Μελέτη της αναερόβιας χώνευσης υγρού αποβλήτου ελαιοτριβείου εστιάζοντας στην επίδραση της πηγής αζώτου στην τελική παραγωγή μεθανίου.

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Μελέτη της αναερόβιας χώνευσης υγρού αποβλήτου ελαιοτριβείου εστιάζοντας στην επίδραση της πηγής αζώτου στην τελική παραγωγή μεθανίου. Διπλωματική Εργασία του Ζαχαρίου Σταύρου Επιβλέπων : Αν. Καθηγητής Σαρηγιάννης Δημοσθένης ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2016

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παραγωγή ελαιολάδου είναι μία εποχική γεωργική δραστηριότητα που λαμβάνει χώρα κυρίως γύρω από τη Μεσόγειο θάλασσα. Δυστυχώς το άλεσμα της ελιάς αποτελεί παράγοντα υπεύθυνο για την περιβαλλοντική υποβάθμιση λόγω των μεγάλων όγκων τοξικών αποβλήτων που παράγονται και απελευθερώνονται στα υδάτινα οικοσυστήματα, απειλώντας τα με καταστροφή. Τα απόβλητα ελαιοτριβείου αποτελούν εξαιρετικά ρυπογόνα λύματα και είναι πλούσια σε λίπη, υδατάνθρακες και φαινόλες παρουσιάζοντας πολύ υψηλή αναλογία άνθρακα προς άζωτο. Η φύση του αποβλήτου αυτού καθιστά τη βιολογική επεξεργασία του αδύνατη καθώς η έλλειψη της απαραίτητης συγκέντρωσης σε άζωτο εμποδίζει την ικανότητα των μικροοργανισμών να δημιουργήσουν νέα βιομάζα και να διατηρήσουν μια σταθερή βιολογική διεργασία. Για να αντιμετωπισθεί το πρόβλημα της έλλειψης επαρκούς ποσότητας αζώτου, στην παρούσα μελέτη εξετάσθηκε η συγχώνευση αποβλήτου ελαιοτριβείου με επτά υποστρώματα πλούσια σε άζωτο. Τα υποστρώματα αυτά ήταν το ιχθυάλευρο, το κρεατάλευρο, το αιματάλευρο, το πτεράλευρο, μίγμα ιχθυάλευρου με αιματάλευρο, άλευρο σόγιας και άλευρο γλουτένης. Για τα πειράματα χρησιμοποιήθηκαν τόσο φιαλίδια των 250 ml όσο και αντιδραστήρες ημισυνεχούς λειτουργίας, συνολικού όγκου 6L. Τα αζωτούχα υποστρώματα αναμίχθηκαν με το απόβλητο ελαιοτριβείου ώστε να επιτευχθεί αναλογία άνθρακα/αζώτου (C/N) στο τελικό μίγμα ίση με 20/1. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, το είδος της πρωτεΐνης είναι μία παράμετρος που δεν επηρεάζει τη διεργασία, καθώς αυτή πραγματοποιείται χωρίς να παρεμποδιστεί σε κανένα από τα συγχωνευμένα μίγματα. Την μεγαλύτερη παραγωγή μεθανίου είχε το μίγμα κατσίγαρου και αιματάλευρου με μέση απόδοση 449 mlch 4 /gvs added για οργανική φόρτιση 3.6 kgvs/m 3 -d. Η συνολική διεργασία παρουσίασε μεγάλη ανθεκτικότητα στη σταδιακή αύξηση της οργανικής φόρτισης από 3.6 σε 5.8 kgvs/m 3 -d, με την απόδοση να μειώνεται μόλις 15% για όλα τα συγχωνευμένα μίγματα ενώ η ογκομετρική παραγωγή αυξήθηκε από 1.5 σε 2.1 m 3 CH 4 /LR-d. ii

3 Abstract Olive oil production is a seasonal agricultural activity taking place mainly around the Mediterranean Sea. Unfortunately olive milling is responsible for significant environmental degradation due to the high volumes of toxic wastewaters generated and the uncontrolled releases which are threatening with destruction significant coastal ecosystems. Olive mill wastewater is a heavily polluted effluent rich in oils, carbohydrates, phenols and presenting unbalanced characteristics with very high carbon to nitrogen ratio. The unbalanced nature of this effluent renders treatment through biological means as at least inefficient as the insufficient nitrogen concentration is hampering the ability of the microorganisms to generate new biomass and sustain a robust biological population. In order to overcome the lack of nitrogen problem, the co-digestion of olive mill wastewater and seven nitrogen rich substrates were evaluated. The nitrogen rich substrates were the fish meal, bone and meat meal, the blood meal, the feather meal, mixtures of fish meal and blood meal, soya bean meal and corn gluten meal. The experiments were performed both in 250 ml bottles and 6L semi-continuous reactors. The nitrogen rich substrates were mixed with the olive mill wastewater in order to attain C/N ratio of 20/1. According to the results the type of protein is an insignificant process parameter and the process can be developed with no inhibition phenomena to be presented with any of the co-substrates assessed. The maximum bio methane potential registered for the mixture of olive mill wastewater and blood meal with 449 mlch 4 /gvs added with the OLR of 3.6 kgvs/m 3 -d. The overall process presented remarkable tolerance during the stepwise increase of the OLR from 3.6 to 5.8kgVS/m 3 -d with the efficiency of the process to be reduced by a marginal 15% for all co-digestion mixtures while the volumetric production increased from 1.5 to 2.1 m 3 CH 4 /LR-d. iii

4 Περιεχόμενα ΠΕΡΙΛΗΨΗ... ii Abstract... iii Περιεχόμενα... iv 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ Ιστορική αναδρομή Μικροβιολογία της αναερόβιας χώνευσης Μικροβιολογία της μη μεθανιογόνου φάσης Μικροβιολογία της μεθανιογόνου φάσης Υδρόλυση Οξεογένεση Οξικογένεση Μεθανιογένεση Πλεονεκτήματα αναερόβιας χώνευσης Μειονεκτήματα αναερόβιας χώνευσης Φυσικοχημικοί παράγοντες που επηρεάζουν την αναερόβια χώνευση Θερμοκρασία ph Θρεπτικά στοιχεία Ολικά στερεά Τοξικές ουσίες Ποσοστό οργανικού φορτίου Πτητικά λιπαρά οξέα Υδραυλικός χρόνος παραμονής Ρυθμός οργανικής φόρτισης Ανάδευση Κινητική της αναερόβιας χώνευσης Ανασταλτικοί παράγοντες της αναερόβιας χώνευσης Αμμωνία Ενώσεις που περιέχουν θείο Βαρέα μέταλλα iv

5 2.27. Ιόντα μετάλλων (Na, K, Mg, Ca, Al) Οργανικές ενώσεις Άλλες τοξικές ουσίες ΚΥΡΙΟΤΕΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΑΕΡΟΒΙΩΝ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ Αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (Batch reactors) Αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας (CSTR: Continuous Stirred Tank Reactor) Αντιδραστήρες ανοδικής ροής (UASB: Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor) Αντιδραστήρες εμβολικής ροής (PFR: Plug Flow Reactors) Αναερόβιες λίμνες Αναερόβια φίλτρα Αναερόβιοι χωνευτές πολλών σταδίων ΠΡΟ-ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΠΡΙΝ ΤΗΝ ΤΕΛΙΚΗ ΑΠΟΘΕΣΗ ΤΟΥΣ ΣΤΟΥΣ ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ Θερμική προ-επεξεργασία Μηχανική προεπεξεργασία Επεξεργασία με τη χρήση υπερήχων Χημική προ-επεξεργασία Οζονισμός Επεξεργασία με βάσεις Χρήση ενζύμων ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΚΑΙ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ Κτηνοτροφικά απόβλητα Απόβλητα ελαιοτριβείου Ιλύς βιολογικών καθαρισμών Απόβλητα σφαγείων και επεξεργασίας νωπού κρέατος ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Υλικά και μέθοδοι Υποστρώματα και εμβόλιο Στάδιο πρώτο Αναλυτικές μέθοδοι Μέτρηση ph Προσδιορισμός ολικού οργανικού άνθρακα (TOC) Προσδιορισμός αζώτου κατά Kjeldahl Προσδιορισμός ολικών και πτητικών στερεών v

6 6.8. Ποσοτικός προσδιορισμός λιπών-ελαίων Προσδιορισμός πτητικών λιπαρών οξέων Αναλογία C/N Δεύτερο στάδιο πειραμάτων Τρίτο στάδιο πειραμάτων Θεωρητικός υπολογισμός παραγωγής μεθανίου ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Αποτελέσματα πρώτου σταδίου Αποτελέσματα δεύτερου σταδίου Τρίτο στάδιο πειραμάτων Κατσίγαρος και ιχθυάλευρο Κατσίγαρος και γλουτένη Κατσίγαρος και κρεατάλευρο Κατσίγαρος και αιματάλευρο Σύγκριση των αποβλήτων που μελετήθηκαν ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Κατάλογος Σχημάτων Σχήμα 1: Σχηματική απεικόνιση των σταδίων, των προϊόντων τους και των μικροοργανισμών που συμμετέχουν στην αναερόβια χώνευση Σχήμα 2: Μεταβολή του άνθρακα σε αναερόβιο περιβάλλον (Ahring, 2003)... 7 Σχήμα 3: Σχηματική απεικόνιση συστήματος διαλείποντος έργου σε εργαστηριακή κλίματα (Angelidaki et al., 2009) Σχήμα 4: Αναερόβιος χωνευτής πλήρους ανάμιξης (CSTR) Σχήμα 5: Αντιδραστήρας ανοδικής ροής αποβλήτων (UASB) Σχήμα 6: Αναερόβιος αντιδραστήρας εμβολικής ροής (PFR) Σχήμα 7: Αναερόβιο σύστημα λίμνης λεκάνης Σχήμα 8: Αναερόβιο φίλτρο ανοδικής ροής Σχήμα 9: Σύστημα αναερόβιας χώνευσης πολλών σταδίων Σχήμα 10: Μετρητής ph με μικρουπολογιστή Σχήμα 11: Βαθμονομημένη στήλη, πληρωμένη με διάλυμα NaOH vi

7 Σχήμα 12: Ειδική παραγωγή μεθανίου των υπό μελέτη υποστρωμάτων Σχήμα 13: Ειδική παραγωγή μεθανίου για διαφορετικές φορτίσεις Σχήμα 14: Ημερήσια ογκομετρική παραγωγή μεθανίου του μίγματος OMWW&FM για διαφορετικές φορτίσεις Σχήμα 15: Ειδική παραγωγή μεθανίου του μίγματος OMWW&FM, ανά ημέρα, για διαφορετικές φορτίσεις Σχήμα 16: Συγκεντρώσεις πτητικών λιπαρών οξέων ανά ημέρα για το μίγμα OMWW&FM. 50 Σχήμα 17: Διακύμανση ph του μίγματος OMWW&FM ανά ημέρα Σχήμα 18: Ημερήσια ογκομετρική παραγωγή μεθανίου του μίγματος OMWW&GLUT για διαφορετικές φορτίσεις Σχήμα 19: Ειδική παραγωγή μεθανίου του μίγματος OMWW&GLUT, ανά ημέρα, για διαφορετικές φορτίσεις Σχήμα 20: Συγκεντρώσεις πτητικών λιπαρών οξέων ανά ημέρα για το μίγμα OMWW&GLUT Σχήμα 21: Διακύμανση ph του μίγματος OMWW&GLUT ανά ημέρα Σχήμα 22: Ημερήσια ογκομετρική παραγωγή μεθανίου του μίγματος OMWW&ΒΜΜ για διαφορετικές φορτίσεις Σχήμα 23: Ειδική παραγωγή μεθανίου του μίγματος OMWW&ΒΜΜ, ανά ημέρα, για διαφορετικές φορτίσεις Σχήμα 24: Συγκεντρώσεις πτητικών λιπαρών οξέων ανά ημέρα για το μίγμα OMWW&BMM Σχήμα 25: Διακύμανση ph του μίγματος OMWW&BMM ανά ημέρα Σχήμα 26: Ημερήσια ογκομετρική παραγωγή μεθανίου του μίγματος OMWW&ΒΜ για διαφορετικές φορτίσεις Σχήμα 27: Ειδική παραγωγή μεθανίου του μίγματος OMWW&ΒΜ, ανά ημέρα, για διαφορετικές φορτίσεις Σχήμα 28: Συγκεντρώσεις πτητικών λιπαρών οξέων ανά ημέρα για το μίγμα OMWW&BM Σχήμα 29: Διακύμανση ph του μίγματος OMWW&BM ανά ημέρα vii

