بررسی کارایی افزودنی‌های بر پایه آهن در هضم بی‌هوازی کودهای دامی: مطالعه مدل‌سازی سینیتیک

ماشین های کشاورزی

مقاله 10، دوره 14، شماره 1 - شماره پیاپی 31، فروردین 1403، صفحه 15-34   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی انگلیسی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jam.2023.83173.1176

نویسندگان

جواد رضایی فر؛ عباس روحانی^* ؛ محمدعلی ابراهیمی نیک

گروه مهندسی بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

چکیده

در تلاش برای بهبود عملکرد و پایداری هضم بی‌هوازی (AD)، افزودنی‌های مبتنی بر آهن به‌عنوان ریزمغذی‌ها و لجن تصفیه آب آشامیدنی (DWTS) می‌توانند نقش کلیدی داشته باشند. این مطالعه به بررسی سینتیک تولید متان در طول AD کودهای گاوی می‌پردازد که شامل غلظت‌های مختلف Fe و Fe₃O₄ (10، 20 و 30 میلی‌گرم در لیتر) و DWTS (6، 12 و 18 میلی‌گرم در لیتر) می‌شود. با استفاده از یک کتابخانه گسترده از مدل‌های رگرسیون غیرخطی (NLR)، 26 نامزد مورد بررسی قرار گرفتند و هشت مورد به‌عنوان پیش‌بینی‌کننده‌های قوی برای کل فرآیند تولید متان ظاهر شدند. مدل Michaelis-Menten به‌عنوان انتخاب برتر برجسته شد و سینتیک کودهای دامی AD را با افزودنی‌های مشخص‌شده آشکار کرد. یافته‌ها نشان داد که سطوح مختلف DWTS بالاترین تولید متان را به‌همراه دارد، در حالی‌که Fe₃O₄20 و Fe₃O₄30 کمترین میزان را ثبت کردند. قابل‌ذکر است، DWTS6 تولید متان تقریباً 34% و 42% را در مقایسه با Fe20 و Fe₃O₄30 نشان داد و آن را به‌عنوان موثرترین تیمار معرفی کرد. علاوه بر این، DWTS12 بالاترین میزان تولید متان را به نمایش گذاشت و به 6/147 سی‌سی در روز ششم رسید. با تأکید بر مفاهیم عملی، این تحقیق بر کاربرد مدل پیشنهادی برای تجزیه و تحلیل سایر پارامترها و بهینه‌سازی عملکرد AD تأکید می‌کند. این مطالعه با بررسی پتانسیل افزودنی‌های مبتنی بر آهن و DWTS، مسیر را در تولید متان از کودهای گاوی و پیشبرد شیوه‌های مدیریت زباله پایدار هموار می‌سازد.

