กากตะกอนคือวัสดุที่เหลืออยู่หลังจากกระบวนการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน (การย่อยสลายภายใต้สภาวะที่มีออกซิเจนต่ำ) ของวัตถุดิบที่ ย่อย สลายได้ ทางชีวภาพ กระบวนการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนให้ผลผลิตหลักสองอย่างคือ กากตะกอนและก๊าซชีวภาพกากตะกอนเกิดขึ้นได้ทั้งจากกระบวนการสร้างกรดและกระบวนการสร้างมีเทนและแต่ละกระบวนการมีลักษณะที่แตกต่างกัน ลักษณะเหล่านี้เกิดจากแหล่งวัตถุดิบดั้งเดิมและกระบวนการเอง

การย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนเป็นกระบวนการอเนกประสงค์ที่สามารถใช้วัตถุดิบได้หลายประเภท ตัวอย่างของวัตถุดิบได้แก่:

• กากตะกอนจากระบบบำบัดน้ำเสีย : กากตะกอนเหลว, กากตะกอนน้ำเสียที่ยังไม่ผ่านการบำบัด, กากตะกอนที่ผ่านการหมัก และกากตะกอนที่ผ่านการบำบัดด้วยปูนขาว
• ของเสียจากสัตว์: ไขมันสัตว์ เลือดสัตว์ เศษอาหาร สิ่งตกค้างในกระเพาะอาหาร สิ่งตกค้างในกระเพาะรูเมน ซากสัตว์ และมูล สัตว์ปีก ปลา และ ปศุสัตว์
• พืชพลังงาน : โดยทั่วไปได้แก่ ข้าวโพด ข้าวฟ่าง และถั่วโคลเวอร์ อาจใช้ทั้งต้นในการย่อยสลายร่วม หรือใช้เศษเหลือจากการเก็บเกี่ยว (ลำต้นและก้าน) ของพืชเหล่านี้ก็ได้
• ขยะเทศบาล : เศษอาหาร, ไส้กรองกาแฟ/ชา, เศษอาหารอินทรีย์, เศษขนมเบเกอรี่ และเศษอาหารจากครัว
• ของเสียทางการเกษตร : ผลไม้ กากน้ำตาล ลำต้น ฟางพืช และกากอ้อย (เศษเหลือจากการบดลำต้นอ้อยหรือข้าวฟ่าง)
• ของเสียจากอุตสาหกรรม : ของเสียจากการแปรรูปอาหาร/เครื่องดื่ม ของเสียจากอุตสาหกรรมนม ของเสียจากอุตสาหกรรมแป้ง/น้ำตาล ของเสียจากโรงฆ่าสัตว์ และของเสียจากโรงเบียร์^{[ 1 ]}

นี่เป็นเพียงแหล่งที่มาบางส่วนของกากตะกอนจากการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน องค์ประกอบทางเคมีของกากตะกอนที่ผลิตได้อาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับวัตถุดิบที่ใช้ โดยทั่วไปแล้วกากตะกอนจากสิ่งปฏิกูลและมูลสัตว์จะมีพลังงานส่วนใหญ่ถูกใช้ไปเนื่องจากแหล่งพลังงานดั้งเดิม (อาหาร) ถูกย่อยภายในร่างกายของคนหรือสัตว์ก่อน ทำให้กากตะกอนจากสิ่งปฏิกูลและมูลสัตว์เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการย่อยสลายร่วมกับวัตถุดิบอื่นๆ เพื่อผลิตกากตะกอนที่ดีขึ้นสำหรับการเกษตร รวมถึงเพิ่มการผลิตก๊าซชีวภาพ^{[ 2 ]}

ในระหว่างขั้นตอนนี้ แบคทีเรียที่ทำให้เกิดกรดจะเปลี่ยนสารเคมีที่ละลายน้ำได้ รวมถึงผลิตภัณฑ์จากการไฮโดรไลซิส ให้เป็นกรดอินทรีย์สายสั้น เช่น กรดฟอร์มิก กรดอะซิติก กรดโพรพิโอนิก กรดบิวทิริก และกรดเพนทาโนอิก แอลกอฮอล์ เช่น เมทานอลและเอทานอล อัลดีไฮด์ คาร์บอนไดออกไซด์ และไฮโดรเจน แอมโมเนียและไฮโดรเจนซัลไฟด์เป็นผลิตภัณฑ์อื่น ๆ ของกระบวนการสร้างกรด แบคทีเรียเหล่านี้ทำงานในช่วง pH ตั้งแต่ 4.0 ถึง 8.5 กระบวนการนี้ยังสามารถลดลงของ pH ภายในไบโอไดเจสเตอร์เมื่อเวลาผ่านไป ทำให้จุลินทรีย์ไม่สามารถทำงานได้ ด้วยเหตุนี้จึงต้องมีการตรวจสอบ pH อย่างระมัดระวัง^{[ 2 ]}