8 Κατάλογος Πινάκων Πίνακας 1: Κατάταξη μικροοργανισμών με κριτήριο τη σχέση της κυτταρικής τους λειτουργίας (Αγγελής, 2000)... 5 Πίνακας 2: Χημικές αντιδράσεις παραγωγής οξικού οξέος και η ενεργειακή τους απόδοση (Angelidaki et al., 2002)... 9 Πίνακας 3: Αντιδράσεις παραγωγής μεθανίου και οι αντίστοιχες μεταβολές της ελεύθερης ενέργειας Πίνακας 4: Φυσικοχημικές ιδιότητες υποστρωμάτων viii

9 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ενεργειακή ασφάλεια και η διαχείριση αποβλήτων αποτελούν δύο αλληλένδετα ζητήματα που αντιμετωπίζουν οι σύγχρονες κοινωνίες. Όλα αυτά τα χρόνια το φυσικό περιβάλλον έχει επηρεαστεί από την ανθρώπινη δραστηριότητα και την αναζήτηση πόρων χαμηλής αξίας που θυσιάζονται στο βωμό ενός μη βιώσιμου οικονομικού μοντέλου. Ένας από τους μεγαλύτερους παραγωγούς αποβλήτων και καταναλωτές των φυσικών πόρων είναι οι βιομηχανίες τροφίμων. Η μεγάλης κλίμακας παραγωγή τροφίμων έχει οδηγήσει στην αύξηση μιας σειράς περιβαλλοντικών προβλημάτων μέσα από την παραγωγή στερεών και υγρών αποβλήτων. Ευτυχώς, τα στερεά οργανικά απόβλητα μπορούν εύκολα να αξιοποιηθούν μέσω της κομποστοποίησης ή ακόμα και της αποτέφρωσης. Από την άλλη, η διαχείριση των αποβλήτων που απελευθερώνονται από τις βιομηχανίες τροφίμων αποτελεί σημαντικό πρόβλημα καθώς η μεγάλη περιεκτικότητά τους σε νερό παρεμποδίζει τις διάφορες διεργασίες να τα διαχειριστούν. Επιπλέον, η εποχικότητα είναι ένας παράγοντας που επηρεάζει την δυνατότητα εφαρμογής και την οικονομική βιωσιμότητα των προηγμένων μεθόδων διαχείρισης. Τα λίπη και τα λάδια αποτελούν σπουδαία πηγή ενέργειας για τον άνθρωπο και παράγονται από τεράστιες βιομηχανίες, οι οποίες ειδικεύονται παραγωγή ελαίων κατάλληλων για ανθρώπινη κατανάλωση. Ίσως το πιο γνωστό λάδι φυτικής προέλευσης που προορίζεται για ανθρώπινη κατανάλωση είναι το ελαιόλαδο. Η παγκόσμια παραγωγή ελαιολάδου φτάνει τους 3 εκατομμύρια τόνους ετησίως (La Cara et al., 2012) ενώ, ο όγκος των αποβλήτων που γενώνται κατά την διαδικασία αυτή υπολογίζεται σε 30 εκατομμύρια m 3 το χρόνο (Morillo et al., 2008). Το απόβλητο ελαιοτριβείου (κατσίγαρος) είναι ένα καφέ προς μαύρο ρευστό που περιέχει υδατάνθρακες και λίπη και είναι πλούσιο σε φαινόλες και άλλες ουσίες που είναι τοξικές για ζωντανούς οργανισμούς (Mechri et al., 2011). Η εξαγωγή του λαδιού επιτυγχάνεται με την εφαρμογή της μεθόδου εξαγωγής είτε δύο φάσεων είτε τριών και την θερμή ή ψυχρή πίεση. Η μέθοδος εξαγωγής τριών φάσεων είναι παλαιότερη και πιο συνήθης μέθοδος επεξεργασίας και παίρνει το όνομά της από τις τρεις εκροές της διεργασίας. Η πρώτη από αυτές είναι ένα στερεό από το ενδοκάρπιο της ελιάς, η δεύτερη είναι το ελαιόλαδο, που αποτελεί και το προϊόν της διαδικασίας και η τρίτη είναι τα απόβλητα της διεργασίας. Από την άλλη, τα συστήματα δύο φάσεων παράγουν αποκλειστικά ελαιόλαδο και πυρηνέλαιο, το οποίο μπορεί εύκολα να αξιοποιηθεί σαν ανανεώσιμο καύσιμο μειώνοντας σημαντικά τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις της ελαιοπαραγωγής (Ochando-Pulido et al., 2013, Roig et al., 2006). Δυστυχώς, τα περισσότερα ελαιοτριβεία χρησιμοποιούν ακόμα και σήμερα το 1

10 σύστημα τριών φάσεων λόγω του χαμηλότερου κόστους κατασκευής και εγκατάστασης και λόγω της μη αποδεδειγμένης αντίληψης ότι παράγει καλύτερης ποιότητας προϊόν. Η διαχείριση του κατσίγαρου αποτελεί μια δύσκολη διαδικασία λόγω της εποχικότητας του προϊόντος, του οργανικού περιεχομένου του αποβλήτου και των τοξικών ιδιοτήτων του, οι οποίες παρεμποδίζουν την αξιοποίησή του. Επίσης, ο κατσίγαρος παρουσιάζει μεγάλη συγκέντρωση άνθρακα και μικρή περιεκτικότητα σε άζωτο με αποτέλεσμα να μειώνεται η αποδοτικότητα της βιολογικής διεργασίας διαχείρισης και να περιορίζεται η δυνατότητα εφαρμογής της. Μία μέθοδος που μπορεί να εφαρμοστεί για τη διαχείριση του κατσίγαρου και προσφέρει τη δυνατότητα ανάκτησης ενέργειας και οικονομικής βιωσιμότητας είναι η αναερόβια χώνευση. Η αναερόβια χώνευση προσφέρει τη δυνατότητα βίο-μετατροπής των αποβλήτων σε βιοαέριο και χωνευμένο προϊόν, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν πηγή ενέργειας ή λίπασμα αντίστοιχα. Παρόλο που η διαδικασία είναι ενεργειακά αυτοσυντηρούμενη, η ασύμμετρη φύση του κατσίγαρου απαιτεί την προσθήκη και άλλων υποστρωμάτων στη διεργασία, μειώνοντας με αυτόν τον τρόπο την ευελιξία και οικονομική βιωσιμότητα του συστήματος (Gannoun et al., 2016). Στην παρούσα μελέτη εξετάσθηκε η αναερόβια χώνευση κατσίγαρου με την προσθήκη πλούσιων σε άζωτο υποστρωμάτων, τα οποία εξισορρόπησαν τη σύσταση του μίγματος και βελτίωσαν την απόδοση της διεργασίας. 2. ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ Η αναερόβια χώνευση αποτελείται από τέσσερα διαδοχικά στάδια, σε κάθε ένα από τα οποία συμμετέχουν εξειδικευμένοι μικροοργανισμοί. Το προϊόν κάθε σταδίου χρησιμοποιείται σαν υπόστρωμα από το επόμενο στάδιο μέχρι να παραχθούν τα τελικά προϊόντα της διεργασίας που είναι το μεθάνιο και το διοξείδιο του άνθρακα. Λόγω της συμβιωτικής σχέσης μεταξύ των διαφορετικών ειδών των μικροοργανισμών, η εισαγωγή στο σύστημα κάποιας ουσίας που παρουσιάζει τοξική δράση σε μια ομάδα μικροοργανισμών είναι πολύ πιθανόν να προκαλέσει γενικευμένα προβλήματα σε ολόκληρη την παραγωγική διαδικασία. 2

11 2.1. Ιστορική αναδρομή Η αναερόβια επεξεργασία οργανικών αποβλήτων είναι μία μέθοδος η οποία λαμβάνει χώρα τόσο στο εργαστήριο και τη βιομηχανία όσο και στη φύση. Ορίζεται ως η βιολογική διεργασία κατά την οποία σύνθετο οργανικό υλικό μετατρέπεται σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα, απουσία οξυγόνου. Ιστορικά, πιθανολογείται ότι βιοαέριο χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στην Περσία τον 16 ο αιώνα για τη θέρμανση λουτρών. Ο Γάλλος χημικός Jan Baptita Van Hemlmont κατά τον 17ο αιώνα στο βιβλίο του Oriatrike of the Physics Refined, το οποίο κυκλοφόρησε το 1662 ήταν ο πρώτος που χρησιμοποίησε τον όρο «χώνευση» παρατηρώντας ότι κατά την αποσύνθεση οργανικής ύλης εκπέμπονται εύφλεκτα αέρια με μια αντίδραση έξι σταδίων (Meynell, 1976). Ακολούθησε η παρατήρηση του Ιταλού Alessandro Volta (1776) ότι σε ιζήματα από βαλτώδεις περιοχές παράγεται ένα εύφλεκτο αέριο, η ποσότητα του οποίου, είναι σε άμεση συσχέτιση με την ποσότητα του οργανικού φορτίου που αποδομείται. Η παρατήρηση αυτή οδήγησε την επιστημονική κοινότητα στη μελέτη της βιολογικής παραγωγής μεθανίου. Το πρώτο εργοστάσιο αναερόβιας επεξεργασίας λειτούργησε το 1859 στη Βομβάη της Ινδίας ενώ το 1890 χτίστηκε το πρώτο εργοστάσιο αναερόβιας επεξεργασίας λυμάτων στο Έξετερ της Μεγάλης Βρετανίας με σκοπό τη χρησιμοποίηση της ενέργειας για τη φωταγώγηση των δρόμων της πόλης (McCabe, 1957). Σήμερα, η αναερόβια χώνευση είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος για τη διαχείριση της παραγόμενης βιολογικής ιλύος σε μονάδες βιολογικής επεξεργασίας αστικών και βιομηχανικών λυμάτων αλλά και για την επεξεργασία αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων. Από τις αρχές του προηγούμενου αιώνα μέχρι τώρα έχουν δημοσιευθεί πολλές εργασίες για την λειτουργία αναερόβιων αντιδραστήρων. Ωστόσο, υπήρχαν δυσκολίες στη σύγκριση των αποτελεσμάτων, λόγω του μεγάλου πλήθους υποστρωμάτων και μικροοργανισμών που λαμβάνουν μέρος στη συνολική διεργασία. Γι αυτό το λόγο τα τελευταία χρόνια καταβλήθηκαν σημαντικές προσπάθειες για να συνδεθούν η μικροβιολογία και η βιοχημεία της αναερόβιας χώνευσης και οι θεωρητικές και πρακτικές παρατηρήσεις των αναερόβιων βιοαντιδραστήρων. 3

