Algal biochar as a sorbent for the treatment of non-production dairy wastewater

تُعد المياه شريان الحياة للصناعة، ومع ذلك، فإن العمليات ذاتها التي تعتمد عليها غالبًا ما تترك وراءها بقايا سامة يصعب إدارتها. في قطاع الألبان، حيث يتم تحويل الحليب والقشدة إلى منتجات لا حصر لها، تُستخدم كميات هائلة من المياه لتنظيف المعدات والحفاظ على النظافة الصحية. هذه المياه لا تختفي ببساطة؛ بل تعود إلى البيئة في شكل مياه عادمة، حاملة معها خليطًا معقدًا من المواد العضوية، والدهون، والبروتينات، والمواد الكيميائية القاسية المستخدمة لتنظيف الآلات. وعندما تكون هذه المياه حمضية ومحملة بالأملاح الذائبة والكربون العضوي، فإنها تشكل تهديدًا كبيرًا للأنظمة البيئية المائية، مما قد يؤدي إلى استنزاف مستويات الأكسجين وتآكل البنية التحتية. وغالبًا ما تعاني الطرق التقليدية لتنظيف هذه المياه من صعوبة في إزالة هذه الملوثات الذائبة المحددة بكفاءة، مما دفع العلماء للبحث عن حلول جديدة أكثر استدامة يمكنها تحويل النفايات إلى مورد.

يتضمن أحد مسارات البحث هذا مفهوم الاقتصاد الدائري، حيث يتم تحويل المواد التي كان من المفترض التخلص منها إلى أدوات لحماية البيئة. وفي هذا السيايا، وجه الباحثون اهتمامهم إلى الطحالب، وتحديدًا نوع يُعرف باسم "كلوريلا" (Chlorella)، والتي تنمو بسرعة وهي غنية بالمغذيات. ومن خلال تسخين هذه الكتلة الحيوية الطحلبية في بيئة خاضعة للسيطرة وخالية من الأكسجين — وهي عملية تسمى الانحلال الحراري — يستطيع العلماء تحويلها إلى مادة سوداء مسامية تُعرف باسم "الفحم الحيوي" (biochar). تعمل هذه المادة مثل الإسفنجة، ولكن بدلًا من امتصاص الماء، فهي تحجز الملوثات من النفايات السائلة. سطح الفحم الحيوي مغطى بثقوب صغيرة ومجموعات كيميائية يمكنها الإمساك بالجزيئات غير المرغوب فيها، وسحبها من الماء وترك الماء نظيفًا. وكان السؤال الذي دفع العمل الأخير هو ما إذا كان الفحم الحيوي المصنوع من الطحالب يمكن أن يعمل كمرشح فعال وصديق للبيئة لمياه الصرف الحمضية المحددة الناتجة عن مصانع الألبان.

شرع باحث في اختبار هذه الفكرة من خلال إنشاء سلسلة من عينات الفحم الحيوي من طحالب "كلوريلا" وإخضاعها لدرجات حرارة تسخين مختلفة. فقد أنتج عينات عند درجات حرارة تتراوح من 400 درجة مئوية وصولًا إلى 900 درجة مئوية، مراقبًا بعناية كيف يغير الحرارة البنية والتركيب الكيميائي للمادة. وباستخدام مجاهر قوية، فحص البنية الفيزيائية للطحالب قبل وبعد التسخين. بدت الطحالب الخام كخلايا ملساء ومتراصة، ولكن مع ارتفاع درجة الحرارة، تحولت المادة. تسببت الحرارة في تفكك الخلايا، تاركة وراءها بنية صلبة تشبه الإسفنج ومليئة بالثقوب بمختلف الأحجام. كما قام الباحث بتحليل العناصر الكيميائية على أسطح هذه المواد، بحثًا عن الكربون والأكسجين والنيتروجين، وهي عناصر أساسية لكيفية ارتباط المادة بالملوثات. ووجد أن توازن هذه العناصر يتغير مع درجة الحرارة، مع بروز عينة محددة كأكثر العينات غنىً كيميائيًا.

