هضم بی‌هوازی چندخوراکه و فرایندهای پایین‌دستی مرتبط با آن

فرایند هضم بی‌هوازی چندخوراکه (Anaerobic co-digestion)، دارای مزایای فراوانی است که توانایی به‌ کارگیری ظرفیت هضم در تصفیه‌خانه‌های موجود را دارد. با وجود مزایای این فرایند در تولید بیوگاز و مدیریت پسماندهای آلی، تأثیر پسماندهای آلی جدید (مانند مخلوطی از خوراک‌ها) با ترکیب شیمیایی متفاوت بر روی فرایند هضم بی‌هوازی و سایر فرایندهای پایین‌دستی در تولید بیوگاز باید مورد بررسی و ارزیابی قرار گیرد.

امنیت انرژی،کاهش منابع و حفاظت از محیط‌زیست برخی از چالش‌های بزرگ فعلی است. تلاش برای مقابله با این چالش‌ها موجب تغییر مدیریت پسماندهای آلی شده و آن‌ها را وارد چرخه اقتصادی نموده است. یکی از جنبه‌های اساسی این تغییر، انحراف پسماندهای آلی از دفن‌گاه زباله است، که یک روش متدوال برای دفع زباله در کشورهای در حال توسعه و حتی برخی از کشورهای توسعه یافته مانند استرالیا و امریکا می‌باشد. هزینه واقعی دفع زباله‌های جامد در دفنگاه‌های زباله با توجه به هزینه‌ها و عملیات‌هایی مانند ارزش زمین، هزینه حمل و نقل، عملیات دفن زباله و مهار شیرابه‌ها و جلوگیری از آلودگی‌ محیط‌زیست، بسیار بالا است. در این زمینه، هضم بی‌هوازی چندخوراکه (AcoD) یک طرح عملی برای بازیافت منابع و هم‌چنین مدیریت پایدار پسماندها محسوب می‌شود.

در محیط‌های شهری، هضم بی‌هوازی چندخوراکه را می‌توان در ظرفیت هضم تصفیه‌خانه‌های موجود فاضلاب برای هضم چندخوراکه پسماندهای آلی و لجن فاضلاب به طور همزمان استفاده نمود. دو عامل اصلی برای توسعه هضم بی‌هوازی چندخوراکه توسط صنعت آب وجود دارد که عبارت‌اند از کاهش هزینه‌های برق با تولید جریان برق تجدیدپذیر و هم‌چنین تولید درآمد اضافی از طریق پردازش پسماندهای آلی صنعتی. این روش هم‌چنین یک برنامه بالقوه برای بازیابی مواد مغذی (فسفر و نیتروژن) مشتق شده از پسماندهای مواد غذایی و سایر مواد جامد حاوی مواد مغذی ارائه می‌دهد. به عبارت دیگر، پس از فرایند AcoD، فناوری‌های مرتبط می‌توانند برای آزادسازی کربن، نیتروژن و فسفر جهت تحقق بخشیدن به انرژی کارامد و بازیافت منابع استفاده شود. هم‌چنین قابل توجه است که از میان تمام گزینه‌های موجود برای مدیریت پسماند مواد غذایی، AcoD از لحاظ انتشار گازهای گلخانه‌ای کمترین تأثیر را دارد.

تاکنون، ارزیابی‌های تجربی جامع بسیار کمی از اثرات AcoD در فرایندهای پایین دستی محصولات هضم بی‌هوازی صورت گرفته است. با این وجود، ادامه این نوشته ضمن توضیح فرایندهای پایین دستی، اثرات فرایند هضم بی‌هوازی چندخوراکه بر کیفیت بیوگاز و افزایش آن، خواص آب‌زدایی فرایند هضم، مدیریت مواد مغذی و انتشار بوی نامطبوع مواد زیستی را مورد بحث و بررسی قرار می‌دهد. هم‌چنین روش‌هایی برای مدیریت این اثرات در فرایندهای پایین دستی فرایند هضم بی‌هوازی معمولی و پتانسیل ‌سنجی برای انطباق آن‌ها با برنامه‌های AcoD نیز بررسی می‌شود.

