بحث في التلوث الصناعي للمياه ومعالجة مياة الصرف الصحي _الجزء4_

من طرف **Admin** الجمعة ديسمبر 23, 2011 2:38 am

معالجة الحمأة في محطات الصرف الصحي وأثرها على حملها الوبائي

إن الحاجة إلى تنقية مياه الصرف الصحي مع ازدياد الطلب على إعادة استخدامها قاد إلى ارتفاع مستوى المواصفات والمعايير الخاصة بتنقيتها لتحقق أعلى درجات الأمان البيئي والصحي في حالة إعادة استخدام هذه المياه أو التخلص منها في البيئة، وكان من أهم معايير الجودة لهذه المياه هو محتواها من الشوائب و المواد الصلبه والتي أدى إزالتها في محطات المعالجة إلى تكون نفاية صلبة(حمأة) لمحطات الصرف الصحي مستخلصة من هذه المياه .
وفي مياه الصرف الصحي عرفت ثلاث أنواع من المواد الصلبة وهي العوالق الصلبة والمواد الصلبة الذائبة والعوالق الصلبة المتطايرة ، وقد وجد أن أغلب محتوى المواد الصلبة العالقة في مياه الصرف الصحي هو من المواد العضوية في حين أن المواد الغير عضوية كانت تشكل أعلى نسبة في مكونات المواد الصلبة الذائبة في مياه الصرف الصحي .
تسمى المواد الصلبة المتكونة أثناء فترة المعالجة لمياه الصرف الصحي في المحطات بالحمأة ، وهي تحوي كميات ضخمة من الماء قد تتجاوز نسبتها 97% من حجمها، كما أنها تحوي مقادير من الممرضات المنقولة مع مياه الصرف الصحي والتي أزيلت معها أو ضمنها علاوةً على محتواها الكيميائي كمواد عضوية قابلة للتخمر والتحلل الحيوي.
ولكي تصبح مقبولة وآمنه بيئياً وصحياً في حالة التخلص منها في البيئة أو إعادة استخدامها فإنه لابد من معالجتها للحد من مشكلة الممرضات المنقولة بها، و لتثبيتها بخفض قابليتها للتخمر والتحلل وبالتالي التحكم في التلوث الميكروبي الذي قد ينجم عن استعمارها وتعاقب الكائنات الحية الدقيقة عليها وأيضاً للتحكم في الروائح المنبعثة من جرّاء ذلك، كما أن خفض محتواها المائي يعتبر من الأهداف الرئيسية أيضاً لمعالجتها وذلك للتحكم في نمو الكائنات الحية الدقيقة عليها ولتقليص حجمها وبالتالي تقليص حجم الإنفاق على النقل والمعالجة وخلافه وعموما تصل مياه الصرف الصحي إلى محطات المعالجة قادمة من مصادرها المتعددة لمختلف الأنشطة البشرية في المدينة ليتم معالجتها بخطوات يمكن إيجازها كالتالي:
عند مدخل المحطة يتم صدّ النفايات الصلبة الكبيرة التي لا يمكن معالجتها في المحطة كالعلب وقطع القماش والأخشاب وما إلى ذلك بواسطة المناخل المثبّتة عند المدخل ليتم استبعادها من مياه الصرف الداخلة إلى نظام المعالجة، وهذا النوع من النفايات الصلبة ليس هو المعني في هذاالمقال.
يلي هذه المرحلة خطوة لإزالة المواد سريعة الترسب كالرمل والحصى وكذلك المواد سريعة الطفو كالشحوم والزيوت حيث يتم فصل الأولى بالترسيب والأخرى بالكشط. بعد ذلك تدخل مياه الصرف الصحي والتي لا زالت تحمل المواد الصلبة العالقة والذائبة وكل ما لم يزل في المرحلة الابتدائية المذكورة آنفاً إلى مرحلة الترسيب الأولي حيث يتم في فترة الاحتجاز الطويلة نسبياً انفصال كميات كبيرة من المواد الصلبة العالقة في مياه الصرف على شكل رواسب من الحمأة تتجمع في قاع خزانات الترسيب الأولي وذلك بفعل قوة الجاذبية الأرضية، ومن هذه المرحلة تخرج مياه الصرف الصحي وهي تحوي المواد الصلبة الذائبة ومقادير من المواد الصلبة العالقة ويتم نقلها بعد ذلك إلى مرحلة المعالجة الحيوية حيث تتكون الكتل الحية من نمو الكائنات الحية الدقيقة على المغذيات الذائبة في مياه الصرف، يلي هذه المرحلة الترويق الثانوي حيث تنفصل الكتل الحية عن مياه الصرف الصحي على شكل كتل من الحمأة ترسب في قاع خزانات الترويق الثانوي.
إن مرحلتي الترسيب الأولي والترويق الثانوي هما المصدر الرئيسي للنفايات الصلبة لمحطة الصرف الصحي ومن المراحل الأخرى وعن طريق الكواشط والفلاتر والطواحن وخلافه يمكن توليد كميات من النفايات الصلبة لكن بكميات ثانوية نسبياً .
إن مصدر الحمل الوبائي الرئيسي للنفايات الصلبة المتولدة في محطات الصرف الصحي هو البراز الآدمي ، حيث يستطيع الإنسان الواحد أن يصرف إلى المحطة يومياً ما يقدر بـ 30-60 جرام جاف من البراز مما يشكل أكبر مصدر للنفايات الصلبة لمحطة الصرف الصحي، وعليه فإن حملها الوبائي مرتبط بشكل رئيسي بالحالة الصحية للأفراد الذين يصرفون مخلفاتهم إلى المحطة وعليه فإنه لا يمكن الحد من وصول الممرضات إلى المحطة بشكل مباشر ، وعموماً نجد أن الممرضات تتركز في الحمأة بشكل أكبر مما هو عليه في مياه الصرف المولدة لها حيث تتجمع الممرضات وتُمتص على الرواسب. إن عملية التثخين هي أولى مراحل معالجة الحمأة حيث يتم فيها تهيئة الحمأة للعمليات اللاحقة سواءاً للتثبيت أو لخفض المحتوى المائي، وهدف هذه المرحلة هو زيادة تركيز المواد الصلبة، وهي غير موجهة لخفض مقادير الممرضات ولا لتثبيت المكونات العضوية، ويتم ذلك بفصل الماء جزئياً عن الكمية المتكونة_ أثناء مراحل معالجة مياه الصرف الصحي_ بآليات فيزيائية في مجملها مثل التثخين بالترسيب حيث يتم احتجاز النفايات الصلبة (الحمأة) المتولدة من مرحلتي الترسيب الأول والترويق الثانوي وغيرهما في خزان لعدة ساعات تكفي لانفصالها إلى طبقات بحسب كثافتها بحيث تصبح الطبقة العلوية هي من الماء المنفصل عن الحمأة والذي تهدف هذه المرحلة إلى إزالته منها العديد من الطرق يمكن استخدامها لتحقيق التثخين بآليات غير الجاذبية الأرضية كالطرد المركزي أو الحزام الضاغط وغير ذلك ) .
يلي ذلك مرحلة التثبيت والتي تهدف إلى تثبيت المكونات العضوية أي تخفيض قابليتها للتحلل والتعفن في البيئة وذلك بتحويلها في محطة المعالجة إلى مركبات ثابتة حيوياً مما يحد أيضاً من انبعاث الروائح الناجم عن استخدامها كمواد أساسية للنمو الميكروبي، كما يتم في العديد من تطبيقات التثبيت التأثير على مقادير الممرضات بخفضها إلى مستويات تتفاوت بحسب التطبيق المستخدم، ومن فوائد التثبيت أيضا أن النفايات الصلبة المثبّتة يمكن بسهولة خفض محتواها المائي.
إن تثبيت الحمأة يمكن أن يتحقق بالعديد من الآليات كالهضم الحيوي الهوائي أو اللاهوائي في درجات حرارة متوسطة أو مرتفعة، أو بالأكسدة الكيميائية مثل استخدام الجير وغيرها، ويتم اختيار الطريقة بحسب نوع الحمأة والإمكانيات المتاحة ونظام التخلص أو إعادة الاستخدام المطبق للمنتج المثبت ) .
وأكثر التطبيقات شيوعاً في محطات الصرف الصحي هو الهضم الحيوي اللاهوائي في درجات الحرارة المتوسطة حيث تخضع فيه النفايات الصلبة لمحطة الصرف الصحي المتولدة على هيئة حمأة إلى الاحتجاز في خزانات محكمة السدّ لمنع دخول الهواء إليها ولفترات طويلة نسبياً (20-40يوماً) حيث وضحت الدراسات أن أعلى نسبة لهضم هذا النوع من المركبات العضوية يتحقق في حالة الهضم اللاهوائي وذلك مقارنة بالهضم الهوائي. إن وحدة الهضم الحيوي اللاهوائي تستطيع في ظروف التشغيل المثلى أن تحقق خفضا في مقادير المواد الصلبة القابلة للهضم الحيوي بحوالي 50% ويمكن تلخيص الدور الذي تقوم به الأحياء الدقيقة في هذا المفاعل الحيوي بالتالي:

