تاریخچه بیوگاز
در طی قرن دهم قبل از میلاد مسیح در آشور 1 و در قرن شانزدهم در ایران از بیوگاز برای گرم کردن
آب جهت حمام و شستشوی بدن استفاده م ی شد. در سال 1776 میلادی الکساندر ولتا 2 نتیجه گرفت که بین
مقدار مواد آ لی فساد پذیر و میزان گاز قابل اشتعال رابطه مستقیمی وجود دارد . در سال 1859 اولین واحد
تخمیر بیهوازی در بمبئی هند ساخته شد و در سال 1860 میلادی اولین واحد استفاده شده برای تصفیه مواد
جامد فاضلاب بوسیله شخصی بنام اچ موراس 3 بکار گرفته شد. در اروپا برخی واحده ای بیوگاز بیشتر
از 20 سال است که مشغول به کار هستند و در حال حاضر بیش از 600 واحد هاضم در اروپا مشغول بکار
می باشند و تنها در کشور آلمان در حدود 250 واحد بیوگاز طی پنج سال گذشته نصب شده است . از نیمه
اول قرن بیستم در بسیاری از کشورها ساخت دستگاههای تولید کنند ه بیوگاز و استفاده از گاز حاصله آن
بمنظور پخت و پز، تأمین روشنایی و بکار انداختن موتورهای احتراقی وسایل نقلیه بسرعت توسعه یافت و
در این بین کشورهای چین و هند بیش از سایر کشورهای دیگر به ساخت و بهره برداری از دستگاههای
تولید کننده بیوگاز پرداخته اند 4. بیش از نیم قرن پیش در تصفیه خانه های فاضلابهای شهری در اروپا استفاده
از گاز متان حاصل از تخمیر مواد بیولوژیکی مطرح بود اما استفاده از بیوگاز بصورت متداول از جنگ
جهانی دوم به بعد مطرح شد و در ده سال اخیر بعلت کمبود انرژی و افزایش قیمت آن در کشورهای وارد
کننده مواد سوختی مورد توجه خاص قرار گرفته است.
در ایران قدمت استفاده از بیوگاز به سه قرن قبل برم ی گردد. م تأسفانه تولید بیوگاز غیر از احتمالاتی که
؛ به استفاده از سوخت متان در حمام شیخ به ایی اصفهان نسبت داده اند، سابقه دیگری از آن وجود ندارد 5
-1 کشور آشور در شمال عراق کنونی قرار داشت.
2. Alessandro Volta
3.Mouras
-4 هند و چین در دهه 1930 میلادی بطور وسیع به ساخت دستگاههای بیوگاز مبادرت کردند
-5 شیخ بهایی از خاصیت سوختی گاز باتلاقها یا گاز حاصله از فاضلابها اطلاع داشته و چنین بنظر م یرسد که حمام معروف شیخ بهایی
در اصفهان با استفاده از انرژی بیوگاز گرم م یشد. لیکن در سالهای اخیر برخی سازمانها و ارگا نهای دولتی فعالیتهایی را در این زمینه آغاز نموده و تا حدود زیادی پیش رفت داشته اند و اهمیت این فناوری در ابعاد مختلف بهداشتی ، اجتماعی و اقتصادی مورد بحث قرار گرفته و بخشی از برنامه های توسعه کشور نیز مباحثی را در چارچوب انرژی در برگرفته اند . اولین هاضم تولید متان بصورت نوین در سال 1354 در روستای نیاز آباد لرستان ساخته شد و در سال 1361 یک واحد سه مترمکعبی در دانشگاه صنعتی شریف مورد مطالعه قرار گرفت و در سالهای 1361 تا 1365 مرکز تحقیقات انرژ یهای نو در سازمان انرژی اتمی پژوهشهای ویژه ای را در این زمینه به انجام رساند که از جمله می توان به احداث 10 واحد بیوگاز در استانهای سیستان و بلوچستان، ایلام و کردستان اشاره نمود . در دهه 1360 وزارت جهاد سازندگی نیز در این راه اقداماتی صورت داد و ابتدا در سال 1363 یک واحد آزمایشی در حیدر آباد کرج ساخته شد و سپس در سال 1364 یک نمونه واقعی در یکی از روستاههای شهر گرگا ن احداث گردید ؛ در ضمن جهاد کشاورزی 40 هاضم دیگر در مناطق مختلف کشور ساخت که 18 واحد آن به مرحله گاز دهی رسید . آنچه مسلم می باشد این است که باید تکیه بر تجربیات سایر کشورها ، با توجه به
امکانات طبیعی و شرایط اقلیمی صورت گیرد.
بیوگاز
بیوگاز به گازهای تولید شده در اثر تخمیر و تجزیه بیهوازی مواد آلی بوسیله باکتریهای بیهوازی بویژه
متان زا که در یک محفظه تخمیر بوجود م ی آیند، اطلاق می شود . بیوگاز سوخت تمیزی است که ایجاد
آلودگی زیست محیطی نمی کند؛ در ضمن خط ر انفجار بیوگاز کم است و با توجه به وجود گاز دی اکسید کربن
در مخلوط بیوگاز،بعنوان یک ضد آتش عمل می نماید. افزایش دی اکسید کربن ارزش حرارتی و قابلیت اشتعال آنرا . افزایش به شدت کاهش می دهد. لذا با استفاده از فیلترهایی جهت جداسازی دی اکسید کربن
میزان ارزش حرارتی بیوگاز را فزایش می دهند. این مخلوط گازی که از تخمیر مواد زاید آلی در شرایط بیهوازی حاصل می شود دارای 60تا70درصد متان و 30تا40 درصد دی اکسید کربن و مقادیر ناچیزی از گازهای دیگر مانند هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن، منواکسید کربن و سولفید هیدروژن است و همانطور که مشخص است قسمت اعظم اینگاز از متان و دی اکسید کربن تشکیل شده است ولی در عین حال نسبت ترکیبات مختلف آن بستگی به
نوع مواد اولیه و نیز تا حدودی بمیزان حرارت محیط و زمان توقف مواد در مخزن تخمیر دارد . بیوگاز منبع
با ارزشی از انرژی است که اغلب به هدر می رود. اگر متان با ایمنی کامل جمع آوری شود و بدرستی ذخیره
گردد، می تواند منبع مهمی از انرژی باشد . از این گاز می توان بعنوان یک حامل انرژی مستقیماً در تأمین
انرژی حرارتی و روشنایی ساختمانها استفاده نمود یا اینکه جهت تولید برق در ژنراتورهای گازی آنرا بکار
برد.
