بحث كامل بعنوان معالجة المياه الجوفية الملوثة بشوارد النترات

عنوان البحث / معالجة المياه الجوفية الملوثة بشوارد النترات*

*الملخص:

تشكـل إزالة النترات بالطريقة البيولوجية في المفاعلات منقوص الأوكسجين طريقة بسيطة  للتخلص مما يلوث المياه الجوفية من نتروجين النترات ، يتم فـي هذا المفاعلات تنمية غشاء  بيولوجي على حبيبات  المفاعلات والتي تم اخــتيارهــا في 3ملم، ويـتكون هذا الغـشاء البيـولوجـي من حبيبات الكربون المـنشط  ذات الأقــطار، فـي قسمه الأعظم من بكتريا عضوية التغذية ويمرر  تــيار الماء الخــام المحــمل بشوارد النترات مع ما يضاف إلى هذا الماء من معـذيات للبكتريا والتي  اختيرت في بحثنا هذا الإيتانول وفوسفات الصوديوم ثنائية الهدروجين، الأول كمغذ كربوني  والثاني كمغذ فوسفوري، يتم مـرور المــاء الخام من أسفــل المفاعـل بسرعة كافــية لتمييع حــبيبات هذا السرير الحــاملة للغــشاء البيولوجي. إن البــكتريا الموجودة في الغــشاء البيولوجي سـتقــوم بإرجـاع النترات إلى نتريت ثم إلــى أكـسيد النتريت ثــم إلى أكــسيد النتروز ثم إلى غاز النتروجين:

 No ₃       NO₂       NO      N₂ O      N ₂

c ₂ H ₅ OH / NO ولوحظ في هذا البحــث أن النسبة المــثالية للإيـتانول اللازم للمعالجة هي = 3،095 جم/جم ، وإن إنقاص كمية الإيتانول عن هذه القيمة كان يعطي تدنيًا واضحًا في كـفاءة إزالة الـنـترات.

1.المــقــدمة:

أصبحــت مشكــلة ارتفاع تركيز النترات في المياه الجوفية من إحدى أهــم المشاكــل التي تــواجه إمداد  السكان بماء الشرب في كثير من دول العـالم ومنها القطر العربي السوري، إذ توجد في القطر  العربي السوري أكثر من 350 بئرًا تحتوي مياهها على44الف، ويقوم أكثر من 600 ألف  جم/لتر تراكـيز للنــترات تتـجــاوز الحدود المسموحة مـواطن بتــأمين مـياه الشرب بطرائقهم الخاصة  لذلك تم التوجه إلى العـمل في هذا المجال لما له من أهمية اقتصادية وصحية واجتماعية في قــطرنا. وتــمت محــاولة البحــث عــن طـريقة اقتصادية يستطيع المـواطن أن يتحــمل تكالــيفــها دون  معــدات تــكنولوجية مستوردة ومعــقــدة تحــتاج إلى قــطع أجــنبي وصيانة مستمرة.

معالجة المياه الجوفية الملوثة بشوارد النترات

2. مصادر النترات في المياه الجوفية:

يــوجد نـتروجين النترات بشكل طبيعي في المياه الجوفية وفي مـياه الأمطار بكميات قـليلة وتــزداد  هذه الكــمية فـي المناطق التي يقوم فيها المزارعون برش الأسمدة غـير العضوية والأسمدة  الحيوانية على الأراضي المزروعة، وبعـد ري الأراضي الزراعية يمكن أن يرشح النتروجين  غير المستهلك من قبل النباتات عبر التربة إلى المياه الجوفية، فضلا عن أن سكان الريف كثيرًا ما يستعملون الحفر الفنية للتخلص من مياه صرفهم، وإن التسربات من هذه الحــفر الفنية يمكن أن تكون مصدرًا للنترات التي تصل إلى المياه الجـوفية، هــذا فضلا عن أن جميع المركبات  الحاوية على النتروجين يمكن أن تتحول إلى مركبات النتـرات. وإن القــابلية الكبيرة لانحــلال النترات في الماء وعدم ارتباطها بالتربة يجعلان تلوث المياه الجوفية بها من الأمور الشائعة.

3. التأثيرات الصحية للنترات في الإنسان:

إن أكــثر ما ترتبط التأثيرات الصحية للنترات في الإنسان مع الأطفال الرضع في الشهور الأربعة الأولى إِذ ان تناولهم مع وجبة الحليب مياهًا حاوية على النتـرات يؤدي إلى تحـول هذه النترات في معدتهم إلى نتريت يمكنه أن يتحـد مــع جــزيئات الأكسجــين في خــلايا الدم الحــمراء ممـا يؤدي إلى استنزاف الأكسجــين واحــتمال خــنق الطفل، بعــد الأشهر الستة الأولى لا يشكل عوز

الميثيموغلوبين تهـديدًا للطــفل مادامــت بكتريا تحويل النترات إلى نتريت لم تعــد موجــودة في معــدة الطــفــل، كما أن المرضعات لا يمررن النترات إلى رضعــهم عــبر الحليب، أما بالنسبة للبالغين فإن  تناول مياه الشرب الحاوية على نترات لا يشــكل خــطرًا صحــيًا عـليهم، ومع ذلك فإن بعـض الدراسات تشير إلى إمكـانية حصول نزف في الطحال نتيجة التناول المديد لمياه حاوية عــلى كميات كبيرة من النترات، وإن معايير منظمة  (I asN)تنص على أن تركـيزًا للنترات أكـبر من WHO الصحة العالمية يمكن أن يكون خطرًا على الكـبار والصغــار، كــما يمكن لمحتوى منخفض من النترات أن يصبح خطرًا عندما يتعرض الماء الحاوي عليه إلى الغليان المديد وذلك بسبب أن النتريت والنترات غير قابلين للتبخر.