فرایندهای پایین دستی محصولات هضم بی‌هوازی

بیوگاز و مواد هضم شده محصولات اولیه از فرایند هضم بی‌هوازی هستند. در اغلب موارد، برای استفاده‌های مفیدتر و یا دفع ایمن، نیاز به پردازش پایین دستی لازم است. فرایندهای پایین دستی بخش بزرگی از هزینه‌های جاری روند کلی هضم بی‌هوازی را تشکیل می‌دهند. بنابراین، هر تغییری در این فرایندهای پایین دستی ممکن است چشم‌انداز اقتصادی کل AcoD را تغییر دهد. بیوگاز شامل متان است و بنابراین سوخت زیستی با ارزش است. بیوگاز هم‌چنین حاوی چندین گاز دیگر مانند بخار آب، کربن‌دی‌اکسید، سولفید هیدروژن و آمونیاک است که هر دو انرژی ندارند و یا می‌توانند با استفاده از بیوگاز دخالت کنند. بیوگاز شامل متان است و بنابراین سوخت زیستی با ارزش می‌باشد. هم‌چنین حاوی چندین گاز دیگر مانند بخار آب، کربن‌دی‌اکسید، سولفید هیدروژن و آمونیاک است که انرژی کافی برای سوختن را ندارند. مواد هضم شده حاوی دو تا شش درصد جامدات و مابقی آب است. در نتیجه، جداسازی جامد و مایع یک گام ضروری برای کاهش هزینه حمل و نقل و تسهیل مدیریت این مواد است.

چند خوراکه بودن فرایند هضم می‌تواند علاوه بر اصل فرایند، بر فرایندهای پایین دستی نیز تأثیر مثبت یا منفی بگذارد. به عنوان مثال، فرایند هضم بی‌هوازی چندخوراکه از لجن فاضلاب و چند ماده غنی از کربن ممکن است به دلیل اثرات رقیق‌سازی موجب کاهش محتوای هیدروژن سولفید در بیوگاز شود. به طور خلاصه، اثرات عوامل مختلف در هزینه‌های پایین دستی باید مورد بررسی و ارزیابی قرار گیرد.

کیفیت بیوگاز تولید شده

خالص‌سازی بیوگاز تولیدشده برای حذف گازهای ناخواسته (مثلاً هیدروژن سولفید، بخار آب، آمونیاک) ضروری است و ارزش حرارتی آن را افزایش می‌دهد. در فرایند احتراق، هیدروژن سولفید به گوگرد دی اکسید تبدیل می‌شود که موجب خوردگی تجهیزات می‌شود. بنابراین برای تولید برق، حذف سولفید هیدروژن برای جلوگیری از خوردگی طولانی مدت تجهیزات تولید برق لازم است. علاوه بر این، حذف گازهای دیگر از جمله کربن‌دی‌اکسید و آمونیاک موجب بهبود و ارتقاء گاز متان می‌شود. این خالص‌سازی ارزش بسیار زیادی را به بیوگاز تولید اضافه می‌کند، زیرا متان می‌تواند به عنوان سوخت حمل و نقل، گاز شهری و حتی به عنوان مواد خام برای صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد. با این حال، خالص‌سازی متان تولید شده فقط در مقیاس‌های بزرگ و تقاضای فراوان برای این محصول مقرون به صرفه می‌باشد و هم‌اکنون بیشتر در اروپا به دلیل سیاست‌های محیط زیستی پرطرفدار است.

ناپایداری فرایند AcoD هم‌چنین می‌تواند به طور مستقیم کیفیت بیوگاز (به عنوان مثال محتوای کم متان و هیدروژن سولفید بالا) را تحت تأثیر قرار دهد. به عنوان مثال، ترکیبات فنلی که به طور طبیعی در برخی از محصولات آلی مانند روغن زیتون و شراب قرمز اتفاق وجود دارد، می‌توانند مانع از انجام فرایند بی‌هوازی شوند و تا ۵۰ درصد ممکن است محتوای متان کاهش یابد.

