المعالجة البيولوجية: الخصائص والأنواع والمزايا والعيوب
المعالجة البيولوجية عبارة عن مجموعة من التقنيات الحيوية للصرف الصحي البيئي التي تستخدم القدرات الأيضية للكائنات الحية الدقيقة البكتيرية والفطريات والنباتات و / أو إنزيماتها المعزولة للتخلص من الملوثات في التربة والمياه.
الكائنات الحية الدقيقة (البكتيريا والفطريات) وبعض النباتات يمكن أن تحول حيويًا مجموعة واسعة من المركبات العضوية السامة والملوثة ، مما يجعلها غير ضارة أو غير ضارة. يمكنهم حتى التحلل الحيوي لبعض المركبات العضوية لأبسط أشكالها ، مثل الميثان (CH 4 ) وثاني أكسيد الكربون (CO 2 ).
أيضا بعض الكائنات الحية الدقيقة والنباتات ، يمكن استخراج أو شل في البيئة ( في الموقع) العناصر الكيميائية السامة ، مثل المعادن الثقيلة. عن طريق تجميد المادة السامة في البيئة ، لم تعد متاحة للكائنات الحية ، وبالتالي لا تؤثر عليها.
لذلك ، فإن الانخفاض في التوافر البيولوجي للمادة السامة هو أيضًا شكل من أشكال العلاج الحيوي ، على الرغم من أنه لا يعني إزالة المادة من الوسط.
يوجد حاليًا اهتمام علمي وتجاري متزايد بتطوير التقنيات الاقتصادية ذات التأثير البيئي المنخفض (أو "الصديقة للبيئة") ، مثل المعالجة البيولوجية للمياه السطحية والمياه الجوفية والحمأة والتربة الملوثة.
خصائص المعالجة البيولوجية
الملوثات التي يمكن علاجها بيولوجيا
من بين الملوثات التي تمت معالجتها بيولوجيًا ، المعادن الثقيلة ، المواد المشعة ، الملوثات العضوية السامة ، المواد المتفجرة ، المركبات العضوية المشتقة من البترول (الهيدروكربونات polyaromatic أو HPAs) ، الفينولات ، وغيرها.
الظروف الفيزيائية الكيميائية أثناء المعالجة البيولوجية
نظرًا لأن عمليات المعالجة البيولوجية تعتمد على نشاط الكائنات الحية الدقيقة والنباتات الحية أو إنزيماتها المنعزلة ، يجب الحفاظ على الظروف الفيزيائية والكيميائية المناسبة لكل كائن حي أو نظام إنزيمي ، من أجل تحسين نشاطها الأيضي في عملية المعالجة الحيوية.
العوامل التي يجب تحسينها والحفاظ عليها طوال عملية المعالجة البيولوجية
- تركيز الملوث وتوافره البيولوجي في الظروف البيئية: لأنه إذا كان مرتفعًا جدًا ، فقد يكون ضارًا لنفس الكائنات الحية الدقيقة التي لديها القدرة على التحويل الحيوي لها.
- الرطوبة: توفر المياه ضروري للكائنات الحية ، وكذلك للنشاط الأنزيمي للعوامل الحفازة البيولوجية الخالية من الخلايا. بشكل عام ، يجب الحفاظ على رطوبة نسبية تتراوح من 12 إلى 25٪ في التربة التي تخضع للمعالجة البيولوجية.
درجة الحرارة: يجب أن تكون في النطاق الذي يسمح ببقاء الكائنات الحية المطبقة و / أو النشاط الأنزيمي المطلوب.
-المغذيات المتاحة بيولوجيا: ضروري لنمو وتكاثر الكائنات الحية الدقيقة في الفائدة. يجب التحكم بشكل أساسي في الكربون والفوسفور والنيتروجين ، وكذلك بعض المعادن الأساسية.
- حموضة أو قلوية الوسط المائي أو الأس الهيدروجيني (قياس أيونات H + في الوسط).
توافر الأكسجين: في معظم تقنيات المعالجة البيولوجية ، يتم استخدام الكائنات الحية الدقيقة الهوائية (على سبيل المثال في التسميد ، والأغشية الحيوية ، وزراعة الأراضي ) ، وتهوية الركيزة ضرورية. ومع ذلك ، يمكن استخدام الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية في عمليات المعالجة الحيوية في ظل ظروف مختبرية شديدة التحكم (باستخدام المفاعلات الحيوية).
أنواع المعالجة البيولوجية
من بين التقانات الحيوية التطبيقية البيولوجية ما يلي:
تحفيز حيوي
يتكون التحفيز الأحيائي من التحفيز في موقع تلك الكائنات الحية الدقيقة الموجودة بالفعل في الوسط الملوث (الكائنات الحية الدقيقة الأصيلة) ، والقادرة على المعالجة الحيوية للمادة الملوثة.
يتم تحقيق التحفيز الأحيائي في الموقع من خلال تحسين الظروف الفيزيائية والكيميائية لكي تحدث العملية المطلوبة ، أي ؛ الرقم الهيدروجيني ، الأكسجين ، الرطوبة ، درجة الحرارة ، من بين أمور أخرى ، وإضافة العناصر الغذائية اللازمة.
