من أول محطة لمعالجة مياه الصرف الصحي في العالم – نظرة على تطور تكنولوجيا معالجة مياه الصرف الصحي!

المقدمة: التنمية البشرية هي عملية مستمرة من التحسين. خذ على سبيل المثال معالجة مياه الصرف الصحي. تم بناء أول محطة لمعالجة مياه الصرف الصحي بعد أن شهدت الأضرار والمخاطر الصحية الناجمة عن التصريف العشوائي لمياه الصرف الصحي، مما أدى إلى تطويرها المستمر. يمكن إرجاع تاريخ معالجة مياه الصرف الصحي في المناطق الحضرية إلى روما القديمة. في ذلك الوقت، كانت البيئة تتمتع بقدرة كبيرة، وكانت قدرة التنقية الذاتية للمسطحات المائية قادرة على تلبية احتياجات الإنسان من المياه؛ يحتاج الناس فقط إلى التفكير في الصرف. وفي وقت لاحق، ومع تسارع التحضر، نشرت مياه الصرف الصحي المنزلية الأمراض المعدية عن طريق نقل البكتيريا. ولأسباب صحية، بدأ الإنسان في معالجة مياه الصرف الصحي المنزلية المصرفة. استخدمت طرق المعالجة المبكرة الجير والشب وما إلى ذلك للترسيب، أو مسحوق التبييض للتطهير. وبحلول أواخر عهد أسرة مينغ، كان لدى بلدي بالفعل أجهزة لتنقية مياه الصرف الصحي. وفي عام 1762، بدأت بريطانيا في استخدام أملاح الجير والمعادن لمعالجة مياه الصرف الصحي في المناطق الحضرية. اليوم، سنقوم بشكل أساسي بتعميم المعرفة البيئية من جانبين: ضرر التلوث البيئي وتطوير محطات معالجة مياه الصرف الصحي!

دعونا نلقي نظرة أولاً على بعض-أحداث التلوث البيئي الضارة المعروفة. بين ثلاثينيات وستينيات القرن العشرين، صدمت العالم ثمانية حوادث تلوث بيئي كبرى: حادث الضباب الدخاني في وادي ميوز في بلجيكا، وحادث الضباب الدخاني دونورا في الولايات المتحدة، وحادث الضباب الدخاني في لندن، وحادث الضباب الدخاني الكيميائي الضوئي في لوس أنجلوس في الولايات المتحدة، وحادث مرض ميناماتا في اليابان، وحادث مرض توياما إيتاي-إيتاي في اليابان، وحادث ربو يوكايتشي في اليابان، وحادث زيت نخالة الأرز الياباني. تشير حوادث التلوث البيئي الثمانية الكبرى هذه إلى ثمانية أحداث مهمة وصادمة ناجمة عن التلوث البيئي في جميع أنحاء العالم.

حادثة الضباب الدخاني في وادي ميوز (بلجيكا): في الفترة من 1 إلى 5 ديسمبر 1930، ملأت كميات كبيرة من الضباب الدخاني المنبعثة من 13 مصنعًا في منطقة وادي ميوز الصناعية في بلجيكا الهواء، مما تسبب في إصابة الآلاف من الأشخاص في المنطقة الصناعية بألم في الصدر، والسعال، والتمزق، والتهاب الحلق، وصعوبة التنفس. ولقي أكثر من 60 شخصاً حتفهم في غضون أسبوع، كما نفقت العديد من الماشية. وهذه هي أول حادثة تلوث هواء مسجلة في القرن العشرين.

حادثة الضباب الدخاني دونورا (الولايات المتحدة): في الفترة من 26 إلى 31 أكتوبر 1948، شهدت مدينة دونورا بولاية بنسلفانيا ضبابًا دخانيًا مستمرًا. كانت هذه المنطقة عبارة عن تركيز لمصانع حمض الكبريتيك ومصانع الصلب ومصاهر الزنك. كان الضباب الدخاني المنبعث من هذه المصانع محصوراً في الوادي، مما تسبب في شعور 6000 شخص فجأة بعدم الراحة مثل آلام العين والتهاب الحلق وسيلان الأنف والصداع وضيق الصدر؛ مات 20 منهم بسرعة. نتج هذا الضباب الدخاني بشكل أساسي عن المواد السامة والضارة مثل ثاني أكسيد الكبريت والجزيئات المعدنية الملتصقة بالجسيمات العالقة. واستنشق الناس كميات كبيرة من هذه الغازات الضارة خلال فترة قصيرة، مما أدى إلى كارثة كبرى.

