ΤΕΧΝΟΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΜΟΝΑΔΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ ΑΠΟ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΑΓΕΛΑΔΩΝ ΚΑΙ ΧΟΙΡΩΝ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΓΕΩΠΟΝΙΑΣ, ΔΑΣΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΠΟΝΙΑΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗ «ΓΕΩΡΓΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ» ΤΕΧΝΟΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΜΟΝΑΔΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ ΑΠΟ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΑΓΕΛΑΔΩΝ ΚΑΙ ΧΟΙΡΩΝ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΠΑΓΙΔΗΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ ΜΑΡΤΖΟΠΟΥΛΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, 2016

2 ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗ κ. Γεράσιμος Μαρτζόπουλος, Καθηγητής Τμήμα Γεωπονίας κ. Θωμάς Κωτσόπουλος, Επίκουρος Καθηγητής Τμήμα Γεωπονίας κ. Βασίλειος Φράγκος, Επίκουρος Καθηγητής Τμήμα Γεωπονίας i

3 Δήλωση Δηλώνω ότι είμαι ο συγγραφέας της παρούσας εργασίας με τίτλο ΤΕΧΝΟΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΜΟΝΑΔΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ ΑΠΟ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΑΓΕΛΑΔΩΝ ΚΑΙ ΧΟΙΡΩΝ που συντάχθηκε στα πλαίσια του μεταπτυχιακού προγράμματος Γεωργικής Μηχανικής και Υδατικών Πόρων και παραδόθηκε το μήνα Οκτώβριο του 2015 και παρουσιάστηκε το μήνα Ιανουάριο του Η αναφερόμενη εργασία δεν αποτελεί αντιγραφή, ούτε προέρχεται από ανάθεση σε τρίτους. Οι πηγές που χρησιμοποιήθηκαν αναφέρονται σαφώς στη βιβλιογραφία και στο κείμενο, ενώ κάθε εξωτερική βοήθεια, αν υπήρξε, αναγνωρίζεται ρητά. Όνομα : Δημήτριος Παγίδης Ημερομηνία : 15/10/2015 ii

4 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Στο πλαίσιο ολοκλήρωσης της παρούσης διπλωματικής εργασίας του Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών, Ειδίκευσης στη Γεωργική Μηχανική του ΑΠΘ, οφείλονται θερμές ευχαριστίες στον Καθηγητή κ. Γεράσιμο Μαρτζόπουλο, για την ανάθεση της διπλωματικής εργασίας και την γενική καθοδήγηση καθόλη τη διάρκεια των Μεταπτυχιακών Σπουδών. Ευχαριστίες οφείλονται και στον Επίκουρο Καθηγητή κ. Θωμά Κωτσόπουλο, για τις γενικές υποδείξεις και παρακολούθηση ώστε να ολοκληρωθεί η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία, καθώς και στον Επίκουρο Καθηγητή κ. Βασίλειο Φράγκο, μέλος της τριμελής επιτροπής. Τέλος θα ήθελα να εκφράσω ένα μεγάλο ευχαριστώ για την κατανόηση και συμπαράσταση της γυναίκας μου Εlisabeth Maria Jeanne Huysseune και στο γιό μου Ζαχαρία Παγίδη, στους οποίους και αφιερώνω αυτή την εργασία. iii

5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στο πλαίσιο οικονομικής αξιολόγησης μίας Μονάδας Επεξεργασίας Κτηνοτροφικών Αποβλήτων - Μονάδας Παραγωγής Βιοαερίου (ΜΕΚΑ - ΜΠΒ) πραγματοποιήθηκε ο σχεδιασμός μίας ΜΕΚΑ - ΜΠΒ, που θα χρησιμοποιηθεί σαν πιλότος. Η διαστασιολόγηση αφορά την επεξεργασία των αποβλήτων από μονάδες εκτροφής χοίρων και μονάδες εκτροφής βοοειδών, με ημερήσια παραγωγή περίπου 140 m 3 ανά ημέρα ανεπεξέργαστων μεικτών αποβλήτων και παραγωγή 500 kw ωριαίος ηλεκτρικού ρεύματος. Για να πραγματοποιηθεί η παρούσα αξιολόγηση, υπολογίστηκε η επένδυση κεφαλαίου, που αποτελείται από την επένδυση πάγιου κεφαλαίου και το κεφάλαιο κίνησης, το κόστος μεταφοράς, το κόστος λειτουργίας, οι πάγιες χρεώσεις, καθώς και τα έσοδα. Με βάση τα παραπάνω υπολογίστηκαν οι αθροιστικές χρηματοροές για δύο σενάρια λειτουργίας και εγκατάστασης, ένα με λήψη επιδότησης και ένα χωρίς επιδότηση, αλλά μόνο με τραπεζικό δανεισμό. Η οικονομική βιωσιμότητα του έργου εξετάστηκε μέσω της ανάλυσης αποδοτικότητας, με βάση τα ακόλουθα κριτήρια, ρυθμός απόδοσης της επένδυσης (ROI), καθαρή παρούσα αξία (NPV) και εσωτερικός βαθμός απόδοσης (IRR). Βάσει των αποτελεσμάτων της οικονομικής ανάλυσης για την εγκατάσταση ΜΕΥΑ και ΜΒ, αποδεικνύεται ότι η επένδυση είναι βιώσιμη και αποδοτική, ενώ με βάση τους υπολογισμένους δείκτες μπορεί να γίνει αξιολόγηση της εν δυνάμει κερδοφορίας του έργου και καθορίζεται μια συγκεκριμένη απόδοση ανά έργο. iv

6 SUMMARY Title: TECHNOECONOMIC EVALUATION OF A BIOGAS PLANT FROM COW AND PIG WASTE In this economic evaluation of Livestock Waste Treatment Plant - Biogas Plant, a plant was designed, which will serve as a pilot. The sizing of the processing of waste from pig and cattle farms with a daily production of about 140 m3 per day of untreated mixed waste which produce 500 kw hourly electricity. To perform this evaluation, the capital investment was calculated, which consists of the fixed capital investment and the working capital, the transportation costs, the operating costs, the fixed charges and the income, were also included. Based on the above estimated cumulative cash flows for two operating and installation scenarios, one with receiving a subsidy and one without subsidy, but only with bank loan. The economic viability of the project was examined through efficiency analysis, based on the following criteria, the return on investment (ROI), net present value (NPV) and internal rate of return (IRR). Based on the results of the economic analysis for the installation of the biogas plant, it is shown that the investment is viable and profitable and based on the calculated indicators the potential profitability of the project can be assessed and a specific performance per project can be specified. v

7 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗ... i ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... iii ΠΕΡΙΛΗΨΗ... iv SUMMARY... v ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ... vi ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 9 Κεφάλαιο ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γενικά Σκοπός Δομή και περιεχόμενα Κεφάλαιο ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ Γενικά Ζωικά Λύματα Χαρακτηριστικά των λυμάτων Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις Μέθοδοι επεξεργασίας Κεφάλαιο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Γενικά Αναερόβια μικροβιολογία Μεθανογόνα Βακτήρια Φυσικοχημικές παράμετροι Επίδραση αζώτου Θεσμικό πλαίσιο Κεφάλαιο ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Γενικά Δεδομένα πρώτων υλών Παράμετροι διαστασιολόγησης Χρόνος παραμονής στερεών Θερμοκρασία vi

8 4.3.2 Συντελεστής φόρτισης Μείωση πτητικών ουσιών Χαρακτηριστικά των χωνευτών Θέρμανση Αναερόβιων Χωνευτών Ανάμειξη Αναερόβιων Χωνευτών Χωροθέτηση ΜΠΒ Γραμμή παραγωγής ΜΠΒ Στάδιο συλλογής και προετοιμασίας πρώτης ύλης Στάδιο επεξεργασίας αποβλήτων με αναερόβια χώνευση Δεξαμενές αναερόβιας χώνευσης Δεξαμενή συλλογής και αποθήκευσης χωνεμένης ύλης Παραγωγή Βιοαερίου Μονάδα συμπαραγωγής Διαχωρισμός Στερεών Δεξαμενή εξισορρόπησης Δεξαμενή αερισμού και καθίζησης Στάδιο προεπεξεργασίας Δεξαμενές αποθήκευσης Κεφάλαιο ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Γενικά Υπολογισμός επένδυσης κεφαλαίου Υπολογισμός κόστους μεταφοράς Υπολογισμός κόστους λειτουργίας Πάγιες χρεώσεις Υπολογισμός Εσόδων Χρηματοροές Κεφάλαιο vii

9 ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ ΕΠΕΝΔΥΣΗΣ Ανάλυση Αποδοτικότητας Κεφάλαιο ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ Συμπεράσματα Περιορισμοί Προτάσεις ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ viii

10 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών Ειδίκευσης Γεωργικής Μηχανικής και Υδατικών Πόρων της Γεωπονικής Σχολής του ΑΠΘ. Το θέμα της παρούσης εργασίας είναι η τεχνοοικονομική αξιολόγηση μονάδας παραγωγής βιοαερίου από απόβλητα αγελάδων και χοίρων και αφορά την επεξεργασία των αποβλήτων, από μονάδες εκτροφής χοίρων και μονάδες εκτροφής βοοειδών, με ημερήσια παραγωγή περίπου 140 m 3 ανά ημέρα ανεπεξέργαστων μεικτών αποβλήτων και παραγωγή 500kw ωριαίος ηλεκτρικού ρεύματος. 9

11 Κεφάλαιο 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Γενικά Στο πλαίσιο οικονομικής αξιολόγησης μίας Μονάδας Επεξεργασίας Κτηνοτροφικών Αποβλήτων - Μονάδας Παραγωγής Βιοαερίου (ΜΕΚΑ - ΜΠΒ) πραγματοποιήθηκε ο σχεδιασμός μίας ΜΕΚΑ - ΜΠΒ, που θα χρησιμοποιηθεί σαν πιλότος. Για να πραγματοποιηθεί η παρούσα αξιολόγηση, υπολογίστηκε η επένδυση κεφαλαίου, που αποτελείται από την επένδυση πάγιου κεφαλαίου και το κεφάλαιο κίνησης, το κόστος μεταφοράς, το κόστος λειτουργίας, οι πάγιες χρεώσεις, καθώς και τα έσοδα. Με βάση τα παραπάνω, υπολογίστηκαν οι αθροιστικές χρηματοροές για δύο σενάρια λειτουργίας και εγκατάστασης, ένα με λήψη επιδότησης και ένα χωρίς επιδότηση, αλλά μόνο με τραπεζικό δανεισμό. 1.2 Σκοπός Η παρούσα εργασία, έχει ως σκοπό να εξετάσει την οικονομική βιωσιμότητα του έργου μέσω της ανάλυσης αποδοτικότητας, με βάση τα ακόλουθα κριτήρια, ρυθμός απόδοσης της επένδυσης (ROI), καθαρή παρούσα αξία (NPV) και εσωτερικός βαθμός απόδοσης (IRR). Βάσει των αποτελεσμάτων της οικονομικής ανάλυσης για την εγκατάσταση ΜΕΥΑ και ΜΒ, αξιολογείται η βιωσιμότητα και αποδοτικότητα της επένδυσης, ενώ με βάση τους υπολογισμένους δείκτες μπορεί να γίνει αξιολόγηση της εν δυνάμει κερδοφορίας του έργου και καθορίζεται μια συγκεκριμένη απόδοση ανά έργο. 1.3 Δομή και περιεχόμενα Η παρούσα εργασία διαρθρώνεται σύμφωνα με τη σειρά και τον τρόπο με τον οποίο πραγματοποιήθηκαν οι διάφορες διαδικασίες, ενέργειες και στάδια για την ολοκλήρωση της έρευνας. Έτσι, πέρα από το παρόν κεφάλαιο, Εισαγωγή, στο οποίο δίνονται οι βασικές έννοιες που πραγματεύεται η έρευνα και παρουσιάζονται ο σκοπός και οι στόχοι της και οριοθετούνται η δομή και τα περιεχόμενα της εργασίας. Υπάρχουν ακόμα έξι αυτοτελή κεφάλαια και ένας βιβλιογραφικός κατάλογος. Στο 2 ο Κεφάλαιο παρατίθενται το θεωρητικό υπόβαθρο και η ανασκόπηση της βιβλιογραφίας για το γενικότερο πεδίο αντικείμενο που εντάσσεται η έρευνα. Στο 3 ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η περιγραφή της αναερόβιας επεξεργασίας και οι παράμετροι που θα χρησιμοποιηθούν στην έρευνα, στο 4 ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η τεχνική περιγραφή και 10

12 διαστασιολόγηση της μονάδας υπό διερεύνηση. Στο Κεφάλαιο 5 ο παρουσιάζεται η οικονομική ανάλυση, ενώ στο Κεφάλαιο 6 ο τα αποτελέσματα της οικονομικής ανάλυσης με τη μορφή της αποδοτικότητας της επένδυσης. Τέλος στο 7 ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και οι προτάσεις της παρούσης έρευνας. 11

13 Κεφάλαιο 2 ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ 2.1 Γενικά Η κτηνοτροφία είναι μια από τις παλαιότερες δραστηριότητες του ανθρώπου, η οποία εμφανίστηκε κατά τη νεολιθική εποχή. Είναι το χρονικό σημείο στην ιστορία, όπου ο άνθρωπος καταλαβαίνει ότι μπορεί να βρει τη βασική του τροφή, το κρέας, εκτρέφοντας παραγωγικά ζώα και από κυνηγός γίνεται κτηνοτρόφος. Η πρώιμη μορφή κτηνοτροφίας είναι νομαδική. Οι κτηνοτρόφοι αναγκάζονταν να μετακινούνται με τα κοπάδια τους, ανάλογα με την εποχή και τη διαθεσιμότητα της τροφής στη περιοχή. Η ανάπτυξη οικισμών και η οργάνωση της κοινωνίας σε πόλεις, αύξησε τη ζήτηση σε τροφή τοπικά και δημιούργησε την ανάγκη για ανάπτυξη της κτηνοτροφίας, σε μια μορφή κατά την οποία τα ζώα δε θα χρειαζόταν να μετακινούνται από περιοχή σε περιοχή. Με αυτό τον τρόπο, αναπτύχθηκε η σταβλισμένη κτηνοτροφία. Η πρώιμη μορφή της σταβλισμένης κτηνοτροφίας, ενώ περιόριζε τα ζώα σε συγκεκριμένο χώρο, επέτρεπε τη βοσκή τους να γίνεται σε μεγάλες εκτάσεις, όπου τα ζώα κινούνται ελεύθερα (ελεύθερη βοσκή), όπως στη νομαδική. Η νομαδική κτηνοτροφία και η πρώιμη μορφή της σταβλισμένης κτηνοτροφίας συναντώνται ακόμα και σήμερα σε πολλές περιοχές του πλανήτη. Τις τελευταίες δεκαετίες, η αύξηση του πληθυσμού της γης είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση της ζήτησης τροφής και ως εκ τούτου και την παραγωγή της. Το γεγονός αυτό, επηρέασε και την κτηνοτροφία (σταβλισμένη), η οποία για να ανταπεξέλθει στη πρόκληση αυτή, ανέπτυξε τη μαζική παραγωγή, με συνέπεια την υψηλή συγκέντρωση ζώων ανά μονάδα επιφάνειας ή πιο απλά τον περιορισμό της έκτασης βοσκής στο ελάχιστο δυνατό (όσο η έκταση που καλύπτει κάθε ζώο). Στο σημείο αυτό, κάνει την εμφάνισή του ένα νέο πρόβλημα, ο μεγάλος όγκος ζωικών αποβλήτων. Ενώ στις προηγούμενες παραδοσιακές μορφές κτηνοτροφίας, τα απόβλητα διατίθενται σε μεγάλες εκτάσεις απευθείας από τα ζώα, γεγονός που τα κάνει σχετικά ακίνδυνα για το περιβάλλον. Αντιθέτως, στη σύγχρονη σταβλισμένη κτηνοτροφία, ο όγκος των αποβλήτων είναι πολύ μεγάλος για απευθείας διάθεση τους στο έδαφος. Η συνεχώς αυξανόμενη μαζική παραγωγή ειδών διατροφής αύξησε και τη παραγωγή πρωτογενών λυμάτων (ζωικών, γεωργικών) και έκανε επιτακτική την ανάγκη αντιμετώπισής τους. Η αντιμετώπιση των ζωικών λυμάτων κατάφερε να γίνει μύθος από την αρχαία κιόλας εποχή, όταν ο Ηρακλής καθάρισε τους στάβλους του Αυγεία (3000 βόδια), τη πρώτη γνωστή κτηνοτροφική μονάδα. Αποδέκτης της κόπρου από τους στάβλους ήταν οι ποταμοί του 12

14 Πηνειού και του Αλφειού. Εκτός από τα ποτάμια, αποδέκτης των ζωικών λυμάτων ήταν παραδοσιακά τα ρέματα, οι λίμνες, η θάλασσα και το έδαφος, χωρίς να υπάρχει η παραμικρή περιβαλλοντική μέριμνα. Στην Ελλάδα, η κατάσταση αυτή ισχύει σε τέτοιο βαθμό, που διαιωνίζεται ο μύθος με τη κόπρο του Αυγεία. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η συνεχής ρύπανση του Ασωπού από βιομηχανίες μετάλλων κυρίως, αλλά και από κτηνοτροφικές μονάδες. Σήμερα, τα εκτροφεία που εκμεταλλεύονται περισσότερους από 50 χοίρους ή βοοειδή ξεπερνούν τις Όπως φαίνεται και από το παρακάτω πίνακα (πίν. 1), υπάρχει μια αυξητική τάση στις μεγάλες κτηνοτροφικές μονάδες (άνω των 50 βοοειδών), με εξαίρεση το Ενώ αντίθετα, υπάρχει μείωση στις μικρότερες μονάδες (< 49 βοοειδή). Η γενικότερη τάση μπορεί να μεταφραστεί σε μετάβαση στη σύγχρονη σταβλισμένη κτηνοτροφία. Από την άλλη, οι εκμεταλλεύσεις χοίρων ακολουθούν μία πιο περίεργη τάση με πολλές αυξομειώσεις (πίνακας 2). Ο μεγαλύτερος αριθμός εκμεταλλεύσεων με βοοειδή βρίσκεται στη Κεντρική Μακεδονία, ενώ σε μικρότερο αριθμό υπάρχουν στην Ανατολική Μακεδονία & Θράκη, στην Θεσσαλία και στην Ήπειρο και σε ακόμα μικρότερο στις υπόλοιπες περιφέρειες. Την πρωτιά σε εκμεταλλεύσεις χοίρων κατέχει με διαφορά η Θεσσαλία και ακολουθούν η Δυτική Ελλάδα και η Κεντρική Μακεδονία (ΕΛΣΤΑΤ 2009). Αντίθετα από την εξέλιξη της κτηνοτροφικής παραγωγής, η περιβαλλοντική μέριμνα έμεινε στάσιμη στο παραδοσιακό τρόπο διάθεσης των ζωικών αποβλήτων. Η διαχείριση των κτηνοτροφικών λυμάτων περιοριζόταν στην εδαφική τους διάθεση ως εδαφοβελτιωτικό, χωρίς ιδιαίτερη επεξεργασία. Το αποτέλεσμα ήταν η περιβαλλοντική υποβάθμιση σε πολλές περιοχές. Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει προειδοποιήσει την Ελλάδα για επιβολή προστίμων, σε περίπτωση μη συμμόρφωσης στο θέμα της διαχείρισης των λυμάτων (Συμβούλιο Περιβάλλοντος της ΕΈ 10746/04, 2004). Πίνακας 1: Εκμεταλλεύσεις με βοοειδή κατά τάξη μεγέθους ανά έτος. (ΕΛΣΤΑΤ 2009) Τάξη μεγέθους Εκμεταλλεύσεις ανά έτος (αριθμός βοοειδών)

15 και άνω Σύνολο Πίνακας 2: Εκμεταλλεύσεις με χοιροειδή κατά τάξη μεγέθους ανά έτος. (ΕΛΣΤΑΤ 2009) Τάξη μεγέθους Εκμεταλλεύσεις ανά έτος (αριθμός χοιροειδών) και άνω Σύνολο Το πρόβλημα των κτηνοτροφικών λυμάτων διογκώθηκε στην Ελλάδα από την έλλειψη σχετικής νομοθεσίας και εφαρμογής της και από την αδιαφορία και την έλλειψη σχετικής τεχνογνωσίας των εμπλεκομένων φορέων (επιχειρήσεων, κράτος, κτηνοτρόφων), όσον αφορά τα οφέλη που προκύπτουν από τη σωστή διαχείριση των αποβλήτων. Το βασικότερο όφελος από την επεξεργασία των κτηνοτροφικών λυμάτων μέσω της αναερόβιας χώνευσης, είναι η παραγωγή βιοαερίου. Το βιοαέριο αποτελείται κυρίως από μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ μετά τη διαδικασία του καθαρισμού και την αναβάθμισή του, χρησιμοποιείται ως καύσιμο μεταφορών ή για έγχυση στο δίκτυο του φυσικού αερίου. Εναλλακτικά, κατά την αναερόβια χώνευση παράγεται υδρογόνο. Το υδρογόνο που προέρχεται από τις ανανεώσιμες πηγές, θεωρείται ως καθαρό και κλιματικά ουδέτερο ενεργειακό σύστημα, 14

16 το οποίο θα αποτελέσει μία από τις βασικές επιλογές για τη μελλοντική αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων. Εκτός της οικολογικής σημασίας του, από τη καύση του παράγεται μεγαλύτερη ποσότητα ενέργειας ανά μονάδα μάζας, σε σχέση με τα παραδοσιακά καύσιμα, σχεδόν τριπλάσια από το πετρέλαιο και τα προϊόντα του (πίνακας 3). Πίνακας 3: Ενέργεια που παράγεται κατά τη καύση βασικών καυσίμων και ο άνθρακας, που απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. (Vijayaraghavan & Mohd 2004) Τύπος Καυσίμου MJ/Kg Kg άνθρακα / Kg καυσίμου Υδρογόνο Ανθρακίτης ,5 Φυσικό αέριο ,46 Βενζίνη ,86 Πετρέλαιο ,84 Ντίζελ 42,8 0,9 Βιο-ντίζελ 37 0,5 Αιθανόλη 21 0,5 Ξυλάνθρακας 30 0,5 Αγροτικά απόβλητα ,5 Ξύλο 15 0,5 Σε γενικές γραμμές, η παραγωγή ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές (ΑΠΕ) στην Ελλάδα βρίσκεται σε χαμηλά επίπεδα. Σε βάθος εικοσαετίας, η εγκατεστημένη ισχύς μονάδων ΑΠΕ έχει σχεδόν διπλασιαστεί (πίν. 4 & 5). Η συμμετοχή του βιοαερίου στη παραγωγή ενέργειας είναι πολύ μικρή και ελάχιστη έως μηδαμινή είναι η συνεισφορά των κτηνοτροφικών λυμάτων στην παραγωγή αυτή. Η παραγωγή βιοαερίου από αναερόβια χώνευση συντελείται κυρίως σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας αστικών λυμάτων (ΕΕΛ) και σε χώρους υγειονομικής ταφής απορριμμάτων (ΧΥΤΑ) (Σχήμα 1). 15

17 Σχήμα 1: Εγκατεστημένες μονάδες παραγωγής βιοαερίου το (Σιούλας et al. 2010) Αντίθετα από την επικείμενη κατάσταση, πορεύεται η ενεργειακή στρατηγική της χώρας. Η Ευρωπαϊκή Ένωση για να αντιμετωπίσει την κλιματική αλλαγή, επιχειρεί να δημιουργήσει μια ενιαία ενεργειακή πολιτική, με την οποία τέθηκαν βραχυπρόθεσμοι και μακροπρόθεσμοι στόχοι για έτη 2010 και 2020, αντίστοιχα. Οι ενεργειακοί στόχοι της Ελλάδας για το 2010 ήταν η διείσδυση των ΑΠΕ σε ποσοστό 20 % της συνολικής παραγωγής (European Commission 2008, Οδηγία 2001/77/ΕΚ). Πίνακας 4: Εγκατεστημένη ισχύς ηλεκτρικής ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, την περίοδο (ΚΑΠΕ Ετήσια έκθεση 2009) 16

18 Ανανεώσιμη πηγή ενέργειας Εγκατεστημένη ισχύς ηλεκτρικής ενέργειας ανά έτος (MW) Βιοαέριο Υδροηλεκτρική ενέργεια Φωτοβολταϊκά Αιολική ενέργεια Γεωθερμική Ενέργεια Σύνολο Πίνακας 5: Εγκατεστημένη ισχύς ηλεκτρικής ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, την περίοδο (ΚΑΠΕ Ετήσια έκθεση 2009, ΡΑΕ & ΚΑΠΕ 4 η & 5 η Εθνική Έκθεση) Ανανεώσιμη πηγή ενέργειας Εγκατεστημένη ισχύς ηλεκτρικής ενέργειας ανά έτος (MW) Βιοαέριο Υδροηλεκτρική ενέργεια Φωτοβολταϊκά Αιολική ενέργεια Γεωθερμική Ενέργεια Σύνολο Σύμφωνα με την ενεργειακή στρατηγική της Ελλάδας, που χαράχτηκε το 2009 (Μακροχρόνιος Ενεργειακός Σχεδιασμός, Έκθεση 2009), η διείσδυση των ΑΠΕ στην ηλεκτροπαραγωγή, όχι μόνο θα έφτανε το 20% το 2010, αλλά θα άγγιζε και το 30% το Η εφαρμογή της οδηγίας, όμως, αποδείχτηκε πρακτικά δύσκολη, ώστε τελικά, η αναποτελεσματικότητα επίτευξης των στόχων ανάγκασε τους φορείς να αναθεωρήσουν και να προχωρήσουν στην έκδοση νέας οδηγίας. Η νέα οδηγία όρισε ως στόχο για το 2020, το ποσοστό συμμετοχής των ΑΠΕ στην ηλεκτροπαραγωγή να φτάνει το 18% (Οδηγία 2009/28/ΕΚ). Η νέα ενεργειακή στρατηγική είναι 17

19 πιο προσγειωμένη στα δεδομένα και στις δυνατότητες ανάπτυξης των ΑΠΕ στη χώρα (πίνακας 6). Σε ευρωπαϊκό επίπεδο για το 2020, ορίστηκαν οι κάτωθι στόχοι (Eurostat 2009): i) η μείωση κατά 20%, των εκπομπών των αερίων θερμοκηπίου ii) η βελτίωση κατά 20%, της ενεργειακής αποδοτικότητας iii) η συμμετοχή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην τελική ενεργειακή κατανάλωση κατά 20% και iv) η αύξηση του ποσοστού των βιοκαυσίμων στις μεταφορές κατά 10%. Η Ευρώπη από την άλλη, έχει δείξει εδώ και πολλά χρόνια, περιβαλλοντική ευαισθησία και μέριμνα και έχει να επιδείξει πολλά παραδείγματα χρησιμοποίησης ΑΠΕ και ειδικότερα βιοαερίου, που παράγεται από την επεξεργασία ζωικών λυμάτων. Η συνολική ετήσια ποσότητα βιοαερίου που παράγεται στην Ευρώπη, από την αναερόβια επεξεργασία των λυμάτων χοιροστασίων και βουστασίων είναι εκατομμύρια κυβικά μέτρα (Πίνακας 7). Στη Δανία, οι αγροτικοί συνεταιρισμοί έχουν αναπτύξει ένα κεντρικό σύστημα εγκαταστάσεων βιοαερίου, με στόχο την κάλυψη της ενεργειακής ανάγκης των αγροτών σε συνδυασμό με την προστασία του περιβάλλοντος. Η Γερμανία το 2007, διέθετε περισσότερες από 2500 μονάδες παραγωγής βιοαερίου ενσωματωμένες στη γεωργική εκμετάλλευση (Γεωργακάκης 2009β). Πίνακας 6: Ενεργειακός στόχος για την εγκατεστημένη ισχύ από ΑΠΕ. (ΡΑΕ & ΚΑΠΕ 5 η Εθνική Έκθεση) Στόχος εγκατεστημένης Εγκατεστημένη ισχύος το 2010 (MW) Ανανεώσιμη πηγή ενέργειας ισχύς το 2009 Αισιόδοξο Συντηρητικό (MW) σενάριο σενάριο Βιοαέριο

