أساسيات في المعالجة البيولوجية للمياه الملوثة
اعداد د. عبد الرزاق التركماني
1- مقدمة:
بواسطة التحليل و التحكم البيئي المناسبين فإنه غالبا" ما يمكن معالجة المياه الملوثة بيولوجيا". لذلك فمن الاساسي للمهندس أن يفهم خواص و مميزات عملية المعالجة البيولوجية للتأكد من السلامة البيئة.
تهدف المعالجة البيولوجية للمياه الملوثة الى تخثير و ازالة المواد الصلبة الغروانية الغير قابلة للترسيب و الى تثبيت المواد العضوية. فمن أجل مياه المجاري المنزلية فإن الهدف الاساسي من المعالجة البيولوجية يتلخص في تخفيض محتوى المواد العضوية ضمنها و في بعض الحالات تشمل ازالة المغذيات مثل النتروجين و الفوسفور، و في بعض المناطق فإن ازالة بعض المركبات العضوية و التي ربما تكون سامة تعتبر من اهم اهداف المعالجة.
وبالنسبة لإعادة المياه الملوثة المعالجة في ري المزوعات فإن الهدف الاساسي للمعالجة يشمل ازالة المغذيات، واما بالنسبة للمياه الملوثة الصناعية فإن الهدف يتضمن ازالة المركبات العضوية و الاعضوية و نظرا" لكون العديد منها يكون ساما" للكائنات الدقيقة فإن المعالجة الاولية تكون ضرورية. إن ازالة المواد القابلة للأكسدة البيولوجية( BOD) و تخثير المواد الصلبة الغروانية الغير قابلة للترسيب يمكن ان ينجز بيولوجيا" بواسطة الكائنات الدقيقة و التي تشكل البكتريا الجزء الاساسي منها. حيث تعمل هذه الكائنات الدقيقة على تحويل المواد العضوية الكربونية المنحلة والمواد الغروانية الى غازات متنوعة و تدمجها ضمن الانسجة الخلوية. وبما أن هذة الانسجة الخلوية تملك وزن نوعي أكبرقليلا" من الوزن النوعي للماء فإنه يمكن ازالة هذه الخلايا بواسطة الترسيب الثقالي.
من المهم ان نلاحظ انه طالما لا يتم ازالة الكتلة الخلوية المنتجة اثناء المعالجة البيولوجية ضمن احواض التهوية و ذلك بواسطة احواض الرسيب فإن المعالجة الكاملة لن تتم لان الكتلة الخلوية هي بحد ذاتها عضوية وهذها يعني انها ستقاس كـBOD "مؤشر على تلوث المياه بالمواد العضوية " ضمن المياه النهائية المعالجة. و بمعنى آخر فإن عدم ازالة الكتلة الخلوية " الكائنات الدقيقة المتكاثرة ضمن احواض التهوية" من المياه النهائية المعالجة "الخارجة من حوض التهوية" فإن المعالجة التي تكون قد تمت هي فقط التحويل البكتيري لجزء من المواد العضوية الموجودة أصلا" الى نواتج غازية نهائية متنوعة.
2- النمو البكتيري : تتكاثر البكتريا بالانقسام الثنائي و الزمن المطلوب لكل انقسام والذي يشار اليه بزمن التوالد "Generation Time"، يمكن أن يتنوع من ايام الى اقل من 20 دقيقة. وعلى سبيل المثال فإذا كان زمن التوالد 30 دقيقة فان خلية بكتيرية واحدة سوف تنتج 16.77 مليون بكتريا بعد مدة 12 ساعة. وبشكل عام يمكن إيجاز مراحل النمو البكتيري بأربع مراحل :
أ- مرحلة النمو المتباطئ (The lag phase): وهي تمثل الزمن المطلوب للمتعضيات للتأقلم مع البيئة الجديدة و لتبدأ بعده بالانقسام.
ب- مرحلة النمو السريع(The log-growth phase): أثناء هذه المرحلة فإن الخلايا تنقسم بمعدل يتحدد تبعا" لزمن توالدها و قدرتها على استهلاك الملوثات "الطعام" ويكون معدل النمو فيها ثابت.
ت- مرحلة النمو المستقر(The stationary phase): وفيها يبقى التعداد البكتيري ثابت و ذلك بسبب استنفاذ البكتيريا للمواد الملوثة او المغذيات اللازمة لنموها و يتعادل نمو الخلايا البكتيرية الجديدة مع فناء الخلايا البكتيرية القديمة فيها.
ث- مرحلة الموت السريع(The log-death phase): خلال هذه المرحلة يفوق معدل الموت البكتيري معدل نمو الخلايا الجديدة.
3- مدخل الى الاستقلاب الميكروبي:
إن فهم النشاطات البيوكيميائية للكائنات الدقيقة ذات التأثير الهام في المعالجة البيولوجية، يعتبر عاملا" أساسيا" لاختيار و تصميم الطريقة الملائمة للمعالجة البيولوجية للمياه الملوثة.
