مقاله نقش سپراتورهای کود دامی در مدیریت کودهای گاوی و چرخه تولید بیوگاز

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

نقش سپراتورهاي کود دامی در مدیریت کودهاي گاوي و چرخه تولید بیوگاز

چکیده

امروزه گاوداريها نیاز به مدیریتی جدید و مدرن براي مدیریت کود دارند، زیرا علاوه بر مطرح بودن عملیاتهاي پر هزینه لازم براي جلوگیري از مخاطرات زیست محیطی، افزایش هزینه انرژي و مسائل مربوط به فرآوردههاي نفتی، از نگرانیهاي اخیر در اقتصاد گاوداريها است، لذا علاقه زیادي به تولید انرژي بیوگاز از کودهاي گاوي میباشد. فرآیند جداسازي مایع-جامد نقش بسیار مهمی در مدیریت دوغاب کودهاي دامی دارد، اما شناخت محدودیتهاي و حوزه عملکرد آن بسیار مهم است. مزایاي اصلی تولید بیوگاز از کودهاي گاوي تثبیت کودهاي گاوي، کنترل بو، تولید انرژي (برق و حرارت)، کاهش فسفر، غیر فعال کردن بذر علف هاي هرز، حفظ عناصر غذایی کود، تولید محصولات و فرآوردهاي کمپوست میباشد. مواد هضم شده پس از هضم، لجن سیاه رنگی است که بوي ناخوشایندي دارد و نیاز به جداسازي بخش جامد و مایع آن است. سپراتورهاي کود یکی از اجزاي لاینفک چه در سیستم-

هاي مدیریت کود در گاوداريها و چه در طرحهاي تولید بیوگاز از کودهاي گاوي، هستند که بسته به روش جمع آوري و مواد بستري گاوداري، در چرخه تولید بیوگازجاي میگیرند. کودهاي جمع آوري شده با اسکریپر (با غلظت بالا) به هاضم هاي با اختلاط کامل یا نوع plug- flow تغذیه میشوند و هاضمهاي حوضچه پوشیده و fixed film براي گاوداريها با سیستم فلاش مناسباند. با دیدگاهی غیر از تولید بیوگاز از فضولات گاوي، تولید مواد آلی با اهداف مصرفی مختلف، دلیلی موجه براي معرفی یک تکنولوژي جداسازي به مراکز دامداري است. مزایاي دیگر جداسازي کودهاي دامی بهبود حمل و نقل کود، کاهش خطرات آلودگی منابع آب

و خاك و کاهش فاکتورهاي آزار دهنده نظیر بوي بد، پاسخ به امور بهداشتی و بهره وري از ارزش افزوده فراوردههاي کود جامد و بخش مایع، است. در این تحقیق انواع روشهاي جدا سازي شامل ته نشینی و سپراتورهاي مکانیکی شامل غربالها (غربال ساکن شیبدار، غربال مرتعش و چرخان)، سانتریفیوژي و فیلتراسیون فشاري (غربال برس دار با غلتک فشاري، غلتکهاي فشاري سوراخ دار، سپراتورهاي تسمه فشاري و مارپیچ فشاري) از لحاظ عملکرد آنها در زمینه جذب عناصر و ترکیبات خاص فیزیکی و شیمیایی مسائل عملیاتی شامل ظرفیت عبور دهی، توان و غیره بررسی شده است. توجه به استانداردهاي اجباري و قوانین الزام آور براي حفظ محیط زیست، امري اجتناب ناپذیر در کاربرد و توجه به سپراتورهاي کود در سالهاي آتی است.

کلمات کلیدي: سپراتورکود، دوغاب کود گاوي، بیوگاز، غربال.

