يعمل باسكال سايكالي الأستاذ المساعد بقسم علوم وهندسة البيئة بجامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية وفريقه البحثي على مواجهة واحدة من أهم القضايا في العالم وهي: توفير المياه العذبة النقية لسكان العالم المتزايد.

ويوضح بروفيسور سايكالي " لتلبية الطلب العالمي على المياه، يجب علينا أن نستكشف استخدام مصادر المياه غير التقليدية من خلال معالجة وإعادة استخدام مياه الصرف الصحي المنزلي. ويقوم فريقي البحثي بالجامعة مجموعتي بإجراء البحوث الأساسية والموجهة نحو اكتشاف وتطوير التقنيات الحيوية المستدامة لمعالجة مياه الصرف الصحي على أن تكون تقنيات فعالة وقابلة للتطوير وقادرة على توفير المياه الصالحة باستخدام الحد الأدنى من الطاقة والموارد والإنبعاثات."

ويشير بروفيسور سايكالي الى أن مياه الصرف الصحي المنزلي تحتوي على ما يقرب من 2 كيلو واط ساعة من الطاقة في شكل ركائز عضوية، ويقول أيضاً :( نحن لدينا فرصة لتعويض استهلاك الطاقة المستخدمة في معالجة مياه الصرف الصحي المنزلي من خلال استرداد هذه الطاقة الكامنة، وفيما بعد المضي قدما نحو معالجة مياه الصرف الصحي محايدة أو موجبة الطاقة )

تطوير تقنية حيوية جديدة لمعالجة مياه الصرف الصحي

قام د. سايكالي وفريقه البحثي من خلال بحثين تم طرحهما في النشرة الدورية للعلوم البيئية والتكنولوجيا، (DOIs: 10.1021/es4030113; 10.1021/es504392n) بتوضيح الخطوط العريضة لتطوير التقنية الحيوية المبتكرة لمعالجة وإعادة استخدام مياه الصرف الصحي القائمة على التقنيات الكهروكيميائية الميكروبية (METs)، التي تتضمن خلايا الوقود الميكروبية(MFCs) وخلايا التحليل الكهربائي الميكروبية (MECs).

وتستخدم هذه التقنيات في معالجة مياة الصرف الصحي وإستعادة الطاقة في الوقت ذاته. حيث تقوم البكتيريا في وحدات التقنيات الكهروكيميائية الميكروبية ((METs بتحويل إلكترونات المواد العضوية القابلة للذوبان الموجودة في مياه الصرف الصحي المنزلي إلى كهرباء مباشرة ( مثل حالات خلايا الوقود الميكروبية) أو الغازات الحيوية (مثل حالات خلايا التحليل الكهربائي الميكروبية).

ويشير بروفيسور سايكالي الى أن التقنيات الكهروكيميائية الميكروبية ( (METs غير كافية لإنتاج مياه ذات جودة عالية تسمح بإعادة استخدامها. ولتحقيق مستوى أعلى من جودة المياه، جمع الباحثون بين التقنيات الكهروكيميائية الميكروبية ( (METs وبين تقنية الترشيح الغشائي باستخدام رقائق مسامية مسطحة موصلة للكهرباء. حيث قاموا بإنتاج مفاعل حيوي من هجين خلايا الوقود الميكروبية الذي يعالج مياه الصرف الصحي ويقوم بالترشيح الفائق في الوقت ذاته، لإنتاج مياه معالجة صالحة للاستخدام مباشرة.

تمت هذه الجهود بالتعاون مع د. سوزانا نوني أستاذ علوم وهندسة البيئة من خلال مركز تحلية وإعادة استخدام المياه (WDRC)، حيث قامت د. نوني وفريقها البحثي بتقديم خبراتهم المتكاملة في تجميع الأغشية الموصلة المصممة خصيصاً لتطبيقات الفريق البحثي لدكتور سايكالي.

ويوضح د. سايكالي قائلا ( إن المنظومة المبتكرة تشمل غشاء ترشيح فائق موصل للكهرباء يعمل كمهبط لتوليد الكهرباء ونقل الأكسجين السلبي إلى القطب السالب، كما يعمل أيضا كغشاء لترشيح مياه الصرف الصحي.)

