هضم لاهوائي
الهضم اللاهوائي أو الهضم من دون أكسجين هو عملية تحلل حيوي بطريقة طبيعية للمواد العضوية في غياب الأكسجين. الطريقة المتبعة في إنتاج الغاز الحيوي من المواد العضوية القابلة للتحلل الحيوي باستخدام الكائنات الحية الدقيقة في غياب الأوكسجين.[1] يستخدم الهضم اللاهوائي إما للتخلص من النفايات العضوية (مثل روث الحيوانات أو الفضلات البشرية) أو لإنتاج الغاز الحيوي.
يتواجد في المستنقعات والرّواسب للمواد العضوية وحقول الأرز والجهاز الهضمي لبعض الحيوانات، والتي تشير عادة إلى «نشاط لاهوائي».[2][3] مثال: بعض الحشرات كالنمل الأبيض أو بعض الفقاريات كالحيوانات المجترة. تم اكتشاف غاز المستنقعات من قبل العالم ألساندرو فولتا في عام 1776.[4][5] و المادة العضوية المتحللة تتواجد على شكل غاز حيوي (بأكثر من 90 ٪) ويستخدم الباقي لنمو وصيانة الكائنات الحية الدقيقة. ويمكن القول أن «التحكم في كل من غاز الميثان وعملية الميكروبيولوجية الطبيعية يسمح بإنتاج غاز الميثان انطلاقا من العناصر المسببة للتلوث». لا يزال الإنسان يبحث عن فهم للظاهرة حتى يتسنى له السيطرة عليها وبالتّالي إمكانية إسراع العملية وذلك لتلبية حاجات معينة مثل تحويل المواد العضوية في النفايات (الصلبة والسّائلة) لغاية إنتاج الغاز المستخدم كمصدر للطاقة. الهضم اللاهوائي يستخدم بشكل واسع كمصدر للطاقة المتجددة.تتضمن العملية إنتاج الغاز الحيوي والذي يتألف من الميثان وثاني أوكسيد الكربون ومقدار ضئيل من الغازات الملوثة.[1] الغاز الحيوي يمكن أن يستخدم مباشرة كوقود لمحركات الغاز التي تنتج الحرارة والطاقة،[6] أو تطويره ليصبح مشابه لجودة الغاز الطبيعي.المادة المغذية التي تنتج أيضاً من هذه العملية يمكن استخدامها كسماد. عملية الهضم الهوائى تلعب دوراً مهماً في دورة الكربون ويمكن أن يساهم في تغيير المناخ يمكن للكميات الهائلة للميثان المتواجدة في شكل هيدرات الميثان في التربة المتجمدة والرواسب البحرية إذا تسربت بطريقة فجئية أن تسرع الاحتباس الحراري.
العملية
عدلالعديد من البكتيريا والمتعضيات الحيوية تؤثر في عملية الهضم لاهوائي، ومن ضمنها بكتيريا المشكلة للحمض (أستروجونAcetogen)والمشلكة للميثان البكتيريا القديمة (ميثانوجونMethanogen)، هذه الكائنات تعزز عدد من العمليات الكيميائية قي تحويل الكتلة الحيوية إلى غاز حيوي.[7]
غاز الأوكسجين يبعد من التفاعل بواسطة حافظة فيزيائية.يستخدم الميكروب الهوائي مستقبلات الكترون من المصدر ماعدا غاز الأوكسجين.هذه المستقبلات يمكن أن تكون مواد عضوية ويمكن أن تتضمن أكسيد غير عضوي.عندما الأوكسجين من المصدر في النظام الهضم لاهوائي ينشأ عن المادة العضوية فقط، المركبات المتوسطة هي أوائل الكحولات، ألدهيات والأحماض العضوية، بالإضافة إلى ثنائي أوكسيد الكربون.ووجود خليط خاص من الميثان، المركبات المتوسطة تتحول إلى مركبات نهائية جيدة من الميثان، ثنائي أوكسيد الكربون، وأثار من كبريتيد الهدروجين.[8] في النظام الهضم اللاهوائي، غالبية الطاقة الكيميائية موجودة في أول المركبات التي تحرر بواسطة البكتيريا القديمة على شكل غاز الميثان.[9]
عدد الكائنات الدقيقة غير الهوائية عادة ماتأخذ فترة جيدة من الوقت لتأسس نفسها وتصبح في فعالية كاملة.لذلك، ممارسة شائعة تستخدم لتقديم الكائنات الدقيقة من المواد مع العدد الحالي منها، يطلق على هذه العملية اسم«نثر البذور» في الهاضم، عادة تنجز هذه العملية بإضافة حمأة مياه المجاري أو السوائل المائية للقطيع.[10]
خطوات العملية
عدلالخطوات الأربع لعملية الهضم لاهوائي تتضمن حلمهة،Acidogenesis [الإنجليزية]،Acetogenesis [الإنجليزية]،توليد الميثان.توصف العملية كلها على أنها تفاعل كيميائي، حيث المواد العضوية مثل سكر العنب يهضم حيوياً إلى ثنائي أوكسيد الكربون وميثان بواسطة عمل الكائنات الدقيقة.[11]
C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4
- الحلمهة
في معظم الحالات، تصنع الكتلة الحيوية من بوليمرات عضوية كبيرة، من أجل أن تدخل البكتيريا إلى مكان الطاقة في المادة، هناك سلاسل مع الأوكسجين يجب أن تكسر إلى مكونات أساسي أصغر حجما، هذه المكونات، أو الجزيئات، مثل السكر، تكون متيسرة للبكتيريا الأخرى.عملية كسر هذه السلاسل وتحويلها إلى جزيئات تدعى حلمهة، لذلك حلمهة مكونات هذه الجزيئات البوليمرية عالية الوزن تكون ضرورية في أول خطوة في الهضم لاهوائي.[12] تحلمه المكونات العضوية المعقدة إلى سكر أحادي، حمض أميني،حمض دهني.
