بخشی از مقاله
چکیده
- با اینکه روزبه روز جمعیت جهان رو به افزایش است باید به فکر تامین انرژی و از همه مهمتر مدیرت مواد زائد تولیدی باشیم. ما همیشه سعی داریم که حالت بهینه را پیدا کنیم که در همه امور هم صادق است. راه های مختلفی برای بالا بردن میزان تولید بیوگاز وجود دارد که در مورد پسماندهای شهری تاثیر چربی، پروتئین و کربوهیدرات را بررسی شده که هر سه پارامتر بر تولید بیوگاز مؤثر هستند و متان تولیدی را افزایش می دهند. با بهینه سازی می توان عملکرد بیوگاز را تا 57% افزایش داد. زمانی که غلظت چربی زیر 60% بود تولید متان افزایش داشت. چربی نسبت به پروتئین و کربوهیدرات پتانسیل تولید بیوگاز بالایی دارد. راکتوری که چربی مازاد داشت تولید متان درآن آهسته تر بود. با افزایش پروتئین تا g OTD25 باعث افزایش عملکرد متان می شود.
کلید واژه- مدیریت مواد زائد، بیوگاز، پسماند آشپزخانه، بهینه سازی
-1 مقدمه
جمعیت روزبه روز افزایش می یابد میزان انرژی و مدیریت مواد زائد تولیدی ناشی از این افزایش جمعیت باید تامین شود. سوخت های فسیلی برای تولید دوباره آن هزاران سال طول می کشد به همین دلیل روزبه روز کاهش می یابد. پس این سوخت ها تمام شدنی هستند و ما برای برطرف کردن نیاز انرژی خود باید به فکر جایگزین سوخت های باشیم که نیاز جامعه را برطرف کند و دائمی و تجدید شدنی باشد و آلودگی کمتری ایجاد کند. سوخت های فسیلی از منابع کربنی هستند که علت اصلی گرمایش کره زمین است. آلاینده های که سوخت های فسیلی دارند و رو به پایانی منابع آنها ما را مجبور می کنند برای مواجه نشدن با بحران انرژی فکر اساسی داشته باشیم که بهترین گزینه موجود روی آوردن به انرژی های تجدیدپذیر است. انرژی های تجدیدپذیر به انواعی از انرژی گفته می شود که منبع تولید آنها برخلاف انرژی های تجدیدناپذیر - فسیلی - ، این قابلیت را دارد که در یک بازه زمانی کوتاه توسط طبیعت به وجود آید یا به عبارتی تجدید شود.
دمای هوای کره زمین نسبت به سال های قبل افزایش قابل توجهی و روزبه روز افزایش می یابد که برگرداندن دمای کره زمین به آن دمای قبلی امکان پذیر نیست، باید فعالیت هایی انجام دهیم که روند رو به افزایش دما را متوقف کنیم تا دمای کره زمین از این بیشتر نشود. اگر زمین گرم شود سطح آب دریاها کم می شود، آب های شیرین کم می شود، بیماری های همچون گرمازدگی و مالاریا زیاد می شود، باران های اسیدی، تغییر الگوی کشت، نابودی زمین های کشاورزی.
انرژی باد، خورشید، انرژی امواج دریا، انرژی زمین گرمایی و انرژی بیومس از جمله منابع انرژی هایی هستند. که این انرژی ها در تمام نقاط کره زمین در دسترس هستند درحالی که سوخت های فسیلی - نفت، گاز و زغال سنگ - فقط در مناطق خاص و کشورهای خاصی وجود دارند. در بین این انرژی ها، زیست توده بالاترین سهم را در تامین انرژی اولیه جهان دارد زیرا بیومس پتانسیل تولیدی بالای دارد. استفاده از آن علاوه بر مدیریت مواد زائد و تولید برق تجدیدپذیر بدون کربن، این فناوری کمک می کند تا مواد مغذی ضروری به خاک برگردد .
مدیرت پسماند خانگی یک مشکل بزرگ در شهرهای بزرگ است مخصوصاً در کشورهای در حال توسعه که عدم مدیریت آن از نظر بهداشتی برای انسان، حیوانات، پرندگان مضر و باعث آلوده شدن خاک و آبهای زیرزمینی می شود. برای انتقال زباله از محل زندگی حاضر به اقدام هر عملی هستیم تا از بوی بد، شیرابه های سمی، جلوه زشتی که به محیط می دهد و... درامان باشیم، که با انتقال آن به محل دفن، مشکلات اساسی دیگری ایجاد می شود ازجمله آلودگی آب های زیرزمینی، بوی بد، شیرابه سمی، زیاد شدن حشرات موذی، انتشار گازهای گلخانه ای و... .که مدیریت صحیح باعث پیشگیری از این مشکلات می شود. اما با استفاده درست از این ماده مشکل ساز می توان از مشکلات دفن و عواقب بعدی آن و تا حدودی از گرمایش جهانی جلوگیری می کنیم. در سراسر جهان دفن زباله های معمولی به غیر از زباله های جامد شهری - MSW - یک روش به تصویب رسیده است زیرا این مواد در اثر فعالیت میکروارگانیسم ها شکسته می شود و کربن دی اکسید و متان تولید می شود.
