ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΠΟΝΙΑΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΧΡΗΣΤΟΥ ΜΑΝΔΡΟΥΚΑ Πτυχιούχου Γεωπόνου ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΣΥΓΧΩΝΕΥΣΗ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΑΓΕΛΑΔΩΝ ΜΕ ΕΝΣΙΡΩΜΑ ΚΑΛΑΜΠΟΚΙΟΥ Επιβλέπων Θωμάς Κωτσόπουλος, Επίκουρος Καθηγητής ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2015
2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΠΟΝΙΑΣ Π.Μ.Σ. ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ & ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΜΑΝΔΡΟΥΚΑΣ ΧΡΗΣΤΟΣ ΓΕΩΠΟΝΟΣ, M.Sc. ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΣΥΓΧΩΝΕΥΣΗ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΑΓΕΛΑΔΩΝ ΜΕ ΕΝΣΙΡΩΜΑ ΚΑΛΑΜΠΟΚΙΟΥ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Τριμελής εξεταστική επιτροπή: Θωμάς Α. Κωτσόπουλος, Επίκουρος Καθηγητής του Τμήματος Γεωπονίας του Α.Π.Θ. Νικήτα-Μαρτζοπούλου Χρυσούλα, Καθηγήτρια του Τμήματος Γεωπονίας του Α.Π.Θ. Βασίλειος Β. Φράγκος, Λέκτορας του Τμήματος Γεωπονίας του Α.Π.Θ. ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2015
3 Δηλώνω ότι είμαι ο συγγραφέας της παρούσας εργασίας με τίτλο ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΣΥΓΧΩΝΕΥΣΗ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΑΓΕΛΑΔΩΝ ΜΕ ΕΝΣΙΡΩΜΑ ΚΑΛΑΜΠΟΚΙΟΥ που συντάχθηκε στα πλαίσια του μεταπτυχιακού προγράμματος Γεωργικής Μηχανικής και Υδατικών Πόρων. 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 : Μανδρούκας Χρήστος Ημερομηνία : 2/ 2 /2015
4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΕΣ... 7 σελ. ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 1o 1. Γενικά στοιχεία - βιοαέριο... 14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ... 28 2.1. Αναερόβια αποικοδόμηση... 28 2.1.1. Αναερόβια μικροβιολογία... 30 2.1.1.1. Η υδρόλυση... 34 2.1.1.2. Οξεογένεση Οξικογένεση... 35 2.1.1.3. Μεθανογένεση... 36 2.2. Μεθανογόνοι μικροοργανισμοί... 37 2.3. Παράγοντες που επηρεάζουν την αναερόβια αποικοδόμηση... 38 2.3.1. Η θερμοκρασία... 38
5 2.3.2. Η τιμή του ph... 41 2.3.3. Τα θρεπτικά στοιχεία... 42 2.3.4. Οι αναστολείς της μεθανογένεσης... 43 2.4. Κυριότεροι τύποι Βιολογικών Αντιδραστήρων... 46 2.4.1. Βιολογικός αντιδραστήρας μίας εισροής αποβλήτων (Batch digester). 47 2.4.2. Σταθερού τύπου βιολογικός αντιδραστήρας Κινέζικος τύπος... 48 2.4.3. Κυλινδρικού τύπου αντιδραστήρας (Bag design)... 49 2.4.4. Αντιδραστήρας συνεχούς ανάδευσης (CSTR). 50 2.5. Συναποικοδόμηση... 52 2.6. Ενσίρωση καλαμποκιού... 57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΡΙΤΟ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΕΡΕΥΝΑΣ... 61 3.1. Το ερευνητικό πεδίο... 61 3.2. Σκοποί στόχοι της έρευνας... 64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΤΑΡΤΟ ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ... 65 4.1. Πρώτες ύλες υλικά... 65 4.1.1. Πειραματικός σχεδιασμός και επεξεργασία πρώτων υλών... 67 4.2. Μέθοδοι μετρήσεων... 70 4.2.1. Μέτρηση του ph... 70 4.2.2. Μέτρηση των ολικών στερεών (Total Solids)... 71 4.2.3. Μέτρηση των πτητικών στερεών (Volatile Solids)... 73
6 4.2.4. Μέτρηση του ολικού αζώτου (ΤΚΝ)... 75 4.2.5. Μέτρηση της ποσότητας του παραγόμενου βιοαερίου... 77 4.2.6. Μέτρηση της ποσότητας του παραγόμενου μεθανίου... 78 4.3. Λειτουργία πειραματικής διάταξης... 81 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΥΖΗΤΗΣΗ... 82 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 85 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 89 Ξένη... 89 Ελληνική... 96 Νόμοι Διατάγματα... 99 Διαδίκτυο... 101
7 ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΕΣ Ελληνικές Ε.Ε. : Ευρωπαϊκή Ένωση Ε.Ε.Ε.Ε. : Επίσημη Εφημερίδα Ευρωπαϊκής Ένωσης Ε.Κ. : Ευρωπαϊκή Κοινότητα εδ. : εδάφιο Η.Ε. : Ηνωμένα Έθνη Κ.Ο. : Κοινοτική Οδηγία κλπ : και λοιπά Ν. : Νόμος παρ. : παράγραφος ΥΠΕΚΑ : Υπουργείο Περιβάλλοντος, Ενέργειας και Κλιματικής Αλλαγής σ. : σελίδα ΣτΕ : Συμβούλιο της Επικρατείας χ.χ. : χωρίς χρονολογία Ξένες v. : volume U.K. : United Kindgom U.S. : United States of America
8 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Τα ζητήματα του περιβάλλοντος ως και μέχρι πριν από τρεις δεκαετίες δεν απασχολούσαν στον βαθμό που θα έπρεπε την κοινωνία και ο όρος της ανάπτυξης συνδεόταν καθαρά με οικονομικά χαρακτηριστικά και συγκεκριμένα με την ικανότητα μιας οικονομίας να παράγει ένα διαρκώς αυξανόμενο όγκο αγαθών και υπηρεσιών. Έμφαση δινόταν στην επίτευξη υψηλών οικονομικών επιδόσεων, καθώς η οικονομική μεγέθυνση θεωρείτο ως η μοναδική διέξοδος από τα προβλήματα της φτώχειας και της ανεργίας. Σήμερα, έχει γίνει πλέον αντιληπτό ότι δεν είναι δυνατή η επίτευξη μακροχρόνιας ανάπτυξης χωρίς συνυπολογισμό της περιβαλλοντικής και κοινωνικής διάστασης. Οι κλιματικές αλλαγές έχουν έλθει στο επίκεντρο της παγκόσμιας επικαιρότητας τα τελευταία χρόνια εξαιτίας των ραγδαίων επιπτώσεών τους, τόσο στα οικοσυστήματα όσο και στις δομές των διεθνών σχέσεων. Η διεθνής κοινότητα αντιλαμβανόμενη το μέγεθος του προβλήματος έχει επαναπροσδιορίσει τις πολιτικές της ώστε να προσαρμοστεί στις νέες απαιτήσεις. Πολλοί έχουν ασχοληθεί με τα περιβαλλοντικά προβλήματα, την υπερθέρμανση του πλανήτη, την οικολογική καταστροφή από την υπερεκμετάλλευση των φυσικών πόρων και την αλόγιστη ρύπανση της γης και της ατμόσφαιρας. Η αειφόρος ανάπτυξη, η ανακύκλωση, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, έχουν πλέον μπει όχι μόνο στην καθημερινή μας ζωή αλλά αποτελούν τον κινητήριο μοχλό της δράσης και της νομολογίας των κρατών σε παγκόσμιο επίπεδο και πρωταρχική επιδίωξη της Ευρωπαϊκής Ένωσης τα τελευταία χρόνια. Ο μεγάλος όγκος αποβλήτων και το υψηλό ρυπαντικό τους φορτίο μπορούν να μετατραπούν με την κατάλληλη επεξεργασία, από επιβαρυντικούς παράγοντες για το περιβάλλον, σε ενέργεια και υλικά χρήσιμα για την ανθρώπινη δραστηριότητα. Η επαναχρησιμοποίηση και η εκμετάλλευση των αποβλήτων που προέρχονται από την αγροτική και κτηνοτροφική παραγωγή θεωρούνται πλέον ως
9 σημαντικότατος παράγοντας της Πράσινης Αγροτικής Αλυσίδας Εφοδιασμού Τροφίμων. Η διατριβή αυτή θα εστιάσει όχι μόνο θεωρητικά, στην εκμετάλλευση των αποβλήτων, αλλά θα αναπτύξει και τη δυνατότητα παραγωγής βιοαερίου από την αναερόβια επεξεργασία των ζωικών αποβλήτων και φυτικής βιομάζας, και ιδιαίτερα των αποβλήτων των αγελάδων σε συνδυασμό με ενσίρωμα αραβοσίτου, βάσει έρευνας και πειραμάτων που πραγματοποιήθηκε στο Αγρόκτημα του τμήματος Γεωπονίας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Η έρευνα διήρκησε 6 περίπου μήνες. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά, τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Κωτσόπουλο, ο οποίος με βοήθησε στην έρευνα αυτή, βήμα βήμα, από τον προσδιορισμό του θέματος της έρευνας μέχρι και την εποπτεία της. Θέλω παράλληλα να ευχαριστήσω και όλους, φίλους και συνεργάτες, που βοήθησαν πρακτικά στο δύσκολο έργο της διεξαγωγής των πειραματικών διαδικασιών. Θα ήθελα τέλος να ευχαριστήσω την οικογένειά μου για την αμέριστη στήριξη, την ψυχική και οικονομική, σε όλο το διάστημα αυτής της εκπόνησης. Ελπίζω, με την προσπάθειά μου αυτή, να προσθέσω έστω και ένα μικρό λιθαράκι στην ανακάλυψη τρόπων εκμετάλλευσης των υπό-προϊόντων που τόσο πλουσιοπάροχα μας προσφέρει η φύση και στη δημιουργία εναλλακτικών μορφών ενέργειας ώστε τα απόβλητα να αποτελούν πλέον σύμμαχο και όχι εχθρό της αειφορίας και της ζωής στον υπέροχο αυτό πλανήτη που ονομάζεται «Γη».
