ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ

Transcript

1 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 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 Μέτρηση της έντασης της ρύπανσης 3

4 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΑΠΑΙΤΗΣΗΣ ΟΞΥΓΟΝΟΥ 100% ThOD TOD OXYGEN DEMAND Non degradable COD TOTAL ORGANIC CARBON TOC ThOC 100% BOD Cells yield 4

5 ΔΕΙΚΤΗΣ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑΣ COD/BOD >2.3 τοξικό υπόστρωμα COD/BOD <2.3 μη τοξικό υπόστρωμα 5

6 ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΟΙ ΔΡΟΜΟΙ ΓΙΑ ΤΗΝ ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟC, TKN και Ρ COD/BOD<2.3 ΒΙΟΛΟΓ ΙΚΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗ Βιομηχανικά απόβλητα ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΜΕΝΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ COD/BOD>2.3 XHMIKH ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΒΙΟΛΟΓ ΙΚΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΒΙΟΛΟΓ ΙΚΕΣ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΕΣ ΛΑΣΠΕΣ 6

7 Θρεπτικά ( C,N,P, ιχνοστοιχεία) Προϊόντα βιοαντιδράσεων Βακτήριο O2 DNA Εξωένζυμα Κυτταρικό τοίχωμα Εσωτερική μεμβράνη Πρωτόπλασμα Στοιβάδα πολυσακχαριτών 7

8 8

9 Κατάταξη βακτηρίων Αερόβια Αναερόβια Επαμφοτερίζοντα Αυτότροφα Ετερότροφα Ψυχρόφιλα Μεσόφιλα - Θερμόφιλα 9

10 ΑΕΡΟΒΙΑ ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ BOD 10

11 Καταβολή Αποσύνθεση Συντήρηση Ενέργεια Κύτταρο Αναβολή Σύνθεση Νέα κύτταρα 11

12 Καταβολή Ενέργεια Συντήρηση Αναβολή Νέα κύτταρα 12 Κύτταρο

13 ΑΕΡΟΒΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗ Σχετικό ενεργειακό επίπεδο + Αντίδραση σύνθεσης Νέα κύτταρα 0 Υπόστρωμα A B C 60% Θερμική ενέργεια 40% - Oξυγόνο A = B= C= Αντίδραση ενέργειας υπόστρωμα για κυτταρική παραγωγή υπόστρωμα για παραγωγή ενέργειας μη βιοαποδομήσιμο υπόστρωμα CO + H 2O + Ενέργεια 2 13

14 ΑΕΡΟΒΙΑ ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΟΡΓΑΝΙΚΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ (BTOC) BTOC + O 2 ένζυμα CO 2 + H 2 O + ενέργεια (αντίδραση ενέργειας) BTOC + N + P + ενέργεια μικροοργανισμοί μικροοργανισμοί C 5 H 7 O 2 NP 0,2 (αντίδραση σύνθεσης) 14

15 ΑΕΡΟΒΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗ Βιολογική λάσπη Εισαγωγή αποβλήτων Αερόβια χώνευση Επεξεργασμένα απόβλητα Κατανάλωση ενέργειας 15

16 Κρίσιμη συγκέντρωση Ρυθμός αναπνοής Κρίσιμη συγκέντρωση οξυγόνου Συκεντρωση οξυγόνου Mmg ( O 2/l) 9 16

17 Ρυθμός αναπνοής Αναπνοή για ανάπτυξη Ενδογενής αναπνοή Ενδογενής αναπνοή A Συγκέντρωση υποστρώματος 17

18 Ρυθμός αναπνοής Μέγιστη αναπνοή 40% αραιωση 20% αραίωση 100% αποβλητο Ενδογενής αναπνοή Ο ρόλος της αραίωσης A B Χρόνος 18

19 ANΑΕΡΟΒΙΑ ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ BOD 19

20 Αναερόβια αποδόμηση Καταβολή Αποσύνθεση + Συντήρηση Ενέργεια Κύτταρο Αναβολή Σύνθεση Νέα κύτταρα 20

21 ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗ Σχετικό ενεργειακό επίπεδο + Αντίδραση σύνθεσης Νέα κύτταρα A 0 Υπόστρωμα B C 60% Θερμική ενέργεια 40% - A = B= C= CH +CO + H O + Ενέργεια 4 2 Αντίδραση ενέργειας υπόστρωμα για κυτταρική παραγωγή υπόστρωμα για παραγωγή ενέργειας μη βιοαποδομήσιμο υπόστρωμα 2 21

