مقدمة: اليوم، دعونا نتعرف على بطل العلاج البيولوجي – الحمأة المنشطة (الحاملة للكائنات الحية الدقيقة المختلفة). إنه يلعب دورًا حاسمًا في عمليات المعالجة البيولوجية، وإزالة الملوثات مثل COD، ونيتروجين الأمونيا، والنيتروجين الكلي، والفوسفور الكلي من مياه الصرف الصحي من خلال الكائنات الحية الدقيقة المختلفة داخل الحمأة. يمكن لأولئك الذين زاروا محطات معالجة مياه الصرف الصحي أن يشموا رائحة موحلة باهتة. هذه هي رائحة الحمأة المنشطة!
01 أصل الحمأة المنشطة
تم اكتشاف الحمأة المنشطة لأول مرة في عام 1912 من قبل كلارك وجيج في المملكة المتحدة، وذلك نتيجة لتجربة صغيرة. في التجربة، أدى تهوية مياه الصرف الصحي لفترة طويلة إلى إنتاج الحمأة، وتحسنت جودة المياه بشكل ملحوظ. قام أردن ولوكجت بعد ذلك بدراسة هذه الظاهرة.
أجريت تجارب التهوية في زجاجات. وفي نهاية كل تجربة يومية، يتم إفراغ الزجاجات، وتبدأ العملية مرة أخرى في اليوم التالي. اكتشفوا بالصدفة أنه نظرًا لعدم تنظيف الزجاجات جيدًا، كان تأثير المعالجة أفضل في الواقع عندما التصقت الحمأة بجدران الزجاجة. وإدراكًا لأهمية الحمأة المتبقية على جدران الزجاجة، أطلقوا عليها اسم الحمأة المنشطة.
وبعد ذلك، قبل نهاية كل تجربة يومية، سمحوا لمياه الصرف الصحي بالاستقرار، مع التخلص من الطبقة العليا فقط من المياه النقية وترك الحمأة في الأسفل لاستخدامها في اليوم التالي. وهذا أدى إلى تقصير كبير في وقت معالجة مياه الصرف الصحي.
وفي عام 1916، تم بناء أول محطة لمعالجة مياه الصرف الصحي بالحمأة المنشطة باستخدام هذه العملية التجريبية.
02 التركيب الهيكلي والخواص الفيزيائية للحمأة المنشطة
الحمأة المنشطة هي مادة ندفة تتكون من خليط من المجتمعات الميكروبية مثل البكتيريا والفطريات والأوالي والميتازوا مع المواد العالقة والغروانية في مياه الصرف الصحي. لديه قدرة قوية على امتصاص وتحلل المواد العضوية وخصائص الترسيب الجيدة، وله نشاط كيميائي حيوي.
تعتبر الكتل والبكتيريا الخيطية من المكونات المهمة للحمأة المنشطة.
تتشكل الكتل عن طريق تجمع البكتيريا مع المخاط أو الكبسولات. إنها تمتص الشوائب والكائنات الحية الدقيقة الحرة في مياه الصرف الصحي، مما يمنح الحمأة المنشطة خصائص ترسيب ممتازة وتحمي الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في مياه الصرف الصحي من الابتلاع أو التسمم.
تشكل البكتيريا الخيطية الهيكل العظمي للحمأة المنشطة. إنها تنمو وتستطيل تحت التصاق الكتل، مما يتسبب في تكوين الكتل لجزيئات أكبر مع الحفاظ على رخاوة الحمأة المنشطة.
في المظهر، يكون الحمأة المنشطة بوجه عام أصفر أو بني-أصفر. يتحول إلى اللون الأسود عندما يكون إمداد الأكسجين غير كافٍ أو يتحول إلى اللون اللاهوائي، ويتحول إلى اللون الرمادي-الأبيض عندما يكون إمداد الأكسجين زائدًا والمواد المغذية غير كافية. تحتوي الحمأة المنشطة على نسبة عالية من الماء، تزيد عمومًا عن 99%، وكثافتها مماثلة للماء، عادةً 1.002-1.003 كجم/لتر.
