A Review of Various Suitable Methods of Dry Anaerobic Digestion for Agricultural Wastes Disposal in Iran

Subject Areas : Waste Management

Laleh Ghafghazi ¹ , Lobat Taghavi ²

1 - PhD Candidate, Department of Environmental Science and Forest, Faculty of Natural Resources and Environment, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.
2 - Associate Professor, Department of Environmental Science and Forest, Faculty of Natural Resources and Environment, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran. *(Corresponding Auther)

Received: 2019-10-29 Accepted : 2022-03-14 Published : 2023-12-22

Keywords: Agricultural Waste, Biogas, Dry Anaerobic Digestion, Batch Anaerobic Digestion, Continuous Anaerobic Digestion.,

Abstract :

Background and Objective: Dry anaerobic digestion is a cost-effective method to purify and recover agricultural waste. Agricultural production statistics (over 128 million tonnes in 2019-2020) and its consequent high waste production (38 million tonnes per year) indicate the need for optimal disposal of this biomass. The purpose of article is identification and compare dry anaerobic digesters for optimal management of agricultural waste disposal in Iran. Material and Methodology: This article is the result of several internal and foreign online sources: Google Scholar, Science Direct, Research Gate, and publishers Elsevier, Springer, Frontiers, and Civilica with the keywords of agricultural waste, biogas, and dry anaerobic digestion. Findings: The results of the study show that good performance, low-cost energy, and maintenance are the benefits of mesophilic temperature conditions in dry anaerobic plants. Hydraulic retention times varied from 20 to 35 days, with mean total solids above 15% and mean methane percent at 55%. Batch digesters are a relatively simple and acceptable technology for disposal of agricultural waste but sustainability of biogas supply can be easier with continuous reactors, despite the high need for maintenance and management. Disscusion and Conclusion: This technology, for its efficiency and flexibility, is essential for the high utilization of agricultural waste, and sustainable development of biogas. Appropriate technology to increase biogas productivity is suggested, by considering geographical features, production tonnage, and characteristics of agricultural waste. The batch anaerobic process in provinces of Iran that have smaller-scale agricultural activities is more effective than continuous digestion.

References:

1. Ahmadi, K.; Ebadzadeh, H.;Hatami,F.; Hoseinpour,R. Agricultural Statistics Book of the Crop Products (2018-2019). First Edition, Ministry of Jihad Agriculture Publications, Deputy of Planning and Economy, Information & Communication Center, 2020, Vol.1. (In Persian)
2. Taghavi, L.; Abbaspour,M. The Role of Renewable Energy in Sustainable Development (with Emphasis on Biogas Produced from Agricultural Waste), 4th Iranian Bioenergy Conference (Biomass and Biogas). 2013. Tehran. Iran. (In Persian)
3. Tsapekos, P.; Khoshnevisan, B.; Alvarado-Morales, M.; Zhu, X.; Pan, J.; Tian, H.; Angeli- daki, I. Upcycling the anaerobic digestion streams in a bioeconomy approach: a review. Renewable Sustainable Energy Rev. 2021. Vol.151.
4. Shirzad, M.; Kazemi Shariat Panahi,H.; Dashti, B.;Rajaeefar, M.A.;Aghbashlo,M. A comprehensive review on electricity generation and GHG emission reduction potentials through anaerobic digestion of agricultural and livestock/slaughterhouse wastes in Iran. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019. Vol. 111, PP. 571-594.
5. Durante Muhl, D.; Oliveira, L. Features of anaerobic digestion plants in the brazilian agricultural sector. Cleaner and Circular Bioeconomy.2022. Vol.1.
6. Oconnor, S.; Ehimen, E.; Pillai, S.C.; Black, A.; Tormey, D.; Bartlett, J. Biogas production from small-scale anaerobic digestion plants on European farms. Renewable Sustainable Energy Rev. 2021. Vol.139.
7. Nicolae,S.; Jean-Francois,D.; Fahl,F.Biogas: Developments and perspectives in Europe. Renewable Energy. 2018. Vol.129, Part A. December 2018, PP. 457-472.
8. Y, Fu.; T, Luo.; Z, Mei.; J, Li.; K, Qiu.; Ge, Y. Dry Anaerobic Digestion Technologies for Agricultural Straw and Acceptability in China. Sustainability. 2018. Vol. 10, No.12, PP. 1-13.
9. Ge, X.; Xu, F.; Li, Y. Solid-state anaerobic digestion of lignocellulosic biomass: Recent progress and perspectives. Bio resource Technology. 2016 .Vol. 205,PP. 239–249.
10. World Biogas Association (WBA). Biogas: Pathways to 2030. new report. 2021.
11. Raboni,M.; Viotti,P.; Capodaglio,AG. A comprehensive analysis of the current and future role of biofuels for transport in the European Union (EU). Ambiente & Agua - An Interdisciplinary Journal of Applied Science. 2015.Vol.10.
12. European Biogas Association Report 2017, Available in: www.europeanbiogas.eu/
13. Pham Van, D.; Fujiwara, T.; Leu Tho, B.; Song Toan, P.P.; Minh, G.H. A review of anaerobic digestion systems for biodegradable waste: Configurations, operating parameters, and current trends. Environmental Engineering Research. 2019.
14. Zealand, A.M.; Roskilly, A.P.; Graham, D.W. The Effect of Feeding Frequency and Organic Loading Rate on the Anaerobic Digestion of Chinese Rice Straw. Energy Procedia. 2017.Vol.105,PP. 62–67.
15. Labatut, R.A.; Angenent, L.T.; Scott, N.R. Conventional mesophilic vs. thermophilic anaerobic digestion.Water Res. 2014. Vol. 53,PP. 249–258.
16. Yoshida, H.; Gable, J.J.; Park, J.K. Evaluation of organic waste diversion alternatives for greenhouse gas reduction". Resourse. Conservation. Recycling.2012. Vol. 60, PP. 1–9.
17. Mcdonald, N. DRANCO Anaerobic Digestion Plant in Hengelo, Netherlands, Integration of AD with Existing Composting and RDF Facility. OWS, Inc, Biocycle. 2012. PP. 29-31.
18. De Baere, L.The DRANCO Technology: A Unique Digestion Technology for Solid Organic Waste. Organic Waste Systems.. 2012. PP. 2-8.
19. Abbasi,T.; Tosif,S.M.; Abbasi,S.E. Biogas energy. Translated by Kazem Nadafi et al., Publications of Municipalities & Rural Affairs Organization, 2017. (In Persian)
20. Kothari, R.; Pandey, A.K.; Kumar, S.; Tyagi, V.V.; Tyagi, S.K. Different aspects of dry anaerobic digestion for bio-energy,Renewable and Sustainable Energy Reviews, Elsevier. 2014, Vol.39, PP.174–195.
21. Rapport, J.; Zhang, R.; Jenkins, B.M.; Williams, R.B. Current Anaerobic Digestion Technologies Used for Treatment of Municipal Organic Solid Waste. California Integrated Waste Management Board, Department of Biological & Agricultural Engineering, 2008.
22. Eslami, H.; Hashemi, H.; Fallahzadeh, R.A.; Khosravi, R.; Fard, R.F.; Ebrahimi, A.A. Effect of organic loading rates on biogas production & anaerobic biodegradation of composting leachate in anaerobic series bioreactors. Ecol. Eng. 2018.Vol. 110, PP.165–171.
23. Shen, F & et al. Improving the Mixing Performances of Rice Straw Anaerobic Digestion for Higher Biogas Production by Computational Fluid Dynamics Simulation. Appl. Biochem. Biotechnol.2013.Vol.171,PP. 626–642.
24. Abdoli,M.A.; Pazouki,M,; Samieefard,R.;Rahmati,A. Potential and technology of energy production from biomass in rural areas. First edition, Tehran, Municipalities and Rural Affairs Organization, Ostad Motahari Publications, 2012. Vol.2. (In Persian)

Full-Text:



مروري بر انواع روش‌‌های مناسب هضم بی‎هوازی خشک جهت دفع پسماندهای کشاورزی ایران

 

 

 

 

 

چکیده

زمینه و هدف

فرآیند هضم بی‌هوازی خشک روشی مقرون به صرفه برای تصفیه و بازیابی پسماندهای کشاورزی و فضولات دامی است. آمار بالای تولیدات کشاورزی (بيش از 128میلیون تن در 99-1398) و پیامد آن تولید بالای زائدات (38 میلیون تن در سال)، لزوم توجه به دفع بهینه این زیست‌توده را، نشان میدهد. هدف اصلی اين مقاله، شناسایی و مقایسه انواع هاضم‌های بی‌هوازی خشک برای مدیریت بهینه پسماندهای کشاورزی ایران است.

روش بررسی

این مقاله مروری، نتیجه مطالعه چندین منبع آنلاين داخلی و خارجی همانند گوگل اسکولار، ساينس‌دايرکت، ريسرچ گيت و از ناشران الزوير، اشپرينگر، فرنتيرز و سيويليکا با کليد‌واژه‌ پسماند کشاورزي، بيوگاز و هضم بيهوازي خشک ميباشد.