20 Υδροηλεκτρική ενέργεια μεγάλης κλίμακας Υδροηλεκτρική ενέργεια μικρής κλίμακας Φωτοβολταϊκά Αιολική ενέργεια Γεωθερμική Ενέργεια Σύνολο εγκατεστημένης ισχύος Ποσοστό συμμετοχής επί της συνολικής (%) 11,5 14,5 12,5 Πίνακας 7: Ετήσια ποσότητα βιοαερίου, που παράγεται από την αναερόβια επεξεργασία λυμάτων χοιροστασίων και βουστασίων στις 27 χώρες-μέλη της ΕΕ. (Nielsen and Oleskowicz- Popiel 2008) Σύνολο παραγόμενων λυμάτων (10 6 Βιοαέριο (10 6 m 3 ) Μεθάνιο (10 6 m 3 ) Δυναμικό (PJ) Δυναμικό (Mtoe) τόνοι) ,5 Σημείωση: Η θερμότητα από τη καύση του μεθανίου είναι 40,3 MJ/m3, 1 Mtoe = 44,8 PJ. Το περιεχόμενο μεθάνιο στο βιοαέριο είναι 65 %. Η χρήση του βιοαερίου στην Ευρώπη δεν περιορίζεται στην παραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας. Άλλη χρήση του είναι η διοχέτευσή του στο δίκτυο του φυσικού αερίου, πρακτική που ακολουθείται στη Σουηδία, την Αυστρία, την Ελβετία και τη Γερμανία. Επίσης, στη Γαλλία και στη Σουηδία χρησιμοποιείται ως καύσιμο μεταφορών. Συγκεκριμένα στη Σουηδία, υπάρχουν χιλιάδες οχήματα που χρησιμοποιούν αναβαθμισμένο βιοαέριο/φυσικό αέριο ως καύσιμο, ενώ εκτιμάται ότι ο αριθμός των οχημάτων αυτών θα ανέλθει στις χιλιάδες ως το 2010 (Persson 2007). 19

21 Η επικρατούσα ενεργειακή πολιτική της Ευρωπαϊκής Ένωσης, εκτός από την ανάπτυξη μεθόδων που είναι φιλικές στο περιβάλλον, αφορά σε γενικές γραμμές και την αποδέσμευση από ορυκτά καύσιμα (πετρέλαιο, φυσικό αέριο), τα οποία κατά τη καύση τους εκλύουν αέρια, που επιβαρύνουν το φαινόμενο της υπερθέρμανσης του πλανήτη. Επιπλέον, η συνεχής αύξηση των τιμών τους και η κοινωνικοπολιτική αστάθεια των παραγωγών κρατών, καθιστά αναγκαία την εξεύρεση νέων μορφών ενέργειας. Το βιοαέριο που παράγεται από την επεξεργασία των ζωικών λυμάτων είναι μια χρήσιμη πηγή ενέργειας από πολλές απόψεις. Περιβαλλοντικά, προστατεύεται το έδαφος, τα ύδατα και η ατμόσφαιρα από το ρυπαντικό φορτίο των κτηνοτροφικών λυμάτων. Το οικονομικό όφελος που προσφέρει το βιοαέριο είναι η ενεργειακή ανεξαρτησία στη μονάδα επεξεργασίας των λυμάτων και το κέρδος από τη διοχέτευση του στο δίκτυο φυσικού αερίου. Τέλος, από τη κοινωνικοπολιτική οπτική του ζητήματος, η επεξεργασία των ζωικών λυμάτων και η χρήση του βιοαερίου προσφέρει πολλές νέες θέσεις εργασίας και ιδιαίτερα στην ύπαιθρο. Το τελευταίο είναι πολύ σημαντικό για την Ελλάδα, όπου παρουσιάζονται υψηλά ποσοστά ανεργίας στην ύπαιθρο και έχει εμφανιστεί το φαινόμενο της αστυφιλίας. 2.2 Ζωικά Λύματα Σύσταση λυμάτων Τα λύματα χοιροστασίου και βουστασίου αποτελούνται από νερό, οργανική ουσία, θρεπτικές ουσίες, άλατα και παθογόνους μικροοργανισμούς. Πίνακας 8: Ασθένειες και μικροοργανισμοί που διασπείρονται από τα ζωικά λύματα. (United States Department of agriculture 1992, Burton and Turner 2003, cited by Κωτσόπουλος 2005) Ασθένεια Βακτήρια Σαλμονέλα Λεπτοσπείρωση Άνθρακας Φυματίωση Εντερίτιδα βοοειδών Βρουκέλωση Λιστερίαση 20 Μικροοργανισμοί Salmonella sp Leptospira pomona Bacillus anthracis Mycobacterium tuberculosis Mycobacterium avium Mycobacterium paratuberculosis Brucella abortus Brucella melitensis Brucella suis Listeria monocytogenes

22 Τέτανος Τουλαραιμία Ασθένεια Βακτήρια Ερυσίπελας Κολιβακίλωσις Τύφος Ψιττακίωση Ιοί New Castle Χολέρα των γουρουνιών Μύκητες Κοκκιδιωμύκωση Ιστοπλάσμωση Λειχήνες Πρωτόζωα Κοκκιδίωση Βαλαντιδίαση Τοξοπλάσμωση Παράσιτα Ασκαριδίαση Σαρκοκυστίωση Clostridium tetani Pasturella tularensis Μικροοργανισμοί Erysipelothrix rhusiopathiae E. coli Coxiella burneti Χλαμύδια sp. Ιός Ιός Coccidoides immitus Histoplasma capsulatum microsporum & trichophyton Eimeria sp. Balatidium coli. Toxoplasma sp. Ascaris lumbricoides Sarcocystis sp Το νερό αποτελεί το 85-90% περίπου των ζωικών λυμάτων και συμμετέχει στη διατήρηση ζωντανών των μικροοργανισμών, όσων συμμετέχουν στην αποικοδόμηση της οργανικής ουσίας (Γεωργακάκης 1998, 2009α). Η οργανική ουσία (σύνθετοι υδατάνθρακες) αποτελείται κυρίως από άνθρακα (C) και υδρογόνο (H), άζωτο (Ν) και οξυγόνο (O). Περιλαμβάνει επίσης, άμυλο, σάκχαρα, πρωτεΐνες και λίπη. Η οργανική ουσία των ζωικών λυμάτων περιέχει ενέργεια, η οποία μπορεί να απελευθερωθεί όταν αυτή διασπαστεί σε απλούστερες ενώσεις (CO2, H2, CH4 και H2Ο). Οι θρεπτικές ουσίες των ζωικών λυμάτων περιλαμβάνουν πρωτεύουσες θρεπτικές ουσίες (άζωτο, φώσφορο και κάλιο) και δευτερεύουσες θρεπτικές ουσίες (ιχνοστοιχεία). Η μορφή του αζώτου που συναντάται στα ζωικά λύματα είναι η αμμωνία σε μορφή ουρίας (Βαγενάς 2006) και το οργανικό άζωτο. Τα άλατα αποτελούν κυρίως τα ιόντα Na +, Ca +, Mg +, Cl -, SO4 - και CO3-2. Αν και κάποια άλατα περιέχονται στις τροφές, ωστόσο τα περισσότερα εισάγονται στην κτηνοτροφία από τα αποθέματα του νερού. Όλη η επιπλέον ποσότητα αλάτων που καταναλώνεται από έναν χοίρο ή ένα βοοειδές, αποβάλλεται από τον οργανισμό του. 21

23 Τα λύματα των χοίρων και των βοοειδών περιέχουν ένα ευρύ φάσμα πρωτόζωων, βακτηρίων, ιών, παρασίτων και άλλων παθογόνων μικροοργανισμών (Πίνακας 8). Αυτοί οι παθογόνοι μικροοργανισμοί, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες, μπορούν να είναι λιγότερο ή περισσότερο μολυσματικοί για τους ανθρώπους και το ζωικό πληθυσμό. Πίνακας 9: Χαρακτηριστικά λυμάτων χοίρων και βοοειδών, ανά ημέρα και ανά 1000 κιλά Ζ.Β. (Ζώντος Βάρους). (Taiganides 1978) Παράμετρος Γαλακτοφόρες αγελάδες Μοσχάρια Χοίροι Υγρά απόβλητα: κόπρος και ούρα BOD5 1,8 1,3 2,2 Σχέση COD/BOD5 7,2 5,7 3,3 Ολικά στερεά 8,8 7,9 6,9 Πτητικά στερεά 7,2 6,5 5,7 Ολικό άζωτο 0,36 0,55 0,39 Φώσφορος 0,1 0,08 0,17 Κάλιο 0,15 0,13 0,1 Σημείωση: Ο υπολογισμός του στοιχειακού φωσφόρου και καλίου, γίνεται με πολλαπλασιασμό τους με τους συντελεστές 0,44 και 0,83 αντίστοιχα. 22

24 2.3 Χαρακτηριστικά των λυμάτων Τα χαρακτηριστικά των λυμάτων διακρίνονται σε φυσικά, χημικά και βιολογικά. Οι παράγοντες που επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά αυτά αφορούν αρχικά την ταυτότητα του ζώου (η ηλικία, η φυλή και το γένος του), τις συνθήκες διαβίωσης (ο τύπος κατασκευής του στάβλου, οι συνθήκες σταβλισμού και εκτροφής) και τα ίδια τα λύματα (τρόπος συλλογής, αποθήκευσης και απομάκρυνσης των λυμάτων) Φυσικά χαρακτηριστικά Μια σημαντική φυσική ιδιότητα των λυμάτων είναι αυτή που χαρακτηρίζει τη ροή του ρευστού. Είναι μια χαρακτηριστική παράμετρος λειτουργίας, η οποία είναι απαραίτητη για την επιλογή κατάλληλου μηχανικού εξοπλισμού, έτσι ώστε, να επιτευχθεί η μεταφορά και ο χειρισμός των λυμάτων, γενικά. Οι ιδιότητες της ροής εξαρτώνται από το ποσοστό της ολικής στερεάς ουσίας που περιέχουν τα λύματα, καθώς και από το μέγεθος των στερεών σωματιδίων. Το ποσοστό των ολικών στερεών χαρακτηρίζει την συμπεριφορά του ρευστού. Με μικρό ποσοστό ολικών στερεών, τα λύματα συμπεριφέρονται ως νευτώνειο ρευστό, ενώ όσο αυξάνει αυτό το ποσοστό, τα λύματα συμπεριφέρονται ως ψευδοπλαστικό ρευστό, πλαστικό ρευστό και τέλος, σε πολύ υψηλά ποσοστά ως στερεό ρευστό (Σχήμα 2). Τα ολικά στερεά διακρίνονται σε πτητικά και μη πτητικά, με τα πρώτα να αποτελούν την οργανική ουσία και τα δεύτερα την ανόργανη. Βάσει των πτητικών στερεών, εκτιμάται η δυνατότητα αποικοδόμησης των λυμάτων, ενώ η ποσότητά τους βοηθάει στην επιλογή του είδους της επεξεργασίας. Από την άλλη, τα μη πτητικά στερεά, επειδή δεν αποικοδομούνται, δε λαμβάνονται υπόψη στο σχεδιασμό. Επίσης, τα ολικά στερεά διακρίνονται σε διαλυμένα και αδιάλυτα στερεά. Τα διαλυμένα στερεά παίζουν σημαντικό ρολό στον προσδιορισμό της ρυπαντικής δύναμης των λυμάτων και στον υπολογισμό της αποδοτικότητας της επεξεργασίας τους. Οι παράγοντες που επηρεάζουν τη συγκέντρωση των ολικών στερεών στα ζωικά λύματα είναι το είδος του ζώου, οι κλιματικές συνθήκες της περιοχής, η τροφή, η ποσότητα του νερού που χρησιμοποιείται για την απομάκρυνση των λυμάτων, καθώς και ο τρόπος σταβλισμού. Άλλες φυσικές ιδιότητες, σημαντικές για την επιλογή μηχανικού εξοπλισμού και για την μέθοδο απομάκρυνσης των λυμάτων, εκτός των ολικών στερεών, είναι το βάρος, ο όγκος και το ποσοστό υγρασίας (Martzopoulos and Nielsen 1980). 23

25 Σχήμα 2: Φυσική συμπεριφορά της κόπρου. (USDA 1992) Χημικά χαρακτηριστικά Τρία είναι τα βασικά χημικά στοιχεία, που λαμβάνονται υπόψη στο σχεδιασμό συστήματος επεξεργασίας λυμάτων, το άζωτο, ο φώσφορος και το ph. Το άζωτο και ο φώσφορος είναι τα κύρια θρεπτικά στοιχεία, τα οποία συμμετέχουν στην κυτταρική σύνθεση και συσχετίζονται με την μικροβιακή ανάπτυξη. Εμπειρικός τύπος Speece C5H7O2NP0,06 (Speece 1997). Το άζωτο εμφανίζεται στα ζωικά απόβλητα, κυρίως σε οργανική μορφή και σε αμμωνιακή (ΝΗ3 ή ΝΗ4 + ), ενώ η ποσότητα νιτρικού και νιτρώδους αζώτου είναι αμελητέα. Το αμμωνιακό άζωτο είναι το αποτέλεσμα της αποικοδόμησης της οργανικής ουσίας, με τη βοήθεια βακτηρίων και της υδρόλυσης του οργανικού αζώτου. Αυτές οι δυο μορφές του αζώτου (οργανικό Ν, και ΝΗ4 + ) αποτελούν το συνολικό άζωτο, που περιέχεται στα λύματα πριν από κάθε επεξεργασία, άρα, αποτελεί και βασική παράμετρο σχεδιασμού. Το αμμωνιακό άζωτο συναντάται σε υδατικά διαλύματα είτε ως αμμώνιο, είτε ως αμμωνία, γεγονός το οποίο εξαρτάται από το ph του διαλύματος. Τα νιτρώδη και τα νιτρικά είναι η οξειδωμένη μορφή του αμμωνιακού αζώτου, με τα νιτρώδη να αποτελούν το μεταβατικό στάδιο της οξείδωσης (Metcalf & Eddy 1991, Αϊβαζίδης 2000, Αμανατίδου 2009, Βασιλικιώτης 1989, Μαρκαντωνάτος 1990). 3 NH4 O2 NO2 2H H 2 2O 24

26 NO 1 O NO Η συνολική βιολογική οξείδωση του αζώτου μπορεί να αποδοθεί με την εξής αντίδραση: NH 2O NO 2H H O Γενικότερα, τα νιτρώδη είναι δείγμα προϋπάρχουσας ρύπανσης κατά την διαδικασία σταθεροποίησης. Τα νιτρώδη είναι μια χημικά ασταθής μορφή του αζώτου και η παρουσία τους στον αντιδραστήρα γίνεται αντιληπτή, η μη ολοκλήρωση της βιοαποικοδόμησης. Τα νιτρικά είναι το τελικό στάδιο οξείδωσης του αζώτου και είναι χημικά σταθερή μορφή. Τα ζωικά απόβλητα περιέχουν φώσφορο, που απαντάται είτε σε οργανική μορφή, είτε σε ανόργανη. Την ανόργανη μορφή του φωσφόρου αποτελούν κυρίως τα ορθοφωσφορικά (PO4-3, HPO4-3, H2PO4-1 ) και ύστερα τα πολυφωσφορικά (P3O10-5, P2O7-4 ). Σε υδάτινο περιβάλλον, τα πολυφωσφορικά υδρολύονται σε ορθοφωσφορικά, τα οποία χρησιμεύουν στο βιολογικό μεταβολισμό πολλών μικροοργανισμών (Βαγενάς 2006). Γενικά, ο φώσφορος είναι από τα βασικά συστατικά των ζώντων οργανισμών. Ο οργανικός φώσφορος απαντάται σε μικρότερες ποσότητες από τον ανόργανο. Το ph δηλώνει την συγκέντρωση των ιόντων υδρογόνου σε ένα υγρό. Στα απόβλητα με το ph, γίνεται ο έλεγχος της διεργασίας της βιολογικής αποικοδόμησης, καθώς εκτός ενός εύρους τιμών (κυρίως 6 9) δρα ανασταλτικά στις βιολογικές διεργασίες που συντελούνται από τους μικροοργανισμούς (Mu et al. 2006, Merkel 1981). Τα επιτρεπόμενα όρια της τιμής του ph στα επεξεργασμένα υγρά απόβλητα, κυμαίνονται από 6,5 ως 8, Βιοχημικές παράμετροι Οι βασικές βιοχημικές παράμετροι είναι το βιοχημικώς απαιτούμενο οξυγόνο (BOD) και το χημικώς απαιτούμενο οξυγόνο (COD). Αυτές οι παράμετροι δείχνουν τη ποσότητα του οξυγόνου, που χρειάζεται για να οξειδωθεί η οργανική ουσία. Ουσιαστικά, είναι ένας έμμεσος τρόπος υπολογισμού του ρυπαντικού φορτίου των λυμάτων. Το BOD δηλώνει την αποικοδομήσιμη οργανική ουσία, που όμως, δεν αποτελεί το σύνολο της οργανικής ουσίας, επειδή τα λύματα περιέχουν οργανικές ενώσεις που δεν αποικοδομούνται. Το σύνολο των οργανικών ενώσεων εκφράζεται μέσω του COD. Συνεπώς, το COD θα έχει μεγαλύτερη τιμή από το BOD, αλλά στο σχεδιασμό λαμβάνεται υπόψη η τιμή του BOD, διότι δείχνει το πραγματικό ρυπαντικό φορτίο. 25

27 Ένας άλλος τρόπος έκφρασης του ρυπαντικού φορτίου είναι το ισοδύναμο πληθυσμού. Με αυτό τον τρόπο, συγκρίνεται το ρυπαντικό φορτίο με αυτό των ανθρώπινων λυμάτων και εκφράζεται σε αντίστοιχο πληθυσμό, που μπορεί να παράγει το φορτίο αυτό (Μαρτζόπουλος 1998). Πίνακας 10: Ρυπαντικό ισοδύναμο πληθυσμού της κόπρου. (Μαρτζόπουλος, 1998) Είδος BOD Ισοδύναμο Kg/d Πληθυσμού Άνθρωπος 0,059 1 Αγελάδα γαλακτ/γής 0,875 14,8 Μόσχος 0,360 6,1 Βοοειδή κρεατοπαρ/γής 0,463 7,8 Χοίρος 0,136 2,3 Πουλερικά (ανά 50 Kg) 0,154 2,6 2.4 Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις Τα ζωικά λύματα, όταν εναποτίθενται χωρίς καμία επεξεργασία στο περιβάλλον, δημιουργούν μια σειρά από αρνητικές επιπτώσεις, οι οποίες στο σύνολό τους ορίζονται ως ενόχληση. Οι επιπτώσεις αυτές, επηρεάζουν το νερό, το έδαφος, τον αέρα και κάθε ζωντανό οργανισμό που ζει στο περιβάλλον αυτό. Ως αποτέλεσμα, υποβαθμίζεται η περιοχή-αποδέκτης των λυμάτων και αυξάνεται η παρουσία εντόμων και άλλων μολυσματικών παραγόντων Επιπτώσεις στο νερό Τα ζωικά λύματα ρυπαίνουν με διαφορετικό τρόπο τα επιφανειακά από τα υπόγεια ύδατα. Στα επιφανειακά νερά, οι αιτίες ρύπανσης είναι το οργανικό φορτίο το άζωτο και ο φώσφορος. Η υψηλή ποσότητα βιοαποικοδομήσιμης οργανικής ύλης είναι τέλεια πηγή τροφής για βακτήρια, τα οποία και πολλαπλασιάζονται με γοργούς ρυθμούς. Τα βακτήρια αποικοδομούν 26

28 με την βοήθεια οξυγόνου τις σύνθετες οργανικές ενώσεις, παράγοντας διοξείδιο του άνθρακα. Το οξυγόνο που καταναλώνεται είναι απαραίτητο για τους υδρόβιους οργανισμούς και η έλλειψη του προκαλεί τη μετανάστευση ή ακόμα και το θάνατο των οργανισμών αυτών. Οι συνέπειες της παρουσίας υψηλού οργανικού φορτίου στα επιφανειακά νερά είναι η υψηλή θολερότητα και η δυσάρεστη οσμή (Βασιλικιωτης 1989). Το άζωτο, όπως προαναφέρθηκε, παρουσιάζεται σε τέσσερις μορφές στα ζωικά λύματα, οργανικό άζωτο, αμμωνία ή αμμωνιακό ιόν, νιτρώδες και νιτρικό άζωτο. Το οργανικό άζωτο υδρολύεται εύκολα και μετατρέπεται σε αμμωνία, η οποία σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις είναι τοξική για την υδρόβια ζωή. Το ανώτερο όριο αμμωνίας για τα ψάρια είναι 2,5 mg/l (Αϊβαζίδης 2000, Αμανατίδου 2009). Η ενδεικτική τιμή συγκέντρωσης αμμωνίας στο πόσιμο νερό είναι 0,05 mg/l, ενώ η ανώτερη επιτρεπόμενη τιμή είναι 0,5 mg/l (ΦΕΚ Β892). Το νιτρώδες άζωτο είναι ασταθής χημική ένωση και εμφανίζεται σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις στο νερό. Η παρουσία υψηλής συγκέντρωσης νιτρωδών σε επιφανειακά ύδατα, αποτελεί δείκτη ρύπανσης από βιομηχανικά απόβλητα με τοξική δράση απέναντι στους υδρόβιους οργανισμούς. Τα ανώτερα επιτρεπόμενα όρια στα απόβλητα είναι 1 mg/l για ρέματα και 0,6 mg/l γι αυτά που καταλήγουν στη θάλασσα, ενώ στο πόσιμο νερό το ανώτερο όριο είναι 0,5 mg/l (Αϊβαζίδης 2000, Αμανατίδου 2009, Μαρκαντωνάτος 1990, ΦΕΚ Β892). Το νιτρικό άζωτο απαντάται σε μικρές συγκεντρώσεις στα επιφανειακά και στα υπόγεια ύδατα. Είναι διαλυτή ένωση στο νερό και καταναλώνεται από τα φυτά. Σε υψηλότερες συγκεντρώσεις, αποτελεί δείκτη ρύπανσης που προέρχεται από χρήση λιπασμάτων και από λύματα. Είναι μια από τις αιτίες του ευτροφισμού των λιμνών (Lusk 1998). Η επιτρεπόμενη συγκέντρωση για απόβλητα που διατίθενται σε ήρεμες λίμνες είναι 0,3 mg/l, σε ρέματα 4 mg/l και στη θάλασσα 20 mg/l. Για το πόσιμο νερό, ανώτερο όριο είναι τα 50 mg/l (Αϊβαζίδης 2000, Αμανατίδου 2009, Μαρκαντωνατος 1990, Οδηγία 91/676/EEC, ΦΕΚ Β892). Για τον φώσφορο, δεν έχει παρατηρηθεί τοξική επίδραση στην υδρόβια ζωή στη συνήθη μορφή (πολυφωσφορικά, ορθοφωσφορικά ή οργανικός). Από την άλλη, είναι κι αυτός υπαίτιος για τον ευτροφισμό και την ενηλικίωση των λιμνών. Τα επιτρεπόμενα όρια στα επεξεργασμένα απόβλητα εξαρτώνται από τον υδάτινο αποδέκτη και το κίνδυνό του για ευτροφισμό και συνήθως κυμαίνονται από 0,1 ως 2 mg/l. Ενδεικτική συγκέντρωση των φωσφωρικών ιόντων στο πόσιμο νερό είναι τα 0,4 mg/l, ενώ η ανώτερη τιμή δε θα πρέπει να ξεπερνάει τα 5 mg/l (Αϊβαζίδης 2000, Αμανατίδου 2009, ΦΕΚ Β892). Γενικότερα, στα επιφανειακά ύδατα βασικό κριτήριο είναι η ευαισθησία του αποδέκτη. Ο πιο ευαίσθητος αποδέκτης είναι η λίμνη, ύστερα το ποτάμι και τέλος η θάλασσα. 27

29 Η μόλυνση των υπόγειων υδάτων εγκυμονεί μεγάλο κίνδυνο για τη δημόσια υγεία, και πιο πολύ όταν αυτά αντλούνται για χρήση ως πόσιμο νερό. Οι βασικότερες αρνητικές επιπτώσεις των ζωικών λυμάτων στα υπόγεια ύδατα, προέρχονται κυρίως από βακτήρια και από το νιτρικό άζωτο. Το ανώτερο στρώμα εδάφους εμποδίζει τη διέλευση ενώσεων μη διαλυτών στο νερό και ιδιαίτερα σε εδάφη με υψηλό ποσοστό σε άργιλο. Οι συνήθεις μορφές φωσφόρου (ορθοφωσφορικά και πολυφωσφορικά ιόντα) και καλίου είναι σχετικώς αδιάλυτες και δεν παρουσιάζονται στα υπόγεια νερά, αντιθέτως, με τα νιτρικά που είναι διαλυτά στο νερό. Η υψηλή συγκέντρωση νιτρικών στα υπόγεια νερά, προέρχεται από τα ζωικά λύματα και από τη χρήση λιπασμάτων στη γεωργία. Τα όρια των νιτρικών στο πόσιμο νερό είναι 50 mg/l (Οδηγία 91/676/EEC, ΦΕΚ Β892). Σε υψηλή συγκέντρωση, προκαλούν στα βρέφη μεθαιμογλοβιναιμία. Τα νιτρικά σε αλκαλικό περιβάλλον, όπως είναι το στομάχι ενός βρέφους, μετατρέπονται σε νιτρώδη άλατα. Τα νιτρώδη άλατα εισέρχονται στην κυκλοφορία του αίματος και εκεί, αλληλοεπιδρούν με την αιμογλοβίνη, την οποία και μετατρέπουν σε μεθαιμογλοβίνη (Βασιλικιώτης 1989). Τα βακτήρια διασπείρουν έναν μεγάλο αριθμό ασθενειών. Το έδαφος συγκρατεί έναν μεγάλο αριθμό βακτηρίων, πάραυτα, έχει παρατηρηθεί μόλυνση υπόγειων νερών και κυρίως πηγαδιών από κολοβακτηρίδια και γι αυτό αν το νερό προορίζεται για πόσιμο, θα πρέπει να εξετάζεται πριν χρησιμοποιηθεί (USDA 1992) Επιπτώσεις στο έδαφος Γενικά, η διάθεση των οργανικών λυμάτων στο έδαφος αυξάνει τη γονιμότητά του και υποβοηθά την ανάπτυξη των φυτών. Η θετική δράση τους στο έδαφος αφορά στη διαθεσιμότητα των θρεπτικών στοιχείων, στην αναπνοή του εδάφους, στην αύξηση του μικροβιακού πληθυσμού και των ενζυματικών ενεργειών, με αποτέλεσμα τη βελτίωση της δομής του εδάφους. Η διάθεση, όμως, μεγάλου όγκου κτηνοτροφικών λυμάτων δημιουργεί αναερόβιες συνθήκες με καταστρεπτική δράση στα φυτά (Burton & Turner 2003). Το μεγαλύτερο, ίσως, πρόβλημα από τη διάθεση των λυμάτων στο έδαφος είναι η εμφάνιση και διασπορά παθογόνων μικροοργανισμών. Λόγω του υψηλού κινδύνου εξάπλωσης ασθενειών από παθογόνους μικροοργανισμούς, η Ευρωπαϊκή Ένωση τα τελευταία χρόνια, έχει δείξει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την εξάλειψη τους από τα ζωικά λύματα, πριν τη διάθεσή τους στο περιβάλλον (Κανονισμός 1774/2002). Βάσει της υγειονομικής διάταξης Υ1β/2000/95, τα 28

