نیاز روز افزون به منابع جایگزین انرژی، امری است که طی سال های اخیر نگرانی های جهانی را در جهت چگونگی رفع این نیاز به وجود آورده است. علاوه بر آن وابستگی به سوخت های فسیلی، بدلیل ایجاد انواع آلودگی و محدود بودن این منابع متداوم نخواهد بود. با وجود اینکه برای حل بحران کنونی انرژی، تحقیقات بسیاری صورت گرفته ولی به نظر نمی رسد هیچ راه حلی بتواند به تنهایی جایگزین استفاده کلان جهانی از سوخت های فسیلی گردد. از این رو منابع و روش های جایگزین متفاوتی لازم است تا به منظور به کارگیری در سیستم های خاص و با شیوه های مشخص و موقعیت های مختلف، انرژی لازم را فراهم نماید. کشف این حقیقت طی سال های اخیر که باکتری ها برای تولید الکتریسیته از پسماند و بیومس تجدید پذیر قابل استفاده هستند، توجه زیادی را به خود معطوف داشته است. پیل های سوختی میکروبی (MFC) تکنولوژی های نوینی هستند که با اکسیداسیون مواد آلی و به کمک میکروارگانیسم ها، این امکان را فراهم نموده و انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. علاوه بر آن با نقش همزمان در تصفیه پساب، به عنوان جایگزینی مناسب جهت کاهش هزینه های تصفیه و تولید الکتریسیته در نظر گرفته می شوند. لذا طی این مطالعه بررسی های آزمایشگاهی به منظور استحصال الکتریسیته از باکتری های موجود در پساب صنعتی در کنار آنالیز های مرتبط با کیفیت تصفیه پساب با طراحی یک پیل سوختی میکروبی بدون غشا و بدون بافر انجام گرفت. یافته ها نشان داد که در راکتور تغذیه شونده با پساب، ماکسیمم توان تولید شده به ترتیب 92/0 و 08/2 وات بوده که به ترتیب مربوط به دو سیستم batch و fed-bach بوده که در روز های میانی راه اندازی آن حاصل گردید. کیفیت تصفیه پساب در پیل سوختی مورد مطالعه نیز با اندازه گیری سه فاکتور pH، TDS و COD ارزیابی شد. با جداسازی و شناسایی باکتری های ساکن پساب و کشت خالص آنها در پیل های سوختی میکروبی در مرحله بعد، استحصال الکتریسیته از آنها میسر گردید. بر اساس داده ها مشخص شد که بیشترین میزان الکتریسیته توسط جنس سیتروباکتر تولید می شود که این مقدار برابر 42/141 میلی وات و در جمعیتی معادل 105 × 369 اندازه گیری شد. باکتری های سودوموناس و استرپتوکوک نیز به ترتیب توانی برابر 99/86 و 21/36 میلی وات تولید کردند. با آنالیز میزان الکتریسیته تولیدی توسط باکتری های جدا شده از پساب در جمعیت های مختلف، این نکته به روشنی قابل درک می گردد که باکتری های مذکور پتانسل قابل توجهی در تولید بیوالکتریسیته و فرآیند آلودگی زدایی میکروبی همزمان دارند. لذا نتایج این مطالعه می تواند جالب توجه باشد؛ اما با توجه به انعطاف پذیری این سیستم ها و گستردگی حیطه های کاربری آنها از نقطه نظر میکروبیولوژیک، همگانی کردن کاربرد های MFC، نیازمند پیشرفت های بیشتر و کاربردی تر در این زمینه خواهد بود.

 

واژگان کلیدی: پیل سوختی میکروبی، پساب صنعتی، الکتریسیته، تصفیه، باکتری های الکتروژن

 

• زمینه تحقیق

افزایش آلودگی محیط زیست ناشی از رشد صنعتی، سبب شده است تا مسائل زیست محیطی بیش از پیش مورد توجه قرار گیرد. بالا رفتن میزان انتشار گازهای گلخانه ای، تغییر دمای کره زمین، تغییرات اقلیمی آب و هوا، افزایش آلودگی آب های سطحی و زیر زمینی و آلودگی های خاک، باعث گردیده است که استفاده از انرژی های پاک، تغییر فرآیند های صنعتی و روش های رفع آلودگی از اهمیت بیشتری برخوردار گردند. بدین ترتیب از گسترش انتشار آلودگی در محیط جلوگیری خواهد شد.

