مدلسازی و طراحی سیستمهای ورمی کمپوست

فرآیندهای دیگری که در آن کرم های خاکی برای تغذیه از یک یا سایر بسترها، برای تولید یک محصول مفید (ورمی کاست) بهره می برند نیز با نام ورمی کمپوست شناخته می شوند.

بررسی حاضر به مجموعه‌ای از تلاش‌ها  با هدف تعریف واضح مکانیسم فرآیند ورمی کمپوست و مداخله در آن آغاز می پردازد و به نوبه خود به عنوان مبنایی برای توسعه معیارهای منطقی می باشد که در آن vermireactor ها باید به گونه ای طراحی و کار کنند که کارایی فرآیند را به حداکثر و هزینه تولید را به حداقل برسانند. در طول این تلاش ها، نویسندگان تجزیه و تحلیل دقیقی از مراحل مرتبط با کمپوست و ورمی کمپوست انجام داده اند که بر اساس آن کمپوست‌سازی و ورمی کمپوست اساساً انواع مختلفی از عوامل زیستی هستند، و طی آن فرآیندها باید به صورت مجزا و نه ترکیبی اجرا شوند. همچنین پیشنهاد می شود که اصطلاح “ورمی کمپوست” فقط برای نشان دادن فرآیندی استفاده شود که در آن از سیستم های راکتور برای تبدیل بسترهای زیست تخریب پذیر به ورمی کاست استفاده می شود.

مقدمه

ورمی کمپوست که شامل استفاده از کرم های خاکی برای تبدیل مواد زائد جامد قابل تجزیه زیستی به یک محصول مفید (ورمی کاست) است، در حوزه مهندسی محیط زیست جایگاه منحصر به فردی دارد و تنها فرآیند زیستی کنترل آلودگی می باشد که عامل اصلی آن حیوان چند سلولی است و برخلاف دیگر فرآیندها که در آنها یک حیوان چند سلولی در سیستم‌های راکتوری برای تولید محصولی غیر از نسل حیوان استفاده می‌شود، است. تمام فرآیندهای زیستی مهندسی شده دیگر، به جز تعداد کمی که بر پایه گیاهان (گونه های گیاه شناسی) هستند، حول استفاده از آنزیم ها، باکتری ها، میکروقارچ ها یا ریزجلبک ها در حالت های متحرک یا بی حرکت می چرخند.

چنین فرآیندهایی به طور فشرده مورد مطالعه، مدل‌سازی، طراحی و مهندسی قرار گرفته‌اند. در مقابل، هیچ معیار طراحی یا عملیاتی بر اساس اصول مهندسی فرآیندهای زیستی برای ورمی کمپوست ایجاد نشده است. اما از نظر عوامل زیستی و غیرزیستی که بر تولید ورمی‌کست، رشد کرم ارثی و باروری تأثیر می‌گذارند، بر علم ورمی کمپوست توجه ویژه ای شده است. همچنین مطالعات وسیعی در رابطه با  “ترمیم پذیری ورمی” بسترهای و گونه های کرم خاکی جدیدتر انجام شده است. اما جنبه های طراحی فرآیند ورمی کمپوست، کنترل، بهره برداری و بهینه سازی به طور کلی هنوز مورد توجه قرار نگرفته است.

تعریف ورمی کمپوست

اصطلاح “ورمی کمپوست” به طور کلی توسط بسیاری از نویسندگان، از جمله نویسندگان حاضر، به عنوان فرآیندی که در آن کرم‌های خاکی برای تغذیه از بسترهای خاص به منظور تبدیل آنها به ورمی‌کاست ساخته می‌شوند، تعریف می  گردد. از سه دسته اصلی کرم‌های خاکی – اپی‌ژیک‌ها، آنکیک‌ها و اندوژیک‌ها – اپی‌ژیک‌ها برای ورمی‌کمپوست‌سازی مناسب‌تر هستند، اما چندین گونه از کرم‌های خاکی آنیسیک به ویژه در ورمی کمپوست گیاهی و کاغذ باطله موثر می باشند.

