کتاب استحصال گاز متان از محل دفن زباله

مقدمه مولف

جهان صنعتی امروز مدام در حال پیشرفت است و کمبود انرژی ایجاد بحران کرده است. یکی از منابعی که در ایران کمتر به آن توجه شده است، بازیابی گاز متان از منابع غنی محل های دفن زباله کشور است. طبق استاندارد سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا این منبع انرژی (متان از محل دفن) تنها گونه از منابع تجدیدپذیر است که خود به واسطه حذف آلودگی ایجاد می شود.
در شرایط ایده آل گازهای تولیدی از زباله محل دفن باید به اتمسفر رها شده یا در محل های دفن برای تولید انرژی جمع آوری گردد. گازهای تولیدی در محل های دفن، پس از استحصال و تصفیه قادرند به طور مستقیم انرژی مورد نیاز در صنعت، نظیر روشنائی، تامین انرژی مورد نیاز توربین های گازی و موتورهای تولید برق و حتی در راه اندازی واحدهای تولید همزمان حرارت و برق مورد استفاده قرار گیرند. نخستین گام در تبدیل گاز محل دفن به انرژی مفید، جمع آوری و استخراج آن است. گام بعدی هدایت گازهای جمع آوری شده به ایستگاه مرکزی یا نقاط تجمع می باشد و پس از آن واحد پالایش و بهسازی گاز و در نهایت واحد تولید انرژی قرار می گیرد.
در سال های اخیر پروژه محل دفن شامل تجهیزاتی برای کنترل و انتقال گاز و استفاده از انرژی مربوط به بیوگاز می باشد. گاز محل دفن از انجام مجموعه ای از واکنش های زیست شیمیائی بر روی مواد آلی تجزیه پذیر موجود در زباله در شرایط بی هوازی به دست می آید و این گازها شامل متان، کربن دی اکساید و گازهای هیدروژن، هیدروژن سولفاید، ترکیبات آلی فرار و... می باشد. ارزیابی و پیش بینی نرخ تولید و انتشار گاز از محل های دفن، جهت طراحی این محل ها و بهره برداری موفق گازهای تولیدی به عنوان منابع انرژی دارای اهمیت زیادی می باشد.
به هر حال با توجه به رویکرد جهان در ارتباط با استفاده از انرژی های نو و تجدید شونده به غیر از نفت و گاز، لزوم سرمایه گذاری دراین بخش احساس می شود. امید است این مجموعه بتواند گامی هر چند کوچک جهت اعتلای تکنولوژی بهره برداری از این منبع انرژی باشد.
در پایان از زحمات استاد گران قدر و پیر محیط زیست ایران جناب آقای دکتر قاسمعلی عمرانی و جناب آقای دکتر محمدرضا خانی و همچنین مدیریت محترم انتشارات آوای قلم جناب آقای مهندس مهدی خانی و کلیه دوستان و عزیزانی که در تهیه این مجموعه مرا یاری کردند، نهایت سپاسگزاری را دارم.
بی شک این مجموعه خالی از اشکال نمی باشد، لذا از کلیه اساتید و دانشجویان و دست اندر کاران این بخش، خواهشمنداست مراتب را با دفتر نشریه در میان بگذارند.

حرف های ما هنوز ناتمام... تا نگاه می کنی وقت رفتن است، باز همان حکایت همیشگی!
آی... ای دریغ و حسرت همیشگی! ناگهان چقدر زود دیر می شود...