4. معالجة مشكلة تلوث المياه الجوفية بالنترات:

* منع مصادر التلوث:

إن مــنع مصـادر التلوث قد يكون على المدى الطويل أكثر فعالية من معالجة المياه الــملوثة بالنــترات، مــثلا الاهتمام بقــميص البئر وغطائها وبطانتها، والاهتمــام بنظــام تصريف مياه المجاري القريبة من البئر لمنع أي تسربات منه إلى الماء الجوفي، فضلا عن حفر خنادق لمنع تسرب مياه الأمطار التي تسير عـلى سطح الأرض إلى داخل البئر، مع الأخذ بتوجهات منظمة الصحة

العــالمية بترشيد استخــدام الأســمدة الآزوتية أو استخدام الأسمدة العضوية بدلا عــنها. قد تكون كل هذه الأمور أفضل من معالجة المياه وأيضًا يجب أن نلاحظ أن الآبار الضحلة أكثر تعرضًا للتلوث بالنترات من الآبارالعميقة .

* معالجة المياه الجوفية الملوثة بالنترات:

يمـكن أن تزال النترات من المياه الجوفية المعدة للشرب بالطرائق الفيزيائية – الكيميائية وبالطرائق البيولوجية.

*العمليات الفيزيائية – الكيميائية لإزالة النترات:

تشمل العمليات الفيزيائية – الكيميائية للتخلص من فائض النترات طرائق التناضح العكسي والتبادل الإيوني والتقطير.

أ- التناضح العكسي: هو العــملية التي يستخـدم فيها فــرق الضغـــط لإحداث 

  انتقال الماء من طرف المحلول المركز (الضغــط العالي) عبر غشاء نصف  

  نفوذ إلى طرف المحــلول الأقل تركيزًا (الضغـط المنخــفض). وهناك عـــدة

  عــوامـل تؤثر في العملية مثل الضغط المطبق على الماء الملوث بالنترات،  

  ودرجــة حـــرارة الماء ونوع الغشاء المستعمل والصيانة الصحيحة للنظام

  وتتميز هذه الطريقــة بأنها بطيئة وذات طــاقة هيدروليكية ضعيفة ولاسيما

  عـــند استعمال الضغوط غير المرتفعة جدًا.

ب- التبادل الإيوني: في عــملية التــبادل الإيــوني تـرشح المياه الملوثة عبر

    أسطـوانة محملة بحبيبات رزين تبادل شوارد النترات أو النتريت بشوارد

    الكــلور أو شوارد البيكربونات المرتبطة بحــبيبات الــرزين. ولكن يجــب

    الانــتباه لأن الرزينات تفــضل تبادل شوارد الكــبريتات ثنائية التكافؤ- إن

    وجـــدت في الــماء- عـلى شوارد النترات أحادية التكافؤ. وهناك رزينات  

    انتقائية تحل هذه المشكلة باحتجازها النترات في المقام الأول لكن سعتها  

    التبادلية أقل.

ت- التـقـــطير: الـذي يتم بتبخير الماء ثم تكثيف البخار الناتج للحصول على مياه منزوعـة المعادن وخالية أيضًا من شوارد النترات، هذه العــملية غـالية التكاليف تتطلب صيانة مستمرة للأنابيب التي يمكن أن تحصل فيها ترسبات.

#جميع العمليات المذكورة سابقًا –عدا التقطير- تنقل النترات من سائل منخفض التركيزإلى سائل آخر مركز ولكن كميته أقل ويجب التخلص منه.

* الــعــمليات البيولوجية لإزالة النترات من المياه الجوفية:

تنفذ العمليات البيولوجية لإزالة النترات من المياه الجوفية باستعمال البكتريا ذاتية التغــذية أو عضوية التغذية ملتصقة على حامل للغشاء البيولوجي، يتم التخــلص من (Autotrophic Bacteria) في حــالة استعـمال البكتريا ذاتية التغــذية النترات إمــا بوجود الهيدروجين أو بوجود الكبريت ،فإن هذه (Heterotrophic Bacteria) أما فــي حالة استعمال البكتريا عضوية التغــذية البكتريا تستعمل لأيضها الكربون والنتروجين، كما أنها تحصل على طـاقتها من المغذيات الغنية بالكربون كالايثانول أو الميثانول أو حمض الخل أو المـولاس أو الجـلوكوز وبغياب الأكسجين الجزيئي في السائل حيث يكون الوسط منقوص الأكسجين فإنها تستطيع أن ترجـع النترات إلى نتريت ثم إلى أكسيد نتري (Anoxic) وأكسيد النتروز وغاز النتروجين كما يأتي  (Nitric Oxide)

 NO¯ ₃       NO¯ ₂        NO      N ₂ O

المركبات الــثلاثة الأخــيرة هي مــركبات غـازية يمكن أن تتحرر إلى الهواء الجوي، يتم التفاعل بوجود الإيتانول كالآتي

NO ₃     + 5C₂ H ₅ OH       6N₂ + 10CO₂ 9H O + 12OH

وتساهم أنواع البكتريا التالية في نقل نتروجين النترات إلى نتروجين غازي:

Alcaligenes, Aerobacter, Achromobacter, Lactobacillus, Flavobacterium,

Brevibacterium, Bacillus, Spirillum, Pseudomonas, Proteus,

Micrococcus.

وهــي البكتريا عضوية التغذية ، ونظرًا لما تميزت به هذه العملية (استعمال النمو الملتصق للبكتريا عضوية التغذية على حبيبات سرير من نقــل للنترات إلى نتــروجــين غــازي وبسبب ضعــف تأثيرها فـي التوازن الكربوني للماء وسـهولة معــالجة حمأتها والتي هي فائض الكــتلة الحــيوية مع حــمأة مياه المجــاري المنزلية، فقد اختيرت كموضوع لمسار البحث.

5. العمل المخبري:

 ( تم البحث بعونه عز وجل باستعمال المفاعل المبين في الشكل 1)

وهذا المفاعل يتألف من أسطوانة تحتوي على الحبيبات المعدة لحمل الغشاء البيولوجي عــلى سطوحها. وقد اخـتير في مسار هذا البحـث كحـامل للغشاء البيولوجــي حــبيبات وذلك لما تقدمه هذه الحـبيبات مــن الــمزايا  الكــربون المنشط ذات الأقطار الآتـية:

1/سطوح خشنة ذات شقوق ومسام تستطيع أن تحتمي بها البكتريا في أثناء  

    انقشار الغشاء البيولوجي لتسهم بإقلاع جديد وسريع للمفاعل.

