حذف گاز گلخانه ای متان با استفاده از بتن هوادار اتوکلاوشده به عنوان بستری برای تجمع باکتری های اکسید کننده ی متان

تاریخ: ۱۹ فروردین ۱۴۰۲مقالات

چکیده:

متان (CH₄) یکی از مهمترین گازهای گلخانه ای است که سبب گرم شدن کره زمین می شود. در مقایسه با دی اکسید کربن (CO₂)، اثر آن روی گرم شدن کره ی زمین 34 مرتبه بالاتر یا حتی بیشتر است. متان از طریق منابع مختلفی وارد اتمسفر می شود. محل های دفن زباله که شامل مواد آلی هستند یکی از مهمترین این منابع به شمار می روند. امروزه رها کردن مواد آلی در محل های دفن زباله در آلمان ممنوع شده است.

در کشورهای دیگر، این قانون هنوز استفاده می شود. مشکل بزرگ این است که در محل های قدیمی دفن زباله، در اثر تجزیه ی مواد آلی در محل های سمی، در مدت زمان طولانی بعد از راکد ماندن آن ها ( بیش از 50 سال) مقدار زیادی متان تولید شده است. اگر غلظت متان در گاز آزاد شده از محل دفن زباله بین 40-60 درصد باشد (گاز غنی)، این گاز توسط مکش (suction) جمع آوری شده و بعد از احتراق برای تولید الکتریسیته و گرما استفاده می شود. برای غلظت زیر 30 درصد (گاز فقیر) این تکنیک کارایی ندارد و متان معمولا وارد اتمسفر می شود.

ما باکتری های اکسید کننده ی متان را از زیستگاه های مختلف جدا کرده و از آن ها برای ایجاد تجمع (کلونی) روی مخلوط بتن هوادار اتوکلاوشده (AAC) و قلوه سنگ آجر ماسه-آهکی استفاده می کنیم. متان توسط باکتری های اکسید کننده از طریق واسطه ی متانول، فرمالدهید و فرمات به دی اکسید کربن و آب تبدیل می شوند. در مقیاس آزمایشگاهی، باکتری های اکسید کننده ی متان با موفقیت بر روی این بسترهای مصنوعی رشد می کنند. بعد از دوره سازگاری، آن ها فعالیت میکروبی خوب و سرعت بالای اکسیدکنندگی متان را از خود نشان می دهند. در آزمایشات بیشتر، ما از این تنظیمات برای آزمایشات میدانی روی یک محل دفن زباله در Bremen استفاده کردیم. ما یک محل تست برای اندازه گیری های طولانی مدت در شرایط واقع بینانه ساختیم. در این مقاله نتایج به دست آمده در آزمایشگاه و آزمایشات میدانی و مشکلاتی که اتفاق افتاد نشان داده شده است. با این حال، این تنظیمات یک انتخاب جالب برای بازیابی AAC و دیگر مصالح ساختمانی است که از آن ها به عنوان یک بیوفیلتر فعال برای حذف متان از محل های دفن زباله استفاده کنیم.

1-مقدمه:

1-1-آزاد شدن گاز متان از محل دفن زباله

در آلمان، تقریبا 4000 محل دفن زباله ی شناخته شده برای زباله های داخلی وجود دارد که گاز گلخانه ای متان را در محیط زیست منتشر می کنند. تخمین زده شده است که 15-20 درصد مواد آلی که در محل های دفن زباله وجود دارد مربوط به 35 سال قبل است و به متان تبدیل خواهند شد. به علت آزاد شدن متان، مناطق بزگ در مجموعه های دفن زباله عاری از اکسیژن هستند و ممکن است مانع کشت مجدد بشوند.

