Environmental and technical assessment of biogas production using by rice straw
Subject Areas :
محسن محمدی گلنگش
1
()
Mahsa Khodabakhshi pour
2
()
Keywords: Biogas, Environmental assessment, Rice straw ,
Abstract :
Energy consumption in the world is increasing rapidly and so expect that unrenewable energy sources will expire in the future; therefore new methods of energy production are becoming more common in the worldwide. Among the new and clean energies is biogas, which is produced from anaerobic fermentation of biomass. Guilan province with 238,000 hectares of paddy land areas has significant potential for biogas production from organic residues. for this purpose a study was carried out to investigate the process of production biogas from the combination of rice straw and animal waste with five levels (0-100), (5-95), (10-90), (15-85), (-80) 20) Respectively, with three replicants. The experiment was performed at mesophilic temperature and used from 1/5 lit bottles as digestion. Economic and environmental evaluation of fossil fuel biogas replacement by applying the results of this study to a larger scale in a case study in Poonel village of Guilan province. Results show that biogas replacement will save 21% on fossil fuel consumption. And the environment is prevented from releasing 328/148 kg of CO2 per year. We therefore conclude that the use of biogas digesters in rural units can be recommended.
1. فلاح . س، م. پورعزیزی، س. رستمی، 1392، ضرورت و پتانسیل تولید سوخت زیستی از بقایای غلات در کشور، نشریه انرژی ایران/ دوره 7 شماره 1بهار 1393
2. احمدی پیرلو.الف ، م. ع. ابراهیمی نیک ، م. خجسته پور، س. ه. ابراهیمی، (1395) ، تأثیر پیش تصفیه قلیایی بر بهبود تخریب پذیری زیستی مواد آلی پسماندهای جامد شهری و تولید بیوگاز در هضم بی هوازی. مجله سلامت و محيط زیست، فصلنامه ي علمي پژوهشي انجمن علمي بهداشت محيط ايران .دوره نهم، شماره چهار ، صفحات 481 تا 4
3. خداداد کاشی. ف، اکابری تفتی.م، موسوی جهرمی.ی، خسروی نژاد.ع.الف، 1395، محاسبه هزینه اجتماعی انتشار دی اکسید کربن به تفکیک استان های مختلف در ایران، فصلنامه پژوهش های سیاستگذاری و برنامه ریزی انرژی ، سال دوم/شماره2/بهار 1395
4. قوامی، ب ،. راستگو، ح،. عسگریی،ش ، تحلیل فنی و مالی سیستم های استحصال برق و حرارت از لجن تصفیه خانه فاضلاب شهری (1395) دهمین همایش ملی انرژی های تجدیدپذیر پاک و کار آمد.
5. عادلی گیلانی.الف، سوری. ف، پوراحمدی. م، 1392، كاربرد فناوري بيوگاز در روستاهاي ايران؛ برآورد صرفه جويي انرژي، حاصل از كاربرد فناوري بيوگاز در روستاي گالش كلام (گيلان (
6. سلطانعلی، ح.، نیکخواه، الف.وروحانی، ع.، 1396، امکانسنجی کاهش انتشار گازهای گلخانه ای در واحد های تولیدی شیر با بکار گیری سامانه های بیوگاز، فصلنامه پژوهش های سیاستگذاری و برنامه ریزی انرژی
7. بیکی، ح،. جانانه، الف،. 1395، شبیه سازی فرایند تولید گاز متان از پسماند های دامی در یک بیوراکتور ناپیوسته.
8. کلوری ، ع .،1391 ، بررسی مقادیر ترکیبات مختلف فضولات گاوی و مرغی به همراه کلش برنج بر میزان تولید بیوگاز، سومین همایش بیو انرژی ایران (بیوماس و بیوگاز) سال انتشار 1391
9. نجفی.ب، 1390. بررسي تجربي تأثير استفاده از بيوديزل و بيوگاز به جاي گازوييل و گاز طبيعي درموتور ديزل دوگانه سوز
10. رحیمی. ف، 1391. طراحی و ساخت یک واحد بیوگاز در مزرعه عباس آباد. دکترای مدیریت محیط زیست، دانشکده انرژی دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم تحقیقاتتهران، سومین همایش بیوانرژی ایران
11. محمد نژاد سیگارودی.ج، الف.شعبانی کیا، ب.بوغلان دشتی، 1389، پتانسیل سنجی تولید انرژی از پسماند های کشاورزی ایران، نخستین همایش بیو انرژی ایران، تهران
12. وهاب زاده.ع، 1385، (ترجمه) شناخت محیط زیست(زمین سیاره من)، انتشاراتجهاد دانشگاهی مضهد، چاپ چهارم-696 صفحه
13. آمارنامه کشاورزی سال زراعی 9—1389 وزارت جهاد کشاورزی 14. محمدی مجد.ج، م. خدابخشی پور 1397، بررسی و ارزیابی تولید گاز متان از ترکیب کود گاومیش و کلش ذرت در استان خوزستان، 15. سعیدی.س، س.ج.هاشمی، س.ی.کاظمی، 1392، بررسی اثر پیش تیمار شیمیایی کاه برنج با آمونیاک، اوره و سود بر تولید بیوگاز، مهندسی بیوسیستم ایران-دوره 44-شماره 1-بهار1392
16. Yadvika.s.s، T.R.kohli، s.Rana.v، 2004، Enhancement of biogas production from solid substrates using Different Techniques-A review.Bio-resource.Technol.95: 1-10
17. Ganguly.A، P.K.chatterjce، A.Day، 2012، studies on ethanol production from wather hyacinth-Areview، Renewable and sustainable Energy Reviewe)
18. Elijah. Iyagba., Ibifuro. Mangibo. and Yahaya Sayyadi Mohammad (2009) The study of cow dung as co-substrate with rice husk in biogas production. Scientific Res. 4(9): 861-86919
. Gopinath,k., jabaraj,D.B., 2016, Investigation on emission characteristics of biogas from azolla. a. International Conference on Engineering Innovations and Solutions(ICEIS – 2016
20. Rasi,s., veijanen,A.,Rintala,j,2007, Trace compounds of biogas from different biogas production plants, Energy 32 (2007) 1375–1380
21. Whiting,A., Azapagic,A,2014, Life cycle environmental impacts of generating electricity and heat From biogas produced by anaerobic digestion Energy (2014)
22. Borjesson,p.,Berglund,M.,2006, Environmental systems analysis of biogas systems—Part I:Fuel-cycle emissions,Biomass and Bioenergy 30 (2006) 469–485.
