بركة تثبيت النفايات

تحتوي مياه الصرف الصحي وأنواع عديدة من مياه الصرف الصناعي على مواد عضوية. إذا تم تصريف مياه الصرف الصحي دون معالجة في المسطحات المائية السطحية (مثل الأنهار والبحيرات)، فإن هذه المواد العضوية تُشكل غذاءً للكائنات الدقيقة التي تعيش في هذه المياه. تستخدم هذه الكائنات المواد العضوية لتوليد الطاقة اللازمة لنموها وتكاثرها، وذلك من خلال عملية التنفس التي تحول فيها المواد العضوية إلى ثاني أكسيد الكربون والماء.

مع ذلك، تستخدم هذه الكائنات الأكسجين في عملية التنفس، مما يقلل من تركيز الأكسجين في المياه السطحية. تُعد هذه إحدى المشكلات الرئيسية لتلوث المياه ، والتي قد تؤثر على الكائنات الحية في المياه السطحية ، بما في ذلك الأسماك. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

تعمل أحواض تثبيت النفايات على محاكاة هذه الظواهر البيولوجية قبل حدوثها في المياه السطحية المستقبلة وتسببها لمشاكل التلوث نتيجة استهلاك الأكسجين. تستقبل هذه الأحواض مياه الصرف الصحي، ومن خلال عمليات طبيعية مشابهة لتلك التي تحدث في المياه السطحية، تعمل على تثبيت المواد العضوية الموجودة بداخلها، كجزء من عملية المعالجة. ولهذا السبب سُميت بأحواض تثبيت النفايات. ^{[ 6 ]}

تحدث التفاعلات بمشاركة مشتركة من عدة كائنات دقيقة تعيش في البركة. تُقاس المادة العضوية بمؤشر الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD). تكون قيم BOD في مياه البركة الخارجة أقل منها في المياه الداخلة، مما يعكس إزالة المادة العضوية. يستخدم هذا النظام البيئي للبركة المادة العضوية من مياه الصرف الصحي كغذاء.

تُحوَّل العناصر الغذائية إلى مواد خلوية وطاقة للعمليات الحيوية، بما في ذلك تكاثر الخلايا الحية ونموها. وتستهلك بعض هذه الخلايا الحية من قِبَل الكائنات الحية في مستويات غذائية أعلى داخل البركة. وفي البرك، تُعدّ البكتيريا أهم مجموعة من الكائنات الدقيقة ، إذ تستخدم معظم المواد العضوية من مياه الصرف الصحي، ولكنها تستهلك الأكسجين أيضًا.

تُعدّ الطحالب مجموعةً أساسيةً أخرى من الكائنات الدقيقة. فهي لا تعتمد على المواد العضوية الموجودة في المياه الداخلة، بل تقوم بعملية التمثيل الضوئي ، حيث تُنتج المواد العضوية لاستهلاكها الخاص، والأهم من ذلك، أنها تُطلق الأكسجين. يدعم الأكسجين الزائد المُطلق عملية التنفس التي تقوم بها الكائنات الهوائية في البركة. كما يذوب الأكسجين الجوي في السائل، مما يُساعد في الحفاظ على طبقة هوائية على سطح البركة.

يتفاوت تركيز الأكسجين في عمود السائل: فبالقرب من السطح، يكون التركيز مرتفعًا، مما يدعم نمو الكائنات الهوائية. أما بالقرب من قاع البركة، فيكون اختراق ضوء الشمس ضعيفًا، وبالتالي تقل عملية التمثيل الضوئي، مما يؤدي إلى انخفاض تركيز الأكسجين هناك. وأخيرًا، ينعدم الأكسجين تمامًا داخل الرواسب في الطبقة السفلية، حيث تُزال المواد العضوية عن طريق الهضم الذي تقوم به الكائنات اللاهوائية . ^{[ 6 ]}

يمكن إزالة مسببات الأمراض بكفاءة عالية في أحواض تثبيت النفايات. وتعتمد هذه العملية بشكل أساسي على أحواض النضج لإزالة مسببات الأمراض، مع العلم أن بعض الإزالة تتم أيضًا في الأحواض الأخرى ضمن النظام. وكلما زاد عدد الأحواض في السلسلة، زادت كفاءة إزالة مسببات الأمراض.

