مقاله بررسی روشهای تولید انرژی از لجن ثانویه فاضلاب

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

بررسی روشهاي تولید انرژي از لجن ثانویه فاضلاب

چکیده

لجن اولیه و ثانویه در اثر تصفیه اولیه و ثانویه فاضلاب در تصفیه خانه هاي فاضـلاب شـهري یـا صـنعتی تولید میشود. دفع لجن به بسیاري از دلایل از جمله کاهش سریع فضاي مناسب بـراي دفـن، افـزایش آگاهیهاي زیست محیطی، استانداردهاي سختگیرانهتر زیستمحیطی حاکم بر دفع لجن،و چـالشهـاي آبگیري تبدیل به یک مشکل جهانی شده است.برخلاف لجن اولیه، آبگیري و دفع لجن ثانویه به عنـوان محصول جانبی از تصفیه بیولوژیکی، به مراتب سختتر میباشد. از طرف دیگر مصرف تصـاعدي انـرژي در دهههاي اخیر منجر به بحران انرژي در جهان شده است، این دو مسئله موجب شده است که روش-

هاي تصفیه تکمیلی لجن ثانویه با هدف بازیافت انرژي مورد بررسی قرار گیرد. در این مقاله بـه بررسـی روشهاي مختلف بازیافت انرژي از لجن ثانویه شامل سوزاندن، گازيسازي، پیرولیز، و هضم بـیهـوازي پرداخته شده است. مقایسه بین این روشهـا براسـاس بـازده انـرژي خـالص آنهـا انجـام شـده اسـت.

همچنین مزایا و معایب هر روش نیز مورد توجه قرار گرفته است.بررسیها نشان میدهد مشـکل اصـلی فرآیندهایتصفیه حرارتی (سوزاندن، پیرولیز و گازيسازي) در تصفیه تکمیلی لجـن ثانویـه بـا محتـواي بسیار بالاي آب (98-99%) ،پایین بودن بازده انرژي خالص میباشد که ناشـی ازمصـرف زیـاد انـرژي براي آبگیري، تغلیظ و تبخیر کامل آب از لجن است. دیگر مشکلات اصلی فرآینـدهاي تصفیه حرارتـی انرژي بیش از حد براي رسیدن به دماي بالا است که نیاز بـه تجهیـزات گسـترده و در نتیجـه نیازمنـد هزینه سرمایه گذاري بالاست. در مقابل هضم بی هوازي، در دماي نسبتا پایین کار میکند و مهـمتـر از آن نیاز به آبگیري، تغلیظ و تبخیر کامل آب از لجن ندارد. بر این اساس، این روش از نقطه نظر بازیـابی انرژي براي لجن ثانویه بیشتر امیدوار کننده است.

کلمات کلیدي

لجن ثانویه، بازیافت انرژي، گازيسازي، پیرولیز، هضم بیهوازي ، سوزاندن

مقدمه

لجن اولیه و ثانویه در اثر تصفیه اولیه و ثانویه فاضلاب در تصفیه خانه هاي فاضلاب شهري یا صنعتی تولید مـی-

شود. لجن ثانویه عمدتا متشکل از زیست توده اضافی تولید شده در طی فرایند بیولوژیکی میباشد،و در حدود نیمـی از ورودي بار آلودگی آلی به لجن ثانویه تبدیل میشود که حاوي%0/5-2مواد جامـد اسـت. در مقایسـه بـا لجـن اولیـه، آبگیري از لجن ثانویه به مراتب مشکلتر است. به طورمعمول،لجن از طریق دفن شدن و سوزاندن دفع میشـود، کـه از لحاظ اقتصادي داراي نقاط ضعف بزرگی میباشد از جمله هزینه هاي بالاي مرتبط با آبگیري لجن بـراي رسـیدن مـواد جامد به20-40 درصد و یا بالاتر، تا شرایط مناسب براي دفن و یا سوزاندن را پیدا کنـد. هزینـه هـاي دفـع و مـدیریت لجن حدود 60٪از کل هزینه هاي عملیاتی تصفیه خانه فاضلاب را به خود اختصاص میدهد. در سالهاي اخیر، با توجه به کاهش سریع فضاي دفن لجن و مسائل مربوطبه آلودگی ثانویه در ارتباط با روشهاي متعارف دفع لجن و همچنـین مقررات زیست محیطی به طور فزاینده دقیق، دفع لجن همچنان یکی از چالشهاي عمده براي تصفیه خانه هاي فاضـلاب میباشد. این موضوع همراه با بحران انرژي به وجود آمده در جهان باعث شد روشهاي تبـدیل لجـن ثانویـه بـه انـرژي مورد بررسی قرار گیرد.[4]

