تشهد معالجة المياه تحولًا عميقًا وتكتسب أهمية في جميع أنحاء العالم. ويصبح الماء سلعة نادرة بشكل متزايد. خاصة في البلدان الفقيرة، حيثما لا يتوفر بكميات كافية. وأصبحت القيود أكثر حدة بسبب الطلب المتزايد من جانب مجالات الصناعة والزراعة وتوليد الطاقة. وبالرغم من أن المشكلات مثل ندرة المياه تحظى بأهمية محدودة هنا في ألمانيا، إلا أن اتباع نهج مسؤول وموفر للموارد بالنسبة للمياه يمثل قضية مهمة بالنسبة للمستقبل. تؤدي معالجة المياه دورًا رئيسيًا في موضوع توفر المياه. لا تزال حوالي نسبة 80 بالمائة من مياه الصرف الصحي في جميع أنحاء العالم دون معالجة، على الرغم من إمكانية معالجتها فنيًا في كثير من الأحيان. وبالتالي، فعلى المدى الطويل، ستتوفر إمكانية كبيرة لخفض مستوى استهلاك المياه بشكل كبير في مجال الصناعة.
في الوقت نفسه، ينصب التركيز أيضًا على كفاءة الطاقة،خصوصًا في البلدان الصناعية. تعتبر محطات معالجة مياه الصرف الصحي مصادر مستهلكة للطاقة بكثرة بسبب العمليات كثيفة الطاقة في خزانات التهوية. وعلى خلفية الأهداف الطموحة لحماية المناخ وارتفاع أسعار الطاقة، ستصبح كفاءة الطاقة في عمليات معالجة المياه واحدة من القضايا الرئيسية للمستقبل.
ولاسيما في مجال تقنية الطاقة لخزانات معالجة مياه الصرف، فمن الواضح أن التقنيات الموثوقة لخفض استهلاك الطاقة بشكل مستدام موجودة بالفعل وجذابة للغاية من وجهة نظر المشغل. تؤتي الاستثمارات في تقنية التهوية الحديثة ثمارها بسرعة كبيرة وتحسّن من كفاءة المحطة دون نفقات لا داعِ لها، خاصة في حالة محطات معالجة المياه الأقدم. تنطوي معالجة المياه في المستقبل على إمكانات بعيدة المدى للتخفيف من ندرة المياه وتعزيز الإدارة المسؤولة للمواد الخام وخفض استهلاك الطاقة. ومن الأمثلة المحتملة التي تنطوي على إمكانات كبرى في المستقبل توليد الطاقة من مياه الصرف الصحي.
تمثل عملية توليد الطاقة من مياه الصرف الصحي من أهم القضايا المستقبلية في مجال معالجة المياه. يحتوي كل متر مكعب من مياه الصرف الصحي على أربعة أضعاف كمية الطاقة المُستخدَمة لتنقية تلك المياه؛ ومن الناحية النظرية البحتة، يمكن لمحطة معالجة مياه الصرف الصحي إنتاج طاقة أكثر مما تستهلك. والمبدأ الذي تستند إليه هذه الفكرة بسيط: يمكن استخدام المواد الصلبة الموجودة في مياه الصرف الصحي، مثل الفضلات أو ورق المرحاض أو الجسيمات الأخرى، بشكل عام في مصانع الغاز الحيوي لتوليد الطاقة الكهربائية والحرارة. وقد تم بالفعل تطبيق تقنيات هذه العملية بنجاح، ولكن لا يزال هناك مجال كبير لنموها. ولهذا السبب، يجري حاليًا بحث واختبار تقنيات جديدة تهدف إلى زيادة حرق الحمأة في شكل نماذج أولية - مع تحقيق نتائج واعدة.
ولكن لا يزال يتعيّن التغلب على العديد من العقبات قبل أن تتحقق الإمكانات الكاملة لمياه الصرف الصحي في توليد الطاقة. ويتمثل أحد هذه التحديات في زيادة نسبة المواد الصلبة التي يمكن استخلاصها من مياه الصرف الصحي بشكل كبير قبل عملية التنقية الفعلية. ويمكن تحقيق ذلك، على سبيل المثال، عن طريق إضافة البوليمرات التي تتسبب في تجمع الحمأة معًا.
تعد كفاءة الطاقة أهم قضية لمعالجة المياه في المستقبل. فمن ناحية، يرى مشغلو محطات معالجة مياه الصرف الصحي أنفسهم يواجهون باستمرار لوائح بيئية صارمة بشكل متزايد من جانب السياسيين. ومن ناحية أخرى، يتعين عليهم إدخال تدابير الكفاءة لمواجهة ارتفاع أسعار الكهرباء. ولفهم أهمية كفاءة الطاقة في خزانات معالجة مياه الصرف الصحي، من المفيد إلقاء نظرة على توازن الطاقة في محطة المعالجة.