22 ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΑΠΟΔΟΜΗΣΙΜΗ ΟΡΓΑΝΙΚΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ (BTOC) BTOC ένζυμα CH 4 + CO 2 + H 2 O + ενέργεια (αντίδραση ενέργειας) BTOC + N + P + ενέργεια μικροοργανισμοί μικροοργανισμοί C 5 H 7 O 2 NP 0,2 (αντίδραση σύνθεσης) 22

23 ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗ Βιολογική λάσπη Εισαγωγή αποβλήτων Αναερόβια χώνευση 35 O C Επεξεργασμένα απόβλητα Καθαρή παραγωγή εν εργειας 23

24 Ανάπτυξη οικοσυστημάτων στην αερόβια και στην αναερόβια χώνευση ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ και ΑΝΟΡΓΑΝΕΣ ΟΥΣΙΕΣ Η ΔΕΥΤΕΡΟΒΑΘΜΙΟΙ ΤΡΟΦΗΜΟΙ Ojygen;h bakt;hria CO 2 N 2 ΠΡΩΤΟΒΑΘΜΙΟΙ ΤΡΟΦΗΜΟΙ (Βακτήρια) Ojikogen;h bakt;hria Meuanogen;h bakt;hria ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ και ΑΝΟΡΓΑΝΕΣ ΟΥΣΙΕΣ Αερόβια χώνευση Αναερόβια χώνευση 24

25 290 kwh 30 kg 4 kg 25

26 CH + CO 4 2 ΟΡΓΑΝΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΑΠΟΒΛΗΤΟΥ 100 % % ΑΝΑΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΛΑΣΠΗΣ < 5% ΠΕΡΙΣΣΕΙΑ ΛΑΣΠΗΣ CO 2 > 5% ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΑΕΡΟΒΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΛΑΣΠΗ < 1% ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΜΕΝΟ ΑΠΟΒΛΗΤΟ 26

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

28 28

29 Fe S FeS SO Organic C + H + H Sulfates reducing bacters 2 H S 2 + Αναερόβια χώνευση Soluble Organic mater High organic strength wastewater C 8 C 2 H + CO C 8 VFA ( C - C ) H + C 2 Hydrogen-methane bacters Acetic acid Acetic-methane bacters CH 4 CO 2 NH 3 29 Major anaerobic root Hydrogen effect Inhibition effect Alternative root Methane roots H CaO PpH=9.5 Tt = 2.5 h C 4 H 10 C 5 H 12 C 2 H 8 C 2 H4 Hydrocarbons production + + CO 3 2- Cells

30 C H 4 + C O 2 C O 2 ΥΓΡΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΑΕΡΟΒΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΑΕΡΟΒΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ BIOMAZA (ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΛΑΣΠΗ) 30

31 Εφαρμογές αναερόβιας χώνευσης Χωματερές Πρωτοβάθμιες και βιολογικές λάσπες Αγροτικά απόβλητα Αγροτοβιομηχανικά απόβλητα Βιομηχανικά απόβλητα 31

32 Βιολογική Επεξεργασία το αντικείμενο της βιολογικής επεξεργασίας είναι: Να σταθεροποιήσει το οργανικό περιεχόμενο Να απομακρύνει τα θρεπτικά συστατικά όπως το άζωτο και τον φώσφορο Τύποι: Αερόβια διεργασία Ανοξική διεργασία Αναερόβια διεργασία Συνδιασμός αναερόβιαςανοξικής-αερόβιας διεργασιας Διεργασίες αβαθών δεξαμενών Ανάπτυξη σε σταθερό υπόβαθρο Ανάπτυξη σε διασπορά Συνδυασμένα συστήματα Αερόβια Ωρίμανσης Επαμφοτερίζουσα Αναερόβια 32

33 Τεχνικές Βιολογικών Διεργασιών Q CO 2 Q CO 2 +CH4 Q WL Q ML Q WL Q ML Q A Aerobic-PFBR (Aerobic Plug Flow Bio-Reactor) Anaerobic-PFBR (Anaerobic Plug Flow Bio-Reactor) 33

34 Τεχνικές Βιολογικών Διεργασιών Q CO 2 Q CO 2 +CH4 Q WL Q ML Q WL Q Q A Aerobic-CMNSR (Aerobic Continuous Mixed with Non Solids Recycling) Anaerobic-CMNSR (Anaerobic Continuous Mixed with Non Solids Recycling) 34

35 Τεχνικές Βιολογικών Διεργασιών Q CO 2 Q CO 2 +CH4 Q WL Q ML Q L Q WL Q ML Q L Q A Aerobic-CMSR (Aerobic Continuous Mixed with Solids Recycling) Q S Q Anaerobic-CMSR (Anaerobic Continuous Mixed with Solids Recycling) S 35

