Β10. ΒΙΟΜΑΖΑ (Βιοενέργεια)

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΔΠΜΣ «ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ» Β10. ΒΙΟΜΑΖΑ (Βιοενέργεια) Δρ. Κωνσταντίνα Παπαδοπούλου ΕΔΙΠ καθ. Απόστολος Βλυσίδης καθ. Γεράσιμος Λυμπεράτος Σχολή Χημικών Μηχανικών, Εργαστήριο Οργανικής Χημικής Τεχνολογίας 19 Απριλίου 2019

2 Δομή 4 ης συνάντησης 1 Χαρακτηριστικά και οφέλη παραγωγής βιοκαυσίμων Βιομεθάνιο Βιουδρογόνο Υθάνιο 2 Παραγωγή ηλεκτρισμού 3 Αστικά Στερεά απόβλητα Ζυμώσιμα απόβλητα 4 Επίσκεψη στο Εργαστήριο Οργανικής Χημικής Τεχνολογίας (βιοαντιδραστήρες αναερόβιας χώνευσης, βιοαντιδραστήρες σκοτεινής ζύμωσης, κομποστοποίηση, Μικροβιακές κυψελίδες καυσίμου)

3 Γραμμική VS Κυκλική Οικονομία Χ Η γραµµική οικονομία, βασίζεται αποκλειστικά στην εξόρυξη πόρων, δεν αποτελεί όμως πλέον βιώσιμη επιλογή. ν

4 Το Μοντέλο της Κυκλικής Οικονομίας Η Κυκλική Οικονομία αποτελεί μια σε βάθος μεταμόρφωση των αλυσίδων παραγωγής και των μοντέλων κατανάλωσης, που έχει σαν στόχο την διατήρηση της κυκλοφορίας των υλικών στην οικονομία για μεγαλύτερο διάστημα, μέσω του επανασχεδιασμού των βιομηχανικών συστημάτων και ενθαρρύνοντας τη χρήση των πλεοναζόντων υλικών και αποβλήτων.

5 Οικονομικά οφέλη Κοινωνικά οφέλη Περιβαλλοντικά οφέλη Παραγωγή ηλεκτρισμού, θερμότητας και χρήση ως αέριο κίνησης Μειωμένη εξάρτηση από ορυκτά καύσιμα Μειωμένες εκπομπές μεθανίου (φαινόμενο του θερμοκηπίου) Χωνευμένο υπόλλειμα εδαφοβελτιωτικό Επιπλέον εισόδημα από τη παραγωγή βιοαερίου Νέες θέσεις εργασίας Συνεργασία μεταξύ παραγωγών και αρχών Μειωμένες εκπομπές CO 2 (φαινόμενο του θερμοκηπίου) Συμβάλλει σημαντικά σε ΑΠΕ Μειωμένη ανάγκη για χρήση ανόργανων λιπασμάτων Ανάκτηση P και K Κυκλική διαχείριση αποβλήτων

6 Βασικά χαρακτηριστικά παραγωγής βιοαερίου Χρησιμοποιείται ποικιλία υποστρωμάτων (η φύση των πρώτων υλών επηρεάζει την ανάπτυξη των μικροοργανισμών και την απόδοση του βιοαερίου) Οι μικροοργανισμοί αποικοδομούν διάφορα υποστρώματα Χρησιμοποιούνται αναερόβιες διεργασίες Απουσία φωτός Η σύνθεση και η απόδοση του βιοαερίου εξαρτάται από τη φύση της παροχής Σημαντικό ρόλο στις αναερόβιες διεργασίες παίζουν οι υδατάνθρακες, οι πρωτείνες και τα λίπη. Η κινητική ποικίλλει σημαντικά Προεπεξεργασία της πρώτης ύλης μπορεί να συμβάλλει είτε θετικά, είτε αρνητικά: αυξάνει την απόδοση, καθιστά δυνατή την χώνευση λιγνιτοκυτταριχούχων πρώτων υλών, ενδέχεται να οδηγήσει στη δημιουργία παρεμποδιστών

7 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ - ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ 1. Επεξεργασία μεγάλης γκάμας αποβλήτων 2. Επεξεργασία αποβλήτων με υψηλό οργανικό φορτίο και αιωρούμενα στερεά 3. Παραγωγή ηλεκτρισμού, θερμότητας και χρήση ως αέριο κίνησης ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ 1. Απαιτείται υψηλό κόστος αρχικής επένδυσης 2. Διακύμανση πρώτων υλών-διακύμανση αποδόσεων 3. Διακύμανση στο HRT, TS και VS

8 ΑΕΡΙΑ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ ΒΙΟΜΕΘΑΝΙΟ ΒΙΟΥΔΡΟΓΟΝΟ ΥΘΑΝΙΟ

9 ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ Η διεργασία κατά την οποία οργανική ύλη μετατρέπεται σε CH 4 και CO 2 (βιοαέριο) με τη συνδυασμένη δράση μεικτού πληθυσμού μικροοργανισμών απουσία οξυγόνου. H διεργασία αυτή απαντάται στο πεπτικό σύστημα των μηρυκαστικών ζώων αλλά και γενικότερα στην φύση, όπου επικρατούν αναερόβιες συνθήκες (π.χ. στο έδαφος). ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ: Οργανική ύλη + νερό CH 4 + CO 2 + NH 3 + H 2 S + νέα κύτταρα + θερμότητα Βιοαέριο: CH 4 : 30-70%, CO 2 : 30-70%

10 Πλεονεκτήματα η διεργασία παράγει μεθάνιο και εδαφοβελτιωτικό έχει μικρές απαιτήσεις σε υποστρώματα παράγει μικρές ποσότητες μικροβιακής μάζας.

11 Το μεθάνιο μπορεί να: καεί σε συμβατικό καυστήρα για θέρμανση χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για κίνηση οχημάτων εισαχθεί στο δίκτυο φυσικού αερίου (μετά από αναβάθμιση)

12 Σταθεροποίηση λυματολάσπης Επεξεργασία αγροβιομηχανικών αποβλήτων Εφαρμογές Αναερόβιας χώνευσης Ενεργειακή αξιοποίηση οργανικών υπολειμμάτων Επεξεργασία ζυμώσιμου κλάσματος αστικών απορριμμάτων

13 Βιοαέριο: μείγμα CO 2 και CH 4 Ένωση % μεθάνιο, CH Διοξείδιο του άνθρακα, CO 2 ατμός, H 2 O 1-2 Μονοξείδιο του άνθρακα, CO 0-0,3 Υδρόθειο, H 2 S 0,1-0,5 Φυσικές ιδιότητες μεθανίου Πυκνότητα 0,66 kg/m 3 Μοριακό βάρος 16,04 g/mole Σημείο ζέσεως -164 C Σημείο τήξεως -182 C

14 CH 4 : φυσικά απαντώμενο και απελευθερούμενο qq7oeoq1awuhohacg&ved=0ckqbeike&biw=1680&bih=910&dpr=1

15 CH 4 : ισχυρό αέριο του θερμοκηπίου &ved=0ckqbeike&biw=1680&bih=910&dpr=1 Zumdahl and Zumdahl, Chesmitry, 12th edition

16 Ανθρώπινη δράση! 1776: ο Volta περιέγραψε την έκλυση μεθανίου από τα θαλάσσια ιζήματα Έναν αιώνα μετά: ο Bechamp απέδειξε ότι προέρχεται από μικροβιακή δραστηριότητα Τέλος 19 ου αρχή 20 ου αιώνα: μικροβιακές μελέτες της μεθανογένεσης (π.χ. Popoff, Hoppe-Seyler, Omelianskii etc)

17 Ιστορικά η ύπαρξη του μεθανίου ήταν γνωστή από την αρχαιότητα, ωστόσο η παρατήρηση του Alessandro Volta (1776) ότι σε ιζήματα από βαλτώδεις περιοχές παράγεται ένα εύφλεκτο αέριο, οδήγησε την επιστημονική κοινότητα στην μελέτη της βιολογικής παραγωγής του μεθανίου.

