10.4 एनारोबिक उपचार

एनारोबिक पाचन (एडी) का उपयोग लंबे समय से स्थिरता और कीचड़ द्रव्यमान प्रक्रिया में कमी के लिए किया गया है, मुख्य रूप से ऑपरेशन की सादगी, अपेक्षाकृत कम लागत और संभावित ऊर्जा स्रोत के रूप में बायोगैस का उत्पादन। एनारोबिक पाचन के सामान्य स्टोइचियोमेट्रिक प्रतिनिधित्व को निम्नानुसार वर्णित किया जा सकता है:

$ सीएनएचओबी+ (एन-ए/4-बी/2)\ सीडीओटी एच_2 ओ\ आरएआरआर (एन/2-ए/8+बी/4)\ सीडॉट सीओ_2+ (एन/2+ए/8-बी/4)\ सीडीओटी सीएच 4$ (10.4)

समीकरण 10.4 बायोगैस सामान्य जन संतुलन (Marchaim 1992)।

और सैद्धांतिक मीथेन एकाग्रता की गणना निम्नानुसार की जा सकती है:

$ [CH_4] = 0.5+ (ए/4+बी/2) /2 एन $ (10.5)

समीकरण 10.5 बायोगैस में सैद्धांतिक उम्मीद मीथेन एकाग्रता (Marchaim 1992)।

ई. से अंतिम उत्पादों ज्यादातर अकार्बनिक सामग्री (जैसे खनिज), थोड़ा अपमानित कार्बनिक यौगिकों और बायोगैस जो आम तौर पर\ > 55% मीथेन (CHSub4/उप) और कार्बन डाइऑक्साइड (Cosub2/उप) से बना है, केवल छोटे स्तर (\ 1%) हाइड्रोजन सल्फाइड (एच <sub2/subs) और कुल अमोनिया नाइट्रोजन (NHSUB3/ उपकरण+/एसयूपी/एनएच 4 एसयूपी +/एसयूपी) (एपल्स एट अल 2008)।

अंजीर 10.4 योजनाबद्ध आरेख गार्सिया एट अल के आधार पर कार्बनिक पदार्थ का एनारोबिक गिरावट दिखा रहा है। (2000)

एडी की प्रक्रिया के दौरान, कार्बनिक कीचड़ अपने भौतिक, रासायनिक और जैविक गुणों में काफी बदलाव करती है और स्कीमेटिक रूप से चार चरणों (चित्र 10.4) में विभाजित किया जा सकता है। पहला चरण हाइड्रोलिसिस है, जहां जटिल कार्बनिक पदार्थ जैसे लिपिड, पॉलीसेकेराइड, प्रोटीन और न्यूक्लिक एसिड घुलनशील कार्बनिक पदार्थों (शर्करा, एमिनो एसिड और फैटी एसिड) में नीचा होते हैं। यह कदम आम तौर पर दर-सीमित माना जाता है (Deublein और Steinhauser 2010)। दूसरे चरण acidogenesis मोनोमर पहले चरण में गठित आगे विभाजित है, और अस्थिर फैटी एसिड (VFA) अमोनिया, Cosub2/उप, HSUB2/SUB और अन्य उप-उत्पादों के साथ acidogenic (fermentative) बैक्टीरिया द्वारा उत्पादित कर रहे हैं। तीसरा चरण एसिटोजेनेसिस है, जहां वीएफए और अल्कोहल एसिटोजेन्स द्वारा मुख्य रूप से एसिटिक एसिड के साथ-साथ कॉसब2/सब और एचएसयूबी 2/एसयूबी का उत्पादन करने के लिए आगे पच जाते हैं। इस रूपांतरण को मिश्रण में एचएसयूबी 2/एसयूबी के आंशिक दबाव से काफी हद तक नियंत्रित किया जाता है। अंतिम चरण metanogenesis जहां मीथेन मुख्य रूप से metanogenic बैक्टीरिया के दो समूहों द्वारा उत्पादित है: एसिटोट्रॉफिक पुरातन, जो मीथेन और Cosub2/उप, और हाइड्रोजनोट्रॉफिक पुरालेख में एसीटेट विभाजित मीथेन का उत्पादन करने के लिए इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में एक इलेक्ट्रॉन दाता और कार्बन डाइऑक्साइड के रूप में हाइड्रोजन का उपयोग (Appels एट अल 2008)।

