Ο ρόλος της κοκκώδους λάσπης στην αναερόβια χώνευση υγρών αποβλήτων Απόστολος Βλυσίδης, καθηγητής ΕΜΠ

Transcript

1 Ο ρόλος της κοκκώδους λάσπης στην αναερόβια χώνευση υγρών αποβλήτων Απόστολος Βλυσίδης, καθηγητής ΕΜΠ Περίληψη Για την καταρχήν επιλογή του κατάλληλου τύπου αναερόβιου χωνευτήρα που πρέπει να εφαρμοστεί σε κάποιο απόβλητο συνηθίζεται να ακολουθούνται τα κριτήρια που παρουσιάζονται στο διάγραμμα του σχήματος Σχήμα 1: Φασικό διάγραμμα παροχής-συγκέντρωσης για την επιλογή τεχνολογιών αναερόβιας χώνευσης (Nicolella et al, 2000) Σε όλους τους τύπους των αναερόβιων βιοαντιδραστήρων (UASB, EGSB, BFB, BAS, IC) εκτός του CSRT (Single cells) κύριο ρόλο στην λειτουργία τους έχει η σωστή δημιουργία και οργάνωση των βιολογικών οικοσυστημάτων. Αυθόρμητα τα αναερόβια βακτήρια οργανώνονται σε ολοκληρωμένα συστήματα αποδόμησης όπου το κάθε ένα ισορροπεί με όλα τα άλλα, στην κατάλληλη θέση, αναλαμβάνοντας το έργο που του αναλογεί. Έτσι δημιουργούνται κόκκοι που ο καθένας από αυτούς αποτελεί ένα ολοκληρωμένο οικοσύστημα αποδόμησης διαλυτών οργανικών ενώσεων μέχρι την παραγωγή μεθανίου. Ο μηχανισμός δημιουργίας των κόκκων (granulation) μέχρι σήμερα δεν έχει διευκρινιστεί πλήρως. Για τη δημιουργία ενός κόκκου απαιτείται ένας πυρήνας κοκκοποίησης

2 και μία συγκολλητική ουσία. Το ρόλο του πυρήνα μπορούν να αναλάβουν ανόργανοι κρύσταλλοι (π.χ. θειούχα μέταλλα), οργανικά στερεά, νεκρά κύτταρα κ.ά. ενώ το ρόλο της συγκολλητικής ουσίας παίζει οι πολυσακχαρίτες ( Extracellular Poly Saccharides). Η δημιουργία της στοιβάδας των οφείλεται στη δράση των υδρολυτικών βακτηρίων τα οποία διασπούν και πολυμερίζουν τους υδατάνθρακες που περιέχονται στα απόβλητα. Τα αναερόβια βακτήρια διατάσσονται εντός του κόκκου ανάλογα με τη βαθμίδα αποδόμησης που αναλαμβάνουν. Έτσι τα οξικογενή και μεθανογενή βακτήρια καταλαμβάνουν το κέντρο του κόκκου ενώ τα οξυγενή και τα υδρολυτικά βακτήρια καταλαμβάνουν την περιφέρεια του κόκκου. Μία απλοποιημένη διάταξη του κόκου φαίνεται στο σχήμα 2. Στοιβάδα --βακτήρια Υδρόφιλη στοιβάδα (υδρολυτικά-οξυγενή βακτήρια) Υδρόφοβη στοιβάδα (οξικογενή-μεθανογενή βακτήρια) Σχήμα 2: Απλοποιημένη παράσταση ενός κόκκου σε αντιδραστήρες UASB Τα θεωρούνται απαραίτητα για την σωστή δόμηση του κόκκου επομένως απαιτείται μέρος του COD του αποβλήτου (περίπου το 1/3 τουλάχιστον) να αποτελείται από οργανικά μεγαλομόρια ιδιαίτερα υδατανθράκων. Η στοιβάδα των υδρολυτικών-οξυγενών βακτηρίων είναι υδρόφιλη ενώ η στοιβάδα των οξικογενών και μεθανογενών βακτηρίων είναι υδρόφοβη. Η ύπαρξη της υδρόφιλης εξωτερικής στοιβάδα είναι απαραίτητη για την συγκρότηση του κόκκου διότι έτσι αποφεύγεται η συγκόλληση του κόκκου με το βιοαέριο γεγονός που θα είχε σαν αποτέλεσμα την επίπλευσή του κόκκου και όχι την καθίζησή του. Η στέρηση της υδρόφιλης στοιβάδας μετατρέπει την λάσπη από κοκκώδη (granular) σε «λασπώδη» (flocculant) που εύκολα επιπλέει και παρασέρνεται από την ροή του υγρού. Τα υδρολυτικά βακτήρια φέρουν κυρίως αρνητικά φορτία στην επιφάνεια της κυτταρικής τους μεμβράνης έτσι έχουν την τάση να συνδέονται με χημικούς δεσμούς με μεταλλικά κατιόντα. Το ίδιο συμβαίνει και με τα μόρια των. Επομένως δισθενή μέταλλα, όπως τα ++, Mg++ και Fe++ «γεφυρώνουν» με ισχυρούς δεσμούς τους πολυσακχαρίτες με τα βακτήρια καθώς και μεταξύ των πολυσακχαριτών. Όσο περισσότεροι τέτοιοι δεσμοί σχηματίζονται τόσο

