ما هي وسائط ترشيح الأغشية الحيوية لمعالجة مياه الصرف الصحي؟
معالجة مياه الصرف الصحيتعد تقنية الأغشية الحيوية من أهم الروابط في مجال حماية البيئة الحديثة، وتلعب تقنية الأغشية الحيوية، كطريقة معالجة فعالة وصديقة للبيئة، دورًا لا غنى عنه في تنقية مياه الصرف الصحي. تعد وسائط ترشيح الأغشية الحيوية المكون الأساسي لهذه التقنية، حيث توفر ناقلًا رئيسيًا لنمو الأغشية الحيوية ومعالجة مياه الصرف الصحي. إذن، ما هي وسائط ترشيح الأغشية الحيوية بالضبط لمعالجة مياه الصرف الصحي؟ ما الدور المحدد الذي تلعبه الأغشية الحيوية في معالجة مياه الصرف الصحي؟ ستناقش هذه المقالة بعمق من منظور المفاهيم والمبادئ والاستخدامات.
ما هي وسائط ترشيح الأغشية الحيوية لمعالجة مياه الصرف الصحي؟
وسائط الترشيح البيولوجية لمعالجة مياه الصرف الصحي هي مادة تستخدم لدعم تكوين الأغشية الحيوية وصيانتها. وتتمثل وظيفتها في توفير حامل مادي مثالي لنمو الكائنات الحية الدقيقة. الأغشية الحيوية هي في الأساس مجتمع من الكائنات الحية الدقيقة الملتصقة بسطح صلب. ويمكنها استخدام المواد العضوية في مياه الصرف الصحي كمغذيات وتحلل الملوثات أو تحويلها إلى مواد غير ضارة من خلال العمليات الأيضية.
الخصائص الفيزيائية للوسائط
عادة ما تكون وسائط ترشيح الأغشية الحيوية مصنوعة من البلاستيك أو السيراميك أو مواد بوليمرية أخرى، والتي تتمتع بالخصائص التالية:
● مساحة سطحية عالية محددة: توفر مساحة سطحية كافية للكائنات الحية الدقيقة للارتباط بها والنمو.
● نفاذية جيدة للمياه: تضمن تدفق مياه الصرف الصحي بالتساوي عبر سطح الوسائط، مما يحسن كفاءة تحلل الملوثات.
● مقاومة التآكل والاستقرار: ليس من السهل أن تتحلل تحت تأثير ملامسة طويلة الأمد لمياه الصرف الصحي ومستقلبات الميكروبات.
● هيكل خفيف الوزن: سهل التركيب والصيانة، ومناسب لمجموعة متنوعة من أنظمة معالجة مياه الصرف الصحي.
ما هي الأنواع الشائعة من وسائط ترشيح الأغشية الحيوية؟
اعتمادًا على الاستخدام والشكل، يمكن تقسيم وسائط ترشيح الأغشية الحيوية إلى عدة أنواع:
● الوسائط الثابتة: مثل السيراميك على شكل قرص العسل والألواح البلاستيكية والهياكل الشبكية. يتم تثبيت هذا النوع من الوسائط في معدات المعالجة وهو مناسب للعمليات مثل الأبراج المعبأة ومرشحات التنقيط.
● وسائط الفراش المميَّع: مثل البلاستيك الكروي أو الحبيبي أو المتقشر. يمكن لهذا النوع من الوسائط أن يتحرك مع تدفق المياه وهو مناسب لأنظمة المعالجة عالية الكفاءة مثل مفاعلات الفراش المميَّع.
● الوسائط المعلقة: مثل جزيئات البلاستيك خفيفة الوزن أو الألياف المجوفة المصممة خصيصًا، والمناسبة لتحسين أو معالجة أنظمة الحمأة المنشطة.
وظائف وسائط الأغشية الحيوية
لا توفر وسائط ترشيح الأغشية الحيوية مساحة لالتصاق الكائنات الحية الدقيقة فحسب، بل إنها تعزز أيضًا التقدم الفعال لعملية معالجة مياه الصرف الصحي من خلال تحسين مسار تدفق المياه وزيادة إمداد الأكسجين. يؤثر تصميم واختيار الوسائط بشكل مباشر على سمك وكثافة وتنوع الأغشية الحيوية والسكان الميكروبيين.
