام نظام أو أكثر من النظم المستخدمة في محطة معالجة واحدة : بحيرات أكسدة لاهوائية ( تعمل كمعالجة تمهيدية لمياه المجاري )، بحيرات أكسدة اختيارية، بحيرات أكسدة هوائية، بحيرات أكسدة بالهواء المضغوط، بحيرات الإنضاج .
حيث يمكن ربط أكثر من طريقة من هذه الطرق في عملية معالجة واحدة حسب درجة المعالجة المطلوبة والتي ترتبط باستعمال المياه الجوفية .
2 - يمكن إستخدام هذه الطريقة في الحالات التالية : المناطق التي توجد فيها مساحات شاسعة من الأراضي بسعر رخيص، عدم توفر الإعتمادات اللازمة لطرق المعالجة التقليدية المكلفة، عدم توافر الخبرة والعمالة المدربة لتشغيل الطرق الأخرى .
3 - إمكانية إستخدام هذه الطريقة لمعالجة :مياه المجاري معالجة إبتدائية، مياه المجاري معالجة ثانوية، معالجة الحمأة الزائدة.
4 - الإنشاء والتشغيل والصيانة في هذه الطريقة تتم بأقل التكاليف .
5 - فعالية بحيرات الأكسدة في القضاء على البكتريا الضارة والفيروسات وبيوض الديدان الممرضة وذلك بسبب مايلي : زمن التخزين الطويل الذي يسبب الترسيب المستمر للمواد العالقة فيها، تضارب الظروف البيئية للأنواع المختلفة من الكائنات الحية الدقيقة وتأثير بعض هذه الأنواع على الأخرى، تأثير أشعة الشمس،إرتفاع PH المياه في البرك بسبب إستهلاك أوكسيد الكربون بواسطة الطحالب، المواد السامة التي تفرزها الطحالب والتي تقاوم الكائنات الحية الضارة، استنفاذ المواد المغذية للبكتريا .
6 - استيعاب التغيرات الفجائية في الأحمال الهيدروليكية والعضوية .
7 - تناسب معالجة أنواع كثيرة من المخلفات الصناعية ، حيث يمكن إزالة الشوائب السامة ، ويرجع ذلك لزمن المكوث الطويل وإرتفاع PH المياه ، وقد أثبتت التجارب أن وجود المعادن الثقيلة ( الكروم والكاديوم والنحاس والزنك والنيكل ) بتركيز 6 mg/L لكل منها مثلاً لايؤثر على تشغيل البحيرات .
8 - يقل تركيز المواد الذائبة الكلية نتيجة المعالجة في برك الإنضاج .
- مساوئ بحيرات الأكسدة :
1 - انتشار الروائح والبعوض .
2 - المحتوى العالي للمواد الصلبة المعلقة .
3- الإحتياج لمساحات واسعة لذلك يتم إنشاؤها في المناطق ذات الأراضي الرخيصة .
4 - فقدان كمية كبيرة من المياه بسبب البخر .
5 - تلوث المياه الجوفية بسبب الرشح وهذا يتعلق بعامل النفوذية .
- البحيرات المهواة ومميزاتها : تزداد أهمية هذه الطريقة مع الوقت لأنها تعطي درجة عالية من الكفاءة وتشجع على إعادة إستعمال المياه المعالجة والأهم من ذلك تجعل التخلص من الحمأة أمراً بسيطاً وسهلاً لايمكن مقارنته بطرق المعالجة الأخرى والتي تمثل الحمأة فيها مشكلة رئيسية .
والمزايا التالية تجعل لهذه الطريقة أهمية خاصة في الدول النامية :
1 - إن إستخدام التهوية في البحيرات يتميز عن برك الأكسدة الطبيعية بصغر مساحات الأرض التي تحتاجها والتخلص من مشاكل الحشرات الضارة والرائحة .
2 - إن تهوية البرك عموماً يمكن إستخدامه كطريقة متكاملة لمعالجة المخلفات السائلة التي تحتوي على تراكيز عالية من المواد العضوية أو تستخدم كمرحلة أولى قبل بحيرات الأكسدة في حال عدم توفر مساحة كافية من الأرض .
3 - في حال وجود مواد عالقة بتركيز كبير نوعاً ما بسبب عملية التهوية والمزج ، فهذا لايؤثر في إستخدام هذه المياه في الري ، أما إذا تطلب الأمر خفض تركيز المواد العالقة فيمكن إستخدام بحيرات بعمق صغير تستقبل المياه من البحيرات المهواة يحدث فيها ترسيب للمواد الرسوبية العالقة ويمكن إستخدام هذه البرك في تربية الأسماك حيث تكون هذه المياه مناسبة لهذا الغرض .
