مياه الصرف الصحي وسبل معالجتها

مياه الصرف الصحي wastewater ؛ هي المياه التي استعملت في أغراض مختلفة وتغيّرت مواصفاتها الفيزيائية والكيماوية والجرثومية وأصبحت ملوّثة ، ولابدّ من جمعها وصرفها بشكل صحّي ومعالجتها لتخفيف الأضرار الناجمة عنها.

وحسبَ مجالات استعمال المياه وطبيعة المواد العالقة فيها يمكن تحديد ثلاثة مصادر لها ، وهي  :

ـ مياه الصّرف المنزلية : وتنتج من المرافق الصّحية الموجودة في المباني السّكنية والمباني العامة. وتحتوي على المخلفات البشرية وبقايا الصّابون والسكر والأملاح وبقايا الأطعمة.

ـ مياه الصرف الصناعية : وتنتج من استعمال الميّاه في الصناعات المختلفة للأغراض الإنتاجية ، وتختلف كميتها ونوعيتها حسب نوعية الصناعة والمواد المنتجة.

ـ مياه الأمطار : وهي الأمطار الهاطلة على أسطح المباني والشّوارع والسّاحات ، وهي ذات تدفق غير منتظم وتحمل معها كل ما تجرفه من سطوح المباني والطرقات .

◘ لمحة تاريخية عن التصريف الصحي :

بدأت مشكلة مياه الصرف الصحي  sewage disposal، مع وصول التّخديم المائي إلى الدورات الصّحية التي كانت تقام بعيداً عن المنازل السّكنية . وفي البداية أنشأ الإنسان أحواضاً مطمورة صمّاء لتجميع المياه القذرة ، ثم انتقلت دورات المياه إلى داخل المنازل ، وصارت حفر التجميع تستقبل مياه الشطف والغسيل والجلي والحمّامات ودورات المياه. 

ومع تطوّر المجتمعات البشرية وإقامة المُدن ، بدأ التفكير بتجميع ميّاه الصّرف من الأبنية لجرها عبر أقنية مطمورة أو شبكات من الأنابيب إلى خارج حدود المدينة (أقرب نهر أو بحيرة أو أقرب شاطئ بحري) ، وقد عرفت مدينة لندن أقدم شبكة صرف صحي عامة في أوربا ، ثم انتقلت الفكرة عن طريق نابليون الثالث إلى مدينة باريس لتنتشر بعد ذلك في مدن أوربية كثيرة ، وليفرض فيما بعد على جميع مالكي الأبنية ضرورة ربط شبكات الصرف لديهم بقنوات مطمورة إلى شبكة الصّرف العامة .

وأدى ازدياد طرح كميات مياه الصرف في الأحواض المائية إلى تفاقم مشكلات تلوث المياه ، مما حتَّم معالجة هذه المياه قبل طرحها إلى الأحواض المائية ، وقد بدأت فكرة معالجة مياه الصرف الصحي باستخدام طرائق ميكانيكية ، كالترقيد لإزالة العوالق الكبيرة ، ثم استخدام المصافي الخشبية والمعدنية ، ثم استخدام المرشحات الرملية البطيئة القابلة للغسيل العكسي .

