جداسازی بیو گازها

عنوان:
خالص سازی بیوگازها

دانشجو:

استاد:

درس:

پاییز 94

فهرست
مقدمه 4
بیوگاز چیست 5
تاریخچه ی بیوگاز 7
فن آوری تولید بیوگاز از فاضلاب 9
کنترل بو در تصفیه بی هوازی 11
فن آوری تولید بیوگاز از فاضلاب 15
ویژگی و چگونگی تولید بیوگاز ‏ 18
چگونگی تولید بیوگاز 20
واکنشهای شیمیایی و بیولوژیکی بیوگاز ‏ 20
دستگاه بیوگاز در مدل تایوانی 27
واحدهای مخزن گاز ثابت 28
رآکتورهای بیهوازی 33
روشهای خالص سازی بیوگاز 40
جذب سطحی Adsorption 40
مکانیسم جذب 41
جذب فشار نوسان 43
روشهای برودتی 43
خالص سازی به کمک غشا 44
مکانیزم های نفوذ پذیری 45
بیو راکتور غشائی ( MBR ) 47
فرآیند MBR 48
کاربرد بیوگاز 50
اثرات زیست محیطی بیوگازها 51
اثرات اقتصادی استفاده از بیوگاز 51
اثرات اجتماعی استفاده از بیوگاز 52

مقدمه
استفاده از روشهای جدید تولید انرژی که معایب روشهای کلاسیک را نداشته باشند، امری متداول در سراسر جهان شده است. از جمله این روشها، تولید انرژی از زیست توده می‎باشد. این روش نیز به چند روش اصلی مانند سوزاندن، تولید بیو اتانول ، تولید گاز مصنوعی ترمو شیمیایی و بیوگاز تقسیم می‎گردد. بیوگاز از روش تخمیر بیهوازی زیست توده حاصل می‎شود. منابع عمده برای تولید بیوگاز، فضولات دامی، فاضلاب‎های شهری و صنعتی، زباله و زائدات کشاورزی می باشند. سالانه میلیونها تن انواع پسماندهای جامد و مایع در مناطق شهری و روستایی تولید میگردد که مدیریت صحیح برای دفع و دفن و بیخطرسازی آنها از مهمترین دغدغههای جوامع امروزی میباشد. از اواسط قرن گذشته به آرامی شیوههای غیرتلنباری پسماندهای جامد شهری آغاز شده و اکنون مدیریت یکپارچه پسماندهای شهری مطرح میباشد. از طرفی مدیران جوامع شهری به بسترسازی و فرهنگ سازی کاهش پسماند و تفکیک از مبدا تاکید دارند و از طرف دیگر بر روی بازیافت، پردازش و دفع و دفن اصولی و بهداشتی تکیه میکنند. هنر مدیریت تبدیل تهدیدهای محصول جنبی و زائد زندگی بشر به فرصتهائی نظیر ایجاد درآمد در عین بهداشتی و دوستدار محیط زیست بودن این فعالیتهاست.

سلسله مراتب مدیریت پسماندهای جامد شهری

بیوگاز چیست
بیوگاز عمدتا مخلوطی است از دو گاز متان و دی اکسیدکربن ( و همچنین گازهایی مانند نیتروژن، هیدروژن، اکسیژن و سولفید هیدروژن به مقدار جزئی) که حاصل تجزیه بی هوازی و تخمیر زیست توده بوسیله ی باکتری های متانوژن می باشد. جزء قابل اشتعال بیوگاز، متان است که سهم بیشتر این گاز یعنی حدود 60 تا 70 درصد آن را شامل می شود. متان، گازی است بی رنگ و بی بو که اگر یک فوت مکعب آن بسوزد، 252 کیلوکالری ( 1052.3کیلوژول) انرژی حرارتی تولید می کند که در قیاس با سایر مواد سوختی، رقم قابل توجهی است. دو ترکیب دیگر به ویژه سولفید هیدروژن که سهم آن ناچیز است، جزء ترکیب های سمی هستند. از مزیت های مهم متان به دیگر سوخت ها این است که، هنگام سوختن، گاز سمی و خطرناک منواکسید کربن تولید نمی کند؛ بنابراین از آن می توان به عنوان سوخت ایمن و سالم در محیط خانه استفاده کرد. همان طور که گفته شد، حدود 60 تا 70 درصد بیوگاز را گاز متان تشکیل می دهد، این درصد بالای متان، بیوگاز را به عنوان منبع عالی و ممتاز انرژی های تجدیدپذیر برای جانشینی گاز طبیعی و دیگر سوخت های فسیلی قرار داده است.

باکتری ها فرایند تجزیه را طی 4 مرحله به شرح زیر انجام می دهند:

مرحله اول: هیدرولیز مواد آلی پیچیده و نامحلول و تبدیل این مواد به ترکیبات محلول.
مرحله دوم: ترکیبات آلی محلول حاصل از مرحله اول به وسیله باکتری های اسیدساز شکسته شده و در نتیجه اسیدهای آلی تولید می شود.
مرحله سوم: معمولا هیدروکربن های پنج و شش کربنی در آب حل شده و توسط باکتری های اسیدساز مورد مصرف واقع شده و به ترکیباتی از قبیل هیدروژن، فورمات، استات، پروپیونات و گاز کربنیک تبدیل می شوند.
مرحله چهارم: تمام ترکیبات آلی و اسیدهای تولید شده در مرحله اسیدسازی توسط باکتری های متانوژنز به بیوگاز تبدیل می شوند.

