Table of Contents
مقدمة
وتنتج معالجة مياه الصرف الصحي الحديثة كميات كبيرة من الحمأة تحتوي على تركيزات كبيرة من المغذيات مثل النيتروجين والفوسفور، ويمكن أن تؤدي التصريف المباشر لهذه المادة أو المعالجة غير السليمة لها إلى مشاكل بيئية حادة، بما في ذلك التلقيم المغذي لأجهزة المياه وانبعاثات غازات الدفيئة، وفي الوقت نفسه، فإن هذه المواد المغذية تُعادل من حيث التكلفة، عن طريق عمليات إنتاج المواد الخاملة.
تحدي المغذيات في سلغ
وتحتوي الحمأة الرخوة من محطات المياه المستعملة البلدية أو الصناعية على النيتروجين في المقام الأول في شكل النيتروجين العضوي والأمونيا، بينما يبدو الفوسفوري أنه خام أو فسفات عضوي وفسفات عضوي، وإذا أُطلق سراحه، فإن هذه المغذيات تعجل المعالجة بالنيتروجين، مما يتسبب في حدوث تذبذبات ضارة في الأوكسجين وتضر بالحياة المائية.
تطور معالجة الحمأة: من التخلص إلى استرداد الموارد
النهج التقليدية
ومن الناحية التاريخية، تم التخلص من الحمأة في مدافن القمامة أو الحرق أو تطبيقها على الأراضي الزراعية ذات التجهيز الأدنى، وفي حين أن تطبيق الأراضي يوفر بعض القيمة المغذية، فإنه يؤدي في كثير من الأحيان إلى عدم التكافؤ في الإطلاق والهروب المحتمل، وقد استخدمت الهضمات الهوائية منذ عقود لتثبيت الحمأة وإنتاج الغازات الأحيائية، ولكن المغذيات تظل في معظمها في الهضم السائل ما لم تُضاف خطوات محددة للاسترداد.
التحول إلى استرداد الموارد
وقد أدى تزايد الوعي بشح الفوسفوري وحدود تفريغ النيتروجين الأشد صرامة إلى تحول في النموذج، حيث أدت تشريعات مثل اللائحة المنقحة للمنتجات المغذية الصادرة عن الاتحاد الأوروبي ومختلف البرامج التجارية للمغذيات على مستوى الولايات إلى تحفيز الانتعاش، وأصبحت مرافق المياه تعتبر الآن نفايات ولكن مجرىا للموارد، وقد أدى هذا التحول إلى التعجيل بتطوير تكنولوجيات التعافي المغذية المكرســة التي تتكامل مع برامج العلاج الحالية.
التكنولوجيات الأساسية لاسترداد المغذيات
استعادة الفوسفور
تركيب الخرسانة
Struvite (MgNH4]PO4(6)H2O)
طرق أخرى لاسترداد الفوسفور
Vivianite (Fe3](PO)4)2)8H2O)
Nitrogen Recovery
تجريد الأمونيا واستيعابها
وتشمل عملية تجريد الأمونيا رفع مستوى سداسي من الحمأة السائلة أو الهضمية لتحويل أيون الأمونيوم إلى غاز الأمونيا، الذي يتم بعد ذلك تجريده في برج مكتظ ويستوعبه في حل حمض الكبريت لإنتاج الأسمدة الكبريتية الأمونيوم، ويمكن أن تتجاوز كفاءة الاسترداد 90 في المائة في ظروف مثلى، وهذه العملية ملائمة تماماً للمسارات الجانبية المركزة ولكنها تتطلب مزيداً من التحايلات.
Membrane-Based Technologies
وتستخدم أجهزة الاتصال بالغاز المحتوي على غاز مدخنة مائية تستخدم أجهزة قياسية مائية تتيح للغاز الأمونيا أن ينشر في حين يحتفظ بالسائل، كما أن الأمونيا تُستولى على حل حمض من الجانب الآخر، وتُستخدم نظم الطاقة الكهرمائية في أقل من البُرج المتعرية وتُنتج أملاحاً من الأمونيوم نظيفة مع الحد الأدنى من نقل المركبات العضوية المتطاولة.
