مطالعه مقایسه ای کمپوست هوازی و بی هوازی برای فهم بهتر مدیریت زائدات آلی: مرور امینی(کد 0315)

خلاصه
دنیای امروزه اولویت را به تولید آلی و نه غیر آلی می دهد، زیرا مردم دنیا از خطرات محصولات شیمیایی آگاه شده اند. هرچند، منابع محدود تولیدات آلی فروشگاه ها یک فاصله عظیمی را بین هزینه های این محصولات ایجاد می کنند. بخش عمده ای از محصولات آلی بر پایه کاربرد کمپوست در عوض به کارگیری تلقیح کننده ها میکروبی در حوزه است. مطالعات قبلی مزایای کاربرد کمپوست نسبت به بارورکننده های شیمیایی را از لحاظ تولید کیفیت و تغذیه خاک آشکار کرده اند. بنابراین؛ در اینجا نیاز به فهم بهتر فرآیند کمپوست است، بطوری که محصول تامینی بتواند پاسخگوی تقاضا باشد. در این مرور ما دو نوع مختلف فرآیند کمپوست سازی، هوازی و بی هوازی، را مقایسه می کنیم. یک آنالیز مقایسه ای از این دو نوع کمپوست سازی می تواند مزایای هر کدام بر دیگری را آشکار نماید و علاوه بر این محدودیت های تحت شرایط زیست محیطی/ طبیعی را نشان دهد. بنابراین، این مرور خیلی مفید خواهد بود؛ برای فهم بهتر فرآیند کمپوست سازی

کلمات کلیدی: کمپوست سازی، هوازی، بی هوازی، میکروارگانیزم، تجزیه
معرفی
در تمام دنیا؛ در پاسخ به ملاحظات مرتبط با آلودگی های محصولات کشاورزی و انحراف آلودگی های شهری به مناطق روستایی، کمپوست سازی روز به روز عمومیت بیشتری می یابد. در طی چند دهه گذشته، بسیاری از سیستم های کشاورزی گرمسیری دگرگون شده اند و حوزه های محصول ده گسترش یافته و روی محیط زیست اثر گذاشته اند. بخش عمده این عملکرد کشاورزی به مواد آلی موجود در طبیعت ربط دارد. مشکل عمده کشورهای در حال توسعه این است که آن ها مقادیر عظیمی از غلات، حبوبات، محصولات غذایی و ... را از منابع غیر آلی خارج از مناطق گرمسیری وارد می کنند( واکرناگل و همکاران؛ 2004) بنابراین، برای تلافی فاصله بین محصولات آلی و غیر آلی نیاز است که فرآیند کمپوست بدرستی فهمیده شود. کمپوست سازی می تواند بصورت معدنی سازی و رطوبت دهی جزیی مواد آلی توسط عملکرد میکروب ها، تحت شرایط بهینه تعریف شود و راهی طبیعی است که از طریق آن با زائدات، انتقال آن ها به داخل مواد مغذی گیاهی و بهبود دهنده های خاک ارتباط برقرار می گردد.( متها و همکاران: 2010، متها و همکاران:2014) دو فناوری عمده تجزیه مواد آلی، تجزیه هوازی( نیازمند هوا) و تجزیه بی هوازی( نیاز به هوا ندارد) است. در اینجا ما هر دو روش کمپوست سازی را توضیح می دهیم و عوامل موثر در این فرآیندها را بیان می داریم. مزایای فرآیند هوازی نسبت به بی هوازی هم بیان می گردد.
کمپوست سازی هوازی
تجزیه مواد آلی با اکسیژن، فرآیند هوازی نامیده می شود. میکروب های هوازی از اکسیژن استفاده می کنند تا از مواد آلی تغذیه کنند. با استفاده از مواد مغذی( اساسا نیتروژن، فسفر و مقداری کربن) که در مواد خام کمپوست هستند پروتوپلاسم سلولی آن ها رشد می کند. مواد آلی عموما در شرایط دسترسی به اکسیژن کافی و مناسب و به مقدار زیاد به گونه کارآمدتر تجزیه شده و کاملا مورد استفاده قرار می گیرند. این امر در نتیجه انرژی تولیدی از تنفس هوازی اتفاق می افتد( ایوانز: 2001؛ کادنا و همکاران: 2009) در طبیعت، عمومی ترین مکانی که تجزیه هوازی در آن رخ می دهد جنگل است. در اینجا مواد مرده و فاسد شده حیوانی و زائدات گیاهی در حداکثر مقدار هستند و می توانند به مواد آلی نسبتا پایداری تبدیل شوند و به سبب مقدار کافی اکسیژن، این نوع تجزیه بو ندارد.