أما فكرة المعالجة البيولوجية فقد ظهرت بعد مدة طويلة من استخدام مياه الصرف الخام في ري المزروعات، وقد بدأ الباحثون باستخدام هذه الفكرة لتصفية مياه الصرف الصحي عبر الأراضي الرملية ، وظهر المرشح البيولوجي biologica filter بعد معرفة دور البكتريا في هدم المادّة العضوية ، ثم ظهرت طرق جديدة في المعالجة ، كنظام القرص البيولوجي الدوّار والمفاعلات البيولوجية المختلفة bioreactors وغيرها . وقد حقق الباحثان الإنكْليزيان وليام لوكيت William Lockett  وإدوارد أرديرن Edward Ardern ثورة علمية في مجال معالجة مياه الصرف عام 1914 باكتشافهما طريقة الحمأة المنشطة  activated sludge، والتي تعني معالجة مياه الصرف الصحي بوساطة الندف المنشطة . وتعد هذه الطريقة بمنزلة تنقية ذاتية منشطة اصطناعياً؛ إذ أن العمليات التي تجري فيها هي نفسها التي تجري في المجاري المائية الطبيعية كالأنهار والبحيرات . وتتم معالجة المخلفات السائلة بطريقة الحمأة المنشطة عن طريق تهوية وتقليب هذه المخلفات في أحواض خاصة تدعى أحواض التهوية ، وينتج من ذلك امتصاص الخليط للأكسجين من الهواء ، واستعمال البكتريا الهوائية وكائنات دقيقة أخرى هذا الأكسجين في تثبيت المواد العضوية العالقة والذائبة وتحويلها إلى مواد غير قابلة للتحلل ، كما يؤدي التقليب المستمر للخليط إلى ترويب المواد العالقة الدقيقة coagulation ، أي تجميع هذه المواد وتلاصقها إلى حبيبات أكبر flocs يسهل ترسيبها في أحواض الترسيب النهائي . وكان العالم الألماني إمهوف Imhoff  أول من طوّر حوض التخمير المقترح لمعالجة الحمأة بإنشائه حوضه المعروف باسمه ، والمكون من حوضين ؛ العلوي منه يقوم بدور الترقيد ، أما السفلي فيقوم بدور غرفة تخمير للحمأة المتجمعة. 

◘ أقسام شبكات الصرف الصحي :

تنقسم شبكات الصرف الصحي إلى قسمين :

ـ الشبكات الداخلية: تبدأ من الأجهزة الصحية الموزعة في المبنى وتنتهي عند نقطة التقائها مع الشبكة الخارجية.

ـ الشبكات الخارجية: هي مجموعة الأنابيب والمنشآت الملحقة بها ، وتجمع المياه الملوثة من مصادرها وتنقلها بانتظام إلى خارج حدود المنطقة السكنية، حيث يتم معالجتها وصرفها إلى المصب النهائي، والذي غالباً ما يكون نهراً أو بحراً أو وادياً.

وبدورها تنقسم شبكات الصرف الصحي الخارجية حسب نظام الصرف المعتمد ، والذي يتعلق بنوعية المياه المصروفة وتركيبها إلى نوعين رئيسين :

ـ الشبكة المشتركة: وتصرف إليها المياه المنزلية والصناعية والمطرية ، وتعرف بالشبكة العامة ، وهي أوفر من الناحية الاقتصادية.

ـ الشبكة المنفصلة: تصرف المياه المنزلية في شبكة خاصة بها وتسمى الشبكة المنزلية ، في حين تصرف مياه الأمطار في شبكة أخرى تسمى الشبكة المطرية ، أما المياه الصناعية، إن وجدت ، فإما أن تصرف بشبكة خاصة أو تجمع مع المياه المنزلية وذلك حسب تركيبها .
يعد هذا النوع  من الشبكات أفضل من الناحية الفنية إلا أنه أكثر كلفة ، ويتم اختيار النظام الملائم وفقاً للشروط الصحية والاقتصادية والفنية المحلية .

◘ المراحل الأساسية لدراسة شبكة صرف صحي خارجية :

تمر دراسة شبكات الصرف الصحي في المدن بالمراحل الآتية ؛

ـ إعداد مخطط تنظيمي للمنطقة المدروسة بمقياس 1/2000ـ1/5000 مبينا عليه المناطق السكنية والصناعية والمباني العامة والشوارع والطرقات والحدائق وغيرها ، وكذلك مناطق التوسع المستقبلي الذي يقدر بثلاثين سنة أو أكثر ، كذلك لابد من توفيرالمخطط الطبوغرافي الذي يساعد على تخطيط الشبكة .

ـ تحديد عدد السكان الحالي والمستقبلي ؛ أي بعد ثلاثين عاماً أو أكثر ، وهذه المدة تعرف بالمدة التصميمية للمشروع .

ـ دراسة الأحوال المناخية في المنطقة (درجة الحرارة واتجاه الرياح والعواصف المطرية وغيرها). 

ـ تحديد التصريف في نهاية المدة التصميمية ، وذلك بحسب نظام الصرف المعتمد ، إذ يحدد التصريف المنزلي استناداُ إلى عدد السكان التصميمي ومعدل الصرف اليومي للفرد الواحد . ويؤخذ عادة كنسبة مئوية من معدل الاستهلاك اليومي لمياه الشرب (70ـ90%) . أما التصريف المطري فيحدد استناداً إلى العواصف المطرية الخاصة بالمنطقة .