23. Alidadi,H.,Etemadi mashsdi,s.,Najafpour,a.a.,Mohebrad,B.,Dehghan,A.A.,2017, Investigation of Biogas Production Process by the Mixture of Landfill Leachateand Animal Waste, Journal of Health Research in Community, Volume 3, Issue 2, Summer 2017. 24. Jain. s.k, g.s.gujral, n.k.jha, P.vasudevan, (1992).production of biogas from azolla pinnata R.Br and lemna minor:efect of heavy metal contamination.bioresource technology41(1992)273-277 25. Geeta.g.s, k.s.jagadesh, t.k.r.Reddy,(1990), Nickel as an accelerator of biogas production in water hyacinth, biomass, volume 21.issue 2,1990 ,pages 157-161.
26. Biswas. B, R. Singh, B. B Krishna, J. Kumar, T. Bhaskar.(2017). Pyrolysis of azolla, sargassum tenerrimum and water hyacinth for production of bio-oil. Bioresource Technology .volum 242، pages
ارزیابی فنی و زیست محیطی تولید بیوگاز از بقایای کشاورزی (کلش برنج)
مهسا خدابخشی پور1
محسن محمدی گلنگش2*
چکیده
انرژی مصرفی در جهان به سرعت در حال افزایش است و انتظار می رود که منابع انرژی غیر قابل تجدید در آینده به پایان برسد؛ بنابراین روش های نوین تولید انرژی در سراسر جهان متداول شده است. ازجمله انرژیهای جدید و پاک، بیوگاز است که از تخمیر بی هوازی زیست توده تولید می شود. استان گیلان با 238000 هکتار سطح زیر کشت برنج پتانسیل قابل ملاحظه ای در جهت تولید بیوگاز از بقایای آلی دارا می باشد.از این رو تحقیقی در جهت بررسی تولید بیوگاز از ترکیب کاه و کلش برنج و فضولات دامی به ترتیب با نسبت های (100-0)، (95-5)، (90-10)، (85-15)، (80-20) در سه تکرار صورت گرفت.آزمایش در دمای مزوفیلیک ب با روش هضم بی هوازی درون بطری های 5/1 لیتری انجام شد. ارزیابی اقتصادی و زیست محیطی جایگزینی بیوگاز با سوخت فسیلی با تعمیم نتایج حاصل از این پژوهش به مقیاس بزرگتر به صورت موردی در روستا پونل استان گیلان صورت گرفت نتایج نشان داد درصورت جایگزینی بیوگاز 21 درصد صرفه جویی در مصرف سوخت فسیلی خواهیم داشت.و از نظر زیست محیطی از انتشار 14/328 کیلوگرم CO2 در سال جلوگیری می شود. ازین رو نتیجه میگیریم که استفاده از هاضم های بیوگاز در واحد های روستایی قابل ترویج و آموزش می باشد.
واژه های کلیدی: بیوگاز، ارزیابی زیست محیطی،کلش برنج
Abstract
Environmental and technical assessment of biogas production using by rice straw
Energy consumption in the world is increasing rapidly and so expect that unrenewable energy sources will expire in the future; therefore new methods of energy production are becoming more common in the worldwide. Among the new and clean energies is biogas, which is produced from anaerobic fermentation of biomass. Guilan province with 238,000 hectares of paddy land areas has significant potential for biogas production from organic residues. for this purpose a study was carried out to investigate the process of production biogas from the combination of rice straw and animal waste with five levels (0-100), (5-95), (10-90), (15-85), (-80) 20) Respectively, with three replicants. The experiment was performed at mesophilic temperature and used from 1/5 lit bottles as digestion. Economic and environmental evaluation of fossil fuel biogas replacement by applying the results of this study to a larger scale in a case study in Poonel village of Guilan province. Results show that biogas replacement will save 21% on fossil fuel consumption. And the environment is prevented from releasing 328/148 kg of CO2 per year. We therefore conclude that the use of biogas digesters in rural units can be recommended.