با این حال، چندین نویسنده از اصطلاح ورمی کمپوست برای اشاره به فرآیندهایی استفاده می‌کنند که در آن کرم‌های خاکی به زباله‌های خام یا نیمه تجزیه شده اضافه می‌شوند و عمل تخریب طبیعی زباله در دمای محیط (معمولاً 30 درجه سانتی‌گراد) را انجام می دهند. این نویسندگان مطالعات گسترده ای را به هدف شناسایی ماهیت دو فرآیند کمپوست سازی و همچنین ورمی کمپوست از نظر عوامل غیرزیستی و زیستی درگیر، واکنش‌های بیولوژیکی، بیوشیمیایی و شیمیایی در حال وقوع، شرایط فرآیند، استراتژی‌های عملیات راکتور و پارامترهای کنترل فرآیند بر روی آنها هم از نقطه نظر واکنش های بیولوژیکی و شیمیایی که در طول این فرآیندها رخ می دهند و هم از نظر مهندسی فرآیند انجام داده اند.

بر اساس این مطالعات، مشخص شد که کمپوست نه تنها شامل پارامترهای کنترل فرآیند و استراتژی های عملیاتی کاملاً متفاوتی نسبت به ورمی کمپوست است، بلکه از نظر بیولوژیکی حاکم نیز به طور قابل توجهی از لحاظ جنبه های فیزیکی و شیمیایی متفاوت می باشد و اگر این دو در یک راکتور منفرد مورد تلاش قرار دگیرند، هر دو به طور نابهینه پیش می روند. برای اطلاع دقیقتر از تعریف ورمی کمپوست، نوشته ورمی کمپوست چیست؟ را مطالعه کنید. فرآیند کمپوست سازی

کمپوست کردن یک فرآیند دسته ای اساسی است و نمی توان آن را به صورت حالت نیمه دسته ای و یا یک مد مستمر در نظر گرفت و شامل مراحل زیر می باشد:

1/ در نظر گرفتن پنجره هایی به عنوان بستر کمپوست که در لایه هایی به ضخامت حدود 15 سانتی متر قرار می گیرد و با لایه های نازکتر (5 سانتی متر)از مواد غنی میکروارگانیسم ها مانند گاو یا لجن فاضلاب جایگزین می شوند.

2/ تأمین رطوبت کافی (60 درصد از جرم واکنش دهنده) از طریق پاشیدن آب روی پنجره، و یک وسیله تهویه غیرفعال یا فعال. در ابتدا، لوله‌های با انتهای باز و سوراخ‌دار تا حدی در نقاط مختلف در پنجره قرار می‌گیرند، جریان هوا به انتهای باز دودکش هدایت می شود و  گازهای داغ به سمت بالا از پنجره بیرون می روند. در قدم بعد، انتهای بیرونی لوله ها به دستگاه های هوادهی متصل می شوند که با آن هوا به داخل شمع کمپوست هدایت می گردد.

3/ با استفاده از لایه های خاک رس منسجم یا ورقه های پلاستیکی باز پنجره ها را می پوشانیم. این امر لایه های زیرین را به حرکت در می آورد و باعث تجزیه هوازی آنها می گردد؛ فرآیندی گرمازاست و به تدریج دمای شمع را به 55 درجه سانتیگراد یا بالاتر می برد، سپس با کاهش دسترسی بستر و اکسیژن در مناطق هوادهی شده، تجزیه کمتر شده و دما شروع به کاهش می‌کند. در سیستم‌های کمپوست هوای اجباری، زمانی که دما از 55 درجه سانتی‌گراد فراتر می رود، هوادهی قطع شده و به جای آن از یک دمنده برای بیرون راندن گازهای داغ استفاده می‌شود تا دمای شمع آنقدر بالا نرود که بیشتر میکروارگانیسم‌های دیگر را در مقایسه با ترموفیل هااز بین ببرد. در صورت وقوع این اتفاق، کمپوست سازی ناقص است و محصول رضایت بخش نمی باشد.