-1 مقدمه
امروزه دامداريها و به ویژه گاوداريها، نیازمند مدیریتی کارا و مؤثر در زمینههاي زیست محیطی، اقتصادي و انرژي می-باشند. از دهه 1960 تاکنون برداشت کود از گاوداريها به صورت مایع طرفداران زیادي پیدا کرده است. فضولات گاوي تقریباً 85تا 87% رطوبت دارند (قربانی و خسروينیا، .(1379 این کودهاي دامی به همراه دیگر فضولات دامی و زائدات گیاهی، به کودهاي آلی تبدیل میشوند که مشکلات مدیریتی در جمع آوري کود، ذخیره سازي، عملیات روي کود و مصرف آن ایجاد میکند، به طوري که %11 از انرژي مورد استفاده در دامداريها صرف حمل و نقل کود میشود .(Schofield,1984) جداسازي مؤثر جامد و مایع کود میتواند مقادیر قابل توجهی از جامدات آلی کودهاي دوغاب شکل((slurry را جذب کند. مزایاي دیگر عبارت اند از:

(1 آسانی حمل و نقل و جابجایی: فاضلاب گرفته شده از جدا سازهاي مایع- جامد، پتانسیل کمتري براي انسداد لولههاي انتقال کود به دلیل اندازه ذرات کوچکتر دارند. همچنین امکان استفاده آسانتر در سیستم آبیاري در جاهایی که کود باید در فواصل طولانی پمپ شود را میدهد و از فشار بر روي پمپ و آسیب به لولههاي انتقال میکاهد.
(2 کاهش بو، زیرا بو ناشی از مواد آلی ریز موجود در بخش مایع است و در فرایند جداسازي از کود جامد گرفته میشود.
(3 کاهش تهدید براي کیفیت منابع آب

جدا کردن بخش جامد از بخش مایع کود معمولاً با استفاده از نیروي ثقل و یا وسائل مکانیکی انجام میشود. جدا سازي مکانیکی نوعاً شامل غربالها، پرسها و سانتریفیوژها میباشد. جامد جدا شده میتواند به عنوان کمپوست وکود آلی، اصلاح کننده خاك، مکمل خوراك دام، بستر جایگاه دام استفاده شود و بخش مایع در آبیاري مزرعه قابل استفاده است (.(2002

با رشد جمعیت و تبدیل گاوداريها به شکل صنعتی و کلان در دهههاي اخیر، نیاز به مدیریتی جدید و مدرن براي مدیریت کود است که سیستم را از لحاظ اقتصادي بر پا نگه دارد و از نظر زیست محیطی پاسخگو باشد. علاوه بر این و مطرح بودن عملیاتهاي پر هزینه لازم براي جلوگیري از مخاطرات زیست محیطی، افزایش هزینه انرژي و مسائل مربوط به نفت، از نگرانیهاي اخیر است. لذا علاقه زیادي به تولید انرژي بیوگاز از کودهاي گاوي در این گاوداريهاست .(Keri et al., 2008) سیستمهاي فرآیند هضم بی هوازي، که در شرایط بدون اکسیژن و در داخل راکتورهایی که هاضم نیز نامیده میشوند به وقوع میپیوندد، محصولی به نام بیوگاز تولید مینماید که معمولاً حاوي 55 -70% متان و 30-45% دي اکسید کربن و نیز مقادیر اندکی نیتروژن، هیدروژن، سولفید هیدروژن و رطوبت میباشد و پس از جمع آوري به عنوان منبع انرژي قابل استفاده است. گرچه فضولات گاوي تولید بیوگاز کمتري نسبت به مواد دیگر را دارند ولی از مزایاي بسیار مهم آن سهولت در دسترس بودن به خصوص در مقیاس صنعتی میباشد. .(Krich et al., 2005) حدود 90% از بخش آلی تجزیه پذیر کود قابل تبدیل به بیوگاز میباشد. مزایاي اصلی تولید بیوگاز از کودهاي گاوي عبارت اند از: تثبیت کودهاي گاوي، کنترل بو، تولید انرژي (برق و حرارت)، کاهش فسفر، غیر فعال کردن بذر علف هاي هرز، حفظ عناصر غذایی کود، تولید محصولات و فرآوردهاي کمپوست و ... . تولید مواد آلی با اهداف مصرفی مختلف، دلیلی موجه براي معرفی یک تکنولوژي جداسازي به مراکز دامداري است. مواد هضم شده پس از هضم، لجن سیاه رنگی است که بوي ناخوشایندي دارد و نیاز به جداسازي بخش جامد و مایع آن است.
یکی از اجزاي لاینفک چه در سیستمهاي مدیریت کود در گاوداريها و چه در طرحهاي تولید بیوگاز از کودهاي گاوي، سپراتورهاي کود هستند که بسته به نوع سیستم جمعآوري کود (سیستم جمع آوري با تراکتور، اسکریپر و شستشوي شدید با آب(فلاشینگ)) و مواد بستري و غلظت کود، در ترکیب سیستم بعد یا قبل از هضم بیهوازي قرار میگیرد.
هدف از این تحقیق معرفی انوع سپراتورهاي کود و عملکرد آنها، جایگاه سپراتورها در طرحهاي بیوگاز، پتانسیل سیستمهاي جداسازي در تولید فراوردههاي آلی با عناصر مغذي گیاهی و کاهش عناصر آلاینده زیست محیطی و اهمیت نصب این سپراتورها در گاوداريهاي ایران است.

