بسم الله الرحمن الرحیم
موضوع:
آشنایی با بیوگاز و انواع دستگاههای تولید بیوگاز
فهرست
مقدمه 3
تعریف بیوگاز 8
منابع تولید بیوگاز 9
نحوه تولید بیوگاز 10
اصول هضم بی هوازی در تولید بیوگاز 10
مراحل شیمیائی تخمیر مواد آلی (شامل چربیها، هیدراتهای کربن و پرتئین ها) 13
تخمیر چربیها 13
تخمیر هیدراتهای کربن 14
تخمیر پرتئینها 14
پارامترهای موثر بر فرآیند هضم بیهوازی 15
درجه حرارت محیط تخمیر 15
اسیدیته ((PH 17
میزان حضور مواد مغذی در محیط (C/N) 17
درجه غلظت مواد 18
میزان حضور عوامل سمی 18
مدت زمان ماند مخلوط در مخزن هضم 19
همزدن محتویات مخزن هضم و هموژنیزه کردن محتویات 20
آماده سازی مواد خام قبل از بارگیری 21
وجود مواد تسریع کننده واکنش 21
اصلاح و تغییر در طراحی دستگاه بیوگاز 21
مواد افزودنی شیمیائی 21
تغییر دادن نسبت خوراک دستگاه 21
محیط بیهوازی (بسته) 22
انواع روشهای بارگذاری مخازن هضم: 22
سیستم پیوسته: 22
سیستم نیمه پیوسته: 22
سیستم ناپیوسته: 22
جمع آوری بیوگاز تولیدی: 23
بیوگاز و کود حاصل از آن: 23
ساختار کلی دستگاه تولید بیوگاز: 24
حوضچه ورودی: 24
حوضچه خروجی: 24
مخزن تخمیر: 25
محفظه گاز: 25
مهمترین طرحهای بیوگاز ساخته شده در جهان: 27
دستگاه بیوگاز عمودی 27
دستگاه بیوگاز افقی 28
دستگاه بیوگاز مشترک 29
دستگاه بیوگاز مدل چینی (قبه ثابت) 31
دستگاه بیوگاز مدل فرانسوی 32
دستگاه بیوگاز با لولههای چرمی 33
دستگاه بیوگاز با مخزن پلی اتیلنی 34
دستگاه بیوگاز با سرپوش شناور (مدل هندی): 35
دستگاه بیوگاز مدل تایوانی (واحدهای بالونی): 36
دستگاه بیوگاز مدل نپال: 37
مروری بر مطالعات انجام شده 38
منابع………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..44
مقدمه
مهمترین مسئلهای که در قرن 21 بشریت با آن مواجه است مسئله انرژی و سوخت میباشد. زیرا از یک طرف تعداد صنایع مصرف کننده انرژی رو به افزایش است و از طرف دیگر سوختهای فسیلی (مهمترین انرژی مصرفی این صنایع) رو به اتمام میباشند. این در حالی است که هم اکنون آلودگیهایی که این سوختها ایجاد میکنند، موجب مشکلاتی در جهان گردیده است و اتحادیههای جهانی در حال تصویب قانونهایی مبنی بر حذف یا به حداقل رساندن مصرف این سوختها در دهههای آینده میباشند. بنابراین تمام کشورهای صنعتی، نیمه صنعتی و حتی اکثر کشورهای جهان سوم در تلاشاند تا برای جایگزین کردن این سوختها چارهای بیاندیشند و اتمام این منابع را به تاخیر اندازند (عدل و همکاران، 1379).
در جوامع کنونی وجود انرژی مستمر، پایدار و اقتصادی لازمه هرگونه توسعه و رشد اقتصادی میباشد. پس از انقلاب صنعتی، انرژی به تدریج به یکی از عوامل اصلی در تولید ملی و حرکت چرخهای اقتصادی کشورهای صنعتی و به دنبال آن، سایر کشورهای در حال توسعه تبدیل شده است (ثقفی، 1382). اقتصاد و تمدن کنونی تا حدی به انرژی وابسته است که تصور حتی لحظهای ادامه زندگی در عصر حاضر بدون انرژی امکان پذیر نیست. به طوریکه با اختلال و یا توقف در عرضهی آن، ماشین اقتصاد از کار خواهد افتاد. بنابراین تمامی کشورها در صدد هستند به هر نحو ممکن از انرژی مستمر و پایداری برخوردار باشند. از طرفی رشد اقتصادی و افزایش تقاضای انرژی در جهان سبب شده که قیمت نفت و گاز افزایش پیدا کرده و اتکا به این منابع برای تامین انرژی کاهش یابد (تابنده، 1376).
منابع فسیلی مرسوم و تجدید ناپذیر تاثیر شگرفی بر امنیت انرژی دارند. این مسئله بسیاری از کشورهای جهان را واداشته است که به مسئله امنیت عرضه انرژی تمایل پیدا کرده و به تغییرات گستردهای در اقتصاد انرژی خود اهتمام تام ورزند. در این زمینه پیشرفتهای فناوری، نوید بخش راه حلهایی نو درباره تولید انرژی مورد نیاز بشر است. با شناسایی این روشهای جدید، گامی بلند در زمینه تغییر زیرساختهای تولید انرژی برداشته شده است (علیزاده، 1375). استفاده از ذخایر نامحدود انرژی تجدیدپذیر در این خصوص تاثیرات مهمی دارد. گستردگی و توزیع این عوامل در طبیعت باعث شده است که سیستمهای تولید انرژی به سمت سیستمهای محلی پیش رود؛ که انرژیهای نوین به خوبی میتوانند برای این منظور به کار گرفته شود. هم اکنون مسائلی مانند انرژی، محیط زیست، ازدیاد مواد زائد خطرناک، اتمام پذیری منابع فسیلی و رشد فزاینده مصرف انرژی از جمله مفاهیمی هستند که تحقیقات مختلفی را در جهان به خود اختصاص داده اند. به واقع این مسائل روشن میکنند که دیگر نمیتوان به منابع موجود انرژی متکی بود (تابنده، 1376). در حقیقت، انجام تحقیقات گسترده در جهت دستیابی به منابع جدید و سالم که در چند دههی اخیر توسعه ویژه ای پیدا کرده اند را می توان بیانگر میزان اهمیت این نوع مفاهیم و علوم مرتبط به آنها دانست.
هم اکنون بیشتر کشورهای جهان برنامههای خود را طوری تنظیم کردهاند تا با بهینه کردن مصرف این منابع بر عمر منابع فسیلی خود بیفزایند و این در حالی است که با به کارگیری فناوری انرژیهای تجدید پذیر سعی دارند که میزانی از سهم مصرف منابع فسیلی را بر عهده این منابع بگذارند تا هم عمر منابع فسیلی را به تاخیر اندازند و هم جایگزینی برای آن یافته باشند (حیدری، 1365). مدارک بسیاری وجود دارد که سیاستهای انرژی جهانی که استفاده کارآمد از سوختهای فسیلی و انرژی را ارتقاء میدهند، به لحاظ محیطی غیر مسئولانه هستند؛ زیرا آنها باعث فساد جدی محیطی در سطوح محلی، منطقهای و جهانی میگردند. مطالعات نشان دادهاند که با ادغام منابع انرژی تجدید پذیر و ترکیب انرژی کلی، هر یک از این تاثیرات محیطی منفی را میتوان کاهش داد، یا مانع آن شد (حیدری، 1365). باید اذعان داشت که در قرن 21 سوختهای فسیلی کم کم جای خود را به انرژیهای تجدید پذیر (انرژی خورشیدی، بادی، برق آبی، بیومس، زمینگرمائی و غیره) خواهند داد. در میان این انرژیها، بیوگاز حاصل از بیومس، از اهمیت ویژهای برخوردار است. در این میان، بیوگاز به علت سالم سازی محیط زیست، تولید انرژی و کود مرغوب و قابلیت ایجاد آن در جوار اجتماعات بشری از اهمیت و جایگاه ویژه ای برخوردار است (الماسی، 1361). گرچه شناسایی بیوگاز در جهان سابقهای طولانی دارد، اما استفاده عمومی و رایج آن در خلال قرن اخیر و بویژه در سه دهه گذشته بوده است. بیوگاز که منبع آن تودههای زیستی است، در انتخاب منابع جایگزین انرژی برای روستاها، مورد ایده آلی میباشد، بدین مفهوم که ارزان بوده و به لحاظ تولید و منشا، محلی است. همچنین منبعی از انرژی است که برای چندین کاربری از جمله: گرم کردن، روشن کردن، ایجاد توان الکتریکی با مقیاس کوچک و غیره سودمند میباشد. از طرفی بیوگاز علاوه بر تولید انرژی باعث تولید کود کشاورزی و افزایش سطح بهداشت عمومی جامعه و کنترل بیماریها میشود. همچنین راه حلی مناسب برای دفع مواد زائد جامد میباشد (دهقان و همکاران، 1365). فاضلاب و مواد زائد جامدی که توسط صنایع و جوامع تولید میگردد، باعث آلودگی شدید محیط میشوند که میتوان با فناوری بیوگاز خطرات ناشی از این مواد را به شدت کاهش داد و از انرژی و کود تولیدی آن نیز استفاده نمود (رضویان، 1374). استحصال بیوگاز را میتوان از فرآیندهای بی هوازی تصفیه فاضلاب (UASB) و همچنین از محلهای دفن زباله نیز انجام داد و بخشی از هزینههای مصرفی این سایتها را جبران نمود (حیدری، 1365). منافع زیست محیطی سیستمهای بیوگاز حتی فراتر از سیستمهای تصفیه مرسومی است که تاکنون مورد استفاده قرار میگرفتند. این منافع، علاوه بر آنچه بیان شد، شامل کنترل بو، بهبود کیفیت آب و هوا، بهبــود ارزش غذایی کــود تولیدی، کاهش میزان انتشار گازهای گلخــانهای و دستیابی به بیوگاز به عنوان یک منبع انرژی میباشد؛ که خود بیوگاز تولیدی میتواند به طور همزمان انرژی الکتریکی و حرارتی تولید کند (تابنده، 1376). در این پژوهش ابتدا مدلی از رآکتور بیوگاز برای تولید بیوگاز در مزرعه طراحی و ساخته شد. سپس این دستگاه مورد آزمایش قرار گرفت تا علاوه بر مشخص شدن صحت کار آن، گاز
تولیدی حاصل از کود مرغی و کود بلدرچین مورد آزمایش و مقایسه قرار گیرد.
تعریف بیوگاز
به مجموعه گازهای تولیدی حاصل از هضم و دفع فضولات، اعم از انسانی، گیاهی و حیوانی که در نتیجه فقدان اکسیژن و فعالیت باکتریهای غیر هوازی خصوصاً باکتریهای متانزا تولید میشود، بیوگاز گفته میشود. این گاز به طور طبیعی در باتلاقها، مردابها و یا مکانهای دفن زبالههای شهری تولید میشود و برای استفاده، لازم است مهار گردد (عمرانی، 1375). برای استفاده اقتصادی از بیوگاز، عمل تخمیر را میتوان در شرایط کنترل شده در دستگاهی نسبتاً ساده به نام مخزن هضم انجام داد (الماسی، 1384). بیوگاز از روش تخمیر بیهوازی زیستتوده حاصل میشود. در واقع بیوگاز مخلوطی است از گازهای گوناگون که گاز متان عنصر اصلی تشکیل دهنده آن است (الماسی، 1361)؛ به طوری که حدود 55 تا 70 درصد این گاز را متان و حدود 35 تا 40 درصد آن را دی اکسید کربن و درصد بسیار ناچیزی را گازهای ازت و هیدروژن سولفوره و غیره تشکیل میدهند که مقادیر این گازها بستگی به دمای مخزن هضم و نوع مواد آلی داشته و با تغییرات آنها درصدهای گاز تغییر مییابند (عبدلی، 1363). طبق مطالعات انجام گرفته بر روی تجزیه بیوگازِ حاصل از مخازن هضم، ترکیبات بیوگاز از این قرارند (جدول 1-1):
جدول 1-1- ترکیبات موجود در بیوگاز
نوع گاز
درصد موجود در بیوگاز
CH4
70 – 55 %
CO2
40 – 35 %
N2
3 – 0 %
H2
1 – 0 %
O2
1 – 0 %
H2S
1 – 0 %
عنصر با ارزش بیوگاز، گاز متان میباشد که هر چه درصد آن بالاتر باشد، کیفیت بیوگاز بهتر و تولید آن بهصرفهتر میباشد (الماسی، 1361). بیوگاز دارای رنگی شفاف با بویی قابل تشخیص مانند بوی تخم مرغ گندیده و بی طعم و مانند دی اکسید کربن، یک گاز گلخانهای است؛ با این تفاوت که اثر گلخانهای آن حدود 25 برابر اثر دی اکسید کربن میباشد(شیخ قاسمی، 1373). بیوگاز با یک شعله آبی رنگ که دارای حرارت 800 درجه سانتیگراد است میسوزد (الماسی، 1361). این گاز با نسبت 1- 20 با هوا مخلوط شده و دارای سرعت اشتعال بالایی است (شعبانی کیا، 1383). فشار لازم و مطلوب برای پخت و پز با بیوگاز بین 5 تا 20 سانتی متر ستون آب میباشد. سوختن یک متر مکعب بیوگاز حدوداً 5500 تا 6500 کیلوکالری حرارت تولید میکند که این حرارت برای راهاندازی یک موتور احتراق داخلی به توان یک اسب بخار به مدت دو ساعت کافی است (فرای1، 1974). یک متر مکعب بیوگاز معادل 4/0کیلوگرم سوخت دیزل، 6/0کیلوگرم نفت و 8/0 کیلوگرم زغال سنگ است (برند2، 1981).