4/ چرخاندن پنجره برای جوانسازی فرآیند، با وارد کردن بستری که قبلاً در تماس با میکروارگانیسم ها و هوا تجزیه نشده و یا به صوراتنیمه تجزیه می باشد. این کار به وسیله دو شاخه ها به صورت مکانیکی و یا دستی  و یا از طریق ماشین های تراشکاری انجام می شود. پس از اینکه یک پنجره تازه چرخیده، که در آن رطوبت دوباره پر شده است، مجدداً پوشانیده شد، تجزیه هوازی موج فرآیند دیگری را ایجاد می کند که در آن دما به تدریج به اوج می رسد و سپس پس از یک فلات کوتاه شروع به کاهش می کند. در سیستم کمپوست هوای اجباری، بستر چرخانده نمی‌شود، اما زمانی که دمنده شمع را تا دمای نزدیک به محیط، خنک کند، فرسایش متوقف می‌گردد، در نتیجه منجر به شروع مجدد کمپوست و ایجاد موج دمای بعدی می شود.

با گذشت زمان، که در طی آن بستر بیشتر و بیشتر تثبیت می شود، اوج دمایی که هر موج به دست می آورد به تدریج پایین می آید. در 50-70 روز، بسته به ماهیت بستر و کارایی عملیات فرآیند، دمای اوج شمع به 40 درجه سانتیگراد کاهش می یابد. این در نتایج حاصل از کمپوست سازی بستر برگ اقاقیا توسط نویسندگان نشان داده شده است.

5/ تکمیل مرحله تجزیه میکروبی، که پس از مراحل دوم تا چهارم رخ می دهد عمدتاً 3 تا 4 بار یا بیشتر یا کمتر به صورت ثابت تکرار می شود.

6/ مرحله “سخت” که در آن توده کمپوست به مدت 2-4 هفته دست نخورده باقی می ماند. فاز پخت زمان لازم برای  (1) تخریب مواد آلی نسوزتر،  (2) غلبه بر اثرات “آهسته” تحمیل شده توسط محدودیت های سرعت جنبشی، (3) ایجاد مجدد جمعیت میکروبی با دمای پایین تر، که ممکن است در “بلوغ” کمپوست، متابولیسم ترکیبات فیتوتوکسیک، و سرکوب بیماری های گیاهی مفید باشد را فراهم می کند.

مکانیزه شدن فرآیند کمپوست سازی و تغییرات اندازه ذرات و ویژگی های شیمیایی زیر لایه های مختلف، وسایل مختلف هوادهی را به همراه داشته است و برخی از مراحل پیش کمپوست نیز برای برخی از بسترها مانند سیستم “درام” استفاده می شود که در آن بستر تکه تکه شده و به صورت بی هوازی هضم می گردد تا “کمپوست پذیرتر” شود؛ اما، در اصل، فرآیند کمپوست سازی همانطور که در مراحل 1 تا 6 در بالا توضیح داده شد، باقی می ماند.

ویژگی های متمایز فرآیند کمپوست عبارتند از:

فرآیندی کاملاً دسته ای است که حتی نمی توان آن را نیمه پیوسته ساخت. هنگامی که کمپوست در یک بستر انبوه شروع شود، نباید هیچ بستر تازه ای را به آن اضافه کرد زیرا تنها مانع از روند جاری می گردد. چرخش مکانیکی محتویات راکتور در فواصل دوره ای برای کامل شدن کمپوست کاملا ضروری است. این فرآیند با افزایش شدید دما که ضروری نیز می باشد، همراه است زیرا بیشتر پاتوژن ها و بذر گیاهان علف هرز را از بین می برد.

فرآیند ورمی کمپوست

بر خلاف کمپوست، فرآیند ورمی کمپوست را می توان در حالت های دسته ای، نیمه دسته ای و حتی پیوسته انجام داد. زمان صرف شده برای تکمیل کمپوست سازی یک بستر در حد 6-8 هفته است، در حالی که “ورمی کمپوست” به همان سرعتی انجام می شود که خوراک توسط کرم خاکی خورده شود، هضم شود و دفع شود، تنها چند ساعت! ورمی کمپوست شامل مراحل زیر است:

• بلع ذرات بستر توسط کرم خاکی
• کاهش اندازه فیزیکی ذرات بلعیده شده با عمل سنگدان کرم خاکی که در کنار دهان کرم قرار دارد.
• هضم لایه زیرین هنگام عبور از بدن کرم خاکی که توسط میکروارگانیسم ها و آنزیم های موجود در روده کرم خاکی انجام می شود.
• خروج از تفریق به عنوان “ورمی کاست” چند ساعت پس از مصرف.