یافته ها

عملکرد خوب اجرایی، هزینه پایین‌ انرژی و نگهداری، از مزایای شرایط مزوفیلیک دمایی در واحدهای هضم بی‌هوازی خشک است. زمان ماند هیدرولیکی از 20 تا 35 روز متغیر، میانگین جامدات کل بالای 15 درصد و میانگین درصد متان بیوگاز، حدود 55 درصد می باشد. هاضم‌های ناپیوسته، فناوری نسبتاً ساده و قابل قبولی را برای دفع پسماندهای کشاورزی ارائه ميکنند. اما پایداری تأمین بیوگاز با هاضم‌های پیوسته، علی‌رغم نیاز بیشتر به نگهداری و مدیریت، آسانتر است. 

بحث و نتیجه گیری

این فناوری، بواسطه کارآیی و انعطاف‌پذیری جهت بهره‌برداری با ارزش بالا از پسماندهای کشاورزی و توسعه پایدار بیوگاز مناسب است. توسعه فناوری مناسب برای افزایش بهره‌وری بیوگاز، با توجه به خصوصيات جغرافیایی، تناژ تولید و ويژگي پسماند پیشنهاد می‌شود. فرآیند هضم بی‌هوازی ناپیوسته در استانهایی از ایران که فعالیت‌های کشاورزی در مقیاس کوچکتر رواج دارد؛ درمقایسه با هضم بی‌هوازی پیوسته، مؤثرتر است.

 

 

لغات کلیدی

پسماندهای کشاورزی، بیوگاز، هضم بی‌هوازی خشک، روش منقطع هضم بيهوازي، روش پيوسته هضم بيهوازي

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A Review of Various Suitable Methods of Dry Anaerobic Digestion for Agricultural Wastes Disposal in Iran

 

 

 

 

 

Abstract

 

Background and Objective

The dry anaerobic digestion is a cost-effective method to purify and recover agricultural & livestock waste. Agricultural production statistics (over 128 million tonnes in 2019-2020) and its consequent high waste production (38 million tonnes per year) indicate need for optimal disposal of this biomass. The purpose of article is identification and compare dry anaerobic digesters for optimal management of agricultural waste disposal in Iran.

Method

This review article is the result of the study of several internal and foreign online sources such as Google Scholar, Science Direct, Research Gate and the publishers Elsevier, Springer, Frontiers and Civilica with the keywords of agricultural waste, biogas  and dry anaerobic digestion.

Findings

The results of study show that good performance, low cost energy and maintenance are the benefits of mesophilic temperature conditions in dry anaerobic plants. Hydraulic retention times varied from 20 to 35 days, mean total solids above 15% and mean methane percent were 55%. Batch digesters are a relatively simple and acceptable technology for disposal of agricultural waste but sustainability of biogas supply can be easier with continuous reactors, despite the high need for maintenance and management.

Disscusion and Conclusion

This technology, for its efficiency and flexibility, is essential for high utilization of agricultural waste and sustainable development of biogas. Appropriate technology to increase biogas productivity is suggested, by considering geographical features, production tonnage and characteristics of agricultural waste. Batch anaerobic process in provinces of Iran that have smaller scale agricultural activities is more effective than continuous digestion.

 

 

 

Keywords: Agricultural Waste, Biogas, Dry Anaerobic Digestion, Batch Anaerobic Digestion, Continuous Anaerobic Digestion.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

مقدمه

کشور ایران، با توجه به تنوع اقلیمی و ظرفيتهاي موجود، یکی از کشورهاي بزرگ تولیدكننده محصولات کشاورزی در جهان است. بر اساس آمار رسمی وزارت جهادکشاورزی (1399)، میزان تولیدات بخش کشاورزی از حدود 117 میلیون تن در سال زراعی 96-1395، به بيش از 128 ميليون تن در سال زراعي 99-1398 رسيده است (2و1). بر اساس گزارشات سازمان خواربار و کشاورزی سازمان ملل متحد با فرض اين مسئله که حدود ۳۰ درصد محصولات کشاورزی، به زائدات تبدیل ‌شوند (فائو، 1397)؛ از حدود 128 میلیون تن تولیدات کشاورزی، سالانه بیش از ۳8 میلیون تن، به هنگام و پس از برداشت محصول، توليد زائدات، برآورد مي‌گردد. ظرفیت تولید بیوگاز این میزان ضایعات، حدود 8900 میلیون مترمکعب برآورد می‌شود که به نوبه خود قابل توجه است. 

زیست‌توده پسماندهاي کشاورزي از منابع مهم تولید انرژی‎ تجدیدپذیر هستند که با توجه به سهولت دسترسی به آن و با امکان سنجی مناسب می‎توانند برای فرآيند هضم بی‌هوازی¹ مورد استفاده قرار گیرند. در این میان،كاه و كلش برنج، گندم، ذرت و باگاس نيشكر به عنوان زائدات كشاورزي عمده با بيوماس بالا جهت توليد انرژي، مطرح مي باشند. بخش زیادی از پسماندهای کشاورزی از راه سوزاندن مزارع و یا برگشت مجدد به خاک در اثر کاشت و برداشت محصول؛ دفع می‎شوند که مشکلات محيط‌زيستي مانند آلودگی هوا و تخریب خاک را، بدنبال خواهند داشت. با توجه به نقش بخش كشاورزي در توليد ناخالص داخلي، كاهش زائدات ميتواند نقش بسيار موثري در ارزآوري اين بخش و پاسخگويي بيشتر به نيازهاي داخلي، داشته باشد. اين امرمستلزم مديريت منسجم بخش دولتي و خصوصي، توجه كافي به ارزش بالاي محصولات کشاورزي، سياستهاي حمايتي دولتي، موسسات ذيربط، خدمات اعتباري، تسهيلاتي و نقش اتحاديه‌هاي كشاورزي در قبل و پس از برداشت محصول است (3). 

فرآيند هضم بی‌هوازی می‌تواند اقتصادزیستی چرخه‌اي را با تسهیل بازیافت انواع مختلف پسماندهاي آلی برای تولید انرژی، کود و سایر محصولات زیستی بهبود بخشد. از این فناوری میتوان برای مدیریت پسماندهاي غذایی، ضایعات حیوانی در مزارع، پسماندهاي آلی صنعتی، پسماندهاي آلي شهری و زائدات کشاورزي استفاده کرد (4). انتخاب فرآیند هضم بی‌هوازی در مقایسه با سایر روش‎های بازیابی انرژی، مانند بیواتانول، برای تصفیه زائدات کشاورزی در کنار تولید همزمان بیوگاز، گزینه مؤثرتری است.

در ايران بر اساس مطالعه شيرزاد و همکاران (2019)، استان خوزستان با بیشترین میزان ضایعات کشاورزی (61/7 میلیون تن) و استان سیستان و بلوچستان با بیشترین میزان ضایعات دامی/کشتارگاهی (69/10 میلیون تن) به ترتیب دارای حداکثر پتانسیل تولید برق با 83/82 مگاوات و 23/164 مگاوات از اين ضايعات هستند. پتانسیل کل کشور برای تولید برق از این پسماندها 284826 مگاوات تعیین شده است. بر اساس نتایج ارزیابی چرخه حیات (LCA)²، با ارزش‌گذاری این ضایعات براي توليد برق در ایران، حداقل از توليد 106935 هزار تن دی‌اکسید کربن (معادل) در سال(CO2eq/yr) اجتناب خواهد شد. این به معنای کاهش 5/1 درصدی انتشار سالانه گازهای گلخانه ای ایران است و اين امر با توجه به تعهدات بین‌المللی کاهش گازهای گلخانه‌ای ایران، یک دستاورد امیدوارکننده است. همچنین اگر افق زمانی کوتاه‌مدتی برای تولید برق از این پسماندها در نظر گرفته شود، میزان کاهش می‌تواند به ۲۴۱۵۳ هزار تن دی‌اکسید کربن (معادل) در سال، یعنی 39/3 درصد کاهش انتشار سالانه گازهای گلخانه‌ای در کشور برسد (5).

بیوانرژی (توليد انرژي از پسماندهاي کشاورزي و فضولات دامي) در ترکیب انرژی اتحادیه اروپا تا سال 2020 با سهم بالای 60 درصد از انرژیهای تجدیدپذیر، نقش داشته است. به طور کلی، برآورد شده است که سهم انرژی زیستی در مصرف نهایی انرژی از 5 درصد در سال 2005 و 6/9 درصد در سال 2015 به تقریباً 12 درصد افزایش در سال 2020 برسد (5).

در کشور برزيل، واحدهاي هضم بی‌هوازی در حال فعاليت از سال 2003 تا 2020 به‌طور تصاعدی افزایش یافته‌اند. حدود 79 درصد از واحدهاي هضم بی‌هوازی در برزیل از ضایعات کشاورزی و دامی استفاده می‌کنند، اما در مجموع، آنها تنها 11 درصد از کل بیوگاز را تولید می‌کنند. 31 درصد از این واحدها سالانه بین 150000 تا 200000 نیوتن متر مکعب  بیوگاز در سال (Nm3/biogas per year) تولید می کنند. حدود 89 درصد از تمام واحد‌هاي هضم بيهوازي در بخش کشاورزی و دامپروری، انرژی الکتریکی تولید می‌کنند. برای اکثر مناطق روستایی برزیل، یک نیروگاه کوچک هضم بيهوازي که قادر به تولید برق باشد به عنوان گزينه ایده آل، مطرح است. اين روش بر توسعه فناوری‌های متمرکز بر نیازها و امکانات روستایی تمرکز مي‌کند و یکی از کلیدهای ترویج اقتصاد زیستی چرخه‌اي³ در کشاورزی است (6). بنابراین، یکی دیگر از ویژگی‌های مهم واحدهاي هضم بيهوازي در برزيل، اندازه واحدهای کشاورزی است. توسعه راه‌حل‌های مناسب برای واحدهاي کوچک مقیاس هضم بيهوازي، کلید توسعه اقتصاد چرخشي در بخش کشاورزی برزیل است. محققان، دولت‌ها و کارآفرینان در ارايه فناوری‌های جدید نمی‌توانند واحدهای کوچک را نادیده بگیرند (7). 

