بیوگاز چیست؟

به مجموعه گازهاي توليدي از هضم و دفع فضولات اعم از انساني، گياهي و حيواني كه در نتيجه فقدان اكسيژن و فعاليت باكتري هاي غير هوازي خصوصاً باكتري­هاي متان زا در يك محفظه تخمير توليد مي شود بيوگاز گفته مي شود. اين گاز در باتلاق ها و مرداب ها و يا  مکان هاي دفن زباله هاي شهري توليد مي شود و برا ي استفاده لازم است مهار شود. به بياني ديگر بيوگاز به گازهاي توليد شده در اثر تخمير و تجزيه بي هوازي مواد آلي بوسيله باكتريهاي بي هوازي بويژه متان‎زا كه در يك محفظه تخمير بوجود مي‎آيند، اطلاق مي‎شود. بيوگاز از روش تخمير بي هوازي زيست توده حاصل مي‎شود. منابع عمده براي توليد بيوگاز، فضولات دامي، فاضلاب‎هاي شهري و صنعتي، زباله و زائدات كشاورزي مي باشند. بيوگاز سوخت تميزي است كه ايجاد آلودگي زيست محيطي نمي‎كند؛ در ضمن خطر انفجار بيوگاز كم است و با توجه به وجود گاز  CO2  در آن، بعنوان يك ضد آتش عمل مي‎نمايد. توليد بيوگاز فرآيندي پايدار، تجديد پذير و عاري از توليد كربن مي باشد و وابستگي به استفاده از سوخت هاي فسيلي را كاهش مي دهد. اغلب بهره برداران سايت هاي بيوگاز قادرند كل انرژي مورد نياز خود را تامين كنند. آن. بيوگاز يك روش تامين انرژي است كه كربني توليد نمي كند. زيست‌گاز چيز جديدي نيست. مردمان پيش از دويست سال پيش از زيست‌گاز استفاده مي‌کردند. قبل از الکتريسيته، زيست گاز که از فاضلاب توليد مي‌شد گازي بود که چراغهاي خيابان را در لندن روشن مي‌نمود، در بسياري از مناطق جهان، زيست‌گاز براي توليد گرما و روشنايي منازل، پخت‌وپز از آن استفاده مي‌شد. مواد آلي آن از منابع عظيم جمع آوري مي‌شد همچون تپه‌هاي زباله و طويله‌هاي بزرگ، و يا از ميان فاضلابهاي خانگي در يک روستا. زيست‌گاز در واقع مخلوطي از گازها است، دي‌اکسيدکربن(CarbonDioxide)  و متان(Methane)  که توسط تعداد اندکي از موجودات زنده ريز(microOrganism)  توليد مي‌شود. حيواناتي که مقدار بسيار زيادي از گياهان را مي‌خورند، بخصوص چرندگان از قبيل گاوها، مقدار زيادي از زيست‌گاز را توليد مي‌کنند. زيست‌ گاز بوسيله گاو يا فيل توليد نمي‌شود، بلکه بوسيله ميلونها موجود ريز (ميکروارگانيسم) که در دستگاه گوارش زندگي مي‌کنند و نيز زيست‌گاز در باتلاها و در ته درياچه‌ها، جايي که اجسام درحال پوسيدن هستند در کنار رطوبت و شرايط بي‌هوازي توليد مي‌شود. گازهاي توليدي تميز، احتراق پذير و سبک تر از هوا مي باشند. بيوگاز با اسامي بسياري شناخته مي شود که از آن جمله مي توان گاز مرداب، زيست گاز، گاز باتلاق، Goborgas ، Willogas ، Wispgasرا نام برد. از نظر شيميائي بخش قابل استفاده بيوگاز، گاز متان حاصل از آن است که از نظر ساختار شيميايي ترکيبي از يک مولکول کربن و چهار مولکول هيدروژن است.