در مقایسه با دیگر گازهای گلخانه ای، سهم متان پایین است و به 5-10درصد می رسد. اما در مقایسه با دی اکسید کربن، اثر آن روی گرم شدن کره زمین 21-25 بار بیشتر است. داده های جدید علمی نشان می دهد این اعداد دست پایین گرفته شده است چون تعامل بین گازها و ذرات معلق در هوا را هم باید در نظر گرفت. فاکتور مهم دیگری که در حال رخ دادن است افزایش متان منتشر شده در سراسر دنیاست. وضعیت در آلمان متفاوت است. از سال 1990 تا 2015 کاهش واضحی از انتشار تمام گازهای گلخانه ای در این کشور می تواند مشاهده شود.


شکل یک:ترکیب آزمایشی ضایعات AAC با MOB	شکل دو: راکتور ستونی با مواد بازیافتی

برای متان این امر ممکن است به تکنولوژی های جدید و زه کشی موثر متان از محل های دفن زباله ارتباط داده شود. در طی چندین سال، مقدار متان آزاد شده از زباله های جامد و مایع بدون تغییر باقی مانده است. در تصفیه خانه لجن های فاضلاب، متان توسط تجزیه غیرهوازی باقی مانده های آلی در محفظه های مخصوص تشکیل می شود. این روزها گازِ محفظه برای تولید برق استفاده می شود. در محل های دفن زباله، فرآیند مشابهی به وسیله زه کشی فعال متان آزاد شده، استفاده می شود.

از نقطه نظر اقتصادی، تولید برق از گاز محل دفن زباله ها فقط زمانی مناسب و به صرفه است که غلظت متان بین 40 تا 60 درصد باشد. این سطح بالا فقط در مرحله اولیه محل دفن زباله ایجاد می شود و بعد از 5 سال به طور مداوم کاهش پیدا خواهد کرد.

بعد از این دوره، سطح متان بین 10 تا 30 درصد می باشد و تولید برق از این گاز فقط با استفاده از روش های غنی سازی هزینه بر برای متان امکان پذیر است. محل های قدیمی دفن زباله در طول یک مدت زمان طولانی متان تولید می کنند. مقدار داده های کمی شده بسیار محدود است. بسته به مواد انباشته شده، محل های دفن زباله برای چندین دهه متان تولید خواهند کرد. اگر متان از محل های دفن زباله توسط میکرو ارگانیسم ها سوزانده یا اکسید نشود می تواند وارد اتمسفر شده و گرم شدن کره زمین را افزایش دهد.

1-2-بتن هوادار اتوکلاوشده به عنوان مواد حامل (بستر) و اجزای آجر ماسه- آهک به عنوان ذرات محافظت کننده

بتن هوادار اتوکلاوشده به خاطر دانسیته پایین و تخلخل بالا در کنار عایق حرارتی بسیار عالی که دارد، یک مصالح ساختمانی بسیار مهم است که در اثر تخریب ساختمان نیز ایجاد می شود. بخاطر تخلخلی که دارد، ذرات aac دوام بالایی در برابر سرما ندارد و به همین خاطر بازیابی یا بازیافت آن مشکل است، اگرچه چندین استراتژی جدید برای مقابله با این امر وجود دارد. به طور عمومی ذرات aac باید از دیگر مصالح ساختمانی بازیابی، انباشته و جدا شود.

محاسبات، سرعت بازیابی 5/2-7/2 میلیون تن در سال را برای آلمان تخمین می زنند که 6/1 درصد از کل ضایعات حاصل از تخریب خواهد بود. اجزای دانه درشت AAC برای میکروارگانیسم ها جذاب هستند چون تخلخل های میکرو و ماکرو اجازه ذخیره مقدار زیادی آب و هوا را می دهند (حداکثر تا 80 درصد وزنی) که این امر سبب محافظت میکروارگانیسم ها شده و تشکیل زیست گاه های میکرو را رشد می دهد. تنها عیب AAC قلیایی بودن آن است که ممکن است مانع رشد شود.

1-3-باکتری های اکسید کننده متان

باکتری های هوازی اکسید کننده ی متان (MOB) فیزیولوژی خاص و بی همتایی دارند. تاکنون تمام گونه های جدا شده می توانند متان و تا حدی متانول به عنوان دهنده ی کربن و الکترون استفاده کنند.


