بخشی از مقاله
چکیده
رشد جمعیت و صنعت از عوامل افزایش تقاضای انرژی جهان است. سوختهای زیستی تولید شده از زیست تودهها از جمله گیاهان یا زباله های آلی میتواند کمک به کاهش جهان وابسته به نفت و تولید دیاکسید کربن کند. در میان انرژیهای تجدیدپذیر، باقیماندههای کشاورزی - به عنوان مثال کاه برنج - برای تولید انرژی توجه زیادی دریافت کرده است. پوسته برنج و کاه برنج باقیماندههای کلیدی از محصولات برنج هستند که یکی از مهمترین غذاهای اصلی جهان است. برنج به عنوان یک منبع حیاتی از انرژی تجدیدپذیر است.
بسیاری از کارهای تحقیقاتی، اختصاص به بررسی پتانسیل استفاده از مواد زائد کشاورزی، برای تولید بیوگاز میباشد.هضم بیهوازی هاضم ترکیبی از ترکیب فضولات گاو با کاه برنج در 3 تانک هاضم 60 لیتری در دمای 28 1 درجه سانتیگراد در 30 روز مورد بررسی قرار گرفت. مواد خام اولیه با %10 کاه برنج در هاضم A ،%20 کاه برنج در هاضمB،%40 کاه برنج در هاضم C با فضولات گاو مخلوط شدند. نسبت سه هاضم C,B,A به ترتیب 21/7، 22/2، 23/7 بوده است. کل حجم گاز تولیدی تانک هاضم C,B,A به ترتیب 26/2، 39/1 ، 33/1 لیتر بوده است.عملکرد تانک هاضم B با %20 ترکیب کاه با فضولات گاوی بیشتر از عملکرد تانک هاضم A وC بوده است.
واژه های کلیدی:بیوگاز، نسبت کربن به نیتروژن - - C/N، حجم گاز، هضم بیهوازی
.1مقدمه
وابستگی شدید در سوختهای فسیلی کمک در جهت کاهش سوخت های فسیلی و تغییرات آب و هوا استب1ب%90 . از حاملهای انرژی با منشاء فسیلی مورد استفاده است . [2] احتراق سوختهای فسیلی عامل بزرگی برای افزایش سطح دی اکسیدکربن در اتمسفر است که به طور مستقیم در ارتباط با گرمایش جهانی 1است.[3] یکی از گازهای گلخانهای دیاکسید کربن است.[4] عوارض جانبی انتشار گازهای گلخانهای در محیط زیست، همراه با کاهش ذخایر نفت و امنیت انرژی در آینده همراه است.[5] استفاده از روشهای جدید تولید انرژی که معایب روشهای کلاسیک را نداشته باشند، امری متداول در سراسر جهان شده است از جمله این روشها، تولید انرژی از زیست توده 2میباشد.[6]
روشهای مختلفی برای استحصال انرژی از مواد زائد آلی وجود دارد از مهمترین این روشها که مورد تأیید سازمانهای جهانی بهداشت و حفاظت از محیط زیست است، استفاده از تکنولوژی هضم بی هوازی3 و تولید بیوگاز4 میباشد.>7@ تصفیه بی هوازی5 شامل تجزیه مواد آلی در عدم وجود اکسیژن آزاد است که منجر به تولید متان، دیاکسید کربن، آمونیاک و تمامی گازهای دیگر و اسیدهای آلی با وزن مولکولی کم میشود.[8] در حال حاضر فناوری هضم بیهوازی نه تنها برای کنترل آلودگیهای مختلف مانند فاضلاب6، ضایعات صنعتی7و زباله جامد شهری8 به کار میرود.[9] بلکه برای تولید انرژی تجدیدپذیر9 مانند هیدروژن و بیوگاز با استفاده از منابع تجدیدپذیر میباشد.[10]
یکی از مباحث مهم و مورد توجه در مدیریت پسماندهای جامد به ویژه در سالهای اخیر، استفاده از پتانسیل منابع زیستتوده به منظور ساماندهی سیستم مدیریت امحاتولید انرژی از پسماندهای جامد در هر یک از ابعاد شهری و یا روستایی بوده است. این طرح با هدف استفاده مناسب از منابع زیست توده به طور اخص فضولات دامی و تبدیل آن به انرژی صورت میپذیرد. در این تحقیق نیز سعی بر حداکثرسازی استحصال بیوگازبالابردن راندمان دستگاههای تولید بیوگاز با تعیین شرایط بهینه فیزیکی با تاکید بر پارامتر - C/N - میباشد. شناخت شرایط فوق می تواند کمک موثری در تولید انرژی از منابع زیست توده بدون دربر داشتن هزینه اضافی داشته باشد.