بيولوجيا النيتروجين
أما عمليات النيتروجين الجزئي - الناموسومات (PN/A) فتحوّل الأمونيا إلى غاز الدينيتروجين، وتزيل النيتروجين البيولوجي بدلا من إنتاج منتج مدوّن، غير أن النُهج الناشئة مثل استخدام الأمونيا في إنتاج البروتينات المجهرية لتزرع البكتيريا التي يمكن أن تُحصَّل كتغذية حيوانية أو سماد عضوي، وتحتاج هذه العمليات إلى مراقبة دقيقة لظروف المفاعلات لا تزال في نطاق بحثي ولكنها تتيح وسيلة قيّدة
التعافي المشترك: تعزيز إزالة فيروس الفوسفور البيولوجي والأمونيا
ويستخدم هذا النوع من الكائنات التي تتراكم بتعدد الفوسفات في معالجة كميات كبيرة من الفوسفور في ظل ظروف غير متجانسة وهيروبية، ويمكن عندئذ إخضاع بلورات الحمأة الفوسفورية المدمجة للارتداد بالهيدروجين، وإطلاق الفوسفات، واستعادة الأمونية في المصانع.
تكنولوجيات المعالجة المسبقة لتعزيز الانتعاش
التحلل الحراري
ويكشف تحلل الهيدرولوجي الحراري عن درجة حرارة عالية (150-180 درجة مئوية) والضغط (6-10 درجة مئوية) لمدة 20-30 دقيقة، مما يكسر المادة العضوية المعقدة وجدران الخلايا، وينتج عن ذلك الآن المغذيات والكربون العضوي، ويحسن إنتاج الغاز الحيوي بنسبة 30 إلى 50 في المائة في الهضم الجوي التالي، كما أن الرشاقة المائية تتركز على نحو أفضل.
التفكك الميكانيكي
ويمكن أن تُسترجع المغذيات المحررة بصورة مباشرة أو تُغذيها للهندسة من أجل تعزيز إنتاج الغاز، كما أن الأساليب الميكانيكية مثل المتجانسات العالية الضغط أو نظم المحركات ذات الصبغة المزروعة يمكن أن تحقق آثاراً مماثلة.
المادة الكيميائية والبيولوجية
ويمكن أن تؤدي المعالجة بالآسيك أو الكالسينول (مثل صدمة الهيدروجيني) إلى تذويب الفوسفوري والنيتروجين العضوي المحتوي على معادن، فالمعاملة البيولوجية باستخدام مرحلة الخصبة الحمضية المنفصلة تحول المادة العضوية الجسيمية إلى أحماض دهنية متفجرة وتطلق الفوسفور القابل للذوبان، وكثيرا ما تقترن هذه النُهج بجهاز EBPR لتعظيم التركيزات المغذية قبل التعافي.
التكامل والتجهيزات
المجرى الرئيسي ضد استرداد المجرى الجانبي
وتعالج معظم منشآت الاسترداد المغذية المجرى الجانبي من إزالة الحمأة، الذي يحتوي على تركيزات عالية من المغذيات في تدفق صغير نسبيا، ويسمح العلاج من جانب المجرى المائي بمفاعلات الاتفاقات ومعدلات التعافي العالية، غير أن بعض الباحثين يقترحون الاسترداد العام مباشرة من ثغرة المعالجة الثانوية، حيث تكون تركيزات المغذيات أقل، ولكن التدفق أكبر بكثير، وكثيرا ما تعتمد النهج الرئيسية على المفاعلات الدقيقة أو المبردة الحيوية على التلقين.