	شکل چهار: شماتیک پنل آزمون

شکل سه: کشت مایع متیلوباکتر	شکل پنج: موقعیت لایه های گیاهی بالای مواد بازیافتی

فقط یک استثنا وجود دارد که می تواند همچنین تعدادی ترکیبات آلی به عنوان سوبسترا استفاده کند. متان توسط آنزیم های کلیدی به نام متان مونواکسیژناز و با استفاده از اکسیژن وکو آنزیمِ کاهش یافته، به متانول اکسید می شود. دو نوع آنزیم شناخته شده یِ متان مونواکسیژناز وجود دارد. یک نوع در سیتوپلاسم یافت شده است ( متان مونواکسیژناز حل شده (MMO) ( و نوع دوم به غشاء پیوند دارد. نوع دوم شامل مس به عنوان کوفاکتور می باشد. همه ی MOB ها شامل هر دو نوع نمی باشند. متانول با اکسیداسیون بیشتر به فرمالدهید تبدیل می شود. برای تشکیل انرژی (dissimilation) فرمالدهید از طریق فرمات به کربن دی اکسید و آب تبدیل می شود.

کو آنزیم کاهش یافته می تواند برای تشکیل ATP از طریق زنجیره تنفسی یا برای مسیر بیوسنتزی مورد استفاده قرار بگیرد. به عنوان یک نقطه شروع برای بیوسنتز (assimilation)، فرمالدهید از طریق دو مسیر بیوسنتزی متفاوت مورد استفاه قرار می گیرد. اغلب MOB ها پی اچ خنثی یا نسبتا اسیدی را برای رشد بهینه ترجیح می دهند. تجزیه میکروبیولوژی متان به کربن دی اکسید در محل دفن زباله که به طور طبیعی توسط MOB ها اتفاق می افتد در چندین انتشارات علمی مورد پژوهش قرار گرفته است، اما هنوز هم یک موضوع غالب است. MOB در لایه پوششی محل دفن زباله یافت شده است.

پروژه های زیادی فاکتورهایی که روی سرعت اکسیداسیون متان تاثیر می گذارند را مورد آنالیز قرار داده اند و سعی در بهبود آن ها داشته اند. تمام این روش ها از MOB حاضر در لایه ی پوششی استقاده کرده اند. به نظر می رسد که مهمترین عوامل موثر روی فعالیت MOB شامل؛ PH خاک، غلظت اکسیژن، دما و منبع نیتروژن باشد. مهمترین نقش MOB در محدوده لایه پوششی مدت هاست که بی اهمیت در نظر گرفته شده است. کاربرد سیستماتیک MOB در محدوده لایه پوششی با استفاده از مواد حامل به ندرت استفاده شده است.

2-بحث و نتیجه گیری:

از نقطه نظر باکتریایی، AAC یک ماده جالب است چون تخلخل بالای آن تبادل خوبی برای گازها مخصوصا اکسیژن و همچنین آب مایع را فراهم می کند. تنها عیب آن ویژگی قلیایی این ماده است. فعالیت متابولیک MOB و آزادسازی مداوم دی اکسیدکربن می تواند منجر به کربونیزاسیونِ سطح شود. در دو پروژه تحقیقاتی کامل شده، ما توانستیم نشان دهیم که اجزای بازیابی شده ی AAC که باید با هزینه ای بالغ بر 100 یورو در هر تن انباشت شود، ممکن است به عنوان حامل (بستر) برای MOB و در ترکیب با اجزای آجر برای لایه پوششی محل های دفن زباله مناسب باشد.

ما قادر بودیم نشان دهیم که این چنین لایه فعال بیولوژیکی می تواند انتشار متان را در محیط واقع بینانه محل دفن زباله کاهش دهد. به خاطر چندین تغییرات ایجاد شده توسط عملکرد محل دفن زباله و فصل، سرعت ناسازگاری اکسیداسیون متان فقط می تواند در آزمایشات میدانی تشخیص داده شود.

