בוצה היא הפאזה המוצקה הנוצרת במהלך הטיפול בשפכים

אבות המזון הנדרשים לטיפול ביולוגי

בוצה היא הפאזה המוצקה הנוצרת במהלך הטיפול בשפכים. הבוצה עשירה בחומר אורגני, בחנקן, זרחן ונוטריינטים אחרים ולכן יכולה לשמש כדשן צמחים אחרי טיפול. מרבית הבוצה היא מסה מיקרוביאלית אשר נוצרת במהלך פירוק החומר האורגני בשפכים. ישנם 2 סוגים עיקריים של מתקנים לטיפול בשפכים, בריכות חמצון ומתקנים מכאניים-ביולוגיים. איזיטופ היא אחת מהחברות העיקריות בישראל אשר מטפלות בשפכים ובקרקעות מזוהמות (ראה איור מס' 1 ו-2). בבריכות חמצון התהליך הוא ארוך יחסית, אצות אשר גדלות בחלק העליון מייצרות חמצן בתהליך הפוטוסינתזה, אשר משמש את המיקרואורגניזמים בפעילות הפירוק האארובית.

חיידקים שונים גדלים על תערובות אורגניות שונות. נמצא שחיידקים מסוג Pseudomonas, Pantoea sp, Chryseomonas luteola, Proteus peenneri and Serratia sp, גדלים בשפכים. על מנת לעודד התרבות חיידקים בבוצת בריכות חמצון יבשות, יש לספק להם תנאי גידול אופטימאליים אך ללא מקור הפחמן, על מנת להפעיל סלקציה לטובת חיידקים המפרקים את החומרים האורגניים הנמצאים בבוצה. מצע גידול שיכול להתאים לגדילת חיידקי קרקע המפרקים בוצה הוא מצע מינרלים-מלחים. ניתן לחשב ולראות שמצע זה מכיל 2.61% N, 8.6% K ו-19.1% P .

במחקר שנערך בארה"ב ובחן הרכב בוצת בריכות חמצון מ 150 מפעלי טיפול בשפכים, מ-6 מדינות, נמצא שרמות החנקן, אשלגן וזרחן היו בטווח מאוד צר ואילו המיקרואלנמטים היו ברמות משתנות. בבוצות שעברו טיפול בחיידקים בתנאים אנארוביים נמצא 4.2% חנקן, 3.0% זרחן ו-0.3% אשלגן, ואילו בבוצות שעברו טיפול בתנאים אארוביים נמצאו 4.8% חנקן, 2.7% זרחן ו-0.4% אשלגן. ממחקר זה ניתן להסיק שהרכב הזרחן, אשלגן וחנקן יהיה בטווח דומה בכל הבוצות.

אם משווים את הרכב הבוצה להרכב NPK ((Nitrogen (N), Phosphorus (P), Potassium(K)  במצע הגידול המוצע, ניתן לראות שהחנקן נמצא בעודף ואילו האשלגן והזרחן אשר נמצאים בבוצה זניחים לעומת הכמות הנדרשת במצע הגידול.

אין צורך להוסיף אמוניה שכן יש מספיק חנקן בבוצה. ריכוז המאקרו אלמנטים המגנזיום והסידן הוא גם כן גבוה בבוצה (1.5% ו-5% בהתאמה) כך שגם אותם אין צורך להוסיף.

הנוטריינטים שיש להוסיף על מנת לאפשר גידול חיידקים אופטימלי בבוצה הם:

5.64 גרם לליטר Na2HPO4  ו- 3 גרם לליטר KH2PO4 .

מלחים אלה יספקו סביבה בעלת חומציות ניטרלית, ואת כמות האשלגן והזרחן הנדרשת.

אם מעוניינים בפירוק אארובי יש ליצור תנאי איוורור בבוצה, אם ע"י ערבוב, החדרת צינורות אויר או הוספת כימיקלים מחמצנים (פרוקסידים).

המים דרושים לקיום התהליכים הביולוגיים, אך עודף נוזלים יכול לגרום לאיבוד הנוטריינטים ולזיהום מי תהום. תכולת המים האופטימלית היא בהתאם ליכולת הקיבול של הבוצה. אך לא תמיד תכולת מים זו גם מתאימה לאתר הטיפול עצמו (בהתאם לרשיון המקום).

TPH הוא מונח המתאר כל תערובת פחמימנים המצויים בשמן גולמי (נפט). אלו הם חומרים מזהמים. יכולים להיות חומרים רבים בכל זיהום ולכן לא מודדים את הכמות של כל חומר בנפרד אלא את סה"כ כמות ה-TPH באתר. TPH מורכב מפחממנים קצרים VPH (עד 5 פחמנים) ופחממנים ארוכים EPH (6-40 פחמנים). כאשר מזהמים חודרים למי תיהום ניתן לטפל בזיהום במקום (IN SITU).

