Table of Contents
مقدمة: دوال - بروود التكنولوجيا الحيوية
وتمثل خلايا الوقود المجهرية تحولاً في نمط إدارة مياه الصرف الصحي عن طريق معالجة المياه وتوليد الكهرباء في آن واحد، وتستغل هذه النظم الكيميائية الحيوية النشاط الأيضي للبكتريا الكهروجينية لتأكسد الملوثات العضوية وتحويل الإلكترونية إلى منعطف، وتنتج تياراً قابلاً للقياس، ويكمن الوعد بمعالجة المواد الكيميائية المتوسطة الأجل في قدرتها على تحويل النفايات.
وتستهلك عمليات المعالجة الجوية التقليدية كميات كبيرة من الطاقة، التي كثيرا ما تمثل 35 في المائة من إجمالي استخدام الكهرباء في الدولة، وعلى النقيض من ذلك، يمكن أن تعوض هذه الاحتياجات عن طريق استعادة بعض الطاقة الكيميائية المخزنة في مياه الصرف، كما أن قدرة النظام على إزالة المغذيات مثل النيتروجين والفوسفور توفر بديلا مستداما للطرق القائمة على كثافة المواد الكيميائية، ومع تعجيل البحوث، فإن السلاسل المتوسطة من المواد الكيميائية هي عناصر العلاج.
أساسيات عملية خلية الوقود المصغرة
كيف تعمل الشركات المتعددة الأطراف
ويتكون من غرفة مائية وغرفة هضمية، تفصلها عن طريق ميمبراني للبروتونات (أو في بعض التصميمات، جسر الملح) وفي غرفة الأنود، تشكل الميكروبات ملوثا بيولوجيا على سطح الكهروود وتشغل مضبوطات عضوية موجودة في المياه المستعملة، وتطلق الإلكترونية في هذه المنطقة الخبيثة وتنتقل إلى الأنود.
لاعبو الميكروبيات الرئيسيون
ولا توجد كلها بكترونيا هيدروجينية، وتشمل أكثر السخانات التي درست [(FLT:0)] Geobacter و] Shewanella]]، التي يمكن أن تنقل بكفاءة الإلكترونات إلى الكهروديس الصلبة.
المواد الكهربائية والمصادرات
ويتأثر أداء المادة الكيميائية المتعددة الكلور بشدة بالمواد الكهروودية، وينبغي أن تكون الأنودس ذات طابع سلوكي ومتوافقة بيولوجياً، وأن توفر مساحة سطحية عالية لنمو الرش الأحيائي، كما أن المواد التي تستخدم الكربون (مثلاً، التلويث الكربوني، الكربون المنشط، الكربون) شائعة، ولكن التعديلات التي تُدخل على المعادن أو البوليمرات الصنعية يمكن أن تعزز النقل الإلكتروني.
تعزيز إزالة المغذيات: نيتروجين وفوسوفور
Nitrogen Cycling in MFCs
إن إزالة النيتروجين وظيفة حرجة من وظائف المعالجة الحديثة للمياه المستعملة، ففي ميغاواط، يمكن أن يحدث إزالة النيتروجين عبر عدة مسارات، وفي حالة عدم وجود الأكسجين، يمكن أن تُقبل البكترونات في غرفة النينود من النيتروجين لتقليل النيترات (NO3 -) إلى غاز النيتروجين (N2)، وهي عملية تُعرف باسم " الرش الكهربائي " عند حدوث التصاميل البديل.
التكرير المتزامن
ومن أكثر السمات جاذبية للمركبات المتعددة الكلور قدرتها على دعم التكرار والتنديد في مفاعل واحد في الوقت نفسه، ومن خلال التحكم في مستويات الأكسجين - مثلاً مع حجرة هروبيك وغرفة للأنوف السامة - يُعاد ترتيب الأمونيوم لأول مرة في المجلة النيتريكية/النيترات في الكاثود، ثم يُخفض إلى الغاز النيتروجين في عملية الإزالة المثلى.
إزالة الفوسفور واستعادة
وتتم إزالة الفوسفور في مركبات الكربون الهيدروكلورية فلورية عن طريق آليتين رئيسيتين: إذ إن الدمج في الكتلة الأحيائية المجهرية والتهيؤ الكيميائي، وتتناول البكتيريا الفوسفوري من أجل نمو الخلايا، وفي بعض مركبات الكربون المفلورية، يمكن أن يؤدي ارتفاع مستوى الهيدروجين عند ملوثات الماء إلى تهيج ملوثات الستيروفيت (MNH4PO4) أو مادة الفوليوم
استعادة الطاقة من المياه المستعملة
توليد الكهرباء: الكثافة الحالية والكهربائية
وتتناسب الطاقة التي تلتقطها لجنة إم إف سي بشكل مباشر مع الحمولة العضوية وكفاءة النقل الالكتروني، وتتراوح كثافة الطاقة النموذجية في المختبرات المتعددة السلاسل المتوسطة الحجم بين 0.1 و3 دبلوم/م2 في منطقة الكهروود، مع ارتفاع القيم المبلغ عنها فيما يتعلق بالنظم المثلى، وفي حين أن هذه الكمية لا تزال أقل من خلايا الوقود التجارية، فإن الطاقة تسترد من منتج نفايات يحتاج إلى طاقة مستخرجة من مصادر أخرى.
تطبيقات السلطة المولدة
وقد يكون الناتج الكهربائي من البلدان المتوسطة الدخل ملائماً جداً لتطبيقات منخفضة الطاقة مثل أجهزة الاستشعار اللاسلكية، والشاشات عن بعد، والمضخات المجهرية في نظم المعالجة، حيث يمكن أن تؤدي أجهزة تقوية الفولط وصناعة الطاقة إلى خفض أجهزة توليد الطاقة الصغيرة باستمرار، وقد أظهرت بعض المشاريع التجريبية أن الإضاءة المزودة بالطاقة الكهربائية في المجتمعات المحلية التي تعيش في المناطق النائية أو أجهزة رصد نوعية المياه ذاتية السعة.
مقارنة مع عمليات الطاقة الأحيائية الأخرى
والرقمنة الهوائية هي تكنولوجيا الطاقة الأحيائية المهيمنة بالنسبة لحمأة المياه المستعملة، وهي تنتج الميثان الذي يمكن إحراقه للكهرباء، غير أن الديوكسينات تحتاج إلى كميات عضوية عالية، وأطول فترة للاحتفاظ بها، وتنتج غازات الدفيئة، وتضع مركبات الكربون الهيدروكلورية فلورية نهجاً تكميلياً: يمكنها معالجة مسارات النفايات السائلة (الطلب الكيميائي للأكسجين دون 1 غرام/لتر) مع الحد الأدنى من إنتاج الحمأة، وليس هناك حاجة إلى من الغازات العضوية.
الفوائد التآزرية: إزالة المغذيات وإنتاج الطاقة
وربما تكون أكثر الحالات إلحاحاً بالنسبة لتكنولوجيا المواد الكيميائية في قدرتها على معالجة مياه الفضلات وتوليد الطاقة في وقت واحد، وعندما يتم إزالة المغذيات واستعادة الطاقة على النحو الأمثل معاً، فإن صافي توازن الطاقة يمكن أن يصبح إيجابياً - أي أن المادة المتوسطة والهيدروليكية تنتج طاقة أكبر مما تستهلكه، وقد أظهرت عدة دراسات أنه عن طريق التحكم بعناية في إمكانات الكهرباء والوقت المحدد للإبقاء على المواد الهيدروجينية، يمكن تعزيز إزالة النيتروجين دون أن تكون الطاقة الكهربائية معروفة بنسبة 76 في المائة(أ)
وهذا التآزر ذو قيمة خاصة في المناطق ذات البنية التحتية المحدودة للطاقة، وفي المناطق الريفية أو النائية، يمكن لمركبات الكربون المتعددة الكلورية فلورية أن توفر المعالجة اللامركزية للمياه المستعملة بينما تولد الكهرباء لتلبية الاحتياجات الأساسية، كما أن انخفاض إنتاج الحمأة مقارنة بنظم الحمأة المنشط يقل أيضا مناولة المياه والتخلص منها، ويزيد من تحسين البصمة البيئية والاقتصادية.
التحديات الرئيسية التي تواجه التبني التجاري
منخفض الطاقة الناتج فيما يتعلق باحتياجات الطاقة
وعلى الرغم من النتائج المختبرية الواعدة، فإن كثافة الطاقة في مركبات الكربون المتوسطة الأجل لا تزال منخفضة جدا بالنسبة لتوليد الكهرباء على نطاق واسع، كما أن المقاومة الداخلية للنظام - التي تسببها النسيج والكهرباء والوصلات الكهربائية - تحد من التيار الذي يمكن رسمه، وتزيد من حدة هذه الخسائر في الحجم الكهرومغناطيسي، وتخفض الطاقة في كثير من الأحيان من جراء أوامر الحجم من المختبرات إلى الحجم التجريبي.
قابلية المواد للتصنيف وتكاليفها
والكثير من مكونات إم إف سي ذات الأداء العالي، مثل الهرولة المحتوية على البلازمين وأجهزة قياس الأيون المحتوية على أسعار، باهظة التكلفة وغير مناسبة للاستخدام على نطاق واسع، كما أن المواد الفرعية مثل الكاسيد المحتوية على موازنات غير قابلة للاستمرار مع المطويات الحفازة القائمة على الكربون، أو إزالة الكمبرانية الإجمالية (مثل تكاليف البحث الأقل تكلفة)
عملية الاستقرار البيولوجي المتناهي الصغر والطور الطويل
فالطوائف المجهرية المختلطة في البلدان المتوسطة الدخل دينامية؛ وعلى مدى أسابيع أو أشهر، يمكن أن يتغير تركيبة الكيمياء الأحيائية، مما يقلل أحياناً من النشاط المغناطيسي الخارجي، ويمكن أن تؤدي عوامل مثل تفاوت درجات الحرارة، وعبء الصدمة السامة، والتغيرات في تركيبة المياه المستعملة إلى إعاقة الميكروبات، وضمان الأداء المستقر والطويل الأجل يتطلب تصميمات قوية للمفاعلات، وربما مع اتخاذ خطوات للتخصيب الأحيائي أو الإثراء الانتقائي.