1- الهضم الأولي للمواد ذات الجزيئات الكبيرة وتحويلها إلى مواد ذائبة

وذلك بواسطة بعض الأنزيمات الخارج خلوية مثل (Polysaccharidase, Protease and Lipase).

2- تخمير هذه المواد الذائبة وتوليد أحماض دهنية، كحولات، هيدروجين

وثاني أكسيد الكربون وذلك بواسطة البكتيريا مولدة الحامض

3- تخمير الأحماض الدهنية وتوليد الإسيتيت ، ثاني أكسيد الكربون

والهيدروجين، وأحياناً الفورميت .

4- تحويل الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون أو الاسيتيت والهيدروجين

إلى غاز الميثان بواسطة بكتيريا الميثان

علاوة على المسارات الايضية الأخرى للبكتيريا المختزلة للحديد أو

المنجنيز أو تلك المولدة لغاز كبريتيد الهيدروجين والتي تستطيع أن تتسبب في معدنه المواد العضوية وتحليلها إلى صور بسيطة ) .

وقد وجد أن الغازات الخارجة من هذا النوع من المفاعلات الحيوية قد

تحوي مقادير من مشتقات هيدروجينية للمعادن والمواد الغروية المعدنية كشاهد على مسارات أيضيه تستغل فيها بعض الأجناس البكتيرية المركبات المعدنية، ورصد لأول مرة ضمن غازات خزان الهضم اللاهوائي مركب (Trimethyl Bismuth) .

إن الحاجة إلى زمن الاحتجاز الطويل نسبياً سببه بطء العمليات الحيوية
، وقد اقترح بعض الباحثين إمكانية تقليص الفترة اللازمة للتثبيت في هذا
النوع من المفاعلات الحيوية بإضافة خطوه معالجة تؤدي إلى تكسير جدران بكتيريا

الكتل الحية الموجودة في النفايات الصلبة لمحطة الصرف الصحي و الداخلة على هذا

المفاعل وذلك لإتاحة مكوناتها للتثبيت لأن طول الفترة اللازمة للتثبيت سببها صعوبة هضم

محتويات الخلايا بسبب تركيب جدرانها وتمكن بعضهم من إثبات ذلك عندما حُطمت جدر البكتيريا

بالمعالجة الكيميائية الحرارية أو الضغط العالي أو الموجات الصوتية وغيرها وهذه الآلية لو طبقت

فإنها ستخفض مقادير الممرضات الموجودة ضمن هذه الكتل الحية .