-2 امتزاز سريع للبكتريا الموجودة في الماء إلــى سطوحــها ونمــو ســريع

     للبكتريا على هذه السطوح.

-3 طــاقة امتــزاز واسعة تستطيع تخليص المياه من المغذيات المضافة غير

    المستخدمة من قبل البكتيريا.

 (يتم تحـضير بكتريا إقلاع المفاعل ضمن حوض خزان المواد المغذية نفسه كونه مزودًا حــصان سعة 50ليترًا حيث يتم تحـضير30 ليترًا من ½ بخلاط كهربائي استطاعة130جم/لتر بحدود C ₂ H ₅ OH 83مع إضافة إيتانول)

_ يحــرك الخـلاط ليتم تنشيط البكتريا ثم يتم تدوير هذه المياه ضمن المفاعل

   على الأقل خمس مرات يتم إدخــالها من الأعــلى وسحبها من أسفله حـتى

تلــتصق البــكــتريا عـلى سطوح حــبيبات الــكربون المنشط مشكــلة الغشاء البيولوجي، ثم تدخــل المياه الخــام من أسفــل المفاعــل بسرعـة كافية لرفع حــبات السرير وجـعــلها معــلــقــة بالــماء، وذلك بمعــدل4,7، ويـتم إضافة المغــذيات مــع الماء العــادي إلــى خزان m/h تحميل سطحي مقدار المواد المغـذية ويتم ضخها ضمن المفاعل عن طريق مضخة التجريع المركبة على هــذا الخزان وبكميات متغــيرة لكــل سلسلة مــن التجارب حسب القيم الآتية للإيتانول:

13.16 وبكمية لأورثو فوسفات 6,58 جم ، 52,67جم ، 26,3جم

 وذلك لمــياه خــام كان التركيز الأولي 2.5جم الصوديوم ثنائي الهيدروجين مقدارها138 وبسبب نقــص الأوكسجـين الجزيئي في ماء 1,83جم للنترات فيها هو المفاعل فإن البكــتريا تقوم بإرجـــاع النتــرات فــي نهاية الأمر إلى نتروجين غازي.

6. المناقشة والنتائج:

ا-إن إجــراء التجربة بمعدل تحميل سطحي84 دون إضافة مغذيات إلى الماء كان يترافــق مع نقصان لا بأس  للنترات فيه  بسبب امتزاز هذه النترات إلى سطوح حبيبات الكربون المنشط، ولكن كمية النترات كانت تعود للارتفاع مع استمرار عمل المفاعل بعد مدة من عمله.

سلسلة التجارب الأولى:

تم تــدوير مـياه الإقلاع في المفاعل بعد أن تم تحضيرها حيث كان تزايد عدد المستعــمرات الجــرثومية, وقد تم تحديد عدد مستعمرات البكتريا عن طريق أطباق بتري المعروفة،  يبين تزايد عدد البكتريا مع الزمن.

ملاحظة:

في بـداية التجارب لم يتم التوصل إلى أكثر من 105 مستعمرة جرثومية في ال 100مل، وبمدة زمنية بحــدود شهــر تــقـريبًا بسبب عدم استخدام المادة الـفوسفاتية، وبعـد استخـدامها خلال مرحلة إعداد مياه الإقلاع تم ازدياد عدد المستعــمرات الجــرثومية بهذا الشكل الكــبير, يبين المنحــنى البياني لتـغـير كــميات النترات فــي الماء مع الزمن دون إضافة أي مغذيات خلال التجربة، حــيث لوحــظ أن المفاعـل بدأ يفقد كفاءته في تخفيض النترات بعد الساعات الثماني الأولى من بداية التجربة.

ب- إن إجــراء تجــربة إزالــة النترات فــي مفـاعلات منقوص الأكسجين (تم

     تخـفيض معدل التحميل السطحي من m/h بمعدل تحميل سطحي مقداره

    7.5 لتـأمين زمــن تــماس أكــبر بيـن تيار المياه الخام مع سطوح m/h 9.8      إلى m/h الأغــشية البـيــولوجية عــلى حـبيبات الكربون المنشط)   

       لمياه كان تركيز   النترات فيها هو52.67 من الإيتانول أعطى نقصانًا  

      واضحًا للنترات، وكانت النتائج مرضية تمامًا.

ج- أجــريت تجــربة إزالــة النــترات في المفاعلات منقوص الأكسجين وذلك

    84 مــع إضـافة mg/l 7.4 لمياه خــام، كان تركـيز النترات فيها m/h  

    بسرعة جــريان1.67 من أورثو فوسفـات الصوديوم ثنائي الهيدروجين،

mg/l 52.67     إيتانول . فــكانت النتائج ممــتازة ووصــلت نــسبة إزالة  

     الــنــتــرات الــوسطية إلى % 99.9ومـع مقارنة نتائج هذه التجربة مع  

     تجــربة إزالــة الــنترات بوجود الإيتانول فقط كمادة مغذية يلاحظ تحسن

     واضــح فــي كــفاءة إزالة النترات، وثبات هذا التحسن مع إضافة مغذي

      أورثو فــوســفات الصــوديـــوم ثنائي الهيدروجين.

د- أجـــريت سلسلة تجــارب إزالة النتــرات في المفاعل7,4 ولمياه خام كان

   2,5 الأكــسجين، وذلك بسرعـة جريان للماء الخام في المفاعل1,67 من

     أورثو فــوســفات الــصــوديــوم mg/l 138 مع إضافة mg/l تركــيز

    الـنترات فيها ثنائي الهيدروجين وكميات متغيرة من الإيتانول لكل سلسلة

     تجارب بالقيم: 13.16 وبكمية لأورثو فوسفات 6,58 جم ، 52,67جم ، 26,3جم فكانت نسبة إزالة النترات هي على التسلسل:

61% 98.1% 98.5% 99.6%.

7.التوصيات:

أ- تعـــد المعــالجة البيولوجية للمياه الجوفية لإزالة فائض النترات من الماء

   عــملية فعالة جدًا، وينصح بها وذلك لما توفره من مزايا عن باقي طرائق  

   معـالجـة النترات الأكثر شيوعًا في عمليات معالجة المياه الجوفية.

