المعالجة البيولوجية: الخصائص والأنواع والمزايا والعيوب - مادة الاحياء - 2025

و المعالجة البيولوجية هي مجموعة من التقنيات الحيوية الصرف الصحي باستخدام قدرات التمثيل الغذائي للكائنات الدقيقة البكتيرية والفطريات والنباتات و / أو الأنزيمات معزولة، لإزالة الملوثات في التربة والمياه.

يمكن للكائنات الحية الدقيقة (البكتيريا والفطريات) وبعض النباتات أن تحول حيويًا مجموعة متنوعة من المركبات العضوية الملوثة والسامة ، حتى تصبح غير ضارة أو غير ضارة. يمكنهم حتى تحلل بعض المركبات العضوية إلى أبسط أشكالها ، مثل الميثان (CH ₄) وثاني أكسيد الكربون (CO ₂).

الشكل 1. التلوث البيئي الناتج عن الانسكاب النفطي ، والذي تمت معالجته لاحقًا بالمعالجة الحيوية المصدر: commons.wikimedia.org

يمكن لبعض الكائنات الحية الدقيقة والنباتات أيضًا استخراج العناصر الكيميائية السامة أو تجميدها ، مثل المعادن الثقيلة ، في البيئة (في الموقع). من خلال تجميد المادة السامة في البيئة ، لم تعد متاحة للكائنات الحية وبالتالي لا تؤثر عليها.

لذلك ، فإن تقليل التوافر البيولوجي لمادة سامة هو أيضًا شكل من أشكال المعالجة البيولوجية ، على الرغم من أنه لا يعني إزالة المادة من البيئة.

يوجد حاليًا اهتمام علمي وتجاري متزايد بتطوير تقنيات اقتصادية وذات تأثير بيئي منخفض (أو "صديقة للبيئة") ، مثل المعالجة البيولوجية للمياه السطحية والجوفية ، والحمأة والتربة الملوثة.

خصائص المعالجة الحيوية

الملوثات التي يمكن معالجتها بيولوجياً

من بين الملوثات التي تم معالجتها بيولوجيًا ، المعادن الثقيلة ، المواد المشعة ، الملوثات العضوية السامة ، المواد المتفجرة ، المركبات العضوية المشتقة من الزيت (الهيدروكربونات العطرية المتعددة أو HPAs) ، الفينولات ، من بين أمور أخرى.

الظروف الفيزيائية والكيميائية أثناء المعالجة الحيوية

نظرًا لأن عمليات المعالجة الحيوية تعتمد على نشاط الكائنات الحية الدقيقة والنباتات الحية أو إنزيماتها المعزولة ، يجب الحفاظ على الظروف الفيزيائية والكيميائية المناسبة لكل كائن حي أو نظام إنزيم ، من أجل تحسين نشاطها الأيضي في عملية المعالجة الحيوية.

العوامل التي يجب تحسينها والحفاظ عليها خلال عملية المعالجة الحيوية

- التركيز والتوافر البيولوجي للملوثات في ظل الظروف البيئية: لأنه إذا كان مرتفعًا جدًا فقد يكون ضارًا لنفس الكائنات الحية الدقيقة التي لديها القدرة على تحويلها بيولوجيًا.

الرطوبة: توافر الماء ضروري للكائنات الحية ، وكذلك للنشاط الأنزيمي للمحفزات البيولوجية الخالية من الخلايا. بشكل عام ، يجب الحفاظ على الرطوبة النسبية من 12 إلى 25٪ في التربة التي تخضع للمعالجة الحيوية.

-درجة الحرارة: يجب أن تكون في النطاق الذي يسمح ببقاء الكائنات الحية المطبقة و / أو النشاط الأنزيمي المطلوب.

- العناصر الغذائية المتاحة حيوياً: ضرورية لنمو وتكاثر الكائنات الحية الدقيقة ذات الأهمية. بشكل أساسي ، يجب التحكم في الكربون والفوسفور والنيتروجين ، وكذلك بعض المعادن الأساسية.

- حموضة أو قلوية الوسط المائي أو الرقم الهيدروجيني (قياس أيونات H ⁺ في الوسط).

