تقييم أداء مفاعلات البيوتوم المتحركة (الأجهزة) في تطبيقات إزالة المغذيات

تصميم وسائط الإعلام واختيارها

أما الخصائص المادية لحاملة التصفية البيولوجية فهي عوامل حاسمة الأهمية في أداء المفاعلات، إذ إن ناقلات البوليثيلين العالي الكثافة أو البولي بروبلوريلين الحديثة قد تُصنع عادة من مناطق التكاثر السطحي العالية الكثافة أو من نوع متعدد المقاييس، وتُصمم لتعوم بحرية داخل المفاعل مع الاحتفاظ بها بواسطة حصار أو مشط في المنفذ، وتشمل بارامترات التصميم الرئيسية منطقة سطحية محددة (تراوحت بين 400 و 900 متر مربع/متر مكعب).

وفي الممارسة العملية، ينطوي اختيار الناقل على مقايضة بين المساحة السطحية والطاقة الخلطية الهيدروليكية واستبقاء الصلبات.() وتُستخدم شركات النقل من النوع K1- (المحلية ذات النطاقات الداخلية) على نطاق واسع في التطبيقات البلدية، في حين أن التصميمات الأحدث تتضمن قياسات المياه الجوفية الدوارة أو الشافية التي تحسن النقل الجماعي ومراقبة الفصل من المرشّح الأحيائي، وتقدّم بعض الجهات المصنعة شركات نقل المواد ذات الكيمياء السطحية المُ المعالجة لتعزيز عمليات الاصطناعية.

العوامل التي تحكم كفاءة إزالة المغذيات

استراتيجية أوكسجين المفصولة والإشعاع

وقد يكون الأكسجين المنزوع هو أكثر البارامترات التشغيلية تأثيرا في إزالة المغذيات من ميغابايت ثنائي الفينيل متعدد البروم، أما بالنسبة للتنثر، فإن تركيزات الدو في حاجة عادة إلى الحفاظ على ما يزيد على 2-3 ملغم/لتر في السائل السائب لضمان الاختراق الكافي للأوكسجين في النسيج الأحيائي، غير أن الإفراط في التحلل يمكن أن يكشف عن الرش من الناقلات، وزيادة استهلاك الطاقة، وكبحاثين عن طريق الحفاظ على أفضل مستويات الرشيحات.

وفيما يتعلق بإزالة الفوسفور في نظم MBR التي تعتمد على بروميد الميثيل، يجب أن تشمل تشكيلة المفاعلات مناطق متمايزة من التهاب الغدد الصهيوني والهيروبي، وفي المنطقة الهوائية، تُطلق هذه المادة من الفوسفات عند تناولها حمضات دهنية متفجرة وتخزنها كمركبات متعددة الهيدروكسيدات.

التدرج والتغير الموسمي

وقد كان للتمهيد أثر كبير على أداء ثنائي الفينيل متعدد البروم لأنه يؤثر على معدلات النمو في الميكروبيات، وعلى حركيات الأنزيمات، ومعاملات الانتشار.() وقد يكون لتركيب البكتيريا حساساً بوجه خاص إزاء درجات الحرارة المنخفضة، حيث تقل معدلات التفاعل بنسبة 50 في المائة لكل قطر من 10 درجات مئوية دون الظروف المثلى، وفي المناخات الباردة، قد يتعين على المشغلين زيادة درجة حرارة الناقلين، أو خفض معدلات التحميل، أو توفير المزيد

كما أن التباينات الموسمية في درجة حرارة المياه المستعملة تؤثر على المنافسة بين البولي أكسيد الكربون وبروميد الميثيل. وفي درجات الحرارة المنخفضة، يُقْفَض نشاط مركب غير ملاحظ أكثر من نشاط مركب الماء المضغوط، مما يؤدي إلى تراكم النيتروجين الذي يمكن أن يكون مفيداً لعمليات النيتروز الجزئية - النيوموكس (PN/A) وقد أدى ذلك إلى الاهتمام باستخدام مركبات ثنائي الفينيل متعدد البروم في مسارات إزالة النيتروجين القصيرة النطاق، التي لا تزال تقل عن كمية الأكسجين والتي تتطلب دراسات كربون الخارجية.