محسنی

مقدمه ناشر

سپاس بیکران پروردگار را که به انسان قدرت اندیشیدن بخشید، قدرتی که در مقایسه با سایر موجودات باعث شده است که انسان هرگز به امکانات محدود خود اکتفا نکند. مکاتب الهی، انسان را موجودی کمال طلب و پویا می‎دانند که جهت گیری او به سوی خالقش می باشد.
از جمله راههای تقرب به خداوند علم است، علمی که زیبایی عقل است. علمی که در دریای بیکران آن هر ذره نشانی از آفریدگار است و هر چه علم انسان افزون گردد، تقربش بیشتر می‎شود. از این روست که به علم اندوزی و دانش آموزی توجهی بی نظیر مبذول گردیده است. اما علم آموزی به ابزاری نیاز دارد که مهمترین آن کتاب است و انتشار نتیجه مطالعات پژوهشگران و اندیشمندان پاسخگوی این نیاز خواهد بود.
جهت تحقق این امر و گام برداشتن در جهت ارتقای پایه های علم و دانش و رشد و شکوفایی استعدادها انتشار کتاب را یکی از اهداف خود قرار داده و انتظار داریم با حمایت های معنوی هموطنان گرامی بتوانیم گامهای موثر و ارزشمندی را برداریم. گرچه تلاش خواهد شد در حد دانش و تجربه اندکمان کارهایی بدون اشکال تقدیم حضورتان گردد، ولی اذعان داریم که راهنماییهای شما عزیزان می‎تواند ما را در ارتقای کیفی کتاب راهگشا باشد لذا همیشه منتظر پیشنهادات و راهنماییهای شما خواهیم بود.
در پایان از همه عزیزانی که در مراحل مختلف تهیه، تدوین و چاپ کتاب از همفکری و همکاری آنها برخوردار بوده ام بخصوص خانم نرگس محسنی غریبدوستی (مولف) و آقای مهندس علی محمد خانی (مدیر فروش) سپاسگزاری نموده و موفقیت روزافزونشان را آرزومندم.

مهدی خانی

مدیر مسئول انتشارات آوای قلم

فصل اول: کلیات گاز متان

۱-۱ مقدمه

محل دفن زباله نقش مهمی را در شبکه دفع زباله بازی می کند و جزء اساسی استراتژی جدید مدیریت جامع مواد زائد جامد، محسوب می شود. در سال های اخیر پروژه های محل دفن معمولاً شامل تجهیزاتی برای کنترل انتشار گاز و استفاده از انرژی تولیدی آن می شود.
گاز تولید شده درمحل دفن (LFG)(۱) ناشی از پروسه جابجائی توده است. زباله در محل دفن دستخوش تغییرات بیولوژیکی، شیمیایی و فیزیکی در مراحل جامد (زباله)، مایع (شیرابه) و گاز می شود. بررسی هایی که در این مورد انجام شده اند، نشان می دهد که یک ماه پس از دفن، شرایط بی هوازی بر فرایند اغلب واکنش ها غالب خواهد شد. در طی این واکنش ها، اسیدهای چرب و هیدروکربن ها به طور عمده تجزیه و به آب و گازهای متان و دی اکسید کربن تبدیل خواهند شد. این گاز در اثر واکنشهای زیستی بر روی مواد آلی تجزیه پذیر زباله شهری پدید می آید و از آنجا که حدود ۵۵ تا ۶۰ درصد از آن را متان تشکیل می دهد، می تواند به عنوان یک منبع انرژی مورد استفاده قرار گیرد [عدل، مهرداد و همکاران، ۱۳۷۹].
ترکیبات عمده گاز محل دفن (متان و کربن دی اکساید) حاصل پروسه های بیولوژیکی می باشند. گازهای دیگر شامل آمونیوم، کربن منواکساید، هیدروژن، هیدروژن سولفاید، نیتروژن و اکسیژن می باشد. در سال ۱۷۷۶ میلادی، الکساندر ولتا نتیجه گرفت که بین مواد آلی فسادپذیر و میزان گاز قابل اشتعال رابطه مستقیمی وجود دارد.
مطالب فوق بدان معنی است که مهار گاز LFG از دیدگاه زیست محیطی یک اجبار است. امروزه تکنولوژی گاز محل دفن یک تکنولوژی تائید شده است.
بر اساس بررسی های موجود در ایران در سال ۱۳۷۸ شمسی، به طور متوسط روزانه رقمی حدود ۳۲ هزار تن زائدات جامد شهری تولید می شود که ۷۰% آن را زائدات فسادپذیر با قابلیت تولید گاز متان را تشکیل می دهد. دفن بخش عمده ای از زائدات جامد تولید شده در بخش های خانگی و صنعتی در مکان های نامناسب و تخلیه قسمتی از آن ها در حاشیه آب های سطحی، امکان آلودگی منابع آبی کشور به خصوص آب های زیرزمینی را افزایش می دهد [دومین گزارش وضعیت محیط زیست ایران، ۱۳۸۴]. این در حالی است که با مدیریت مناسب پسماند، ضمن بازیافت مواد زائد جامد در بخش های مختلف از جمله استحصال متان، می توان از گسترش آلودگی جلوگیری نمود.

