تقرير أولي حول تجارب إنتاج الغاز الحيوي من روث الخنازير والأغنام ونسب تركيبها

Thread Content

كيفية استغلال النفايات الزراعية بكفاءة لإنتاج غاز البيوغاز، يُعد تحديًا كبيرًا يواجه الزراعة في الوقت الحالي. لقد أجرت المؤسسات البحثية والجامعات المحلية والدولية الكثير من الأبحاث في هذا المجال. أظهرت أبحاث ليو ديجيانغ أن استخدام مزيج من فضلات الحيوانات أو مزيج من فضلات الحيوانات مع القش يمكن أن يزيد بفعالية من كمية الغاز الحيوي المنتج، مقارنةً باستخدام مادة تخمير واحدة فقط. وعند زيادة نسبة فضلات الأبقار في مواد التخمير، يرتفع مستوى غاز CH4 في الغاز الناتج بشكل ملحوظ. أما فضلات الخنازير، فإنها تتعرض للتحمض خلال عملية التخمير اللاهوائي، مما يؤدي إلى انخفاض كمية الغاز المنتج أو حتى توقف إنتاج الغاز. أما فضلات الأغنام والأبقار، فإنها لا تتعرض للتحمض بسهولة، وبالتالي لا يؤثر ذلك على كمية الغاز المنتج. أظهرت أبحاث لي وينجزه أنه عندما تكون درجة الحرارة وتركيز المحلول مرتفعين، بالإضافة إلى طول مدة بقاء الماء في النظام، فإن نسبة حمض البروبيونيك في سائل التخمير ترتفع أيضًا، وهو ما يؤثر سلبًا على مرحلة إنتاج الميثان التالية. 　　النسبة المثلى للكربون إلى النيتروجين كمواد خام لإنتاج الغاز الحيوي من قبل الكائنات الدقيقة هي 25:1، ومن الصعب على المواد الخام الفردية تلبية هذه النسبة، لذلك فإن دراسة نسب مختلفة من المواد الخام المختلطة أثناء عملية التخمير ذات أهمية كبيرة. تهدف هذه التجربة إلى دراسة تأثير تخمير فضلات الخنازير وفضلات الماعز كمواد أولية منفردة، وكذلك تخميرها بنسب مختلفة، على إنتاج الغاز الحيوي ومحتوى غاز الميثان في نفس درجة الحرارة، وذلك بهدف توفير أساس نظري لتحسين إنتاج الغاز الحيوي وجودته. 　　1 المواد والأساليب 1.1 المواد تم الحصول على المواد المستخدمة في التجربة من روث الأبقار والأغنام الطازج في مزرعة التربية الواقعة خلف جامعة شنيانغ الزراعية ； تم أخذ عينة التجربة من طين قاع خزان الغاز الحيوي الذي يستخدمه المزارعون في منطقة دونغلينغ بمدينة شنيانغ. يظهر محتوى الكربون والنيتروجين في مواد التخمير في الجدول 1. 　　1.2 الطريقة 1.2.1 اختبار التخمير: تم تصميم جهاز للتخمير في ظروف خالية من الأكسجين وبدرجة حرارة ثابتة، ويتكون هذا الجهاز من ثلاثة أجزاء: قارورة التخمير، وقارورة جمع الغازات، وقارورة جمع الماء. تم استخدام أكواب من البلاستيك العضوي بسعة 1500 مل كوعاء للتخمير وكوعاء لجمع الغازات، وتم عمل ثقوب في كل من هذين الكوعاءين لاستخدامها كفتحات لأخذ العينات وفتحات لخروج الماء، كما تم استخدام مشابك خاصة لإغلاق فتحات أخذ العينات. يتم ربط قارورة التخمير بقارورة جمع الغازات باستخدام أنبوب من السيليكون بأبعاد 10 مم × 8 مم. 　　تُستخدم قوارير جمع المياه بسعة 100 مل، ويتم تصريف المياه لأسفل لجمع الغازات، كما يتم عزل جميع نقاط الاتصال بشكل كامل. يظهر الرسم التخطيطي للبنية في الشكل 1. 　　