بخشی از مقاله
چکیده
هدف اصلی پژوهش حاضر طراحی و ساخت یک بیوراکتور در مقیاس پایلوت از نوع خود گرمکنی به منظور شبیه سازی و مطالعه سیستماتیک فرآیند تولید کمپوست - هوازی و غیر هوازی - میباشد.راکتور طراحی و ساخته شده دارای سه مخزن استوانهای - مخزن داخلی، مخزن خارجی، مخزن پایه - میباشد. مخزن استوانهای داخلی آن از جنس پلیاتیلن با ضخامت 50 میلی متر و مخازن دیگر از جنس فلز با ضخامت 2 میلی متر میباشد. مخزن داخلی که مواد اولیه - ضایعات ارگانیک - در داخل این مخزن ریخته می شود دارای حجم 211 لیتر و ارتفاع 700 میلی متر با قطر داخلی 620 میلیمتر میباشد.
مونتاژ این سه مخزن بر روی هم موجب ایجاد یک لایه عایق هوایی به ضخامت 100 میلی متری در اطراف مخزن داخلی می شود. مخزن پایه نیز دارای یک محفظه هوایی به منظور جریان یافتن هوا از کف مخزن داخلی با ارتفاع 100 میلی متر میباشد. در این راکتور به منظور آنالیز گازهای خروجی - دیاکسیدکربن، مونواکسیدکربن، آمونیاک و اکسیژن و متان - از فرآیند و دمای مواد و ثبت مقادیر آنها و اعمال کنترل موردنظر از حسگرهای مربوطه متصل به یک شبکه الکترونیکی استفاده گردید .
راکتور مورد نظر با طراحی مخازن جداگانه دارای قابلیت انعطاف کاربردی بوده و می تواند جهت مطالعه فرآیند تولید کمپوست به صورت غیرفعال، - شبیه مقیاسهای واقعی و نفوذ هوا از دیوارههای جانبی - ، اثر فشار ناشی از ارتفاع مواد و تولید کمپوست به صورت غیر هوازی - بیوگاز - به کار برده شود.
مقدمه
در فعالیت های بشری اغلب مواد تولید ی میشوند که به عنوان موادی بی فایده در نطر گرفته شده و دور ریخته میشوند، زایدات اغلب جامد بوده و کلمه زاید برای موادی که بلااستفاده و ناخوشایند است پیشنهاد شده است . مقدار زیادی از این مواد در صورت مدیریت مناسب به عنوان منابع تولیدات صنعتی و یا تولید انر ژی دوباره می - توانند مورد استفاده قرار گیرند - - Tchobanoglous et al., 2002 از طرفیب کمپوست سازی یک روش کم هزینه طبیعی جهت بازیافت ضایعات آلی میباشد
کمپوست سازی یک تجزیه بیولوژیکی و پایدارسازی مواد آلی تحت یک شرایطی است که به علت فعالیت میکروبی ،دما تا سطح ترموفیلیک افزایش پیدا می کند و ماده نهایی تولید شده خالی از عوامل بیماری زا و بذر علف های هرز و مفید برای خاکهای کشاورزی است
فرآیند کمپوست سازی یک فرآیند پویا ودر حال تغییر می باشد وکنترل شرایط محیطی برای مطالعه سیستماتیک بخصوص مطالعه گازهای خروجی در مقیاس واقعی مشکل ، هزینه بر و کاربر است . بنابراین برای رفع این مشکل وبررسی و مطالعه دقیق تر این فرآیند و اعمال شرایط کاری مختلف یک محیط کنترل شده مورد نیاز است ،که راکتور این محیط را برای ما فراهم می نماید. روش تولید کمپوست به هر حال همراه با اثرات زیست محیطی مانند تولید گازهای آلاینده و گازهای بو دار است که در کشورهای درحال توسعه به عنوان یکی از مهمترین چالش هاست