12 2.2. Μικροβιολογία της αναερόβιας χώνευσης Η αναερόβια αποδόμηση του σύνθετου οργανικού υλικού μπορεί να περιγραφεί ως μια διαδικασία τεσσάρων σταδίων: υδρόλυση, οξεογένεση, οξικογένεση και μεθανιογένεση, στα οποία λαμβάνουν χώρα ένα πλήθος από αντιδράσεις όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Σχήμα 1: Σχηματική απεικόνιση των σταδίων, των προϊόντων τους και των μικροοργανισμών που συμμετέχουν στην αναερόβια χώνευση. Αρχικά, σύνθετες πολυμερικές ενώσεις όπως είναι οι υδατάνθρακες, οι πρωτεΐνες και τα λίπη υδρολύονται από εξωκυτταρικά ένζυμα σε διαλυτά προϊόντα μικρότερου μεγέθους έτσι ώστε να μπορούν να εισχωρήσουν διαμέσου της κυτταρικής μεμβράνης στο εσωτερικό του κυττάρου. Αυτές οι σχετικά απλές διαλυτές ενώσεις ζυμώνονται ή οξειδώνονται αναερόβια σε πτητικά λιπαρά οξέα, αλκοόλες, διοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο και αμμωνία. Τα πτητικά λιπαρά οξέα μετατρέπονται σε οξικό οξύ, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Στη συνέχεια, παράγεται μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα, είτε από την αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα από το υδρογόνο είτε απευθείας από το οξικό οξύ. Οι κύριες ομάδες βακτηρίων που παίρνουν μέρος σε αυτές τις αντιδράσεις χωρίζονται στις ακόλουθες κατηγορίες: (1) βακτήρια ζύμωσης, (2) οξικογόνα βακτήρια που παράγουν υδρογόνο, (3) οξικογόνα βακτήρια που καταναλώνουν υδρογόνο, (4) μεθανιογόνα βακτήρια που ανάγουν το διοξείδιο του άνθρακα, (5) ακετοκλαστικά μεθανιογόνα βακτήρια. Ένα γενικό κριτήριο κατάταξης των μικροοργανισμών είναι η σχέση της κυτταρικής τους λειτουργίας με το οξυγόνο. Στον πίνακα 1 παρουσιάζεται η κατάταξη των 4

13 μικροοργανισμών ανάλογα με την ικανότητα τους να χρησιμοποιούν το οξυγόνο καθώς και τον τρόπο του το επιτυγχάνουν. Πίνακας 1: Κατάταξη μικροοργανισμών με κριτήριο τη σχέση της κυτταρικής τους λειτουργίας (Αγγελής, 2000) Μικροοργανισμοί Ιδιότητα 1.Αερόβιοι (aerobes) Χρησιμοποιούντο μοριακό οξυγόνο. 2.Προαιρετικά αναερόβιοι Χρησιμοποιούντο μοριακό οξυγόνο, αλλά (facultative anaerobes) μπορούν να επιβιώσουν και με ζυμωτικό. 3.Υποχρεωτικά αναερόβιοι (obligate Δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν το anaerobes) μοριακό οξυγόνο. 3α.Αδιάφοροι αναερόβιοι (indifferent Μπορούν να επιβιώσουν και σε αερόβιες anaerobes) συνθήκες. Έχουν κάποιο όριο ανοχής στη 3β.Ανθεκτική στον αέρα αναερόβιοι συγκέντρωση οξυγόνου στο περιβάλλον (aerotolerant anaerobes) τους. 3γ.Αυστηρά αναερόβιοι (strict anaerobes) Πεθαίνουν ακόμα και με ίχνη ελεύθερου οξυγόνου στο περιβάλλον τους. Υπάρχουν δύο κύριες ομάδες μικροοργανισμών που συμμετέχουν στην αναερόβια χώνευση. Αυτή που μετατρέπει τις πρωτεΐνες, τους υδατάνθρακες και τα λίπη, κυρίως σε λιπαρά οξέα και αυτή που μετατρέπει τα προϊόντα μεταβολισμού του προηγούμενου σταδίου σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. Η δεύτερη ομάδα μικροοργανισμών είναι αυστηρά αναερόβιοι. Οι δύο αυτές ομάδες μικροοργανισμών μελετώνται στη συνέχεια Μικροβιολογία της μη μεθανιογόνου φάσης Κατά τη διάρκεια της μη μεθανιογόνου φάσης στην αναερόβια χώνευση, έχει παρατηρηθεί η παρουσία διάφορων ομάδων μικροοργανισμών όπως βακτήρια, πρωτόζωα και μύκητες. Η ύπαρξη, ο αριθμός, ο τύπος και το είδος των μικροοργανισμών αυτών κάτω από αναερόβιες συνθήκες εξαρτάται από τα ποιοτικά και ποσοτικά χαρακτηριστικά των προς επεξεργασία αποβλήτων (Hobson et al., 1974). Η κύρια κατηγορία μικροοργανισμών που απαντώνται στους αναερόβιους αντιδραστήρες είναι τα βακτήρια. Στη μη μεθανιογόνο φάση υπάρχουν είτε προαιρετικά αναερόβια είτε υποχρεωτικά αναερόβια βακτήρια. Ωστόσο η πλειονότητα των βακτηρίων είναι αυστηρά αναερόβια. Έχει βρεθεί ότι τα υποχρεωτικά αναερόβια βακτήρια παίζουν σημαντικό ρόλο στην υδρολυτική ενεργότητα του αναερόβιου αντιδραστήρα, ιδιαίτερα όταν επεξεργάζονται αστικά λύματα (Hobson et. al., 1974). Επίσης έχει βρεθεί ότι τα υποχρεωτικά αναερόβια 5

14 βακτήρια αποτελούν την κύρια ομάδα μικροοργανισμών για την παραγωγή οξέων (Toerien et al., 1967). Σημαντικό ρόλο στη μη μεθανιογόνο φάση, εκτός από τα διάφορα βακτήρια, διαδραματίζουν τα εξωκυτταρικά ένζυμα όπως η κελοβιάση, η πρωτεάση και η αμυλάση, τα οποία διασπούν το σύνθετο οργανικό υπόστρωμα (πρωτεΐνες, λίπη, υδατάνθρακες) σε μικρότερα μόρια. Ειδικότερα, οι πρωτεΐνες διασπώνται εξωκυτταρικά σε πολυπεπτίδια και αμινοξέα από την πρωτεάση (Lackey and Hendricson, 1958). Περαιτέρω διάσπαση των αμινοξέων γίνεται με τη βοήθεια πολλών διαφορετικών μηχανισμών, ανάλογα με τους μικροοργανισμούς που εμπλέκονται κάθε φορά. Τα τελικά προϊόντα της αποδόμησης των πρωτεϊνών είναι τα οργανικά οξέα (McCarthy et al., 1962). Η αποδόμηση των λιπιδίων αρχίζει με τη βοήθεια του ενζύμου λιπάση προκαλώντας β-οξείδωση. Διάφορα ένζυμα συμμετέχουν στην αποδόμηση των υδατανθράκων παράγοντας προϊόντα όπως υδρογόνο, διοξείδιο του άνθρακα, αιθανόλη καθώς και διάφορα οξέα. Τα προϊόντα αυτά της ζύμωσης διαφέρουν ανάλογα με το είδος ή το γένος των βακτηρίων καθώς επίσης και με τις συνθήκες που αναπτύσσονται (Hobson et al., 1974). Τα τελικά προϊόντα της μη μεθανιογόνου φάσης χρησιμοποιούνται έπειτα από τους μεθανιογόνους μικροοργανισμούς, για την τελική μετατροπή του σύνθετου οργανικού υλικού σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα Μικροβιολογία της μεθανιογόνου φάσης Τα μεθανιογόνα βακτήρια είναι αυστηρά αναερόβιοι μικροοργανισμοί. Μέχρι πρόσφατα υπήρχε η πεποίθηση ότι όλοι οι μεθανιογόνοι μικροοργανισμοί έχουν την ικανότητα να παράγουν μεθάνιο μόνο από το υδρογόνο και το διοξείδιο του άνθρακα. Διαπιστώθηκε όμως, όπως φαίνεται και στο σχήμα 2, ότι η πιο σημαντική πηγή μεθανίου κατά την αναερόβια επεξεργασία είναι το οξικό οξύ και ότι αυτό χρησιμοποιείται σαν υπόστρωμα για το 70% του παραγόμενου μεθανίου ενώ το υπόλοιπο 30% παράγεται από το υδρογόνο και το διοξείδιο του άνθρακα. Εκτός αυτών σαν υπόστρωμα, από κάποιες κατηγορίες μικροοργανισμών, μπορεί να χρησιμοποιηθεί και το μονοξείδιο του άνθρακα. Τέλος, όλοι οι μεθανιογόνοι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν NH + 4 ως πηγή αζώτου, ενώ σε όλα τα είδη είναι απαραίτητα το νικέλιο, ο σίδηρος και το κοβάλτιο ως ιχνοστοιχεία (Madigan et al., 1997). 6

15 Σχήμα 2: Μεταβολή του άνθρακα σε αναερόβιο περιβάλλον (Ahring, 2003) 2.5. Υδρόλυση Η υδρόλυση αποτελεί το πρώτο στάδιο της αναερόβιας επεξεργασίας και στην οποία πολυμερείς ενώσεις όπως οι υδατάνθρακες, οι πρωτεΐνες και τα λιπίδια υδρολύονται σε μικρότερα μόρια όπως σάκχαρα, αμινοξέα και λιπαρά οξέα αντίστοιχα, με τη βοήθεια υδρολυτικών ενζύμων που εκκρίνονται από τα υδρολυτικά βακτήρια που βρίσκονται στο υπόστρωμα. Πρόκειται για μια διαδικασία που απαιτεί χρόνο και αποτελεί το περιοριστικό βήμα στην αναερόβια χώνευση (Reith et al., 2003). Η υδρόλυση των σύνθετων αυτών οργανικών ενώσεων καταλύεται από εξωκυτταρικά ένζυμα που εκκρίνονται από μικροοργανισμούς. Οι πολυσακχαρίτες μεταβολίζονται σε μόρια γλυκόζης, όπως και η κυτταρίνη, η οποία υδρολύεται ενζυματικά από την κυτταρινάση. Οι πρωτεΐνες υδρολύονται σε αμινοξέα από εξωκυτταρικά ένζυμα, τις πρωτεάσες (Miyamoto, 1997). Ο τρόπος δράσης της πρωτεάσης είναι με διάσπαση των πεπτιδικών δεσμών των αμινοξέων στην πρωτεΐνη και διακρίνονται σε ενδοπρωτεάσες και εξωπρωτεάσες ανάλογα με τη θέση των πεπτιδικών δεσμών που διασπούν στην πρωτεϊνική αλυσίδα. Τα λιπίδια μεταβολίζονται από τις λιπάσες σε λιπαρά οξέα μεγάλης ανθρακικής αλυσίδας και γλυκερόλη (Reith et al., 2003). Ο ρυθμός αποικοδόμησης των λιπιδίων είναι αρκετά μικρότερος από τον αντίστοιχο των πρωτεϊνών. 7

16 2.6. Οξεογένεση Στο δεύτερο στάδιο της αναερόβιας χώνευσης, τα προϊόντα της υδρόλυσης χρησιμοποιούνται σαν υπόστρωμα από τους οξεογόνους μικροοργανισμούς, παράγοντας πτητικά λιπαρά οξέα (οξικό οξύ, προπιονικό οξύ), αιθανόλη, μεθανόλη, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Αρχικά, κατά το μεταβολισμό των λιπαρών οξέων μεγάλου μοριακού βάρους, παράγονται λιπαρά οξέα μικρότερου μοριακού βάρους (Gujer et al., 1983). Ο ρυθμός διάσπασης αυτών των ενώσεων μειώνεται με την αύξηση του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας ή με ελάττωση του βαθμού κορεσμού των ακόρεστων λιπαρών οξέων (Novak et al., 1970). Παρόλα αυτά η οξεογένεση αποτελεί το ταχύτερο στάδιο της αναερόβιας χώνευσης και τα προϊόντα της (οξικό οξύ, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα) μπορούν τα χρησιμοποιηθούν απευθείας από τους μεθανιογόνους μικροοργανισμούς (Schink, 1997). Παρακάτω παρατίθενται τυπικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται κατά την οξεογένεση, όπου η γλυκόζη μεταβολίζεται σε αιθανόλη, προπιονικό οξύ και οξικό οξύ αντίστοιχα (Ostrem, 2004): C 6 H 12 O 6 2CH 3 CH 2 OH + 2CO 2 C 6 H 12 O 6 +2H 2 2CH 3 CH 2 COOH + 2H 2 O C 6 H 12 O 6 3CH 3 COOH Μεγάλη προσοχή πρέπει να δοθεί στη συγκέντρωση των λιπαρών οξέων, η οποία όταν είναι μεγάλη παρεμποδίζεται η ορθή λειτουργία του συστήματος και αναστέλλονται οι βιολογικές αντιδράσεις καθώς τα λιπαρά οξέα σε μεγάλες συγκεντρώσεις καθίστανται τοξικά για τους μεθανιογόνους μικροοργανισμούς Οξικογένεση Στο τρίτο στάδιο της αναερόβιας επεξεργασίας, την οξικογένεση, τα υπόλοιπα προϊόντα της οξεογένεσης (προπιονικό, n-βουτυρικό και βαλερικό οξύ) μετατρέπονται από τους οξικογόνους μικροοργανισμούς σε υδρογόνο, διοξείδιο του άνθρακα και οξικό οξύ. Το υδρογόνο διαδραματίζει πολύ σημαντικό μεσολαβητικό ρόλο στη διεργασία αυτήν, καθώς η αντίδραση θα πραγματοποιηθεί μόνο αν η μερική πίεση του υδρογόνου είναι αρκετά χαμηλή ώστε να επιτρέπεται θερμοδυναμικά η μετατροπή των οξέων. Η μείωση αυτή της μερικής πίεσης πραγματοποιείται από τα βακτήρια του υδρογόνου και συνεπώς η συγκέντρωση του υδρογόνου στο χωνευτή αποτελεί ένδειξη της υγείας του (Mata et al., 2003). Στον Πίνακα 2 φαίνονται όλες οι αντιδράσεις διάσπασης των λιπαρών οξέων προς οξικό οξύ. Όπως είναι φανερό, είναι όλες ενδόθερμες και απαιτούν μεγάλα ποσά ελεύθερης 8

