معالجة الصرف الصناعى(المعالجة البيولوجية وتصميم خزانات التهوية)

المعالجة الثانوية ( المعالجة البيولوجية )
Secondary (Biological ) Treatment …
تسمى المعالجة الثانوية بالمعالجة البيولوجية لاعتماد هذه المرحلة أساسا على الكائنات الحية الدقيقة فى أكسدة وتجميع نسبة كبيرة من المواد العضوية الذائبة والمعلقة الصغيرة بمياه الصرف الصحى بعد مرحلة المعالجة الابتدائية . والواقع أن حجز المواد العالقة قد يصل لأكثر من 50% فى عملية الترسيب الابتدائى , إلا أن حجز الأكسجين الحيوى المستهلك لا يتعدى 40% , وهذا مقياس لما يمكن أن تحتجزه عمليه الترسيب الابتدائى من المواد العضوية الكربونية ولا يمكن اعتباره مقياس لحجز المواد العضوية كلها وعلى ذلك فكفاءة مرحلة المعالجة الابتدائية فى حجز المواد العضوية قد لا يتعدى (20- 25) % من كمية المواد العضوية الفعلية والمعالجة الابتدائية لا تتعدى مرحلة تحسين لخواص المخلفات السائلة وحجز المياه الطافية والمواد الرسوبية منها.
نشاط الكائنات الحية الدقيقة فى عمليات المعالجة الهوائية
Activity of Microorganisms
in the Aerobic Treatment
تتواجد الكائنات الحية الدقيقة بصورة طبيعية فى مياه الصرف الصحى, ووجود المواد العضوية كغذاء لهذه الكائنات يجعلها فى حالة نشاط وتكاثر مستمر .
العوامل التى تؤثر فى نمو ونشاط الكائنات الحية الدقيقة :
درجة الحرارة. ( 5 – 35 ) درجة مئوية.
الأكسجين الذائب فى المياه (DO).
الأس الأيدروجينى (pH). ( 6.50- 8.50 )
تركيز العناصر التى تتغذى عليها هذه الكائنات……. (C/N/P)
Carbon, Nitrogen, Phosphorus.
وجود مواد سامة لها تأثير على نشاط الكائنات الدقيقة.
طرق المعالجه البيولوجيه
Methods of Biological Treatment
يوجد طرق كثيره للمعالجه البيولوجيه ونكتفى فى هذا المقرر بدراسة اكثرها انتشارا وهى :
المرشحات البيولوجيه (مرشحات الزلط) Trickling Filters
أحواض الحمأه المنشطه Activated Sludge Tanks
التهويه المطوله فى الاحواض Extended aeration Tanks
التهويه المطوله بقنوات الاكسده
(Oxidation Ditch) ( Extended aeration)
البيولوجية Trickling Filters
وتسمى أيضا Biological filter
أو تسمى Aerobic fixed film reactor
تتكون هذه الوحدات من أحواض تنشأ عادة من الخرسانة المسلحة أو مبانى الطوب, وتملأ هذه الأحواض بالزلط أو كسر الطوب أو الحجارة بأحجام مناسبة وبعمق محدد وحديثا تستخدم كرات من البلاستيك أو حلقات من المواسير الغير معدنية وتسمى هذه المواد (fixed film media) وقد بدأ استخدام هذه الطريقة فى عمليات المعالجة فى عام 1910ومازالت منتشره حتى الان.
تعتمد طريقة التشغيل على توزيع المياه بواسطة مواسير مثقبة تدور بسرعة محددة وأثناء دورانها تندفع المياه من الثقوب وتسقط على سطح المرشح وتتخلل فجوات الزلط أو الحجارة فتتكون على أسطح هذه المواد طبقة هلامية, وتحتوى هذه الطبقات البيولوجية المتكونه بالمرشح على البكتريا والأوليات والفطريات والكائنات الأخرى. ويتركز النشاط الحيوى على هذه الطبقة التى تتكون على سطح الزلط.
أولا:المرشحات
وباستمرار مرور مياه الصرف الصحى على سطح الزلط يزداد سمك الطبقة البيولوجية ويكون الجزء الداخلى منها بعيدا عن نشاط البكتريا الهوائية وتكون الطبقة الملاصقة لسطح الزلط عرضة لنشاط البكتريا اللاهوائيه (Anaerobic Bacteria) وما ينتج عنه من غازات مثل ثانى أكيد الكربون تساعد مع المياه المتساقطة على فصل الطبقات البيولوجية من أسطح الزلط
أسس التصميم Design Criteria of Trickling Filters
1- معدل الحمل العضوى=(Organic Load)( OL)
=( 60-180 ) جرامBOD لكل متر مكعب من حجم المرشح فى اليوم فى حالة التصرف المتوسط.
2- الحمل الهيدروليكى =(H.L) (Hydraulic Load)
= 2.00- 4.5م3/ م2 من مساحة المرشح / يوم.
3- عمق المرشح = ( 1.50 – 2.40 ) متر.
4- قطر المرشح لايزيد عن 40 متر.
