Biomethane Recovery for Hermetia illucens Larval Frass Derived from Faecal matter, Swine Manure and Chicken Manure

تنتج البشرية يومياً جبالاً من النفايات العضوية، بدءاً من بقايا الطعام في مطابخنا وصولاً إلى روث الماشية الذي يُترك خلفها. وعندما تُكدس هذه المواد أو تُدفن ببساطة، فإنها غالباً ما تتعفن بطريقة تطلق غازات ضارة وتلوث التربة. لعقود من الزمن، بحث العلماء عن طرق لتحويل هذه المشكلة إلى حل، سعياً وراء أساليب لا تكتفي بتنظيف الفوضى فحسب، بل تلتقط أيضاً الطاقة المحبوسة داخل تلك المواد المتعفنة. ويتضمن أحد النهج الواعدة استخدام ذبابة الجندي الأسود، وهي حشرة صغيرة تتميز يرقاتها بنهمها الشديد في الأكل. يمكن لهذه اليرقات استهلاك كميات هائلة من النفايات العضوية، مما يؤدي إلى تفكيكها إلى مادة مُحسنة للتربة غنية بالمغذيات تُعرف باسم "الفرس" (frass). وبينما تُعد هذه المادة ممتازة لتخصيب المحاصيل، إلا أن "الفرس" الطازج غالباً ما يكون غير مستقر وقد يحتوي على مسببات أمراض تجعل نشره في الحقول فوراً أمراً محفوفاً بالمخاطر. ويكمكم التحدي في إيجيد طريقة لتثبيت هذه المادة بأمان مع استعادة الطاقة المتبقية بداخلها في الوقت ذات نفسه.

وضع فريق من الباحثين في جامعة جو مو كينياتا للزراعة والتكنولوجيا في كينيا نصب أعينهم حل هذا اللغز عبر اختبار ما إذا كان يمكن تغذية هذا الفضل الناتج عن الحشرات في آلة بيولوجية تسمى "المحلل اللاهوائي". هذه العملية، التي تحدث في غياب الأكسجين، تشبه ما يحدث في أعماق المستنقعات أو داخل معدة البقرة، حيث تقوم الميكروبات بتفكيك المواد العضوية لإنتاج غاز غني بالميثان. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكانهم استخدام "الفرس" الناتج عن يرقات ذبابة الجندي الأسود التي تغذت على ثلاثة أنواع مختلفة من النفايات: الفضلات البشرية، وروث الخنازير، وروث الدجاج. وكان هدفهم هو تحديد ما إذا كان يمكن تحويل هذه المادة المتبقية إلى مصدر وقود نظيف مع جعل النفايات آمنة للبيئة في آن واحد.

للبدء في تحقيقهم، جمع الفريق نفايات طازجة من مصادر محلية وأدخلوا يرقات ذبابة الجندي الأسود التي يبلغ عمرها خمسة أيام إليها. سُمح للحشرات بالنمو حتى نضجت تماماً، وعند تلك النقطة، قام الباحثون بحصاد "الفرس" الناتج. قاموا بتحضير عينات من كل نوع من أنواع النفايات الثلاثة بعناً، حيث طحنوها لتصبح ذات حجم موحد وخزنوها في مكان بارد للحفاظ على نضارتها. وقبل اختبار إمكانات الوقود، حلل العلماء التركيب الفيزيائي والكيميائي لكل عينة. ووجدوا أن جميع أنواع "الفرس" الثلاثة كانت جافة وقلوية للغاية، مما يعني أن مستوى الحموضة (pH) لديها مرتفع. ومع ذلك، اختلف التركيب بشكل كبير اعتماداً على ما أكلته اليرقات؛ فقد احتوى "الفرس" الناتج عن روث الخنازير على أعلى كمية من المواد العضوية القابلة للتحلل، بينما كان "الفرس" الناتج عن روث الدجاج هو الأكثر جفافاً واحتوى على أقل كمية من المواد القابلة للتحلل.