10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ - ΕΙΣΑΓΩΓΗ «Η φύσις μηδέν μήτε ατελές ποιεί μήτε μάτην». Αριστοτέλους, Φυσικά Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας παραγωγής γεωργικών και κτηνοτροφικών προϊόντων διατροφής, οι μεγάλες ποσότητες των οργανικών αποβλήτων που παράγονται, αν διατεθούν χωρίς επεξεργασία, αυτούσιες, στο περιβάλλον προκαλούν ρύπανση και γενικά επιβαρύνουν αρνητικά το έδαφος, το νερό και την ατμόσφαιρα. Από την άλλη πλευρά, τα απόβλητα που παράγονται από την κτηνοτροφική βιομηχανία, καθώς επίσης και τα υπολείμματα καλλιεργειών, είναι άριστες πρώτες ύλες για την παραγωγή ενέργειας και βιολογικών λιπασμάτων μέσω της αναερόβιας χώνευσης της οργανικής ύλης. Η υπερβολική κατανάλωση των φυσικών πόρων και η ανθρώπινη επίδραση στον κύκλο της ύλης έχουν διαταράξει τις φυσικές ισορροπίες, με αποτελέσματα πολύ δυσοίωνα για το άμεσο μέλλον αυτού του πλανήτη. Συνειδητοποιώντας τα κράτη, παγκόσμια, τις λεπτές ισορροπίες που διατηρούν την πολυπλοκότητα της βιοποικιλότητας από τη μια και την επερχόμενη εξάντληση των φυσικών πόρων από την άλλη, στράφηκαν προς εξεύρεση εναλλακτικών μορφών ενέργειας. Η χρησιμοποίηση των αποβλήτων των κτηνοτροφικών και γεωργικών καλλιεργειών φαντάζει ιδανική για το σκοπό αυτό, διότι αφενός μειώνει τη ρύπανση του περιβάλλοντος και αφετέρου
11 προσφέρει εναλλακτικές μορφές ενέργειας, που τόσο τις έχει ανάγκη το ανθρώπινο γένος. Αυτό συμβαίνει διότι η αναερόβια χώνευση παράγει βιοαέριο και εξαιρετικά βιολιπάσματα, τα οποία εμπεριέχουν πλούσια ανόργανα θρεπτικά συστατικά, που ενσωματώνονται απόλυτα στον κύκλο της ύλης και συμβάλλουν στη διατροφική αλυσίδα (Sahlström, 2003). Σήμερα, περισσότερο από ποτέ, είναι επιτακτική η ανάγκη να βρεθούν νέες μορφές ενέργειας, φιλικές προς το περιβάλλον, οι οποίες να είναι ανεξάντλητες ανανεώσιμες και ικανές να καλύψουν σε μεγάλο ποσοστό τις ενεργειακές ανάγκες. (Κωτσόπουλος, 2005). Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η αναερόβια συναποικοδόμηση αποβλήτων αγελάδων και ενσιρώματος. Ειδικότερα, διερευνήθηκε η ενεργειακή απόδοση της αναερόβιας συναποικοδόμησης διαφόρων αναλογιών αποβλήτων βουστασίου και ενσιρώματος αραβοσίτου, με σκοπό την εύρεση της βέλτιστης αναλογίας αλλά και της καλύτερης προετοιμασίας και θερμοκρασίας προεπεξεργασίας, ώστε να προκύψει ένα μείγμα κατάλληλο να αποικοδομηθεί επιτυχώς, παρέχοντας ταυτόχρονα τη μέγιστη ενεργειακή απόδοση. Η επαναχρησιμοποίηση καθώς και η αξιοποίηση των καταλοίπων και των αποβλήτων που παράγονται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας παραγωγής γεωργικών προϊόντων διατροφής, θεωρείται ως ένα σημαντικό τμήμα της Αλυσίδας της Γεωργικής Παραγωγής. Το ερευνητικό έργο στοχεύει στη βελτίωση της παραγωγής μεθανίου στην αναερόβια χώνευση της κόπρου βοοειδών με μείγμα ενσίρωσης αραβοσίτου. Η έρευνα έγινε στο αγρόκτημα του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης στις εγκαταστάσεις του Κέντρου Ελέγχου Γεωργικών Κατασκευών όπου χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις αντιδραστήρες συνεχούς ανάδευσης (Continuously Stirred Tank Reactor: CSTR). Ειδικότερα, διεξήχθησαν δύο σετ μεταχειρίσεων: Στο πρώτο σετ χρησιμοποιήθηκε μόνο κόπρος βοοειδών και έγιναν μετρήσεις παραγωγής μεθανίου.