استخدم في هذه التجربة تركيز تخمير يتكون من 20% كمقدار للمادة المُحقونة، و8% كنسبة للمواد الصلبة الكلية. تنقسم تركيبة السائل المخمر إلى 4 مجموعات كالتالي: المجموعة الأولى: تخمير فضلات الخنازير النقية ； المجموعة الثانية: تخمير فضلات الأغنام النقية ； المجموعة الثالثة: روث الخنازير وروث الماعز (نسبة المواد الجافة) = 1:1، يتم تخميرهما معًا ； المجموعة الرابعة: روث الخنازير: روث الماعز (نسبة المواد الجافة) = 1:2، يتم تخميرها. يتم إجراء تجربتين متوازيتين لكل نوع من سوائل التخمير. تم وضع المجموعات التجريبية الأربعة، وهي I وII وIII وIV، في أوعية تخمير سعتها 1500 مل، وتم تعريضها للهواء الطلق لمدة 9 أيام كخطوة تحضيرية. بعد ذلك، تم إغلاق هذه الأوعية وتوصيل أنابيب لنقل الغازات إلى خزانات جمع الغازات. ثم تم وضع جهاز التخمير في غرفة زراعة ذات درجة حرارة ثابتة، حيث تم إجراء عملية التخمير اللاهوائي عند درجة حرارة (28±1) درجة مئوية لمدة 30 يومًا. 　　1.2.2 طرق التحليل والقياس: يتم قياس كمية الغاز المنتج في كل فترة، بالإضافة إلى الكمية الإجمالية للغاز المنتج، باستخدام طريقة التصريف للأسفل. أما قياس درجة الحموضة في سائل التخمير، فيتم ذلك باستخدام جهاز قياس درجة الحموضة الذكي من نوع PHS225. أما نسبة غاز الميثان في الغازات المنتجة، فيتم قياسها باستخدام جهاز تحليل غاز البيوغاز من نوع ZS22. 　　2 النتائج والتحليلات 2.1 التغيرات الديناميكية في قيمة الرقم الهيدروجيني لمختلف مجموعات التخمير أثناء المعالجة المسبقة يتم خلط سوائل التخمير المُعدة وفقًا للوصفة بشكل جيد، ثم يتم تخزينها في قوارير تخمير سعتها 1500 مل عند درجة حرارة الغرفة (20 درجة مئوية) لمدة 9 أيام. خلال عملية التخمير، يتم قياس قيمة الرقم الهيدروجيني للنظام مرة واحدة في اليوم، ويظهر تغير قيمة الرقم الهيدروجيني لسائل التخمير في الشكل 2. كما يتضح من الشكل 2، فإن قيمة الرقم الهيدروجيني في المجموعة الأولى ظلت عند مستوى منخفض طوال عملية المعالجة المسبقة، مما يدل على أن الوسط كان حمضيًا. أما قيمة الرقم الهيدروجيني للمجموعة الثانية، فقد ظلت ضمن النطاق القلوي طوال الوقت، حتى انتهاء عملية المعالجة المسبقة ； في مجموعة تجارب التخمير باستخدام المواد المختلطة: كانت قيمة الرقم الهيدروجيني في المجموعة الثالثة 7.50 عند بداية عملية التخمير، وفي اليوم الثالث انخفضت هذه القيمة إلى 6.95، مما يعني أن الوسط أصبح حمضيًا. بعد ذلك بدأت قيمة الرقم الهيدروجيني في الارتفاع مرة أخرى، وظل الوسط قاعديًا. وعند انتهاء عملية المعالجة المسبقة، كانت قيمة الرقم الهيدروجيني في المجموعة الثالثة 7.50 مرة أخرى ； في المجموعة الرابعة، كان اتجاه تغير قيمة الـ pH خلال عملية المعالجة المسبقة مشابهًا للمجموعة الثالثة؛ حيث شهدت كلا المجموعتين انخفاضًا في قيمة الـ pH ثم ارتفاعًا، قبل أن تستقر القيمة في النهاية. لكن مقارنة بالمجموعة الثالثة، كانت نسبة التغير في قيمة الـ pH في المجموعة الرابعة أقل، وظلت القيمة دائمًا ضمن النطاق القلوي طوال فترة المعالجة