10.3 العلاجات الهوائية

العلاج الهوائي يعزز أكسدة الحمأة من خلال دعم اتصالها مع الأكسجين. في هذه الحالة، يتم دفع أكسدة المادة العضوية بشكل رئيسي عن طريق تنفس الكائنات الحية الدقيقة المتغايرة. يتم تحرير Cosub2/sub، المنتج النهائي للتنفس، كما هو موضح في المعادل (10.1).

$C_6H_ {12} O_6 + 6\ O_2\ rarr 6\ CO_2+6\ H_2O +الطاقة $ (10.1)

وتتحقق هذه العملية في المفاعلات الهوائية بشكل رئيسي عن طريق حقن الهواء في خليط الحمأة - الماء مع منافيخ الهواء المتصلة بالناشرات والمراوح. كما يضمن حقن الهواء الخلط السليم للحمأة.

خلال هذه العملية التأكسدية، يتم إطلاق المغذيات الكلية والمغذيات الدقيقة المرتبطة بالمادة العضوية. وتسمى هذه العملية التمعدن الهوائي. ولذلك، يمكن إعادة تدوير المزيد من العناصر الغذائية أثناء عملية التمعدن، في حين أن بعض العناصر الغذائية، مثل الصوديوم والكلوريد، يمكن أن تتجاوز أيضا عتبة استخدامها للاستخدام المائي ويجب رصدها بعناية قبل الاستخدام (Rakocy et al. 2007). إن التمعدن الهوائي للمادة العضوية، المستمدة من وحدة الإزالة الصلبة (مثل المرشح أو مرشح الأسطوانة) في RAS، هو طريقة سهلة لإعادة تدوير العناصر المغذية للتطبيقات المائية اللاحقة.

وعلاوة على ذلك، خلال عملية الهضم الهوائي، ينخفض الرقم الهيدروجيني ويعزز تمعدن المعادن الملزمة المحاصرة في الحمأة. على سبيل المثال، أظهر Monsees et al. (2017) أن P تم إطلاقه من حمأة RAS بسبب هذا التحول الأس الهيدروجيني. ويرجع هذا الانخفاض في الرقم الهيدروجيني بشكل رئيسي إلى التنفس وإلى حد أقل على الأرجح عن طريق النتريكتيون.

بسبب الإمداد المستمر بالأكسجين عن طريق تهوية غرفة التمعدن وفرة المواد العضوية، تجد الكائنات الحية الدقيقة المتغايرة ظروفًا مثالية للنمو. وهذا يؤدي إلى زيادة في التنفس وإطلاق Cosub2/sub الذي يذوب في الماء. يشكل COSUB2/sub حامض الكربوني الذي ينفصل وبالتالي يقلل من درجة الحموضة في مياه العملية كما هو موضح في المعادلة التالية:

$CO_ {2 (ز)} +2\ H_2O\ rarr H_3O ^ ++ {HCO_3} ^-$ (10.2)

غالبًا ما تحتوي مياه الصرف الصحي المشتقة من RAS على NHSUB4/subsup+/Sup، بالإضافة إلى ذلك تتميز بدرجة حموضة محايدة تبلغ حوالي 7، لأن درجة الحموضة في RAS يجب أن تبقى عند هذا المستوى لضمان التحويل الميكروبي الأمثل لـ NHSub4/subsup+/Sup إلى nosub3/sub داخل المرشح الحيوي (أي النتريفيتيريفيتيفيتيفيتيون). يمكن أن تساهم عملية النتروية في انخفاض درجة الحموضة في المفاعلات الهوائية في مرحلة البداية عن طريق إطلاق البروتونات إلى مياه المعالجة كما يتبين من المعادلة التالية:

$ {NH_4} ^+ 2\ O_2\ rarr {NO_3} ^- +2\ H ^+H_2O+الطاقة $ (10.3)

وهذا ينطبق على الأقل على مرحلة البداية حيث لا يزال الرقم الهيدروجيني أعلى من 6. عند درجة الحموضة ≤ 6، قد يتباطأ النترجة بشكل كبير أو حتى يتوقف (Ebeling et al. 2006). ومع ذلك، فإن هذا لا يمثل مشكلة لوحدة التمعدن.

الانخفاض العام في درجة الحموضة في وحدة التمعدن الهوائي في العملية الجارية هو المحرك الرئيسي لإطلاق المغذيات الموجودة في شكل معادن متسربة كفوسفات الكالسيوم. وأشار Monsees et al. (2017) إلى أن حوالي 50% من الفوسفات في الحمأة كان قابل للذوبان في الحمض، مشتق من RAS Tilapia حيث تم تطبيق تغذية قياسية تحتوي على دقيق السمك. هنا، فقد حوالي 80% من الفوسفات داخل RAS بسبب تنظيف الدورق والتخلص من خليط الحمأة - الماء. وبالنظر إلى هذه الحقيقة، فإن الإمكانات الكبيرة لوحدات التمعدن للتطبيقات المائية تصبح واضحة.

مزايا التمعدن الهوائي هي الصيانة المنخفضة مع عدم الحاجة إلى الموظفين المهرة وعدم إعادة الأوكسجين اللاحقة. ويمكن استخدام المياه المخصبة مباشرة لتخصيب النباتات، ويتم إدارتها بشكل مثالي بواسطة نظام على الإنترنت لإعداد محلول المغذيات بشكل مناسب. ومن العيب مقارنة بالتمعدن اللاهوائي عدم إنتاج الميثان (Chen et al. 1997)، وكما سبق ذكره، ارتفاع الطلب على الطاقة بسبب الحاجة إلى تهوية مستمرة.