Keywords: Biogas, Environmental assessment, Rice straw
[1] - دانشجوی کارشناسی ارشد علوم و مهندسی محیط زیست- گرایش آلودگی محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی دانشگاه گیلان، صومعه سرا
[2] * - دانشیار گروه علوم و مهندسی محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی دانشگاه گیلان، صومعه سرا
مقدمه
پیشرفت علم و فناوری در جهان امروز هر چند که سبب آسایش و رفاه زندگی بشر گردیده است .اما جهان را با بحران های جدی زیست محیطی و انرژی مواجه کرده است.(5) این بحران ها که ناشی از مصرف بالای سوخت های فسیلی و نگرانی از به اتمام رسیدن این سوخت ها و از طرفی سوزاندن و دفن ضایعات آلی ناشی از فعالیت های کشاورزی و دامی می باشد سبب توجه هر چه بیشتر به سوخت های تجدیدپذیر و پاک همچون انرژی حاصل از بیوماس شده است.(4 ، 6، 7) زیست توده شامل مواد آلی است که به طور مثال می توان به ریزه های چوب حاصل از بقایای جنگلی، بقایای کشاورزی همچون کاه و کلش اشاره کرد.ازاین مواد به طور عمده می توان در تولید بیوگاز استفاده نمود.(17 ). زیرا سوزاندن این بقایا سبب آلودگی شدید محیط زیست می شوند و می توان با استحصال بیوگاز به عنوان سوخت دوستدار محیط زیست، آسیب های ناشی از این مواد را کاهش داد و در مقابل از انرژی تولیدی به عنوان سوخت جهت تولید توان مکانیکی، الکتریکی و یا انرژی حرارتی برای خشک کردن و مصارف خانگی استفاده کرد (4، و 25) و همچنین از لجن حاصل به عنوان کود استفاده نمود (19). و اینگونه از پتانسیل سایرمنابع انرژی به جای منابع فسیلی استفاده کرد. و این موضوع وقتی ارزش بیشتری پیدا می کند که ماده اولیه مصرفی به دلیل وفور و گستردگی خود بعنوان معضلی مهم در بخش های مختلف مطرح باشد(26 )
ویتینگ و آزاپاگی1(2014) بر طبق مطالعه ای به بررسی چرخه حیات اثرات زیست محیطی مربوط به تولید یک سامانه بیوگاز پرداختند.ایشان گزارش نمودند که فاکتور های تاثیر پتانسیل گرمایش جهانی که حاوی گازهای گلخانه ای مضری چون CO2، CH4 و N2O است با جایگزین شدن بیوگاز با سوخت های فسیلی تا 50 درصد قابل کاهش است. و بنابراین پتانسیل اسیدی شدن و یوتریفیکاسیون سوخت های فسیلی به ترتیب 25 و 12 بار بیشتر از گاز طبیعی گزارش شده است.(21)
بورجسون2(2007)مطالعه ای بر روی جایگزین شدن سیستم های جایگزین شامل سیستم مصرف گرمایی ، برق و قدرت و حمل و نقل وسیله نقلیه سبک و سنگین با سیستم تولید بیوگاز و مقایسه جنبه های مختلف زیست محیطی پرداختند.ایشان همچنین به مقایسه اثرات غیر مستقیم زیست محیطی دو سیستم تولید بیوگاز و سیستم جایگزین پرداختند و گزارش نمودند که عدم استفاده از سیستم بیوگاز موجب آثار منفی زیست محیطی معناداری می گردد. همچنین بیان نمودند که به طور معمول پتانسیل گرمایش جهانی بین 80-50 درصد، هنگامی که بیوگاز جانشین بنزین و دیزل به عنوان سوخت در سیستم حمل و نقل وسایل سبک و سنگین شود، کاهش می یابد.( 22)
بیوگاز از جمله سوخت های زیستی است که از ترکیب متان و مقداری دی اکسید کربن تشکیل شده است (2، 24). راسی و همکاران3(2007) به بررسی تنوع ترکیبات بیوگاز تولید شده در سیستم های مختلف جهت استفاده به عنوان سوخت زیستی پرداختند. این ترکیبات شامل متان، کربن دی اکسید، اکسیژن، نیتروژن، اسید های چرب فرار و ترکیبات سولفوره می باشند(20).کاهش هزینه های ناشی از مصرف سوخت های فسیلی و کاهش آلایندگیهای زیست محیطی ناشی از مصرف این سوخت ها و سهولت استفاده از سیستم های تولید بیوگاز و تولید کود غنی شده در فرایند تخمیر، توجه به تولید و مصرف بیوگاز را در جهان گسترش داده است. به دلیل فراوانی و در دسترس بودن منابع تولید بیوگاز در روستاها به ویژه در روستاهای با زمینه غالب دامداری و کشاورزی همچنین سادگی ساختمان دستگاه های بیوگاز، می توان از واحدهای بیوگاز برای هر خانواده و یا به طور مشترک برای چند خانوار استفاده کرد ((19. حسین بیکی و الهام جانانه بر طبق ارزیابی تولید بیوگاز از پسماند های دامی بیان کردند که میزان بیوگاز تولیدی با استفاده از راکتور ناپیوسته در طی 70 روز معادل 29/10 گرم بر لیتر خواهد بود. میزان متان بیوگاز 75-55 درصد ،دی اکسید کربن 45-35 و سولفید هیدروژن 1-2 درصد گزارش شد.(7)
این تحقیق به اثرات زیست محیطی جایگزینی بیوگاز با سوخت فسیلی در محیط های روستایی در استان گیلان می پردازد. از آنجایی که در نواحی روستایی این استان فعالیت های تلفیقی زراعی و دامی بر پایه تولید برنج در حال انجام است بقایای کشاورزی حاصل از این فعالیت ها به عنوان ماده اولیه پایه مورد استفاده قرار می گیرد. تا بتواند از بقایای کشاورزی در استان گیلان شامل کاه و کلش برنج به عنوان ماده اولیه برای تولید بیوگاز استفاده نماید تا ضمن صرفه اقتصادی سبب کاهش اثرات سوء زیست محیطی ناشی از سوزاندن این محصولات و افزایش انتشار گاز های گلخانه ای باشد در صورت امکان از بقایای این فرایند نیز بطور مستقیم یا پس از اقدامات اصلاحی در بهسازی خاک استفاده شود.