الاتجاهات المستقبلية والابتكارات الناشئة
التكامل مع ميمبران للمفاعلات البيولوجية والأراضي الرطبة
(ب) إن الجمع بين البلدان المتوسطة الدخل وغيرها من تكنولوجيات العلاج هو استراتيجية واعدة للتغلب على القيود الفردية، فعلى سبيل المثال، يستخدم " MFC " أداة امبراطورية لتصريف النفايات، ينتج مياهاً أنظف، بينما يوفر مركز إم إف سي بعض الطاقة الضخية، كما أنه يُنشئ " خلية من الوقود المميت الصغر " (الواردات الصغيرة) في عام 2020
من MFC إلى Microbial Electrosis و Electrosynthesis
ويمكن تحويل ميغاواط، عن طريق تعديل طفيف للإمكانات التطبيقية، إلى خلية كهربائية صغيرة لإنتاج غاز الهيدروجين من المواد العضوية، مما يوسع من إنتاج الطاقة إلى وقود نظيف، بل إن أكثر تقدماً هو تركيبة الكهرومغناطيسية الدقيقة، حيث تستخدم البكتيريا التي تستخدم فيها كميات ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية قيمة مثل الخلايا الإيثانول أو البيوترات.
المعايير القياسية والتنفيذ العالمي
ومع نضج الميدان، تصبح الحاجة إلى قياسات قياس الأداء الموحدة أمراً بالغ الأهمية، إذ أن العديد من الدراسات المختبرية تستخدم المياه الاصطناعية ذات السمعة العالية والمواقع الفرعية البسيطة، التي لا تعكس الظروف الحقيقية، وتبذل الجهود حالياً لوضع بروتوكولات توافقية لتقييم المواد الكيميائية المتوسطة الحجم، بما في ذلك مبادئ توجيهية من الجمعية الدولية لكيمياء وتكنولوجيا الكيمياء الدقيقة، وتتزايد الاختبارات التجريبية بشأن مياه المجاري الحقيقية، مع توفير موثوقية كبيرة في أستراليا وهولندا.
السياسات والاقتصاد والتوقعات السوقية
ومن شأن الحوافز الحكومية على الطاقة المتجددة والحدود الصارمة لتصريف المواد الغذائية أن تهيئ بيئة مواتية لاعتماد المواد الكيميائية، ففي الاتحاد الأوروبي، على سبيل المثال، يدفع التوجيه الإطاري للمياه إلى معالجة الطاقة المحايدة بحلول عام 2030، ويمكن أن تؤدي هذه المواد الكيميائية دوراً في تحقيق هذا الهدف، لا سيما إذا طُبقت أرصدة الكربون لتجنب الانبعاثات، ويشير تحليل دورة الحياة إلى أنه عندما تُدرج الفوائد البيئية الناجمة عن انخفاض استخدام الطاقة وتقليص إنتاج الحمأة.
خاتمة
وتوفّر خلايا الوقود المجهرية حلاً بارزاً لتحديين ملحّين هما: إزالة المغذيات من المياه المستعملة وتوليد الطاقة المتجددة، وباستغلال العمليات الأيضية الطبيعية للبكتيريا، يمكن لمركبات الكربون المتعددة الكلورية فلورية أن تعالج المياه وتنتج الكهرباء في آن واحد، مع زيادة الفوائد المتأتية من استعادة الفوسفور لإعادة الاستخدام، ورغم العقبات الكبيرة المتصلة بمنتجات الطاقة، والتكاليف، والتوسع، والتطورات الجارية في المواد الإلكترودينة.
ونادرا ما يكون الطريق من الانجاز المخبري إلى الأثر الحقيقي في العالم بسيطا، ولكن مع استمرار البحوث المتعددة التخصصات وأطر السياسات الداعمة، فإن لدى البلدان المتوسطة الدخل القدرة على أن تصبح حجر الزاوية للإدارة المستدامة للمياه المستعملة، ونظرا لأن الطلب العالمي على المياه النظيفة والطاقة المتجددة ينمو، فإن القدرة المزدوجة لهذه التكنولوجيا الحيوية - الإلكترونية لن تصبح أكثر قيمة، وبالنسبة للمرافق والمهندسين ومديري البيئة، فهما للحالة الراهنة لعلوم الطاقة الصغرى هي أول مصانع تسخرة أكثر كفاءة في المستقبل.