المرشحات البيولوجية

الترشيح البيولوجي هو تقنية للتحكم في التلوث تستخدم مفاعلاً حيوياً يحتوي على مواد حية لالتقاط الملوثات وتحليلها بيولوجياً. تشمل الاستخدامات الشائعة معالجة مياه الصرف الصحي ، والتقاط المواد الكيميائية الضارة أو الطمي من الجريان السطحي ، والأكسدة الميكروبية للملوثات في الهواء. يمكن تصنيف الترشيح البيولوجي الصناعي على أنه عملية استخدام الأكسدة البيولوجية لإزالة المركبات العضوية المتطايرة والروائح والهيدروكربونات.

تشمل أمثلة الترشيح البيولوجي ما يلي:

• المصارف الحيوية ، والشرائط الحيوية ، والأكياس الحيوية ، وأجهزة التنظيف الحيوية، ومرشحات الديدان ، والمرشحات المتقطرة
• الأراضي الرطبة المُنشأة والأراضي الرطبة الطبيعية
• رمال بطيئة
• أحواض المعالجة
• الأحزمة الخضراء
• جدران خضراء
• المناطق النهرية ، الغابات النهرية ، البوسك
• التراكم الحيوي في ذوات الصدفتين

عند تطبيقها في ترشيح وتنقية الهواء، تستخدم المرشحات الحيوية الكائنات الدقيقة لإزالة ملوثات الهواء . ^{[ 1 ]} يتدفق الهواء عبر طبقة معبأة، وينتقل الملوث إلى غشاء حيوي رقيق على سطح مادة التعبئة. تُثبَّت الكائنات الدقيقة ، بما في ذلك البكتيريا والفطريات ، في الغشاء الحيوي، وتقوم بتحليل الملوث. تعتمد المرشحات المتقطرة وأجهزة التنقية الحيوية على الغشاء الحيوي وعلى نشاط البكتيريا في المياه المُعاد تدويرها.

تُستخدم هذه التقنية على نطاق واسع في معالجة المركبات ذات الروائح الكريهة والمركبات العضوية المتطايرة . وتشمل الصناعات التي تستخدمها: الأغذية والمنتجات الحيوانية، والغازات المنبعثة من محطات معالجة مياه الصرف الصحي ، والصناعات الدوائية ، وتصنيع المنتجات الخشبية، وتطبيق وتصنيع الدهانات والطلاءات، وتصنيع وتطبيق الراتنجات، وغيرها. وتشمل المركبات المعالجة عادةً مزيجًا من المركبات العضوية المتطايرة ومركبات الكبريت المختلفة، بما في ذلك كبريتيد الهيدروجين . ويمكن معالجة تدفقات هواء كبيرة جدًا، وعلى الرغم من أن ذلك كان يتطلب مساحة كبيرة (مساحة سطحية) - حيث قد يشغل المرشح الحيوي الكبير (>200,000 قدم مكعب في الدقيقة ) مساحة تعادل أو تزيد عن مساحة ملعب كرة قدم - إلا أن هذا كان أحد أبرز عيوب هذه التقنية. ومنذ أوائل التسعينيات، وفرت المرشحات الحيوية المُهندسة تخفيضات كبيرة في المساحة السطحية مقارنةً بالمرشحات التقليدية ذات الطبقة المسطحة والوسائط العضوية.

يُعدّ الحفاظ على الرطوبة المناسبة في جميع أنحاء النظام أحد التحديات الرئيسية لضمان التشغيل الأمثل للمرشحات الحيوية. عادةً ما يتم ترطيب الهواء قبل دخوله إلى طبقة الترشيح باستخدام نظام ري (رش)، أو حجرة ترطيب، أو جهاز تنقية حيوي، أو مرشح حيوي بالتنقيط. مع الصيانة المناسبة، قد تدوم وسائط التعبئة الطبيعية والعضوية، مثل الخث، أو نشارة الخضراوات، أو لحاء الأشجار، أو رقائق الخشب، لعدة سنوات، بينما تدوم مواد التعبئة المُصنّعة، والمُكوّنة من مزيج من المكونات الطبيعية والعضوية والاصطناعية، لفترة أطول بكثير، تصل إلى 10 سنوات. تُقدّم العديد من الشركات هذه الأنواع من مواد التعبئة الخاصة بها، مع ضمانات تمتد لعدة سنوات، وهي ضمانات لا تُقدّم عادةً مع مرشحات السماد التقليدية أو مرشحات رقائق الخشب الحيوية.

