إعادة تدوير الفحم النشط المسحوق يحسّن امتصاص الملوثات العضوية الدقيقة في عمليات الأغشية الهجينة

تنقية المواد الكيميائية الخفية من مياه الصرف الحضرية

في كل مرة نغسل فيها أيدينا أو نتناول دواءً أو نغسل الملابس، تترك آثار صغيرة من المواد الكيميائية منازلنا وتصل إلى محطات معالجة مياه الصرف. الكثير من هذه «الملوثات الدقيقة» يمر عبر المعالجات التقليدية ويعود إلى الأنهار والبحيرات. تستعرض هذه الدراسة طريقة أكثر ذكاءً لتطوير محطات المعالجة القائمة بحيث تتمكن من التقاط المزيد من هذه الملوثات غير المرئية، مع استخدام مواد وطاقة أقل مما قد يتوقعه الكثيرون.

طبقة جديدة تضاف إلى المعالجة التقليدية

تشترط القواعد الأوروبية الحديثة أن تضيف العديد من محطات معالجة مياه الصرف خطوة معالجة «رابعة» لإزالة الملوثات العضوية الدقيقة مثل مخلفات الأدوية والمواد الصناعية. أحد الحلول الواعدة يجمع بين أغشية دقيقية جدًّا وفحم نشط مسحوق، وهو مادة مسامية سوداء تعمل كمادة إسفنجية لجزيئات التتبع. في محطة التجربة هذه، مرّت المياه أولًا بمرحلة بيولوجية تقليدية حيث تحلل الميكروبات كثيرًا من الملوثات سريعة التحلل. بعد ذلك أُرسلت المياه إلى مرحلة الترشيح الفائق، حيث خُلط الفحم المسحوق مباشرة في أنبوب التغذية وعلى سطح الغشاء بدلًا من وجوده في حوض اتصال كبير ومنفصل. هذا التصميم المضغوط يوفر المساحة لكنه يترك ثواني إلى دقائق فقط للفحم لكي يؤدي دوره — وهو تحدٍ كبير عند محاولة حجز المواد الصعبة الإزالة.

جعل نفس الفحم يعمل مرتين

اختبر الباحثون ما إذا كان يمكن استخدام نفس كمية الفحم المسحوق بكفاءة أكبر عن طريق إعادته للخلف في العملية قبل التخلص منه مع الحمأة. في إعدادهم، جُمعت جزيئات الفحم التي امتلأت جزئيًا بالملوثات في مرحلة الغشاء أثناء غسل الغشاء عكسيًا ثم ضُخّت مرة أخرى إلى الأحواض البيولوجية المتقدمة. هناك قضت ساعات إلى أيامًا في تلامس مع مياه لا تزال تحتوي على تراكيز أعلى من الملوثات النادرة. هذا الترتيب المتعاكس — حيث تتحرك المياه العذبة للأمام بينما يدور الفحم للخلف — يشبه مبدأ مبادلات الحرارة الفعالة ويساعد في الحفاظ على قوة دافعة عالية للامتزاز. أظهرت التجارب الرائدة أنه مع هذه الإعادة، حقق الفحم المسحوق الناعم هدف إزالة بنسبة 80% للملوثات المنظمة باستخدام نحو نصف الجرعة الفحمية المطلوبة سابقًا.

لماذا تهم حبيبات الفحم الأصغر وأزمنة التلامس الطويلة

لفهم سبب فعالية هذا النهج، أجرى الفريق اختبارات مخبرية تقارن بين جزيئات الفحم «الناعم» ذات حجم الحبيبات الأصغر بكثير وتلك التقليدية. امتصت الجزيئات الأصغر الجزيئات العضوية أسرع وبلغت تحميلًا إجماليًا أعلى خلال 48 ساعة، لأن مزيدًا من مساحة سطحها الداخلية كانت قابلة للوصول. في النظام المدمج داخل الأنبوب، سمح الجمع بين مقطع أنبوب قصير وطبقة كعكة الغشاء للفحم الناعم بالوصول إلى نحو نصف إلى ثلثي تحميله الأقصى فقط. من خلال إعادة تدوير ذلك الفحم المملوء جزئيًا إلى المرحلة البيولوجية لساعات إضافية، أصبح بالإمكان استغلال السعة المتبقية بدل التخلص منها. بالمقابل، أعطت العملية التقليدية ذات حوض الاتصال الكبير (المعروفة بعملية أولم) الفحم وقتًا كافيًا ليُحمَّل بالكامل، لذا كانت إعادة ضخه للأعلى ذات فائدة محدودة.

تحويل مكان وكيفية إزالة الملوثات

أظهرت قياسات مفصلة لمركبات فردية أن إعادة التدوير حوّلت جزءًا كبيرًا من إزالة الملوثات الدقيقة إلى الأحواض البيولوجية، على الرغم من أن قياسات الكربون العضوي الكلي تغيرت بشكل طفيف فقط. المركبات التي ترتبط بسهولة بالفحم، مثل البنزوتريازول، أزيلت تقريبًا بالكامل قبل الوصول إلى الغشاء، والمواد الأكثر عنادًا مثل كانديسارتان أظهرت انخفاضًا إضافيًا ملحوظًا عند إعادة تدوير الفحم. في الوقت نفسه، ظل الكربون العضوي المذاب ثابتًا تقريبًا، مما يوحي بأن العملية أصبحت أكثر انتقائية تجاه الملوثات الدقيقة مقارنة بالمواد العضوية الخلفية. ووجدت الدراسة أيضًا أن القياسات البصرية القياسية المستخدمة كبدائل سريعة لقياس إزالة الملوثات الدقيقة تظل مفيدة في ظل ظروف التشغيل الجديدة هذه، واقترح المؤلفون قيم «إزالة إضافية» بسيطة يمكن للمهندسين إضافتها عند تخطيط أنظمة على نطاق كامل مع إعادة تدوير الفحم.

ما معنى هذا لترقيات محطات معالجة مياه الصرف في المستقبل

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن التصميم الذكي للعملية قد يكون مهمًا بقدر أهمية اختراع مواد جديدة عندما يتعلق الأمر بتنقية المياه. من خلال السماح لذات دفعة الفحم المسحوق بمقابلة المياه مرتين — أولًا لفترة وجيزة عند الغشاء، ثم لفترة طويلة في الأحواض البيولوجية — يمكن للمحطة تحقيق الأهداف الأوروبية الصارمة لإزالة الملوثات الدقيقة باستخدام ما يصل إلى 50% أقل من الفحم. تُظهر الدراسة أن مثل هذه الأنظمة الهجينة من الغشاء والفحم يمكن أن تكون مستقرة في التشغيل طويل الأمد، وتناسب مخططات المعالجة الحالية، بل وتحسّن بعض خواص الحمأة، وكل ذلك مع إنتاج مياه نظيفة بما يكفي لاستخدامات مثل الاستحمام أو إعادة الاستخدام غير الشرب. باختصار، يوفّر دوران أذكى لمادة قديمة مسارًا عمليًا لحماية الأنهار والبحيرات من البصمة الكيميائية للحياة اليومية.

الاستشهاد: Zimmermann, M., Staaks, C., Hoffmann, M. et al. Recirculation of powdered activated carbon improves the adsorption of organic micropollutants in membrane hybrid processes. npj Clean Water 9, 24 (2026). https://doi.org/10.1038/s41545-026-00561-y

الكلمات المفتاحية: معالجة مياه الصرف, ملوثات دقيقة, فحم نشط مسحوق, أغشية الترشيح الدقيق, إعادة استخدام المياه