دیدگاهمدیریت پسماند

تکنولوژی مدیریت پسماند زیستی

مدیریت پسماندهای زیستی باعث افزایش سلامت عمومی جامعه و ایجاد ارزش افزوده اقتصادی می‌شود. در این نوشتار تکنولوژی‌های مختلف مدیریت پسماندهای زیستی مورد بررسی قرار می‌گیرد.


تولید پسماند جامد در سطح جهانی افزایش یافته است. از عوامل تأثیرگذار این مسأله می‌توان به افزایش جمعیت، صنعتی شدن جوامع و رشد اقتصادی اشاره کرد. مدیریت پسماند جامد یکی از عناصر مهم توسعه پایدار تلقی می‌شود. فرصت‌های توسعه و بهبود مدیریت پسماند در مناطق کم‌درآمد و با درآمد متوسط بیشتر وجود دارد چرا که در این مناطق؛ جمع‌آوری، تصفیه و دفع پسماند به‌ درستی انجام نمی‌شود. علاوه براین، در این مناطق بخش زیادی از پسماند خانگی و صنایع کوچک حاوی مواد آلی زیست‌تخریب‌پذیر است. مقدار مواد آلی حدود 50 تا 80 درصد کل پسماند را شامل می‌شود که به پسماند زیستی موسوم است.

پسماند زیستی شامل پسماند غذایی (در خانه‌ها، رستوران‌ها، مدارس و بیمارستان‌ها)، پسماند بازار و پسماند پارک و فضای سبز و باقی‌مانده مواد در صنایع غذایی و صنایع چوب است. پسماند زیستی مدیریت‌نشده ضررهای جبران‌ناپذیری را برای محیط‌ زیست و جامعه به‌وجود می‌آورد و همچنین شیرابه‌ای تولید می‌کند که می‌تواند آب‌های سطحی و زیرزمینی را آلوده کند و تخلیه آن بدون مدیریت باعث تولید گاز متان و آلودگی هوا می‌شود. در این مقاله به مرور روش‌های و فناوری‌هایی پرداخته می‌شود که برای انواع مختلف پسماند به‌خصوص در مناطق کم‌درآمد یا با درآمد متوسط کارایی دارند.

فناوری‌های مختلف مدیریت پسماند

در این مقاله، فناوری‌های مدیریت پسماند به‌عنوان فرایندهایی در نظر گرفته می‌شوند که پسماندهای آلی را به مواد با ارزش تبدیل می‌کنند. فناوری‌های تصفیه پسماندهای آلی خانگی به دو دسته تقسیم‌بندی می‌شوند که عبارت‌اند از: استفاده مستقیم و تصفیه زیستی.

بازیافت پایدار پسماند نیازمند ذخیره پسماندها به‌عنوان ورودی و تقاضای بازار به‌عنوان خروجی است. برای پسماندهای آلی این بازار به سه گروه عمده تقسیم‌بندی می‌شود که عبارت‌اند از:

دامداری: محصولات برگرفته از مواد آلی می‌توانند به‌عنوان خوراک دام مورد استفاده قرار گیرند. پیش‌بینی می‌شود که نیاز به گوشت و شیر در سال 2050 نسبت به 2010 بین 58 تا 70 درصد افزایش یابد. با افزایش تقاضای محصولات گوشتی و لبنی، نیاز به خوراک دام نیز بیشتر می‌شود. استفاده از سبوس و خوراک ماهی برای دهه‌های آینده با توجه به دسترسی و میزان تولید آن امکان‌ناپذیر است بنابراین فراورده‌های پروتئینی که از پسماندهای زیستی گرفته می‌شوند گزینه مناسبی برای خوراک دام می‌باشد.

کشاورزی: پسماند آلی به‌عنوان منبع کربن و مواد مغذی، برای خاک و گیاه مزیت فراوانی دارد. این مواد افزودنی که باعث اصلاح خواص خاک می‌شوند، توسط بسیاری از مشتریان با قیمت کم خریداری می‌شوند. با توجه به کاهش منبع کربن و مواد غذایی، کاهش ظرفیت جذب آب توسط خاک و کاهش مقاومت دربرابر فرسایش؛ ضرورت استفاده از پسماند آلی را در بخش کشاورزی دوچندان می‌کند.
انرژی زیستی: انرژی ذخیره‌شده در زیست‌توده پسماند توجه بسیاری از محققین را به‌ خود جلب کرده‌ است. با توجه به افزایش تقاضای انرژی، 1.2 میلیارد نفر بدون الکتریسیته و 2.7 میلیارد نفر بدون سوخت برای پختن غذا در سال 2015 به‌ سر می‌بردند. پسماند زیستی به‌عنوان منبع بالقوه‌ای از مواد آلی توجه زیادی را برای تولید سوخت‌های مختلف به خود جلب کرده‌ است.