تعداد ساعت ها به ماهیت بستر، گونه کرم و طول بدن کرم بستگی دارد. به طور کلی، کرم‌های خاکی با طول بدن کوتاه‌تر نسبت به کرم‌های خاکی با بدن طولانی‌تر، زمان کمتری برای تحویل ورمی‌کست می‌برند، و کرم‌های خاکی اپی‌ژیک سریع‌تر از آنکوس‌ها یا اندوژیک‌ها غذای خود را پردازش می‌کنند.

بر خلاف کمپوست، ورمی کمپوست با واکنش های گرمازا همراه نیست، از این رو، هیچ افزایش قابل اندازه گیری دما در vermireactor ها وجود ندارد همچنین آنها به هوادهی تکمیلی نیز نیاز ندارند. در واقع، اکثر گونه‌های کرم‌های خاکی قادر به رشد در دمای بیش از 40 درجه سانتیگراد نیستند، بنابراین، اگر در یک توده زیر کمپوست قرار داده شوند، اکثر آنها با افزایش دمای توده‌ها از بین می‌روند. همچنین برخلاف کمپوست سازی، نیازی به چرخش دوره ای یا اختلاط مکانیکی بستر وجود ندارد، در عوض، فعالیت‌های طبیعی و حرکت کرم‌ها وظیفه مخلوط نگه داشتن بستر را به خوبی انجام می‌دهد.

این فعالیت‌های کرم‌ها همچنین بستر را به اندازه کافی هوادهی کرده و از این رو، از ایجاد مناطق بی‌هوازی در vermireactorها جلوگیری می‌کند. همه موارد در نظر گرفته شده، کمپوست سازی به نیروی کار و ماشین آلات برای انجام تکه تکه شدن، اختلاط و هوادهی نیاز دارد، در حالی که در ورمی کمپوست این وظایف به طور کلی توسط کرم های خاکی انجام می شود. نوشته فواید ورمی کمپوست در کشاورزی را نیز مطالعه فرمایید.

ورمی کمپوست سازی کمپوست

کمپوست کردن یک بستر قبل از ورمی کمپوست، عملیات بعدی ورمیرآکتور را تسهیل کرده و کیفیت محصول را از چند طریق بهبود می بخشد:
مولفه فرآیند کمپوست سازی، بسیاری از ارگانیسم های بیماری زا را از بین برده، زنده ماندن و رشد کرم‌های خاکی را زمانی که کمپوست در معرض ورمی کمپوست قرار می‌گیرد و همچنین یک ورمی کمپوست عاری از بیماری‌ را تضمین می‌کند. فاز ترموفیلیک نیز بذر گیاهان علف هرز را از بین می برد. مزیتی که به مرحله ورمی کمپوست منتقل می شود.

از طرف دیگر، هضم مزوفیلیک که در مرحله “درمان” رخ می دهد، بر روی کمپوست یک جامعه غنی و متنوع از میکروارگانیسم ها، که برای خاک و گیاهان بسیار مفید شناخته شده اند، توانایی کشتن چندین پاتوژن را ایجاد می کنند. در vermireactor، این میکروارگانیسم‌ها به عنوان خوراک توسط کرم‌های خاکی گرفته می‌شوند که برخی از گونه‌ها را هضم کرده و گونه‌های دیگر را قبل از دفع به عنوان بخشی از ورمی‌کست تکثیر می‌کنند.

کمپوست سازی بستر آنو با از دست دادن کربن همراه است (که در اثر فعالیت میکروبی به CO2 تبدیل می شود)، اما نیتروژن کمی از دست می رود و یا مانند دیگر مواد مغذی ثابت باقی می ماند. این نه تنها نسبت C:N زیرلایه را بهبود می بخشد (کاهش می دهد) بلکه به طور موثر باعث افزایش غلظت مواد مغذی در کمپوست نسبت به بستر کمپوست نشده، می شود. این وضعیت به نفع ورمی کمپوست بعدی می باشد، زیرا غلظت بیشتری از مواد مغذی موجود در بستر و در اشکال زیستی بهتر وجود دارد.

