सूअर एवं भेड़ों के गोबर से बनने वाली गैस संबंधी प्रारंभिक परीक्षण रिपोर

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कृषि अपशिष्टों का उपयोग करके कुशलतापूर्वक बायोगैस उत्पन्न करना, आज कृषि क्षेत्र के सामने एक बड़ी चुनौती है। घरेलू एवं विदेशी अनुसंधान संस्थानों एवं विश्वविद्यालयों ने इस क्षेत्र में बहुत सारे अनुसंधान किए हैं। लियू डेजियांग के अध्ययन से पता चला है कि, केवल एक ही प्रकार की कच्ची सामग्री का उपयोग करके बायोगैस उत्पन्न करने की तुलना में, पशुओं के मल को मिलाकर या पशुओं के मल एवं घास को मिलाकर बायोगैस उत्पादन में वृद्धि की जा सकती है। जब कच्ची सामग्री में गायों के मल का अनुपात बढ़ाया जाता है, तो गैस में CH4 की मात्रा में वृद्धि हो जाती है। वहीं, सूअरों के मल के कारण अवायवीय अपघटन की प्रक्रिया में अम्लीकरण हो जाता है, जिससे बायोगैस उत्पादन में कमी आ जाती है, या फिर बायोगैस उत्पादन ही बंद हो जाता है। लेकिन भेड़ों के मल एवं गायों के मल में ऐसी समस्या नहीं होती; इसलिए इनके कारण बायोगैस उत्पादन पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता। ली वेनझे के अध्ययन से पता चलता है कि जब तापमान एवं द्रव की सांद्रता अधिक होती है, एवं पानी का प्रवास समय भी लंबा होता है, तो किण्वन द्रव में प्रोपियोनिक अम्ल की मात्रा भी बढ़ जाती है; इससे आगे की मीथेन उत्पादन प्रक्रिया पर नकारात्मक प्रभाव पड़ता है। 　　माइक्रोऑर्गेनिज्मों द्वारा बायोगैस उत्पादन हेतु आदर्श कार्बन-नाइट्रोजन अनुपात 25:1 है। केवल एक ही प्रकार के कच्चे माल से इस आवश्यकता को पूरा करना कठिन है; इसलिए विभिन्न अनुपातों में मिश्रित कच्चे मालों के उपयोग से किए गए किण्वन प्रक्रमों का अध्ययन करना महत्वपूर्ण है। इस प्रयोग में, समान तापमान पर, सूअर के गोबर एवं भेड़ के गोबर का उपयोग करके अलग-अलग तरीकों से किए गए किण्वन प्रक्रमों, तथा विभिन्न अनुपातों में इनके मिश्रण से होने वाले किण्वन प्रक्रमों के प्रभावों का अध्ययन किया गया। इसका उद्देश्य, गैस उत्पादन एवं उसकी गुणवत्ता में सुधार हेतु आवश्यक सैद्धांतिक आधार प्रदान करना है। 　　1 सामग्री एवं विधियाँ 1.1 सामग्री परीक्षण हेतु आवश्यक सामग्री, शेनयांग कृषि विश्वविद्यालय के पश्चिमी पहाड़ी क्षेत्र में स्थित पशुपालन केंद्र से प्राप्त ताज़ा गायों एवं भेड़ों का गोबर है। ； परीक्षण हेतु उपयोग में आने वाला सैंपल, शेनयांग शहर के डोंगलिंग जिले में स्थित किसानों के घरों में प्रयोग में आने वाले सीवेज टैंकों की तलह किण्वन हेतु उपयोग में आने वाली सामग्रियों में कार्बन एवं नाइट्रोजन 　　1.2 विधि 1.2.1 किण्वन परीक्षण: स्वयं डिज़ाइन किया गया स्थिर-तापमान वाला अवायवीय किण्वन उपकरण; यह उपकरण किण्वन बोतल, गैस संग्रहण बोतल एवं जल संग्रहण बोतल – इन तीन भागों से मिलकर बना है। किण्वन हेतु 1500 मिलीलीटर के ऑर्गेनिक ग्लास के बर्तनों का उपयोग किया गया। किण्वन बर्तन एवं जल संग्रहण बर्तन में नमूना लेने हेतु एवं पानी निकालने हेतु छिद्र बनाए गए; नमूना लेने वाले छिद्रों को बंद रखने हेतु वॉटरप्रूफ क्लैंपों का उपयोग किया गया। फर्मेंटेशन बॉटल एवं गैस संग्रहण बॉटल को 10मिमी×8मिमी आकार की सिलिकॉन ट्यूबों के माध्यम से जोड़ा जाता है। 　　