ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΣΤΙΚΩΝ ΣΤΕΡΕΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ: ΕΞΕΛΙΞΗ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ANAEROBIC TREATMENT OF MUNICIPAL SOLID WASTE: EVOLUTION AND PERSPECTIVES

Transcript

1 ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΣΤΙΚΩΝ ΣΤΕΡΕΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ: ΕΞΕΛΙΞΗ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ Γιαννόπουλος., Βουδριάς Ε., Αϊβαζίδης Α. Τµήµα Μηχανικών Περιβάλλοντος, ηµοκρίτειο Πανεπιστήµιο Θράκης Ξάνθη KEYWORDS: αναερόβια επεξεργασία, αστικά στερεά απόβλητα, Ξάνθη ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στόχος της εργασίας ήταν η αξιολόγηση, µέσω βιβλιογραφικής ανασκόπησης, της αναερόβιας επεξεργασίας ως εναλλακτικής µεθόδου διαχείρισης οργανικών αστικών στερεών αποβλήτων. Παρουσιάζεται η µικροβιολογία, τα λειτουργικά στάδια, και οι σπουδαιότερες παραλλαγές της αναερόβιας επεξεργασίας. Παρουσιάζονται επίσης σχεδιαστικά κριτήρια, οικονοµικά στοιχεία καθώς και σύγκριση µε την αερόβια κοµποστοποίηση. Τέλος, γίνεται µία ενδεικτική εφαρµογή σε διαστασιολόγηση αντιδραστήρων και παραγωγή βιοαερίου για το Νοµό Ξάνθης, χρησιµοποιώντας µεσόφιλες θερµοκρασίες και χαµηλή συγκέντρωση στερεών. ANAEROBIC TREATMENT OF MUNICIPAL SOLID WASTE: EVOLUTION AND PERSPECTIVES Giannopoulos, D., Voudrias, E., Aivazidis, A. Department of Environmental Engineering, Democritus University of Thrace GR , Xanthi, Greece SUMMARY The objective of this work was the evaluation, through literature review, of anaerobic digestion as an alternative treatment method of the organic fraction of municipal solid waste. We present the microbiology, the operation and the main methods of anaerobic digestion, along with design parameters. We also present cost estimates and comparison with aerobic composting. Finally, we present a case study for application of anaerobic digestion to organic solid waste of the Prefecture of Xanthi, Greece, using low solid concentration and mesophilic conditions. Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου

2 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στην παρούσα εργασία διερευνήθηκε, µέσω βιβλιογραφικής ανασκόπησης, ο ρόλος της αναερόβιας επεξεργασίας ως εναλλακτικής µεθόδου διαχείρισης των Αστικών Στερεών Αποβλήτων (ΑΣΑ). Στη διερεύνηση αυτή ελήφθησαν υπ όψιν: Οι κατευθύνσεις που προωθεί η Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ) µέσου του νοµικού πλαισίου και κυρίως της Οδηγίας 1999/31/ΕΚ για τον περιορισµό της εδαφικής διάθεσης των ΑΣΑ. Οι διεθνείς τάσεις στην διαχείριση των ΑΣΑ. Οι στόχοι της ΕΕ για αύξηση των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας. Οι υποχρεώσεις που απορρέουν για την Ελλάδα από τις διεθνείς συµβάσεις για περιορισµό των αερίων του θερµοκηπίου. Παρουσιάζεται, επίσης, ένα παράδειγµα εφαρµογής της αναερόβιας επεξεργασίας των οργανικών αστικών αποβλήτων στο Νοµό Ξάνθης. 2. ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Η µέθοδος αναερόβιας επεξεργασίας (anaerobic digestion), που αναφέρεται στην παρούσα εργασία, εξετάζει την επεξεργασία του οργανικού κλάσµατος των ΑΣΑ σε κλειστούς βιοαντιδραστήρες και κάτω από ελεγχόµενες συνθήκες. Στην πραγµατικότητα πρόκειται για µεταφορά των βιολογικών διεργασιών που υπόκεινται τα ΑΣΑ στους χώρους υγειονοµικής ταφής σε συστήµατα που επιτρέπουν αύξηση του ρυθµού παραγωγής βιοαερίου έως και 100 φορές περισσότερο. Ο βασικός στόχος της µεθόδου είναι η ανάκτηση ενέργειας, υπό µορφήν µεθανίου. ευτερεύων στόχος είναι η µείωση του όγκου και του βάρους των αποβλήτων, η βιολογική σταθεροποίησή τους, και η πιθανή ανάκτηση θρεπτικών µέσω της χρήσης του παραγόµενου υπολείµµατος ως εδαφοβελτιωτικού [1]. Το βιοαποδοµήσιµο µέρος του οργανικού κλάσµατος των ΑΣΑ µετατρέπεται βιολογικά, κάτω από αναερόβιες συνθήκες (απουσία οξυγόνου), σε βιοαέριο και σε ένα µερικώς σταθεροποιηµένο στερεό υλικό. Η βιολογική µετατροπή πραγµατοποιείται σε τρία στάδια, στο καθένα από τα οποία συµµετέχουν διαφορετικές οµάδες µικροοργανισµών [1,2]: (1) Το στάδιο της υδρόλυσης των βιοπολυµερών. (2) Το στάδιο της οξεογένεσης, δηλαδή παραγωγής πτητικών λιπαρών οξέων από τα προϊόντα του πρώτου σταδίου. (3) Το στάδιο της µεθανιογένεσης, δηλαδή της παραγωγής βιοαερίου από τα προϊόντα του δευτέρου σταδίου. 2.1 Λειτουργικά στάδια ενός συστήµατος αναερόβιας επεξεργασίας ΑΣΑ Ένα σύστηµα αναερόβιας επεξεργασίας περιλαµβάνει τέσσερα λειτουργικά στάδια: προεπεξεργασία, αναερόβια χώνευση του αποβλήτου, ανάκτηση και επεξεργασία του παραγόµενου βιοαερίου και επεξεργασία των προϊόντων της χώνευσης Κατά την προεπεξεργασία, τα εισερχόµενα απόβλητα υπόκεινται σε µια σειρά διεργασιών µε στόχο τον διαχωρισµό, ανάκτηση και προετοιµασία του οργανικού κλάσµατος των ΑΣΑ. Υλικά που περιέχονται στα ΑΣΑ και που ενδείκνυνται για αναερόβια επεξεργασία είναι τα τροφικά υπολείµµατα, τα απόβλητα κήπων και σε ορισµένες περιπτώσεις το χαρτί. Συχνά, γίνεται συνεπεξεργασία του οργανικού κλάσµατος των ΑΣΑ µε άλλα οργανικά υλικά, όπως βιολογική ιλύς, γεωργικά και βιοµηχανικά απόβλητα. Χρησιµοποιούνται διεργασίες όπως είναι ο τεµαχισµός του υλικού, η αποµάκρυνση των µεταλλικών αντικειµένων µέσω µαγνητικού διαχωρισµού και η αποµάκρυνση των προσµίξεων µε την χρήση κόσκινων ή χειροδιαλογής. Ένας εναλλάκτης θερµότητας φέρει τα απόβλητα στη θερµοκρασία λειτουργίας του αντιδραστήρα [3]. Τέλος, όταν η καταστροφή των παθογόνων είναι ελλιπής µέσω της χώνευσης, απαιτείται η ύπαρξη µιας Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου

3 δεξαµενής παστερίωσης, πριν ή µετά τον αντιδραστήρα, όπου τα απόβλητα παραµένουν στους 70 ο C για µία ώρα [2]. Το οργανικό υλικό οδηγείται στην συνέχεια στον αναερόβιο αντιδραστήρα, µε υδραυλικό χρόνο παραµονής µερικές ηµέρες. Ο αντιδραστήρας είναι κατασκευασµένος συνήθως από σκυρόδεµα, ενώ σπανιότερα χρησιµοποιούνται µεταλλικές κατασκευές, και είναι καλά µονωµένος για να περιορίζονται οι απώλειες θερµότητας. Σε γενικές γραµµές, αναµένουµε παραγωγή βιοαερίου από 100 έως 200 m 3 /tn οργανικών αποβλήτων που αποδοµείται [4]. Τα αέρια, υγρά και στερεά προϊόντα της χώνευσης απαιτούν συνήθως επεξεργασία πριν την επαναχρησιµοποίησή τους ή την τελική τους διάθεση. Η επεξεργασία του βιοαερίου περιλαµβάνει αφαίρεση του υδροθείου και της περιεχόµενης υγρασίας (Πίνακας 1). ιαχωρισµός και αφαίρεση του διοξειδίου του άνθρακα, βελτιώνει τα χαρακτηριστικά του βιοαερίου σε επίπεδα δικτύου φυσικού αερίου [5]. Το βιοαέριο αποθηκεύεται σε ειδικές δεξαµενές, και χρησιµοποιείται σε µηχανές συµπαραγωγής θερµικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Μέρος της παραγόµενης ενέργειας (20-40%) χρησιµοποιείται για την διατήρηση σταθερής θερµοκρασίας στον αντιδραστήρα και για τις υπόλοιπες ενεργειακές ανάγκες της εγκατάστασης. Η υπόλοιπη θερµική και ηλεκτρική ενέργεια πωλείται σε δραστηριότητες εκτός εγκατάστασης. 