Reusable Perforated Plastic-Ball Bulking Agent for Decentralized Food Waste Composting: Maturity Validation, Nutrient Retention and Machine Learning-Based Process Interpretation

يُلقى ملايين الأطنان من بقايا الطعام يومياً، وغالباً ما ينتهي بها المطاف في مكبات النفايات حيث تتعفن دون هواء. وتؤدي عملية التعفن هذه إلى انبعاث روائح كريهة وغازات دفيئة، بينما تُفقد العناصر الغذائية القيمة الموجودة داخل الطعام للأبد. وهناك طريقة أفضل للتعامل مع هذه النفايات وهي التسميد (الكمبوست)، وهو طريقة طبيعية تقوم فيها الكائنات الدقيقة بتفكيك المواد العضوية إلى سماد تربة غني. ولكي تنجح هذه العملية بشكل جيد، تحتاج الكومة إلى الأكسجين؛ فبدون وجود هواء كافٍ، تتعطل العملية، وتصبح الكومة رطبة للغاية ومتكدسة، ولا تستطيع البكتيريا النافعة القيام بعملها. تقليدياً، يخلط الناس مواد ضخمة مثل نشارة الخشب أو رقائق الخشب للحفاظ على الكومة فضفاضة ومهواة، ومع ذلك، فإن هذه المواد الطبيعية تتحلل هي نفسها أثناء العملية، مما يؤدي في النهايد إلى فقدان قدرتها على حبس الهواء وتتطلب استبدالاً مستمراً.

لقد بحث الباحثون عن حل يحافظ على انفتاح الكومة دون أن تختفي. كما يهتمون أيضاً باستخدام البيانات لفهم كيفية تغير أكوام التسميد هذه بدقة بمرور الوقت، متجاوزين مجرد التخمينات البسيطة إلى التنبؤات الدقيقة. والهدف هو تحويل نفايات الطعام عالية الرطوبة إلى منتج مستقر وآمن وغني بالمغذيات بسرعة، خاصة للأماكن مثل المدارس أو الفنادق أو الأحياء التي تولد نفايات يومياً ولكنها تفتقر إلى المساحات اللازمة للمرافق الصناعية الضخمة.

في إعداد مختبري مضبوط، اختبر باحث في جامعة "إم آي تي" للتصميم والتكنولوجيا الفنية في بونه، الهند، نهجاً جديداً لهذه المشكلة. ركزت الدراسة على استخدام كرات بلاستيكية قابلة لإعادة الاستخدام، وبالتحديد كرات مثقبة، كبديل دائم لرقائق الخشب التقليدية. تعمل هذه الكرات البلاستيكية كدعامة (سقالة)، حيث تخلق أنفاقاً صغيرة لتدفق الهواء عبر نفايات الطعام الرطبة دون أن تتحلل هي نفسها. خلط الباحث نفايات الطعام التي جُمعت من مقصف جامعي مع بعض الإضافات المفيدة: الفحم الحيوي (البيوتشار) للاحتفاظ بالمغذيات، والجير لموازنة الحموضة، ومسحوق النيم للتحكم في الميكروبات غير المرغوب فيها، والسكر (الجاجري) لتغذية البكتيريا. ولتحديد كمية السقالة البلاستيكية المطلوبة، تم تحضير أربع دفعات مختلفة؛ حيث احتوت دفعة واحدة على عدم وجود كرات بلاستيكية على الإطلاق، لتكون بمثابة مجموعة ضابطة، بينما احتوت الدفعات الثلاث الأخرى على 2%، و4%، و8% من الكرات البلاستيكية من حيث الوزن، ممزوجة في نفايات الطعام.

استمرت التجربة لمدة ثلاثين يوماً داخل مفاعل معدني مصمم خصيصاً يمكنه التحكم في درجة الحرارة وتدفق الهواء. حافظت الآلة على دفء الكومة وزودتها بالأكسجين في دورات، محاكية ظروف نظام تسميد واسع النطاق. وطوال الشهر، قاس الباحث مدى سخونة الكومة، وكيف تغيرت الحموضة، وكيف تطور التركيب الكيميائي للنفايات. وكان المقياس الرئيسي للنجاح هو نسبة الكربون إلى النيتروجين، وهو مؤشر قياسي لما إذا كان السماد جاهزاً للاستخدام؛ حيث تعني النسبة العالية أن المادة لا تزال خام وغير مستقرة، بينما تشير النسبة المنخفضة إلى أن السماد قد نضج وأصبح منتجاً آمناً يشبه التربة.