12 Στο δεύτερο σετ χρησιμοποιήθηκε μείγμα κόπρου βοοειδών με ενσίρωμα αραβοσίτου. Κάθε ομάδα περιελάμβανε δύο διαφορετικές προεπεξεργασίες. Η μία ομάδα υπέστη προεργασία θερμική και η άλλη όχι. Τέσσερις CSTR αντιδραστήρες χρησιμοποιήθηκαν με όγκο εργασίας 1L που λειτουργεί στους 37 ο C. Το όλο σύστημα λειτουργούσε με υδραυλικό χρόνο παραμονής (HRT) για 30 ημέρες και είχε ολική συγκέντρωση στερεών (ΤS) 4%. Στόχοι της έρευνας ήταν: Α. Να ελεγχθεί αν η συγχώνευση αραβοσίτου ενσίρωσης με κοπριά βοοειδών ενισχύει και πόσο την παραγωγή μεθανίου. Β. Να ελεγχθεί εάν η θερμική προ-επεξεργασία αυτούσιας της κοπριάς αγελάδων αυξάνει και πόσο την παραγωγή μεθανίου που παράγεται από την αναερόβια χώνευση. Γ. Να ελεγχθεί εάν η θερμική προ-επεξεργασία του μίγματος είναι ευεργετική για τη βελτίωση της παραγωγής μεθανίου και πόση μεγαλύτερη απόδοση αυτή έχει σε κάθε εξεταζόμενη περίπτωση. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία αναφορά στην υπερεκμετάλλευση των φυσικών πόρων, την άσκοπη κατανάλωση ενέργειας, και τη ρύπανση από τη λειτουργία του σύγχρονου κόσμου καθώς και του βιοαερίου. Η συνειδητοποίηση των ανωτέρω οδήγησε τα τελευταία κυρίως χρόνια την Ευρωπαϊκή Ένωση στη δημιουργία Οδηγιών για προστασία του Περιβάλλοντος και στη δημιουργία κινήτρων για ανακύκλωση, για εναλλακτικές μορφές ενέργειας, για αειφορική ανάπτυξη και φυσικά καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται η αναερόβια επεξεργασία των οργανικών αποβλήτων και επεξηγείται η αναερόβια μικροβιολογία και συγκεκριμένα η υδρόλυση, η οξεογένεση και η μεθανογένεση μέσα από βιβλιογραφική ανασκόπηση. Επίσης αναλύονται οι παράγοντες που επηρεάζουν την αναερόβια αποικοδόμηση όπως π.χ. η θερμοκρασία, το ph, τα θρεπτικά στοιχεία κλπ και προσεγγίζεται η αναερόβια συναποικοδόμηση. Επίσης αναλύονται οι κυριότεροι
13 τύποι αναερόβιων βιολογικών αντιδραστήρων και κυρίως ο CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor), ο οποίος χρησιμοποιήθηκε στη συγκεκριμένη έρευνα. Το τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται στο αντικείμενο της έρευνας και επικεντρώνεται στην σπουδαιότητα της συναποικοδόμησης για την επίτευξη των στόχων της έρευνας αυτής. Το τέταρτο κεφάλαιο καταγράφει τον πειραματικό σχεδιασμό, τα υλικά και τις μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν και τις σχετικές αναλύσεις. Ακολουθούν τα αποτελέσματα της έρευνας και τα συμπεράσματα που προήλθαν, για τη βέλτιστη αναλογία αποβλήτων βουστασίου και αραβοσίτου, με στόχο πάντοτε την μεγαλύτερη δυνατή παραγωγή μεθανίου και την πληρέστερη αξιοποίηση των πρώτων υλών. Παράλληλα, καταγράφονται οι προοπτικές για περαιτέρω έρευνα, γιατί η γνώση δεν έχει σύνορα και δεν σταματά πουθενά.
14 1. Γενικά στοιχεία - Βιοαέριο Ζωτικής σημασίας για την ευημερία και την οικονομική ανάπτυξη της κοινωνίας αποτελεί η επάρκεια ενέργειας. Σήμερα οι παγκόσμιες ανάγκες σε ενέργεια καλύπτονται από τα ορυκτά καύσιμα (περίπου 80% της παρούσας ενεργειακής ζήτησης), με αποτέλεσμα την αύξηση της τιμής του πετρελαίου και επακόλουθο ποικίλα προβλήματα στην παγκόσμια οικονομία. Παράλληλα η σημερινή εξάρτηση της παραγωγικής δραστηριότητας από τα ορυκτά καύσιμα, ως πρωταρχική πηγή ενέργειας επιδρά δυσμενώς στο περιβάλλον. Παγκόσμιες κλιματικές αλλαγές, υποβάθμιση του περιβάλλοντος και προβλήματα υγείας είναι το αποτέλεσμα της χρήσης των ορυκτών καυσίμων πέρα από την αλόγιστη υπερεκμετάλλευσή τους (Kotsopoulos et al., 2005). Η γεωργία κατέχει μαζί με την κτηνοτροφία τη σημαντικότερη θέση στον πρωτογενή τομέα παραγωγής στην Ελλάδα, όπου απασχολείται το 30% περίπου του ενεργού πληθυσμού της χώρας. Παραδοσιακά, η διάθεση των ζωικών αποβλήτων γινόταν στη γεωργική γη ή αποδέκτης τους ήταν τα ρέματα, οι λίμνες και η θάλασσα, χωρίς να υπάρχει περιβαλλοντική μέριμνα. Έρευνες που έγιναν παγκοσμίως εντόπισαν ότι τα ζωικά απόβλητα περιέχουν νιτρικά ιόντα και πλήθος βακτήρια που ρυπαίνουν όχι μόνο το έδαφος, αλλά και το νερό και τον ατμοσφαιρικό αέρα. Συγκεκριμένα οι Manassaram, Backer & Moll, το 2007, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η ποσότητα νιτρικών στο πόσιμο νερό, από περιοχές οι οποίες ήταν κοντά σε βουστάσια και χοιροστάσια ήταν πολύ αυξημένη σε σχέση με άλλες περιοχές (Manassaram et al., 2007). Αποτέλεσμα της μη αξιοποίησης των κτηνοτροφικών αποβλήτων και της διοχέτευσής τους ανεπεξέργαστων στον περιβάλλοντα χώρο, σε συνδυασμό με τις εντατικές μορφές κτηνοτροφίας, είναι η ρύπανση του περιβάλλοντος, με την υψηλή πρωτογενή ρύπανση κυρίως του υδροφόρου ορίζοντα, με τη δευτερογενή ρύπανση λόγω του ευτροφισμού που προκαλούν τα απόβλητα αλλά και η ταυτόχρονη αύξηση των μολύνσεων λόγω της αύξησης της μύγας, των βακτηριδίων και της ρύπανσης των υδάτων που απειλεί ανθρώπους και ζώα.