18 Μεθάνιο από δραστηριότητα του ανθρώπου EIke&biw=1680&bih=910&dpr=1

19 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ ΑΣΤΙΚΑ ΛΥΜΑΤΑ ΧΥΤΑ ΓΕΩΡΓΙΑ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΑ, ΟΙΚΙΑΚΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ-ΠΑΡΑΠΡΟΪΟΝΤΑ ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΠΡΩΤΕΣ ΥΛΕΣ Αγροκτηνοτροφικά υπολείμματα Αστικά λύματα Ενεργειακές καλλιέργειες Απόβλητα από βιομηχανίες τροφίμων Πράσινα απόβλητα Ζυμώσιμα τροφικά απορρίμματα

20 Παρούσα κατάσταση/ Στόχοι ΕΕ Η βιομάζα αντιστοιχεί στα 2/3 της ανανεώσιμης ενέργειας στην Ευρώπη 8,5 % της ενεργειακής κατανάλωσης προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές 20% της ενεργειακής κατανάλωσης πρέπει να προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές το 2020 (renewable energy directive) 27% το 2030 (revised renewable energy directive)

21 Πρωτογενής παραγωγή βιοαερίου στην ΕΕ το EU 27, Annual Biofuels Report 9 4 2,5 0, No of biogas plants Germany United Kingdom Italy Spain France Netherlands Austria Denmark Belgium Czech Rep. Poland Greece Finland Ireland Sweden Hungary Portugal

22 Βιοαέριο στην Ευρώπη Biogas for Heat and Electricity in the EU (ktoe), EU 27, Annual Biofuels Report Field Crops/Manure/municipal waste Landfill Sewage sludge

23 Δυναμικό βιοαερίου διαφόρων τύπων βιομάζας Βιομάζα Δυναμικό (m 3 /ton) TS % Κοπριά χοίρων /βοοειδών Απόβλητα σφαγείου Συμπυκνωμένη κοπριά Ενεργειακές καλλιέργειες (μέσος όρος) Υπολείμματα καλαμποκιού Άχυρα Καθαρό λίπος Χαμηλά ή καθόλου κέρδη

24 Μέτρηση μεθανογόνου δυναμικού (BMP) 160 ml φιάλη Κάλυμμα αλουμινίου Ελαστικό κάλυμμα (Teflon faced rubber septum) Αέριος χώρος Μέτρηση βιοαερίου Μέτρηση μεθανίου Εμβόλιο: αναερόβια ιλύς BMP τεστ: Σε φιάλη 160mL στους 35 o C+ 20 % (v/v) εμβόλιο +2 g TS βιομάζα /L +ιχνοστοιχεία+ θρεπτικά Εμβόλιο (20%v/v) ml CH and time (d) SSB

25 Διεργασία αναερόβιας χώνευσης Πολυμερή: υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, λιπίδια Υδρόλυση Μονομερή: σάκχαρα, αμινοξέα, λιπαρά οξέα Υδρογόνο Διοξείδιο του άνθρακα Ομοοξικογόνος οξικογένεση Οξικό οξύ Οξεογένεση Οξικό οξύ Μεθανογένεση Προπιονικό οξύ Βουτυρικό οξύ Αλκοόλες Οξικογένεση Υδρογόνο Διοξείδιο του άνθρακα Οξικό οξύ Μεθάνιο

26 Περίπου το 72% του CH 4 που παράγεται κατά την αναερόβια χώνευση ιλύος προέρχεται από τη διάσπαση του οξικού οξέος: CH 3 COOH CH 4 + CO 2 Το υπόλοιπο 28% προκύπτει από την αναγωγή του CO 2 (13% από το προπιονικό οξύ και 15% από άλλα ενδιάμεσα προϊόντα) χρησιμοποιώντας H 2 ως πηγή ενέργειας: CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O

27 1 ο βήμα: Υδρόλυση Βιοαποδόμηση των οργανικών βιοπολυμερών από εξωένζυμα π.χ. κυταρινάσες, ξυλανάσες, αμυλάσες, πρωτεάσες, λιπάσες Φυσικοχημική διαλυτοποίηση αδιάλυτης σωματιδιακής ύλης

28 Προεπεξεργασία της βιομάζας Βελτίωση της διαλυτοποίησης και υδρόλυσης Συνήθεις εναλλακτικές διεργασίες Υδροθερμική Φυσικές (υπέρηχοι, ομογενοποιητές) Χημικές (οξύ, βάση) Ενζυμικές ΠΡΟΣΟΧΗ: πιθανός σχηματισμός παρεμποδιστών! Οι μεθανογόνοι είναι πιο ευαίσθητοι από π.χ. μύκητες Διεργασίες κατάλληλες για βιοαιθανόλη μπορεί να είναι ακατάλληλες για αναερόβια χώνευση

29 2 ο βήμα: οξεογένεση Ζύμωση κυρίως σακχάρων και αμινοξέων σε μίγμα βραχέος μήκους οργανικών οξέων και αλκοολών από ετερογενή μικροβιακό πληθυσμό Οξεογόνοι μικροοργανισμοί Προαιρετικά ή υποχρεωτικά αναερόβιοι Ευρύ φάσμα ph Ταχεία ανάπτυξη

30 Η οξεογένεση είναι βήμα ζύμωσης Ελλείψει εξωτερικών αποδεκτών ηλεκτρονίων οι ενώσεις μετατρέπονται σε προϊόντα ζύμωσης που εκβάλλονται από τα κύτταρα για λόγους διατήρησης του οξειδοαναγωγικού δυναμικού Κατά την οξεογένεση παράγεται H 2 Σε πολλές ζυμώσεις η οξειδοαναγωγική ισορροπία επιτυγχάνεται παράγοντας μοριακό υδρογόνο (H2)

31 3 ο βήμα: οξικογένεση Οξικογόνες υδρογονώσεις (ομοοξικογένεση) 2CO 2 +4H 2 CH 3 COOH + 2H 2 O Οξικογόνες αφυδρογονώσεις CH 3 CH 2 OH + H 2 O CH 3 COOH + 2H 2 CH 3 CH 2 COOH + 2H 2 O CH 3 COOH + 3H 2 + CO 2 CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2H 2 O 2CH 3 COOH + 2H 2

32 Οξικογόνοι μικροοργανισμοί Η ζωτική σύνδεση μεταξύ οξεογένεσης και μεθανογένεσης που παράγει οξικό οξύ και υδρογόνο στο τελευταίο στάδιο Υποχρεωτικά αναερόβιοι Παρεμποδίζονται ακόμα και για χαμηλές μερικές πιέσεις υδρογόνου Αναπτύσσονται μόνο σε συντροφική σχέση με υδρογονοκαταναλωτές μέσω διαειδικής μεταφοράς υδρογόνου αναπτύσσονται αργά

33 4 ο βήμα: μεθανογένεση Μεθανογένεση από οξικό οξύ CH 3 COOH CH 4 + CO 2 Μεθανογένεση από υδρογόνο αναερόβια αναπνοή με το CO 2 ως δέκτη ηλεκτρονίων CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O