إن خفض المحتوى المائي بعد التثبيت يعتبر عملية مهمة اقتصادياً وتشغيلياً حيث يتم بها تقليص تكاليف وإمكانيات نقل وتداول وتجفيف النفايات الصلبة لمحطة الصرف الصحي وكذلك لتهيئتها للمراحل التالية من المعالجة.
ولما كانت دقائق المواد الصلبة في الحمأة ناعمة وضئيلة الحجم وأيضاً ذوّابة ولها شحنة كهربية سالبة كان لابد من تهيئة الحمأة أو تكييفها قبل مرحلة خفض المحتوى المائي وذلك لرفع قابليتها لفقد الماء أثناء هذه المرحلة.
العديد من الطرق تستخدم لتكييف الحمأة وإعدادها لمرحلة خفض المحتوى المائي ولبعضها القدرة على قتل الكائنات الحية الدقيقة، ومن هذه الطرق التهيئة الكيميائية باستخدام كلوريد الحديد والجير أو كبريتات الحديدوز والشّب أو الرماد والتي تقود إجمالاً إلى تكتل الحمأة وزيادة حجم حبيباتها، ومن وسائل التهيئة الكيميائية أيضاً استخدام البوليمرات العضوية ، والبوليمرات عموماً مركبات طويلة السلاسل تذوب في الماء على شكل محلول حيث يلتصق البوليمر الذائب بسطوح دقائق الحمأة مما يؤدي إلى ترابطها و تكتّلها، كما يقود أيضاً إلى تعادل الشحنات على سطوح دقائق الحمأة.
ومن الطرق الممكن استخدامها لهذا الغرض أيضاً طرق فيزيائية مثل غسيل وتصفية الحمأة من المواد الذائبة لتحسين تركيب دقائق الحمأة وتستخدم مياه الصرف الصحي المعالجة لذلك، ومنها أيضاً التهيئة الحرارية بتسخين الحمأة عند درجات حرارة من 140-240ْم لـ 15-40 دقيقة بغرض تخثير الحمأة وتحطيم التراكيب الهلامية، ومثل هذه الطريقة تعتبر مطهرة للحمأة وتؤدي إلى خفض للحمل الوبائي فيها، ومن الطرق أيضاً التجميد وخلافه
بعد التهيئة والتكييف بإحدى الطرق المذكورة آنفاً تنقل النفايات الصلبة لمحطة الصرف الصحي إلى وحدة خفض المحتوى المائي
العديد من الطرق المتاحة يمكن استخدامها في هذه المرحلة ويتم اختيار الطريقة حسب نوع ومواصفات الحمأة ،الإمكانيات المتاحة ودرجة الرطوبة المطلوبة للمنتج النهائي. وكان استخدام أحواض التجفيف أو برك التجفيف أول الطرق المستخدمة لهذا الغرض حيث تنشر الحمأة على أرضية تسمح للماء بالنفاذ ولا تلتصق بها الحمأة بشدة وغالباً ما يستخدم الرمل لذلك ، وتترك لفترة تتراوح بين أيام إلى أسابيع عرضة للهواء الطلق حتى تجف .
ومن الطرق المستخدمة أيضاً الطرد المركزي حيث تستخدم قوة الطرد المركزي لتسريع معدل الترسيب وفصل الماء، ومن الطرق أيضاً استخدام التفريغ عبر مرشح ، وطرق أخرى عديدة.
ومن أكثر الطرق انتشاراً في الوقت الحالي طريقة الحزام الضاغط حيث يتم ضغط الحمأة بين حزامين مرشحين بواسطة آلات دوّارة ترصّ الحمأة حتى ينفذ الماء من خلال الحزام المرشح وتبقى المواد الصلبة بين الحزامين على هيئة طبقة رقيقة نسبياً )-.
هذا ولم تُشر الأبحاث المنشورة حول هذه العملية إلى قدرة تقنية الخفض الآلي للمحتوى المائي باستخدام الحزام الضاغط على التأثير على الحمل الوبائي للنفايات الصلبة لمحطة الصرف الصحي إلا ما يفهم بالضرورة من أن المياه التي سوف تزال من الحمأة أثناء هذه المرحلة لن تكون معقمة بل سوف تحوي مقادير من الممرضات التي كانت في الحمأة أصلاً وبالتالي تنخفض مقادير الممرضات في الحمأة بقدر ما يخرج منها مع الماء أثناء هذه المرحلة.
تصنيع الكمبوست من الحمأة (التعريف ،الآلية الحيوية وخفض الموبوئية)

عملية الـ(Aerobic Composting) يقصد بها تثبيت النفايات العضوية الرطبة بنظم طبيعية حيوية هوائية في شكل أكوام من هذه النفايات (Hammer and Hammer, 2001). وعرّفت بأنها عملية حيوية هوائية تؤدي في النهاية إلى هضم المواد العضوية القابلة للهضم الحيوي مولدة غاز ثاني أكسيد الكربون والماء وبقايا المواد العضوية الثابتة (Anderson and Pescool, 1992).
وعرّفها العالم (Haug,1980) بأنها التحلل الحيوي والتثبيت للمواد العضوية تحت ظروف تؤدي إلى توليد الحرارة حيوياً إلى حدود مرتفعة (Thermophillic) مؤدية إلى إنتاج مادة ثابتة بما فيه الكفاية لتخزن أو تستعمل بدون أضرار بيئية (Polparasert , 1996) .
وعرّفت أوروبياً بأنها نظام تحكم حيوي تقوم به الكائنات الحية الدقيقة بشكل تتابعي وتدرجي يضم النشاطات الحيوية في الظروف متوسطة درجة الحرارة (Mesophillic) ومرتفعة درجة الحرارة (Thermophillic) مؤدية إلى إنتاج الماء وثاني أكسيد الكربون والمعادن والمواد العضوية الثابتة (Polparasert, 1996) .

