بهينه‌سازي متغيرهاي دما و زمان پيش‌تيمار حرارتي و غلظت مواد آلي به‌منظور توليد بيشينه متان در هضم بي‌هوازي پسماندهاي آلي

Optimization of Thermal Pre-treatment Temperature and Time and Material Concentration to Maximize Methane Production in Anaerobic Digestion of Organic Waste

هضم بي‌هوازي پسماندهاي آلي داراي مشكلاتي همچون كند بودن فرآيند و در نتيجه نياز به حجم زياد راكتور، عدم توليد متان كافي براي تامين انرژي مورد نياز فرآيند و همچنين عدم اطمينان از سلامت مواد هضم ‌شده براي استفاده در اراضي كشاورزي به عنوان كود آلي است. پيش‌تيمار حرارتي پسماندهاي آلي مي‌تواند به عنوان روشي براي حل مشكلات مطرح شده در خصوص فرآيند هضم بي‌هوازي در نظر گرفته ‌شود. از سوي ديگر محققين بسياري اعمال دماهاي بالا به‌منظور پيش‌تيمار انواع مواد آلي مانند پسماندهاي غذايي كه به سهولت قابل تجزيه هستند را به دليل تاثير نامطلوب در فرآيند هضم و كاهش توليد متان توصيه نمي‌كنند. در اين تحقيق تأثير پارامترهاي مستقل شامل دماي پيش‌تيمار در سه سطح 70، 90 و 110 درجه سلسيوس، زمان پيش‌تيمار در سه سطح 30، 75 و 120 دقيقه و غلظت در سه سطح 8، 12 و 16 درصد بر روي ميزان توليد متان بررسي شدند. به‌منظور بهينه‌سازي اين پارامترها، مدل‌سازي با استفاده از روش سطح پاسخ و در قالب طرح باكس بنكن انجام و سپس از الگوريتم ژنتيك براي يافتن سطوح بهينه متغيرهاي مورد‌ بررسي بهره‌گيري شد. نتايج بهينه‌سازي فرآيند پيش‌تيمار حرارتي با استفاده از الگوريتم ژنتيك نشان داد كه مطلوب­ ترين مقادير مربوط به دما و زمان پيش‌تيمار و غلظت مورد بررسي به ترتيب 96 درجه سلسيوس و 95 دقيقه و 12 درصد بوده‌اند. ميزان مورد انتظار توليد متان بر اساس الگوريتم ژنتيك با اعمال شرايط بهينه دما و زمان پيش‌تيمار و غلظت برابر 354 ميلي‌ليتر به ازاي هر گرم ماده آلي فرار بوده كه مطابقت خوبي با ميزان واقعي متان حاصل شده پس از اعمال اين پيش‌تيمار بر پسماندهاي آلي داشته است (354 ± 4.58).

Anaerobic digestion of municipal organic waste faces numerous challenges. This process is often lengthy, requires a large reactor volume and produces insufficient methane to supply the process energy need, as well as uncertain digestate to be utilized in farmlands. Thermal pretreatment sometimes can be considered as an efficient method to address these problems. Many researchers, on the other hand, suggest that applying high temperature thermal pretreatment for easily biodegradable organics such as food waste will result in reduced methane production. In the current study, the contribution of the independent variables, including pretreatment temperature at 70, 90 and 110 ̊C, pretreatment duration of 30, 75 and 120 minutes as well as the digestible concentration at 8, 12 and 16% to methane production were considered. To optimize the aforementioned variables, modeling was conducted using Box-Behnken design followed by Genetic Algorithm to find the optimal quantities for mentioned parameters. The results of Genetic Algorithm revealed that the optimum pretreatment temperature and time and organic concentration to achieve the highest amount of methane from anaerobic digestion of organic waste would be 96 ̊C, 95 minutes and 12%. The predicted amount of methane applying the optimal conditions of temperature and pretreatment time and solid content resulting from Genetic Algorithm was 354 mL per gram of volatile solids. This value was in a good agreement with the actual amount of methane obtained applying these pretreatment conditions to organic wastes (354 ± 4.58)