بر اساس بررسی های صورت گرفته در آمریکا، 37 درصد گازهای گلخانه ای منتشر شده در این کشور ناشی از متان دفنگاه های زباله است.
گاز متان تولید شده ناشی از زباله های شهری نسبت به کربن دی اکسید 23-21 برابر در گرمایش جهانی موثر است. پس لازم است به جای دفن کردن روش دیگری انتخاب شود تا مشکلاتی ناشی از آن از وجود نداشته باشد که بهترین روش بیوگاز است. از دیگر محصولات بیوگاز علاوه بر تولید برق و گاز، تولید کود غنی و عاری از تخم انگل است. بیش از 80 درصد خاک ایران را اراضی کشاورزی تشکیل می دهد که از نظر مواد آلی فقیر و کمتر از 1 درصد مواد آلی دارند.
زباله های مواد جامد از دو منبع سرچشمه می گیرد: مسکونی 65-50 درصد و تجاری 45-35 درصد . هر شخص در طول روز kg 0,8- 0,5 مواد زائد تولید می کند . به همین دلیل در یک خانواده مقدار بسیار زیادی زباله تولید شود، مخصوصاً در خانواده های ثروتمند که تولید زباله آنها بیشتر از خانواده های فقیر است . در ایران 70 درصد زباله های شهری را مواد آلی تشکیل می دهند.
-1-1 بیوگاز
به گاز تولید شده از زباله های زیست توده - کود حیوانی، بقایای گیاهی، فاضلاب، مواد زائد جامد شهری و انسانی، زباله های صنعتی، کشاورزی و... - توسط میکروارگانیسم ها با روش هضم بی هوازی .[1] مواد آلی به مولکول های درشت زنجیر شکسته شده سپس به مولکول های ساده تر تبدیل شده که حاصل نهایی این فرآیند گاز قابل اشتعال بیوگاز است.
به بیوگاز گاز مرداب نیز گفته می شود. این گاز شامل دو جزء عمده متان و دی اکسید کربن است و به مقدار جزئی سولفید هیدروژن - H2S - ، بخار آب و نیتروژن - N2 - دارد. گاز متان گازی بی رنگ و بی بو است که از سوختن یک فوت مکعب آن 252 کیلوکالری انرژی حرارتی تولید می شود، که در مقایسه با سایر مواد سوختی رقم قابل توجهی است. به ازای هر مترمکعب، 25 - 15مگاژول ارزش حرارتی دارد که تقرباًی - 40 70 درصد ارزش حرارتی گاز طبیعی را دارد.
-2-1 هضم بی هوازی
هضم بی هوازی - AD - :مجموعه ای از فرآیندها که میکروارگانیسم ها در عدم اکسیژن فعالیت می کنند و مواد زیست تخریب پذیر را تجزیه می کنند. ترکیبات بیوگاز به شدت وابسته به ماده ورودی و شرایط هضم دارد .[14]
هضم بی هوازی دو نوع است: -1 جامد -2 مایع . - ADSL - مقدار ماده خشک در حالت جامد، بالای 15 درصد و در حالت مایع ماده خشک کمتر از 10 درصد است. که هضم مایع عملکرد متان را به طور چشمگیری افزایش می دهد . تحقیقات انجام شده نشان داد که در هضم بی هوازی مایع نسبت به هضم بی هوازی جامد مقدار متان تولید شده 13,6 درصد بیشتر است، که دلیل آن نسبت بهینه و مطلوب C/N در حالت مایع است .محققان نسبت C/N را زیر مقدار مطلوب توصیه کرده اند زیرا برای تولید بیوگاز مؤثر است .
هضم بی هوازی می تواند تک مرحله ای یا دو مرحله ای باشد. که در دو مرحله ای تحت هر دو شرایط هوازی و بی هوازی هیدرولیز بهتر رخ می دهد که باعث بهبودی بازده متان می شود.
-3-1 پسماند مواد غذایی
پسماند شهری: کلیه ضایعاتی که به صورت عادی از فعالیت روزمره انسان در جامعه تولید می شود.
هر خانواده ای کم و بیش تولید کننده زباله است و با روند رو به افزایش جمعیتی روزبه روز زباله های تولیدی زیادتر شده و بعضی از پارامترهای دیگر همچون عوامل اقتصادی، عادات اجتماعی، منطقه زندگی، بافت شهری، گسترش شهرنشینی و پیشرفت صنعت در میزان کیفیت و کمیت پسماند تولیدی مؤثر است.
