أساليب فعالة لمعالجة مياه الصرف الصحي

فهم توليد مياه الصرف الحضرية واحتياجات المعالجة

التحضر المتنامي يدفع احتياجات معالجة مياه الصرف الصحي

في الوقت الحاضر، يعيش أكثر من نصف سكان العالم في المناطق الحضرية، مما يُنتج حوالي 380 مليار متر مكعب من مياه الصرف الصحي الحضرية كل عام وفقًا لتقرير الأمم المتحدة الأخير الصادر في عام 2023. ومع النمو السريع للمدن، لا تستطيع البنية التحتية القديمة مواكبة هذا التوسع. فلننظر إلى المدن الكبرى التي يزيد عدد سكانها عن ثلاثة ملايين نسمة - نحو ستين بالمئة منها ببساطة لا تمتلك المرافق الكافية للتعامل مع كل هذه الكميات من النفايات بشكل صحيح. وعندما يتم تصريف مياه الصرف الصحي الخام في الأنهار والجداول، فإنها تحمل معها مواد ضارة مثل الكائنات المسببة للأمراض، وجزيئات البلاستيك الدقيقة، وبقايا الأدوية من خزائن أدويتنا. وتصل هذه الملوثات إلى مصادر المياه الجوفية، ونتحدث هنا عن قرابة ربع جميع مصادر مياه الشرب التي تتأثر بهذه الطريقة.

إحصائيات عالمية حول تصريف مياه الصرف الصحي والأثر البيئي

في جميع أنحاء العالم، يتدفق حوالي 80 في المئة من مياه الصرف الصحي مرة أخرى إلى أنظمتنا المائية دون تنظيف مناسب أولاً، مما يؤدي إلى تصريف ما يقارب 580 طناً من تلوث النيتروجين إلى الأنهار والبحيرات كل عام. فماذا يحدث بعد ذلك؟ حسناً، تنتهي هذه المواد بتكوين تلك المناطق الميتة المخيفة عبر أكثر من 700 منطقة ساحلية حيث لا يبدو أن أي شيء يعيش فيها بعد الآن بسبب استنفاد كامل للأكسجين. المشكلة الحقيقية ناتجة عن هذه الأنواع الجديدة من المواد الكيميائية التي نجدها في كل مكان الآن، مثل مركبات النونيلفينول والأدوية المضادة للصرع كاربامازيبين، والتي تمر بسهولة عبر محطات المعالجة التقليدية للمياه. وتظل هذه المواد عالقة في الأسماك والكائنات البحرية الأخرى، متراكمة مع الوقت حتى تصل إلى مستويات خطرة، وأحياناً تصل إلى 1.2 مليغرام لكل لتر وفقاً للبحث المنشور من قبل بونيمون في تقريره لعام 2022.

تُولي أنظمة معالجة مياه الصرف الصحي الحديثة الآن أهمية لهدفين مزدوجين: حماية الصحة العامة من خلال إزالة مسببات الأمراض (بمستوى أهداف أقل من 1 وحدة تكوين مستعمرة/100 مل من بكتيريا الإشريكية القولونية) واسترداد الموارد مثل الفوسفور (حتى معدلات استرجاع تصل إلى 90% ) لإعادة الاستخدام الزراعي.

العمليات البيولوجية الأساسية في معالجة مياه الصرف الصحي

عمليات الحمأة المنشطة باعتبارها الأساليب الهوائية الأساسية للعلاج

لا تزال أنظمة الحمأة المنشطة الهوائية العمود الفقري لمعالجة مياه الصرف الصحي الحديثة، حيث تستخدم بكتيريا تعتمد على الأكسجين لتدمير 85–90% من الملوثات العضوية في خزانات مهواة. وعادة ما تحقق محطات المعالجة البلدية تخفيضات في الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) تتجاوز 95% من خلال مجتمعات ميكروبية مُحسّنة والتحكم الدقيق في مستوى الأكسجين المذاب.

المعالجة البيولوجية باستخدام الكائنات الدقيقة والديدان لتحلل المواد العضوية

تكمل تقنيات الترشيح الديداني الهضم الميكروبي بواسطة Eisenia fetida الديدان، مما يسرع تحلل السليلوز بنسبة 40٪ مقارنة بالطرق التقليدية. ويقلل هذا النهج الهجين من حجم الحمأة بنسبة 30–35٪، ويزيل الروائح الكريهة، وهي فائدة رئيسية للأنظمة الموزعة.