เนื่องจากการเกิดกรดเกิดขึ้นในช่วงแรกของกระบวนการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน สารอินทรีย์ส่วนใหญ่จึงยังไม่ถูกย่อยสลายอย่างสมบูรณ์ ทำให้เหลือสารตกค้างที่มีลักษณะเป็นเส้นใยและประกอบด้วยสารโครงสร้างจากพืช ได้แก่ลิกนินและเซลลูโลสดังนั้นจึงมักเรียกว่าสารตกค้างที่เป็นของแข็ง สารตกค้างที่เกิดจากการเกิดกรดมีคุณสมบัติในการกักเก็บความชื้นสูง นอกจากนี้ สารตกค้างอาจมีแร่ธาตุ (ส่วนใหญ่เป็นฟอสฟอรัส) และเศษซากของแบคทีเรียอยู่ ด้วย

กระบวนการสร้างมีเทนเป็นขั้นตอนสุดท้ายของการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน ในช่วงนี้อาร์เคียที่สร้างมีเทนจะผลิตมีเทนจากสารตั้งต้นที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการสร้างอะซิเตต สารตั้งต้นเหล่านี้ส่วนใหญ่คืออะซิเตตและไฮโดรเจน การสร้างมีเทนยังสามารถเกิดขึ้นได้โดยใช้กระบวนการเผาผลาญอีกแบบหนึ่งที่อาศัยความร่วมมือของแบคทีเรียที่หมักและอาร์เคียที่สร้างมีเทน ซึ่งก็คือวิถีการสร้างมีเทนแบบซินโทรฟิก ในระหว่างวิถีการสร้างมีเทนแบบซินโทรฟิก แบคทีเรียที่อยู่ใน กลุ่ม คลอสทริเดีย เป็นหลัก จะออกซิไดซ์อะซิเตตให้เป็นไฮโดรเจนและ CO2 _ซึ่งอาร์เคีย ที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นแหล่ง พลังงานจะนำไปใช้ประโยชน์สำหรับอาร์เคียที่สร้างมีเทนต่อไป จุลินทรีย์ที่สร้างมีเทนค่อนข้างไวต่อการเปลี่ยนแปลงของ pH และชอบช่วง pH ตั้งแต่ 5.0 ถึง 8.5 ขึ้นอยู่กับสายพันธุ์^{[ 2 ]}นี่คือเหตุผลที่ในไบโอไดเจสเตอร์บางชนิด ห้องสำหรับขั้นตอนการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนที่แตกต่างกันจะถูกแยกออกจากกันเพื่อการผลิตก๊าซชีวภาพที่เหมาะสมที่สุด

ในขั้นตอนนี้ สารอินทรีย์ส่วนใหญ่จะสลายตัวไปหมดแล้ว เหลือไว้เพียงกากตะกอนที่เกิดจากกระบวนการย่อยสลายมีเทน (Methanogenic digestate) ซึ่งรู้จักกันในชื่อ "ตะกอน" (บางครั้งเรียกว่า "ของเหลว" หรือ "liquid digestate") ตะกอนนี้มีสารอาหารสูง เช่นแอมโมเนียมและโพแทสเซียมผลพลอยได้อีกอย่างหนึ่งจากขั้นตอนนี้คือมีเทนซึ่งมักจะถูกเก็บรวบรวมและนำไปใช้เป็นแหล่งเชื้อเพลิง

นี่คือเมื่อกากตะกอนเส้นใย (ส่วนที่เป็นของแข็ง) ของกากตะกอนกรดถูกรวมเข้ากับกากตะกอนเหลว (ส่วนที่เป็นของเหลว) ของกากตะกอนมีเทน เพื่อสร้างกากตะกอนทั้งหมด การรวมกันของกากตะกอนทั้งสองนี้ประกอบด้วยตะกอนเหลว ส่วนที่เป็นของเหลวคิดเป็นปริมาตรสูงสุดถึง 90% ของกากตะกอนทั้งหมด มีของแข็ง 2–6% อนุภาคขนาด <1.2 มม. และไนโตรเจนและโพแทสเซียมที่ละลายน้ำได้ส่วนใหญ่ ในขณะที่ส่วนที่เป็นของแข็งยังคงมีฟอสฟอรัสของกากตะกอนส่วนใหญ่ และมีปริมาณของแข็งมากกว่า 15% ^{[ 3 ]}