استفاده مستقیم از پسماند زیستی

استفاده مستقیم از پسماند زیستی یک روش قدیمی برای مدیریت پسماند است. این روش با هزینه کم و به‌ سادگی قابل انجام است. از روش‌های مختلف این فناوری می‌توان به استفاده مستقیم در زمین، استفاده مستقیم به‌عنوان خوراک دام و سوزاندن مستقیم اشاره کرد. خطرات این روش‌ها بیشتر مربوط به ترکیب‌درصد پسماند زیستی است. آلودگی به‌ آسانی می‌تواند به زندگی انسان، حیوانات و محیط‌ زیست لطمه بزند. استفاده مستقیم پسماند زیستی در زمین و خوراک دام هم‌اکنون به‌ویژه در مناطق روستایی انجام می‌شود. در مناطق شهری با پیچیدگی‌های خاص و تراکم جمعیت بالا، این روش‌های کمتر متداول است.

استفاده مستقیم در زمین: این فرایند که تحت‌عنوان توزیع زمینی نیز از آن یاد می‌شود، شامل پخش‌کردن پسماند در زمین‌ها به‌خصوص زمین کشاورزی است. این فرایند معمولاً بدون تصفیه اولیه انجام می‌شود و در مکان‌هایی صورت می‌گیرد که محصولات کشاورزی مقدار زیادی مواد آلی نیاز دارند.

استفاده مستقیم در زمین باید تنها بر مواد آلی خالص متکی باشد چرا که مواد زیست‌تخریب‌ناپذیر می‌تواند کیفیت خاک و محصول و سلامت کشاورز را به‌خطر بیاندازد. طبق مطالعات صورت‌گرفته در اروپا، حدود 90 درصد پسماندهایی که در زمین استفاده می‌شوند شامل پسماند کشاورزی و به‌خصوص مدفوع حیوانات هستند. 10 درصد باقی‌مانده معمولا از مواد غذایی تشکیل شده‌اند.
با تخلیه مستقیم پسماندهای زیستی به زمین‌های کشاورزی، آن‌ها تحت فرایند طبیعی هضم هوازی قرار می‌گیرند و باعث افزایش مواد مغذی و کربن خاک می‌شود. البته تجزیه مواد آلی باعث می‌شود که میکروارگانیسم‌ها با گیاهان در مصرف مواد مغذی رقابت می‌کنند و گیاهان با کمبود نیتروژن مواجه می‌شوند. تخمین زده می‌شود که با رهایی پسماند بدون تصفیه در زمین‌های کشاورزی، حدود 66 درصد از نیتروژنی که در اختیار گیاه است، کاهش می‌یابد.

محصول اصلی رهایی پسماند در زمین، افزایش غلظت مواد آلی در خاک است. مواد آلی در خاک سه نقش ایفا می‌کنند. اول اینکه منبع ذخیره انرژی و مواد غذایی هستند، دوم آنکه خاصیت بافری خاک و مقاومت دربرابر پی‌هاش را افزایش می‌دهند و نهایتاً اینکه به‌طور فیزیکی خواص خاک را بهبود می‌دهند. البته از آنجا که پسماندها حاوی مقادیر زیادی میکروارگانیسم‌های بیماری‌زا و عناصر خطرناک نیز هستند، دفع آن‌ها بدون تصفیه اثرات جبران‌ناپذیری را برای سلامت انسان به‌بار می‌آورد.

دفع پسماند در خاک همچنان یک روش متداول برای مدیریت پسماند در مناطق کم‌درآمد است و باعث افزایش مواد مغذی خاک می‌شود. مزایا و معایب این روش بیشتر وابسته به محتوای پسماند دارد. با دفع پسماند در خاک معلوم نیست که میکروارگانیسم‌های بیماری‌زا حذف شوند. به‌علاوه، اگر پسماند با مواد معدنی مانند فلزات سنگین آلوده باشد، این مواد در خاک و گیاه تجمع یافته و به سلامت انسان ضرر می‌زنند. تحقیقات در این بخش معطوف به اثر دفع پسماند بر ساختار خاک، باروری خاک و محتوای مواد مخصوص است. یک راه‌حل برای مشکل تجمع مواد خطرناک در گیاهان، طولانی‌تر کردن زمان بین کاشت گیاه و دفع پسماند است. این راه‌حل ممکن است در مناطق شهری کاربردی نباشد اما برای کاهش اثرات منفی، باید پیش‌تصفیه‌ای برای مواد آلی انجام گیرد.

استفاده به‌عنوان خوراک دام: یک روش ساده برای بازیابی پسماندهای زیستی، استفاده از آن به‌عنوان خوراک دام است. از زمان اهلی‌کردن حیوانات، انسان‌ها از پسماند به‌عنوان خوراک دام استفاده می‌کردند. در کشورهایی مانند کره جنوبی، تایوان و ژاپن به‌ترتیب 38.4، 22.1 و 11.5 درصد از پسماند زیستی به‌عنوان خوراک دام استفاده می‌شود.