10-3.1 وحدات التمعدن الهوائي

الشكل 10.2 مثال تخطيطي لوحدة تمعدن هوائية تعمل في وضع دفعي. يتم فصل غرفة التمعدن (البني) عن غرفة المخرج (الأزرق) بواسطة لوحة منخل مغطاة بلوحة غطاء صلبة أثناء عملية التمعدن (تهوية قوية) لمنع انسداد وتشكيل الجسيمات الدقيقة. تدخل المياه العضوية الغنية من المرشح أو مرشح الأسطوانة وحدة التمعدن عبر المدخل. بعد اكتمال دورة التمعدن، تخرج المياه الغنية بالمغذيات والخالية من الصلب من وحدة التمعدن عبر المخرج ويتم نقلها مباشرة إلى الوحدة المائية أو الاحتفاظ بها في صهريج التخزين إلى حين الحاجة

ويرد مثال على تصميم وحدة التمعدن الهوائي في الشكل 10.2. يتم توصيل المدخل بوحدة الإزالة الصلبة عن طريق صمام، مما يسمح بإعادة تعبئة غرفة التمعدن بشكل متقطع بمزيج من الحمأة والماء. يتم تهوية غرفة التمعدن عن طريق الهواء المضغوط لتعزيز تنفس البكتيريا المتغايرة والحفاظ على عمليات إزالة النيترينغ اللاهوائية إلى أدنى حد ممكن. لمنع المواد العضوية من مغادرة غرفة التمعدن، يمكن أن تكون لوحة المنخل بمثابة حاجز. من الناحية المثالية، يجب استخدام لوحة غطاء ثانية غير منفذة لتغطية المنخل أثناء عملية التمعدن (أثناء التهوية). هذا يجب أن يمنع صفيحة المنخل من الانسداد لأنه أثناء التهوية الثقيلة سيتم نقل المواد العضوية باستمرار ضد لوحة المنخل. قبل نقل المياه الغنية بالمغذيات من غرفة التمعدن إلى الوحدة المائية، يتم إيقاف التهوية للسماح للجسيمات بالاستقرار. وفي وقت لاحق، تتم إزالة لوحة الغطاء، ويمكن أن تمر المياه الغنية بالمغذيات من خلال لوحة المنخل وترك غرفة التمعدن عبر المخرج كما هو مقترح في الشكل 10.2. وأخيرا، يتم وضع لوحة الغطاء في مكانها مرة أخرى، يتم إعادة تعبئة غرفة التمعدن مع خليط من الحمأة - الماء المشتق من راس، وتبدأ عملية التمعدن مرة أخرى (أي عملية الدفعات).

وينبغي أن يكون لوحدة التمعدن ضعف حجم المرطب على الأقل للسماح بالتمعدن المستمر. يمكن أن تستمر دورة واحدة للتمعدن لمدة تصل إلى 5-30 يومًا اعتمادًا على النظام والحمل العضوي والمغذيات المطلوبة ويجب وضعها لكل نظام على حدة. بالنسبة للأنظمة بما في ذلك مرشح الأسطوانة، كما هو الحال في معظم RAS الحديثة، يجب تعديل حجم وحدة التمعدن وفقًا لتدفق الحمأة اليومي أو الأسبوعي لمرشح الأسطوانة. وبما أن ذلك لم يتم اختباره في إعداد تجريبي حتى الآن، فإن التوصيات المحددة غير ممكنة في الوقت الحالي.

10-3-2 التنفيذ

ويرد مثال على تنفيذ وحدة التمعدن الهوائي في نظام أكوابوني منفصل في الشكل 10.3. ونظراً لعدم الحاجة إلى المعالجة قبل المعالجة وبعدها (مثل إعادة الأوكسجين)، يمكن وضع وحدة التمعدن مباشرة بين وحدة الإزالة الصلبة والأسرّة المائية. عن طريق تركيب صمام قبل وبعد وحدة التمعدن، يمكن إجراء عملية متقطعة وتسليم المغذيات إلى الوحدة المائية عند الطلب، ولكن في كثير من الحالات، ستكون هناك حاجة إلى خزان تخزين إضافي. من الناحية المثالية، بعد توجيه المياه الغنية بالمغذيات إلى الوحدة المائية، يتم استبدال المياه النازحة بحمأة جديدة ومياه من وحدة الإزالة الصلبة. واعتماداً على حجم وحدة التمعدن، من المهم ملاحظة أن إعادة التعبئة باستخدام خليط الحمأة والماء الجديد يمكن أن تؤدي إلى زيادة في درجة الحموضة مرة أخرى، وبالتالي يمكن قطع عملية التمعدن. عن طريق زيادة حجم وحدة التمعدن، سيتم تخزين هذا التأثير مؤقتاً. وفي دراسة أجراها راكوسي وآخرون (2007) عن دراسة عن النفايات العضوية السائلة الناتجة عن نظامين للاستزراع المائي، أدت فترة استبقاء 29 يوماً للتمعدن الهوائي إلى نجاح كبير في التمعدن. ومع ذلك، يعتمد هذا أيضًا على محتوى TS داخل غرفة التمعدن، وعلى التغذية المطبقة على RAS، وعلى درجة الحرارة ومتطلبات المغذيات للنباتات التي يتم إنتاجها داخل الوحدة المائية.

الشكل 10.3 صورة تخطيطية لنظام أكوابوني منفصل بما في ذلك وحدة تمعدن هوائية. يمكن نقل المياه إلى خزان المغذيات إما من حلقة المياه RAS أو مباشرة من وحدة التمعدن