بحث حول طرق معالجة مياه الشرب.

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

يرجع اهتمامالإنسان بنوعية الماء الذي يشربه إلى أكثر من خمسة آلاف عام . ونظراللمعرفة المحدودة في تلك العصور بالأمراض ومسبباتها فقد كان الاهتماممحصور في لون المياه وطعمها ورائحتها فقط . وقد استخدمت لهذا الغرض ـوبشكل محدود خلال فترات تاريخية متباعدة ـ بعض عمليات المعالجة مثلالغليان والترشيح والترسيب وإضافة بعض الأملاح ثم شهد القرنان الثامنوالتاسع عشر الميلاديان الكثير من المحاولات الجادة في دول أوربا وروسياللنهوض بتقنية معالجة المياه حيث أنشئت لأول مرة في التاريخ محطات لمعالجةالمياه على مستوى المدن .
ففي عام 1807م أنشئت محطة لمعالجة المياه في مدينة جلاسكوالأستكلندية ،وتعد هذه المحطة من أوائل المحطات في العالم وكانت تعالجفيها المياه بطريقة الترشيح ثم تنقل إلى المستهلكين عبر شبكة أنابيب خاصة. وعلى الرغم من أن تلك المساهمات تعد تطورا تقنيا في تلك الفترة إلا أنالاهتمام آنذاك كان منصبا على نواحي اللون والطعم والرائحة ، أو ما يسمىبالقابلية ، وكانت المعالجة باستخدام المرشحات الرملية المظهر السائد فيتلك المحطات حتى بداية القرن العشرين . ومع التطور الشامل للعلوم والتقنيةمنذ بداية هذا القرن واكتشاف العلاقة بين مياه الشرب وبعض الأمراض السائدةفقد حدث تطور سريع في مجال تقنيات المعالجة حيث أضيفت العديد من العملياتالتي تهدف بشكل عام إلى الوصول بالمياه إلى درجة عالية من النقاء ، بحيثتكون خالية من العكر وعديمة اللون والطعم والرائحة ومأمونة من النواحيالكيمائية والحيوية .

معالجة المياه .
لقد كان وباء الكوليرا من أوائل الأمراض التي اكتشفتارتباطها الوثيق بتلوث مياه الشرب في المرحلة السابقة لتطور تقنيات معالجةالمياه ، فعلى سبيل المثال أصيب حوالي 17000 شخص من سكان مدينة هامبورجالألمانية بهذا الوباء خلال صيف 1829م أدى إلى وفاة ما لا يقل عن نصف ذلكالعدد . وقد ثبت بما لا يدع مجالا للشك أن المصدر الرئيس للوباء هو تلوثمصدر المياه لتلك المدينة . يعد التطهير باستخدام الكلور من أوائلالعمليات التي استخدمت لمعالجة المياه بعد عملية الترشيح وذلك للقضاء علىبعض الكائنات الدقيقة من بكتريا وفيروسات مما أدى إلى الحد من انتشارالعديد من الأمراض التي تنقلها المياه مثل الكوليرا وحمى التيفويد . وتشملالمعالجة ، ومن هذه العمليات ما يستخدم لإزالة عسر الماء مثل عملياتالتيسير ، أو لإزالة العكر مثل عمليات الترويب .
ونظرا للتقدم الصناعي والتقني الذي يشهد هذا العصر وما تبعه من ازدياد سريع في معدلات استهلاك المياه الطبيعية ،
النقية نوعا ما ، ونظرا لما يحدث من تلوث لبعض تلك المصادرنتيجة المخلفات الصناعية ومياه الصرف الصحي وبعض الحوادث البيئية الأخرىفإن عمليات المعالجة قد بدأت تأخذ مسارا جديدا يختلف في كثير من تطبيقاتعن مسار المعالجة التقليدية . وفي هذه المقالة سنستعرض بإيجاز طرقالمعاجلة التقليدية لمياه الشرب إضافة لبعض الاتجاهات الحالية والمستقبليةلتقنيات المعالجة .

