مقدمة
هناك العديد من معايير التصميم والتشغيل التي تؤثر في اختيار نوع وطريقة المعالجة، ومنها عنصري المساحة المطلوبة للإنشاء، ومعدل استهلاك الطاقة لكل متر مكعب من المياه المعالجة. تختلف طرق المعالجة البيولوجية باستخدام الحمأة المنشطة في المدى المسموح به لكلًا من: نسبة الغذاء إلى الكائنات الحية الدقيقة (F/M)، تركيز المواد الصلبة العالقة للسائل المخلوط (MLSS)، وبناء على الحمل الداخل للمحطة والحمل المطلوب في المياه المعالجة يتم حساب مدة البقاء الهيدروليكي والتي تترجم إلى حجم وبالتالي إلى مساحة. أيضًا يؤثر تركيز المواد العالقة للسائل المخلوط على كمية الهواء المطلوبة للتحلل البيولوجي بسبب تشتيت المواد الصلبة لفقاعات الهواء، وبالتالي تزداد كمية الهواء المطلوبة، وبالتالي استهلاك الطاقة.
تأثير تركيز المواد الصلبة العالقة للسائل المخلوط على المساحة
طبقًا للمعادلة (1) نجد أن مدة البقاء الهيدروليكي τ تتناسب عكسيًا مع كلًا من نسبة الغذاء إلى الكائنات الحية الدقيقة (F/M)، وتركيز المواد الصلبة العالقة المتطيرة للسائل المخلوط (MLVSS)؛ وعليه كلما زادت نسبة (MLVSS) كلما قلت مدة البقاء الهيدروليكي وبالتالي الحجم والمساحة.
حيث:
F/M : نسبة الغذاء إلى الكائنات الحية الدقيقة، يوم-1
BODin : الأكسجين الحيوي المطلوب الداخل، ملجم/لتر
BODout : الأكسجين الحيوي المطلوب الخارج، ملجم/لتر
MLVSS : المواد الصلبة العالقة المتطايرة للسائل المخلوط، ملجم/لتر
τ : مدة البقاء الهيدروليكي، يوم
وتتراوح نسبة MLVSS/MLSS ما بين 0.5 إلى 0.8 طبقًا للكود المصري لأسس تصميم وشروط تنفيذ محطات تنقية الشرب والصرف الصحي ومحطات الرفع، المجلد الثاني (أعمال المعالجة).
أقصى قيمة لتركيز المواد الصلبة العالقة للسائل المخلوط (MLSS)
تحتوي المراجع والأكواد على جداول محدد بها معايير تصميم طرق المعالجة البيولوجية. جدول (1) يوضح معايير التصميم طبقًا للكود المصري لأسس تصميم وشروط تنفيذ محطات تنقية الشرب والصرف الصحي ومحطات الرفع، المجلد الثاني (أعمال المعالجة).
ويظهر من الجدول أن أقصى قيمة لتركيز المواد الصلبة العالقة للسائل المخلوط (MLSS) تتراوح بين 3000 – 5000 ملجم/لتر، ودلالة محدودية مدى تلك القيمة يرجع إلى أقصى معدل تحميل للمواد الصلبة يمكن لحوض الترسيب النهائي التعامل معه، إذ أن معدل تحميل المواد الصلبة للتصرف المتوسط في أحواض الترسيب النهائية التي تتبع جميع الطرق المذكورة في جدول (1) ما عدا التهوية الممتدة يتراوح بين 4 – 6 كجم/ساعة/م2، وهي قيمة تتناسب طرديًا مع معدل التحميل السطحي الذي يتراوح لنفس النوع من الأحواض بين 16 – 28 م3/م2/يوم.
يظهر تفسير معنى أقصى قيمة MLSS في نظام أغشية المفاعلات الحيوية (MBR) إذ يتم تصميم حوض التهوية على أساس قيمة (MLSS) تتراوح بين 8000 – 12000 ملجم/لتر، والأغشية يمكنها فصل المواد الصلبة بذلك التركيز. معدل التحميل السطحي للأغشية أقل عشرات المرات من أقل معدل تحميل سطحي لأحواض الترسيب ويساوي تقريبًا 0.48 م3/م2/يوم (20 لتر/م2/ساعة) وبالتالي لا بد من توفير مساحة سطح أكبر بنسب النسبة بين معدلي التحميل السطحي. وعلى الرغم من ذلك إلا أن الأغشية مقسمة في شكل شعيرات وبالتالي يتم تقسيم المساحة الكلية إلى عدد كبير من المساحات الأصغر مما يوفر مساحة فعالة كبيرة في حجم صغير.