15 Με βάση μελέτες των τελευταίων ετών, μεταξύ των τριών βασικών θρεπτικών στοιχείων που είναι το κάλιο, το άζωτο και ο φωσφόρος, τις σοβαρότερες συνέπειες στην ανθρώπινη υγεία δημιουργεί η υψηλή περιεκτικότητα των τροφών αλλά και των πόσιμων υδάτων σε νιτρώδη και νιτρικά ιόντα, δηλαδή το άζωτο. Πιο συγκεκριμένα, τα νιτρώδη σε μεγάλες ποσότητες πιθανό να δημιουργήσουν ασθένειες τόσο στους ενήλικες όσο και στα νεογνά διότι από τη μία μετατρέπονται σε νιτροζαμίνες που πιθανόν να προκαλέσουν γαστρικό καρκίνο στους ενηλίκους αφετέρου μπορούν να παρεμποδίσουν την ικανότητα της αιμογλοβίνης του αίματος να μεταφέρει οξυγόνο. Τα νιτρώδη αντιδρούν με την αιμογλοβίνη του αίματος, οξειδώνοντας τα ιόντα σιδήρου και παράγουν μεθαιμογλοβίνη. Έρευνες εντόπισαν ότι τα νιτρικά μέσω του πόσιμου ύδατος περνούν στο μητρικό γάλα και εκθέτουν εκτός από τις μητέρες, και τα νεογνά στον κίνδυνο μετατροπής της αιμογλοβίνης σε μεθαιμογλοβίνη, που παρεμποδίζει την οξυγόνωση των ιστών (Knobeloch et al., 2000). Η ασθένεια αυτή, που ονομάζεται και μεθαιμογλοβιναιμία (methemoglobinemia) αυξάνει την τοξικότητα του αίματος γιατί τα νιτρώδη άλατα αντιδρούν με την αιμογλοβίνη και την μετατρέπουν σε μεθαιμογλοβίνη η οποία «μπλοκάρει» τη μεταφορά οξυγόνου μέσω των ερυθρών αιμοσφαιρίων προς τους μυς, και δρα αντιδιασταλτικά προς την αιμογλοβίνη, με αποτέλεσμα τα βρέφη να παρουσιάζουν μία κυάνωση λόγω κακής οξυγόνωσης των ιστών, και γι αυτό και το σύνδρομο ονομάστηκε και «blue baby syndrome». Η έλλειψη σωστής οξυγόνωσης σε έγκυες κυρίως γυναίκες και μικρά παιδιά που λαμβάνουν νιτρικά άλατα είτε έμμεσα, μέσω του θηλασμού, είτε άμεσα, από το πόσιμο νερό, εγκυμονεί σοβαρότατους κινδύνους για την υγεία τους και μπορεί να προκαλέσει και τον ίδιο τον θάνατο. (Joslin, 2005, Salguero & Cummings, 2002, Avery 1999). Όπως έιδαμε παραπάνω τα ζωικά απόβλητα αποτελούν για τη χώρα μας έναν από τους πιο σημαντικούς παράγοντες περιβαλλοντικής υποβάθμισης της υπαίθρου. Η εναπόθεση των αποβλήτων σε μία περιοχή προκαλεί την αισθητική της υποβάθμιση καθώς και την παραγωγή αυξημένου πληθυσμού μύγας και άλλων εντόμων, αν δεν ληφθούν τα κατάλληλα μέτρα, όπως αυτά ορίζονται από
16 την εθνική νομοθεσία, τις κοινοτικές οδηγίες και τους διεθνείς κανόνες που αφορούν την προστασία του περιβάλλοντος. Η Ευρωπαϊκή Ένωση συντονίστηκε με την αρχή 16 της Διακήρυξης του Ρίο «ο ρυπαίνων πληρώνει». Βάσει της αρχής αυτής το κόστος των περιβαλλοντικών ζημιών πρέπει να αναλαμβάνεται από τον ίδιο τον ρυπαίνοντα και όχι από την ολότητα (Κανελλόπουλος, 2010). Τα τελευταία μόλις χρόνια άρχισε να γίνεται συνειδητή στην Ελλάδα η ανάγκη ανακύκλωσης και εκμετάλλευσης των γεωργικών και κτηνοτροφικών αποβλήτων. Βέβαια, οποιαδήποτε λύση προτείνεται για την επεξεργασία των αποβλήτων, πρέπει να είναι οικονομικά συμφέρουσα, ώστε να γίνει αποδεκτή από τον παραγωγό με σκοπό να την ακολουθήσει. Το άρθρο 24 του Συντάγματος του 1975 υπήρξε μια διάταξη καινοτόμα για την εποχή της. Το άρθρο όριζε ότι: «Η προστασία του φυσικού και πολιτιστικού περιβάλλοντος αποτελεί υποχρέωση του Κράτους και δικαίωμα του καθενός. Για τη διαφύλαξή του το Κράτος έχει υποχρέωση να παίρνει ιδιαίτερα προληπτικά και κατασταλτικά μέτρα στο πλαίσιο της αρχής της αειφορίας. Νόμος ορίζει τα σχετικά με την προστασία των δασών και των δασικών εκτάσεων. Η σύνταξη δασολογίου συνιστά υποχρέωση του κράτους. Απαγορεύεται η μεταβολή του προορισμού των δασών και των δασικών εκτάσεων, εκτός αν προέχει για την Εθνική Οικονομία η αγροτική εκμετάλλευση ή άλλη τους χρήση που την επιβάλει το δημόσιο συμφέρον». Με την αναθεώρηση του 2001 κατοχυρώνεται η αρχή της αειφορίας, ή αλλιώς της βιώσιμης ανάπτυξης, της προστασίας δηλαδή του περιβάλλοντος για χάρη και των επερχόμενων γενιών. Επιπλέον κατοχυρώνεται η ατομική διάσταση του δικαιώματος στο περιβάλλον το οποίο αναγνωρίζεται ως δικαίωμα του καθενός (Σύνταγμα 2001 άρθρο 24). Η «αρχή της αειφορίας» εκτός από το άρθρο 24 παρ.1 εδ.β του Συντάγματος, αναφέρεται και στη νομολογία του ΣτΕ 2537/1996. Η Ευρωπαϊκή Επιτροπή, το 2007, επιχειρώντας να αντιμετωπίσει την κλιματική αλλαγή και να δημιουργήσει μια ενιαία ενεργειακή πολιτική για την Ευρώπη, έθεσε ως στόχους, με ορίζοντα το 2020: τη μείωση κατά 20% των εκπομπών των αερίων θερμοκηπίου (απόφαση 406/2009/ΕΚ)
17 τη βελτίωση κατά 20% της ενεργειακής αποδοτικότητας [Πράσινη βίβλος για την ενεργειακή απόδοση COM(2005) 265]. τη συμμετοχή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην τελική ενεργειακή κατανάλωση κατά 20% (Οδηγία 2009/28/ΕΚ). την αύξηση του ποσοστού των βιοκαυσίμων στις μεταφορές κατά 10% (Eurostat, 2009). Από το 2011 με πρωτοβουλία της Ευρωπαϊκής Ένωσης δημιουργήθηκε το πρόγραμμα «Ευφυής Ενέργεια για την Ευρώπη». Το πρόγραμμα αυτό στοχεύει στον καθορισμό δυναμικού βιοαερίου σε κτηνοτροφικές μονάδες και στην ανάδειξη της βιωσιμότητας επενδύσεων σταθμών βιοαερίου. Στις 25 Οκτωβρίου του 2012 νέα Οδηγία με αριθμό 27 δίδεται για τις εναλλακτικές μορφές ενέργειας, η οποία τροποποιεί τις Οδηγίες 2009/125 ΕΚ και 2010/30/ΕΕ και καταργεί τις Οδηγίες 2004/8/ΕΚ και 2006/32/ΕΚ. (Ε.Ε.Ε.Ε. 315/14.11.2012). Η Οδηγία ειδικότερα αναφέρει: «Στα συμπεράσματα του Ευρωπαϊκού Συμβουλίου της 17 ης Ιουνίου 2010 επιβεβαιώνεται ότι ο στόχος της ενεργειακής απόδοσης είναι ένας από τους πρωταρχικούς στόχους της νέας στρατηγικής της Ένωσης για την απασχόληση και την έξυπνη, βιώσιμη και χωρίς αποκλεισμούς ανάπτυξη. Στο πλαίσιο αυτής της διαδικασίας και για την υλοποίηση του εν λόγω στόχου σε εθνικό επίπεδο, τα κράτη μέλη οφείλουν να καθορίσουν εθνικούς στόχους σε στενή συνεργασία με την Επιτροπή και να αναφέρουν, στα εθνικά τους προγράμματα μεταρρυθμίσεων, το πώς σκοπεύουν να τους επιτύχουν». (Ε.Ε.Ε.Ε. 315/14.11.2012 παρ.3.) Από την έλευση της νέας χιλιετίας η διαχείριση των αποβλήτων ειδικότερα, αποτελεί πολιτική προτεραιότητα της Ευρωπαϊκής Ένωσης (Συμβούλιο Περιβάλλοντος της Ευρωπαϊκής Ένωσης 10746/04, 2004). Η διάθεση και διαχείριση των αποβλήτων καθώς και η αναζήτηση νέων μορφών ενέργειας για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών, καθώς επίσης και η ταυτόχρονη απαίτηση για μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα, υποδεικνύουν την αναερόβια αποικοδόμηση των οργανικών αποβλήτων ως τη βέλτιστη και πιο οικονομική διαδικασία για την επίτευξη των στόχων αυτών (Sahlström, 2003).