-2برخی از مشخصات اصلی کودهاي دامی

کودهاي دامی شامل مخلوطی از ادرار و مدفوع و نیز ممکن است شامل فضولات و ضایعات مواد غذایی، مواد بستري، آب
(شامل آب آشامیدنی، آب شستشو، بارندگی و...) باشد. خصوصیات کود عمدتاً از جیره غذایی، گونه و مرحله رشد حیوان و روشهاي جمعآوري کود، بستگی دارد. کل محتواي جامد (%TS)، که بیانگر مواد خشک (DM) است، میزان جامد بیان شده از کل جرم توده کود است. %TS همچنین مجموع جامد معلق (SS) و جامد حل شونده (DS) میشود. هر بخشی از جامد TS)، SS و (DS نیز شامل بخش جامد ثابت یا ساکن (FS) و جامد فرار (VS) میباشد. جامد ثابت شاخصی از مقدار مواد غیر آلی است، در صورتی که جامد فرار شاخصی از مقدار مواد جامد آلی است که بعضاً براي تخمین تولید بیوگاز از کودهاي حیوانی به کار میرود.

اکسیژن شیمیایی مورد نیاز (COD) پارامتر دیگري است که کمیت و میزان مواد آلی موجود در کود را بیان میکند، خصوصاً به عنوان اکسیژن مورد نیاز براي اکسیداسیون شیمیایی در کودهاي دوغابی تعریف میشود. اکسیژن بیوشیمیایی خواسته شده (BOD) به عنوان مقدار اکسیژن لازم براي اکسایش بیوشیمیایی مواد آلی در کودهاي دامی تعریف میشود. از آنجایی که تمام مواد آلی کود قابل تجزیه شدن بیولوژیکی (میکروبی) نیستند، اکسیژن شیمیایی مورد نیاز براي اندازهگیري این اجزاي مواد آلی کود نیاز است.

میزان درخواست اکسیژن بیوشیمیاي 5 روزه ( ) یکی از پارامترهاي فرآیندي و عملیاتی روي فضولات است که برابر
میزان اکسیژن مورد نیاز براي اکسایش بیوشیمیایی (میکروبی) مواد آلی کود در طی 5 روز است. از دیگر پارامتر هاي رایج که در زمان ارزیابی یک سپراتور اندازهگیري میشود شامل نیتروژن کلی((TN، نیتروژن Kjeldahl کل((TKN، نیتروژن آلی((organic-N، آمونیوم نیتروژن (NH4-N) ، فسفر کل((TP و پتاسیم (K) است.