برای بنا نهادن لایه پوششی فعال بیولوژیکی، AAC به تنهایی نمی تواند پایداری مورد نیاز را برخلاف تجهیزات سنگین یک محل دفن زباله ی معمولی فراهم کند. بنابراین ما اجزای بازیابی شده آجر قرمز و آجر سنگ آهکی بازیابی شده را به عنوان ذرات محافظ اضافه کردیم تا ستون فقرات محکمی برای مواد فراهم آوریم.

البته اجزای خنثی هم می توانند استفاده بشوند. در پروژه ی تکمیل شده ی AiF Zutech MethanoxII، استفاده از مخلوط اجزای آجر سنگ آهکی بازیابی شده و AAC بازیابی شده با نسبت حجمی 60 به 40 بهترین نتیجه را نشان داد. اندازه ذرات اجزا در گستره 16 تا 32 میلی متر بود. در پروژه ی دیگر، ما نتایج خوبی را با استفاده از اجزای آجر قرمز در ترکیب با اجزای AAC به دست آوردیم. در هر دو پروژه ما از مواد بازیابی شده در ترکیب با Methylbacter sp مانند MOB استفاده کردیم.

MOB تحت یک اتمسفر از هوا + متان و با استفاده از بستری از مواد معدنی در پی اچ خنثی؛ غنی سازی، جدا و کشت شد. در نهایت، مواد بازیابی شده با استفاده از ترکیبات مختلف در مقیاس آزمایشگاهی، تلقیح شدند.


شکل شش: نصب پانل های تست 1( کاملا با مواد بازیافتی پرشده است) و پانل تست 2(خالی)	جدول یک: اندازه گیری سرعت اکسیداسیون متان

تمام اندازه گیری ها با استفاده از بطری شیشه ای مخصوص پرشده با حجم های مختلف گاز انجام شد. مواد بازیابی شده با بخش های مشخصی از کشت های MOB تلقیح و در دمای اتاق نگه داری شد. غلظت متان به طور ناپیوسته اندازه گیری شد. بعد از مصرف کامل، متان دوباره جایگزین شد. اغلب مخلوط ها با مواد بازیابی شده ی مختلف نتایج خوبی را نشان داد. سرانجام ما اجزای بازیابی شده ی AAC را با نسبت حجمی 60 به 40 و اندازه ذرات بین 8 و 16 میلیمتر برای آزمایش راکتور ستونی استفاده کردیم (شکل 2).

مخلوط گازها شامل سطوح مختلفی از متان از قسمت انتهایی ارائه شد. ستون شامل چندین سنسور دمایی و سپتوم برای حذف گاز از طریق سرنگ در لول های مختلف می باشد. در قسمت بالایی یک آبپاش برای پرکردن دوباره آب و یک مانومتر گاز نصب شده بود. برای تولید MOB، ما محفظه هایی در مقیاس بزرگ با اندازه های مختلف استفاده کردیم. (شکل 1 و 3). MOB مورد استفاده اعضای تازه جدا شده از جنس methlobacter که پس از رسیدن به یک دانسیته سلولی خاص رنگ قرمز-نارنجی از خود نشان می دهند (شکل 3).

آزمایشات موفق در مقیاس آزمایشگاهی باید به سطح آزمایشات میدانی برده شوند. این آزمایشات در یک قسمت خارج از عملیات محل دفن زباله منطقه سیاه در Bremen آغاز شده بود. مخلوطی از مواد بازیابی شده تهیه شده و سه پانل تست نصب شدند (شکل 4-6). در مخلوط متراکم شده از مواد بازیابی شده، زیست توده کافی از MOB به کار گرفته شد. یک پانل تست با MOB تلقیح نشد و به عنوان پانل کنترل حفظ شد. پانل های تست از طریق لوله کشی به یک چاه گاز متصل بودند. همه پانل های تست با سنسورهای دمایی و تجهیزاتی برای حذف گاز مجهز شده بودند. در آغاز آزمایشات میدانی، سرعت اکسیداسیون متان با موفقیت اندازه گیری شد (جدول 1).

