فهرست

مقدمه. 3

تعریف بیوگاز 8

منابع تولید بیوگاز 9

نحوه تولید بیوگاز 10

اصول هضم بي هوازي در تولید بیوگاز 10

مراحل شیمیائی تخمیر مواد آلی (شامل چربیها، هیدراتهای کربن و پرتئین ها) 13

تخمیر چربیها 13

تخمیر هیدراتهای کربن.. 14

تخمیر پرتئینها 14

پارامترهاي مؤثر بر فرآيند هضم بيهوازي.. 15

درجه حرارت محیط تخمیر. 15

اسیدیته ((PH.. 17

میزان حضور مواد مغذی در محیط (C/N) 17

درجه غلظت مواد. 18

میزان حضور عوامل سمی.. 18

مدت زمان ماند مخلوط در مخزن هضم. 19

همزدن محتویات مخزن هضم و هموژنیزه کردن محتویات.. 20

آماده سازی مواد خام قبل از بارگیری.. 21

وجود مواد تسریع کننده واکنش... 21

اصلاح و تغيير در طراحي دستگاه بيوگاز 21

مواد افزودني شيميائي.. 21

تغيير دادن نسبت خوراک دستگاه 21

محيط بيهوازي (بسته) 22

انواع روشهای
بارگذاری مخازن هضم: 22

سیستم پيوسته: 22

سیستم نيمه پيوسته: 22

سیستم ناپيوسته: 22

جمع آوري بیوگاز تولیدی: 23

بیوگاز و کود حاصل از آن: 23

ساختار کلي دستگاه توليد بيوگاز: 24

حوضچه ورودي: 24

حوضچه خروجي: 24

مخزن تخمير: 25

محفظه گاز: 25

مهمترین طرحهای بیوگاز ساخته شده در جهان: 27

دستگاه بیوگاز عمودی.. 27

دستگاه بیوگاز افقی.. 28

دستگاه بیوگاز مشترک.. 29

دستگاه بیوگاز مدل چینی (قبه ثابت) 31

دستگاه بیوگاز مدل فرانسوی.. 32

دستگاه بیوگاز با لولههای چرمی.. 33

دستگاه بیوگاز با مخزن پلی اتیلنی.. 34

دستگاه بيوگاز با سرپوش شناور (مدل هندي):‏ 35

دستگاه بيوگاز مدل تايواني (واحدهای بالونی): 36

دستگاه بیوگاز مدل نپال: 37

مروری بر مطالعات انجام شده 38

منابع......................................................................................................................................................................................44

مقدمه

مهم­ترین مسئله­ای که در قرن 21 بشریت با آن مواجه است مسئله انرژی و سوخت می­باشد. زیرا از یک طرف تعداد صنایع مصرف کننده انرژی رو به افزایش است و از طرف دیگر سوخت­های فسیلی (مهم­ترین انرژی­ مصرفی این صنایع) رو به اتمام می­باشند. این در حالی است که هم اکنون آلودگی­هایی که این سوخت­ها ایجاد می­کنند، موجب مشکلاتی در جهان گردیده است و اتحادیه­های جهانی در حال تصویب قانون­هایی مبنی بر حذف یا به حداقل رساندن مصرف این سوخت­ها در دهه­های آینده می­باشند. بنابراین تمام کشورهای صنعتی، نیمه صنعتی و حتی اکثر کشورهای جهان سوم در تلاش­اند تا برای جایگزین کردن این سوخت­ها چاره­ای بیاندیشند و اتمام این منابع را به تأخیر اندازند (عدل و همکاران، 1379).
در جوامع کنونی وجود انرژی مستمر، پایدار و اقتصادی لازمه هر­گونه توسعه و رشد اقتصادی می­باشد. پس از انقلاب صنعتی، انرژی به تدریج به یکی از عوامل اصلی در تولید ملی و حرکت چرخ­های اقتصادی کشورهای صنعتی و به دنبال آن، سایر کشورهای در حال توسعه تبدیل شده است (ثقفی، 1382). اقتصاد و تمدن کنونی تا حدی به انرژی وابسته است که تصور حتی لحظه­ای ادامه زندگی در عصر حاضر بدون انرژی امکان پذیر نیست. به طوری­که با اختلال و یا توقف در عرضه­ی آن، ماشین اقتصاد از کار خواهد افتاد. بنابراین تمامی کشورها در صدد هستند به هر نحو ممکن از انرژی مستمر و پایداری برخوردار باشند. از طرفی رشد اقتصادي و افزايش تقاضاي انرژي در جهان سبب شده كه قيمت نفت و گاز افزايش پیدا کرده و اتكا به اين منابع براي تأمين انرژي كاهش يابد (تابنده، 1376).