ب- تحــتاج هــذه الــطريقة الى اضــافة مواد مغذيه للبكتيريا و قد اختير هنا  

    الايـثانــول وكــانت الجـرعة المثاليه هي 13.167 لمـياه تركـيز النترات

    البداىي لها هو 138

ج- إن استعــمال حـبيبات الــكربـون المنشط كحشوة للسرير المميع وكحامل

     للغــشاء البكتــيري أعــطى مزايا وكفاءة جــيدة جــدًا في المعالجة.

.د- إن إضــافة معــذي أورثو فــوسفات الــصوديوم ثــنائي الهـــيدروجــــين

     بــكمية1.67 ترافق مـع موثوقية أكثر للإزالة الكاملة للنترات من المياه

    الجــــوفية، كما وفر زمنًا كبيرًا في تحضير مياه الإقلاع للمفاعل.

*استخـــدام المؤكـــــسدات الأخـرى في تطـــهير المياه استخــدام الأوزون – بيروكسيد الهيدروجين – ثاني أوكسيد الــكلور:

- استخـــدام الأوزون:

اشتــقــت تسمـية الأوزون من الكلمة الإغريقية Ozeine والتي تعني يشم، وقــد اكــتشف الأوزون عام 1785 مــن قــبل العـالم "فان ماروم". استخدم الأوزون لأول مــرة في تنــقية مياه الشرب في هولندا في العام 1893 .وقد قام العــالم "ميرنتس" بإجـراء التجارب الأولى لاستخدام الأوزون في فرنسا عـام 1886، حيث جرى استخدامه لمعالجة المياه البلدية في مدينة "نيس" الــفرنسية عام 1906. وقــد تم بناء أكــبر محــطة لتطـهير المياه باستخدام الأوزون في عام 1911 فــي مــدينة سانت بــطرسبورغ في روســـيا بطاقة إجــمالية قدرها (50000) متر مكعب في اليوم.

إن الوضــع اليوم أكثر حرجاً ويقتضي زيادة الاعتماد على استخدام الأوزون كــمادة بديلة للتطهير تحــل محل الكلور وبشكل خاص لمعالجة مياه الصرف الصحــي وحـــالات إعـادة استخدام المياه المستعملة وذلك للأسباب التالية :

-  تـفــرض المؤشرات الجــديدة للتحــكم بالتلوث درجات عالية من المعالجة

   للمياه العـادمة. ويعـد الأوزون عامل تلميع وتطهير ممتاز مناسب لتحقيق

   هذه المؤشرات .

- الاتجــاه نحـو إعادة استخدام المياه العادمة والذي يتطلب إبادة الفيروسات  

   المتواجدة في هذه المياه.

- مشاكل السمية المرتبطة بالمعالجة بالكلور .

- الفــوائد الإضافية لاستخــدام الأوزون حــيث يقـوم بتأمين مستواً عالياً من

  الأوكسجــين المنحــل في المياه بالإضافة إلى تخــفيـضه لمؤشرات COD ,TOC   للمياه المعالجة .

- يشكـل تفسخ الأوزون جذور الهيدروكسيل الحرة (OH, HO2) ذات جهد الأكسدة العالي جداً يرتبط احتياج الأوزون بالآتي:

*وجود المواد العضوية الطبيعية (NOM) في المياه.

*وجـــود منتجـات الأكــسـدة العــضـوية العرضـية byproducts oxidation Organic وهـي عــــادةً أكــثـر قــابلـيـة للتفسـخ العضـوي والتي يْــمِكن أَن تُقــاس بمؤشر الــكاربون العــــضوي (AOC) carbon organic assimilable أو بمـؤشـر الكـاربون العضـوي المنحل القابل للــتـــفســخ العـــضــوي (BDOC) carbon organic dissolved biodegradable.

*وجـــود الــمركــبات العــضــوية الصــناعـــية(SOCs) compounds organic Synthetic

* وجــود أيــون البــرومــيــد فــي الميــاه حــيــث يــقــوم الأوزون بـأكســدة أيــون البروميــد والتــي تقــود إلــى تشــكيل حــامـــض الهــيـــبروبرومــات

acid hypobromou  وأيــــون الهيبوبروميــــت ion hypobromite وأيــــون البرومــــات ion bromate والعضــــويات البروميناتية organics brominated والبروم أمينات bromamines .

* وجـود القلويــة الطبيعيــة علـى شــكل أيونــات الكربونـات أَو البيكربونات مـمــا يـؤدي إلــى تشــكيل الجـذور الهيدروكســيلية  و الجــذور الكربوناتـية radicals carbonate تملك الجذور الحرة (OH , HO2) المتشكــلة عـند تحــلل الأوزون في المحـــاليل المائية قـوة أكسدة كبيرة، مما يؤدي إلى اخــتـفائها بشكل سريع لأنها تتفاعـل بسرعة مع الشوائب المختلفة كالأملاح المعــدنية والمواد العــضوية والهـيدروجين وشوارد الهيدروكسيد الموجودة في المحلول المائي. 

يمـكن أن يتــفاعــل الأوزون فــي الأوساط المائية بإحدى أَو بكلتي النمطين:

*أكــســدة مــباشــرة للــمـــركبــات بــالأوزون الجــزيئــي (aq)(O3) : ّإن الأكـــســدةَ المباشــرةَ بــالأوزون المــائي بطــيئــة نســبــياً(مقَارنةً بالجـذور الحرة) إلا أن تركـيــز الأوزون المــائي عــالي نسبــياً.

*الأكــسدة الهــيــدروكسيلية: أكــسدة الملوثات بالجذور الحرة للهيدروكسيل الناتجة عن تفسخ الأوزون.

وقد وجــد أن الأكـسدة المباشرة للملوثات بالأوزون الجزيئي هي السائدة في الظروف الحــامضية، بينما تكون الظروف المفضلة لإنتاج الجذور الحرة أي لتكون الأكــسدة الهيدروكسيلية هــي السائدة في حــالات القيم العالية لـ pH للــوسط، وفي حالات ال ّتعــرض للأشـعــة فــوق البنفسجــية UV أو إضافة بــيروكسيد الهــيدروجين peroxide hydrogen ؛ كــما تستخــدم هذه الآلية فــي عــمليات الأكــسدة المتقدمة بهدف زيادة سرعة الأكسدة.

