گزارش اولیه آزمایش تولید گاز بیوگاز از کود خوک و گوسفند و نسبت‌های مربوطه

Thread Content

چگونگی استفاده کارآمد از پسماندهای کشاورزی برای تولید گاز بیوگاز، یکی از چالش‌های مهمی است که کشاورزی امروز با آن روبروست. مؤسسات تحقیقاتی و دانشگاه‌های داخلی و خارجی، تحقیقات گسترده‌ای در این زمینه انجام داده‌اند. مطالعات لیو ده‌جیانگ نشان می‌دهد که در مقایسه با تولید گاز بیوگاز از مواد خام تخمیری تکی، ترکیب فضولات دام‌ها یا ترکیب فضولات دام‌ها با ساقه‌های گیاهی می‌تواند به طور مؤثری میزان تولید گاز بیوگاز را افزایش دهد. هنگام افزایش درصد فضولات گاو در مواد خام تخمیری، میزان CH4 در گاز به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. در عین حال، فضولات خوک در فرآیند تخمیر بی‌هوازی به راحتی دچار اسیدی شدن می‌شوند که منجر به کاهش یا حتی توقف تولید گاز می‌گردد؛ اما فضولات گوسفند و گاو به راحتی دچار اسیدی شدن نمی‌شوند و تقریباً بر میزان تولید گاز تأثیری ندارند. تحقیقات لی ون‌ژه نشان می‌دهد که در شرایط دما و غلظت محلول بالا، همچنین زمان ماندگاری آب در سیستم طولانی، میزان اسید پروپیونیک در محلول تخمیر نیز افزایش می‌یابد؛ این امر تأثیر منفی بر مرحله تولید متان در مراحل بعدی دارد. 　　نسبت بهینه کربن به نیتروژن برای تولید گاز بیوگاز توسط میکروارگانیسم‌ها، ۲۵:۱ است؛ منابع تخمیری تکی نمی‌توانند این الزامات را برآورده کنند، بنابراین مطالعه نسبت‌های مختلف منابع ترکیبی برای تخمیر اهمیت زیادی دارد. این آزمایش، تأثیر تخمیر با استفاده از فضولات خوک و گوسفند به تنهایی، و همچنین تخمیر با ترکیب آن‌ها در نسبت‌های مختلف، بر میزان گاز بیوگاز و میزان CH4 در دمای یکسان را بررسی می‌کند؛ هدف از این کار، فراهم کردن پایه‌های نظری برای افزایش میزان و کیفیت گاز بیوگاز است. 　　۱ مواد و روش‌ها ۱.۱ مواد مواد اولیه آزمایش، از فضولات گاو و گوسفند تازه‌ی موجود در مزرعه‌های پرورش دام در کوهپایه‌های دانشکده کشاورزی شنیانگ گرفته شده‌اند ； محصول آزمایشی از لجن کف مخازن گاز بیوگازی که توسط کشاورزان در منطقه دونگلینگ، شهر شنیانگ برای استفاده خودشان ساخته شده‌اند، گرفته شده است. میزان کربن و نیتروژن مواد اولیه تخمیر در جدول ۱ آمده است. 　　۱.۲ روش‌ها ۱.۲.۱ آزمایش تخمیر: دستگاه تخمیر بی‌هوازی با دمای ثابت که به صورت خودساخته طراحی شده است؛ این دستگاه از سه بخش تشکیل شده است: بطری تخمیر، بطری جمع‌آوری گاز و بطری جمع‌آوری آب. از یک لوله شیشه‌ای ارگانیک با حجم ۱۵۰۰ میلی‌لیتر به عنوان مخزن تخمیر و مخزن جمع‌آوری گاز استفاده شد؛ سوراخ‌هایی در مخزن تخمیر و مخزن جمع‌آوری آب ایجاد شد تا به عنوان سوراخ‌های نمونه‌برداری و خروج آب عمل کنند، و سوراخ‌های نمونه‌برداری با کلیپ‌های ضدنشت بسته شدند. لوله سیلیکونی ۱۰ میلی‌متر × ۸ میلی‌متر برای اتصال بطری تخمیر و بطری جمع‌آوری گاز استفاده می‌شود. 　　