Διπλωματική Εργασία: Επεξεργασία οργανικών αποβλήτων για παραγωγή ενέργειας

Transcript

1 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Αν.μακεδονίας και Θράκης Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε. Διπλωματική Εργασία: Επεξεργασία οργανικών αποβλήτων για παραγωγή ενέργειας Φοιτητές: ΔΕΛΙΟΣ ΚΥΡΙΑΚΟΣ ΑΕΜ: 5199 ΚΟΥΤΡΟΥΛΗΣ ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΣ ΑΕΜ: 4989 ΧΗΝΤΗΡΗ ΕΛΕΝΗ ΑΕΜ: 5512 Επιβλέπων καθηγητής: ΑΠΟΣΤΟΛΙΔΟΥ ΕΛΕΝΗ ΜΑΙΟΣ 2014

2 Επεξεργασία οργανικών αποβλήτων για παραγωγή ενέργειας Table of Contents 1 Εισαγωγή Κατηγορίες στερεών αποβλήτων Αστικά στερεά απόβλητα Οργανικά απόβλητα Χαρακτηριστικά των οργανικών αποβλήτων Τεχνολογίες διαχείρισης οργανικών αποβλήτων Αναερόβια χώνευση οργανικών αποβλήτων Αναερόβια χώνευση Μικροβιολογία της αναερόβιας χώνευσης Ομάδες βακτηρίων της αναερόβιας χώνευσης Μικροβιολογία της μεθανογόνου φάσης Ρυθμοί κινητικής ανάπτυξης των επί μέρους βασικών σταδίων της αναερόβιας επεξεργασίας Υδρόλυση του οργανικού στερεού υλικού Ζύμωση και αναερόβια οξείδωση των προϊόντων υδρόλυσης Μεθανογένεση Περιβαλλοντικοί παράγοντες της αναερόβιας χώνευσης Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της αναερόβιας χώνευσης Χαρακτηριστικά κατηγοριοποίησης μεθόδων και συστημάτων αναερόβιας χώνευσης Συγκέντρωση στερεών Σύστημα ανάδευσης Αριθμός σταδίων Διεργασίες αναερόβιας ζύμωσης των οργανικών στερεών αποβλήτων Διεργασία Waasa Διεργασία Valorga Διεργασία Dranco Διεργασία Kompogas Βασικές σχεδιαστικές παράμετροι της αναερόβιας χώνευσης Παραγωγή μεθανίου Τρόποι αξιοποίησης του βιοαερίου Περιβαλλοντικές επιπτώσεις αναερόβιας χώνευσης Page 2

3 Επεξεργασία οργανικών αποβλήτων για παραγωγή ενέργειας Επιπτώσεις στον αέρα Επιπτώσεις στα νερά Επιπτώσεις στο έδαφος Επεξεργασία τυροκομικών αποβλήτων Τυρόγαλο: Η σύσταση και ο ρόλος του ως ρυπαντής Αναερόβια χώνευση τυροκομικών αποβλήτων Παραδείγματα εφαρμογής ενός συστήματος αναερόβιας χώνευσης υγρών αποβλήτων τυροκομείου Επεξεργασία κτηνοτροφικών αποβλήτων Παραγωγή κτηνοτροφικών αποβλήτων Αναερόβια χώνευση κτηνοτροφικών αποβλήτων Επεξεργασία αποβλήτων σφαγείου Παραγωγική διαδικασία Χαρακτηριστικά των αποβλήτων σφαγείου Αναερόβια χώνευση αποβλήτων σφαγείου Παράδειγμα εφαρμογής ενός συστήματος αναερόβιας χώνευσης υγρών αποβλήτων σφαγείου Επεξεργασία ξενοδοχειακών αποβλήτων Περιγραφή ξενοδοχειακών αποβλήτων Επεξεργασία ξενοδοχειακών αποβλήτων Κομποστοποίηση οργανικών αποβλήτων Κομποστοποίηση Μικροοργανισμοί κομποστοποίησης- Φάσεις ζύμωσης Παράμετροι κομποστοποίησης Πλεονεκτήματα της κομποστοποίησης Μειονεκτήματα κομποστοποίησης Περιβαλλοντικές επιπτώσεις κομποστοποίησης Εγκαταστάσεις και συστήματα κομποστοποίησης Ανοικτά συστήματα Μέθοδος των αναδευόμενων σωρών Αεριζόμενοι σταθεροί σωροί Δυνατότητες διάθεσης του compost Biodiesel Page 3

4 Επεξεργασία οργανικών αποβλήτων για παραγωγή ενέργειας 5.1 Ιστορική αναδρομή Biodiesel Χαρακτηριστικά του biodiesel και σύγκριση με το ορυκτό diesel Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του biodiesel Διεργασίες παραγωγής biodiesel Πρώτες ύλες για την παραγωγή biodiesel Διεργασίες παραγωγής biodiesel Επιπτώσεις biodiesel Εταιρίες παραγωγής biodiesel Νομοθετικό πλαίσιο Ελληνική νομοθεσία Ευρωπαϊκή νομοθεσία Συμπεράσματα Βιβλιογραφία Page 4

5 Επεξεργασία οργανικών αποβλήτων για παραγωγή ενέργειας 1 Εισαγωγή Είναι παγκοσμίως αποδεκτό ότι ένα από τα σοβαρότερα προβλήματα που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα σήμερα είναι η μόλυνση και η ρύπανση του περιβάλλοντος, γεγονός που οφείλεται σε ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Η παραγωγή αποβλήτων αυξάνεται συνεχώς με γρήγορους ρυθμούς. Στα πλαίσια της γενικότερης περιβαλλοντικής ευαισθητοποίησης των τελευταίων δεκαετιών, το πρόβλημα της υψηλής παραγωγής αποβλήτων αναδεικνύεται ως ένας από τους βασικούς παράγοντες περιβαλλοντικής υποβάθμισης και απασχολεί ολοένα και μεγαλύτερο αριθμό επιστημόνων. Η μείωση του όγκου των αποβλήτων καθώς και η αποτελεσματικότερη διαχείρισή τους είναι στόχοι που θέτονται στα πλαίσια της «πράσινης» διαχείρισης της ανάπτυξης για τη βιωσιμότητα του πλανήτη [1]. Σήμερα, γίνεται ολοένα και πιο προφανής η ανάγκη εύρεσης λύσεων για την αρνητική περιβαλλοντική επίδραση των αποβαλλόμενων οργανικών αποβλήτων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, τα όρια διάθεσής τους να γίνονται ολοένα και πιο αυστηρά, οδηγώντας σε αυξημένες απαιτήσεις στα συστήματα επεξεργασίας στερεών αποβλήτων. Μέσα σε αυτό το πλαίσιο η επιστημονική κοινότητα, τα τελευταία χρόνια, παρουσίασε αυξημένο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη καινοτόμων τεχνολογιών, οι οποίες μαζί με τις πολύ υψηλές αποδόσεις αφαίρεσης ρύπων από τα στερεά απόβλητα μπορεί να οδηγήσουν σε πολύ μικρές απαιτήσεις χώρου και όγκου. Η διαχείριση των οργανικών αποβλήτων είναι ένα από τα σοβαρότερα προβλήματα που απασχολούν τις οργανωμένες κοινωνίες αφού ρυπαίνουν το περιβάλλον με επικίνδυνες ουσίες, που εκτός των άλλων είναι επιβλαβείς για την δημόσια υγεία. Page 5

6 Επεξεργασία οργανικών αποβλήτων για παραγωγή ενέργειας 2 Κατηγορίες στερεών αποβλήτων Η οδηγία 2008/98/ΕΚ του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβουλίου της 19 ης Νοεμβρίου 2008 για τα απόβλητα ορίζει ως απόβλητο «κάθε ουσία ή αντικείμενο, το οποίο ο κάτοχος του απορρίπτει ή προτίθεται ή υποχρεούται να απορρίψει». Σύμφωνα με τους Tchobanoglous et al. (1993), στερεό απόβλητο είναι οποιοδήποτε στερεό υλικό που αποβάλλεται ή πετιέται από την κοινωνία ως άχρηστο ή ανεπιθύμητο. Κατά άλλον ορισμό, στερεά απόβλητα είναι τα στερεά ή ημιστερεά υλικά, τα οποία δεν έχουν αρκετή αξία ή χρησιμότητα για τον κάτοχό τους, ώστε αυτός να συνεχίσει να υφίσταται τη δαπάνη ή το βάρος της διατήρησής τους. Είναι αντικείμενα από τα οποία ο κάτοχός τους θέλει ή πρέπει ή υποχρεούται να απαλλαγεί [3]. Είναι προφανές ότι η χρησιμότητα ενός υλικού είναι υποκειμενική. Αυτό που είναι άχρηστο σε ένα άτομο, μπορεί να είναι χρήσιμο σε κάποιο άλλο. Με την έννοια αυτή, τα απόβλητα δεν είναι εξ ορισμού υλικά χωρίς αξία και χρησιμότητα σε κάποιον. Βεβαίως, η διάκριση μεταξύ αγαθού και αποβλήτου από νομική άποψη έχει μεγάλη σημασία γιατί οι νόμοι και οι κανονισμοί που διέπουν τα αγαθά διαφέρουν από αυτούς που διέπουν τα απόβλητα, ως προς την παραγωγή, τη συσκευασία, την μεταφορά, την αποθήκευση και την τελική διάθεση. Με βάση την κείμενη νομοθεσία (ΚΥΑ Αριθ. Η.Π /2727 του 2003), ως στερεό (μη επικίνδυνο) απόβλητο ορίζεται «Κάθε ουσία ή αντικείμενο που υπάγεται στις κατηγορίες αποβλήτων των Παραρτημάτων ΙΑ και ΙΒ του εν λόγω νομοθετήματος και το οποίο ο κάτοχος του απορρίπτει ή προτίθεται ή υποχρεούται να απορρίψει. Στην έννοια του στερεού (μη επικίνδυνου) αποβλήτου δεν υπάγονται τα απόβλητα εκείνα από τον Ευρωπαϊκό Κατάλογο Αποβλήτων του Παραρτήματος ΙΒ, που επισημαίνονται με αστερίσκο και τα οποία χαρακτηρίζονται ως εν δυνάμει επικίνδυνα απόβλητα». 2.1 Αστικά στερεά απόβλητα Η ΚΥΑ 50910/2727 ορίζει ως Αστικά Απόβλητα: «Τα οικιακά απόβλητα καθώς και άλλα απόβλητα, που λόγω της φύσης ή σύνθεσης προσομοιάζουν τα οικιακά». Page 6

7 Επεξεργασία οργανικών αποβλήτων για παραγωγή ενέργειας Τέτοια απόβλητα είναι τα εμπορικά και τα στερεά απόβλητα από ιδρύματα ή επιχειρήσεις. Κατά άλλο ορισμό, αστικά στερεά απόβλητα είναι τα στερεά απόβλητα που παράγονται από τις δραστηριότητες των νοικοκυριών (οικιακά στερεά απόβλητα), των εμπορικών δραστηριοτήτων (εμπορικά στερεά απόβλητα), των καθαρισμών οδών και άλλων κοινόχρηστων χώρων καθώς και άλλα στερεά απόβλητα (από ιδρύματα, επιχειρήσεις κλπ.) τα οποία μπορούν από τη φύση τους ή τη σύνθεση τους να εξομοιωθούν με τα οικιακά απόβλητα [3]. Τα Αστικά Στερεά Απόβλητα (ΑΣΑ) αναφέρονται και ως Δημοτικά Στερεά Απόβλητα. Τα συστατικά τους παρουσιάζονται στην Κατηγορία 20 του Ευρωπαϊκού Καταλόγου Αποβλήτων, ο οποίος υπάρχει στο Παράρτημα ΙΒ του ανωτέρω νομοθετήματος. [ Είναι προφανές ότι η φυσική κατάσταση ενός αποβλήτου δεν είναι καθοριστική για να ταξινομηθεί ως αστικό στερεό απόβλητο, αφού στον πίνακα αυτόν υπάρχουν και υγρά συστατικά, όπως τα βρώσιμα έλαια και λίπη. Στερεά Απόβλητα Αστικά Αγροτικά Οικιακά Εμπορικά Βιομηχανικά Κτηνοτροφικά Γεωργικά Σχήμα 2.1: Κατάταξη- Διάταξη στερεών αποβλήτων Τελικά το τι είναι ή δεν είναι τα ΑΣΑ είναι θέμα ορισμού- ο οποίος μάλιστα εξελίσσεται επηρεαζόμενος από τις καταναλωτικές συμπεριφορές και τις διαχειριστικές ικανότητες. Στα εκλαμβανόμενα ως μη αστικά απόβλητα περιλαμβάνονται οι ιλύες των βιολογικών καθαρισμών, τα απόβλητα οικοδομικών Page 7

8 Επεξεργασία οργανικών αποβλήτων για παραγωγή ενέργειας εργασιών, τα χρησιμοποιημένα ελαστικά οχημάτων, τα εγκαταλελειμμένα οχήματα και τα γεωργικά και κτηνοτροφικά απόβλητα. Δύο άλλες επίσης σημαντικές κατηγορίες είναι τα Βιομηχανικά Στερεά Απόβλητα και τα Αγροτικά Στερεά Απόβλητα. Εδώ και δεκαετίες, η ανά άτομο παραγωγή ΑΣΑ παρουσιάζει αυξητική τάση- παράλληλα με την αύξηση του κοινωνικού επιπέδου της ζωής [4]. Η παραγωγή κυμαίνεται από σχεδόν μηδενική (σε πολύ φτωχές χώρες), μέχρι 5 kg/άτομο/ημέρα σε ορισμένες περιοχές των ΗΠΑ [5]. Πίνακας 2.1: Διαχωρισμός των ΑΣΑ σε οργανικά και ανόργανα συστατικά [3] Οργανικά Υλικά Τροφικά υπολείμματα Χαρτί Χαρτόνι Υφάσματα Λάστιχα Δέρματα Ξύλα Απορρίμματα κήπων Ανόργανα Υλικά Γυαλί Κουτιά κασσίτερου και αλουμινίου Άλλα μέταλλα Άλλα αδρανή (Χώμα, τέφρα κλπ.) Πηγή: Παναγιωτακόπουλος, Δ., Βιώσιμη Διαχείριση Αστικών Στερεών Αποβλήτων. Εκδόσεις Ζυγός, Θεσσαλονίκη Η ποιοτική σύσταση των ΑΣΑ εξαρτάται από τις καταναλωτικές συνήθειες των πολιτών. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται σήμερα διακρίνονται σε βιοαποικοδομήσιμα και μη βιοαποικοδομήσιμα ή οργανικά και ανόργανα, ανάλογα με το αν μέσω των φυσικών διαδρομών και διαδικασιών διασπώνται ή όχι σε απλά συστατικά και επιστρέφουν στο έδαφος (σε ανόργανη μορφή), ώστε να επαναχρησιμοποιηθούν. Στον Πίνακα 2.1, τα ΑΣΑ διαχωρίζονται σε ανόργανα και οργανικά συστατικά. Page 8

9 Επεξεργασία οργανικών αποβλήτων για παραγωγή ενέργειας 2.2 Οργανικά απόβλητα Μέχρι πριν λίγες δεκαετίες τα κυριότερα απορρίμματα του ανθρώπου ήταν τα περιττώματα, τα υπολείμματα τροφών, τα υπολείμματα ενδυμασίας και υπόδησης, τα κατεστραμένα εργαλεία και τα χαρτιά. Όλα αυτά διασπώνται εύκολα, καθώς προέρχονται από τη φύση, μέσω φυσικών και βιολογικών διεργασιών. Μετά το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο, με την πρόοδο της τεχνολογίας, έχουν παραχθεί πολλές συνθετικές ουσίες. Λόγω του ότι οι ουσίες αυτές είναι άγνωστες στη φύση, αυτή δεν διαθέτει μηχανισμούς για να τις αποδομεί και να τις αδρανοποιεί. Μερικά από αυτά τα προϊόντα είναι τα συνθετικά πλαστικά, τα απορρυπαντικά, τα φυτοφάρμακα, τα εντομοκτόνα κλπ. Λαμβάνοντας υπ όψιν ότι τα προϊόντα αυτά είναι μη βιοδιασπώμενα, οπότε δεν επιδέχονται φυσική διάσπαση, παραμένουν για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα αναλλοίωτα και συντελούν στην όξυνση της ρύπανσης. Σύμφωνα με την Ευρωπαϊκή Οδηγία 99/31, τα βιοαποδομήσιμα αστικά απόβλητα (ΒΑΑ) είναι τα οικιακά απόβλητα οργανικής προέλευσης τα οποία μπορούν να υποστούν αναερόβια ή αερόβια αποσύνθεση. Κύρια πηγή παραγωγής οργανικών αποβλήτων είναι τα νοικοκυριά, καθώς τα συγκεκριμένα απόβλητα αποτελούν την πλειοψηφία των σύμμεικτων οικιακών αποβλήτων φτάνοντας το 40-60%, αλλά και ένα μεγάλο ποσοστό προέρχεται από τις δημοτικές δραστηριότητες. Το βιοαποδομήσιμο κλάσμα των σύμμεικτων αστικών αποβλήτων είναι τα τρόφιμα, τα πράσινα απόβλητα κήπων, το χαρτί και το χαρτόνι, τα υφάσματα, το ξύλο και διάφορα άλλα οργανικά υλικά. Επίσης στα ΒΑΑ συνυπολογίζονται και ορισμένα ογκώδη αστικά απόβλητα που συλλέγονται από τα νοικοκυριά και από άλλες πηγές, όπως εμπορικές δραστηριότητες, κτίρια γραφείων, ιδρύματα (σχολεία, κυβερνητικά κτίρια κλπ.) και των μικρών επιχειρήσεων [6]. Το συγκεκριμένο βιοαποδομήσιμο κλάσμα των αποβλήτων αποτελείται από ξύλινα έπιπλα κλπ. και στη συντριπτική τους πλειοψηφία καταλήγουν σε ΧΥΤΑ ή ακόμη σε ανεξέλεγκτες χωματερές. Το οργανικό κλάσμα των ΑΣΑ περιλαμβάνει δύο μεγάλα ρεύματα, τα πράσινα απόβλητα από πάρκα, κήπους κλπ. και τα υπολείμματα κουζίνας. Το πρώτο έχει συνήθως 50-60% περιεκτικότητα σε νερό και ξυλώδη υλικά ενώ το δεύτερο δεν περιέχει ξυλώδη υλικά αλλά νερό σε ποσοστό μέχρι 80% [7]. Page 9

10 Επεξεργασία οργανικών αποβλήτων για παραγωγή ενέργειας Τα διάφορα οργανικά υλικά βιοαποδομούνται με διαφορετικό ρυθμό (έχουν διαφορετικό δείκτη βιοαποδομησιμότητας), ο οποίος μπορεί να εκτιμηθεί εμπειρικά. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι το βιοαποδομήσιμο κλάσμα των τροφικών υπολειμμάτων είναι διπλάσιο του βιοαποδομήσιμου κλάσματος του χαρτονιού και τετραπλάσιο του χαρτιού εφημερίδας. Γενικά, τα οργανικά συστατικά των ΑΣΑ διαχωρίζονται σε βραδέως και ταχέως βιοαποδομήσιμα. Ορισμένα οργανικά, όπως πλαστικά, ελαστικά και δέρματα, βιοαποδομούνται με τόσο βραδύ ρυθμό ώστε σε πρακτικό επίπδεο χαρακτηρίζονται ως «μη βιοαποδομήσιμα» [8]. Οι δραστηριότητες παραγωγής αποβλήτων παρουσιάζονται στο Σχήμα 2.2. Στον Πίνακα 2.2 αναγράφεται το δυναμικό των κυριότερων οργανικών αποβλήτων στον Ελλαδικό χώρο. Πίνακας 2.2: Δυναμικό των κυριότερων οργανικών αποβλήτων στην Ελλάδα [8] Πηγές Μονάδες Δυναμικότητα Απόβλητα (tn/y) Ισχύς (MW) Βουστάσια βοοειδή Χοιροτροφεία χοιρομητέρες Σφαγεία tn/y (Κατ.2) tn/y (Κατ.3) Τυροκομεία ,4 tn/y γι ,2 tn/y πρ ,21 Σύνολο ,21 Πηγή: Biological treatment of biodegradable waste. Working Document, European Comission, DG Environment, DG ENV.E3/LM, October 2000 Προκαταρκτικές εκτιμήσεις έχουν δείξει ότι η συμβολή της βιολογικής επεξεργασίας οργανικών αποβλήτων σε αέρια θερμοκηπίου ανέρχεται σε ισοδύναμα 30 και 90 kg CO 2 /1000kg επεξεργασμένων αποβλήτων, στις περιπτώσεις της λιπασματοποίησης και της αναερόβιας χώνευσης αντίστοιχα. Το 35% (37-60% για ελληνικές πόλεις [9]) των αστικών στερεών αποβλήτων είναι οργανικό υλικό και ως εκ τούτου οι εκπομπές αερίων θερμοκηπίου της τάξης των 2 Gg σε ισοδύναμο CO 2 στην περίπτωση της λιπασματοποίησης και 6 Gg στην περίπτωση της αναερόβιας χώνευσης [10]. Page 10

11 Δραστηριότητες παραγωγής οργανικών αποβλήτων Γεωργική παραγωγή Κτηνοτροφική παραγωγή Μεταποίηση γεωργικών και κτηνοτροφικών προϊόντων Δραστηριότητες αστικού μεταβολίσμου Απόβλητη βιομάζα Οργανικά απόβλητα Ιλύς επεξργασίας λυμάτων Βιοαποκοδομίσιμο κλάσμα ΑΣΑ Εκτατική παραγωγή Σημειακή παραγωγή Σχήμα 2.2: Δραστηριότητες παραγωγής οργανικών αποβλήτων Page 11

12 2.3 Χαρακτηριστικά των οργανικών αποβλήτων Τα οργανικά απόβλητα παρουσιάζουν διαφορές στη σύστασή τους ανάλογα με την πηγή προέλευσης τους. Οι ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά που έχουν παρουσιάζονται στον Πίνακα 2.3. Ωστόσο, προκειμένου να διερευνηθούν και να αξιολογηθούν ο δυνατότητες εναλλακτικών μορφών επεξεργασίας και διάθεσης των ΑΣΑ και κατ επέκταση των οργανικών αποβλήτων, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε ορισμένα φυσικά χαρακτηριστικά τους [3]: Πυκνότητα: Η μάζα του υλικού ανά μονάδα όγκου. Ειδικό Βάρος: Το βάρος του υλικού ανά μονάδα όγκου. Υγρασία: Η περιεκτικότητα του αποβλήτου σε νερό. Είναι σημαντικό χαρακτηριστικό γιατί επηρεάζει τον όγκο και το βάρος του αποβλήτου και καθορίζει την καταλληλότητά του για καύση και παραγωγή ατμού ή/και ηλεκτρικής ενέργειας. Αποτελεί σημαντικό χαρακτηριστικό για την κομποστοποίηση και τη συμπεριφορά των αποβλήτων σε αναερόβιες συνθήκες. Υδροαπορροφητικότητα: Η μέγιστη υγρασία που μπορεί να συγκρατηθεί από τα απόβλητα σε κανονικές συνθήκες πεδίου βαρύτητας Υδραυλική Αγωγιμότητα: Το μέτρο της ταχύτητας με την οποία το νερό διαπερνά το υλικό Βιοαποδομησιμότητα: Η ικανότητα μετατροπής του οργανικού κλάσματος με βιολογικές διεργασίες, σε αέρια και σε σχετικώς αδρανή οργανικά και ανόργανα στερεά υλικά Στoιχειακή Ανάλυση: Ο προσδιορισμός του ποσοστού καθενός από τα χημικά στοιχεία που υπάρχουν στα συστατικά των αποβλήτων. Τα πέντε κύρια στοιχεία είναι ο άνθρακας (C), το οξυγόνο (Ο), το υδρογόνο (Η), το άζωτο (Ν), το θείο (S) και η τέφρα. Θερμογόνος Δύναμη: Η θερμότητα που ελκύεται όταν αυτό καίγεται πλήρως, ενώ ένα ποσοστό της μάζας του υλικού που παραμένει ως αδρανές υπόλειμμα, είναι η λεγόμενη τέφρα. Page 12

13 Πίνακας 2.3: Προκαθορισμένα χαρακτηριστικά των χωριστά συλλεχθέντων οργανικών αποβλήτων [11]. Παράμετρος Μονάδα μέτρησης Βιοαποδομήσιμα Απορρίμματα απόβλητα κήπων Ξηρό Βάρος (ΞΒ) % 45,0 43,0 Οργανικό Ξηρό Βάρος (ΟΞΒ) % ΞΒ 87,0 84,0 ΒιοΟΞΒ % ΟΞΒ Άνθρακας % ΟΞΒ 51,9 49,8 Άζωτο (Σύνολο) % ΞΒ 1,7 1,2 Φώσφορος (Σύνολο) % ΞΒ 0,4 0,5 Κάλιο (Σύνολο) % ΞΒ 0,9 1,5 Μαγνήσιο (Σύνολο) % ΞΒ 0,8 0,5 Ασβέστιο (Σύνολο) % ΞΒ 2,2 4,4 Κάδμιο mg/kg ΞΒ 0,1 0,3 Χρώμιο mg/kg ΞΒ 1,8 4,6 Χαλκός mg/kg ΞΒ 9,2 0,1 Υδράργυρος mg/kg ΞΒ 0,004 0,2 Νικέλιο mg/kg ΞΒ 1,3 3,7 Μόλυβδος mg/kg ΞΒ 2,6 4,8 Ψευδάργυρος mg/kg ΞΒ 30,6 60,0 Πηγή: Τσιλέμου Κ., Παναγιωτακόπουλος Δ. Σχεδιασμός και Βελτισοποίηση Συστημάτων Διαχείρισης Αστικών Αποβλήτων, Εγχειρίδιο για την πρόγνωση των αστικών αποβλήτων και την αξιολόγηση της βιωσιμότητας των συστημάτων διαχείρισης τους, Εργαστήριο Οργάνωσης και Προγραμματισμού, ΔΠΘ, Ξάνθη Τεχνολογίες διαχείρισης οργανικών αποβλήτων Κατά την πάροδο των αιώνων διαφορετικοί πολιτισμοί εφάρμοσαν διαφορετικές μεθοδολογίες στη διαχείριση των απορρίμματων τους. Ο νεολιθικός άνθρωπος έθαβε τα απορρίμματά του σε επιφανειακούς λάκκους. Οι Ρωμαίοι, με τα πολύ καλά οργανωμένα συστήματα διοίκησης στις πόλεις τους, αποδεικνύουν ότι είχαν αντιληφθεί τη σπουδαιότητα της μεταφοράς των αποβλήτων (υγρών και στερεών) μακριά από αυτές, καθώς επίσης είχαν αναγνωρίσει την αξία των προϊόντων επεξεργασίας των αποβλήτων, όπως είναι το λίπασμα. Τα απόβλητα σύγχρονων ανθρώπινων κοινωνιών καταλήγουν σε τρεις κυρίως αποδέκτες, την ατμόσφαιρα, τα υδάτινα αποθέματα και το έδαφος. Εκτός από την αύξηση του πληθυσμού, στην παγκόσμια όξυνση του προβλήματος της διόγκωσης της παραγωγής των στερεών αποβλήτων έχουν συντελέσει και άλλοι παράγοντες, όπως ο σχεδιασμός των Page 13

14 προϊόντων, η αύξηση του πραγματικού εισοδήματος και οι σύγχρονες τεχνικές μάρκετινγκ και διαφήμισης, οι οποίες έχουν σαν στόχο τη μεγιστοποίηση της αγοράς καταναλωτικών αγαθών. Συγκεκριμένα, η παραγωγή προϊόντων χαμηλού κόστους με σύντομη ημερομηνία λήξεως, έχει ως αποτέλεσμα να αποτελεί σήμερα τρόπο ζωής η κατανάλωση των αγαθών και πολλοί άνθρωποι να εκφράζονται μέσα από την αντίληψη «Καταναλώνω άρα ζω». Οι κυριότερες τεχνολογίες διαχείρισης οργανικών αποβλήτων είναι: Αναερόβια χώνευση Κομποστοποίηση Καύση Πυρόλυση Page 14

15 3 Αναερόβια χώνευση οργανικών αποβλήτων Η σύγχρονη κοινωνία παράγει τεράστιες ποσότητες αποβλήτων. Η ορθολογική διαχείριση τους για την προστασία του περιβάλλοντος, της υγείας των ανθρώπων και των ζώων είναι αναγκαιότητα. Η επιλογή της μεθόδου διαχείρισης πρέπει να στηρίζεται στη μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων και στην αξιοποίηση των αποβλήτων αυτών. Η αναερόβια χώνευση είναι ιδανική τεχνολογία για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων υψηλού οργανικού φορτίου και καλύπτει τους στόχους αυτούς [12]. Ιστορικά, η παρατήρηση του Alessandro Volta (1776) ότι σε ιζήματα από βαλτώδεις περιοχές παράγεται ένα εύφλεκτο αέριο, οδήγησε την επιστημονική κοινότητα στην μελέτη της βιολογικής παραγωγής του μεθανίου. Ένα αιώνα νωρίτερα ο Leeuwenhoek (1680) ήταν ο πρώτος επιστήμονας που παρατήρησε αναερόβιους μικροοργανισμούς. Ωστόσο, την εποχή εκείνη δεν ήταν ακόμη κατανοητή η ανακάλυψη του αυτή. Έτσι έπρεπε να περάσουν περίπου 200 χρόνια για να πιστοποιηθεί η ύπαρξη αναερόβιων βακτηρίων από τον Louis Pasteur (1862). 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. 3.1 Αναερόβια χώνευση Η αναερόβια χώνευση θεωρείται ένα μέσο παραγωγής ενέργειας υπό τη μορφή βιοαερίου, ενώ ταυτόχρονα σταθεροποιεί την οργανική ύλη από τα απόβλητα [13]. Με τον όρο αναερόβια χώνευση, νοείται η βιολογική διαδικασία κατά την οποία ο οργανικός άνθρακας μέσω διαδοχικών οξειδώσεων και αναγωγών μετατρέπεται στην πιο οξειδωμένη (CO 2 ) και την πιο ανοιγμένη (CH 4 ) του μορφή, υπό την καταλυτική δράση ενός ευρέος φάσματος μικροοργανισμών, σε συνθήκες απουσίας οξυγόνου. Τα κύρια προϊόντα της διεργασίας είναι τα προαναφερόμενα, διοξείδιο του άνθρακα και μεθάνιο, αλλά παράγονται και μικρές ποσότητες αζώτου, υδρογόνου, αμμωνίας και υδρόθειου (συνήθως λιγότερο από Page 15

16 το 1% του συνολικού όγκου του αερίου). Το μείγμα των αερίων προϊόντων ονομάζεται βιοαέριο και η διεργασία της συγκεκριμένης αναερόβιας αποδόμησης, με στόχο την αξιοποίησή του συχνά καλείται και επεξεργασία βιοαερίου [14]. 3.2 Μικροβιολογία της αναερόβιας χώνευσης Η αναερόβια βιοαποδόμηση του σύνθετου οργανικού υλικού περιγράφεται ως μια διαδικασία πολλαπλών σταδίων με οριζόντιες και παράλληλες αντιδράσεις. 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. Τέλος, παράγεται μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα, είτε από την αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα από το υδρογόνο είτε από το οξικό. Η συνολική διαδικασία της μετατροπής του σύνθετου οργανικού υλικού σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να υποδιαιρεθεί σε 7 στάδια ανάλογα με το Σχήμα 3.1. a. Υδρόλυση του σύνθετου οργανικού υλικού b. Ζύμωση των αμινοξέων και των σακχάρων c. Αναερόβια οξείδωση των μεγάλου μήκους λιπαρών οξέων και αλκοολών d. Αναερόβια οξείδωση των ενδιάμεσων προϊόντων e. Παραγωγή οξικού από διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο f. Μετατροπή του οξικού σε μεθάνιο g. Παραγωγή μεθανίου με αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα από υδρογόνο Page 16

17 Σχήμα 3.1 Μετατροπή του οργανικού υλικού προς μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα κατά τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης Ομάδες βακτηρίων της αναερόβιας χώνευσης Οι κύριες ομάδες βακτηρίων που παίρνουν μέρος σε αυτές τις αντιδράσεις χωρίζονται στις ακόλουθες κατηγορίες: Βακτήρια ζύμωσης Οξικογόνα βακτήρια που παράγουν υδρογόνο Οξικογόνα βακτήρια που καταναλώνουν υδρογόνο Μεθανογόνα βακτήρια που ανάγουν το διοξείδιο του άνθρακα Ακετοκλαστικά μεθανογόνα βακτήρια Page 17