*من أهم محاسن الأوزون مقارنة بالكلور:

*توفر المادة الخام اللازمة لإنتاج الأوزون (الهواء).

* لا يــقوم الأوزون بتغيير الخــواص الطبيعية للميـاه الخــاضـعة للمعـالجـة، أي أنـه لا يسـبب ظـهـور شـوائب غريبـة فـي الميـاه أثنـاء المعالجة، وكذلك فــإن فائضه يتحول إلى أوكسجــين خــلال عدة دقائق من انحلاله في المياه، ويقــوم الأوزون بإزالـة لـــون ورائحـة وطعـم المياه في نفس وقت التطهير.

*لا يســتــطــيع الأوزون أكــســدة شــوارد الأمــونـيــوم ضــمــن الــظــروف الشــائعة للوســط المــائي خــلال معالجــة ميــاه الصــرف الصــحي، لذلك لا يوجـــد أي ضـياع أو هدر في طاقة الأكسدة للأوزون بتواجد شوارد الأمونيا في مياه الصرف الصحي.

* يقــوم الأوزون إضــافةً إلــى مــا ســبق بأكـســدة المــواد غيــر العضــوية بســرعــة عــاليــة وبشــكل كامــل، حـيــث يقــوم بأكســدة أيونــات الحديدي المنحــلة في الميـاه إلـى أيونـات الحـديـد القابلـة للترسـيب، كمـا أنـه يؤكسـد بشـكل سـريع الكبـريتيـت إلـى كبريـت والنتريـت إلى نترات والمنــغـنيــز إلى ثالث أكسيد المنغنيز.

*وكـــذلك يــقـــوم الأوزون بأكــســـدة البروميـــد إلـــى بـــروم والكــلوريـــد إلـــى كلـــور، وتكـــون هـــذه التفـــاعلات بطيئـــة وتعــتمـــد علـــى تركيـــز المفاعلات.

*يتفاعـل الأوزون مـع المـواد العضــوية المختلفــة المتواجــدة فــي الميــاه. وغالبـاً مـا تكـون أكسـدة الأوزون للمــادة العضــوية غيــر كاملــة، إذ يقــدر انخفاض TOC بحدود % 20-10 في حـين يكـون انخــفاض BOD,CO بشــكل عـام أكبر، حيـث يقــدر انخفــاض COD بحـــوالي %50 وتتركـــز أهــميـــة الأوزون بشـــكل أساســـي فـــي قدرتـــه علـــى تفتيـــت عضـــوية كل من الحديـــد والمنغنيــز والتـي تقــاوم عمومـاً الطــرق العاديــة المتبعــة لإزالــة الحديــد والمنغنيــز فــي ميــاه الشــرب، وكــذلك قدرته عـى تحطــيم المركبات الفينولية المشكلة للطعــم أثنـاء معــالجـة ميـاه الشـرب، بالإضـافة إلـى قــدرتـه فـي إزالـة مركبـات أخـرى مسـببة طـــعــمـاً مـــــن مصادر غير معروفة. 

*يتفاعـل الأوزون بسهولة مع المركبات العضـوية غيــر المشــبعة ،وتعتبــر إمكانيــة إزالــة الأوزون بســهولة للمركبـات الفينولية ، بالإضافة إلى إزالته للــون الناتج عــن المواد العــضـوية سبب انتشار الأوزون لمعـالجة الـــمياه السطحية.

*تتفاعــل الجــذور الحــرة الناتجــة عــن تحلــل الأوزون بشــكل فعــال مــع كل أنـواع المــواد العضــوية، وأحيانــاً قــد تــؤدي إلــى تأكســد ذاتي لأنواع عديدة من المواد العضوية وبشكل خــاص تلك المتواجــدة في مــياه الصرف الصحــي.  إن فعــالية الأوزون في مـعالجـة مياه الصرف تمكننا من تصنيفه عــلى أنه مــركب مؤكسد قــوي وقاتل للجراثيم وهي نفس الخواص المميزة للكلور، لذلك يــقوم الكثير من الأخصائيين بوضع هاتين الخاصتين في مجال المنافسة بـيـن الكـلور والأوزون، إلا أن هـذه المقـارنة ليست دقيقة لأن آلية التطهير لكل منهما تخـتلف لحــد ما عـن الآخــر، كما يجــب التأكيد عــلى أن الأوزون والكـلور يمكن أن يعــملان بطريقة يتمم أحدهما الآخر، إذ يؤدي كل منهما بعــض المهام والــوظائف بشكل أكثر فـعــالية من الآخـر ،حيث يتمتع الأوزون بصفتين متميزتين أساسيتين وهــما أن الأوزون مركب ذو فــعــالية أكسدة عالية وقدرة كبيرة في إبادة الفيروسات ،حيث تبين الدراسات الحديثة أن التطهير باستخــدام الأوزون هو النتــيـجة المباشرة لتحلل الجدار الخلوي البـكــتيري، وهــو ما يعــرف بــظاهرة التـفسخ والانحلال، بينما يوفر الكلور إمكانية تأمــين المـتبقي اللازم للتلوث الثاني.  اقترح "ترسيل" طريقة بديلة للــطرائق التقـليدية وهي المعــالجة المسبقة بالأوزون وما يتبعـها من تخثير وترسيــب وتــرشيح ومــن ثم التطهير بالكلور. فأظـهرت هذه الطريقة فوائد كـثـيرة لــهذه الطريقة (المعــالجة المسبقـة بــالأوزون مــع المعالجة اللاحقة بالكلور للتطـــهير النــهائي) مثل: تناقــص كــمية الأمــلاح بــشكـل تدريجي، والكـفاءة العالية في القضاء على الفيروس، والكفاءة العالية في إزالة اللون والعـكارة والكفاءة العالية في إزالة المواد العضوية، والكلفة الأقل للمعالجة.