على الرغم من شيوع استخدامها، لا يزال المجتمع العلمي غير متأكد من الظواهر الفيزيائية التي تقوم عليها عملية الترشيح الحيوي، ولا تزال المعلومات المتعلقة بالكائنات الدقيقة المشاركة قيد التطوير. ^{[ 2 ]} يُعد نظام الترشيح الحيوي/الأكسدة الحيوية جهازًا بسيطًا نسبيًا من حيث التصميم والتشغيل، ويُقدم حلاً فعالاً من حيث التكلفة شريطة أن يكون الملوث قابلاً للتحلل الحيوي خلال فترة زمنية معقولة (زيادة زمن الإقامة = زيادة الحجم والتكاليف الرأسمالية)، وبتركيزات معقولة (ومعدلات تحميل بالرطل/ساعة)، وأن يكون تيار الهواء عند درجة حرارة مناسبة لبقاء الكائنات الحية. بالنسبة لأحجام الهواء الكبيرة، قد يكون المرشح الحيوي هو الحل الوحيد الفعال من حيث التكلفة. لا يوجد تلوث ثانوي (على عكس حالة الحرق حيث يتم إنتاج _ثاني أكسيد الكربون وأكاسيد _{النيتروجين} الإضافية من حرق الوقود)، وتُشكل نواتج التحلل كتلة حيوية إضافية وثاني أكسيد الكربون والماء. مياه ري الوسائط، على الرغم من أن العديد من الأنظمة تُعيد تدوير جزء منها لتقليل تكاليف التشغيل، تحتوي على طلب أكسجين بيولوجي مرتفع نسبيًا (BOD) وقد تتطلب معالجة قبل التخلص منها. ومع ذلك، فإن "مياه الصرف" هذه، الضرورية للصيانة السليمة لأي نظام أكسدة بيولوجية، مقبولة بشكل عام من قبل محطات المعالجة البلدية المملوكة للقطاع العام دون أي معالجة مسبقة.

تُستخدم المرشحات الحيوية في مصنع ألواح الألياف التابع لشركة بلوم كريك تيمبر في كولومبيا فولز، مونتانا . ^{[ 3 ]} تُقلل هذه المرشحات من التلوث الناتج عن عملية التصنيع، وتكون نسبة نقاء العادم المنبعث 98%. بلغت تكلفة أحدث وأكبر إضافة لمرشح حيوي في بلوم كريك 9.5 مليون دولار، ومع ذلك، فرغم ارتفاع تكلفة هذه التقنية الجديدة، إلا أنها ستكون أقل تكلفة على المدى الطويل من محارق تنظيف العادم البديلة التي تعمل بالغاز الطبيعي (والتي لا تُعدّ صديقة للبيئة بنفس القدر).

طُبقت تقنية الترشيح البيولوجي لأول مرة في إنجلترا عام ١٨٩٣ كمرشح تقطير لمعالجة مياه الصرف الصحي، ومنذ ذلك الحين استُخدمت بنجاح لمعالجة أنواع مختلفة من المياه. ^{[ ٥ ]} وقد استُخدمت المعالجة البيولوجية في أوروبا لترشيح المياه السطحية لأغراض الشرب منذ أوائل القرن العشرين، وهي تحظى الآن باهتمام متزايد على مستوى العالم. كما يشيع استخدام الترشيح البيولوجي في معالجة مياه الصرف الصحي ، وتربية الأحياء المائية ، وإعادة تدوير المياه الرمادية ، كوسيلة لتقليل كمية المياه المُستبدلة مع تحسين جودتها .

في مجال معالجة مياه الشرب، تعتمد المعالجة البيولوجية على استخدام الكائنات الحية الدقيقة الموجودة طبيعياً في المياه السطحية لتحسين جودتها. ففي ظل الظروف المثلى، بما في ذلك انخفاض العكارة وارتفاع نسبة الأكسجين، تقوم هذه الكائنات بتحليل المواد الموجودة في الماء، مما يُحسّن جودته. وتُستخدم مرشحات رملية بطيئة أو مرشحات كربونية لتوفير بيئة مناسبة لنمو هذه الكائنات. وتُسهم أنظمة المعالجة البيولوجية هذه بفعالية في الحد من الأمراض المنقولة بالماء، وخفض نسبة الكربون العضوي الذائب، وتقليل العكارة، وتحسين لون المياه السطحية، وبالتالي تحسين جودتها بشكل عام.

