walden-pond



بهینه سازی پارامترها و فرآیندهای بیوگاز
محتویات
1- مقدمه
2- درجه حرارت سوبستره
2-1- محدوده درجه حرارت تخمیر بی هوازی

2-2- حداقل درجه حرارت متوسط
2-3- تغییر درجه حرارت
2-4- مواد مغذی در دسترس
3- زمان ماند
3-1- طرح های مستمر و بچ
3-2- بازدهی هزینه
3-3- ماده مغذی
4- میزان پی اچ
5- بازدارندگی نیتروژن و نسبت کربن به ازت
5-1- بازدارندگی نیتروژن
5-2- نسبت کربن به ازت
6- محتویات جامد سوبستره و به هم زنی
6-1- محتویات جامد سوبستره
6-2- به هم زنی
7- عوامل بازدارندگی
8- غلظت هیدروژن سولفوره
9- بهینه سازی بیوگاز
9-1- کاهش محتویات رطوبت
9-2- کاهش محتویات هیدروژن سولفوره
9-3- کاهش محتویات دی اکسید کربن
10- اطلاعات بیشتر
مقدمه
فعالیت میکروبی گنجانیده شده در متان سازی میکروبی وابسته به عوامل زیر است:
درجه حرارت سوبستره
مواد مغذی در دسترس
زمان ماند( زمان گذر جریان)
سطح پی اچ
بازدارندگی نیتروژن و نسبت کربن به ازت
محتویات جامد سوبستره و به هم زنی
عوامل بازدارندگی
غلظت هیدروژن سولفوره
هر یک از انواع مختلف باکتری های مسئول سه مرحله متان سازی به گونه متفاوتی توسط عوامل بالا تحت تاثیر قرار می گیرند. از آنجا که اثرات واکنش داخلی بین عوامل تعیین کننده مختلف، موجودند، اطلاعات کمی دقیقی از تولید گاز به عنوان تابعی از عوامل بالا در دسترس نیست. بنابراین ، شرح عوامل بالا تنها به اثرات کیفی آن ها در فرآیند تخمیر وابسته است.
درجه حرارت سوبستره
محدوده درجه حرارت تخمیر بی هوازی
تخمیر بی هوازی، قاعده ای است که بین 3 و 70 درجه سانتیگراد محتمل است.
تفاوت، عموما به سه مرحله درجه حرارتی وابسته است.
درجه حرارت سایکروفیلیک زیر 20 درجه سانتیگراد است.
درجه حرارت مزوفیلیک بین 20 و 40 درجه سانتیگراد است.
درجه حرارت ترموفیلیک بالای 40 درجه سانتیگراد است.
حداقل درجه حرارت متوسط
نرخ متان تولیدی باکتریایی با افزایش درجه حرارت، ازدیاد حاصل می کند. با این حال، چون میزان آمونیاک آزاد نیز با افزایش درجه حرارت زیاد می شود، انجام هضم زیستی می تواند متوقف شده یا کاهش پیدا کند. عموما، واحدهای بیوگاز گرم نشده فقط در جاهایی که متوسط درجه حرارت سالانه 20 درجه سانتیگراد یا بالاتر و یا جاهایی که متوسط درجه حرارت روزانه، دست کم، 18 درجه سانتیگراد باشد، خوب عمل می کنند. در متوسط 20 الی 28 درجه سانتیگراد، بیش از حد تناسب افزایش می یابد. اگر درجه حرارت توده زیستی زیر 15 درجه سانتیگراد باشد، تولید گاز کم بوده و اجرای واحد، از لحاظ اقتصادی، به صرفه نخواهد بود.
تغییر درجه حرارت
فرآیند تولید متان زیستی خیلی وابسته به تغییر درجه حرارت است. درجه حساسیت، به نوبه خود، وابسته به محدوده درجه حرارت است. نوسانات مختصر که از محدوده های زیر تجاوز نکنند، با توجه به فرآیند تخمیر، ممکن است غیر ممانعت کننده منظور شوند.
محدوده سایکروفیلیک: ±2 درجه سانتیگراد در ساعت
محدوده مزوفیلیک: ±1 درجه سانتیگراد در ساعت
محدوده ترموفیلیک: ±0.5 درجه سانتیگراد در ساعت
برای واحدهای ساخته شده در زیر زمین، نوسانات درجه حرارت بین روز و شب اهمیت چندانی ندارند(مشکل بزرگی به حساب نمی آیند)، زیرا درجه حرارت زمین در پایینتر از عمق یک متر عملا ثابت است.