34 Μεθανογόνοι μικροοργανισμοί Υποχρεωτικά αναερόβιοι Ευαίσθητοι στην θερμοκρασία, οργανική φόρτιση και ph Παρεμποδίζονται από αρκετές ενώσεις (NH 3, αρωματικές ενώσεις, VFA, LCFA, βαρέα μέταλλα κλπ.) Αναπτύσσονται αργά (κυρίως οι ακετοκλαστικοί)

35 Aναερόβια χώνευση ενός σύνθετου οργανικού υποστρώματος (C n H a O b N c ) Eξίσωση Buswell: C H O N a b 3c n H n a b c 2 n a b 3c n a b 3c CH CO cnh O 4 2 3

36 Η αναερόβια χώνευση πραγματοποιείται σε μια ποικιλία εγκαταστάσεων που περιλαμβάνει συμβατικούς χωνευτήρες (χωρίς ανάδευση και συνήθως χωρίς θέρμανση), χωνευτήρες χαμηλής ταχύτητας μιας βαθμίδας (όπου πραγματοποιείται ανάδευση και θέρμανση), χωνευτήρες υψηλής ταχύτητας δυο βαθμίδων, χωνευτήρες με ανακυκλοφορία ιλύος για αύξηση της συγκέντρωσης των μικροοργανισμών, χωνευτήρες ανοδικής ροής με αιωρούμενη ή προσκολλημένη βιομάζα και τα βιολογικά αναερόβια φίλτρα.

37 Χωνευτήρας πολυεστέρα στο Βιετνάμ

38 Αναερόβιοι χωνευτήρες ιλύος

39 Αεριοφυλάκια

40 Ηλεκτρογεννήτριες για την Αξιοποίηση του Βιοαερίου

41 Αναερόβιοι Χωνευτήρες Χαμηλής Ροής ή Συμβατικά Συστήματα (Conventional system) Χρησιμοποιούνται για επεξεργασία μικρών ποσοτήτων, παραγόμενης από επεξεργασία αποβλήτων, ιλύος ή μικρών ποσοτήτων υγρών αποβλήτων με υψηλό οργανικό φορτίο. Χρόνος παραμονής d Φορτίσεις 0,5-1,6 (kgvss)/(m 3 d).

42 Αναερόβιος χωνευτήρας ιλύος δύο σταδίων Εφαρμόζεται σε στερεά ή ημι-στερεά απόβλητα και θεωρείται αποδοτικότερη από τα συστήματα ενός σταδίου, δεδομένου ότι οι συνθήκες που βελτιστοποιούν κάθε φάση μπορούν να ρυθμιστούν αποτελεσματικά. Τυπικά κατά το πρώτο στάδιο πραγματοποιείται υδρόλυση των στερεών και οξεογένεση, ενώ στο δεύτερο στάδιο, η διαλυμένη οργανική ουσία μετατρέπεται σε βιοαέριο από μεθανογόνους μικροοργανισμούς.

43 ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ ph Θερμοκρασία Χημική Σύσταση της Τροφοδοσίας Θρεπτικά συστατικά (N,P) Τοξικές ουσίες- παρεμποδιστές Τύπος αντιδραστήρα

44 Εξάρτηση Παραγωγής Μεθανίου από τον χρόνο παραμονής

45 ΒΙΟΑΕΡΙΟ Το παραγόμενο αέριο κατά την αναερόβια χώνευση ιλύος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θέρμανση. Περιέχει 65-70% CH 4, 25-30% CO 2, ενώ το υπόλοιπο είναι H 2, N 2 και H 2 S. Έχει απόδοση θερμότητας kj/m 3 ενώ η αντίστοιχη του καθαρού μεθανίου είναι kj/m 3.

46 Η ενέργεια που προέρχεται από την αποσύνθεση του οργανικού υλικού και εκλύεται με τη μορφή CH4, μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας το ισοδύναμο COD του CH4, που υπολογίζεται ως εξής: CH4 + 2Ο2 CO2 + 2H2O Από την αντίδραση υπολογίζεται ότι 1mole CH4 (22,4L σε Κ.Σ.) είναι ισοδύναμο με 2moles Ο2 (64g COD). Επομένως ισχύει ότι 1g COD παράγει 0,35 L CH4 σε Κ.Σ. Το ενεργειακό περιεχόμενο του CH4 που παράγεται από τη σταθεροποίηση 1kg COD σε Κ.Σ. είναι 13,1MJ.

47 Κινητικό μοντέλο για διαλείποντος έργου ΑΧ ds dt ksx K S s dx dt Y ksx K S s bx όπου: k = μέγιστος ειδικός ρυθμός κατανάλωσης υποστρώματος (μάζα καταναλισκόμενου υποστρώματος ανά ημέρα / μάζα βακτηρίων) S = συγκέντρωση υποστρώματος (μάζα / όγκος) K s = σταθερά ημιταχύτητας του Monod (μάζα / όγκος υποστρώματος) X = συγκέντρωση βακτηριακής μάζας (μάζα / όγκος) Υ = σταθερά παραγωγής βακτηριακής μάζας (μάζα βακτηρίων / μάζα υποστρώματος) b = σταθερά θανάτου μικροοργανισμών (χρόνος -1 )

48 Για την πρωτοβάθμια ιλύ Για θερμοκρασίες μεταξύ C, ο O Rourke υπολόγισε τις ακόλουθες τιμές για τις σταθερές: k = 6,67 g COD / g VSS -μέρα (1,035 T-35 ) K S = 1,8 g COD / L (1,112 T-35 ) b = 0,03 d -1 (1,035 T-35 ) και Y = 0,04 g VSS / g COD

49 Χρόνος Βακτηριακής «έκπλυσης» min c YkS K s S b Κατά τον σχεδιασμό του αναερόβιου συστήματος, ο χρόνος παραμονής των στερεών, μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας ένα συντελεστή ασφάλειας τυπικά 2,5. 1

50 Τυπικοί Xρόνοι Παραμονής Θερμοκρασία ( C) Eλάχιστος θ(d) Συνιστώμενος θ(d) ,

51 Resource recovery and reuse..., p.298 Φάσματα Θερμοκρασίας για ΑΧ Βέλτιστα για μεσόφιλη C και C για θερμόφιλη

52 Συστήματα σε αιώρηση: χαμηλόρρυθμα HRT=SRT, d OLR 1 to 10 kg COD / m 3 d or 0.5 to 6 kg VS / m 3 d Πλήρως αναμεμιγμένα (CSTR)

53 Συστήματα σε αιώρηση: χαμηλόρρυθμα Καλυμμένη αναερόβια λίμνη : HRT 6 30 d, OLR less than 2 kg COD / m 3 d

54 ΤΑΧΥΡΡΥΘΜΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ (High-Rate systems)

55 Συστήματα σε αιώρηση: ταχύρρυθμα Διεργασία αναερόβιας επαφής Αυξημένος SRT HRT d, OLR kg COD / m 3 d έως 100,000 mg COD/L

56 Συστήματα προσκολλημένης ανάπτυξης: Στερεά κλίνη Media of ~100m 2 /m 3 Ανοδικό αναερόβιο φίλτρο: Βασίζεται σε προσκολλημένα και αιωρούμενα μικρόβια Παγιδεύει τα στερεά και είναι κατάλληλα για υποστρώματα με κάποια βιοαποδομήσιμη ύλη σε αιώρηση Καθοδικό αναερόβιο φίλτρο: Βασίζεται μόνο σε προσκολλημένα μικρόβια Κατάλληλο για υποστρώματα με υψηλότερο ποσοστό αιωρούμενων στερεών OLR έως 16 kg COD / m 3 d, HRT h, τροφοδοσία 1,000 20,000 mg COD / L

