أهم النقاط المتعلقة بعمليات اختبار جودة المياه في محطات معالجة مياه الصرف الصحي - الجزء الثالث

19. ما عدد طرق تخفيف عينات المياه المتاحة عند قياس BOD5؟ وما هي احتياطات التشغيل؟
عند قياس BOD5، تُقسم طرق تخفيف عينات المياه إلى نوعين: طريقة التخفيف العامة وطريقة التخفيف المباشر. تتطلب طريقة التخفيف العامة كمية أكبر من ماء التخفيف أو ماء التخفيف المستخدم في التلقيح.
تتلخص طريقة التخفيف العامة في إضافة حوالي 500 مل من ماء التخفيف أو ماء التخفيف الخاص بالتلقيح إلى أسطوانة مدرجة سعتها 1 أو 2 لتر، ثم إضافة حجم محدد محسوب من عينة الماء، وإضافة المزيد من ماء التخفيف أو ماء التخفيف الخاص بالتلقيح حتى يمتلئ المقياس، واستخدام قضيب زجاجي دائري مزود بمطاطة في نهايته لتحريك المحلول ببطء لأعلى أو لأسفل تحت سطح الماء. وأخيرًا، يُستخدم أنبوب شفط لإدخال محلول عينة الماء المختلط جيدًا في زجاجة الاستزراع، مع ترك مساحة صغيرة للتدفق الزائد، ثم تُغلق الزجاجة بإحكام بسدادة محكمة الإغلاق. بالنسبة لعينات الماء ذات نسبة التخفيف الثانية أو الثالثة، يمكن استخدام المحلول المتبقي. بعد حساب الكمية المطلوبة، يمكن إضافة كمية محددة من ماء التخفيف أو ماء التخفيف الخاص بالتلقيح، وخلطها، ثم إدخالها في زجاجة الاستزراع بنفس الطريقة.
تعتمد طريقة التخفيف المباشر على إدخال نصف حجم ماء التخفيف أو ماء التخفيف المستخدم في التلقيح في زجاجة زراعة ذات حجم معلوم عن طريق الشفط، ثم حقن حجم عينة الماء المطلوب إضافته إلى كل زجاجة زراعة، محسوبًا بناءً على عامل التخفيف على طول جدار الزجاجة. بعد ذلك، يُضاف ماء التخفيف أو ماء التخفيف المستخدم في التلقيح إلى عنق الزجاجة، ويُغلق سدادة الزجاجة بإحكام، ثم يُغلق فوهة الزجاجة بالماء.
عند استخدام طريقة التخفيف المباشر، ينبغي توخي الحذر الشديد لتجنب إدخال ماء التخفيف أو تلقيحه بسرعة كبيرة في النهاية. في الوقت نفسه، من الضروري دراسة قواعد التشغيل لإدخال الحجم الأمثل لتجنب الأخطاء الناتجة عن التدفق الزائد.
بغض النظر عن الطريقة المستخدمة، عند إدخال عينة الماء في زجاجة الاستزراع، يجب التعامل معها برفق لتجنب تكوّن الفقاعات أو ذوبان الهواء في الماء أو تسرب الأكسجين منه. في الوقت نفسه، يجب الحرص على إحكام إغلاق الزجاجة جيدًا لتجنب بقاء فقاعات الهواء داخلها، مما قد يؤثر على نتائج القياس. عند استزراع الزجاجة في الحاضنة، يجب فحص مانع التسرب المائي يوميًا وملؤها بالماء في الوقت المناسب لمنع تبخر الماء ودخول الهواء إلى الزجاجة. إضافةً إلى ذلك، يجب أن يكون حجم زجاجتي الاستزراع المستخدمتين قبل وبعد خمسة أيام متساويًا لتقليل الأخطاء.