اگر فرآیند بطور مناسب مدیریت نشود موجب تولید گازهای سمی و مضر برای محیط خواهد شد. گازهای خروجی از ا ین فرآیند می تواند شامل گازهایی نظیر : متان - CH4 - ، که یک گاز گلخانه ای است، مونواکسیدکربن - - CO،که مضر برای انسان است، آمونیوم - NH3 - که به شدت قابل حل در آب و برای حیوانات آبزی مضر است، اکسید نیتریت - N2O - ، که یک گاز گلخانه ای است، باشد . نابراین نیاز است که شرا یط میکروبی و فیزیکی که بر روی خروج این گازهای فرار موثر هستند، بهتر درک شود تا بتوان آنها را کنترل کرد
گازهای خروجی از فرآیند تولید کمپوست به طور نمونه از بخشهایی بر پایه ازت و بخشهایی بر پایه گوگرد و گروه گسترده ای از ترکیباتی که بخش آلی فرار - VOC - نامیده میشود، تشکیل یافته است - Eitzer et .al., 1995 - به طور مثال - فریز و همکاران ، - 2001 در یک مطالعه ای داخل راکتوری مشاهده کردند که متصاعد شدن گاز آمونیاک زمانی که دما ترموفیلیک - - 45 و pH بالای 9 باهم درون محیط تولید کمپو ست وجود داشته باشد شروع شده، و در نتیجه موجب تلفات 33-24 درصدی مقدار ازت اولیه میگردد.
مروری بر تحقیقات انجام شده نشان می دهد که برای اندازهگیری گازهای خروجی معمولا از دو روش استفاده می - شود:
الف- استفاده از آنالیزگر گاز یعنی واحد آنالیزگر - حسگرهای الکتروشیمیای یا مجاورتی ویا IR و... - که به صورت ثابت بر روی راکتور نصب می شود
ب- نمونهبرداری از گازهای خروجی در فواصل زمانی مشخص وسپس استفاده از سایر دستگاهها مانند کروماتوگراف گاز - - Shen et al., 2011, - - Gas chromatograph یا سایر حسگرها برای اندازهگیری .
در روش اول معمولا بهتر وسریعتر وبه تعداد زیادی می توان به طور مکانیزه نمونه برداری کرد .برای مثال Edsel و همکاران در سال 2009 از یک دستگاه - FTIR - برای اندازه گیری گازها استفاده کردهاند و smars و همکاران در سال 2001 از حسگرهای پایش چند گازه فتو اکوستیک - photoacoustic multi-gas monitor - و سایر حسگرها که در داخل یک پکیچ هستند استفاده کردهاند.
مواد و روشها
یکی از مهمترین پارامترها در طراحی مخازن هندسه انتخاب شده برای مخازن است این پ ارامتر بر روی نسبت A/V بسیار موثر بوده و بر روی حجم موادی که در داخل راکتور قرار می گیرد و تلفات حرارتی سیستم بسیار تاثیر گذار است . با در نظر گرفتن این پارمتر شکل استوانه ای برای راکتور انتخاب گردید .راکتور مورد نظر از سه استوانه - مخزن داخلی ،مخزن پایه و مخز ن بیرونی - تشکیل شده است که ترکیب این سه مخزن با یک دیگر یک فاصله هوایی را در اطراف مخزن داخلی جهت عایق سازی این مخزن بوجود میآورد.
استوانه داخلی به عنوان قلب سیستم در نظر گرفته می شود این استوانه دارای حجم - 211 - لیتر از جنس پلیاتیلن با ضخامت 5 میلیمتر - لایه عایق - میباشد. قطر داخلی آن 62 سانتی متر و ارتفاع آن 70 سانتی متر می باشد که نسبت A/V برابر 6/4 را تامین می کند. مخزن پایه از ورق های فلزی با ضخامت 2 میلی متر طراحی و ساخته شدٌ .مخزن مورد نظر به گونه طراحی شده بود که یک محفظه هوایی - Air pluniom - به ارتفاع 10 سانتیمتر بین کف مخزن پایه و کف مخزن داخلی به منظور ورود هوا و توزیع به داخل مخزن - به منظور جریان یکنواخت هوا به داخل مخزنی که کف آن سوراخ دار است - ایجاد شود. بعد از طراحی وساخت مخازن مورد نظر یک شاسی به منظور سوار کردن کلیه سیستمهای راکتور ساخته شد.