3 περισσότερο «κρυσταλλώνει» η εξωτερική επιφάνεια του κόκκου με αποτέλεσμα να δυσκολεύει ολοένα και περισσότερο η μεταφορά οργανικών μορίων από την περιφέρεια στο κέντρο δημιουργώντας μία «ασφυξία» στη λειτουργία του κόκκου. Μία παραστατική εικόνα ενός τέτοιου πλέγματος --βακτηρίων φαίνεται στο σχήμα 3. Εγκλωβισμένο μόριο λίπους ή πρωτεϊνης Βακτήριο CO 2 Εγκλωβισμένος κρύσταλλος CO3 Σχήμα 3: Παραστατική εικόνα πλέγματος με δισθενή κατιόντα και βακτήρια Οι δεσμοί αυτοί των δισθενών μετάλλων με τους πολυσακχαρίτες και τα βακτήρια ελαττώνουν την αφομοίωση των πολυσακχαριτών και έτσι δίδεται ενός πλασματικού αρνητικού ισοζυγίου TOC («σκοτεινό TOC») που οφείλεται στην δημιουργία των και δέσμευσή (ρόφηση) τους από την κοκκώδη λάσπη χωρίς να αποδίδεται στην παραγωγή του βιοαερίου αλλά ούτε και να προσμετριέται στο φορτίο TOC εξόδου του χωνεμένου αποβλήτου. Το «σκοτεινό TOC», το οποίο μπορεί εύκολα να υπολογιστεί από το ισοζύγιο στον κάθε χωνευτήρα, μπορεί να αποτελέσει δείκτη καλής λειτουργίας του χωνευτήρα. Για την καλή λειτουργία ενός χωνευτήρα UASB πρέπει το «σκοτεινό ΤΟC» να είναι 2.5% του εισερχόμενου ΤΟC ενώ σε καμία περίπτωση δεν πρέπει να ξεπερνά το 20%. Υπέρβαση του ορίου αυτού σημαίνει συσσώρευση ESP και προχωρημένη δυσλειτουργιών του χωνευτήρα. Οι πρωτεϊνες αποδομούνται εύκολα από τους αναερόβιους μικροοργανισμούς, όμως το φαινόμενο της «κρυστάλλωσης» των δημιουργεί προϋποθέσεις εγκλωβισμού τους που η έντασή του εξαρτάται από το μέγεθος των μορίων τους. Τα λίπη (LCFA Long Chain Fatty Acids) διαλυτοποιούνται και αποδομούνται δύσκολα και με αργό ρυθμό στην αναερόβια χώνευση. Το φαινόμενο της «κρυστάλλωσης» των πολυσακχαριτών επιδεινώνει επιπλέον την αποδόμηση των λιπών τα οποία, ανάλογα με τη δομή και το μέγεθός τους, μπορούν να συγκρατηθούν από αυτούς είτε μηχανικά είτε με χημικούς δεσμούς. Σε ανάπτυξη του φαινομένου αυτού είναι συνηθισμένο να αποσπούνται κομμάτια της επιφάνειας του κόκκου (ξεφλούδισμα) που περιέχουν πολυσακχαρίτες με