وقت الاستبقاء الهيدروليكي والضغط العضوي

ويجب أن يتوافق مع أهداف العلاج المنشودة وقت الاحتفاظ بالهيدروليك (HRT) ومعدل التحميل العضوي (OLR) بدقة، وفي نظم MBBR المصممة للعلاج الثانوي مع التكرير، تتراوح عادةً بين 4 و12 ساعة، مع قيم النيتروز تتراوح بين 0.5 و2 كيلوغرام من الـ دي.دي.د/م3/يوم، وفيما يتعلق بتطبيقات التحلل العالي، حيث التركيز على نشر سائل العضوي المنخفض

وتتوقف إزالة الفوسفور بواسطة الأساليب الكيميائية على نسبة الطوق الفوسفوري من الفوسفوري، والهكتار، وظروف الخلط، وتتراوح الجرعات النموذجية بين 1.5 و 3.0 جزئ من الفلزات لكل خائن من الخماسي الكلور، مع وجود جرعات أعلى مطلوبة من قيم منخفضة من الهيدروجين، وعندما يتم دمج إزالة الفوسفور الكيميائي مع مفاعلات مركب ثنائي الفينيل متعدد البروم، يمكن إضافة الملح المعدني إلى مفاعلات

تقييم الأداء ورصده

أخذ العينات وأساليب التحليل

ويستلزم تقييم الأداء الروتيني لنظم MBR رصد البارامترات الرئيسية لنوعية المياه في كل من التدفق والتدفق، وبالنسبة لإزالة النيتروجين، فإن القياسات تشمل عادة ما يكون مجموع النيتروجينات الكيماوية، والأمونيا، والنيترات، والنيترات، والنيتروجين الكلي.

(ب) لتقييم صحة الرش الحيوي، يمكن للمشغلين قياس سميك الرش الحيوي باستخدام المايكروسكوب أو تحليل الصور أو الأساليب القائمة على الوزن، ويتفاوت متوسط الرش الأحيائي السليم في عمليات إزالة المغذيات من 200 إلى 800 ميكروم في السميك، تبعاً لنوع الناقل وظروف التحميل، كما أن الرش الأحيائي أكثر نشاطاً في كل وحدة بسبب انخفاض المقاومة، بينما تُقدِّم الرشات الأحيائية البكية المزيد من مخزونات السائلة.

مؤشرات الأداء الرئيسية

(أ) إن أكثر القياسات مباشرة لأداء مركب مركب مركب ثنائي الفينيل متعدد البروم هي كفاءة إزالة الملوثات المستهدفة، محسوبة على أنها (متسرّبة - ثعبان)/مؤثرة بنسبة 100 في المائة، غير أن كفاءة الإزالة وحدها لا تمثل معدلات التحميل أو حجم المفاعل أو المخزون من الكتلة الأحيائية.

وفيما يتعلق بإزالة الفوسفور، تشمل مؤشرات الأداء الرئيسية تركيز الفوسفور الإجمالي المتدفق وكتلة الفوسفور المزال لكل وحدة من الفلزات المستخرجة، وفي نظم EBPR، فإن معدل إطلاق الفوسفور في المنطقة الهوائية، ومعدل الرسوب في المنطقة الأيروبيكية يمكن استخدامه لتقييم نشاط التحلل الفيزيائي من ثاني أكسيد الكربون.

التكامل مع عمليات العلاج الأخرى

ولا تستخدم هذه المركبات عادة كوحدات علاج مستقلة ولكنها تدمج في قطارات معالجة أكبر، حيث توجد تشكيلة مشتركة تضع أجهزة الدمج والتراكم البيولوجي في مجرى المعالم الثانوية أو النسيج المدمج، مع وجود شبكات التصفية الحيوية التي تعمل كدعم للكتلة الأحيائية الأولية، بينما تُسوى أو تُصقل في عمليات التدمير، وفي بعض التصميمات، تُنشأ شركات الدمج بين أجهزة الاستنشاق والإطارات المتعددة البروم في مواقع مباشرة في عمليات التشغيل.

وبالنسبة إلى إزالة المغذيات المتقدمة، يمكن ترتيب مركب ثنائي الفينيل متعدد البروم في سلسلة ذات مناطق هوائية وأكسية منفصلة، مع وجود مسارات داخلية لإعادة التدوير لتوفير النيترات إلى منطقة الأكسدة، وكبديل لذلك، يمكن أن يكون هناك مفاعل واحد يعمل في إطار نمط ثابت من التدفق أو التسلسل، حيث يتم تدوير التحلل على أساس وجود أو على نحو يؤدي إلى تغيير الظروف المحيطة بالهيدروكربونات الأرضية والهيدروكربونية.

وتوفر الموارد الخارجية مثل صفحة EPA وبحوث المياه ] التوجيه بشأن تصميم وأداء MBR، في حين توفر منشورات الصناعة مثل ]Water Online دراسات حالاتية ورؤى مشغِّلة.

