المعالجة البيولوجية هي استخدام الكائنات الحية الدقيقة لتحلل المواد العضوية الموجودة في مياه الصرف الصحي، وتنقسم بشكل أساسي إلى معالجة بيولوجية لاهوائية ومعالجة بيولوجية هوائية.
المعالجة البيولوجية اللاهوائية: يتمثل مبدأ المعالجة البيولوجية اللاهوائية في استخدام الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية لتحلل المواد العضوية في بيئة خالية من الأكسجين، وتحويلها إلى الميثان (CH₄) وثاني أكسيد الكربون (CO₂) وبعض المنتجات الوسيطة الأخرى. وتُعرف هذه العملية باسم «الهضم اللاهوائي».
المعالجة البيولوجية الهوائية: في الظروف الهوائية، تقوم الكائنات الحية الدقيقة بتحويل المواد العضوية إلى ثاني أكسيد الكربون والماء من خلال عملية التنفس، مع إزالة الملوثات في الوقت نفسه، مثل نيتروجين الأمونيا والفوسفور.
يجب مراقبة المعلمات التالية خلال عملية المعالجة اللاهوائية:
pH
تتأثر الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية بدرجة الحموضة في البيئة المحيطة، لا سيما في الظروف الحمضية أو القلوية، حيث يمكن أن يتوقف نشاطها الأيضي. ويتراوح نطاق درجة الحموضة الأمثل لمعظم الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية بين 6.5 و8.0. وتساعد مراقبة درجة الحموضة على تحديد ما إذا كان النظام يعمل في ظل ظروف بيئية مناسبة، كما تمنع حدوث تحمض أو قلوية مفرطة.
الأكسجين المذاب (DO)
أثناء المعالجة اللاهوائية، يجب أن يكون مستوى الأكسجين المذاب قريبًا من الصفر، حيث تنمو الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية في بيئة خالية من الأكسجين. وإذا كان تركيز الأكسجين المذاب مرتفعًا جدًّا، فقد يؤدي ذلك إلى تثبيط نشاط الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية. وعادةً ما تتم مراقبة تركيز الأكسجين المذاب باستخدام طريقة قطب الأكسجين (مثل مستشعر الأكسجين المذاب) لضمان توفير بيئة لاهوائية.
الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD)
يُعد «الملوث الكيميائي القابل للتحلل» (COD) مؤشراً مهماً لتركيز المواد العضوية في مياه الصرف الصحي. ويتمثل الهدف من المعالجة اللاهوائية في تحلل المواد العضوية من خلال النشاط الميكروبي، مما يؤدي إلى خفض مستوى «الملوث الكيميائي القابل للتحلل» في مياه الصرف الصحي. وتساعد المراقبة المنتظمة لمستوى «الملوث الكيميائي القابل للتحلل» على تقييم كفاءة عملية المعالجة اللاهوائية في إزالة الملوثات، وتحديد ما إذا كان قد تم تحقيق مستوى المعالجة المطلوب.
النيتروجين الكلي (TN) ونيتروجين الأمونيا (NH₃-N)
كما قد تتحلل مصادر النيتروجين، مثل نيتروجين الأمونيا، خلال عملية المعالجة اللاهوائية، لا سيما في ظل الظروف الملائمة التي يمكن فيها لعملية نزع النيتروجين اللاهوائية إزالة النيتروجين. وتساعد مراقبة تركيزات النيتروجين الكلي ونيتروجين الأمونيا على تقييم كفاءة إزالة النيتروجين ومنع دخول كميات زائدة من النيتروجين إلى المسطحات المائية الواقعة في اتجاه مجرى النهر، الأمر الذي قد يؤدي إلى ظاهرة التخثث.
درجة الحرارة
تؤثر درجة الحرارة بشكل مباشر على نشاط الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية. وتكون عملية الهضم اللاهوائي في ذروة كفاءتها في نطاق درجات الحرارة الذي يتراوح بين 30 و40 درجة مئوية (الهضم اللاهوائي الميزوفيلي). ويمكن أن تؤثر درجات الحرارة المرتفعة جدًّا أو المنخفضة جدًّا على معدل التفاعل وفعالية المعالجة. ويُعد الحفاظ على درجة الحرارة ضمن النطاق الأمثل أمرًا بالغ الأهمية لضمان سير العملية اللاهوائية بسلاسة.
تأتي جميع أجهزة استشعار جودة المياه التابعة لـ KACISE تقريبًا مزودة بأجهزة استشعار لدرجة الحرارة.
يجب مراقبة المعلمات التالية خلال عملية المعالجة الهوائية:
الأكسجين المذاب (DO)
يُعد الأكسجين المذاب عنصراً أساسياً لعملية التمثيل الغذائي للكائنات الحية الدقيقة الهوائية. تحتاج هذه الكائنات إلى الأكسجين لإجراء عملية التنفس الهوائي من أجل تحلل المواد العضوية. وإذا كان تركيز الأكسجين المذاب منخفضاً للغاية، فقد يؤدي ذلك إلى انخفاض النشاط الميكروبي، مما يؤثر سلباً على كفاءة المعالجة. أما إذا كان تركيز الأكسجين المذاب مرتفعاً للغاية، فقد يؤدي ذلك إلى إهدار الطاقة. عادةً ما تتم مراقبة مستوى الأكسجين المذاب في الوقت الفعلي باستخدام مستشعرات الأكسجين المذاب (DO) لضمان بقائه ضمن النطاق المناسب (عادةً ما يتراوح بين 2 و4 ملغ/لتر).
pH
يؤثر الرقم الهيدروجيني (pH) على النشاط الأيضي للكائنات الحية الدقيقة وكفاءة تحلل المواد العضوية. وتكون الكائنات الحية الدقيقة الهوائية في ذروة نشاطها في البيئات المتعادلة أو القلوية قليلاً. أما الظروف شديدة الحموضة أو القلوية، فيمكن أن تثبط النشاط الميكروبي، بل وتؤدي إلى تعطل النظام. وعادةً ما يتم الحفاظ على الرقم الهيدروجيني ضمن النطاق 6.5-8.5 لضمان سير عملية التمثيل الغذائي الميكروبي بشكل طبيعي.
الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD)
يُعد الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD) مؤشراً شائعاً لتركيز المواد العضوية في مياه الصرف الصحي. وتشير القيمة المرتفعة لـ COD إلى ارتفاع تركيز الملوثات العضوية في المياه. والغرض الرئيسي من المعالجة الهوائية هو إزالة هذه المواد العضوية وخفض قيمة الطلب الكيميائي على الأكسجين. وتساعد المراقبة المنتظمة لتركيزات الطلب الكيميائي على الأكسجين في المياه الواردة والمياه الصرفية على تقييم فعالية المعالجة الهوائية. ويمكن للمعالجة الهوائية أن تقلل بشكل كبير من الطلب الكيميائي على الأكسجين في مياه الصرف الصحي، وعادةً ما يُشترط أن تستوفي قيمة الطلب الكيميائي على الأكسجين في المياه الصرفية المعايير التنظيمية.
الطلب الكيميائي الحيوي على الأكسجين (BOD)
يعكس مؤشر BOD الطلب البيولوجي على الأكسجين اللازم لتحلل المواد العضوية في الماء. وهو مؤشر مهم لجودة المياه ومستويات التلوث. وأثناء المعالجة الهوائية، تقوم الكائنات الحية الدقيقة بتحلل المواد العضوية الموجودة في مؤشر BOD إلى ثاني أكسيد الكربون والماء من خلال التنفس الهوائي. يُستخدم القياس المنتظم لقيم الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) لتقييم كفاءة إزالة الملوثات في نظام المعالجة. وعادةً ما يكون الطلب البيولوجي على الأكسجين لخمسة أيام (BOD5) هو المؤشر الأكثر شيوعًا الذي يتم رصده.
نيتروجين الأمونيا (NH₃-N)
يُعد النيتروجين الأمونيائي أحد ملوثات النيتروجين الشائعة في مياه الصرف الصحي. وتستطيع الكائنات الحية الدقيقة الهوائية تحويل النيتروجين الأمونيائي إلى نترات من خلال عملية النترجة. وعندما يكون تركيز النيتروجين الأمونيائي مرتفعًا جدًّا، فقد يؤدي ذلك إلى تثبيط النشاط الميكروبي والتأثير على كفاءة المعالجة. وتضمن مراقبة تركيزات النيتروجين الأمونيائي إزالته بشكل فعال من النظام، مما يمنع حدوث تلوث ثانوي للبيئة.
النيتروجين الكلي (TN)
يشمل النيتروجين الكلي نيتروجين الأمونيا، ونيتروجين النترات، وأشكالًا أخرى من النيتروجين. تعمل تفاعلات النترجة في المعالجة الهوائية على تحويل نيتروجين الأمونيا إلى نيتروجين النترات. ومع ذلك، قد تؤدي النترجة المفرطة إلى تراكم نيتروجين النترات. وتضمن مراقبة تركيز النيتروجين الكلي، لا سيما في الأنظمة التي تتضمن إزالة النيتروجين، سير عملية النترجة بشكل سلس وتمنع التراكم المفرط للنيتروجين.
درجة الحرارة
تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على معدل التمثيل الغذائي للكائنات الحية الدقيقة وكفاءة المعالجة. وبشكل عام، تبلغ نشاطات الكائنات الحية الدقيقة ذروتها في نطاق درجات الحرارة الذي يتراوح بين 20 و35 درجة مئوية. وإذا كانت درجة الحرارة مرتفعة جدًّا أو منخفضة جدًّا، فسوف يؤثر ذلك على نمو الكائنات الحية الدقيقة وكفاءة معالجة مياه الصرف الصحي. تُستخدم مستشعرات درجة الحرارة لمراقبة درجة حرارة المفاعل وضمان بقائها ضمن النطاق الأمثل.
إجمالي المواد الصلبة العالقة (TSS)
يعكس مؤشر TSS تركيز المواد الصلبة العالقة في الماء. وأثناء المعالجة الهوائية، عادةً ما تتحلل المواد الصلبة العالقة في مياه الصرف الصحي بفعل الكائنات الحية الدقيقة (مثل الحمأة المنشطة). قد يؤدي ارتفاع مستوى TSS إلى انسداد النظام، مما يؤثر على تدفق مياه الصرف الصحي. وتُمنع مراقبة تركيز TSS التراكم المفرط للمواد الصلبة العالقة، مما يضمن النشاط الميكروبي وقابلية تدفق مياه الصرف الصحي داخل المفاعل.
المواد الصلبة العالقة في السائل المختلط (MLSS)
يشير مصطلح «MLSS» إلى تركيز المواد الصلبة العالقة في السائل المختلط، بما في ذلك الحمأة المنشطة والمواد العضوية غير المهضومة. يؤثر تركيز MLSS على كفاءة نظام المعالجة الهوائية. وعادةً ما يتم التحكم في تركيز MLSS في نطاق يتراوح بين 2000 و5000 ملغ/لتر لضمان وجود عدد كافٍ من الكائنات الحية الدقيقة لتحلل المواد العضوية الموجودة في المياه.