ويمكن تطبيق هذه العملية بعدة آليات منها نظام الأكوام (Windrow System) حيث يتم في المصنع ووضعها في الأرض المعدّة للتصنيع على هيئة أكوام في صفوف طويلة مثلثة الشكل بارتفاع حوالي 1.5 متر وعرض 3 متر تقريباً ويتم تقليبها- مع باقي المكونات من المخلفات الحيوانية ونشارة الخشب- آلياً باستخدام معدات ثقيلة خاصة بذلك حتى تصل درجة الحرارة المنبعثة من الأنشطة الحيوية الهوائية إلى مستوى ترتفع معه درجة حرارة وسط الكومة إلى ما فوق 50مْ .
إن عملية الـ (Aerobic Composting) عملية حيوية معقدة تتم بواسطة نشاطات معقدة للكائنات الحية الدقيقة المتعاقبة في هذا الوسط، وتلعب البكتيريا فيه الدور الأساسي كمستهلك أول (Polparasert, 1996).
تمتلك البكتيريا الهوائية نظاماً أنزيمياً يمكّنها من أكسدة المواد العضوية في وجود الأكسجين مع إطلاق مقادير مناسبة من الطاقةكما في التالي:
Electron donor (Organic Substrate) + O2 (Electron Acceptor)ينتج منها
Biomass + CO2 + H2O + Metabolites + Energy.
(Nyer et al., 2001).
لكن التفاصيل الدقيقة للهضم الهوائي في عملية الـ(Aerobic Compsoting) تظل معقدة في ظل التعاقب الميكروبي المعقّد، ويمكن إجمالها كالتالي:
في البداية تعتبر البكتيريا المحبة للحرارة المتوسطة (Mesophillic Bacteria) أول المستعمرين وتحتاج إلى فترة من الزمن للتأقلم والاستيلاء على الوسط ثم تبدأ درجة حرارة الوسط بالارتفاع نتيجة لتولد الطاقة أثناء التنفس الهوائي لها حتى تصل إلى درجات حرارة مرتفعة تناسب البكتيريا المحبة لدرجات الحرارة المرتفعة (Thermophillic Bacteria) والتي تعقب البكتيريا المحبّة لدرجات الحرارة المتوسطة (Mesophillic Bacteria) على هذا الوسط وتحتل جميع أنحاء الكومة ولكن مع استمرار ارتفاع درجات الحرارة تصل إلى 65ْم وعندئذ يحصل تثبيط لكثير من الكائنات الحية الدقيقة المعرضة لهذه الحرارة العالية وقد لا يبقى منها إلا الأطوار المتحملة كالجراثيم (Spores)، بعد هذه المرحلة تبدأ مرحلة الإنضاج حيث تنخفض درجة حرارة الكومة حتى تصل إلى درجة حرارة الجو المحيط بها وبعد ذلك يزدهر نمو بعض الفطريات والاكتينومايسيتس (Actinomycetes) ويشاهد النمو على سطح الكومة حين تكتسي بألوان المستعمرات البيضاء والرصاصيّة، ومن الأجناس المشهورة من الفطريات تجد الـ (Aspergillus) ومن الاكتينومايسيتس نجد الـ (Thermoactinomyces) و (Streptomyces) ،بعد ذلك تصبح كائنات المستهلك الأول (البكتيريا والفطريات) ضحية لافتراس الأوليات والخنافس والديدان حيث تسود هذه الكائنات وتزدهر في هذه المرحلة .(Polparasert, 1996)
إن الممرضات المنقولة ببراز الإنسان والتي استطاعت البقاء في النفايات الصلبة لمحطة الصرف الصحي يمكن أن تتعرض للقتل أثناء عملية الـ (Composting) بفعل عدة عوامل، وأكبرها أثراً الحرارة المتولدة من النظم الميكروبية المولدة للحرارة وقد تبين أن طرق الـ(Composting) المولدة للحرارة لها قدرة على تحطيم الكثير من الممرضات (Strauch, 1983).
العديد من النظم الأنزيمية تتحطم بالحرارة العالية كما يحصل لبكتيريا السالمونيللا (Salmonella spp) حيث تتأثر فيها أنزيمات مثل Dehydrogenase أو Catalase و Peroxidase بالأكسدة الحرارية (Lightant et al., 1994).
لاحظ (De Bertoldi et al., 1983) أن إجراء عملية الـ(Composting) مع نشارة الخشب يخفض مقادير السالمونيللا والقولونيات البرازية إلى حدود منخفضة جداً بعد 28 يوماً من العملية المستمرة وأن درجات الحرارة الأعلى من 50ْم لعدة ساعات تقضي على كثير من الممرضات ، كما وجد أن نسبة البكتيريا الممرضة إلى إجمالي عدد البكتيريا في بيئة الـ(Compost) ضئيلة جداً وعليه فإن قدرتها على المنافسة في هذه البيئة ضعيفة لأنها ليست بيئتها الطبيعية وقد اعتبر أن التنافس ودرجة الحرارة هما أهم عاملين في خفض أعداد الممرضات البكتيرية في هذا الوسط .
كما أن التعاقب الميكروبي يعكس تغير ظروف الوسط من جهة ومن جهة أخرى سعة التنوع الميكروبي فيه وهذا يكشف تعرض البكتيريا لظروف تغير الوسط البيئي والتضاد الميكروبي أو الافتراس من قبل الكائنات الحية الأخرى.
وجد الباحث (Redlinger et al., 2001) أن التجفيف والتعرض لأشعة الشمس الذي يحصل للوسط أثناء عملية الـ(Composting) لها أثر فعال على خفض أعداد القولونيات البرازية إلى مستويات يمكن معها إعادة استخدامه بأمان صحي.
إن وصول عملية الـ(Composting) إلى المستوى الذي يحصل معه التطهير والتأثير على الممرضات مرتبط بعوامل عدة بدونها قد لا ترتفع درجة الحرارة إلى المستويات المطلوبة أو قد لا يحصل التعاقب الميكروبي الفعّال في التضاد الميكروبي وهكذا، ومن هذه العوامل اتزان المغذيات في المفاعل الحيوي (كومة النفايات التي يجري لها الـComposting) ويقصد بذلك نسبة الكربون إلى النيتروجين على الأخص ويفضل فيها أن تكون 25: 1، وكذلك وضع حبيبات أو أجزاء النفايات الصلبة لمحطة الصرف، وأيضاً التحكم في الرطوبة إذ أن انخفاضها عن 60% قد لا يخدم البدء في العملية وبقاء الرطوبة في نهايتها قد يزيد من فرص بقاء الممرضات، ومن العوامل المهمة أيضا التهوية والتي تحتاج إلى ضبط حتى تفي باحتياج البكتيريا الهوائية التي يعول عليها في التثبيت ولا يجب أن تزيد إلى مقادير قد تتسبب في فقد الحرارة المتولدة داخل الكومة، كما أن الحرارة علاوة على أثرها التطهيري إلا أنها أيضاً تلعب دوراً هاماً في التحلل، والجدير بالذكر أن درجة الحرارة قد تتباين في أنحاء الكومة بحسب كفأة التقليب فالأجزاء القريبة من الجو الخارجي قد تحتفظ بمقادير من الممرضات لانخفاض درجة الحرارة عما هو عليه في داخل الكومة وذلك إذا لم تقلّب بشكل جيد، كما أن درجة تباين محتوى الكومة يتداخل مع توزيع الحرارة وبالتالي قد يقود إلى عدم تعرض الممرضات لدرجات الحرارة المطهرة، وغير ذلك من العوامل كدرجة الحرارة الخارجية والرياح والأمطار، وبهذا نجد أن هذه العملية قد يتحقق معها التثبيت وخفض المحتوى المائي والتطهير (Golueke, 1977; Polparasert, 1996).
إن الحمل الوبائي للـ(Compost) لا يتوقف على الممرضات المنقولة له مع النفايات الصلبة لمحطة الصرف الصحي بل يتجاوز ذلك إلى الممرضات التي تنمو في بعض مراحل الـ(Composting) كالفطريات والاكتينومايسيتس والتي في ظروف معينة قد تؤسس إصابة للإنسان سواءً على مستوى العاملين في المصنع أو المتعاطين للمنتج، وقد سُجلت العديد من الإصابات الرئوية بفطر (Aspergillus fumigates) أو بالاكتينومايسيتس مثل (Micromonospora spp) (Polparasert, 1996) .
إن الإخفاق في عملية التطهير أثناء ال(Composting) قد يؤدي إلى انتقال الممرضات إلى الإنسان والبيئة وبالتالي حصول التلوث بالممرضات المنقولة بالبراز الموجودة في النفايات الصلبة لمحطة الصرف الصحي
آلية تأثير أشعة جاما على الكائنات الحية الدقيقة
تستخدم وعلى نطاق واسع أشعة جاما في تطبيقات التعقيم في الصناعات الطبية والصيدلانية والغذائية وتعقيم النفايات وذلك لقدرتها على قتل الأحياء الدقيقة.
ويتم تدمير الأنظمة الحيوية بفعل إشعاعات جاما عن طريقين هما:
التفاعل الغير مباشر والتفاعل المباشر (وهذان المصطلحان يطلقان لوصف تأثير أشعة جاما على مركبات منفصلة كالأنزيمات والأحماض النووية ولا يستخدمان لوصف التأثير على الكائن الذي نظامه الخلوي معقد التركيب الكيميائي كالخلية البكتيرية والفطرية).
التفاعل الغير مباشر يقصد به تأثير أشعة جاما المؤينة على جزيئات تتحول بعد امتصاصها لأشعة جاما إلى جزيئات أو جذور وإلكترونات تؤدي إلى إحداث تفاعلات كيميائية مدمرة للنظم الخلوية (Gazso, 1997).
يتحقق التفاعل الغير مباشر بتأثير أشعة جاما على المذيبات، ولما كان الماء هو المذيب الأساسي للنظم الحيوية فإن الأثر الغير مباشر ينتج بالتالي من نواتج تأين جزيئات الماء إشعاعياً حيث الجذور النشطة جداً والإلكترون المائي كما في المعادلة التالية:
H2O ---------> H2O+ + e
H2O+ --------> OH + H+