การรวมทั้งสองอย่างเข้าด้วยกันเป็นกากตะกอนที่สมบูรณ์จะช่วยเพิ่มปริมาณสารอาหารหลากหลายชนิดที่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในกิจกรรมทางการเกษตรได้ เครื่องย่อยสลายทางชีวภาพแบบไม่ใช้ออกซิเจนบางชนิดจะมีห้องย่อยสลายเพียงห้องเดียว ทำให้กากตะกอนทั้งสองชนิดผสมกันเองโดยไม่ต้องมีการแทรกแซงเพิ่มเติม

พารามิเตอร์หลักในการประเมินคุณภาพของกากตะกอนเมื่อนำไปใช้ในงานเกษตรกรรม ได้แก่ ค่า pH สารอาหาร ของแข็งทั้งหมด (TS) ของแข็งระเหยได้ (VS) และคาร์บอนทั้งหมด (TC) คุณภาพนี้ขึ้นอยู่กับวัตถุดิบและประเภทของระบบย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน^{[ 3 ]}โดยทั่วไปปริมาณแอมโมเนียในกากตะกอนคิดเป็นประมาณ 60-80% ของปริมาณไนโตรเจนทั้งหมด แต่สำหรับวัตถุดิบเช่นเศษอาหารจากครัว อาจสูงถึง 99% นอกจากนี้ยังมีรายงานว่ากากตะกอนมีปริมาณฟอสฟอรัสและโพแทสเซียมสูงกว่าปุ๋ยหมัก อัตราส่วน P ต่อ K โดยเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 1:3 ทั้งหมดนี้ทำให้กากตะกอนเป็นแหล่งที่มีศักยภาพในการปรับปรุงดินทางการเกษตรสำหรับพืชบางชนิด^{[ 4 ]}

การใช้ไดเจสเตตหลักคือการปรับปรุงดิน^{[ 5 ]}ไดเจสเตตที่เป็นกรดช่วยรักษาความชื้นและเพิ่มปริมาณสารอินทรีย์ในดิน สารอินทรีย์นี้สามารถย่อยสลายต่อไปได้โดยใช้ออกซิเจนในดินไดเจสเตตที่เป็นมีเทนให้สารอาหารสำหรับ การเจริญเติบโต ของพืชนอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อป้องกันการกัดเซาะดินได้อีกด้วย

กากที่เหลือจากการย่อยสลายแบบเป็นกรดสามารถนำมาใช้เป็น สารเติมแต่ง ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเพื่อเพิ่มโครงสร้างให้กับพลาสติกคอมโพสิตได้ เช่นกัน

การทดลองการเจริญเติบโตของกากตะกอนที่ได้จากขยะผสมแสดงให้เห็นผลการเจริญเติบโตที่ดีของพืช^{[ 6 ]}กากตะกอนยังสามารถใช้ในการปลูกพืชในเรือนกระจกแบบเข้มข้นได้ เช่น ในระบบไดเจโปนิกส์

นอกจากนี้ พบว่ากากของเสียทั้งของแข็งและของเหลวมีประโยชน์ในการผลิตพืชไฮโดรโปนิกส์ การศึกษาหลายชิ้นแสดงให้เห็นว่ากากของเสียสามารถให้ผลผลิตที่ใกล้เคียงหรือสูงกว่าเมื่อเทียบกับวิธีการปลูกแบบมาตรฐานที่ใช้ในไฮโดรโปนิกส์และการปลูกในวัสดุปลูกแบบไร้ดิน^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

การใช้กากตะกอนจากการย่อยสลายทางชีวภาพได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถยับยั้งโรคพืชและกระตุ้นการต้านทานโรคได้ การใช้กากตะกอนมีผลโดยตรงต่อโรคที่เกิดจากเชื้อในดิน และมีผลทางอ้อมโดยการกระตุ้นกิจกรรมทางชีวภาพ

โดยทางเทคนิคแล้ว กากที่เหลือจากการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน (Digestate) ไม่ใช่ปุ๋ยหมัก แม้ว่าจะมีลักษณะทางกายภาพและเคมีคล้ายคลึงกันก็ตาม ปุ๋ย หมัก นั้นผลิตโดย กระบวนการ ย่อยสลายแบบไม่ใช้ ออกซิเจน ซึ่งเป็นการ ย่อยสลายโดย จุลินทรีย์ที่ ใช้ออกซิเจน เช่น เชื้อราและแบคทีเรียที่สามารถย่อยสลายลิกนินและเซลลูโลสได้มากกว่า

