مقدمة: تتناول هذه المقالة "عملية إزالة النيتروجين البيولوجي من أناموكس." وقد تم استخدام عملية إزالة النيتروجين البيولوجية هذه عمليا في محطات معالجة مياه الصرف الصحي منذ عام 2002، ولكن معدل اعتمادها منخفض للغاية؛ ومن الصعب العثور على العديد من محطات معالجة مياه الصرف الصحي في الصين تستخدم هذه التكنولوجيا. من مبادئها، يمكننا أن نرى أنه بالمقارنة مع عمليات النترجة ونزع النتروجين التقليدية، فإن لها ميزتين مهمتين: انخفاض استهلاك الطاقة (لا حاجة إلى تهوية واسعة النطاق) وعدم الحاجة إلى مصدر كربون (الكائنات الحية الدقيقة ذاتية التغذية). يمكن أن يؤدي استخدام هذه العملية إلى تقليل تكاليف تشغيل إزالة النيتروجين بشكل كبير.
I. المبادئ الفنية للAnammox
التعريف: تم الترحيب بتكنولوجيا Anammox باعتبارها طفرة ثورية في معالجة مياه الصرف الصحي البيولوجية في بداية القرن الحادي والعشرين. إنها تستخدم نوعًا خاصًا من البكتيريا ذاتية التغذية-بكتيريا مؤكسدة الأمونيا اللاهوائية-لتحويل نيتروجين الأمونيا (NH₄⁺) والنيتريت (NO₂⁻) مباشرة إلى غاز النيتروجين (N₂) تحت ظروف لاهوائية أو أكسجين- محدودة، مما يحقق إزالة النيتروجين بكفاءة عالية. تقلب هذه العملية عملية إزالة النتروجين- التقليدية من النترجة، والتي تتطلب كميات كبيرة من الأكسجين ومصادر الكربون العضوي.
المبدأ الأساسي:
التفاعل الكيميائي الأساسي: NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ + 2H₂O. تقوم البكتيريا المؤكسدة للأمونيا اللاهوائية "بربط" الأمونيا والنتريت مباشرة لتوليد غاز النيتروجين غير الضار، دون الحاجة إلى أكسدة نيتروجين الأمونيا بالكامل إلى نترات ثم تقليله.
تثبيت الكربون الخلوي: يستخدم هذا المجتمع البكتيري الكربون غير العضوي (مثل CO₂/HCO₃⁻) كمصدر للكربون، وينمو من خلال النمو الكيميائي الذاتي، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك مصادر الكربون العضوي.
توفير كبير في الطاقة: مقارنة بالعمليات التقليدية، من الناحية النظرية، يمكنها توفير ما يقرب من 60% من استهلاك طاقة التهوية (لا حاجة للنترجة الكاملة)، و100% من مصدر الكربون العضوي (لا حاجة لإزالة النتروجين)، وتقليل إنتاج الحمأة الزائدة بنسبة تصل إلى 90%.
ثانيا. شروط التنفيذ والتحديات الأساسية
شروط التحكم في التفاعل:
الإمداد الدقيق بالنيتريت: يجب أكسدة جزء من نيتروجين الأمونيا بدقة إلى نتريت (النترتة القصيرة-) للحفاظ على تركيز NO₂⁻ ثابتًا (عادةً<30 mg/L). Excessive levels will inhibit bacterial activity, while insufficient levels will result in inadequate reaction.
التحكم الدقيق في الأكسجين المذاب (DO): يجب إنشاء بيئة دقيقة موضعية خالية من الأكسجين/لاهوائية (DO < 0.5 مجم/لتر) داخل المفاعل لتوفير مساحة معيشة لبكتيريا Anammox مع ضمان بقاء بكتيريا الأمونيا المؤكسدة - عن طريق توفير NO₂⁻.
متطلبات درجة الحرارة: درجة الحرارة المثلى 30-40 درجة. درجات الحرارة المنخفضة (<15°C) will significantly reduce bacterial activity and increase operational difficulty.
متطلبات جودة المياه: حساسة للمواد السامة (مثل المعادن الثقيلة والمواد العضوية والكبريتيدات)، مع محتوى منخفض من المواد الصلبة العالقة (SS).
تحديات تنفيذ العملية:
بدء تشغيل بطيء للغاية-: تتمتع بكتيريا Anammox بفترة توليد طويلة (10-14 يومًا) ووقت مضاعفة بطيء (11 يومًا تقريبًا)، وتتطلب عادةً من 3 إلى 12 شهرًا أو حتى أطول لبدء تشغيل المفاعل.
صعوبة الاحتفاظ بالحمأة: يلزم وجود تصميمات خاصة للمفاعلات (مثل أنظمة الحمأة الحبيبية أو أنظمة الأغشية الحيوية) للاحتفاظ بشكل فعال ببكتيريا Anammox البطيئة النمو.
اقتران العمليات المعقدة: يعد تحقيق النترجة القصيرة -بثبات (توفير NO₂⁻) وإقرانها بكفاءة مع تفاعل Anammox (مثل -المرحلة الواحدة أو المرحلتين-) تحديًا رئيسيًا في التحكم الهندسي.
