حاسبة المواد الصلبة العالقة المتطايرة في السائل المختلط (MLVSS) لمعالجة مياه الصرف

المواد الصلبة العالقة المتطايرة في السائل المختلط (MLVSS) هي الجزء العضوي القابل للتحلل الحيوي من المواد الصلبة العالقة في حوض تهوية الحمأة المنشطة. وتُستخدم كمقياس بديل لكمية الكائنات الحية الدقيقة النشطة التي تعالج مياه الصرف. تحسب هذه الحاسبة قيمة MLVSS من بيانات المختبر باستخدام طريقة النسبة المئوية للمواد الصلبة العالقة المتطايرة (VSS) أو طريقة المواد الصلبة العالقة الثابتة (FSS).

ما المقصود بـ MLVSS؟

تعتمد محطات معالجة مياه الصرف التي تستخدم عملية الحمأة المنشطة على الكائنات الحية الدقيقة لتفكيك الملوثات العضوية. ويُسمى مزيج الماء والكائنات الحية الدقيقة والمواد الصلبة في حوض التهوية بالسائل المختلط. بعض المواد الصلبة العالقة في هذا المزيج مواد عضوية، معظمها كائنات حية دقيقة حية وميتة. ويُسمى هذا الجزء العضوي المواد الصلبة العالقة المتطايرة، وعند قياسه في السائل المختلط يُسمى MLVSS.

أما الباقي من المواد الصلبة العالقة فهو مواد غير عضوية مثل الحصى والرمل والمعادن. ويُسمى هذا الجزء غير العضوي المواد الصلبة العالقة الثابتة (FSS)، أو MLFSS عند قياسه في السائل المختلط، لأنه لا يحترق عند التسخين. وتشكل MLVSS وMLFSS معًا المواد الصلبة العالقة في السائل المختلط (MLSS)، أي التركيز الكلي للمواد الصلبة العالقة في الحوض.

$\text{MLSS} = \text{MLVSS} + \text{MLFSS}$

يتابع المشغلون قيمة MLVSS لأنها تقرّب حجم القوة البيولوجية التي تنفذ المعالجة. ويعني استقرار مستوى MLVSS عمومًا أن المعالجة مستقرة ويمكن التنبؤ بها. وقد يشير الانخفاض المفاجئ إلى مياه داخلة سامة، أو سحب مفرط للحمأة، أو جرف العاصفة للكتلة الحيوية خارج الحوض.

كيفية حساب MLVSS

توجد طريقتان شائعتان لحساب MLVSS، وينبغي أن تعطي كلتاهما النتيجة نفسها إذا كانت قياسات المختبر دقيقة.

طريقة النسبة المئوية لـ VSS

تعرض بعض المختبرات VSS كنسبة مئوية من TSS (المواد الصلبة العالقة الكلية). وفي هذه الحالة:

$\text{MLVSS} = \text{TSS} \times \frac{\text{VSS\%}}{100}$

• MLVSS = المواد الصلبة العالقة المتطايرة في السائل المختلط (ملغم/لتر)
• TSS = المواد الصلبة العالقة الكلية (ملغم/لتر)
• VSS% = نسبة المواد الصلبة العالقة المتطايرة، وعادةً ما تكون 65–85% في نظام الحمأة المنشطة التقليدي

طريقة المواد الصلبة العالقة الثابتة (FSS)

تورد مختبرات أخرى الجزء الثابت (غير العضوي) مباشرةً. وفي هذه الحالة تُوجد قيمة MLVSS بالطرح:

$\text{MLVSS} = \text{TSS} - \text{FSS}$

نظرًا إلى أن VSS وFSS يساوي مجموعهما دائمًا TSS، تعطي هذه الصيغة النتيجة نفسها التي تعطيها طريقة النسبة المئوية عندما تتفق القياسات الأساسية. وإذا أعطت الطريقتان نتيجتين مختلفتين بوضوح للعينة نفسها، فينبغي التحقق من بيانات المختبر أو مناولة العينة.

