طرح توجیهی تولید مولد بیوگاز از پسماند غذای خانگی و پسابهای صنایع غذایی

طرح توجیهی تولید مولد بیوگاز از پسماند غذای خانگی
بیوگاز به نام گاز مرداب نیز شهرت یافته با تركیبی از متان و دی اكسیدكربن و بوی قابل تشخیص مانند تخم مرغ گندیده. سبكتر از هوا می باشد و طبق مطالعات انجام گرفته در هندوستان آنالیز بیوگاز در جدول زیر ذكر گردیده است.

كه 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 كمتر است. بیوگازها به دو دسته زیر تقسیم می شوند:

1. بیوگاز با بار آلی ورودی زیاد
2. بیوگاز با بار آلی ورودی کم

دستگاه های مولد بیوگاز فوق دارای تفاوتهایی در میزان گاز تولید شده ، زمان ماند و نحوه راهبری می باشند.

جدول تركيبات بيوگاز
نام گاز	فرمول	درصد تركیب
متان	CH4	55 تا 65 %
گازكربنیک	CO2	35 تا 45 %
نیتروژن (ازت)	N2	0 تا 3 %
هیدروژن	H2	0 تا 1 %
اكسیژن	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 سوختهای 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 كیلووات ساعت بر مترمكعب است (یعنی برابر ارزش حرارتی نیم لیتر سوخت گازوئیل) كه 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 مولد بیوگاز

دستگاه های مولد بیوگاز در شكل كلی از دو حوضچه ورودی و خروجی و یک مخزن تخمیر (هاضم) و یک مخزن گاز تشكیل شده اند كه شرایطی از قبیل آب و هوا، فرهنگ، اقتصاد و تكنولوژی باعث وجود اشكال مختلف و مدلهای گوناگون گردیده است.

در تمام این دستگاه ها آب و مواد اولیه در حوضچه ورودی مخلوط شده و از آنجا به مخزن تخمیر هدایت شده كه پس از تخمیر و تولید گاز با اضافه كردن مواد اولیه به سوی مجرای خروجی و حوضچه خروجی هدایت می گردند.

اگر دستگاه مولد بیوگاز با دقت كافی و در محل استقرارش درست به كار گرفته شود و بتواند نیازهای انرژی و كود غنی برای كشاورزی تولید كند صاحب آن از داشتن چنین دستگاهی خوشحال می شود. ولی از نظر نوع و چگونگی كاركرد، دستگاه های متفاوتی در جهان ساخته شده و مورد بهره برداری قرار گرفته است.

كه توضیح در رابطه تمام موارد از حوصله این بحث خارج است ولی سه نوع كلی آن كه بیشترین طرفدار و بیشترین مصرف كننده را به خود اختصاص داده، مورد بحث قرار می دهیم و بدیهی است روش كار و فعالیت بقیه دستگاه ها نیز مشابه اینها می باشد.

1. دستگاه مولد بیوگاز با سرپوش شناور كه به مدل هندی معروف است
2. دستگاه بیوگاز با مخزن مشترک و ثابت كه به مدل چینی شهرت یافته است
3. دستگاه مولد با نسبت طول به عرض زیاد که به مدل تایوانی شهرت یافته اند.
4. کمپوست بی هوازی

مواد اولیه بیوگاز : پسماندهای آلی زباله، مواد زائد حیوانی، مواد زائد گیاهی، فضولات انسانی و لجن فاضلاب می باشد.