ـ تخطيط الشبكة : يتم اختيار مسارات الخطوط الفرعية والثانوية والرئيسية والمجمع العام ضمن الشوارع والطرقات ، مع الأخذ في الحسبان ميول الأرض الطبيعية بحيث يكون الجريان ضمن الشبكة بالإسالة الطبيعية .

ـ الحساب الهدروليكي، ويشمل تحديد مايلي :

ـ أنواع الأنابيب وأقطارها : يمكن استخدام الأنابيب بمختلف أنواعها الخزفية والإسمنتية الأمْيانتية (الإترنيت) والحديد الصلب (الفونت) والحديد الأسود واللدائنية والإسمنتية العادية والمسلحة ، وتفضل الأخيرة لسهولة تصنيعها ورخص أسعارها مقارنة مع غيرها . وتفضل الأنابيب ذات المقطع الدائري حيث لايقل قطرها عن 250مم لتخفيف عمليات الصيانة. 

ـ سرعة الجريان : يجب ألا تقل عن 0.7م/ثانية منعاً من ترسب المواد العالقة في الأنابيب ، وألا تزيد على 3م/ثا منعاً من اهتراء الجدران الداخلية للأنابيب .

ـ ميل قاع الأنبوب : يتم اختيار الميل الطولي الذي يحقّق سرعة الجريان المطلوبة. 

ـ نسبة الملء : تختلف نسبة الملء بحسب نظام الصرف ، ففي الشبكات المشتركة يفضل ألاّ تقل عن 0.8 ، وتؤخذ في الشبكات المنفصلة 0.6ـ0.7.

ـ عمق تمديد الأنبوب : يفضل ألا يقل عن 1.5م تحت سطح الأرض وألا يزيد على 7ـ8م .

المنشآت الملحقة بشبكات الصرف الصحي الخارجية

تتألف المنشآت الملحقة بشبكات الصرف الصحي مما يلي :

ـ غرف التفتيش : تبنى غرف التفتيش المحكمة على طول خطوط الشبكة لمراقبة عملها وإصلاحها عند اللزوم وتنظيفها في حال انسدادها، ويمكن أن تكون ذات مقطع مربع أو مستطيل أو دائري، وتبنى عادة من الإسمنت العادي أو المسلح، ويختلف عمقها حسب موقعها من الشبكة، ويجب أن تكون ذات أبعاد كافية بحيث تسهل أعمال الصيانة من خلالها. 

ـ البالوعات المطرية : توضع في كل النقاط المنخفضة قرب الرصيف وعند التقاطعات وذلك حسب ميول الشارع ، بغية إيصال مياه الأمطار ومياه الغسيل المتجمعة من الشوارع إلى شبكة الصرف الصحي .

ـ أحواض الدفق : تنشأ هذه الأحواض لغسيل الأنابيب التي تمدَّد بميول صغيرة أقل من الحد الأدنى، والتي تنشأ فيها نتيجة لذلك سرعة جريان صغيرة ، فتترسب المواد العالقة بالمياه .

يضاف إلى ذلك منشآت أخرى كالمثاعب السيفونات  (Siphons)، وأجهزة قياس التصريف ، وفواصل الزيوت والشحوم وغيرها . ومن الملاحظ أن غرف التفتيش من المنشآت الأساسية في شبكات الصرف الصحي الخارجية ، إذ لايمكن أن تخلو الشبكة منها مهما كان نوعها ونظام الصرف فيها ، أما بقية المنشآت فقد لاتكون ضرورية في جميع مشروعات الصرف ، ومن بينها محطات المعالجة . 

◘ تركيب المياه العادمة ومواصفاتها:

تحوي المياه العادمة مواد صلبة عالقة ، منها ما هو عضوي بنسبة 60ـ70% والباقي مواد غير عضوية ، إضافة إلى العديد من البكتريا والطفيليات وبيوض الديدان . ولتحديد درجة المعالجة اللازمة واختيار الطريقة الأفضل فيها لابد من تحديد مواصفات هذه المياه وأهمها :

ـ المواد الصلبة العالقة suspended solids : وتحدد بحسب ما ينتج من الفرد الواحد يومياً من هذه المواد ، وتقدر بـنحو 65ـ90غ/اليوم للشخص ، منها نحو40غ يمكن أن يترسب بطريقة طبيعية .

