Digestate-derived biochar as a functional carbon material to enhance methane yield and process stability in the anaerobic co-digestion of agro-industrial wastes

إن تحويل النفايات إلى طاقة مفهوم مألوف في العالم الحديث، لكن هذه العملية غالباً ما تكون عملية توازن دقيقة. وفي قلب هذا الجهد يكمن الهضم اللاهوائي، وهو طريقة طبيعية تقوم فيها الميكروبات بتفكيك المواد العضوية في غياب الأكسى لإنتاج الغاز الحيوي، وهو وقود غني بالميثان. يمكن لهذا الوقود أن يمد المنازل والمركبات بالطاقة، مما يوفر بديلاً أنظف للوقود الأحفوري. ومع ذلك، فإن العملية هشة؛ فعندما يقوم المزارعون ومعالجو الأغذية بخلط أنواع مختلفة من النفايات لتغذية هذه المجتمعات الميكروبية، يمكن أن يصبح النظام غير مستقر. فقد تنتج الميكروبات الكثير من الأحماض، أو قد تصبح البيئة سامة جداً بالأمونيا، مما يؤدي إلى تباطؤ العملية بأكملاء أو توقفها. وللحفاظ على سير النظام بسلاسة، بحث العلماء منذ فترة طويلة عن مواد مضافة يمكن أن تعمل كمنظم (buffer)، مما يعمل على استقرار البيئة ومساعدة الميكروبات على العمل بكفاءة أكبر. ويتضمن أحد المسارات الواعدة استخدام مواد غنية بالكربون، والتي يمكنها امتصاص النواتج الثانوية الضارة وتوفير سطح لنمو البكتيريا النافعة.

في دراسة حديثة، استكشف الباحثون حلاً محدداً لهذه المشكلة: تحويل النفايات الصلبة المتبقية من عملية الهضم نفسها إلى أداة لتحسين العملية. فبعد التفكك الأولي للنفايات، تبقى مادة تسمى "المخلفات المهضومة" (digestate). وبينما تُستخدم هذه المادة غالباً كسماد، يمكن تسخين الجزء الصلب من هذه المخلفات في بيئة منخفضة الأكسجين لإنتاج مادة مسامية تشبه الفحم تُعرف باسم "الفحم الحيوي" (biochar). وقد طرح الباحثون سؤالاً بسيطاً ولكنه جوهري: إذا أخذوا هذه البقايا الصلبة، وحولوها إلى فحم حيوي، وأضافوها مرة أخرى إلى خزان الهضم، فهل سيساعد ذلك في إنتاج المزيد من الوقود والحفاظ على استقرار النظام؟ لقد اختبروا ذلك من خلال صنع الفحم الحيوي من الجزء الصلب للمخلفات المهضومة وتسخينه إلى درجة حرارة محددة، ثم خلطه في دفعات من النفايات الزراعية والصناعية في بيئات مختبرية محكومة.

اختبر الفريق خمس كميات مختلفة من هذه المادة المضافة من الفحم الحيوي لإيجاد "النقطة المثالية". ولاحظوا أن إضافة المادة أدت بالفعل إلى تغيير النتيجة، ولكن إلى حد معين فقط. فعندما أضافوا كمية صغيرة، تحسن النظام، ولكن إضافة الكثير منها لم تجعل الوضع أفضل بل أضافت مجرد حجم غير ضروري. وقد وُجدت الجرعة الأكثر فعالية بنسبة واحد بالمائة من الوزن الإجمالي للمزيج. وعند هذا المستوى المحدد، كانت النتائج واضحة وقابلة للقياس؛ حيث قفز إجمالي حجم الغاز الناتج بشكل كبير، مرتفعاً من 619 ملليلتر إلى 992 ملليلتر في الظروف القياسية. والأهم من ذلك، أن كمية الميثان، وهو المكون الوقودي الثمين، زادت من 322 ملليلتر إلى 565 ملليلتر. كما أصبح الغاز أغنى بالميثان، حيث انتقل من 52 بالمائة إلى 57 بالمائة، مما يعني أن الوقود أصبح ذا جودة أعلى.

وبعيداً عن مجرد إنتاج المزيد من الغاز، ساعد الفحم الحيوي النظام على العمل بسلاسة أكبر. فقد قاس الباحثون مستويات الأحماض الدهنية المتطايرة، وهي نواتج حمضية ثانوية يمكن أن تسمم الميكروبات إذا تراكمت، ووجدوا أن هذه المستويات قد انخفضت. وبالمثل، انخفض تركيز إجمالي نيتروجين الأمونيا، وهو مادة أخرى يمكن أن تثبط العملية. كما انخفضت كمية كبريتيد الهيدروجين، وهو غاز سام وكريه الرائحة غالباً ما يرتبط بالغاز الحيوي. ومن خلال تحليل سرعة إنتاج الغاز بمرور الوقت، حدد الباحثون أن الميكروبات بدأت في العمل بشكل أسرع ووصلت إلى ذروة سرعتها بشكل أسرع عند وجود الفحم الحيوي. وهذا يشير إلى أن المادة ساعدت المجتمع الميكروبي على الاستقرار بسرعة أكبر والعمل بكفاءة أكبر.

كما بحثت الدراسة فيما إذا كانت هذه الفكرة يمكن أن تنجح في مصنع غاز حيوي حقيقي واسع النطاق. قام الباحثون بحساب تدفقات الطاقة والمواد المطلوبة لأخذ النفايات الصلبة، وتجفيفها، وتسخينها لتصبح فحماً حيوياً، ثم تغذيتها مرة أخرى في النظام. ووجدوا أن المصنع لن يحتاج إلى تحويل كل نفاياته الصلبة إلى فحم حيوي لرؤية الفوائد؛ إذ سيكون جزء منها كافياً فقط. ومع ذلك، فقد حددوا عقبة كبيرة: وهي أن الطاقة المطلوبة لتجفيف النفايات الصلبة الرطبة قبل التسخين هي طاقة كبيرة. وبينما يعتبر مفهوم إعادة تدوير النفايات إلى مادة مضافة مفيدة أمراً سليماً، فإن التنفيذ العملي يعتمد على قدرة المصنع على استعادة قدر كافٍ من الحرارة لجعل عملية التجفيف فعالة. وتخلص الدراسة إلى أنه بينما يبدو هذا النهج الدائري واعداً للغاية في تحسين إنتاج الميثان والاستقرار، فإن الاستخدام الناجح على نطاق واسع سيتطلب اختباراً دقيقاً لقدرات التجفيف المحلية ومراقبة طويلة الأمد لضمان بقاء النظام مستقراً بمرور الوقت.