जल संग्रहण के लिए 100 मिलीलीटर के मापन बर्तनों का उपयोग किया जाता है; नीचे की ओर पानी निकालकर गैस संग्रहीत की जाती है। सभी जोड़ों को अच्छी तरह सील किया जाता है। संरचना का चित्र चित्र 1 में दिया गया है। 　　इस परीक्षण में, संक्रमण हेतु उपयोग की गई सामग्री की मात्रा 20% रही, जबकि कुल ठोस पदार्थों की मात्रा 8% रही। किण्वन घोल के संयोजनों को निम्नलिखित 4 समूहों में विभाजित किया गया है: समूह I: शुद्ध सूअर की गोबर से ब ； समूह II: शुद्ध भेड़ों के गोबर का किण्वन ； समूह III: सूअर का गोबर : भेड़ का गोबर (सूखे पदार्थों का अनुपात) = 1:1; इनका मिश्रण करके किण्वन किया जाता है। ； समूह IV: सूअर का गोबर : भेड़ का गोबर (सूखे पदार्थों का अनुपात) = 1:2; किण्वन। प्रत्येक फॉर्मूले के लिए, किण्वन घोल से 2 समानांतर परीक्षण किए जाते हैं। चार प्रयोग समूहों, अर्थात् I, II, III एवं IV को क्रमशः 1500 मिलीलीटर के किण्वन बर्तनों में रखकर 9 दिनों तक खुले अवस्था में पूर्व-प्रसंस्करण किया गया। इसके बाद इन बर्तनों को बंद कर दिया गया, एवं उनमें वायु-प्रवाह हेतु विशेष उपकरण लगाए गए। इन किण्वन उपकरणों को स्थिर तापमान वाले कमरे में रखकर (28±1)°C के तापमान पर 30 दिनों तक अवायवीय किण्वन प्रक्रिया की गई। 　　1.2.2 विश्लेषण/मापन विधियाँ: उत्पन्न होने वाली गैस की मात्रा एवं कुल उत्पादित गैस की मात्रा को “नीचे की ओर जल निकासी विधि” द्वारा मापा जाता है। किण्वन घोल के pH मान को “इंटेलिजेंट pH मीटर” (PHS225 मॉडल) के द्वारा मापा जाता है। गैस में CH4 की मात्रा को ZS22 मॉडल के गैस विश्लेषक के द्वारा मापा जाता है। 　　2. परिणाम एवं विश्लेषण
2.1 पूर्व-संसाधना के दौरान विभिन्न किण्वन समूहों में pH मानों में होने वाले परिवर्तन
निर्धारित फॉर्मूले के अनुसार तैयार की गई किण्वन द्रव मिश्रण को अच्छी तरह मिलाने के बाद, इसे 1500 मिलीलीटर की किण्वन बोतलों में 20℃ के कमरे के तापमान पर 9 दिनों तक किण्वित किया गया। किण्वन प्रक्रिया के दौरान, प्रणाली का pH मान प्रतिदिन एक बार मापा गया; किण्वित द्रव के pH मान में हुए परिवर्तनों को चित्र 2 में दर्शाया गया है। चित्र 2 से पता चलता है कि समूह I में, पूरी पूर्व-संसाधन प्रक्रिया के दौरान pH मान हमेशा कम स्तर पर ही रहा, अर्थात् यह अम्लीय ही रहा। समूह II में, pH मान हमेशा क्षारीय सीमा के भीतर ही रहा, जब तक कि पूर्व-संसाधना प्रक्रिया समाप्त नहीं हो गई। ； मिश्रित कच्चे माल से अभिक्रिया करने वाले समूह में: समूह III में, सड़न की प्रक्रिया शुरू होने पर pH मान 7.50 था; 3वें दिन इसका pH मान 6.95 तक गिर गया, जिससे यह अम्लीय हो गया। इसके बाद pH मान फिर से बढ़ने लगा, एवं अंत में यह क्षारीय ही रहा। पूर्व-संसाधना प्रक्रिया समाप्त होने पर, समूह III का pH मान फिर से 7.50 ही रहा। ； समूह IV में, पूरी पूर्व-संसाधना प्रक्रिया के दौरान pH मान में होने वाले परिवर्तनों की प्रवृत्ति समूह III के समान ही रही; दोनों ही समूहों में pH मान पहले घटा, फिर बढ़ा, और अंत में स्थिर हो गया। लेकिन समूह III की तुलना में, समूह IV में pH मान में होने वाले परिवर्तन कम रहे, एवं पूरी पूर्व-संसाधना प्रक्रिया के दौरान pH मान हमेशा क्षारीय स्तर पर ही रहा। http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3uTKVJ37bGDJGMdhFsiblTs3FUZOY2Z3XGDJicaTiaGM01Yskwj81BRqpaA/640?wx_fmt=jpeg