17 ενέργειας. Για να είναι δυνατή η διάσπαση των λιπαρών οξέων μικρού μοριακού βάρους είναι απαραίτητη η απομάκρυνση της παραγόμενης ποσότητας του υδρογόνου. Αυτό απομακρύνεται από τους μεθανιογόνους μικροοργανισμούς, οι οποίοι το καταναλώνουν επιτρέποντας τη δράση των οξικογόνων μικροοργανισμών (Sekiguchi et al., 2001). Πίνακας 2: Χημικές αντιδράσεις παραγωγής οξικού οξέος και η ενεργειακή τους απόδοση (Angelidaki et al., 2002) Υπόστρωμα Αντίδραση ΔG o (kj / αντίδραση) - Η 2, HCO 3 4Η 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2 O Προπιονικό οξύ CH 3 CH 2 COOH + 2H 2 O CH 3 COOH +3H 2 +CO Βουτυρικό οξύ CH3CH2CH 2 COOH + 2H 2 O CH 3 COOH +3H Παλμιτικό οξύ C 7 H 5 O H 2 O 3CH 3 COOH +3H 2 +CO 2 +OH Μεθανιογένεση Η μεθανιογένεση αποτελεί το τελευταίο στάδιο της αναερόβιας αποικοδόμησης. Το στάδιο αυτό πραγματοποιείται από τα μεθανιογόνα βακτήρια, τα οποία είναι αυστηρά αναερόβιοι μικροοργανισμοί. Η μεθανιογένεση αποτελεί το καθοριστικό στάδιο της διεργασίας, καθώς οι μεθανιογόνοι μικροοργανισμοί είναι εκείνοι που αναπτύσσονται με τον πιο βραδύ ρυθμό και είναι πολύ ευαίσθητοι στις μεταβολές των περιβαλλοντικών συνθηκών, καθώς και σε αρκετές οργανικές και ανόργανες ενώσεις οι οποίες δρουν είτε παρεμποδιστικά είτε αναστέλλουν την παραγωγή μεθανίου. Έχει διαπιστωθεί ότι υποστρώματα για τους μεθανιογόνους μικροοργανισμούς είναι το διοξείδιο του άνθρακα μαζί με το υδρογόνο, το οξικό οξύ, η μεθανόλη, οι μεθυλαμίνες και το διμεθυλσουλφίδιο. Ωστόσο, το μεθάνιο παράγεται κυρίως μέσω του οξικού οξέος, του διοξειδίου του άνθρακα και του υδρογόνου. Σε αναερόβιους αντιδραστήρες που επεξεργάζονται ιλύ, το 65-70% του παραγόμενου μεθανίου προέρχεται από την κατανάλωση οξικού οξέος ενώ το υπόλοιπο 30-35% του μεθανίου προέρχεται από την αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα από το υδρογόνο. Στον πίνακα 3 φαίνονται οι αντιδράσεις παραγωγής μεθανίου από τις παραπάνω ενώσεις και οι αντίστοιχες μεταβολές της ελεύθερης ενέργειας (Angelidaki and Schmidt, 2002). 9

18 Πίνακας 3: Αντιδράσεις παραγωγής μεθανίου και οι αντίστοιχες μεταβολές της ελεύθερης ενέργειας. Χημική αντίδραση ΔG 0 (kj/mole CH4) 4H 2 +CO 2 CH 4 + 2H 2 O HCOO- + 2H 2 O CH 4 + 3CO 2 + 2H 2 O CO +2H 2 O CH 4 + 3CO CH 3 OH 3CH 4 + CO2 + 2H 2 Ο CH 3 NH 3 + 2H2O 3CH4 +CO 2 +4NH 4 + 2(CH 3 ) 2 NH 2 -+2H 2 O 3CH 4 +CO 2 +2NH 4 + 2(CH 3 ) 3 NH++6H 2 O 9CH 4 +3CO 2 +4NH CH 3 COO- + H+ CH 4 + CO Πλεονεκτήματα αναερόβιας χώνευσης Η διεργασία της αναερόβιας χώνευσης παρουσιάζει πολλαπλά πλεονεκτήματα. Αρχικά, θα πρέπει να σημειωθεί η μεγάλη θετική επίδραση της διεργασίας στο περιβάλλον. Αυτό επιτυγχάνεται κυρίως μέσω της μείωσης του οργανικού φορτίου των αποβλήτων με αποτέλεσμα να ελαχιστοποιείται ο αντίκτυπος της εναπόθεσής τους στο περιβάλλον. Επιπλέον, με τη χρήση του βιοαερίου ως πηγή καυσίμου και θέρμανσης μειώνεται η χρήση ξυλείας σε σημαντικό βαθμό. Αποτέλεσμα αυτού είναι η μείωση της αποψίλωσης των δασών με τις συνέπειες που αυτό επιφέρει όπως την αποφυγή πλημμυρών, την αύξηση της παραγωγής Ο 2, την ταυτόχρονη κατανάλωση CO 2 από τα δέντρα και επιπρόσθετα προστατεύεται ο φυσικός πλούτος του πλανήτη. Αυτό αποδεικνύεται και από μια μελέτη που πραγματοποιήθηκε σε μια επαρχία της Κίνας όπου βρέθηκε ότι με την εγκατάσταση μονάδων βιοαερίου η χρήση γαιάνθρακα και ξύλου μειώθηκε κατά 68% και 74% αντίστοιχα (Remais et al., 2009). Διαφορετική έρευνα που πραγματοποιήθηκε σε νότια επαρχία της Σρι Λάνκα, έδειξε ότι η χρήση βιοαερίου για οικιακή χρήση μείωσε την κατανάλωση καυσόξυλων κατά 84% (Alwis, 2002). Με την αξιοποίηση των αποβλήτων και την παραγωγή βιοαερίου μειώνονται οι εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου (κυρίως του μεθανίου). Έτσι, η καύση του μεθανίου οδηγεί στη μετατροπή του σε διοξείδιο του άνθρακα, αλλά ταυτόχρονα και στην παραγωγή ενέργειας. Εκτιμάται ότι η τεχνολογία της αναερόβιας χώνευσης θα μπορούσε να μειώσει τις ανθρωπογενείς εκπομπές μεθανίου περίπου κατά 4% ανά έτος (ISAT/GTZ, 1999). Επιπροσθέτως, πρόσφατες έρευνες έδειξαν ότι οι βιομηχανίες παραγωγής τροφίμων αποτελούν τη μεγαλύτερη ανθρωπογενή πηγή υποξειδίου του αζώτου, με τα λιπάσματα και τα ζωικά απόβλητα να ακολουθούν (Syakila & Kroeze, 2011). Το υποξείδιο 10

19 του αζώτου είναι περίπου 300 φορές πιο δραστικό αέριο του θερμοκηπίου από ότι το διοξείδιο του άνθρακα, και αποτελεί το σημαντικότερο παράγοντα που συνεισφέρει στη διόγκωση του προβλήματος της τρύπας του όζοντος από τις ενώσεις και υλικά που έχουν ανθρωπογενή προέλευση (Ravishankara et al., 2009). Το υποξείδιο του αζώτου μπορεί να σχηματιστεί τόσο κατά τη διάρκεια των διαδικασιών νιτροποίησης όσο και της απονιτροποίησης, με πρόδρομη ένωση τα νιτρώδη άλατα. Βρέθηκε ότι με την εφαρμογή της αναερόβιας χώνευσης στη διαχείριση των ζωικών αποβλήτων είναι πιθανό να μειωθούν, αλλά όχι να εξαλειφθούν, οι εκπομπές υποξειδίου του αζώτου που οφείλονται στη ζωική παραγωγή (Oenema et al., 2005). Η καύση στερεών καυσίμων (ξύλα, γεωργικά υπολείμματα) για την κάλυψη ενεργειακών αναγκών οδηγεί, σύμφωνα με τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας, σε υψηλά επίπεδα ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Το φαινόμενο αυτό έχει αρνητική επίδραση και στην ανθρώπινη υγεία, λόγω σωματιδίων και μονοξειδίου του άνθρακα που εκλύονται. Επιπλέον, η ρύπανση εσωτερικών χώρων ως απόρροια και της ατμοσφαιρικής ρύπανσης φαίνεται ότι είναι υπεύθυνη για το 2.7% της συνολικής παγκόσμιας επιβάρυνσης ασθενειών. Έτσι, η αντικατάσταση των παραδοσιακών φούρνων και θερμαστρών, που χρησιμοποιούν καυσόξυλα ως πρώτη ύλη, με αντίστοιχα που χρησιμοποιούν βιοαέριο για την κάλυψη των ανθρώπινων αναγκών θέρμανσης και όχι μόνο, έχει να προσφέρει αρκετά οφέλη στην υγεία (WHO, 2011). Επιπλέον, με την εφαρμογή της τεχνολογίας της αναερόβιας χώνευσης, μειώνεται το ποσοστό των παθογόνων μικροοργανισμών που απελευθερώνονται στο περιβάλλον, με αποτέλεσμα να μην πραγματοποιείται μετάδοση διαφόρων ασθενειών. Σημαντικό παράδειγμα βελτίωσης της ανθρώπινης υγείας παρατηρήθηκε στην αγροτική Κίνα, όπου μετά από εφαρμογή της τεχνολογίας της αναερόβιας χώνευσης, η σχιστοσωμίαση και η μόλυνση από ταινίες μειώθηκαν κατά 90 99% και 13% αντίστοιχα (Remais et al.) Λόγω του μικρού συντελεστή απόδοσης βιομάζας των οξικογόνων και μεθανιογόνων μικροοργανισμών, οι απαιτήσεις της διεργασίας σε θρεπτικά υλικά (άζωτο, φώσφορο) είναι μειωμένες συγκριτικά με της αερόβιες μεθόδους επεξεργασίας (Gay, 2004). Το γεγονός αυτό αποτελεί έναν παράγοντα μείωσης του συνολικού κόστους κατά την πραγματοποίηση της διεργασίας. Γενικά, τα διάφορα αγροτοβιομηχανικά απόβλητα που χρησιμοποιούνται ως υποστρώματα στην αναερόβια χώνευση, αποτελούν πηγή θρεπτικών συστατικών και έτσι μπορούν να ανακυκλώνονται (Bond et al., 2011). Επίσης, το ρευστό που ανακτάται μετά το τέλος της διεργασίας αποτελεί ιδανικό εδαφοβελτιωτικό σε αντίθεση με τα μη επεξεργασμένα λύματα. 11