مواد مغذی در دسترس
باکتری ها، به منظور رشد، نیاز به بیش از یک منبع برای کسب انرژی و کربن دارند. آن ها نیازمند مواد مغذی معدنی هم هستند. علاوه بر کربن، اکسیژن و هیدروژن، تولید بیومس نیاز به منبع کافی نیتروژن، گوگرد، فسفر، پتاسیم، کلسیم، منیزیوم و تعدادی از عناصر جزیی از قبیل آهن، منگنز، مولیبدنیوم، روی، کبالت، سلنیوم، تنگستن، نیکل و ... احتیاج دارد. سوبستره های نرمال از قبیل زایدات کشاورزی و فاضلاب های شهری، معمولا شامل مقادیر کافی از عناصر مذکور هستند. غلظت بالاتر هر ماده ویژه ای معمولا یک اثر بازدارندگی دارد، بطوری که آنالیزها بر یک پایه مورد به مورد توصیه شده اند تا مقدار مواد مورد نیاز برای اضافه شدن را، اگر واقعا مورد نیازند، تعیین نمایند.
زمان ماند
واحدهای مستمر و بچ( ناپیوسته)
تنها در واحدهای بچ(ناپیوسته) امکان تعیین زمان دقیق ماند وجود دارد. در سیستم های مستمر، زمان ماند متوسط توسط تقسیم حجم هاضم بر نرخ ورودی روزانه تقریب زده می شود. وابسته به هندسه ظرف، روش های اختلاط و ...، زمان ماند متوسط ممکن است برای محتویات سوبستره ویژه به میزان گسترده ای، متغیر باشد. بنابراین، انتخاب زمان ماند مناسب نه فقط به درجه حرارت فرآیند بستگی دارد، بلکه به نوع سوبستره مورد استفاده بستگی دارد.
بازدهی هزینه
بازدهی هزینه فرایندهای بیولوژیکی به معنای بهینه سازی پارامترهای فرآیند از قبیل زمان ماند، درجه حرارت فرآیند، کیفیت سوبستره، تعیین بارگذاری حجمی و دیگران است. با این حال، هر متر مکعب حجم هاضم قیمتی دارد. تجهیزات گرمایش هاضم می توانند هزینه بر باشند و سوبستره های کیفیت بالا ممکن است دارای گزینه های مورد استفاده باشند. بهینه هزینه- منفعت تولید بیوگاز، تقریبا همیشه، زیر بهینه بیولوژیکی است.
سوبستره
برای فضولات دامی مایع تخمیر شونده در محدوده درجه حرارت مزوفیلیک، مقادیر تقریبی زیر اعمال می شوند:
فضولات گاوی مایع: بیست تا سی روز
فضولات مایع خوک: 15 تا 25 روز
فضولات مایع جوجه: 20 تا 40 روز
فضولات حیوانات گیاهخوار مخلوط شده با مواد گیاهی: 50 تا 80 روز
اگر زمان ماند خیلی کوتاه باشد، باکتری های هاضم سریعتر از آنچه تکثیر شوند، شسته می گردند. در این حال، تخمیر عملا به سوی متوقف شدن پیش می رود. در سیستم های بیوگاز کشاورزی، این مشکل به ندرت دیده می شود.
مقدار پی اچ
باکتری های تولید کننده متان، بهترین شرایط زندگی را در شرایط خنثی یا تا اندازه ای قلیایی دارند. به مجرد اینکه فرآیند تخمیر، تحت شرایط بی هوازی تثبیت می شود، پی اچ معمولا در مقادیر بین 7 و 8.5 قرار می گیرد. به سبب اثرات بافری دی اکسید کربن- بی کربنات و آمونیاک – آمونیم، سطح پی اچ به ندرت به عنوان معیاری از اسیدهای سوبستره و یا پتانسیل بیوگاز تولیدی گرفته می شود. یک هاضم شامل غلظت بالای اسیدهای فرار نیاز به مقدار پی اچ کمی بالاتر از نرمال دارند. اگر مقدار پی اچ به زیر 6.2 افت کند، بستر اثر سمی روی باکتری های تولید کننده متان خواهد داشت.