منابع فسيلي مرسوم و تجديد ناپذير تأثير شگرفی بر امنيت انرژي دارند. اين مسئله بسياري از كشورهای جهان را واداشته است كه به مسئله امنيت عرضه انرژي تمايل پيدا كرده و به تغييرات گسترده­اي در اقتصاد انرژي خود اهتمام تام ورزند. در اين زمينه پيشرفت­هاي فناوري، نويد بخش راه حل­هايي نو درباره توليد انرژي مورد نياز بشر است. با شناسايي اين روش­هاي جديد، گامي بلند در زمينه تغيير زيرساخت­هاي تولید انرژی برداشته شده است (علیزاده، 1375). استفاده از ذخاير نامحدود انرژي تجديدپذير در اين خصوص تأثيرات مهمي دارد. گستردگي و توزيع اين عوامل در طبيعت باعث شده است كه سيستم­هاي توليد انرژی به سمت سيستم­هاي محلي پيش رود؛ كه انرژي­هاي نوین به خوبي مي­توانند براي اين منظور به كار گرفته شود. هم اکنون مسائلی مانند انرژي، محيط زيست، ازدياد مواد زائد خطرناك، اتمام پذيري منابع فسيلي و رشد فزاينده مصرف انرژي از جمله مفاهيمي هستند كه تحقيقات مختلفي را در جهان به خود اختصاص داده‌اند. به واقع این مسائل روشن می­کنند که ديگر نمي­توان به منابع موجود انرژي متكي بود (تابنده، 1376). در حقيقت، انجام تحقيقات گسترده در جهت دستيابي به منابع جديد و سالم كه در چند دهه­ی اخير توسعه ويژه‌اي پيدا كرده‌اند را مي‌توان بیانگر ميزان اهميت اين نوع مفاهيم و علوم مرتبط به آنها دانست.

هم اکنون بیشتر کشورهای جهان برنامه­های خود را طوری تنظیم کرده­اند تا با بهینه کردن مصرف این منابع بر عمر منابع فسیلی خود بیفزایند و این در حالی است که با به کارگیری فناوری انرژی­های تجدید پذیر سعی دارند که میزانی از سهم مصرف منابع فسیلی را بر عهده این منابع بگذارند تا هم عمر منابع فسیلی را به تأخیر اندازند و هم جایگزینی برای آن یافته باشند (حیدری، 1365). مدارک بسیاری وجود دارد که سیاست­های انرژی جهانی که استفاده­ کار­آمد از سوخت­های فسیلی و انرژی را ارتقاء می­دهند، به لحاظ محیطی غیر مسئولانه هستند؛ زیرا آن­ها باعث فساد جدی محیطی در سطوح محلی، منطقه­ای و جهانی می­گردند. مطالعات نشان داده­اند که با ادغام منابع انرژی تجدید پذیر و ترکیب انرژی کلی، هر یک از این تأثیرات محیطی منفی را می­توان کاهش داد، یا مانع آن شد (حیدری، 1365). باید اذعان داشت که در قرن 21 سوخت­های فسیلی کم کم جای خود را به انرژی­های تجدید پذیر (انرژی خورشیدی، بادی، برق آبی، بیومس، زمین­گرمائی و غیره) خواهند داد. در میان این انرژی­ها، بیوگاز حاصل از بیومس، از اهمیت ویژه­ای برخوردار است. در این میان، بيوگاز به علت سالم‌سازي محيط زيست، توليد انرژي و كود مرغوب و قابليت ايجاد آن در جوار اجتماعات بشري از اهميت و جايگاه ويژه‌اي برخوردار است (الماسی، 1361). گرچه شناسايي بيوگاز در جهان سابقه­ای طولانی دارد، اما استفاده عمومي و رايج آن در خلال قرن اخير و بويژه در سه دهه گذشته بوده است. بیوگاز که منبع آن توده­های زیستی است، در انتخاب منابع جایگزین انرژی برای روستاها، مورد ایده آلی می­باشد، بدین مفهوم که ارزان بوده و به لحاظ تولید و منشأ، محلی است. همچنین منبعی از انرژی است که برای چندین کاربری از جمله: گرم کردن، روشن کردن، ایجاد توان الکتریکی با مقیاس کوچک و غیره سودمند می­باشد. از طرفی بيوگاز علاوه بر توليد انرژي باعث تولید کود کشاورزي و افزايش سطح بهداشت عمومي جامعه و کنترل بيماري­ها مي­شود. همچنین راه حلی مناسب براي ‏دفع مواد زائد جامد مي­باشد (دهقان و همکاران، 1365). فاضلاب و مواد زائد جامدي که توسط صنايع و جوامع توليد مي­گردد، باعث آلودگي ‏شديد محيط مي­شوند که مي­توان با فناوری بيوگاز خطرات ناشي از اين مواد را به شدت کاهش داد و از انرژي و ‏کود توليدي آن نيز استفاده نمود (رضویان، 1374). استحصال بيوگاز را مي­توان از فرآيند­هاي بي هوازي تصفيه فاضلاب (‏UASB) و همچنين از محل­هاي دفن زباله نيز انجام داد و بخشي از هزينه­هاي مصرفي این سایت­ها را جبران نمود (حیدری، 1365). منافع زيست محيطي سيستم­هاي بيوگاز حتی فراتر از سيستم­هاي تصفيه مرسومي است كه تاكنون مورد استفاده ‏قرار مي­گرفتند. اين منافع، علاوه بر آنچه بیان شد، شامل كنترل بو، بهبود ‏كيفيت آب و هوا، بهبــود ارزش غذايي كــود توليدي، كاهش ميزان انتشار گازهاي گلخــانه­اي و دست­يابي به ‏بيوگاز به عنوان يك منبع انرژي مي­باشد؛ ‏که خود بیوگاز تولیدی می­تواند به طور همزمان انرژي الكتريكي و حرارتي توليد کند (تابنده، 1376). در این پژوهش ابتدا مدلی از رآکتور بیوگاز برای تولید بیوگاز در مزرعه طراحی و ساخته شد. سپس این دستگاه مورد آزمایش قرار گرفت تا علاوه بر مشخص شدن صحت کار آن، گاز