در مقایسه با لجن صنعتی معمول که حاوي%16-35مواد جامد کل میباشد، لجن ثانویه حاصل از تصفیه خانه فاضلاب شهري معمولا داراي نسبت بسیار بالاتري از آب میباشد .(98-99%) در حالیکه تغییـر دادن و بهینـه سـازي فرایندهاي تولید لجن قطعا میزان تولید لجن ثانویه را کاهش میدهـد و در نتیجـه باعـث کـاهش مسـائل مربـوط بـه مدیریت لجن میشود[4] ، اما تمرکز این مقاله روي فنآوريهاي تصفیه تکمیلی لجن ثانویه بـا هـدف بازیـابی انـرژي میباشد. هدف اصلی این مقاله ارائه نماي کلی از انواع مختلف روشهاي تصفیه تکمیلی لجن ثانویه به عنوان مثال لجن فعال مازاد،براي بازیابی انرژي با تأکید بر بحث بازده انرژي براي هر فرآیند است، در حالیکه مزایا و معایـب هـر یـک از فرایندها نیز مورد توجه قرار گرفته است.

روشهاي تولید انرژي از لجن ثانویه

گزینههاي مختلفی براي تولید انرژي از لجن ثانویه وجـود دارد از جملـه: سـوزاندن بـا هـدف بازیافـت انـرژي، آتشکافتیا پیرولیز1، گازيسازي2، آبگون کردن3، اکسیداسیون آب فوق بحرانی4 و هضم بیهوازي. در این مقاله به بررسی
4 روش سوزاندن، آتشکافت، گازيسازي و هضم بیهوازي که روشهاي عملی براي تولید انرژي هستند پرداختـه شـده است.[4]

.1 سوزاندن با هدف بازیافت انرژي

فنĤوري سوزاندن احتراق کنترل شده لجن با بازیافت حرارت براي تولید بخار است که از آن براي تولید تـوان از

طریق توربینهاي بخار استفاده میشود. سوزاندن لجن شامل تبدیل جامدات آلی به محصولات نهایی اکسید شده و در

وهله اول دياکسیدکربن، آب و خاکستر میباشد.خاکسترمیتوان به طورمستقیم به نزدیکترین محـلهـاي دفـن زبالـه منتقل و دفن شود و یا میتوان از آن را به عنوان مواد خام در صنعت ساخت و ساز استفاده کرد.[11]گازهاي خروجـی

از دودکش قبل از تخلیه در جو نیاز به تصفیه دارد. براي تولید انرژي از بخار از توربینهاي بخار، که توانایی تولید توان از طریق ژنراتورالکتریکی را دارند استفاده میشود.[10]
فرایند سوزاندن لجن در کورهها، شامل گرم کردن، خشک کردن و احتراق مواد آلی مادهي سوختی اسـت.گرم کردن لجن تا 100 درجه سانتیگراد و سپس خشک کردن آن در دماي تقریبا 200 درجـه سـانتیگـراد مقـدار اصـلی گرما را مصرف میکند و در کل براي فرایند سوزاندن ضروري است. هـمچنـین ایـن شـاخصهـا بـر انتخـاب انـدازهي تجهیزات اصلی و کمکی تاثیر میگذارد و در نتیجه هزینه کلی را تعیین میکند. در حضور اکسیژن، لجن آبگیري شـده در دماي 420 تا 500 درجهي سانتیگراد مشتعل میشود.براي احتراق کامل مـواد جامـد آلـی، دمـاي 760 تـا 820
درجه سانتیگراد نیاز است.
در فرایند سوزاندن لجن، آب موجود در لجن به طورکامل تبخیر شده و مواد آلـی آن در دمـاي بـالا بـه CO2و H2Oاکسید میشود،که در دو واکنش زیر نشان داده شده:

از آنجا که واکنش تبخیر آب بسیار گرماگیر است، به منظور تداوم احتراق براي لجن بـا درصـد پـایین از مـواد جامد، قبل از سوزاندن نیاز است که آبگیري از لجن انجام شود و یا سوخت اضافی (پوست درخـت، چـوب و ضـایعات و

روغن،و غیره) به لجن اضافه شود.مونتو همکاران (2008) نشان دادهاند، که فرایند سوزاندن لجن که حدودا داراي مواد آلی قابل احتراق بیشتر از 30-50%) %25 مواد جامد کل) باشد ، بدون نیاز به سوخت اضـافی اتفـاق مـیافتـد.[11]

انرژي مورد نیاز براي تبخیر را میتوان با استفاده از معادله کیم و پارکر (2008)تخمی نزد: [9]