اولین فاز تجزیه هوازی تشکیل توده است. در دو روز نخست کمپوست سازی، درجه حرارت به سرعت تا 70 الی 80 درجه سانتیگراد بالا می رود. بدوا، ارگانیزم های مزوفیلیک( که درجه حرارت بهینه رشد آن ها 20 تا 45 درجه سانتیگراد است) به سبب حضور کافی قند در دسترس و اسیدهای آمینه به سرعت رشد می کنند. میکروب های عمومی مزوفیلیک عبارتند از: پسودوموناس، باسیلوس، فلاووباکتریوم، کلوستریدیوم، آلترناریا، کلادوسپوریم، آسپرژیلوس، موکور، هومیکلا، پنی سیلیوم و استرپتومایسس. به سبب دسترسی به مقدار فراوان منابع غذایی، این میکروب ها به سرعت رشد می کنند و به وسیله متابولیسم خودشان حرارت تولید می کنند و درجه حرارت توده را به نقطه ای بالا می برند که فعالیت خود آن ها خفه شود. سپس، چندین قارچ ترموفیلیک( آسپرژیلوس، موکور، چائتومیوم، هومیکلا، آبسیدیا، اسپوروتریکوم، تورولا(مخمر) و ترموآسکوس)، باکتری های ترموفیلیک( باسیلوس و ترموس) و تعدادی اکتینومایست( استرپتومایسس، میکروپولیسپورا، ترمااکتینومایسس و ترمومونوسپورا) فرآیند را ادامه داده و درجه حرارت توده را تا 65 تا 70 درجه سانتیگراد و بیشتر بالا می برند. این فاز حرارتی حداکثر مورد نیاز است تا بتواند اغلب پاتوژن ها و بذر علف های هرز را از بین ببرد. این ها می توانند کمپوست را آلوده کرده و بعد خاک و محصول در تماس با کمپوست را آلوده نمایند.( برتولدی: 2010؛ مهتا و همکاران: 2012)
فاز نهایی مرحله کمپوست سازی فعال، مرحله "حفاظت" است. این مرحله می تواند بصورت عدم تغییر درجه حرارت متعاقب تعریف شود. در این مرحله، بعضی از میکروب ها( اساسا قارچ ها) فعالیتی نشان می دهند که مواد دیواره سلولی گیاهی همانند سلولز و همی سلوز را تجزیه می کند. فاز "حفاظت" یکی از فازهای ضروری قبل از استفاده کمپوست در حوزه و میدان است. کمپوست نارس می تواند سبب مخاطرات بزرگی از قبیل کمبود اکسیژن و نقص در مواد مغذی گردد که این ها می توانند کمبود مواد مغذی خاک را ایجاد کنند و منجر به رها شدن اسیدهای آلی گردند. اسیدهای آلی تاثیرات سمی روی مواد گیاهی در حال رشد در حوزه های مورد عمل دارند( برنال و همکاران: 2009؛ مهتا و همکاران: 2014)
در نهایت، درجه حرارت تا درجه حرارت هوای آزاد کاهش می یابد. توده کمپوست نهایی یا بالغ یکنواخت تر می شود و فعالیت کمتر میکروبی دارد. با این حال، میکروب های مزوفیلیک در کمپوست مجددا تشکیل می شوند. مواد کمپوست سازی نهایی قهوه ای تیره تا سیاه هستند که مقدار هوموس را افزایش می دهند. اندازه ذره کمپوست بالغ نزدیک و شبیه بافت خاک است و نسبت کربن به نیتروژن کاهش می یابد، پی اچ نزدیک خنثی است و ظرفیت تبادل مواد افزایش می یابد( مهتا و همکاران: 2014)
عوامل عمده موثر در فرآیند کمپوست سازی
هوادهی
در کمپوست سازی هوازی، اکسیژن عامل عمده محدود کننده است. رشد میکروب های هوازی مستقیما در ارتباط با منبع اکسیژن است.( پارکینسون و همکاران: 2004؛ شن و همکاران: 2011) منبع کمتر اکسیژن برای توده کمپوست می تواند رشد میکروب های هوازی را محدود کند و منجر به تجزیه پایینتر مواد آلی خام گردد. به علاوه، هوادهی مناسب حرارت اضافی، بخار آب و دیگر گازهای گیر کرده در توده را حذف می کند. بنابراین، هوادهی خوب برای کمپوست سازی ماهرانه مورد نیاز است. هوادهی مناسب کمپوست سازی می تواند با کنترل اندازه ذره مواد خام مورد استفاده در کمپوست سازی و همچنین چرخانیدن مکرر توده( شن و همکاران: 2011) به دست آید.