افزایش کیفیت بیوگاز علاوه بر تغییر نسبت C/N با تغییر نوع بستر از نوع منفرد به نوع ترکیبی منجر به بهبود عملکرد بیوگاز خواهد شد. با توجه به اینکه در این تحقیق از دو نوع ماده زائد آلی، فضولات گاو به عنوان منبع نیتروژی ضایعات کشاورزی شامل کاه برنج به عنوان منبع کربن استفاده شده است، در بهبود فرآیند موثر واقع خواهد بود ارزش حرارتی بیوگاز به درصد گاز متان تولید شده بستگی دارد که آن هم با کیفیت مواد آلی وارد شده به تانک تخمیر دستگاه بیوگاز ارتباط مستقیم دارد. بهترین نسبت ترکیبی مواد آلی برای دستیابی به راندمان بالایی از بیوگاز، در شرایط یکسان محیطی برای 3 تانک هاضم بیوگاز در این تحقیق مورد بررسی قرار میگیرد.
.2مواد و روش ها 1-2 تهیه و آماده سازی مواد اولیه
مواد اولیه مورد استفاده دراین پژوهش عبارتند×از کاه و کلش برنج به عنوان منبع اصلی کربن و فضولات گاوی به عنوان منبع تامین کننده نیتروژن - شکل1و . - 2 مقدار10کیلوگرم کاه و کلش برنج از زراعت یک کشاورز تهیه گردید و در دمای اتاق - حدود 20 درجه سانتیگراد - انبارگردید. فضولات گاوی از دامداری یک کشاورز روستایی به طور تصادفی از محل جمعآوری گردید.
2-2 تعیین و تنظیم خواص فیزیکی و شیمیایی
برای تولید بیوگاز ضروری است که در ابتدا ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی مواد اولیه مانند چگالی، درصد رطوبت، میزان کربن، نیتروژن و نسبت کربن به نیتروژن را اندازهگیری کرد . این ویژگیها ما را قادر میسازد تا ترکیبی مناسب از مواد اولیه را برای استفاده درمخزن هضم گزینش نمائیم. تمامی پارامترهای فوق بر اساس استاندارد [11] APHA که در جدول 1 نشان داده شده است، اندازهگیری شد. همانطور که در بسیاری از تحقیقات از جمله تحقیقات پراساد کاپاروجو10 و همکارانش [12] - 2005 - برای هضم بی هوازی سیب زمینی با کود خوک، گانجین چن 11 وهمکارانش [13] - 2010 - برای هضم بی هوازی گیاه تالاب با کود گاوی، بولاجو12 و همکارانش [14] - 2009 - برای هضم بی هوازی ضایعات میوه و سبزی بافاضلاب کشتارگاه از این استاندارد استفاده کرده اند.
3-2 پیش تیمار کاه برنج
کاه و کلش برنج به عنوان مواد فیبری دارای ترکیباتی دیر تجزیه هستند مهم ترین این مواد سلولز، همیسلولز و لیگنین میباشند. در کاه برنج طبق منابع مختلف درصد این مواد متفاوت گزارش شده است. جدول 2مقدار متوسط این مواد را نشان میدهد.
در این پژوهش کاه برنج به عنوان منبع کربن به کار رفت . برای پیش تیمار کاه برنج آن را با گیوتین دستی و قیچی به ذرات ریز 20-5 میلیمتری تبدیل کردیم - شکل - 3 سپس مواد خرد شده را در کیسه نایلونی در دمای اتاق - 20درجه سانتیگراد - نگهداری شد. اندازه ذرات باید به اندازه کافی کوچک باشد، تا سطح تماس مناسبی برای حمله و تغذیه میکروارگانیسمها فرآهم شود. در غیر اینصورت، موجب ایجاد لخته شده و به علت وجود رطوبت، یک سطح غیر قابل نفوذ و عدم فعالیت تغذیهای برای میکروارگانیسمها ایجاد میکند. با افزایش غلظت مواد جامد، سرعت تولید بیوگاز کاهش مییابد. از این رو، تعیین غلظت مناسب باید مد نظر قرار گیرد.
همانطور که آنا تگماری 13و همکارانش[16] در تحقیقاتشان بر روی کاه برنج در یک فلاسک 118 میلی لیتری، 328 میلی لیتر متان تولید کردند بالغ بر -79 %95 افزایش رشد عملکرد متان به دلیل شکست ساختار کریستالی مواد لیگنوسلولزی و در نتیجه دسترسی بالاتر باکتریها به سلولز و همی سلولز است لهتوماکی14و همکارانش [17] - 2007 - برای هضم ضایعات و باقی مانده محصولات از جمله علوفه، چمن، چغندر قند، کاه جو آنها را به اندازه 3 سانتیمتر خرد کرده است. آشکوموزان15 و همکارانش [18] - 2010 - مواد زائد روستایی را به اندازه 0/5 سانتی-متر خرد کرد و در دمای 4 درجه سانتی گراد به مدت 24 ساعت نگهداری کردند.
4-2 طراحی و ساخت دستگاه پایلوت بیوگاز
طرح پایلوت برای تولید بیوگاز ازیک مخزن پلاستیکی با حجم 60 لیتر به عنوان مخزن هضم، لوله انعطافپذیری از جنس پلاستیک همراه با شیرکنترل خروجی گاز در بالای مخزن متصل شده است. در این تحقیق سه دستگاه پایلوت طراحی گردید. - شکل - 4
5-2نحوه تغذیه فضولات گاو با کاه و کلش برنج
مقدار ماده آلی قابل تجزیه ی تغذیه شونده در واحد حجم ، به عنوان غلظت جامدات تعریف میگردد.×نسبت های ترکیب مواد مختلف از طریق فرمولهای 1 الی 4 محاسبه گردید و در جدول 3 میزان ترکیب مواد آلی در مخلوط هاضمها را نشان میدهد.
آب یکی از عناصر اصلی جهت تغذیه میکروارگانیسم ها است. برای حرکت باکتریها، فعالیت آنزیمهای سلولی و هیدراسیون بیوپلیمرها، برای تسهیل شکست آسانتر ضروری است. از این رو باید به اندازه کافی در دسترس باشد. از طرفی اگر میزان رطوبت زیاد باشد، مشکلات و موانع متعددی را در جهت روند پیشرفت فرآیند مناسب تخمیر بوجود میآورد. بهترین نسبت ترکیبی آب با مواد هاضم نسبت 1 به 1 میباشد. همچنین از آن جا که مواد درون هاضم در حالت نسبتا رقیق بهتر تجزیه میگردند مواد اولیه آماده شده به نسبت جرمی 1 به 1 به ترتیب برای مواد آلی وآب مخلوط شدند تا فرآیند تولید گاز در حالت رقیق انجام شود. آشکوموزان و همکارانش [18] - 2010 - برای هضم بی هوازی مواد زائد روستایی با کود دامی از نسبت 1 به 1 استفاده کرده است. تحقیقات زی 16 و همکارانش [19] - 2011 - اثبات کرد که نسبت 1 به 1 بهترین نسبت پایدار است.
6-2 نحوه هم زدن هاضم
برای جلوگیری از بستن لایه سفت سطحی وته نشینی مواد در کف راکتور و ایجاد محیطی همگن و حفظ یکنواختی در ترکیب مواد، دمادیگر عوامل محیطی برای تجزیه باکتریها، نیاز به هم زدن هاضم میباشد در این تحقیق هم زدن هاضم به صورت تکان دادن چرخشی مخزن توسط دو دسته ای که در بالای مخازن وجود داشت انجام گرفت همزدن به صورت 5 بار در روز و هر بار طوری همزده شد که مخلوط کاملا یکدست و یکنواخت شود.
7-2 تعیین دمای هاضم
مخازن به صورت هضم مزوفیلی و در شرایط دمایی محیط - 26-28 درجه سانتی گراد - واقع شده بودند و روش سنجش دما توسط دماسنج جیوهای بوده است. و در هر مرحله سنجش حجم گاز از مخازن، دما قرائت شد بیشترین شرایط دمایی، 28 درجه سانتیگراد بوده است. بوباکر فزانی17 و همکارانش [20] - 2008 - هضم بی هوازی فاضلاب زیتون با مواد زائد جامد زیتون، پراساد کاپاروجو و همکارانش [12] - 2005 - برای هضم بی هوازی سیب زمینی با کود خوک، بولاجو و همکارانش [14] - 2009 - برای هضم بی هوازی ضایعات میوه سبزی با فاضلاب کشتارگاه، تحقیقات زی و همکارانش [19] - 2011 - ، گانجین چن و همکارانش [13] - 2010 - برای هضم بی هوازی گیاه تالاب با کود گاوی و میسی18 و همکارانش [21] - 2001 - برای هضم بی هوازی دو مخلوط ضایعات کشاورزی با کود گوسفند، بز، مرغ، از هضم مزوفیلیک استفاده کردند.
8-2 روش سنجش حجم گاز
گاز مخازن هر 3 روز یکبار تخلیه شد از یک ظرف مدرج شیشه ای 1 لیتری و یک ظرف بزرگ پر از آب ، برای سنجش حجم گاز خروجی مخازن استفاده شد هر 800 میلی لیتر که برداشت شد یادداشت گردید و مجموع همه حجم گازهای خروجی یک مخزن ، حجم نهایی گاز خروجی آن مخزن محسوب شد. - شکل - 5 بسیاری از تحقیقات از جمله تحقیقات علی رضا دعاگویی وهمکارانش [22] - 1389 - برای هضم کنجاله خردل با کود گاوی، علیرضا کلوری همکارانش - [23] - 1391 برای هضم بی هوازی کاه برنج با کود گاوی، گانجین چن وهمکارانش [13] - 2010 - برای هضم بیهوازی گیاه تالاب با کود گاوی، لهتوماکی و همکارانش - 2007 - برای هضم[17] ضایعات و باقیمانده محصولات از جمله علوفه، چمن،