مواد و روش ها
در این مطالعه به منظور کاهش اثرات زیست محیطی استفاده از سوخت های فسیلی، امکان بکارگیری سامانه های تولید بیوگاز از طرق مطالعه آزمایشگاهی و تعمیم آن به مقیاس بزرگتر انجام شد. با توجه به هدف این تحقیق می بایست با جایگزین کردن این انرژی با انرژی حاصل از بیوگاز تبعات زیست محیطی آن را کاهش داد. آزمایش در محل کارگاه تحصیلات تکمیلی دانشگاه کشاورزی و منابع طبیعی رامین خوزستان انجام شد. زمان انجام آزمایش اردیبهشت و خرداد ماه 1398 بود ازین رو شرایط مزوفیلیک (دمای 30-40 درجه سلسیوس) برای تولید بیوگاز با توجه به دمای محیط برقرار بود.
کلش برنج از شالیزار مجاور دانشگاه به مقدار لازم جمع آوری شد و به قطعات 1 سانتیمتری توسط دستگاه چاپرو قیچی خرد گردید(8)
پس از آن به مدت 3ساعت درون آون قرار داده شد تا ماده ی خشک آن تعیین گردد.(مقاله جبار) . فضولات دامی تازه به محل کارگاه منتقل شد. کاه و کلش جمع آوری شده و پس از توزین کاه و فضولات با ترازوی دیجیتالی با درجه ی دقت 1/0 گرم ترکیب 8 درصد ماده جامد با نسبت های اختلاط 0، 5% ،10%، 15% و 20% کلش به فضولات در کل ماده جامد در سه تکرار به مدت سه هفته در محیط آزمایشگاه دردرون بطری های 5/1 لیتری در شرایط بی هوازی نگهداری شد. (15) شرایط همگن سازی با جابجا کردن روزانه ترکیب و هر بار به مدت 2 تا 3 دقیقه اعمال شد. همزدن مواد می تواند شرایط مناسبی برای هیدرولیز سریع ضایعات ایجاد کند. از مزایای همزدن مواد می توان به پیشگیری از ته نشینی مواد، یکنواخت کردن دما در تمام هاضم، حذف یا کاهش تشکیل کف در سطح مواد و حفظ یکنواختی ویژگی های فیزیکی و شیمیایی زائدات درون هاضم در سراسر مخزن اشاره کر.(16) .برای جلوگیری از تخمیر هوازی که منجر به افزایش دی اکسید کربن می گردد، فضولات دامی به صورت تازه استفاده گردید. فضولات تازه گاو دارای مواد مغذی مناسب ازجمله: کربن، نیتروژن و همچنین میکروارگانیسم های فراوان برای انجام فرایند زیستی هضم بی هوازی است و می تواند به عنوان بهترین گزینه برای تولید بیوگاز مورد توجه قرار گیرد. در صورت مدیریت مناسب این ضایعات دامی علاوه بر کنترل مشکلات احتمالی می توان به سود اقتصادی و زیست محیطی دست یافت. (23)
برای کارکرد بهتر، از ورود هوا به داخل بطری باید جلوگیری شود تا باکتری های متانزا بتوانند به فعالیت خود ادامه دهند. بنابراین می بایست بطری ها را از لحاظ عدم ورود هوا به دقت بررسی و ایمن ساخت تا بهترین شرایط برای تخمیر مواد مهیا گردد. بطری ها قبل از آماده سازی، با استفاده از پارافین عایق بندی شدند و بعد از اطمینان از سالم بودن مورد استفاده قرار گرفتند.(10) پس از تجزیه و تخمیر بی هوازی مواد و تولید بیوگاز، بطری های آزمایشی به آزمایشگاه دانشکده علوم دام منتقل گردید و توسط دستگاه فشارسنج دیجیتال فشار گاز تجمع یافته در فضای بالای بطری اندازه گیری شد. حجم کل مواد با توجه به حجم آب، حجم کاه و حجم فضولات ریخته شده در مخزن براورد گردید. دمای محلول با استفاده از دماسنج جیوه ای محاسبه شد و سپس مقدار 1 مول بیوگاز برای هر واحد آزمایشی براساس رابطه زیر محاسبه گردید.
