Αναερόβια συν-χώνευση αστικής ιλύος και αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων για τη βέλτιστη παραγωγή βιοαερίου

Abstract

In the context of a sustainable cyclical city, urban wastewater must be managed in such a way as to cause the least possible environmental burden. Also, the trend towards the use of renewable energy sources for future oil and lignite dismantling is a priority for most countries, where new institutional frameworks and the development of new technologies contribute to sustainable development.In addition, one of the most important environmental problems for mankind nowadays is the irresponsible waste production and the lack of methods and practices for their rational and environmentally friendly management. Most urban and suburban areas of Greece produce the same products and therefore have to deal with the same waste. Particular mention should be made of the major agro units encountered in Greek rural areas.At the same time, in all major cities of Greece wastewater treatment plants (WWTPs) operate their own anaerobic digestion (AD) facility in order to treat sewage sludge rather than achieve optimum biogas production. Therefore, the plants already installed and in operation could, with the addition of other waste, dramatically increase biogas production, thus yielding significant amounts of electricity and heat. This would simultaneously achieve renewable energy production and waste processing, without requiring additional facilities. Until now, very little research has been done to exploit agro-industrial waste in wastewater treatment plants.The aim of this thesis was to investigate different mixtures of sewage sludge and agro-industrial waste with the main objective of improving the operational parameters of the reactor and increasing the production of biogas in the plants, thus yielding significant benefits from the sale of electricity (possibly thermal) and the simultaneous treatment of mostly problematic waste. To support the results, mesophilic anaerobic co-digestion of sewage sludge and small ratio of 5-10% (v/v) agro-industrial waste was studied in laboratory and pilot Continous Stirred Tank Reactors (CSTR). Altogether ten (10) different substrates were studied.Experiments have shown that adding organic residues to anaerobic reactors treating sewage sludge significantly increases the amount of biogas produced and the mixing rate should be 5-10% of the amount of sludge being treated. The yield of the anaerobic reactors relative to the mixing material increases in turn for glycerol > olive mill wastewater> food waste and glycerol > food waste, olive mill wastewater and cheese whey > food waste > cheese whey> winery residues> glycerol and sheep and goat manure > sheep and goat manure. These results confirm the phenomenon of co-digestion recorded in all biological decomposition processes, resulting in biogas production being increased when a substrate mixture is used and this increase is much greater than that which would be expected to yield the stoichiometric decomposition.The present study could effectively contribute to the development of a reliable method for increasing biogas production in WWTPs as well as the simultaneous treatment of agro-industrial waste. In total, anaerobic co-digestion of sewage sludge and agro-industrial waste can prove to be a useful tool for the desired sustainable development of our society, since it can contribute to the solution of the energy problem in order to achieve sustainable development, and on the other hand to help treat problematic waste.

