پایداری | متن کامل رایگان | بررسی محتوای متان، دی اکسید کربن، آمونیاک و سولفید هیدروژن در پسماندهای کشاورزی در تولید بیوگاز - شهرساز | سایت تخصصی شهرسازی با هوش مصنوعی | شهرساز

بهترین آموزش های کاربردی در شهرسازی

بهترین آموزش های کاربردی در شهرسازی را از Urbanity.ir بخواهید

…

ادامه ...

خرید درب شیشه ای سکوریت با بهترین قیمت از تتراگلس

ادامه ...

Wednesday, 26 June , 2024
امروز : چهارشنبه, ۶ تیر , ۱۴۰۳

آخرین اخبار »

شناسه خبر : 22714

ارسال

پرینتخانه » مقالات تاریخ انتشار : 17 ژوئن 2024 - 3:30 | 12 بازدید | ارسال توسط : riazat

پایداری | متن کامل رایگان | بررسی محتوای متان، دی اکسید کربن، آمونیاک و سولفید هیدروژن در پسماندهای کشاورزی در تولید بیوگاز

۱٫ معرفی ضایعات کشاورزی از مواد باقیمانده تولید شده در نتیجه عملیات کشاورزی، از جمله کود دامی، ضایعات کشتارگاه ها و میوه ها و سبزیجات اضافی از شرکت های فرآوری کشاورزی تشکیل شده است. [۱]. با توجه به افزایش پیش بینی شده تولیدات کشاورزی ناشی از افزایش جمعیت و افزایش ثروت، بدون شک میزان ضایعات […]

۱٫ معرفی

ضایعات کشاورزی از مواد باقیمانده تولید شده در نتیجه عملیات کشاورزی، از جمله کود دامی، ضایعات کشتارگاه ها و میوه ها و سبزیجات اضافی از شرکت های فرآوری کشاورزی تشکیل شده است. [۱]. با توجه به افزایش پیش بینی شده تولیدات کشاورزی ناشی از افزایش جمعیت و افزایش ثروت، بدون شک میزان ضایعات کشاورزی افزایش قابل توجهی خواهد داشت. [۲].

پروژه های تحقیقاتی نشان می دهد که تولید غذا در سراسر جهان باید تقریباً ۵۰ تا ۶۰ درصد افزایش یابد تا تقاضای جهانی غذا تا سال ۲۰۵۰ برآورده شود. [۳,۴]. افزایش تولیدات کشاورزی به طور اجتناب ناپذیری منجر به افزایش تولید ضایعات کشاورزی می شود و اثرات نامطلوب روش های نامناسب مدیریت ضایعات کشاورزی مانند دفن زباله، سوزاندن در آتش، تخلیه باز و سوزاندن را تشدید می کند. [۵].

چندین مطالعه [۶,۷,۸] پیامدهای منفی ناشی از روش‌های ناکافی مدیریت پسماند از جمله بوهای مضر، افزایش سریع میکروارگانیسم‌های عامل بیماری، گسترش بیماری‌ها، انتشار گازهای گلخانه‌ای و آلودگی منابع آب و خاک را ثبت کرده‌اند. یک استراتژی موثر برای مقابله با این مشکلات، به ویژه در مورد زباله های کشاورزی، استفاده از هضم بی هوازی به عنوان یک روش مدیریت پسماند سازگارتر با محیط زیست است. استفاده از ضایعات آلی کشاورزی به عنوان بستر در هاضم های بی هوازی می تواند منبع ارزشمندی باشد. این فرآیند انرژی های تجدیدپذیر را به شکل بیوگاز تولید می کند و راهی پایدار برای برآوردن بخشی از نیازهای جهانی انرژی ارائه می کند. [۵]. علاوه بر این، این رویکرد مدیریت پسماند به طور همزمان کودهای عالی تولید می کند، بنابراین روش های کشاورزی را بهبود می بخشد و پایداری زیست محیطی را ارتقا می دهد. [۹]. علاوه بر این، استفاده از منابع تجدید ناپذیر، به ویژه سوخت های فسیلی، منجر به فرسودگی منابع طبیعی می شود. این امر ضرورت هدایت مجدد تمرکز ما به سایر منابع انرژی پایدار را برجسته می کند [۱۰]. هضم بی هوازی (AD) یک فرآیند بیولوژیکی طبیعی است که در آن میکروارگانیسم ها مواد زیست تخریب پذیر را در یک محیط بدون اکسیژن تجزیه می کنند و منجر به ایجاد بیوگاز می شود. بیوگاز فرآوری نشده عمدتاً حاوی متان (۶۰-۶۵٪) و دی اکسید کربن (۳۵-۵۵٪) همراه با مقادیر کمی از سولفید هیدروژن (۰٫۱-۳٪) است. [۱۱]. علاوه بر این، ترکیب بیوگاز می تواند بر اساس نوع بستر و فرآیند پیش تصفیه متفاوت باشد، که حاوی مقادیر کمی از سولفید هیدروژن، آمونیاک، اکسیژن، هیدروژن، مونوکسید کربن، سیلوکسان ها و ترکیبات آلی فرار مختلف است. [۹,۱۲].

طبق مطالعه انجام شده توسط رولو و همکاران. [۱۳]سطح متان در کود گاو، مرغ و خوک در توانایی آنها برای تولید بیوگاز متفاوت است. کود خوک بالاترین بازده کلی بیوگاز را در مقایسه با کود مرغ و گاوی نشان داد. کود خوکی حجم گاز ۱۳٫۰۵۶۱ فوت مکعب تولید کرد که نشان دهنده غلظت بیشتری از متان است. کود مرغ بیشترین غلظت آلاینده ها از جمله سولفید هیدروژن و دی اکسید کربن را داشت که احتمالاً بر سطوح متان آن تأثیر می گذاشت. به طور خلاصه، این مطالعه نشان می دهد که کود خوک به دلیل محتوای متان بالای آن بستر بهینه برای تولید بیوگاز است. عوامل مختلفی می توانند بر سطوح متان در انواع مختلف کود حیوانی مورد استفاده برای تولید بیوگاز تأثیر بگذارند. این عوامل شامل ترکیب کود دامی، وجود میکروارگانیسم های بی هوازی و نوع ماده اولیه مصرفی است. [۱۴]. بر اساس مطالعه انجام شده توسط Sebola، Tesfagiorgis و Muzenda [15]سطوح متان کود مرغی، کود خوکی و کود گاوی بسته به نسبت ها و شرایط هضم بی هوازی متغییر بود. بازده متان بهینه با استفاده از نسبت های مساوی از سرگین گاوی، کود مرغ، کود خوک و ضایعات فاضلاب، با بازده متان ۵۸ درصد CH به دست آمد._۴/d. علاوه بر این، نشان داده شد که دمای ایده آل برای هضم بی هوازی ۴۰ درجه سانتی گراد است که منجر به تولید متان ۶۲٪ CH می شود._۴/d. لازم به تاکید است که قرائت متان بسته به نسبت ها و شرایط مختلف فرآیند گوارش می تواند نوسان داشته باشد. [۱۶]. ترکیب انواع کود حیوانی متفاوت است که می تواند بر ظرفیت آنها برای تولید متان تأثیر بگذارد. میکروارگانیسم های بی هوازی برای تجزیه مواد آلی به بیوگاز ضروری هستند و اثربخشی آنها بسته به نوع خاص کود می تواند متفاوت باشد. [۱۵]. نوع بستر مورد استفاده در فرآیند هضم بی هوازی نیز می تواند بر تولید متان تأثیر بگذارد، زیرا برخی مواد ممکن است حساسیت بیشتری نسبت به تبدیل متان نسبت به سایرین نشان دهند. اثربخشی سنتز متان از کود حیوانی می تواند تحت تأثیر عناصر مختلفی مانند دما، سطح pH و زمان ماند قرار گیرد که کامل بودن فرآیند هضم بی هوازی را تعیین می کند. [۱۷].

متان جزء اصلی بیوگاز است و به عنوان منبع اصلی انرژی آن عمل می کند. مواد آلی در طی هضم بی هوازی دچار تجزیه میکروبی شده و در نتیجه متان و دی اکسید کربن تولید می شود. نسبت متان به دی اکسید کربن در بیوگاز بسیار مهم است زیرا مستقیماً بر محتوای انرژی و ویژگی های احتراق گاز تولید شده تأثیر می گذارد. بیوگاز تولید شده از زباله های کشاورزی سطوح مختلفی از متان و دی اکسید کربن را نشان می دهد که به ترکیب، رطوبت و شرایط پردازش زباله بستگی دارد. [۱۸].

علاوه بر این، متان (CH₄) مسئول محتوای انرژی آن است. با ارزش حرارتی حدود ۳۵٫۸ MJ/m³، سوخت بسیار کارآمدی برای تولید گرما و نیرو است. متان هنگام سوزاندن، انرژی ساطع می کند که می تواند برای اهداف مختلف از جمله تولید برق، سیستم های گرمایشی و به عنوان سوخت وسایل نقلیه به شکل گاز طبیعی فشرده (CNG) استفاده شود. [۱۹]. دی اکسید کربن (CO₂) یکی از اجزای اساسی بیوگاز فرآوری نشده است که معمولاً ۳۰ تا ۵۰ درصد از مخلوط را تشکیل می دهد. اگرچه دی اکسید کربن (CO₂) نمی سوزد، غلظت متان را در بیوگاز کاهش می دهد و در نتیجه چگالی انرژی کلی کاهش می یابد. افزایش غلظت دی اکسید کربن (CO₂) ارزش حرارتی بیوگاز را کاهش می دهد و برای دستیابی به انرژی خروجی معادل متان خالص، حجم بیشتری را ضروری می کند. این امر بر کارایی و کارایی بیوگاز به عنوان سوخت تأثیر می گذارد [۲۰]. آمونیاک (NH₃) یکی دیگر از اجزای مهم در ضایعات کشاورزی، به ویژه در کود دامی است. آمونیاک (NH₃) در طی هضم بی هوازی بسترهای غنی از نیتروژن مانند کود مرغی تولید می شود. در حالی که آمونیاک می تواند تولید بیوگاز را با تامین نیتروژن ضروری برای فعالیت میکروبی افزایش دهد، سطوح بیش از حد آن می تواند متانوژنز را مهار کرده و منجر به بی ثباتی فرآیند شود. در غلظت های بالا، آمونیاک می تواند برای میکروارگانیسم های مسئول تجزیه مواد آلی سمی باشد. این منجر به کندی یا حتی توقف در فرآیند هضم بی هوازی می شود و بازده بیوگاز را کاهش می دهد. [۲۱]. بنابراین، نظارت و کنترل سطوح آمونیاک برای بهینه‌سازی راندمان تولید بیوگاز بسیار مهم است. تجزیه مولکول های حاوی گوگرد که در مواد آلی یافت می شوند منجر به تولید سولفید هیدروژن می شود (H₂S) که محصول جانبی هضم بی هوازی است. وجود غلظت های بالای سولفید هیدروژن مسائل متعددی از جمله خراب شدن تجهیزات، انتقال سمیت به میکروارگانیسم ها و بروز خطرات زیست محیطی را به همراه دارد. به منظور تضمین کیفیت و ایمنی بیوگاز برای مصارف مختلف، اطمینان از حذف موثر سولفید هیدروژن ضروری است. [۲۲,۲۳]. سولفید هیدروژن (H₂S) بسیار خورنده است، به ویژه برای فلزات و اجزای زیرساختی مانند لوله ها، موتورها و مخازن ذخیره سازی. حضور اچ_۲S می تواند منجر به مسائل نگهداری قابل توجه و افزایش هزینه برای نیروگاه های بیوگاز شود [۲۳]. اچ_۲S همچنین بسیار سمی است و خطراتی برای سلامتی انسان و حیوانات دارد. حتی در غلظت های کم، می تواند باعث مشکلات تنفسی و سایر مشکلات سلامتی شود. به دلیل ماهیت خورنده و سمی آن، حذف موثر H₂S از بیوگاز ضروری است. تکنیک هایی مانند فیلتراسیون اسفنج آهن، جذب کربن فعال، و گوگرد زدایی بیولوژیکی معمولاً برای پاک کردن H استفاده می شود._۲S از بیوگاز [۲۴].

متان عامل اصلی محتوای انرژی بیوگاز است، در حالی که دی اکسید کربن خلوص و ارزش انرژی آن را کاهش می دهد. غلظت بالای آمونیاک می تواند فرآیند هضم بی هوازی را مهار کند و سولفید هیدروژن هم خورنده و هم سمی است و نیاز به تکنیک های حذف موثر دارد. [۲۲]. با پرداختن به این چالش ها، بهره وری و مزایای زیست محیطی تولید بیوگاز را می توان به طور قابل توجهی افزایش داد و به توسعه منابع انرژی تجدید پذیر و دستیابی به اهداف توسعه پایدار (SDGs) کمک کرد.

انتخاب بستر در تولید بیوگاز بسیار مهم است زیرا مستقیماً بر کارایی و نتایج فرآیند هضم بی هوازی تأثیر می گذارد. ترکیب بسترها بر جنبه های حیاتی مانند محتوای آلی، سطح رطوبت و تعادل تغذیه ای تأثیر می گذارد که برای دستیابی به فعالیت میکروبی بهینه و تولید متان ضروری است. [۲۵]. محتوای آلی یک بستر، که به صورت جامدات فرار (VS) تعیین می شود، یک عامل مهم در تعیین مقدار بیوگاز تولید شده است. بسترهای غنی از مواد آلی، مانند ضایعات مواد غذایی، ضایعات کشاورزی و کود حیوانی، مقدار بیشتری از مواد را برای تجزیه میکروارگانیسم‌ها فراهم می‌کنند که منجر به افزایش تولید بیوگاز می‌شود. بسترها سطوح مختلفی از پتانسیل بیوشیمیایی متان (BMP) را نشان می دهند. [۲۶]. ضایعات غذایی و بقایای محصولات خاص پتانسیل متان بیوشیمیایی (BMP) بالاتری در مقایسه با مواد لیگنوسلولزی مانند کاه نشان می‌دهند که در برابر تخریب مقاوم‌تر هستند. [۲۷].