تتم إزالة البكتيريا والفيروسات الممرضة بشكل رئيسي عن طريق تعطيلها. ويتم تعطيل مسببات الأمراض نتيجة لتفاعل معقد بين آليات تشمل درجة الحموضة (حيث تكون قيمة درجة الحموضة في البرك مرتفعة بسبب عملية التمثيل الضوئي للطحالب)، ودرجة الحرارة، والأشعة فوق البنفسجية الموجودة في ضوء الشمس والتي تصل إلى سطح البركة، وتفاعلات الأكسدة الضوئية التي تستفيد من التركيزات العالية للأكسجين المذاب. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

تتواجد مسببات الأمراض الأولية في مياه الصرف الصحي على شكل أكياس أو بويضات. أما الديدان الطفيلية فتتواجد على شكل بيوض. ويمكن إزالة مسببات الأمراض الأولية والديدان الطفيلية عن طريق الترسيب. ^{[ 8 ]} ويمكن تحقيق كفاءة إزالة عالية جدًا، خاصةً إذا كانت أحواض الترسيب جزءًا من نظام المعالجة. في هذه الحالة، قد تتوافق مياه الصرف المعالجة من الأحواض مع إرشادات منظمة الصحة العالمية للري بمياه الصرف الصحي المعالجة (أو " المياه المُستصلحة "). ^{[ 9 ]} ومع ذلك، قد تكون الحمأة (الرواسب) من الأحواض ملوثة بشدة ببيوض الديدان الطفيلية، التي قد تبقى حية حتى بعد عدة سنوات من تخزين الحمأة داخل الحوض. ^{[ 10 ]}

تستقبل أحواض المعالجة اللاهوائية مياه الصرف الصحي الخام . تتميز هذه الأحواض بمساحة سطحية أصغر مقارنةً بأحواض المعالجة الاختيارية، كما أنها أعمق (عادةً من 3 إلى 5 أمتار). يقلل العمق من تأثير إنتاج الأكسجين عن طريق عملية التمثيل الضوئي، مما يؤدي إلى ظروف لاهوائية. وبحسب كمية المياه المتدفقة والظروف المناخية، تستطيع هذه الأحواض إزالة ما بين نصف إلى ثلثي الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) في المياه الداخلة. هذا يقلل بشكل ملحوظ من كمية المواد العضوية التي تصل إلى أحواض المعالجة الاختيارية، وبالتالي يقلل من حجمها المطلوب. ^{[ 4 ]} إلا أن أحواض المعالجة اللاهوائية تعاني من عيب يتمثل في احتمال انبعاث غازات كريهة الرائحة ، وخاصةً كبريتيد الهيدروجين ذي الرائحة الشبيهة برائحة البيض الفاسد، في حال وجود مشاكل تشغيلية في النظام. ^{[ 14 ]}

تقوم أول بركة ضمن سلسلة من برك التثبيت بهضم المواد الصلبة القابلة للتحلل العالقة في مياه الصرف الصحي المعالجة. تسمح البرك اللاهوائية بترسيب المواد الصلبة في القاع على شكل حمأة، مما يزيل جزءًا من المواد العضوية الجزيئية. ^{[ 14 ]} يتراكم جزء كبير من المواد الصلبة المترسبة بالقرب من نقطة دخول مياه الصرف الصحي إلى البركة. لذلك، يجب تصميم البرك اللاهوائية لتكون أعمق بكثير من البرك الهوائية أو الاختيارية. يقلل العمق من مستويات الأكسجين، مما يسمح للبكتيريا اللاهوائية بهضم النفايات بكفاءة. ^{[ 14 ]} تحتوي البرك اللاهوائية على كائنات لاهوائية قادرة على تحليل النفايات العضوية المعقدة إلى مركبات أساسية أقل ضررًا بالبيئة. ^{[ 15 ]} نظرًا لأن الكائنات اللاهوائية لا تنمو إلا في درجات حرارة دافئة، فإن البرك اللاهوائية غير مناسبة للمناخات المعتدلة أو الباردة.