5- كفاءة المرشحات يمكن حسابها من المعادلة الآتية:
ك =
حيث ك = كفاءة المرشح + حوض الترسيب الذى يليه.
ع = وزن الأكسجين الحيوى المستهلك بالكيلو جرام لكل متر مكعب من مياه الصرف الصحى التى تدخل المرشح فى اليوم.

لتصرف قدره 6000م3/يوم , صمم المرشحات البيولوجية العادية إذا كان تركيز BODفى مياه الصرف الصحى عند دخولها المرشحات 140 مجم / لتر =140 ( جم / متر مكعب ).

الحل :
وزن ال BOD فى مياه الصرف الصحى عند دخولها المرشحات =6000× 140=840.000 جم/ يوم.
وبفرض الحمل العضوى(Organic Load) OL120 جرام BOD/ متر مكعب من حجم المرشح / يوم.
حجم المرشحات = 840.000 ÷ 120 = 7000م3.
وبفرض الحمل الهيدروليكى H.L= 2 م3/م2/يوم
فتكون المساحه السطحيه= 6000 ÷ 2 = 3000م2.
ويكون عمق المرشح = 2,33 متر.
ويمكن إما فرض قطر معين للمرشح واستنتاج العدد ,
أو فرض العدد واستنتاج القطر يعتمد ذلك على مدى الخبرة فى أعمال التصميم ,
فمثلاً إذا فرضنا عدد المرشحات يساوى 3 فإن مساحة المرشح الواحد = 1000متر مربع.
ويكون قطر المرشح فى هذه الحالة = 35.7 متر

كفاءة المرشح = 100 ÷ ( 1 + 0.44 )
ع = 840 ÷ 6000 = 0.140 كجم BOD/ متر مكعب / يوم.
كفاءة المرشح = 100 ÷ ] 1 + 0.44 (0.37 ) [ =85.8 %.
وهذه الكفاءة تعبر عن كفاءة المرشحات + أحواض الترسيب التى تلى المرشحات.
ثانيا:احواض التهويه (الحمأه المنشطه)Activated Sludge Units
تعتمد هذه العملية على تنشيط (micro-organisms)الكائنات الحية الدقيقة والمسماه(aerobic bacteria) بمياه الصرف الصحى ,والمتجمعه على سطح المواد العالقة التى ترسب فى أحواض الترسيب النهائى ويعاد نسبة من هذه الرواسب المحمله بالبكتريا إلى أحواض التهوية . وفى هذه الأحواض تجد الكائنات الحية الدقيقة البيئة الملائمة بما فيها من مواد عضوية وأكسجين ذائب فى المياه والتقليب المستمر يساعد فى تهوية المياه وتنشيط البكتريا, وتهوية هذا المخلوط يعطى فرصة للبكتريا الهوائية لتنشط ويزيد عددها فتقوم بعملها بعد ذلك فى أحواض التهوية الرئيسية وتؤكسد المواد العضوية الذائبة مثل الكربون والنيتروجين والفسفور... الخ، حيث تحتوى هذه الرواسب على إعداد كبيرة من البكتريا الهوائية تقوم بعملية أكسدة وتجميع المواد العضوية فى أحواض التهوية بصورة تساعد على ترسيب هذه المواد فى أحواض الترسيب الثانوية. ولهذا السبب سميت رواسب حوض الترسيب النهائى (الثانوى ) بالحمأه المنشطه( activated sludge)
أهمية النيتروجين والفسفور فى عملية الحمأة المنشطة العادية
تحتاج عمليات المعالجة البيولوجية إلى وجود عناصر مثل النتروجين (N) والفسفور(P) فى المخلفات السائلة , وهذه العناصر موجودة أصلا فى مياه الصرف الصحى المنزلية بتركيزات كافية , إلا أن مخلفات صناعية كثيرة لا تحتوى على هذه المواد . ويفضل لتشغيل هذه الطريقة بكفاءة ألا تقل نسبة النتروجين والفسفور إلى(BOD)المطلوب إزالته والذى يمثل الكربون(C) اللازم لنمو البكتريا عن 20:1 بالنسبة للنتروجين , و100:1 بالنسبة للفسفور. اى ان نسبة الكربون الى النيتروجين الى الفسفور(C/N/P ratio) فى مياه الصرف يجب ان تكون حوالى (100/20/1) لكى تنمو البكتريا بشكل مستمر.
الحمل العضوى فى المعالجة البيولوجيه F/M
ب) يمكن أيضاً فرض الحمل العضوى على أساس نسبة المواد العضوية فى مياه الصرف الصحى إلى الكائنات الحية الدقيقة فى أحواض التهويةFood to Microorganism Ratio)) ويرمز لها بالرمز F/M .كما سبق ذكره فى أحواض التهوية.
