بخشی از مقاله
چکیده
در سالهاي اخیر روند رو به رشد مصرف انرژي، پدیده بحران انرژي را در جهان بوجود آورده است. مصرف روز افزون انرژي حاصل از سوختهاي فسیلی اگر چه رشد سریع اقتصادي جوامع مختلف را بهمراه داشته است اما بواسطه انتشار آلاینده هاي حاصل از احتراق سوختهاي فسیلی، جهان را با تغییرات تهدیدآمیزي روبرو ساخته است؛ از این رو حرکت به سوي تامین انرژيهاي پاك در رئوس برنامههاي اصلی در جهان قرار گرفته است.
یکی از این انرژيها، استفاده از انرژي حاصل از منابع زیست توده و یا بیوگاز میباشد. در حال حاضر بیوگاز بعنوان یکی از منابع عمده تأمین انرژي در دنیا مطرح است و این گاز را هم بطور مستقیم در تأمین انرژي حرارتی و روشنایی و هم بعنوان یک گزینه مناسب براي استفاده در مولدهاي احتراق داخلی، میکروتوربینها و پیلهاي سوختی جهت تولید برق مورد استفاده قرار می دهند.
با ساخت و توسعه نیروگاه هاي بیوگاز علاوه بر تأمین بخشی از انرژي مورد نیاز، میتوان گامی موثر در زمینه بحران عظیم ناشی از زبالههاي شهري و کاهش انتشار آلایندههاي زیست محیطی برداشت که داراي اثرات اقتصادي و اجتماعی چشمگیري خواهد بود. میزان تولید بیوگاز به درجه حرارت محیط تخمیر، خاصیت اسیدي یا PH مواد، نسبت کربن به ازت مواد، میزان رطوبت و آب مورد نیاز، درجه غلظت مواد، عدم وجود عناصر بازدارنده سمی، مدت زمان ماند مخلوط در مخزن هاضم و یکنواخت بودن محلول بستگی دارد.
در این مقاله سعی شده است تا ضمن بررسی جایگاه این منبع انرژي زیستی در تأمین انرژي مورد نیاز، نحوه تولید و اهمیت کاربرد آن مورد بررسی قرار گیرد و در انتها به شرح مختصري از نیروگاههاي بیوگازي و ساخت انواع آن پرداخته شود.
-1 مقدمه
در طی قرن دهم قبل از میلاد مسیح در آشور و در قرن شانزدهم در ایران از بیوگاز براي گرم کردن آب جهت حمام و شستشوي بدن استفاده میشد. در سال 1776 میلادي الکساندر ولتا نتیجه گرفت که بین مقدار مواد آلی فساد پذیر و میزان گاز قابل اشتعال رابطه مستقیمی وجود دارد.
در سال 1859 اولین واحد تخمیر بیهوازي در بمبئی هند ساخته شد و در سال 1860 میلادي اولین واحد استفاده شده براي تصفیه مواد جامد فاضلاب بوسیله شخصی بنام اچ موراس بکار گرفته شد. در اروپا برخی واحدهاي بیوگاز بیشتر از 20 سال است که مشغول به کار هستند و در حال حاضر بیش از600 واحد هاضم در اروپا مشغول بکار میباشند و تنها در کشور آلمان در حدود 250 واحد بیوگاز طی پنج سال گذشته نصب شده است.
از نیمه اول قرن بیستم در بسیاري از کشورها ساخت دستگاههاي تولید کننده بیوگاز و استفاده از گاز حاصله آن بمنظور پخت و پز، تأمین روشنایی و بکار انداختن موتورهاي احتراقی وسایل نقلیه بسرعت توسعه یافت و در این بین کشورهاي چین و هند بیش از سایر کشورهاي دیگر به ساخت و بهره برداري از دستگاههاي تولید کننده بیوگاز پرداختهاند.
بیش از نیم قرن پیش در تصفیه خانههاي فاضلابهاي شهري در اروپا استفاده از گاز متان حاصل از تخمیر مواد بیولوژیکی مطرح بود اما استفاده از بیوگاز بصورت متداول از جنگ جهانی دوم به بعد مطرح شد و در ده سال اخیر بعلت کمبود انرژي و افزایش قیمت آن در کشورهاي وارد کننده مواد سوختی مورد توجه خاص قرار گرفته است. در ایران قدمت استفاده از بیوگاز به سه قرن قبل برمیگردد. متأسفانه تولید بیوگاز غیر از احتمالاتی که به استفاده از سوخت متان در حمام شیخ بهایی اصفهان نسبت داده اند، سابقه دیگري از آن وجود ندارد.