18 Γενικά στην αναερόβια χώνευση μπορούμε να πούμε ότι σε πρώτο στάδιο ένα ετερογενές σύμπλεγμα μικροοργανισμών μετατρέπει τις πρωτεΐνες, τους υδατάνθρακες και τα λίπη, κυρίως σε λιπαρά οξέα και, σε ένα δεύτερο στάδιο, τα τελικά προϊόντα του μεταβολισμού των μικροοργανισμών του πρώτου σταδίου μετατρέπονται σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα από μια ξεχωριστή φυσιολογικά ομάδα αυστηρώς αναερόβιων βακτηρίων που ονομάζονται μεθανογόνα βακτήρια Μικροβιολογία της μεθανογόνου φάσης Η παραγωγή μεθανίου είναι το βασικό χαρακτηριστικό των μεθανογόνων μικροοργανισμών και αποτελεί το κύριο καταβολικό προϊόν τους. Φυλογενετικά οι μεθανογόνοι μικροοργανισμοί ανήκουν στα αρχαιοβακτήρια που διαφέρουν από τα κοινά βακτήρια σε ορισμένα χαρακτηριστικά, όπως είναι η θέση των λιπιδίων στην κυτταρική μεμβράνη, η έλλειψη πεπτιδογλυκάνης, διαφορές στην αλληλουχία του. Έχει βρεθεί μια μεγάλη ποικιλία μεθανογόνων μικροοργανισμών που διαφέρουν σε μέγεθος και σχήμα (Εικόνα 3.1). (α) (β) (γ) (δ) Εικόνα 3.1: Κύτταρα μεθανογόνων αρχαιοβακτηρίων που δείχνουν την μορφολογική ποικιλία των μικροοργανισμών αυτών. α) Methanobrevibacter ruminantum (διάμετρος κυττάρου 0.7 μm) β) Methanobacterium AZ (διάμετρος κυττάρου 1 μm) γ) Methanospirillium hungatii (διάμετρος κυττάρου 0.4 μm) δ) Methanosarcina barkeri (διάμετρος κυττάρου 1.7 μm). Page 18

19 Πίνακας 3.1: Κυριότερες αντιδράσεις παραγωγής μεθανίου. Αντιδράσεις ΔGo (KJ) Υπόστρωμα προϊόντα Τύπου CO 2 CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O HCOOH +4H+ CH 4 + 3CO H 2 O 4CO + 2H 2 O CH 4 + 3CO Μεθυλομάδες 4CH 3 OH 3CH 4 + CO H 2 O 4CH 3 NH 3 Cl + 2H 2 O 3CH 4 + CO NH 4 Cl Οξικό CH 3 COO- + H 2 O CH 4 + 3CO 2 + 2H 2 O Υπάρχουν τρεις διαφορετικές ομάδες υποστρωμάτων που μπορούν να καταναλώσουν οι οργανισμοί αυτοί παράγοντας ενέργεια για τις λειτουργίες του κυττάρου: a. Τύπου διοξειδίου του άνθρακα b. Μεθυλομάδες c. Οξικό. Στον Πίνακα 3.1 παρουσιάζονται οι κυριότερες αντιδράσεις παραγωγής μεθανίου. Όλοι οι μεθανογόνοι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν NH + 4 ως πηγή αζώτου ενώ σε όλα τα είδη είναι απολύτως απαραίτητα το νικέλιο, ο σίδηρος και το κοβάλτιο ως ιχνοστοιχεία. Επίσης, έχει βρεθεί ένας σημαντικός αριθμός συνενζύμων που είναι μοναδικά και τα οποία παίζουν σημαντικό ρόλο στη λειτουργία των οργανισμών αυτών. 3.3 Ρυθμοί κινητικής ανάπτυξης των επί μέρους βασικών σταδίων της αναερόβιας επεξεργασίας Υδρόλυση του οργανικού στερεού υλικού Τα οργανικά πολυμερικά υλικά δεν μπορούν να καταναλωθούν από τους μικροοργανισμούς αν δεν διασπαστούν σε μικρότερες διαλυτές ενώσεις που μπορούν να περάσουν από την κυτταρική μεμβράνη. Έτσι, η διαλυτοποίηση του σύνθετου οργανικού υλικού είναι το πρώτο βήμα της αναερόβιας βιοαποδόμησης. Τα κύρια συστατικά του σύνθετου οργανικού υποστρώματος είναι οι υδατάνθρακες, οι πρωτεΐνες και τα λίπη. Page 19

20 Οι υδατάνθρακες αποτελούνται κυρίως από κυτταρίνη, ημικυτταρίνη και λιγνίνη. Τα προϊόντα της υδρόλυσης της κυτταρίνης είναι η κελοβιόζη (cellobiose) και η γλυκόζη, ενώ η ημικυτταρίνη μετατρέπεται σε πεντόζη, εξόζη και ουρονικό οξύ (uronic acid). Η λιγνίνη είναι μια πολύ δύσκολα βιοδιασπάσιμη ένωση και η αποδόμηση της είναι το καθοριστικό βήμα του ρυθμού υδρόλυσης των υδατανθράκων (που περιέχουν λιγνίνη) σε ένα αναερόβιο αντιδραστήρα. Οι πρωτεΐνες υδρολύονται από εξωκυτταρικά ένζυμα (πρωτεάσες) σε πολυπεπτίδια και αμινοξέα. Συγκριτικά, λίγοι οργανισμοί έχουν την ικανότητα να παράγουν τα ένζυμα αυτά και σε σημαντικές ποσότητες για την διάσπαση των πρωτεϊνών. Στις περισσότερες περιπτώσεις απαιτείται μια εύκολα καταναλώσιμη πηγή αζώτου για να είναι σε θέση ο μικροοργανισμός να συνθέσει τις πρωτεάσες. Σε γενικές γραμμές, η υδρόλυση των πρωτεϊνών κάτω από αναερόβιες συνθήκες είναι πιο βραδεία από την υδρόλυση των υδατανθράκων. Η υδρόλυση των λιπιδίων κάτω από αναερόβιες συνθήκες πραγματοποιείται αρχικά από τις λιπάσες, που μετατρέπουν τα λίπη στα αντίστοιχα λιπαρά οξέα και σε ενώσεις που περιέχουν γλυκερόλη και γαλακτόζη. Στη συνέχεια, τα προϊόντα αυτά μετατρέπονται με διάφορες ζυμωτικές διαδικασίες σε πτητικά λιπαρά οξέα, διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο Ζύμωση και αναερόβια οξείδωση των προϊόντων υδρόλυσης Έχουν γίνει εκτεταμένες έρευνες σχετικά με την αναερόβια ζύμωση ή οξείδωση των διαλυτών υδατανθράκων, λιπαρών οξέων και αμινοξέων σε διάφορες λειτουργικές συνθήκες. Οι διαλυτοί υδατάνθρακες μετατρέπονται μετά τη ζύμωση τους από αναερόβια βακτήρια κυρίως σε αιθανόλη, οξικό, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Τα μεγάλου μοριακού βάρους λιπαρά οξέα που βρίσκονται σε ένα αναερόβιο αντιδραστήρα διασπώνται αρχικά σε μικρότερου μοριακού βάρους λιπαρά οξέα. H διαδικασία αυτή βιοαποδόμησης των λιπαρών οξέων ονομάστηκε αναερόβια οξείδωση από τους Gujer και Zehnder (1983). Γενικά, παρατηρήθηκε μείωση του ρυθμού διάσπασης των ουσιών αυτών καθώς αυξάνει το μήκος της αλυσίδας ή καθώς μειώνεται ο βαθμός κορεσμού των ακόρεστων λιπαρών οξέων. Τα μικρού μοριακού βάρους λιπαρά οξέα (π.χ προπιονικό, βουτυρικό) στη συνέχεια μετατρέπονται σε οξικό και αέριο υδρογόνο. Η μετατροπή αυτή ονομάζεται οξικογένεση. Για την επιτυχή διάσπαση των λιπαρών οξέων μικρού μοριακού Page 20

21 βάρους είναι απαραίτητο να απομακρύνεται σημαντική ποσότητα του υδρογόνου που παράγεται. Τέλος, η ζύμωση των αμινοξέων που είναι μια πολύ σύνθετη διαδικασία οδηγεί στην παραγωγή πτητικών λιπαρών οξέων, ηλεκτρικού (succinate) και υδρογόνου. Συγκριτικά, η ζύμωση των αμινοξέων που παράγονται από την υδρόλυση πρωτεϊνών είναι γρήγορη με αποτέλεσμα το περιοριστικό βήμα στο ρυθμό βιοδιάσπασης των πρωτεϊνών να είναι η υδρόλυση Μεθανογένεση Το τελικό στάδιο της αναερόβιας χώνευσης είναι η παραγωγή μεθανίου. Η μεθανογένεση γίνεται είτε με κατανάλωση οξικού είτε με σύνθεση υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα. Το οξικό είναι το σημαντικότερο υπόστρωμα για τα μεθανογόνα βακτήρια. Για παράδειγμα, σε αναερόβιους αντιδραστήρες που επεξεργάζονται ιλύ, το 65-70% του παραγόμενου μεθανίου προέρχεται από την κατανάλωση οξικού. Μελέτες που έγιναν χρησιμοποιώντας καθαρές καλλιέργειες Methanosarcina barkeri έδειξαν ότι το 97% του άνθρακα του οξικού μετατρέπεται σε μεθάνιο και το υπόλοιπο ενσωματώνεται στη βιομάζα. Το υπόλοιπο 30-35% του μεθανίου που παράγεται στους βιοαντιδραστήρες προέρχεται από την αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα από το υδρογόνο. Η σημασία των μεθανοβακτηρίων που παράγουν μεθάνιο με αυτό τον τρόπο (καταναλώνοντας δηλαδή υδρογόνο) είναι πολύ σημαντική, αφού μέσω αυτού του μηχανισμού καθορίζονται οι ρυθμοί άλλων αντιδράσεων, προϊόν των οποίων είναι και το υδρογόνο. Έχουν απομονωθεί και μελετηθεί πολλά μεθανογόνα βακτήρια που χρησιμοποιούν ως υπόστρωμα το CO 2 και το H Περιβαλλοντικοί παράγοντες της αναερόβιας χώνευσης Οι παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση της αναερόβιας χώνευσης περιγράφονται παρακάτω: [15] Θερμοκρασία: Η αναερόβια χώνευση μπορεί να λειτουργήσει σε ένα μεγάλο εύρος θερμοκρασιών, ωστόσο υπάρχουν δύο περιοχές θερμοκρασίας όπου η απόδοσή της βελτιστοποιείται: Η μεσόφιλη (περίπου 35 C) με εύρος από 30 C έως 40 C, Page 21

22 Η θερμόφιλη περιοχή (περίπου 55 C) με εύρος από 50 C έως 55 C Καθώς οι αναερόβιες διεργασίες δεν είναι έντονα εξώθερμες, η βιολογικά παραγόμενη θερμότητα δεν επαρκεί για τη διατήρηση της θερμοκρασίας στο βέλτιστο επίπεδο, ακόμη και για τη μεσόφιλη χώνευση. Έτσι, χρειάζεται η παροχή πρόσθετης, εξωτερικής θερμότητας, η οποία όμως μπορεί να προέλθει από την καύση του παραγόμενου βιοαερίου, η ποσότητα του οποίου επαρκεί τόσο για τη διατήρηςη της επιθυμητής θερμοκρασίας όσο και για την παραγωγή περίσσειας ενέργειας (ηλεκτρισμού ή/και θερμότητας). Μέγεθος σωματιδίων: Το βέλτιστο μέγεθος των σωματιδίων εξαρτάται από το βαθμό βιοδιασπασιμότητας του υποστρώματος. Έτσι υποστρώματα με μικρή έως μέτρια βιοαποδομησιμότητα (π.χ. χαρτί) θα πρέπει να είναι τεμαχισμένα σε ένα σχετικά μικρό μέγεθος σωματιδίων. Αντίθετα, για ταχέως βιοαποδομήσιμα απόβλητα (π.χ. υπολείμματα φαγητών), το μικρό μέγεθος αποτελεί μειονέκτημα αφού οδηγεί σε μεγάλη παραγωγή οξέων τα οποία χαμηλώνουν το ph παρεμποδίζοντας την ανάπτυξη των περισσότερο «ευαίσθητων» μεθανογενών βακτηρίων. Ο λόγος C/N: Για υποστρώματα με μέτρια έως υψηλή βιοαποδομησιμότητα (π.χ. χαρτί, υπολείμματα τροφών), ο βέλτιστος λόγος άνθρακα προς άζωτο κυμαίνεται μεταξύ 25 και 30 ενώ για βραδέως βιοαποδομούμενα υποστρώματα (π.χ. ξύλα), ο λόγος αυτός μπορεί και να ανέρχεται στο 40, καθώς σε αυτή την περίπτωση μόνο ένα μικρό μέρος του άνθρακα είναι άμεσα διαθέσιμο στους μικροοργανισμούς. Χαμηλές τιμές C/N γενικά έχουν σαν αποτέλεσμα την μεγαλύτερη εκπομπή αζώτου με τη μορφή αέριας αμμωνίας, η συγκέντρωση της οποίας μπορεί να αποβεί τοξική για τον μικροβιακό πληθυσμό. Οι βέλτιστες τιμές C/N επιτυγχάνονται με την κατάλληλη μίξη συστατικών των αποβλήτων, κάτι που απαιτεί καλό σχεδιασμό για τα απόβλητα που δέχεται κάθε εγκατάσταση, την αποθήκευσή τους και την τροφοδοσία του βιοαντιδραστήρα. ph: Σε ph μικρότερο του 5 σταματά η εξέλιξη του σταδίου της οξυδογένεσης, ενώ η βέλτιστη περιοχή είναι μεταξύ 5,3 5,7. Αντίστοιχα σε τιμές ph μεταξύ 5,8-7,2 βελτιστοποιείται το στάδιο της μεθανογένεσης, το οποίο αναστέλλεται σε ph < 5. Επομένως το βέλτιστο εύρος τιμών είναι 5,5-8,0 - Η πιθανή παρουσία τοξικών ουσιών στο υπόστρωμα: Η ύπαρξη ουσιών που μπορούν να έχουν αρνητική επίδραση στον μικροβιακό πληθυσμό είναι πιθανή σε ένα υπόστρωμα όπως τα ΑΣΑ. (βαρέα μέταλλα, τοξικές οργανικές ενώσεις κ.λ.π.). Κάποιες ουσίες (π.χ. ορισμένα μέταλλα όπως Cu και Zn) είναι απαραίτητες για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών κάτω Page 22

23 από συγκεκριμένες συγκεντρώσεις, μεγαλύτερες όμως συγκεντρώσεις μπορούν να αποβούν τοξικές. Πίνακας 3.2: Όρια παρεμποδιστικών συγκεντρώσεων ορισμένων ουσιών στο υγρό κλάσμα κατά την αναερόβια χώνευση ΑΣΑ [15] Ουσία Όρια συγκεντρώσεων Παρατηρήσεις (mg/l) Αέρια αμμωνία ph>7.4 Αμμωνιακό κατιόν Θειώδη Μέταλλα <10 συνήθως - Na 3500 Θρεπτικό συστατικό σε επίπεδα mg/l Κ 2500 Θρεπτικό συστατικό σε επίπεδα mg/l Πηγή: Karena Ostrem. Greening Waste: Anaerobic Digestion for treating the organic fraction of municipal solid wastes, Department of Earth and Environmental Engineering, Foundation of School of Engineering and Applied Science, Columbia University Ο Πίνακας 3.2 παρουσιάζει τις παρεμποδιστικές κατά την αναερόβια χώνευση συγκεντρώσεις συγκεκριμένων ενώσεων. Εκτός λίγων εξαιρέσεων, η χρήση της αναερόβιας χώνευσης σε αστικά στερεά απόβλητα (ΑΣΑ.) ήταν περιορισμένη παγκοσμίως έως και την αρχή της δεκαετίας του Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας αυτής, παρατηρήθηκε μία βαθμιαία αύξηση στη χρήση της τεχνικής αυτής ως συνοδευτικής ή εναλλακτικής λύσης της πιο συχνά χρησιμοποιούμενης αερόβιας βιοεπεξεργασίας (κομποστοποίησης) των ΑΣΑ. Το ενδιαφέρον αυξήθηκε με την ανάπτυξη τεχνολογιών Αναερόβιας Χώνευσης Υψηλού Ποσοστού Στερεών (ΑΧΥΠΣ). Η ΑΧΥΠΣ διαφέρει από την παραδοσιακή αναερόβια χώνευση που χρησιμοποιείται ευρέως για την ιλύ των μονάδων επεξεργασίας λυμάτων, καθώς το ποσοστό στερεών του οργανικού υποστρώματος είναι τουλάχιστον 25% (και μπορεί να φτάσει το 40%), ενώ στην παραδοσιακή αναερόβια χώνευση το ποσοστό στερεών δεν υπερβαίνει το 5-10%, δηλαδή το υπόστρωμα έχει τη μορφή της λάσπης (slurry). Ένα τυπικό ισοζύγιο μάζας κατά την αναερόβια χώνευση παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.2. Page 23

24 15gr Βιοαέριο 1kg οργανική ύλη με 20%κ.β. υγρασία Αναερόβιος αντιδραστήρας Θερμότητα Υδαρές προϊόν (50gr στερεά οργανικά 800gr νερό Σχήμα 3.2: Ενδεικτικό ισοζύγιο μάζας αναερόβιας χώνευσης ΑΣΑ. 3.5 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της αναερόβιας χώνευσης Τα οφέλη της αναερόβιας χώνευσης είναι πολλαπλά. Ένα από τα σημαντικότερα είναι η παρεμπόδιση της εκπομπής μεθανίου στην ατμόσφαιρα, το οποίο εκπέμπεται από τα υλικά καθώς αποσυντίθενται. Επίσης, η αναερόβια χώνευση οδηγεί σε μια μείωση της μυρωδιάς της ακατέργαστης ιλύος, ενώ ταυτόχρονα μειώνει τον αριθμό των παθογόνων και βιώσιμων ζιζανίων. Επειδή η αναερόβια χώνευση δεν μειώνει την περιεκτικότητα των θρεπτικών συστατικών του υλικού που επεξεργάζεται, οποιαδήποτε υπολείμματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βιο-λίπασμα με μία βελτιωμένη συγκέντρωση θρεπτικών σε σύγκριση με την ακατέργαστη ιλύ [16]. Μερικά ακόμα από τα οφέλη της αναερόβιας χώνευσης συνοψίζονται παρακάτω: Παράγεται βιοαέριο το οποίο μπορεί να καθαριστεί από της ανεπιθύμητες προσμίξεις ή να καεί ως έχει σε ειδικούς καυστήρες δίνοντας θερμική και ηλεκτρική ενέργεια μειώνοντας έτσι το αρχικό κόστος επένδυσης για την εγκατάσταση. Απαιτεί μικρή δαπάνη ενέργειας για την επεξεργασία των αποβλήτων. Παράγει πολύ μικρότερες ποσότητες βιομάζας (3-20 φορές λιγότερη σε σχέση με την αερόβια διεργασία) Page 24

25 Λόγω του μικρού συντελεστή απόδοσης βιομάζας των οξικογόνων και μεθανογόνων μικροοργανισμών, οι απαιτήσεις της διεργασίας σε θρεπτικά (άζωτο, φώσφορος) είναι μειωμένες συγκριτικά με τις αερόβιες διεργασίες. Επιτυγχάνεται υψηλή απομάκρυνση οργανικού φορτίου. Η διεργασία είναι κατάλληλη για ισχυρά αγροτοβιομηχανικά απόβλητα. Καλά προσαρμοσμένη αναερόβια λάσπη μπορεί να παραμείνει ενεργή, χωρίς τροφοδοσία, για μεγάλο χρονικό διάστημα (άνω του έτους). Τα σημαντικότερα μειονεκτήματα είναι: Μεγάλο χρονικό διάστημα εγκλιματισμού μικροβιακής καλλιέργειας και πιο αργή διεργασία από την αερόβια επεξεργασία. Ευαισθησία συστημάτων σε αυξομειώσεις της οργανικής φόρτισης. Μικρός ειδικός ρυθμός ανάπτυξης μεθανογόνων βακτηρίων. Εξάρτηση της διεργασίας από τη θερμοκρασία και κατανάλωση ενέργειας. Ευαισθησία μεθανογόνων μικροοργανισμών σε ευρύ φάσμα τοξικών ενώσεων. Μικρότερη ικανότητα καταστροφής των παθογόνων μικροοργανισμών σε σχέση με την αερόβια επεξεργασία. Δυσοσμία του συστήματος εφόσον περιέχονται θειϊκά στην εισροή. Περαιτέρω επεξεργασία των εκροών. 3.6 Χαρακτηριστικά κατηγοριοποίησης μεθόδων και συστημάτων αναερόβιας χώνευσης Τα συστήματα αναερόβιας χώνευσης που χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία των στερεών αποβλήτων μπορούν να ταξινομηθούν στη βάση τεσσάρων κύριων χαρακτηριστικών, που προσδιορίζουν και τον τύπο της εφαρμοζόμενης τεχνολογίας: Θερμοκρασία Συγκέντρωση των στερεών Σύστημα ανάδευσης Αριθμός των φάσεων / αντιδραστήρων. Page 25

26 Πίνακας 3.3: Λειτουργικές παράμετροι των συστημάτων αναερόβιας χώνευσης [17] Θερμοκρασία Μεσόφιλο (~35 ο C) Θερμόφιλο (~55 ο C) Συγκέντρωση στερεών Χαμηλά στερεά (>10% ξ.ο.) Μεσαία στερεά (10-25% ξ.ο.) Υψηλά στερεά (>25% ξ.ο.) Σύστημα ανάδευσης Μηχανική ανάδευση Ανάδευση μέσω των αερίων Στρωτής ροής Διακοπτόμενης τροφοδοσίας Αριθμός σταδίων Ενός σταδίου (ένας αντιδραστήρας) Πολλαπλών σταδίων Πηγή: Verma S., Anaerobic digestion of biodegradable organics in municipal solid wastes. Thesis for the Master of Science Degree in Earth Resources Engineering. Advisor: Prof. N. J. Themelis. Columbia University Ο συνδυασμός αυτών των χαρακτηριστικών μπορεί να περιγράψει τα περισσότερα εμπορικά διαθέσιμα συστήματα, αν και κάποια συστήματα παραμένουν ενδιαμέσως αυτών των κατηγοριοποιήσεων [17] Συγκέντρωση στερεών Τα παραδοσιακά συστήματα αναερόβιας χώνευσης ιλύος και υγρών αποβλήτων λειτουργούν σε μια πολύ χαμηλή συγκέντρωση στερεών, της τάξης του 5% (<10% TS), το οποίο προσιδιάζει στη φύση του υποστρώματος. Η χρήση της αναερόβιας χώνευσης για την επεξεργασία ΑΣΑ δίνει τη δυνατότητα αύξησης της συγκέντρωσης των στερεών στο βιοαντιδραστήρα, γεγονός που προσφέρει δύο πλεονεκτήματα: Αύξηση της παραγωγής βιοαερίου ανά μονάδα όγκου του βιοαντιδραστήρα Μείωση της απαιτούμενης ενέργειας για θέρμανση του υποστρώματος. Ωστόσο υπάρχουν όρια στη δυνατότητα αύξησης της συγκέντρωσης των στερεών. Οι μικροβιακές διεργασίες λαμβάνουν χώρα σε υγρή φάση και κατά συνέπεια απαιτούν ένα ελάχιστο ποσοστό υγρασίας της τάξης του 40-50%. Επιπλέον, τα τεχνικά προβλήματα άντλησης των αποβλήτων προς και από το βιοαντιδραστήρα απαιτούν το υπόστρωμα να είναι Page 26

27 αρκετά ρευστό, περιορίζοντας έτσι τη μέγιστη συγκέντρωση στερεών στο 30-35% (π.χ. σύστημα DRANCO). Σχήμα 3.3: Διάγραμμα ροής διεργασία ξηρής αναερόβιας χώνευσης οργανικού κλάσματος ΑΣΑ Κάποια συστήματα παρακάμπτουν αυτό το πρόβλημα αποφεύγοντας πλήρως την άντληση των αποβλήτων και συνεπώς και τη συνεχή τροφοδότηση της μονάδας. Σε αυτά ο βιοαντιδραστήρας είναι διακοπτόμενης τροφοδοσίας και η φόρτιση και το άδειασμα του γίνονται με τη βοήθεια μεταφορικών ταινιών. Τα συστήματα της αναερόβιας χώνευσης μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε συστήματα: Χαμηλής συγκέντρωσης στερεών ή ως γνωστά με τον όρο συστήματα «υγρής» αναερόβιας χώνευσης ( wet digestion, <10%TS), στα οποία χρησιμοποιούνται αντιδραστήρες πλήρους αναμίξεως (CSTR) και ο συνολικός υδραυλικός χρόνος παραμονής είναι 5-8 μέρες. Υψηλής συγκέντρωσης στερεών ή ως γνωστά με τον όρο «ξηρής» αναερόβιας χώνευσης ( dry digestion, 25-40%TS), στα οποία χρησιμοποιούνται αντιδραστήρες εμβολικής ροής (PFR). Υπάρχουν επίσης οι αντιδραστήρες Batch που λειτουργούν συνήθως σε υψηλή συγκέντρωση στερεών. Ο χρόνος παραμονής κυμαίνεται από 8-12 μέρες [18]. Page 27

28 3.6.2 Σύστημα ανάδευσης Η ανάγκη μίξης των αποβλήτων στο βιοαντιδραστήρα προκύπτει από την απαίτηση για καλή και ομοιόμορφη επαφή των μικροοργανισμών με το υπόστρωμα και για αποφυγή της τοπικής συγκέντρωσης των προϊόντων της χώνευσης καθώς και του διαχωρισμού των αποβλήτων σε ελαφρύ και βαρύ κλάσμα εντός του βιοαντιδραστήρα. Στα περισσότερα συστήματα υπάρχουν κάποια προβλήματα διαχωρισμού και συγκέντρωσης του βιοαερίου, τα οποία αντιμετωπίζονται με τη μίξη. Πίνακας 3.4: Λειτουργικές παράμετροι για αναερόβια επεξεργασία οργανικών ΑΣΑ διαχωρισθέντων στην πηγή, σε σύστημα ενός σταδίου. [19] Μέθοδος Λειτουργικές συνθήκες Μεσόφιλες θερμοκρασίες- Χαμηλή HRT: 14-30d συγκέντρωση στερεών OLR: 1-4kg TVS/m 3.d Μεσόφιλες θερμοκρασίες- Μέση HRT: 12-14d συγκέντρωση στερεών OLR: 3-4kg TVS/m 3.d Θερμόφιλες θερμοκρασίες- Μέση HRT: 12-14d συγκέντρωση στερεών OLR: 8-12kg TVS/m 3.d Μεσόφιλες θερμοκρασίες- Υψηλή HRT: d συγκέντρωση στερεών OLR: 3-4kg TVS/m 3.d Θερμόφιλες θερμοκρασίες- Υψηλή HRT: 12-16d συγκέντρωση στερεών OLR: 4-6kg TVS/m 3.d Συνεπεξεργασία αποβλήτων HRT: 14-16d OLR: kg TVS/m 3.d HRT: Υδραυλικός χρόνος παραμονής, OLR: Ρυθμός οργανικής φόρτισης Πηγή: Cecchi F., P. Traverso, P. Pavan, D. Bolzonella and L. Innocenti, Characteristics of the OFMSW and behaviour of the anaerobic digestion process. In: Mata-Alvarez J. (Ed.) Biomethanization of the organic fraction of municipal solid waste, pp IWA Publishing Υπάρχουν δύο τρόποι ανάδευσης των αποβλήτων στο βιοαντιδραστήρα: μηχανική ανάδευση ή ανάδευση μέσω των αερίων, με διαφορετικά πλεονεκτήματα και τεχνικές δυσκολίες το καθένα. Επίσης, υπάρχουν συστήματα που αποφεύγουν πλήρως την ανάδευση εντός του αντιδραστήρα και τις τεχνικές δυσκολίες που αυτή συνεπάγεται, χρησιμοποιώντας διακοπτόμενη τροφοδοσία. Σε αυτή την περίπτωση, η απαιτούμενη μίξη επιτυγχάνεται με την κατάλληλη προετοιμασία του υποστρώματος εκτός του αντιδραστήρα καθώς επίσης και με την ανακύκλωση μέρους της επεξεργασμένης χωνεμένης ιλύος. Ο απαιτούμενος εξοπλισμός ανάδευσης σε αυτή την περίπτωση είναι εξωτερικός του βιοαντιδραστήρα, επιτρέποντας καλύτερο έλεγχο και συντήρηση. Τα συστήματα αυτά παρέχουν και Page 28

29 μεγαλύτερη ασφάλεια στην εκτίμηση του χρόνου παραμονής των αποβλήτων σε ορισμένη θερμοκρασία, όπως απαιτείται για την υγιειονοποίησή τους Αριθμός σταδίων Τα συστήματα της αναερόβιας χώνευσης διακρίνονται, ανάλογα με τον αριθμό των αντιδραστήρων που χρησιμοποιούν, σε συστήματα ενός σταδίου, όταν όλες οι φάσεις της βιολογικής μετατροπής πραγματοποιούνται σε έναν αντιδραστήρα και πολλών σταδίων όταν η υδρόλυση και μεθανιογένεση πραγματοποιούνται σε ξεχωριστούς αντιδραστήρες.[20] Οι βέλτιστες περιβαλλοντικές συνθήκες για τις βιολογικές διεργασίες που συμβαίνουν στις διακριτές φάσεις της αναερόβιας χώνευσης διαφέρουν ελαφρώς από φάση σε φάση. Συνεπώς, όταν η αναερόβια χώνευση λαμβάνει χώρα εξ ολοκλήρου σε ένα βιοαντιδραστήρα, δεν μπορούν να βελτιστοποιηθούν οι επιμέρους φάσεις της. Αντίθετα, ο διαχωρισμός της διεργασίας σε χωριστούς αντιδραστήρες, έτσι ώστε η υδρόλυση / οξεογένεση να λαμβάνουν χώρα ανεξάρτητα από τη μεθανιογένεση επιτρέπει την ταυτόχρονη βελτιστοποίηση των διαφορετικών φάσεων και αυξάνει τη συνολική ταχύτητα και απόδοση όλης της αναερόβιας χώνευσης. Βέβαια, αυτό το πλεονέκτημα αντισταθμίζεται από το μειονέκτημα του αυξημένου κόστους του πρόσθετου βιοαντιδραστήρα και των συστημάτων μεταφοράς των αποβλήτων. Τα ΑΣΑ λόγω της ανομοιογένειάς τους έχουν κάποιες πρόσθετες δυσκολίες χειρισμού, οι περισσότερες εμπορικά διαθέσιμες τεχνολογίες τείνουν να προτιμούν τις απλούστερες λύσεις και έτσι σήμερα επικρατούν στην αγορά τα συστήματα ενός σταδίου, παρά τη μειωμένη απόδοση σε σχέση με τα συστήματα δύο σταδίων. Με βάση την παραπάνω κατηγοριοποίηση, διακρίνονται δύο κύρια συστήματα αναερόβιας χώνευσης στερεών αποβλήτων το κλασσικό και το σύστημα υψηλού ρυθμού ή δύο σταδίων [21] Κλασσικό σύστημα αναερόβιας χώνευσης ενός αντιδραστήρα Αποτελείται από έναν αντιδραστήρα, με χρόνο παραμονής κάποιων εβδομάδων, στον οποίο συνήθως πραγματοποιείται ανάδευση του περιεχομένου. Στόχος της ανάδευσης είναι η αποφυγή συσσώρευσης μεταβολικών προϊόντων που μπορούν να οδηγήσουν στη θανάτωση των ενεργών μικροβίων. Στην περίπτωση μη ανάδευσης, δημιουργούνται τέσσερα στρώματα Page 29

30 εντός του αντιδραστήρα όπως φαίνεται στην επόμενη εικόνα, ενώ στην κορυφή αυτού γίνεται συλλογή του παραγόμενου αερίου [21]. Σχήμα 3.4: Απεικόνιση του συστήματος αναερόβιας χώνευσης ενός σταδίου Σύστημα δύο σταδίων Τα συστήματα αυτά περιλαμβάνουν τουλάχιστον δύο αντιδραστήρες που λειτουργούν σε σειρά. Τα στάδια της υδρόλυσης και παραγωγής οξέων πραγματοποιούνται στον πρώτο αντιδραστήρα. Τα περιεχόμενα του πρώτου αντιδραστήρα αναμιγνύονται πλήρως (με προσθήκη νερού) και ο χρόνος παραμονής είναι μερικές ημέρες. Στη συνέχεια, το περιεχόμενο του πρώτου αντιδραστήρα περνάει στο στάδιο 2, δηλαδή στον δεύτερο αντιδραστήρα. Στο στάδιο αυτό λαμβάνει χώρα η μεθανογένεση (κατά κύριο λόγο) χωρίς να παρεμποδίζεται από τα σχετικά χαμηλά ph των πρώτων σταδίων. Στην πραγματικότητα βέβαια, τα στάδια της αναερόβιας χώνευσης δεν διαχωρίζονται πλήρως κι έτσι το συλλεγόμενο αέριο του δευτέρου σταδίου συνδυάζεται με το συλλεγόμενο αέριο του πρώτου σταδίου, αφού και σε αυτό παράγεται βιοαέριο. [21] Page 30