कीचड़ पीएच, लवणता, खनिज संरचना, तापमान, लोडिंग दर, हाइड्रोलिक प्रतिधारण समय (एचआरटी), कार्बन-टू-नाइट्रोजन (सी/एन) अनुपात और अस्थिर फैटी एसिड सामग्री जैसे विभिन्न कारक कीचड़ की पाचनशक्ति और बायोगैस उत्पादन (खालिद एट अल। 2011) को प्रभावित करते हैं।

चित्र 10.5 एक अपफ्लो एनारोबिक कीचड़ कंबल रिएक्टर की योजना (यूएएसबी)

रास से एनारोबिक कीचड़ उपचार के बारे में शुरू हुआ 30 मीठे पानी रास से कीचड़ पर रिपोर्ट के साथ साल पहले (Lanari और फ्रेंसी 1998) समुद्री पर रिपोर्ट के बाद (Arbiv और वैन Rijn 1995; Klas एट अल. 2006; मैकडरमोट एट अल. 2001) और खारे पानी के संचालन (Gebauer और Eikebrokk 2006; मिर्ज़ोयान एट अल 2008)। हाल ही में, आरएएस कीचड़ के एडी के लिए यूएएसबी (चित्र 10.5) का उपयोग करने के बाद ऊर्जा के वैकल्पिक स्रोत के रूप में बायोगैस उत्पादन का सुझाव दिया गया था (मिरज़ोयन एट अल। 2010)। रिएक्टर एक टैंक से बना है, जिसमें से एक हिस्सा सक्रिय सूक्ष्मजीव प्रजातियों वाले एनारोबिक दानेदार कीचड़ कंबल से भरा होता है। कीचड़ एक ‘माइक्रोबियल कंलैंकेट’ के माध्यम से ऊपर की तरफ बहती है जहां यह एनारोबिक सूक्ष्मजीवों द्वारा अपमानित होती है और बायोगैस का उत्पादन होता है। डिगस्टर के शीर्ष पर एक उल्टे शंकु आबादकार गैस की अनुमति देता है - तरल जुदाई। जब बायोगैस को फ्लॉक से जारी किया जाता है, तो यह डिफलेक्टरों द्वारा शंकु में उन्मुख होता है। रिएक्टर में धीमी गति से मिश्रण बायोगैस बुलबुले से जुड़े माइक्रोबियल फ्लॉक के प्राकृतिक आंदोलन के साथ मिलकर ऊपर की तरफ प्रवाह से होता है। कुछ बिंदु पर, फ्लॉक गैस बुलबुले छोड़ देता है और प्रवाह को टीएसएस से मुक्त होने की इजाजत देता है, जिसे फिर सिस्टम में वापस पुनर्नवीनीकरण किया जा सकता है या जारी किया जा सकता है। यूएएसबी का मुख्य लाभ कम परिचालन लागत और संचालन की सादगी है, जबकि कम (1— 3%) टीएसएस सामग्री (मार्चैम 1992; योगेव एट अल। 2017) के साथ कचरे के लिए उच्च (\ > 92%) ठोस दक्षता प्रदान करते हैं।

हाल के दो मामले अध्ययनों पायलट पैमाने समुद्री और खारा रास में ठोस पदार्थों के लिए एक इलाज के रूप में यूएएसबी के उपयोग का प्रदर्शन किया, जो aquaponics में इस इकाई के संभावित लाभ का एक उदाहरण प्रदान करते हैं (ताल एट अल. 2009; Yogev एट अल. 2017)। कार्बन संतुलन पर एक विस्तृत नज़र सुझाव दिया है कि शुरू की कार्बन (फ़ीड से) के बारे में 50% मछली आत्मसात और श्वसन द्वारा हटा दिया गया था, 10% नाइट्रिफिकेशन biorector में एरोबिक biodegradation द्वारा हटा दिया गया था और 10% denitrification रिएक्टर में हटा दिया गया था (Yogev एट अल। 2017)। इसलिए, यूएएसबी रिएक्टर में कुल मिलाकर 25% कार्बन पेश किया गया था जिसमें 12.5% मीथेन में परिवर्तित हो गया था, 7.5% कोसब2/उप और बाकी (\ ~ 5%) यूएएसबी में गैर-डिग्रेडेबल कार्बन के रूप में बने रहे। संक्षेप में, यह दिखाया गया था कि यूएएसबी के उपयोग से बेहतर पानी पुनरावृत्ति (\ > 99%), छोटे (\ 8%) कीचड़ के उत्पादन की अनुमति दी जाती है जब ठेठ आरएएस के साथ तुलना में, जो साइट पर ठोस उपचार नहीं है, और ऊर्जा की वसूली जो आरएएस की समग्र ऊर्जा मांग के 12% के लिए जिम्मेदार हो सकती है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि एक्वापोनिक्स में यूएएसबी का उपयोग करने से नाइट्रोजन, फास्फोरस और पोटेशियम जैसे 50% अधिक पोषक तत्वों की महत्वपूर्ण वसूली की अनुमति मिल जाएगी क्योंकि उन्हें ठोस बायोडिग्रेडेशन (गॉडडेक एट अल। 2018) के परिणामस्वरूप पानी में छोड़ दिया जाता है।