03 التركيب الميكروبي للحمأة المنشطة
في الكائنات الحية الدقيقة في الحمأة المنشطة، تتغذى الأوليات على البكتيريا، بينما تتغذى الميتازوا على كل من الأوليات والبكتيريا، وتشكل سلسلة غذائية ومجتمعًا بيولوجيًا متوازنًا. غالبًا ما توجد بكتيريا الحمأة المنشطة في شكل كتل، مع وجود عدد أقل منها في الحالة الحرة. وهذا يعطي البكتيريا القدرة على مقاومة العوامل الخارجية الضارة. لا يتم تسوية البكتيريا الحرة بسهولة، ولكن يمكن أن تفترسها الأوليات، مما يجعل النفايات السائلة من خزان الترسيب أكثر وضوحًا.
1. البكتيريا
البكتيريا هي-كائنات وحيدة الخلية. وهي متنوعة ومتعددة وصغيرة الحجم داخل الحمأة المنشطة، وتمتلك قدرة قوية على امتصاص المواد العضوية وتحللها، وتلعب دورًا حاسمًا في معالجة مياه الصرف الصحي.
في المراحل الأولى من زراعة الحمأة المنشطة، تكون البكتيريا حرة إلى حد كبير في مياه الصرف الصحي. ومع تشكل الحمأة تدريجيًا، فإنها تتجمع تدريجيًا في مجموعات أكبر.
(1) الندف: وهي جزيئات صغيرة مرئية مكونة من البكتيريا والمواد الجيلاتينية التي تفرزها. معظم البكتيريا الموجودة في الحمأة المنشطة تكون مغلفة بمواد هلامية، موجودة على شكل كتل. الكتل هي المركز الهيكلي والوظيفي للحمأة المنشطة، وتمتلك خصائص مثل الامتزاز، والتحلل التأكسدي، وترسيب التخثر.
(2) البكتيريا الخيطية: هي نوع من البكتيريا التي ترتبط خلاياها، مع أو بدون كبسولات، معًا لتكوين خيوط. غالبًا ما تلتصق البكتيريا الخيطية بالكتل البكتيرية وتتشابك معها، لتشكل الهيكل العظمي للحمأة الملوثة. ومع ذلك، عندما تتكاثر بأعداد كبيرة، فإنها يمكن أن تؤدي إلى تفاقم خصائص التلبد والترسيب للحمأة المنشطة، وفي الحالات الشديدة، تسبب انتفاخ الحمأة.
(3) البكتيريا الآزوتية البكتيريا الآزوتية هي نوع من البكتيريا ذاتية التغذية التي يمكنها تحليل الأمونيا والنتريت. وهي تشتمل على مجموعتين فرعيتين فسيولوجيتين: *البكتيريا الآزوتية* و*البكتيريا الآزوتية*، والتي تنتمي إلى عائلة مستقلة-عائلة البكتيريا الآزوتية. تحصل البكتيريا الآزوتية على الطاقة لتلبية احتياجاتها الأيضية عن طريق أكسدة المركبات غير العضوية من خلال النترجة، باستخدام ثاني أكسيد الكربون كمصدر وحيد للكربون. إنها بكتيريا ذاتية التغذية نموذجية. تمتلك البكتيريا الآزوتية عملية النترجة، والتي تشير إلى العملية التي تقوم بها البكتيريا الآزوتية بأكسدة NH3 إلى NO2- في الظروف الهوائية، ثم أكسدته إلى NO3-، وبالتالي الحصول على الطاقة اللازمة للنمو. المرحلة الأولى، أكسدة NH3 إلى NO2-، تسمى النترجة أو أكسدة الأمونيا، وتكتمل بواسطة البكتيريا النتروجينية؛ المرحلة الثانية، أكسدة NO2- إلى NO3-، تسمى النترجة، وتكتمل عن طريق البكتيريا الآزوتية. ولذلك، فإن النترجة التي تمت مناقشتها بشكل شائع تتضمن في الواقع مرحلتين: النترجة بواسطة البكتيريا المؤكسدة للنتريت والنترجة بواسطة البكتيريا النيتروجينية.