- توافر الأكسجين: في معظم تقنيات المعالجة الحيوية ، يتم استخدام الكائنات الحية الدقيقة الهوائية (على سبيل المثال في التسميد ، والمزارع الحيوية ، و "زراعة الأرض") ، ومن الضروري تهوية الركيزة. ومع ذلك ، يمكن استخدام الكائنات الدقيقة اللاهوائية في عمليات المعالجة الحيوية ، في ظل ظروف خاضعة للرقابة الشديدة في المختبر (باستخدام المفاعلات الحيوية).

أنواع المعالجة الحيوية

من بين التقنيات الحيوية التطبيقية للمعالجة الحيوية ما يلي:

التحفيز الحيوي

يتكون التحفيز الحيوي من التحفيز في الموقع لتلك الكائنات الحية الدقيقة الموجودة بالفعل في البيئة الملوثة (الكائنات الحية الدقيقة الأصلية) ، القادرة على المعالجة الحيوية للمادة الملوثة.

يتم تحقيق التحفيز الحيوي في الموقع من خلال تحسين الظروف الفيزيائية والكيميائية للعملية المرغوبة ، أي ؛ الأس الهيدروجيني والأكسجين والرطوبة ودرجة الحرارة ، من بين أمور أخرى ، وإضافة العناصر الغذائية الضرورية.

الزيادة الحيوية

تتضمن الزيادة الحيوية زيادة كمية الكائنات الحية الدقيقة ذات الأهمية (ويفضل أن تكون أصيلة) ، وذلك بفضل إضافة لقاحها المزروع في المختبر.

بعد ذلك ، بمجرد تلقيح الكائنات الحية الدقيقة في الموقع ، يجب تحسين الظروف الفيزيائية والكيميائية (مثل التحفيز الحيوي) لتعزيز النشاط المهين للكائنات الحية الدقيقة.

لتطبيق الزيادة الحيوية ، يجب مراعاة تكاليف الثقافة الميكروبية في المفاعلات الحيوية في المختبر.

يمكن الجمع بين كل من التحفيز الحيوي والكمية الحيوية مع جميع التقنيات الحيوية الأخرى الموضحة أدناه.

سماد

يتكون السماد من خلط المواد الملوثة بالتربة غير الملوثة المكملة بعوامل تربية النباتات أو الحيوانات والمغذيات. يشكل هذا الخليط مخاريط يصل ارتفاعها إلى 3 أمتار متباعدة.

يجب التحكم في أكسجة الطبقات السفلية للأقماع ، من خلال إزالتها المنتظمة من موقع إلى آخر بالآلات. يجب أيضًا الحفاظ على الظروف المثلى للرطوبة ودرجة الحرارة ودرجة الحموضة والمغذيات وغيرها.

بيوبيلز

تقنية المعالجة الحيوية باستخدام المواد الحيوية هي نفس تقنية التسميد الموضحة أعلاه ، باستثناء:

• عدم وجود عوامل تربية من أصل نباتي أو حيواني.
• القضاء على التهوية بالحركة من موقع إلى آخر.

تظل المكونات الحيوية ثابتة في نفس المكان ، حيث يتم تهويتها في طبقاتها الداخلية من خلال نظام من الأنابيب ، يجب مراعاة تكاليف تركيبها وتشغيلها وصيانتها من مرحلة تصميم النظام.

زراعة الأرض

تتكون التقنية الحيوية المسماة "زراعة الأراضي" (المترجمة من الإنجليزية: حراثة الأرض) من خلط المادة الملوثة (الطين أو الرواسب) مع أول 30 سم من التربة غير الملوثة في مساحة كبيرة.

في تلك السنتيمترات الأولى من التربة ، يُفضل تدهور المواد الملوثة بفضل تهويتها وخلطها. تستخدم الآلات الزراعية لهذه المهام ، مثل جرارات المحراث.

العيب الرئيسي لزراعة الأراضي هو أنها تتطلب بالضرورة مساحات كبيرة من الأرض ، والتي يمكن استخدامها لإنتاج الغذاء.

العلاج بالنباتات

المعالجة النباتية ، التي تسمى أيضًا الكائنات الحية الدقيقة والمعالجة الحيوية بمساعدة النبات ، هي مجموعة من التقنيات الحيوية القائمة على استخدام النباتات والكائنات الدقيقة لإزالة أو حصر أو تقليل سمية المواد الملوثة في المياه السطحية أو الجوفية والحمأة والتربة.