تولید بیوگاز به روش هضم بی‌هوازی در کشورهای اتحادیه اروپا به ویژه آلمان، نيز رشد قابل توجهی داشته است. در سال 2015، تولید کل بیوگاز در اتحادیه اروپا 654 پيکاژول (PJ) انرژی اولیه، معادل بیش از 18 میلیارد متر مکعب گاز طبیعی، برآورد شد. در سال 2018، تولید بیوگاز جهانی دارای محتوای انرژی معادل 36/1 اگزاژول⁴ بوده که در مقایسه با تولید بیوگاز در سال 2000 (در مجموع 28/0 اگزاژول)، رشد داشته است (8). کشور چين نيز طي برنامه ريزي در دوره زمانی پنج ساله از 2016 تا 2020 میلادی، توسعه فناوری تولید بیوگاز را افزايش و 20000 پروژه هضم بی‌هوازی را برای تصفیه بخش زیادی از پسماندهای کشاورزی تولید شده در سطح محلی (متوسط حجم هضم در هر واحد بالاي 5000 متر مکعب) راه‌اندازی کرده است (9). توسعه ظرفیت بیوگاز یک ستون اساسی در برنامه‎های توسعه پایدار روستایی در چین است و کاربرد این روش فرصتی برای تغییر وضعیت مدیریت ضعیف منابع به سمت استفاده کارآمد از پسماندهای کشاورزی، تحت یک فناوری مناسب، ایجاد می‌کند (10). روش هضم بی‌هوازی با توجه به جامدات کل (TS) و از نظر نوع فرآیند به دو روش هضم بی‌هوازی تر (مرطوب) و هضم بی‌هوازی خشک⁵ تقسیم می شود. برای میزان جامدات کل کمتر از 15 درصد (TS≤15%) هضم بی‎هوازی تر و برای بالای 15 درصد (TS>15%)، هضم بی‎هوازی خشک، تعریف می شود (9). واحدهای هضم بی‌هوازی تر / خشک، با در نظر گرفتن ویژگی‌های منطقه مورد آنالیز، نقش اساسی در تعیین فرصت‌های تبدیل پسماند به انرژی، ایفاء می‌نمایند. 

اگرچه، روش هضم بی‌هوازی تر به دلیل تجهیزات کم فناوری، هنوز هم انتخاب اول اکثر واحدهاي بیوگاز است؛ با این وجود، مشکلات مختلفي نظير نیاز به مقادير زیاد آب براي انجام فرايند، حجم بالای دايجستر و توليد ماده هضم شده با مقدار کم جامدات کل، به آنها نسبت داده مي‌شود (9). علاوه بر این، تشکیل كف و لایه‌های ضخيم شناور مانعی برای دستیابی به اختلاط کارآمد و توليد بیوگاز است. این موارد، به طور جدی تولید بیوگاز را از نظر حجمی محدود و راندمان عملیاتی تبدیل انرژی كاه و زائدات كشاورزي را کاهش می‌دهد. در مقابل، فرآیند هضم بی‌هوازی خشک، مشکلات تشكيل فوم، ترسيب مواد و تشكيل پوسته سطحی را ایجاد نمی‌کند و نیازی به كاهش اندازه یا حذف مواد خنثي و پلاستیک‌ها ندارد. فناوری هضم بی‌هوازی خشک روشی مقرون به صرفه برای تصفيه پسماندهای کشاورزی به ویژه کاه و کلش است (11 و9).

از آنجائیکه روش‌ هضم بی‌هوازی خشک در یک دهه گذشته به عنوان یک فناوری سازگار با محیط زیست و مقرون به صرفه برای استخراج انرژی از انواع مختلف زیست توده‌های لیگنوسلولزی، مورد توجه بوده است (11)؛ بنابراین با توجه به داده‌های زیست توده کشور و بازده مطلوب پسماندهای کشاورزی (بویژه کاه و کلش) در تولید بیوگاز، استفاده از هاضم‎های بی‎هوازی می‎تواند به عنوان یکی از پتانسیل‎های بالای تولید متان در ایران، مورد بررسی و توجه قرار گیرد. محتوای این مقاله مروري- تحليلي، در راستاي نقش فرآیند هضم بی‌هوازی خشک در تصفیه و بازیابی پسماندهای کشاورزی جمع‌آوري و پردازش شده است و هدف کلی آن، شناسایی و مقایسه انواع فرآیندهای جدید هضم بی‌هوازی خشک، به عنوان روشی اقتصادی و با قابلیت مانور در شرایط مختلف کشور، می باشد. یافته‎های این مقاله با توجه به اهداف فرعی موردنظر، در دو بخش تنظیم شده است: بخش اول، به مقایسه آماری تولید انرژی بیوگاز در چند کشور می‎پردازد. در ادامه، شاخص‎های ارزیابی فنی فرآیند هضم بی‌هوازی خشک، بررسی می شود. در بخش دوم، انواع مختلف سیستم‎ هضم بی‌هوازی خشک، معرفی و مقایسه می‌گردد و امکان سنجی استفاده از این روش در ایران، مورد بررسی قرار می‌گیرد.

روش بررسی

در اين مقاله مروري با توجه به موضوع فرآيند هضم بی‌هوازی خشک و با رويکرد بازيابي پسماندهای کشاورزی، از منابع مختلف آنلاين همانندScience Direct, Research Gate, Google scholar, SID,Wiley online library  و از ناشران Civilica,Springer, Elsevier, Frontiers, MDPI, ACS Publication براي پردازش مطالب، استفاده شده است. روش تحقیق این مقاله مروري به صورت توصیفی - تحلیلی می‎باشد و از عبارات و کليدواژه‌ هاي "Agricultural waste", " Biogas", Dry anaerobic digestion" ," Batch and Continious anaerobic digestion process" استفاده شده است.

 یافته‌ها 

فرآیند هضم بی‌هوازی به کاهش حجم مواد زائد آلی، کاهش ميزان گازهاي گلخانه اي و بسته شدن چرخه انتقال مواد مغذی از طریق بازگرداندن مواد هضم شده به خاک، کمک می‌کند. طبق گزارش انجمن جهانی بیوگاز⁶ (2021)، در سراسر جهان حداقل بايد يک میلیون تاسیسات هاضم در مقیاس بزرگ وجود داشته باشد و هر کدام بیش از 100000 تن در سال مواد اولیه را به همراه میلیونها هاضم مقیاس کوچکتر تا سال 2030 (حدود 5 تريليون دلار آمریکا سرمايه)، به کار گيرند تا به پتانسیل کاهش انتشار گازهای گلخانه ای جهانی (GHG) در یک دهه آینده به میزان 12 درصد نايل آيند. فعالیت‌های انسانی در حال حاضر سالانه 105 میلیارد تن زائدات آلی تولید می‌کنند که گازهای مضر به‌ویژه متان (گازی 85 برابر مضرتر از دی‌اکسیدکربن در یک دوره 20 ساله) را در جو آزاد می‌کنند. با اين وجود انجمن جهاني بيوگاز تخمین می زند که در حال حاضر تنها دو درصد از پسماندهاي آلی جهان به طور موثر تصفیه و بازیافت می شوند و  بهتر است این ضایعات آلی از طریق فرآيند هضم بی هوازی، روشي که انرژی سبز، کودهای زیستی و سایر محصولات زیستی ضروری برای توسعه اقتصاد چرخه اي پایدار را تولید می‌کند، بازيافت شوند (12).

◄ مقایسه آماری تولید انرژی بیوگاز در چند کشور

تولید بیوگاز در اروپا از گذشته تا حال، رشد قابل توجهی داشته است که عمدتاً با پشتیبانی از طرح‌های مطلوب سازگار محيط زيست، در چندین کشور مورد استفاده قرار می‌گیرد. براساس مطالعه نيکولاي⁷ و همکاران (2018)، اتحادیه اروپا با توليد بیش از 10 گیگاوات انرژي از 17400 واحد بیوگاز در سال 2015، بدنبال ادامه برنامه‌های توسعه بلند مدت اینگونه طرح‌ها، از پيشروان توليد برق بيوگاز در جهان معرفي شد؛ درشرايطي‌که سهم بازيابي گازهاي محل دفن در تولید بیوگاز، طی دهه گذشته، تقریباً ثابت بوده است؛ سهم عمده این رشد بدلیل واحدهاي هضم بي‌هوازي و به میزان كمتري ناشی از گاز خروجي از واحدهاي تصفیه فاضلاب، بوده است و حدود 50 درصد از کل مصرف بیوگاز در اروپا به تولید گرما اختصاص داشته است. اروپا با 459 نیروگاه با ظرفيت توليد 2/1 بيليون مترمکعب و 340 واحد تغذيه‌کننده شبکه گاز با ظرفيت 5/1 میلیون مترمکعب، پیشروترین تولیدکننده بیومتان در جهان برای استفاده در سوخت خودرو یا تزریق به شبکه گاز طبیعی شناخته شده است (8). شکل (1) درصد رشد سالیانه تولید انرژی اولیه بیوگاز در اروپا را با توجه به فرآيندهاي مختلف حرارتي، هضم بيهوازي، گاز فاضلاب و گاز لندفيل نشان ميدهد.