دستگاه بیوگاز واحدی است که در آن مواد اولیه هضم می شوند و بیوگاز تولید و ذخیره م ی گردد. بطور
کلی ساختمان دستگاه بیوگاز از دو قسمت محفظه تخمیر 1 و محفظه گاز 2 تشکیل شده است که محفظه
تخمیر برای نگهداری مواد اولیه بر اساس ظرفیت دستگاه و مقدار مواد اولیه ساخته م ی شود و محفظه گاز
مخزنی اس ت که جهت نگهداری گاز از آن استفاده می شود. تفاوت عمده دستگاههای بیوگاز در نحوه قرار
گرفتن دستگاه و نحوه استفاده از آن است.
بیوگاز با یک شعله آبی رنگ می سوزد و وقتی با نسبت حجمی 1 به 20 (یک حجم بیوگاز و 20 حجم هو ا) با
هوا مخلوط می شود، بشدت قابل اشتعال بو ده و بعنوان سوختی که هر فوت مکعب آن دارای ارزش حرارتی600BTU(British thermal unit)(151تا1975کیلوکالری می باشد، می تواند به منظور ایجاد حرارت، روشنایی و نیز پخت و پز مورد استفاده قرار گیرد . ارزش حرارتی بیوگاز به درصد گاز متان تولید شده بستگی دارد که آن هم باکیفیت مواد آلی وارد شده به تانک تخمیر دستگاه بیوگاز ارتباط مستقیم دارد و هر چه میزان متان تولیدی
بیشتر باشد، در نتیجه قابلیت سوخت گاز بیشتر م ی شود. در صورتی که مقدار دی اکسید کربن در بیوگاز
بیشتر از 50 درصد باشد، بیوگاز قابل احتراق نیست . این مطلب بیانگر این واقعیت است که روزانه مقادیر قابل توجهی از انرژی نهفته در مواد آلی بدون هیچ گونه استفاد ه ای به ه در می رود؛ لذا با اجرای فراگیر طرح بیوگاز با عنوان گامی نو در صنایع بازیافت می توان با صرف هزینه های اندک به نتایج قابل توجهی دست یافت؛ بنابراین در مناطق دور دست و صعب العبوری که دسترسی به سیستمهای گاز رسانی امکان پذیر نمی باشد، می توان بیوگاز را بعنوان یک منبع سوختی مهم مورد استفاده قرار داد . از میان انواع دستگاههای بیوگاز دو نوع زیر در کشورهای صنعتی و در حال توسعه کاربردهای بیشتری دارد که عبارتند از:
1.دستگاههای بیوگاز با مخزن شناور گاز 1 که در گذشته عمدتاً در هندوستان ساخته می شدند و به نوع
هندی معروف هستند. در این دستگاهها مخزن گاز بطور مستقیم درون پساب مخزن هاضم شناور است. این
دستگاهها معمولاً برای هضم فضولات دامی و انسانی که روزانه به درون دستگاه هاضم وارد می گردند،
ساخته م یشوند و نحوه کار با این نوع دستگاهها ساده است.
2.دستگاههای با مخزن گنبدی ثابت 2 به نوع چینی معروف هستند و گاز در آنها در بالاترین قسمت مخزن
هاضم جمع می گردد. زمانی که تولید گاز آغاز م یگردد، پساپ موجود در مخزن هاضم به سوی حوضچه
خروجی جابجا می شود و هر چه میزان گاز تولیدی بیشتر شود، فشار آن در مخزن افزایش م ییابد.
دستگاههای بیوگاز را م یتوان بر اساس حجم و اندازه آنها به صنعتی و خانگی نیز تقسیم نمود. سیستمهای
خانگی بیشتر در کشورهای جهان سوم متداول شد هاند در حالی که کشورهای صنعتی سیستمهای تجاری و
صنعتی را بیشتر مورد توجه قرار داده اند. هر یک از این دو مدل دستگاه بیوگاز با توجه به شرایط اقلیمی،
اقتضا امکانات مالی و منطقه ای قابلیت کاربرد در مناطق مختلف را دارند. دستگاههای بیوگاز مدل چینی
بدلیل سادگی ساختمان و عدم نیاز به وسایل در ایران نسبت به مدل هندی برای روستاههای ما در اولویت
بیشتری قرار دارد. در اکثر کشورها تحقیقات گسترده ای در زمینه کاربرد بیوگاز در حال انجام است؛ لذا
استفاده از بیوگاز چشم انداز بسیار روشنی را در آینده برای بخش انرژی ترسیم م ینماید. بیوگاز بعنوان
گزینه مناسب بمنظور استفاده در موتورهای احتراق داخلی، پیلهای سوختی، موتورهای گازی، ژنراتورها و...
از پتانسیل بسیار مناسبی برخوردار است.
