Βελτιστοποίηση της αναερόβιας συναποικοδόμησης λυμάτων χοιροστασίου και ελαιοτριβείου για παραγωγή ενέργειας

Abstract

Olive mills produce enormous quantities of liquid and solid waste (OMW). In Mediterranean countries, the amount of waste produced by the oil mills is estimated to be 30 million m3 per annum and the COD content is about 100-120 kg/ton olive, which is equal to 45-55kg BOD /ton olives. Thus, the disposal of OMW without pretreatment causes adverse environmental impacts.The large amount of olive mill waste (OMW) and the high organic load require an effective method of treatment before their disposal to the final recipient. Anaerobic digestion is a widely applied method for treating these wastes, because it combines reduction of the organic load and also provides energy recovery in the form of methane (CH4). However, anaerobic digestion of OMW is characterized to be problematic, as OMW consits mainly of polyphenols, lipids and macromolecules fatty acids. These substances cause instability in organic degradation, inhibit the methanogenesis, affect the reduction of COD and prolong the overall processing time. Also, OMW contain low amounts of nitrogen and low alkalinity. To avoid these problems many researchers have studied the application of co-digestion of OMW with other organic wastes or animal wastes. Optimization of the process may be occurred by applying co-digestion of OMW with pig waste (PW). This is due to the high buffering capacity of PW. Also the high nitrogen amount that PW contains and the high concentration of carbon in OMW lead to optimum C/N ratio. In addition the value of ammonia concentration is higher in PW, while the aforementioned value in OMW is presented in very low levels. The toxicity of ammonia affects adversely the anaerobic degradation and therefore alternative ways have been proposed to tackle this problem.In the present study, the mesophilic anaerobic co-digestion of OMW and PW was investigated. Specifically, the energy efficiency of the anaerobic co-digestion of PW with OMW, under mesophilic conditions was studied, in order to define the optimum mixing ratio of these wastes for successful degradation, achieving the highest energy efficiency. Furthermore, the anaerobic digestion process using CSTR reactors performing under different organic loading rates (OLR) was investigated. The result of this work led to the process optimisation, so as to allow the construction of anaerobic reactor, that have smaller volumes and economical operation. Finally, it was also among the aims of this study to investigate the energy efficiency of OMW and PW, in a mixing ratio close to the optimum one, under high OLR. The latter led to the documentation of the superiority of the mixture with the optimum ratio, even at high organic loads.From the results of this work the following general conclusions were derived:1.The olive mill waste (OMW) are successfully degraded by the co-digestion with pig wastes (PW).2.Ammonia toxicity problems are eliminated during the co-digestion process.3.Biogas and methane production increases, as the proportion of OMW in the mixture is increased up to 40% of the mixture. However, the biogas production progressively declines when the OMW proportion ranges between 40% to 50%, while a sharp decrease in biogas and methane production is observed in OMW contributions equal or higher to 50% of the mixture.4.The PW/OMW mixing ratio at 60/40 provides the largest energy product recovery (CH4), even if the reactors are operating under high OLR.

