بر این حقیقت واقفیم که بیوگاز به عنوان صورت پاک و تجدیدپذیر انرژی (به ویژه در بخش روستایی)، به خوبی میتواند جایگزین منابع متعارف انرژی مانند سوختهای فسیلی شود. اما در عین وجود مزایای متعدد، پتانسیل فنآوری بیوگاز با محدودیتهای خاصی نیز همراه بوده است. در این میان شایعترین محدودیتهای ممکن عبارتند از: زمان ماند هیدرولیکی طولانی 50-30 روز، کاهش تولید گاز در زمستان، نوسانات شدید دمای شبانه روزی هاضم و غیره. برای غلبه بر این مشکلات، محققان کوشیدهاند تا این محدودیتها را به منظور مورد پسند واقع کردن این فنآوری وافزایش تولید گاز بر طرف کنند. از زمانی که علم بیوگاز پا به عرصه وجود گذاشته است؛ تاکنون راهکارهای بیشماری برای بهینه کردن تولید بیوگاز ارائه گردیده، تا با ایجاد روشهای مناسب علاوه بر به حداقل رساندن فرآیند هضم بیهوازی، بتوان میزان تولید بیوگاز را به حداکثر ممکن رساند. این مقاله به بررسی تکنیکهای مختلفی میپردازد که میتواند به منظور افزایش میزان تولید گاز از بسترهای جامد به کار رود.
کلید واژهها: بیوگاز، راهکارها، زمان ماند هیدرولیکی، سرعت هضم.
1- مقدمه:
در سبک زندگی انرژی خواه امروزه نیاز برای جستجو و کشف منابع جدید انرژی که قابل تجدید هستند یک الزام است(مرتضی الماسی، 1384). در مناطق روستایی کشورهای در حال توسعه، بیومس سلولزی متنوع ( کود حیوانی، زائدات کشاورزی و غیره) به مقدار فراوان در دسترس میباشد؛ که تنوع پتانسیل خوبی برای انرژی رساندن به مطالبه انرژی، مخصوصاً در بخش خانگی دارند (آیلی، 1991، 14-19؛ آتار، 1998، 11-15). در هند به تنهایی 250 میلیون دام وجود دارد که اگر تنها یک سوم کود تولیدی سالیانه را به بیوگاز تبدیل کند، میتوان بیشتر از 12 میلیون دستگاه بیوگاز نصب کرد (آتار، 1998، 11-15). تکنولوژی بیوگاز یک مسیر خیلی جذاب برای استفاده مطمئن از گروههای بیومس به منظور تأمین نیازهای انرژی جزئی دارد (چاندار، 1997، 19-23). در واقع عملکرد مناسب سیستم بیوگاز میتواند به منظور حفظ منابع و حفاظت از محیط زیست، مزایای متعددی به کاربران و جامعه ارائه دهد(آیلی، 1991، 14-19؛ آنگلایداکی، 1994، 560-564). بیوگاز محصول تجزیه بیهوازی از بسترهای آلی است، که برای درمان ضایعات صنعتی و تثبیت لجن یکی از قدیمیترین فرآیندهای مورد استفاده است. از آنجا که این عمل توسط مشارکت میکروارگانیسمها انجام میگیرد و وابسته به عوامل مختلفی مثل PH ، دما، زمان ماند هیدرولیکی (HRT)، نسبت C/N و غیره میباشد، یک فرآیند بالنسبه آهسته است. از طرفی عدم ثبات روند، نرخ بارگذاری کم، کم کردن سرعت بهبود پس از تجزیه و شکست و الزامات خاص برای ترکیب زباله، برخی از محدودیتهای دیگر است که با آن مرتبط است (باردیا، 1994). تخمیر بیهوازی یک فرآیند آهسته با یک HRT بزرگ از 50-30 روز است که در دستگاههای بیوگاز متداول انجام میگیرد و این باعث نیاز به حجم زیاد دستگاه هضم و هزینه بالای سیستم میگردد (انگلایداکی، 1994، 560-564). کاهش تولید گاز در طول فصل زمستان گزارش شده است که یک مشکل جدی در کاربرد عملی این فنآوری می باشد. اصولاً تولید بیوگاز از 1700 لیتر در روز در ماه می - ژوئیه به حدود 991 لیتر در روز، در ماه ژانویه - فوریه کاهش مییابد(آتار، 1998). تمام این عوامل باعث کاهش محبوبیت فن آوری بیوگاز در مناطق روستایی شده است. بنابراین نیاز به بهبود بازده کلی فرآیند هضم بیهوازی در دستگاههای بیوگاز میباشد. این ممکن است با استفاده از روشهای مختلف انجام شود از جمله: بهینه سازیهای متنوع پارامترهای عملکردی، رضایت بخش کردن الزامات تغذیه میکروبها (بابی، 1994، 16-19؛ بایر، 1997، 137-143؛ دسیا، 1994، 337-340) با استفاده از اختلاف بیولوژیکی، مواد افزودنی شیمیایی، با دستکاری کردن نسبت خوراک، باگردش و دوران دوغاب هضم (شسته و ساییده شدن میکروب) بازگشت به راکتور، اصلاح و تغییر در طراحی دستگاه بیوگاز موجود (بارنت، 1987، 51)، برخی از راههای دیگر بهبود تولید گاز در جاذبهای بیوگاز هستند، به تازگی تلاشها بر آن است که یا HRT را کاهش دهند و یا بیوگاز تولیدی را با همان HRT بوسیله مخلوط کردن لایه میکروبی ثابت در راکتور که به حفظ میکروبها در راکتور کمک میکند، افزایش دهند. این مقاله یک دیدگاه کلی از روشهای متنوع که میتواند برای استفاده به عنوان افزایش نرخ تولید گاز از بسترهای جامد به کار رود ارائه میدهد (برامملر،1992، 301-310؛ چندرا، 1997، 19-23)