که در آن Qdrying میزان انرژي لازم براي خشک کردن لجن بر حسب KJ/Kg ، Mwsوزن نمونـه مرطـوب لجن بر حسب Kg ، Wرطوبت لجن ، Cpwater ظرفیت گرمـایی ویـژه آب (4.186 KJ/Kg/°C) ، ΔT اخـتلاف
دما بیندمایاولیه((25°Cودمایخشککردن((105°C، ΔHvap مقدار انـرژي مـورد نیـاز بـراي تبخیـر یـک کیلـوگرم آب ( 2090 KJ/Kg ) و Cpsludgeظرفیت گرمایی ویژه لجن (1.95 KJ/Kg/°C) میباشد. با توجه به فرمول بالا انـرژي ورودي لازم براي خشک کردن لجن با 10 درصد مواد جامد کل در حدود 2198 KJ/Kg میباشد. علاوه بر آن انرژي لازم براي بالا بردن دماي همین لجن از دماي خشک کردن که 105°C است به دمـاي متوسـط راکتـور کـه 800°C میباشد در حدود 2753 KJ/Kgتخمین زده شده است. در نتیجه کل انرژي ورودي در حـدود 5000 KJ/Kgمـی-
باشد. خروجی انرژي از فرایند سوزاندن با توجه به دادههاي تولید بخارتخمین زده میشود.[9]

علاوه بر میزان رطوبت، شاخص مهم دیگر براي سوزاندن لجن، ارزش حرارتی لجن است. ارزش حرارتی بیـانگر

مقدار گرماي آزاد شده به ازاي جرم واحد مواد جامد است. لجن ثانویه داراي ارزش حرارتی پایینتري نسـبت بـه لجـن اولیه میباشد. ارزش حرارتی لجن ثانویه در حدود 16-22 MJ/kg-dsمیباشد. پـایین بـودن ارزش حرارتـی و میـزان

رطوبت زیاد در لجن ثانویه باعث میشود این سیستمها براي تبخیر آب به سوخت کمکـی زیـادي نیـاز داشـته باشـند.

هزینه هاي اضافی چنین سیستمهایی به علت افزایش قیمت سوخت، به از کار افتادن بسیاري از این سیستمهـا منجـر شده است.

.2 آتشکافت یا پیرولیز

از دیگر روشهاي تولید انرژي از لجن میتوان به پیرولیز که روشی نوین براي مدیریت لجن و انرژي حاصـل از آن است اشاره کرد. پیرولیز فرایندي شیمیایی– حرارتی است که میتواند از مواد آلی (چه قابل تجزیه بیولوژیکی باشـد و چه نباشد) انرژي استخراج کند، در این روش لجن را در غیاب هوا و اکسیژن حرارت میدهند. محصولات این فرانیـد عبارتاند از: بیو–روغن (فاز مایع) ، گاز چگال ناپذیر (فاز گازي) و جامد بیولوژیکی باقی مانده (فاز جامد)، کـه هـر سـه این محصولات قابل بازیابی انرژياند و نسبت و مقدار آنها بستگی به دماي عملیاتی، زمان ماند، نوع مواد خام و درصـد

رطوبت لجن دارد. در دماهاي بالا و زمان ماند طولانی،گاز بیشتري پدید میآید، در حالیکه زغـال و مایعـات بیشـتر، در دماي پایینتر و زمان ماند کوتاه تولید میگردد.[15, 9]
مواد جامد پدید آمده در این فرایند، بیو-زغال (از نوع کربن فعال) و خاکستر هستند. مایعات بـه دسـت آمـده، ترکیبات آلی با وزن مولی سبکتر از ترکیبات ماده خام را در خود دارند. از جمله این ترکیبات میتوان اسیدها، الکلها، آلدهیدها،کتنها، استرها، ترکیبات حلقوي و ترکیبات فنلی را نـام بـرد. در گـاز بـه وجـود آمـده نیـز ترکیبـاتی ماننـد

منواکسیدکربن، هیدروژن، دياکسیدکربن، متان، بخار آب و دیگر هیدروکربنها به مقدار نـاچیز بـه چشـم مـیخـورد. پیرولیز عمدتا به دو صورت تند و کند دسته بندي می شود.[2]
پیرولیز کند

پیرولیز کند به طور سنتی براي تولید زغال چوب استفاده میشده است. در این فرایند، نرخ حـرارت دهـی کـم ولی مدت زمان ماند بیشتر است. این روش معمولا به منظور تولیدکربن فعال مورد استفاده قرار میگیرد تا تولید منبـع انرژي (بیو–روغن یا گاز). پیرولیز کند (یا کربنیزاسیون) مستلزم یک واکنش آهسته، زمان ماند طـولانیتـر ( 30 ثانیـه

براي فاز گازي و 30 دقیقه یا بیشتر براي فاز جامد)، دماي پایین ( به طور معمول 450 درجه سـانتیگـراد یـا کمتـر) است تا حداکثر بازده تولید زغال را داشته باشد.[14]در مورد بیو-زغال تولید شده باید تاکید کرد که، در حـال حاضـر