30 επιτρεπτά όρια του BOD και του COD των υγρών λυμάτων που προορίζονται για εδαφική διάθεση, είναι 1200 mg/l και 4500 mg/l, αντίστοιχα Επιπτώσεις στον αέρα Τα ζωικά λύματα παράγουν έναν μεγάλο αριθμό αερίων, τα οποία υποβαθμίζουν την ποιότητα του αέρα. Οι βασικές επιπτώσεις που επιφέρουν τα ζωικά λύματα είναι η έντονη δυσοσμία, η διάβρωση των υλικών των κτηνοτροφικών εγκαταστάσεων και η έκλυση θανατηφόρων αερίων, τα οποία μπορεί να επιφέρουν προβλήματα υγείας ή ακόμα και θάνατο στα σταβλισμένα ζώα και στους εργαζομένους (Morrison et al. 1991). Τα κύρια αέρια που εκλύονται από τα ζωικά λύματα είναι διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο, αμμωνία, οξείδιο και υποξείδιο του αζώτου, υδρόθειο και άλλες θειικές ενώσεις, αλδεΰδες, φαινόλες και αμίνες. Το διοξείδιο του άνθρακα και το μεθάνιο είναι οι κύριες αιτίες του φαινομένου του θερμοκηπίου. Το πρώτο παράγεται κάτω από αερόβιες συνθήκες, ενώ και τα δύο παράγονται σε αναερόβιες συνθήκες. Το μεθάνιο σε συγκέντρωση άνω των ppm προκαλεί ασφυξία και πονοκέφαλο στους ανθρώπους. Το διοξείδιο του άνθρακα προκαλεί πονοκέφαλο σε συγκέντρωση άνω των ppm, ενώ σε τιμές που ξεπερνούν τα ppm και για έκθεση με χρονικό διάστημα 30 λεπτών, είναι θανατηφόρο (Νικήτα-Μαρτζοπούλου 1985, USDA 1992, Zhu 2000). Η αμμωνία που βρίσκεται σε μορφή ουρίας, μπορεί να οξειδωθεί και να δημιουργήσει όξινη βροχή. Ενώ η παρουσία νιτρικών στην ατμόσφαιρα, παράγει νιτρικό αμμώνιο, βασική αιτία αιθαλομίχλης. Στον άνθρωπο, η αμμωνία προκαλεί ερεθισμό των ματιών και του αναπνευστικού συστήματος σε χαμηλές συγκεντρώσεις, ενώ σε υψηλές προκαλεί ασφυξία ή ακόμα και θάνατο. Η έκθεση των ζώων σε χαμηλές συγκεντρώσεις αμμωνίας προκαλεί ζάλη και ανορεξία, ενώ σε υψηλότερες αυξάνει τις ασθένειες του αναπνευστικού και τον κίνδυνο πνευμονίας. Η αμμωνία μετά από την οξείδωσή της μετατρέπεται σε νιτρώδη και νιτρικά άλατα, τα οποία συσσωρεύονται στο δάπεδο και μπορεί να καταναλωθούν από τα σταβλισμένα ζώα. Η κατανάλωση αυτών των αλάτων από τα ζώα προκαλεί δηλητηρίαση (Morrison et al. 1991, Μαρκαντωνάτος 1990). Άλλα επιβλαβή αέρια που εκλύονται από τα ζωικά λύματα είναι το Ν2Ο, το οποίο είναι ένα από τα αέρια του θερμοκηπίου, μικρές ποσότητες από αλδεΰδες, φαινόλες και αμίνες που προκαλούν αναπνευστικά προβλήματα (Davidson et al. 1995) και το υδρόθειο, το οποίο είναι δηλητηριώδες. Το υδρόθειο σε χαμηλές συγκεντρώσεις προκαλεί ερεθισμό και παραλύει την 29

31 αίσθηση της όσφρησης στον άνθρωπο. Γεγονός που δείχνει ότι η άνοδος της συγκέντρωσης του δεν θα γίνει αντιληπτή. Σε συγκέντρωση 1000 ppm, προκαλεί άμεσα το θάνατο στον άνθρωπο και στα ζώα. Στα ζώα, προκαλεί επίσης μείωση του ρυθμού ανάπτυξης σε χαμηλά επίπεδα (Martinez-Almela et al. 2005, Μαρκαντωνάτος 1990). 2.5 Μέθοδοι επεξεργασίας Οι στόχοι μιας αποδοτικής και οικολογικά αποδεκτής διαχείρισης των ζωικών λυμάτων είναι: α) η μείωση του όγκου των λυμάτων, β) η αριστοποίηση του ρυθμού αποσύνθεσης των λυμάτων, γ) ο έλεγχος και η μείωση της δυσοσμίας που εκλύεται από τα λύματα, δ) η ελαχιστοποίηση της ρύπανσης, ε) η επεξεργασία των λυμάτων να είναι σύμφωνη με το θεσμικό πλαίσιο που ορίζεται από την πολιτεία και στ) η εξασφάλιση θετικού οικονομικού αποτελέσματος. Η μέθοδος επεξεργασίας που θα επιλεχθεί για τη διαχείριση των αποβλήτων, θα πρέπει να εξασφαλίζει την επίτευξη όλων των παραπάνω στόχων. Οι μέθοδοι επεξεργασίας λυμάτων χωρίζονται σε φυσικές, χημικές και βιολογικές. Οι φυσικές διεργασίες διαχωρίζουν τα στερεά από τα υγρά λύματα με μηχανικό τρόπο. Με αυτόν τον τρόπο, επιτυγχάνεται η μείωση του όγκου των αποβλήτων, η ευκολότερη διαχείριση του, ενώ αποφεύγεται το φράξιμο σωληνώσεων. Στις φυσικές μεθόδους, περιλαμβάνονται η καθίζηση, το κοσκίνισμα, η φυγοκέντριση, η διήθηση και η αφυδάτωση. Οι χημικές μέθοδοι επεξεργασίας είναι κατάλληλες για την απομάκρυνση των εκλυόμενων οσμών από τα λύματα. Χαρακτηριστικές χημικές διεργασίες είναι η χημική κατακρήμνιση, η υδρογόνωση και η καύση, η οποία συμβάλλει και στην μείωση του όγκου αποβλήτων. Η βιολογική επεξεργασία λυμάτων είναι η βασικότερη μέθοδος και έχει ως σκοπό τη μείωση του οργανικού φορτίου. Η μείωση αυτή επιτυγχάνεται μέσω δημιουργίας κατάλληλων συνθηκών για την ανάπτυξη μικροοργανισμών, οι οποίοι συντελούν στη βιοαποικοδόμηση, διεργασία που πραγματοποιείται και στη φύση. Οι βιολογικές διεργασίες διακρίνονται βάσει του είδους των βακτηρίων και των συνθηκών ανάπτυξής τους, σε αερόβιες και αναερόβιες. Σε αερόβιες συνθήκες η οργανική ύλη αποικοδομείται με τελικό προϊόν το διοξείδιο του άνθρακα, ενώ σε αναερόβιες συνθήκες, λόγω έλλειψης οξυγόνου, ο άνθρακας ενώνεται με το υδρογόνο και παράγεται μεθάνιο. Άλλες βιολογικές διεργασίες είναι τα υδροχαρή φυτά και η κομποστοποίηση Κομποστοποίηση 30

32 Η κομποστοποίηση είναι μια αερόβια βιολογική διεργασία (Σχήμα 3) αποικοδόμησης των οργανικών υποστρωμάτων και πραγματοποιείται από μικροοργανισμούς, που χρησιμοποιούν το οργανικό υλικό για την ανάπτυξη και τον πολλαπλασιασμό τους, σε δύο στάδια: Α) στο θερμόφιλο στάδιο, κατά το οποίο η ανάπτυξη των βακτηρίων είναι ραγδαία, όπως και η αποικοδόμηση του οργανικού φορτίου Β) στο μεσόφιλο στάδιο, στο οποίο ο ρυθμός αποικοδόμησης του οργανικού φορτίου μειώνεται και αναπτύσσονται μύκητες. Οι μικροοργανισμοί αποικοδομούν τα προϊόντα της πρώτης περιόδου και μ αυτόν τον τρόπο παράγονται χουμικά οξέα, καταστρέφονται τοξικές για το έδαφος ουσίες και παράγεται ένα σταθεροποιημένο υλικό, το οποίο έχει εδαφοβελτιωτικές ιδιότητες. Το υλικό αυτό που μοιάζει με χούμους, έχει χρώμα γκριζόμαυρο έως σκούρο καφέ, λεπτόκοκκη υφή, χαρακτηριστική μυρωδιά χώματος και ονομάζεται κομπόστα. Σχήμα 3: Σχηματική απεικόνιση της διεργασίας της κομποστοποίησης. (Haug, 1993, Metcalf & Eddy 1991) Η διαδικασία της κομποστοποίησης γίνεται με τη βοήθεια πολλών διαφορετικών αερόβιων μικροοργανισμών, τα οποία αναπτύσσονται και πολλαπλασιάζονται αποσυνθέτοντας την οργανική ουσία. Τέτοιοι μικροοργανισμοί είναι βακτήρια, μύκητες, ακτινομύκητες, καθώς και πρωτόζωα. Οι παράγοντες που είναι σημαντικοί για την ανάπτυξη του μικροβιακού πληθυσμού είναι η αναλογία C/N, το διαθέσιμο οξυγόνο, η περιεκτικότητα σε υγρασία, η θερμοκρασία και τέλος το ph. Οι συνθήκες είναι ιδανικές όταν η αναλογία άνθρακα/αζώτου (C/N) κυμαίνεται μεταξύ 25-30, υγρασία μεταξύ 40-65%, ph 6-8 και οξυγόνο τουλάχιστον 5% (Huang et. al. 2004). Άλλη μια σημαντική παράμετρος αφορά στα ανεπεξέργαστα λύματα (πριν την κομποστοποίηση), τα οποία θα πρέπει να μην περιέχουν ιχνοστοιχεία, όπως χαλκό, μόλυβδο, 31

33 νικέλιο και ψευδάργυρο, ειδάλλως η κομπόστα που θα παραχθεί δεν θα είναι ποιοτικά αποδεκτή. Από τους παραπάνω παράγοντες και τις συνθήκες λειτουργίας, κρίνεται ο ρυθμός αποσύνθεσης και η παραγωγή θερμότητας, απαραίτητη για την καταστροφή των σπόρων των ζιζανίων, των προνυμφών της μύγας, καθώς και άλλων παθογόνων οργανισμών. Η κομπόστα χρησιμοποιείται ως εδαφοβελτιωτικό, που εμπλουτίζει το έδαφος με χούμο, παρά τις μικρές ποσότητες αζώτου, φωσφόρου και καλίου που περιέχει. Η χρήση της κομπόστας επεκτείνεται στη λίπανση καλλιεργειών, αφού πρώτα αναμειχθούν με ανόργανα χημικά πρόσθετα με ποσότητες N, P, K. ανάλογα με τις ανάγκες της καλλιέργειας (Burton & Turner 2003, Keeley & Skipper 1988, Μαρκαντωνάτος 1990, Μαρτζόπουλος 1998). Η κομποστοποίηση παρουσιάζει τα εξής πλεονεκτήματα: μείωση του όγκου των λυμάτων και της περιεκτικότητας τους σε υγρασία μείωση της δυσοσμίας μείωση των παθογόνων μικροοργανισμών ή ακόμα και εξουδετέρωση τους μείωση της ανάπτυξης εντόμων μείωση των σπόρων των ζιζανίων βελτίωση της δομής και της γονιμότητας του εδάφους με τη χρήση κομπόστας σε αυτό δυνατότητα αποθήκευσης της κομπόστας για μεγάλο χρονικό διάστημα λόγω έλλειψης δυσοσμίας. Ενώ τα μειονεκτήματά της είναι: το μεγάλο χρονικό διάστημα για την ολοκλήρωση της διαδικασίας η προσθήκη και άλλων στοιχείων, τα οποία είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών η χρήση μεγάλου λειτουργικού χώρου ο απαραίτητος αερισμός και η ανάπτυξη υψηλών θερμοκρασιών για τον επαρκή έλεγχο των παθογόνων μικροοργανισμών Υδροχαρή φυτά Τα υδροχαρή φυτά είναι κατάλληλα για την αποικοδόμηση οργανικού φορτίου σε λύματα, τα οποία έχουν υποστεί προηγούμενη επεξεργασία (δηλ. σε δευτερογενώς επεξεργασμένα απόβλητα). Η υψηλή συγκέντρωση στερεών και άλλων ουσιών στα ζωικά λύματα είναι 32

34 ακατάλληλη για τη διαβίωση των φυτών. Συνεπώς, είναι μια μέθοδος για προεπεξεργασμένα λύματα (Σχήμα 4). Η αποικοδόμηση του οργανικού φορτίου γίνεται από τους μύκητες και τα βακτήρια που ζουν στις ρίζες των φυτών. Τα λύματα ρέουν κάτω από τα φυτά, στις ρίζες τους, έτσι ώστε, να έρχονται σε επαφή με τον μικροβιακό πληθυσμό που υπάρχει εκεί. Η χρήση των υδροχαρών φυτών γίνεται με τρεις τρόπους: με επιφανειακή ροή, με υπεδάφεια ροή και επιπλέοντα υδροχαρή φυτά. Στο σύστημα επιφανειακής ροής τα φυτά είναι ριζωμένα σε ένα λεπτό στρώμα χώματος και κάτω από αυτά σε βάθος 15 με 45 εκατοστά ρέουν τα λύματα. Απαραίτητη προϋπόθεση είναι να υπάρχει οριζόντια ή ελαφρά κλίση του συστήματος προς την κατεύθυνση ροής των λυμάτων. Το σύστημα υπεδάφειας ροής αποτελείται από ένα στρώμα άμμου, χαλικιού και εδάφους, στην επιφάνεια του οποίου είναι φυτεμένα τα υδροχαρή φυτά. Οι ρίζες των φυτών προεκτείνονται μέσα στο στρώμα άμμου, χαλικιού και εδάφους, το οποίο διαρρέουν τα λύματα. Τα επιπλέοντα υδροχαρή φυτά βρίσκονται σε λίμνη βάθους μεταξύ 0,9 και 1,5 μέτρων. Το βάθος αυτό είναι κατάλληλο, ώστε να μην αναπτυχθούν άλλα φυτά και παράλληλα τα λύματα να έρχονται σε επαφή με τις ρίζες των φυτών. Ο υάκινθος είναι ένα από τα καταλληλότερα φυτά για χρήση σε σύστημα με επιπλέοντα φυτά. 33

35 Σχήμα 4: Συστήματα με υδροχαρή φυτά: α) επιφανειακής ροής, β) επιπλεόντων υδροχαρών φυτών και γ) υπεδάφειας ροής. (USDA 1992) Η διαφορά των τριών συστημάτων έγκειται στην ευκολία διαχείρισης και στο κόστος κατασκευής. Το σύστημα επιφανειακής ροής είναι το πιο οικονομικό, με κόστος ως και 6 φορές λιγότερο από αυτό της υπεδάφειας ροής. Παράλληλα, η διαχείριση συστημάτων επιφανειακής ροής είναι πιο εύκολη από αυτήν με τα επιπλέοντα φυτά. Τα πλεονεκτήματα της χρήσης υδροχαρών φυτών είναι: η μείωση των θρεπτικών στοιχείων των λυμάτων και η αποφυγή του ευτροφισμού (κυρίως όταν ο τελικός αποδέκτης είναι λίμνες) ο έλεγχος της δυσοσμίας των λυμάτων η μείωση του ρυπαντικού του φορτίου και η καλυτέρευση της ποιότητας του νερού η δημιουργία οικοσυστήματος στο οποίο μπορούν να ζήσουν άγρια ζώα. Το βασικό μειονέκτημα κατασκευής τέτοιων συστημάτων επεξεργασίας, είναι η μεγάλη έκταση γης που απαιτείται Αερόβια επεξεργασία Η αερόβια επεξεργασία είναι μια βιολογική διεργασία, όπου με την παρουσία οξυγόνου και με τη βοήθεια αερόβιων μικροοργανισμών, πραγματοποιείται η βιοαποικοδόμηση. Τα αερόβια βακτήρια αποικοδομούν τις σύνθετες οργανικές ενώσεις σε απλούστερη μορφή, με τελικό προϊόν το διοξείδιο του άνθρακα. Η διαδικασία απαιτεί άφθονο οξυγόνο, το οποίο παρέχεται είτε με έκχυση (με φυσητήρες), είτε με ανάδευση, όπου πλουτίζονται τα λύματα με ατμοσφαιρικό αέρα. Με την αερόβια επεξεργασία επιτυγχάνεται (Metcalf & Eddy 1991): μείωση της δυσοσμίας αποφυγή σχηματισμού μεθανίου μείωση της ενεργής οργανικής ύλης (μείωση του BOD 5 ) οξείδωση του υδρόθειου σε θειικό οξύ αποστείρωση των λυμάτων με αναστολή δράσης αναερόβιων βακτηρίων βελτίωση των χαρακτηριστικών ροής των λυμάτων και ομογενοποίηση τους. 34

36 Η όλη διαδικασία πραγματοποιείται με τον ίδιο τρόπο στη φύση, με τη διαφορά ότι στις μονάδες επεξεργασίας ο χρόνος βιοαποικοδόμησης είναι πολύ μικρότερος και οι συνθήκες λειτουργίας μπορούν να ρυθμιστούν σε βέλτιστες τιμές. Στην αερόβια επεξεργασία ζωικών λυμάτων χρησιμοποιούνται αντιδραστήρες συνεχούς ροής ή εφάπαξ πλήρωσης. Η διαφορά των δύο είναι ότι στο πρώτο εφαρμόζεται συνεχής ροή, ενώ κατά τον δεύτερο ολοκληρώνεται η διεργασία αποικοδόμησης, αδειάζει τελείως ο αντιδραστήρας και στη συνέχεια ξαναγεμίζει με ανεπεξέργαστα απόβλητα Αναερόβια επεξεργασία Η αναερόβια επεξεργασία είναι μια βιολογική διεργασία, που χρησιμοποιείται στα αστικά και στα βιομηχανικά απόβλητα, με υψηλό οργανικό φορτίο (Σχήμα 5). Συνεπώς, είναι μια μέθοδος κατάλληλη για την επεξεργασία ζωικών λυμάτων, τα οποία έχουν υψηλή συγκέντρωση οργανικής ύλης. Εκτός της εφαρμογής της μεθόδου σε λύματα ζωικής και φυτικής προέλευσης, χρησιμοποιείται ευρέως για τη σταθεροποίηση της παραγόμενης λάσπης στις μονάδες βιολογικής επεξεργασίας αστικών και βιομηχανικών λυμάτων, καθώς επίσης και για την επεξεργασία στερεών απορριμμάτων και αστικών λυμάτων (Gunaseelan 1997, van Starkenburg 1997). Κατά την διεργασία της αναερόβιας ζύμωσης, σε συνθήκες έλλειψης οξυγόνου, αναερόβια βακτήρια αποικοδομούν τις σύνθετες οργανικές ενώσεις σε απλούστερη μορφή, με τελικό προϊόν το διοξείδιο του άνθρακα και το μεθάνιο. Η αντίδραση που εκφράζει τη διεργασία είναι: 33g οργανικής ουσίας (CXHZOY) = 22g CO2 + 8g CH4 + 3g βιομάζας Στο μεθάνιο αποθηκεύεται η ενέργεια, που παράγεται κατά την αναερόβια ζύμωση. Σε αντιπαράθεση με την παραγωγή μεθανίου, γίνονται προσπάθειες και για την παραγωγή υδρογόνου μέσω της συγκεκριμένης μεθόδου. Η διαδικασία είναι παρόμοια, με μόνη διαφορά την αναστολή Παραγωγή μεθανίου σε ενδιάμεσο στάδιο της επεξεργασίας, έτσι ώστε, να μην καταναλωθεί το υδρογόνο. Η αναερόβια μέθοδος επεξεργασίας περιλαμβάνει τέσσερα στάδια. Το πρώτο στάδιο είναι η υδρόλυση, κατά την οποία υδρολύονται οι σύνθετες οργανικές ενώσεις και μετατρέπονται σε απλούστερες διαλυτές ουσίες, με τη βοήθεια ενζύμων που παράγονται από τα βακτήρια. Τα προϊόντα της υδρόλυσης είναι υδρογονάνθρακες, αμινοξέα από πρωτεΐνες και λιπαρά οξέα από 35

37 λιπίδια. Αυτό το στάδιο είναι καθοριστικό στο χρόνο, που πραγματοποιείται η βιοαποικοδόμηση, καθώς οι διεργασίες της υδρόλυσης γίνονται με αργό ρυθμό. Στο στάδιο που ακολουθεί, τα προϊόντα της υδρόλυσης διασπώνται σε πτητικά λιπαρά οξέα και σε οξικό οξύ, με αποτέλεσμα τη μείωση του ph των λυμάτων. Τελευταίο στάδιο είναι η Παραγωγή μεθανίου, κατά την οποία τα μεθανογόνα βακτήρια καταναλώνουν το οξικό οξύ και παράγουν μεθάνιο. Σε αυτή τη φάση το ph αυξάνεται. Η αναερόβια ζύμωση απαιτεί τη συμβίωση διαφόρων ειδών βακτηρίων, η οποία για να επιτευχθεί χρειάζεται τη δημιουργία κατάλληλων συνθηκών για όλα τα βακτήρια. Οι παράγοντες που επηρεάζουν τη διεργασία είναι η θερμοκρασία, το ph, η αναλογία C/N, τα βαριά μέταλλα και το αρχικό μόλυσμα. Τα αποτελέσματα (στόχοι) της αναερόβιας επεξεργασίας είναι η παραγωγή βιοαερίου, η μείωση του οργανικού φορτίου, της δυσοσμίας και των παθογόνων μικροοργανισμών στα λύματα, όπως επίσης, και η βελτίωση της λιπαντικής ικανότητας και των ρεολογικών ιδιοτήτων των λυμάτων. Εκτενέστερη αναφορά στην αναερόβια μέθοδο επεξεργασίας γίνεται στο επόμενο κεφάλαιο. Σχήμα 5: Σχηματική απεικόνιση της διαδικασίας της αναερόβιας αποικοδόμησης. (Reith et al. 2003) Δεξαμενές σταθεροποίησης Οι δεξαμενές σταθεροποίησης είναι μονάδες βιολογικής επεξεργασίας, οι οποίες λειτουργούν σε αερόβιες ή αναερόβιες συνθήκες, που προσδίδονται φυσικά ή τεχνικά στο όλο σύστημα. Σε γενικές γραμμές, είναι οικονομικές και εύκολες στη κατασκευή τους και κατάλληλες για την 36

38 επεξεργασία ζωικών λυμάτων. Βασική προϋπόθεση, είναι να υπάρχει διαθέσιμη έκταση, αλλά και απόσταση από τις κατοικημένες περιοχές, έτσι ώστε, να μην δημιουργούνται προβλήματα λόγω δυσοσμίας. Η κατασκευή τους γίνεται με χωμάτινο ανάχωμα και ο πυθμένας πρέπει να είναι επίπεδος και στεγανός, για να αποφευχθεί οποιαδήποτε διαρροή, που μπορεί να επιβαρύνει τα υπόγεια ύδατα. Οι αερόβιες δεξαμενές έχουν μεγάλη επιφάνεια για καλύτερο αερισμό από τον ατμοσφαιρικό αέρα. Τα αερόβια βακτήρια αποικοδομούν τις οργανικές ενώσεις σε απλούστερες μορφές και σε διοξείδιο του άνθρακα. Το παραγόμενο διοξείδιο του άνθρακα καταναλώνεται από μικροφύκη, που βρίσκονται εντός της δεξαμενής και φωτοσυνθέτοντας παράγουν οξυγόνο, απαραίτητο για τα βακτήρια. Στην απορροή της δεξαμενής απομακρύνονται όλα τα μικροφύκη και οι μικροοργανισμοί για να υπάρξει μείωση του BOD5, ειδάλλως, οι τιμές του θα παραμένουν υψηλές. Η επαφή του συνολικού όγκου των λυμάτων με τον ατμοσφαιρικό αέρα μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση αναδευτήρων. Διαφορετικά, γίνεται έκχυση οξυγόνου απευθείας στα λύματα (Μαρκαντωνάτος 1990, Metcalf & Eddy 1991). Οι αναερόβιες δεξαμενές σταθεροποίησης (Σχήμα 6) έχουν μεγαλύτερο όγκο από τις αντίστοιχες αερόβιες δεξαμενές, αλλά μικρότερη ελεύθερη επιφάνεια. Βασικές παράμετροι λειτουργίας είναι η θερμοκρασία, η οποία πρέπει να κρατείται σε υψηλές τιμές για να εξασφαλίζεται η διαβίωση του μικροβιακού πληθυσμού, η υψηλή συγκέντρωση οργανικού φορτίου και η απουσία τοξικών ουσιών. Τα λύματα εισέρχονται από το πυθμένα της δεξαμενής για την αποφυγή εισόδου του ατμοσφαιρικού αέρα μέσω του λεπτού επιφανειακού στρώματος. Οι αναερόβιες δεξαμενές, συνήθως, συνδυάζονται με αερόβια ή μεικτή δεξαμενή. Το πρόβλημα χρήσης αναερόβιων δεξαμενών είναι η έκλυση αερίων με έντονη δυσοσμία. Σχήμα 6: Αναερόβια δεξαμενή σταθεροποίησης. (Μαρκαντωνάτος 1990) 37

39 2.5.6 Διάθεση των λυμάτων στο έδαφος Η διάθεση ζωικών λυμάτων στο έδαφος είναι μια συνηθισμένη διαδικασία διαχείρισης, η οποία περιλαμβάνει φυσικές, χημικές και βιολογικές διεργασίες κατά την εφαρμογή της. Το όνομα της είναι παραπλανητικό, όσον αφορά στην ευκολία και στην απλότητα εφαρμογής της, ενώ στην πράξη προϋποθέτει γνώση των βασικών ιδιοτήτων του εδάφους και των καλλιεργειών και τήρηση των απαραίτητων κανόνων και αρχών της υγειονομικής μηχανικής. Ειδάλλως, με την πάροδο του χρόνου εμφανίζονται προβλήματα, που επιβαρύνουν δυσμενώς το περιβάλλον. Οι βασικοί κανόνες, για την ασφαλή διάθεση ζωικών λυμάτων στο έδαφος είναι (Mαρκαντωνάτος 1990): Εξασφάλιση αποδεκτών συνθηκών υγιεινής και αισθητικής του περιβάλλοντος Περιοδική φόρτιση του εδάφους με διαστήματα αναπαύσεως Προσαρμογή του ρυθμού διαθέσεως των αποβλήτων στον τύπο του εδάφους και στην αφομοιωτική ικανότητα των καλλιεργειών Προστασία της φυσικής δομής του εδάφους Διατήρηση αριθμού ζώων σε ισοζύγιο με τη διαθέσιμη έκταση, για τη διάθεση των αποβλήτων Εφαρμογή μεθόδων διαθέσεως, ώστε να αποφευχθεί η έκλυση οσμών, να μειωθεί το ρυπαντικό φορτίο και να αξιοποιούνται τα θρεπτικά στοιχεία Διάθεση των λυμάτων την κατάλληλη εποχή για τις καλλιέργειες, Αποθηκευτικοί χώροι, ώστε τα λύματα να αποθηκεύονται μέχρι την εποχή διάθεσής τους. Σε γενικές γραμμές, η διάθεση των ζωικών λυμάτων στο έδαφος αυξάνει τη γονιμότητά του και υποβοηθά την ανάπτυξη των φυτών. Η μεγάλη ποσότητα οργανικής ουσίας που περιέχουν τα ζωικά λύματα, βελτιώνει τη δομή του εδάφους, αυξάνει την ικανότητα του να δεσμεύει νερό, επιτρέπει να αναπτυχθούν σε μεγαλύτερο εύρος οι ρίζες των φυτών, βελτιώνει τη συνοχή και τη συνάφεια μεταξύ των σωματιδίων του εδάφους και τέλος βοηθάει στη στράγγιση και τον αερισμό του. Κατά την διάθεση των λυμάτων στο έδαφος, ένα μέρος του νερού αποδίδεται στην ατμόσφαιρα μέσω της εξατμισοδιαπνοής, ένα άλλο απομακρύνεται με επιφανειακή απορροή και το υπόλοιπο απορροφάται και διεισδύει στο έδαφος. Στα υγρά των λυμάτων που διεισδύουν στο έδαφος διασφαλίζεται ως ένα βαθμό η επεξεργασία τους, διαπερνώντας το επιφανειακό στρώμα και τις ρίζες των φυτών. 38