تحتاج الكائنات الدقيقة" ( Microorganisms) حتى تتكاثر و تؤدي عملها بشكل مناسب الى كربون و طاقة و مغذيات.
أ-مصدر الكربون: إن الكربون يلزم لتصنيع و تركيب المادة الخلوية الجديدة، و تعتبر المواد العضوية و ثاني أكسيد الكربون من أغلب المصادر الشائعة للكربون. إن المتعضيات التي تستخدم الكربون العضوي لتشكيل النسيج الخلوي تدعى الهيتيروتروفز"Heterotrophs". و أما التي تشتق الكربون من ثاني اكسيد الكربون فتدعى أوتوتروفز"Autotrophs" .
ب- مصدر للطاقة: إن المتعضيات التي تستمد الطاقة من ضوء الشمس تدعى الفوتوتروفز" Phototrophs" و التي ربما تكون هيتيروتروفيك مثل بكتيريا الكبريت أو أوتوترفيك مثل الطحلبيات " Algae ". و أما المتعضيات التي تشتق الطاقة من التفاعلات الكيميائية فتدعى الكيموتروفز " Chemotrophs " وهي بدورها ربما تكون هيتيروتروفيك مثل proroza,fungi ومعظم البكتريا ، أو تكون أوتوتروفيك مثل بكتريا النترجة.
إن متعضيات Chemoautotrophsتستمد الطاقة من التفاعلات الكيميائية "أكسدة او ارجاع المركبات اللاعضوية مثل الامونيا و النتريت و السلفايد" ، وتشتق الكربون من ثاني اكسيد الكربون . وأما متعضيات Chemoheterotrophs فهي عادة" ما تشتق طاقتها من أكسدة المركبات العضوية وتعتمد على الكربون العضوي في تركيب النسيج الخلوي. وبما أن الهدف الرئيس لمعظم طرق المعالجة البيولوجية هو تخفيض المواد العضوية فإن المتعضيات الرئيسية لإتمام هذا الامر هيChemoheterotrophs .و أما عندما يراد تحويل الامونيا NH3 الى نترات فإن بكتريا النترجة Chemoautotrophs هي التي تكون مهمة. و بشكل عام فإن متعضيات الهيتيروتروفيك تعتمد على المواد العضوية المنتجة بواسطة متعضيات الاوتوتروفيك كمصدر للطاقة و كمادة خام لتكوين كتلتها الحيوية، و تنتج بالنهاية (بعد تحطيمها المواد ذات المنشأ العضوي) مكونات بسيطة تثبت بدورها بواسطة متعضيات الاوتوتروفيك و التي تعمل على تثبيت العناصر البسيطة و المواد اللاعضوية الغير حية ضمن جزيئات معقدة و التي تشمل المواد العضوية.
الإستقلاب الميكروبي "Microbial Metabolism" أنواع وهي :
1- الاستقلاب النتفسي "Respiratory Metabolism" : إن المتعضيات التي تولد الطاقة بواسطة انتقال الكترون انزيمي وسيط من مانح الكتروني الى مستقبل الكتروني خارجي يقال انها تقوم بالاستقلاب التنفسي.
2- الاستقلاب التخمري "Fermentation Metabolism" : إن الاستقلاب التخمري لا يشتمل اشراك مستقبل الكتروني خارجي في العملية على عكس الاستقلاب التنفسي، كما أن التخمر تعتبر عملية أقل فعالية في انتاج الطاقة بالمقارنة مع التنفس. و ينتج من هذا أن متعضيات الهيتيروتروفيك التخمرية تتميز بمعدلات نمو و انتاج خلوي أقل مما هو عليه بالنسبة لمتعضيات الاوتوتروفيك التنفسية. عند استخدام الاكسجين الجزيئي كمستقبل الكتروني في الاستقلاب التنفسي فإن هذه العملية نعرف بالتنفس الهوائي، وبغياب الاكسجين الجزيئي فإن المركبات الاعضوية القابلة للأكسدة مثل النترات و النتريت تقوم بوظيفة المستقبل الالكتروني لأجل بعض المتعضيات التنفسية و هذه العملية يطلق عليها Anoxic )ظروف شبه لاهوائية).
ج- المغذيات "عناصر لاعضوية": مثل النتروجين، الفوسفور، الكبريت...الخ. إن مصادر الطاقة و الكربون تدعى عادة " Substrates "، و إن وجود المغذيات في مياه المجاري يعتبر عاملا" داعما" للمعالجة البيولوجية لإزالة المواد العضوية الكربونية " القابلة للأكسدة البيولوجية ".
