10.4 العلاجات اللاهوائية

وقد استخدم الهضم اللاهوائي (AD) منذ فترة طويلة لتحقيق الاستقرار والحد من عملية كتلة الحمأة، ويرجع ذلك أساسا إلى بساطة التشغيل، وانخفاض التكاليف نسبيا وإنتاج الغاز الحيوي كمصدر محتمل للطاقة. يمكن وصف التمثيل stoichiometric العام للهضم اللاهوائي على النحو التالي:

$CNHAOB+ (ن/4-b/2)\ نقطة H_2O\ rarr (ن/2-a/8+ب/4)\ نقطة CO_2+ (ن/2+a/8-b/4)\ cdot CH4 $ (10.4)

المعادلة 10-4 التوازن الكتلي العام لل غاز الحيوي (Marchaim 1992).

ويمكن حساب تركيز الميثان النظري على النحو التالي:

$ [CH_4] =0.5+ (a/4+ب/2) /2n$ (10.5)

المعادلة 10-5 تركيز الميثان المتوقع نظريا في الغاز الحيوي (Marchaim 1992).

أما المنتجات النهائية الناتجة عن مكافحة الإغراق فهي في معظمها مواد غير عضوية (مثل المعادن)، ومركبات عضوية متدهورة قليلاً، وغاز أحيائي يتكون عادة من\ > 55 في المائة من الميثان (CHSUB4/sub) وثاني أكسيد الكربون (Cosub2/sub)، مع مستويات صغيرة فقط (\ 1 في المائة) من كبريتيد الهيدروجين (H<sub2/subs) ومجموع نيتروجين الأمونيا (NH/ سوب+/سوب/NH4سوب+/سوب) (أبيلز وآخرون. 2008).

** الشكل 10-4** رسم تخطيطي يبين التحلل اللاهوائي لل مواد العضوية استنادا إلى غارسيا و آخرون (2000)

خلال عملية AD، تخضع الحمأة العضوية لتغييرات كبيرة في خصائصها الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية ويمكن تقسيمها تخطيطي إلى أربع مراحل (الشكل 10.4). المرحلة الأولى هي التحلل المائي، حيث تتحلل المواد العضوية المعقدة مثل الدهون والسكريات والبروتينات والأحماض النووية إلى مواد عضوية قابلة للذوبان (السكريات والأحماض الأمينية والأحماض الدهنية). وتعتبر هذه الخطوة عموما الحد من سعر الفائدة (Deublein وشتاينهاوزر 2010). في الخطوة الثانية الحماض، المونومرات شكلت في الخطوة الأولى مزيد من الانقسام، والأحماض الدهنية المتطايرة (VFA) تنتج عن البكتيريا الحماضية (التخمير) جنبا إلى جنب مع الأمونيا، Cosub2/sub، HSUB2/Subs وغيرها من المنتجات الثانوية. والخطوة الثالثة هي تكوين acetogenesis، حيث يتم هضم VFA والكحول عن طريق الأسيتوجين لإنتاج حمض الخليك بشكل رئيسي وكذلك Cosub2/sub و HSUB2/sub. يتم التحكم في هذا التحويل إلى حد كبير عن طريق الضغط الجزئي لـ HSUB2/sub في الخليط. والخطوة الأخيرة هي تكوين الميثان حيث يتم إنتاج الميثان بشكل رئيسي من خلال مجموعتين من البكتيريا الميثانوجينية: الأركيا الأسيتوتروفيك، التي تقسم الأسيتات إلى الميثان وCosub2/sub، والأركيا الهيدروجينية، التي تستخدم الهيدروجين كمبرع للإلكترون وثاني أكسيد الكربون كمتقبل للإلكترونات لإنتاج الميثان (Appels وآخرون 2008).

وتؤثر عوامل مختلفة مثل درجة الحموضة في الحمأة، والملوحة، والتركيب المعدني، ودرجة الحرارة، ومعدل التحميل، ووقت الاحتفاظ الهيدروليكي، ونسبة الكربون إلى النيتروجين (C/N) ومحتوى الأحماض الدهنية المتطايرة على قابلية هضم الحمأة وإنتاج الغاز الحيوي (Khalid et al. 2011).