چاه گاز، گازی با 6 درصد حجمی متان تحویل داد که به داخل لایه بیواکتیو پانل های تست تزریق شد. اندازه گیری های در دست اقدام، تغییرات بزرگی از غلظت متان و دی اکسید کربن نشان داد. اندازه گیری ها نشان داد که در پانل تست 2 (مواد: اجزای AAC/اجزای سنگ آهک با نسبت حجمی 60 به 40 و اندازه ذرات 8 تا 32 میلی متر، بیواکتیو)، متان همچنین از محل های دفن زباله یا لایه هایی که به سطح حداکثر 15 درصد متان رسیده اند تحویل داده شد. غلظت حتی در پانل تست غیر بیواکتیو بالاتر بود. پانل تست 1 (مواد: اجزای AAC/اجزای سنگ آهک با نسبت حجمی 60 به 40 و اندازه ذرات 8 تا 16 میلیمتر، بیواکتیو) سطوح خیلی پایینی از متان نشان داد.

اعداد به طور واضحی پایینتر از غلظت متان چاه گاز یا پانل های تست 2 و 3 بود. این مساله در توافق خوبی با نتایج آزمایشگاهی بود. در طول زمان، چندین فاکتور مانع انجام آزمایشات میدانی پروژه به یک سطح خاص شدند: غلظت متان در پانل های تست و چاه گاز تغییرات زیادی را نشان دادند. چندین دفعه غلظت متان در چاه گاز، برای یک مدت طولانی صفر بود. به طور مشخص، چاه گاز هنوز برای زه کشی گاز استفاده می شد. بنابراین امکان اندازه گیری سرعت قطعی اکسیداسیون متان تحت این موقعیت ها وجود ندارد. متان همچنین از جهات دیگر غیر از جهت لوله چاه گاز به پانل های تست می رسید. در مجموع، حرکت گاز در محدوده ی یک محل دفن زباله به میزان بالایی ناهمگن (غیریکنواخت) است. فعالیت MOB در اینچنین مقیاس بزرگ از مواد بازیافتی در مقایسه با مقیاس آزمایشگاهی به میزان زیادی کمتر است و علت آن پی اچ قلیایی مواد بازیافتی می باشد.

3-نتیجه گیری:

در مقاله های علمی می بینیم که انتشار گاز متان از محل های دفن زباله می تواند به سطحی در مرتبه 120 لیتر متان در هر دسی متر مکعب برسد. در نتایج مقیاس آزمایشگاهی با استفاده از بطری شیشه ای و راکتور ستونی، ما به سرعتی بین 20-80 لیتر متان در هر دسی متر مکعب رسیدیم، که امکان رسیدن به سرعت های اکسیداسیون بالاتر متان با افزایش ضخامت مواد بازیافتی بیواکتیو وجود دارد.

یک انتقال از مقیاس آزمایشگاهی می تواند به دست آید. چندین نقص برای کار میدانی شناسایی شده است. به طور کلی، جنبه های مثبت و منفی می تواند به شرح زیر خلاصه شود:

انتشار متان در محدوده ی محل دفن زباله تغییرات زیادی را نشان داد و به میزان زیادی غیر همگن بود. این امر مستقل از زه کشی گاز توسط چاه های گاز بود. مخلوط مواد بازیافتی فقط تغییرات جزئی نشان دادند. تجزیه اجزای AAC مشاهده نشد. حتی بعد از گذشت زمان، مخلوط شدن دوباره یا فشرده شدن مشاهده نشد.

MOB به کار رفته حتی بعد از مدت زمان طولانی تر نیز فعال بود و می توانست با استفاده از تجهیزات مولکولی خاصی تشخیص داده شود. البته ترکیب جمعیت میکروبی در طول زمان تغییر کرد. این امر طبیعی است و قبلا در راکتور ستونی آزمایشات مشاهده شده است.