بسم الله الرحمن الرحیم
عنوان پروژه:
مراحل طراحی و ساخت یک واحد دستگاه بیوگاز و آزمایش آن با کود حیوانی
چکیده
در این تحقیق عوامل موثر در طراحی، ساخت و کابرد یک واحد بیوگاز مورد بررسی قرار گردیده و پس از ساخت و تکمیل آن با کود آلی مورد آزمایش قرار گرفته تا صحت کار دستگاه مشخص گردد. در این راستا ابتدا کلیه عوامل محیطی تاثیر گذار در طراحی و ساخت یک رآکتور بیوگاز بررسی گردید. سپس رآکتور و کلیه تجهیزات جانبی آن توسط نرم افزار SolidWorks و AutoCad طراحی گردید. در مرحله بعد با استفاده از طرحهای بدست آمده، رآکتور بیوگاز ساخته شد. پس از اتمام طراحی و ساخت، رآکتور جهت آب بندی، گاز بندی و کنترل حرارتی مورد آزمایش قرار گرفت تا صحت کار آن مشخص گردد. بعد از تائید کارکرد، رآکتور ابتدا با کود بارگذاری شد و گاز تولید گردید. پس از پایان آزمایشها، بیوگاز تولیدی با دستگاه تست گاز تجزیه گردید و در نهایت نتایج مورد تحلیل و بررسی قرار گرفت.
کلمات کلیدی: بیوگاز، رآکتور، کنترل حرارتی، طراحی.
1- بررسی منابع 5
1-1- تعریف بیوگاز 5
1-2- منابع تولید بیوگاز 6
1-3- نحوه تولید بیوگاز 7
1-4- اصول هضم بی هوازی در تولید بیوگاز 8
1-5- مراحل شیمیائی تخمیر مواد آلی (شامل چربیها، هیدراتهای کربن و پرتئین ها) 12
1-5-1- تخمیر چربیها 12
1-5-2- تخمیر هیدراتهای کربن 12
1-5-3- تخمیر پرتئینها 13
1-6- پارامترهای موثر بر فرآیند هضم بیهوازی 13
1-6-1- درجه حرارت محیط تخمیر 14
1-6-2- اسیدیته ((PH 16
1-6-3- میزان حضور مواد مغذی در محیط (C/N) 16
1-6-4- درجه غلظت مواد 17
1-6-5- میزان حضور عوامل سمی 17
1-6-6- مدت زمان ماند مخلوط در مخزن هضم 18
1-6-7- همزدن محتویات مخزن هضم و هموژنیزه کردن محتویات 19
1-6-8- آماده سازی مواد خام قبل از بارگیری 20
1-6-9- وجود مواد تسریع کننده واکنش 21
1-6-10- اصلاح و تغییر در طراحی دستگاه بیوگاز 21
1-6-11- مواد افزودنی شیمیائی 21
1-6-12- تغییر دادن نسبت خوراک دستگاه 21
1-6-13- محیط بیهوازی (بسته) 22
1-7- انواع روشهای بارگذاری مخازن هضم: 22
1-7-1- سیستم پیوسته: 22
1-7-2- سیستم نیمه پیوسته: 22
1-7-3- سیستم ناپیوسته: 22
1-8- جمع آوری بیوگاز تولیدی: 23
1-9- بیوگاز و کود حاصل از آن: 24
1-10- ساختار کلی دستگاه تولید بیوگاز: 24
1-10-1- حوضچه ورودی: 24
1-10-2- حوضچه خروجی: 25
1-10-3- مخزن تخمیر: 25
1-10-4- محفظه گاز: 26
1-11- مهمترین طرحهای بیوگاز ساخته شده در جهان: 28
1-11-1- دستگاه بیوگاز عمودی 28
1-11-2- دستگاه بیوگاز افقی 30
1-11-3- دستگاه بیوگاز مشترک 31
1-11-4-دستگاه بیوگاز مدل چینی (قبه ثابت) 32
1-11-5- دستگاه بیوگاز مدل فرانسوی 34
1-11-6- دستگاه بیوگاز با لولههای چرمی 35
1-11-7-دستگاه بیوگاز با مخزن پلی اتیلنی 37
1-11-8- دستگاه بیوگاز با سرپوش شناور (مدل هندی): 37
1-11-9- دستگاه بیوگاز مدل تایوانی (واحدهای بالونی): 39
1-11-10- دستگاه بیوگاز مدل نپال: 40
1-12 -مروری بر مطالعات انجام شده 40
2- مواد و روشها 49
2-1- مراحل ساخت واحد بیوگاز با تمام جزئیات آن: 49
2-1-1- انتخاب مکان ساخت واحد بیوگاز 49
2-1-2- بررسی شرایط جوی 51
2-1-3- بررسی شرایط خاک منطقه 51
2-1-4- بررسی مواد آلی مورد نیاز 52
2-1-4-1- کود مرغی 52
2-1-4-2- کود بلدرچین 52
2-2- طراحی و ساخت اتاقک عایق: 53
2-2-1- طراحی اتاقک عایق 53
2-2-2- ساخت اتاقک عایق 53
2-2-3- دریچه خروجی: 54
2-3- مراحل طراحی و ساخت مخزن هضم دستگاه: 55
2-3-1- طراحی مخزن هضم: 55
2-3-2- ساخت دستگاه: 57
2-3-2-1- انتخاب مخزن هضم: 58
2-3-2-2- لوله ورودی: 58
2-3-2-3- لوله خروجی: 59
2-3-2-4- فشار سنج: 61
2-3-2-5- طراحی المنتها: 62
2-3-2-6- PH متر: 66
2-4- عایق کاری مخزن هضم 66
2-5- تست رآکتور 67
2-5-1- تست دستگاه با آب برای اطمینان از آب بندی بودن: 67
2-5-2- تست صحت کار المنتها: 68
2-5-3- تست گازبندی مخزن: 68
2-6- مشخصات دستگاه تست گاز: 70
2-6-1- دستگاه آنالایزر گاز ساخت کمپانی Testo آلمان 70
2-7- معرفی شبکه عصبی 71
2-8- شبکه عصبی مصنوعی 71
2-8-1- شبکه پس انتشار پیش خور (FFBP) : 76
2-8-2- شبکه های پس انتشار پیشرو (CFBP): 76
2-8-3- الگوریتم لونبرگ- مارکوارت (LM) 77
2-8-4- الگوریتم تنظیم بیزی (BR) 77
2-8-5- مجذور میانگین مربعات خطا 78
2-8-6- خطای میانگین مطلق 78
2-8-7- ضریب تعیین (همبستگی) 78
2-9- انجام آزمایش: 79
3- نتایج 81
3-1- ساخت رآکتور 81
3-2- آزمایش کود مرغی در دمای 35 درجه سانتیگراد 83
3-2-1- بررسی اثر دما بر حجم بیوگاز تولیدی از کود مرغی 84
3-2-2- بررسی اثر دما بر روی فشار بیوگاز کود مرغی 85
3-2-3- بررسی اثر PH بر روی تولید بیوگاز کود مرغی 86
3-3- آزمایش کود مرغی در دمای 30 درجه سانتیگراد 87
3-3-1- بررسی اثر دما بر حجم بیوگاز تولیدی از کود مرغی 87
3-3-2- بررسی اثر دما بر روی فشار بیوگاز کود مرغی 87
3-3-3- بررسی اثر PH بر روی تولید بیوگاز کود مرغی 88
3-4- آزمایش کود بلدرچین در دمای 35 درجه سانتیگراد 89
3-4-1- بررسی اثر دما بر روی حجم بیوگاز تولیدی از کود بلدرچین 90
3-4-2- بررسی اثر دما بر روی فشار بیوگاز کود بلدرچین 91
3-4-3- بررسی اثر PH بر روی تولید بیوگاز کود بلدرچین 92
3-5- آزمایش با کود بلدرچین در دمای 30 درجه سانتیگراد 93
3-5-1- بررسی اثر دما بر روی حجم بیوگاز تولیدی از کود بلدرچین 93
3-5-2- بررسی اثر دما بر روی فشار بیوگاز تولیدی از کود بلدرچین 94
3-5-3- بررسی اثر PH بر روی تولید بیوگاز کود بلدرچین 95
3-6- بررسی و مقایسه پارامترهای کود مرغی و بلدرچین در دمای مشخص 96
3-6-1- مقایسه حجم گاز تولیدی کود مرغی و بلدرچین در دمای 35 درجه سانتی گراد 96
3-6-2- مقایسه فشار گاز تولیدی کود مرغی و بلدرچین در دمای 35 درجه سانتی گراد 97
3-6-3- مقایسه PH گاز تولیدی کود مرغی و بلدرچین در دمای 35 درجه سانتی گراد 98
3-6-4- مقایسه حجم گاز تولیدی کود مرغی و بلدرچین در دمای 30 درجه سانتی گراد 99
3-6-5- مقایسه فشار گاز تولیدی کود مرغی و بلدرچین در دمای 30 درجه سانتی گراد 100
3-6-6- مقایسه PH گاز تولیدی کود مرغی و بلدرچین در دمای 30 درجه سانتی گراد 101
3-7- بررسی و مقایسه پارامترها در دو دمای 30 و 35 درجه سانتی گراد 102
3-7-1- مقایسه حجم گاز تولیدی کود مرغی در دمای 30 و 35 درجه سانتی گراد 102
3-7-2- مقایسه فشار گاز تولیدی کود مرغی در دمای 30 و 35 درجه سانتی گراد 103
3-7-3- مقایسه PH گاز تولیدی کود مرغی در دمای 30 و 35 درجه سانتی گراد 104
3-7-4- مقایسه حجم گاز تولیدی کود بلدرچین در دمای 30 و 35 درجه سانتی گراد 105
3-7-5- مقایسه فشار گاز تولیدی کود بلدرچین در دمای 30 و 35 درجه سانتی گراد 106
3-7-6- مقایسه PH گاز تولیدی کود بلدرچین در دمای 30 و 35 درجه سانتی گراد 107
3-8- نتایج شبکه عصبی 108
3-8-1- بررسی نتایج شبیه سازی در شبکه عصبی برای کود مرغی 109
3-8-1-1- بررسی فشار گاز در آزمایش کود مرغی 109
3-8-1-2- بررسی ph گاز در آزمایش کود مرغی 111
3-8-1-3- بررسی حجم گاز در آزمایش کود مرغی 114
3-8-2- بررسی نتایج شبیه سازی در شبکه عصبی برای کود بلدرچین 116
3-8-2-1- بررسی فشار گاز در آزمایش کود بلدرچین 116
3-8-2-2- بررسی ph گاز در آزمایش کود بلدرچین 118
3-8-2-3- بررسی حجم گاز در آزمایش کود بلدرچین 121
4- منابع: 125
شکل 1-1 چرخه بیوگاز در طبیعت 7
شکل 1-2- دستگاه بیوگاز 7
شکل 1-3- فرآیند تولید گاز در مخزن هضم 9
شکل 1-4- مراحل مختلف تبدیل مواد آلی به بیوگاز 13
شکل 1-5- رآکتور بیوگاز به همراه همزن 20
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 27
شکل 1-7- مخزن ذخیره گاز فایبرگلاس 27
شکل 1-8- بالنهای ذخیره بیوگاز 28
شکل 1-9- دستگاه بیوگاز عمودی 29
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 30
شکل 1-11- دستگاه بیوگاز مشترک 32
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 33
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 35
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 36
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 37
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. 38
شکل 1-17- دستگاه بیوگاز مدل تایوانی 39
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 40
شکل 2-1- نقشه اتاقک عایق، مخزن هضم و گودال کودابه 53
شکل 2-2- مراحل ساخت اتاقک عایق و گودال ذخیره کودابه خروجی 54
شکل 2-3- طراحی مخزن هضم با استفاده از نرم افزار اتوکد 57
شکل 2-4- مخزن هضم پلی اتیلنی 58
شکل 2-5- لوله ورودی و لوله خروجی 59
شکل 2-6- الف- لوله خروج کودابه ب- مخزن هضم و لولههای ورودی و خروجی 60
شکل 2-7- لوله دو شاخه برای خروج گاز و نصب فشار سنج 61
شکل 2-8- مدار الکتریکی المنتهای حرارتی 63
شکل 2-9- طراحی قاب المنتهای حرارتی 63
شکل 2-10- المنتهای حرارتی در قاب فلزی قرار گرفتهاند. 64
شکل 2-11- الف- تابلوی برق، ب- کلیدهای کنترل کننده المنتها 65
شکل 2-12- ترموستات 65
شکل 2-13- الف- محلول های بافر ب- PH متر 66
شکل 2-14- عایقکاری رآکتور 67
شکل 2-15- دستگاه تست گاز 70
شکل 2-16- مدل ریاضی ساده شده عصب واقعی 72
شکل 2-17- پرسپترون 3لایه با اتصالات کامل 73
شکل 3-1- نمودار حجم- زمان کود مرغی در دمای35 85
شکل 3-2- نمودار فشار- زمان کود مرغی در دمای35 86
شکل 3-3- نمودار PH- زمان کود مرغی در دمای35 86
شکل 3-4- نمودار حجم- زمان کود مرغی در دمای30 87
شکل 3-5- نمودار فشار- زمان کود مرغی در دمای30 88
شکل 3-6- نمودار PH- زمان کود مرغی در دمای30 89
شکل 3-7- نمودار حجم- زمان کود بلدرچین در دمای35 91
شکل 3-8- نمودار فشار- زمان کود بلدرچین در دمای35 92
شکل 3-9- نمودار PH – زمان کود بلدرچین در دمای35 93
شکل 3-10- نمودار حجم- زمان کود بلدرچین در دمای30 94
شکل 3-11- نمودار فشار- زمان کود بلدرچین در دمای30 95
شکل 3-12- نمودار PH – زمان کود بلدرچین در دمای30 96
شکل 3-13- نمودار حجم – زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای35 97
شکل 3-14- نمودار فشار – زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای35 98
شکل 3-15- نمودار PH – زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای35 99
شکل 3-16- نمودار حجم- زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای30 100
شکل 3-17- نمودار فشار- زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای30 101
شکل 3-18- نمودار PH – زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای30 102
شکل 3-19- نمودار حجم گاز تولیدی کود مرغی در دمای 30 و 35 103
شکل 3-20- نمودار فشار گاز تولیدی کود مرغی در دمای 30 و 35 104
شکل 3-21- نمودار PH کود مرغی در دمای 30 و 35 105
شکل 3-22- نمودار حجم گاز تولیدی کود بلدرچین در دمای 30 و 35 106
شکل 3-23- نمودار فشار گاز تولیدی کود بلدرچین در دمای 30 و 35 107
شکل 3-24- نمودار PH کود بلدرچین در دمای 30 و 35 108
شکل 3-25- نمودار تعیین عملکرد شبکه برای فشار کود مرغی 109
شکل 3-26- نمودار آموزش و اعتبار سنجی داده های فشار گاز کود مرغی 110
شکل 3-27- نمودار تست داده های فشار کود مرغی 111
شکل 3-28- نمودار تعیین عملکرد شبکه برای PH کود مرغی 112
شکل 3-29 – نمودار آموزش و اعتبار سنجی داده های PH کود مرغی 113
شکل 3-30- نمودار تست داده هایPH کود مرغی 113
شکل 3-31- نمودار تعیین عملکرد شبکه برای حجم گاز کود مرغی 114
شکل 3-32- نمودار آموزش و اعتبار سنجی داده های حجم کود مرغی 115
شکل 3-33- نمودار تست داده های حجم گاز کود مرغی 116
شکل 3-34- نمودار تعیین عملکرد شبکه برای فشار گاز کود بلدرچین 117
شکل 3-35- نمودار آموزش و اعتبار سنجی داده های فشار گاز کود بلدرچین 118
شکل 3-36- نمودار تست داده های فشار گاز کود بلدرچین 118
شکل 3-37- نمودار تعیین عملکرد شبکه برایPH کود بلدرچین 119
شکل 3-38- نمودار آموزش و اعتبار سنجی PH کود بلدرچین 120
شکل 3-39- نمودار تست داده های PH کود بلدرچین 121
شکل 3-40- نمودار تعیین عملکرد شبکه برای حجم گاز کود بلدرچین 122
شکل 3-41- نمودار آموزش و اعتبار سنجی حجم گاز کود بلدرچین 123
شکل 3-42- نمودار تست داده های تست برای حجم گاز کود بلدرچین 123
جدول 1-1- ترکیبات موجود در بیوگاز 5
جدول 1-2- جدول فرآیندهای مختلف تبدیل زیست توده به بیوگاز 11
جدول 1-4- محدودههای درجه حرارت در تخمیر بیهوازی 15
جدول 1-4- نمودار مدت زمان ماند مواد در داخل رآکتور 19
جدول 3-1- مقایسه دستگاه بیوگاز نوع مخزن بتونی (مدل چینی) با مخزن پلی اتیلنی 82
جدول 3-2- تجزیه بیوگاز کود مرغی 84
جدول 3-3- تجزیه بیوگاز کود بلدرچین 90
جدول 3-4- تعیین عملکرد شبکه برای مقادیر فشار 110
جدول 3-5- تعیین عملکرد شبکه برای مقادیر PH 112
جدول 3-6- تعیین عملکرد شبکه برای مقادیر حجم 115
جدول 3-7- تعیین عملکرد شبکه برای مقادیر فشار 117
جدول 3-8- تعیین عملکرد شبکه برای مقادیر PH 119
جدول 3-9- تعیین عملکرد شبکه برای مقادیر حجم 122
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). 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).