درجه حرارت
همچنانکه در بالا توضیح داده شد، کمپوست سازی دو فاز حرارتی دارد: درجه حرارت کم( مزوفیلیک: 20-45 درجه سانتیگراد) و درجه حرارت بالا( ترموفیلیک: 50 تا 70 درجه سانتیگراد)( لیانگ و همکاران: 2003) اگر درجه حرارت خیلی بالا یا خیلی پایین باشد، فعالیت میکروب های کمپوست سازی بطور معکوس تحت تاثیر قرار می گیرد، که منجر به تولید کمپوست نارس و غیر موثر می گردد. اغلب پاتوژن ها نمی توانند در درجه حرارت بالای 55 درجه سانتیگراد زندگی کنند و برای حذف تخم علف های هرز، درجه حرارت بحرانی 62 درجه سانتیگراد و بالاتر است. بنابراین، برای تولید کمپوست خوب، درجه حرارت یک عامل عمده است و می تواند با چرخاندن و هوادهی کمپوست تنظیم شود.( اشلی و کلارک: 1979)
رطوبت
نقش عمده محتویات رطوبتی در کمپوست سازی هوازی حفاظت از فعالیت میکروبی میکروارگانیزم ها است. اگر کمپوست خیلی خشک باشد، فعالیت میکروب ها به سرعت کاهش می یابد که منجر به آرام شدن فرآیند کمپوست سازی می شود. محتویات رطوبت بالا شرایط بی هوازی را برای رشد میکروارگانیزم ها توسعه می دهند. بنابراین، برای کمپوست سازی خوب، محتویات رطوبت باید بین 40 تا 65 درصد باشد.( اشلی و کلارک؛ 1979)
مقدار پی اچ
پی اچ توده کمپوست می تواند با محدود کردن دسترسی میکروب ها به مواد مغذی، مستقیما روی جمعیت میکروبی تاثیر بگذارد. پی اچ بهینه برای رشد میکروبی خوب در توده کمپوست بین 6 و 7.5 برای اغلب میکروب ها توصیه شده است.