20. ما هي المشاكل المحتملة التي قد تنشأ عند قياس BOD5؟
عند قياس الطلب البيولوجي للأكسجين (BOD5) في مياه الصرف الصحي الخارجة من نظام معالجة مياه الصرف الصحي باستخدام النترجة، ونظرًا لاحتوائها على العديد من بكتيريا النترجة، فإن نتائج القياس تشمل الطلب على الأكسجين للمواد النيتروجينية مثل نيتروجين الأمونيا. وللتمييز بين الطلب على الأكسجين للمواد الكربونية والطلب على الأكسجين للمواد النيتروجينية في عينات المياه، يمكن استخدام طريقة إضافة مثبطات النترجة إلى ماء التخفيف لإيقاف عملية النترجة أثناء تحديد BOD5. على سبيل المثال، إضافة 10 ملغ من 2-كلورو-6-(ثلاثي كلورو ميثيل) بيريدين أو 10 ملغ من بروبينيل ثيوريا، وما إلى ذلك.
عندما تكون نسبة BOD5/CODCr قريبة من 1 أو حتى أكبر منها، فهذا غالبًا ما يشير إلى وجود خطأ في عملية الاختبار. يجب مراجعة كل مرحلة من مراحل الاختبار، مع إيلاء اهتمام خاص لضمان أخذ عينة الماء بشكل متساوٍ. قد يكون من الطبيعي أن تكون نسبة BOD5/CODMn قريبة من 1 أو حتى أكبر منها، لأن درجة أكسدة المكونات العضوية في عينات الماء بواسطة برمنجنات البوتاسيوم أقل بكثير من تلك التي تحدثها بواسطة ثنائي كرومات البوتاسيوم. في بعض الأحيان، تكون قيمة CODMn لنفس عينة الماء أقل من قيمة CODCr.
عندما تُلاحظ ظاهرة متكررة تتمثل في ارتفاع قيمة BOD5 مع زيادة عامل التخفيف، فإن السبب عادةً ما يكون احتواء عينة الماء على مواد تُثبط نمو وتكاثر الكائنات الدقيقة. أما عند انخفاض عامل التخفيف، فتزداد نسبة المواد المُثبطة في عينة الماء، مما يُعيق قدرة البكتيريا على إجراء التحلل البيولوجي الفعال، وبالتالي انخفاض نتائج قياس BOD5. في هذه الحالة، يجب تحديد المكونات أو الأسباب المحددة للمواد المُثبطة للبكتيريا، وإجراء معالجة مُسبقة فعالة للتخلص منها أو إخفائها قبل القياس.
عندما تكون نسبة BOD5/CODCr منخفضة، كأن تكون أقل من 0.2 أو حتى أقل من 0.1، إذا كانت عينة الماء المقاسة مياه صرف صناعي، فقد يعود ذلك إلى ضعف قابلية المواد العضوية فيها للتحلل البيولوجي. أما إذا كانت عينة الماء المقاسة مياه صرف صحي حضرية أو مختلطة ببعض مياه الصرف الصناعي، والتي تُشكل جزءًا من مياه الصرف الصحي المنزلية، فلا يقتصر السبب على احتواء العينة على مواد كيميائية سامة أو مضادات حيوية، بل تشمل الأسباب الأكثر شيوعًا عدم تعادل درجة الحموضة (pH) ووجود بقايا مبيدات فطرية من الكلور. ولتجنب الأخطاء، يجب ضبط درجة حموضة عينة الماء وماء التخفيف إلى 7 و7.2 على التوالي أثناء قياس BOD5. كما يجب إجراء فحوصات دورية على عينات المياه التي قد تحتوي على مؤكسدات مثل بقايا الكلور.
