Περιβαλλοντική Τεχνολογία και Διαχείριση ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ. Απόστολος Βλυσίδης Καθηγητής ΕΜΠ

Transcript

1 Περιβαλλοντική Τεχνολογία και Διαχείριση Απόστολος Βλυσίδης Καθηγητής ΕΜΠ Σχολή Χημικών Μηχανικών Εργαστήριο Οργανικής Χημικής Τεχνολογίας ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 σύνθετα οργανικά μόρια υδατάνθρακες - πρωτεϊνες -λίπη διαλυτά οργανικά μόρια σάκχαρα, αμινο οξέα, λιπαρά οξέα 2 οξικό οξύ πτητικά οξέα VFA 3 Η 2+ CO 2 4 CH 4 + CO 2 4

4

5 Ενεργειακή απόδοση Αερόβιας χώνευσης σε σχέση με την αναερόβια χώνευση Βιολογική λάσπη Εισαγωγή αποβλήτων Αερόβια χώνευση Επεξεργασμένα απόβλητα Κατανάλωση ενέργειας

6 Ενεργειακή απόδοση Αερόβιας χώνευσης σε σχέση με την αναερόβια χώνευση Βιολογική λάσπη Εισαγωγή αποβλήτων Αναερόβια χώνευση 35 O C Επεξεργασμένα απόβλητα Καθαρή παραγωγή εν εργειας

7 Εφαρμογές αναερόβιας χώνευσης Χωματερές Πρωτοβάθμιες και βιολογικές λάσπες Αγροτικά απόβλητα Αγροτοβιομηχανικά απόβλητα Βιομηχανικά απόβλητα

8 290 kwh 30 kg 4 kg

9 C H 4 + C O 2 C O 2 ΥΓΡΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΑΕΡΟΒΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΑΕΡΟΒΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ BIOMAZA (ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΛΑΣΠΗ)

10 CH + CO 4 2 ΟΡΓΑΝΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΑΠΟΒΛΗΤΟΥ 100 % % ΑΝΑΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΛΑΣΠΗΣ < 5% ΠΕΡΙΣΣΕΙΑ ΛΑΣΠΗΣ CO 2 > 5% ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΑΕΡΟΒΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΛΑΣΠΗ < 1% ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΜΕΝΟ ΑΠΟΒΛΗΤΟ

11 Εφαρμογές αναερόβιας χώνευσης Χωματερές Πρωτοβάθμιες και βιολογικές λάσπες Αγροτικά απόβλητα Αγροτοβιομηχανικά απόβλητα Βιομηχανικά απόβλητα

12 Ιστορική αναδρομή εφαρμογής της αναερόβιας χώνευσης στην επεξεργασία των αποβλήτων Εμβολικής ροής (Plug Flow PF)/1981 Πλήρους ανάμιξης (Continuous Stired Tank Reactor CSTR) / 1981 Αβαθείς λίμνες (Anaerobic Lagoons ANL)/ 1940 Επαφής (Anaerobic Conduct Process ANCP)/ 1959 Ανοδικής ροής (Upflow Anaerobic Sludge Blanket UASB) / 1979 Φίλτρο (Anaerobic Filter ΑNF)/ Διαστελλόμενη Ρευστοστερεά Κλίνη (Expanded Fluidized Bed EFB) / Υβριδικός Αντιδραστήρας (Anaerobic Hybrid ANHYB) / 1994

13 Τεχνολογία Αναερόβιας Χώνευσης TS > 8-10% Plug Flow (PF) Continuous -stirred tank reactor (CSTR) Lagoon (ANL) Contact (ANCP) Σταδιακή

14 Τεχνολογία Αναερόβιας Χώνευσης TS < 8-10% Lagoon (ANL) Contact (ANCP) Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) Filters (ANF) Expanded/fluidized bed (EFB) Hybrids (ANHYB)

15 Τεχνολογία Αναερόβιας Χώνευσης % Διαλυτό COD > 80% Upflow Anaerobic Sludge Blanket UASB Anaerobic Filter ΑNF Expanded / Fluidized Bed EFB Anaerobic Hybrid ANHYB

16 Χαμηλής φόρτισης Τεχνολογίες < 2 kg TCOD/m3.d ή και λιγότερο Αβαθείς λίμνες με φυσική κάλυψη Αβαθείς λίμνες με συνθετική κάλυψη Εμβολική ροή PF Πλήρους αναδεύσεως CSTR

