Application of Particle Swarm Optimisation to achieve simultaneous nitrification and denitrification removal in the aerobic biological treatment process

تخيل محطة معالجة مياه الصرف الصحي في مدينة ما كأنها مطبخ كبير ومزدحم، حيث تكون المياه المتسخة هي المكون الرئيسي. الهدف هو "طهي" هذا "الحساء" حتى يصبح نظيفاً بما يكفي لسكبه في النهر دون إيذاء أي شخص. أحد أهم الطهاة في هذا المطبخ هو فريق من البكتيريا المتناهية الصغر وغير المرئية. لديهم وظيفة محددة: وهي التغذي على الأمونيا (وهي مادة كيميائية ضارة ناتجة عن الفضلات البشرية) وتحويلها إلى شيء آخر. لكن هنا تكمن الحبكة؛ فعندما تنتهي هذه البكتيريا من عملها، تترك وراءها مكوناً جديداً يسمى النترات. وبينما تعتبر الأمونيا سيئة، فإن وجود الكثير من النترات في النهر يعد خطيراً أيضاً على الناس والحيوانات. تقليدياً، إذا أنتجت المحطة كمية كبيرة من النترات، كان عليها بناء "مطبخ ثانٍ" كامل لتنظيفها، وهو أمر مكلف ومعقد. وقد حاول العلماء معرفة ما إذا كان بإمكانهم جعل البكتيريا تقوم بالوظيفتين معاً — أي أكل الأمونيا وتنظيف النترات — في نفس الوقت وفي نفس الخزان، تماماً مثل طاهٍ ماهر يمكنه تقطيع الخضروات وتقليب الحساء في آن واحد دون أن يسقط الملعقة.

هذا هو بالضبط اللغز الذي عالجه الباحثان م. مولويا (M. Muloiwa) وسي. إم. زفينواندا (CM Zvinowanda) في دراستهما. لقد أرادا معرفة ما إذا كان بإمكانهما استخدام خدعة حاسوبية ذكية تسمى "تحسين سرب الجسيمات" (Particle Swarm Optimisation - PSO) لإيجاد الوصفة المثالية للبكتيريا. فكر في الـ (PSO) كأنه سرب من الطيور يبحث عن أفضل شجيرة توت؛ حيث يطير كل طائر (أو جسيم) في مكان ما، مجرباً تركيبات مختلفة من درجة الحرارة، وتدفق الهواء، والوقت. إذا وجد طائر واحد مكاناً لذيذاً، تطير بقية الطيور نحوه، لكنها تحتفظ أيضاً بأفكارها الخاصة. وفي النهاية، يستقر السرب بأكمله عند أفضل نقطة ممكنة. استخدم الباحثان هذا السرب الرقمي لاختبار آلاف الإعدادات المختلفة في المختبر لمعرفة ما إذا كان بإمكانهما جعل البكتيريا تزيل النترات بينما لا تزال مشغولة بإزالة الأمونيا.

قام الفريق بإعداد تجربة مخبرية باستخدام مياه صرف صحي حقيقية من محطة "داسبورت" (Daspoort) في جنوب أفريقيا. وقاما بإنشاء "غرفة تهوية" صغيرة (خزان يتم ضخ الهواء فيه لمساعدة البكتيريا على التنفس) وشغلاها لمدة 54 يوماً. وقاما بجمع بيانات حول سبعة مكونات مختلفة: مدة بقاء الماء في الخزان، كمية الهواء المنفوخ، درجة الحرارة، كمية الغذاء (COD)، كمية الأمونيا، كمية البكتيريا (الكتلة الحيوية)، ومستوى الأكسجين. ومن أجل فهم كل هذه البيانات الفوضوية، بنيا "دماغاً رقمياً" باستخدام "المدرك متعدد الطبقات" (Multilayer Perceptron - MLP)، وهو نوع من الشبكات العصبية الاصطناعية. يمكنك التفكير في هذا كطالب ذكي جداً نظر إلى 324 نقطة بيانات مختلفة وتعلم الأنماط السرية لكيفية سلوك البكتيريا.

بمجرد أن فهم الدماغ الرقمي القواعد، تركا "سرب الطيور" (خوارزمية PSO) يقوم بعمله. كان الهدف بسيطاً: إيجاد الإعدادات المحددة التي ستؤدي إلى أقل كمية ممكنة من النترات المتبقية. كانت المحاكاة الحاسوبية ناجحة للغاية؛ فقد وجدت "القيم المثلى العالمية"، أو الوصفة المثالية، التي نتج عنها تركيز نترات قدره 0.5744 ملجم/لتر فقط. وهذا رقم منخفض جداً، ويقع ضمن الحدود الآمنة التي وضعتها سلطات المياه.

ولتحقيق هذا الرقم السحري، اقترح الكمبيوتر مجموعة محددة جداً من الظروف:

• فترة التهوية: يجب أن يبقى الماء في الخزان لمدة 1.514 ساعة تقريباً (حوالي ساعة و31 دقيقة).
• معدل تدفق الهواء: يجب أن تضخ مضخة الهواء 2.6911 لتر/دقيقة من الهواء في الماء.
• درجة الحرارة: يجب الحفاظ على دفء الماء عند 30.5270 درجة مئوية.
• الأكسجين المذاب (DO): يجب أن يكون هناك 5.5768 ملجم/لتر من الأكسجين في الماء.

تحت هذه الظروف المثالية، تمكن النظام أيضاً من تنظيف الملوثات الأخرى بفعالية، تاركاً خلفه 35.8187 ملجم/لتر فقط من الـ COD (النفايات العضوية) و 2.9126 ملجم/لتر من الأمونيا.

كما أجرى الباحثون "تحليلاً للحساسية"، وهو ما يشبه سؤال: "ماذا يحدث إذا غيرنا شيئاً واحداً فقط؟". واكتشفوا أن عاملين هما المتحكمان الحقيقيان في مستويات النترات. كانت درجة الحرارة هي المحرك الأكبر، حيث مسؤولة عن 54.2% من التغييرات، تلتها فترة التهوية بنسبة 22.5%. وهذا يعني أنه إذا كنت تريد التحكم في كمية النترات المتبقية، فأنت تحتاج بشكل أساسي لمراقبة ميزان الحرارة والساعة. ومن المثير للاهتمام أن الدراسة وجدت أن الطرق الأخرى التي جربها الناس، مثل استخدام الكهرباء أو تصميمات المفاعلات الجديدة، غالباً ما تكون مكلفة للغاية أو تتطلب بناء محطات جديدة بالكامل. وتشير هذه الدراسة إلى أنه بدلاً من هدم المحطات القديمة وبناء محطات جديدة، يمكننا فقط تعديل الإعدادات في المحطات الموجودة لدينا بالفعل.

في النهاية، تشير الورقة البحثية إلى أنه باستخدام التحسين الحاسوبي الذكي، من الممكن بالفعل جعل البكتيريا تقوم بعمليتي النترتة وإزالة النترات في وقت واحد. وتظهر النتائج أنه مع درجة الحرارة والتوقيت المناسبين، يمكن للبكتيريا تنظيف الأمونيا والنترات في آن واحد، مما قد يغني محطات معالجة المياه من الحاجة إلى معدات إضافية باهظة الثمن. الباحثون واثقون من هذه النتائج لأن نموذجهم الحاسوبي طابق البيانات الواقعية بدقة عالية جداً، لكنهم يقدمون ذلك كعملية تحسين ناجحة للعمليات القائمة وليس كحل سحري لكل المواقف.