العديد من الأشخاص الذين يعملون في معالجة مياه الصرف الصحي لديهم حدس: "الكائنات الحية الدقيقة هي القوة الرئيسية، وبالتالي فإن المزيد من الحمأة يعني قدرة معالجة أقوى". يبدو هذا معقولًا، لكن في التشغيل الفعلي، غالبًا ما يؤدي هذا إلى حدوث مشكلات.
من المرجح أن أولئك الذين شاركوا في التشغيل-في الموقع قد شهدوا هذا السيناريو: تقلبات التدفق، ونيتروجين الأمونيا الذي يتجاوز المعايير في بعض الأحيان، وكان أول رد فعل للمشغل هو "تركيز غير كافٍ للحمأة"، مما يؤدي إلى انخفاض أو حتى عدم تصريف الحمأة. ويزداد مستوى MLSS تدريجياً من 3000 إلى 4000 و5000 و6000 ملغم/لتر.
ومن الغريب أنه على الرغم من أن التركيز العالي للحمأة يحل المشكلة، إلا أنه يخلق مشكلات جديدة-يتدفق الحمأة من خزان الترسيب الثانوي، ويتجاوز تدفق النفايات السائلة المعايير، ويكون تردد المنفاخ عند الحد الأقصى بالفعل، ولا يمكن زيادة الأكسجين المذاب في الخزان الهوائي.
إذن أين المشكلة؟
العلاقة بين تركيز الحمأة وقدرة النظام ليست علاقة خطية، بل هي علاقة مكافئة.
عنق الزجاجة لإمدادات الأكسجين: "الميل الأخير" من نقل الأكسجين المذاب
أولاً، ضع في اعتبارك التهوية: لكل زيادة قدرها 1000 ملغم/لتر في تركيز الحمأة، يرتفع معدل استهلاك الأكسجين في الخزان. يتطلب الحفاظ على التمثيل الغذائي اليومي لـ 1 كجم من الحمأة المنشطة حوالي 0.8-1.2 كجم من الأكسجين. عندما يرتفع MLSS من 3000 إلى 5000، يزيد إجمالي الكتلة الحيوية في الخزان بنسبة 70% تقريبًا، مما يؤدي إلى زيادة الطلب الإجمالي على الأكسجين.
تكمن الأزمة الأعمق في القيود المفروضة على نقل الأكسجين على المستوى المجهري. عندما يتجاوز MLSS قيمة معينة، يزداد حجم الجسيمات وكثافة كتل الحمأة المنشطة بشكل كبير. يؤدي هذا إلى زيادة مقاومة نقل الأكسجين بشكل كبير، مما يخلق مشكلة "الميل الأخير" لنقل الأكسجين المذاب.
عند هذه النقطة، على الرغم من أن الأكسجين المذاب في الخزان الهوائي قد يظل عند 2.0-3.0 مجم/لتر، إلا أن ما يقرب من 60% من الحجم داخل الكتل قد يكون بالفعل في حالة نقص الأكسجين. تشبه البكتيريا الآزوتية السكان المحصورين في "غرفة داخلية بلا نوافذ"، حيث تستهلك البكتيريا الخارجية غير المتجانسة الأكسجين قبل الوصول إلى منطقتهم. ينخفض معدل استخدام DO (الكربون العضوي المذاب) بشكل كبير، ويتم قمع نشاط البكتيريا الآزوتية، ويبدأ نيتروجين الأمونيا في الارتفاع. في الوقت نفسه، تسهل البيئة الموضعية التي تعاني من نقص الأكسجين تكاثر البكتيريا الخيطية، مما يؤدي إلى إضعاف بنية الحمأة وتدهور أداء الترسيب.
حد الترسيب: أزمة "الحمل الزائد" لخزان الترسيب الثانوي
بالنظر إلى خزان الترسيب الثانوي: كلما زاد تركيز الحمأة، زادت المواد الصلبة التي تدخل إلى خزان الترسيب الثانوي. تبلغ قيمة تصميم التحميل السطحي لخزان الترسيب الثانوي النموذجي مع مدخل مركزي ومخرج محيط 0.8~1.2 متر مكعب/م²·ساعة، ويتم التحكم في تحميل المواد الصلبة عادةً عند 4~6 كجم/م²·ساعة.
ستؤدي الزيادة المستمرة في MLSS (المواد الصلبة العالقة بالسائل المختلط) بشكل مباشر إلى زيادة كبيرة في تحميل المواد الصلبة لخزان الترسيب الثانوي، بما يتجاوز الحد الأقصى لسعة التصميم. بمجرد التحميل الزائد، يضعف تأثير فصل الماء للحمأة-، ويصبح الطاف عكرًا، ويتجاوز التدفق السائل المتدفق المعيار. في بعض الأحيان، تطفو طبقة من الحمأة الناعمة على كامل سطح خزان الترسيب الثانوي، ويكون ضبط نسبة التدفق الراجع غير فعال. العديد من المواد الصلبة العالقة المتدفقة التي تتجاوز المعيار لا تتجذر في قسم المعالجة البيولوجية، بل في تركيز الحمأة الذي يتجاوز السعة التصميمية لخزان الترسيب الثانوي.