وتستخدم ما يقرب من 10200 محطة لمعالجة مياه الصرف الصحي المجهزة في ألمانيا ما مجموعه حوالي 4400 جيجاواط/ساعة (GWh) من الطاقة الكهربائية سنويًا. ويتوافق ذلك مع استهلاك محدد يُقدر بنحو 35 كيلوواط ساعة/مكافئ سكاني في السنة، وبالتالي لا تزال محطات معالجة مياه الصرف الصحي تمثل حوالي 0,7% من الطاقة المستهلكة في ألمانيا.
ويتضح هنا أن التهوية تعد مصدر الاستهلاك الرئيسي إلى حد كبير بالنسبة لمعظم محطات معالجة مياه الصرف الصحي مع معالجات الحمأة؛ وبالرغم من أن النسبة المئوية للطاقة التي تستهلكها المحطات التي تعمل بالاعتماد على ثبات الحمأة الهوائية تتراوح بين 60% و80%، فإنه لا يزال هناك حوالي 50% للمحطات التي تعمل بالاعتماد على هضم الحمأة. علاوة على ذلك، توجد مصادر استهلاك أخرى للطاقة ليست بنفس أهمية معالجة الحمأة. لمحة سريعة عن مصادر استهلاك الطاقة الرئيسية:
توضح هذه اللمحة السريعة على متوسط استهلاك الطاقة في هذه المحطات أن أكثر الإمكانات لتقليل استهلاك الطاقة تكمن في تهوية خزانات التهوية وفي محطات الضخ التي تعمل باستمرار، على سبيل المثال، المدخل وآلية الرفع المتوسطة وإعادة التدوير الداخلي. تؤدي تهوية خزانات التهوية الدور الأهم، ولهذا السبب سيتم دراسة هذا الجانب بالتفصيل لاحقًا.
إن زيادة كفاءة الطاقة في خزانات التهوية واستخدام الحمأة أو غاز الهضم لتوليد الطاقة والحرارة لا تمثل التدابير الوحيدة المتخذة لمعالجة المياه في المستقبل. تكمن إمكانات إضافية، على سبيل المثال، في دمج الطاقات المتجددة في أنظمة الطاقة بمحطات معالجة مياه الصرف الصحي.
يمكن، على سبيل المثال، تركيب الخلايا الشمسية أو توربينات الرياح على أساسات محطات معالجة مياه الصرف الصحي لزيادة تحسين نسبة الطاقة المولدة إلى إجمالي استهلاك الطاقة. وفي الوقت نفسه، يتضح أنه ينبغي مراعاة أن هذه التدابير تخضع للقيود نفسها التي تخضع لها المواقع الأخرى وتعتمد ربحية الاستثمار على الظروف السائدة، مثل الظروف المحلية لأشعة الشمس والرياح. وعلى الرغم من أن استخدام مجمعات الطاقة الشمسية لتوليد الحرارة يحظى بأهمية خاصة بالنسبة للمحطات دون هضم الحمأة، فمن المحتمل أن يؤدي هذا النهج دورًا ثانويًا فقط في المستقبل. بالنسبة للمحطات التي تعمل بالاعتماد على ثبات الحمأة الهوائية، عادةً ما يوجد بالفعل فائض متاح من الحرارة في فصل الصيف، ما يجعل القياس أمرًا لا لزوم له لهذا النوع من محطات معالجة مياه الصرف الصحي. توجد تدابير أخرى لضمان معالجة المياه الموفرة للطاقة في المستقبل تسعى إلى استخدام الطاقة الكهرومائية في مداخل ومخارج محطة معالجة مياه الصرف الصحي. ومع ذلك، لا يوفر هذا النهج سوى إمكانات محدودة، نظرًا لأن ارتفاع السقوط المتاح منخفض وكمية الطاقة المولدة لا تبرر الجهد والنفقات.
وخاصة في حالة المحطات الأكبر حجمًا التي تعمل بالاعتماد على حرق الحمأة، يوصى باستخدام مخلفات الغربال القضيبي كمصدر وقود إضافي لزيادة كفاءة الطاقة. ومع ذلك، تُقيد إمكانات هذه التقنية بواسطة استخدام غاسلات مخلفات الغربال القضيبي، ما يقلل من تراكم المخلفات.
نظرًا للاستهلاك العالي للطاقة. حسب محطة معالجة مياه الصرف الصحي، تمثل عملية التهوية ما بين 60% و80% من إجمالي الطاقة المطلوبة، وهذا هو السبب في أهمية التهوية بشكل خاص لمعالجة المياه في المستقبل.