۱-۲-۱ سابقه استحصال گاز متان از محل دفن و استفاده از آن در ایران

در ایران قدمت استفاده از بیوگاز به سه قرن قبل بر می‎گردد. متاسفانه تولید بیوگاز غیر از احتمالاتی که به استفاده از سوخت متان در حمام شیخ بهایی اصفهان نسبت داده‎اند، سابقه دیگری از آن وجود ندارد؛ لیکن در سالهای اخیر برخی سازمان ها و ارگان های دولتی فعالیت هایی را در این زمینه آغاز نموده‎ و تا حدود زیادی پیشرفت داشته‎اند و اهمیت این فناوری در ابعاد مختلف بهداشتی، اجتماعی و اقتصادی مورد بحث قرار گرفته و بخشی از برنامه‎های توسعه کشور نیز مباحثی را در چارچوب انرژی در برگرفته‎ اند [عمرانی، قاسمعلی، ۱۳۷۵]. طبق اطلاعات به دست آمده، پتانسیل استان های مختلف کشور جهت تولید گاز LFG در تحقیقی با عنوان «برآورد قابلیت تولید گاز از محل های دفن شهری برای استان های ایران» مورد مطالعه قرار گرفته است. این نتایج بیانگر آن است که براساس آنالیز زباله شهرهای مختلف، امکان استحصال حجم قابل توجهی از بیوگاز (تولیدی از زباله های شهری) در کشور وجود دارد. این تحقیق تاکید دارد که با استفاده از یکسری روش هایی می توان حتی حجم گاز تولیدی از مراکز دفن را نیز افزایش داد. با وجود پتانسیل یابی فوق، تاکنون در هیچ یک از مراکز دفن زباله کشور، از گاز حاصل از زباله ها استفاده صنعتی نشده است و در حال حاضر تنها در پنج شهر شیراز، مشهد، اصفهان، کرج و تهران به جمع آوری قسمتی از این گاز اقدام شده و ادامه کارها جهت استفاده از این گاز بسیار کند پیش می رود. به جز تهران که چاه هایی برای خروج گاز تعبیه شده است در سایر شهرهای مذکور از طریق لوله کشی افقی و عمودی برای این منظور صورت گرفته است.
در کشور ما روزانه بیش از ۳۸ میلیون کیلوگرم زباله خانگی تولید می شود که از این مقدار کمتر از ۳/ ۲۹% در شهرهای اصفهان، مشهد، تهران به کود کمپوست تبدیل می شود. در سایر شهرهای کشور زباله های شهری به نحو غیر عملی دفع می شود که جنبه های مختلف حیات محیط زیست کشور را تهدید می کند. ساده ترین خسارت مکان های دفن زباله های شهری به محیط زیست، ورود میلیون ها متر مکعب گاز متان حاصل از تجزیه بی هوازی مواد آلی زباله ها به اتمسفر است. طبق اطلاعات موجود هر تن زباله شهری در مکان های دفن سالانه ۱۳ /۳۳ متر مکعب گاز تولید می کند. بر این اساس روزانه در کشور بیش از ۵۱۰ هزار متر مکعب و سالانه در حدود ۱۸۵ میلیون متر مکعب گاز از مکان های دفن به اتمسفر رها می شود.
در صورت مدیریت صحیح، قابلیت تولید ۹۶۵ میلیون مگاوات ساعت انرژی برق وجود دارد. این در حالی است که گاز متان تولیدی در مکان های دفن زباله علاوه بر اینکه یک گاز گلخانه ای است و باعث گرم شدن کره زمین می گردد، در ترکیب با ترکیبات هالوژنه به ویژه کلر، تولید کلر و متان هالومتان نموده که باعث تخریب لایه ازن استراتوسفر می گردد. بر این مبنا گاز متان حاصل از محل دفن زباله های شهری حداقل دو خسارت عمده به محیط زیست وارد می کند. این گاز به مدت ۸ تا ۱۱ سال در اتمسفر باقی می ماند و در نهایت به وسیله رادیکال های هیدروکسید، اکسیده می شود و از اتمسفر خارج می گردد. غلظت گاز متان از ۲۰۰ سال گذشته به این طرف به شدت افزایش یافته، به طوریکه سالانه حداقل به میزان ۲% غلظت آن افزوده می شود. قابل توجه اینکه گاز متان در مقایسه با کربن دی اکساید بیش از ۲۵ برابر باعث گرم شدن کره زمین می گردد.

