Composting: Analysis and Optimization of a Simple Design/fa

کمپوست‌سازی به عنوان تجزیه و تثبیت بیولوژیکی مواد آلی تعریف می‌شود. ^{[ 1 ]} محصول نهایی چنین فرآیندی باید عاری از عوامل بیماری‌زا و بذر علف‌های هرز باشد و از کیفیت کافی برخوردار باشد تا بتوان آن را بدون اثرات نامطلوب زیست‌محیطی در زمین به کار برد. در ابتدایی‌ترین سطح، کمپوست‌سازی عملاً به هیچ ماده، ساختار یا کار اضافی نیاز ندارد، بنابراین ویژگی‌های ذاتی یک فناوری مناسب و پایدار را دارد. میزان استفاده مناسب از مواد، نیروی کار و دانش برای اصلاح فرآیند کمپوست‌سازی در نهایت کارایی و اثربخشی آن را تعیین می‌کند، با این حال، این نباید به این معنی باشد که پیچیدگی و کارایی به یکدیگر وابسته هستند. ^{[ 2 ]} طرح پیشنهادی در اینجا روشی مؤثر را شرح می‌دهد که در آن کمپوست‌سازی زباله‌های حیاط و مواد غذایی، هوموس تولید می‌کند که می‌تواند به عنوان یک اصلاح‌کننده خاک مستقیماً روی محصولات زراعی پخش شود و بلافاصله عملکرد را افزایش دهد.

مقدمه

اشکال مختلفی از کمپوست‌سازی وجود دارد، از توده‌های زباله در حیاط خلوت گرفته تا فرآیندهای پیچیده صنعتی. اصول اساسی یکسانی بر تولید کمپوست قابل استفاده حاکم است و یک تحلیل ساده را به مسائل انتقال حرارت، زیست‌شناسی و طراحی عملی تقلیل می‌دهد. ساده‌ترین روش کمپوست‌سازی با استفاده از یک توده ثابت انجام می‌شود. این یک مدل مناسب برای استفاده است زیرا به راحتی با یک محیط کوچک اجتماعی سازگار می‌شود که در آن زباله‌های آلی که در غیر این صورت در محل‌های دفن زباله دور ریخته می‌شوند، می‌توانند با حداقل هزینه حمل و نقل و نیروی کار اضافی به یک مرکز کمپوست‌سازی عمومی منتقل شوند.

شکل 1: نمودار جریان کمپوست. ^{[ 3 ]}

پس‌زمینه

رشد شهری در بسیاری از کشورهای در حال توسعه، نیازمند یک استراتژی جامع برای بهداشت و مدیریت پسماند است. مطالعه‌ای در شهر دارالسلام، تانزانیا نشان داد که یک کارخانه کمپوست با استفاده از روش توده هوادهی، کمپوست پایداری را در کمتر از 23 روز تولید کرد. ^{[ 4 ]} علاوه بر این، کمپوست هنگام استفاده در زمین‌های کشاورزی محلی، افزایش قابل توجهی در عملکرد محصول و طول فصل تولید ایجاد کرد. با مزیت اضافی کاهش حجم 60٪ یا بیشتر، واضح است که کمپوست باید در رویکرد اتخاذ شده برای مدیریت پسماند در کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه نقش داشته باشد.

اگرچه برای ساخت یک مرکز کمپوست‌سازی متمرکز به سرمایه و مواد اولیه نیاز است، اما می‌توان میکروراکتورها را تقریباً بدون هیچ هزینه‌ای ساخت، هزینه‌ای که با آنچه یک فرد عادیِ آگاه به محیط زیست ممکن است در حیاط خلوت خود داشته باشد، قابل مقایسه است. طرحی نشان داده شده است که نشان می‌دهد چگونه می‌توان یکی از آنها را از یک بشکه 55 گالنی ساخت. ^{[ 5 ]} نقشه‌های بسیاری از سطل‌هایی که می‌توانند از مواد کم‌هزینه مانند بشکه، تخته سه‌لا و پالت‌های چوبی ساخته شوند، به صورت رایگان به صورت آنلاین در دسترس هستند. ^{[ 6 ]}