تشریح واکنش تولید بیوگاز
واکنشهای هضم در دستگاه بیوگاز مشتمل بر یک سری فرایندهای شیمیایی و بیولوژیکی است که در
غیاب اکسیژن و در حضور ارگانیسمهای بیهوازی، آب و دمای 35 الی 70 درجه سانتیگراد، گازی تولید
می شود که بخش عمده ای از آن مخلوطی از گازها ی متان و دی اکسید کربن است . در دستگاههای بیوگاز
واکنشهای تخمیر شامل یک سری فعل و انفعالات شیمیایی بهم پیوسته می باشد که در عین مجزا بودن،
ارتباط تنگاتنگی با یکدیگر دارند . اصول هضم شامل مراحل زیر می باشد که هر مرحله توسط گروه خاصی
از ارگانیسمها انجام می گیرد:
در مرحله اول مرحله مواد آلی پیچیده مانند کربوهیدراتها، چربیها و پروتینها توسط باکتریهای اسید ساز به
مواد آلی ساده مانند قندهای ساده ، اسیدهای چرب و اسیدهای آمینه تبدیل می شوند. این باکتریها مواد پیچیده آلی
را به اسیدهای چرب فرار تجزیه نموده و علاوه بر اس ید استیک و اسید پروپیونیک مقداری آمونیاک و گاز
کربنیک نیز تولید می شود.
در مرحله دوم باکتریهای اسید ساز (اسید لاکتیک، اسید پروپیونیک، اسید استیک و اسید بوتیریک )، مواد
آلی مرکب را به اسیدهای فرار تبدیل می کنند. پروتینها در ابتدا به اسیدهای آمینه و سپس به اسیدهای
فرار شکسته می شوند، کربوهیدراتها در ابتدا به قندهای ساده و سپس به اسیدهای چرب فرار تبدیل شده
می شوند و اسیدهای چرب به اسیدهای چرب فرار تغییر می یابند؛ در ضمن مواد دیگری همانند هیدروژن،
دی اکسید کربن، سولفید هیدروژن، اتانول و مق ادیر بسیار جزیی از گازهای متان، ازت و آمونیاک در این
مرحله بوسیله باکتریهای اسید ساز تولید و آزاد می شوند.
در مرحله سوم باکتریهای متا ن زا، اسیدهای تولید شده در مرحله قبلی را به متان و دی اکسید کربن تجزیه
می کنند. این گروه ، مرکب از تعداد معدودی از باکتریها هستند که رش د و تکثیر آنها به کندی صورت گرفته
و نسبت به محیط خود بسیار حساس است . در دستگاه هاضم که بطور صحیح عمل می کند، تعادل این دو
گروه از باکتریها باید چنان باشد که متان سازها فقط اسیدهایی است که اسیدسازها تولید می کنند، به مصرف
برسانند. برخی دیگر از انواع باکتریه ا نیز هیدروژن و دی اکسید کربن را جهت تولید متان به مصرف
می رسانند. در حقیقت در این مرحله است که فعل و انفعالات اصلی متان زدایی را شامل م یشود.
در یک دستگاه در حال تعادل، متان سازها اسیدهایی را که اسید ساز تولید می کنند، به مصرف می رسانند.
، هنگامی که اسید سازها فعالیت بیشتری نسبت به متان سازها داشته باشندپی اچ محلول کاهش یافته و جلوی
رشد باکتریهای متان ساز گرفته م یشود تا سرانجام عمل هضم متوقف گردد.
گوارش بیهوازی می تواند برای مواد مایع مانند فاضلابها یا برای مواد جامد مانند فضولات دامی و
بقایای گیاهی انجام شود. در هر دو حالت وجود رطوبت کافی و مناسب برای انجام واکنشها الزامی است.
فرایند هضم در راکتورهایی به نام هاضم صورت م یگیرد. دستگاههای بیوگاز را از لحاظ عملکردی به دو
دسته پیوسته 1 و ناپیوسته 2 تقسیم می کنند که در مدل پیوسته ورود مواد هر روز و خروج آنها نیز به ازای
میزان فضولات ورودی همزمان انجام می شود اما در مدل ناپیوسته کل مخزن تخمیر در یک زمان پر و در
زمان دیگری بطور کامل تخلیه می شود.
سلامتی محیط میکروبها برای ایجاد بیوگاز بستگی به فاکتورهای متعددی دارد که همواره باید مورد توجه
قرار گیرد که مهمترین آنها بشرح ذیل می باشند:
1. درجه حرارت محیط تخمیر
37 0C معمولاً دستگاههای بیوگاز در حد فعالیت باکتریهای مزوفیلیک عمل نماید که دمای مطلوب آن
، 70 0C 30 ممکن است دستگاه اسیدی شود و در دمای بالاتر از 0C است. در درجه حرارتهای پایی ن تر از
باکتریها از بین م ی روند؛ از اینرو باکتریهای متا ن زا نسبت به نوسانات سریع درجه حرارت کاملاً حساس بوده
و در تولید بیوگاز تأثیر منفی دارد . درجه حرارت در مخزن تخمیر باعث از بین رفتن بسیاری از باکتریهای
بیماری زا و انگلها می شود.
مرحله سوم مرحله دوم مرحله اول
خاصیت اسیدی یاپی اچ مواد
باکتریهای متان زا که در فرایند تخمیر شرکت م ی کنند نسبت به پی اچ محیط حساسیت دارند و فعالیت این این باکتریها و دیگر ارگانیسمهای بیهوازی در محیطی با پی اچ در حدود 6/8 تا 7/2 امکان پذیر می باشد
. کاهش پی اچ باعث اختلال در زندگی باکتریهای متان زا شده و تولید گاز متان متوقف می شود. در صورتی که محیط قلیایی شودو پی اچ آن بالا برود با ید صبر نمود تا پی اچ محیط دوباره به حالت تعادل برگردد و سپس مواد اولیه را به آن اضافه نمود.