การบำบัด เช่น การใช้คลื่นอัลตราโซนิกแสดงให้เห็นว่าช่วยเพิ่มการละลายของกากตะกอน โดยวัดจากระดับความต้องการออกซิเจนทางเคมีที่ละลายได้ (sCOD) คาร์บอนอินทรีย์ทั้งหมดที่ละลายได้ (sTOC) และไนโตรเจนทั้งหมดที่ละลายได้ (sTN) ที่ปล่อยออกมาในสารละลาย^{[ 10 ]}

ในโรงงานที่ของแข็งที่ย่อยสลายแล้วจะถูกทำให้เสถียรด้วยอากาศ บ่ม หรือหมักต่อไป อาจมีการสร้างกระแสของเสียเพิ่มเติม ซึ่งบางครั้งเรียกว่าเศษส่วนของเสียจากการหมัก ในระหว่างการคัดกรองหรือการปรับปรุงการหมัก^{[ 11 ]}วัสดุนี้อาจมีพลาสติก แก้ว โลหะ อนุภาคขนาดใหญ่ และสารปนเปื้อนเฉื่อยอื่นๆ และการเกิดของวัสดุนี้ได้รับอิทธิพลจากคุณภาพของวัตถุดิบและประสิทธิภาพของขั้นตอนการเตรียมการและการแยก^{[ 12 ]}

คุณภาพของกากตะกอนที่ได้จากการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนสามารถประเมินได้จากสามเกณฑ์ ได้แก่ ด้านเคมี ด้านชีวภาพ และด้านกายภาพ คุณภาพด้านเคมีต้องพิจารณาในแง่ของโลหะหนักและสารปนเปื้อนอนินทรีย์อื่นๆ สารประกอบอินทรีย์ที่คงทน และปริมาณธาตุอาหารหลัก เช่น ไนโตรเจน ฟอสฟอรัส และโพแทสเซียม ขึ้นอยู่กับแหล่งที่มา กากชีวภาพอาจมีเชื้อโรค ซึ่งอาจนำไปสู่การแพร่กระจายของโรคในมนุษย์ สัตว์ หรือพืช หากไม่ได้รับการจัดการอย่างเหมาะสม

มาตรฐานทางกายภาพของปุ๋ยหมักส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับลักษณะและกลิ่น แม้ว่าการปนเปื้อนทางกายภาพจะไม่ก่อให้เกิดปัญหาต่อสุขภาพของมนุษย์ พืช หรือสัตว์ แต่การปนเปื้อน (ในรูปของพลาสติก โลหะ และเซรามิก) อาจทำให้เกิดทัศนคติเชิงลบในสายตาประชาชน ถึงแม้ว่าปุ๋ยหมักจะมีคุณภาพสูงและตรงตามมาตรฐานทุกประการ แต่ทัศนคติเชิงลบของสาธารณชนต่อปุ๋ยหมักที่ทำจากขยะก็ยังคงมีอยู่ การมีสิ่งปนเปื้อนที่มองเห็นได้จะช่วยเตือนผู้ใช้ถึงเรื่องนี้

การควบคุมคุณภาพของวัตถุดิบเป็นวิธีที่สำคัญที่สุดในการรับประกันคุณภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ควรตรวจสอบเนื้อหาและคุณภาพของของเสียที่เข้ามาในพื้นที่อย่างละเอียดถี่ถ้วนที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ก่อนที่จะส่งมอบ

ในสหราชอาณาจักรข้อกำหนดที่เปิดเผยต่อสาธารณะ (เรียกว่า PAS110) กำหนดนิยามของกากที่ได้จากการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนของวัสดุที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพที่แยกตามแหล่งที่มา^{[ 13 ]}ข้อกำหนดนี้รับรองว่าวัสดุที่ผ่านการย่อยสลายทั้งหมดมีคุณภาพสม่ำเสมอและเหมาะสมกับวัตถุประสงค์ หาก โรงงาน ผลิตก๊าซชีวภาพเป็นไปตามมาตรฐาน กากของเสียจากโรงงานนั้นจะถือว่าได้รับการกู้คืนอย่างสมบูรณ์และไม่ถือเป็นของเสียอีกต่อไป และสามารถจำหน่ายได้ในชื่อ "ปุ๋ยชีวภาพ" ^{[ 14 ]}

• การย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน
• ประเภทของเครื่องย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน
• การย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน
• โรงไฟฟ้าพลังงานชีวภาพ
• กากตะกอนชีวภาพ
• การบำบัดทางชีวภาพเชิงกล

• สื่อที่เกี่ยวข้องกับDigestateใน Wikimedia Commons