21. ما هي المؤشرات التي تدل على وجود العناصر الغذائية النباتية في مياه الصرف الصحي؟
تشمل العناصر الغذائية النباتية النيتروجين والفوسفور ومواد أخرى ضرورية لنمو النبات وتطوره. ويمكن أن تعزز العناصر الغذائية المعتدلة نمو الكائنات الحية الدقيقة. أما دخول كميات زائدة من العناصر الغذائية النباتية إلى المسطحات المائية فيؤدي إلى تكاثر الطحالب فيها، مما ينتج عنه ما يُعرف بظاهرة "التخثث"، والتي بدورها تزيد من تدهور جودة المياه، وتؤثر سلبًا على إنتاج الثروة السمكية، وتضر بصحة الإنسان. وقد يؤدي التخثث الشديد في البحيرات الضحلة إلى غمرها بالمياه ونفوق الكائنات الحية فيها.
في الوقت نفسه، تُعدّ العناصر الغذائية النباتية مكونات أساسية لنمو وتكاثر الكائنات الدقيقة في الحمأة المنشطة، وهي عامل رئيسي مرتبط بالتشغيل الطبيعي لعملية المعالجة البيولوجية. لذلك، تُستخدم مؤشرات العناصر الغذائية النباتية في الماء كمؤشر تحكم هام في عمليات معالجة مياه الصرف الصحي التقليدية.
تُعدّ مركبات النيتروجين (مثل النيتروجين العضوي، والنيتروجين الأمونياكي، والنتريت، والنترات، وغيرها) ومركبات الفوسفور (مثل الفوسفور الكلي، والفوسفات، وغيرها) مؤشرات جودة المياه التي تدل على العناصر الغذائية النباتية في مياه الصرف الصحي. في عمليات معالجة مياه الصرف الصحي التقليدية، يُرصد عادةً النيتروجين الأمونياكي والفوسفات في المياه الداخلة والخارجة. يهدف ذلك، من جهة، إلى ضمان التشغيل الطبيعي للمعالجة البيولوجية، ومن جهة أخرى، إلى التحقق من مطابقة المياه المُعالجة لمعايير التصريف الوطنية.
22. ما هي مؤشرات جودة المياه لمركبات النيتروجين شائعة الاستخدام؟ وكيف ترتبط هذه المؤشرات ببعضها؟
تشمل مؤشرات جودة المياه الشائعة الاستخدام التي تمثل مركبات النيتروجين في الماء النيتروجين الكلي، ونيتروجين كيلدال، ونيتروجين الأمونيا، والنتريت، والنترات.
نيتروجين الأمونيا هو النيتروجين الموجود في الماء على شكل NH3 و NH4+. وهو ناتج المرحلة الأولى من التحلل التأكسدي لمركبات النيتروجين العضوية، ويُعد مؤشرًا على تلوث المياه. يمكن أن يتأكسد نيتروجين الأمونيا إلى نتريت (يُعبر عنه بـ NO2-) بفعل بكتيريا النتريت، ويمكن أن يتأكسد النتريت إلى نترات (يُعبر عنها بـ NO3-) بفعل بكتيريا النترات. كما يمكن اختزال النترات إلى نتريت بفعل الكائنات الدقيقة في بيئة خالية من الأكسجين. عندما يكون النيتروجين في الماء موجودًا بشكل أساسي على هيئة نترات، فهذا يدل على أن محتوى المواد العضوية النيتروجينية في الماء ضئيل جدًا، وأن المسطح المائي قد وصل إلى مرحلة التنقية الذاتية.
يمكن قياس مجموع النيتروجين العضوي ونيتروجين الأمونيا باستخدام طريقة كيلدال (GB 11891–89). يُطلق على محتوى النيتروجين في عينات المياه المقاس بطريقة كيلدال اسم نيتروجين كيلدال، لذا فإن نيتروجين كيلدال الشائع هو نيتروجين الأمونيا والنيتروجين العضوي. بعد إزالة نيتروجين الأمونيا من عينة الماء، يتم قياسه بطريقة كيلدال. القيمة المقاسة هي النيتروجين العضوي. إذا تم قياس نيتروجين كيلدال ونيتروجين الأمونيا بشكل منفصل في عينات المياه، فإن الفرق هو أيضًا النيتروجين العضوي. يمكن استخدام نيتروجين كيلدال كمؤشر تحكم لمحتوى النيتروجين في المياه الداخلة إلى معدات معالجة مياه الصرف الصحي، ويمكن استخدامه أيضًا كمؤشر مرجعي للتحكم في التخثث في المسطحات المائية الطبيعية مثل الأنهار والبحيرات والبحار.
