بخشی از مقاله
چکیده
بیش از 50 درصد حجم زبالههاي شهري را موادي تشکیل میدهد که قابلیت تخمیر داشته و گاز متان و دياکسید کربن را تولید میکند. حجم وسیع زبالههاي شهري، خانگی، کشاورزي و صنعتی جوامع امروزي را تهدید می کند و تخمیر خود به خودي این مواد باعث ورود میلیونها تن گاز متان و دياکسیدکربن به جو زمین میشود که سبب ایجاد اثر گلخانهاي و افزایش درجه حرارت زمین و تغییرات شدید آب و هوایی میشود. بررسیها نشان میدهد دماي متوسط در سراسر جهان طی صدسال گذشته به میزان 0/3-0/6 درجه سانتیگراد افزایش یافته است. رشد روزافزون گازهاي گلخانهاي در جو زمین باعث شده است تا محققان میزان افزایش دما را تا سال 2100 حدود 2-3 درجه سانتیگراد پیشبینی کنند، که چنین افزایش ناگهانی دما طی10/000 سال گذشته سابقه نداشته است.
با طراحی و ساخت هاضمهاي بیهوازي مناسب و هدایت زبالههاي مختلف به داخل آنها میتوان ضمن تولید انرژي مناسب مانع ورود گازهاي فوق به جو زمین شده و از اثرات سوء گازهاي گلخانهاي نظیر افزایش درجه حرارت، افزایش سطح آب دریاها و پیشروي آنها جلوگیري کرد.در این مقاله ضمن اشاره به کاربرد بیوگاز در صنعت انرژي، به بررسی نتایج حاصل ازآنالیز بیوگاز خروجی از چاهکهاي مختلف حوزه دفن زباله موجود - طرح پایلوت - شهر اصفهان توسط روش کروماتوگرافی گازي به عنوان یک مطالعه موردي پرداخته می شود.
کلمات کلیدي:بیوگاز، متان، انرژيهاي نو،سوخت فسیلی
مقدمه
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 برنامه هاي 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 میدهند.
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. محدودیت منابع انرژي و مشکلات ناشی از مصرف سوختهاي فسیلی، رشد بیرویه جمعیت شهرها و افزایش جمعیت آنها از یک طرف و ازدیاد مصرف از طرف دیگر باعث شده است که حجم وسیع زبالههاي آلی تولیدي سلامت جامعه بشري را به خطر اندازد.
زباله-ها و فاضلابها از معضلاتی هستند که امروزه گریبان اکثر شهرها خصوصاً کلان شهرها را گرفتهاند. لذا اتخاذ سیاستهاي مناسب براي جمعآوري و تبدیل این مواد زائد آلی به انرژي از اهمیت بالایی برخوردار است. در حال حاضر بیوگاز به عنوان 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 به عنوان یک گزینه مناسب براي استفاده در مولدهاي احتراق داخلی، میکروتوربینها و پیلهاي سوختی جهت تولید برق مورد استفاده قرار میدهند. 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.[1]
ترکیبات بیوگاز
این مخلوط گازي که از تخمیر مواد زاید آلی در شرایط بی هوازي حاصل میشود داراي میزان 60-70 درصد متان، 30-40درصد 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 دياکسیدکربن تشکیل شده است، ولی در عین حال نسبت ترکیبات مختلف آن بستگی به نوع مواد اولیه و نیز تا حدودي به میزان حرارت محیط و زمان توقف مواد در مخزن تخمیر دارد. بیوگاز منبع با ارزشی از انرژي است که اغلب به هدر میرود.[2-4]در فرآیند هضم بی هوازي ترکیبات آلی، مولکولهاي درشت زنجیر شکسته شده و به مولکولهاي سادهتر تبدیل میشوند.