40 Η διαδικασία διάθεσης στο έδαφος γίνεται με τέσσερις μεθόδους: επιφανειακή απορροή, απλή άρδευση, ταχύρρυθμη άρδευση και απορρόφηση διείσδυση (Σχήμα 7). Η καταλληλόλητα της κάθε μεθόδου έγκειται στα στοιχεία του εδάφους, στο είδος των αποβλήτων και στους ισχύοντες περιβαλλοντικούς περιορισμούς. Οι τρόποι εφαρμογής διακρίνονται σε τεχνητή βροχή (καταιονισμός, sprinkler irrigation), επιφανειακή άρδευση με αυλάκια ή με αναχώματα (ridge & furrow) και άρδευση με σταγόνες (στάγδην, drip irrigation). Απαραίτητη προϋπόθεση, είναι η προ επεξεργασία των λυμάτων πριν τη διάθεσή τους στο έδαφος. Γενικότερα, η προ επεξεργασία περιλαμβάνει τον μηχανικό διαχωρισμό στερεών-υγρών, την απομάκρυνση της λεπτής λάσπης, την ρύθμιση του ph σε τιμές μεταξύ 6,4 και 8,4, έτσι ώστε, να αφομοιώνονται τα θρεπτικά στοιχεία από τα φυτά, την απαλλαγή από λίπη, τα οποία επηρεάζουν τη διαπερατότητα του εδάφους και τη δραστική μείωση της συγκέντρωσης ιόντων, όπως το νάτριο (Na + ), το οποίο δρα τοξικά για τα φυτά σε υψηλές συγκεντρώσεις (Mαρκαντωνάτος 1990, Martzopoulos 1979, Sangodoyin & Olorunfemi 1996). Τα πλεονεκτήματα αυτής της διεργασίας είναι το χαμηλό κόστος, η βελτίωση των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων του εδάφους και τέλος, η μείωση του κινδύνου μόλυνσης από τα λύματα, λόγω των φυσικών διεργασιών που συντελούνται στο έδαφος. 39

41 Σχήμα 7: Επεξεργασία αποβλήτων με εδαφική διάθεση. (EPA 1977) 40

42 Κεφάλαιο 3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ 3.1 Γενικά Η αναερόβια χώνευση είναι διεργασία, που πραγματοποιείται σε μεγάλο αριθμό συστημάτων με αναερόβιες συνθήκες, όπως στο πεπτικό σύστημα, σε υπονόμους κ.α.. Η πρώτη ιστορική μαρτυρία χρήσης της αναερόβιας χώνευσης για τη παραγωγή ενέργειας είναι το 10 ο αιώνα π.χ., από τους Ασσύριους, οι οποίοι χρησιμοποιούσαν την παραχθείσα ενέργεια για να θερμαίνουν τα λουτρά. Κατά τον ίδιο τρόπο, έπραξαν και στη Περσία, τον 16 ο αιώνα (Lusk 1998). Τον 17 ο αιώνα παρατηρήθηκε η έκλυση εύφλεκτου αερίου (μεθάνιο) μετά από ανάδευση λάσπης στο πυθμένα λίμνης (R. Boyle και S.Hale) (Fergusen & Mah 2006), αλλά και από αποσύνθεση οργανικών ουσιών (J. V. B. Helmont) (Lusk 1998). Το 1764, ο Βενιαμίν Φραγκλίνος ανέφερε ότι μπορούσε να βάλει φωτιά σε μια μεγάλη επιφάνεια ρηχής λασπώδους λάσπης (Γεωργακάκης 2009β). Αργότερα, το 1776, ο Αλεξάντερ Βόλτα περιέγραψε το φαινόμενο σχηματισμού του βιοαερίου σε έλη και σε ιζήματα λιμνών (Fergusen & Mah 2006, Lusk 1998, Γεωργακάκης 2009β). Το 1808, ο H. Davy υπολόγισε το μεθάνιο που περιέχει η κόπρος των αγελάδων (Lusk 1998). Η πρώτη μονάδα αναερόβιας χώνευσης εφαρμόστηκε για την επεξεργασία λάσπης, το 1859 στην Βομβάη της Ινδίας (Lusk 1998, Meynell 1976), ενώ η έκλυση καύσιμου αερίου κατά τη χώνευση παρατηρήθηκε το 1895, από τον D. Cameron σε μια σηπτική δεξαμενή που κατασκεύασε ο ίδιος στην πόλη Έξετερ της Αγγλίας. Ο Cameron χρησιμοποίησε το αέριο αυτό για φωτισμό (Fergusen & Mah 2006, Lusk 1998). Το 1904, η κατασκευή διθάλαμης δεξαμενής (καθίζηση και χώνευση) έδωσε στον K. Imhoff το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας (Μαρκαντωνάτος 1990). Στη συνέχεια, ο μηχανισμός της αναερόβιας χώνευσης μελετήθηκε και μελετάται συστηματικά, ακολουθώντας τις ίδιες βασικές αρχές. Η αποσύνθεση της οργανικής ουσίας σε περιβάλλον απουσίας οξυγόνου (αναερόβιες συνθήκες), περιλαμβάνει τη συνδυασμένη δράση ποικιλίας βακτηρίων. Τα βακτήρια, αποσυνθέτοντας τις οργανικές ενώσεις, παράγουν διοξείδιο του άνθρακα και μεθάνιο σε ποσοστό, συνήθως, μεγαλύτερο του 99% του συνολικού όγκου του αερίου και άζωτο, αμμωνία, υδρογόνο και υδρόθειο σε ποσοστό κάτω του 1%. Τα πλεονεκτήματα της διεργασίας είναι (Gerbens & Zeeman 1999, Lettinga et al. 1999): υψηλός βαθμός αποικοδόμησης της οργανικής ουσίας, με μικρή αύξηση του πληθυσμού των βακτηρίων, σε σχέση με την αερόβια διαδικασία 41

43 το βιοαέριο που παράγεται, χρησιμοποιείται ως καύσιμο για την παραγωγή ενέργειας (ηλεκτρικής και θερμικής) μείωση των παθογόνων μικροοργανισμών και των εντόμων τα λύματα μετατρέπονται σε άριστο εδαφοβελτιωτικό και σε υψηλής ποιότητας ανόργανο λίπασμα, διατηρώντας σχεδόν ακέραια τα λιπαντικά του στοιχεία (N, P, K) οι απαιτήσεις για κατανάλωση ενέργειας είναι μικρές και γενικά εξαρτώνται από τις ανάγκες άντλησης, ανακύκλωσης και θέρμανσης των εισρεόντων συστατικών το τελικό στερεό υπόλειμμα που παράγεται, απαιτεί μικρότερη περαιτέρω επεξεργασία στην αναερόβια αποικοδόμηση, σε σχέση με την αερόβια. τα τελικά προϊόντα είναι - σε γενικές γραμμές - απαλλαγμένα από οσμές η ιλύς μπορεί να διατηρηθεί για μεγάλα χρονικά διαστήματα, χωρίς καθόλου τροφοδότηση χαμηλό κόστος κατασκευής και λειτουργίας της εγκατάστασης απαιτείται μικρότερος σε έκταση χώρος για τη μονάδα αναερόβιας επεξεργασίας, σε σχέση με τα συμβατικά συστήματα Ενώ τα μειονεκτήματα που παρουσιάζει η μέθοδος είναι (Lettinga et al., 1999): η υψηλή ευαισθησία των μεθανογόνων βακτηρίων σε ένα μεγάλο αριθμό χημικών στοιχείων και ενώσεων η εκκίνηση λειτουργίας (πρώτη ενεργοποίηση) μιας εγκατάστασης, απαιτεί την παρουσία της κατάλληλης ενεργούς ιλύς, ειδάλλως, το χρονικό διάστημα ωσότου αναπτυχθούν τα μεθανογόνα βακτήρια θα είναι πολύ μεγάλο η αναερόβια επεξεργασία εκλύει οσμές από τη δημιουργία υδρόθειου, όταν τα επεξεργαζόμενα λύματα περιέχουν θειικές ενώσεις 3.2 Αναερόβια μικροβιολογία Η αναερόβια αποικοδόμηση απαιτεί τη συμβίωση διαφόρων ειδών μικροοργανισμών. Η δράση τους ξεκινά με την υδρόλυση των σύνθετων οργανικών ενώσεων (πολυμερή: πρωτεΐνες, λιπίδια κ.α.), με τη βοήθεια εξωκυτταρικών ενζύμων σε απλούστερες διαλυτές ενώσεις (μονομερή: αμινοξέα, λιπαρά οξέα κα.). Για αυτή τη διεργασία, είναι υπεύθυνα τα υδρολυτικά και ζυμωτικά βακτήρια (Σχήμα 8, ομάδα Ι). Στη συνέχεια, ζυμώνονται τα προϊόντα της υδρόλυσης, σχηματίζοντας λιπαρά οξέα μικρής αλυσίδας, αλκοόλες, οξικό οξύ, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα (Angelidaki and Schmidt, 2003). 42

44 Τα βακτήρια της ομάδας ΙΙ οξειδώνουν περαιτέρω τα λιπαρά οξέα και τις αλκοόλες και σχηματίζουν και αυτά οξικό οξύ, διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο, αλλά και μυρμηκικό οξύ. Τέλος, αναλαμβάνουν τα μεθανογόνα βακτήρια (ομάδα ΙΙΙ), όπου μετασχηματίζουν τα προϊόντα οξείδωσης και ζύμωσης σε μεθάνιο. Σχήμα 8: Στάδια μετατροπής της οργανικής ύλης προς μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα, κατά τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης. (Ahring 2003, Largus et al. 2004, Angelidaki & Schmidt 2003) Το παραπάνω μοντέλο δράσης των μικροβίων δεν εξηγεί πλήρως τη διεργασία της αναερόβιας αποικοδόμησης. Στη διεργασία, συμμετέχουν και άλλες ομάδες βακτηρίων, όπου κάτω από ορισμένες συνθήκες έχουν πρωταγωνιστικό ρόλο. Τέτοια βακτήρια είναι τα homoacetogenic (ομάδα IV), τα οποία παράγουν μόνο οξικό οξύ καταναλώνοντας H2, CO2 ή γλυκόζη. 43

45 Αντιθέτως, τα βακτήρια της ομάδας V (acetate oxidizing bacteria) παράγουν H2, CO2, καταναλώνοντας οξικό οξύ. Όταν η συγκέντρωση του υδρογόνου και του οξικού οξέος ή της αιθανόλης είναι υψηλή, παρατηρείται δράση βακτηρίων, τα οποία αντιστρέφουν τη διαδικασία και σχηματίζουν μικρής αλυσίδας λιπαρά οξέα. Στο Σχήμα 9 παρουσιάζεται το γενικό μοντέλο δράσης των βακτηρίων (ομάδες Ι ως ΙΙΙ), όσον αφορά στο ποσοστιαίο μετασχηματισμό των οργανικών ενώσεων σε αναερόβιο περιβάλλον. Παρατηρείται, ότι η παραγωγή του μεθανίου συντελείται κατά 70% περίπου από τη παραγωγή του οξικού οξέος και 30% περίπου από τη παραγωγή υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα. 20% Σύνθετες οργανικές ενώσεις 76% 4% Ενδιάμεσα προϊόντα 52% 24% Οξικό οξύ H 2, CO 2 72% 28% CH 4 Σχήμα 9: Ποσοστιαία μεταβολή του άνθρακα σε αναερόβιο περιβάλλον. (Ahring 2003, Angelidaki & Schmidt 2003, Davis & Cornwell 2008) Συνεπώς, τα τέσσερα στάδια της αναερόβιας αποικοδόμησης είναι (Ahring 2003, Angelidaki & Schmidt 2003, Largus et al. 2004): υδρόλυση, παραγωγή οξέων (οξεογένεση), παραγωγή οξικού οξέως και Παραγωγή μεθανίου Υδρόλυση Στο πρώτο στάδιο της αναερόβιας αποικοδόμησης, οι σύνθετες οργανικές ενώσεις (πρωτεΐνες, λιπίδια) υδρολύονται και μετατρέπονται σε απλούστερες διαλυτές ενώσεις, όπως 44

46 υδρογονάνθρακες, αμινοξέα και λιπαρά οξέα. Καταλυτικό ρόλο στην υδρόλυση έχουν ένζυμα, που παράγονται από τα βακτηριακά κύτταρα, όπως οι πρωτεάσες, οι αμυλάσες, οι κυτταρινάσες και οι λιπάσες. Ειδικότερα, πρωτεάσες οι οποίες εκκρίνονται από τα γένη Bacteroides, Butyrivibrio, Clostridium, Fusobacterium, Selenomonas και Streptococcus, υδρολύουν τις πρωτεΐνες σε αμινοξέα (Miyamoto 1997). Οι αμυλάσες και οι κυτταρινάσες διασπούν τους πολυσακχαρίτες (άμυλο, κυτταρίνη) και παράγουν γλυκόζη (Duff & Murray 1996). Τέλος, οι λιπάσες μετασχηματίζουν τα λιπίδια σε λιπαρά οξέα μεγάλης ανθρακικής αλυσίδας. Τα βακτήρια που φαίνεται ότι είναι υπεύθυνα για αυτή τη διαδικασία, ανήκουν στα γένη Clostridia και Micrococci. Ο σχηματισμός λιπαρών οξέων μπορεί να γίνει και με β-οξείδωση (Miyamoto 1997). Το πρώτο στάδιο πραγματοποιείται με αργούς ρυθμούς, γεγονός που αυξάνει το συνολικό χρόνο ολοκλήρωσης της αναερόβιας αποικοδόμησης (Reith et al. 2003, Angelidaki & Schmidt 2003). Σύμφωνα με έρευνα των Yu και Fang (2000), ο ρυθμός βιοαποικοδόμησης των λιπιδίων είναι υπεύθυνος για το μεγάλο χρονικό διάστημα που απαιτεί η υδρόλυση, καθώς είναι πιο αργός από το ρυθμό βιοαποικοδόμησης των πρωτεϊνών και των υδρογονανθράκων Παραγωγή οξέων (οξεογένεση) Στο στάδιο της οξεογένεσης, τα προϊόντα της υδρόλυσης (αμινοξέα, σάκχαρα, λιπαρά οξέα μεγάλης ανθρακικής αλυσίδας) οξειδώνονται από τα ζυμωτικά βακτήρια, παράγοντας πτητικά λιπαρά οξέα (προπιονικό και βουτυρικό οξύ), αλκοόλες (αιθανόλη, μεθανόλη, γλυκερόλη), οξικό οξύ, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα (Bitton 1994, Erickson et al. 2004, Reith et al. 2003) Παραγωγή οξικού οξέος Σε αυτό το στάδιο, τα πτητικά λιπαρά οξέα και οι αλκοόλες υπόκεινται σε περαιτέρω οξείδωση από οξυγενή βακτήρια. Παράλληλα, τα homoacetogenic bacteria παράγουν οξικό οξύ, καταναλώνοντας υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα (Largus et al. 2004). Το ph των λυμάτων μειώνεται αισθητά. Οι αντιδράσεις που συντελούνται απαιτούν μεγάλα ποσά ενέργειας, τα οποία όμως, εξισορροπούνται από τους καταναλωτές υδρογόνου που ελευθερώνουν ενέργεια στο σύστημα. 45

47 Πίνακας 11: Χημικές αντιδράσεις που συντελούνται κατά το στάδιο παραγωγής οξικού οξέος και η ενεργειακή απόδοσή τους. (Angelidaki & Schmidt 2003) Αντιδρώντα Αντίδραση Ενέργεια (kj) H2, HCO3ˉ 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O -130,4 Προπιονικό οξύ CH3CH2COOH + 2H2O CH3COOH + 3H2 + CO2 +76,1 Βουτυρικό οξύ CH3CH2CH2COOH + 2H2O 2CH3COOH + 2H2 +48,1 Παλμιτικό οξύ C7H5O2ˉ + 7H2O 3CH3COOH + 3H2 + CO2 + OHˉ Παραγωγή μεθανίου Η αναερόβια αποικοδόμηση ολοκληρώνεται στο στάδιο της Παραγωγή μεθανίου. Εδώ, τα μεθανογόνα βακτήρια καταναλώνουν οξικό οξύ, υδρογόνο, διοξείδιο του άνθρακα και φορμικό οξύ και παράγουν μεθάνιο. Τα μεθανογόνα βακτήρια διακρίνονται α) σε αυτά που καταναλώνουν το οξικό οξύ για παραγωγή μεθανίου (aceticlastic), τα οποία ανήκουν στα γένη Methanosarcina και Methanosaeta και β) σε αυτά που καταναλώνουν υδρογόνο για το σχηματισμό μεθανίου, τα οποία ανήκουν σε διάφορα γένη. Ορισμένα είδη από αυτά, ανήκουν στο γένος Methanosarcina και μπορούν να μετατρέψουν το υδρογόνο σε μεθάνιο εξίσου καλά με το οξικό οξύ. Μικρότερες ποσότητες μεθανίου παράγονται από το μετασχηματισμό ουσιών, όπως η μεθανόλη, οι μεθυλαμίνες και κάποιες ανώτερες αλκοόλες (Angelidaki & Schmidt 2003). Πίνακας 12: Χημικές αντιδράσεις παραγωγής μεθανίου. (Angelidaki & Schmidt 2003) Αντιδράσεις Υπόστρωμα Προϊόντα ΔG o (KJ/mole CH 4 ) CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O -130,4 4HCOOˉ + 2H2O CH4 + 3CO2 + 2H2O -119,5 4CO + 2H2O CH4 + 3CO2-185,5 4CH3OH 3CH4 + CO2 + 2H2O CH3NH H2O 3CH4 + CO2 + 4NH (CH3)2NH H2O 3CH4 + CO2 + 2NH (CH3)3NH + 6H2O 9CH4 + 3CO2 + 4NH CH3COOˉ + H + CH4 + CO2-32,5 46

48 3.3 Μεθανογόνα Βακτήρια Τα μεθανογόνα βακτήρια είναι αναερόβιοι μικροοργανισμοί, που ανήκουν στο βασίλειο των Euryarchaeota, στην κατηγορία των Archaea (Kates et al. 1993). Τα μεθανογόνα βακτήρια σχηματίζουν μεθάνιο με τη βοήθεια ενζύμων, που δεν έχουν βρεθεί σε άλλους μικροοργανισμούς (Lange & Ahring 2001). Πίνακας 13: Χαρακτηριστικά των μεθανογόνων μικροοργανισμών (οι τάξεις παρατίθενται με έντονα γράμματα). (Madigan et al., 2003) Γένος Methanobacteriales Αριθμός ειδών Μορφολογία Methanobacterium 8 Επιμήκεις ράβδοι Methanobrevibacter 7 βραχείες ράβδοι 47 Υπόστρωμα για τη παραγωγή μεθανίου Η2 + CO2, μυρμηγκικό οξύ Η2 + CO2, μυρμηγκικό οξύ Methanosphaera 2 κόκκοι μεθανόλη + Η2 Methanothermus 2 ράβδοι Methanothermobacter 6 ράβδοι Methanococcales Methanococcus 3 ακανόνιστοι κόκκοι Η2 + CO2, μπορεί επίσης να ανάγει S Η2 + CO2, μυρμηγκικό οξύ Η2+CO2, μυρμηγκικό οξύ, πυροσταφυλικό οξύ + CO2 Methanothermococcus 1 κόκκοι Η2+CO2, μυρμηγκικό οξύ Methanocaldococcus 4 κόκκοι Η2 + CO2 Methanotorris 1 κόκκοι Η2+CO2 Methanomicrobiales Methanomicrobium 1 βραχείες ράβδοι Η2+CO2, μυρμηγκικό οξύ Methanogenium 4 ακανόνιστοι κόκκοι Η2+CO2, μυρμηγκικό οξύ Methanospirillium 1 σπειρίλια Η2+CO2, μυρμηγκικό οξύ Methanoplanus 3 κύτταρα σε σχήμα δίσκου, φαίνονται σαν λεπτές πλάκες Η2+CO2, μυρμηγκικό οξύ με αιχμηρά άκρα Μethanocorpusculum 4 ακανόνιστοι κόκκοι Η2+CO2, μυρμηγκικό οξύ, αλκοόλες Methanoculleus 6 ακανόνιστοι κόκκοι Η2+CO2, μυρμηγκικό οξύ, αλκοόλες Methanofollis 2 ακανόνιστοι κόκκοι Η2+CO2, μυρμηγκικό οξύ Methanolacinia 1 ακανόνιστες ράβδοι Η2+CO2, αλκοόλες

49 Methanosarcinales Methanosarcina μεγάλοι ακανόνιστοι κόκκοι Η2+CO2, μεθανόλη, 5 σε πακέτα μεθυλαμίνες, οξικό οξύ Methanolobus μεγάλοι ακανόνιστοι κόκκοι 5 σε μεθανόλη, μεθυλαμίνες συσσωματώματα Methanohalobium 1 ακανόνιστοι κόκκοι μεθανόλη, μεθυλαμίνες Methanococcoides 2 ακανόνιστοι κόκκοι μεθανόλη, μεθυλαμίνες Methanohalophilus 3 ακανόνιστοι κόκκοι μεθανόλη, μεθυλαμίνες, μεθυλοσουλφίδια Methanosaeta 2 επιμήκεις ράβδοι ως νημάτια οξικό οξύ Methanosalsum 1 ακανόνιστοι κόκκοι μεθανόλη, μεθυλαμίνες, διμεθυλοσουλφίδια Methapyrales Methanopyrus 1 ράβδοι σε αλυσίδες Η2+CO2 Το φυσικό τους οικοσύστημα είναι τα αναερόβια κοιλώματα, όπως το πεπτικό σύστημα των ζώων, οι ορυζώνες, τα πλημμυρισμένα εδάφη, η λάσπη των λιμνών και των μαρίνων και άλλα αναερόβια συστήματα. Έχουν παρατηρηθεί μεθανογόνα βακτήρια σε θερμοκρασίες από 20 ως 98 o C (Sowers 1995). Η σύγχρονη μοριακή βιολογία έχει υποδείξει ότι ορισμένα χαρακτηριστικά των μεθανογόνων βακτηρίων μοιάζουν με αυτά των ευκαριωτικών οργανισμών, ενώ άλλα με αυτά των βακτηρίων. Σύμφωνα με πρόσφατες έρευνες (Lange & Ahring 2001), τα μεθανογόνα βακτήρια ανήκουν στους προκαρυωτικούς οργανισμούς. Ωστόσο, έχει επικρατήσει η ονομασία βακτήρια, λόγω παλαιότερης ταξινόμησης. Φυλογενετικά, τα μεθανογόνα βακτήρια, κατατάσσονται ως εξής: Methanobacteriales. Methanococcales. Methanosarcinales Methanopyrales. Methanomicrobiales. 3.4 Φυσικοχημικές παράμετροι Όπως έχει αναφερθεί, η αναερόβια επεξεργασία συντελείται από πληθώρα μικροοργανισμών και για να είναι επιτυχής η διεργασία, θα πρέπει οι συνθήκες να είναι οι βέλτιστες. Οι 48

50 παράγοντες που επηρεάζουν τη διεργασία είναι η θερμοκρασία, το ph, τα θρεπτικά στοιχεία, ο λόγος C/N και η παρουσία ανασταλτικών παραγόντων Θερμοκρασία Η θερμοκρασία είναι καθοριστικός παράγοντας στην ανάπτυξη και τη φυσιολογική λειτουργία των μεθανογόνων βακτηρίων (Σχήμα 10). Επίδραση της θερμοκρασίας παρατηρείται στο ρυθμό ανάπτυξης των μεθανογόνων βακτηρίων, ο οποίος αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας μέχρι ενός σημείου. Όταν όμως η θερμοκρασία ξεπεράσει αυτό το σημείο, παρατηρείται ραγδαία μείωση του ρυθμού ανάπτυξης των βακτηρίων. Αυτό οφείλεται στη διάσπαση των ενζύμων, που είναι απαραίτητα για την επιβίωση των βακτηρίων. Σημαντικό ρόλο στην ομαλή ανάπτυξη των μεθανογόνων βακτηρίων κατά την αναερόβια αποικοδόμηση, παίζει και η σταθερότητα της θερμοκρασίας. Μικρές θερμοκρασιακές μεταβολές επιδρούν αρνητικά στα βακτήρια, λόγω δυσκολίας προσαρμογής τους (Angelidaki & Schmidt 2003). Επίσης, η θερμοκρασία επηρεάζει και τις φυσικές παραμέτρους, όπως είναι το ιξώδες, η επιφανειακή τάση, η ροή της μάζας, ο ρυθμός μεταφοράς αερίων και τα χαρακτηριστικά καθίζησης των βιολογικών στερεών (Dugba & Zhang 1999, Metcalf & Eddy 1991). Σχήμα 10: Η επίδραση της θερμοκρασίας στη σχετική δραστηριότητα των μεθανογόνων βακτηρίων. (Angelidaki & Schmidt 2003) Η θερμοκρασία η οποία είναι κατάλληλη για την αναερόβια παραγωγή μεθανίου, κυμαίνεται μεταξύ 3 και 70 ο C. Η διεργασία της αναερόβιας επεξεργασίας μπορεί να χωριστεί βάσει της θερμοκρασίας, σε τέσσερις διαφορετικές περιοχές (Κashyap et al. 2003, Levin et al. 2004): την ψυχρόφιλη, με θερμοκρασία κάτω από 25 ο C 49

51 τη μεσόφιλη, με τη θερμοκρασία να κυμαίνεται μεταξύ ο C τη θερμόφιλη, με θερμοκρασία μεταξύ ο C και την υπερθερμόφιλη ή ακραία θερμόφιλη ζώνη, με θερμοκρασία μεγαλύτερη από 65 ο C. Τα ψυχρόφιλα αναερόβια συστήματα έχουν μελετηθεί συστηματικά (Sutter & Wellinger 1988, Wellinger 1989, Zeeman et al. 1988) και διαπιστώθηκε η ικανοποιητική παραγωγή βιοαερίου σε θερμοκρασία μεταξύ των 10 και 30 o C, Σχήμα 11. Μια άλλη έρευνα αναφέρεται ότι είναι δυνατή η Παραγωγή μεθανίου σε θερμοκρασία από o C (Vartak et al. 1997). Οι έρευνες αυτές, έδωσαν την προοπτική ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν βιολογικοί αντιδραστήρες στις ψυχρές χώρες, οι οποίοι θα είναι οικονομικά αποδεκτοί. Σημαντικό να αναφερθεί είναι ότι, η Παραγωγή μεθανίου μπορεί να πραγματοποιηθεί και κάτω από 10 o C, όμως, ο ρυθμός παραγωγής μεθανίου μειώνεται τόσο, που μια τέτοια εγκατάσταση οικονομικά είναι μη αποδεκτή. Στη μεσόφιλη ζώνη, ιδανική θερμοκρασία είναι μεταξύ 35 και 37 ο C (Lettinga & Haandel 1993). Στη θερμοκρασία αυτή, παρατηρείται υψηλός ρυθμός παραγωγής μεθανίου και επιτυγχάνεται σχετικά υψηλή απόδοση. Η άνοδος της θερμοκρασίας στους 35 ο C γίνεται σχετικά εύκολα (Reith et al. 2003). Στην όλη διεργασία της μεσόφιλης περιοχής, συμμετέχουν μεσοφιλικά βακτήρια. Στη θερμόφιλη ζώνη, τα μεσοφιλικά βακτήρια αντικαθίστανται από θερμοφιλικά και ο μέγιστος ρυθμός παραγωγής μεθανίου επιτυγχάνεται στους 55 o C ή και σε υψηλότερη θερμοκρασία (Reith et al. 2003). Η μεταβολή της θερμοκρασίας από τη μεσόφιλη στη θερμόφιλη ζώνη, αυξάνει την ποσότητα του μεθανίου που παράγεται κατά τη διεργασία της αναερόβιας αποικοδόμησης (Bourque et al. 2008). Εκτενέστερες έρευνες έδειξαν ότι η μεταβολή αυτή (μεσόφιλη σε θερμόφιλη ζώνη), επιδρά στην αύξηση της υδρολυτικής δραστηριότητας και της παραγωγής μεθανίου, σε αναερόβια συστήματα επεξεργασίας ζωικών και άλλων λυμάτων (Hartmann & Ahring 2005b). 50

