Water Treatment Using Membrane Bioreactor Technology

مقدمة

تشير الدراسات إلى أنه خلال العقدين القادمين سيكون وجود الماء النقي محدود للغاية في بقاع كثيرة من العالم, كما أن مشكلتي قلة المياه وتدني جودتها ستواجه الدول النامية والمتقدمة كلا سواء, فالملوحة تزداد في المياه الجوفية وتركيز المعادن الثقيلة يتصاعد, يعتبر ذلك من المصادر القليلة للملوثات التي تتعرض لها مصادر المياه, ولكن يتوفرحالياً حل من أهم الحلول الواعدة الذي يمكنه التخلص من معظم الملوثات المتواجدة في المياه وهو تقنية المعالجة بأغشية المفاعلات الحيوية MBR- Membrane Bioreactor  حيث أن المعالجة باستخدام تقنية الاغشية الحيوية تقوم على المعالجة البيولوجية والفصل الفيزيائي معاً ومقارنةً بالطرق التقليدية للمعالجة توفر الاغشية الحيوية سهولة في التشغيل مع كفاءة أداء عالية.

تقنية المعالجة بالأغشية الحيوية هي تقنية حديثة بدأت في الانتشار خلال العقد الأخير, حيث بدأ فهم نظام الاغشية منذ عام 1960م الذي حدث فيه اول تسجيل لظاهرة الترشيح الغشائي ( التناضح ) بالصدفة بواسطة العالم  ابا نوليه. ولكن لم تكن تستخدم الاغشية وقتها نتيجة تكلفتها المرتفعة جدا.

التطورات الحديثة في تصنيع الاغشية سمحت بانتاج اغشية بكفاءة عالية وسعر اقل، و مع ارتفاع اسعار طرق المعالجة التقليدية اصبح سعر الاغشية مقبول في معالجة مياه الصرف المنزلية والصرف الصناعي.

تاريخ أغشية المفاعلات الحيوية :

التطور في علم و تكنولوجيا المرشحات مر بتاريخ طويل من الدراسات المعملية قبل استخدامه في التطبيقات الصناعية في عام 1748 لاحظ نفاذية المياه الموجودة في مستخلص العنب المستخدم في صناعة النبيذ, وبعد ثمانين عاما من ذلك قام دوبرنيه بملاحظة هروب غاز الأكسجين خلال شقوق الوعاء,كما يعد جراهام(Graham) الرائد في حساب كميات الغاز المتسربة من الاغشية المطاطية,وقامادولف فيك  (Adolf Fick) بكتابة معادلات انتشار الغازات عام 1855 والذي اصبح من أهم القوانين المستخدمة في وصف حركة الانتشار من خلال الاغشية.

أما الاغشية شبه المنفذة فظهرت لأول مرة بواسطة تروب 1967(Traube) و استخدمها بفيفر 1877(Pfeffer)  لقياس ضعوط المحاليل الاسموزية, والتي أدت لظهور النظرية التقليدية للمحاليل (معادلة الضعط الأسموزي لفان هوف 1887) , واستحق هذا العمل لجائزة نوبل في الكيمياء 1901م.

وطور سجموندي (Zsigmondy) فلاتر الجسيمات الصغيرة و الفلاتر الجزيئية واللتي كانت بداية عهد فلاتر الترشيح الميكروني الدقيقة  (microfiltration) و فلاتر الترشيح فوق الميكروني (Ultra filtration ) 1907 – 1920م.

وبعد ذلك بسنوات قليلة ظهر أول نموذج لفلاتر التناضح العكسي بدراسة و إشراف مشيلز 1926 (Michaelis)، منجود 1929 (Manegod)و مكباين 1931(McBain) بأغشية السوليفان او نترات السليلوز .

أما فكرة الغسيل الكلي والكهربي والأغشية الكهربية تأسس بواسطة تويرل و ماير 1930   (Toerell and Meyer)من دراستهم للانتقال عبر الاغشية المتعادلة والاغشية ذات الشحنة الساكنة,

من أهم التطبقات الصناعية للاغشية هو صناعة ال defect-free  ,  high flux ,  anisotropic RO,  asymmetric cellulose acetate ( CA )

بواسطة لوب و سوريرجان في 1962 (Loeb and Sourirajan ), و مع تقنية لوب و سوريرجان الاصلية كان هناك تطويرات عديدة للاغشية . بوصولنا عام 1980 كانت كل من التقنيات : ” التناضح العكسي RO  ، الترشيح فوق الميكرونيUF ، الترشيح الميكرونيMF ، والغسيل الكلي الكهربي ED ” انتشرت في تطبيقات كثيرة حول العالم في محطات كبيرة .