در مورد یک جامعه کوچک روستایی، احتمالاً یک کارخانه نمی‌تواند راه‌حل مناسبی باشد، در حالی که سطل‌های زباله خانگی به دلیل حجم کم زباله‌های آلی تولید شده به ازای هر خانوار، احتمالاً ناکارآمد خواهند بود. یک راه‌حل مصالحه‌آمیز، روش انباشت ثابت است که فقط به زمین، جداسازی زباله‌های آلی و احتمالاً یک عامل حجم‌دهنده مانند کاه یا تراشه‌های چوب برای کنترل رطوبت نیاز دارد. به این ترتیب، این باید یک پروژه اجتماعی در نظر گرفته شود که نیاز به سرمایه‌گذاری از سوی هر خانوار دارد. هزینه را می‌توان با فروش کمپوست تولید شده به کشاورزان محلی به عنوان جایگزینی برای اصلاح‌کننده‌های خاک و حتی کودها جبران کرد.

ویژگی‌های کمپوست خوب

هر ماده آلی را می‌توان کمپوست کرد، از لجن فاضلاب گرفته تا جزء آلی زباله‌های جامد شهری. به طور کلی، کیفیت کمپوست به دست آمده را می‌توان قبل از فرآیند با استفاده از روشی برای جداسازی از منبع، از پیش تعیین کرد تا مقادیر ناچیزی از فلزات سنگین، ذرات معلق بزرگ ساخته دست بشر و عناصر سمی از بستر حذف شوند. ^{[ 7 ]} دستورالعمل‌های آمریکایی برای کمپوست مناسب برای کشت سبزیجات شامل الزامات مربوط به محتوای آلی، نسبت کربن به نیتروژن (C:N)، اندازه ذرات، pH و پایداری است. اکثر استانداردهای جهانی ایجاب می‌کنند که فرآیند کمپوست در دمایی بالاتر از دمای خاص انجام شود تا عوامل بیماری‌زا از بین بروند.

محتوای آلی به میزان مواد کربنی موجود در کمپوست اشاره دارد. مطلوب است که این مقدار بیش از 50٪ از کل جرم کمپوست بر اساس وزن خشک باشد. ^{[ 8 ]}

نسبت کربن به نیتروژن (نسبت C/N) میزان نیتروژن موجود در خاک را نسبت به میزان کربن نشان می‌دهد. محدوده قابل قبول بین 20:1 و 35:1 است. ^{[ 9 ]}

اندازه ذرات باید از طریق مالچ پاشی یا خرد کردن به حداقل برسد. اکثر دستورالعمل‌ها تصریح می‌کنند که قطر ذرات نباید از 2.5 سانتی‌متر بیشتر باشد.

pH معیاری برای سنجش اسیدیته یا بازی بودن یک محلول است. محلولی با pH کمتر از 7 اسیدی است در حالی که محلول‌هایی با pH بیشتر از 7 بازی هستند. محدوده توصیه شده برای کمپوست کشاورزی بین 5.0 تا 8.0 است. ^{[ 9 ]} پایداری معیاری برای میزان تکمیل تجزیه مواد آلی در کمپوست است. کمپوست نارس ممکن است هنگام ذخیره یا حمل و نقل بی‌هوازی شود و منجر به مشکلات بو و ایجاد ترکیبات سمی شود. ^{[ 7 ]} بلوغ، وضعیتی که در آن کمپوست به اندازه کافی پایدار برای استفاده در خاک در نظر گرفته می‌شود، اغلب به صورت تجربی با طول فرآیند کمپوست‌سازی که یک ماده طی کرده است، تخمین زده می‌شود. یک روش پیچیده‌تر برای تعیین پایداری شامل اندازه‌گیری جذب اکسیژن کمپوست است، با این استدلال که وقتی فعالیت هوازی در سطح پایینی تثبیت می‌شود، فرآیند میکروبی غالب کمپوست‌سازی متوقف شده است. ^{[ 10 ]}