جدول 1 متوسط تولید و ویژگیهاي کود دامی تازه را براي 1000kg وزن حیوان زنده در یک روز بیان میکند که تنها شامل ادرار و مدفوع حیوان است و شامل مواد بستري، سرریز مواد غذایی و آب شستشو و... نیست.((ASAE, 1998

-3 نقش سپراتورهاي کود در چرخه تولید بیوگاز

مهمترین بخشهاي تجهیزاتی براي هضم بی هوازي کودهاي گاوي، راکتور یا هاضم و یک سپراتور کودهاي دامی میباشند. نوع هاضم با توجه به غلظت مواد جامد و ماندگاري و قوام آنها متفاوت است. روشهاي متفاوتی براي هضم کودهاي گاوي وجود دارد که شامل: حوضچه پوشیده شده ، هاضم با اختلاط کامل، هاضم پلاگ (plug- flow) و . fixed-film هاضمهاي حوضچه پوشیده شده، با یک پوشش نازك پلاستیکی ضد نشت گاز پوشیده شدهاند که براي کودهاي رقیق زیر 2% ماده جامد و در شرایط دماي محیط مناسب است. این نوع هاضم براي کودهاي گاوي شسته شده (سیستم فلاش) مناسب میباشند. مواد فیبري کود قبل از وارد شدن به هاضم توسط سپراتور جذب می شود. تولید گاز این نوع هاضمها شدیدا وابسته به دماي فصل است.
هاضم با اختلاط کامل (CSTR) یک راکتور با همزدن متوالی است که همزدن با همزنهاي مکانیکی، هیدرولیکی یا چرخش گاز انجام میشود و براي کودهایی با % 10-3جامد مناسب است.
هاضمهاي پلاگ مخزنی است که همزده نمیشود اما فضولات به صورت نیمه پیوسته از یک مخزن افقی عبور میکند. مخزن میتواند به صورت استوانهاي روي زمین یا مخزن بتنی پوشیده زیر زمین باشد. این سیستم با دوغابهاي کود دامی 10%-14% مواد جامد کار میکند. این نوع هاضم براي گاوداريهایی که از سیستم جمع آوري کود به صورت اسکریپر استفاده میکنند، مناسب است.
هاضم fixed-film ، مخزنی است که باکتريها در مواد بسته بندي شده به عنوان حد واسطی، تثبیت شدهاند و به این وسیله از شسته شدنشان جلوگیري میشود. این سیستم نیز براي کودهاي رقیق با کمتر از %2 جامد مناسب است.
فاکتورهایی که بر میزان بازدهی تولید بیوگاز اثر دارند عبارت اند از: زمان ماند هیدرولیکی، نرخ بار گذاري مواد خام، دما و تجزیه پذیري بیولوژیکی سوبسترا .(Ann et al., 2005) از مهمترین مشخصههاي کودهاي گاوي کل محتواي جامد (%TS) و کل جامد فرار (%VS) است. یک حد بالایی براي TS به منظور راحتی در پمپاژ کود، عدم انسداد خطوط لوله کود و همزدن آن وجود دارد. در تولید بیوگاز، VS اهمیت زیادي نسبت به TS دارد، زیرا VS به بیوگاز تبدیل می شود. VS در کودهاي گاوي زیاد تچزیه پذیري بیولوژیکی ندارد. تجزیه پذیري VS براي کودهاي گاوي حدود 40% است. تحقیقات نشان میدهد که مواد فیبري پتانسیل کمی براي تولید بیوگاز به دلیل تجزیه پذیري کم مواد سلولوزي در آنها دارد. وجود مواد تجزیه ناپذیر در بخش VS کودهاي گاوي، از هضم بی هوازي به دلیل اختلال در پمپاژ، تولید کف و پسماند و گرفتن حجم مفید هاضم، جلوگیري میکند. لذا جداسازي جامد کود باعث گرفتن این گونه مواد فیبري از VS کود و نیز مواد آلی تجزیه ناپذیر دیگر میشود و یک بخش مایع با اجزاي هضم شونده شامل لیپیدها، پروتئینها، کربو هیدراتها و غیره باقی میگذارد. براي گاوداريها با سیستم جمعآوري کود فلاش، غلظت مواد فیبري غیر قابل تجزیه باید زیاد شود، زیرا بخش زیادي از مواد تجزیه پذیر ریز با فاضلاب آب شسته میشود.
-1-3هضم بیهوازي براي کودهاي شسته شده (سیستم فلاش)