یکی از ویژگی های مهم این راکتور قابلیت مطالعه تغییر ارتفاع توده از طریق تغییر ار تفاع مخازن راکتور است که مخزن خارجی نسبت به مخزن پایه به صورت تلسکوپی حرکت کرده و ارتفاع مخزن حدود 35 سانتیمتر افزایش یابد که در این صورت مخزن داخلی باید با مخزن بلندتر تع ویض شود و از طریق مادگی ها بازوهای قابل نصب بر روی مخزن خارجی و مخزن پایه شکل قابل دست یابی است که این موضوع با هدف امکان مطالعه اثر ارتفاع مواد بروی زیست تخریب پذیری مواد انجام گرفت یکی دیگر از اهداف دیگر از طراحی جداگانه این مخازن امکان مطالعه سیستم های تولید کمپوست هواددهی غیر
فعال است .چرا که این روش امروزه در کشور ما به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد و از لحاظ اقتصادی - سرمایهای اولیه، کاربرد، نگهداری، آموزش کاربر - از روش هوادهی فعال مقرون به صرفه تر است - . - Haug .,1993 یکی از مزایای مهم این روش د ر مقایسه با روشهای دیگر، مطالعه این سیستم هوادهی، یعنی ورود هوا از دیواره های جانبی به داخل توده است که در راکتورها ساخته شده توسط سایر محققان ورود هوا از کف مخزن انجام می - گیرد و این امر مغایر با آنچه که در مقیاس واقعی اتفاق می افتد میباشد. لازم به ذکر ا ست که در مقیاس واقعی هوادهی غیر فعال هوا معمولا از دیواره های جانبی وارد توده می شود. به بحث آببندی در این سیستم توجه ویژهای شده است در این سیستم توجه بیشتر به بحث آببندی در استای این موضوع می باشد که این بیوراکتور به عنوان یک بیوراکتور تولید کمپوست به صورت غیر هوازی - تولید بیوگاز - را نیز دارا باشد.
برای موفقیت در فرآیند تلفات گرمایی ناشی از هدایت وهمرفت وتشعشع باید در حد بهینه حفظ شود فلذا برای تحقق این امر ابعاد مخازن داخلی و خارجی و فاصله هوایی ایجاد شده بین دو مخزن بر اساس روابط ترمودینامیکی و با توجه به کاربردهای دیگر - مطالعه هوادهی طبیعی - راکتور محاسبه گردید .کلیه محاسبات مربوط به تلفات حرارتی برای حالت پایدار سیستم انجام شده است . چرا که ماسون وهمکاران 2005 با در نظر گرفتن سایر روش های تخمین مانند المان محد ود تنهابه خطای % 1. 7 درصد رسیدهاند واین روش محاسبه چندان خطایی را ایجاد نمیکند. معمولا نسبت گرمای تلف شده به کل گرمای بیولوژیکی تولید شده 5الی % 18 و یا کمتر - در نظر گرفته میشود. - Mason et al., 2005 در محاسبات مربوط به مسائل ترمودینامیکی از قوانین فوریه در حالت یک بعدی استفاده شد - . - Holman.,1997 بر اساس قانون فوریه شار هدایت گرمایی یک بعدی در یک محیط تناسب مستقیم با گرادیان دما و سطح تبادل حرارتی - گرادیان دما در دو سوی سطح تبادل حرارت - دارد.