أظهرت النتائج فرقاً واضحاً بين الدفعات. عانت الكومة الضابطة التي لا تحتوي على كرات بلاستيكية في الحفاظ على حرارتها، ولم تصل فقط إلى ذروة درجة حرارة بلغت 40 درجة مئوية، بل إنها لم تبقَ في منطقة الحرارة العالية لفترة كافية لتعقيم النفايات بالكامل أو تفكيكها بكفاءة. وبحلول نهاية الشهر، لم تكن هذه الكومة ناضجة تماماً بعد، مع بقاء نسبة الكربون إلى النيتروجين مرتفقة جداً للاستخدام الآمن. في المقابل، أدت الدفعات التي تحتوي على كرات بلاستيكية أداءً أفضل بكثير. فقد وصلت الدفعة التي تحتوي على 8% من الكرات البلاستيكية إلى ذروة حرارة بلغت 58 درجة مئوية وظلت ساخنة بما يكفي لقتل المسببات المرضية لمدة أحد عشر يوماً. ساعدت هذه الحرارة الميكروبات على العمل بشكل أسرع، ونضجت الكومة بشكل ملحوظ في وقت أقصر. وبحلول اليوم الثامن عشر، كانت هذه الدفعة قد وصلت بالفعل إلى النطاق المستهدف للنضج، وبحلول اليوم الرابع والعشرين، كانت مستقرة تماماً. كما تحسنت الدفعات الأخرى التي تحتوي على 2% و4% أيضاً، لكن دفعة الـ 8% أظهرت الأداء الأكثر اتساقاً.

بعيداً عن السرعة فحسب، ساعدت الكرات البلاستيكية السماد على الاحتفاظ بمغذياته. فعندما تتحلل المواد العضوية، يمكن للعناصر القيمة مثل الفوسفور والبوتاسيوم أن تُغسل بسهء أو تتسرب. وجدت الدراسة أن الدفعة التي تحتوي على 8% من الكرات البلاستيكية احتفظت بأكبر قدر من الفوسفور، حيث احتفظت بـ 45.65% منه، مقارنة بـ 24.44% فقط في المجموعة الضابطة. كما احتفظت بمزيد من البوتاسيوم، بنسبة احتفاظ بلغت 22.96% مقابل 7.69% فقط في المجموعة الضابطة. وهذا يعني أن المنتج النهائي لم يكن جاهزاً للاستخدام في وقت أقصر فحسب، بل كان أيضاً أغنى بالمعادن التي تحتاجها النباتات للنمو. وقد صُنّف السماد النهائي من دفعة الـ 8% على أنه عالي الجودة، وآمن للزراعة وخالٍ من مخاطر المعادن الثقيلة، بينما ظل السماد من المجموعة الضابطة من جودة أقل.

لفهم العوامل التي كانت تقود هذه التغييرات بالضبط، استخدم الباحث نماذج حاسوبية لتحليل البيانات. بحث نموذج واحد في جميع القياسات التي تم أخذها على مدار الشهر لتحديد ما هو أكثر أهمية؛ ووجد أن كمية النيتروجين في الكومة، ومستوى الحموضة، ومحتوى الرطوبة كانت المحركات الرئيسية لسرعة نضج السماد. أما النموذج الآخر، المصمم لتتبع التغييرات بمرور الوقت، فقد نجح في التنبؤ بكيفية انخفاض نسبة الكربون إلى النيتروجين مع مرور الأيام. وأكدت هذه الأدوات أن الكرات البلاستيكية لم تضف مجرد حجم، بل خلقت بيئة يمكن فيها حدوث التفاعلات الكيميائية الصحيحة بشكل أسرع وأكثر موثوقية.

تشير الدراسة إلى أن استخدام هذه الكرات البلاستيكية القابلة لإعادة الاستخدام يمكن أن يكون حلاً عملياً لأنظمة التسميد اللامركزية. فخلافاً لنشارة الخشب أو رقائق الخشب، التي تُستهلك وتحتاج إلى شرائها مراراً وتكراراً، يمكن إزالة هذه الكرات البلاستيكية من السماد النهائي واستخدامها في الدفعة التالية. وهذا من شأنه أن يجعل عملية التسميد أكثر كفاءة وأقل تكلفة للمؤسسات التي تولد الكثير من نفايات الطعام يومياً. وبينما أُجريت التجربة على نطاق صغير في مختبر، فإن النتائج تشير إلى طريقة تسرع عملية تفكيك النفايات، وتحافظ على المغذيات، وتنتج سماداً عالي الجودة دون الحاجة إلى استبدال مستمر لمواد التخفيف. وتسلط الأبحاث الضوء على أنه مع وجود الهيكل الفيزيائي المناسب والقليل من الرؤية القائمة على البيانات، يمكن تحويل بقايا الطعام إلى تربة بشكل أسرع وأنظف وأكثر فعالية مما كان يُعتقد سابقاً.