مثال محلول

مثال 1: طريقة النسبة المئوية لـ VSS. يقيس أحد المشغلين TSS بمقدار 3,500 mg/لتر في حوض التهوية، مع نسبة VSS قدرها 75%.

$\text{MLVSS} = 3{,}500 \times \frac{75}{100} = 2{,}625 \text{ mg/L}$

مثال 2: طريقة FSS. يُقاس الحوض نفسه مباشرةً أيضًا: تبلغ قيمة TSS 3,500 mg/لتر، وتبلغ قيمة FSS 875 mg/لتر.

$\text{MLVSS} = 3{,}500 - 875 = 2{,}625 \text{ mg/L}$

تتفق الطريقتان، كما هو متوقع، لأن 875 mg/لتر من FSS تساوي تمامًا 25% من 3,500 mg/لتر من TSS.

كيفية استخدام هذه الحاسبة

1. أدخل قيمة المواد الصلبة العالقة الكلية (TSS) بوحدة ملغم/لتر.
2. اختر طريقة الحساب: «باستخدام النسبة المئوية لـ VSS» أو «باستخدام المواد الصلبة العالقة الثابتة (FSS)».
3. أدخل القيمة الثانية: إما النسبة المئوية لـ VSS (0-100%) أو قيمة FSS بوحدة ملغم/لتر.
4. اقرأ نتيجة MLVSS بوحدة ملغم/لتر، مع عرض الصيغة والأرقام المستخدمة.

تتحقق الحاسبة من أن TSS يساوي صفرًا أو أكثر، ومن أن النسبة المئوية لـ VSS تقع بين 0 و100، ومن ألا تتجاوز FSS قيمة TSS، لأن FSS جزء من TSS. وإذا فشل أحد الفحوص، تعرض رسالة توضح الإجراء التصحيحي.

نسبة MLVSS/MLSS

تتراوح نسبة MLVSS/MLSS عادةً في محطة الحمأة المنشطة التقليدية بين 0.65 و0.85، ما يعني أن 65–85% من المواد الصلبة العالقة عضوية. وقد يشير انخفاض النسبة عن هذا المجال إلى تراكم مواد صلبة خاملة أو دخول مواد غير عضوية إضافية من مصدر صناعي. وتعني النسبة القريبة من الحد الأعلى للمجال عادةً أن الكتلة الحيوية عضوية ونشطة في معظمها.

أهمية MLVSS في التحكم بالعملية

تدخل MLVSS في عدة حسابات يستخدمها المشغلون يوميًا:

• نسبة الغذاء إلى الكائنات الحية الدقيقة (F/M): تقارن الحمل العضوي الداخل بكمية الكتلة الحيوية المتاحة لمعالجته.
• زمن احتجاز المواد الصلبة (SRT)، ويُسمى أيضًا عمر الحمأة: المدة التي تبقى فيها الكتلة الحيوية في النظام، مما يؤثر في استقرار المعالجة والقدرة على إزالة الأمونيا (النترجة).
• إنتاج الحمأة: تعني زيادة الكتلة الحيوية عمومًا زيادة كمية الحمأة التي ينبغي سحبها والتخلص منها.
• الطلب على الأكسجين: تحتاج الكتلة الحيوية إلى الأكسجين لأداء وظيفتها، لذلك يرتبط استهلاك طاقة التهوية تقريبًا بقيمة MLVSS.

تُبيَّن الطرق المختبرية القياسية لـ MLVSS في الطرق القياسية لفحص المياه ومياه الصرف (الطريقة 2540E) وفي طريقة وكالة حماية البيئة 160.4.

