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
مهندسان و محققین همیشه در تلاش برای تولید محصولات ساختمانی بودند تا بتوانند مسکن را با عمر مفید زیاد و استحکام بالا در مقابل بلایای طبیعی بسازند. همچنین با توجه به پایان رسیدن عصر انرژی ارزان، حداقل انرژی در ساختمان مصرف گردد و دارای هزینه کمتری نسبت به سایر مصالح رایج باشد. هم اکنون بتن معمولی غالبا با دانسیته 2400 کیلوگرم بر مترمکعب تولید می گردد که با توجه به وزنش مشکلات فراوانی از جمله اجرای سخت و با خاصیت جذب آب بسیار بالا دائما تاسیسات حرارتی و برودتی ساختمان را در معرض تخریب قرار می دهد. در حال حاضر با افزودن هوا به مخلوط ماسه و سیمان، وزن آن تا اندازه قابل توجهی کاهش می یابد، (400 الی 1800 کیلو گرم بر متر مکعب) و بتن سبک هوادار با خصوصیات بارزی تولید می گردد.
خصوصیات فنی:
بتن سبک هوادار را می توان در دو دانسیته تولید کرد :
الف - وزن مخصوص (400 الی 900 کیلو گرم بر متر مکعب) برای ساخت بلوکهای ساختمانی غیرباربر و همچنین بلوکهای تزئینی و پانلها .
ب - وزن مخصوص (1000 الی 1800 کیلو گرم بر متر مکعب) برای قطعات باربر و مسلح .
بتن سبک هوادار دارای خصوصیاتی است که شماری از آنها را در ادامه برایتان توضیح خواهیم داد :
1. عایق رطوبت .
2. عایق گرما وسرما .
3. عایق صوت .
4. مقاومت بیشتر در مقابل حریق .
5. نسبت مقاومت فشاری مناسب به وزن .
6. کاهش بار مرده در ساختمان .
7. مقاوم در مقابل نفوذ آب .
8. خاصیت خوب جذب و دفع آب .
9. راحتی در عمل بریدن و میخ کوبی .
10. انقباض مطلوب در حین خشک شدن .
11. مقاوم در برابر یخ زدگی بتن .
12. جلوگیری از استهلاک سیستم سرمایش و گرمایش گازی
مزایا:
استفاده از بتن سبک هوادار دارای مزایای زیادی می باشد که برخی از آنها به شرح زیر می باشد:
1. کاهش در هزینه های حمل و نقل قطعات پیش ساخته بتنی (تولید صنعتی) .
2. صرفه جویی در حمل مصالح (وزن ماسه و میله گرد) .
3. عمر مفید بیشتر قالب فلزی (ضریب تکرار بیشتر قالب در بتن که میزان تولید آن بالغ بر 8/3 بیلیون مترمکعب در سال تخمین زده می شود، به علت دارا بودن خواص و ویژگی های ممتاز و نیز در دسترس بودن مصالح آن، پس از آب، پرمصرف ترین ماده روی زمین به شمار می رود. بتن در همه جا موجود است و در یکصد سال اخیر، استفاده از آن در ساخت بناهای مسکونی و اداری، پیاده روها، راه ها و جاده ها و نیز انواع مختلف ساختمان های فنی عملکردی از قبیل کارخانه ها، پارکینگ ها، متروها، فرودگاه ها، پل ها، سدها، سیلوها، سازه های دریایی، رآکتورهای اتمی و سازه های مقاوم در برابر انفجارات و زلزله، مقبولیتی همگانی پیدا کرده است.
چنانچه از عنوان این نوشتار برمی آید، بتن یک ماده متناقض است. بتن با اینکه تداعی کننده مفهوم سختی است، لیکن در ابتدای فرآیند اختلاط مواد تشکیل دهنده اش، نرم و روان است؛ اگرچه بتن، بر اساس تعریفی که از آن سراغ داریم، یک ماده پیوندی و چندرگه است که از اختلاط سیمان، آب، ماسه و مصالح دانه ای معدنی از قبیل شن یا سنگریزه به دست می آید، اما معمولا به عنوان یک ماده یکپارچه و دارای شخصیت مستقل در نظر گرفته می شود. بتن شکل ذاتی و طبیعی بخصوصی ندارد و از این رو باید با استفاده از قالب بندی به شکل معینی درآورده شود؛ یعنی شکل و بافت نهایی بتن را قالبی که بتن به درون آن ریخته می شود، تعیین می کند.