لفهم سبب استهلاك خزانات التهوية لكثير من الطاقة، دعونا نلقي نظرة سريعة على العمليات في نظام التنظيف البيولوجي. تُخلص خزانات التهوية مياه الصرف الصحي المصفاة ميكانيكيًا مسبقًا من المواد العضوية مثل مركبات الفوسفات والنيتروجين. ويتأثر هذا التحلل بالكائنات الحية الدقيقة مثل البكتيريا والحمأة الهوائية.
ولإزالة الفوسفات بيولوجيًا من مياه الصرف الصحي في الخطوة الأولى، يتم إبقاء الجزء الأول من الخزان منخفضًا في الأكسجين. ثم يتم إدخال قدر كبير من الأكسجين في مياه الصرف الصحي عن طريق الهواء المضغوط. تتكاثر البكتيريا بسرعة بسبب الأكسجين، ما يتسبب في ارتباط الفوسفات بالحمأة البيولوجية عند دمجها مع مرسبات ذائبة. ثم تتحلل الحمأة في خزانات المعالجة الثانوية ويمكن إعادتها إلى خزانات التهوية أو نقلها إلى نظام معالجة الحمأة. تستخدم هذه العملية قدرًا كبيرًا من الطاقة نظرًا لإدخال كميات كبيرة من الهواء المضغوط.
يتمثل تحدي تقنية التهوية بشكل أساسي في توفير إمدادات هواء حسب الطلب بإمكانها التعامل مع التقلبات الشديدة في أوضاع الأحمال ومستويات التلوث المختلفة. وغالبًا ما تُجهز محطات معالجة مياه الصرف الصحي الأقدم بتقنيات المنافيخ التي توفر دائمًا نفس الكمية من الأكسجين بغض النظر عن حالة الإمداد، على الرغم من أن هذا ليس ضروريًا دائمًا. لذلك يتمثل التحدي، من ناحية، في تنفيذ التهوية حسب الطلب، ومن ناحية أخرى، لتوفير نطاقات الحمل الجزئي لوضع الحمل بأكبر قدر ممكن من الكفاءة.
من أجل توفير الطاقة بكفاءة لخزانات التهوية، تعتمد شركة AERZEN على مجموعة منتجات تتكون من تقنية منفاخ واحدة أو أكثر تُنفذ وفقًا للمتطلبات الفردية لكل محطة لمعالجة مياه الصرف الصحي. يتيح هذا النهج تحقيق أقصى قدر من الكفاءة والاستفادة الكاملة من إمكانات التوفير.
تتكون المجموعة من المنافيخ التوربينية، المخبرين الإزاحة الموجبة و ضواغط شحمة العضو الدوار. تعد هذه الميزة واضحة: تتسم كل تقنية من هذه التقنيات بمزايا ونقاط قوة فردية يمكن تكييفها مع المتطلبات الفردية. وحيث إن المنافيخ التوربينية، على سبيل المثال، تتميز بالكفاءة في استخدام الطاقة بشكل رائع بفضل تصميمها، فإن آلات المكبس الدوارة تتفوق من حيث قابلية الضبط والكفاءة غير المتغيرة تقريبًا في نطاق الحمل الجزئي. كمنتج هجين، يجمع الضاغط الفصي الدوار بين مزايا تقنية المنفاخ والضاغط في نظام واحد. وبناءً على الاستخدام، يُنصح باختيار إما مجموعة من التقنيات المختلفة أو التقنية الأكثر كفاءة للحالة المطروحة حاليًا. وفي الوقت نفسه، يمكن تثبيت ليس فقط تقنيات مختلفة، ولكن أيضًا أحجام مختلفة. ويمكن تحقيق إمكانات إضافية لتحقيق وفورات في حالة دمج هذا النهج مع نظام تحكم شامل ذكي.
لقد أظهرت التجربة أنه يمكن تحقيق وفورات كبيرة في الطاقة من خلال التهوية المثلى. على سبيل المثال، من خلال تركيب منفاخ Aerzen توربيني ومنفاخ Delta هجين، تتم إدارة محطة معالجة مياه الصرف الصحي في ريدا-فيدنبروك لتوفير 40000 يورو في تكاليف الطاقة - سنويًا.
صفحات حول موضوع معالجة مياه الصرف الصحي على مستوى العالم:معالجة المياه والصرف الصحي | أنماط الأداء لمشغلي محطات معالجة مياه الصرف الصحي | دراسات حالة | الأداء³ | Wastewater treatment guide | حاسبة الأداء