مواد مغذی
مواد مغذی عمده فرآیند کمپوست عبارتند از: کربن، نیتروژن، فسفر و پتاسیم. در فرآیند کمپوست سازی، نسبت کربن به نیتروژن یک عامل محدود کننده است. در نسبت کربن به ازت بالای 40 به 1 مقدار مازاد منبع کربنی و مقدار محدود منبع نیتروژنی رشد میکروارگانیزم ها را محدود کرده و منجر به فرآیند تجزیه آرامتر می گردد.( زو و همکاران: 2007) در مقابل، در نسبت های کربن به ازت کمتر از 20 به 1 بهره برداری از ازت کم می شود و مازاد ممکن است بصورت آمونیاک یا اکسید نیتروس به اتمسفر رها شده و مشکل بو ایجاد کند(جونگ و کیم؛ 2001) دیگر ماده عمده موثر در فرآیند کمپوست سازی فسفر است که ماده مغذی غیر فرار است و در طی فرآیند از دست نمی رود. چون ممکن است فسفر از سیستم نشت کند، غلظت آن در مواد خام کمپوست باید بالا باشد. بطور مشابه، پتاسیم ماده مغذی غیر فرار دیگری است که می تواند از سیستم کمپوست سازی نشت کند. غلظت پتاسیم در محصول کمپوست نهایی همیشه باید کود خام اولیه باشد( هو و همکاران؛ 2007)
کمپوست سازی بی هوازی
فرآیند کمپوست سازی بی هوازی بدون دخالت اکسیژن صورت می گیرد. این امر بطور معمول در طبیعت انجام می شود. تجزیه بی هوازی منجر به شکسته شدن ترکیبات آلی توسط کاربرد میکروارگانیزم های بی هوازی می گردد. مشابه با فرآیند هوازی، میکروب های بی هوازی از ازت، فسفر و دیگر مواد مغذی برای رشد پروتوپلاسم سلولی استفاده می کنند. اختلاف عمده بین تجزیه ترکیبات آلی و معدنی توده کمپوست همانند تجزیه نیتروژن آلی به اسیدهای آلی و آمونیاک است. بطور مشابه، بخش عمده ای از کربن به شکل گاز متان رها می شود و بخش کمی از کربن می تواند بصورت دی اکسید کربن تنفس گردد.( جینگ و همکاران: 2011؛ کایلا و همکاران: 2012) از آنجا که بخش عمده کمپوست بی هوازی، تجزیه مواد آلی در اثر فرآیند احیا است؛ محصول نهایی باید، تا حدودی، در معرض فرآیند هوازی قرار داده شود. این فرآیند اکسیداسیون روی بهره برداری از مواد اثری ندارد، زیرا در مدت زمان کوتاهی صورت می گیرد.
4 مرحله عمده در طی کمپوست سازی بی هوازی صورت می گیرند: هیدرولیز، اسیدوژنزیز، استوژنزیز، متانوژنزیز. در نخستین مرحله که هیدرولیز نام دارد میکروب های مخمر مواد آلی مرکب نامحلول از قبیل سلولز را به ملکول های قابل حلی از قبیل اسیدهای چرب، آمینواسیدها و قند تبدیل می کنند. فعالیت هیدرولیتیکی یک عامل محدود کننده نرخ است، زیرا دارای تاثیر مهمی روی مواد خام با محتویات آلی بالا است.( واویلین و همکاران: 2008) در مرحله بعدی تجزیه بی هوازی، که اسیدوژنزیز نام دارد، ملکول های مرکب باقیمانده، نیز، توسط باکتری های اسیدوژنیک( مخمرها) تجزیه می شوند. در گام بعدی هضم بی هوازی، ملکول های ساده ایجاد شده توسط فاز اسیدوژنزیز بیشتر هضم شده و توسط استوژنزیزها به سوی تولید اسید استیک، دی اکسید کربن و هیدروژن پیش می روند. عمده باکتری های این فاز عبارتند از: italicکلستریدیوم استیکم، استوباکتر وودی و کلستریدیوم ترماتوتروفیکم.italic فاز نهایی متانوژنزیز است. در این فاز باکتری های سازنده متان، متان را تولید می کنند.( مثلا متانوسارسینا)( دمیرل و شرر: 2008)
عوامل عمده موثر در کمپوست سازی بی هوازی
درجه حرارت
درجه حرارت فاکتور عمده محدود کننده فرآیند کمپوست سازی بی هوازی است. درجه حرارت بهینه مد نظر قرار گرفته برای رشد بهینه هاضم مزوفیلیک برای تولید بیوگاز 35 درجه سانتیگراد است. مطالعات قبلی در مورد تاثیر درجه حرارت روی هضم مزوفیلیک گزارش می دهند که به ازای هر 10 درجه افت، فعالیت ها و نرخ رشد باکتری ها تا 50 درصد کم می شود و به ازای هر 20 درجه افت، تولید بیوگاز پایین می افتد و حتی در 10 درجه سانتیگراد متوقف می شود.( سمیر و همکاران: 2010) درجه حرارت بالای 37 درجه سانتیگراد منجر به فرآیند هضم طولانی شده و منجر به نرخ کاهش یافته تولید بیوگاز می گردد.