طرق المعالجة التقليدية

تختلف عمليات معالجة مياه الشرب باختلاف مصادر تلك المياهونوعيتها والمواصفات الموضوعة لها . ويجب الإشارة الى أن التغير المستمرلمواصفات المياه يؤدي أيضا في كثير من الأحيان إلى تغير في عملياتالمعالجة . حيث أن المواصفات يتم تحديثها دوما نتيجة التغير المستمر للحدالأعلى لتركيز بعض محتويات المياه وإضافة محتويات جديدة إلى قائمةالموصفات . ويأتي ذلك نتيجة للعديد من العوامل مثل :

التطور في تقنيات تحليل المياه وتقنيات المعالجة.
اكتشاف محتويات جديدة لم تكنموجودة في المياه التقليدية أو كانت موجودة ولكن لم يتم الانتباه إلىوجودها أو مدى معرفة خطورتها في السابق.
اكتشاف بعض المشكلات التي تسببهابعض المحتويات الموجودة أصلا في الماء أو التي نتجت عن بعض عملياتالمعالجة التقليدية . هذا ويمكن تناول عمليات المعالجة التقليديةالمستخدمة للمياه استنادا إلى مصادرها السطحية والجوفية مع التركيز علىالمياه الجوفية نظرا لاعتماد المملكة عليها مقارنة بالمياه السطحية .

معالجة المياه السطحية :
تحتوي المياهالسطحية ( المياه الجارية على السطح ) على نسبة قليلة من الأملاح مقارنةبالمياه الجوفية التي تحتوي على نسب عالية منها ، وهي بذلك بعد مياه يسرة( غير عسرة ) حيث تهدف عمليات معالجتها بصورة عامة إلى إزالة الموادالعالقة التي تسبب ارتفاعا في العكر وتغيرا في اللون والرائحة ، وعليهيمكن القول أن معظم طرق معالجة هذا النوع من المياه اقتصر على عملياتالترسيب والترشيح والتطهير . وتتكون المواد العالقة من مواد عضوية وطينية، كما يحتوي على بعض الكائنات الدقيقة مثل الطحالب والبكتيريا . ونظرالصغر حجم هذه المكونات وكبر مساحتها السطحية مقارنة بوزنها فإنها تبقيمعلقة في الماء ولا تترسب . إضافة إلى ذلك فإن خوصها السطحية والكيميائيةباستخدام عمليات الترويب الطريقة الرئيسية لمعالجة المياه السطحية ، حيثتستخدم بعض المواد الكيمائية لتقوم بإخلال اتزان المواد العالقة وتهيئةالظروف الملائمة لترسيبها وإزالتها من أحواض الترسيب .ويتبع عملية الترسيبعملية ترشيح باستخدام مرشحات رملية لإزالة ما تبقى من الرواسب ، ومنالمكروبات المشهورة كبريتات الألمنيوم وكلوريد الحد يديك ، وهناك بعضالمكروبات المساعدة مثل بعض البوليمرات العضوية والبنتونايت والسليكاالمنشطة. ويمكن أيضا استخدام الكربون المنشط لإزالة العديد من المركباتالعضوية التي تسبب تغيرا في طعم ورائحة المياه . تتبع عمليتي الترسيبوالترشيح عملية التطهير التي تسبق إرسال تلك المياه إلى المستهلك .

