تأثير التحريك بالتهوية الدقيقة على إزالة النيتروجين في مفاعل الأناموكس

تنظيف مياه الصرف بكفاءة أكبر

تصدر المصانع والمدن الحديثة مياه صرف مشحونة بالنيتروجين والملوثات العضوية التي قد تزعزع توازن الأنهار والبحيرات والمياه الساحلية. معالجة هذه المياه مكلفة، لا سيما لأن الطرق التقليدية تتطلب كميات كبيرة من الهواء ومواد كيميائية مضافة. تبحث هذه الدراسة في عملية أحدث ومنخفضة الطاقة تُسمى أناموكس، وتطرح سؤالًا عمليًا: هل يمكن أن يؤدي إضافة مقدار صغير من الهواء عند قاع خزان أناموكس إلى تحسين جودة المياه دون قتل الميكروبات الحساسة للأكسجين التي تقود هذه العملية؟

طريقة جديدة لإزالة النيتروجين

الأناموكس، اختصار للأكسدة اللاهوائية للأمونيوم، هو اختصار بيولوجي لإزالة النيتروجين. بدلاً من العملية التقليدية متعددة المراحل التي تحتاج إلى مراوح هواء كبيرة ومواد غنية بالكربون، تحول بكتيريا الأناموكس الأمونيوم والنتريت مباشرة إلى غاز النيتروجين غير الضار في ظروف خالية من الأكسجين. هذا يجعلها جذابة لمعالجة مياه الصرف الصناعية، مثل تلك الناتجة عن معالجة فول الصويا والفركتوز، حيث تكون مستويات النيتروجين مرتفعة وتكون وفورات الطاقة مهمة. ومع ذلك، تحتوي هذه المياه الواقعية أيضًا على مادة عضوية تقاس بمؤشر الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD)، والتي قد تُفضّل ميكروبات أسرع نموًا تنافس بكتيريا الأناموكس وتضعف إزالة النيتروجين.

التحريك بلطف بكميات صغيرة من الهواء

أقام الباحثون عمودًا طويلًا من الأكريليك مملوءًا بحبيبات أناموكس ذات لون بني محمر ومياه صرف صناعية حقيقية. اختبروا ثلاث معدلات تهوية منخفضة جدًا عند قاع الخزان: تحريك شبه صفري (1.5 ل/س)، تهوية دقيقة متوسطة (12 ل/س)، وتهوية أقوى نسبيًا (45 ل/س). كان الهدف مزدوجًا: مساعدة الميكروبات الهوائية القريبة من القاع على استهلاك المادة العضوية، واستخدام فقاعات الهواء الصاعدة كأداة تحريك لطيفة لمزج المياه والميكروبات دون تحويل المفاعل بأكمله إلى بيئة غنية بالأكسجين. على مدى أسابيع من التشغيل المستقر، رصدوا قيم COD وأشكال النيتروجين المختلفة والأكسجين الذائب ونشاط بكتيريا الأناموكس الرئيسية.

إيجاد نقطة التوازن المناسبة للهواء

تبين أن التهوية الدقيقة المتوسطة كانت أفضل حل وسط. عند 12 ل/س، أزال المفاعل حوالي 63% من COD وما يقارب 73% من إجمالي النيتروجين، مع أكثر من 92% من إزالة النيتروجين تلك تنفَّذ عبر مسار الأنمومكس ذاته. ارتفع النشاط النوعي لبكتيريا الأنمومكس إلى نحو 0.25 غرام نيتروجين مُزال لكل غرام من الكتلة الحيوية يوميًا، مما يعني أن الميكروبات الأساسية كانت تعمل بجهد وكفاءة أكبر. قدمت الفقاعات كمية كافية من الأكسجين لبقية البكتيريا لهضم المادة العضوية وعملت كمحرك داخلي يحسّن التلامس بين الملوثات والحمأة الحبيبية. عندما كانت التهوية منخفضة جدًا، تراكمت المادة العضوية وكبتت أداء الأنمومكس؛ وعندما كانت التهوية عالية جدًا، بدأ الأكسجين بإحداث ضرر لمجتمع الأنمومكس الحساس للأكسجين.

مراقبة تغير طاقم الميكروبات

كشفت تسلسل الحمض النووي كيف تغيّر طاقم الميكروبات مع تغير التهوية. تحت التهوية الدقيقة المثلى، شكّلت مجموعة البكتيريا التي تؤدي فعليًا الأنمومكس (ضمن شعبة Planctomycetota، بما في ذلك الجنس Candidatus Brocadia) جزءًا كبيرًا من المجتمع، متماشية مع إزالة النيتروجين القوية التي لوحظت في المفاعل. عندما زاد تدفق الهواء إلى 45 ل/س، كادت هذه البكتيريا اللاهوائية المفيدة أن تختفي، واستبدلتها كائنات تفضل الأكسجين، مثل بعض أنواع Bacillus وProteobacteria. على الرغم من بقاء إزالة COD مماثلة إجمالًا، اعتمد المفاعل أقل على الأنمومكس وأكثر على المسارات التقليدية المدفوعة بالأكسجين، والتي تكون أقل كفاءة من حيث الطاقة وتقلل الميزة الأساسية للتقنية.

تبعات لمحطات المعالجة الواقعية

تُظهر الدراسة أن التهوية الدقيقة المضبوطة بعناية—كمية كافية فقط لتحريك المياه وإزالة الجزئيات العضوية النهائية، ولكن غير كافية لإغراق الخزان بالأكسجين—يمكن أن تجعل مفاعلات الأنمومكس أكثر مرونة لمعالجة مياه الصرف الصناعية. للمتخصص غير الفني، الرسالة واضحة: نفسة خفيفة من الهواء بالمستوى الصحيح تساعد هذه البكتيريا المتخصصة على أداء عملها بشكل أفضل، وتنظف كلًا من الكربون والنيتروجين من مياه الصرف باستخدام طاقة أقل من الأنظمة التقليدية. لكن الكثير من الهواء يغيّر التوازن ويؤذي الميكروبات الأساسية ويقوض الأداء. ستكون عملية إيجاد وصيانة هذه "النقطة الحلوة" للتهوية الدقيقة ضرورية عند تصميم محطات معالجة منخفضة الطاقة في المستقبل تحمي المسطحات المائية بشكل أكثر استدامة.

الاستشهاد: Yan, Z., Xu, Y., Yang, H. et al. Effect of micro-aeration stirring on nitrogen removal in anammox reactor. Sci Rep 16, 6561 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37758-7

الكلمات المفتاحية: معالجة مياه الصرف, أناموكس, تهوية دقيقة, إزالة النيتروجين, مياه صرف صناعية