النواتج
عدلالنواتج الرئيسية الثلاثة لعملية الهضم لاهوائي هي الغاز الحيوي، المواد الصلبة، الماء.[13][14][15]
الغاز الحيوي
عدل| مكون | صيغة | % |
|---|---|---|
| ميثان | CH4 | 50–75 |
| ثنائي أوكسيد الكربون | CO2 | 25–50 |
| نتروجين | N2 | 0–10 |
| هيدروجين | H2 | 0–1 |
| كبريتيد هيدروجين | H2S | 0–3 |
| أوكسجين | O2 | 0–0 |
| المصدر: www.kolumbus.fi, 2007[16] | ||
الغاز الحيوي هو الناتج النهائي من تغذية البكتيريا بالمواد القابلة للتحلل (تنجز عملية إخراج الغاز في الهضم لاهوائي بواسطة بكتيريا قديمة(كائن حي صغير في فرع مختلف تماما من شجرة علم الوراثة العرقي لحياة البكتيريا)، ومعظم الغاز الحيوي ميثان وثنائي أوكسيد الكربون،[17][18] مع نسبة صغيرة من الهيدروجين وثلاثي كبريتيد الهيدروجين.(أثناء إنتاجه، يطلق الغاز الحيوي بخار الماء، مع جزء صغير من بخار الماء بسبب حرارة الغاز الحيوي).[19] ينتج معظم الغاز الحيوي خلال منتصف عملية الهضم، بعد نمو البكتيريا، وتتناقص كلما استهلكت المواد القابلة للتحلل.[20] الغاز عادة مايكون في أعلى الهاضم في فقاعة غاز أو ينقى ويخزن في خزان غاز بجانب المنشأة.
يمكن أن يُحرق الميثان الموجود في الغاز الحيوي لينتج الحرارة والكهرباء معا، عادة بمحرك متردد أو تروبين صغير[21] وفي ترتيب لتوليد مشترك حيث الكهرباء والحرارة الضائعة تستخدم في تسخين الهاضم أو المباني.الكهرباء الزائدة يمكن أن تباع إلى المزودين أو توضع في الشبكة المحلية.تعتبر الكهرباء المنتجة من قبل الهضم لاهوائي طاقة متجددة ويمكن أن تدعمها الحكومات.[22] لايسهم الغاز الحيوي في زيادة نسبة غاز ثنائي أوكسيد الكربون في طبقات الجو لأن الغاز لايطلق مباشرة في الهواء ويأتي ثنائي أوكسيد الكربون الموجود في المادة العضوية بدورة كربونية قصيرة.
قد يحتاج الغاز الحيوي إلى عملية تنقية أو معالجة قبل استخدامه كوقود.[23] كبريتيد الهدروجين، منتج سام وهو يتشكل من كبريتات الموجودة في مدخلات الهاضم، ويحرر بنسبة ضئيلة من الغاز الحيوي، وكالات البيئية الوطني الفعالة، مثل وكالة حماية البيئة الأمريكية أووكالة البيئة الإنكليزية وويلزية، تضع شروط صارمة بخصوص مستويات كبريتيد الهدروجين في الغازات، واذا كانت المستويات عالية من كبريتيد الهدروجين، فإن معدات تنقية وتنظيف الغاز (مثل معالجة الغاز بالأمين) تكون ضرورية للوصول إلى المستويات القانونية المسموح بها في الغاز.[24] إضافة كلوريد الحديد الثنائي إلى خزانات الهضم يقلل من إنتاج كبريتيد الهدروجين.[25]
انظر أيضاً
عدلمراجع
عدل- ^ ا ب National Non-Food Crops Centre. "NNFCC Renewable Fuels and Energy Factsheet: Anaerobic Digestion", Retrieved on 2011-11-22 نسخة محفوظة 10 يوليو 2018 على موقع واي باك مشين.
- ^ Koyama, Tadashiro (1963). "Gaseous metabolism in lake sediments and paddy soils and the production of atmospheric methane and hydrogen". Journal of Geophysical Research. ج. 68 ع. 13: 3971–3973. DOI:10.1029/JZ068i013p03971.