منابع تولید بیوگاز
به طور کلی منبع تولید بیوگازِ زیستتوده (مواد بیولوژیکی گیاهی و حیوانی که هنوز کاملاً تجزیه یا تخمیر نشده باشند) میباشد. براساس علیزاده (1375) و عبدلی (1362) زیستتوده به پنج گروه عمده تقسیم می شود:
– ضایعات و پسماندهای کشاورزی و صنایع وابسته
– پسماندهای جامد شهری
– پساب شهری
– فضولات دامی
– ضایعات و زائدات جامد و مایع فسادپذیر صنعتی (لجن صنعتی)
شکل 1-1 چرخه بیوگاز در طبیعت
نحوه تولید بیوگاز
به طور کلی برای تولید بیوگاز بایستی مواد آلی را با همحجماش از آب مخلوط کرده و پس از همگن کردن، آن را درون مخزن هضم ریخت. پس از گذشت زمانِ ماند مناسب گاز متان بدست میآید. البته تولید گاز متان دارای شرایط بهینهتری میباشد(تابنده، 1376) که به منظور تولید اقتصادی آن بایستی مورد توجه قرار گیرد (شکل1- 2). در ادامه اصول هضم و فرآیندهای تولید بیوگاز به طور مفصل بررسی میگردد.
شکل 1-2- دستگاه بیوگاز
اصول هضم بی هوازی در تولید بیوگاز
در کنار توانمندی برای زندگی بدون اکسیژن، باکتریهای تولید کننده بیوگاز ویژگی خاص دیگری نیز دارند: آنها در میان موجودات، جانداران بسیار کوچکی هستند که می توانند سلولوز را هضم کنند (جزء اصلی تشکیل دهنده فیبرهای گیاهی). ویژگی خاص دیگر این موجودات آن است که بسیار به شرایط محیط خود مانند دما، میزان اسیدی بودن، مقدار آب، میزان غلظت و غیره حساس هستند (چانگ3، 1985). سیستمهای بیوگاز از فرآیندی که هضم بیهوازی نامیده میشود، استفاده مینمایند (شیخ قاسمی، 1373). این سیستمها را با عنوان مخزنهای هضم بیهوازی هم میشناسند (شکل1- 3). بر این اساس در طی فرآیند هضم بیهوازی باکتریها، مواد آلی را در یک محیط خالی از اکسیژن تجزیه مینمایند. فرآیند تولید بیوگاز اصولاً شامل شکسته شدن مواد آلی طی تبدیلات و تغییرات بیوشیمیایی است که موجب شکستن مولکول های بزرگ به مولکول های کوچک تر می گردد (الماسی، 138). باکتری های متانوژن که واکنشهای تجزیه ای و بی هوازی را به منظور تولید بیوگاز انجام می دهند، قادر به شکستن و تجزیه مواد آلی پیچیده و ساده هستند که سرانجام به تولید بیوگاز منجر میشود. این باکتری ها شامل دو دسته باکتری های مزوفیل (میانه خواه) و ترموفیل (گرما دوست) هستند (ناس4، 1977) و به ترتیب در دمای 37 تا 45 درجه سانتیگراد و دمای50 تا 52 درجه سانتیگراد میتوانند زندگی کنند. در مورد باکتریهای گرما دوست، این حرارت میتواند تا 70 درجه سانتی گراد افزایش یابد. در این دما، باکتری ها بیشترین فعالیت آنزیمی را برای تجزیه مواد آلی و تولید بیوگاز دارند.
شکل 1-3- فرآیند تولید گاز در مخزن هضم
واکنشهای هضم در دستگاه بیوگاز مشتمل بر یک سری فرآیندهای شیمیایی و بیولوژیکی است که در غیاب اکسیژن و در حضور ارگانیسمهای بیهوازی انجام میشود. بخش عمدهای از گاز تولیدی آن مخلوطی از گازهای متان و دی اکسید کربن است. بنابراین در دستگاههای بیوگاز واکنشهای تخمیر شامل یک سری فعل و انفعالات شیمیایی به هم پیوسته میباشد که در عین مجزا بودن، ارتباط تنگاتنگی با یکدیگر دارند (حیدری، 1365، الماسی، 1384). اصول هضم شامل مراحل زیر میباشد که هر مرحله توسط گروه خاصی از میکروارگانیسمها انجام میگیرد. هضم بی هوازی یک فرآیند کاملاً باکتریایی میباشد (برند، 1981). این فرآیند در غیاب هوا انجام میشود و میتوان آن را به 5 فاز مختلف تقسیم نمود:
فاز صفر:
در این مرحله مواد آلی قابل تخمیر آماده میگردند و پس از جدا سازی انواع ناخالصیهای موجود، با آب مخلوط میگردند و درون مخزن هضم ریخته میشوند و واکنش هضم آغاز میگردد (لودویک، 1374).
فاز اول:
در فاز اول باکتریهای بیهوازی از آنزیمها، برای شکستن مولکولهای بزرگ مواد اورگانیک نظیر پروتئینها، کربوهیدراتها، سلولز و چربیها به ترکیباتی با ساختار مولکولی کوچکتر استفاده میکنند (الماسی، 1361). در واقع این باکتریها مواد پیچیده آلی را به اسیدهای چرب فرار تجزیه نموده و علاوه بر اسید استیک و اسید پروپیونیک مقداری آمونیاک و گاز کربنیک نیز تولید میشود (آنسی5، 2004). تبدیل شدن مولکولهای سنگین به مولکولهای کوچک که از ترکیب موادی از قبیل هیدروژن، دی اکسیدکربن، اسیدهای چربی و اسیدهای آمینه تشکیل شده به وسیله گروهی از باکتریها به نام باکتریهای آبزی فراهم میشود (علیزاده، 1375).
فاز دوم:
در فاز دوم باکتریهای تشکیل دهنده اسید، فرآیند شکست را به سمت تشکیل اسیدهای زیستی از قبیل دی اکسید کربن، سولفید هیدروژن و آمونیاک میبرند. در این مرحله باکتریهای اسید ساز (اسید لاکتیک، اسید پروپیونیک، اسید استیک و اسید بوتیریک) مواد آلی مرکب را به اسیدهای فرار تبدیل میکنند (لودویک، 1374). پروتئینها در ابتدا به اسیدهای آمینه و سپس به اسیدهای فرار شکسته میشوند، کربوهیدراتها در ابتدا به قندهای ساده و سپس به اسیدهای چرب فرار تبدیل میگردند و اسیدهای چرب به اسیدهای چرب فرار تغییر مییابند (الماسی، 1384 و قارداشی، 1379).
فاز سوم:
باکتریهای اسیدساز در فاز سوم، دی اکسید کربن، هیدروژن، استات، سولفید هیدروژن، اتانول و مقادیر بسیار جزیی از گازهای متان، ازت و آمونیاک تولید میکنند. در واقع در مرحله سوم باکتریهای متانزا، اسیدهای تولید شده در مرحله قبلی را به متان و دی اکسید کربن تجزیه میکنند. این گروه، مرکب از تعداد معدودی از باکتریها هستند که رشد و تکثیر آنها به کندی صورت گرفته و نسبت به محیط خود بسیار حساس هستند. در مخزن هضمی که بطور صحیح عمل میکند، تعادل این دو گروه از باکتریها باید چنان باشند که متانسازها فقط اسیدهایی که اسید سازها تولید میکنند، به مصرف برسانند. برخی دیگر از انواع باکتریها نیز هیدروژن و دی اکسید کربن را جهت تولید متان به مصرف میرسانند. در حقیقت در این مرحله است که فعل و انفعالات اصلی متانزایی انجام میگیرد (الماسی، 1361).
فاز چهارم:
در فاز چهارم (فاز تولید متان) باکتریهای متانزا، متان، دی اکسید کربن و آب قلیایی تولید میکنند. باکتریها در فاز متان (فاز4) نسبت به فاز اسید (فاز 2 و 3) نیازمند زمان بیشتری برای تکثیر میباشند. بنابراین سرعت و مقیاس تخمیر بستگی به متابولیسم باکتری متان دارد. به عبارت دیگر باکتریهای متانزا (باکتریهای موجود در فاز 4) نیازمند دگرگونی محصولات باکتریهای اسیدی از فازهای قبلی میباشند. بنابراین بایستی شرایطی فراهم شود که هر دو باکتری همزیستی خوبی داشته باشند تا جریان تولید گاز یکنواخت باشد (الماسی، 1361). حصول موفقیت در این عمل بستگی به تولید گاز متان دارد. در حالت ایده آل باید بتوان شرایط را طوری تنظیم کرد که اسید تولید شده بلافاصله به متان تبدیل گردد. چنانچه شدت تبدیل اسید به متان کمتر از شدت تولید اسید باشد، همواره مقداری اسید در محیط ذخیره میشود که باعث پایین آمدن (PH) محیط میگردد (سالک، 1378) و چون باکتریهای متانزا به شدت نسبت به (PH) محیط حساس میباشند این امر باعث توقف تولید متان میگردد. جدول(1-2) و شکل (1-4) مراحل تبدیل مواد آلی به بیوگاز را نشان میدهند.
جدول 1-2- جدول فرآیندهای مختلف تبدیل زیست توده به بیوگاز
فاز صفر
فاز یک
فاز دو
فاز سه
فاز چهار
ورودی
Input
هیدرولیز
Hydrolysis
اسید زدایی
Acidification
ترشیدن
Acidification
تولید متان
Methanogenesis
کربوهیدرات ها
شکرها
اسیدکربونیک ها
اسید استیک
متان
کربوهیدرات ها
شکرها
اسیدکربونیک ها
اسید استیک
متان
چربی ها
اسید های چرب
الکل ها
هیدروژن
دی اکسید کربن
پروتئین ها
آمینواسیدها
دی اکسید کربن
دی اکسید کربن
مراحل شیمیائی تخمیر مواد آلی (شامل چربیها، هیدراتهای کربن و پرتئین ها)
تخمیر چربیها
چربی اگرچه عملاً در آب حل نمیشود ولی به کمک آنزیمهای محیط و باکتریهای موجود در دستگاه تخمیر، این چربیها به CH4 و CO2 تبدیل میشوند. فعل و انفعالات تخمیر چربیها بدین شرح است:
1- C3H5(C3H7COO)3+ 12H2O 12C3H7COOH + 4C3H5(OH)3
2- 4C3H5(OH)3 4C2H5OH + 4HCOOH
3- 4HCOOH 4H2 + 4CO2
4- 12C3H7COOH + 6CO2 + 12H2O 24CH3COOH + 6CH4
5- 4C2H5OH + 2CO2 4CH3COOH + 2CH4
6- 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O
7- 24CH3COOH 24CH4 + 24CO2
8- 4C3H5(C3H7COO)3 + 22H2O 37CH4 + 23CO2
در این فعل و انفعالات معادل 1344 لیتر گاز به ازاء چهار مول (MOL) چربی تولیدمیشود. بنابراین هر یک گرم چربی 113/1 لیتر گاز تولید میکند.
تخمیر هیدراتهای کربن
باکتریهای بوجود آمده روی هیدراتهای کربن تاثیر گذاشته، ابتدا آنها را به اسیدهای فرار، الکل و هیدروژن تبدیل مینماید که در نهایت حاصل فعل و انفعالات CO2 و CH4 میباشد. در مورد سلولز این عمل در دو مرحله انجام میشود:
1- C6H10O5 C4H9OH + 2CO2
2- C4H9OH + 2CO2 3CH4 + CO2
فرمول کلی آن عبارت خواهد بود از:
C6H10O5 + H2O 3CH4 + 3CO2
در مورد گلوکز فرمول مربوطه به صورت زیر است:
1- C6H12O6 C4H9OH + 2CO2 + H2O
2- C4H9OH + H2O 3CH4 + CO2
3- C6H12O6 3CH4 + 3CO2
تخمیر پرتئینها
تمام فضولات دارای مقادیر متنابهی پروئین هستند که بر اثرفعالیت باکتریهای موجود در دستگاه تخمیر اول به اسیدهای فرار و سپس به CH4 و CO2 تبدیل میشوند.
1- 6CH3CH (OH) CH (NH2) COOH + 2H2O 2C3H7COOH + 4C2H5COOH + 4CO2 + 6NH3
2- 2C3H7COOH + CO2 + 2H2O 4CH3COOH + CH4
3- 4C2H5COOH + 2H2O 4CH3COOH + CO2 +3CH4
4- 8CH3CH (OH) CH (NH2) COOH + 6H2O 12CH4 + 12CO2 + 6NH3
هر گرم از این اسید 564 لیتر گاز تولید میکند (الماسی، 1361).
