ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑΣ ΧΩΝΕΥΣΗΣ

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑΣ ΧΩΝΕΥΣΗΣ Βλυσίδης Απόστολος Καθηγητής ΕΜΠ

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 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) /

4 Τεχνολογία Αναερόβιας Χώνευσης TS > 8-10% Plug Flow (PF) Continuous -stirred tank reactor (CSTR) Lagoon (ANL) Contact (ANCP) Σταδιακή 4

5 Τεχνολογία Αναερόβιας Χώνευσης TS < 8-10% Lagoon (ANL) Contact (ANCP) Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) Filters (ANF) Expanded/fluidized bed (EFB) Hybrids (ANHYB) 5

6 Τεχνολογία Αναερόβιας Χώνευσης % Διαλυτό COD > 80% Upflow Anaerobic Sludge Blanket UASB Anaerobic Filter ΑNF Expanded / Fluidized Bed EFB Anaerobic Hybrid ANHYB 6

7 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 7

8 Μέσης φόρτισης Τεχνολογίες 2-5 kg TCOD/m 3.d Επαφής ANCP Sludge Blanket Reactor SBR 8

9 Υψηλής φόρτισης Τεχνολογίες 5-20 kg TCOD/m 3.d Upflow Anaerobic Sludge Blanket UASB Anaerobic Filter ΑNF Anaerobic Hybrid ANHYB 9

10 Πολύ υψηλής φόρτισης Τεχνολογίες > 20 kg TCOD/m 3.d Expanded/fluidized bed EFB 10

11 Όγκος αντιδραστήρα σε σχέση με την φόρτιση 11

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

13 Anaerobic Installations 13 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

14 Τεχνολογίες αναερόβιας χώνευσης Αβαθείς λίμνες (Lagoon) 14

15 Σχηματικό Διάγραμμα Αβαθών Αναερόβιων Λιμνών M 15

16 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 16

17 Αναερόβια αβαθή Λίμνη 17

18 Αναερόβια αβαθή Λίμνη 18

19 Αναερόβια αβαθή Λίμνη 19

20 Αναερόβια αβαθή Λίμνη 20

21 Τεχνολογίες αναερόβιας χώνευσης Αβαθείς Αναερόβιες Λίμνες Εμβολικής ροής 21

22 Αναερόβιο Σύστημα Εμβολικής Ροής Σχηματικό Διάγραμμα CH 4 + CO 2 ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΑΠΟΒΛΗΤΟΥ ΥΠΕΡΧΕΙΛΙΣΗ ΑΝΑΕΡΟΒΙΟΣ ΧΩΝΕΥΤΗΡΑΣ 22

23 Τεχνολογίες αναερόβιας χώνευσης Αβαθείς Αναερόβιες Λίμνες Αντιδραστήρες επαφής 23

24 Αναερόβιος Χωνευτήρας Επαφής Σχηματικό Διάγραμμα M 24

25 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% 25

26 Διεργασία επαφής 26

27 Διεργασία επαφής 27

28 Τεχνολογίες αναερόβιας χώνευσης Αβαθείς Αναερόβιες Λίμνες Αντιδραστήρες επαφής UASB 28

29 29 Αναερόβιος Χωνευτήρας Ανοδικής Ροής (UASB) Σχηματικό Διάγραμμα

30 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 30 Απομάκρυνση COD: 80% με 95% Από τις παραδόσεις του μαθήματος 8 ου εξαμήνου Σχολής Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ

31 Αντιδραστήρας UASB 31

32 Αντιδραστήρας UASB 32

33 Τεχνολογίες αναερόβιας χώνευσης Αβαθείς Αναερόβιες Λίμνες Αντιδραστήρες επαφής UASB Αναερόβια Βιολογικά Φίλτρα ANF 33

34 Αναερόβιο Βιολογικό Φίλτρο ANF Σχηματικό Διάγραμμα 34

35 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 35 απομείωση COD: 70% με 90%