(4) البكتيريا النازعة للنتروجين: البكتيريا النازعة للنتروجين هي بكتيريا ذات تغذية كيميائية. تحت ظروف نقص الأكسجين-، فإنها تقوم باختزال النترات إلى نيتريت، كما تقوم أيضًا باختزال النتريت إلى غاز نيتروجين، وبالتالي الحصول على الطاقة. وهذا هو في الأساس عكس وظيفة البكتيريا الآزوتية (الطبيعة مثيرة للاهتمام بهذه الطريقة؛ هناك نوعان مختلفان من البكتيريا يحققان دورة النيتروجين). يتم توزيع بكتيريا إزالة النتروجين على نطاق واسع في التربة ومياه الصرف الصحي، وتلعب دورًا رئيسيًا في معالجة مياه المناظر الطبيعية، وإدارة الأنهار الحضرية، ومعالجة تربية الأحياء المائية.
(5) البكتيريا الحمضية المتحللة: هذه هي البكتيريا التي يمكنها استخدام جزيئات عضوية كبيرة ومعقدة في أنشطة الحياة في البيئات اللاهوائية. التحلل المائي هو العملية التي يتم من خلالها تحويل البوليمرات المعقدة غير القابلة للذوبان إلى مونومرات أو ثنائيات بسيطة قابلة للذوبان. نظرًا لوزنها الجزيئي الكبير نسبيًا، لا يمكن للمواد العضوية ذات الوزن الجزيئي-الجزيئي العالي- المرور عبر أغشية الخلايا وبالتالي لا يمكن للبكتيريا الاستفادة منها بشكل مباشر. يتم تحويلها أولاً إلى جزيئات أصغر عن طريق العمل المائي للإنزيمات البكتيرية خارج الخلية. السمة الأكثر شيوعًا لهذه المرحلة هي أن التفاعل البيولوجي يحدث خارج الخلية. تكمل البكتيريا تفاعلات الأكسدة التحفيزية الحيوية عن طريق إطلاق إنزيمات حرة خارج الخلية أو إنزيمات مثبتة متصلة بجدار الخلية.
وهكذا... هناك أنواع عديدة من البكتيريا، لذا سأتوقف هنا الآن. يمكن تقديم مقدمات تفصيلية للأنواع البكتيرية الفردية لاحقًا.
2. البروتوزوا
الأوليات هي حيوانات صغيرة وبسيطة ومنخفضة-أحادية الخلية-. يوجد عدد كبير من الأوليات في الحمأة المنشطة الناتجة عن معالجة مياه الصرف الصحي. يشاركون في تنقية مياه الصرف الصحي عن طريق تناول الجزيئات العضوية. علاوة على ذلك، نظرًا لأن الكائنات الأولية حساسة للظروف البيئية، فإن تركيبها وكميتها يتغيران مع التغيرات البيئية؛ ولذلك، فإنها غالبا ما تستخدم ككائنات مؤشرة. تشمل الأمثلة الشائعة الدوامة والأميبا والسوطيات والأهداب السباحة. تمثل هذه الكائنات الحية الدقيقة أكثر من 80٪ من المجموع. إذا تجاوز عدد الأفراد 1000/مل، فيجب اعتبارها حمأة منشطة ذات كفاءة تنقية عالية.
3. ميكروميتازوا
الميكروميتازوا الرئيسية في الحمأة المنشطة هي الدوارات والديدان الخيطية. بشكل عام، عدد الميتازوانات المجهرية في الحمأة المنشطة صغير نسبيًا. ومع ذلك، في الحمأة المنشطة ذات الحمل المنخفض-، خاصة في الحمأة المنشطة ذات التهوية الممتدة، يمكن أن تصبح الدوارات والأوليجوشايتات هي الأنواع السائدة في بعض الأحيان.