31 Σχήμα 3.5: Απεικόνιση του συστήματος αναερόβιας χώνευσης δύο σταδίων 3.7 Διεργασίες αναερόβιας ζύμωσης των οργανικών στερεών αποβλήτων Τα τελευταία 15 χρόνια, το αυξανόμενο ενδιαφέρον για την αναερόβια χώνευση ως διεργασία επεξεργασίας αποβλήτων είχε σαν συνέπεια την κατασκευή διαφόρων τύπων αντιδραστήρων που λειτουργούν είτε σε θερμόφιλες είτε σε μεσόφιλες θερμοκρασίες. Οι κυριότερες διεργασίες που έχουν αναπτυχθεί και εφαρμόζονται σε εμπορικές μονάδες περιγράφονται στη συνέχεια Διεργασία Waasa Μέχρι το 2000 είχαν κατασκευαστεί 3 μονάδες που λειτουργούσαν με βάση τη διεργασία Waasa, ενώ άλλη μία ήταν υπό κατασκευή. Η δυναμικότητα των μονάδων κυμαίνεται μεταξύ τόνων ανά έτος, ενώ οι συνθήκες λειτουργίας μπορεί να είναι είτε θερμόφιλες 126 είτε μεσόφιλες. Στη μονάδα της Waasa λειτουργούν παράλληλα και οι δύο τύποι διεργασιών, με τη θερμόφιλη διεργασία να έχει ένα χρόνο παραμονής 10 ημέρες σε σύγκριση με τις 20 ημέρες του μεσόφιλου σχεδιασμού. Το διάγραμμα ροής της διεργασίας φαίνεται στο σχήμα 3.6. Page 31

32 Σχήμα 3.6: Διάγραμμα ροή διεργασίας Waasa Η διεργασία έχει δοκιμαστεί για διάφορους τύπους αποβλήτων, συμπεριλαμβανομένου και ενός μίγματος μηχανικά διαχωρισμένων δημοτικών στερεών αποβλήτων και ιλύος υπονόμων και λειτουργεί με ένα εύρος στερεών συστατικών 10-15% κ.β. Ο αντιδραστήρας είναι μία κλειστή δεξαμενή η οποία έχει υποδιαιρεθεί εσωτερικά για να υπάρχει ένας θάλαμος προζύμωσης. Η ανάμιξη επιτυγχάνεται με την έγχυση βιοαερίου δια μέσου της βάσης του αντιδραστήρα με τη βοήθεια αντλίας. Η απόδοση της λειτουργίας συνίσταται στην παραγωγή m 3 βιοαερίου ανά τόνο εισερχόμενων αποβλήτων, τη μείωση του όγκου κατά 60%, τη μείωση του βάρους κατά 50-60% και μία εσωτερική κατανάλωση βιοαερίου 20-30%. Το χωνευμένο υλικό μπορεί να επεξεργαστεί περαιτέρω με αερόβια κομποστοποίηση, αλλά αυτό εξαρτάται από την ποιότητα των αποβλήτων Διεργασία Valorga Η διαδικασία Valorga αναπτύχθηκε το 1981 για την επεξεργασία οργανικών στερεών αποβλήτων και αποδέχεται ΑΣΑ μετά από κατάλληλο διαχωρισμό του ακατάλληλου Page 32

33 κλάσματος. Ένας υψηλής περιεκτικότητας σε στερεά χωνευτήρας τροφοδοτείται με το οργανικό κλάσμα των ΑΣΑ που έχει % συγκέντρωση ολικών στερεών. Σχήμα 3.7: Ο αντιδραστήρας της μεθόδου Valorga Χρησιμοποιείται ατμός για τη θέρμανση και το νερό που προκύπτει από την διαδικασία χρησιμοποιείται για την αραίωση της τροφοδοσίας στο βαθμό που απαιτείται. Μεσόφιλα ή θερμόφιλα συστήματα χρησιμοποιούνται ανάλογα με τις πρώτες ύλες αλλά και τις οικονομικές παραμέτρους. Ο αντιδραστήρας της Valorga είναι μονοβάθμιος και εμβολικής ροής (PFR). Τυπικοί PFR αντιδραστήρες περιλαμβάνουν φυσική ανάμειξη, αλλά ο χωνευτής Valorga χρησιμοποιεί πεπιεσμένο βιοαέριο για την ανάμειξη. Αυτό εξαλείφει την ανάγκη για ένα βρόχο εμβολιασμού. Ο αντιδραστήρας αποτελείται από ένα κατακόρυφο εξωτερικό κύλινδρο με ένα εσωτερικό τείχος που εκτείνεται περίπου στα ⅔ της διαμέτρου της δεξαμενής. Οι υπάρχουσες μονάδες Valorga έχουν αποδόσεις παραγωγής βιοαερίου 0,22 έως 0,27 m3/kg VS (πτητικών στερεών). Ο χρόνος παραμονής των αποβλήτων είναι ημέρες και μετά την χώνευση, η κομποστοποίηση του υπολείμματος διαρκεί περίπου δύο εβδομάδες. Valorga εγκαταστάσεις που λειτουργούν σήμερα στην Ισπανία, τη Γερμανία, την Ιταλία, την Ελβετία και τις Σκανδιναβικές χώρες [22]. Page 33

34 3.7.3 Διεργασία Dranco Η διαδικασία Dranco αναπτύχθηκε στα τέλη της δεκαετίας του Είναι ένα μονοβάθμιο αναερόβιο σύστημα υψηλής συγκέντρωσης σε στερεά, που λειτουργεί σε θερμόφιλες θερμοκρασίες. Η τροφοδοσία εισάγεται στην κορυφή του αντιδραστήρα και μετακινείται προς τα κάτω μέχρι τη κωνική βάση, όπου ένα τρυπάνι απομακρύνει το υπόλειμμα (χωνεμένη ιλύ). Ένα κλάσμα της ιλύος μεταφέρεται στην αντλία ανάμειξης, όπου εκεί αναμειγνύεται με την νέα τροφοδοσία προκειμένου η δεύτερη να έρθει στην θερμοκρασία λειτουργίας. Το υπόλοιπο της ιλύος αφυδατώνεται και παράγει νερό και το στερεό υλικό τύπου κόμποστ. Δεν υπάρχει ανάδευση στο εσωτερικό του αντιδραστήρα, περά από αυτήν που προκαλείται από την κίνηση των αποβλήτων προς τα κάτω, και την κίνηση των φυσαλίδων των βιογενών αερίων που παράγονται προς τα πάνω. Στα υπάρχοντα εμπορικά συστήματα Dranco έχει καταγραφεί ότι έχουν απόδοση παραγωγής βιοαερίου 0,103-0,147 m3/kg [23]. Η διαδικασία Dranco παράγει ένα προϊόν τύπου κόμποστ και θερμική ή ηλεκτρική ενέργεια από το βιοαέριο. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να κυμαίνεται από MWh/ton τροφοδοσίας. Εικόνα 3.2: Dranco αντιδραστήρας Page 34

35 Σχήμα 3.8: Διάγραμμα ροής συστήματος Dranco Διεργασία Kompogas Το σύστημα Kompogas αναπτύχθηκε στην Ελβετία και δέχεται οργανικά απόβλητα από σύστημα διαλογής στην πηγή. Λειτουργεί σε θερμοκρασίες o C και το περιεχόμενο σε στερεά συστατικά είναι υψηλό. Στο Σχήμα 3.9 φαίνεται το διάγραμμα ροής της διεργασίας. Τα απόβλητα συλλέγονται αρχικά σε μια δεξαμενή υποδοχής και στη συνέχεια οδηγούνται στο τμήμα διαλογής, στον τεμαχιστή και στη δεξαμενή αποθήκευσης. Το προθερμασμένο, παχύρευστο οργανικό υλικό εισέρχεται έπειτα στον οριζόντιο αντιδραστήρα ζύμωσης, όπου η βασική διεργασία λαμβάνει χώρα σε μία περίοδο ημερών και αναδεύεται περιοδικά. Το στερεό υπόλειμμα υφίσταται μείωση της υγρασίας του σε κοχλιόπρεσσα και στη συνέχια μεταφέρεται σε ένα αντιδραστήρα δευτερογενούς ζύμωσης, όπου πραγματοποιείται η μετατροπή του σε ώριμο compost με παρουσία ατμοσφαιρικού οξυγόνου. Το παραγόμενο βιοαέριο (0.1 m 3 αερίου ανά kg οργανικού αποβλήτου) υφίσταται επεξεργασία και αποθηκεύεται σε αεριοφυλάκιο. Στη συνέχεια αντλείται στη μονάδα συμπαραγωγής όπου μετατρέπται σε θερμική κα ηλεκτρική ενέργεια. Εναλλακτικά, το βιοαέριο μπορεί να αναβαθμιστεί μέχρι 98% κατά όγκο μεθάνιο και να χρησιμοποηθεί ως καύσιμο στα οχήματα μεταφοράς. Page 35

36 Σχήμα 3.9: Γενική εποπτεία διαδικασίας του συστήματος Kompogas Αντίθετα με τους άλλους δύο δημοφιλείς ενός σταδίου «ξηρούς» χωνευτήρες παραπάνω, το σύστημα Kompogas χρησιμοποιεί ένα οριζόντιο χωνευτήρα εμβολικής ροής, με εσωτερικούς έλικες που συμβάλλουν στην εξαέρωση και στην ομογενοποίηση των αποβλήτων. Το σύστημα είναι προκατασκευασμένο σε δύο μεγέθη: ή τόνων ετησίως. Οι μεγαλύτερες δυναμικότητες επιτυγχάνονται μέσω παράλληλης σύνδεσης των μονάδων. Η συγκέντρωση της υγρασίας πρέπει να διατηρείται στο 72-77%, προκειμένου στο σύστημα να υπάρχει η κατάλληλη ροή κι ως εκ τούτου ένα μέρος του νερού που προκύπτει από τη διαδικασία ή/και την ξήρανση της ιλύος αναμειγνύεται με τα εισερχόμενο οργανικό κλάσμα των ΑΣΑ [24]. 3.8 Βασικές σχεδιαστικές παράμετροι της αναερόβιας χώνευσης Οι βασικές παράμετροι σχεδιασμού για την αναερόβια χώνευση είναι: Όγκος του αντιδραστήρα Απαιτήσεις σε θερμότητα Χρόνος παραμονής Και οι δύο παραπάνω παράμετροι εξαρτώνται από την ποσότητα των αποβλήτων που θα χωνευτεί, τον χρόνο παραμονής, τις ποσότητες των τελικών προϊόντων που θα διατίθενται Page 36

37 καθημερινά και τη χρήση τους, καθώς και το σύστημα για τη θέρμανση και ανακύκλωση του νερού που χρησιμοποιείται για την αύξηση της θερμοκρασίας του αντιδραστήρα [25]. Πίνακας 3.5: Ρυθμοί φόρτισης εμπορικών συστημάτων αναερόβιας χώνευσης στη Γερμανία [25] Εμπορική Ποσοστό Χρόνος Ρυθμός ονομασία στερεών (%) παραμονής (d) φόρτισης (kg OTS/m 3 *d) min max min max min max DRANCO KOMPOGAS VALOGRA DBA-Wablo Waasa Schwarting- Unde OTS: Organic Total Solids Πηγή: Williams, R.B. Technology Assessment for Advanced Biomass Power Generation-in PIER Consultation Report., California Energy Commission: Sacramento, California Αναλυτικότερα: Ο όγκος του αντιδραστήρα εξαρτάται από την ημερήσια ποσότητα των αποβλήτων προς επεξεργασία, την υγρασία τους, τη συγκέντρωση των πτητικών στερεών, το ρυθμό φόρτισης του αντιδραστήρα, τη συγκέντρωση στερεών του μίγματος αποβλήτων-νερού καθώς και το χρόνο παραμονής. Είναι πιο σύνηθες να σχεδιάζονται οι αντιδραστήρες με βάση έναν επιθυμητό ρυθμό φόρτισης πτητικών στερεών, κάτι που φυσικά απαιτεί γνώση του ποσοστού πτητικών στερεών των αποβλήτων. Τυπικοί ρυθμοί φόρτισης σε αναερόβιους αντιδραστήρες φαίνονται στον παραπάνω πίνακα. Η απαιτούμενη θέρμανση εξαρτάται από τις θερμοκρασίες λειτουργίας του αντιδραστήρα (μεσόφιλες θερμόφιλες). Η θέρμανση γίνεται με σωληνώσεις εντός του αντιδραστήρα στους οποίους ανακυκλώνεται θερμό νερό. Για μεγαλύτερους αντιδραστήρες, το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που απαιτείται καταναλώνεται για την αύξηση την θερμοκρασίας του νερού στο επιθυμητό επίπεδο, και όχι για τη διατήρησή της στην τιμή αυτή. Οι απαιτήσεις σε ενέργεια εξαρτώνται από τον ρυθμό Page 37

38 εισόδου των αποβλήτων στον αντιδραστήρα, τη θερμοκρασία των αποβλήτων εκτός του αντιδραστήρα και την (επιθυμητή) θερμοκρασία εντός του αντιδραστήρα. Ο χρόνος παραμονής σε αναερόβιους αντιδραστήρες αναφέρεται στον υδραυλικό χρόνο παραμονής και εξαρτάται από τον ωφέλιμο όγκο και το ρυθμό παροχής των αποβλήτων εντός του αντιδραστήρα. Ο ιδανικός χρόνος παραμονής είναι εκείνος κατά τον οποίο: Ο μικροβιακός πληθυσμός ιδιαίτερα των μεθανογενών διατηρείται στο εκθετικό στάδιο ανάπτυξης Το μεγαλύτερο μέρος της (ανακτώμενης) χημικής ενέργειας των αποβλήτων μετατρέπεται σε χημική ενέργεια του μεθανίου Γενικότερα, ο κατάλληλος χρόνος παραμονής είναι συνάρτηση πολλών περιβαλλοντικών και λειτουργικών παραγόντων καθώς και της σύστασης του υποστρώματος [25]. Όσο περισσότερο οι περιβαλλοντικές (π.χ. θερμοκρασία) και λειτουργικές (π.χ. λόγος C/N) συνθήκες πλησιάζουν τις βέλτιστες τιμές και όσο πιο εύκολα βιοαποδομήσιμο είναι το υπόστρωμα, τόσο μικρότερος είναι ο χρόνος παραμονής και άρα μικρότερος και ο ωφέλιμος όγκος του αντιδραστήρα που απαιτείται για μία συγκεκριμένη παροχή. Λόγω της φύσης των μεθανογενών βακτηρίων, που είναι γενικά αργά αναπτυσσόμενοι μικροοργανισμοί, οι χρόνοι παραμονής σε αναερόβιους αντιδραστήρες οργανικών υποστρωμάτων είναι της τάξης των εβδομάδων και όχι ωρών. Για τυπικά αστικά απόβλητα ένας ικανοποιητικός χρόνος παραμονής είναι περίπου ημέρες [25]. 3.9 Παραγωγή μεθανίου Το βιοαέριο είναι μία ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Χρησιμοποιείται ως καύσιμο σε μηχανές εσωτερικής καύσης από όπου μπορεί να προκύψει θερμική και ηλεκτρική ενέργεια. Η διαφορά του από τα ορυκτά καύσιμα είναι ότι αποτελεί μία «καθαρή» μορφή ενέργειας. Το παραγόμενο από την αναερόβια χώνευση βιοαέριο είναι μίγμα διαφόρων αερίων [2]: Μεθάνιο (CH 4 ): 55-70% Διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ): 30-45% Υδρόθειο (H 2 S): 1-2% Άζωτο (N 2 ) 0-1% Υδρογόνο (H 2 ) 0-1% Page 38

39 Μονοξείδιο του άνθρακα (CO): Ίχνη Οξυγόνο (O 2 ): Ίχνη Κυρίως το μεθάνιο μαζί με την παραγόμενη ποσότητα υδρογόνου, που προκύπτουν από την αναερόβια χώνευση, αποτελούν το καύσιμο μέρος του βιοαερίου. Το μεθάνιο είναι ένα άχρωμο και άοσμο αέριο, με σημείο βρασμού τους -162 o C, ενώ καίγεται παράγοντας κυανόχρωμη φλόγα. Σε κανονική πίεση και θερμοκρασία, (p=1atm και θ=20 o C) το μεθάνιο έχει πυκνότητα περίπου 0,75 kg/m 3 [2]. Πίνακας 3.6: Αποδόσεις διαφόρων οργανικών αποβλήτων σε βιοαέριο (m 3 /kg) [26] Απόβλητα Απόδοση σε βιοαέριο (m 3 /kg) Κοπριά χοίρων Κοπριά βοοειδών Κοπριά πουλερικών Κοπριά προβάτων Τυρόγαλα Υπολείμματα άρτου (ξηρά) Απόβλητα σφαγείων Πηγή: Τρόποι αξιοποίησης του βιοαερίου Ο απλούστερος τρόπος χρήσης του βιοαερίου είναι η άμεση καύση του σε λεβητες ή καυστήρες. Η τεχνολογία αυτή εφαρμόζεται στις αναπτυγμένες χώρες, σε καυστήρες φυσικού αερίου. Το βιοαέριο μπορεί να καεί για την παραγωγή θερμότητας είτε επιτόπου είτε να μεταφερθεί με σωληνώσεις στους τελικούς χρήστες. Για τις εφαρμογές θέρμανσης, το βιοαέριο δεν χρειάζεται καμία αναβάθμιση, παρά μόνο κάποια επεξεργασία, όπως συμπύκνωση και αφαίρεση των σωματιδίων, συμπίεση, ψύξη και αφυδάτωση. Ένας ακόμα αποδοτικός τρόπος αξιοποίησης του παραγόμενου βιοαερίου είναι η συνδυασμένη παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας (ΣΗΘ). Μία μονάδα ΣΗΘ, με μηχανή εσωτερικής καύσης, έχει αποδοτικότητα μέχρι 90% και παράγει 35% ηλεκτρική ενέργεια και 65% θερμότητα. Η παραχθείσα ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ενέργεια διεργασίας για τον ηλεκτρικό εξοπλισμό της μονάδας, όπως αντλίες, συστήματα ελέγχου, αναδευτήρες κλπ. Σε πολλές χώρες με υψηλά τιμολόγια αγοράς της ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας (όπως Page 39

40 είναι η Ελλάδα), όλη η παραχθείσα ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να πωληθεί στο δίκτυο αποφέροντας έτσι οικονομικό όφελος. Η θερμότητα από το βιοαέριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί στις βιομηχανικές διεργασίες, στις γεωργικές δραστηριότητες ή στη θέρμανση των κτιρίων. Ο καταλληλότερος χρήστης θερμότητας είναι η βιομηχανία, δεδομένου ότι η ζήτηση είναι σταθερή καθ όλη τη διάρκεια του έτους. Η θερμότητα από βιοαέριο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την ξήρανση προϊόντων, τεμαχίων ξύλου ή για τον χωρισμό του κομπόστ. Τέλος, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμένα συστήματα ηλεκτρισμού- θερμότητα- δροσισμού, όπως για παράδειγμα την εν ψυχρώ αποθήκευση τροφίμων ή τον κλιματισμό [27] Περιβαλλοντικές επιπτώσεις αναερόβιας χώνευσης Το είδος των περιβαλλοντικών επιπτώσεων μιας μονάδας Αναερόβιας Χώνευσης που λαμβάνονται υπ όψιν περιγράφονται παρακάτω Επιπτώσεις στον αέρα Από τη στιγμή που η διαδικασία της αναερόβιας χώνευσης διενεργείται σε κλειστούς χώρους και το παραγόμενο αέριο συλλέγεται προς επεξεργασία και αξιοποίηση, οι εκπομπές αερίων ρύπων είναι πολύ μικρές. Αέριες εκπομπές παρατηρούνται κατά την καύση του βιοαερίου και αφορούν κυρίως σε οξείδια του αζώτου και του θείου και δευτερευόντως σε άλλα προϊόντα της καύσης. Οι εκπομπές αυτές είναι παρόμοιες με τις εκπομπές από την καύση φυσικού αερίου. Η επικινδυνότητα των αέριων αυτών εκπομπών είναι σχετικά περιορισμένη και για το λόγο αυτό στις περισσότερες περιπτώσεις τέτοιων μονάδων ο έλεγχος τους είναι περιορισμένος. Στην περίπτωση που πριν την αναερόβια χώνευση δεν έχει προηγηθεί πρόγραμμα διαλογής στην πηγή, υπάρχει το ενδεχόμενο να υπάρχουν ουσίες υψηλότερης τοξικότητας στο βιοαέριο λόγω της πιθανής παρουσίας διαλυτών και άλλων επικίνδυνων ουσιών στο υπόστρωμα. Ο εκτενής έλεγχος των αποβλήτων κατά την είσοδο τους στη μονάδα επιτυγχάνει επαρκή αντιμετώπιση του κινδύνου αυτού. Κατά την αναερόβια χώνευση οσμές παράγονται μόνο κατά την προετοιμασία του ρεύματος τροφοδοσίας και την επεξεργασία της χωνεμένης ιλύος, οι οποίες λαμβάνουν χώρα εκτός του βιοαντιδραστήρα. Όταν οι διεργασίες αυτές πραγματοποιούνται εντός κτιρίων και Page 40

41 ο αέρας υφίσταται επεξεργασία με βιόφιλτρα ή χημική έκπλυση έχουμε ως αποτέλεσμα οι οσμές που απελευθερώνονται στο περιβάλλον να είναι περιορισμένες. Είναι χαρακτηριστικό ότι σε πολλές περιπτώσεις, μονάδες αναερόβιας χώνευσης είναι χωροθετημένες σε βιομηχανικές περιοχές, σε απόσταση μικρή από άλλα κτίρια χωρίς να γίνονται παράπονα για όχληση [28] Επιπτώσεις στα νερά Κατά την αναερόβια χώνευση υπάρχει περίσσεια νερού, το οποίο μπορεί να ανακυκλοφορεί εντός της διεργασίας. Στην περίπτωση της μη ανακυκλοφορίας του, το υγρό αυτό απόβλητο πρέπει να επεξεργάζεται σε κατάλληλη μονάδα είτε εντός της εγκατάστασης είτε εκτός αυτής. Οι ποσότητες των υγρών αυτών αποβλήτων υπολογίζονται σε m 3 ανά τόνο εισερχόμενων αποβλήτων. Οι μονάδες που επεξεργάζονται οργανικά απόβλητα μετά από διαλογή στην πηγή τείνουν να παράγουν μεγαλύτερες ποσότητες υγρών αποβλήτων, καθώς η υγρασία του ρεύματος τροφοδοσίας τους είναι μεγαλύτερη σε σχέση με τα σύμμεικτα ΑΣΑ [28] Επιπτώσεις στο έδαφος Οι επιπτώσεις στο έδαφος έχουν σχέση με την εφαρμογή του παραγόμενου υλικού τύπου κόμποστ στο έδαφος, στην περίπτωση που τηρούνται οι σχετικές προδιαγραφές για εδαφική του διάθεση. Συνεπώς οι επιπτώσεις στο έδαφος είναι ίδιες με αυτές της αερόβιας επεξεργασίας. [28] 3.11 Επεξεργασία τυροκομικών αποβλήτων Τυρόγαλο: Η σύσταση και ο ρόλος του ως ρυπαντής Η συνεχώς αυξανόμενη παραγωγή γαλακτοκομικών και τυροκομικών προϊόντων, έχει σαν αποτέλεσμα την υψηλή παραγωγή ορού τυρογάλακτος (τυρόγαλο). Σύμφωνα με τον Castillo (1990), παράγονται 145x106 τόνοι τυρόγαλου ετησίως, ποσότητα που αντιστοιχεί σε 6x106 τόνους λακτόζης. Να σημειωθεί ότι στην Ελλάδα, την περίοδο από το 1990 έως το 1995, η εξαγωγή φέτας ήταν περίπου τόνοι το χρόνο και των πρόβιων τυριών Page 41

42 τόνοι, ποσότητες που αντιστοιχούν στην παραγωγή τόνων τυρόγαλου το χρόνο. Εάν ληφθεί υπόψη ότι για την παρασκευή ενός κιλού τυριού, παράγονται εννέα κιλά τυρόγαλου και με δεδομένο ότι το τυρόγαλο έχει πολύ μικρή περιεκτικότητα σε γάλα, γίνεται εύκολα κατανοητό το πρόβλημα διαχείρισης κυρίως που δημιουργείται από την παραγωγή τέτοιων ποσοτήτων του συγκεκριμένου αποβλήτου. Πίνακας 3.7: Κυριότερα συστατικά τυρόγαλου [29] Σύσταση τυρογάλου Συστατικό Διαλυτές Πρωτεϊνες Λιπίδια Μεταλλικά άλατα BOD 5 COD Τιμή 0,6-0,8% w/v 0,4-0,5% w/v 8-10% του ξηρού εκχυλίσματος ppm ppm Πηγή: Gonza lez Siso M.I. The biotechnological utilization of cheese whey: a review. Bioresource Technology 57: Το τυρόγαλο αποτελεί έναν σημαντικό ρυπαντή για το περιβάλλον. Για να γίνει κατανοητός ο ρόλος του τυρόγαλου ως αποβλήτου είναι αναγκαία μια πιο λεπτομερή αναφορά στη σύστασή του: Το τυρόγαλο είναι το υγρό υπόλοιπο που ακολουθεί την καθίζηση και την απομάκρυνση της καζεΐνης του γάλακτος κατά τη διαδικασία παραγωγής τυριού. Το παραπροϊόν αυτό, αντιπροσωπεύει περίπου το 85-95% του όγκου του γάλακτος και συγκρατεί περίπου το 55% από τα θρεπτικά του συστατικά. Από αυτά σε μεγαλύτερη αφθονία βρίσκεται η λακτόζη (4,5-5% weight/volume), οι διαλυτές πρωτεΐνες (0,6-0,8% w/v), τα λιπίδια (0,4-0,5% w/v) και τα μεταλλικά άλατα (8-10% του ξηρού εκχυλίσματος), ενώ αποτελείται κατά 93% από νερό. Τα μεταλλικά άλατα του τυρόγαλου είναι κυρίως χλωριούχο νάτριο και χλωριούχο κάλιο σε ποσοστό μεγαλύτερο του 50% και άλατα του ασβεστίου. Στο τυρόγαλο βρίσκονται και άλλα συστατικά σε πολύ μικρότερες αναλογίες, όπως γαλακτικό και κιτρικό οξύ, μη πρωτεϊνικές αζωτούχες ενώσεις όπως ουρία και ουρικό οξύ και βιταμίνες του συμπλέγματος. Το είδος του τυρόγαλου που προκύπτει κάθε φορά, εξαρτάται από την παραγωγική διαδικασία και την καθίζηση της καζεΐνης και διακρίνεται είτε σε όξινο (ph <5) είτε σε βασικό (ph 6-7). Το όξινο συνήθως περιέχει λιγότερες πρωτεΐνες και χρησιμοποιείται πολύ Page 42

43 περιορισμένα για βρώση λόγω της όξινης γεύσης του και της υψηλής περιεκτικότητας σε άλατα. Το τυρόγαλο είναι υψηλής περιεκτικότητας σε οργανική ύλη. Οι τιμές του τυρόγαλου σε βιολογικά απαιτούμενο οξυγόνο (BOD5) κυμαίνονται από ppm και σε χημικά απαιτούμενο οξυγόνο από ppm. Τα κυριότερα συστατικά του τυρόγαλου και οι τιμές που αυτά κυμαίνονται, συνοψίζονται στον Πίνακα 3.7. Σε ορισμένες έρευνες έχει βρεθεί ότι το τυρόγαλο περιέχει σε πολύ μικρές ποσότητες και μερικά βαρέα μέταλλα. Σε έρευνα των Cimino & Caristi, (1990), σε δεξαμενές με απόβλητο τυρόγαλο μαζί με νερό που χρησιμοποιούνταν για καθαριστικούς σκοπούς, βρέθηκαν κάδμιο, χρώμιο, χαλκός, υδράργυρος, μόλυβδος και ψευδάργυρος. Σε πρόσφατη έρευνα, βρέθηκαν επίσης βαρέα μέταλλα (μόλυβδος, κάδμιο και αλουμίνιο) σε σκόνη τυρόγαλου. Λαμβάνοντας υπόψη τις τοξικές επιδράσεις των βαρέων μετάλλων στους οργανισμούς, γίνεται αντιληπτός ο ρόλος του τυρόγαλου ως ρυπαντή και η αναγκαιότητα παρακολούθησης των αποβλήτων αυτών, προκειμένου να μετριαστούν οι αρνητικές τους επιπτώσεις [29] Αναερόβια χώνευση τυροκομικών αποβλήτων Η αναερόβια χώνευση είναι μια διεργασία με πολλά περιβαλλοντικά και οικονομικά πλεονεκτήματα, σε σύγκριση με την αερόβια μέθοδο επεξεργασίας των αποβλήτων, τα οποία και αναφέρονται στη συνέχεια. Υπάρχουν τρεις κατηγορίες συστημάτων αναερόβιας χώνευσης [30]: a. Συστήματα συμβατικής αναερόβιας χώνευσης η οποία βασίζεται στην ανάπτυξη αιωρούμενων μικροοργανισμών σε υγρό μέσο. Χρησιμοποιείται ευρέως για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων με υψηλή συγκέντρωση στερεών. Υπάρχουν δύο διαφορετικοί τύποι αναερόβιας χώνευσης συμβατικού τύπου, αυτός του ενός σταδίου και αυτός των δύο σταδίων. Η συμβατική αναερόβια χώνευση ενός σταδίου είναι ο απλούστερος σχεδιασμός αναερόβιου χωνευτήρα, αποτελείται συνήθως από μια κυλινδρική δεξαμενή και οι μικροοργανισμοί εξέρχονται από τον χωνευτήρα μαζί με την επεξεργασμένη εκροή. Διακρίνουμε τρεις βασικούς τρόπους λειτουργίας. Ο αναδευόμενος χωνευτήρας ονομάζεται διαλείποντος έργου (batch), όταν παραμένει κλειστός στη μεταφορά μάζας, κατά την διάρκεια της λειτουργίας του. Ο αντιδραστήρας ονομάζεται ημιδιαλείποντος έργου ή συνεχούς τροφοδότησης (semibatch ή fedbatch), όταν τα Page 43

44 αντιδρώντα προστίθενται κατά την διάρκεια της λειτουργίας του. Τέλος, ονομάζεται συνεχούς λειτουργίας (Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR) όταν λειτουργεί με συνεχή τροφοδότηση και συνεχή απορροή. Σε χωνευτήρα CSTR ο μέσος χρόνος παραμονής των μικροοργανισμών είναι ίσος με το χρόνο υδραυλικής παραμονής (HRT). Η συμβατική αναερόβια χώνευση των δύο σταδίων λαμβάνει χώρα σε δύο χωνευτήρες. Το κυριότερο μέρος της βιολογικής επεξεργασίας γίνεται στον πρώτο αντιδραστήρα, ενώ ο δεύτερος διαχωρίζει τα στερεά (βιομάζα και αιωρούμενα στερεά που δεν πρόλαβαν να υδρολυθούν) από το υγρό, λειτουργώντας ουσιαστικά σαν δεξαμενή καθίζησης. Η αναερόβια χώνευση δύο σταδίων είναι κατάλληλη για την επεξεργασία ισχυρών υγρών αποβλήτων. Η αποδοτικότητα της διεργασίας αναερόβιας χώνευσης δύο σταδίων είναι συνήθως πολύ μεγαλύτερη από αυτή του ενός σταδίου. b. Συστήματα ταχύρρυθμης αναερόβιας χώνευσης, στα οποία υπάρχει ένα στερεό υλικό στο οποίο προσκολλώνται οι μικροοργανισμοί σχηματίζοντας ένα βιολογικό στρώμα κι έτσι δεν παρασύρονται προς την εκροή του χωνευτήρα. Τα συστήματα αυτά έχουν τη δυνατότητα λειτουργίας σε υψηλές ταχύτητες ροής, χωρίς να μειώνεται η συγκέντρωση της βιομάζας και ο χρόνος παραμονής των στερεών υλικών, με αποτέλεσμα η αναερόβια επεξεργασία υγρών αποβλήτων να είναι ιδιαίτερα αποδοτική. c. Συστήματα υβριδικά, που είναι συνδυασμός των δύο προηγούμενων κατηγοριών και μπορούν να είναι παράλληλες διεργασίες, διεργασίες δύο ή περισσότερων σταδίων ή διεργασίες δύο φάσεων. Η χρήση της αναερόβιας χώνευσης για την επεξεργασία του τυρόγαλου έχει πολλές αναφορές στη διεθνή βιβλιογραφία. Σύμφωνα με τους Philippopoulos & Papadakis (2001), η επεξεργασία του τυρόγαλου στην Ελλάδα άρχισε το Πολλές αναφορές υπάρχουν για πιλοτικής κλίμακας έρευνες, με αναερόβια επεξεργασία μίας φάσης, με αντιδραστήρες διαφορετικής διαμόρφωσης (Kalyu hnyi et al., 1997; Coraucci Filho et al., 1996; Fox et al., 1992; Gutiérrez et al., 1991; Sung & Dague, 1992; Yan et al., 1989; Clanton et al., 1985). Σε έρευνα των Demirel et al., (2005), για τις αναερόβιες μεθόδους επεξεργασίας των συγκεκριμένων αποβλήτων, επισημαίνεται ότι οι συμβατικές μέθοδοι αναερόβιας επεξεργασίας (ενός ή δύο σταδίων) και η χρήση φίλτρων, (upflow anaerobic slundge bucket), μειώνουν τα λίπη και είναι οι κατάλληλες επεξεργασίες για την παραγωγή βιοαερίου (υδρογόνο και μεθάνιο) από τα απόβλητα. Η παραγωγή υδρογόνου (σε ποσότητα 7.53 λίτρα/ημέρα) και μεθανίου (σε ποσότητα 75. λίτρα/ημέρα) μετά από αναερόβια Page 44