2- روشها و فرآیندهای تولید بیو متان
مواد آلی که در دستگاه بیوگاز به کار گرفته میشوند، میتوانند از هر منبعی سرچشمه بگیرند؛ مشروط بر آنکه شرایط شیمیایی و فیزیکی لازمه برای رشد باکتریهای متانزا فراهم شود (مرتضی الماسی، 1361). مواد زائد و فضولات حیوانی که حاوی بخشی از مواد لیگنو سلولزی هضم نشده و بخشی از مواد لیگنو سلولزی هضم شده میباشند، میتوانند در اثر هیدرولیز آنزیمی به کروهیدراتها تبدیل شوند (محمود ثقفی، 1372؛ غلامرضا علی زاده، 1364). این کربوهیدراتهای تولید شده به کمک میکروارگانیزمهای 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 نیتروژن، اکسیژن، هیدروژن سولفید و غیره تبدیل میشوند (مرتضی الماسی، 1361). فرآیند هضم بیهوازی و تولید بیوگاز مانند سایر واکنشهای بیو شیمیایی تحت تأثیر عوامل شیمیایی و فیزیکی متنوعی است که مهمترین آنها عبارتند از: زمان ماند هیدرولیکی، نسبتC/N ، دما،PH ، میزان حضور عوامل سمی، میزان مواد
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
1-5-2- تخمیر هیدراتهای کربن.. 12
1-6- پارامترهای مؤثر بر فرآیند هضم بیهوازی.. 13
1-6-1- درجه حرارت محیط تخمیر.. 14
1-6-3- میزان حضور مواد مغذی در محیط (C/N).. 16
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
1-7-2- سیستم نیمه پیوسته:.. 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
1-11- 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
2-1- مراحل ساخت واحد بیوگاز با تمام جزئیات آن:.. 49
2-1-1- انتخاب مکان ساخت واحد بیوگاز.. 49
2-1-3- بررسی شرایط خاک منطقه.. 51
2-1-4- بررسی مواد آلی مورد نیاز.. 52
2-2- طراحی و ساخت اتاقک عایق:.. 53
2-3- مراحل طراحی و ساخت مخزن هضم دستگاه:.. 55
2-3-2-1- انتخاب مخزن هضم:.. 58
2-5-1- تست دستگاه با آب برای اطمینان از آب بندی بودن:.. 67
2-5-2- تست صحت کار المنتها:.. 68
2-6- مشخصات دستگاه تست گاز:.. 70
2-6-1- دستگاه آنالایزر گاز ساخت کمپانی Testo آلمان.. 70
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
2-8-7- ضریب تعیین (همبستگی).. 78
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
3-8-1- 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
شکل 1‑1 چرخه بیوگاز در طبیعت.. 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 1‑7- مخزن ذخیره گاز فایبرگلاس.. 27
شکل 1‑8- بالنهای ذخیره بیوگاز.. 28
شکل 1‑9- دستگاه بیوگاز عمودی.. 29
شکل 1‑11- دستگاه بیوگاز مشترک.. 32
شکل 1‑17- دستگاه بیوگاز مدل تایوانی.. 39
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 2‑13- 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 دمای 35.. 85
شکل 3‑2- نمودار فشار- زمان کود مرغی در دمای 35.. 86
شکل 3‑3- نمودار PH- زمان کود مرغی در دمای 35.. 86
شکل 3‑4- نمودار حجم- زمان کود مرغی در دمای 30.. 87
شکل 3‑5- نمودار فشار- زمان کود مرغی در دمای 30.. 88
شکل 3‑6- نمودار PH- زمان کود مرغی در دمای 30.. 89
شکل 3‑7- نمودار حجم- زمان کود بلدرچین در دمای 35.. 91
شکل 3‑8- نمودار فشار- زمان کود بلدرچین در دمای 35.. 92
شکل 3‑9- نمودار PH - زمان کود بلدرچین در دمای 35.. 93
شکل 3‑10- نمودار حجم- زمان کود بلدرچین در دمای 30.. 94
شکل 3‑11- نمودار فشار- زمان کود بلدرچین در دمای 30.. 95
شکل 3‑12- نمودار PH - زمان کود بلدرچین در دمای 30.. 96
شکل 3‑13- نمودار حجم - زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای 35.. 97
شکل 3‑14- نمودار فشار - زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای 35.. 98
شکل 3‑15- نمودار PH - زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای 35.. 99
شکل 3‑16- نمودار حجم- زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای 30.. 100
شکل 3‑17- نمودار فشار- زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای 30.. 101
شکل 3‑18- نمودار PH - زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای 30.. 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
کتابی جامع در مورد انرژیهای نو
تفسیر مفصل تولید بیوگاز از مرحله طراحی و ساخت تا مرحله آزمایش و تولید گاز و مصرف آن
در این کتاب تحقیقی کلیه مراحل ساخت یه دستگاه تولید بیوگاز مزرعه ای- آزمایشگاهی به همراه آزمایش دستگاه با کود مرغی و بلدرچین آورده شده است
43 مقاله درمورد بیوگاز در قالب وردword