آب، انرژی و محیط‌زیست

فعالیت‌های کشاورزی و عملیات خاک‌ورزی، در کنار تغییر کاربری اراضی از مرتع و جنگل به کشاورزی، باعث انتشار بسیار گسترده گاز دی‌اکسید کربن به اتمسفر شده است. هرساله هرچند مقادیر عظیمی از کربن اتمسفری طی فرآیند فتونستنز به توده‌های زیستی انتقال می‌یابد، اما با مرگ این موجودات، مجددا فرآیندهای تجزیه باعث آزاد شدن گاز کربن می‌شود. مطالعات نشان داده است که بیش از 80 درصد ماده آلی افزوده‌شده به خاک در سال اول تجزیه‌شده و صورت دی‌اکسید کربن به اتمسفر بازمی‌گردد.

همواره دانشمندان دنبال راهی برای کاهش تجزیه مواد آلی و تثبیت آن در خاک بودند که در چند دهه اخیر استفاده از زغال‌زیستی (بیوچار) به‌عنوان یک راه‌کار عملی پیشنهاد و مورداستفاده قرار گرفت.

زغال‌زیستی مواد متخلخل کربنی است که طی فرآیندهای ترموشیمیایی از انواع زیست‌توده‌ها در حضور مقادیر کم و یا عدم حضور اکسیژن حاصل می‌شود.

هرگونه ماده آلی که کارکرد خود را از دست‌ داده و سرنوشتی جز تجزیه ندارند؛ همانند بقایای گیاهی، فضولات دامی، لجن حاصل از تصفیه فاضلاب و... می‌توانند از طریق فرایندهای ترموشیمیایی به زغال‌زیستی تبدیل‌ شده و در خاک تثبیت شوند.

در اصل هدف اصلی از ابداع و مصرف زغال‌زیستی ممانعت از تجزیه مواد آلی، به ویژه بقایای گیاهی و تثبیت آن‌ها در خاک برای کاهش گازهای گلخانه‌ای و تخفیف اثرات اقلیمی آن بود؛ اما با گذشت زمان و مشاهده نتایج مثبت کاربرد زغال‌زیستی در خاک و محیط‌زیست، مصرف آن جنبه‌های بیش‌تری پیدا کرد.پ

تخلخل و سطح ویژه بزرگ، گروه‌های عاملی و بار سطحی مناسب، پایداری در برابر تجزیه شیمیایی و زیستی، توزیع اندازه ذرات متنوع و قابل تنظیم، ظرفیت نگهداری زیاد رطوبت و داشتن غلظت‌های مختلفی از عناصر غذایی بسته به ماده اولیه، از خصوصیات بارز زغال‌زیستی است که باعث گسترش مصرف آن با اهداف مختلف از جمله بهبود ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی خاک، تثبیت و دفع آلاینده‌ها، استفاده به‌عنوان حامل عناصر غذایی موردنیاز گیاه و باکتری‌های محرک رشد و ... شده است.

روش‌های مختلف تجزیه ترموشیمیایی شامل پیرولیز، کربونیزاسیون گرمابی ، گازی سازی، خشک سوزی و گرمادهی مایکرویو است که در هریک از آن‌ها نیز زمان و دمای انجام فرایند نیز متغیر است.

ماده آلی اولیه در طی فرآیند پیرولیز، تبدیل به سه فاز گاز، مایع و جامد می‌شود. فاز گازی این فرآیند را اصطلاحاً Syngas، فاز مایع را روغن زیستی و فاز جامد را زغال زیستی می‌نامند.

با تغییر شرایط فرآیند ترموشیمیایی می‌توان درصد سهم هرکدام از این فازها را در خروجی سیستم کم یا زیاد کرد. با این‌که هر کدام از این سه محصول دارای کاربردهای خاص خود می‌باشند ولی معمولاً از این فرایندها بیشتر برای تولید زغال‌زیستی استفاده می‌شود.

شرایط تجزیه ترموشیمیایی و نوع ماده آلی اولیه بیشترین تأثیر را بر ویژگی‌های زغال‌زیستی تولیدشده دارد. ویژگی‌های کیفی زغال زیستی نظیر حضور فلزات سنگین و عناصر غذایی به زیست‌توده اولیه بستگی دارد؛ ولی پایداری، میزان مواد فرّار و تشکیل مواد آلاینده نظیر دی‌اکسین‌ها و PAHs به شرایط تولید بستگی دارد.