17 Μέσης φόρτισης Τεχνολογίες 2-5 kg TCOD/m 3.d Επαφής ANCP Sludge Blanket Reactor SBR

18 Υψηλής φόρτισης Τεχνολογίες 5-20 kg TCOD/m 3.d Upflow Anaerobic Sludge Blanket UASB Anaerobic Filter ΑNF Anaerobic Hybrid ANHYB

19 Πολύ υψηλής φόρτισης Τεχνολογίες > 20 kg TCOD/m 3.d Expanded/fluidized bed EFB

20 Όγκος αντιδραστήρα σε σχέση με την φόρτιση

21 Εγκαταστάσεις στον κόσμο μέχρι τα 08/2005 PF 41 CSTR 38 Staged 213 ANL 223 ANCP 380 UASB 1,114 ANF 206 EFB 428 Hybrid 104 Άλλες 11

22 Anaerobic Installations by Sector USA California Manure Beverage 22 3 Brewery 23 2 Candy 11 Dairy 29 2 Food 33 Fruit 9 5 MPF 54 Starch 9 Sugar 8 Vegetable 72 1 Total

23 Τεχνολογίες αναερόβιας χώνευσης Αβαθείς λίμνες (Lagoon)

24 Σχηματικό Διάγραμμα Αβαθών Αναερόβιων Λιμνών M

25 Αναερόβιες Αβαθείς Λίμνες Γενικά μη θερμαινόμενες Με φυσική ή συνθετική κάλυψη Βάθος: 1 με 6 m Υδραυλικός Χρόνος παραμονής HRT: 10 με 90 d Φόρτιση σε COD: 0.5 με 2 kg/m 3 -d Απομείωση COD: 30% με 90% Απομάκρυνση λάσπης: κάθε 2 με 5 χρόνια

26 Αναερόβια αβαθή Λίμνη

27 Αναερόβια αβαθή Λίμνη

28 Αναερόβια αβαθή Λίμνη

29 Αναερόβια αβαθή Λίμνη

30 Τεχνολογίες αναερόβιας χώνευσης Αβαθείς Αναερόβιες Λίμνες Εμβολικής ροής

31 Αναερόβιο Σύστημα Εμβολικής Ροής Σχηματικό Διάγραμμα CH 4 + CO 2 ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΑΠΟΒΛΗΤΟΥ ΥΠΕΡΧΕΙΛΙΣΗ ΑΝΑΕΡΟΒΙΟΣ ΧΩΝΕΥΤΗΡΑΣ

32 Τεχνολογίες αναερόβιας χώνευσης Αβαθείς Αναερόβιες Λίμνες Αντιδραστήρες επαφής

33 Αναερόβιος Χωνευτήρας Επαφής Σχηματικό Διάγραμμα M

34 Διεργασία επαφής Αναδευόμενος αντιδραστήρας, θερμαινόμενος, με ανακυκλοφορία της λάσπης καθώς και συλλογής του βιοαερίου Γενικά σύστημα απαέρωσης του εξερχόμενου αποβλήτου καθώς και σύστημα διαχωρισμού λάσπης Υδραυλικός χρόνος παραμονής HRT: 1 με 10 d Χρόνος παραμονής στερεών SRT: > 20 d Φόρτιση σε COD: 1 με 5 kg/m 3 -d Απομείωση COD: 70% με 95%

35 Διεργασία επαφής

36 Διεργασία επαφής

37 Τεχνολογίες αναερόβιας χώνευσης Αβαθείς Αναερόβιες Λίμνες Αντιδραστήρες επαφής UASB

38 Αναερόβιος Χωνευτήρας Ανοδικής Ροής (UASB) Σχηματικό Διάγραμμα

39 Απομάκρυνση COD: 80% με 95% Αντιδραστήρας UASB Θερμαινόμενος αντιδραστήρας, συλλογή βιοαερίου, ανακυκλοφορία του εξερχόμενου αποβλήτου με κατάλληλο διαχωριστή βιολογικής λάσπης καθώς και σύστημα τροφοδοσίας λάσπης. Πιθανή προεπεξεργασία και έλεγχο ως προς ph και VFA του εισερχόμενου αποβλήτου Υδραυλικός χρόνος παραμονής HRT: 0.25 to 1.5 d Χρόνος παραμονής στερεών SRT: > 100 d Τροφοδοσία σε COD: 5 με 20 kg/m 3 -d