20 Τέλος, μέσω της κατασκευής μονάδων παραγωγής βιοαερίου με τη διαδικασία της αναερόβιας χώνευσης δημιουργούνται νέες θέσεις εργασίας, οι οποίες μπορεί να είναι είτε προσωρινές (κατά τη διάρκεια κατασκευής των μονάδων), είτε μόνιμες (στη λειτουργία και στη συντήρηση των μονάδων) με αποτέλεσμα την ενίσχυση των τοπικών οικονομιών Μειονεκτήματα αναερόβιας χώνευσης Παρόλα τα θετικά που έχει να προσφέρει η διαδικασία της αναερόβιας χώνευσης υπάρχουν και παράγοντες που συντελούν αρνητικά στην κατασκευή μεγάλης κλίμακας μονάδων. Σημαντικό μειονέκτημα για την ανάπτυξη της τεχνολογίας αποτελεί το υψηλό κόστος κατασκευής των μονάδων αναερόβιας επεξεργασίας, κάτι που αποδείχτηκε σε πρόσφατες έρευνες που πραγματοποιήθηκαν στη Ταϊλάνδη (Limmeechokchai & Chawana, 2007) και στην Κένυα (Mwirigi et al., 2009). Το βιοτικό επίπεδο της εκάστοτε κοινωνίας καθώς και το κατά κεφαλήν εισόδημα των αγροτών είναι οι δυο κυριότεροι παράγοντες που επηρεάζουν το κόστος κατασκευής μιας μονάδας παραγωγής βιοαερίου (ISAT/GTZ, 1999c). Επιπλέον, εμπόδιο στην εφαρμογή της διεργασίας αποτελεί η προέλευση και το είδος του υποστρώματος με τα απόβλητα να μην είναι καθόλη τη διάρκεια του έτους διαθέσιμα σε μεγάλες ποσότητες. Σε αυτήν την περίπτωση το κόστος μεταφοράς τους αυξάνει το συνολικό κόστος λειτουργίας της μονάδας. Ένα ακόμα μειονέκτημα παρουσιάζεται από παλαιότερες έρευνες όπου αναφέρεται ότι οι μεθανιογόνοι μικροοργανισμοί είναι αρκετά ευαίσθητοι σε ένα πλήθος τοξικών ενώσεων (Lettinga et al., 1979), με αποτέλεσμα να μη θεωρούνται κατάλληλα όλα τα προς αξιοποίηση απόβλητα σε συστήματα αναερόβιας επεξεργασίας. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια γίνονται προσπάθειες ανάπτυξης κατάλληλων μεθόδων και βιολογικών συστημάτων, ώστε να γίνει δυνατή η βιοαποδόμηση τοξικών ενώσεων και υπό αναερόβιες συνθήκες (Verstraete & Vandevivere, 1997). Τέλος, ένας ακόμα περιοριστικός παράγοντας μπορεί να είναι ο μεγάλος υδραυλικός χρόνος παραμονής που απαιτείται να μείνει το προς ζύμωση απόβλητο μέσα στον αντιδραστήρα ώστε να παραχθεί η επιθυμητή ποσότητα βιοαερίου. Ο χρόνος αυτός είναι πιθανόν να φτάσει ακόμα και τις δώδεκα εβδομάδες. (Gavala et al., 1996) Φυσικοχημικοί παράγοντες που επηρεάζουν την αναερόβια χώνευση Η διεργασία της αναερόβιας χώνευσης επηρεάζεται από διάφορους φυσικούς και χημικούς παράγοντες. Σε συνθήκες ασταθούς λειτουργίας, τα ενδιάμεσα προϊόντα, όπως τα 12

21 πτητικά λιπαρά οξέα και οι αλκοόλες, συσσωρεύονται σε διαφορετικές συγκεντρώσεις με αποτέλεσμα να προκαλείται αστάθεια στη διεργασία. Οι πιο σημαντικοί παράγοντες που επηρεάζουν την αναερόβια χώνευση είναι η θερμοκρασία, το ph, τα θρεπτικά στοιχεία, ο υδραυλικός χρόνος παραμονής (HRT), η αμμωνία, οι τοξικές ουσίες και τα μακράς αλυσίδας λιπαρά οξέα Θερμοκρασία Η θερμοκρασία είναι ένας από τους βασικούς περιβαλλοντικούς παράγοντες που επηρεάζουν την ανάπτυξη των μεθανιογόνων μικροοργανισμών και συνεπώς τη σταθερότητα και την απόδοση της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης. Η βέλτιστη ρύθμιση της θερμοκρασίας των χωνευτών, λαμβάνοντας υπόψη τόσο το δυναμικό παραγωγής βιοαερίου όσο και την απαίτηση θερμότητας, είναι ένας από τους πιο κρίσιμους παράγοντες για την οικονομικά βιώσιμη λειτουργία των χωνευτών. Ως εκ τούτου, το κόστος για τη θέρμανση των χωνευτών αποτελεί ένα μεγάλο μέρος του συνόλου των λειτουργικών δαπανών. Στο παρελθόν έχει τεκμηριωθεί η παραγωγή μεθανίου σε μια ευρεία κλίμακα θερμοκρασιών μεταξύ 0 και 97 ο C. Παρόλα αυτά οι τρεις σημαντικότερες περιοχές λειτουργίας των αναερόβιων αντιδραστήρων είναι η ψυχρόφιλη, με θερμοκρασίες κάτω των 25 ο C, η μεσόφιλη με θερμοκρασιακό εύρος από 25 ο C έως 40 ο C και η θερμόφιλη περιοχή με εύρος από 40 ο C έως 65 ο C. Λόγω της ευαισθησίας των μεθανιογόνων μικροοργανισμών στις θερμοκρασιακές μεταβολές, είναι πολύ σημαντική η επιλογή της θερμοκρασίας που θα λειτουργεί ο αναερόβιος αντιδραστήρας καθώς και η διατήρηση αυτής (Angelidaki and Schmidt, 2002). Η πιο διαδεδομένη θερμοκρασία για την αναερόβια επεξεργασία των λυμάτων είναι στη μεσόφιλη περιοχή και συγκεκριμένα στους 35 ο C. Η άνοδος της θερμοκρασίας στους 35 ο C δεν παρουσιάζει δυσκολίες ενώ στη θερμοκρασία αυτή οι αναερόβιοι αντιδραστήρες εμφανίζουν σχετικά υψηλή απόδοση. Παρόλα αυτά, σύμφωνα με έρευνες η αύξηση της θερμοκρασίας από τη μεσόφιλη στη θερμόφιλη περιοχή παρουσιάζει πλεονεκτήματα. Έχει βρεθεί ότι η λειτουργία των αναερόβιων αντιδραστήρων στην θερμόφιλη περιοχή βελτιώνει και επιταχύνει την υδρολυτική και μεθανιογενή δραστηριότητα (Hartmann et. al., 2005). Επίσης η θερμόφιλη διεργασία διαρκεί ημέρες ενώ η μεσόφιλη διαρκεί ημέρες (Vandevivere et. al., 2003). 13

22 2.13. ph Η τιμή του ph στην οποία λαμβάνει χώρα η αναερόβια επεξεργασία των αποβλήτων αποτελεί έναν πολύ σημαντικό παράγοντα, που επηρεάζει την απόδοση της διεργασίας. Οι περισσότεροι αναερόβιοι μικροοργανισμοί, συμπεριλαμβανομένων των μεθανιογόνων μικροοργανισμών αναπτύσσονται σε ph από 6.8 έως 7.2. Εντούτοις τα οξεογόνα βακτήρια προτιμούν ph από 5.5 έως 6.5. Ωστόσο, έχει παρατηρηθεί παραγωγή μεθανίου, έστω και σε μικρές ποσότητες τόσο σε βασικό όσο και σε όξινο περιβάλλον αποδεικνύοντας ότι η μεθανιογένεση δεν περιορίζεται μόνο στα όρια του ουδέτερου ph. Σύμφωνα με έρευνες, ορισμένα είδη μεθανιογόνων μικροοργανισμών προτιμούν το όξινο περιβάλλον για την ανάπτυξή τους και την παραγωγή μεθανίου (Maestrojuan et. al., 1991). Η τιμή του ph κατά τη διάρκεια της αναερόβιας επεξεργασίας μπορεί να μεταβληθεί από διάφορους παράγοντες. Ελάττωση της τιμής του ph παρατηρείται λόγω αύξησης της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων και της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα (Veeken et. al., 2000). Αντίθετα αύξηση του ph παρατηρείται κατά την αύξηση της συγκέντρωσης της αμμωνίας. Η επίδραση του ph είναι ισχυρότερη στα μεθανιογόνα βακτήρια και λιγότερο στα ζυμωτικά, τα οποία είναι πιο ανθεκτικά στις μεταβολές του ph. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή οξέων από τα ζυμωτικά βακτήρια αλλά την παρεμπόδιση της μεθανιογένεσης, με συνέπεια να αυξάνεται το πρόβλημα της οξύτητας στον αναερόβιο αντιδραστήρα. Έχει βρεθεί ότι αύξηση της συγκέντρωση των πτητικών λιπαρών οξέων πάνω από mg/l μπορεί να προκαλέσει παρεμπόδιση της αναερόβιας διεργασίας (Hobson et al., 1974) Θρεπτικά στοιχεία Η χημική σύσταση του υποστρώματος είναι ένας ακόμα παράγοντας που επηρεάζει την αναερόβια διεργασία. Ανάλογα με τα ανόργανα και τα οργανικά συστατικά που περιέχονται στην τροφοδοσία του αντιδραστήρα, εξαρτάται το είδος των βακτηρίων που θα αναπτυχθούν μέσα σε αυτόν. Βασικά θρεπτικά συστατικά για τον μεταβολισμό των μικροοργανισμών είναι ο άνθρακας, το άζωτο και ο φώσφορος. Έχουν διεξαχθεί πολλές έρευνες για την εύρεση της βέλτιστης αναλογίας άνθρακα/αζώτου που πρέπει να περιέχεται σε ένα υπόστρωμα για να εξασφαλίζεται η ανάπτυξη των βακτηρίων και σύμφωνα με τις πιο πρόσφατες αυτή κυμαίνεται μεταξύ 20/1 και 30/1 (Oreopoulou et al., 2007). Επίσης, η παρουσία ορισμένων 14

23 ιχνοστοιχείων όπως το κάλιο, το ασβέστιο, το μαγνήσιο, ο σίδηρος, το νικέλιο και το κοβάλτιο είναι απαραίτητη καθώς δρουν ως συμπαράγοντες για την ενζυμική δραστηριότητα (Stronach et al., 1986). Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στη συγκέντρωση του ασβεστίου, μαγνησίου, νατρίου και καλίου μέσα στον αναερόβιο αντιδραστήρα καθώς όταν είναι υψηλή τα ιχνοστοιχεία αυτά μπορούν να δράσουν σαν αναστολείς της μεθανιογένεσης. Αντίθετα, προσθήκη των παραπάνω μονοσθενών και δισθενών κατιόντων σε συγκεντρώσεως μεταξύ Μ και 0.01 Μ οδηγεί σε βελτιωμένη αποικοδόμηση λόγω της συνεργιστικής τους δράσης (Angelidaki et al., 2002) Ολικά στερεά Η διεργασία της αναερόβιας χώνευσης μπορεί να ταξινομηθεί ανάλογα με την περιεκτικότητα του υποστρώματος σε ολικά στερεά, σε αναερόβια χώνευση υγρής φάσης, όπου τα ολικά στερεά δεν ξεπερνούν το 15% και αναερόβια χώνευση στερεής φάσης, όπου τα ολικά στερεά είναι πάνω από 15%. Η αναερόβια χώνευση στερεής φάσης παρουσιάζει τα πλεονεκτήματα ότι απαιτείται αντιδραστήρας μικρότερου όγκου για την ίδια ποσότητα υποστρώματος και λιγότερη ενέργεια για τη θέρμανση και ανάδευση του συστήματος. Το μειονέκτημα σε σχέση με την αναερόβια χώνευση υγρής φάσης είναι η μειωμένη σταθερότητα του συστήματος, η χαμηλότερη απόδοση σε μεθάνιο και το μεγαλύτερο κόστος συντήρησης του αντιδραστήρα (Liu et al., 2015) Τοξικές ουσίες Η αναερόβια χώνευση αποτελεί μια διεργασία που μπορεί να παρεμποδιστεί από διάφορες ουσίες που είναι τοξικές για την παραγωγή μεθανίου. Αυτές είναι το οξυγόνο, η αμμωνία, τα λιπαρά οξέα, τα βαρέα μέταλλα, τα θειούχα και θειικά ιόντα και διάφορες άλλες ξενοβιοτικές ενώσεις. Οι μεθανιογόνοι μικροοργανισμοί είναι αυστηρά αναερόβιοι. Για το λόγο αυτό, η παρουσία οξυγόνου, ακόμα και σε ίχνη, δρα ανασχετικά στην ανάπτυξή τους και κατά συνέπεια στην ομαλή λειτουργία της αναερόβιας διεργασίας (Mignone, 2005). Τα θειικά ιόντα αποτελούν συστατικό πολλών αποβλήτων και κυρίως αυτών που προέρχονται από βιομηχανίες. Κατά τη διάρκεια της αναερόβιας επεξεργασίας, αναπτύσσονται βακτήρια που μετατρέπουν τα θειικά ιόντα σε θειούχα, τα οποία είναι από τους πιο ισχυρούς παρεμποδιστές της αναερόβιας χώνευσης (Hilton et al., 1988). 15