تاریخچه ی بیوگاز
بنابر شواهد، اولین بار پارسیان باستان به وجود گازهای قابل اشتعال در گیاهان پوسیده پی بردند. آنچه که ما امروز به عنوان بیوگاز یا گاز ناشی از فرایندهای 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 می گردد. چنان که مارکوپولو در سفرنامه ی خود به وجود مخازن سرپوشیده فاضلاب اشاره کرده است. گفته می شود که چینی های باستان از گاز حاصل از فاضلاب، و هدایت آن به وسیله لوله هایی از جنس بامبو به خانه هایشان، برای روشنایی و گرما و پخت و پز استفاده می کردند.
در عقاید ایرانیان باستان نیز آلوده کردن آب گناه بزرگی محسوب می شد؛ از این رو در شهرهای ایران باستان سیستم های منسجمی برای هدایت آب های سطحی و نیز فاضلاب طراحی شده بود که هنوز هم آثاری از این کانال بندی ها وجود دارد. مشهورترین نمونه ی استفاده کاربردی از فاضلاب در ایران در حمام شیخ بهایی است که در دوره ی صفویه (قرن 11 هجری) توسط شیخ بهایی طراحی شد. گرمای آب خزینه ی این حمام توسط گازهای ناشی از فاضلاب مسجد جمعه و شعله ی یک شمع تامین می شده است.
اما شناخت علمی گاز متان و استحصال و کاربرد گسترده از بیوگاز به شکل امروزی به قرن 19 و اوایل قرن بیستم میلادی باز می گردد. در سال 1808میلادی، سِر همفری دیوی 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 ازمخلوط فضولات گاوی و کاه شد. اولین مخزن هاضم 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. با پیشرفت علم میکروب شناسی و تحقیقات بوزول (Buswell) و دیگران در1930 باکتری های بی هوازی و شرایط لازم برای تولید بهینه ی متان کشف شد و گام های بیشتری 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 و بهره برداری بهینه از این انرژی ارزان و در دسترس به پیشرفت های زیادی دست یافته اند
در باره این فن‎آوری، کارهای پراکنده و معدودی در ایران صورت گرفته است. گزارش این فعالیتها در اولین سمینار بیوگاز در ایران ارائه شده است. بیشترین مقالات این سمینار جنبه تئوری داشته و یا به شرح تجربیات و آزمایش‎های خاصی می‎پردازد. چند مقاله هم به وضعیت بیوگاز در ایران پرداخته که از یافته‎های آنان در این مقاله استفاده شده است. در کنفرانس‎ها و سمینارهای دیگــر نیز بعضاً به این مقوله پــرداخته شده است که مهمترین آنها را می‎توان در منابع یافت. مشکل انرژی امروزه یکی از مشکلات اساسی تمامی کشورهای جهان بخصوص کشورهای در حال توسعه می باشد. سوخت رسانی به روستاهای دور افتاده حتی در کشوری مانند ایران که منابع غنی انرژی را در اخنیار دارد ‏بسیار مشکل و هزینه بر می باشد. استفاده از انرژی های تجدیدپذیر و محلی یکی از راه حل هایی می باشد که ‏امروزه پیشنهاد می گردد. بیوگاز یکی از این انرژی های تجدیدپذیر می باشد که علاوه بر تولید انرژی باعث ایجاد ‏کودهای کشاورزی و افزایش سطح بهداشت عمومی جامعه و کنترل بیماریها می شود و یک راه حل مناسب برای ‏دفع مواد زائد جامد می باشد. فاضلاب و مواد زائد جامدی که توسط صنایع و جوامع تولید می گردد باعث آلودگی ‏شدید محیط می شود که می توان با استحصال بیوگاز خطرات ناشی از این مواد را به شدت کاهش داد و از انرژی و ‏کود تولیدی نیز استفاده نمود. استحصال بیوگاز را می توان از فرایندهای بی هوازی تصفیه فاضلاب مانند ‏UASB‏ ‏و همچنین از محل های دفن زباله نیز انجام داد و بخشی از هزینه های مصرفی را جبران نمود. بطور مثال یکی از ‏مشکلاتی که دامداریها با آن دست به گریبان هستند، کنترل فضولات دام ها برای کاهش میزان بو و فرآورده هایی می باشد که باعث ایجاد مشکلات زیست محیطی می گردد . بیوگاز می تواند ما را در مواجهه با این مشکلات یاری ‏دهد. منافع زیست محیطی سیستم های بیوگاز فراتر از سیستم های تصفیه مرسومی است که تاکنون مورد استفاده ‏قرار می گرفتند (همانند مخازن ذخیره، برکه ها ولاگون ها). این منافع زیست محیطی شامل کنترل بو، بهبود ‏کیفیت آب و هوا، بهبــود ارزش غذایی کــود تولیدی، کاهش میزان انتشار گازهای گلخانه ای و دستیابی به ‏بیوگاز به عنوان یک منبع انرژی می باشد. ‏
فن آوری تولید بیوگاز از فاضلاب
استحصال بیوگاز می تواند از فرایندهای بی هوازی فاضلاب نیز انجام گیرد که علاوه بر تولید انرژی می تواند در کنترل بو نیز موثر باشد. یکی از روشهایی که در آن می توان گاز زیادی به دست آورد تصفیه فاضلاب به روش UASB می باشد. از این روش برای تصفیه فاضلابهای صنعتی با بار آلی زیاد استفاده می گردد که دارای راندمان بالایی در حذف می باشد. به همین دلیل در این روش متان، هیدروژن سولفوره و دی اکسید کربن زیادی تولید می گردد که در صورت عدم جمع آوری و دفع صحیح باعث تولید بو و ایجاد انفجار می گردد. جمع آوری گاز و کاربرد آن جمع آوری گازهای تولیدی سیستم بی هوازی که خارج از راکتور انجام می گیرد باید از دقت خاصی برخوردار باشد و همان دقتی که در دستکاری گازهای طبیعی مراعات می گردد ، در این سیستمها نیز مورد توجه باشد . سیستم جمع آوری گاز راکتور باید بتواند حداکثر گاز تولیدی را نیز پاسخگو باشد . متاسفانه در اکثر مواقع مخازن ذخیره را برای تولید گاز و نگهداری آن برای زمانهای 4 تا 5 دقیقه می سازند و چون تولید گاز در زمان حداکثر خود نیاز به ذخیره بیشتری دارد باید برای ذخیره آن از مخازن دیگری 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 نیز بشود . اگر گازهای خروجی از راکتور مجدداً به آن بازگردند، فضای بالای راکتور روی سطح فاضلاب را که راه تماس راکتور با اتمسفر است را پر می نماید. این عمل علاوه بر ایجاد بو، مانع متصاعد شدن متان های تولیدی خواهد گردید. باقیماندن و تجمع بیش از حد متنان 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 بهره برداران 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. ممکن است مقادیری گاز در حین عبور از لوله ها و ورود به مخازن شستشو در فضای اطراف پخش شوند . باید مسائل و خطرات ناشی از اینگونه پخش گاز در سایت تصفیه خانه 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 بینی ها برای حذف رطوبت متاسفانه رطوبت باقیمانده در مواردی با ایجاد قطرات آب در شعله سوز و وسایل اندازه گیری مشکلاتی به وجود خواهد آورد . برای جلوگیری از این مسئله هم باید پیش بینی های لازم بعمل آید .
هیدروژن سولفوره موجود در بیوگاز خاصیت خوردگی شدیدی داشته و در حضور رطوبت به اسید سولفوریک که خورنده تر از خود اوست تبدیل خواهد شد و اگر توام با گازهای سیستم بی هوازی سوزانیده شود به SO2 تبدیل شده که در هوای اطراف راکتور پخش و در صورت بارندگی به صورت باران اسیدی نازل و باعث خوردگی تمام چیزهای درتماس با آن خواهد گردید . میزان تحمل پذیری انسان در برابر هیدروژن سولفوره 10 میلیگرم در لیتر است ، بعلاوه هیدروژن سولفوره در محیط اطراف بخش خود بوهای بدی شبیه تخم مرغ گندیده به وجود خواهد آورد .
سه راه برای حذف هیدروژن سولفوره از بیوگاز قابل پیش بینی است . عمومی ترین آن به کاربردن یک برج محتوی سود است که برای به حداکثر رساندن حذف آن بهتر است سود رقیق نیز در حال گردش در برج باشد تا تماس هیدروژن سولفوره با آن بیشتر برقرار گردد . سود می تواند در مواردی که گاز کربنیک بالاست نسبت به حذف آن نیز اقدام نماید . معمولاً هیدروژن سولفوره در این عمل به سولفوره های محلول تبدیل و از محیط بیوگاز دور می گردد . گرچه احداث اینگونه تاسیسات خیلی کم خرج است ولی نگهداری از آن می تواند پرهزینه باشد زیرا نیاز دارد گاهگاهی رسوبات تشکیل شده در آن را خارج نمود . برای حذف هیدروژن سولفوره لازم است pH محیط حدود 10 باشد و در pH های زیر 5/9 قدرت حذف کاهش یافته و در pH بیشتر از 5/10 تشکیل رسوب و گرفتگی لوله ها اتفاق خواهد افتاد . معمولاً راندمان حذف هیدروژن سولفوره بین 80 تا 90 درصد متغیر است .
راه دوم حذف هیدروژن سولفوره از بیوگاز استفاده از صافی ذغال فعال است . عیب بزرگ این روش اشباع شدن ذغال ها و نیاز به آماده سازی مجدد آنهاست که بسیار پرخرج و پردردسر است و تهیه خود صافی ذغالی نیز گران خواهد بود . بالاخره با استفاده از املاح آهن می توانیم گاز هیدروژن سولفوره را از محتویات بیوگاز حذف کنیم . در این عمل گاز هیدروژن سولفوره به صورت گوگرد خالص از محیط حذف شده و به عنوان محصول فرعی مورد استفاده قرار خواهد گرفت . هزینه احداث این سیستم حذف هیدروژن سولفوره خیلی گران است و گاهی یک تا دو دلار در حذف آن از هر فوت مکعب حجم بیوگاز هزینه لازم دارد .
کنترل بو در تصفیه بی هوازی
یکی از پردردسرترین مشکل بهره برداری از سیستم های بی هوازی حذف بو مخصوصاً بوهای ناشی از هیدروژن سولفوره است . این بوها در غلظتی معادل 5/0 قسمت در میلیون قابل تشخیص و اعتراض است . بعد از زمان کوتاهی که در تماس با هیدروژن سولفوره باشیم و سیستم بویائی ما با استنشاق دچار خستگی گردد به علت عدم درک بوهای غلیظ هیدروژن سولفوره ممکن است انسان در معرض تماس با گاز و بروز خطر قرار گیرد ، از این رو بهتر است وجود گاز از طریق دستگاههای اندازه گیری تعیین گردد تا سیستم بویائی انسان .
برحسب غلظت هیدروژن سولفوره هر نوع نشتی از بیوگاز احتمالاً با پیدایش بو توام است . محتویات خروجی راکتور هم بدون شک دارای مقادیر کمی هیدروژن سولفوره خواهد بود که در هنگام جریان فاضلاب خروجی در جوبک ها رها خواهد شد . ممکن است محل های تخلیه فاضلاب خروجی مخصوصاً نقاط رها شدن گازهای هیدروژن سولفوره را به امکاناتی چون صافی ذعالی یا سایر وسائل جذب گاز هیدروژن سولفوره وصل نمود تا از پخش آن در فضای اطراف ممانعت به عمل آید.
ممکن است برای جذب گاز هیدروژن سولفوره از صافیهای محتوی مواد آلی (Compost-Filter) که در آن گازهای ورودی با میکروارگانیسم ها وارد فعل و انفعالاتی شده و با جذب مواد بودار هوای بدون محتوی بو را به بیرون هدایت می کند ، استفاده نمود . مواد پرکننده این صافیها را هرازگاه باید خالی و پر نمود. نحوه قرار گرفتن کمپوست در صافی باید طوری باشد که فضای لازم بین آنها برای عبور گاز تامین گردد . توصیه شده به محتویات صافی کمی آهک برای زیادتر شدن کلسیم و بالاتر رفتن pH محیط برای حذف بهتر ناخالصیها اضافه نمایند . گاهی مقداری لجن فعال به محتویات این صافیها اضافه می کنند . اگر محتویات گازهای بالای راکتور در 95 درجه فارنهایت بکار رود محتوی مقدار کافی رطوبت خواهد بود . در غیر اینصورت لازم است با پاشش مقادیری آب رطوبت لازم را در محیط صافی تولید نمود . لازم است گاهگاهی محتویات صافی را به هم زد تا از چسبیدن آنها بهم جلوگیری شود.
امروزه گازهای گوناگون و مفیدی برای سوخت، وجود دارند که بیش از سه نوع آن در جهان استفاده می شود. این سه نوع عبارتند از:
گاز مایع (ال.پی.جی) که مخلوطی از بخش های پالایش شده نفت خام از قبیل پروپان، بوتان، پروپیلن و بوتیلن است. این گاز به این دلیل که به آسانی به مایع تبدیل می شود، از آن برای سوخت سیلندر استفاده می شود. نوع دوم، گاز طبیعی است که از دو منبع عمده منابع گاز مستقل و گاز همراه (گاز حاصل از تفکیک نفت خام) تامین می شود و نوع سوم بیوگاز است که با آن بیشتر آشنا می شویم.
درسال های اخیر به دلیل مشکلات ناشی از وابستگی گسترده به نفت و محدودیت منابع تجاری انرژی، به استفاده از بیوگاز بیشتر توجه شده است. بیوگاز بر اثر واکنش های تجزیه ای بی هوازی میکروارگانیسم های زنده در محیطی که مواد آلی وجود دارد، تولید می شود. از این قبیل محیط ها می توان به باتلاق ها و مرداب ها اشاره کرد و گازی که در این محیط ها تولید می شود، به گاز مرداب معروف است. دلیل نام گذاری این گاز به بیوگاز این است که بر اثر تجزیه بی هوازی مواد آلی و بیولوژیک به وسیله میکروارگانیسم های زنده تولید می شود. بیوگاز مخلوطی از سه ترکیب به نام های متان، دی اکسید کربن و سولفید هیدروژن است. ترکیب عمده و قابل اشتعال بیوگاز، متان است که سهم بیشتر این گاز یعنی 60 تا70 درصد آن را شامل می شود. گاز متان، گازی است بی رنگ و بی بو که اگر یک فوت مکعب آن بسوزد، 252 کیلوکالری انرژی حرارتی تولید می کندکه در قیاس با سایر مواد سوختی، رقم قابل توجهی است. دو ترکیب دیگر به ویژه سولفید هیدروژن که سهم آن ناچیز است، جزء ترکیب های سمی هستند. از مزیت های مهم متان به دیگر سوخت ها این است که هنگام سوختن، گاز سمی و خطرناک منواکسید کربن تولید نمی کند؛ بنابراین از آن می توان به عنوان سوخت ایمن و سالم در محیط خانه استفاده کرد. همان طور که گفته شد، 60 تا70 درصد بیوگاز را گاز متان تشکیل می دهد، این درصد بالای متان، بیوگاز را به عنوان منبع عالی و ممتاز انرژی های تجدیدپذیر برای جانشینی گاز طبیعی و دیگر سوخت های فسیلی قرار داده است. امروزه از بیوگاز در گرم کردن دیگ های بخار کارخانه ها، موتور ژنراتورها برای تولید برق،گرم کردن خانه ها و پخت و پز استفاده می شود. استفاده از فناوری تولید بیوگاز در ایران، تاکنون کاربرد عمومی نیافته است و در مرحله آزمایشگاهی است؛ درحالی که در کشورهای اروپای غربی، جنوب شرقی آسیا و به ویژه چین و هندوستان این فناوری بسیار قابل توجه است و این کشورها با بهره گیری از این فناوری نیاز خود را به سوخت برطرف کرده اند.
سوئد، یکی از بهترین مصرف کنندگان بیوگاز در صنعت حمل و نقل است و برنامه ریزی شده است تا سال ۲۰۵۰ میلادی ۴۰ درصد از نیاز این کشور در بخش حمل و نقل از طریق بیوگاز تامین شود. براساس این گزارش، هزینه تولید بیوگاز در سوئد از تولید بنزین با صرفه تر است، زیرا تولید یک مترمکعب بیوگاز که شامل تولید، اصلاح و متراکم سازی است، ۵/۳ تا ۵/۴ کرون سوئد است که این مقدار، حدود ۷۰ درصد هزینه های جاری بنزین در سوئد است. بررسی ها نشان می دهد درصورت استفاده از بیوگاز در صنعت حمل و نقل، میزان آلاینده دی اکسیدکربن که سبب افزایش گاز گلخانه ای جهان می شود تا حدود ۶۵ تا ۸۵ درصد کاهش می یابد.
باکتری های ویژه ای واکنش های تجزیه ای و بی هوازی مواد آلی را به منظور تولید بیوگاز انجام می دهند. این گروه باکتری ها قادر به شکستن و تجزیه مواد آلی پیچیده و ساده هستند که سرانجام به تولید بیوگاز منجرمی شود. این باکتری ها از باکتری های مزوفیل و تا حدودی گرما دوست، هستند و در دمای 75 تا 100 درجه فارنهایت می توانند زندگی کنند. تحقیقات نشان می دهد که بهترین دما برای رشد این گونه باکتری ها 95 درجه فارنهایت است که در این دما باکتری ها بیشترین فعالیت آنزیمی را برای تجزیه موادآلی و تولید بیوگاز دارند. با توجه به این موضوع در فصل زمستان که هوا سرد است، تولید بیوگاز در مرداب ها و باتلاق ها متوقف می شود. از شرایط مطلوب دیگر برای تولید بیوگاز، قلیایی بودن (pH = 7-8) محیط واکنش است.
تجزیه و تبدیل فضولات و مواد گندیده آلی که می تواند محصول حیوانات اهلی و یا گیاهان باشد، به وسیله باکتری ها در دو مرحله به بیوگاز و بیوماس تبدیل می شود. از بیوگاز استفاده های فراوانی می توان کرد و از بیوماس هم به عنوان کود آلی می توان بهره برد. در مرحله نخست این واکنش بیولوژیک، باکتری های بی هوازی مواد آلی گندیده را به اسید های آلی تبدیل می کنند. در مرحله دوم، گروه دیگری از باکتری ها اسید های آلی به وجود آمده را تجزیه می کنند که در نتیجه آن بیوگاز که بخش عمده آن متان است، تولید می شود.