-2 ترکیبات بیوگاز
بیوگاز بعنوان یکی از انرژيها، از تجزیه و تخمیر زبالهها و سایر باقیماندههاي کشاورزي، فضولات انسانی، حیوانی و فاضلابهاي صنعتی و در واقع با تخمیر بیهوازي مواد آلی بوسیله باکتریهاي بیهوازي بویژه متانزا در یک محفظه تخمیر و با تولید گاز متان بدست میآید. بیوگاز بعنوان یک حامل انرژي میتواند جایگزین بسیار مناسبی براي سوختهاي فسیلی باشد. بیوگاز سوخت تمیزي است که ایجاد آلودگی زیست محیطی نمیکند؛ در ضمن خطر انفجار بیوگاز کم است و با توجه به وجود گاز CO2 در آن، بعنوان یک ضد آتش عمل مینماید.
افزایش CO2 در مخلوط بیوگاز، ارزش حرارتی و قابلیت اشتعال آنرا به شدت کاهش میدهد؛ لذا با استفاده از فیلترهایی جهت جداسازي CO2 میزان ارزش حرارتی بیوگاز را افزایش میدهند. این مخلوط گازي که از تخمیر مواد زاید آلی در شرایط بیهوازي حاصل میشود داراي میزان 60-70 درصد متان، 30-40 درصد دي اکسید کربن و مقادیر ناچیزي از گازهاي دیگر مانند هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن، منواکسیدکربن و سولفید هیدروژن است و همانطور که مشخص است قسمت اعظم این گاز از متان و دي اکسیدکربن تشکیل شده است ولی در عین حال نسبت ترکیبات مختلف آن بستگی به نوع مواد اولیه و نیز تا حدودي بمیزان حرارت محیط و زمان توقف مواد در مخزن تخمیر دارد. بیوگاز منبع با ارزشی از انرژي است که اغلب به هدر میرود.
-3 فرآیند تخمیر
سلامتی محیط میکروبها براي ایجاد بیوگاز بستگی به فاکتورهاي متعددي دارد که که مهمترین آنها بشرح ذیل میباشند:
-1-3 درجه حرارت محیط تخمیر
معمولاً دستگاههاي بیوگاز در حد فعالیت باکتریهاي مزوفیلیک عمل نماید که دماي مطلوب آن 37 0C است. در درجه حرارتهاي پایینتر از 30 0C ممکن است دستگاه اسیدي شود و در دماي بالاتر از 70 0C، باکتریها از بین میروند؛ از اینرو باکتریهاي متانزا نسبت به نوسانات سریع درجه حرارت کاملاً حساس بوده و در تولید بیوگاز تأثیر منفی دارد. درجه حرارت در مخزن تخمیر باعث از بین رفتن بسیاري از باکتریهاي بیماريزا و انگلها میشود.
-2-3 خاصیت اسیدي یا PH مواد
باکتریهاي متانزا که در فرایند تخمیر شرکت میکنند نسبت به PH محیط حساسیت دارند و فعالیت این باکتریها و دیگر ارگانیسمهاي بیهوازي در محیطی با PH در حدود6/8-7/2 امکان پذیر میباشد. کاهش PH باعث اختلال در زندگی باکتریهاي متانزا شده و تولید گاز متان متوقف میشود. در صورتی که محیط قلیایی شود و PH آن بالا رود، باید صبر نمود تا PH محیط دوباره به حالت تعادل برگردد و سپس مواد اولیه را به آن اضافه نمود.
-3-3 نسبت کربن به ازت مواد
باکتریهاي بیهوازي براي زنده ماندن و انجام فعالیتهاي خود نیازمند کربن و ازت میباشند. باکتریهاي بیهوازي معمولاً کربن را بعنوان منبع انرژي جهت رشد و نمو و ازت را براي ساختن دیواره سلولی خود مصرف میکنند. نسبت این مواد در کنترل فعل و انفعالات بسیار مهم است؛ میزان مصرف کربن نسبت به ازت 30 تا 35 برابر سریعتر میباشد؛ لذا نسبت موجود در مواد اولیه جهت فعالیت باکتریهاي بیهوازي و سرعت تخمیر و متعاقب آن تولید گاز متان بسیار موثر است. وقتی نسبت زیاد شود، ازت زودتر از کربن تمام میشود و کربن باقیمانده باعث اسیدي شدن محیط میگردد و بالعکس زمانی که نسبت کم شود، ازت بصورت گاز آمونیاك از محیط خارج و موجب قلیایی شدن محیط میگردد و نیز تولید گاز بعلت عدم وجود کربن متوقف می شود. در حالت ایدهال این نسبت کربن به ازت در حدود25-30 میباشد.