كيفية حساب نسبة F/M

$\text{نسبة F/M} = \frac{\text{حمل الطلب الحيوي على الأكسجين في المياه الداخلة (كغ/يوم)}}{\text{كتلة MLVSS في الحوض (كغ)}}$

مثال. لدى إحدى المحطات القيم التالية:

• تدفق المياه الداخلة = 10,000 m³/يوم
• الطلب الحيوي على الأكسجين في المياه الداخلة = 250 mg/لتر
• حجم حوض التهوية = 2,000 m³
• MLVSS = 2,500 mg/لتر

بما أن 1 mg/لتر في تدفق مقاس بالمتر المكعب/يوم يساوي 1 غرام من الكتلة يوميًا، يُحسب الحمل بالكيلوغرام/يوم بالضرب والقسمة على 1,000:

• حمل الطلب الحيوي على الأكسجين في المياه الداخلة = 10,000 m³/يوم × 250 mg/لتر ÷ 1,000 = 2,500 كغم/يوم
• كتلة MLVSS = 2,000 m³ × 2,500 mg/لتر ÷ 1,000 = 5,000 كغم
• نسبة F/M = 2,500 كغم/يوم ÷ 5,000 كغم = 0.5 يوميًا

تعمل محطة الحمأة المنشطة التقليدية عادةً بنسبة F/M تتراوح بين 0.2 و0.6 يوميًا. وقد تؤدي النسبة المرتفعة جدًا إلى انتفاخ خيطي للحمأة، حيث تجعل البكتيريا الخيطية الحمأة سيئة الترسيب. أما النسبة المنخفضة جدًا فتهدر الطاقة في تهوية كتلة حيوية لم يتبقَّ لها سوى القليل من الغذاء لاستهلاكه.

نطاقات التشغيل المعتادة

تعرض جداول التصميم المنشورة تركيز المواد الصلبة الكلية (MLSS) بدلًا من الجزء المتطاير. ويمثل MLVSS الجزء المتطاير من هذه القيم، أي نحو 65–85% من كل نطاق.

يمكن للمفاعلات الحيوية الغشائية أن تعمل بتركيزات أعلى بكثير من المواد الصلبة، لأنها تفصل المواد الصلبة بالأغشية بدلًا من الاعتماد على الترسيب بالجاذبية في حوض الترويق.

كيفية قياس MLVSS في المختبر

يتضمن الإجراء القياسي خطوتين للتسخين:

1. خطوة TSS. يُرشَّح حجم معلوم من السائل المختلط عبر مرشح من الألياف الزجاجية موزون مسبقًا، ثم يُجفف عند درجة حرارة 103–105°C لمدة ساعة على الأقل، ويُبرَّد ويُوزن. وتمثل الزيادة في الوزن قيمة TSS (أو MLSS عندما تكون العينة من السائل المختلط).
2. خطوة الحرق. يُسخَّن المرشح نفسه في فرن عند درجة حرارة 550 °م لمدة 15–20 دقيقة. وتحترق المواد العضوية، تاركةً رمادًا غير عضوي. ثم يُبرَّد المرشح ويُوزن مرة أخرى.
3. النتيجة. يمثل الوزن المفقود أثناء الحرق الجزء المتطاير والعضوي، وهو MLVSS.

درجة حرارة الفرن مهمة. تحدد الطرق القياسية خطوة الحرق عند 550 °م مع سماحية قدرها 50 °م. وعند التشغيل بدرجة حرارة أعلى تبدأ الكربونات غير العضوية، مثل كربونات المغنيسيوم، في التحلل، مما يزيد فقدان الوزن المقاس ويعطي قراءة متطايرة مرتفعة زائفًا. أما التشغيل بدرجة حرارة أقل فقد يمنع احتراق المواد العضوية بالكامل.