پی اچ
پی اچ فاکتور عمده بعدی است که روی فرآیند کمپوست سازی بی هوازی تاثیر می گذارد. فرآیند هضم به میزان زیادی از نوسانات پی اچ تاثیر می پذیرد.( رومانو و همکاران:2011) محدوده بهینه پی اچ هاضم بی هوازی بین 6.8 و 7.2 است. هرچند، فرآیند تجزیه بی هوازی می تواند پی اچ های 6.5 تا 8 را هم تحمل نماید.
سوبستره
غلظت اولیه سوبستره مستقیما روی هضم بی هوازی اثر می گذارد( فرناندز و همکاران: 2008) و هم تولید گاز متان در طی تجزیه بی هوازی به گونه ای بحرانی وابسته به غلظت اولیه سوبستره دارد.
پاتوژن ها
بر خلاف تجزیه هوازی، پاتوژن ها تهدیدات عمده مواد کمپوست سازی هستند؛ زیرا حرارت کافی که پاتوژن ها را تخریب کند وجود ندارد. تنها راه از بین بردن پاتوژن ها در طی این فرآیند عدم دسترسی آن ها به اکسیژنی است که شرایط نامطلوب پاتوژن ها را فراهم آورده و می تواند به آرامی آن ها را از کمپوست حذف نماید. علاوه بر این، خصومت های بیولوژیکی در برابر این پاتوژن ها در کمپوست نیز می تواند شانس زیست پذیری پاتوژن ها در کمپوست بی هوازی را کاهش دهد. بنابراین، الزاما شرایط باید کاملا بی هوازی شود و مواد کمپوست شده باید تحت شرایط 6 ماهه تا یکساله نگهداری شوند تا اطمینان حاصل شود که تخریب کاملا پاتوژن ها اتفاق افتاده است.( هویتینک و فاهی: 1986؛ یزدانی و همکاران: 2012)
کمپوست سازی هوازی در برابر بی هوازی
کمپوست سازی بی هوازی به عنوان یک آلترناتیو محتمل کمپوست سازی هوازی در نظر گرفته می شود. حمایت عمده کمپوست سازی بی هوازی مربوط به این امر بود که در کمپوست سازی بی هوازی با حداقل افت و کاهش ازت روبرو هستیم( یو و همکاران: 2015)
حتی با داشتن این مزیت، شبیه سازی و معایب فرآیند بی هوازی را نمی توان نادیده انگاشت. چندین مزیت در کمپوست سازی هوازی نسبت به کمپوست سازی بی هوازی وجود دارند که عبارتند از : الف- تجزیه سریع مواد خام ب- درجه حرارت توده تا حدی زیاد می شود که علف هرزها و پاتوژن ها نمی توانند زنده بمانند. ج- تعداد و شدت انتشارات قابل اعتراض به تندی کاهش می یابد و د- می تواند در دوره کوتاه زمانی اتفاق بیفتد.( زنگ و همکاران: 2012؛ جیل و همکاران: 2014)
تجزیه
تجزیه مواد آلی در کمپوست سازی هوازی در مقایسه با فرآیند بی هوازی خیلی سریعتر اتفاق می افتد. در تجزیه بی هوازی، مواد کمپوست شده باید برای دوره های 6 ماهه تا یکساله نگهداری شوند تا اطمینان حاصل شود که تجزیه کامل مواد آلی صورت گرفته است؛ در حالی که در کمپوست سازی هوازی زمان( یا زمان کمپوست سازی) حدود 3 تا 6 ماه است( گابهان و همکاران: 2012؛ تیان و همکاران: 2012)
خفه سازی پاتوژن
هر دو کمپوست سازی هوازی و بی هوازی نیاز به میکروب هایی برای تجزیه مواد خام دارند. اغلب پاتوژن ها در برابر درجه حرارت بالا و شرایط بی هوازی مستعد نیستند. تحت شرایط هوازی، توده کمپوست ممکن است به درجه حرارت های 60 تا 70 درجه سانتیگراد نائل شود که به اندازه کافی بالا است تا پاتوژن های موجود در مواد خام را از بین ببرد. در حالی که در فرآیند کمپوست سازی بی هوازی، درجه حرارت هرگز به 70 درجه سانتیگراد نمی رسد. بنابراین، احتمال اینکه پاتوژن ها در کمپوست باقی بمانند در مقایسه با تجزیه هوازی به میزان قابل ملاحظه ای بالاتر است.