*آلية إنتاج الأوزون:

يجــري إنــتاج الأوزون بالتفـريغ الهالي، الَمعروف كذلك بالشحن الكهربائي الصامــت، والمــكون من معـبر للغــاز الحاوي على الأوكسجين خلال قطبين كهربائيين فــصلا بفجــوة عـــازلة وأخــرى مشحــونة. تطـبق الفولطية على الأقـــطاب الكهــربائية مسببةً جريان الكتروني خلال فجوة الشحن. تقوم هذه الإلــكترونات بــتـزويد جــزيئات الأوكسجـين المشاركة بالطاقة مما يقود إلى تشكــيل الأوزون ، مــولّد أوزون نموذجي يظــهر الشكل التالي نظام معالجة المــياه بــالأوزون والمكون من أربـعة عناصر أساسية : نظام التغذية بالغاز feed gas system، مـولّد الأوزون generator ozone، نــظام تأمــين التــماس مــع الأوزون contactor ozone ،ونـظام تدمير الغاز الــخارج من المحــطة system destruction gas‐off. يــقوم نظام التـغــذية بالغاز بتزويد مولّد الأوزون بالأوكسجين الجاف النظيف. ينقل نظام تأميـن التماس الغــاز الغني ب الأوزون إلى المياه الخاضعة للمعالجة ويؤمن زمــن التماس الخـــاص بالتطهير (أَو التفاعلات الأخـرى). وبما أن الأوزون غـــاز سام لـــدى خـــروجه بـــتراكيز مرتفـعة إلى الهواء لذا لا بد من تدمير الأوزون المتبقي مع الغاز كخطوة نهائية للعملية. تملك بعض المحطات نظام تــدوير الأوزون المتبقـي مع الغاز بإعادته إلى منطقة الغاز الغني بالأوزون، أي إلى غــرفة التماس الأولى بهــدف تخــفيض احــتياج الأوزون في الغرف اللاحـقة . كما تملك بعض المحطات غرفة لإزالة الأوزون المتبقي مع المياه. لا بد مــن معالجة الهواء الداخل إلى جهاز توليد الأوزون بشكل مسبق وذلك بهدف تخليصه من الرطوبة والشوائب المـتواجــدة فــيه وخــصوصاً الغــبار .فوجود بقايا الـرطوبة ضمـن الهواء ستؤدي إلى ظهور الشحنات الشرارية، وتخفض بشكل كبير مؤشرات عمل أجهزة الإنتاج ،وبالتالي تنخفض إنتاجية الأوزون وكــذلك زيــادة مــصروف الطاقة بحــدود 4 مرات مقارنةً مع إمداد الهــواء الجـــاف ، يــبدي الأوزون ومحــاليله المائية عــدائيةً كبيـرةً للفولاذ والحــديد الـزهر والنحاس والمطاط و الإيبونيت، وبزيادة تواجد الرطوبة في الهواء المعـد لإنتاج الأوزون تزداد عدائية الأوزون المنتج. لتخليص الهواء من الرطـــوبة يــتم إمــراره عــبر مرشح ماز ممــتلئ بمواد مــازة كالسيليكا الهلامية، ولتــنـقــية الهواء من الغـبار يتم إمراره عــبر مرشح خاص. تنتج الحرارة دوماً عن عمليات تنشيف الهواء ،لذلك لا بد من تبريد الهواء الحار بتـمريره خـلال مبادل حراري أو أن تجري عمليات التبريد في المرشح الماز عــن طريق إمداد المياه الباردة عــبر أنابيب حــلزونية متوضعة في السيليكا الهلامية. تصنـع التجــهيزات ذات التمـاس المباشر مــع الأوزون من الفولاذ المقــاوم للصــدأ عادةً كما يسمح باستخدام الألمنيوم لهذه الأغراض. ولا يتجاوز العــمر التخــديمي للتجــهــيزات المستخـدمة هذه 5 1 ‐10 سنة في حالات الظروف الأمثلية للاستثمار بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ ،أما بالنسبة للألمنيوم فلا يتجاوز هذا العمر 7 ‐5 سنوات. 

*مخــطط عام لمحــطة تطهــير المياه بالاوزون.

*مخطط خزان التماس ذو حجرة التماس الواحدة للاوزون مع المياه.

*مخطط خزان التماس ذو حجرتي التماس.

*مخطط الخزان التماسي المزود بنظام تدوير الهواء الحاوي على تركيز متبقي للاوزون.

*مخطط لجهاز uv   مضاد للبكتيريا مخصص لمحطات التنقية المركزية.

*تطهير المياه باستخدام أيونات الفضة:

قام الروسي كولسكي في عام 1930 باختراع طريقة الكتروكيميائية لتطهير المياه بالفــضة، ثم انتــشرت هـذه الطريقة بعد ذلك بسنتين في ألمانيا ثم بعد ذلك في بريطانيا، أما الآن فيجري استخدام هذه الطريقة في الكثير من بلدان العالم. تعــتبر أيونات الفـضة مفاعــل تطهير عالي الفعــالية بالنسبة لجــميع الأحياء الممرضة تقريباً، كما أنها تتميز بحفظها للمياه لفترة طويلة . تحتفظ المياه المعـالجــة بالفضة (l/mg 1.0 ) بمؤشرات صحـية عالية لفترة تزيد عن سنة.

هناك عــدة فرضيات تشرح ميكانيزم التأثير البكتيري للفضة :

* ان مـــوت الخلية يجري نتيجة خــرق عـمليات التـبادل تحــت تأثير أيونات  

  الفضة على البكتريا.

*عــــــبر أيـــونات الفــضة إلى داخــل الخــلية مخــربةً الخــلية باتحـادها مع

  السيتوبلازما.

*ان امــتـزاز أيــونــات الــفــضة عـــلى سطــح الخـــلية يحـفز عملية أكسدة

  السيتوبلازما بأوكسجين الهواء.

