در میان فعالیت‌های انسانی، بخش‌های مرتبط با انرژی مهم‌ترین مشارکت‌کننده در انتشار گازهای گلخانه‌ای (GHG) هستند. بیشتر انرژی هنوز از سوخت های فسیلی مشتق می شود که از محصولات کربنی تشکیل شده است. بنابراین، دی اکسید کربن (CO₂) از آنجایی که گازهای گلخانه ای در مقادیر زیاد به اتمسفر جریان می یابد. بر اساس داده های آماری آژانس بین المللی انرژی، انتشار گازهای گلخانه ای از این بخش ها سالانه تقریباً ۳/۴ از انتشار گازهای گلخانه ای در جو را تشکیل می دهد. [۱]. CO₂ انتشار گاز از بخش انرژی تنها تا ۶۵ درصد را تشکیل می دهد و این اعداد در پنج سال گذشته کاهش نیافته است. [۲,۳]. در گزارش ۲۰۲۳ در مورد CO₂ انتشار گازهای گلخانه ای، آژانس بین المللی انرژی اعلام کرد که پس از CO₂ انتشار گازهای گلخانه ای بیش از ۵ درصد در سال ۲۰۲۰ کاهش یافته بود زیرا همه گیر COVID-19 تقاضای انرژی را کاهش داد، این انتشارات در سال ۲۰۲۱ به سطوح قبل از همه گیری گذشته بازگشت. افزایش CO در سال گذشته_۲ انتشار گازهای گلخانه ای به دنبال نوسانات استثنایی در تقاضای انرژی بود [۱]. در مواجهه با انتشار گازهای گلخانه ای دائما در حال افزایش، جهان با چالش بحرانی کاهش آنها برای جلوگیری از بدترین اثرات تغییرات آب و هوایی، که تحت تاثیر افزایش تقاضای انرژی سال به سال است، مواجه است. [۴]. نگرانی جهانی در مورد افزایش استفاده از سوخت های فسیلی و افزایش انتشار گازهای گلخانه ای در سیاست های بین المللی قابل توجه تر شده است. در مقابله با افزایش CO₂ انتشار گازهای گلخانه ای، علم فناوری های جدیدی را برای جذب کربن پیشنهاد می کند که به کاهش CO کمک می کند_۲ در جو منتشر می شود و دانشمندان نیز دائماً در حال کار بر روی بهبود فناوری های شناخته شده هستند [۵,۶]. این فناوری‌ها همچنین به تسهیلات مدیریت زباله کمک می‌کنند تا دستورالعمل EC 31/1999 کمیسیون اروپا را برآورده کنند (کمیسیون اروپا، ۱۹۹۹). [۷]، که الزام می کند که تمام گازهای دفن زباله باید گرفته و شعله ور شود.

در سال های اخیر، اهمیت مدیریت پایدار پسماند به عنوان وسیله ای برای کاهش تخریب محیط زیست ناشی از فعالیت های انسانی به طور فزاینده ای آشکار شده است. [۸]. هدف اصلی سیستم های مدیریت پسماند، مقابله با بازیافت انرژی و مواد و دور ریختن پسماندها است. همچنین وظیفه یک ترتیب نظارتی حفظ محیط زیست و یافتن فناوری و استانداردهای مناسب برای عملیات مؤثر در مدیریت زباله است. تاکنون، تبدیل زباله های تجزیه پذیر به انرژی روی بسیاری از تکنیک های موجود حساب شده است. طبق روش استاندارد فناوری، می‌توانیم آن تکنیک‌ها را به گروه‌هایی تقسیم کنیم: گروه تصفیه شیمیایی و مکانیکی، گروه تبدیل بیوشیمیایی (تخمیر اتانول، هضم بی‌هوازی (AD)، و غیره)، گروه تبدیل حرارتی (گاز شدن). ، سوزاندن، تجزیه در اثر حرارت و غیره) و گروهی از روندهای جدید در فناوری های زباله به انرژی (WtE) [9]. ضرورت و مقررات، امکان اجرای یک فناوری خاص در مکان مورد نظر برای ساختمان، اثربخشی تبدیل WtE، توانایی مالی و سایر شرایط خاص در انتخاب فناوری مناسب WtE نقش دارد. فناوری های مدیریت زباله، مانند سوزاندن و دفن زباله، اثرات زیست محیطی قابل توجهی مانند انتشار گازهای گلخانه ای دارند. [۱۰,۱۱]. در پرداختن به این مسائل، فرآیند AD به طور گسترده به عنوان یک روش پایدار مدیریت زباله و تولید انرژی تجدید پذیر پذیرفته شده است. [۱۲,۱۳,۱۴].