45 επεξεργασία δύο φάσεων του ορού τυρογάλακτος αποδεικνύει πως το συγκεκριμένο απόβλητο αποτελεί άριστο υπόστρωμα Παραδείγματα εφαρμογής ενός συστήματος αναερόβιας χώνευσης υγρών αποβλήτων τυροκομείου Τα υγρά απόβλητα µονάδων επεξεργασίας τυροκοµικών προϊόντων περιέχουν υψηλό οργανικό φορτίο και προκαλούν αυξηµένα περιβαλλοντικά προβλήµατα αν διατεθούν χωρίς επεξεργασία σε υδάτινο αποδέκτη ή στο έδαφος. Η προτεινόµενη µέθοδος αποτελεί µια µέθοδο βιολογικής οξείδωσης αποβλήτων. Με τον όρο «Βιολογική Οξείδωση» νοείται µια σειρά πολύπλοκων βιοχηµικών αντιδράσεων, µε τις οποίες αποικοδοµούνται και οξειδώνονται οι διάφορες οργανικές ουσίες των αποβλήτων. Ο κύριος σκοπός της αναερόβιας χώνευσης είναι η σταθεροποίηση του οργανικού υλικού µε ταυτόχρονη µείωση των οσµών, της συγκέντρωσης των παθογόνων µικροοργανισµών και της µάζας του οργανικού υλικού που χρειάζεται περαιτέρω επεξεργασία. Αυτό επιτυγχάνεται µέσω της βιολογικής µετατροπής του οργανικού υλικού σε µεθάνιο (CH 4 ) και διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) υπό αναερόβιες συνθήκες (απουσία οξυγόνου). Το σύστηµα αναερόβιας επεξεργασίας που προσφέρεται περιλαµβάνει τον αντιδραστήρα, για την αναερόβια χώνευση του οργανικού φορτίου των υγρών αποβλήτων προς µεθανογένεση (παραγωγή βιοαερίου) και παραγωγή κόκκων λάσπης (granules). Ο αντιδραστήρας είναι µία κατακόρυφη δεξαµενή, που το ύψος της κυµαίνεται από m και το πλάτος της µεταξύ 1,5-15 m. Το απόβλητο εισέρχεται µέσω του συστήµατος διανοµής από τον πυθµένα του αντιδραστήρα και ανακατεύεται µε τους κόκκους της αναερόβιας βιοµάζας. Στο χαµηλότερο τµήµα του αντιδραστήρα τα περισσότερα οργανικά συστατικά µετατρέπονται σε µεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. Αυτό το αέριο µίγµα, γνωστό ως βιοαέριο, συλλέγεται στον διαχωριστήρα φάσεων (1ος διαχωριστής) και δηµιουργεί ένα ρεύµα ανόδου που ξαναγκάζει το νερό να κινηθεί προς τα πάνω, µέσω ενός κατακόρυφου αγωγού οδηγώντας το σε ένα διαχωριστήρα υγρών / αερίων που βρίσκεται στην κορυφή του αντιδραστήρα. Το βιοαέριο αποµακρύνεται από τον αντιδραστήρα µέσω του διαχωριστήρα, ενώ το νερό επιστρέφει µέσω ενός άλλου αγωγού στον πυθµένα του συστήµατος. Στο ψηλότερο διαµέρισµα του αντιδραστήρα το απόβλητο καθαρίζεται. Το βιοαέριο που παράγεται σε αυτή τη φάση, συλλέγεται στον διαχωριστήρα που βρίσκεται στο ψηλότερο διαµέρισµα (2ος διαχωριστής), ενώ το απόβλητο αποµακρύνεται από την κορυφή του αντιδραστήρα [33]. Page 45

46 Ο ως άνω αντιδραστήρας, στον οποίο γίνεται η χώνευση συµπληρώνεται από περιφερειακές δεξαµενές και εξοπλισµό, όπου υφίστανται τα προηγούµενα, αλλά και τα επόµενα στάδια επεξεργασίας. Ενδεικτικά, αναφέρεται : εξαµενή Εξισορρόπησης µε κατάλληλη αντλία ανύψωσης, καθώς και αναδευτήρα για την ανάµειξη των αποβλήτων (τυρογάλακτος και πλυσιµάτων) και την αρχική ρύθµιση του ph εξαµενή DAF, για την αποµάκρυνση των λιπών και σηµαντικού µέρους των αιωρούµενων στερεών, µε τον παρελκόµενο εξοπλισµό (αντλία ανακυκλοφορίας, πιεστικό δοχείο) εξαµενή τροφοδοσίας του αναερόβιου αντιδραστήρα, στην οποία γίνεται ανάµειξη του αποβλήτου µε προστιθέµενο νερό (από δίκτυο στην αρχή και από τα επεξεργασµένα του αερόβιου βιολογικού στη συνέχεια) και µε τη βοήθεια ανοξείδωτης σερπατίνας διατηρεί τα απόβλητα σε συγκεκριµένη θερµοκρασία. εξαµενή Αερόβιας Επεξεργασίας πριν την τελική διάθεση. Σχήμα 3.10: Διάγραμμα ροής της επεξεργασίας των τυροκομικών αποβλήτων για τη συγκεκριμένη μονάδα Με τη μέθοδο αυτή επιτυγχάνεται σημαντική μείωση του οργανικού φορτίου, της τάξεως του 90 µε 94% συνδυασµένα, ώστε τα απόβλητα να µπορούν εύκολα να επεξεργαστούν σε συµβατικά συστήµατα αερόβιας βιολογικής επεξεργασίας, µε αποτέλεσµα τα τελικά επεξεργασµένα να είναι εντός προδιαγραφών για άρδευση ή και για διάθεση στο αποχετευτικό δίκτυο της περιοχής. Page 46

47 Παράγεται βιοαέριο, ενέργεια φιλική προς το περιβάλλον, το οποίο µπορεί να µετατραπεί σε ηλεκτρική ή θερµική ενέργεια, καλύπτοντας µέρος των ενεργειακών αναγκών της εκάστοτε εγκατάστασης, µε παράλληλη µείωση του λειτουργικού κόστους. Υπολογίζεται παραγωγή βιοαερίου περί τα 14 µε 15 κυβικά ανά τόνο τυρογάλακτος. Η επεξεργασία των αποβλήτων γίνεται µε ταχύ ρυθµό, επιτυγχάνοντας χρόνο παραµονής των αποβλήτων µέσα στον αντιδραστήρα ώρες, µε αποτέλεσµα ο όγκος του αντιδραστήρα να είναι ο ελάχιστος δυνατός [33]. Ένα ακόμα παράδειγμα σχεδιασμού ενός συστήματος αναερόβιας χώνευσης υγρών αποβλήτων τυροκομείου δώθηκε από τους Τατάκη et al. Ο σχεδιασμός ενός αναερόβιου αντιδραστήρα χωρίς διακριτή βαθμίδα οξεοποίησης των υγρών αποβλήτων τυροκομείου είναι ασφαλής σε τιμές ογκομετρικού ρυθμού οργανικής φόρτισης της τάξης των 5 kg/m 3 /d. Μετά από οξεοποίηση των υγρών αποβλήτων σε χωριστή δεξαμενή ο ογκομετρικός ρυθμός φόρτισης σχεδιασμού του αντιδραστήρα μεθανιογένεησης μπορεί να αυξηθεί σε 15 kg/m 3 /d. Ο συντελεστής ανάκτησης μεθανίου στην δεύτερη περίπτωση κυμαίνεται μεταξύ m 3 /kg/codr, η δε περιεκτικότητα του βιοαερίου σε μεθάνιο είναι της τάξεως του 55%. Η οξεοποίηση των αραιωμένων υγρών αποβλήτων τυροκομείου μπορεί να λάβει χώρα είτε σε χωριστή δεξαμενή ή στην υπάρχουσα δεξαμενή εξισορρόπησης της μονάδας. Η οξεοποίηση των υγρών αποβλήτων εξασφαλίζει υψηλή ευστάθεια των διεργασιών μεθανιογένεσης και ελαχιστοποιεί τις απαιτήσεις για προσθήκη αλκαλικότητας. Λαμβάνει δε χώρα κατά προτίμηση σε όξινο ph (μεταξύ 3-4), ώστε τα προϊόντα της ζύμωσης των υδατανθράκων να είναι το γαλακτικό, το οξικό και το βουτυρικό οξύ. Τα αποτελέσματα των τιμών COD και υδατανθράκων ελήφθησαν κατά την λειτουργία πιλοτικής μονάδας, στην οποία ο υδραυλικός χρόνος παραμονής διατηρήθηκε ίσος με 10 h και ο ογκομετρικός ρυθμός φόρτισης σε επίπεδα των 22 (±6) kg/m 3 /d. Στην περίπτωση της ενισχυμένης οξεοποίησης γινόταν εξωτερικός διαχωρισμός και επανακυκλοφορία της οξεοποιητικής βιομάζας, ώστε οι συγκεντρώσεις αιωρούμενων στερεών του ανάμικτου υγρού να διατηρούνται σε επίπεδα της τάξης των 3 (±1) g/l. Η συγκέντρωση των υδατανθράκων στο αραιωμένο υγρό απόβλητο παρουσίασε σημαντική μείωση από επίπεδα της τάξης των 4 g/l σε τελικές συγκεντρώσεις 3 και 1 g/l με και χωρίς την επανακυκλοφόριση της οξεοποιητικής βιομάζας αντίστοιχα. Τα αραιωμένα υγρά απόβλητα μετά από οξεοποίηση οδηγούνται στον αναερόβιο αντιδραστήρα. Ο τελευταίος είναι τύπου στρώματος ιλύος ανοδικής ροής με εσωτερική κατακράτηση βιομάζας. Εάν λάβουμε υπόψη την απομάκρυνση COD και την περιεκτικότητα του βιοαερίου σε μεθάνιο (~ 55%) τότε μπορεί να υπολογιστεί ο συντελεστής ανάκτησης μεθανίου, από την κλίση της γραμμής τάσης μεταξύ του ογκομετρικού ρυθμού Page 47

48 απομάκρυνσης COD και του ρυθμού παραγωγής μεθανίου. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο συντελεστής ανάκτησης μεθανίου κατά την αναερόβια επεξεργασία οξεοποιημένων υγρών αποβλήτων κυμαίνεται σε βέλτιστα επίπεδα, τα οποία προσεγγίζουν τις θεωρητικά αναμενόμενες τιμές ( m 3 /kg CODr ). Στην περίπτωση που δεν ελάμβανε χώρα οξεοποίηση, ο συντελεστής διατηρούταν σε επίπεδα της τάξεως των 0.27 m 3 kg -1 CODr. Αντίστοιχες τιμές αναφέρονται και από τους Guiot et al. κατά την αναερόβια επεξεργασία μη-οξεοποιημένων υγρών αποβλήτων τυροκομείου σε ογκομετρικούς ρυθμούς φόρτισης της τάξεως των 15 kg/m 3 /d. Επομένως, για να δούμε στην πράξη πώς λειτουργεί μία τέτοια μονάδα, ας θεωρήσουμε μία τυροκομική μονάδα η οποία επεξεργάζεται 10 tn γάλα ημερησίως και παράγει περίπου 6 m 3 τυρόγαλο. Τα νερά πλύσης και τα λύματα του προσωπικού σε ημερήσια βάση είναι της τάξεως των 24 m 3 και επομένως η ημερήσια ποσότητα ανάμικτων υγρών αποβλήτων προς διαχείριση είναι ίση με 30 m 3. Τα υγρά απόβλητα συλλέγονται σε δεξαμενή αποθήκευσης/εξισορρόπησης λειτουργικού όγκου 30 m 3, η οποία είναι εξοπλισμένη με μηχανικό αναδευτήρα. Πριν από την είσοδό τους στη δεξαμενή εξισορρόπησης διέρχονται από κόσκινο 1-2 mm για το διαχωρισμό μεγάλων στερεών. Τα υγρά απόβλητα από τη δεξαμενή εξισορρόπησης/ οξεοποίησης οδηγούνται μέσω δεξαμενής καθίζησης στον αναερόβιο βιοαντιδραστήρα. Η παροχή σχεδιασμού του συστήματος διαμορφώνεται σε 2 m 3 /h και ακολούθως ο απαιτούμενος όγκος της δεξαμενής καθίζησης είναι 4 m 3. Το COD των οξεοποιημένων υγρών αποβλήτων είναι της τάξεως των 10 g/l. Εάν θέσουμε τον ογκομετρικό ρυθμό οργανικής φόρτισης ίσο με 15 kg/m 3 /d, τότε ο υδραυλικός χρόνος παραμονής του αναερόβιου αντιδραστήρα ισούται με 16 h, ο οποίος αντιστοιχεί σε λειτουργικό όγκο 32 m 3 (συνολικό όγκο 35 m 3 ). Το κόστος μιας προκατασκευασμένης μονάδας μεθανιογένεσης λειτουργικού όγκου 35 m 3 είναι της τάξεως των , συμπεριλαμβανομένων των εγκαταστάσεων αξιοποίησης του παραγόμενου βιοαερίου για την παραγωγή ζεστού νερού. Η ημερήσια παραγόμενη ποσότητα μεθανίου από το σύστημα είναι της τάξεως των (30 m 3 /d)*(10 kg COD /m 3 )*(85%)*(0.36 m 3 /kg CODr ) = 90 m 3 /d. Η θέρμανση 30 m 3 υγρού αποβλήτου από τους 20 στους 30 o C απαιτεί περίπου 30 m 3 μεθανίου ημερησίως και επομένως προκύπτει μια περίσσεια μεθανίου της τάξης των 60 m 3 /d. Για μια περίοδο τυροκόμισης γάλακτος της τάξεως των 200 ημερών, το όφελος από την υποκατάσταση πετρελαίου θέρμανσης με βιοαέριο (1 m 3 μεθανίου είναι θερμικά ισοδύναμο με 1 L diesel) διαμορφώνεται σε (60 L/d)*(1.4 /L)*(200 d) = και η απόσβεση της επένδυσης είναι δυνατή σε διάρκεια 2-3 ετών. Χημικά για τη ρύθμιση του ph δεν απαιτούνται. Page 48

49 Η αναερόβια εκροή χαρακτηρίζεται από COD της τάξεως των 1000 mg/l και μπορεί να διατεθεί στο αποχετευτικό δίκτυο ή να επαναχρησιμοποιηθεί για υδρολίπανση καλλιεργήσιμων εκτάσεων, σύμφωνα με τα προβλεπόμενα στον κώδικα ορθής γεωργικής πρακτικής (δηλαδή μετά από αποθήκευση σε δεξαμενή σταθεροποίησης) και σε αναλογία με το περιεχόμενό της σε άζωτο και φώσφορο [53] Επεξεργασία κτηνοτροφικών αποβλήτων Παραγωγή κτηνοτροφικών αποβλήτων Οι σημαντικότερες κατηγορίες του κτηνοτροφικού τομέα είναι τα βουστάσια, τα αιγοπροβατοστάσια και τα χοιροστάσια. Η ημερήσια παραγωγή αποβλήτων από την εκτροφή ζώων είναι 4.550m 3 δίνοντας ένα ετήσιο ποσό ίσο με m 3. Όμως δεν πρέπει να αγνοείται το γεγονός ότι τα απόβλητα αυτά προέρχονται από πολλές μονάδες μικρού έως μεσαίου μεγέθους παραδοσιακού τύπου, που δυσχεραίνεται τη συλλογή και τη μεταφορά τους. Τα απόβλητα των κτηνοτροφικών μονάδων είναι γενικά πυκνά απόβλητα, μικρού σχετικά όγκου και μεγάλου οργανικού φορτίου, συγκρινόμενα με τα απόνερα των λοιπών βιομηχανιών τροφίμων ή τα υγρά αστικά απόβλητα. Εν τούτοις, είναι γενικά μικρότερου ρυπαντικού φορτίου και μεγαλύτερου ημερήσιου όγκου από τα διάφορα υποπροϊόντα των γεωργικών βιομηχανιών, όπως το τυρόγαλο των τυροκομείων, το ορό στραγγιστού γιαουρτιού των εργαστασίων γάλακτος και των λιοζουμιών των ελαιοτριβείων. Τα υγρά απόβλητα των κτηνοτροφικών μονάδων χαρακτηρίζονται από μεγάλη συγκέντρωση αιωρούμενων (καθιζήσιμων και επιπλεόντων) στερεών, που εκδηλώνεται με το σχηματισμό ιζήματος στον πυθμένα και κρούστας στην επιφάνεια των δεξαμενών συλλογής και αποθήκευσης Αναερόβια χώνευση κτηνοτροφικών αποβλήτων Στα χοιροστάσια, τα απόβλητα είναι υγρής και ημιυγρής μορφής και συλλέγονται σχεδόν στο σύνολό τους, σε αποχετευτικά κανάλια κάτω από πλήρως ή μερικώς σχαρωτά δάπεδα. Στα κανάλια αυτά πέφτουν και τα νερά πλυσίματος καθώς και τα νερά από τυχόν διαρροές του συστήματος ύδρευσης ζώων. Απομακρύνονται με φυσική ροή προς μία Page 49

50 κεντρική δεξαμενή συλλογής, συνεχώς με υπερχείλιση ή ελεγχόμενα με τη βοήθεια κινητών θυρίδων ή πλαστικών σιφωνιών εκκένωσης. Κατά την επεξεργασία των κτηνοτροφικών αποβλήτων προηγείται η πρωτοβάθμια, που αναφέρεται κυρίως στον μηχανικό διαχωρισμό τους και ακολουθεί η δευτεροβάθμια και πιο συγκεκριμένα η αναερόβια επεξεργασία στις ανοιχτές χωμάτινες δεξαμενές ή βιοαντιδραστήρες. Για την πρωτοβάθμια επεξεργασία των κτηνοτροφικών αποβλήτων προτείνεται ο μηχανικός διαχωρισμός και στη συνέχεα, εφόσον απαιτείται, φυσική καθίζηση (χωρίς προσθήκη χημικών συσσωμάτωσης ή διάλυση αέρα θπό πίεση) στα υγρά διαχωρισμού και πάχυνση του ιζήματος. Στην περίπτωση των Ανοιχτών Χωμάτινων Αναερόβιων Δεξαμενών (ΑΧΑΔ), η επεξεργασία των υγρών κτηνοτροφικών αποβλήτων είναι εξίσου αποτελεσματική με εκείνη της αερόβιας βιολογικής επεξεργασίας, όταν όμως εφαρμόζεται σωστά. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την βιβλιογραφία, αν και περιορισμένα παρέχουν μία πολύ ενθαρρυντική εικόνα για την αποτελεσματικότητα του συστήματος στην Ελλάδα. Η ελάχιστη έκλυση οσμών, που παρατηρείται σε σταθερή ένταση, σχεδόν όλο το χρόνο συνηγορεί υπέρ της άποψης, ότι το σύστημα των ανοιχτών αναερόβιων δεξαμενών προσαρμόζεται ιδιαίτερα στη χώρα μας και γενικότερα στις μεσογειακές χώρες, λόγω των ευνοϊκών κλιματικών συνθηκών (μικρή ετήσια διακύμανση θερμοκρασίας). Το γεγονός αυτό επηρεάζει το μέγεθος των απαιτούμενων δεξαμενών, οδηγώντας έτσι σε οικονομικότερες κατασκευές. Ωστόσο, τα περιβαλλοντικά προβλήματα και η επιτακτική ανάγκη για χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, σε συνδυασμό με τα κοινωνικοοικονομικά οφέλη της αξιοποίησης του παραγόμενου βιοαερίου από την αναερόβια χώνευση αποβλήτων γενικότερα, καθιστούν την επεξεργασία των τελευταίων σε συστήματα κλειστών δεξαμενών παραγωγής βιοαερίου άκρως σημαντική. Στη χώρα μας σήμερα, λειτουργεί μόνο μία εγκατάσταση αναερόβιας χώνευσης αποβλήτων χοιροστασίου με παραγωγή βιοαερίου, στην περιοχή ρης Πρέβεζας, ενώ άλλη μία πολλά υποσχόμενη εγκατάσταση έχει κατασκευαστεί στην περιοχή της Βέροιας, η οποία όμως δεν λειτουργεί ακόμη. Βιβλιογραφικά διαπιστώνεται πως η βελτιστοποίηση της αναερόβια επεξεργασίας εντός των βιοαντιδραστήρων και η αύξηση του παραγόμενου μεθανίου επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από την πρωτοβάθμια επεξεργασία. Πιο συγκεκριμένα, σύμφωνα με τους Moller et al. (2003), η ογκομετρική παραγωγή μεθανίου μπορεί να αυξηθεί αν προηγηθεί αποτελεσματικός μηχανικός διαχωρισμός των αποβλήτων σε υγρά- στερεά κλάσματα Page 50

51 (πρωτοβάθμια επεξεργασία), εξαιτίας του σχηματισμού αποβλήτων με υψηλότερη περιεκτικότητα πτητικών στερεών. Οι Fernandez et al., (2008) και οι Bernet st Beline (2008) αναφέρουν πως η επεξεργασία αποβλήτων χοιροστασίου με θερμότητα ( o C) πριν την αναερόβια χώνευση τους, έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της παραγωγής μεθανίου, λόγω της επερχόμενης διαλυτοποίησης των οργανικών στερεών [31] Επεξεργασία αποβλήτων σφαγείου Παραγωγική διαδικασία Η παραγωγική διαδικασία που εφαρμόζεται σε ένα σφαγείο απαρτίζεται από τρία στάδια: Αναμονή των προς σφαγή ζώων στο στάβλο Αναισθητοποίηση τους και σφαγή Αφαιμάτωση Τα απόβλητα που προκύπτουν από την παραγωγική διαδικασία, αποτελούνται από τα μέρη των σφαζόμενων ζώων που δεν μπορούν να πωληθούν, τα απορριπτόμενα για υγειονομικούς λόγους σφάγια, το αίμα που προέρχεται από το σφαγείο καθώς και τα νερά πλύσης του χώρου και του εξοπλισμού και συλλέγονται σε ειδικούς αποθηκευτικούς χώρους. Από εκεί μεταφέρονται σε χοάνη συλλογής πρώτων υλών για να επιτευχθεί η ομογενοποίηση των υλικών προς αδρανοποίηση. Έπονται ο σπαστήρας οστών και ο βραστήρας- ξηραντήρας. Εκεί παραμένει το απόβλητο για τουλάχιστον 20 λεπτά, όπου δέχεται ατμό υπό πίεση τουλάχιστον 3 bar, σε θερμοκρασία μεγαλύτερη των 133 o C. Έπειτα, τα υγρά απόβλητα αδρανοποίησης συλλέγονται και μεταφέρονται σε αερόβια ή αναερόβια συστήματα χώνευσης. Η λάσπη που παράγεται από τη μονάδα επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων μπορεί είτε να σταθεροποιηθεί και στη συνέχεια είτε να χρησιμοποιηθεί σαν βελτιωτικό εδάφους, είτε να διατεθεί σε χώρους υγειονομικής ταφής. Τα στερεά παραπροϊόντα οδηγούνται σε μονάδα επεξεργασίας παραπροϊόντων σφαγείου για την παραγωγή ζωοτροφών. Επίσης, μπορούν να υποστούν χώνευση σε μία αναερόβια εγκατάσταση στους 30 o C για 25 ημέρες. Μία άλλη εναλλακτική είναι η λιπασματοποίηση. Page 51

52 Χαρακτηριστικά των αποβλήτων σφαγείου Ο όγκος και τα φορτία των αποβλήτων που παράγονται στα σφαγεία ποικίλουν ανάλογα με την πρώτη ύλη (είδος ζώου), την έκταση των εγκαταστάσεων που περιλαμβάνει η κάθε μονάδα (από παλιά σφαγεία ζώων, μέχρι μικτής επεξεργασίας που περιλαμβάνουν σφαγεία, επεξεργασία κρέατος, συσκευασία και κονσερβοποίηση τελικού προϊόντος), καθώς και τις μεθόδους καθαρισμού που ακολουθούνται. Σε κάθε περίπτωση όμως τα απόβλητα χαρακτηρίζονται από υψηλές συγκεντρώσεις ρύπων όπως: οργανικός άνθρακας, αιωρούμενα στερεά, παθογόνοι μικροοργανισμοί, άζωτο/ αμμωνία, φώσφορο, άλατα, λίπη και έλαια. Τα υγρά απόβλητα σφαγείων προέρχονται από τις εξής διεργασίες: Απώλεια αίματος κατά τη σφαγή και αποστράγγιση των ζώων Πλύσιμο των σφάγιων Καθαρισμός του στάβλου αναμονής των ζώων Πλύσιμο των φορτηγών μεταφοράς των ζώων Απόνερα ψύξης των συμπυκνωμάτων και των ψυκτικών μηχανών Πλύσιμο και καθαρισμός εγκαταστάσεων Πίνακας 3.8: Τυπικές τιμές ποιοτικών χαρακτηριστικών αποβλήτων σφαγείου Παράμετρος Τιμή Καθιζάνοντα στερεά 10 ml/l ph 7 Μη διαλυτά συστατικά 580 mg/l Υπόλειμμα καύσης 81 mg/l Απώλεια καύσης 498 mg/l Αδιάλυτα συστατικά mg/l Αλκαλικότητα 7 ml οξέος/l Λίπη 10 mg/l Άζωτο 145 mg/l Φώσφορος 19 mg/l Κάλιο 29 mg/l Ασβέστιο 131 mg/l Κατανάλωση KmnO4 154 mg/l BOD mg/l Page 52

53 Ο όγκος των αποβλήτων σε μεγάλα σφαγεία έχει βρεθεί 7-9 m 3 / τόνο ζωντανού βάρους. Μέσες τιμές για το BOD 5 είναι συνήθως 1,25kg/ κεφαλή (0,5-2,0 kg/κεφαλή) για χοίρους 90kg και 3,0kg/κεφαλή (1,0-5,0 kg/κεφαλή) για βοοειδή 250kg. Μέσες τιμές για το BOD 5 είναι mg/l, και για τα αιωρούμενα στερεά είναι περίπου 930 mg/l. Ως στερεά απόβλητα στα σφαγεία χαρακτηρίζονται τα παραπροϊόντα σφαγής τα οποία μπορεί να προκαλέσουν σημαντικά προβλήματα αν δεν διαχειριστούν σωστά. Τα παραπορϊόντα υπόκεινται σε σήψη πολύ γρηγόρα και μπορεί να προκαλέσουν οσμές αν δεν κατεργασθούν θερμικά ή δεν απομακρυνθούν εγκαίρως από την μονάδα. Ψόφια ζώα ή ακατάλληλα σφάγια πρέπει να διατεθούν με τρόπο τέτοιο, κατόπιν έγκρισης από τις αρμόδιες υπηρεσίες, ώστε να διασφαλιστεί η καταστροφή όλων των παθογόνων μικροοργανισμών. Τα παραπροϊόντα συνήθως τροφοδοτούν μονάδα επεξεργασίας τους για την παραγωγή ζωωτροφών. Στερεά απόβλητα προκύπτουν επίσης από την εσχάρωση. Τα στερεά αυτά μπορεί να οδηγηθούν είτε σε μονάδα επεξεργασίας υποπροϊοντων, είτε να οδηγηθούν στους ΧΥΤΑ. Επίσης, στερεά απόβλητα αποτελούν οι λάσπες που προκύπτουν από τα διάφορα στάδια επεξεργασίας υγρών αποβλήτων, και οι οποίες έχουν συνήθως 95-98% περιεκτικότητα σε νερό Αναερόβια χώνευση αποβλήτων σφαγείου Σήμερα, η τεχνολογία εστιάζει στην εφαρμογή μεθόδων, οι οποίες δεν βασίζονται σε πολύπλοκες τεχνικές αερισμού, αλλά σε μια διεργασία η οποία εφαρμόζεται στη φύση εδώ και αρκετά εκατομμύρια χρόνια. Βιοαέριο σχηματίζεται εκεί όπου οργανικό υλικό αποσυντίθεται μικροβιακά, απουσία αέρα (δηλαδή αναερόβια). Η αναερόβια αποσύνθεση των υγρών αποβλήτων σφαγείου πραγματοποιείται σε θερμαινόμενες διατάξεις για 2-3 ημέρες. Στη συνέχια τροφοδοτούνται σε μία εγκατάσταση αναερόβιας βιολογικής επεξεργασίας που μπορεί να λάβει χώρα με διάφορες τεχνικές σε βιολογικά φίλτρα, δεξαμενές ενεργού ιλύος με χρόνο αερισμού 54 ώρες και χρόνο παραμονής 8 ώρες στις δεξαμενές καθίζησης, σε οξειδωτικές τάφρους, σε εδαφικά φίλτρα κλπ. Τα απόβλητα είναι απαραίτητο να έχουν υποστεί προηγουμένως απολύμανση με προσθήκη χλωρίου. Page 53

54 Η λάσπη που παράγεται από την επεξεργασία των υγρών απόβλήτων υφίσταται επιπλέον επεξεργασία με αναερόβια αποσύνθεση σε θερμαινόμενους χωνευτές. Με τον τρόπο αυτό ελαχιστοποιείται η περιβαλλοντική επιβάρυνση από τη διάθεση αυτών των αποβλήτων. Η αναερόβια επεξεργασία υγρών αποβλήτων σφαγείου είναι δυνατή με υψηλό βαθμό απόδοσης (> 90%). Τα απόβλητα αυτά έχουν υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο και μπορούν να συμβάλλουν στην ανάκτηση σημαντικών ποσοτήτων μεθανίου. Από έναν αντιδραστήρα πλήρους κλίμακας αναμένεται η παραγωγή 1100 m 3 βιοαερίου ημερησίως. Η ποσότητα αυτή μπορεί να τροφοδοτήσει μια τουρμπίνα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ισχύος 110 kw. Τα υγρά απόβλητα σφαγείου είναι υψηλά αποικοδομήσιμα και οδηγούν στο σχηματισμό μεγάλων ποσοτήτων μεθανίου. Ο συντελεστής εκλεκτικότητας μεθανίου είναι της τάξης των Nm 3 /kgcodr. Η παραγωγή βιοαερίου είναι της τάξης των m 3 /kg COD τροφοδοσίας. Η απόδοση αυτή επιτυγχάνεται σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας και πλήρους ανάδευσης, με συγκέντρωση πτητικών αιωρούμενων στερεών ίση με 4.4±1.1 g/l και θερμοκρασία λειτουργίας 37±2 o C. Τα στερεά μη εδώδιμα παραπροϊόντα που προκύπτουν από τα σφαγεία θα πρέπει να οδηγούνται σε μονάδα επεξεργασίας παραπροϊόντων σφαγείου για την παραγωγή ζωωτροφών. Η λάσπη που παράγεται από τη μονάδα επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων μπορεί είτε να σταθεροποιηθεί και στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί σαν βελτιωτικό εδάφους, είτε να διατεθεί σε χώρο υγειονομικής ταφής. Τα υπόλοιπα στερεά απόβλητα της μονάδας διατίθενται σε χώρο υγειονομικής ταφής. Επίσης, τα στερεά απόβλητα μπορούν να υποστούν χώνευση σε μια εγκατάσταση αναερόβιας χώνευσης, στους 30 ο C για 25 ημέρες. Στην εγκατάσταση αυτή μπορούν να διοχετευθούν επίσης και άλλα υλικά, όπως κοπριά, λάσπη από τους λιποδιαχωριστές και λάσπη από δεξαμενές καθίζησης. Μία άλλη εναλλακτική μέθοδος είναι η λιπασματοποίηση Παράδειγμα εφαρμογής ενός συστήματος αναερόβιας χώνευσης υγρών αποβλήτων σφαγείου Ένα τυπικό διάγραμμα ροής για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων σφαγείου παρουσιάζεται στο Σχήμα Οι φάσεις επεξεργασίας του συστήματος είναι τα εξής: Προεπεξεργασία των υποπροϊόντων σφαγής: Συγκέντρωση- πολτοποίησηαποστείρωση. Page 54