آب‌زدایی از مواد هضم شده

آب‌گیری و آب‌زدایی از مواد هضم شده (Digestate) شامل افزودن پلیمر و سپس روش جداسازی فیزیکی است. افزودن پلیمر (به عنوان مثال، پلی‌آکریل‌آمید) در مرحله پیش‌آماده‌سازی، با کاهش مقاومت ویژه جداسازی، باعث افزایش قابلیت آب‌زدایی می‌شود. چند روش از جمله پرس و سانتریفیوژ برای آب‌گیری مورد قرار می‌گیرد.

بارگذاری آلی در هضم چندحوراکه بیشتر از فرایند هضم معمولی است. به عبارت دیگر، میزان مواد آلی زیاد در این فرایند می‌تواند باعث تجمع مواد واسطه شود. این مواد واسطه مانند اسید چرب فرار (VFAs) یا اسیدهای چرب بلند زنجیره (LCFAs) باعث افزایش میزان مصرف پلیمرها و هم‌چنین کاهش خاصیت آب‌گریزی می‌شوند. هم‌چنین افزایش استفاده از پلیمرها موجب افزایش میزان کیک تولیدی در آخر فرایند می‌شود.

مواد مغذی در لجن

جریان مایع خارج شده از فرایند آب‌گیری غنی از فسفر و نیتروژن آمونیومی است. در یک سیستم تصفیه آب معمولی، جریان مایع را به ورودی تصفیه‌خانه باز می‌گردانند. این عمل موجب تجمع و انباشت مواد مغذی در پساب می‌شود. در سال‌های اخیر علاقه شدیدی برای بازیافت این مواد مغذی مشاهده شده است. دلیل این رویکرد کاهش نیاز به فسفر در تصفیه‌خانه‌ها و هم‌چنین ارائه یک منبع پایدار غنی در تولید کود کشاورزی می‌باشد.

چندین نمونه مانند Phosnix و Ostara Pearl در خصوص بازیابی مواد مغذی از فاضلاب، در مقیاس تجاری موفق بوده‌اند و علامت تجاری مشخصی ثبت نموده‌اند. برای مثال، Phosnix یک فرایند بر روی جریان جانبی است که باعث حذف و بازیافت فسفر از لجن می‌شود و فسفر را به صورت گرانول استروویت تثبیت می‌کند. هم‌چنین Ostara Pearl یک فرایند کریستالیزاسیون شیمیایی در یک راکتور بستر سیال با چندین ناحیه واکنشی است که در این فرایند پلت‌های استروویت با قطرهای متفاوت تشکیل می‌شود.

در تصفیه‌خانه‌های متداول با استفاده از فرایندهای زیستی و بیولوژیکی نیتریفیکاسیون و دی‌نیتریفیکاسیون نیتروژن موجود در فاضلاب و لجن را حذف می‌کنند. سایر فرایندها مانند هوازنی یا فرایند آناموکس نیز فرصت مناسبی را برای هدف قرار دادن نیتروژن مورد نظر فراهم می‌کنند. آناموکس یک فرایند کاملاً اقتصادی است که طی آن نیتریت و آمونیوم مستقیم به نیتروژن تبدیل می‌شوند.