نسبت کربن به ازت مواد
باکتریهای بیهوازی برای زنده ماندن و انجام فعالیتهای خود نیازمند کربن و ازت می باشند. باکتریهای
بیهوازی معمولاً کربن را بعنوان منبع انرژی جهت رشد و نمو و ازت را برای ساختن دیواره سلولی خود
مصرف می کنند. نسبت این مواد در کنترل فعل و انفعالات بسیار مهم است؛ میزان مصرف کربن نسبت به
ازت 30 تا 35 برابر سریعتر می باشد؛ لذا نسبت C/Nموجود در مواد اولیه جهت فعالیت باکتریهای بیهوازی و
سرعت تخمیر و متعاقب آن تولید گاز متان بسیار موثر است. وقتی نسبتC/Nزیاد شود، ازت زودتر از کربن
تمام می شود و کربن باقیمانده باعث اسیدی شدن محیط می گردد و بالعکس زمانی که نسبتC/Nکم شود،
ازت بصورت گاز آمونیاک از محیط خارج و موجب قلیایی شدن محیط می گردد و نیز تولید گاز بعلت عدم
وجود کربن متوقف می شود. در حالت ایده ال این نسبت کربن به ازت در حدود 25 تا 30 می باشد.
4. میزان رطوبت و آب مورد نیاز
میزان آب در مواد اولیه که بایستی مورد تخمیر قرار گیرند در حدود 90 % از وزن کل مواد را تشکیل
می دهد. افزایش و یا کاهش زیاده از حد رطوبت مواد در مخزن تخمیر، تأثیر بسزایی در تولید گاز دارد.
5. درجه غلظت مواد
برای اینکه باکتریها بتوانند مواد آلی را جذب کنند، لازم است که مواد بصورت محلولی رقیق درآیند.
در مخازن بیوگاز بهترین غلظت مواد جهت عملیات تخمیر بیهوازی در حدود 7 الی 9 درصد مواد جامد
می باشد. ازدیاد غلظت مواد موجب افزایش چسبندگی و مانع از رشد باکتریها و کاهش غلظت موجب لایه
لایه شدن محلول می شود که مستلزم همزدن مداوم محلول است. معمولاً مواد اولیه مورد استفاده در تخمیر
بیهوازی غلظت بالایی داشته و لازم است تا با نسبت معینی آب رقیق شوند.
6. عدم وجود عناصر بازدارنده سمی
در غلظتهای زیاد بعنوان بازدارنده تولید Na,Ca,Mg,K,Fe در سیستمهای بیوگاز وجود عناصری مانند
گاز هستند و موجب کندی یا توقف رشد باکتریهای متان زا می شوند؛ اما غلظت کمی از آنها م ی تواند سبب
تحریک رشد باکتریها و افزایش سرعت تولید گاز گردد.
7. مدت زمان ماند مخلوط در مخزن هاضم
این مدت زمان در حقیقت فاصله میان زمان ورود حجم مشخصی از فضولات از طریق لوله ورودی به
مخزن هاضم و زمان خروج آن از طریق لوله خروجی بشمار می آید. زمان ماند بسیار حائز اهمیت است زیرا
چنانچه مواد ورودی به اندازه کافی درون مخزن باقی نمانند و روند هضم و تخمیر کامل نشود، بیوگازی
تولید نخواهد شد؛ در این صورت از آنجایی که مخزن هاضم تنها برای مدت کوتاهی در اشغال حجم معینی
از فضولات ورودی می باشد، عامل مذکور نقشی را در طراحی مخزن هاضم بازی نخواهد کرد. تولید گاز با
افزایش زمان ماند، روند افزایشی دارد؛ بعبارت دیگر تولید گاز متان با زمان ماند طولان یتر بیشتر خواهد
شد.
8. یکنواخت بودن محلول
یکنواخت نگهداشتن محلول از نظر غلظت و درجه حرارت بر روی سرعت تکثیر باکتریها تأثیر مثبت
دارد. همزدن مواد داخل محفظه تخمیر که با افزودن روزانه مواد به محفظه تخمیر صورت می گیرد، موجب
تحریک بیشتر باکتریها و متعاقب آن تولید گاز می شود.
مزایای تولید بیوگاز
فاقد آلودگی زیست محیطی بوده و بدون دود و بو می سوزد.
کمیت و کیفیت نیتروژن موجود در کود حاصل از تأسیسات بیوگاز به مراتب بهتر و غنی تر از کودی
است که از شیوه های متداول از مواد گیاهی بدست می آید.
از نظر اقتصادی پساپ حاصل از مخازن هاضم م ی تواند جایگزین مناسبی برای کودهای شیمیایی
باشد؛ بعلا وه نیتروژن موجود در کود حاصل از فرایند بیوگاز عاری از بوهای زننده است؛ در ضمن
موجب بهبود خاک و افزایش محصولات کشاورزی نیز می گردد.
این گاز احتیاجات سوختی و روشنایی خانوارها را تأمین م ی نماید؛ در ضمن علاوه بر حفاظت از
محیط زیست، موجب صرفه جویی در وقت افراد خانواده جهت تأمین مواد سوختنی نیز می شود.
جایگزین بسیار مناسبی برای سوختهای انرژ ی زا محسوب م ی شود و همواره در دسترس بوده و نیز
اقلیم تأثیر چندانی در کاربری آن ندارد.
یکی از مزایای استفاده از بیوگاز، پایین بودن میزان آلودگی حاصل از سوختن آن در مقایسه با سا یر
سوختهای فسیلی م یباشد.
تأسیسات بیوگاز موجب حفظ مراتع و جنگلها و صرفه جویی در استفاده از سوختهایی همانند چوب،
زغال سنگ یا نفت م ی شود و معمولاً فضولات حیوانی و گیاهی که خطرات جدی را برای سلامتی
بشر بهمراه دارد، به کودهای آلی تبدیل می کنند.
بیوگاز یک منبع سوختی جدیدی جهت مکانیزه کردن کشاورزی و صنایع روستایی محسوب م یشود.