ازدياد حيوي
يتضمن التنشيط الأحيائي زيادة كمية الكائنات الحية الدقيقة ذات الأهمية (يفضل أن تكون ذاتية المنشأ) ، وذلك بفضل إضافة اللقاحات المزروعة في المختبر.
بعد ذلك ، بمجرد تطعيم الكائنات الحية الدقيقة ذات الاهتمام في الموقع ، يجب تحسين الظروف الفيزيائية والكيميائية (كما في التحفيز الحيوي) ، لتعزيز النشاط المهين للكائنات الحية الدقيقة.
لتطبيق التنشيط الأحيائي ، ينبغي النظر في تكاليف الاستنبات الميكروبي في المفاعلات الحيوية في المختبر.
يمكن الجمع بين كل من التحفيز الحيوي والحيوية مع جميع التقانات الحيوية الأخرى الموضحة أدناه.
سماد
يتكون السماد من خلط المواد الملوثة مع التربة غير الملوثة مع العناصر المغذية للنباتات أو الحيوانات. يتكون هذا الخليط من مخروط يصل ارتفاعه إلى 3 أمتار ، مفصولًا عن بعضها البعض.
يجب التحكم في أكسجة الطبقات السفلية للأقماع ، من خلال الإزالة المنتظمة من مكان إلى آخر باستخدام الآلات. كما يجب الحفاظ على الظروف المثلى للرطوبة ودرجة الحرارة ودرجة الحموضة والمواد الغذائية وغيرها.
biocells
تقنية المعالجة البيولوجية مع الأحيائي هي نفس طريقة التسميد الموضحة أعلاه ، باستثناء:
- عدم وجود عوامل تحسين من أصل نباتي أو حيواني.
- القضاء على التهوية عن طريق الحركة من مكان إلى آخر.
تظل الأعمدة الحيوية ثابتة في نفس المكان ، حيث يتم تهويتها في طبقاتها الداخلية من خلال نظام أنابيب ، والذي يجب اعتبار تكاليف التركيب والتشغيل والصيانة الخاصة به من مرحلة تصميم النظام.
زراعة الأراضي
التكنولوجيا الحيوية التي تسمى "زراعة الأرض" (مترجمة من الإنجليزية: منقوشة على الأرض) ، تتكون من خلط المواد الملوثة (الطين أو الرواسب) مع أول 30 سم من التربة غير الملوثة لأرض شاسعة.
في تلك السنتيمترات الأولى من التربة ، يتم تفضيل تدهور المواد الملوثة بفضل تهويتها وخلطها. لهذا العمل ، يتم استخدام الآلات الزراعية ، مثل الجرارات المحراث.
العيب الرئيسي في زراعة الأراضي هو أنه يتطلب بالضرورة مساحات كبيرة من الأرض ، والتي يمكن استخدامها لإنتاج الغذاء.
علاج النبات
تعد المعالجة النباتية ، والتي تسمى أيضًا المعالجة البيولوجية بمساعدة الكائنات الحية الدقيقة والنباتات ، مجموعة من التقانات الحيوية القائمة على استخدام النباتات والكائنات الحية الدقيقة لإزالة أو تقييد أو تقليل سمية المواد الملوثة في المياه السطحية أو الجوفية ، والطين والتربة.
أثناء تدهور العلاج النباتي ، قد يحدث استخراج و / أو تثبيت (تقليل التوافر الحيوي) للملوث. تعتمد هذه العمليات على التفاعلات بين النباتات والكائنات الحية الدقيقة التي تعيش بالقرب من جذورها ، في منطقة تسمى الجذور .
نجحت المعالجة النباتية بشكل خاص في إزالة المعادن الثقيلة والمواد المشعة من التربة والمياه السطحية أو الجوفية (أو ترشيح المياه الملوثة بالزيت).
في هذه الحالة ، تتراكم النباتات معادن البيئة في أنسجتها ، ثم يتم حصادها وحرقها في ظروف خاضعة للرقابة ، بحيث ينتقل الملوث من التشتت في البيئة ، إلى التركيز في شكل رماد.
يمكن معالجة الرماد الذي تم الحصول عليه لاستعادة المعدن (إذا كان ذا أهمية اقتصادية) ، أو يمكن التخلي عنه في أماكن التخلص النهائي من النفايات.
ومن عيوب المعالجة النباتية هو عدم وجود معرفة متعمقة للتفاعلات التي تحدث بين الكائنات الحية المعنية (النباتات والبكتيريا وربما الفطريات الفطرية).
من ناحية أخرى ، يجب الحفاظ على الظروف البيئية التي تلبي احتياجات جميع الوكالات المطبقة.
المفاعلات الحيوية
المفاعلات الحيوية عبارة عن حاويات ذات حجم كبير ، والتي تسمح بالحفاظ على الظروف الفيزيائية والكيميائية التي يتم التحكم فيها بشكل كبير في وسائط الاستزراع المائي ، بهدف تفضيل عملية حيوية ذات أهمية.
