עיכול אנאירובי של בוצת מט"שים – אתגרים, יתרונות, ופתרונות

במאמר שלהלן ייסקרו בקצרה הקשיים שבטיפול אנאירובי בבוצות מט"שים, נציג רעלנים ומעכבים בעיכול האנאירובי וגם פתרונות אפשריים להתגברות על הקשיים הללו

 

תוצרי לוואי מרכזיים של תהליכי הטיפול הביולוגיים, המקובלים בשפכים עירוניים, הם בוצה ראשונית – החלק השוקע של השפכים הנכנסים למט"ש, ובוצה עודפת שניונית (WAS) – החלק העודף של המיקרואורגניזמים, שביצעו את הטיפול בשפכים.
במקרים רבים, עיקר הטיפול בבוצה הראשונית וב- WAS הוא עיכול, שהוא בעצם תהליך שלם ונפרד של טיפול ביולוגי, שבו המיקרואורגניזמים ה"מעכלים" משתמשים, כמצע גידול, בבוצה הראשונית והשניונית. תהליך העיכול המקובל ביותר עבור בוצות מט"שים הוא התהליך האנאירובי המזופילי (המתרחש בטמפרטורות בטווח 35-37oC).
תהליכי עיכול אנאירוביים הם מורכבים ורגישים תמיד – גם כשהם מטפלים בחומרים קלים לפירוק ביולוגי (כמו סוכרים פשוטים בשפכי ייצור משקאות, למשל); אבל כשתהליכים כאלה משמשים לטיפול בבוצות מט"שים, הם נתקלים בקשיים מיוחדים.
במאמר שלהלן ייסקרו בקצרה:

  1. הקושי בטיפול אנאירובי בבוצות מט"שים
  2. רעלנים ומעכבים בעיכול האנאירובי
  3. פתרונות אפשריים להתגברות על הקשיים הנ"ל.

בוצה שניונית (WAS) כמצע לעיכול אנאירובי

בוצה שניונית היא קשה לפירוק עבור מיקרואורגניזמים אנאירוביים (שהם בעיקר ארכיאה – מיקרואורגניזמים חד תאיים, חסרי גרעין), בעיקר בגלל שרובה מורכבת מהדופן של מיקרואורגניזמים אחרים (משתתפי תהליך הטיפול בשפכים, שהם בעיקר חיידקים – אם כי גם ארכיאה, אצות ואחרים). הדופן החיידקית היא מבנה מורכב, שמבוסס על שלד פפטידוגליקאן (פולימר שבנוי מסוכרים ומחומצות אמינו, במבנה מרחבי דמוי רשת רב שכבתית). הפירוק של הדופן ע"י מיקרואורגניזמים קשה בגלל המבנה המרחבי המורכב והיציב שלה, וגם בגלל המשקל המולקולרי הגדול של הרכיבים הנפרדים שלה. בנוסף, בוצה שניונית מכילה עוד חומרים קשי-פירוק: שומנים, חלבונים, חומצות גרעין, חומצות סוכר (חומצות יורוניות), חומרים הומיים (שקשים לפירוק כי הם בלתי מסיסים ובעלי משקל מולקולרי גדול מאד), ואחרים.

איור 1 | מבנה הדופן של חיידק גרם-חיובי.  מתוך: Pearson Education ltd. (2012): Functional Anatomy of Prokaryotic and Eukaryotic Cells

הקושי בפירוק הבוצה השניונית משפיע בעיקר על השלב הראשון, האיטי ממילא, של העיכול האנאירובי – שלב ההידרוליזה (שבו החומרים המקוריים הנכנסים לעיכול מפורקים לצורות פשוטות יותר, שמשמשות כמזון לשלב הבא – האצידוגנזה).
גם בוצה ראשונית, השונה מהותית מ- WAS ומכילה כמות מיקרואורגניזמים זניחה יחסית אליה (בהתעלם מזרמים חוזרים בתוך המט"ש), ולכן גם פריקה ממנה בהרבה – מכילה חומרים מורכבים וקשים יחסית לפירוק ביולוגי כמו שומנים, חלבונים ופחמימות.
ההאטה של שלב ההידרוליזה נגררת גם אל השלבים הבאים של הפירוק האנאירובי – האצידוגנזה (פירוק תוצרי-ההידרוליזה לחומצות שומן פשוטות), והמתאנוגנזה (פירוק תוצרי השלב הקודם, האצידוגנזה, בעיקר למתאן ולפחמן דו חמצני).

