DOI: https://doi.org/10.3389/fenrg.2025.1680055
تاريخ النشر: 2026-01-07
المؤلف: Argyrios Kalaitzidis وآخرون
الموضوع الرئيسي: الهضم اللاهوائي وإنتاج الغاز الحيوي
نظرة عامة
تتناول الدراسة التحديات البيئية التي تطرحها الإدارة غير السليمة لمخلفات زراعة الأرز وتربية الماشية، مقترحةً الهضم اللاهوائي كحل قابل للتطبيق لإنتاج الغاز الحيوي. تدرس بشكل خاص تأثير طرق المعالجة الحرارية والحرارية الكيميائية المختلفة على قابلية التحلل الحيوي لقش الأرز، حيث وجدت أن المعالجة الحرارية الكيميائية باستخدام هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) تعزز إنتاج الميثان بنسبة 13%-15%، بينما تعطي المعالجة الحرارية زيادة متواضعة تتراوح بين 2%-5% مقارنةً بقش الأرز غير المعالج. تكشف تجارب الهضم المشترك اللاحقة أن دمج قش الأرز المعالج (p-RS) مع مخلفات الخنازير يمكن أن يعزز إنتاج الميثان بنسبة تصل إلى 59%، بينما يؤدي الهضم المشترك مع مخلفات الماشية إلى زيادة بنسبة 14%.
تشير التحليلات التقنية والاقتصادية إلى أن إنشاء محطة طاقة غاز حيوي باستخدام خليط الهضم المشترك الأمثل هو أمر قابل للتطبيق تجاريًا، مع فترة استرداد تقديرية تبلغ 2.98 سنة، وعائد على الاستثمار بنسبة 33.5% سنويًا، وأرباح صافية تبلغ حوالي 1,510,000 يورو سنويًا. من المتوقع أن تعالج المحطة 34,058 طنًا من النفايات سنويًا وتولد 15,891 ميغاوات ساعة من الطاقة المتجددة. بالإضافة إلى ذلك، فإن بيع المخلفات يعزز بشكل كبير الربحية، مما يساهم في زيادة صافية بنسبة 58%. تشير النتائج إلى أن إنتاج الطاقة المستدامة من مخلفات الزراعة هو أمر اقتصادي قابل للتطبيق في منطقة البحر الأبيض المتوسط، وينبغي أن تركز الأبحاث المستقبلية على تقييمات دورة الحياة والآليات وراء تعزيز إنتاج الميثان من خلال الهضم المشترك.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الحاجة الملحة لزيادة إنتاج الغذاء بسبب التوقعات بزيادة عدد السكان العالمي إلى 10.3 مليار بحلول نهاية القرن، إلى جانب المنافسة على الأراضي القابلة للزراعة بين المحاصيل الغذائية ومحاصيل الطاقة. تمثل مخلفات الزراعة، وخاصة قش الأرز، بديلاً قابلاً للتطبيق لتوليد الطاقة دون التنافس مع إنتاج الغذاء. تشير الورقة إلى أن حوالي 517.4 مليون طن من قش الذرة والقمح يمكن أن تنتج 7.2 إكسا جول (EJ) من الطاقة عبر الهضم اللاهوائي (AD). وقد اعترفت الاتحاد الأوروبي بهذا الإمكان، مشجعًا على استخدام مخلفات الزراعة بدلاً من المحاصيل الغذائية لإنتاج الوقود الحيوي.
الأرز، وهو غذاء أساسي لأكثر من نصف سكان العالم، ينتج انبعاثات كبيرة من الميثان أثناء زراعته، مما يساهم في 10% من انبعاثات غازات الدفيئة الزراعية. تناقش الورقة أيضًا الأثر البيئي لتربية الماشية، وخاصة الخنازير والماشية، التي تعد مصادر رئيسية لغازات الدفيئة بسبب ممارسات إدارة النفايات الخاصة بها. يؤكد المؤلفون على تحديات الهضم اللاهوائي، وخاصة الخطوات المحددة لمعدل التحلل المائي للمواد الليغنوسليلوزية مثل قش الأرز والميثانوجينيسيس لسماد الحيوانات. يُقترح الهضم المشترك لقش الأرز مع مخلفات الحيوانات الغنية بالنيتروجين كحل لتحسين التحلل الحيوي وإنتاج الميثان. تهدف الدراسة إلى تحديد طرق المعالجة المثلى ونسب الهضم المشترك لتعظيم إنتاج الميثان، مع إجراء تحليل تقني واقتصادي لتقييم جدوى محطة طاقة غاز حيوي تستخدم قش الأرز المعالج ومخلفات الحيوانات.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون الطرق التحليلية المستخدمة لتقييم خصائص المواد المختلفة. تم قياس محتوى الرطوبة، والمواد الصلبة الكلية (TS)، ودرجة الحموضة (pH)، والمواد الصلبة المتطايرة (VS) وفقًا للبروتوكولات القياسية التي وضعتها الجمعية الأمريكية للصحة العامة (APHA، 2017). تم تقدير إجمالي النيتروجين باستخدام طريقة كيدال (BeMiller، 2010)، بينما تم تحديد مستويات الدهون من خلال استخراج المذيبات من عينات مجففة ومحمضة في جهاز سوكسليت باستخدام الإيثر البترولي (O’Keefe وPike، 2010).