أثناء المعالجة النباتية ، يمكن أن يحدث تدهور و / أو استخلاص و / أو استقرار (انخفاض في التوافر البيولوجي) للملوثات. تعتمد هذه العمليات على التفاعلات بين النباتات والكائنات الحية الدقيقة التي تعيش بالقرب من جذورها ، في منطقة تسمى منطقة الجذور.

الشكل 2. المعالجة الحيوية للمياه الملوثة بالنباتات والكائنات الحية الدقيقة. المصدر: Wikyhelper ، من ويكيميديا ​​كومنز

كانت المعالجة بالنباتات ناجحة بشكل خاص في إزالة المعادن الثقيلة والمواد المشعة من التربة والمياه السطحية أو الجوفية (أو الترشيح الجذري للمياه الملوثة).

في هذه الحالة ، تقوم النباتات بتجميع المعادن من البيئة في أنسجتها ثم يتم حصادها وحرقها في ظل ظروف خاضعة للرقابة ، بحيث ينتقل الملوث من التشتت في البيئة ، إلى التركيز على شكل رماد.

يمكن معالجة الرماد الذي تم الحصول عليه لاستعادة المعدن (إذا كان له فائدة اقتصادية) ، أو يمكن التخلي عنه في أماكن التخلص النهائي من النفايات.

من عيوب المعالجة النباتية نقص المعرفة المتعمقة بالتفاعلات التي تحدث بين الكائنات الحية المعنية (النباتات والبكتيريا وربما الفطريات الفطرية).

من ناحية أخرى ، يجب الحفاظ على الظروف البيئية التي تلبي احتياجات جميع الكائنات الحية المطبقة.

المفاعلات الحيوية

المفاعلات الحيوية عبارة عن حاويات ذات حجم كبير ، والتي تسمح بالحفاظ على ظروف فيزيائية كيميائية مضبوطة للغاية في وسط الاستزراع المائي ، بهدف تفضيل عملية بيولوجية ذات أهمية.

يمكن زراعة الكائنات الحية الدقيقة البكتيرية والفطريات على نطاق واسع في المختبر في المفاعلات الحيوية ثم تطبيقها في عمليات الزيادة الحيوية في الموقع. يمكن أيضًا زراعة الكائنات الحية الدقيقة من أجل الحصول على الإنزيمات المهينة للملوثات.

تُستخدم المفاعلات الحيوية في عمليات المعالجة الحيوية خارج الموقع ، عن طريق خلط الركيزة الملوثة مع وسط الزراعة الميكروبية ، مما يساعد على تحلل الملوثات.

يمكن أن تكون الكائنات الحية الدقيقة التي تنمو في المفاعلات الحيوية لاهوائية ، وفي هذه الحالة ، يجب أن يكون وسط الاستزراع المائي خاليًا من الأكسجين المذاب.

الشكل 3. مفاعل حيوي. المصدر: es.m.wikipedia.org

من بين التقنيات الحيوية للمعالجة الحيوية ، يعد استخدام المفاعلات الحيوية مكلفًا نسبيًا ، نظرًا لصيانة المعدات ومتطلبات الثقافة الميكروبية.

المعالجة الدقيقة

يسمى استخدام الكائنات الحية الدقيقة الفطرية (الفطريات المجهرية) في عمليات المعالجة الحيوية لمادة ملوثة سامة بالمعالجة الفطرية.

يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن زراعة الفطريات المجهرية عادة ما تكون أكثر تعقيدًا من البكتيريا وبالتالي تنطوي على تكاليف أعلى. علاوة على ذلك ، تنمو الفطريات وتتكاثر بشكل أبطأ من البكتيريا ، حيث تكون المعالجة الحيوية بمساعدة الفطريات عملية أبطأ.

المعالجة البيولوجية مقابل التقنيات الفيزيائية والكيميائية التقليدية

-مميزات

تعتبر التقنيات الحيوية للمعالجة الحيوية أكثر اقتصادا وصديقة للبيئة من تقنيات الصرف الصحي البيئية الكيميائية والفيزيائية المطبقة تقليديا.

هذا يعني أن تطبيق المعالجة الحيوية له تأثير بيئي أقل من الممارسات الفيزيائية والكيميائية التقليدية.