Στα πλαίσια της αειφόρου κυκλικής πόλης τα αστικά λύματα πρέπει να διαχειρίζονται έτσι, ώστε να προκαλούν τη μικρότερη δυνατή περιβαλλοντική επιβάρυνση. Επίσης, η τάση προς αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας με στόχο τη μελλοντική ενεργειακά απαγκίστρωση από το πετρέλαιο και τον λιγνίτη αποτελούν προτεραιότητα για τις περισσότερες χώρες, όπου τα νέα θεσμικά πλαίσια και η ανάπτυξη νέων τεχνολογιών συμβάλλουν στην επίτευξη της αειφόρου ανάπτυξης. Επιπλέον, ένα από τα σημαντικότερα περιβαλλοντικά προβλήματα που απασχολούν την ανθρωπότητα στις μέρες μας είναι η αλόγιστη παραγωγή αποβλήτων και η έλλειψη μεθόδων και πρακτικών για την ορθολογική και φιλική προς το περιβάλλον διαχείριση τους. Οι περισσότερες αστικές και ημιαστικές περιοχές της χώρας μας παράγουν περίπου τα ίδια προϊόντα και κατά συνέπεια έχουν να αντιμετωπίσουν περίπου τα ίδια απόβλητα. Ιδιαίτερη μνεία πρέπει να γίνει για τις σημαντικότερες αγροτοβιομηχανικές μονάδες που συναντά κανείς στην ελληνική περιφέρεια.Την ίδια στιγμή όμως, στις Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων (Ε.Ε.Λ.) όλων των μεγάλων πόλεων λειτουργούν συστήματα παραγωγής βιοαερίου, τα οποία στοχεύουν κυρίως στην επεξεργασία της ιλύος και όχι στη βέλτιστη παραγωγή βιοαερίου. Συνεπώς, οι ήδη εγκαταστημένες και εν λειτουργία μονάδες θα μπορούσαν με την προσθήκη και άλλων αποβλήτων να αυξήσουν δραματικά την παραγωγή τους σε βιοαέριο, αποδίδοντας έτσι σημαντικές ποσότητες ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας. Με τον τρόπο αυτό ταυτόχρονα επιτυγχάνεται η παραγωγή ανανεώσιμης πηγής ενέργειας και η επεξεργασία των αποβλήτων, χωρίς να απαιτούνται επιπρόσθετες εγκαταστάσεις με ότι συνεπάγεται αυτό. Δυστυχώς μέχρι σήμερα, πολύ λίγη έρευνα έχει γίνει για να αξιοποιηθούν αγροτοβιομηχανικά απόβλητα σε Ε.Ε.Λ.Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η διερεύνηση διαφορετικών μειγμάτων τροφοδοσίας αστικής ιλύος και αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων με κύριο στόχο την βελτίωση των λειτουργικών παραμέτρων του αντιδραστήρα, και την αύξηση παραγωγής βιοαερίου στις μονάδες, αποδίδοντας έτσι σημαντικά οφέλη από την πώληση ηλεκτρικής ενέργειας (πιθανότατα και θερμικής) καθώς και την ταυτόχρονη επεξεργασία προβληματικών ως επί το πλείστον αποβλήτων. Για την υποστήριξη των αποτελεσμάτων, μελετήθηκε η μεσοφιλική αναερόβια συν-χώνευση της αστικής ιλύος και μικρής ποσότητας 5-10% (v/v) αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων σε εργαστηριακούς και πιλοτικούς αντιδραστήρες συνεχούς ανάδευσης (Continous Stirred Tank Reactors- CSTR). Συνολικά μελετήθηκαν δέκα (10) διαφορετικά υποστρώματα.Τα πειράματα έδειξαν ότι η προσθήκη οργανικών υπολειμμάτων σε αναερόβιους αντιδραστήρες που επεξεργάζονται αστική ιλύ αυξάνει σημαντικά την ποσότητα του βιοαερίου που παράγεται και το ποσοστό ανάμιξης θα πρέπει να είναι 5-10% της ποσότητας της ιλύος που επεξεργάζεται. Η απόδοση των αναερόβιων αντιδραστήρων σε σχέση με το υλικό ανάμιξης αυξάνει κατά σειρά για γλυκερίνη > κατσίγαρο > μείγμα οργανικού κλάσματος Αστικών Στερεών Αποβλήτων (ΑΣΑ) και γλυκερίνης > μείγμα οργανικού κλάσματος ΑΣΑ, κατσίγαρου και τυρόγαλου > οργανικό κλάσμα ΑΣΑ > τυρόγαλο > υπολείμματα οινοποιείου > μείγμα γλυκερίνης και κοπριές αιγοπροβάτων > κοπριές αιγοπροβάτων. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώνουν το φαινόμενο της συν-χώνευσης, που καταγράφεται σε όλες τις διαδικασίες βιολογικής αποσύνθεσης, με αποτέλεσμα η παραγωγή βιοαερίου να αυξάνεται όταν χρησιμοποιείται ένα μείγμα υποστρωμάτων και αυτή η αύξηση είναι πολύ μεγαλύτερη από εκείνη που θα περιμέναμε να αποδώσει στοιχειομετρικά το οργανικό φορτίο της προσθήκης. Η παρούσα μελέτη θα μπορούσε να συνεισφέρει αποτελεσματικά στην ανάπτυξη μιας αξιόπιστης μεθόδου για την αύξηση παραγωγής βιοαερίου στις Ε.Ε.Λ. καθώς και την ταυτόχρονη επεξεργασία αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων. Συνολικά, η αναερόβια συν-χώνευση αστικής ιλύος και αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων μπορεί να αποδειχθεί ένα χρήσιμο εργαλείο για την επιθυμητή βιώσιμη ανάπτυξη της κοινωνίας μας, αφού αφ’ ενός μπορεί να συμβάλλει στη λύση του ενεργειακού προβλήματος με στόχο την επίτευξη της αειφόρου ανάπτυξης, και αφ’ ετέρου να βοηθήσει στην επεξεργασία προβληματικών αποβλήτων.