في عام 2024، سيتكثف التحول العالمي نحو الطاقة المتجددة، مع ظهور الغاز الحيوي كلاعب رئيسي في حلول الطاقة المستدامة.
وفقا لوكالة الطاقة الدولية (IEA)، من المتوقع أن ينمو إنتاج الغاز الحيوي بنسبة 40٪ بحلول عام 2030مدفوعًا بالتقدم في تكنولوجيا الهضم اللاهوائي والطلب المتزايد على الطاقة النظيفة.
الهند، واحدة من أكبر الدول المنتجة للنفايات العضوية، تركز على الغاز الحيوي كحل للطاقة اللامركزية، مع مبادرات حكومية مثل مخطط البديل المستدام نحو النقل بأسعار معقولة (SATAT) لتعزيز إنتاج الغاز الحيوي المضغوط (CBG).
مع استمرار تزايد المخاوف بشأن إدارة النفايات وأمن الطاقة، فإن تسخير الطاقة من تحلل المواد العضوية يمثل حلاً قوياً.
الطاقة لا تُستحدث ولا تُفنى، بل تتحول من شكل من أشكال الطاقة إلى شكل آخر.
الجميع على دراية جيدة بقانون الديناميكا الحرارية هذا.
وهذا يؤدي إلى عدد من الأسئلة حول ما يحدث للمادة العضوية عندما تتحلل.
ما الذي يمكن فعله لتسخير الطاقة الناتجة عن تحلل المواد العضوية؟
وبعبارة بسيطة، فإن إنتاج الطاقة من تحلل المواد العضوية هو النتيجة المثالية التي يمكن توقعها من أي استراتيجية تهدف إلى تحقيق أفضل استفادة من النفايات!
عندما تخضع مادة عضوية للتحلل، فإنها تتبع مسارات الهضم الهوائية أو اللاهوائية، اعتمادًا على توفر الهواء والظروف البيئية.
هوائي يعني وجود الأكسجين، ولاهوائي يعني عدم وجود الأكسجين.
نظرًا لكونهما نوعين مختلفين تمامًا من العمليات، يتم تنفيذ كلتا عمليتي الهضم بواسطة مجموعات مختلفة من البكتيريا وتؤدي إلى منتجات نهائية مختلفة.
يمكن الاستفادة من الطاقة المنبعثة أثناء التحلل البيولوجي للنفايات العضوية وتحويلها إلى منتج مفيد.
إن الهضم الهوائي المتحكم به للمواد العضوية يمكن أن يزودنا بسماد غني بالعناصر الغذائية يعرف باسم السماد.
وبالمثل، فإن يمكن أن تؤدي عملية الهضم اللاهوائي إلى إنتاج الغاز الحيوي، والتي يمكن أن تكون مصدرًا مفيدًا للغاية للطاقة موجهًا نحو عدد لا يحصى من التطبيقات.
تحدث العملية الطبيعية للهضم اللاهوائي في معدة المجترات أو المستنقعات.
في عملية لاهوائية، تقوم الكائنات الحية الدقيقة بتحلل المواد العضوية لإنتاج الغاز الحيوي، وهو عبارة عن خليط من الميثان (CH4)، وثاني أكسيد الكربون (CO2)، وكبريتيد الهيدروجين (H2S)، وأول أكسيد الكربون (CO)، والهيدروجين (H2)، والنيتروجين (N2)، وبخار الماء.
من بين جميع المنتجات النهائية التي يتم الحصول عليها من الهضم اللاهوائي، يعد الميثان الغاز الأكثر إثارة للاهتمام بسبب خصائصه.
يعتبر غاز الميثان الناتج عن الغاز الحيوي قابلاً للاشتعال ويمكن استخدامه كمصدر للطاقة.
إن عملية إنتاج الغاز الحيوي هي عملية متعددة الخطوات يتم تنفيذها بواسطة مجموعة مختلفة من البكتيريا في كل خطوة.
تخضع المادة العضوية لسلسلة من خطوات التحلل، وهي: التحلل المائي، وتكوين الأحماض، وتكوين الأسيتون، وتكوين الميثان.
وفي نهاية هذه السلسلة من العمليات، يتم تحويل المواد العضوية إلى غاز الميثان ومنتجات نهائية أخرى، وتُعرف هذه العملية باسم إنتاج الغاز الحيوي.
المادة العضوية المضافة إلى الهضم اللاهوائي عبارة عن بوليمر معقد بطبيعته.