18 Η επεξεργασία των αποβλήτων με τη διαδικασία της αναερόβιας ζύμωσης θεωρείται η καταλληλότερη μέθοδος για τη μετατροπή των οργανικών αποβλήτων σε χρήσιμα προϊόντα, όπως είναι η ενέργεια και το λίπασμα (Κωτσόπουλος, 2005). Η διαδικασία αυτή μπορεί να αποφέρει σημαντικά οφέλη στην ελληνική οικονομία και στο περιβάλλον, καθώς δίνει λύση στο ολοένα και μεγαλύτερο πρόβλημα της διάθεσης των αποβλήτων, ενώ παράλληλα αντικαθιστά εισαγόμενα ρυπογόνα καύσιμα, συνεισφέροντας με τον τρόπο αυτό στη βελτίωση της ποιότητας του περιβάλλοντος και στην αειφόρο ανάπτυξη. Στην Ελλάδα προς το παρόν δεν υπάρχουν αρκετοί σε λειτουργία αναερόβιοι βιολογικοί αντιδραστήρες επεξεργασίας κτηνοτροφικών αποβλήτων για παραγωγή βιοαερίου. Αυτό οφείλεται: Στην έλλειψη της απαραίτητης τεχνογνωσίας. Στην ελλειπή ενημέρωση των εμπλεκόμενων φορέων (επιχειρήσεων, κράτους, κτηνοτρόφων), για τα πολλαπλά οφέλη που προκύπτουν από τη χρήση τέτοιων μορφών επεξεργασίας των αποβλήτων. Στο υψηλό κόστος πρώτης εγκατάστασης (Reith et al., 2003). Στην Ελλάδα, οι σημαντικότερες μονάδες παραγωγής βιοαερίου βρίσκονται (Υπουργείο Ανάπτυξης, 2008): Στην Ψυτάλλεια, όπου η ετήσια παραγωγή θερμικής ενέργειας ανέρχεται σε 85,67GWh και η ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ανέρχεται σε 64,56 GWh. Στα Άνω Λιόσια Αττικής, όπου η ετήσια παραγωγή θερμικής ενέργειας ανέρχεται σε 134,8GWh και η ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ανέρχεται σε 112,5GWh. Το δυναμικό παραγωγής βιοαερίου, από απόβλητα ζώων και μόνο, μεταφρασμένο σε μεγαβάτ (MW) ηλεκτροπαραγωγής, εκτιμάται ότι ξεπερνά τα 86 MW, αντίστοιχο με εκείνο τριών μικρών υδροηλεκτρικών σταθμών. Το μεγαλύτερο δυναμικό εντοπίζεται στην Κεντρική Μακεδονία (δυνητική παραγωγή 33 MW από βοοειδή και 2 MW από χοίρους), ενώ ακολουθούν Ανατολική Μακεδονία και Θράκη (συνολικά 16MW), Θεσσαλία (15MW) και Ήπειρος (10MW) σύμφωνα με μία πρώτη εκτίμηση του υπάρχοντος δυναμικού
19 που διατύπωσε το Ινστιτούτο Τεχνικής Χημικών Διεργασιών στο Εθνικό Κέντρο Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης (ΕΚΕΤΑ 9/3/2013). Η αξιοποίηση των ζωικών αποβλήτων αναμένεται να έχει σημαντική συνεισφορά στην επίτευξη των στρατηγικών στόχων της εθνικής ενεργειακής πολιτικής. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια της πολιτικής που έχει αναπτυχθεί, γίνεται λόγος για την ασφάλεια και αξιοπιστία του ενεργειακού εφοδιασμού της χώρας. Έως τώρα, η Ελλάδα είναι ενεργειακά εξαρτώμενη χώρα, με συνέπειες την εκροή σημαντικού μέρους των εθνικών πόρων για την εξασφάλιση ορυκτών καυσίμων και την ευαισθησία στις μεταβολές του παγκόσμιου ενεργειακού σκηνικού. Η παραγωγή και ενεργειακή αξιοποίηση του βιοαερίου θα εξασφαλίσει, εν μέρει, την επιθυμητή ποικιλότητα στις χρησιμοποιούμενες μορφές ενέργειας και στις πηγές εφοδιασμού. Επίσης, η αντικατάσταση μέρους των χημικών λιπασμάτων από χωνεμένη λάσπη εικάζεται ότι μπορεί να συμβάλει στη μείωση της κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων. Επομένως, το συνολικό όφελος από την αξιοποίηση των ζωικών αποβλήτων αναμένεται να είναι η συμβολή τους, ως μέρος των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, στη μείωση των κινδύνων που συνδέονται με την ενεργειακή εξάρτηση (Μαρδίκης, 2003). Το βιοαέριο παράγεται από την αναερόβια επεξεργασία κτηνοτροφικών κυρίως αποβλήτων, όπως είναι τα απόβλητα των βουστασίων, χοιροστασίων, πτηνοτροφείων και άλλων αγροτοβιομηχανικών μονάδων, τα απόβλητα των βιολογικών καθαρισμών, καθώς και από την αποσύνθεση του οργανικού κλάσματος απορριμμάτων στους Χώρους Υγειονομικής Ταφής Απορριμμάτων (ΧΥΤΑ). Το βιοαέριο αποτελείται κυρίως από μεθάνιο (CH4) και διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ μετά από διαδικασία εμπλουτισμού του και καθαρισμού, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο μεταφορών ή για έγχυση στο δίκτυο του φυσικού αερίου. (Suraju et.al., 2013). Σήμερα το βιοαέριο διοχετεύεται στο δίκτυο του φυσικού αερίου στη Σουηδία, στην Αυστρία, στην Ελβετία και τη Γερμανία, ενώ στη Γαλλία και τη Σουηδία χρησιμοποιείται ως καύσιμο μεταφορών. Στη Σουηδία ειδικότερα, το 2006, υπήρχαν 12.000 οχήματα
20 που χρησιμοποιούσαν ως καύσιμο αναβαθμισμένο βιοαέριο και εκτιμήθηκε ότι ο αριθμός των οχημάτων αυτών θα έφθανε στις 70.000 έως το 2010, και στην ίδια χώρα κυκλοφορεί ήδη το πρώτο τρένο με καύσιμο από απόβλητα αγελάδων. (Persson et al., 2006). Το μεθάνιο είναι 23 φορές πιο ισχυρό από το διοξείδιο του άνθρακα στην παγίδευση της θερμότητας στην ατμόσφαιρα και μπορεί να βρεθεί σε ζωικά απόβλητα, χώρους υγειονομικής ταφής απορριμμάτων, ανθρακωρυχεία και σε διαρροές από σωλήνες φυσικού αερίου. Μία αγελάδα που ζυγίζει 550 κιλά πιστεύεται ότι μπορεί να παράγει από 800 έως 1.000 λίτρα αερίων την ημέρα. Σύμφωνα με δημοσίευμα της βρετανικής εφημερίδας Daily Mail, επιστήμονες από την Αργεντινή συγκεντρώνουν το μεθάνιο που παράγεται από τις αγελάδες μέσα σε ειδικά διαμορφωμένα σακίδια. Τα σακίδια αυτά τοποθετούνται στη ράχη του ζώου και αποσπούν μέχρι και 300 λίτρα μεθανίου μέσω ενός μικρού σωλήνα, ο οποίος έχει τοποθετηθεί μέσα στον πεπτικό σωλήνα του ζώου, παρέχοντας αρκετή ενέργεια για να λειτουργήσει ένα αυτοκίνητο για 24 ώρες, όπως δείχνει η επόμενη εικόνα (National Institute for Agricultural Techonogy, Argentina, 2013). ΕΙΚΟΝΑ Ι Συγκέντρωση μεθανίου απευθείας από τις αγελάδες Πηγή: http://www.b2green.gr/main.php?pid=17&nid=11672#
21 Για την παραγωγή βιοαερίου, η αναερόβια χώνευση εκτός από τα κτηνοτροφικά απόβλητα, συνήθως περιλαμβάνει και φυτική βιομάζα. Το βιοαέριο είναι ένα αέριο υψηλής ενεργειακής απόδοσης με 50-70% περιεκτικότητα σε μεθάνιο. Επίσης, το βιοαέριο μπορεί μέσω της συμπαραγωγής (CHP) να παράξει τόσο θερμότητα όσο και ηλεκτρισμό. Επιπλέον, σε πολλές χώρες το βιοαέριο που παράγεται από γεωργικές και κτηνοτροφικές δραστηριότητες μπορεί να ενισχύσει το εθνικό δίκτυο φυσικού αερίου. Το στερεό κατάλοιπο που παράγεται μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν λίπασμα υψηλής ποιότητας για τις γειτονικές καλλιέργειες ή να πωλείται ως εδαφοβελτιωτικό (Mercer, 2013). Στην Ευρώπη, σε αρκετές χώρες, η παραγωγή βιοαερίου από κτηνοτροφικά απόβλητα, ακολουθώντας και τις Κοινοτικές Οδηγίες, είναι μία αρκετά διαδεδομένη διαδικασία και ενισχύεται από τοπικούς φορείς αλλά και Κοινοτικά Κεφάλαια. Χαρακτηριστικό παράδειγμα το δάνειο που πήρε η Ουκρανία από την Ευρωπαϊκή Τράπεζα Επενδύσεων, ύψους 3,1 εκατομμυρίων ευρώ, το οποίο δόθηκε σε Ουκρανούς παραγωγούς βοδινού κρέατος για την παραγωγή βιοαερίου. Η Ουκρανία είναι μία χώρα που καταναλώνει μεγάλα ποσά ενέργειας, ενώ η εξοικονόμησή της είναι ελάχιστη συγκριτικά με την κατανάλωση. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας βρίσκονται σε πολύ χαμηλό επίπεδο, γεγονός που ενισχύει τη σημαντική ρύπανση υδροφόρων υδάτων και γης. Το συγκεκριμένο σχέδιο περιλαμβάνει την κατασκευή μονάδας παραγωγής βιοαερίου ισχύος 1,5MW στην περιοχή Volnovakha, που προβλέπεται να παράγει 5,8 εκατομμύρια m 3 βιοαερίου που μεταφράζεται σε 10.000 MW ετησίως. Η παραγωγή θα κατευθύνεται στην εσωτερική αγορά, ενώ προβλέπεται η ουκρανική κυβέρνηση να διευκολύνει θεσμικά και φορολογικά τη συγκεκριμένη και άλλες παρόμοιες επενδύσεις (Παπανικολάου, 2013). Στην Ευρώπη η συνολική ετήσια ποσότητα βιοαερίου που παράγεται από την αναερόβια επεξεργασία των αποβλήτων βουστασίων και χοιροστασίων είναι 31.568 εκατομμύρια κυβικά μέτρα, όπως παρουσιάζεται στον επόμενo Πίνακα.