في المفاعلات الحيوية ، يمكن زراعة الكائنات الحية الدقيقة والفطريات على نطاق واسع وفي المختبر ثم تطبيقها في عمليات التنشيط الحيوي في الموقع. يمكن أيضًا زراعة الكائنات الحية الدقيقة من أجل الحصول على إنزيماتها المهينة للمواد الملوثة.
تستخدم المفاعلات الحيوية في عمليات المعالجة البيولوجية خارج الموضع ، عندما يتم خلط الركيزة الملوثة بوسط الاستنبات الميكروبي ، مما يؤدي إلى تحلل الملوث.
الكائنات الحية الدقيقة التي تزرع في المفاعلات الحيوية قد تكون لاهوائية ، وفي هذه الحالة يجب أن يفتقر وسط الاستزراع المائي إلى الأكسجين المذاب.
من بين التقنيات الحيوية للمعالجة الحيوية ، يعد استخدام المفاعلات الحيوية مكلفًا نسبيًا ، نظرًا لصيانة المعدات ومتطلبات الاستزراع الميكروبي.
معالجة فطرية
تشير المعالجة الدقيقة إلى استخدام الكائنات الحية الدقيقة الفطرية (الفطريات المجهرية) في عمليات المعالجة الحيوية لمادة ملوثة سامة.
يجب اعتبار أن زراعة الفطريات المجهرية عادة ما تكون أكثر تعقيدًا من زراعة البكتيريا وبالتالي فهي تنطوي على تكاليف أعلى. بالإضافة إلى ذلك ، تنمو الفطريات وتتكاثر بشكل أبطأ من البكتيريا ، مع كون المعالجة البيولوجية للفطر عملية أبطأ.
المعالجة البيولوجية مقابل التقنيات الفيزيائية والكيميائية التقليدية
-advantages
تعد التقانات الحيوية للمعالجة البيولوجية أكثر اقتصادا وصديقة للبيئة من تقنيات الصرف الصحي الكيميائية والفيزيائية المطبقة بشكل تقليدي.
وهذا يعني أن تطبيق المعالجة البيولوجية له تأثير بيئي أقل من الممارسات الفيزيائية التقليدية.
من ناحية أخرى ، من بين الكائنات الحية الدقيقة المطبقة في عمليات المعالجة البيولوجية ، يمكن للبعض أن يمضي في تمعدن المركبات الملوثة ، ويضمن اختفائها من البيئة ، وهو أمر يصعب تحقيقه في خطوة واحدة مع العمليات الفيزيائية الكيميائية التقليدية.
العيوب والجوانب التي يجب مراعاتها
القدرات الأيضية الميكروبية الموجودة في الطبيعة
نظرًا لأن 1٪ فقط من الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في الطبيعة قد تم عزلها ، فإن أحد قيود المعالجة البيولوجية هو بالتحديد تحديد الكائنات الحية الدقيقة القادرة على التحلل الحيوي لمادة ملوثة محددة.
جهل النظام المطبق
من ناحية أخرى ، تعمل المعالجة البيولوجية مع نظام معقد من اثنين أو أكثر من الكائنات الحية ، وهو أمر غير معروف بشكل عام عمومًا.
بعض الكائنات الحية الدقيقة التي تمت دراستها قد حولت المركبات الحيوية الملوثة إلى منتجات ثانوية أكثر سمية. لهذا السبب ، من الضروري أن تدرس سابقًا في المختبر الكائنات الحية ذات المعالجة البيولوجية وتفاعلاتها المتعمقة.
بالإضافة إلى ذلك ، يجب إجراء اختبارات تجريبية صغيرة (في الميدان) قبل التطبيق الشامل ، وأخيراً يجب مراقبة عمليات المعالجة البيولوجية في الموقع لضمان حدوث الصرف الصحي البيئي بشكل صحيح.
استقراء النتائج التي تم الحصول عليها في المختبر
بسبب التعقيد العالي للأنظمة البيولوجية ، لا يمكن دائمًا استقراء النتائج التي تم الحصول عليها على نطاق صغير في المختبر للعمليات في هذا المجال.
خصوصيات كل عملية المعالجة البيولوجية
تتضمن كل عملية علاج بيولوجي تصميمًا تجريبيًا محددًا ، وفقًا للظروف الخاصة للموقع الملوث ، ونوع الملوث الذي يتعين معالجته والكائنات الحية المطلوب تطبيقها.
لذلك من الضروري أن يتم توجيه هذه العمليات من قبل مجموعات متعددة التخصصات من المتخصصين ، من بينهم علماء الأحياء والكيمياء والمهندسون وغيرهم.
الحفاظ على الظروف الفيزيائية والكيميائية البيئية لصالح النمو والنشاط الأيضي موضع الاهتمام ، ينطوي على مهمة دائمة خلال عملية المعالجة البيولوجية.
الوقت اللازم
أخيرًا ، قد تستغرق عمليات المعالجة البيولوجية وقتًا أطول من العمليات الفيزيائية الكيميائية التقليدية.