دستیابی به فعالیت میکروبی بهینه در هضم بی هوازی مستلزم حفظ سطح رطوبت متعادل است. سطح رطوبت مطلوب معمولاً در محدوده ۵۰ تا ۸۰ درصد قرار دارد. بسترهای مرطوب ناکافی ممکن است عملیات میکروبی را مختل کنند، اما بسترهای مرطوب بیش از حد می توانند غلظت مواد آلی را رقیق کنند و در نتیجه تولید بیوگاز را کاهش دهند. [۲۶]. اطمینان از سطح رطوبت مناسب برای حفظ ثبات فرآیند بسیار مهم است. سطوح بهینه رطوبت باعث ترکیب مواد می شود، از قرار گرفتن یکنواخت میکروبی در معرض مواد آلی اطمینان حاصل می کند و توسعه پاکت های خشک یا مناطق بیش از حد فشرده در داخل هاضم را محدود می کند. [۲۸].

یک نسبت ایده آل C/N برای هضم بی هوازی توصیه می شود که در محدوده ۲۵ تا ۳۰ قرار گیرد. این نسبت بسیار مهم است زیرا مقادیر بسیار کم یا زیاد ممکن است روند هضم را مختل یا مختل کند. سطوح بالای نیتروژن می تواند به سرعت توسط متانوژن ها تخلیه شود و منجر به کاهش تولید گاز شود. برعکس، سطوح ناکافی نیتروژن می تواند منجر به مهار آمونیاک شود. از این رو، برای هضم بی هوازی بهینه، توصیه می شود نسبت C/N بین ۲۵ تا ۳۰ حفظ شود، زیرا این امر تخریب کارآمد بالاترین نسبت کربن را تسهیل می کند. ترکیب بسترهای با نسبت C/N زیر ۴۰ با ضایعات لبنی از ناپایداری راکتور جلوگیری می کند و تعادل تغذیه ای مناسب را حفظ می کند. ترکیب مواد خوراک با سطوح مختلف کربن و نیتروژن می تواند برای دستیابی به نسبت ایده آل کربن به نیتروژن برای به حداکثر رساندن کارایی هضم بی هوازی مفید باشد. [۲۹]. مواد مغذی مانند گوگرد، فسفر و عناصر کمیاب برای سلامت و فعالیت میکروبی ضروری هستند. یک پروفایل مواد مغذی متعادل از رشد و عملکرد جوامع میکروبی مختلف درگیر در مراحل مختلف فرآیند هضم بی هوازی پشتیبانی می کند. [۳۰].

تولید سریع بیوگاز توسط بسترهای به راحتی قابل تجزیه مانند ضایعات مواد غذایی و کود تازه تسهیل می شود، زیرا آنها به عنوان یک منبع انرژی در دسترس برای باکتری ها عمل می کنند. از سوی دیگر، بسترهای حاوی مواد شیمیایی پیچیده، مانند لیگنین موجود در زیست توده گیاهی، به مدت طولانی‌تر و میکروارگانیسم‌های خاصی برای تجزیه نیاز دارند. [۲۷]. فعالیت میکروبی را می توان تحت تأثیر سطح pH بستر قرار داد. میکروب های بی هوازی معمولاً در محدوده PH 6.5 تا ۷٫۵ شکوفا می شوند که خنثی در نظر گرفته می شود. جوامع میکروبی و تولید بیوگاز می تواند توسط بسترهایی که بیش از حد اسیدی یا قلیایی هستند مختل شوند. [۳۱].

ترکیب زیرلایه بر زمان ماند هیدرولیکی لازم (HRT) برای دستیابی به هضم کامل تأثیر می گذارد. بسترهایی که به راحتی تجزیه می شوند ممکن است به زمان نگهداری هیدرولیکی کوتاه تری (HRT) نیاز داشته باشند، در حالی که بسترهای فیبری یا پیچیده ممکن است به مدت زمان نگهداری طولانی تری نیاز داشته باشند تا بالاترین تولید بیوگاز ممکن را به دست آورند. انتخاب بسترها تأثیر مستقیمی بر دمایی که هاضم در آن کار می کند دارد [۳۲]. تنظیمات مزوفیلیک، معمولاً بین ۳۰ تا ۴۰ درجه سانتیگراد، معمولاً برای اکثر بسترها مناسب هستند. با این حال، بسترهای خاص ممکن است برای دستیابی به تجزیه بهینه نیاز به شرایط گرما دوست، با دمای بین ۵۰ تا ۶۰ درجه سانتیگراد داشته باشند. این نیاز می تواند بر ورودی های انرژی و طراحی سیستم تأثیر بگذارد [۳۳].

انتخاب بستر غالباً تحت تأثیر قابلیت دسترسی و قابلیت اطمینان منابع محلی است. عملکرد بی وقفه نیروگاه بیوگاز با در دسترس بودن قابل اعتماد زیرلایه ها تضمین می شود. هزینه های مرتبط با بسترها می تواند به طور قابل توجهی بر امکان سنجی مالی کلی تأسیسات بیوگاز تأثیر بگذارد [۳۴]. استفاده از منابع ارزان قیمت یا دور ریخته شده می تواند هزینه تولید بیوگاز را بهبود بخشد. انتخاب بسترهایی که باعث کاهش زباله و بازیافت می شوند، مانند ضایعات کشاورزی و مواد غذایی، در راستای اهداف پایداری زیست محیطی است و به کاهش استفاده از محل های دفن زباله و انتشار گازهای گلخانه ای کمک می کند. [۲۵]. انتخاب محتاطانه بسترها برای بهینه سازی فرآیند هضم بی هوازی و به حداکثر رساندن تولید بیوگاز بسیار مهم است. برای تضمین فعالیت میکروبی موثر و عملکرد گوارشی ثابت، مهم است که عواملی مانند محتوای ارگانیک، سطح رطوبت و تعادل تغذیه را در نظر بگیرید. با در نظر گرفتن و پرداختن به این مسائل می توان تولید بیوگاز را بهبود بخشید و در نتیجه سهم قابل توجهی در تولید انرژی های تجدیدپذیر و مدیریت پایدار پسماندها داشت. [۳۴].

آلاینده های بدون توجه در بیوگاز خطرات قابل توجهی برای محیط زیست و سلامت عمومی ایجاد می کنند. وجود ناخالصی هایی مانند سولفید هیدروژن و آمونیاک در بیوگاز می تواند منجر به مشکلات سلامتی مانند فلج ریوی، آسم و سایر اختلالات تنفسی شود. علاوه بر این، این ناخالصی ها به گرم شدن کره زمین و تغییرات آب و هوایی کمک می کنند [۲۴]. علاوه بر این، این آلاینده ها ممکن است منجر به خوردگی و نقص در تجهیزات پردازش شوند.

برای افزایش کیفیت بیوگاز برای مصارف ارزشمند، حذف دی اکسید کربن و سایر ناخالصی ها ضروری است. ناخالصی ها ارزش حرارتی بیوگاز را هنگام سوزاندن کاهش می دهند و در نتیجه بازده سوخت کاهش می یابد. حذف این آلاینده‌ها نه تنها چگالی انرژی بیوگاز را افزایش می‌دهد، بلکه اثرات زیست‌محیطی آن را کاهش می‌دهد و سلامت انسان را تضمین می‌کند. [۳۵]. با افزایش و پالایش بیوگاز از طریق حذف آلاینده ها، می توان کیفیت آن را با گاز طبیعی افزایش داد و آن را برای طیف گسترده ای از کاربردهای ارزشمند مناسب کرد. فرآیند تصفیه، محتوای انرژی بیوگاز را افزایش می دهد و اثرات نامطلوب آلاینده ها را بر محیط زیست و سلامت انسان کاهش می دهد. از این رو، اجرای تکنیک های تصفیه بیوگاز کارآمد برای پیشرفت راه حل های انرژی پاک تر و ارتقای تولید انرژی پایدار بسیار مهم است. [۱۹,۲۴].

تحقیقات کمی وجود دارد که بین نوع بستر کشاورزی و محتوای بیوگاز ارتباط برقرار کند. اگرچه پیشرفت‌های قابل‌توجهی در تولید بیوگاز صورت گرفته است، اما هنوز درک محدودی از چگونگی تأثیر زباله‌های کشاورزی مختلف بر سطوح متان (CH) وجود دارد._۴دی اکسید کربن (CO₂آمونیاک (NH₃و سولفید هیدروژن (H₂S) در طی هضم بی هوازی تولید می شود. تحقیقات کنونی اغلب بر دسته‌های خاصی از ضایعات متمرکز است یا فاقد مطالعه تطبیقی جامع در بین ضایعات مختلف کشاورزی است. علاوه بر این، اطلاعات کمی در مورد تأثیر ترکیبات مختلف این ضایعات بر تعادل بین سودمند (متان) و مضر (CO) وجود دارد._۲، NH₃، اچ_۲س) محصولات جانبی این شکاف مانع از بهینه سازی انتخاب بستر و پارامترهای فرآیند برای به حداکثر رساندن بازده متان و به حداقل رساندن انتشارات مضر می شود.

هدف از این مطالعه بررسی سطوح متان، دی اکسید کربن، آمونیاک و سولفید هیدروژن در مواد زاید مختلف کشاورزی در طول فرآیند تولید بیوگاز است. درک ترکیب و کیفیت زباله های کشاورزی برای بهینه سازی تولید بیوگاز ضروری است. از طریق تجزیه و تحلیل سطوح متان، دی اکسید کربن، آمونیاک، و سولفید هیدروژن در بسترهای مختلف، استراتژی های سفارشی را می توان برای بهینه سازی تولید متان و در عین حال به حداقل رساندن خطرات زیست محیطی بالقوه فرموله کرد. این مطالعه به پیشرفت راه حل های انرژی پایدار کمک می کند و پتانسیل پسماندهای کشاورزی را به عنوان یک منبع مفید برای تولید بیوگاز برجسته می کند. بیوگاز یک منبع انرژی تجدیدپذیر بسیار امیدوارکننده است که ممکن است سهم قابل توجهی در دستیابی به اهداف توسعه پایدار (SDGs) داشته باشد، به ویژه SDG 7، که بر انرژی مقرون به صرفه و پاک تمرکز دارد، و SDG 13، که به اقدامات آب و هوایی می پردازد. [۳۶].

۲٫ مواد و روشها

۲٫۱٫ تایید اخلاقی

استراتژی تحقیق، که شامل جمع‌آوری و مدیریت اشکال مختلف زباله است، مورد بازبینی قرار گرفت و از کمیته اخلاق تحقیقات حیوانی دانشکده علوم، دانشگاه صنعتی Tshwane (AREC2021/02/001) مورد بازبینی قرار گرفت تا از پایبندی به اصول اخلاقی اطمینان حاصل شود. استانداردها

۲٫۱٫۱٫ جمع آوری و جابجایی کود حیوانی

تدابیری اتخاذ شد تا اطمینان حاصل شود که فرآیند جمع آوری کود حیوانی هیچ آسیبی یا ناراحتی برای حیوانات نداشته باشد. کود از حیوانات در زیستگاه های طبیعی دست نخورده آنها بدون هیچ گونه اجبار یا اختلالی جمع آوری می شد. کود دامی از مزارع شورای تحقیقات کشاورزی (ARC) که مطابق با استانداردهای تعیین شده مراقبت از حیوانات است، به دست آمد. تکنیک‌های جمع‌آوری به طور خاص برای به حداقل رساندن هرگونه اثرات منفی بر محیط زیست با استفاده از ظروف استریل ضد هوا توسعه داده شده‌اند تا اطمینان حاصل شود که منابع آب و خاک در طول فرآیند جمع‌آوری کود آلوده نیستند.

۲٫۱٫۲٫ جمع آوری و مدیریت ضایعات سبزیجات و میوه ها

رعایت مقررات محلی و ملی مدیریت پسماند برای اطمینان از اینکه جمع آوری ضایعات سبزیجات و میوه ها مطابق با قوانین حفاظت از محیط زیست است، ضروری است. مجوز جمع‌آوری زباله از شرکت‌های تولیدکننده پسماند و حصول اطمینان از توافق آگاهانه و باز بودن اهداف تحقیقاتی اخذ شد. جمع آوری و حمل ضایعات سبزیجات و میوه ها با رعایت دقیق شرایط بهداشتی برای جلوگیری از انتقال عوامل بیماری زا و اطمینان از ایمنی محققان انجام شد. تجهیزات حفاظت فردی (PPE) استفاده شد و رعایت دقیق مقررات ایمنی هنگام جمع‌آوری و پردازش زباله اجرا شد.

۲٫۱٫۳٫ جمع آوری و نگهداری غذای سگ تاریخ مصرف گذشته

غذای سگ منقضی شده از تامین کنندگان با مجوز روشن و صریح جمع آوری شد و شفافیت در مورد استفاده مورد نظر از آن در تحقیقات فراهم شد. اولویت استفاده مجدد از غذای سگ تاریخ مصرف گذشته به عنوان وسیله ای برای کاهش ضایعات در راستای اهداف پایداری اخلاقی و زیست محیطی است. برای جلوگیری از خطرات بالقوه سلامتی، از ظروف استریل دربسته در هنگام دست زدن به غذای سگ تاریخ مصرف گذشته استفاده شد.

۲٫۲٫ منطقه مطالعه

این مطالعه در شورای تحقیقات کشاورزی (مهندسی کشاورزی) در سیلورتون (پرتوریا) انجام شد.

۲٫۳٫ زیرلایه و تلقیح جمع آوری و تجزیه و تحلیل

جمع آوری ثانویه کود گاو، خوک و مرغ در مزرعه تحقیقاتی شورای تحقیقات کشاورزی واقع در ایرن، پرتوریا انجام شد. غذای خشک تاریخ مصرف گذشته سگ، ضایعات نباتی خرد شده (شامل اسفناج، هویج، چغندر، پیاز، کاهو، سیب زمینی و کره) و مواد میوه (حاوی پوست موز، آناناس، پرتقال، سیب و هندوانه) از مرابستاد جمع آوری شد. بازار Tshwane) در پرتوریا. تکنیک جمع آوری از دستکش های دستی نیتریل استریل و ظروف بدون هوا از Lasec، یک شرکت مستقر در آفریقای جنوبی استفاده می شود. قبل از استفاده، تمام نمونه ها با استفاده از مخلوط کن پیش تیمار مکانیکی دریافت کردند. این تلقیح از یک تأسیسات بیوگاز کاملاً عملیاتی واقع در Bronkhorstspruit، پرتوریا تهیه شد. قبل از شروع آزمایش، تلقیح با نگهداری در دمای ۳۷ درجه سانتیگراد به مدت ۵ روز تحت پیش تیمار قرار گرفت. این اقدام برای کاهش تولید بیوگاز از منابع داخلی انجام شد.