ـ الأكسجين البيوكيماوي المستهلك biochemical oxygen demanded  : هو كمية الأكسجين اللازم لتثبيت المواد العضوية القابلة للتحلل البيولوجي بفعل بكتريا هوائية . وتحدد حسب ما ينتج من الفرد الواحد يومياُ وتقدر بنحو 50ـ55غ/اليوم للفرد ، ويراوح تركيزه في مياه الصرف المنزلية بين 100ـ500 ملغ/ل ، ويتوقف ذلك على معدل الصرف اليومي للفرد الواحد .

ـ الأكسجين المنحل dissolved oxygen : يعد تركيز الأكسجين المنحل في مياه الصرف الصحي مؤشراً على درجة تلوثها. فإذا كانت درجة التلوث عالية وكمية المواد العضوية كبيرة ، يمكن أن ينعدم وجوده في المياه لأن البكتريا تكون قد استهلكته في أكسدة المواد العضوية .

ـ الأكسجين الكيمياوي المستهلك chemical oxygen demanded : هو كمية الأكسجين اللازمة لأكسدة كامل المواد العضوية الموجودة في مياه الصرف الصحي كيمياويا ، إذ إن الأكسدة الكيمياوية تحلل المواد العضوية التي لاتستطيع الكائنات الحية الدقيقة تفكيكها .

يضاف إلى ذلك مواصفات أخرى مثل، الكربون العضوي الكلي والمركبات الآزوتية والكلوريدات والرقم الهدروجيني pH والزيوت والشحوم وغيرها.

◘ معالجة مياه الصرف الصحي

تعد مياه الصرف الصحي أحد أخطر مصادر تلوث البيئة عموما والموارد المائية خصوصا ، وذلك عندما تطرح من دون معالجة في الأنهار والبحيرات والبحار، ولايقتصر هذا التلوث على انتشار الأمراض والأوبئة ، بل يؤثر أيضاً في الثروة الزراعية والحيوانية والسمكية ، كما يؤثر أيضاً في الناحية السياحية للمنطقة الملوثة، وكل ذلك له تأثير سلبي في الدخل القومي واقتصاد البلد، وتلافياً لهذه الأضرار لابد من معالجة مياه الصرف الصحي قبل طرحها.

وتتوقف طريقة المعالجة على درجة المعالجة المطلوبة ، والتي تتعلق بالمجال الذي سيعاد فيه استخدام هذه المياه بعد معالجتها (في الزراعة ، الصناعة…)، وفي حال طرح المياه المعالجة في المجاري المائية كالأنهار والبحيرات ، لابد من مراعاة أهمية هذه المجاري، وفيما إذا كانت مياهها تستخدم في الشرب أو الري أو الاستحمام .

ـ مراحل المعالجة وآلياتها:

تمر المياه العادمة في أثناء معالجتها بالمراحل الآتية أو بعض منها: 

ـ المعالجة الأولية (الميكانيكية)

تُسهم المعالجة الأولية في تخفيض المواد الصلبة العالقة بنسبة 60% تقريباً ، والأكسجين البيوكيمياوي المستهلك بنسبة 30ـ35% ، وتهدف إلى تخليص المياه من المواد العالقة الكبيرة الحجم نسبياً ، وذلك باستعمال التصفية والترسيب وأهم منشآتها :

ـ المصافي : الغاية منها حجز المواد الصلبة العالقة الكبيرة الحجم ، ومنها المصافي الخشنة والمتوسطة والناعمة .

ـ أحواض حجز الرمال : الهدف منها حجز المواد الصلبة العالقة غير العضوية وخاصة الرمال ، وذلك لتخفيف الحمل عن أحواض الترسيب وتحسين عملها .

ـ أحواض حجز الزيوت : الهدف منها فصل الزيوت والشحوم تحت تأثير مبدأ فروق الكثافات الحجمية .

ـ أحواض الترسيب الأولي : الهدف منها حجز أكبر كمية من المواد الصلبة العالقة العضوية. 

ولتخليص المياه بعد معالجتها من البكتريا الممرضة تجرى لها عملية تعقيم بالكلور أو الآزوت .