57 Διεργασίες επεκταμένης και ρευστοστερεάς κλίνης Πληρωτικό υλικό 4,000 to 11,000 m 2 /m 3 Βελτιωμένη μεταφορά μάζας Υψηλοί λόγοι ύψους/διαμέτρου και μικρότερες απαιτήσεις σε χώρο OLR πάνω από 20 kg COD/m 3 d, HRT d, τροφοδοσία 1,000 20,000 mg COD/L

58 Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor (UASB) Κυλινδρικά δοχεία στο εσωτερικό των οποίων τα απόβλητα κινούνται προς τα άνω. Στο άνω τμήμα του αντιδραστήρα τοποθετείται συλλέκτης βιοαερίου σχήματος χοάνης. Το υγρό υπερχειλίζει πάνω από την χοάνη και η περιοχή μεταξύ χοάνης και κορυφής στον αντιδραστήρα χρησιμοποιείται ως ζώνη καθίζησης εξασφαλίζοντας την καθίζηση και την παραμονή των στερεών στον αντιδραστήρα. Στον αντιδραστήρα σχηματίζονται συσσωματώματα (granules)

59 Upflow Anaerobic Sludge Blanket-UASB UASB: HRT κάτω από 2 d OLR έως 25 kg COD/m 3 d Συσσώρευση έως 30 g/l Μικροβιακής μάζας ως VSS EGSB (extended granular sludge bed): HRT κάτω από 2 d OLR έως 40 kg COD/m 3 d Αραίωση αποβλήτου σε κάτω από 100 mg COD/L

60 Αναερόβιος αντιδραστήρας με ανακλαστήρες Anaerobic Baffled Reactor (ABR) Εναλλασσόμενο σύστημα ανάπτυξης αιωρούμενης βιομάζας και μεγάλων χρόνων παραμονής της βιομάζας. Το απόβλητο αναγκάζεται να κινείται μέσω διαδοχικών διαμερισμάτων ανοδικής και καθοδικής ροής αντίστοιχα.

61 Periodic Anaerobic Baffled Reactor (PABR)

62 Πειραματικός PABR

63 Τ = 4 x 12 = 48 ώρες 2 ημέρες Ανοδική ροή Αναερόβια χώνευση αγροβιομηχανικών αποβλήτων και βιομάζας Ανάπτυξη καινοτόμου βιοαντιδραστήρα Periodic Anaerobic Baffled Reactor (PABR) Κυκλική κατασκευή διαμερισμάτων Τυρόγαλο Kατσίγαρος γλυκό σόργο βιομηχανική γλυκερόλη αστικά υπολείμματα τροφών Υποδεκαπλάσιοι χρόνοι παραμονής σε σχέση με CSTR Καθοδική ροή

64 Ξηρή έναντι υγρής ΑΧ Υγρή Στερεά κάτω από 15% Αντλούμενη λάσπη Αναδεύσιμη λάσπη Συνήθως CSTR Ξηρή (Ζύμωση στερεάς κατάστασης) Στερεά > 30 % Όχι εξωτερική προσθήκη υγρών

65 Ξηρή Αναερόβια Χώνευση: συνήθεις διατάξεις Κατακόρυφου τύπου

66 Ξηρή Αναερόβια Χώνευση: συνήθεις διατάξεις Οριζόντιου τύπου

67 Ξηρή Αναερόβια Χώνευση: συνήθεις διατάξεις Κεκλιμένου τύπου

68 Τι προκαλεί πιθανή αστάθεια στην ΑΧ; Η παρουσία παρεμποδιστών σύνηθες αίτιο Η υπερφόρτιση είναι ένας δεύτερος λόγος

69 Ενδείξεις παρεμπόδισης της ΑΧ 1. Μείωση της παραγωγής μεθανίου 2. Συσσώρευση πτητικών λιπαρών οξέων (οξικού, προπιονικού και βουτυρικού κυρίως) 3. Πτώση του ph

70 Παρεμποδιστές: αμμωνία Παράγεται κατά την βιοαποδόμηση των αζωτούχων ενώσεων, κυρίως της ουρίας και των πρωτεϊνών Απαντάται σε δύο μορφές NH 3 και NH 4 + Μηχανισμοί παρεμπόδισης 1. Μεταβολή (αύξηση) ενδοκυτταρικού ph 2. Αύξηση ενεργειακών απαιτήσεων για συντήρηση 3. Παρεμπόδιση συγκεκριμένων ενζυμικών αντιδράσεων Οι μεθανογόνοι είναι η πιο ευαίσθητη ομάδα Κτηνοτροφικά απόβλητα Πλούσια σε πρωτεΐνες απόβλητα π.χ. επεξεργασίας κρέατος και σφαγεία

71 Παρεμποδιστές: θειούχα Παράγονται με την αναγωγή SO 4 2- σε S 2- κατά την ΑΧ Δύο τύποι παρεμπόδισης 1. Ανταγωνισμός για υποστρώματα με αναγωγικά των θειϊκών βακτήρια sulfate reducing bacteria (SRB) 2. Δευτερογενής παρεμπόδιση λόγω τοξικότητας των θειούχων mg/l S 2- σε διάλυση ή mg/l H 2 S Οι μεθανογόνοι είναι η πιο ευαίσθητη ομάδα Εγκλιματισμένοι μεθανογόνοι μπορούν να ανεχθούν μέχρι 1000 mg/l H 2 S

72 Παρεμποδιστές: ελαφρά μεταλλικά ιόντα, Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+ and Al 3+ Παρόντα στην τροφοδοσία ή προστιθέμενα για ρύθμιση ph Μηχανισμοί παρεμπόδισης: Αφυδάτωση κυττάρων λόγω οσμωτικής πίεσης Ανταγωνισμός με σημαντικά ιχνοστοιχεία Προσκόληση στα κυτταρικά τοιχώματα Καταβύθιση αλάτων CO 3 2- και PO 4 3 απώλεια βασικών θρεπτικών συστατικών και ρυθμιστικής ικανότητας (buffer) Αλμυρά ή υφάλμυρα απόβλητα, π.χ. από τρόφιμα ψαριών και τυροκομικά Βιομηχανικά απόβλητα

73 Παρεμποδιστές: βαρέα μέταλλα, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Cd και Ni Παρόντα στην τροφοδοσία μη βιοαποδομήσιμα συσσωρεύονται Μόνο τα μέταλλα που είναι σε διαλυτή ιιοντική μορφή είναι τοξικά Μηχανισμοί παρεμπόδισης: διαταραχή ενζυμικών λειτουργιών και δομών μέσω δημιουργίας δεσμών με πρωτείνες ή αντικαθιστώντας φυσικά απαντώμενα μέταλλα Οι μεθανογόνοι πιο ευαίσθητοι Λυματολάσπη Ειδικά βιομηχανικά υγρά απόβλητα,π.χ. βιομηχανιών υφασμάτων

74 Παρεμποδιστές: διάφορα οργανικά, λιγνίνη και παράγωγα Χλωροφαινόλες (2-χλωροφαινόλη) N-περιέχοντα αρωματικά Νιροβενζόλια Νιτροφαινόλες Αμινοφαινόλες Αλογονωμένα αλειφατικά CHCl 3 (χλωροφόρμιο) (2-αμινοφαινόλη) (2,4 δινιτροφαινόλη) Αρωματικές αμίνες (ανιλίνη)

75 Παρεμποδιστές: πτητικά λιπαρά οξέα, VFA (C2, C3, C4 and C5) Που αποδίδεται η παρεμπόδιση των VFA? Συγκέντρωση VFA? Χαμηλό ph? Συσσώρευση αέριου H 2? Όσο πιο χαμηλό ph τόσο ισχυρότερη η παρεμπόδιση Είναι η μη ιοντική μορφή που είναι παρεμποδιστική (πάνω από mg/l)