אז למה בעצם עושים עיכול אנאירובי של בוצות מט"ש?

העיכול האנאירובי הוא דרך טבעית ובת-קיימא להשיג שתי מטרות ביעילות רבה: צמצום משמעותי של כמות הבוצה הצריכה פינוי מהמט"ש, בד בבד עם ייצור של משאב עתיר אנרגיה – מתאן.

מנוע ביוגז מתוצרת Jenbacher. צילום: ג.פ.

צמצום סעיף ההוצאות על פינוי בוצה סחוטה, ביחד עם החיסכון (ובמקרים מסויימים, הרווח) מניצול המתאן לחימום התהליך האנאירובי (או גם הפקת אנרגיה תרמית או חשמלית) משנה לחלוטין את המאזן הכספי של תפעול המט"ש, ויכול להפוך את התהליך האנאירובי – על מורכבותו וקשייו – לחיוני.

עיכול אנאירובי של בוצות מט"ש עירוני יחד עם חומרים נוספים

הוספה של חומרים "אקסטרניים" אל העיכול האנאירובי של בוצת מט"שים היא פרקטיקה מקובלת. הסיבות יכולות להיות תהליכיות (למשל, ניסיון לשפר את תהליך העיכול באמצעות הוספת חומר פריק יותר מאשר בוצה), רגולטוריות (הרשות דורשת קליטה של ביוביות במט"ש), או כלכליות (חוזה משתלם עם מפעל שמייצר פסולת שניתן לעכל אותה), או שילוב של הנ"ל.
תוספים חיצוניים יכולים במקרים מסויימים (כמו כניסה של תרכובות אורגניות עמידות-בפני-פירוק ביולוגי בזרם השפכים, למשל) להגיע אל המעכלים בעקיפין, ביחד עם הבוצה הראשונית והעודפת.

העיכול האנאירובי הוא דרך טבעית ובת-קיימא להשיג שתי מטרות ביעילות רבה: צמצום משמעותי של כמות הבוצה הצריכה פינוי מהמט"ש, בד בבד עם ייצור של מתאן

חומרים מוספים לעיכול בוצה במט"שים: מקרים נפוצים

הנה כמה סוגים מקובלים של "תוספות" כאלה, ומה הם יכולים לגרום כשמוסיפים אותם לתהליך האנאירובי.
1. פסולת שומנית
עיכול אנאירובי של WAS – חומר קשה פירוק בפני עצמו כמו שראינו – עם פסולת עתירת שומנים יכול לגרום לתופעות של רעילות, וגם להפרעה פיסית לפעילות המעכלים. חומצות שומן ארוכות-שרשרת (LCFAs), שהן הרכיב העיקרי של שומנים אורגניים, יכולות לגרום לפגיעה קבועה בדופן של המיקרואורגניזמים האנאירוביים, באופן שגורם להאטה בפעילותם - לפעמים עד כדי קריסה של התהליך במעכל. נוכחות LCFAs יכולה לגרום גם להיווצרות שכבת צופת (scum) שמכילה בתוכה ביומסה, ולהקצפה. תוצאות אפשריות: חסימת משאבות וצנרת, סתימת צנרת גז, והישטפות ביומסה (עם הצופת והקצף) אל מחוץ למעכל.
2. סובסטרט קל-פירוק (סוכרים, אלכוהול)
עיכול של WAS – תערובת ענייה יחסית בפחמן פריק, ועשירה יחסית בחנקן – עם חומר שהוא קל מאד לפירוק ביולוגי (כלומר מכיל הרבה פחמן פריק) מאפשרת הגברה של כלל הפעילות הביולוגית במעכל, ולפירוק טוב יותר של VS (מוצקים נדיפים – החלק הניתן-לפירוק מתוך ה- WAS), בלי להגדיל את כמות האמוניה במעכלים עד כדי רעילות.
בהתאם לפירוק ה- VS המוגדל, גם תפוקת הביוגז עולה.
3. דם
תוספת של פסולת הכוללת דם (ממפעלי עיבוד בשר למשל) לעיכול אנאירובי של בוצת מט"שים צפויה לגרום לירידה ביכולת הפירוק האנאירובי של התערובת. הסיבות הן תוספת החלבון – מבנה מורכב ועתיר חנקן, שמתפרק לאמוניה – וכן, אם הפסולת עברה גם חימום במהלך הייצור, בגלל נוכחותן של תרכובות חנקן קשות-פירוק שנוצרו בזמן החימום.
4. מוהל עצירת שמן זית ("עקר")
במקומות מסויימים בארץ, המט"שים האזוריים מתמודדים עם תנודה עונתית בהרכב השפכים. דוגמה בולטת לכך היא תקופת עצירת שמן הזית בבתי הבד (בדרך כלל מאמצע אוקטובר). בתקופה זו מתרחשת במט"שים מסויימים, לאורך חודש עד חודשיים, חדירה חוזרת ונשנית של מוהל (עקר) מייצור שמן זית, שמתאפיין בריכוזים גבוהים של תרכובות פנוליות כמו חומצה קפאית, טירוזול, הידרוקסיטירוזול ועוד. בדומה להרעלות כימיקלים אחרות, החומרים הנכנסים מתפרקים רק במידה מועטת בתהליך הטיפול בשפכים (תהליך הנוזל), והם מגיעים בחלקם עם הבוצה העודפת אל המעכלים האנאירוביים, ויכולים לגרום שם לעיכוב של המיקרואורגניזמים המתאנוגניים ולפגיעה בפעילותו התקינה של המעכל.