با توجه به تحقیقات بسیار زیادی که در سال های اخیر انجام شده، داده های متنوعی برای تولید انرژی پیشنهاد شده است ولی به نظر می رسد که هیچ کدام از روش ها و منابع انرژی جدید به تنهایی قادر به جایگزینی برای سوخت های فسیلی نمی باشند. به عبارت دیگر جایگزین های انرژی هر کدام بر اساس قابلیت هایی که دارند در کاربرد های متفاوت قابل استفاده می باشند.

 

در یک دید کلی می توان منابع انرژی را به سه دسته تقسیم بندی نمود:

 

1) سوخت های فسیلی؛ 2) سوخت های هسته ای؛ و 3) منابع تجدید پذیر.

 

انرژی هسته ای به تنهایی پاسخگوی جایگزینی برای سوخت های فسیلی نیست. تخمین زده شده است که ذخایر اورانیوم تا کم تر از یک دهه دیگر تمام خواهد شد. علاوه بر آن استفاده از انرژی هسته ای مشکلاتی از جمله آسیب به محیط زیست و انسان به دلیل استخراج و نبود راه حل مطمئن و طولانی مدت برای ذخیره ی ضایعات هسته ای را به دنبال خواهد داشت.

 

منابع تجدید پذیر منابعی هستند که می توانند انرژی را بار ها و بار ها تولید کرده بدون اینکه تمام شوند. نمونه های این منابع انرژی، خورشید، باد، زیست توده، گرمای زمین و.. می باشند. این منابع زمانی که مورد استفاده قرار می گیرند، معمولاً هیچ گونه آلاینده ای در محیط زیست تولید نکرده و می توانند در سال های آینده جایگزین مناسبی برای سوخت های فسیلی باشند.

 

از آن جایی که بحث مورد نظر ما مربوط به انرژی زیستی می باشد در ادامه به زیست توده و روش های تولید انرژی زیست توده می پردازیم.

 

روش های تولید انرژی موجود در زیست توده بسته به نوع و شرایط فیزیکی و شیمیایی توده زیستی متفاوت است. مواد خشک مانند ذغال و چوب را می توان سوزاند، اما با سوزاندن این منابع، جایگزینی آن ها سال ها به طول خواهد انجامید. همچنین سوزاندن این منابع جامد، آلودگی های محیط زیستی ایجاد می کند که در تناقض با اهداف استفاده از انرژی های جایگزین می باشد.

 

برخی دیگر از انواع این منابع مانند میکرو جلبک ها و سیانوباکتری ها، منابع غنی چربی و پروتئین هستند که برای تولید روغن زیستی[1] و یا مصارف غذایی مناسب هستند. این گروه از توده های زیستی بر خلاف گروه اول سرعت رشد بالایی دارند و به سرعت قابل جایگزینی می باشند. افزون بر موارد ذکر شده دسته ای دیگر از زیست توده ها مانند ضایعات حیوانی، فاضلاب های شهری و پساب صنعتی نیز وجود دارند که میزان آب بالایی داشته و قابل سوزاندن نیستند. این گروه از زیست توده ها باید طی فرآیند های بیولوژیکی قرار گرفته و سوخت مناسب را از آنها استخراج کرده و آن را به انرژی مفید تبدیل نمود.

 

برای بازیابی انرژی از زیست توده دو روش رایج وجود دارد:

 

1) استفاده از روش های ترموشیمیایی

 

مهم ترین روش ترموشیمیایی، هیدرولیز می باشد که در آن در دما و یا فشار بالا مولکول های بزرگ به مولکول های کوچک تر تبدیل شده و در مسیر متابولیکی رشد سلول قرار می گیرند. در مرحله بعد مولکولهای کوچک ایجاد شده در ساختار جدیدی به مولکولهای بزرگتر تبدیل می شوند در حالی که طی این فرآیند انرژی مورد نیاز میکروارگانیسم را فراهم می آورند. بعد از این مرحله است که روش های مختلفی برای تولید سوخت به انرژی مطرح می شود.

 

2) استفاده از سیستم هایی که در آن میکروار گانیسم ها برای تولید انرژی از بیومس قرار می گیرد.

 

در این روش معمولاً از تخمیر بی هوازی برای تولید بیودیزل یا بیوگاز استفاده می شود. یکی از مزیت های روش دوم در مقایسه با روش اول عدم نیاز به درجه حرارت های بالا (صرف انرژی و هزینه بالا) می باشد.

