تتميز الصين بكثافة سكانية عالية في المناطق الريفية ومستوى تنمية اقتصادية منخفض نسبيًا. حاليًا، تُصرف كمية كبيرة من مياه الصرف الصحي المنزلية الناتجة عن سكان الريف مباشرةً دون معالجة. بالمقارنة مع المناطق الحضرية، تُظهر مياه الصرف الصحي المنزلية الريفية اختلافات كبيرة في جودة وكمية المياه. تتأثر جودة وكمية مياه الصرف الصحي المنزلية الريفية بعوامل مثل الظروف الاقتصادية وعادات المعيشة والمناخ الإقليمي والبيئة الجغرافية، مما يُظهر تقلبًا كبيرًا. نظرًا لخصائص مياه الصرف الصحي المنزلية الريفية والوضع العملي لانخفاض مستويات إدارة التشغيل والصيانة لمرافق المعالجة، فإن استخدام عملية الحمأة المنشطة التقليدية عرضة لمشاكل مثل عدم القدرة على التكيف مع الظروف المحلية وترك مرافق معالجة مياه الصرف الصحي معطلة. لذلك، من الضروري تطوير تقنيات ومعدات معالجة مناسبة لمعالجة مياه الصرف الصحي الريفية اللامركزية.
تتميز عملية الأغشية الحيوية بمقاومة عالية للصدمات، وانخفاض إنتاج الحمأة، وسهولة التشغيل والصيانة. حاليًا، تستخدم بعض المنشآت عمليات الأغشية الحيوية لمعالجة مياه الصرف الصحي المنزلية الريفية، إلا أنها لا تزال تواجه بعض المشاكل في التشغيل. على سبيل المثال، تُعاني عملية أكسدة التلامس البيولوجي من تفاوت في التهوية وتوزيع المياه، بالإضافة إلى انسداد الحشو؛ وتتطلب المرشحات الحيوية غسلًا عكسيًا منتظمًا، مما يُؤدي إلى تعقيد تشغيلها وإدارتها نسبيًا؛ وتتميز الموصلات الحيوية الدوارة بتكاليف استثمارية عالية وصعوبات كبيرة في التشغيل والصيانة. تُستخدم ألياف البوليستر بشكل شائع حاليًا في حاملات الأغشية الحيوية، وتتميز بخصائصها التي تتمثل في عدم تحللها بسهولة بواسطة الكائنات الدقيقة، وتوزيع مسامها بشكل متساوٍ، وأداء جيد في تكوين الأغشية الحيوية. إن اختيار ألياف البوليستر كحشو معياري وتصميم الوحدة على شكل ستارة غشاء حيوي ثلاثية الأبعاد ثابتة يُتيح للوحدة قنوات دوران وفيرة لتجنب الانسداد. وفي الوقت نفسه، يُتيح الشكل المعياري المُجمّع تركيبًا سريعًا وفترة بناء قصيرة. بناءً على ذلك، طوّر الباحثون مفاعلًا حيويًا ثلاثي الأبعاد مُثبّتًا بألياف البوليستر كمادة مالئة. ودُرست آثار نسبة تعبئة المادة المالئة، وطريقة خلط المناطق الخالية من الأكسجين، وزمن الاحتفاظ الهيدروليكي (العلاج الهرموني البديل) على كفاءة معالجة مياه الصرف الصحي المنزلية الريفية بهذه العملية من خلال اختبارات تجريبية، كما حُللت آلية إزالة النيتروجين في المفاعل من منظور ميكروبيولوجي، بهدف توفير مرجع تقني لمعالجة مياه الصرف الصحي المنزلية الريفية اللامركزية.
1. المواد والطرق
1.1 اختبار المياه والحمأة الملقحة
استخدم الاختبار مياه الصرف الصحي الشبكية من محطة تنقية مياه في شنتشن لمحاكاة مياه الصرف الصحي المنزلية الريفية. خلال فترة الاختبار، تراوحت تركيزات سمك القد وNH₄⁺-N وTN وSS في المياه الداخلة إلى المفاعل بين 96.08 و492.90 ملغم/لتر، و16.70 و46.10 ملغم/لتر، و20.13 و49.19 ملغم/لتر، و40 و352 ملغم/لتر، على التوالي. تتوافق جودة مياه الصرف المصممة مع معيار الفئة 1A من معيار تصريف الملوثات المحلي لمقاطعة قوانغدونغ لمعالجة مياه الصرف الصحي المنزلية الريفية (دي بي 44/2208-2019). أُخذت الحمأة الملقحة من الحمأة المجففة من نفس محطة تنقية المياه (محتوى الرطوبة: 79.6%). تم إضافة الحمأة المجففة إلى المفاعل، متبوعًا بتهوية مغلقة مستمرة لمدة 48 ساعة قبل تغذية المياه والتشغيل.