4 - ملائمة هذه الطريقة لجميع مجالات إعادة إستعمال المياه والتي توفرها طرق التشغيل المرنة الممكنة فمثلاً :آ -يمكن زيادة قوة التهوية. ب -يمكن تعديل نسبة الحمأة المعادة. ج -يمكن إضافة أحواض ترسيب إذا كانت البحيرات أصلاً تعمل بدون وجودها وهذا كله يزيد من سعة البحيرات في إستيعاب الأحمال الهيدروليكية والعضوية المتغيرة والمتزايدة .
5 - إن تشغيل هذه البحيرات المهواة له ميزات كثيرة فمثلاً : في حالة تشغيلها كبحيرات اختيارية تكون أرخص في التكاليف وأسهل في التشغيل ولكنها تحتاج إلى مساحة أرض كبيرة وفي الدول النامية تتواجد الأراضي عموماً بمساحات كبيرة . يبلغ عمق برك التثبيت المهواة بمعدل ضعف أو ثلاثة أو أربعة أضعاف عمق بحيرات الأكسدة الطبيعية كما أن مدة بقاء المياه في البرك المهواة يقل بمقدار النصف أو الثلث عن مدة بقاء المياه في بحيرات الأكسدة الطبيعية وعلى سبيل المثال فإن البحيرات المهواة تحتاج لمساحة تصل إلى 10٪ من مساحة البحيرات الطبيعية . وهذا شيء هام بالنسبة للمدن المتوسطة والكبيرة .
- المفاضلة بين نظم المعالجة (بطريقة الحمأة لمنشطة وبرك التثبت ) :
يجمع البيولوجيون و المهندسون البيئيون و الإختصاصيون في معالجة مياه الصرف الصحي على أن الخبرات العلمية العملية المتجمعة خلال ربع قرن أكدت فعالية نظام المعالجة البيولوجية (التقليدية ) لمياه المجاري وأفضليته على أنواع المعالجات الكيميائية والفيزيائية ، رغم تطورها وحداثتها ، ذلك أن نظام المعالجة البيولوجية لمياه المجاري يمكن التحكم به وله ميزة هامة جداً وهي أنه نظام عملي يعتمد على الكائنات الحية الدقيقة التي تستوطن مياه الصرف الصحي المنزلية و التي تقوم بعمليات المعالجة ويمكن تشبيه عملها بعملية التنقية الذاتية لمياه البحار عندما تصرف ضمنها مياه الصرف الصحي .
وهذا ما يبررالإنتشار الواسع لأنواع نظام المعالجة البيولوجية في مدن العالم المتقدم لمعالجة مياه الصرف الصحي .
يتوزع نظام المعالجة البيولوجية إلى عدد من الأنواع الأساسية المطبقة عالمياً وهي( نظام الحمأة المنشطة ـ نظام المرشحات الحجرية ـ برك التثبيت الطبيعية ـ برك التثبيت المهواة اصطناعياً ـ الأقراص البيولوجية ـ المعالجة بالنباتات المائية ) وسنركز على نوعين من أنواع هذا النظام و هما المعالجة ببرك التثبيت (طبيعية ـ مهواة ) والمعالجة بطريقة الحمأة المنشطة .
إن نظم المعالجة ببرك التثبيت وبالمقارنة مع نظام المعالجة الحمأة المنشطة تتمتع بالفوائد التالية :
1- تتطلب مهارة أقل للعاملين فيها .
2- بسيطة الإنشاء وقليلة الكلفة .
3- لا تستعمل آليات كثيرة
4- كلفة تشغيل وصيانة منخفضة
5- ليس لديها مشكلة في معالجة الحمأة التي تترسب بالقاع وتجمع كل مدة ( 5-1 ) سنوات
6- يلعب حجم البركة دورا مخفضاً للصدمة .
ـ يضاف إلى ذلك أن نظام الحمأة المنشطة يختلف عن نظام المعالجة ببرك التثبيت بأنه يحتاج إلى مساحات قليلة جداً من الأراضي ولذلك فهو يناسب المدن الساحلية ذات الشريط الزراعي الضيق والمناطق الساحلية المأهولة بكثافة عالية أو المدن الكبيرة التي تكون للأراضي الزراعية أو المستثمرة فيها أهمية كبيرة .