טכניקת החמצון הכימי מתבססת על כוח החמצון של כימיקלים ספציפיים. בתהליך החימצון, מזהמים במי התהום עוברים פירוק לתוצרים סופיים של פחמן דו חמצני ומים. ישנם מחמצנים שונים, בעלי פוטנציאל חמצון שונה.

כאשר משתמשים בחמצון כימי לפירוק TPH יש לקחת בחשבון שבתחילת התהליך ריכוז ה-TPH עולה, מאחר שהמסיסות של הפחממנים עולה כתוצאה מהפירוק, כמו כן שימוש בחומרים בסיסיים מעלה את ה-PH במים וגם כן מעלה את מסיסות הפחמימנים.

ישנם 4 גורמים המשפיעים על היכולת של מחמצן מסויים לפרק זיהום כלשהו בצורה יעילה: קינטיקה, סטוכיומטריה, תרמודינאמיקה והספקת המחמצן.

אספקת המחמצן היא היכולת של הכימיקל להגיב עם המזהם. מחמצן חזק עלול להגיב מהר מדי ולכן לא להתפזר בצורה שווה בכל הנפח. חומר פחות פעיל יכול להתפזר בצורה יעילה יותר, ולכן נפח מי התהום שעוברים את הטיפול הוא פרמטר חשוב.

מימן פרוקסיד הוא מחמצן, אך בריכוז נמוך (<0.1%) קצב הפירוק העצמי שלו במים גבוהה מקצב פירוק המזהמים האורגניים ולכן בתנאים כאלה הוא לא יעיל. אך תוספת של מלח מתכתי כגון ברזל (או סידן) מעלה מאוד את כוח החמצון של הפר אוקסיד בגלל יצור של רדיקלים של הידרוכסיל (OH•). תגובת שרשרת יוצרת רדיקלים נוספים. ראקציה חמצון ע"י פראוקסיד בנוכחות ברזל בPH חומצי נקראת תגובת פנטון. אי אפשר להשתמש בראקציית פנטון קלאסית בטיפול IN SITU מאחר שאין מספיק ערבוב וקשה לשמור על ריכוז פרוקסיד נמוך מתחת לפני השטח. למעשה משתמשים בריכוזים גבוהים יותר של מי חמצן בריכוזים של 4-20%, כאשר הברזל מוזרק בתמיסה חומצית ביחד או בנפרד אחרי הזרקת הפראוקסיד. אם קיים ברזל במי התהום אין צורך להוסיפו.  כל סטייה ממערכת של תערובת ריכוז נמוך של מי חמצן עם ברזל נקראת " “modified Fenton’s system. למשל שימוש בריכוזים גבוהים של מי חמצן H2O2  או קלציום פראוקסיד (Ca2O2). מערכת כזאת מסובכת יותר ממערכת פנטון קלאסית ובד"כ נוצרות תגובות שרשרת שיכולות לייצר גם יוני סופראוקסיד(O2•─) , יוני הידרופראוקסיד (HO2⎯), ורדיקלים אורגניים. התוצרים האלה יכולים לקדם תגובת שרשרת או לסיים תגובת שרשרת. כאשר משתמשים בעודף של מי חמצן נוצרים הרבה יותר רדיקלים מאשר בתגובת פנטון, וכך יותר רדיקלים מגיבים עם המזהמים.  בד"כ תוצרי הביניים מתפרקים ביתר קלות בביודגרדציה בהשוואה למזהמים המקוריים. בסביבה בסיסית נוצרים משקעים של המלחים לכן חשוב לעבוד בסביבה חומצית.

ריכוז פראוקסיד בו משתמשים בהזרקות הוא 3-35% (אחוז משקלי). ככל שהריכוז יותר גבוהה התגובה עלולה להיות יותר חזקה/אלימה, ומעל 10% יווצר חום. צריך לייצר סביבה חומצית להתחלת התגובה. אם קיימת בעיה ניתן לייצר תגובה בסביבה ניטרלית ע"י הוספת כילטורים שיעזרו להמסת יוני הברזל. בד"כ משתמשים בריכוז מי חמצן מינימלי (3%) להתחלת הראקציה, ולפעמים גם ללא הזרקת ברזל, מה שעוזר לתהליכי ביורמידציה. קיימים גם ראגנטים מסחריים כגון RegenOx.

לסיכום, מאחר שראקציית הפרוקסיד היא תגובת שרשרת, אין סטוכיומטריה מדוייקת לטיפול ב-10,000 חל"מ TPH שכן עוצמת תגובת השרשרת תלויה בגורמים רבים, כגון מרכיבים אורגניים ואנאורגאניים של מי התהום. לכן, לדעתי יש להוסיף תחילה את כמות הפרוקסיד המינימלית המומלצת (3%) ולעקוב אחר רמת ה-TPH באתר. כאמור, בהתחלה צפויה עליה ברמת ה-TPH ולאחר מכן ירידה. כאשר רמת ה-TPH תתייצב ניתן לעשות הערכה ולקבוע אם יש צורך בהמשך טיפול והוספת פרוקסיד נוסף.