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.
فصل اول
بررسی منابع
1- بررسی منابع
1-1- 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).
1-2- 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
1-3- 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
1-4- 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
1-5- مراحل شیمیائی تخمیر مواد آلی (شامل چربیها، هیدراتهای کربن و پرتئین ها)
1-5-1- 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.
1-5-2- 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
1-5-3- 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
1-6- 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:
1-6-1- 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)
1-6-2- 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.
1-6-3- 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).
1-6-4- 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).
1-6-5- 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).
1-6-6- 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
1-6-7- 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
1-6-8- 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).
1-6-9- 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).
1-6-10- 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).
1-6-11- 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).
1-6-12- 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).
1-6-13- 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).
1-7- 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:
1-7-1- 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.
1-7-2- 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.
1-7-3- 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.
1-8- 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.
1-9- 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.
1-10- 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:
1-10-1- 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).
1-10-2- 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).
1-10-3- 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).
1-10-4- 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
1-11- 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:
1-11-1- 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.
1-11-2- 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.
1-11-3- 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:
1-11-4- 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).
1-11-5- 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.
1-11-6- 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).
1-11-7- 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
1-11-8- 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.
1-11-9- 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).
1-11-10- 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.
1-12- 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).
فصل دوم
مواد و روشها
2- مواد و روشها
تاکنون انواع مختلفی از دستگاه های بیوگاز به صورت تک سایتی در نواحی مختلف ایران و اکثراً در مناطق روستایی ساخته شدهاند. با توجه به اقلیمهای مختلف ایران ساختار بیشتر این سایتها با یکدیگر فرق میکند. با توجه به اینکه این پروژه در استان همدان اجرا گردید. بنابراین میبایست سیستمی طراحی و ساخته شود که بتواند در مناطق سرد تولید گاز نماید. اصولاً سیستمهای بیوگاز را بایستی در زیر زمین ساخت؛ ولی از آنجائیکه آب و هوای همدان در زمستان بسیار سرد میگردد، لذا قرار دادن مخزن هضم در خاک نمیتواند دمای هضم مناسبی را برای دستگاه فراهم کند. از این رو تصمیم بر آن شد تا مخزن هضم در داخل اتاقک عایق ساخته شود و در درون مخزن هضم از المنت حرارتی استفاده گردد. در این فصل مراحل مختلف طراحی و ساخت دستگاه شرح داده می شود.
2-1- مراحل ساخت واحد بیوگاز با تمام جزئیات آن:
2-1-1- انتخاب مکان ساخت واحد بیوگاز
برای ساخت یک واحد تولید بیوگاز بایستی مکان ساخت آن بدقت مطالعه گردد. معمولاً تاسیسات تولید بیوگاز را در زیر زمین و با مصالحی از قبیل آجر، سیمان و آهن و یا مصالح بومی میسازند. اولین مرحله برای تاسیس سیستم بیوگاز مطالعه دقیقی از شرایط آب و هوائی، خاک و سطح آبهای زیرزمینی میباشد. برای حصول اطمینان از کار دستگاه و انتخاب مکان مناسب آن باید جایی را انتخاب کرد که خاک آن نفوذ ناپذیر و سفت بوده و سفره آب زیرزمینی یا بسیار عمیق و یا خیلی کم حجم باشد. کارایی یک مخزن هضم بستگی زیادی به مکان ساخت دستگاه دارد. بنابراین قبل از ساخت دستگاه بایستی در باره موارد زیر بهترین تصمیمات اتخاذ گردد (شیخ الاسلامی، 1375):
– حرارت محیط ( شب و روز – زمستان و تابستان)
– سطح آبهای زیر زمینی
– نوع مواد اولیه مورد تجزیه
– مقدار مواد اولیه مورد تجزیه
– وجود آب
– امکانات موجود برای تهیه مصالح
– امکانات تهیه انرژی
– وضعیت بهداشتی
– نحوه نگهداری حیوانات اهلی
– نوع کشاورزی
و اطلاعات دیگر…
همچنین در ساخت یک واحد بیوگاز رعایت نکات زیر ضروری میباشد:
– محل ساخت حتی الامکان نزدیک درخت نباشد، که ریشه درخت بتواند به داخل مخزن نفوذ کرده و باعث ترک برداشتن و یا شکستن آن شود.
– تا آنجا که امکان دارد در مسیر تابش مستقیم اشعه خورشید واقع شود. و همچنین از مناطقی استفاده گردد که دارای ارتفاع کم باشد؛ به منظور جلوگیری از خطر احتمالی سیل.
– میتوان مخزن و چاه توالت یا طویله را به یکدیگر متصل نمود. و یا مخزن را به طور مستقیم زیر طویله قرارداد. این عمل باعث سهولت عملیات و تغذیه دستگاه و تمیز نگه داشتن توالتها و اصطبلها میگردد.
– به طور کلی محل انتخاب باید دارای شرایط مناسبی برای بنا نهادن مخزن باشد.
– برای عملکرد آسانتر دستگاه و برای اجتناب از اتلاف و ضایع کردن مواد خام مخصوصاً کود، دستگاه بایستی تا جائی که امکان دارد به اصطبل گله، مواد اولیه و آب نزدیک باشد. اگر نزدیکترین منبع آب در مسافتی بیش از 20 دقیقه راه رفتن باشد هزینه و مسئولیت آوردن آب خیلی سنگین میشود.
– اگر طول لوله گاز زیاد باشد هزینه افزایش خواهد یافت. به علاوه، لوله درازتر خطر نشت گاز را به علت به کار رفتن اتصالات بیشتر در آن افزایش میدهد. شیر اصلی گاز بایستی قبل و بعد از استفاده، باز و بسته شود بنابراین، دستگاه باید در نزدیکترین مکان ممکن به محل استفاده نصب گردد.
– لبه فونداسیون دستگاه بایستی حداقل دو متر از خانهها و هر ساختمان دیگر به منظور اجتناب از آسیب فاصله داشته باشد.
– محل قرار گیری دستگاه برای محافظت آب از آلودگی بایستی حداقل 10 متر از دیوار یا دیگر منابع آب زیر زمینی فاصله داشته باشد.
2-1-2- بررسی شرایط جوی
برای احداث دستگاه بیوگاز بایستی شرایط آب و هوائی منطقه بدقت بررسی گردد و با توجه به اقلیم آن منطقه دستگاه را طوری طراحی کرد که در آن شرایط بتواند تولید گاز نماید. در واقع نوع و شرایط آب و هوائی مناطق یک فاکتور مهم در طراحی و ساخت دستگاه بیوگاز میباشد. برای این منظور مکان ساخت دستگاه که مزرعه عباس آباد بود به دقت مورد مطالعه قرار گرفت. این مزرعه که از لحاظ جغرافیائی در جنوب دانشگاه بو علی سینا قرار دارد و با توجه به اینکه در جای مرتفعتری نسبت به شهر همدان قرار دارد و به کوه الوند نزدیک میباشد؛ لذا دارای اقلیمی سرد میباشد به گونهای که هوای این منطقه در طول سال حدود 5 الی 12 درجه سانتیگراد نسبت به هوای شهر همدان سردتر میباشد و حتی در زمستان اختلاف دما خیلی بیشر از این مقدار نیز میباشد؛ بنابراین دستگاه بیوگاز برای فراهم کردن محیط گرم و تولید گاز احتیاج به عایق حرارتی مناسب و همچنین وسایل گرم کننده جانبی نظیر المنت حرارتی دارد.
2-1-3- بررسی شرایط خاک منطقه
همچنین بررسیها مشخص کرد که بافت خاک منطقه عباس آباد از نوع شنی، مرطوب و سرد میباشد. به گونهای که حتی در زمستانها خاک این منطقه بسیار سرد و منجمد میباشد. از این رو این خاک نمیتواند گرمای لازم برای واکنش دستگاه را فراهم نماید و برای قرار دادن مخزن هضم زیر سطح خاک مناسب نبوده و دمای مخزن هضم را به شدت پائین میآورد. همچنین قرار دادن دستگاه بیوگاز به صورت معمول در خاک احتیاج به گودال عمیقتر و همچنین عایقکاری پر هزینه داشت که این کارها مقرون به صرفه نبوده و از طرفی این واحد تولیدی میبایستی طوری ساخته میشد تا کارهای آزمایشی و بررسی عوامل موثر در تولید گاز به طور مداوم بررسی میگردید؛ بنابراین تصمیم بر آن شد که مخزن هضم درون اتاقک عایق و بر روی سطح خاک ساخته شود تا علاوه بر کنترل دما، PH، فشار و دیگر عوامل موثر بر انجام آزمایش، دستگاه با خاک سرد و مرطوب تماس کمتری حاصل کند و فعالیت میکرو ارگانیسمهای متان ساز متوقف نگردد. همچنین برای فراهم آوردن دمای مناسب هضم، المنت حرارتی طراحی و داخل مخزن نصب گردید.
2-1-4- بررسی مواد آلی مورد نیاز
در مزرعه عباس همدان حدود 40 راس گوسفند، دو راس گاو، یک مرغداری 2000 قطعهای مرغ گوشتی، یک مرغداری 400 قطعهای مرغ تخمگذار و یک اتاق پرورش بلدرچین با 500 قطعه بلدرچین برای کارهای تحقیقاتی موجود میباشد که برای انجام پروژه حاضر از فضولات مرغ تخمگذار و بلدرچین استفاده گردید.
در ادامه ویژگیها ومشخصات این دو نوع مرغ بررسی خواهد شد.
2-1-4-1- کود مرغی
همانطور که بیان شد دستگاه بیوگاز بایستی حتی الامکان به مواد مورد نیاز قابل هضم نزدیک باشد تا تولید گاز راحت و مقرون به صرفه باشد. بنابراین سعی بر آن شد تا رآکتور مذکور نزدیک اسطبل و مرغداری ساخته شود. هم اکنون در مرغداری مزرعه عباس آباد بیش از 400 قطعه مرغ تخم گذار سفید نژاد های – لاین w-36 در حال پرورش میباشند که روزانه حدود 8 تا 13 کیلوگرم کود تولید میکنند. این مقدار کود تولیدی برای تغذیه یک دستگاه دو متر مکعبی کافی میباشد که دو برابر نیاز دستگاه مورد آزمایش این پروژه میباشد. لازم به ذکر است که فاصله این مرغداری تا دستگاه تولید گاز حدود 55 متر میباشد. پروتئین مورد استفاده این مرغها در خوراک روزانه از حدود 60/14 تا 18 % متغیر میباشد.
2-1-4-2- کود بلدرچین
همچنین در این پروژه از کود بلدرچین برای تولید گاز و آزمایش استفاده گردید. بلدرچینهای موجود در مزرعه آموزشی عباس آباد از نژاد……….میباشند. تعداد این بلدرچینها حدود….. قطعه میباشد. فاصله دستگاه بیوگاز تا محل پرورش بلدرچینها حدود 35 متر میباشد. همچنین پروتئین مورد استفاده در خوراک روزانه این مرغها از حدود 17 تا 20 % متغیر است.
2-2- طراحی و ساخت اتاقک عایق:
همان طور که قبلاً ذکر گردید ساختمان دستگاه بیوگاز بطور کلی از دو قسمت محفظه تخمیر و محفظه گاز تشکیل شده است که محفظه تخمیر برای نگهداری مواد اولیه بر اساس ظرفیت دستگاه و مقدار مواد اولیه ساخته می شود و محفظه گاز مخزنی است که جهت نگهداری گاز از آن استفاده میشود. در این پروژه بعد ازشناسائی محل و تعیین مکان مناسب برای استقرار دستگاه، طراحی و ساخت اتاقک عایق با توجه به اندازه و مشخصات مخزن هضم آغاز گردید تا مخزن هضم درون آن قرار گیرد. ساخت اتاقک عایق شامل دو مرحله اساسی بود: طراحی و ساخت دستگاه.
2-2-1- طراحی اتاقک عایق
پس از تعیین مکان ساخت دستگاه با استفاده از نرم افزار اتوکد اتاقک عایق طراحی گردید. در این مرحله با استفاده از دادههائی که از ابعاد مخزن و لوله کشیهای مورد نیاز بدست آمده بود اتاقک در محیط اتوکد طراحی شد.
شکل 2-1- نقشه اتاقک عایق، مخزن هضم و گودال کودابه
2-2-2- ساخت اتاقک عایق
پس از آنکه طراحی اتاقک عایق به پایان رسید، ساخت دستگاه آغاز گردید. در ساختمان اتاقک عایق از ملات ماسه/ سیمان و آجر استفاده شد. در این پروژه اتاقک عایق با طول 5/2 متر، عرض 2 متر و ارتفاع 2 متر (قطر دیوار20 سانتی متر) روی فونداسیونی با ارتفاع 40 سانتی متر ساخته شد. سقف این اتاقک با ایرانیت پوشانده شد. در جلو اتاقک عایق چاهک تخلیه کودابه با گنجایش 5/1 متر مکعب حفر گردید و با یک لوله از جنس pvc ورودی چاله به داخل اتاقک و به خروجی مخزن هضم وصل گردید (شکل 2-2).
2-2-3- دریچه خروجی:
در بیرون از اتاقک عایق و در فاصله سه متری از مخزن هضم، یک گودال به شعاع یک متر و قطر 5/1 متر به منظور منبع ذخیره کودابه خروجی از مخزن حفر گردید (شکل 2-2).
شکل 2-2- مراحل ساخت اتاقک عایق و گودال ذخیره کودابه خروجی
2-3- مراحل طراحی و ساخت مخزن هضم دستگاه:
2-3-1- طراحی مخزن هضم:
اصولاً طراحی دستگاه بیوگاز به آسانی دادههایی، که پیش از آغاز کار مهندسی به آنها نیاز بود، نیست. بلکه قبل از اقدام به هر عمل دیگری ابتدا بایستی از تمامی جوانب موضوع بررسی گردد. مخصوصاً، باید دربارهی موارد زیر اطلاعاتی جمع آوری گردد (دار59، 1987).
– نوع بستر ورودی
– کمیت بستر ورودی
– کیفیت بستر ورودی
– شرایط محلی
– مصرف گرما
– پاستوریزاسیون
– اتوماتیک سازی
براساس این دادهها، برای هر مزرعه فردی یا هر فرصت جداگانه، در مرحله اول باید مهندسی اساسی را پیاده سازی کرد که طراحی فنی اجمالی دستگاه را تثبیت کند. این کار شامل طراحی مهندسی در زمینه مناسبترین تکنولوژی فرآیند در هر مورد است. تکنولوژی فرآیند که اپراتور را قادر میسازد تا دستگاه بیوگاز را با بالاترین ثبات ممکن فرآیند، کنترل کند.
در محاسبات ابعاد مخزن تخمیر از اطلاعات موجود و رابطههای زیر استفاده میشود. (جواد شیخ الاسلامی، 1375).
با توجه به اینکه متوسط کود مرغی تولیدی در مرغداری مزرعه حدود 8 کیلوگرم در روز می باشد و زمان ماند این کود در درون رآکتور به منظور تولید اقتصادی گازدر دمای 30 درجه سانتی گراد حدود 60 روز می باشد. حجم مخزن تخمیر توسط مقدار مواد تخمیر یک روز و مقدار روزهائی که مواد تخمیر در دستگاه می ماند بدست می آید. برای مثال اگر مواد تخمیر کود گاوی باشد لازم است به اندازه هر لیتر کود یک لیتر آب به آن افزوده شود تا غلظت مناسب بوجود آید.پس مقدار روزانه مواد تخمیر مجموع کود وآب مخلوط شده می باشد. بنابراین برای تعیین حجم مناسب رآکتور داریم:
حجم مخزن تخمیر(VD)، تابعی از مقدار لجن ورودی (SD) و زمان ماند (RT) می باشد:
RT * VD = SD
SD = 8 kg + 8 litr = 16 litr
RT = 60 day
با توجه به اینکه به صورت مداوم روزانه 16 لیتر لجن وارد مخزن تخمیر خواهد شد، بنابراین خواهیم داشت:
VD = 16 litr ×60 day = 960litr
در نتیجه اندازه مخزن تخمیر (VD) برابر با 1 متر مکعب خواهد شد. با توجه به اینکه ظرفیت متعارف مخزن گاز (VG)، برای مصارف خانه های روستائی در کشورهای جهان سوم حدود 50 تا 60 درصد اندازه مخزن تخمیر می باشد، بنابراین خواهیم داشت:
VG = VD × 60%
VG = 960 litr × 60% = 576 litr
SD = مقدار مواد تخمیر به دست آمده در روز به لیتر و یا کیلوگرم
VD = حجم مخزن تخمیر
RT = زمان توقف مواد در مخزن تخمیر به روز
VG= حجم مخزن گاز
پس از بررسی موارد بالا و اتخاذ بهترین تصمیم و قبل از اینکه ساخت دستگاه اجرائی شود، لازم بود که کلیه مراحل ساخت آن بوسیله نرم افزار طراحی گردد تا با استفاده از آن بهتر بتوان دستگاه را ساخت. بنابراین بعد از آنکه کلیه شرایط ساخت و اندازهها مشخص گردید با استفاده از نرم افزار solid work و auto cad رآکتور طراحی گردید.