التكامل مع النبذة الجوية
وتثبيت الهضم الجوي للحمأة وتولد الغازات الأحيائية، ولكن المغذيات التي يتم إطلاقها أثناء الحفر يمكن أن تحول دون الميثانات إذا أصبحت مستويات الأمونيا مرتفعة جداً، كما أن إدماج التعافي من المغذيات قبل الحفر أو بعده يقلل من التثبيت ويحسن إنتاج الغازات الأحيائية، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يقلّص تجريد أجهزة الإلتهاب الأمونية من تركيزات التلقيحية من 2500 ملغم/غ
تحسين الفصل بين الأقزام الصلبة والسائلة
ويعتبر التخلص من المياه الفعالة أمراً حاسماً لتركيز المغذيات في المجرى السائل وتخفيض حجم الاسترداد، إذ تحقق الطاردات المركزية الحديثة، والضغط على الحزام، وسمكات الكيمبرون معدلات مرتفعة لاستخلاص المواد الصلبة (95 في المائة) وتنتج كعكة يمكن مواصلة معالجتها أو التخلص منها، وتستخدم الابتكارات مثل استخدام الحقول الكهربائية في إزالة المياه الكهربية من الحمأة، مما يزيد من إجمالي تكاليف النقل الصلبة إلى ما بعد ذلك(30).
المنافع الاقتصادية والبيئية
خفض التكاليف التشغيلية
ويقابل استرداد المغذيات تكلفة إضافة المواد الكيميائية الخارجية، وعادة ما تشكل اللوحات المضغوطة على الأنابيب وخطوط النصيب، مما يسبب مشاكل الصيانة؛ وتمنع عملية البلورة في المفاعل من رفع تكاليف التنظيف وتخفيضها، وتُستخدم المنتجات المستعادة كسماد أو كبريتات من الأمونيوم كإيرادات من مصدر النيتروجين يمكن أن تعوض عن أسعار رأس المال ونفقات التشغيل)١٠(.
تقييم دورة الحياة وخط القفز الكربوني
ويقلل التعافي من المغذيات من الحاجة إلى إنتاج الأسمدة الاصطناعية، وهو إنتاج كثيف للطاقة ومسؤول عن انبعاثات كبيرة من غازات الدفيئة، ويظهر تقييم دورة الحياة لمصنع بلدي نموذجي أن إدماج الاسترداد من الصدر والتعرية الأمونيا يمكن أن يقلل من الطلب التراكمي على الطاقة بنسبة ١٥-٢٥ في المائة مقارنة بازالة الفوسفور الكيميائي التقليدي ومعالجة النيتروجين، بالإضافة إلى ذلك، فإن تجنب تطبيق حمأة على الكربون الخام بنسبة ٣٠ في المائة يقلل من انبعاثات المي يقلل من ثاني أكسيد الكربون.
الحوافز التنظيمية
وتوجد في مناطق مثل صيد بحر البلطيق وحوض البحيرات الكبرى والاتحاد الأوروبي حدود ضيقة على تصريف المغذيات، وتتيح برامج تجارة المغذيات للمرافق الحصول على قروض لخفض حمولات الفوسفور أو النيتروجين، ويمكن استخدام المغذيات المسترجعة للوفاء بالالتزامات بموجب خطة عمل اقتصاد العلماني وأطر مماثلة، وفي السويد وسويسرا، يصنف الآن هدف استعادة الطاقة الاحتياطية كحد أقصى.
التحديات والحواجز
التحديات التقنية
ولا يزال رفع مستوى استرداد المغذيات من الطيار إلى الحجم الكامل يمثل تحدياً بسبب التباينات في تركيبة الحمأة، ولا سيما بالنسبة لمياه النفايات الصناعية التي تحتوي على معادن ثقيلة أو ملوثات عضوية صغيرة، وقد يلزم أن تستوفي عوامل التلوث مثل الكادميوم والرصاص والصيدلة في المنتجات المستعادة، مما يحد من استخدامها في الزراعة، كما أن هناك حاجة إلى خطوات متقدمة في مجال إزالة الملوثات الكربونية، وهي عوامل تراوحت بين مستويات تدفق المنتجات.