رابطه 1
PV=nRT
P = فشار گاز جمع شده درون مخزن (پاسگال)
V=حجم گاز جمع شده درون مخزن(مترمکعب)
=nجرم مولی (گرم بر مول)
R=ثابت جهانی گاز
T=درجه حرارت ( کلوین)
غلظت یون هیدروژن پارامتر مهمی است که در تولید بیوگاز حائز اهمیت است. مقدار pH محیط بین 8/6 ت 5/7 حفظ می شود برای اندازه گیری pH مواد داخل بطری ها، هر چند روز یک بار نمونه ای از مواد داخل بطری به صورت جداگانه تخلیه و pH آن توسط پی اچ متر در آزمایشگاه اندازه گیری شد. همچنین جهت کنترل pH استاندارد ، به مواد داخل بطری ها کربنات سدیم اضافه گردید. (9) نسبت ترکیب کربن به ازت با توجه به نسبت وزنی کلش برنج و فضولات دامی براورد شد. آزمايش هاي تجربي نشان مي دهد كه نسبت كربن به ازت در پهن گاو تقريبا برابر 18 بوده و در کلش برنج برابر 29/61 است. برای رسیدن به نسبت بهینه C/N مقدار C/N بوسیله انتخاب ترکیبات وزنی مختلف فضولات و کاه با در نظر گرفتن تیمار شاهد ایجاد خواهد شد.( 9) نوع و درصد گازهای موجود در هاضم به کمک دستگاه GC-Mass بر پایه گازدر آزمایشگاه تخصصی شرکت نفت و فراورده های گازی تعیین گردید.(23) از آنجایی که تحلیل زیست محیطی کاربرد هاضم های بی هوازی مستلزم بررسی عناصر موجود در هاضم است جهت تعیین عناصر مفید و غیر مفید ترکیب لجن ابتدا از ترکیب تولید کننده ی بیشترین بیوگاز نمونه 150 سی سی عصاره اشباع از لجن تصفیه شده تهیه نموده سپس بر اساس استاندارد تعیین درصد عناصر، عصاره اشباع تهیه و در آزمایشگاه مهندسی علوم خاک دانشگاه کشاورزی و منابع طبیعی خوزستان مقدار عناصر مفید و سمی موجود در لجن هاضم براورد گردید.
پس از جمع آوری اطلاعات به کمک نرم افزار SPSS،نسخه 24 جهت تشخیص اختلاف بین تیمارها و معنا دار بودن تفاوت بین میانگین این گروه ها از آزمون ANOVA و برای تعیین میزان بزرگی اختلاف از آزمون POST HOC استفاده شد.
نتایج
تجزیه واریانس بررسی تاثیر درصد تیمار های آزمایشی بر جرم گاز تولیدی در هاضم در جدول 1 نمایش داده شده است. مطابق جدول 1 درصد کلش در سطح احتمال 5% تاثیر معناداری بر میزان تولید بیوگاز داشت. بدین معنی که باتغییر درصد ترکیبات میزان گاز تولیدی نیز تغییر می کند. به طوری که بیشترین بیوگاز تولید شده در ترکیب 10 درصد کلش برنج و 90 درصد کود دامی بدست آمد. که دلیل آن می تواند در نتیجه نسبت C/N مناسب در این ترکیب و همچنین میزان مناسب گود گاوی جهت تآمین مواد مغذی مورد نیاز باکتری ها برای بقا، تکثیر و فعالیت می باشد.
جدول1- نتایج آزمون تجزیه واریانس یکطرفه برای بررسی مقادیر مختلف کلش برنج بر جرم بیوگاز تولیدی
منابع واریانس | مجموع مربعات | درجه آزادی | میانگین مربعات | F | P |
بین گروهی | 483/29 | 4 | 371/7 | 936/3 | 036/0 |
درون گروهی | 727/18 | 10 | 873/1 | ||
مجموع | 209/48 | 14 |
|
نمودار1-میانگین تولید بیوگاز در نسبت های مختلف کلش برنج
نتایج حاصل از آنالیز دستگاه GC MASS که شامل نوع و درصد گاز های موجود در هاضم می باشد نشان داد که بیوگاز تولیدی شامل70/35 درصد CH4 ، 10/39 درصد CO2 و 20/25 درصد N2 می باشد.
استان گیلان با 238 هزار هکتار اراضی زیر کشت برنج، رتبه دوم را در تولید این محصول در کشور داراست بطوریکه سالانه به صورت میانگین در این استان 1/040/610 تن شلتوک تولید می شود.اما آنچه حائز اهمیت است میزان تولید کاه و کلش در این استان می باشد.که سالانه به طور میانگین 1/288/372 تن است. (13) و متاسفانه به شیوه درستی مدیریت نمی شود. و در اغلب موارد کشاورزان پس از برداشت محصول برنج اقدام به سوزاندن کاه و کلش در مزارع خود می کنند.که این عمل باعث تولید انواع آلاینده های خطرناک و سمی و بروز آلودگی شدید هوا و ایجاد ناراحتی و بیماری های تنفسی برای مردم استان می شود. بسیاری از کشاورزان به دلیل یک تصور غلط که گمان می کنند با سوزاندن کاه و کلش ، آفت های به جا مانده در ساقه گیاه برنج نظیر کرم ساقه خوار را برای زراعت سال آینده از بین می برند اقدام به سوزاندن می کنند. (11، 12)
با توجه به اطلاعات بدست آمده از ساکنین روستا مشخص گردید که روستاییان در حال حاضر براي تأمين انرژي مورد نياز جهت پخت وپز و تأمين آب گرم مصرفي از كپسولهاي گاز مايع 11 كيلوگرمي و براي گرمايش بنا از نفت استفاده ميكنند. در ادامه درصد صرفه جویی انرژی در صورت جایگزینی بیوگاز با انرژی لازم در بخش های پخت و پز و آب گرم مصرفی و گرمایش بنا براورد گردید. در اين راستا براي سادگي در محاسبات، یک نمونه انتخاب گردید تا در نهايت با تعميم دادن نتيجه محاسبات به كل روستا، درصد صرفه جويي در كل روستا مشخص گردد.
