الهضم اللاهوائي للغاز الحيوي

على مدى ما يقرب من ثلاثة عقود، واجه علماء البيئة والناشطون وقادة الأعمال صعوبات في قضايا التلوث الجوي وتغير المناخ. وتنامى الإجماع على ضرورة وجود بدائل مستدامة للوقود الأحفوري من شأنها دعم الاقتصادات مع الحفاظ على نقاء الهواء والماء والأرض. تم تحديد الكتلة الحيوية كمصدر للطاقة من هذا القبيل – وبعد فترة وجيزة – وفرت التكنولوجيا الوسائل لتحقيق الهدف: إنتاج الغاز الحيوي بالهضم اللاهوائي. فباستخدام الغاز الحيوي، لا يمكن فقط تزويد المركبات بالوقود، بل يمكن توفير الكهرباء لمجتمعات بأكملها. الجانب الواعد في هذا هو عدم وجود نقص في الكتلة الحيوية في الأفق.

كيف تعمل العملية؟

في الواقع، أي شخص يكوم السماد في الفناء الخلفي يساعد ويساند عملية الهضم اللاهوائي. فعند غياب الأكسجين عن المواد القابلة للتحلل الحيوي، تحدث سلسلة من التفاعلات الفيزيائية والكيميائية حيث تتكسر المادة المتحللة، مطلقة الغاز الحيوي الذي يحتوي على الميثان وثاني أكسيد الكربون – وبنسب أقل – النيتروجين والهيدروجين وأول أكسيد الكربون. ووفقًا للمجلس الأمريكي للغاز الحيوي (American Biogas Council)، تنشط ثلاث أنواع من البكتيريا في هذه السلسلة من الأحداث: • البكتيريا المولدة للأحماض (Acidogenic bacteria) — التي تحول الأحماض الأمينية والسكريات إلى أحماض عضوية وهيدروجين وأمونيا وثاني أكسيد الكربون. • البكتيريا المولدة للأسيتات (Acetogenic bacteria) — التي تأخذ الأحماض العضوية وتحولها أكثر إلى حمض الخليك جنبًا إلى جنب مع الأمونيا وثاني أكسيد الكربون والهيدروجين. • الميثانوجينات (Methanogens) — التي تستخدم هذه المواد الكيميائية لإنتاج الميثان وثاني أكسيد الكربون.

ماذا يحدث بعد جمع الغاز الحيوي؟

تصف وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) الغاز الناتج عن الهاضم اللاهوائي للغاز الحيوي بأنه يوجه إلى منشأة لمزيد من المعالجة، أو إذا كان صالحًا للاستخدام كما هو، إلى مركبة أو آلة مصممة للعمل بالغاز الحيوي. تساعد المعالجة الإضافية على استخلاص الرطوبة الزائدة لأغراض الاحتراق. في حالات أخرى، يظهر الكثير من كبريتيد الهيدروجين في الغاز. هذا المركب مسبب للتآكل في أوعية التخزين والاحتراق، ولذلك يجب إزالته أيضًا.

ماذا تحتوي الكتلة الحيوية؟

يمكن أن تتكون الكتلة الحيوية اللاهوائية التي تخضع للهضم – والمعروفة أيضًا باسم المادة الخام (substrate) – من مجموعة متنوعة من المواد العضوية. من الناحية المثالية، يجب أن يعالج الهاضم اللاهوائي للميثان مادة خام تولد أكبر قدر وأنقى أنواع الميثان. أحد المواد الخام الممتازة هو سماد الماشية (الهضم اللاهوائي لروث البقر لإنتاج الغاز الحيوي). لطالما كانت إدارة النفايات نقمة على المزارعين – ومصدر إزعاج كريه لمن يعيشون في الجوار. عند معالجتها من خلال مفاعل لاهوائي، يصبح ما كان يومًا سمادًا زائدًا مصدرًا قويًا للحرارة والكهرباء عن طريق إنتاج الميثان اللاهوائي. علاوة على ذلك، يمكن للرماد المتبقي أن يغذي التربة بشكل أفضل في بعض الأحيان من السماد الخام.

