بخشی از مقاله
دستگاه هاي بیوگاز جایگزین تولید سوخت هاي فسیلی
چکیده
زندگی انسان با کشف سوخت هاي فسیلی پیشرفت روز افزونی به خود دید، اما حجم بالاي آلاینده هاي حاصل از آن انسان را مجاب به جایگزنیه سوخت هاي جدیدي کرد که میتوان به انواع گازهاي مایع، گاز طبیعی و بیو گاز اشاره کرد. بیوگاز گازهایی که در اثر تخمیر فضولات گیاهی و جانوري دور از اکسیژن و در اثر فعالیت باکتریهاي بی هوازي تولید می گردد که از سه بخش حوضچه ورودي، حوضچه خروجی تانک تخمیر به عنوان اساسی ترین قسمت آن اشاره کرد که باکتري ها با فعالیت بی هوازي خود با استفاده از موادآلی و معدنی در دماي مابین2تا70درجه در حالت بی هوازي تخمیر میشود.
از انواع دستگاه هایی که به عنوان هضم کننده هاي زیستی که بعنوان دستگاه بیو گاز مطرح هستند با توجه به شرایط مواد تولیدي و میزان هزینه اولیه در ایران دونوع هضم کننده نوع شناور و هضم کننده گنبدي ثابت.در انتخاب هضم کننده ها فاکتور هاي اقتصادي، بکارگیري مواد محلی(بومی)، دوام، سازگاري با مواد ورودي مورد استفاده و تناوب انجام عملیات با دستگاه مورد توجه است.
مقدمه
بحران هاي زیست محیطی جهان امروز حاصل استفاده ي گسترده از سوخت هاي فسیلی در بخش هاي مختلف جوامع انسانی، تولید حجم بالایی از انواع آلاینده ها و ضایعات، عدم مدیریت و نظارت بر دفع این آلاینده ها و محدودیت توان پالایندگی طبیعت است. به گونه اي که امروزه جایگزینی سوخت هاي فسیلی، مدیریت ضایعات و بهره گیري از شیوه هاي مناسب جهت دفع و بازیافت انواع آلاینده ها در اکثر کشور ها، اعم از توسعه یافته و یا در حال توسعه، از اهمیت فراوانی برخوردار است. از سوي دیگر بحران انرژي، حاصل وابستگی شدید جوامع به منابع انرژي فسیلی و روند رو به رشد مصرف سالانه انرژي اتمام منابع فسیلی را به دنبال خواهد داشت که تهدیدي براي کشور هاي صادر کننده ست. همچنین نسل هاي آتی را با مشکل جدي تامین انرژي مواجه خواهد ساخت.
امروزه گازهاي گوناگون و مفیدي براي سوخت، وجود دارند که بیش از سه نوع آن در جهان استفاده می شود. این سه نوع عبارتند از:
گاز مایع (ال پی جی):
که مخلوطی از بخشهاي پالایش شده نفت خام از قبیل پروپان، بوتان، پروپیلن و بوتیلن است. این گاز به این دلیل که به آسانی به مایع تبدیل می شود، از آن براي سوخت سیلندر استفاده می شود.
گاز طبیعی:
که از دو منبع عمده منابع گاز مستقل و گاز همراه (گاز حاصل از تفکیک نفت خام) تامین می شود.
بیو گاز:
بطور خلاصه بیوگاز عبارت است از گازهایی که در اثر تخمیر فضولات گیاهی و جانوري دور از اکسیژن و در اثر فعالیت باکتریهاي بی هوازي تولید می گردد که حدود % 60 از آن را متان ( ) که یک گاز قابل اشتعال است ، تشکیل می دهد. بقیه آن شامل حدود % 30 دي اکسید کربن (CO2) و درصد کمی از گازهاي ازت، اکسیژن ، هیروژن وسولفید هیدروژن (S2H) و رطوبت است.
بیوگاز بر اثر واکنش هاي تجزیه اي بی هوازي میکروارگانیسم هاي زنده در محیطی که مواد آلی وجود دارد، تولید می شود. از این قبیل محیط ها می توان به باتلاق ها و مرداب ها اشاره کرد و گازي که در این محیط ها تولید می شود، به گاز مرداب معروف است. دلیل نام گذاري این گاز به بیوگاز این است که بر اثر تجزیه بی هوازي مواد آلی و بیولوژیک به وسیله میکروارگانیسم هاي زنده تولید می شود. بیوگاز مخلوطی از سه ترکیب به نام هاي متان، دي اکسید کربن و سولفید هیدروژن است .