عملکرد سریع میکروبی و همچنین چرخش دوره‌ای که در طی کمپوست انجام می‌شود، توده‌های بزرگ‌تری را در بستر تجزیه کرده و باعث بلعیدن راحت تر آنها توسط کرم ها می‌شوند. مهم‌تر از همه، کمپوست‌سازی تمام قسمت‌های زیست تخریب‌پذیر زیرلایه را تثبیت می‌کند. زمانی که بستر به صورت ضایعات گیاهی باشد، نسبت به طیور در معرض تجزیه زیستی سریع قرار می گیرند، در نتیجه مناطق بی هوازی ایجاد می گردد که برای کرم های خاکی بسیار خطرناک می باشد.

علاوه بر این، میوه‌ها، سبزیجات و فضولات حیوانی که به سرعت تجزیه می‌شوند، اسیدهای چرب فرار و سایر محصولات تجزیه را تولید می‌کنند که به شدت بر کرم‌ها فشار آورده و باعث کشته شدن بسیاری از آنها می‌شود. به طور کلی، محیط در هر بستری که به سرعت تجزیه می شود با کرم های خاکی دشمن است اما اگر چنین بسترهایی ابتدا از طریق کمپوست تثبیت شوند، این وضعیت تا حد قابل توجهی اصلاح می شود. در چندین مطالعه که قبلاً گزارش شده است، نویسندگان و همکاران از کمپوست های به خوبی تثبیت شده زباله های جامد شهری و علف هرز مختلف به عنوان بستر برای تولید ورمی کمپوست نام می برند.

کرم های خاکی نه تنها برای تولید ورمی کمپوست به شدت از کمپوست تغذیه می کنند بلکه رشد و باروری خوبی از خود نشان می دهند. علاوه بر این، کمپوست در طی عبور از روده کرم خاکی، میکرو فلور، آنزیم ها و هورمون هایی را به دست می آورد که برای گیاهان مفید هستند. ظاهراً، ماده آلی پیچیده ای که از کمپوست زنده می ماند نیز در طول ورمی کمپوست به میزان قابل توجهی «هضم» می شود. با توجه به همه این دلایل، ورمی کمپوست در طی چندین آزمایش کنترل شده کود بهتری نسبت به کمپوست مادری است.

نکاتی برای مدل سازی، طراحی و بهره برداری از هر دو فرآیند

با توجه به موارد فوق، واضح است که کمپوست باید به عنوان یک فرآیند کاملاً دسته‌ای مدل‌سازی شود که در آن محتویات به طور متناوب (در فواصل 7-10 روز) همگن می‌شوند و کمبود اکسیژن ناشی از تخمیر هوازی توسط آن بهبود می‌یابد. هوادهی سطحی در حین چرخاندن واکنش دهنده ها یا به وسیله پمپاژ در هوا انجام می شود. از سوی دیگر، ورمی کمپوست به یک راکتور مخزن به طور پیوسته ((CSTRنزدیک می شود که در آن محتویات با تونل زنی کرم های خاکی و همچنین بر هم زدن بستر ناشی از حرکت کرم ها، مخلوط شده و هوازی می شود. کرم‌های خاکی (اپی‌ژیک و آنکیک) که معمولاً در ورمیررآکتورها استفاده می‌شوند، قالب‌های خود را (که خروجی راکتور است – ورمی کمپوست) یا در بالای محتویات راکتور (مانند eudrilus eugeniae یا eisenia fetida) می‌گذارند.

در هر صورت، محصول به خوبی از ناحیه کرم بستر جدا شده است. این رفتار به عملکرد CSTR مشابه vermireactor کمک می کند. جنبه دیگری منحصر به فرد برای vermirectors وجود دارد، به عنوان مثال، در vermirector کرم‌های خاکی به عنوان “راکتورهای درون یک راکتور” عمل می‌کنند به این معنا که کل پردازش بستر از واکنش‌دهنده به محصول در هر کرم انجام می‌شود. نتیجه این است که شرط مرزی برای حداقل زمانی که یک vermireactor برای تولید ورمی‌کست نیاز دارد، زمانی است که گونه‌های مربوطه کرم خاکی برای «هضم» یک بستر صرف می‌کنند.

