فن آوری استخراج بیوگاز از دستگاهای تولید بیوگاز
ویژگی و چگونگی تولید بیوگاز
بیوگاز به نام گاز مرداب نیز شهرت یافته با ترکیبی از متان (CH4) و دی اکسیدکربن (CO2) و بوی قابل تشخیص مانند تخم مرغ گندیده . سبک تر از هوا می باشد و طبق مطالعات انجام گرفته در هندوستان آنالیز بیوگاز در جدول زیر ذکر گردیده که میزان درصد گاز متان آن بستگی به دمای هاضم داشته و هر چه دمای هاضم پایین تر باشد درصد متان آن بیشتر و ارزش حرارتی بالاتری دارد ولی میزان گاز تولید شده کمتر است . بیوگاز ها به دو دسته زیر تقسیم می شوند.
1. بیوگازهای با بار آلی ورودی زیاد
2. بیوگازهایی با بار آلی ورودی کم
دستگاهای فوق دارای تفاوتهایی در میزان گاز تولیدی، زمان ماند و نحوه راهبری می باشند.
جدول ترکیبات بیوگاز
نام گاز |
فرمول |
درصد ترکیب |
متان |
CH4 |
55 تا 65% |
گازکربنیک |
CO2 |
35 تا 45% |
نیتروژن (ازت) |
N2 |
0 تا 3% |
هیدروژن |
H2 |
0 تا 1% |
اکسیژن |
O2 |
0 تا 1% |
هیدروژن سولفوره |
H2S |
0 تا 1% |
دمای احتراق بیوگاز حدود 700 درجه سانتیگراد (دمای احتراق گازوئیل 350 درجه سانتیگراد و نفت و پروپان 500 درجه سانتیگراد ) و دمای شعله حاصل از آن 870 درجه سانتیگراد است . بیوگاز مانند سایر سوخت های گاز قابل احتراق بوده و با نسبت 1- 20 با هوا مخلوط شده و سرعت اشتغال آن بالا می باشد . ارزش حرارتی آن در حدود 6 کیلووات ساعت بر مترمکعب است (یعنی برابر ارزش حرارتی نیم لیتر سوخت گازوئیل) که در جداول بعدی خواص بیوگاز نسبت به گازهای سوختی و سایر سوختها مقایسه شده است . فشار لازم و مطلوب برای پخت و پز با بیوگاز بین 5 تا 20 سانتیمتر ستون آب می باشد . ارزش حرارتی متان خالص در حدود 9000 کیلو کالری بر متر مکعب می باشد.
چگونگی تولید بیوگاز
دستگاههای بیوگاز در شکل کلی از دو حوضچه ورودی و خروجی و یک مخزن تخمیر(هاضم) و یک مخزن گاز تشکیل شده اند که شرایطی از قبیل آب و هوا ، فرهنگ ، اقتصاد و تکنولوژی باعث وجود اشکال مختلف و مدلهای گوناگون گردیده است . در تمام این دستگاهها آب و مواد اولیه در حوضچه ورودی مخلوط شده و از آنجا به مخزن تخمیر هدایت شده که پس از تخمیر و تولید گاز با اضافه کردن مواد اولیه به سوی مجرای خروجی و حوضچه خروجی هدایت می گردند .
اگر دستگاه بیوگاز با دقت کافی و در محل استقرارش درست به کار گرفته شود و بتواند نیازهای انرژی و کود غنی برای کشاورزی تولید کند صاحب آن از داشتن چنین دستگاهی خوشحال می شود ولی از نظر نوع و چگونگی کارکرد ، دستگاههای متفاوتی در جهان ساخته شده و مورد بهره برداری قرار گرفته که توضیح در رابطه تمام موارد از حوصله این بحث خارج است ولی سه نوع کلی آن که بیشترین طرفدار و بیشترین مصرف کننده را به خود اختصاص داده ، مورد بحث قرار می دهیم و بدیهی است روش کار و فعالیت بقیه دستگاهها نیز مشابه اینها می باشد .
1. دستگاه بیوگاز با سرپوش شناور که به مدل هندی معروف است
2. دستگاه بیوگاز با مخزن مشترک و ثابت که به مدل چینی شهرت یافته است
3. دستگاه بیوگاز با نسبت طول به عرض زیاد که به مدل تایوانی شهرت یافته اند.
4. کمپوست بی هوازی
مواد اولیه بیوگاز پس مانده های الی زباله، مواد زائد حیوانی، مواد زائد گیاهی، فضولات انسانی و لجن فاضلاب می باشد.