جاءت النتائج الأكثر واعدة من الفحم الحيوي المنتج عند درجة حرارة 600 درجة مئوية. يبدو أن هذه الدرجة المحددة خلقت "نقطة مثالية" حيث طورت المادة بنية عالية المسامية مع الاحتفاظ بتركيز عالٍ من الأكسجين والنيتروجين على سطحها. تعمل هذه العناصر السطحية مثل خطافات صغيرة يمكنها التقاط الملوثات في الماء والتمسك بها. وعندما اختبر الباحث هذا الفحم الحيوي المنتج عند 600 درجة مئوية مقابل مياه صرف حمضية فعلية من مصنع ألبان محلي، كانت النتائج مذهلة. ففي اختبار تم فيه تمرير مياه الصرف عبر عمود محشو بالفحم الحيوي، أزالت المادة ما يقرب من 85 بالمائة من أملاح الكلوريد وحوالي 67 بالمائة من أملاح الكبريتات. كما قللت من كمية الكربون العضوي في الماء بنسبة تقارب 30 بالمائة. وكانت هذه الأرقام أفضل بكثير من تلك التي تحققت باستخدام الفحم الحيوي المصنوع عند درجات حرارة أقل أو أعلى، مما يشير إلى أن عتبة الـ 600 درجة كانت حاسمة لإنشاء المرشح الأكثر فعالية.

ولفهم مدى سرعة هذه العملية، قام الباحث أيضًا بخلط الفحم الحيوي مباشرة مع مياه الصرف في بيئة مختبرية وراقب كيف تتغير مستويات التلوث بمرور الوقت. واكتشف أن عملية التنظيف تحدث بسرعة كبيرة. ففي غضون 15 إلى 30 دقيقة فقط، كان الفحم الحيوي قد احتجز بالفعل الغالبية العظمى من الملوثات التي كان قادرًا على حملها. ولم يؤدِ تمديد وقت التلامس إلى ساعة أو أكثر إلى تحسين النتائج بشكل ملحوظ، مما يشير إلى أن المادة تصل إلى نقطة التشبع بسرعة كبيرة. وتعد هذه السرعة سمة قيمة للتطبيقات الصناعية، حيث الوقت يساوي المال. ومع ذلك، كان الباحث حريصًا على ملاحظة أنه على الرغم من أداء الفحم الحيوي بشكل جيد في هذه التجارب المحكومة، إلا أنه ليس حلاً سحريًا يمكنه حل جميع مشكلات مياه الصرف بمفرده. وتوضح الدراسة صراحةً أن هذه المادة يجب النظر إليها كخطوة أولية أو تكميلية، فهي خط دفاع أول قوي يمكنه تقليل حمل الملوثات قبل أن تخضع المياه لمراحل معالجة أخرى أكثر تعقيدًا.

إن تداعيات هذا العمل تمتد إلى ما هو أبعد من مجرد تنظيف المياه؛ فهي تلمس الهدف الأوسع للاستدامة. فمن خلال استخدام الطحالب، التي يمكن زراعتها خصيصًا لهذا الغرض أو حصادها من الازدهار الطبيعي، لإنشاء وسيط ترشيح، تحول هذه العملية موردًا بيولوجيًا إلى أداة للنظافة الصناعية. وتؤكد الدراسة أن الفحم الحيوي المشتق من طحالب "كلوريلا" هو مادة قابلة للتطبيق لمعالجة مياه صرف الألبان الحمضية، مما يوفر وسيلة لإزالة الأملاح الضارة والمركبات العضوية بكفاءة. وبينما أُجري هذا البحث في مختبر ولا يثبت بعد كيفية أداء النظام على نطاق صناعي ضخم، فإن النتائج توفر أساسًا قويًا للتطوير المستقبلي. ويبرز الفحم الحيوي المنتج عند 600 درجة مئوية، بمزيجه الفريد من البنية المسامية والنشاط الكيميائي، كمرشح واعد للمساعدة في مساعدة صناعات الألبان على تلبية المعايير البيئية الصارمة مع التحرك نحو مستقبل أكثر دائرية وكفاءة في استخدام الموارد.