22 ΠΙΝΑΚΑΣ Ι Ετήσια Ποσότητα Βιοαερίου που παράγεται από την αναερόβια επεξεργασία αποβλήτων βουστασίου και χοιροστασίου σε 27 χώρες- μέλη της ΕΕ Σύνολο παραγόμενων αποβλήτων Βιοαέριο Μεθάνιο Δυναμικό Δυναμικό [10 6 τόνοι] [10 6 m 3 ] [10 6 m 3 ] [PJ] [Mtoe] 1577 31568 20519 827 8.5 Θερμότητα από την καύση του μεθανίου: 40.3 MJ/m 3, 1Mtoe=44.8 PJ % περιεχόμενο μεθανίου στο βιοαέριο: 65% Πηγή: Nielsen et al., 2008 σ.216. Σύμφωνα με στοιχεία της Ευρωπαϊκής Επιτροπής, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας το 2005 έφθασε τις 6406 GWh, εκ των οποίων οι 122 GWh (1.9%) παρήχθησαν από βιοαέριο (Πίνακας ΙΙ).
23 ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙ Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές για τα έτη 1999-2005 Τεχνολογία ΑΠΕ Παραγωγή (GWh) 1999 Παραγωγή (GWh) 2005 Mέση ετήσια αύξηση (%) ΒΙΟΑΕΡΙΟ 0 122 - Υδροηλεκτρική 3756 4693 3% ενέργεια μεγάλης κλίμακας Υδροηλεκτρική 149 324 10% ενέργεια μικρής κλίμακας Φωτοβολταϊκά 0 1 - Αιολική ενέργεια 37 1266 56% ΣΥΝΟΛΟ 3942 6406 6% Ποσοστό επί της συνολικής κατανάλωσης 8,6% 10,1% Πηγή: European Commission, 2008, σ.17. Με σκοπό την ενίσχυση της παραγωγής βιοαερίου και βιοενέργειας αλλά και τον έλεγχο της αποφυγής ρύπανσης του περιβάλλοντος, η Ευρωπαϊκή Ένωση καθιέρωσε Οδηγία, βάσει της οποίας οι αγοραστές αλλά και οι πωλητές ενεργειακών καυσίμων στην Ευρωπαϊκή Αγορά έχουν την υποχρέωση να περνούν από τακτικούς ελέγχους ώστε να διατηρούνται τα κριτήρια που η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει θέσει. Το βιοαέριο που βασίζεται στην κοπριά είναι μία ακόμη νέα τεχνολογία που διαδίδεται σε ολόκληρο τον κόσμο λόγω των υποχρεώσεων της προστασίας του περιβάλλοντος από τις εκπομπές αερίων, για να
24 ξαναχρησιμοποιηθούν τα υλικά, και για την παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας (Sahlström, 2003). Το βιοαέριο περιέχει μεγάλες ποσότητες μεθανίου και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ανανεώσιμη πηγή ενέργειας με ποικίλες μεθόδους. Επίσης, η υπολειμματική ύλη, συμπεριλαμβάνει όλα τα ιχνοστοιχεία του πρώτου αρχικού υλικού, δίνοντας τη δυνατότητα για ανακύκλωση. Η τεχνολογία του βιοαερίου αποτελεί πλέον την πιο βιώσιμη μέθοδο για την ενεργειακή αξιοποίηση της κοπριάς, γιατί την ίδια στιγμή και ανακυκλώνονται τα ιχνοστοιχεία και ελαχιστοποιούνται οι εκπομπές. Με στόχο την καλύτερη δυνατή εκμετάλλευση των αποβλήτων των κτηνοτροφικών μονάδων και της γεωργικής παραγωγής, την εναρμόνιση με την Ευρωπαϊκή Νομοθεσία ως προς την προστασία του περιβάλλοντος και την εξοικονόμηση ενέργειας αλλά και την εύρεση νέων τρόπων εκμετάλλευσης των αποβλήτων αυτών, η Ελλάδα θεσμοθέτησε μία σειρά νόμων και κανόνων. Στο τέλος του άρθρου 3 του Ν.3054/2002 (ΦΕΚ 230 Α ) προστέθηκαν οι παράγραφοι 15-22, όπου ως βιομάζα χαρακτηρίζεται «το βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα προϊόντων, αποβλήτων και καταλοίπων που προέρχονται από τις γεωργικές, συμπεριλαμβανομένων φυτικών και ζωικών ουσιών, τις δασοκομικές και τις συναφείς βιομηχανικές δραστηριότητες, καθώς και το βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα βιομηχανικών αποβλήτων και αστικών λυμάτων και απορριμμάτων» (Ν.3054/2002 άρθρο 3 παρ.15). Ως βιοαέριο χαρακτηρίζεται στον ίδιο νόμο στην παράγραφο 16 εδ.3 «το καύσιμο που παράγεται από βιομάζα, ή από το βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα βιομηχανικών και αστικών αποβλήτων, το οποίο μπορεί να καθοριστεί και αναβαθμιστεί σε ποιότητα φυσικού αερίου, για χρήση ως βιοκαύσιμο, το ξυλαέριο». (Ν.3054/2002 παρ.15 και Ν.3468/2006 άρθρο 2 παρ.8 ΦΕΚ 129 σ.1405). Με τις διατάξεις του Ν.3855/23.6.2010 (ΦΕΚ 95/2010 σ.1955), εναρμονίζεται η ελληνική νομοθεσία με την Οδηγία 2006/32/ΕΚ του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβουλίου, της 5 ης Απριλίου 2006 για την «ενεργειακή απόδοση κατά την τελική χρήση και τις ενεργειακές υπηρεσίες και για την κατάργηση της Οδηγίας 93/76/ΕΟΚ του Συμβουλίου» (ΕΕ L114/64).