حيث اُقترح أن الجذر OH- يلعب أكبر أثر في التفاعل الغير مباشر وذلك بتفاعله مع الجزيئات الحيوية، أما الإلكترون المائي الحر فقد قللت بعض الأبحاث من دوره في تفاعلات الأثر الغير مباشر (Alpen, 1990) وفعّلت بعض الأبحاث دوره إلى درجة وضعه في مرتبة جذر الهيدروكسيل OH- في التأثير (Gazso, 1997) .

والمعادلات التالية توضح بعض التفاعلات الممكنة للجذور الطبيعية والإلكترون المائي المتولدة من تأين جزيء الماء إشعاعياً مع جزيئات مهمة خلوياً أو حيوياً:
تفاعلات استخلاص الهيدروجين:
R – H + H.----------->R. + H2
R – H + OH.---------->R. + H2O
تفاعلات الفصل:
R – NH3+ + e ---------->R. + NH3
R – NH2 + H.----------> R. + NH3

تفاعلات الإضافة R – CH = CH – R + OH.-------->RCHOH – CH. - R

كما أن نواتج التفاعلات السابقة يمكن أن تدخل في تفاعلات أخرى مهمة مثل:
تفاعلات الاستعادة غير الأنزيمية للجزيئات الأصلية المحوّرة بفعل نشاط الجذور المتحررة بعد تأين الماء إشعاعيا
R. + R - SH --------> R –H + R-S.
وتفاعلات إعاقة الاستعادة غير الأنزيمية للجزيئات الصلبة حيث يتفاعل جزيء الأكسجين (O2)مع الجذور المتكونة من تفاعلات استخلاص الهيدروجين والفصل وينتج من اتحاد هذه الجذور مع (O2) تكون بيروكسيد الجذر الأكثر ثباتاً وتحملاً للاسترداد، والتفاعل مع (O2) تفاعل نهائي غير عكوس
R.+O2------> R.+Peroxide

أما التفاعل المباشر فيقصد به التغير في الواقع الجزيئي للأهداف الخلوية من عضيات وجزيئات نشطة بفعل الأشعة المؤينة وليس بفعل جزيئات وجذور نشأت من تعرض جزيئات أخرى للأشعة المؤينة .
وغالبا يشار بعبارة الدمار الإشعاعي المباشر أو التفاعل المباشر إلى الأثر التدميري للأشعة المؤينة على المادة الوراثية للخلية لأنها أكبر هدف جزيئي في الخلية.
إن الـ(DNA) مكوّن من الجزيئات التي تحمل المعلومات الوراثية المعنية بالتضاعف والتجديد والانقسام وغيره من الوظائف المهمة خلوياً لذا فإن فقدها أو التأثير فيها يعدّ أمراً مؤثراً على بقاء الكائن وقدرته على الاستعمار، كما أن قدرة الخلية على الأيض قد تُفقد بسبب كسر الروابط وكسر السكر الفوسفاتي ودمار القواعد النيتروجينية.
ويمكن مجهرياً عند فحص الخلية أثناء انقسامها ملاحظة التغير في تركيب الكروموسوم نتيجة للتعرض لأشعة جاما، ولو شععت الخلية بعد انقسام الـ(DNA) فإن أحد الكروماتيدين قد يظهر عليه تغير لا متماثل.