در سیستم های کمپوست سازی هوازی؛ مهمترین فاکتور، کنش و واکنش بین گونه های علف هرز و پارامترهای کمپوست سازی از قبیل درجه حرارت، زمان و رطوبت است( ایگلی:1990؛ لارنی و بلک شاور و همکاران: 2003) در طی کمپوست سازی هوازی، درجه حرارت بیشتر( تا 70 درجه سانتیگراد) نرخ از بین رفتن بذر علف های هرز را ازدیاد می بخشد. بنابراین، طولانیتر کردن زمان مجاورت با درجه حرارت بالا در کمپوست سازی از بین رفتن بذر علف های هرز را بیشتر می کند.( داهل کوییست و همکاران: 2007) مطالعه مشابه در مورد کمپوست( وایز و همکاران: 1998) گزارش می دهد که در رطوبت 35 درصد و حرارت 50 تا 70 درجه سانتیگراد بذر علف های هرزی همانند "بارن یارد گرس"، "پیگ وید" و "کوچیا" کشته شده اند.
عموما در فرآیند کمپوست سازی هوازی پاتوژن های قارچی به سبب درجه حرارت های بالا باقی نمی مانند.( هویتینک و فاهی، 1986) هرچند، خیلی از آن ها تشکیل ساختارهای زایشی را می دهند که معمولا نسبت به ساختارهای رویشی در برابر حرارت مقاوم تر هستند. بسیاری از قارچ های پاتوژنیک همانند فوساریم اکسیسپورون، اولپیدیوم براسیکا، سینچیتریوم اندوبیوتیکوم و پلاسمودیوفورا براسیکا، فیتوفتورا اینفستنس می توانند تولید ساختار زایشی کنند که برای 10 تا 30 دقیقه درجات حرارت 40 تا 65 درجه سانتیگراد را تحمل می کنند( گولوئک: 1982؛ بولن: 1993؛ مهتا و همکاران: 2016) بطور مشابه، باکتری های گیاهی پاتوژن غیر محتمل است که در کمپوست سازی زنده بمانند؛ جایی که درجه حرارت معمولا به بالای 50 درجه سانتیگراد صعود می کند.( بولن: 1993) بنابراین، یک در معرض قرار گیری بهینه با درجه حرارت بالا برای حذف کامل قارچ های پاتوژن کمپوست مورد نیاز است. تمامی این مطالعات از اهمیت نقش فاز ترموفیلیک فرآیندهای کمپوست سازی هوازی نسبت به کمپوست سازی بی هوازی، جایی که درجه حرارت هرگز به بالای 65 درجه سانتیگراد نمی رسد، حمایت می کنند.
انتشار گازها
در فاز نخست کمپوست سازی مواد زائد، انتشار بعضی بوهای نامطبوع پیش بینی می شود. منبع این بوی نامطبوع، اساسا، این است که فعالیت میکروب ها سریعا به سوی ساخت ترکیبات ساده از ترکیبات پیچیده پیش می رود. شدت و گستره بوها در طی کمپوست سازی بی هوازی در مقایسه با کمپوست سازی هوازی بیشتر است. در کمپوست سازی هوازی، یک منبع مکرر اکسیژن رسانی به تپه کمک می کند تا احتمال تشکیل و انتشار گازهای بد بو کاهش یابد. این در حالی است که در کمپوست سازی بی هوازی، به سبب سیستم بسته، تشکیل و انتشار بوهای نامطبوع بیشتر است. راه حل محتمل برای کنترل انتشار گازها تصفیه بیولوژیکی یا شیمیایی است.( مائولینی-دوران: 2013؛ جیانگ و همکاران: 2015)
تمام مطالعات بالا از مزایای کمپوست سازی هوازی نسبت به بی هوازی حمایت می کنند. هرچند، یک فاز بی هوازی انتقالی به عنوان بخش اساسی کمپوست سازی شناخته شده است که در ترکیب با حفاظت ازت، هیدروکربن های هالوژنه را تخریب می کند. بنابراین، نیاز به مطالعه بیشتر وجود دارد تا برای فهم بهتر کارآمدی کمپوست سازی مراحل کمپوست سازی با جزییات کشف شود.

صفحه نخست