به کوشش

مهدی محسن زاده

 

مشكل اساسی دراستفاده از بیوگاز دفنگاه وجود آلاینده هایی مثل سولفید هیدروژن است. سولفید هیدروژن گازی بیرنگ، سمی، اشتعالزا و دارای بوی نامطبوع است و به شدت سمی است و در هنگام سوختن بیوگاز تولید SO2 می کند. به علاوه سولفید هیدروژن دارای اثر خورندگی می باشد. ساخت دستگاه هایی كه در برابر خورندگی مقاوم باشند نیز هزینه زیادی دارد. بیشتر تكنولوژیهای تجاری كه برای حذف سولفید هیدروژن از جریانهای گازی وجود دارند فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی میباشند كه از نظر عملیاتی پرهزینه هستند. فرآیندهای گازشویی، جذب سطحی روی كربن، و اكسیداسیون حرارتی و شیمیایی از آن جمله هستند. از مزایای فرآیندهای میكروبی، تبدیل مستقیم سولفید هیدروژن به گوگرد عنصری، نیاز به انرژی ورودی كم، عدم تولید محصولات جانبی آلوده، هزینه های كم و تولید بیومس یا زیست توده میباشد. ارجحیت دیگر روش های زیستی ارزان بودن نصب ماشین آلات و پایین بودن هزینه های راهبردی آن میباشد. در این مطالعه به منظور بررسی کارایی بیوفیلتر در حذف آلاینده سولفید هیدروژن از گاز دفنگاه، ستون بیوفیلتری از جنس پلگسی گلاس با قطر 15 سانتی­متر و ارتفاع 2 متر استفاده شد. این ستون با بستر طبیعی حاوی ورمی­کمپوست تولید شده در دفنگاه و گوش­ماهی، به کار گرفته شد. کارایی این بیوفیلتر 97 درصد بود. در این پژوهش اقداماتی جهت بهینه سازی عملکرد بیوفیلتر حذف کننده سولفید هیدروژن بیوگاز صورت گرفت. از جمله استفاده از باکتری و محیط کشت ارزان و در دسترس، نصب پمپ آب برای پاشیدن آب در داخل ستون و ایجاد رطوبت کافی جهت رشد و زنده مانی باکتری در داخل بستر های بیوفیلتر می باشد. بعلاوه نصب شیر جهت تنظیم مقدار آب، اجرای آسان و موفق تزریق باکتری به بیوفیلتر، اضافه نمودن باکتری از طریق سطل حاوی آب و پمپ، نصب ستون بیوفیلتر در لندفیل و اتصال آن به بیوگاز طبیعی تولیدی چاه و ایجاد شرایط پایداری عملکرد بیوفیلتر، بررسی اثر دبی بیوگاز و غلظت سولفید هیدروژن بر عملکرد بیوفیلتر از موارد دیگر است. همچنین بررسی میزان جذب سولفید هیدروژن توسط هر بستر بیوفیلتر به طور جداگانه، استفاده از کمپرسور بین بیوگاز چاه و ستون بیوفیلتر جهت تامین مناسب تر بیوگاز و شبیه سازی با نیروگاه لندفیل، بررسی تغییرات غلظت سولفید هیدروژن بیوگاز چاه و ورودی نیروگاه و بررسی مشکلات احتمالی بیوفیلتر اصلی لندفیل و ارائه پیشنهادات مناسب از موارد دیگر است. پژوهش حاضر نشان داد که ستون بیوفیلتر با بهینه سازی های انجام شده می تواند در مقیاس اصلی جهت حذف سولفید هیدروژن از بیوگاز لندفیل استفاده شود.

