【رؤى رئيسية】تحليل الفروق بين الكائنات الدقيقة ذاتية التغذية وغير ذاتية التغذية في أنظمة الحمأة المنشطة

في نظام الحمأة المنشطة لمعالجة مياه الصرف الصحي، تعمل الكائنات الدقيقة كـ "منفذين" أساسيين لتنقية الملوثات. بناءً على طرق الحصول على الطاقة واستخدام مصادر الكربون، يمكن تصنيف هذه الكائنات الدقيقة على نطاق واسع إلى فئتين: ذاتية التغذية وغير ذاتية التغذية. يظهر هذان النوعان اختلافات جوهرية في الآليات الأيضية والأدوار الوظيفية والقدرة على التكيف البيئي، مما يشكل بشكل جماعي الهيكل البيئي للحمأة المنشطة. ومع ذلك، تختلف مسارات عملهم وقيمهم الأساسية بشكل كبير. يعد الفهم العميق لهذه الاختلافات أمرًا بالغ الأهمية لتحسين عمليات معالجة مياه الصرف الصحي وتعزيز كفاءة التنقية.

1. الاختلافات الأساسية: التمييز الأساسي بين مصادر الطاقة واستخدام مصادر الكربون

يعد مصدر الطاقة ومصدر الكربون مؤشرين أساسيين يميزان الكائنات الدقيقة ذاتية التغذية وغير ذاتية التغذية. يحدد هذان العاملان الرئيسيان بشكل مباشر اتجاه الأيض والاعتماد على البقاء، بالإضافة إلى المنطق الأساسي لأدوارهم المتميزة في نظام الحمأة المنشطة.

(1) الكائنات الدقيقة ذاتية التغذية: محولات المادة غير العضوية "ذاتية الاكتفاء"

السمة الأساسية للكائنات الدقيقة ذاتية التغذية هي قدرتها على تجميع المركبات العضوية بشكل مستقل من الكربون غير العضوي، باستخدام المواد غير العضوية كـ "وقود للطاقة" دون الاعتماد على المادة العضوية الخارجية، والعمل كـ "منتجين" في النظم البيئية.
من حيث الحصول على الطاقة، تحصل هذه الكائنات الدقيقة على الطاقة عن طريق أكسدة المواد غير العضوية. على سبيل المثال، تحصل البكتيريا المؤكسدة للنيتروجين على الطاقة عن طريق أكسدة نيتروجين الأمونيا (NH₄⁺→NO₂⁻→NO₃⁻)، بينما تقوم البكتيريا المؤكسدة للنتريت بأكسدة النتريت (NO₂⁻→NO₃⁻). من ناحية أخرى، تولد البكتيريا المؤكسدة للكبريت الطاقة عن طريق أكسدة الكبريتيدات (مثل H₂S→S→SO₄²⁻). فيما يتعلق باستخدام مصدر الكربون، فإنها تعتمد فقط على ثاني أكسيد الكربون (CO₂) أو الكربونات (مثل HCO₃⁻) كمصدر الكربون الوحيد لها، وتحول الكربون غير العضوي إلى كربون عضوي من خلال عملية التمثيل الضوئي أو التركيب الكيميائي لبناء خلاياها والقيام بالأنشطة الأيضية. تمكنهم هذه السمة "ذاتية الاكتفاء" من البقاء على قيد الحياة دون الاعتماد على الملوثات العضوية في مياه الصرف الصحي.

(2) الكائنات الدقيقة غير ذاتية التغذية: "معتمدة خارجيًا" على محللات المادة العضوية