تولیدی حاصل از کود مرغی و کود بلدرچین مورد آزمایش و مقایسه قرار گیرد.

تعریف بیوگاز

به مجموعه گازهاي توليدي حاصل از هضم و دفع فضولات، اعم از انساني، گياهي و حيواني كه در نتيجه فقدان اكسيژن و فعاليت باكتري­هاي غير هوازي خصوصاً باكتري­هاي متان­زا توليد مي­شود، بيوگاز گفته مي­شود. اين گاز به طور طبیعی در باتلاق­ها، مرداب­ها و يا مکان­هاي دفن زباله­هاي شهري توليد مي­شود و براي استفاده، لازم است مهار گردد (عمرانی، 1375). برای استفاده اقتصادی از بیوگاز، عمل تخمیر را می­توان در شرایط کنترل شده در دستگاهی نسبتاً ساده به نام مخزن هضم انجام داد (الماسی، 1384). بيوگاز از روش تخمير بي­هوازي زيست­توده حاصل مي‎­شود. در واقع بیوگاز مخلوطی است از گازهای گوناگون که گاز متان عنصر اصلی تشکیل دهنده آن است (الماسی، 1361)؛ به طوری که حدود 55 تا 70 درصد این گاز را متان و حدود 35 تا 40 درصد آن را دی اکسید کربن و درصد بسیار ناچیزی را گازهای ازت و هیدروژن سولفوره و غیره تشکیل می­دهند که مقادیر این گازها بستگي به دماي مخزن هضم و نوع مواد آلی داشته و با تغییرات آنها درصدهای گاز تغییر می­یابند (عبدلی، 1363). طبق مطالعات انجام گرفته بر روی تجزیه بیوگازِ حاصل از مخازن هضم، ترکیبات بیوگاز از این قرارند (جدول 1-1):

جدول ‏1‑1- ترکیبات موجود در بیوگاز

نوع گاز

درصد موجود در بيوگاز

CH4

70 – 55 %

CO2

40 – 35 %

N2

3 – 0 %

H2

1 – 0 %

O2

1 – 0 %

H2S

1 – 0 %

عنصر با ارزش بیوگاز، گاز متان می­باشد که هر چه درصد آن بالاتر باشد، کیفیت بیوگاز بهتر و تولید آن به­صرفه­تر می­باشد (الماسی، 1361). بیوگاز دارای رنگی شفاف با بویي ‏قابل تشخيص مانند بوی تخم مرغ گنديده و بی طعم و مانند دی اکسید کربن، یک گاز گلخانه­ای است؛ با این تفاوت که اثر گلخانه­ای آن حدود 25 برابر اثر دی اکسید کربن می­باشد(شیخ قاسمی، 1373). بیوگاز با یک شعله آبی رنگ که دارای حرارت 800 درجه سانتی­گراد است می­سوزد (الماسی، 1361). این گاز با نسبت 1- 20 با هوا مخلوط شده و دارای سرعت اشتعال بالای