* من المحــتمل تأثير جميع الفرضيات السابقة بنسب متفاوتة , يمكن إشباع

  المياه بأيونات الفــضة بالتماس المباشر للـمـيــاه أو بالحــل الالكــتـروليتي

  المباشر باستخدام ما يسمى بالمؤينات.Ionators

*التطهير باستخدام اليود:

لــم يستخــدم اليود لأغـراض تطهير مياه الشرب، إذ أنه يعطيها طعماً دوائياً غير مرغوب فيه، إلا أنه استخدم بشكل فعال لتطهير مياه أحــواض السباحة منذ عــام 1963، يجــري الإحـــساس برائحـــة اليود عندما تتجاوز تراكيزه l/mg 5.1 . يساعـــد تواجد الكــلورأمين فــي المياه أثناء المعــالجــة على الحــفاظ عــلى قدرة اليود كمؤكسد ضعيف حتى لحظة غياب المؤكسد القوي ويعــتبر الحـمض اليودي (HOI) أكثر فاعلية من اليود ( 2 I ) بأربع مرات إلا أنه أقــل فاعلية من الحمض الهيبوكلوريتي.(HOCl) ، يعتبر اليود مبيد فعــال للفـيروسات وتزداد هذه الفعالية في درجة ph/8 الا أنه يتفاعل بشكل بطيء مع المركبات العضوية، بالإضافة لكلفته العالية.

*التطهير باستخدام برمنغنات البوتاسيوم:

استخــدمت برمنغنات البوتاسيوم permanganate Potassium في العـالم منذ عام 1913 ، إلا أن استخــدامها لـم يـشـيع كـمـطهر في محـطات التنقـية وانما كمعــقم لتنظيف أنابيب الشبكات ،كما استخدمت لإزالة المنغنيز من المياه ، يعـتبر استخـدام برمنغـنات البوتاسيوم فعـالاً في إزالة لون وطعم ورائحة المياه وخـصوصاً بصورة تلك التي تسببها المواد العضوية والأحياء المائية والطحـالب، وتتراوح الجـرعة المستعــملة لهذا الغرض l/mg 1.0‐05.0، بينما تقدر الجرعة المستخدمة لأغراض التطهير بحدود l/mg 16‐4 .تزداد الفعــالية التــطـهيرية للبرمنغــنات فــي ظــروف 4.7‐9.5=pH .

يشيـع بشكل كبير استخــدام البرمـنغــنات بشكل مشترك مع الكلور الفعال في تطـهير المياه ، حـيث تزداد القـدرة التطهيرية للكلور بإضافة البرمنغنات إلى المياه المعالجة قبله أو بعده. 

*تطهير المياه باستخدام الأشعة فوق البنفسجية UV المضادة للبكتريا:

ينصح باستخدام الأشعة فوق البنفسجية UV المضادة للبكتريا لتطهير المياه الجــوفية عـندما لا يتجــاوز مؤشر كــولي إيندكس100 عصية/ل ، ولا يزيد تركيز الحــديد عــن l/mg 2 والعــكارة عن l/mg 2 . تملك عـملية تطهير المياه بالأشعــة فــوق البنفسجــية UV محــاسن كـثــيرة مقــارنةً مع عملية الكــلورة: لا يتغــير الطــعــم الطـبيعي وكذلك الخواص الكيميائية للمياه خلال معالجتها بالأشعة المضادة للبكتريا ؛ تجري عملية التطهير بالأشعة المضادة للبكــتريا بشكل أسرع بكثير من حالة استخـدام الكلور في تطهير المياه؛ تبيد بالأشعــة المضادة للبــكــتريا بشكل أفــضل التشكلات البوغــية؛ إن استـثمار تجهيزات التطهير بالأشعة أبسط من استثمار منشآت الكلورة.

*تتلخص عملية تأين الخلية في أن بعض الذرات بامتصاصها للطاقة وتحــت تأثير الأشعة تحرر الإلكترونات، وبالتالي ستمتلك شحنةً موجبة، بينما تتحــد الإلكترونات الحرة المتحررة مع الذرات غير المشحونة التي ستملك عند ذلك سحنةً سالبةً مما يشكل أزواج الأيونات. إن تغـير الهيكل الإلكتروني للــذرات يخرق الروابط الكيميائية ويخرب الهيكل الجزيئي للخلية، كما تتأذى العناصر النووية للخــلية، وخــصوصاً تلك التي تحــمــل خــواصاً وراثيةً- الأحــماض الــنووية. إن نتــائج تأثــير الأشعــة قـصيرة الموجة عـلى الخواص الوراثية للخلايا ثابتة وغير عكوسة ، أثبتت التجارب الاستثمارية أن التأثير المــضاد الأكــبر فــي إبادة البـكتريا تملكه الأشعة UV ذات طول الموجة 295‐200 ويكون التأثير الأعظمي قريباً من طول الموجة .m.n 260 .تعتبر مصابيح الزئبق المصنعــة من الكوارتز أو الزجــاج من أهم مصادر الإشعــاع المضاد للبكتريا ، فتستخدم مصابيح كوارتز-زئبق عالية الضغط ومصابيح أوريجون زئبق منخـفــضة الضغــط ، من مساوئ هــذه الطريقة غـياب أسلوب ضـبـط فعــالية التطهير مقارنةً مع الكلور، وهذه الطريقة غير ملائمة لتطهير المياه العكرة.  جـهاز UV)) مضاد للبكتريا مخصص لمحطات التنقية المركزية.

*تطهير المياه باستخدام الأمواج فوق الصوتية:

