Digestate-derived biochar as a functional carbon material to enhance methane yield and process stability in the anaerobic co-digestion of agro-industrial wastes

आधुनिक दुनिया में कचरे से ऊर्जा बनाना एक परिचित अवधारणा है, लेकिन यह प्रक्रिया अक्सर एक नाजुक संतुलन का खेल होती है। इस प्रयास के केंद्र में एनारोबिक डाइजेशन (अवायवीय पाचन) है, जो एक प्राकृतिक विधि है जहाँ सूक्ष्मजीव ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में कार्बनिक पदार्थों को तोड़कर बायोगैस का उत्पादन करते हैं, जो मीथेन से भरपूर एक ईंधन है। यह ईंधन घरों और वाहनों को शक्ति दे सकता है, जो जीवाश्म ईंधन का एक स्वच्छ विकल्प प्रदान करता है। हालाँकि, यह प्रक्रिया नाजुक है। जब किसान और खाद्य प्रोसेसर इन सूक्ष्मजीवी समुदायों को खिलाने के लिए विभिन्न प्रकार के कचरे को मिलाते हैं, तो सिस्टम अस्थिर हो सकता है। सूक्ष्मजीव बहुत अधिक एसिड बना सकते हैं, या वातावरण अमोनिया के साथ बहुत अधिक विषाक्त हो सकता है, जिससे पूरी प्रक्रिया धीमी हो सकती है या रुक सकती है। सिस्टम को सुचारू रूप से चलाने के लिए, वैज्ञानिक लंबे समय से ऐसे योजकों (एडिटिव्स) की तलाश कर रहे हैं जो एक बफर के रूप में कार्य कर सकें, वातावरण को स्थिर कर सकें और सूक्ष्मजीवों को अधिक कुशलता से काम करने में मदद कर सकें। एक आशाजनक मार्ग कार्बन-युक्त सामग्रियों का उपयोग करना है, जो हानिकारक उपोत्पादों को अवशोषित कर सकती हैं और लाभकारी बैक्टीरिया के बढ़ने के लिए एक सतह प्रदान कर सकती हैं।

एक हालिया अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने इस समस्या के एक विशिष्ट समाधान की खोज की: पाचन प्रक्रिया से बचे हुए ठोस कचरे को ही प्रक्रिया को बेहतर बनाने के एक उपकरण में बदलना। पाचन के प्रारंभिक विघटन के बाद, 'डाइजेस्टेट' नामक सामग्री शेष रह जाती है। हालांकि इसका उपयोग अक्सर उर्वरक के रूप में किया जाता है, डाइजेस्टेट के ठोस भाग को कम-ऑक्सीजन वाले वातावरण में गर्म करके एक छिद्रपूर्ण, चारकोल जैसी पदार्थ बनाया जा सकता है जिसे 'बायोचार' कहा जाता है। शोधकर्ताओं ने एक सरल लेकिन महत्वपूर्ण प्रश्न पूछा: यदि वे इस ठोस अवशेष को लें, इसे बायोचार में बदलें, और इसे वापस डाइगेशन टैंक में डाल दें, तो क्या यह अधिक ईंधन बनाने और सिस्टम को स्थिर रखने में मदद करेगा? उन्होंने इसे परीक्षण करने के लिए डाइजेस्टेट के ठोस अंश से बायोचार बनाया और उसे एक विशिष्ट तापमान पर गर्म किया, फिर नियंत्रित प्रयोगशाला सेटिंग्स में कृषि और औद्योगिक कचरे के बैचों में इसे मिलाया।