52 Σχήμα 11: Παραγωγή βιοαερίου, συναρτήσει του χρόνου και της θερμοκρασίας. (Μαρκαντωνάτος 1990) H θερμόφιλη επεξεργασία, παρότι απαιτεί υψηλότερη θερμοκρασία, παρουσιάζει σε γενικές γραμμές περισσότερα πλεονεκτήματα από τη μεσόφιλη. Αρχικά, η θερμόφιλη ζώνη διαρκεί μέρες, σε αντίθεση με τη μεσόφιλη ζώνη που διαρκεί ημέρες (Vandeviviere et al. 2002) και συνεπώς, απαιτεί μικρότερο σε όγκο αντιδραστήρα για την επεξεργασία του ίδιου όγκου λυμάτων (Σχήμα 12). Ο χρόνος καταστροφής των παθογόνων μικροοργανισμών είναι επίσης, μικρότερος στη θερμόφιλη ζώνη, στην οποία είναι μεγαλύτερος ο βαθμός καταστροφής (Sahlström 2003, Sahlström et al. 2004, Smith et al. 2005). Συγκεκριμένα, κατά τη θερμόφιλη επεξεργασία, η δραστηριότητα των παθογόνων μικροοργανισμών παύει σε 20 ημέρες, ενώ κατά τη μεσόφιλη, η μείωση της δραστηριότητας στον ίδιο χρόνο δεν είναι ικανοποιητική (Sahlström et al., 2004). Σε μεσόφιλες θερμοκρασίες, η καταστροφή βακτηρίων, όπως Escherichia coli και Salmonella spp δεν είναι εφικτή, ενώ σε θερμόφιλες υπήρξε σημαντική μείωση της δραστηριότητάς τους. Η καταστροφή των παθογόνων οργανισμών, που βρίσκονται στα ζωικά λύματα πριν τη διάθεσή τους στο έδαφος, έχει κεντρίσει το ενδιαφέρον της Ευρωπαϊκής Ένωσης, η οποία εξέδωσε σχετική κοινοτική οδηγία - βάσει της οποίας - επιβάλλει την παστερίωση των ζωικών λυμάτων για μία ώρα στους 70 o C, πριν τη διασπορά τους στο έδαφος (Κανονισμός 1774/2002). 51

53 Σχήμα 12: Η επίδραση της θερμοκρασίας στο ρυθμό ανάπτυξης των μεθανογόνων βακτηρίων. (Wiegel 1990) Επιπλέον, οι θερμόφιλοι αντιδραστήρες μπορούν να λειτουργούν για μεγάλο χρονικό διάστημα με υψηλό οργανικό φορτίο (Ahn & Forster 2000). Τέλος, αξίζει να αναφερθεί ότι η επιπλέον ενέργεια που απαιτείται για τη λειτουργία των θερμόφιλων αναερόβιων αντιδραστήρων σε σχέση με τους μεσόφιλους, καλύπτεται από την επιπλέον παραγωγή μεθανίου, που πραγματοποιείται στους πρώτους (Zupancic & Ros 2003). Η κοινοτική οδηγία 1774/2002 επιβεβαιώνει την τελευταία αναφορά και οδηγεί στο συμπέρασμα ότι, η θερμόφιλη επεξεργασία των ζωικών λυμάτων είναι οικονομικά αποδεκτή. Τα μειονεκτήματα της θερμόφιλης επεξεργασίας σε σχέση με τη μεσόφιλη, είναι η ευαισθησία της διεργασίας στις περιβαλλοντικές αλλαγές. Στην υπερθερμόφιλη ή ακραία θερμόφιλη ζώνη, παρόλο που έχει παρατηρηθεί μικροβιακή δράση, η αναερόβια αποικοδόμηση έχει χαμηλή απόδοσή σε σχέση με αυτή που συντελείται στη μεσόφιλη ή στη θερμόφιλη ζώνη (Nozhevnikova et al. 1999, Lepisto and Rintala 1997, 1999a, 1999b). Ωστόσο, επιτυγχάνεται η καταστροφή των παθογόνων μικροοργανισμών σε μεγαλύτερο βαθμό από τη θερμόφιλη επεξεργασία (Kotsopoulos et al. 2006). Τέλος, η υπερθερμόφιλη ζώνη φαίνεται ότι ευνοεί την παραγωγή υδρογόνου, αναστέλλοντας τη Παραγωγή μεθανίου (Levin et al. 2004) Θρεπτικά στοιχεία 52

54 Κατά την αναερόβια αποικοδόμηση, τα βακτήρια λαμβάνουν τον άνθρακα για τροφή και για τη σύνθεση νέων κυττάρων. Εκτός του άνθρακα, όμως, τα βακτήρια έχουν ανάγκες και σε άλλα θρεπτικά στοιχεία, όπως, άζωτο, φώσφορο, νάτριο, μαγγάνιο, ασβέστιο και κοβάλτιο. Η συγκέντρωση των εν λόγω στοιχείων θα πρέπει να είναι λίγο υψηλότερη από τη βέλτιστη, ώστε να διασφαλιστεί η επάρκεια σε θρεπτικά. Σε χαμηλή συγκέντρωση θρεπτικών στοιχείων παρατηρείται αναστολή της διεργασίας, ενώ σε τιμή συγκέντρωσης πολύ υψηλότερη από τη βέλτιστη ορισμένα στοιχεία έχουν τοξική δράση. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι το άζωτο, το οποίο σε υψηλή συγκέντρωση μετατρέπεται σε αμμωνία, η οποία είναι τοξική για τα βακτήρια (Poggi-Varaldo et al. 1997). Η έλλειψη θρεπτικών στοιχείων στα ζωικά λύματα, δεν είναι συνηθισμένο φαινόμενο (Fry 1973) ph Η γνώση των τιμών του ph σε όλα τα στάδια της αναερόβιας διαδικασίας είναι απαραίτητη, επειδή δίνει χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με τη πορεία της παραγωγής μεθανίου. Στα στάδια της αναερόβιας αποικοδόμησης, παρατηρούνται αυξομειώσεις στις τιμές του ph. Στο πρώτο στάδιο (υδρόλυση), το ph ελαττώνεται και πιθανόν, να πέσει κάτω από 6, ενώ παράγεται μια μεγάλη ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα. Στο επόμενο στάδιο (παραγωγής οξέων), η οξύτητα του διαλύματος σιγά - σιγά ελαττώνεται, τα νιτρικά και τα πτητικά οξέα διασπώνται και παράγονται ενώσεις αμμωνίας. Καθώς συνεχίζεται η βιοαποικοδόμηση, παράγεται λιγότερο διοξείδιο του άνθρακα και περισσότερο μεθάνιο και το ph ανεβαίνει πάνω από 7. Τα ζυμωτικά βακτήρια είναι ανθεκτικά και επηρεάζονται λιγότερο από τις μεταβολές του ph. Αντιθέτως, στα μεθανογόνα βακτήρια, η μεταβολή του ph δρα ανασταλτικά. Αυτό σημαίνει ότι, ενώ η παραγωγή οξέων συνεχίζεται, η παραγωγή μεθανίου ανακόπτεται και οδηγεί στην αύξηση της οξύτητας στον αντιδραστήρα. Η ιδανική τιμή ph, για τα βακτήρια μεθανόγενεσης και παραγωγής οξικού οξέος είναι 7, ενώ για τα βακτήρια παραγωγής οξέων είναι περίπου 6 (Angelidaki & Schmidt 2003). Το μεγαλύτερο ποσοστό των βακτηρίων παραγωγής μεθανίου αναπτύσσεται και λειτουργεί σε ph με εύρος τιμών, που κυμαίνεται μεταξύ 6 και 8,5. Βέλτιστη τιμή θεωρείται ph μεταξύ 6,8 και 7,5, όπου παρατηρούνται οι υψηλότεροι ρυθμοί παραγωγής μεθανίου (Lettinga & Haandel 1993, Sorensen 1996). Ο ρυθμός ανάπτυξής των μεθανογόνων βακτηρίων μειώνεται δραστικά, 53

55 όταν το ph είναι εκτός των καθορισμένων ορίων (Bitton 1994, Martinez-Robles & Gourdon 1999, Reith et al. 2003). Παρόλα αυτά, έχει παρατηρηθεί χαμηλή παραγωγή μεθανίου, έστω και σε μικρές ποσότητες, σε βασικό και σε όξινο περιβάλλον. Συγκεκριμένα, το Methanobacterium thermoalcaliphilum αναπτύσσεται και σε ph κοντά στο 9 (Blotevogel et al. 1985), ενώ ορισμένα είδη μεθανογόνων βακτηρίων προτιμούν όξινο περιβάλλον για την ανάπτυξη και την παραγωγή μεθανίου (Duval & Goodwin 2000, Horn et al. 2003, Maestrojuan & Boone 1991, Williams & Crawford 1985). Σε έναν αντιδραστήρα, το όξινο περιβάλλον μπορεί να οφείλεται σε μεγάλες ποσότητες οργανικού φορτίου, που εισέρχονται σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα σε τοξικές ουσίες, σε διακυμάνσεις της θερμοκρασίας ή στο σχηματισμό επιπλεόντων ακαθαρσιών. Η προτεινόμενη λύση είναι να σταματήσει η τροφοδοσία του αντιδραστήρα με λύματα, ώστε να αρχίσει η διαδικασία παραγωγής αμμωνίας, η οποία θα αυξήσει το ph και παράλληλα να απομακρυνθούν οι επιπλέουσες ακαθαρσίες και να σταθεροποιηθεί η τιμή της θερμοκρασίας. Σε αντίθετη περίπτωση, όπου το περιβάλλον είναι αλκαλικό (ph>9), η λύση είναι o χημικός έλεγχος στα αρχικά υλικά που εισήχθησαν στον αντιδραστήρα. Σε αλκαλικό περιβάλλον, απαγορεύεται η ρύθμιση του ph με τη χρήση οξέων, επειδή αυξάνει τη παραγωγή υδρόθειου (Fry 1973) Αναλογία άνθρακα-αζώτου (C/N) Η μικροβιακή δραστηριότητα εξαρτάται από την αναλογία άνθρακα και ανόργανων στοιχείων, όπως άζωτο, φώσφορος, θείο, κάλιο, ασβέστιο και μαγνήσιο. Τα βακτήρια χρησιμοποιούν τον άνθρακα ως πηγή ενέργειας και τα ανόργανα στοιχεία για τη σύνθεση κυτταρικής βιομάζας (Metcalf & Eddy 1991). Ειδικότερα, για τη σύνθεση των πρωτεϊνών απαιτείται άζωτο σε ποσοστό από 16% έως 18%, περίπου της ξηρής μάζας των βακτηρίων (Chen & Strevett 2003). Από τα παραπάνω στοιχεία, η πιο σημαντική αναλογία είναι αυτή του C/N, επειδή τα δυο συγκεκριμένα στοιχεία είναι τα βασικά συστατικά για την ανάπτυξη των βακτηρίων. Πρέπει να αναφερθεί ότι, στην αναλογία αυτή υπολογίζονται οι ποσότητες που είναι διαθέσιμες στα βακτήρια και όχι οι συνολικές ποσότητες που περιέχουν τα λύματα. Ο άνθρακας που αποτελεί το σύνηθες υπόστρωμα για τους ετερότροφους μικροοργανισμούς, είναι οργανικός. Τα βακτήρια επιτελούν όλη τη διεργασία της αναερόβιας αποικοδόμησης και από το ρυθμό ανάπτυξής τους εξαρτάται η απόδοση της επεξεργασίας. Η αναλογία C/N, ουσιαστικά, δηλώνει την επαρκή ποσότητα των δυο αυτών στοιχείων, ώστε να επιτευχθεί ο μέγιστος ρυθμός ανάπτυξης. Αν υπάρχει έλλειψη σε ένα από τα δυο στοιχεία, τότε θα εξαντληθεί το πρώτο και ο 54

56 ρυθμός μικροβιακής ανάπτυξης θα μειωθεί πολύ σε σχέση με το μέγιστο δυνατό, που ισχύει όταν υπάρχει επάρκεια θρεπτικών στοιχείων (Alexander 1977). Τη συσχέτιση αυτή μπορεί συχνά να περιγράψει και η εξίσωση του Monod (Monod 1949): max S K S s Όπου: μ = ειδικός ρυθμός ανάπτυξης, (h -1 ) μmax = μέγιστος ρυθμός ανάπτυξης, (h -1 ) S = συγκέντρωση του στοιχείου, που βρίσκεται σε έλλειψη, (mg/l) KS = σταθερά ταχύτητας, η οποία είναι ίση με τη συγκέντρωση του στοιχείου, που βρίσκεται σε έλλειψη στο μισό του μέγιστου ρυθμού ανάπτυξης. (mg/l) Τα βακτήρια καταναλώνουν τον άνθρακα 30 φορές πιο γρήγορα από ό,τι το άζωτο, επομένως, οι κατάλληλες συνθήκες ανάπτυξής τους είναι με αναλογία C/N ίση με 30/1. Αν η αναλογία είναι μικρότερη από 30/1, είναι κατανοητό ότι ο άνθρακας θα καταναλωθεί πιο σύντομα και η Παραγωγή μεθανίου θα σταματήσει. Σε μεγαλύτερη αναλογία από 30/1, η έλλειψη αζώτου θα αποτελέσει τον ανασταλτικό παράγοντα. (33) Σε γενικές γραμμές, η αναλογία θα πρέπει να κυμαίνεται από 25/1 ως 32/1, για να υπάρχει ικανοποιητική παραγωγή μεθανίου (Kayhanian & Tchobanoglous 1992, Hammad et al. 1999). Η αναλογία C/N ποικίλλει ανάλογα με τη προέλευση των προς επεξεργασία λυμάτων, δηλώνοντας έτσι την εξάρτησή τους. Όπως είναι κατανοητό, σε πολλές περιπτώσεις η αναλογία C/N των λυμάτων δε θα είναι η κατάλληλη. Για τη βελτίωση της, προτείνεται η μείξη λυμάτων με διαφορετική προέλευση, άρα και αναλογία. Έτσι, έχει παρατηρηθεί βελτίωση της αναλογίας C/N, άρα και υψηλή απόδοση παραγωγής μεθανίου, σε μεικτά λύματα χοίρων, τα οποία έχουν υψηλή συγκέντρωση διαθέσιμου αζώτου και ελαιουργείου, που έχουν υψηλή περιεκτικότητα άνθρακα (Marques 2001). Άλλα τέτοια παραδείγματα είναι η μείξη φυτικών λυμάτων και λυμάτων από σφαγεία, από βιομηχανία τροφίμων και από χοιροστάσια (Murto et al. 2004), τα μεικτά απόβλητα αγελάδων με τα οικιακά απόβλητα (Hartmann & Ahring 2005a) και η μείξη αποβλήτων βιομηχανίας επεξεργασίας πατάτας και χοιροστασίου (Kaparaju & Rintala 2005). Αξίζει να σημειωθεί ότι, τα λύματα από αγελάδες έχουν ικανοποιητική αναλογία (25/1), κατά την οποία η αναερόβια αποικοδόμηση πραγματοποιείται με βέλτιστο ρυθμό σε σχέση με άλλα 55

57 λύματα (Hammad et al. 1999). Αντιθέτως, τα λύματα χοίρων και πουλερικών έχουν υψηλή ποσότητα αζώτου (αναλογία C/N περίπου 15), γεγονός που δηλώνει την αναποτελεσματικότητα της παραγωγής μεθανίου (Murto et al., 2004, Sutton & Richert 2004) Αναστολείς Παραγωγή μεθανίου Η Παραγωγή μεθανίου είναι μια διεργασία, που απαιτεί τη βελτιστοποίηση των συνθηκών για την επίτευξη επιθυμητής απόδοσης. Πολλοί είναι οι παράγοντες που δρουν ανασταλτικά για τα μεθανογόνα βακτήρια, όπως η αμμωνία, το ph, τα βαριά μέταλλα, τα αντιβιοτικά, το υδρόθειο κ.α.. Η αμμωνία παράγεται από την απαμίνωση των πρωτεϊνών, οι οποίες υπάρχουν σε μεγάλη ποσότητα στα λύματα των χοίρων και των πουλερικών. Η αμμωνία θα εξεταστεί ειδικότερα σε επόμενη ενότητα. Το ph είναι ένας παράγοντας, που χρειάζεται ιδιαίτερη μεταχείριση λόγω της μεταβολής του κατά τη συνολική διάρκεια της αναερόβιας χώνευσης. Έχει προαναφερθεί ότι, ιδανικές τιμές ph για τα μεθανογόνα βακτήρια, είναι μεταξύ 6,8 και 7,5. Βαριά μέταλλα, όπως νικέλιο, χαλκός, κάδμιο, χρώμιο, μόλυβδος, κ.α., είναι τοξικά για τα μεθανογόνα βακτήρια, όταν υπερβούν κάποια συγκέντρωση. Η σειρά τοξικότητας τους είναι Ni > Cu > Cd > Cr > Pb (Mueller & Steiner 1992). Τα πτητικά λιπαρά οξέα μπορεί να παρουσιάζουν μικρή τοξικότητα σε ουδέτερο ph, έχουν όμως αναγνωριστεί ως ένα από τα πιο σημαντικά ενδιάμεσα προϊόντα της αναερόβιας χώνευσης (Wang et al. 1999) και ως μια κεντρική παράμετρος ελέγχου όλης της διεργασίας (Ahring et al. 1995, Pind, et al. 2003). Τα αντιβιοτικά έχουν ευρεία χρήση στα χοιροστάσια και στα βουστάσια, ως προσθετικά τροφής για τη βελτίωση της ανάπτυξης των ζώων, για την πρόληψη από ασθένειες και για θεραπευτικούς σκοπούς. Στα ζωικά λύματα έχουν βρεθεί αντιβιοτικά στην ενεργή τους μορφή (Lallai et al. 2002). Τα αντιβιοτικά εμποδίζουν τη δραστηριότητα των μεθανογόνων βακτηρίων, αλλά σε πολλές περιπτώσεις δρουν ανασταλτικά και για τα βακτήρια που παράγουν οξικό οξύ (Sanz et al. 1996). Το υδρόθειο υποβαθμίζει τη ποιότητα του βιοαερίου ως καυσίμου και δρα τοξικά στην Παραγωγή μεθανίου σε συγκέντρωση άνω των 200 mg/l. Για να μειωθεί η παραγωγή του, πρέπει να εμποδιστούν τα βακτήρια που ανάγουν τα θειικά σε υδρόθειο. Τέλος, άλλη τοξική για τη Παραγωγή μεθανίου ουσία είναι οι φωσφίνες, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την απολύμανση των καρπών με καπνό. Σε συγκέντρωση πάνω από

58 ppm, η Παραγωγή μεθανίου μειώνεται κατά 50%, ενώ άνω των 1000 ppm, η Παραγωγή μεθανίου διακόπτεται (Eismann et al. 1997). 3.5 Επίδραση αζώτου Η αμμωνία είναι μια ενδιάμεση μορφή στο κύκλο του αζώτου και αποτελεί την κύρια πηγή αζώτου για το μεταβολισμό των βακτηρίων και θρεπτικό στοιχείο για τη σύνθεση νέων κυττάρων (Juni et al. 1984, Takahashi et al. 1984). Εμφανίζεται, είτε ως αμμωνιακό ιόν (ΝΗ4), είτε ως μη διαλυτή αέρια αμμωνία (ΝΗ3). Η μεταξύ τους σχέση εξαρτάται από το ph. Στη φύση, η αμμωνία βρίσκεται σε επιτρεπτά όρια, αν εξαιρέσουμε τις κτηνοτροφικές μονάδες, στις οποίες η έκλυση αμμωνίας είναι επικίνδυνη για τα ζώα και τους εργαζόμενους της εγκατάστασης. Οι πρωτεΐνες, οι οποίες περιέχονται στη τροφή των ζώων, μένουν αχρησιμοποίητες και με την απαμίνωσή τους παράγεται αμμωνία. Στην εκτροφή χοίρων παρουσιάζεται η μεγαλύτερη ποσότητα αζώτου, σε σχέση με άλλα ζώα. Η ποσότητα του αζώτου αυτή μετατρέπεται σε αμμωνιακή μορφή από ετερότροφους μικροοργανισμούς (Tokuyama et al. 2004). Πρακτικά, η αμμωνιακή μορφή του αζώτου χρησιμοποιείται στη γεωργία σαν λίπασμα με πολύ καλές λιπαντικές ιδιότητες (Nicolaisen et al. 2004), η χρήση του οποίου είναι περιβαλλοντικά φιλική (Hey et al. 2005). Ωστόσο, η περίσσεια θρεπτικών συστατικών επιδρά αρνητικά στο περιβάλλον, επίδραση που εξαρτάται από τη πυκνότητα των ζώων και τη διατροφή τους (ποσότητα, ποιότητα, ποσοστό υγρασίας), τις κλιματικές και περιβαλλοντικές συνθήκες της περιοχής, τη γεωργική γη και τη διαχείριση των λυμάτων (Morlacchini et al. 1992) Παραγωγή αμμωνίας Στα δύο πρώτα στάδια της αναερόβιας επεξεργασίας (υδρόλυση και παραγωγή οξέων), η ουρία και οι πρωτεΐνες διασπώνται σε αμμωνία, λιπαρά οξέα και διοξείδιο του άνθρακα. Στο στάδιο της οξεογένεσης, η παραγωγή λιπαρών οξέων και CO2 εξισορροπεί την αύξηση του ph. Σε υψηλή συγκέντρωση αζώτου, παράγονται μεγάλες ποσότητες αμμωνίας, που οδηγεί σε αύξηση του ph. Ως συνέπεια, το αυξημένο ph που δημιουργείται από τη μεγάλη παραγωγή αμμωνίας, μειώνει το βαθμό παραγωγής μεθανίου (Bujoczek 2001) Τοξικότητα αμμωνίας 57

59 Η τοξικότητα της αμμωνίας επιδρά αρνητικά σε πολλούς οργανισμούς, όπως ιούς βακτήρια και έντομα (Angelidaki & Ahring 1993, Borgmann & Borgmann 1997, Kleiner et al. 1998, Taylor et al. 1978). Σε γενικές γραμμές, η αμμωνία καταστρέφει το φυσικό-χημικό δυναμικό της μεμβράνης των κυττάρων. Η αμμωνία επηρεάζει τη δράση των εντερικών βακτηρίων, τα οποία συμμετέχουν σε μεγάλο βαθμό στη ζύμωση που συντελείται κατά τη παραγωγή οξέων (Bailey & Scott 1966), αλλά κυρίως επηρεάζει τα μεθανογόνα βακτήρια (Angelidaki & Ahring 1993, Heinrichs et al. 1990, Kayhanian 1994, Poggi Voraldo et al. 1997). Τα μεθανογόνα βακτήρια παράγουν μεθάνιο από οξικό οξύ κατά 70% και από υδρογόνο κατά 30% (Jeris & Mcarty 1965, Smith & Mah 1966), με πιο ευαίσθητα στην αμμωνία να είναι τα βακτήρια, που παράγουν μεθάνιο από οξικό οξύ (Liu & Sung 2002, Borja et al. 1996). Συνεπώς, η παραγωγή μεθανίου επηρεάζεται άμεσα από τη παρουσία αμμωνίας και ως αποτέλεσμα θα ανασταλεί σε μεγάλο βαθμό. Η χαμηλή παραγωγή βιοαερίου με χαμηλή περιεκτικότητα σε μεθάνιο, σε συνδυασμό με υψηλή συγκέντρωση πτητικών οξέων είναι συμπτώματα υψηλής συγκέντρωσης αμμωνίας (Poggi-Voraldo et al. 1991) Παράγοντες που επιδρούν στη τοξικότητα της αμμωνίας Οι παράγοντες που επιδρούν στην τοξικότητα της αμμωνίας είναι το ph και η θερμοκρασία (Σχήμα 13). Το ph είναι ο βασικός παράγοντας ισορροπίας μεταξύ της ελεύθερης αμμωνίας (ΝΗ3) και του αμμωνιακού ιόντος (ΝΗ4). Σε ουδέτερο περιβάλλον οι δυο μορφές βρίσκονται σε ισορροπία, ενώ σε μεταβολές του ph, υπερτερεί η μια της άλλης, επιφέροντας δυσμενείς επιπτώσεις στα βακτήρια (Eldem et al. 2004). Ενώ η σταθερότητα των τιμών του ph στην ουδέτερη ζώνη προκαλεί την έκλυση αμμωνίας σε ελεγχόμενη συγκέντρωση και επιτυγχάνεται βιοαποικοδόμηση με υψηλή απόδοση (Calli et al. 2005). 58

60 Σχήμα 13: Επίδραση του ph και της θερμοκρασίας στην ισορροπία μεταξύ της ελεύθερης αμμωνίας και του αμμωνιακού ιόντος. (Bujoczek 2001) Η αύξηση της θερμοκρασίας διαταράσσει και αυτή την ισορροπία μεταξύ ελεύθερης αμμωνίας και αμμωνιακού ιόντος. Στην αναερόβια αποικοδόμηση, τα θερμόφιλα βακτήρια είναι πιο ευάλωτα στην αμμωνία από τα μεσόφιλα βακτήρια (Poggi-Varaldo et al. 1997). Συνεπώς, στη θερμόφιλη ζώνη η ανασταλτική δράση της αμμωνίας είναι εντονότερη από ό,τι στη μεσόφιλη ζώνη (Braun et al. 1981, Parkin & Miller 1983, van Velsen 1981). Η θερμόφιλη επεξεργασία εφαρμόζεται πολύ συχνά στα λύματα χοιροστασίου (Hansen et al. 1998), τα οποία έχουν υψηλή συγκέντρωση αζώτου. Γεγονός που δείχνει τη σημαντικότητα της δράσης της αμμωνίας σε αυτές τις συνθήκες. (Sung & Liu 2003). Από την άλλη, έρευνες έχουν δείξει ότι στην θερμόφιλη επεξεργασία λυμάτων με υψηλή συγκέντρωση αζώτου, η πτώση της θερμοκρασίας από 55 στους 46 o C μειώνει την επίδραση της αμμωνίας στη παραγωγή μεθανίου (Angelidaki & Ahring 1994 & 1993) Μείωση της τοξικότητας της αμμωνίας Πολλοί ερευνητές διερεύνησαν το θέμα της τοξικότητας της αμμωνίας και τις μεθόδους για τη μείωση της δράσης της. Ένας τρόπος μείωσης της τοξικής δράσης της αμμωνίας είναι η προσθήκη 1,5% ενεργού άνθρακα (w/w) ή 10% γλαυκονίτη ή και συνδυασμός των δύο (Hansen et al. 1999). Άλλοι ερευνητές απέδειξαν μείωση της τοξικότητας μέσω προσθήκης διαφορετικής ποσότητας φυσικού ζεόλιθου (Milan et al. 2001) ή διαφορετικής ποιότητας 59

61 φυσικού ζεόλιθου (Chika et al. 2005). Επίσης, θετικά αποτελέσματα έχει η προσθήκη 10% ορυκτού φωσφορίτη (w/v) (Krylova et al. 1997). Μια άλλη μέθοδος είναι η αύξηση του υδραυλικού χρόνου συγκράτησης των λυμάτων, η οποία βοηθά τα βακτήρια να προσαρμοστούν στην υψηλή συγκέντρωση αμμωνίας (Hansen et al. 1999). Τέλος, έχει δοκιμαστεί ως λύση η αύξηση της θερμοκρασίας της επεξεργασίας λυμάτων, με αποτέλεσμα τη μείωση της αμμωνίας, αλλά παρουσιάζει άλλες τοξικές ουσίες για τα βακτήρια που αναστέλλουν τη Παραγωγή μεθανίου (Bonmati et al. 2003). 3.6 Θεσμικό πλαίσιο Στη συνέχεια, παρατίθεται το κύριο θεσμικό πλαίσιο σχετικά με την παραγωγή βιοαερίου και τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας στην Ελλάδα. ΦΕΚ 85Α/ Νόμος 3851/2010 (ΦΕΚ 85Α/ ): Επιτάχυνση της ανάπτυξης των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής και άλλες διατάξεις σε θέματα αρμοδιότητας του Υπουργείου Περιβάλλοντος, Ενέργειας και Κλιματική Αλλαγής. Ο παραπάνω νόμος ορίζει το πλαίσιο για την ανάπτυξη των έργων Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Α.Π.Ε.) και καθορίζει τις τιμές πώλησης της ηλεκτρικής ενέργειας, που παράγεται με τη χρήση Α.Π.Ε.) Τροποποίηση του Νόμου 3468/2006 (ΦΕΚ 129Α/ ): Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού και Θερμότητας Υψηλής Απόδοσης και λοιπές διατάξεις. Ορίζει και τροποποιεί σημαντικά σημεία των διαδικασιών αδειοδότησης. Υ.Α. Αριθμ. Δ6/Φ1/οικ (ΦΕΚ 1153Β/ ): Διαδικασία έκδοσης αδειών εγκατάστασης και λειτουργίας σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Υ.Α. Α.Π. Δ5-ΗΛ/Β/οικ (ΦΕΚ 655Β/ ): Έγκριση του Κώδικα Διαχείρισης του Συστήματος και Συναλλαγών Ηλεκτρικής Ενέργειας. Υ.Α. Δ5/ΗΛ/Β/Φ.1.10/1086/10413 (ΦΕΚ 937Β/ ): Τροποποίηση των διατάξεων του Κώδικα Διαχείρισης του Συστήματος και Συναλλαγών Ηλεκτρικής Ενέργειας σχετικά με την Τρίτη Μέρα Αναφοράς (ΦΕΚ Β'655/ ). Κ.Υ.Α. Η.Π /2727/2003 (ΦΕΚ 1909Β/ ): Μέτρα και όροι για τη διαχείριση στερεών αποβλήτων. Εθνικός και Περιφερειακός Σχεδιασμός Διαχείρισης. 60