بيوگاز با يک شعله آبي رنگ که داراي حرارت 800 درجه سانتي گراد است مي سوزد. اين گاز با نسبت 1-20  با هوا مخلوط شده و داراي سرعت اشتعال بالايي است و هر متر مکعب از اين گاز داراي ارزش حرارتي5650 کيلو کالري است. فشار لازم و مطلوب براي پخت و پز با بيوگاز بين  5 تا 20 سانتي متر ستون آب مي باشد. هدف از اجراء برنامه هاي توليد بيوگاز، برگرداندن کود حيوانات و باقيمانده مواد کشاورزي به سوختي براي مصارف خانگي و توليد کود حاصلخيز کننده زمين است. مواد مورد استفاده در بيوگاز بر خلاف مواد پلاستيکي به طور کامل به چرخه طبيعت بر مي گردد. در واقع بيوگاز مخلوطي است از گازهاي گوناگون که گاز متان عنصر اصلي تشکيل دهنده آن است به طوري که 69/61% گازمتان و 77/35% دي اکسيد کربن و درصد بسيار ناچيزي از گازهاي ازت و هيدروژن سولفوره و غيره است. ميزان درصد گاز متان بستگي به دماي هاضم داشته و هر چه دماي هاضم ‏پايين تر باشد درصد متان آن بيشتر و ارزش حرارتي بالاتري دارد ولي ميزان گاز توليد شده كمتر است. گاز متان گازي است شفاف، بوي ‏قابل تشخيص مانند تخم مرغ گنديده و بي طعم و مانند کربن دي اکسيد يک گاز گلخانه اي است با اين تفاوت که اثر آن حدود 25 برابر اثر کربن دي اکسيد است. سوختن يک متر مکعب از بيوگاز حدوداً 5500 تا 6500 کيلوکالري حرارت توليد مي کند که اين حرارت براي راه اندازي يک موتور احتراق داخلي به توان يک اسب بخار به مدت دو ساعت و يا توليد 25/1 کيلو وات نيروي برق کافي است. يک متر مکعب از بيوگاز معادل؛ 4/0کيلوگرم سوخت ديزل، 6/0کيلوگرم نفت و 8/0 کيلوگرم زغال سنگ است. ترکيب شيميايي و مشخصه هاي فيزيکي بيوگاز نشان داده است که اين عنصر نه تنها يک سوخت عالي است بلکه حاوي مواد اوليه شيميايي بسيار مهمي است. بيوگاز منبع فنا ناپذيري از انرژي است بطوريکه انرژي خورشيدي ذخيره شده در گياهان از طريق سيستم فتوسنتز به وسيله فعاليت باکتري ها دوباره به انرژي به صورت بيوگاز بازيابي مي شود. بدين ترتيب انرژي بيوگاز همواره و تا زماني که خورشيد مي درخشد پايدار خواهد بود. مواد اوليه مورد نياز براي توليد بيوگاز مواد آلي مانند پسماندهاي دامي و انساني، ساقه هاي گياهان، علفهاي هرز، برگهاي ريخته درختان، پسماند فرآورده هاي کشاورزي، محتويات فاضلابها و غيره است. چون اين مواد تقريباً هميشه و همه جا در دسترس است به سادگي  مي توان آنها را جمع آوري و در محل به وسيله مولدهاي بيوگاز تخميرکرد.