2.2 अवायवीय किण्वन प्रक्रिया में विभिन्न किण्वन समूहों के pH मानों में होने वाले परिवर्तन
अवायवीय किण्वन प्रयोगों के दौरान, हर 3 दिनों में किण्वित तरल के pH मान को मापा जाता है। बायोगैस अभिक्रिया प्रक्रिया के दौरान, अभिक्रिया द्रव के pH मान में होने वाले परिवर्तनों को चित्र 3 में दर्शाया गया है। चित्र 3 से पता चलता है कि समूह I में, किण्वन के 9वें दिन pH मान 6.20 तक गिर गया। इसे कृत्रिम रूप से क्षार मिलाकर pH 7.00 तक लाया गया। इसके बाद के किण्वन चरणों में, pH मान हमेशा 6.50 से अधिक ही रहा। किण्वन प्रक्रिया समाप्त होने पर, pH मान 7.10 रहा। ； समूह II में, पूरी किण्वन प्रक्रिया के दौरान pH मान उच्च स्तर पर ही रहा। किण्वन प्रक्रिया के 15वें दिन यह मान 6.70 तक गिर गया, जबकि किण्वन प्रक्रिया समाप्त होने पर इसका मान 7.20 रहा। मिश्रित कच्चे माल वाले संश्लेषण समूह में: समूह III में, संश्लेषण शुरू होने के तुरंत बाद pH मान में तेजी से गिरावट आई; 12वें दिन यह मान 6.45 तक गिर गया। इसके बाद यह मान फिर से बढ़ने लगा, एवं संश्लेषण पूरा होने तक यह 6.50 से ऊपर ही रहा। संश्लेषण पूरा होने पर समूह III का pH मान 7.30 था। ； समूह IV में pH मान में सबसे कम परिवर्तन हुआ। किण्वन के 6वें दिन pH मान 6.90 तक गिर गया, उसके बाद यह धीरे-धीरे बढ़ने लगा; 15वें दिन यह 7.31 तक पहुँच गया। किण्वन प्रक्रिया समाप्त होने पर pH मान 7.20 रहा। http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3ubK0aNS4JzGgol1y8cq2fD3AjciaQlmokVHuf9JWnt0509byUYm4vGnQ/640?wx_fmt=jpeg
2.3 विभिन्न किण्वन सामग्रियों के अनुपातों से होने वाले गैस उत्पादन में परिवर्तन
विभिन्न किण्वन सामग्रियों के अनुपातों के कारण उत्पन्न होने वाले गैस उत्पादन में होने वाले परिवर्तनों को चित्र 4 में दर्शाया गया है। चित्र 4 से पता चलता है कि समूह I में गैस उत्पादन सबसे जल्दी शुरू होता है; अवायवीय किण्वन शुरू होने के 1 दिन बाद ही थोड़ी मात्रा में गैस उत्पन्न होने लगती है। चौथे दिन इस समूह में प्रतिदिन 100 मिलीलीटर गैस उत्पन्न होती है, उसके बाद यह मात्रा तेजी से कम होने लगती है। किण्वन के 8वें दिन समूह I में गैस उत्पादन पूरी तरह रुक जाता है। जब pH मान को संतुलित करने हेतु कृत्रिम रूप से क्षार मिलाया जाता है, तो फिर से गैस उत्पादन शुरू हो जाता है, एवं 11वें दिन प्रतिदिन 246 मिलीलीटर गैस उत्पन्न होती है। ； समूह II में गैस उत्पादन की प्रक्रिया, समूह I की तुलना में धीमी होती है। किण्वन के 9वें दिन से ही गैस उत्पन्न होना शुरू होता है, एवं 16वें दिन गैस उत्पादन की मात्रा 325 मिलीलीटर/दिन तक पहुँच जाती है। इसके बाद गैस उत्पादन में कमी आने लगती है; लेकिन फिर भी समूह II में गैस उत्पादन की मात्रा, समूह I की तुलना में हमेशा अधिक ही रहती मिश्रित कच्चे माल से बने समूह III में, 6वें दिन से ही गैस उत्पन्न होने लगी। 