بستر و تلقیح قبل از استفاده در دمای ۴ درجه سانتیگراد نگهداری شد. بسترهای جمع آوری شده و تلقیح برای کل جامدات (TS)، جامدات فرار (VS)، جامدات ثابت (FS)، محتوای رطوبت (MC)، فیبر شوینده خنثی (NDF)، فیبر شوینده اسیدی (ADF)، لیگنین مواد شوینده اسیدی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. ADL)، نیتروژن (N)، کربن (C)، گوگرد (S)، کربوهیدرات، پروتئین و چربی با استفاده از روش AOAC (2000). pH با استفاده از pH/mV متر عمومی HI8424 اندازه گیری شد.

۲٫۴٫ راه اندازی و بهره برداری از پتانسیل بیوشیمیایی متان (BMP).

آزمایش‌های پتانسیل بیوشیمیایی متان (BMP) در سه تکرار با استفاده از سیستم AMPTS II از Bioprocess Control (BPC) در سوئد انجام شد. این ابزار از سه جزء اصلی تشکیل شده است: (۱) دوازده بطری راکتور شیشه ای ۵۰۰ میلی لیتری، (۲) یک واحد شستشوی CO2، و (iii) یک واحد نظارت بر گاز.شکل ۱). این سیستم یک سیستم دسته ای خودکار است که پیکربندی شده و باقی مانده تا تا پایان فرآیند هضم کار کند. برای حذف دی اکسید کربن از هیدروکسید سدیم استفاده شد. محلولی از ۳M NaOH برای استفاده به عنوان محلول شستشو برای از بین بردن آلاینده ها ساخته شد. محلول نشانگر pH برای تعیین نقطه اشباع محلول تمیز کننده برای جایگزینی اضافه شد.

یک محدودیت بالقوه این مطالعه این است که تنها سه تکرار در هر تیمار قابل دستیابی بود، که می‌تواند منجر به داده‌های ناکافی برای تشخیص مطمئن اثرات درمانی ظریف و در عین حال قابل‌توجه شود. برای غلبه بر این چالش، آزمایش‌های اولیه قبل از آزمایش واقعی انجام شد. این مرحله اولیه بهبود پروتکل‌های آزمایشی، بهینه‌سازی شرایط، و شناسایی هر گونه مشکل یا عامل احتمالی که به ناسازگاری کمک می‌کند، تسهیل کرد. از طریق اجرای آزمایش‌های آزمایشی، آزمایش اولیه با دقت سازمان‌دهی و انجام شد، بنابراین احتمال شناسایی اثرات درمانی قابل توجه، حتی با تعداد محدودی از تکرارها در هر درمان، افزایش می‌یابد.

بسترهایی مانند فضولات حیوانی (به ویژه کود گاو و خوک)، غذای سگ و ضایعات میوه و سبزیجات استفاده شد. یک مخلوط کن خانگی به مدت یک دقیقه به طور کامل بستر را مخلوط کرد و سپس آن را به راکتورهای هاضم منتقل کرد. هر رآکتور با ظرفیت ۴۰۰ میلی‌لیتر و فضای اصلی ۲۰۰ میلی‌لیتر پر شد. راکتورها با مخلوطی از تلقیح و بستر به نسبت ۲:۱ بر اساس مقدار جامدات فرار (VS) پر شدند.

نسبت ۲:۱، بر اساس جامدات فرار (VS)، وجود تلقیح کافی برای تجزیه موثر بستر را تضمین می کند. تلقیح شامل جمعیت های میکروبی ضروری است که فرآیند هضم بی هوازی را تسهیل می کند. اطمینان از حجم کافی تلقیح متناسب با بستر برای حفظ فعالیت میکروبی و پایداری در طول فرآیند گوارش بسیار مهم است. [۳۷]. تنظیم کنترل شامل بارگیری راکتور با ۱۵٫۷۱ میلی لیتر تلقیح و ۳۸۴٫۲۹ میلی لیتر آب بود. درمان شامل میوه های مخلوط و تلقیح نیاز به بارگیری راکتور با ۸۱/۸ میلی لیتر تلقیح، ۶۷/۳ میلی لیتر میوه های مخلوط و ۵۲/۳۸۷ میلی لیتر آب داشت. درمان شامل ضایعات گاو و تلقیح شامل بارگیری راکتور با ۹٫۴۳ میلی لیتر تلقیح، ۳٫۵۴ میلی لیتر کود حیوانی و ۳۸۷٫۰۳ میلی لیتر آب بود. راکتور با ۹٫۷۷ میلی لیتر تلقیح، ۳٫۵۲ میلی لیتر غذای سگ و ۳۸۶٫۷۱ میلی لیتر آب برای فرآیند تصفیه پر شد. درمان با استفاده از سبزیجات مخلوط و تلقیح نیاز به پر شدن راکتور با ۸٫۷۸ میلی لیتر تلقیح، ۴٫۳۳ میلی لیتر سبزیجات مخلوط و ۳۸۶٫۸۹ میلی لیتر آب داشت. درمان MVMFDF شامل بارگذاری راکتور با ۹٫۵۹ میلی لیتر تلقیح، ۳٫۴۱ میلی لیتر MVMFDF و ۳۸۷ میلی لیتر آب بود. تیمار شامل گیاهان گوجه فرنگی و تلقیح شامل افزودن ۱۰٫۰۶ میلی لیتر تلقیح، ۴٫۷۱ میلی لیتر بوته گوجه فرنگی و ۳۸۵٫۲۳ میلی لیتر آب به راکتور بود. درمان شامل گوجه فرنگی و تلقیح شامل بارگذاری راکتور با ۹٫۲۴ میلی لیتر تلقیح، ۳٫۹۶ میلی لیتر گوجه فرنگی و ۳۸۶٫۸ میلی لیتر آب بود. درمان شامل کلم و تلقیح شامل بارگیری راکتور با ۹٫۱۵ میلی لیتر تلقیح، ۳٫۸۱ میلی لیتر کلم و ۳۸۷٫۰۴ میلی لیتر آب بود. درمان با استفاده از کود مرغی و تلقیح شامل بارگذاری راکتور با ۱۰٫۴۷ میلی لیتر تلقیح، ۴٫۶۳ میلی لیتر کود مرغی و ۳۸۴٫۹ میلی لیتر آب بود. درمان با استفاده از کود خوکی و تلقیح شامل افزودن ۱۰٫۵۲ میلی لیتر تلقیح، ۴٫۳۳ میلی لیتر کود خوک و ۳۸۵٫۱۵ میلی لیتر آب به راکتور بود.

فضای سر هر راکتور با گاز ترکیبی از دی اکسید کربن و نیتروژن (۲۰/۸۰) به مدت یک دقیقه با سرعت جریان ۱ متر پاکسازی شد.^۳/min و فشار ۰٫۱ بار. این فرآیند برای حذف اکسیژن و ایجاد شرایط بی هوازی در راکتورها انجام شد. راکتور در دمای ۳۷ درجه سانتیگراد به مدت ۲۱ روز کار کرد.

انتخاب تنظیمات مزوفیلیک در تحقیقات تولید بیوگاز بسیار مهم است زیرا این شرایط فعالیت میکروبی بهینه، پایداری فرآیند، بهره وری انرژی و دوام اقتصادی را فراهم می کند. هضم مزوفیلیک محیطی قوی و بادوام برای میکروب های بی هوازی ایجاد می کند و تولید متان قابل اعتماد و موثر را تضمین می کند. علاوه بر این، نیازهای کمتر انرژی و سهولت عملیاتی هضم مزوفیل، آن را به یک جایگزین واقعی و مقیاس پذیر برای انواع کاربردهای بیوگاز تبدیل می کند. این عناصر در مجموع پذیرش گسترده‌تر و دوام طولانی‌مدت فناوری بیوگاز را ترویج می‌کنند و از این رو تولید انرژی تجدیدپذیر و مزایای زیست‌محیطی را افزایش می‌دهند.

کل آزمایش طبق دستورالعمل راهنمای عملیات استاندارد AMPTS II و در سه تکرار انجام شد [۳۸].

۲٫۵٫ اندازه گیری و تجزیه و تحلیل گاز

Biogas 5000 Geotech، QED Environmental Systems، Inc.، Dexter، MI، USA برای تعیین ترکیب بیوگاز قبل از عبور از محلول شستشوی هیدروکسید سدیم برای همه تیمارها استفاده شد. تولید متان (NmL) از پلت فرم ثبت داده های AMPTS II بازیابی شد و برای محاسبه تولید متان تجمعی روزانه و بازده متان (NmL/g VS) استفاده شد.

کالیبراسیون ژئوتک بیوگاز ۵۰۰۰

کالیبراسیون BIOGAS 5000 طبق دستورات سازنده انجام شد، همانطور که خلاصه شد (راهنمای عملیاتی آنالایزر BIOGAS 5000. QED Environmental systems, Inc., Dexter, MI. www.qedenv.com، قابل دسترسی در ۱۴ فوریه ۲۰۲۲).

آنالایزر BIOGAS 5000 روشن شد و اجازه داده شد تا گرم شود، سپس آنالایزر با استفاده از لوله و اتصال دهنده های مناسب به مخلوط گاز کالیبراسیون استاندارد شناخته شده متصل شد. کالیبراسیون با استفاده از مخلوط گاز حاوی ۰٪ CH صفر شد_۴، ۰٪ CO₂و تعادل نیتروژن (N₂). کالیبراسیون گاز دهانه با غلظت های شناخته شده ۵۰٪ CH₄، ۳۵٪ CO₂و ۰% O₂ انجام شد. پس از انجام کالیبراسیون صفر و دهانه، دقت با اندازه گیری گاز کالیبراسیون دیگری با غلظت های شناخته شده تایید شد. مقادیر اندازه گیری شده با مقادیر شناخته شده مقایسه شد تا اطمینان حاصل شود که آنها در محدوده قابل قبول هستند (معمولاً در ± ۲٪ از مقدار شناخته شده). برای اعتبار نتایج، نمونه‌های بیوگاز موازی برای تجزیه و تحلیل با استفاده از روش‌های استاندارد کروماتوگرافی گازی به آزمایشگاه تایید شده ارسال شدند.

۲٫۶٫ تحلیل آماری

داده های جمع آوری شده برای تجزیه و تحلیل آماری استفاده شد. رویکرد GLM در Minitab 17 امکان بررسی اثرات درمان را در عین در نظر گرفتن علل احتمالی تغییرات فراهم می‌کند. هنگامی که اثرات قابل توجه درمان با استفاده از ANOVA شناسایی شد، از آزمون LSD محافظت شده فیشر استفاده شد، با این فرض که شرایط همگنی واریانس ها، نرمال بودن و استقلال برآورده شد. بررسی کامل این مفروضات برای استنتاج آماری دقیق و قابل اعتماد در ارزیابی اثرات درمان بسیار مهم است.

میانگین ها با استفاده از تست ال اس دی محافظت شده فیشر جدا شدند (پ < 0.05). معادله آماری را می توان به صورت زیر نشان داد:

$Y من j = متر + تی من + d من j$

(۱)

جایی که

Yij = ویژگی های بستر
µ = میانگین
Ti = تیمارها (سوبستراها)
dij = خطای باقیمانده تصادفی

برای بررسی اثر نوع بستر بر پتانسیل بیوشیمیایی متان، نرخ تولید متان و ترکیب بیوگاز، از روش اندازه گیری مکرر استفاده شد. میانگین ها با استفاده از تست ال اس دی محافظت شده فیشر جدا شدند (پ < 0.05). معادله آماری به صورت زیر بیان می شود:

$من j ک = متر + تی من + d من j + D ک + (تی D) من ک + d من j ک$

(۲)

جایی که

Yijk = متغیر پاسخ (پتانسیل بیوشیمیایی متان یا نرخ تولید متان یا ترکیب بیوگاز)
µ = میانگین
Ti = تیمارها (سوبستراها)
dij = اثر تصادفی مرتبط با نمونه j بر روی درمان i
DK = تأثیر زمان Kth بر اندازه‌گیری‌ها (k= 1،۲،۳…۲۰)
(TD)ik = برهمکنش بین زیرلایه i و k^هفتم زمان
dijk = خطای باقیمانده تصادفی

آزمون ضریب همبستگی پیرسون برای تعیین رابطه بین مواد مغذی و ترکیب بیوگاز محاسبه شد.پ < 0.05).

۳٫ نتایج و بحث

۳٫۱٫ ویژگی های بستر

اثربخشی هضم بی هوازی به چندین عنصر مانند سطح pH و ماهیت بستر بستگی دارد. [۳۹]. یافته های تحقیق حاضر، همانطور که در میز ۱، نشان می دهد که pH تلقیح (۸٫۷) و کود دامی (۸٫۸) محیط قلیایی تری را فراهم می کند. قلیائیت بالای pH به ایجاد و حفظ محیط بهینه برای باکتری های متانوژن کمک می کند، که نقش مهمی در تولید متان در طی هضم بی هوازی دارند. قلیایی بودن بیش از حد می تواند مانع از فعالیت سایر گروه های میکروبی شرکت کننده در هضم بی هوازی شود. بنابراین، هضم همزمان بسترها ضروری است [۴۰,۴۱]. کود خوکی pH 7.1 را نشان داد که نشان دهنده نزدیکی آن به یک بستر خنثی است. این سطح pH برای فعالیت چندین گروه میکروبی که درگیر تجزیه مواد آلی هستند مناسب است. کلم دارای pH 6.8، در حالی که MVMFDF و سبزیجات مخلوط دارای pH 6.7 و کود مرغی دارای pH 6.6 بودند. این مقادیر pH نشان می دهد که کلم و سبزیجات کمی اسیدی تا خنثی هستند. محدوده pH به طور کلی برای هضم بی هوازی مفید است و حضور جمعیت های میکروبی مختلف درگیر در این فرآیند را تسهیل می کند. [۴۲]. pH 5.8 از میوه های مخلوط، ۵٫۶ از گیاهان گوجه فرنگی و غذای سگ، و ۴٫۷ از گوجه فرنگی که شرایط اسیدی را فراهم می کند، ثبت شد. در حالی که بسترهای اسیدی می توانند متانوژنز را کاهش دهند، اما همچنان می توانند در صورت متعادل شدن مناسب با مواد دیگر به تولید بیوگاز کمک کنند. [۴۳].

