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 7/5الی 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 0/5 الی 0/75متر مکعب به ازای هر کیلوگرم جامدات فعال هضم شده می باشد. ‏بطور معمول میزان بار گزاری راکتور بیوگاز در حدود 0/6 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 0/25الی 0/45متر مکعب گاز تولید ‏می شود و زمان ماند در این راکتور 20 روز در نظر گرفته می شود که بسته به درجه حرارت محیط، ‏میزان بار ورودی و میزان بار آلی قابل تجزیه تغییر می کند.‏

High solid
در این فرایند غلظت جامدات موجود در داخل راکتور 25 الی 35 درصد می باشد که نمونه ای از این ‏سیستم تحت عنوان فرایند ‏dranco‏ در بلژیک که مخفف ‏anerobic compost‏ است در حال بهره ‏برداری می باشددر این سیستم تولید بیوگاز 5 الی 8 متر مکعب به ازای هر متر مکعب حجم راکتور می ‏باشد. که 55% آن متان می باشد. زمان ماندش 6 الی 20 روز است. تولید 140 الی 200 متر مکعب ‏بیوگاز به ازای هر تن مواد زائد خام می کند.‏

محاسبه حجم گاز تولیدی در راکتور

برای محاسبه حجم گاز تولیدی در راکتور می بایستی ابتدا فرمول شیمیایی مواد زائد و یا فاضلاب ورودی به ‏راکتور را بدست آورد. مواد زائد جامد دارای فرمول عمومی زیر می باشند.‏

Ca Hb Oc Nd
Organic matter CH4 + CO2 + N2 + NH3‎

می توان در فرمول فوق به جای مواد آلی مصرفی فرمول کلی ورودی را قرار داد و با استفاده از فرمول زیر ‏معادله را موازنه نمود.‏

Ca Hb Oc Nd + (4A-B-2C+3D/4) H2O ( 4A+B-2C-3D/8) CH4+ (4A-‎B+2C+3D/8) CO2 + DNH3‎

در محاسبه ‏‎ ‎میزان متان تولیدی باید توجه داشت که 60% گاز تولیدی متان و 40% آن ‏CO2‎‏ می باشد. در ‏ضمن چون بخشی از مواد آلی موجود در مواد زائد جامد ورودی به راکتور بیوگاز صرف سنتز بافت سلولی ‏جدید می گردد. به همین دلیل تنها 85% از گاز تئوری محاسبه شده در عمل تولید می گردد.‏

در اینجا به معرفی سه نوع از مشهورترین و پرکاربرد ترین سیستمهای بیوگاز می پردازیم.‏

دستگاه بیوگاز با سرپوش شناور (مدل هندی) ‏

این دستگاه که در هند طرفدار زیادی داشته و هزاران دستگاه از این نوع در هندوستان در حال تولید ‏بیوگاز می باشند . مواد اولیه از حوضچه ورودی پس از مخلوط با آب به داخل مخزن تخمیر که در داخل زمین ‏قرار دارد هدایت شده و پس از تولید گاز مواد تخمیر شده به طرف حوضچه خروجی که در راستای حوضچه ‏ورودی قرار گرفته حرکت کرده و گاز تولیدی در داخل محفظه فلزی گاز که به صورت معکوس روی دهانه مخزن ‏تخمیر قرار گرفته ، جمع آوری می شود . شمای کلی این دستگاه مانند شکل زیر می باشد . ‏

حوضچه ورودی

‏ همانطوری که در شکل بالا نشان داده است . این حوضچه در سطح فوقانی زمین و در مقابل حوضچه خروجی در ‏طرف دیگر مخزن تخمیر ساخته شده و از طریق مجرای ورودی مواد اولیه را که با آب مخلوط شده به قسمت ‏تحتانی مخزن تخمیر انتقال می دهد و عمل اصلی این حوضچه مخلوط آب و مواد اولیه است که این عمل با دست ‏انجام می گیرد . اندازه متعادل حوضچه با حالت استوانه ای شکل دارای شعاع ‏cm‏40 و حداکثر ارتفاع ‏cm‏40 ‏است که در ارتفاعی بالاتر از سطح زمین قرار می گیرد . ‏

جدول مقایسه خواص گازهای با بیوگاز

نوع گاز	هوای مورد نیاز m3	سرعت فشار در هوا cm/s	وزن مخصوص نسبت به هوا	ارزش حرارتی	ترکیبات
نوع گاز	هوای مورد نیاز m3	سرعت فشار در هوا cm/s	وزن مخصوص نسبت به هوا	ارزش حرارتی	درصد	عناصر
متان	5/9	43	55%	94/9	100	CH4
پروپان	8/23	57	56/1	94/25	100	C4Hg
بوتان	9/3	45	07/2	02/34	100	CH4H10
گاز طبیعی	7	60	38%	52/7	35 و 65	CH4H2
گاز شهری	7/3	82	41%	07/4	24 و 26 و 50	CH4O2N2
بیوگاز	7/5	40	94%	96/5	40 و 6	CH4CO2