فن آوری تولید بیوگاز از فاضلاب
استحصال بیوگاز می تواند از فرایندهای بی هوازی فاضلاب نیز انجام گیرد که علاوه بر تولید انرژی می تواند در کنترل بو نیز موثر باشد. یکی از روشهایی که در آن می توان گاز زیادی به دست آورد تصفیه فاضلاب به روش UASB می باشد. از این روش برای تصفیه فاضلابهای صنعتی با بار آلی زیاد استفاده می گردد که دارای راندمان بالایی در حذف می باشد. به همین دلیل در این روش متان، هیدروژن سولفوره و دی اکسید کربن زیادی تولید می گردد که در صورت عدم جمع آوری و دفع صحیح باعث تولید بو و ایجاد انفجار می گردد.
جمع آوری گاز و کاربرد آن جمع آوری گازهای تولیدی سیستم بی هوازی که خارج از راکتور انجام می گیرد باید از دقت خاصی برخوردار باشد و همان دقتی که در دستکاری گازهای طبیعی مراعات می گردد ، در این سیستمها نیز مورد توجه باشد . سیستم جمع آوری گاز راکتور باید بتواند حداکثر گاز تولیدی را نیز پاسخگو باشد . متاسفانه در اکثر مواقع مخازن ذخیره را برای تولید گاز و نگهداری آن برای زمانهای 4 تا 5 دقیقه می سازند و چون تولید گاز در زمان حداکثر خود نیاز به ذخیره بیشتری دارد باید برای ذخیره آن از مخازن دیگری 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 نیز بشود . اگر گازهای خروجی از راکتور مجدداً به آن بازگردند ، فضای بالای راکتور روی سطح فاضلاب را که راه تماس راکتور با اتمسفر است را پر می نماید . این عمل علاوه بر ایجاد بو ، مانع متصاعد شدن متان های تولیدی خواهد گردید . باقیماندن و تجمع بیش از حد متنان 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 بهره برداران 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 . ممکن است مقادیری گاز در حین عبور از لوله ها و ورود به مخازن شستشو در فضای اطراف پخش شوند . باید مسائل و خطرات ناشی از اینگونه پخش گاز در سایت تصفیه خانه 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 بینی ها برای حذف رطوبت متاسفانه رطوبت باقیمانده در مواردی با ایجاد قطرات آب در شعله سوز و وسایل اندازه گیری مشکلاتی به وجود خواهد آورد . برای جلوگیری از این مسئله هم باید پیش بینی های لازم بعمل آید .
هیدروژن سولفوره موجود در بیوگاز خاصیت خوردگی شدیدی داشته و در حضور رطوبت به اسید سولفوریک که خورنده تر از خود اوست تبدیل خواهد شد و اگر توام با گازهای سیستم بی هوازی سوزانیده شود به SO2 تبدیل شده که در هوای اطراف راکتور پخش و در صورت بارندگی به صورت باران اسیدی نازل و باعث خوردگی تمام چیزهای درتماس با آن خواهد گردید . میزان تحمل پذیری انسان در برابر هیدروژن سولفوره 10 میلیگرم در لیتر است ، بعلاوه هیدروژن سولفوره در محیط اطراف بخش خود بوهای بدی شبیه تخم مرغ گندیده به وجود خواهد آورد .
سه راه برای حذف هیدروژن سولفوره از بیوگاز قابل پیش بینی است . عمومی ترین آن به کاربردن یک برج محتوی سود است که برای به حداکثر رساندن حذف آن بهتر است سود رقیق نیز در حال گردش در برج باشد تا تماس هیدروژن سولفوره با آن بیشتر برقرار گردد . سود می تواند در مواردی که گاز کربنیک بالاست نسبت به حذف آن نیز اقدام نماید . معمولاً هیدروژن سولفوره در این عمل به سولفوره های محلول تبدیل و از محیط بیوگاز دور می گردد . گرچه احداث اینگونه تاسیسات خیلی کم خرج است ولی نگهداری از آن می تواند پرهزینه باشد زیرا نیاز دارد گاهگاهی رسوبات تشکیل شده در آن را خارج نمود . برای حذف هیدروژن سولفوره لازم است pH محیط حدود 10 باشد و در pH های زیر 5/9 قدرت حذف کاهش یافته و در pHبیشتر از 5/10 تشکیل رسوب و گرفتگی لوله ها اتفاق خواهد افتاد . معمولاً راندمان حذف هیدروژن سولفوره بین 80 تا 90 درصد متغیر است .
راه دوم حذف هیدروژن سولفوره از بیوگاز استفاده از صافی ذغال فعال است . عیب بزرگ این روش اشباع شدن ذغال ها و نیاز به آماده سازی مجدد آنهاست که بسیار پرخرج و پردردسر است و تهیه خود صافی ذغالی نیز گران خواهد بود . بالاخره با استفاده از املاح آهن می توانیم گاز هیدروژن سولفوره را از محتویات بیوگاز حذف کنیم . در این عمل گاز هیدروژن سولفوره به صورت گوگرد خالص از محیط حذف شده و به عنوان محصول فرعی مورد استفاده قرار خواهد گرفت . هزینه احداث این سیستم حذف هیدروژن سولفوره خیلی گران است و گاهی یک تا دو دلار در حذف آن از هر فوت مکعب حجم بیوگاز هزینه لازم دارد .
برای تولید بیوگاز در مناطق روستایی و مجتمع های کشاورزی و دامپروری می توان اقدام به ساخت دستگاه بیوگاز کرد که ساخت آن بسیار آسان و از بخش های زیر تشکیل شده است:
– تانک تخمیر:
تانک تخمیر، بخش اصلی دستگاه بیوگاز است که معمولاً به شکل استوانه و از جنس آجر و یا بتون ساخته می شود. این تانک را می توان یا به صورت کامل درون زمین و یا بخشی از آن را در روی زمین ساخت. مواد زاید آلی پس از ورود به تانک به مدت یک تا دو ماه در آن نگهداری می شوند. در طول این مدت، مواد زاید آلی درشرایط بی هوازی و براثر فعالیت باکتری ها تجزیه می شوند. نتیجه این تجزیه، تولید بیوگاز و مقداری بیوماس است که با تخلیه مرتب بیوماس و و اضافه کردن مواد زاید جدید در تمام روزهای سال می تواند ادامه داشته باشد.
– محفظه گاز:
این محفظه به صورت سرپوشی شناور یا ثابت از جنس فلزی یا بتونی در روی بخش فوقانی تانک تخمیر قرار می گیرد. گازهای تولیدی در تانک تخمیر در بخش زیر این سرپوش جمع می شود که از طریق لوله کشی می توان آن را به نقطه مصرف انتقال داد. نکته مهم در باره این محفظه این است که از افزایش فشار گاز در این محفظه جلوگیری شود؛ بنابراین با نصب فشار سنج در این محفظه می توان فشار گاز را کنترل کرد. – لوله های ورودی و خروجی: هدف از لوله های ورودی و خروجی در دستگاه بیوگاز، ورود مواد خام و تخلیه بیوماس از تانک تخمیر است. جنس لوله ها را می توان از نوع پلاستیکی یا بتونی انتخاب کرد. در مناطق روستایی هر خانوار می تواند به طور انفرادی یک دستگاه بیوگاز داشته باشد و یا چند خانوار ساکن در کنار هم می توانند به طور اشتراکی یک دستگاه بیوگاز بسازند. براساس محاسبات انجام شده، کود حاصل از سه راس گاو و یا چند راس گوسفند پاسخ گوی تولید گاز مصرفی هر خانوار در طول سال است. که این میزان تولید گاز، حدود 500 لیتر به ازای هر کیلوگرم فضولات تجزیه شده است. بهره برداری و نگهداری از دستگاه بیوگاز به مهارت خاصی نیاز ندارد و هرکس به راحتی می تواند از آن استفاده کند. با توجه به موارد یادشده، لزوم برنامه ریزی برای گسترش منابع انرژی غیرنفتی و استفاده از انرژی های نو در کشورمان به خوبی احساس می شود. با انجام مطالعات و تحقیقات و مشارکت در ساخت دستگاه های بیوگاز در مناطق روستایی می توان در مصرف سوخت های نفتی به شدت صرفه جویی کرد.
در یک نتیجه گیری کلی استفاده از بیوگاز در زندگی روزمره می تواند فایده های زیر را به دنبال داشته باشد:
– بیوگاز به عنوان یک منبع انرژی محلی و تجدید شونده؛
– بهبود وضعیت ایمنی صنعتی و خانگی، همچنین سودآور بودن آن؛
– بهبود وضعیت کیفیت هوا و کاهش بوهای نامطبوع؛
– کاهش انتشارگازهای گلخانه ای دشمن لایه ازون؛
– رشد اقتصادی و تضمین منبع انرژی؛
– جمع آوری مواد زاید و حیوانی در یک نقطه و جلوگیری از پراکندگی آنها در محیط اطراف؛
– استفاده از بیوماس تولیدی به عنوان کود سالم و مطمئن در کشاورزی
تعریف: از بین بردن اجزای ناخالصی در بیوگاز برای تبدیل شدن به محتوای متان بالا، ارزش گرمایی و جزء گاز ناخالصی در مطابق با استانداردهای کیفیت از گاز طبیعی با کیفیت بالا
فن آوری استخراج بیوگاز از دستگاهای تولید بیوگاز
ویژگی و چگونگی تولید بیوگاز ‏
بیوگاز به نام گاز مرداب نیز شهرت یافته با ترکیبی از متان ‏‎(CH4)‎‏ و دی اکسیدکربن ‏‎(CO2)‎‏ و بوی ‏قابل تشخیص مانند تخم مرغ گندیده . سبک تر از هوا می باشد و طبق مطالعات انجام گرفته در هندوستان آنالیز ‏بیوگاز در جدول زیر ذکر گردیده که میزان درصد گاز متان آن بستگی به دمای هاضم داشته و هر چه دمای هاضم ‏پایین تر باشد درصد متان آن بیشتر و ارزش حرارتی بالاتری دارد ولی میزان گاز تولید شده کمتر است . بیوگاز ها ‏به دو دسته زیر تقسیم می شوند.‏
‏1.‏ بیوگازهای با بار آلی ورودی زیاد
‏2.‏ بیوگازهایی با بار آلی ورودی کم
دستگاهای فوق دارای تفاوتهایی در میزان گاز تولیدی، زمان ماند و نحوه راهبری می باشند.‏
جدول ترکیبات بیوگاز
نام گاز
فرمول
درصد ترکیب
متان
CH4
55 تا 65%
گازکربنیک
CO2
35 تا 45%
نیتروژن (ازت)
N2
0 تا 3%
هیدروژن
H2
0 تا 1%
اکسیژن
O2
0 تا 1%
هیدروژن سولفوره
H2S
0 تا 1%

دمای احتراق بیوگاز حدود 700 درجه سانتیگراد (دمای احتراق گازوئیل 350 درجه سانتیگراد و نفت و پروپان ‏‏500 درجه سانتیگراد ) و دمای شعله حاصل از آن 870 درجه سانتیگراد است . بیوگاز مانند سایر سوخت های ‏گاز قابل احتراق بوده و با نسبت 1- 20 با هوا مخلوط شده و سرعت اشتغال آن بالا می باشد . ارزش حرارتی آن ‏در حدود 6 کیلووات ساعت بر مترمکعب است (یعنی برابر ارزش حرارتی نیم لیتر سوخت گازوئیل) که در جداول ‏بعدی خواص بیوگاز نسبت به گازهای سوختی و سایر سوختها مقایسه شده است . فشار لازم و مطلوب برای ‏پخت و پز با بیوگاز بین 5 تا 20 سانتیمتر ستون آب می باشد . ارزش حرارتی متان خالص در حدود 9000 کیلو ‏کالری بر متر مکعب می باشد.‏

چگونگی تولید بیوگاز
‏ دستگاههای بیوگاز در شکل کلی از دو حوضچه ورودی و خروجی و یک مخزن تخمیر(هاضم) و یک مخزن گاز ‏تشکیل شده اند که شرایطی از قبیل آب و هوا ، فرهنگ ، اقتصاد و تکنولوژی باعث وجود اشکال مختلف و ‏مدلهای گوناگون گردیده است . در تمام این دستگاهها آب و مواد اولیه در حوضچه ورودی مخلوط شده و از آنجا ‏به مخزن تخمیر هدایت شده که پس از تخمیر و تولید گاز با اضافه کردن مواد اولیه به سوی مجرای خروجی و ‏حوضچه خروجی هدایت می گردند . ‏
اگر دستگاه بیوگاز با دقت کافی و در محل استقرارش درست به کار گرفته شود و بتواند نیازهای انرژی و کود غنی ‏برای کشاورزی تولید کند صاحب آن از داشتن چنین دستگاهی خوشحال می شود ولی از نظر نوع و چگونگی ‏کارکرد ، دستگاههای متفاوتی در جهان ساخته شده و مورد بهره برداری قرار گرفته که توضیح در رابطه تمام موارد ‏از حوصله این بحث خارج است ولی سه نوع کلی آن که بیشترین طرفدار و بیشترین مصرف کننده را به خود ‏اختصاص داده ، مورد بحث قرار می دهیم و بدیهی است روش کار و فعالیت بقیه دستگاهها نیز مشابه اینها می ‏باشد . ‏
‏1.‏ دستگاه بیوگاز با سرپوش شناور که به مدل هندی معروف است ‏
‏2.‏ دستگاه بیوگاز با مخزن مشترک و ثابت که به مدل چینی شهرت یافته است ‏
‏3.‏ دستگاه بیوگاز با نسبت طول به عرض زیاد که به مدل تایوانی شهرت یافته اند.‏
‏4.‏ کمپوست بی هوازی ‏
مواد اولیه بیوگاز پس مانده های الی زباله، مواد زائد حیوانی، مواد زائد گیاهی، فضولات انسانی و لجن ‏فاضلاب می باشد. ‏
واکنشهای شیمیایی و بیولوژیکی بیوگاز ‏
مرحله اول:‏در طی این مرحله مواد آلی پیچیده با وزن ملکولی زیاد مانند پروتئین، سلولز و کربوهیدراتها به ملکولهای ساده ‏تری همچون اسیدهای آمینه، منوساکارید و اسیدهای چرب تبدیا می شوند.‏مرحله دوم:‏در طی این مرحله ترکیبات مونومری با وزن ملکولی کم به ترکیبات واسطه مانند پروپیانات، بوتیرات، فورمات ‏و متانول تبدیل می شوند.‏مرحله سوم:‏باکتریهای استوژنیک تمام ترکیبات فوق را به اسید استیک، هیدروژن و دی اکسید کربن تبدیل می کنند.‏مرحله چهارم:‏تمام ترکیبات مرحله قبل به متان تبدیل می شوند.‏
کلیه مراحل فوق توسط باکتریهای بی هوازی اختیاری به انجام می رسد به غیر از مرحله چهارم که توسط ‏باکتریهای بی هوازی مطلق انجام می گیرد.‏
نسبت کربن به ازت در مواد ورودی به راکتور مهم می باشد که این نسبت بایستی در حدود 30 – 40 به یک ‏در نظر گرفته شود.‏
به خاطر حساسیت بالای باکتری های متان ساز ساز به ‏PH‏ بایستی ‏PH‏ را در حدود 5/7 الی 7/7 نگهداشت ‏که برای این عمل می توان میزان قلیائیت را در حدود 1500 تا 7500 میلی گرم در لیتر کربنات کلسیم حفظ ‏کرد تا ظرفیت تامپونی خوبی در راکتور ایجاد گردد. در صورتی که ‏PH‏ به کمتر از 5/5 برسد باکتریهای متان ‏ساز غیر فعال می گردند.‏
میزان گاز تولیدی در حدود 5/0 الی 75/0 متر مکعب به ازای هر کیلوگرم جامدات فعال هضم شده می باشد. ‏بطور معمول میزان بار گزاری راکتور بیوگاز در حدود 6/0 الی 6 کیلوگرم به ازای هر متر مکعب از فضای ‏راکتور می باشد.‏
استفاده از دستگاهای بیو گاز در تثبیت زباله های شهری
هاضم های بی هوازی که در تثبیت زباله های شهری مورد استفاده قرار می گیرند به دو دسته زیر تقسیم می ‏شوند:‏
‏1.‏ هاضم های بی هوازی با غلظت جامدات پایین ‏‎(low solid anerobic digestion)‎
‏2.‏ هاضم های بی هوازی با غلظت جامدات بالا ‏‎(high solid anerobic digestion) ‎
Low solid
در این نوع هاضم غلظت جامدات مواد زائد جامد مورد استفاده 10 الی 4 درصد می باشد.که برای ‏رسیدن به این قسمت از لجن فاضلاب استفاده می شود. میزان تولید بیوگاز در این سیستم 5/1 الی 5/2 ‏متر مکعب به ازای هر متر مکعب حجم راکتور می باشد که 50 الی 70% بیوگاز را متان تشکیل می دهد. ‏بطور معمول به ازای هر کیلوگرم مواد زائد جامد فرار تجزیه شده 25/0 الی 45/0 متر مکعب گاز تولید ‏می شود و زمان ماند در این راکتور 20 روز در نظر گرفته می شود که بسته به درجه حرارت محیط، ‏میزان بار ورودی و میزان بار آلی قابل تجزیه تغییر می کند.‏
High solid
در این فرایند غلظت جامدات موجود در داخل راکتور 25 الی 35 درصد می باشد که نمونه ای از این ‏سیستم تحت عنوان فرایند ‏dranco‏ در بلژیک که مخفف ‏anerobic compost‏ است در حال بهره ‏برداری می باشددر این سیستم تولید بیوگاز 5 الی 8 متر مکعب به ازای هر متر مکعب حجم راکتور می ‏باشد. که 55% آن متان می باشد. زمان ماندش 6 الی 20 روز است. تولید 140 الی 200 متر مکعب ‏بیوگاز به ازای هر تن مواد زائد خام می کند.‏
محاسبه حجم گاز تولیدی در راکتور
برای محاسبه حجم گاز تولیدی در راکتور می بایستی ابتدا فرمول شیمیایی مواد زائد و یا فاضلاب ورودی به ‏راکتور را بدست آورد. مواد زائد جامد دارای فرمول عمومی زیر می باشند.‏
Ca Hb Oc Nd
Organic matter CH4 + CO2 + N2 + NH3‎
می توان در فرمول فوق به جای مواد آلی مصرفی فرمول کلی ورودی را قرار داد و با استفاده از فرمول زیر ‏معادله را موازنه نمود.‏
Ca Hb Oc Nd + (4A-B-2C+3D/4) H2O ( 4A+B-2C-3D/8) CH4+ (4A-‎B+2C+3D/8) CO2 + DNH3‎
در محاسبه ‏‎ ‎میزان متان تولیدی باید توجه داشت که 60% گاز تولیدی متان و 40% آن ‏CO2‎‏ می باشد. در ‏ضمن چون بخشی از مواد آلی موجود در مواد زائد جامد ورودی به راکتور بیوگاز صرف سنتز بافت سلولی ‏جدید می گردد. به همین دلیل تنها 85% از گاز تئوری محاسبه شده در عمل تولید می گردد.‏
در اینجا به معرفی سه نوع از مشهورترین و پرکاربرد ترین سیستمهای بیوگاز می پردازیم.‏
دستگاه بیوگاز با سرپوش شناور (مدل هندی) ‏
این دستگاه که در هند طرفدار زیادی داشته و هزاران دستگاه از این نوع در هندوستان در حال تولید ‏بیوگاز می باشند . 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 می شود . شمای کلی این دستگاه مانند شکل زیر می باشد . ‏
حوضچه ورودی
‏ همانطوری که در شکل بالا نشان داده است . این حوضچه در سطح فوقانی زمین و در مقابل حوضچه خروجی در ‏طرف دیگر مخزن تخمیر ساخته شده و از طریق مجرای ورودی مواد اولیه را که با آب مخلوط شده به قسمت ‏تحتانی مخزن تخمیر انتقال می دهد و عمل اصلی این حوضچه مخلوط آب و مواد اولیه است که این عمل با دست ‏انجام می گیرد . اندازه متعادل حوضچه با حالت استوانه ای شکل دارای شعاع ‏cm‏40 و حداکثر ارتفاع ‏cm‏40 ‏است که در ارتفاعی بالاتر از سطح زمین قرار می گیرد . ‏