کلیدواژه‌ها

عناصر کمیاب؛ کود دامی؛ مدل‌سازی؛ مطالعه سینتیک؛ هضم بی‌هوازی

سایر فایل های مرتبط با مقاله

2.xml

f1.jpg

f2.jpg

f3.jpg

f4.jpg

f5.jpg

f6.jpg

t2.jpg

مراجع

1. Abdelsalam, E., Samer, M., Attia, Y., Abdel-Hadi, M., Hassan, H., & Badr, Y. (2016). Comparison of nanoparticles effects on biogas and methane production from anaerobic digestion of cattle dung slurry. Renewable Energy, 87, 592-598. https://doi.org/10.1016/j.renene.2015.10.053
2. Abdelsalam, E., Samer, M., Attia, Y. A., Abdel-Hadi, M. A., Hassan, H. E., & Badr, Y. (2017). Influence of zero valent iron nanoparticles and magnetic iron oxide nanoparticles on biogas and methane production from anaerobic digestion of manure. Energy, 120, 842-853. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.11.137
3. Ahmad, T., Ahmad, K., & Alam, M. (2016). Sustainable management of water treatment sludge through 3 ‘R’concept. Journal of Cleaner Production, 124, 1-13. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2016.02.073
4. Al Seadi, T., Rutz, D., Prassl, H., Köttner, M., Finsterwalder, T., Volk, S., & Janssen, R. (2008). Biogas Handbook; University of Southern Denmark Esbjerg: Esbjerg, Denmark, 2008. Google Scholar.
5. Ali, A., Mahar, R. B., Soomro, R. A., & Sherazi, S. T. H. (2017). Fe₃O₄ nanoparticles facilitated anaerobic digestion of organic fraction of municipal solid waste for enhancement of methane production. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 39(16), 1815-1822. https://doi.org/10.1080/15567036.2017.1384866
6. Andriamanohiarisoamanana, F. J., Ihara, I., Yoshida, G., & Umetsu, K. (2020). Kinetic study of oxytetracycline and chlortetracycline inhibition in the anaerobic digestion of dairy manure. Bioresource Technology, 315, 123810. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123810
7. APHA. (2005). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 21st ed. American Public Health Association, Washington DC, 1220p.
8. Archontoulis, S. V., & Miguez, F. E. (2015). Nonlinear regression models and applications in agricultural research. Agronomy Journal, 107(2), 786-798. https://doi.org/10.2134/agronj2012.0506
9. Casals, E., Barrena, R., Garcia, A., González, E., Delgado, L., Busquets-Fité, M., Font Segura, X., Arbiol, J., Glatzel, P., Kvashnina, K., Sánchez, A., & Puntes, V. (2014). Programmed Iron Oxide Nanoparticles Disintegration in Anaerobic Digesters Boosts Biogas Production. Small (Weinheim an Der Bergstrasse, Germany), 10. https://doi.org/10.1002/smll.201303703
10. Chen, R., Konishi, Y., & Nomura, T. (2018). Enhancement of methane production by Methanosarcina barkeri using Fe₃O₄ nanoparticles as iron sustained release agent. Advanced Powder Technology, 29(10), 2429-2433. https://doi.org/10.1016/j.apt.2018.06.022
11. Cheng, J., Zhu, C., Zhu, J., Jing, X., Kong, F., & Zhang, C. (2020). Effects of waste rusted iron shavings on enhancing anaerobic digestion of food wastes and municipal sludge. Journal of Cleaner Production, 242, 118195. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.118195
12. Choong, Y. Y., Norli, I., Abdullah, A. Z., & Yhaya, M. F. (2016). Impacts of trace element supplementation on the performance of anaerobic digestion process: A critical review. Bioresource Technology, 209, 369-379. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.03.028
13. Demirel, B., & Scherer, P. (2011). Trace element requirements of agricultural biogas digesters during biological conversion of renewable biomass to methane. Biomass and Bioenergy, 35(3), 992-998. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2010.12.022
14. Dudley, B. (2019). BP statistical review of world energy 2016. British Petroleum Statistical Review of World Energy, Bplc. editor, Pureprint Group Limited, UK.
15. Ebrahimi-Nik, M., Heidari, A., Azghandi, S. R., Mohammadi, F. A., & Younesi, H. (2018). Drinking water treatment sludge as an effective additive for biogas production from food waste; kinetic evaluation and biomethane potential test. Bioresource Technology, 260, 421-426. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.03.112
16. Ebrahimzade, I., Ebrahimi-Nik, M., Rohani, A., & Tedesco, S. (2021). Higher energy conversion efficiency in anaerobic degradation of bioplastic by response surface methodology. Journal of Cleaner Production, 290, 125840. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.125840
17. Ebrahimzade, I., Ebrahimi-Nik, M., Rohani, A., & Tedesco, S. (2022). Towards monitoring biodegradation of starch-based bioplastic in anaerobic condition: Finding a proper kinetic model. Bioresource Technology, 347, 126661. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126661
18. Gkotsis, P., Kougias, P., Mitrakas, M., & Zouboulis, A. (2023). Biogas upgrading technologies–Recent advances in membrane-based processes. International Journal of Hydrogen Energy, 48(10), 3965-3993. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.10.228
19. Hao, X., Wei, J., van Loosdrecht, M. C., & Cao, D. (2017). Analysing the mechanisms of sludge digestion enhanced by iron. Water Research, 117, 58-67. https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.03.048
20. Holliger, C., Alves, M., Andrade, D., Angelidaki, I., Astals, S., Baier, U., Bougrier, C., Buffière, P., Carballa, M., & De Wilde, V. (2016). Towards a standardization of biomethane potential tests. Water Science and Technology, 74(11), 2515-2522. https://doi.org/10.2166/wst.2016.336