معالجة المياه الجوفية:
تعد مياه الآبار من أنقى مصادر المياه الطبيعية التي يعتمدعليها الكثير من سكان العالم . إلا أن بعض مياه الآبار وخصوصا العميقةمنها قد تحتاج ألى عمليات معالجة متقدمة وباهظة التكاليف قد تخرج عن نطاقالمعالجة هي إضافة الكلور لتطهير المياه ثم ضخها الى شبكة التوزيع ، إذتعد عملية التطهير كعملية وحيدة لمعالجة مياه بعض الآبار النقية جدا والتيتفي بجميع مواصفات المياه ، الا أن هذه النوعية من المياه هي الأقل وجودافي الوقت الحاضر ، لذلك فأنه إضافة لعملية التطهير فان غالبية المياهالجوفية تحتاج الى معالجة فيزيائية وكيمائية إما لإزالة بعض الغازاتالذائبة مثل ثاني أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين ، أو لإزالة بعضالمعادن مثل الحديد والمغنيز والمعادن المسببة لعسر الماء، وتتم إزالةالغازات الذائبة باستخدام . عملية التهوية والتي تقوم أيضا بإزالة جزء منالحديد والمنغنيز عن طريق الأكسدة ، وقد يكون الغرض من التهوية مجرد كمايحدث لبعض مياه الآبار العميقة التي تكون حرارتها عالية مما يستدعيتبريدها حفاظا على كفاءة عمليات المعالجة الأخرى . أما إزالة معادن الحديدوالمنغنيز فتتم بكفاءة في عمليات الأكسدة الكيمائية باستخدام الكلور أوبرمنجنات البوتاسيوم .
ان الطابع العام لمعالجة المياه الجوفية هو إزالة العسربطريقة الترسيب ، ويتكون عسر الماء بصورة رئيسة من مركبات الكالسيوموالماغنسيوم الذائبة في الماء . ويأتي الاهتمام بعسر الماء نتيجة لتأثيرهالسلبي على فاعلية الصابون ومواد التنظيف الأخرى ، بإضافة الى تكوين بعضالرواسب في الغلايات وأنابيب نقل المياه ، الأمر الذي ساهم في انتشارمحطات معالجة المياه الجوفية في ربوعها المختلفة . وفيما يلي استعراض موجزللعمليات المختلفة المياه الجوفية في هذا النوع من المحطات .
أ ـ التيسير ( إزالة العسر ) بالترسيب
تعني عملية التيسير أو إزالة العسر للمياه ( watersoftening) إزالة مركبات عنصري الكالسيوم والماغنسيوم المسببة للعسر عنطريق الترسيب الكيمائي . وتتم هذه العملية في محطات المياه بإضافة الجيرالمطفأ ( هيدروكسيد الكالسيوم ) إلى الماء بكميات محدودة حيث تحدث تفاعلاتكيمائية معينة تتشكل عنها رواسب من كربونات الكالسيوم و هيدروكسيدالماغنسيوم . وقد يتم اللجوء في كثير من الأحيان الى إضافة رماد الصودا(كربونات الصوديوم ) مع الجير للتعامل مع بعض صور العسر . وتشمل عمليةالتيسير على حوض صغير الحجم نسبيا تتم فيه إضافة المواد الكيمائية حيثتخلط مع الماء الداخل خلطا سريعا لتوزيعها في الماء بانتظام ، ثم ينقلالماء الى حوض كبير الحجم ليبقي فيه زمنا كافيا لإكمال التفاعلاتالكيمائية وتكوين الرواسب حيث يخلط الماء في هذه الحالة خلطا بطيا يكفيفقط لتجميع والتصادق حبيبات الرواسب وتهيئتها للترسيب في المرحلة التالية ,

ب ـ الترسيب
تعد عملية الترسيب من أوائل العمليات التي استخدامهاالإنسان في معالجة المياه . وتستخدم هذه العملية لإزالة المواد العالقةوالقابلة للترسيب أو لإزالة الرواسب الناتجة عن عمليات المعالجة الكيمائيةمثل التيسير والترويب . وتعتمد المرسبات في أبسط صورها على فعل الجاذبيةحيث تزال الرواسب تحت تأثير وزنها .
تتكون المرسبات غالبا من أحواض خرسانية دائرية أو مستطيلةالشكل تحتوي على مدخل ومخرج للماه يتم تصميميها بطريقة ملائمة لإزالة أكبركمية ممكنة من الرواسب ، حيث تؤخذ في الاعتبار الخواص الهيدروليكية لحركةالماء داخل الخوض . ومن الملامح الرئيسة لحوض الترسيب احتوائه على نظاملجمع الرواسب ( الحمأة ) وجرفها إلى بيارة في قاع الحوض حيث يتم سحبهاوالتخلص منها بواسطة مضخات خاصة . . ويمكن دمج عمليات إضافة الموادالكيمائية والخلط البطيء والترسيب في حوض واحد يسمى مرسب الدفق العلوي