شکل 2-3- طراحی مخزن هضم با استفاده از نرم افزار اتوکد
2-3-2- ساخت دستگاه:
پس از آنکه رآکتور و اجزاء آن طراحی گردید و جایگاه و اندازه هر یک از لوله ها و اتصالات آن مشخص گردید ساخت دستگاه به صورت مرحله به مرحله شروع شد. ساخت دستگاه شامل مراحل زیر بود:
2-3-2-1- انتخاب مخزن هضم:
برای انجام این پروژه مخزنی از جنس پلی اتیلن سه لایه عمودی با گنجاش 1000 لیتر انتخاب گردید. این مخزن بصورت آماده از بازار تهیه گردید و پس از اندازه گذاری و برشکاری محل اتصالات لولهها به محل انجام پروژه انتقال یافت (شکل 2-4).
شکل 2-4- مخزن هضم پلی اتیلنی
2-3-2-2- لوله ورودی:
لوله ورود مواد از جنس pvc و با قطر 6 سانتی متر انتخاب گردید. یک طرف این لوله به مخزن هضم متصل گردید و طرف دیگر آن پس از عبور از دیوار اتاقک عایق به دریچه ورودی (مخزن ترکیب) متصل گردید. این لوله نیز همانند مخزن هضم با استفاده از پشم شیشه عایقبندی گردید تا اتلاف حرارت را به حداقل برساند (شکل 2-5).
شکل 2-5- لوله ورودی و لوله خروجی
2-3-2-3- لوله خروجی:
در این پروژه از دو خروجی استفاده گردید که یکی از آنها برای خروج مواد به صورت یک دفعه است. این خروجی برای مواقعی به کار می رود که دستگاه تحت بارگذاری غیر پیوسته میباشد. این خروجی دارای یک شیر است و در زیر مخزن قرار دارد که کودابه را به دریچه خروجی هدایت میکند. لوله خروجی دیگر شبیه به همه طرحهای رایج در طرف مقابل لوله ورودی نصب میگردد. لوله خروجی در نهایت به انباره و دریچه خروجی متصل میشود. همانطور که در شکل(2-5) دیده میشود طراحی لوله خروج کودابه، با طرحهای رایج تا حدودی فرق میکند. این نوع قرارگیری باعث میشود که لوله خروجی به طور مستقیم با دریچه خروجی رابطه نداشته باشد و اتلاف دما به حداقل برسد(شکل 2-6).
شکل 2-6- الف- لوله خروج کودابه ب- مخزن هضم و لولههای ورودی و خروجی
قطر لولههای ورودی و خروجی به اندازهای است که مواد آلی به راحتی به درون مخزن وارد و از آن خارج شود و در عین حال، طراحی آن به گونهای میباشد که دارای کمترین سطح باشد تا از اتلاف بیش از حد دمای مخزن جلوگیری گردد. مخزن توسط پایههائی از سطح زمین فاصله دارد. در زیر مخزن هضم یک شیر خروجی تعبیه شده است و کار آن تخلیه کود بصورت خیلی سریع میباشد که هنگام استفاده از دستگاه به صورت بارگیری غیر پیوسته بسیار کارساز میباشد. لوله خروجی مخزن هضم بر خلاف مدلهای دیگر (مدلهای رایج چینی و هندی) به طور مستقیم با دریچه خروجی ارتباط ندارد؛ بلکه در داخل اتاقک عایق طراحی گردیده است. این نوع قرارگیری لوله و دریچه خروجی باعث جلوگیری از اتلاف دما میگردد. در بالای مخزن یک لوله خروجی به صورت دو شاخه نصب گردید که یک شاخه آن برای خروج گاز تولیدی و انتقال آن به مکان مصرف و یک شاخه آن برای اتصال به لوله U شکل، برای اندازهگیری فشار داخل مخزن میباشد (شکل 2-7).
شکل 2-7- لوله دو شاخه برای خروج گاز و نصب فشار سنج
همچنین در بالای مخزن هضم یک دریچه به قطر 5 سانتی متر برای نمونه برداری از دستگاه و اندازه گیری PH مواد داخل مخزن ایجاد گردید. درون این دریچه یک لوله، هم قطر دریچه با طول 50 سانتی متر قرا گرفت که یک سر آن بیرون مخزن و سر دیگر آن داخل مخزن و زیر سطح مواد آلی قرار گرفت تا گاز بندی گردد.
2-3-2-4- فشار سنج:
فشار گاز تولید شده، به طور روزانه با استفاده از فشار سنج لولهای (لولهU شکل) اندازه گیری میگردد. که معمولاً بین 7 تا 40 سانتی متر جابجائی آب میباشد. برای این منظور یک شیلنگ شفاف به قطر یک سانتی متر و طول 5/2 متر آماده گردید. یک سر این شیلنگ به یک شاخه از لوله دو شاخه بالای مخزن نصب گردید و کل این شیلنگ به صورتU شکل قوس خورد. سپس درون شیلنگ به ارتفاع 50 سانتی متر آب ریخته شد. سر دیگر شیلنگ که با هوای آزاد در تماس میباشد به دیوار عایق بسته شد. پس از آنکه سطح آب درون شیلنگ تراز گردید؛ سطح آب به عنوان نقطه صفر در نظر گرفته شد و با یک قلم اندازه گذاری گردید. سپس با استفاده از یک خط کش کل ارتفاع شیلنگ مدرج شد. به منظور جلوگیری از تبخیر آب و ایجاد خطا در اندازه گیری فشار، به سطح آب درون شیلنگ چند قطره روغن مایع اضافه گردید. باید دقت کرد که هنگام تعیین نقطه صفر روی شیلنگ بایستی درب مخزن باز باشد تا در تعیین سطح آب دچار خطا نشویم. فشار گاز تولید شده از طریق جابجایی رو به بالای آب اندازه گیری میگردد.
2-3-2-5- طراحی المنتها:
با توجه به اینکه اقلیم شهر همدان یک اقلیم سرد میباشد و اگر طبق معمول رآکتور درون زمین قرار میگرفت دمای مورد نیاز مخزن هضم تامین نمیگردید؛ بنابراین تصمیم بر آن شد که در ساخت دستگاه به منظور تامین حرارت لازم برای هضم مواد آلی از المنت حرارتی استفاده شود. برای تعیین نوع و تعداد المنتها از روش آزمون سعی و خطا استفاده شد. برای این منظور ابتدا یک المنت حرارتی با توان 500 وات در مخزن پر از آب مورد آزمایش قرار گرفت. پس از گذشت زمان، مشخص گردید که این المنت قادر نمیباشد بر تلفات حرارتی غلبه نماید و دمای مخزن به دمای مشخص نرسید. در مرحله دوم از دو المنت 500 واتی استفاده گردید. این بار توان 1000 وات توانست در یک زمان طولانی بر تلفات حرارتی غلبه نماید. در مرحله سوم توان مصرفی به 2000 وات افزایش یافت تا علاوه بر رساندن دما به دمای مورد نظر و غلبه بر تلفات حرارتی بتواند دما را در کوتاهترین زمان ممکن به میزان مورد نظر برساند و بازده آن افزایش یابد. لذا با توجه به حجم مخزن و میزان حرارت مورد نیاز به طوریکه بتوان در کمترین زمان ممکن و با صرف حداقل انرژی مصرفی دمای بهینه را تولید کرد، از چهار المنت 500 واتی استفاده گردید. در مرحله بعد مدار الکتریکی کنترل المنتها در اتوکد طراحی گردید (شکل).
شکل 2-8- مدار الکتریکی المنتهای حرارتی
پس از آنکه تعداد، نوع و اندازه المنتها مشخص گردید، با استفاده از نرم افزار سالید ورک، طراحی المنتها و آرایش قرارگیری آنها در درون مخزن انجام گرفت (شکل).
شکل 2-9- طراحی قاب المنتهای حرارتی
به این ترتیب 4 المنت حرارتی (500 واتی) به صورت موازی در یک قاب فلزی قرار گرفتند. از آنجائیکه مواد آلی ورودی به دستگاه در مراحلی از آزمایش به صورت اسیدی میباشند، یا بایستی جنس المنتها از نوع مقاوم در برابر خوردگی و ضد زنگ باشد و یا اینکه باید المنتها را درون مواد عایق جاسازی کرد. المنتهای به کار رفته در این پروژه از نوع استیل انتخاب گردید تا درون مخزن اکسیده نشود. همچنین برای اطمینان بیشتر قاب و المنتها توسط دو لایه ضد زنگ پوشانده شدند. در طراحی و ساخت قاب المنتها از 8 قطعه آهن مربع شکل 4*4 سانتی متری با ضخامت 2 سانتی متر که روی یک قاب فلزی 40*60 نصب گردیدند، استفاده شد. بدین ترتیب هر المنت از دو طرف درون دو قطعه فلزی جای میگیرد. درون هر قطعه فلز یک نیم کره به قطر 2 سانتی متر براده برداری شده است. هر المنت از انتها وارد این نیم کره میگردد و پس از اتصال با کابل مربوطه، درون نیم کره با استفاده از چسب حرارتی نسوز پر میگردد. تا از درز کردن آب به این اتصالها جلوگیری گردد. ارتفاع قاب المنتها به منظور جلوگیری از سوختن دیواره مخزن دارای ارتفاع 20 سانتی متری از کف مخزن میباشد. کل کابلهای متصل به المنتها پس از خروج از قاب فلزی به یک رشته تبدیل میشوند تا در کار ورود و خروج مواد درون مخزن و همزدن مواد ایجاد اختلال نگردد و علاوه بر آرایش منظم، با المنتها تماس حاصل نکنند که موجب سوختگی و جرقه گردد. این رشته پس از خروج از مخزن و عبور از کلیدهای کنترل کننده به منظور کنترل کار مخزن وارد دستگاه ترموستات میگردند. کلیه کلیدها، فیوز و دستگاه ترموستات درون تابلوی برق نصب میگردند.
شکل 2-10- المنتهای حرارتی در قاب فلزی قرار گرفتهاند.
دمای این المنتها توسط ترموستات کنترل میشود به گونهای که هنگام رسیدن دمای مخزن به دمای مشخص، اتصال المنتها بصورت خودکار توسط ترموستات قطع میگردد. در نتیجه دمای داخل مخزن در یک رنج مشخص و ثابت باقی میماند. در این پروژه، درجه حرارت کودابه به صورت روزانه از طریق سنسور حرارتی آن که درون مخزن هضم تعبیه شده است و نمایش دما توسط نمایشگر ترموستات خوانده و ثبت میشود. سنسور ترموستات به حرارت سنج دیجیتالی متصل میشود که حرارت کودابه را اندازه گیری مینماید.
شکل 2-11- الف- تابلوی برق، ب- کلیدهای کنترل کننده المنتها
شکل 2-12- ترموستات
2-3-2-6- PH متر:
از آنجائیکه که PH در تولید گاز متان بسیار موثر میباشد بنابراین لازم است تا PH مواد درون مخزن به صورت منظم اندازهگیری شود تا در صورت لزوم تغییرات لازم در مواد درون مخزن ایجاد گردد و تولید گاز تداوم داشته باشد. در این پروژه بصورت یک روز در میان از طریق دریچه نمونه گیری بالای مخزن مقداری از محتویات درون مخزن خارج گردید و با دستگاه PH متر تست شد. برای انجام تست ابتدا دستگاه با استفاده از سه نوع محلول بافر کالیبره گردید. به این روش که ابتدا پراب دستگاه را درون یک محلول وارد کرده (محلول اسید، باز یا خنثی) و عدد خروجی ثبت میگردد. این عدد به عنوان عدد مبنا در نظر گرفته میشود. به همین ترتیب برای دو نوع محلول دیگر نیز دو عدد ثبت میگردد و PH متر کالیبره میشود. برای گرفتن PH ابتدا باید نمونه را به مدت ربع ساعت تکان داد تا کاملاً یکنواخت گردد؛ سپس پراب دستگاه درون آن قرار میگیرد؛ در این حالت مقدار PH بر روی مانیتور دستگاه نمایش داده میشود.
شکل 2-13- الف- محلول های بافر ب- PH متر
2-4- عایق کاری مخزن هضم
به منظور کنترل بهتر دمای محیط هضم، تمام بدنه و لولههای ورودی و خروجی دستگاه، با استفاده از پشم شیشه عایق حرارتی گردیدند. همچنین برای کاهش تلفات حرارتی لوله خروجی طوری طراحی گردید که به طور مستقیم با مخزن خروجی رابطه نداشته باشد (شکل).
شکل 2-14- عایقکاری رآکتور
2-5- تست رآکتور
برای اطمینان از صحت کار دستگاه میبایست دستگاه مورد آزمایش قرار میگرفت. سه نوع تست بر روی دستگاه انجام گرفت: تست آببندی، تست گازبندی و تست کارآیی المنتها.
2-5-1- تست دستگاه با آب برای اطمینان از آب بندی بودن:
پس از آنکه کلیه مراحل طراحی و ساخت دستگاه تولید بیوگاز به پایان رسید و لولههای ورودی و خروجی در جای مناسب خود قرار گرفتند لازم بود قبل از شروع تستها صحت کار دستگاه مشخص گردد، بنابراین دستگاه مورد آزمایش قرار گرفت. اولین تستی که لازم بود بر روی دستگاه اجرا گردد، تست آب بندی اتصالات مخزن بود. همانطور که قبلا بیان شد دستگاه بیوگاز در طول سیکل کاری خود تحت فشارهای ناشی از گاز و مواد آلی درون مخزن قرار دارد؛ بنابراین لازم میباشد دستگاه از لحاظ نشت گاز و نشت آب بررسی و آزمایش گردد. برای این منظور مخزن به مقدار چهار پنجم از آب پر گردید. از آنجائیکه جنس لولهها از pvc بود و جنس مخزن از پلی اتیلن لذا هیچ چسبی قادر به اتصال این دو قطعه به هم نبود؛ بنابراین بنابراین تنها چاره کار جوش دادن لولهها به مخزن بود. برای این کار با یک هویه اتصالات بهم جوش داده شدند. پس از این کار برای اطمینان بیشتر روی موضع جوش یک لایه چسب سیلیکون مالیده شد و دستگاه مورد آزمایش قرار گرفت. پس از 48 ساعت آزمایش دستگاه، هیچ نشتیای در اتصالات مشاهده نگردید.
2-5-2- تست صحت کار المنتها:
دومین تستی که میبایست روی دستگاه ساخته شده انجام میگرفت تست کارائی المنتهای حرارتی بود. در واقع این تست باید بعد از آببندی مخزن هضم انجام میشد؛ زیرا المنتها میبایستی درون مخزن آب قرار گیرند و تا میزان مورد نظر، مخزن از آب پر باشد. بنابراین حدود چهار پنجم مخزن از آب پرگردید. در این حالت المنتها روشن گردیدند. همانطور که قبلاً هم بیان گردید تعداد المنتها چهار عدد بود که دو تا از آنها با ترموستات کنترل میگردید. هنگام شروع تست چهار تا المنت با هم روشن شدند تا مشخص گردد که آب مخزن ظرف چند ساعت به دمای مورد نظر(دمای 35 درجه سانتی گراد) خواهد رسید. از آنجائیکه رسیدن مواد درون مخزن به دمای کارکرد دستگاه در ابتدای آزمایش و تثبیت آن در فرآیند و واکنشهای مواد خیلی تاثیر گذار است، این زمان خیلی مهم بود. پس از گذشت حدوداً 18 ساعت دمای آب مورد آزمایش به 45 درجه سانتی گراد رسید و این یک زمان ایده آل برای کارکرد دستگاه بود. لازم به ذکر است که هیچ کدام از المنتها دچار اتصالی نگردید و صحت کار آنها بعد از گذشت چند ماه مورد تایید میباشد. پس از آنکه دمای مخزن به دمای مورد نظر رسید دو عدد از المنتها خاموش گردید و دو عدد المنت باقیمانده به ترموستات متصل بودند و با آن کنترل میگردیدند. در حالی که ترموستات روی دمای 35 درجه سانتی گراد تنظیم شده بود، دستگاه به مدت چند شبانه روز تحت آزمایش قرار گرفت تا مشخص شود تثبیت دمای دوره بارگذاری حاصل میگردد یا خیر؟ بعد از گذشت یک هفته دمای مخزن همچنان روی 35 درجه تنظیم بود؛ بنابراین صحت کارکرد سیستم حرارتی نیز مشخص گردید.
2-5-3- تست گازبندی مخزن:
برای تست گاز بندی دستگاه به کمپرسور احتیاج بود ولی با توجه به نبود این دستگاه در محل ساخت دستگاه، لازم گردید تا این تست در طول بارگذاری و کار دستگاه به عمل آید.
