إمکانیة إنتاج الغاز الحیوی من الحمأة النشطة وأستعادة الطاقة لمحطات معالجة میاه الصرف الصحی

نوع المستند : Original Article

المؤلف

أستاذ مساعد - قسم الهندسة الزراعیة - کلیة الزراعة - جامعة قناة السویس - مصر.

المستخلص

یعتبر التخمر اللاهوائی لأنتاج الغاز الحیوی احد التطبیقات لاستعادة الطاقة من الحمأة الناتجة من محطات معالجة الصرف الصحی والتی تقدر فی مصر بحوالی 2 ملیون طن حمأة جافة / سنویاً.
تمت دراسة معملیة لأنتاج الغاز الحیوی من الحمأة الناتجة من محطة معالجة میاه الصرف الصحی سرابیوم - محافظة الأسماعیلیة - مصر, بالوحدة التجریبیة للغاز الحیوی بقسم الهندسة الزراعیة - کلیة الزراعة - جامعة قناة السویس. حیث أستخدمت ثلاث مخمرات رأسیة مصنعة من الحدید المجلفن بسمک 1,5مم ومتساویة القطر 250 مم والارتفاع 450 مم بحجم کلی 22 لتر وحجم تخمر صافی 20 لتر. تم استخدام حمأة الصرف الصحی بنسبة 5,7% مادة جافة الکلیة ( (TSکتخمر احادی للمخمر الأول وروث الماشیة بنسبة 11,8%  TSبعد تخفیفة بالماء الی 6,8% TS کتخمر احادی للمخمر الثانی بینما تم استخدام خلیط من الحمأة والروث قبل التخفیف بنسبة خلط 1:1 بالحجم بنسبة 8,75% TS کتخمر مختلط للمخمر الثالث. تمت تغذیة المخمرات بنظام دفعة واحدة بحجم 20 لتر لکل مخمر تحت درجة حرارة تخمر ثابتة فی مدى بکتریا المیزوفیلیک 36مo مع التقلیب دقیقتین لکل نصف ساعة. تم تقدیر % TS و% VS (المادة الجافة العضویة) معملیاً فی المواد المتخمرة لحساب نسبة تحلل المادة العضویة خلال وقت الاستبقاء 92 یوم کما تم تقدیر نسبة الکربون:النیتروجین (N:(C والقلویة(Alkalinity as CaCO3)  والطلب علی الأوکسجین الکمیائی (COD) کما تم قیاس رقم الأس الهیدروجینی (pH) ودرجة الحرارة وکمیة الغاز الحیوی الناتج باللتر بالأزاحة الحجمیة ونسبة غاز المیثان عن طریق محلول کمیائی 40% هیدروکسید بوتاسیوم خلال التجربة فی المعاملات تحت الدراسة. کما تم حساب کمیة الغاز الحیوی والمیثان بالمتر المکعب المتحصل علیها لکل کجم مادة جافة کلیة أو للحمأة الناتجة من م3 میاه صرف معالجة (m3 kg-1 TS) و(m3/m3)  علی الترتیب.
وقد توصلت النتائج إلی:
1- کمیة الغاز الحیوی الناتجة کانت 0,177, 0,150 م3/ کجم مادة عضویة جافة للحمأة وروث الماشیة علی الترتیب بینما کانت 0,183 م3/ کجم مادة عضویة للخلیط.
2- کانت متوسط نسبة التحلل 21,8, 28,4 و 26,2% فی علاقة طردیة مع متوسط نسبة المیثان 57,3, 63,5 و62,6% للحمأة وروث الماشیة والخلیط علی الترتیب.
3- کانت کمیة (COD) فی بدایة التجربة 46,1, 61,3 و 56,3 قلت الی 34,7, 41,2 و 39,0 جرام/لتر فی نهایة التجربة للحمأة وروث الماشیة والخلیط علی الترتیب.
4- کان متوسط استهلاک الطاقة فی محطة معالجة میاه الصرف الصحی بسرابیوم 0,337 کیلو وات ساعة/ م3 میاه صرف صحی معالجة.
5- قدرت کمیة طاقة البیوجاز والطاقة الکهربائیة التی یمکن انتاجها من حمأة م3 میاه صرف صحی 0,226 و 0,079 کیلو وات ساعة علی الترتیب. والتی تغطی ما یقرب من 23,4٪ من إجمالی الطلب على الکهرباء فی محطة المعالجة.
6- أستعادة الطاقة بانتاج الغاز الحیوی من الحمأة یمکن أن یکون مصدر بدیل للطاقة الغیر تقلیدیة یفی بجزء من متطلبات الطاقة فی محطات الصرف الصحی فی مصر.