واکنش های شيميايی و بيولوژيکی بيوگاز

• مرحله اول:
  در طی این مرحله مولد بیوگاز ، مواد آلی پیچیده با وزن ملکولی زیاد مانند پروتئین، سلولز و کربوهیدراتها به ملکول های ساده تری همچون اسیدهای آمینه، منوساکارید و اسیدهای چرب تبدیل می شوند.
• مرحله دوم:
  ترکیبات مونومری با وزن ملکولی کم به ترکیبات واسطه مانند پروپیانات، بوتیرات، فورمات و متانول تبدیل می شوند.
• مرحله سوم:
  در این مرحله ،باکتری های 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 در دستگاه مولد بیوگاز ، 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 به PH بایستی PH را در حدود 7/5 الی 7/7 نگهداشت که برای این عمل ميتوان 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 باکتری های متان ساز غیر فعال می گردند. میزان گاز تولید شده توسط مولد بیوگاز در حدود 0/5 الی 0/75 متر مکعب به ازای هر کیلوگرم جامدات فعال هضم شده می باشد. بطور معمول میزان بارگزاری راکتور بیوگاز در حدود 0/6 الی 6 کیلوگرم به ازای هر متر مکعب از فضای راکتور می باشد.

استفاده از دستگاهای مولد بیوگاز در تثبيت 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
2. هاضم های بی هوازی با غلظت جامدات بالا

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 مولد در این سیستم 1/5 الی 2/5 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 0/25 الی 0/45 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.

در این فرآیند غلظت جامدات موجود در داخل راکتور 25 الی 35 درصد می باشد که نمونه ای از این سیستم تحت عنوان فرآیند dranco در بلژیک که مخفف anerobic compost است در حال بهره برداری می باشد در این سیستم تولید مولد 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 توليدی 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. 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 مولد بیوگاز می گردد.

در اينجا به معرفی سه نوع از مشهورترين و پرکاربردترين سيستم های مولد بیوگاز می پردازيم:

دستگاه مولد بیوگاز با سرپوش شناور (مدل هندی)

این دستگاه مولد بیوگاز كه 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 كه در داخل زمین قرار دارد هدایت شده و پس از تولید گاز مواد تخمیر شده به طرف حوضچه خروجی كه در راستای حوضچه ورودی قرار گرفته حركت كرده و گاز تولیدی در داخل محفظه فلزی گاز كه به صورت معكوس روی دهانه مخزن تخمیر قرار گرفته، جمع آوری می شود.

حوضچه ورودی

این حوضچه دستگاه مولد بیوگاز در سطح فوقانی زمین و در مقابل حوضچه خروجی در طرف دیگر مخزن تخمیر ساخته شده و از طریق مجرای ورودی مواد اولیه را كه با آب مخلوط شده به قسمت تحتانی مخزن تخمیر انتقال می دهد و عمل اصلی این حوضچه مخلوط آب و مواد اولیه است كه این عمل با دست انجام می گیرد. اندازه متعادل حوضچه با حالت استوانه ای شكل دارای شعاع 40cm و حداكثر ارتفاع 40cm است كه در ارتفاعی بالاتر از سطح زمین قرار می گیرد.

حوضچه خروجی

این حوضچه دستگاه مولد بیوگاز 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 كف مخزن تخمیر به طرف مجرای خروجی و حوضچه خروجی هدایت گردد. مجرای خروجی 20cm 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 تخمير

تانک تخمیر كه به مخزن یا محفظه تخمیر یا digester یا هاضم معروف است. اساسی ترین قسمت یک دستگاه مولد 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 باكتریهای متان زا صورت می گیرد و بدین ترتیب گاز در این مخزن تولید می شود. ساختمان این مخزن دستگاه مولد بیوگاز با توجه به شرایط آب و هوایی و امكانات فنی و اقتصادی متفاوت است. مثلاً در مناطق سردسیر در عمق زمین قرار می گیرد و دیواره های آن عایق بندی می شود و یا در مناطقی كه باران زا و احتمال نفوذ آب به داخل آن می باشد.

بدنه آن را برای جلوگیری از نفوذ آب، آب بندی و قیراندود می كنند 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 كف مخزن به بالای آن منتقل شده و به داخل حوضچه خروجی دستگاه مولد بیوگاز هدایت گردد. در بعضی مواقع در داخل مخزن یک همزن نیز تعبیه می كنند كه این امر نقش مهمی در تولید گاز دارد.

محفظه گاز

این محفظه دستگاه مولد بیوگاز كه 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 نكند. در مركز رأس آن یک لوله فلزی را از داخل آن جوشكاری می كنند تا پایین رفتن و بالا رفتن آن در هنگام مصرف گاز یا تولید گاز كنترل شود. به طوری كه هرگاه گاز بیشتری تولید شد.