بیش از 70% زباله های شهری در ایران از مواد آلی تشکیل می دهد. بیش از 90% درصد مواد آلی قابل تجزیه بیولوژیکی هستند . حدود 80 - 70 درصد پسماند مواد غذایی را آب تشکیل می دهد، با توجه به مقدار رطوبت بالایی که FW دارد به راحتی قابل تجزیه است . به همین دلیل عملکرد زباله های مواد غذایی برای تولید متان عالی است. بر اساس گزارشات وزارت کشور سرانه تولید زباله در شهرهای مختلف ایران بین 1,6 - 0,5 کیلوگرم است . که به طور میانگین 0,85 کیلوگرم درنظر گرفت.
که راه های مختلفی جهت دفع زباله وجود دارد اما هضم بی هوازی بهترین گزینه است که علاوه بر دفع بهداشتی باعث تولید گاز و برق تجدیدپذیر و پسماند آن کود عاری از انگل و تخم علف های هرز است. بازده پسماند مواد غذایی 5,8 برابر زباله های حیاط و 13,8 برابر زباله های کاغذ است . در مقایسه پسماند مواد غذایی با فضولات گاوی معلوم شد که پسماند مواد غذایی در هر تن بازده 15 برابر بیشتر در مقدار تولید بیوگاز نسبت به فضولات گاوی دارند.
-2 اهداف
تاثیر پروتئین، چربی و کربوهیدرات بر میزان گازدهی از پسماندهای مواد غذایی را مورد بررسی قرار خواهیم داد.
-3 تاریخچه بیوگاز
اولین گزارش رسمی در این مورد در سال 1630 توسط وان هلمونت منتشر شد که در آن به گازی قابل اشتعال ناشی از تخمیر مواد آلی اشاره شده بود اما کشف بیوگاز در سال 1667 توسط دانشمندی به نام شرلی انجام شد. ولتا دانشمندی بود که در سال 1776 گاز متان را به عنوان ترکیب اصلی بیوگاز از مواد تخمیر شده شناسای کرد.
در سال 1897 اولین دستگاه بیوگاز هندی در بمبئی هند ساخته شد و راه اندازی موتور از طریق کاربرد گاز متان برای اولین بار در سال 1907 مورد آزمایش قرار گرفت و با نتیجه مثبت مواجه گردید. از سال 1930 در چین و هند که پیشتازان استفاده از بیوگاز در دنیا هستند و با دارا بودن میلیون ها دستگاه کوچک و بزرگ بیشترین استفاده کنندگان بیوگاز هستند.
محمدبن حسین عاملی معروف به شیخ بهائی -1031 - 935 هجری قمری - جزء نخستین کسانی بوده که از بیوگاز تولیدی از زیست توده - فاضلاب حمام - استفاده کرد و آن را به عنوان سوخت در حمام خود در اصفهان به کار برده است. اولین هاضم تولید گاز متان در ایران در روستاهای نیاز آباد لرستان در سال 1354 ساخته شده است.
-4 مرور تحقیقات گذشته
در سال2011 یک مطالعه از زباله های مواد غذایی در جهان توسط سازمان ملل متحد کشاورزی نشان داد که تقرباًی - یک سوم - مواد غذایی که در سال برای مصرف انسان تولید می شود به هدر می رود که در مجموع 1,3 بیلیون تن است. این مقدار از زباله ها پتانسیل این را دارد که با استفاده از هضم بی هوازی 367 مترمکعب از هر تن ماده خشک تولید کند در حدود 65% گاز متان است که با مقدار انرژی 6,25 کیلووات ساعت بر مترمکعب از بیوگاز تولید می شود و بازده آن 894 تراوات ساعت در سال است که این نشان دهنده تقرباًی 5% از کل انرژی الکتریکی جهان که 20,181 تراوات ساعت در سال 2008 است .بر اساس آمار آژانس بین المللی انرژی - IEA - ، سهم زباله های شهری از تامین انرژی اولیه جهان % 1,2 کل انرژی های تجدیدپذیر می باشد که 1,5 برابر سهم باد و 4 برابر سهم مجموع انرژی های خورشیدی و دریایی در آن سال است.
تولید متان از پسماندهای آشپزخانه بستگی به 4 جزء اصلی چربی، پروتئین، کربوهیدرات و سلولز دارد . پسماندهای مواد غذایی غنی از کربوهیدرات هستند .هدف ما استفاده بهینه از این مواد دور ریختنی و مشکل ساز و تبدیل آن به ماده با ارزش بیوگاز است. همیشه سعی ما بر این است که از مواد استفاده بهینه داشته باشیم زیرا هر چه بیشتر بیوگاز تولید کنیم هزینه تولید پایین می آید. با بهینه سازی می توان عملکرد بیوگاز را تا 57% افزایش داد .