תמונה 2 | כניסת שפכי עקר למט"ש בצפון הארץ, נובמבר 2015. צילום: ג.פ

עיכוב ורעילות בעיכול בוצת מט"שים

כמו שראינו בדוגמאות בסעיף הקודם, חומרים יכולים לפגוע בתהליך האנאירובי, בין אם הם מגיעים אליו ישירות (הזרמת חומר למעכל), או אם הם מגיעים עם הבוצה העודפת. חומרים רעילים או מעכבים יכולים להיווצר גם במהלך הפירוק האנאירובי עצמו.
נפרט כמה מהרעלנים הנפוצים, עם הריכוזים המקובלים כערכי סף לרעילות. יצויין, שהריכוזים המופיעים במקורות שונים כערכי סף לעיכוב או לרעילות הם לפעמים שונים מאד זה מזה – בין השאר בגלל הבדלים באופן הבדיקה והדיווח, בסוג המזון שעליו מתקיים התהליך המדווח, במידת האיקלום של הביומסה האנאירובית לרעלן, ובתצורת הריאקטור.
אמוניה: מגיעה למערכת מפירוק של חומר חנקני (בעיקר חלבונים ואוריאה). רעילה יותר בצורת אמוניה חופשית, NH3 (החלק היחסי תלוי בריכוז כלל האמוניה, בהגבה, ובטמפרטורה). בריכוזים של 1,500-3,000 מג"ל מתחיל עיכוב מתון של המתאנוגנים, ובריכוזים שבין 3,000-5,700 מג"ל ניתן לראות כבר עיכוב משמעותי.
נתרן: עיכוב מתחיל בריכוזים של 3,500-5,500 מג"ל, ועיכוב חזק מורגש בריכוזים שמעל 8,000 מג"ל.
כלוריד: עיכוב מתון מתחיל בריכוז של 6000 מג"ל.
אשלגן: התחלת עיכוב מתון: 2,500-4,500 מג"ל, עיכוב חזק: 12,000 מג"ל.
סידן: עיכוב חזק בריכוז של 8,000 מג"ל.
מגנזיום: עיכוב חזק בריכוז של 3,000 מג"ל.
אלומיניום: עיכוב מתון בריכוז של 2,500 מג"ל, וייתכן איקלום לריכוזים גבוהים יותר.
סולפיד: עיכוב בריכוז של 100-800 במצב מומס, ובריכוז של 50-400 בצורת גז (H2S).
VFA: חומצות שומן נדיפות – תוצר הביניים של תהליך הפירוק האנאירובי, ולעתים גם תוסף "אקסטרני" לעיכול דרך שפכי תעשיה מסויימים – רעילות לתהליך האנאירובי בגלל מספר מנגנונים בו זמנית: (1) חדירה לתוך מיקרואורגניזמים תוך הורדת ערך ההגבה בתוך המיקרואורגניזם, (2) הורדת ההגבה בריאקטור עד לפגיעה בתהליכי הידרוליזה ו/או אצטוגנזה, ו- (3) פגיעה בפירוק של VFA כחלק מהתהליך האנאירובי (זהו למעשה עיכוב תחרותי).
הן גורמות לעיכוב ייצור ביוגז כשהן מגיעות לריכוזים של 2,000-6,000 מג"ל.