حاصل نهایی این فرایند، گازي است قابل اشتعال، که بیوگاز نام دارد. این گاز شامل دو جزء عمده متان و دياسیدکربن به همراه مقادیر جزیی ناخالصی نظیر H2S ، بخار آب و N2 و... است.[5] این مخلوط گازي داراي ارزش حرارتی 5290 کیلوکالري به ازاي هر متر مکعب بوده و در صورت تبدیل شدن به الکتریسیته با استفاده از موتورهاي موجود میتوان 1/5-2 کیلووات الکتریسیته از هر مترمکعب آن بدست آورد. انرژي حرارتی بهترین روش استفاده از بیوگاز بوده و بیشترین کاربرد را دارد و حرارت حاصل از سوختن این گاز جهت پخت و پز و تهیه آبگرم نیز مورد استفاده قرار میگیرد. در مواردي که نیاز به ارزش حرارتی بالاتر باشد، میتوان با حذف CO2 همراه بیوگاز ارزش حرارتی آن را تا حدود 40 درصد افزایش داد. در صورت کافی بودن مقدار گاز میتوان توسط موتور ژنراتورهاي مخصوص، برق تولید کرد.[6-7]
تولید بیوگاز
بیوگاز را میتوان از تخمیر سه گونه زیست توده بدست آورد:
الف- فضولات دامی و زائدات کشاورزي
ب- فاضلابهاي شهري و صنعتی
پ- زبالههاي شهري
با استفاده از مطالعه عدل و همکارانش [7]، نتایج امکانسنجی تولید بیوگاز در ایران را می توان چنین خلاصه نمود:مقدار فضولات دامی قابل دسترس در ایران 74946 هزار تن در سال بوده که بیوگاز قابل تولید از آن 8668 میلیون مترمکعب میباشد. جرم زائدات کشاورزي و جنگلی در ایران 23147/5 هزار تن در سال بوده که بیوگاز قابل تولید از آنها 5475/8 میلیون مترمکعب میباشد.اگر شهرهاي بالاي 100هزار نفر ملاك قرار گیرند و با استفاده از فرایند بی هوازي فاضلاب را تصفیه نمود، بیوگاز حاصل از تصفیه بی هوازي حدود 107/8~245 میلیون مترمکعب خواهد بود. اگر فرایند هوادهی به کار برده شود، این مقادیر کمتر خواهند شد. براي نمونه در فرایند روش لجن فعال، میزان بیوگاز حاصله از هاضمهاي لجن حدود 20/9~107/8 میلیون مترمکعب خواهد بود.
بیوگاز حاصل از فاضلاب هاي صنعتی بسیار متغیر میباشد. این مقدار بستگی به نوع صنعت، نوع فرآیند تصفیه و مقدار فاضلاب دارد. براي مثال بیوگاز قابل تولید از صنایع بزرگ غذایی - روغن نباتی، الکل سازي، کنسرو، کمپوت، شیلات و - … در کشور حدود 81/5~279/4 میلیون متر مکعب در سال تخمین زده میشود.با فناوريهاي موجود، میانگین سالانه استخراج گاز از محلهاي دفن زباله حدود 7 متر مکعب از هر تن زباله میباشد که در مقایسه با بازده نظري تولید بیوگاز بسیار پایین است. استخراج گاز در این شرایط براي شهرهاي بسیار بزرگ مقرون به صرفه خواهد بود.
اما با بهرهگیري از فرآیند هضم بی هوازي زبالههاي فسادپذیر، مجموع بیوگاز قابل تولید در کشور - با فرض %60 بازدهی فرآیند - ، 1645/7 میلیون مترمکعب بیوگاز در سال بدست میآید.مشاهده میشود که تنها از منابع فوق به طور میانگین، سالیانه 16146/35 میلیون متر مکعب بیوگاز 9175 - میلیون مترمکعب متان - قابل استحصال می باشد. با فرض ارزش حرارتی متان 36/7 MJ/m3، این حجم متان معادل 3/367×1017 ژول انرژي خواهد بود.در شکل - 1 - چرخه تولید بیوگاز مشاهده میگردد گیاهان توسط حیوانات مصرف شده و از فضولات حیوانی و زبالههاي دیگر بیوگاز تولید میگردد و بیوگاز را میتوان جهت مصارف گرمایی و هم براي تولید برق استفاده نمود. گازهاي ایجاد شده میتواند مجدداً و با فتوسنتز دوباره در رشد گیاهان مورد مصرف قرار گیرد.