ج ـ الموازنة ( إعادة الكربنة ):
نظرا لأن المياه الناتجة هن عملية التيسير تكون في الغالبمشبعة برواسب كربونات الكالسيوم ، وحيث أن جزءا من هذه الرواسب يتبقى فيالماء بعد مروره بأحواض الترسيب فإنه من المحتمل أن يترسب بعضها علىالمرشحات أو في شبكات التوزيع مما يؤدي إلى انسداد أو الحد من كفاءةالمرشحات الشبكات . لذلك فإن عملية التيسير لضمان عدم حدوث تلك الأضرار .ومن عمليات الموازنة الأكثر استخداما في التطبيق التقليدية هي إضافة غازثاني أكسيد الكربون بكميات محددة بهدف تحويل ما تبقى من كربونات الكالسيومالى صورة البيكربونات الذائبة .

د ـ الترشيح :
هو العملية التي يتم فيها إزالة المواد العالقة ( العكارة) . وذلك بإمرار الماء خلال وسط مسامي مثل الرمل وهذه العملية تحدث بصورهطبيعية في طبقات الأرض عندما تتسرب مياه الأنهار الى باطن
الأرض . لذلك تكون نسبة العكر قليلة جدا أو معدومة فيالمياه الجوفية مقارنة بالمياه السطحية ( الأنهار والبحيرات وأحواض تجميعمياه الأمطار ) التي تحتوي على نسب عالية من العكر .
تستخدم عملية الترشيح أيضا في إزالة الرواسب المتبقية بعد عمليات الترسيب في عمليات المعالجة الكيمائية مثل الترسيب والترويب .
تعد إزالة المواد العالقة من مياه الشرب ضرورية لحمايةالصحة العامة من ناحية ولمنع حدوث مشاكل تشغيلية في شبكة التوزيع منالناحية الأخرى . فقد تعمل هذه المواد على حماية الأحياء الدقيقة من أثرالمادة المطهرة ، كما أنها قد تتفاعل كيمائيا مع المادة المطهرة كما أنهاقد تتفاعل كيمائيا مع المادة المطهرة مما يقلل من نسبة فاعليتها علىالأحياء الدقيقة ، وقد تترسب المواد العالقة في بعض أجزاء شبكة التوزيعمما قد يتسبب في نمو البكتريا وتغير رائحة المياه وطعمها ولونها.تتم عمليةالترشيح داخل المرشح الذي يتكون من ثلاث أجزاء رئيسة وهي : صندوق المرشحوالتصريف السفلي ووسط الترشيح ، يمثل صندوق المرشح البناء الذي يحوي وسطالترشيح ونظام التصريف السفلي ، ويبني صندوق المرشح في العادة من الخرسانةالمسلحة ، كما توجد في قاعة ـ الذي يتكون من أنابيب وقنوات مثقبة ـ طبقةمن الحصى المدرج لمنع خروج حبيبات الرمل من خلال الثقوب . والغرض من نظامالتصريف السفلي تجميع المياه المرشحة وتوزيع مياه الغسيل عند إجراء عمليةالغسيل للمرشح . أما وسط الترشيح فهو عبارة عن طبقة من رمل السيليكون ،وحديثا أمكن الاستفادة من الفحم المجروش ورمل الجارنت . عند مرور المياهخلال وسط الترشيح تلتصق المواد العالقة في بجدران حبيبات الوسط ، ومعاستمرار عملية الترشيح تضيق فجوات الوسط للمياه بحيث يصبح المرشح قليلالكفاءة وعند ذلك يجب إيقاف عملية الترشيح وغسل المرشح لتنظيف الفجوات منالرواسب يتم في عملية الغسيل ضخ ماء نظيف بضغط عال من أسفل المرشح عبرنظام التصريف السفلي ينتج عنه تمدد الوسط وتحرك الحبيبات واصطدم بعضها معالبعض ، وبذلك يتم تنظيفها مما علق بها من رواسب . وتندفع هذه الرواسب معمياه الغسيل التي تتجمع في قنوات خاصة موضوعة في أعلى صندوق المرشح ،وتنقل الى المكان الذي يتم فية معالجة مخلفات المحطة وتستمر عملية الغسيلهذه لفترة قصيرة من الزمن (5 –10 دقائق) بعدها يكون المرشح جاهزا للعمل .