واژه­های کلیدی: گاز دفنگاه، سولفید هیدروژن، ورمی­کمپوست، باکتری تیوباسیلوس، بیوفیلتر

 

 

 

 

فهرست مطالب

 

عنوان                                           صفحه

 

فصل اول

مقدمه…………………………………… 2

1-1-اهمیت موضوع و لزوم انجام مطالعه……… 3

1-2-اهداف……………………………… 5

1-3-نوآوری پایان نامه…………………… 5

 

فصل دوم

کلیات و تئوری…………………………… 7                                                              

2-1- تاریخچه لندفیل…………………….. 7

2-2- لندفیل های جدید…………………… 11

2-3- ساختار لندفیل…………………….. 14

2-4- بیوگاز لندفیل…………………….. 16

2-5- استفاده از گاز لندفیل……………… 17

2-5-1- روش های فیزیکی-شیمیائی…………. 23

2-5-2- روش های بیولوژیکی……………… 23

2-5-3- اصول روش تصفیه با بیوفیلتر……… 26

2-6- تصفیه گاز لندفیل………………….. 33

2-7- بررسی مدل­های بیوفیلتر……………… 33

2-7-1- شرح تئوری مدل Ottengraf…………… 34

2-7-2- شرح تئوری مدل Zarook……………. 38

2-7-3- بررسی مدل Hodge ……………….. 39

2-7-4- بررسی مدل Li…………………… 42

2-7-5- تئوری و آنالیز مدل Deshusses …….. 45

2-7-6- پارامترهای طراحی………………. 49

 

فصل سوم

پیشینه تحقیق……………………………. 54            ……………………………………………

3-1- مروری بر پژوهش های انجام شده……….. 54            …………………………………………..

 

فصل چهارم

مواد و روش کار………………………….. 67            ……………………………………………              ………………………………………..

4-1- مواد و روش­های اندازه ­گیری…………… 67            ………………………………………              ………………………………………

4-1-1- روش‌های اندازه‌گیری……………… 82

4-2- روش انجام آزمایش………………….. 83            …………………………………………..

 

فصل پنجم

نتایج و بحث…………………………….. 85

 

فصل ششم

نتیجه گیری و پیشنهادات………………….. 104

6-1- نتیجه گیری……………………….. 104

6-2- پیشنهادات………………………… 105

منابع ………………………………… 106             …………………………………………………           …………………………………………….

 

 

 

فهرست شکل­ها

 

عنوان                                                            صفحه

 

شکل 2-1- تولید بیوگاز متان در لندفیل………. 12

شکل 2-2- انتقال بیوگاز لندفیل به نیروگاه و تولید برق    14

شکل 2-3- نمونه ای از ساختار بیوفیلتر ساده … 26

شکل 2-4- شماتیک مفهوم مدل بیوفیلم در یک مقطع عرضی در طول ستون بیوفیلتر……………………………….. 35

شکل 2-5- مدل بیوفیزیکی برای بیوفیلتر………. 39

شکل 2-6- ساختار کلی مدل برای موازنه جرم ….. 46

شکل 2-7- توضیح شماتیک مدل برای یک بخش ستون .. 46

شکل 4-1- رشد باکتری در محیط کشت مایع………. 70

شکل 4-2- کلنی های باکتری در محیط کشت جامد…. 72

شکل 4-3- کمپرسور استفاده شده……………… 75

شکل 4-4- بیوفیلتر استفاده شده…………….. 76

شکل 4-5- سکوی سیمانی ساخته شده……………. 77

شکل 4-6- نصب اتاقک فلزی………………….. 77

شکل 4-7- اتاقک فلزی نصب شده ……………… 78

شکل 4-8- استقرار بیوفیلتر در داخل اتاقک فلزی 78

شکل 4-9- خروجی بیوگاز از چاه (شیر سمت راست) و اتصال به شبکه (شیر میانی)…………………………………. 79

شکل 4-10- اتصال خروجی بیوگاز از چاه به کمپرسور 79

شکل 4-11- اتصال پمپ آب از طریق شیر تنظیم به ستون    80

شکل 4-12- پمپ آب استفاده شده جهت چرخش آب درون ستون 80

شکل 4-13- لوله تخلیه شیرابه از درون چاه ….. 81

شکل 14-4- ثبت غلظت سولفید هیدروژن ستون با دستگاه سنسور 81

شکل 4-15- سنسور گاز سولفید هیدروژن……….. 82

شکل 4-16- pH متر ……………………….. 83

شکل 5-1- تغییرات غلظت سولفید هیدروژن خروجی ستون بیوفیلتر بر حسب دبی ورودی متفاوت بر حسب لیتر بر دقیقه با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 250………………………… 87