المسبقة. http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3uTKVJ37bGDJGMdhFsiblTs3FUZOY2Z3XGDJicaTiaGM01Yskwj81BRqpaA/640?wx_fmt=jpeg 2.2 التغيرات الديناميكية في قيمة الرقم الهيدروجيني لمختلف مجموعات التخمير أثناء عملية التخمير اللاهوائي. خلال تجارب التخمير اللاهوائي، يتم قياس قيمة الرقم الهيدروجيني لسائل التخمير كل 3 أيام. يوضح الشكل 3 تغيرات قيمة الرقم الهيدروجيني لسائل التخمير خلال عملية تخمير الغاز الحيوي. كما يتضح من الشكل 3، فإن قيمة الرقم الهيدروجيني في المجموعة الأولى انخفضت إلى 6.20 في اليوم التاسع من عملية التخمير، وتم رفع هذه القيمة إلى 7.00 عن طريق إضافة قاعدة. وخلال باقي مراحل التخمير، ظلت قيمة الرقم الهيدروجيني فوق 6.50، وفي نهاية عملية التخمير، كانت قيمته 7.10 ； ظلت قيمة الـ pH في المجموعة الثانية عند مستوى مرتفع طوال عملية التخمير، وانخفضت إلى 6.70 في اليوم الخامس عشر من التخمير، بينما بلغت قيمة الـ pH في نهاية عملية التخمير 7.20. في مجموعة التخمير باستخدام المواد المختلطة: انخفض قيمة الرقم الهيدروجيني في المجموعة الثالثة بسرعة في بداية عملية التخمير، ووصل إلى 6.45 في اليوم الثاني عشر، ثم بدأ في الارتفاع مرة أخرى وظل فوق 6.50. وعند انتهاء عملية التخمير، كان قيمة الرقم الهيدروجيني في المجموعة الثالثة 7.30 ； كانت درجة الحموضة في المجموعة الرابعة هي الأقل تغيرًا؛ حيث انخفضت درجة الحموضة في اليوم السادس من عملية التخمير إلى 6.90، ثم بدأت في الارتفاع، ووصلت إلى 7.31 في اليوم الخامس عشر. وفي نهاية عملية التخمير، كانت درجة الحموضة 7.20. http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3ubK0aNS4JzGgol1y8cq2fD3AjciaQlmokVHuf9JWnt0509byUYm4vGnQ/640?wx_fmt=jpeg 2.3 تغيرات كمية الغاز المنتج حسب نسب مكونات المواد المستخدمة في عملية التخمير: يظهر في الشكل 4 تغيرات كمية الغاز المنتج يوميًا حسب نسب مكونات المواد المستخدمة في عملية التخمير. كما يتضح من الشكل 4، فإن المجموعة الأولى هي التي بدأت في إنتاج الغاز بأسرع وتيرة؛ حيث بدأ إنتاج الغاز خلال يوم واحد من بدء عملية التخمير اللاهوائي، ووصل إنتاج الغاز اليومي إلى 100 مل في اليوم الرابع، ثم انخفض بسرعة. وفي اليوم الثامن من عملية التخمير، توقف إنتاج الغاز تمامًا في المجموعة الأولى. لكن بعد إضافة قاعدة لتعديل قيمة الرقم الهيدروجيني للوسط، استؤنف إنتاج الغاز، ووصل إلى أعلى مستوى له في اليوم الحادي عشر، حيث بلغ 246 مل/يوم ； كان بدء إنتاج الغاز في المجموعة الثانية أبطأ مقارنة بالمجموعة الأولى، حيث بدأ إنتاج الغاز في اليوم التاسع من عملية التخمير، ووصل إلى أعلى مستوى له في اليوم السادس عشر، وهو 325 مل/يوم، ثم بدأ ينخفض تدريجيًا، لكن كمية الغاز المنتجة يوميًا ظلت دائمًا أعلى من تلك المسجلة في المجموعة الأولى. في مجموعة التخمير باستخدام المواد المختلطة، بدأت المجموعة الثالثة في إنتاج الغاز في اليوم السادس، ووصل إنتاج الغاز اليومي إلى أقصى قيمة له في اليوم العاشر وهي 375 ملليلتر/يوم. بعد ذلك بدأ إنتاج الغاز في الانخفاض تدريجيًا، حيث انخفض إلى 175 ملليلتر/يوم في اليوم الرابع والعشرين. وبحلول اليوم الثلاثين من عملية التخمير، كان إنتاج الغاز اليومي في المجموعة الثالثة 47 ملليلتر/يوم فقط ； بدأت المجموعة الرابعة في إنتاج الغاز في اليوم الرابع من عملية التخمير، ومن ثم بدأ معدل إنتاج الغاز يزداد مع استمرار التخمير، حتى وصل إلى أعلى مستوى له في اليوم التاسع، وهو 350 مل/يوم. http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3ujrmByvKlibcgnFstzdHrjgjvgxTVmuBJnz91XhlZo8PRGChyBl5zP6w/640?wx_fmt=jpeg يوضح الشكل 5 تغيرات نسبة غاز الميثان في سوائل التخمير المحصلة من مزيج مختلف من المواد المستخدمة في عملية التخمير. ظل مستوى CH4 في المجموعة الأولى منخفضًا طوال الوقت، حيث بلغ 60% في اليوم الحادي عشر من عملية التخمير، ثم بدأ في الانخفاض بسرعة، وبعد اليوم الخامس والعشرين من التخمير لم يعد هناك CH4 في الغازات المنتجة. كانت نسبة غاز الميثان في المجموعة الثانية عند بداية إنتاج الغاز في اليوم التاسع من عملية التخمير 21%، ووصلت إلى أعلى مستوى لها في اليوم الخامس عشر وهو 79%، ثم بدأت تنخفض تدريجيًا، وفي نهاية عملية التخمير كانت نسبة غاز الميثان 30%. في المجموعة الثالثة، بدأ إنتاج غاز الميثان في اليوم الخامس من عملية التخمير، حيث بلغت نسبة الميثان 35%، ثم استمرت هذه النسبة في الارتفاع، ووصلت إلى أعلى مستوى لها في اليوم التاسع، حيث بلغت 82%. وظلت هذه النسبة مرتفعة حتى اليوم الرابع عشر من التخمير، حيث بدأت في الانخفاض تدريجيًا. وفي نهاية عملية التخمير، ظلت نسبة الميثان عند 30% ； وصلت نسبة غاز الميثان في المجموعة الرابعة إلى أعلى مستوى لها، وهو 70%، في اليوم الثامن من عملية التخمير، ثم بدأت هذه النسبة في الانخفاض تدريجيًا. وعند انتهاء عملية التخمير، كانت نسبة غاز الميثان 10% فقط. في مجموعة التخمير بالمواد المختلطة، كان لدى المجموعة الثالثة قيمة أعلى لمستوى غاز الميثان مقارنة بالمجموعة الرابعة، بالإضافة إلى فترة زمنية أطول لاستمرار هذا المستوى. 　　يوضح الجدول 2 كمية الغاز المتراكمة ومعدل إنتاج الغاز من المواد الجافة في سوائل التخمير المحصلة من نسب مختلفة من مواد التخمير. كما يتضح من الجدول 2، فإنه بعد إجراء تجربة التخمير اللاهوائي عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 28 درجة مئوية لمدة 30 يومًا، كان ترتيب كمية الغاز المنتج من مواد التخمير المختلفة من الأعلى إلى الأدنى كالتالي: المجموعة الثالثة > المجموعة الرابعة > المجموعة الثانية > المجموعة الأولى. 　　