הוספה של חומרים "אקסטרניים" אל העיכול האנאירובי של בוצת מט"שים היא פרקטיקה מקובלת. הסיבות יכולות להיות תהליכיות, רגולטוריות, כלכליות, או שילוב של כולן

פרמטרים אחרים שמשפיעים על העיכול האנאירובי של בוצת מט"שים

1. עומס הזנה, ריכוזי בוצה, וגיל בוצה
ערך הסף להזנת חומר אורגני פריק למעכל מוכתב בעיקר לפי קצב ההצטברות של חומרים רעילים (במיוחד אמוניה) בתוך המעכל, וקצב ההישטפות (washout) של מתאנוגנים אל מחוץ למעכל.
עומס ההזנה, גיל הבוצה, וריכוז הבוצה תלויים זה בזה. ככלל, ככל שריכוז הבוצה וגיל הבוצה גבוהים יותר, עומס ההזנה על המעכל יכול להיות גבוה יותר.
2. סדירות הזנה
הזנה סדירה של המעכלים, גם הידראולית וגם מבחינת עומסי החומר הפריק הנכנס, חיונית לשמירה על תהליך אנאירובי יציב, וחשובה במיוחד למתאנוגנים (שרגישים לכל סוגי מצבי ההלם, ומתאוששים מהם לאט). הזנה סדירה היא גם חיונית כדי למנוע הקצפה, שעלולה לגרום לסתימה של יציאות הגז.

שיפור עיכול אנאירובי של בוצת מט"שים

הקושי בעיכול בוצות מט"ש מחייב לעתים לשקול דרכים לשיפור התהליך, כדי להשיג את המטרות העיקריות שלו - הקטנת כמות הבוצה שיש לסלק מהאתר, וייצור מקסימלי של ביוגז.
יש מגוון אסטרגיות לשיפור עיכול אנאירובי – חלקן טריוויאליות (כמו הגדלת נפח המעכלים), וחלקן ייחודיות יותר. להלן ייסקרו כמה מהשיטות היותר מקובלות, שנוסו בהצלחה בקנה מידה מלא.
הגדלת גיל הבוצה
בהיות גיל הבוצה פרמטר מרכזי לסילוק חומר פריק וייצור ביוגז (כמו שראינו), ההגדלה שלו יכולה לשפר דרסטית את תפקוד המעכלים. ההגדלה ניתנת לביצוע או באמצעות הוספת נפח עיכול אנאירובי, או באמצעות הגדלת ריכוז הבוצה המתעכלת.
הגדלת גיל הבוצה ניתנת להשגה בשתי דרכים:

  1. הוספת נפח עיכול אנאירובי באמצעות בניית מעכל אנאירובי נוסף.
  2. העלאת ריכוז הבוצה במעכלים.

שיפור פריקות הבוצה ע"י טיפול מקדים

טיפול מקדים בבוצות מט"שים לפני עיכול מזופילי מיועד להשיג שתי מטרות אפשריות:

  1. האצת הקינטיקה של המיקרואורגניזמים שמפרקים את הבוצות.
  2. הגדלת הפריקות הביולוגית של הבוצה המתעכלת.