فرایند هضم بی‌هوازی چندخوراکه چالش‌ها و فرصت‌های جدید را برای مدیریت مواد مغذی ارائه می‌دهد. مایع خارج شده از فرایند آب‌گیری در هضم چندخوراکه معمولاً بسیار غنی‌تر (میزان نیتروژن و فسفر بیشتری دارد) از هضم تک خوراکه است. اگر این نیتروژن و فسفر به ورودی تصفیه‌خانه بازگردانده شود، خطر بارگذاری بیش از حد مواد مغذی وجود دارد و می‌تواند کارخانه را مختل کند. هم‌چنین زیاد بودن مواد مغذی ممکن است فرایندهای اضافی جهت حذف این مواد و رساندن غلظت آن‌ها به حد مجاز را به کل فرایند تحمیل کند. از سوی دیگر، از لحاظ اقتصادی مطلوب‌تر است که نیتروژن و فسفر موجود بازیافت شود. در حقیقت، بازیابی فسفر (و به میزان کمتر بازیابی نیتروژن)، نه تنها برای عملیات AcoD ضروری است بلکه برای حفاظت از منابع مواد مغذی و استفاده آن‌ها در بخش کشاورزی نیز مهم است.

کیفیت بیوجامدها

پس از آب‌زدایی، مواد جامد زیستی به دست آمده می‌توانند در زمین‌های مختلف استفاده شوند و یا از طریق سوزاندن دفع شوند. برنامه‌های کاربردی این مواد در زمین‌ها یک روش مدیریت زیست‌محیطی مناسب است که به طور گسترده‌ای در استرالیا و امریکا در زمین‌های کشاورزی برای محصولات غیر خوراکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در اروپا، ژاپن و چندین کشور دیگر که دسترسی به فضا محدود است، سوزاندن جایگزین دفع بیولوژیکی در زمین‌ها شده است. هنگامی که نگرانی در مورد بوی بد این جامدات و وقوع عوامل بیماری‌زا بیشتر از نگرانی‌ آلودگی هوا مطرج است، سوزاندن روش مطلوب‌تر خواهد بود. فرایند آب‌گیری در این مرحله بسیار تأثیر دارد زیرا اگر به درستی انجام شده باشد، علاوه بر کاهش هزینه‌های حمل و نقل، موجب افزایش ارزش حرارتی این ماده به عنوان سوخت می‌شود.

بوی بد این جامدات می‌تواند تنها مانع برای استفاده مفید از مواد جامد حاصل از هضم بی‌هوازی باشد. این مواد شامل شش نوع ترکیب فرار از جمله ترکیبات گوگرد دار، ترکیبات نیتروژنی، VFAs، کتون‌ها، آلدئیدها و هیدروکربن‌ها هستند. با این وجود، ترکیبات گوگردی به عنوان عامل اصلی در بوی بد این جامدات شناخته شده است که مطابق تحقیقات انجام شده، فرض می‌شود که افزودن خوراک‌های غنی از گوگرد در طول فرایند AcoD، موجب افزایش انتشار بوی بد از جامدات می‌شود. تولید بوی بد ترکیبات گوگردی شامل فرایندهایی مانند تخریب پروتئین، تولید ترکیبات گوگردی آلی فرار شده (به عنوان مثال methanethiol) و پس از آن تشکیل هیدروژن سولفید است.

ترکیبات فرار عمدتاً از تخریب میکروبی مواد آلی حاصل می‌شود. پی‌کرزول، تری‌متیل‌آمین و VFA ها به عنوان مهم‌ترین ترکیبات فرار ناشی از تخریب بی‌هوازی مواد آلی می‌باشند. هم‌چنین محدوده‌ای از ترکیبات آروماتیک مانند تولوئن در اثر تخریب بی‌هوازی آزاد می‌شود که با وجود مقدار کم آن‌ها ولی می‌توانند اثر نامطلوبی داشته باشند. بوی بد جامدات زیستی هم‌چنین برای نشان دادن رشد میکروارگانیسم‌ها یا بروز میکروارگانیسم‌های بیماری‌زا استفاده می‌شود. به بیان دیگر، انتشار بوهای ذکرشده می‌تواند به عنوان شاخصی برای رشد بیماری باشد که می‌تواند به خوراک مربوط باشد و باید کنترل شود.