شکل 1-4- مراحل مختلف تبدیل مواد آلی به بیوگاز
پارامترهای موثر بر فرآیند هضم بیهوازی
مواد آلی که در دستگاه بیوگاز تجزیه میشوند، میتوانند از هر منبعی سرچشمه بگیرند؛ مشروط برآنکه شرایط شیمیایی و فیزیکی لازمه برای رشد باکتریهای متانزا فراهم باشد. مواد زائد و فضولات حیوانی میتوانند در اثر هیدرولیز آنزیمی به کربوهیدراتها تبدیل شوند (ستاری ساربانقلی، 1378). همانطور که بیان شد، کربوهیدراتهای تولید شده به کمک میکروارگانیسمهای اسیدوژنیک به اسیدهای آلی تبدیل شده و سپس این اسیدهای آلی در فرآیند تخمیری متانوژنیک توسط باکتریهای مولد متان به گاز متان، گاز کربنیک و به میزان اندکی گازهای دیگر از قبیل هیدروژن سولفید و غیره تبدیل میشوند. فرآیند هضم بیهوازی و تولید بیوگاز مانند سایر واکنشهای بیوشیمیایی تحت تاثیر عوامل شیمیایی و فیزیکی متنوعی است که همواره باید مورد توجه قرار گیرند. برخی از این فاکتورها در زیر بررسی می گردند:
درجه حرارت محیط تخمیر
اصولاً عمل هضم بیهوازی در دمای 60-10 صورت میگیرد (مناسبترین محدوده دمایی بین 37 – 30)، (عمرانی، 1375). معمولاً دستگاههای بیوگاز در حد فعالیت باکتریهای مزوفیلیک عمل مینمایند که دمای مطلوب آن 37 است (آتار6، 1998). در درجه حرارتهای پایینتر از 30 ، ممکن است دستگاه اسیدی شود. در درجه حرارتهای بالاتر از 70 ، باکتریها از بین میروند و تولید گاز کاهش مییابد (عمرانی، 1375). معمولاً میزان تولید گاز در درجه حرارت های بالاتر از 45 بیشتر از حرارتهای پایین است. میزان تولید بیوگاز در دمای 55 – 45 حدود 60 – 50 درصد نسبت به دمای 35 افزایش مییابد که به دلیل هزینهبر بودن نگهداری دستگاه در دماهای بالا استفاده نمیشود (دانگاگو7، 1996). در دمای بالاتر از 70 مقدار گاز تولید شده به علت از بین رفتن باکتریهای متانزا به شدت کاهش مییابد. در دمای 12- 18 نیز امکان تولید بیوگاز وجود دارد ولی این تولید از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نخواهد بود (عمرانی، 1373). در دماهای پایینتر از 10 تولید بیوگاز متوقف خواهد شد. به طور کلی سرعت فعالیت و افزایش باکتریهای تولید کننده متان به درجه حرارت بستگی دارد (لودویک، 1374 و آیلی8، 1991). گرم کردن به وسیله مبدلهای حرارتی یا کویلها انجام میشود. یک راه برای جلوگیری از به هدر رفتن حرارت از رآکتور، عایقکاری رآکتور میباشد (کلارک9، 1995). در جدول (1-3) برخی از محدودههای دمایی رآکتور آمده است.
جدول 1-3- محدودههای درجه حرارت در تخمیر بیهوازی
تخمیر
حد پایین
حد متوسط
حد بالا
زمان تخمیر
Psychrophil
سرما دوست
10-4
18-15
30-25
بیش از 100 روز
Mesophil
میانی دوست
20-15
33-28
45-35
60-30 روز
Thermophil
گرما دوست
45-25
60-50
80-75
15-10 روز
باکتریهای متانزا نسبت به نوسانات سریع درجه حرارت کاملاً حساس بوده و این نوسانات در تولید بیوگاز تاثیر منفی دارد. درجه حرارت در مخزن تخمیر باعث از بین رفتن بسیاری از باکتریهای بیماریزا و انگلها میشود (براملر10،1992 و دسای11، 1998). تولید گاز با توجه به شرایط محیط تخمیر و سایر شرایط در درجه حرارتهای نزدیک صفر تقریباً متوقف میشود (عبدلی، 1364). آنچه در مورد درجه حرارت مهم است، تغییرات درجه حرارت شبانه روزی است (این یکی از مشکلاتی است که در حین آزمایش با آن برخورد میشود). برای رفع این مشکل بایستی دستگاه تخمیر بوسیله مواد عایق مانند کاه برنج، کاه گندم، پلاستیک، پشم شیشه یا کاهگل عایقبندی شود و یا با نصب دستگاه در یک گلخانه تغییرات درجه حرارت محیط را به حداقل کاهش داد. استفاده از هر کدام از این راه حلها بستگی به مکان ساخت دستگاه و موقعیت منطقه دارد (ثقفی، 1372 و علی زاده، 1364)
اسیدیته ((PH
بررسی ها نشان میدهد که PH حدود 8/6 تا 2/7 برای تولید بیوگاز مناسب است. هرگونه نوسانی در PH، مشکلاتی در تولید بیوگاز حاصل میکند (الماسی، 1361 و عمرانی، 1375). پایین آمدن PH باعث اختلال در زندگی باکتریهای متانزا شده و تولید گاز متان را متوقف میکند. به خاطر حساسیت بالای باکتریهای متان ساز به PH بایستی آن را در حدود 5/7 الی 7/7 نگه داشت که برای این عمل میتوان میزان قلیائیت را در حدود 1500 تا 7500 میلی گرم در لیتر کربنات کلسیم حفظ کرد تا ظرفیت تامپونی خوبی در رآکتور ایجاد گردد (دسای، 1998) . در صورتی که PH به کمتر از 5/5 برسد باکتریهای متان ساز غیر فعال میگردند (بایر12، 1997). PH ماده اولیه که در دستگاه ریخته میشود، بستگی به نوع مواد آلی دارد.PH ماده اولیه در دستگاه تخمیر به علت فعل و انفعالات شیمیایی تا مدت 10 تا 15 روز به تدریج پایین میآید و در نهایت به 6 – 6/5 یعنی حالت اسیدی میرسد. از روز 20- 15 به تدریج بالا میرود تا آنکه به 4/7- 8 برسد. میزان تولید گاز در این حالت بستگی به شرایط محیط قلیایی دارد (7<PH) ؛ ولی در حالت اسیدی هم مقدار ناچیزی گاز تولید میشود (عمرانی، 1373). در آزمایشها میباید هر روز یک بار مقدار PH محیط اندازهگیری شود. چنانچهPH محیط برای مدت زیادی در حالت اسیدی و بدون تغییر حالت باقی بماند احتمال عدم فعالیت باکتریهای متانزا وجود دارد و در صورت ادامه این وضعیت، دستگاه از فعالیت باز خواهد ایستاد (آیلی، 1991). در این حالت ممکن است با اضافه کردن مقداری ماده اولیه شرایط قلیایی در این محیط بوجود آورد. نوسانات ناگهانی PH محیط باعث توقف عمل تخمیر و در نتیجه قطع تولید گاز میشود.
میزان حضور مواد مغذی در محیط (C/N)
باکتریهای بیهوازی برای زنده ماندن و انجام فعالیتهای خود نیازمند کربن و ازت میباشند. این باکتریها معمولاً کربن را بعنوان منبع انرژی جهت رشد و نمو، و ازت را برای ساختن دیواره سلولی خود مصرف میکنند. نسبت این مواد در کنترل فعل و انفعالات شیمیائی درون رآکتور بسیار مهم است (دانگاگو، 1996)، میزان مصرف کربن نسبت به ازت 30 تا 35 برابر سریعتر میباشد؛ لذا نسبت موجود در مواد اولیه جهت فعالیت باکتریهای بیهوازی و سرعت تخمیر و متعاقب آن تولید گاز متان بسیار موثر است (بابو13، 1994). با بیشتر شدن این نسبت، ازت زودتر از کربن مصرف میشود و کربن باقیمانده باعث اسیدی شدن محیط میگردد و بالعکس زمانی که نسبت کم شود، ازت بصورت گاز آمونیاک از محیط خارج و موجب قلیایی شدن محیط میگردد. در این حالت تولید گاز بعلت عدم وجود کربن متوقف میشود (عمرانی، 1375). از نقطه نظر بیولوژیکی باکتریهای موجود در رآکتور مواد زائد را با عناصری از C وN (C در فرم کربوهیدراتها و N به فرم پرتئینها، نیتراتها، آمونیاک و غیره) که غذای اصلی باکتریهای غیرهوازی است، تغییر میدهند (ثقفی، 1372). هضم غیرهوازی زمانی درست انجام میشود که ماده خام داده شده به باکتریها دارای مقدار زیادی نیتروژن و کربن باشد (آناند14، 1993).
درجه غلظت مواد
برای اینکه باکتریها بتوانند مواد آلی را جذب کنند، لازم است که مواد بصورت محلولی رقیق درآیند (عبدلی، 1364 و علی زاده، 1364). در مخازن بیوگاز بهترین غلظت مواد جهت عملیات تخمیر بیهوازی در حدود 7 الی 9 درصد مواد جامد میباشد. ازدیاد غلظت مواد موجب افزایش چسبندگی و مانع رشد باکتریها و کاهش غلظت موجب لایه لایه شدن محلول میشود که مستلزم همزدن مداوم محلول است (چاودری15، 1994). معمولاً مواد اولیه مورد استفاده در تخمیر بیهوازی غلظت بالایی داشته و لازم است تا با نسبت معینی آب رقیق شوند. برای اینکه باکتری ها بتوانند مواد آلی را جذب کنند، لازم است که مواد به صورت محلول رقیقی درآیند. لذا یک حجم مواد آلی را با آب کاملاً مخلوط کرده و در دستگاه میریزند. (باسرجا16، 1987).
میزان حضور عوامل سمی
برای تولید بیوگاز باید به مقدار ترکیبات و عناصر شیمیایی دستگاه توجه گردد که بار آلودگی شیمیایی آن موجب مرگ باکتریها نگردد (آتار، 1998). در سیستمهای بیوگاز وجود عناصری مانند Fe، K، Mg، Ca، Na در غلظتهای زیاد بعنوان باز دارنده تولید گاز عمل کرده و موجب کندی یا توقف رشد باکتریهای متانزا میشوند (بارنت17، 1987)؛ اما غلظت کمی از آنها میتواند سبب تحریک رشد باکتریها و افزایش سرعت تولید گاز گردد. برخی ورودیها نیز برای باکتریها مضر بوده و میتوانند فرآیند هضم را متوقف کنند، که عبارتند از: آنتی بیوتیکها، موادی که قابلیت تولید نیتروژن دارند، روی، آمونیاک، اسیدهای چرب، سولفید هیدروژن و غیره (کلارک، 1995). در صورتی که غلظت مواد غذایی مورد نیاز میکروارگانیسمها بیش از محدوده مورد نیاز آنها باشد و باعث سیر نزولی در رشد بیولوژیکی آنها شود، به عنوان یک ماده سمی تلقی میشوند (چاندرا18، 1997). وجود مواد سمی نظیر آنتی بیوتیکهای موجود در فضولات مرغی از عوامل باز دارندهی فرآیند تخمیر بوده و وجود سولفاتها میتواند باعث کاهش تولید گاز گردد. برای عملکرد مناسب محفظه تخمیر، مقدار سولفیدها باید کمتر ازmg/L 200، جیوه کمتر از mg/L2 و آمونیاک نیز کمتر از mg/L 2500 باشد (باردیا19، 1994).
مدت زمان ماند مخلوط در مخزن هضم
هرچه زمان توقف مواد در داخل مخزن هضم بیشتر و دما نیز بالاتر باشد، مقدار استحصال بیوگاز زیادتر میشود. این مدت زمان در حقیقت فاصله میان زمان ورود حجم مشخصی از فضولات از طریق لوله ورودی به مخزن هضم و زمان خروج آن از طریق لوله خروجی بشمار میآید (الماسی، 1384 و علی زاده، 1364). زمان ماند بسیار حائز اهمیت است؛ زیرا چنانچه مواد ورودی به اندازه کافی درون مخزن باقی نمانند و روند هضم و تخمیر کامل نشود، بیوگاز تولید نخواهد شد. تولید گاز با افزایش زمان ماند، روند افزایشی دارد؛ به عبارت دیگر تولید گاز متان با زمان ماند طولانیتر بیشتر خواهد شد. بدیهی است که در حالت طبیعی این زمان با زمان فاسد شدن مواد داخل مخزن برابر میباشد. هرچه زمان فاسد شدن طولانیتر باشد، ضریب تولید گاز بالاتر است. تغییرات تولید بیوگاز بر حسب زمان در صورت ثابت بودن تقریبی درجه حرارت، بین روزهای دوم تا هفتم شروع میگردد. ولی در روزهای اول اغلب گاز تولید شده به صورتCO2 میباشد (CO2 هم در مرحله اول و هم در مرحله دوم). بعد از گذشت 20-10 روز تولید متان شروع میگردد. هر چه درجه حرارت بیشتر باشد، تولید متان زودتر انجام میگیرد (جدول 1-4). زمان ماند به سرعت تجزیه مواد ورودی، میزان گاز تولیدی و دمایی که عمل تخمیر در آن صورت میگیرد، بستگی دارد (آبارت20، 1983)
جدول 1-4- نمودار مدت زمان ماند مواد در داخل رآکتور
زمان بهینه نگهداری )روز(
زمان حداقل نگهداری )روز(
دما )درجه سانتیگراد)
28
11
20
20
8
25
14
6
30
10
4
35
10
4
40
همزدن محتویات مخزن هضم و هموژنیزه کردن محتویات
برای ایجاد محیط همگن و دگرگونی زندگی باکتریها (تحریک باکتریها) در داخل رآکتور، هم زدن فضولات لازم میباشد(شکل 1-5)، (ثقفی، 1382). هموژنیزه بودن محلول داخل دستگاه، میتواند باعث افزایش تولید گاز و بالا رفتن کارآیی رآکتورهای بیهوازی گردد (علی زاده، 1364). یکنواخت نگه داشتن محلول از نظر غلظت و درجه حرارت بر روی سرعت تکثیر باکتریها تاثیر مثبت دارد، (باردیا، 1994). نگهداری مایعات به صورت یکنواخت از نظر غلظت و درجه حرارت از جمله عواملی است که میتواند در سلامت دستگاه و تولید بیوگاز بسیار موثر باشد. در دستگاههای بزرگ، این کار بوسیله همزن انجام میگیرد، درصورتیکه در دستگاههای کوچک، وجود همزن الزامی نیست (مرتضی الماسی، 1384). این همزدن با اضافه کردن روزانه مواد انجام میشود تا حرکتی در توده مواد به وجود آمده و مواد تجزیه نشده در مجاورت باکتریهای بیهوازی قرار گیرند. در مقیاس کوچک، این عمل میتواند دستی انجام شود. در مقیاسهای بزرگ ، علاوه بر استفاده از همزنهای مکانیکی، میتوان قسمتی از گاز بدست آمده را دوباره با فشار به قسمت پایین انبار تزریق کرد (بابو، 1994). همزدن مواد باعث میشود که اولاً باکتریها تماس بیشتری با مواد در حال تخمیر پیدا کنند و در نتیجه سرعت انجام واکنشها بیشتر شود و ثانیاً از تشکیل یک لایه سخت بر روی مواد در حال هضم که مانع متصاعد شدن گاز میگردد، جلوگیری کند (عادل، 1383).