جدول مقایسه خواص گازهای با بیوگاز
نوع گاز
هوای مورد نیاز m3
سرعت فشار در هوا cm/s
وزن مخصوص نسبت به هوا
ارزش حرارتی
ترکیبات

درصد
متان
5/9
43
55%
94/9
100
پروپان
8/23
57
56/1
94/25
100
بوتان
9/3
45
07/2
02/34
100
گاز طبیعی
7
60
38%
52/7
35 و 65
گاز شهری
7/3
82
41%
07/4
24 و 26 و 50
بیوگاز
7/5
40
94%
96/5
40 و 6

جدول مقایسه بیوگاز با سایر مواد سوختی دستگاه بیوگاز‏
ماده حرارتی
واحد e
ارزش حرارتی
بازده
ارزش حرارتی خالصkwh/e
یک متر مکعب بیوگاز e/m3
کودگاوی
kg
5/2
12%
3/0
11/11
چوب
kg
5
12%
6/0
56/5
زغال
kg
8
25%
2
64/1
زغالسنگ
kg
9
25%
25/2
45/1
بوتان
kg
6/13
60%
16/8
4/0
پروپان
kg
9/13
60%
34/8
39/0
گازوئیل
kg
L لیتر
12
12
آشپزی 50%
موتور 30%
6
4
55/0
36/0
برق
kwh
1
روشنایی 9%
موتور 80%
9%
80/0
2
79/1
بیوگاز
m3
96/5
55%
28/3
1

حوضچه خروجی ‏
‏ این حوضچه در طرف مقابل حوضچه ورودی به نحوی ساخته می شود تا 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 مجرای خروجی و حوضچه خروجی هدایت گردد . مجرای خروجی ‏cm‏20 از سطح زمین ‏قرار می گیرد و مجرای ورودی در 50 سانتیمتری عمق زمین تا مواد تخمیر شده پس از ورود مواد اولیه از طریق ‏مجرای خروجی خارج گردد . ‏

تانک تخمیر ‏
‏ تانک تخمیر که به مخزن یا محفظــه تخمیر یا ‏digester‏ یا هــاضم معروف است . اساسی ترین قسمت یک ‏دستگاه بیوگاز است . در این محفظه پس از ورود مواد اولیه و تثبیت درجه حرارت و رطوبت (عدم نفوذ آب) و ‏عدم نفوذ هوا ، تخمیر یا تجزیه غیرهوازی توسط باکتریهای متان زا صورت می گیرد و بدین ترتیب گاز در این ‏مخزن تولید می شود . ساختمان این مخزن با توجه به شرایط آب و هوایی و امکانات فنی و اقتصادی متفاوت است ‏
مثلاً در مناطق سردسیر در عمــق زمین قــرار می گیرد و دیـواره های آن عایق بندی می شود و یا در مناطقی که ‏باران زا و احتمال نفوذ آب به داخل آن می باشد بدنه آن را برای جلوگیری از نفوذ آب ، آب بندی و قیراندود می ‏کنند تا هم مانع نفوذ آب گردد و هم درجه حرارت آن ثابت بماند . مجراهای ورودی و خروجی در داخل مخزن ‏باید به طریقی طراحی و اجرا شود تا با ورود مواد جدید ، مواد تخمیر شده از کف مخزن به بالای آن منتقل شده و ‏به داخل حوضچه خروجی هدایت گردد . در بعضی مواقع در داخل مخزن یک همزن نیز تعبیه می کنند که این امر ‏نقش مهمی در تولید گاز دارد . ‏
محفظه گاز
‏ این محفظه که محل تجمع گازهای ایجاد شده ، در اثر تخمیر مواد می باشد ، اصولاً از یک استوانه ته بسته با ورقه ‏های فولادی به ضخامت 1 تا 3 میلیمتر ساخته می شود . سقف آن را به صورت مخروطی می سازند تا هم مقدار ‏بیشتری گاز در آن ذخیره شود و هم آب باران روی آن جمع آوری نگردد و پوسیدگی ایجاد نکند . در مرکز راس ‏آن یک لوله فلزی را از داخل آن جوشکاری می کنند تا پایین رفتن و بالا رفتن آن در هنگام مصرف گاز یا تولید ‏گاز کنترل شود . به طــوری که هرگاه گاز بیشتری تولید شد . محفظــه به طرف بالا حرکت می کند و در روی ‏سرپوش مخزن نیز شیری جهت تخلیه گاز نصب می گردد تا به وسیله باز و بسته کردن آن گاز به طرف محل ‏مصرف هدایت گردد . مخزن گاز باید زنگ زدایی شده و پوشش رنگ از بروز زنگ زدگی در آن جلوگیری شود و ‏همواره سطوح داخلی و خارجی آن از نظر زنگ زدگی کنترل شود . ‏
قسمت های اصلی بیوگاز با مخزن شناور را مواردی که در بالا ذکر شد ، تشکیل می دهد که باید در ساخت آن ‏کلیه نکات ایمنی را از لحاظ ساخت دستگاه ، عدم نفوذ آب و هوا ، عدم نشت گاز ، به کار بردن مصالح خوب و ‏‏… رعایت کرد تا دستگاهی مطمئن داشته باشیم . امروزه با رشد تکنولوژی ، تولید این دستگاهها نیز دچار تغییرات ‏اساسی گردیده و در بعضی جاها مخزن گاز را به وسیله حائل هایی کنترل کرده و یا اطراف آن را با توری می ‏پوشانند تا جانوران و حیوانات در داخل آن نیفتند ولی اساس کار آن و قسمتهای اصلی و مورد نیاز مواردی است ‏که در بالا ذکر شده است و قطعات دیگر برای ایمنی و بهره برداری بیشتر به آن اضافه شده است . ‏
دستگاه بیوگاز با سرپوش گاز و مخزن تخمیری به صورت واحد و با حجم ثابت (مدل چینی) ‏
با توجه به اینکه چینی ها مبتکر اولیه این دستگاه می باشند به مدل چینی مشهور شده و به صورت مخزن گنبدی ‏شکل و در عمق زمین ساخته می شود . مخزن گاز و تخمیر مشترک می باشد و به علت جای گیری دستگاه در ‏عمق زمین از نظر صرفه جویی در مکان و فضای مورد نیاز و تثبیت حرارت و مقاومت دستگاه در مناطق سردسیری ‏باعث شده که به اهمیت و کارآیی آن افزوده شود . طرح اصلی دستگاه مانند شکل زیر می باشد . ‏
بدین ترتیب که محفظه گاز و خمیر در ارتباط با یکدیگر و در یک مخزن مشخص ساخته شده و محفظه گاز با ‏پوششی آجری یا بتنی به صورت گنبدی شکل ساخته می شود که روی محفظه گاز یک دریچه تعبیه می شود و ‏اساس کار آن مانند دستگاه قبلی است ولی در این حالت گاز تولیدی به طرف گنبد صعود کرده و فشار گاز تولیدی ‏هم گاز را به محل هدایت مصرف می کند و هم مواد تخمیر شده را به داخل محفظه خروجی می راند که خروج ‏این مواد به طرف حوضچه خروجی فشار گاز داخل گنبد را تنظیم کرده و در اثر ازدیاد فشار ، مواد بیشتری خارج ‏می شود و چنانچه در حین مصرف فشار داخلی کم شود ، مواد از دریچه خروجی به داخل مخزن تخمیر برمی ‏گردند تا فشار نقصانی را جبران کند . همانطوری که قبلاً بیان شد در بالای مخزن گاز ، دهانه ای تعبیه می شود که ‏برای آن دهانه که قطر آن حدود ‏cm‏50 می باشد باید یک دریچه بتنی ساخته شود و در این دریچه باید محلی ‏برای عبور لوله گاز در نظر گرفته شود (باید قطر دهانه به حدی باشد تا انسان بتواند به راحتی از آن عبور کند ) ‏پس از ساخت دستگاه باید دریچه آب بندی گردد تا نشت گاز از اطراف آن صورت نگیرد . ضمناً به هنگام فعالیت ‏دستگاه باید دریچه به وسیله وزنه هایی کنترل گردد تا فشار گاز داخل مخزن باعث تکان دادن دریچه نگردد . تنها ‏تفاوت این دستگاه با مدل هندی ثابت بودن حجم مخزن گاز است و از کاربرد آهن و فنر در آن اثری دیده نمی ‏شود . اگرچه طراحی این مدل به محاسبات مهندسی نیاز دارد ولی ساخت آن خیلی راحت بوده و این راحتی ‏ساخت روستاییان را به استفاده از این دستگاه راغب می کند . دستگاههای بیوگاز (مدل هندی و چینی ) از جنبه ‏های مختلف در جدول زیر مورد مقایسه قرار گرفته اند . ‏
دستگاه بیوگاز در مدل تایوانی
این دستگاه می تواند ار جنسهای مختلفی همچون فلزات، ‏PVC‏ و فایبرگلاس ساخته شود. نسبت طول به عرض ‏در این سیستم زیاد می باشد. نوع جریان در آن ‏Plug Flow‏ می باشد و زمان ماند میکروبی و هیدرولیکی آن به ‏دلیل نداشتن لجن برگشتی با یکدیگر برابر می باشد و حدود 60 روز است.‏
جدول مقایسه ساخت و تکنولوژی دستگاههای بیوگاز (مدل هندی وچینی)‏
مورد مدل چینی مدل هندی
اولویت کود ـ گاز گاز ـ کود
ساختمان ساختمان یکپارچه بوده و ایجاد آن در همه جا امکانپذیر است مصالح و روش ساختمان ساده می باشد مواد ورودی عمــوماً از مخلوط کردن فضولات گیاهی و حیوانی و انسانی بهره برداری می شود عموماً از کود گاوی استفاده می شود
مواد خروجی در بسیاری از موارد به وسیله پمپ یا سطــل خــارج می شوند مواد به صورت اتوماتیک خارج می شوند جمع آوری گاز نیاز به سرپوش جداگانه ندارد و مقدار گاز از طریق فشار گاز و خروج مــواد از حوضچه خــروجی تعیین می شود در سرپوشهای شناور ارتفاع مخزن گاز نشان دهنده میزان گاز است.
فشار گاز میزان فشار زیاد است (ماکزیمم آن حدود 1000 میلیمتر ستون آب) فشار زیاد نیست (150-70 میلیمتر ستون آب) هزینه نیاز به هزینه کم است به علت نیاز به اجرای فلزی هزینه زیادی لازم دارد ظاهر قسمت اعظم دستگاه در عمق خاک است و محل دستگاه تمیز است قسمت زیادی از دستگاه نمایان بوده و اطراف دستگاه غیربهداشتی است.
واحدهای مخزن گاز ثابت
واحدهای مخزن گاز ثابت که در ایران به نام بیوگاز چینی شناخته شده‎اند، دارای مخزن گاز غیرمتحرک‎اند. گاز حاصل در قسمت فوقانی هاضم ذخیره می‎شود. هنگامیکه تولید گاز آغاز می‎گردد لجن تخمیری به سمت مخزن خروجی یا دفع لجن جابجا می‎شود. تولید بیشتر گاز موجب افزایش فشار گاز ذخیره شده می‎شود، به همین دلیل حجم هاضم را بیش از 20 مترمکعب در نظر نمی‎گیرند. اگر میزان گاز در مخزن ذخیره شده اندک باشد، فشار گاز پایین خواهد بود.
مزایا: هزینه ساختمان پایین می‎باشد. اجزای واحد متحرک نبوده و قطعات زنگ نمی‎زنند بنابراین عمر طولانی (بیش از 20 سال )خواهند داشت. ساختمان زیرزمینی داشته که از سرمای زمستان محافظت شده و در فضا نیز صرفه‎جویی می‎شود. استخدام نیروی بومی را دربردارد. احداث آن نیاز به بنای ماهر ندارد.
معایب: غالباً گاز واحدها را نمی‎توان کاملاً مهار نمود (نفوذپذیری و ترک خوردگی)، غالباً فشار گاز خیلی بالا بوده و به میزان زیادی در حال تغییر می‎باشد. دمای هاضم پایین است. بنابراین در مناطق سردسیر کارایی مطلوب را ندارد. نیاز به مدیریت صحیح (تحت نظارت افراد آموزش دیده) داشته تا بازده خوبی بدست آید.