الكائنات الدقيقة غير ذاتية التغذية هي النقيض التام للكائنات ذاتية التغذية. لا يمكنها استخدام المواد غير العضوية للحصول على الطاقة أو تجميع الكربون العضوي بشكل مستقل، وبدلاً من ذلك تعتمد على المادة العضوية الموجودة مسبقًا من البيئة الخارجية كمصدر "للطاقة" و "للكربون". وهذا يجعلها تعادل وظيفيًا "المستهلكين" و "المحللين" في النظام البيئي.
من حيث الحصول على الطاقة، تحصل هذه الكائنات الدقيقة على الطاقة عن طريق تحلل الملوثات العضوية في مياه الصرف الصحي (مثل الكربوهيدرات والبروتينات والدهون وما إلى ذلك، والتي يتم تحديدها بواسطة COD، أي الطلب على الأكسجين الكيميائي). على سبيل المثال، تقوم البكتيريا الهوائية غير ذاتية التغذية بتكسير الجلوكوز إلى CO₂ و H₂O مع إطلاق الطاقة لعملية التمثيل الغذائي الخاصة بها. فيما يتعلق باستخدام مصدر الكربون، فإنها تمتص الكربون العضوي مباشرة من مياه الصرف الصحي (مثل مكونات COD والجزيئات العضوية الصغيرة) دون الحاجة إلى التجميع الذاتي. تعتمد أنشطتها الأيضية بالكامل على تركيز وأنواع الملوثات العضوية في مياه الصرف الصحي.

ثانيًا. الأدوار الوظيفية: أدوار مختلفة في نظام تنقية الحمأة المنشطة
بناءً على الاختلافات في استخدام الطاقة ومصدر الكربون، تؤدي الكائنات الدقيقة ذاتية التغذية وغير ذاتية التغذية في أنظمة الحمأة المنشطة وظائف تنقية مختلفة بشكل واضح. يركز الأول على تحويل المواد غير العضوية، بينما يركز الأخير على تحلل المواد العضوية، ويعملان بشكل تآزري لضمان تنقية مياه الصرف الصحي بشكل فعال.
(1) الكائنات الدقيقة ذاتية التغذية: تركز على "إزالة النيتروجين والكبريت"، ومعالجة الملوثات غير العضوية
تلعب الكائنات الدقيقة ذاتية التغذية دورًا مركزيًا في الحمأة المنشطة من خلال تسهيل تحويل وإزالة المواد غير العضوية، مع كون النيتروزوموناس (بما في ذلك النيتروزوموناس والنيتروباكتر) هي الأكثر تمثيلاً. هذه البكتيريا هي اللاعبون الرئيسيون في عمليات إزالة النيتروجين من مياه الصرف الصحي. في ظل الظروف الهوائية، تقوم النيتروزوموناس أولاً بأكسدة نيتروجين الأمونيا (NH₄⁺) في مياه الصرف الصحي إلى نتريت (NO₂⁻)، والذي يتأكسد بعد ذلك إلى نترات (NO₃⁻) بواسطة النيتروباكتر. هذه العملية، المعروفة باسم "تفاعل النترجة"، هي الخطوة الأساسية في الإزالة البيولوجية للنيتروجين. بدون بكتيريا النترجة ذاتية التغذية، لا يمكن تحويل نيتروجين الأمونيا في مياه الصرف الصحي إلى نترات، والتي يمكن إزالتها لاحقًا من خلال إزالة النتروجين، مما يؤدي في النهاية إلى ارتفاع مستويات نيتروجين الأمونيا في النفايات.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن لعدد قليل من البكتيريا المؤكسدة للكبريت ذاتية التغذية أن تؤكسد الكبريتيدات في مياه الصرف الصحي، وتحويلها إلى كبريتات غير ضارة ومنع التثبيط السام للكبريتيدات على الكائنات الدقيقة، وبالتالي ضمان التشغيل المستقر لنظام الحمأة المنشطة. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن الكائنات الدقيقة ذاتية التغذية لديها معدل أيض بطيء للغاية (مع دورة جيل نموذجية تبلغ 10-30 ساعة) وحساسة للظروف البيئية (مثل درجة الحرارة والأكسجين المذاب ودرجة الحموضة). وبالتالي، فإن نسبتها في نظام الحمأة المنشطة منخفضة عادةً (حوالي 5٪ -10٪).
(2) الكائنات الدقيقة غير ذاتية التغذية: "تحلل COD" الأساسي، وبناء رقائق الحمأة
الكائنات الدقيقة غير ذاتية التغذية هي "القوة الرئيسية" للحمأة المنشطة، حيث تمثل أكثر من 90٪ من سكانها. تتركز وظائفها الأساسية في جانبين رئيسيين: تحلل المواد العضوية وتكوين رقائق الحمأة، والتي تحدد بشكل مباشر كفاءة إزالة COD في مياه الصرف الصحي وأداء ترسيب الحمأة المنشطة.
في تحلل المواد العضوية، تقوم البكتيريا الهوائية غير ذاتية التغذية بتكسير المركبات العضوية الجزيئية الكبيرة (مثل النشا والدهون والبروتينات) في مياه الصرف الصحي إلى جزيئات عضوية أصغر من خلال التنفس الهوائي. تتحلل هذه الجزيئات الأصغر إلى منتجات غير عضوية مثل CO₂ و H₂O، مما يقلل من قيمة COD لمياه الصرف الصحي. هذا هو الهدف الأساسي من معالجة مياه الصرف الصحي المنزلية والصناعية العضوية. على سبيل المثال، في محطات معالجة مياه الصرف الصحي الحضرية، يمكن للبكتيريا غير ذاتية التغذية أن تقلل من COD الوارد من 300-500 مجم/لتر إلى أقل من 50 مجم/لتر، بما يتماشى مع معايير التصريف.
في تكوين رقائق الحمأة، تفرز بعض الكائنات الدقيقة غير ذاتية التغذية (مثل الأكتينوميسيتات والفطريات) مواد لزجة مثل السكريات المتعددة والبروتينات، والتي تجمع الخلايا الميكروبية المتفرقة في رقائق مستقرة هيكليًا (أي رقائق الحمأة المنشطة). لا تحبس هذه الرقائق الملوثات وتعزز كفاءة التحلل فحسب، بل تستقر أيضًا بسرعة في أحواض الترسيب، مما يحقق فصل الحمأة عن الماء ويمنع فقدان الميكروبات مع النفايات. إذا كان نشاط البكتيريا غير ذاتية التغذية غير كافٍ أو كانت قدرتها على تكوين الرقائق ضعيفة، فقد يؤدي ذلك إلى مواد صلبة عالقة (SS) مفرطة في النفايات، وفي الحالات الشديدة، يتسبب في "انتفاخ الحمأة"، مما يؤدي إلى زعزعة استقرار النظام.