في معالجة مياه الشرب، تُستخدم عادةً مرشحات الكربون المنشط الحبيبي أو الرمل لمنع نمو الكائنات الدقيقة في أنابيب توزيع المياه عن طريق خفض مستويات الحديد والنترات التي تُعدّ مغذيات للكائنات الدقيقة. كما يُقلل الكربون المنشط الحبيبي من استهلاك الكلور وتراكم نواتج التطهير الثانوية الأخرى، كونه خط الدفاع الأول في عملية التطهير. تقوم البكتيريا الملتصقة بوسائط الترشيح، مُشكّلةً غشاءً حيويًا، بأكسدة المواد العضوية كمصدر للطاقة والكربون، مما يمنع البكتيريا غير المرغوب فيها من استخدام هذه المصادر، وبالتالي يُقلل من روائح وطعم الماء [Bouwer, 1998]. تُقلل أنظمة المعالجة البيولوجية هذه بفعالية من الأمراض المنقولة بالماء، والكربون العضوي الذائب، والعكارة، ولون المياه السطحية، مما يُحسّن جودة المياه بشكل عام.

يمكن استخدام التقنيات الحيوية لتحسين الترشيح البيولوجي لمياه الشرب من خلال دراسة المجتمعات الميكروبية في الماء. وتشمل هذه التقنيات تفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي (qPCR)، واختبار ATP، وعلم الجينوم البيئي، وقياس التدفق الخلوي. ^{[ 12 ]}

تُستخدم عملية الترشيح البيولوجي لمعالجة مياه الصرف الصحي من مصادر متنوعة، ذات تركيبات وتركيزات عضوية مختلفة. وقد وُصفت العديد من الأمثلة على تطبيقات الترشيح البيولوجي في المراجع العلمية. كما طُوّرت مرشحات بيولوجية مُخصصة وسُوّقت تجاريًا لمعالجة مخلفات الحيوانات ، ^{[ 13 ]} ومياه الرشح من مدافن النفايات ، ^{[ 14 ]} ومياه الصرف الصحي من مزارع الألبان ، ^{[ 15 ]} ومياه الصرف الصحي المنزلية . ^{[ 16 ]}

تتميز هذه العملية بتعدد استخداماتها، إذ يمكن تكييفها مع التدفقات الصغيرة (أقل من 1 متر مكعب/يوم)، مثل مياه الصرف الصحي المنزلية ^{[ 17 ]} ، وكذلك مع التدفقات الناتجة عن البلديات (أكثر من 240,000 متر مكعب/يوم) ^{[ 18 ]} . وفيما يخص إنتاج مياه الصرف الصحي المنزلية اللامركزية، كما هو الحال في المساكن المعزولة، فقد ثبت وجود تقلبات يومية وأسبوعية وسنوية كبيرة في معدلات الإنتاج الهيدروليكي والعضوي، والتي ترتبط بنمط حياة الأسر الحديثة ^{[ 19 ]} . وفي هذا السياق، يُعد المرشح الحيوي الموجود بعد خزان الصرف الصحي عملية فعالة قادرة على استيعاب هذه التقلبات دون التأثير سلبًا على كفاءة المعالجة.

في محطات معالجة مياه الصرف الصحي اللاهوائية، يُضخ الغاز الحيوي عبر جهاز تنقية حيوي ويُنقى بسائل الحمأة المنشطة من خزان التهوية. ^{[ 20 ]} وتُعدّ عملية الترشيح بالتنقيط (TFs) الأكثر شيوعًا في معالجة مياه الصرف الصحي [تشودري، 2003]. وتُعتبر المرشحات المتقطرة معالجة هوائية تستخدم الكائنات الحية الدقيقة الموجودة على وسط ملتصق لإزالة المواد العضوية من مياه الصرف الصحي.

في المعالجة الأولية لمياه الصرف الصحي، تُستخدم الترشيح البيولوجي للتحكم في مستويات الطلب البيولوجي على الأكسجين، والطلب الكيميائي على الأكسجين، والمواد الصلبة العالقة. أما في عمليات المعالجة الثلاثية، فيُستخدم الترشيح البيولوجي للتحكم في مستويات الكربون العضوي [كارلسون، 1998].