بتن می تواند هر رنگ، بافت و طرحی را به خود بگیرد، از این رو شاید بتوان آن را به یک آفتاب پرست تشبیه کرد. رنگ بتن اغلب خاکستری ست، اما از طریق انتخاب سیمان و مصالح دانه ای مناسب یا با استفاده از رنگدانه های شیمیایی می توان به آسانی آن را در رنگ های سفید، قهوه ای یا حتی قرمز روشن تولید کرد. بتن بسته به قالب مورد استفاده در تولید آن، می تواند صاف و ساده یا دارای طرح های دقیق و پیچیده باشد؛ بتن می تواند همچون شیشه صاف باشد یا همچون صخره زمخت و ناصاف. بتن ممکن است بدون پرداخت رها شده یا همچون یک تندیس به دقت روی آن کار شود. در واقع، بتن، با توجه به ویژگی های خاص سطح آن، یک فرآورده واحد نیست، بلکه طیف گسترده ای از مصالح را دربرمی گیرد که از نظر بافت، رنگ و بیان معمارانه از قابلیت های بی شماری برخوردار است.
ترکیب مقاومت فشاری سنگ و مقاومت کششی فولاد در بتن مسلح، سازه های بتنی را قادر به تحمل وزن بسیار زیاد و پوشش دهانه های بزرگ می سازد. از آنجایی که عناصر تشکیل دهنده سازه بتن مسلح می توانند بصورت یک شبکه پیوسته و یکپارچه، به هم بافته شوند، استفاده از بتن مسلح در طراحی سازه، آن را از قابلیت انعطاف پذیری بی نظیری برخوردار می کند. معماران و مهندسان از این ویژگی برای خلق عناصر ساختمانی مختلف، از صفحات بتنی یکپارچه گرفته تا قاب های سازه ای سه بعدی و کنسول های عظیم و مهیب، بهره می گیرند.
بررسی تاریخی کاربرد بتن در معماری نشان می دهد که بتن توسط معماران رومی و صدر مسیحیت مورد استفاده قرار می گرفت، اما در قرون وسطی و رنسانس اغلب بی استفاده ماند، تا آنکه در نیمه دوم قرن نوزدهم بار دیگر، عمدتا برای مصارف معمولی، مورد توجه قرار گرفت، بویژه در مواردی که ساخت ارزان، قابلیت ایجاد دهانه های عریض و نسوز بودن، ضرورت به کارگیری آن را ایجاب می کرد. مسلح کردن بتن نیز که برای این کار میلگردهای فولادی را به منظور استحکام بیشتر در میان بتن قرار می دادند، به دهه 1870 باز می گردد. معماران قرن نوزدهم بعضا به قابلیت های بتن مسلح خیلی اطمینان نداشتند و نسبت به آن بدگمان بودند. بتن در آن زمان یک ماده خیلی جدید به شمار می رفت و ویژگی های آن برای معماران بخوبی قابل درک نبود، زیرا فاقد یک فرم ذاتی و پایدار بود. جالب آنکه این دقیقا همان خصوصیتی است که بتن را برای بسیاری از معماران امروز به وسیله ای امیدوارکننده جهت تحقق ایده هایشان تبدیل می کند.
پدیده بتن در چند سال آخر قرن نوزدهم که معماران سعی کردند سبکی مبتنی بر این مصالح بیابند، آشکارتر شد. در حالی که یکی از طراحان احتمالا چنین استدلال می کرد که ویژگی انعطاف پذیری بتن آن را به ماده ای مناسب برای بیان گرایی هنری در معماری تبدیل می کند، دیگری ممکن بود بر نقش روش قاب و قاب بندی تکیه کند و مدعی ارزش گذاری بر نمونه های پیشین گوتیک یا حتی شیوه های معماری فولاد و شیشه شود. نظریات مشابه مختلفی نیز با توجه به جنبه بیرونی بتن ابراز می شد، بدین معنا که یک معمار، بتن را ماده ای معمولی و پیش پاافتاده و نیازمند پوشانیده شدن با کاشی ها و روکارهای آجری می دانست و دیگری از زیبایی ذاتی آن دم می زد که به همین دلیل باید نمایان می ماند. استفاده گسترده و فراگیر از بتن مسلح در معماری حدودا به نیمه اول قرن بیستم باز می گردد. این ماده جدید به دلیل برخورداری از قابلیت استفاده در بناهای مختلف و نیز فرم پذیری قابل توجهش، در آن زمان در مقیاس وسیع مورد استفاده قرار گرفت و با سرعت شگفت آوری تاثیرات خود را در معماری بر جای گذاشت و بین سالهای 1910 و 1920، تقریبا به علامت مشخصه معماری جدید تبدیل شد. شاید از بسیاری جهات بتوان گفت خردگرایی و بتن مسلح دو عنصری بودند که سرانجام در دوره افتخارآمیز معماری مدرن در دهه 1920 در یکدیگر ادغام شدند؛ معماران خردگرای این دهه که بتن را به لحاظ برآورده کردن نیازهای اساسی چون ارزانی، یکسان سازی، نورپردازی کافی، تهویه گسترده و فضاهای داخلی انعطاف پذیر و نامحدود، ماده ای مناسب یافته بودند، در سطح وسیع آن را مورد استفاده قرار دادند.