شکل 1-5- رآکتور بیوگاز به همراه همزن
آماده سازی مواد خام قبل از بارگیری
مواد خام را نمیتوان به همان صورت وارد دستگاه بیوگاز کرد؛ بلکه باید قبل از بارگیری آنها را از نظر غلظت، قابلیت جذب باکتریها، نسبت C/N و عدم وجود مواد چربی، سمی و عناصر باز دارنده مورد بررسی قرار داد (براملر،1992). مواد قبل از ورود به سایت بیوگاز نیازمند پالایش میباشند. نوع پالایش به شدت به نوع تخمیر (خشک یا مرطوب) بستگی دارد. بطور عمومی مواد جامد نباید زیاد بزرگ باشند. مواد با 12% ماده خشک مناسبترین مواد برای تخمیر خیس یا مرطوب میباشند، که بدین ترتیب انتقال و میکس ساده خواهد بود. روش صحیح تخمیر، تخمیر مرطوب میباشد. ماده ورودی که کمتر از 40 درصد ماده خشک دارد سیال بوده و چسبنده نیست. برای پمپ کردن ماده اولیه باید آنقدر آب زده شود که 12 درصد کل آن ماده خشک باشد ضایعات کشتارگاهی و غیره بایستی از لحاظ بهداشتی تصفیه شوند تا تمام میکروبهای آنها زدوده شود (دانگاگو، 1996).
وجود مواد تسریع کننده واکنش
اصولاً برای تسریع واکنشهای درون رآکتور و انتقال سریع مواد درون مخزن هضم از فاز اسیدی به فاز متان، میتوان به بستر ورودی مخزن، موادی به عنوان تسریع کننده افزود تا سرعت تولید گاز را بهبود بخشند. این مواد در واقع نقش کاتالیزور دارند و کمک میکنند تا مواد درون رآکتور خیلی سریعتر به مرحله فساد نزدیک شوند. این مواد عبارتند از: مواد پروتئینی مثل خونابه کشتارگاهی، گوشتهای فاسد شده، کشت میکروبی و غیره (آیلی، 1991).
اصلاح و تغییر در طراحی دستگاه بیوگاز
طراحی و ساخت رآکتور میتواند در افزایش یا کاهش تولید گاز متان موثر واقع گردد (عبدلی، 1364). اصولاً در مناطق مختلف جهان طرحهای بیشماری از دستگاههای بیوگاز پدید آمدهاند. هریک از این طرحها میتوانند با توجه به شکل و ساختار خود تولید حجم متفاوتی از گاز نمایند. به عنوان مثال دستگاههای بیوگاز افقی نسبت به دستگاههای عمودی گاز بیشتری تولید مینمایند (بارنت، 1987).
مواد افزودنی شیمیائی
در بعضی مواقع برای آغاز به کار کردن سریع مخزن هضم و فساد سریعتر مواد درون رآکتور از مواد شیمیائی نظیر کربنات سدیم، مواد معدنی نظیر نیکل و مولیبدن و غیره استفاده میگردد که باعث افزایش قلیائیت مواد شده و تولید بیوگاز را سرعت میبخشد (عمرانی).
تغییر دادن نسبت خوراک دستگاه
اصولاً در رآکتور میتوان با اضافه کردن مواد آلی غنی از پرتئین، چربی و کربوهیدرات، میزان تولید بیوگاز را افزایش داد. مواد فقیرتر اصولاً تولید گاز کمتری مینمایند (داول، 1996). افزایش مواد پرتئینی میزان تولید سولفید هیدروژن و دی اکسید کربن را نیز افزایش میدهد. افزایش مواد آلی نسبت به آب باعث غلظت مواد درون رآکتور میشود و تولید گاز را افزایش میدهد و کاهش غلظت مواد آلی موجب رقیق شدن مخلوط شده و تولید گاز را کاهش میدهد و حتی کاهش بیشتر غلظت مواد میتواند تولید گاز را متوقف نماید (بابو، 1994).
محیط بیهوازی (بسته)
از آنجائیکه فرآیند هضم درون دستگاه بیوگاز یک فرآیند بیهوازی میباشد، بنابراین بایستی دستگاه را از لحاظ عدم ورود هوا بدقت بررسی و ایمن ساخت تا بهترین شرایط برای تخمیر مواد مهیا گردد (عمرانی، 1375). اگر مقداری هوا در حین فرآیند هضم به درون دستگاه راه یابد باعث میشود دستگاه فاز اسیدی طولانیتری را طی کند در نتیجه باعث توقف فرآیند میگردد (لودویک، 1374).
انواع روشهای بارگذاری مخازن هضم:
قبل از تشریح روش انجام آزمایشها در این پروژه، لازم است مختصری در مورد روش بارگذاری مخازن هضم توضیح داده شود. اصولاً دستگاههای بیوگاز در یک تقسیمبندی بر اساس نحوه بارگذاری به دستگاههای پیوسته، نیمه پیوسته و نا پیوسته تقسیمبندی میشوند:
سیستم پیوسته:
دستگاههایی که عمل تجزیه و بالطبع عمل تخلیه در آنها روزانه انجام میگیرد. به این نوع دستگاهها پیوسته گویند. در این حالت مواد اولیه به صورت روزانه وارد مخزن هضم شده و در صورت پر بودن آن، برابر با حجم مواد وارد شده به مخزن هضم، مواد از آن خارج میشود. درصد مواد آلی خشک در این سیستم بین 5 تا 10 درصد میباشد. در این روش میتوان حجم ثابتی از گاز را با خوراک معین به صورت روزانه تولید کرد. در این پروژه از روش بارگذاری پیوسته استفاده گردید.
سیستم نیمه پیوسته:
در این سیستم خوراک دهی به صورت متناوب و در فواصل زمانی مختلف انجام میگیرد. با تعیین زمان ماند مناسب میتوان از این روش برای تخمیر ترکیبات مختلف استفاده کرد. همانند سیستمهای پیوسته در اینجا نیز موقع بارگیری معادل خوراک تغذیه شده از محتویات مخزن هضم خارج میشود. در دامداریها و صنایعی که به طور دائم پساب ندارند معمولاً از این روش استفاده میگردد.
سیستم ناپیوسته:
در این سیستم، مخزن هضم در طول دوره برای یک بار با مواد اولیه بارگیری شده و عمل تخمیر مواد آلی در مخزن هضم انجام میگیرد؛ پس از طی این دوره محتویات راکتور به طور کامل تخلیه میگردد. این روش میتواند برای فاضلابهای غلیظ و دارای مواد آلی خشک تا 25 درصد به کار رود. این روش برای تخمیر ترکیبات سلولزی مفید میباشد و پایان تخمیر زمانی فرا میرسد که تولید گاز کم شود. به این ترتیب به دستگاههایی که مخزن هضم آنها یک دفعه توسط مواد اولیه پر شده و پس از تجزیه و فاسد شدن و تولید گاز، مخزن تخلیه میگردد، سیستم ناپیوسته گویند.
جمع آوری بیوگاز تولیدی:
پس از آنکه دستگاه بیوگاز بارگذاری گردید و گاز زیستی تولید شد، اساسیترین کار، جمع آوری، ذخیره و مصرف گاز تولیدی میباشد (الماسی، 1361). جمعآوری گازهای تولیدی که خارج از راکتور انجام میگیرد باید از دقت خاصی برخوردار باشد و همان دقتی که در کار با گازهای طبیعی مراعات میگردد. در این سیستمها نیز مورد توجه باشد. سیستم جمعآوری گاز راکتور باید بتواند حداکثر گاز تولیدی را نیز پاسخگو باشد. متاسفانه در اکثر مواقع مخازن ذخیره گاز که به دستگاه بیوگاز متصل هستند و قسمتی از مخزن هضم را شامل میشوند، فقط توانائی تولید گاز و نگهداری آن برای زمان کوتاهی را فراهم میسازند و چون تولید گاز در زمان حداکثر خود نیاز به ذخیره بیشتری دارد باید برای ذخیره آن از مخازن دیگری (مخازن جانبی) سود جست. فشار گاز تولیدی در سیستم حداکثر 10 تا 20 اینچ ستون آب است و اگر در محلی ذخیره شود فشار آن به مرور زیاد شده و ممکن است با متصاعد شدن از مخزن ذخیره علاوه بر ایجاد بو در مواردی باعث انفجار و آتش سوزی شود (عمرانی، 1375). اگر گازهای خروجی از راکتور مجدداً به آن باز گردند. فضای بالای راکتور، روی سطح فاضلاب را پر مینماید. این عمل علاوه بر ایجاد بو، مانع متصاعد شدن گاز تولیدی خواهد گردید و تولید گاز را کاهش میدهد. باقی ماندن و تجمع بیش از حد متان در محل بالایی راکتور ممکن است در مواردی ایجاد انفجار نماید و حتی ممکن است غلظت هیــدروژن سولفــوره در اطراف راکتور به حــدی برسد که باعث بروز خطر برای کاربران گردد. همچنین ممکن است گازهای تولیدی به جوبکهای خروج فاضلاب راه یافته و بهره برداران را بعلت محتوای هیدروژن سولفوره در معرض خطر قرار داده و بعضاً باعث انفجار شود (لودویک، 1374). بنابراین باید مسائل و خطرات ناشی از پخش گاز به نحوی قابل پیش بینی و پیشگیری باشد. گاز تولیدی در راکتور علاوه بر متان محتوی گاز کربنیک و هیدروژن سولفوره است. بعلاوه محتوی رطوبت نیز خواهد بود. با تمام پیش بینیها برای حذف رطوبت متاسفانه رطوبت باقیمانده در مواردی با ایجاد قطرات آب در شعله سوز و وسایل اندازهگیری مشکلاتی به وجود خواهد آورد. برای جلوگیری از این مسئله هم باید پیش بینیهای لازم به عمل آید.
بیوگاز و کود حاصل از آن:
یکی از روشهای مناسب در برخورد با فضولات دامی و پسماندهای گیاهی استفاده از کود حاصل از دستگاه بیوگاز است. این کود میتواند در حاصلخیزی خاک و در تامین انرژی آن کمک نماید و در چرخه غذایی وارد شود. دستگاه بیوگاز کودی مرغوب را ارائه میدهد که جذب آن توسط ریشه گیاه سادهتر میباشد. این کود عاری از بوهای مشمئز کننده بوده و از نظر نیتروژن، پتاسیم و فسفر غنی میباشد (لودویک، 1374). در بعضی موارد این کود محصول اصلی رآکتور است و بیوگاز تنها یک محصول فرعی میباشد. از کود حاصل میتوان در افزایش فرآوردههای کشاورزی و حاصلخیزی خاک گام برداشت و به بهداشت محیط نیز کمک شایانی نمود. مقاومترین تخم انگلها در دستگاه بیوگاز به هنگام تخمیر از پای در میآیند. کود تخمیری در مقایسه با کود معمولی و طبیعی آمونیاک آن 120 درصد و فسفر سریع الاثر آن حدود 150 درصد افزایش نشان میدهد (لودویک، 1374). همچنین کود بدست آمده از دستگاه بیوگاز ایدهآل برای مصرف در استخرهای پرورش ماهی است (قارداشی، 1380). این کودابه باعث افزایش پلانگتونها در استخرها شده که پلانگتونها نیز به عنوان غذا توسط ماهیها مصرف میشوند. همچنین در صورت استفاده از کودابه در مزارع طبق برسیهای آماری انجام شده افزایش محصول نسبت به استفاده از کود تخمیر نشده بسیار بیشتر خواهد بود.