تعدادی از واحدهای ورمی کمپوست در مقیاس متوسط ​​و بزرگ در سراسر جهان در حال فعالیت هستند. از این تعداد، برخی در حالت دسته ای و برخی به صورت واحدهای “جریان پیوسته” می باشند. با این حال همه اینها بر اساس زمان‌های نگهداری جامد ((STR حداقل 1 و حداکثر 2 تا 6 ماهه است واین تعجب آور می باشد زیرا طولانی ترین مدت زمانی که گونه های کرم خاکی معمولاً برای تولید ورمی کمپوست از هر بستر استفاده می کنند، کمتر از 24 ساعت است. علاوه بر این، اگر ورمیکست زود برداشت شده و در هوا خشک  شود، با تجزیه بیولوژیکی آن نسبتاً پایدار می گردد.

در این صورت، ممکن است به نفع کیفیت محصول و کارایی فرآیند نباشد که ورمی‌کست (که روزانه تولید می‌شود) همانطور که در حال حاضر در سیستم‌های مقیاس بزرگ موجود انجام می‌شود ،برای مدت طولانی برداشت نشده باشد. در نتیجه این مدل مفهومی کارایی vermireactor توسط دسترسی به غذای کرم‌ها کنترل می‌شود.  مسافتی را که هر کرم خاکی باید قبل از رسیدن به غذا طی کند و رقابتی که هر بار که برای خوردن یک ذره غذایی با آن روبرو می شود کمتر خواهد بود، و به دنبال آن زمان تولید ورمی کاست به حداقل زمانی که برای پردازش این گونه لازم است نزدیکتر خواهد شد.

اما میزان تولید ورمیکست، یعنی کسر جرمی بستر  برای تبدیل به ورمی‌کست در روز، تابعی از تراکم کرم خاکستری است، زیرا با توجه تعداد کرم‌هایی که به طور همزمان از بستر تغذیه می‌کنند، نرخ تولید ورمی‌کست بیشتر می‌شود. اما تراکم کرم خاکی را می توان تنها تا سطحی افزایش داد که رقابت برای غذا به یک عامل محدودکننده تبدیل نشود. از این رو، بهینه سازی تراکم کرم خاکی و نسبت سطح به حجم vermireactorها برای اطمینان از آسان ترین دسترسی  به بستر توسط حداکثر تعداد ممکن از حیوانات مهم است.

مطالعات انجام شده برای آزمایش این مفهوم نشان داده است که راکتورهای vermire با نسبت سطح به حجم بالا نسبت به رکتورهایی با نسبت سطح به حجم پایین‌تر ورمی‌کست بیشتری در واحد زمان تولید می‌کنند، بدیهی است که راکتورهای کم عمق‌تر از شلوغی جلوگیری می‌کنند و همچنین حرکت عمودی مورد نیاز هر یک را کاهش می‌دهند. همچنین نتیجه می شود که زباله های زیستی بسیار ناپایدار و با سرعت خود تخریب می شوند، مانند آنچه در بازارهای سبزیجات و میوه، رستوران ها، صنایع تبدیلی مواد غذایی و غیره تولید می گردند، ابتدا باید به درستی کمپوست شده و سپس در معرض ورمی کمپوست قرار گیرند، در غیر این صورت نیاز به اکسیژن بالای ضایعات با ایجاد مناطق بی هوازی در داخل توده بستر، کرم ها را تحت فشار قرار داده و حتی می کشد.

حتی اگر مرگ و میر قابل توجهی از کرم خاکی در چنین سیستم هایی رخ ندهد، کاهش کمپوست ناقص بستر در مخلوط زیرلایه-ورمی کاست می تواند برای گیاهان مضر باشد. این توسط چندین مطالعه اثبات شده است که در آنها مهار جوانه زنی بذر، تخریب ریشه، و ممانعت از رشد گیاه هنگام استفاده از کمپوست نابالغ مشاهده می شود. علاوه بر این، همانطور که در بالا توضیح داده شد، چندین جنبه از فرآیند کمپوست با فرآیند ورمی کمپوست متضاد هستند. از این رو، عملکرد این دو به طور همزمان در یک راکتور، هر دو را ناکارآمد می کند و در نهایت باعث نقص در هر دو فرآیند می شود.