Field Performance and GPS-X Simulation Fidelity of a Full-Scale Municipal Wastewater Treatment Plant in Jordan: A Case Study of the Irbid Central Wastewater Treatment Plant (Fuara)

تُعد المياه شريان الحياة لأي مدينة، لكن المياه التي تغادر منازلنا وأعمالنا تحمل عبئاً ثقيلاً من النفايات. وقبل أن تُعاد مياه الصرف الصحي هذه إلى البيئة أو تُستخدم في الزراعة، يجب أن تمر عبر محطة معالجة، وهي منشأة معقدة مصممة لإزالة المواد العضوية الضارة والجسيمات الصلبة. وفي أجزاء كثيرة من العالم، يعتمد المهندسون على برامج حاسوبية متطورة للتنبؤ بكيفية سلوك هذه المحطات، مما يساعدهم في اتخاذ القرار بشأن موعد ترقية المعدات أو كيفية التعامل مع التدفقات المفاجئة للمياه الملوثة. وتعمل هذه النماذج الرقمية كمختبرات افتراضية، مما يسمح للخبراء باختبار التغييرات دون المخاطرة بالتدفق الفعلي للمياه. ومع ذلك، لكي تكون عمليات المحاكاة هذه مفيدة حقاً، يجب أن تحاكي الواقع بدقة عالية؛ فإذا توقع برنامج حاسوبي أن المحطة تنظف المياه بشكل أفضل مما تفعله في الواقع، فقد يؤدي ذلك إلى أضرار بيئية أو فشل في تلبية معايير السلامة.

وفي شمال الأردن، حيث تُعد المياه مورداً نادراً وثميناً، تخدم محطة فوارة المركزية لمعالجة مياه الصرف الصحي، المعروفة محلياً باسم "فوارة"، عدداً كبيراً من السكان بما في ذلك مدينة إربد والمجتمعات المحيطة بها. تستخدم هذه المنشأة، التي تعمل منذ أواخر الثمانينيات، عملية تسمى "التهوية الممتدة" لتفكيك النفايات. وفي هذه الطريقة، يتم ضخ الهواء في خزانات كبيرة لتشجيع البكتيريا على استهلاك الملوثات العضوية، مما يحول المياه المتسخة بفعالية إلى مياه معالجة نظيفة يمكن استخدامها في الري. وتعمل المحطة بموجب معيار وطني يضع حدوداً صارمة لكمية التلوث التي يمكن أن تبقى في الماء قبل إطلاقه. ونظرًا لأن المنطقة تواجه نقصاً مزمناً في المياه، فإن موثوقية هذه المحطة ليست مجرد شاغل محلي بل هي مسألة استراتيجية وطنية. ولضمان استمرار المحطة في الأداء الجيد، أمضى الباحثون مؤخراً عاماً كاملاً في مراقبتها عن كثب، ثم قاموا ببناء "توأم رقمي" للمنشأة لمعرفة مدى قدرة الحاسوب على التنبؤ بأدائها في العالم الحقيقي.

قام الباحثون بجمع عينات من المياه الداخلة إلى المحطة والخارجة منها كل أسبوع طوال عام 2022. وقاموا بقياس ثلاثة مؤشرات رئيسية لجودة المياه: كمية المواد العضوية المستهلكة للأكسجين، وإجمالي كمية المواد الكيميائية الذائبة والمعلقة، وكمية الجسيمات الصلبة الطافية في الماء. وأظهرت النتائج أن المحطة الفعلية كانت تقوم بعمل ممتاز؛ فخلال العام، نجحت المحطة في إزالة أكثر من 97 في المائة من المواد العضوية وأكثر من 96 في المائة من الجسيمات الصلبة. وكانت المياه الخارجة من المنشأة تلبي باستمرار متطلبات السلامة الأردنية الصارمة، مما أثبت أن البنية التحتية الفعلية تعمل كما هو مخطط لها. بعد ذلك، أخذ الفريق هذه البيانات السنوية وأدخلها في برنامج محاكاة حاسوبي يُعرف باسم (GPS-X)، وهو أداة يستخدمها المهندسون على نطاق واسع لنمذجة عمليات معالجة مياه الصرف الصحي. وقد قاموا بتعديل الإعدادات في النموذج لتتطابق مع الأداء الفعلي للمحطة، آملين في إنشاء نسخة رقمية موثوقة يمكن استخدامها للتخطيط المستقبلي.

وعندما قارن الباحثون تنبؤات الحاسوب بعينات المياه الفعلية، كشفت النتائج عن انقسام مفاجئ في الدقة. فقد كان النموذج جيداً بشكل ملحوظ في التنبؤ بإزالة المواد العضوية، حيث طابق البيانات الواقعية بفارق لا يتجاوز حوالي ستة في المائة، مما يشير إلى أن الحاسوب فهم كيف تتغذى البكتيريا على النفايات. ومع ذلك، واجه النموذج صعوبة كبيرة مع القياسين الآخرين؛ فعندما تعلق الأمر بالتنبؤ بمستويات المواد الكيميائية الكلية والجسيمات الصلبة في المياه النظيفة، كان الحاسوب بعيداً عن الواقع بفوارق كبيرة، حيث قلل من تقدير كمية التلوث بأكثر من 40 في المائة للمواد الكيميائية وأكثر من 70 في المائة للجسيمات الصلبة. وبكلمات بسيطة، ظن النموذج الرقمي أن المحطة تنتج مياهاً أنظف بكثير مما تنتجه في الواقع؛ إذ افترضت المحاكاة أن المواد الصلبة تترسب بشكل مثالي، بينما في الواقع، كان لا يزال هناك كمية كبيرة من الحمأة تطفو في المخرج النهائي.

يسلط هذا التباين الضوء على درس حاسم للمهندسين ومشغلي المحطات. وتوضح الدراسة أن النموذج الحاسوبي يمكن ضبطه لإتقان جزء واحد من العملية دون إتقان الأجزاء الأخرى. فمجرد كون المحاكاة تتنبأ بدقة بمدى جودة تفكيك النفايات العضوية لا يعني أنها تستطيع التنبؤ بدقة بمدى جودة إزالة الجسيمات الصلبة. وقد وجد الباحثون أن فشل النموذج في مراعاة السلوك الفوضوي في الواقع لخزانات الترسيب — حيث تتغير عوامل مثل تكوين الرغوة وعمق الحمأة باستمرار — أدى إلى هذه الأخطاء الكبيرة. وتعارض الدراسة الممارسة الشائعة المتمثلة في افتراض أن النموذج الذي تمت معايرته لمعيار واحد هو موثوق تلقائياً لجميع المعايير الأخرى. وقبل استخدام هذه الأدوات الرقمية لاتخاذ قرارات مكلفة بشأن توسيع محطة أو تركيب تقنية جديدة، يجب اختبارها ضد كل نوع من أنواع التلوث المتوقع إدارته. وبالنسبة لمحطة "فوارة" والمرافق المماثلة، يعني هذا أنه بينما يعد الحاسوب دليلاً مفيداً لفهم العمليات البيولوجية، إلا أنه لا يمكن الوثوق به بعد للتنبؤ بسلوك النفايات الصلبة دون إجراء تعديلات محددة إضافية.