مشاهدات تغییرات آماری معنی داری را نشان داد (پ < 0.05) در کل مواد جامد و مواد جامد فرار در بین بسترها. میزان کل مواد جامد در غذای سگ با 85.96 درصد، پس از MVMFDF (29.45 درصد)، کود مرغ (23.23 درصد)، کود خوک (20.45 درصد)، و سرگین گاو (19.41 درصد) بالاترین میزان بود. علاوه بر این، این مطالعه نشان داد که MVMFDF بیشترین غلظت مواد جامد فرار را با 90.02 درصد دارد، پس از آن غذای سگ با 88.15 درصد و کود دامی با 84.77 درصد قرار دارند. تفاوت عمده ای در محتوای کل مواد جامد بین کلم (77.08٪)، گوجه فرنگی (74.20٪)، میوه های مخلوط (76.64٪)، و کود خوک (78.50٪) مشاهده نشد.

لی و همکاران [۴۴] بر تأثیر قابل توجه خواص بستر بر پتانسیل بیوشیمیایی متان تأکید کرد. در تحقیقات انجام شده توسط Malolan و همکاران. [۴۵]نویسندگان دریافتند که کود گاوی دارای محتوای جامد فرار ۸۲٫۲۳ درصد است، در حالی که کود مرغی دارای محتوای جامد فرار ۸۶٫۱۸ درصد است. این یافته ها با نتایج مطالعه حاضر مطابقت دارد. با این وجود، اختلافاتی در مقدار کلی مواد جامد و رطوبت موجود مشاهده شد که می‌توان آن را به تفاوت در شرایط زیرلایه در طول جمع‌آوری نسبت داد. [۴۱].

علاوه بر این، ویجایا و همکاران. [۴۶] کل جامدات ۲۰٫۰۷ برای کود گاوی و ۲۳٫۳۰ برای کود مرغی، و همچنین جامدات فرار ۸۶٫۱۴ برای کود دامی و ۷۷٫۲۹ برای کود مرغی، که با وجود تغییرات در پردازش نمونه، بازتاب یافته های مطالعه حاضر است.

یافته های لی و همکاران. [۴۴] و تانگ و همکاران [۴۷] بر روی کل مواد جامد و مواد جامد فرار تلقیح، کلم و سبزیجات مخلوط با نتایج به‌دست‌آمده در این تحقیق مطابقت داشتند. اطلاعات محدودی در مورد استفاده از گوجه فرنگی و گیاهان گوجه فرنگی به عنوان بستر برای هضم بی هوازی وجود دارد. در مطالعه ای که توسط Szilágyi و همکاران انجام شد. [۴۸]مشخص شد که ضایعات گوجه فرنگی دارای محتوای جامد کل ۹۲٫۱۸ درصد و محتوای جامد فرار ۸۳٫۷۴ درصد است که با یافته های این مطالعه متفاوت است. تغییرات مشاهده شده در این مورد ممکن است به نابرابری در آماده سازی بستر نسبت داده شود. به طور خاص، Szilágyi و همکاران. [۴۸] از میوه‌ها، ساقه‌ها و برگ‌های گوجه‌فرنگی گرما خشک و خرد شده برای فرآیند هضم بی‌هوازی استفاده کرد. علاوه بر این، Ambaye و همکاران. [۴۹] یافته‌هایی در مورد ضایعات میوه ارائه کرد که مشابه نتایج به‌دست‌آمده در این مطالعه بود، اما تفاوت‌هایی در ترکیب زباله‌های میوه‌های مخلوط مشاهده شد. اطلاعات کمی در مورد استفاده از غذای سگ به عنوان بستری برای هضم بی هوازی وجود دارد.

وجود نیتروژن، کربن و گوگرد در مواد آلی مختلف می تواند تاثیر قابل توجهی بر فرآیند تولید بیوگاز داشته باشد. تولید بیوگاز بهینه به شدت به حفظ تعادل مناسب مواد مغذی ضروری، به ویژه نیتروژن و کربن بستگی دارد. [۵۰]. غلظت نیتروژن در کود گاوی با ۶٫۵٪، پس از گیاهان گوجه فرنگی و کود مرغ، هر دو حاوی ۴٫۵٪ نیتروژن، بیشترین بود. تلقیح دارای محتوای نیتروژن ۱٫۷ درصد، میوه های مخلوط ۱٫۶ درصد، کود خوکی ۱٫۴ درصد و در نهایت، کود گاوی دارای ۰٫۵ درصد نیتروژن بود. نیتروژن برای تکثیر میکروبی و فرآیندهای متابولیکی مهم است. مواد آلی که غلظت نیتروژن بالایی دارند فعالیت میکروبی را تحریک می کنند و در نتیجه تجزیه سریع و تولید بیوگاز را افزایش می دهند. با این وجود، مقدار بیش از حد نیتروژن می تواند منجر به مشکلاتی مانند سمیت آمونیاک و بی ثباتی در فرآیند شود. [۵۱].

کربن به عنوان منبع انرژی اولیه برای متابولیسم میکروبی در طول هضم بی هوازی عمل می کند. محتوای کربن بالا باعث تولید متان می شود، در حالی که محتوای کربن بسیار کم ممکن است منجر به کاهش سرعت هضم و کاهش بیوگاز شود. [۵۱]. محتوای کربن در میوه های مخلوط به طور قابل توجهی بالاتر بود (پ <0.05) در 35.5٪ در مقایسه با کود مرغ (28.60٪)، کود خوک (26.83٪)، و کود گاوی (25.06٪). تفاوت محتوای کربن شناسایی شده در نمونه های کود گاوی، در مقایسه با یافته های منتشر شده توسط Almonami [۵۲]، قابل توجه است. آلمونامی [۵۲] مطالعه محتوای کربن ۳۵٫۵۲٪ را گزارش کرد. با این حال، یافته های ما انحراف از این مقدار را نشان می دهد. این اختلاف را می توان به طور بالقوه به واریانس در رژیم غذایی گاو نسبت داد.

وجود گوگرد می تواند بر کمیت و کیفیت بیوگاز تولید شده تأثیر بگذارد. اگرچه گوگرد برای متابولیسم میکروبی ضروری است، اما بیش از حد گوگرد می تواند منجر به ایجاد سولفید هیدروژن شود (H₂S) که به دلیل خصوصیات خورنده و سمی نامطلوب است. موادی که دارای مقدار زیادی گوگرد هستند، مانند برخی از انواع کود، ممکن است نیاز به درمان یا مدیریت دقیق داشته باشند تا از ایجاد H2 جلوگیری شود._۲S، برای مثال، با تصفیه بیوگاز [۵۰]. کود مرغی دارای محتوای گوگرد به طور قابل توجهی (۰٫۸۲٪) بود، پس از آن میوه های مخلوط (۰٫۷۳٪)، گیاهان گوجه فرنگی (۰٫۶٪)، کود خوک (۰٫۵۹٪) و کود گاوی (۰٫۵٪) قرار گرفتند.پ < 0.01).

کربوهیدرات ها که مواد آلی متشکل از کربن، هیدروژن و اکسیژن هستند، نقش اساسی در تولید انرژی برای میکروب ها در طول هضم بی هوازی دارند. بسترهای مورد استفاده در تحقیق حاضر دارای یک (پ <0.05) واریانس در ترکیب کربوهیدرات، پروتئین و چربی آنها. غذای سگ بیشترین محتوای کربوهیدرات را با 30.20 درصد، کود گاوی با 30.6 درصد، تلقیح با 27.17 درصد، کود مرغ با 25.66 درصد، MVMFDF با 25.01 درصد و کود خوک با 23.23 درصد داشت.

پروتئین ها از اسیدهای آمینه تشکیل شده اند و حاوی کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و گاهی اوقات گوگرد هستند. در طی هضم بی هوازی، پروتئین ها توسط باکتری های هیدرولیتیک از طریق فرآیندی به نام پروتئولیز به اسیدهای آمینه، پپتیدها و آمونیاک تجزیه می شوند. سطوح پروتئین بیش از حد در بستر می تواند منجر به تجمع آمونیاک شود که می تواند فعالیت متانوژنیک را مهار کند و باعث بی ثباتی فرآیند شود. [۳۳,۴۴]. با این حال، محتوای پروتئین متوسط برای رشد میکروبی و تولید بیوگاز ضروری است [۹]. غذای سگ، MVMFDF، و کود مرغی نشانگر (پ < 0.05) محتوای پروتئین، با درصدهای 30.20٪، 24.52٪ و 20.22٪ به ترتیب.

سوبستراهایی که حاوی مقدار قابل توجهی لیپید هستند، مانند چربی ها، ظرفیت بیشتری برای تولید متان دارند، زیرا مولکول های لیپید منابع انرژی بسیار متمرکز هستند. با این وجود، تجزیه لیپیدها منجر به آزاد شدن اسیدهای چرب طولانی می شود که ممکن است اثرات مضری بر جامعه میکروبی داشته باشد. این اسیدهای چرب می توانند باعث ایجاد سمیت و کاهش pH در سیستم گوارش بی هوازی شوند [۹]. در مطالعه حاضر، محتوای چربی بالا قابل توجهی در غذای سگ (۱۹٫۵٪) و MVMFDF (14.2٪) مشاهده شد.

تحقیقات انجام شده بر روی فیبر شوینده خنثی (NDF)، فیبر شوینده اسیدی (ADF) و لیگنین شوینده اسیدی (ADL) یک ارزیابی حیاتی از محتوای فیبر در مواد مختلف است. اگرچه تأثیر مستقیم این پارامترها بر تولید بیوگاز ممکن است به اندازه غلظت کربن و نیتروژن قابل توجه نباشد، اما تأثیر غیرمستقیم بر فرآیند هضم بی هوازی دارند. [۵۳].

از بین نمونه‌های مورد تجزیه و تحلیل، کود گاوی با ۶۰٫۱۳ درصد، کود مرغی با ۴۸٫۵۲ درصد، کود خوکی با ۳۶٫۷۷ درصد و مواد گیاهی گوجه‌فرنگی دارای بیشترین غلظت NDF بود. علاوه بر این، کود گاوی سطوح بالایی از ADF را با ۲۸٫۸ درصد نشان داد، در حالی که گیاهان گوجه فرنگی با ۲۵٫۶ درصد در رتبه دوم قرار گرفتند. با این حال، تفاوت قابل توجهی در محتوای ADF بین نمونه‌های کلم و غذای سگ وجود نداشت، زیرا هر دو مقدار ثبت شده ۱۵٫۲٪ داشتند. محتوای لیگنین شوینده اسیدی (ADL) در گیاهان گوجه فرنگی با ۷٫۴۷ درصد، به دنبال آن کود گاوی (۶٫۶۷ درصد)، کود خوکی (۵٫۱۳ درصد) و کود مرغی (۴٫۷۳ درصد) بالاترین میزان بود. شایان ذکر است میوه های مخلوط با ۱٫۷۷ درصد کمترین میزان ADL را داشتند. از سوی دیگر، گوجه فرنگی دارای غلظت کمی بالاتر اما همچنان بسیار پایین ADL در ۲٫۱۷ درصد بود.

۳٫۲٫ تولید تجمعی متان از بسترهای مختلف و نرخ جریان تولید متان

شکل ۲ و شکل ۳ تولید متان تجمعی و نرخ جریان تولید متان را برای زیرلایه‌های مختلف نشان می‌دهد. شکل ۲ نشان می‌دهد که گوجه‌فرنگی بالاترین تولید متان تجمعی را داشت و پس از آن میوه‌های مخلوط، MVMFDF (مخلوط سبزیجات و میوه‌های مخلوط با غذای سگ)، کلم، کود مرغ و غذای سگ، در یک دنباله نزولی قرار گرفتند. مطالعه ای که توسط Surendran و Shanmugam انجام شد [۵۴] نشان داد که کمترین پتانسیل بیوشیمیایی متان (BMP) در بین نمونه های مختلف ضایعات گیاهی ۰٫۰۸ نیوتن متر در لیتر CH بود._۴ g^-1 VSr برای ضایعات بامیه، در حالی که بالاترین مقدار BMP 0.42 Nm L CH بود_۴ g^-1 VSr برای ضایعات گوجه فرنگی. علاوه بر این، میانگین پتانسیل بیوشیمیایی متان (BMP) برای تمام ضایعات گیاهی ۰٫۲۱ نیوتن متر در لیتر CH بود._۴ g^-1 VSr. علاوه بر این، تحقیق توسط Surendran و Shanmugam انجام شد [۵۴] با یافته‌های مطالعه حاضر در مورد قابلیت‌های تولید متان گوجه‌فرنگی، صرف نظر از تفاوت‌های آماده‌سازی سوبسترا، همسو است.

سطح رطوبت بالا، محتوای گلوکز و فروکتوز موجود در ضایعات گوجه فرنگی آن را نسبت به سایر بسترها موثرتر می کند. تجزیه سریع ضایعات گوجه فرنگی از طریق هیدرولیز باعث تولید یک پیش ماده متان به نام اسید چرب فرار می شود که منجر به افزایش خروجی بیوگاز می شود. علاوه بر این، ضایعات گوجه فرنگی دارای مقدار قابل توجهی کربن، نسبت بالایی از مواد جامد فرار و نسبت کربن به نیتروژن (C/N) بالایی هستند. [۵۵]. این عوامل به افزایش پتانسیل متان بیوشیمیایی (BMP) و ارزش انرژی حرارتی (CEV) کمک می کنند. سمیت کمتر آمونیاک در ضایعات گوجه فرنگی، که دارای محتوای پروتئین کم و نسبت C/N بالا است، همچنین کارایی سنتز متان را بهبود می بخشد. در نتیجه، ترکیب این متغیرها، ضایعات گوجه‌فرنگی را به بستری برتر برای تولید بیوگاز در مقایسه با سایر ضایعات گیاهی تبدیل می‌کند. محتوای رطوبت بالا در ضایعات گوجه فرنگی برای اثربخشی آن در تولید بیوگاز ضروری است. غلظت‌های زیاد گلوکز و فروکتوز در ضایعات گوجه‌فرنگی باعث افزایش سرعت هیدرولیز می‌شود که شامل تجزیه مواد آلی به مواد شیمیایی ساده‌تر می‌شود. فرآیند هیدرولیز سریع منجر به تولید سریع پیش سازهای متان، به ویژه اسیدهای چرب فرار (VFAs) می شود که برای فرآیند متانوژنز مسئول تولید بیوگاز حیاتی هستند. [۵۶].