एनारोबिक झिल्ली बायोरिएक्टर (एएनएमबीआर) एक और उन्नत तकनीक है। मुख्य प्रक्रिया में यूएएसबी के रूप में एक decanting प्रक्रिया का उपयोग करने के बजाय तरल से ठोस पदार्थों को अलग करने के लिए एक विशेष झिल्ली का उपयोग करना होता है। कीचड़ किण्वन एक साधारण एनारोबिक टैंक में होता है और प्रवाह झिल्ली के माध्यम से इसे छोड़ देते हैं। झिल्ली ताकना आकार (0.1-0.5 माइक्रोन तक नीचे जा रहा है) के आधार पर भी सूक्ष्मजीवों को बनाए रखा जा सकता है। दो प्रकार के झिल्ली बायोरिएक्टर डिज़ाइन हैं: एक टैंक के बाहर एक साइड-स्ट्रीम मोड का उपयोग करता है, और दूसरे में झिल्ली इकाई टैंक (चित्र 10.6) में डूबे हुई है, बाद में इसकी अधिक कॉम्पैक्ट कॉन्फ़िगरेशन और कम ऊर्जा खपत (चांग 2014) के कारण AnMbr अनुप्रयोग में अधिक अनुकूल है। इस तरह के चीनी मिट्टी या बहुलक के रूप में विभिन्न सामग्रियों की झिल्ली (जैसे polyvinylidene फ्लोराइड (PVDF), polyethersulfone (PES), पॉलीविनाइल क्लोराइड (पीवीसी)) प्लेट और फ्रेम, खोखले फाइबर या ट्यूबलर इकाइयों के रूप में विन्यस्त किया जा सकता है (गैंडर एट अल। 2000; हुआंग एट अल। 2010)। एएनएमबीआर के यूएएसबी जैसे विशिष्ट जैविक रिएक्टरों पर कई महत्वपूर्ण फायदे हैं, अर्थात्, (लंबी) कीचड़ प्रतिधारण समय (एसआरटी) और (लघु) हाइड्रोलिक निवास समय (एचआरटी) का decoupling, इसलिए एडी प्रक्रिया की धीमी गतिकी की की समस्या को दूर करने में सक्षम करना; बहुत अधिक प्रवाह गुणवत्ता जिसमें सबसे अधिक पोषक तत्वों रहते हैं; और रोगजनकों को हटाने और एक छोटे पदचिह्न (Judd और Judd 2008)। इसके अलावा, AnMbr में कुशल बायोगैस उत्पादन संभवतः शुद्ध ऊर्जा संतुलन में परिणाम कर सकता है।

अंजीर 10.6 (ए) साइड-स्ट्रीम एमबीआर को एक अलग निस्पंदन इकाई के साथ एक अलग निस्पंदन इकाई के साथ बायोरिएक्टर को वापस पुनर्नवीनीकरण किया गया; (बी) जलमग्न एमबीआर: बायोरिएक्टर में एकीकृत निस्पंदन इकाई। (गैंडर एट अल। 2000)