واکنشهای شیمیایی و بیولوژیکی بیوگاز
مرحله اول:در طی این مرحله مواد آلی پیچیده با وزن ملکولی زیاد مانند پروتئین، سلولز و کربوهیدراتها به ملکولهای ساده تری همچون اسیدهای آمینه، منوساکارید و اسیدهای چرب تبدیا می شوند.مرحله دوم:در طی این مرحله ترکیبات مونومری با وزن ملکولی کم به ترکیبات واسطه مانند پروپیانات، بوتیرات، فورمات و متانول تبدیل می شوند.مرحله سوم:باکتریهای استوژنیک تمام ترکیبات فوق را به اسید استیک، هیدروژن و دی اکسید کربن تبدیل می کنند.مرحله چهارم:تمام ترکیبات مرحله قبل به متان تبدیل می شوند.
کلیه مراحل فوق توسط باکتریهای بی هوازی اختیاری به انجام می رسد به غیر از مرحله چهارم که توسط باکتریهای بی هوازی مطلق انجام می گیرد.
نسبت کربن به ازت در مواد ورودی به راکتور مهم می باشد که این نسبت بایستی در حدود 30 – 40 به یک در نظر گرفته شود.
به خاطر حساسیت بالای باکتری های متان ساز ساز به PH بایستی PH را در حدود 5/7 الی 7/7 نگهداشت که برای این عمل می توان میزان قلیائیت را در حدود 1500 تا 7500 میلی گرم در لیتر کربنات کلسیم حفظ کرد تا ظرفیت تامپونی خوبی در راکتور ایجاد گردد. در صورتی که PH به کمتر از 5/5 برسد باکتریهای متان ساز غیر فعال می گردند.
میزان گاز تولیدی در حدود 5/0 الی 75/0 متر مکعب به ازای هر کیلوگرم جامدات فعال هضم شده می باشد. بطور معمول میزان بار گزاری راکتور بیوگاز در حدود 6/0 الی 6 کیلوگرم به ازای هر متر مکعب از فضای راکتور می باشد.
استفاده از دستگاهای بیو گاز در تثبیت زباله های شهری
هاضم های بی هوازی که در تثبیت زباله های شهری مورد استفاده قرار می گیرند به دو دسته زیر تقسیم می شوند:
1. هاضم های بی هوازی با غلظت جامدات پایین (low solid anerobic digestion)
2. هاضم های بی هوازی با غلظت جامدات بالا (high solid anerobic digestion)
Low solid
در این نوع هاضم غلظت جامدات مواد زائد جامد مورد استفاده 10 الی 4 درصد می باشد.که برای رسیدن به این قسمت از لجن فاضلاب استفاده می شود. میزان تولید بیوگاز در این سیستم 5/1 الی 5/2 متر مکعب به ازای هر متر مکعب حجم راکتور می باشد که 50 الی 70% بیوگاز را متان تشکیل می دهد. بطور معمول به ازای هر کیلوگرم مواد زائد جامد فرار تجزیه شده 25/0 الی 45/0 متر مکعب گاز تولید می شود و زمان ماند در این راکتور 20 روز در نظر گرفته می شود که بسته به درجه حرارت محیط، میزان بار ورودی و میزان بار آلی قابل تجزیه تغییر می کند.
High solid
در این فرایند غلظت جامدات موجود در داخل راکتور 25 الی 35 درصد می باشد که نمونه ای از این سیستم تحت عنوان فرایند dranco در بلژیک که مخفف anerobic compost است در حال بهره برداری می باشددر این سیستم تولید بیوگاز 5 الی 8 متر مکعب به ازای هر متر مکعب حجم راکتور می باشد. که 55% آن متان می باشد. زمان ماندش 6 الی 20 روز است. تولید 140 الی 200 متر مکعب بیوگاز به ازای هر تن مواد زائد خام می کند.
محاسبه حجم گاز تولیدی در راکتور
برای محاسبه حجم گاز تولیدی در راکتور می بایستی ابتدا فرمول شیمیایی مواد زائد و یا فاضلاب ورودی به راکتور را بدست آورد. مواد زائد جامد دارای فرمول عمومی زیر می باشند.
Ca Hb Oc Nd
Organic matter CH4 + CO2 + N2 + NH3
می توان در فرمول فوق به جای مواد آلی مصرفی فرمول کلی ورودی را قرار داد و با استفاده از فرمول زیر معادله را موازنه نمود.
Ca Hb Oc Nd + (4A-B-2C+3D/4) H2O ( 4A+B-2C-3D/8) CH4+ (4A-B+2C+3D/8) CO2 + DNH3
در محاسبه میزان متان تولیدی باید توجه داشت که 60% گاز تولیدی متان و 40% آن CO2 می باشد. در ضمن چون بخشی از مواد آلی موجود در مواد زائد جامد ورودی به راکتور بیوگاز صرف سنتز بافت سلولی جدید می گردد. به همین دلیل تنها 85% از گاز تئوری محاسبه شده در عمل تولید می گردد.