4 πρωτογενή λίπη και πρωτεϊνες τα οποία με επίπλευση συγκεντρώνονται στην επιφάνεια του αντιδραστήρα. Επίσης έχει αποδειχθεί ότι ο αφρισμός στην αναερόβια χώνευση οφείλεται κυρίως σε πρωτεϊνες που δεν έχουν αποδομηθεί. Η κοκκώδη λάσπη έχει συνήθως έντονα μαύρο χρώμα για λόγους που μέχρι σήμερα δεν έχουν διευκρινιστεί πλήρως. Επί πλέον μέρος των ιόντων ασβεστίου αντιδρά, με ρυθμό που εξαρτάται από το ph, με το CO2 που παράγεται από το βιοαέριο σχηματίζοντας κρυστάλλους ανθρακικού ασβεστίου Η δημιουργία «κρυσταλλωμένου» και ο εγκλωβισμός λιπών και πρωτεϊνών στο πλέγμα του μεταβάλλει το χρώμα των κόκκων σε γκρίζους ακόμα και άσπρους γεγονός που αποτελεί μακροσκοπική ένδειξη του φαινομένου. Η χρήση της κοκκώδους τεχνολογίας στην αναερόβια χώνευση έχει ακόμα ένα μεγάλο πλεονέκτημα: ο κόκκος προστατεύει τα ευαίσθητα στην τοξικότητα μεθανογενή βακτήρια φιλτράροντας τις τοξικότητες από την περιφέρεια στο κέντρο. Έτσι, γενικά, οι αντιδραστήρες κοκκώδους λάσπης (UASB, EGSB, IC) έχουν πολύ μεγαλύτερη αντοχή και προσαρμογή στις τοξικότητες από ότι οι αντιδραστήρες τύπου CSRT. Η βιβλιογραφία αναφέρει περιπτώσεις αντιδραστήρων UASB που προσαρμόστηκαν και λειτουργούσαν ικανοποιητικά ακόμα και σε συγκέντρωση NaCL.2.9%. Βιβλιογραφικές αναφορές Barampouti E.M., Mai S., Vlyssides A. Granulation mechanism of a UASB reactor supplemented with iron. Anaerobe (2008), 14 (5), Hulshoff, W. L. et al. (2004) Anaerobic Sludge Granulation, Wat. Res., 38, Massart Neil, et al. (2006) The Root use of Excessive Anaerobic Digester Foaming. Proceedings of the Residual and Biosolids Management Conference, Water Environment Federation, Cincinnati, Ohio, March Moeller, L. et al. (2010) Formation and Removal of Foaming the Process of Anaerobic Digestion, Landtechnik, 65, 32, Nicolella, C. et al. (2000) Wastewater treatment with particular biofilm reactors, J. Biotechnology, 80, 1-33 Znou, W. et al. (2003) Enhanced Granulation in UASB reactors by producing at Over Loading, J. Envir. Syst Eng, JSCE, 741, Veiga C. M., et al. (1997) Composition and Role of in Mathanogenic Granules, Appl. Environ. Microbiology, 63, 2,

5 Vlyssides A., Barampouti E.M., Mai S. Influence of ferrous iron on the granularity of a UASB reactor, Chemical Engineering journal (2009), 146 (1), Vlyssides A., Barampouti E.M., Mai S. Simple estimation of granule size distribution and sludge bed porosity in a UASB reactor, Global NEST Journal (2008), 10(1),