روش انجام آزمایش:
پس از آنکه مراحل ساخت دستگاه به اتمام رسید و برای اطمینان از صحت کار، دستگاه مورد آزمایش قرار گرفت و مسلم گردید دستگاه به لحاظ آببندی و کارآیی سیستم کنترل حرارتی در شرایط ایده آلی قرار دارد، مخزن به منظور تولید گاز بارگذاری گردید. مراحل انجام آزمایش به شرح زیر میباشد: آزمایشات از تاریخ 2/4/91 شروع شد. در این تاریخ حدود 190 کیلوگرم کود تازه مرغ فراهم گردید و قبل از اینکه به داخل مخزن هضم ریخته شود با توجه به تحقیقات و تجربیات در ایران و کشورهایی که قبلاً این آزمایشات در آنها صورت گرفته، اولین مسئلهای که می بایست رعایت میشد، مخلوط کردن این کود با میزان دقیقی از آب بود که برای این کار هم حجم کود، آب فراهم گردید و با نسبت یک به یک این دو را با هم مخلوط کرده و پس از خوب همزدن مواد، از طریق لوله ورودی به درون مخزن هضم ریخته شد. سپس المنتها روشن شدند و ترموستات روی دمای 35 درجه تنظیم گردید. پس از گذشت 17 ساعت دمای مخزن به دمای مورد نظر یعنی دمای 35 درجه سانتیگراد رسید. در این حالت فشار و دمای مخزن ثبت گردید. و یک نمونه از مواد برای گرفتن PH اولیه مواد جداسازی شد. پس از آنکه دما به 35 درجه رسید. در این حالت دو تا از المنتها خاموش گردید و دو المنت باقیمانده با کنترل ترموستات دما را ثابت نگه داشتند. داده برداری هر روز راس ساعت 2 بعد از ظهر انجام شد. با توجه به اینکه گاز تولیدی تا حدوداً 20 روز اول قابل سوزاندن نبود هر روز این گاز از مخزن خارج میگردید تا در درون مخزن ایجاد فشار نکند. در روز بیست و یکم گاز تولیدی ایجاد اشتعال کرد. در روز 25 ام گاز تولیدی در دستگاه تست گاز تجزیه گردید (شکل) و 32 روز پس از شروع آزمایش مخزن تخلیه گردید تا برای بارگذاری مجدد آماده شود. در این پروژه در مجموع دو آزمایش روی کود مرغی و دو آزمایش روی کود بلدرچین طی دمای 30 و 35 درجه سانتیگراد انجام شد. به منظور مقایسه میزان گاز تولیدی دو نوع کود، برای همه آزمایشها مقدار 190 کیلوگرم کود مورد آزمایش قرار گرفت.
شکل 2-15- دستگاه تست گاز
2-6- مشخصات دستگاه تست گاز:
2-6-1- دستگاه آنالایزر گاز ساخت کمپانی Testo آلمان
دستگاههای آنالایزر گاز جهت تشخیص، آشکار سازی و نمایش میزان گازهای آلاینده و گازهای قابل اشتعال و آشکار کردن نشتی گاز از مخزن یا محفظه از قبیل گازهای Co و 2Co به کار می رود. آنالایزر چند کاره مدل 350XL ساخت کمپانی Testo دارای قابلیتهای زیر می باشد.
قابلیت اندازه گیری گازهای CO2، SO2، CH، H2S، NO، NO2، CO، O2، H2، N2
قابلیت اندازه گیری فشار تفاضلی Pressure Differential
قابلیت اندازه گیری فشار و سرعت گاز توسط Pitot Tube و محاسبه حجم گازهای خروجی
قابلیت اتصال همزمان دو پراب دماسنجی
قابلیت ذخیره اطلاعات و اتصال به کامپیوتر و پردازش اطلاعات
قابلیت پرینت مستقیم
برای تجزیه گاز ابتدا دستگاه روشن میگردد؛ سپس سنسور دستگاه که در انتهای یک میله بلند است، درون مخزن گاز وارد میشود. پس از تماس یک دقیقهای سنسور با گاز و فرستادن مقداری از آن به داخل دستگاه، گاز تجزیه میگردد و درصدهای آن بر روی مانیتور دستگاه نمایش داده میشود.
در این پروژه به دلیل طولانی بودن سیکلهای بار گذاری و نبود زمان مناسب برای آزمایش تیمارهای مختلف، از نرم افزار شبکه عصبی برای دست یابی و ارائه نتایج بهتر بهره گرفته شد.
2-7- معرفی شبکه عصبی
شبکههای عصبی نوعی مدل سازی ساده انگارانه از سیستمهای عصبی واقعی هستند که کاربرد فراوانی در حل مسائل مختلف در علوم دارند. حوزه کاربرد این شبکهها آنچنان گسترده است که از کاربردهای طبقه بندی گرفته تا کاربردهایی نظیر درونیابی، تخمین، آشکار سازی و … را شامل میشود. شاید مهمترین مزیت این شبکهها، توانایی وافر آنها در کنار سهولت استفاده از آنها باشد. در این بخش مقدماتی جهت آشنایی با این شبکهها بیان شده و مبانی مدل سازی و تحلیل یک سیستم با استفاده از شبکههای عصبی بیان شده و شبکه چند لایه پرسپترون به عنوان یکی از پرکاربردترین شبکهها بررسی شده است.
2-8- شبکه عصبی مصنوعی
همانگونه که بیان شد انواع مختلفی از شبکههای عصبی وجود دارند. در این بین شبکهای وجود دارد که گره را به عنوان یک نرون مصنوعی درنظر میگیرد. در اصطلاح، این چنین شبکههایی را شبکه عصبی مصنوعی60یا به اختصار ANN مینامند. یک نرون مصنوعی در حقیقت مدلی محاسباتی است که از نرونهای عصبی واقعی انسان، الهام گرفته است. به هنگام مدل کردن اعصاب، از پیچیدگیهای آن ها صرف نظر میشود و تنها به مفاهیم پایهای بها داده میشود، چرا که در غیر این صورت رویکرد مدلسازی بسیار دشوار خواهد شد. در یک نگاه ساده، مدل یک عصب باید شامل ورودیهایی باشد که این ورودیها در وزنهایی ضرب میشوند تا قدرت سیگنال را تعیین کنند. نهایتاً یک عملگر ریاضی تصمیم گیری میکند که آیا نرون فعال شود یا خیر و اگر جواب مثبت باشد، میزان خروجی را مشخص میسازد. بنابراین شبکه عصبی مصنوعی با استفاده از مدل ساده شده عصب واقعی به پردازش اطلاعات میپردازد.
شکل 2-16- مدل ریاضی ساده شده عصب واقعی
با توجه به این توضیحات، میتوان مدل سادهای برای توصیف یک نرون (یک گره در شبکه عصبی مصنوعی) پیشنهاد کرد. این مدل در شکل () نشان داده شده است. جدای از ساده سازیهای اعمال شده، تفاوت اصلی این مدل با واقعیت در این است که در شبکه واقعی، ورودیها، سیگنالهای زمانی هستند حال آن که در این مدل، اعداد حقیقی ورودیاند.
وزنهای یک شبکه عصبی، که مقدار خروجی را منتقل میکنند، میتوانند مثبت یا منفی باشند. از طرفی، توابع مورد استفاده برای آستانه گذاری میتوانند بسیار متنوع باشند. از جمله مشهورترین این توابع میتوان به تابعهایی نظیر سیگموئید، تانژانت معکوس و سینوس معکوس اشاره کرد:
(1-30)
تابع فعال سازی سیگموئید
(1-31)
تابع فعال سازی خطی
(1-32)
تابع فعال سازی تانژانت هایپر بولیک
این توابع باید پیوسته و هموار بوده و مشتق پذیر باشند. همچنین تعداد گرههای ورودی میتواند متغیر باشد. البته با زیاد شدن تعداد این گرهها، به وضوح تعیین وزنها را با مشکل روبرو میکند. لذا باید به دنبال روشهایی برای حل این موضوع بود. روند تعین وزنهای بهینه و تنظیم مقادیر آ نها عمدتاً به صورت بازگشتی انجام میشود. بدین منظور شبکه را با استفاده از قواعد و دادهها آموزش داده و با استفاده از قابلیت یادگیری شبکه، الگوریتمهای متنوعی پیشنهاد میگردد که همگی سعی در نزدیک کردن خروجی تولید شده توسط شبکه به خروجی ایده آل و مورد انتظار دارند. هرچند نحوه مدل کردن نرون جزء اساسیترین نکات کلیدی در کارآیی شبکه عصبی میباشد، اما نحوه برقراری اتصالات و چیدمان (توپولوژی) شبکه نیز فاکتور بسیار مهم و اثرگذاری است. باید توجه داشت که توپولوژی مغز انسان آنقدر پیچیده است که نمیتوان از آن به عنوان مدلی برای اعمال به شبکه عصبی استفاده نمود، زیرا مدلی که ما استفاده میکنیم، یک مدل ساده شده است در حالی که چیدمان مغز از اجزاء بسیار زیادی استفاده میکند.
یکی از سادهترین و در عین حال کارآمدترین چیدمانهای پیشنهادی برای استفاده در مدل سازی عصبهای واقعی، مدل پرسپترون چندلایه61 یا به اختصار MLP میباشد که از یک لایه ورودی، یک یا چند لایه پنهان و یک لایه خروجی تشکیل یافته است. این چیدمان اصطلاحاً یک شبکه با اتصالات کامل را تشکیل میدهد. شکل (3-22) شمای یک شبکه پرسپترون سه لایه را نشان میدهد.
شکل 2-17- پرسپترون 3لایه با اتصالات کامل
با توجه به این که شبکه عصبی، مدل ساده شده اعصاب بدن است، درست به مانند آن ها قابلیت یادگیری دارد. به عبارت دیگر، شبکه با استفاده از اطلاعاتی که از ورودی دریافت میکند، قادر به فراگیری روند موجود در الگوهاست. لذا به طور مشابه با انسان، روند یادگیری در شبکه عصبی نیز از مدلهای انسانی الهام گرفته، به طوری که مثالهای بسیاری را به دفعات باید به شبکه ارائه نمود تا بتواند با تغییر وزنهای شبکه، خروجی موردنظر را دنبال کند. ارائه نمونه دادههای ورودی به شبکه عصبی به دو روش امکان پذیر است:
روش ارائه یک جا62: در این روش، تمام نمونهها به شبکه ارائه میگردند و در آخر، خطای شبکه نسبت به کل نمونهها محاسبه گشته و وزنها بر اساس آن خطا تغییر میکنند. در مرحله بعد، مجدداً تمام دادهها یک بار دیگر به شبکه ارائه شده و روند فوق، نظیر به نظیر انجام میپذیرد تا نهایتاً خطا به سطح قابل قبولی برسد. مسلماً این روش پیچیده و زمان بر بوده و نیاز به حافظه زیادی دارد.
روش ارائه الگو63: در این روش، در هربار نمونهها به صورت تک تک به شبکه داده شده وخطای متناظر با همان داده بلافاصله محاسبه شده و بر اساس آن، وزنهای شبکه تغییر میکنند. سپس نمونه بعدی به شبکه ارائه شده و روند بالا به طور مشابه انجام میپذیرد. چون در این روش، در هر گام، اصلاح وزنها بر اساس هر نمونه انجام میپذیرد، الگوریتم همگرایی خوبی داشته و با توجه به ماهیت تصادفی موجود در ارائه تکی داده ها، خطر حداقلهای محلی منتفی است. به منظور آموزش شبکه و اصلاح وزنها تا رسیدن به یک خطای معنادار، روشهای بسیار زیادی وجود دارد.
با توجه به تابع سیگموئید مورد استفاده، مقدار خروجی شبکه عددی بین صفر و یک است. در مورد تعداد نرونهای لایه میانی، مبنای خاصی وجود ندارد و معمولاً با صحیح و خطا به نحوی انتخاب میگردد که شبکه جواب معقولی در اختیار بگذارد. باید دقت داشت که اگر شبکه خیلی پیچیده باشد، دقیقاً رفتار الگوهای ورودی را یاد خواهد گرفت و لذا اگر دادهای کمی نسبت به دادههای آموزشی تغییر کند، شبکه به راحتی قادر به دنبال کردن آن نخواهد بود. در این حالت اصطلاحاً گفته میشود که شبکه عصبی قابلیت تعمیم ندارد.
قدم بعدی در شبیه سازی، انتخاب نوع تابع خروجی نرون است که در شبکه های MLP عمدتاً تابع سیگموئید استفاده میشود. دلیل این امر هم مشتقگیری ساده و ارتباط مستقیم مشتق تابع با خود تابع است (رابطه 3-22).
پیش از شروع شبیه سازی، باید دادههای ورودی را به دو گروه تقسیم نمود:
1. دادههای آموزش: این دادهها از میان دادههای برچسبدار و به منظور آموزش شبکه به کار میروند. عمدتاً از میان کل دادهها 60 تا 70 % آنها را (به طور تصادفی یا با یک پیش فرض) به عنوان دادههای آموزش انتخاب میکنند. پس از آن که شبکه توسط این دادهها آموزش دید، وزنها مقدار نهایی خود را یافته اند به نحوی که شبکه برای دادههای آموزش، کمترین خطا را بدست میدهد.
2. دادههای تست: پس از آن که شبکه توسط دادههای آموزش تا رسیدن به حداقل خطا آموزش یافت، مابقی دادهها (30 تا 40 % باقیمانده) که در آموزش نقشی نداشتهاند به عنوان ورودی به شبکه داده شده و پاسخ شبکه با پاسخ مطلوب (برچسب آنها) مقایسه میگردد و بدین ترتیب راندمان شبکه آموزش دیده محک زده میشود.
شایان ذکر است که اگر تعداد نمونههای آموزش به حد کافی زیاد باشد، استفاده از روش ارائه الگو جوابهای بهتری میدهد
به منظور آموزش شبکه عصبی تاکنون الگوریتمهای مختلفی ارائه شده است که معروفترین آن ها الگوریتم و قاعده پس انتشار است. در این روش خطای خروجی مدل به عقب و به داخل سیستم برگردانده می شود تا شرایط به هنگام سازی مجدد وزنها انجام گیرد. بدین منظور دادههای مجموعه آموزش که شامل اطلاعات آماری از پدیده ی مورد نظر هستند، جهت اصلاح وزنها در شبکه و برای رساندن مجموع مربعات خطا (SSE) به حداقل مقدار خود توسط الگوریتم فوق مورد آموزش قرار میگیرند. همچنین جهت بررسی دقت شبکه آموزش یافته لازم است عمل ارزیابی و یا آزمون شبکه انجام گیرد. این کار با ارائه زوج دادههای مجموعه ارزیابی به شبکه و محاسبه میزان خطای شبکه صورت میگیرد. به طور کلی ویژگیهای یک شبکه عصبی مصنوعی، ساختار شبکه و روش آموزش شبکه، با نوع تابع محرک نرونها مشخص میشود .
شبکههای عصبی از چندین لایه تشکیل می شوند. لایههای ابتدایی و انتهایی به ترتیب لایه ورودی و لایه خروجی نام دارند، همچنین مابین این دو لایه ممکن است یک یا چند لایه مخفی وجود داشته باشند. خروجی شبکه yi به صورت زیر مدل می شود:
(1-29)
برای شبکه های پس انتشار mتعداد نرون های لایه خروجی، W وزن بین لایه i و j، Yi خروجی نرون i ام و مقدار بایاس نرون لایه j ام است. طی فرآیند آموزش این وزنها و مقادیر ثابتی که با آن ها جمع میشود و اصطلاحاً بایاس نامیده میشوند، به طور پی در پی تغییر میکند تا خطا به کم ترین مقدار خود برسد. پس از محاسبه هر Xi، شبکه تحت یک تابع فعال سازی شروع به اصلاح آن میکند. انواع تابع فعال سازی عبارتند از:
2-8-1- شبکه پس انتشار پیش خور64 (FFBP) :
ساختار ایستایی ( غیره وابسته به زمان ) این شبکه در مسایل مهندسی و محاسبات علمی کاربرد دارد. نرون ها که عناصر پردازشگر سیگنال هستند از طریق اتصالات سیناپسی بین لایه ای پیش خور به هم متصل می شوند. ارتباط ورودی- خروجی ممکن است به وسیله توابع نگاشت ( توابع آستانه) غیر خطی انجام شود. الگوریتم پس انتشار خطا روش اصلی برای به هنگام سازی وزن های شبکه FFBP برای انجام محاسبات است. لایه اول ، لایه ورود اطلاعات است. و هیچ گونه پردازشی در این لایه انجام نمی شود. لایه آخر لایه خروجی شبکه بوده و کاربر یا سیستم کنترل می تواند اطلاعات پردازش شده را دریافت کند.
2-8-2- شبکه های پس انتشار پیشرو65 (CFBP):
این شبکه ها نیز مانند شبکه پس انتشار پیشخور از الگوریتم پس انتشار خطا برای به هنگام سازی وزن ها استفاده می کند ولی خصوصیات اصلی شبکه مذکور این است که نرون های هر لایه به همه نرون های قبل متصل است. توابع آستانه و الگوریتم های به کار گرفته شده برای شبکه پس انتشار پیش رو مشابه شبکه پس انتشار پیشخور است. نکته قابل توجه این است که به دلیل افزایش پیوندهای بین نرونی، شبکه به کار رفته پیچیده تر می شود، زیرا حجم محاسبات آن افزایش می یابد (دیموث66 و همکاران، 2007).