 

شکل (1)- روند تکامل سالیانه تولید اولیه انرژی به صورت بیوگاز در اتحادیه اروپا (8)

(AD =Anaerobic digestion ; LFG= Landfill gas)

Figure 1. Evolution of primary energy biogas production in the EU

پيش‌بيني روند توليد جهاني بيوگاز از سال 2012 تا 2022 ميلادي در شکل (2) ارائه شده است. تولید بیوگاز عمدتاً از محل‌های دفن پسماند جامد شهری، هضم بی‌هوازی لجن فاضلاب و بخش فسادپذير پسماندهاي جامد شهري و واحدهاي توليد بيوگاز پسماندهاي کشاورزی مي باشد. سوخت‌های زیستی به عنوان منابع انرژی تجدیدپذیر چندین مزیت دارند: 1) مزایای قابل توجه در کاهش انتشار CO2 و آلاینده‌ها در مقياس خرد و کلان دارند؛2) به کشورها برای افزایش امنیت انرژی و ایجاد بازار انرژی با ثبات تر کمک مي کنند؛3) درتوسعه اقتصاد جدید مرتبط با کشت محصولات انرژی زا و تولید سوختهای زیستی موثرند. به همین دلایل بسیاری از کشورها برنامه‌هایی را به نفع سوختهای زیستی ترویج کردند و پیامد آن رشد سریع تولید بيوگاز در دهه گذشته بوده است (13).

 

شکل (2)- روند تولید جهانی بیوگاز از سال 2012 تا 2022  (13)

Figure2.Global biogas production trend from 2012 to 2022

 

بر اساس گزارش انجمن بیوگاز اروپا⁸ (2017)، بین سال‌های 2009 (اولین گزارش انجمن بیوگاز اروپا) و 2016، تعداد کل واحدهای بیوگاز در اروپا  از 6227 به 17662 واحد (11435 واحد افزایش) رسیده است. بر اساس شکل (3)، میزان رشد به ویژه از سال 2010 تا 2012 بسیار بالا و تقریباً هر سال دو برابر شده است. بیشترین رشد از افزایش تعداد واحدهای هضم بيهوازي زائدات کشاورزی به عنوان مواد ورودی، ناشی می‌شود؛ بطوری که تعداد آنها از 4797 واحد در سال 2009 به 12496 تأسیسات در سال 2016 (6699 واحد، 67 درصد از کل افزایش) رسیده است (14).

 

شکل (3)- روند تکامل تعداد واحدهای بیوگاز در اروپا (14)

Figure 3. Evolution of the number of biogas plants in Europe

 

◄ ارزیابی فنی فرآیندهای هضم بی‎هوازی خشک

سیستم هضم بی‌هوازی از راکتورهای زیستی تشکیل می شود و شامل یک سری مراحل متابولیسم دوگانه یا چندگانه از جمله هیدرولیز/ اسیدوژنز⁹، استوژنز¹⁰ و متانوژنز¹¹ می‌باشد. بهره برداری از این سیستم‌ها، نه تنها به نوع سیستم هضم بستگی دارد؛ بلکه به تعامل بین فاکتورهای رشد (دما، pH و مواد مغذی)، تیپ راکتور و پارامترهای عملیاتی (زمان ماند، نرخ بارگیری مواد آلی¹²) نیز وابسته است (15). درصورت استفاده از پسماندهای کشاورزی به ویژه کاه و کلش بدلیل رفتار سیالی ضعیف و ساختار پیچیده لیگنوسلولزي این مواد که به راحتی توسط باکتری‌های بی‌هوازی تجزیه نمی‌شوند؛ لازم است عملیات اجرایی با توجه به شاخص‌های بهینه هضم پسماندهای کشاورزی صورت گیرد تا راندمان تولید بیوگاز برای کاربردهای مؤثرتر، افزایش یابد. این شاخصها در ادامه مورد توجه قرار گرفته است:

■ شاخص‎های بهينه هضم پسماندهاي کشاورزي

پسماندهای کشاورزی عموماً شامل ترکیبات مختلفی نظیر سلولز، همی‎سلولز، لیگنین و ... می‎باشند. از آنجا که عوامل محدود کننده اصلی برای دستیابی به میزان بالای تولید بیوگاز، مربوط به فرآیند رئولوژی (مطالعه رفتار جریان) و هیدرولیز است؛ ساختار لیگنوسلولزی مقاوم، به خوبی هضم نمی‎شود. بر همین اساس، چندین فرآیند برای بهبود راندمان هضم مورد استفاده قرار می‎گیرد؛ از جمله: الف) پیش‎تصفیه پسماندهای کشاورزی (بویژه کاه و کلش) برای افزایش نرخ هیدرولیز؛ ب) انتخاب نرخ بارگیری مناسب موادآلی برای به حداکثر رساندن راندمان خالص تولید انرژی و محدودکردن عوامل مهارکننده فرآیند؛ ج) کنترل درجه حرارت جهت بهینه‎سازی نرخ تجزيه زیستی در فرایند هضم و د) اختلاط کارآمد برای تقویت تماس بین میکروارگانیسم‎ها و سوبستراهای اولیه (9). 

الف) درجه هیدرولیز

روشهای فیزیکی (کاهش اندازه، حرارتی)، شیمیایی (افزودن ترکیبات اسیدی و قلیایی) و بیولوژیکی (تجزيه میکروبی) نمونه‌هایی از فرآیند پیش‌تصفیه می‌باشند که باعث افزایش تجزیه‎پذیری و تسریع هیدرولیز می‎شوند. اگرچه پیش‌تصفیه‎ می‎تواند عملکرد بیوگاز را تا حدی افزایش دهد؛ اما معایب غیر قابل اجتناب نیز دارد. روشهای پیش‌تصفیه فیزیکی به مقدار زیاد انرژی و سرمایه‎گذاری اولیه و روش بیولوژیکی به کارکنان آموزش دیده، نیاز دارند. استفاده مجدد از باقیمانده هضم شده مواد (به عنوان کود) نیز بعد از پیش‌تصفیه شیمیایی دشوار است. بر اساس این محدودیت‎ها، خردکردن مواد ورودی به عنوان روشی ساده و در دسترس، پیشنهاد شده است.

ب) نرخ بارگیری موادآلی (OLR)

نرخ بارگیری موادآلی تأثیر زیادی بر پایداری فرآیند هضم بی‎هوازی پسماندهای کشاورزی دارد. مقادیر بالای نرخ بارگیری مواد اولیه باعث رشد زیاد فیبروباکتر‎ها شده و در نتیجه نرخ تولید متان بالا می‎رود؛ اگرچه غلظت اسیدهای چرب فرار، ایزوبوتیرات‎ها و سایر مواد سمی نیز به طور همزمان می‎تواند افزایش یابد. در صورت نرخ پایین بارگیری نیز، میزان متابولیسم و تولید بیوگاز بدلیل تغذیه ناکافی میکروارگانیسم‎ها، محدود خواهد شد. تحقیقات بر اثر نرخ بارگیری موادآلی در هضم بی‎هوازی نشان می‌دهد که افزایش این شاخص، راندمان تولید را به همان نسبت افزایش نمی‎دهد. برای نمونه، نرخ بارگیری gVS/(L.d) 1 باعث تولید 300 میلی لیتر بیوگاز با محتوای50 درصد متان گردید؛ اما در نرخ بارگیری gVS /(L.d) 2، همان 300 میلی‌لیتر ولی با محتوای52 درصد متان، تولید شد (16).

ج) درجه حرارت هاضم

توجه به فاکتور دما در هضم بی‎هوازی، برای به حداکثر رساندن بهره‎وری انرژی و نیز جهت کاهش انرژی اولیه موردنیاز (کاهش هزینه‎های راهبری)، ضروری است. هضم ترموفیلیک (60-55 درجه سلسیوس) مستعد رشد عوامل بازدارنده و بی‎ثباتی هستند؛ چراکه pH افزایش و تولید آمونیاک ناپایدار میگردد که عموماً برای باکتریهای متانوژن، سمی محسوب می‎شود. بدلیل تنوع و غنای بیشتر باکتریهای موجود در راکتور، فرآیند مزوفیلیک (40-35 درجه سلسیوس) نسبت به تغییرات مقاومتر است (17). 

د) انتقال جرم

کاه و کلش پسماندهای کشاورزی سبب کاهش انتقال ماده و انرژی بدلیل چگالی پایین و ظرفیت بالای نگهداری آب می شوند. لذا برای بهینه سازی هضم بی‌هوازی، اختلاط و همزدن مناسب مواد برای دستیابی به توزیع همگن بستر، میکروارگانیسمها و آنزیمها، ضروریست. 