 

همان طور که گفته شد میکروارگانیسم ها قابلیت تولید سوخت هایی مانند اتانول، متان یا هیدروژن را از مواد آلی دارا می باشند. به عبارت دیگر میکروارگانیسم ها توانایی تبدیل انرژی ذخیره شده در بیومس را به سوخت های پاک دارند. این قابلیت میکروارگانیسم ها بسیار شناخته شده است و این نوع تبدیل انرژی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. با این حال تبدیل مواد آلی توسط میکروارگانیسم ها به الکتریسیته کم تر شناخته شده است. قابلیتی که اساس کار استفاده از میکروارگانیسم ها در پیل های سوختی میکروبی است. اگر سوخت آلی مانند گلوکز را در نظر بگیریم از راه های مختلفی می تواند وارد مسیر تبدیل به انرژی شود؛ هم می تواند به بیواتانول، بیو گاز و یا هیدروژن تبدیل شده و هم می تواند به انرژی الکتریکی تبدیل گردد.

 

در سال های اخیر پیل های سوختی میکروبی به عنوان منبعی جدید جهت تولید انرژی پاک و سازگار با محیط زیست مورد بررسی قرار گرفته اند. از این سیستم ها می توان علاوه بر تولید انرژی به عنوان روشی جهت حذف آلاینده ها نیز بهره برد.

 

پیل سوختی میکروبی وسیله ای است که در آن انرژی شیمیایی موجود در مواد قابل اکسایش به وسیله باکتری ها، به الکتریسیته تبدیل می شود. باکتری ها در محفظه آند در شرایط بی هوازی به عنوان یک زیست کاتالیست[2] عمل نموده، سوبسترا را اکسید، الکترون و پروتون آزاد می کنند. الکترون آزاد شده به الکترود آند، که گیرنده نهایی الکترون است، انتقال یافته و با عبور از یک مدار خارجی وارد محفظه کاتد می گردد. به این ترتیب با عبور الکترون از مدار خارجی انرژی الکتریکی تولید می شود. از این رو پیل های سوختی میکروبی به عنوان یک منبع تولید الکتریسیته زیستی[3] مورد توجه قرار گرفته اند.

 

سیستم پیل سوختی میکروبی یک سیستم کربن خنثی است چرا که مواد آلی موجود در بیومس را طی فرآیند اکسیداسیون به همان مقدار گاز دی اکسید کربن تبدیل می کند. پیل های میکروبی در مقایسه با سایر پیل های سوختی رایج (مانند پیل سوختی هیدرژنی و یا پیل سوختی متانولی) مزیت های بسیاری دارند. به طور مثال پیل های شیمیایی سوختی برای انجام عمل اکسیداسیون الکترون دهنده به کاتالیست های گران قیمت نیاز دارند؛ عملی که میکروارگانیسم ها در پیل های زیستی به صورت طبیعی انجام می دهند. همچنین پیل های سوختی غیر بیولوژیکی برای انجام فعالیت های خود نیازمند دمای بالا می باشند؛ حال این که این پیل ها در دمای اتاق فعالیت خود را انجام می دهند و می توانند در دماهای مختلف با توجه به شرایط مناسب برای رشد میکروارگانیسم ها، طراحی شوند. سوخت مورد نیاز برای پیل های غیر بیولولیژیکی باید بسیار خالص باشد تا کاتالیست ها را سمی نکند حال این که در پیل های زیستی بازه گسترده ای از به اصطلاح “سوخت های کثیف[4]” که معمولاً ارزش بسیار کمی دارند مانند مواد آلی یا ضایعات مواد آلی، یا مواد آلی موجود در خاک یا رسوبات قابل استفاده می باشند.

 

همه جایی بودن و هم چنین بی خطر بودن سوخت های مورد استفاده در پیل های میکروبی، نیاز لازم برای در نظر گرفتن سیستم های پیچیده ای که برای نگهداری سوخت هایی مانند هیدروژن و متانول ضروری است را حذف کرده و احتیاجی به تجهیزات جانبی گران قیمت نیز نخواهند بود. با این وجود توان پایین تولیدی در پیل های میکروبی ضعف بسیار بزرگ این سیستم ها در مقایسه با سایر پیل های سوختی می باشد.

 

تلاش های قابل ملاحظه ای به ویژه در سال های اخیر برای افزایش توان تولیدی این پیل ها انجام شده است. تغییر ساختار و نوع طراحی پیل های میکروبی، تغییر شرایط فیزیکی و شیمیایی عملیاتی، تغییر نوع میکروارگانیسم مورد استفاده در پیل و فراهم آوردن شرایط مناسب برای رشد میکروبی برای افزایش انتقال الکترون از سوخت به الکترود از جمله این فعالیت ها بوده است.