التحديات التشغيلية واستراتيجيات التخفيف

التنقيب عن القاذفات الحيوية وأجهزة التتبع

فالتنقية الأحيائية ظاهرة طبيعية حيث يُفرّغ من الملامح الأحيائية من الناقلات ويدخل السائل السائب، وفي حين أن بعض الخرق ضروري للحفاظ على مرشح بيولوجي نشط، فإن الإفراط في التصفير يمكن أن يقلل من القدرة على العلاج ويزيد من تحميل المواد الصلبة في العمليات في المراحل النهائية، وكثيرا ما يُستحث عن طريق التغييرات في معدل التحميل أو درجة الحرارة أو كثافة التكرار، وذلك للتخفيف من ذلك، يمكن للمشغلين أن يُعدّل التدريجي.

ويحدث التنظيف في الناقلات عندما ينمو المساحيق الحيوية في سميك يكفي لحجب القنوات الداخلية للناقل، وتقييد تدفق المياه، والحد من المساحة السطحية الفعالة، كما أن التماثل أكثر شيوعا في الناقلات ذات المناطق السطحية العالية التحديد وفي النظم التي تعالج المياه المستعملة بغرامات عالية أو بمحتوى الشحوم، كما أن أساليب التنظيف الميكانيكية، مثل التنظيف الدوري أو استخدام شاشات التنظيف المكرامية، يمكن أن تزيل الكم الزائد من الكيماويات، مع استعادة الكيماويات الحرارية.

مراقبة الصمامات والوقود

ويمكن أن يصبح التبخير إشكالياً في نظم التبريد المتعدد البروم ثنائي الفينيل التي تعمل بمعدلات تحميل عالية أو بتراكم كبير للدهن، ويمكن أن يؤدي وجود المفاعلات السطحية والبروتين والكائنات الألوية إلى تثبيت الرغاوي، مما يؤدي إلى مسائل تشغيلية مثل غسيل الديدان والأجهزة الاستشعار والأغطية ويمكن استخدام عوامل التخصيب بصورة متقطعة، ولكن التحكم في المصادر أكثر فعالية في الظروف الطويلة.

استهلاك الطاقة وتجهيزها

وتمثل تكاليف الطاقة جزءا كبيرا من الميزانية التشغيلية لنظم MBR، ولا سيما للارتفاع والضخ، فالطاقة المطلوبة للارتفاع في مركبات ثنائي الفينيل متعدد البروم أعلى عموما من نظم الحمأة المنشطة التقليدية لأن الناقلات تزيد الطلب على الأكسجين وتحتاج إلى طاقة إضافية مختلطة لإبقائها معلقة، غير أن زيادة كفاءة العلاج وقلة البصمات يمكن أن تعوض هذه التكاليف من خلال انخفاض الاحتياجات من الأراضي وانخفاض الإنفاق على المباني الجديدة.

وينبغي أن تقيّم مراجعة شاملة لحسابات الطاقة كفاءة المفجرات والموزعات ومعدات الخلط، مع مراعاة وسائل الدفع المتغيرة ونظم المراقبة الآلية التي تكيف الارتداد في الوقت الحقيقي، وقد حققت بعض المرافق وفورات في الطاقة تتراوح بين 20 و 30 في المائة عن طريق تركيب أجهزة تشفير صغيرة الحجم وتحقيق أفضل نقاط دو على أساس رصد الأمونيا على الإنترنت، وتتراوح فترة السداد لهذه الاستثمارات بين سنتين و 5 سنوات تنظيمية.

دراسات الحالة وبيانات الأداء العملي

وقد تم توثيق التنفيذ الكامل لتكنولوجيات بروميد الميثيل في إزالة المغذيات عبر مجموعة واسعة من الجداول والجغرافيا، وقد أفادت دراسة حالة ملحوظة من مصنع معالجة بلدي في منطقة البحيرات الكبرى في أمريكا الشمالية بأن مجموع كفاءة إزالة النيتروجين يتراوح بين 85 و92 في المائة باستخدام نظام متعدد البروم ثنائي الفينيل ذي شكل من الأشكال، مع وجود ضعف في مرحلة ما قبل التصدير ومتوسط في درجة الحرارة بعد تسممها 3 في المائة.

