A Comprehensive Review on Performance Evaluation and Modelling of Wastewater Treatment Plants Using GPS-X

تصب المدن والصناعات يومياً كميات هائلة من المياه المستخدمة في البيئة. وقبل أن تتمكن هذه المياه من العودة بأمان إلى الأنهار أو البحيرات، يجب أن تمر عبر محطات المعالجة التي تعمل على تجريدها من المواد الضارة. تعتمد هذه المرافق على عمليات بيولوجية وكيميائية معقدة لتنقية المياه، لكن الحفاظ على تشغيلها بكفاءة يمثل تحدياً مستمراً. إذ يتعين على المشغلين الموازنة بين جودة تنقية المياه وبين مقدار الطاقة اللازمة لتشغيل الآلات وتكلفة التشغيل. فإذا كانت العملية مفرطة في القوة، فإنها تهدر الكهرباء؛ وإذا كانت ضعيفة للغاية، تظل المياه ملوثة. ولحل هذا اللغز، يستخدم المهندسون برامج حاسوبية متطورة تعمل كمختبرات افتراضية. وتسمح هذه الأدوات لهم باختبار التغييرات على الشاشة قبل إجراء أي تعديلات فيزيائية على المحطة الحقيقية، مما يساعد في التنبؤ بكيفية استجابة النظام للظروف المختلفة.

لقد أصبح أحد هذه البرامج، والمعروف باسم GPS-X، أداة قياسية لمحاكاة عمليات معالجة مياه الصرف الصحي هذه. وقد قامت مراجعة شاملة حديثة أجراها الباحث محمد الجهماوي وزملاؤه بفحص مدى فعالية استخدام هذا البرنامج حول العالم. حلل الفريق عشرات الدراسات المنشورة بين عامي 2002 و2025 لفهم مدى مطابقة النماذج الحاسوبية للواقع. وقد نظروا في كيفية تعامل البرنامج مع إزالة الملوثات الشائعة، ومقدار الطاقة التي تستهلكها عمليات المعالجة المختلفة، وما إذا كان يمكن تقليل تكلفة تشغيل هذه المحطات من خلال التخطيط الأفضل. وكان هدفهم هو تحديد ما إذا كانت هذه المحاكاة الرقمية موثوقة بما يكفي لتوجيه تصميم وتشغيل البنية التحتية الضخمة التي تحافظ على نظافة مجارينا المائية.

وجد الباحثون أن البرنامج فعال للغاية في التنبؤ بمدى قدرة المحطة على إزالة الملوثات التقليدية. ففي الدراسات التي راجعوها، نجحت النماذج الحاسوبية في محاكاة إزالة إجمالي المواد الصلبة العالقة، وهي جزيئات صغيرة تطفو في الماء، بكفاءة وصلت إلى 94.2 بالمائة. كما أدى البرنامج أداءً جيداً في تتبع تفكك النفايات العضوية وإزالة المغذيات مثل النيتروجين والفوسفور، والتي يمكن أن تسبب ازدهار الطحالب في المسطحات المائية الطبيعية. ومع ذلك، يواجه البرنامج تحدياً أكبر عند التعامل مع أنواع جديدة من الملوثات. فعندما حاول الباحثون محاكاة إزالة المواد البلاستيكية الدقيقة والأدوية، انخفضت الكفاءة المتوقعة بشكل ملحوظ، حيث تراوحت بين حوالي 66 بالمائة للمواد البلاستيكية الدقيقة و72 بالمائة للأدوية. ويشير هذا إلى أنه بينما تعد هذه الأداة الرقمية ممتازة للعمليات القياسية، إلا أنها لا تزال بحاجة إلى صقل للتنبؤ بدقة بكيفية تعامل المحطات مع هذه التهديدات الناشئة.

ظهر استهلاك الطاقة كعامل حاسم آخر في المراجعة. فمحطات معالجة مياه الصرف الصحي تستهلك الكثير من الطاقة، ويرجع ذلك أساساً إلى ضرورة ضخ الهواء في الخزانات لمساعدة البكتيريا على تفكيك النفايات. وأظهرت الدراسات التي تم تحليلها أن استخدام الطاقة يتباين بشكل كبير اعتماداً على تعقيد عملية المعالجة. فقد استهلكت الأنظمة الأكثر كفاءة حوالي 3.1 كيلوواط ساعة من الكهرباء لكل متر مكعب من المياه المعالجة، بينما تطلبت الأنظمة الأكثر تعقيداً ما يصل إلى 5.2 كيلوواط ساعة. وقد أثبت البرنامج فائدته في تحديد هذه الاختلافات، مما سمح للمهندسين باختبار سيناريوهات يمكن أن تخفض استخدام الطاقة دون التضحية بجودة المياه. وبالمثل، وُجد أن تكلفة التشغيل تتأرجح بين 10 و18 سنتاً لكل متر مكعب، حيث يتم دفع السعر بشكل أساسي من خلال الطاقة المطلوبة وعدد الخطوات اللازمة لتنقية المياه.

وعلى الرغم من هذه النجاحات، سلطت المراجعة الضوء على أن المحاكاة الحاسوبية ليست نسخة مثالية للعالم الحقيقي. إذ تعتمد دقة نماذج GPS-X بشكل كبير على مدى جودة معايرتها، وهي عملية يقوم فيها المهندسون بضبط إعدادات البرنامج لتتطابق مع البيانات التي يتم جمعها من محطة فعلية. وعندما تتم هذه المعايرة بعناية، يمكن للبرنامج التنبؤ بأداء المحطة بدقة عالية، مما يظهر ارتباطاً قوياً بين النتائج المحاكاة وما يحدث بالفعل على أرض الواقع. ومع ذلك، إذا كانت البيانات المدخلة غير كاملة أو تغيرت ظروف المحطة بسرعة، فقد ينحرف النموذج عن الواقع. وأشار الباحثون إلى أن البرنامج يفتقر حالياً إلى القدرة على دمج البيانات في الوقت الفعلي تلقائياً أثناء تدفقها، مما يحد من قدرته على التكيف الفوري مع الظروف المتغيرة.

خلص المؤلفون إلى أنه على الرغم من أن GPS-X أداة لا غنى عنها لتحسين معالجة مياه الصرف الصحي، إلا أنه ليس حلاً مستقلاً. فهو يعمل بشكل أفضل عند دمجه مع جمع البيانات بعناية وإجراء تعديلات مستمرة. وتقترح المراجعة أن مستقبل هذه التكنولوجيا يكمن في دمجها مع أنظمة المراقبة في الوقت الفعلي والأساليب التحليلية المتقدمة لجعل عمليات المحاكاة أكثر ديناميكية واستجابة. وفي الوقت الحالي، يظل البرنامج وسيلة قوية لاختبار الأفك والأفكار وتحسين الكفاءة، مما يساعد المهندسين على تصميم محطات أنظف، وأرخص، وأكثر استدامة، حتى مع استمرار تطور تحديات تلوث المياه.