أنواع المرشحات

يوجد في السوق 6 أنواعتجارية للأغشية تستخدم في عملية الفصل أولها المرشحالميكرونيmicro filtration MF  والذي يحجز الجزيئات اكبر من 0.1 ميكروميتر مثل البكتريا والبروتوزوا والطحالب، والترشيح فوق الميكروني ( ultra filtration UF ) الذي يحجز الجزيئات في حجم الفيروسات والمواد الغروية الصغيرة، الترشيح النانومتري ( Nano filtration NF  ) والذي يحجز بعض المواد العضوية الذائبة والايونات ثنائية التكافوء مثل Ca+2 , Mg +2 ، التناضح العكسي ( reverse osmosis RO   ) وهو ما يستطيع حجز الايونات احادية التكافؤ مثل  Na+ , Cl-ولا يسمح الا بمرور الماء ، غسيل الكلى الكهربي ( Electro dialysis ED ) .

الشكل الاتي يوضح الضغط اللازم للتشغيل و حجم الفتحات لكل من عمليات الفصل السابق ذكرها.

المادة المصنعة للغشاء

تصنع عادةً الاغشية من بوليمرات عضوية او مواد سيراميكية ، تتميز البوليمرات بسعرها القليل في الانتاج ولكنها تواجه مشاكل في التباين في مقاس الفتحات بالغشاء كما انها تكون اكثر عرضة للانسداد والتلوث. اما الاغشية المصنوعة من السيراميك توفر جودة عالية وعمر طويل ولكنها لا تعتبر حل اقتصادي في معالجة الكميات الكبيرة. فهي تعتبر حل مقبول في التطبيقات الصناعية. ( scott and smith 1996 ). جميع مصنعي الاغشية MBRيستخدمون البوليمرات في الاغشية الميكرونيه MF. يوضح الجدول الاتي اكثر انواع البوليمرات شيوعا في صناعة الاغشية .

المادة الخام	الاختصار	المميزات	العيوب
بولي بروبلين polypropylene	Pp	–          تكلفة قليلة –          يسمح باختلافات عالية في الاس الهيدروجيني PH	–          لا يحتمل الكلور –          تكلفة تنظيفه بالكيماويات عالية
Polyvinylidene fluoride	PVDF	–          يتحمل الكلور –          سهل التنظيف بالكيماويات	–          لا يستطيع تحمل ماء له اس هيدروجيني اكثر من 10 ( PH>10)
Polyether sulphone&polysulphone	PES/PS	–          يتحمل الكلور –          سعره مناسب	–          مواد هشة تتطلب الدعم ، او التدفق من الداخل الي الخارج
Polyacrylonitrile	PAN	–          سعره قليل ، يستخدم عادة فالمرشحات الفوق ميكروية UF	–          اقل احتمالا للمواد الكيميائية من PVDF
Cellulose acetate	CA	–          سعره قليل	–          لا يسمح باختلافات عالية في الاس الهيدروجيني –          نشط بيولوجيا

يمكن تصنيف عمليات الترشيح بحجم المواد المنفصلة أو طريقة فصلها أو القوة المسؤولة عن الفصل .

تستخدم عدة مصطلحات في تقنية الاغشية لمناقشة فاعلية الغشاء :  معدل انتقال المائع من خلال المرشح واللذي يرمز له باسم ( flux  )  بوحدة كجم \ م2 ساعة .

الضغط اللازم لعبور الغشاء ( trans-membrane pressure TMP  ).

السائل الذي يعبر من المرشحات يسمي permeate

اما السائل الذي يحجز على الغشاء يسمي retentate . ( تكوبانجلوس و آل. 2003 )

اشكال المرشحات

هناك ثلاث أشكال رئيسية للاغشية الحيوية :

Multitubes

Hollow fiber

Flat sheet

المعالجة باستخدام معالج الاغشية الحيوية

تتلخص كيفية معالجة المياه عن طريق الاغشية الحيوية في الرسم التالي :