ونستدل على دمار الـ(DNA) بفعل الإشعاع بالتالي:
- في الكائنات الحية البسيطة كالفاج(phage) والفيروسات عموماً توجد علاقة كمية بين دمار مادتها الوراثية وتوقف وظائفها الحيوية.
- في الكائنات الحية الأكثر تعقيداً كالبكتيريا فإن علاقة دمار الـ(DNA) بفقد الوظائف الحيوية يتضح أيضاً ولكن هذه العلاقة معقدة نوعاً ما.
- أن قدرة خلايا الأحياء الدقيقة على معاودة النمو بعد تثبيطه بالأشعة عائد إلى إصلاح دمار الـ(DNA).
- الكائنات الحية الدقيقة التي عرف عنها أن قدرتها على إصلاح الـ (DNA) ضعيف تظهر حساسية أكثر للإشعاع.
- الكائنات الحية الدقيقة تزداد حساسيتها للإشعاع إذا عوملت بمواد مؤثرة على قدرتها على إصلاح الـ (DNA).
- إن الـ (DNA) هو أكبر جزيء في الخلية.

إن ما ذكر عن تفاعلات الأثر المباشر وقدرته على التأثير على المادة الوراثية لا يعني أن تفاعلات الأثر الغير مباشر أو أن نواتج تحلل الماء بالإشعاع غير مؤثرة على المادة الوراثية بل قد يكون الـ (DNA) هدفاً لكلا التفاعلين.
وقد تبين من التجارب أن الدمار الذي يصيب الـ (DNA) يمكن في بعض الظروف إصلاحه وبعدة آليات تشمل الإصلاح الإنزيمي أو الاتحادات الوراثية الفيزوكيميائية والاسترداد الكيميائي وغيرها (Alpen, 1990) .
و يقسم الدمار الخلوي بسبب الأشعة المؤينة إلى ثلاث أقسام:
- الضرر القاتل (Lethal Damage) وهو الأثر الذي لا يمكن إصلاحه ويفضي للموت.
- الضرر شبه القاتل (Sub Lethal Damage) وهو الأثر الذي يمكن إصلاحه في الظروف الطبيعية ما لم يضاف عامل دمار قاتل أو شبه قاتل آخر.
- الضرر المحتمل القتل (Potentially Lethal Damage) وهو الأثر القاتل المتوقف على عوامل أخرى كالأكسجين ودرجة الحرارة ووجود مواد كيميائية وغير ذلك.