تتراكم الحمأة في قاع البرك اللاهوائية وتحتاج إلى إزالتها كل بضع سنوات.

تُسمى أحواض التثبيت الاختيارية التي تستقبل مياه الصرف الصحي الخام بأحواض التثبيت الاختيارية الأولية. أما إذا كانت تستقبل مياه صرف صحي سبق معالجتها في أحواض لاهوائية، فتُسمى أحواض التثبيت الاختيارية الثانوية. ويمكن استخدام أحواض التثبيت الاختيارية أيضًا للمعالجة بعد أنواع أخرى من عمليات المعالجة، مثل مفاعلات الحمأة اللاهوائية ذات التدفق الصاعد (UASB)، أو خنادق الأكسدة ، أو البحيرات المهواة . وبالمقارنة مع الأحواض اللاهوائية، فإن أحواض التثبيت الاختيارية أقل عمقًا (من 1.5 إلى 2.5 متر) ولها مساحة سطح أكبر بكثير. وتُعد مساحة السطح مهمة لأنها تسمح للأكسجين الجوي بالذوبان وللإشعاع الشمسي باختراق الماء، مما يسمح بحدوث عملية التمثيل الضوئي التي تُنتج المزيد من الأكسجين.

في معظم البرك، تُعدّ البكتيريا والطحالب ضرورية لزيادة تحلل المواد العضوية وإزالة الملوثات الأخرى إلى أقصى حد. ^{[ 15 ]} تُنتج الطحالب الأكسجين (عملية التمثيل الضوئي) وتستهلكه أيضًا (عملية التنفس)، لكنها تُخلّف فائضًا من الأكسجين يُمكن للبكتيريا الهوائية استخدامه للتنفس ولعمليات أكسدة (أو تثبيت) المواد العضوية في مياه الصرف الصحي.

تتواجد أنواع عديدة من اللافقاريات في البرك، حيث تُسيطر على أعداد الطحالب التي تستقر في القاع. ^{[ 15 ]} قد يُعيق النمو الكثيف للطحالب وصول ضوء الشمس إلى البركة، مما يُقلل من قدرة عملية التمثيل الضوئي على توفير الأكسجين اللازم لها.

في معالجة مياه الصرف الصحي، عادةً ما تتراوح كفاءة إزالة الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) في الأنظمة المكونة من أحواض لاهوائية متبوعة بأحواض اختيارية بين 75 و85%. ويصعب تحقيق كفاءات أعلى لأن المياه المعالجة تحتوي على تركيزات عالية من المواد العضوية الجزيئية، على شكل طحالب، والتي تتكون بشكل طبيعي أثناء المعالجة.

تخضع الحمأة التي تشكل طبقة الرواسب في البركة لعملية الهضم اللاهوائي، وقد تتراكم لعدة سنوات دون الحاجة إلى إزالتها.

يمكن تحقيق إزالة إضافية للمواد العضوية والملوثات الأخرى في أحواض النضج. تُضاف هذه الأحواض إلى خط المعالجة فقط عند الحاجة إلى كفاءة عالية في إزالة مسببات الأمراض، سواءً لتصريف المياه المعالجة في المسطحات المائية السطحية ، أو لاستخدامها في الري أو الاستزراع المائي . تُستخدم عادةً بعد أحواض الترشيح الاختيارية، ولكن يمكن أيضًا إضافتها بعد عمليات معالجة أخرى، مثل مفاعلات الحمأة اللاهوائية ذات التدفق الصاعد (UASB). ^{[ 16 ]} كما يمكن وضعها بعد عملية الحمأة المنشطة .