همانطور كه اشاره شد، طبق مطالعات ميداني انجام شده، ساكنين روستا درحال حاضر براي پخت و پز و آب گرم مصرفي جهت استحمام، از كپسول هاي گاز مايع 11 کیلوگرمی استفاده مي كنند. اين كپسول ها حاوي 50% پروپان و 50% بوتان مي باشند. با توجه به اين كه ارزش حرارتی پروپان برابر 6/49 مگاژول بركيلوگرم و ارزش حرارتی بوتان 1/49 مگاژول بركيلوگرم است بنابراين در محاسبات پيش رو، ارزش حرارتي گاز مايع3/49 مگاژول بركيلوگرم درنظر گرفته مي شود)3)
.
طبق اطلاعات به دست آمده از ساكنين و شوراي روستا، يك خانواده 5 نفره در طول یک ماه به طور ميانگين، از سه كپسول 11 كيلوگرمي براي پخت و پزو آب گرم مصرفی و از 300 لیتر نفت جهت گرمایش بنا استفاده مي كند.
با توجه به ارزش حرارتي گاز مايع، انرژي هر كپسول 11 كيلوگرمي برابر3/542 مگاژول و در نتيجه كل انرژي مصرفي يك خانواده 5 نفره براي پخت وپز وگرمايش آب مصرفي، در طول یک ماه برابر با 9/1626 مگاژول مي باشد.
11KG *3/49MJ/KG =3/542MJ(1)
3/542Mj * 3 = 9/1626 Mj/month (2)
از طرفی مقدار بیوگاز تولیدی در هر ماه 63/15 متر مکعب براورد گردید که انرژی این مقدار بیوگاز با توجه به ارزش حرارتی آن برابر با 86/343 مگاژول می باشد.(3).
22 MJ/m3* 63/15 m3 =86/343MJ(3)
با تقسيم ، انرژی معادل بیوگاز به انرژی مورداستفاده در روستا ، ميزان صرفه جويي در بخش پخت وپز و آب گرم مصرفي به دست مي آيد. لازم به توضیح است از آنجایی که 25% از گاز جمع شده N2 بوده است درصد N2 تولیدی از مقدار کل گاز کاسته می شود.
86/343MJ ÷9/1626 MJ *100=21% (4)
سوزاندن بقاياي گياهي باعث كاهش مواد آلي خاك ، افزايش فرسايش كاهش فعاليت موجودات زنده خاك و ايجاد مشكلات زيست محيطي مي شود. علاوه بر اين، سوزاندن بيومس با انتشار ذرات معلق در هوا وگازهايي همچون دي اكسيدكربن، منوكسيدكربن، متان، تركيبات آلي فرار، اكسيدهاي نيتروژن و تركيبات هالوژن، تأثيرعمده اي روي آب و هوا(گرم شدن جهاني) و سلامتي انسا نها دارد(1) از این جهت میزان انتشار گاز گلخانه ای حاصل از سوزاندن بقایا و استفاده از سوخت فسیلی با جایگزینی سوخت بیوگاز در مصرف خانگی و عدم سوزاندن کاه و کلش مقایسه گردید.
برای تخمین وضعیت آلایندگی ناشی از سوزاندن بقایا از رابطه زیر استفاده شد.(1)
(5) میزان بقایا 0/4× = كل كربن آزاد شده = گاز گلخانه اي
در این تحقیق میزان بقایای برنج(کاه وکلش) طی یک دوره
با توجه به مقدار مصرف شده در سطح آزمایشگاهی و تعمیم آن به مقیاس بزرگتر براورد گردید. با توجه به اینکه در سطح روستایی از مخزن 3300 لیتری به جهت هاضم استفاده گردید میزان بقایا 22 کیلوگرم در هر دوره یک ماهه براورد گردید که طی یک سال برابر با 264 کیلوگرم خواهد شد.که با توجه به رابطه (6) میزان CO2 تولیدی در یک سال بدست آمد.
264 * 4/0 = 6/105 KG (6)
ضریب انتشار دی اکسید کربن گاز مایع 6/1426 گرم بر لیتر می باشد(3) و مقدار مصرف گاز مایع 13 لیتر در ماه براورد گردید که با توجه به ضریب انتشارI میزان CO2 تولید شده ناشی از مصرف سوخت فسیلی(گاز مایع) در یک سال 54/222 کیلوگرم براورد شد.
از طرفی فاکتور انتشار گاز های گلخانه ای در هر متر مکعب بیوگاز معادل 005/0 کیلوگرم دی اکسید کربن است. با توجه به حجم بیوگاز تولید شده در هر دوره که معادل 63/15 متر مکعب می باشد میزان بیوگاز طی یک سال براورد گردید که برابر با 56/187 مترمکعب می باشد.با توجه به این حجم تولیدی مقدار CO2 برابر با 937/0کیلوگرم می شود. مجموع CO2 تولید شده ناشی از سوزاندن کاه و کلش و مصرف سوخت فسیلی در مجموع برابر با 14/328 کیلوگرم بدست آمد که نشان دهنده کاهش چشم گیر انتشار گازهای گلخانه ای در نتیجه استفاده بیوگاز می باشد.