کیفیت پسماند و تفکیک از مبدأ پسماند زیستی در بخش میوه و سبزیجات، هم‌چنان به‌عنوان پارامتر مهمی در استفاده از پسماند زیستی به‌عنوان خوراک دام اهمیت دارد. به‌طور کلی، خوراک دام باید حاوی مقادیر کافی کربوهیدرات، آمینواسید، ویتامین، مواد معدنی، فیبر و چربی باشد و کمترین آلودگی را داشته باشد. بیشترین ریسک درباره محتوای پسماند است که ممکن است آلاینده باشند. برای تخفیف ریسک‌های احتمالی و افزایش ارزش غذایی پسماند، باید پسماند زیستی قبل از استفاده به‌عنوان خوراک دام تصفیه شود. سیستم گوارشی حیوانات نیز نقش به‌سزایی در نوع پسماند مورد استفاده ایفا می‌کند. پستانداران نشخوارکننده می‌توانند مواد پیچیده‌ای مثل ترکیبات سلولزی را تجزیه کنند. درحالی‌که خوک‌ها قادر به تجزیه این مواد نیستند. مواد کاملاً فاسد نیز نباید به‌عنوان غذای دام استفاده شوند. از دیگر موادی که باید محتاطانه برخورد شود، فلزات سنگین، هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه و آفت‌کش‌های ارگانوکلرین است.

پسماند زیستی به‌طور مستقیم و غیرمتمرکز می‌تواند در محل مورد استفاده قرار گیرد و یا به‌صورت متمرکز بعد از پردازش شامل خردکردن و خشک‌کردن مصرف شود. پس از مصرف، این پسماندها در بدن حیوانات برای مصارف فیزیولوژیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تولیدمثل حیوانات باعث تولید مواد باارزشی مانند گوشت، شیر، تخم‌مرغ و چرم می‌شود. بزرگترین مسأله درباره استفاده از پسماند زیستی به‌عنوان خوراک دام، تمیز بودن آن است که باعث کاهش کیفیت گوشت و محصولات لبنی نشود. مقدار پسماند زیستی که می‌تواند برای مصرف دام استفاده شود هم‌اکنون نامعلوم است. اطلاعات موجود نیز تنها محدود به کشورهای صنعتی آسیایی مانند ژاپن، تایوان و کره جنوبی است.

استفاده مستقیم از پسماند به‌عنوان خوراک دام باعث کاهش پسماند در جریان اولیه می‌شود و از این طریق هزینه‌ها و زیرساخت‌های لازم برای مدیریت پسماند را کاهش می‌دهد. در ماریتانیا، 40 درصد پسماند خانگی به‌عنوان خوراک دام مصرف می‌شود. البته استفاده از پسماند به‌عنوان غذای دام مشکلاتی را نیز به‌ همراه دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به میکرب‌های بیماری‌زا، جیوه، هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای و آفت‌کش‌های ارگانوکلرین اشاره کرد.

سوختن مستقیم: سوختن مستقیم که به‌عنوان سوختن باز نیز شناخته می‌شود، به‌ معنای سوزاندن  پسماند در محل دفن آن است. از مزایای این روش می‌توان به کاهش حجم پسماند و بهداشتی شدن آن اشاره کرد. البته سوزاندن کنترل‌نشده آن، بدون استفاده از دودکش، باعث واردآمدن آسیب‌های جدی به محیط‌ زیست منطقه می‌شود. علی‌رغم استفاده جهانی از این روش، کنوانسیون استکهلم آن را به‌عنوان روش غیر محیط‌ زیستی برای مدیریت پسماند معرفی کرد که علت آن، تولید آلاینده‌های خطرناک طی فرایند سوزاندن است.

این روش تنها باعث کاهش حجم پسماند می‌شود و هیچ‌گونه بازیابی انرژی یا مواد مغذی را شامل نمی‌شود. در سال‌های اخیر علاوه بر اکسیدهای نیتروژن و ترکیبات آلی پیچیده، آلاینده‌های کوتاه‌عمر نیز مورد توجه قرار گرفته‌اند که از جمله آن‌ها می‌توان به کربن سیاه اشاره کرد اما اثرات کربن سیاه هنوز به‌خوبی ثبت نشده است.

تصفیه بیولوژیکی پسماند

فرایندهای تصفیه بیولوژیکی شامل تبدیل کنترل‌شده پسماند توسط موجودات زنده است. فرایندهای تبدیل بیوشیمیایی و زیست‌فناورانه نیز در همین مقوله می‌گنجند. فرایندهای بیوشیمیایی معمولاً از فرایندهای ترموشیمیایی آهسته‌تر هستند، اما انرژی بسیار کمتری نیز نیاز دارند. از آنجا که همه موجودات برای زنده‌ماندن به آب نیاز دارند، میکروارگانیسم‌ها نیز برای تبدیل پسماند به رطوبت احتیاج دارند. بنابراین تصفیه بیولوژیکی معمولاً برای پسماندها با محتوای رطوبت زیاد استفاده می‌شود.