الهضم اللاهوائي والتخمير لاسترداد الطاقة

تحول أجهزة الهضم اللاهوائي المغلقة الطاقة الكيميائية في مياه الصرف إلى غاز حيوي، وأظهرت دراسات حديثة إنتاجًا يتراوح بين 0.35 و0.45 متر مكعب من الغاز الحيوي لكل كيلوغرام من الأكسجين الكيميائي المستهلك (COD). ويعزز الدمج مع نفايات الطعام محتوى الميثان ليصل إلى 65–70٪، ما يجعل محطات المعالجة منتجة صافية للطاقة.

الأنظمة القائمة على الطحالب والمعالجة النباتية لإزالة العناصر الغذائية

مشاريع تجريبية تستخدم Chlorella vulgaris المايكرو طحالب تحقق استرداداً بنسبة 89٪ من النيتروجين و76٪ من الفوسفور من خلال التكافل بين الطحالب ومياه الصرف. وتزيل البرك المدمجة مع نبات الإوزبة والأراضي الرطبة الصناعية المعادن الثقيلة المتبقية بكفاءة تتراوح بين 60–80٪، مما يتيح إعادة استخدام المياه بأمان في الري الزراعي.

المراحل الثانوية والثالثية للعلاج الفيزيائي-الكيميائي

التكاثف، التلبد، والترسيب لإزالة المواد الصلبة

بعد اكتمال مرحلة المعالجة البيولوجية، تنتقل العملية إلى مرحلة التكاثف حيث تُضاف مواد كيميائية مثل الشبة أو كلوريد الحديديك لتدمير الجسيمات العالقة العنيدة في الماء. ما يحدث بعد ذلك يُعرف بالتلبد - وهو ببساطة تقليب بطيء يساعد هذه الجسيمات الصغيرة على التجمع معًا لتكوين تجمعات أكبر تُسمى الفلوك (flocs)، والتي تغرق في النهاية إلى القاع خلال عملية الترسيب. يمكن للمحطات الحديثة من المعالجة تقليل معدلات التعكر بنسبة تتراوح بين 80 إلى 90 بالمئة خلال ساعة واحدة تقريبًا. وعندما يقوم المشغلون بضبط جرعات المواد الكيميائية بدقة، فإنهم غالبًا ما يحققون نتائج أفضل أيضًا. فمعدلات إزالة المواد الصلبة ترتفع بنسبة 35 إلى 40 بالمئة تقريبًا، كما أن كمية الرواسب الناتجة تكون أقل بشكل عام، مما يجعل إدارة النفايات أسهل بالنسبة لطاقم المحطة.

الترشيح والأكسدة المتقدمة لتحلل الملوثات

تلتقط مرشحات الرمل والأنظمة الغشائية (الترشيح الدقيق/الترشيح النانوي) الجسيمات حتى 0.1 ميكرون، مما يزيل 95٪ من الميكروبلاستيك والكائنات الممرضة. وتحلل عمليات الأكسدة المتقدمة (AOPs) مثل الأوزون/الأمواج فوق البنفسجية أو تفاعل فنتون الأدوية والمبيدات من خلال توليد جذور الهيدروكسيل، وتصل إلى أكثر من 99٪ من تحلل المركبات العضوية الثابتة.

التطهير باستخدام الكلور، وكلورامينات، والإشعاع فوق البنفسجي

يتم التخلص من الكائنات الممرضة المتبقية من خلال:

تُظهر التحليلات الحديثة أن الأنظمة فوق البنفسجية تقلل من بكتيريا المطثية العفوية إلى أقل من 10 وحدة تكوين مستعمرة/100 مل في 98% من محطات المعالجة البلدية، مع تجنب تكوين مخلفات التطهير (DBPs).

إزالة المواد المؤثرة على الغدد الصماء والأدوية ومستحضرات العناية الشخصية في مراحل المعالجة الثلاثية

تستهدف امتصاص الكربون النشط والتؤجّر المركبات المؤثرة على الغدد الصماء (EDCs) والمنتجات الصيدلانية ومستحضرات العناية الشخصية (PPCPs) التي تفلت من المعالجة الثانوية. حيث يزيل الترشيح بالكربون النشط الحبيبي (GAC) من 60 إلى 80% من المركبات الاستروجينية، بينما تؤدي جرعات الأوزون البالغة 3–5 ملغ/لتر إلى تحلل 90% من المضادات الحيوية مثل السلفاميثوكسازول.