بعد ذلك، وضع الباحثون هذه العينات في زجاجات محكمة الإغلاق مع خليط خاص من الميكروبات المأخوذة من محلل نشط. لقد خلقوا بيئة محكومة حيث تم استبعاد الأكسجين، مما سمح للميكروبات بالتغذي على "الفرس" وإنتاج الغاز الحيوي. وعلى مدار خمسة وخمسين يوماً، قاموا بقياس الغاز الناتج كل يوم. أظهرت النتائج فرقاً واضحاً في الأداء بناءً على مصدر الغذاء الأصلي. فقد أنتج "الفرس" المشتق من روث الخنازير أكبر قدر من الطاقة، حيث ولد إجمالي 619 ملليلتر من الغاز الحيوي لكل جرام من المواد الصلبة المتطايرة، مع عائد ميثان بلغ 347 ملليلتر. أما "الفرس" من الفضلات البشرية فقد قدم أداءً جيداً في المنتصف، حيث أنتج 378 ملليلتر من الغاز الحيوي و205 ملليلتر من الميثان. وفي المقابل، عانى "الفرس" الناتج عن روث الدجاج بشكل كبير، حيث أنتج 185 ملليلتر فقط من الغاز الحيوي و100 ملليلتر من الميثان.

اكتشف الفريق أن الأداء الضعيف لـ "الفرس" الناتج عن روث الدجاج يعود إلى طبيعته الكيميائية؛ إذ احتوى على مستويات عالية من الكبريت وكان ذا درجة حموضة (pH) مرتفعة جداً، وكلاهما يمكن أن يكون ساماً للميكروبات المسؤولة عن إنتاج الميثان. بالإضافة إلى ذلك، تضمنت المواد الناتجة عن روث الدجاج بقايا فرشة (النشارة) يصعب على الميكروبات تفكيكها، مما شكل عائقاً أمام استعادة الطاقة. ومن ناحية أخرى، كان "الفرס" الناتج عن روث الخنازير غنياً بالمواد العضوية سهلة الهضم، مما سمح للميكروبات بالعمل بكفاءة. كما لاحظ الباحثون أن عملية تفكيك "الفرس" الناتج عن روث الخنازير استغرقت وقتاً أطول قليلاً للبدء، مع تأخر دام قرابة ثلاثة أيام قبل أن يصل الإنتاج إلى ذروته، ولكن بمجرد بدئه، أنتج طاقة بمعدل أسرع من العينات الأخرى.

لفهم سرعة ونمط إنتاج الطاقة هذا، استخدم العلماء نماذج رياضية لملاءمة بياناتهم. ووجدوا أن إنتاج الميثان من النفايات البشرية ونفايات الخنازير اتبع منحنى محدداً يفسر البداية البطيئة التي تليها زيادة سريعة. أما بالنسبة لروث الدجاج، فقد كانت العملية أبطأ وأكثر خطية، مما يشير إلى أن عملية تفكيك المادة نفسها كانت هي العائق الرئيسي. أكدت الدراسة أنه بينما يمكن استخدام جميع أنواع "الفرس" الثلاثة لتوليد الطاقة، فإن نوع روث الخنازير كان الأكثر فعالية بفارق كبير. كما نجحت العملية في تقليل كمية النفايات العضوية في الزجاجات بنسبة تصل إلى 55 بالمائة، مما يشير إلى أن عملية الهضم قد عملت على تثبيت المادة وتقليل قدرتها على إلحاق الضرر بالبيئة.

يسلط هذا البحث الضوء على مسار عملي للمضي قدماً في إدارة النفايات العضوية ضمن اقتصاد دائري. فمن خلال تغذية يرقات ذبابة الجندي الأسود بروث الخنازير، ثم هضم "الفرس" الناتج، يمكن للمجتمعات إنشاء نظام ينتج طاقة متجددة مع معالجة النفايات وتقليل مخاطر الأمراض في آن واحد. وتشير الدراسة إلى أن هذه الطريقة مناسبة بشكل خاص لروث الخنازير، المتوفر بكثرة في العديد من المناطق الزراعية. وبينما ثبت أن "الفرس" الناتج عن روث الدجاج أقل فعالية، فإن النتائج تقدم دليلاً واضحاً للمزارعين ومديري النفايات حول مسارات النفايات الأكثر ملاءمة لهذا النهج مزدوج الغرض. ويُظهر العمل أنه مع الجمع الصحيح بين التحويل الحيوي بواسطة الحشرات والهضم الميكروبي، من الممكن تحويل منتج نفايات صعب إلى مورد مستقر وغني بالطاقة دون الحاجة إلى معالجات كيميائية معقدة.