AD یک فرآیند طبیعی است که در آن میکروارگانیسم ها مواد آلی را تحت شرایط بدون اکسیژن تجزیه می کنند و محصولات جانبی ارزشمندی مانند بیوگاز و هضم را به عنوان کود تولید می کنند. اساسا [۱۵]بیوگاز تولید شده از فرآیند AD شامل متان (CH₄) (35-75%) و دی اکسید کربن (CO₂مخلوط (۱۵-۵۰%) با چندین آلاینده مانند سولفید هیدروژن (H₂S)، آمونیاک، سیلوکسان ها، بخار آب، اکسیژن و نیتروژن. با این حال، چنین بیوگاز باکیفیتی هنوز کاربرد محدودی دارد و باید به محتوای متان بالاتر ارتقا داده شود تا جایگزین گاز طبیعی شود. [۱۶]. هنگامی که غلظت متان پس از حذف CO افزایش می یابد_۲ و سایر ناخالصی ها، بیوگاز ارتقا یافته بیومتان نامیده می شود. فن‌آوری‌های ارتقای بیوگاز را می‌توان تقریباً در هر بخش تولید بیوگاز نصب کرد: تأسیسات تصفیه فاضلاب، تأسیسات مدیریت پسماند مانند محل‌های دفن زباله، و کارخانه‌های هضم بی‌هوازی کشاورزی، اعم از موجود یا جدید. [۱۷,۱۸]. بیومتان با CH بالا_۴ غلظت کیفیت گاز طبیعی را برآورده می کند و به عنوان یک سوخت تجدیدپذیر می تواند به طور گسترده به عنوان جایگزینی برای سوخت فسیلی در حمل و نقل، گرمایش و تولید برق استفاده شود. [۱۹]. در مورد تزریق لوله گاز، غلظت متان باید بالای ۸۵ درصد باشد. [۱۷,۲۰]بسته به نیاز کشور به گاز طبیعی که در آن بیومتان تولید شده است.

با این وجود، محققان هنوز تلاش‌ها را بر روی بهینه‌سازی فرآیند AD برای به حداکثر رساندن CH متمرکز کرده‌اند_۴ محتوای موجود در بیوگاز تولید شده [۲۱,۲۲,۲۳]، بهبود فناوری های شناخته شده برای تولید بیوگاز و به کارگیری فناوری های جدید اختراع شده مانند H₂ فن آوری افزودن، فناوری هضم بی هوازی با فشار بالا، فناوری بیوالکتروشیمیایی، افزودن مواد افزودنی و سایر فناوری ها [۲۴]. بررسی چنین فناوری هایی تأیید می کند که غلظت متان در بیوگاز ۸۷ درصد یا حتی ۹۲٫۵ درصد بوده است که می توان به دست آورد. [۲۵]. پارامترهای عملیاتی سیستم AD، مانند دما، زمان ماند هیدرولیک (HRT) و نرخ بارگذاری آلی (OLR) نیز بر غلظت متان در بیوگاز تأثیر می‌گذارند. شرایط عملیاتی بهینه برای سیستم های AD به نوع خاصی از بستر مورد استفاده و میزان تولید متان مورد نظر بستگی دارد. لانکو آی ​​و همکاران [۲۶] دریافته‌اند که شرایط گرما دوست (۵۵ تا ۶۰ درجه سانتی‌گراد) برای هضم محصولات انرژی‌زا و کود حیوانی مناسب‌تر است، در حالی که هضم ضایعات غذایی و لجن فاضلاب در شرایط مزوفیل (۳۵ تا ۴۰ درجه سانتی‌گراد) عملکرد بیشتری دارد. زمان ماند هیدرولیک (HRT) و نرخ بار آلی (OLR) نیز نقش داشتند و پارامترهای حیاتی مؤثر بر غلظت متان در بیوگاز بودند. به عنوان مثال، یک مخلوط زباله حاوی غلظت آلی بالاتر منجر به بیوگاز با محتوای متان بالاتر شد [۲۷,۲۸]. شرایط محیطی مانند pH و قلیاییت نیز بر غلظت متان در بیوگاز تأثیر گذاشت.