جدول مقایسه بیوگاز با سایر مواد سوختی دستگاه بیوگاز‏

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

حوضچه خروجی ‏

‏ این حوضچه در طرف مقابل حوضچه ورودی به نحوی ساخته می شود تا سطح فوقانی آن هم سطح زمین باشد تا ‏هنگام ورود مواد اولیه از حوضچه ورودی بنا به قوانین فشار مایعات و ظروف مرتبطه مواد تخمیر شده از کف ‏مخزن تخمیر به طرف مجرای خروجی و حوضچه خروجی هدایت گردد . مجرای خروجی ‏cm‏20 از سطح زمین ‏قرار می گیرد و مجرای ورودی در 50 سانتیمتری عمق زمین تا مواد تخمیر شده پس از ورود مواد اولیه از طریق ‏مجرای خروجی خارج گردد . ‏

تانک تخمیر ‏

‏ تانک تخمیر که به مخزن یا محفظــه تخمیر یا ‏digester‏ یا هــاضم معروف است . اساسی ترین قسمت یک ‏دستگاه بیوگاز است . در این محفظه پس از ورود مواد اولیه و تثبیت درجه حرارت و رطوبت (عدم نفوذ آب) و ‏عدم نفوذ هوا ، تخمیر یا تجزیه غیرهوازی توسط باکتریهای متان زا صورت می گیرد و بدین ترتیب گاز در این ‏مخزن تولید می شود . ساختمان این مخزن با توجه به شرایط آب و هوایی و امکانات فنی و اقتصادی متفاوت است ‏
مثلاً در مناطق سردسیر در عمــق زمین قــرار می گیرد و دیـواره های آن عایق بندی می شود و یا در مناطقی که ‏باران زا و احتمال نفوذ آب به داخل آن می باشد بدنه آن را برای جلوگیری از نفوذ آب ، آب بندی و قیراندود می ‏کنند تا هم مانع نفوذ آب گردد و هم درجه حرارت آن ثابت بماند . مجراهای ورودی و خروجی در داخل مخزن ‏باید به طریقی طراحی و اجرا شود تا با ورود مواد جدید ، مواد تخمیر شده از کف مخزن به بالای آن منتقل شده و ‏به داخل حوضچه خروجی هدایت گردد . در بعضی مواقع در داخل مخزن یک همزن نیز تعبیه می کنند که این امر ‏نقش مهمی در تولید گاز دارد . ‏

محفظه گاز

‏ این محفظه که محل تجمع گازهای ایجاد شده ، در اثر تخمیر مواد می باشد ، اصولاً از یک استوانه ته بسته با ورقه ‏های فولادی به ضخامت 1 تا 3 میلیمتر ساخته می شود . سقف آن را به صورت مخروطی می سازند تا هم مقدار ‏بیشتری گاز در آن ذخیره شود و هم آب باران روی آن جمع آوری نگردد و پوسیدگی ایجاد نکند . در مرکز رأس ‏آن یک لوله فلزی را از داخل آن جوشکاری می کنند تا پایین رفتن و بالا رفتن آن در هنگام مصرف گاز یا تولید ‏گاز کنترل شود . به طــوری که هرگاه گاز بیشتری تولید شد . محفظــه به طرف بالا حرکت می کند و در روی ‏سرپوش مخزن نیز شیری جهت تخلیه گاز نصب می گردد تا به وسیله باز و بسته کردن آن گاز به طرف محل ‏مصرف هدایت گردد . مخزن گاز باید زنگ زدایی شده و پوشش رنگ از بروز زنگ زدگی در آن جلوگیری شود و ‏همواره سطوح داخلی و خارجی آن از نظر زنگ زدگی کنترل شود . ‏
قسمت های اصلی بیوگاز با مخزن شناور را مواردی که در بالا ذکر شد ، تشکیل می دهد که باید در ساخت آن ‏کلیه نکات ایمنی را از لحاظ ساخت دستگاه ، عدم نفوذ آب و هوا ، عدم نشت گاز ، به کار بردن مصالح خوب و ‏‏… رعایت کرد تا دستگاهی مطمئن داشته باشیم . امروزه با رشد تکنولوژی ، تولید این دستگاهها نیز دچار تغییرات ‏اساسی گردیده و در بعضی جاها مخزن گاز را به وسیله حائل هایی کنترل کرده و یا اطراف آن را با توری می ‏پوشانند تا جانوران و حیوانات در داخل آن نیفتند ولی اساس کار آن و قسمتهای اصلی و مورد نیاز مواردی است ‏که در بالا ذکر شده است و قطعات دیگر برای ایمنی و بهره برداری بیشتر به آن اضافه شده است . ‏

