تحقیق موردی در باره کاربرد سامانه تصفیه بیو گاز در کشور چین

دفتر انرژی روستایی میانژو، سیچوان، وانگ یونگژی، وانگ هو

دفتر حفاظت محیط زیست میانژو، سیچوان، اویانگ یونچون

 

سامانه تصفیه بیو گاز دستگاهی است برای تصفیه فاضلاب خانگی شهری که مواد سمی را جدا نموده، زوائد را کاهش داده، فاضلاب را کاهش داده و از ترکیب فاضلاب با مواد مغذی جلوگیری می­کند. این سامانه بگونه‌­ای طراحی شده که با مجموعه بیو گاز، پروژه تخلیه هرز آب و قوانین بهداشتی مطابقت داشته باشد. این سامانه نه تنها یک جداکننده آلودگی است بلکه دستگاهی کوچک برای تصفیه فرعی است. دفتر انرژی روستایی میانژو کار تحقیقی خود را جهت تصفیه فاضلاب خانگی شهری با کاربری فنّاوری تصفیه بیوگاز آغاز نمود. تجربیات مکرر روی فاضلاب نشان داد میزان جداسازی یاخته های آلوده9/99 درصد است که حدود 77 درصد از آن مربوط به باکتریهای آلوده روده بزرگ است. میزان جداسازی مولفه‌ های بنیانی از قبیل:

COD | BOD | SS | TS  و کروما به ترتیب  6/95، 3/98 ،2/98،9/93 و 6/93 می­باشد. تمامی مقادیر جداسازی شده به استانداردهای بهداشتی GB7959-87  مربوط به کود کشاورزی بی ضرر دست یافته و همچنین به سطح اولیه استانداردهای GB8978-88  برای تخلیه مخلوط فاضلاب دست یافته است. از سال 1988 فنّاوری تصفیه بیوگاز مربوط به آبریزگاههای شهری، اقامتگاهها، ساختمانها، هتل­ها‌ و منظرگاهها بکارگرفته شده است. تا پایان سال 2000 مجموعا  850 دستگاه تصفیه بیوگاز در چند شهرک، مراکز مسافرتی و بیمارستانها نصب شد که 45 هزار تن فاضلاب را روزانه تصفیه می کند که 92 درصد کل شهر را پوشش می‌دهد.

 

1-    خصوصیات فنی سامانه تصفیه بیوگاز

سامانه تصفیه بیوگاز شامل یک استخر پیش تصفیه و یک استخر پس از تصفیه می‌باشد. استخر پیش تصفیه به دو مرحله اصلی و فرعی تقسیم می‌شود که هر دو شامل مخازن تصفیه بی­هوازی می‌باشند. تفاوت این دو مخزن در لوله­های pvc  است که در مخزن فرعی این لوله­ها ثابت هستند و فضای بین هر کدام 200 سانتی متر است تا بصورت بسته بندی نرم تغذیه شوند. استخر پس از تصفیه برای صافی نمودن بکار می‌رود. نسبت ابعادی استخر اصلی، استخر فرعی و استخر فلیتر سازی 4 به 3 به3 می‌باشد. عامل در نظر گرفته شده جهت تعیین ابعاد برای هر 5/0 تا 7/0 مترمکعب است. در فاضلاب انسانی و فاضلاب ناشی از شست وشوی خانگی چگالی مولفه های بنیانی، باکتریهای مختلف و یاخته­های آلوده به نسبت کم می‌باشد. تنها زمانیکه ابعاد تصفیه کننده توسط HRT  ( زمان نگهداری هیدرولیکی ) و مداومت تخلیه بیومس تعیین می­شود مولفه­های بنیانی می­توانند کاهش یابند و تمام انواع باکتریها و یاخته­های آلوده کشته شوند.

 

.i   شبکه فاضلاب داخلی بصورت انشعابی توزیع می­شود. یعنی فاضلاب توالت و سایر فاضلابهای خانگی در سامانه­ای مجزا توزیع می­شوند.

 

 

.ii  HRT   برای فاضلاب انسانی طولانی­تر است. تصفیه فاضلاب خانگی می­تواند نیازمندی بهداشتی و حفاظت محیط زسیت را برآورد نموده و بیوگاز را به عنوان منیع انرژی سوختنی بازیافت کند.