يمثل النيتروجين الكلي مجموع النيتروجين العضوي، ونيتروجين الأمونيا، ونيتروجين النتريت، ونيتروجين النترات في الماء، وهو مجموع نيتروجين كيلدال ونيتروجين الأكسيد الكلي. يمكن قياس النيتروجين الكلي، ونيتروجين النتريت، ونيتروجين النترات باستخدام مطياف ضوئي. للاطلاع على طريقة تحليل نيتروجين النتريت، يُرجى مراجعة GB7493-87، وللاطلاع على طريقة تحليل نيتروجين النترات، يُرجى مراجعة GB7480-87، وللاطلاع على طريقة تحليل النيتروجين الكلي، يُرجى مراجعة GB 11894-89. يُمثل النيتروجين الكلي مجموع مركبات النيتروجين في الماء، وهو مؤشر هام للتحكم في تلوث المياه الطبيعية، ومعيار تحكم أساسي في عملية معالجة مياه الصرف الصحي.
23. ما هي الاحتياطات اللازمة لقياس نيتروجين الأمونيا؟
تُعدّ الطرق اللونية، وتحديدًا طريقة كاشف نيسلر اللونية (GB 7479–87) وطريقة حمض الساليسيليك-هيبوكلوريت (GB 7481–87)، من أكثر الطرق شيوعًا لتحديد نيتروجين الأمونيا. ويمكن حفظ عينات المياه عن طريق تحميضها بحمض الكبريتيك المركز. وتتمثل الطريقة المحددة في استخدام حمض الكبريتيك المركز لضبط درجة حموضة عينة الماء بين 1.5 و2، ثم تخزينها في بيئة درجة حرارتها 4 درجات مئوية. ويبلغ الحد الأدنى لتركيز الكشف في طريقة كاشف نيسلر اللونية وطريقة حمض الساليسيليك-هيبوكلوريت 0.05 ملغم/لتر و0.01 ملغم/لتر (محسوبة بالنيتروجين) على التوالي. أما عند قياس عينات مياه بتركيز أعلى من 0.2 ملغم/لتر، فيمكن استخدام الطريقة الحجمية (CJ/T75–1999). من أجل الحصول على نتائج دقيقة، بغض النظر عن طريقة التحليل المستخدمة، يجب تقطير عينة الماء مسبقًا عند قياس نيتروجين الأمونيا.
تؤثر قيمة الرقم الهيدروجيني (pH) لعينات الماء بشكل كبير على تحديد تركيز الأمونيا. فإذا كانت قيمة الرقم الهيدروجيني مرتفعة جدًا، تتحول بعض المركبات العضوية المحتوية على النيتروجين إلى أمونيا. أما إذا كانت منخفضة جدًا، فسيبقى جزء من الأمونيا في الماء أثناء التسخين والتقطير. وللحصول على نتائج دقيقة، يجب تعديل حموضة عينة الماء إلى درجة التعادل قبل التحليل. في حال كانت العينة حمضية أو قلوية جدًا، يمكن تعديل الرقم الهيدروجيني إلى درجة التعادل باستخدام محلول هيدروكسيد الصوديوم بتركيز 1 مول/لتر أو محلول حمض الكبريتيك بتركيز 1 مول/لتر. ثم يُضاف محلول منظم الفوسفات للحفاظ على الرقم الهيدروجيني عند 7.4، ثم يُجرى التقطير. بعد التسخين، تتبخر الأمونيا من الماء في الحالة الغازية. في هذا الوقت، يتم استخدام حمض الكبريتيك المخفف بتركيز 0.01 ~ 0.02 مول / لتر (طريقة الفينول-هيبوكلوريت) أو حمض البوريك المخفف بنسبة 2٪ (طريقة كاشف نيسلر) لامتصاصه.