تحلیل مهندسی

یک فرآیند کمپوست‌سازی کارآمد، چندین عامل را بهینه می‌کند: نسبت کربن به نیتروژن، میزان رطوبت و میزان اکسیژن، که مورد دوم عموماً مهم‌ترین عامل است. ^{[ 2 ]} درک این نکته مهم است که هر مدل تحلیلی بر فرضیات ساده‌سازی متکی است که اگرچه عمدتاً معتبر هستند، اما خطایی را ایجاد می‌کنند که از طریق هر محاسبه منتشر می‌شود. کمپوست‌سازی همچنان یک فرآیند بسیار پیچیده و متغیر است که پیش‌بینی آن دشوار است و در حالی که شواهد تجربی نشان می‌دهد که مدل‌های توسعه‌یافته از طریق تحقیق صحیح هستند، اما همچنان درجه‌ای از تغییرپذیری در نتایج وجود دارد.

نسبت کربن به نیتروژن

تمام مواد آلی حاوی کربن هستند و ممکن است حاوی مقدار مشخصی نیتروژن نیز باشند. همانطور که قبلاً بحث شد، نسبت بهینه C/N برای کمپوست بین 20 تا 35 به 1 است. تجزیه و تحلیل اولیه مواد اولیه باید امکان محاسبه ترکیب مواد اولیه‌ای را که در این فرآیند به طور مؤثر عمل می‌کنند، فراهم کند. ^{[ 11 ]} داده‌هایی در مورد جزئیات ویژگی‌های اکثر مواد کمپوست‌پذیر در دسترس است. ^{[ 12 ]}

برای محاسبه نسبت C/N مخلوطی متشکل از n ماده، می‌توان از فرمول وزنی زیر استفاده کرد:

کجا

x _i = نسبت کربن به نیتروژن یک ماده معین

F _i = کسر جرمی ماده در کل ماده اولیه (مجموع باید برابر با ۱ باشد)

محتوای رطوبت

میکروارگانیسم‌هایی که در هضم مواد آلی در طول کمپوست‌سازی شرکت می‌کنند، به رطوبت نیاز دارند، با این حال، این نیاز با نیاز به تهویه کافی و به ویژه تأمین اکسیژن متعادل می‌شود. ^{[ 13 ]} انتقال ناکافی اکسیژن در سراسر بستر می‌تواند منجر به تجزیه بی‌هوازی و بوهای مرتبط شود، در حالی که رطوبت بسیار کم، فعالیت بیولوژیکی را کاهش می‌دهد. تحقیقات محدود نشان داده است که سطح بهینه رطوبت از 50٪ تا 70٪ بر اساس وزن تر متغیر است که به صورت زیر محاسبه می‌شود:

کجامسیدبلیوب=رطوبت بر اساس تر بودن
εدبلیو=رطوبت حجمی
پیدبلیو=چگالی آب (۹۹۸ کیلوگرم بر متر ^مکعب )
پیتیایتی=چگالی مخلوط کمپوست

اگر رطوبت بستر کمپوست خیلی زیاد باشد، باید مواد خشک به عنوان عامل حجم دهنده به مخلوط اضافه شود تا ساختاری برای نگه داشتن مواد اولیه و انتقال اکسیژن فراهم شود. رایج‌ترین عامل حجم دهنده، تراشه‌های چوب یا خاک اره است، اما از کاغذ خرد شده، پوسته برنج و پوست گردو نیز استفاده می‌شود. ^{[ 1 ]} می‌توان به مخلوطی که رطوبت خیلی کمی دارد، آب اضافه کرد.