محفظه به طرف بالا حركت می كند و در روی سرپوش مخزن نیز شیری جهت تخلیه گاز نصب می گردد تا به وسیله باز و بسته كردن 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 كنترل شود. قسمت های اصلی بیوگاز با مخزن شناور را مواردی كه در بالا ذكر شد، تشكیل می دهد كه باید در ساخت آن كلیه نكات ایمنی را از لحاظ ساخت دستگاه مولد بیوگاز ، عدم نفوذ آب و هوا، عدم نشت گاز، به كار بردن مصالح خوب و … رعایت كرد تا دستگاهی مطمئن داشته باشیم. امروزه با رشد تكنولوژی، تولید این دستگاه ها نیز دچار تغییرات اساسی گردیده و در بعضی جاها مخزن گاز را به وسیله حائل هایی كنترل كرده و یا اطراف آن را با توری می پوشانند تا جانوران و حیوانات در داخل آن نیفتند ولی اساس كار آن و قسمتهای اصلی و مورد نیاز مواردی است كه در بالا ذكر شده است و قطعات دیگر برای ایمنی و بهره برداری بیشتر به آن اضافه شده است.

دستگاه مولد بیوگاز با سرپوش گاز و مخزن تخميری به صورت واحد و با حجم ثابت (مدل چينی)

با توجه به اینكه چینی ها مبتكر اولیه این دستگاه می باشند به مدل چینی مشهور شده و به صورت مخزن گنبدی شكل 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 مكان و فضای مورد نیاز و تثبیت حرارت و مقاومت دستگاه در مناطق سردسیری باعث شده كه به اهمیت و كارآیی آن افزوده شود. بدین ترتیب كه محفظه گاز و خمیر در ارتباط با یكدیگر و در یک مخزن مشخص ساخته شده و محفظه گاز با پوششی آجری یا بتنی بصورت گنبدی شكل ساخته می شود كه روی محفظه گاز یک دریچه تعبیه می شود و اساس كار آن مانند دستگاه قبلی مولد بیوگاز است ولی در این حالت گاز تولید شده به طرف گنبد صعود كرده و فشار گاز تولیدی هم گاز را به محل هدایت مصرف می كند و هم مواد تخمیر شده را به داخل محفظه خروجی می راند كه خروج این مواد به طرف حوضچه خروجی فشار گاز داخل گنبد را تنظیم كرده و در اثر ازدیاد فشار، مواد بیشتری خارج می شود.

و چنانچه در حین مصرف فشار داخلی كم شود، مواد از دریچه خروجی به داخل مخزن تخمیر برمی گردند تا فشار نقصانی را جبران كند. همانطوری كه قبلاً بیان شد در بالای مخزن گاز، دهانه ای تعبیه می شود كه برای آن دهانه كه قطر آن حدود 50cm 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 كند) 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 كنترل گردد تا فشار گاز داخل مخزن باعث تكان دادن دریچه نگردد. تنها تفاوت این دستگاه با مدل هندی ثابت بودن حجم مخزن گاز است و از كاربرد آهن و فنر در آن اثری دیده نمی شود . اگرچه طراحی این مدل به محاسبات مهندسی نیاز دارد ولی تولید و ساخت آن خیلی راحت بوده و این راحتی ساخت روستاییان را به استفاده از این دستگاه راغب می كند. دستگاه های مولد بیوگاز (مدل هندی و چینی) از جنبه های مختلف در جدول زیر مورد مقایسه قرار گرفته اند.

دستگاه مولد بیوگاز در مدل تايوانی

این دستگاه می تواند از جنس های 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.

منطقه مناسب برای اجرای طرح

با توجه به مواد اولیه لازم برای طرح تولید مولد بیوگاز از پسماند غذای خانگی مشخص است که این واحد در همه شهرها قابل اجراست. محل مناسب با توجه به ظرفیت، اطراف شهرهای با توسعه گازی کمتر می باشد.