الگوریتمهای آموزش به کار رفته برای به هنگام سازی وزنهای شبکه های مورد استفاده عبارتند از:
2-8-3- الگوریتم لونبرگ- مارکوارت (LM)
الگوریتم مبتنی بر ماتریس هسین ، به شبکه اجازه می دهند تا با دقت بیشتری الگوها را فرا بگیرد (کوکاباس67 و همکاران ، 2010). الگوریتم LM برای آموزش شبکه عصبی مصنوعی از طریق توزیع محاسبات و فضای مورد نیاز، موازی عمل میکند و از این رو سریع ترین روش برای آموزش شبکه های عصبی پس انتشار با ابعاد متوسط (حداکثر چند صد اتصال وزنی و بایاس) است. الگوریتم LM اساسا مبتنی بر ماتریس هسین است که برای بهینه سازی غیرخطی بر مبنای حداقل مربعات استفاده میشود.
2-8-4- الگوریتم تنظیم بیزی68 (BR)
فرایند آموزش شبکه پس انتشار با الگوریتم تنظیم بیزی، با توزیع تصادفی وزنهای اولیه آغاز می شود. توزیع تصادفی این پارامترها جهت گیری اولیه را قبل از ارائه داده ها به شبکه تعیین میکند. بعد از ارائه داده ها به شبکه بهنگام سازی وزن های اولیه آغاز می شود تا توزیع ثانویه با استفاده از تنظیم بیزی حاصل شود. از آنجایی که داده های به کار رفته ممکن است با خطاهای زیادی همراه باشند، روشهای موثری برای بهبود عملکرد تعمیم ضروری خواهد بود. از این رو، روش تنظیم بیزی که شامل تنظیم پیچدگی شبکه و اصلاح تابع عملکرد است، مناسب است. در این الگوریتم به جای مجموع مربعات خطا69 (SSE) از مجموعه آموزشی، یک تابع هدف که شامل (SSE) و یک تابع جریمه است به طور خودکار تنظیم میشود. (امیری چایجان و اثنی-
شاخصهای کمی بسیاری جهت ارزیابی کارکرد شبکه عصبی مصنوعی مورد استفاده قرار میگیرد. معیارهای زیر برای تعیین کیفیت عملکرد شبکه در این پژوهش مورد استفاده قرار گرفتهاند (چایجان و همکاران، 1388 و خوش تقاضا و همکاران، 1386).
2-8-5- مجذور میانگین مربعات خطا
شاخص مجذور میانگین مربعات خطا، دقت مدل را بر اساس تفاضل بین مقادیر واقعی و مقادیر پیشبینی شده، مورد ارزیابی قرار میدهد. با توجه به نتایج هر چه قدر این شاخص به صفر نزدیکتر باشد، بیانگر اختلاف کمتری بین آنها خواهد بود. شکل ریاضی مجذور میانگین مربعات خطا به صورت زیر میباشد:
(2-20)
2-8-6- خطای میانگین مطلق
این شاخص به عنوان میانگین تفاوت بین مقادیر واقعی و مقدار پیشبینی شده میباشد و بر اساس فرمول زیر محاسبه میشود:
(2-21)
2-8-7- ضریب تعیین (همبستگی)
مربع ضریب همبستگی، نشان دهنده میزان همبستگی بین نتایج پیشبینی شده توسط شبکه و دادهها میباشد.
(2-23)
در روابط ذکر شده RSME خطای مربعات میانگین، Si خروجی شبکه در نرون iام، Ti خروجی در نرون iام، N تعداد نرونهای خروجی و M تعداد الگوها میباشد. Tm میانگین مقادیر پیشبینی شده است. MAE خطای میانگین مطلق و STDMAE انحراف معیار خطای میانگین مطلق میباشد.
2-9- انجام آزمایش:
در این پروژه زمان، وزن و دما به عنوان لایه ورودی در نظر گرفته شدند. سپس با توجه به اینکه تابع tan sig دارای مطابقت بیشتری با آموزش شبکه داشت و دارای کمترین خطای خروجی بود، این تابع به عنوان لایه پنهان در نظر گرفته شد. لایههای خروجی این شبکه فشار، حجم و PH بودند. سپس با روش آزمون و خطا تعداد دادههای تست 10 تا، تعداد دادههای اعتبار سنجی 6، 10 یا 12 تا و بقیه دادهها به عنوان آموزش در نظر گرفته شد. منظور از دادههای اعتبار سنجی دادههایی میباشد که موقع آموزش به شبکه داده میشود تا شبکه تحت آموزش یکنواخت نباشد و به یک سری داده از پیش آموزش دیده عادت نکند تا در شرایط پیچیدهتر قادر به ارائه نتیجه باشد.
فصل سوم
نتایج و بحث
3- نتایج
3-1- ساخت رآکتور
پس از آنکه کلیه مراحل طراحی و ساخت دستگاه به پایان رسید، دستگاه بیوگاز مورد آزمایش قرار گرفت تا اینکه صحت کار دستگاه مشخص گردد. در این مرحله با انجام تستهای آب بندی ، گاز بندی و تست کارآئی المنتهای حرارتی و تعیین صحت کار دستگاه، طراحی و ساخت دستگاه تکمیل گردید. در نتیجه این طراحی دستگاهی ساخته شد که از لحاظ کارائی شبیه به دستگاه بیوگاز مدل چینی بود. از خصوصیات برتر این دستگاه نسبت به نوع چینی این است که نشتی در آن بسیار اندک است و با قرار دادن المنت حرارتی در مخزن آن برای مناطق با اقلیم سرد بسیار مناسب میباشد. بر اساس مطالعات و تحقیقات بسیار در زمینه طراحی و ساخت واحدهای بیوگاز آنچه در طراحی این نوع دستگاهها حائز اهمیت است کنترل دمای محیط هضم و جلوگیری از نشت گاز میباشد. در این پروژه سعی بر آن شد که سیستمی طراحی و ساخته شود تا در نواحی سردسیر و معتدل ایران که دستگاه بیوگاز در آن مناطق دچار مشکل کاهش دمای مناسب هضم میگردد به کار خود ادامه دهد و هنگامی که دستگاههای بتونی رایج به دلیل سرما از کار می ایستند به تولید گاز بپردازد. نتیجه این پروژه ساخت دستگاهی بود که بر کنترل درجه حرارت فائق آمد و در مصرف مصالح نیز بسیار صرفه جوئی گردید. مخازن پلی اتیلنی به دلیل یکپارچگی بدنه دارای گاز بندی بالا و از لحاظ واکنش شیمیائی با مواد درون خود، در حالت خنثی میباشند؛ بنابراین با مواد درون خود به راحتی واکنش نمیدهند. درون این مخازن تاریک میباشد و این باعث بوجود آوردن شرایط بهتری برای تولید میکروارگانیسمهای متانزا میشود. سه لایه بودن این مخازن عایق بندی حرارتی مناسبی را فراهم مینماید که خود باعث صرفه جوئی و کاهش هزینه ساخت میشود. بعضی از خصوصیات و اولویتهای مخازن پلی اتیلنی نسبت به مخازن دیگر از این قرار است:
1- این مخزن به طور ذاتی یک عایق حرارتی مناسب میباشد (مخصوصاً نوع سه لایه آن) و هزینه عایقبندی آن بسیار پائین است.
2- دارای سه لایه میباشد که باعث تحمل فشار بیشتر و انعطاف پذیری آن در برابر ضربات میگردد.
3- تهیه چنین مخازنی بسیار سادهتر و ارزانتر از ایجاد و ساخت مخازن بتونی میباشد.
4- در کلیه مراحل طراحی، ساخت و استفاده از دستگاه، محیط کار منظم و پاکیزه است.
5- این مخازن از لحاظ واکنشهای شیمیایی در حالت خنثی میباشند و با مواد درون خود وارد واکنش نمیشوند.
6- مخازن پلی اتیلنی هزینههای طراحی و ساخت را بسیار کاهش میدهند؛ زیرا این مخازن به صورت آماده در بازار موجود میباشند؛ بنابراین مصالح کمتری مصرف میگردد.
7- این مخازن دارای گاز بندی بسیار بالائی هستند و نشتی در آنها بسیار کم است که مشکل اساسی مخازن بتونی میباشد.
در جدول (3-1) برخی از خصوصیاتی را که این رآکتور در مقایسه با رآکتور مدل چینی دارا میباشد، بیان گردیده است.
جدول 3-1- مقایسه دستگاه بیوگاز نوع مخزن بتونی (مدل چینی) با مخزن پلی اتیلنی
مورد
مخزن بتونی
مخزن پلی اتیلنی
لوله خروجی مخزن هضم
به صورت مستقیم با بیرون در ارتباط است و باعث اتلاف دما میگردد
لوله خروجی داخل اتاقک عایق میباشد و با بیرون رابطه مستقیم ندارد
جنس مخزن
بتونی از جنس آجر و ملات سیمان
پلی اتیلن سه لایه
محل قرارگیری مخزن
عمــوماً در عمق خاک قرار میگیرد و احتیاج به حفر و خاکبرداری دارد.
بالای سطح خاک قرار دارد و در اتاقک عایق قرار میگیرد.
خروج کودابه
در بسیاری از موارد به وسیله پمپ یا سطــل خــارج میشود.
مواد به صورت اتوماتیک و از طریق شیر خارج میگردند.
اندازه گیری فشار گاز
مقدار گاز از طریق فشار خروج مــواد از حوضچه خــروجی تعیین میشود.
مقدار گاز توسط فشار داخل مخزن و از طریق فشارسنج U شکل تعیین میگردد.
میزان گازبندی مخزن هضم
بدلیل استفاده از مصالح آجر و سیمان دارای گاز بندی مناسب نمیباشد و اغلب به علت نشتی دیواره و درب مخزن نتیجهای حاصل نمیگردد.
به دلیل یکپارچگی مخزن دارای گازبندی بسیار بالایی است.
هزینه
هزینه حفاری و مصالح ساخت مخزن بسیار بالاست.
احتیاجی به حفاری ندارد و ساخت مخزن هضم نیز احتیاج به مصالح ندارد و میتوان مخزن هضم را در گلخانه جای داد تا اتاقک عایق حذف گردد.
عایق بندی
در عمق زمین ساخته میشود و توسط خاک عایق بندی میشود؛ ولی عملا در مناطق سردسیر امکان عایق بندی مناسب نیست، مگر با تعبیه مواد گرمازا در مخزن هضم یا صرف هزینه زیاد برای عایق بندی
توسط المنتهای حرارتی دمای آن تامین میگردد و همچنین از طریق عایق کردن مخزن با پشم شیشه، کاه و… .
3-2- آزمایش کود مرغی در دمای 35 درجه سانتیگراد
پس از تکمیل شدن ساخت دستگاه بیوگاز، دستگاه ابتدا با استفاده از کود مرغی بارگذاری گردید. کود مورد نیاز مخزن 190 کیلوگرم بود. از آنجائیکه در این طراحی از سیستم همزن استفاده نگردید، بنابراین هر سه روز یک بار به میزان 4 کیلوگرم کود تازه و آب، مخلوط و به دستگاه اضافه گردید؛ تا محتویات درون مخزن را هم بزند. این آزمایش مدت 32 روز طول کشید. در این آزمایش ترموستات روی 35 درجه سانتیگراد تنظیم گردید. در طول سیکل بارگذاری روزی یک بار، فشار، دما و PH مواد درون مخزن اندازه گیری و ثبت گردید. در این آزمایش از یک تیوب لاستیک ترآکتور به عنوان مخزن گاز استفاده گردید.گاز تولیدی که از همان روز اول آزمایش شروع به تولید کرد، از آنجائیکه دارای دی اکسید کربن زیادی بود تا روز بیست و یکم قابل سوختن نبود؛ بنابراین روزی چند بار تخلیه گردید. در روز بیست و پنجم با استفاده از دستگاه تست گاز بیوگاز تولیدی تجزیه گردید. میزان و درصد محتویات این گاز در جدول (3-2) قابل مشاهده میباشد.
جدول 3-2- تجزیه بیوگاز کود مرغی
نوع گاز
درصد موجود در بیوگاز
CH4
6/62 %
CO2
2/30 %
N2
3 %
H2
9/0 %
O2
3/2 %
H2S
84/0 %
نا شناخته
16/0
3-2-1- بررسی اثر دما بر حجم بیوگاز تولیدی از کود مرغی
در آزمایش کود مرغی در دمای35 بعد از گذشت یک شبانه روز به تدریج گاز تولید گردید. در این آزمایش به علت بالا بودن دمای هضم، حجم گاز تولیدی روند افزایشی سریعتری داشت. از آنجائیکه در روزهای اول آزمایش محیط رآکتور در فاز اسیدی بود، گاز تولیدی روزانه دارای حجم کمتری بود؛ اما پس از گذشت دو هفته از شروع آزمایش و افزایش PH مواد، گاز تولیدی دارای حجم قابل توجهی گردید. همانطور که در شکل (3-1) نشان داده شده است، حجم گاز در روز اول آزمایش 43 لیتر بوده و در روز سی و یکم به ماکزیمم مقدار خود یعنی حدود 600 لیتر در روز رسیده است.
شکل 3-1- نمودار حجم- زمان کود مرغی در دمای35
3-2-2- بررسی اثر دما بر روی فشار بیوگاز کود مرغی
در آزمایش کود مرغی در دمای35 با توجه به اینکه در روز اول مقداری گاز تولید شد بنابراین فشار داخل رآکتور به تدریج زیاد گشت. در این دما کمترین فشار روزانه رآکتور از حدود 11 سانتی متر آب در روز اول آغاز گردید. در طول سیکل آزمایش فشار همواره بصورت نوسانی یک منحنی افزایشی را طی نمود. بالاترین فشار روزانه 24 سانتی متر آب ثبت گردید. در این آزمایش تغییرات فشار با تغییرات حجم رابطه مستقیم داشت. همانطور که در شکل (3-2) نشان داده شده است فشار درون رآکتور در روزهای اول آزمایش یک روند صعودی داشته است؛ پس از آن فشار به صورت نوسانی افزایش پیدا کرده است و در روزهای پایانی سیکل دوباره یک روند صعودی داشته است.
شکل 3-2- نمودار فشار- زمان کود مرغی در دمای35
3-2-3- بررسی اثر PH بر روی تولید بیوگاز کود مرغی
در آزمایش کود مرغی در دمای35، PH اولیه مواد درون رآکتور در فاز اسیدی قرار داشت. پس از گذشت دو روز PH روند صعودی پیدا کرد. در روز سوم و چهارم تغییرات روند کاهشی داشت تا اینکه در روز دهم PH به کمترین مقدار خود یعنی حدود7/5 رسید. از روز دهم تا انتهای دوره آزمایش، نمودار تغییرات PH به صورت یکنواخت و تدریجی روند افزایشی داشت.
شکل 3-3- نمودار PH- زمان کود مرغی در دمای35
3-3- آزمایش کود مرغی در دمای 30 درجه سانتیگراد
پس از آنکه آزمایش کود مرغی در دمای 35 درجه به پایان رسید. مخزن هضم مجدداً با همان اندازه کود مرغی بار گذاری گردید. این بار ترموستات روی دمای 30 درجه سانتیگراد تنظیم گردید؛ تا اثرات دما بر روی گاز تولیدی بررسی گردد. در این سیکل نیز هر روز ساعت 2 بعد از ظهر اثرات پارامترهای مختلف ثبت گردید. گاز تولیدی در این سیکل در روز بیست و پنجم قابل اشتعال گردید. سیکل این آزمایش نیز به خاطر مقایسه دادههای آزمایشی32 روز ادامه یافت.
3-3-1- بررسی اثر دما بر حجم بیوگاز تولیدی از کود مرغی
در آزمایش کود مرغی در دمای30 نیز با گذشت تقریباً یک شبانه روز به تدریج گاز تولید گردید. در این آزمایش نسبت به آزمایش در دمای 35 به علت پائینتر بودن دمای هضم، حجم گاز تولیدی رشد آنچنانی نداشت. همانطور که در شکل (3-4) نشان داده شده است، حجم گاز در روز اول آزمایش حدود 30 لیتر بوده و در انتهای سیکل به ماکزیمم مقدار خود یعنی حدود 494 لیتر در روز رسیده است. همانطور که مشاهده میگردد روند تولید گاز در طول سیکل به صورت یکنواخت افزایش مییابد.