عمر الحمأة غير المتوازن: فخ "الشيخوخة" وراء التركيز
هناك عامل آخر يمكن تجاهله بسهولة وهو عمر الحمأة. مع ثبات حجم تصريف الحمأة، فإن زيادة MLSS ستؤدي إلى إطالة عمر الحمأة.
يؤدي عمر الحمأة المفرط إلى شيخوخة الحمأة: تدخل الكائنات الحية الدقيقة في مرحلة التنفس الداخلي، مما يزيد من استهلاكها للأكسجين، ولكن نشاطها الفعال في تحلل الملوثات يتناقص بشكل كبير. تصبح كتل الحمأة القديمة ناعمة ومجزأة، وتستقر بشكل أبطأ وتضيع بسهولة مع النفايات السائلة.
العثور على "نقطة التوازن": التحكم الديناميكي هو المفتاح
ومن الناحية العملية، يكون "التركيز المناسب" دائمًا أكثر أهمية من "التركيز العالي". لا يوجد تركيز أمثل للحمأة يمكن تطبيقه عالميًا؛ يجب تعديل معلمات التشغيل ديناميكيًا بناءً على ظروف التشغيل المحددة:
الحمل المؤثر: في ظل ظروف الحمل العضوي العالي، فإن زيادة تركيز الحمأة بشكل معتدل يمكن أن تخفف من صدمات جودة المياه؛ في ظل الأحمال ذات التأثير المنخفض-على المدى الطويل، لن يؤدي التركيز المفرط للحمأة إلا إلى زيادة استهلاك طاقة المروحة وزيادة الضغط على صيانة تفريغ الحمأة.
ظروف درجة حرارة الماء: في فصل الشتاء، تقلل درجات الحرارة المنخفضة من نشاط التمثيل الغذائي الميكروبي، مما يسمح بزيادة معتدلة في الكتلة الحيوية MLSS (المواد الصلبة الحمأة المتعددة الطبقات) لضمان النترجة. في الصيف، يؤدي ارتفاع درجات حرارة الماء وارتفاع النشاط الميكروبي إلى تقليل تركيز الحمأة، مما يوفر طاقة التهوية ويقلل من خطر تراكم الحمأة.
المعيار الأساسي: التركيز على F/M (نسبة التغذية إلى-الكائنات الحية الدقيقة)
المعيار الأكثر موثوقية للحكم على ما إذا كان تركيز الحمأة معقولًا هو نسبة F/M (نسبة التغذية إلى-الكائنات الحية الدقيقة)، بدلاً من التركيز بشكل صارم على قيمة MLSS واحدة.
بالنسبة لأنظمة مياه الصرف الصحي البلدية التقليدية، يتراوح نطاق F/M المناسب عادةً بين 0.1~0.2 كجم BOD₅/كجم MLSS·d (يمكن لبعض العمليات تخفيف هذا إلى 0.2~0.4).
تشير نسبة F/M أقل من 0.05 إلى -نقص طويل الأمد في الركيزة الميكروبية؛ سوف يؤدي المجاعة المستمرة بسرعة إلى شيخوخة الحمأة.
وتشير نسبة F/M التي تزيد عن 0.4 إلى عدم كفاية احتياطيات الكتلة الحيوية الفعالة، مما يجعل النفايات السائلة معرضة بشدة لتجاوز المعايير أثناء صدمات جودة المياه.
تعتبر التعديلات اليومية على معدل تصريف الحمأة لتحقيق الاستقرار في نسبة التغذية-إلى-الكائنات الحية الدقيقة أكثر علمية بكثير من الالتزام الصارم بتركيز ثابت للحمأة. تقوم العديد من محطات معالجة مياه الصرف الصحي الراسخة بضبط تركيزات الحمأة ديناميكيًا بناءً على الظروف الفعلية: زيادة التركيز بشكل معتدل في الشتاء للحفاظ على كفاءة المعالجة، وتقليله في الصيف لتوفير الطاقة والتحكم في حجم الحمأة. هذه تجارب عملية لخصها موظفو الخطوط الأمامية بعد تجارب وأخطاء لا حصر لها.
وفي نهاية المطاف، يعد تركيز الحمأة مجرد وسيلة لضبط العملية، وليس الهدف النهائي للعملية على الإطلاق. إن ما نهدف إلى تحقيقه حقًا هو استقرار النظام على المدى الطويل-والتدفقات السائلة المتوافقة باستمرار وتكاليف التشغيل التي يمكن التحكم فيها.
إن مستويات MLSS العالية والمنخفضة بشكل مفرط تضر بالتشغيل المستقر للنظام. إن التركيز الأمثل للحمأة هو الذي يحافظ على معدل التدفق (F/M) ضمن نطاق معقول، ويضمن الأكسجين المذاب المستقر ويمكن التحكم فيه (DO)، ويمنع جريان الحمأة من الترسيب الثانوي، ويلبي باستمرار معايير جودة المياه. قد تكون هذه القيمة أعلى أو أقل من القيمة المرجعية للتصميم، ولكن من المؤكد أن القيمة الأعلى ليست الأفضل دائمًا.