76 Παρεμποδιστές: Πτητικά λιπαρά μακράς αλύσσου, LCFA Δημιουργούνται κατά την υδρόλυση των λιπιδίων Καταβολίζονται σε προπιονικό και οξικό οξύ Τα λιπίδια και τα LCFA έχουν υψηλό μεθανογόνο δυναμικό ΑΛΛΑ... Τα LCFA έχουν παρεμποδιστική δράση Προσκολλώνται στα κυτταρικά τοιχώματα/μεμβράνες Παρεμποδίζουν τις μεταφορικές και προστατευτικές λειτουργίες των κυττάρων Προκαλούν επίπλευση της λάσπης και επακόλουθη έκπλυση

77 Πιθανή παρεμπόδιση LCFA Απόβλητα επεξεργασίας κρέατος Οικιακά λύματα Μονάδες ελαιοπαραγωγής Μονάδες επεξεργασίας μαλλιού

78 Γενικές πρακτικές αντιμετώπισης της παρεμπόδισης αραίωση συγχώνευση εγκλιματισμός Απομάκρυνση παρεμποδιστών πριν την ΑΧ, π.χ. καταβύθιση βαρέων μετάλλων με σουλφίδια, απαέρωση αμμωνίας κλπ.

79 Αναερόβια Χώνευση και Στερεά Απόβλητα ΧΥΤΑ Ειδικοί βιοαντιδραστήρες

80 Βιοαέριο από ΧΥΤΑ Κατά την αναερόβια βιοσταθεροποίηση παράγεται κύρια βιοαέριο (μείγμα CH 4 και CO 2 ) H εκμετάλλευση του βιοαερίου που παράγεται κατά την υγειονομική ταφή αποτελεί μέθοδο ανάκτησης ενέργειας H μέθοδος όμως αυτή χαρακτηρίζεται από πολύ βραδύ ρυθμό που συνήθως διαρκεί 5-10 έτη

81 Αναερόβια Χώνευση σε Βιοαντιδραστήρες H επιτάχυνση της απελευθέρωσης του βιοαερίου μπορεί να επιτευχθεί σε ειδικούς αντιδραστήρες υπό ελεγχόμενες συνθήκες. Επιπλέον, οι αντιδραστήρες αυτοί αποδίδουν το υπόλειμμα της αποσύνθεσης για περαιτέρω επεξεργασία και χρήση ως εδαφοβελτιωτικό, περίπου όπως και το παραγόμενο με την αερόβια διαδικασία κομποστοποίησης.

82 Τύποι αναερόβιων συστημάτων ανάλογα με την περιεκτικότητα σε στερεά στην τροφοδοσία υγρά συστήματα (περιεκτικότητα έως 15-20%, τυπικά 10%) ξηρά συστήματα (περιεκτικότητα άνω του 20%, τυπικά 30%,π.χ. DRANCO και VALORGA, BIOCEL). Τα ξηρά συστήματα απαιτούν λιγότερη χρήση νερού, αλλά και αντιδραστήρα υψηλότερης τεχνολογίας. Τα υπάρχοντα συστήματα κάθε τύπου στην Ευρώπη σήμερα, είναι περίπου ισάριθμα.

83 Τυπική Μονάδα Αναερόβιας Χώνευσης (υγρό σύστημα) 1000 kg ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΑΙΩΡΗΣΗ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ ΒΙΟΑΕΡΙΟ κ.μ. Προς ΧΥΤΥ Επαναφορά υγρών ΔΙΗΘΗΣΗ ή ΦΥΓΟΚΕΝΤΡΙΣΗ 550kg ιλύς ΑΕΡΟΒΙΑ ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΣΗ ΤΕΛΙΚΟ ΠΡΟΙΟΝ 300 kg

84 Στάδια Kατά την προεπεξεργασία απομακρύνονται τα μέταλλα, το γυαλί και τα άλλα ανόργανα υλικά και εξασφαλίζεται η κατάλληλη κοκκομετρία και προστίθεται νερό για επίτευξη συγκέντρωσης στερεών 10-30%, ανάλογα με την τεχνολογία, για την τροφοδοσία του αντιδραστήρα. Στη συνέχεια το αιώρημα οδηγείται σε αντιδραστήρα όπου χωνεύεται με χρόνο παραμονής 2-3 εβδομάδες. Tο βιοαέριο που παράγεται καίγεται προς παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας. H μονάδα, συνήθως ιδιοκαταναλώνει ένα ποσοστό της παραγόμενης ενέργειας.

85 Στάδια(συν.) Tο υπόλειμμα του αντιδραστήρα (όπου τα πτητικά στερεά έχουν μειωθεί κατά 50-65%), αφυδατώνεται ως 60%. Tο υγρό κλάσμα χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της υγρασίας της τροφοδοσίας. Tο συμπύκνωμα της πρέσας λιπασματοποιείται αερόβια οπότε σχηματίζεται το τελικό προϊόν (compost). Tο υλικό αυτό είναι σταθεροποιημένο και απαλλαγμένο από παθογόνους οργανισμούς. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εδαφοβελτιωτικό ή ως επικαλυπτικό στην υγειονομική ταφή απορριμμάτων.

86 Συνοπτικά Τυπικά παράγονται (ανά τόνο απορρίμματος) m 3 βιοαερίου, ανάλογα με τη σύσταση των απορριμμάτων με περιεκτικότητα σε μεθάνιο 55-70% και kg compost. Η αναερόβια χώνευση τυπικά απαιτεί το 20-40% της παραγόμενης ενέργειας. Με μέση θερμιδική αξία 5,5 kwh/m 3, η καθαρή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι τυπικά kwh/ton.

87 ΒΙΟΥΔΡΟΓΟΝΟ

88 Υδρογόνο Τεχνολογία αυτοκινήτων: καύσιμο στις κυψελίδες καυσίμου Mπορεί να παράγεται από ανανεώσιμες πηγές (π.χ από ενεργειακά φυτά, οργανικά απόβλητα, νερό) Υψηλή ενεργειακή απόδοση (122ΚJ/g) Δεν συμβάλλει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου

89 Υδρογόνο: το αέριο με την χαμηλότερη πυκνότητα Φυσικές ιδιότητες του υδρογόνου Πυκνότητα 0,08988 kg/m 3 Μοριακό βάρος, H 2 2,016 g/mole Σημείο ζέσεως -252,87 C Σημείο τήξεως -259,34 C Σπάνιο στην ατμόσφαιρα της γης Απαντάται κυρίως σε ενώσεις με O, C και N

90 Γιατί υδρογόνο; 1970 ενεργειακή κρίση: το υδρογόνο θεωρείται το καύσιμο του μέλλοντος Πτώση της τιμής του πετρελαίου: μείωση ενδιαφέροντος για το υδρογόνο 1990 επιπτώσεις φαινομένου θερμοκηπίου: νέο ενδιαφέρον για το υδρογόνο

91 Μέθοδοι Παραγωγής Υδρογόνου Συμβατικά καύσιμα, νερό, βιομάζα Αναμόρφωση ατμού από φυσικό αέριο Θερμική διάσπαση φυσικού αερίου Ηλεκτρόλυση νερού Φωτόλυση νερού Θερμοχημικές Διεργασίες Πυρόλυση ή αεριοποίηση της βιομάζας (αέριο σύνθεσης) Βιοτεχνολογική Παραγωγή

92 Βιοτεχνολογικές μέθοδοι παραγωγής Υδρογόνου Βιοφωτόλυση του νερού από φύκη και κυανοβακτήρια Φωτοδιάσπαση των οργανικών υλικών από φωτοσυνθετικά βακτήρια Ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου από οργανικά υλικά (αποδόμηση υδατανθράκων πτητικά λιπαρά οξέα, αλκοόλες, Η 2 )