دستگاه بیوگاز با سرپوش گاز و مخزن تخمیری به صورت واحد و با حجم ثابت (مدل چینی) ‏

با توجه به اینکه چینی ها مبتکر اولیه این دستگاه می باشند به مدل چینی مشهور شده و به صورت مخزن گنبدی ‏شکل و در عمق زمین ساخته می شود . مخزن گاز و تخمیر مشترک می باشد و به علت جای گیری دستگاه در ‏عمق زمین از نظر صرفه جویی در مکان و فضای مورد نیاز و تثبیت حرارت و مقاومت دستگاه در مناطق سردسیری ‏باعث شده که به اهمیت و کارآیی آن افزوده شود . طرح اصلی دستگاه مانند شکل زیر می باشد . ‏
بدین ترتیب که محفظه گاز و خمیر در ارتباط با یکدیگر و در یک مخزن مشخص ساخته شده و محفظه گاز با ‏پوششی آجری یا بتنی به صورت گنبدی شکل ساخته می شود که روی محفظه گاز یک دریچه تعبیه می شود و ‏اساس کار آن مانند دستگاه قبلی است ولی در این حالت گاز تولیدی به طرف گنبد صعود کرده و فشار گاز تولیدی ‏هم گاز را به محل هدایت مصرف می کند و هم مواد تخمیر شده را به داخل محفظه خروجی می راند که خروج ‏این مواد به طرف حوضچه خروجی فشار گاز داخل گنبد را تنظیم کرده و در اثر ازدیاد فشار ، مواد بیشتری خارج ‏می شود و چنانچه در حین مصرف فشار داخلی کم شود ، مواد از دریچه خروجی به داخل مخزن تخمیر برمی ‏گردند تا فشار نقصانی را جبران کند . همانطوری که قبلاً بیان شد در بالای مخزن گاز ، دهانه ای تعبیه می شود که ‏برای آن دهانه که قطر آن حدود ‏cm‏50 می باشد باید یک دریچه بتنی ساخته شود و در این دریچه باید محلی ‏برای عبور لوله گاز در نظر گرفته شود (باید قطر دهانه به حدی باشد تا انسان بتواند به راحتی از آن عبور کند ) ‏پس از ساخت دستگاه باید دریچه آب بندی گردد تا نشت گاز از اطراف آن صورت نگیرد . ضمناً به هنگام فعالیت ‏دستگاه باید دریچه به وسیله وزنه هایی کنترل گردد تا فشار گاز داخل مخزن باعث تکان دادن دریچه نگردد . تنها ‏تفاوت این دستگاه با مدل هندی ثابت بودن حجم مخزن گاز است و از کاربرد آهن و فنر در آن اثری دیده نمی ‏شود . اگرچه طراحی این مدل به محاسبات مهندسی نیاز دارد ولی ساخت آن خیلی راحت بوده و این راحتی ‏ساخت روستاییان را به استفاده از این دستگاه راغب می کند . دستگاههای بیوگاز (مدل هندی و چینی ) از جنبه ‏های مختلف در جدول زیر مورد مقایسه قرار گرفته اند . ‏

دستگاه بیوگاز در مدل تایوانی

این دستگاه می تواند ار جنسهای مختلفی همچون فلزات، ‏PVC‏ و فایبرگلاس ساخته شود. نسبت طول به عرض ‏در این سیستم زیاد می باشد. نوع جریان در آن ‏Plug Flow‏ می باشد و زمان ماند میکروبی و هیدرولیکی آن به ‏دلیل نداشتن لجن برگشتی با یکدیگر برابر می باشد و حدود 60 روز است.‏

جدول مقایسه ساخت و تکنولوژی دستگاههای بیوگاز (مدل هندی وچینی)‏

مورد	مدل چینی	مدل هندی
اولویت	کود ـ گاز	گاز ـ کود
ساختمان	ساختمان یکپارچه بوده و ایجاد آن در همه جا امکانپذیر است	مصالح و روش ساختمان ساده می باشد
مواد ورودی	عمــوماً از مخلوط کردن فضولات گیاهی و حیوانی و انسانی بهره برداری می شود	عموماً از کود گاوی استفاده می شود
مواد خروجی	در بسیاری از موارد به وسیله پمپ یا سطــل خــارج می شوند	مواد به صورت اتوماتیک خارج می شوند
جمع آوری گاز	نیاز به سرپوش جداگانه ندارد و مقدار گاز از طریق فشار گاز و خروج مــواد از حوضچه خــروجی تعیین می شود	در سرپوشهای شناور ارتفاع مخزن گاز نشان دهنده میزان گاز است
فشار گاز	میزان فشار زیاد است (ماکزیمم آن حدود 1000 میلیمتر ستون آب)	فشار زیاد نیست (150-70 میلیمتر ستون آب)
هزینه	نیاز به هزینه کم است	به علت نیاز به اجرای فلزی هزینه زیادی لازم دارد
ظاهر	قسمت اعظم دستگاه در عمق خاک است و محل دستگاه تمیز است	قسمت زیادی از دستگاه نمایان بوده و اطراف دستگاه غیربهداشتی است