1,21 kg/m ΠΙΝΑΚΑΣ 1: Τυπικά χαρακτηριστικά του βιοαερίου Συστατικό Συγκέντρωση (% κ.ο.) Μεθάνιο (CH 4 ) ιοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) Νερό (H 2 O) 2 (20 ο C) 7 (40 ο C) Υδρόθειο (H 2 S) ppm Άζωτο (Ν 2 ) <2 Οξυγόνο (Ο 2 ) <2 Υδρογόνο (Η 2 ) <1 Πυκνότητα (60% CH 4, 38% CO 2, 2% άλλα αέρια) 1 Θερµογόνος δύναµη βιοαερίου MJ/Νm 3 Πηγή: [5,6] Το µερικώς σταθεροποιηµένο υλικό που προκύπτει κατά την αναερόβια επεξεργασία απαιτεί µείωση υγρασίας, που πραγµατοποιείται µέσω παχυντών βαρύτητας και συστηµάτων φυγοκέντρισης. Το υγρό κλάσµα που προκύπτει ανακυκλοφορείται για την ρύθµιση της υγρασίας στα εισερχόµενα απόβλητα, ενώ το πλεόνασµα, λόγω των αυξηµένων συγκεντρώσεων ρύπων (COD της τάξης των mg/l, λόγος COD/BOD = 4-11, αµµωνιακό άζωτο έως και 1.200mg/l [6,7], απαιτεί προχωρηµένες τεχνολογίες επεξεργασίας. Επιτυχής µέθοδος για την αποµάκρυνση των ρυπαντών φαίνεται να είναι ο συνδυασµός αντιδραστήρα προσκολληµένης βιοµάζας για την νιτροποίηση-απονιτροποίηση που ακολουθείται από µονάδα αντίστροφης όσµωσης [6]. Το στερεό κλάσµα που προκύπτει από την αφυδάτωση της χωνεµένης ιλύος απαιτεί αερόβια µετεπεξεργασία για 2-3 εβδοµάδες. Από αυτή την διαδικασία παράγεται ένα υλικό που έχει τα χαρακτηριστικά του κοµπόστ και µπορεί και να χρησιµοποιηθεί στη γεωργία, σε ιδιωτικούς κήπους, σε αναπλάσεις τοπίου ή να χρησιµοποιηθεί ως κάλυµµα σε ΧΥΤΑ. Η χρήση και η τιµή πώλησης του κοµπόστ εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από την ποιότητά του. Για τα προϊόντα της χώνευσης ο πρώτος και σηµαντικότερος κανόνας είναι ο εξής: «Το παραγόµενο κοµπόστ ποτέ δεν έχει καλύτερη ποιότητα από αυτή των εισερχοµένων αποβλήτων» [6]. Ως εκ τούτου, Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου

4 συνιστάται µόνον η επεξεργασία ΑΣΑ διαχωρισθέντων στην πηγή, για την παραγωγή υψηλής ποιότητας κοµπόστ, απαλλαγµένου από προσµίξεις (µέταλλα, γυαλιά, πλαστικά) και ρύπους (βαρέα µέταλλα, αλογονοµένους υδρογονάνθρακες, βερνίκια) [6]. Η εµπειρία από Ευρωπαϊκές χώρες δείχνει πως κοµπόστ που πληροί τις ελάχιστες προδιαγραφές ποιότητας εφαρµόζεται κατά κύριο λόγο στην γεωργία µε µηδενική ή µικρή τιµή πώλησης (0-3 /τόνο). Σε ορισµένες χώρες η τιµή πώλησης υψηλής ποιότητας κοµπόστ µπορεί είναι και υψηλότερη (20-40 /τόνο), σε περιορισµένες όµως ποσότητες και έπειτα από σηµαντικό εξευγενισµό [8]. 2.2 Μέθοδοι αναερόβιας επεξεργασίας Η ταξινόµηση των µεθόδων της αναερόβιας επεξεργασίας γίνεται µε βάση [4]: Τον αριθµό των αντιδραστήρων που χρησιµοποιούνται, σε µεθόδους ενός σταδίου, όταν όλα τα στάδια της βιολογικής µετατροπής πραγµατοποιούνται σε έναν αντιδραστήρα και πολλών σταδίων όταν η υδρόλυση και η µεθανιογένεση πραγµατοποιούνται σε ξεχωριστούς αντιδραστήρες. Την συγκέντρωση στερεών στον αντιδραστήρα σε χαµηλής συγκέντρωσης στερεών ( wet digestion, <10%TS) και σε υψηλής συγκέντρωσης στερεών ( dry digestion, 20-40%TS). Στις µεθόδους χαµηλής συγκέντρωσης στερεών χρησιµοποιούνται αντιδραστήρες πλήρους αναµίξεως (CSTR), ενώ στις µεθόδους υψηλής συγκέντρωσης στερών αντιδραστήρες εµβολικής ροής (PFR). Υπάρχουν επίσης οι αντιδραστήρες Batch που λειτουργούν συνήθως