تولید کمپوست: کمپوست‌سازی فرایندی هوازی است که طی آن مواد آلی به گیاخاک تبدیل می‌شوند. مواد آلی متعددی برای فرایند کمپوست‌سازی می‌تواند مورد استفاده قرار بگیرد اما نکته حائز اهمیت این است که پیش‌نیازهای انجام این فرایند برآورده شود (جدول 1). از مواد مناسب برای این کارمی‌توان به سبزه، شاخه، پسماند غذا، پسماند کشاورزی، مدفوع حیوانی و انسانی اشاره کرد. پسماند خانگی مخلوط نیز می‌تواند برای این کار استفاده شود اما از آنجاکه کیفیت کمپوست تولیدی کم است، این کار پیشنهاد نمی‌شود.

تولید کمپوست از مواد آلی توسط طیف گسترده‌ای از میکروارگانیسم‌ها و بی‌مهره‌ها انجام می‌شود. میکروارگانیسم‌ها مواد آلی را به کربن‌دی اکسید، آب و گرما تبدیل می‌کنند. کنترل فرایند در تولید کمپوست شامل کنترل ترکیب درصد مواد آلی (نسبت کربن به نیتروژن)، سایز ذرات، فضای خالی هوا، هوادهی، دما، رطوبت و پی‌هاش می‌شود. هنگامی که شرایط مناسب وجود نداشته باشد، این فرایند به‌کندی انجام می‌شود یا اصلاً انجام نمی‌شود. در شرایط بهینه، فرایند کمپوست‌سازی در سه مرحله انجام می‌شود: مرحله اول فاز مزوفیلیک است که چند روز طول می‌کشد، مرحله دوم فاز ترموفیلیک است که از چندهفته تا چندماه طول می‌کشد و نهایتاً مرحله خنک‌سازی و رسیدن است که چندین ماه طول می‌کشد. در فاز ترموفیلیک دما می‌تواند تا 55 الی 70 درجه سانتی‌گراد به‌علت متابولیسم میکروارگانیسم‌ها افزایش یابد و باعث بهداشتی شدن مواد می‌شود. این فرایند زمانی به پایان می‌رسد که دمای داخلی توده با دمای محیط برابر شود و غلظت اکسیژن برای مدت چند روز، بیش از 10 تا 15 درصد باقی بماند.

 

پارامتر کمپوست ورمی کمپوست
نوع فرایند سه مرحله یک مرحله مزوفیلیک
  مرحله مزوفیلیک  
  مرحله ترموفیلیک  
  مرحله سردسازی و بالغ شدن  
ویژگی پسماند آلی مخلوطی از پسماندها با سرعت تخریب مشابه کرم خاکی و میکروارگانیسم‌ها
دانسیته مواد 27 تا 35 کیلوگرم غذا به ازای کیلوگرم کرم در روز
نسبت کربن به نیتروژن اولیه 20 تا 50 25 تا 30
pH 5.5 تا 7.5 5 تا 8
میزان رطوبت

مواد آلی درشت: 70 تا 75 درصد
مواد آلی ریز: 55 تا 65 درصد

70 تا 90 درصد
ویژگی‌های محصول

بافت درشتی دارد و ممکن است حاوی فلزات نیز باشد

بافت نازک‌تری دارد و فلزات در بدن کرم‌ها تجمع می‌یابند.

جدول 1- تفاوت کمپوست و ورمی کمپوست

فراورده اصلی تولید کمپوست، کمپوست است. کمپوست یک ماده پایدار سیاه و قهوه‌ای شبیه به خاک با بافت خمیری و با بوی خاک است. علاوه بر کمپوست، شیرابه، بخار آب و دی‌اکسیدکربن نیز تولید می‌شود. در شرایط بهینه، کمپوست در سه ماه تولید می‌شود. کیفیت مواد ورودی و پارامترهای فیزیکی و بیولوژیکی اثر به‌سزایی در کمیت و کیفیت کمپوست تولیدی دارند. ناخالصی‌های کمپوست توسط غربالگری حذف می‌شوند. غربالگری هم‌چنین باعث می‌شود که محصولات نهایی برای مصارف مختلف مالچ‌پاشی و بهبود شرایط خاک استفاده شوند. کمپوست معمولاً مواد اصلی مورد نیاز گیاه مانند نیتروژن، فسفر و پتاسیم را دارد اما مقدار آن نسبت به مدفوع و کود کمتر است. این ماده هم‌چنین حاوی مواد معدنی و میکروارگانیسم‌هایی است که برای رشد گیاه اثر مثبتی دارند. علاوه بر مصرف کشاورزی، کمپوست می‌تواند برای پوشش لندفیل و زیست‌پالایی زمین استفاده شود. به‌طور مثال استفاده از کمپوست در زمین اسیدی با فلزات سنگین باعث بهبود خواص خاک شده است.