شکل 5-2- تغییرات غلظت سولفید هیدروژن خروجی ستون بیوفیلتر بر حسب دبی ورودی متفاوت بر حسب لیتر بر دقیقه با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 350………………………… 89

شکل 5-3- تغییرات ظرفیت حذف بر حسب بار جرمی با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 250………………………… 90

شکل 5-4- تغییرات ظرفیت حذف بر حسب بار جرمی با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 350………………………… 91

شکل 5-5- تغییرات راندمان حذف بر حسب بار جرمی با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 250…………………. 92

 

شکل 5-6- تغییرات راندمان حذف بر حسب بار جرمی با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 350…………………. 93

شکل 5-7- تغییرات راندمان حذف بر حسب زمان ماند با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 250…………………. 94

شکل 5-8- تغییرات راندمان حذف بر حسب زمان ماند با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 350…………………. 95

شکل 5-9- تغییرات راندمان حذف بر حسب دبی ورودی با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 250…………………. 96

شکل 5-10- تغییرات راندمان حذف بر حسب دبی ورودی با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 350…………………. 97

شکل 5-11- تغییرات غلظت خروجی بر حسب زمان ماند با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 250…………………. 98

شکل 5-12- تغییرات غلظت خروجی بر حسب زمان ماند با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 350…………………. 99

شکل 5-13- تغییرات غلظت سولفید هیدروژن ستون بیوفیلتر با دبی ورودی 1 لیتر بر دقیقه بر حسب زمان………………. 99

شکل 5-14- تغییرات غلظت سولفید هیدروژن ستون بیوفیلتر با دبی ورودی 2 لیتر بر دقیقه بر حسب زمان……………… 100

شکل 5-15- تغییرات غلظت سولفید هیدروژن ستون بیوفیلتر با دبی ورودی 3 لیتر بر دقیقه بر حسب زمان……………… 101

شکل 5-16- تغییرات راندمان حذف سولفید هیدروژن ستون بیوفیلتر با دبی ورودی متفاوت بر حسب لیتر بر دقیقه…….. 102

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست جدول­ها

 

عنوان                                           صفحه

 

جدول 2-1- نمونه ­ای از ترکیب گاز دفنگاه……… 15

جدول 2-2- مشخصات سه سیستم بیولوژیکی……….. 24

جدول 2-3- نمونه ­ای از بسترهای استفاده شده در بیوفیلتراسیون گازها………………………………………. 29

جدول 2-4 خصوصیات مهم برخی از باکتری‌ها که در تجزیه سولفید هیدروژن و دیگر ترکیبات گوگرددار استفاده شده‌اند 32

جدول 2-5- پارامترهای عملیاتی بیوفیلتر……… 52

جدول 4-1- محیط کشت استفاده شده برای باکتری Thiobacillus thioparus  69

جدول 5-1- ترکیب گاز دفنگاه شهر شیراز در منطقه برمشور    85

جدول 5-2- ترکیب ورمی­کمپوست بر اساس گزارش آزمایشگاه  86

 

فهرست نشانه­ های اختصاری

 

ضریب نفوذ مؤثر

ضخامت لایه بیولوژیکی

k          ثابت سرعت واکنش درجه صفر

عدد Thiele

مختصه بی­بعد طول

m         ضریب تقسیم

h          ارتفاع بستر بیوفیلتر

سطح لایه بیولوژیکی

سرعت ظاهری گاز

غلظت آلاینده در فاز گاز

غلظت آلاینده در فاز بیوفیلم

ماکزیمم سرعت رشد ویژه

ثابت سینتیکی

غلظت اکسیژن در بیوفیلم

ضریب پراکندگی

V    سرعت درون شبکه­ای محوری

تخلخل ماده فیلتر

ثابت سرعت بیولوژیکی

جرم دی­اکسید کربن به جرم سوبسترا

L    طول بیوفیلتر

متوسط غلظت ورودی آلاینده

H    ثابت هنری

ضریب انتقال فیلم گاز-بیوفیلم

سطح نفوذ مؤثر به ازای واحد حجم بستر

زمان اقامت

تخلخل بستر بیوفیلتر

R    شعاع متوسط ماده پکینگ بیوفیلتر

قابلیت نفوذ در فاز بیوفیلم

G    دبی کل گاز

W    تعداد کل لایه­ها

J    شار نفوذ

سرعت تجزیه بیولوژیکی

N    تعداد کل زیربخش­های بیوفیلم

ثابت بازدارندگی

EC   ظرفیت حذف

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل اول

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

مقدمه

 