93 Παραγωγή υδρογόνου Φωτοσυνθετική παραγωγή υδρογόνου (άμεση βιοφωτόλυση) Έμμεση βιοφωτόλυση Φωτο-ζύμωση «Σκοτεινή " ζύμωση

94 Ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου Γλυκόζη PEP πυροσταφυλικό Γαλακτικό Ακεταλδεύδη Αιθανόλη οξαλοξικό ακετυλοσυνa Ακετυλο P Οξικό Ηλεκτρικό ΟξακετυλοσυνA C 6 H 12 O 6 +2 H 2 O 2 CH 3 COOH+4 H 2 +2 CO 2 C 6 H 12 O 6 +2H 2 Propionyl-CoA 2CH 3 CH 2 COOH +2 H 2 O ΒουτυρυλσυνA Βουτανόλη C 6 H 12 O 6 CH 3 CH 2 CH 2 COOH+2 H 2 +2 CO 2 Προπιονικό Βουτυρικό

95 Ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΟΞΙΚΟΥ C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O 2CH 3 COOH + 2CO 2 + 4H 2 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΟΥΤΥΡΙΚΟΥ C 6 H 12 O 6 CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2CO 2 + 2H 2 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΠΡΟΠΙΟΝΙΚΟΥ C 6 H 12 O 6 + 2H 2 2CH 3 CH 2 COOH + 2H 2 O ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΓΑΛΑΚΤΙΚΟΥ C 6 H 12 O 6 2CH 3 CHOHCOOH ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΕΝΔΙΑΜΕΣΕΣ ΑΠΟΔΟΣΕΙΣ H 2 C 6 H 12 O 6 2CH 3 CH 2 OH + 2CO 2 Σημαντικό να απουσιάζουν υδρογονοχρήστες Θερμική προεπεξεργασία

96 Ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου Biopolymers: carbohydrates, proteins, lipids hydrolysis Monomers: sugars. aminoacids, fatty acids H 2 + CO 2 Acetogenesis Acidogenesis Acetic acid Propionic acid Butyric acid Ethanol Acetogenesis Acetic acid methanogenesis H 2 + CO 2 Acetic acid METHANE

97 Παράγοντες Επίδρασης στην Παραγωγή Η 2 ph Μερική πίεση του Η 2 Υδραυλικός χρόνος παραμονής (HRT) Θερμοκρασία Συγκέντρωση θρεπτικών συστατικών Συνθήκες ανάδευσης Οργανική φόρτιση

98 Πηγές βιομάζας για παραγωγή H 2 με σκοτεινή ζύμωση Τομέας Πηγή Υγρασία, % Γεωργία Δάση Βιομηχανία, κυρίως τροφίμων (με απόβλητα πλούσια σε υδατάνθρακες) Υπολείμματα καλλιεργειών Κτηνοτροφικά απόβλητα Ξυλώδης βιομάζα Δασικά υπολείμματα Απόβλητα ελαιοτριβείου, τυροκομείου, ζυθοποιείου, μελάσσες Απόβλητα (συμπ. Του πράσινου) Ενεργειακές καλλιέργειες Υδροπονικές καλλιέργειες Ζυμώσιμα αστικά απόβλητα, ξύλα από κατεδαφίσεις Λάσπη βιολογικών, κλαδέματα και γρασίδι Ξυλώδεις, μονοετείς, καλλιέργειες με σακχαρούχα και αμυλούχα Μικροφύκη, φύκη και υδροχαρή φυτά

99 Παράγοντες για την απόδοση σε υδρογόνο και τη συνολική βιωσιμότητα της διεργασίας

100 Εμβόλιο: Καθαρές μικροβιακές καλλιέργειες

101 Πολύπλοκα υποστρώματα& και μεικτή καλλιέργεια

102 Εμβόλιο: προεπεξεργασμένη μεικτή καλλιέργεια

103 Συνθήκες λειτουργίας ph εξαρτάται από το εμβόλιο ph<5,5 παραμποδίζει την ομοοξικογένεση ph<5,0 ευνοεί την παραγωγή διαλυτών Θερμοκρασία οι θερμόφιλες συνθήκες ευνοούν την παραγωγή οξικού οξέος μεγάλη εξάρτηση από τον τύπο του εμβολίου

104 Συνδυασμός σκοτεινής ζύμωσης με άλλες διεργασίες Αναερόβια χώνευση

105 Διεργασία δύο σταδίων CH 4 + CΟ 2 Η 2 + CΟ 2 2ο στάδιο (Μεθανογένεση) Απόβλητο ή βιομάζα CSTR-H 2 Απορροή (οξινισμένη) Παραγωγή βιοπλαστικών

106 ΥΘΑΝΙΟ-HYTHANE

107 Το HYTHANE ως βιοαέριο (1) Το HYTHANE ως όρος προτάθηκε πρώτη φορά κατά την δεκαετία του 90 από την Hydrogen Component Inc, μια εταιρεία η οποία διεξήγαγε έρευνες σχετικά με την σκοπιμότητα της χρήσης ενός μίγματος CNG (Compressed Natural Gas) και υδρογόνου ως καύσιμο για μηχανές εσωτερικής καύσης Οι μελέτες έδειξαν ότι η καύση παρουσία αέρα μίγματος υδρογόνου (7% σε ενεργειακό περιεχόμενο ή 20% σε όγκο) και CNG μπορεί να μειώσει τις εκπομπές των ρυπαντών (κυρίως NOX) στην ατμόσφαιρα ενώ παράλληλα να διατηρήσει την ενεργειακή απόδοση του CNG Όσον αφορά την χρήση του μίγματος στα οχήματα δεν απαιτείται ειδικός χώρος αποθήκευσής του ούτε τροποποίηση του εξοπλισμού

108 Το HYTHANE ως βιοαέριο (2) Το HYTHANE προσφέρει τα εξής πλεονεκτήματα σε σχέση με το CNG: i. Καλύτερη αναφλεξιμότητα καθώς το υδρογόνο καίγεται 8 φορές γρηγορότερα από το μεθάνιο ii. iii. Το υδρογόνο βοηθάει την καύση του μεθανίου στην μηχανή, και ως άριστο αναγωγικό μέσο συνεισφέρει σε καλύτερη κατάλυση σε χαμηλότερες θερμοκρασίες Μειώνει τις εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα λόγω της παρουσίας υδρογόνου η οποία αυξάνει την αναλογία Η/C και μειώνει το περιεχόμενο σε άνθρακα του αέριου μίγματος

109 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΘΑΝΙΟΥ Διβάθμιο Σύστημα Αντιδραστήρων CSTR για την παραγωγή Μεθανίου και Υδρογόνου σε ποσοστά 85:15 CH 4 + CΟ 2 Η 2 + CΟ 2 CSTR-H 2 CSTR-CH 4

110 Διβάθμιο Σύστημα Αναερόβιας Χώνευσης

111 Λειτουργικές Παράμετροι Διεργασίας 1 η φάση πειραμάτων 2 η φάση πειραμάτων 3 η φάση πειραμάτων Στάδιο διεργασίας οξεογένεση μεθανογένεση οξεογένεση μεθανογένε ση οξεογένση μεθανογένε ση HRT(υδραυλικός χρόνος παραμονής) 4 ώρες 20 ημέρες 4 ώρες 15 ημέρες 6 ώρες 15 ημέρες Διάρκεια(ημέρες) Μέσο tcod(g/l)

112 ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ph ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΜΕΘΑΝΙΟΥ

113 Πτητικά Λιπαρά Οξέα (VFAs) ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΜΕΘΑΝΙΟΥ

114 Καθαρισμός βιοαερίου Απομάκρυνση CO 2, όξινων ενώσεων, υγρασίας, αμμωνίας και H 2 S Συνηθέστερες μέθοδοι (IEA, 2014): Πλυντρίδα νερού (41%), Χημική πλυντρίδα (22%) Ρόφηση με εναλλαγή πίεσης pressure swing adsorption (PSA) (21%) Διαχωρισμός μεμβρανών (10%)

115 Υθάνιο από απόβλητα

116 ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΕΣ ΚΥΨΕΛΙΔΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (ΜΚΚ)

117 ΜΚΚ και βιοηλεκτρισμός Το 1911, ο Potter παρατήρησε ότι τα βακτήρια μπορούν να παράγουν ηλεκτρισμό Στα μέσα της δεκαετίας 1960 κατασκευάζονται οι πρώτες ΜΚΚ (Lewis 1966; Berk and Canfield 1964; van Hees 1965) Νέο ενδιαφέρον (1999) παρουσιάστηκε όταν ο Kim ανακάλυψε ότι δεν απαιτούνται ενδιάμεσοι παράγοντες για την μεταφορά ηλεκτρονίων οι ΜΚΚ αποτελούν την νεώτερη τεχνολογία με βάση τον βιοηλεκτρισμό

118 Τι είναι μία μικροβιακή κυψελλίδα καυσίμου; Πρόκειται για βιοαντιδραστήρα που μετατρέπει χημική ενέργεια, αποθηκευμένη στους χημικούς δεσμούς οργανικών ενώσεων, απ ευθείας σε ηλεκτρισμό, μέσω της καταλυτικής δράσης μικροοργανισμών υπό αναερόβιες συνθήκες.

119 Η αρχή λειτουργίας της ΜΚΚ Ηλεκτρισμός Εξωτερική αντίσταση CO 2 Καταλύτης e - Βακτήρια H 2 O H + 6O 2 Άνοδος CEM Κάθοδος Χημεία της ΜΚΚ: με γλυκόζη ως παράδειγμα. Άνοδος: C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O 6CO H e Κάθοδος: 24H e + 6O 2 12H 2 O

120 Βιολογία της ΜΚΚ Τα βακτήρια χρησιμοποιούν ένα δότη ηλεκτρονίων (υπόστρωμα) και ένα δέκτη ηλεκτονίων (π.χ. οξυγόνο) Το ηλεκτρόδιο ανόδου χρησιμοποιείται ως δέκτης ηλεκτρονίων Η εξωκυτταρική μεταφορά ηλεκτρονίων μπορεί να γίνει με άμεσο ή/και με έμμεσο τρόπο

121 Έμμεση Εξωκυτταρική Μεταφορά Ηλεκτρονίων διαλυτοί μεταβολίτες ή άλλες ουσίες (ενδιάμεσοι παράγοντες (mediators) διαχέονται προς το ηλεκτρόδιο μεταφορά μέσω φορέων ηλεκτρονίων που ευρίσκονται στην κυτταρική μεμβράνη

122 Άμεση Εξωκυτταρική Μεταφορά Ηλεκτρονίων Βακτηριακά νανοσύρματα σχηματισμός νανοσυρμάτων μέσω άμεσης επαφής της μεβράνης με ηλεκτρικά ενεργές επιφάνειες χρησιμοποιώντας ένζυμα (π.χ. κυτοχρώματα)

123 Το θεωρητικό δυναμικό δίνεται από την εξίσωση Nernst

124 Απώλειες Ωμικές απώλειες λόγω της αντίστασης στην αγωγή πρωτονίων στο διάλυμα και στην μεμβράνη και στην ροή των ηλεκτρονίων μέσω του ηλεκτροδίου και μέχρι το σημείο επαφής (όπου τα ηλεκτρόδια συνδέονται με σύρμα) και σε όποιες άλλες εσωτερικές συνδέσεις. Απώλειες ενεργοποίησης λόγω απωλειών σε ενέργεια (ως θερμότητα) για την εκκίνηση των αντιδράσεων οξείδωσης και αναγωγής και της απώλειας ενέργειας κατά τη μεταφορά από το τελικό ένζυμο του κυττάρου προς την επιφάνεια του ηλεκτροδίου ανόδου (δηλαδή σε νανόσυρμα, ενδιάμεσο παράγοντα ή τελικό κυτόχρωμα στην κυτταρική επιφάνεια) Απώλειες συγκέντρωσης ή μεταφοράς μάζας προκύπτουν όταν η ροή αντιδρώντων προς το ηλεκτρόδιο ή η ροή προϊόντων από το ηλεκτρόδιο περιορίζουν την αντίδραση

125 Τρόποι μείωσης απωλειών Ωμικές απώλειες: με μείωση της απόστασης των ηλεκτροδίων, επιλογή μεμβρανών και καλυμμάτων ηλεκτροδίων με χαμηλές αντιστάσεις, εξασφαλίζοντας καλές ηλεκτρικές επαφές και αύξηση της αγωγιμότητας και ρυθμιστικής ικανότητας του διαλύματος. Απώλειες ενεργοποίησης: με μείωση βελτιωμένων καταλυτών στην κάθοδο, διαφορετικά βακτήρια στην άνοδο, η με βελτίωση της μεταφοράς ηλεκτρονίων από τα βακτήρια στην άνοδο Απώλειες συγκέντρωσης: με ανάδευση

126 Η συνολική απόδοση μιας ΜΚΚ αξιολογείται με: Αποτελεσματικότητα επεξεργασίας ( ποσοστό απομάκρυνσης COD) Πυκνότητα ισχύος (Η ισχύς που λαμβάνουμε άνάεπιφάνεια ηλεκτροδίου ανόδου) Η Κουλομπική αποτελεσματικότητα (CE). CE ορίζεται ως ο λόγος του ολικού φορτίου σε Coulombs που μεταφέρεται στην άνοδο προς το μέγιστο δυνατό αν όλη η κατανάλωση υποστρώματος παρήγαγε ρεύμα

127 Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση μιας ΜΚΚ Διάταξη ΜΚΚ Υλικά των ηλεκτροδίων Σύστημα ανταλλαγής πρωτονίων Λειτουργικές συνθήκες τύποι μικροβίων υπόστρωμα συγκέντρωση ph θερμοκρασία ιοντική ισχύς εξωτερική αντίσταση

128 ΤΥΠΟΙ ΜΚΚ ΔΥΟ ΘΑΛΑΜΩΝ ΕΠΙΠΕΔΗΣ ΜΗΤΡΑΣ (FLAT PLATE) ΚΥΒΙΚΟ Κυλινδρικό

129 Παραδείγματα υποστρωμάτων Συνθετικά απόβλητα γλυκόζη οξικό οξύ γαλακτόζη Πραγματικά Απόβλητα Ζυθοποιείου Τυροκομείου Χοιροστασίου Αστικά λύματα

130 Πιθανές χρήσεις ΜΚΚ Παραγωγή ηλεκτρισμού Επεξεργασία αποβλήτων Παραγωγή υδρογόνου Βιοαισθητήρες Βιοαποκατάσταση

131 ΜΚΚ : Μία υποσχόμενη τεχνολογία για επεξεργασία υγρών αποβλήτων Πλεονεκτήματα σε σχέση με τις συμβατικές τεχνολογίες: Δεν απαιτείται αερισμός: Ο αερισμός μπορεί να αφορά το μισό λειτουργικό κόστος μιας μονάδας επεξεργασίας αποβλήτων Υπάρχει περιορισμένη παραγωγή λάσπης: οι αποδόσεις σε λάσπη μιας αναερόβιας διεργασίας είναι περίπου το ένα πέμπτο των αντίστοιχων μιας αερόβιας. Η χρήση ΜΚΚ συνεπάγεται σημαντική μείωση του κόστους διαχείρισης της λυματολάσπης Παραγωγή ηλεκτρισμού: αντί για κατανάλωση

132 Στερεά απόβλητα

133 Στερεά απόβλητα και διαχείριση Στερεά απόβλητα νοούνται ουσίες ή αντικείμενα που εμφανίζονται κυρίως σε στερεά φυσική κατάσταση, από τις οποίες ο κάτοχός τους θέλει ή υποχρεούται να απαλλαγεί, και δεν περιλαμβάνεται στον κατάλογο επικινδύνων αποβλήτων της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Διαχείριση απορριμμάτων είναι το σύνολο των δραστηριοτήτων από τη φάση της παραγωγής τους έως και τη φάση της τελικής διάθεσής τους στο περιβάλλον, με ή χωρίς προηγούμενη βιομηχανική επεξεργασία.