در مدیریت پسماند شهری، کمپوست‌سازی یک فناوری شناخته‌شده و کارامد است و در تمامی مناطق با درآمدهای پایین، متوسط و بالا انجام می‌شود. البته این فرایند در طولانی‌مدت با مشکلاتی مواجه است و یکی از دلایل آن کمبود مواد آلی خالص در فرایند کمپوست‌سازی است. به‌عبارت دیگر خوراک با کیفیت کم منجر به تولید محصول کم‌کیفیت می‌شود؛ هم‌چنین کمبود دانش در زمینه فرایندهای بیوشیمیایی منجر به مشکلاتی مانند بو و حشرات موذی می‌شود. این امر موجب می‌شود تا مصرف‌کنندگان تمایل بیشتری برای استفاده از کمپوست داشته باشند. علاوه بر این، سیاست‌گذاری ضعیف و تجربه‌های بازاریابی محدود باعث می‌شود که اقتصاد این فرایند به تأخیر بیفتد. البته با توجه به سادگی و قدرت این فرایند در پردازش انواع مختلف پسماند زیستی و با توجه به فرسایش جهانی خاک و تغییرات جهانی در بازیافت مواد مغذی، تولید کمپوست از اهمیت مضاعفی برخوردار می‌شود. استفاده از پسماند خالص با تفکیک پسماند، باعث تولید کمپوست با کیفیت می‌شود.

هنگام بررسی تحقیقات اخیر در زمینه تولید کمپوست، سه نکته را می‌توان به‌خوبی مشاهده کرد. اولین نکته مربوط به مکان‌هایی با سطح درآمد پایین یا متوسط است که از تولید کمپوست به‌عنوان یکی از راهبردهای مدیریت پسماند استفاده می‌کنند. در این تحقیقات معمولاً از ارزیابی چرخه عمر و تحلیل اقتصادی بهره می‌گیرند. در برخی تحقیقات نیز روش‌های مختلف مدیریت پسماند را مقایسه کردند که تولید کمپوست یکی از آن‌ها است.  

نکته دوم این است که تحقیقات اخیر بر استفاده و مزایای کمپوست تمرکز دارند. از نکات بارز در این تحقیقات، کیفیت کمپوست و ارتباط آن با خوراک ورودی، اثرات مثبت کمپوست بر محصولات کشاورزی و یا نقش کمپوست در پالایش خاک از آلودگی‌ها است. نوع سوم تحقیقات مربوط به تحقیقات متداولی است که درباره فرایندهای پیچیده بیولوژیکی، جمعیت باکتری‌ها و قارچ‌ها و دینامیک رشدشان در فرایند کمپوست‌سازی است. کاربرد این تحقیقات ساده و آزمایشگاهی برای مدیریت پسماند می‌تواند منجر به کاهش مدت‌زمان تولید کمپوست و افزایش کیفیت کمپوست بشود. در برخی تحقیقات، بحث‌هایی راجع به افزودن مخلوطی از میکروارگانیسم‌های پیشرفته به فرایند تولید کمپوست مطرح است. این کار باعث کاهش بو و افزایش سرعت فرایند می‌شود. البته این مسأله توسط فروشنده‌های این مخلوط‌ها مطرح شده است و ادعای آن‌ها توسط تحقیقات مستقل تأیید نشده‌است.

تولید ورمی‌کمپوست: تولید ورمی‌کمپوست فرایندی است که تحت شرایط هوازی، از اندرکنش میکروارگانیسم‌ها و کرم‌های خاکی برای تولید ورمی‌کمپوست در شرایط کنترل‌شده استفاده می‌کند. جمعیت میکروبی باعث می‌شود مواد آلی تجزیه شده و دانسیته بالای کرم‌های خاکی این مواد را به ورمی‌کمپوست تبدیل می‌کنند. ورمی‌کمپوست‌ ها نسبت به کمپوست از مواد مغذی بیشتری برخوردارند.

کرم‌های خاکی می‌توانند پسماند خانگی، فاضلاب شهری و پسماند صنایع مختلف مانند کاغذ، چوب و غذا را تجزیه کنند. برخی از پسماندهای غذایی برای کرم‌ها قابل تحمل نیست که از جمله آن‌ها می‌توان به محصولات لبنی، گوشت، پسماند ماهی، چربی و روغن، غذاهای شور و ترش اشاره کرد. خوراک‌های کوچک باعث افزایش سطح و سرعت تجزیه و تولید ورمی‌کمپوست می‌شوند.

