زيادة إنتاج البيوميثان من المادة العضوية المستردة من مياه الصرف البلدي بواسطة محطة تجريبية تعمل بعملية استقرار تماسٍّ مستمرة عالية المعدل

تحويل مياه الصرف إلى مصدر للطاقة

تحمل المياه التي نُفرغها يومياً معها ليس النفايات فحسب بل أيضاً طاقة مخفية. تستكشف هذه الدراسة كيفية إعادة تصميم محطات معالجة مياه الصرف البلدية لحصاد المزيد من تلك الطاقة على شكل غاز الميثان، وهو وقود يمكنه توليد الكهرباء. من خلال ضبط خطوة مبكرة من المعالجة بدقة، يُظهر الباحثون أنه من الممكن التقاط المزيد من المادة العضوية في المجاري وتحويلها إلى بيوميثان، ما يساعد محطات المعالجة على الاقتراب من الاكتفاء الذاتي الطاقي ويقلل من أثرها المناخي.

لماذا تستهلك محطات الصرف الكثير من الكهرباء

استهلاك طاقة جمع وتنقية مياه الصرف الحضرية يمثل بالفعل نحو 1% من كهرباء العالم، ومن المتوقع أن تنمو هذه النسبة مع توصيل مزيد من السكان إلى شبكات المجاري. صُممت المحطات التقليدية أساساً لإزالة الملوثات وليس لتوفير أو توليد الطاقة. عادةً ما تتضمن حوض ترسيب أولي لإزالة الجسيمات الأثقل، يليه حوض كبير مهوي حيث تقوم الميكروبات بتحليل المادة العضوية المتبقية في عملية تُعرف بنظام الحمأة المنشطة التقليدي. ورغم أن هذا النهج يحمي الأنهار والسواحل، فإنه أيضاً يهدر الكثير من الطاقة المحتملة في مياه الصرف على شكل حرارة وثاني أكسيد الكربون بدلاً من التقاطها كوقود مفيد.

طريقة جديدة لالتقاط المزيد من الوقود من الماء

تركز الدراسة على عملية تُسمى الاستقرار التماسي عالي المعدل، أو HiCS، التي تُضاف مباشرة بعد خطوة الترسيب الأولي. بدلاً من منح الميكروبات عدة أيام لأكسدة المادة العضوية ببطء، تُبقي منظومة HiCS الميكروبات في الأحواض لأقل من يومين. في هذا الوقت القصير، تنتج الميكروبات مواد لاصقة تساعد الجزيئات الصغيرة والمواد العضوية المذابة على التكتل إلى حبيبات أكبر يمكن ترسيبها بالجاذبية. الفكرة الأساسية هي سحب هذه التكتلات الغنية بالطاقة بسرعة، قبل أن تُستهلك بالكامل بواسطة الميكروبات، ثم إرسالها إلى مُهضم لاهوائي حيث تُحوَّل إلى ميثان دون استخدام الأكسجين. ركّب الباحثون محطة تجريبية بنمط HiCS على نطاق تجريبي في مرفق علاج مياه صرف حقيقي ليتحققوا من فعالية هذه الاستراتيجية في ظروف عملية.

اختبار المحطة التجريبية في ظروف حقيقية

استقبل هذا الإعداد التجريبي مياه صرف حقيقية كانت قد مرت بالفعل عبر المصفى الأولي للمحطة. شمل ذلك خزان استقرار به هواء، وخزان تماسٍّ بدون هواء، ومُرسب ثانوي لالتقاط الحمأة المتشكلة حديثاً. شغّل الفريق النظام في فترتين بدرجات أعمار حمأة ودرجات حرارة مائية مختلفة، وكلتاهما نموذجيتان للمحطات الحقيقية. قيَسوا بعناية كمية المادة العضوية الداخلة والخارجة من النظام، وكمية ما انتهى به المطاف في الحمأة الإضافية المنتجة بواسطة HiCS، ومعدل ترسيب هذه الحمأة. كما قارنوا هذه القيم بما هو متوقع من أنظمة الحمأة المنشطة عالية المعدل والتقليدية لمعرفة ما إذا كانت التهيئة الجديدة تحسّن فعلاً من استرجاع الكربون.

من الحمأة الملتقطة إلى مزيد من الميثان

لتحديد كمية الطاقة القابلة للاستخدام التي يمكن أن توفرها الحمأة المستردة، أجرى الباحثون اختبارات الإمكانات البيوميثانية. وضعوا عينات من حمأة HiCS، والحمأة المنشطة التقليدية، والحمأة الأولية في أوعية محكمة مع ميكروبات نشطة من مُهضم، وتتبّعوا إنتاج الميثان على مدى 28 يوماً. أنتجت حمأة HiCS باستمرار غاز ميثان أكثر لكل وحدة من المادة العضوية مقارنةً بالحمأة من النظام التقليدي، وبمعدل أسرع أيضاً، ما يعني أنها ملائمة لأزمنة الهضم القياسية المستخدمة في المحطات على النطاق الكامل. كما كانت كمية المادة العضوية الملتقطة لكل وحدة مما أُزيل من الماء أعلى لعملية HiCS مقارنةً بالمعالجة التقليدية، وهو ما يظهر أن العملية لا تحمي جودة المياه المُفرَغة فحسب بل تحتفظ أيضاً بمزيد من المواد الغنية بالطاقة لاستردادها لاحقاً.

ما الذي يعنيه هذا لمحطات الصرف في المستقبل

تُظهر الاختبارات التجريبية مجتمعة أن إضافة خطوة HiCS مستمرة بعد المصفى الأولي يمكن أن تزيد من نسبة كربون المجاري المحول إلى ميثان بحوالي الثُلث مقارنةً بالعملية التقليدية وحدها، دون أن تكون حساسة بشكل مفرط لتقلبات درجة حرارة الماء أو ظروف التشغيل العادية. بعبارة بسيطة، يمكن للمحطة أن تستخرج المزيد من «الوقود» من نفس مياه الصرف بينما تُقلل من الاستهلاك البيولوجي غير الضروري في مراحل المعالجة المبكرة. إن دمج هذا النوع من مراحل الالتقاط عالية المعدل في المنشآت القائمة قد يساعد المدن على توليد كهرباء متجددة أكثر من مياه الصرف لديها، مختصرةً فاتورة الطاقة وانبعاثات غازات الدفيئة لخدمة عامة أساسية.

الاستشهاد: Sakurai, K., Abe, C. Enhanced biomethane production from organic matter recovered from municipal wastewater by a pilot-scale plant continuous high-rate contact stabilization process. Sci Rep 16, 11078 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41598-w

الكلمات المفتاحية: طاقة مياه الصرف, البيوميثان, استقرار تماسٍّ عالي المعدل, الهضم اللاهوائي, استرداد الكربون