واحد بیوگاز با مخزن ثابت
اجزا
1ـ بهم زن با لوله ورودی، 2ـ هاضم، 3ـ مخزن خروجی، 4ـ مخزن نگهدارنده گاز، 5ـ لوله گاز، 6ـ درپوش ورودی ( با اســـتفاده از وزنــه‎ها مهار شده است)، 7ـ اختلاف ارتفاع برابر با اختلاف فشار برحسب سانتی‎متر آب، 8ـ لایه زلال، 9ـ انباشتگی لجن غلیظ، 10ـ انباشتگی سنگ و شن، 11ـ خط مبدا (صفر) ارتفاع پر شدن مخزن بدون فشار گاز.
واحدهای مخزن گاز متحرک
واحد با مخزن گاز متحرک- که در ایران به نام بیوگاز هندی شناخته شده ، شامل هاضم و مخزن نگهدارنده گاز متحرک است. مخزن نگهدارنده گاز یا بر روی لجن تخمیری و یا در پوسته (ژاکت) آب مخصوص به خود شناور است. گاز متصاعد شده در مخزن شناور جمع‎آوری می‎شود . اگر گاز مصرف شود، مخزن مجدداً به حالت اول بر می‎گردد.
مزایا: فراگیری کارکرد آن آسان است. وجود سرپوش متحرک باعث می‎شود که فشار ثابت باقی مانده و بستگی به وزن سرپوش داشته باشد(تقریباً 7 الی 15 سانتیمتر آب). حجم گاز ذخیره شده بطور مستقیم قابل رویت است و در ساختمان آن اشتباه کمتری رخ میدهد.
معایب: هزینه سنگین برای ساخت مخزن شناور دارد. قطعات فولادی که با زنگ زدگی مواجه می‎شوند، سبب کوتاه شدن عمر واحد می‎گردد (تا 15 سال و در نواحی گرمسیری تا 5 سال). وجود همین سرپوشها باعث اتلاف حرارتی می‎شود. مخارج تعمیر و نگهداری ناشی از هزینه‎های رنگ آمیزی زیاد است.

واحد بیوگاز با مخزن متحرک
اجزا
1ـ مخزن بهم زن با لوله ورودی، 2ـ هاضم، 3ـ جریان سرریز از لوله خروجی، 4ـ مخزن نگهدارنده گاز که در سطح مایع شناورست، 5ـ خروجی گاز با خمش لوله اصلی، 6ـ اسکلت راهنما برای مخزن گاز، 7ـ اختلاف ارتفاع برابر با فشار گاز برحسب سانتی‎متر، آب، 8ـ لایه شناور هنگامی که از الیاف به عنوان خوراک استفاده شود، 9ـ لجن غلیظ، 10ـ انباشتگی شن و سنگ

انواع واحدهای ساخته شده در ایران
از انواع واحدهای یاد شده، نوع بالونی در ایران ساخته نشده است و از حدود 60 واحد بیوگاز ساخته شده، نوع مخزن متحرک بیشتر بوده است. مولف مقاله ارائه شده به اولین سمینار بیوگاز اظهار داشته است که، با مطالعاتی که جهاد سازندگی بر روی دستگاه های مولد بیوگاز در پاره ای از کشورهای جهان انجام داده، از دو نوع مولدهای ثابت و شناور، دستگاه مولد بیوگاز از نوع شناور برای کشور مناسب تر تشخیص داده شده است.
مرکز تحقیقات و انرژی‎های نو سازمان انرژی اتمی بعد از طراحی و ساخت دو نوع مولد ثابت و متحرک(در سالهای 63-1361) و انجام آزمایشها و مطالعات دیگر، نوع مخزن ثابت را ترجیح داده و واحدهای ساخته شده در جزیره کیش و ماهدشت نیز از نوع ثابت بوده اند.
همانگونه که در بخش یکم اشاره شد، مراکز تحقیقاتی و دانشگاهی به صورت پراکنده کارهایی در این زمینه انجام داده اند که جزئیات دقیق و فنی آنها منتشر نگردیده است، فقط باید اشاره کرد که در مورد واحد احداث شده در شاهین دژ، سیستم جدید "دین باندهو" که یک مدل مخزن ثابت هندی است، بکار گرفته شده است. همچنین کانون مطالعات توسعه پایدار دو دستگاه بیوگاز چینی در "الشتر" لرستان و روستای "کلم بالا"ی ایلام به ترتیب در سالهای 1358 و 1362 ساخته و به بهره‎برداری رسانید. اما بعداً هر دوی این واحدها از سوی اداره بهداشت تخریب شـدند. نویسندگان این مقاله سعی کردند با بررسی گزارشها و انجام مصاحبه های حضوری با دست اندرکاران این رشته، علل اختلاف در ترجیح یک نوع مولد بر انواع دیگر را بدست بیاورند. در برخی گزارشها چنین ذکر شده که بیوگاز از نوع شناور حدود 40 درصد گرانتر از نوع ثابت هزینه دارد، همچنین با توجه به ساخت ساده، عمر طولانی و تعمیرات اندک، برخی کارشناسان، بیوگاز با مخزن ثابت را کلاً ترجیح داده اند.
از سوی دیگر دست اندرکاران بخش بیوگاز مرکز تحقیقات انرژی‎های نو سازمان انرژی اتمی ،در مقابل نکات فوق مطالبی را مطرح کردند که اهم آنها را می‎توان چنین تقریر کرد: علت اصلی به گاز نرسیدن واحدهای جهاد سازندگی، گازبندی نکردن درست و کامل و عایق‎بندی نامطلوب آنها بوده است. ساخت هاضم ثابت نیاز به دقت زیاد در بندکشی و سیمان کاری آن دارد که عموماً رعایت نمی‎گردد. هم‎چنین آن مرکز استفاده از وسایل گرمایش هاضم در مناطق سردسیر را ضروری دانسته و در غیر اینصورت توصیه می‎نماید که از بیوگاز در این مناطق چشم پوشی شود.
مجموعه نکات فوق این نتیجه را بدست می‎دهد که قضاوت نهایی درباره انتخاب بیوگاز منوط به داشتن اطلاعات دقیق و کامل از بیوگازهای ساخته شده و همچنین پایش و ثبت پارامترهای راهبری (در صورت امکان واحدهای موجود و در غیر اینصورت واحدهای جدید آزمایشی) می‎باشد . متاسفانه گزارشهای فنی و یا اطلاعات واحدهای ساخته شده در دسترس نیست و قضاوت نهایی که اشکالات طراحی و به خصوص راهبری را مشخص کند، امکان پذیر نیست. برای انتخاب صحیح مدل بیوگاز نیاز به همه اطلاعات ساخت نظیر حجم هاضم، حجم مخزن گاز، جزئیات سرپوش و جزئیات ورودی و خروجی) و اطلاعات راهبری پایش شده (از جمله نوع خوراک، مقدار ترکیب خوراک با آب، درصد تولید گاز، درصد گازهای جزئی تشکیل‎دهنده بیوگاز، ثبت pH، دما و فشار ) می‎باشد. وجود این اطلاعات نشان می‎دهد که عیوب کار چقدر به طراحی و چقدر به راهبری مرتبط است. این نکات وقتی برجسته می‎شود که یادآور شویم که بازده دستگاه بیوگاز با حجم ثابت رابطه مستقیم با راهبری صحیح دستگاه دارد.
مهارتها و تجهیزات لازم برای ساخت و راهبری واحدهای بیوگاز در مراجع مختلف به تفصیل مورد اشاره قرار گرفته است و گستره‎ای از مصالح و لوازم متداول ساختمانی و نیروی انسانی ماهر را در برمی‎گیرد. همانطور که در این مراجع دیده می‎شود ، فن‎آوری بیوگاز ساده بوده و نیاز به تجهیزات پیشرفته یا متخصصین خاص ندارد، به نحوی که به یک فن‎آوری جهان سومی شهرت پیدا کرده است. اگر این گفته را بپذیریم که صنعت ساختمان که زیرگروههای زیادی از جمله سازه، مکانیک و برق دارد، در ایران بالنسبه پیشرفته است، می‎توان حکم داد که با توجه به بررسی‎های فوق، سازندگان احتمالی بیوگاز روستایی در ایران می‎توانند بسیاری از شرکتهای ساختمانی و تاسیساتی باشند. در تایید این برداشت می‎توان به گفته‎های مسئولین اجرایی بیوگاز وزارت جهاد سازندگی و سازمان انرژی اتمی استناد کرد: بنابر اظهارات مهندس بلوچستانی برای ساخت واحد بیوگاز با مخزن متحرک، وزارت جهاد هیچگونه مشکل اجرایی نداشته و همه وسایل و استادکاران در محل احداث وجود داشته‎اند. حتی سرپوش متحرک دستگاه که ساخت آن نیاز به مهارت بیشتری نسبت به سایر اجزاء دارد، در کارگاههای محلی ساخته شدند. همچنین مهندس شیخ الاسلامی اظهار می داشت که برای ساخت واحدهای بیوگاز با مخزن ثابت فقط ناظر مجرب مورد نیاز است. این ناظر باید کار بنا را کنترل کرده تا احیاناً در ساخت بعضی جزئیات ـ مثل اتصالهای ضعیف و قوی در پوسته کروی- سهل انگاری بوجود نیاید.
پس در مجموع می‎توان گفت که طراحان این دستگاه‎ها می‎توانند وزارتخانه‎ها یا سازمانهایی باشند که در این زمینه فعالیت داشته‎اند. مشاورین و پیمانکاران نیز می‎توانند کلیه شرکتهای ساختمانی-تاسیساتی ، خصوصاً شرکتهای فعال در احداث و بهره‎برداری پروژه‎های فاضلاب باشند. این شرکتها نیز می‎توانند کار را به پیمانکاران محلی واگذار کرده، خود بر کار آنها نظارت داشته و بعضی مصالح یا تجهیزات مورد لزوم را تهیه نمایند.
رآکتورهای بیهوازی
رآکتورهای بیهوازی به دو صورت عمده به کار می‎روند: الف ـ رآکتورهای هضم بیهوازی لجن حاصل از تصفیه فاضلاب ب ـ رآکتورهای تصفیه بیهوازی فاضلاب .
هاضم‎های لجن دارای انواع گوناگون بوده که چهار نوع بسیار متداول آن عبارتند از هاضم متعارف، بانرخ بالا، دو مرحله‎ای و تخم مرغی شکل. معمولترین این هاضم‎ها دو مرحله‎ای می‎باشد که بازده بالاتری در تولید متان و همچنین از بین بردن پاتوژن ها(عوامل بیماریزا) دارد. هاضم‎های تخم مرغی شکل اخیراً در حال گسترش بوده و مزایای زیادی نسبت به انواع قدیمی‎تر دارد. راهبری هاضم‎ها بیشتر به اختلاط و گرمایش هاضم بر می‎گردد. انواع روشهای اختلاط شامل تزریق گاز، هم زدن مکانیکی و پمپاژ مکانیکی به کار می‎رود. روشهای گوناگونی نیز برای گرم کردن هاضم وجود دارند. یک راه گرم کردن هاضم، گرمایش لجن و فرستادن آن به درون هاضم و راه حل دیگر استفاده از لوله‎های آب گرم در داخل هاضم می‎باشد. دمای بهینه هضم 29 تا 38 درجه سانتیگراد و pH بهینه درحد 7تا 2/7 ذکر شده است.
برای کاربردهای معمولی (مثلاً سوزاندن) معمولاً هیچ عملی روی گاز انجام نمی‎شود، اما برای استفاده به عنوان سوخت موتورهای احتراق درونی و توربین های گازی باید درصد سولفید هیدروژن (H2S) را به کمتر از 015/0% رساند .مقدار گاز حاصله بستگی به نوع تصفیه بکار رفته متفاوت است و می‎تواند بین 65 تا حتی 100 درصد انرژی مورد نیاز تصفیه خانه فاضلاب را برآورده سازد. از گاز حاصله می‎توان برای گرم کردن هاضم‎ها، گرم کردن آب برای مصرف در نقاط دیگر تصفیه خانه ، تولید الکتریسیته ، پمپاژ و … استفاده کرد. یک نمونه قابل ذکر در این مورد تصفیه خانه هیپریون (Hyperion ) در غرب لس آنجلس می‎باشد . این تصفیه خانه روزانه 210/1 تا 510/1 میلیون لیتر فاضلاب را تصفیه می‎کند. از سال 1987 دو راه حل برای تولید انرژی در تصفیه خانه درنظر گرفته شده است، 1ـ بیوگاز حاصل از هاضم های بیهوازی برای تولید برق بوسیله سه توربین ـ هریک به ظرفیت 4500 کیلووات ـ بکار میرود. 2ـ مواد جامد باقیمانده در هاضم‎ها خشک شده، در کوره‎های بستر سیال سوزانده شده و احتراق صورت می‎گیرد. خاکستر حاصل نیز به عنوان سیمان به کار گرفته می‎شود.
سه هاضم موجود در تصفیه خانه از نوع دومرحله‎ای بوده که با یکدیگر سری می‎باشند. این هاضم‎ها به طور متوسط 221250 مترمکعب بیوگاز در روز تولید می‎کنند. سولفید هیدروژن موجود در بیوگاز بوسیله افزایش ترکیبات آهن به هاضم و ته نشینی اولیه کنترل می‎گردد. بیوگاز تــولیدی دارای 60 تــا 100 ppm سولفید هیدروژن است که در یک واحد سولفور زدایی به ppm 40 می‎رسد. این واحد روزانه حدود 7/22 تا 2/27 کیلوگرم گوگرد تولید می‎نماید . به علت حجم کم تولید لجن، سوزاندن لجن هنوز به صرفه نمی‎باشد(1993). ژنراتورهای بخار و گاز مجموعاً 2/25 مگاوات برق تولید می‎کنند، هرچند که دامنه معمولی تولید بین 16 تا 26 مگاوات است. میزان صرفه‎جویی سالیانه در هزینه‎های الکتریسیته حدود 42/8 میلیون دلار می‎باشد.
در ایران تنها تصفیه خانه جنوب اصفهان از هاضم استحصال بیوگاز را انجام داده که آنهم در مشعل تصفیه‎خانه سوزانده می‎شود. متاسفانه هیچگونه اطلاعات راهبری دیگری از هاضمهای ایران در دسترس نویسندگان نبوده است.
اما رآکتورهای بیهوازی بسیار متنوع و گوناگون می‎باشند که معمولاً بر اساس فرایند تقسیم بندی می‎شوند: فرایند تماس بیهوازی، فرایند رشد چسبنده بیهوازی و فرایند بیهوازی ترکیبی. چون از این سه نوع ، نوع سوم در ایران بیشتر به کار رفته است، مختصری درباره آن توضیح داده می‎شود.
رآکتــورهای بیهـــوازی تـــرکیبی بــرای تصــفیه فاضــلاب‎های قــوی و ضعــیف، بــکار مـــی‎روند. معمــولترین روش در این حالت، بستر لجن بیهوازی با جریان بالارو (UASB Upflow Anaerobic sludge Blanket) می‎باشد. در این روش که در هند ابداع شد، فاضلاب ورودی از پایین به رآکتور وارد می‎شود و هنگام بالا رفتن، ذرات و دانه‎های بیولوژیک به اندازه‎های 6/1 تا 4/6 میلیمتر تشکیل می‎گردد. گاز حاصل از فرایند بیهوازی، مواد داخل رآکتور را کمی مخلوط کرده و مواد تشکیل شده سبک را به سمت بالا می‎آورد. در ایران از اواخر دهه1360 تحقیقاتی در زمینه استفاده از UASB در دانشگاه صنعتی شریف آغاز گردید. در مقیاس واقعی، شش رآکتور از این نوع در ایران بکار گرفته شده که دو مورد آن ـ خوراک دام لرستان و خمیر مایه خراسان ـ توسط شرکتهای خارجی طراحی و ساخته شده‎اند و اطلاعات دقیقی از مشخصات آنها بدست نیامد. اما چهار رآکتور دیگر توسط شرکت ها و طراحان ایرانی طراحی و ساخته شده اند. خلاصه‎ای از مشخصات آنها در پی می‎آید:
خروجی فاضلاب بیوگاز
بازگردش
مواد افزودنی
ورودی
فاضلاب