24 Τέλος, η παρουσία διάφορων οργανικών ενώσεων παρεμποδίζει την ομαλή λειτουργία του αναερόβιου συστήματος. Αυτές περιλαμβάνουν αλκυλομάδες, αλογονοομάδες, νιτροομάδες και διάφορες αρωματικές ενώσεις Ποσοστό οργανικού φορτίου Το ποσοστό οργανικού φορτίου αποτελεί ένα πολύ σημαντικό παράγοντα ελέγχου της συνολικής διεργασίας ειδικά όταν η αναερόβια χώνευση πραγματοποιείται σε βιοαντιδραστήρα συνεχούς έργου. Αν και γενικά προσπαθούμε να επιτύχουμε υψηλό ποσοστό οργανικού φορτίου με διάφορους τρόπους (π.χ. κάνοντας συγχώνευση διαφορετικών υποστρωμάτων) το υψηλό οργανικό φορτίο μπορεί να οδηγήσει το σύστημα σε αναστολή, καθώς λόγω του χαμηλού ρυθμού μεταβολισμού των μεθανιογόνων μικροοργανισμών μπορεί να αυξηθεί σημαντικά η συγκέντρωση των πτητικών λιπαρών οξέων οδηγώντας σε απότομη μείωση του ph. Σε περιπτώσεις που παρατηρείται αναστολή για να σταθεροποιηθεί εκ νέου το σύστημα πρέπει να μειωθεί ο ρυθμός τροφοδοσίας έτσι ώστε οι μικροοργανισμοί να έχουν τον απαραίτητο χρόνο να επανέλθουν στις αρχικές συνθήκες. (Abbasi et al., 2012) Πτητικά λιπαρά οξέα Τα πτητικά λιπαρά οξέα (VFAs) αποτελούν σημαντικά ενδιάμεσα προϊόντα της αναερόβιας χώνευσης και είναι απαραίτητα κατά τη διάρκεια της μετατροπής της οργανικής ύλης σε βιοαέριο. Μεγάλες συγκεντρώσεις τους όμως δύναται να επηρεάσουν την αποτελεσματικότητα των μικροοργανισμών. Είναι γνωστό ότι ο βαθμός μετατροπής των VFAs σε οξικό οξύ, επηρεάζει τον αριθμό των μεθανιογόνων βακτηρίων, με αποτέλεσμα να επηρεάζεται και ο βαθμός αποδόμησης του οξικού οξέος και η τελική απόδοση σε βιοαέριο (Wang et al., 1997). Όλα τα VFAs πριν την τελική τους αποδόμηση σε μεθάνιο μετατρέπονται σε οξικό οξύ με διαφορετικό ρυθμό μετατροπής. Το γαλακτικό οξύ έχει βρεθεί ότι μετατρέπεται σε προπιονικό οξύ, το οποίο αποτελεί ανεπιθύμητο προϊόν της διεργασίας, καθώς η συσσώρευση του καταλήγει πάντα σε αναστολή της μεθανιογένεσης (Ren et al., 2005). Ωστόσο, σε ένα βιοαντιδραστήρα κατά την αναερόβια χώνευση απαντώνται πολλοί τύποι VFAs, οπότε πρέπει να λαμβάνεται υπ όψιν η συνεργιστική δράση τους στην αναστολή των μεθανιογόνων μικροοργανισμών. Επιπλέον, έχει βρεθεί ότι με συγκέντρωση ολικών VFAs άνω από 2000 mg/l, το σύστημα οδηγείται σε αναστολή της αποδόμησης της κυτταρίνης, ενώ για αποδόμηση της γλυκόζης προκαλείται ασθενής αναστολή σε συγκεντρώσεις VFAs πάνω από 4000 mg/l (Siegert & Banks, 2005). 16

25 Στη βιβλιογραφία υπάρχουν αντικρουόμενα συμπεράσματα σχετικά με τη συγκέντρωση του προπιονικού οξέος η οποία προκαλεί αναστολή στην ανάπτυξη των μεθανιογόνων μικροοργανισμών και οδηγεί σε διακοπή της μεθανιογένεσης. Σύμφωνα με τους Yeole et al.,1996, για ph 7 και συγκέντρωση προπιονικού οξέος 5000 mg/l, η απόδοση του μεθανίου μειώθηκε κατά 22 38% και φάνηκε ότι η αναστολή γινόταν εντονότερη με τη μείωση του ph. Αντιθέτως, οι Demirel & Yenigun, 2002, απέδειξαν ότι αναστολή στην ανάπτυξη των μεθανιογόνων μικροοργανισμών εμφανίζεται σε συγκεντρώσεις προπιονικού οξέος άνω των 951 mg/l, ενώ με προσθήκη βουτυρικού οξέος το φαινόμενο της αναστολής μειωνόταν ως ένα βαθμό. Ωστόσο, σε άλλη έρευνα, κατά την αύξηση της συγκέντρωσης του προπιονικού οξέος στα 2750 mg/l, δεν παρατηρήθηκε αναστολή (Pratap et al., 2001) Υδραυλικός χρόνος παραμονής Το χρονικό διάστημα κατά το οποίο το διαθέσιμο προς αποικοδόμηση υλικό παραμένει στον αντιδραστήρα αποτελεί τον υδραυλικό χρόνο παραμονής. Ο υδραυλικός χρόνος παραμονής περιγράφεται από την ακόλουθη σχέση: HRT = V F Όπου, V: Ο λειτουργικός όγκος του αντιδραστήρα (m 3 ), F: Η ημερήσια ογκομετρική παροχή στον αντιδραστήρα (m 3 /ημέρα). Ο υδραυλικός χρόνος παραμονής πρέπει να είναι αρκετά μεγάλος, ώστε να επιτρέπει στα αναερόβια βακτήρια να ολοκληρώσουν το μεταβολισμό τους και να πολλαπλασιαστούν. Ο ρυθμός παροχής οργανικού υλικού στον αντιδραστήρα είναι πρωταρχικής σημασίας για τη διατήρηση σταθερών συνθηκών, καθώς είναι αυτός που καθορίζει τον υδραυλικό χρόνο παραμονής στον αντιδραστήρα, με δεδομένη σταθερή σύσταση του διαθέσιμου αποβλήτου. Οι μεγάλοι ρυθμοί παροχής μπορούν να επιφέρουν συσσώρευση πτητικών λιπαρών οξέων και αποτυχία του συστήματος επεξεργασίας. Από την άλλη, πολύ μικροί ρυθμοί παροχής οργανικού υλικού οδηγούν σε αύξηση του υδραυλικού χρόνου παραμονής με αποτέλεσμα να αυξάνεται το λειτουργικό κόστος του αντιδραστήρα. Στην πράξη, κατά το σχεδιασμό συστημάτων αναερόβιας επεξεργασίας, γίνεται ένας συμβιβασμός μεταξύ απόδοσης και οικονομίας. Για αντιδραστήρες τύπου CSTR ο συνηθέστερος χρόνος 17

26 παραμονής είναι 21 ημέρες για έναν μεσόφιλο αντιδραστήρα και 15 ημέρες για ένα θερμόφιλο αντιδραστήρα Ρυθμός οργανικής φόρτισης Ως ρυθμός οργανικής φόρτισης ενός αναερόβιου αντιδραστήρα ορίζεται η μάζα του εισερχόμενου οργανικού υλικού στον αντιδραστήρα ανά μονάδα όγκου αυτού και ημέρα. Η μέγιστη τιμή που μπορεί να πάρει καθορίζεται από τον αρχικό σχεδιασμό του αντιδραστήρα και τη σύσταση του αποβλήτου Ανάδευση Η ανάδευση του υποστρώματος εντός του βιοαντιδραστήρα είναι μια πολύ σημαντική παράμετρος της βιοδιεργασίας καθώς συμβάλλει στην ομοιόμορφη κατανομή των μικροοργανισμών, όπως επίσης και στη μεταφορά θερμότητας. Ο ρόλος της ανάδευσης είναι σημαντικός στην αποφυγή δημιουργίας διαστρωμάτωσης εντός του βιοαντιδραστήρα, καθώς και στην αποφυγή συσσώρευσης αδρανών στερεών υλικών στον πυθμένα. Η ένταση της ανάδευσης σε έναν αντιδραστήρα θα πρέπει να είναι ελεγχόμενη λόγω της ευαισθησίας των κυττάρων κάτω από έντονες πιέσεις. Η ανάδευση πραγματοποιείται με διάφορες μεθόδους συμπεριλαμβανομένων της μηχανικής ανάδευσης, της ανακυκλοφορίας του περιεχομένου του βιοαντιδραστήρα, καθώς και της ανακυκλοφορίας του παραγόμενου αερίου με χρήση αντλιών. Ανάλογα με το υπόστρωμα που χρησιμοποιείται σε μια διεργασία χώνευσης, η ένταση και η διάρκεια της ανάδευσης διαφέρουν και αποτελούν σημαντικούς παράγοντες της διεργασίας (Karim et al., 2005). Η διάρκεια και την ένταση της ανάδευσης αποτελούν δύο παράγοντες που διχάζουν τους ερευνητές. Σύμφωνα με μελέτες, σε πιλοτικούς βιοαντιδραστήρες χωρητικότητας 4.5 m 3 χωρίς συνθήκες ανάδευσης, παρατηρήθηκε υψηλότερη απόδοση σε μεθάνιο από ότι παρατηρήθηκε σε συνθήκες συνεχούς ανάδευσης (Chen et al., 2008). Ακόμη, η χώνευση κοπριάς βοοειδών οδήγησε σε μείωση της παραγωγής σε μεθάνιο κατά 75% σε συνθήκες συνεχούς ανάδευσης (Ben-Hassαn et al., 1985), ενώ αντίθετα κατά τη χώνευση αποβλήτων ελαιουργείου αναφέρθηκε αυξημένη παραγωγή βιοαερίου με βιοαντιδραστήρα συνεχούς ανάδευσης (Ho & Tan, 1985). Παρόλα αυτά, οι περισσότεροι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η ανάδευση στους αναερόβιους χωνευτές είναι προτιμότερο να μην είναι συνεχής αλλά διακοπτόμενη. 18