40 Αντιδραστήρας UASB

41 Αντιδραστήρας UASB

42 Τεχνολογίες αναερόβιας χώνευσης Αβαθείς Αναερόβιες Λίμνες Αντιδραστήρες επαφής UASB Αναερόβια Βιολογικά Φίλτρα ANF

43 Αναερόβιο Βιολογικό Φίλτρο ANF Σχηματικό Διάγραμμα

44 Αναερόβιο Βιολογικό Φίλτρο Θερμαινόμενο, συλλογή βιοαερίου, ανακυκλοφορία εξερχόμενου αποβλήτου, περιέχει πληρωτικό υλικό Ανοδικής ή καθοδικής ροής Υδραυλικός χρόνος παραμονής HRT: 0.5 με 2 d Χρόνος παραμονής στερεών SRT: > 50 d Φόρτιση COD : 5 με 20 kg/m 3 -d απομείωση COD: 70% με 90%

45 Αναερόβιο Βιολογικό Φίλτρο

46 Αναερόβιο Βιολογικό Φίλτρο

47 Τεχνολογίες αναερόβιας χώνευσης Αβαθείς Αναερόβιες Λίμνες Αντιδραστήρες επαφής UASB Αναερόβια Βιολογικά Φίλτρα Διαστελλόμενη ρευστοστερεά κλίνη Expanded/fluidized bed ΕFB

48 Αναερόβια ρευστοστερεά κλίνη Σχηματικό Διάγραμμα

49 Διαστελλόμενη ρευστοστερεά κλίνη Θερμαινόμενη με συλλογή βιοαερίου και με ανακύκλωση των εξερχόμενων υγρών Υδραυλικός χρόνος παραμονής HRT:1 με 48 hrs Χρόνος παραμονής των στερεών SRT: > 100 d Φόρτιση σε COD : 10 με 40 kg/m 3 -d Απομείωση COD : 60% με 85%

50 Διαστελλόμενη ρευστοστερεά κλίνη

51 Διαστελλόμενη ρευστοστερεά κλίνη

52 Τεχνολογίες αναερόβιας χώνευσης Αβαθείς Αναερόβιες Λίμνες Αντιδραστήρες επαφής UASB Αναερόβια Βιολογικά Φίλτρα Διαστελλόμενη ρευστοστερεά κλίνη Expanded/fluidized bed Υβριδικός Αναερόβιος Αντιδραστήρας ΑΝΗΥΒ

53 Αναερόβιος Υβριδικός Αντιδραστήρας Σχηματικό Διάγραμμα

54 Αναερόβιος Υβριδικός Αντιδραστήρας Συνδυασμός διαφόρων τεχνολογιών Υδραυλικός χρόνος παραμονής HRT:-0.5 με 3 d Χρόνος παραμονής στερεών SRT: > 50 d Φόρτιση COD: 5 to 15 kg/m 3 -d Απομείωση COD: 70% to 95%

55 Αναερόβιος Υβριδικός Αντιδραστήρας

56 Αναερόβιος Υβριδικός Αντιδραστήρας

57 Ιδιότητες βιοαερίου 60-70% CH % CO 2 0-5% H % N 2 κορεσμένο σε υγρασία ίχνη H 2 S και άλλων αναγωγικών ενώσεων του S ίχνη NH 3 ίχνη siloxanes και άλλες silicons θερμικό περιεχόμενο (ξηρό) = 600 με 700 BTU/cf = 5400 με 6230 kcal/m 3

58 ΑΠΟ HE-101 Συλλογή και διαχείριση βιοαερίου ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ & ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΚΑΥΣΗ ΤΟΥ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ M-302 M PI 301 TIC 301 HE-301 TIC 302 M-303 M EG-301 G ALT-301 ASD-301 AR-301 L-302 M-301 M MIX-301 SL-301 C-301 L-301 L-303 V-304 V-305 D-301 TIC PI 302 TIC Chv-301 V-306 Chv-302 V-308 TIC P-301 P-302 P-303 P-304 M M M M M-304 M-305 M PI 304 Chv-303 Chv-304 V-320 V-321 V-316 M-307 ST-301 V-315 V-316 LG V-317 V-314 L-304 LG-301 M-308 M V-324 ΑΕΡΑΣ AF-301 V-303 E-301 E-302 V-302 ML-301 V-307 PI 303 V-309 V-318 V-319 L-306 PI V-313 TIC V-312 TIC V-310 V-311 TIC TIC HE-302 V-322 V-326 V-325 TIC TIC V-323 V-327 TIC TIC HE-303 M-309 M ST-302 V-331 V-332 V-329 LG V-328 V-333 V-330 LG-302 ΑΠΟ GH-201 V-301 PV-301 L-305 GLS-301 ΠΡΟΣ HE-101