1-1- تاريخچه توليد بيوگاز

شروع تحقيقات در زمينه تجزيه مواد عالي در شرايط غير هوازي به شخصي به نام ديوي در سال 1808 ميلادي مربوط مي شود. ديوي درآزمايش خود 3/0 ليتر گاز متان از تخمير فضولات گاوي به دست آورد. زانگن اولين رساله تحقيقي در زمينه توليد بيوگاز را در سال 1906 به رشته تحرير درآورد. امروزه به وضوح ديده مي شود که تجزيه مواد تحت تأثير آنزيم هاي مختلف تا حدود الکل و اسيدهاي چرب و سپس توليد گاز متان انجام مي شود. گاين شاگرد لويي پاستور در سال 1884 از تخمير يک متر مکعب کود در حرارت 35 درجه سانتيگراد 100 ليتر گاز متان به دست آورد. يکي از پيروان پاستور در سخنراني خود تأکيد کرد که گاز حاصل از تخمير فضولات دامي منابعي براي سوخت و روشنايي به وجود مي آورد. در سال 1899 حدود 60 مزرعه در هلند از بيوگاز براي روشنايي و پخت و پز استفاده کردند. به کاراندازي موتور با استفاده از گاز متان در سال 1907 مورد آزمايش قرار گرفت. در سال 1914 در کشور اندونزي، يک هلندي مبادرت به توليد گاز متان از خاک اره نمود. بعد از جنگ جهاني اول در انگلستان علاقه به توليد گاز متان از مواد زايد کشاورزي شدت يافت و اين علاقه در زمان جنگ جهاني دوم بيشتر شد. از سال 1904 دانشمندان فرانسوي در آفريقاي شمالي تحقيقات زيادي براي توليد گاز متان از مواد زائد انجام دادند. در سال 1951 تخمين زده شد که 1000 دستگاه توليد گاز متان از مواد زائد کشاورزي توسط فرانسويان در فرانسه و آفريقاي شمالي مورد استفاده قرار گرفته است. بنابر شواهد، اولين بار پارسيان باستان به وجود گازهاي قابل اشتعال در گياهان پوسيده پي بردند. آنچه که ما امروز به عنوان بيوگاز يا گاز ناشي از فرآيندهاي بيولوژيک مي‌شناسيم قدمتي چندين ‌هزار ساله دارد. اما تاريخچه استفاده از بيوگاز به حدود 2000 تا 3000 سال پيش و به چين باستان باز مي گردد. چنان که مارکوپولو در سفرنامه‌ي خود به وجود مخازن سرپوشيده فاضلاب اشاره کرده است. گفته مي‌شود که چيني‌هاي باستان از گاز حاصل از فاضلاب، و هدايت آن به وسيله لوله‌هايي از جنس بامبو به خانه هايشان، براي روشنايي و گرما و پخت و پز استفاده مي‌کردند. در عقايد ايرانيان باستان نيز آلوده کردن آب گناه بزرگي محسوب مي‌شد؛ از اين رو در شهرهاي ايران باستان سيستم‌هاي منسجمي براي هدايت آب‌هاي سطحي و نيز فاضلاب طراحي شده بود که هنوز هم آثاري از اين کانال‌بندي‌ها وجود دارد. مشهورترين نمونه‌ي استفاده کاربردي از فاضلاب در ايران در حمام شيخ بهايي است که در دوره ي صفويه (قرن 11 هجري) توسط شيخ بهايي طراحي شد. گرماي آب خزينه‌ي اين حمام توسط گازهاي ناشي از فاضلاب مسجد جمعه و شعله‌ي يک شمع تامين مي‌شده است.

اما شناخت علمي گاز متان و استحصال و کاربرد گسترده از بيوگاز به شکل امروزي به قرن 19 و اوايل قرن بيستم باز مي‌گردد. در سال 1808م، سِر همفري ديوي به وجود گاز متان در فضولات حيواني پي برد. وي با استفاده از دستگاه تقطير و در شرايط خلاء در آزمايشگاه موفق به جمع‌ آوري گاز متان از مخلوط فضولات گاوي و کاه شد. اولين مخزن هاضم بي‌هوازي به شکل نوين در سال 1859 در بمبئي هندوستان ساخته شد. اين ايده به انگلستان برده شد و شکل بهتري از مخزن طراحي شد و در سال 1895 از بيوگاز حاصل براي روشنايي چراغ‌هاي گازي خيابان‌ها که در آن زمان در انگلستان مرسوم بود استفاده شد. با پيشرفت علم ميکروب ‌شناسي و تحقيقات بوزول (Buswell) و ديگران در1930م باکتري‌هاي بي‌هوازي و شرايط لازم براي توليد بهينه‌ي متان کشف شد و گام‌هاي بيشتري در جهت استفاده از بيوگاز در دنيا برداشته شد. از آن زمان تاکنون شمار زيادي از کشورهاي صنعتي و در حال توسعه، در جهت بهبود و توسعه صنعتي و بهره‌ برداري بهينه از اين انرژي ارزان و در دسترس به پيشرفت‌هاي زيادي دست يافته‌اند.