σε υψηλή συγκέντρωση στερεών. Την θερµοκρασία λειτουργίας σε µεσόφιλες (35-37 ο C) και σε θερµόφιλες (55 ο C). ΠΙΝΑΚΑΣ 2: Λειτουργικές παράµετροι για αναερόβια επεξεργασία οργανικών ΑΣΑ διαχωρισθέντων στην πηγή, σε σύστηµα ενός σταδίου. Μέθοδος Μεσόφιλες θερµοκρασίες- Χαµηλή συγκέντρωση στερεών Μεσόφιλες θερµοκρασίες- Μέση συγκέντρωση στερεών Θερµόφιλες θερµοκρασίες- Μέση συγκέντρωση στερεών Μεσόφιλες θερµοκρασίες- Υψηλή συγκέντρωση στερεών Θερµόφιλες θερµοκρασίες- Υψηλή συγκέντρωση στερεών Συνεπεξεργασία Αποβλήτων Λειτουργικές συνθήκες HRT: d OLR: 1-4 kg HRT: d OLR: 3-4 kg HRT: d OLR: 8-12 kg HRT: d OLR: 3-4 kg HRT: d OLR: 4-6 kg HRT: d OLR: 1,9-3,9 kg Πηγή: [10]. HRT=υδραυλικός χρόνος παραµονής, OLR=ρυθµός οργανικής φόρτισης Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου

5 Οι πλέον γνωστές µέθοδοι αναερόβιας επεξεργασίας είναι η Dranco, η Valorga και η Kompogas, οι οποίες λειτουργούν σε ένα στάδιο και µε υψηλή συγκέντρωση στερεών. Επίσης σε ένα στάδιο αλλά µε χαµηλή συγκέντρωση στερεών λειτουργούν οι µέθοδοι Wassa και BTA. Η χρήση συστηµάτων δύο σταδίων παρόλο που επιλύει ορισµένα τεχνικά προβλήµατα, αποφεύγεται συνήθως διότι το κόστος της µονάδας είναι υψηλότερο από το αντίστοιχο των απλούστερων σε λειτουργία αλλά εξίσου αποδοτικών συστηµάτων ενός σταδίου. Σήµερα µόλις το 10% των µονάδων (8 µονάδες) λειτουργούν στην Ευρώπη µε σύστηµα δύο σταδίων [9]. Οι σηµαντικότερες µέθοδοι δύο σταδίων µε λειτουργία σε χαµηλή συγκέντρωση στερεών είναι η ΒΤΑ και η Pacques, ενώ µε λειτουργία σε υψηλή συγκέντρωση στερεών είναι η Biopercolat. Τέλος, η κύρια µέθοδος συστηµάτων Batch, είναι η Biocel. Παράµετροι σχεδιασµού για οργανικά ΑΣΑ διαχωρισθέντα στην πηγή σε σύστηµα ενός σταδίου παρουσιάζονται στον Πίνακα 2. Το ζητούµενο στην διαστασιολόγηση των µονάδων αναερόβιας επεξεργασίας δεν είναι τόσο η σταθεροποίηση του υλικού, όσο η επιδίωξη για αυξηµένη παραγωγή βιοαερίου. Η τελική ωρίµανση του υλικού πραγµατοποιείται εξάλλου στην συνέχεια µέσω αερόβιας χώνευσης [10]. Στόχος εποµένως είναι η εφαρµογή υψηλών ρυθµών οργανικής φόρτισης και περιορισµένου χρόνου παραµονής. 3. ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Τα διαθέσιµα οικονοµικά στοιχεία της αναερόβιας επεξεργασίας είναι περιορισµένα. Στο Σχήµα 1, γίνεται σύγκριση του κόστους της αναερόβιας επεξεργασίας, µε τρεις διαφορετικές µεθόδους κοµποστοποίησης µε στοιχεία από την Ολλανδία [11]. Το κόστος υπολογίζεται για διάρκεια ζωής του έργου χρόνια, συντελεστή επικαιροποίησης 8%, κόστος συντήρησης 1-3% του επενδυτικού κόστους, τιµή πώλησης της ενέργειας που παράγεται από την µετατροπή του βιοαερίου 0,05$/kWh. εν περιλαµβάνονται τα έσοδα από την πώληση του κοµπόστ, το κόστος διαχωρισµού του οργανικού υλικού, το κόστος γης και οι φόροι. Σχήµα 1: Ετήσιο κόστος αναερόβιας επεξεργασίας και κοµποστοποίησης [11]. Η αναερόβια επεξεργασία παρουσιάζει υψηλότερο κόστος έναντι της κοµποστοποίησης. Είναι όµως σηµαντικό να τονιστεί το γεγονός ότι υπάρχει σαφής τάση συνεχούς µείωσης του κόστους µε Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου

6 την πάροδο του χρόνου, Αυτό οφείλεται κυρίως στην βελτίωση της τεχνολογίας, στην αύξηση του ανταγωνισµού µεταξύ των εταιριών και στην σηµαντική αύξηση του αριθµού νέων µονάδων. Επίσης, όπως είναι και αναµενόµενο, το µέσο κόστος µειώνεται σηµαντικά όταν το µέγεθος των µονάδων αυξάνει. 4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ Μέθοδοι επεξεργασίας των ΑΣΑ, όπως είναι η αναερόβια επεξεργασία, η κοµποστοποίηση και η καύση, δύσκολα προς το παρόν µπορούν να ανταγωνισθούν την υγειονοµική ταφή, λόγω κυρίως του χαµηλότερου κόστους που παρουσιάζει η τελευταία. Οι περιορισµοί όµως, που τίθενται από την Οδηγία 1999/31/ΕΚ, αναµένεται να προκαλέσουν σηµαντικές εξελίξεις στην διαχείριση των ΑΣΑ. Τόσο η κοµποστοποίηση όσο και η αναερόβια επεξεργασία δύνανται να διαχειρισθούν ικανοποιητικά ορισµένα ιδιαιτέρως προβληµατικά κλάσµατα των ΑΣΑ, όπως είναι τα τροφικά υπολείµµατα και τα απόβλητα κήπων, και να συνδυαστούν µε ένα εκτενές πρόγραµµα ανακύκλωσης των ανόργανων υλικών, του χαρτιού και του πλαστικού. Η τελική επιλογή µεταξύ των δύο εξαρτάται σηµαντικά από το είδος των αποβλήτων. Γενικά, η αναερόβια επεξεργασία είναι περισσότερο αποτελεσµατική για απόβλητα µε υψηλό περιεχόµενο υγρασίας και αυξηµένο ποσοστό σε λίπη. Αντιθέτως, η κοµποστοποίηση είναι αποτελεσµατικότερη για την επεξεργασία αποβλήτων µε υψηλό περιεχόµενο λιγνίνης, βασικό συστατικό των αποβλήτων κήπου, διότι τα αναερόβια βακτήρια παρουσιάζουν µειωµένη ικανότητα βιοδιάσπασης της εν λόγω ουσίας [12]. Τα ελληνικά ΑΣΑ χαρακτηρίζονται από υψηλό περιεχόµενο υγρασίας, και πιθανόν αυξηµένη περιεκτικότητα σε λίπη (δεν υπάρχουν συγκεκριµένες µελέτες), ενώ το ποσοστό των αποβλήτων κήπου είναι ιδιαίτερα χαµηλό. Εάν αυτές οι υποθέσεις ευσταθούν, από τεχνικής σκοπιάς η αναερόβια επεξεργασία ίσως να είναι προτιµότερη. Ένα ακόµη ιδιαίτερο πλεονέκτηµα της αναερόβιας επεξεργασίας είναι η δυνατότητα να επεξεργάζεται απόβλητα µε χαµηλό περιεχόµενο σε απόβλητα κήπων, ξύλα, άχυρα και άλλα υλικά που είναι απαραίτητα για την διάχυση του αέρα και την µείωση της συνεκτικότητας των αποβλήτων κατά την κοµποστοποίηση. Οι υπάρχουσες συνθήκες που επικρατούν στην Ελλάδα, σε αντίθεση µε ότι συµβαίνει σε πολλές άλλες χώρες της Ευρώπης, περιορίζουν τις διαθέσιµες επιλογές για την διαχείριση των ΑΣΑ µέσω των βιολογικών µεθόδων. Τα σηµαντικότερα στοιχεία των συνθηκών αυτών είναι: Η περιορισµένη εφαρµογή της διαλογής στην πηγή, η οποία θα επέτρεπε την ευέλικτη διαχείριση των ΑΣΑ, και που παρουσιάζει συγκεκριµένες προεκτάσεις, όπως είναι η ποιότητα του παραγόµενου κοµπόστ και ο βαθµός καθαρότητας των ανακυκλώσιµων υλικών. Απαιτούνται τουλάχιστον 5-10 χρόνια για ικανοποιητική προσαρµογή των πολιτών σε ένα τέτοιο σύστηµα. Η περιορισµένη γνώση για την εφαρµογή καθώς και η αποδοχή του κοµπόστ από τους Έλληνες αγρότες. Η περιορισµένη ανάπτυξη υποδοµών για την µεταφορά και εµπορία υλικών όπως το κοµπόστ και το βιοαέριο, απαραίτητες προϋποθέσεις για την ανάπτυξη των βιολογικών µεθόδων. Συνεπώς για την επίτευξη των στόχων της Οδηγίας 1999/31/ΕΚ οι δυνατότητες που υπάρχουν πέραν της προσπάθειας µείωσης των αποβλήτων στην πηγή, είναι πρώτον η καύση, µε τις όποιες επιπτώσεις, και δεύτερον η αναερόβια επεξεργασία και η κοµποστοποίηση µε την αποδοχή εκ µέρους των µελετητών ότι, για τα επόµενα 5-10 τουλάχιστον χρόνια, είναι σχεδόν αδύνατη η παραγωγή τέτοιας ποιότητας κοµπόστ που θα τύγχανε ευρείας εφαρµογής από την ελληνική γεωργία. Με αυτή την προοπτική και µε βάση µια εθνική και περιφερειακή ανάλυση η αναερόβια επεξεργασία έχει δυνατότητες ανάπτυξης µε στόχο µόνο την παραγωγή βιοαερίου, την µείωση του όγκου και του βάρους των παραγόµενων βιοαποδοµήσιµων αποβλήτων και την σταθεροποίησή Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου

7 τους. Το σταθεροποιηµένο υλικό εφόσον δεν πληροί τις προδιαγραφές ποιότητας για την γεωργία, µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την διαµόρφωση τοπίων, ως κάλυµµα σε ΧΥΤΑ ή τέλος να οδηγηθεί σε εδαφική διάθεση. 5. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΤΟ Ν. ΞΑΝΘΗΣ 5.1 ιαστασιολόγηση βιοαντιδραστήρα Στην συνέχεια παρουσιάζεται η µεθοδολογία υπολογισµού των τεχνικών χαρακτηριστικών αναερόβιου αντιδραστήρα στον Ν. Ξάνθης. Ως παράδειγµα επιλέγουµε την διαστασιολόγηση αναερόβιου αντιδραστήρα για µεσόφιλες θερµοκρασίες-χαµηλή συγκέντρωση στερεών. Κατ αρχάς υπολογίζουµε την ποσότητα του οργανικού υλικού που εισέρχεται στον αντιδραστήρα στην αρχή και στο τέλος της εικοσαετίας. Για τον Ν. Ξάνθης (~ κατ.) διαθέτουµε στοιχεία για την παραγωγή ΑΣΑ µε βάση τις µετρήσεις του Συνδέσµου ιαχείρισης Αποβλήτων Ν. Ξάνθης. Θεωρούµε µέση ετήσια αύξηση στην παραγωγή αποβλήτων ίση µε 0,65%. ΠΙΝΑΚΑΣ 3. Υπολογισµός των παραγοµένων ποσοτήτων, που οδηγούνται σε αναερόβια επεξεργασία Ποσότητες ΑΣΑ 83,09 94,58 (tn/d) 1 Συµµετοχή: 80% 2 0,8 0,8 Βαθµός 0,45 0,55 διαχωρισµού 3 Τροφικά υπολείµµατα Ποσοστό επί των 0,47 0,47 ΑΣΑ Ποσότητες (tn/d) 4 14,06 19,56 Χαρτί (20% επί της συνολικής παραγωγής) Επιλογή: 20% 2 0,2 0,2 Ποσοστό επί των 0,2 0,2 ΑΣΑ Ποσότητες (tn/d) 4 1,20 1,66 Απόβλητα κήπων Ποσοστό επί των 0,015 0,015 ΑΣΑ Ποσότητες ( tn/d) 4 0,45 0,62 Σύνολο 15,70 21,85 Ηµερήσια εισερχόµενη ποσότητα OFMSW 14,92 20,76 στον αντιδραστήρα (tn/d) 5 1 Σ..Α.Ν.Ξ., 2 Υπόθεση, 3 Nilsson, 1996, 4 (Ποσότητα κάθε κλάσµατος) = (Ποσότητα ΑΣΑ) x (Συµµετοχή) x (Βαθµός διαχωρισµού) x (Ποσοστό κλάσµατος επί των ΑΣΑ), 5 Αφαιρέθηκε το ποσοστό 5% που αποµακρύνεται κατά την προεπεξεργασία. Στον αντιδραστήρα καταλήγουν τα τροφικά υπολείµµατα, ένα ποσοστό του χαρτιού και το σύνολο των αποβλήτων κήπου. Θεωρούµε σταθερή σύνθεση αποβλήτων κατά την διάρκεια της 20ετίας Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου

8 (47% τροφικά υπολείµµατα, 20% χαρτί και 1,5% απόβλητα κήπων (µέση ποιοτική σύνθεση σε επίπεδο χώρας). Για το χαρτί θεωρούµε πως ο κύριος όγκος (εφηµερίδες, περιοδικά, χαρτί συσκευασιών, χαρτόνι) οδηγείται σε ανακύκλωση. Σε αναερόβια επεξεργασία υποθέτουµε ότι οδηγείται το χαρτί που από την φύση του είναι δύσκολο να διαχωριστεί (π.χ. χαρτί κουζίνας, χαρτί συσκευασίας τροφίµων, χαρτί υγείας, χαρτί µε υψηλή υγρασία) και που δηµιουργεί προβλήµατα στην ανακύκλωση. Έστω ότι αυτό το κλάσµα αναλογεί στο 20% της συνολικής ποσότητας του χαρτιού. Θεωρούµε ότι το οργανικό κλάσµα των ΑΣΑ διαχωρίζεται στην πηγή µε βαθµό διαχωρισµού 47% [13], ενώ σταδιακά ο πληθυσµός εξοικειώνεται και ως εκ τούτου ο βαθµός διαχωρισµού αυξάνει. Επίσης, υποθέτουµε 80% συµµετοχή του πληθυσµού, αµελητέα επίπτωση των ποσοτήτων προσµίξεων στους υπολογισµούς και αποµάκρυνση βιοαποδοµήσιµου υλικού κατά την προεπεξεργασία ίση µε 5%. Με τις υποθέσεις αυτές υπολογίζουµε ότι για το έτος ,92 tn/d οργανικού υλικού οδηγούνται σε αναερόβια επεξεργασία. Η αντίστοιχη ποσότητα για το 2024 είναι 20,76 tn/d (Πίνακας 3). Τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των εισερχοµένων αποβλήτων παρουσιάζονται στον Πίνακα 4. Υποθέτουµε περιεχόµενο ολικών στερεών των αποβλήτων (%TS) ίσο µε 25%, ποσοστό πτητικών στερεών επί των ολικών στερεών (TVS/TS) ίσο µε 80% [10], περιεχόµενο ολικών στερεών µετά την αραίωση ίσο µε 10% και πυκνότητα αποβλήτων έπειτα από αραίωση ίση µε 1000 (kg/m 3 ). ΠΙΝΑΚΑΣ 4. Ποιοτικά χαρακτηριστικά των εισερχοµένων αποβλήτων Έτος Ποσότητες οργανικών αποβλήτων (kg OFMSW/d) TS (kg TS/d) Υγρασία (75%) Ποσότητα έπειτα από αραίωση σε 10% TS (kg /d) (π.