بازدارندگی نیتروژن و نسبت کربن به ازت
بازدارندگی نیتروژن
تمام سوبستره ها شامل نیتروژن هستند. برای مقادیر پی اچ بالاتر، حتی یک غلظت نسبتا کم نیتروژن ممکن است فرآیند تخمیر را متوقف سازد. بازدارندگی قابل توجه در غلظت نیتروژن در میزان تقریبی 1700 میلی گرم نیتروژن آمونیم به ازای هر لیتر سوبستره اتفاق می افتد. معهذا، با زمان کافی داده شده، متانوژنزها قادر به انطباق با غلظت های ازت آمونیم 5000 تا 7000 میلی گرم بر لیتر سوبستره، با پیش نیاز اصلی سطح آمونیاک که از 200 تا 300 میلی گرم ازت امونیاکی به ازای هر لیتر سوبستره تجاوز نمی کند، هستند. نرخ تجزیه آمونیاک در آب وابسته به درجه حرارت فرآیند و مقدار پی اچ مایع سوبستره می باشد.
نسبت کربن به ازت
جهت ماده سازی ساختمان، میکروارگانیزم ها نیاز به نیتروژن و کربن دارند. تجربیات متعدد نشان داده است که فعالیت میکروبی باکتری های متانوژنز می تواند در نسبت کربن به ازت تقریبی 8 تا 20 بهینه باشد. نقطه بهینه مورد به مورد فرق کرده و وابسته به طبیعت سوبستره است.
محتویات جامد سوبستره و به هم زنی
محتویات جامد سوبستره
با افزایش محتویات جامد، تحرک متانونژنزهای سوبستره به تدریج آسیب دیده و تولید بیوگاز ممکن است تحت تاثیر قرار گیرد. با این حال، در نوشته های اخیر، گزارشاتی از محصولات بیوگاز نسبتا بالا در مواد لندفیل دارای محتویات جامد بالا، ممکن است پیدا شود. هیچ راهنمای معتبر عمومی قادر نیست تولید بیوگاز ویژه را بر مبنای درصد ویژه جامدات، مشخص نماید.
به هم زنی
بسیاری از سوبستره ها(مواد مغذی) و مواد مختلفی از تخمیر، نیاز به قسمی از به هم زنی سوبستره یا اختلاط به منظور نگهداری پایداری فراِیند در هاضم دارند. مهمترین موضوعات به هم زنی عبارتند از:
حذف متابولیت های تولیدی توسط متانوژنزها(گاز)
اختلاط سوبستره تازه و جمعیت باکتریایی(تلقیح)
ممانعت از تشکیل کف و ته نشینی
جلوگیری از گرادیان های درجه حرارت چشمگیر در هاضم
ایجاد دانسیته جمعیت باکتریایی یکنواخت
جلوگیری از ایجاد فضاهای مرده ای که حجم موثر هاضم را کاهش می دهند.
در انتخاب یا طراحی وسیله مناسب به هم زنی، نقاط زیر باید مدنظر قرار گیرند.
1- فرآیند شامل رابطه همزیستی بین گونه های مختلف باکتری ها است. به عنوان مثال، متابولیت حاصل از یک گونه می تواند به عنوان مواد مغذی گونه های بعدی مورد استفاده قرار گیرد. در حالی که جمعیت باکتریایی کاهش می یابد، تا زمانی که جامعه جدید معادل تشکیل گردد، فرآیند تخمیر مثمر ثمرتر یا بی فایده تر خواهد ماند. در نتیجه، اختلاط مازاد یا مکرر می تواند به فرآیند آسیب برساند. به هم زنی کم بهتر از به هم زنی شدید است.
2- یک لایه نازک کف، لزوما تاثیر معکوس روی فرآیند ندارد. برای هاضم هایی که کاملا از سوبستره پر شده اند، کف، همیشه بطور کارآمدی مرطوب باقی می ماند و خطر کمی وجود دارد که استخراج گاز در اثر کف، با مانع یا تاخیر روبرو گردد.
3- بعضی از سیستم های بیوگاز می توانند بدون نیاز به به هم زنی، کاملا خوب عمل کنند. چنین سیستم هایی با مواد سوبستره دارای محتویات جامد بالا، که درشان طبقه طبقه شدن و لایه بندی اتفاق نمی افتد، کار می کنند یا اساسا دارای موادی هستند که بطور عمده محلول می باشند.