در طي قرن دهم قبل از ميلاد مسيح در آشور و در قرن شانزدهم در ايران از بيوگاز براي گرم كردن آب جهت حمام و شستشوي بدن استفاده مي‎شد. در سال 1776 ميلادي الكساندر ولتا نتيجه گرفت كه بين مقدار مواد آلي فساد پذير و ميزان گاز قابل اشتعال رابطه مستقيمي وجود دارد. در سال 1859 اولين واحد تخمير بي هوازي در بمبئي هند ساخته شد و در سال 1860 ميلادي ‌اولين واحد استفاده شده براي تصفيه مواد جامد فاضلاب بوسيله شخصي بنام اچ ـ موراس بكار گرفته شد. در اروپا برخي واحدهاي بيوگاز بيشتر از‌20 سال است كه مشغول به كار هستند و در حال حاضر بيش از600 واحد هاضم در اروپا مشغول بكار مي‌باشند و تنها در كشور آلمان در حدود 250 واحد بيوگاز طي پنج سال گذشته نصب شده است. از نيمه اول قرن بيستم در بسياري از كشورها ساخت دستگاههاي توليد كننده بيوگاز و استفاده از گاز حاصله آن به منظور پخت و پز، تأمين روشنايي و بكار انداختن موتورهاي احتراقي وسايل نقليه بسرعت توسعه يافت و در اين بين كشورهاي چين و هند بيش از ساير كشورهاي ديگر به ساخت و بهره‎برداري از دستگاههاي توليد كننده بيوگاز پرداخته‎اند. بيش از نيم قرن پيش در تصفيه خانه‎هاي فاضلابهاي شهري در اروپا استفاده از گاز متان حاصل از تخمير مواد بيولوژيكي مطرح بود اما استفاده از بيوگاز بصورت متداول از جنگ جهاني دوم به بعد مطرح شد و در ده سال اخير بعلت كمبود انرژي و افزايش قيمت آن در كشورهاي وارد كننده مواد سوختي مورد توجه خاص قرار گرفته است.

1-2- منابع زيست توده جهت توليد بيوگاز

به طور کلي منابع زيست توده‌ي قابل استحصالِ بيوگاز به پنج گروه عمده تقسيم مي‌شود كه عبارتند از:

-  ضايعات و پسماندهاي كشاورزي و صنايع وابسته

- پسماندهاي جامد شهري

- پساب شهري

- فضولات دامي

- ضايعات و زائدات جامد و مايع فسادپذير صنعتي (لجن صنعتي)

همه­ي منابع زيست توده نام برده شده، طى فرآيندهاى مختلف بيوشيميايى و ترموشيميايى، قابليت توليد انرژى به سه شكل برق، گرما و سوخت زيستى را دارند و در بخش‌هاى مختلف مصارف خانگى، صنعتى و حمل و نقل به‌كار گرفته مى‌شوند. براي نمونه با فشرده کردن متان موجود در بيوگاز از آن مي‌توان به ‌طور مستقيم به ‌عنوان گاز شهري و سوخت خانگي براي پخت و پز و گرما استفاده کرد يا به عنوان سوخت CNG در وسايل نقليه گاز سوز مورد استفاده قرار داد. همچنين مي‌توان از آن برق توليد کرد. در صورت استفاده از بيوگاز در صنعت حمل و نقل، ميزان آلاينده دي‌اُکسيدکربن که سبب افزايش گازهاي گلخانه­‌اي جهان مي‌شود تا حدود ۶۵ تا ۸۵ درصد کاهش مي يابد.

1-3- مهمترين منابع زيست توده که در توليد بيوگاز نقش دارند:

1-3-1-                     فضولات دامپروري :

1-3-2-                     ضايعات کشاورزي :