الأمـــواج فـــــوق الصوتية هي عــبارة عـن الذبذبات الميكانيكية ذات التردد الأعلى من عتبة سماع الأذن البشرية ، أي أثر منHZ 20000 تقع ذبذبات الأمواج فــوق الصوتيــة فــي مجـال ذبذبات الراديو عملياً ، يجري الحصول عــلى الأمواج فــوق الصوتية فــي الصناعــة بـأسلوبي الكهربائية الضغطية والتحــضر المغـــناطيسي. يعـتمد الأسلوب الأول على تأثير الحقل الكهربائي عـــلى بلورات بعــــض المواد. وتستخــدم كمصدر للترددات صفائح الكواتز، والكريستال، وسيركونات الــرصاص، والتيتانات ...الــخ، تتميز بلورات هذه الــمواد بالقــساوة مقــارنةً مع بعض المواد القادرة على إنتاج الأمواج فوق الصوتية إلا أنها معرضة للكسر بسهولة ، يعتمد الأسلوب الآخر على ظاهرة التحــضر المغناطيسي عند معــنطة أجسام عالية التمغنط ، ويجري الاستفادة من خــواص النيكـل والحـديد في المغـنطة ونزع المغنطة حيث يجري التحكم بـطول دورية العمليات السابقة مما يؤدي إلى إصدار الأمواج فوق الصوتية. يمـتـاز الأسلوب الأول بكــفاءة أكــبر من الثاني. لا توجد حــتى الآن نــظرية تــشرح التأثيــر المــضاد للبكــتريا للأمــواج فـــوق الصــوتية إلا أن أغـــلب الباحثين يربطون الفعـل المبيد للبكتريا للأمواج فوق الصوتية بقابلية تشكيل فجــوات دقيقة حــول الأجــسام في الماء وعزلها عن محيطها ليتكون حولها ضغــط محــلي يؤدي إلى تغــيرات حــادة في الحـالة الفيزيائية للسائل وتدمر البكتريا داخــل هــذا الحــقل. تعــرف هذه الظاهرة بالتجويف الفوق صوتي ، ويعـتقد البعض أن البكتريا تقتل بالتخريب الميكانيكي لخلاياها الذي يقود إلى تعـطل الوظيفة الحيوية للخلايا وانحلال المواد البروتينية للسيتوبلازما ,ثاني أوكــسيد الــكـلور يـعـتـبر ثــاني أوكـسيد الـكـلور كـالأوزون والكلور مؤكسد بيولوجي وليس سم أيضي. هذا يعـني بأن ثاني أوكسيد الكلور يقتل الكائنات الحـية المجـهرية بعـرقـلة نقل المواد المغذية عبر جدار الخلايا، ليس بعرقلة العملية الأيضية.

*يعـتبر ثاني أوكسيد الكلور أكثر المؤكسدات انتقائية. يعتبر كلا من الأوزون والكــلور أكــثر نـشاطاً مــن ثــاني أوكسيد الكلور، ويتم استهلاكهما من قبل أغــلب ّالمركـبات العــضوية. ثاني أوكسيد الكــلور يتـفـاعل فـقط مع مركبات الكبريت المرجــعة، الأمينات الثانوية والثـالثية،  وبعض العضويات المرجعة والنشطة جــداً مما يسمح للجــرعات الأخفض بكثير منه بتحقيق متبقي أكثر استـقراراً من الكلور أو الأوزون. يمكن استعمال ثاني أوكسيد الكلور بفعالية كــبـيرة لــدى التحميل العــضوي الأعــلى بكثير من الأوزون أو الكلوربسبب إصطفائيته.

*لثاني أوكسيد الكلور فوائد أكثر أهمية من الكلور منها :

1. ّإن الكفاءة المضادة للبكتريا لا تتأثّر نسبياً بقيم الـ pH بين 4 و 10

2. ثاني أوكسيد الكلور أفضل بشكل واضح من الكلور في قتل الأبواغ،  

   والفيروسات والكائنات الحية الممرضة

3. ّإن زمن التماس المطلوب لثاني أوكسيد الكلور أخفض وقابلية انحلاله  

    أكبر

4. لا فعالية صدئية مرتبطة بالتراكيز العالية للكلور، مما يخفّض تكاليف

    الصيانة بعيدة المدى

5. ثاني أوكسيد الكلور لا يتفاعل مع النشادر أو الأمونيا 

6. يحطّم THM Trihalomethanes ويزيد التخثير

7. يحطم ثاني أوكسيد الكلور الفينولات ولا يشكل معها رائحة خاصة

8. ثاني أوكسيد الكلور أفضل من الكلور في إزالة مركبات الحديد والمنغنيز

   وخصوصاً في ارتباطاتها المعقّدة.

بيروكسيد الهيدروجين :

يعــرف أكثر الناس بيروكسيد هيدروجين كمركب لتشقير الشعر، وهو مركب يمــكن أن يستخــدم أيضاً لتــطهير الماء. اكتشف لــويس ثينارد بـــيروكسيد الهيدروجين في العــام (1818). يتـركب بيروكسيد الهيدروجــين مـن ذرتي هــيدروجــين وذرتي أوكسجـين ، تحتوي جزيئة بيروكسيد الهيدروجين ذرة أوكسجــين إضافــية واحــدة مقارنة مع جـزيئة الماء الأكثر استقراراً. تكسر الرابطة بـيـن ذرتي الأوكسجـين والتي تسمى رابطة البيروكسيد بينما تتشكل جــذور O-H والتي تتفاعـــل بسرعة بالــمواد الأخــرى، بينما تتشكل جذور جــديدة لتحـــدث سلسلة جــديدة من التفاعلات. في خمسينات القرن الماضي استخـــدم بيروكسيد الهيدروجين لتطهير مياه الشرب نظراً لفعاليته المضادة للبكــتريا العــالية ولأكــسدته القـــوية، أمــا فــي الوقـت الحاضر فلا يستخدم بــيروكسيد الهيدروجين في معالجة مياه الشرب منفرداً بل بشكل مشترك مع الأوزون أو الــفــضة أو الأشــعـة فــوق البنـفـسجية ، يروكسيد الهيدروجين المحــفز هو مؤكسد أقوى من ثاني أوكسيد الكلور(ClO2) والكلور (Cl2) وبرمنغنات البوتاسيوم(KMnO4) حيث بمساعدة المحفزات يمكن أن يتحول بيروكسيد هيدروجين إلى جذور هيدروكسية hydroxyradicals

*المراجع:

M.Mc Casland et al, 2005 – Nitrate: Health Effects in Drinking/1

Water

.

 2/P.D. Robillard et al, 2006 - Nitrate in Drinking Water . Agricultural and Biological Engineering Department USA.

.

 3/Mimesoto Department of Agriculture USA 2006 – Drinking Water Protection Series; Nitrote Contamination – What is the Cost.

.

 T.J. Casey, 1997 – Unit Treatment Processes in Water and/4

Wastewater Engineering. John Wiley & Sons

.

 G. Tchobanoglous et al, 1991 – Water Engineering Treatment;/5

Disposal and Reuse. Mc Graw – Hill, Ince P.P. 432 – 437.