بحث و نتیجه گیری
در پزوهشی مشابه فرایند تولید بیوگاز از ترکیب کود گاومیش و کلش ذرت مورد بررسی قرار گرفت. در این پژوهش ضایعات کلش با کود گاومیش با نسبت های) 80-20) ، (90-10)، (20-80)، (10-90) ترکیب شدند. برای انجام آزمایشات از بطری های 5/1 لیتری به عنوان هاضم استفاده گردید.فرایند تولید بیوگاز در قالب یک طرح کامل فاکتوریل با سه تکرار در یک دوره 28 روزه انجام شد. نتایج آزمایشات نشان داد که بیشترین تولید بیوگاز به مقدار 30/83 لیتر مربوط به تیمار 80-20 بود.(14)
طی تحقیقی پتانسیل تولید بیوگاز از کود مرغی ، گاوی و کلش برنج مورد بررسی قرار گرفت. در این تحقیق برای تولید بیوگاز از روش هضم بی هوازی استفاده شد. این آزمایش در سه مرحله انجام شد و در هر مرحله مواد با نسبت ترکیب متفاوت استفاده گردید. در هر آزمایش از سه هاضم استفاده شد.هاضم اول به ترکیب کود گاوی و کلش برنج، هاضم دوم به ترکیب کود مرغی و کلش برنج و هاضم سوم به کود گاوی اختصاص یافت. نتایج نشان داد بیشترین میزان بیوگاز تولیدی در هاضم های یک و دو که شامل ترکیبی از مواد بودند به دست آمد(8) الیجا4 و همکاران (2009) در تحقیقی با عنوان مطالعه استحصال بیوگاز از ترکیب سبوس برنج با کود دامی (با مواد جامد کل 8% )و با نسبت 50% به مدت 38 روز، میزان استحصال گازی معادل 5/161 میلی لیتر را گزارش نمودند. از طرفی با نسبت 25 درصد کود دامی و 75 درصد سبوس، استحصال بیوگاز معنی دار نبود و در ترکیب صفر درصد کود دامی و 100 درصد سبوس، گازی تولید نشد.(18). در اين پژوهش به منظور تخمين ميزان صرفه جويي مصرف انرژي و ارزیابی زیست محیطی در بخش روستايي كشور با بهره گيري از فناوري بيوگاز، روستاي پونل واقع در گيلان به عنوان نمونه انتخاب و مورد بررسي قرار گرفته است. شغل اصلي ساكنين روستا كشاورزي بوده و در كنار كشت برنج، باغداري، دامداري نيز از مشاغل عمده اين روستا محسوب مي شود. در حال حاضر اين روستا به سيستم گاز شهري متصل نبوده و روستاييان براي پخت وپز، آب گرم مصرفي و نيز گرمايش از كپسول هاي گاز مايع و يا نفت براي تأمين انرژي لازم استفاده مي كنند. ازین رو استفاده از کاه و کلش به جا مانده به همراه فضولات گاوی در هاضم های بی هوازی جهت تولید بیوگاز مد نظر قرار گرفته است مطابق جدول 1 درصد کلش در سطح احتمال 5% تاثیر معناداری بر میزان تولید بیوگاز داشت. بدین معنی که باتغییر درصد ترکیبات میزان گاز تولیدی نیز تغییر می کند. به طوری که بیشترین بیوگاز تولید شده در ترکیب 10 درصد کلش برنج و 90 درصد کود دامی بدست آمد. که دلیل آن می تواند در نتیجه نسبت C/N مناسب در این ترکیب و همچنین میزان مناسب گود گاوی جهت تآمین مواد مغذی مورد نیاز باکتری ها برای بقا، تکثیر و فعالیت می باشد. تولید بیوگاز می تواند علاوه بر مدیریت صحیح ضایعات، انرژی مورد نیاز روستاییان را تامین کند. بدین ترتیب علاوه بر صرفه اقتصادی سبب کاهش اثرات زیست محیطی ناشی از سوزاندن بقایای گیاهی و انباشته شدن کود دامی گردد. با توجه به نتایج حاصل از این تحقیق کلش برنج به منظور تولید بیوگاز در ترکیب با کود گاوی از پتانسیل بالایی برخوردار است. کود گاوی حاوی میکروارگانیسم های لازم جهت عمل هضم بی هوازی و کلش برنج تآمین کننده ی مواد آلی مورد نیاز میکروارگانیسم ها است که در ترکیب با هم منجر به تولید بیوگاز بالایی می گردند که می تواند در مقیاس صنعتی یا خانگی مورد استفاده قرار گیرد. از طرفی در نتیجه فرایند هضم بی هوازی کلش برنج و کود گاوی کود ارگانیک تولید می شود که می توان از آن جهت اصلاح خاک استفاده نمود. (14) ازین رو نتیجه میگیریم که استفاده از هاضم های بیوگاز در واحد های روستایی قابل ترویج و آموزش می باشد.
منابع
1. فلاح . س، م. پورعزیزی، س. رستمی، 1392، ضرورت و پتانسیل تولید سوخت زیستی از بقایای غلات در کشور، نشریه انرژی ایران/ دوره 7 شماره 1بهار 1393
2. احمدی پیرلو.الف ، م. ع. ابراهیمی نیک ، م. خجسته پور، س. ه. ابراهیمی، (1395) ، تأثیر پیش تصفیه قلیایی بر بهبود تخریب پذیری زیستی مواد آلی پسماندهای جامد شهری و تولید بیوگاز در هضم بی هوازی. مجله سلامت و محيط زیست، فصلنامه ي علمي پژوهشي انجمن علمي بهداشت محيط ايران .دوره نهم، شماره چهار ، صفحات 481 تا 4
3. خداداد کاشی. ف، اکابری تفتی.م، موسوی جهرمی.ی، خسروی نژاد.ع.الف، 1395، محاسبه هزینه اجتماعی انتشار دی اکسید کربن به تفکیک استان های مختلف در ایران، فصلنامه پژوهش های سیاستگذاری و برنامه ریزی انرژی ، سال دوم/شماره2/بهار 1395
4. قوامی، ب ،. راستگو، ح،. عسگریی،ش ، تحلیل فنی و مالی سیستم های استحصال برق و حرارت از لجن تصفیه خانه فاضلاب شهری (1395) دهمین همایش ملی انرژی های تجدیدپذیر پاک و کار آمد.