من ناحية أخرى ، من بين الكائنات الحية الدقيقة المطبقة في عمليات المعالجة الحيوية ، يمكن للبعض أن يمعدن المركبات الملوثة ، مما يضمن اختفائها من البيئة ، وهو أمر يصعب تحقيقه في خطوة واحدة مع العمليات الفيزيائية والكيميائية التقليدية.

- مساوئ وجوانب للنظر

القدرات الأيضية الميكروبية الموجودة في الطبيعة

بالنظر إلى أنه تم عزل 1 ٪ فقط من الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في الطبيعة ، فإن تقييد المعالجة الحيوية هو تحديد الكائنات الحية الدقيقة القادرة على التحلل البيولوجي لمادة ملوثة معينة.

عدم معرفة النظام المطبق

من ناحية أخرى ، تعمل المعالجة الحيوية مع نظام معقد يتكون من كائنين أو أكثر من الكائنات الحية ، وهو أمر غير مفهوم بشكل عام.

تحتوي بعض الكائنات الحية الدقيقة التي تمت دراستها على مركبات ملوثة محولة بيولوجيًا إلى منتجات ثانوية أكثر سمية. لهذا السبب ، من الضروري دراسة كائنات المعالجة الحيوية وتفاعلاتها بعمق في المختبر مسبقًا.

بالإضافة إلى ذلك ، يجب إجراء اختبارات تجريبية صغيرة الحجم (في الميدان) قبل تطبيقها بشكل جماعي ، وأخيراً يجب مراقبة عمليات المعالجة البيولوجية في الموقع لضمان حدوث الصرف الصحي البيئي بشكل صحيح.

استقراء النتائج التي تم الحصول عليها في المختبر

نظرًا للتعقيد الكبير للأنظمة البيولوجية ، لا يمكن دائمًا استقراء النتائج التي يتم الحصول عليها على نطاق صغير في المختبر للعمليات الميدانية.

خصوصيات كل عملية معالجة حيوية

تتضمن كل عملية معالجة حيوية تصميمًا تجريبيًا محددًا ، وفقًا للظروف الخاصة للموقع الملوث ، ونوع الملوثات المراد معالجتها والكائنات الحية التي سيتم تطبيقها.

من الضروري بعد ذلك أن يتم توجيه هذه العمليات من قبل مجموعات متعددة التخصصات من المتخصصين ، من بينهم علماء الأحياء والكيميائيين والمهندسين وغيرهم.

إن الحفاظ على الظروف الفيزيائية والكيميائية البيئية لصالح النمو والنشاط الأيضي موضع الاهتمام ، يعني عملًا دائمًا أثناء عملية المعالجة الحيوية.

الوقت اللازم

أخيرًا ، يمكن أن تستغرق عمليات المعالجة الحيوية وقتًا أطول من العمليات الفيزيائية والكيميائية التقليدية.

المراجع

1. Adams، GO، Tawari-Fufeyin، P. Igelenyah، E. (2014). المعالجة الحيوية للتربة الملوثة بالزيوت المستهلكة باستخدام فضلات الدواجن. مجلة بحثية في الهندسة والعلوم التطبيقية 3 (2) 124-130
2. آدامز ، أو. (2015). "المعالجة الحيوية ، التحفيز الحيوي والكمية الحيوية: مراجعة". المجلة الدولية للمعالجة الحيوية البيئية والتحلل البيولوجي. 3 (1): 28-39.
3. بوباثي ، ر. (2000). "العوامل التي تحد من تقنيات المعالجة الحيوية". تقنية Bioresource. 74: 63-7. دوى: 10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
4. Eweis JB، Ergas، SJ، Chang، DPY and Schoeder، D. (1999). مبادئ الاسترداد البيولوجي. McGraw-Hill Interamericana من إسبانيا ، مدريد. ص 296.
5. Madigan، MT، Martinko، JM، Bender، KS، Buckley، DH Stahl، DA and Brock، T. (2015). بيولوجيا بروك للكائنات الحية الدقيقة. 14 إد. بنيامين كامينغز. ص 1041.
6. ماكيني ، ري (2004). علم الأحياء الدقيقة للتحكم في التلوث البيئي. م. ديكر. ص 453.
7. بيلون سميتس إي 2005. المعالجة النباتية. Annu. القس بلانت بيول.56: 15-39.