◄ انواع مختلف روش‌های هضم بی‌هوازی خشک

فرآیند هضم بی‌هوازی خشک شامل روشهای ناپیوسته (منقطع)¹³و پيوسته¹⁴مي‌باشد. گزینه کاربردی با توجه به شرايط واقعی تعیین می‌شود. روش هضم بی‌هوازی ناپيوسته معمولاً در مناطقی که کشاورزی در مقیاس کوچک متداول است، مناسب‌تر می‌باشد؛ در مقایسه، هضم بی‌هوازی پیوسته در مقیاسهای بزرگ فعالیتهای کشاورزی‌، ارجح است. مزیت فرآیندهای ناپیوسته، نیاز کم به تجهیزات راهبری، تعمیر و نگهداری است؛ البته فرآیندهای پیوسته در وضعیتی نسبتاً پایدار کار می‌کنند و میزان تولید بیوگاز در آنها ثابت است (10). 

انتخاب و توسعه فناوریهای هضم بی‌هوازی ناپیوسته و یا پیوسته، تحت تأثیر فاکتورهایی همانند توزیع و میزان خوراک اولیه و نیز شرایط جغرافیایی محدود می‌شود. عامل تأثیرگذار بر روی دستیابی به کارآیی بالای زیست محیطی، محل استقرار واحد بیوگاز است که از آن طریق مواد اولیه تولید بیوگاز تأمین می‌شود. استفاده از فناوری هضم ناپیوسته در مناطقی با منابع نسبتاً پایین تولید پسماند، ترجیح داده می‌شود؛ زیرا حجم هاضم بی‌هوازی ناپیوسته می‌تواند بر اساس میزان تولید آن، تنظیم شود (9). 

³ انواع روش‌هاي ناپيوسته (منقطع) هضم بی‌هوازی 

الف) سيستم BEKON

شکل (4) دیاگرام سیستم هضم ناپیوسته BEKON را نشان می‌دهد. این فناوری تحت نام راکتور ناپیوسته همراه با پرکولاسیون (فيلتر كردن تدريجي از ميان يك سطح يا ماده متخلخل) از نوع گاراژ¹⁵ نیز نامیده می‌شود و عمدتاً برای کاه، زائدات کشاورزی و باغی استفاده می‌گردد. در این سیستم، شیرابه از طریق یک پمپ به دایجستر بازگردانده و روی سطح مواد اسپری می‌شود. بهینه‌سازی جریان برگشتی شیرابه (مقدار و زمان جريان)، برای مدیریت فرایند مهم است؛ زیرا سبب افزایش متابولیسم میکروارگانیسم‌ها و توليد بیوگاز از طریق انتقال جرم می‌شود. مزیت این فرآیند نیاز کم به تعمير و نگهداری و نيز اتلاف اندک انرژی سیستمیک است؛ ضمن آنکه باقیمانده تخمیر مواد نیز، جامدات كل بالايي دارد (کودهای زیستی) كه مستقیماً بدست آمده و باعث حذف فرآیند جداسازی جامد - مایع می‎شود (9).

تانک ذخیره  پرکولات

پرکولات

بیوگاز

مشعل خروج گاز

گرم کردن

سیستم زهکش برای پرکولات

بیوماس

 

شكل (4)- دياگرام شماتيك طراحي سيستم ناپيوسته BEKON  به همراه پرکولات (9)

Figure 4. Schematic diagram of the BEKON batch system design with percolat.

 

ب) سيستم GICON

شكل (5) دياگرام فرآيند هضم ناپیوسته GICON را كه بدون تلقيح ميكروبي، اما همراه با سيركولاسيون مجدد پركولات اجرا شده است؛ نشان مي‌دهد. پرکولات حاصله در يك مخزن ذخیره و سپس به یک دايجستر بيروني که در آن مواد محلول تجزيه ثانوي و به بیوگاز تبدیل می‌شوند، منتقل می‌گردد. این مسأله مبین تفاوت اساسي با سیستم BEKON است. در واقع فناوری GICON یک سیستم هضم دو فازي است که فرايند تولید بیوگاز را به منظور اطمینان از عملکرد پایدار و كارايي بهتر به دو مرحله استوژنز و متانوژنز، تقسیم‌ می‌کند. اين حالت از خطر اسیدی شدن سيستم به طور مؤثري می کاهد. بنابراین روش مذکور یک سیستم متانوژنز ساده و مؤثر بدلیل استفاده مجدد از پرکولات‌ها می باشد و در مقايسه با سیستم BEKON بدلیل فعالیت خاص متانوژن‌ها، راندمان بالاتری در توليد متان دارد (9).

جریان ثقلی پرکولات

بیوگاز

پرکولاتور با زهکش

آب مورد استفاده

پرکولات

آب فرآیند

 

شكل (5)- دياگرام شماتيك طراحي سيستم ناپيوسته GICON به همراه پرکولات (9)

Figure 5. Schematic diagram of the GICON batch process with percolat.

ج) سيستم BIOFerm

در سیستم BIOFerm (شکل 6)، محتواي جامدات کل خوراک ورودي حدود 25 الي 35 درصد است و فرآيند سيركولاسيون پرکولات برای بازیابی گرمای باقیمانده از واحد گرما و قدرت ترکیبی¹⁶، طراحی شده است. در این سیستم هزینه‌های پیش تصفیه بدلیل استفاده از ذرات بزرگ در خوراک پایین است (18). از مزیت های دیگر این سیستم می توان به استفاده مؤثر از گرما برای حفظ دمای تخمیر و کاهش ميزان انرژی موردنياز ورودی و توليد کود آلی با جامدات کل بالا به عنوان یک محصول جانبی با ارزش در فرايند هضم بی‌هوازی، اشاره داشت. کازاکوا ¹⁷ و همکارانش در سال 2013 ، نتايج حاصل از یک سیستم BIOFerm جهت تصفيه سیلوي ذرت، سیلوی چمن و فضولات گاوهاي گوشتي را با محتواي جامدات كل20 درصد و بازده توليد متان m3/kg VS 111/0 گزارش کردند (9).

بافر    گرما

بیوگاز

توده خوراک

واحد گرما و قدرت ترکیبی

تانک ذخیره بیوگاز

پرکولات

تانک پرکولاسیون

 

شكل (6)- دياگرام شماتيك سيستم فرايندي ناپيوسته BIOFerm به همراه پرکولات (9)

Figure 6. Schematic diagram of a BIOFerm batch processing system with percolat.

 

د) راكتورهاي ناپيوسته چيني

اغلب فناوریهای هضم بی‌هوازی خشک مورد استفاده در کشور چین، از نوع سیستم‌های حوضچه‌ای پوشیده با ممبران¹⁸ هستند (شکل 7) این سیستم می‌تواند با جامدات کل 23 تا 40 درصد عمل نماید و در طی عملیات، با افزودن یا کاهش تعداد بیوراکتورهای پوشیده با ممبران، مقدار موردنیاز بیوگاز تولید ‌شود. نوعی از این سیستم با ممبران‌های سقفی قابل انعطاف گاراژگونه¹⁹، تجهیز شده اند که فاقد همزن مؤثر برای دستیابی به اختلاط کافی سوبستراها و میکروارگانیسم‎ها هستند؛ لذا خروجی بیوگاز حجمی آنها، محدود می‌باشد (9). 

خالص سازی بیوگاز

شیر توپی

گلخانه

ممبران سقفی قابل انعطاف

بیوگاز

بیوماس

دمنده بیوگاز

شیر کنترل

 

شكل (7)- دياگرام شماتيك سيستم تخمیر بی‌هوازی خشک با ممبران سقفی قابل انعطاف (9)

Figure 7. Schematic diagram of dry anaerobic fermentation system with flexible roof membrane.

 

◄ مقایسه روشهای ناپیوسته (منقطع) هضم بی‌هوازی خشک

در جدول (1) کارکرد اجرایی فرآیندهای اصلی هضم بی‌هوازی ناپیوسته (منقطع) به شرح زیر مقایسه شده است:

1) فرآیند پیش تصفیه شرط غیرضروری برای فناوری هضم ناپیوسته است؛ 

2) سیستم تخمیر GICON می‎تواند از تجمع اسیدهای چرب فرار به طرز مؤثری از طریق سیستم دو فازی شامل مراحل استوژنز و متانوژنز، جلوگیری کند؛ لذا می‌تواند با میزان بالای جامدات کل نیز، عمل نماید. البته پیچیده‎تر از سایر سیستم‌ها است؛

3) فناوری‌های هضم بی‌هوازی خشک سیستم چینی، کارایی تولید بیوگاز نسبتاً کمی را از خود نشان می دهند.

