ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΣΗ ΛΑΣΠΩΝ. Βλυσίδης Απόστολος Καθηγητής ΕΜΠ

Transcript

1 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΣΗ ΛΑΣΠΩΝ Βλυσίδης Απόστολος Καθηγητής ΕΜΠ

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

3

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

5 ΑΕΡΟΒΙΑ ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΜΟΡΙΩΝ

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

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

8 Ενέργεια Καταβολή Αποσύνθεση Συντήρηση Κύτταρο Αναβολή Σύνθεση Νέα κύτταρα

9 Ενέργεια Καταβολή Συντήρηση Αναβολή Νέα κύτταρα Κύτταρο

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

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

12 ANΑΕΡΟΒΙΑ ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΜΟΡΙΩΝ

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

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

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

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

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

18

19

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

34 Ιστορική αναδρομή εφαρμογής της αναερόβιας χώνευσης στην επεξεργασία των αποβλήτων Εμβολικής ροής (Plug Flow PF)/1981 Πλήρους ανάμιξης (Continuous Stired Tank Reactor CSTR) / 1981 Αβαθείς λίμνες (Anaerobic Lagoons ANL)/ 1940 Επαφής (Anaerobic Conduct Process ANCP)/ 1959 Ανοδικής ροής (Upflow Anaerobic Sludge Blanket UASB) / 1979 Φίλτρο (Anaerobic Filter ΑNF)/ Διαστελλόμενη Ρευστοστερεά Κλίνη (Expanded Fluidized Bed EFB) / Υβριδικός Αντιδραστήρας (Anaerobic Hybrid ANHYB) / 1994 Διαστελλόμενη ρευστοστερεά κοκκώδη κλίνη (EGSB) / 2004

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

36 Τροφική κατάσταση βακτηρίων Υψηλός ρυθμός τροφοδοσίας Χαμηλός ρυθμός τροφοδοσίας

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

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

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

40 Σχετικό κόστος επεξεργασίας ανά m3 αποβλήτου COD αποβλήτου, mg/l

41 ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ ΛΑΣΠΩΝ

42 Τεχνολογία Αναερόβιας Χώνευσης Λασπών TS > 5-10% Plug Flow (PF) Continuous -stirred tank reactor (CSTR) Lagoon (ANL) Contact (ANCP)

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52 Συστήματα ανάμιξης

53

54

55 Low rate - Περιοδική εισαγωγή και εξαγωγή λάσπης - Διαστρωμάτωση των φάσεων - Χρόνος παραμονής ημέρες High rate -Συνεχή ομογενοποίηση με ανάδευση - Συνεχή τροφοδοσία και εξαγωγή λάσπης -Χρόνος παραμονής: < 15 ημέρες

56 Egg shape digester

57 Χαμηλής φόρτισης Τεχνολογίες < 2 kg TCOD/m 3 /d ή και λιγότερο Αβαθείς λίμνες με φυσική κάλυψη Αβαθείς λίμνες με συνθετική κάλυψη Εμβολική ροή PF Πλήρους αναδεύσεως CSTR

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

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

60 Ελάττωση πτητικών στερεών, % Τροφοδοσία kg VS/m 3 -d % 10% συγκέντρωση VS στη τροφοδοσία 4 2 6% 4% 3% 2% 1% Υδραυλικός χρόνος παραμονής, ημέρες 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 Πτητικά στερεά στη τροφοδοσία 85% 80% 75% 70% 65% 60% 30,00 20,00 10,00 0, Χρόνος παραμονής στερεών, ημέρες

61 Πτητικό περιεχόμενο της χωνεμένης λάσπης, %VS 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Χρόνος παραμονής, ημέρες L CH 4 /g COD r y = 11,8x + 365,2 R² = 0, Θερμοκρασία, ο C

62

63

64 ΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ ΛΑΣΠΩΝ

65 Aerobic sludge digesters

66 Σχεδιασμός χωνευτήρων dx dt = k d X d t -k 0 e e X X t n n X X d -k 0 e e X X t k X X X X d n O n e 1 1 m m d n O n e t k X X X X 1 1

67 Αερόβιος αντιδραστήρας με ανακυκλοφορία λάσπης Ee Q Q Q X X X O O W W V e e w w o o d X Q X Q X Q V dt dx V X k SRT X Q X Q V X k w w o o d 1

68 Συγκέντρωση VSS, mg/l Πειραματικός προσδιορισμός της κινητικής Παγίδα CO 2 B 5000 Παγίδα A Αερόβιος Χωνευτήρας Δειγματολήπτης Α Δειγματολήπτης Β Χρόνος, days