تحليل نقطة الحالة State Point Analysis
تبين مما سبق أنه في عملية المعالجة البيولوجية باستخدام الحمأة المنشطة؛ يعتبر حوض التهوية والترسيب وحدة واحدة لنظرًا لارتباطها بمعايير تصميم وتشغيل مشتركة التأثير. في البداية تم جمع تلك المعايير في شكل معادلات جبرية ثم جمعت في شكل بياني يطلق عليه تحليل نقطة الحالة، كما هو موضح في شكل (1).
شكل (1) موضح عليه ثلاثة منحنيات، الأول يوضح معدل التحميل السطحي Surface Overflow Rate (SOR)، والثاني يوضح معدل تحميل الحمأة Under Flow Rate (UFR)، والثالث يوضح منحنى الترسيب أو سعة حوض الترسيب وهو دالة في مؤشر حجم الحمأة SVI.
قيمة نقطة تقاطع المنحى الأول والثاني على المحور الأفقي تحدد قيمة MLSS المناسبة لكلًا من حوض التهوية وحوض الترسيب بشرط أن تقع داخل مساحة المنحنى الثالث. في حالة خروج النقطة خارج مساحة المنحنى الثالث فإن حوض الترسيب يفشل في عملية الفصل، وإذا خرجت نقطة تقاطع المنحنى الثاني (UFR) مع المحور الأفقي خارج مساحة المنحنى الثالث فإن حوض الترسيب يفشل في تركيز الحمأة المترسبة.
القيمة المقابلة لنقطة الحالة على المحور الرأسي تحديد معدل تحميل المواد الصلبة، وهي قيمة مقبولة طالما نقطة الحالة حققت شروط نجاح حوض الترسيب في الفصل والتركيز.
تأثير تركيز المواد الصلبة العالقة للسائل المخلوط على كمية الهواء
يتم حساب قيمة الأكسجين اللازم لإتمام عملية التحليل البيولوجي كقيمة أولية لحساب كمية الهواء، وبعدها يتم تصحيح القيمة عن طريق معامل يجمع العديد من العناصر الخاصة بالموقع ونظام التهوية ومنها: الضغط الجوي عند منسوب الموقع، درجة الحرارة، قيمة الأكسجين الذائب المطلوب في حوض التهوية، قيمة الأكسجين الذائب القياسية، معامل ألفا والذي يعبر عن درجة تشتت فقاعات الهواء بسبب المواد الصلبة، ومعامل بيتا الذي يعبر طبيعة مياه الصرف.
معامل ألفا للمياه النظيفة يساوي 1.0 ويقل كلما زاد تركيز المواد الصلبة بالمياه، وتتناسب قيمة الأكسجين المطلوبة لعملية التحلل البيولوجي عكسيًا مع قيمة معامل ألفا؛ أي أنه كلما زاد تركيز المواد الصلبة بحوض التهوية زادت كمية الهواء المطلوبة وبالتالي ترتفع الطاقة الكهربية المستهلكة. شكل (2) يوضح قيم معامل ألفا كدالة في MLSS باستخدام ثلاث معادلات تجريبية. وقيمة معامل ألفا ذو دلالة على ارتفاع معدل استهلاك الطاقة الكهربية في نظام أغشية المفاعلات الحيوية (MBR) بسبب ارتفاع تركيز المواد الصلبة حوالي ثلاثة أضعاف التركيز في الطرق البيولوجية الأخرى.
النقاش والنتائج
من خلال عرض تلك المفاهيم البسيطة؛ تظهر بشكل واضح العلاقة العكسية بين المساحة والطاقة بدراسة معيار تصميمي واحد وهو تركيز المواد الصلبة العالقة للسائل المخلوط MLSS على حجم ومساحة كلًا من حوض التهوية والترسيب، وأيضًا على كمية الهواء المطلوبة لعملية التحلل البيولوجي.
محمود لطفي
ماجستير هندسة قوى ميكانيكية، مهندس أول تصميمات وعروض بشركة IETOS
E-mail: mahmoud.lutfy@gmail.com
المراجع
المركز القومي لبحوث الإسكان والبناء، “الكود المصري لأسس تصميم وشروط تنفيذ محطات تنقية الشرب والصرف الصحي ومحطات الرفع، المجلد الثاني، أعمال المعالجة”، إصدار 2017.
Metcalf and Eddy, “Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, Reuse”, McGraw-Hill.
Karia. G., Christian. R., “Wastewater Treatment: Concepts and Design Approach”, PHI.
Sincero A. P., Sincero G. A., “Physical–Chemical Treatment of Water and Wastewater”, CRC Press LLC.
http://onlinembr.info/mbr-design/mlss-and-viscosity/