۱- ۲-۲ سابقه استحصال و بهره برداری گاز متان از محل دفن در جهان

کنترل گاز محل دفن در اواخر دهه ۱۹۶۰ و اوایل دهه ۱۹۷۰ در ایالات متحده، در جائی که محل های دفن عظیمی به وجود آمده بودند، شروع شد. اولین دستگاه در اروپا در کشور آلمان در اواسط دهه ۱۹۷۰، با کمک تجربیات زیاد ایالات متحده، بکار گرفته شد. سپس تکنولوژی محل دفن به تمام اروپا و سایر کشورها گسترش یافت. بیشتر اطلاعات استفاده شده در فاکتورهای انتشار گاز محل دفن بر پایه اطلاعات دهه ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ می باشد.
در آمریکا ۲۳۲ میلیون تن زباله شهری در سال ۲۰۰۰ میلادی تولید می شد که ۵۵% دفن می شدند [USEPA,۲۰۰۲]. به گزارش سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا از زباله های شهری که هر ساله دفن می شدند ۵۰% آنها به محل دفن هایی که مجهز به کنترل گاز بودند، برده می شدند. نیمی از گاز تولیدی در بحث تکنولوژی های بازیافت و سیستم های روشنائی استفاده می شدند یا در مبدل های برق بکار می رفتند (بویلرهاو موتورهای احتراقی داخلی و توربینها).
در آلمان، بکارگیری از گاز با استفاده حرارتی مستقیم (بطور مثال در صنعت) و تولید برق با استفاده از موتورهای گازی، شروع شد. اپراتورهای محل دفن با مسائل خورندگی جدی ایی روبرو بودند. همچنین دریافتند که تعداد زیادی از ترکیبات کم اهمیت آلی در محل دفن وجود دارند که در خورندگی تجهیزات موثرند.
در ابتدا استاندارد کنترل انفجار وجود نداشت، بعدها مقرراتی راجع به طراحی، ساختن و عملیات استخراج و بهره برداری از تجهیزات محل دفن به وجود آمد که این امر اقتصاد استفاده از گاز را تحت تاثیر قرار داد. سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا در ماه مارس ۱۹۹۶ قوانین جدیدی را برای مراکز دفن زباله های شهری به تصویب رساند و بر این اساس تعداد مراکز دفنی که باید گاز LFG خود را جمع آوری و کنترل نمایند، افزایش یافت. بطوریکه امروزه در ایالات متحده، استفاده از گازهای محل دفن به عنوان یک تجارت بزرگ محسوب می شود. در آلمان نیز بر استفاده تجاری از گاز محل دفن تاکید می شد، تا وقتی که نتوانستند سود کلانی به دست آورند و این موضوع رها شد. اقتصاد استفاده از گاز محل دفن به طور تنگاتنگ به قیمت های انرژی مربوط می شود و اصولاً مهمترین جنبه انرژی های نو، تولید برق می باشد.
دلایل حذف و استفاده از گاز محل دفن متنوع است. در حالیکه در برخی از ایالات آمریکا حذف گاز برای کنترل ترکیب سرطانزای وینیل کلراید انجام می شد، در سایر کشورها این امر بیشتر برای کنترل انفجار و حفاظت گیاهان مطرح بود. همچنین امروزه سهم انتشار گازهای محل دفن بر افزایش گازهای گلخانه ای، دلیل دیگری است که در خیلی از کشورها، تجهیزات استخراج و استفاده از گازهای محل دفن را ضروری کرد [Christensen, Thomas H. et al, ۱۹۹۶].