55 Προεπεξεργασία κοπριών/ λασπών/ υλικών κατ. 3/ υγρά απόβλητα: Συγκέντρωση και ανάμειξη του μείγματος- τροφοδοσία του αναερόβιου αντιδραστήρα. Αναερόβια επεξεργασία στον αντιδραστήρα με παραγωγή βιοαερίου που χρησιμοποιείται για παργωγή θερμικής/ ηλεκτρικής ενέργειας. Διαχωρισμός υγρών/ στερεών μέσω φυγοκέντρισης και αφυδάτωσης με παραγωγή βελτιωτικού εδάφους και υγρών που οδηγούνται προς επεξεργασία στην μονάδα βιολογικού καθαρισμού. [32] Πίνακας 3.9: Ποσότητα παραγόμενου βιοαερίου [32] Ποσότητα Είδος υλικών gvs m 3 /d TS % VS (%TS) βιοαερίου κατ 2&3 (m 3 biogas/kg VS) (m 3 /day) Απόβλητα σφαγείου Απόβλητα τρίτων Κοπριές βουστασίου Κοπριές τρίτων Λάσπες βιολογικού Νερό βιολογικού Σύνολο 47, ,04 Πηγή: on_big_east.pdf Η επιλογή του τύπου του χωνευτήρα καθορίστηκε με βάση το περιεχόμενο σε νερό και το περιεχόμενο σε ξηρή ουσία του χωνευμένου υποστρώματος. Η αναερόβια χώνευση λειτουργεί με δύο βασικά συστήματα: a. Υγρή χώνευση (κοπριά, λάσπη βιολογικού, υλικά κατ. 3 όπως γάλα) Page 55

56 b. Ξηρή χώνευση (στερεά μη επικίνδυνα ζωικά απόβήτα, βιοαποικοδοήσιμα απόβλητα, φυτικά απόβλητα) Οι δεξαμενές του βιοαντιδραστήρα είναι διαμορφωμένες σε μαιανδρώδη μοφή εμβολικής ροής, πλήρως στεγανές. Η αναερόβια επεξεργασία πραγματοποιείται στην μεσόφιλη περιοχή, σε θερμοκρασίες o C. Ο σχεδιασμός της συγκεκριμένης μονάδας περιλαμβάνει δύο βιοαντιδραστήρες συνολικού ογκου 844m 3 (Μ Χ Π Χ Υ) 26Χ4Χ5m για λόγους ασφαλείας. Η συνολική ημερήσια παροχή αποβλήτων προς τον αντιδραστήρα είναι 47m 3 /d. Άρα εξασφαλίζεται ένα χρόνος παραμονής 17,7 ημερών. Αυτό δείχνει ότι είμαστε μέσα στα πλαίσια της σωστής λειτουργίας της αναεροβίας χώνευσης, αφού ο απαιτούμενος χρόνος παραμονής του αποβλήτου στον βιοαντιδραστήρα, υπό τις κατάλληλες συνθήκες έτσι ώστε να μεγιστοποιηθεί η απόδοση της μονάδας επεξεργασίας κυμαίνεται μεταξύ ημέρες [32]. Πίνακας 3.10: Τεχνικά χαρακτηριστικά της υπό μελέτη μονάδας [32] Συνολικό κόστος επένδυσης (50% επιδότηση από το Υπουργείο 3,000,000 Οικονομίας και Οικονομικών Συνολική δυναμικότητα μονάδας 47 tn/day Παραγωγή βελτιωτικού εδάφους 7 tn/day Αναμενόμενη παραγωγή βιοαερίου 675 m 3 /day Παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια 1400 kwh/day Παραγόμενη θερμική ενέργεια 2275 kwh/day Πηγή: on_big_east.pdf Το ημερήσιο παραγόμενο βιοαέριο εξαρτάται από την παροχή και την φόρτιση του βιοαντιδραστήρα. Στον Πίνακα 3.9 αναγράφεται η ημερήσια παραγόμενη ποσότητα βιοαερίου για συγκεκριμένη παροχή του αποβλήτου και συγκεκριμένο ρυθμό οργανικής φόρτισης. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά της συγκεκριμένης μονάδας αναγράφονται στον Πίνακα 3.10 [32]. Page 56

57 Σχήμα 3.11: Διάγραμμα ροής της γραμμής παραγωγής και επεξεργασίας των αποβλήτων σφαγείου της υπό μελέτη μονάδας [32] Για να γίνει πιο κατανοητή η αναερόβια χώνευση των υγρών αποβλήτων σφαγείου θα δωθεί ένα παράδειγμα από την πειραματική διάταξη που φαίνεται στο Σχήμα Στη συγκεκριμένη περίπτωση, χρησιμοποιήθηκε ένας αντιδραστήρας τύπου CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor), όπου γινόταν συνεχής τροφοδοσία υγρών αποβλήτων σφαγείου χωρίς να απαιτείται η απομάκρυνση των αιωρούμενων στερεών. Το COD στην τροφοδοσία κυμαινόταν μεταξύ g/l και ο υδραυλικός χρόνος παραμονής κυμάνθηκε από 6 έως 12 ημέρες. Αντιστοίχως, ο ογκομετρικός ρυθμός φόρτισης ήταν από 2 έως 8 kg/m 3 /d. Σχήμα 3.12: Σχηματική αναπαράσταση του αναερόβιου αντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης (CSTR) για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων σφαγείου Page 57

58 Η ανακυκλοφορία των στερεών ήταν συνεχής στον αντιδραστήρα αναερόβιας χώνευσης, για τη διατήρηση 4-6 g/l αναερόβιας βιομάζας. Η συγκέντρωση COD στην εκροή ήταν της τάξης των 3 g/l, και η απόδοση ως προς την απομάκρυνση COD ήταν 90%. Ο ογκομετρικός ρυθμός παραγωγής βιοαερίου κυμάνθηκε από 0.5 ως 4.5 m 3 /m 3 /d. Συνεπώς, από έναν βιομηχανικό αντιδραστήρα όγκου 120m 3 μπορούν να παραχθούν έως και 540m 3 βιοαερίου/d. Η μείωση του υδραυλικού χρόνου παραμονής από 14 σε 6 ημέρες είχε ως αποτέλεσμα τη δραματική αύξηση των παραγόμενων ποσοτήτων βιοαερίου. Το περιεχόμενο του βιοαερίου σε μεθάνιο διατηρήθηκε σε 79 (± 4)%. Ο συντελεστής εκλεκτικότητας μεθανίου προκύπτει ότι είναι ίσος με 0.40 m 3 /kg COD που απομακρύνεται. Ευσταθής λειτουργία του συστήματος παρατηρήθηκε σε όλο το πλαίσιο των εξεταζόμενων ρυθμών φόρτισης (1-8 kg/m 3 d). Συνεπώς, η περιοδική αύξηση του ογκομετρικού ρυθμού φόρτισης έως και τα 8 kg/(m 3 d) δεν επιφέρει μείωση της απόδοσης των διεργασιών [54] Επεξεργασία ξενοδοχειακών αποβλήτων Περιγραφή ξενοδοχειακών αποβλήτων Στην Ολλανδία, την Πορτογαλία, την Ελλάδα, την Κύπρο και το Ηνωμένο Βασίλειο, απαριθμούνται πάνω από 10 εκατομμύρια διανυκτερεύσεις, κάθε χρόνο. Από τις 25 χώρες της ΕΕ με εκτενή τουρισμό με πάνω από 10,000 διανυκτερεύσεις για κάθε 1,000 κατοίκους, δέκα είναι νησιά, εφτά περιοχές των Άλπεων και έξι παράκτιες περιοχές. Το Νότιο Αιγαίο στην Ελλάδα καταλαμβάνει την δεύτερη θέση με 48,468, ενώ στην έκτη θέση είναι τα νησιά του Ιονίου Πελάγους, με 33,304. Ωστόσο, αν και υπάρχουν αρκετά δεδομένα οσον αφορά τον τουρισμό, δεν υπάρχουν πολλά δεδομένα για την παραγωγή των οργανικών αποβλήτων. Γι αυτό το λόγο, ενδείκνυται να συλλεχθούν, να καταγραφούν και να αξιολογηθούν τέτοιου είδους δεδομένα. Για να γίνει μία απεικόνιση των επιπτώσεων του τουρισμού στην αύξηση των οργανικών αποβλήτων παρουσιάζεται παρακάτω ένα παράδειγμα. Το παράδειγμα αναφέρεται στην αύξηση των οργανικών αποβλήτων στο νησί της Θάσου. Στον Πίνακα 3.12 φαίνεται ότι υπάρχει μία αύξηση της τάξως του 300% κατά τη θερινή περίοδο στην παραγωγή των οργανικών αποβήτων σε σχέση με τη χειμερινή περίοδο. Page 58

59 Πίνακας 3.12: Δεδομένα και υπολογισμοί για την Θάσο [55] Παράγοντες Θάσος Βιβλιογραφική αναφορά Τοπικός πληθυσμός 13,765 Hellenic Statistical Authority Διανυκτερεύσεις ,490 (2001) Διανυκτερεύσεις ,528 Εκτιμώμενη αύξηση των 479 Calculation οργανικών αποβλήτων (2008), λόγω τουριστών Εκτιμώμενη αύξηση των 490 οργανικών αποβλήτων (2009), λόγω τουριστών Πηγή: ΙΕΕ Call for proposals 2011, OWEn- TOURISM Για να δωθεί μία πιο γενική εικόνα για το θέμα των οργανικών αποβλήτων, ο Πίνακας 3.13 αναγράφει τα δεδομένα για διάφορες χώρες της ΕΕ, όσον αφορά την συνολική παραγωγή οργανικών αποβλήτων από τα ξενοδοχεία για κάθε χώρα [55]. Page 59

60 Πίνακας 3.13: Συνολική ετήσια παραγωγή οργανικών αποβλήτων για κάθε χώρα [55] Ρυθμός ημερήσια Αριθμός Συνολική ημερήσια Αριθμός Ποσοστό παραγωγής οργανικών Χώρες κατειλημένων ποσότητα παραγωγής κλινών χρήσης αποβλήτων κλινων οργανικών αποβλήτων (Kg/capita/day) Συνολική ετήσια ποσότητα παραγωγής οργανικών αποβλήτων Ελλάδα 693, , ,594.8 Κύπρος 89, , ,255.9 Ρουμανία 226, , ,178.6 Μάλτα 39, , ,369.1 Ισπανία 1,614, , , ,278.2 Πορτογαλία 264, , ,305.4 Βέλγιο 123, , ,410.2 Γερμανία 1,631, , , ,782.3 Ιταλία 2,086, , , ,964.9 Πηγή: ΙΕΕ Call for proposals 2011, OWEn- TOURISM Page 60

61 Από τις δραστηριότητες διαμονής των πελατών, καθαριότητας των χώρων και από τη λειτουργία της κουζίνας παράγονται υγρά απόβλητα αστικού χαρακτήρα. Τα απόβλητα αυτά είναι επιτακτικό να οδηγηθούν προς επεξεργασία έτσι ώστε η εκροή να εξασφαλίζει χαρακτηριστικά τα οποία να καλύπτουν τις απαιτήσεις της νομοθεσίας. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων στην εκροή των συστημάτων επεξεργασίας αποβλήτων είναι ικανοποιητικά όταν οι τιμές είναι χαμηλότερες από τις οριακές τιμές της νομοθεσίας (Τροποποίηση του ΠΔ Άρθρο 8: Τουριστικές εγκαταστάσεις (ΦΕΚ 61Δ/ ), US EPA οδηγίες για άρδευση). Πίνακας 3.14: Οριακές τιμές ρυπαντικών παραμέτρων στην εκροή του συστήματος επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Παράμετρος Οριακές τιμές ph 6-9 Cl 2 (g/l) <1 mg/l BOD 5 (mg O 2 /l) <25 Αιωρούμενα στερεά (mg/l) <50 Τα στερεά απόβλητα που παράγονται από την λειτουργία των ξενοδοχείων περιλαμβάνουν: Αστικού τύπου απόβλητα που προέρχονται από την υγιεινή πελατών, από τα επισιτιστικά τμήματα, το καθαρισμό και την συντήρηση, τους κήπους, τις υπηρεσίες γραφείου Απορριπτόμενος εξοπλισμός (λαμπτήρες, ψυγεία, μπαταρίες) Λάσπες από τον βιολογικό καθαρισμό (αν διαθέτει η ξενοδοχειακή μονάδα) Επεξεργασία ξενοδοχειακών αποβλήτων Στα περισσότερα ξενοδοχεία, τα οικιακά απόβλητα που παράγονται συλλέγονται από τις υπηρεσίες καθαρισμού του Δήμου προς τελική διάθεση. Σε ορισμένα ξενοδοχεία όμως (κυρίως ξενοδοχεία 4-5 αστέρων), τα οργανικά απόβλητα από την κουζίνα μετατρέπονται σε φυσικό λίπασμα στις καλλιέργειες και στα καλλωπιστικά φυτά. Μία διαφορετική προσέγγιση είναι και η προσπάθεια μείωσης των παραγομένων αποβλήτων. Αυτό γίνεται με τους εξής τρόπους: Page 61

62 Χρήση επαναχρησιμοποιούμενων γυάλινων συσκευασιών που επιστρέφονται Χρήση προϊόντων σε μορφή χύμα στο πρωινό Χρήση μεγάλων συσκευασιών στα απορρυπαντικά Επαναχρησιμοποίηση των χαρτιών γραφείου Όσον αφορά την επεξεργασία και διάθεση των λυμάτων (υγρά απόβλητα) των ξενοδοχείων, αυτή γίνεται κυρίως με χρήση βιολογικού καθαρισμού ή με την διάθεση των αποβλήτων στο τοπικό δίκτυο αποχέτευσης. Στις περιπτώσεις όπου δεν υπάρχει αποχετευτικό δίκτυο, επιβάλλεται στην ξενοδοχειακή μονάδα να εγκαταστήσει και να λειτουργήσει ένα βιολογικό καθαρισμό. Η αναερόβια χώνευση ξενοδοχειακών αποβλήτων δεν είναι διαδεδομένη, με αποτέλεσμα οι περισσότεροι εγκατεστημένοι βιολογικοί καθαρισμοί να είναι αερόβιοι. Η διάθεση της εκροής του μπορεί να γίνεται είτε υπεδάφια με έγχυση σε γεώτρηση, είτε με άρδευση καλλωπιστικών φυτών ή στον κοντινό υδάτινο αποδέκτη. Είναι απαραίτητη η παρακολούθηση, ο έλεγχος και η συντήρηση του συστήματος επεξεργασίας. Η συνήθης επεξεργασία που επιλέγεται είναι: a. Προκαθίζηση-Αποθήκη-Βιοσταθεροποίηση ιλύος. b. Βιολογική επεξεργασία σε δεξαμενή ενεργού ιλύος (παρατεταμένος αερισμός) c. Δευτεροβάθμια καθίζηση (αερόβια- αναερόβια επεξεργασία) d. Σύστημα τριτοβάθμιας επεξεργασίας e. Απολύμανση - χλωρίωση της εκροής f. Μονάδα εξουδετέρωσης οσμαερίων Τα κριτήρια σύμφωνα με τα οποία επιλέγεται η λύση είναι: Λογικό κόστος λειτουργίας και συντήρησης, Αποτελεσματική (υψηλή ποιότητα εκροής). Σχετικά απλή και αξιόπιστη λειτουργικά, Εφικτή οικονομοτεχνικά, Να λειτουργεί χωρίς οσμές και θορύβους. Page 62

63 4 Κομποστοποίηση οργανικών αποβλήτων Πρόκειται για μια από τις πιο αρχαίες γεωργικές διεργασίες, η οποία άρχισε να συστηματοποιείται στις αρχές του 1900 από τον Sir Albert Howard, στην περιοχή Indore της Ινδίας. Μέχρι τότε το ενδιαφέρον του composting επικεντρωνόταν στη χρήση του σαν ένα υγειονομικό μέτρο κατά την επεξεργασία ανθρώπινων αποβλήτων σε περιοχές που στερούνταν αποχετευτικού δικτύου, παρά σαν ένα μέτρο διαχείρισης πόρων [35]. Έτσι, η σχετική ευκολία λειτουργίας και η χρησιμότητα της κομποστοποίησης προσέλκυσαν το ενδιαφέρον του ανθρώπου με αποτέλεσμα να συνεχίζει να πραγματοποιείται ακόμα και σήμερα σε πολλές σύγχρονες κοινωνίες. Μια απαίτηση των τελευταίων χρόνων είναι η αποτελεσματική εκμετάλλευση της αερόβιας χώνευσης σε εγκαταστάσεις μεγάλης κλίμακας που θα μπορούν να επεξεργαστούν μεγάλες ποσότητες αστικών απορριμμάτων. Οι εγκαταστάσεις τέτοιου είδους έχει επιτευχθεί σε αρκετές χώρες με διαφορετικό βαθμό επιτυχίας σε κάθε μία. Η αερόβια χώνευση οργανικών υλικών ως μέθοδος ανακύκλωσης φαίνεται να αποτελεί την πιο επιτυχή και διαδεδομένη λύση στη διαχείριση του οργανικού κλάσματος ενός μεγάλου μέρους των αποβλήτων, αφού στο τέλος δεν μειώνεται μόνο το απόβλητο, αλλά παράγεται ένα προϊόν που ευνοεί την αγροτική οικονομία και σαν λίπασμα και σαν οργανικό βελτιωτικό εδάφους [36]. 4.1 Κομποστοποίηση Η αερόβια χώνευση γνωστή σαν composting (από το λατινικό compositum= σύνθετο) είναι η βιολογική αποδόμηση των οργανικών συστατικών των απορριμμάτων, υπό ελεγχόμενες αερόβιες συνθήκες, που οδηγεί στην παραγωγή ενός σταθεροποιημένου προϊόντος το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί κυρίως ως εδαφοβελτιωτικό. Χρησιμοποιείται ο όρος αποδόμηση, αντί σταθεροποίηση, επειδή στην πράξη η διεργασία σπάνια φτάνει μέχρι το σημείο όπου το προϊόν είναι τελείως σταθεροποιημένο. Στην πράξη, στο σημείο που διακόπτεται η διεργασία, υπάρχει μερική σταθεροποιήση του προϊόντος. Ο όρος βιολογική, διαχωρίζει την αερόβια χώνευση από άλλους τύπους αποδόμησης, όπως χημική ή φυσική (καύση, πυρόλυση). Ο όρος οργανικά, χρησιμοποιείται επειδή μόνο το οργανικό μέρος των απορριμμάτων υπόκειται σε βιολογική αποδόμηση. Τέλος, ο όρος Page 63

64 ελεγχόμενες αερόβιες συνθήκες, διαχωρίζει την αερόβια χώνευση, από τη φυσική σήψη που πραγματοποιείται σε ανοιχτές χωματερές, σε ΧΥΤΑ και αλλού. Με την εξαίρεση των πλαστικών, των ελαστικών και των δερμάτων, το οργανικό κλάσμα των περισσοτέρων αστικών στερεών αποβλήτων δύναται να θεωρηθεί ότι αποτελείται από πρωτεϊνες, αμινοξέα, λίπη, υδατάνθρακες, κυτταρίνη, λιγνίνη και τέφρα. Εάν αυτό το οργανικό υλικό υποβλήθεί σε αερόβια βιοαποικοδόμηση, το τελικό προϊόν που παράγεται είναι το Compost. Η διεργασία αυτή καλείται χουμοποίηση ή κομποστοποίηση του οργανικού αποβλήτου και περιγράφεται ως εξής: ΠρωτεΐνεςΥδατάνθρακες Αμινοξέα Κυτταρίνη + Ο 2 + Θρεπτικά + Μικροοργανισμοί Compost + συστατικά Λίπη Λιγνίνη Τέφρα Νέα κύτταρα + Νεκρά κύτταρα + CO 2 + H 2 O + NO 3 + SO Θερμότητα Η κομποστοποίηση είναι μια αερόβια διεργασία για την σταθεροποίηση οργανικών στερεών αποβλήτων. Κατά την κομποστοποίηση, το εύκολα βιοδιασπάσιμο οργανικό υλικό, μέσω εξώθερμων αερόβιων βιοαντιδράσεων, σταθεροποιείται παράγοντας βιομάζα, διοξείδιο του άνθρακα και θερμική ενέργεια. Η παραγόμενη θερμική ενέργεια μπορεί να αυξήσει τη θερμοκρασία μέχρι τους 80 ο C, ανάλογα με το συνολικό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας του βιοαντιδραστήρα και το εύκολα βιοδιασπάσιμο κλάσμα του υποστρώματος. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, ο ρυθμός των βιοαντιδράσεων αυξάνεται. Όταν η θερμοκρασία ξεπεράσει τους 65 ο C, η επίδραση των μικροοργανισμών μειώνεται γρήγορα λόγω της αποσύνθεσής τους. Προκειμένου να διατηρηθεί η θερμοκρασία στο βέλτιστο θερμοφιλικό εύρος των ο C, αέρας παρέχεται ως μέσο ψύξης. Ο αέρας μεταφέρει επίσης την κατάλληλη ποσότητα οξυγόνου για τις βιολογικές ανάγκες αναπνοής. Γενικά, το ποσό αέρα που πρέπει να παρασχεθεί για λόγους ψύξης σε ένα σύστημα κομποστοποίησης είναι περίπου εννέα φορές μεγαλύτερο από αυτό για τις ανάγκες αναπνοής. Έτσι ο αέρας για τις ανάγκες ψύξης είναι η κρίσιμη παράμετρος για την παροχή οξυγόνου. Άλλες παράμετροι που ελέγχουν τη διαδικασία της κομποστοποίησης είναι η θερμοκρασία, η υγρασία του πληρωτικού υλικού και τα θρεπτικά (άζωτο και φωσφορούχος) [36]. Επίσης, η ομογενοποίηση του υποστρώματος, της υγρασίας και της θερμοκρασίας είναι μια άλλη σημαντική παράμετρος για μια αποτελεσματικότερη κομποστοποίηση επειδή υπό ανομοιόμορφες συνθήκες, διαφορετικοί πληθυσμοί μικροοργανισμών, που είναι συνήθως Page 64

65 ανταγωνιστικοί, αναπτύσσονται, διακόπτοντας κατά συνέπεια τη διαδικασία αποδόμησης. Για μια συνεχή και σταθερή διεργασία, ο αφαιρούμενος άνθρακας από την αποδόμηση καθώς επίσης και η υγρασία που αφαιρείται από την εξάτμιση πρέπει να αντικατασταθούν. Η αναλογία του υγρού απόβλητου και των στερεών υπολειμμάτων, στην τροφοδοσία μιας διεργασίας συγκοποστοποίησης, εξαρτάται από την περιεκτικότητα σε άνθρακα του απόβλητου, τη βιοδιασπασιμότητα του πληρωτικού υλικού, την κατά μέγεθος κατανομή του οργανικού στερεού πληρωτικού υλικού, τη θερμοκρασία της διεργασίας και την υγρασία. Όσο υψηλότερη είναι η περιεκτικότητα σε οργανικό άνθρακα στο απόβλητο, τόσο καλύτερα, επειδή είναι ευκολότερο να διατηρηθεί η ισορροπία μεταξύ της αποδόμησης του άνθρακα και της υγρασίας που χάνεται από την αναπνοή και εξάτμιση. Υπό ιδανικές συνθήκες, ένα υγρό απόβλητο που περιέχει περισσότερο από 12% κ.β. βιοδιασπάσιμο άνθρακα θα μπορούσε να κομποστοποιηθεί χωρίς οποιαδήποτε προσθήκη οργανικών στερεών υπολειμμάτων ή εξωτερικής θερμικής ενέργειας. Σε αυτήν την περίπτωση, τα στερεά υπολείμματα χρησιμοποιούνται ως πληρωτικό υλικό. Κάτω από αυτήν την συγκέντρωση άνθρακα, είναι απαραίτητη η προσθήκη εξωτερικής θερμικής ενέργειας και οργανικών υπολειμμάτων στην τροφοδοσία του απόβλητου [37]. 4.2 Μικροοργανισμοί κομποστοποίησης- Φάσεις ζύμωσης Η μικροβιακή αυτή διεργασία είναι εξώθερμη, δηλαδή προσφέρει θερμότητα στο περιβάλλον της. Έτσι, ένας σωρός οργανικών στερεών που βιοαποδομείται αερόβια αυξάνει τη θερμοκρασία του όταν καταλαμβάνει κάποιο ορισμένο όγκο και οι θερμικές απώλειες προς το περιβάλλον δεν είναι μεγαλύτερες από την παραγωγή θερμότητας της διεργασίας. Γενικότερα, οι βιολογικές διεργασίες που παρατηρούνται κατά τη διάρκεια της αερόβιας χώνευσης διακρίνονται στις παρακάτω φάσεις: Φάση 1: Δραστηριότητα μεσόφιλων μικροοργανισμών με παράλληλη αύξηση της θερμοκρασίας και στη συνέχεια αντικατάστασή τους με μικροοργανισμούς της θερμόφιλης φάσης. Η γρήγορη αυτή αύξηση της θερμοκρασίας οφείλεται στην επίσης γρήγορη κατανάλωση εύκολα αποδομούμενων συστατικών του σωρού από μεσόφιλα και θερμόφιλα βακτήρια. Η αποδόμηση αυτή είναι εξώθερμη και έχει σαν αποτέλεσμα την παροχή θερμότητας στο σωρό. Η θερμοκρασία μέσα στο σωρό φτάνει μέχρι τους C και πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή για τον έλεγχο της παραπέρα αύξησης λόγω των Page 65

66 παρατηρούμενων απωλειών αζώτου. Σε αυτή τη φάση καταστρέφεται το σύνολο των παθογόνων μικροοργανισμών και γίνεται απολύμανση του εδαφοβελτιωτικού. Σχήμα 4.1: Διάγραμμα θερμοκρασίας και ph κατά τη διάρκεια της κομποστοποίησης Φάση 2: Όταν εύκολα αποδομούμενα συστατικά μεταβολιστούν, η θερμοκρασία αρχίζει να μειώνεται και οι μεσόφιλοι μικροοργανισμοί, κυρίως μύκητες και ακτινομύκητες, διαδέχονται τα βακτήρια σαν κύριοι μικροοργανισμοί αποδόμησης. Φάση 3: Μετά από 2-3 μήνες, η θερμοκρασία πέφτει στους 25 C περίπου και εγκαθίστανται στο σωρό οι ανώτεροι οργανισμοί όπως σκουλήκια, έντομα, αραχνοειδή κ.α., μεταβολίζοντας τα εναπομείναντα οργανικά δύσκολα βιοαποδομήσιμα συστατικά του σωρού. Φάση 4: Μετά από 3 μήνες περίπου, εγκαθίστανται οι γαιοσκώληκες (Eisenia foetida), με την παρουσία των οποίων ολοκληρώνεται η διεργασία της χουμοποίησης [38]. Το μικροβιακό κύμα αποτελείται από βακτήρια, ακτινομύκητες και μύκητες. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.1, στην αρχή σε συνήθη θερμοκρασία, το προϊόν είναι ελαφρά όξινο και προσφέρεται για δραστηριοποίηση των μεσόφιλων οργανισμών, που ευνοούνται σε θερμοκρασίας o C και όξινο περιβάλλον. Με την άνοδο της θερμοκρασίας, οι θερμόφιλοι μικροοργανισμοί αρχίζουν να αντικαθιστούν τους μεσόφιλους και σιγά σιγά το προϊόν γίνεται αλκαλικό με παραγωγή μικρών ποσοτήτων αμμωνίας. Στη φάση αυτή της ζύμωσης, διασπώνται ουσιαστικά οι πρωτεΐνες και τα κυτταρινούχα προϊόντα. Στο Σχήμα 4.2, παρουσιάζεται η πυραμίδα των μικροοργανισμών κατά τη διεργασία της κομποστοποίησης. Page 66

67 Τριτογενείς Καταναλωτές Centipedes, Predatory mites, Rove beetles, Formicid ants, Carabid beetles Δευτερογενείς Καταναλωτές Springtails, some types of mites, Feather-winged beetles, Nermatodes, Protozoa, Rotifera, Soil flatworms Πρωτογενείς Καταναλωτές Bacteria, Fungi, Actinomycetes, Nermatodes, Some types of mites, Snails, Slugs, Earthworms, Millipedes, Sowbugs, Whiteworms Οργανικό υπόλειμμα Φύλλα, κομμένο γρασίδι και άλλα φυτά, υπολείμματα τροφών, κοπρώδη υλικά και νεκροί μικροοργανισμοί, συμπεριλαμβανομένων και των ασπόνδυλων του εδάφους Σχήμα 4.2: Η πυραμίδα των μικροοργανισμών κατά τη διεργασία της κομποστοποίησης Σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από 60 o C, η θερμόφιλη καλλιέργεια καταστρέφεται και αντικαθίσταται από σποροβακτήρια και ακτινομήκυτες. Με προσφορά οξυγόνου, η θερμοκρασία μπορεί να ανέλθει στους 75 o C, ακολούθως όμως σταδιακά μειώνεται στους 60 o C, οπότε αρχίζει πάλι η δραστηριότητα των θερμόφιλων καλλιεργειών με συνεχή μείωση του ph, που πάντοτε όμως διατηρείται ελαφρά αλκαλικό. Η περίοδος μείωσης της θερμοκρασίας οδηγεί σε ωρίμανση του προϊόντος, που απαιτεί αρκετό χρόνο [39] Παράμετροι κομποστοποίησης Λόγω του γεγονότος ότι η ανάπτυξη της μεθόδου στηρίζεται στην παρουσία κατάλληλων πληθυσμών μικροοργανισμών, οι παράμετροι που επηρεάζουν την ανάπτυξη και δραστηριότητά τους είναι αυτές που καθορίζουν τόσο το ρυθμό και την έκταση της διεργασίας όσο και την ποιότητα του παραγόμενου τελικού σταθεροποιημένου οργανικού προϊόντος. Οι πιο σημαντικοί από αυτούς τους παράγοντες είναι οι εξής: Η αρχική σύσταση του προς κομποστοποίηση οργανικού κλάσματος Αερισμός της μάζας: Η παροχή αέρα στην απορριμματική μάζα πρέπει να είναι επαρκής για την ανάπτυξη και διατήρηση αερόβιων συνθηκών. Ο σχεδιασμός του συστήματος παροχής πρέπει να καλύπτει όλο τον όγκο των ΑΣΑ έτσι ώστε να Page 67

68 αποφευχθεί η ανάπτυξη αναερόβιων θυλάκων. Ταυτόχρονα, χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή στην βελτιστοποίηση της παροχής καθότι οι πολύ υψηλές τιμές ενδέχεται να προκαλέσουν επιπλέον εξάτμιση και αναστολή της βιοαποδόμησης. Θερμοκρασία: Η πλήρης αποδόμηση επιταχύνεται όταν επικρατούν θερμοκρασίες o C. Σε θερμοκρασίες κάτω των 32 o C, η διαδικασία επιβραδύνεται σημαντικά, αφού επηρεάζεται αρνητικά ο μεταβολισμός των μικροοργανισμών. Αντίθετα, σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες τίθεται θέμα επιβίωσης των μικροοργανισμών. Λόγος C/N: Για τον βέλτιστο βαθμό βιοσταθεροποίησης, είναι απαραίτητο να υπάρχουν θρεπτικά συστατικά για τους μικροοργανισμούς και σε κατάλληλες αναλογίες. Τα βακτήρια χρησιμοποιούν τον άνθρακα ως πηγή ενέργειας και το άζωτο για την ανάπτυξή τους. Έτσι, ο λόγος C/N είναι σε μεγάλο βαθμό καθοριστικός για το ρυθμό της διαδικασίας. Το οργανικό κλάσμα των ΑΣΑ έχει συνήθως λόγο C/N κυμαινόμενο από 20:1 μέχρι 60:1, με τη βέλτιστη βιοσταθεροποίηση να επιτυγχάνεται όταν ο λόγος C/N κυμαίνεται από 25:1 μέχρι 35:1. Όταν ο λόγος C/N είναι μεγαλύτερος του 35:1 στην αρχική οργανική ουσία, προκαλείται μία αργή αποσύνθεση που αυξάνει τον απαιτούμενο χρόνο επεξεργασίας. Αν αντίθετα το αρχικό οργανικό υλικό παρουσιάζει τιμές C/N πάρα πολύ χαμηλές ευνοούνται απώλειες αζώτου με πτητικότητα της αμμωνίας, φαινόμενο ακόμη εντονότερο όταν συντρέχουν συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και ph. Σχήμα 4.3: Παράγοντες που επηρεάζουν το τελικό προϊόν Υγρασία: Η δράση των μικροοργανισμών μειώνεται σημαντικά αν το ποσοστό υγρασίας στην απορριμματική μάζα μειωθεί κάτω του 40%. Αν αντίθετα το ποσοστό Page 68