في بعض عينات المياه ذات المحتوى العالي من أيونات الكالسيوم (Ca2+)، بعد إضافة محلول منظم الفوسفات، يتفاعل الكالسيوم مع أيونات الفوسفات (PO43-) لتكوين راسب غير قابل للذوبان من Ca3(PO43-)2، ويطلق أيونات الهيدروجين (H+) في الفوسفات، مما يؤدي إلى انخفاض قيمة الرقم الهيدروجيني (pH). من الواضح أن الأيونات الأخرى التي يمكن أن تترسب مع الفوسفات قد تؤثر أيضًا على قيمة الرقم الهيدروجيني لعينات المياه أثناء التقطير بالتسخين. بعبارة أخرى، بالنسبة لمثل هذه العينة، حتى لو تم ضبط الرقم الهيدروجيني إلى التعادل وإضافة محلول منظم الفوسفات، فستظل قيمة الرقم الهيدروجيني أقل بكثير من القيمة المتوقعة. لذلك، بالنسبة لعينات المياه غير المعروفة، يُنصح بقياس الرقم الهيدروجيني مرة أخرى بعد التقطير. إذا لم تكن قيمة الرقم الهيدروجيني بين 7.2 و7.6، فيجب زيادة كمية المحلول المنظم. عمومًا، يُضاف 10 مل من محلول منظم الفوسفات لكل 250 ملغ من الكالسيوم.
24. ما هي مؤشرات جودة المياه التي تعكس محتوى المركبات المحتوية على الفوسفور في الماء؟ وكيف ترتبط هذه المؤشرات ببعضها البعض؟
يُعدّ الفوسفور أحد العناصر الضرورية لنمو الكائنات المائية. يوجد معظم الفوسفور في الماء على شكل فوسفات، بينما توجد كمية قليلة منه على شكل مركبات فوسفورية عضوية. تُصنّف الفوسفات في الماء إلى فئتين: الفوسفات العادي والفوسفات المكثف. يشير الفوسفات العادي إلى الفوسفات الموجودة على شكل PO43-، HPO42-، H2PO4-، وغيرها، بينما يشمل الفوسفات المكثف البيروفوسفات وأملاح حمض الميتافوسفوريك والفوسفات البوليمري، مثل P2O74-، P3O105-، HP3O92-، (PO3)63-، وغيرها. تشمل المركبات الفوسفورية العضوية بشكل رئيسي الفوسفات، والفوسفيت، والبيروفوسفات، والهيبوفوسفيت، وفوسفات الأمين. يُطلق على مجموع الفوسفات والفوسفور العضوي اسم الفوسفور الكلي، وهو مؤشر هام لجودة المياه.
تتألف طريقة تحليل الفوسفور الكلي (انظر GB 11893–89 للاطلاع على الطرق المحددة) من خطوتين أساسيتين. تتمثل الخطوة الأولى في استخدام المؤكسدات لتحويل أشكال الفوسفور المختلفة في عينة الماء إلى فوسفات. أما الخطوة الثانية، فتتمثل في قياس الفوسفات، ثم حساب محتوى الفوسفور الكلي. خلال عمليات معالجة مياه الصرف الصحي الروتينية، يجب مراقبة وقياس محتوى الفوسفات في مياه الصرف الداخلة إلى وحدة المعالجة البيوكيميائية وفي مياه الصرف الخارجة من حوض الترسيب الثانوي. في حال كان محتوى الفوسفات في المياه الداخلة غير كافٍ، يجب إضافة كمية معينة من سماد الفوسفات لتعويضه؛ أما إذا تجاوز محتوى الفوسفات في مياه الصرف الخارجة من حوض الترسيب الثانوي معيار التصريف الوطني من المستوى الأول البالغ 0.5 ملغم/لتر، فيجب النظر في اتخاذ تدابير لإزالة الفوسفور.