تقاضای اکسیژن

اگر ترکیب شیمیایی کلی زباله مشخص باشد و بتوان راندمان انتقال اکسیژن را تخمین زد، می‌توان مقدار نظری اکسیژن مورد نیاز برای یک فرآیند کمپوست‌سازی معین را محاسبه کرد. تحقیقات، ترکیبات رایج‌ترین اجزای زباله را شناسایی کرده‌اند. ^{[ 14 ] [ 15 ]} یک مدل عمومی ساده‌شده فرض می‌کند که ترکیب متوسط ​​مواد آلی زباله ...سی۱0ح۱۹ای۳نتوجه داشته باشید که این مخلوط نیتروژن بسیار بالایی خواهد داشت (نسبت C/N 8.6:1)، اما با افزودن یک عامل حجم‌دهنده مانند خاک اره، این نسبت به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. مدل برای نشان دادن فرآیند ساده‌سازی شده است.

نیاز اکسیژن برای واکنش را می‌توان به صورت استوکیومتری محاسبه کرد: ^{[ 16 ] [ 1 ]}

بر اساس این مدل، برای واکنش کامل با یک کیلوگرم مواد آلی زائد، دو کیلوگرم _{O2 مورد نیاز است. در عمل، واکنش در طول چرخه کمپوست به طور کامل پیش نمی‌رود و توسط فراریت و تجزیه‌پذیری زباله محدود می‌شود. زباله‌های آلی عموماً دارای فراریت حدود 70-80٪} ^{[ 17 ]} و ضریب تجزیه‌پذیری از 0.72 تا 0.82 در نظر گرفته می‌شوند. ^{[ 1 ]} در مورد مثال بالا، حداکثر اکسیژن مورد نیاز برای برآورده کردن این پارامترها (2 کیلوگرم)*(0.8)*(0.82) = 1.31 کیلوگرم O2 _/ کیلوگرم زباله است.

^{با دانستن اینکه هوا در فشار ۱ اتمسفر و دمای ۲۵ درجه} سانتیگراد حاوی ۲۱٪ وزنی اکسیژن است ، می‌توانیم مقدار هوای مورد نیاز برای هر واحد جرم زباله را محاسبه کنیم:

انتقال حرارت

باکتری‌های گرمادوست که فرآیند کمپوست‌سازی را هدایت می‌کنند، در محدوده دمایی بین 20 تا 50 ^درجه سانتیگراد به طور بهینه عمل می‌کنند. تجزیه و تحلیل انتقال حرارت یک توده کمپوست‌سازی را می‌توان به یک تعادل انرژی بین تولید داخلی از فعالیت میکروبی و تلفات ناشی از هدایت، همرفت و تابش کاهش داد.

خواص مهمی که باید بدانید عبارتند از چگالی حجمی مواد اولیه، ^{[ 18 ]} طول مشخصه توده کمپوست و رسانایی حرارتی. ^{[ 19 ]}

بحث مختصری در مورد هر یک از این عوامل در ادامه آمده است:

تولید گرما محصول جانبی فعالیت میکروبی تجزیه است. همچنین نیروی محرکه در این فرآیند است زیرا نشان داده شده است که فعالیت بیولوژیکی با افزایش دما تا 55 ^درجه سانتیگراد افزایش می‌یابد، جایی که رشد باکتری‌ها شروع به کاهش می‌کند. ^{[ 1 ]} طبق قانون فوریه، هر زمان که گرادیان دما وجود داشته باشد،

رسانایی رخ می‌دهد:

که در آن k رسانایی حرارتی یک ماده است، که عموماً بین 0.2 تا 0.5 W/m.K ^برای کمپوست می‌باشد.