بدائل MLVSS

يُستخدم MLVSS على نطاق واسع لأنه بسيط وموثوق، لكن طرقًا أخرى تقيس الكتلة الحيوية بدرجة أكبر من التحديد:

• ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات) يقيس جزيئًا لا يوجد إلا في الخلايا الحية، ولذلك يحصي الكتلة الحيوية النشطة دون المواد الميتة. ويتطلب جهاز تحليل مخصصًا.
• قياس التنفس يقيس معدل استهلاك الكتلة الحيوية للأكسجين، مما يوضح النشاط البيولوجي مباشرةً. وهو مفيد لاختبار ما إذا كانت المياه الداخلة سامة للكتلة الحيوية.
• قياس كمية الحمض النووي والتهجين الموضعي المتألق (FISH) يحددان كائنات دقيقة معينة ويحصيانها. وتُستخدم هذه الأساليب أساسًا في الأبحاث، وهي مفيدة لتحديد سبب الانتفاخ الخيطي للحمأة.

تقدم هذه الطرق تفاصيل أكثر، لكنها أعلى تكلفة وتستغرق وقتًا أطول، ولذلك يظل MLVSS المعيار للتحكم الروتيني في العملية.

الأسئلة الشائعة

ما الفرق بين MLSS وMLVSS؟ MLSS هو إجمالي المواد الصلبة العالقة في حوض التهوية، ويشمل المواد العضوية وغير العضوية. أما MLVSS فهو الجزء العضوي فقط. ويساوي MLSS مجموع MLVSS وMLFSS (المواد الصلبة العالقة الثابتة في السائل المختلط).

ما النسبة المعتادة لـ MLVSS/MLSS؟ تتراوح عادةً في محطة الحمأة المنشطة التقليدية بين 0.65 و0.85 (65-85%). وتشير النسبة الأقل إلى وجود مواد غير عضوية أكثر في المزيج.

كيف يؤثر MLVSS في نسبة F/M؟ يمثل MLVSS المقام في نسبة F/M. وعند ثبات الحمل العضوي، تؤدي زيادة MLVSS إلى انخفاض نسبة F/M. أما انخفاض MLVSS فيؤدي إلى ارتفاع نسبة F/M، وقد يشجع ذلك البكتيريا الخيطية سيئة الترسيب إذا ارتفعت النسبة كثيرًا.

ما أسباب الانخفاض المفاجئ في MLVSS؟ تشمل الأسباب الشائعة سحب الحمأة بكمية زائدة، ووجود مواد سامة في المياه الداخلة تقتل الكتلة الحيوية، وجرف الأمطار الغزيرة للكتلة الحيوية خارج الحوض، وانخفاض توفر الغذاء خلال فترات انخفاض الحمل، مثل العطلات.

هل يمكن أن تكون قيمة MLVSS مرتفعة جدًا؟ نعم. فارتفاع MLVSS يزيد الطلب على الأكسجين، ومن ثم تكلفة طاقة التهوية، وقد يحمّل حوض الترويق الثانوي بالمواد الصلبة فوق طاقته، كما قد يحد من وصول الأكسجين إلى مركز جزيئات الندف الكثيفة.

متى ينبغي قياس MLVSS بعد أخذ العينة؟ تنص الطرق القياسية على البدء في أقرب وقت ممكن، لأن المواد الصلبة لا يمكن حفظها. وينبغي تبريد العينات عند 4 °م، وحفظها لمدة لا تتجاوز تفضيلًا 24 ساعة، ولا تتجاوز مطلقًا 7 أيام.

المراجع

1. اتحاد بيئة المياه. تشغيل مرافق استرداد موارد المياه، الطبعة 7. دار ماكغرو هيل للتعليم، 2018.
2. ميتكالف وإدي. هندسة مياه الصرف: المعالجة واسترداد الموارد، الطبعة 5. دار ماكغرو هيل للتعليم، 2014.
3. الجمعية الأمريكية للصحة العامة، والجمعية الأمريكية لأعمال المياه، واتحاد بيئة المياه. الطرق القياسية لفحص المياه ومياه الصرف، الطبعة 23، 2017.
4. وكالة حماية البيئة الأمريكية. صحيفة حقائق تكنولوجيا مياه الصرف: عملية الحمأة المنشطة. وكالة حماية البيئة 832-F-00-016.