راکتور UASB مخزن هیدرولیز، خنثی سازی و اختلاط

ساختار رآکتور UASB

1ـ سه رآکتور UASB برای تصفیه فاضلاب کارخانه قند میاندوآب توسط شرکت "آب پردازان بهار" طراحی و ساخته شده‎اند. حجم این رآکتور‎ها به ترتیب 800 و 450 و 450متــرمکعب بـــوده و جنــس آنها از بتن مسلـــح می‎باشد. آهنـــگ بارگذاری رآکتورها ton BOD/day30-20 و تولید بیوگاز 10000 مترمکعب در روز گزارش شده است. هم چنین این شرکت یک رآکتور UASB با حجم 55 مترمکعب برای کشتارگاه مرغ در نوشهر طراحی و اجرا کرده که علاوه بر تصفیه بسیار مناسب فاضلاب ، از آن بیوگاز نیز استخراج می‎گردد.
2ـ رآکتور UASB مجتمع الکل سازی بیدستان قزوین: در این مجتمع دو رآکتور فلزی ـ هر یک به ظرفیت 400 مترمکعب توسط دکتر هاشمیان و دکتر شایگان طراحی و توسط مجتمع ساخته شده است. این رآکتور ها حدود 150 مترمکعب فاضلاب در روز را تصفیه می‎کنند. COD ورودی به رآکتورها mg/L40000 و COD خروجی از آنها حدود mg/L8000 (درصد حذف 80 درصد) می‎باشد.
متاسفانه پایش منظم و دقیقی از بیوگاز تولیدی صورت نمی‎گیرد اما در زمستان از بیوگاز برای گرمایش رآکتور استفاده می‎شود.
3ـ رآکتور UASB کارخانه نشاسته و گلوکز یاسوج: این رآکتور توسط شرکت "زلال ایران" طراحی و ساخته شده است. جنس آن بتن مسلح بوده و روزانه 600 تا 700 مترمکعب فاضلاب را با غلظت COD 7000 تا 12000 میلی گرم در لیتر دریافت می‎کند. بدلیل وجود پاره‎ای نقایص در سیستم گازبندی، استخراج بیوگاز در این رآکتور تا کنون قابل ملاحظه نبوده است.
4ـ رآکتور UASB کارخانه شیر پاستوریزه: پس از نیمه کاره ماندن طرح تصفیه‎خانه فاضلاب شیر پاستوریزه تهران که به کنسرسیوم مشاورین ایرانی و آلمانی سپرده شده بود، ادامه کار به مرکز آب و انرژی دانشگاه صنعتی شریف واگذار گردید و با ارائه طرح فرایند توسط دکتر هاشمیان، عملیات ساخت شروع شده و تا کنون به پایان رسیده است. این تصفیه‎خانه از یک مخزن متعادل سازی، چهار دستگاه رآکتور UASB و واحد تصفیه هوازی تشکیل شده است. ظرفیت هر یک از رآکتور ها320 مترمکعب و جنس آن از بتن مسلح می‎باشد. به دلیل تولید و پرورش لجن گرانوله سازگار با فاضلاب صنایع شیر در مخزن متعادل سازی و انتقال آن به درون رآکتور ، فرایند تصفیه خیلی سریع آغاز شدو تولید بیوگاز از همان روزهای نخست راه اندازی شروع گشت. متاسفانه هم اکنون از بیوگاز حاصله استفاده نشده و تنها سوزانده میشود.

عوامل بازدارنده در گسترش فن‎آوریهای تولید بیوگاز در ایران
علل متعددی باعث شده اند که تولید بیوگاز در ایران گسترش نیافته و جایگاه درخوری را میان انواع انرژی نداشته باشد. مواردی که در پی می آید مهمترین این علل می باشند:
الف- ارزان بودن انرژی در ایران: انرژی‎های در دسترس در کشور به علت متکی بودن بر منابع زیرزمینی و تعلق یارانه به آنها، با بهای اندک به دست مصرف‎کننده می‎رسند (مقایسه شود قیمت انرژی در آمریکا 9/12 ریال بر مگاژول با قیمت انرژی در ایران 3/2 ریال بر مگاژول با برابری هر دلار 3000ریال). این در حالی است که تولید هر انرژی غیرمتعارف جدید مانند انرژی خورشیدی، باد و زیست توده ، مستلزم صرف هزینه های به نسبت زیادی می‎باشد. از جمله این هزینه‎ها می‎توان به هزینه‎های زیر اشاره کرد:
1) هزینه‎های تحقیق و توسعه، 2) هزینه‎های پشتیبانی مقدماتی، 3) هزینه‎های توسعه اقتصادی و فن‎آوری صنایع وابسته، 4) هزینه‎های حفاظتی و مراقبتی، 5) تخفیف‎های مالیاتی و
سایر هزینه‎های متعارف دیگر مانند سرمایه‎گذاری اولیه، هزینه‎های راهبری و مدیریت، تعمیرات و … باید لحاظ شوند. از طرف دیگر باید توجه داشت که حتی قیمت تمام شده انرژی‎های متعارف ـ نظیر سوختهای فسیلی ـ قیمت واقعی آنها نبوده و برای محاسبه قیمت‎های اصلی آنها، هزینه‎های دیگری را نیز باید درنظر داشت که در این کشور لحاظ نمی‎شوند. از مهمترین این هزینه‎ها، هزینه‎های رفع آلودگی ایجاد شده توسط نیروگاهها، هزینه‎های زیست محیطی استفاده از سوختهای آلاینده و هزینه‎های تخریب منابع طبیعی می‎باشند.
در هر حال بدون درنظر گرفتن عوامل فوق، نگارندگان این مقاله قیمت هر گیگاژول انرژی معادل بیوگاز تولیدی در ایران را 10 تا 13 دلار برآورد کرده اند که در مقایسه با قیمت سوختهای دیگر ( مثلاً گاز طبیعی $/GJ21/1) عدد بزرگی می‎باشد.
مسئله دیگری که مطرح می‎شود این است که تغییر قیمت انرژی، مسئله‎ای بسیار پیچیده بوده که به عوامل گوناگون اقتصادی، سیاسی، اجتماعی در سطح ملی و جهانی بستگی دارد و هرگونه تغییر در قیمت انرژی ممکن است به بحرانهای اجتماعی و سیاسی بی‎انجامد و در نتیجه سیاستگذاری در امر انرژی مستلزم بررسی‎های کارشناسانه، دقیق و طولانی مدت بوده که در نهایت راه را برای جایگزین کردن سوختهای پاکیزه و تجدیدپذیر هموار کند.
ب ـ نبودن مرجع و متصدی مشخص برای بیوگاز در کشور: هرچند که از گسترش بیوگاز در جهان زمان زیادی نمی‎گذرد و تا چندی پیش به عنوان یک فن آوری فقر تلقی می‎شد، اما این مسئله دلیل قانع کننده‎ای برای عدم گسترش این فن آوری در ایران نمی‎شود. با توجه به فن‎آوریهای نسبتاً ساده ساخت هاضمهای لجن، مولدهای بیوگاز روستایی و رآکتور های بیهوازی ، انتظار میرود که با یک برنامه‎ریزی صحیح و حساب شده ،بیوگاز جایگاه ویژه خود را پیدا کند. مهمترین عامل که باعث شده است در این زمینه سیاست مشخص و مدونی وجود نداشته باشد، تعدد مراکز تصمیم‎گیری ـ به عبارت بهتر نبود یک مرکز مشخص تصمیم گیری ـ برای این گونه انرژی می‎باشد.
تاکنون سازمانها و مراکز متعددی مانند مرکز تحقیقات و کاربرد انرژی‎های نو سازمان انرژی اتمی، سازمان انرژی‎های نو ایران(وابسته به وزارت نیرو)، وزارت جهاد سازندگی، مراکز تحقیقاتی و دانشگاهی(نظیر جهاد دانشگاهی و پژوهشگاه نیرو) و چند سازمان و مرکز غیر دولتی دیگر(مانند کانون مطالعات توسعه پایدار) درباره بیوگاز تحقیقات و مطالعاتی انجام داده اند. به نظر می‎رسد مهمترین کار در این باره گردآوری، تنظیم و منتشر کردن کارهای انجام شده تا کنون و ایجاد یک مرکز یا سازمان ـ کوچک اما کارآمد و فعال ـ برای هماهنگ کردن مطالعات، برنامه‎ریزی و گسترش این فن‎آوری در ایران باشد.
ج ـ نبود روحیه مشارکت در مردم: یکی از دلایل مهم عدم گسترش بیوگاز ـ خصوصاً بیوگاز روستایی در ایران- عدم مشارکت مردمی در ایجاد و اداره واحدهای ایجاد شده بوده است. این مطلب در مصاحبه با دست اندرکاران بیوگاز جهاد سازندگی و سازمان انرژی اتمی و بازدیدهای محلی به وضوح مشاهده شد. متاسفانه دسترسی به انرژی ارزان، گریز از کارهای سخت و کارهای به اصطلاح غیر تمیز(مثل حمل و بارگذاری فضولات دامی) و عدم تشویق مسئولین در این زمینه باعث شده است که این روحیه انفعالی و بی تفاوتی بیشتر تشدید گردد.نبود روحیه همکاری و مشارکت در مردم ایران ـ خصوصاً در سده های اخیر ـ بحثی است که مفصل بوده و به عوامل گوناگون اجتماعی، سیاسی و تاریخی بر می‎گردد و نمود آن در عدم تشکیل و پایداری حزب‎های بزرگ، نبود شرکتهای بزرگ خصوصی چند نفره، عدم موفقیت در ورزشهای گروهی تجلی پیدا کرده است.
د ـ آگاهی کم و آموزش ناکافی: یکی دیگر از دلایل مهم عدم گسترش فن‎آوریهای بیوگاز به آگاهی کم مردم ـ و حتی مسئولین ـ از مزایای این فن آوری ها و معایب سایر انرژی‎های غیر تجدیدپذیر و آموزش ناکافی در این زمینه‎ها در سطح ملی می‎باشد. توضیح اینکه سایر فن‎آوریهای تولید انرژی از عوامل مهم مخرب محیط زیست و منابع طبیعی هستند و از سوی دیگر فن‎آوریهای تولید بیوگاز علاوه بر اینکه خود آلاینده نیستند، از ورود عوامل آلاینده محیط زیست و بیماری‎زا (مانند فضولات و فاضلاب‎ها) به محیط جلوگیری کرده، ایجاد اشتغال نموده و به رفاه عمومی جامعه کمک شایانی می‎نمایند. متاسفانه مسائلی نظیر موارد فوق نه برای مسئولین و نه برای مردم اهمیت نداشته و به آنها بها داده نمی‎شود. همین امر باعث می‎گردد که هیچ گونه آموزشی برای معرفی این فن‎آوری‎ها و مزایای آنها و به تبع آن استفاده از آنها به عنوان منابع مهم تولید انرژی پاک و تجدیدپذیر صورت نگرفته باشد. در نتیجه طبیعی است که اهمیت و لزوم استفاده از این انرژی برای مردم مشخص نبوده و با استقبال روبرو نشود.
ایجاد یک برنامه جامع، ملی و کلی‎نگر برای انرژی های تجدیدپذیر و از جمله انرژی‎های حاصل از زیست توده و بیوگاز باید از اولویت های اساسی سازمانها و وزارتخانه های مرتبط با امر انرژی، محیط زیست و منابع طبیعی باشد.
ﻫ – کمبود اطلاعات فنی: متاسفانه جزئیات کارهای پراکنده و معدودی که در کشور صورت گرفته، ثبت و نگهداری نشده‎اند. از سویی عدم دقت در ثبت داده‎ها (در همه مراحل طراحی، ساخت و راهبری) و از طرف دیگر به روز نبودن دانش فنی موجود در این رشته علمی باعث شده است که هم بازده واحدهای بیوگاز احداث شده اندک بوده و هم تصمیم‎گیری درباره واحدهای بعدی با شک و تردید زیاد همراه باشد.
علاوه بر شناخت این فن‎آوری سودمند و آموزش ملی آن، ارتقاء دانش فنی این رشته علمی نیز از وظایف ضروری سازمانها و ارگانهای مرتبط (مانند دانشگاهها، پژوهشگاه‎ها و …) می‎باشد.
روشهای خالص سازی بیوگاز
چهار راه تصفیه و خالص سازی بیوگاز وجود دارد شامل:
روش جداسازی جذب، جذب فشار نوسان، مهر و موم برودتی و غشاء مانع.
جذب سطحی Adsorption
جذب سطحی یک فرآیند جداسازی است که در آن برخی از اجزاء فاز سیال به سطح یک جاذب سطحی جامد منتقل میشوند. معمولا ذرات ریز جاذب در بستر ثابتی نگه داشته میشوند و سیال به صورت پیوسته از میان بستر عبور داده میشود تا جامد تقریبا سیر شود و دیگر نتوان به جداسازی مورد نظر دست یافت. جذب سطحی را میتوان تمایل مولکولهای فاز سیال برای چسبیدن به سطح جامد تعریف کرد. در جذب سطحی از جامد متخلخل استفاده میشود که این منافذ سطح بسیار زیادی را ایجاد میکنند. یعنی فقط سطح خارجی نداریم و تخلخل نیز داریم و هرچقدر سطح جاذب افزایش یابد، مقدار ظرفیت جذب نیز افزایش مییابد. برای سیستم جذب سطحی از ذرات با تخلخل زیاد استفاده میشود. عملیات جداسازی توسط سطح جامد، a) جذب سطحی، b) تعویض یونی در عملیات جذب از قابلیت بعضی از جامدات در جذب بعضی از مواد موجود در محلول روی سطح استفاده میشود. به این شکل اجزای یک محلول گازی یا مایع را میتوان از هم جدا کرد. عامل اساسی در سیستم جذب، جاذب است. جاذب پدیدآورنده فناوری جذب سطحی است. در گذشته استفاده از جاذبها برمبنای سعی و خطا استوار بوده که با انجام آزمایش کیفیت آنها اندازه گیری میشد، اما امروزه در بررسیهای انجام شده از لحاظ علمی ساختار منافذ و تخلخل و انرژیهای سطحی و دیگر پارامترهای یک جاذب را از پیش تعیین میکنند و برمبنای آن جاذب را استفاده میکنند. در ساختار مولکولی منظم مقدار جذب افزایش می- یابد و میزان انتخاب پذیری نیز زیاد میشود. امروزه بشر قادر است مواد را درحد نانومتری از هم جدا کند.
روش برای تمیز کردن، بازسازی و فیلتر جذب استفاده از آمین آلی (آمین اولیه، ثانویه آمین، آمین عالی، آمین sterically مانع، و غیره) و ویژگی های فیزیکی و شیمیایی جذب دی اکسید کربن برای رسیدن به این است که فشار در برج جذب، تحت شرایط دمای نرمال در واکنش جذب گاز دی اکسید کربن خالص decarburization متان غنی برج بازسازی جاذب مایع در یک فشار کمتر رخ می دهد، حرارت واکنش رخ می دهد تحت تجزیه و تحلیل معکوس، انتشار خلوص گاز دی اکسید کربن بالا، در حالی که مایع غنی به شود با مجدد و جذب دی اکسید کربن بازسازی توانایی دستیابی به یک گاز پیوسته در جذب متان تصفیه فرآیند decarburization، و باعث می شود جذب مایع decarburization مستمر و کار چرخه بازسازی است.
مکانیسم جذب
اساس پدیده جذب سطحی به طور کلی پدیده جذب سطحی به خاطر خواص موجود بر روی سطح جامد اتفاق میافتد. این خواص دارای دو منشا میباشد. 1) پدیده ناپیوستگی(discontinuity): به این مفهوم است که خواص سطح جاذب از خواص بقیه جاذب متفاوت است در واقع اتمهای سطح از اتمهای توده متفاوت هستند. 2) اتمهای سطح جامد غیر اشباع (Unsaturated) هستند. این پدیده به این مفهوم است که در زیر سطح اتمهای جامد با اتمهای مجاور پیوند سطحی ایجاد کرده است اما در سطح اتمها از بالا آزاد هستند و توانایی ایجاد پیوند با مولکولهای دیگر را دارند. از این رو یک حالت تمایل برای رسیدن به حالت اشباع در مولکولهای سطح وجود دارد. بنابراین خاصیت جذب سطحی در آن ایجاد میشود. ویژگیهای پدیده جذب سطحی عبارتند از: – این پدیده در سیستمهای فیزیکی، شیمیایی وبیولوژیکی قابل اجرا است. – برای خالص سازی در سیستمهای گاز و مایع بصورت صنعتی قابل استفاده است. – برای سیستمهای تصفیه آب وفاضلاب وبرطرف کردن آلودگی هوا قابل استفاده است. – مثالهای اولیه جذب سطحی، شامل فرآیند جذب برای بازیافت هیدروکربنهای آروماتیک در سال 1950 میباشد. – امروزه با پیشرفت علم و تکنولوژی، جذب با استفاده از جاذبهای جدید با قابلیت جذب بسیار بالا صورت میپذیرد. جاذب قابل توجه نیست اما منافذ و سطوح داخلی سطح قابل نشان داده شده است: مراحل جذب در سطوح درونی جذب شونده به سطح جاذب، مولکولی که میخواهد جذب شود، خودش را از توده سیال به سطح Internal diffusion) است که در آن مولکول مورد نظر وارد مجراهای در مرحله آخر یک لایه از مولکول جذب شونده برروی منافذ قرار میگیرد. بدین ترتیب عمل کلی عمل جذب بیشتر به صورت واکنش رفت و برگشت انجام میگیرد. بدین ترتیب که هم جذب ذب است. این واکنش به صورت برگشتپذیر انجام می- دهیم و با تغییر وضعیت عملیات باعث میشویم که ماده این کار معمولا با فشار و تغییرات آن صورت میپذیرد. هنگامی که فشار زیاد باشد جذب انجام از سطح جاذب جدا شده و عملیات دفع آن صورت میگیرد. همچنین با حرارت نیز می- دهیم چون عملیات گرمازا است جذب بهتر صورت میگیرد مکانیسم جذب هر جاذب یک سطح درونی و یک سطح بیرونی دارد. سطح بیرونی جاذب قابل توجه نیست اما منافذ و سطوح داخلی سطح قابل توجهی را ایجاد میکنند. مراحل جذب در سطوح درونی در شکل زیر نشان داده شده است مراحل جذب در سطوح درونی در مرحله اول و یا پخشیدگی جذب شونده به سطح جاذب، مولکولی که می رساند. شکل وسط بیانگر پخشیدگی درونی (Internal diffusion مشخص شده در شکل میگردد. در مرحله آخر یک لایه از مولکول جذب شونده برروی منافذ قرار می جذب تکمیل میشود. به طور کلی عمل جذب بیشتر به صورت واکنش رفت و برگشت انجام می فع به طور همزمان انجام میشوند تا سرانجام به تعادل برسند. طور کلی پدیده جذب گرمازا است و انرژی حاصل بیانگر قدرت جذب است بدین ترتیب که ما با اعمال یک شرایط خاصی جذب را انجام میدهیم و با تغییر وضعیت عملیات باعث می موردنظراز سطح جاذب دفع شود. این کار معمولا با فشار و تغییرات آن صورت می شود و با ایجاد خلا جامد جذب شده از سطح جاذب جدا شده و عملیات دفع آن صورت می توان این کار را انجام داد بدین ترتیب که وقتی حرارت را کاهش میدهیم چون عملیات گرمازا است جذب بهتر صورت می وزمانی که دما افزایش یابد عملیات دفع انجام میشود. مکانیسم جذب هر جاذب یک سطح درونی و یک سطح بیرونی دارد توجهی را ایجاد می در مرحله اول و یا جاذب میرساند مشخص شده در شکل می جذب تکمیل می و هم دفع به طور همزمان انجام می به طور کلی پدیده جذب گرمازا است و انرژی حاصل بیانگر قدرت ج شود. بدین ترتیب که ما با اعمال یک شرایط خاصی جذب را انجام می موردنظر از سطح جاذب دفع شود