همرفت نتیجه جریان سیال بر روی یک جسم در دماهای مختلف است. این امر می‌تواند به طور طبیعی به دلیل نیروهای شناوری ناشی از تغییرات چگالی یا به طور مصنوعی از جریان هوای اجباری مانند جریان هوای ایجاد شده توسط فن یا پمپ رخ دهد. همرفت طبق قانون سرمایش نیوتن اتفاق می‌افتد:

h = ضریب همرفت [W/m².K ^] A
= مساحت سطح [m² ^] T
= دمای توده کمپوست [K]
تی∞= دمای محیط

در یک محیط کمپوست‌سازی، دو نوع همرفت رخ می‌دهد: همرفت درون کمپوست و همرفت بین کمپوست و محیط اطراف. مدل‌سازی انتقال حرارت همرفتی درون کمپوست به دلیل برهمکنش فازهای جامد، مایع و گاز که هم انتقال حرارت همرفتی و هم رسانایی را متحمل می‌شوند، پیچیده است. یک تحلیل پارامتری جامع توسعه داده شده است اما پیچیده است. ^{[ 20 ]} هنگامی که کمپوست‌سازی در یک توده یا توده در فضای باز انجام می‌شود، اتلاف حرارت همرفتی توسط انتقال رسانایی از داخل توده محدود می‌شود، زیرا قسمت بیرونی توده به سرعت با هوای اطراف به تعادل می‌رسد. تخمین میانگین دما در یک توده کمپوست، امکان تحلیل حجم کنترل ساده‌شده‌ای را نسبت به حالت محیط فراهم می‌کند.

تابش بین دو جسم طبق قانون استفان-بولتزمن رخ می‌دهد:

ε= قابلیت نشر
سیگما= ثابت استفان- بولتزمن ⁽ 5.67 x 10 _-8 ^W / ^m2.K4 ) T1 = دمای توده

تی∞= دمای محیط

طراحی

مفهومی

کمپوست‌سازی توده‌ای استاتیک به راحتی روشی است که بیشترین سازگاری را با شرایط اقتصادی و نیروی انسانی مکانی که قرار است در آن استفاده شود، دارد. ^{[ 2 ]} در این رویکرد، هوای فشرده از میان توده دمیده می‌شود تا اکسیژن لازم را تأمین کند. تنها سازه‌های لازم، پلنوم تهویه‌ای است که کمپوست روی آن قرار می‌گیرد و یک دمنده. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، توده را می‌توان به شکل توده‌ای تا طول 25 متر گسترش داد تا حجم بیشتری از کمپوست را در خود جای دهد.

شکل 2: کمپوست‌سازی توده‌ای استاتیک. ^{[ 3 ]}

ملاحظات عملی و همچنین تراکم، عوامل محدودکننده هنگام طراحی ارتفاع توده هستند. در شرایطی که ماشین‌آلات برای جابجایی مواد اولیه در دسترس نیست، توده نباید تا ارتفاعی بلندتر از ارتفاع کارگری که ممکن است با بیل یا شاید چنگک به توده رسیدگی کند، ساخته شود. این امر همچنین تضمین می‌کند که کمپوست تحت وزن خود تا حدی فشرده نشود که جریان هوا را مهار کند.

عرض شمع نباید از دو برابر ارتفاع آن بیشتر باشد. برای مثال، یک شمع با ارتفاع ۱۶۰ سانتی‌متر، حداکثر عرض ۳۲۰ سانتی‌متر خواهد داشت. با طول ۲۵ متر، این سیستم می‌تواند ۶۴ متر ^مکعب زیرلایه را تحمل کند که برای یک جامعه چند صد نفری بیش از حد کافی است.

این پلنوم شامل لوله‌های سوراخ‌دار است که درون یک پخش‌کننده قرار گرفته‌اند و برای توزیع یکنواخت هوا در امتداد ردیف و در عرض توده طراحی شده‌اند. پخش‌کننده را می‌توان از پالت‌های چوبی حمل و نقل که به صورت طولی چیده شده و در یک ماده متخلخل مانند پارچه سنگین یا کرباس پیچیده شده‌اند، ساخت. استفاده از جعبه‌های بسته‌بندی به دلیل در دسترس بودن و توانایی آنها در تحمل بارهای عظیم ایده‌آل است. ^{[ 21 ]} لوله‌های PVC با قطر 3 اینچ نیز در اکثر مکان‌ها با قیمت 2 دلار در هر فوت به راحتی در دسترس هستند. ^{[ 22 ]} هزینه کرباس تقریباً 1 دلار در هر متر ^مربع است. توجه داشته باشید که پخش‌کننده نباید در تمام طول ردیف امتداد یابد تا از اتصال کوتاه جریان هوا جلوگیری شود. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، پخش‌کننده باید قبل از انتهای ردیف، به اندازه یک طول به ارتفاع توده - یعنی در این مورد 160 سانتی‌متر - به پایان برسد. این کار تضمین می‌کند که جریان هوا در کل پلنوم یکنواخت باشد.