هـ التطهير :
هو العملية المستخدمة لقتل الكائنات الحية الدقيقة المسببةللأمراض (الجراثيم )، وتتم هذه العملية باستخدام الحرارة ( التسخين ) أوالأشعة فوق البنفسجية أو المواد الكيميائية مثل البروم أو اليود أوالأوزون أو الكلور بتركيزات لا تضر بالإنسان أو الحيوان . وتعد طريقةالتسخين الى درجة الغليان أولى الطرق المستخدمة في التطهير ولاتزال أفضلهافي حمالات الطوارئ عندما تكون كمية المياه قليلة ، لكنها عير مناسبة عندماتكون كمية المياه كبيره كما في محطات المعالجة نظرا لارتفاع تكلفتها . أمااستخدام الأشعة فوق البنفسجية والمعالجة بالبروم واليود فتعد طرقا مكلفة .هذا وقد انتشر استخدام الأوزون والكلور في تطهير مياه الشرب ، حيث راجاستخدام الأوزون في أوربا والكلور في أمريكا . وفي الآونة الأخيرة اتجهتكثير من المحطات في الولايات المتحدة الأمريكية الى استخدام الأوزونبالرغم من عدم ثباته كيمائيا وارتفاع تكلفته مقارنة بالكلور، وذلك لظهوربعض الآثار السلبية الصحية لاستخدام الكلور ( الكلورة ) في تطهير مياهالشرب يتفاعل الكلور مع الماء مكونا حامض الهيبوكلوروز وأيوناتالهيبوكلورايت ثم يتفاعل جزء من حامض الهيبوكلوروز مع الأمونيا الموجودةفي الماء مكونا أمنيات الكلور ( الكلور المتحد المتبقي) ويطلق على ما تبقىمن حامض الهيبوكلوروز وأيونات الهيبوكلورايت الكلور الحر المتبقي وهذهالمركبات ( الكلور الحر والكلور المتحد )هي التي تقوم بتطهير الماء وقتلالجراثيم الموجودة به ، ولذلك تلجا كثير من محطات المعالجة الى إضافةالكلور بنسب تكفي للحصول على كلور حر متبقي يضمن تطهير الماء الخارج منالمحطة بكفاءة عالية ، بل في الغالب تكون كمية الكلور المضاف كافية لتأمينكمية محدود من الكلور الحر المتقي في شبكة توزيع المياه ، وذلك لتطهيرالمياه من أي كائنات دقيقة قد تدخل في الشبكة .

و ـ معالجة المخلفات:
تمثل الحماة المترسبة في أحواض الترسيب ومياه الغسيلالناتجة عن غسل المرشحات المصدرين الرئيسين للمخلفات في محطات معالجةالمياه . وتحتاج هذه المخلفات إلى معالجة لتسهيل عملية التخلص منهاولحماية البيئة من التلوث الناتج عنها . ويتم ذلك بضخ مياه الغسيل الى حوضللتر ويق ، حيث تضاف إليها مادة كيمائية مناسبة مثل البوليمر لتساعد علىترسيب المواد العالقة في مياه الغسيل ، ثم تعاد المياه الناتجة عن هذهالعملية إلى بداية خط المعالجة في المحطة . آما الحمأة الناتجة من أحواضالترسيب والمواد المترسبة في حوض الترويق فيتم إرسالها إلى حوض للتثخينحيث يتم تثخينها بإضافة البوليمة الناسب ، وتعاد المياه الناتجة عن هذهالعملية إلى مدخل المياه في المحطة ، وبع ذلك تتعرض الحمأة المثخنة إلىعملية نزع المياه منها بطرق ميكانيكية ( الطرد المركزي أو الترشيحالميكانيكي ) يتم في النهاية الحصول على مواد صلبة تحتوي على كميات قليلةمن المياه يمكن التخلص منها بوضعها في أحواض للتجفيف أو دفنها في باطنالأرض ، كما يمكن استخلاص بعض المواد الكيمائية من هذه المخالفات ليعاداستخدامها في عمليات المعالجة .