در سال ۱۹۹۷ میلادی کنوانسیون تغییرات آب و هوایی با هدف تثبیت غلظت گازهای گلخانه ای در اتمسفر، پروتکل کیوتو را مطرح نمود که به موجب این پروتکل کشورهای صنعتی ملزم به کاهش انتشار گازهای گلخانه ای شد‎ند. هدف اصلی از این کنوانسیون دستیابی به تثبیت غلظت گازهای گلخانه ای در اتمسفر تا سطحی است که مانع تداخل خطرناک فعالیتهای بشری با سیستم آب و هوایی گردد و چنین سطحی در یک چارچوب زمانی مناسب قابل انجام خواهد بود تا اکوسیستم ها بطور طبیعی خود را با تغییر آب و هوایی تطبیق دهند و اطمینان حاصل شود که امنیت غذایی تهدید نمی شود و توسعه اقتصادی بطور پایدار ایجاد می گردد [محرم نژاد، ناصر، ۱۳۸۵]. از دیگر سوی مجموعه انرژی های تجدیدپذیر روز به روز سهم بیشتری در سیستم تامین انرژی جهان به عهده می گیرد. عمده‎ترین چالش فراوری انرژیهای تجدیدپذیر، مسائل اقتصادی آنهاست. در حال حاضر هزینه تولید این انرژیها معمولاً بیشتر از سایر انواع انرژی است؛ با این حال این هزینه در طول سال های اخیر بدلیل پیشرفت فناوری بشدت کاهش یافته و در صورت ادامه این روند، آهنگ رشد تولید انرژی های تجدیدپذیر از سرعت بیشتری برخوردار خواهد بود [جعفری، نیلوفر و ابوالفضل شیرودی، ۱۳۸۴].
یکی از طرح های موفق در این زمینه در شهر ادمونتون کانادا قرار دارد که طی چند سال با موفقیت راهبری شده است. مالک و بهره بردار این پروژه شرکت برق ادمونتون است که با استفاده از متان حاصل از مرکز دفن «Clover Bar» توانسته یک نیروگاه بزرگ به راه بیندازد.
تاریخچه این پروژه از این قرار است که شرکت برق ادمونتون در سال ۱۹۹۰ به این نتیجه رسید که با حذف چند آلاینده کوچک می توان از گاز LFG برای نیروگاه برق استفاده کرد. این گاز پس از فیلتراسیون، متراکم شده و پس از حذف آلاینده ها و حذف رطوبت به مشخصات مورد نظر رسید. در ماه ژوئن ۱۹۹۱ شرکت «Inc.Environmental» قراردادی را برای تامین گاز LFG با شورای شهر و شرکت برق به امضا رساند. ۹ ماه بعد یعنی آوریل ۱۹۹۲ پروژه آماده بهره برداری گردید. شورای شهر نیز از فروش این گاز به شرکت برق حق ۵ درصدی برای خود قائل گردید که این به معنی ۳۰ هزار دلار درآمد برای شهر بود. برای بهینه سازی کمیت و کیفیت گاز جمع آوری شده هر از چند گاهی بایستی یکسری عملیات صحرایی نیز صورت می گرفت.
از ۱۹۹۲ راه اندازی این طرح باعث شد که گاز CO۲ کمتری (در حدود ۶۶۲ هزار تن کمتر) انتشار یابد. تنها در سال ۱۹۹۶ این پروژه باعث کاهش انتشار ۱۸۲ هزار تن گاز گلخانه ای گردید و بین سال های ۱۹۹۶ـ۱۹۹۲ حدود ۲۰۸ گیگاوات ساعت برق تولید گردید. گاز LFG تحویل شده به اداره برق با قیمت پایین تری نسبت به گاز طبیعی به این اداره فروخته شد تا برای آنان نیز صرفه اقتصادی داشته باشد و برای مرکز دفن نیز یکسری معافیت های مالیاتی لحاظ شد. نکته دیگر اینکه طبق مطالعات انجام شده در این مرکز دفن برخلاف بعضی از مراکز دیگر، میزان ترکیبات آلی غیرمتانی بسیار کم بوده که این مزیت بسیار خوبی به شمار می رود [www.abhar_enginner.blogfa].
اخیراً در جهان در ارتباط با طرح های تبدیل و استفاده از گاز حاصل از مراکز دفن زباله (LFG) موج جدیدی ایجاد شده است. در آمریکا این موج بیشتر ناشی از بندهای مربوط به نیروگاه های کوچک در قانون معروف به (Law Purp»(۲» بوده است[www.ucsusa.org/clean-vehicles].

