معالجة حمأة الصرف الصحي

يُستخدم مصطلح " المواد الصلبة الحيوية " بكثرة في منشورات هندسة مياه الصرف الصحي وجهود العلاقات العامة التي تبذلها سلطات المياه المحلية عندما ترغب في التركيز على إعادة استخدام حمأة الصرف الصحي ^{[ 7 ]} بعد خضوعها لعمليات معالجة مناسبة. في الواقع، تُعرَّف المواد الصلبة الحيوية بأنها مواد عضوية صلبة من مياه الصرف الصحي يمكن إعادة استخدامها بعد عمليات تثبيت مثل الهضم اللاهوائي والتسميد . ^{[ 8 ]} وقد طرح اتحاد بيئة المياه في الولايات المتحدة الأمريكية مصطلح "المواد الصلبة الحيوية" عام 1998. [ ^{8 ] ومع ذلك، يرى البعض أن هذا المصطلح مجرد تعبير ملطف لإخفاء حقيقة أن حمأة} الصرف الصحي قد تحتوي أيضًا على مواد ضارة بالبيئة عند استخدامها في الأراضي الزراعية، مثل الملوثات الصيدلانية الثابتة ومركبات المعادن الثقيلة . ^{[ 7 ]}

غالبًا ما تكون عملية التكثيف الخطوة الأولى في معالجة الحمأة. تُحرّك الحمأة الناتجة عن أحواض الترسيب الأولية أو الثانوية (عادةً بعد إضافة عوامل الترويق ) لتكوين تجمعات أكبر وأسرع ترسبًا. ^{[ 9 ]} يمكن تكثيف الحمأة الأولية لتصل نسبة المواد الصلبة فيها إلى حوالي 8 أو 10%، بينما يمكن تكثيف الحمأة الثانوية لتصل نسبة المواد الصلبة فيها إلى حوالي 4%. غالبًا ما تشبه أجهزة التكثيف أحواض الترسيب مع إضافة آلية تحريك. ^{[ 10 ]} يمكن معالجة الحمأة المكثفة التي تقل نسبة المواد الصلبة فيها عن 10% معالجةً إضافية، بينما يُعاد فائض سائل التكثيف إلى عملية معالجة مياه الصرف الصحي.

يمكن تقليل محتوى الماء في الحمأة عن طريق الطرد المركزي، والترشيح، و/أو التبخير لتقليل تكاليف نقلها والتخلص منها، أو لتحسين ملاءمتها للتسميد. قد يكون الطرد المركزي خطوة أولية لتقليل حجم الحمأة تمهيدًا للترشيح أو التبخير . يمكن أن يتم الترشيح عبر مصارف سفلية في طبقة تجفيف رملية أو كعملية ميكانيكية منفصلة في مكبس ترشيح حزامي . عادةً ما يُعاد كل من الراشح والراشح المركزي إلى عملية معالجة مياه الصرف الصحي. بعد التجفيف، يمكن التعامل مع الحمأة كمادة صلبة تحتوي على 50 إلى 75 بالمائة من الماء. أما الحمأة المجففة ذات المحتوى الرطوبي الأعلى، فعادةً ما تُعامل كسوائل. ^{[ 11 ]}

تُعالج العديد من الحمأة باستخدام تقنيات هضم متنوعة، بهدف تقليل كمية المواد العضوية وعدد الكائنات الدقيقة المسببة للأمراض الموجودة في المواد الصلبة. تشمل خيارات المعالجة الأكثر شيوعًا الهضم اللاهوائي ، والهضم الهوائي ، والتسميد . يوفر هضم الحمأة مزايا اقتصادية كبيرة من خلال تقليل كمية الحمأة بنسبة تقارب 50%، وتوفير الغاز الحيوي كمصدر طاقة قيّم. ^{[ 12 ]}

تهدف عملية الهضم إلى تقليل كمية المواد العضوية وعدد الكائنات الدقيقة المسببة للأمراض الموجودة في المواد الصلبة. وغالبًا ما تُحسَّن هذه العملية لإنتاج غاز الميثان الذي يمكن استخدامه كوقود لتوفير الطاقة لتشغيل المصنع أو لبيعه.