 

هر چند تحقیقات آزمایشگاهی انجام شده بر این پیل ها بسیار زیاد بوده در مقابل نمونه هایی از کاربرد عملی این سیستم ها را نیز می توان مطرح نمود که در مقایسه با فعالیت های آزمایشگاهی کم تر بوده، اما روندی رو به رشد دارد. شاید بتوان اولین کاربرد عملی این پیل ها در محیط طبیعی را در سال 2006 گزارش داد. هنگامی که یک پیل میکروبی دریایی برای گزارش هواشناسی مورد استفاده قرار گرفت. این دسته از پیل های میکروبی انرژی مورد نیاز خود را از اکسیداسیون رسوبات آلی موجود در کف اقیانوس ها به دست می آورند. پیل طراحی شده با وزن 16 کیلوگرم، توانی در حدود 36 مگا وات تولید می کرد که این مقدار معادل با استفاده از 26 باطری آلکالینی در یک سال می باشد. از این سیستم مرکز هواشناسی برای اندازه گیری دما و فشار و رطوبت و انتقال داده ها به مرکز استفاده شد (لاولی[5]، 2006).

 

عمده ترین تفاوت های پیل های میکروبی و پیل های معمولی را در کاربرد آن ها می توان بیان نمود. همان طور که از اسم پیل سوختی

 مشخص است، مهم ترین کاربرد یک پیل، تولید انرژی می باشد. البته در پیل میکروبی همزمان با استفاده از منبع آلی می تواند عمل تصفیه را نیز با کاهش مقدار ماده آلی به مقداری مناسب انجام دهد. به بیان دیگر، حتی گاهی در پیل های میکروبی، کاربرد تصفیه محیط زیستی سیستم از تأمین انرژی اهمیت بیش تری پیدا می کند. توانایی میکروب های مورد استفاده در پیل های میکروبی برای استفاده در تجزیه رنج عظیمی از مواد آلی و آلودگی های محیط زیستی باعث شده است که استفاده از پیل های میکروبی به منظور استفاده در تصفیه زیستی بسیار با ارزش تر از مقدار محدود انرژی که تولید می کنند باشد؛ خصوصاً اینکه از این پیل ها در مقیاس صنعتی می توان برای تصفیه در محل استفاده کرد. حوزه کاربردی دیگر پیل های میکروبی استفاده از آن ها به عنوان روشی برای تصفیه آب آلوده به انواع آلاینده ها و یا خاک و رسوبات می باشد. یک الکترود ارزان قیمت ولی با دوام می تواند در محیط آبی و یا خاکی قرار گیرد و نه تنها واکنش تخمیری میکروارگانیسم ها را تسریع کند، بلکه به جذب و حذف آلودگی ها نیز کمک می کند. این زمینه کاربردی پیل های میکروبی زمینه ای است که به علت اهمیت و کاربرد گسترده ای که دارد در سال های اخیر مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است.

 

علاوه بر کاربرد تصفیه محیط زیستی که مهم ترین کاربرد پیل های میکروبی به جز تولید انرژی می باشد، کاربردهای دیگری مانند تولید هیدروژن زیستی، کاربردهای دارویی و پزشکی، استفاده در سنسورها و .. نیز برای آن تعریف می شود.

 

اساس کار پیل های سوختی میکروبی استفاده از سوخت های سبز و تبدیل انرژی شیمیایی نهفته در این سوخت ها به انرژی الکتریکی می باشد. از این رو سوبسترا های مختلفی از قبیل کربوهیدرات ها، اسیدهای چرب فرار، الکل ها، آمینواسید ها، پروتئین ها و حتی مواد غیر آلی در این سیستم مورد استفاده قرار گرفته اند. به هر حال از دیدگاه اقتصادی استفاده از یک سوبسترای خالص برای ایستگاه های تولید انرژی مقرون به صرفه نیست؛ اما علاقه مندی ها به استفاده از مواد دفعی و ضایعات واقعی همچون فاضلاب در مطالعات پیل های میکروبی جالب توجه است چرا که طی آن هم تصفیه صورت می گیرد و هم انرژی تولید می گردد. البته فاضلاب ها حاوی موادی هستند که قابلیت تجزیه بیولوژیکی متفاوتی دارند. تجربه نشان داده است که انرژی خروجی با استفاده از فاضلاب های حقیقی می تواند تا 10 برابر کمتر از انرژی تولیدی نسبت به زمانی باشد که از سوبسترا های خالص استفاده می شود. به هر حال، ترکیب فاضلاب به طور قابل توجهی بر انرژی خروجی از پیل تأثیر گذار خواهد بود.