جدول (1)- مقایسه عملکرد اجرایی تکنولوژی‌های مختلف هضم بی‌هوازی ناپیوسته (9)

نوع راکتور	کشور	ظرفیت (تن در سال)	سوبسترا	جامدات کل (%)	نرخ بارگیری مواد آلی (kg VS/m3.d)	درجه حرارت (سلسیوس)	زمان ماند هیدرولیکی (روز)	راندمان  تولید متان  (Nm3 CH4/Kg VS removed-1)	متوسط متان (%)
BEKON	آلمان	40000-7500	AW	N/A	N/A	55-37	35-28	37/0- 17/0	62-52
GICON	آلمان	40000-30000	AW, OFMSW	36	N/A	37	35	N/A	53
BIOFerm	آلمان	8000	AW, OFMSW	25	N/A	37	28	35/0- 21/0	N/A
MCT	چین	N/A	AW	20-10	N/A	37-35	N/A	N/A	60-55
GFRM	چین	N/A	AW	بزرگتر یا مساوی 8	N/A	37	N/A	N/A	N/A

N/A    :  ناموجود،            AW:  پسماندهای کشاورزی،:OFMSW            بخش آلی پسماندهای جامد شهری

 

³ انواع روش‌هاي پيوسته هضم بی‌هوازی خشک

الف) سیستم Dranco

درانكو یک فرآیند بیوتکنولوژی پیشرفته و مقرون به صرفه برای تصفيه زیست محیطی اجزاي ارگانيك پسماندهاي جامد شهری است. اين فرايند كه در اواخر دهه 1980 توسعه يافت؛ هضم بي‌هوازي يك مرحله‌ای با نرخ بارگذاري بالا می باشد كه معمولاً در دماهاي ترموفيليك از آن، بهره‌برداري ميگردد (19). طرح شماتیک فرآیند Dranco که طراحی آن بر اساس پسماندهای آلی کشور بلژیک است؛ در شکل (8) نشان داده شده است. در این سیستم از یک سیلوی عمودی با کف مخروطی به عنوان راکتور و از یک واحد همزن برای مخلوط کردن مواد خام اولیه و میکروارگانیسم های بی‌هوازی قبل از هضم بیوگاز، استفاده می شود؛ زیرا هاضم مکانیزم اختلاط داخلی ندارد و فرآیند همزدن از طریق جریان رو به پایین پیستونی و جابجایی پسماند و نیز حرکت رو به بالای بیوگاز تأمین می‌شود. مزایای این روش عبارتند از: 1) فرآیند مخلوط کردن مواد در خارج از سیستم هاضم به پایان می رسد در نتیجه، مدت زمان اقامت مواد در راکتور کوتاه می شود 2) درجه بالای چرخش مجدد پرکولات، به طور موثر باکتریهای بی‌هوازی و انرژی حرارتی پسماند را بازیابی می کند و 3) مقدار جامدات کل بعد از دوره طولانی کارکرد سیستم در حد30 تا40 درصد، حفظ میشود. بنابراین فناوری Dranco بدلیل طراحی عمودی ، غلظت بالای مواد جامد و عدم وجود اختلاط در داخل هاضم منحصر به فرد است (20و9).

ابعاد پسماند ورودی  کوچکتر از 40 میلیمتر

به سمت مراحل تصفیه تکمیلی

بیوگاز

بخارآب

همزن

پمپ

هضم شده

هاضم درانکو

 

شكل (8)- طرح پایه فرآیند Dranco (20)

Figure 8. Basic Dranco process scheme

ب) سیستم Linde-KCA

این سیستم آلمانی به صورت رآکتوری با جریان پلاگ²⁰ (جریان ایده‌آل پیستونی) همراه با هضم هوازی و بیهوازی در تانک‌های مجزا (دو مرحله ای)، مطابق شکل (9) عمل می کند. مرحله اول هوازی و محصول هیدرولیز از طریق قیف به دایجستر افقی با جریان پلاگین (پیستونی) حاوی چرخاننده‌های داخلی وارد می‌شود تا در آنجا مخلوط و به واحد آبگیری انتقال یابد. مرحله نخست را می‌توان به عنوان یک مرحله پیش تصفیه هوازی، مجزا از هاضم بی‌هوازی در نظر گرفت. این نوع هاضم قابلیت بهره‌برداری و تصفیه سوبسترای حاوی 15 تا 45 درصد جامدات کل را دارد. در این فرآیند، تیغه های چرخان داخل هاضم‌ها (میکسر محوری) به ترکیب و همگن شدن یکنواخت مواد، افزایش دسترسی میکروارگانیسمها به مواد اولیه و تبدیلات موثر آنها، منجر می شوند. نرخ بالای بارگیری مواد آلی در اختلاط موثر مفید است. البته هزینه عملیات اضافی مربوط به پیش تصفیه هوازی در این سیستم وجود دارد (21و9).

بیوگاز

آب پرس

آبگیری

پیش تصفیه پسماند

زائدات

سیستم استخراج

کالیبراتور

 

شكل (9)- هاضم خشک دو مرحله ای Linde-KCA (22)

Figure 9. Linde-KCA two-stage dry digester

ج) سیستم Valorga

فرآیند والورگا (شکل 10) از هاضم استوانه ای عمودی با سیستم جریان پلاگ افقی (پیستونی) تشکیل شده است. ورودی خوراک اولیه و خروجی تخلیه مواد به ترتیب در وسط و قسمت پایین تر دیواره اصلی قرار گرفته است. دیواره داخلی استوانه عمودی این رآکتور حدود دو سوم از قطر تانک را در بر گرفته است. مواد از کف هاضم و از روی یک بخش از دیواره ورودی وارد و قبل از خروج بر روی دیواره جریان می‌یابد. در این فرایند زمان ماند حدود سه هفته است. بیوگاز از کف رآکتور تزریق و حباب‌ها برای اختلاط و تعلیق جامدات به کار می رود. ماده هضم شده در نهایت آب‌گیری و کمپوست می‌شود. در این فرآیند نازل های داخلی در کف هاضم اجازه برقراری جریان با فشار بالای بیوگاز را می دهند که اختلاط مواد را افزایش می دهد. این سیستم با میزان بالای جامدات کل 25 تا 35 درصد بطور خاص برای تصفیه پسماندهای آلی طراحی و پارامترهای عملیاتی آن برای تصفیه پسماندهای کشاورزی کاه و کلش بهینه نشده اند (22و9). 

بیوگاز  مورد استفاده  در اختلاط

بیوگاز

رآکتور با جریان پلاگ

خوراک ورودی

خمیر هضم شده

 

شكل (10)- طرح شماتيك سیستم پیوسته Valorga (23)

Figure 10. Basic Continuous Valorga process scheme.

د) سیستم رآکتورهای پیوسته چینی

در چین از دو فرآیند پیوسته (VPD)²¹ و (TPAD)²² در هاضم‌های بی‎هوازی استفاده می شود. در سیستم VPD مواد اولیه جدید به هنگام هضم به صورت عمودی به بالای مواد اولیه قبلی، اضافه می شود. این راکتورها دارای سیستم اسپری داخلی برای بازیابی شیرابه هستند که برای تلقیح مواد جدید با باکتری های مفید، سودمندند. فرآیند TPAD به مراحل اسیدوژنیک و متانوژنیک تفکیک می شود. پساب حاصل از جریانات هیدرولیز برای تولید بیوگاز وارد سیستم متانوژنز می‌شود و پس از آن، لجن برای تلقیح به سیستم استوژنز پمپ میگردد. در صورت استفاده از کاه و کلش نیاز به پیش پردازش مکانیکی پسماند (اندازه ذرات کمتر از 2 سانتیمتر) است (24).

◄ مقایسه روشهای پیوسته هضم بی‌هوازی خشک 

در جدول (2) فرآیندهای هضم بی‌هوازی پیوسته به شرح زیر با یکدیگر مقایسه شده اند:

1) پیش پردازش مکانیکی (به عنوان مثال آسیاب مواد) برای جلوگیری از انسداد راکتور موردنیاز است؛

2) نرخ امکانپذیر بارگیری مواد آلی در سیستم Valorga از سیستم‌های هضم بی‎هوازی Linde-KCA آلمان، Dranco بلژیک و سیستم چینی بالاتر است؛ اما پارامترهای بهینه تصفیه کاه و کلش در سیستم Valorga ناشناخته است. بنابراین تصور می‎شود که سیستم Linde-KCA برای تصفیه کاه و کلش مناسب‎تر باشد؛

3) دمای هضم درسیستم Dranco بالاتر از سایرین است و برای حفظ عملکرد پایدار نیاز به انرژی بیشتری دارد؛

4) چرخش شیرابه یا همزن مکانیکی برای بهبود انتقال جرم مواد اولیه و میکروارگانیسم ها ضروری است.

میزان تولید با استفاده از تیغه‎های پروانه‌ای سه‌گانه که با سرعت همزن 80 دور در دقیقه به اختلاط مؤثر رسیده‎اند؛ افزایش مي‌يابد (25).

5) سیستم‌های هضم پیوسته معمولاً تولید بیوگاز پایدار و مداوم نسبت به سیستم منقطع دارند.