1.2 معدات الاختبار ووضع التشغيل
بلغت سعة المعالجة المُصممة لمعدات الاختبار 6 أمتار مكعبة يوميًا. يوضح الشكل 1 سير العملية: رُكبت وحدة واحدة في المنطقة الخالية من الأكسجين، ووحدتان في المنطقة الهوائية. استُخدمت مضخة مياه ذات تدفق مباشر لضخ مياه الصرف الصحي من خزان المدخل إلى المنطقة الخالية من الأكسجين، والتي فاضت بعد ذلك عبر الحاجز العلوي إلى قاع المنطقة الهوائية. وُضع مخرج المياه من المنطقة الهوائية في نهاية المفاعل، وأُعيد السائل المُنترت من المنطقة الهوائية إلى الطرف الأمامي للمنطقة الخالية من الأكسجين عبر أنبوب ارتجاع لإزالة النتروجين. عمل المفاعل بعملية بيوفيلم نقية. وُضعت منافذ تصريف الحمأة في الطرفين الأمامي والخلفي للمفاعل لتصريف الحمأة بانتظام، ولم يُركّب خزان ترسيب ثانوي.
1.3 تحسين ظروف تشغيل الاختبار
بحث الاختبار في تأثيرات معلمات مثل نسبة تعبئة الحشو، وطريقة خلط المنطقة الخالية من الأكسجين، وHRT على كفاءة معالجة مفاعل الأغشية الحيوية المثبت ثلاثي الأبعاد. عمل المفاعل لمدة 6 أشهر إجمالاً، مقسمًا إلى 6 مراحل، وتظهر ظروف تشغيل كل مرحلة في الجدول 1. في المرحلتين الأولى والثانية، تم اعتماد نسب تعبئة الحشو البالغة 57.2 متر مربع/م³ و78.8 متر مربع/م³ على التوالي لاستكشاف آثارها على كفاءة إزالة الملوثات؛ في المرحلتين الثانية والثالثة، تم استخدام تهوية المحرك والأنابيب المثقبة للخلط في المنطقة الخالية من الأكسجين على التوالي لدراسة آثار طرق الخلط المختلفة على تركيز الأكسجين المذاب في المنطقة الخالية من الأكسجين وكفاءة إزالة الملوثات؛ في المرحلتين الثالثة والرابعة، تمت مقارنة تأثيرات إزالة الملوثات للتهوية المستمرة ووضع الخلط الدوري (10 دقائق تشغيل و10 دقائق إيقاف). في المراحل الرابعة والخامسة والسادسة، عُدِّل إجمالي وقت المعالجة الحرارية (العلاج الهرموني البديل) إلى ١٢ ساعة، و٩ ساعات، و١٠.٥ ساعات على التوالي، لتحديد أقصى قدرة معالجة للمفاعل، شريطة أن تكون جودة المخلفات مطابقة للمعايير. خلال فترة التشغيل، حُدِّدت نسبة ارتجاع السائل المُنتَرْتَن إلى ٢٠٠٪.
1.4 عناصر الاختبار والطرق
1.4.1 تحديد المؤشرات الروتينية
جُمعت عينات المياه من مدخل ومخرج النظام بانتظام لتحديد مؤشرات مثل سمك القد، وNH4+-N، وNO3--N، وTN، وSS. وفي الوقت نفسه، خضع تركيز الأكسجين المذاب (يفعل) والكتلة الحيوية للأغشية الحيوية على مواد الحشو لاختبارات منتظمة.
تم تحديد سمك القد بطريقة ثنائي كرومات البوتاسيوم القياسية.
تم قياس الأمونيوم+-N باستخدام طريقة مطيافية كاشف نيسلر.
تم تحديد تينيسي عن طريق طريقة أكسدة كبريتات البوتاسيوم القلوية-الأشعة فوق البنفسجية.
تم قياس رقم 3--N بطريقة مطيافية الأشعة فوق البنفسجية.
تم تحديد اس اس من خلال الطريقة الوزنية.
في مواقع مختلفة من المنطقة الخالية من الأكسجين والمنطقة الهوائية، أُخذت عينات من حشوات بأبعاد 50 مم × 50 مم عدة مرات. استُخرجت الرواسب من الحشوات باستخدام جهاز تنظيف بالموجات فوق الصوتية، وحُددت الكتلة الحيوية لكل وحدة مساحة من الحشوة بطريقة الوزن، وذلك لحساب الكتلة الحيوية في المفاعل. تم الكشف عن الأكسجين المذاب باستخدام جهاز محمول لقياس الأكسجين المذاب.
1.4.2 التحليل الميكروبيولوجي
في المراحل الثانية والثالثة والرابعة، تم أخذ عينات عشوائية من حشوات بحجم 50 مم × 50 مم من خزانات الأكسجين والخزانات الهوائية على التوالي، وتم استخراج الغشاء الحيوي الموجود على الحشوات بواسطة منظف بالموجات فوق الصوتية.
تمت تسمية العينات من المنطقة الخالية من الأكسجين بـ A1 و A2 و A3 على التوالي.
تمت تسمية العينات من المنطقة الهوائية بـ O1 و O2 و O3 على التوالي.
وُضعت عينات الأغشية الحيوية في إيثانول مطلق بنسبة حجم ١ × ١، وأُرسلت إلى ثلاجة منخفضة الحرارة للغاية في المختبر عند درجة حرارة -٨٠ درجة مئوية خلال ساعة واحدة. استُخلص الحمض النووي للكائنات الدقيقة في الأغشية الحيوية وفقًا لتعليمات مجموعة الحمض النووي السريع™ يلف عدة للتربة. أُرسلت العينات المستخرجة إلى شركة شنغهاي ماجي للتكنولوجيا الطبية الحيوية المحدودة لتحليل التسلسل.