إن عملية التحلل المائي تقوم بشكل أساسي بتقسيم الجزيئات العضوية الكبيرة إلى مركبات أصغر.
تفرز البكتيريا المحللة للماء إنزيمات مثل الأميليز والسليلوز والبروتياز والليباز التي تعمل على تحلل الكربوهيدرات إلى سكريات بسيطة مثل السكريات الأحادية والثنائية، كما يتم تحويل البروتينات إلى أحماض أمينية، في حين يتم تحويل الدهون إلى سلاسل مختلفة من الأحماض الدهنية.
استخدم درجة الحموضة المثلى للتحلل المائي هي 6 إلى 7، ونطاق درجة الحرارة هو 30 إلى 50 درجة مئوية.
هذه هي الخطوة الأولى نحو إنتاج الغاز الحيوي وهي خطوة بالغة الأهمية لأنه كلما زاد تحلل المادة المعقدة، زادت الركيزة المتاحة لإنتاج الغاز الحيوي.
توفر خطوة التحلل المائي مركبات جزيئية صغيرة كمنتج نهائي لها يمكنها المرور عبر الغشاء الخلوي للبكتيريا المولدة للأحماض.
تقوم البكتيريا المولدة للأحماض بتحويل المركبات الأولية إلى مركبات وسيطة تعرف باسم الأحماض الدهنية المتطايرة (VFAs)والكحولات مثل الميثانول والإيثانول والألدهيدات وأول أكسيد الكربون2.
تتكون VFA من الأحماض العضوية مثل الأسيتات والأحماض العضوية الأكبر مثل البروبيونات والزبدات والبنتانوات بنسب متفاوتة.
يتم استخدام الأسيتات بشكل مباشر كركيزة لإنتاج الميثان، ولكن هذا ليس هو الحال مع الأحماض العضوية الأعلى.
إن تكوين الأسيتون هو عملية يتم من خلالها تحويل الأحماض العضوية الأعلى، مثل البروبيونات والزبدات، إلى أسيتات وهيدروجين بواسطة البكتيريا الأسيتوكلاستيكية.
من عملية تكوين الأسيتون، يبلغ إنتاج الأسيتات حوالي 25%، في حين يبلغ إنتاج الهيدروجين حوالي 11%..
تعد عملية تكوين الميثان هي الخطوة النهائية في عملية الهضم اللاهوائي.
تقوم البكتيريا الميثانولوجية بتحويل المواد الوسيطة من الخطوات السابقة، مثل الأسيتات، والهيدروجين، والميثانول، والميثيل أمين، إلى الميثان وH2O.
يتم استهلاك الأسيتات بواسطة الميثانوجينات الأسيتوكلاسيكية وتحويلها إلى ميثان.
مجموعة أخرى من الميثانوجينات الهيدروجينية تقلل من ثاني أكسيد الكربون2 استخدام الهيدروجين لإنتاج الميثان أثناء خطوة تكوين الأسيتون وتحويله إلى ميثان.
تحدث عملية تكوين الميثان عند درجة حموضة أعلى. يتم توليد 2/3 من الميثان الناتج من خلال تكوين الميثان الأسيتيك، بينما يتم توليد 1/3 من خلال تكوين الميثان الهيدروجيني.
تتم عملية التحلل المائي بواسطة مجموعة من البكتيريا اللاهوائية، مثل العقدية والإنتيروباكتيريوم، والمعروفة أيضًا باسم البكتيريا المخمرة.
تفرز إنزيمات خارج الخلية، والتي يتم امتصاصها على النفايات الخاضعة للهضم.
يتم تحويل النفايات المتحللة إلى أحماض عضوية عن طريق أجناس من البكتيريا مثل الزائفة الزنجارية، العصيات, كلوستريديوم، ميكروكوكوس أو الصيفرية.
اعتمادًا على التنوع السكاني للكائنات الحية الدقيقة، عملية تكوين الحمض يمكن أن يتم ذلك إما من خلال عملية مهدرجة، حيث تكون المنتجات النهائية المباشرة عبارة عن أسيتات وهيدروجين وثاني أكسيد الكربون، أو من خلال عملية منزوعة الهيدروجين، حيث يتم تحويل النفايات إلى أحماض عضوية أعلى.
وظيفة أخرى للبكتيريا الحمضية الاختيارية هي خلق بيئة عمل للكائنات اللاهوائية الإجبارية في العمليات التالية.