2-  نحوه عملکرد

تصفیه فاضلاب بی هوازی سلولهای بنیانی را کاهش می­دهد و توسط باکتریهای بی هوازی که بدون اکسیژن زندگی می­کنند، بیو گاز تولید می­کند. این فرآیند همچنین انحلال بی هوازی نامیده می‌شود این فنّاوری بطور گسترده جهت کنترل آلودگی محیط زیست و استخراج استفاده می­گردد.

تخمیر بیوگاز بسیار پیچیده است به لحاظ آنکه انواع گوناگونی از باکتریها تحت ماترسیمهای متفاوت و شرایط ارتباطی پیچیده در این فرآیند شرکت دارند. از زمانهای بسیار دور تاکنون، تخمیر بیوگاز به 2 مرحله تقسیم می‌شده است. در مرحله اول ترکیبات بنیانی مرکب به سلولهای بنیانی ساده تجزیه می­شوند و ذخیره سازی اسیدهای بنیانی میزان PH  را کاهش می­دهد بنابراین، این مرحله، تولید اسید نامیده می‌شود. سپس سلولهای بنیانی ساده تخمیر شده گاز متان می­سازند. تحقیقات بعدی نشان داد که نظریه تخمیر بیو گاز شامل سه مرحله است. تنها ترکیبات کمی از قبیل اسید استیک، اسید فرمیک، H2  و Co2  اساسا توسط میکروبها جهت تولید گاز متان پذیرفته می‌شوند. بنابراین هضم بی‌هوازی معمولا به مراحل گدازش ( مایع شدگی )، تولید اسید و تولید متان تقسیم بندی می‌شود.

.i  گدازش ( مایع شدگی )

ترکیبات بنیانی مرکب از قبیل فیبر، پروتئین و چربی توسط باکتری هیدرولیز کننده به ساخاری ساده تجزیه می‌شوند. پروتئین به پلی پپتید و اسید آمینه، چربی به گلسیرین و اسید چرب لایه‌ای و آمیلوس به مونوساکرید و پلی‌ساکرید تجزیه می‌شود. باکتریهای هیدرولیز کننده هیروتروفیک می‌باشند و بطور گسترده در اطراف (محیط ) محیط ما زندگی می‌کنند.

.ii  تولید هیدروژن و اسید استیک

اصولا مولکولهای بنیانی ساده تولید شده یا موجود در مواد توسط میکروبها به H2  و Co2  تجزیه می‌شوند که این باکتریهای عامل، باکتریهای تولید کننده هیدروژن و اسید استیک می‌نامند که شامل باسیلوسین، میکروگلوبال باکتریوم و سورومیناس می‌باشد.

.iii  تولید متان

باکتری تولیدکننده متان، با استفاده از اسید استیک ( اسید فرمیک )، H2  و Co2   متان تولید می‌کند. دو روش برای تولید متان وجود دارد. در روش اول CH3  مستقیما با مولکول اسید استیک واکنش داده و CH4  تولید می‌کند و در روش دوم از اکسید اسیون کاهش CO2  و H2  این گاز تولید می­شود. حدود %70 از متان از اسید استیک و %30 باقی از CO2  و H2 فراهم می‌گردد.

باکتری تولید کننده متان نوعی باکتری بی هوازی خاص است که شکل ظاهری یکسان و انواع مختلفی دارد. بعضی از انواع معمولی این باکتری عبارتند از متانومیکروبیوم، متانوسارسینا، متانوکوکوس و متانوتریکس. باکتریهای تولید کننده متان به میزان PH  خاصی حدود 8/7 –8/6 نیاز دارند و در این بین میزان 2/7 – 8/6 بهترین میزان است. چنین باکتریهایی تنها با درجه حرارت پایین سازگاری دارند. این باکتریها در درجه حرارت خاصی کشت می‌‌شوند و جهت آغاز فرآیند تجزیه فاضلاب درجه حرارت 2-1 درجه باید کاهش داده شود. این باکتریها می­توانند بسیار سریع تکثیر شوند و تکثیر نوعی خاص از آنها به تنها 4تا 6 روز وقت نیاز دارد.