جذب فشار نوسان
نوسان روش تصفیه جذب فشار استفاده از جاذب (مانند غربال مولکولی، و غیره) از ویژگی های انتخابی جذب دی اکسید کربن، دی اکسید کربن بر روی جاذب نسبت به دیگر مولفه گازی است عامل جدایی بالاتر، دستیابی به گاز دی اکسید کربن در حذف اهداف. در فرآیند جذب، گاز مواد خام تحت فشار که از آن دی اکسید کربن است در برج جذب جذب، متان و سایر گاز جذب ضعیف به عنوان گاز خالص مرخص هنگامی که فشار اشباع جذب حتی پس از ستون جذب به شود به پمپ خلاء جذب دی اکسید کربن منتشر شد. به منظور حصول اطمینان مورد نیاز پردازش گاز مداوم، روش جذب نوسان فشار نیاز به حداقل دو برج جذب، بلکه سه برج، چهار برج و یا بیشتر است.
روشهای برودتی
یکی از روشهای جذب حرارت از ماده تماس دادن آن با یک ماده سرد دیگر است که در اینجا مبرد نامیده می شود.
مانند : سرد کردن چای داغ ،سیستم خنک کاری وسایل نقلیه
انبساط مایعات باعث تقلیل درجه حرارت آنها می شود مخصوصا اگر انبساط با تغییر حالت مایع به بخار همراه باشد نقصان درجه حرارت قابل توجهی حاصل می گردد. مانند: افزایش دمای جوش در سیستم خنک کاری خودرو به دلیل افزایش فشار اگر از مخزن بسته ای گازی را در محیطی با فشار کمتر رها کنیم کاهش درجه حرارت در مخزن تحت فشار حاصل می شود چنانچه هوا را با فشار محیط به داخل مخزنی که تحت خلا می باشد وارد کنیم عکس عمل قبلی اتفاق می افتد به این معنی که درجه حرارت هوا در داخل مخزن پس از توازن فشار بیشتر از درجه حرارت هوای محیط می گردد. مانند : عملکرد موتور دیزل در یک جریان ثابت وقتی یک گاز منبسط شود کاهش درجه حرارت بوجود می آید مقدار افت درجه حرارت ممکن است جزئی ویا قابل توجه باشد که بستگی به وضعیت محل انبساط خواهد داشت روش تصفیه میعانات گازی سرد استفاده از ویژگی های دمای بالا از دی اکسید کربن مایع توسط عمل برودتی دی اکسید کربن در گاز است مایع، جزء متان به عنوان یک گاز غیر قابل میعان به پاک کردن محصول تخلیه گاز. به منظور کاهش مصرف انرژی، معمولا توسط فن آوری بهبود حرارت برای بازیافت سرد باقی مانده است.
خالص سازی به کمک غشا
در روش خالص سازی به کمک غشا از یک غشای انتخاب پذیر برای جداسازی و خالص سازی گازها استفاده می شود در این روش غشاهای مورد استفاده معمولا نسبت به یک گاز خاص انتخاب پذیر بوده و اجازه عبور تنها همان گاز را می دهد.
جداسازی گازها با استفاده از غشاء در 30 سال گذشته کاربردهای صنعتی بسیاری یافته است، اما مطالعات در این زمینه تاریخچه طولانی دارد. ایده جداسازی گازها با غشاء به صد سال پیش برمی گردد، اما استفاده از آن ها در جداسازی گازها تنها 25 تا 30 سال است که رواج پیدا کرده است. توماس گراهام هو در حدود 30 سال پیش شدت نفوذ پذیری تمامی گازها را اندازه گیری کرد. وی اولین کسی بود که مدل انحلال نفوذ را توصیف کرد و تحقیقات این دانشمند در زمینه غشاءهای متخلخل به ثبت قانون نفوذ گراهام منجر شد.
بنا به تعریف، غشاء لایه نازکی است که می تواند اجزای یک سیال را به صورت انتخابی از یکدیگر جدا کند. به عبارت دیگر، غشاء وسیله ای است که جداسازی مواد را عموما بر اساس اندازه ی ملکولی آن ها ممکن می سازد. در این فرآیند علاوه بر اندازه، عوامل دیگری نیز دخالت دارند. در یک فرآیند غشائی عموما دو فاز وجود دارد که به وسیله فاز سوم (غشاء) به طور فیزیکی از هم جدا شده اند. در شکل یک شمایی از نحوه عملکرد غشاء ارائه شده است.