ويقول د. كريشنا قاطوري الباحث بالجامعة ومؤلف الورقتين البحثيتين ( إن المفاعل الحيوي المنتج من هجين خلايا الوقود الميكروبية فريد من نوعه لتكامله ولتكونه من وحدة واحدة. وبخلاف بعض أنظمة خلايا الوقود الميكروبية، المفاعل الحيوي المنتج من هجين خلايا الوقود الميكروبية لا يتطلب تهوية مياه الصرف الصحي ولكنه يقوم بفصل النيتروجين والمواد العضوية في وقت واحد. وهذا أمر مهم لأن مياه الصرف الصحي تستهلك عادة أكثر من 50 في المئة من الطاقة المطلوبة لتشغيل الأنظمة البيولوجية التقليدية لمعالجة مياه الصرف الصحي )

تكريم دولي للفريق البحثي

وقد حصل الفريق البحثي على التكريم الدولي عن جهودهم المبتكرة بفوزهم بجائزة الجمعية الدولية للتقنيات الكهروكيميائية الميكروبية لعام 2014م، وجائزة الإبداع لأفضل تقدم تكنولوجي لعام 2013م.

تعاون د. سايكالي وفريقه البحثي أيضا مع تشى بينغ لاي-الأستاذ المشارك للهندسة الكيميائية والبيولوجية- وبعض الباحثين العاملين بمركز الأغشية والمواد المسامية المتقدمة (AMPM) بالجامعة لزيادة كثافة تعبئة القطب السالب، ووفقا لقول د. سايكالي ( إنه العامل الحاسم في تصميم التقنيات الكهروكيميائية الميكروبية للتطبيقات العملية الخاصة بمعالجة مياه الصرف الصحي)

ويوضح د. سايكالي قائلاً: ( إن أحد مساوئ استخدام الرقائق القطبية المسامية المسطحة الموصلة للكهرباء هو انخفاض مساحتها المحددة، أو انخفاض مساحة القطب السالب في المساحة السطحية للمفاعل ). وللتغلب على ذلك، قام الفريقان البحثيان بتصنيع أغشية مسامية مجوفة من الألياف قائمة على النيكل، لتعمل كقطب سلبي لتفاعل الهيدروجين (HER) وكغشاء لترشيح النفايات السائلة أيضا.

ويقول د. سايكالي " بالإضافة الى ذلك، تمكن الباحثون من الحد من مشكلة تلوث الأغشية، وهي أحد العيوب الرئيسية للأغشية. ويعزو الباحثون إنخفاض نسبة تلوث الأغشية في نظامهم المبتكر الى تكون فقاعات الهيدروجين على سطح القطب الكهربائي والتي توفر آلية التنظيف الذاتي لسطح الأغشية (الجلي)."

وأضاف الدكتور كريغ فيرنر الحاصل علي الدكتوراه من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية والمؤلف الأول للورقة العلمية الثانية " نعتقد أن تقنيتنا الحديثة - بما لها من انبعاثات سلبية محدودة واستهلاك محدود للطاقة – يمكن استخدامها للمعالجة المركزية لمياه الصرف الصحي، و نأمل أن يؤدي التطوير والإعداد الأمثل للنظام إلى إنتاج نظام معالجة بيولوجية مستدام يتميز بإنخفاض إستهلاكه للطاقة مقارنة بأنظمة المفاعلات الحيوية المنتجة من هجين خلايا الوقود الميكروبية التقليدية".

ويضيف "من الممكن أيضا أن يساعد عملنا في صياغة المزيد من البحوث التي تهدف إلى تطوير التكنولوجيا الحيوية الأكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة لمعالجة الموارد من مختلف أنواع مجاري النفايات."

وأشار د. سايكالي "إن الندرة الشديدة للمياه هي قضية ملحة لدول الشرق الأوسط وغيرها من البلدان في جميع أنحاء العالم"، ونأمل أن يدرك الأخرون أن التكامل بين العلوم والهندسة سيخلق فرصا لمواجهة تحديات القرن الواحد والعشرون. وتعد التقنية الكهروكيميائية الميكروبية القائمة على الأغشية التي تم تطويرها بمختبرنا هي مثال جيد على اندماج العلوم والهندسة لتحقيق الفائدة المزدوجة لإستعادة الطاقة والمياه من مياه الصرف الصحي المنزلي."