كان إجمالي كمية الغاز المنتج في المجموعة الأولى هو الأقل (2749 مل)، وهو ما يعادل نصف كمية الغاز المنتج في المجموعة الثالثة (6258 مل). كان إجمالي كمية الغاز المنتج من المواد المختلطة أعلى منها عند استخدام مادة واحدة، وكان إجمالي كمية الغاز المنتج في المجموعة الثالثة أعلى منها في المجموعة الرابعة. من حيث كمية الغاز المنتجة بشكل تراكمي، فإن المجموعة الثالثة تتفوق بوضوح على المجموعة الرابعة، بفارق 922 مل. معدل إنتاج الغاز من المواد الجافة، من الأعلى إلى الأدنى، هو: المجموعة الثالثة > المجموعة الرابعة > المجموعة الثانية > المجموعة الأولى. http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3uDNYwUV7CwaJcpV0y9VDc7ZJzRkfdO5yuHt5jBJ2P7XqESH5LarsdibA/640?wx_fmt=jpeg  3 مناقشات  يساعد المعالجة الهوائية لمزيج المواد الخام المستخدمة في عملية التخمير والمواد المستخدمة كمستعمرات بكتيرية لمدة 9 أيام، قبل البدء في عملية التخمير اللاهوائي، في تحليل المركبات العضوية المعقدة الموجودة في هذه المواد وإنتاج الأحماض. يكون إنتاج الأحماض أسرع في فضلات الخنازير، بينما يكون أبطأ في فضلات الماعز. شهدت قيم الرقم الهيدروجيني لسوائل التخمير المكونة من 4 مجموعات مختلفة من المواد الخام عملية انخفاض ثم ارتفاع، وذلك بسبب قيام بكتيريا إنتاج الأحماض بتحليل المواد العضوية المعقدة الموجودة في المواد الخام لإنتاج أحماض دهنية متطايرة وأحماض عضوية، مما أدى إلى انخفاض قيمة الرقم الهيدروجيني. بعد ذلك، تم تحليل هذه الأحماض بواسطة بكتيريا إنتاج الغازات، مما أدى إلى ارتفاع قيمة الرقم الهيدروجيني واستقرارها في النهاية. يميل روث الخنازير إلى التحمض أثناء عملية التخمير اللاهوائي، مما يؤدي إلى انخفاض كمية الغاز المنتج أو حتى توقف إنتاجه. لذلك، من الضروري تعديل قيمة الرقم الهيدروجيني في النظام يدويًا للحفاظ على إنتاج الغاز ； أما مجموعة السماد الخروفي والمواد المختلطة المخمرة فلا تحدث فيها ظاهرة التحمض. نظرًا لاحتواء فضلات الخنازير على نسبة عالية من الدهون الخام والبروتينات الخام، فإنها تتحلل بواسطة الكائنات الدقيقة خلال المراحل الأولى من التخمير اللاهوائي لإنتاج الأحماض، مما يؤدي إلى انخفاض سريع في قيمة الرقم الهيدروجيني، وبالتالي يُثبط نشاط بكتيريا إنتاج الميثان. يحدث تأخر نسبي في بدء إنتاج الغاز في مجموعة تخمير روث الأغنام، وذلك بسبب بطء سرعة تحلل الكتلة الخشبية والسليلوز من قبل الكائنات الدقيقة، مما يمنع بكتيريا إنتاج الميثان من الحصول على كميات كافية من المواد الأساسية اللازمة لعملياتها الأيضية. في مجموعة التخمير باستخدام المواد المختلطة، يؤدي تحمض فضلات الخنازير إلى تدمير البنية الكيميائية للمواد الليفية الخشبية، مما يساعد على تحلل هذه المواد، وبالتالي زيادة معدل تحللها البيولوجي. كما يسرع ذلك من تحلل المواد الغنية بالسليلوز، مما يؤدي إلى زيادة إنتاج الغازات وكمية غاز الميثان، وبالتالي الحصول على نتائج تخمير أفضل. تُظهر هذه الدراسة أنه، في ظل نفس تركيز المواد الجافة ودرجة الحرارة، فإن كمية الغاز المتراكمة ومعدل إنتاج الغاز من المواد الجافة تكون على التوالي كالتالي: المجموعة الثالثة > المجموعة الرابعة > المجموعة الثانية > المجموعة الأولى. ويعتبر مزيج السماد الخنزيري مع سماد الأغنام بنسبة 1:1 من حيث المواد الجافة هو أفضل نسبة لاستخدامها في عملية التخمير. (لي موزي، سون جوندэ، كلية الأراضي والبيئة، جامعة شنيانغ الزراعية)