10वें दिन इस समूह में प्रतिदिन उत्पन्न होने वाली गैस की मात्रा 375 मिलीलीटर/दिन तक पहुँच गई; इसके बाद यह मात्रा धीरे-धीरे कम होने लगी। 24वें दिन यह मात्रा 175 मिलीलीटर/दिन रह गई। 30वें दिन तक समूह III में प्रतिदिन उत्पन्न होने वाली गैस की मात्रा केवल 47 मिलीलीटर/दिन ही रह गई। ； समूह IV में, किण्वन के 4वें दिन से ही गैस उत्पन्न होना शुरू हो जाता है। इसके बाद, किण्वन के दौरान प्रतिदिन उत्पन्न होने वाली गैस की मात्रा में वृद्धि होती रहती है; किण्वन के 9वें दिन तो यह मात्रा 350 मिलीलीटर/दिन तक पहुँच जाती है। http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3ujrmByvKlibcgnFstzdHrjgjvgxTVmuBJnz91XhlZo8PRGChyBl5zP6w/640?wx_fmt=jpeg
विभिन्न किस्म के किण्वन सामग्रियों के उपयोग से तैयार किए गए किण्वन द्रवों में CH4 की मात्रा में होने वाले परिवर्तनों को चित्र 5 में दर्शाया गया है। समूह I में CH4 की मात्रा हमेशा कम ही रही; किण्वन प्रक्रिया के 11वें दिन इसकी मात्रा 60% तक पहुँच गई, उसके बाद यह तेजी से कम होने लगी। किण्वन प्रक्रिया के 25वें दिन तक उत्पन्न होने वाली गैसों में CH4 नहीं रहा। समूह II में, किण्वन के 9वें दिन गैस उत्पादन शुरू होने पर CH4 की मात्रा 21% थी; किण्वन के 15वें दिन यह मात्रा 79% तक पहुँच गई, इसके बाद यह धीरे-धीरे कम होने लगी। किण्वन समाप्त होने पर CH4 की मात्रा 30% रह गई। समूह III में, किण्वन के 5वें दिन ही गैस उत्पादन शुरू हो गया, और उस समय CH4 की मात्रा 35% तक पहुँच गई। इसके बाद यह मात्रा लगातार बढ़ती रही; किण्वन के 9वें दिन यह मात्रा 82% तक पहुँच गई। किण्वन के 14वें दिन तक यह मात्रा उच्च स्तर पर ही रही, उसके बाद धीरे-धीरे कम होने लगी। किण्वन समाप्त होने पर भी CH4 की मात्रा 30% ही रही। ； समूह IV में, किण्वन के 8वें दिन CH4 की मात्रा 70% तक पहुँच गई; इसके बाद यह धीरे-धीरे कम होने लगी। किण्वन पूरा होने पर, इसमें CH4 की मात्रा केवल 10% ही रह गई। मिश्रित कच्चे माल से बने किण्वन समूह में, समूह III में CH4 की मात्रा समूह IV की तुलना में अधिक थी, एवं इसका प्रभाव भी अधिक समय तक रहा। 　　विभिन्न किण्वन सामग्रियों के मिश्रणों से प्राप्त होने वाली गैसों की मात्रा एवं शुष्क पदार्थों से प्राप्त होने वाली गैसों की दर, तालिका 2 में दी गई है। तालिका 2 से पता चलता है कि 28℃ के स्थिर तापमान पर 30 दिनों तक किए गए अवायवीय किण्वन प्रयोगों में, विभिन्न किण्वन सामग्रियों से उत्पन्न होने वाली गैसों की मात्रा क्रमशः इस प्रकार है: समूह III > समूह IV > समूह II > समूह I। 　　समूह I में कुल गैस उत्पादन सबसे कम रहा (2749 मिलीलीटर); यह समूह III के कुल गैस उत्पादन (6258 मिलीलीटर) का केवल 1/2 है। विभिन्न कच्चे मालों के संयोजन से प्राप्त कुल गैस उत्पादन, एकल कच्चे माल से प्राप्त उत्पादन से अधिक है; समूह III में कुल गैस उत्पादन, समूह IV की तुलना में अधिक है। केवल उत्पन्न होने वाली गैस की मात्रा के हिसाब से ही देखा जाए, तो समूह III, समूह IV की तुलना में काफी बेहतर है; इसमें 922 मिलीलीटर अधिक गैस उत्पन्न होती है। शुष्क