χ. =100x3.730/10) Προσθήκη υγρασίας (kg H 2 O/d) Πυκνότητα αποβλήτων (kg/m 3 ) Ποσότητα έπειτα από αραίωση σε m 3 /d 37,3 51,9 TVS, 80%TS (kg TVS/d) Ο απαιτούµενος όγκος του αντιδραστήρα υπολογίζεται σύµφωνα µε την εξίσωση: Όγκος αντιδραστήρα [m 3 ] = Ηµερήσια εισροή πτητικών [kg TVS/d]/ OLR [kg ] Για µεσόφιλες θερµοκρασίες-χαµηλή συγκέντρωση στερεών από τον Πίνακα 2 ισχύει: HRT: d, OLR: 1-4 kg. Επί πλέον, θα πρέπει να ελεγχθεί εάν ο όγκος που υπολογίσθηκε ικανοποιεί το κριτήριο του υδραυλικού χρόνου παραµονής, ο οποίος υπολογίζεται από την εξίσωση: HRT [d] = Όγκος αντιδραστήρα [m 3 ]/ Ηµερήσια εισροή αποβλήτων [m 3 /d] Ακολουθώντας την ανωτέρω προσέγγιση, µπορούµε να επαναλάβουµε τους υπολογισµούς, ώστε να πληρούται τόσο το κριτήριο του ρυθµού οργανικής φόρτισης, όσο και το κριτήριο του υδραυλικού χρόνου παραµονής για τον ορίζοντα εικοσαετίας. Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου

9 Οι υπολογισµοί αρχικά γίνονται για τις συνθήκες του 2004 και παρουσιάζονται στον Πίνακα 5, µε βήµα οργανικής φόρτισης 0,2 kg. Στην συνέχεια εκτελούµε την αντίστροφη διαδικασία. Με δεδοµένες τις τιµές του όγκου για το 2004, θα δούµε αν εξασφαλίζεται ικανοποιητική απόδοση του συστήµατος για τις ποσότητες του 2024 µε βάση τις συνθήκες που ορίσθηκαν. Παρατηρούµε ότι για τιµές όγκου µεταξύ 1029 και 1105 m 3 ικανοποιούνται οι απαιτήσεις για την εικοσαετία. Επιλέγουµε συνεπώς την ελάχιστη δυνατή τιµή V 1030m 3. Το σύστηµα αρχίζει την λειτουργία µε OLR = 2,9 kg TVS/m 3 /d και HRT = 27,6 d (2004) και σταδιακά προσαρµόζεται σε OLR = 4,0 kg TVS/m 3 /d και HRT = 19,8 d σε µια 20ετία. Παρόµοιες προσεγγίσεις χρησιµοποιούνται και για τα άλλα σενάρια επεξεργασίας, π.χ., υψηλή συγκέντρωση στερεών. ΠΙΝΑΚΑΣ 5. Υπολογισµοί για µεσόφιλες θερµοκρασίες και χαµηλή συγκέντρωση στερεών Συνθήκες 2004 Ροή πτητικών 2984 kg TVS/d - Εισροή έπειτα από αραίωση σε 10%TS = 37.3 m 3 /d OLR (kg TVS/m 3 /d) V(m 3 ) HRT (d) Συνθήκες 2024 Ροή πτητικών 4152 kg TVS/d - Εισροή έπειτα από αραίωση σε 10%TS = 51,9 m 3 /d V(m 3 ) (Από συνθήκες 2004) OLR (kg TVS/m 3 /d) HRT (d) Τα έντονα γράµµατα (Bold) δηλώνουν τις εν δυνάµει τιµές του όγκου του αντιδραστήρα που πληρούν τα κριτήρια σχεδιασµού: HRT: d, OLR: 1-4 kg. 5.2 Παραγωγή βιοαερίου Για τον υπολογισµό του θεωρητικά παραγόµενου βιοαερίου κατά την αναερόβια βιοαποδόµηση χρησιµοποιείται η παρακάτω εξίσωση στοιχειοµετρίας. Ο εµπειρικός χηµικός τύπος του οργανικού αποβλήτου C 22,7 H 36,4 O 13,6 N υπολογίσθηκε µε βάση την σύνθεσή του (τροφικά υπολείµµατα, χαρτί κ.