بر اساس تحقیقات انجام شده و گزارشات موجود، هر چه کسر مواد با قابلیت تجزیه بیولوژیکی بالا بیشتر باشد، انرژی تولیدی نیز بیشتر خواهد بود. بنابراین با بهره گیری از این سیستم ها در تصفیه خانه ها، علاوه بر عمل تصفیه می توان مقداری از انرژی مورد نیاز واحد را بازیابی نمود. هر چند که تا کنون این سیستم ها در مقیاس صنعتی به بهره برداری نرسیده اند.

 

تاکنون پساب هایی نظیر پساب های خانگی، پساب صنایع غذایی همچون پساب های لبنی، تولید نشاسته، شکلات سازی، فرآوری برنج، غلات، آبجوسازی، فرآوری گوشت و پساب های دیگری مانند پساب کارخانه بازیافت کاغذ، شیرابه خاکچال، پساب صنایع شیمیایی و کک سازی و نظیر این مورد بررسی قرار گرفته اند؛ اما در این مطالعه پساب ورودی تصفیه خانه یک مجتمع صنعتی که شامل مجموعه ای عظیم از کارخانجات و کارگاه های تولیدی است، مورد مطالعه قرار گرفت که شرح آن در فصول بعد، توضیح داده خواهد شد.

 

• لزوم انجام تحقیق

در دهه های گذشته سوخت های فسیلی نیاز های صنعتی و اقتصادی مردم کره ی زمین را برطرف می ساخت؛ ولی آن طور که مشخص است در حال حاضر سوخت های فسیلی چه برای نسل حاضر و چه برای نسل آینده پاسخگو نمی باشند. طبق پیش بینی های صورت گرفته، با توجه به شرایط حاضر مبتنی به تقاضای نفت، منابع نفتی تنها تا 100 سال دیگر قابل بهره برداری خواهند بود، این در حالی است که طبق تحقیقات صورت گرفته با توجه به گستردگی صنایع و انفجار جمعیت تا سال 2025 تقاضا برای انرژی تقریبا 5/1 برابر زمان فعلی خواهد شد و این به معنی پایان منابع نفتی نه در 100 سال آینده بلکه طی 30 تا 40 سال دیگر است (لوگان[6]، 2008).

 

با افزایش جمعیت و پیشرفت تکنولوژی، نیاز انرژتیک به صورت نمایی رو به افزایش است؛ حال آن که منابع سوخت های فسیلی یکی پس از دیگری رو به اتمام می باشد. علاوه بر این، استفاده بیش از حد از سوخت های فسیلی تأثیر جدی بر محیط زیست به دلیل انتشار شدید گاز دی اکسید کربن گذارده است.

 

وجود مقدار انبوه گاز دی اکسید کربن در اتمسفر منجر به افزایش درجه حرارت زمین شده است. میانگین درجه حرارت سطح زمین به میزان 8/0 – 4/0 درجه سانتی گراد افزایش پیدا کرده است. همین افزایش دما خود تبعات نامطلوب بسیاری را برای محیط اطراف ایجاد کرده است. به طور مثال با افزایش دما در سال های اخیر، سطح دریا ها به مقدار 2-1 متر به ازای هر سال بالا آمده است و یا حجم عظیمی از یخ های قطب شمال (حدود 40 درصد) آب شده و زندگی موجودات زنده ساکن در آن مناطق را دچار مشکل کرده است. طوفان های سهمگین از دیگر عواقب تغییرات نا مطلوب دمایی است. آمارها نشان می دهد که از سال 1971 تا 1995 مقدار دی اکسید کربن، سالیانه 7/1 درصد افزایش پیدا کرده است. بررسی ها حاکی از آن است که این افزایش در سال های آینده سیر صعودی داشته و مقدار رشد آن تا سال 2020 به 2/2 درصد خواهد رسید (لوگان، 2008).

 

به همین دلیل تأمین انرژی پاک، تجدید پذیر و بی خطر از مهم ترین چالش های مورد بررسی پژوهشگران و محققان در قرن اخیر می باشد. در اصل بزرگ ترین چالش محیط زیستی حال حاضر، حل مشکل منبع تولید انرژی و کاهش میزان دی اکسید کربن به صورت همزمان است. به عبارت دیگر منابع جایگزین سوخت های فسیلی، در عین برآوردن نیاز انرژی به میزان مطلوب، باید به کاهش میزان دی اکسید کربن در محیط اطراف نیز کمک نمایند.