تستخدم اللاهوائيات الاختيارية أي أكسجين موجود في الجهاز الهضمي، مما يخلق حالة لاهوائية كاملة.
تتم عملية تكوين الأسيتون بواسطة أجناس Syntrophomonas و Syntrophobacter، التي تحول الزبدات والبروبيونات إلى أسيتات وهيدروجين، وبعض البكتيريا مثل Methanobacterium suboxydans تحول حمض البنتانويك إلى حمض البروبيونيك، بينما تحول Methanobacterium propionicum حمض البروبيونيك إلى أسيتات.
الهيدروجين المنطلق نتيجة لعملية تكوين الأسيتون هو مثبط للبكتيريا المولدة للأسيتون؛ في هذه الحالة تعمل البكتيريا الهيدروجينية بشكل تكافلي لتحويل الهيدروجين المنطلق إلى ميثان، وتسمى هذه العملية أيضًا بالتكاثر الخلوي.
وتتم الخطوة الأخيرة من عملية توليد الميثان أيضًا بواسطة مجموعتين مختلفتين من البكتيريا، اعتمادًا على الركيزة المستخدمة لتوليد الميثان.
البكتيريا الأسيتوتروفية، مثل Methanosarcina و Methanosaeta، هي الأجناس الأكثر شيوعًا من البكتيريا الأسيتوتروفية التي تحول الميثان من الأسيتات، في حين أن أجناس Methanobacteriaceae و Methanoculleus هي بكتيريا هيدروجينية شائعة تستخدم الهيدروجين كوسيط لتوليد الميثان.
بشكل عام، تعتبر عملية الهضم اللاهوائي عملية حساسة؛ وبالتالي، يجب استخدام نوع معين من المواد.
يمكن استخدام الأعلاف المستخدمة للإنسان والحيوان، أو منتجاتها الثانوية، كمواد خام لإنتاج الغاز الحيوي.
من أجل تحديد المواد الخام لإنتاج الغاز الحيوي، من الضروري النظر في محتوى الماء، والمواد الصلبة الكلية، والمواد الصلبة المتطايرة لتلك المواد الخام.
أية مادة تحتوي على الماء والمادة الجافة.
يتم تصنيف المادة الجافة أيضًا إلى محتوى صلب إجمالي، وهو الكتلة الإجمالية للمواد الصلبة، والمواد الصلبة المتطايرة، وهي الكمية الإجمالية للمواد العضوية القابلة للتحلل.
من المستحسن استخدام مواد ذات محتوى صلب متطاير عالي.
يمكن استخدام المنتجات الغذائية الثانوية كمواد خام لإنتاج الغاز الحيوي، والتي يمكن الحصول عليها بسهولة من نفايات السوق، وتجهيز الأغذية، والمطاعم بتكلفة منخفضة.
يمكن أن تتحلل المنتجات الغذائية الثانوية بسهولة.
من المستحسن استخدام مصدر واحد ثابت لإمدادات الغذاء لإنتاج الغاز الحيوي من أجل الحصول على مادة ثابتة للمواد الخام.
السماد هو علف حيواني غير مهضوم، مضاف إليه ماء وفرش. وهو أيضًا مصدر جيد للكائنات الدقيقة.
يفضل استخدام روث الماشية في الغالب، بينما يحتوي روث الخنازير والدواجن على نسبة عالية من النيتروجين؛ وبالتالي، يمكن أن يؤدي إلى انخفاض نسبة الكربون إلى النيتروجين من نظام التفاعل.
يعتبر السماد الطازج أفضل وسيلة للهضم اللاهوائي.
إن إضافة المحاصيل الطاقية كمواد خام ثانوية يمكن أن يؤدي إلى زيادة إنتاج الغاز الحيوي.
تشمل المحاصيل الطاقية الأعشاب وسيلاج الذرة والتبن.
تحتاج المحاصيل الطاقية عادة إلى الشراء من السوق؛ وبالتالي، ينبغي أن يغطي إنتاج الطاقة تكلفة المواد الخام.
الهضم اللاهوائي هو وحدة معالجة يتم فيها هضم المواد العضوية لاهوائيًا في ظل ظروف خاضعة للرقابة للمساعدة في تكوين النواتج الهضمية وإنتاج الغاز الحيوي.
الهضم اللاهوائي هو عبارة عن هيكل مغلق ومحكم الغلق.