पदार्थों से गैस उत्पन्न होने की दर, ऊपर से नीचे की ओर, इस प्रकार है: समूह III > समूह IV > समूह II > समूह I। http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3uDNYwUV7CwaJcpV0y9VDc7ZJzRkfdO5yuHt5jBJ2P7XqESH5LarsdibA/640?wx_fmt=jpeg　　3 चर्चाएँ　 अवायवीय किण्वन से पहले, किण्वन हेतु उपयोग में आने वाली सामग्रियों एवं जीवाणुओं के मिश्रण को 9 दिनों तक ऑक्सीजनयुक्त वातावरण में रखने से, उनमें मौजूद जटिल कार्बनिक पदार्थों का विघटन होकर अम्ल उत्पन्न होता है। सूअर के गोबर से सबसे तेज़ गति से अम्ल उत्पन्न होता है, जबकि भेड़ के गोबर से सबसे धीरे अम्ल उत्पन्न होता है। 4 अलग-अलग कच्चे पदार्थों से प्राप्त किए गए किण्वन घोलों में pH मान में पहले गिरावट आई, फिर वृद्धि हुई। ऐसा इसलिए हुआ, क्योंकि अम्ल उत्पन्न करने वाले बैक्टीरिया ने कच्चे पदार्थों में मौजूद जटिल कार्बनिक पदार्थों को विघटित करके वाष्पशील फैटी एसिड (VFA) एवं कार्बनिक अम्ल उत्पन्न किए; जिससे pH मान में गिरावट आई। इसके बाद, गैस उत्पन्न करने वाले बैक्टीरिया द्वारा इन अम्लों का विघटन होने लगा, जिससे pH मान में वृद्धि हुई एवं यह स्थिर हो गया। एनारोबिक किण्वन प्रक्रिया के दौरान सूअर का गोबर आसानी से अम्लीय हो जाता है; इस कारण गैस उत्पादन में कमी आ जाती है, या यह पूरी तरह रुक भी सकता है। गैस उत्पादन को बनाए रखने हेतु प्रणाली के pH मान को मानवीय रूप से संशोधित करना आवश्यक है। ； जबकि भेड़ों के गोबर एवं मिश्रित कच्चे माल से बने उत्पादों में कोई अम्लीकरण नहीं होता। चूँकि सूअर के गोबर में मोटा वसा एवं मोटे प्रोटीन की मात्रा अधिक होती है, इसलिए अवायवीय किण्वन की शुरुआत में सूक्ष्मजीव इन पदार्थों को विघटित करके अम्ल उत्पन्न करते हैं। इस कारण सिस्टम का pH मान तेजी से गिर जाता है, जिससे मीथेन उत्पन्न करने वाले जीवाणुओं की गतिविधियाँ रुक जाती हैं। भेड़ों के गोबर के किण्वन समूह में गैस उत्पन्न होने की प्रक्रिया अपेक्षाकृत धीमी होती है। ऐसा इसलिए होता है, क्योंकि सूक्ष्मजीवों द्वारा सेल्यूलोज एवं हाफ-सेल्यूलोज का विघटन धीमी गति से होता है; इस कारण मीथेन उत्पन्न करने वाले बैक्टीरियाओं को पर्याप्त चयापचय सामग्री नह मिश्रित कच्चे माल के किण्वन प्रक्रिया में, सूअर के गोबर से उत्पन्न अम्ल, लकड़ीय फाइबरों की रासायनिक संरचना को नष्ट कर देता है। इससे लकड़ीय फाइबरों का जलविघटन आसान हो जाता है, जिससे उनका जैव-विघटन दर बढ़ जाती है। इस प्रकार, उच्च फाइबर युक्त कच्चे माल का तेजी से विघटन होकर अम्ल उत्पन्न होता है; जिससे गैस उत्पादन एवं CH4 की मात्रा में वृद्धि होती है, और किण्वन प्रक्रिया अधिक प्रभावी हो जाती है। इस अध्ययन से पता चलता है कि समान शुष्क पदार्थ की सांद्रता एवं तापमान की स्थितियों में, संचित गैस उत्पादन एवं शुष्क पदार्थ से गैस उत्पादन की दर क्रमशः इस प्रकार है: समूह III > समूह IV > समूह II > समूह I। समूह III में, सूअर के गोबर एवं भेड़ के गोबर का अनुपात (शुष्क पदार्थ के हिसाब से) 1:1 है; यही किण्वन हेतु सर्वोत्तम मिश्रण अनुपात है। (ली मुज़ी, सुन जुनडे, शेनयांग कृषि विश्वविद्यालय, भूमि एवं पर्यावरण विभाग)