62 Εγκύκλιος οικ /1278/ : Εφαρμογή νομοθεσίας για τη διαχείριση μη επικίνδυνων στερεών αποβλήτων. Υ.Α. Ειβ 221/65 (ΦΕΚ 138Β/ : Περί διαθέσεως λυμάτων και βιομηχανικών αποβλήτων. Υ.Α /ΕΥΠΕ/ΥΠΕΧΩΔΕ/2006: Διαδικασία προκαταρκτικής εκτίμησης και αξιολόγησης (ΠΠΕΑ) και Έγκρισης Περιβαλλοντικών Όρων (ΕΠΟ) έργων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ), σύμφωνα με το άρθρο 4 του ν. 1650/1986, όπως αντικαταστάθηκε με το άρθρο 2 του ν. 3010/2002. Τροποποιήθηκε από το Ν. 3851/2010 Υ.Α /ΕΥΠΕ/ΥΠΕΧΩΔΕ/2006: Περιεχόμενο, δικαιολογητικά και λοιπά στοιχεία των προμελετών περιβαλλοντικών επιπτώσεων (ΠΠΕ) και μελετών περιβαλλοντικών επιπτώσεων (ΜΠΕ), καθώς και συναφών μελετών περιβάλλοντος, έργων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ). 61

63 Κεφάλαιο 4 ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ 4.1 Γενικά Στο πλαίσιο οικονομικής αξιολόγησης μίας Μονάδας Επεξεργασίας Κτηνοτροφικών Αποβλήτων - Μονάδας Παραγωγής Βιοαερίου (ΜΕΚΑ - ΜΠΒ), κρίθηκε σκόπιμη η μελέτη και ο σχεδιασμός μίας ΜΕΚΑ - ΜΠΒ, που θα χρησιμοποιηθεί σαν πιλότος για την διαστασιολόγηση και περαιτέρω οικονομική διερεύνηση μίας τέτοιας επένδυσης. Η διαστασιολόγηση αφορά την επεξεργασία των αποβλήτων από μονάδες εκτροφής χοίρων και μονάδες εκτροφής βοοειδών, με ημερήσια παραγωγή περίπου 140 m 3 ανά ημέρα ανεπεξέργαστων μεικτών αποβλήτων. Επιπρόσθετος στόχος μίας παρόμοιας εγκατάστασης, είναι η εναρμόνιση με την Ελληνική και Ευρωπαϊκή νομοθεσία για την ολοκληρωμένη πρόληψη και έλεγχο της ρύπανσης του περιβάλλοντος, από τη διάθεση ανεπεξέργαστων των κτηνοτροφικών αποβλήτων των παραπάνω μονάδων εκτροφής. Το σύστημα που θα διερευνηθεί και αξιολογηθεί, περιλαμβάνει την εφαρμογή κοινού συστήματος αναερόβιας αερόβιας βιολογικής επεξεργασίας. 4.2 Δεδομένα πρώτων υλών Η μονάδα βιοαερίου πιλότος θα χρησιμοποιεί ως πρώτη ύλη (υπόστρωμα) τις κοπριές από τους προαναφερόμενους στάβλους αγελάδων και χοιροστασίων. Τα απόβλητα των αγελάδων θα είναι σε ημίρρευστη μορφή με μέση τιμή στερεών ~11% και σε στερεή μορφή με στερεά ~22%. Τα απόβλητα του χοιροστασίου θα είναι και αυτά σε ημίρρευστη μορφή, με μέση τιμή στερεών ~5.5%. Τα δεδομένα τροφοδοσίας παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.1. Πίνακας 4.1. Δεδομένα τροφοδοσίας ΜΠΒ Τύπος υποστρώματος Ποσότητα (tn/year) Ποσότητα (tn/day) Ποσοστό (%) Κοπριά αγελάδων Κοπριά (στερεή μορφή) στερεών Κοπριά χοίρων ,5 Συνολική ποσότητα

64 4.3 Παράμετροι διαστασιολόγησης Με γνώμονα την αποδοτική λειτουργία της χώνευσης και την αδιάκοπη λειτουργία της ΜΠΒ, προτείνεται η εγκατάσταση και λειτουργία τριών όμοιων αναερόβιων αντιδραστήρων έναντι ενός. Στόχος της επιλογής περισσότερων του ενός αντιδραστήρα, είναι η αποφυγή της διακοπής της διεργασίας για συντήρηση ή καθαρισμό του. Οι αναερόβιοι αντιδραστήρες προτείνεται να είναι υψηλής φόρτισης, χαρακτηριστικό των οποίων είναι η πλήρης ανάμειξη, η θέρμανση, η ομοιόμορφη τροφοδοσία των λυμάτων και η συνεχής λειτουργία. Οι κυριότεροι παράμετροι σχεδιασμού με βάση τα παραπάνω χαρακτηριστικά αναλύονται στη συνέχεια Χρόνος παραμονής στερεών Θερμοκρασία Ο χρόνος παραμονής στερεών (Τs) είναι η κυριότερη παράμετρος σχεδιασμού. Γενικά, αύξηση του Τs επιδρά θετικά στην απόδοση της διαδικασίας και το ίδιο συμβαίνει με τη θερμοκρασία. Η απόδοση της αναερόβιας χώνευσης (δηλαδή το ποσοστό μείωσης των πτητικών στερεών (VS) και η παραγωγή βιοαερίου) μεγιστοποιείται γύρω στους 36 ο C (μεσοφιλική περιοχή) και στους 54 ο C (θερμοφιλική περιοχή) (Reith et al. 2003, Hartmann & Ahring 2005b). Στη παρούσα αξιολόγηση, χρησιμοποιήθηκε η μεσοφιλική περιοχή, κυρίως λόγω του ότι, οι περισσότερες εταιρείες στην αγορά χρησιμοποιούν αντιδραστήρες αυτής της περιοχής και με γνώμονα ότι η οικονομική αξιολόγηση βασίστηκε σε τιμές τις αγοράς, για τη προμήθεια και εγκατάσταση του εξοπλισμού Συντελεστής φόρτισης Οι συντελεστές φόρτισης εκφράζονται σαν kg VS/m 3, d. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, για την παρούσα τεχνοοικονομική αξιολόγηση χρησιμοποιήθηκαν αναερόβιοι αντιδραστήρες υψηλής φόρτισης Μείωση πτητικών ουσιών Η μείωση των στερεών είναι ο βασικός αντικειμενικός σκοπός της αναερόβιας χώνευσης. Οι κυριότεροι παράγοντες που επηρεάζουν τη μείωση των VS είναι ο Τs, η Θερμοκρασία και το είδος της λάσπης Χαρακτηριστικά των χωνευτών Σημαντική παράμετρο διαστασιολόγησης ενός συστήματος ΜΕΚΑ - ΜΠΒ είναι και ο τύπος του χωνευτή που θα επιλεγεί. Το σχήμα, ο τρόπος τροφοδοσίας, ο τρόπος συλλογής του 63

65 παραγόμενου βιοαερίου και τέλος, οι απαιτήσεις καθαρισμού και συντήρησης των χωνευτών, παίζουν εξίσου σημαντικό ρόλο στην τελική διαστασιολόγηση. Το υλικό κατασκευής των αναερόβιων αντιδραστήρων προτείνεται να είναι από επεξεργασμένο μέταλλο για αντοχή και προστασία από σκουριά (π.χ. ανοξείδωτο χάλυβα) και η μόνωση στα τοιχώματα να είναι υλικού τύπου «mineral wool». Στον Πίνακα 3.2 καταγράφονται οι παραπάνω παράμετροι διαστασιολόγησης και τα χαρακτηριστικά του Αναερόβιου αντιδραστήρα για συνολική δυναμικότητα 140 m 3 /d. Πίνακας 4.2. Παράμετροι διαστασιολόγησης και Χαρακτηριστικά Αναερόβιου Αντιδραστήρα Παράμετροι Τιμές ανά Αντιδραστήρα Μονάδες (55m 3 /d) Χρόνος Παραμονής στερεών, Θc 38 ημέρες Θερμοκρασία, Td o C Φόρτιση Στερεών 1,8-3,0 Kg VS/m 3,d Μείωση VS 50 % Χαρακτηριστικά Ωφέλιμος όγκος m 3 Συνολικός όγκος m 3 Σύμφωνα με το σχεδιασμό της μονάδας, η δυναμικότητά της θα ανέρχεται στα 140 μ 3 /ημέρα. Για την αναερόβια επεξεργασία τους, προτείνεται η εγκατάσταση τριών αντιδραστήρων μεσόφιλης αναερόβιας χώνευσης (38 ο C), με χωρητικότητα 1800 μ 3 για χρόνο παραμονής των αποβλήτων τις 38 ημέρες Θέρμανση Αναερόβιων Χωνευτών Η θέρμανση των αποβλήτων μπορεί να γίνει με διάφορες μεθόδους, χαρακτηριστικότερες εκ των οποίων είναι οι σπειροειδείς εναλλάκτες θερμότητας μέσα στους χωνευτές, με έγχυση ατμού στα απόβλητα εισροής και με εξωτερικούς εναλλάκτες θερμότητας. Η προτεινόμενη μέθοδος είναι με εξωτερικούς εναλλάκτες θερμότητας. Οι σταθερές μεταφοράς θερμότητας για τους εναλλάκτες αυτούς είναι W/m 2, o C. Η θερμότητα που απαιτείται για την ανύψωση της θερμότητας της εισροής δίνεται από τη σχέση: qs=qcs(t2-t1) όπου 64

66 qs = απαιτούμενη Θερμότητα, KJ/d ή W Q = μάζα αποβλήτων kg/d Cs = ειδική θερμότητα αποβλήτων, 4200 J/kg o C για συγκεντρώσεις 5-10% T2 = θερμοκρασία χωνευτή, o C T1 = θερμοκρασία αποβλήτων στην εισροή, o C Οι απώλειες θερμότητας από τις επιφάνειες των χωνευτών υπολογίζονται από τη σχέση: qa=ua(t2-t3) όπου qa = απώλειες θερμότητας, KJ/d ή W U = σταθερά μεταφοράς θερμότητας, W/m 2, o C A = επιφάνεια, m 2 T2 = θερμοκρασία χωνευτή, o C T3 = θερμοκρασία περιβάλλοντος, o C Στον Πίνακα 4.3 Καταγράφεται η εκτιμώμενη απαιτούμενη θερμότητα για ανύψωση της θερμοκρασίας εισροής, σε χωνευτή διαμέτρου 16 μέτρων και συνολικού ύψους 12,8 μέτρων, καθώς και οι εκτιμώμενες απώλειες θερμότητας από τις διάφορες επιφάνειες του. Πίνακας 4.3 Εκτίμηση Συνολικής Απαιτούμενης Θερμότητας Παράμετροι Τιμές ανά Μονάδες Αντιδραστήρα (55m 3 /d) Απαιτούμενη θερμότητα για KW ανύψωση θερμοκρασίας εισροής, qs Απώλειες θερμότητας από καπάκι 3,5 KW Απώλειες θερμότητας από τοιχώματα 6,2 KW Απώλειες θερμότητας από πυθμένα 3,0 KW Συνολική Απαιτούμενη Θερμότητα KW Σύμφωνα με τον Πίνακα 4.3, η συνολική απαιτούμενη θερμότητα στην περίπτωση των τριών αντιδραστήρων αναερόβιας χώνευσης κυμαίνεται μεταξύ των 142 και 161 KW Ανάμειξη Αναερόβιων Χωνευτών Για την αποδοτική λειτουργία της αναερόβιας χώνευσης, πολύ σημαντικό ρόλο έχει η ανάμειξη των μεικτών αποβλήτων, η οποία επιτυγχάνεται με: 65

67 1. Επανακυκλοφορία της λάσπης 2. Μηχανικά μέσα 3. Ανάμειξη με αέριο. Στο υπό μελέτη έργο, η ανάμειξη προτείνεται να πραγματοποιείται με μηχανικά μέσα και πιο συγκεκριμένα με δύο αναδευτήρες ισχύος 18,5 W και με μία αντλία ανακυκλοφορίας παροχής 400m 3 /ώρα και ισχύος 18,5 W ανά χωνευτή. Στόχος είναι η μέγιστη δυνατή ανάμειξη των αποβλήτων. Η αντλία θα αναρροφά από ένα ύψος πλησίον του πυθμένα του αναερόβιου χωνευτή και θα το μεταφέρει στο πάνω μέρος, ενώ οι αναδευτήρες θα προκαλούν μία κυκλική κίνηση των αποβλήτων μέσα στο χωνευτή. Για την αποφυγή συσσώρευσης αφρολάσπης μεταξύ του υποστρώματος και του βιοαερίου, προτείνεται η εγκατάσταση ενός κάθετου αγωγού σε όλο το μήκος του χωνευτή, που θα λειτουργεί σαν υπερχείλιση καταρράκτης και θα μεταφέρει όλα τα επιπλέοντα στον πυθμένα και θα ενισχύει της ανάμειξη ομογενοποίηση του μείγματος. Η συνολική απαιτούμενη ισχύς ανάμειξης και στους τρείς αναερόβιους αντιδραστήρες εκτιμάται στα KW (166,5 KW εγκατεστημένη ισχύς). 4.4 Χωροθέτηση ΜΠΒ Η χωροθέτηση της ΜΠΒ, θεωρείται ότι έγινε με κριτήριο την ελαχιστοποίηση των δαπανών, από τη μεταφορά των παραπάνω αποβλήτων από τις μονάδες εκτροφής στο χώρο της εγκατάστασης, και με δεδομένη την ύπαρξη οδικής πρόσβασης. Σχετικά με τη χωροθέτηση της ΜΠΒ, προτείνεται η εγκατάσταση της μονάδος κοντά σε μία εκ των δύο χοιροτροφικών μονάδων, για μελλοντική αξιοποίηση της παραγόμενης θερμικής ενέργειας. Όλα τα απόβλητα από τα χοιροστάσια και τα αγελαδοτροφεία θα μεταφέρονται με κλειστά φορτηγά οχήματα και βυτιοφόρα, εκτός του διπλανού χοιροστασίου από το οποίο θα μεταφέρονται με αντλία. Στη παρούσα τεχνικοοικονομική αξιολόγηση, δεν θα συμπεριληφθεί το κόστος μεταφοράς των κτηνοτροφικών αποβλήτων στη ΜΕΚΑ ΜΠΒ, καθώς και δεν θα αξιολογηθεί η συμβολή της παραγόμενης θερμικής ενέργειας στην οικονομική ανάλυση του έργου. 4.5 Γραμμή παραγωγής ΜΠΒ Τα ανεπεξέργαστα μεικτά απόβλητα ημερήσιας παραγωγής περίπου 140 m 3 των 2 μονάδων εκτροφής χοίρων και 5 μονάδων εκτροφής βοοειδών, θα απομακρύνονται καθημερινά από τις εγκαταστάσεις των μονάδων εκτροφής και θα συγκεντρώνονται σε τρείς δεξαμενές συλλογής 66

68 και αποθήκευσης στο χώρο της ΜΕΚΑ ΜΠΒ. Η ΜΕΚΑ ΜΠΒ πιλότος, που θα διερευνηθεί περιλαμβάνει τα ακόλουθα στάδια (Σχήμα 14): Συλλογή, αποθήκευση και προετοιμασία των αποβλήτων υγρής και στερεής κοπριάς βοοειδών και υγρής κοπριάς χοίρων (3 δεξαμενές). Ομογενοποίηση των αποβλήτων σε δεξαμενή ανάμειξης. Αναερόβια βιολογική επεξεργασία σε τρεις αντιδραστήρες μεσόφιλης αναερόβιας χώνευσης. Παραγωγή και αποθήκευση βιοαερίου. Παραγωγή ενέργειας από την καύση του βιοαερίου σε ηλεκτρογεννήτρια συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας. Συλλογή και ανάμειξη παρακείμενων υγρών από τους χωνευτές σε δεξαμενή συλλογής. Διαχωρισμός υγρών και στερεών. Αερόβια βιολογική επεξεργασία αποβλήτων. Προσωρινή αποθήκευση επεξεργασμένων αποβλήτων. Προσωρινή αποθήκευση λάσπης. Τα κτηνοτροφικά απόβλητα από τις παραπάνω μονάδες εκτροφής, μετά τη μεταφορά, την αποθήκευσή τους και την ομογενοποίηση τους, θα αντλούνται σε τρείς αναερόβιους χωνευτές. Στη γραμμή αναρρόφησης της αντλίας, θα τοποθετηθεί σύστημα τεμαχιστή για περαιτέρω ομογενοποίηση και μείωση του μεγέθους των στερεών. Στο στάδιο αυτό, θα προστίθεται και διχλωριούχος σίδηρος (FeCl2) για την παρεμπόδιση δημιουργίας του υδροθείου (H2S) στο στάδιο της αναερόβιας χώνευσης. Η βασική διάταξη της μονάδας παρατίθεται στο Σχήμα 14. Το παραγόμενο βιοαέριο θα συγκεντρώνεται σε μεμβράνη στο πάνω μέρος των βιοαντιδραστήρων και θα χρησιμοποιείται ως καύσιμη ύλη σε ηλεκτρογεννήτρια συμπαραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και θερμικής. Μέρος της θερμικής ενέργειας, θα διοχετεύεται στους αναερόβιους βιοαντιδραστήρες, τόσο για τη διατήρηση της θερμοκρασίας λειτουργίας τους, όσο και για τη θέρμανση των εισερχόμενων αποβλήτων (35 40 ο C). Η πλεονάζουσα θερμική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιείται για τη θέρμανση γειτνιαζόντων κτηνοτροφικών εγκαταστάσεων ή για θέρμανση του νερού για σκοπούς καθαρισμού και απολύμανσης. Η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια θα διοχετεύεται εξολοκλήρου στο δίκτυο ηλεκτρισμού. Ακολούθως, τα απόβλητα αφού θα διαχωρίζονται από το στερεό κλάσμα με τη χρήση περιστρεφόμενου τυμπάνου, θα τυγχάνουν αερόβιας επεξεργασίας για περαιτέρω μείωση του φορτίου και μείωση του αζώτου σε δεξαμενή αερισμού καθίζησης. 67

69 Μετά τη βιολογική επεξεργασία, τα λύματα θα καταλήγουν σε δεξαμενές προσωρινής αποθήκευσης για τελική διάθεση και εξάτμιση, σύμφωνα με τους Κώδικες Ορθής Γεωργικής Πρακτικής. Σχήμα 14: Σχήμα ροής ΜΕΚΑ Στάδιο συλλογής και προετοιμασίας πρώτης ύλης Το στάδιο αυτό αφορά σε όλες τις σχετικές εργασίες και κατασκευές για την συλλογή, αποθήκευση και προετοιμασία της πρώτης ύλης (υγρή και στερεή κοπριά), πριν την τροφοδοσία της στους τρείς χωνευτές Στερεά πρώτη ύλη Η στερεά πρώτη ύλη συλλέγεται σε ανοιχτή δεξαμενή από σκυρόδεμα (όγκου ~160 m 3 ), όπου αποθηκεύεται μαζί με τυχόν άλλα υπόλοιπα στερεά υλικά. Από την δεξαμενή αυτή, μεταφέρονται τα υλικά στην δεξαμενή άλεσης για περεταίρω επεξεργασία. Αυτό το δοχείο άλεσης θα είναι από σκυρόδεμα και θα περιλαμβάνει το σύστημα δοσολογίας και «άλεσης» της στερεής κοπριάς. Η δεξαμενή περιλαμβάνει και κανάλια φρεάτιο αποστράγγισης. Η δεξαμενή φέρει κατάλληλη υποδοχή για την συλλογή των στερεών. Από την δεξαμενή αυτή, οδηγείται στην συνέχεια το υλικό στην δεξαμενή ομογενοποίησης, μαζί με την υγρή πρώτη ύλη. Ακολουθεί χαρακτηριστικό σχήμα της δεξαμενής εισόδου των στερεών, Σχήμα

70 Σχήμα 15. Δεξαμενή στερεών στην είσοδο της μονάδας Υγρή πρώτη ύλη Η υγρή κοπριά από τους στάβλους θα οδηγείται αρχικά σε μια πρώτη δεξαμενή, από όπου θα αντλείται έπειτα σε μια δεύτερη δεξαμενή (ομογενοποίησης τροφοδοσίας, (preliminary pit), στην οποία μεταφέρονται και τα στερεά. Η κατασκευή και των δυο αυτών δεξαμενών θα είναι κυκλική (όγκου ~200 m 3 & ~350m 3 αντίστοιχα) από οπλισμένο σκυρόδεμα με ειδική διαμόρφωση του πυθμένα, έτσι ώστε, όλα τα αδρανή υλικά (χαλίκια, μαρμαρόσκονη κλπ) να παγιδεύονται εκεί και να μην μεταφέρονται - επομένως - στους χωνευτές. Ο καθαρισμός τους θα γίνεται περιοδικά, ανάλογα με την επιβάρυνση των εισερχομένων αποβλήτων σε αδρανή υλικά. Η όλη διεργασία θα περιλαμβάνει και το σύστημα δοσολογίας και «άλεσης» της στερεής κοπριάς, πριν οδηγηθούν προς τους τρείς χωνευτές. Η πρώτη δεξαμενή των 200 m 3, θα είναι κυκλικής κατασκευής οπλισμένου σκυροδέματος, υπόγεια. Η δεξαμενή θα επικοινωνεί με τη δεξαμενή ομογενοποίησης μέσω υπερχείλισης, καθώς και ειδικού κοχλία μεταφοράς, μέσω του οποίου το υπόστρωμα (κοπριά) θα μεταφέρεται. Σε αυτό το στάδιο, επίσης, θα προστίθεται και ο διχλωριούχος σίδηρος (FeCI2) για την παρεμπόδιση δημιουργίας του υδρόθειου, στο στάδιο Β της αναερόβιας χώνευσης. Η προσθήκη του θα γίνεται αυτόματα με δοσομετρητή. Η δεύτερη δεξαμενή της ομογενοποίησης (όγκου ~350 m 3 ) θα είναι κλειστή και θα περιλαμβάνει βυθιζόμενο αναμεικτήρα, για την ομογενοποίηση του υποστρώματος. Η δεξαμενή θα είναι κυκλικής κατασκευής και θα είναι καλυμμένη από επάνω με οπλισμένο σκυρόδεμα. Αναλυτικότερα, ο εξοπλισμός των παραπάνω δεξαμενών είναι: Αργόστροφος αναδευτήρας της πρώτης δεξαμενής 69

71 Σύστημα δοσολογίας - άλεσης της κοπριάς Κοχλίας μεταφοράς της «αλεσμένης» στερεής κοπριάς στη δεξαμενή ομογενοποίησης Κοχλιωτή αντλία τροφοδοσίας από την πρώτη δεξαμενή στη δεξαμενή ομογενοποίησης Αργόστροφος αναδευτήρας της δεξαμενής ομογενοποίησης Μηχανοστάσιο Ακριβώς μετά τις δεξαμενές της πρώτης ύλης, υπάρχει το μηχανοστάσιο στο οποίο βρίσκονται αφενός μεν οι πίνακες λειτουργίας και αυτοματισμού, αφετέρου το σύστημα τροφοδοσίας των χωνευτών με πρώτη ύλη (Σχήμα 16). Το μηχανοστάσιο έχει την μορφή οικίσκου διαθέσιμης επιφανείας ~40 m 2 και ύψους ~ 3μ. Σε αυτόν τον οικίσκο θα στεγαστούν: η κοχλιωτή αντλία τροφοδοσίας, ο τεμαχιστής, η δοσομετρική FeCI2, οι ηλεκτρικοί πίνακες και λοιπά μέρη εξοπλισμού. Αναλυτικότερα, το μηχανοστάσιο περιλαμβάνει τα παρακάτω μέρη εξοπλισμού: Κοχλιωτή αντλία τροφοδοσίας του υποστρώματος στους τρείς αντιδραστήρες σε κοινό δίκτυο μέσω ελεγχόμενων βανών. Ωριαία παροχή της αντλίας m3/h με ισχύ 11 kw. Η αντλία αυτή είναι αντλία θετικής αναρρόφησης και θα τοποθετηθεί στο επίπεδο του πυθμένα της δεξαμενής συλλογής υποστρώματος. Ο τεμαχιστής θα τοποθετηθεί «in line» στον αγωγό αναρρόφησης της παραπάνω κοχλιωτής αντλίας (δηλ. ανάμεσα στη δεξαμενή και την αντλία). Θα έχει ισχύ 9,2 kw και δυνατότητα για παροχή ~50 m 3 /h. Δοσομετρική αντλία (ισχύος 200W) για την προσθήκη του χλωριούχου σιδήρου (FeCI2) σε «in line» τροφοδοσία στον αγωγό του τεμαχιστή κοχλιωτής αντλίας. Από το μηχανοστάσιο ξεκινά δίκτυο τροφοδοσίας των τριών αντιδραστήρων με πρώτη ύλη. Οι διάμετροι και το υλικό των σωλήνων δίνεται παρακάτω: 5 m DN 200 PN / 10 PE για τον αγωγό σύνδεσης της δεξαμενής ομογενοποίησης με τον τεμαχιστή. 60 m DN 150 PN / 10 PE για τον αγωγό σύνδεσης του κάθε αντιδραστήρα χωνευτή. Αυτόματη βάνα ελεγχόμενης λειτουργίας για το διαχωρισμό τροφοδοσίας του υποστρώματος προς τους αντιδραστήρες - χωνευτές. Όλες οι λοιπές χειροκίνητες βάνες που απαιτούνται στις διάφορες συνδέσεις. 70

72 Σχήμα 16. Μηχανοστάσιο σε τομή, όπου φαίνεται ο εξοπλισμός Στάδιο επεξεργασίας αποβλήτων με αναερόβια χώνευση Για την επεξεργασία των αποβλήτων με αναερόβια διαδικασία χρησιμοποιούνται τρείς όμοιοι αναερόβιοι αντιδραστήρες, οι οποίοι είναι συνδεδεμένοι παράλληλα. Το στάδιο ολοκληρώνεται με μια μεταλλική δεξαμενή συλλογής και αποθήκευσης της χωνεμένης ύλης Δεξαμενές αναερόβιας χώνευσης Ο κάθε αντιδραστήρας - τύπου «LIPP-Kombio-Reactor» - θα έχει ενεργό όγκο ~1800 m3 και ~600 m3 διαθέσιμο όγκο για τη συλλογή και παροδική αποθήκευση του παραγόμενου βιοαερίου (Σχήμα 17). Η μέση ημερήσια παροχή για κάθε ένα χωριστά αντιδραστήρα θα είναι ~46 m3 με χρόνο παραμονής στη δεξαμενή του χωνευτή ~38 ημέρες. Η διεργασία της χώνευσης θα γίνεται στη μεσοφιλική ζώνη στο εύρος 30 45οC. Για να μπορεί να διατηρείται σταθερή η θερμοκρασία αυτή, περιμετρικά κάθε δεξαμενής και εξωτερικά αυτής υπάρχει δίκτυο διανομής ζεστού νερού (που προέρχεται ως απόβλητη θερμότητα από την συμπαραγωγή). Το δίκτυο μονώνεται με πετροβάμβακα πάχους 160 mm, ενώ εξωτερικά της μόνωσης υπάρχει προστατευτική λαμαρίνα αλουμινίου κατάλληλης αντοχής και χρώματος κόκκινου. Το ομογενοποιημένο υπόστρωμα (υγρή & στερεή κοπριά) με στερεά οδηγείται μέσω της αντλίας στους τρείς αντιδραστήρες με περιοδική τροφοδοσία, δηλαδή συγκεκριμένες ποσότητες σε προεπιλεγμένα χρονικά διαστήματα. Παράλληλα, από την έξοδο θα εξέρχεται συνεχώς ή περιοδικά μια αντίστοιχη ποσότητα με αυτήν της εισόδου προς τη δεξαμενή συλλογής του χωνεμένου υγρού (έξοδος ως ελεύθερη ροή). 71