تحتوي على أنبوب مدخل لضمان إضافة المواد الخام إلى جهاز الهضم.
يصل أنبوب المدخل إلى جهاز الهضم. في جهاز الهضم، تتم جميع عمليات الهضم اللاهوائي.
يتم تقسيم حجم الهضم للحفاظ على الكمية المطلوبة من الملاط والمساحة العلوية لتراكم الغاز أثناء إنتاج الغاز الحيوي.
في أعلى جهاز الهضم، يوجد أنبوب غاز مزود بصمام للتحكم في تدفق الغاز للخارج بمجرد بدء إنتاج الغاز الحيوي.
توجد منطقة مخرج ومنطقة فيضان تستوعب الكمية الزائدة من الملاط وتسمح لها بالفيضان عند الحاجة.
المعلمة التشغيلية الأكثر استخدامًا للهضم اللاهوائي وإنتاج الغاز الحيوي هي نظام مستمر من مرحلة واحدة يعمل في ظل ظروف معتدلة الحرارة، حيث يفضل استخدام النفايات الرطبة كمواد خام بشكل مثالي.
مع الأخذ في الاعتبار هذه المعايير واعتمادًا على إمكانية التوسع، فإن التقنيات المثالية لإنتاج الغاز الحيوي هي مفاعل القبة الثابتة، ومفاعل الأسطوانة العائمة، ومفاعل البالون.
جهاز الهضم ذو القبة الثابتة هو نظام مغلق مبني من الطوب والأسمنت.
تم بناء منطقة الهضم تحت الأرض، ويقع مدخل وصمام التحكم في الغاز والمخرج فوق سطح الأرض.
يتمتع هذا النوع من المفاعلات بعمر افتراضي طويل نسبيًا مقارنة بالمفاعلات المستخدمة لإنتاج الغاز الحيوي.
يساعد البناء تحت الأرض على توفير المساحة ويمنع تقلبات درجات الحرارة التي تحدث في الخارج.
تعمل الأسطوانة العائمة على مبدأ مماثل لمبدأ القبة الثابتة، ولكن الفرق الرئيسي هو أن خزان الهضم يتم بناؤه تحت الأرض، في حين أن الأسطوانة التي تتراكم فيها الغازات تطفو فوق الأرض.
تتحرك الأسطوانة إلى الأعلى مع زيادة ضغط الغاز أثناء إنتاج الغاز الحيوي، وعندما يتم استهلاك الغاز، فإنه ينزل إلى الأسفل بسبب وزنه العائم على غلاف مائي أو ملاط.
يمكن تصنيع براميل تخزين الغاز باستخدام المعدن أو البلاستيك أو الألياف الزجاجية.
إنه عبارة عن جهاز هضم الغاز الحيوي منخفض التكلفة يستخدم لإنتاج الغاز الحيوي ويبدو مثل البالون الأنبوبي المصنوع من البلاستيك أو المطاط.
يتم وضع الجزء السفلي من جهاز الهضم تحت الأرض في منطقة تشبه الحفرة.
يتم تصنيع المدخل والمخرج من نفس المادة ويتم ربطهما بالبالون.
على الرغم من أنه حل فعال من حيث التكلفة، إلا أن عمره الافتراضي أقصر، وهو عرضة للتلف الميكانيكي.
إن البنية التحتية العظيمة وحدها لا تكفي لتوفير إنتاج مرضي من غاز الميثان.
نظرًا لكونه نظامًا معقدًا، فيجب الحفاظ على العديد من المعلمات من البداية إلى النهاية للحصول على إنتاج جيد للغاز الحيوي.
يجب أن تحتوي نسبة النفايات العضوية من المواد الخام على مواد صلبة متطايرة عالية.
يجب أن يكون حجم جسيمات المواد الخام صغيرًا جدًا، حوالي 2 سم.
يمكن استخدام آلة التقطيع للحصول على مواد خام ذات حجم موحد، حيث تعمل مساحة السطح الكبيرة على تعزيز التحلل السريع.
هذه الكائنات الحية الدقيقة تقوم بعملية إنتاج الغاز الحيوي.
تساعد إضافة روث البقر، إلى جانب اتحادات الميكروبات المتخصصة، في إنتاج الغاز الحيوي بكفاءة.
A الحد الأدنى من 10 إلى 15٪ من حجم المفاعل من روث البقر ضروري لبدء عملية إنتاج الغاز الحيوي.