تحديات جديدة
وشهدت الآونة الأخيرة تغيرات جذرية في تقنيات المعالجةترجع في كثير من الأحوال الى النقص الشديد الذي تعانية كثير من دول العالمفي المياه الصالحة للشرب أو نتيجة لتلوث مصادر المياه كما هو الحال فيأكثر الدول الصناعية . وقد أدت هذه العوامل إلى البحث عن مصادر جديده غيرالمصادر التقليدية والتي تحتاج بطبيعة الحال إلى تقنيات معالجة متقدمةبالإضافة إلى المعالجة التقليدية . ولذلك لجأت كثير من الدول ال تحليةمياه البحر وإلى تحلية بعض مصادر المياه الجوفية المالحة ، وفي سبيل ذلكيتم استخدام تقنيات باهظة التكاليف مثل عمليات التقطير الومضي وعملياتالتناضح العكسي ، بالإضافة إلى العديد من العمليات الأخرى للتحلية . وقدأدى تلوث مصادر المياه في بعض أنحاء العالم إلى الشروع في استخدام تقنياتمتقدمة ومكلفة مثل استخدام الكربون المنشط وعمليات الطرد بالتهوية فيإزالة الكثير من الملوثات العضوية مثل الهيدروكربونات وبعض المبيداتوالمركبات العضوية الهالوجينية . ومن مظاهر التلوث الطبيعي وجود عناصرمشعة مثل اليورانيوم والراديوم والرادون في بعض مصادر المياه . وتتركزالأبحاث الحديثة حول إزالة هذه العناصر باستخدام عمليات الامتصاص ( استخدمالكربون المنشط والسيليكا ) وعمليات التناضح العكسي مع تحسين الأداءللعمليات التقليدية مثل التيسير والترويب .
ومن الاتجاهات الحديثة في عمليات المعالجة التوجه نحواستخدام بدائل لتطهير المياه غير الكلور نظرا لتفاعله مع بعض الموادالعضوية الموجودة في المياه ـ خاصة المياه السطحية ـ وتكوين بعض المركباتالعضوية التي يعتقد بأن لها أثرا كبيرا على الصحة العامة .
وتعد المركبات الميثانية ثلاثية الهالوجين ، مثلالكلوروفورم ، في مقدمة نواتج الكلورة التي لاقت اهتمام كبيرا في هذاالصدد ، إلا أن الحماس لاستخدام بدائل الكلور ما لبث أن تباطأ في الآونةألاخيرة نتيجة لاكتشاف أن هذه البدائل ينتج عن الأوزون مركبات مثلالفورمالدهايد والاسيتالدهايد ، وعن الكلورامين ينتج كلوريد السيانوجين ،وعن ثاني أكسيد الكلور ينتج الكلورايت والكلوريت.
تلاقي المعالجة الحيوية باستخدام الكائنات الدقيقة اهتمام بالغا في العصر الحاضر بعد أن كانت وقفا على معالجة مياه الصرف لسنوات
طويلة ، حيث أثبتت الأبحاث فاعلية المعالجة الحيوية فيإزالة الكثير من المركبات العضوية والنشادر والنترات والحديد والمنغنيز ،إلا أن تطبيقاتها الحالية لا تزال محدودة ومقتصرة في كثير من الأحوال علىالنواحي التجريبية والبحثية . وختاما نشير الى أن ادخال التقنيات الحديثةعلى محطات المعالجة التقليدية قد تستوجب تغييرات جذرية في المحطات القائمةوفي طرق التصميم للمحطات المستقبلية ويعني ذلك ارتفاعا حادا في تكلفةمعالجة المياه ، ويمكن تفادي ذلك أو الإقلال من أثره بوضع برامج مدرسةللترشيد في إستخدام المياه والمحافظة على مصادرها من التلوث

من مجلة العلوم والتقنية