ضعف المقاومة لأحمال الصدمات: ضعف تحمل التقلبات في نوعية المياه المتدفقة وكميتها ودرجة حرارتها، مما يجعل صيانة الاستقرار التشغيلي صعبة.
ثالثا. حالات تمثيلية للتطبيق الحالي لهذه التكنولوجيا
**محطة معالجة مياه الصرف الصحي في دوخافن، روتردام، هولندا (أول تطبيق على مستوى العالم -على نطاق واسع - 2002):** يستخدم SHARON® (النترجة القصيرة-) + عملية Anammox® لمعالجة هضم الحمأة. ويمثل التشغيل الناجح لسنوات عديدة علامة فارقة في الهندسة التكنولوجية.
**محطة ستراس لمعالجة مياه الصرف الصحي، النمسا:** إحدى محطات معالجة مياه الصرف الصحي الأكثر اكتفاءً بالطاقة-ذاتية-في العالم. تعمل عملية التدفق الجانبي-DEMON® (المعتمدة على Anammox) على معالجة المواد الهضمية، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة ويساعد النبات على تحقيق ما يزيد عن 100% من الاكتفاء الذاتي من الطاقة-.
**محطة شانغي لاستصلاح المياه، سنغافورة:** تطبيق واسع النطاق-لتقنية Anammox (عملية DEMON) في معالجة التدفق الجانبي-لمعالجة هضم الحمأة، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة المعالجة واستدامتها.
**محطة المياه المستصلحة جاوبيديان، بكين، الصين:** واحدة من أقدم محطات معالجة مياه الصرف الصحي واسعة النطاق-في الصين التي تقدم تقنية Anammox ذات التدفق الجانبي -(عملية DEMON) لمعالجة هضم الحمأة وتعمل بنجاح.
تستخدم محطة المياه المستصلحة Huai Fang في بكين، الصين، عملية Anammox المعتمدة على MBBR لمعالجة سائل هضم الحمأة بعد التحلل الحراري.
رابعا. تحليل أسباب محدودية الترويج والترويج؟
على الرغم من مزاياها الكبيرة، فإن التطبيق الفعلي لأكسدة الأمونيا اللاهوائية (ANAO) لا يزال منخفضًا، خاصة في معالجة مياه الصرف الصحي البلدية الرئيسية. الأسباب الرئيسية هي كما يلي:
1. عتبة تقنية عالية وتحكم معقد: إنه حساس لتقلبات جودة المياه ويتطلب دقة عالية للغاية في التحكم في المعلمات مثل الأكسجين المذاب، وتركيز النتريت، ودرجة الحرارة، وهو ما يتجاوز العمليات التقليدية بكثير. يتطلب التشغيل والصيانة موظفين فنيين ذوي مهارات عالية.
2. البداية البطيئة-والاستثمار العالي: تزيد فترة البدء-الطويلة (عدة أشهر أو حتى أكثر من سنة) من تكاليف المشروع ومخاطره الأولية؛ المفاعلات الخاصة اللازمة لتخصيب الميكروبات والاحتفاظ بالحمأة (مثل طبقات الحمأة الحبيبية وMBBRs) لها تكاليف استثمار أولية عالية.
3. الافتقار إلى التصميم والخبرة التشغيلية ذات الصلة: بالمقارنة بعملية الحمأة المنشطة-التي تعود إلى قرن من الزمان، فقد تم استخدام تقنية ANAO فقط في التطبيقات الهندسية الفعلية لمدة 20 عامًا تقريبًا. مواصفات التصميم وأدلة التشغيل وقواعد بيانات تجربة استكشاف الأخطاء وإصلاحها بعيدة كل البعد عن النضج.
4. صعوبة التحكم في الظروف البيئية للكائنات الحية الدقيقة: تتميز مياه الصرف الصحي البلدية بانخفاض درجات الحرارة (خاصة في فصل الشتاء)، وانخفاض تركيزات نيتروجين الأمونيا، وتكوين الماء المعقد (COD، SS، المثبطات)، والتقلبات الكبيرة في معدل التدفق. تنحرف هذه الخصائص بشكل كبير عن ظروف النمو المثالية لبكتيريا أناموكس، مما يجعل التشغيل المستقر صعبًا.
5. الاعتماد على عمليات إزالة النتروجين التقليدية والثقة فيها: تعتبر عمليات إزالة النتروجين- التقليدية ناضجة وموثوقة وسهلة التشغيل ومقاومة عالية لأحمال الصدمات، كما أنها تتمتع بتصميم شامل وخبرة تشغيلية، كما أنها مدعومة بالعديد من دراسات الحالة الناجحة، مما يخلق قصورًا ذاتيًا للدعم القوي. ففي نهاية المطاف، قد يفكر قِلة من الناس في التخلي عن عملية ناضجة لصالح عملية جديدة، وخاصة في ضوء المخاطر الاستثمارية الكبيرة التي تنطوي عليها.