73 Η ανάμειξη του υγρού μέσα στον αντιδραστήρα θα γίνεται με δυο αναδευτήρες και με μια ειδική αντλία ανακυκλοφορίας (παροχής ~400 m3/h), που αναρροφά το υγρό από την επάνω ζώνη της δεξαμενής του χωνευτή και το μεταφέρει στο κάτω μέρος, έτσι ώστε, να το ομογενοποιεί περαιτέρω και παράλληλα, να μην επιτρέπει συσσώρευση «αφρολάσπης» στην επιφάνεια της δεξαμενής, δηλαδή μεταξύ υποστρώματος και συλλογής βιοαερίου. Ο κάθε αντιδραστήρας είναι μεταλλικής κατασκευής. Το υλικό αυτής της ειδικής μεταλλικής κατασκευής είναι συνδυασμός γαλβανισμένου και ανοξείδωτου χάλυβα στο εσωτερικό. Σχήμα 17: Τομή δεξαμενής αντιδραστήρα Παρακάτω δίνεται συνοπτική περιγραφή του κάθε αντιδραστήρα. Διάμετρος δεξαμενής: 18 m Ενεργό ύψος δεξαμενής (κυλινδρικό): 11,7 m Μέγιστο ύψος δεξαμενής: 15 m Ύψος υποστρώματος: 8 m Χωρητικότητα χωνευτή: 1800 m 3 Χωρητικότητα αποθήκευσης βιοαερίου: 600 m 3 2 αναδευτήρες (18,5 kw) & 1 αντλία ανακυκλοφορίας με σύστημα κόφτη (18,5 kw παροχής 400 m3/h) για την ομογενοποίηση του υποστρώματος στον αντιδραστήρα 72

74 Δίκτυα αντλιών DN 200 & DN150 Δίκτυο σωληνώσεων για την περιμετρική θέρμανση της δεξαμενής Μόνωση 160mm με πετροβάμβακα Εξοπλισμός ασφαλείας: μανόμετρα πιέσεως, δείκτης επιπέδου βιοαερίου, μέτρηση θερμοκρασίας Αναμονές σύνδεσης: DN 150 για την είσοδο υποστρώματος, DN 200 για την εκροή του υποστρώματος, DN 300 για υπερχείλιση του υποστρώματος, DN 150 για το βιοαέριο Ανθρωποθυρίδα ελέγχου DN 800 στο κάτω μέρος της δεξαμενής Ανθρωποθυρίδα ελέγχου παρατήρησης στο πάνω μέρος της δεξαμενής Σκάλα - γέφυρα πρόσβασης Δεξαμενή συλλογής και αποθήκευσης χωνεμένης ύλης Το εξερχόμενο υγρό από τον κάθε αντιδραστήρα θα συλλέγεται σε άλλη δεξαμενή, όπου και θα αποθηκεύεται για μικρό χρονικό διάστημα. Η συγκεκριμένη δεξαμενή θα είναι μεταλλικής κατασκευής, συνδυασμός γαλβανισμένου και ανοξείδωτου μετάλλου, με τον ανάλογο εξοπλισμό ανάδευσης. Στη δεξαμενή, θα υπάρχει σύστημα ανάδευσης για τη διατήρηση του υγρού σε ομογενοποιημένη μορφή και κυρίως, για να την παρεμπόδιση της καθίζησης των στερεών. Ο όγκος της δεξαμενής θα είναι ~1150 m3. Τα βασικά της χαρακτηριστικά είναι όπως παρακάτω: Ύψος δεξαμενής 4,5 m Διάμετρος δεξαμενής 18 m Όγκος δεξαμενής m3 Αναμονή DN 300 για την είσοδο του εξερχόμενου υγρού από τον χωνευτή Αναμονή DN 200 για το άδειασμα της δεξαμενής με αγωγό 3μ και δυο βάνες Αναμονή DN 200 για σύνδεση με αντλία ανακυκλοφορίας Αναμονή DN 150 Αναμονή 2 για δειγματοληψία Αναμονή διασποράς με αγωγό 5μ για την αντλία ανακυκλοφορίας Ανθρωποθυρίδα DN 600 Εξέδρα σκάλα Σύστημα ομογενοποίησης: αναμεικτήρας 18,5 kw 73

75 4.6 Παραγωγή Βιοαερίου Η ποσότητα του παραγόμενου από την αναερόβια χώνευση μεθανίου (CH4), μπορεί να εκτιμηθεί από την εμπειρική σχέση: VCH4 = 0,35[EQS0 1.42PX] όπου VCH4 = όγκος παραγόμενου μεθανίου, m 3 /d 0,35 = θεωρητική σταθερά μετατροπής 1 kg BODL σε CH4 με αναερόβια χώνευση E = απόδοση χρησιμοποίησης των αποβλήτων για κανονικές συνθήκες λειτουργίας Q = παροχή, m 3 /d S0 = BODL στην εισροή, mg/l (QS0/1000 = μάζα BODL, kg/d) 1.42 = σταθερά μετατροπής VS σε BODL PX = μάζα παραγόμενων VS, kg/d = YQS0E/1+kdΘc, όπου Υ = σταθερά σύνθεσης kg VS/ kg BODL kd = σταθερά αποσύνθεσης στους 20 o C, d -1 Η ποσότητα του παραγόμενου μεθανίου μπορεί, επίσης, να υπολογισθεί από το φορτίο των VS (0,35 m 3 CH4/kg VS αποβλήτου) ή από το βαθμό μείωσης των VS. Το παραγόμενο βιοαέριο είναι μείγμα κυρίως CH4 (65-70% κ.ο.) και CO2 (25-30% κ.ο.), καθώς και Η2, Ν2 και H2S. Η πυκνότητά του κυμαίνεται μεταξύ 0,7-1,04 (τυπικό 0,86) και η απόδοση θερμότητας κατά την καύση του είναι KJ/m 3, ενώ η αντίστοιχη του καθαρού μεθανίου είναι KJ/m 3. Οι εκτιμώμενες, βάσει των παραπάνω μεθόδων, τιμές του παραγόμενου μεθανίου και βιοαερίου στους αναερόβιους χωνευτές παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.4. Πίνακας 4.4 Συνολικό παραγόμενο μεθάνιο Παράμετρος Τιμή Μονάδα Παραγόμενο Μεθάνιο VCH m 3 /d 4.7 Μονάδα συμπαραγωγής Στη μονάδα συμπαραγωγής οδηγείται το παραγόμενο βιοαέριο μέσω κατάλληλου δικτύου. Η μονάδα συμπαραγωγής διαθέτει τον απαραίτητο εξοπλισμό λειτουργίας και ελέγχου, για την καύση και παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. 74

76 Από κάθε αντιδραστήρα εκκινεί σωλήνας διαμέτρου DN 150 προς τον συλλέκτη, ακολουθώντας μία υπεδάφεια διαδρομή για ψύξη και στη συνέχεια ενιαίο δίκτυο DN 300 τροφοδοτεί την μονάδα συμπαραγωγής. Τα δίκτυα και το υλικό τους είναι: DN 150 PN / 10 PE από τους χωνευτές F1 F3 προς τον συλλέκτη του δικτύου DN 300 PN / 10 PE από τον συλλέκτη προς τη γεννήτρια DN 100 VA από την γεννήτρια προς τον «φανό» καύσης Το κεντρικό δίκτυο βιοαερίου οδηγείται προς την μονάδα συμπαραγωγής, αφού πρώτα καθαρισθεί από το υπολειμματικό υδρόθειο (H2S) και την πιθανή υγρασία του δικτύου. Η μονάδα συμπαραγωγής έχει τα παρακάτω γενικά χαρακτηριστικά: Δυναμικότητα ηλεκτρικής ενέργειας: 500 kwel Δυναμικότητα θερμικής ενέργειας: 525 kwth Απόδοση ηλεκτρικής ενέργειας: 40% Απόδοση θερμικής ενέργειας: 42% Μέγιστη περιεκτικότητα σε H2S: 100 ppm Επιπλέον, η εγκατάσταση συμπαραγωγής φέρει: Φανό καύσης βιοαερίου μέχρι 1500 kw, για την περίπτωση στην οποία υπάρχει παραγωγή βιοαερίου και δεν μπορεί να δουλέψει η συμπαραγωγή Ψύξη έκτακτης ανάγκης για την υπερθέρμανση της μηχανής Διανομέας θερμικού φορτίου, ο οποίος συνδέεται με το δίκτυο ζεστού νερού και καλύπτει τις ανάγκες θέρμανσης των χωνευτών αντιδραστήρων Ψύξη βιοαερίου για την αφύγρανσή του Φίλτρο ενεργού άνθρακα για τον καθαρισμό του βιοαερίου (κυρίως για το H2S) 4.8 Διαχωρισμός Στερεών Το υπερκείμενο υγρό θα οδηγείται από τη δεξαμενή συγκέντρωσης, με συγκεκριμένη ωριαία παροχή μέσω αντλίας στο σύστημα διαχωρισμού στερεών. Το σύστημα του διαχωριστή αποτελεί σύστημα φυγόκεντρου διαχωριστή decanter, παροχής 5 m 3 /ώρα, ισχύος 15,25 KW, αποτελούμενο από εξοπλισμό προετοιμασίας πολυηλεκτρολύτη, αντλία τροφοδοσίας, περιστρεφόμενου τυμπάνου και ηλεκτρικού πίνακα. Από το διαχωριστή θα προκύψουν δύο ρεύματα εξόδου. Ένα κλάσμα στερεών με 75-80% υγρασία και το υγρό κλάσμα με πολύ μικρό ποσοστό σε στερεά. Το υγρό κλάσμα θα εισέρχεται στον αντιδραστήρα αερόβιας επεξεργασίας, μετά τη παραμονή του σε μία δεξαμενή εξισορρόπησης. 75

77 4.9 Δεξαμενή εξισορρόπησης Για τη σταθερή υδραυλική ροή και ομοιόμορφη φόρτιση προς τη μονάδα του αερόβιου βιοαντιδραστήρα, θα εγκατασταθεί ζεύγος αντλιών, παροχής 15m 3 /ώρα, συνολικής ισχύος 1,5 Kw. Επίσης, θα εγκατασταθεί σύστημα ανάμειξης, το οποίο αφορά σύστημα διάχυσης πεπιεσμένου αέρα - δίκτυο διάχυτων μεμβράνης, με στόχο την ομογενοποίηση και την αποφυγή καθίζησης των αιωρούμενων στερεών στον πυθμένα, όπως και τη μερική οξείδωση των οργανικών και ανόργανων ενώσεων Δεξαμενή αερισμού και καθίζησης Το υγρά απόβλητα από την δεξαμενή εξισορρόπησης, υπόκεινται σε επεξεργασία σε μονάδα επεξεργασίας αποβλήτων. Συγκεκριμένα, γίνεται διαχωρισμός του στερεού κλάσματος από το υγρό, έτσι ώστε, να συμπυκνωθεί ο όγκος των στερεών μέσου ειδικού διαχωριστή και το υγρό κλάσμα να υποστεί επιπρόσθετη διεργασία για την περαιτέρω απομάκρυνση του υπολειμματικού οργανικού φορτίου και της αμμωνίας. Η συνολική επεξεργασία περιλαμβάνει τρία βασικά στάδια/μέρη: Α. Στάδιο προ επεξεργασίας Β. Στάδιο βιολογικής επεξεργασίας (βιοαντιδραστήρα) Γ. Στάδιο επεξεργασίας/διαχείρισης λάσπης Στάδιο προεπεξεργασίας Η εκροή της δεξαμενής προσωρινής αποθήκευσης, οδηγείται με συγκεκριμένη ωριαία παροχή μέσω αντλίας στο σύστημα του διαχωριστή στερεών (μονάδα decanter), μέσω ενδιάμεσης δεξαμενής ανάμειξης και τροφοδοσίας. Από τον διαχωριστή θα προκύψουν δυο ρεύματα εξόδου: το κλάσμα των στερεών με 75-80% υγρασία και το υγρό κλάσμα με πολύ λιγότερα στερεά (~1% DS) θα οδηγούνται στη δεξαμενή εξισορρόπησης. Στη δεξαμενή εξισορρόπησης θα τοποθετηθεί ζεύγος αντλιών για την τροφοδοσία των υγρών (σταθερή προκαθορισμένη ωριαία παροχή), στο στάδιο της βιολογικής επεξεργασίας Στάδιο βιολογικής επεξεργασίας (βιοαντιδραστήρα) Τα απόβλητα από το Α στάδιο θα εισέλθουν με σταθερή ωριαία παροχή στη μονάδα του βιοαντιδραστήρα. Εδώ πρόκειται για λειτουργία με τη μέθοδο της ενεργού ιλύος, που θα οδηγήσει σε μια μεγάλη απομάκρυνση του οργανικού και παράλληλα του αμμωνιακού φορτίου στο εύρος 60-80%. Τα ποιοτικά χαρακτηριστικά του επεξεργασμένου αποβλήτου θα είναι 76

78 κάτω από τα απαιτούμενα όρια για την διάθεσή τους στον αποδέκτη (δεξαμενές εξάτμισης ή ίσως και επιφανειακή/υπεδάφεια). Ο αντιδραστήρας αερόβιας επεξεργασίας θα είναι ακάλυπτος, μη θερμαινόμενος και κυκλικής διατομής. Πιο συγκεκριμένα, θα κατασκευαστούν δύο ομόκεντρες κυκλικές δεξαμενές εξωτερικής διαμέτρου 12 μ. και εσωτερικής διαμέτρου 8 μ.. Επειδή ο σχηματισμός αφρού είναι ένα συνηθισμένο φαινόμενο στην αερόβια χώνευση, το ελεύθερο ύψος είναι περίπου 0,5 μέτρο. Η περίσσεια λάσπη από τη δεξαμενή καθίζησης θα μπορεί να επιστρέφει στους αντιδραστήρες αναερόβιας επεξεργασίας. Οι τυπικές τιμές απαιτούμενου οξυγόνου για τη χώνευση των αποβλήτων είναι περίπου 2 kg/kg καταστρεφόμενων οργανικών στερεών (VS), σε μεσόφιλες συνθήκες. Εκτιμάται ότι, το ημερήσιο απαιτούμενο οξυγόνο για τη χώνευση των κτηνοτροφικών αποβλήτων θα κυμαίνεται μεταξύ και 2000 kg. Η προτεινόμενη μέθοδος αερισμού είναι η χρήση διαχύτων και προτείνεται λόγω της δυνατότητας μερικού ελέγχου μεταφοράς οξυγόνου, με τη ρύθμιση της παροχής αέρα, και την προσθήκη θερμότητας στον αντιδραστήρα. Η συνολική ισχύς του συστήματος αερισμού εκτιμάται γύρω στα 32 KW και περιλαμβάνει 2 φυσητήρες παροχής 700 m 3 /ώρα με ηλεκτροκινητήρα 15 KW. Με τη χρήση των διαχύτων, επιτυγχάνεται και ικανοποιητική ανάμειξη των λυμάτων. Η ανάμειξη θα ενισχύεται με τη λειτουργία υποβρύχιου αναδευτήρα ισχύος 1,5 KW. Μετά τον αερισμό, τα απόβλητα θα εισέρχονται σε δεξαμενή καθίζησης συνολικού όγκου περίπου 250 m 3. Δύο είναι οι βασικές λειτουργίες της καθίζησης. Πρώτον, η διαύγαση των αποβλήτων με την απομάκρυνση των στερεών από την εκροή, μειώνοντας και το BOD, και δεύτερον, η πύκνωση των στερεών που καθιζάνουν, ώστε να διατηρείται σταθερή η συγκέντρωση των αιωρούμενων στερεών στη δεξαμενή αερισμού με την επανακυκλοφορία της λάσπης. Ο απαιτούμενος εξοπλισμός της δεξαμενής καθίζησης περιλαμβάνει το σύστημα υπερχείλισης, το ξέστρο σάρωσης και αναμόχλευσης της λάσπης του πυθμένα, ισχύος 0,18 KW, τη χοάνη εξομάλυνσης της ροής και δύο υποβρύχιες αντλίες ανακυκλοφορίας λάσπης, ισχύος 1,1 KW Στάδιο επεξεργασίας λάσπης Η λάσπη που προκύπτει από τη μονάδα του διαχωριστή θα μπορεί να αποθηκεύεται προσωρινά (χωρητικότητα για ~10 ημέρες), σε μια στεγανή ανοιχτή δεξαμενή από μπετό και στη συνέχεια 77

79 σε ειδικά διαμορφωμένη δεξαμενή (χωμάτινη), από όπου και θα απομακρύνεται περιοδικά για χρήση σε γεωργικές δραστηριότητες Δεξαμενές αποθήκευσης Τα απόβλητα μετά την αναερόβια και αερόβια επεξεργασία, θα καταλήγουν σε χωμάτινες στεγανές δεξαμενές, που θα λειτουργούν και ως δεξαμενές εξάτμισης. Το βάθος τους θα είναι 2,5 m και ο συνολικός τους όγκος θα ανέρχεται σε περίπου m3 για μέγιστο χρόνο αποθήκευσης 3 μήνες. 78

80 Κεφάλαιο 5 ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 5.1 Γενικά Στο πλαίσιο οικονομικής αξιολόγησης μίας ΜΕΚΑ ΜΠΒ, όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, κρίθηκε σκόπιμη η μελέτη και ο σχεδιασμός μίας ΜΕΚΑ - ΜΠΒ πιλότου. Με βάση την τεχνική περιγραφή που αναπτύχθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, θα πραγματοποιηθεί η οικονομική ανάλυση μίας τέτοιας επένδυσης. Για τους σκοπούς αυτής της αξιολόγησης, η συνολική δαπάνη της επένδυσης (εγκατεστημένο κόστος) υπολογίζεται με βάση προσφορών από τρείς εταιρείες, που χρησιμοποιούν παρόμοια συστήματα επεξεργασίας κτηνοτροφικών αποβλήτων και παραγωγής βιοαερίου. Επιπρόσθετα, θεωρούμε ότι οι παράγοντες: πηγές εξοπλισμού, διακυμάνσεις τιμών, πολιτικές εταιρειών, χρόνος λειτουργίας, ρυθμός παραγωγής και τέλος κυβερνητική πολιτική, έχουν ληφθεί υπόψη και παραμένουν σταθεροί. 5.2 Υπολογισμός επένδυσης κεφαλαίου Η ολική επένδυση κεφαλαίου (total capital investment) αποτελείται από την επένδυση πάγιου κεφαλαίου (fixed capital investment) και το κεφάλαιο κίνησης (working capital). H επένδυση πάγιου κεφαλαίου αντιπροσωπεύει: το κεφάλαιο για τον εγκατεστημένο εξοπλισμό με όλες τις βοηθητικές εγκαταστάσεις που απαιτούνται για την ολοκληρωμένη λειτουργία του έργου το κεφάλαιο για την κατασκευή του έργου. Το κεφάλαιο κίνησης αποτελείται από το ολικό ποσό των χρημάτων, που επενδύονται σε λογαριασμούς προς είσπραξη, μετρητά που αποταμιεύονται για μηνιαίες πληρωμές εξόδων λειτουργίας (Peters and Timmerhaus.1991). Στη παρούσα αξιολόγηση, θεωρούμε ότι οι πληρωμές των εξόδων λειτουργίας γίνονται με βάση τα έσοδα από την πώληση της ηλεκτρικής ενέργειας. Στον Πίνακα 5.1 παρουσιάζεται η ανάλυση της επένδυσης πάγιου κεφαλαίου. Πίνακας 5.1 Ανάλυση επένδυσης πάγιου κεφαλαίου Δαπάνες Ανάλυση κόστους () Ποσοστό (%) Εξοπλισμός και Εγκατάσταση ,00 78,2% 79

81 Ηλεκτρολογικός Εξοπλισμός ,00 2,5% Υποσταθμός Ρεύματος ,00 1,8% Υλικά Κατασκευών ,00 16,4% Χωματουργικά ,00 0,4% Βοηθητικές Εγκαταστάσεις ,00 0,7% Σύνολο , Υπολογισμός κόστους μεταφοράς Για τον υπολογισμό του μεταφορικού κόστους λήφθηκαν υπόψη οι παρακάτω παράμετροι: Α. Οι παραγωγικές μονάδες βρίσκονται σε απόσταση 30 km από το σταθμό βιοαερίου, σύμφωνα με τους κανόνες της εγγύτητας, που προστάζουν την γειτνίαση της μονάδας επεξεργασίας αποβλήτων με τις πηγές ρύπανσης. Β. Για την μεταφορά των χοιρολυμάτων και των υγρών αποβλήτων από κτηνοτροφικές μονάδες αγελάδων γαλακτοπαραγωγής απαιτείται βυτιοφόρο όχημα, ενώ για τη μεταφορά των στερεών αποβλήτων από βουστάσια πάχυνσης απαιτείται φορτηγό. Γ. Η μέγιστη χωρητικότητα των οχημάτων είναι 20 m 3. Δ. Το μεταβλητό και σταθερό μεταφορικό κόστος ανά χλμ υπολογίστηκε σύμφωνα με μία έρευνα του Ινστιτούτου Μεταφορών και περιλαμβάνει το κόστος καυσίμου, το κόστος εργατικού προσωπικού, ασφαλιστικές εισφορές, κόστος συντήρησης, ασφάλειες οχήματος, καθαρισμός, τέλη κυκλοφορίας, σήμα κυκλοφορίας. Όπως παρουσιάζεται στον Πίνακα 5.2, υπολογίζεται το συνολικό μήκος διαδρομής για την μεταφορά του συνόλου των αποβλήτων ανά τύπο αποβλήτων με όχημα χωρητικότητας 20m 3 και να πολλαπλασιάζεται η τιμή αυτή με το μεταφορικό κόστος ανά χλμ., ανάλογα με τον τύπο του οχήματος που απαιτείται. Πίνακας 5.2 Ανάλυση κόστους μεταφοράς ΕΙΔΟΣ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ Απόβλητα tn/year Απόστασ η μονάδαςπηγής (km) Αριθμός διαδρομώ ν Συνολικό μήκος διαδρομή ς (km/year) Μεταφορικ ό κόστος (/year) Χοιρολύματα 14, ,176 Υγρά λύματα αγελάδων 9, ,938 Στερεά απόβλητα 27, ,330 αγελάδων Αναλυτικά: Αριθμός διαδρομών = Σύνολο αποβλήτων ανά έτος ανά τύπο / 20m 3 όχημα Συνολικό μήκος διαδρομής= Αριθμός διαδρομών x απόσταση μονάδας πηγής x 2 (για κάθε μεταφορά το όχημα διανύει 2 φορές την διαδρομή). 80

82 Μεταφορικό κόστος= Συνολικό μήκος διαδρομής x 0,93 /km για χοιρολύμτα και υγρά λύματα αγελάδων Μεταφορικό κόστος = Συνολικό μήκος διαδρομής x 0,89 /km για στερεές κοπριές αγελάδων. 5.4 Υπολογισμός κόστους λειτουργίας Το κόστος λειτουργίας της ΜΕΚΑ διακρίνεται σε: άμεσα έξοδα, που περιλαμβάνουν εργατικά, συντήρηση, επισκευές, υλικά, βοηθητικές παροχές και έξοδα εργαστηρίου, γενικά έξοδα, που περιλαμβάνουν την ασφάλεια και τη προστασία και γενικά έξοδα της μονάδας, απρόβλεπτα. Στον Πίνακα 5.3 καταγράφονται τα Κόστος συντήρησης και λειτουργίας μονάδας αναερόβιας χώνευσης και συστήματος αερόβιας μετεπεξεργασίας και λοιπού μηχανολογικού εξοπλισμού, χωρίς τις ανάγκες συντήρησης της μονάδας Συμπαραγωγής Ηλεκτρικής ενέργειας και Θερμότητας (ΣΗΘ). Στον Πίνακα 5.4, παρουσιάζονται οι ανάγκες προσωπικού της ΜΕΚΑ. Για τον προσδιορισμό του κόστους προσωπικού κατά τη λειτουργία της μονάδας, υπολογίσθηκε το κόστος ενός Μηχανικού Επίβλεψης Λειτουργίας με ημιαπασχόληση, ενός τεχνίτη με πλήρη απασχόληση, καθώς και πρέπει να συνυπολογιστεί και το κόστος λογιστηρίου. Πίνακας 5.3 Κόστος συντήρησης και λειτουργίας μονάδας αναερόβιας χώνευσης και συστήματος αερόβιας μετεπεξεργασίας και λοιπού μηχανολογικού εξοπλισμού πλην κόστος συντήρησης μονάδος ΣΗΘ ΕΙΔΟΣ ΔΑΠΑΝΗΣ ΤΡΟΠΟΣ ΕΚΤΙΜΗΣΗΣ ΔΑΠΑΝΗΣ 81 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΔΑΠΑΝΗΣ /ΕΤΟΣ Ασφάλειες 0,4% της ολικής

83 επένδυσης Συντήρηση/Επισκευή/ανταλλακτικά υπόλοιπης μονάδας (όχι ΣΗΘ) Παρακολούθηση/τηλεμετρία Έξοδα εργαστηρίου Γενικά Έξοδα μονάδας-αναλώσιμα ,15/ kwh (κόστος κατανάλωση ενέργειας 1 50 kw x 760 hr/έτος από το ηλ.ενέργειας =38000 kwh/έτος δίκτυο (ιδιοκατανάλωση σε παύση βιμηχανικής λειτουργίας ΜΕΚ) χρήσης) KW x 10 hr/d x 360 d/yr = KWh/yr Ηλεκτρικές ανάγκες για μονάδα 0,15/ kwh αερόβιας επεξεργασίας Χημικά Ø FeCl2 62 kg/yr 58 /kg Ø Ενεργός άνθρακας 2 tn/yr 400 /tn 800 Ø Κροκυδωτικά kg/yr 0,4 /kg Ø Πολυηλεκτρολύτες kg/yr 4 /kg Απρόβλεπτα Σύνολο Πίνακας 5.4 Κόστος προσωπικού συμπεριλαμβανομένου των ασφαλιστικών εισφορών ΕΙΔΟΣ ΔΑΠΑΝΗΣ ΤΡΟΠΟΣ ΕΚΤΙΜΗΣΗΣ ΔΑΠΑΝΗΣ Μηχανικός 110d/yr x 8 (50% απασχόληση) ανθρωποώρες hr/d = 880 Τεχνίτης (100% απασχόληση) 220d/yr x 8 hr/d = 1760 ανθρωποώρες ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΔΑΠΑΝΗΣ /ΕΤΟΣ 16,00 /hr ,00 /hr Λογιστήριο 400 /month Σύνολο Στον Πίνακα 5.5 περιγράφονται οι απαιτούμενες εργασίας συντήρησης, σε συνδυασμό με το εργατικό κόστος ανά κύκλο ωρών σε βάθος 10ετίας. Με βάση τον Πίνακα 5.9, υπολογίστηκε το κόστος συντήρησης της μονάδος ΣΗΘ ανά έτος σε βάθος 10ετίας, όπως παρουσιάζεται στον Πίνακα 5.6. Με την ολοκλήρωση της 10ετίας και της 20ετίας αντίστοιχα, απαιτείται αλλαγή μεγάλου μέρους του μηχανολογικού εξοπλισμού της μονάδος ΣΗΘ, που υπολογίζεται σε πλέον του κόστους συντήρησης του 1ο (ή 11ου ή 21ου έτους). 1 Η ισχύς της ιδιοκατανάλωσης ισούται περίπου 10% της εγκατεστημένης ισχύος (=10%x500kW=50kW). Η ΜΕΚ λειτουργεί 8000 ώρες ετησίως, το ελάχιστο. Τις υπόλοιπες ώρες ( ώρες) που βρίσκεται σε διακοπή οι ανάγκες της μονάδας (50kW) καλύπτονται από το δίκτυο. 82