يجب أن تكون أحواض النضج ضحلة (بعمق متر واحد أو أقل) ذات مساحة سطحية كبيرة، مما يسمح بذوبان كمية أكبر من الأكسجين في الماء، وبالتالي توفير الأكسجين الكافي للبكتيريا لتعمل بكفاءة. ^{[ 14 ]} تستفيد الأحواض الضحلة من النشاط الضوئي العالي الناتج عن اختراق الإشعاع الشمسي. وتكون قيم الرقم الهيدروجيني مرتفعة بسبب عملية التمثيل الضوئي المكثفة، كما يخترق الإشعاع فوق البنفسجي الطبقات العليا. ويعزز هذان العاملان إزالة البكتيريا والفيروسات الممرضة. ونظرًا لكبر مساحة سطح أحواض النضج، تُزال أيضًا أكياس الأوليات وبيض الديدان الطفيلية، حيث يُعد الترسيب الآلية الرئيسية لذلك. ^{[ 8 ] [ 6 ]}

يكون تراكم الحمأة منخفضًا جدًا في أحواض النضج.

يمكن تحقيق كفاءات عالية جدًا في إزالة مسببات الأمراض، وذلك اعتمادًا على عدة عوامل: درجة الحرارة، ووقت الاحتفاظ الهيدروليكي (مدة بقاء السائل في النظام - من المدخل إلى المخرج)، وعدد البرك في السلسلة، ووجود الحواجز، وعمق البرك. ^{[ 8 ]}

يمكن استخدام أحواض النضج بالاشتراك مع خزان مياه الأمطار لتشكيل خزان ري بيئي ذاتي التنقية. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

تتراكم الحمأة داخل الأحواض، ولا يلزم إزالتها إلا كل بضع سنوات، ما يُعدّ ميزةً هامةً لهذا النظام. مع ذلك، عندما تستدعي الحاجة إزالتها، فإنها عادةً ما تكون عمليةً مكلفةً وتتطلب جهدًا كبيرًا. وتكون الإزالة أكثر تواترًا في الأحواض اللاهوائية (كل بضع سنوات) نظرًا لصغر حجمها وانخفاض قدرتها على تخزين الحمأة، مقارنةً بالأحواض الاختيارية. في الأحواض الاختيارية، قد لا تكون إزالة الحمأة ضرورية إلا كل 15 إلى 25 عامًا تقريبًا. أما في أحواض النضج، فيكون تراكم الحمأة منخفضًا جدًا. ^{[ 6 ]}

يمكن إزالة الحمأة، أو ما يُسمى أيضًا بالتنظيف، بطريقتين أساسيتين: (أ) إيقاف تشغيل البركة مؤقتًا للتنظيف، أو (ب) إبقاء البركة قيد التشغيل أثناء التنظيف. ^{[ 6 ]} في الحالة الأولى، يُغلق مدخل مياه الصرف الصحي إلى البركة المراد تنظيفها. بعد ذلك، تُفرغ البركة وتُترك الحمأة المتراكمة في القاع لتجف في الهواء الطلق لعدة أسابيع. خلال هذه الفترة، يجب تحويل مياه الصرف الصحي المراد معالجتها إلى برك أخرى في النظام. بعد جفاف الحمأة، يمكن إزالتها يدويًا (وهي عملية شاقة للغاية في البرك الكبيرة) أو ميكانيكيًا باستخدام الجرارات أو الكاشطات الميكانيكية. في الحالة الثانية، عندما تُترك البركة قيد التشغيل أثناء التنظيف، ستكون الحمأة المُزالة رطبة وستحتاج إلى مزيد من التجفيف. يتم ذلك خارج البركة. يمكن إزالة الحمأة عن طريق الشفط والضخ باستخدام شاحنات التفريغ (للبرك الصغيرة فقط)، أو التجريف، أو الضخ من عوامة، أو باستخدام معدات ميكانيكية أخرى. في كلتا الحالتين، تكون كمية الحمأة المراد إزالتها كبيرة جدًا، نظرًا لتراكمها على مدى سنوات. هذه العملية شاقة للغاية ومكلفة وتتطلب تخطيطًا دقيقًا. ^{[ 6 ]}