3、 القدرة على التكيف البيئي: متطلبات مختلفة لظروف العملية

تختلف الخصائص الأيضية للكائنات الدقيقة ذاتية التغذية وغير ذاتية التغذية، مما يؤدي إلى متطلبات مختلفة للظروف البيئية لنظام الحمأة المنشطة، مثل الأكسجين المذاب ودرجة الحرارة ونسبة المغذيات. يعد تحسين هذه الظروف هو المفتاح لضمان العمل التعاوني لنوعي الكائنات الدقيقة.

（1） الكائنات الدقيقة ذاتية التغذية: شديدة الحساسية للظروف البيئية

يتطلب النشاط الأيضي للكائنات الدقيقة ذاتية التغذية (خاصة البكتيريا المؤكسدة للنيتروجين) ظروفًا بيئية صارمة، وحتى التقلبات الصغيرة في المعلمات يمكن أن تؤثر على نشاطها:

-الأكسجين المذاب (DO): يلزم وجود أكسجين مذاب كافٍ لتفاعل النترجة، ويجب الحفاظ على DO عند 2 مجم/لتر. إذا كان DO أقل من 1 مجم/لتر، فسوف يتأثر نشاط البكتيريا المؤكسدة للنيتروجين بشكل كبير، وستنخفض كفاءة أكسدة نيتروجين الأمونيا بشكل حاد؛

-درجة الحرارة: درجة الحرارة المثلى هي 20-30 ℃. عندما تكون درجة الحرارة أقل من 10 ℃، سينخفض معدل الأيض للبكتيريا المؤكسدة للنيتروجين بأكثر من 50٪. في فصل الشتاء، غالبًا ما تواجه محطات معالجة مياه الصرف الصحي مشكلة عدم كفاية معدل إزالة نيتروجين الأمونيا؛