لضمان استمرارية تشغيل احواض التهوية بجميع أشكالها باعلى كفاءه ممكنه يجب ضبط العلاقة بين المواد العضوية الذائب وهى الغذاء (food) وبين من سيتولى هضم هذا الغذاء وتحويلة الى مواد رسوبية وهى البكتريا microorganism وهذه العلاقة لها مسمى علمى وهو (F/M) أو نسبة الغذاء للبكتريا
food /microorganism
ويمكن التعبير عن F/M بوزن الأكسجين الحيوى المستهلك BOD وهو يمثل الماده الغذائية بالنسبة للمواد العالقة الطيارة فى أحواض التهوية وهى تمثل كمية البكتريا تقريبا
(Mixed Liquor Volatile Suspended Solids,) (MLVSS)
Food to Microorganism(F/M) Ratio as
Kg of BOD/day / Kg of MLVSS
بالنسبة للمواد العالقة فى أحواض التهوية
(MLSS) (Mixed Liquor Suspended Solids)
Food to Microorganism(F/M) Ratio as
Kg of BOD/day / Kg of MLSS .
مقدرا بالكيلو جرام BOD لكل كيلو جرام مواد عالقة طيارة فى مياه أحواض التهوية فى اليوم ويساوى (0.10 – 0.20 ) فى المناطق المعتدلة ، ويساوى (0.20 – 0.30) فى المناطق الدافئة والحارة.
أسس تصميم أحواض التهوية Design Criteria of Aeration Tanks.
التصرف التصميمى هو مجموع التصرف الخارج من المعالجة الابتدائية Qav بالاضافه للحمأه المعاده من حوض الترسيب النهائى Qd = Qave + Qr
ونسبة الرواسب المعادة تكون Qr =(0.20-0.35) Qave من الترسيب النهائى لأحواض التهوية
3- الحمل العضوى (Organic Load) OL لا يزيد عن 560 جرام أكسجين حيوى مستهلك لكل متر مكعب من حجم الأحواض فى اليوم.
4- عمق الحوض يتراوح بين 3 – 4.5 متر.
6- عرض الحوض 4.5 – 6 متر.
7- طول الحوض الواحد يتراوح بين 30 و 120 متر.
8- معدل الهواء المضغوط اللازم للتهوية تكون (2–11) م 3هواء/م3 من مياه الصرف الصحى,ويمكن حسابه على أساس 95م3هواء/كيلو جرام BOD داخل لحوض التهوية.
مثال :-
صمم أحواض التهوية بالهواء المضغوط لتصرف قدرة 30000 ثلاثون ألف متر مكعب فى اليوم , بفرض الأكسجين الحيوى المستهلك فى مياه الصرف الصحى الخام 300 مجم /لتر وأن نسبة 35% منها يتم ترسيبها فى أحواض الترسيب الابتدائى .
ثم صمم أحواض الترسيب النهائى التى تلى أحواض التهوية ، بفرض أن المواد الصلبة فى الحمأة المترسبة تساوى 200مجم/لتر.
الحل :-
بفرض الحمأة المعادة 25% من التصرف
(Qr=0.25 Qave) = 30000 × 0.25 = 7500 م3/يوم
التصرف التصميمى (Qd=1.25 Qave) = 37500 م3/يوم
وبفرض مدة بقاء المياه فى الأحواض = 8 ساعات
حجم أحواض التهوية = 37500 (8 ÷24) = 12500 م3
ولمراجعة الحمل العضوى (Organic Load) OL الممثل فى كمية الأكسجين الحيوى المستهلكBOD فى المياه التى تدخل أحواض التهوية نجده كما يلى:
= 30000 × 300 × 0.65 = 5850 كجم BOD/يوم.
الحمل العضوى = 5850 ÷ 12500 = 0.468 كجم BOD/م3 من حجم أحواض التهوية وهى أقل من 0.560 فتكون مناسبة لأنها فى حدود أسس التصميم.
وبفرض عرض الحوض 5 متر ، وعمقه 4 متر
طول الأحواض = 12500 ÷ (4×5) = 625 متر
وباختيار 8 أحواض ، يكون طول كل حوض = 78 متر
وكمية الهواء المستخدمة = 8 متر مكعب هواء لكل متر مكعب مياه
= 8 × 30000 = 240000 م3/يوم
= 2.77 م3/ثانية
وبفرض سرعة الهواء فى المواسير = 10 متر /ثانية
قطر الماسورة الرئيسية من ضاغطات ( blowers ) الهواء لأحواض التهوية
= 0.595 متر = 600 مم.
أحواض الترسيب النهائى
التصرف = 37500 م3/يوم. (Qd=1.25 Qave) =
التحميل السطحى OFR (Over Flow Rate)= 32 م3/م2 /يوم.
مساحة الأحواض = 37500 ÷ 32م2= 1172
بفرض 3 أحواض مساحة كل حوض = 391 متر مربع.
قطر الحوض = 22.3 متر ، والعمق يمكن فرضه 4 متر.
وزن المواد الصلبة فى رواسب الأحواض = 37500 × 0.200 =
=7500 كجم /يوم.
حيث أن هذه الرواسب تمثل 2 % من وزن الحمأة ( بفرض 98 % مياه).
وزن الحمأة = 7500 ÷ 0.02 = 375000 كجم /يوم = 375 طن /يوم.
حجم الحمأة = 375 متر مكعب فى اليوم ، بفرض الكثافة تساوى 1 تقريباً.