همانطور که در نمودار بالا دیده می­شود، تخمیر بیوگاز نتیجه واکنش باکتریهای تولید کننده متان و سایر باکتریها است. هیدروژن بین این چند نوع باکتری تبادل می‌شود. H2  تولید شده توسط سایر باکتریها جهت واکنش اکسیداسیون کاهشی CO2  به CH4  باکتریهای تولید کننده متان مصرف می­شود.

باکتریهای تولید کننده اسید نسبت به باکتریهای تولید کننده متان سازش بیشتری با دما و PH  دارند و سریعتر تکثیر می­شوند. به دلیل اختلاف در سرعت تکثیر و حساسیت به محیط اطراف، مرحله تولید متان سرعت کل فرآیند تخمیر بیوگاز را محدود می‌کند. در ضمن سرعت اضمحلال بی هوازی مولکولهای بنیانی مرکب غیر قابل تنزل نظیر فیبرها وهمچنین گدازش هیدرولیکی محدود می­شود.

مرحله محدود شدن سرعت در فرآیند تولید متان در طول تخمیر شدگی وجود دارد تا میزان و فعالیت باکتریهای تولید کننده متان در فرآیند اضمحلال جهت تصفیه بی ‌هوازی فاضلاب قابل ملاحظه باقی بماند. روش فنی کل سامانه از دو جهت بهبود داده می­شود. این روش جهت طولانی کردنHRT  آب ( برای میانگین اضمحلال بی‌هوازی )، یا برگشت دادن لجن (برای روش تماس بی‌هوازی و UASB   )، یا اضافه کردن بسته­های میکروبی ( در محفضه فیلتر نمودن بی‌هوازی ) پذیرفته می­شود. به دلیل انکه در فاضلاب خانگی میزان مواد معلق و چگالی CODcr  قابل حل کم می‌باشد روشی مرکب از اضمحلال متوسط و فیلتر نمودن بی‌هوازی معمولا در تصفیه فاضلاب خانگی پذیرفته می‌شود.

.iv  انواع گوناگونی از پاتوژنها، کولیتیتر، ویروسهای موجود در یاخته­های سمی و همچنین مگسها و پشه‌های موجود در هوا را می توان با روش بی هوازی از بین برد تا استاندارد ملی بهداشت تامین گردد. با تصفیه شیمیایی اضافی می­توان فاضلاب را بیشتر تجزیه نمود و باکتریها را نابود کرد.

3- خصوصیات سامانه تصفیه بیوگاز

.i  پس انداز نمودن سرمایه دولتی با استفاده از سرمایه گذاری پراکنده

از آنجاییکه سامانه تصفیه بیو گاز، فاضلاب خانگی را بطور جداگانه تصفیه می‌کند، اساس ساخت آن بگونه‌ای است که در مجاورت ساختمان باید ساخته شود و نصب گردد و سپس می‌توان از فریت سامانه تصفیه بیوگاز بهره گرفت.

.ii صرفه جویی در استفاده از زمین

برای ساختن و بکارگیری سامانه تصفیه بیوگاز لازم نیست که قطعه زمین خاصی در نظر گرفت. طراحان این سامانه می‌توانند از مکانی خالی، کنجی مرطوب، علفزار، کوچه یا خیابان ( در صورت امکان ) برای قراردادن آن استفاده کنند.

.iii  بکارگیری مداوم با قیمت پایین جهت صرفه جویی در منابع انسانی

این سامانه با استفاده از آجر و بتن تقویت شده، در زیر زمین ساخته می‌شود. این سامانه به هیچ قطعه مکانیکی و نیروی برق نیاز ندارد و هیچگونه انرژی مصرف نمی‌کند. مایعات بطور خودکار وارد آن می‌شوند. و بدون نیاز به هیچگونه کنترل و مدیریتی بطور مداوم کار می‌کند. این سامانه هر سه یا ینج سال توسط گروه فنی پاکسازی می‌شود.