27 2.22. Κινητική της αναερόβιας χώνευσης Η κινητική της αναερόβιας επεξεργασίας σε συνθήκες ισορροπίας περιγράφεται από δύο μοντέλα, αυτό της πρώτης τάξης και το μοντέλο του Monod. Σύμφωνα με το μοντέλο πρώτης τάξης, ο ρυθμός κατανάλωσης του υποστρώματος εξαρτάται από τη συγκέντρωσή του (Chowdhury and Fulford, 1992). To ισοζύγιο μάζας του υποστρώματος περιγράφεται από την ακόλουθη σχέση: ds = (S 0 S) ks (1) dt θ Όπου S: Η συγκέντρωση των πτητικών στερεών (kg/m 3 ), S 0 : Η αρχική συγκέντρωση πτητικών στερεών, θ: Ο υδραυλικός χρόνος παραμονής, k: Σταθερά πρώτης τάξης Ο ρυθμός παραγωγής βιοαερίου (m 3 /d) εξαρτάται από της ελάττωση της συγκέντρωσης των πτητικών στερεών και δίνεται από τη σχέση: Όπου y: Η ειδική παραγωγή μεθανίου (m 3 /kg). g = yb 0 (S 0 S)v (2) Σε αντίθεση με το μοντέλο πρώτης τάξης, το μοντέλο του Monod απαιτεί την επίλυση τουλάχιστον δύο ισοζυγίων μάζας, ένα για το υπόστρωμα και ένα για να βακτήρια που το καταναλώνουν (Husain, 1998). Τα ισοζύγια μάζας για το βιοαποδομήσιμο υπόστρωμα S και τα βακτήρια X είναι: ds = (S 0 S) μχ dt θ Υ (3) Όπου Υ: Ο συντελεστής απόδοσης και dx dt = μχ Χ θ (4) μ: Ο συντελεστής ανάπτυξης των βακτηρίων, ο οποίος δίνεται από τη σχέση: μ = μ m S (K s +S) (5) Όπου μ m είναι ο μέγιστος ειδικός ρυθμός ανάπτυξης και Κ s σταθερά που αντιστοιχεί στην τιμή του S για μ=μ m /2. 19

28 Σε συνθήκες ισορροπίας οι εξισώσεις (3) και (4) γίνονται: Χ = Υ(S 0 S) (6) S = K s (θμ m 1) (7) Ανασταλτικοί παράγοντες της αναερόβιας χώνευσης Ως αναστολείς της αναερόβιας χώνευσης θεωρούνται εκείνες οι ουσίες, οι οποίες έχουν αρνητική επίδραση στους μικροοργανισμούς χωρίς όμως να τους σκοτώνουν άμεσα. Η αναερόβια χώνευση μπορεί να ανασταλεί με διάφορους τρόπους από ενδογενή και εξωγενή αίτια. Η ενδογενής αναστολή προκύπτει από συνθήκες ή υλικά που σχηματίζονται κατά τη διάρκεια της χώνευσης, ενώ η εξωγενής οφείλεται σε εξωτερικούς παράγοντες. Γενικότερα, τα δύο τελευταία στάδια της αναερόβιας χώνευσης είναι απόλυτα προσαρμοσμένα μεταξύ τους, με συνέπεια την αναστολή του ενός να διαδέχεται η αναστολή του άλλου. Η αμμωνία, τα οξέα, το οξυγόνο, τα βαρέα μέταλλα, διάφορα ιόντα μετάλλων και διάφορες θειικές ενώνεις δρουν ανασταλτικά στην αναερόβια χώνευση, η κάθε μία με διαφορετικό τρόπο Αμμωνία Η αμμωνία παράγεται από την αποδόμηση αζωτούχων ενώσεων και βρίσκεται κυρίως με τη μορφή πρωτεϊνών και ουρίας (Kayhanian, 1999). Το ανόργανο άζωτο απαντάται με τη μορφή αμμωνιακών ιόντων και ελεύθερης αμμωνίας. Η ελεύθερη αμμωνία φαίνεται να είναι η κύρια αιτία της αναστολής καθώς είναι διαπερατή προς τις κυτταρικές μεμβράνες (Kroeker et al., 1979). Οι μεθανιογόνοι μικροοργανισμοί είναι οι περισσότερο ευαίσθητοι σε μεγάλες συγκεντρώσεις αμμωνίας. Έχει βρεθεί ότι πιθανή αστάθεια του συστήματος λόγω υψηλής συγκέντρωσης αμμωνίας, καταλήγει συχνά σε συσσώρευση πτητικών λιπαρών οξέων (οπότε και σε πτώση της τιμής του ph) και άρα σε μείωση των συγκεντρώσεων της ελεύθερης αμμωνίας (Angelidaki et al., 1993). Επιπλέον, έχει βρεθεί ότι κάποια ιόντα όπως Na +, Ca 2+, Mg 2+ δρουν ανταγωνιστικά προς την ανασταλτική επίδραση της αμμωνίας, δηλαδή ένα φαινόμενο κατά το οποίο η τοξικότητα ενός ιόντος μειώνεται παρουσία κάποιου άλλου ιόντος (McCarty et al, 1961). Στη βιβλιογραφία αναφέρεται ότι σε συγκεντρώσεις αμμωνίας >1500 mg/l, προκαλείται σε ph πάνω από 7.4 αναστολή στη μικροβιακή αύξηση (McCarty, 1964). Παρόλα αυτά είναι κοινά αποδεκτό ότι η αμμωνία σε συγκεντρώσεις κάτω των 200 mg/l, έχει ευεργετική επίδραση στην αναερόβια διεργασία, καθώς το άζωτο αποτελεί ένα απαραίτητο θρεπτικό συστατικό για τους μικροοργανισμούς (Liu & Sung, 2002). 20

29 2.25. Ενώσεις που περιέχουν θείο Στους αναερόβιους αντιδραστήρες, θειικά άλατα ανάγονται σε σουλφίδια από τα θειοαναγωγικά βακτήρια (Hilton et al., 1988). Τα θειοαναγωγικά βακτήρια χωρίζονται σε δυο επιμέρους κατηγορίες, στην πρώτη περιλαμβάνονται τα ατελώς οξειδωτικά, τα οποία ανάγουν ενώσεις όπως γαλακτικό οξύ σε οξικό οξύ και CO 2, και στη δεύτερη τα πλήρως οξειδωτικά, που μετατρέπουν πλήρως το οξικό οξύ σε CO 2 και HCO - 3. Εξαιτίας της αναγωγής των θειικών αλάτων πραγματοποιούνται δυο φαινόμενα αναστολής. Αρχικά, στα οργανικά και ανόργανα υποστρώματα, η αναστολή οφείλεται στον ανταγωνισμό των θειοαναγωγικών βακτηρίων με τους άλλους αναερόβιους μικροοργανισμούς, κάτι που έχει αντίκτυπο στην παραγωγή μεθανίου (Harada et al., 1994). Αναστολή επίσης μπορεί να προκαλέσει και η τοξικότητα των σουλφιδίων. Έχει βρεθεί ότι το H 2 S αποτελεί το τοξικότερο από τα σουλφίδια καθώς είναι μεμβρανοδιαπερατό (Tursman et al, 1988) Βαρέα μέταλλα Τα βαρέα μέταλλα αποτελούν έναν από τους σημαντικότερους παράγοντες αναστολής της αναερόβιας χώνευσης λόγω της τοξικότητας που προκαλούν στο σύστημα (Swanwick et al., 1969). Το πρόβλημα που προκαλούν τα βαρέα μέταλλα οξύνεται λόγω του γεγονότος ότι δεν είναι βιοδιασπώμενα, σε αντίθεση με άλλες τοξικές ουσίες και επομένως όσο προστίθενται στο σύστημα, τόσο η συγκέντρωση τους αυξάνεται προς τα τοξικά επίπεδα. Τυχόν αναστολή από βαρέα μέταλλα μπορεί να αντιμετωπιστεί με έκπλυση ή αραίωση του περιεχομένου του βιοαντιδραστήρα, έτσι ώστε η συγκέντρωση των τοξικών ουσιών να πέσει κάτω από τα επίπεδα τοξικότητας (Levent, 2009) Ιόντα μετάλλων (Na, K, Mg, Ca, Al) Είναι πλέον αποδεδειγμένο, ότι υψηλά επίπεδα αλάτων προκαλούν αφυδάτωση στα βακτηριακά κύτταρα λόγω οσμωτικής πίεσης (Yerkes et al., 1997). Ιόντα μετάλλων όπως νατρίου, καλίου, ασβεστίου, μαγνησίου κ.ά. απαντώνται στο υπόστρωμα λόγω αποδόμησης του οργανικού υλικού. Τα ιόντα αυτά σε μικρές συγκεντρώσεις είναι όχι μόνο ευεργετικά, αλλά και απαραίτητα για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών. Ωστόσο, σε μεγάλες συγκεντρώσεις, μπορεί να επιβραδύνουν την ανάπτυξη των μικροοργανισμών ή και να προκαλέσουν αναστολή (Daisy et al., 2011). 21

30 2.28. Οργανικές ενώσεις Διάφορες οργανικές ενώσεις, σε υψηλές συγκεντρώσεις, αδιάλυτες στο νερό ή προσροφημένες σε σωματίδια του υποστρώματος, μπορούν να προκαλέσουν αναστολή της αναερόβιας χώνευσης. Η συσσώρευση μη πολικών ρύπων στις βακτηριακές μεμβράνες προκαλεί διόγκωση των μεμβρανών και καταστροφή της διαβάθμισης της συγκέντρωσης των ιόντων με αποτέλεσμα την κυτταρική λύση (Heipieper et al., 1994). Διάφοροι παράγοντες επηρεάζουν την τοξικότητα των οργανικών ενώσεων. Μερικοί από αυτούς είναι η συγκέντρωση και ο χρόνος έκθεσης της τοξικής ουσίας, η συγκέντρωση της βιομάζας, η ηλικία του κυττάρου, ο τρόπος τροφοδοσίας του συστήματος, ο εγκλιματισμός των μικροοργανισμών και η θερμοκρασία (Yang et al, 1986). Κάποιες οργανικές ενώσεις που έχει βρεθεί ότι αναστέλλουν την αναερόβια χώνευση είναι οι χλωροφαινόλες, οι αλογονομένες αλειφατικές ενώσεις, οι N-υποκατεστημένες αρωματικές ενώσεις, τα μακράς αλυσίδας λιπαρά οξέα (LCFAs) καθώς και η λιγνίνη και τα παράγωγά της (Chen, 2008) Άλλες τοξικές ουσίες Η αναερόβια χώνευση δεν έχει την ικανότητα, όπως και οι περισσότερες βιολογικές μέθοδοι διαχείρισης αποβλήτων, να επεξεργάζεται απόβλητα τα οποία περιέχουν μεγάλες ποσότητες αντιβιοτικών αντιμυκητιακών ενώσεων, καθώς οι ενώσεις αυτές καταστρέφουν τις δομές των μικροοργανισμών μειώνοντας την ικανότητα τους να απορρυπαίνουν. Αποτέλεσμα αυτών των ενώσεων είναι η μείωση του αριθμού των διαθέσιμων μικροοργανισμών και επομένως η μείωση της παραγωγικότητας βιοαερίου. 3. ΚΥΡΙΟΤΕΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΑΕΡΟΒΙΩΝ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ Για να είναι δυνατή η παραγωγή βιοαερίου από τους αναερόβιους αντιδραστήρες πρέπει να πληρούνται δύο βασικές προϋποθέσεις. Αυτές είναι η συγκράτηση του οξυγόνου εκτός του αντιδραστήρα και η δημιουργία συνθηκών επαφής μεταξύ των μικροοργανισμών και της οργανικής ύλης. Τα κυριότερα αναερόβιων αντιδραστήρων περιγράφονται παρακάτω Αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (Batch reactors) Οι αντιδραστήρες διαλείποντος έργου ή εφάπαξ πλήρωσης αποτελούνται από ένα κύριο σώμα, το οποίο είναι αεροστεγώς κλεισμένο. Η λειτουργία τους είναι απλή καθώς μετά την εισαγωγή της οργανικής ύλης δημιουργείται αναερόβιο περιβάλλον και αρχίζει η 22