تأثیر AcoD بر فرایندهای پایین‌ دستی

فرایندهای پایین‌ دستی به یکدیگر مرتبط هستند، بنابراین هر گونه تغییر در یک فرایند می‌تواند هرکدام از فرایندها و یا کل سیستم را تحت تأثیر قرار دهد. به عنوان مثال، پیش‌تیمار مواد می‌تواند تخریب جامدات فرار را افزایش دهد که موجب بهبود فرایند آب‌زدایی از مواد هضم شده می‌شود. در نهایت انتشار مواد بد بو از جامدات زیستی کاهش می‌یابد. بنابراین هر فرایندی جهت بهبود کیفیت بیوگاز، افزایش خاصیت آب‌زدایی و کاهش انتشارات بد بو انتظار می‌رود که کارایی فرایند AcoD را افزایش دهد.

همانگونه که ذکر گردید، تغییر خواص و ترکیب خوراک، فرایند AcoD (به ویژه کیفیت بیوگاز) و در نتیجه فرایندهای پایین‌ دستی را دست‌خوش تغییر می‌کند. در برخی موارد، هضم چندخوراکه منجر به اثرات متقابل می‌شود که در نهایت موجب افزایش بازده تولید متان یا سرعت تولید بیوگاز خواهد شد. این اثرات سینرژیک اغلب با حذف بیشتر جامدات فرار و بهبود کیفیت بیوگاز (به عنوان مثال محتوای متان بیشتر است) و هم‌چنین با نسبت مناسب C /N و کاهش مواد بازدارنده و سمی همراه است. میزان اثرات سینرژیک در طول AcoD قابل توجه و مثبت است. در مقابل، اثرات متضاد یا آنتاگونیستی نیز در طول فرایند AcoD دیده می‌شود که تأثیر منفی بر فرایندهای پایین‌ دستی دارند. قابل توجه است که وجود منابع مختلف کربن در طول تخریب متابولیک خوراک‌ها در فرایند AcoD، ممکن است بر روی فعالیت‌ها و مسیرهای فرایند اثر بگذارد و منجر به کیفیت متنوع بیوگاز شود.

خوراک‌ها یا سوبستراها به طور کلی به مواد غنی از کربوهیدرات، پروتئینی و غنی از لیپیدها تقسیم می‌شوند. در بارگذاری بالای مواد آلی، خوراک‌های غنی از کربوهیدرات به راحتی تجزیه می‌شوند و باعث انباشت VFAها و ایجاد بی‌ثباتی در فرایند می‌شود. مواد غنی از پروتئین در طول فرایند AcoD به صورت آمونیوم آزاد و یا همراه با نیتروژن آزاد می‌شوند که با توجه به شرایط واکنش، آمونیوم آزاد به عنوان مانع فعالیت میکروب‌های تولید متان عمل می‌کند و موجب ناپایداری در سیستم شده و در کل فرایند اختلال ایجاد می‌کند. مواد غنی از چربی، بازده بالایی در تولید بیوگاز دارند اما با این حال تولید محصولات واسطه مانند اسیدهای چرب بلند زنجیره فعالیت جمعیت میکروبی متانوژنیک را مختل می‌کند و منجر به انباشت VFA، بی‌ثباتی سیستم و تأثیر منفی در آن می‌شود. بنابراین در طول فرایند AcoD باید از بارگذاری بیش از حد مواد آلی اجتناب شود.

پیش‌تیمار خوراک نیز می‌تواند در کل فرایند اثراتی داشته باشد. برای مثال آب‌زدایی از مواد هضم شده با تبدیل آب‌های پیوندی به آب آزاد افزایش می‌یابد. روش‌های مختلف برای پیش‌تیمار این مواد مانند روش‌های شیمیایی، بیولوژیکی و حرارتی به کارگیری می‌شود. پیش‌پردازش حرارتی می‌تواند محتوای جامد نهایی را افزایش دهد زیرا ویسکوزیته و آب‌های پیوندی مواد جامد هضم شده را کاهش می‌دهد. درجه حرارت بالاتر در هیدرولیز حرارتی موجب کاهش جامدات فرار و بهبود کیفیت بیوگاز خواهد شد. هم‌چنین این روش باعث تسهیل انتشار مواد مغذی در طول فرایند می‌شود.