برای مخزن جمع‌آوری آب، از ماپ‌های ۱۰۰ میلی‌لیتری استفاده شده و آب از طریق روش تخلیه به سمت پایین جمع‌آوری می‌شود؛ همچنین تمام اتصالات به خوبی ضدنفوذ شده‌اند. نمایش ساختار در شکل ۱ آمده است. 　　در این آزمایش، از غلظت تخمیری با میزان واکسن ۲۰٪ و مواد جامد کلی ۸٪ استفاده شده است. فرمولاسیون محلول تخمیری به ۴ گروه زیر تقسیم می‌شود: گروه I: تخمیر فضولات خالص خوک ； گروه II: تخمیر فقط مدفوع گوسفند ； گروه III: ترکیب کود خوک و کود گوسفند (نسبت مواد خشک) = ۱:۱ برای تخمیر ； گروه چهارم: تخمیر مدفوع خوک: مدفوع گوسفند (نسبت مواد خشک) = ۱:۲. برای هر ترکیب، ۲ آزمایش موازی از محلول تخمیر شده انجام می‌شود. چهار گروه آزمایشی، یعنی I، II، III و IV، به ترتیب در بطری‌های فرآوری با حجم ۱۵۰۰ میلی‌لیتر و در شرایط باز، به مدت ۹ روز پیش‌پردازش شدند؛ سپس هر کدام به صورت مجزا بسته شدند و لوله‌های انتقال گاز به آن‌ها متصل گردید. دستگاه فرآوری در اتاق کشت دارای دمای ثابت قرار گرفت و فرآیند فرآوری بی‌هوازی در دمای (۲۸±۱) درجه سانتی‌گراد، به مدت ۳۰ روز انجام شد. 　　۱.۲.۲ روش‌های تحلیل و اندازه‌گیری: میزان گاز تولید شده در هر لحظه و میزان کل گاز تولید شده، با استفاده از روش تخلیه آب به سمت پایین اندازه‌گیری می‌شود؛ مقدار pH محلول تخمیر نیز با استفاده از pH متر هوشمند (مدل PHS225) اندازه‌گیری می‌گردد؛ درصد CH4 موجود در گاز نیز با استفاده از آنالایزور گاز بیوگازی مدل ZS22 اندازه‌گیری می‌شود. 　　۲. نتایج و تحلیل‌ها ۲.۱ تغییرات پویای مقدار pH در گروه‌های مختلف تخمیر در مرحله پیش‌پردازش مخلوط محلول تخمیر که طبق فرمولاسیون مشخص شده تهیه شده بود، پس از همزدن کامل، در بطری‌های تخمیر ۱۵۰۰ میلی‌لیتری، به مدت ۹ روز در دمای اتاق (۲۰ درجه سانتی‌گراد) و در شرایط هوازی قرار گرفت. در طول فرآیند تخمیر، مقدار pH سیستم روزانه اندازه‌گیری می‌شود؛ تغییرات pH محلول تخمیر در شکل ۲ نشان داده شده است. همان‌طور که از شکل ۲ مشخص است، در کل فرآیند پیش‌پردازش، مقدار pH گروه I همواره در سطح پایینی باقی مانده و محیط آن اسیدی بوده است. مقدار pH گروه II نیز تا پایان فرآیند پیش‌پردازش، در محدوده قلیایی باقی ماند ； در گروه آزمایشی تخمیر مواد خام مخلوط: در گروه III، در ابتدای فرآیند تخمیر، مقدار pH برابر ۷.۵۰ بود؛ در روز سوم، مقدار pH به ۶.۹۵ کاهش یافت و محیط اسیدی شد. سپس دوباره مقدار pH افزایش یافت و محیط باز باقی ماند. در پایان فرآیند پیش‌پردازش، مقدار pH در گروه III دوباره به ۷.۵۰ رسید ； در کل فرآیند پیش‌پردازش، روند تغییرات pH در گروه چهارم مشابه گروه سه بود؛ هر دو گروه ابتدا شاهد کاهش pH بودند، سپس pH دوباره افزایش یافت و در نهایت به حالت پایدار رسید. اما در مقایسه با گروه سه، میزان تغییرات pH در گروه چهارم کمتر بود و در طول کل فرآیند پیش‌پردازش، pH این گروه همواره در محدوده قلیایی باقی ماند. http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3uTKVJ37bGDJGMdhFsiblTs3FUZOY2Z3XGDJicaTiaGM01Yskwj81BRqpaA/640?wx_fmt=jpeg ۲.