تولید ورمی‌کمپوست به اندرکنش میان میکروارگانیسم‌ها و کرم‌های خاکی بستگی دارد. میکروارگانیسم‌های پسماند، آن را برای کرم‌های خاکی طی تجزیه هوازی آماده می‌کنند بنابراین فرایند تولید ورمی‌کمپوست شامل تولید اولیه کمپوست است. این امر باعث بهبود خوراک‌دهی کرم‌ها می‌شود. علاوه بر این، میکروارگانیسم‌ها در مدفوع کرم‌های خاکی نیز وجود دارند. آن‌ها مواد آلی را به مواد کوچکتر تجزیه کرده و غذای کرم‌های خاکی را فراهم می‌کنند. در مقابل کرم‌های خاکی نیز از پسماندها تغذیه می‌کنند و با تولید فکال‌های فعال میکروبی که برای تخریب سریع‌تر مواد آلی مفید هستند، فعالیت میکروبی و کیفیت غذایی ورمی‌کمپوست را افزایش می‌دهند. در تولید ورمی‌کمپوست، همواره باید لایه‌های بستر کم‌عمق باشند و میزان آن باید متناسب با سرعت خوراک‌دهی به کرم‌ها باشد. در غیر این‌صورت، میکروارگانیسم‌هایی که مواد آلی را تجزیه می‌کنند ممکن است دما را بالا ببرند و یا شرایط بی‌هوازی شود که هردوی این شرایط برای کرم‌های خاکی نامطلوب است.

کرم‌های خاکی مناسب برای تولید ورمی‌کمپوست، آن‌هایی هستند که سرعت رشد و تولیدمثل بالایی دارند، با انواع مختلف پسماند زیستی سازگاری دارند، سرعت جذب و هضم بالایی دارند. کرم‌های خاکی خزنده پایین سطح زمین زندگی می‌کنند، از پسماند تغذیه می‌کنند و بهترین گزینه برای تولید ورمی‌کمپوست هستند. درمیان کرم‌های خاکی، اسینیا فتیدا متداول‌ترین کرم خاکی است و از گزینه‌های دیگر می‌توان به لومبریکوس روبلوس، اسینیا اندری، پریونیکس اکسکاواتوس و اودریلوس اوجنیا اشاره کرد که در کشورهای گرمسیر و زیراستوایی مناسب است.

ارزیابی چرخه عمر اسینیا فتیدا از 70 روز تشکیل شده است. بالغ‌شدن معمولاً بعد از 50 روز به‌دست می‌آید، پس از 55 روز پیله تولید می‌شود و عمل لقاح طی 23 روز انجام می‌شود. به‌طور متوسط 3 نوزاد در هر پیله وجود دارد. مهم است که پیله‌ها در پسماندها رها شوند تا از تداوم چرخه عمر اطمینان حاصل شود. جدول 1، مقیاس بهینه پارامترها را برای تولیدمثل و رشد کرم‌ها نشان می‌دهد. برخلاف کمپوست‌سازی، تولید ورمی‌کمپوست یک فرایند گرمازا نیست و به این معنا است که دما در ورمی‌کمپوست افزایش نمی‌یابد. بیشتر ورمی‌کمپوست‌ها تحت شرایط مزوفیلیک و دمای بین 10 تا 35 درجه سانتی‌گراد زندگی می‌کنند. در این شرایط، کرم‌ها راحت‌تر هستند و سریع‌تر غذا را مصرف می‌کنند. از فاکتورهای مهم دیگر در این فرایند می‌توان به دانسیته جمعیت، سرعت خوراک‌دهی، رطوبت، نسبت کربن به نیتروژن و پی‌هاش اشاره کرد.

دانسیته جمعیت بالا باعث کاهش تولید مثل می‌شود چرا که رقابت برای غذا و فضا بالا می‌رود. دانسیته جمعیت پایین باعث بهبود رشد می‌شود چرا که غذای کافی وجود دارد اما ممکن است سرعت رشد را از این جهت کم کند که کرم‌ها برای تولیدمثل یکدیگر را پیدا نکنند. رطوبت کمتر از 60 درصد نیز باعث کاهش ارتباط جنسی می‌شود و سرعت تولیدمثل را کاهش می‌دهد. از طرف دیگر رطوبت بالاتر از 90 درصد نیز تنفس کرم‌ها را مختل می‌کند.

هنگامی که خوراک به مدفوع کرم‌ها تبدیل می‌شود، پسماندها به مواد معدنی تبدیل می‌شوند و مواد مغذی گیاه در دسترس قرار می‌گیرد. محتوای نیتروژن ورمی‌کمپوست معمولاً 1 تا 2 درصد بیشتر از کمپوست است. شیرابه ناشی از کرم‌ها نیز می‌تواند به‌عنوان کود مایع مورد استفاده قرارگیرد که این کار معمولاً در سیستم‌های کوچک‌مقیاس انجام می‌شود. محصول دیگر تولید ورمی‌کمپوست، کرم‌های خاکی هستند که غنی از پروتئین (65 درصد) می‌باشند و تمام اسیدهای آمینه مهم را دارند و می‌توانند به‌عنوان خوراک دام استفاده شوند. این کرم‌ها به‌عنوان خوراک پروبیوتیک یا مانند افزودنی برای غذای ماهی استفاده می‌شود.