36 Αναερόβιο Βιολογικό Φίλτρο 36

37 Αναερόβιο Βιολογικό Φίλτρο 37

38 Τεχνολογίες αναερόβιας χώνευσης Αβαθείς Αναερόβιες Λίμνες Αντιδραστήρες επαφής UASB Αναερόβια Βιολογικά Φίλτρα Διαστελλόμενη ρευστοστερεά κλίνη Expanded/fluidized bed ΕFB 38

39 Αναερόβια ρευστοστερεά κλίνη Σχηματικό Διάγραμμα 39

40 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% 40

41 Διαστελλόμενη ρευστοστερεά κλίνη 41

42 Διαστελλόμενη ρευστοστερεά κλίνη 42

43 Τεχνολογίες αναερόβιας χώνευσης Αβαθείς Αναερόβιες Λίμνες Αντιδραστήρες επαφής UASB Αναερόβια Βιολογικά Φίλτρα Διαστελλόμενη ρευστοστερεά κλίνη Expanded/fluidized bed Υβριδικός Αναερόβιος Αντιδραστήρας ΑΝΗΥΒ 43

44 Αναερόβιος Υβριδικός Αντιδραστήρας Σχηματικό Διάγραμμα 44

45 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% 45

46 Αναερόβιος Υβριδικός Αντιδραστήρας 46

47 Αναερόβιος Υβριδικός Αντιδραστήρας 47

48 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 48

49 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 ΑΠΟ HE-101 ΠΡΟΣ HE

50 Καυστήρας Βιοαερίου Ασφαλής μέθοδος διάθεσης Στο υψηλότερο σημείο του δικτύου των σωληνώσεων Ποικιλία τύπων 50

51 Πυρσός εδάφους 51

52 Πυρσός 52

53 Πίεση λειτουργίας του Βιοαερίου Reactor Pressure (affects reactor tank design) User application requirements Σύστημα Μετατροπής IC ENGINE (naturally aspirated) IC ENGINE (turbocharged) Boiler Gas Turbine Stirling Engine Microturbine Fuel Cell Absorption Chiller τυπική πίεση 1-20 psig psig psig psig psig psig psig 5-10 WC 53

54 Απομάκρυνση υδροθείου Πρόσθεση σιδήρου στον χωνευτήρα σπόγγος σιδήρου Υγρή πλυντρίδα καταλυτική πλυντρίδα 54

55 Εκπομπές αέριων ρύπων επιτρέπονται μικρές ποσότητες περνούν στον αέρα NOx SOx Σωματίδια Κανονισμοί ανοικτής φλόγας (πυρσός) 55

56 Χρήσει βιοαερίου 1. Θερμό νερό/ παραγωγή ατμού 2. Μηχανική ενέργεια 3. Ηλεκτρική ενέργεια 4. Νέες τεχνολογίες 56

57 Χρήση βιοαερίου ανάλογα με την διατιθέμενη ποσότητά του 0 to 1.4 m 3 /h πηγαίνει 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 57

58 Σπουδαιότερες Αναερόβιες Διεργασίες Τύπος Μικροβιακής Ανάπτυξης Ανάπτυξη σε Διασπορά Ανάπτυξη σε Σταθερό υπόστρωμα Κοινή Ονομασία Διεργασία αναερόβιας Επαφής Upflow Anaerobic Sludge- Blanket (UASB) Αναερόβια Φίλτρα Διαστελόμενης κλίνης Expanded Bed Χρήση Απομάκρυνση ανθρακούχου BOD Απομάκρυνση ανθρακούχου BOD Απομάκρυνση ανθρακούχου BOD, Απονιτροποίηση Απομάκρυνση ανθρακούχου BOD, Απονιτροποίηση 58

59 Διεργασία Αναερόβιας Επαφής Τα ανεπεξέργαστα απόβλητα αναμιγνύονται με λάσπη που ανακυκλοφορεί μέσα σε έναν στεγανό χωνευτήρα Τα αιωρούμενα στερεά διαχωρίζονται από το ανάμικτο υγρό σε έναν διαυγαστήρα Η υπερχείλιση απορρίπτεται σαν επεξεργασμένο απόβλητο ενώ η καθιζάνουσα λάσπη επιστρέφει στον χωνευτήρα. 59