وهناك مثال آخر من مرفق معالجة مياه الصرف الصحي في مجال معالجة الأغذية، أظهر إزالة الفوسفور بنسبة تتجاوز 95 في المائة باستخدام التهطال الكيميائي مباشرة في مفاعل MBBR، حيث تم تناول كلوريد الزئبق بنسبة 2 1 مقصّر، وما نتج عن ذلك من فلزات هيدروكسيد الحديد المتراكمة داخل المتغيرات الحيوية، مما يعزز إزالة الفوسفور من خلال المتناول البيولوجي والتركيز الكيميائي الفيزيائي على حد سواء.

وفيما يتعلق بالمرافق التي تنظر في اعتماد نظام MBR، يوصى بإجراء اختبار تجريبي لوضع معايير تصميم محددة للمواقع وتدريب المشغلين على معاني إدارة الرش الحيوي، كما يمكن أن تحدد دراسة تجريبية مصممة تصميما جيدا المسائل المحتملة باختيار الناقل، ومتطلبات الإرسال، ومناولة الصلبات في المراحل النهائية، وقد أظهرت تجارب المعتمدين المبكرين أن نظم MBR يمكن أن تعمل بنجاح بأقل قدر من الموظفين الإضافيين مقارنة بالمصانع التقليدية، شريطة أن يتلقى المشغلون تدريبا كافيا على عملية رصد المقاييس الحيوية.

الاتجاهات والابتكارات في المستقبل

وتركز الجهود الحالية للبحث والتطوير على تحسين عمق نماذج الرش الحيوي لنظم MBR. وما زال الأداء اللاحق للإزالة المغذية في ظل ظروف التحميل الدينامية يشكل تحديا، كما أن النماذج الميكانيكية التي تشكل هيكل الرش الحيوي، والقيود المفروضة على النقل الجماعي، والتنوع المجهري تدعم التصاميم المثلى.

وثمة مجال آخر مستجد هو استخدام مركبات ثنائي الفينيل متعدد البروم في عمليات الارتداد الرئيسية، مما يمكن أن يقلل كثيرا من استهلاك الطاقة وإنتاج الحمأة مقارنة بتصنيع النيتروجين التقليدي، وفي حين أن النظم القائمة على الارتداد قد أنشئت بالفعل لمعالجة جانبية، فإن تطبيق هذه النظم على الظروف السائدة يواجه تحديات تتمثل في انخفاض درجات الحرارة وارتفاع معدلات النيتروز والحاجة إلى الاحتفاظ الفعال بالكتلة الأحيائية ببطء.

وأخيراً، فإن إدماج نظم الإدارة القائمة على النتائج في مصادر الطاقة المتجددة ومراقبة العمليات الذكية يكتسب زخماً، إذ أن نظم الإرسال ذات الطاقة الشمسية، مقرونة بمستشعرات المغذيات وأغوريديات التعلم الآلاتي في الوقت الحقيقي، يمكن أن تقلل من آثار الكربون مع الحفاظ على الامتثال لتصاريح التصريف، وبما أن الأنظمة البيئية ما زالت تشدد وتزداد قيمة استرداد الموارد، فإن تكنولوجيا الإدارة القائمة على النتائج في وضع جيد للقيام بدور إدارة النفايات الرئيسية.

موجز ومنظور ختامي

وتمثل نتائج المعالجة الحيوية المتنقلة للملوثات الحية في بيد التكنولوجيا النضجية التي لا تزال تتطور باستمرار من أجل إزالة المغذيات في معالجة المياه المستعملة، ويستند أداؤها إلى التفاعل بين بيئة التصفية البيولوجية، وتصميم الناقلات، والإدارة التشغيلية، وعندما تكون مصممة وتشغيلاً سليماً، يمكن لمشغلات البروميد الميثيل أن تحقق كفاءة إزالة المواد التي تزيد على 90 في المائة بالنسبة لكل من النيتروجين والفوسفوري، وتلبي الاحتياجات التنظيمية الأشد صرامة، مع توفير المرونة في مجال تكنولوجيا الدمج.

وبالنسبة للبلديات والصناعات التي تواجه حدوداً للتصريف المغذي، فإن عمليات الميزنة القائمة على النتائج توفر حلاً مثبتاً وموثوقاً وفعالاً من حيث التكلفة يمكن تكييفه مع مجموعة واسعة من الظروف الخاصة بمواقع محددة، وبما أن الابتكارات في المواد الناقلة، ونماذج العمليات، والتشغيل الآلي، فإن أداء تكنولوجيا إزالة الملوثات العضوية الثابتة وإمكانية الوصول إليها لن يؤدي إلا إلى تحسين، مما يعزز دورها كحجر أساسي في معالجة المياه البيولوجية الحديثة.