टीम ने इस बायोचार योजतक की सही मात्रा खोजने के लिए पांच अलग-अलग मात्राओं का परीक्षण किया। उन्होंने देखा कि सामग्री जोड़ने से वास्तव में परिणाम बदल गया, लेकिन एक सीमा तक ही। जब उन्होंने थोड़ी मात्रा में इसे जोड़ा, तो सिस्टम में सुधार हुआ, लेकिन बहुत अधिक जोड़ने से कोई सुधार नहीं हुआ और इसने केवल अनावश्यक भार ही बढ़ाया। सबसे प्रभावी खुराक मिश्रण के कुल वजन का एक प्रतिशत पाई गई। इस विशिष्ट स्तर पर, परिणाम स्पष्ट और मापने योग्य थे। गैस का कुल आयतन काफी बढ़ गया, जो मानक स्थितियों के तहत 619 मिलीलीटर से बढ़कर 992 मिलीलीटर हो गया। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि मीथेन की मात्रा, जो कि मूल्यवान ईंधन घटक है, 322 मिलीलीटर से बढ़कर 565 मिलीलीटर हो गई। गैस मीथेन में भी समृद्ध हो गई, जो 52 प्रतिशत से बढ़कर 57 प्रतिशत हो गई, जिसका अर्थ है कि ईंधन की गुणवत्ता बेहतर हुई।

केवल अधिक गैस उत्पन्न करने के अलावा, बायोचार ने सिस्टम को अधिक सुचारू रूप से चलाने में मदद की। शोधकर्ताओं ने 'वोलाटाइल फैटी एसिड' को मापा, जो अम्लीय उपोत्पाद हैं जो सूक्ष्मजीवों को जहरीला बना सकते हैं यदि वे जमा हो जाते हैं, और पाया कि इनके स्तर में गिरावट आई। इसी तरह, कुल अमोनियाकल नाइट्रोजन की सांद्रता, जो एक अन्य पदार्थ है जो प्रक्रिया को बाधित कर सकता है, कम हो गई। हाइड्रोजन सल्फाइड की मात्रा, जो एक जहरीली और दुर्गंधयुक्त गैस है और अक्सर बायोगैस से जुड़ी होती है, भी कम हो गई। समय के साथ गैस के उत्पादन की गति का विश्लेषण करके, शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि बायोचार की उपस्थिति में सूक्ष्मजीवों ने जल्दी काम करना शुरू कर दिया और अपनी चरम गति तक तेजी से पहुँचे। यह सुझाव देता है कि इस सामग्री ने सूक्ष्मजीवी समुदाय को तेजी से स्थापित होने और अधिक दक्षता के साथ संचालित होने में मदद की।

अध्ययन ने यह भी देखा कि क्या यह विचार एक वास्तविक, पूर्ण-पैमाने के बायोगैस संयंत्र में काम कर सकता है। शोधकर्ताओं ने उस ऊर्जा और सामग्री प्रवाह की गणना की जो ठोस कचरे को सुखाने, उसे बायोचार में गर्म करने और वापस सिस्टम में डालने के लिए आवश्यक है। उन्होंने पाया कि एक संयंत्र को अपने पूरे ठोस कचरे को बायोचार में बदलने की आवश्यकता नहीं होगी, केवल एक हिस्से की ही आवश्यकता होगी। हालाँकि, उन्होंने एक महत्वपूर्ण बाधा की पहचान की: ठोस कचरे को गर्म करने से पहले उसे सुखाने के लिए आवश्यक ऊर्जा काफी अधिक है। जबकि कचरे को एक सहायक योजतक के रूप में पुनर्चक्रित करने की अवधारणा सही है, इसका व्यावहारिक कार्यान्वयन इस बात पर निर्भर करता है कि क्या एक संयंत्र सुखाने की प्रक्रिया को कुशल बनाने के लिए पर्याप्त ऊष्मा को पुनः प्राप्त करने में सक्षम है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि यह चक्रीय दृष्टिकोण मीथेन उत्पादन और स्थिरता में सुधार के लिए बहुत आशाजनक है, सफल बड़े पैमाने पर उपयोग के लिए स्थानीय सुखाने की क्षमताओं के सावधानीपूर्वक परीक्षण और सिस्टम को समय के साथ स्थिर बनाए रखने के लिए दीर्घकालिक निगरानी की आवश्यकता होगी।