60 Πλεονεκτήματα/Μειονεκτήματα Αναερόβιας Διεργασίας Επαφής Πλεονεκτήματα Επιδέχεται αιωρούμενα στερεά στην είσοδο Παραλαμβάνεται το μεθάνιο Απαιτείται μικρή έκταση Τα οργανικά στερεά χωνεύονται Μειονεκτήματα Απαιτείται θέρμανση Το COD της εξόδου είναι σημαντικό και απαιτείται περαιτέρω επεξεργασία Απαιτούνται ειδικευμένες γνώσεις για την λειτουργία της μονάδας Η απορριπτόμενη λάσπη δεν είναι πλήρως χωνεμένη 60

61 ΧΩΝΕΥΤΗΡΑΣ ΣΤΑΘΕΡΟΥ ΟΓΚΟΥ ΕΜΒΟΛΙΚΗΣ ΡΟΗΣ CH 4 + CO 2 10 %< VSS ΥΠΕΡΧΕΙΛΙΣΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΑΠΟΒΛΗΤΟΥ ΑΝΑΕΡΟΒΙΟΣ ΧΩΝΕΥΤΗΡΑΣ 61

62 ΧΩΝΕΥΤΗΡΑΣ ΣΤΑΘΕΡΟΥ ΟΓΚΟΥ ΧΩΡΙΣ ΑΝΑΜΙΞΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΛΑΣΠΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΑΠΟΒΛΗΤΟΥ CH 4 + CO 2 ΥΠΕΡΧΕΙΛΙΣΗ ΑΝΑΕΡΟΒΙΟΣ ΧΩΝΕΥΤΗΡΑΣ 62

63 ΧΩΝΕΥΤΗΡΑΣ ΕΝΟΣ ΣΤΑΔΙΟΥ ΠΛΗΡΟΥΣ ΑΝΑΜΙΞΗΣ ΧΩΡΙΣ ΕΠΙΣΤΡΟΦΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΛΑΣΠΗΣ CH 4 + CO 2 60 g/l<cod<100 g/l 0 %< VSS < 10% ΥΠΕΡΧΕΙΛΙΣΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΑΠΟΒΛΗΤΟΥ ΑΝΑΕΡΟΒΙΟΣ ΧΩΝΕΥΤΗΡΑΣ ΔΙAΧΩΡΙΣΜΟΣ ΛΑΣΠΩΝ ΔΙΑ ΒΑΡΥΤΗΤΑΣ 63

64 ΧΩΝΕΥΤΗΡΑΣ ΕΝΟΣ ΣΤΑΔΙΟΥ ΠΛΗΡΟΥΣ ΑΝΑΜΙΞΗΣ ΜΕ ΕΠΙΣΤΡΟΦΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΛΑΣΠΗΣ CH 4 + CO 2 15 g/l<cod<60 g/l 0 %< VSS < 10% ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΑΠΟΒΛΗΤΟΥ ΥΠΕΡΧΕΙΛΙΣΗ ΠΑΧΥΝΤΗΡΑΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΟΣ ΧΩΝΕΥΤΗΡΑΣ ΠΕΡΙΣΕΙΑ ΛΑΣΠΗΣ 64

65 ΧΩΝΕΥΤΗΡΑΣ ΔΥΟ ΣΤΑΔΙΩΝ ΠΛΗΡΟΥΣ ΑΝΑΜΙΞΗΣ ΜΕ ΕΠΙΣΤΡΟΦΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΛΑΣΠΗΣ Η 2 + Η 2 S+ CO 2 CH 4 + CO 2 15 g/l<cod<60 g/l 0 %< VSS < 10% ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΑΠΟΒΛΗΤΟΥ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΠΡΟΥΔΡΟΛΥΣΗΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΟΣ ΧΩΝΕΥΤΗΡΑΣ ΥΠΕΡΧΕΙΛΙΣΗ ΠΑΧΥΝΤΗΡΑΣ ΠΕΡΙΣΕΙΑ ΛΑΣΠΗΣ 65