تبدأ المعالجة بالمياه الخام ويتم اضافة الاحماض ( حمض الهيدروليك ) لجعل المياه ذات وسط حمضي لتجنب ترسب كربونات الكالسيوم علي الاغشية وتحويله لثاتي اكسيد الكربون الذي يستطيع بسهولة النفاذ من الاغشية وقد توضع بعض الاضافات مثل ” هكساميتا فوسفات ” لتأخير ترسيب كبريتات الكالسيوم . كما تمر المعالجة بفلترة أولية لمنع وصول المواد الغروية للاغشية ، ويمكن ايضا عمل بعض المعالجات الاولية في حالة وجود اكاسيد المعادن . ثم يتم دخول الماء الي الاغشية في حالة استخدام الاغشية المنفصلة او قد تكون موجودة منذ البداية في وعاء التهوية . بعد ذلك يمكن عمل معالجة اخري وهي عبارة عن فصل غاز ثاني اكسيد الكربون و تقليل حموضية الماء حتي لا تسبب تآكل في المواسير و يمكن ايضا استخلاص الغازات البيولوجية و استخدامها كوقود حيوي في انتاج الطاقة ؛ محاولة في تقليل تكلفة تشغيل المعالجة بالاغشية .

مميزات و عيوب استخدام معالجة الاغشية الحيوية

من أهم مميزات تقنية الاغشية الحيوية هي صغر حجم المحطة مقارنة بالطرق التقليدية، كما لا توجد مشاكل أحواض الترسيب كما في المعالجة باستخدام الحمأة المنشطة او غيرها . وفي بعض الاحيان لا يحتاج لتطهير بعد المعالجة حيث تمنع هذه الاغشية مرور البكتريا و الفيروسات و مسببات الأمراض الاخري.

أما عن أهم العيوب التي تواجه انتشار تلك التقنية فهي ارتفاع رأس المال وقصر عمر المرشحات وايضا ارتفاع تكلفة التشغيل بالاضافة الي الحاجة الي متخصصين ذو كفائة عالية لتشغيل المحطة, ويعتبر اخطر تلك العيوب هو انسداد الاغشية.

خلاصة

تطورعلوم وتكنولوجيا الاغشية شهدت تاريخا طويلا في الدراسات المختبرية قبل إستخدامها في التطبيقات الصناعية. ولكن اليوم، تحظى بقبول واسع باعتبارها من أفضل التكنولوجيا المتاحة لمعالجة المياه وخاصة مياه الصرف الصحي . تناول هذا الموضوع عرض تاريخي لمراحل تطور تقنية الاغشية منذ عام 1748 وحتي الآن . تناول ايضا انواع المرشحات و اشكالها المختلفة المستخدمة وطريقة المعالجة باستخدام الاغشية، كما تناول عرض سريع عن اهم مميزات وعيوب تلك التقنية.

المراجع

1.Handbook of Environmental Engineering, Volume 13: Membrane and Desalination TechnologiesEdited by: L.K. Wang et al., DOI: 10.1007/978-1-59745-278-6_1#Springer ScienceþBusiness Media, LLC 2011

2. Baker RW (2004) Overview of membrane science and technology. In: Membrane technologyand applications, 2nd edn., Wiley, England, pp 1–14

3. Mulder M (1996) Basic principles of membrane technology, Kluwer, Netherlands

4. Brennan MB (2001) Research accelerates on advanced water-treatment technologies as their usein purification grows. SciTechnol 79(15):32–38

5. Strathmann H (2001) Membrane separation processes: current relevance and future opportunities. AIChE J 47(5):1077–1087

6. Ferry JD (1936) Ultrafilter membranes and ultrafiltration. Chem Rev 18(3):373–455

7.MWH (2005)  Water Treatment: Principles and Design,  John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, pp. 1445, 1472, 1564.

8. Taylor, J. S. and M. Wiesner (1999) Membranes, in R. D. Letterman (ed.)  Water Quality and Treatment,  5th ed., 12.American Water Works Association, McGraw-Hill, New York, pp. 11.1–11.71.

9. U.S. EPA (2005) Membrane Guidance Manual, U.S. Environmental Protection Agency, Washington, D.C., pp. 7-7–7-8.

10.AWWA (1999)  Reverse Osmosis and Nanofiltration,  American Water Works Association Manual M46, Denver, Colorado.

 11.Bergman, R. A. (2005) “Membrane Processes,” in E. E Baruth (ed.),  Water Treatment Plant Design,  McGraw-Hill, New York, pp. 13.1–13.49.

12.Davis, M. L. and D. A. Cornwell (2008) Introduction to Environmental Engineering, McGraw-Hill, New York, p. 876