الحواجز الاقتصادية
ويمكن أن تكون التكاليف الرأسمالية للتحلل الحراري للمفاعلات أو المفاعلات الصنعية أو نظم الغشاء مرتفعة، لا سيما بالنسبة للمصانع الصغيرة والمتوسطة الحجم، ويمكن أن تعوض تكاليف التشغيل للمواد الكيميائية (الغاز، والحمض، والقاعدة) والطاقة فوائد مبيعات المنتجات إذا لم تدار بعناية، وكثيرا ما تكون أسعار السوق بالنسبة للأسمدة المستعادة أقل من المنتجات التقليدية بسبب التقلبات الملحوظة في التكوين وعدم التيقن التنظيمي.
السياسات والتوحيد القياسي
ولا تزال معايير الجودة المنسقة للمنتجات المغذية المستعادة تفتقر إلى الكثير من الولايات القضائية، إذ إن اللوائح الأخيرة للاتحاد الأوروبي بشأن الفوسفات المستردة (مثل الاتحاد الأوروبي 2019/1009) توفر إطارا، ولكن التنفيذ يختلف، فبدون معايير واضحة وقابلة للإنفاذ، قد تتردد المرافق في الاستثمار بسبب الشواغل المتعلقة بالمسؤولية والوصول إلى الأسواق، كما أن التجارة عبر الحدود بين الأسمدة المعاد تدويرها تتيح أيضا فرض قيود على الصحة النباتية تُعالج بحق.
البحوث والتكنولوجيات الناشئة في المستقبل
النظم الكيميائية الحيوية
ويمكن أن تستعيد خلايا الكهرباء الدقيقة وخلايا الوقود المجهري النيتروجين والفوسفوري أثناء توليد الكهرباء أو الهيدروجين، وفي إطار آلية متعددة المؤشرات، يمكن أن تُحدث البكتريا المادة العضوية وتنتج إلكترونات تقلل من بروتونات الغاز الهيدروجيني في الكاسود، بينما تُنَزَّد الأمونيوم عبر ميدروم ثنائي متغير.
علم النوتات للإنعاش الانتقائي
ويمكن أن تلتقط المواد النانوية مثل الجسيمات المغنطية التي تعمل بألياف الفوسفات الملزمة (مثل أكسيد الحديد أو الهيدروكسيدات المزدوجة الطبقات) الفوسفورية من مصفوفات الأحقاد المتشابكة، ويمكن إعادة تدوير الجسيمات النانوية، مما يقلل من الاستخدام الكيميائي.
المعالجة الحرارية المائية
وتكدس التأكسد السطحي للمياه، وعملية التحلل الحراري الهيدرولي (HTL) في ارتفاع درجات الحرارة والضغوط دون الحصول على مياه مسبقة، وتكسيد المادة العضوية تماماً، مما يترك حداً حرارياً في الفوسفات والأمونيوم يمكن استرجاعه؛ وتنتج المادة الهيدروكربونية ذات الصبغة الأحيائية، وتعالج هذه المواد الغذائية ذات الصبغة التراكمية.
Algal-Based Nutrient Recovery
ويمكن أن يُستشف من النتروجين والفوسفور من الهضم السائل أو الرسوب المركزي، وإنتاج الكتلة الأحيائية الغنية بالبروتينات واللوحات والحمامات، ويمكن استخدام الطحالب المحصولة كتغذية حيوانية أو خماسية بيولوجية أو مواد وسيطة لإنتاج الوقود الأحيائي، وتُستخدم النظم المحلية في درجات حرارة مرتفعة وتحتاج فقط إلى ضوء الشمس وثباتات من ثاني أكسيد الكربون().
خاتمة
وسيؤدي تحويل معالجة الحمأة من مشكلة التخلص إلى فرصة لاستعادة الموارد إلى مرحلة متقدمة جداً، وسيؤدي التطهير الحاد، وتعرية الأمونيا، وتكنولوجيات النمبرة، وتعزيز العمليات البيولوجية إلى إيجاد حلول عملية لاسترداد المغذيات على نطاق واسع، كما أن أساليب المعالجة المسبقة مثل الطلب الحراري على الهيدروجين إلى زيادة كفاءة إنتاج الغازات الأحيائية واستعادة القدرة على الانتعاش، بينما يؤدي تكامل النظم مع الخلايا الحرارية إلى نشوء تحديات قوية.