66 ΧΩΝΕΥΤΗΡΑΣ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΚΛΙΝΗΣ CH 4 + CO 2 ΥΠΕΡΧΕΙΛΙΣΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΑΠΟΒΛΗΤΟΥ ΑΝΑΕΡΟΒΙΟΣ ΧΩΝΕΥΤΗΡΑΣ ΔΙAΧΩΡΙΣΜΟΣ ΛΑΣΠΩΝ ΔΙΑ ΒΑΡΥΤΗΤΑΣ 66

67 ΧΩΝΕΥΤΗΡΑΣ UASB ΔΥΟ ΣΤΑΔΙΩΝ H 2 + CO 2 + H 2 S CH 4 + CO 2 ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΑΠΟΒΛΗΤΟΥ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΟΞΥΓΕΝΕΣΗΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΟΣ ΧΩΝΕΥΤΗΡΑΣ 67

68 ΧΩΝΕΥΤΗΡΑΣ ΡΕΥΣΤΟΣΤΕΡΕΑΣ ΚΛΙΝΗΣ H 2 + CO 2 + H 2 S CH 4 + CO 2 ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΑΠΟΒΛΗΤΟΥ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΟΞΥΓΕΝΕΣΗΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΟΣ ΧΩΝΕΥΤΗΡΑΣ 68

69 Anaerobic Clarigester Effluent Influent 69

70 UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket 70

71 71 EGSB Expanded Granular Sludge Blanket

72 Τι είναι κοκκώδη λάσπη 72

73 Πως δημιουργείται η κοκκώδη λάσπη 73

74 Πως είναι εσωτερικά ένας κόκκος; 74

75 Ιδιότητες καθίζησης της λάσπης 75

76 Οριακή ταχύτητα καθόδου των κόκκων v = 2r 2 g(ρ p -ρ w )/9N v = οριακή ταχύτητα r = ακτίνα του κόκκου g = επιτάγχυνση βαρύτητας ρ p = density of sludge particle ρ w = density of water Ν = viscosity 76

77 Πλεονεκτήματα/Μειονεκτήματα αντιδραστήρων UASB Πλεονεκτήματα Χαμηλή κατανάλωση ενέργειεας Μικρή εδαφική έκταση Χαμηλή παραγωγή λάσπης Έχει το χαμηλότερο κόστος εγκατάστασης από τις άλλες αναερόβιες Μεγάλη απόδοση στην αποδόμηση του οργανικού άνθρακα Μειονεκτήματα Μεγάλη περίοδο έναρξης Απαιτεί κοκκώδη λάσπη που είναι δύσκολο να επιτευχθεί Χάνεται σημαντική ποσότητα λάσπης κατά την έναρξη ώσπου να επιτευχθούν κοκκώδεις ιδιότητες Χαμηλότερη παραγωγή βιοαερίου από τις άλλες αναερόβιες τεχνικές 77

78 Συνδυασμένες Βιολογικές Διεργασίες Τύπος Διεργασίας Τύπος μικροβιακής ανάπτυξης Κοινή Ονομασία Χρησιμοποιείται για Ανοξική Σε διασπορά Απονιτροποίηση σε διασπορά Απονιτροποίηση Σε σταθερό υπόβαθρο Απονιτροπίηση σε σταθερό υπόβαθρο Απονιτροποίηση Συνδιασμένη Αερόβια, Ανοξική, και αναερόβια Διεργασία Σε διασπορά Σε σταθερό υπόβαθρο Ενός ή δύο σταδίων Α 2 Ο, διεργασία Ενός ή δύο σταδίων Α 2 Ο, διεργασία Απομάκρυνση ανθρακούχου BOD, οργανικού αζώτου και φωσφόρου Απομάκρυνση ανθρακούχου BOD, οργανικού αζώτου και φωσφόρου 78

79 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.