مهمترین هدف از تشكیل حوزه های دفن زباله شهری و جمع آوری بیوگاز تولیدی آنها، جلوگیری از تصاعد ‏گازهای گلخانه ای مانند متان و نیز استفاده از انرژی تجدیدپذیر موجود در بیوگاز آن می باشد. ‏امروزه در اغلب كشورهای جهان، دفن زباله به علت ارزان بودن، نسبت به دیگر روش های موجود مانند سوزاندن ‏زباله و یا تبدیل آن به كود و غیره، ترجیح داده می شود . اما در گذشته مقررات خاصی در مورد مكان دفن زباله ها ‏وضع نشده بود و لندفیل ها مكانهایی بدبو و بدون پوشش بودند كه معضلات زیست محیطی فراوانی ایجاد می ‏كردند. با رشد آگاهی نسبت ‏به تأثیر سوء لندفیل های غیرمهندسی بر روی محیط زیست و وضع قوانین و مقررات خاص، دفن در گودال ‏های بدون پوشش را رها شده و به تشكیل لندفیل های مهندسی با رعایت قوانین و مقررات محیط زیست پرداخته ‏شده است.

لندفیل مهمترین روش برای دفع پسماند جامد شهری است كه در مورد بیش از 80% از مقدار كل پسماندها در چین به كار می‌رود. بوهای نامطبوع در لندفیل عمدتاً توسط تركیبات گازی خروجی از لندفیل كه در طول فعالیت‌های شیمیایی و فیزیكی برای تجزیه مواد زائد ایجاد می‌شوند مانند سولفید هیدروژن H2S، متیل مركپتانز و متیل سولفید و یكی از موارد عمده شكایات توسط افراد ساكن در اطراف لندفیل است. بیش از 100 تركیب به عنوان منابع اصلی ایجاد بوی نامطبوع در لندفیل شناخته شده است. H2S بعنوان عامل اصلی در ایجاد بوی نامطبوع در لندفیل در غلظت‌های كمتر‌ از 1% در لندفیل‌ها موجود است. سولفید هیدروژن نه تنها باعث رنجش مردم می‌گردد، بلكه در غلظت‌هایی حدود ppm200-100 موجب مرگ می‌گردد. تكنولوژی‌های مختلفی برای كاهش H2S خروجی توسعه داده شده است كه شامل جذب توسط كربن فعال اكسیداسیون به وسیله ازن، بیوفیلترها و لجن فعال است (1).

 

1-1- اهمیت موضوع و لزوم انجام مطالعه

 

مشکل انرژی امروزه یکی از مشکلات اساسی تمامی کشورهای جهان بخصوص کشورهای در حال توسعه می ‏باشد. سوخت رسانی به روستاهای دور افتاده حتی در کشوری مانند ایران که منابع غنی انرژی را در اختیار دارد ‏بسیار مشکل و هزینه بر می باشد. استفاده از انرژی های تجدید پذیر و محلی یکی از راه حلهایی می باشد که ‏امروزه پیشنهاد می گردد. بیوگاز یکی از این انرژی های تجدید پذیر می باشد که علاوه بر تولید انرژی باعث ایجاد ‏کودهای کشاورزی و افزایش سطح بهداشت عمومی جامعه و کنترل بیماریها می شود و یک راه حل مناسب برای ‏دفع مواد زائد جامد می باشد. فاضلاب و مواد زائد جامدی که توسط صنایع و جوامع تولید می گردد باعث آلودگی ‏شدید محیط می شود که می توان با استحصال بیوگاز خطرات ناشی از این مواد را به شدت کاهش داد و از انژی و ‏کود تولیدی نیز استفاده نمود. استحصال بیوگاز را می توان از فرایند های بی هوازی تصفیه فاضلاب‏ ‏و همچنین از محل های دفن زباله نیز انجام داد و بخشی از هزینه های مصرفی را جبران نمود. بطور مثال یكی از ‏مشكلاتی كه دامداریها با آن دست به گریبان