Abdel-Hadi, M. A. (2008): A simple apparatus for biogas quality determination. Misr J., Ag. Eng. 25(3): 1055-1066.
Abdel-Shafy, H. I. and Salem, M. A. (2007): Efficiency of Oxidation Ponds for Wastewater Treatment in Egypt. NATO Science for peace and Security Series- C: Environmental Security, Wastewater Reuse - Risk Assessment, Decision-Making and Environmental Security, ISBN: 978-1-4020-6027-4, 175-184.
American Public Health Association, APHA (2012): Standard methods for the examination of water and wastewater 22nd edition, American Public Health Association, Washington DC, USA.
Bitton, G. (1994): Wastewater Microbiology. ISBN 0471309850, Wiley-Liss, New York, USA, 478 p.
Black, C. A.; Evans, D. D., Evsminger, I. E., Clerk, F. E. and White, J. L. (1965): Methods of Soil Analysis: Part 1, American Society of Agronomy, Inc., Madison, USA.
Bolzonella, D.; Pavan, P.; Battistoni, P. and Cecchi, F. (2006): Anaerobic co-digestion of sludge with other organic wastes and phosphorous reclamation in BNR wastewater treatment plants. Water Science and Technology, 53(12): 177-186.
Budiyono, B.; Widiasa, I. N.; Johari, S. and Sunarso, S. (2009): Influence of inoculum content on performance of anaerobic reactors for treating cattle manure using rumen fluid inoculum. International Journal of Engineering and Technology, 1(3): 109-116.
Crawford, G. and Sandino, J. (2010): Energy efficiency in wastewater treatment in North America: a compendium of best practices and case studies of novel approaches. IWA Publishing, London. ISBN: 1843393972, 80 p.
Davidsson, Å.; Appelqvist, B.; Gruvberger, C. and Hallmer, M. (2007): Anaerobic digestion potential of urban organic waste: a case study in Malmö. Waste Management Research, 25, 162-169.
Dereix, M.; Parker, W. and Kennedy, K. (2006): Steam-explosion pretreatment for enhancing anaerobic digestion of municipal wastewater sludge. Water Environ Res., 78(5): 474-485.
DEV (1971): Deutsche einheitesverfahren zur wasser- und schlammuntersuchungung. Verlag Chemie, S. 2-6, Weinheim, Germany.
El-Mashad, H. M.; Zeeman, G.; Van Loon, W. K. P.; Bot, G. P. A. and Lettinga, G. (2004): Effect of temperature and temperature fluctuation on thermophilic anaerobic digestion of cattle manure. Bioresource Technology, 95: 191-201.
Erickson, L. E.; Fayet, E.; Kakumanu, B. K. and Davis, L. C. (2004): Anaerobic Digestion. National Agricultural Biosecurity Center, Kansas State University
Forster-Carneiro, T.; Pérez, M. and Romero, L. I. (2008): Influence of total solid and inoculum contents on performance of anaerobic reactors treating food waste. Bioresource Technology, 99: 6994-7002.
Ghazy. M.; Dockhorn, T. and Dichtl, N. (2009): Sewage sludge management in Egypt: current status and perspectives towards a sustainable agricultural use. World Academy of Science Engineering and Technology, 57: 299-307.
Hansen, T. L.; Schmidt, J. E.; Angelidaki, I.; Marca, E.; Jansen, J.; Mosbaek, H. and Christensen, T. H. (2004): Method for determination of methane potentials of solid organic waste. Waste Management, 24: 393-400.
Igoni, A. H.; Ayotamuno, M. J.; Eze, C. L.; Ogaji, S. O. T. and Probert, S. D. (2008): Designs of anaerobic digesters for producing biogas from municipal solid-waste. Applied Energy, 85: 430-438.