تولید بیوگاز از زبال ههای شهری و کاربرد آن
امروزه با رشد جوامع بشری، توسعه شهرنشینی و پیدایش کلان شهرها، نیاز انسانها به مواد مصرفی
روز به روز بیشتر می شود و زیاد شدن مواد مصرفی موجب افزایش زباله ها می گردد. وجود زباله های شهری
علاوه بر مشکلات شهری، تهدیدات جدی را برای محیط زیست بهمراه دارد. در حال حاضر وجود زباله ها
در کلان شهرهای کشور از معضلات عمده شهرداریها محسوب م یشود؛ در ضمن دفن غیراصولی زباله ها در
کشور تولید شرابه های سمی را بهمراه دارد که احتمال نفوذ و آلوده نمودن آبهای زیر زمینی و نیز تولید
گازهای گلخانه ای از محل دفن زباله ها از خطرات بزرگ زیست محیطی است که در صورت حل نکردن این
معضل، خسارات جبران ناپذیری را در برخواهد داشت و کنترل آن هزینه های زیادی را م یطلبد؛ اما از طرفی
جمع آوری صحیح زباله ها و دفن اصولی آنها علاوه بر کنترل آلودگیهای ناشی از زباله ها و کاهش گازهای
گلخانه ای در راستای اهداف پروتکل کیوتو، پتانسیل بسیار مناسبی از انرژی را بهمراه دارد که از آن در
صنعت و تولید انرژی الکتریکی می توان استفاده نمود و گامی مثبت در جهت رسیدن به صنعت سبز و
توسعه پایدار می باشد.
سالیانه از هر تن زباله شهری مقادیر فراوانی گاز قابل استحصال خواهد بود و افزایش این مقدار با
طراحی و مدیریت صحیح محل دفن زباله ها امکان پذیر است. احتراق گاز قابل استحصال از دفنگاههای
زباله ها دارای آلودگی کمی است و چون دمای شعله این گاز پایین است ، علاوه بر آلودگی پایین میز ان احتراق آن در حدود 60 تا 70 درصد کمتر از احتراق گاز طبیعی خواهد بود. با توجه به این مسئله که گازهای حاصل از مراکز دفن زبا له جزء سوختهای تجدیدپذیر به حساب م ی آید، لذا صاحبان این مراکز می توانند از
معافیتهای مالیاتی استفاده فراوانی کنند و این امر باعث ایجاد انگیزه بیشتر برای استفاده از این انرژی می شود.
طی سالیان اخیر د ر بسیاری از کشورها تکنولوژی بیوگاز بسیار مورد توجه قرار گرفته است و از گا ز حاصل
از دف نگاههای زباله برای تول ید الکتریسیته استفاده م ی کنند. گروهی از کشورها پا را از این مرحله نیز فراتر
گذاشته و بدنبال آن هستند که از گاز حاصل از مراکز دفن زباله در تکنولوژی پیل سوختی استفاده نمایند تا
بدین وسیله ارزش افزوده محصول تولیدی را بالاتر برند. بخشهای دولتی و خصوصی امتیاز �
Biogas promotion poster produced by the Khadi and Village Industry Commission
Mahatma Gandhi, in his vision for India, envisaged a system of devolved, self-sufficient communities, sustaining their needs from the local environment, and organising income generating ventures around co-operative structures. Fifty years on, and Gandhi's vision of Swadeshi (self-sufficiency) for India, despite interpreted by some as a romantic and bucolic notion, is perhaps more urgent than ever. Diminishing forests, and a burgeoning, mainly rural biomass-dependent population of 984 million, necessitates a co-ordinated effort of rural India to supply itself with a dependable and sustained source of energy.
Biomass alone currently meets 57% of the national energy demand, (Tata, 1998) yet is rarely featured in any 'official' statistics of energy use, given perhaps its scattered nature, and its low status as fuel. Indeed, according to statistics, in 1995, 63.3% of India's energy production was from its reserves of low-grade coal, 18.6% from petroleum, while hydroelectricity, natural gas and nuclear accounted for 8.9%, 8.2%, and 1% respectively (EIA, 1998).
India's overall energy production in 1995 was approximately 8.8 quadrillion Btu (quads), while consumption was 10.5 quads. India's energy demand is increasing, and its inability to step up production to meet demand, has increased India's reliance on costly imports, the gap between consumption and production projected to widen into the next century, as demand for energy is projected to grow at an annual rate of 4.6% - one of the highest in the world (EIA, 1998). Energy for developing industries, transport, and a drive towards the electrification of India over the last three decades of an expanding residential sector, so that currently, a great percentage of villages in the subcontinent have access to the grid- as much as 90%, according to recent figures (EIA, 1998), have contributed to the energy production deficit.
However, as mentioned earlier, the conventional statistics do not take into account the informal and unorganised use of biomass, which is reputed to account for 57% of total energy, therefore, effectively energy from biomass more than equals the marketable energy production of 8.8 quads (However, given the inherent difficulty in estimating such a figure, there must be a wide margin of error, potentially). Fuelwood is the primary source of biomass, derived from natural forests, plantations, woodlots and trees around the homestead (Agarwal, 1998). Alarm regarding the state of India's forests, which were being lost at an estimated rate of 1.5 million hectares (Mha) in the early 1980's has kick started an intense afforestation and forest regeneration scheme that attempts to share management of forest resources between the forest department and local user communities. Afforestation appears to be showing up on satellite images on the subcontinent (Hall and Ravindranath, 1994), but whether ultimately, more fuelwood will be available to rural communities, will be more a political question.
| Table 1: The estimated potential of various RES technologies in India (Tata 1998) | |
|
Source / System |
Approximate Potential |
| Biogas plants (in millions)
Improved woodstoves (in millions) Biogas (MW) Solar energy (MW / km2) Wind energy (MW) Small hydro power (MW) Ocean energy (MW) |
12 120 17,000 20 20,000 10,000 50,000 |
In an attempt to stem the projected deficit between production and consumption, particularly for the increasing residential sector, which accounts for approximately 10% of total energy use, and provide for an expanding rural sector, the government is pursuing alternative measures of energy provision. Renewable energy potential is high on the subcontinent. Table 1, above, lists the estimated potential of various renewable energy sources. Energy from solar, wind, hydro and ocean all have a significant future potential to play in a mixed energy production scenario. However, of particular interest here, in the context of providing a devolved, sustainable energy supply for the burgeoning rural sector in India, is the potential of biogas; the gas created as a product of anaerobic digestion of organic materials.