-قيمة PH: النطاق المناسب هو 7.5-8.5. إذا كانت درجة الحموضة أقل من 6.5 أو أعلى من 9.0، فسوف تتوقف البكتيريا المؤكسدة للنيتروجين عن عملية التمثيل الغذائي بسبب تثبيط نشاط الإنزيم؛

-نسبة المغذيات: لا تتطلب كمية كبيرة من الكربون العضوي، ولكنها حساسة للكربون العضوي - إذا كان COD في مياه الصرف الصحي مرتفعًا جدًا، فسوف تتنافس البكتيريا غير ذاتية التغذية مع البكتيريا ذاتية التغذية على الأكسجين المذاب والمساحة، مما يمنع نمو البكتيريا المؤكسدة للنيتروجين.

（2） الكائنات الدقيقة غير ذاتية التغذية: شديدة التحمل للظروف البيئية

بالمقارنة مع الكائنات الدقيقة ذاتية التغذية، تتمتع الكائنات الدقيقة غير ذاتية التغذية بقدرة أكبر على التكيف البيئي ونطاق تحمل أوسع لمعلمات العملية:

-الأكسجين المذاب (DO): تتطلب البكتيريا الهوائية غير ذاتية التغذية الحفاظ على DO عند 1-2 مجم/لتر لتلبية احتياجاتها الأيضية، بينما لا تزال بعض البكتيريا غير ذاتية التغذية الاختيارية (مثل البكتيريا المزيلة للنيتروجين) قادرة على تحلل المواد العضوية من خلال التنفس اللاهوائي في ظل الظروف اللاهوائية؛

-درجة الحرارة: درجة الحرارة المثلى هي 15-35 ℃، ولكنها لا تزال قادرة على الحفاظ على مستوى معين من النشاط ضمن نطاق 5-40 ℃، وقدرتها على تحمل درجات الحرارة المنخفضة أفضل بكثير من قدرة البكتيريا ذاتية التغذية؛

-قيمة PH: النطاق المناسب هو 6.0-9.0، ولا تزال بعض البكتيريا غير ذاتية التغذية (مثل الفطريات) قادرة على البقاء على قيد الحياة في ظل الظروف الحمضية عند درجة حموضة 5.0 أو الظروف القلوية عند درجة حموضة 10.0؛

-نسبة المغذيات: يلزم وجود كربون عضوي كافٍ وحساس لنسبة الكربون إلى النيتروجين (C/N) - عادةً ما يتطلب نسبة C/N تبلغ 5-10:1. إذا كان مصدر الكربون غير كافٍ، فسوف تشهد البكتيريا غير ذاتية التغذية انخفاضًا في النشاط ومعدل إزالة COD بسبب "الجوع".

4、 التعاون والمنافسة: العلاقات الميكروبية في أنظمة الحمأة المنشطة

في نظام الحمأة المنشطة، لا توجد الكائنات الدقيقة ذاتية التغذية وغير ذاتية التغذية بشكل مستقل، ولكنها تتمتع بعلاقة مزدوجة من "التآزر" و "المنافسة"، ويؤثر التوازن بين الاثنين بشكل مباشر على فعالية معالجة مياه الصرف الصحي.

（1） علاقة تعاونية: وظائف تكميلية، وإكمال التنقية بشكل مشترك

يتجلى التآزر بين الاثنين بشكل أساسي في "عملية إزالة النتروجين": تقوم البكتيريا المؤكسدة للنيتروجين ذاتية التغذية بتحويل نيتروجين الأمونيا إلى نترات (عملية النترجة)، بينما تستخدم البكتيريا المزيلة للنيتروجين غير ذاتية التغذية، في ظل الظروف اللاهوائية، الكربون العضوي في مياه الصرف الصحي كمتبرع بالإلكترون لتقليل النترات إلى نيتروجين (N ₂) وإطلاقه في الهواء (عملية إزالة النتروجين) - بدون بكتيريا ذاتية التغذية، لا تملك البكتيريا المزيلة للنيتروجين "ركيزة" لاستخدامها؛ إذا كانت البكتيريا غير ذاتية التغذية مفقودة، فلا يمكن إزالة النترات التي تنتجها البكتيريا المؤكسدة للنيتروجين، وفي النهاية لا يمكن للنيتروجين الكلي أن يفي بالمعيار. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للبكتيريا غير ذاتية التغذية أن تقلل الحمل العضوي في مياه الصرف الصحي بعد تحلل COD، مما يخلق بيئة معيشية مناسبة للبكتيريا ذاتية التغذية الحساسة للكربون العضوي وتعزيز نشاطها بشكل غير مباشر.