مادة خام أخرى مربحة هي مياه الصرف الصحي. يدمج عدد متزايد من منشآت معالجة المياه تصميمًا لاهوائيًا لمياه الصرف الصحي. هنا، يتم فصل الماء عن محتوياته الصلبة، والتي تخضع بعد ذلك لمعالجة الحمأة اللاهوائية. بمجرد تحلل النفايات وإطلاق الغاز الحيوي، يتم استخدام الغاز لتوفير الحرارة لغلايات المصنع. في بعض الأحيان، يحتوي الغاز الحيوي على ملوثات يجب تنقيتها، وفقًا لإرشادات EPA، قبل أن يمكن استخدامه بفعالية.

تتضمن الحالة الثالثة لاستخدام المواد الخام نفايات الطعام. يمكن تطبيق إنتاج الغاز الحيوي بالهضم اللاهوائي بسهولة على الأطعمة المخمرة والقشور والجلود وما إلى ذلك. هذه الأشياء سهلة الوصول وغنية بالمواد العضوية. والأفضل من ذلك كله، أن إطلاقها للميثان الحيوي وفير.

ماذا يحدث للمادة المتبقية؟

كما ذكر أعلاه، يعتبر الرماد الناتج عن هضم سماد الخنازير والأبقار والدواجن بحد ذاته سمادًا مغذيًا للغاية – مع غياب الرائحة المنتشرة. بعض المواد المهضومة يتم تحويلها إلى سماد عضوي، أو تستخدم كفرشة للأبقار الحلوب، أو تحول إلى مواد أخرى. بهذه الطريقة، يتم التخفيف من تكلفة الهاضم اللاهوائي من خلال الاستخدام الفعال لمكونات المادة الخام. في الواقع، النفايات اللاهوائية تكاد تكون تناقضًا في المصطلحات. وبينما لم يتضح الأمر بعد، تشير بعض الأبحاث إلى أن السماد الحيوي من المواد المهضومة يتفوق على الأسمدة المعدنية عند تطبيقه على محاصيل معينة. في دراسة ركزت على الطماطم، أنتجت المواد المهضومة غلات أعلى مما أنتجته المعادن.

تكلفة / سعر الهاضم اللاهوائي

يمكن أن تختلف تكلفة المفاعل اللاهوائي بشكل كبير اعتمادًا على نوع المفاعل (مثل خزان الحمأة اللاهوائية المتدفقة لأعلى Upflow Anaerobic Sludge Blanket أو المفاعل اللاهوائي ذو الحواجز Anaerobic Baffled Reactor)، وحجمه الذي يمكن أن يعالجه، ونوع النفايات المراد معالجتها، ومستوى المعالجة المسبقة المطلوبة، وتعقيد النظام، من بين عوامل أخرى. حتى تاريخ توقف معلوماتي في سبتمبر 2021، يمكن أن تتراوح التكاليف من عدة آلاف من الدولارات للأنظمة الصغيرة والأساسية إلى ملايين الدولارات للمنشآت الصناعية الكبيرة والمعقدة. كما أن تكاليف التشغيل والصيانة المستمرة حاسمة للنظر فيها، حيث يمكن أن تكون كبيرة على مدى العمر الافتراضي للمفاعل. تشمل هذه العوامل العمالة، والطاقة، والتخلص من الحمأة، والاستبدال الدوري للأجزاء. من المهم ملاحظة أن الجدوى الاقتصادية للمفاعلات اللاهوائية يمكن تحسينها غالبًا عن طريق تسخير وبيع الغاز الحيوي الذي تنتجه. نظرًا لهذه الاختلافات، يُنصح المستخدمون المحتملون بشدة بالحصول على عروض أسعار مفصلة من شركات الهاضم اللاهوائي مثل Gazpack للحصول على تقدير تكلفة أكثر دقة.