با افزایش دمای تولید، درصد کربن زغال‌زیستی کاهش می‌یابد ولی درصد آروماتیک بودن کربن افزایش‌یافته و باعث افزایش مقاومت و پایداری زغال‌زیستی در برابر تجزیه میکروبی و اکسایش در خاک می‌شود.

یکی از مهم‌ترین موارد استفاده زغال‌زیستی که در سال‌های اخیر نیز بسیار موردتوجه قرارگرفته است، تبدیل لجن فاضلاب به زغال‌زیستی می‌باشد. با توجه به حجم عظیم لجن تولیدی در کارخانجات تصفیه فاضلاب که سالانه به میلیون‌ها تن می‌رسد و آلودگی‌های متنوعی که در آن وجود دارد، مدیریت آن با مشکلات بسیاری روبه‌رو است. هرچند سوزاندن و یا دفن لجن تولیدی در اراضی بایر از جمله روش‌های مدیریتی است اما از دیدگاه محیط‌زیستی استفاده کشاورزی از لجن فاضلاب بهترین روش محسوب می‌شود چراکه باعث بازیافت عناصر غذایی آلی و غیر آلی موجود در آن می‌شود.

بااین‌حال، برخی از ویژگی‌های لجن مانند محتوای خاکستر زیاد، آلاینده‌های زیستی، آلی و فلزات سنگین، مصارف کشاورزی آن را محدود می‌کند. در نتیجه اقدامات سخت‌گیرانه‌ای برای محدود کردن کاربرد کشاورزی این نوع مواد انجام‌شده است.

در سال‌های اخیر، فرایند پیرولیز مزایای بسیاری را در زمینه تصفیه لجن نشان داده است. پیرولیز به‌طور مؤثری حجم لجن را کاهش داده و آلاینده‌ها را از بین می‌برد. در مقابل زغال‌زیستی به‌دست‌آمده به دلیل ساختار منافذ، گروه‌های عاملی فراوان و عناصر غذایی زیاد می‌تواند برای احیاء خاک مورداستفاده قرار گیرد.

فرایند پیرولیز در دمای مناسب می‌تواند باعث از بین رفتن پاتوژن‌ها و انگل‌ها شود، مقادیر آلاینده‌های آلی را کاهش دهد و درعین‌حال از فراهمی زیستی برخی از فلزات سنگین بکاهد. درعین‌حال ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی زغال‌زیستی لجن فاضلاب می‌تواند فعالیت میکروبی و ساختار جامعه میکروبی خاک را از طریق ایجاد سرپناهی برای میکروب‌ها، اصلاح زیستگاه‌های میکروبی، افزایش فعالیت‌های آنزیمی و ارتقا تخریب و جذب آلاینده‌ها تغییر دهد.

باوجوداینکه مزایای متعددی که از زغال‌زیستی در تثبیت گاز گلخانه‌ای و تغییرات مثبت در خاک مشاهده گردیده است و استفاده از آن به‌عنوان یک راه‌حل برای بسیاری از چالش‌های جهانی همانند تغییرات اقلیمی، آلودگی‌های محیطی و تخریب خاک جایگاه ویژه‌ای یافته است، اما هنوز هم اطلاعات موجود در ارتباط با مصرف زغال‌زیستی در خاک ناقص بوده و همچنان به مطالعات و تحقیقات متنوعی در این مسیر نیاز است.

کارگروه تخصصی توسعه فناوری‌های آب، خشکسالی، فرسایش و محیط‌زیست معاونت علمی و فناوری ریاست جمهوری نیز به عنوان یکی از نهادهای موثر در حوزه توسعه فناوری، اقدام به حمایت از طرح ‌های فناورانه موجود در این حوزه علمی نموده است و در اولین قدم طرحی را با عنوان «مطالعه آلاینده‌های موجود در لجن فاضلاب در قبل و بعد از تبدیل آن به بیوچار» حمایت و به سرانجام رسانده است و همچنان درصدد توسعه روش‌های تولید و مصرف زغال‌زیستی در مقیاس صنعتی است.

*کارشناس کارگروه تخصصی آب، خشکسالی، فرسایش و محیط زیست

منبع: isti.ir

#