4-الكائنات الدقيقة الأكثر أهمية في المعالجة البيولوجية:
بناء" على بنية الخلية و وظيفتها فإن الكائنات الحية الدقيقة من الشائع أن تصنف على أنها Eucaryotes Eubacteria ,Archaebacteria . وتعتبرEubacteria وArchaebacteria ذات أهمية أساسية في المعالجة البيولوجية و التي يشار إليها بشكل مبسط البكتريا. كما أن مجموعة Eucaryotes هي أيضا" مهمة في عملية المعالجة البيولوجية وتشمل . Algae, Fungi, Protozoa
أ – Bacteiar : تعتبر البكتريا متعضيات وحيدة الخلية و تتكاثر بالانقسام الثنائي . تشكل المياه 80% من الخلية البكتيرية و 20% مادة جافة، و بالنسبة للمادة الجافة فـ 90% منها عضوي و الباقي لاعضوي. و الصيغة التقريبية للجزء العضوي هي (C5H7O2N) ومن الصيغة نجد أن 53% من الجزء العضوي هو الكربون. معظم البكتريا لا تتأقلم مع قيم PH المياه فوق 9.5 أو تحت 4 ، و القيمة المثالية للنمو البكتيري تتراوح بين 6.5-7.5 .
ب- Fungi : تعتبر الفونجي هامة في الهندسة البيئية نظرا" لكونها متعددة الخلايا وتتكاثر بالتبرعم أو الانقسام . وهي تستمد الطاقة من التفاعلات الكيميائية و تعتمد على الكربون العضوي للتركيب الخلوي، وهي تملك قابلية النمو في ظل قيم منخفضة لـPH الماء، علما" أن القيمة المثلى لنموها هي 5.6 و تتطلب نصف حاجة البكتريا من النتروجين. إن قابلية الفونجي للبقاء حية تحت قيم منخفضة لـPH الماء وبوجود محدود للنتروجين، بالإضافة الى مقدرتها على تحليل السللوز جعلها مهمة جدا" للمعالجة البيولوجية لبعض المنصرفات الصناعية .
ج- Protozoa : تعتبر البروتوزا قادرة على الحركة و البروتوزا الميكروسكوبية تتألف من خلايا منفردة. إن البروتوزا هي كائنات دقيقة هيتيروتروفز هوائية على الرغم من أن بعضها لاهوائي، وهي أكبر من البكتريا بالحجم و غالبا" ما تستهلك البكتريا كمصدر لحصولها على الطاقة. فالبروتوزا تعمل كمنقي للمياه النهائية الخارجة من المعالجة البيولوجية بسبب استهلاكها البكتريا و المواد العضوية الدقائقية.
د-Algae : تستمد الطاقة من الضوء و هي مهمة في االمعالجة البيولوجية بسبب قدرتها على انتاج الاكسجين بواسطة التركيب الضوئي في البرك المائية و هو ما يعتبر عاملا" حيويا" للبيئة المائية، و مهمة ايضا" بسبب المشاكل الناجمة عن النمو الطحلبي الزائد نتيجة وجود المغذيات الناجمة عن صرف المياه المعالجة الى المسطحات المائية. لذلك يتوجب الحد من صرف المغذيات بواسطة تأمين المعالجة الثالثية للمياه الملوثة مما يؤمن الحفاظ على البيئة المائية بشكل سليم.
5- التحلل البيولوجي للملوثات العضوية:
يرمز للمواد الصلبة العضوية بـ COHNS ، و بالنسبة للمياه الملوثة المنزلية فإن حوالي 50% من المواد الصلبة تكون عضوية (كائنات حيوانيةونباتية، مواد حيوانية ميتة، متعضيات). وهذه المواد تحوي كربون، اكسجين، هيدروجين و بعضها يمكن أن ترتبط مع النتروجين و الكبريت و الفوسفور. إن المركبات العضوية الاساسية الموجودة في مياه الصرف الصحي المنزلية تشمل البروتينات و الكربوهيدرات و الدهون. بحال توفر كمية كافية من الاكسجين، فإن التحلل البيولوجي الهوائي للملوثات العضوية سوف يستمر حتى يتم استنفاذها . ويمكن ايجاز العمليات التي تحصل أثناء ازالة الملوثات العضوية كما يلي:
أ – الاكسدة : و يمكن ايضاحها بالمعالدلة التالية
مواد عضوية + اكسجين+بكتريا ← ثاني أكسيد الكربون+ماء+نشادر+مواد نهائية أخرى+ طاقة
ب – التركيب الخلوي: و يمكن ايضاحها بالمعالدلة التالية
مواد عضوية+أكسجين+بكتريا+طاقة ← خلايا بكتيرية جديدة (C5H7O2N)
ج – التنفس الباطني: و يمكن ايضاحها بالمعالدلة التالية
الخلايا البكتيرية + أكسجين ← ثاني أكسيد الكربون + ماء + نشادر
___________________
المصادر:
Ref. 1- Metcalf & Eddy, Inc “ Wastewater Engineering, Treatment, Disposal, and Reuse” 1991 ,USA
================================================== =================================
البحث منقول عن مجلة المياه على هذا الرابط مع الشكر للدكتور عبد الرزاق
http://www.almyah.net/myah/modules.p...article&sid=84
22-01-2008, 03:38 PM
أساسيات في المعالجة البيولوجية لللمياه الملوثة