69 αυξηθεί πάρα πολύ (>60%), οι πόροι του αέρα γεμίζουν με νερό δημιουργώντας αναερόβιες συνθήκες, που προκαλούν δυσάρεστες οσμές. Τιμές ph: Οι βέλτιστες τιμές του ph για την ανάπτυξη και τη δράση των βακτηριδίων κυμαίνονται από 6 έως 7.5, ενώ για τους μύκητες από 5.5 έως 8. Όταν η τιμή του ph μειωθεί κάτω του 6, η διαδικασία επιβραδύνεται Πλεονεκτήματα της κομποστοποίησης Συνοπτικά τα πλεονεκτήματα της μεθόδου αφορούν [40]: a. Εξυγίανση: Παθογόνοι μικροοργανισμοί, λάρβες εντόμων, σπόροι ζιζανίων θανατώνονται άμεσα κατά τη διάρκεια της κομποστοποίησης. Οχλήσεις από έντομα και τρωκτικά και δυσάρεστες οσμές εξουδετερώνονται με τη γρήγορη αποδόμηση του οργανικού υλικού. b. Μείωση του όγκου και του βάρους του αρχικού υλικού: Μέρος του οργανικού άνθρακα μεταβολίζεται σε CO 2. Επίσης, η ποιότητα του τελικού προϊόντος (compost) είναι μεγαλύτερη σε σχέση με αυτή του αρχικού υλικού. c. Eξοικονόμηση ενέργειας: Tο προϊόν της κομποστοποίησης μειώνει τη χρήση λιπασμάτων, αφού επιστρέφονται στο έδαφος θρεπτικά στοιχεία απαραίτητα για τη θρέψη των φυτών σε οργανική μορφή. Επιπλέον, λόγω της αποδόμησης των εύκολα αφομοιώσιμων μορφών οργανικού άνθρακα, μειώνεται ο κίνδυνος ακινητοποίησης του εδαφικού αζώτου. d. Aντικατάσταση της τύρφης από προϊόντα κομποστοποίησης: H τύρφη χρησιμοποιείται εκτενώς σε μίγματα φυτοχωμάτων, υποστρώματα πολλαπλασιαστηρίων, φυτώρια κλπ. Ωστόσο, οι πηγές αποθεμάτων είναι περιορισμένες και οι αντίστοιχες οργανικές ουσίες πρέπει να βρεθούν ως εναλλακτικές λύσεις πριν τα αποθέματα εξαντληθούν. Επιπλέον, υπάρχει ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον σε σχέση με τον περιβαλλοντικό κίνδυνο που προκύπτει από την εντατική εξόρυξη τύρφης e. Μείωση των κινδύνων ρύπανσης στους χώρους υγιεινής απορριμμάτων: Tα προβλήματα που προκύπτουν από τη διάθεση αποβλήτων στο έδαφος, αφορούν κυρίως τη μόλυνση των υπόγειων υδροφόρων οριζόντων. Η μέθοδος της ταφής έχει ως αποτέλεσμα τη συσσώρευση στο νερό των προϊόντων αναερόβιας αποδόμησης και την αύξηση της περιεκτικότητας του νερού σε βαρέα μέταλλα. Η έλλειψη οξυγόνου και θρεπτικών στοιχείων, η ιδιαιτερότητα του συγκεκριμένου περιβάλλοντος και ο Page 69

70 μικρός αριθμός μικροοργανισμών που μπορούν να αποικοδομήσουν τις ουσίες αυτές συντελούν στη μεγιστοποίηση του προβλήματος. f. Eμπλουτισμός του εδάφους σε οργανική ουσία ευεργετική επίδραση στη ριζόσφαιρα των φυτών: H εντατική καλλιέργεια των εδαφών με παράλληλη χρήση χημικών λιπασμάτων έχουν οδηγήσει σε σημαντική μείωση της οργανικής ουσίας στα περισσότερα εδάφη. Ο ρόλος της οργανικής ουσίας σε ένα έδαφος σχετίζεται με τη δομή, την υδατοϊκανότητα, τη συγκράτηση ανόργανων στοιχείων και οργανικών μορίων με όσα ευνοϊκά αποτελέσματα για την υγιή ανάπτυξη των φυτών επιφέρει Μειονεκτήματα κομποστοποίησης Τα μειονεκτήματα της κομποστοποίησης, όπως αναφέρει ο Epstein, (1997), είναι τα ακόλουθα: a. Αέρια και δυσοσμίες, μπορούν να εκπέμπονται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας. Αυτά τα αέρια και οι δυσοσμίες μπορούν να περιοριστούν με την καλύτερη σχεδίαση του χώρου κομποστοποίησης και διαχείρισης των λειτουργιών της. b. Η κομποστοποίηση ως μέθοδος χρειάζεται περισσότερο χώρο σε σχέση με άλλες τεχνολογίες διαχείρισης αποβλήτων. Οι απαιτήσεις χώρου συχνά, αφορούν την αποθήκευση και τις ανάγκες της αγοράς. c. Το προϊόν της κομποστοποίησης πρέπει να πουληθεί στην αγορά Περιβαλλοντικές επιπτώσεις κομποστοποίησης Περιβαλλοντικές επιπτώσεις στον αέρα Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις στον αέρα οφείλονται στις εκπομπές βιο-αερολυμάτων (bioaerosols), πτητικών οργανικών ενώσεων, οσμών και σκόνης. Οι εκπομπές αυτές είναι περισσότερο έντονες από ανοικτούς αναδεύομενους σωρούς. Τα βιο-αερολύματα είναι βιολογικό υλικό αποτελούμενο από ζωντανούς ή νεκρούς μικροοργανισμούς ή τμήματα αυτών ή σπόρια. Προκαλούν αλλεργίες και νοσήματα του αναπνευστικού συστήματος. Όλες οι εγκαταστάσεις κομποστοποίησης αντιμετωπίζουν κατά καιρούς προβλήμτατα οσμών. Τα προβλήματα αυτά αντιμετωπίζονται με κατάλληλη χωροθέτηση της εγκατάστασης, με κατάλληλο σχεδιασμό και λειτουργία της εγκατάστασης και με εφαρμογή βιολογικής διαχείρισης οσμών. Page 70

71 Αιτίες οσμών σε εγκαταστάσεις κοσμποστοποίησης είναι η χαμηλή σχέση C/N, ο ανεπαρκής έλεγχος θερμοκρασίας, η υπερβολική υγρασία, και η ανεπαρκής ανάμιξη. Όταν ένας τέτοιος σωρός αναδευθεί, η εκπομπή οσμών από τα σημεία αυτά είναι εξαιρετικά σοβαρή. Σε κλειστές εγκαταστάσεις έχουν εφαρμοστεί συστήματα διαχείρισης οσμών, όπως βιολογικά φίλτρα, φίλτρα compost, φίλτρα ενεγού άνθρακα κλπ. Άλλοτε πάλι χρησιμοποιούνται ένζυμα για επιλεκτική διάσπαση οσμογόνων ουσιών, καθώς και αποσμητικά Περιβαλλοντικές επιτπώσεις στα ύδατα Η κομποστοποίηση παράγει μικρές ποσότητες διασταλλαγμάτων με μικρό ρυπαντικό φορτίο. Για τη συλλογή τους απαιτείται όπως η κομποστοποίηση υλοποιείται σε βάση από σκυρόδεμα με την απαραίτητη κλίση. Τα διασταλλάγματα μεταφέρονται στην πλησιέστερη εγκατάσταση βιολογικής επεξεργασίας αστικών λυμάτων ή επιστρέφονται στη μάζα του αποβλήτου συμπληρώνοντας την υγρασία που χάνεται με τον αερισμό Περιβαλλοντικές επιπτώσεις στο έδαφος Η ποιότητα του compost εξαρτάται από την ποιότητα του αρχικού υλικού. Έτσι, το τελικό προϊόν δύναται να περιέχει βαρέα μέταλλα, τοξικές οργανικές ουσίες, θραύσματα γυαλιού και πλαστικού. Οργανικό υλικό προερχόμενο από πράσινα απόβλητα και από διαλογή ΑΣΑ στην πηγή περιέχει χαμηλή συγκέντρωση ανεπιθύμητων συστατικών, σε αντίθεση με αυτό που προέρχεται από σύμμεικτα απόβλητα μετά από μηχανική διαλογή. Για την αποφυγή ρύπανσης του εδάφους μετά την εναπόθεση του compost σε αυτό, υπάρχουν θεσμοθετημένα όρια. Τα όρια διαφέρουν από χώρα σε χώρα, ενώ αναμένεται η δημοσίευση σχετική Οδηγίας στην Ευρωπαϊκή Ένωση. Τα βαρέα μέταλλα, που υπάρχουν στο αρχικό υλικό, είναι δυνατόν να καταλήξουν στο compost. Ειδικά, όταν εφαρμόζεται τεμαχισμός, είναι δυνατή η παραγωγή σκόνης μετάλλων από τα μεταλλικά συστατικά των ΑΣΑ, που ενσωματώνεται στο οργανικό υλικό. Τα περισσότερα μέταλλα που καταλήγουν στο compost δεν είναι τοξικά. Υπάρχουν βεβαίως και εξαιρέσεις, όπως το κάδμιο, ο μόλυβδος, το χρώμιο, ο υδράργυρος κλπ. Γενικά, το περιεχόμενο βαρέων μετάλλων στο compost που προκύπτει από το οργανικό κλάσμα των ΑΣΑ είναι χαμηλό, σε σύγκριση με αυτό που προκύπτει από βιολογική ιλύ. Γι αυτό, η Page 71

72 συνκομποστοποίηση βιολογικής ιλύος και οργανικού κλάσματος των ΑΣΑ είναι ένας τρόπος ελαττώσεως του περιεχομένου βαρέων μετάλλων στο τελικό προϊόν. Εάν δεν βελτιστοποιηθούν οι συνθήκες κομποστοποίησης, είναι δυνατόν να μην υπάρξει πλήρης καταστροφή των παθογόνων μικροοργανισμών. Η παρουσία τέτοιων μικροοργανισμών είναι μία πολύ κρίσιμη παράμετρος, εφόσον το compost πρόκειται να διατεθεί στην αγορά και να έλθει σε επαφή με ανθρώπους. Γενικά, οι περισσότεροι παθογόνοι μικροοργανισμοί καταστρέφονται σε θερμοκρασία 55 o C και χρόνο ημερών, που συνήθως εφαρμόζονται σε εγκαταστάσεις κομποστοποίησης Εγκαταστάσεις και συστήματα κομποστοποίησης Τα συστήματα κομποστοποίησης μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε ανοικτά και κλειστά συστήματα (Πίνακας 4.1). Στα ανοικτά συστήματα η κομποστοποίηση λαμβάνει χώρα στην ύπαιθρο ή σε ημίκλειστα κτίρια. Στα κλειστά συστήματα, η κομποστοποίηση λαμβάνει χώρα σε ειδικά σχεδιασμένους βιοαντιδραστήρες ή κλειστά κτίρια, απ όπου είναι εφικτή η απαγωγή και επεξεργασία του αέρα και των οσμών, οι οποίες αποτελούν σημαντικό πρόβλημα για πολλές μονάδες κομποστοποίησης, ειδικά όταν είναι εγκατεστημένες κοντά σε κατοικημένες περιοχές. Πίνακας 4.1: Συστήματα κομποστοποίησης [40] Κλειστά Συστήματα (Βιοαντιδραστήρες και κλειστά κτίρια) Ανοικτά Συστήματα (Σειράδια) Κάθετοι αντιδραστήρες Αναδευόμενοι σωροί (Windows) - Συνεχούς ροής - Ασυνεχούς ροής Οριζόντιοι αντιδραστήρες Στατικοί σωροί (Aerated static piles- ASP) - Στατικοί - Με κίνηση του υλικού - Με απορρόφηση αέρα - Με εκφύσηση αέρα - Με μεταβαλλόμενο αερισμό (απορρόφηση και εκφύσηση) - Με εμφύσηση ή/και απορρόφηση αέρα σε συνδυασμό με έλεγχο θερμοκρασίας Πηγή: Λάλας Δ., Γεωργοπούλου Ε., Γιδαράκος Ε., Γκέκας Ρ., Λαζαρίδη Α., Μαυρόπουλος Α., Μοιρασγέντης Σ. και Σελλάς Ν. Εκτίμηση των γενικευμένων επιπτώσεων διαχείρισης στερεών αποβλήτων, Ινστιτούτο Τοπικής Αυτοδιοίκησης, Αθήνα Page 72

73 Κλειστά συστήματα Στην περίπτωση αυτή, η κομποστοποίηση λαμβάνει χώρα σε κλειστό αντιδραστήρα (αναμίξεως, εμβολικής ροής και διαλείποντος έργου). Οι κλειστοί αντιδραστήρες σχεδιάζονται ώστε να ελαχιστοποιείται η εκπομπή οσμών και ο χρόνος κομποστοποίησης, που επιτυγχάνεται με κατάλληλο έλεγχο της θερμοκρασίας και της παροχής αέρα. Ο χρόνος κομποστοποίησης ανέρχεται σε 1-2 εβδομάδες και ακολουθεί το δεύτερο στάδιο και η ωρίμανση για περίοδο 4-12 εβδομάδων. Σχήμα 4.4: Απλουστευμένη σχηματική αναπαράσταση των τριών βασικών συστημάτων κομποστοποίησης (a) αναδευόμενα σειράδια, (b) αεριζόμενοι στατικοί σωροί, (c) κλειστά συστήματα Τεχνολογία των κλειστών κουτιών Η τεχνολογία των κλειστών κουτιών (box composting) έχει αρχίσει να χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο τα τελευταία χρόνια, για την κομποστοποίηση των ΑΣΑ. Ο όγκος των κουτιών- αντιδραστήρων ποικίλει από 50 έως 250 m 3. Τα κουτιά δεν είναι τελείως γεμάτα με οργανικό υλικό διότι απαιτείται ορισμένος όγκος επάνω από την επιφάνεια του αποβλήτου για τον εξοπλισμό που χρησιμοποιείται, για την πλήρωση και το άδειασμα του κουτιού και για την ανάδευση του αποβλήτου. Ολόκληρη η μπροστινή περιοχή του κουτιού αποτελείται από μία θύρα. Η πλήρωση των κουτιών με οργανικό υλικό γίνεται είτε με φορτωτή είτε αυτόματα με μεταφορικές ταινίες. Ο αερισμός γίνεται συνήθως από το δάπεδο και ελέγχεται ανεξάρτητα σε κάθε κουτί. Μεγάλα πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι ότι οι εκπομπές οσμών είναι πολύ χαμηλές και ότι η Page 73

74 απομάκρυνση των αδρανών από το σώμα του compost είναι πολύ αποτελεσματική, διότι ο οργανικός σωρός είναι ξηρός και πολύ καλά ομογενοποιημένος. Ο χρόνος παραμονής κυμαίνεται συνήθως από 7 έως 14 ημέρες. Μέσα στον μικρό αυτό χρόνο (πρώτη φάση), μόνο ένα μέρος του οργανικού υλικού προλαβαίνει να βιοαποδομηθεί. Για το λόγο αυτό, απαιτείται επιπρόσθετη κομποστοποίηση σε σωρούς για επιπλέον περίπου 12 εβδομάδες (δεύτερη φάση). Ο χρόνος παραμονής είναι μικρότερος εάν το οργανικό υλικό, μετά την πρώτη περίοδο κομποστοποίησης, οδηγηθεί ξανά σε κουτί για δεύτερη και τρίτη φορά. Απαιτείται πρόσθετος χρόνος για ωρίμανση (curing). Τα κυριότερα πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι: Απαιτεί συγκρτικά μικρή έκταση γης. Οι εκπομπές οσμών από τους αντιδραστήρες είναι περιορισμένες. Ανάλογα με την ποσότητα, είναι δυνατή η πρόσθεση περισσοτέρων κουτιών (modular). Η ρύθμιση των παραμέτρων της διαδικασίας είναι εύκολη. Γίνεται γρήγορη επεξεργασία του οργανικού υλικού, ιδιαίτερα στην πρώτη φάση, στην οποία υπάρχουν μεγάλες εκπομπές οσμών. Τα μειονεκτήματα της μεθόδου είναι: Υψηλή κατανάλωση ενέργειας, λόγω του αερισμού. Απαιτείται υψηλή τεχνολογία και τεχνογνωσία. Υπάρχει αυξημένη πιθανότητα βλάβης ή αστοχίας του συστήματος. Απαιτείται περαιτέρω κομποστοποίηση του οργανικού υλικού σε σωρούς. Γενικά, η μέθοδος αυτή επιλέγεται όταν η αξία της γης είναι υψήλη και οι εκπομπές των οσμών πρέπει να αποφεύγονται, λόγω γειτνιάσεως με κατοικημένες περιοχές. Είναι μία καλή επιλογή, όταν μεταβάλλεται σημαντικά η ποσότητα των εισερχομένων αποβλήτων. Επειδή αποτελείται από μικρές μονάδες, είναι περισσότερο ευέλικτη συγκριτικά με τη μέθοδο των σηράγγων (tunnel composting). Το σύστημα αυτό σχεδιάζεται, ώστε κάθε κουτί αντιδραστήρα να χωράει τα οργανικά απόβλητα μίας ημέρας. Βεβαίως, εάν η ποσόστητα των αποβλήτων υπερβαίνει τα 250 m 3, χρησιμοποιούνται περισσότερα του ενός κουτιά. Την πρώτη μέρα τα οργανικά υλικά, που έχουν διαχωριστεί για κομποστοποίηση, μεταφέρονται με φορτωτή στο πρώτο κουτί, όπου και αποτίθενται (λειτουργία Batch). Την επόμενη μέρα επαναλαμβάνεται η διαδικασία, με την απόθεση των αποβλήτων στο δεύτερο κουτί. Page 74

75 Εάν ο χρόνος παραμονής είναι 14 μέρες, την 14η μέρα από την έναρξη της λειτουργίας της μονάδας γίνεται η πλήρωση του 14 ου κουτιού, που μέχρι τότε παρέμενε κενό. Την επομένη και πριν την έλευση του νέου φορτίου, μετακινείται η ποσότητα του αποβλήτου που έχει απομείνει, από το πρώτο κουτί στο χώρο της δεύτερης φάσης της κομποστοποίησης για σχηματισμό σωρού. Η ποσότητα από το πρώτο κουτί είναι μειωμένη περίπου κατά 20% σε όγκο και βάρος έναντι του αρχικού προ δεκατετραημέρου. Έτσι τώρα στο πρώτο κουτί τοποθετείται το νέο φορτίο. Η διαδικασία συνεχίζεται με τον ίδιο τρόπο. Η δεύτερη φάση θα περιλαμβάνει το σχηματισμό σωρών. Στο τέλος της δεύτερης φάσης, το προϊόν της αποδόμησης εάν πρόκειται να πωληθεί, πρέπει να υποστεί ωρίμανση (curing) για δύο μήνες σε σωρούς χωρίς ανάδευση. Το ώριμο compost δύναται να υποστεί περαιτέρω επεξεργασία (π.χ. άλεση, κοσκίνισμα κλπ.) για την επιπλέον βελτίωση των χαρακτηριστικών του. Οι μέθοδοι και ο βαθμός επεξεργασίας ποικίλουν ανάλογα με την εφαρμογή και τη χρήση για την οποία προορίζεται. Εάν το παραγόμενο compost χρησιμοποιηθεί για αναπλάσεις τοπίου, δηλαδή ως έδαφος για να φυτευθούν δέντρα σε άγονες περιοχές, ή ως εδαφοκάλυμμα σε ΧΥΤΑ, επιπλέον επεξεργασία του compost μετά το τέλος της δεύτερης φάσης δεν είναι απαραίτητη Οριζόντιοι αντιδραστήρες Στα συστήματα αυτά, η διαδικασία λαμβάνει χώρα σε ημέρες περίπου, αν και θα πρέπει να ακολουθηθεί περαιτέρω επεξεργασία σε ανοικτούς σωρούς για 4-12 εβδομάδες. Υπάρει μεγάλη ποικιλία τέτοιων συστημάτων, που διακρίνονται σε εγκιβωτισμένα συστήματα, σε δεξαμενές, τράπεζες κομποστοποίησης ή περιστρεφόμενους κυλίνδρους. Τα βιοκελιά, τα τούνελ και τα κιβώτια αποτελούν παραλλαγές εγκιβωτισμένων, αεροστεγών συστημάτων που προσφέρουν πολύ καλό έλεγχο της διεργασίας. Αυτό επιτυγχάνεται λόγω της δυνατότητας που παρέχουν τα συστήματα για ρύθμιση της αναλογίας του αέρα που ανακυκλώνεται προς το φρέσκο αέρα που εισέρχεται στο σύστημα, καθώς και της ροής του αέρα μέσα από το υλικό. Το βασικό τους χαρακτηριστικό είναι ότι χρησιμοποιούν δυναμικό αερισμό, συνήθως με εμφύσηση αέρα, μέσα από το πάτωμα της κατασκευής με κανάλια ή σωλήνες, ενώ τα απαέρια απομακρύνονται συνήθως από το πάνω μέρος της. Ο αέρας ανακυκλώνεται εύκολα, επιτυγχάνοντας ομοιόμορφες και καλά ελεγχόμενες θερμοκρασίες σε όλη τη μάζα του Page 75

76 οργανικού υλικού, ενώ μπορεί να υποστεί επεξεργασία για την απομάκρυνση των οσμών και άλλων ρύπων. Σχήμα 4.5: Παράδειγμα κλειστών συστημάτων κομποστοποίησης (α) κατακόρυφος κυλινδρικός πύργος, (β) κατακόρυφος ορθογωνικός πύργος και (γ) οριζόντιο σύστημα τύπου τούνελ Τα μεγέθη των συστημάτων αυτών κυμαίνονται στα βιοκελιά και τα τούνελ συνήθως m 3 και στα κιβώτια m 3, τα οποία χρησιμοποιούνται ως παράλληλα στοιχεία ώστε να εξυπηρετήσουν τις ανάγκες μικρότερων. Η βασική διαφορά των τούνελ με τα βιοκελιά είναι ότι τα τούνελ έχουν χωριστούς χώρους για φόρτωση και εκφόρτωση των υλικών στα άκρα του αντιδραστήρα ενώ συχνά είναι συστήματα συνεχούς ροής, σε αντίθεση με τα κιβώτια Συστήματα με δεξαμενές και τράπεζες κομποστοποίησης Στα συστήματα με δεξαμενές και στις τράπεζες κομποστοποίησης, το προς κομποστοποίηση υλικό εισέρχεται σε μεγάλα κτίρια, διαμορφωμένα με μακριές παραλληλόγραμμες δεξαμενές από μπετόν ή με μεγάλες «τράπεζες» όπου το υλικό τοποθετείται σε ένα συνεχές στρώμα και αναστρέφεται τμηματικά από κατάλληλο μηχανολογικό εξοπλισμό. Και στις δύο περιπτώσεις το υλικό αναδεύεται και μετακινείται σταδιακά από το σημείο εισόδου στο σημείο εξόδου, με τη βοήθεια εξοπλισμού που περιλαμβάνει περιστρεφόμενα τύμπανα, ατέρμονους κοχλίες ή άλλες κατάλληλες διατάξεις. Οι διατάξεις αυτές είναι συνήθως τηλεχειριζόμενες και δεν απαιτούν την επί τόπου παραμονή των χειριστών. Η επεξεργαία και μετακίνηση του υλικού ολοκληρώνονται σε 2 Page 76

77 έως 3 εβδομάδες. Συνήθως, εκτός από την ανάδευση η επεξεργασία περιλαμβάνει και παροχή αερισμού μέσα από ένα διάτρητο πάτωμα απ όπου διέρχονται κανάλια ή σωλήνες αερισμού. Συχνά ακολουθείται διαφορετικό πρόγραμμα αερισμού κατά μήκος της δεξαμενής ή της τράπεζας, ανάλογα με το βαθμό σταθεροποιήσης του υλικού (π.χ. έντονος αερισμός στο πρώτο τμήμα της δεξαμενής, καθόλου στο τελευταίο τμήμα της κλπ.). Σε αυτά τα συστήματα ο αερισμός συνήθως επιτυγχάνεται με αναρρόφηση αέρα (εφαρμογή υποπίεσης) έτσι ώστε να μειώνονται οι οσμές μέσα στο κτίριο και να είναι εφικτή η επεξεργασία των απαερίων (με βιόφιλτρα ή πλυντρίδες) Περιστρεφόμενα τύμπανα Τα περιστρεφόμενα τύμπανα είναι κυλινδρικοί, μεταλλικοί βιοαντιδραστήρες συνεχούς ροής του υλικού. Το υλικό εισέρχεται στο ένα άκρο ενός μεγάλου, αργά περιστρεφόμενου κυλίνδρου, όπου τεμαχίζεται με τη βοήθεια του ίδιου του βάρους του και κατάλληλων προεξοχών στα τοιχώματα του κυλίνδρου, αερίζεται και σταθεροποιείται μερικώς έως ότου εξέλθει από την άλλη πλευρά του κυλίνδρου. Τα περιστρεφόμενα τύμπανα είναι συστήματα υψηλού κόστους και χρησιμοποιούνται συνήθως για την πρώτη φάση έντονης βιολογικής δραστηριότητας της κομποστοποίησης (περίπου 72 ώρες), η οποία ακολουθείται από αερισμό σε δεξαμενές ή τράπεζες κομποστοποίησης ή επεξεργασία σε ανοικτά συστήματα. Εξαιτίας του ήπιου τεμαχισμού που επιτυγχάνουν, τα περιστρεφόμενα τύμπανα χρησιμοποιούνται συχνά και ως σύστημα προ-επεξεργασίας (τεμαχισμού των πλαστικών σάκων, μείωσης του μεγέθους και διευκόλυνσης του διαχωρισμού του οργανικού κλάσματος), το οποίο διευκολύνει την έναρξη της βιολογικής επεξεργασίας του οργανικού υλικού. Σε αυτή την περίπτωση το σύστημα λειτουργεί με χρόνο παραμονής ώρες περίπου Ανοικτά συστήματα Στα ανοικτά συστήματα, η κομποστοποίηση πραγματοποιείται σε ανοιχτούς χώρους, χωρίς την χρήση σοβαρού μηχανολογικού εξοπλισμού. Τα ανοικτά συστήματα ή σειράδια διακρίνονται σε δύο κύριες κατηγορίες, ανάλογα με τη μέθοδο του αερισμού: η μέθοδος των αναδευόμενων σωρών (windrow method) και η μέθοδος των στατικών σωρών (static piles method). Page 77

78 Οι βασικοί μηχανισμοί που ακολουθούνται και στα δύο συστήματα είναι παρόμοιοι, ο εξοπλισμός όμως που χρησιμοποιείται διαφέρει σημαντικά. Στην περίπτωση των σειραδιών, το οξυγόνο εισέρχεται στη μάζα του υλικού με φυσικό αερισμό κατά το γύρισμά τους, ενώ στην περίπτωση των σταθερών σωρών γίνεται εμφύσηση ή αναρρόφηση αέρα με μηχανικούς αεριστήρες ή φυσητήρες Μέθοδος των αναδευόμενων σωρών Στη μέθοδο αυτή το μίγμα προς κομποστοποίηση σωριάζεται σε μακριές παράλληλες γραμμές, τα σειράδια. Τα σειράδια απλώνονται σε ανοικτό χώρο και μόνο σε περιοχές με υψηλή βροχόπτωση καλύπτονται από κάποιο στέγαστρο. Η κομποστοποίηση με τη μέθοδο αυτή βασίζεται στον φυσικό αερισμό των σειραδιών, ο οποίος επιτυγχάνεται με συχνή αναμόχλευση του σωρού. Σε μικρές εγκαταστάσεις, η αναμόχλευση γίνεται με τα χέρια ή με τρακτέρ ενώ σε μεγαλύτερες εγκαταστάσεις, χρησιμοποιούνται ειδικά οχήματα. Σε στεγασμένες εγκαταστάσεις χρησιμοποιείται για την αναμόχλευση ειδικός εξοπλισμός που βρίσκεται αναρτημένος από την οροφη. Η αναμόχλευση επιτυγχάνει: Αερισμό του σωρού και παροχή οξυγόνου στους μικροοργανισμούς ώστε ο σωρός να μην καταστεί αναερόβιος. Καταστροφή των συσσωμάτων των οργανικών ουσιών που παρατηρούνται εξαιτίας της έκλυσης υγρασίας κατά την κομποστοποίηση. Τα συσσώματα αυτά γίνονται με τον χρόνο πρακτικά αδιαπέραστα ως προς τον αέρα και διαμορφώνονται ανεπιθύμητες αναερόβιες συνθήκες. Την συνεχή ανάμιξη των υλικών για την καλύτερη επαφή των μικροοργανισμών με το υπόστρωμα και την διατήρηση της επιθυμητής θερμοκρασίας στο εσωτερικό του σωρού. Η εγκάρσια τομή του σωρού έχει σχήμα τραπεζίου. Το τυπικό πλάτος του σωρού είναι 4.5m και το ύψος του 1-2m. Κάθε σειράδι πρέπει να αναδεύεται δύο- τρεις φορές την ημέρα κατά τη διάρκεια των πέντε πρώτων ημερών, ώστε το μίγμα να αναμιχθεί πλήρως, να μειωθούν κατά το δυνατόν οι οσμές και να εξασφαλιστεί η είσοδος του απαιτούμενου οξυγόνου. Στη συνέχεια τα σειράδια αναμοχλεύονται μία φορά την ημέρα για άλλες 30 ημέρες. Page 78

79 Η θερμοκρασία στο κέντρο του σειραδίου μπορεί να φτάσει και τους 65 o C και διατηρείται σταθερή μέχρι και δέκα μέρες. Τον χειμώνα, οι θερμοκρασίες είναι χαμηλότερες και κυμαίνονται από o C. Οι θερμοκρασίες κοντά στην επιφάνεια του σειραδίου είναι χαμηλότερες και τείνουν να εξισωθούν με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Όλα τα μηχανήματα που διατίθενται στην αγορά έχουν κατασκευαστεί αποκλειστικά για τον σκοπό της μηχανικής αναμόχλευσης των σειραδίων. Βασικά διακρίνονται σε δύο τύπους: τους μετωπικούς αναμοχλευτές (straddle turners) και τους πλευρικούς αναμοχλευτές (sidecutting windrow turners). Οι μετωπικοί αναμοχλευτές εκτείνονται σε όλο το πλάτος του σωρού. Περιλαμβάνουν ένα περιστρεφόμενο κοχλία που εισχωρεί στο σωρό, ανυψώνει το υλικό και το αποθέτει πίσω του καθώς προχωρεί. Ένας εναλλακτικός τύπος μηχανήματος χρησιμοποιεί ένα κεκλιμένο ταινιόδρομο με κλίση προς το πίσω τμήμα του μηχανήματος. Στην βάση του ταινιόδρομου, υπάρχουν δόντια που εισχωρούν στο σωρό και αναγκάζουν το υλικό να πέσει στην ταινία και να μεταφερθεί στο πίσω μέρος του μηχανήματος. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι αναμοχλευτές είναι αυτοκινούμενοι Αεριζόμενοι σταθεροί σωροί Στη μέθοδο αυτή, το μίγμα των υλικών σωριάζεται σε σταθερό σωρό στον οποίο εφαρμόζεται εξαναγκασμένος αερισμός. Η μέθοδος αναπτύχθηκε με στόχο τη μείωση της απαιτούμενης έκτασης και την βελτιστοποίηση της διεργασίας της κομποστοποίησης. Οι αεριζόμενοι σταθεροί σωροί διακρίνονται σε ατομικούς σωρούς και σε εκτεταμένους σωρούς. Η πρώτη μέθοδος είναι γνωστή σαν μέθοδος Rudgers και η δεύτερη μέθοδος ως μέθοδο Beltsville. Ο αερισμός των σωρών μπορεί να γίνει με αναρρόφηση αέρα, ή εκφύσηση αέρα, ή με συνδυασμό και των δύο. Τα δύο συστήματα παρουσίαζονται στα Σχήματα 4.6 και 4.7. Στην συνέχεια παρουσιάζεται αναλυτικά ο τρόπος σχεδιασμού του συστήματος του εκτεταμένου σταθερού σωρού, που είναι και ο πιο συνηθισμένος, μιας και απαιτεί 50 φορές περίπου μικρότερη έκταση από την αντίστοιχη των ατομικών αεριζόμενων σωρών [41]. Η επιφάνεια απόθεσης του σωρού, η επιφάνεια ξήρανσης και η επιφάνεια διαχωρισμού του πρόσθετου υλικού διαμορφώνεται από σκυρόδεμα. Στην επιφάνεια διάστρωσης δίδεται κλίση 2% για την συλλογή των ομβρίων και την ανακύκλωσή τους στην εγκατάσταση επεξεργασίας των λυμάτων. Page 79

80 Σχήμα 4.6: Σχηματική διάταξη ατομικών αεριζόμενων σωρών Στην αρχή, για τον εκτεταμένο σωρό κατασκευάζεται ένας σωρός σε σχήμα τριγωνικό με την ποσότητα του μίγματος μιας ημέρας. Η μία πλευρά και τα άκρα του σωρού σκεπάζονται κανονικά με 25cm τελικού compost, ενώ η εσωτερική πλευρά καλύπτεται προσωρινά με μερικά εκατοστά compost μέχρι την άλλη μέρα. Ο σωρός που κατασκευάζεται έχει πλάτος 15m και ύψος 2.5m. Οι σωλήνες αερισμού για την εκφύσηση ή την αναρρόφηση του αέρα τοποθετούνται σε μόνιμα τριγωνικά κανάλια, βάθους περίπου 20-25cm και σε απόσταση 1.6m μεταξύ τους, που διαμορφώνονται στο δάπεδο απόθεσης του σωρού. Τα κανάλια καλύπτονται με σιδερένια σχάρα. Σε κάθε ημερήσιο σωρό αναλογούν δύο σωλήνες που διατρέχουν το πλάτος του. Οι σωλήνες είναι από PVC και έχουν διάμετρο 10cm. Συνδέονται σε σταθερό δίκτυο σωληνώσεων που οδηγεί στους φυσητήρες. Ο χώρος γύρω από τους σωλήνες αερισμού γεμίζει με πρόσθετο υλικό που εξασφαλίζει καλύτερη κατανομή του οξυγόνου στο σωρό. Περιοδικά είναι απαραίτητη η αντικατάσταση του υλικού στα κανάλια αερισμού. Ο αερισμός της σωρού αποσκοπεί στην τροφοδοσία του μίγματος με το απαραίτητο για την διεργασία της κομποστοποίησης οξυγόνο. Ο αερισμός επιτυγχάνεται με την εμφύσηση πεπιεσμένου αέρα δια μέσου του σωρού και με την αναρρόφηση αέρα δια μέσου του σωρού. Οι δύο αυτές λειτουργίες εναλλάσσονται έτσι ώστε να διατηρείται στον σωρό η απαραίτητη συγκέντρωση διαλυμένου οξυγόνου καθώς και η απαραίτητη θερμοκρασία για την κομποστοποίηση και την καταστροφή των παθογόνων μικροοργανισμών. Page 80