شکل 3: انتهای ویندرو که پخش‌کننده را نشان می‌دهد. ^{[ 3 ]}

به دلیل سرعت جریان کم مورد نیاز، نیازی به اندازه گیری خیلی بزرگ دمنده نیست. اگرچه گرادیان فشار، جریان هوا را از توده کمپوست تسریع می‌کند، اما به دلیل افزایش دما در داخل توده، همرفت طبیعی وجود دارد. بر اساس محاسبه قبلی مبنی بر 5.2 کیلوگرم هوا مورد نیاز برای هر کیلوگرم کمپوست و طول فرآیند 23 روز، سرعت جریان 5 متر ^مکعب در دقیقه مورد نیاز است، یا تقریباً معادل جریان فن خروجی که ممکن است بالای اجاق گاز خود پیدا کنید. چنین دمنده‌هایی با قیمتی کمتر از 200 دلار در دسترس هستند.

مواد اضافی مورد نیاز شامل یک عامل حجم دهنده مانند خاک اره است. یک ماده مناسب معمولاً در بیشتر مناطق به صورت محلی یافت می‌شود. با پوشاندن مواد کمپوست در یک لایه نازک از خاک سطحی برای حفظ گرما، می‌توان راندمان فرآیند را بهبود بخشید و از مزیت کنترل بو نیز بهره‌مند شد.

محدودیت‌ها و کارهای آینده

طرح شرح داده شده یک راهنما است. آزمایش در مزرعه برای تعیین پارامترهایی که بسته به آب و هوای محلی، مواد اولیه، مقیاس اجرا و در دسترس بودن نیروی کار، مؤثرترین خواهند بود، ضروری است. ^{[ 23 ]} کمپوست باید قبل از استفاده برای محصولات کشاورزی از نظر وجود عوامل بیماری‌زا آزمایش شود و محل کمپوست‌سازی باید در مکانی واقع شود که نزدیک به مناطق مسکونی نباشد تا تأثیر بوهای بالقوه آزاردهنده و مواد محرک موجود در هوا کاهش یابد.

مقداری پیش‌پردازش مواد آلی مانند خرد کردن یا مالچ‌پاشی، زمان کمپوست‌سازی را کوتاه کرده و احتمال ایجاد توده‌های بی‌هوازی در توده را کاهش می‌دهد. لازم به ذکر است که این کار هزینه و پیچیدگی فرآیند را افزایش می‌دهد و ممکن است در برخی مکان‌ها امکان‌پذیر نباشد. خانوارها باید تشویق شوند که به طور فعال در برنامه‌های جداسازی زباله شرکت کنند تا نیروی کار لازم برای جداسازی مواد آلی کاهش یابد.

تحلیل حساسیت ابزاری ارزشمند در تعیین دقیق میزان تأثیر دستکاری هر متغیر فرآیند بر نتیجه خواهد بود.

مطالعه و شرح فرآیند انتخاب مکان، شامل عوامل مرتبط با جمعیت و نگرانی‌های زیست‌محیطی، مفید خواهد بود.

گنجاندن ضایعات کشاورزی مانند کود در خوراک دام مفید خواهد بود.

یک مدل CFD از توده هوادهی شده در مدل‌سازی توزیع دما و همچنین انتقال اکسیژن به زیرلایه مفید خواهد بود. این می‌تواند انتخاب دمنده و اندازه پلنوم را اصلاح کند.

منابع