توصيفگر ها :
بيوگاز , متان , سيستم تك مرحله اي , سيستم دو مرحله اي , كود گاو شيري , پيش فرآوري , راكتور , نرخ بارگذاري مواد آلي
چكيده فارسي :
امروزه انسان استفاده از سوخت¬هاي تجديدپذير را با توجه به مشكلات سوخت¬هاي فسيلي از جمله آلايندگي بالا و محدود بودن اين سوخت¬ها بسيار جدي¬تر از گذشته دنبال مي¬كند. يكي از انواع انرژي¬هاي تجديدپذير زيست-توده است. يكي از بهترين راه¬ها براي كاهش انتشار متان به جو و بهره¬گيري از انرژي زيست توده، استفاده از هضم بي¬هوازي پسماندها و توليد بيوگاز است. در اين پژوهش توليد متان زيستي از پسماند حيواني (كود گاو) درسيستم تك مرحله¬اي و سيستم دو مرحله¬اي در محدوده دماي مزوفيليك (37 درجه سلسيوس) بررسي شد. ابتدا توليد بيوگاز در سيستم تك مرحله¬اي مورد سنجش قرار گرفت كه به اين منظور از دو پيش¬فرآوري فيزيكي كاهش اندازه ذرات به سه بازه 1-2 ، 5/0-1 و 25/0-5/0 ميلي¬متر و پيش¬فرآوري گرمابي در دماهاي 120، 150 و 180 درجه سلسيوس استفاده شد و اثر پيش¬فرآوري بر توليد بيوگاز در سيستم تك مرحله¬اي بررسي شد. در مرحله دوم پژوهش، توليد بيوگاز توسط سيستم دو مرحله¬اي مورد مطالعه قرار گرفت و اثر نرخ بارگذاري مواد آلي در سه مقدار مختلف بر توليد متان در سيستم دو مرحله¬اي بررسي شد. سيستم تك مرحله¬اي 45 روز به طول انجاميد و براي اين آزمايش 23 راكتور با شرايط مختلف وجود داشت كه به صورت دوتايي(در مجموع 46 راكتور) مورد سنجش قرار گرفت. سيستم دو مرحله¬اي 66 روز مورد بررسي قرار گرفت و براي اين آزمايش 3 سيستم دو مرحله¬اي با 6 راكتور وجود داشت. سيستم دو مرحله¬اي نيز به صورت دوتايي مورد مطالعه قرار گرفت و در مجموع 6 سيستم با 12 راكتور استفاده شد. هر راكتور حاوي مخلوط ميكروبي (لجن تصفيه خانه به همراه مايع شكمبه گوسفند) و سوبسترا (كود گاو) بود. براي اندازه¬گيري مقدار گاز توليدي از روش جا¬به¬جايي ستون مايع استفاده شد و همچنين تركيب گاز و درصد متان به وسيله دستگاه كروماتوگرافي گازي در هر سيستم بدست آمد. در سيستم تك مرحله¬اي استفاده از پيش¬فرآوري سبب افزايش توليد بيوگاز نسبت به حالت پيش¬فرآوري نشده شد و همچنين در استفاده از جامدات حاصل از پيش¬فرآوري بيشترين توليد در شرايط پيش¬فرآوري در دماي 150 درجه سلسيوس و اندازه ذرات 1-5/0 ميلي¬ليتر به ميزان 216 ميلي¬ليتر متان به ازاي يك گرم جامد فرار و كمترين توليد نيز در شرايط پيش¬فرآوري در دماي 180 درجه سلسيوس و اندازه ذرات 2-1 ميلي¬ليتر به ميزان 8/136 ميلي¬ليتر متان به ازاي يك گرم جامد فرار بدست آمد. در استفاده از مايعات حاصل از پيش¬فرآوري بيشترين توليد در شرايط پيش¬فرآوري در دماي 150 درجه سلسيوس و اندازه ذرات 2-1 ميلي¬ليتر به ميزان 8/388 و كمترين توليد نيز در شرايط پيش¬فرآوري در دماي 180 درجه سلسيوس و اندازه ذرات 5/0-25/0 ميلي¬ليتر به ميزان 2/265 ميلي¬ليتر متان به ازاي يك گرم جامد فرار بدست آمد. اگرچه دماي پيش¬فرآوري در ميزان متان توليدي اثرگذار بود اما اندازه مختلف ذرات مورد استفاده تقريبا اثري بر ميزان توليد متان نداشت. در سيستم دو مرحله¬اي نمونه¬اي كه بيشترين بازده توليد متان از جامدات در سيستم تك مرحله¬اي داشت به عنوان خوراك براي سيستم دو مرحله¬اي انتخاب شد و اثر نرخ بارگذاري مواد آلي در سه مقدار مختلف 5/0، 1 و 2 گرم جامد فرار به ازاي يك ليتر در روز بر توليد متان بررسي شد كه به ترتيب 2/252، 2/265 و 9/235 ميلي¬ليتر متان به ازاي يك گرم جامد فرار توليد شد. ميزان توليد متان با افزايش ميزان خوراك¬دهي از 5/0 به 1 (گرم جامد فرار به ازاي ليتر در روز) افزايش يافت اما با افزايش خوراك¬دهي از 1 به 2 (گرم جامد فرار به ازاي ليتر در روز) توليد متان نسبت به خوراك¬دهي 5/0 و 1 (گرم جامد فرار به ازاي ليتر در روز) كمتر شد. نتايج در هر دو سيستم تحليل شد. استقاده از سيستم دو مرحله¬اي، بهبود 23 درصدي راندمان را نسبت به سيستم يك مرحله¬اي نشان داد. همچنين وجود پيش¬فرآوري تاثير مثبت بر توليد متان داشت.