در مسیر انرژی های تجدیدپذیر، تعداد تاسیسات نیروگاه بیوگاز به طور مداوم در اروپا افزایش یافته است [۲۹]. بر اساس گزارش آماری انجمن بیوگاز اروپا در سال ۲۰۲۲ [۳۰]وضعیت فعلی در حوزه بیومتان نشان می‌دهد که تقاضا برای بیومتان برای تمام مصارف نهایی قابل توجه بوده است: در سال ۲۰۲۱، رشد این بخش بی‌سابقه بود، با افزایش ۲۰ درصدی تولید بیومتان، صنعت بیومتان تمام رکوردهای سال‌های گذشته را شکست. اروپا در آغاز سال ۲۰۲۲ دارای ۱۰۲۳ کارخانه تولید بود. این رقم با در نظر گرفتن پتانسیل کربن زدایی بیومتان، پله ای برای کربن زدایی کل اقتصاد اتحادیه اروپا است زیرا بیومتان ردپای کربن بسیار کمتری نسبت به سوخت های فسیلی دارد. [۳۱,۳۲]. با این حال، مزایای زیست‌محیطی تولید بیومتان که باید بررسی شود به شرایط خاص فرآیند تولید و سیستم‌های انرژی آن بستگی دارد. تحقیقات در مورد مزایای زیست محیطی بیومتان از زمانی که تولید بیوگاز و بیومتان شروع شد، هر چند وقت یکبار با استفاده از رویکرد ارزیابی چرخه حیات (LCA) آغاز شد. LCA از دهه ۱۹۷۰، ۱۹۸۰ و اوایل دهه ۱۹۹۰ مراحل توسعه را پشت سر گذاشته است و به یک ابزار مدل سازی قدرتمند تبدیل شده است. این یک مدل به طور گسترده پذیرفته شده از عملکرد زیست محیطی سیستم های مدیریت پسماند شد [۳۳,۳۴]، امکان ارزیابی و مقایسه اثرات زیست محیطی استراتژی های مختلف مدیریت پسماند را فراهم می کند. LCA را می توان برای ارزیابی اثرات زیست محیطی یک محصول یا سیستم منفرد در کل چرخه عمر آن به کار برد [۳۵,۳۶]. این همچنین LCA را به ابزاری مقایسه ای برای ارزیابی اثرات زیست محیطی فناوری های ارتقای بیومتان تبدیل می کند. در این صورت، مرزهای فرآیند مورد نظر شامل استخراج مواد خام، حمل و نقل، فرآوری، توزیع، استفاده و دفع باید مشخص شود. [۳۴]. LCA تولید بیومتان همچنین می‌تواند به تعیین مزایای زیست‌محیطی و معاوضه‌های بالقوه بیومتان در مقایسه با سایر سیستم‌های انرژی کمک کند. چندین مطالعه اخیر LCA تولید بیومتان را از بسترهای مختلف ضایعات آلی، مانند ضایعات نان، ضایعات مواد غذایی و لجن فاضلاب انجام داده اند و عملکرد مسیرهای مختلف تولید بیومتان مانند ارتقاء بیوگاز به بیواتانول و بیومتان را مقایسه کرده اند. [۱۴,۳۷,۳۸,۳۹,۴۰]و حتی استفاده مستقیم از بیوگاز و بیومتان به عنوان سوخت [۴۱]. این مطالعات مزایای زیست‌محیطی و معاوضه‌های تولید بیومتان مانند کاهش گازهای گلخانه‌ای، بهبود مدیریت پسماند و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و همچنین اثرات زیست‌محیطی تولید بیومتان مانند مصرف انرژی، تلفات مواد مغذی و انتشار در هوا، آب و خاک. نتایج این مطالعات نشان داده است که تولید بیومتان از زباله های آلی می تواند مزایای زیست محیطی قابل توجهی در مقایسه با سناریوی پایه استفاده از سوخت های فسیلی داشته باشد، مانند کاهش گازهای گلخانه ای و بهبود مدیریت پسماند. [۴۲,۴۳]. هنوز می توان مطالعاتی را یافت که عملکرد زیست محیطی سیستم های AD را در مناطق مختلف تحت شرایط مختلف بررسی کرده باشند [۴۴,۴۵,۴۶]. این بدون شک نشان دهنده علاقه پایدار به تولید بیوگاز است و آن را تحت نظارت قرار می دهد [۴۷,۴۸,۴۹,۵۰]. برای مثال، مطالعه ای توسط Bian R. et al. [51] پتانسیل تولید بیوگاز از زباله در چین را ارزیابی کرد و دریافت که AD می تواند انتشار گازهای گلخانه ای را در مقایسه با سوزاندن و دفن