ما هو دور الأغشية الحيوية في معالجة مياه الصرف الصحي؟
إن الدور الأساسي للأغشية الحيوية في معالجة مياه الصرف الصحي هو تحلل الملوثات، بما في ذلك المواد العضوية والنيتروجين والفوسفور وبعض المواد التي يصعب تحللها من خلال التمثيل الغذائي الميكروبي. وباعتبارها نظامًا بيئيًا صغيرًا، فإنها تؤدي الوظائف الرئيسية التالية في عملية تنقية مياه الصرف الصحي:
إزالة الملوثات العضوية
تستطيع الكائنات الحية الدقيقة غير المتجانسة الموجودة في الأغشية الحيوية تحلل المواد العضوية (مثل الكربوهيدرات والبروتينات والدهون) في مياه الصرف الصحي وتحويلها إلى ثاني أكسيد الكربون (أول أكسيد الكربون₂) والماء (H₂O) ومواد غير عضوية أخرى. لا تعمل هذه العملية على تقليل الطلب الكيميائي للأكسجين (سمك القد) لمياه الصرف الصحي فحسب، بل تقلل أيضًا بشكل كبير من الطلب الكيميائي للأكسجين (الطلب على العضوية).
● آلية التحلل: تقوم الكائنات الحية الدقيقة بتحليل المواد العضوية المعقدة إلى مركبات جزيئية صغيرة عن طريق إفراز الإنزيمات، ثم تقوم بأكسدتها بشكل كامل من خلال المسارات الأيضية.
● كفاءة الإزالة: نظرًا لمساحة السطح النوعية العالية والكثافة الميكروبية العالية للوسط، يمكن لتقنية الأغشية الحيوية عادةً تحقيق معدل إزالة للملوثات العضوية يزيد عن 80%.
إزالة النيتروجين (النترتة وإزالة النتروجين)
تتمتع تقنية الأغشية الحيوية أيضًا بمزايا كبيرة في معالجة مياه الصرف الصحي المحتوية على النيتروجين. من خلال مرحلتي النترتة وإزالة النترتة، يتحول نيتروجين الأمونيا (نيو هامبشاير₄⁺) في مياه الصرف الصحي في النهاية إلى غاز النيتروجين (N₂) ويتم تصريفه في الغلاف الجوي.
● النترتة: في ظل الظروف الهوائية، يتأكسد نيتروجين الأمونيا إلى نترات (لا₃⁻) بواسطة البكتيريا النترتية (مثل نيتروسوموناس ونيتروسوموناس).
● إزالة النتروجين: في ظل الظروف اللاهوائية، تقوم البكتيريا المزيلة للنتروجين باختزال النترات إلى غاز النيتروجين.
● المعالجة المشتركة: يمكن للهيكل الطبقي للغشاء الحيوي (الطبقة الخارجية هي المنطقة الهوائية والطبقة الداخلية هي المنطقة اللاهوائية) تحقيق النترتة وإزالة النتروجين في نفس الوقت، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة إزالة النتروجين.
إزالة الفوسفور
في بعضأنظمة معالجة مياه الصرف الصحييمكن للكائنات الحية الدقيقة (خاصة بكتيريا البولي فوسفات) الموجودة في الأغشية الحيوية أن تقلل من محتوى الفوسفور في مياه الصرف الصحي عن طريق امتصاص وتخزين الفوسفات في مياه الصرف الصحي. تُستخدم تقنية إزالة الفوسفور البيولوجية هذه عادةً بالاشتراك مع الترسيب الكيميائي لتحقيق نتائج أفضل.
إزالة المواد المقاومة للحرارة
تستطيع المجتمعات الميكروبية المتنوعة في أنظمة الأغشية الحيوية تحلل بعض المواد العضوية المقاومة، مثل البنزين والمركبات الفينولية والهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات، من خلال التمثيل الغذائي التآزري. تستطيع هذه الكائنات الحية الدقيقة إفراز إنزيمات ومؤكسدات خاصة في ظل ظروف محددة لتحلل الملوثات العنيدة في مياه الصرف الصحي بشكل فعال.