علاوه بر این، رطوبت فراوان در ضایعات گوجه فرنگی، محیطی بهینه برای فعالیت میکروبی فراهم می کند و تخمیر موثر مواد آلی را تسهیل می کند. علاوه بر این، ترکیب سطوح بالای گلوکز و فروکتوز در این زمینه، مواد فراوانی را برای باکتری‌هایی که مسئول تولید متان هستند، ارائه می‌کند. ضایعات گوجه فرنگی به دلیل رطوبت زیاد و وجود گلوکز و فروکتوز، محیطی ایده آل برای تولید بیوگاز موثر در مقایسه با سایر مواد ایجاد می کند. این ویژگی ها کارایی ضایعات گوجه فرنگی را در فرآیندهای تولید بیوگاز افزایش می دهد [۵۷].

الگوی مشاهده شده در نرخ جریان تولید متان به تصویر کشیده شده است شکل ۳ برای گوجه‌فرنگی، میوه‌های مخلوط، MV+MF+DF، غذای سگ و ضایعات سبزیجات از روند معمولی که در فرآیندهای هضم بی‌هوازی دیده می‌شود، پیروی می‌کند. از روز ۱ تا روز ۸، افزایش مداوم تولید متان وجود دارد. این فاز مربوط به تخریب سریع اولیه مواد آلی به راحتی زیست تخریب پذیر موجود در ماده اولیه است. روندهای مشابهی در مطالعه انجام شده توسط Czubaszek، Wysocka-Czubaszek و Tyborowski گزارش شده است. [۵۸]. این بسترها به آسانی در دسترس جامعه میکروبی هستند، فعالیت میکروبی بالایی را ترویج می‌کنند و منجر به اوج تولید متان در روز ۸ می‌شوند. با این حال، پس از روز ۸، کاهش قابل توجهی در تولید متان وجود دارد. این کاهش نشان دهنده تخلیه لایه های به راحتی قابل تجزیه است. با مصرف این بسترها، فعالیت میکروبی کاهش می‌یابد زیرا ترکیبات آلی کمتری برای متابولیسم وجود دارد. [۵۹]. این منجر به کاهش تولید متان، علیرغم وجود سایر مواد آلی می شود. افزایش جزئی مشاهده شده پس از کاهش قابل توجه و قبل از اوج در روز ۲۱ ممکن است نشان دهنده یک مرحله گذار باشد که در آن جوامع میکروبی با مواد آلی باقیمانده یا اجزای کمتر تجزیه پذیر سازگار می شوند. این مرحله ممکن است شامل فرآیندهای تخریب کندتر یا استفاده از بسترهای پیچیده تر باشد که منجر به افزایش تدریجی تولید متان می شود. [۶۰].

در فرآیند تخریب، ممکن است مواد میانی مانند اسیدهای چرب فرار (VFAs) ایجاد شوند. غلظت بالای VFA می تواند مانع از فعالیت متانوژنیک شود و باعث کاهش موقت تولید متان شود. تغییرات در ترکیب جوامع میکروبی نیز می تواند بر نرخ تولید متان تأثیر بگذارد. مراحل اولیه تخریب ممکن است از رشد باکتری های اسید زا که به سرعت تکثیر می شوند حمایت کند، در حالی که مراحل بعدی ممکن است شاهد تغییر به سمت متانوژن هایی با رشد کندتر باشند. این انتقال می تواند منجر به نوسانات در نرخ تولید متان شود [۶۱].

افزایش جزئی در تولید متان که پس از کاهش اولیه مشاهده شد را می توان به مرحله تخریب ثانویه نسبت داد، جایی که مواد آلی پیچیده تر و مقاوم تر شروع به تجزیه شدن می کنند. به طور معمول، این فاز متان را با سرعت کمتری نسبت به فاز اولیه تولید می کند. با گذشت زمان، در دسترس بودن مواد مغذی لازم برای فعالیت میکروبی ممکن است کاهش یابد و در نتیجه نرخ متابولیسم و در نتیجه کاهش تولید متان کاهش یابد. [۶۲].

در مطالعه حاضر، کود دامی کمترین پتانسیل متان را داشت و گیاهان مخلوط سبزیجات و گوجه فرنگی به ترتیب متوالی بودند. تفاوت در تولید متان در میان بسترهای مختلف را می توان به ترکیب الیاف متنوع آنها نسبت داد که شامل فیبر شوینده خنثی (NDF)، فیبر شوینده اسیدی (ADF) و لیگنین شوینده اسیدی (ADL) می شود. بسترهایی که حاوی مقدار بیشتری فیبر هستند، مانند کود دامی، سبزیجات مخلوط و گیاهان گوجه فرنگی، اغلب ظرفیت تولید متان را کاهش می دهند. این همبستگی نشان می دهد که افزایش سطوح اجزای فیبر، به ویژه ADF همراه با محتوای لیگنین مرتبط با آن، می تواند با کاهش دسترسی به بستر و سرکوب فرآیندهای تجزیه میکروبی در سیستم هضم بی هوازی، مانع تولید متان شود. [۹,۳۳].

آگراول، چودهری و قوش [۶۲] گزارش شده است که ضایعات میوه به دلیل عوامل مختلف به طور کلی دارای پتانسیل متان بالاتری نسبت به ضایعات سبزیجات است. این نتایج با یافته های مطالعه حاضر، صرف نظر از تغییرات در آماده سازی بستر، موافق است. یکی از عوامل کلیدی، محتوای قند بالاتر موجود در میوه ها است که می تواند در طی هضم بی هوازی به طور موثرتری به متان تبدیل شود. [۶۰]. علاوه بر این، میوه ها اغلب در مقایسه با سبزیجات دارای رطوبت بالاتری هستند که می تواند فعالیت میکروبی درگیر در فرآیند هضم را تسهیل کند. علاوه بر این، وجود آنزیم‌های خاص و ترکیبات آلی در میوه‌ها نیز می‌تواند به پتانسیل بالاتر متان کمک کند. به طور کلی، ترکیب و ویژگی‌های بیوشیمیایی میوه‌ها، آنها را در مقایسه با ضایعات گیاهی، بستر قوی‌تری برای تولید بیوگاز از طریق هضم بی‌هوازی می‌سازد. [۵۹].

طبق مطالعه انجام شده توسط عریفان، عبدالله و سوماردیونو [۶۳]کود دامی و کود مرغی در مقایسه با ضایعات کلم سطوح بالاتری متان تولید می‌کنند. این یافته ها به طور کامل با نتایج مطالعه حاضر مطابقت ندارد. در مطالعه حاضر، تنها کود مرغی متان بیشتری نسبت به کلم تولید کرد. برعکس، کلم متان بیشتری نسبت به کود گاوی تولید کرد. این اختلاف تنوع در پتانسیل تولید متان را در میان مطالعات مختلف برجسته می‌کند و تأثیر شرایط آزمایشی و ترکیبات مختلف مواد اولیه را نشان می‌دهد که می‌تواند بیشتر تحت تأثیر عواملی مانند رژیم غذایی گاو و پیش تیمار بستر قرار گیرد. [۲۹].

آلمیدا و همکاران [۵۶] تولید متان حاصل از تجزیه گوجه فرنگی، گوجه فرنگی نارس و گیاهان گوجه فرنگی را مستند کرد. این مطالعه نشان داد که گوجه‌فرنگی‌های تجزیه شده بالاترین میزان متان را منتشر می‌کنند، در حالی که گیاهان گوجه‌فرنگی کمترین میزان را منتشر می‌کنند. نتایج با مشاهدات انجام شده در تحقیق حاضر مطابقت دارد. شاخه ها و برگ های گیاه گوجه فرنگی در مقایسه با گوجه فرنگی پوسیده و گوجه سبز کمترین تولید متان را داشتند.

گیاه گوجه فرنگی دارای محتوای لیگنوسلولزی بالایی است که از ساختار پیچیده ای تشکیل شده است که به راحتی تجزیه نمی شود و در نتیجه بستر کمتری برای هضم بی هوازی است. وجود لیگنین در بقایای گیاه گوجه فرنگی در تجزیه مواد آلی اختلال ایجاد می کند و تولید کلی متان را در طی هضم بی هوازی کاهش می دهد. [۲۷]. تحقیقات قبلی نشان داده است که موادی که دارای مقدار قابل توجهی لیگنین هستند، توانایی کمتری برای تجزیه شدن توسط فرآیندهای بیولوژیکی و تولید متان از خود نشان می دهند. [۲۷,۳۲,۶۴]. از این رو، کاهش حضور بوته های گوجه فرنگی در طول هضم همزمان ضایعات گوجه فرنگی برای به حداکثر رساندن تولید متان یا اعمال روش های پیش تصفیه که تجزیه پذیری گیاه گوجه فرنگی را افزایش می دهد، بسیار مهم است.

مطالعه انجام شده توسط Belaid و همکاران. [۱۸] دریافتند که کود مرغی پتانسیل متان بالاتری نسبت به کود گاوی دارد. این نتایج با یافته های تحقیق حاضر مطابقت دارد. ضایعات گیاهی در مقایسه با هضم بی هوازی کود گاوی، سطوح بالاتری از تولید متان را نشان می‌دهند. [۹]. طبق مطالعه انجام شده توسط Surendran و Shanmugam [54]گوجه فرنگی بیشترین تولید متان را در مقایسه با سبزیجات مخلوط نشان داد. این نتایج با یافته های تحقیق حاضر مطابقت دارد. علاوه بر این، بیان شده است که این می تواند مربوط به رطوبت بالا در گوجه فرنگی باشد که حاوی سطوح بالایی از گلوکز و فروکتوز است که فرآیند هیدرولیز و متانوژنز را تسریع می کند و در نتیجه سرعت سنتز متان را افزایش می دهد. [۶۵].

باک و همکاران [۶۶] نشان داد که فرآیند هضم ضایعات غذایی (FW) به تنهایی منجر به بزرگترین تولید متان شد، در حالی که هضم همزمان FW با کود خوک (PM) متان کمتری ایجاد کرد. برعکس، تک هضم کود گاوی (CM) کمترین مقدار متان را به همراه داشت. نرخ تولید متان یک همبستگی مثبت با افزایش نسبت ضایعات غذایی (FW) در ترکیبات زیرلایه نشان داد، در حالی که یک همبستگی منفی با افزایش نسبت کود گاوی (CM) نشان داد. مخلوط‌های حاوی غلظت بالایی از FW (ضایعات غذایی) تولید سریع‌تری متان را نشان دادند که به احتمال زیاد به وجود اجزای آلی در دسترس در FW مربوط می‌شود. [۶۷]. علاوه بر این، تولید متان از تک هضم کود خوک در مقایسه با تک هضم کود گاوی بالا بود. این یافته ها با یافته های مطالعه حاضر مطابقت دارد. نتایج نشان می دهد که محتوای ماده آلی مخلوط بستر نقش مهمی در راندمان تولید متان ایفا می کند. مخلوط‌هایی با نسبت‌های بالاتر جامدات فرار (VS) به کل جامدات (TS) بازده متان بالاتری داشتند، که نشان می‌دهد محتوای آلی زیست تخریب‌پذیر عامل مهمی در کارایی هضم همزمان است. [۳۰].

تولید متان کود گاوی به دلیل محتوای لیگنوسلولزی بالای آن، به ویژه سلولز، همی سلولز و لیگنین که در برابر هضم بی هوازی مقاوم هستند، مانع می شود. جزء لیگنوسلولزی قابل توجه موجود در کود گاوی چالش هایی را برای میکروارگانیسم ها ایجاد می کند تا به طور موثر تجزیه و تبدیل آن به متان شوند. در نتیجه، تولید متان از هضم بی هوازی کود گاوی به تنهایی در مقایسه با هضم همزمان کود گاوی با سایر مواد مانند کود خوک و کود مرغ نسبتاً کم است. [۶۸]. این به این دلیل است که کود خوک و مرغ حاوی لیگنین کمتری هستند و پتانسیل بیشتری برای تولید متان دارند. هضم همزمان کود گاوی با سایر بسترها باعث ایجاد یک زیستگاه هماهنگ برای جمعیت میکروبی می شود و فرآیندهای هیدرولیز، اسیدزایی و متانوژنز را افزایش می دهد و در نهایت منجر به افزایش تولید متان می شود. از این رو، استفاده از کود گاوی به تنهایی در هضم بی هوازی در تولید متان در مقایسه با هضم همزمان کود گاوی با سایر مواد مانند ضایعات میوه و سبزیجات کارایی کمتری دارد. [۶۹].

این یافته ها اهمیت درک ترکیب مواد بستر برای بهینه سازی نرخ تولید متان در سیستم های هضم بی هوازی را برجسته می کند. از این اطلاعات می توان برای اتخاذ تصمیمات استراتژیک که عملکرد و کارایی کلی فرآیند تولید بیوگاز را بهبود می بخشد، استفاده کرد.

تولید بیوگاز که با جمع آوری متان از طریق هضم بی هوازی به دست می آید، به طور موثری از انتشار متان، یک گاز گلخانه ای بسیار قوی، در جو جلوگیری می کند. در نتیجه، این فرآیند به طور قابل توجهی انتشار کلی گازهای گلخانه ای ناشی از تجزیه زباله های کشاورزی را کاهش می دهد. استفاده از ضایعات کشاورزی برای تولید بیوگاز همچنین به مدیریت کارآمد پسماند با کاهش میزان زباله‌هایی که باید در محل‌های دفن زباله دفع شوند، کمک می‌کند و در نتیجه آلودگی زمین و آب را به حداقل می‌رساند. [۶۷].