köttner, M. (2003): Integration of biogas technology, organic farming and energy crops. The future of biogas in Europe II, European biogas workshop. October 2nd to 4th, 2003, University of Southern Denmark esbjerg / Denmark.
Kumar, S. (2005): Studies on efficiencies of bio-gas production in anaerobic digesters using water hyacinth and night-soil alone as well as in combination. Asian Journal of Chemistry, 17: 934-938.
Malik, A. (2007): Environmental challenge vis a vis opportunity: The case of water hyacinth, Environment International, 33(1): 122-138.
National Renewable Energy Laboratory, NREL (2003): Gas-Fired Distributed Energy Resource Technology Characterizations. U.S. Department of Energy Laboratory, Midwest Research Institute, November 2003. NREL/TP-620-34783.
Nopharatana, A.; Pullammanappallil, P. C. and Clarke, W. P. (2007): Kinetics and dynamic modeling of batch anaerobic digestion of municipal solid waste in a stirred reactor, Waste Management, 27: 595-603.
Okeke, C. E. and Ezekoye, V. A. (2006): Design, construction, and performance evaluation of plastic biodigester. The Pacific J. Sc. Tec., 7(2), Nsukka, Nigeria.
Parmlind, E. (2014): Energy analysis of farm-based biogas plants in Sweden. Examensarbete (Institutionen for energi och teknik), SLU, Swedish University of Agricultural Sciences. ISSN 1654-9392,     43 p.
Plappally, A. K. and Lienhard, V. (2012): Energy production for water production, treatment, end use, reclamation, and disposal, Renew. Sust. Energ. Rev., 16, 4818.
Rozzi, A. and Remigi, E. (2001): Anaerobic biodegradability: Conference Proceeding. In: 9th World Congress, Anaerobic digestion 2001, Workshop 3 Harmonisation of anaerobic activity and biodegradation assays, Belgium.
Schnürer, A and Jarvis, A. (2010): Microbiological Handbook for Biogas Plants. Swedish Waste Management U2009:03 Swedish Gas Centre Report 207, 138 p.
Stillwell, A. S.; Hoppock, D. C. and Webber, M. E. (2010): Energy Recovery from Wastewater Treatment Plants in the United States: A Case Study of the Energy-Water Nexus. Sustainability, special issue Energy Policy and Sustainability, 2(4): 945-962
Tafdrup, S. (1995): Viable energy production and waste recycling from anaerobic digestion of manure and other biomass materials. Biomass and Bioenergy, 9(1-5): 303-314.
Takashima, M. (2008): Examination on process configuration incorporating thermal treatment for anaerobic digestion of sewage sludge. J Environ Eng., 134: 543-549.
Van Haandel, A. and Lettinga, G. (1994): Anaerobic Sewage Treatment- A Practical Guide for Regions with Hot Climate. John Wiley & Sons. Inc., Chichester, UK, 226 p.
Water Environment Federation, WEF (2009): Energy conservation in water and wastewater facilities, 1st Ed., WEF Press, McGraw Hill, New York, ISBN-10: 0071667946, 400 p.
Weiland, P. (2010): Biogas production: current state and perspectives. Applied Microbiology and Biotechnology, 85(4): 849-860.
Yang, l.; Zeng, S.; Chen, J.; HE, M. and Yang, W. (2010): Operational energy performance assessment system of municipal waste water treatment plants, Water Sci. Tech., 62(6): 1361.
Zitomer D. H.; Adhikari, P.; Heisel, C. and Dineen, D. (2008): Municipal anaerobic digesters for codigestion, energy recovery, and greenhouse gas reductions. Water Environment Research, 80(3): 229-237.