يُعدّ استخدام المرشحات البيولوجية شائعًا في أنظمة الاستزراع المائي المغلقة ، مثل أنظمة الاستزراع المائي المُعاد تدويرها (RAS). ويمكن تصنيف تقنيات الترشيح البيولوجي المستخدمة في الاستزراع المائي إلى ثلاث فئات: بيولوجية، وفيزيائية، وكيميائية. وتُعدّ النترجة الطريقة البيولوجية الأساسية؛ وتشمل الطرق الفيزيائية التقنيات الميكانيكية والترسيب، بينما تُستخدم الطرق الكيميائية عادةً بالتزامن مع إحدى الطرق الأخرى. ^{[ 21 ]} وتستخدم بعض المزارع الطحالب البحرية، مثل طحالب جنس Ulva، لإزالة العناصر الغذائية الزائدة من الماء وإطلاق الأكسجين في النظام البيئي ضمن "نظام إعادة التدوير"، كما تُشكّل مصدر دخل عند بيعها للاستهلاك البشري الآمن. ^{[ 22 ]}

تُستخدم تصاميم عديدة، لكل منها مزاياها وعيوبها، إلا أن وظيفتها واحدة: تقليل تبادل الماء عن طريق تحويل الأمونيا إلى نترات. تنشأ الأمونيا (NH₄⁺ وNH₃) من إفرازات خياشيم الحيوانات المائية ومن تحلل _المواد ^{العضوية} . ولأن الأمونيا ( N ) شديدة السمية ، تُحوّل إلى شكل أقل سمية من النتريت (بواسطة _{بكتيريا} Nitrosomonas sp.)، ثم إلى شكل أقل سمية من النترات (بواسطة بكتيريا Nitrobacter sp.). تتطلب عملية "النترجة" هذه الأكسجين (ظروف هوائية)، وبدونها قد يتعطل المرشح البيولوجي. علاوة على ذلك، ولأن دورة النترجة هذه تُنتج أيونات الهيدروجين (H⁺) ^، فقد ينخفض ​​الرقم الهيدروجيني، مما يستدعي استخدام مواد مُنظِّمة مثل الجير .

• الاحتفاظ الحيوي
• قناة تصريف المياه الحيوية
• فولكوال
• فلتر الوسائط
• مرشح الديدان

• أكياس الترشيح البيولوجي SE-14. (2012). دليل أفضل ممارسات إدارة مياه الأمطار في كاليفورنيا، 1-3. تم استرجاعه من https://www.cityofventura.ca.gov/DocumentCenter/View/13163/CASQA-Guidance-SE-14-Biofilter-Bags .
• بوير، إدوارد جيه؛ كرو، باتريشيا بي. (سبتمبر 1988). "العمليات البيولوجية في معالجة مياه الشرب". مجلة AWWA . 80 (9): 82-93 . Bibcode : 1988JAWWA..80i..82B . doi : 10.1002/j.1551-8833.1988.tb03103.x . JSTOR 41292287 . 
• تشودري، دورجاناندا سينغ؛ فيجنيسواران، سارافاناموثو؛ نغو، هوو هاو؛ شيم، وانغ جيون؛ مون هي (نوفمبر 2003). "الفلتر الحيوي في معالجة المياه ومياه الصرف الصحي". المجلة الكورية للهندسة الكيميائية . 20 (6): 1054-1065 . دوى : 10.1007 / BF02706936 . S2CID 10028364 . 
• كارلسون، كينيث هـ.؛ آمي، غاري ل . (ديسمبر 1998). "إزالة المواد العضوية البيولوجية أثناء الترشيح البيولوجي". مجلة AWWA . 90 (12): 42-52 . Bibcode : 1998JAWWA..90l..42C . doi : 10.1002/j.1551-8833.1998.tb08550.x . JSTOR 41296445. S2CID 91347325 .  
• باغانز، إستيلا؛ فونت، خافيير؛ سانشيز، أنتوني (أكتوبر 2005). "الترشيح الحيوي لإزالة الأمونيا من غازات عادم التسميد". مجلة الهندسة الكيميائية . 113 ( 2-3 ): 105-110 . Bibcode : 2005ChEnJ.113..105P . CiteSeerX 10.1.1.470.1234 . doi : 10.1016/j.cej.2005.03.004 . 
• نيشيمورا، سوسوكي؛ يودا، موتويوكي (1 يناير 1997). "إزالة كبريتيد الهيدروجين من الغاز الحيوي اللاهوائي باستخدام جهاز تنقية حيوي". علوم وتكنولوجيا المياه . 36 (6): 349-356 . doi : 10.1016/S0273-1223(97)00542-8 .
• فان لوسدريخت، إم سي؛ ليكليما، جيه؛ نورد، دبليو؛ زيندر، إيه جيه (مارس 1990). "تأثير الأسطح البينية على النشاط الميكروبي" . مراجعات علم الأحياء الدقيقة . 54 (1): 75-87 . doi : 10.1128/mr.54.1.75-87.1990 . PMC 372760. PMID 2181260 .  

• قنوات تصريف المياه الحيوية وشرائط تصريف مياه الأمطار - وزارة النقل في كاليفورنيا (CalTrans)