81 Σχήμα 4.7: Σχηματική διάταξη σταθερού σωρού (σύστημα Beltsville) Η λειτουργία με εμφύσηση αέρα έχει σαν αποτέλεσμα την πτώση της θερμοκρασίας αλλά υποβοηθά σημαντικά την ξήρανση του compost. Αντίθετα η αναρρόφηση αέρα επιτρέπει την ανάπτυξη υψηλότερων θερμοκρασιών. Η επιθυμητή συγκέντρωση διαλυμένου οξυγόνου είναι 15%. Η βέλτιστη θερμοκρασία στο εσωτερικό του σωρού είναι 60 o C. Πάνω από την θερμοκρασία αυτή παρατηρείται σημαντική αναστολή της μικροβιακής δράσης, ενώ σε χαμηλότερες θερμοκρασίες επιβραδύνεται η βιοαποικοδόμηση. Κάθε σωρός είναι εφοδιασμένος με ρυθμιστική δικλείδα, που παίρνει εντολές για την έναρξη ή την παύση του αερισμού ανάλογα με την θερμοκρασία στο εσωτερικό του σωρού. Η εναλλαγή των αεριστήρων μεταξύ των δύο αυτών τρόπων λειτουργίας ρυθμίζεται με τη βοήθεια αισθητήρων οξυγόνου και θερμοκρασίας που τοποθετούνται στην μάζα του σωρού. Το αισθητήριο της θερμοκρασίας τοποθετείται κοντά στην βάση του σωρού, ενώ το αισθητήριο του οξυγόνου κοντά στο κέντρο του, όπου αναπτύσσονται και οι υψηλότερες θερμοκρασίες [41]. Συνδυασμός αναρρόφησης και εμφύσησης αέρα μπορεί να εξασφαλίσει ευνοϊκότερες συνθήκες για τη διεργασία της κομποστοποίησης. Για το λόγο αυτό, τις πρώτες μέρες της διεργασίας γίνεται αναρρόφηση των απαερίων προκειμένου να έχουμε απομάκρυνση των απαερίων (π.χ. CO 2, NH 3 και δύσοσμων χημικών ενώσεων) και εμπλουτισμό του υποστρώματος σε οξυγόνο διατηρώντας τη θερμοκρασία σε επιθυμητά επίπεδα. Κατά τη θερμόφιλη φάση, γίνεται εμφύσηση αέρα καθότι ο ρυθμός κατανάλωσης οξυγόνου είναι πολύ μεγαλύτερος. Page 81

82 Από την υγροποίηση των υδρατμών, που δημιουργούνται λόγω της υψηλής θερμοκρασίας που επικρατεί στο εσωτερικό του σωρού, παράγονται στραγγίσματα. Τα στραγγίσματα συλλέγονται σε στραγγιστήρι τοποθετημένο στο κανάλι αερισμού κάτω από τον σωλήνα του αέρα. Τα στραγγίσματα χρήζουν κατάλληλης επεξεργασίας καθότι έχουν υψηλό ρυπαντικό φορτίο Δυνατότητες διάθεσης του compost Είναι πλεόν ισχυρά τεκμηριωμένο ότι η προσθήκη compost στο έδαφος μπορεί να έχει θετική επίδραση σε μία μακρά σειρά χημικών, φυσικών και βιολογικών χαρακτηριστικών του. Η γεωργία και οι διάφορες συναφείς δραστηριότητες συνιστούν την κυριότερη οδό αξιοποίησης των διαφόρων υλικών compost, τα οποία μάλιστα κατά τη διεθνή πρακτική εφαρμόζονται σε πολύ μεγάλες συγκεντρώσεις. Για την εδαφική εφαρμογή του compost στη γεωργία, πρέπει να λαμβάνονται υπ όψη και να διενεργούνται λεπτομερείς έλεγχοι σχετικά με τις διάφορες χρήσεις και κατηγορίες ποιότητας του compost, όπως ποσότητα εφαρμογής, περιεκτικότητα σε θρεπτικά, ιχνοστοιχεία, βαρέα μέταλλα, επιβλαβείς οργανικές ενώσεις, παθογόνα κλπ., επίπεδο ωρίμανσης compost (φρέσκο ή ώριμο compost), χρονική περίοδος εφαρμογής, συχνότητα εφαρμογής, βάθος ενσωμάτωσης στο έδαφος, τύπος εδάφους και χαρακτηριστικά αυτού. Οι ενδεικνυόμενες χρήσεις του compost, εξαρτώνται από τα ποιοτικά του χαρακτηριστικά και ποικίλουν από τη χρήση σε βιολογικά καλλιεργούμενα τρόφιμα και γενικότερα καλλιέργειες παραγωγής τροφής και ζωοτροφών, έως τη χρήση για αποκατάσταση εδαφών και ως κάλυψη σε ΧΥΤΑ. Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν νομοθετικοί περιορισμοί για τις επιτρεπόμενες χρήσεις με στόχο την προστασία της υγείας και του περιβάλλοντος. Σε αυτό το πλαίσιο παρατίθεται ένας ενδεικτικός οδηγός χρήσεων compost [42]: Φυτά μεγάλης καλλιέργειας: Απαιτητικά σε χουμικά συστατικά, προκειμένου να ενισχυθεί το ισοζύγιο χουμικών συστατικών στα καλλιεργούμενα εδάφη, π.χ. τεύτλα, πατάτες αλλά και διάφορα λαχανικά αγρού, σε ποσότητα 4-10 τόνων νωπού υλικού ανά στρέμμα κάθε 2-4 χρόνια. Σιτηρά: Σε ποσότητα 2-5 τόνων νωπού υλικού ανά στρέμμα, κάθε 2-4 χρόνια. Page 82

83 Λειβαδικές εκτάσεις: Σε ποσότητα 2-5 τόνων νωπού υλικού ανά στρέμμα, κάθε 24 χρόνια. Το compost πρέπει να είναι απαλλαγμένο από ξένα σώματα, που μπορεί να προκαλέσουν προβλήματα στα βόσκοντα ζώα. Δενδρώδεις καλλιέργειες: Μηλοειδή, πυρηνόκαρπα, εσπεριδοειδή, συκιές κλπ. Σε ποσότητα τόνων νωπού υλικού ανά στρέμμα, κάθε τρία χρόνια. Αμπέλια: Σε ποσότητα τόνων νωπού υλικού ανά στρέμμα (φρέσκο compost σε βαριά εδάφη) ή 10 τόνων νωπού υλικού ανά στρέμμα (ώριμο compost σε ελαφρά εδάφη), κάθε 3-4 χρόνια. Σε περίπτωση επικλινών εκτάσεων, συνιστώνται μεγαλύτερες δόσεις, τόνων νωπού υλικού ανά στρέμμα. Ως χρόνος εφαρμογής συνιστάται η περίοδος μεταξύ του τρυγού και της έναρξης της βλάστησης. Δασικά φυτώρια: Σε ποσότητα τόνων νωπού υλικού ανά στρέμμα Θερμοκηπιακές καλλιέργειες: Σε ποσότητα 1-1.5kg/m 2 νωπού υλικού κάθε 2-4 χρόνια. Ανθοκομικές καλλιέργειες: Σε ποσότητα τόνων νωπού υλικού ανά στρέμμα. Διαμόρφωση περιβάλλοντος και επιφανειών πρασίνου σε αστικές περιοχές, πάρκα, αθλητικά κέντρα, αποτροπή φαινομένων διάβρωσης σε επικλινείς επιφάνειες, συγκράτηση πρανών, χλοηφορία σε ταράτσες, σε θαμνοσυστάδες σε δρόμους, αντικατάσταση μητρικού εδάφους για την αποκατάσταση λατομείων και χωματερών ΧΥΤΑ: Σε δόσεις των τόνων νωπού υλικού ανά στρέμμα στην αρχή και έπειτα 2-3 τόνων νωπού υλικού ανά στρέμμα κάθε 2 χρόνια. Αναδασώσεις: Με ενσωμάτωση έως 150 τόνων νωπού υλικού ανά στρέμμα Ως υλικό βιόφιλτρου για την απορρόφηση δυσάρεστων οσμών από βιομηχανικές εγκαταστάσεις με δύσοσμα απαέρια, εξαερισμών σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας αστικών λυμάτων, κομποστοποίησης, μαζικής διατήρησης ζώων κλπ.: Στις περιπτώσεις αυτές συνιστώνται δόσεις ενός τόνου νωπού υλικού ανά m 2 επιφάνειας βιόφιλτρου, κάθε 4 χρόνια, για ποσότητα απαερίων m 3 ανά ώρα και ανά m 2. Page 83

84 5 Biodiesel Θα πρέπει να σημειωθεί πως ιστορικά τα πρώτα καύσιμα που χρησιμοποιήθηκαν από τον άνθρωπο ανήκαν στην κατηγορία των βιοκαυσίμων. Έτσι το ξύλο, το λίπος, τα φυτικά λάδια αλλά και τα αποστάγματα, όντας οργανικής προέλευσης εμπίπτουν στην κατηγορία των βιοκαυσίμων. Η μεγάλη ανάγκη όμως σε φθηνά καύσιμα μεγάλου ενεργειακού περιεχομένου μετά την βιομηχανική επανάσταση, η οποία συνεχίζει αυξανόμενη έως σήμερα, ενίσχυσε σημαντικά τη χρήση ορυκτών καυσίμων, άνθρακα αρχικά και πετρελαϊκών παραγώγων αργότερα, σε βάρος των παραδοσιακών βιοκαυσίμων. Τα προβλήματα της θέρμανσης του πλανήτη, όπως το φαινόμενο του θερμοκηπίου, τα οποία σχετίζονται άμεσα με το περιεχόμενο των καυσίμων άνθρακα και το εκπεμπόμενο κατά την καύση διοξείδιο του άνθρακα, έχουν δημιουργήσει κατά τα τελευταία χρόνια ένα κλίμα στροφής προς βιοκαύσιμα τα οποία καλούνται να υποκαταστήσουν σταδιακά τα συμβατικά καύσιμα. Τα βιοκαύσιμα προέρχονται ουσιαστικά από τα οργανικά προϊόντα και θεωρούνται αναεώσιμα καύσιμα. Ως ανανεώσιμα καύσιμα έχουν το χαρακτηριστικό των χαμηλότερων εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα στο συνολικό κύκλο ζωής τους σε σχέση με τα συμβατικά ορυκτά καύσιμα, στοιχείο που εξαρτάται άμεσα από την προέλευση, τη χρήση τους αλλά και τον τρόπο παραγωγής και διανομής τους. Κατά την καύση τους τα καύσιμα αυτά εκπέμπουν περίπου ίσες ποσότητες CO 2, ενώ το τελικό όφελος από τα καύσιμα αυτά μπορεί να είναι από πολύ μεγάλο έως μηδαμινό. 5.1 Ιστορική αναδρομή Τα τελευταία χρόνια δίνεται αυξανόμενη προσοχή στην ανάπτυξη τεχνολογιών παραγωγής biodiesel, το οποίο κερδίζει συνεχώς έδαφος στο χώρο των καυσίμων, κυρίως λόγω της παραγωγής του από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αλλά και των μειωμένων εκπομπών ρύπων έναντι του συμβατικού diesel. Παρόλα αυτά, η χρήση των φυτικών ελαίων ως εναλλακτικό καύσιμο δεν αποτελεί πρόσφατη καινοτομία, αφού η χρήση τους γράφει πάνω από ένα αιώνα. Η εφεύρεση της μηχανής diesel ανακαλύφθηκε στην τελευταία δεκαετία του 19ου αιώνα από τον ομώνυμο ερευνητή Dr.Rudolf Diesel εξετάζοντας το έλαιο φιστικιάς σε μηχανή συμπίεσης αναφέροντας ότι «Η χρήση των φυτικών ελαίων ως καύσιμα μηχανών μπορεί να φαντάζει σήμερα ασήμαντη, αλλά τέτοια έλαια στο μέλλον μπορεί να Page 84

85 γίνουν τόσο σημαντικά όσο και τα πετρελαϊκά καύσιμα» με τα λόγια του να αναδεικνύονται προφητικά κατά την πάροδο του χρόνου. Εξετάζοντας το παρελθόν της παραγωγής του biodiesel παρατηρείται ότι οι πρώτες ενέργειες πραγματοποιήθηκαν το 1981 στη Νότια Αφρική. Στην Ευρώπη, οι χώρες μεγαλύτερης παραγωγής είναι η Αυστρία και η Γερμανία. Στην Αυστρία, η παραγωγή του πρώτου biodiesel πραγματοποιήθηκε σε μια πιλοτική μονάδα το 1985, ενώ το 1990 ξεκίνησε η εμπορευματοποίησή του. Το 1991 το πρώτο biodiesel έγινε ευρέως αποδεκτό εξασφαλίζοντας υψηλή ποιότητα καυσίμου. Η πρώτη ύλη που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή του biodiesel ήταν κυρίως το έλαιο ελαιοκράμβης, που θεωρείται ιδανική πρώτη ύλη για το Ευρωπαϊκό κλίμα. Επίσης, χρησιμοποιήθηκε το ηλιέλαιο, κυρίως στη Γαλλία και την Ιταλία. Σε άλλες περιοχές, χρησιμοποιήθηκε το φοινικέλαιο (Μαλαισία) και το σογιέλαιο (Αμερική). 5.2 Biodiesel Το biodiesel προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (βιομάζα) και παράγεται μέσω της αντίδρασης μετεστεροποίησης, εν αντιθέσει με το πετρελαϊκό diesel, το οποίο παράγεται από τη διύλιση του αργού (ορυκτού) πετρελαίου. Βiodiesel επίσης μπορεί να παραχθεί από άχρηστα αγροτικά παραπροϊόντα, όπως χρησιμοποιημένα φυτικά έλαια, από διάφορων ειδών σπόρους αλλά και από ζωικά λίπη. Η μετεστεροποίηση είναι η χημική αντίδραση μεταξύ των τριγλυκεριδίων (TG) των φυτικών ελαίων και μιας αλκοόλης, παρουσία καταλύτη, μέσω της οποίας παράγονται μεθυλικοί εστέρες. Οι παραγόμενοι εστέρες καλούνται biodiesel [43]. Το biodiesel μπορεί χρησιμοποιηθεί χωρίς προσμίξεις είτε να αναμειχθεί σε οποιαδήποτε αναλογία με το συμβατικό ορυκτό. Για το λόγο αυτό έχει καταχωρηθεί ως καύσιμο και πρόσθετη ουσία καυσίμων από την υπηρεσία προστασίας περιβάλλοντος των ΗΠΑ (EPA) και ανταποκρίνεται στα πρότυπα καθαρού diesel που καθιερώνονται από το Air Resources Board CARB. Ακόμη και το καθαρό biodiesel (Β100) έχει υποδειχθεί ως εναλλακτικό καύσιμο από το Τμήμα Ενέργειας (DOE) καθώς και από το Αμερικανικό Υπουργείο Συγκοινωνιών (DOT). Page 85

86 5.3 Χαρακτηριστικά του biodiesel και σύγκριση με το ορυκτό diesel Το biodiesel είναι ένα διαυγές υγρό με κεχριμπαρένιο χρώμα. Τα βασικά του χαρακτηριστικά είναι το ιξώδες, η πυκνότητα, ο αριθμός κετανίου (CN), το σημείο θόλωσης (cloud point CP), το σημείο ροής (pour point PP), το σημείο ανάφλεξης, ο βαθμός απόσταξης (distillation range), η περιεκτικότητα σε τέφρα και σε θείο, το ανθρακούχο υπόλειμμα, η αντοχή στην οξείδωση, η διάβρωση χαλκού και η ανώτερη θερμογόνος δύναμη (high heating value HHV). Για να γίνουν πιο κατανοητά τα χαρακτηριστικά του biodiesel δίνονται οι παρακάτω ορισμοί: Αριθμός κετανίου: Η ετοιμότητα ενός καυσίμου να αναφλεγεί όταν ψεκάζεται σε έναν κινητήρα ντίζελ, φαίνεται από τον αριθμό κετανίου. Όσο υψηλότερος είναι ο αριθμός κετανίου τόσο ευκολότερη είναι η ανάφλεξη. Ο αριθμός κετανίου ορίζεται με σύγκριση της ποιότητας ανάφλεξης κάτω από πρότυπες συνθήκες λειτουργίας, με δύο γνωστά καύσιμα αναφοράς γνωστού αριθμού κετανίου. Το ένα καύσιμο αναφοράς είναι το κανονικό δεκαεξάνιο (κ-δεκαεξάνιο ή κετάνιο) με αριθμό κετανίου 100 εξ ορισμού και το επτα-μεθυλο-εννεάνιο με αριθμό κετανίου 15. Σημείο θόλωσης: Το σημείο θόλωσης είναι η υψηλότερη θερμοκρασία στην οποία παρατηρείται διαχωρισμός κρυστάλλων παραφίνης από το καύσιμο όταν αυτό ψυχθεί κάτω από ειδικές συνθήκες (ASTM D-2500). Σημείο ροής: Το σημείο ροής δίνει τη θερμοκρασία στην οποία ο διαχωρισμός παραφίνης είναι τόσο έντονος που δεν επιτρέπει στο καύσιμο να είναι ρευστό, όταν ψυχθεί κάτω από ειδικές συνθήκες (ASTM D-97). Σημείο ανάφλεξης: Το σημείο ανάφλεξης (flash point) είναι η χαμηλότερη θερμοκρασία στην οποία αναφλέγονται οι ατμοί του καυσίμου με προσαγωγή όταν αυτό θερμαίνεται κάτω από πρότυπες συνθήκες. Το σημείο ανάφλεξης αποτελεί και μία προδιαγραφή ασφάλειας για τις συνθήκες αποθήκευσης και μεταφοράς, και αποτελεί την πρώτη ένδειξη μόλυνσης με ελαφρύτερα συστατικά. Οι ιδιότητες του biodiesel δίνονται αναλυτικότερα στον Πίνακα 5.1. Το ιξώδες του είναι παρόμοιο με αυτό του ορυκτού diesel, δεν είναι εύφλεκτο, έχει σημείο ανάφλεξης 423 Κ, (αντίθετα με το ορυκτό diesel που είναι εύφλεκτο και έχει σημείο ανάφλεξης 337 Κ) επίσης, είναι βιοδιασπώμενο, μη τοξικό και έχει σημαντικά μειωμένες εκπομπές κατά την καύση του. Βασικό μειονέκτημα του biodiesel σε σχέση με το ορυκτό diesel είναι τα προβλήματα Page 86

87 εκκίνησης μηχανών σε χαμηλές θερμοκρασίες, η χαμηλότερη περιεκτικότητα σε ενέργεια, η υψηλή διάβρωση του χαλκού και η δυσκολία στην άντληση λόγω του υψηλού ιξώδους [44]. Πίνακας 5.1: Τεχνικές ιδιότητες του biodiesel [44] Common name Common chemical name Biodiesel (bio-diesel) Fatty acid (m)ethyl ester Chemical formula range C 14 -C 24 methyl ester or C H O 2 Kinematic viscosity range (mm 2 /s, at 313K Density range (kg/m 3, at 288K) Boiling point range (K) >475 Flash point range (K) Distillation range (K) Vapor pressure (mm Hg, at 295 K) <5 Solubility in water Physical appearance Odor Biodegradability Reactivity Insoluble in water Light to dark yellow, clear liquid Light musty/ soapy odor More biodegradable than petroleum diesel Stable, but avoid strong oxidizing agents Πηγή: Σ. Στουρνας, Ε. Λοης, Φ. Ζαννικος Τεχνολογία καυσίμων και λιπαντικών. Εκδόσεις ΕΜΠ, Αθήνα 2007 Οι φυσικές ιδιότητες του biodiesel είναι παρόμοιες με αυτές του diesel. Το ιξώδες είναι μια από τις πιο σημαντικές ιδιότητες εφόσον επηρεάζει το ακροφύσιο ψεκασμού καυσίμου και ειδικότερα, σε χαμηλές θερμοκρασίες που επηρεάζεται το ιξώδες και η ροή του καυσίμου. Το υψηλό ιξώδες οδηγεί σε μειωμένη εκνέφωση κατά τον ψεκασμό του καυσίμου και σε πιο ανακριβή διάχυση καυσίμου. Όσο χαμηλότερο είναι το ιξώδες του biodiesel τόσο πιο εύκολα εκνεφώνεται σε σταγονίδια. Ακόμη έχει παρατηρηθεί ότι το biodiesel από χοίρειο και βοειό λίπος έχουν υψηλότερο ιξώδες από biodiesel προερχόμενο από σόγια και ελαιοκράμβη. Σε γενικές γραμμές, όσο η θερμοκρασία του ελαίου αυξάνεται τόσο το ιξώδες μειώνεται. Το biodiesel έχει υψηλότερο σημείο ανάφλεξης από το ορυκτό diesel. Αυτό είναι αποτέλεσμα των διαφορετικών σημείων ζέσης που έχουν τα ξεχωριστά συστατικά του. Page 87

88 Παράδειγμα, το σημείο ζέσης του μεθυλεστέρας του παλμιτικού οξέος είναι 417 και του μεθυλεστέρα του δεκανοϊκού οξέος 224. Τα υπολείμματα της αλκοόλης που χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή του biodiesel επηρεάζουν πολύ το σημείο ανάφλεξης του. Πέρα από τους εστέρες των λιπαρών οξέων, που είναι το κύριο συστατικό του biodiesel, υπάρχουν και άλλα συστατικά όπως μονο- και διγλυκερίδια, τριγλυκερίδια που δεν αντέδρασαν, μεθανόλη, ελέθευρα λιπαρά οξέα, γλυκερόλη και στερόλες. Η γλυκερόλη, τα ακυλο-γλυκερίδια, τα ελεύθερα λιπαρά οξέα, και η μεθανόλη σύμφωνα με τις προδιαγραφές κατά ASTM πρέπει να είναι περιορισμένα. Πίνακας 5.2: Σύγκριση ιδιοτήτων biodiesel και diesel [44] Ιδιότητα καυσίμου Diesel Biodiesel Standard καυσίμου ASTM D975 ASTM PS 121 Σύσταση καυσίμου C 10 -C 21 HC C 12 -C 22 FAME Κατώτερη θερμογόνος δύναμη (Btu/gal) 131, ,093 Kin. Viscosity, at 40 o C 1,3-4,1 1,9-6,0 Ειδική πυκνότητα o C 0,85 0,88 Πυκνότητα, o C 7,079 7,328 Νερό, ppm by wt ,05% Άνθρακας (wt.%) Υδρογόνο (wt.%) Οξυγόνο, by dif. wt.% 0 11 Θείο (wt.%).05 max 0,0-0,0024 Σημείο βρασμού ( o C) Flash point ( o C) Cloud point ( o C) -15 to 5-3 to 12 Pour point ( o C) -35 to to 10 Αριθμός κετανίων Stoichiometric air/ Fuel ratio (w/w) 15 13,8 BOCLE Scuff (g) >7.000 HFRR (μm) Πηγή: Σ. Στουρνας, Ε. Λοης, Φ. Ζαννικος Τεχνολογία καυσίμων και λιπαντικών. Εκδόσεις ΕΜΠ, Αθήνα 2007 Όσον αφορά τον αριθμό κετανίου, το biodiesel έχει υψηλότερο αριθμό από ότι το συμβατικό diesel. Ο αριθμός κετανίου των εστέρων του λιπαρού οξέος εξαρτάται από το μήκος της ανθρακικής αλυσίδας και το βαθμό κορεσμού. Όσο πιο μακριά είναι η υδρογονοανθρακική αλυσίδα του λιπαρού οξέος και όσο πιο κορεσμένη είναι τόσο Page 88

89 υψηλότερος είναι ο αριθμός κετανίου. Η αλυσίδα του λιπαρού οξέος στο biodiesel αντιστοιχεί στην αλυσίδα του ελαίου από την οποία προήλθε. Τα βασικά συστατικά των καυσίμων του biodiesel είναι οι αλυσίδες των λιπαρών οξέων, οι πιο συνηθισμένες έχουν μήκος άτομα άνθρακα. Υπάρχουν όμως και μικρότερες όπως αυτή για παράδειγμα, του λαυρικού οξέος που βρίσκεται στο έλαιο της καρύδας. Η παρουσία πολυακόρεστων εστέρων του λιπαρού οξέως στο biodiesel προκαλούν προβλήματα οξείδωσης και η παρουσία πολλών κορεσμένων εστέρων του λιπαρού οξέως είναι υπεύθυνοι για τα προβλήματα ροής σε χαμηλές θερμοκρασίες. Ο αριθμός κετανίου του biodiesel από ζωικά λίπη είναι μεγαλύτερος από ότι του biodiesel προερχόμενου από τα φυτικά έλαια. Σπουδαίο ρόλο στην εφαρμογή του biodiesel στις χαμηλές θερμοκρασίες παίζουν το σημείο θόλωσης και το σημείο ροής. Για εφαρμογές biodiesel σε χαμηλές θερμοκρασίες καθοριστική παράμετρος είναι το σημείο θόλωσης. Το σημείο θόλωσης (CP) είναι η θερμοκρασία στην οποία εμφανίζεται ο πρώτος κρύσταλλος εξαιτίας της πτώσης της θερμοκρασίας του καυσίμου και λόγω αυτού του φαινομένου μπορούν να δημιουργηθούν προβλήματα απόφραξης του φίλτρου. Για biodiesel προερχόμενο από σογιέλαιο το CP είναι περίπου 0 και για προερχόμενο από φοινικέλαιο και ζωικό λίπος είναι περίπου 15. Η διαφορά αυτή οφείλεται στη ποσότητα των κορεσμένων εστέρων λιπαρού οξέος. Άλλη σημαντική παράμετρος είναι το σημείο ροής (PP). Στη θερμοκρασία αυτή το καύσιμο δεν μπορεί να ρεύσει ελεύθερα. Το biodiesel έχει πιο υψηλό τόσο το σημείο θόλωσης όσο και το σημείο ροής του. Επειδή συνήθως στο CP υποτιμά τις ιδιότητες ψυχρής ροής του καυσίμου και αντίθετα το ΡΡ τις υπερεκτιμά, υπάρχει μια άλλη δυναμική μέθοδος δοκιμής για τη ροή καυσίμου σε χαμηλές θερμοκρασίες, το σημείο απόφραξης ψυχρού φίλτρου (cold fiter plugging point CFPP) η οποία είναι και πιο αντιπροσωπευτική προς την πραγματικότητα. Σύμφωνα με αυτή, μετριέται η τελευταία θερμοκρασία στην οποία ποσότητα 20ml καυσίμου μπορεί να περάσει μέσω του φίλτρου σε λιγότερο από 60 sec κάτω από τις συνθήκες της μεθόδου [44]. Η βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων του biodiesel τροποποιώντας τη σύσταση των εστέρων του λιπαρού οξέος είναι ένα θέμα που αναδύεται και ερευνάται συνεχώς. Παράδειγμα, οι εστέρες του παλμιτολεικού οξέος είναι κατάλληλοι για να εμπλουτίσουν το biodiesel επειδή έχουν χαμηλό σημείο τήξης (σ.τ. -34 ). Ο εμπλουτισμός με κορεσμένους εστέρες όπως, του εστέρα δεκανοικού οξέος, μπορεί να μειώσει το σημείο θόλωσης. Η περιεκτικότητα του biodiesel σε οξυγόνο βελτιώνει την καύση του και ταυτόχρονα μειώνει την τάση οξείδωσης του (oxidation potential). Το δομικό οξυγόνο που υπάρχει στο Page 89

90 biodiesel βελτιώνει την απόδοση της καύσης λόγω της ομογένειας του οξυγόνου με το καύσιμο κατά την διαδικασία της καύσης. Το biodiesel περιέχει 11% οξυγόνο κατά βάρος και καθόλου θείο. Η χρήση biodiesel μπορεί να επιμηκύνει το χρόνο ζωής της μηχανής γιατί έχει καλύτερες λιπαντικές ιδιότητες από ότι το ορυκτό diesel. Η ανώτερη θερμογόνος δύναμη (HHV) του biodiesel είναι σχετικά υψηλή. Η HHV του βιοντίζελ (39-41 MJ/kg) είναι ελαφρώς χαμηλότερη από αυτή της βενζίνης (46 MJ/kg) του ορυκτού diesel (43 MJ/kg) αλλά υψηλότερη από τον άνθρακα (32-37 MJ/kg). Η ονοματολογία που έχουν υιοθετήσει τα διεθνή πρακτικά είναι η λεγόμενη ονοματολογία ΒΧΧ με την οποία αναγνωρίζεται η συγκέντρωση των μιγμάτων biodiesel. Το ΧΧ αναπαριστά το ποσοστό κατ όγκο του biodiesel σε μίγμα diesel / biodiesel. Για πράδειγμα το Β2, Β5, Β20, Β100 είναι καύσιμα με συγκεντρώσεις 2%, 5%, 20%, και 100% biodiesel αντίστοιχα. Τα βασικότερα καύσιμα biodiesel που υπάρχουν σήμερα στην αγορά είναι το καθαρό βιοντίζελ (Β100), μίγματα (Β20-30), πρόσθετο (Β5) και πρόσθετο λίπανσης (Β2). Το Β5 δεν χρειάζεται καμία τροποποίηση στους κινητήρες. Έχει παρόμιες φυσικές και χημικές ιδιότητες με το ντίζελ και είναι απόλυτα διαλυτό. Το biodiesel μπορεί να αντληθεί, να αποθηκευτεί και να μετακινηθεί όπως το ορυκτό diesel, να χρησιμοποιηθεί στις ίδιες συσκευές και υποδομές. Επιπλέον, οι ατμοί του biodiesel δεν είναι εύλεκτοι εξαιτίας του χαμηλού σημείου ανάφλεξης με αποτέλεσμα να είναι πολύ πιο ασφαλές στις μεταφορές και στην αποθήκευση απο το ορυκτό ντίζελ [45]. 5.4 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του biodiesel Αν και το biodiesel δεν μπορεί να αντικαταστήσει πλήρως τις ενεργειακές απαιτήσεις που καλύπτονται από το πετρέλαιο, υπάρχουν αρκετοί λόγοι που δικαιολογούν τη ραγδαία ανάπτυξη του [43]. a. Παρέχει μια αγορά για την πλεονάζουσα παραγωγή των φυτικών ελαίων και των ζωικών λιπών. b. Μειώνει, αν και δεν εξαλείφει την εξάρτηση των χωρών από το εισαγόμενο πετρέλαιο. c. Είναι ανανεώσιμο και δεν συμβάλλει στη παγκόσμια αύξηση της θερμοκρασίας λόγω του κλειστού κύκλου του άνθρακα. Μια ανάλυση του κύκλου ζωής του biodiesel έδειξε ότι οι συνολικές εκπομπές του CO 2 μειώθηκαν κατά 78% έναντι των καυσίμων που βασίζονται στο πετρέλαιο. Page 90