.iv  موثر باقی ماندن برای مدتی طولانی

فنّاوری سامانه تصفیه بیوگاز به حد بلوغ خود رسیده است. این سامانه با استفاده از آجر و بتن تقویت شده بدون ابزارهای مکانیکی و الکتریکی زیر زمین ساخته می­شود. بنابراین بعید است که تحت تاثیر شرایط جوی قرار بگیرد یا فرسوده شود. مدت استفاده از این سامانه 30 تا 40 سال و بیشتر بوده و در تمام این مدت پایدار و موثر می‌باشد.

4-   مقایسه تاثیر سامانه تصفیه بیوگاز با مجموعه تصفیه فاضلاب شهری

.i  مزیت سرمایه گذاری: طرح ریزی شده بود که یک مجموعه تصفیه فاضلاب شهری برای تصفیه 50 هزارتن فاضلاب روزانه شهر میانژو، در شهرک ژیانان در سال 2000 ساخته شود. ( این پروژه به علت نیاز به سرمایه‌گذاری زیاد لغو شد. ) فهرست مقایسه­ای سرمایه­گذاری بین مجموعه تصفیه فاضلاب شهری با ظرفینت 50 هزارتن فاضلاب و سامانه تصفه بیوگاز از پیش جهت تجزیه وتحلیل سرمایه‌گذاری و تاثیرات محیطی و اجتماعی تهیه شد.

فهرست مقایسه سرمایه‌گذاری و تاثیر بین سامانه تصفیه بیوگاز و مجموعه تصفیه فاضلاب شهری

2000		سال
150000		جمعیت شهری
سامانه بیوگاز	مجموعه تصفیه فاضلاب شهری	دستگاه
105000 مترمکعب	50 هزار تن فاضلاب روزانه	مقیاس ساخت
5/31 میلیون یوان	96 میلیون یوان	مجموع سرمایه گذاری
نیازی به لوله کشی شهری نیست	22 کیلومتر	لوله کشی
نیازی نیست	دفتر، ساختمان تعمیر مکانیکی، اطاق، انبار ساختمان اصلی	ساختمان موردنیاز
4/1 میلیون یوآن	7682/5 میلیون یوان	هزینه بکارگیری سالانه
صفر	930000 یوان	هزینه مدیریتی سالانه
صفر	35 نفر	نیروی انسانی مورد نیاز
صفر	56/6 میلیون	مصرف انرژی برق سالانه
صفر	23/2 میلیون یوآن	بهای انرژی مصرف سالانه
صفر	Mu 150	زمین مورد نیاز
تغذیه ماهی‌ها، خوکها وکود استحصال بالا	تیرکوبی	موارد مصرف ته نشین
بیوگاز	آب	ماده قابل بازیافت
پیمانکار ساختمان	بودجه دولتی	منبع سرمایه گذاری
صفر	8/0 یوآن در هر تن فاضلاب	هزینه تصفیه فاضلاب
40 سال	25 سال	مدت زمان بهره گیری
فراهم شده توسط دفتر انرژی روستایی	استخراج شده از گزارش پژوهشی	ملاحظات

از اطاعات فوق می‌توان نتیجه گیری کرد:

.i  سامانه تصفیه بی‌هوازی نسبت به سامانه تصفیه فاضلاب شهری در حجم فاضلاب خانگی یکسان به سرمایه‌گذاری کمتری نیاز دارد.

.ii  مدیریت و نگهداری سامانه تصفیه بیوگاز بسیار پایین تراز مجموعه تصفیه فاضلاب شهری است چرا که این سامانه به هزینه سالانه بالایی جهت بکارگیری، تعمیر و نگهداری نیاز دارد که باید این هزینه توسط بودجه دولتی و استفاده کنندگان تامین شود.