ـ المعالجة البيولوجية 

هي معالجة متطورة ذات كفاءة مرتفعة وأقل كلفة من المعالجة الكيمياوية، وهي ضرورية في حال إعادة استعمال المياه بعد معالجتها في مجالات أخرى (كالري مثلاً) ، وتعتمد على نشاط البكتريا التي تقوم بأكسدة المواد العضوية وتحويلها إلى مواد ثابتة قابلة للترسيب.

تتم المعالجة البيولوجية في الشروط الطبيعية ضمن ما يعرف بحقول الري وحقول الترشيح أو في برك الأكسدة الطبيعية ، وهذه الأخيرة تتطلب مساحات واسعة وشروط مناخية خاصة (درجة حرارة ملائمة ، أشعة الشمس ، طحالب ، أكسجين منحل) مما جعل انتشارها محدوداً نوعاً ما . أما الطرائق الأكثر انتشاراً حالياً فهي المعالجة البيولوجية في الظروف الاصطناعية وتشمل :

ـ طريقة الحمأة المنشطة (أحواض التهوية) .
ـ طريقة المرشحات البيولوجية .
ـ طريقة خنادق الأكسدة (التهوية المديدة) .
ـ طريقة برك الأكسدة المهوّاة اصطناعياً .

تمتاز المعالجة البيولوجية بكفاءة عالية ؛ إذ يمكن تخفيض المواد الصّلبة العالقة بنسبة 90ـ95% ، والأكسجين البيوكيماوي المستهلك بنسبة 85 ـ90% ، والبكتريا بنسبة 90% . ولا ينتج منها روائح مزعجة ولا تشغل مساحات واسعة إذا ما قورنت بالطرائق الطبيعية ، ولكنها تحتاج إلى كوادر متخصصة في التشغيل والصيانة ، وهي مكلفة من الناحية الاقتصادية ذلكُ لحاجتها إلى تجهيزات ميكانيكية وكهربائية .

ـ المعالجة المتقدمة 

للحصول على مياه بمواصفات عالية، تدخل المياه بعد المعالجة البيولوجية إلى مرحلة المعالجة المتقدمة . وأكثر المنشآت المستعملة في هذا المجال المرشحات الرملية متعددة الطبقات ومنشآت أخرى تستعمل في تنقية مياه الشرب .

ويمكن تخفيض تركيز المواد صعبة التأكسد باستعمال الكربون المنشط أو بالأكسدة الكيمياوية أو بأي أسلوب آخر ، كما يمكن تخفيض تركيز الأملاح في المياه المعالجة باتباع إحدى الطرق المتبعة في إزالة ملوحة المياه .

ـ معالجة الرواسب (الحمأة)  sludge treatment

تنتج الحمأة في كل مرحلة من مراحل المعالجة وتختلف نوعاً وكماً بحسب نوعية المياه ومرحلة المعالجة الناتجة منها . وتحتوي على مواد عضوية غير مستقرة ذات رطوبة عالية تصل إلى 98ـ99 % من مكوناتها ، مما يجعلها مصدر تلوث للبيئة إن لم تتم معالجتها.

تشمل معالجة الحمأة المراحل التالية :

ـ التكثيف thickening: يتم ضمن أحواض خاصة، والهدف منه تخفيض رطوبة الحمأة وتقليل حجمها. 

ـ التخمير digestion: غالباً ما يكون التخمير لا هوائياً، إذ تقوم البكتريا اللاهوائية بتثبيت المواد العضوية، وينتج من ذلك غاز الميثان الذي يستخدم مصدر طاقة لتشغيل تجهيزات محطة المعالجة.

ـ التجفيف dewatering: يتم في شروط طبيعية ضمن ما يعرف بحقول تجفيف الحمأة، وهذه الطريقة تحتاج إلى مساحات واسعة وشروط مناخية ملائمة. كذلك يمكن أن يتم التجفيف اصطناعياً (التجفيف الميكانيكي) بوساطة المرشحات الانفراغية أو السيور الضاغطة أو أجهزة القوة النابذة ، وتتطلب هذه الطرائق إضافة مواد كيمياوية مساعدة مما يجعلها أكثر كلفة من طريقة التجفيف الطبيعي .

وتستخدم الحمأة بعد معالجتها سماداً لتحسين نوعية التربة الزراعية.

مراحل معالجة مياه الصرف الصحي