25. ما هي الاحتياطات اللازمة لتحديد الفوسفات؟
تعتمد طريقة قياس الفوسفات على تفاعل الفوسفات مع موليبدات الأمونيوم في وسط حمضي لتكوين حمض فوسفوموليبدينوم غير متجانس، والذي يُختزل إلى مركب أزرق (يُعرف باسم أزرق الموليبدينوم) باستخدام عامل الاختزال كلوريد القصديروز أو حمض الأسكوربيك. (وفقًا للطريقة CJ/T78–1999). كما يمكن استخدام الوقود القلوي لتكوين مركبات ملونة متعددة المكونات لإجراء قياس طيفي ضوئي مباشر.
عينات المياه المحتوية على الفوسفور غير مستقرة، ويُفضل تحليلها فور جمعها. إذا تعذر إجراء التحليل فورًا، يُضاف 40 ملغ من كلوريد الزئبق أو 1 مل من حمض الكبريتيك المركز إلى كل لتر من عينة الماء لحفظها، ثم تُحفظ في زجاجة بنية اللون وتُوضع في ثلاجة عند درجة حرارة 4 درجات مئوية. أما إذا كانت عينة الماء تُستخدم فقط لتحليل إجمالي الفوسفور، فلا داعي لأي معالجة حافظة.
بما أن الفوسفات يمكن امتصاصه على جدران الزجاجات البلاستيكية، فلا يمكن استخدامها لتخزين عينات المياه. يجب شطف جميع الزجاجات المستخدمة بحمض الهيدروكلوريك الساخن المخفف أو حمض النيتريك المخفف، ثم شطفها عدة مرات بالماء المقطر.
26. ما هي المؤشرات المختلفة التي تعكس محتوى المواد الصلبة في الماء؟
تشمل المواد الصلبة في مياه الصرف الصحي المواد الطافية على سطح الماء، والمواد العالقة فيه، والمواد المترسبة التي تغوص إلى القاع، والمواد الصلبة الذائبة في الماء. الأجسام الطافية هي قطع كبيرة أو جزيئات كبيرة من الشوائب تطفو على سطح الماء وتكون كثافتها أقل من كثافة الماء. أما المواد العالقة فهي جزيئات صغيرة من الشوائب عالقة في الماء. بينما المواد المترسبة هي الشوائب التي تترسب في قاع المسطح المائي بعد فترة من الزمن. تحتوي جميع مياه الصرف الصحي تقريبًا على مواد مترسبة ذات تركيب معقد. تُسمى المواد المترسبة المكونة أساسًا من مواد عضوية بالحمأة، بينما تُسمى المواد المترسبة المكونة أساسًا من مواد غير عضوية بالمخلفات. يصعب عمومًا تحديد كمية الأجسام الطافية، ولكن يمكن قياس العديد من المواد الصلبة الأخرى باستخدام المؤشرات التالية.
يُعدّ إجمالي المواد الصلبة المؤشر الذي يعكس إجمالي محتوى المواد الصلبة في الماء. وبحسب ذوبان المواد الصلبة في الماء، يُقسّم إجمالي المواد الصلبة إلى مواد صلبة ذائبة (DS) ومواد صلبة معلقة (SS). وبحسب خصائص تطاير المواد الصلبة في الماء، يُقسّم إجمالي المواد الصلبة إلى مواد صلبة متطايرة (VS) ومواد صلبة ثابتة (FS، وتُسمى أيضًا الرماد). ومن ثم، يُمكن تقسيم المواد الصلبة الذائبة (DS) والمواد الصلبة المعلقة (SS) إلى مواد صلبة ذائبة متطايرة، ومواد صلبة ذائبة غير متطايرة، ومواد صلبة معلقة متطايرة، ومواد صلبة معلقة غير متطايرة، وغيرها من المؤشرات.