ترکیب عمده و قابل اشتعال بیوگاز، متان است متان گازي است بی رنگ و بی بو که اگر یک فوت مکعب آن بسوزد، 252 کیلوکالري انرژي حرارتی تولید می کندکه در قیاس با سایر مواد سوختی، رقم قابل توجهی است. از مزیت هاي مهم متان به دیگر سوخت ها این است که هنگام سوختن، گاز
١
سمی و خطرناك منواکسید کربن تولید نمی کند؛ بنابراین از آن می توان به عنوان سوخت ایمن و سالم در محیط خانه استفاده کرد. همان طور که گفته شد، 60 تا70 درصد بیوگاز را گاز متان تشکیل می دهد، این درصد بالاي متان، بیوگاز را به عنوان منبع عالی و ممتاز انرژي هاي تجدیدپذیر براي جانشینی گاز طبیعی و دیگر سوخت هاي فسیلی قرار داده است. امروزه از بیوگاز در گرم کردن دیگ هاي بخار کارخانه ها، موتور ژنراتورها براي تولید برق استفاده می شود.
باکتري هاي ویژه اي واکنش هاي تجزیه اي و بی هوازي مواد آلی را به منظور تولید بیوگاز انجام می دهند. این گروه باکتري ها قادر به شکستن و تجزیه مواد آلی پیچیده و ساده هستند که سرانجام به تولید بیوگاز منجرمی شود. تحقیقات نشان می دهد که بهترین دما براي رشد این گونه باکتري ها 95 درجه فارنهایت است.با توجه به برودت هوادر زمستان ،تولید بیوگاز در مرداب ها و باتلاق ها متوقف می شود.از شرایط مطلوب دیگر براي تولید بیوگاز، قلیایی بودن (PH=7-8) محیط واکنش است.
تجزیه و تبدیل فضولات و مواد گندیده آلی که، به وسیله باکتري ها در دو مرحله به بیوگاز و بیوماس تبدیل می شود. از بیوگاز استفاده هاي فراوانی می توان کرد و از بیوماس هم به عنوان کود آلی می توان بهره برد. در مرحله نخست این واکنش بیولوژیک، باکتري هاي بی هوازي مواد آلی گندیده را به اسید هاي آلی تبدیل می کنند. در مرحله دوم، گروه دیگري از باکتري ها اسید هاي آلی به وجود آمده را تجزیه می کنند که در نتیجه آن بیوگاز که بخش عمده آن متان است، تولید می شود.
شکل کلی دستگاه تولید بیوگاز دستگاههاي بیوگاز داراي اجزاي زیر است:
حوضچه ورودي
این حوضچه در سطح فوقانی زمین و در مقابل حوضچه خروجی در طرف دیگر مخزن تخمیر ساخته شده و از طریق مجراي ورودي مواد اولیه را که با آب مخلوط شده به قسمت تحتانی مخزن تخمیر انتقال می دهد و عمل اصلی این حوضچه مخلوط آب و مواد اولیه است. اندازه متعادل حوضچه با حالت استوانه اي شکل داراي شعاع 40cm و حداکثر ارتفاع 40cm است
حوضچه خروجی
این حوضچه در طرف مقابل حوضچه ورودي به نحوي ساخته می شود تا سطح فوقانی آن هم سطح زمین باشد تا هنگام ورود مواد اولیه از حوضچه ورودي بنا به قوانین فشار مایعات و ظروف مرتبطه مواد تخمیر شده از کف مخزن تخمیر به طرف مجراي خروجی و حوضچه خروجی هدایت گردد
تانک تخمیر
اساسی ترین قسمت یک دستگاه بیوگاز است. در این محفظه پس از ورود مواد اولیه و تثبیت درجه حرارت و رطوبت (عدم نفوذ آب) و عدم نفوذ هوا ، تخمیر یا تجزیه غیرهوازي توسط باکتریهاي متان زا صورت می گیرد و بدین ترتیب گاز در این مخزن تولید می شود .