كما أن التأثير الإشعاعي يحصل على شكل أطوار كالتالي:
- فيزيائي سريع جداً، وأهم تفاعلات هذا الطور هو تأين الماء .
كيميائي ويقصد به التفاعلات الكيميائية للمنتجات الأولية للتأين وتستغرق تقريباً 10-أجزاء من الالف من الثانية.
- حيوي متأخر جداً ويقصد به السرطان أو الطفرات وتستغرق ساعة إلى عدة سنوات (Gazso, 1997
الحساسية الإشعاعية للكائنات الحية الدقيقة(بييضات الديدان ،البكتيريا والفيروسات)
تختلف الحساسية الإشعاعية أو بمعنى آخر الاستجابة الحقيقية للجرعة الإشعاعية الممتصة من كائن لآخر، وتحت الجنس الواحد تختلف الأنواع والسلالات، والنوع أو السلالة الواحدة قد تختلف حساسيتها الإشعاعية بحسب طور النمو أو ظروفها الفسيولوجية.
كما أن الوسط الذي يحيط بالكائن أثناء تعرضه للجرعة الإشعاعية يتداخل مع حساسيته الإشعاعية (Alexandre, 1983;Cockerham et al.,1994; Gazso, 1997)
عندما يراد تقدير الحساسية أو المقاومة الإشعاعية لكائن ما فإنه يتعين تقدير أعداده الابتدائية أولاً ثم تقدير الحساسية بطريقتين إما بتحديد الجرعة القاتلة اللازمة لقتل أو تثبيط جميع مقادير الكائن التي رصدت بالعدد الابتدائي، والطريقة الثانية وهي الأوسع انتشاراً في الأبحاث العلمية وهي تحديد جرعة الخفض العشري أي الجرعة المطلوبة لخفض المقادير المرصودة بالعدد الابتدائي بمقدار 90% ( 1لو) ويعبر عنها بالمقدار (D10) .
كما لابد من الوقوف على العوامل البيئية الأساسية المؤثرة في التشعيع أثناء الدراسة مثل درجة الحرارة حيث تبين من بعض الأبحاث أن هناك تأثير تعاوني بين الإشعاع وارتفاع درجة الحرارة، كما رصد تزايد المقاومة الإشعاعية للخلايا الخضرية مع انخفاض درجات الحرارة، ومن العوامل البيئية التي تتداخل أيضاً مع الحساسية الإشعاعية تركيز الأكسجين حيث بينت الأبحاث أن وجود الأكسجين يدعم تدمير الخلايا البكتيرية الخضرية، المحتوى المائي للوسط مهم في التأثير على الحساسية والمقاومة فقد ثبت أن المقاومة الإشعاعية للكائنات الحية الدقيقة تزداد في الأوساط الجافة، وكيميائية الوسط لها دور في ذلك أيضاً فوجود مواد كيميائية مثبطة للبكتيريا ترفع من حساسيتها للتشعيع فيه، وكذلك معدل الجرعة الإشعاعية واستمراريتها وعدم تقطعها تتداخل أيضاً مع الحساسية الإشعاعية
(Feates et al . , 1975; Nielson, 1975; Sinskey et al. , 1975; Sivinski., 1975; Alexandre., 1983; Gazso, 1997).
إن تأثر الديدان بالأشعة مرتبط بشكل وثيق بطور نموها أثناء التعرض للأشعة، ففي دراسة أجريت على ديدان الإسكارس (Ascaris) وجد أن البييضة أكثر حساسية من اليرقة ووجد أن جرعة امتصاص قدرها 1 كيلوجري تثبط قدرة بييضات ديدان الإسكارس الموجودة في النفايات الصلبة لمحطة صرف صحي على التطور بمقدار 99%، ووجد أن الجنين يتوقف عن التطور في جميع البييضات بنسبة 100% بعد تعريض الحمأة لجرعة امتصاص مقدارها 2 كيلوجري، ووجد أن الجرعات الضعيفة التي تستطيع معها البييضة أن تتطور مكونةً اليرقة قد تفقدها قدرتها على التكاثر أو خصوبتها الجنسية وعزي ذلك إلى دمار الخلايا الجنسية، وبعد دراستها تبين أن الخلايا الجنسية الذكرية أكثر حساسية من الأنثوية (Alexandre, 1983) .
وقد أجرى (Horak, 1994) دراسة شبيهة على ديدان الإسكارس في الحمأة ووجد أن الجرعة 1.1 كيلو جري هي أقل جرعة امتصاص تكفي للقضاء على حيوية بييضات ديدان الإسكارس في النفايات الصلبة لمحطة الصرف الصحي.
ومن الملاحظ في كثير من الدراسات أن الفحص المجهري لبييضات الديدان المشععة لا يستفاد منه في التثبت من حيوية بييضات الديدان إذ لا يلاحظ على الجدار الخارجي اثناء الفحص أي آثار للدمار الإشعاعي كما لا يتضح ايضاً بالفحص المجهري العادي رصد الدمار الإشعاعي الواقع على المادة الوراثية للخلايا الجنسية أو غيرها في جنين البييضة
1994). (Wizigmann., 1975; Horak,
في دراسة أجريت على مستودع للنفايات النووية النشطة إشعاعياً في هنجاريا بواسطة العالم (Gazso, 1997) بحث فيها الحساسية الإشعاعية لعدة أجناس بكتيرية، ووجد أن أجناس البكتيريا في طورها الخضري تختلف في حساسيتها الإشعاعية عن بعضها البعض، و تبين أن البكتيريا السالبة لصبغة جرام أكثر حساسية من الموجبة لصبغة جرام ، حيث مقادير الـ D10 للبكتيريا السالبة لجرام تتراوح بين 0.029 – 0.24 كيلوجري في حين أن الـD10 للبكتيريا الموجة لجرام تتراوح يبن 0.18 – 0.89 كيلوجري .
كما وجد أن الجراثيم (Spores) أكثر مقاومة من الخلية الخضرية (Vegetative) وهناك حالات شاذة في المقاومة الإشعاعية إذ تبلغ مقادير الـD10 فيها حوالي 10 كيلو جري وذلك في بعض الأنواع مثل) (Micrococcus radiophylusوكذلك في (Deinococcus radiodurans) وذلك بسبب طبيعة تركيب الـ(dsDNA) فيها ، كما وجد أن جراثيم البكتيريا اللاهوائية (Clostridium) أكثر مقاومة للإشعاع من جراثيم البكتيريا الهوائية Bacillus spp) (حيث تتراوح مقادير الـD10 للأولى من 2.2 – 3.4 كيلوجري في حين أن مقادير الـD10 للأخرى قدرت بـ 1.2-3.2 كيلوجري .
وللمقارنة بين حساسية البكتيريا الإشعاعية في الأوساط المختلفة درست بكتيريا (Salmonella typhimurium) ووجد أن الـD10 لها في محلول الفوسفات المنظم يبلغ 0.21 كيلوجري والـD10 في اللحم يصل إلى 1.7 كيلو جري .
في دراسة أجراها (Kim et al., 1996) على (Salmonella typhimurium) وجد أن مقادير الـD10 لها في وجود الهواء يبلغ حوالي 0.39 كيلوجري وأن مقاومتها تزداد إذا شععت في جوٍ من النيتروجين حيث يبلغ الـD10 لها حوالي 0.56 كيلوجري ،واقترح قتل السالمونيلا في لحم الدجاج بالحرارة والإشعاع كما اقترح زيادة حساسية السالمونيللا للحرارة باستخدام أشعة جاما.