हालांकि यह तकनीक बहुत अधिक ध्यान और अनुसंधान के योग्य है, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि चूंकि यह एक काफी नई तकनीक है, फिर भी कई महत्वपूर्ण कमियां हैं जिन्हें एएनएमबीआर को जलीय कृषि उद्योग द्वारा अपनाया जाने से पहले संबोधित किया जाना चाहिए। बायोगैस में बायोफॉलिंग, नियमित मेम्ब्रेन एक्सचेंज और हाई सीओ को रोकने के लिए झिल्ली रखरखाव के कारण ये उच्च परिचालन लागतें हैं<sub2/उप अंश (30— 50%) जो इसके उपयोग को सीमित करता है और ग्रीनहाउस गैस (GHG) उत्सर्जन (कुई एट अल। 2003) में योगदान देता है। एक सकारात्मक नोट पर, निकट भविष्य में, नई बायोफ्लोलिंग रोकथाम तकनीक विकसित की जाएगी जबकि झिल्ली की लागत निश्चित रूप से इस तकनीक के व्यापक उपयोग के साथ गिर जाएगी। यूएएसबी प्रवाह को फ़िल्टर करने के लिए झिल्ली रिएक्टर के साथ यूएएसबी का संयोजन कार्बनिक कार्बन और नाइट्रोजन को हटाने के लिए सफलतापूर्वक अध्ययन किया गया है (एक एट अल। 2009)। यह संयोजन यूएएसबी प्रदूषण के सुरक्षित और स्वच्छता उपयोग के लिए एक्वापोनिक्स के लिए एक आशाजनक विकल्प लगता है।

10.4.1 कार्यान्वयन

एनारोबिक रिएक्टरों को लागू करने का एक संभावित समाधान अनुक्रमिक तरीके से है (यह भी देखें [चैप 8](/दायिक/लेख/अध्याय -8-decoupled-एक्वापोनिकस-सिस्टम))। एक ‘उच्च पीएच-लो पीएच’ संयोजन पहले उच्च पीएच चरण में मीथेन की कटाई (और इस प्रकार कार्बन को कम करने) और बाद में कम पीएच वातावरण में डिकार्बोनाइज्ड कीचड़ में पोषक तत्वों को एकत्रित करने की अनुमति देता है। इस विधि का लाभ यह है कि उच्च पीएच स्थितियों के तहत कार्बन में कमी के परिणामस्वरूप कम वीएफए होता है, जो कम पीएच दूसरे चरण (चित्र 10.7) के दौरान हो सकता है। यह दृष्टिकोण समग्र योजना से बायोगैस उत्पादन और पोषक तत्व वसूली दोनों को बढ़ाने के लिए हरी वनस्पति पदार्थ (यानी पौधों की किसी भी कटाई से, अपशिष्ट वनस्पति पदार्थ होगा जो इस तरह के एक डाइजेस्टर के माध्यम से लगाया जा सकता है) के सह-पाचन के लिए भी अनुमति देता है।

एक अन्य तकनीकी एकीकरण संभावना आयरे एट अल (2017) द्वारा प्रस्तुत की गई है। वे एक उच्च पीएच एनारोबिक डाइजेस्टर के प्रवाह को एक अल्गल संस्कृति तालाब में निर्वहन करने का प्रस्ताव देते हैं। उस तालाब के भीतर, शैवाल उगाए जाते हैं, जिनके बायोमास का उपयोग पशु-एक्वाकल्चर फीड या बायोफर्टिलाइजेशन (चित्र 10.8) के लिए किया जा सकता है। इस दृष्टिकोण के बारे में अधिक विस्तृत जानकारी [चैप 11](/दायिक/लेख/अध्याय -11-एक्वापोनिकस-सिस्टम-मॉडलिंग) में पाई जा सकती है।

अंजीर 10.7 दो चरण एनारोबिक प्रणाली। पहले चरण (उच्च पीएच) में, कार्बन को कीचड़ से बायोगैस के रूप में हटा दिया जाएगा, जबकि दूसरे चरण में कम पीएच पोषक तत्वों की अनुमति देता है जो कीचड़ में फंस जाते हैं, पानी में भंग हो जाते हैं। आमतौर पर, अस्थिर फैटी एसिड (वीएफए) कम पीएच वातावरण में बन जाएगा। पहले चरण में कार्बन स्रोत को हटाने, हालांकि, इस तरह के एक अनुक्रमिक सेटअप में वीएफए उत्पादन को सीमित करता है

अंजीर 10.8 आयरे एट अल पर आधारित जलीय कृषि और अल्गल संस्कृति के साथ एकीकृत एनारोबिक पाचन प्रणाली (2017)