באמצעות טיפול מקדים אפשר לקבל רמת סילוק VS גבוהה יותר, ושיעור ייצור ביוגז גבוה יותר, מהמעכלים האנאירוביים הקיימים במט"ש. להלן טיפולי הקדם המקובלים.
1. קדם-טיפול תרמי
תצורות הטיפול האנאירובי העיקריות המבוססות על חימום כוללות הידרוליזה תרמית (TH, שלב קצר מאד בחום גבוה מאד לפני עיכול מזופילי), עיכול אנאירובי תרמופילי (TAD, כל העיכול הוא בטמפ' של oC 50-57), ועיכול אנאירובי דו-פאזי (TPAD, שילוב של שלב תרמופילי עם שלב מזופילי).
החימום פוגע בקשרים הכימיים בדופן התא של המיקרואורגניזמים ב- WAS, וכך הוא מגדיל משמעותית את הפרקציה המסיסה של הצח"כ (כלומר, את החלק הפריק של הבוצה).
התהליך צורך הרבה אנרגיה, אבל כיוון שגם ייצור הביוגז גדל משמעותית, וכיוון שהאנרגיה הנדרשת היא אנרגיה תרמית (כלומר, אין הפסדי נצילות על שינוי צורת האנרגיה), מאזן האנרגיה הוא בדרך כלל חיובי בצורה משמעותית (כלומר, התהליך רווחי).
היישום כולל בדרך כלל שני שלבים בטמפ' שונות: שלב מחומם קצר (אנאירובי או אירובי), ושלב אנאירובי מזופילי ארוך יותר.
תהליכים תרמיים סובלים ממספר חסרונות מובנים שחייבים התייחסות מקדימה. ביניהם: קושי בייצוב ובבקרה של התהליך, פגיעה ביכולת ייבוש הבוצה (וכנגזרת מכך – עליה בצריכת הפולימר), פרקציה אינרטית מסיסה גדולה יותר, קולחים כהים, עיכוב אמוניה מוגדל, ומי נטל עם ריכוזים מוגדלים של נוטריינטים, חומר אורגני, מוצקים וצבע.
2. קדם-טיפול אולטראסוני
שילוב של אימפקט מכני (קוויטציה) וכימי (רדיקלים חופשיים).
הסוניקציה מפרקת את הבוצה המתעכלת, ובכך היא מעלה את הפריקות הביולוגית האנאירובית שלה.
התהליך פשוט, וזמין מסחרית (תהליך SonicxTM ). צריכת האנרגיה של התהליך היא גדולה.
היישום של טיפול אולטראסוני צפוי להשפיע גם על יכולת סחיטת הבוצה, אבל כיוון ומידת ההשפעה חייבים בדיקת פיילוט.
יצויין שסוניקציה לא תמיד פוגעת בפתוגנים באופן משמעותי.
3. קדם-טיפול כימי
שיטות הטיפול המקדים הכימי העיקריות הן הידרוליזה בסיסית, הוספת חומצה, וחמצון ישיר.
כל השיטות משיגות פירוק מוגבר של הבוצות והפיכתן לזמינות יותר לפירוק ביולוגי.
3.1. הידרוליזה בסיסית / הוספת חומצה כטיפול קדם בבוצה
שני התהליכים כוללים העלאה של הבוצה לרמות הגבה קיצוניות, ואיזון שלה בחזרה לאחר מכן.
התהליך כולל בד"כ חימום. בדרך כלל נראה גם שיפור בהוצאת המים מהבוצה הנסחטת.
צריכת הכימיקלים היא גבוהה, וריכוזי היונים במעכל צפויים לגדול מאד ועלולים אף לגרום לעיכוב.
3.2. חימצון כטיפול קדם בבוצה
תצורות הטיפול בחימצון כוללות, בין השאר:
- טמפ' גבוהה + לחץ גבוה + אויר (תהליכי Cambi, Vertech).
- אוזונציה.
- פראוקסידציה (עם או בלי יוני מתכת, עם או בלי העלאת טמפרטורה).
ככלל, שימוש בתהליכי חימצון מביא לשיפור ניכר בייצור הביוגז, ולשיפור בינוני בסילוק VS.

שיפור ביצועי המעכלים ע"י תוספים כימיים: הוספת מיקרונוטריינטים
מיקרונוטריינטים (בעיקר כמויות זעירות של מתכות כבדות) יכולים לשפר את הפעילות המיקרוביאלית במעכלים באמצעות השתתפותם בפעילות אנזימטית, וכן באמצעות הורדת פוטנציאל החימצון/חיזור (ORP) של הריאקטור. הוספת יוני ברזל בצורת פריק כלוריד היא דוגמה לתיסוף במתכת בעלות נמוכה יחסית. תיסוף בהרכב נוטריינטים אופטימלי יכול להביא לעליה של עשרות אחוזים בייצור הביוגז.

הפרדת בוצות וטיפול דיפרנציאלי
זהו "פתרון ספר-לימוד", המיושם במקרים רבים, ובו שני סוגי הבוצה (הראשונית הפריקה יותר, והשניונית הפריקה פחות) כלל לא מעורבים. הבוצה הראשונית מעוכלת אנאירובית, והבוצה השניונית מטופלת באופן אחר (עיכול אירובי, חמצון כימי, ייבוש, וכו'). הפתרון הזה ממקסם את כמות האנרגיה שניתנת להפקה מהבוצה הפריקה יותר (הראשונית), ונמנע לחלוטין מהבעיות הכרוכות בעיכול בוצה שניונית. הפתרון הזה ניתן גם ליישום בדיעבד במט"ש קיים, שעד כה עירב את שתי הבוצות.

גיא פורר - M.Sc, הנדסה וייעוץ סביבתי | This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
הדפסה הורדה

לשאלות ופרטים נוספים

נא מלאו את פרטיכם ונציגינו ייצרו עמכם קשר בהקדם