پیش از آنکه بر روي تولید انرژي از آن بحث شود ، بر روي توانایی بالقوه و بالفعل آن در تهویـه خـاك پرداختـه شـده است. هنگامی که وارد خاك میشود با جمع کردن آلایندههاي خاك ( به عنوان مثال فلزات سنگین)، حفظ و به تدریج آزاد کردن مواد مغذي، و همچنین بهبود ظرفیت نگهداري آب و زیستگاه میکروارگانیسمها باعث بهبود کیفیـت خـاك میگردد. علاوه براین، بیو-زغال،کربن غنی و پایدار در محیط زیست است، و استفاده از آن براي تهویـه خـاك بـه طـور همزمان به عنوان یک رویکرد امیدوارکننده براي ترسیب کربن عمل میکند..[15]

پیرولیز تند

فرایند پیرولیز تند براي به حداکثر رساندن محصولات مایع یا گاز استفاده میشود. . در حال حاضر گرایش بـه پیرولیز تند با دماي متوسط 450) تا 600 درجه سانتی گراد) علاقه ویژهاي را به خود اختصاص داده است . دلیل ایـن امر عبارت است از :
 میزان دماي ورودي و در نتیجه انرژي ورودي کمتر از پیرولیز با دماي زیاد است.

 روغن تولید شده به راحتی قابل ذخیره سازي و انتقال است.[15]

در این فرایند مواد آلی در دماي 450-600°C در غیاب اکسیژن براي مدت چند ثانیه یـا کمتـر بـه سـرعت گرم میشوند (نرخ حرارت دهی بالاي 1000°C/sec میباشد). تحت این شرایط؛ گازهاي پیرولیز، بخارات آلی و مقدار کمی زغال تولید میشود. گاز تولید شده داراي ارزش حرارتی متوسـط (13-21 MJ/Nm3) مـیباشـد. بخـارات آلـی

تولید شده پس از این فرایند براي تبدیل شدن به مایع(روغن پیرولیز یا بیو-روغن) فشرده میشوند. این مایع قهـوهاي رنگ تیره داراي ترکیبات پیچیدهاي از هیدروکربنها میباشد که میتوان آن را براي تبدیل کردن به مواد شـیمیایی یـا
تولید الکتریسیته و حرارت ارتقاء داد.[14]

بر اساس یافتههاي تجربی بیشترین مقدار تولید بیو-روغن در دماي 500°C به دست میآید.[15]در مقایسه با سوزاندن و هضم بیهوازي،%95-98از انرژي موجود در لجن خشک شده از طریق محصـولات مختلـف قابـل بازیـابی است و بازده خالص انرژي میتواند بیشتر باشد. بااینحال،ورودي انرژي براي فرایند پیرولیز،ازجمله مصـرف انـرژي بـراي تغلیظ،خشک کردن،وتامین حرارت لازم براي مواد اولیه لجن از ضرورتهاي فرایند پیرولیز میباشد،که هنوز هم نسـبتا
بالا است. در حالیکه اطلاعات مربوط به میزا نمصرف انرژي براي تغلیظ لجن در دسترس نیست،مصرف انرژي مورد نیاز براي خشک کردن لجن فعال مازاد تغلیظ شده، با 10 درصد مواد جامد کل در دماي 105°C با توجه به معادلـه 1 در حدود 2200 KJ/Kg-ws است. این بخش قابل توجهی از مصرف انـرژي بـراي پیرولیـز اسـت. مصـرف انـرژي بـراي افزایش درجه حرارت در لجن خشک از105°Cبراي رسیدن به درجه حرارت مورد نیاز راکتور در500°C با توجـه بـه

فرمول کیموپارکر (2008)قابل محاسبه میباشد: [9]

که در آن Qtarget میزان انرژي لازم براي بالا بردن دماي لجن بر حسب KJ/Kg، Mds وزن نمونـه خشـک لجن بر حسب Kg ، ΔT اختلاف دما بیندمایاولیه (105°C) ودمایراکتور((500°C میباشـد. ایـن میـزان انـرژي در حدود 770 KJ/Kg-ds میباشد، با توجه به اینکه پیرولیز یک فرایند گرماگیر میزان انرژي که لجن خشک براي ایـن فرایند مصرف میکند با توجه به آزمایشاتکابالِرو و همکاران (1997) برابـر 300 KJ/Kg-ds در نظـر گرفتـه مـی-شود.[9] بنابراین،مصرفکلانرژیبراي لجنی با 10 درصد مواد جامد کلدر500°C با توجه به فرمول زیر در حدود 2307 KJ/kg-wsاست.

انرژي خروجی براي فرایند پیرولیز شامل ارزش حرارتی روغن، گاز و زغال محصولات میباشـد کـه بـه راحتـی