حدث الضباب الدخاني في لندن (5-8 ديسمبر 1952): غطى الضغط العالي والضباب الكثيف لندن، مع عدم وجود رياح لعدة أيام. حدث هذا خلال ذروة موسم التدفئة في فصل الشتاء، عندما تراكم دخان الفحم والغبار والرطوبة في الغلاف الجوي، مما تسبب في معاناة العديد من سكان المدينة من صعوبات في التنفس وتهيج العين. مات أكثر من 4000 شخص في أربعة أيام فقط. وفي الشهرين التاليين، مات 8000 شخص آخرين. كان هذا أكبر حدث للضباب الدخاني في المناطق الحضرية ناجم عن احتراق الفحم في القرن العشرين.

حادثة مرض ميناماتا في اليابان: ابتداءً من عام 1949، بدأت الشركة اليابانية للأسمدة النيتروجينية، ومقرها مدينة ميناماتا، محافظة كوماموتو، اليابان، في تصنيع كلوريد الفينيل وأسيتات الفينيل. نظرًا لأن عملية التصنيع استخدمت محفزًا يحتوي على الزئبق -، فقد تم تفريغ كميات كبيرة من الزئبق في خليج ميناماتا جنبًا إلى جنب مع مياه الصرف الصحي غير المعالجة بالمصنع. في عام 1954، بدأ ظهور مرض غريب مجهول السبب، يسمى "مرض ميناماتا"، في خليج ميناماتا. ويصيب المرض القطط والبشر، وتشمل أعراضه المشي غير المستقر، والتشنجات، وتشوهات اليدين والقدمين، واضطرابات عصبية، وتقوس الجسم، والصراخ العالي، مما يؤدي في النهاية إلى الوفاة. وبعد ما يقرب من عشر سنوات من التحليل، أكد العلماء أن الزئبق الموجود في مياه الصرف الصحي بالمصنع هو سبب "مرض ميناماتا". يتم امتصاص الزئبق بواسطة الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في الماء ويتحول إلى ميثيل الزئبق (CH3) زئبق في الجسم. تدخل هذه المادة إلى أجسام الإنسان والحيوان عن طريق الأسماك والروبيان، فتؤدي إلى إتلاف الدماغ وأجزاء أخرى من الجسم، وتسبب ضمور الدماغ، واختلال نظام توازن المخيخ، وغيرها من التأثيرات الضارة؛ فهي سامة للغاية. وفي اليابان، استهلك مئات الآلاف من الأشخاص الأسماك والروبيان الملوثين بميثيل الزئبق من خليج ميناماتا.

...وهكذا، لن نذكرها كلها هنا!

اليوم، دعونا نلقي نظرة على محطة معالجة مياه الصرف الصحي الأقدم من عملية الحمأة المنشطة، والتي يعود تاريخها إلى 139 عامًا: محطة معالجة مياه الصرف الصحي بلاكبيرن ميدوز، التي تم بناؤها عام 1886 في شيفيلد، وهي مدينة صناعية -عريقة في إنجلترا. يعود تاريخ محطات معالجة مياه الصرف الصحي إلى أكثر من 100 عام.

كما تعلمون، تم اختراع عملية الحمأة المنشطة في بريطانيا في أوائل القرن العشرين، ويعتبر إدوارد أرديرن ووليام لوكيت مخترعيها، حيث يعود تاريخها إلى عام 1914. ومع ذلك، بدأت معالجة مياه الصرف الصحي في بريطانيا بالفعل قبل حوالي 50 عامًا من عملية الحمأة المنشطة: مع التطور الصناعي، بدأ سكان بريطانيا في النمو بسرعة، وأصبحت إنجلترا واحدة من الدول التي تعاني من أشد تلوث للمياه. أدت مشاكل الصرف الصحي المتكررة في المدن البريطانية إلى قيام العالم الشهير مايكل فاراداي بالتحقيق شخصيًا في حالة نهر التايمز.

أودى جائحة الكوليرا عام 1832 بحياة أكثر من 400 شخص في شيفيلد. بعد ذلك، على الرغم من قيام الحكومة المحلية ببناء نظام صرف صحي، استمرت الشركات في إلقاء مياه الصرف الصحي والنفايات مباشرة في النهر الرئيسي (نهر دون)، مما أدى إلى تحول المياه إلى اللون الأسود ورائحة كريهة. وعلى هذه الخلفية، قامت شيفيلد ببناء أول محطة لمعالجة مياه الصرف الصحي في عام 1886.