هاضمهاي حوضچه پوشیده و fixed film براي گاوداريها با سیستم فلاش مناسباند. در این هاضمها کود قبل از هاضم، پیش جدا سازي میشود و با گرفته شدن مواد فیبري علاوه بر بهبود راندمان هاضم، کود خشکی تولید میشود که مگس را جذب نکرده و بویی ندارد. علاوه بر این به عنوان یک فرآورده جانبی براي استفاده در بستر گاوها، تغذیه مجدد گاو، مکمل خاك و کمپوست قابل فروش در طرحهاي باغبانی به کار میرود (شکل .(1

شکل-1 فرایندهاي قابل اجرا براي هضم بی هوازي در کودهاي گاوي شسته شده

-2-3هضم بی هوازي براي کودهاي جمع آوري شده با اسکریپر

کودهاي جمع آوري شده با اسکریپر ( با غلظت بالا) به هاضم هاي با اختلاط کامل یا نوع plug- flow تغذیه میشوند. در این نوع سیستم از سپراتور براي عملیات پس از هضم به منظور جذب عناصر مغذي و نیز عناصر آلاینده آب و خاك استفاده میشود.
البته این سیتمها با وجود شن زیاد (به عنوان مواد بستري در جایگاهاي گاو) خوب کار نمیکنند لذا باید از سپراتورهاي شن براي جدا کردن شن استفاده شود. شکل 2 طرح کلی سیستمهاي هضم بی هواضی براي کودهاي اسکریپ شده را نشان میدهد. زمانی که از بستر شن استفاده شود جداسازي شن و مواد فیبري کود قبل از هاضم صورت می گیرد، زیرا در جداسازي شن کودهاي خام رقیق می شود علاوه بر این فاضلاب مواد هضم شده براي شست و شو به سپراتورهاي شن میروند .(Ann et al., 2005)

شکل-2 فرایندهاي قابل اجرا براي هضم بی هوازي در کودهاي گاوي جمع شده با اسکریپر

-4 انواع سپراتورهاي کود دامی

-1-4اندازهگیري هاي لازم براي عملکرد و مباحث اقتصادي سپراتورهاي مکانیکی

پارامترهاي مختلفی براي عملکرد و مباحث اقتصادي به صورت مختصر در اینجا آورده شده است. غلظتهاي فیزیکی یا شیمیایی عناصر کود (بخش(2، انرژي مورد نیاز، نرخ انرژي مصرفی( (kWh/، ظرفیت عبوردهی سپراتور، هزینه و مسائل

اقتصادي، آزمایش بو و توزیع اندازه ذرات کود توسط محققان بیشماري به عنوان اندازهگیري براي عملکرد سپراتور استفاده شده است. گزارشات ارائه شده در زمینه عناصر اصلی ترکیبات فیزیکی و شیمیایی کود ورودي و فاضلاب خروجی و نیز ظرفیت عبور دهی سپراتورها دو نمونه از بیشترین اندازه گیريها در این زمینه بودهاند .(Ford and fleming, 2002)

راندمان سپراتورها در ارتباط با جذب مواد مغذي یا مواد جامد معمولاً به عنوان یکی از پارامترهاي اندازهگیري عملکرد سپراتور استفاده میشود. چند روش براي بیان راندمان جدا سازي وجود دارد، از قبیل درصد جذب، غلظت ترکیبات در بخش جامد و درصد جامد منتقل شده به جریان کود جامد جداسازي شده. نوع دوم بیشترین کاربرد را در منابع دارد. درصد جذب یک اندازه-
گیري رایج بررسی عملکرد یک جدا ساز بر مبناي غلظت ترکیبات ویژه (مواد خشک،N و(P میباشد. ترکیب خاص باید هم قبل از جداسازي در کود خام و هم بعد از جداسازي در قسمت مایع (فاضلاب) اندازهگیري شود.