۲ تغییرات پویای مقدار pH در گروه‌های مختلف فرآیند تخمیر بی‌هوازی در طول آزمایشات تخمیر بی‌هوازی، مقدار pH محلول تخمیر هر ۳ روز یکبار اندازه‌گیری می‌شود. تغییرات مقدار pH محلول تخمیر در طول فرآیند تخمیر گاز باتلاقی در شکل ۳ نشان داده شده است. همان‌طور که از شکل ۳ مشخص است، در گروه I، در روز نهم فرآیند تخمیر، مقدار pH به ۶.۲۰ کاهش یافت؛ سپس با افزودن قلیا، مقدار pH به ۷.۰۰ رسانده شد. در طول فرآیند تخمیر بعدی، مقدار pH همواره بالاتر از ۶.۵۰ باقی ماند و در پایان فرآیند تخمیر، مقدار pH برابر ۷.۱۰ بود ； مقدار pH در گروه II در طول کل فرآیند تخمیر در سطح بالایی باقی ماند؛ در روز پانزدهم تخمیر، این مقدار به ۶.۷۰ کاهش یافت و در پایان فرآیند تخمیر، مقدار pH برابر ۷.۲۰ بود. در گروه تخمیر مواد خام مخلوط: در گروه III، مقدار pH در ابتدای فرآیند تخمیر به سرعت کاهش یافت و در روز دوازدهم به ۶.۴۵ رسید؛ سپس دوباره شروع به افزایش کرد و بالاتر از ۶.۵۰ باقی ماند. تا پایان فرآیند تخمیر، مقدار pH در گروه III به ۷.۳۰ رسید ； در گروه چهارم، میزان تغییر pH کمترین مقدار را داشت؛ در روز ششم فرآیند تخمیر، pH به ۶.۹۰ کاهش یافت و سپس شروع به افزایش کرد. در روز پانزدهم، pH به ۷.۳۱ رسید و در پایان فرآیند تخمیر، مقدار pH برابر با ۷.۲۰ بود. http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3ubK0aNS4JzGgol1y8cq2fD3AjciaQlmokVHuf9JWnt0509byUYm4vGnQ/640?wx_fmt=jpeg ۲.۳ تغییرات میزان گاز تولید شده در اثر ترکیبات مختلف مواد اولیه فرآوری باکتریایی: تغییرات میزان گاز تولید شده در روز، بر اساس ترکیبات مختلف مواد اولیه، در شکل ۴ نشان داده شده است. همان‌طور که از شکل ۴ مشخص است، گروه I سریع‌ترین شروع تولید گاز را دارد؛ در عرض ۱ روز پس از آغاز فرآیند تخمیر بی‌هوازی، مقدار کمی گاز تولید می‌شود. میزان گاز تولیدی در روز، در روز چهارم به ۱۰۰ میلی‌لیتر می‌رسد و سپس به سرعت کاهش می‌یابد. در روز هشتم فرآیند تخمیر، تولید گاز در گروه I کاملاً متوقف می‌شود. پس از افزودن باز برای تنظیم مقدار pH محیط، تولید گاز دوباره آغاز می‌شود و در روز یازدهم به بالاترین میزان خود، یعنی ۲۴۶ میلی‌لیتر در روز، می‌رسد ； تولید گاز در گروه II نسبت به گروه I کندتر است؛ تولید گاز از روز نهم فرآیند تخمیر آغاز می‌شود و در روز شانزدهم به بالاترین میزان خود، یعنی ۳۲۵ میلی‌لیتر در روز، می‌رسد. پس از آن، میزان تولید گاز به تدریج کاهش می‌یابد، اما همواره بالاتر از گروه I باقی می‌ماند. در گروه تخمیر مواد خام مخلوط، گروه III از روز ششم شروع به تولید گاز کرد؛ میزان گاز تولیدی در روز، در روز دهم به حداکثر خود یعنی ۳۷۵ میلی‌لیتر در روز رسید. پس از آن، میزان گاز تولیدی به تدریج کاهش یافت و در روز بیست و چهارم به ۱۷۵ میلی‌لیتر در روز رسید. در روز سی‌ام فرآیند تخمیر، میزان گاز تولیدی توسط گروه III تنها ۴۷ میلی‌لیتر در روز بود ； گروه چهارم در روز چهارم فرآیند تخمیر، شروع به تولید گاز کرد؛ سپس میزان گاز تولیدی آن با ادامه فرآیند تخمیر افزایش یافت و در روز نهم فرآیند، به بالاترین میزان خود یعنی ۳۵۰ میلی‌لیتر در روز، رسید. http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3ujrmByvKlibcgnFstzdHrjgjvgxTVmuBJnz91XhlZo8PRGChyBl5zP6w/640?wx_fmt=jpeg تغییرات میزان CH4 در محلول‌های تخمیری حاصل از ترکیبات مختلف مواد اولیه تخمیر، در شکل ۵ نشان داده شده است. میزان CH4 در گروه I همواره پایین بود؛ در روز یازدهم فرآیند تخمیر، این میزان به ۶۰٪ رسید و سپس به سرعت کاهش یافت. پس از روز بیست و پنجم فرآیند تخمیر، دیگر هیچ CH4ی در گازهای تولید شده وجود نداشت. میزان CH4 در گروه II، در روز نهم فرآیند تخمیر و هنگام شروع تولید گاز، ۲۱٪ بود؛ این میزان در روز پانزدهم فرآیند تخمیر به حداکثر خود یعنی ۷۹٪ رسید و سپس به تدریج کاهش یافت. در پایان فرآیند تخمیر، میزان CH4 در این گروه ۳۰٪ بود. در گروه III، پس از شروع تولید گاز در روز پنجم فرآیند تخمیر، میزان CH4 به ۳۵٪ رسید؛ سپس این میزان به طور مداوم افزایش یافت و در روز نهم فرآیند تخمیر به بالاترین میزان خود یعنی ۸۲٪ رسید. این میزان در سطح بالایی باقی ماند تا روز چهاردهم فرآیند تخمیر، که در آن شروع به کاهش کرد. در پایان فرآیند تخمیر، میزان CH4 همچنان در حدود ۳۰٪ باقی ماند ； گروه چهارم در روز هشتم فرآیند تخمیر، به بالاترین میزان یعنی ۷۰٪ از مقدار CH4 رسید؛ سپس این میزان به تدریج کاهش یافت. در پایان فرآیند تخمیر، میزان CH4 در این گروه تنها ۱۰٪ بود. در گروه تخمیر مواد خام مخلوط، گروه III نسبت به گروه IV دارای میزان بالاتری از CH4 و مدت زمان طولانی‌تری برای این فرآیند است. 　　میزان گاز تولید شده و نرخ تولید گاز از مواد خشک در محلول‌های تخمیری با ترکیبات مختلف مواد اولیه تخمیر، در جدول ۲ آمده است. همان‌طور که از جدول ۲ مشخص است، پس از انجام آزمایش تخمیر بی‌هوازی در دمای ثابت ۲۸ درجه سانتی‌گراد به مدت ۳۰ روز، ترتیب مقادیر گاز تولید شده از مواد اولیه مختلف، از بالا به پایین، به شرح زیر است: گروه III > گروه IV > گروه II > گروه I. 　　