ساختار کلی دستگاه تولید بیوگاز:
دستگاه بیوگاز به سیستمی گفته میشود که شامل یک مخزن هضم، حوضچه ورودی، حوضچه خروجی و مخزن گاز میباشد، بطوریکه مخلوطی از مواد آلی و آب به منظور تولید گاز به آن وارد و هضم (تجزیه) میگردد (لودویک، 1374). به عبارتی، وظیفه و کارکرد ابتدایی دستگاه بیوگاز: هضم مواد آلی، ذخیره سازی بیوگاز تولیدی و انتقال آن به خط مصرف میباشد (شکل 5). ساختمان اصلی دستگاه در زیر بررسی میگردد:
حوضچه ورودی:
در حوضچه ورودی که در واقع تغذیه کننده محفظه تخمیر است، ضایعات آلی (پساب و فضولات حیوانی) با آب مخلوط میشود. این حوضچه در سطح فوقانی زمین و در مقابل حوضچه خروجی در طرف دیگر محفظه تخمیر ساخته شده و از طریق مجرای ورودی مواد اولیه را به قسمت تحتانی محفظه تخمیر انتقال میدهد (شکل 1-6). عمل اصلی این حوضچه مخلوط کردن آب و مواد اولیه است. حوضچه معمولاً استوانهای شکل است و در بهترین حالت شعاع سطح مقطع 40 سانتیمتر و ارتفاع نیز حداکثر 40 سانتیمتر است و در ارتفاعی بالاتر از سطح زمین قرار میگیرد (لودویک، 1374).
حوضچه خروجی:
این حوضچه در طرف مقابل حوضچه ورودی به نحوی ساخته میشود که سطح فوقانی آن هم سطح زمین باشد تا هنگام ورود مواد اولیه از حوضچه ورودی بنا به قوانین فشار مایعات و ظروف مرتبطه مواد تخمیر شده از کف مخزن تخمیر به طرف حوضچه خروجی هدایت گردند (شکل 1-6). مجرای خروجی cm20 از سطح و مجرای ورودی در فاصله 50 سانتیمتری عمق زمین قرار میگیرد تا مواد تخمیر شده پس از ورود مواد اولیه از طریق مجرای خروجی خارج گردد. مواد اولیه که در حوضچه ورودی به حالت مایع در میآیند به سادگی و با فشاری که از داخل به مواد تخمیر شده در مخزن تخمیر وارد خواهند کرد باعث هدایت مواد تجزیه شده و خروج لجن از طریق مجرای خروجی به حوضچه خروجی میشوند. لجن تخمیر شده بیوگاز در این حوضچه تا زمان مصرف ذخیره میشود (لودویک، 1374).
مخزن تخمیر:
مخزن تخمیر که به محفظــه تخمیر یا مخزن هضم21 معروف است، اساسیترین قسمت یک دستگاه بیوگاز میباشد که معمولاً به شکل استوانه و از جنس آجر، بتون و یا مواد قدیمى و مستعمل ساخته میشود. این مخزن را میتوان یا به صورت کامل درون زمین و یا بخشی از آن را در روی زمین ساخت. این محفظه براى نگهدارى مواد اولیه و براساس ظرفیت پیشنهادی برای دستگاه طراحى میشود (لودویک، 1374). مواد زائد آلی پس از ورود به مخزن به مدت یک تا دو ماه در آن نگهداری میشوند. در طول این مدت، مواد درشرایط بیهوازی و بر اثر فعالیت باکتریها تجزیه میشوند. نتیجه این تجزیه، تولید بیوگاز و مقداری بیومس است که با تخلیه مرتب بیومس و اضافه کردن مواد زائد جدید در تمام روزهای سال میتواند ادامه داشته باشد. محفظه تخمیر با ایجاد شرایط مناسب تولید گاز متان را به حداکثر میرساند (الماسی، 1361). در این محفظه پس از ورود مواد اولیه و در شرایط مناسب حرارتی و نبود هوا، تجزیه بیهوازی توسط باکتریهای متانزا صورت گرفته و گاز تولید میشود. ساختمان این مخزن با توجه به شرایط آب و هوایی و امکانات فنی و اقتصادی متفاوت است (لودویک، 1374). مجراهای ورودی و خروجی در داخل مخزن باید به گونهای طراحی و ساخته شود که با ورود مواد جدید، مواد تخمیر شده از کف مخزن به بالای آن منتقل شده و به داخل حوضچه خروجی هدایت شوند. در بعضی مواقع در داخل مخزن یک همزن نیز تعبیه میشود که این امر در افزایش تولید گاز نقش مهمی دارد. گاز حاصله در قسمت بالای مخزن که انباره گاز نامیده میشود جمع آوری شده و جهت مصرف به خارج دستگاه هدایت میگردد، (شکل 1-6).
محفظه گاز:
این محفظه که محل تجمع گازهای ایجاد شده در اثر تخمیر مواد میباشد اصولاً از یک استوانه ته بسته با ورقههای فولادی به ضخامت 1 تا 3 میلیمتر ساخته میشود. سقف آن را به صورت مخروطی میسازند تا هم مقدار بیشتری گاز در آن ذخیره شود (لودویک، 1374) و هم آب باران روی آن جمع نگردد و پوسیدگی ایجاد نکند (عمرانی، 1375). در روی این سر پوش شیری جهت تخلیه گاز نصب میگردد تا به وسیله باز و بسته کردن آن گاز به طرف محل مصرف هدایت گردد. درپوش که در مخزن گوارش اولیه به کار میرود، کلاهکی است که در زیر آن گاز جمع میشود. این کلاهک میتواند ثابت یا شناور باشد، (شکل 1-6). در صورت شناور بودن، در پوش به صورت زنگ شکل بوده و طوری شناور است که قسمتی از بدنه آن در لجن غوطهور شده و تشکیل یک آببند میدهد. نکته مهم درباره این محفظه این است که از افزایش فشار گاز در این محفظه جلوگیری شود (لودویک، 1374)؛ بنابراین با نصب فشار سنج در این محفظه میتوان فشار گاز را کنترل کرد. مهمترین خواص مخزن شناور، تثبیت جریان گاز به طرف مشعلها و تامین گاز در مواقعی که تولید آن کم است می باشد.
شکل 1-6- مخزن ترکیب 2- لوله ورودی 3-مخزن هضم 4- مواد سنگین ته نشین شده 5- مخزن گاز 6- لوله خروج گاز 7- نگهدارنده درب مخزن هضم 8- لوله خروجی 9- مخزن کودابه خروجی 10- درب مخزن تخلیه 11- سطح زمین 12- لوله انتقال گاز
امروزه از دو نوع جدید مخزن ذخیره کننده گاز استفاده میشود: مخازنی که از جنس فایبر گلاس بوده و طول عمرشان 10 سال است، شکل (1-7) و مخازنی که از جنس پلاستیک بوده و عملکردی همچون سازههای بادی دارند و به بالنهای ذخیره بیوگاز شهرت دارند، شکل (1-8).
شکل 1-7- مخزن ذخیره گاز فایبرگلاس
شکل 1-8- بالنهای ذخیره بیوگاز
مهمترین طرحهای بیوگاز ساخته شده در جهان:
از آنجائیکه در بیشتر کشورها از فناوری بیوگاز استفاده میگردد؛ بنابراین هر کشوری با توجه به شرایط اقلیمی، فرهنگی، اقتصادی و اجتماعی خود اقدام به ساخت انواعی از دستگاههای بیوگاز کردهاند که بیشترین سازگاری را با شرایط آب و هوائی محیط خود داشته باشد (لودویک، 1374) و با بهترین کارکرد بتواند گاز تولید نماید. بر این اساس طرحهای بیشماری از دستگاههای بیوگاز به وجود آمدهاند. در ادامه برخی از مهمترین طرحها بررسی گردیدهاند. سایر طرحهای ساخته شده عمدتاً ترکیبی از این سیستمها میباشند. به طور کلی تمام دستگاههای تولید بیوگاز، اعم از خانگی و مزرعهای در یکی از سه گروه زیر یا ترکیبی از این گروهها قرار میگیرند که عبارتند از:
دستگاه بیوگاز عمودی
یک فرو رفتگی مدور (2 متر) به عمق 5/3 متر حفر میگردد. زمین از یک طرف این فرو رفتگی برای ایجاد یک لوله ورودی بریده و خارج میگردد (شکل 1-9). روی سطح لایه توپی آجر (15/0 متر) با سیمان و ماسه پوشیده میشود؛ تا فونداسیون (پایه) را شکل دهد. مخزن هضم مدور، از طریق بالا بردن یک دیوار آجری ساخته میشود. این مخزن هضم به گونهای ساخته میشود که 5/3 متر زیر زمین و 5/0 متر بالای سطح زمین قرار بگیرد. لوله ورودی (با قطر 15/0 متر و طول 5/3 متر) در یک جایگاه کج ثابت میگردد؛ به گونهای که انتهای پایینتر آن با دیواره مخزن هضمی که حدود 6/0 متر بالاتر از سطح فونداسیون قرار دارد، متناسب است. انتهای بالایی آن در 9/0 متری لبه مخزن هضم قرار دارد و به کف مخزن ترکیبی متصل میگردد (ظرفیتm^3 5/0) که از آجر با ترکیب ماسه/ سیمان ساخته شده است. کف این مخزن ترکیبی 15/0 متر بالاتر از لبه مخزن هضم قرار دارد. لوله خروجی (15/0 متر قطر و 9/0 متر طول) در سمت مخالف لوله ورودی در دیواره مخزن هضم، نزدیک به لبه، ثابت شده است. سه میله آهنی (025/0 متر قطر و 1/2 متر طول) با فاصلهای برابر در بیرون از دیوار مخزن هضم، ثابت شدهاند.
شکل 1-9- دستگاه بیوگاز عمودی
حافظ گاز، یک استوانه فولادی مسقف است (4/1 متر قطر و 4/1 متر ارتفاع) که از اتصال ورقههای MS ساخته میشود. سه حلقه آهنی (به قطر 30/0 متر) به سه قطعه گرد آهنی جوش میخورند (025/0 متر ضخامت و 38/0 متر طول) که با فاصله مساوی به صورت عمودی به لبههای حافظ گاز متصل میشوند تا حرکت عمودی حافظ گاز را تسهیل کنند، حلقهها از سه میله آهنی- که به دیوار مخزن هضم متصل شده است- عبور میکنند. یک سوپاب در بالای حافظ گاز جای میگیرد به گونهای که به یک لوله انعطاف پذیر متصل گردد. اصولاً تولید بیوگاز در دستگاههای عمودی سایز مزرعهای در تابستان افزایش و در زمستان کاهش مییابد که همین ثابت کننده نامناسب بودن آن برای نواحی با اقلیم سرد است. دستگاه بیوگاز عمودی، در هر روز تابستان 8/2 متر مکعب بیوگاز تولید میکند. در هر صورت در زمستان زمانی که درجه حرارت هوا بین 8 تا 10 درجه سانتیگراد است، این مقدار به m^3 6/1 کاهش مییابد (کواچی22، 1982 و مارتین23، 1972). این دستگاه برای مناطقی مناسب است که حرارت جوی آن زیر 20 درجه سانتیگراد نباشد.
دستگاه بیوگاز افقی
یک مخزن هضم مستطیلی شکل (3 متر طول و 5/1 متر عرض و 5/1 متر عمق) که به صورت زیر زمینی با آجر ساخته شده است (114/0 متر ضخامت) و با ساروج روی سطحی سیمانی جای گرفته است (شکل 1-10). یک دیوار حائل (9/0 متر ارتفاع) درون مخزن هضم افراشته شده است تا مخزن هضم را به دو محفظه با اندازه مساوی تقسیم کند. لولههای ورودی و خروجی (15/0 متر قطر و 5/3 متر طول) مخالف یکدیگر در دیوارههای بیرونی دو محفظه که حدود 46/0 متر بالاتر از کف قرار دارد ثابت شدهاند. تکنیک ثابت کننده لولهها، شبیه تکنیک به کار رفته در دستگاههای عمودی بیوگاز میباشد. هر دو محفظه به بخش درونی چسبیدهاند.
شکل 1-10- دستگاه بیوگاز افقی 1. مخزنهای ترکیب 2. لوله ورودی 3. محفظه اولیه 4. محفظه ثانویه 5. حفره اصلی 6. بخش مخزن هضم بالای سطح زمین 7. حافظ گاز 8. مخلوط آب و روغن 9. خط گاز 10. دریچه خروجی 11.دریچه خروج آب 12.اجاق 13. سطح زمین
این مخزن هضم با قطعه بتونی به ضخامت 102/0 متر پوشیده شده است. یک محفظه مدور با دیوار دو لایه (با قطر داخلی 4/1 متر و ارتفاع 5/1 متر) روی حفره مدور در قطعه بتونی ساخته شده است. فضای بین دیوارههای دوتایی 15/0 متر است، کل آجرهایی که استفاده میشوند با ترکیب سیمان/ ماسه (1:3) هم به سطح بیرونی و هم درون چسبیده میشوند. تکنیکهای به کار رفته برای ایجاد مخازن ترکیبی، حافظ گاز و ترکیب میلههای آهنی که برای هدایت حرکت بالا و پایین حافظ گاز استفاده میشوند، دقیقاً مشابه مواردی است که به طور مفصل در مورد دستگاه عمودی بیوگاز شرح داده شد. از دست رفتن گرما در دستگاههای بیوگاز افقی کمتر روی میدهد که این ناشی از سیستم پوشش و عایقبندی مناسب آن است. همچنین این ابداعات، از فرسودگی مخزن هضم جلوگیری میکند و سبب میشود که آب باران باعث رقیق شدن بیش از حد کودابه نگردد، دستگاهها را بهداشتیتر میسازد و در مقایسه با انواع دستگاههای عمودی بو را کاهش میدهد (دولفینگ24،1985 و دونالد25، 1980). دستگاههای بیوگاز افقی برای نواحی که فلات آبی آنها مرتفع است، مناسب هستند. این دستگاه با کاهش 20 درصدی تولید بیوگاز در طی زمستان، روزانه m^3 4/2 بیوگاز تولید میکند. گاز متان در این نوع دستگاه کارآمدتر از دستگاههای بیوگاز عمودی است که این ناشی از کودابه جدیداً پر شده و کودابه فعال در دو محفظه جداگانه است. این دستگاه در مناطق پر باران دارای کارآیی بالایی میباشد.