الهضم اللاهوائي

الهضم اللاهوائي عملية بكتيرية تتم في غياب الأكسجين. ويمكن أن تكون هذه العملية إما هضمًا حراريًا ، حيث تُخمّر الحمأة في خزانات عند درجة حرارة 55  درجة مئوية، أو هضمًا متوسط ​​الحرارة ، عند درجة حرارة حوالي 36  درجة مئوية. وعلى الرغم من أن الهضم الحراري يسمح بفترة احتجاز أقصر (وبالتالي خزانات أصغر)، إلا أنه أكثر تكلفة من حيث استهلاك الطاقة لتسخين الحمأة.

يُعدّ الهضم اللاهوائي الميزوفيلي (MAD) طريقة شائعة لمعالجة الحمأة الناتجة عن محطات معالجة مياه الصرف الصحي. تُغذّى الحمأة إلى خزانات كبيرة وتُترك لمدة لا تقل عن 12 يومًا لإتاحة الفرصة لعملية الهضم لإتمام المراحل الأربع اللازمة لهضمها، وهي: التحلل المائي، وتكوين الأحماض، وتكوين الأسيتات، وتكوين الميثان. في هذه العملية، تتحلل البروتينات والسكريات المعقدة لتكوين مركبات أبسط مثل الماء وثاني أكسيد الكربون والميثان. ^{[ 13 ]}

تُنتج عملية الهضم اللاهوائي غازًا حيويًا غنيًا بالميثان، والذي يُمكن استخدامه لتسخين الخزان وتشغيل المحركات أو التوربينات الصغيرة لعمليات أخرى في الموقع. يُعدّ إنتاج الميثان ميزة رئيسية لهذه العملية، بينما يتمثل عيبها الرئيسي في طول مدة العملية (تصل إلى 30 يومًا) وارتفاع تكلفتها الرأسمالية. تستخدم العديد من المواقع الكبيرة الغاز الحيوي لتوليد الطاقة والحرارة معًا، وذلك باستخدام مياه التبريد من المولدات للحفاظ على درجة حرارة محطة الهضم عند 35 ± 3  درجة مئوية. بهذه الطريقة، يُمكن توليد طاقة كافية لإنتاج كهرباء تفوق احتياجات الآلات.

تستطيع محطة معالجة الحمأة ("تي-بارك") توفير الكهرباء لتشغيلها الخاص، بل وحتى لشبكة الكهرباء العامة في هونغ كونغ ، وذلك بالاستفادة من الحرارة المتولدة أثناء عملية حرق الحمأة. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

تُنتج تقنيات معالجة الحمأة المستخدمة لتكثيفها أو تجفيفها منتجين رئيسيين: الحمأة المكثفة أو المجففة، وجزء سائل يُسمى سوائل معالجة الحمأة، أو تيارات تجفيف الحمأة، أو السوائل المركزة (إذا كانت ناتجة عن جهاز طرد مركزي)، أو الرشاحة (إذا كانت ناتجة عن مكبس ترشيح حزامي)، أو ما شابه. يتطلب هذا السائل معالجة إضافية لاحتوائه على نسبة عالية من النيتروجين والفوسفور، خاصةً إذا كانت الحمأة قد خضعت للهضم اللاهوائي. يمكن إجراء هذه المعالجة داخل محطة معالجة مياه الصرف الصحي نفسها (عن طريق إعادة تدوير السائل إلى بداية عملية المعالجة) أو كعملية منفصلة.

التسميد عملية هوائية لخلط حمأة الصرف الصحي مع مصادر الكربون الناتجة عن المنتجات الزراعية الثانوية، مثل نشارة الخشب والقش ورقائق الخشب . في وجود الأكسجين، تُولّد البكتيريا التي تهضم كلاً من حمأة الصرف الصحي والمواد النباتية حرارةً تقضي على الكائنات الدقيقة المسببة للأمراض والطفيليات. ^{[ 17 ] : 20} يتطلب الحفاظ على الظروف الهوائية بنسبة أكسجين تتراوح بين 10 و15% استخدام مواد مالئة تسمح بتدوير الهواء عبر المواد الصلبة الدقيقة في الحمأة. تُعدّ المواد الصلبة، مثل كيزان الذرة وقشور المكسرات ومخلفات تقليم الأشجار المقطعة أو لحاء الأشجار من مصانع الأخشاب أو الورق، أفضل في فصل الحمأة للتهوية من الأوراق اللينة وقصاصات العشب. ^{[ 6 ]} يمكن استخدام مواد مالئة خفيفة وخاملة بيولوجيًا، مثل الإطارات المقطعة، لتوفير بنية داعمة عندما تكون المواد النباتية الصغيرة واللينة هي المصدر الرئيسي للكربون. ^{[ 18 ]}