21. Huiliñir, C., Montalvo, S., & Guerrero, L. (2015). Biodegradability and methane production from secondary paper and pulp sludge: effect of fly ash and modeling. Water Science and Technology, 72(2), 230-237. https://doi.org/10.2166/wst.2015.210
22. Huiliñir, C., Pinto-Villegas, P., Castillo, A., Montalvo, S., & Guerrero, L. (2017). Biochemical methane potential from sewage sludge: Effect of an aerobic pretreatment and fly ash addition as source of trace elements. Waste Management, 64, 140-148. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.03.023
23. Karki, R., Chuenchart, W., Surendra, K. C., Sung, S., Raskin, L., & Khanal, S. K. (2022). Anaerobic co-digestion of various organic wastes: Kinetic modeling and synergistic impact evaluation. Bioresource Technology, 343, 126063. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126063
24. Khamis, A. (2005). Nonlinear growth models for modeling oil palm yield growth. Journal of Mathematics and Statistics, 1(3), 225-233. https://doi.org/3844/jmssp.2005.225.232
25. Kong, X., Yu, S., Xu, S., Fang, W., Liu, J., & Li, H. (2018). Effect of FeO addition on volatile fatty acids evolution on anaerobic digestion at high organic loading rates. Waste Management, 71, 719-727. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.03.019
26. Lima, D. R. S., Adarme, O. F. H., Baˆeta, B. E. L., Gurgel, L. V. A., & de Aquino, S. F. (2018). Influence of different thermal pretreatments and inoculum selection on the biomethanation of sugarcane bagasse by solid-state anaerobic digestion: A kinetic analysis. Industrial Crops and Products, 111, 684-693. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2017.11.048
27. Lu, J., & Gao, X. (2021). Biogas: Potential, challenges, and perspectives in a changing China. Biomass and Bioenergy, 150, 106127. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2021.106127
28. Muddasar, M. (2022). Biogas production from organic wastes and iron as an additive–a short review. Preprints.org 2022, 2022010026. https://doi.org/10.20944/preprints202201.0026.v1
29. Masih-Das, J., & Tao, W. (2018). Anaerobic co-digestion of foodwaste with liquid dairy manure or manure digestate: Co-substrate limitation and inhibition. Journal of Environmental Management, 223, 917-924. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.07.016
30. Noonari, A. A., Mahar, R. B., Sahito, A. R., & Brohi, K. M. (2019). Anaerobic co-digestion of canola straw and banana plant wastes with buffalo dung: Effect of Fe₃O₄ nanoparticles on methane yield. Renewable Energy, 133, 1046-1054. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.10.113
31. Pardilhó, S., Pires, J. C., Boaventura, R., Almeida, M., & Dias, J. M. (2022). Biogas production from residual marine macroalgae biomass: Kinetic modeling approach. Bioresource Technology, 359, 127473. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.127473
32. Raposo, F., De la Rubia, M., Fernández-Cegrí, V., & Borja, R. (2012). Anaerobic digestion of solid organic substrates in batch mode: an overview relating to methane yields and experimental procedures. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(1), 861-877. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.09.008
33. Rosato, M. A. (2017). Managing biogas plants: A practical guide. CRC Press.
34. Schmidt, T., Nelles, M., Scholwin, F., & Proter, J. (2014). Trace element supplementation in the biogas production from wheat stillage– optimization of metal dosing. Bioresource Technology, 168, 80-85. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.02.124
35. Stoddard, I. (2010). Communal polyethylene biogas systems: Experiences from on-farm research in rural West Java.
36. Torres-Lozada, P., Díaz-Granados, J. S., & Parra-Orobio, B. A. (2015). Effects of the incorporation of drinking water sludge on the anaerobic digestion of domestic wastewater sludge for methane production. Water Science and Technology, 72(6), 1016-1021. https://doi.org/10.2166/wst.2015.291
37. Wang, M., Tang, S. X., & Tan, Z. L. (2011). Modeling in vitro gas production kinetics: derivation of logistic–exponential (LE) equations and comparison of models. Animal Feed Science and Technology, 165(3-4), 137-150. https://doi.org/10.1016/j.anifeedsci.2010.09.016
38. Wang, K., Yun, S., Xing, T., Li, B., Abbas, Y., & Liu, X. (2021). Binary and ternary trace elements to enhance anaerobic digestion of cattle manure: Focusing on kinetic models for biogas production and digestate utilization. Bioresource Technology, 323, 124571. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124571
39. Wellinger, A., Murphy, J. D., & Baxter, D. (2013). The biogas handbook: science, production and applications. Elsevier.
40. Zareei, S. (2018). Evaluation of biogas potential from livestock manures and rural wastes using GIS in Iran. Renewable Energy, 118, 351-356. https://doi.org/10.1016/j.renene.2017.11.026
41. Zhang, Y., Feng, Y., Yu, Q., Xu, Z., & Quan, X. (2014). Enhanced high-solids anaerobic digestion of waste activated sludge by the addition of scrap iron. Bioresource Technology, 159, 297-304. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.02.114
42. Zhao, Z., Li, Y., Quan, X., & Zhang, Y. (2017). Towards engineering application: Potential mechanism for enhancing anaerobic digestion of complex organic waste with different types of conductive materials. Water Research, 115, 266-277. https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.02.067