دستگاه بیوگاز مشترک
مخزن هضم استوانهای (0/3 متر قطر و 7/3 عمق) از طریق افراشتن دیواره آجری (2/0متر ضخامت) روی یک فنداسیون که امتحان- نشتی را پس داده است، ساخته میشود. این مخزن هضم در 3 متری زیر زمین و 6/0 متری بالای سطح زمین قرار دارد و با ایجاد دیوار جداکننده به دو محفظه مساوی تقسیم میشود. دو لوله ورودی و خروجی (228/0 متر قطر و 78/3 طول) در سمت متضاد دیوار مخزن هضم جای گرفتهاند و در 6/0 متری بالا کف قرار دارند (شکل1- 11). مخزن هضم به صورت مفرد در ارتفاع 3/2 متری جای میگیرد. در بالای این سطح، دیوار دو لایهای در حدود 4/1 متر که فضای بین دو دیواره آن 15/0 متر است، ساخته شده است. یک مخزن ترکیب با ظرفیت m^3 73/1، از طریق افراشتن دیوارههای آجری (15/0 متر ضخامت) روی کف بتونی ساخته میشود. لوله ورودی هم تراز با کف مخزن ترکیب است. حافظ گاز یک استوانه مسقف مدور است (3/3 متر قطر و 4/1 متر ارتفاع) که از طریق اتصال ورقههای MS ساخته میشود و درون آهن نبشی چفت میگردد تا محکم شود. سوپاب گاز در بالای غلتک قرار میگیرد. حافظ گاز در حفره بین دیوار دو لایه دهانه مخزن هضم قرار میگیرد. این حفره با 20 درصد روغن که در آب ترکیب شده است و به صورت مهر گازی در آمده است، پر میشود.
شکل 1-11- دستگاه بیوگاز مشترک
این دستگاه روزانهm^33/10 بیوگاز در تابستان تولید میکند. این گاز برای تامین نیازهای پخت و پز و گرمازایی 5 خانواده با مصرف نرمال کافی است. همچنین این دستگاه میتواند در یک ژنراتور الکتریکی HP 1به مدت 21 ساعت در روز کار کند. در طی زمستان تنها 15 درصد کاهش تولید گاز مشاهده میشود که ناشی از، از دست رفتن گرما از سطح حافظ فولادی گاز میباشد. این دستگاه به طور رضایت بخشی برای اجتماعات روستایی کاربرد دارد. رنگ سیاه زدن به غلتک فولادی، شارژ دستگاه بیوگاز در هنگام عصر و رقیق کردن کودها با آب گرم شده با نور خورشید از دست رفتن گرما در زمستان را کاهش میدهد (انن26، 2004).
بطور کلی پر کاربردترین دستگاههای بیوگازی که از این سه نوع طرح مشتق میشوند به این قرارند:
دستگاه بیوگاز مدل چینی (قبه ثابت)
این سیستم به صورت یک مخزن گنبدی شکل و در عمق زمین ساخته میشود (شکل 1-12). در این دستگاه مخزن تخمیر و گاز مشترک میباشد و به علت قرار گرفتن دستگاه در عمق زمین از نظر صرفه جویی در مکان و فضای مورد نیاز و تثبیت حرارت و مقاومت دستگاه در مناطق سردسیری دارای اهمیت و کارآیی بالایی میباشد (الماسی، 1361). اصولاً دستگاههای با مخزن گنبدی ثابت به نوع چینی معروف هستند و گاز در آنها در بالاترین قسمت مخزن هضم جمع میگردد (لودویک، 1374). زمانی که تولید گاز آغاز میگردد، پساپ موجود در مخزن هضم به سوی حوضچه خروجی جابجا میشود و هر چه میزان گاز تولیدی بیشتر شود فشار آن در مخزن افزایش مییابد. از آنجایی که نوع گنبدی ثابت ظرفیت ذخیره گاز پایینی دارد، برای جلوگیری از نشت گاز باید به خوبی گاز بندی شود. این دستگاه شامل یک محفظه استوانهای و از سمت داخل کاملاً در زیر زمین ساخته میشود.
شکل 1-12- دستگاه بیوگاز اصلاح شده نوع چینی 1. محافظ گاز با قبه ثابت 2. مخزن هضم 3. مخزن ترکیب 4. محفظه کمکی 5. خط گازی 6. شیشه آب 7. لوله خروجی 8. اجاق
قبه این مخزن از بتون ساخته شده است (سیمان، ماسه، سنگریزه، 1:4:4)، با میلههای آهنی (به ضخامت 01/0 متر) و سوپاب خروجی گاز (025/0 متر قطر) در قبه ثابت شده است. ظرفیت مخزن هضم شامل قبه،m^3 4/10 است. مخزن ترکیب (m^3 5/0 ظرفیت) که بالای سطح زمین ساخته میشود و با یک لوله ورودی به درون مخزن هضم سرازیر میشود. در سمت مخالف لوله ورودی، حفرهای در کنار کف مخزن هضم وجود دارد که به کانالی (6/0 مترمربع) منتهی میگردد که در طول دیوار مخزن هضم ساخته شده و بالاتر از سطح زمین است و به درون محفظهای با ظرفیت m^38/1 باز میشود. این محفظه با لبه بتونی تقویت میشود. یک ناحیه باز (025/0 مترمربع) نزدیک بالای محفظه کودآبه وجود دارد تا زهکش فضولات جذب شده را کنترل کند. دستگاههای بیوگاز مدل چینی دائماً مشکل نشتی دارند. علاوه بر این، فشار گاز آنها پایین است و روزانه m^32/1 بیوگاز تولید میکنند (جانس27، 1980، پروانچون28، 2002، روبرت29، 1984). این دستگاهها مضرات کمی دارند که شامل فشار پایین گاز و نشت اندک در قبه است (لودویک، 1374). علاوه بر این وقتی بیوگاز، کودابه را درون محفظه خروجی فشار میدهد، حرارت فراگیر مخزن هضم به ویژه در زمستان به محض اینکه کودابه در معرض هوای سرد قرار میگیرد، کاهش مییابد (نجف پور، 1374). دستگاه بیوگاز چینی برای مناطق با نوسانات شدید دمایی مناسب نیست و این به دلیل ترکهای ظاهر شده روی قبه است که حاصل از تغییرات شدید جوی بین 10 تا 44 درجه سانتیگراد در زمستان و تابستان است. (مرندی، 1378).
دستگاه بیوگاز مدل فرانسوی
محفظه فولادی استوانهای (54/1 متر قطر و 54/1 متر ارتفاع) از اتصال ورقههای MS به ضخامت mm12 ساخته شده است (شکل 1-13). سرپوش این محفظه به صورت بدون هوا مهر شده و با سوپاب گاز متناسب شده است. این غلتک با قیر پوشانده میشود، در یک کیسهی پلی اتیلن پیچیده میشود و در فضولات جامد شهری، دفن میگردد. 3/4 این محفظه یا مخزن هضم – پس از رقیق شدن با آب برای تنظیم محتوای جامدات به 10% غلظت- با فضولات حیوانی پر میشود. بیوگاز تولید شده در 5 لوله تایر واگن باری ذخیره میگردد که از طریق سر لولهها به هم متصل میگردند (تنشر30، 1987).
شکل 1-13- دستگاه بیوگاز مدل فرانسوی 1. لوله ورودی 2. مخزن هضم فولادی ضد زنگ 3. لوله خروجی 4. غلتک زیست توده با پوشش فولادی 5. خط گازی 6. شیر آب 7. لوله های تایر واگن باری 8. شیر گاز 9. اجاق 10. سطح زمین
دستگاههای بیوگاز نوع فرانسوی در فصول سرد، کارآمدتر عمل میکنند و برای نواحی که حرارت جوی آنها به زیر صفر میرسد توصیه میگردند (لودویک، 1374). دستگاه بیوگاز نوع فرانسوی، روزانهm^313/1 بیوگاز تولید میکند. این دستگاه مناسبترین مورد برای تودههای زیستی با فیبر بالا است. افت حرارت جوی در زمستان، بر مقدار تولید بیوگاز تاثیر نمیگذارد. حرارت درونی مخزن هضم تا 56 درجه سانتی گراد ثبت شده است. از آنجایی که این دستگاهها به طور طبیعی در حرارتهای گرما خواه عمل میکنند، نصب آنها حتی در شرایطی که درجه حرارت جو به زیر صفر هم میرسد، امکان پذیر است (ناس، 1977). همچنین این نوع دستگاه را میتوان برای مناطقی توصیه کرد که تنها توده زیستی بوتهها و جوانههاست. این دستگاه برای نواحی مرتفع و سرد مناسب میباشد.
دستگاه بیوگاز با لولههای چرمی
سر لوله داخلی از تایرهای واگن باری، به شکل مدور برش میخورد و روی یک سری از لبههای چرخ دوچرخه امتداد مییابد و با سیم فولادی سایز 4 میلی متر در شیار لبههای چرخ حفظ میشود، تا استوانه را شکل دهد. این پایانههای باز سیلندر با استفاده از شیارها، حول تختههای چوب بسته شدهاند به طوری که لبههای لولهها از طریق سیمهای فولادی به صورت محکم به درون شیارها محکم میگردد و ضد نشت بودن این مونتاژ را تضمین میکند. لولههای ورودی و خروجی PVC (1/0 متر قطر و 0/3 متر طول) روی لبههای انتهای پایینتر مونتاژ، ثابت شدهاند. سوپابهای گازی (سایز 19/0 متر) در تخته بالاتر متناسب شده است. کل این مونتاژ درون حفره استوانهای پایین میرود (2/1 متر قطر و 5/3 متر عمق) و از طریق لوله ورودی پر میشود. این حفره به مخزن هضم لولهای چرمی اجازه نمیدهد تا بیش از محدوده تعیین شده گسترش یابد (شکل 1-14). بیوگاز تولید شده در لولههای چرمی مشابهی ذخیره میشود که از مونتاژ همان مواد اولیه به کار رفته در مخزن هضم، به دست آمده است (دلفینگ، 1985).
شکل 1-14- دستگاه بیوگاز با لولههای چرمی 1. مخزن ترکیب 2. مخزن هضم لوله چرمی 3. هواکش گازی 4. خروجی 5. حافظ گاز لوله چرمی 6. خط گازی 7. اجاق
این دستگاهها ارزانترند و برای نواحی گرمسیری بسیار کار آمدند اما به سرعت فرسوده میگردند و همچنین نمیتوان آنها را برای نواحی سرد توصیه کرد (لودویک، 1374). دستگاههای بیوگاز پلاستیکی با لوله چرمی به سرعت فرسوده میشوند که این ناشی از تغییرات فصلی و اشعه نور خورشید است (قارداشی، 1379). این دستگاه، علیرغم مراقبتهای شدید حین ساخت و نصب، نتایج معتبری به دست نمیدهد؛ که این ناشی از نشتی است. تلاشهایی صورت گرفته است تا مخزن هضم کم هزینهای از نوع کیسهای تولید کنند؛ اما به دلیل عدم دسترسی به مواد مناسب، کل تلاشها، بی ثمر ماند. بنابراین در حال حاضر نمیتوان این نوع دستگاه بیوگاز را توصیه کرد. این دستگاه برای تولید گاز در گلخانهها مناسب میباشد (قارداشی، 1380).
دستگاه بیوگاز با مخزن پلی اتیلنی
لوله پلی اتیلن (5/1 متر قطر و 4/3 متر طول) با ضخامت mm28 برای تولید دستگاههای بیوگاز به کار میرود. دو لوله PVC (152/0 متر قطر و 82/1 متر طول) به دو انتهای باز لوله وارد میشوند و با یک نوار نایلونی نازک بسته میشوند (شکل 1-15). لوله پلی اتیلن (019/0 متر قطر و 2 متر طول) روی سطح بالایی مخزن پلی اتیلن بوسیله محلول PVC ثابت شده است و به عنوان دریچه گاز به کار می رود. کل اتصالات به لحاظ نشتی، فاقد مشکل میباشند. مونتاژی که در حفره افقی جای گرفته است (3 متر طول و 1متر عمق) شبیه به یک قایق است. 3/4 کیسه پلی اتیلن از طریق لوله ورودی با کودابه کود حیوانی پر میشود. بیوگاز روی سطح کودابه در کیسه جمع آوری میشود و در صورت نیاز از طریق دریچه گاز مصرف میگردد (زکسی31، 1982).