تستغرق الكائنات الحية الدقيقة المحبة للحرارة المتوسطة وقت تشغيل أطول مقارنة بالميكروبات المحبة للحرارة.
تعتمد كمية ونقاء الميثان المنتج في إنتاج الغاز الحيوي على نسبة الكربون إلى النيتروجين في المادة المدخلة.
النسبة المثلى للكربون إلى النيتروجين لإنتاج الغاز الحيوي هي 30:1.
وهذا هو، لكل 30 وحدة تستهلكها البكتيريا، فإنها تحتاج إلى وحدة واحدة من النيتروجين كمصدر للغذاء.
يمكن أن تؤدي النسبة الصحيحة من الكربون والنيتروجين إلى إنتاج مثالي للغاز الحيوي عن طريق الهضم اللاهوائي.
معدل التحميل العضوي يعني كتلة الركيزة التي يجب إضافتها يوميًا، اعتمادًا على حجم المفاعل، لضمان إنتاج الغاز الحيوي الأمثل.
يتم قياس OLR بالكيلوغرام من إجمالي المواد الصلبة المتطايرة لكل متر مكعب في اليوم.
تبلغ نسبة OLR المثالية لمفاعل الخزان غير المتحرك أقل من 2 كجم VS/ م3 يوميًا، في حين يتطلب مفاعل الخزان المتحرك حوالي 4 - 7 كجم VS/ م3 يوميًا.
تتراوح درجة الحرارة الملائمة للبكتيريا المحبة للحرارة المتوسطة بين 30 – 40 درجة مئوية، وللبكتيريا المحبة للحرارة، تتراوح بين 45 – 60 درجة مئوية.
انخفاض درجة الحرارة إلى أقل من 15 درجة مئوية يُبطئ العملية. ومن المعروف أن إنتاج الغاز الحيوي يتعثر في الطقس البارد.
استخدم درجة الحرارة المثلى لإنتاج الغاز الحيوي هي محايدة، أي من 6.5 إلى 7.6.
تؤدي عملية تكوين الحمض إلى خفض درجة الحموضة إلى مستوى حمضي.
عند قيمة pH تتراوح بين 7 إلى 7.5، يوفر ثاني أكسيد الكربون في الطور الغازي القلوية المطلوبة لتخفيف التحول في pH الناجم عن VFAs.
في حالة حدوث صدمة الرقم الهيدروجيني عن طريق التحمض، يجب تقليل OLR، أو يمكن أن يؤدي إضافة الجير أو هيدروكسيد الصوديوم إلى رفع الرقم الهيدروجيني إلى الوضع الطبيعي.
يعتبر الرقم الهيدروجيني للنظام هو المعيار الأكثر أهمية لإنتاج الغاز الحيوي الأمثل.
تعتمد المدة التي تبقى فيها المادة في المفاعل على حجم المفاعل ومعدل التحلل.
تستغرق عملية التفاعل المتوسطي عادة ما بين 10 إلى 40 يومًا، في حين تستغرق العملية المحبة للحرارة ما بين 10 إلى 25 يومًا.
قد يبدو إنتاج الغاز الحيوي مجرد عملية يمكن فيها تحويل المواد العضوية إلى غاز الميثان الذي يمكن استخدامه كمصدر للوقود، ولكن عملية إنتاج الغاز الحيوي لها تأثير أكبر بيئيًا وماليًا.
وفي الختام، يمكن لإنتاج الغاز الحيوي أن يحول تكلفة إدارة النفايات الصلبة البيولوجية إلى فرصة لتوليد الإيرادات للبلدان.
يمكن أن يؤدي إنتاج الغاز الحيوي إلى بدائل للتدفئة ووقود النقل وتوليد الكهرباء، وبالتالي يمكن أن يقلل من توليد الغازات المسببة للاحتباس الحراري والاعتماد على الوقود الأحفوري وخلق فرص العمل في الاقتصادات المتقلبة بشكل متزايد في جميع أنحاء العالم.
ليس هذا فحسب، بل يمكن استخدام النفايات الناتجة عن إنتاج الغاز الحيوي كبديل للمدخلات الكيميائية المستخدمة في تسميد التربة في الزراعة.
نظرًا لمزاياها العديدة، يعد إنتاج الغاز الحيوي مفتاحًا لمستقبل أفضل وأكثر خضرة.