كان المصنع الأولي بسيطًا جدًا. وقد تم تصميمه لمعالجة 40 ألف متر مكعب يوميًا، ويعمل خلال النهار فقط. وتمت معالجة مياه الصرف الصحي بالجير، واستخدمت الحمأة الناتجة كسماد للمزارع المجاورة. ومع ذلك، كان هذا المصنع في وقته بمثابة تقدم كبير، حيث اجتذب زيارات من نظرائه ومسؤولي المدينة من أجزاء أخرى من إنجلترا.

بعد اكتماله في عام 1886، خضعت المحطة للتجديد في عام 1910. في السابق، تصور مجلس مدينة شيفيلد بناء خط أنابيب لتصريف مياه الصرف الصحي مباشرة إلى بحر الشمال، ولكنه تبنى لاحقًا طريقة مبتكرة- للتهوية لتحليل الملوثات في مياه الصرف الصحي. أطلقوا على هذه التكنولوجيا اسم "أسرة البكتيريا". من العدل أن نقول إن عائلة شيفيلد فعلت شيئًا عظيمًا حقًا للإنسانية-إذا قاموا ببساطة بإلقاء مياه الصرف الصحي مباشرة في البحر، فقد يكون ذلك ممارسة قياسية اليوم. لقد وضع آل شيفيلد معيارًا جديدًا تمامًا للحكومات الأخرى وسلطات المياه-في استخدام الأساليب البيولوجية لمعالجة مياه الصرف الصحي. لاحظ الجدول الزمني-الذي تصوروه لاستخدام البكتيريا لمعالجة مياه الصرف الصحي في عام 1910، بينما لم يظهر ما يسمى بعملية الحمأة المنشطة- إلا في عام 1914.

طريقة البيوفيلم

في منتصف-القرن الثامن عشر، بدأت الثورة الصناعية في أوروبا، حيث أصبحت إزالة المواد العضوية من مياه الصرف الصحي في المناطق الحضرية محورًا رئيسيًا. في عام 1881، اخترع العلماء الفرنسيون أول مفاعل حيوي، وأول بركة معالجة بيولوجية لاهوائية - في بركة موريس، مما يمثل بداية المعالجة البيولوجية لمياه الصرف الصحي. وفي عام 1893، تم استخدام أول مرشح بيولوجي في ويلز بإنجلترا، وسرعان ما انتشر إلى أوروبا وأمريكا الشمالية. وقد حفز التقدم التكنولوجي على تطوير المعايير. في عام 1912، اقترحت الهيئة الملكية لإدارة مياه الصرف الصحي في المملكة المتحدة استخدام BOD5 لتقييم درجة تلوث المياه.

عملية الحمأة المنشطة

في عام 1914، نشر أردن ولوكيت بحثًا عن عملية الحمأة المنشطة في معهد المهندسين الكيميائيين (ICC) في المملكة المتحدة، وفي نفس العام، أنشأا أول محطة تجريبية لمعالجة مياه الصرف الصحي من الحمأة المنشطة في العالم في مانشستر، إنجلترا. وبعد ذلك بعامين، تم إنشاء أول محطة لمعالجة مياه الصرف الصحي للحمأة المنشطة رسميًا في الولايات المتحدة. لقد وضعت ولادة عملية الحمأة المنشطة الأساس لتكنولوجيا معالجة مياه الصرف الصحي في المناطق الحضرية على مدى المائة عام القادمة.

في مراحلها الأولى، استخدمت عملية الحمأة المنشطة عملية التعبئة-والصرف-(المشابهة لعملية SBR). نظرًا لتكنولوجيا ومعدات التحكم الآلي المتخلفة نسبيًا في ذلك الوقت، كان تشغيلها مرهقًا وعرضة للانسداد، ولم تقدم أي مزايا كبيرة مقارنة بالمرشحات البيولوجية. وفي وقت لاحق، حلت عملية الحمأة المنشطة ذات التدفق المستمر- محلها سريعًا. ومع ذلك، نظرًا لأن معدل استهلاك الأكسجين للحمأة في مفاعل التدفق - يختلف على طول الخزان، فمن الصعب مطابقة معدل إمداد الأكسجين، وتواجه عملية الحمأة المنشطة مشكلة عدم كفاية إمداد الأكسجين الموضعي. أدت عملية الحمأة المنشطة الهوائية تدريجيًا، المقترحة في عام 1936، وعملية التهوية المرحلية، المقترحة في عام 1942، إلى تحسين توازن إمدادات الأكسجين من خلال معالجة طرق التهوية والتأثير، على التوالي. في عام 1950، اقترح ماكيني من الولايات المتحدة عملية الحمأة المنشطة المختلطة بالكامل. نجحت هذه الطريقة في حل مشكلة تضخيم الحمأة بشكل فعال عن طريق تغيير وضع البقاء لمجتمع ميكروبات الحمأة المنشطة، مما يسمح لها بالتكيف مع التغيرات المتدرجة في تركيز الركيزة داخل خزان التهوية.