آگوست پره مهندس معمار فرانسوی، نخستین کسی ست که بتن مسلح را به عنوان وسیله ای برای بیان مقاصد معماری شناخت و به کار برد. آپارتمان های مسکونی که او با استفاده از قابلیت های هنری بتن مسلح ساخت، منزلت بتن را در عالم معماری افزایش داد. فرانک لویدرایت نیز یکی از معماران برجسته آمریکایی است که در پروژه هایش از قابلیت های این ماده جدید استفاده فراوانی کرده است. ارزانی بتن و قابلیت ایجاد دهانه های عریض با استفاده از آن، باعث روی آوردن او به این ماده شد. علاوه بر این، او با بتن براحتی می توانست به ایده های فضایی خود جامه عمل بپوشاند. رایت به خاطر تاکید هنری و حرفه ای اش بر ماهیت مصالح، سطح بتن را در اغلب کارهایش عاری از پوشش باقی می گذاشت. پتانسیل تقریبا نامحدود بتن جهت خلق فرم ها و سطوح انتزاعی، برخورداری از قابلیت تطابق با شرایط و کارکردهای مختلف و نیز داشتن استحکام بالا، بتن را در حال حاضر به یکی از مصالح پرطرفدار و مورد توجه در میان بسیاری از معماران و مهندسان تبدیل کرده است. بتن به خاطر داشتن خاصیت انعطاف پذیری بالا، آزادی عمل قابل توجهی در اختیار طراحان و معماران قرار می دهد. بتن، همانند خاک رس در دستان یک تندیس گر، برای معماران امکان خلق ساختمان هایی را فراهم می کند که به طور منحصر به فردی گیرا، جالب توجه و از نظر هندسی متهورانه است. فرم ها و ترکیباتی که ساختن آنها پیش از ابداع بتن مسلح، با استفاده از سایر مصالح متداول دشوار یا غیرممکن بود، با استفاده از بتن مسلح اغلب به آسانی قابل دستیابی هستند. به جرات می توان گفت که بدون استفاده از بتن، اجرای برخی از زیباترین و نوآورانه ترین آثار معماری معاصر جهان هرگز قابل تصور و تحقق نبود.
امروزه بتن با گذشت سالها از پیدایش و کاربرد آن به صورت کنونی، دستخوش تحولات و پیشرفت های شگرفی شده است. از زمان شروع استفاده گسترده از بتن مسلح در ساخت وسازها (در بیش از یک قرن قبل)، برخی انگاره های بنیادی درباره خواص این ماده و محدودیت های آن تاکنون با چالش و تردید جدی مواجه نشده بودند، اما در سالهای اخیر، با توجه به پیشرفت علم و تکنولوژی، تحقیقات متعددی روی خواص بتن صورت گرفته و در حال حاضر طیف متنوعی از فرآورده های آن ابداع و به بازار عرضه شده اند که این قبیل انگاره ها را به چالش کشیده و آزادی بیشتری جهت تجربه و ابداع در اختیار معماران و مهندسان قرار داده اند. بر این اساس است که در سالهای اخیر، معماران مختلف در پروژه هایشان برخی از انگاره های غالب درباره فرم معماری و فناوری بتن را به چالش کشیده و رویکرد های جدیدی را در هر دو زمینه ارائه کرده اند. بسیاری از معماران نیز با کاربرد هوشمندانه بتن، از آن به عنوان ابزاری جهت خلق زیبایی در آثارشان بهره جسته اند. البته با توجه به پیشرفت های سریع و روزافزون صنعت بتن در سالهای اخیر، به نظر می رسد در سالهای آینده شاهد استفاده گسترده تری از قابلیت های بتن در عرصه معماری خواهیم بود
فوق روان کننده و کاهش دهنده شدید آب بتن
فوق روان کننده بر اساس الزامات استاندارد ASTM-C494 Types A& F ساخته می شوند این مواد را بعنوان روانسازهای بتن و فوق روانسازهای بتن مصرف کنند و براساس استاندارد 2930 ایران ساخته می شوند.
گفتنی است این مواد ممکن است توسط تولید کنندگان بتن آماده و قطعات پیش ساخته بتنی برای تولید کار آمد و مقرون به صرفه زمانی که شکل پذیری زیاد بتن و افزایش مقاومت اولیه و نهایی مد نظر است ، مورداستفاده قرار گیرند .
باید اشاره کرد این محصولات در کاهش آب بسیار موثر بوده تا جایی که وقتی به عنوان یک کاهش آب دهنده شدید آب بتن مورد استفاده قرار می گیرند در مقادیر متعارف می تواند به سادگی بین 20%-18% کاهش در میزان آب مصرفی ایجاد نماید ودر مواردی در بتنهای خاص و با استفاده از مقادیر متعارف، کاهش آب تا حداکثر 40% نیز ممکن شده است .