شکل 1-15- دستگاه بیوگاز با مخزن پلی اتیلن. 1- مخزن مخلوط.2- لوله ورودی pvc. 3- کیسه مخزن هضم استوانهای روی زمین. 4- مخزن هضم استوانهای زیر زمین. 5- خروجی با لوله معین. 6- لوله گاز. 7- شیر خروج آب. 8- اجاق. 9- سطح زمین
دستگاه بیوگاز با سرپوش شناور (مدل هندی):
طراحی و ساخت این مدل نیز مانند مدل چینی میباشد و تنها تفاوت بارز آن با نوع چینی مربوط به مخزن جمع آوری گاز میباشد (شکل 1-16). دستگاههای بیوگاز با مخزن گاز شناور در گذشته عمدتاً در هندوستان ساخته میشدند و به نوع هندی معروف هستند (لودویک، 1374). در این دستگاهها مخزن گاز بطور مستقیم درون پساب مخزن هضم شناور است (عمرانی، 1375). مواد اولیه از حوضچه ورودی پس از مخلوط با آب به داخل مخزن تخمیر که در داخل زمین قرار دارد هدایت شده و پس از تولید گاز مواد تخمیر شده به طرف حوضچه خروجی که در راستای حوضچه ورودی قرار گرفته حرکت کرده و گاز تولیدی در داخل محفظه فلزی گاز که به صورت معکوس روی دهانه مخزن تخمیر قرار گرفته، جمع آوری میشود (باکلین32، 1985؛ فرای، 1974). این محفظه به صورت سرپوشی شناور یا ثابت از جنس فلزی یا بتونی در روی بخش فوقانی تانک تخمیر قرار میگیرد. گازهای تولیدی در تانک تخمیر در بخش زیر این سرپوش جمع میشود که از طریق لوله کشی میتوان آن را به نقطه مصرف انتقال داد (علیزاده، 1375). وجود سرپوش متحرک باعث میشود که فشار گاز در حین مصرف ثابت باقی بماند. این مدل برای نواحی سرد یا پرباران توصیه نمیشود؛ زیرا مخزن گاز با محیط در تماس است؛ بنابراین حرارت دستگاه را دفع میکند و در تماس با رطوبت دچار زنگ زدگی میشود (عبدلی، 1364). مخزن نگهدارنده گاز یا بر روی لجن تخمیری و یا در پوسته آب مخصوص به خود شناور است. گاز متصاعد شده در مخزن شناور جمع آوری میشود و هنگامی که گاز مصرف شود مخزن مجدداً به حالت اول بر میگردد.
شکل 1-16- دستگاه بیوگاز با سرپوش شناور 1. مخزن ترکیب 2. مخزن هضم اولیه 3. مخزن هضم ثانویه 4. حافظ متحرک گاز 5. آب همراه با روغن 6. خط گاز 7. مقیاس اندازه گیری گاز 8. شیر اب 9. لولهی تخلیه 10. حفاظت از حرکت غلتک 11. کولونی.
دستگاه بیوگاز مدل تایوانی (واحدهای بالونی):
واحد بالونی شامل یک کیسه پلاستیکی یا لاستیکی است که گاز متصاعد شده در قست فوقانی آن ذخیره میشود (شکل 1-17). ورودی و خروجی دستگاه در این سیستم به جدار بالون چسبیده است. هنگامیکه بالون از گاز پر میشود، مانند مخزن گاز ثابت عمل میکند. بدین معنا که اگر بالون باد نشود، حالت ارتجاعی چندانی ندارد. تخمیر مواد لجنی به آرامی صورت میگیرد و با حرکت جداره بالون مخلوط میشود که این عمل تاثیر مطلوبی در فرآیند تخمیر دارد. این دستگاه میتواند از جنسهای مختلفی همچون فلزات، PVC و فایبرگلاس ساخته شود. نسبت طول به عرض در این سیستم زیاد میباشد. زمان ماند میکروبی و هیدرولیکی آن حدود 60 روز است (آدنانین33، 1963).
شکل 1-17- دستگاه بیوگاز مدل تایوانی
مواد به کار رفته در بالون باید از نوع مقاوم در برابر اشعه فرابنفش باشند. موادی که استفاده از آنها در ساخت بالون نتایج مثبتی داشته است عبارتند از: پلاستیک گل قرمز (RMP)، تراویرا و بوتیل (دهقان، 1365). در مدل تایوانی هزینه اندک و سهولت حمل و نقل، تمیز کردن و تخلیه، تعمیر و نگهداری و همچنین دمای بالای محفظه تخمیر جزء مزایا میباشند. در این مدل عمر مخزن هضم 5 سال است، به آسانی صدمه میبیند، احتیاج به مکان دارد و زمینهای برای ایجاد اشتغال برای افراد بومی ندارد. مدل بالونی در مناطق گرمسیری دارای کارآیی بالا و در مناطق سرد سیری فاقد کارایی میباشد (پرورش، 1379).
دستگاه بیوگاز مدل نپال:
این واحد تولید بیوگاز در کشور نپال استفاده میگردد و اصولاً شباهت زیادی به نوع چینی دارد (شکل 1-18). مخزن دستگاه از جنس ملات ماسه/ سیمان و آجر یا خشت میباشد (شیخ الاسلامی، 1375).
شکل 1-18- دستگاه بیوگاز مدل نپال. مخزن ترکیب 2- لوله ورودی 3-مخزن هضم 4- مواد سنگین ته نشین شده 5- مخزن گاز 6- لوله خروج گاز 7- نگهدارنده درب مخزن هضم 8- لوله خروجی 9- مخزن کودابه خروجی 10- درب مخزن تخلیه 11- سطح زمین
با توجه به بررسی مزایا و معایب هر یک از دستگاههای بیوگاز، بهترین مدل دستگاه بیوگاز مدلی است که بدنه آن از آجر و مصالح بومی ساخته می شود و اغلب اسکلت و ساختمان آن در زیر زمین واقع است. هزینه ساخت آن پایین بوده و تعمیر و تمیز کردن دستگاه سادهتر از مدلهای دیگر می باشد.
مروری بر مطالعات انجام شده
شاید نتوان به صراحت تاریخ دقیقی برای پیدایش و استفاده از بیوگاز بیان کرد؛ اما بنابر شواهد، اولین بار پارسیان باستان به وجود گازهای قابل اشتعال در گیاهان پوسیده پی بردند (عدل و همکاران، 1379). آنچه که ما امروز به عنوان بیوگاز یا گاز ناشی از فرآیندهای بیولوژیک می شناسیم قدمتی چندین هزار ساله دارد. اما تاریخچه استفاده از بیوگاز به حدود 2000 تا 3000 سال پیش و به چین باستان باز میگردد (لودویک34، 1374). چنان که مارکوپولو35 در سفرنامه خود به وجود مخازن سرپوشیده فاضلاب در چین اشاره کرده است (تابنده، 1376). گفته می شود که چینی های باستان از گاز حاصل از فاضلاب و هدایت آن به وسیله لوله هایی از جنس بامبو به خانههایشان، برای روشنایی، گرما و پخت و پز استفاده می کردند (لودویک، 1374). در طی قرن دهم قبل از میلاد مسیح در آشور و در قرن شانزدهم در ایران از بیوگاز برای گرم کردن آب جهت حمام و شستشوی بدن استفاده میشد (الماسی، 1384). مشهورترین نمونه استفاده کاربردی از بیوگاز در ایران مربوط به حمام شیخ بهایی است که در دوره صفویه (قرن 11 هجری) توسط شیخ بهایی طراحی شد. گرمای آب خزینه این حمام توسط گازهای ناشی از فاضلاب مسجد جمعه و شعله یک شمع تامین می شده است (نجف پور، 1374). شناخت علمی گاز متان و استحصال و کاربرد گسترده از بیوگاز به شکل امروزی به قرن 19 و اوایل قرن بیستم باز می گردد. در سال 1808 میلادی، شخصی به نام همفری دیوید36 به وجود گاز متان در فضولات حیوانی پی برد. وی با استفاده از دستگاه تقطیر و در شرایط خلاء در آزمایشگاه موفق به جمع آوری گاز متان از مخلوط فضولات گاوی و کاه شد. دیوید در آزمایش خود 3/0 لیتر گاز متان از تخمیر فضولات گاوی به دست آورد (ثقفی، 1382). اولین مخزن هضم بی هوازی به شکل نوین در سال 1859 در بمبئی هندوستان ساخته شد. این ایده به انگلستان برده شد و شکل بهتری از مخزن طراحی شد و در سال 1895 از بیوگاز حاصل برای روشنایی چراغ های گازی خیابان ها که در آن زمان در انگلستان مرسوم بود استفاده شد. سپس این طرح جدید به هندوستان برگردانده شد و بر اساس آن طرحهای زیادی در هندوستان ساخته شد (لودویک، 1374). به موازات این اقدامات کشورهای دیگر نیز در این زمینه مطالعات گستردهای را آغاز کردند و با طراحی و ساخت دستگاههای بیوگاز مختلف و منطبق بر شرایط آب و هوایی منطقهای، صنعت بیوگاز روز به روز روند روبه رشدی را طی کرد؛ بطوریکه امروزه بیوگاز در سطح جهان یک انرژی شناخته شده میباشد.
از نظر سابقه تاریخی ولتا در سال 1776 ادعا کرد که گاز حاصله از باتلاقها و برکههای حاوی مواد آلی گندیده جنگلی شامل گاز متان (CH4) میباشد. بعد از او افرادی دیگر نظیر دالتون37 و پاستور38 این موضوع را به صورتهای دیگر مورد تائید قرار دادند (عمرانی، 1375). در سال 1776 میلادی الکساندر ولتا39 نتیجه گرفت که بین مقدار مواد آلی فساد پذیر و میزان گاز قابل اشتعال رابطه مستقیمی وجود دارد (لودویک، 1374). در سال 1860 میلادی اولین واحد استفاده شده برای تصفیه مواد جامد فاضلاب بوسیله شخصی به نام اچ ـ موراس40 بکار گرفته شد (عدل، 1378). گاین41 شاگرد لویی پاستور در سال 1884 از تخمیر یک متر مکعب کود در حرارت 35 درجه سانتیگراد 100 لیتر گاز متان به دست آورد. در سال 1899 حدود 60 مزرعه در هلند از بیوگاز برای روشنایی و پخت و پز استفاده میکردند (قبادیان، 1375). از سال 1904 دانشمندان فرانسوی در آفریقای شمالی تحقیقات زیادی برای تولید گاز متان از مواد زائد انجام دادند. زانگن42 اولین رساله تحقیقی در زمینه تولید بیوگاز را در سال 1906 به رشته تحریر در آورد (ال شیناوی43، 1989). به کار اندازی موتور با استفاده از گاز متان در سال 1907 مورد آزمایش قرار گرفت (آنجل داکای44، 1994). در سال 1914 در کشور اندونزی، یک هلندی مبادرت به تولید گاز متان از خاک اره نمود (بانسل45، 1988). بعد از جنگ جهانی اول در انگلستان علاقه به تولید گاز متان از مواد زائد کشاورزی شدت یافت و این علاقه در زمان جنگ جهانی دوم بیشتر شد. با پیشرفت علم میکروب شناسی و تحقیقات بوزول46 و دیگران در سال 1930 میلادی باکتری های بی هوازی و شرایط لازم برای تولید بهینه متان کشف شد و گام های بهتری در جهت استفاده از بیوگاز در دنیا برداشته شد. از آن زمان تاکنون شمار زیادی از کشورهای صنعتی و در حال توسعه، در جهت بهبود و توسعه صنعتی از این انرژی ارزان و در دسترس به پیشرفت های زیادی دست یافته اند (کاستین47، 1999). کشورهای هند و چین در دهه 1930 میلادی به طور وسیعی به ساخت دستگاههای بیوگاز اقدام نمودند. در سال 1951 تخمین زده شد که 1000 دستگاه تولید گاز متان از مواد زائد کشاورزی توسط فرانسویان در فرانسه و آفریقای شمالی مورد استفاده قرار گرفته است (لودویک، 1374). در اواسط دههی 80، اولین دستگاه بیوگاز برای جذب کود حیوانی، در آلمان ساخته شد. دانمارک و آلمان شرقی بر ساخت دستگاههای بیوگاز که در سطح وسیعی متمرکز بودند، تمرکز کردند. شرایط بسیار دشوار بود، زیرا هیچ سرمایهگذاری و هزینهای برای تولید انرژی وجود نداشت. لذا پس از شروع این حرکت نسبتاً کند، تجارت بیوگاز به طور تدریجی، موفقیت خود را آغاز کرد (هایروکا48، 1985). اکثر دستگاههای بیوگاز در آلمان، دستگاههای سایز متوسط با مقیاس مزرعهای هستند. فرآیند حرارت در آنها میانه خواه است و تکنولوژی فرآیند، یک مرحلهای میباشد. این نوع دستگاهها که دارای مخزن هضمهایی با سایز 300 تا 1500 مترمکعب هستند، تا به حال 100 بار تولید شدهاند. همچنین دستگاههای بیوگاز با مخزن هضمهای بزرگ عمودی ساخته شدهاند که دارای مبادله کنندههای گرمایی بیرونی و ترکیب کنندههایی هستند که در مرکز جای گرفتهاند(هابسون49، 1993).در اوایل قرن حاضر شخصی بنام لیوکرویی50 مطالعاتی در زمینه تکنولوژی تولید گاز متان انجام داد. برای تعیین میزان گاز تولیدی، لاسک51 در سال 1991 بر روی یک مخزن هضم از نوع لاگون52 پوششدار در محدوده سایکروفیلیک (محدوده سرما دوست) و یک مخزن هضم در محدوده مزوفیلیک (محدوده بینابین) آزمایشاتی را انجام داد و به این نتیجه رسید که تولید گاز متان در محدوده سرما دوست بهتر است (استین برگر53، 1984). تیلشه و ویرا54 در سال 1991 اعلام نمودند که گاز تولیدی در مخزن هضم باعث حرکت مواد میشود، اما این مقدار معمولاً برای مخلوط کردن مواد داخل مخزن هضم کافی نیست (وانگ یانگژی55، 2002). از نیمه اول قرن بیستم در بسیاری از کشورها ساخت دستگاههای تولید کننده بیوگاز و استفاده از گاز حاصل از آنها به منظور پخت و پز، تامین روشنایی و بکار انداختن موتورهای احتراقی وسایل نقلیه به سرعت توسعه یافت. در این راستا کشورهای چین و هند بیش از سایر کشورهای دیگر به ساخت و بهره برداری از دستگاههای تولید کننده بیوگاز پرداختهاند (لودویک، 1374). بیش از نیم قرن پیش در تصفیه خانههای فاضلابهای شهری 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. در اروپا برخی از واحدهای بیوگاز بیشتر از 20 سال است که مشغول به کار هستند و در حال حاضر بیش از 600 واحد مخزن هضم در اروپا مشغول بکار می باشند (عدل، 1383). در کشور آلمان در حدود 250 واحد بیوگاز طی پنج سال گذشته نصب شده است (عدل، 1378). هم اکنون اغلب کشورهای پیشرفته طرحهای بزرگی در زمینه استفاده از بیوگاز در مناطق روستایی به مرحله اجرا گذاشتهاند. به عنوان مثال در کشور چین 50 میلیون روستایی80 % انرژی مورد نیاز روزانه خود را از منابع زیستی به دست میآورند؛ در غیر این صورت طبق برآوردها سالانه باید حدود 500 – 400 میلیون تن چوب و شاخ و برگ در مناطق روستایی سوزانده شود (لودویک، 1374).