5. عادلی گیلانی.الف، سوری. ف، پوراحمدی. م، 1392، كاربرد فناوري بيوگاز در روستاهاي ايران؛ برآورد صرفه جويي انرژي، حاصل از كاربرد فناوري بيوگاز در روستاي گالش كلام (گيلان (
6. سلطانعلی، ح.، نیکخواه، الف.وروحانی، ع.، 1396، امکانسنجی کاهش انتشار گازهای گلخانه ای در واحد های تولیدی شیر با بکار گیری سامانه های بیوگاز، فصلنامه پژوهش های سیاستگذاری و برنامه ریزی انرژی
7. بیکی، ح،. جانانه، الف،. 1395، شبیه سازی فرایند تولید گاز متان از پسماند های دامی در یک بیوراکتور ناپیوسته.
8. کلوری ، ع .،1391 ، بررسی مقادیر ترکیبات مختلف فضولات گاوی و مرغی به همراه کلش برنج بر میزان تولید بیوگاز، سومین همایش بیو انرژی ایران (بیوماس و بیوگاز) سال انتشار 1391
9. نجفی.ب، 1390. بررسي تجربي تأثير استفاده از بيوديزل و بيوگاز به جاي گازوييل و گاز طبيعي درموتور ديزل دوگانهسوز
10. رحیمی. ف، 1391. طراحی و ساخت یک واحد بیوگاز در مزرعه عباس آباد. دکترای مدیریت محیط زیست، دانشکده انرژی دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم تحقیقاتتهران، سومین همایش بیوانرژی ایران
11. محمد نژاد سیگارودی.ج، الف.شعبانی کیا، ب.بوغلان دشتی، 1389، پتانسیل سنجی تولید انرژی از پسماند های کشاورزی ایران، نخستین همایش بیو انرژی ایران، تهران
12. وهاب زاده.ع، 1385، (ترجمه) شناخت محیط زیست(زمین سیاره من)، انتشاراتجهاد دانشگاهی مضهد، چاپ چهارم-696 صفحه
13. آمارنامه کشاورزی سال زراعی 9—1389 وزارت جهاد کشاورزی
14. محمدی مجد.ج، م. خدابخشی پور 1397، بررسی و ارزیابی تولید گاز متان از ترکیب کود گاومیش و کلش ذرت در استان خوزستان،
15. سعیدی.س، س.ج.هاشمی، س.ی.کاظمی، 1392، بررسی اثر پیش تیمار شیمیایی کاه برنج با آمونیاک، اوره و سود بر تولید بیوگاز، مهندسی بیوسیستم ایران-دوره 44-شماره 1-بهار1392
16. Yadvika.s.s، T.R.kohli، s.Rana.v، 2004، Enhancement of biogas production from solid substrates using Different Techniques-A review.Bio-resource.Technol.95: 1-10
17. Ganguly.A، P.K.chatterjce، A.Day، 2012، studies on ethanol production from wather hyacinth-Areview، Renewable and sustainable Energy Reviewe)
18. Elijah. Iyagba., Ibifuro. Mangibo. and Yahaya Sayyadi Mohammad (2009) The study of cow dung as co-substrate with rice husk in biogas production. Scientific Res. 4(9): 861-869
19. Gopinath,k., jabaraj,D.B., 2016, Investigation on emission characteristics of biogas from azolla.
a. International Conference on Engineering Innovations and Solutions(ICEIS – 2016
20. Rasi,s., veijanen,A.,Rintala,j,2007, Trace compounds of biogas from different biogas production plants, Energy 32 (2007) 1375–1380
21. Whiting,A., Azapagic,A,2014, Life cycle environmental impacts of generating electricity and heat From biogas produced by anaerobic digestion Energy (2014)
22. Borjesson,p.,Berglund,M.,2006, Environmental systems analysis of biogas systems—Part I:Fuel-cycle emissions, Biomass and Bioenergy 30 (2006) 469–485.
23. Alidadi,H.,Etemadi mashsdi,s.,Najafpour,a.a.,Mohebrad,B.,Dehghan,A.A.,2017, Investigation of Biogas Production Process by the Mixture of Landfill Leachateand Animal Waste, Journal of Health Research in Community, Volume 3, Issue 2, Summer 2017.
24. Jain. s.k, g.s.gujral, n.k.jha, P.vasudevan, (1992).production of biogas from azolla pinnata R.Br and lemna minor:efect of heavy metal contamination.bioresource technology41(1992)273-277
25. Geeta.g.s, k.s.jagadesh, t.k.r.Reddy,(1990), Nickel as an accelerator of biogas production in water hyacinth, biomass, volume 21.issue 2,1990 ,pages 157-161.
26. Biswas. B, R. Singh, B. B Krishna, J. Kumar, T. Bhaskar.(2017). Pyrolysis of azolla, sargassum tenerrimum and water hyacinth for production of bio-oil. Bioresource Technology .volum 242، pages
[1] 23- Whiting and Azapagic
[2] 24- Borjesson
[3] 21- Rasi
[4] 2. Elijah