（2） علاقة تنافسية: منافسة الموارد، تؤثر على توازن النظام

تركز المنافسة بين الاثنين بشكل أساسي على "الأكسجين المذاب" و "حيز المعيشة": عندما يكون تركيز COD في مياه الصرف الصحي مرتفعًا جدًا، تتكاثر البكتيريا غير ذاتية التغذية بسرعة بسبب "الغذاء الكافي"، وتستهلك كمية كبيرة من الأكسجين المذاب، وسيتم تثبيط نشاط البكتيريا ذاتية التغذية بسبب "نقص الأكسجين"، مما يؤدي إلى ظاهرة "تأثير إزالة COD الجيد ولكن تأثير إزالة نيتروجين الأمونيا الضعيف"؛ على العكس من ذلك، إذا كان تركيز COD في مياه الصرف الصحي منخفضًا جدًا (مثل مياه الصرف الصناعي)، فإن نشاط البكتيريا غير ذاتية التغذية غير كافٍ، ولا يمكن تكوين رقائق حمأة مستقرة. ستفقد البكتيريا ذاتية التغذية أيضًا بسبب "نقص الناقل"، مما يؤثر على كفاءة النترجة. لذلك، في العمليات العملية، من الضروري تحقيق التوازن بين العلاقة التنافسية بين الاثنين عن طريق تعديل معلمات مثل حمل المياه الداخلة ونسبة التدفق العكسي. على سبيل المثال، عند معالجة مياه الصرف الصحي ذات COD المرتفع، يمكن استخدام "المياه الداخلة المجزأة" لتقليل الحمل العضوي المحلي وضمان الطلب على الأكسجين المذاب للبكتيريا المؤكسدة للنيتروجين.

5、 الملخص: الاختلافات الأساسية والأهمية التكنولوجية بين نوعين من الكائنات الدقيقة

الاختلاف بين الكائنات الدقيقة ذاتية التغذية وغير ذاتية التغذية في الحمأة المنشطة هو في الأساس الاختلاف في "مصادر الطاقة وطرق استخدام مصدر الكربون"، والذي يمتد إلى سلسلة من الاختلافات في التموضع الوظيفي والقدرة على التكيف البيئي والعلاقات الميكروبية بين الاثنين (كما هو موضح في الجدول 1).

إن فهم هذه الاختلافات له أهمية توجيهية مهمة لتحسين عمليات معالجة مياه الصرف الصحي: على سبيل المثال، عند معالجة مياه الصرف الصحي ذات نيتروجين الأمونيا المرتفع و COD المنخفض (مثل مياه الصرف الصحي من تربية الأحياء المائية)، من الضروري التركيز على ضمان ظروف بقاء البكتيريا ذاتية التغذية (زيادة DO، والتحكم في درجة الحرارة)، وإضافة مصادر الكربون بشكل مناسب لتلبية احتياجات إزالة النتروجين للبكتيريا غير ذاتية التغذية؛ عند معالجة مياه الصرف الصحي ذات COD المرتفع ونيتروجين الأمونيا المنخفض (مثل مياه الصرف الصحي من الأغذية)، من الضروري التحكم في الحمل العضوي، وتجنب النمو المفرط للبكتيريا غير ذاتية التغذية وتثبيط البكتيريا ذاتية التغذية، وضمان أن COD والأمونيا النيتروجين تفيان بالمعايير في وقت واحد. باختصار، التشغيل المستقر لنظام الحمأة المنشطة هو في الأساس "توازن ديناميكي" بين الكائنات الدقيقة ذاتية التغذية وغير ذاتية التغذية. فقط من خلال المطابقة الدقيقة لاحتياجات كليهما يمكن تحقيق أقصى كفاءة لمعالجة مياه الصرف الصحي.