به نظر می رسد که مشکلات ناشی از گرم شدن زمین، رقابت صنعتی، معافیت های مالیاتی و امکان فروش برق در بازار آزاد و تصفیه زباله های شهری در گسترش چنین طرح هایی بی تاثیر نیستند. حدوداً یک پوند از زباله های موجود در مراکز دفن، ۶/ ۳ فوت مکعب گاز LFG تولید می کند، از لحاظ انرژی نیز این گاز را جزء سوخت های با انرژی متوسط طبقه بندی می کنند. چون هر پوند آن Btu ۵۰۰-۳۵۰ بوده و دمای آدیاباتیک شعله آن نیز حدود ۳۰۰۰ درجه فارنهایت است [مصطفائی، عبداله، ۱۳۷۸].
طی سالیان اخیر در اروپا نیز تکنولوژی بیوگاز بسیار مورد توجه قرار گرفته است و بزرگ ترین مرکز بیوگاز اروپا به نام مرکز «Rautenweg» در وین پایتخت اتریش قرار دارد که در آن از گاز حاصل از دفن زباله برای تولید ۸ مگاوات الکتریسیته استفاده می شود. گروهی از کشورها پا را از این مرحله نیز فراتر گذاشته و به دنبال آن هستند که از گاز حاصل از دفن زباله در تکنولوژی پیل سوختی خود استفاده نمایند تا بدین وسیله ارزش افزوده محصول تولیدی را بالاتر برند. راه اندازی واحدهای تولید همزمان حرارت و برق به سرعت در میان کشورهای عضو اتحادیه اروپا در حال گسترش است. بخش های دولتی و خصوصی امتیاز این فناوری را به عنوان یک منبع انرژی مقرون به صرفه با قابلیت های متعدد تشخیص داده اند. بالا بودن بازده کلی این فناوری در مقایسه با تولید برق و حرارت به صورت مجزا (مانند واحدهای متداول کنونی که در هنگام تولید الکتریسیته، حرارت تولیدی را تلف می کنند)، نشان می دهد که تولید همزمان حرارت و برق باعث کاهش چشمگیری در میزان انتشار کربن دی اکساید و افزایش راندمان سوخت می شود. یکی از مشکلات رایج در واحدهای تولید دومنظوره (به غیر از پیل سوختی) یافتن مصرف کننده هایی است که به میزان زیادی حرارت نیاز داشته باشند. یکی از امتیازات فناوری پیل سوختی، تولید برق بیشتر و حرارت کمتر است و اساساً نیروگاه های پیل سوختی یک مولد برق با بازده بالا و تولید حرارت کم است و از این رو این نیروگاه ها باید از منظر دیگری دیده شوند. در این خصوص برای مثال یکی از برنامه های اجرایی کشور سوئد نصب یک مولد پیل سوختی دومنظوره حرارت و برق در مرکز اطلاعات محیط زیست در شهر استکهلم است. یکی از سوخت های در نظر گرفته شده برای این سیستم، هیدروژن تبدیل یافته از بیوگاز متصاعد شده از زباله های شهری است. این تبدیل در یک مبدل سوخت انجام شده و هیدروژن را با خلوص و کیفیت بالا تولید می نماید.
گاز حاصل از مراکز دفن دارای آلودگی پائین است و دمای شعله حاصل از سوختن این گاز دمای پائینی است، میزان NOx آن حدود ۷۰% کمتر از احتراق گاز طبیعی خواهد بود. مواد حاصل از احتراق گاز محل دفن، دارای (NOx(۲۲ppm)، CO(۵ppm ، هیدروکربن نسوخته (۵ppm) خواهد بود. کنگره آمریکا قانونی در دست دارد که بر اساس آن مصرف کنندگان عمده برق، بایستی درصد مشخصی از مصرف خود را از انرژی های تجدیدپذیر تامین نمایند. به علاوه چون گازهای حاصل از مراکز دفن زباله به عنوان سوخت تجدیدپذیر به حساب آمده اند، صاحبان این مراکز می توانند از معافیت های مالیاتی زیادی استفاده نمایند که این امر باعث ایجاد انگیزه بیشتر برای استفاده از این انرژی می شود [مصطفائی، عبداله، ۱۳۷۸].