إدارة الطمي، واسترداد الموارد، ودمج الاقتصاد الدائري

من الطمي إلى المواد البيولوجية: التثبيت، وفصل المياه، والتخلص الآمن

تُحَوِّل معظم مرافق معالجة مياه الصرف الحديثة حوالي 95٪ من الطمي الخاص بها إلى مواد حيوية مستقرة باستخدام طرق مثل التحلل اللاهوائي جنبًا إلى جنب مع عمليات التجفيف الحراري. وقد تناول بحث نُشر في عام 2025 دراسة لطريقة عمل أنظمة الكربوننة المائية الحرارية، وكانت النتائج التي توصل إليها مثيرة للإعجاب فعلاً. فقد خفضت هذه الأنظمة تكاليف التخلص بنحو الثلثين تقريبًا، بينما أنتجت مادة تُعرف باسم الهيدروشار يمكن للمزارعين استخدامها في حقولهم. كما تتحقق عائدات الاستثمار بسرعة كبيرة أيضًا، وعادةً ما يحدث ذلك خلال ثلاث سنوات فقط أو نحو ذلك. وما يجعل هذا الأسلوب ذا قيمة خاصة هو أنه يتخلص من الكائنات الممرضة الضارة والمركبات العضوية المتطايرة المزعجة. وهذا يعني أن المنتج النهائي يستوفي جميع المتطلبات التي وضعتها وكالة حماية البيئة (EPA) للمواد الحيوية من الفئة A، وهو أمر مهم لأي منشأة تسعى للامتثال للوائح البيئية.

استرداد العناصر الغذائية والطاقة من تدفقات مياه الصرف

يمكن للتكنولوجيا الحديثة استخلاص حوالي 80 إلى 90 بالمئة من الفوسفور والنيتروجين من طين النفايات، والذي يُستخدم لاحقًا في صناعة الأسمدة. ويساعد هذا في التصدي لمشكلة ندرة المعادن حول العالم. وتحصل محطات المعالجة على ثلث إلى نصف احتياجاتها من الطاقة من غاز الميثان المنتج في تلك الحواجز الكبيرة، وأحيانًا تُعيد إرسال كهرباء إضافية إلى الشبكة. بدأت بعض أنظمة التحلل الحراري الأحدث في تحويل دهون الطين إلى وقود الديزل الحيوي بمعدلات تتراوح بين 120 و150 لترًا تقريبًا لكل طن يتم معالجته. تقلل هذه الابتكارات بشكل كبير من اعتمادنا على الوقود الأحفوري التقليدي للطاقة.

معالجة مياه الصرف وإغلاق الدورة: إغلاق حلقة الموارد

تُحدث أحدث تقنيات الترشيح الحيوي الممكّنة بشبكة الأشياء (IoT) تأثيرًا كبيرًا في استخلاص المعادن، حيث تستعيد النحاس والزنك والعناصر الأرضية النادرة الصعبة بنسبة أسرع بنحو 40٪ مقارنة بالطرق التقليدية. وتُجدِّد المدن التي تعتمد بجدية مبادئ الاقتصاد الدائري سبل إعادة استخدام ما يقارب 98٪ من المياه المعالجة مرة أخرى في الدورة، مثل ري الحدائق أو تبريد المعدات الصناعية. ولا ننسَ أن السليلوز المستخلص من طمي مياه الصرف الصحي أصبح ذا قيمة متزايدة في السوق المتنامية للمواد التعبئة القابلة للتحلل. ومن حيث نظرتنا، فإن هذه الأساليب تحقق عدة متطلبات من خطة العمل الخاصة بالاقتصاد الدائري في الاتحاد الأوروبي. ويتراوح البصمة الكربونية على مدى دورة الحياة بأكملها بين 18 إلى 22٪ أقل مقارنة بالتخلص من كل شيء بعد استخدام واحد فقط.