شمایی از عملکرد غشاء
غشاء انتقال جرم بین دو فاز را کنترل می نماید. فازها بصورت مخلوطی از اجزا می باشند. یکی از اجزای موجود در مخلوط بیش از سایرین انتقال می یابد. به عبارت دیگر غشاء نسبت به یکی از اجزا انتخاب گر است. در این صورت انتقال آن جزء از یک فاز به فاز دیگر توسط غشاء انجام خواهد شد. به این ترتیب یکی از فازها غنی از آن جزء و دیگری از آن تهی می شود. دو عمل اصلی که توسط غشاء انجام می شود، عبارتند از: نفوذپذیری یا نفوذ پذیری و انتخاب گری یا گزینش پذیری.
فرآیندهایی که بر اساس استفاده از غشاءها پایه گذاری شده اند می توانند در کاربرد و نیز نیروی محرکه لازم برای انجام جداسازی کاملا متفاوت باشند. انتقال جرم در طول یک غشاء ممکن است به وسیله نفوذ یا جابجایی حاصل شود. جابجایی می تواند در اثر اختلاف پتانسیل الکتریکی، غلظت، فشار یا درجه حرارت انجام شود
مکانیزم های نفوذ پذیری
یک غشاء فقط زمانی قادر به جدا کردن گازها خواهد بود که برخی از اجزا نسبت به سایر اجزا، نفوذ سریعتری از غشاء داشته باشد. نفوذ اجزا چه از طرف غشاءهای متخلخل و چه از طرف غشاءهای فشرده و چگال با محدودیت هایی از طرف لایه جداکننده غشاء روبرو می باشد. سه نوع از غشاءهای متخلخل که در اندازه حفره ها با هم تفاوت دارند

غشاءهایی که در حال حاضر در بیشتر کاربردهای تجاری رایج هستند، غشاءهای انحلال- نفوذ هستند. این نام به این دلیل انتخاب شده است که انتخاب اجزا به سبب حل شدن ملکول های گاز در غشاء و سپس نفوذ از میان آن انجام می گیرد .
غشاءهای پلیمری
غشاءهای پلیمری از پرکاربردترین غشاءها برای جداسازی گاز می باشد. غشاءهای پلیمری نسبت به غشاءهای معدنی ساخت آسان تری دارند و از قیمت پائین تری نیز برخوردارند. همچنین غشاءهای معدنی به خاطر عدم شفافیت و مشکل ساخت و استفاده از آن ها در محیط کشت ریزجلبک برای استفاده در فتوبیوراکتورها مناسب نمی باشد. بنابراین در این مقاله کاربرد غشاءهای پلیمری به منظور حذف اکسیژن از سامانه فتوبیوراکتور و همچنین تزریق CO2 به درون فتوبیوراکتور مورد بررسی قرار می گیرد.
نفوذ پذیری پلیمرها:
ضریب تراوایی در یک پلیمر، فقط تابعی از ساختار شیمیایی آن نیست. ضریب تراوایی همچنین با شکل ظاهری پلیمر تغییر می کند و به فاکتورهای فیزیکی بسیاری مانند دانسیته پلیمر، میزان کریستالیتی و جهت گیری ملکولی پلیمر وابسته است. با این وجود ساختار شیمیایی یک پلیمر می تواند به عنوان یک فاکتور غالب در نظر گرفته شود که اندازه تراوایی را کنترل می کند. دانسیته می تواند معیاری از فضای خالی بین ملکول های یک پلیمر باشد. به طور کلی هر چه دانسیته بالاتر باشد تراوایی کاهش می یابد.
کریستالیتی یک پلیمر به شدت، مقدار تراوایی را در یک پلیمر نسبت به یک پلیمر آمورف کاهش می دهد. هر چه میزان درجه کریستالیتی بالاتر باشد، میزان تراوایی کاهش می یابد. میزان کریستالیتی و دانسیته یک پلیمر به هم مرتبط هستند. هر چه قدر میزان کریستالیتی یک پلیمر بیشتر باشد، دانسیته آن پلیمر نیز بیشتر می شود.
جرم ملکولی یک پلیمر تاثیر اندکی بر تراوایی یک پلیمر دارد، به جز در مواردی که جرم ملکولی بسیار پایین باشد. جهت گیری ملکولی یک پلیمر، میزان تراوایی را کاهش می دهد. اتصالات عرضی، میزان تراوایی را کاهش می دهد و رطوبت، میزان تراوایی را در برخی از پلیمرهای آب دوست افزایش می دهد. نفوذ کننده های مایع، تراوایی مشابهی با بخارات اشباع دارند، بنابراین تراوایی بالاتری می تواند به دست آید مخصوصا اگر در پلیمر قابل حل باشد.
لایه های پلیمری بدست آمده به روش تبخیر حلال، میزان تراوایی متفاوتی بسته به نوع حلال مورد استفاده و روش های خشک کردن دارند. حلال های ضعیف تر، لایه های با تراوایی بالاتری به دست می دهند. پرکننده ها معمولا پرکننده های غیرمعدنی، میزان تراوایی را کاهش می دهد. اگرچه تاثیرات آن با توجه به نوع، شکل و حجم پرکننده مورد استفاده و برهم کنش آن با پلیمر می تواند متفاوت باشد.
ضخامت لایه پلیمری بر روی ضریب تراوایی، ضریب نفوذپذیری و ضریب انحلال پذیری تاثیری ندارد، ولی در عمل ممکن است ضرایب متفاوتی برای لایه های با ضخامت های متفاوت به دست آید. دلیل آن می تواند خواص فیزیکی متفاوت ناشی از طراحی، جهت گیری و کریستالیتی پلیمر باشد.

بیو راکتور غشائی ( MBR )
بیوراکتورهای غشائی طی سالهای اخیر به عنوان سیستم های پیشرفته تصفیه پساب کاربرد گسترده ای داشته اند. هنگامی که تصفیه پساب با استفاده از فرایندهای بیولوژیکی هوازی یا بی هوازی باشد، پایداری سیستم و کیفیت آب تصفیه شده معمولا وابسته به جداسازی لجن باقیمانده در انتهای فرایند است. در واقع در فرایندهای لجن فعال جهت این جداسازی اجزای معلق محیط کشت باید به صورت لخته در آیند. علاوه بر این، دفع مقدار زیاد لجن تولید شده در این فرایند موجب افزایش هزینه ها می گردد. با استفاده از بیوراکتور غشائی (MBR) برای تصفیه فاضلاب می توان بر مشکلات جاری فرایندهای لجن فعال که اکثرا مربوط به جداسازی توده میکروبی از آب تصفیه شده است، فائق آمد. در این نوع بیوراکتورها میکرو یا الترافیلتراسیون جایگزین فرایند ته نشین سازی شده است. در این روش به دلیل حبس کامل باکتری ها و ویروس ها کیفیت آب تصفیه شده افزایش می یابد. همچنین امکان افزایش غلظت توده میکروبی به میزان قابل توجهی وجود دارد که موجب کاهش حجم راکتور و همچنین کاهش نرخ تولید لجن می شود. افزون بر آن فضای مورد نیاز واحد تصفیه پساب به دلیل حذف تانک های ته نشینی و کاهش سایز بیوراکتور، به دلیل افزایش غلظت توده میکروبی، کاهش می یابد.
مزایای بیوراکتور غشائی
امروزه از بیوراکتورهای غشائی به منظور تصفیه انواع مختلف پساب نظیر فاضلاب شهری، فاضلاب با بار آلی بالا و پساب های سنگین استفاده می شود. از مزایای بیوراکتورهای غشائی در مقایسه با روش های مرسوم لجن فعال به موارد زیر می توان اشاره کرد.
– حذف کامل جامدات
– ضد عفونی کردن پساب تصفیه شده
– جداسازی زمان ماند هیدرولیکی hrt و زمان ماند لجن SRT
– قابلیت بارگزاری بیشتر و زمان ماند لجن طولانی تر
– تولید لجن به مقدار کمتر و یا حتی صفر
– فعال شدن سریع سیستم
– سایز کوچکتر
– مصرف کمتر انرژی

فرآیند MBR
در فرآیند MBR روش های قدیمی فیلتراسیون با فرآیندهای غشایی تکامل یافته اند. در این فرآیندها از غشاهای نیمه تراوا به عنوان عامل اصلی جداسازی استفاده می شود. فرآیندهایی که براساس انواع غشا پی ریزی گردیده اند، قادر به جداسازی مواد با اندازه های مختلف از سیال می باشند. بیوراکتورهای غشایی به طور کلی سیستم هایی هستند که در آن ها تصفیه بیولوژیکی با فیلتراسیون غشایی ترکیب شده است. در این سیستم ها فیلتراسیون غشایی جایگزین فرایندهای ته نشینی،فیلتر شنی و گندزدایی به کار رفته در روش های مرسوم لجن فعال شده است. این سیستم ها به طور گسترده مورد آزمایش قرار گرفته اند و نتایج گویای موثر بودن آن ها در حذف آلاینده های آلی و معدنی بوده است. سهولت کنترل فعالیت های بیولوژیکی، پساب خروجی با کیفیت بالا و عاری از باکتری و پاتوژن ها ، نیاز به فضای کم و تحمل نرخ بارگذاری بالا از جمله مزایای راکتورهای غشایی هستند.
عمده کاربردهای فعلی آن شامل استفاده مجدد از پساب تصفیه شده در ساختمان های بزرگ، تصفیه فاضلاب خانگی در جوامع کوچک، تصفیه فاضلاب صنعتی و تصفیه شیرابه می باشد. کاربرد
واحدهای غشایی از استفاده به تنهایی در تصفیه تکمیلی تا ترکیب و یکی شدن با تصفیه ثانویه گسترش پیدا کرد. بیوراکتورهای غشایی مزایای زیادی دارند که آن ها را تبدیل به جایگزینی با ارزش برای دیگر سیستم های تصفیه کرده است. مهم ترین آن ها گیرانداختن و حذف همه مواد معلق و بیشتر ترکیبات محلول در بیوراکتور است. این امر باعث می شود پساب خروجی کیفیتی بسیار خوب و در حد استانداردهای سختگیرانه داشته باشد. توانایی این سیستم ها در حذف همه باکتری ها و ویروس ها منجر به عدم استفاده از گندزداها و در نتیجه عدم تولید جانبی خطرناک آن ها می شود. در این سیستم ته نشینی اولیه وجود ندارد و کل جداسازی مواد معلق در بیوراکتور انجام می شود. به طور معمول با کنترل زمان ماند هیدرولیکی (HRT) و زمان ماند سلولی (SRT) می توان جمعیت میکروبی را بهینه کرد و در نتیجه انعطاف پذیری سیستم را در هنگام بهره برداری بیشتر کرد. بیوراکتورهای غشایی علاوه بر این که تمام جرم بیولوژیکی را گیر می اندازند، از فرار آنزیم های سلولی و اکسید کننده های محلول که قابلیت تجزیه منابع کربنی و ایجاد بافت بیولوژیکی را دارند، ممانعت می کنند. بیوراکتورهای غشایی مشکلات و مسائل مربوط به ته نشینی را که از پردردسر ترین قسمت های تصفیه خانه است را حذف می کنند. پتانسیل بهره برداری این سیستم ها در SRT های بالا و بدون ته نشینی، باعث می شود غلظت جرم بیولوژیکی (بیومس) بالا رفته در نتیجه فاضلاب هایی با بار آلودگی بالا بتوانند تصفیه شوند و نرخ تولید بیومس به دلیل فعالیت خودخوری کاهش پیدا کند. این امر همچنین باعث می شود که این سیستم ها نسبت به سیستم های متداول فشرده تر شده و فضای مورد نیاز تصفیه خانه به طور قابل توجهی کاهش پیدا کند. این سیستم ها همچنین نوسانات و تغییرات در غلظت نوترینت ها را که از سازگاری بیولوژیکی گسترده و غلظت بالای بیومس (MLSS) ناشی می شود، تحمل می کند. بیوراکتورهای غشایی از دو قسمت اصلی واحد بیولوژیکی (تجزیه بیولوژیکی) و مدول غشا (جداکننده فیزیکی پساب از بیومس تصفیه شده) تشکیل شده اند. مهمترین ساختارهای مدول غشایی عبارتند از: الیاف توخالی و مارپیچی، مدول های لوله ای، صفحه و قاب.

کاربرد بیوگاز
– یک منبع انرژی برای تولید برق
– تولید حرارت مناسب
– به عنوان سوخت موتورهای درون سوز
– به عنوان ماده اولیه مناسب در سنتز فرآورده های شیمیایی
– متان ماده اولیه برای تهیه استیلن ، متانول ٬ آمونیاک
– متان خالص تهیه شده از هضم بی هوازی به عنوان سوخت برای پیل سوختی

– تهیه کریستالهای ویتامین B-12 از مایع تخمیرشده داخل هاضم
متان موجود در بیوگاز در حرارت بالا تحت واکنش کلراسیون انواع کلرومتان راتولید می کند که ماده اولیه مهمی در صنعت می باشد :

مونوکلرومتان : در ساخت حشره کش ها و سیلیکانهای آلی و به عنوان یک حلال مناسب در سنتزهای آلی

دی کلرومتان : ماده اولیه مهمی برای ساخت پاک کننده ها ٬ فلیم های عکاسی و سینمایی و حلال بسیار مهمی در صنایع سنتزی شیمیایی

تری کلرومتان : ماده اولیه صنایع تولید پلاستیک ،پلی تترا فلوئور و اتیلن و آنتی بیوتیک بوده و از قدیم به عنوان دارو بیهوشی مورد استفاده قرار می گرفته

اثرات زیست محیطی بیوگازها
1- جلوگیری از افزایش گازهای گلخانه ای
2- حفظ جنگلها و مراتع و جلوگیری از توسعه محل های دفن زباله
3- از بین بردن عوامل بیماریزا و تخم علف های هرز
4- از بین بردن میکروارگانسیم های روده ای در خلال هضم بیهوازی
اثرات اقتصادی استفاده از بیوگاز
1- ایجاد درآمد از طریق فروش انرژی ( بیوگاز، برق٬ حرارت ) ، کودآلی و آب قابل استفاده در کشاورزی و توسعه فضای سبز .
2- تصفیه مواد زائد جامد بدون هزینه های درازمدت بعدی نظیر آلودگی آب وخاک .
3- بهینه سازی خاک و بهره وری در کشاورزی بدلیل استفاده از کودآلی و اثرات درازمدت آن در اصلاح ساختار خاک و حاصلخیزی آلی .
4- استحصال مواد قابل بازیافت همراه زباله های آلی ( فلز ٬ شیشه ، کاغذ و پلاستیک ) و فروش آنها به صنایع بازیافت.
5- جلوگیری از توسعه محلهای دفن زباله و کاهش هزینه های مربوطه
6- کاهش مصرف کود شیمیایی به خاطر تولید کود آلی و کاهش تقاضا برای سموم دفع آفات و علف های هرز
7- کاهش تقاضا برای سوخت های فسیلی
8- دستیابی به فناوری ساخت نیروگاههای بیوگازی کشور .
اثرات اجتماعی استفاده از بیوگاز
1- ایجاد اشتغال در بخش بازیافت و همچنین در قسمت نیروگاه های بیوگازی .
2- بهینه سازی وضعیت بهداشتی به خصوص برای افرادی که بیشتر با زباله در ارتباط هستند .
3- بهینه سازی وضعیت شهرها ونمای خیابانها .
4- بهبود وضعیت کشاورزی به دلیل دسترسی محلی به کود آلی غنی شده وعاری از عوامل بیماریزا .
5- کنترل آلودگیهای زیست محیطی ٬حذف بوهای مشمئزکننده وکنترل مگس ، جانوران و حشرات موذی در حاشیه شهرها .

20