The government views biogas technology as a vehicle to reduce rural poverty, and as a tool in part of a wider drive for rural development. Alternative energy options are promoted by The Indian Renewable Energy Development Agency (IREDA), which operates under the Ministry of Non-Conventional Energy Sources (MNES). To promote and disseminate information about biogas technology specifically, the government has organised the National Project on Biogas Development nation-wide, and several NGO's have been active in implementing the programme on the ground. Active dissemination is also undertaken by the Khadi and Village Industries Commission (KVIC), in the context of rural development from small-scale income generating opportunities.
Currently, there are thought to be about 2.5 million household and community biogas plants installed around India (Dutta et al, 1997), though table 1 estimates that 12 million could be usefully employed. This essay will critically examine the drive to provide rural India with an 'appropriate' energy source, with particular reference to the rural poor. The potential benefits of biogas in a rural economy will be outlined, followed by the biological and biochemical foundations of methanogenesis, and the evolution of biogas technology. Case studies from different parts of India will be considered, from construction of biogas plants, to their long term functioning amongst the communities they are designed to serve.
The enormous potential of biogas, estimated at 17,000 MW can be seen from table 1. The capacity was derived principally from estimated agricultural residues and dung from India's 300 million cattle. Biogas technology may have the potential to short-circuit the 'energy transition' Leach (1987) describes from biomass to 'modern' fuels. Biogas technology is a particularly useful system in the Indian rural economy, and can fulfil several end uses. The gas is useful as a fuel substitute for firewood, dung, agricultural residues, petrol, diesel, and electricity, depending on the nature of the task, and local supply conditions and constraints (Lichtman, 1983), thus supplying energy for cooking and lighting. Biogas systems also provide a residue organic waste, after anaerobic digestion, that has superior nutrient qualities over the usual organic fertilizer, cattle dung, as it is in the form of ammonia (Sasse et al, 1991). Anaerobic digesters also function as a waste disposal system, particularly for human waste, and can, therefore, prevent potential sources of environmental contamination and the spread of pathogens (Lichtman, 1983). Small-scale industries are also made possible, from the sale of surplus gas to the provision of power for a rural-based industry, therefore, biogas may also provide the user with income generating opportunities (KVIC, 1993). The gas can also be used to power engines, in a dual fuel mix with petrol (Jawurek et al, 1987) and diesel (KVIC, 1993), and can aid in pumped irrigation systems.
Apart from the direct benefits gleaned from biogas systems, there are other, perhaps less tangible benefits associated with this renewable technology. By providing an alternative source of fuel, biogas can replace the traditional biomass based fuels, notably wood. Introduced on a significant scale, biogas may reduce the dependence on wood from forests, and create a vacuum in the market, at least for firewood (whether this might reduce pressure on forests however, is contestable).
What is more certain, is the impact on rural womens' lives. Promoted by KVIC, and other bodies as 'eliminating drudgery of women' (see frontispiece), a regular supply of energy piped to the home reduces, if not removes, the daily task of fuelwood gathering, which can, in areas of scarcity, be the single most time consuming task of a woman's day - taking more than three hours in some areas (Lewanhak, 1989). Freeing up energy and time for a woman in such circumstances often allows for other activities, some of which may be income generating. Additional knock on benefits in this context, apart from a positive contribution to the household economy, may be an increase in personal status, both within the family, and the wider community, and a greater role in decision making; no small feat in the traditional gender power imbalance, characteristic of rural India. Alternatively, the saving, in terms of energy can perhaps contribute to a reduction in the gender difference in terms of food intake and proportion of energy expended in labour, which, according to Revelle (1976) is higher for a woman (over 15 years) at 44%, but lower in males at 38%. However, more likely is that a woman's energy will be directed in other areas.
A clean and particulate-free source of energy also reduces the likelihood of chronic diseases that are associated with the indoor combustion of biomass-based fuels, such as respiratory infections, ailments of the lungs; bronchitis, asthma, lung cancer, and increased severity of coronary artery disease (Banerjee, 1996). Benefits can also be scaled up, when the potential environmental impacts are also taken into account; significant reductions in emissions associated with the combustion of biofuels, such as sulphur dioxide (SO2), nitrogen dioxide (NO2), carbon monoxide (CO), total suspended particles (TSP's), and poly-aromatic hydrocarbons (PAH's), are possible with the large-scale introduction of biogas technology.
The use of biogas systems in an agrarian community can increase agricultural productivity. All the agricultural residue, and dung generated within the community is available for anaerobic digestion, whereas previously, a portion would be combusted daily for fuel. Therefore more is returned to the land. Moreover, as mentioned earlier, the slurry that is returned after methanogenesis is superior in terms of its nutrient content; the process of methane production serves to narrow the carbon:nitrogen ratio (C:N), while a fraction of the organic nitrogen is mineralised to ammonium (NH4+), and nitrate (NO3-), the form which is immediately available to plants. According to Sasse et al (1991), the resulting slurry has double the short-term fertilizer effect of dung, while long term fertilizer effects are cut by half. However, in the tropics, the short term effects are the most critical, as even the slow degrading manure fraction is quickly degraded, due to rapid biological activity. An increase in land fertility, then, can result in an increase in agricultural production. The knock on benefits may include improved subsistence, increased local food security, or income generation from a higher output.