- ^ Pamatmat, Mario Macalalag, and Bhagwat, Ashok M. (1973). "Anaerobic metabolism in Lake Washington sediments" (PDF). Limnology and Oceanography. ص. 611–627. DOI:10.4319/lo.1973.18.4.0611. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2013-12-16.
{{استشهاد ويب}}: صيانة الاستشهاد: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين (link) - ^ Zehnder, Alexander J. B. (1978). "Ecology of methane formation". في Mitchell, Ralph (المحرر). Water pollution microbiology 2. New York: Wiley. ص. 349–376. ISBN:978-0-471-01902-2.
- ^ MacGregor, A. N., and Keeney, D. R. (1973). "Methane formation by lake sediments during in vitro incubations". Journal of the American Water Resources Association (JAWRA). ج. 9 ع. 6: 1153–1158. DOI:10.1111/j.1752-1688.1973.tb05854.x.
{{استشهاد بدورية محكمة}}: صيانة الاستشهاد: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين (link) - ^ GE Jenbacher Biogas Engines, www.clarke-energy.com, accessed 15.04.11 نسخة محفوظة 30 أبريل 2012 على موقع واي باك مشين.
- ^ National Non-Food Crops Centre. Evaluation of Opportunities for Converting Indigenous UK Wastes to Fuels and Energy (Report), NNFCC 09-012 [وصلة مكسورة] نسخة محفوظة 01 2يناير7 على موقع واي باك مشين.
- ^ Adapted from Beychok, M. (1967) Aqueous Wastes from Petroleum and Petrochemical Plants, First edition, John Wiley & Sons, LCCN 67019834
- ^ Fergusen, T. & Mah, R. (2006) Methanogenic bacteria in Anaerobic digestion of biomass, p49
- ^ The biogas plant, unu.edu. Retrieved 5.11.07. نسخة محفوظة 02 ديسمبر 2010 على موقع واي باك مشين.
- ^ Anaerobic digestion, waste.nl. Retrieved 19.08.07. نسخة محفوظة 05 أكتوبر 2011 على موقع واي باك مشين.
- ^ Sleat, R. & Mah, R. (2006) Hydrolytic Bacteria in Anaerobic digestion of biomass, p15
- ^ Feasibility study concerning anaerobic digestion in Northern Ireland, eunomia.co.uk [وصلة مكسورة], Retrieved 19.08.07. نسخة محفوظة 28 نوفمبر 2007 على موقع واي باك مشين.
- ^ Abstract from Operation of Municipal Wastewater Treatment Plants Manual of Practice-MOP 11 Fifth Edition, e-wef.org. Retrieved 19.08.07.نسخة محفوظة 12 20أغسطس على موقع واي باك مشين. [وصلة مكسورة]
- ^ Anaerobic Digestion – An Introduction and Commercial Status in the US – As of 2006, anaerobic-digestion.com. Retrieved 07.12.14 نسخة محفوظة 09 ديسمبر 2017 على موقع واي باك مشين.
- ^ Basic Information on Biogas, www.kolumbus.fi. Retrieved 2.11.07. نسخة محفوظة 06 يناير 2010 على موقع واي باك مشين.
- ^ [1], Beginners Guide to Biogas. Retrieved 04.10.15. نسخة محفوظة 10 يناير 2016 على موقع واي باك مشين.
- ^ How Anaerobic Digestion (Methane Recovery) Works, eere.energy.gov. Retrieved 19.08.07. نسخة محفوظة 29 يونيو 2008 على موقع واي باك مشين.
- ^ Richards، B.؛ Cummings، R.؛ White، T.؛ Jewell، W. (1991). "Methods for kinetic analysis of methane fermentation in high solids biomass digesters". Biomass and Bioenergy. ج. 1 ع. 2: 65–73. DOI:10.1016/0961-9534(91)90028-B.
- ^ Anaerobic digestion briefing sheet, foe.co.uk. Retrieved 24.10.07. نسخة محفوظة 28 نوفمبر 2017 على موقع واي باك مشين.
- ^ GE Energy – Jenbacher Gas Engines for Power Generation, power-technology.com. Retrieved 19.08.07. نسخة محفوظة 08 نوفمبر 2012 على موقع واي باك مشين.
- ^ work3.pdf UK Biomass Strategy 2007, defra.gov.uk , Retrieved 19.08.07. تم أرشفته 16 ديسمبر 2008 بواسطة آلة واي باك نسخة محفوظة 16 ديسمبر 2008 على موقع واي باك مشين.
- ^ What is anaerobic digestion?, afbini.gov.uk. Retrieved 24.10.07. [وصلة مكسورة] نسخة محفوظة 01 2يناير6 على موقع واي باك مشين.
- ^ Removal of hydrogen sulfide from anaerobic digester gas, U.S. Patent, patentstorm.us. Retrieved 17.08.07. نسخة محفوظة 17 أكتوبر 2007 على موقع واي باك مشين. [وصلة مكسورة]
- ^ Abstract from Online Measurement of Dissolved and Gaseous-Hydrogen Sulfide in Anaerobic Biogas Reactors, cheric.org. Retrieved 24.10.07. [وصلة مكسورة] نسخة محفوظة 08 2يناير4 على موقع واي باك مشين.