36 Τεχνικές Βιολογικών Διεργασιών Q WL Q CO 2 Q CO 2 +CH4 Q ML Q WL Q A Q ML Aerobic-FBR (Aerobic Fixed Bed Reactor) Anaerobic-FBR (Aerobic Fixed Bed Reactor) 36

37 Τεχνικές Βιολογικών Διεργασιών Q CO 2 Q CO 2 +CH4 Q ML Q ML Q WL Q WL Q A Aerobic-FMBR (Aerobic Moving Floating Bed Reactor) Anaerobic-FMBR (Aerobic Moving Floating Bed Reactor) 37

38 Τεχνικές Βιολογικών Διεργασιών Q CO 2 Q WL Q ML RBC (Rotary Biological Conductor) 38

39 Τεχνικές Βιολογικών Διεργασιών Q CO 2 Q CO 2 +CH4 Q WS Q ML Q WS Q ML Q A Aerobic-SBR (Aerobic Sludge Bed Reactor) Anaerobic-SBR (Anaerobic Sludge Bed Reactor) 39

40 Τεχνικές Βιολογικών Διεργασιών Q CO 2 Q CO 2 +CH4 Q ML Q ML Q WL Q WL Q A Aerobic EBR (Aerobic Expanded Bed Reactor) Anaerobic EBR (Anaerobic Expanded Bed Reactor) 40

41 Τεχνικές Βιολογικών Διεργασιών Q CO 2 Q CO 2 +CH4 Q ML Q ML Q WL Q WL Q A Aerobic USBR (Aerobic Upflow Sludge Bed Reactor) Anaerobic USBR (Anaerobic Upflow Sludge Bed Reactor) 41

42 Τεχνικές Βιολογικών Διεργασιών Q CO 2 Q CO 2 Q WL Q ML Q ML Q L Q A Q A 1st Stage Aerobic Q S 2d Stage Aerobic Q S 42

43 Τεχνικές Βιολογικών Διεργασιών Q CO 2 +H2 Q CO +CH 2 4 Q ML Q WL Q 1st Stage Anaerobic 2d Stage Anaerobic 43

44 Οριακός ρυθμός ανάπτυξης Μέγιστος ρυθμός ανάπτυξης Ρυθμός ανάπτυξης 44 A Συκεντρωση υποστρώματος

45 Είδος x Ρυθμός ανάπτυξης Είδος y Συκεντρωση υποστρώματος 45

46 Τροφική κατάσταση βακτηρίων Υψηλός ρυθμός τροφοδοσίας Χαμηλός ρυθμός τροφοδοσίας 46

47 Ρυθμός ανάπτυξης συγκέντρωση χαμηλού ρυθμού Μέγιστος ρυθμός ανάπτυξης συγκέντρωση υψηλού ρυθμού A Συκεντρωση υποστρώματος 47

48 100 Βιομάζα Λάσπη Απομείωση BOD Αναπνοή για σύνθεση Ενδογενή αναπνοή CO 2 Υψηλού ρυθμού Χαμηλού ρυθμού 48

49 C H 4 + C O 2 C O 2 ΥΓΡΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΑΕΡΟΒΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΑΕΡΟΒΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ BIOMAZA (ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΛΑΣΠΗ) 49

50 αναερόβιο σύστημα αερόβιο σύστημα (υψηλού ρυθμού) αερόβιο σύστημα αερόβιο σύστημα (χαμηλού ρυθμού) Συστήματα δύο σταδίων αναερόβιο σύστημα (οξυγένεση) αναερόβιο σύστημα (μεθανογένεση) αερόβιο σύστημα (οξικό) Συστήματα πολλών σταδίων αναερόβιο σύστημα (οξυγένεση) αναερόβιο σύστημα (μεθανογένεση) αερόβιο σύστημα (υψηλού ρυθμού) αερόβιο σύστημα (ανοξικό) αερόβιο σύστημα (οξικό) 50

51 ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΕΡΟΒΙΟΥ ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΥ ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΥ ΕΝΕΡΓΟΥ ΙΛΥΟΣ CO 2 CO 2 N 2 CO 2 1ο ΣΤΑΔΙΟ 2ο ΣΤΑΔΙΟ ΤΑΧΥΡΥΘΜΗ ΒΙΟ-ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΑΡΓΟΡΥΘΜΗ ΒΙΟ-ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΝΙΤΡΟΠΟΙΗΣΗ-ΑΠΟΝΙΤΡΟΠΟΙΗΣΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΦΩΣΦΟΡΩΣΗ ΔΕΥΤΕΡΟΓΕΝΕΙΣ ΛΑΣΠΕΣ ΔΥΟ ΣΤΑΔΙΩΝ HIGH-LOW RATE 51

52 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.