.ii مزایای محیطی: فنّاوری تصفیه فاضلاب بی‌هوازی جهت تصفیه فاضلاب خانگی می‌تواند میزان آلودگی را کاهش داده و مقداری نیز بیوگاز بازیافت کند. از آنجاییکه این سامانه زیرزمین ساخته می‌شود. و زمین را اشغال نمی‌کند. از آن می‌توان در جهت صرفه‌جویی از مصرف زمین استفاده نمود و همچنین می‌توان آن را در مناطق محدود بکار گرفت. بهره گیری از انتقال خودکار مایعات نه تنها به میزان زیادی در مصرف انرژی صرفه جویی می‌کند بلکه از شیوع میکروبهای مضر و پاتوژنها جلوگیری می­کند. تجارب علمی نشان داده است که با استفاده از تصفیه بی هوازی حجم یاخته­های سمی و پاتوژنها کاهش می‌یابد. سامانه تصفیه بیوگاز سهم قابل ملاحظه‌ای از جایزه بهداشت ملی شهر میانژو را در سال1999 بدست آورد. تعداد پشه­ها ومگس­ها نیز به طور منظم در یک دوره و یا در طول سال کاهش داده می‌شود. سامانه تصفیه بی‌هوازی همچنین می‌تواند مواد فرار را بر طرف کند، میزان بوی بد آب را کاهش داده و مواد ته نشین را به حداقل برساند. البته می‌توان پساب این سامانه را به مجموعه تصفیه فاضلاب شهری انتقال داد تا تصفیه کامل صورت بگیرد. از مقایسه سامانه تصفیه بی‌هوازی چنین نتیجه گیری شد که این سامانه بطور موثر می تواند با کاهش مصرف انرژی، آلودگی­ها را کاهش دهد و میکروبهای پاتوژن را نابود کند همچنین از این سامانه می­‌توان بیوگاز بازیافت نمود و در مصرف زمین صرفه جویی کرد.

.iii  مزایای اجتماعی: فنّاوری تصفیه بی‌هوازی اصل « منافع سرمایه‌گذار» را رعایت می‌کند. بعلاوه سامانه تصفیه بیوگاز بطور مجزا به عنوان ضمیمه‌ای برای ساختمان بدون هزینه مالی و با تحمیل هزینه‌ای کم بکار گرفته می‌شود. بنابراین از لحاظ مالی هزینه ساخت آن قابل قبول است. به وضوح از مزیت اقتصادی نیز به دلیل انکه برای بکارگیری‌اش به منابع انسانی هزینه‌بردار، مواد مصرفی و زمین نیاز ندارد، برخوردار است و انرژی تمیزی نظیر بیوگاز نیز می­توان از آن بازیافت نمود. از نتایج فوق می‌توان دریافت که تصفیه فاضلاب خانگی به روش تصفیه بی‌هوازی مزایای اجتماعی فراوانی دارد.

از این گذشته از دیدگاه برنامه ریزی تجاری، مجموعه تصفیه فاضلاب شهری تنها می‌تواند فاضلاب را از طریق یک مجموعه لوله خاص زیرزمینی جمع‌آوری کند. این سامانه مجموعه‌ای کاملا ظریف است و سرمایه گذاری مالی وسیع نیاز دارد و استفاده گسترده از مواد برای بعضی از شهرها با مجموعه زیر بنایی ضعیف جهت جمع ‌آوری شبکه فاضلاب شان امکان پذیر نیست. با توسعه شهری و اقتصادی، مجموعه تصفیه فاضلاب شهری می‌تواند به عنوان راه حل فرعی در نظر گرفته شود. این فرآیند نه تنها تاثیر خوبی را ارائه خواهد نمود بلکه همچینین سرمایه گذاری و هزینه عملیاتی مجموعه تصفیه فاضلاب شهری را کاهش می­دهد.

در نتیجه فنّاوری تصفیه فاضلاب پس‌آبی با بکارگیری سامانه تصفیه بیوگاز مطمئناً به حد بلوغ رسیده است. این فنّاوری سهم زیادی در بهداشت و حفاظت محیط زیست شهرها و بهبود تمدن مردم و کیفیت زندگی دارد. این سامانه روشی با سرمایه‌گذاری اندک، تاثیر بالا، تأثیر گذاری آشکار، مداومت بهره برداری بالا و هزینه عملیاتی پایین است. این سامانه شرایط منطقه­ای شهرهای کوچک ومتوسط، شهرکها، مراکز تفریحی، مجموعه­های کارخانه­ای همچنین کشورهای در حال توسعه را تأمین می‌کند تا به این ترتیب مجبور نباشند توان خود را صرف ساخت مجموعه‌ای مکانیکی برای تصفیه فاضلاب کامل صرف کنند. این فنّاوری ارزش اشاعه­ای و کاربرد گسترده­ای دارد.