4- از آنجا که نتایج به هم زنی و اختلاط، به میزان زیادی وابسته به سوبستره مصرفی هستند، نائل شدن به ارزیابی مقایسه ای کارآمد یکنواخت سیستم های گوناگون اختلاط و یا سطوح شدت، امکان پذیر نیست. بنابراین، سیستم نمی تواند فقط بر پایه اطلاعات تجربی طراحی شود.
عوامل بازدارنده
حضور فلزات سنگین، آنتی بیوتیک ها(باسیتراسین، فلاوومایسین، موننسین، استرپتومایسین و ...) و دترجنت های مورد استفاده در پرورش احشام می تواند دارای اثر بازدارندگی روی فرایند متان سازی زیستی داشته باشد. جدول زیر محدوده غلظت های بازدارنده های مختلف را بر حسب میلی گرم بر لیتر نشان داده است

BIO2020
ماده میلی گرم بر لیتر
مس 10-250
کلسیم 8000
سدیم 8000
منیزیوم 3000
نیکل 100-1000
روی 350-1000
کرم 200-2000
سولفید(بصورت گوگرد) 200
سیانید 2

غلظت هیدروژن سولفوره
باقیمانده های گیاهی و حیوانی پروتئین دارای گوگرد دارند که در نتیجه انتقال، هیدروژن سولفوره ایجاد می کند. برای مواردی که واحدهای بیوگاز از موتور ترکیبی قدرت و حرارت برای تولید حرارت و الکتریسیته استفاده می کنند، هیدروژن سولفوره می تواند با آب ترکیب شده و به موتور آسیب برساند. به علاوه، غلظت های بالای هیدروژن سولفوره می توانند برای فعالیت سلولی سمی بوده و فرآیند متان سازی را کاهش دهند. بنابراین، غلظت پایین گاز( زیر 500 پی پی ام) مطلوب است.
پیروی از رویه های زیر که می توانند غلظت هیدروژن سولفوره بیوگاز را کاهش می دهند, قادرند در موتور CHP مورد استفاده قرار گیرند:
1- با مقادیر کوچکی از باکتری های هوازی قرار گرفته در لایه رویی ترکیب هضم شده, مقدار کمی اکسیژن جهت تسهیل تجزیه هیدروژن سولفوره اضافه کنید.
2- نمک های آهن( هیدروکسیدها و کلریدها) را به علوفه سیلو شده اضافه کنید. علوفه سیلو شده غنی از نمک آهن نیاز به این دارد که روزانه در تخمیر کننده تغذیه شود تا کاهش هیدروژن سولفوره تسریع گردد. کلریدها خورنده بوده و سبب مشکلاتی در مخزن اختلاط می گردند. استفاده آن ها باید محدود گردد.
3- گاز را از اسکرابر عبور دهید تا گاز مورد زدایش قرار گرفته و غلظت آن به تقریبا صفر پی پی ام برسد. هر چند، این روش ممکن است به علت خرید اسکرابر، سرمایه گذاری بالایی را به خریدار تحمیل نماید.
بهینه سازی بیوگاز
بعضی وقت ها، بیوگاز قبل از بهره برداری نیاز دارد که مورد اعمالی قرار گیرد.
اعمال غالب، کارهایی که منجر به حذف آّب، هیدروژن سولفوره یا دی اکسید کربن از گاز خام می شوند، می باشند.
کاهش محتویات رطوبتی
بیوگاز معمولا پر از بخار آب اشباع شده است. این امر شامل خنک کردن گاز است. در این روش گاز از لوله های زیر زمینی عبور داده می شود تا بخار آب اضافی در درجه حرارت های پایینتر متراکم گردد. وقتی گاز دوباره گرم می شود، محتویات بخار آب نسبی کاهش می یابد. در ارتباط با استفاده از گازمترهای خشک، خشک کردن بیوگاز، به ویژه، مهم است. در غیر این صورت، در نهایت، پر شدن با آب متراکم شده اتفاق خواهد افتاد.