Biogas systems, then, offer an integrated system that lends itself to a rural setting; the plants can be maintained with a variety of organic residues, from humans, animals, crops and domestic food waste. Indeed, biogas plants could also be usefully employed in an urban environment also. Ranade et al (1987) successfully maintained a biogas plant of 25 litres capacity, fed with market waste, in Pune, western India and suggest such a system to be a viable option for solid waste disposal in areas of rapid urbanisation. Although this essay is more concerned with biogas in rural areas, the example does, nonetheless, demonstrate the potential of biogas technology and its multifunctional and flexible applications.
Integral to biogas technology also, and the philosophy it represents, namely Swadeshi, is the requirement of devolved, and self-reliant communities to manage the systems. This may seem a rather obvious point to make, but necessary nonetheless. For biogas systems to be truly viable and workable in rural India, demands the technology to be preferably generated from within the community. As will be seen later, this may not always be possible logistically, amongst other reasons. If not actually produced from the community it is to serve, then the technology must be amenable and possible to manage and modify by individuals within the community, preferably the plant owner, and reliance on 'outside' assistance kept to a minimum. Without this basic requirement being fulfilled, biogas technology will not be a truly viable option for meeting India's rural energy demands. With this in mind, the government agencies involved in designing biogas plants have attempted to create plants that could be maintained locally. Although the designs have evolved over the last forty years since their inception which will be outlined later, the microbial processes around which they are built, methanogenesis, remains the same.
Methanogenesis is a microbial process, involving many complex, and differently interacting species, but most notably, the methane-producing bacteria. The biogas process is shown below in figure 1, and consists of three stages; hydrolysis, acidification and methane formation.
Figure 1: The process of methanogenesis (After GTZ, 1999).
In the first stage of enzymatic hydrolysis, the extracellular enzymes of microbes, such as cellulase, protease, amylase and lipase externally enzymolize organic material. Bacteria decompose the complex carbohydrates, lipids and proteins in cellulosic biomass into more simple compounds. During the second stage, acid-producing bacteria convert the simplified compounds into acetic acid (CH3COOH), hydrogen (H2), and carbon dioxide (CO2). In the process of acidification, the facultatively anaerobic bacteria utilise oxygen and carbon, thereby creating the necessary anaerobic conditions necessary for methanogenesis. In the final stage, the obligatory anaerobes that are involved in methane formation decompose compounds with a low molecular weight, (CH3COOH, H2, CO2), to form methane (CH4) and CO2 (Gate, 1999).
The resulting biogas, sometimes referred to as 'gobar' gas, consists of methane and carbon dioxide, and perhaps some traces of other gases, notably hydrogen sulphide (H2S). Its exact composition will vary, according to the substrate used in the methanogenesis process, but as an approximate guide, when cattle dung is a major constituent of fermentation, the resulting gas will be between 55-66% CH4, 40-45% CO2, plus a negligible amount of H2S and H2 (KVIC, 1993). Biogas has the advantage of a potential thermal efficiency, given proper equipment and aeration, of 60%, compared to wood and dung that have a very low thermal efficiency of 17% and 11% respectively (KVIC, 1993).
Methanogenesis or more particularly, the bacteria involved in the fermentation process are sensitive to a range of variables that ultimately determine gas production, and it is worth briefly outlining these factors. Temperature is perhaps the most critical consideration. Gasification is found to be maximised at about 35oC, and below this temperature, the digestion process is slowed, until little gas is produced at 15oC and under. Therefore in areas of temperature changes, such as mountainous regions, or winter conditions that may be more accentuated inland, mitigating factors need to be taken into account, such as increased insulation (Kalia, 1988), or the addition of solar heaters to maintain temperatures (Lichtman, 1983).
Loading rate and retention period of material are also important considerations. In the KVIC model, retention ranges between 30-55 days, depending upon climatic conditions, and will decrease if loaded with more than its rated capacity (which may result in imperfectly digested slurry). KVIC state that maximum gas production occurs during the first four weeks, before tapering off, therefore a plant should be designed for a retention that exploits this feature. Retention period is found to reduce if temperatures are raised, or more nutrients are added to the digester. Human excreta, due to its high nutrient content, needs no more than 30 days retention in biogas plants (KVIC, 1983).
Other factors likely to affect methanogenesis are pH; gas production is found to decrease with increasing acidity, and can result from over-loading the plant, which may stimulate the more fecund acidophiles, at the expense of the more tardy methane-producing microbes. Improved nutrient content, also, as mentioned above will increase the digestion process, and can be manipulated by the addition of animal (and male human) urine, while toxic substances, such as heavy metals may inhibit gas production (KVIC, 1983).
Understanding the process of methanogenesis allows manipulation, which can serve to maximise gas production in the field. Workers over the last twenty years have experimented with the digestion process, and have made strides in increasing gas yields, using techniques that can be similarly employed in a rural environment. Sharma et al (1988), have shown that biogas generation is increased when the particle size of organic material is small, in this case, less than 1mm. The workers recommend that a physical pre-treatment, such as grinding would improve a system's performance, and could also reduce the size of digester needed. A manual machine for physical pre-treatment of material would be a viable piece of equipment in a rural environment; indeed, there may be a similar piece of equipment already in use.
Other workers have found that biogas production is accelerated by the presence of metal ions in biomass (Geeta et al, 1990). The species principally researched was water hyacinth (Eichornia crassipes Solms.), which flourishes in eutrophic water bodies. The plant characteristically grows at high densities, which often leads to clogging, and is therefore considered an environmental pest. Water hyacinth, however, also concentrates nickel from eutrophic environments, upto 0.27 kg h/day, which, when mixed with bovine excreta upto 25 parts per million (ppm) was found to enhance gas production by 40%. The use of E. crassipes in biogas systems can both increase gas production, and contribute to environmental management, by way of controlling a pest.
Research in other areas has focused on the composition on the substrate, and its effect on gas production. Habig (1985), fermented a range of organic materials from marine macroalgae to vegetables and discerned that carbohydrate and protein are the principal components utilised during methanogenesis.