04 مؤشرات الأداء للحمأة المنشطة يشمل المجتمع الميكروبي بشكل رئيسي البكتيريا والأوالي والميتازوا، مع كون البكتيريا والأوالي الفئتين الرئيسيتين. تشمل مؤشرات أداء الحمأة المنشطة ما يلي: المواد الصلبة العالقة السائلة المختلطة (MLSS)، ونسبة ترسيب الحمأة (SV)، ومؤشر حجم الحمأة (SVI)، ومؤشر كثافة الحمأة (SDI).
تمثل المواد الصلبة العالقة في السائل المختلط (MLSS) الوزن الإجمالي للمواد الصلبة للحمأة المنشطة الموجودة في وحدة حجم السائل المختلط في خزان التهوية، أي:
MLSS=Ma + Me + Mi + Mii
Ma - المجتمع الميكروبي النشط أيضيًا؛
أنا – بقايا عملية التمثيل الغذائي الداخلي والأكسدة الذاتية-للكائنات الحية الدقيقة (البكتيريا في المقام الأول)؛
Mi – مادة عضوية خاملة يصعب على البكتيريا أن تتحلل، وتحملها مياه الصرف الصحي الخام؛
Mii – المواد غير العضوية التي تحملها مياه الصرف الصحي.
الوحدة هي ملجم/لتر أو كجم/م3.
تمثل المواد الصلبة العالقة المتطايرة المختلطة (MLVSS) تركيز المواد الصلبة العضوية في الحمأة المنشطة للسائل المختلط، أي:
MLVSS=ما + أنا + مي
يتم التعبير عن نسبة MLVSS إلى MLSS بالصيغة f. في الظروف العادية، تكون قيمة f ثابتة نسبيًا، حوالي 0.75 لمياه الصرف الصحي المنزلية.
يمكن استخدام كل من MLVSS وMLSS لعكس تركيز الحمأة في صهاريج المعالجة البيولوجية. يمكن أن تكشف مقارنات البيانات اليومية عن نمو الحمأة المنشطة. ومع ذلك، فإن MLVSS يستبعد المواد غير العضوية، مما يجعل قيمتها أقرب إلى العدد الفعلي للكائنات الحية الدقيقة.
سرعة ترسيب الحمأة (SV)، والمعروفة أيضًا بمعدل الترسيب خلال 30 دقيقة، هي النسبة المئوية لحجم الحمأة المترسبة التي تكونت بعد استقرار السائل المختلط في أسطوانة مدرجة لمدة 30 دقيقة، معبرًا عنها كنسبة مئوية (٪).
في المراحل المبكرة من زراعة الحمأة المنشطة، يمكن استخدام سرعة الترسيب لمراقبة نمو الحمأة في البداية. بشكل عام، تتراوح نسبة SV للحمأة المنشطة العادية والمستقرة بين 20-35%. يشير انخفاض SV إلى عدم كفاية تركيز الحمأة، في حين يشير ارتفاع SV إلى نمو الحمأة السريع بشكل مفرط (العناصر الغذائية الزائدة، ربما بسبب مصدر الكربون الزائد).
مؤشر حجم الحمأة (SVI)، المعروف أيضًا باسم مؤشر الحمأة، هو حجم الحمأة المستقرة (بالمل) لكل جرام من الحمأة الجافة بعد 30 دقيقة من الترسيب في السائل المختلط عند مخرج خزان التهوية. صيغة حساب مؤشر حجم الحمأة هي:
SVI=SV/MLSS
يتم استخدام SVI لتقييم أداء ترسيب الحمأة، ويتراوح نطاقه الطبيعي عادةً بين 70 و150 مل/جم. تشير قيمة SVI المنخفضة إلى انخفاض نشاط الحمأة ومحتوى عالٍ من المواد غير العضوية؛ تشير قيمة SVI العالية إلى احتمالية تراكم الحمأة وضعف أداء التسوية.
مؤشر كثافة الحمأة (SDI)، والذي يشار إليه عادةً بالكثافة، هو مقلوب SVI.