سیستم‌های تولید ورمی‌کمپوست در مقایسه با سیستم‌های عادی مدیریت پسماند انرژی کمتری مصرف می‌کنند و از نظر اقتصادی به‌صرفه هستند. البته بیشتر تجهیزاتی که برای ورمی‌کمپوست‌سازی به‌کارگرفته‌اند، هنگامی که به‌دقت مورد بررسی قرار می‌گیرند، در واقع عملیات تولید کمپوست با کرم‌های موجود در مرحله بلوغ هستند که به‌معنای تولید ورمی‌کمپوست نمی‌باشد. یک سد بزرگ در تولید ورمی‌کمپوست، نیازمندی آن به فضای زیاد است. البته با استفاده از جعبه‌های خوراک‌دهی عمودی می‌توان این مشکل را حل کرد.

پرورش حشره: پرورش حشره یک روش نوظهور در مدیریت پسماند است و به‌معنای تبدیل پسماند زیستی به پروتئین و روغن حشره است. اصلی‌ترین محصول این فرایند، لارو می‌باشد. محتوای پروتئین محصولات می‌تواند جایگزین مناسبی برای خوراک حیوانات باشد. منابع تولید کمپوست لارو در این روش متعدد هستند و قاعده کلی برای مناسب‌بودن پسماند برای این روش وجود ندارد. برخی از محققین از پسماند غذا و بازار استفاده کرده‌اند و گروهی دیگر از مدفوع انسانی و حیوانی و پسماند ماهی به‌این منظور استفاده کرده‌اند.

رطوبت بالا نیز باعث کاهش قابل‌توجه پسماند می‌شود. پسماندهایی که حاوی سلولز زیاد هستند برای این فرایند مناسب نیستند. در مقیاس صنعتی، پسماندها باید قبل از ورود به مرحله پردازش خرد شوند تا سطح تماس افزایش یابد. محتوای آب مواد نیز باید بین 65 تا 80 درصد باشد. بهترین دما برای استفاده از این روش 25 تا 32 درجه سانتی‌گراد است. لارو می‌تواند خوراک را تا حد 50 تا 80 درصد وزنی کاهش دهد و بیش از 20 درصد را به زیست‌توده لارو طی 14 روز تبدیل کند. محصولات نهایی این فرایند می‌تواند در افزایش باروری خاک نیز اثر داشته باشد. البته به‌علت زمان کوتاه پردازش، بهتر است کمی به آن‌ها مهلت داده شوند تا رسیده شوند و از کاهش اکسیژن خاک جلوگیری شود.

هضم بی‌هوازی: هضم بی‌هوازی فرایندی است که مواد آلی طی آن بدون حضور اکسیژن به بیوگاز یا مخلوط متان و دی‌اکسید کربن تبدیل می‌شود. پسماندهای مختلفی می‌توانند برای تولید بیوگاز مورد استفاده قرار بگیرند که از جمله آن‌ها می‌توان به لجن فاضلاب، مدفوع حیوانی، پسماند صنایع غذایی، پسماند کشاورزی و بخش آلی پسماند خانگی اشاره کرد. استفاده از این روش برای تولید بیوگاز از سال‌ها پیش مورد استفاده بوده است، زمانی‌که از مدفوع حیوانی برای گرم‌نگه‌داشتن حمام‌های قدیمی استفاده می‌شود.

فرایند هضم‌بی‌هوازی به‌طور طبیعی در بسیاری از مناطق انوکسیک رخ می‌دهد که از جمله آن‌ها می‌توان به خاک، لندفیل و شکم حیوانات اشاره کرد. از آن‌جا که هضم‌بی‌هوازی معمولاً در محلول‌های آبی اتفاق می‌افتد، بالا نگه‌داشتن رطوبت در پسماندهای جامد برای انجام این فرایند بسیار حائز اهمیت است. به‌طور کلی، مواد حاوی لیگنوسلولز نمی‌توانند توسط این روش از بین بروند چرا که میکروارگانیسم‌های بی‌هوازی قادر به تخریب آن‌ها نیستند.

هضم بی‌هوازی معمولاً از سه مرحله تشکیل می‌شود که عبارت‌اند از: هیدرولیز، اسیدسازی و متان‌سازی. دانش بسیاری در خصوص مکانیسم این روش به‌دست آمده‌ است اما میکروب‌هایی که مسئول این کار هستند هنوز به‌خوبی شناسایی نشده‌اند. از پارامترهای عملیاتی مهم این فرایند می‌توان به دما، پی‌هاش، رطوبت، سوبسترا، نسبت کربن به نیتروژن، بارگذاری آلی، زمان ماند و اختلاط اشاره کرد.