84 Πίνακας 5.5 Κόστος συντήρησης μονάδας ΣΗΘ ανά ώρες λειτουργίας σε βάθος 10ετίας Ώρες λειτουργίας (hr) Συνολικό Κόστος () Κόστος ανταλλακτικών () Κόστος εργασίας () , , , , , , , , , , Πίνακας 5.6 Κόστος συντήρησης μονάδας ΣΗΘ σε κάθε έτος σε βάθος 10ετίας Αριθμός εργασιών (Ν/10 έτη) Κόστος () Έτος 1ο 2ο 3ο 4ο 5ο 6ο 7ο 8ο 9ο 10ο 5.5 Πάγιες χρεώσεις Οι πάγιες χρεώσεις της ΜΠΒ αποτελούν άμεση συνάρτηση της επένδυσης κεφαλαίου και περιλαμβάνουν έξοδα για τόκους, φόρους, ασφάλιση και για απόσβεση Τόκοι Ο τόκος είναι τα χρήματα που επιστρέφουν στους ιδιοκτήτες του κεφαλαίου, από τη χρήση του δικού τους κεφαλαίου. Αυτό μπορεί να σημαίνει ότι, οποιοδήποτε κέρδος λαμβάνεται από τη χρήση του κεφαλαίου μπορεί να θεωρηθεί ως τόκος. Ως επιτόκιο ορίζεται η πληρωμή αποζημίωσης για τη χρήση δανεισμένου κεφαλαίου. Ο ρυθμός με τον οποίο θα πληρωθεί ο τόκος καθορίζεται συνήθως, τη χρονική στιγμή που δανείζεται το κεφάλαιο και προσφέρεται μία εγγύηση για επιστροφή του κεφαλαίου σε κάποιο καθορισμένο χρόνο στο μέλλον, ή με ένα προκαθορισμένο πρόγραμμα πληρωμής. Η αποπληρωμή του δανεισμένου κεφαλαίου θα γίνει με μία σειρά ισοδύναμων πληρωμών, σε ίσα χρονικά διαστήματα. Οι πληρωμές θα γίνονται στο τέλος κάθε περιόδου πληρωμής και θα τοκίζεται μόνο το υπολειπόμενο ποσό, από την επένδυση στο τέλος κάθε περιόδου πληρωμής. Ο υπολογισμός των περιοδικών πληρωμών στηρίζεται στις ακόλουθες παραδοχές: n = 10 χρόνια, καθορισμένος χρόνος εξόφλησης κεφαλαίου ή περίοδοι πληρωμής i = 0,07 (7%), επιτόκιο Στην παρούσα οικονομοτεχνική ανάλυση, χρησιμοποιήθηκαν δύο εναλλακτικά σενάρια χρηματοδότησης της επένδυσης. Το πρώτο σενάριο (1 ο ) αναφέρεται σε χρηματοδότηση 40 % 83

85 μέσω αναπτυξιακού, σε 35 % δανειοδότηση και 25 % ιδία συμμετοχή, όπως παρουσιάζεται στον Πίνακα 5.7. Πίνακας 5.7 Σενάριο 1 ο χρηματοδότησης του πάγιου κεφαλαίου της επένδυσης ΚΕΦΑΛΑΙΑ % του συνόλου Σύνολο Αναπτυξιακός 40, Ιδία Συμμετοχή 25, ,00 Δανειοδότηση 35, ,00 ΣΥΝΟΛΟ ,00 Με βάση τους παραμέτρους του τοκοχρεωλυτικού δανεισμού, 10 χρόνια χρόνος εξόφλησης κεφαλαίου ή περίοδοι πληρωμής και 0,07 (7%), επιτόκιο δανεισμού, υπολογίζονται οι δόσεις του τραπεζικού δανεισμού (Πίνακας 5.8). Πίνακας 5.8 Δόσεις τοκοχρεωλυτικού δανεισμού Σεναρίου 1 ο ΕΤΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΟΣΗ ΤΟΚΟΙ ΠΛΗΡΩΜΗ ΥΠΟΛΟΙΠΟ 1ο (2017) 962, , , , , ο (2018) 866, , , , , ο (2019) 770, , , , , ο (2020) 673, , , , , ο (2021) 577, , , , , ο (2022) 481, , , , , ο (2023) 385, , , , , ο (2024) 288, , , , , ο (2025) 192, , , , , ο (2026) 96, , , , ΣΥΝΟΛΟ 962, , ,333, Το δεύτερο (2 ο ) σενάριο αναφέρεται σε δανειοδότηση 70% και 30 % ιδία συμμετοχή, όπως παρουσιάζεται στον Πίνακα 5.9. Πίνακας 5.9 Σενάριο 2 ο χρηματοδότησης του πάγιου κεφαλαίου της επένδυσης ΚΕΦΑΛΑΙΑ % του συνόλου Σύνολο Αναπτυξιακός 0,00 0 Ιδία Συμμετοχή 30, ,00 Δανειοδότηση 70, ,00 ΣΥΝΟΛΟ ,00 Με βάση τους ίδιους παραμέτρους του τοκοχρεωλυτικού δανεισμού, υπολογίζονται οι δόσεις του τραπεζικού δανεισμού για δέκα (10) έτη (Πίνακας 5.10). 84

86 Πίνακας 5.10 Δόσεις τοκοχρεωλυτικού δανεισμού Σεναρίου 2 ο ΕΤΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΟΣΗ ΤΟΚΟΙ ΠΛΗΡΩΜΗ ΥΠΟΛΟΙΠΟ 1ο (2017) 1,925, ,732, , , , ο (2018) 1,732, ,540, , , , ο (2019) 1,540, ,347, , , , ο (2020) 1,347, ,155, , , , ο (2021) 1,155, , , , , ο (2022) 962, , , , , ο (2023) 770, , , , , ο (2024) 577, , , , , ο (2025) 385, , , , , ο (2026) 192, , , , ΣΥΝΟΛΟ 2,666, ,925, , Φόροι Ο φόρος εισοδήματος βασίζεται στο ακαθάριστο κέρδος, το οποίο ορίζεται ως η διαφορά ανάμεσα στο ολικό κέρδος και το ολικό κόστος λειτουργίας της μονάδας. Ο φορολογικός συντελεστής που χρησιμοποιήθηκε στη παρούσα ανάλυση είναι 29% για το πρώτο σενάριο και 28% για το δεύτερο σενάριο Απόσβεση Η θεώρηση της απόσβεσης ως κόστος επιτρέπει την πραγματική εκτίμηση των εσόδων και προσφέρει μία βάση για τον καθορισμό του φόρου εισοδήματος. Ταυτόχρονα, η θεώρηση της απόσβεσης ως κόστος προσφέρει ένα μέσο με το οποίο τα κονδύλια αποταμιεύονται σε τακτά χρονικά διαστήματα, για να προσφέρουν ανάκτηση του επενδυμένου κεφαλαίου. Οι λόγοι της απόσβεσης είναι φυσικοί (φθορά, διάβρωση, καταστροφή, κ.λπ.) και λειτουργικοί (ατυχήματα, κ.λπ.). Το κόστος της απόσβεσης μπορεί να υπολογισθεί με πολλές διαφορετικές μεθόδους. Σημαντικότερες είναι η γραμμική μέθοδος, η μέθοδος φθίνοντος ισοζυγίου (σταθερού ποσοστού), η μέθοδος ψηφίων αθροίσματος των ετών, η μέθοδος χρεολυτικού κεφαλαίου (ανατοκισμός) και το σύστημα επιταχυνόμενης ανάκτησης κόστους. Στη παρούσα διερεύνηση, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος φθίνοντος ισοζυγίου (σταθερού ποσοστού), όπου το ποσοστό σταθερής μεθόδου αποσβέσεων θεωρήθηκε το 4%. 85

87 5.6 Υπολογισμός Εσόδων Οι βασικοί στόχοι της οικονομικής ανάλυσης είναι ο καθορισμός και η ανάλυση των κερδών, που επιτυγχάνονται από την επένδυση κεφαλαίου. Για τον προσδιορισμό των εσόδων, χρησιμοποιήθηκαν τα έσοδα από την πώληση παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Τα έσοδα από την εκμετάλλευση περίσσειας θερμικής ενέργειας δεν έχουν ληφθεί υπόψη στη παρούσα τεχνοοικονομική αξιολόγηση. Η τιμή πώλησης της KWh λήφθηκε σύμφωνα με ΦΕΚ 85/ και διαμορφώνεται: 0,209/kWh, στην περίπτωση που ληφθεί επιδότηση για την υλοποίηση του έργου, 0,230/kWh, στην περίπτωση που δε ληφθεί επιδότηση για την υλοποίηση του έργου. Επιπρόσθετα, ένα ποσοστό 10% της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιείται για ιδιοκαταναλώσεις. Η παραγόμενη ενέργεια ισούται με την Εγκατεστημένη Ισχύς μείον την Ιδιοκατανάλωση επί τις ώρες λειτουργίας της ΣΗΘ ετησίως = (500 kw-10%x500 kw) x 8400 ώρες= kwh. Για το πρώτο έτος, λαμβάνεται υπόψη η χαμηλή απόδοση της αναερόβιας χώνευσης (περίπου στο 50%), ενώ τα υπόλοιπα έτη η παραγωγή θεωρείται σταθερή. 5.7 Χρηματοροές Η ροή μετρητών για τις επενδύσεις κεφαλαίων μπορεί συνήθως να θεωρηθεί ως ένα ποσό που καταβάλλεται εφάπαξ μία δεδομένη στιγμή ή η πρόβλεψη για το κεφάλαιο κίνησης. Το πάγιο κεφάλαιο για τον εξοπλισμό θεωρείται στιγμιαίο για κάθε τμήμα του εξοπλισμού, παρόλο που οι πληρωμές μπορούν να είναι κατανεμημένες σε όλη τη διάρκεια της περιόδου κατασκευής. Επειδή τα έσοδα και το απαιτούμενο κόστος λειτουργίας μπορεί να εμφανίζονται σε ασταθή χρονική βάση, θα πρέπει να διατηρείται ένα σταθερό απόθεμα κεφαλαίου κίνησης (Peters and Timmerhaus.1991). Στον Πίνακα 5.11, παρουσιάζονται οι χρηματοροές του Σεναρίου 1 ου με αρχική τιμή πώλησης της ηλεκτρικής ενέργειας 0.209/kWh και στον Πίνακα 5.12, παρουσιάζονται οι χρηματοροές του Σεναρίου 2 ου με αρχική τιμή πώλησης της ηλεκτρικής ενέργειας 0.23 /kwh. 86

88 Πίνακας 5.11 Χρηματοροές Σεναρίου 1 ο ΕΤΟΣ 1ο (2017) 2ο (2018) 3ο (2019) 4ο (2020) 5ο (2021) 6ο (2022) 7ο (2023) 8ο (2024) 9ο (2025) 10ο (2026) 11ο (2027) 12ο (2028) ΠΑΡΑΓΩ ΓΗ (KWh) ΠΩΛΗΣΕ ΙΣ 395, , , , , , , , , , , , ΕΞΟΔΑ 318, , , , , , , , , , , , ΧΡΕΩΛ ΥΣΙΟ 96, ΑΠΟΣΒΕ ΣΕΙΣ ΣΤΑΘ. ΜΕΘΟΔ ΟΣ 110, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ΛΟΓΙΣΤΙ ΚΑ ΚΕΡΔΗ ΠΡΟ ΦΟΡΩΝ - 101, , , , , , , , , , , , ΦΟΡΟΣ ΕΙΣΟΔΗΜ ΑΤΟΣ ΤΟΚΟΙ , ΚΑΘΑΡ Α ΚΕΡΔΗ 8, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ΤΑΜΕΙΑ ΚΕΣ ΡΟΕΣ -87, , , , , , , , , , , , ΑΘΡΟΙΣΤ ΙΚΕΣ ΡΟΕΣ -599, , , , , , , , ,223, ,489, ,678, ,029,

89 13ο (2029) 14ο (2030) 15ο (2031) 16ο (2032) 17ο (2033) 18ο (2034) 19ο (2035) 20ο (2036) 21ο (2037) 22ο (2038) 23ο (2039) 24ο (2040) 25ο (2041) , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,389, ,696, ,056, ,409, ,768, ,062, ,413, ,777, ,957, ,303, ,658, ,960, ,315, Πίνακας 5.2 Χρηματοροές Σεναρίου 2 ο ΕΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩ ΓΗ ΠΩΛΗΣΕ ΙΣ ΕΞΟΔΑ ΧΡΕΩΛΥ ΣΙΟ ΑΠΟΣΒΕ ΣΕΙΣ ΛΟΓΙΣΤΙ ΚΑ ΦΟΡΟΣ ΕΙΣΟΔΗΜ ΤΟΚΟΙ ΚΑΘΑΡ Α ΤΑΜΕΙΑ ΚΕΣ ΑΘΡΟΙΣΤ ΙΚΕΣ 88

90 1ο (2017) (KWh) , , , ΣΤΑΘ. ΜΕΘΟΔ ΟΣ 110, ΚΕΡΔΗ ΠΡΟ ΦΟΡΩΝ - 128, ΑΤΟΣ ΚΕΡΔΗ ΡΟΕΣ ΡΟΕΣ , , , , ο (2018) 3ο (2019) 4ο (2020) 5ο (2021) 6ο (2022) 7ο (2023) 8ο (2024) 9ο (2025) 10ο (2026) 11ο (2027) 12ο (2028) 13ο (2029) , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,155, ,562, ,978,

91 14ο (2030) 15ο (2031) 16ο (2032) 17ο (2033) 18ο (2034) 19ο (2035) 20ο (2036) 21ο (2037) 22ο (2038) 23ο (2039) 24ο (2040) 25ο (2041) , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,342, ,758, ,167, ,583, ,933, ,341, ,760, ,998, ,400, ,811, ,169, ,581,

92 Κεφάλαιο 6 ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ ΕΠΕΝΔΥΣΗΣ 6.1 Ανάλυση Αποδοτικότητας Ο βασικός σκοπός της ανάλυσης αποδοτικότητας ενός έργου είναι να εξεταστεί η οικονομική βιωσιμότητά του. Τα κριτήρια για την ανάλυση αποδοτικότητας της παρούσας επένδυσης είναι τα ακόλουθα: Ρυθμός απόδοσης της επένδυσης (ROI): εκφράζεται σε ετήσια ποσοστιαία βάση και είναι ο λόγος του ετήσιου κέρδους προς την ολική αρχική επένδυση. Παρούσα Αξία (PV) και Καθαρή Παρούσα Αξία (NPV): Η Παρούσα Αξία, V, «μελλοντικών» χρημάτων, αντιπροσωπεύει το κεφάλαιο που πρέπει να κατατεθεί στον παρόντα χρόνο (σήμερα), με ένα ορισμένο επιτόκιο, i, ώστε να αποδώσει το επιθυμητό ποσό (Ροή μετρητών, Μ) σε t χρόνια στο μέλλον. Η Καθαρή Παρούσα Αξία, NPV, του έργου είναι η διαφορά ανάμεσα στην παρούσα αξία των ετήσιων ροών μετρητών και την απαιτούμενη αρχική επένδυση. Το κριτήριο αυτό θεωρείται ως το πιο ενδεδειγμένο μέτρο για την αποδοτικότητα μιας επένδυσης. Οι παραδοχές που γίνονται προκειμένου να εκτιμηθεί η καθαρή παρούσα αξία είναι οι ακόλουθες: o Το μεσοσταθμισμένο κόστος κεφαλαίου (WACC), i=0,10 (10%) o Ο συντελεστής ρίσκου της εγκατάστασης θεωρείται h = 0,0 (δοκιμασμένη τεχνολογία) o Η ελάχιστη αποδεκτή τιμή της απόδοσης κεφαλαίου θεωρείται ότι είναι im = i + h = 0,1 Η παρούσα αξία, V, υπολογίζεται από τη σχέση: V=M/(1+im) t και η καθαρή παρούσα αξία NPV από τη σχέση, Eσωτερικός βαθμός απόδοσης (IRR): αποτελεί το προεξοφλητικό επιτόκιο, που εξισώνει την παρούσα αξία των πρόσθετων ετήσιων ταμειακών ροών µετά από φόρους, µε το αρχικό του κόστος, δηλαδή το επιτόκιο που µηδενίζει την καθαρή παρούσα αξία του προγράµµατος και προκύπτει από τη σχέση: 91

93 Όπου CFt: η πρόσθετη ετήσια ταµειακή ροή (θετική ή αρνητική) µετά από φόρους του έτους t =0,1,2,..., n Στον Πίνακα 6.1, παρουσιάζονται οι προεξοφλημένες χρηματικές ροές, καθώς και ο ετήσιος ρυθμός απόδοσης της επένδυσης, σε σχέση με τις ταμειακές ροές και τα καθαρά κέρδη του 1 ου Σεναρίου. Σύμφωνα με τον Πίνακα 6.1, υπολογίστηκαν το ROI, NPV και IRR του σεναρίου1 ο για 15, 20 και 25 έτη και παρουσιάζεται στον Πίνακα 6.2. Πίνακα 6.1 Προεξοφλημένες χρηματικές ροές και ετήσιος ρυθμός απόδοσης-σενάριο 1 ο Έτος ΤΑΜΕΙΑΚΕΣ Ετήσιος Ρυθμός Προεξοφλημένες ΡΟΕΣ απόδοσης της χρηματικές ροές επένδυσης (ROI) 0 (2016) -687, % -687, ο (2017) -87, % -79, ο (2018) 245, % 202, ο (2019) 229, % 172, ο (2020) 183, % 125, ο (2021) 239, % 148, ο (2022) 237, % 133, ο (2023) 248, % 127, ο (2024) 188, % 88, ο (2025) 250, % 106, ο (2026) 266, % 102, ο (2027) 188, % 66, ο (2028) 350, % 111, ο (2029) 359, % 104, ο (2030) 307, % 81, ο (2031) 359, % 86, ο (2032) 352, % 76, ο (2033) 359, % 71, ο (2034) 293, % 52, ο (2035) 351, % 57, ο (2036) 363, % 53, ο (2037) 180, % 24, ο (2038) 345, % 42, ο (2039) 354, % 39, ο (2040) 302, % 30, ο (2041) 354, % 32, Πίνακας 6.2 ROI, NPV και IRR του 1 ου σεναρίου για 15, 20 και 25 έτη ΔΕΙΚΤΕΣ ROI 15 Ετών % ROI 20 Ετών % 92

94 ROI 25 Ετών % NPV 15 Ετών NPV 20 Ετών NPV 25 Ετών 804, ,202, ,372, IRR 15 Ετών 23.95% IRR 20 Ετών 24.94% IRR 25 Ετών 25.18% Στον Πίνακα 6.3, παρουσιάζονται οι προεξοφλημένες χρηματικές ροές, καθώς και ο ετήσιος ρυθμός απόδοσης της επένδυσης σε σχέση με της ταμειακές ροές και τα καθαρά κέρδη του 2 ου Σεναρίου. Σύμφωνα με τον Πίνακα 6.3, υπολογίστηκαν το ROI, NPV και IRR του σεναρίου1 ο για 15, 20 και 25 έτη και παρουσιάζεται στον Πίνακα 6.4. Πίνακα 6.3 Προεξοφλημένες χρηματικές ροές και ετήσιος ρυθμός απόδοσης-σενάριο 2 ο Έτος ΤΑΜΕΙΑΚΕΣ Ετήσιος Ρυθμός Προεξοφλημένες ΡΟΕΣ απόδοσης της χρηματικές ροές επένδυσης (ROI) 0 (2016) -825, % -825, ο (2017) -211, % -192, ο (2018) 170, % 140, ο (2019) 151, % 113, ο (2020) 110, % 75, ο (2021) 170, % 105, ο (2022) 173, % 97, ο (2023) 189, % 97, ο (2024) 134, % 62, ο (2025) 200, % 85, ο (2026) 221, % 85, ο (2027) 245, % 85, ο (2028) 406, % 129, ο (2029) 415, % 120, ο (2030) 364, % 95, ο (2031) 415, % 99, ο (2032) 409, % 89, ο (2033) 415, % 82, ο (2034) 350, % 62, ο (2035) 407, % 66, ο (2036) 419, % 62, ο (2037) 237, % 32, ο (2038) 402, % 49, ο (2039) 411, % 45,

95 24ο (2040) 358, % 36, ο (2041) 411, % 37, Πίνακας 6.4 ROI, NPV και IRR του 2 ου σεναρίου για 15, 20 και 25 έτη ΔΕΙΚΤΕΣ ROI 15 Ετών 84.93% ROI 20 Ετών % ROI 25 Ετών % NPV 15 Ετών 279, NPV 20 Ετών 742, NPV 25 Ετών 944, IRR 15 Ετών 14.52% IRR 20 Ετών 16.66% IRR 25 Ετών 17.31% 94

96 Κεφάλαιο 7 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ 7.1 Συμπεράσματα Η παρούσα τεχνοοικονομική διερεύνηση πραγματοποιήθηκε για ΜΒ με δυνατότητα επεξεργασίας 140 m 3 κτηνοτροφικών αποβλήτων ημερησίως. Η ΜΒ συνίσταται από δύο δεξαμενές συγκέντρωσης (υγρών και στερεών), μία δεξαμενή ομογενοποίησης, τρείς αναερόβιους αντιδραστήρες χωρητικότητας m 3 έκαστος, μία ηλεκτρογεννήτρια ισχύος 499 KW, μία δεξαμενή αποθήκευσης πριν την αερόβια επεξεργασία, ένα σύστημα διαχωρισμού στερεών, μία δεξαμενή αερισμού καθίζησης, τη δεξαμενή αποθήκευσης της παραγόμενης λάσπης και όλο το βοηθητικό εξοπλισμό. Η επένδυση πάγιου κεφαλαίου έχει εκτιμηθεί στα Τα έσοδα από την πώληση της ηλεκτρικής ενέργειας θα ανέρχονται συνολικά στα /έτος πλήν του πρώτου έτους, που αναμένονται /έτος. Βάσει των αποτελεσμάτων της οικονομικής ανάλυσης για την εγκατάσταση ΜΕΥΑ και ΜΒ, σύμφωνα με τα δεδομένα που αναφέρονται παραπάνω, αποδεικνύεται ότι η επένδυση είναι βιώσιμη και αποδοτική Ρυθμός απόδοσης της επένδυσης (ROI) Ο ρυθμός απόδοσης των επενδύσεων (ROI) μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένα υποτυπώδες εύρος, για την αποδοτικότητα της επένδυσης. Αν η επένδυση δεν έχει μια θετική τιμη ROI, ή αν ένας επενδυτής έχει άλλες δυνατότητες, που υπάρχουν εναλλακτικές με ένα υψηλότερο ROI, τότε αυτές οι τιμές ROI μπορεί να σε υποδείξουν ποιες επενδύσεις είναι προτιμότερες από άλλες. Το ROI μετρά την ποσότητα της απόδοσης της επένδυσης, σε σχέση με το κόστος της επένδυσης. Στα διαγράμματα 6.1, παρουσιάζεται το ROI του 1ου σεναρίου συγκριτικά με του 2ου για 15, 20 και 25 έτη. Σύμφωνα με το Σχήμα 18 και το σενάριο 1 ο και το σενάριο 2 ο έχουν θετική τιμή ροή. Το ROI στο σενάριο 1 ο είναι μεγαλύτερο από το σενάριο 2 ο, λόγω του μικρότερου ποσού δανεισμού του αρχικού κεφαλαίου, παρόλα αυτά στο σενάριο 2 ο μετά το 21 ο έτος έχει υψηλότερη τιμή, που οφείλεται στη μεγαλύτερη τιμή πώλησης της ηλεκτρικής ενέργειας. Το ίδιο συμπέρασμα παρουσιάζεται και στο Σχήμα 19, που αφορά τις αθροιστικές χρηματοροές για το σενάριο 1 ο και σενάριο 2 ο, όπου μετά το 21 ο έτος παρατηρούμε ότι το σενάριο 2 ο έχει μεγαλύτερες αθροιστικές χρηματοροές. 95

97 Σχήμα 18 ROI του 1ου σεναρίου συγκριτικά με του 2ου για 15, 20 και 25 έτη Σχήμα 19 Αθροιστικές χρηματοροές του 1ου σεναρίου συγκριτικά με του 2ου για 25 έτη Καθαρή Παρούσα Αξία (NPV) Το NPV επιστρέφει την καθαρή αξία των ταμειακών ροών σε σημερινές τιμές ευρώ. Λόγω της αξίας των χρημάτων με την πάροδο του χρόνου, κάθε ευρώ που κερδίζετε σήμερα έχει μεγαλύτερη αξία από κάθε ευρώ που θα κερδίσετε αύριο. Αν το NPV είναι θετικό, αυτό σημαίνει ότι η αξία των εσόδων (ταμειακές εισροές) είναι μεγαλύτερη από το κόστος (ταμειακές εκροές), δηλαδή υπάρχει ένα κέρδος. Το αντίθετο συμβαίνει όταν το NPV είναι αρνητικό. Όταν το NPV είναι 0, δεν υπάρχει κανένα κέρδος ή ζημία. Εάν τα κονδύλια είναι περιορισμένα και δεν μπορεί να ξεκινήσει όλα τα θετικά σχέδια NPV, εκείνα με την υψηλή προ 96

98 εξοφλημένη αξία πρέπει να γίνουν αποδεκτά. Στο Σχήμα 20, παρουσιάζεται το NPV του 1ου σεναρίου συγκριτικά με του 2ου για 0-15, και έτη, και στο Σχήμα 21 παρουσιάζονται οι προ εξοφλημένες χρηματικές ροές του 1ου σεναρίου συγκριτικά με του 2ου για 25 έτη. Και στις δύο περιπτώσεις, το NPV είναι θετικό μετά το τρίτο έτος και η επένδυση κρίνεται συμφέρουσα για τον επενδυτή. Σχήμα 20 NPV του 1ου σεναρίου συγκριτικά με του 2ου για 0-15, και έτη Σχήμα 21 Προ εξοφλημένες χρηματικές ροές του 1ου σεναρίου συγκριτικά με του 2ου για 25 έτη Eσωτερικός βαθμός απόδοσης (IRR) Το NPV εξαρτάται από τη γνώση του προεξοφλητικού επιτοκίου, πότε θα συμβεί κάθε ταμειακή ροή, και το μέγεθος του σε κάθε ροή. Οι ταμειακές ροές μπορεί να μην 97

99 διασφαλίζονται σε μέγεθος ή όταν εμφανίζονται, και το προεξοφλητικό επιτόκιο που μπορεί να είναι δύσκολο να προσδιοριστεί. Το IRR, ή εσωτερικός συντελεστής απόδοσης, ορίζεται ως το προεξοφλητικό επιτόκιο που κάνει NPV = 0. To IRR αντί να βασίζεται σε εξωτερικά στοιχεία (δηλαδή ένα προεξοφλητικό επιτόκιο), είναι καθαρά συνάρτηση των εισροών και των εκροών του εν λόγω σχεδίου. Ο κανόνας IRR ορίζει ότι τα έργα ή οι επενδύσεις να γίνονται δεκτές όταν IRR του έργου υπερβαίνει ένα ποσοστό εμπόδιο. Το ποσοστό εμπόδιο μπορεί να οριστεί ως το Μεσοσταθμισμένο κόστος κεφαλαίου (WACC), όπως ορίστηκε στην παρούσα διερεύνηση. Το IRR θα πρέπει πάντα να χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με NPV για μια σαφέστερη εικόνα της επένδυσης. Το NPV καθορίζει εάν ένα έργο κερδίζει περισσότερο ή λιγότερο από την επιθυμητή απόδοση και εάν είναι κατάλληλο για την αξιολόγηση της εν δυνάμει κερδοφορίας του έργου. Το IRR πηγαίνει ένα βήμα μακρύτερα από το NPV και καθορίζει μια συγκεκριμένη απόδοση για ένα έργο. Στα σχήμα 22 παρουσιάζεται το IRR του 1ου σεναρίου συγκριτικά με του 2ου για 15, 20 και 25 έτη. Σχήμα 22 IRR του 1ου σεναρίου συγκριτικά με του 2ου για 15, 20 και 25 έτη 7.2 Περιορισμοί Η εκτίμηση του κέρδους βασίστηκε σε πρόβλεψη των μελλοντικών αποτελεσμάτων και της οικονομικής ανάλυσης και έγιναν διάφορες παραδοχές. Πολλοί μη απτοί παράγοντες, όπως οι μελλοντικές μεταβολές στις τιμές ή τη ζήτηση, η πιθανότητα αποτυχίας κατά τη λειτουργία ή η 98