دراسات شبيهة أجريت على بكتيريا السالمونيللا في لحم البقر النـي المفروم ووجد أن الـD10 لها يرتفع من 0.61 إلى 0.80 كيلوجري في حال تخفيض درجة حرارة اللحم المفروم من درجة التبريد (3 إلى 5 مْ ) إلى درجة التجمد( –15 إلى –17مْ)، وكذلك الحال بالنسبة لبكتيريا (Escheriohia coli O157:H7) فقد ارتفع مقادير الـD10 فيها من 0.24 إلى 0.30 كيلوجري تحت نفس الظروف المذكورة (Clavero et al., 1994) .
هذا وقد درس العالم (Thayer et al, 1993) بكتيريا (Escherichia coli O157: H7) في لحم الدجاج ووجد أن الـD10 له ترتفع من 0.27 إلى 0.42 كيلوجري في حال خفض درجة حرارة اللحم المشعع من 5مْ إلى -5مْ كما وجد أن العينات المشععة لا يمكن فيها رصد السم (Verotoxin) في حين تم رصده في العينات الغير مشععة وكان كلاهما قد لقح اختبارياً بـ410 – 810 خلية بكتيرية من السلالة المذكورة.
في حين أن (Buchanan et al, 1998) استطاع أن يحدد مقادير الـD10 لنفس السلالة المذكورة آنفاً بـ 0.12 إلى 0.21 كيلوجري وذلك عندما درس إمكانية قتلها في عصير التفاح بواسطة أشعة جاما، وعزى التفاوت في مقادير الـD10 إلى تغير درجة تعكر العصير حين وجد أن ارتفاع العكارة يتزامن مع انخفاض الحساسية الإشعاعية.
لوحظ في الدراسات السابقة أن مقادير الـD10 لبكتيريا (E.coli) لم تتجاوز 0.5 كيلوجري وذلك عندما كان الوسط الذي عرضت فيه البكتيريا للأشعاع من اللحوم أو العصير، ولكن في دراسة أجراها (Harewood et al, 1994) وجد أن مقادير الـD10 لهذه البكتريا بلغ 1.5 كيلو جري وذلك أثناء دراسة تأثير التطهير بأشعة جاما على البكتيريا في أحد الأصداف البحرية (Clamp) المأكولة.
أما في النفايات الصلبة لمحطات الصرف الصحي (الحمأة) فقد ذكر الباحث (Scotty et al,1985) أن حساسية بكتيريا ) E.coli ( قدرت في عدة دراسات وكانت مقادير الـD10 لها تتراوح بين 0.22 إلى 0.36 كيلوجري في حين أن مقادير الـD10 لبكتيريا السالمونيللا تتراوح بين 0.54 إلى 1.4 كيلوجري.
وفي تقرير للوكالة الدولية للطاقة الذرية نشر في العام 1992 (IAEA, 1992) أفاد فيه بأن الجرعة 2 كيلوجري كافية لقتل جميع بكتيريا القولون (Coliforms) في النفايات الصلبة لمحطة الصرف الصحي (الحمأة).
العديد من الدراسات المماثلة ذكرت أن الجرعة 2 كيلوجري كافية لقتل جميع بكتيريا القولون والسالمونيللا وذلك كما ورد في بحث أجري في الهند بواسطة الباحث (Lewis, 1975) وكذلك كما أورد (Alexandre, 1983) ، ولكن مع ذلك نجد أبحاثاً تذكر نتائج مختلفة لنفس البكتيريا بمجرد تغير ظروف الوسط الذي تم فيه التشعيع .
لكن الباحث (Simon, 1975) استطاع عزل السالمونيللا من عينات حمأة لمخلفات حيوانية بعد تعريضها لجرعة امتصاص إشعاعية تقدر بـ 2 كيلوجري، وقد ذكر أن بعض المركبات الموجودة في النفايات الصلبة تؤثر على المقاومة الإشعاعية للبكتيريا.
وقد أوصى (Borrely et al, 1998) في بحثه الذي أجراه في البرازيل على تطهير النفايات الصلبة لمحطة الصرف الصحي (الحمأة) بأن لا تقل جرعة الامتصاص الإشعاعي عن 4 كيلوجري في حالة تطهير الحمأة السائلة بأشعة جاما وذلك للحصول على منتج عالي المأمونية.
ولبيان أثر المحتوى المائي في الحمأة على حساسية البكتيريا لأشعة جاما أجريت دراسة شملت ثلاث أنواع من النفايات الصلبة لمحطة الصرف الصحي (الحمأة) تختلف في محتواها المائي وكان تركيز الماء فيها كالتالي 98-90%، 60%، 10% ووجد أن الـD10 للسالمونيللا فيها على التوالي 0.20 – 0.50 كيلوجري، 0.30 كيلوجري، 0.35 – 0.80 كيلوجري، وكانت مقادير الـD10 للقولونيات في العينات الثلاث كالتالي 0.20 – 0.30 كيلوجري، 0.20 – 0.30 كيلوجري، 0.15- 3.5 كيلوجري .
هذا وقد كانت بعض الجهات الأوربية المعنية قد أوصت بجرعة إشعاعية للحمأة الجافة تصل إلى 10 كيلوجري للحصول على نتائج مأمونة (Alexandre , 1983) .
بوجه عام تعتبر الفيروسات أكثر مقاومة للإشعاع من البكتيريا وجراثيم البكتيريا، والفيروسات الأبسط في تراكيبها ووحيدة الخيط (Single Stranded) أكثر حساسية من معقدة التراكيب ومزدوجة الخيط ((Double Stranded، وتصل الفيروسات (dsDNA) في مقاومتها الإشعاعية إلى حوالي 10-20 ضعف مقاومة الفيروسات (ssDNA) .
ويعتقد أن الإشعاع يؤثر في الفيروس بالأثر الإشعاعي الغير مباشر (الجذور الحرة المتولدة من تأين المذيب) أكثر من تأثره مباشرة بالإشعاع حيث لوحظ ازدياد مقاومته الإشعاعية بشدة في الأوساط الجافة (Alexandre , 1983; Gazso, 1997) .
في دراسات أجريت على الفيروسات الممرضة للإنسان في الحمأة تمكن (EPP, 1975) من تحديد الـD10 للـ(Polio Viruses) وقدرها بـ3 كيلوجري، وقد ذكر أيضاً أن أحد الباحثين قد درس الحساسية الإشعاعية لعدة فيروسات ممرضه في الحمأة شملت فيروسات Adeno-، Coxsackie - ، Echo-، Polio- ، Reo- ، Herpes- وكانت مقادير الـD10 لها عموماً تتراوح بين 3.9-5.3 كيلوجري.
وقد ذكر (Scott, 1985) أن الـD10 للـ(Polio Viruses) بلغ 3.5 كيلو جري. وهنا تكمن الصعوبة في تحديد الكاشف الذي يُعتمد عليه في تحديد جرعة التطهير المأمونة للنفايات الصلبة لمحطة الصرف الصحي حيث يتضح الفرق الشاسع بين حساسية البكتيريا والفيروسات للأشعة.
وقد استطاع (Harewood et al, 1994) أن يقدر الـD10 للقولونيات والفيروسات الملتهمة لها (Coliphage) في القواقع البحرية فكانت حساسية القولونيات أكثر بحوالي عشرة أضعاف مما هي عليه في النفايات الصلبة لمحطة الصرف الصحي إذ بلغت مقادير الـD10 للقولونيات 1.32 كيلوجري في حين أن مقادير الـ D10للفاج بلغت 13.9 كيلوجري.