ما هي سيناريوهات تطبيق وسائط ترشيح الأغشية الحيوية؟
بفضل قدرتها الفعالة على إزالة الملوثات وتكلفة التشغيل المنخفضة، تُستخدم وسائط ترشيح الأغشية الحيوية على نطاق واسع في سيناريوهات معالجة مياه الصرف الصحي المختلفة، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر المجالات التالية:
معالجة مياه الصرف الصحي في المناطق الحضرية
تُستخدم وسائط الأغشية الحيوية غالبًا في المرشحات المتقطرة وخزانات الأكسدة التلامسية وغيرها من العمليات في محطات معالجة مياه الصرف الصحي في المناطق الحضرية للمساعدة في إزالة المواد العضوية وملوثات النيتروجين والفوسفور الموجودة في مياه الصرف الصحي. تتطلب مثل هذه المرافق عادةً أن توفر الوسائط بيئة ارتباط ميكروبية مستقرة لتلبية احتياجات المعالجة عالية الحمل.
معالجة مياه الصرف الصناعي
قد تحتوي مياه الصرف الصناعي على كمية كبيرة من المواد العضوية والمواد المقاومة للحرارة. يمكن لوسائط ترشيح الأغشية الحيوية تحسين كفاءة المعالجة من خلال زيادة تنوع وتركيز التجمعات الميكروبية. على سبيل المثال، في معالجة مياه الصرف الصحي في الصناعات الدوائية وتجهيز الأغذية والكيميائية، غالبًا ما تُستخدم وسائط الأغشية الحيوية كطريقة معالجة رئيسية.
مياه الصرف الصحي الناتجة عن تربية الأحياء المائية
في تربية الأحياء المائية، تُستخدم وسائط الأغشية الحيوية لإزالة النيتروجين والأمونيا الزائدة والمواد العضوية في المسطح المائي، والحفاظ على نظافة المياه واستقرار بيئة تربية الأحياء المائية. غالبًا ما تُستخدم وسائط الأغشية الحيوية ذات الأسِرَّة المُميَّعة في أنظمة تنقية مياه الصرف الصحي في المزارع الكبيرة نظرًا لقدرتها العالية على المعالجة.
معالجة مياه الصرف الصحي المنزلية الريفية
في المناطق الريفية، أصبحت تقنية الأغشية الحيوية وسيلة مهمة لمعالجة مياه الصرف الصحي المنزلية نظرًا لمعداتها البسيطة وسهولة صيانتها. يمكن لنظام معالجة مياه الصرف الصحي البيئي باستخدام وسائط الأغشية الحيوية إزالة الملوثات بشكل فعال مع كونها اقتصادية وصديقة للبيئة.
صيانة واحتياطات وسائط ترشيح الأغشية الحيوية
يجب صيانة وسائط الترشيح الغشائية الحيوية بشكل معقول أثناء التشغيل الفعلي لضمان تشغيلها على المدى الطويل وبكفاءة. وفيما يلي بعض الاعتبارات الرئيسية:
● التنظيف المنتظم: نظرًا لأن المواد العالقة في مياه الصرف الصحي قد تلتصق بسطح الوسط، مما يؤثر على التدفق السلس للمياه ونمو الأغشية الحيوية، فيجب تنظيف الوسط بانتظام لتجنب الانسداد.
● التحكم في جودة المياه الداخلة: قد تؤثر التركيزات العالية من المواد السامة أو المواد العالقة الكبيرة على استقرار الأغشية الحيوية، ويجب وضع وحدة معالجة أولية عند نهاية المدخل.
● الحفاظ على معدل تدفق مياه مناسب: سيؤثر معدل تدفق المياه المرتفع أو المنخفض للغاية على تكوين وكفاءة التمثيل الغذائي للأغشية الحيوية، لذلك يجب تعديل معلمات تدفق المياه من خلال المعدات.