λπ.) C 22,7 H 36,4 O 13,6 N + 7,55 H 2 O 12,12 CH ,57 CO 2 + NH 3 Οπότε από 100 kg οργανικού υλικού, δηλαδή 25 kg ξηρής ουσίας παράγεται: Μεθάνιο = (194/540)(25) = 8,98 kg ή 12,53 m 3 σε 0 ο C, 1Atm ιοξείδιο του άνθρακα = (465/540)(25) = 21,5 kg ή10,88 m 3 σε 0 ο C, 1Atm Η σύνθεση του βιοαερίου που προκύπτει έχει ως εξής: Μεθάνιο = 12,53/(10,88+12,53) = 53,5% και διοξείδιο του άνθρακα = 46,5% κατ όγκον. Πρέπει να τονιστεί ότι η σύνθεση του βιοαερίου εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως ph, θερµοκρασία, στάδια επεξεργασίας, την σύνθεση του αποβλήτου (πρωτεΐνες, λίπη) κλπ. Μπορεί να προσδιοριστεί στην συνέχεια η θεωρητική παραγωγή βιοαερίου ως προς τα εισερχόµενα απόβλητα: (12,53m 3 +10,88m 3 )/25kg = 0,94m 3 /kg ξηράς οργανικής ουσίας ή (12,53m 3 +10,88m 3 )/100kg = 0,234m 3 /kg υγράς οργανικής ουσίας Αν επίσης θεωρήσουµε 80% TVS/TS και υποθέσουµε 50% καταστροφή πτητικών [14] κατά την αναερόβια επεξεργασία, τότε έχουµε: Θεωρητική παραγωγή βιοαερίου = (0,8% TVS/TS)(0,5)(0,94m 3 / kg TS) = 0,376m 3 / kg TVS Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου

10 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Tchobanoglous G., H. Theisen and S. Vigil, (1993). Integrated solid waste management Engineering principles and management issues, McGraw-Ηill, New York. 2. Al Seadi T., (without year) Good practice in quality management of AD residues from biogas production. In: Task 24: Energy from biological conversion of organic waste. International Energy Agency- Bioenergy Vandevivere P., L. De Baere and W. Verstraete, (2003). Types of anaerobic digesters for solid wastes. In: Mata-Alvarez J. (Ed.) Biomethanization of the organic fraction of municipal solid waste, pp IWA Publishing Verma S., (2002). 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. earth/vermathesis.pdf 5. IEA-Bioenergy (a) (without year): Biogas upgrading and utilization. In: Task 24: Energy from biological conversion of organic waste. International Energy Agency- Bioenergy.Κοινοτική Οδηγία 1999/31/ΕΚ: Περί υγειονοµικής ταφής των αποβλήτων. htm 6. Edelmann W., (2003). Products, impacts and economy of anaerobic digestion of OFMSW. In: Mata-Alvarez J. (Ed.) Biomethanization of the organic fraction of municipal solid waste, pp IWA Publishing. 7. Linde- KCA- Dresden GmbH (without year). Linde technologies for waste fermentation. ιαφηµιστικό φυλλάδιο. 8. EEA, (2002). Biodegradable municipal waste management in Europe Part3: Technology and market issues, Topic report No 15/2001. European Environment agency, Copenhagen, Denmark De Baere L., (2003). State-of-the-art of anaerobic digestion of municipal solid waste. In: Proc. 9 th Int. Waste Management and Landfill Symposium, 6-10 October, Sardinia, Italy. 10. Cecchi F., P. Traverso, P. Pavan, D. Bolzonella and L. Innocenti, (2003). Characteristics f 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. 11. Oorthuys T. and H. Scharff, (1996). Operational aspects of aerobic and anaerobic treatment of biowaste in the Netherlands. In: In: Hansen J. A. (Ed.) Management of urban biodegradable wastes, pp ISWA. 12. European Commission, (2003). Draft discussion document for the AD HOC meeting on Biowastes and sludges January Brussels. Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου

11 13. Nilsson P., (1996). Separate collection of biowaste from households- Report on a largescale pilot project in the city of Copenhagen. In: Hansen J. A. (Ed.) Management of urban biodegradable wastes, pp ISWA. 14. Schmit K. H. and T. G. Ellis (without year): Comparison of temperature phased and other state of the art processes for anaerobic digestion of municipal solid waste. Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου