بخشی از مقاله
چکیده
تولید متان به روش تجزیه غیرهوازي زبالههاي آلی، پسماندهاي کشاورزي و فضولات حیوانی با تهیه سوختی پاك و نشئت گرفته از منابع تجدیدپذیر، فواید بسیاري را براي جامعه و محیط زیست خواهد داشت. این گزینه جایگزینی مناسب براي سوختهاي فسیلی بوده و اثرات سوء زیست محیطی همچون گرم شدن کره زمین و بارانهاي اسیدي را کاهش خواهد داد. البته انرژي زیست توده از سوخت فسیلی گرانتر خواهد بود ولی امتیازاتی نظیر انتشار کمتر کربن دي اکسید، مالیاتهاي تولید کربن، و سوبسیتهاي تولید انرژي تجدیدپذیر آن را قابل رقابت با سوختهاي فسیلی خواهد کرد. از طرفی صاحبان مزارع میتوانند علاوه بر مدیریت پسماندهاي کشاورزي و فضولات حیوانی، انرژي مورد نیاز خود در مزارع را با تولید بیوگاز تامین کرده و از طریق فروش مابقی این انرژي، سود اقتصادي آن را عاید خود سازند.
-1 مقدمه
در دهه 1970 میلادي امریکا و سایر کشورهاي پیشرفته با بحران انرژي روبه رو شدند. دولتها در آن زمان به این نتیجه رسیدند که منابع سوختهاي فسیلی به زودي به اتمام خواهند رسید و باید به فکر جایگزین مناسب براي آنها باشند. از این رو تصمیم به کاهش مصرف انرژي و روي آوردن به منابع انرژيهاي تجدیدپذیر نظیر خورشید و زیست توده گرفته شد. سپس این بحران در سریعترین زمان ممکن پس از رخ دادن، در اواخر دهه 1980 برطرف شد ب1م. با کشف منابع جدید گازي، قیمت گاز کاهش یافت، و بسیاري از مشاغل مرتبط با انرژيهاي تجدیدپذیر تعطیل شدند و سرمایه گذاري در این بخش نیز کاهش چشمگیري یافت. اما براستی این پایانی بر بحران انرژي در دنیا نبود؛ بلکه آنرا کمی به تاخیر انداخت.
امروزه مهمتر از نگرانی در مورد اتمام منابع فسیلی، خطر گرم شدن زمین است که موجب افزایش تمایل براي سوق دادن بشر به سمت انرژيهاي تجدیدپذیر شده است. زیست توده قابلیت تبدیل به طیف گستردهاي از انرژي ها نظیر گرما - به کمک سوختن - ، بخار، الکتریسیته، هیدروژن، اتانول، متانول و متان را داراست. انتخاب محصول مناسب به عوامل زیادي وابسته است که از جمله آنها می توان به نیاز به بخار یا گرماي مستقیم، بازده تبدیل، انتقال و تبدیل انرژي، سخت افزار، اقتصاد، اثرات زیست محیطی و استفاده از محصول نام برد. در بسیاري از شرایط، متان سوخت ایده آلی است و هم اکنون حدود %20 از نیاز امریکا به سوخت را برطرف میکند. در مقایسه با سایر سوختهاي فسیلی، متان آلایندههاي کمتري براي اتمسفر تولید میکند.
متان سوختی پاك بوده و تمایل براي استفاده از آن براي کاربردهاي مختلف نظیر لوازم خانگی، وسایل نقلیه، صنعت و تولید نیرو رو به افزایش است. سایر سوختها نظیر متانول و هیدروژن بدلیل مشکلات در تولیدشان از زیست توده، به اندازه متان مورد توجه صنایع قرار نگرفتهاند. اتانول سوختی شناخته شده است که از طریق منابع زیست توده نیز تولید میشود؛ اگرچه به آسانی ذخیره و حمل و نقل میشود ولی چون فرآیند تخمیر در تولید آن نیاز به پیش فرآوريهاي متنوع داشته و انرژي نسبتاً زیادي در ارتباط با فرآوري خوراك مصرف میشود، فرآیند تولید آن بازده کلی پایینی خواهد داشت. این مشکلات در فرآیند تولید بیولوژیکی متان از زیست توده دیده نمیشود.
تکنولوژي تجزیه غیرهوازي ابزاري قوي براي مدیریت پسماندهاي آلی مزارع به خصوص فضولات اسب، گاو، خوك و ماکیان است. علاوه بر فراهم آوردن کیفیت بهتر براي آب، کنترل بوي بد، کاهش گازهاي گلخانهاي و تولید انرژي به فرم بیوگاز - که بیشتر محتواي آن گاز متان است - نیز از مزایاي این طرح میباشند ب2م. مزارع با استفاده از این تکنولوژي توانستهاند پسماندها و فضولات حیوانات خود را به منظور تولید انرژي مدیریت کرده و علاوه بر تامین انرژي براي مصارف خود، اضافی آن را به فروش رسانند. این درحالی است که برخی میگویند قیمت پایین سوختهاي فسیلی مانع از این شده که مردم پتانسیل بالاي تکنولوژي تجزیه غیرهوازي در تولید انرژي را درك کنند.
از میان حیوانات اهلی که در مزارع انسانها زندگی میکنند، مزارع مرتبط با اسب با مشکلات زیادي در ارتباط با دفع فضولات این حیوان روبرو هستند که هزینه آن را تا اندازهاي میتوان از طریق تجزیه غیرهوازي فضولات و تولید انرژي جبران کرد. یک اسب - حیوان 454 کیلو گرمی - تقریبا روزانه 17کیلوگرم مدفوع و 9 لیتر ادرار تولید میکند که جمعاً با ضایعات این عدد به 27 کیلوگرم میرسد - رمانو و همکاران،2006؛ وستندرف و کروگمن،2004؛ ویلر و زاجاکُفسکی،. - 2002 اسبهاي اسطبل روزانه به بیش از 9 کیلوگرم پوشال براي کف طویله نیاز دارند.
تحت چنین شرایطی فضولات تولیدي یک اسب با در نظرگرفتن پوشالهاي کف اسطبل، سالیانه به 12تن خواهد رسید. بیشتر پسماندهاي مرتبط با اسب که قابلیت بازیافت دارد و در تجزیه غیرهوازي استفاده میشود، شامل فضولات اسب بعلاوه برخی از انواع پوشالهاي کف اسطبل میشود - وستندرف وکروگمن،2006؛ ویلر و زاجاکُفسکی، . - 2002 ویژگیهاي این پسماندها با توجه به نوع کفپوش مورد استفاده در بستر اسطبل و تعداد دفعات تمیز کردن اسطبل - مثلاً تمیز کردن نقطهاي از اسطبل یا عوض کردن کل پوشالهاي اسطبل - تغییر میکند - آیراکسینن،2006؛ کمبرلین و همکاران،2004؛ وستندرف وکروگمن،. - 2006
فقط گروههاي اندکی درباره تجزیه غیرهوازي پسماندهاي مرتبط با اسب تحقیق کردهاند - کالیا و سینگ، 1998؛ ماندال و ماندال، 1998؛ زورو و همکاران،2004؛ کوش و همکاران، 2008؛ سوي و همکاران، . - 2011 این مسئله ممکن است به این خاطر این باشد که این ضایعات نسبت به ضایعات گاو و خوك کمتر وجود دارند و وجود محتواي جامد در آنها، ضایعات اسب را بیشتر براي کمپوست کردن مناسب میکند.
- کمبرلین و همکاران، 2004؛ کروگمن و همکاران،2006؛ وستندرف وکروگمن،2004؛ ویلر و زاچاکفسکی،. - 2002 وارتل و همکاران - 2008 - تجزیه غیرهوازي نیمه پیوسته پسماند مرتبط با اسب را در مقیاس آزمایشگاهی بررسی کرده و افت قابل ملاحظهاي را در تولید متان با عوض کردن خوراك از فضولات اسب به پوشالهاي چوبی کف اسطبل، گزارش دادهاند. اطلاعات دیگري از پتانسیل تولید متان از فضولات اسطبل همراه با پوشالهاي نرم چوبی در دسترس نیست. در قسمتی از این مقاله مروري، پتانسیل تولید متان از فضولات اسب و مخلوطی از فضولات اسب با پوشالهاي نرم چوبی تازه یا استفاده شده در کف اسطبل، گزارش داده خواهد شد.
-2 فرآیندهاي تبدیل1
متان را میتوان هم از طریق گازیفیکیشن گرمایی و هم گازیفیکیشن بیولوژیکی - یا همان هضم غیرهوازي - از زیست توده تولید کرد. کاربرد اقتصادي فرآیندهاي گرمایی به خوراك با محتوي آب پایین - کمتر از - %50 یا خوراكهایی که قابلیت آب گیري مکانیکی ارزان را دارند، محدود میشود. این محدودیت در ارتباط با مصرف انرژي براي تبخیر آب در دماهاي نسبتاً بالاست. تمام انرژي خوراکی با %15 محتوي جامد، صرف تبخیر آب آن خواهد شد ب1م. فرآیندهاي گرمایی براي تولید متان که تنها در مقیاس بزرگ و صنعتی اقتصادي هستند، مخلوطی از گازها - همچون هیدروژن و کربن دي اکسید - را تولید میکنند که براي حصول متان نسبتاً خالص باید فرآوري و پالایش شوند.
در این مقاله بر گازیفیکیشن بیولوژیکی تاکید شده که در دماي پایین قابلیت تبدیل خوراك زباله تر به خشک در مقیاسهاي مختلف و مرقوم به صرفه را داراست. گاز تولید شده مخلوطی از متان و کربن دي اکسید با مقدار کمی هیدروژن سولفید و بخار آب است. بزرگترین محدودیت این فرآیند درصد تبدیل پایین است که حدوداً %50 مواد آلی در زیست توده را دست نخورده باقی میگذارد. البته کمپوست باقی مانده با خاك سازگاري دارد. سرعت در فرآیندهاي بیولوژیکی کمتر از فرآیندهاي گرمایی است و باکتريهاي شرکت کننده در این فرآیند به نوع خاص و تنظیم شدهاي از مواد غذایی براي رشد محتاج هستند که ممکن است در زیست توده موجود نباشد.
-3 اصول تجزیه غیرهوازي
تجزیه غیرهوازي فرآیند متلاشی کردن مواد آلی به وسیله باکتريها، در غیاب اکسیژن است. باکتريهاي غیرهوازي به طور طبیعی در کف دریاچهها، باتلاقها، محیطهاي نمناك و بدون هوا و حتی در لانه موریانه و بقایاي حیوانات بزرگتر نیز وجود دارند. این باکتريها در تمام ادوار روي کره زمین حضور داشتهاند. هزاران سال پیش تجزیه غیرهوازي مواد آلی، زغال سنگ، ذخایر نفت و گاز طبیعی را به وجود آورد.
نظیر چنین فرآیندي را امروزه میتوان با فراهم کردن شرایط طبیعی مورد نیاز با سیستم هاضم تکرار کرد. تجزیه غیرهوازي با کمپوست کردن زباله که در آن از اکسیژن موجود در هوا بهره برداري میشود، تفاوت دارد. میکروارگانیسمهاي کمپوست با مصرف اکسیژن، دماي بالا که نیاز فرآیند است را فراهم میکنند. البته فراهم کردن محیطی براي پیشرفت غیرهوازي نیاز به دماي ثابت و کیفیت بالاي مواد آلی در محفظهاي بسته و بدون هوا، خواهد داشت.