-2-4طبقه بندي سپراتورهاي مکانیکی

اکثر سپراتورهاي مکانیکی حداقل یکی از مکانیزمهاي فیزیکی جداسازي را دارا هستند و شامل جداسازي غربالی، سانتریفیوژي و فیلراسیون فشاري میباشند.

-1-2-4سپراتورهاي غربالی

سپراتورهاي غربالی شامل غربالهاي شیبدار ساکن، غربال لرزان، چرخان و تسمه نقاله بالدار چرخان در کانال است. کلاً این سپراتورها شامل یک غربال با یک سایز سوراخ معین هستند. این نوع سپراتورها عموماً در کودهایی با کمتر از %5 مواد جامد خوب کار می کنند.(.(Bicude,2001

غربال ساکن شیبدار: این سیستم هیچ عضو محرك یا مصرف توانی به جز یک پمپ براي ارسال مواد به بالاي آن ندارد.
مشکل غربال ساکن شیبدار این است که یک لایه لجن روي غربال تشکیل شده و سوراخهاي آن را می بندد. برس کشی مداوم براي مطمئن بودن از عدم انسداد غربال ضروري است. Shut و همکاران((1975 یافتند که غربال ساکن شیبدار با سوراخ هايmm 0/1تا 1/5mm بهترین نتایج عملکرد را در دبی 123 براي کود خوکی دارد. Chastain و همکاران (2001) روي کود گاو شیري با استفاده از غربال ساکن شیبدار تحقیق کردند. کود خام ورودي %3/83جامد داشت. درصد جذب 62/6 TSS %، 62/8 VS %، آمونیوم نیتروژن(%45/7(Ammonium-N، نیتروژن آلی %52/2 و %49/2 TKN بود (شکل .(3

غربال مرتعش: کود مایع به بالاي یک غربال مسطح مرتعش در یک دبی مشخص پمپ میشود. مایع با فشار از درون غربال عبور میکند ولی جامد، با حرکتهاي سریع رفت و برگشتی به سمت گوشه هاي غربال در جایی که در آنجا جمع آوري میشوند، حرکت میکند. ارتعاش باعث کاهش نسداد غربال میشود. توان مصرفی بیشتر از نوع غربال ساکن شیبدار است. غربال مرتعش توانایی جذب %5-20 از کل بخش جامد کود دامی را دارد که این مقدار بستگی به اندازه دهانه سوراخ هاي غربال و محتواي مواد جامد کود دامی دارد. Holmborg و همکاران (1983) عملکرد یک سپراتور مرتعش با ترکیبات دبیهاي مختلف و سایز غربالهاي متفاوت براي کود خوکی سیستم فلاش را ارزیابی کردند. این محققان یافتند درصد جذب TC,COD,NH3-N,ON,TP و OP با افزایش دبی و کاهش سایز غربالها افزایش مییابد، اما درصد جذب TS کاهش مییابد. مصالحه بهینه مواد آلی باقی مانده به مواد آلی عبور کرده به کود مایع با استفاده از غربال سایز0/234 mm و دبی 37/5 یا 75 رخ میدهد. . در این تحقیق جداسازي با هدف استفاده از بخش مایع، با 5 تا %TS10 که مناسب براي یک هاضم بی هوازي است، بود (شکل .(3

غربال چرخان: یک غربال گردان یا چرخان، کود مایع را با یک نرخ مشخص میگیرد. مایع از غربال عبور کرده و در تانکی که زیر غربال جمع می شود، اما جامد چرخانده شده از سطح غربال به سمت سطح جمع آوري جاروب میشود. غربال چرخان می تواند بیش از %14 از کل جامد کود را از فاضلاب دامی در یک دبی پایین جذب کند (شکل .(3

شش