شکل 3-4- نمودار حجم- زمان کود مرغی در دمای30
3-3-2- بررسی اثر دما بر روی فشار بیوگاز کود مرغی
در آزمایش کود مرغی در دمای30 با تولید گاز در رآکتور فشار در سه روز اول بصورت ناگهانی افزایش پیدا کرد. پس از آن تا روز بیست و سوم افزایش خیلی کمی داشت ولی از روز بیست و سوم به بعد دوباره به طور چشمگیری افزایش یافت. در این دما کمترین فشار روزانه رآکتور از حدود 7 سانتی متر آب در روز اول آغاز گردید. در طول سیکل آزمایش فشار همواره یک منحنی افزایشی را طی نمود و بالاترین فشار روزانه 23 سانتی متر آب ثبت گردید. در این آزمایش تغییرات فشار با تغییرات حجم در ابتدا و انتهای سیکل رابطه مستقیم داشت. همانطور که در شکل (3-5) نشان داده شده است، منحنی فشار در روزهای اول آزمایش یک روند صعودی داشته است؛ پس از آن فشار به صورت نوسانی افزایش پیدا کرده است و در پایان سیکل دوباره یک روند صعودی داشته است.
شکل 3-5- نمودار فشار- زمان کود مرغی در دمای30
3-3-3- بررسی اثر PH بر روی تولید بیوگاز کود مرغی
در آزمایش کود مرغی در دمای30، PH اولیه مواد درون رآکتور در فاز اسیدی قرار داشت و مقدار آن برابر با 5/6 بود. پس از آن PH تا روز دوازدهم یک روند نزولی را طی کرد؛ بطوریکه مقدار آن در روز دوازدهم به حدود 5/5 رسید. همانطوریکه در شکل (3-6) آمده است، از روز دوازدهم تا انتهای دوره آزمایش، نمودار تغییرات PH به صورت یکنواخت و تدریجی روند افزایشی داشت. در انتهای سیکل PH به حدود 4/7 رسید.
شکل 3-6- نمودار PH- زمان کود مرغی در دمای30
3-4- آزمایش کود بلدرچین در دمای 35 درجه سانتیگراد
پس از اتمام آزمایشهای کود مرغی، مخزن هضم تخلیه گردید و بارگذاری مخزن با کود بلدرچین در دمای 35 درجه سانتیگراد آغاز گردید. به منظور مقایسه گاز تولیدی کود بلدرچین با گاز تولیدی حاصل از کود مرغی، هم وزن کود مرغی (190 کیلوگرم) در رآکتور کود بلدرچین ریخته شد. این آزمایش نیز به مدت 32 روز به طول انجامید. بیوگاز حاصله در روز هیجدم شروع به سوختن کرد و در روز بیست وهفتم با دستگاه تست گاز تجزیه گردید. نتایج این تجزیه در جدول (3-3) آمده است.
جدول 3-3- تجزیه بیوگاز کود بلدرچین
کود بلدرچین
نوع گاز
درصد موجود در بیوگاز
CH4
81/67 %
CO2
3/22 %
N2
49/2 %
H2
9/1 %
O2
53/3 %
H2S
88/1 %
نا شناخته
09/0
3-4-1- بررسی اثر دما بر روی حجم بیوگاز تولیدی از کود بلدرچین
در آزمایش کود بلدرچین در دمای35 در روز اول به مقدار 15 لیتر گاز تولید شد. در این آزمایش نیز به علت بالا بودن دمای هضم، حجم گاز تولیدی تا روز هیجدهم روند افزایشی سریعی داشت ولی از روز هیجدهم به بعد تا آخر سیکل افزایش حجم گاز بسیار ناچیز بود. همانطور که در شکل (3-7) نشان داده شده است، حجم گاز در روز اول آزمایش حدود 15 لیتر بوده و در روز بیست و نهم به ماکزیمم مقدار خود یعنی حدود 471 لیتر در روز رسیده است.
شکل 3-7- نمودار حجم- زمان کود بلدرچین در دمای35
3-4-2- بررسی اثر دما بر روی فشار بیوگاز کود بلدرچین
در آزمایش کود بلدرچین در دمای35 با توجه به اینکه در روز اول فشار گاز تولیدی دود 7 سانتی متر آب بود. این فشار با توجه به افزایش ناگهانی حجم گاز خیلی سریع افزایش پیدا کرد. افزایش ناگهانی فشار سه روز ادامه داشت و پس از آن فشار بصورت یک منحنی نوسانی تا انتهای سیکل افزایش یافت؛ بطوریکه در انتهای سیکل به حدود 18 سانتی متر آب رسید. همانطور که در شکل (3-8) نشان داده شده است، فشار درون رآکتور در روزهای اول آزمایش یک روند صعودی دارد؛ پس از آن فشار به صورت نوسانی افزایش پیدا میکند.
شکل 3-8- نمودار فشار- زمان کود بلدرچین در دمای35
3-4-3- بررسی اثر PH بر روی تولید بیوگاز کود بلدرچین
در آزمایش کود مرغی در دمای35، PH اولیه مواد درون رآکتور مانند PH کود مرغی در فاز اسیدی قرار داشت. پس از سه روز PH رآکتور یک روند کاهش را طی نمود و در روز سیزدهم به کمترین مقدار خود یعنی حدود 5 رسید از روز سیزدهم PH یک منحنی صعودی را طی نمود و در روز سی ام آزمایش به بیشترین مقدار خود یعنی 7/7 رسید. همانطور که در شکل (3-9) نشان داده شده است، اختلاف زیادی بین PH مینیمم و PH ماکزیمم وجود دارد.
شکل 3-9- نمودار PH – زمان کود بلدرچین در دمای35
3-5- آزمایش با کود بلدرچین در دمای 30 درجه سانتیگراد
آخرین آزمایش بر روی کود بلدرچین در دمای 30 درجه انجام گرفت. برای بارگذاری رآکتور حدوداً 190 کیلوگرم کود بلدرچین وزن کشی شد و پس از مخلوط با هم حجم خودش از آب از طریق دریچه ورودی به مخزن اضافه گردید. تمام شرایط آزمایشهای قبلی در این سیکل نیز رعایت گردید. گاز تولیدی بیست و یک روز پس از بارگذاری رآکتور با کمک شعله مشتعل گردید و در روز بیست و دوم بدون حضور شعله به اشتعال خود ادامه داد.
3-5-1- بررسی اثر دما بر روی حجم بیوگاز تولیدی از کود بلدرچین
در آزمایش کود بلدرچین در دمای30 در روز اول به مقدار 17 لیتر گاز تولید شد. در این آزمایش تغییرات حجم از ابتدا تا انتهای سیکل یک روند افزایش را طی نمود ماکزیمم حجم گاز تولیدی حدود 439 لیتر بود. همانطور که در شکل (3-10) نشان داده شده است، روند تغییرات حجم بسیار آهسته میباشد
شکل 3-10- نمودار حجم- زمان کود بلدرچین در دمای30
3-5-2- بررسی اثر دما بر روی فشار بیوگاز تولیدی از کود بلدرچین
در آزمایش کود بلدرچین در دمای35 به دلیل افزایش حجم گاز در سه روز اول فشار اولیه رآکتور نیز افزایش یافت. پس از آن تا روز بیستم به دلیل یکنواخت بودن افزایش حجم، فشار نیز بصورت یکنواخت افزایش یافت. از روز بیستم به بعد روند افزایشی را طی نمود تا اینکه ماکزیمم فشار به 23 سانتیمتر آب رسید. همانطور که در شکل (3-11) نشان داده شده است، نمودار فشار در روزهای اول آزمایش یک روند صعودی دارد؛ پس از آن فشار به صورت نوسانی افزایش پیدا میکند و در انتهای سیکل دوباره یک روند افزایشی دارد.
شکل 3-11- نمودار فشار- زمان کود بلدرچین در دمای30
3-5-3- بررسی اثر PH بر روی تولید بیوگاز کود بلدرچین
در آزمایش کود مرغی در دمای30، PH اولیه مواد درون رآکتور در فلز اسیدی و در حدود 45/6 بود؛ سپس با یک منحنی تقریباً یکنواخت به تدریج کاهش یافت تا اینکه در روز سیزدهم به کمترین مقدار خود رسید؛ سپس از روز چهاردهم تا انتهای سیکل روند افزایشی ادامه پیدا کرد. به طوریکه PH در انتهای آزمایش به حدود 5/7 رسید. PH در روز بیست وپنجم وارد فاز قلیائی گردید. همانطور که در شکل (3-12) نشان داده شده است، کمترین مقدار PH حدود 6/5 مربوط به روز هشتم میباشد.
شکل 3-12- نمودار PH – زمان کود بلدرچین در دمای30
3-6- بررسی و مقایسه پارامترهای کود مرغی و بلدرچین در دمای مشخص
3-6-1- مقایسه حجم گاز تولیدی کود مرغی و بلدرچین در دمای 35 درجه سانتی گراد
همانطور که در شکل (3-13) نشان داده شده است، حجم گاز تولیدی کود مرغی بیشتر از حجم گاز تولید شده توسط کود بلدرچین میباشد. به طوریکه از ابتدای سیکل تا انتهای آن این روند ادامه دارد. با توجه به نمودار، در هفته اول آزمایش حجم گاز کود مرغی دارای یک صعود سریعتر نسبت به حجم گاز کود بلدرچین میباشد؛ بطوریکه در هفته اول حجم این گاز برای کود مرغی حدود 240 لیتر در روز میباشد و برای کود بلدرچین حدود 170 لیتر در همان روز میباشد. همچنین در طول سیکل صعود نمودار کود مرغی سریعتر از صعود نمودار کود بلدرچین میباشد. ماکزیمم حجم گاز تولیدی در طول سیکل برای کود مرغی حدود 600 لیتر در روز بود و برای کود بلدرچین حدود 470 لیتر در روز بود.
شکل 3-13- نمودار حجم – زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای35
3-6-2- مقایسه فشار گاز تولیدی کود مرغی و بلدرچین در دمای 35 درجه سانتی گراد
با توجه به اینکه در طول سیکل آزمایش حجم گاز تولیدی کود مرغی بیشتر از حجم گاز کود بلدرچین می باشد؛ بنابراین میتوان نتیجه گرفت که فشار تولید شده توسط کود مرغی بیشتر از فشار تولیدی کود بلدرچین می باشد. همانطور که در شکل (3-14) مشاهده میگردد، فشار تولید شده برای کود بلدرچین در دو روز اول آزمایش بیشتر از فشار تولیدی کود مرغی میباشد. بطورکلی در طول سیکل از روز سوم به بعد فشار تولیدی برای کود مرغی بیشتر می باشد. همچنین نمودار فشار کود مرغی نسبت به نمودار فشار کود بلدرچین دارای یک مسیر یکنواخت تر می باشد و نمودار کود بلدرچین دارای نوسانات بیشتری می باشد. ماکزیمم فشار در طول سیکل برای نمودار مرغی حدود 24 سانتی متر آب و برای کود بلدرچین حدود 17 سانتی متر آب می باشد. مینیمم فشار برای دو نمونه گاز برای کود مرغی و بلدرچین به ترتیب حدود 11 و 10 سانتی متر آب می باشد.
شکل 3-14- نمودار فشار – زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای35
3-6-3- مقایسه PH گاز تولیدی کود مرغی و بلدرچین در دمای 35 درجه سانتی گراد
همانطور که در نمودار شکل (3-15) مشخص می باشد، PH دو نمونه کود مرغی و بلدر چین در ابتدای آزمایش با اختلاف خیلی کمی در فاز اسیدی قرار دارند.ولی بعد از بارگذاری طی در روز اول آزمایش یک روند افزایش را طی میکنند.پس از روز سوم PH ها به تدریج کاهش می یابند در نمودار کود مرغی از روز نهم PH دوبار ه افزایش می یابد و این روند را تا انتهای سیکل حفظ می کند. در نمودار کود بلدرچین افزایش PH از روز دوازدهم شروع می گردد و با کمی تاخیر و اختلاف در روزهای آخر سیکل با PH کود مرغی برابر می گردد. مینیمم تغییرات PH مربوط به نمودار کود بلدرچین می باشد که در روز دوازدهم آزمایش ثبت گردید. ماکزیمم تغییرات PH نیز مربوط به کود بلدرچین بود که در روز سی ام آزمایش ثبت گردید.
شکل 3-15- نمودار PH – زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای35
3-6-4- مقایسه حجم گاز تولیدی کود مرغی و بلدرچین در دمای 30 درجه سانتی گراد
همانطور که در شکل (3-16) نشان داده شده است، حجم گاز تولیدی کود مرغی بیشتر از حجم گاز تولید شده توسط کود بلدرچین میباشد. به طوریکه از ابتدای سیکل تا انتهای آن این روند ادامه دارد. با توجه به نمودار، در دو روز اول آزمایش حجم گاز هر دو نوع کود دارای یک روند افزایش سریع میباشد؛ که پس از روزدوم افزایش حجم گاز تولیدی کود مرغی با یک روند صعودی افزایش بیشتری می یابد ولی در همین زوان حجم گاز کود بلدرچین افزایش خیلی کمی دارد. به طور کلی تا انتهای سیکل حجم گاز ناشی از کود مرغی در مقایسه با کود بلدرچین دارای مقدار بیشتری می باشد که نشان دهنده کار آمدتر بودن کود مرغی برای تولید گاز در دمای 30 می باشد. ماکزیمم حجم گاز تولیدی مربوط به کود مرغی می باشد که در حدود 594 لیتر در روز و برای کود بلدرچین حدود 439 لیتر در روز می باشد. همچنین در طول سیکل، صعود نمودار کود مرغی سریعتر از صعود نمودار کود بلدرچین میباشد.
شکل 3-16- نمودار حجم- زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای30
3-6-5- مقایسه فشار گاز تولیدی کود مرغی و بلدرچین در دمای 30 درجه سانتی گراد
همانطور که در شکل (3-17) مشاهده میگردد، در ابتدای سیکل فشار تولید شده برای کود مرغی و بلدرچین به صورت خیلی سریع افزایش پیدا می کند میباشد. بطورکلی در طول سیکل از روز سوم به بعد فشار تولیدی برای کود مرغی و بلدرچین بصورت یکنواخت یک روند صعودی بسیار اندک را تا روز پانزدهم ادامه می دهد. از روز پانزدهم دوبار نمودار فشار یک روند روبه رشدی را طی نمود ولی این فشار برای کود مرغی دارای رشد بیشتری بود. همچنین نمودار فشار کود مرغی نسبت به نمودار فشار کود بلدرچین دارای یک مسیر یکنواخت تر می باشد و نمودار کود بلدرچین دارای نوسانات بیشتری می باشد. ماکزیمم فشار در طول سیکل برای نمودار مرغی حدود 23 سانتی متر آب و برای کود بلدرچین حدود 19 سانتی متر آب می باشد. مینیمم فشار برای دو نمونه گاز برای کود مرغی و بلدرچین به ترتیب حدود 6 و 7 سانتی متر آب می باشد. با توجه به اینکه در طول سیکل آزمایش حجم گاز تولیدی کود مرغی بیشتر از حجم گاز کود بلدرچین می باشد؛ بنابراین میتوان نتیجه گرفت که فشار تولید شده توسط کود مرغی بیشتر از فشار تولیدی کود بلدرچین می باشد.
شکل 3-17- نمودار فشار- زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای30
3-6-6- مقایسه PH گاز تولیدی کود مرغی و بلدرچین در دمای 30 درجه سانتی گراد
همانطور که در نمودار شکل (3-18) نشان داده شده است، PH دو نمونه کود مرغی و بلدر چین در ابتدای آزمایش در فاز اسیدی قرار دارند. ولی بعد از بارگذاری در روز اول آزمایش PH کود مرغی به تدریج کاهش می یابد تا اینکه در روز دوازدهم به کمترین مقدار خود می رسد. از روز دوازدهم به بعد روند PH یک روند صعودی را تا انتهای سیکل ادامه می دهد. اما PH کود بلدرچین تا روز سوم ثابت می ماند و از روز سوم به بعد به تدریج کاهش پیدا می کند تا اینکه در روز یازدهم به کمترین مقدار ممکن می رسد. پس از آن PH روند صعودی را آغاز می کند و تا انتهای سیکل ادامه می یابد. همانطور که در نمودار مشخص می باشد کود مرغی در روز بیست و ششم و کود بلدرچین در روز بیست و هفتم وارد فاز قلیائی می گردد. در طول سیکل کود مرغی نسبت به کود بلدرچین اسیدی تر می باشد. مینیمم تغییرات PH مربوط به نمودار کود بلدرچین می باشد که در روز یازدهم آزمایش ثبت گردید و ماکزیمم تغییرات PH نیز مربوط به کود بلدرچین بود که در روز سی و دوم آزمایش ثبت گردید.
شکل 3-18- نمودار PH – زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای30
3-7- بررسی و مقایسه پارامترها در دو دمای 30 و 35 درجه سانتی گراد
3-7-1- مقایسه حجم گاز تولیدی کود مرغی در دمای 30 و 35 درجه سانتی گراد
همانطور که در شکل (3-19) نشان داده شده است، گاز تولید شده در دو دمای 30 و35 دارای یک روند صعودی می باشد. با توجه به اینکه نوع کودهای دو آزمایش با هم یکسان می باشد بنابراین تنها عامل موثر در این فرآیند عامل دما می باشد. بی شک تاثیر دمای 35 در تولید گاز بیشتر از تاثیر دمای 30 می باشد بطوریکه حجم گاز تولید شده در دمای35 در طول سیکل بسیار بیشتر از حجم گاز تولیدی در دمای 30 می باشد. ماکزیمم حجم گاز تولیدی در دو دمای 30 و35 به ترتیب حدود 494 و 600 لیتر می باشد. این اختلاف زیاد حجم به دلیل تولید گاز بیشتر در دمای بالاتر می باشد.