یکی از چالش‌های مهم در هضم بی‌هوازی جلوگیری از اسیدی‌شدن محیط است تا برای باکتری‌های متان‌زا مشکلی به وجود نیاید. این فرایند می‌تواند توسط فاکتورهای مختلف دسته‌بندی شود که عبارت‌اند از نوع راکتور (مزوفیلیک و ترموفیلیک)، محتوای مواد جامد (مواد جامد کم و زیاد)، نوع خوراک‌دهی (ناپیوسته یا پیوسته) و تعداد مراحل (تک‌مرحله‌ای و چندمرحله‌ای).

مقدار تولید بیوگاز در این فرایند بسته به نوع مواد آلی و ترکیب آن می‌تواند بسیار متفاوت باشد. چربی‌ها بیشترین تولید بیوگاز را دارند اما نیاز به زمان ماند بسیار طولانی دارند. قندها و پروتئین‌ها سرعت بالاتری دارند اما بیوگاز کمتری تولید می‌کنند. بازده متوسط تولید متان بین 0.36 تا 0.53 مترمکعب به‌ازای هرکیلوگرم مواد جامد فرار است.

سوزاندن بیوگاز در اجاق ساده‌ترین راه استفاده از آن است. به‌عنوان گزینه دیگر، بیوگاز می‌تواند در لامپ‌ها استفاده شود و یا در ژنراتورهای گازی به الکتریسیته تبدیل شود. برای تولید الکتریسیته از بیوگاز، بهتر است ابتدا بیوگاز خالص‌سازی شود و اگر قرار است از بیوگاز در سوخت خودرو و سلول سوختی استفاده شود، خالص‌سازی آن حتماً ضروری است. خالص‌سازی بیوگاز شامل آب‌زدایی، سولفورزدایی و حذف دی‌اکسید کربن است. تنها ایراد بیوگاز این است که برای مدت طولانی نمی‌تواند در جایی ذخیره شود. دمای بحرانی متان منفی 82 درجه سانتی‌گراد است و حتی در فشارهای بالا نیز نمی‌توان آن را به‌صورت مایع درآورد.

مواد هضم‌شده در این فرایند نیز می‌توانند در صورت بی‌خطر بودن به‌عنوان کود کشاورزی استفاده شوند. البته هضم بی‌هوازی قابلیت کمی در بی‌خطرسازی میکروارگانیسم‌ها دارد و این مسأله هنگامی که قرار است از مواد هضم‌شده به‌عنوان کود استفاده شود بسیار حائز اهمیت است. بهترین فرایند بهداشتی کردن مواد هضم‌شده شامل قراردادن آن‌ها در شرایط ترموفیلیک برای مدت‌زمان طولانی به‌همراه تصفیه نهایی آن‌ها است.  

تخمیر: تخمیر اصلی‌ترین فرایند در تولید بیواتانول است. امریکا و برزیل از اولین کشورهای تولیدکننده بیواتانول هستند. این ماده معمولاً از نیشکر یا مواد نشاسته‌ای تولید می‌شود. قندهای مصرف‌شده در تولید بیواتانول به سه دسته کلی تقسیم می‌شوند. قندهای ساده که حاوی ساکاروز هستند، قندهای نشاسته‌ای مانند ذرت و زیست‌توده‌های حاوی لیگنوسلولوز که از جمله آن‌ها می‌توان به پسماند کشاورزی اشاره کرد. تولید بیواتانول از پسماند دارای لیگنوسلولوز طی سه مرحله انجام می‌شود. مرحله اول شامل پیش‌تصفیه است که در آن سلولز و همی‌سلولز بیشتر در دسترس قرار می‌گیرند. در مرحله دوم، هیدرولیز اسیدی یا آنزیمی اتفاق می‌افتد که قندهای پیچیده به قندهای ساده تبدیل می‌شوند و نهایتاً تخمیر قندها توسط میکروارگانیسم‌هایی مانند مخمرها اتفاق می‌افتد. مرحله سوم نیز شامل جداسازی و خالص‌سازی اتانول تولیدی است.

این مطلب در 10 فوریه 2017 در مجله Environmental science and biotechnology منتشر شده است. 

☑ نویسنده: Christian Riuji

منبع
Reviews in Environmental Science and Bio/Technology
برچسب‌ها
نمایش بیشتر

علی دبستانی

با سلام و احترام بنده از دانشجویان کارشناسی مهندسی شیمی دانشگاه صنعتی شریف هستم و علاقمند به فعالیت و تحقیق در حوزه بیوتکنولوژی محیط‌زیست و بیوریفاینری، فعالیت من در زیست‌فن مربوط به عضویت در شورای تیم پساب و پیشبرد پروژه های این گروه و هم‌چنین فعالیت خبری و ژورنالیستی در سایت زیست فن می‌باشد.

نوشته‌های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

شـش + سـه =

دکمه بازگشت به بالا
بستن