Such work is invaluable in enabling a sound management and manipulation of methanogenesis, and can be of use to users in a rural environment.
The evolution of biogas technology
Biogas plants in India were experimentally introduced in the 1930's, and research was principally focused around the Sewage Purification Station at Dadar in Bombay, undertaken by S.V. Desai and N.V. Joshi of the Soil Chemistry Division, Indian Agriculture Research Institute, New Delhi. The early plants developed were very expensive and were not cost effective in terms of the gas output, indeed the early models were not producing enough gas to supply a small family (KVIC, 1993). Some of the early models were also prone to burst, so overall, the technology was not viable for dissemination.
Over the next twenty years, Jashbhai Patel designed and made several small-scale biogas digesters, envisaging farm labourers as the user. Although other individuals and institutions were also designing biogas plants, in 1961 the Khadi and Village Industry Commission chose to promote Patel's design, which, although more costly than other models, was more productive, had a longer life, and required minimal maintenance (KVIC, 1993).
The basic plant, which came to be known as the KVIC model, consists of a deep well, and a floating drum, usually made of mild steel. The system collects the gas, which is kept at a relatively constant pressure. As more gas is produced, the drum gas holder consequently rises. As the gas is consumed, the drum then falls. The biomass slurry moves through the system, as the inlet is higher than the outlet tank, creating hydrostatic pressure. Only completely digested material can flow up a partition wall, which prevents fresh material from 'short-circuiting' the system, before flowing into the outlet tank. Dimensions of the plants depend upon the energy requirements of the user (Lichtman, 1983). The basic system can be seen in figure 2a. By the early1980's, there were thought to be about 80,000 systems built by KVIC.
Figure 2a: The KVIC floating drum model (Lichtman, 1983)
Figure 2b: The Camartec fixed dome model (Sasse et al, 1991)
Research into anaerobic digesters continued around the country, and the Planning Research and Action Division (PRAD) based in Uttar Pradesh, northern India developed the 'Janata' fixed-dome plant, based on a modified design widely used in China. Key features of the Janata model, is the fixed-dome, in contrast to the floating dome of the KVIC model. With this design, the inlet and outlet tank volumes are calculated for minimum and maximum gas pressures based on the volumes displaced by the variation of gas and slurry within the system (See figure 2b). The Janata system is about 30% cheaper to construct than a KVIC model of the same capacity with added advantages that there are no moving parts, making local construction possible and maintenance easy. Lichtman (1983) notes that savings may diminish with scale with this design, so Janata may be more appropriate for small-scale users. One disadvantage with the fixed-dome design is that gradual accumulation of sludge is likely within the system, making periodic cleaning necessary. In china, where similar designs are widely used, small birds in cages are placed inside the digesters prior to human attempts at entry. In a variation of the canary and mining scenario, if the canary lives, it is assumed that there is no concentrated CH4, which is highly toxic and potentially explosive, and hence safe for humans (Lichtman, 1983).
Anaerobic digester design has continued to evolve over the years, but systems are generally variations around the theme of the floating-dome and the fixed-dome design. Often construction materials vary, or loading positions differ. Table 2, below, shows some of the most common biogas plants that are recognised by the government.
| Table 2: Different types of biogas plant recognised by MNES (Ministry of Non-Conventional Energy Sources). After Gate, 1999. |
|
The discussion so far has highlighted the potential contribution of biogas systems in a rural, Indian economy. Although the systems evolve through a process of research and development, the critical test of their appropriateness, and ultimate usefulness, is their application in the field.
Dissemination of biogas systems:
Since the 1960's, biogas systems have been implemented in India, but it was in 1981 with the beginning of the sixth 5-year Plan, and the formation of the National Project for Biogas Development (NPBD), when the drive to step up dissemination was taken, perhaps also reflecting the alarm of fuelwood shortages at the time.
Currently, there are thought to be about 2.5 million biogas plants installed around the country (Dutta et al, 1997), though the potential of large-scale implementation of biogas technology remains unrealised. According to MNES, in 1991, the use of electricity for cooking, which includes biogas, only accounted for about 2% and 3% for rural and urban areas respectively, and sharply demonstrates the continued minority status of this alternative fuel.
The Tata Research Institute, New Delhi, estimates that 12 million biogas systems in total could be installed over the subcontinent, while GATE, an alternative energy NGO based in Germany, estimates the total potential number of plants that could usefully be employed to be 30 million household-size, and nearly 600,000 community-size plants, one for each village. However, it is not clear on what data these estimates are based on.
Nonetheless, there is still enormous potential for biogas technology, and the government continues in its drive for more widespread implementation. However, for biogas to be considered as a viable source of fuel, depends not only on an effective dissemination programme, and extension, but also upon the success of existing plants in the field. Although literature could not be found regarding the success rate of the 2.5 million biogas plants installed to date, e.g., how many are fully operational, which may be indicative of a lack of consequent monitoring, it would be instructive to examine the implementation of biogas systems in rural India, to determine how the technology has been received on the ground.
Implementation of biogas technology is overseen centrally by MNES, but actual dissemination is devolved to the individual state governments, public corporations, such as KVIC, the National Dairy Development Board (NDDB), and also NGO's. Although there will be differences between states, the general approach to disseminate biogas technology is based on a system of subsidies and concessions, to encourage uptake.
Subsidies are granted on plants upto 10m3 (a large family-sized system), and usually for the models recognised by the government, as listed in table 2, though there may be regional differences. Allowances are paid towards investment costs, to every user and for every biogas plant that is installed, in what may be interpreted as a measure of intent to promote biogas technology, and perhaps the most critical instrument in determining initial uptake. The extent of the allowance is dependent on the size of plant, socio-economic status of the user, and geographical region, according to rules worked out by central government. India has been divided into three areas according to altitu