میزان کل گاز تولید شده در گروه I کمترین مقدار را داشت (۲۷۴۹ میلی‌لیتر)، که تنها نصف مقدار تولید شده در گروه III بود (۶۲۵۸ میلی‌لیتر). میزان کل گاز تولید شده از مواد مخلوط، در همه موارد بالاتر از مواد تکی بود؛ همچنین میزان کل گاز تولید شده در گروه سوم، بالاتر از گروه چهارم بود. صرفاً از نظر میزان تولید گاز، گروه III به‌وضوح نسبت به گروه IV برتر است و ۹۲۲ میلی‌لیتر بیشتر تولید دارد. نرخ تولید گاز از مواد خشک، از بالا به پایین به ترتیب به شرح زیر است: گروه III > گروه IV > گروه II > گروه I. http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3uDNYwUV7CwaJcpV0y9VDc7ZJzRkfdO5yuHt5jBJ2P7XqESH5LarsdibA/640?wx_fmt=jpeg　　۳ بحث　　قبل از انجام فرآیند تخمیر بی‌هوازی، پیش‌پردازش هوازی مخلوط مواد اولیه تخمیر و میکروارگانیسم‌های استفاده شده به مدت ۹ روز، به تجزیه مواد آلی پیچیده موجود در مواد اولیه و تولید اسید کمک می‌کند؛ سرعت تولید اسید در مدفوع خوک‌ها بیشترین و در مدفوع گوسفندان کمترین است. مقدار pH محلول‌های تخمیر شده از ۴ گروه مواد خام، هر کدام دچار فرآیندی از کاهش سپس افزایش شد؛ دلیل آن این بود که باکتری‌های تولیدکننده اسید، مواد آلی پیچیده موجود در مواد خام را تجزیه کرده و اسیدهای چرب فرار (VFA) و اسیدهای آلی تولید کردند که منجر به کاهش pH محیط شد. سپس، با تجزیه این اسیدها توسط باکتری‌های تولیدکننده گاز، pH شروع به افزایش کرد و به حالت پایدار رسید. گوبر خوک در فرآیند تخمیر بی‌هوازی به راحتی اسیدی می‌شود که منجر به کاهش یا حتی توقف تولید گاز می‌گردد؛ بنابراین برای حفظ تولید گاز، لازم است مقدار pH سیستم به صورت دستی تنظیم شود ； اما در گروه تخمیر با کود گوسفندی و مواد مخلوط، پدیده اسیدی شدن رخ نمی‌دهد. از آنجایی که مدفوع خوک حاوی مقدار زیادی چربی خام و پروتئین خام است، در مراحل اولیه فرآیند تخمیر بی‌هوازی، میکروارگانیسم‌ها آن را تجزیه کرده و اسید تولید می‌کنند؛ این امر منجر به کاهش سریع pH محیط می‌شود و فعالیت باکتری‌های تولیدکننده متان را مهار می‌کند. شروع تولید گاز در گروه تخمیر مدفوع گوسفند نسبتاً دیرتر اتفاق می‌افتد؛ زیرا سرعت تجزیه سلولز و همسلولز توسط میکروارگانیسم‌ها کند است و باکتری‌های تولیدکننده متان نمی‌توانند سوبسترای متابولیک کافی دریافت کنند. اسید تولید شده از اسیدی شدن مدفوع خوک در گروه تخمیر با مواد خام مخلوط، می‌تواند ساختار شیمیایی مواد خام لژنوسلولزی را تخریب کند؛ این امر می‌تواند به هیدرولیز لژنوسلولز کمک کرده، نرخ بیولوژیکی تجزیه آن را افزایش داده و فرآیند تجزیه مواد حاوی سلولز زیاد را تسریع کند. در نتیجه، میزان گاز تولید شده و میزان CH4 نیز افزایش یافته و عملکرد تخمیر بهتری حاصل می‌شود. این مطالعه نشان می‌دهد که در شرایط یکسان غلظت مواد خشک و دما، میزان کل گاز تولید شده و نرخ تولید گاز از مواد خشک، به ترتیب از بالا به پایین به صورت زیر است: گروه III > گروه IV > گروه II > گروه I؛ همچنین، نسبت کود خوک به کود گوسفند (از نظر مواد خشک) برابر با ۱:۱، بهترین نسبت برای ترکیب مواد مورد استفاده در فرآیند تخمیر است. (لی موزی، سون جونده، دانشکده زمین و محیط زیست، دانشگاه کشاورزی شنیانگ)