جدول (2)- مقایسه عملکرد اجرایی تکنولوژی‌های مختلف هضم بی‌هوازی پیوسته (9)

نوع راکتور	کشور	ظرفیت (تن در سال)	سوبسترا	جامدات کل (%)	نرخ بارگیری مواد آلی (kg VS/m3.d)	درجه حرارت (سلسیوس)	زمان ماند هیدرولیکی (روز)	راندمان  تولید متان (Nm3 CH4/Kg VS removed-1)	متوسط متان (%)
Dranco	بلژیک	70000-10000	AW, OFMSW	32-10	15 ~ 10	50-55	20	30/0 - 21/0	50
Valorga	فرانسه	350000-20000	AW, OFMSW	60-36	15 ~ 10	55-37	33 - 20	30/0 - 21/0	55-50
Linde-KCA	آلمان	N/A	AW, OFMSW	45-15	N/A	55-37	N/A	N/A	55
VPD	چین	N/A	AW	10-8	N/A	37	N/A	N/A	50
TPAD	چین	N/A	AW, OFMSW	8≤	N/A	30	25	N/A	N/A

 N/A    : ناموجود،        AW: پسماندهای کشاورزی،: OFMSW       بخش آلی پسماندهای جامد شهری

در خصوص استحصال بيوگاز از فضولات دامی (بخشی از پسماندهای کشاورزی) به طور متداول از شش نوع هاضم در دنيا استفاده می شود. اين هاضم‌ها عبارتند از: هاضم لاگوني سرپوشیده²³، هاضم با جريان پلاگين (پيستوني)²⁴، هاضم‌هاي داراي فرايند اختلاط، هاضم‌ها با فيلم ثابت²⁵، هاضم‌ها با بستر معلق و در نهايت راكتورهاي ناپيوسته متوالي بي‌هوازي. این هاضم‌ها بسته به میزان بارگيري پسماند و اندازه واحد می‌توانند خشک یا مرطوب، تک و یا چند مرحله‌ای و تغذيه پيوسته و یا ناپيوسته باشند. از بين هاضم‌هاي بی‌هوازی فضولات دامی در جهان، حدود 55 درصد آن‌ها با جریان پلاگین کار می‌کنند. انتخاب تکنولوژی مناسب هضم بي‌هوازي عمدتاً بستگی به نوع پسماندهاي جامد آلي، محتواي جامدات پسماندها، اندازه تسهیلات، محل اجرا، امکان سنجی اقتصادی و دسترسی به آب دارد (26).

◄ امکان‎سنجی استفاده از روشهای هضم بی‎هوازی خشک در ایران

ضوابط و روشهای اجرایی مدیریت پسماندهای کشاورزی در ایران در 72 ماده و سه پيوست ضميمه به استناد ماده 11 قانون مديريت پسماند مصوب 15/2/1383 مجلس شوراي اسلامي توسط سازمان حفاظت محيط زيست و وزارت جهاد كشاورزي تدوين و در تاريخ 27/8/1391در كارگروه ملي مديريت پسماند موضوع ماده 2 آيين نامه اجرايي قانون مديريت پسماندها، به تصويب رسيد. اجراي اين ضوابط در راستاي دستيابي به اهداف ذیل است: 1) حفظ سلامت عمومي و محيط زيست در مقابل اثرات نامطلوب پسماندهاي كشاورزي؛ 2) افزايش بهره‌وري در بخش كشاورزي و كاهش توليد پسماندهاي كشاورزي و استفاده مجدد آنها؛ 3) اعمال روش‌هاي نوين مديريت پسماندهاي كشاورزي؛ 4) اطمينان از مديريت اجرايي مناسب 5) ايجاد رويه ضابطه‌مند در مديريت پسماندهاي كشاورزي (27).

لذا توجه به مسئله مهم مدیریت صحیح پسماندهای کشاورزی و استفاده از روش‎های نوین تصفیه و بازیابی این گروه از زائدات، از پشتوانه قانونی لازم در کشور برخوردار است. تولید و استفاده از بيوگاز اگرچه در ايران سابقه قديمي دارد؛ ولي تحقيقات منسجم كمي در زمینه استفاده از روش‌های هضم بی‌هوازی بویژه در تصفیه و بازیابی زائدات کشاورزی، صورت گرفته است. پتانسیل سنجی تولید بیوگاز در مناطق روستایی ایران نشان می‌دهد كه مقدار فضولات دامي قابل دسترس به منظور تولید بيوگاز در ايران، 261340 هزار تن در سال است که بيوگاز قابل تولید از آن 65335 ميليون مترمکعب مي‌باشد. از طرف ديگر ميزان پسماندهاي فسادپذير روستايي قابل استفاده در دستگاه‌هاي بيوگاز در ايران، 3/1171 هزار تن در سال بوده که بيوگاز قابل تولید از آن‌ها، 27/152 ميليون مترمکعب برآورد مي‌شود. از مجموع منابع ياد شده به طور ميانگين، ساليانه 27/65487 ميليون مترمکعب بيوگاز (36018 ميليون مترمکعب متان) قابل استحصال است. با فرض ارزش حرارتي متان MJ/m³ 7/36 ، اين حجم متان معادل MJ 1012× 32/1 انرژي خواهد بود (28).

مدیریت و استفاده بهینه زائدات کشاورزی و فضولات دامی از راه کنترل هدفمند گاز متان و تولید انرژی تجدیدپذیر بیوگاز، نقش مهمی در کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و پیامدهای گرمایش هوا ناشی از آن، خواهد داشت. مطالعات نشان میدهد که با استفاده از بیوگاز در صنعت حمل و نقل، انتشار دی‌اکسیدکربن که باعث افزایش اثرات چالش گرمایش جهانی می شود؛ تقریباً ٪85-65 کاهش می‌یابد (29).

اما آنچه که باید در امکان سنجی استفاده از روش هضم بی‎هوازی خشک در کشور در نظر گرفت؛ میزان در دسترس بودن پسماندهای کشاورزی در مناطق مختلف جغرافیایی و وضعیت تقاضای بیوگاز است. به نظر می رسد این روش با توجه به پتانسیل بالای تولید پسماندهای کشاورزی (زائدات کشاورزی غیر قابل مصرف، کاه و کلش، فضولات دامی و ...) در کشور و نیاز روزافزون به تولید پایدار انرژی و تحقق بهره برداری کارآمد از زائدات کشاورزی و حفظ پایداری زیست محیطی، مناسب باشد. 

بحث و نتیجه گیری

روش‌های هضم بی‌هوازی خشک با توجه به ویژگی‌های جغرافیایی و امکانات موجود می توانند برای دفع پسماندهای کشاورزی در مناطق مختلف شهری و روستایی در نظرگرفته شوند و نقش اساسی در ایجاد فرصت‌های تبدیل پسماند به انرژی ایفا کنند. بدین وسیله تضمین تأمین انرژی کافی، پایدار و مقرون به صرفه، اهمیت ویژه‎ای در توسعه پایدار اقتصادی و کاهش آسیب‌های محيط‌زيست خواهد داشت.

نتایج بررسی سیستمهای هضم بی‌هوازی خشک نشان می‌دهد که واحدهای ناپیوسته (منقطع) هضم بی‌هوازی خشک، دارای فناوری نسبتاً ساده، قوی و با هزینه پایین سرمایه‌گذاری و بهره برداری تجهیزات، هستند. این واحدها بدلیل نیاز به فضای بیشتر و تولید گاز متغیر، در مقایسه با سیستم‌های پیوسته، می توانند راهکار مناسبتری برای استفاده در مناطق روستایی باشند. از طرف دیگر، تضمین پایداری و تداوم تأمین بیوگاز، در صورت استفاده از راکتورهای پیوسته، علی رغم نیاز بیشتر به نگهداری و مدیریت فرآیند، می‌تواند آسان‌تر باشد. به طور کلی عملکرد اجرایی، هزینه پایین‌ انرژی و نگهداری، از مزایای استفاده از شرایط مزوفیلیک دمایی در واحدهای هضم بی‌هوازی خشک است. زمان ماند هیدرولیکی از 20 تا 35 روز متغیر، میانگین جامدات کل بالای 15 درصد و میانگین درصد متان در بیوگاز اکثر انواع رآکتورهای هضم خشک، حدود 55 درصد برآورد می شود که رقم قابل قبولی است.

فرآیندهای هضم بی‌هوازی ناپیوسته در استانهایی از ایران که فعالیت‌های کشاورزی در مقیاس کوچکتر رواج دارد (از قبیل: استانهای قم، بوشهر و ...)؛ مؤثرتر خواهد بود؛ درحالیکه هضم بی‌هوازی پیوسته در استانهایی که کشاورزی در مقیاس بزرگ متداول است (نظیر: استانهای خوزستان، فارس، خراسان رضوی و ...)، ترجیح داده می شود (بر اساس گزارش آمارنامه کشاورزی (1399) در استان خوزستان به عنوان قطب کشاورزی کشور، سالانه بيش از هفت میلیون تن پسماند کشاورزی تولید می‌شود که شامل بقایای باگاس، سرشاخه نیشکر، فضولات دامی و کاه و کلش مزارع است). این مقاله لزوم توجه به بهره‌برداری با ارزش بالا از پسماندهای کشاورزی و توسعه پایدار بیوگاز در ایران را، با استفاده از تکنولوژی هضم بی‌هوازی خشک (DADT)، بواسطه کارآیی، انعطاف پذیری و سازگاری آن، نشان می دهد. در این راستا، ضمن توجه به مسأله تأمین و ویژگی پسماندهای کشاورزی نقاط مختلف جغرافیایی کشور، تحقیقات بیشتر در زمینه انتخاب و توسعه فناوری مناسب با توجه به شیوه عملیاتی هر فرآیند و هزینه‌های راهبری و نگهداری؛ موردنیاز است. نتایج این مطالعه و پلتفرم معرفی‌شده می‌تواند به سیاست‌گذاران در تصمیم‌گیری با هدف استفاده از این منابع کمک کند.