تعداد مخزنهای هضم کوچک و متوسط مورد استفاده در سطح جهان در سال 2005 از 25 میلیون واحد فراتر رفته و دهها هزار واحد بزرگ بویژه در اروپا و آمریکا نصب گردیده است. دامداریها، مجتمعهای کشاورزی و تقریباً تمام تصفیه خانههای فاضلاب کشورهای اروپای غربی موظف به استفاده از مخزنهای هضم بیهوازی و واحدهای بیوگازی شدهاند (وب56، 1985). راندمان مناسب فرآیند هضم بیهوازی در حل معضل زبالهها و تولید انرژی باعث توجه کشورهای اروپایی نظیر دانمارک، سوئد، فرانسه، آلمان، هلند، ایتالیا، انگلستان و غیره به استفاده و توسعه این فناوری شده است. علاوه بر کشورهای اروپایی، کشورهای آمریکایی و آفریقایی هم به منظور تامین بخشی از انرژی خود، استفاده از فرآیند هضم بیهوازی را مد نظر قرار دادهاند. آمریکا از جمله کشورهایی است که تمایل زیادی به استفاده از نیروگاههای بیوگاز صنعتی نشان داده است. مخزنهای هضم موجود در آمریکا اکثراً دارای حجمهای بالا با قابلیتهای کاربرد متنوع برای استفاده از فاضلاب و زبالههای شهری، فاضلاب صنعتی، فضولات دامی و زائدات کشاورزی ساخته شدهاند. آمریکا علاوه بر توجه به کاربرد بیوگاز در مبحث تحقیقات بیوگازی نیز جزء کشورهای پیشتاز در جهان میباشد (کلارک، 1995).
تقریباً پس از 15 سال کار مهندسی بیوگاز، مهندسان بیوگاز آلمانی، سهم بزرگی در طراحی و ساخت دستگاههای بیوگاز دارند. تا اواخر 2001، حدود 1600 دستگاه بیوگاز در آلمان در حال فعالیت بودهاند. اکثر آنها هنوز با کود و سایر فضولات آلی کار میکنند. اما جذب محصولات انرژی نظیر ذرت، چغندر یا چمن، به طور فزایندهای مهم بودهاند (چاندرا، 1997). موسسات مختلف هندی، انواع مختلفی از دستگاههای بیوگاز را ساختهاند که نتیجه در نصب 100000 دستگاه داشته است (ایدناتی و اچاریا57، 1963). اکثر دستگاههای هندی از بتن ساخته میشوند. حدود 7 میلیون دستگاه بیوگاز در چین ساخته شده است. اگرچه آنها تغییرات بسیاری در مواد ساختاری، شکل و اندازه این دستگاهها پدید آوردهاند، اما طرح اصلی آنها دستگاهی با یک قبه ثابت میباشد. (کوآچی 1982، زکسی 1982). در تایلند یک مخزن هضم حلقهای بامبو برای نواحی روستایی طراحی شده است (تنشر، 1987). کرهایها یک مخزن هضم کیسهای کم هزینه را پدید آوردهاند که شامل مخزنی ساخته شده از آجر و موتوری است که با ورقه PVC پوشیده شده است (ناس، 1977). در تایوان، یک مخزن هضم کیسهای که درون آن با چرم خط بندی شده، پدید آمده است که بیوگاز را درون یک کیسه پلاستیکی ذخیره میکند (چانگ، 1973، آنون، 1981). اما بسیاری از دستگاههای بیوگاز که در کشورهای پیشرفته نصب شدهاند، واحدهای بزرگی هستند که گاهی اوقات در درجه حرارت گرماخواه (℃55) گرم میشوند تا تولید بیوگاز را افزایش دهند. گاز تولیدی این دستگاهها در موتورهای سوختی مصرف میشود تا انرژی الکتریکی و مکانیکی تولید کند (برند، 1981). بسیاری از کشاورزان در آمریکای شمالی و اروپا از این نوع دستگاههای بیوگاز ساختهاند تا کودهای حیوانی، خوکی، و طیور را تولید کنند(مارتین، 1979). با وجود مطالعات گستردهای که در سایر کشورهای پیشرفته برای افزایش تولید بیوگاز، کاهش زمان نگهداری و کاهش هزینه ساختاری صورت گرفته است، اما اطلاعات در دسترس در مورد کشورهای در حال توسعه، بسیار محدود است (دونالد و سمباناس58، 1980). انواع مختلفی از دستگاههای بیوگاز به صورت کنار هم در یک روستای نمونه در لاهور پاکستان، نصب شدهاند. همچنین برخی از این دستگاههای بیوگاز در نواحی روستایی پنجاب و بلوچستان پاکستان ساخته میشوند. بعد از گذشت دو سال از نصب دستگاههای بیوگاز، یک سری آزمایشات روی آنها صورت میگیرد. مقدار بارگذاری کود تازه، kg/m^3 6 در هر روز است. همچنین ظرفیت بیوگاز تولید شده در هر روز، به واحد متر مکعب ثبت میگردد.
در ایران اولین رآکتور تولید متان به صورت نوین در سال 1354 در روستای نیازآباد لرستان ساخته شد. این دستگاه با ظرفیت 5 متر مکعب در روز قرار بود با استفاده ار فضولات گاوی روستا، بیوگاز مصرفی حمام آنجا را تامین کند. در سال 1359 دو واحد کوچک تولید بیوگاز آزمایشی در دانشگاه بوعلی سینای همدان احداث گردید که از فضولات کشتارگاه و فضولات دامی استفاده میکرد. در سال 1361 یک واحد 3 متر مکعبی در دانشگاه صنعتی شریف مورد مطالعه قرار گرفت. درسالهای 65-1361 مرکز تحقیقات انرژیهای نو در سازمان انرژی اتمی، پژوهشهای ویژهای را در این زمینه به انجام رساند که از جمله میتوان به احداث 10 واحد بیوگاز در استانهای سیستان و بلوچستان، ایلام و کردستان اشاره کرد (الماسی، 1384، تابنده، 1376). در دهه 1360 وزارت جهاد سازندگی نیز در این راه اقداماتی صورت داد: ابتدا در سال 1363 یک واحد آزمایشی در حیدر آباد کرج ساخته شد. سپس در سال 1364 یک نمونه واقعی در روستای چین سیب لی از توابع بخش آق قلا در منطقه گرگان احداث گردید. این وزارتخانه 40 رآکتور دیگر در مناطق مختلف کشور ساخت که 18 واحد آن به مرحله گازدهی رسید. همچنین مراکز دانشگاهی و تحقیقاتی در این زمینه گامهایی برداشتهاند. از جـمله میتوان به واحد احداث شده توسط جهاد دانشگاهی دانشکده کشاورزی کرج در سالهای 65- 1363 و واحد احداث شده در شاهین دژ آذربایجان در سال 1372 اشاره کرد. برای اولین بار در کشور در سال 1378 با دفن 18 تن زباله در دو لایه در یک چاهک با ابعاد 6×5/2×5/2 متر بصورت آزمایشی، عملیات استحصال بیوگاز آغاز گردید. با گازهای استحصالی یک دستگاه ژنراتور گاز سوز نصب و چندین لامپ روشن و علاوه بر آن یک دستگاه اجاق گاز، یک دستگاه آبگرمکن نصب و راه اندازی گردید. در روستاهای منطقه کوهستانی یخکش مازندران پروژهای به منظور استفاده از انرژیهای نو (بیوگاز حاصل از بازیافت زباله) به جای سوزاندن هیزم و قطع درختان انجام شده است. جمعیت روستایی این منطقه حدود ۱۰۰۰۰ نفر است که منبع اصلی انرژی آنها جهت پخت و پز و گرمایش چوب درختان جنگلی بوده است. این پروژه شامل آموزش مردم این مناطق در مورد حفاظت از محیط زیست و جلب مشارکت آنها در طراحی و ساخت پایگاه بیوگاز روستایی میباشد (ثقفی، 1382).
متاخرترین واحدهای ساخته شده، یک واحد بیوگاز برای هضم فاضلاب انسانی در جزیره کیش و یک واحد تخمیر فضولات دامی (گاوداری) در ماهدشت کرج بوده که هر دو توسط سازمان انرژی اتمی در سالهای 78-1377 طراحی و ساخته شدهاند. طبق یک بررسی کلی تاکنون حدود 60 دستگاه آزمایشی بیوگاز به شکلهای مختلف در ایران ساخته شده و مورد بهرهبرداری قرار گرفته است. برنامه استفاده از بیوگاز در قسمت واحد انرژی و عمران وزارت جهاد کشاورزی مطرح شد و در پی آن مطالعاتی در شهرهای مختلف کشور انجام گرفت که دستاورد آن ایجاد 40 واحد آزمایشی در 9 استان کشور بود. به هر صورت طی سال های اخیر با توسعه تحقیقات علمی در کشور، مطالعات پراکندهای در زمینه بیوگاز به عمل آمده است و امید است با توجه به تجربیات کسب شده، مراحل بعدی کار نیز به صورت علمی وکاربردی ادامه یابد (تابنده، 1376).
منابع:
1- شعبانی کیا، اکبر و نظری، علی. بررسی جایگاه بیوگاز از نظر زیست محیطی و تولید انرژی در ایران، اولین کنفرانس اکوانرژی ایران، سال 1383.
2- الماسی، مرتضی. اصول تولید و کاربرد بیو انرژی، سازمان انرژی اتمی، 1361.
3- افراز، علیرضا، انرژی روستایی، وزارت کشاورزی-مرکز تحقیقات روستایی و اقتصاد، کشاورزی، 1367.
4- آذری دهکردی، فرود. دومین همایش ملی انرژی، انرژی برق آبی، امید بیهوده، آینده درخشان ، تهران ١٣٧٨ .
5- پرورش، عبد الرحیم، تهیه کمپوست از زباله های خانگی به روش بی هوازی و مقایسه آن با روش هوازی معمول، 1379.
6- تابنده، فاطمه. "انرژی حاصل از زیست توده و جایگاه آن در ایران" مجموعه مقالات سمینار توسعه و کاربرد انرژی های نو، وزارت نیرو، امور انرژی ، دفتر انرژی های نو، 1376.
7- ثقفی، محمود. انرژی بادی و کاربرد آن در کشاورزی، چاپ اول، انتشارات دانشگاه تهران،1372.
8- ثقفی، محمود. " انرژیهای تجدیدپذیر نوین" چاپ دوم، 1382.
9- حیدری، غلامرضا، تکنولوژی های مناسب روستایی و انرژی های تجدید شونده مرکز تحقیقات روستایی و اقتصادی کشاورزی، 1365.
10- دهقان، علیزاده و همکاران. بررسی تکنولوژی بیوگاز و کاربرد روستایی آن، وزارت کشاورزی- معاونت هماهنگی و برنامه و بودجه- مرکز تحقیقات روستایی و اقتصاد کشاورزی، 1365.
11- رضویان، م. منابع انرژی ایران، چاپ اول، انتشارات دانشگاه آزاد واحد تهران، 1373.
12- سالک، محمود. انرژیهای نو ، انتشارات پیدایش، 1378.
1- Fry
2: Brand
1: Chung
2: nas
5: Ann C
Attar:1
Dangaggo:2
3: Aili
4: Clark
1: Brummeler
2: Desai
1: Baier
2: Babu
Anand:1
2: Chowdhry
16 : Baserja
: Barnet4
18 Chandra
19 Bardiya
20 Aubart
1: digester
1: Koachi
: Martin1
1: Dolfing
2: Donald
1: Anon
1: Johns
2: Pervanchon
3: Robeert
: Tentschr4
1: Zexi
: Bucklin1
1: Idnani
1: Ludwig
2: marcopolo
3: David
1: Dalton
2: pastor
3: Volta
4: moruse
5: gaine
6: xangene
7: El Shinnawi
8: Angelidaki
9: Bansal
1: Buswell
2: Chastain
3: Hiraoka
4: Hobson
5: crovee
6: lusk
7: lagoon
1: Steinsberger
2: Tilche & Viera
3: wang yongzhi
4: Webb
1: acharya
: sambhunath1
—————
————————————————————
—————
————————————————————