31 αναερόβια αποικοδόμησή της. Ο όγκος των αντιδραστήρων μπορεί να είναι από λίγα ml, για αντιδραστήρες που χρησιμοποιούνται σε εργαστηριακή κλίμακα, έως βιομηχανικά συστήματα πολλών m 3. Οι αντιδραστήρες διαλείποντος έργου χρησιμοποιούνται ευρύτατα σε εργαστηριακό επίπεδο για την εύρεση της ποσότητας βιοαερίου που παράγεται από δεδομένη ποσότητα οργανικής ύλης, σε ορισμένο χρονικό διάστημα. Η βιομηχανική χρήση των συστημάτων διαλείποντος έργου αποφεύγεται στις χώρες του δυτικού κόσμου αλλά συνηθίζεται σε υποανάπτυκτες χώρες. Αυτό συμβαίνει λόγω του χαμηλού κόστους κατασκευής και συντήρησής τους αλλά και επειδή η ποιότητα του τελικού προϊόντος δεν αποτελεί βασικό παράγοντα της μεθόδου επιλογής διαχείρισης των αποβλήτων (De Baere, 2000; Lastella et al., 2002). Σχήμα 3: Σχηματική απεικόνιση συστήματος διαλείποντος έργου σε εργαστηριακή κλίματα (Angelidaki et al., 2009) 3.2. Αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας (CSTR: Continuous Stirred Tank Reactor) Οι αντιδραστήρες CSTR αποτελούνται από το κύριο σώμα, το οποίο είναι μια αεροστεγής δεξαμενή διαφόρων διαστάσεων, από μία δικλείδα εισαγωγής λυμάτων, από μια δικλείδα εξαγωγής του χωνευμένου λύματος και από μια δικλείδα εξαγωγής του βιοαερίου. Στους αντιδραστήρες CSTR τα λύματα εισάγονται με τη βοήθεια περισταλτικής αντλίας με παράλληλη εξαγωγή ποσότητας χωνευμένου λύματος. Η παρουσία αναδευτήρα είναι απαραίτητη για την εξασφάλιση της ορθής ανάμιξης των λυμάτων. Είναι ο συνηθέστερος τύπος αντιδραστήρων που χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία ακάθαρτων υδάτων και 23

32 αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων με ολικά στερεά πάνω από 3% (Chynoweth et al., 1998). Η θέρμανση του αντιδραστήρα γίνεται ταυτόχρονα με την ανάμιξη. Στους αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας ο μέσος χρόνος παραμονής των λυμάτων είναι ίσος με τον υδραυλικό χρόνο παραμονής (HRT). Τα μειονεκτήματα χρήσης του συγκεκριμένου αντιδραστήρα είναι το μεγάλο κόστος μίξης και θέρμανσης, ιδίως όταν χρησιμοποιούνται θερμόφιλες συνθήκες εντός του αντιδραστήρα και η δυσκολία συγκράτησης μέσα σε αυτόν, των βακτηρίων που συντελούν στην αναερόβια ζύμωση. Παρόλα αυτά, οι αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας παρουσιάζουν τα πλεονεκτήματα ότι απαιτούν χαμηλό κόστος κατασκευής και συντήρησης και ταυτόχρονα υπάρχει ευκολία στον τρόπο που μπορεί να συλλεχθεί το παραγόμενο βιοαέριο. Επίσης, πλεονεκτούν στο ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για συγχώνευση αποβλήτων χωρίς ιδιαίτερη προετοιμασία και μπορούν να δεχθούν μεγάλα οργανικά φορτία χωρίς να μεταβάλλεται αρκετά η ποιότητα του τελικού προϊόντος. Σχήμα 4: Αναερόβιος χωνευτής πλήρους ανάμιξης (CSTR) 3.3. Αντιδραστήρες ανοδικής ροής (UASB: Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor) Οι αντιδραστήρες UASB αποτελούνται από τέσσερα τμήματα: α) μία κυρίως κυλινδρική δεξαμενή, β) μία παγίδα των αερίων που λειτουργεί ως διαχωριστής στερεών και 24

33 αερίου, γ) μία έξοδο του παραγόμενου βιοαερίου και δ) μία είσοδο των λυμάτων που είναι τοποθετημένη στη βάση του αντιδραστήρα. Ο υψηλός βαθμός απόδοσής τους καθώς και η αξιοπιστία στην αδιάκοπη λειτουργία τους, τους κατατάσσουν στην υψηλότερη θέση προτίμησης ανάμεσα στα αναερόβια συστήματα επεξεργασίας λυμάτων. Η βασική ιδέα της διεργασίας είναι ότι το απόβλητο εισέρχεται μέσα στον αντιδραστήρα από τον πυθμένα και τον εγκαταλείπει από την κορυφή με τη χρήση ενός διαχωριστή φάσεων. Κατά την ανοδική ροή του, το υγρό απόβλητο διαπερνά ένα στρώμα βιολογικής κοκκώδους λάσπης η οποία βρίσκεται σε αιώρηση και καταναλώνει τις βιοαποδομήσιμες ενώσεις του αποβλήτου, οι οποίες στη συνέχεια μετατρέπονται σε βιοαέριο. Οι αντιδραστήρες ανοδικής ροής παρουσιάζουν το πλεονέκτημα της καλής μίξης και σωστής διάχυσης του εισερχόμενου ρεύματος ενώ ταυτόχρονα εμφανίζουν μεγάλη σταθερότητα και απαιτούν μικρό όγκο δεξαμενών λόγω του μειωμένου χρόνου παραμονής των αποβλήτων μέσα σε αυτούς. Στα αρνητικά της χρήσης αυτών των αντιδραστήρων συγκαταλέγεται η ανικανότητα του συστήματος να ανταπεξέλθει σε συνθήκες αυξημένων συγκεντρώσεων στερεών, καθιστώντας απαραίτητη την απομάκρυνσή τους πριν την εισαγωγή τους στο σύστημα. Έτσι αυξάνεται κατά πολύ το κόστος συντήρησης και επεξεργασίας. Σχήμα 5: Αντιδραστήρας ανοδικής ροής αποβλήτων (UASB) 25

34 3.4. Αντιδραστήρες εμβολικής ροής (PFR: Plug Flow Reactors) Πρόκειται για ένα από τα απλούστερα συστήματα αναερόβιων αντιδραστήρων. Τα λύματα εισέρχονται από τη μία μεριά του αντιδραστήρα και ρέουν αξονικά μέσα σε αυτόν. Η απόρριψη γίνεται από την αντίθετη μεριά του αντιδραστήρα ενώ κατά μήκος αυτού αναπτύσσονται οι αναερόβιοι μικροοργανισμοί, οι οποίοι έρχονται σε επαφή με τα λύματα. Η θέρμανση του συστήματος γίνεται μέσω αυλών που υπάρχουν κατά μήκος του αντιδραστήρα. Στους αντιδραστήρες εμβολικής ροής, λόγω της απουσίας ανάμιξης δημιουργούνται προβλήματα καθίζησης αδρανών υλικών όταν χρησιμοποιούνται απόβλητα με υψηλή οργανική φόρτιση. Σχήμα 6: Αναερόβιος αντιδραστήρας εμβολικής ροής (PFR) 3.5. Αναερόβιες λίμνες Οι αναερόβιες λίμνες χρησιμοποιούνται για τη διαχείριση αποβλήτων από ένα μεγάλο αριθμό κτηνοτρόφων στην Ελλάδα λόγω του μικρού κόστους κατασκευής και της μικρής ανάγκης συντήρησης (Georgakakis et al., 2003). Οι αναερόβιες λίμνες είναι συνήθως ορθογώνιες χωμάτινες δεξαμενές καλυμμένες με ένα υλικό κάλυψης που συνηθέστερα είναι μια πλαστική μεμβράνη, η οποία πρωτίστως δεν επιτρέπει στο οξυγόνο να εισέλθει στη δεξαμενή, ενώ παράλληλα συγκρατεί το βιοαέριο το οποίο μπορεί αργότερα να χρησιμοποιηθεί για καύση και παραγωγή ενέργειας. Στις αναερόβιες λίμνες το απόβλητο εισρέει από τη μια πλευρά της δεξαμενής και εκρέει από την απέναντι. Θέρμανση ή ανάμιξη δε χρησιμοποιείται και έτσι όλη η διαδικασία είναι ιδιαίτερα αργή αυξάνοντας έτσι το μέγεθος της δεξαμενής. Στις δεξαμενές αυτές μπορεί να χρησιμοποιείται ανακυκλοφορία της ιλύος που περιέχει μικροοργανισμούς, συντηρώντας έτσι ένα θετικό ισοζύγιο για αυτούς. 26

35 Σχήμα 7: Αναερόβιο σύστημα λίμνης λεκάνης Αναερόβια φίλτρα Στα αναερόβια φίλτρα τα προς επεξεργασία υλικά, είτε ανέρχονται, είτε κατέρχονται μέσω μιας δεξαμενής πληρωμένης με κάποιο αδρανές πληρωτικό υλικό το οποίο μπορεί να είναι πέτρωμα, πολυμερές ή γυαλί. Το πληρωτικό υλικό είναι έτσι τοποθετημένο, ούτως ώστε να επιτρέπει την προσκόλληση, παραμονή και ανάπτυξη των μικροοργανισμών επάνω σε αυτό. Με την εισαγωγή των προς επεξεργασία αποβλήτων, αυτά έρχονται σε επαφή με τους ακινητοποιημένους μικροοργανισμούς, οι οποίοι καταναλώνουν το οργανικό φορτίο του εισερχόμενου ρεύματος. Πιο αποδοτικά είναι τα φίλτρα καθοδικής ροής γιατί μειώνουν την περίπτωση απομάκρυνσης της βιομάζας κατά τη διαδικασία απομάκρυνσης του επεξεργασμένου ρεύματος. Συνήθεις υδραυλικοί χρόνοι παραμονής κυμαίνονται μεταξύ 0.5 και 1.5 ημερών με αποτέλεσμα την απομάκρυνση του 50-70% του οργανικού φορτίου (Morel and Diener, 2006). Τα θετικά της μεθόδου είναι η αποδοχή μεγάλων οργανικών φορτίων, η μη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας, το μικρό κόστος συντήρησης και χρήσης, αλλά και η αρκετά μεγάλη απομάκρυνση του οργανικού φορτίου. Αρνητικά της μεθόδου είναι η ανάγκη αραίωσης με παράλληλη αύξηση του όγκου του αποβλήτου, η μικρή απομάκρυνση παθογόνων μικροοργανισμών, ο μεγάλος χρόνος που χρειάζεται για να επιτευχθεί η σταθεροποίηση του συστήματος και η 27

36 συσσώρευση βιομάζας στα στελέχη του βιόφιλτρου, κάτι το οποίο έχει αρνητικές συνέπειες στο δυναμικό του συστήματος. Σχήμα 8: Αναερόβιο φίλτρο ανοδικής ροής Αναερόβιοι χωνευτές πολλών σταδίων Κατά την αναερόβια χώνευση πολλών σταδίων οι φυσικές διεργασίες της χώνευσης διαχωρίζονται και λαμβάνουν χώρα σε διαφορετικές δεξαμενές όπου εξειδικευμένοι πλέον μικροοργανισμοί αναλαμβάνουν την αποδόμηση της οργανικής ύλης. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η χώνευση είναι απόρροια συμβιωτικών σχέσεων που σχηματίζονται μεταξύ των μικροοργανισμών όπου τα προϊόντα προηγούμενων φάσεων καταναλώνονται ως υπόστρωμα από τους μικροοργανισμούς επόμενων φάσεων, έως την παραγωγή των τελικών προϊόντων (CH 4, CO 2 ). Στη συγκεκριμένη περίπτωση τα μεθανιογόνα βακτήρια είναι υπεύθυνα για τη μείωση παρεμποδιστικών προϊόντων, τα οποία παρεμποδίζουν τις διεργασίες των μικροοργανισμών στις πρώτες κυρίως φάσεις (Η 2 ). Τα βακτήρια των πρώτων φάσεων είναι υπεύθυνα για την προετοιμασία του τροφικού υποστρώματος για τα μεθανιογόνα βακτήρια, τα οποία καθορίζουν την ταχύτητα της διεργασίας λόγω της ευπάθειας και του αργού χρόνου με τον οποίο μετατρέπουν το υπόστρωμα σε CH 4 και CO 2 (Elefsiniotis και Oldham., 1994). Οι χωνευτές πολλών σταδίων καλύπτουν αυτήν την καθυστέρηση, καθώς επιτρέπουν την εξειδίκευση των μικροοργανισμών στις διάφορες φάσεις χωρίς να απαιτούν τη φυσική συνύπαρξη των διεργασιών στον ίδιο χώρο (De Baere, 1999). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του χρόνου παραμονής των αποβλήτων στις δεξαμενές, την επίτευξη καλύτερης ποιότητας τελικού προϊόντος και την αύξηση της ποιότητας στο παραγόμενο βιοαέριο 28