منابع

1) احمدی، کريم و همکاران »کتاب آمارنامه کشاورزی سال زراعی 98-1397، جلد اول - محصولات زراعی«، چاپ اول، تهران، انتشارات وزارت جهاد کشاورزی، معاونت برنامه‌ريزي و اقتصادي، مرکز فناوري اطلاعات و ارتباطات، 1399.

2) احمدی، کریم و همکاران؛ »آمارنامه کشاورزی سال زراعی 96-1395، جلد اول - محصولات زراعی«، چاپ اول، تهران، انتشارات وزارت جهاد کشاورزی، معاونت برنامه‌ریزی و اقتصادی، مرکز فناوری اطلاعات و ارتباطات، 1397.

3) تقوی، لعبت؛ عباسپور، مجيد؛ »نقش انرژیهای تجدیدپذیر در توسعه پایدار (با تاکید بر بیوگاز تولیدی از زائدات کشاورزی«، چهارمین همایش بیو انرژی ایران (بیوماس و بیوگاز)، 1392، تهران، ایران.

4) Tsapekos, P.; Khoshnevisan, B.; Alvarado-Morales, M.; Zhu, X.; Pan, J.; Tian, H.; Angeli- daki, I. Upcycling the anaerobic digestion streams in a bioeconomy approach: a review. Renewable Sustainable Energy Rev. 2021. Vol.151. (doi: 10.1016/j.rser.2021.111635).

5) Shirzad, M.;Kazemi Shariat Panahi,H.; Dashti, B.;Rajaeefar, M.A.;Aghbashlo,M.;Tabatabaei, M. A comprehensive review on electricity generation and GHG emission reduction potentials through anaerobic digestion of agricultural and livestock/slaughterhouse wastes in Iran. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019. Vol. 111, PP. 571-594.

6) Durante Muhl, D.; Oliveira,L. Features of anaerobic digestion plants in the brazilian agricultural sector. Cleaner and Circular Bioeconomy.2022. Vol.1.

7) O’Connor, S.; Ehimen, E.; Pillai, S.C.; Black, A.; Tormey, D.; Bartlett, J. Biogas production from small-scale anaerobic digestion plants on European farms. Renewable Sustainable Energy Rev. 2021.Vol.139, 110580. (doi: 10.1016/j.rser.2020.110580).

8) Nicolae,S.; Jean-François,D.; Fahl,F.Biogas: Developments and perspectives in Europe. Renewable Energy. 2018. Vol.129, Part A. December 2018, PP. 457-472.

9) Y, Fu.; T, Luo.; Z, Mei.; J, Li.; K, Qiu.; Ge, Y. Dry Anaerobic Digestion Technologies for Agricultural Straw and Acceptability in China. Sustainability. 2018. Vol. 10, No.12, PP. 1-13.

10) Chen, Y.; Hu, W.; Feng, Y.; Sweeney, S. Status and prospects of rural biogas development in China, Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014. Vol. 39,PP. 679–685.

11) Ge, X.; Xu, F.; Li, Y. Solid-state anaerobic digestion of lignocellulosic biomass: Recent progress and perspectives. Bio resource Technology. 2016 .Vol. 205,PP. 239–249.

12) World Biogas Association (WBA). Biogas: Pathways to 2030. new world biogas association report. 2021. 

13) Raboni,M.; Viotti,P.; Capodaglio,AG. A comprehensive analysis of the current and future role of biofuels for transport in the European Union (EU). Ambiente & Agua - An Interdisciplinary Journal of Applied Science. 2015.Vol.10. (doi: 10.4136/ambi-agua.1492).

14) EBA Statistical Report 2017, European Biogas Association Available in:

 https://www.europeanbiogas.eu/eba-statistical-report-2017-published-soon/

15) Pham Van, D.; Fujiwara, T.; Leu Tho, B.; Song Toan, P.P.; Minh, G.H. A review of anaerobic digestion systems for biodegradable waste: Configurations, operating parameters, and current trends. Environmental Engineering Research. 2019. (pISSN 1226-1025).

16) Zealand, A.M.; Roskilly, A.P.; Graham, D.W. The Effect of Feeding Frequency and Organic Loading Rate on the Anaerobic Digestion of Chinese Rice Straw. Energy Procedia.2017.Vol.105,PP. 62–67.

17) Labatut, R.A.; Angenent, L.T.; Scott, N.R. Conventional mesophilic vs. thermophilic anaerobic digestion: A trade-off between performance and stability.Water Res. 2014. Vol. 53,PP. 249–258.

18) Yoshida, H.; Gable, J.J.; Park, J.K. Evaluation of organic waste diversion alternatives for greenhouse gas reduction". Resourse. Conservation. Recycling.2012. Vol. 60, PP. 1–9.

19) Mcdonald, N. DRANCO Anaerobic Digestion Plant in Hengelo, Netherlands, Integration of AD with Existing Composting and RDF Facility. OWS, Inc, Biocycle. 2012, PP. 29-31.

20) De Baere, L.The DRANCO Technology: A Unique Digestion Technology for Solid Organic Waste. Organic Waste Systems (OWS), 2012. PP. 2-8, Available in:

https://www.ows.be/wp-content/uploads/2013/02/The-DRANCO-technology-2012.pdf

21) عباسي، تسنيم، توصيف، اس. ام، عباسي اس. اي. انرژي گاز زيستي (بيوگاز). ترجمه كاظم ندافي و همكاران، چاپ اول، تهران، انتشارات سازمان شهرداري‌ها و دهياري‌هاي كشور، آواي دانش‌گستر،1396.

22) Kothari, R.; Pandey, A.K.; Kumar, S.; Tyagi, V.V.; Tyagi, S.K. Different aspects of dry anaerobic digestion for bio-energy: An overview.Renewable and Sustainable Energy Reviews, Elsevier. 2014, Vol.39,PP.174–195.

23) Rapport,J.; Zhang,R.; Jenkins, B.M.; Williams,R.B. Current Anaerobic Digestion Technologies Used for Treatment of Municipal Organic Solid Waste. California Integrated Waste Management Board, Department of Biological and Agricultural Engineering,University of California, 2008.

24) Eslami, H.; Hashemi, H.; Fallahzadeh, R.A.; Khosravi, R.; Fard, R.F.; Ebrahimi, A.A. Effect of organic loading rates on biogas production and anaerobic biodegradation of composting leachate in the anaerobic series bioreactors. Ecol. Eng. 2018.Vol. 110, PP.165–171.

25) Shen, F.; Tian, L.; Yuan, H.; Pang, Y.; Chen, S.; Zou, D.; Zhu, B.; Liu, Y.; Li, X. Improving the Mixing Performances of Rice Straw Anaerobic Digestion for Higher Biogas Production by Computational Fluid Dynamics(CFD) Simulation. Appl. Biochem. Biotechnol.2013.Vol.171,PP. 626–642.

26) Hanif Abdul Karim, A.Evaluation of a trickle flow leach bed reactor for anaerobic digestion of high solids cattle manure. In partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science.Colorado State University, Department of Civil and Environmental Engineering, 2013.

Available in: https://www.researchgate.net/publication/325206264.

27) وزارت جهاد کشاورزي، ضوابط و روش‌های اجرایی مدیریت پسماندهای کشاورزی،1398. قابل دسترسی در آدرس اینترنتی:

https://dla.maj.ir/dorsapax/userfiles/file/bg85.pdf

28) عبدلي، محمدعلي؛ پازكي، مريم؛ سميعي‌فرد، رضا و عليرضا رحمتي پتانسيل و فناوري تولید انرژي از زيست توده در مناطق روستايي. چاپ اول، تهران، سازمان شهرداري‌ها و دهياري‌هاي كشور، انتشارات استاد مطهري، 1391.جلد دوم.

29) Taghizadeh-Alisaraei,A.; Alizadeh Assar,H.; Ghobadian,B.; Motevali,A.Potential of biofuel production from pistachio waste in Iran. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017.Vol.72, PP.510-522.

15

 

---

[1]  Anaerobic Digestion

[2]  Life Cycle Assessment

[3]  Circular Bioeconomy

[4]  Exajoules

[5]  Dry Anaerobic Digestion Technology (DADT)

[6]  World Biogas Association (WBA)

[7]  Nicolae

[8]  European Biogas Association (EBA)

[9]  Hydrolysis/Acidogenesis

[10]  Acetogenesis

[11]  Methanogenesis

[12]  Organic Loading Rate (OLR)

[13]  Batch processes

[14]  Continuous processes

[15]  Garage-type percolation batch reactor

[16]  Combined Heat and Power Plant (CHP)

[17]  Kasakova

[18]  Membrane-covered trough system (MCT)

[19]  Garage-style flexible roof membranes (GFRM)

 

[20]  Plug Flow Reactor

[21]  Vertical Plug Digestion

[22]  Two-Phase Anaerobic Digestion

[23]  ‍Covered Lagoon Digester

[24]  Plug-Flow Digester

[25]  Fixed Film Digesters

---