تم تقييم محتوى الألياف الخام من خلال تعريض العينات للغليان في حمض الكبريتيك ومحاليل هيدروكسيد الصوديوم، تليها التجفيف والوزن وحرق المواد الصلبة المتبقية؛ كان فقدان الوزن أثناء الحرق مؤشرًا على الألياف الخام الموجودة (اللائحة التنظيمية رقم 152/2009، 2009). بالإضافة إلى ذلك، تم تحليل تركيز الميثان في عينات الغاز الحيوي باستخدام كروماتوغرافيا الغاز، وفقًا للمنهجية الموضحة بواسطة Mitraka وآخرون (2022). توفر هذه الطرق معًا تحليلًا شاملاً لخصائص المواد ذات الصلة بالدراسة.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يوضح النتائج التي توصلت إليها الدراسة، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم إجراؤها، ويسلط الضوء على الأنماط أو العلاقات المهمة التي لوحظت في البيانات. قد يتضمن القسم جداول أو أشكال أو رسوم بيانية تمثل النتائج بصريًا، مما يسهل فهم النتائج بشكل أوضح.
بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما يتم وضع النتائج في سياق إطار الأسئلة البحثية أو الفرضيات المطروحة في وقت سابق من الدراسة. قد يناقش هذا القسم أيضًا آثار النتائج، مشيرًا إلى كيف تساهم في المعرفة الحالية في هذا المجال ويقترح طرقًا محتملة للبحث المستقبلي. بشكل عام، توفر النتائج نظرة شاملة على الأدلة التجريبية التي تم جمعها، مما يدعم الاستنتاجات المستخلصة في الأقسام اللاحقة من الورقة.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون معالجة قش الأرز والهضم المشترك مع مخلفات الحيوانات، مع التركيز على التأثيرات على إنتاج الميثان والجدوى التقنية والاقتصادية لمحطة طاقة غاز حيوي. أدت عملية تقليل حجم قش الأرز ميكانيكيًا، رغم كونها عملية، إلى زيادة متواضعة بنسبة 5% في إنتاج الميثان مقارنةً بالقطع الأكبر، مما يشير إلى أن طرق المعالجة الأكثر فعالية ضرورية لتعزيز التحلل الحيوي. أظهرت الطرق الكيميائية، وخاصة التحلل القلوي، تحسينات كبيرة في القابلية للهضم من خلال تعطيل بلورية السليلوز وزيادة المسامية. ومع ذلك، لم تعزز المعالجات الحرارية بمفردها إنتاج الغاز الحيوي بشكل كبير، حيث أظهرت بعض الظروف فقط زيادات طفيفة. أثبت الجمع بين المعالجة الحرارية والقلوية أنه أكثر فعالية، مما يبرز قيود الاعتماد فقط على الطرق الحرارية.
كشفت تجارب الهضم المشترك أن خلط قش الأرز المعالج مع مخلفات الماشية أو الخنازير حسّن بشكل كبير من إنتاج الميثان، حيث أن النسبة المثلى 50:50 حققت أعلى إنتاج. يوازن هذا النهج محتوى المغذيات ويعزز التنوع الميكروبي، مما يعالج قيود الهضم الأحادي. تشير التحليلات التقنية والاقتصادية إلى أن محطة طاقة غاز حيوي في مقدونيا الوسطى يمكن أن تكون قابلة للتطبيق اقتصاديًا، مع إيرادات سنوية متوقعة تبلغ 2,417,898 يورو، بما في ذلك مبيعات المخلفات. فترة الاسترداد المقدرة هي حوالي 2.98 سنة عند النظر في إيرادات المخلفات، مما يبرز الربحية المحتملة لدمج قش الأرز ومخلفات الحيوانات في إنتاج الغاز الحيوي. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية استراتيجيات المعالجة الفعالة والهضم المشترك في تحسين إنتاج الميثان وضمان الجدوى الاقتصادية لمرافق الغاز الحيوي.
DOI: https://doi.org/10.3389/fenrg.2025.1680055
Publication Date: 2026-01-07
Author(s): Argyrios Kalaitzidis et al.
Primary Topic: Anaerobic Digestion and Biogas Production
Overview
The study addresses the environmental challenges posed by the improper management of rice cultivation and livestock farming residues, proposing anaerobic digestion as a viable solution for biogas production. It specifically examines the impact of various thermal and thermochemical pretreatment methods on the biodegradability of rice straw, finding that thermochemical pretreatment with sodium hydroxide (NaOH) enhances methane production by 13%-15%, while thermal pretreatment yields a modest increase of 2%-5% compared to untreated rice straw. Subsequent co-digestion experiments reveal that combining pretreated rice straw (p-RS) with swine slurry can boost methane production by up to 59%, whereas co-digestion with cattle slurry results in a 14% increase.