** الشكل 10.5** مخطط مفاعل بطانية الحمأة اللاهوائية (UASB)

وقد بدأت معالجة الحمأة اللاهوائية من RAS قبل نحو 30 عاماً بتقارير عن الحمأة من المياه العذبة RAS (Lanari and Franci 1998) تلتها تقارير عن البحرية (Arbiv and van Rijn 1995؛ Klas et al. 2006؛ McDermott et al. 2001) وعمليات المياه المالحة (Gebauer and Eikebrokk 2006؛ Mirzoyan et al. 2008). في الآونة الأخيرة، اقترح استخدام UASB (الشكل 10.5) في AD من الحمأة RAS تليها إنتاج الغاز الحيوي كمصدر بديل للطاقة (Mirzoyan et al. 2010). يتكون المفاعل من خزان، جزء منه مليء بطانية الحمأة الحبيبية اللاهوائية التي تحتوي على أنواع الكائنات الحية الدقيقة النشطة. تتدفق الحمأة صعودا من خلال «بطانية ميكروبية» حيث تتدهور بفعل الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية ويتم إنتاج الغاز الحيوي. مستوطن مخروط مقلوب في الجزء العلوي من الهضم يسمح للغاز - فصل السائل. عندما يتم تحرير الغاز الحيوي من فلوك، يتم توجيهه إلى مخروط من قبل الانحرافات التي سيتم جمعها. ينتج الاختلاط البطيء في المفاعل عن التدفق التصاعدي المقترن بالحركة الطبيعية للقطعان الميكروبية المرتبطة بفقاعات الغاز الحيوي. في مرحلة ما، يترك الفلوك فقاعة الغاز ويستقر مرة أخرى مما يسمح بأن تكون النفايات السائلة خالية من TSS، والتي يمكن بعد ذلك إعادة تدويرها مرة أخرى إلى النظام أو تحريرها. وتتمثل المزايا الرئيسية للمصرف في انخفاض تكاليف التشغيل وبساطة التشغيل مع توفير كفاءة عالية (\ > 92%) للنفايات ذات المحتوى المنخفض من TSS (1 - 3%) (Marchaim 1992; Yogev et al. 2017).

وأظهرت دراستان إفراديتان حديثتان استخدام UASB كعلاج للمواد الصلبة في المياه الجوفية البحرية والمالحة على نطاق تجريبي، مما يوفر مثالا على المزايا المحتملة لهذه الوحدة في أكوابونيكش (Tal et al. 2009؛ Yogev et al. 2017). وتشير نظرة مفصلة على توازن الكربون إلى أن حوالي 50٪ من الكربون الذي تم إدخاله (من الأعلاف) تمت إزالته عن طريق استيعاب الأسماك والتنفس، وأزيلت 10٪ عن طريق التحلل الأحيائي الهوائي في المفاعل الحيوي النيتريفاتيون، وأزيلت 10٪ في مفاعل إزالة النيتريفاتيون (Yogev et al. 2017). لذلك، تم إدخال حوالي 25٪ من الكربون إلى مفاعل UASB الذي تم تحويله 12.5٪ إلى الميثان، 7.5٪ إلى COSub2/sub والباقي (\ ~ 5٪) لا يزال كربون غير قابل للتحلل في UASB. وباختصار، تم إثبات أن استخدام UASB سمح بإعادة تدوير المياه بشكل أفضل (\ > 99%)، وإنتاج الحمأة (\ 8%) أقل بالمقارنة مع RAS النموذجية التي لا تحتوي على معالجة صلبة في الموقع، واسترداد الطاقة التي يمكن أن تمثل 12% من إجمالي الطلب على الطاقة في RAS. وتجدر الإشارة إلى أن استخدام UASB في aquaponics سوف يسمح أيضا باستعادة كبيرة تصل إلى 50٪ المزيد من العناصر الغذائية مثل النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم لأنها تطلق في الماء نتيجة للتحلل الحيوي الصلبة (Goddek et al. 2018).

المفاعل الحيوي الغشائي اللاهوائي (ANMBR) هو تقنية أكثر تقدمًا. تتكون العملية الرئيسية من استخدام غشاء خاص لفصل المواد الصلبة عن السائل بدلاً من استخدام عملية الصب كما هو الحال في UASB. يحدث تخمير الحمأة في خزان لاهوائي بسيط وتتركه النفايات السائلة من خلال الغشاء. اعتمادا على حجم مسام الغشاء (الذهاب إلى 0.1-0.5 ميكرومتر) يمكن الاحتفاظ حتى الكائنات الحية الدقيقة. هناك نوعان من تصميم المفاعل الحيوي الغشائي: أحدهما يستخدم وضع تيار جانبي خارج الخزان، والآخر يحتوي على وحدة غشاء مغمورة في الخزان (الشكل 10.6)، ويكون الأخير أكثر ملاءمة في تطبيق AnmBR بسبب تكوينه الأكثر إحكاما وانخفاض استهلاك الطاقة (Chang 2014). ويمكن تكوين أغشية مواد مختلفة مثل السيراميك أو البوليمرية (مثل فلوريد البوليفينيل (PVDF)، والبولي إيثيلين، والبوليثيرسلفون (PES)، وكلوريد البولي فينيل (PVC)) على هيئة لوحة وإطار، أو ألياف مجوفة أو وحدات أنبوبية (Gander et al. 2000؛ Huang et al. 2010). تتمتع AnmBR بالعديد من المزايا الهامة مقارنة بالمفاعلات البيولوجية النموذجية مثل UASB، وهي فصل زمن الاحتفاظ بالحمأة (SRT) و (القصير) وقت الإقامة الهيدروليكي (HRT)، مما يتيح التغلب على مشكلة الحركية البطيئة لعملية AD؛ جودة النفايات السائلة العالية للغاية التي يكون فيها معظم و إزالة مسببات الأمراض و بصمة صغيرة (جاد و جاد 2008). وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي الإنتاج الفعال للغاز الحيوي في ANMBR إلى رصيد صافي للطاقة.

