Comparative Study of Removal of Organic Pollutant from Waste Water by Using Advance Oxidation Techniques

تنتج مصانع معالجة الأغذية يومياً كميات هائلة من مياه الصرف الصحي، وهي عبارة عن خليط سائل غني بالمواد العضوية مثل الدهون والبروتينات والكربوهيدرات. وغالباً ما يكون هذا التدفق كثيفاً بالمواد الصلبة العالقة ويحمل حمولة عالية من الطلب الكيميائي والبيولوجي على الأكسجين، مما يعني أنه يستهلك الأكسجين بسرعة ويمكن أن يتسبب في اختناق الحياة المائية إذا تم تصريفه دون معالجة. وبينما توجد طرق تنظيف تقليدية، إلا أنها غالباً ما تواجه صعوبة في تفكيك المركبات العضوية المعقدة والمستعصية التي تقاوم التحلل الطبيعي. ولحل هذه المشكلة، يتجه العلماء إلى تقنيات الأكسدة المتقدمة، وهي فئة من المعالجات التي تعتمد على إنشاء أنواع شديدة التفاعل، وتحديداً جذور الهيدروكسيل، لمهاجمة وتفكيك هذه الملوثات حتى يتم تقليلها إلى غازات وماء غير ضارين. ومن بين هذه الطرق، برزت عمليات التحفيز الضوئي والأوزون الضوئي كأدوات واعدة، ومع ذلك، يحمل كل منها قيوده الخاصة: فأحدهما قد يعوقه عتامة المياه التي تحجب الضوء، بينما يتطلب الآخر طاقة كبيرة لتوليد الأوزون اللازم.

وضع باحثون في أكاديمية إم آي تي للهندسة (MIT Academy of Engineering) هدفهم لمقارنة هذين النهجين بشكل مباشر، باستخدام مياه صرف حقيقية جُمعت من صناعة بالقرب من ألاندي (د) بونا، الهند. ولم يكن هدفهم مجرد معرفة ما إذا كانت الطرق تعمل، بل تحديد أيهما يعمل بشكل أفضل في ظل ظروف محددة وقابلة للتعديل. لقد اختبروا المياه عبر قياس مقدار التلوث العضوي المتبقي بعد المعالجة، وتتبع التغيرات في الطلب الكيميائي والبيولوجي على الأكسجين. وقام الفريق بتغيير أربعة عوامل رئيسية بشكل منهجي: مدة المعالجة، وكمية مادة المحفز المضافة، وحموضة أو قلوية الماء، وسرعة تحريك الخليط. ومن خلال ضبط هذه الروافع، سعوا إلى إيجاد التركيبة الدقيقة التي من شأنها تعظيم تفكيك الملوثات مع تقليل النفايات والطاقة إلى أدنى حد.

وكشفت الدراسة أن الوقت عامل حاسم لكلا الطريقتين. فكلما زادت مدة المعالجة، تحسن إزالة الملوثات العضوية بشكل مطرد. حدث هذا لأن الماء كلما تعرض للمعالجة لفترة أطول، زادت الفرص المتاحة للجذور التفاعلية للاصطدام بجزيئات الملوثات وتدميرها. ومع ذلك، وجد الباحثون أن إضافة المزيد من مادة المحفز لا تؤدي دائماً إلى نتائج أفضل. فعندما زادوا كمية المحفز الصلب من جرام واحد إلى ثلاثة جرامات، ارتت كفاءة التنظيف مع توفر المزيد من المواقع النشطة لدفع التفاعل. ومع ذلك، أدى دفع الجرعة إلى أربعة جرامات إلى انخفاض الأداء؛ ففي هذا التركيز العالي، أصبحت المياه عكرة للغاية، مما منع الضوء من النفاذ بعمق كافٍ لتنشيط المحفز، وهو ما أدى فعلياً إلى "تعمية" العملية.

كما لعبت حموضة الماء دوراً حاسماً. فقد أظهرت التجارب أن الرقم الهيدروجيني المتعادل (pH 6) يوفر البيئة الأكثر فعالية لتفكيك الملوثات. ففي الظروف الأكثر حمضية أو قاعدية، تتغير طبيعة سطح المحفز أو طبيعة الملوثات بطرق تسبب تنافر التفاعلات الكيميائية الضرورية، مما يبطئ عملية التنظيف. وبالمثل، كانت سرعة التحريك مهمة بشكل كبير؛ حيث أدى تحريك الخليط بسرعة 700 دورة في الدقيقة إلى تحسين العملية من خلال ضمان توزيع المحفز بشكل متساوٍ وذوبان غاز الأوزون بكفاءة في الماء. أما التحريك بسرعة أكبر من هذا الحد فلم يقدم أي فائدة إضافية، بل قلل من الكفاءة، ويرجح أن يكون ذلك بسبب تعطيل التوازن الدقيق للتفاعل.

وعند مقارنة التقنيتين وجهاً لوجه، تفوقت طريقة الأوزون الضوئي باستمرار على التحفيز الضوئي. فقد ولد مزيج الأوزون والضوء دفعة أقوى من جذور الهيدروكسيل، مما أدى إلى معدل أعلى في إزالة الملوثات. ومن خلال منهجية الدراسة الشاملة لمقارنة تقنيات الأكسدة المتقدمة هذه، حقق الباحثون كفاءة بنسبة 90% باستخدام نهج مستدام. واستخدم الباحثون برامج إحصائية لنمذجة هذه النتائج، وإنشاء معادلات تتنبأ بدقة بنتيجة تجاربهم بناءً على المتغيرات التي اختبروها. وقد أكد النموذج أن الأوزون الضوئي هو الطريقة الفائقة لهذا النوع المحدد من النفايات الصناعية، مما يوفر حلاً أكثر قوة لتفكيك المركبات العضوية الصعبة الموجودة في مياه صرف معالجة الأغذية. ويسلط هذا العمل الضوء على أنه بينما تعد الأكسدة المتقدمة أداة قوية، فإن نجاحها يعتمد كلياً على ضبط المعايير التشغيلية لتناسب الخصائص الفريدة للمياه التي يتم معالجتها.