شکل 3-19- نمودار حجم گاز تولیدی کود مرغی در دمای 30 و 35
3-7-2- مقایسه فشار گاز تولیدی کود مرغی در دمای 30 و 35 درجه سانتی گراد
با توجه به نمودار شکل(3-20)، فشار گاز تولیدی در ابتدای آزمایش در دمای 35 بیشتر از فشار آن در دمای 30 درجه می باشد. در طول سیکل این روند ادامه دارد و در روز بیست و هفتم بیست و هشتم دو نمودار بر هم منطبق می گردند. مهمترین دلیل زیاد بودن فشار به علت گرم تر بودن دمای محیط رآکتور در دمای 35 می باشد. تغییرات فشار در این نمودار با تغیرات حجم در نمودار شکل(3-19) رابطه مستقیم دارد به طوریکه با افزایش فشار در طول سیکل فشار نیز افزایش می یابد. با توجه به نمودار شکل (3-20)، بیشترین فشار تولیدی مربوط به آزمایش کود مرغی در دمای 35 می باشد.
شکل 3-20- نمودار فشار گاز تولیدی کود مرغی در دمای 30 و 35
3-7-3- مقایسه PH گاز تولیدی کود مرغی در دمای 30 و 35 درجه سانتی گراد
با توجه به شکل (3-21)، PH مواد درون رآکتور در لحظه شروع آزمایش در فاز اسیدی بودند. در دمای 35، PH در دو روز اول آزمایش یک روند افزایش دارد که مهمترین دلیل آن دمای بیشتر رآکتور می باشد که PH رابه فاز قلیائی نزدیک کرد. ولی در روزهای سوم به بعد PH دونوع کود یک روند کاهش را طی می کند که مهمترین دلیل آن واکنش مواد درون رآکتور و اسیدی شدن محیط آن می باشد. PH مواد در دمای 35 در روز نهم و زودتر از PH مواد در دمای 30 روند افزایشی را آغاز می کند که در این حالت دمای بالای رآکتور موثر می باشد. پس از آن تا انتهای سیکل همچنان PH مواد در دمای 35 بیشتر می باشد. PH مواد در دمای 35 در روز بیستم و PH مواد در دمای 30 درجه در روز بیست و پنجم به فاز قلیائی وارد می شوند.
شکل 3-21- نمودار PH کود مرغی در دمای 30 و 35
3-7-4- مقایسه حجم گاز تولیدی کود بلدرچین در دمای 30 و 35 درجه سانتی گراد
همانطور که در شکل (3-22) نشان داده شده است، گاز تولید شده در دو دمای 30 و 35 دارای یک روند صعودی می باشد. با توجه به اینکه نوع کودهای دو آزمایش با هم یکسان می باشد بنابراین تنها عامل موثر در این فرآیند عامل دما می باشد. بی شک تاثیر دمای 35 در تولید گاز بیشتر از تاثیر دمای 30 می باشد بطوریکه حجم گاز تولید شده در دمای35 در طول سیکل بسیار بیشتر از حجم گاز تولیدی در دمای 30 می باشد. ماکزیمم حجم گاز تولیدی در دو دمای 30 و35 به ترتیب حدود 440 و 470 لیتر می باشد. این اختلاف زیاد حجم به دلیل تولید گاز بیشتر در دمای بالاتر می باشد.
شکل 3-22- نمودار حجم گاز تولیدی کود بلدرچین در دمای 30 و 35
3-7-5- مقایسه فشار گاز تولیدی کود بلدرچین در دمای 30 و 35 درجه سانتی گراد
با توجه به نمودار شکل(3-23)، فشار گاز تولیدی در ابتدای آزمایش در هر دو دمای 30 و 35 دارای یک روند صعودی می باشد پس از روزدوم این روند تا روز دوازدهم ادامه داشت که نمودار دارای یک حرکت یکنواخت بود. از ابتدای سیکل تا روز بیست و هشتم فشار گاز در دمای 35 بیشتر از فشار آن در دمای 30 درجه میباشدولی از روز بیست و هشتم به بعد تا انتهای سیکل فشار گاز در دمای 30 درجه بیشتر از فشار آن در دمای 35 درجه بود. مهمترین دلیل زیاد بودن فشار به علت گرم تر بودن دمای محیط رآکتور در دمای 35 می باشد که موجب ازدیاد فعالیت باکتریهای متانزا و تولید گاز بیشتر می شود. با توجه به نمودار شکل (3-23)، فشار ماکزیمم تولیدی مربوط به آزمایش کود مرغی در دمای 30 می باشد.
شکل 3-23- نمودار فشار گاز تولیدی کود بلدرچین در دمای 30 و 35
3-7-6- مقایسه PH گاز تولیدی کود بلدرچین در دمای 30 و 35 درجه سانتی گراد
با توجه به شکل (3-24)، PH مواد درون رآکتور در لحظه شروع آزمایش در فاز اسیدی می باشد. در دمای 35، PH در دو روز اول آزمایش یک روند افزایش دارد که مهمترین دلیل آن افزایش PHبا افزایش دمای رآکتور می باشد که PH رابه فاز قلیائی نزدیک کرد. ولی در روزهای سوم به بعد PH دونوع کود یک روند کاهش را طی می کند که مهمترین دلیل آن واکنش مواد درون رآکتور و اسیدی شدن محیط آن می باشد. PH مواد در هر دو دما در روز دوازدهم یک روند افزایشی را آغاز می کند که دلیل آن می تواند در اثر واکنش مواد درون رآکتور و انتقال مواد به فاز متانزایی باشد. پس از آن تا انتهای سیکل همچنان PH مواد در دمای 35 بیشتر می باشد. که مهمتریت دلیل آن دمای بیشتر محیط هضم می باشد که واکنش را به فاز قلیلئی نزدیک می کند. PH مواد در دمای 35 در روز هیجدهم و PH مواد در دمای 30 درجه در روز نوزدهم به فاز قلیائی وارد می شوند.
شکل 3-24- نمودار PH کود بلدرچین در دمای 30 و 35
3-8- نتایج شبکه عصبی
در تحلیل به روش شبکه عصبی ابتدا پیش از شروع شبیه سازی، دادههای ورودی به دو گروه تقسیم گردید:
1. دادههای آموزش: این دادهها از میان دادههای برچسبدار و به منظور آموزش شبکه به کار میروند. از میان کل دادهها 60 تا 70 % آنها را (به طور تصادفی یا با یک پیش فرض) به عنوان دادههای آموزش انتخاب گردیدند. پس از آن که شبکه توسط این دادهها آموزش دید، وزنها مقدار نهایی خود را یافتند. به نحوی که شبکه برای دادههای آموزش، کمترین خطا را بدست داد.
2. دادههای تست: پس از آن که شبکه توسط دادههای آموزش تا رسیدن به حداقل خطا آموزش یافت، مابقی دادهها (30 تا 40 % باقیمانده) که در آموزش نقشی نداشتند، به عنوان ورودی به شبکه داده شد و پاسخ شبکه با پاسخ مطلوب (برچسب آنها) مقایسه گردید و بدین ترتیب راندمان شبکه آموزش دیده محک زده شد. در این شبیه سازی در حدود 44 تا از داده ها به عنوان داده های آموزش به شبکه داده شد. در حدود 10 تا از داده های باقیمانده برای اعتبار سنجی به شبکه داده شد و 10 از داده ها به عنوان تست برای نتیجه گیری به شبکه داده شد.
3-8-1- بررسی نتایج شبیه سازی در شبکه عصبی برای کود مرغی
3-8-1-1- بررسی فشار گاز در آزمایش کود مرغی
همانطور که در نمودار تعیین عملکرد شبکه (شکل 3-25) نشان داده شده است، میزان دقت آموزش شبکه بسیار به یک نزدیک می باشد بنابراین در نمودار پراکندگی داده ها طوری می باشد که بسیار به خط نزدیک می باشند. پس از آن مربعات تست در رتبه دوم دقت قرار دارد که داده های تست با یک پراکندگی نامنظم تر نسبت به خط قرار گرفته اند و در رتبه سوم دقت داده های اعتبار سنجی نسبت به خط قرار گرفته اند. در این شبکه دقت مربعات آموزش برای فشار199/0 ، دقت مربعات تست8 96/0 و دقت مربعات اعتبار سنجی 395/0 می باشد. بنابراین بهترین نتیجه برای مربعات آموزش با 99/0 می باشد. همچنین در تعیین ریشه میانگین مجذور خطا (RMSE)، داده های اعتبار سنجی دارای 791/0 ، داده های تست دارای 563/0 خطا و داده های آموزش دارای344/0 خطا می باشد. که بیشترین خطا مربوط به داده های اعتبار سنجی و کمترین خطا مربوط به داده های آموزش شبکه می باشد (جدول 3-5). بنابر این دقت شبکه برای پیش بینی مقادیر فشار مناسب می باشد بطوریکه می توان با دارا بودن شرایط اولیه آزمایش از این نتیجه برای بی نهایت آزمایش مشابه با دقت بالا استفاده نمود.
شکل 3-25- نمودار تعیین عملکرد شبکه برای فشار کود مرغی
جدول 3-4- تعیین عملکرد شبکه برای مقادیر فشار
Test
Validation
Train
0.968
0.953
0.991
R2
0.6358
0.917
0.443
RMSE
همانطور که در شکل (3-26) نشان داده شده است، نمودار مقادیر پیش بینی شده فشار با نمودار مقادیر واقعی اندازه گیری شده با دقت بالایی بر هم منطبق می باشند. در این شکل دو نمودار به جزء با مقداری خطا در رئوس دارای هم پوشانی بالایی می باشند.
شکل 3-26- نمودار آموزش و اعتبار سنجی داده های فشار گاز کود مرغی
همانطور که در شکل (3-27) نشان داده شده است، نمودار مقادیر پیش بینی شده تست شبکه برای فشار با نمودار مقادیر واقعی اندازه گیری شده دارای هم پوشانی خوبی می باشد. در این نمودار دقت مربعات تست 96/0 می باشد که یک مقدار قابل قبول می باشد.
شکل 3-27- نمودار تست داده های فشار کود مرغی
3-8-1-2- بررسی ph گاز در آزمایش کود مرغی
همانطور که در نمودار تعیین عملکرد شبکه (شکل 3-28) نشان داده شده است، مربعات اعتبار سنجی دارای بیشترین دقت می باشد. پس از آن مربعات تست در رتبه دوم دقت قرار دارد. داده های آموزش با یک پراکندگی نامنظم تر نسبت به خط قرار گرفته اند و در رتبه سوم دقت داده های تست نسبت به خط قرار گرفته اند. در این شبکه دقت مربعات آموزش برای ph 981/0، دقت مربعات تست4 96/0 و دقت مربعات اعتبار سنجی 988/0 می باشد. بنابراین بهترین دقت برای مربعات اعتبار سنجی با 988/0 دقت میباشد. همچنین در تعیین ریشه میانگین مجذور خطا (RMSE)، داده های تست با 152/0، دارای بیشترین خطا، پس از آن داده های اعتبار سنجی با 121/0 خطا در رتبه دوم و داده های آموزش با 083/0 خطا، دارای کمترین خطای محاسباتی می باشد (جدول 3-6). بنابراین دقت شبکه برای پیش بینی مقادیر ph مناسب می باشد بطوریکه می توان با دارا بودن شرایط اولیه آزمایش از این نتیجه برای بی نهایت آزمایش مشابه با دقت بالا استفاده نمود.
شکل 3-28- نمودار تعیین عملکرد شبکه برای ph کود مرغی
جدول 3-5- تعیین عملکرد شبکه برای مقادیر ph
Test
Validation
Train
0.964
0.988
0.981
R2
0.152
0.121
0.083
RMSE
همانطور که در شکل (3-29) نشان داده شده است، نمودار مقادیر پیش بینی شده فشار با نمودار مقادیر واقعی اندازه گیری شدهبرای داده های آموزش و اعتبار سنجی شبکه با دقت بالایی بر هم منطبق می باشند. میزان دقت در این پیش بینی از مقدار دقت در پیش بینی مقادیر فشار بالاتر می باشد.
شکل 3-29 – نمودار آموزش و اعتبار سنجی داده های ph کود مرغی
همانطور که در شکل (3-30) نشان داده شده است، نمودار مقادیر پیش بینی شده تست شبکه برای فشار با نمودار مقادیر واقعی اندازه گیری شده دارای هم پوشانی بالایی با دقت 964/0 و میزان خطای محاسباتی 152/0 می باشد.
شکل 3-30- نمودار تست داده هایph کود مرغی
3-8-1-3- بررسی حجم گاز در آزمایش کود مرغی
همانطور که در نمودار تعیین عملکرد شبکه (شکل 3-31) نشان داده شده است، مربعات آموزش دارای بیشترین دقت میباشد. پس از آن مربعات اعتبار سنجی در رتبه دوم دقت قرار دارد. و در رتبه سوم دقت داده های تست با یک پراکندگی نا منظم تر نسبت به خط قرار گرفته اند. در این شبکه دقت مربعات آموزش برای حجم 998/0، دقت مربعات تست 982/0 و دقت مربعات اعتبار سنجی 994/0 می باشد. بنابراین بهترین دقت برای مربعات اعتبار سنجی با 988/0 دقت میباشد. همچنین در تعیین ریشه میانگین مجذور خطا (RMSE)، داده های تست با57/18، دارای بیشترین خطا می باشد. پس از آن داده های اعتبار سنجی با 08/9 خطا در رتبه دوم و داده های آموزش با 24/6، دارای کمترین خطای محاسباتی می باشد (جدول 3-7). بنابراین دقت شبکه برای پیش بینی مقادیر حجم مناسب می باشد بطوریکه میتوان با دارا بودن شرایط اولیه آزمایش از این نتیجه برای بی نهایت آزمایش مشابه با دقت بالا استفاده نمود.
شکل 3-31- نمودار تعیین عملکرد شبکه برای حجم گاز کود مرغی
جدول 3-6- تعیین عملکرد شبکه برای مقادیر حجم
Test
Validation
Train
0.982
0.994
0.998
R2
18.57
9.08
6.24
RMSE
همانطور که در شکل (3-32) نشان داده شده است، نمودار مقادیر پیش بینی شده حجم با نمودار مقادیر واقعی اندازه گیری شده برای داده های آموزش و اعتبار سنجی شبکه با دقت بالایی بر هم منطبق می باشند.
شکل 3-32- نمودار آموزش و اعتبار سنجی داده های حجم کود مرغی
همانطور که در شکل (3-33) نشان داده شده است، نمودار مقادیر پیش بینی شده تست شبکه برای فشار با نمودار مقادیر واقعی اندازه گیری شده دارای هم پوشانی بالایی با دقت 982/0 و میزان خطای محاسباتی 57/18 می باشد.
شکل 3-33- نمودار تست داده های حجم گاز کود مرغی
3-8-2- بررسی نتایج شبیه سازی در شبکه عصبی برای کود بلدرچین
3-8-2-1- بررسی فشار گاز در آزمایش کود بلدرچین
همانطور که در نمودار تعیین عملکرد شبکه (شکل 3-25) نشان داده شده است، پراکندگی داده ها طوری می باشد که بسیار به خط نزدیک می باشند.از لحاظ دقت، مربعات تست دارای بالاترین دقت می باشد. پس از آن مربعات آموزش در رتبه دوم دقت قرار دارد که داده های تست با یک پراکندگی نامنظم تر نسبت به خط قرار گرفته اند و در رتبه سوم دقت مربعات اعتبار سنجی قرار گرفته اند. در این شبکه دقت مربعات آموزش برای فشار973/0 ، دقت مربعات تست 981/0 و دقت مربعات اعتبار سنجی 949/0 میباشد. بنابراین بهترین نتیجه برای مربعات تست با دقت 981/0 می باشد. همچنین در تعیین ریشه میانگین مجذور خطا (RMSE)، داده های اعتبار سنجی دارای 646/0 خطا، داده های تست دارای 774/0 خطا و دادههای آموزش دارای409/0 خطا می باشد. که بیشترین خطا مربوط به داده های تست و کمترین خطا مربوط به داده های آموزش شبکه میباشد (جدول 3-8). بنابر این دقت شبکه برای پیش بینی مقادیر فشار مناسب می باشد بطوریکه می توان با دارا بودن شرایط اولیه آزمایش از این نتیجه برای بی نهایت آزمایش مشابه با دقت بالا استفاده نمود.
شکل 3-34- نمودار تعیین عملکرد شبکه برای فشار گاز کود بلدرچین
جدول 3-7- تعیین عملکرد شبکه برای مقادیر فشار
Test
Validation
Train
0.9811
0.949
0.973
R2
0.774
0.646
0.409
RMSE
همانطور که در شکل (3-35) نشان داده شده است، نمودار مقادیر پیش بینی شده فشار با نمودار مقادیر واقعی اندازه گیری شده با دقت بالایی بر هم منطبق می باشند. در این شکل دو نمودار به جزء با مقداری خطا در رئوس دارای هم پوشانی بالایی می باشند.