شکل -1پارامترهاي لازم براي بهینه سازي فرآیند تولید متان
فعالیت هاي متابولیکی تولید متان به عوامل درجه حرارت، میزان و نوع مواد غذایی در دسترس، زمان، سطح PH، ممانعت هیدروژن و نسبت کربن به نیتروژن، مقدار مواد جامد پیش ماده، هم زن و فاکتورهاي ممانعت کننده وابسته است که در ادامه توضیح داده می شود.
درجه حرارت
براي فرایند تخمیر بی هوازي درجه حرارت از 3 تا 70 درجه متغیر می باشد. این اختلاف به سه گروه حرارتی تقسیم می شود. گروه ساکروفل که درجه حرارت زیر 20 درجه سانتیگراد را شامل می شود. گروه کزوفیل که درجه حرارت 20 تا 40 درجه سانتیگراد را در بر گرفته و گروه ترموفیل که شامل درجه حرارت بالاي 40 درجه می باشد. در ردجه حرارت 20 تا 28 درجه تولید گاز به طور نسبتا بالایی افزایش می یابد.
با کاهش درجه حرارت، تولید متان افت خواهدکرد. اگر درجه حرارت کمتر از 15 درجه باشد تولید گاز به اندازه اي تقلیل می یابد که دیگر فاقد هر گونه ارزش اقتصادي است.در کل تولید بیوگاز در شرایط توموفیل از برتري محسوسی برخوردار است که دلیل آن افزایش تولید متان با افزایش درجه حرارت و انجام بهتر فرآیند آبگیري است.
مواد غذایی قابل دسترس
باکتري ها براي رشدشان علاوه بر موادآلی به نمک هاي معدنی نیز نیاز دارند. علاوه بر کربن، اکسیژن و هیدروژن، مکمل مناسبی از نیتروژن، سولفور، فسفر، پتاسیم، کلسیم، منیزیم و تعدادي از عناصر کمیاب مثل آهن، منگنز، مس، مولیبدن، روي، کبالت و نیکل نیز مورد نیاز می باشد. مثلا Fe+2 به میزان بیش از دو میلی مول براي پیشرفت فرایند لازم است.
میزان اسیدیته
عمل تولید متان در شرایط خنثی تا کمی قلیایی داراي بالاترین بازده می باشد. زمانی که فرایند تخمیر تثبیت شد، میزان pH باید بین 7 تا 8/5 باشد. از آنجا که در عمل تخمیر مقدار زیادي H3O مثبت تولید می شود، محیط به سمت اسیدي شدن پیش می رود. براي جلوگیري از این عمل می توان تخمیر شرایط بی هوازي را در یک راکتور مجزا پیشنهاد کرد. با وجود بافر بی کربنات- دي اکسید کربن و آمونیوم- آمونیاك، pH به ندرت تحت تاثیر اسیدهاي پیش ماده و یا بیوگاز قرار می گیرد. اگر pH کمتر از 6/2 شود، محیط براي باکتري هاي متانوژن اثر سمی پیدا می کند.
ممانعت نیتروژن و نسبت کربن به نیتروژن
همه پیش ماده ها داراي نیتروژن هستند. براي pH بالا، حتی غلظت پایین نیتروژن ممکن است که فرایند تخمیر را بلوکه کند. ممانعت نیتروژن در غلظت 1700 میلی گرم بر لیتر از آمونیوم- نیتروژن اتفاق می افتد. اگر زمان کافی براي متان سازي فراهم شود، غلظت 5000 تا 7000 میلی گرم بر لیتر آمونیوم- نیتروژن هم قابل سازگاري می باشد. همچنین میکروارگانیسم ها به منظور جذب سلولی نیاز به کربن و نیتروژن دارند. آزمایش هاي متعدد نشان داده اند که فعالیت متابولیکی باکتري ها در نسبت 18- 20 از کربن به نیتروژن بهینه سازي شده است. تعدیل مصنوعی این نسبت از نظر اقتصادي مقرون به صرفه نبوده ولی می توان به عنوان مثال فاضلاب خانگی را که غنی از کربن است را با فاضلاب غنی از نیتروژن تعدیل نمود.