أساليب فعالة لمعالجة مياه الصرف الصحي

اختيار نهج معالجة مياه الصرف الصحي المناسب

مطابقة أساليب المعالجة لنوع مياه الصرف وملف الملوثات

الحصول على نتائج جيدة من معالجة مياه الصرف الصحي يبدأ بفحص المواد الكيميائية الموجودة وكمية التلوث الفعلية. عند التعامل مع النفايات الصناعية التي تحتوي على معادن ثقيلة أو أدوية متبقية، فإن العلاجات الخاصة مثل الأكسدة المتقدمة أو تبادل الأيونات تكون الأكثر فعالية. أما بالنسبة لمياه الصرف الحضرية العادية الغنية بالمواد العضوية، فإن الأساليب البيولوجية تكون عادةً الخيار الأفضل. ولا يزال عملية الطين المُفعّل شائعة لهذا النوع من المواد. وفقًا لأحدث النتائج الواردة في تقرير إعادة استخدام المياه الذي نُشر العام الماضي، يمكن للأنظمة المخصصة التي تستهدف ملوثات معينة أن ترفع الكفاءة بنسبة تقارب 30٪ مقارنةً بالأساليب الموحدة. وهذا أمر منطقي لأن أنواع النفايات المختلفة تتطلب أساليب معالجة مختلفة لتحقيق الأداء الأمثل.

الامتثال للمعايير التنظيمية ومتطلبات الاستخدام النهائي

تحتاج محطات معالجة مياه الصرف إلى الالتزام بحدود محددة فيما يتعلق بمستويات الأكسجين الحيوي المطلوب (BOD)، ومحتوى النيتروجين، وعدد الكائنات الممرضة، كما تنص الهيئات التنظيمية مثل وكالة حماية البيئة (EPA) والمنظمة العالمية للصحة. على سبيل المثال، تعمل تعقيم الأشعة فوق البنفسجية بشكل جيد ضد الميكروبات عندما تحتاج المياه إلى إعادة استخدامها لأغراض الري. من ناحية أخرى، تساعد أنظمة المفاعل الحيوية الغشائية المرافق على الوفاء بالمتطلبات الصارمة الخاصة بإطلاق المياه المعالجة في شبكات الصرف الصحي الحضرية أو المجاري المائية. وقد بدأت العديد من المراكز الكبيرة التي تعالج النفايات الناتجة عن مجتمعات يزيد تعدادها عن 10 آلاف نسمة مؤخرًا في تركيب معدات رصد فورية لمجرد البقاء ضمن التصاريح واللوائح وفقًا للتوجيهات الحديثة الصادرة عن السلطات الصحية في عام 2023.

الأنظمة البلدية مقابل الصناعية والحلول اللامركزية الموضعية

• المحطات البلدية تركز على قابلية التوسع، وغالبًا ما تدمج مراحل ثالثية مثل الترشيح الرملي
• أنظمة صناعية تركز على التحديات الخاصة بالصناعة (مثل فواصل النفط عن الماء في المصافي)
• الحلول اللامركزية مثل وحدات MBR المعبأة أو الأراضي الرطبة المبنية التي تخدم المجتمعات النائية، وتقلل تكاليف البنية التحتية بنسبة تصل إلى 45٪ (Global Water Intelligence 2024)

الاتجاهات الناشئة في إعادة استخدام المياه وتصميم المعالجة المستدامة

إن أحدث التطورات في مجال الذكاء الاصطناعي لتحسين العمليات واسترداد العناصر الغذائية تُحدث تغييرًا جذريًا في معالجة مياه الصرف الصحي. ففي الوقت الحالي، تقوم أكثر من 40 بالمئة من محطات المعالجة الحديثة بالفعل بجمع الغاز الحيوي من خلال عمليات التحلل اللاهوائي. وفي الوقت نفسه، ارتفع عدد مشاريع الاستخدام المباشر للمياه الصالحة للشرب التي تعتمد على التناضح العكسي بالإضافة إلى الأشعة فوق البنفسجية وعمليات الأكسدة المتقدمة إلى ما يقارب المضاعفة مقارنة بما كنا نشهده في عام 2022. كما بدأت تظهر أيضًا بعض النُهج الهجينة المثيرة للاهتمام، حيث يتم دمج البرك الطحالبية التقليدية مع أنظمة ذكية لإدارة الحمأة بشكل آلي. وتُظهر هذه الأنظمة حقًا كيف يمكن لتطبيق مفاهيم الاقتصاد الدائري أن يقلل من المصروفات التشغيلية بشكل كبير، بنحو 18 إلى 22 بالمئة سنويًا وفقًا للتقارير الصناعية الحديثة.