25 Βάσει αυτού του νομικού πλαισίου, τα υγρά και αέρια βιοκαύσιμα που χρησιμοποιούνται στην Ε.Ε. και ο ηλεκτρισμός ο οποίος παράγεται από αυτά πρέπει να πληρούν τους ακόλουθους όρους (Ν.3468/27.6.2006 ΦΕΚ 129 άρθρα 2 παρ.7 και 8, άρθρο 15 παρ.3, σ.1405 και σ.1417 και Επίσημη Εφημερίδα της Ευρωπαϊκής Ένωσης L 176/15.7.2003): Για την άσκηση της δραστηριότητας της Διάθεσης Βιοκαυσίμων απαιτείται Άδεια Διάθεσης Βιοκαυσίμων. Η άδεια αυτή χορηγείται σε ανώνυμες εταιρείες ή εταιρείες περιορισμένης ευθύνης που εδρεύουν σε κράτος μέλος της ΕΕ καθώς και σε Αγροτικές Συνεταιριστικές Οργανώσεις κάθε βαθμού και Συνεταιριστικές Εταιρείες κατά τον Ν.2810/2000 ΦΕΚ Α 61. (Ν.3054/2002 άρθρο 5Α παρ.1, ΦΕΚ Α 230/2.10.2002). Ο κάτοχος Άδειας Διάθεσης Βιοκαυσίμων μπορεί να παράγει ή να εισάγει αυτούσια βιοκαύσιμα και άλλα ανανεώσιμα καύσιμα και να διαθέτει αυτά εντός της Ελληνικής Επικράτειας, σε κατόχους Άδειας Διύλισης, Άδειας Εμπορίας κατηγορίας Α και σε Τελικούς Καταναλωτές (Ν.3054/2002 άρθρο 5Α παρ.2). Ο κάτοχος Άδειας Διάθεσης Βιοκαυσίμων υποχρεούται να διαθέτει κατάλληλους αποθηκευτικούς χώρους με όγκο τουλάχιστον 100m 3 για την αποθήκευση αυτούσιων Βιοκαυσίμων και Άλλων Ανανεώσιμων Καυσίμων (Ν.3054/2002 άρθρο 5Α παρ.3) Πρέπει να ελέγχεται και να προστατεύεται η περιοχή συλλογής των πρώτων υλών (Ν.3054/2002 άρθρο 12 παρ.3). Πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η προστασία του περιβάλλοντος (Ν.3054/2002 άρθρο 14 παρ.1 εδ. iv και χ).
26 Πρέπει να υπάρχει άδεια από το κάθε κράτος για τον κύκλο διεργασιών που ακολουθούνται (CoC). (Ε.Ε.Ε.Ε. L 176/15.7.2003) Αν η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται από αξιοποίηση Βιομάζας, οι Εγγυήσεις Προέλευσης εκδίδονται μόνο για το ποσοστό της ηλεκτρικής ενέργειας που αντιστοιχεί στο βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα που ορίζεται στην παράγραφο 8 του άρθρου 2 του Ν.3468/2006 ΦΕΚ 129 σ.1405. Στόχος είναι να μειωθούν οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου κατά 60-70% έως το 2050 ως προς το 2005 σε σύγκριση με τα αέρια που παράγονται από τα ακατέργαστα απόβλητα (Εθνικός Ενεργειακός 0Σχεδιασμός, Οδικός Χάρτης για το 2050, Μάρτιος 2012, σ.i). Στόχος είναι επίσης η αύξηση της χρήσης βιοκαυσίμων στο σύνολο των μεταφορών στο επίπεδο του 31%-34% μέχρι το 2050. (Εθνικός Ενεργειακός Σχεδιασμός, Οδικός Χάρτης για το 2050, Μάρτιος 2012, σ.ii.) Τα σενάρια νέας ενεργειακής πολιτικής, στα οποία κυριαρχεί η υψηλή διείσδυση των Ανακυκλώσιμων Πηγών Ενέργειας στην ακαθάριστη τελική κατανάλωση ενέργειας, επιτυγχάνουν μεγάλη μείωση των εκπομπών CO2 έως το 2050 κατά 60% με 70% σε σχέση με το 2005, με ταυτόχρονη μείωση της εισαγόμενης ενέργειας καθώς και της ενεργειακής εξάρτησης της χώρας από εισαγωγές ορυκτών καυσίμων (Εθνικός Ενεργειακός Σχεδιασμός, Οδικός Χάρτης για το 2050, Μάρτιος 2012, σ.iii) Το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας δεν παρουσιάζει σημαντική διαφοροποίηση για τα διάφορα σενάρια, εμφανίζοντας ελαφρά μικρότερες τιμές για τα σενάρια μειωμένων εκπομπών. Συγκεκριμένα, ακολουθεί πτωτική τάση μετά το 2030 ενώ η
27 αυξημένη χρήση των Ανακυκλώσιμων Πηγών Ενέργειας και ο περιορισμός της καύσης ορυκτών καυσίμων εξασφαλίζει την περαιτέρω μείωση του κόστους μέχρι το 2050. Τα ανωτέρω κριτήρια αειφορίας ισχύουν για όλες τις εταιρίες και τις εγκαταστάσεις που λειτουργούν με σκοπό την παραγωγή βιοαερίου και βιοενέργειας. Η ανωτέρω πιστοποίηση από το κάθε κράτος για τον κύκλο των διεργασιών περιλαμβάνει: Την αξιολόγηση των διαδικασιών παραγωγής και των αναγκών διαχείρισης. Τον έλεγχο της μάζας που χρησιμοποιείται καθώς και την ιχνηλασιμότητα. Την επαλήθευση των παραγομένων εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου βάσει των κατ αποκοπή τιμών. Τα βήματα προς την κατεύθυνση της πιστοποίησης είναι: Σύστημα που έχει συσταθεί. Υπολογισμός εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Προ-έλεγχος (προαιρετικό). Πιστοποίηση ελέγχου. Αξιολόγηση της συμμόρφωσης.
28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ «Η φύση δεν γνωρίζει εξαφάνιση αλλά μόνο μεταμόρφωση». Αναξαγόρας 2.1. Αναερόβια αποικοδόμηση Η αναερόβια επεξεργασία των οργανικών αποβλήτων περιλαμβάνει τη διάσπαση της οργανικής ουσίας με τη συνδυασμένη δράση διαφορετικών οργανισμών, απουσία οξυγόνου. Αποτελείται από μία σειρά πολύπλοκων αντιδράσεων που έχουν ως αποτέλεσμα τη μετατροπή της οργανικής ουσίας σε διοξείδιο του άνθρακα και μεθάνιο. Ακόμα, παράγονται σε μικρές ποσότητες, άζωτο, αμμωνία, υδρογόνο και υδρόθειο, που συνήθως είναι μικρότερες από το 1% του συνολικού όγκου του αερίου. Η παραγωγή βιοαερίου είναι μία φυσική διεργασία, που λαμβάνει χώρα σε ποικίλα αναερόβια περιβάλλοντα, όπως είναι το πεπτικό σύστημα των ζώων, οι υπόνομοι κλπ. Η αναερόβια χώνευση έχει εφαρμοστεί με επιτυχία για την επεξεργασία υγρών και στερεών αποβλήτων εδώ και δεκαετίες. Με τη μέθοδο αυτή επιδιώκεται η μείωση του ρυπαντικού φορτίου των αποβλήτων με παράλληλη ανάκτηση ενέργειας που είναι η παραγωγή μεθανίου (Yu et al., 2011). Τα πλεονεκτήματα της αναερόβιας επεξεργασίας των αποβλήτων είναι τα εξής (Κωτσόπουλος, 2005):
29 Επιτυγχάνεται υψηλός βαθμός αποικοδόμησης της οργανικής ουσίας με μικρή αύξηση του πληθυσμού των μικροοργανισμών, σε σχέση με την αερόβια διαδικασία. Το βιοαέριο που παράγεται, χρησιμοποιείται για την παραγωγή ενέργειας ηλεκτρικής και θερμικής. Ελαττώνονται οι παθογόνοι μικροοργανισμοί και η μύγα. Μετατρέπονται τα απόβλητα σε υψηλής ποιότητας οργανικού λιπάσματος πλουσιο σε ανοργανα στοιχεία. Η βιομάζα που χρησιμοποιείται για την παραγωγή του βιοαερίου δημιουργείται από τη φωτοσυνθετική δέσμευση του ατμοσφαιρικού διοξειδίου του άνθρακα. Συνεπώς η καύση του μεθανίου δεν προσθέτει στην ατμόσφαιρα διοξείδιο του άνθρακα, όπως η καύση των ορυκτών καυσίμων. Μειώνεται η εξάρτηση της κοινωνίας από τα ορυκτά καύσιμα. Μειώνεται η οσμορύπανση και η εκπομπή θερμοκηπιακών αερίων. Ελαχιστοποιείται η ρύπανση στα νερά και τα εδάφη της περιοχής. Το υπάρχων δίκτυο του φυσικού αερίου βοηθά και καθιστά οικονομικά δυνατή την παραγωγή του βιοαερίου σε περιοχές απομακρυσμένες και πλούσιες σε βιομάζα (αγροτικές περιοχές) καθώς με την αναβάθμισή του σε βιο-φυσικό αέριο μπορεί να διανεμηθεί σε περιοχές με υψηλές ενεργειακές ανάγκες. Σύμφωνα επίσης με τους El-Mashad & Zhang, η σχέση κόστους αποτελεσματικότητας θα μπορούσε να βελτιωθεί με την προσθήκη στα αγελαδινά