** الشكل 10-6** (أ) MBR المجاري الجانبي مع وحدة ترشيح منفصلة مع إعادة تدوير السوائل المحتفظ بها إلى المفاعل الأحيائي؛ (ب) MBR المغمورة: وحدة الترشيح المدمجة في المفاعل الأحيائي. (غاندر و آخرون 2000)

وفي حين أن هذه التكنولوجيا تستحق الكثير من الاهتمام والبحث، تجدر الإشارة إلى أنه بما أنها تكنولوجيا جديدة إلى حد ما، فإنه لا يزال هناك العديد من العيوب الهامة التي يجب معالجتها قبل أن تعتمد صناعة الاستزراع المائي. وهذه هي التكاليف التشغيلية المرتفعة الناجمة عن صيانة الأغشية لمنع التجعيد الأحيائي والتبادل المنتظم للغشاء وكسر ثاني أكسيد الكربون المرتفع (30 - 50%) في الغاز الحيوي الذي يحد من استخدامه ويسهم في انبعاثات غازات الدفيئة (Cui et al. 2003). ومن ناحية إيجابية، سيتم في المستقبل القريب تطوير تقنيات جديدة للوقاية البيولوجية في حين أن تكلفة الغشاء ستنخفض بالتأكيد مع التوسع في استخدام هذه التكنولوجيا. وقد تم بنجاح دراسة الجمع بين UASB مع مفاعل غشائي لتصفية النفايات السائلة UASB لإزالة الكربون العضوي والنيتروجين (An وآخرون 2009). يبدو هذا المزيج خيارًا واعدًا للأكوابونيكش للاستخدام الآمن والصحي للنفايات السائلة UASB.

10-4-1 التنفيذ

ويتمثل أحد الحلول الممكنة لتنفيذ المفاعلات اللاهوائية في طريقة متتابعة (انظر أيضا [الفصل 8](/المجتمع/المقالات/الفصل 8-المفصولة - نظم أكوابونيكس-)). وتسمح تركيبة «درجة الحموضة العالية - درجة الحموضة المنخفضة» بحصاد الميثان (وبالتالي خفض الكربون) في الخطوة الأولى من درجة الحموضة العالية وتعبئة العناصر الغذائية في الحمأة المنزوعة الكربون في بيئة الأس الهيدروجيني المنخفضة اللاحقة. وتتمثل ميزة هذه الطريقة في أن خفض الكربون في ظل ظروف الأس الهيدروجيني العالية يؤدي إلى انخفاض مستويات القيمة المضافة، والتي يمكن أن تحدث خلال الخطوة الثانية ذات الرقم الهيدروجيني المنخفض (الشكل 10.7). ويسمح هذا النهج أيضاً بالهضم المشترك للمادة النباتية الخضراء (أي أنه من أي حصاد للنباتات، ستكون هناك نفايات نباتية يمكن وضعها من خلال هذا الهضم) لزيادة إنتاج الغاز الأحيائي واستخلاص المغذيات من المخطط العام.

وقد قدم آير وآخرون إمكانية أخرى للتكامل التقني (2017). ويقترحون تصريف النفايات السائلة من هضم اللاهوائي عالي الحموضة إلى بركة تربية الطحالب. وفي هذه البركة، تزرع الطحالب التي يمكن استخدام كتلتها الحيوية في تغذية تربية الأحياء المائية أو الإخصاب الحيوي (الشكل 10-8). ويمكن الاطلاع على مزيد من المعلومات التفصيلية عن هذا النهج في [الفصل 11](/المجتمع/المقالات/الفصل 11-أكوابونيكس-نظم النمذجة).

الشكل 10.7 نظام لاهوائي على مرحلتين. في المرحلة الأولى (درجة الحموضة العالية)، سيتم إزالة الكربون من الحمأة كغاز حيوي، في حين أن الرقم الهيدروجيني المنخفض في المرحلة الثانية يسمح للمغذيات التي تقع في الحمأة تذوب في الماء. عادة، تتشكل الأحماض الدهنية المتطايرة (VFA) في بيئات منخفضة الأس الهيدروجيني. بيد أن إزالة مصدر الكربون في المرحلة الأولى تحد من إنتاج FA في مثل هذا الإعداد المتسلسل

الشكل 10.8 نظام الهضم اللاهوائي متكامل مع الاستزراع المائي وتربية الطحالب على أساس Ayre et al. (2017)