59 Καυστήρας Βιοαερίου Ασφαλής μέθοδος διάθεσης Στο υψηλότερο σημείο του δικτύου των σωληνώσεων Ποικιλία τύπων

60 Πυρσός εδάφους

61 Πυρσός

62 Biogas Use Design Issues Gas volume/flow rate Average/Peak Storage User pressure requirements User cleanliness specifications Emissions/regulations

63 Αποθήκευση βιοαερίου Μεταβλητού όγκου Σταθερής πίεσης Σταθερού όγκου Υψηλής πίεσης

64 Operating Gas Pressure Reactor Pressure (affects reactor tank design) User application requirements CONVERSION SYSTEM TYPICAL PRESSURE RANGE IC ENGINE (naturally aspirated) 1-20 psig IC ENGINE (turbocharged) psig Boiler psig Gas Turbine psig Stirling Engine psig Microturbine psig Fuel Cell psig Absorption Chiller 5-10 WC

65 Καθαρισμός βιοαερίου Απομάκρυνση υγρασίας ρύθμιση θερμοκρασίας απομάκρυνση επιμολύνσεων

66 Απομάκρυνση υδροθείου Πρόσθεση σιδήρου στον χωνευτήρα σπόγγος σιδήρου Υγρή πλυντρίδα καταλυτική πλυντρίδα

67 Εκπομπές αέριων ρύπων επιτρέπονται μικρές ποσότητες περνούν στον αέρα NOx SOx Σωματίδια Κανονισμοί ανοικτής φλόγας (πυρσός)

68 Χρήσει βιοαερίου 1. Θερμό νερό/ παραγωγή ατμού 2. Μηχανική ενέργεια 3. Ηλεκτρική ενέργεια 4. Νέες τεχνολογίες

69 Χρήση βιοαερίου ανάλογα με την διατιθέμενη ποσότητά του 0 to 1.4 m 3 /h πηγένει στον πυρσό 1.4 to 4.2 m 3 /h στο υπάρχον σύστημα φυσικού αερίου ή στον βραστήρα Μεγαλύτερη από 4.2 m 3 /h παραγωγή ενέργειας

70 Θέρμανση Βραστήρες ενός καυσίμου διπλού καυσίμου Εναλλάκτες θερμότητας Raw waste vs recirculation Controls

71 Βραστήρες Common features Firebox boilers/water tube boilers Scotch marine boilers Combination boiler/heat exchanger

72 Εναλλάκτες θερμότητας Reactor design temperature F Steam heating/injection Raw waste heating Continuous sludge recirculation intermittent hot water recirculation max water temp of 155 F

73

74

75 Biogas Driven Equipment Sizing criteria Continuous operation desirable Life cycle costs must include annual maintenance costs

76 Power Generation User rates/demand charges Grid connection/self utilization Available funding Regulations

77 IC Gas Engines Cogeneration Sizing criteria Continuous operation desirable Life cycle costs must include annual maintenance costs Peak shaving may require auxiliary fuel Engine jacket and exhaust heat recovery

78 IC Engine Heat Recovery System External

79 Microturbines Components derived from aircraft power systems and automotive engine turbochargers Compressor Combustor Turbine Generator

80

81 Microturbine Biogas Installations Model Model No. of units Manufacturer Status name capacity running on (kw) biogas Capstone C30 Biogas 30 Commercial 215 Ingersoll Rand Eco Works 70&250 Commercial 10 ETTI Turbo Charger 100 Prototype 1 Gas Turbine (TCGT) 100 FlexEnergy Flex- 30 Prototype 1 Microturbine

82 STM Power Unit operating on methane gas from a wastewater treatment plant in Oregon.

83 Fuel Cells Applied by NASA in 1960 s

84 Comparison of Technologies Technology Recip Engine : NG Microturbine Combustion Stirling Engine Fuel Cell Size 30kW-6+MW kw MW kw kw Installed Cost ($/kw) 5,000Elec. Efficiency (LHV) Total Maintenance Costs($/kWh) Emissions (gm/bhp-hr) 700-1,200 1,200-1, , ,000-5, % 14-30% 21-40% 30% 36-50% NO X : CO:1-2 NO X : 9-50 CO: NO X : < 9-50 CO:< NO X : 0.5 NO X : <0.02 CO:< 0.01

85 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα» του ΕΜΠ έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.