پیش‌پردازش شیمیایی همراه با حرارتی می‌تواند اثرات بیشتری در آب‌زدایی و تولید بیوگاز داشته باشد.کاتیون‌های چندگانه با تغییر خواص لجن مانند ویسکوزیته و یا تشکیل هیدروکسی، اثر مثبتی بر فرایند خواهند داشت. روش زیستی نیز یک روش مناسب برای بهبود فرایند پیش‌تیمار محسوب می‌شود، اما این روش تاکنون در مقیاس صنعتی مورد استفاده قرار نگرفته است.

هم‌چنین پارامترهای عملیاتی از قبیل دما، مدت زمان نگهداری و بارگذاری آلی را باید برای افزایش بازده در فرایندهای پایین‌ دستی بهینه کرد. به عنوان مثال، آب‌زدایی از لجن‌ها و مواد هضم شده مزوفیل به دلیل پایداری بیشتر در فرایند معمولاً بهتر از ترموفیل‌ها است. از سوی دیگر، یک فرایند AcoD بهینه شده با زمان نگهداری و بارگذاری آلی مناسب باعث تخریب بیشتر مواد جامد فرار می‌شود و بازده تولید بیوگاز افزایش میابد که نهایتاً موجب افزایش بازده تولید VFA و متان و کاهش انتشار بوی نامطبوع می‌شود.

ترسیب شیمیایی یکی از روش‌های متنوع‌تر برای فسفرزدایی است که نمک‌هایی مانند FeCl3 و FeSO4 بیشترین استفاده را در این خصوص دارند. هم‌چنین فسفر می‌تواند از طریق ترکیب و پیوستن با زیست‌توده به صورت بیولوژیکی حذف شود. در واقع میکروارگانیسم‌ها با ظرفیت جذب پلی‌فسفات، میزان اضافی آن را جذب می‌کنند. فرایند کریستالیزاسیون نیز در مقیاس‌ صنعتی مورد استفاده قرار گرفته است. در این فرایند فسفر اضافی به صورت گرانول و کریستال‌های متنوع مانند استروویت (MgNH4PO4·۶H2O) از سیستم بازیابی می‌شوند. قابل توجه است که امروزه با توجه به ارزش بازار فعلی کود فسفر، درآمد حاصل از بازیابی آن برای هزینه‌های فرایندی آن کافی نیست و در واقع اقتصادی نمی‌باشد. با توجه به غلظت فسفر موجود و هم‌چنین هزینه‌های فرایندی، استفاده از فرایندهای غشایی مانند اسمز یا الکترودیالیز برای بازیابی میزان فسفر مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فرایند نوآورانه، پتانسیل تولید پساب با کیفیت بالا و تسهیل بازیافت مواد مغذی را فراهم می‌کند.

نتیجه‌گیری

اطلاعات موجود در این پژوهش، مجموعه‌ای از اثرات بالقوه فرایند هضم بی‌هوازی چندخوراکه در پردازش و فرایندهای پایین دستی هضم بی‌هوازی را مورد ارزیابی و بررسی قرارداده است. هم‌چنین برخی استراتژی‌هایی در خصوص فرایند هضم بی‌هوازی متدوال و روش‌های انطباق آن‌ها با فرایند چندخوراکه نیز مورد بحث قرار گرفت.

با توجه به مباحث اقتصادی و محیط‌زیستی، کشورهای در حال توسعه و حتی توسعه یافته باید این روش را برای نیاز خود به کارگیری کنند و پس از مطالعات فراوان بر روی پارامترهای عملیاتی و نحوه اجرای آن به گونه مؤثر، در خصوص مدیریت پسماند و تولید انرژی از آن استفاده کنند.

این مطلب در تاریخ ۹ ژوئیه ۲۰۱۸ در مجله Environmental Science: Water Research & Technology منتشر شده است.

☑ نویسنده: Sihuang Xie
☑ منبع