کاهش محتویات هیدروژن سولفوره
هیدروژن سولفوره بیوگاز با آب در حال تراکم ترکیب شده و تشکیل اسیدهای خورنده می دهد. وسایل گرم کردن آب، یخچال ها، موتورها، به ویژه، در معرض خطر هستند. اگر بیوگاز شامل مقدار اضافی، مثلا بیش از 2 درصد هیدروژن سولفوره باشد، کاهش محتویات هیدروژن سولفوره ممکن است مورد نیاز باشد. از آنجا که اغلب بیوگازها شامل کمتر از 1 درصد هیدروژن سولفوره هستند، گوگردزدایی معمولا مورد نیاز نیست.
برای سیستم های اندازه کوچک تا متوسط، گوگردزدایی می تواند توسط جذب روی هیدرات فریک، همچنین به آهن مرداب ارجاع داده می شود، یک شکل مجوف لیمونیت، تحت تاثیر قرار گیرد. یک توده مجوف دانه ای خالص سازی می تواند توسط مجاورت با هوا مجددا تولید شود.
ظرفیت جذب توده خالص سازی وابسته به محتویات آهن هیداراته آن است: آهن مرداب، شامل 5 الی 10 درصد هیدروکسید آهن، می تواند حدود 15 گرم گوگرد در ازای هر کیلوگرم را بدون احیا جذب نماید. این مقدار برای جذب همراه با احیای با قابلیت تکرار تقریبا 150 گرم در ازای هر کیلوگرم می باشد. جالب توجه این است که بسیاری از خاک های گرمسیری(لاتریت) بطور طبیعی آهن دار هستند و برای استفاده توده خالص ساز مناسب هستند.
دیگر فرایند گوگردزدایی که نتایج خوبی را نشان می دهد در Ivory Coast ارائه شده و از 1987 بطور موفقیت آمیزی به کار گرفته شده است. هوا به نسبت 2 تا 5 درصد بیوگاز تولیدی، داخل مخزن گاز پمپ می شود. حداقل هوای ورودی برای گوگردزدایی کامل بوسیله سعی ها تعیین می گردد. پمپ های آکواریوم وسایل ارزان و قابل اعتمادی هستند که هوا را در برابر فشار گاز داخل نگهدارنده گاز، پمپ می کنند. اکسیژن هوا منجر به جداسازی بیوکاتالیتیکی تثبیت شده گوگرد در سطح لجن می گردد. این روش ساده در جایی که نگهدارنده گاز بالای مایع است، زیرا باکتری های الزامی نیاز به رطوبت،حرارت(درجه حرارت بهینه 37 درجه سانتیگراد است)، مواد مغذی دارند، به بهترین صورت کار می کند.
در کشورهای صنعتی و واحدهای بزرگ، این فرآیند به استاندارد رضایتبخش نیز می رسد. هرچند، برای واحدهای کوچک مقیاس کشورهای در حال توسعه، استفاده از یک پمپ برقی، به سبب منابع برقی غیر قابل اعتماد یا قطع شونده، مشکل ساز می شود. پمپاژ در هوا با یک پمپ دوچرخه، اساسا، کار می کند، ولی یک روش بدقلق است که دیر یا زود متروک خواهد شد.
اگر فقط وسایل فولاد ضد زنگ مورد استفاده قرار گیرند، اجتناب کلی از گوگردزدایی محتمل است. ولی حتی اگر آن ها در دسترس باشند، هزینه های آن ها برای استفاده کنندگان کوچک مقیاس، کمر شکن و گزاف است.
کاهش محتویات دی اکسید کربن
کاهش محتویات دی اکسید کربن، پیچیده و گران است. اساسا، دی اکسید کربن می تواند بوسیله جذب روی شیرآهک می تواند حذف شود، ولی در عمل خمیر آهک تولید می شود و به ویژه در ارتباط با واحدهای بزرگ مقیاس، این پدیده پذیرفتنی نیست، زیرا فقط فرآیندهای فوق العاده فنی همانند میکرواسکرینینگ ارزش مد نظر قرار گرفتن را دارند. زدایش دی اکسید کربن به ندرت قابل توصیه است، مگر به منظور افزایش ظرفیت بطری کردن ویژه برای ذخیره فشار بالا.
چنانچه مایل هستید فعالیت خود را در سایت "یاشار بوم راشین" تبلیغ کنید، لطفا اینجا را کلیک کنید.