بسترهایی که با نسبت C/N پایین مشخص می شوند، مانند کود حیوانی، ضایعات مواد غذایی و ضایعات صنعتی خاص، دارای نیتروژن فراوانی در مقایسه با کربن هستند. [۱۰]. افزایش غلظت نیتروژن منجر به افزایش بیش از حد سنتز آمونیاک در طول تجزیه پروتئین ها و اوره می شود. مقدار بیش از حد آمونیاک می تواند سطح pH را افزایش دهد و یک محیط مضر برای متانوژن ها ایجاد کند و عملکرد آنها را محدود کند. [۲۱]. سطوح بالای آمونیاک (سمیت آمونیاک) می تواند بر عملکرد متانوژن ها، میکروارگانیسم هایی که متان تولید می کنند، تأثیر بگذارد. در نتیجه، این منجر به کاهش تولید متان می شود. افزایش سطح نیتروژن می تواند تکثیر میکروارگانیسم های مقاوم به آمونیاک را به قیمت متانوژن ها افزایش دهد و تعادل لازم برای هضم بی هوازی بهینه را مختل کند. [۷۰]. ترکیب زیرلایه هایی که نسبت کربن به نیتروژن متفاوتی دارند می تواند به دستیابی به مطلوب ترین نسبت کمک کند. یکی از راه‌های متعادل کردن این نسبت، هضم همزمان کود حیوانی است که نسبت کربن به نیتروژن پایینی دارد، با باقی مانده سبزیجات که نسبت کربن به نیتروژن بالایی دارند. [۶۶]. انتخاب استراتژیک و ترکیب بسترها برای به دست آوردن نسبت کربن به نیتروژن مورد نیاز می تواند کارایی هضم را بهبود بخشد. این ممکن است مستلزم افزودن عناصر کربنی به بسترهای نیتروژنی یا بالعکس باشد. گاهی اوقات، معرفی منابع کربن یا نیتروژن اگزوژن می تواند به اصلاح نسبت C/N کمک کند. به عنوان مثال، عمل ترکیب کاه یا خاک اره، که منابع کربن هستند، در بسترهای دارای نیتروژن بالا. [۲۱].

علاوه بر این، بسیاری از تکنیک ها را می توان برای افزایش کارایی فرآیند هضم بی هوازی مورد استفاده قرار داد. برای بهبود کیفیت بیوگاز، این استراتژی‌ها شامل تغییر روش‌های آماده‌سازی بستر، مانند پیش تصفیه مکانیکی، حرارتی و شیمیایی و همچنین نسبت‌های اختلاط و عوامل عملیاتی است. [۳۱]. برای اطمینان از اینکه هاضم در مطلوب ترین دما برای فعالیت میکروبی نگهداری می شود، تنظیمات مزوفیل، که اغلب از ۳۰ تا ۴۰ درجه سانتیگراد متغیر است، معمولاً پایدارتر هستند. از سوی دیگر، شرایط گرما دوست، که از ۵۰ تا ۶۰ درجه سانتی گراد متغیر است، می تواند سرعت واکنش و حذف پاتوژن را افزایش دهد. با این حال، آنها نیاز به انرژی بیشتر و نظارت دقیق دارند [۳۳]. برای حفظ pH ثابت (اغلب بین ۶٫۵ تا ۷٫۵) و ارتقای فعالیت میکروبی بهینه، می توان مواد شیمیایی مانند بی کربنات ها را اضافه کرد یا از بسترهایی با قابلیت بافر طبیعی برای جلوگیری از اسیدی شدن استفاده کرد. [۴۲]. اصلاح زمان نگهداری هیدرولیک (HRT) برای تضمین مدت زمان کافی برای تجزیه میکروبی بسترها مهم است زیرا مدت زمان ناکافی درمان جایگزینی هورمون (HRT) ممکن است باعث هضم ناکافی شود، در حالی که مدت زمان بیش از حد HRT می تواند منجر به کاهش کارایی سیستم شود. [۲۷]. برای جلوگیری از تشکیل کف یا مناطق مرده، ترویج فعالیت میکروبی همگن و جلوگیری از طبقه بندی، اطمینان از اختلاط مناسب مهم است. توصیه می شود از اختلاط متناوب به جای اختلاط مداوم برای کاهش مصرف انرژی استفاده شود و در عین حال از تماس کارآمد بستر و انتشار گاز اطمینان حاصل شود. [۴۱].

بیوگاز یک منبع انرژی پایدار است که پتانسیل جایگزینی با سوخت های فسیلی در تولید انرژی و گرما را دارد. این جایگزینی به کاهش اتکا به منابع انرژی تجدید ناپذیر کمک می کند و انتشار دی اکسید کربن مرتبط با احتراق سوخت های فسیلی را کاهش می دهد. علاوه بر این، هضم بی هوازی حضور بو و عوامل بیماری زا را در زباله های کشاورزی کاهش می دهد و در نتیجه کیفیت هوا را بهبود می بخشد و خطرات بهداشتی را برای جوامع همسایه کاهش می دهد. [۳۵].

از طریق تولید بیوگاز، کشاورزان و جوامع روستایی می توانند به خودکفایی انرژی بیشتری دست یابند، وابستگی خود را به منابع انرژی خارجی کاهش دهند و انعطاف پذیری انرژی را تقویت کنند.

۳٫۳٫ ترکیب بیوگاز از بسترهای مختلف

ترکیب بیوگاز بر اساس بسترهای مورد استفاده در فرآیند هضم بی هوازی تغییر می کند. بیوگاز عمدتاً از متان (CH₄) که ۴۵ تا ۷۰ درصد ترکیب آن را تشکیل می دهد. همچنین حاوی دی اکسید کربن (CO₂در سطوح ۳۰ تا ۴۵ درصد و همچنین مقادیر کمی گازهای کمیاب مانند سولفید هیدروژن (H₂S) و آمونیاک [۷۱]. دی اکسید کربن یکی از اجزای مهم بیوگاز است که در طی فرآیند هضم بی هوازی تولید می شود. می تواند محتوای متان بیوگاز را رقیق کند و پتانسیل انرژی آن را کاهش دهد. افزایش غلظت دی اکسید کربن نیز می تواند بر اثربخشی استفاده از بیوگاز در سلول های سوختی و سایر فناوری ها تأثیر بگذارد. [۲۰]. آمونیاک یک ترکیب نسبتاً کوچک بیوگاز است که در مقادیر بسیار کم یافت می شود. از تجزیه مولکول های آلی حاوی نیتروژن در طی فرآیند هضم بی هوازی تولید می شود. اگرچه مقادیر کم آمونیاک ممکن است تأثیر قابل توجهی بر فرآیند نداشته باشد، غلظت بیش از حد ممکن است مانع از فعالیت باکتری های تولید کننده متان شود و تأثیر مضری بر تولید بیوگاز داشته باشد. [۷۰]. سولفید هیدروژن یک ماده شیمیایی گوگرد با غلظت کم است که در بیوگاز وجود دارد. به عنوان یک محصول ثانویه در طی فرآیند هضم بی هوازی تولید می شود. می تواند منجر به مشکلاتی مانند خوردگی، بوی نامطبوع و سمیت شود. افزایش غلظت سولفید هیدروژن همچنین می تواند بازده سلول های سوختی و سایر فناوری هایی را که از بیوگاز به عنوان منبع سوخت استفاده می کنند، مختل کند. [۲۴].

دی اکسید کربن را می توان با استفاده از تکنیک هایی مانند جذب نوسان فشار یا جداسازی غشا از بیوگاز حذف کرد. این تکنیک ها به جداسازی و حفظ دی اکسید کربن کمک می کنند و از این رو غلظت آن در بیوگاز را کاهش می دهند. [۱۹,۲۰]. برای کاهش حضور آمونیاک در بیوگاز، استفاده از فرآیندهای گوگرد زدایی مناسب ضروری است. این فرآیند ممکن است مستلزم استفاده از ترکیبات آهن یا سایر مواد مناسب برای کاهش غلظت آمونیاک در بیوگاز باشد. علاوه بر این، تقویت فرآیند هضم و تنظیم ترکیب بسترها ممکن است در کاهش سطح آمونیاک مفید باشد. [۲۱,۷۰]. اجرای فناوری های گوگرد زدایی مناسب برای کاهش اثرات سولفید هیدروژن در بیوگاز ضروری است. یکی از روش های حذف سولفید هیدروژن از جریان گاز استفاده از کلرید آهن یا تزریق هوا است. اطمینان از سطوح pH مناسب در هاضم و نظارت بر محتوای گوگرد در بستر می تواند به مدیریت سطوح سولفید هیدروژن کمک کند. [۷۲]. برای کاهش موفقیت آمیز حضور دی اکسید کربن، آمونیاک و سولفید هیدروژن در بیوگاز، می توان از این روش ها استفاده کرد. این امر عملکرد کارآمد پیل های سوختی و واحدهای ارتقاء سوخت کاتالیزوری را تضمین می کند.

جدول ۲ نتایج را نشان می دهد که متان را نشان می دهد (CH₄دی اکسید کربن (CO₂آمونیاک (NH₃و سولفید هیدروژن (H₂S) سطوح. پس از تجزیه و تحلیل تولید بیوگاز خام، بالاترین محتوای متان در بستر MVMFDF، که هضم همزمان سبزیجات مخلوط، میوه‌های مخلوط و غذای سگ است، با ۷۷٫۴ درصد مشاهده شد. پس از نزدیک، عملکرد متان از میوه های مخلوط با ۷۶٫۶٪ ثبت شد. برعکس، کمترین عملکرد متان به ترتیب در تلقیح با ۱/۳۴ درصد، بوته گوجه فرنگی (۹/۶۲ درصد) و کود دامی (۵/۶۳ درصد) مشاهده شد. قابل ذکر است که از نظر آماری تفاوت معنی داری وجود نداشت (پ > ۰٫۰۵) در محتوای متان بین غذای سگ (۷۲٫۵٪) و کود خوک (۷۶٫۶٪).

با توجه به نتایج گزارش شده توسط رفیعی و همکاران. [۷۳]۶۰ درصد محتوای متان از کود دامی و مرغی ثبت شد. کافله و چن، ر. [۷۴] محتوای متان ۶۹٫۱ درصد از کود گاوی و ۷۰٫۱ درصد از کود مرغی گزارش شده است. این نتایج با نتایج به دست آمده از این مطالعه قابل مقایسه است. این شباهت ها در محتوای متان و دی اکسید کربن ممکن است توسط مقادیر pH اولیه و نهایی مشابه ایجاد شده باشد. طبق مطالعه انجام شده توسط Maile، Muzenda و Mbohwa [2]میزان متان میوه های مخلوط و سبزیجات مخلوط بین ۵۰ تا ۶۰ درصد بود. در مطالعه حاضر، میزان متان ثبت شده برای میوه های مخلوط ۷۶٫۶ درصد و برای سبزیجات مخلوط ۷۰٫۲ درصد بود. واریانس محتوای متان را می‌توان با تلقیح جمع‌آوری‌شده از یک بیودهضم‌کننده در حال اجرا آغاز کرد، در حالی که مطالعه توسط Maile، Muzenda و Mbohwa انجام شد. [۲] از هیدروکسید سدیم برای تنظیم pH اولیه بسترها استفاده کرد.

از نظر محتوای دی اکسید کربن، بیشترین میزان به ترتیب در تلقیح (۶۵٫۹%)، گیاه گوجه فرنگی (۴۷٫۹۰%) و کود دامی (۳۶٫۵%) مشاهده شد. قابل ذکر است که سطح قابل توجهی آمونیاک در کود مرغی (۹۸٫۰ppm) و گیاه گوجه فرنگی (۷۸٫۰ppm) با اختلاف آماری معنی دار ثبت شد.پ < 0.05). در مقابل، تفاوت معنی داری در محتوای آمونیاک بین کود خوک (65.0ppm) و میوه های مخلوط (68.0ppm) وجود نداشت. مقدار مجاز سولفید هیدروژن در بیوگاز بین 10 تا 100 ppm است. غلظت های بالاتر سولفید هیدروژن می تواند برای تجهیزات پایین دست خورنده باشد [۷۵,۷۶]. به طور قابل توجهی (پ <0.05) محتوای سولفید هیدروژن بالا به ترتیب از کود مرغ (589.0 پی پی ام)، کود خوک (540.0 پی پی ام)، و گیاهان گوجه فرنگی (485.0 پی پی ام) مشاهده شد. فقط گوجه‌فرنگی، کلم و غذای سگ حاوی سولفید هیدروژن بود که بسیار کمتر از H توصیه شده بود._۲محدوده S.

۳٫۴٫ غلظت اکسیژن در طی هضم بی هوازی

شکل ۴ تغییرات غلظت اکسیژن را در طول فرآیند هضم بی هوازی زیرلایه‌های مختلف نشان می‌دهد که کاهش تدریجی را در طول زمان نشان می‌دهد. گوجه‌فرنگی‌ها در مراحل بعدی هضم بی‌هوازی، به‌ویژه از روز ۱۶ تا روز ۲۱، کمترین میزان اکسیژن را داشتند. برعکس، کود گاوی و کود خوکی بیشترین مقدار اکسیژن را داشتند. تحقیقات کمی در مورد سطوح اکسیژن موجود در طی هضم بی هوازی وجود دارد. یک محیط بدون اکسیژن معمولا برای وقوع هضم بی هوازی توصیه می شود. با این وجود، علیرغم تلاش برای حذف گازها با استفاده از نیتروژن، مقدار مشخصی از اکسیژن به طور اجتناب ناپذیری در بیودهضم باقی می ماند. مطالعات نشان می دهد که هاضم کننده های زیستی بی هوازی ممکن است سطح قابل توجهی از اکسیژن را بدون تأثیر منفی بر تولید متان تحمل کنند. [۷۷,۷۸]. ویلنیوس [۷۹] همچنین نتایج مشابهی مشاهده شد، با غلظت اکسیژن زیر ۰٫۵٪ از روز ۱۲ تا ۲۰٫

هضم بی هوازی به حفظ شرایط منحصراً بی هوازی بستگی دارد. اکسیژن می‌تواند مانع از فعالیت باکتری‌های بی‌هوازی، به‌ویژه متانوژن‌ها شود که نقش مهمی در تولید متان دارند. قرار گرفتن در معرض اکسیژن ممکن است منجر به افزایش میکروارگانیسم‌های هوازی شود که عملکرد بهتری از باکتری‌های بی‌هوازی دارند و در نتیجه کارایی تولید متان را کاهش می‌دهد. [۸۰]. معرفی اکسیژن می تواند شرایط را از بی هوازی به هوازی تغییر دهد و تعادل پیچیده اکولوژی میکروبی را که برای هضم بی هوازی ضروری است، برهم بزند. این وقفه می تواند تولید متان را متوقف کند و منجر به تشکیل محصولات جانبی جایگزین مانند دی اکسید کربن و آب به جای متان شود. [۲۶].