يمكن تحسين التوزيع المتجانس لدرجات الحرارة اللازمة لقتل مسببات الأمراض بوضع طبقة عازلة من الحمأة المُعالجة مسبقًا فوق أكوام التسميد المُهواة. يجب أن يكون المحتوى الرطوبي الأولي لخليط التسميد حوالي 50%؛ ولكن قد لا تكون درجات الحرارة كافية للحد من مسببات الأمراض عندما ترفع الحمأة الرطبة أو الأمطار محتوى رطوبة السماد إلى أكثر من 60%. يمكن تكديس مخاليط التسميد على قواعد خرسانية مزودة بقنوات تهوية مدمجة، تُغطى بطبقة من مواد مالئة غير مخلوطة. يمكن تقليل الروائح باستخدام منفاخ تهوية يسحب الهواء عبر كومة التسميد من خلال القنوات الموجودة أسفلها، ويُخرجه عبر كومة ترشيح من الحمأة المُعالجة مسبقًا، تُستبدل عندما يصل محتوى الرطوبة إلى 70%. يمكن إعادة السائل المتراكم في قنوات التصريف السفلية إلى محطة معالجة مياه الصرف الصحي؛ ويمكن تغطية قواعد التسميد لتوفير تحكم أفضل في محتوى الرطوبة. ^{[ 6 ]}

بعد فترة تخمير كافية لتقليل مسببات الأمراض، يمكن غربلة أكوام السماد لاستخلاص المواد المضافة غير المهضومة لإعادة استخدامها؛ ويمكن استخدام المواد الصلبة المتخمرة التي تمر عبر الغربال كمادة لتحسين التربة بفوائد مشابهة للخث. تتراوح النسبة المثلى الأولية للكربون إلى النيتروجين في خليط التسميد بين 26 و30:1؛ ولكن يمكن تحديد نسبة التسميد للمنتجات الثانوية الزراعية بناءً على الكمية المطلوبة لتخفيف تركيزات المواد الكيميائية السامة في الحمأة إلى مستويات مقبولة للاستخدام المقصود للسماد. ^{[ 6 ]} على الرغم من انخفاض سمية معظم المنتجات الثانوية الزراعية، إلا أن قصاصات العشب في الضواحي قد تحتوي على مستويات متبقية من مبيدات الأعشاب ضارة ببعض الاستخدامات الزراعية؛ وقد تحتوي منتجات الخشب الثانوية المتخمرة حديثًا على سموم نباتية تثبط إنبات الشتلات حتى يتم إزالة سميتها بواسطة فطريات التربة. ^{[ 19 ]}

يُستخدم الحرق أيضًا، وإن كان بدرجة أقل بكثير. ^{[ 20 ] : 19-21.} يُعدّ حرق الحمأة أقل شيوعًا بسبب مخاوف انبعاثات الهواء والوقود الإضافي (عادةً الغاز الطبيعي أو زيت الوقود) اللازم لحرق الحمأة ذات القيمة الحرارية المنخفضة وتبخير الماء المتبقي. على أساس المواد الصلبة الجافة، تتراوح القيمة الحرارية للحمأة من حوالي 9500 وحدة حرارية بريطانية لكل رطل (5300 سعر حراري/غرام) من حمأة الصرف الصحي غير المهضومة إلى 2500 وحدة حرارية بريطانية لكل رطل (1400 سعر حراري/غرام) من الحمأة الأولية المهضومة. ^{[ 21 ]} تُعدّ المحارق متعددة المواقد المتدرجة ذات زمن الإقامة الطويل ومحارق الطبقة المميعة من أكثر الأنظمة شيوعًا المستخدمة لحرق حمأة مياه الصرف الصحي. يُلجأ أحيانًا إلى الحرق المشترك في محطات تحويل النفايات البلدية إلى طاقة ، إذ يُعد هذا الخيار أقل تكلفةً بافتراض وجود مرافق مُخصصة للنفايات الصلبة وعدم الحاجة إلى وقود إضافي. ^{[ 17 ] : 20-21} يميل الحرق إلى زيادة تركيزات المعادن الثقيلة في الرماد الصلب المتبقي الذي يتطلب التخلص منه؛ ولكن قد يُساهم خيار إعادة مياه الصرف الناتجة عن عملية التنقية الرطبة إلى عملية معالجة مياه الصرف الصحي في تقليل الانبعاثات الهوائية عن طريق زيادة تركيزات الأملاح الذائبة في مياه الصرف الصحي المعالجة. ^{[ 22 ]}  