زباله کاهش دهد. به طور مشابه، مطالعه قبلی توسط Jacobs A. و همکاران. [۵۲] اثرات زیست‌محیطی تولید بیوگاز از ذرت و چغندرقند در اروپا را ارزیابی کرد و دریافت که مزایای زیست‌محیطی AD به کارایی بازیابی انرژی و مواد مغذی بستگی دارد. علاوه بر این، CH₄ غلظت بیوگاز تولید شده در طول AD به عنوان یک پارامتر حیاتی موثر بر تعادل انرژی فرآیند AD و عملکرد زیست محیطی شناسایی شده است. [۱۵]. علاوه بر کاهش مستقیم انتشار گازهای گلخانه ای با استفاده از فن آوری های جذب کربن، فناوری های تولید بیومتان تأثیرات زیست محیطی مثبتی نیز دارند زیرا از انتشار متان جلوگیری می کنند، گاز گلخانه ای ۲۵ برابر قوی تر از CO.₂ [53]. بر اساس داده های آماری، CH₄ 16 درصد از انتشار گازهای گلخانه ای به محیط زیست منتشر می شود. فعالیت های کشاورزی، مدیریت ضایعات، استفاده از انرژی و سوزاندن زیست توده مهم ترین منابع CH هستند._۴ انتشار در جهان بنابراین، استفاده از بیومتان به عنوان انرژی تجدیدپذیر به طور گسترده ای برای کاهش اثرات گرمایش جهانی و کاهش وابستگی به سوخت های فسیلی ادعا می شود. از این منظر، بیوگاز و بیومتان گزینه‌های امیدوارکننده‌ای برای کاهش مشکلات انتشار گازهای گلخانه‌ای در نظر گرفته می‌شوند، زیرا می‌توانند از انواع مواد اولیه در بخش کشاورزی و جریان‌های مختلف زباله‌های جامد آلی تولید شوند. پتانسیل تولید بیومتان از بسترهای ضایعات آلی در مناطق مختلف، از جمله اروپا، که در آن اهداف انرژی های تجدیدپذیر برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و ترویج انرژی پایدار تعیین شده است، مورد بررسی قرار گرفته است. [۵۲].

علیرغم علاقه روزافزون به تولید بیوگاز، فناوری های ارتقای بیوگاز و تولید بیومتان، تحقیقات بسیار کمی در مورد اثرات زیست محیطی غلظت های مختلف متان در بیوگاز تولید شده در حین ارتقاء آن وجود دارد. هنگامی که بیوگاز با محتوای متان متفاوت ارتقاء می یابد، به مطالعاتی در مورد ارزیابی زیست محیطی تولید بیومتان، به ویژه زمانی که محتوای متان در تولید بیوگاز نقش عمده ای در میان پارامترهای دیگر ایفا می کند، برخورد نکردیم. [۱۵]. همچنین توجه به مزایای اقتصادی تولید بیومتان ضروری است زیرا می تواند منبع درآمد جدیدی برای کشاورزان و تسهیلات مدیریت پسماند و ایجاد شغل در بخش های تولید و توزیع بیومتان باشد. استفاده از بیومتان به عنوان سوخت می تواند وابستگی به سوخت های فسیلی وارداتی را کاهش دهد و امنیت انرژی را افزایش دهد. در مجموع، تولید بیومتان از پسماندهای آلی پتانسیل ایجاد مزایای زیست محیطی، اقتصادی و اجتماعی متعددی را دارد. سیاست‌ها و مشوق‌هایی که از توسعه تولید و استفاده از بیومتان حمایت می‌کنند می‌توانند به پذیرش گسترده آن کمک کرده و به سیستم انرژی پایدارتر و انعطاف‌پذیرتر کمک کنند. [۲۵,۵۴]. بنابراین، ارزیابی دقیق اثرات زیست محیطی مسیرهای مختلف تولید بیومتان برای به حداکثر رساندن مزایا و به حداقل رساندن معایب مهم است.

هدف مطالعه ما ارائه بینش های ارزشمندی در مورد پیامدهای زیست محیطی تولید بیومتان بود که می تواند تصمیم گیرندگان را در مورد سیاست های مدیریت زباله و تولید انرژی آگاه کند. این مقاله بینش‌های جامعی را در مورد تأثیر زیست‌محیطی تولید بیومتان، با تمرکز بر انتشار متان و تعادل انرژی هنگامی که بیوگاز با غلظت متان متغیر ارتقا می‌یابد، ارائه می‌کند. [۵۵,۵۶].