134 Κατηγορίες στερεών αποβλήτων Τα ΣΑ ομαδοποιούνται γενικά σε δύο μεγάλες κατηγορίες: α. Αστικά απόβλητα (απορρίμματα). β. Ειδικά απόβλητα: β1. Επικίνδυνα απόβλητα. β2. Μη επικίνδυνα απόβλητα. β3. Ιατρικά απόβλητα.

135 Είδη στερεών αποβλήτων Αστικά απορρίμματα (οικιακά, βιοτεχνικά, εμπορικά, οδοκαθαρισμού κλπ.). Στερεά ή υδαρή (με αξιόλογο ποσοστό αιωρούμενων στερεών) απόβλητα που δεν μπορούν να διατεθούν μαζί με τα οικιακά (ορισμένα βιομηχανικά, τοξικά ή αδρανή και απόβλητα της βιομηχανίας παραγωγής ενέργειας). Πετρελαιοειδή απόβλητα (προέρχονται από την επεξεργασία του πετρελαίου, διυλιστήρια, χημικά εργοστάσια, ναυπηγεία κλπ.).

136 Είδη στερεών αποβλήτων Απόβλητα γεωργικών και κτηνοτροφικών εκμεταλλεύσεων. Απόβλητα ορυχείων και μεταλλείων. Απόβλητα εκσκαφών. Απόβλητα οικοδομικών εργασιών και κατεδαφίσεων. Ιλύς από την επεξεργασία αστικών λυμάτων και τη βιομηχανία. Απόβλητα εμπορικών δραστηριοτήτων. Ιατρικά απόβλητα. Ελαστικά. Σκράπ (π.χ. αποσυρθέντων αυτοκινήτων, παλαιών ηλεκτρονικών υπολογιστών κλπ).

137 Αστικά απόβλητα Οικιακά απορρίμματα και όλα όσα προσομοιάζουν σ αυτά (από εμπορικά καταστήματα, βιοτεχνίες, γραφεία κλπ.) Ανομοιογενές συνονθύλευμα υλικών. Κλάσματα υλικών στα αστικά απόβλητα: Ζυμώσιμα (υπολείμματα κουζίνας και κήπου) Χαρτί (χαρτί, χαρτόνια από έντυπο υλικό και συσκευασίες προϊόντων) Μέταλλα (σιδηρούχα, μη σιδηρούχα) Γυαλί (λευκό, καφέ και πράσινο) Πλαστικό (πολυμερή απορρίμματα, αυξάνεται συνεχώς, έντονη ανομοιογένεια) Δέρμα Ξύλο Λάστιχο Ύφασμα (λοιπά καύσιμα) Αδρανή (ανενεργά υλικά που καταλήγουν στα οικιακά απορρίμματα πχ χώματα, πέτρες κλπ.) Λοιπά

138 Η παγκόσμια τάση αστικοποίησης και βιομηχανοποίησης οδηγεί τα τελευταία χρόνια σε ραγδαία αύξηση των αστικών στερεών απορριμμάτων Το ζυμώσιμο κλάσμα τους (τροφικά απόβλητα) αποτελεί και το πιο υποσχόμενο ως προς την δυνατότητα αξιοποίησής του και ταυτόχρονα το λιγότερο εκμεταλλευόμενο Αντιστοιχεί στο 30-50% των αστικών στερεών απορριμμάτων και το 95% αυτού καταλήγει σε Χ.Υ.Τ.Α Στην Ευρώπη 88 εκ. τόνοι τροφίμων σπαταλώνται με συνολικό κόστος που ανέρχεται στα 143 δις ευρώ ( )

139 βιοαπόβλητα Με τον όρο βιοαπόβλητα ή διαφορετικά βιολογικά απόβλητα καλούνται όλα τα σχετικά υλικά που καθορίζονται στον κατάλογο αποβλήτων της ΕΕ, όπως αναφέρεται στην απόφαση της επιτροπής με αριθμό 2000/532/ΕΚ και τροποποιήθηκε με τις αποφάσεις 2001/118/ΕΚ, 2001/119/ΕΚ και την απόφαση 2001/573/ΕΚ του Ευρωπαϊκού συμβουλίου. Επομένως, σύμφωνα με την Ευρωπαϊκή οδηγία 98/2008 για τα βιοαπόβλητα περιλαμβάνουν τα απόβλητα τροφών, τροφίμων, κήπων και πάρκων, τα οποία προκύπτουν από οικίες, εμπορικές δραστηριότητες και υπηρεσίες καί εγκαταστάσεις παραγωγής και επεξεργασίας τροφίμων.

140 Ποιά πρέπει να είναι η αντίληψη των Δήμων για τη διαχείριση των Αστικών Στερεών Απορριμμάτων (ΑΣΑ)? Ενημερωμένοι πολίτες Βιώσιμη διαχείριση Αστικών Στερεών Απορριμμάτων Έμφαση στη διαλογή στην πηγή Τεχνολογίες αιχμής

141 Γενικές Αρχές & Στόχοι Πρόληψη Ελαχιστοποίηση περιβαλλοντικού αποτυπώματος και κόστους διαχείρισης απορριμμάτων Βελτίωση ποιότητας υπηρεσιών προς τους πολίτες Ενημέρωση και ευαισθητοποίηση των πολιτών Απασχόληση, κοινωνική επιχειρηματικότητα, κυκλική οικονομία

142 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Περιβαλλοντική Μηχανική, σημειώσεις μαθήματος, Σχολής Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ, διδάσκοντες: Α. Βλυσίδης, Ε. Γρηγοροπούλου, Γ. Λυμπεράτος Λυμπεράτος Γ. και Παύλου Σ., (2011), Εισαγωγή στη Βιοχημική Μηχανική, Εκδόσεις Τζιόλα Διαχείριση υγρών αποβλήτων, Γεράσιμος Λυμπεράτος, Δημήτριος Βαγενάς, Εκδότης: Τζιόλα, 2011 Βιομηχανική Ρύπανση, Απόστολος Βλυσίδης, Σοφία Μάη, Έλλη Μαρία Μπαραμπούτη, Εκδότης: Ι. ΣΙΔΕΡΗΣ, &tabid=367&language=el-gr

143 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΔΠΜΣ «ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ» Β10. ΒΙΟΜΑΖΑ (Βιοενέργεια) Δρ. Κωνσταντίνα Παπαδοπούλου ΕΔΙΠ Σχολής Χημικών Μηχανικών, Εργαστήριο Οργανικής Χημικής Τεχνολογίας, 19 Απριλίου 2019