تُستخدم أحواض تجفيف الحمأة البسيطة في العديد من البلدان، وخاصة في البلدان النامية، لكونها طريقة رخيصة وسهلة لتجفيف حمأة الصرف الصحي. يجب تجميع مياه الصرف؛ وتُغطى أحواض التجفيف أحيانًا، ولكنها تُترك عادةً مكشوفة. كما تتوفر في الأسواق أجهزة ميكانيكية لتقليب الحمأة في المراحل الأولى من عملية التجفيف.

تتكون أحواض التجفيف عادةً من أربع طبقات من الحصى والرمل. الطبقة الأولى عبارة عن حصى خشن بسمك يتراوح بين 15 و20 سنتيمترًا. تليها طبقة من الحصى الناعم بسمك 10 سنتيمترات. أما الطبقة الثالثة فهي رمل بسمك يتراوح بين 10 و15 سنتيمترًا، وتعمل كمرشح بين الحمأة والحصى. تجف الحمأة ويتسرب الماء إلى الطبقة الأولى التي تُجمع في أنبوب التصريف الموجود أسفل جميع الطبقات. ^{[ 23 ]}

• يحظى استخلاص الفوسفور من حمأة الصرف الصحي أو من تيارات تجفيف الحمأة باهتمام متزايد، لا سيما في السويد وألمانيا وكندا، نظرًا لأن الفوسفور مورد محدود (يُعرف أيضًا بمفهوم " ذروة الفوسفور ")، وهو ضروري كسماد لإطعام سكان العالم المتزايد عددهم. ^{[ 24 ] [ 25 ]} يمكن تصنيف طرق استخلاص الفوسفور من مياه الصرف الصحي أو الحمأة حسب مصدر المادة المستخدمة (مياه الصرف الصحي، سائل الحمأة، الحمأة المهضومة أو غير المهضومة، الرماد) أو حسب نوع عمليات الاستخلاص (الترسيب، الاستخلاص والترسيب الكيميائي الرطب، المعالجة الحرارية). ^{[ 26 ]} أُجريت أبحاث حول طرق استخلاص الفوسفور من حمأة الصرف الصحي في السويد وألمانيا منذ حوالي عام 2003، إلا أن التقنيات قيد التطوير حاليًا ليست فعالة من حيث التكلفة، نظرًا لسعر الفوسفور الحالي في السوق العالمية. ^{[ 26 ] [ 27 ]}
• المعالج الشامل هو عملية كانت قيد التطوير في عام 2015، وتعالج حمأة الصرف الصحي. ويمكنه توليد فائض من الطاقة الكهربائية إذا كانت المواد المدخلة تتمتع بدرجة الجفاف المناسبة. ^{[ 28 ]}
• ينتج عن عملية التحلل الحراري للهيدروكربونات الخفيفة من الحمأة المسخنة إلى 250  درجة مئوية والمضغوطة إلى 40 ميجا باسكال. ^{[ 29 ]}
• التحلل الحراري عملية ثنائية المراحل تجمع بين غليان الحمأة تحت ضغط عالٍ، يليه تخفيف سريع للضغط. هذا الإجراء المزدوج يُعقّم الحمأة ويجعلها أكثر قابلية للتحلل الحيوي، مما يُحسّن كفاءة الهضم. يقضي التعقيم على مسببات الأمراض في الحمأة، مما يجعلها تتجاوز المتطلبات الصارمة للاستخدام في الأراضي الزراعية. ^{[ 30 ]} تعمل أنظمة التحلل الحراري في محطات معالجة مياه الصرف الصحي في أوروبا والصين وأمريكا الشمالية، ويمكنها توليد الكهرباء بالإضافة إلى إنتاج حمأة عالية الجودة. ^{[ 31 ]}
• وقد تم اقتراح استخدام نهج صديق للبيئة، مثل المعالجة النباتية ، مؤخرًا كأداة قيّمة لتحسين حمأة الصرف الصحي الملوثة بالعناصر النزرة والملوثات العضوية الثابتة . ^{[ 32 ]}