Τα ελαιοτριβεία παράγουν μεγάλες ποσότητες υγρών και στερεών αποβλήτων. Στις Μεσογειακές χώρες, η ποσότητα των αποβλήτων από τα ελαιοτριβεία υπολογίζεται σε 30εκ. m3 ετησίως και η περιεκτικότητα τους σε COD είναι περίπου 100-120kg/ton ελιάς, το οποίο είναι ίσο με 45-55kg BOD/ton ελιάς και έτσι η διάθεσή τους χωρίς επεξεργασία προκαλεί δυσμενείς περιβαλλοντικές επιπτώσεις.Ο μεγάλος όγκος αποβλήτων των ελαιοτριβείων και το υψηλό ρυπαντικό τους φορτίο απαιτούν μία αποτελεσματική μέθοδο επεξεργασίας πριν τη διάθεση τους στον τελικό αποδέκτη. Η μέθοδος επεξεργασίας που προτείνεται είναι η αναερόβια επεξεργασία, η οποία πλεονεκτεί έναντι των άλλων μεθόδων, διότι παράλληλα με τη μείωση του οργανικού φορτίου γίνεται και ανάκτηση ενέργειας (CH4). Ωστόσο, η αναερόβια επεξεργασία των λυμάτων ελαιοτριβείων χαρακτηρίζεται δύσκολη, καθώς η οργανική ουσία των λυμάτων αυτών αποτελείται κυρίως από φαινόλες, λιπίδια και μακρομόρια λιπαρών οξέων. Αυτές οι ουσίες προκαλούν αστάθεια στη βιολογική αποικοδόμηση, δρουν ανασταλτικά στη μεθανογένεση και στη μείωση του COD και επιμηκύνουν το συνολικό χρόνο επεξεργασίας. Για την αποφυγή αυτού του προβλήματος διερευνήθηκε η εφαρμογή της συναποικοδόμησης των λυμάτων ελαιοτριβείου με λύματα ζωικής προέλευσης. Με την εφαρμογή της συναποικοδόμησης λυμάτων ελιάς με λύματα χοίρων μπορεί να πραγματοποιηθεί βελτιστοποίηση της διαδικασίας. Αυτό οφείλεται αφενός στην υψηλή ρυθμιστική ικανότητα και αφετέρου στην υψηλή περιεκτικότητά σε άζωτο των λυμάτων των χοίρων καθώς και στο ότι τα λύματα της ελιάς περιέχουν υψηλή ποσότητα άνθρακα και συνεπώς η συναποικοδόμηση βελτιώνει το λόγο C/N. Επιπλέον στα λύματα των χοίρων η συγκέντρωση της αμμωνίας είναι σε υψηλά επίπεδα, ενώ στα λύματα της ελιάς η περιεκτικότητα σε αμμωνία απαντάται σε πολύ χαμηλά επίπεδα. Η τοξικότητα της αμμωνίας επηρεάζει αρνητικά την αναερόβια αποικοδόμηση και συνεπώς μέσω της συναποικοδόμησης μπορεί να αποφευχθεί αυτό το πρόβλημα.Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η αναερόβια συναποικοδόμηση λυμάτων χοιροστασίου και ελαιοτριβείου στη μεσόφιλη ζώνη. Ειδικότερα, διερευνήθηκε η ενεργειακή απόδοση της αναερόβιας συναποικοδόμησης λυμάτων χοιροστασίου και ελαιοτριβείου σε διάφορες αναλογίες, με σκοπό την εύρεση της βέλτιστης αναλογίας τους, που θα επιτρέπει την επίτευξη της μέγιστης ενεργειακής απόδοσης. Επιπλέον, μελετήθηκε η πορεία της αναερόβιας διεργασίας σε αντιδραστήρες συνεχούς ροής και πλήρους ανάδευσης (CSTR: Continuous Stirred Tank Reactor), σε διαφορετικούς ρυθμούς οργανικής φόρτισης (OLR: Organic Loading Rate), κάτω από μεσόφιλες συνθήκες. Η μελέτη αυτή οδηγεί στη βελτιστοποίηση της διαδικασίας, ώστε να είναι δυνατή η κατασκευή αναερόβιων αντιδραστήρων μικρότερου όγκου και οικονομικότερης λειτουργίας. Τέλος, στόχος της έρευνας ήταν η διερεύνηση της ενεργειακής απόδοσης μίγματος λυμάτων χοιροστασίου και ελαιοτριβείου, σε αναλογία πλησίον της βέλτιστης στον υψηλότερο ρυθμό οργανικής φόρτισης. Η μελέτη αυτή οδηγεί στην τεκμηρίωση της υπεροχής του μίγματος με τη βέλτιστη αναλογία λυμάτων ακόμα και σε υψηλές τιμές OLR.Από τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας προέκυψαν τα παρακάτω γενικά συμπεράσματα:1.Η αποικοδόμηση των λυμάτων ελαιοτριβείου δύναται να επιτευχθεί με την ανάμιξη τους με λύματα χοιροστασίου. 2.Με την εφαρμογή της αναερόβιας συναποικοδόμησης μειώνονται τα προβλήματα τοξικότητας λόγω της αμμωνίας.3.Η παραγόμενες ποσότητες βιοαερίου και μεθανίου αυξάνονται όσο αυξάνεται η περιεχόμενη ποσότητα λυμάτων ελαιοτριβείου και σε ποσοστό μέχρι 40% του μίγματος. Όταν τα λύματα ελαιοτριβείου συμμετέχουν σε ποσοστό από 40% έως 50% του μίγματος παρατηρείται ανάσχεση του ρυθμού παραγωγής βιοαερίου, ενώ σημειώνεται ραγδαία πτώση στην παραγωγή βιοαερίου και μεθανίου όταν το ποσοστό των λυμάτων αυτών είναι ίσο ή μεγαλύτερο από 50%.. 4.Η αναλογία λυμάτων χοιροστασίου/ελαιοτριβείου σε ποσοστό 60/40 παρέχει, επίσης, τη μεγαλύτερη ανάκτηση ενεργειακού προϊόντος (CH4) ακόμα και σε υψηλούς ρυθμούς οργανικής φόρτισης (ΟLR).