The techno-economic analysis indicates that establishing a biogas power plant utilizing the optimal co-digestion mixture is commercially viable, with an estimated payback period of 2.98 years, a return on investment of 33.5% per year, and a net profit of approximately €1,510,000 annually. The plant is projected to process 34,058 tons of waste per year and generate 15,891 MWh of renewable energy. Additionally, the sale of digestate significantly enhances profitability, contributing to a 58% increase in net profit. The findings suggest that sustainable energy production from agricultural residues is economically feasible in the Mediterranean region, and future research should focus on life cycle assessments and the mechanisms behind enhanced methane production through co-digestion.
Introduction
The introduction highlights the pressing need for increased food production due to a projected global population of 10.3 billion by the century’s end, alongside the competition for arable land between food and energy crops. Agricultural residues, particularly rice straw, present a viable alternative for energy generation without competing with food production. The paper notes that approximately 517.4 million tons of maize and wheat straw could yield 7.2 exajoules (EJ) of energy via anaerobic digestion (AD). The European Union has recognized this potential, promoting the use of agricultural residues over food crops for biofuel production.
Rice, a staple for over half the global population, generates significant methane emissions during cultivation, contributing to 10% of agricultural greenhouse gas emissions. The paper also discusses the environmental impact of livestock farming, particularly swine and cattle, which are major sources of greenhouse gases due to their waste management practices. The authors emphasize the challenges of anaerobic digestion, particularly the rate-limiting steps of hydrolysis for lignocellulosic materials like rice straw and methanogenesis for animal manure. Co-digestion of rice straw with nitrogen-rich livestock slurries is proposed as a solution to improve biodegradation and methane production. The study aims to identify optimal pretreatment methods and co-digestion ratios for maximizing methane yield, while also conducting a techno-economic analysis to evaluate the feasibility of a biogas power plant utilizing pretreated rice straw and livestock slurry.
Methods
In this section, the authors outline the analytical methods employed to assess various material properties. Moisture content, Total Solids (TS), pH, and Volatile Solids (VS) were measured following standard protocols established by the American Public Health Association (APHA, 2017). Total nitrogen was quantified using the Kjeldahl method (BeMiller, 2010), while lipid levels were determined through solvent extraction of dried, acidified samples in a Soxhlet apparatus with petroleum ether (O’Keefe and Pike, 2010).
Crude fiber content was assessed by subjecting samples to boiling in sulfuric acid and sodium hydroxide solutions, followed by drying, weighing, and incinerating the remaining solids; the weight loss during ashing was indicative of the crude fiber present (Commission Regulation No 152/2009, 2009). Additionally, methane concentration in biogas samples was analyzed using gas chromatography, as per the methodology outlined by Mitraka et al. (2022). These methods collectively provide a comprehensive analysis of the material properties relevant to the study.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments or analyses. It details the outcomes of the study, including any statistical analyses performed, and highlights significant patterns or relationships observed in the data. The section may include tables, figures, or graphs that visually represent the results, facilitating a clearer understanding of the findings.
Additionally, the results are often contextualized within the framework of the research questions or hypotheses posed earlier in the study. This section may also discuss the implications of the findings, indicating how they contribute to the existing body of knowledge in the field and suggesting potential avenues for future research. Overall, the results provide a comprehensive overview of the empirical evidence gathered, supporting the conclusions drawn in the subsequent sections of the paper.
Discussion
In this section, the authors discuss the pretreatment of rice straw and its co-digestion with livestock slurries, focusing on the effects on methane yield and the techno-economic viability of a biogas power plant. Mechanical size reduction of rice straw, while practical, yielded only a modest 5% increase in methane production compared to larger pieces, suggesting that more effective pretreatment methods are necessary to enhance biodegradability. Chemical methods, particularly alkaline hydrolysis, demonstrated significant improvements in digestibility by disrupting cellulose crystallinity and increasing porosity. However, thermal pretreatments alone did not substantially enhance biogas production, with only a few conditions showing minor increases. The combination of thermal and alkaline pretreatment proved more effective, highlighting the limitations of relying solely on thermal methods.
The co-digestion experiments revealed that mixing pretreated rice straw with cattle or swine slurry significantly improved methane yields, with the optimal 50:50 ratio yielding the highest production. This approach balances nutrient content and enhances microbial diversity, addressing the limitations of mono-digestion. The techno-economic analysis indicates that a biogas power plant in Central Macedonia could be economically viable, with a projected annual revenue of €2,417,898, including digestate sales. The estimated payback period is approximately 2.98 years when considering digestate revenue, underscoring the potential profitability of integrating rice straw and livestock slurries in biogas production. Overall, the findings emphasize the importance of effective pretreatment and co-digestion strategies in optimizing methane production and ensuring the economic feasibility of biogas facilities.