چندین مطالعه [۷۸,۸۱] نشان می‌دهد که هوادهی محدود می‌تواند فعالیت میکروارگانیسم‌های خاص، مانند متانوژن‌ها و باکتری‌های اکسیدکننده سولفید را تقویت کند، در نتیجه تجزیه مواد آلی را بهبود بخشیده و تولید بیوگاز را افزایش می‌دهد. با این وجود، مقدار بیش از حد اکسیژن ممکن است مانع رشد موجودات بی هوازی شود و در نتیجه خلوص متان و توانایی تجزیه مواد آلی کاهش یابد. اطمینان از عملکرد بهینه سیستم های هضم بی هوازی بر بهینه سازی میزان و مقدار اکسیژن متکی است.

وانگ و همکاران [۸۲] گزارش داد که افزودن یک مکمل اکسیژن، به طور خاص به شکل O₂-حاوی آب نانوحباب گازی (NBW)، برای هضم بی هوازی (AD) سلولز مزایای متعددی دارد. در مرحله اول، فعالیت سلولاز را افزایش می دهد، که مسئول تجزیه سلولز به ترکیبات ساده تر، تسهیل هضم میکروبی و تولید متان است. این افزایش منجر به تولید متان بالاتر از سلولز در طول فرآیند AD می شود. علاوه بر این، مکمل اکسیژن به کاهش بلورینگی سلولز کمک می کند و به تجزیه آن بیشتر کمک می کند. این کاهش در کریستالی، راندمان تولید متان را بهبود می بخشد. علاوه بر این، مکمل اکسیژن یک محیط میکرو اکسیژن ایجاد می کند که فعالیت سیستم انتقال الکترون (ETS) را افزایش می دهد. این افزایش فعالیت ETS انرژی بیشتری را برای میکروب های درگیر در AD فراهم می کند و در نهایت منجر به تولید بیشتر متان می شود.

تأثیر غلظت اکسیژن بر باکتری‌های هضم بی‌هوازی می‌تواند بر اساس شرایط و غلظت‌های خاص تغییرپذیری نشان دهد که ضرورت انجام تحقیقات بیشتر در این زمینه را برجسته می‌کند. اکسیژن می تواند سطوح متان موجود در بیوگاز را کاهش دهد زیرا وجود اکسیژن از تولید متان پشتیبانی نمی کند. در مقابل، فرآیند هضم هوازی مقدار بیشتری دی اکسید کربن تولید می کند. کاهش محتوای متان، پتانسیل انرژی بیوگاز را کاهش می دهد، در نتیجه کارایی آن را به عنوان منبع سوخت کاهش می دهد. اکسیژن همچنین می تواند منجر به تولید محصولات جانبی ناخواسته مانند آب، گرما و سایر گازها شود که می تواند بیوگاز را آلوده کرده و کیفیت آن را کاهش دهد. [۸۳].

اکسیژن می تواند تحت یک واکنش شیمیایی با سولفید هیدروژن (H₂S) موجود در بیوگاز و در نتیجه تشکیل ترکیبات گوگردی. این ترکیبات پتانسیل ایجاد خوردگی و سایر مشکلات مربوط به عملکرد سیستم را دارند [۲۶]. ترکیبی از شرایط هوازی و بی هوازی می تواند در هاضم با افزایش سطح اکسیژن تولید شود که می تواند منجر به بیوگاز آلوده با سطوح متان کمتر و سطوح بالاتر دی اکسید کربن و سایر گازهای غیر قابل احتراق شود. علاوه بر این، محتوای بالای اکسیژن بیوگاز ارتقا یافته می تواند کاربردهای بیشتر آن را به عنوان یک منبع انرژی تجدید پذیر محدود کند. [۸۴]. بیوگاز آلوده ممکن است به اقدامات تصفیه اضافی برای اطمینان از استفاده مؤثر نیاز داشته باشد، در نتیجه هزینه‌های کلی و پیچیدگی فرآیند تولید بیوگاز را افزایش می‌دهد. [۸۱].

۳٫۵٫ pH اولیه و pH نهایی بسترهای مختلف تلقیح شده

شکل ۵ نتایج سطوح pH اولیه و نهایی پس از تلقیح را نشان می دهد. کاهش قابل توجهی در pH بین مراحل اولیه و نهایی برای بسترهایی مانند کود دامی، کلم، میوه‌های مخلوط، سبزیجات مخلوط و غذای سگ مشاهده شد.پ < 0.05). سطح pH داخل هاضم زیستی بی هوازی در تعیین اثربخشی فرآیند هضم بی هوازی حیاتی است. تحقیقات قبلی نشان داده بود که میکروارگانیسم‌های بی‌هوازی در محدوده pH 6.7 تا 7 به بهترین شکل رشد می‌کنند. [۴۵,۸۵]. بر اساس یافته های نشان داده شده در شکل ۴مقادیر pH اولیه زیرلایه‌هایی که تلقیح شدند از ۶٫۹ تا ۷٫۷ بود، به جز تلقیح. این نشان می دهد که فرآیند هضم بی هوازی در محدوده pH ایده آل انجام شده است. PH بالا تلقیح، بیش از ۸، ممکن است به مواد اولیه مخصوص به کار رفته در کارخانه بیودهضم که در آن جمع آوری شده است نسبت داده شود. سوبستراهایی که حاوی مقدار زیادی پروتئین یا اوره هستند، مانند کود حیوانی یا بسترهای کشاورزی خاص، ممکن است منجر به افزایش مقادیر آمونیاک شوند و در نتیجه منجر به افزایش pH شوند. [۷۰].

تلقیح با pH 8.7 تغییرات pH را در بسترها تسهیل کرد. مطالعات قبلی نشان داده است که مقادیر pH کمتر از ۶٫۱ یا بالاتر از ۸٫۳ بیشتر احتمال دارد مشکلات عملیاتی را تجربه کنند. [۱۰,۴۲,۸۶]. سانتوس و همکاران [۶۵] pH اولیه ۷٫۷ و pH نهایی ۶٫۸ برای ترکیبی از میوه های مختلف مشاهده شد. این یافته ها با نتایج تحقیق حاضر مطابقت دارد.

متانوژن ها که برای تولید متان ضروری هستند، می توانند توسط محیط های اسیدی با pH کمتر از ۶٫۵ مهار شوند. این ممکن است منجر به تجمع اسیدهای چرب فرار (VFAs) شود که می‌تواند باعث کاهش بیشتر pH و ایجاد محیط مضر برای میکروارگانیسم‌ها شود. [۸۶]. محیط های قلیایی با pH بیشتر از ۸٫۰ ممکن است از فعالیت باکتری های هیدرولیتیک و اسید زا جلوگیری کنند. این باکتری ها نقش مهمی در تجزیه مواد آلی پیچیده به مواد شیمیایی ساده تری دارند که می توانند توسط متانوژن ها استفاده شوند. انحراف از محدوده pH مناسب می تواند تولید متان را تا حد زیادی کاهش دهد [۸۷]. شرایط اسیدی می‌تواند با سرکوب فعالیت متانوژن‌ها مانع تشکیل متان شود، در حالی که شرایط قلیایی می‌تواند تجزیه اولیه مواد آلی را کاهش داده و در دسترس بودن مواد برای تولید متان را محدود کند. سطوح pH بهینه برای حفظ یک کنسرسیوم میکروبی متعادل ضروری است، که برای ترویج هضم بی هوازی موفق بسیار مهم است. [۸۸]. انحراف از تعادل می تواند تعادل را به هم بزند و در نتیجه باعث شیوع گونه های میکروبی نامطلوب شود که مقادیر کمتری متان و مقادیر بیشتری از محصولات جانبی مانند سولفید هیدروژن تولید می کنند. انحراف از سطوح بهینه pH ممکن است منجر به بی ثباتی در سیستم گوارش بی هوازی شود. این عوامل می‌توانند به نرخ‌های متفاوت تولید بیوگاز، تجمع موادی که مانع از فرآیند می‌شوند و خطر عملکرد درست سیستم منجر شود. [۸۹].

pH ایده آل برای هضم بی هوازی اغلب در محدوده ۶٫۸ تا ۷٫۴ قرار دارد. این باکتری ها بسیار فعال هستند و به طور موثر مواد آلی پیچیده را به مولکول های ساده تر تجزیه می کنند. متانوژن ها فعالیت و کارایی بهینه ای را در تولید متان از خود نشان می دهند و از این رو کیفیت و کمیت برتر بیوگاز را تضمین می کنند. [۸۷]. پایش منظم و مداوم سطوح pH برای شناسایی سریع هرگونه انحراف و اجرای اقدامات اصلاحی لازم بسیار مهم است. اطمینان از ظرفیت بافر کافی در هاضم می تواند به کاهش نوسانات pH کمک کند. [۹۰]. گنجاندن عوامل بافری مانند بی کربنات ها می تواند به حفظ سطح pH پایدار کمک کند. برای به حداقل رساندن کاهش سریع pH ناشی از تجمع اسیدهای چرب فرار (VFAs)، اصلاح رژیم غذایی برای جلوگیری از بارگذاری بیش از حد هاضم با بسترهایی که به راحتی تجزیه می شوند، مهم است. [۸۸] (شکل ۵).

۳٫۶٫ همبستگی بین مواد مغذی و ترکیب بیوگاز

ارتباط بین کربوهیدرات ها، پروتئین، لیپیدها، متان، دی اکسید کربن، آمونیاک و سولفید هیدروژن در فرآیندهای هضم بی هوازی پیچیده و به هم پیوسته است. کربوهیدرات ها، پروتئین ها و لیپیدها ترکیبات آلی هستند که به عنوان موادی برای متابولیسم میکروبی در هاضم های بی هوازی عمل می کنند. تجزیه این مولکول ها توسط میکروارگانیسم های مختلف در جوامع میکروبی منجر به تولید متان، دی اکسید کربن، آمونیاک و سولفید هیدروژن می شود. [۹۱].

کربوهیدرات ها به طور کلی منبع اصلی کربن در فرآیند هضم هستند. باکتری های تخمیری آنها را به اسیدهای آلی تبدیل می کنند که سپس برای تولید هیدروژن، دی اکسید کربن و اسیدهای چرب فرار متابولیزه می شوند. باستان‌های متانوژنیک از این مواد شیمیایی برای تولید متان استفاده می‌کنند. مواد غنی از پروتئین در تولید آمونیاک در طول فرآیند هضم نقش دارند. هنگامی که سطح آمونیاک بالا باشد، ممکن است عملکرد متانوژن ها را مختل کند [۲۷].

فعل و انفعالات بین این مواد شیمیایی و جمعیت میکروبی در تأثیرگذاری بر اثربخشی و خروجی تولید متان بسیار مهم است. اطمینان از تعادل مناسب مواد مغذی مختلف مانند کربوهیدرات ها، پروتئین ها و لیپیدها برای دستیابی به سنتز بهینه متان بسیار مهم است. [۹۲]. علاوه بر این، تنظیم متغیرهایی مانند pH، دما و زمان ماند در هاضم ها می تواند بر تولید متان و سایر محصولات جانبی مانند دی اکسید کربن، آمونیاک و سولفید هیدروژن تأثیر بگذارد.

غلظت متان در بیوگاز تحت تأثیر محتوای این ترکیبات آلی در بستر است. علاوه بر این، وجود دی اکسید کربن، آمونیاک و سولفید هیدروژن در بیوگاز می تواند بر کیفیت و قابلیت استفاده آن تأثیر بگذارد. [۳۵]. دی اکسید کربن، زمانی که در غلظت های بالا وجود داشته باشد، ارزش گرمایی بیوگاز را کاهش داده و کارایی آن را به عنوان سوخت کاهش می دهد. آمونیاک و سولفید هیدروژن ناخالصی هایی هستند که می توانند مانع استفاده تجاری از بیوگاز شوند و منجر به مسائلی مانند خوردگی در تجهیزات و انتشار گازهای مضر در حین احتراق شوند. [۲۷].

تجزیه و تحلیل ارتباط بین این مواد و جمعیت های میکروبی با استفاده از تحقیقات متاژنومی و متابولومیک می تواند اطلاعات ارزشمندی در مورد مسیرهای متابولیک مرتبط با هضم بی هوازی ارائه دهد و به بهبود فرآیند تولید پایدار متان کمک کند. از طریق بررسی کامل عملکرد میکروارگانیسم‌های مختلف و روابط سودمند متقابل آنها، محققان می‌توانند مدیریت فرآیندها را بهینه کنند، اثربخشی را افزایش دهند و تأثیر منفی موادی مانند آمونیاک و سولفید هیدروژن بر سنتز متان را کاهش دهند. [۹۳].

داده ها در جدول ۳ به وضوح نشان دهنده یک ارتباط منفی (-۰٫۱۷۱) بین کربوهیدرات ها و متان است. این اتفاق را می توان به این واقعیت نسبت داد که باکتری های اسید زا و استوژنیک تمایل دارند از کربوهیدرات ها به عنوان بستر اصلی خود برای تولید اسیدهای چرب فرار (VFAs) استفاده کنند تا اینکه مستقیماً آنها را به متان تبدیل کنند. این می تواند مانع در دسترس بودن واسطه های ضروری برای متانوژن ها برای تولید متان شود [۹۱]. علاوه بر این، محتوای کربوهیدرات بالا می تواند منجر به تجمع VFAs شود که می تواند pH را کاهش داده و فعالیت متانوژنیک را مهار کند و در نتیجه تولید متان را کاهش دهد. [۲۷].