ومع تطبيقها على نطاق واسع في الإنتاج الفعلي والابتكار التكنولوجي المستمر، حلت عملية الحمأة المنشطة تدريجياً محل عملية الأغشية الحيوية وأصبحت تكنولوجيا معالجة مياه الصرف الصحي السائدة من الأربعينيات إلى الستينيات.

في عام 1921، انتشرت عملية الحمأة المنشطة إلى الصين، وقامت الصين ببناء أول محطة لمعالجة مياه الصرف الصحي-محطة معالجة مياه الصرف الصحي في منطقة شمال شنغهاي. في عامي 1926 و1927، تم بناء محطتي معالجة مياه الصرف الصحي في المنطقة الشرقية والغربية على التوالي، بقدرة معالجة يومية مجمعة تبلغ 35500 طن في ذلك الوقت.

في الخمسينيات من القرن العشرين، أصبح إثراء المسطحات المائية مشكلة بارزة، مما جعل إزالة النيتروجين والفوسفور مطلبًا رئيسيًا آخر في معالجة مياه الصرف الصحي. ونتيجة لذلك، تم تطوير سلسلة من عمليات إزالة النيتروجين والفوسفور بناءً على عملية الحمأة المنشطة، مثل عمليات A/O وA2/O الأكثر شيوعًا.

مبدأ إزالة النيتروجين: تتحلل مركبات النيتروجين العضوية إلى نيتروجين الأمونيا عن طريق أمونيا البكتيريا. يتحلل نيتروجين الأمونيا بشكل أكبر ويتحول عن طريق البكتيريا الآزوتية، أولاً إلى نيتروجين النتريت بواسطة البكتيريا المؤكسدة للنتريت -، ثم إلى نيتروجين النترات عن طريق البكتيريا الآزوتية. في ظل ظروف نقص الأكسجين، يتحول نيتروجين النترات من خلال مسارين عن طريق إزالة النتروجين من البكتيريا: الاستيعاب - نزع النتروجين (التوليف)، وتشكيل مركبات النيتروجين العضوية في النهاية التي تصبح جزءًا من الخلية البكتيرية؛ والتفكيك-نزع النتروجين (التحلل)، مع النيتروجين الغازي كمنتج نهائي.

مبدأ إزالة الفوسفور: في ظل الظروف اللاهوائية (الأكسدة-تخفيض ORP المحتمل بين -200 و-300 مللي فولت)، تقوم البكتيريا المتراكمة من متعدد الفوسفات- بتحويل الفسفور العضوي داخل خلاياها إلى فوسفور غير عضوي، وإطلاقه واستخدام الطاقة المولدة في هذه العملية لامتصاص المصفوفة العضوية المذابة في مياه الصرف الصحي لتركيب جزيئات البولي(-هيدروكسي بوتيرات) (PHB). في ظل الظروف الهوائية، تقوم البكتيريا المتراكمة للفوسفات بتحليل PHB لتوفير الطاقة اللازمة لامتصاص الفوسفور من مياه الصرف الصحي، وبالتالي استكمال عملية تراكم البولي فوسفات.

وبطبيعة الحال، فإن عمليات معالجة مياه الصرف الصحي المذكورة أعلاه ليست سوى قمة جبل الجليد. لقد تطورت طرق معالجة مياه الصرف الصحي الآن إلى نظام واسع. إذا نظرنا إلى التاريخ بأكمله، فإن التقدم في معالجة مياه الصرف الصحي في المناطق الحضرية قد زاد مع تزايد الطلب على صحة الإنسان، والتغيرات في نوعية المياه، وزيادة تعقيد معالجة مياه الصرف الصحي. في الوقت نفسه، دفعت تكاليف الإدارة التشغيلية ورأس المال والأراضي التطور المستمر لتقنيات معالجة المياه، مما أدى إلى تبسيط العمليات واستخدام الأراضي والإجراءات ومدخلات موارد الطاقة تدريجيًا. تتزايد طلبات الناس على جودة المياه، في حين أصبحت عمليات المعالجة مبسطة بشكل متزايد.