شکل 3-35- نمودار آموزش و اعتبار سنجی داده های فشار گاز کود بلدرچین
همانطور که در شکل (3-27) نشان داده شده است، نمودار مقادیر پیش بینی شده تست در شبکه برای فشار با نمودار مقادیر واقعی اندازه گیری شده دارای هم پوشانی خوبی می باشد. در این نمودار دقت مربعات تست 9811/0 می باشد که یک مقدار مناسب می باشد.
شکل 3-36- نمودار تست داده های فشار گاز کود بلدرچین
3-8-2-2- بررسی ph گاز در آزمایش کود بلدرچین
همانطور که در نمودار تعیین عملکرد شبکه (شکل 3-25) نشان داده شده است، پراکندگی داده ها نسبت به خططوری می باشد که از دقت بالایی برخوردار هستند. همچنین از لحاظ دقت، مربعات آموزش دارای بالاترین دقت می باشد. پس از آن مربعات اعتبار سنجی در رتبه دوم دقت قرار دارد که داده های تست با یک پراکندگی نامنظم تر نسبت به خط قرار گرفته اند و در رتبه سوم دقت مربعات تست قرار گرفته اند. در این شبکه دقت مربعات آموزش برای ph، 993/0 ، دقت مربعات تست 982/0 و دقت مربعات اعتبار سنجی 988/0 میباشد. بنابراین بهترین نتیجه برای مربعات آموزش با دقت 993/0 می باشد. همچنین در تعیین ریشه میانگین مجذور خطا (RMSE)، داده های اعتبار سنجی دارای 103/0 خطا، داده های تست دارای 121/0 خطا و دادههای آموزش دارای061/0 خطا می باشد. که بیشترین خطا مربوط به داده های تست و کمترین خطا مربوط به داده های آموزش شبکه میباشد (جدول 3-9). بنابراین دقت شبکه برای پیش بینی مقادیر ph مناسب می باشد بطوریکه می توان با دارا بودن شرایط اولیه آزمایش از این نتیجه برای بی نهایت آزمایش مشابه با دقت بالا استفاده نمود.
شکل 3-37- نمودار تعیین عملکرد شبکه برایph کود بلدرچین
جدول 3-8- تعیین عملکرد شبکه برای مقادیر ph
Test
Validation
Train
0.9827
0.9882
0.993
R2
0.121
0.1037
0.0612
RMSE
همانطور که در شکل (3-38) نشان داده شده است، نمودار مقادیر پیش بینی شده فشار با نمودار مقادیر واقعی اندازه گیری شده برای دادههای آموزش و اعتبار سنجی شبکه با دقت بالایی بر هم منطبق می باشند.
شکل 3-38- نمودار آموزش و اعتبار سنجی ph کود بلدرچین
همانطور که در شکل (3-39) نشان داده شده است، نمودار مقادیر پیش بینی شده تست شبکه برای ph با نمودار مقادیر واقعی اندازه گیری شده دارای هم پوشانی بالایی با دقت 982/0 و میزان خطای محاسباتی 121/0 می باشد.
شکل 3-39- نمودار تست داده های ph کود بلدرچین
3-8-2-3- بررسی حجم گاز در آزمایش کود بلدرچین
همانطور که در نمودار تعیین عملکرد شبکه (شکل 3-25) نشان داده شده است، پراکندگی داده ها طوری می باشد که بسیار به خط نزدیک می باشند.از لحاظ دقت، مربعات تست دارای بالاترین دقت می باشد. پس از آن مربعات آموزش در رتبه دوم دقت قرار دارد که داده های تست با یک پراکندگی نامنظم تر نسبت به خط قرار گرفته اند و در رتبه سوم دقت مربعات اعتبار سنجی قرار گرفته اند. در این شبکه دقت مربعات آموزش برای فشار973/0 ، دقت مربعات تست 981/0 و دقت مربعات اعتبار سنجی 949/0 میباشد. بنابراین بهترین نتیجه برای مربعات تست با دقت 981/0 می باشد. همچنین در تعیین ریشه میانگین مجذور خطا (RMSE)، داده های اعتبار سنجی دارای 646/0 خطا، داده های تست دارای 774/0 خطا و دادههای آموزش دارای409/0 خطا می باشد. که بیشترین خطا مربوط به داده های تست و کمترین خطا مربوط به داده های آموزش شبکه میباشد (جدول 3-8). بنابر این دقت شبکه برای پیش بینی مقادیر فشار مناسب می باشد بطوریکه می توان با دارا بودن شرایط اولیه آزمایش از این نتیجه برای بی نهایت آزمایش مشابه با دقت بالا استفاده نمود.
شکل 3-40- نمودار تعیین عملکرد شبکه برای حجم گاز کود بلدرچین
جدول 3-9- تعیین عملکرد شبکه برای مقادیر حجم
Test
Validation
Train
0.9845
0.9865
0.997
R2
16.682
17.178
7.295
RMSE
همانطور که در شکل (3-32) نشان داده شده است، نمودار مقادیر پیش بینی شده حجم با نمودار مقادیر واقعی اندازه گیری شده برای داده های آموزش و اعتبار سنجی شبکه با دقت بالایی بر هم منطبق می باشند.
شکل 3-41- نمودار آموزش و اعتبار سنجی حجم گاز کود بلدرچین
همانطور که در شکل (3-33) نشان داده شده است، نمودار مقادیر پیش بینی شده تست شبکه برای فشار با نمودار مقادیر واقعی اندازه گیری شده دارای هم پوشانی بالایی با دقت 982/0 و میزان خطای محاسباتی 57/18 می باشد.
شکل 3-42- نمودار تست داده های تست برای حجم گاز کود بلدرچین
منابع
4- 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.
13- ستاری ساربانقلی، حسن. "مشکلات، موانع و محاسن توسعه بیوگاز در روستا"مجموعه مقالات سومین کنفرانس سراسری روستا و انرژی، وزارت جهاد سازندگی، دفتر مطالعات انرژی، 1378.
14- شایگان، جلال الدین، مهدیزاده، حسین. "تبدیل مواد آلی فاضلاب به گاز متان با استفاده از روش تصفیه بی هوازی" مجموعه مقالات اولین سمینار بیوگاز، 1375.
15- شیخ الاسلامی، سید جواد." فرایند تولید بیوگاز" دومین کنفرانس سراسری روستا و انرژی ، خرداد 1377.
16- شیخ قاسمی، خلیل. تکنولوژی ساخت بیوگاز و تجارب بدست آمده در ایران، 1373.
17- شعبانی کیا، اکبر؛ نظری، علی و شیخ الاسلامی، سید جواد. گزارش پتانسیل سنجی تولید بیوگاز در ایران، سازمان انرژی اتمی ایران، مرکز توسعه انرژیهای نو، 1381.
18- شیخ الاسلامی، سید جواد، محاسبات، طراحی و ساخت یک مخزن تخمیر، سمینار بیوگاز، مجموعه مقالات، 1375.
19- عبدلی، محمد علی. مدیریت مواد زائد جامد شهری، سازمان بازیافت و تبدیل مواد، شهرداری تهران، 1362.
20- عبدلی، محمد علی. روش ساخت قدم به قدم یک دستگاه بیوگاز چینی روستایی، نشر دفتر ارشاد وروابط عمومی وزارت نیرو، 1364.
21- عبدلی، محمدعلی. "بیوگاز" سازمان انرژی اتمی ایران، بهمن 1364.
22- عدل، مهرداد و همکاران. گزارش بررسیهای اقتصادی تولید انرژی از منابع زیست توده، پژوهشکده انرژی و محیط زیست، 1379.
23- علیزاده. بخش بیوگاز مرکز تحقیقات و کاربرد انرژی های نو "مجموعه مقالات اولین سمینار بیوگاز در ایران" سازمان انرژی اتمی ایران، 1375.
24- عمرانی، قاسمعلی. "روند توسعه بیوگاز در ایران و جهان، مجموعه مقالات اولین سمینار بیوگاز در ایران.
25- عدل، مهرداد. مبانی طراحی محل دفن زباله و تولید انرژی از گاز دفن ، پژوهشگاه نیرو، 1383.
25- عدل، مهرداد. "برآورد قابلیت های تولید انرژی از زائدات زیستی"، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشکده محیط زیست، دانشگاه تهران، 1378.
26- عمرانی، قاسم علی. روند توسعه بیوگاز در ایران و جهان، مرداد 1375.
27- عمرانی، قاسمعلی. تولید بیوگاز از فضولات شهری و روستایی، چاپ اول، انتشارات دانشگاه تهران، 1375.
28- قبادیان، برات. "طراحی بیوگاز گنبدی ثابت" مجموعه مقالات اولین سمینار بیوگاز، 1375.
29- قارداشی، ابوالقاسم علی. مهرداد عدل "گزارش بررسی اقتتصادی پروژه زیست توده" گروه انرژیهای نو، پژوهشگاه نیرو، 1379.
31- قارداشی، ابوالقاسم علی؛ عدل، مهرداد. بیوگاز در ایران، سومین همایش ملی انرژی، تهران، ١٣٨٠.
32- لودویک، ساسه. " تاسیسات واحدهای بیوگاز" ترجمه دکتر قاسم نجف زاده، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، 1374.
33- مرندی، امیر؛ دهدشتیان، مهیندخت. بررسی استفاده از بیوگاز در ایران، دومین همایش ملی انرژی، تهران، ١٣٧٨.
34- نجف پور، قاسم، تاسیسات واحدهای بیوگاز، ترجمه، دانشگاه صنعتی امیر کبیر، 1374.
Aili, Kejun, Y., Yaoxin, Z., Guoyuan, F., 1991. Study and design on a high performance biogas project treating chicken manure. Biogas Forum 2, 14-19.
Anand, R.C., Singh, R., 1993. A simple technique: charcoal coating around the digester improves biogas production in winter. Bioresour. Technol. 45, 151-152.
Angelidaki, I., Ahring, B.K., 1994. Thermophilic anaerobic digestion of livestock waste: the effect of ammonia. Appl. Microbiol. Biotechnol. 38 (4), 560-564.
Ann C, Wilkie., 2004. "Global Climate Energy Program (GCEP) Biomass Energy Workshop". Stanford University.
Anon, 1981. "advisory committee on technology innovation". Supplementary report, renewable sources and alternate technology for developing countries. National academy press, Washington, DC, PP.4-5
Attar, Y., Mhetre, S.T., Shawale, M.D., 1998. Biogas production enhancement by cellulytic strains of Actinomycetes. Biogas Forum I (72), 11-15.
Aubart, C., Farinet, J.L., 1983. Anaerobic digestion of pig and cattle manure in large-scale digesters and power production from biogas. Symp. Pap. Energy Biomass Wastes VII, 741-766.
Babu, K.S., Nand, K., Srilatha, H.R., Srinath, K., Madhukara, K., 1994. Improvement in biomethanation of mango processing wastes by addition of plant derived additives. Biogas Forum III (58), 16- 19.
Baier, U., Schmidheiny, P., 1997. Enhanced anaerobic degradation of mechanically disintegrated sludge. Water Sci. Technol. 36 (11), 137-143.
Bansal, N.K., 1988. A Techno-economic assessment of solar assisted biogas systems. Energy Res. 10, 216.
Bardiya, N., Gaur, A.C., 1997. Effects of carbon and nitrogen ratio on rice straw biomethanation. J. Rural Energy 4 (1-4), 1-16.
barker, j. c., 2001, methane fuel gas from livestock wastes, North Carolina state university.
Barnett, A., 1978. Biogas technology in the third world: a multidisciplinary Review. IDRC, Ottawa, Canada. 51.
Baserja, U., 1984. Biogas production from cowdung: influence of time and fresh liquid manure. Swiss-Biotech. 2, 19-24.
Brand, R. A., 1981. "A company of MBB jointly developed a biogas plant". Scale, 12: 35-7.
Brummeler, E.T., Aarnink, M.M.J., Koster, I.W., 1992. Dry anaerobic digestion of solid organic waste in a biocell reactor at pilot plant scale. Water Sci. Tech. 25 (7), 301-310.
Bucklin, R.A., I.A.Naas., and P.B.Panagakis. 1985. "Energy Use in Animal Production". Chapter 17. P 257 – 278.
Chandra, R., Gupta, R.S., 1997. Effect of pectin on anaerobic digestion of distillery effluent and biomethanogenesis in fed batch reactor. Indian J. Environ. Protect. 17, 19-23.
Chastain, j., linvill, e., francis, j., and, wolak, j., 1999, on farm biogas
Chowdhry, S.D.R., Gupta, S.K, Banergy, S.K., Roy Chowdhry, S.D., 1994. Evaluation of the potentiality of tree leaves for biogas production. Indian Forester 120 (8), 720-728.
Chung, P. O., 1973. "Production and use of methane from animal waste in Taiwan". Paper presented at international biomass energy conference at biomass energy institute, PO Box 129, Winnipeg, Manitoba, Canada, 13-15 may
Clark, P.B., Hillman, P.F., 1995. Enhancement of anaerobic digestion using duckweed (Lemna minor) enriched with iron. Water Environ. Manage. J. 10 (2), 92-9
Dangaggo, S.M., Aliya, M., Atiku, A.T., 1996. The effect of seeding with bacteria on biogas production rate. Renew. Energy–An Int. J. 9 (1-4), 1045-1048.
Dar, H.G., Tandon, S.M., 1987. Biogas production from pretreated wheat straw, lantana residue, apple and peach leaf litter with cattle dung. Biol. Wastes 21, 75-83.
Desai, C.K., 1988. Use of solar pond for thermal control of biogas plant. In: Proceedings of the National Seminar on Solar Energy and Rural Development, Kolhapur, May 29-31, 1987. Shivaji University, pp. 83-88.
Desai, M., Madamwar, D., 1994. Anaerobic digestion of a mixture of cheese whey, poultry waste and cattle dung: a study of the use of adsorbents to improve digester performance. Environ. Pollut. 86(3), 337-340.
Dhawale, M.R., 1996. Anaerobic fermentation with chemical inducers and higher solids for biogas production. Project sponsored by MNES, 1993-1996, Shivasadan Renewable Energy Research Institute, Sangli, Maharashtra, India.
Dolfing, J., 1985. "Kinetics of methane formation by granular sludge atlow substrate concentrations".
Donald, L. K. & sambhunath, G., 1980. "Methane production by anaerobic digestion of water hyacinth". Symposium paper, fuel from biomass_ second chemical congress on the North American Continent American Chemical Society. 24-29 August, PP 1-15
El Shinnawi, M.M., El Tahawi, B.S., El Houssieni, M., Fahmy, S.S.,1989. Changes of organic constituents of crop residues and poultry wastes during fermentation for biogas Appl. Microbiol. Biotechnol. 5 (4), 475-486.
Fry, L John.( 1974). Practical Building of Methane Power Plants for Rural Energy Inndependence.
Hiraoka, M. 1985 Highly efficient anaerobic digestion with thetmal preter atment. Mater sci. Technol (United kingdom). V. 17: 4-5 529-53.
Hobson, Peter N and et.al.( 1993). Anareobic Digestion Modern Theory and Practice.Halsted Press, John Wiley&Sons, Inc., New York, NY
Idnani, M. A. & acharya, C. N., 1963, "Biogas plants farm bulletin", No. l, Indian Council of Agriculture research, New Delhi.
Johns,J.C.Nye, and A.C.Dale., 1980."Metan Generation From Livestock Waste". Perdue Universuty, Cooperatuve Extention Service, West Lafayette, IN.
Koachi, SH., 1982. "Cheen main biogas ka istamal". Journal, cheen ba tasweer published by hava yuwan, choon road, bejing 28, Awami Jamhuria Cheen. 6, 34-6.
Martin, G., 1979. "Upgrading waste to high- grade fuel entices developers of biogas". Chem., internat., No. 3, PP. 17-20.
nas, 1977. "Ad Hoc Panel of Advisory Committee for Technology Innovation Report, Methan Generation from human animal and agricultural waste". National Academy of Sciences, Washington, DC, PP. 67-8.
Pervanchon, F.,C. Bockstaller and P.Giradin, 2002. "Assessment of Energy Use in Arable Farming Systems by Means of an Agro- Ecological Indicato" : the Energy Indicator. Agricultural Systems
Robeert A, Pasons, 1984." On- Farm Biogas Production". Northeast Regional Agricultural Engineering Service.United States Department of Agriculture(USDA).
Steinsberger, S.C. 1984 The construction and operation of a lowcost poultry waste digster. Biotech . Broeng. &. 26. No 5
Tentschr, W., 1987. "Division of energy technology". Thailand RERIC News.
wang yongzhi, w., 2002, research and application of biogas
Webb, A. R. 1985 Laboratory Scle anaerobic digestion of poultry
Zexi, Cao., 1982. "Application of biogas on farm internal combustion energy". The provincial Agriculture machinery research institute of Sichuan
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
1: Dar
60-Artificial Neural Network
61-Multi layer perceptron
62-Batch mode
63- pattern mode
64. Oades
65. Oades
66. Oades
67. Oades
68. Oades
69. Oades
—————
————————————————————
—————
————————————————————