علاوه بر این، یک همبستگی منفی ۰٫۱۴- بین کربوهیدرات ها و آمونیاک شناسایی شد. کربوهیدرات ها فاقد نیتروژن هستند. مقادیر زیاد کربوهیدرات ها به طور بالقوه می تواند غلظت نیتروژن را در بستر کاهش دهد و در نتیجه باعث کاهش تولید آمونیاک از مولکول های حاوی نیتروژن شود. [۹۴]. برعکس، رابطه مستقیمی بین کربوهیدرات و دی اکسید کربن با ضریب همبستگی ۱۷۱/۰ مشاهده شد. کربوهیدرات ها بسیار قابل تخمیر هستند و می توانند فعالیت باکتری های تخمیری را افزایش دهند و در نتیجه تولید دی اکسید کربن را به دلیل تخمیر افزایش دهند. [۹۵]. علاوه بر این، یک رابطه مستقیم بین متان و سولفید هیدروژن با ضریب همبستگی ۰٫۰۳۲ مشاهده شد. باکتری های کاهنده سولفات که می توانند سولفید هیدروژن تولید کنند، می توانند برای منابعی مانند هیدروژن و استات با متانوژن ها رقابت کنند. با این وجود، وجود یک ارتباط مثبت خفیف حاکی از یک تعامل پیچیده است که در آن هر دو مسیر تولید گاز ممکن است تحت شرایط خاص همزیستی کنند. [۹۶]. ارتباطی بین چربی و متان و همچنین بین پروتئین و متان یافت شد که هر دو همبستگی مثبتی را نشان دادند. با این وجود، این یافته ها فاقد اهمیت آماری بودند.

یک ارتباط اساسی (پ < 0.01) بین NDF و آمونیاک (0.470) یافت شد. یک ارتباط مثبت از نظر آماری معنی دار (پ <0.01) نیز بین NDF و سولفید هیدروژن (0.555) یافت شد. ADL با آمونیاک (0.346) همبستگی مثبت نشان داد (پ < 0.05). ADL با سولفید هیدروژن (0.515) همبستگی مثبت نشان داد (پ < 0.05). یک همبستگی مثبت قوی بین کربن و آمونیاک وجود داشت (r = 0.396، پ < 0.01). کربن با سولفید هیدروژن همبستگی مثبت و معنی داری نشان داد (438/0)پ < 0.01). حضور گوگرد یک همبستگی مثبت قوی با آمونیاک با ضریب همبستگی 0.776 نشان داد.پ < 0.01). گوگرد همبستگی مثبتی با سولفید هیدروژن نشان داد (795/0) (پ < 0.01). همبستگی بین نیتروژن و آمونیاک مثبت و با ضریب همبستگی 804/0 (پ < 0.01). همبستگی بین نیتروژن و سولفید هیدروژن مثبت (798/0) و از نظر آماری معنی دار بود (پ < 0.01).

یافته‌ها همبستگی‌های مهم زیادی را بین عوامل حیاتی نشان می‌دهند که نشان‌دهنده تعاملات پیچیده در فرآیند هضم بی‌هوازی است. یک ارتباط مثبت قوی (پ <0.01) بین فیبر شوینده خنثی (NDF) و آمونیاک (0.470) یافت شد. علاوه بر این، یک ارتباط قوی و معنی دار آماری وجود دارد (p < 0.01) بین NDF و سولفید هیدروژن (۰٫۵۵۵)، که نشان می دهد مقدار فیبر در نمونه تأثیر قابل توجهی بر تشکیل گاز داشته است.

علاوه بر این، لیگنین شوینده اسیدی (ADL) ارتباط مثبت قوی نشان داد.p < 0.05) با آمونیاک (۰٫۳۴۶) و سولفید هیدروژن (۰٫۵۱۵)، تأثیر سطوح لیگنین را بر ترکیب گاز در طول هضم بی هوازی برجسته می کند. علاوه بر این، همبستگی قوی (پ <0.01) بین کربن و آمونیاک (0.396) و همچنین سولفید هیدروژن (0.438) دیده می شود که نشان دهنده ارتباط احتمالی بین در دسترس بودن کربن و تولید این گازها است. به طور مشابه، گوگرد ارتباط مثبت قوی نشان داد (p < 0.01) با هر دو آمونیاک (۰٫۷۷۶) و سولفید هیدروژن (۰٫۷۹۵)، که تأثیر سطوح گوگرد را در تعیین ترکیب گاز در محیط هضم بی هوازی برجسته می کند.

علاوه بر این، نیتروژن همبستگی مثبت و معناداری را نشان داد (پ < 0.01) با هر دو آمونیاک (0.804) و سولفید هیدروژن (0.798)، که ارتباط بین در دسترس بودن نیتروژن و تولید این گازها را برجسته می کند. نتایج مشابهی در مطالعه انجام شده توسط Amaleviciute-Volunge، Slepetiene و Butkute ثبت شد. [۵۳]. با این حال، مطالعه یک (پ < 0.01) همبستگی منفی بین ADF و متن وجود دارد، در حالی که در مطالعه حاضر، همبستگی منفی معنی‌دار نبود. این یافته ها برهمکنش های پیچیده بین اجزای بستر و پارامترهای تولید گاز را برجسته می کند و بینش ارزشمندی را در مورد مکانیسم های اساسی حاکم بر فرآیندهای هضم بی هوازی ارائه می دهد. چنین دانشی برای بهینه سازی راندمان تولید بیوگاز و کاهش اثرات بالقوه زیست محیطی بسیار مهم است.

علاوه بر این، نیتروژن همبستگی مثبت قوی نشان داد (پ <0.01) با هر دو آمونیاک (0.804) و سولفید هیدروژن (0.798)، که نشان دهنده رابطه نزدیک بین در دسترس بودن نیتروژن و تولید هر دو گاز است. این مطالعه توسط Amaleviciute-Volunge، Slepetiene و Butkute انجام شد [۵۳] یافته های قابل مقایسه ای را به همراه داشت. با این وجود، این مطالعه نشان داد که (پ <0.01) رابطه منفی بین ADF و متن. با این حال، در تحقیق حاضر، ارتباط معکوس از نظر آماری معنی‌دار نبود. نتایج بر ارتباطات پیچیده بین اجزای بستر و پارامترهایی که بر تولید گاز تأثیر می‌گذارند تأکید می‌کند و درک قابل‌توجهی از مکانیسم‌های اساسی کنترل فرآیندهای هضم بی‌هوازی ارائه می‌دهد. کسب چنین دانشی برای به حداکثر رساندن راندمان تولید بیوگاز و کاهش هرگونه اثرات منفی بالقوه بر محیط زیست ضروری است.

۴٫ نتیجه گیری و پیشنهادات

یافته‌های این مطالعه بر کیفیت بیوگاز متنوع تولید شده توسط بسترهای کشاورزی متمایز تأکید دارد. هضم همزمان سبزیجات مخلوط، میوه های مخلوط و غذای سگ (MVMFDF) منجر به بیشترین میزان متان شد که به ۷۷٫۴ درصد رسید. میوه های مخلوط به تنهایی به محتوای متان ۷۶٫۶ درصد دست یافتند. غلظت بالای متان برای بیوگاز ضروری است زیرا پتانسیل انرژی آن را افزایش می دهد. در مقابل، گیاهان گوجه فرنگی (۶۲٫۹٪) و کود گوساله (۶۳٫۵٪) بازده متان کمتری داشتند، که نشان می دهد این بسترها برای تولید بیوگاز با کیفیت بالا موثر نیستند. غلظت های مختلف دی اکسید کربن، آمونیاک و سولفید هیدروژن نیز بر کیفیت کلی و کاربرد بیوگاز تأثیر می گذارد. غلظت بالای سولفید هیدروژن که در کود مرغی، کود خوک و گیاهان گوجه فرنگی یافت می شود، دارای خواص خورنده است و اقدامات بیشتری را برای جلوگیری از آسیب به ماشین آلات ضروری می کند.

این کمک قابل توجهی به هدف این مطالعه، که بررسی سطوح متان، دی اکسید کربن، آمونیاک، و سولفید هیدروژن در مواد زائد کشاورزی مختلف در طول فرآیند تولید بیوگاز است، ارائه می‌کند. این مطالعه یک ارزیابی کامل از مناسب بودن ضایعات مختلف کشاورزی برای تولید بیوگاز با اندازه‌گیری مقادیر متان، دی اکسید کربن، آمونیاک و سولفید هیدروژن ارائه می‌دهد. این دانش برای بهینه سازی فرآیندهای تولید بیوگاز و انتخاب بسترهای مناسب برای به حداکثر رساندن سنتز متان و در عین حال به حداقل رساندن ایجاد محصولات جانبی خطرناک بسیار مهم است.

نتایج این مطالعه دانش کلی در زمینه انرژی های تجدیدپذیر را با مشخص کردن بقایای کشاورزی که می توانند به طور موثر به بیوگاز درجه یک تبدیل شوند، افزایش می دهد. استفاده از بسترهایی مانند میوه های مخلوط و MVMFDF ممکن است کارایی تولید بیوگاز را بهبود بخشد و از این رو تغییر به سمت منابع انرژی تجدید پذیر را ارتقا دهد. علاوه بر این، ترویج مدیریت زباله پایدار شامل ارزش گذاری زباله های کشاورزی است که به کاهش اثرات زیست محیطی دفع زباله کمک می کند و منبع انرژی جایگزین را فراهم می کند.

این مطالعه می‌تواند بینش‌های ارزشمندی را برای سیاست‌هایی با هدف تقویت استفاده از بقایای کشاورزی برای تولید بیوگاز، و در نتیجه ایجاد تأسیسات بیوگاز که از بسترهای بسیار تولیدی استفاده می‌کنند، فراهم کند. سیاستگذاران این اختیار را دارند که معیارهایی را برای کیفیت بیوگاز تعیین کنند که شامل حفظ سطح بالای متان و به حداقل رساندن حضور محصولات جانبی خطرناک است. یافته های این مطالعه می تواند توسط تولیدکنندگان بیوگاز برای بهینه سازی ترکیبات بستر، به حداکثر رساندن تولید متان و به حداقل رساندن انتشارات خطرناک استفاده شود. صنعت باید سرمایه گذاری در فناوری پیش تصفیه را برای بهبود زیست تخریب پذیری بسترهای کم بازده در نظر بگیرد. این مطالعه شواهدی را برای حمایت از هدف افزایش نسبت انرژی های تجدیدپذیر با بهینه سازی فرآیندهای درگیر در تولید بیوگاز ارائه می دهد. ترویج استفاده از بیوگاز در این مطالعه به کاهش انتشار گازهای گلخانه ای ناشی از زباله کمک می کند.

یافته ها را می توان با ارائه راهنمایی برای انتخاب بسترهای تاسیسات بیوگاز در موقعیت های عملی مورد استفاده قرار داد. اپراتورها می توانند خروجی متان را بهینه کنند و با اولویت دادن به بسترهای پرمحصول مانند میوه های مخلوط و MVMFDF، کارایی نیروگاه های بیوگاز را افزایش دهند. علاوه بر این، این مطالعه می‌تواند بینش‌های ارزشمندی برای بهینه‌سازی طراحی و عملکرد تأسیسات بیوگاز برای مدیریت مؤثر بسترهای حاوی مقادیر بالای آمونیاک و سولفید هیدروژن با یکپارچه‌سازی سیستم‌های تصفیه ضروری ارائه دهد.

استفاده از ضایعات کشاورزی برای تولید بیوگاز به کاهش میزان زباله های دفع شده در محل های دفن زباله کمک می کند و در نتیجه آلودگی محیط زیست را کاهش می دهد. تولید بیوگاز شامل جمع آوری متان است که در غیر این صورت در طی تجزیه زباله های آلی به جو فرار می کند. این فرآیند به کاهش میزان انتشار گازهای گلخانه ای کمک می کند. بقایای تولید شده از تولید بیوگاز می تواند به عنوان یک کود با مواد مغذی فراوان عمل کند و از کشاورزی پایدار حمایت کند.

تولید محلی بیوگاز می تواند وابستگی به سوخت های فسیلی وارداتی را کاهش دهد و در نتیجه هزینه های انرژی را کاهش دهد. کسب و کار بیوگاز پتانسیل ایجاد فرصت های شغلی در جمع آوری زباله، بهره برداری کارخانه و نگهداری را دارد. کشاورزان و اپراتورهای نیروگاه بیوگاز می توانند با فروش بیوگاز و مواد هضم اضافی به عنوان کود، درآمد اضافی ایجاد کنند.

نتایج مطالعه ممکن است بسته به شرایط محیطی یا منابع تلقیح متفاوت باشد. ترکیب ضایعات کشاورزی می تواند به صورت فصلی و جغرافیایی در نوسان باشد که بر تولید بیوگاز تأثیر می گذارد. انجام آزمایشات در تنظیمات مختلف و استفاده از منابع تلقیح متنوع می تواند داده های قابل اعتمادتری به دست دهد. نظارت و بررسی مداوم ترکیب زیرلایه می تواند به اصلاح روش های تولید بیوگاز برای سازگاری با نوسانات کمک کند.

تحقیقات آینده می تواند تحقیقاتی را در مورد تکنیک های پیش تصفیه برای افزایش تجزیه پذیری زیستی بسترهای کم بازده انجام دهد. تجزیه و تحلیل عواقب پایدار اکولوژیکی و مالی استفاده از بسترهای مختلف در تولید بیوگاز؛ ایجاد مدل‌های بهینه‌سازی برای مخلوط‌های بستر با هدف به حداکثر رساندن تولید متان و در عین حال به حداقل رساندن تشکیل محصولات جانبی مضر. بررسی پتانسیل تولید بیوگاز برای گسترش و انطباق با استفاده از مواد زائد کشاورزی متنوع در مکان‌های جغرافیایی و اقلیم‌های مختلف؛ و امکان سنجی ترکیب تولید بیوگاز با سایر اشکال انرژی های تجدیدپذیر را برای ایجاد یک استراتژی جامع تر برای دستیابی به انرژی پایدار تجزیه و تحلیل کنید.

منبع:
۱- shahrsaz.ir , پایداری | متن کامل رایگان | بررسی محتوای متان، دی اکسید کربن، آمونیاک و سولفید هیدروژن در پسماندهای کشاورزی در تولید بیوگاز
,۲۰۲۴-۰۶-۱۷ ۰۳:۳۰:۰۰
۲- https://www.mdpi.com/2071-1050/16/12/5145