91 d. Οι εκπομπές εξάτμισης του μονοξειδίου του άνθρακα και των αιωρούμενων σωματιδίων από το biodiesel είναι χαμηλότερες από ότι αυτές των ορυκτών καυσίμων. e. Κατά την πρόσμιξη του με συμβατικά καύσιμα ακόμη και σε χαμηλό ποσοστό της τάξεως 1-2% μπορεί να μετατρέψει τα καύσιμα που χαρακτηρίζονται από χαμηλή λιπαντική ικανότητα, όπως τα σύγχρονα καύσιμα με ελάχιστο θείο (ultra-lowsulfurdiesel fuel), σε αποδεκτά καύσιμα. Σε πρόσφατη βιβλιογραφική μελέτη παρουσιάζονται συγκεντρωτικά τα πλεονεκτήματα του biodiesel έναντι των καυσίμων τα οποία προέρχονται από ορυκτά καύσιμα. Τα πλεονεκτήματα αυτά είναι η άμεση διαθεσιμότητα, η ανανεωσιμότητα, η υψηλή αποδοτικότητα καύσης, το χαμηλότερο ποσοστό θείου και αρωματικών ενώσεων, ο υψηλότερος αριθμός κανονικού εξαδεκανίου και η υψηλότερη βιοαποδομησιμότητα. Τα κύρια πλεονεκτήματα του biodiesel που παρουσιάζονται στη βιβλιογραφία περιλαμβάνουν την εγχώρια προέλευση του, μέσω της οποίας μειώνεται η εξάρτηση του από το εισαγόμενο πετρέλαιο, τη βιοδιασπασιμότητα του, το υψηλό σημείο ανάφλεξης και τη φυσική λιπαντική ιδιότητα κατά την επεξεργασμένη του [46]. Σημαντικά μειονεκτήματα του biodiesel είναι αναπόφευκτα η υψηλότερη τιμή του, η οποία σε πολλές χώρες αντισταθμίζεται από νομικές παρεμβάσεις και κανονισμούς υπό τη μορφή μείωσης φόρων και επιχορηγήσεων σε ποσοστό επί της παραγωγής και των αρχικών επενδύσεων. Σχετικά με τις φυσικές και χημικές ιδιότητες του biodiesel, μειονεκτήματα αποτελούν το υψηλότερο ιξώδες, το χαμηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο, τα υψηλότερα σημεία ροής και θόλωσης. Το καθαρό biodiesel και τα μίγματα του αυξάνουν τις εκπομπές οξειδίων του αζώτου (ΝΟx), έναντι των καυσίμων diesel, όταν χρησιμοποιούνται σε κινητήρες diesel χωρίς μετατροπή. Σημαντικά λειτουργικά μειονεκτήματα του biodiesel επίσης είναι τα προβλήματα ψυχρής εκκίνησης, η ταχύτερη διάβρωση/οξείδωση κατά τη δοκιμασία της λωρίδας χαλκού καθώς και η δυσκολία άντλησης του καυσίμου λόγω μεγαλύτερου ιξώδους. Επιπρόσθετα, η χαμηλότερη δύναμη και ταχύτητα του κινητήρα (το biodiesel κατά μέσο όρο μειώνει τη δύναμη κατά 5 %), η επικάθιση άνθρακα στον εγχυτήρα της μηχανής, η μη συμβατότητα των κινητήρων και το υψηλότερο κόστος κινητήρων αποτελούν σημαντικούς περιοριστικούς παράγοντες. Page 91

92 5.5 Διεργασίες παραγωγής biodiesel Τα τελευταία χρόνια δίνεται αυξανόμενη προσοχή στην ανάπτυξη τεχνολογιών παραγωγής biodiesel, το οποίο κερδίζει συνεχώς έδαφος στο χώρο των καυσίμων, κυρίως λόγω της παραγωγής του από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αλλά και των μειωμένων εκπομπών ρύπων έναντι του συμβατικού diesel. Η παραγωγή βιοκαυσίμων με τη χρήση ελαίων δεν αποτελεί νέο εγχείρημα, αφού η πρώτη προσπάθεια χρονολογείται στα τέλη του 19 ου αιώνα και επιτεύχθηκε από τον Dr. Rudolf Diesel εξετάζοντας το έλαιο φιστικιάς ως καύσιμο σε μηχανή συμπίεσης. Τα φυτικά έλαια μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας ως καύσιμα κινητήρων diesel, αλλά λόγω του υψηλότερου ιξώδες από αυτό των κοινών καύσιμο diesel, απαιτείται η τροποποίηση των κινητήρων. Η άμεση χρήση φυτικών ελαίων μπορεί να αντικαταστήσει μόνο ένα πολύ μικρό κλάσμα των καυσίμων μεταφορών. Υπάρχουν τουλάχιστον τέσσερις τρόποι με τους οποίους τα έλαια και τα λίπη μπορούν να μετατραπούν σε biodiesel, μέσω της μείωσης του ιξώδους, όπως είναι η μετεστεροποίηση, η ζύμωση, η μικρογαλακτοματοποίηση (ανάμειξη με διαλύτες) και η πυρόλυση. Η διεργασία πυρόλυσης φυτικών ελαίων ερευνάται πάνω από 100 έτη για την παραγωγή πετρελαίου. Μέσω της πυρόλυσης παράγεται περισσότερο biogasoline από τα καύσιμα biodiesel και αντιμετωπίζεται από μερικές επιχειρήσεις ως οικονομική μέθοδος για την παραγωγή πολύτιμων εναλλακτικών βιολογικών καυσίμων. Μεταξύ όλων των προτεινόμενων μεθόδων, η μετεστεροποίηση TG αποτελεί με διαφορά την πιο κοινή μέθοδος, καθώς είναι η μόνη διεργασία που οδηγεί σε προϊόντα βιοντίζελ αλλά και μέσω της οποίας παράγεται η γλυκερίνη, προϊόν με εμπορική αξία. Μετεστεροποίηση καλείται, η χημική αντίδραση των TG του ελαίου και της αλκοόλης, παρουσία καταλύτη. Περιλαμβάνει τρείς διαδοχικές αντιστρέψιμες αντιδράσεις, οι οποίες οδηγούν στη μετατροπή των TG σε διγλυκερίδια (DG), εν συνεχεία τη μετατροπή των DG σε μονογλυκερίδια (MG) και τέλος τα MG μετατρέπονται σε γλυκερίνη. Σε κάθε βήμα της αντίδρασης παράγεται ένας εστέρας, επομένως τρία μόρια εστέρων παράγονται από κάθε TG [47]. Page 92

93 5.6 Πρώτες ύλες για την παραγωγή biodiesel Σήμερα υπάρχουν περισσότερες από 350 ελαιούχες καλλιεργούμενες ποικιλίες φυτών, όπως είναι η σόγια, η ελαιοκάμβη, ο ηλίανθος, ο φοίνικας κ.α.. Τα έλαια αυτά είναι κατά κύριο λόγο εδώδιμα στη φύση, αλλά η χρήση τους έχει επιφέρει σημαντικά μειονεκτήματα. Ο ανταγωνισμός που έχει δημιουργηθεί με τον τομέα τροφίμων, οι απαιτήσεις μεγάλων εκτάσεων γης αλλά και το υψηλό κόστος αυτών των ελαίων αποτελούν τους σημαντικότερους κατασταλτικούς παράγοντες. Οι πηγές biodiesel όσον αφορά φυτικά, μη εδώδιμα έλαια, ζωικά λίπη και άλλες βιομάζες παρουσιάζονται συνοπτικά στον Πίνακα 5.3. Οι παραπάνω λόγοι, έχουν οδηγήσει την ερευνητική κοινότητα στη μελέτη μη βρώσιμων ελαίων ως εναλλακτική λύση για την παραγωγή biodiesel. Αρκετές είναι οι προσπάθειες που έχουν σημειωθεί τα τελευταία χρόνια από μη φαγώσιμα έλαια όπως Jatropha curcas, Brassica carinata, J. Curcas (ratanjyot), P. pinnata (karanj), C. inophyllum (nagchampa), R. communis (castor), Argemone mexicana (Mexican prickly poppy), C. odollam (sea mango), Putranjiva roxburghii (Lucky bean tree), Sapindus mukorossi (soapnut), H. brasiliensis (rubber tree), C. Inophyllum (polanga), Melia azedarach (syringa), S. chinensis (jojoba), M. indica (mahua), Schleichera triguga (kusum), T. Peruviana (yellow oleander), κ.α. κυρίως σε περιοχές της Ινδίας, τα οποία είναι ακατάλληλα για βρώση λόγω της υψηλής οξύτητας του. Σημαντικό πλεονέκτημα έναντι των βρώσιμων ελαίων, αποτελεί το χαμηλότερο κόστος τους καθώς και η άμεση διαθεσιμότητα τους αλλά και η ικανότητα τους να καλλιεργούνται ακόμη και σε ρυπασμένα εδάφη. Η χρήση όμως μη βρώσιμων ελαίων δεν αποτελεί οριστική λύση του προβλήματος, κυρίως λόγο της εντατικοποίησης της παραγωγής βιοκαυσίμων. Το γεγονός αυτό έχει οδηγήσει στη αποψίλωση σημαντικών δασικών περιοχών, λόγω των υψηλών απαιτήσεων για την εξεύρεση νέων καλλιεργήσιμων εκτάσεων, προκαλώντας περιβαλλοντικά προβλήματα που σχετίζονται με τη διατάραξη της ισορροπίας των εκάστοτε οικοσυστημάτων. Είναι ξεκάθαρο ότι η παραγωγή biodiesel από ενεργειακές καλλιέργειες, είτε αυτές αφορούν εδώδιμα φυτά είτε όχι, δεν επιλύουν ριζικά το πρόβλημα αφού με την επιλογή τέτοιων ελαίων δεν εξασφαλίζεται η αειφορία της διεργασίας παραγωγής βιοκαυσίμων. Για το μετριασμό των ανθρωπιστικών, περιβαλλοντικών και οικονομικών περιορισμών που δημιουργούνται, η ερευνητική κοινότητα έχει στρέψει το ενδιαφέρον της στην παραγωγή βιοκαυσίμων μέσω της αξιοποίησης απόβλητων ελαίων. Χρησιμοποιημένα μαγειρικά έλαια, ζωικά λίπη, υποπροϊόντα ραφιναρισμένων ελαίων καθώς και υπολείμματα τροφίμων όπως του καφέ, προσελκύουν συνεχώς την προσοχή. Page 93

94 Πίνακας 5.3: Πηγές ελαίων [48] Vegetable oils Non- edible oils Animal Fats Other sources Soybeans Almond Lard Bacteria Rapeseed Abutilon miticum Tallow Algae Canola Andiroba Poultry fat Fungi Safflower Babassu Fishoil Micro algae Barley Brassica carinata Tarpenes Cocnaut B. napus Latexes Copra Camelina Cooking oil Cotton seed Groundnut Oat Rice Sorghum Wheat Winter rapeseed oil Cumaru Cynara cardunculus Jatrophacurcas Jatopha nana Jojoba oil Pongamiaglabra Laurel Lesquellafendleri Mahua Piqui Palm Karang Tobacco seed Rubber plant Rice bran Sesame Salmon oil Πηγή: Meisam Tabatabei, Masoud Tohidfar, Gholamreza Salehi Jouzani, Mohammadrezan Safarnejad, Mohammad Pazouki. Biodiesel production from genetically engineered microalgae future of bioenergy in Iran. Renewable and Sustainable Energy Reviews 15, Κύριο πλεονέκτημα είναι η σημαντική μείωση του κόστους, συμπεριλαμβανομένου ότι περίπου το 75% του κόστους αποδίδεται στο κόστος της πρώτης ύλης. Η διαδικασία αυτή στηρίζεται στην έννοια της Αντίστροφης Εφοδιαστικής για την παραγωγή βιοκαυσίμων Page 94

95 και εκφράζει όλες εκείνες τις δραστηριότητες και διαδικασίες που αφορούν την αξιοποίηση χρησιμοποιημένων υλικών, στερεών ή υγρών, που μπορούν υπό προϋποθέσεις να χρησιμοποιηθούν αυτούσια ή μετά από ειδική επεξεργασία στη παραγωγή βιοκαυσίμων. Η αξιοποίηση τέτοιων ελαίων αποτελεί ελπιδοφόρο λύση στον τομέα των βιοκαυσίμων, κυρίως λόγω του χαμηλού κόστους αλλά των περιβαλλοντικών οφελών, αφού έμμεσα μέσω της αξιοποίησης τους ξεπερνάτε η ανάγκη διαχείρισης τους ως απόβλητα. Κατασταλτικό παράγοντα, εν αντιθέσει με τα εξευγενισμένα έλαια, αποτελεί το υψηλό περιεχόμενο τους σε ΕΛΟ. Το περιεχόμενο των ΕΛΟ σε ακατέργαστα φυτικά έλαια, χρησιμοποιημένα μαγειρικά έλαια, ζωικά λίπη καθώς και από λιποσυλλέκτες κυμαίνεται από 0,3 0,7, 2 7, 5 30 και %, αντίστοιχα. Ερευνητικές μελέτες έχουνε δείξει ότι η απόδοση της διεργασία μετεστεροποίησης μειώνεται σημαντικά όταν το περιεχόμενο σε ΕΛΟ είναι μεγαλύτερο από 2%, ενώ από άλλες πειραματικές μελέτες διαπιστώθηκε ότι η μετεστεροποίηση δεν μπορεί να επιτευχθεί όταν το περιεχόμενο των ΕΛΟ είναι περίπου 3%. Συνεπώς, το κύριο πρόβλημα αυτών των υλών εντοπίζεται στο υψηλό περιεχόμενο τους σε ΕΛΟ, καθιστώντας τα ακατάλληλα για παραγωγή biodiesel μέσω βασικής μετεστεροποίησης, λόγω του σχηματισμού σαπουνιών μεταξύ των ΕΛΟ και του βασικού καταλύτη. Η παρουσία σαπουνιών μπορεί να αποτρέψει το διαχωρισμό του biodiesel από το μέρος γλυκερίνης, προκαλεί το σχηματισμό γαλακτωμάτων, αύξηση του ιξώδους του προϊόντος και σημαντική αύξηση του κόστους διαχωρισμού και καθαρισμού. Η σαπωνοποίηση μπορεί να αποφευχθεί μέσω της προεπεξεργασίας του ελαίου με όξινο καταλύτη, μετατρέποντας έτσι τα περιεχόμενα ΕΛΟ σε εστέρες, πριν της εφαρμογή της βασικής μετεστεροποίησης. Η μέθοδος αυτή είναι γνωστή ως βασική καταλυόμενη μετεστεροποίηση δυο βημάτων και έχει μελετηθεί ως εναλλακτική διαδικασία για την παραγωγή βιοντίζελ από έλαια με υψηλό περιεχόμενο σε ΕΛΟ. Οι πηγές του biodiesel συνήθως εξαρτώνται από το κατά πόσο ευδοκιμούν οι σοδιές στο τοπικό κλίμα. Μια πηγή για την παραγωγή biodiesel θεωρείται κατάλληλη, όταν δεν συναγωνίζεται με άλλες εφαρμογές που μπορεί να της αυξήσουν την τιμή, όπως για παράδειγμα οι φαρμακευτικές πρώτες ύλες. Οι απαιτήσεις στις φαρμακευτικές πρώτες ύλες πρέπει να είναι χαμηλότερες από ότι στα καύσιμα. Οι πηγές για την παραγωγή biodiesel θα πρέπει να ακολουθούν όσο το δυνατό περισσότερο δύο απαιτήσεις: χαμηλό κόστος παραγωγής και ταυτόχρονα παραγωγή σε μεγάλη κλίμακα. Τα επεξεργασμένα λάδια έχουν υψηλό κόστος παραγωγής και χαμηλή παραγωγικότητα. Στην αντίθετη πλευρά βρίσκονται οι μη βρώσιμοι σπόροι (seeds) τα φύκη και τα μικροφύκη, τα οποία έχουν χαμηλά κόστη παραγωγής και βρίσκονται σε μεγαλύτερη διαθεσιμότητα από ότι τα επεξεργασμένα ή Page 95

96 ανακυκλωμένα λάδια. Μια από τις σημαντικότερες παραμέτρους για μια πηγή είναι το ποσοστό ελαίου και η σοδιά ανά εκτάριο [48]. 5.7 Διεργασίες παραγωγής biodiesel Πολλοί ερευνητές θεωρούν τα φυτικά λάδια μια υποσχόμενη εναλλακτική για τα καύσιμα που προορίζονται για diesel μηχανές. Κατά τη διάρκεια του Δευτέρου Παγκοσμίου πολέμου, έγιναν δοκιμές χρήσης απευθείας φυτικών ελαίων ως καύσιμο στις ντιζελομηχανές και τα αποτελέσματα ήταν ικανοποιητικά. Ωστόσο, η απευθείας χρήση ελαίων προκαλεί πολλά προβλήματα όπως, μείωση της απόδοσης της μηχανής μετά από μακρόχρονη χρήση, βλάβες στα εξαρτήματα της μηχανής λόγω εναποθέσεων άνθρακα, παραφίνης και άλλων ουσιών και διάφορα ακόμα προβλήματα. Τα βασικά θέματα που προκύπτουν από την αντικατάσταση του ορυκτού diesel με τριγλυκερίδα σχετίζονται κυρίως με (α) υψηλό ιξώδες (β) χαμηλή αντίσταση στην οξείδωση (και τις επακόλουθες αντιδράσεις του πολυμερισμού) (γ) χαμηλή πτητικότητα η οποία οδηγεί στον σχηματισμό ενός αρκετά μεγάλου ποσού τέφρας εξαιτίας της ατελούς καύσης. Κάποιες μέθοδοι με τις οποίες αντιμετωπίζονται τα παραπάνω προβλήματα είναι: Διάλυση των φυτικών ελαίων: Με την ανάμιξη φυτικών ελαίων με διαλύτες μειώνεται το ιξώδες, καθώς και αμβλύνονται κάποια προβλήματα όσον αφορά την απόδοση και το χρόνο ζωής της μηχανής. Το ιξώδες του λαδιού μπορεί να μειωθεί αν αναμιχθεί για παράδειγμα με αιθανόλη. Μίγματα καυσίμων (10-50%) με έλαια όπως σογιέλαιο, μπορεί να μειώσει την εναπόθεση άνθρακα στο θάλαμο καύσης. Παρόλο που το ιξώδες μειώνεται, θα εξακολουθούν να υπάρχουν προβλήματα στη μακρόχρονη χρήση μηχανής. Μικρογαλακτώματα: Μικρογαλάκτωμα είναι μια ισότροπη και θερμοδυναμικά σταθερή διασπορά ελαίου, νερού, επιφανειενεργού (surfactant) και συχνά ενός αμφίφιλου μορίου που ονομάζεται συνεπιφανειενεργό (cosurfactant). Η διάμετρος των μικρογαλακτωμάτων κυμαίνεται από A. Μικρογαλάκτωμα μπορεί να σχηματιστεί με την ανάμιξη φυτικού ελαίου, εστέρα σε μέσο διασποράς (συνδιαλύτης) ή φυτικού ελαίου αλκοόλης, και επιφανειενεργού. Με αυτό τον τρόπο μειώνεται το ιξώδες και βελτιώνεται ο ψεκασμός του καυσίμου. Θερμική διάσπαση (Pyrolisis, thermal cracking): Πυρόλυση είναι μια μέθοδος μετατροπής μιας οργανικής ουσίας σε μια άλλη μέσω της θερμότητας ή θερμότητας παρουσία καταλύτη. Το υλικό που πυρολύεται μπορεί να είναι φυτικό έλαιο, ζωικό Page 96

97 λίπος, φυσικά λιπαρά οξέα ή μεθυλεστέρες λιπαρών οξέων. Η πυρόλυση των ελαίων ερευνάται τουλάχιστον 100 χρόνια, ειδικά σε περιοχές όπου υπήρχε έλλειψη πετρελαίου. Πολλοί ερευνητές έχουν μελετήσει την πυρόλυση των τριγλυκεριδίων για τη απόκτηση προϊόντων κατάλληλων για μηχανές diesel. Με τη θερμική διάσπαση των τριγλυκεριδίων παράγονται αλκάνια, αλκένια, αλκαδιένια, αρωματικά και καρβοξυλικά οξέα [49]. 5.8 Επιπτώσεις biodiesel Το biodiesel είναι το πρώτο και το μόνο εναλλακτικό βιοκαύσιμο για το οποίο έχει γίνει μια πλήρης εκτίμηση των εκπομπών και των επιπτώσεων που μπορεί να έχει. Τα US Department of Energy (DOE) και US Department of Agriculture (USDA) έχουν διεξάγει μια έρευνα για τη σύγκριση επιπτώσεων που προκαλούνται καθ όλη τη διάρκεια ζωής του biodiesel και ορυκτού diesel. Τα βασικότερα σημεία της έρευνας αυτής είναι [50]: Diesel και biodiesel έχουν παρόμοιες συνολικές ενεργειακές αποδόσεις (total energy efficiency ratio, συνολική καύσιμη ενέργεια / συνολική ενέργεια που χρησιμοποιήθηκε για παραγωγή, μεταφορά και διανομή) με 83,28% και 80,55% αντίστοιχα Η συνολική καύσιμη ενεργειακή απόδοση (total fossil energy efficiency ratio, συνολική καύσιμη ενέργεια/ συνολική ενέργεια προερχόμενη από ορυκτά καύσιμα που χρησιμοποιήθηκε για παραγωγή, μεταφορά και διανομή) του biodiesel είναι τέσσερεις φορές μεγαλύτερη από του ορυκτού diesel. Εδώ φαίνεται η έννοια της ανανεώσιμης φύσης του biodiesel. Οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα καθ όλη τη διάρκεια ζωής του biodiesel είναι κατά 78% χαμηλότερες. Αυτό οφείλεται στην κατανάλωση του άνθρακα από τα φυτά που χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή του biodiesel. Οι εκπομπές του μονοξειδίου του άνθρακα καθ όλη τη διάρκεια ζωής του biodiesel είναι 35% χαμηλότερες από το ορυκτό diesel. Οι εκπομπές σε σωματίδια (particulate matter, PM) καθ όλη τη διάρκεια ζωής του biodiesel είναι 32% χαμηλότερες από ότι στο ορυκτό diesel. Οι εκπομπές σε οξείδια του θείου καθ όλη τη διάρκεια ζωής του biodiesel είναι 8% χαμηλότερες από ότι στο ορυκτό diesel. Page 97

98 Οι εκπομπές σε μεθάνιο καθ όλη τη διάρκεια ζωής του diesel είναι κατά 3% χαμηλότερες από ότι στο ορυκτό diesel. Οι εκπομπές σε οξείδια του αζώτου είναι αυξημένες κατά 13% στο biodiesel από ότι στο ορυκτό diesel. Η παραγωγή απόβλητων νερών καθ όλη τη διάρκεια ζωής του biodiesel είναι 79,0% χαμηλότερη από ότι στο diesel. Κατά τη διάρκεια ζωής του biodiesel παράγονται 96% λιγότερα βλαβερά στερεά σωματίδια (hazardous solid wastes) από ότι στο ορυκτό diesel. Τα ακίνδυνα σωματίδια όμως που παράγονται κατά τη διάρκεια ζωής του biodiesel είναι διπλάσια σε σχέση με αυτά του ορυκτού diesel. Σχήμα 5.1: Ο μέσος όρος των επιπτώσεων στις εκπομπές συναρτήσει του ποσοστού biodiesel Μια πιο πρόσφατη έρευνα που πραγματοποιήθηκε πάνω στο biodiesel και στις εκπομπές του έγινε από τον Οργανισμό Προστασίας Περιβάλλοντος των Ηνωμένων Εθνών (U.S. Environmental Protection Agency, EPA). Τα αποτελέσματα της έρευνας αυτής συνοψίζονται στο Σχήμα 5.1. Οι αναλύσεις αυτές έγιναν σε (heavy-duty highway) μηχανές. Τα αποτελέσματα αφορούν τους πιο σημαντικούς ρύπους δηλαδή τα οξείδια του αζώτου (ΝΟ x ), στερεά σωματίδια (ΡΜ), μονοξείδιο του άνθρακα (CO), και υδρογονάνθρακες (HC). Συνοψίζοντας, η καύση biodiesel στις ντιζελομηχανές οδηγεί σε αυξημένες εκπομπές ΝΟ x περίπου κατά 10% σε σχέση με το ντίζελ. Παρόλα αυτά, οι υπόλοιποι βασικοί ρύποι Page 98

99 όπως τα στερεά σωματίδια (particulate matter PM), οι υδρογονάνθρακες (HC), και το μονοξείδιο του άνθρακα μειώνονται σημαντικά με τη χρήση biodiesel. Επιπλέον, νέες τεχνολογίες όπως καταλυτές και η τεχνική του επιλεκτικού καταλυτικού περιορισμού (selective catalytic reduction SCR) σε συνδυασμό με νέες βελτιωμένες μηχανές, πιθανότατα μπορούν να οδηγήσουν στη μείωση και των στερεών σωματιδίων και των οξειδίων του αζώτου και να εκπληρώσουν τις επιθυμητές προδιαγραφές. 5.9 Εταιρίες παραγωγής biodiesel Λόγω της διαφαινόμενης ανεπάρκειας στη διαθεσιμότητα πετρελαίου καθώς και της επιδείνωσης τη μόλυνσης του περιβάλλοντος και δεδομένου ότι το 95% της παγκόσμιας κατανάλωσης πετρελαίου προέρχεται από τον τομέα των μεταφορών, η πλειοψηφία των ανεπτυγμένων χωρών έχει στραφεί στην αναζήτηση εναλλακτικών καυσίμων, τα οποία θα είναι, όχι μόνο ανανεώσιμα, αλλά και φιλικά προς το περιβάλλον. Έτσι, παγκόσμια αγορά, των βιοκαυσίμων παρουσιάζει μία συνεχή ανοδική πορεία και έντονη δραστηριότητα τις τελευταίες δύο δεκαετίες, ακολουθώντας και τη γενικότερη πολιτική των κρατών απέναντι σε θέματα περιβαλλοντικής προστασίας και εξοικονόμησης ενέργειας. Ειδικότερα η βιοαιθανόλη στην Αμερική και το βιοντίζελ στην Ευρώπη έχουν εξελιχθεί σε κύριους εκπροσώπους των βιοκαυσίμων, διεκδικώντας μάλιστα μερίδιο από την ανταγωνιστική και επικρατούσα αγορά του ορυκτού diesel και της βενζίνης. Με την ενεργειακή κρίση του 1973, αντιπρόσωποι από το Αυστριακό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Αγροτικής Μηχανικής ξεκίνησαν συζητήσεις για εναλλακτικά καύσιμα στις ντιζελοκίνητες μηχανές και η ΑVL List GmbH ανέπτυξε τον πρώτο πρωτότυπο τον κινητήρα φυτικών ελαίων, στο Graz της Αυστρίας. Οι συζητήσεις αυτές έδωσαν ώθηση σε σειρές πειραμάτων μίξης φυτικών ελαίων με ορυκτό diesel. Τα αποτελέσματα, έδειχναν ότι τα φυτικά έλαια, λόγω του υψηλού ιξώδους τους προκαλούσαν προβλήματα στους κινητήρες. Κατέληξαν, λοιπόν, στο συμπέρασμα ότι θα έπρεπε είτε να προσαρμόσουν τους κινητήρες στο καύσιμο, είτε το καύσιμο στους κινητήρες. Για οικονομικούς, κυρίως, λόγους αποφασίστηκε το τελευταίο και ξεκίνησε η ευρωπαϊκή αλλά και παγκόσμια πορεία του biodiesel. Σήμερα υπάρχουν περισσότερες από 50 μονάδες biodiesel στη πρώην Δυτική Ευρώπη με συνολική δυναμικότητα 2.2 εκατ. τόνων ετησίως, κυρίως στη Γερμανία, τη Γαλλία, την Page 99

100 Ιταλία, την Αυστρία και την Ισπανία, ενώ στην πρώην Ανατολική Ευρώπη περισσότερες από 30 μονάδες διαφόρων δυναμικοτήτων (16 στην Τσεχία, 10 στη Σλοβακία κ.α.). H κυριαρχία της Ευρώπης στην παγκόσμια αγορά biodiesel, φαίνεται στο Σχήμα 5.2 [51]. Σχήμα 5.2: Παγκόσμια παραγωγή biodiesel Σύμφωνα με το άρθρο 16 της Ευρωπαϊκής Οδηγίας για την Ενεργειακή Φορολόγηση 2003/96 όλα τα μέλη της Ε.Ε. υποχρεώθηκαν να εφαρμόσουν πολιτική μείωσης ή κατάργησης των φόρων από τα βιοκαύσιμα (σε καθαρή μορφή ή σε μίγμα) που πωλούνται στην Ε.Ε. από τις αρχές του Στη Γερμανία, το biodiesel χρησιμοποιείται αυτούσιο ως καύσιμο (Β100) αλλά και σε μίξη με το συμβατικό diesel. Η κυβέρνηση έχει εφαρμόσει πολιτική πλήρους αποφορολόγησης, ενώ δεν υπάρχει περιορισμός στο ποσοστό παραγωγής biodiesel που υπόκειται σε αυτήν. Η πλήρης αποφορολόγηση, στο σύνολο της ποσότητας biodiesel ισχύει και στην Τσεχία. Από τις αρχές 1993 η γαλλική κυβέρνηση υποστηρίζει την αγορά του biodiesel προσφέροντας πλήρη αποφορολόγηση, αλλά για συγκεκριμένες παραγόμενες ποσότητες (quotas). Από το 2003 η αποφορολογούμενη ποσότητα ανέρχεται σε τόνους, ενώ σε περίπτωση υπερ-παραγωγής πραγματοποιούνται εξαγωγές του προϊόντος. Το ίδιο σύστημα αποφορόλογησης ισχύει και στην Ιταλία (ποσόστωση τόνους), όπου το 90% της παραγωγής χρησιμοποιείται ως καύσιμο θέρμανσης (Β100) και το υπόλοιπο ως μίγμα 5% (Β5) ως καύσιμο κίνησης. Στη Σουηδία η αντίστοιχη quota είναι τόνοι, ενώ το 80% της παραγόμενης ποσότητας χρησιμοποιείται αυτούσιο (Β100) και το υπόλοιπο αναμιγνύεται ως μίγμα 2% με diesel [51]. Page 100

101 Σχήμα 5.3: Κατανομή της Ευρωπαϊκής παραγωγής biodiesel Η Αυστρία έχει υιοθετήσει πολιτική έκπτωσης φόρου κατά 95% μόνο σε περίπτωση χρήσης καθαρού προϊόντος (Β100) και όχι σε μίξη. Το 2002 ψηφίστηκε από το Βρετανικό Κοινοβούλιο μείωση του φόρου των καυσίμων κατά 20 πένες το λίτρο προωθώντας έτσι την ανάπτυξη της παραγωγής του biodiesel στη χώρα. Παράλληλα τα τελευταία χρόνια έχουν κατασκευαστεί αρκετές μονάδες μεγάλης δυναμικότητας, ενώ ακόμα περισσότερες βρίσκονται υπό κατασκευή. Η Ισπανία καθυστέρησε σημαντικά να εισέλθει στην αγορά των βιοκαυσίμων γεγονός όμως που δεν την εμποδίζει σήμερα να αριθμεί πολλές μεγάλες μονάδες σε ολόκληρη τη χώρα ενώ ο στόχος της για το 2010 είναι η παραγωγή τόνων biodiesel. Στη Δανία παράγονται ετησίως τόνοι biodiesel από δύο μονάδες ( και τόνων αντίστοιχα) ενώ αναμένεται να αυξηθεί σημαντικά η παραγωγή τα επόμενα χρόνια λόγω της ευνοϊκής καλλιέργειας της ελαιοκράμβης στην περιοχή. Τέλος, στις χώρες της Βαλτικής υπάρχουν αρκετές μικρές μονάδες παραγωγής biodiesel, ενώ στη Λετονία βρίσκεται υπό κατασκευή μονάδα δυναμικότητας τόνων με εξαγωγικό κυρίως προσανατολισμό. Στις υπόλοιπες χώρες της Ευρώπης η παραγωγή του biodiesel βρίσκεται ακόμη σε πρώιμο στάδιο, αναμένεται, όμως, να εισέλθουν και αυτές πολύ σύντομα στην αγορά του biodiesel, έτσι ώστε να εναρμονιστούν και με τις οδηγίες της Ε.Ε [51]. Σήμερα τα βιοκαύσιμα καλύπτουν το 3% σε ενέργεια της παγκόσμιας κατανάλωσης καυσίμων για τις μεταφορές. Σε μερικές χώρες τα ποσοστά αυτά είναι μεγαλύτερα (Βραζιλία +26.4%, ΗΠΑ +4%). Η παραγωγή/ κατανάλωση biodiesel στις ΗΠΑ κατά το 2011 ήταν 2,000/2,640 M.t/έτος, το ίδιο έτος στης Ε.Ε. η παραγωγή/ κατανάλωση biodiesel ήταν 8,791/10,869 M.t/έτος. Στα σχήματα 5.4 και 5.5, παρουσιάζονται η παγκόσμια παραγωγή βιοακαυσίμων για τα έτη και η παγκόσμια ζήτης βιοκαυσίμων κατά περιοχή. Page 101

102 Από τα δύο αυτά σχήματα προκύπτει το συμπέρασμα ότι τουλάχιστον για τα προσεχή 20 χρόνια η ζήτηση βιοκαυσίμων για τις μεταφορές θα είναι διαρκώς αυξανόμενη [56]. Σχήμα 5.4: Παγκόσμια παραγωγή βιοκαυσίμων Η αγορά καυσίμων στην Ελλάδα αφορά κυρίως την παραγωγή και εμπορία προϊόντων του αργού πετρελαίου (βενζίνες, diesel κίνησης και θέρμανσης, κεροζίνη, υγραέρια κ.α.), ενώ στην αγορά αυτή δραστηριοποιούνται 23 εταιρίες με συνολικό κύκλο εργασιών της τάξης των 8 δις (στοιχεία 2004). Η παραγωγή πετρελαιοειδών (διύλιση αργού πετρελαίου) πραγματοποιείται από τις δύο εταιρείες που διαθέτουν τις σχετικές άδειες και τις κατάλληλες εγκαταστάσεις. Σχήμα 5.5: Παγκόσμια ζήτηση βιοκαυσίμων κατά περιοχή Tον όμιλο Ελληνικά Πετρέλαια Α.Ε., ο οποίος διαθέτει 4 διυλιστήρια (Ασπρόπυργος, Ελευσίνα, Θεσσαλονίκη και Σκόπια με ονομαστικές δυναμικότητες 6,70, 3,45, 5,00 Page 102