چكيده انگليسي :
Biomass is one of the renewable energies. One of the best ways to reduce methane emissions to the atmosphere and to utilize biomass energy is to use anaerobic digestion of wastes and biogas production. Among the huge sources of wastes are plant and animal wastes. If these wastes are not managed, irreparable damage will be done to the environment. By removing impurities from the produced biogas, it can be used as an energy source in the transportation industry, electricity generation, or transmission to the gas supply network. In this study, bio-methane production from animal waste (cattle manure) in single-stage and two-stage systems were investigated. First, biogas production was evaluated in a single-stage system. Hydrothermal pretreatment was used at 120, 150, and 180 °C and the effect of pretreatment on biogas production in a single-stage system was investigated. In the second phase of the study, biogas production was studied by a two-stage system in which the sample with the highest efficiency of methane production from solids in the single-stage system was selected as feed for the two-stage system. Then, the effect of three different organic loading rates on methane production in a two-stage system was investigated. Both single-stage and two-stage systems were in the mesophilic temperature range (37 °C). The experiment for the single-stage system lasted 45 days for which 23 pair reactors with different conditions were tested, i.e. 46 reactors were used in the single-stage system. The two-stage system was tested for 66 days while for this experiment, 3 pairs of two-stage systems were used, i.e. a total of 6 systems with 12 reactors were used. Each reactor contained a microbial mixture (refinery sludge mixed with sheep rumen fluid) and a substrate (cow manure). To measure the amount of gas produced, the liquid column displacement method was used. Also, the gas composition and methane percentage were obtained for each system by gas chromatography. In the single-stage system, the use of pretreatment increased the production of biogas compared to the untreated state. The highest production rate for the pretreatment conditions was 216 (ml methane/gram of volatile slid-VS) at 150 °C and particle size of 0.5-1 mm, whereas the lowest production rate for the pretreatment conditions was 136.8 (ml methane/g VS) at 180 °C for the particle size of 1-2 mm. In the use of pretreatment liquids, the highest production rate was 388.8 (ml methane/g VS) at 150 °C and particle size of 1-2 mm. The lowest production rate for pretreatment condition was 256.2 (ml methane/g VS) at 180 °C while the particle size was 0.5-25 mm. Although the pretreatment temperature affected the amount of methane produced, the different particle sizes did not have obvious effect on methane production. The sample with the highest efficiency of methane production from solids in the single-stage system was selected as feed for the two-stage system and the effect of organic loading rate in three different rates of 0.5, 1, 2 (g VS/L-day) on methane production rate was studied in a two-stage system which produced 252.2, 265.2 and 235.9 (ml methane/g VS), respectively. The production rate in the two-stage system was higher than the single-stage system and in the highest case, 23% more production was reported than the single-stage system.