30 απόβλητα και άλλων αποβλήτων και την ταυτόχρονη συγχώνευσή τους (El Mashad & Zhang, 2010). Η διεργασία της αναερόβιας επεξεργασίας παρουσιάζει όμως και ορισμένα μειονεκτήματα, τα οποία πρέπει να αναφερθούν (Littinga et al., 1999): Όταν τα επεξεργαζόμενα απόβλητα περιέχουν θειώδεις ενώσεις, η αναερόβια επεξεργασία μπορεί να συνοδευτεί από έκλυση οσμών, εξαιτίας του σχηματισμού υδροθείου. Μπορεί να παρουσιαστεί υψηλή ευαισθησία των μεθανογόνων μικροοργανισμών σε ένα μεγάλο αριθμό χημικών ενώσεων. Η πρώτη ενεργοποίηση μιας εγκατάστασης επεξεργασίας αποβλήτων, χωρίς την παρουσία της κατάλληλης ενεργούς ιλύος, απαιτεί πολύ χρόνο, εξαιτίας του μικρού ρυθμού ανάπτυξης των αναερόβιων μικροοργανισμών. 2.1.1. Αναερόβια μικροβιολογία Το γενικό μοντέλο που περιγράφει την αποσύνθεση της οργανικής ουσίας (υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, λίπη) κάτω από αναερόβιες συνθήκες λειτουργεί με τρεις κυρίως ομάδες μικροοργανισμών, τα οποία, δουλεύοντας συνδυαστικά, μετασχηματίζουν την οργανική ουσία σε μεθάνιο, διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Τα ζυμωτικά βακτήρια υδρολύουν με τη βοήθεια εξωκυτταρικών ενζύμων τις πολυμερείς οργανικές ενώσεις σε διαλυτές ολιγομερείς ή μονομερείς ενώσεις. Παράλληλα, οι αλκοόλες και τα λιπαρά οξέα μικρής ανθρακικής αλυσίδας, οξειδώνονται με τη βοήθεια οξικογόνων μικροοργανισμών και σχηματίζουν οξικό οξύ και μυρμηκικό οξύ με παράλληλη παραγωγή υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακος. Τα ενδιάμεσα προϊόντα που δημιουργήθηκαν με τη βοήθεια των μικροοργανισμών των δύο παραπάνω ομάδων μετασχηματίζονται σε μεθάνιο με τη βοήθεια των μεθανογόνων μικροοργανισμών. Έτσι σχηματίζεται μία τρίτη ομάδα, η οποία περιλαμβάνει (Κωτσόπουλος, 2005):
31 Τους μικροοργανισμούς που καταναλώνουν το υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Τους μικροοργανισμούς που καταναλώνουν το οξικό οξύ για την παραγωγή μεθανίου. Στο επόμενο σχήμα παρουσιάζεται το μοντέλο της αναερόβιας αποικοδόμησης. Το μοντέλο που περιγράφει καλύτερα τη βιοαποικοδόμηση, περιλαμβάνει και άλλες ομάδες μικροοργανισμών οι οποίοι διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην όλη διαδικασία. ΠΟΛΥΜΕΡΗ ΛΙΠΑΡΑ, ΟΞΕΑ, ΑΛΚΟΟΛΕΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΚΑΙ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΟΣ ΟΞΙΚΟ ΟΞΥ ΜΕΘΑΝΙΟ ΚΑΙ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΟΣ ΣΧΗΜΑ Ι Μοντέλο αναερόβιας αποικοδόμησης Πηγή: Κωτσόπουλος, 2005.
32 Τα βακτήρια (homoacetogenic bacteria), μετασχηματίζουν αρκετές ουσίες, όπως για παράδειγμα τη γλυκόζη ή το υδρογόνο και το διοξείδιο του άνθρακα και το χρησιμοποιούν για τη δημιουργία του οξικού οξέος, που είναι το μοναδικό τελικό προϊόν (Κωτσόπουλος, 2005). Μία ειδική υποκατηγορία, τα homoacetogenic bacteria, είναι η ομάδα V, η οποία εκτελεί την αντίστροφη διαδικασία, οξειδώνοντας το οξικό οξύ σε υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Η ομάδα VI είναι βακτήρια τα οποία μπορούν να αντιστρέψουν το μετασχηματισμό των λιπαρών οξέων μικρής ανθρακικής αλυσίδας, όταν η συγκέντρωση του υδρογόνου και του οξικού οξέος ή της αιθανόλης είναι υψηλή (Κούγιας, 2011). Κατά την αναερόβια αποικοδόμηση παράγεται υδρογόνο το οποίο καταναλώνεται ραγδαίως για την παραγωγή είτε μεθανίου είτε οξικού οξέος. Η κύρια οδός μέσω της οποίας καταναλώνεται κυρίως το υδρογόνο είναι η μεθανογένεση. Το υδρογόνο (Η2), παράγεται κυρίως κατά το στάδιο της παραγωγής των κατώτερων λιπαρών οξέων όπως το οξικό οξύ και το βουτυρικό οξύ, σύμφωνα με τις παρακάτω αντιδράσεις: (Κωτσόπουλος, 2005) C12H22O11 + 5H2O 4CH3COOH +4CO2 +8H2 C12H22O11 + H2O 2CH3CH2CH2COOH +4CO2 +4H2 Εν συντομία, θα μπορούσαμε να περιγράψουμε τη μικροβιολογία της διεργασίας, ότι διακρίνεται σε τρία στάδια. Στο πρώτο στάδιο το οργανικό υπόστρωμα υφίσταται υδρόλυση προς εύχρηστα μόρια ποικίλου μοριακού βάρους. Στο δεύτερο στάδιο, με τη βοήθεια των μικροοργανισμών τα οργανικά μόρια μετατρέπονται σε οργανικά οξέα με ταυτόχρονη παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα. Στο τελευταίο στάδιο τα παραγόμενα οργανικά οξέα μετατρέπονται με τη βοήθεια των μεθανογόνων μικροοργανισμών σε μεθάνιο.
33 2011): Τα στάδια της αναερόβιας διεργασίας επομένως είναι τα εξής (Κούγιας, 1. Η υδρόλυση 2. Η οξεογένεση οξικογένεση 3. Η μεθανογένεση Η πορεία που ακολουθείται παρουσιάζεται στον επόμενο Πίνακα. ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙ Μικροβιολογία της Διεργασίας ΥΔΡΟΛΥΣΗ Η 2 CΟ 2 ΟΞΕΟΓΕΝΕΣΗ-ΟΞΙΚΟΓΕΝΕΣΗ CH 3 COOH ΜΕΘΑΝΟΓΕΝΕΣΗ CH 4 CO 2
34 2.1.1.1. Η ΥΔΡΟΛΥΣΗ Το πιο σημαντικό συστατικό που περιέχεται στα απόβλητα είναι οι πολυμερείς ενώσεις όπως για παράδειγμα οι υδατάνθρακες, οι πρωτεΐνες και τα λίπη. Η υδρόλυση αυτών των ενώσεων σε μικρότερα μόρια είναι το πρώτο στάδιο της αναερόβιας διεργασίας. Η υδρόλυση των σύνθετων αυτών ενώσεων καταλύεται από εξωκυτταρικά ένζυμα όπως οι αμυλάσες, οι πρωτεάσες, οι λιπάσες και οι κυτταρινάσες. Βέβαια, η υδρολυτική φάση είναι σχετικά αργή και όπως ήδη αναφέραμε αποτελεί ένα περιοριστικό βήμα και ένα μειονέκτημα στη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης των αποβλήτων (Littinga et al., 1999). Οι πρωτεΐνες υδρολύονται από εξωκυτταρικά ένζυμα, τις πρωτεάσες, σε αμινοξέα. Οι πρωτεάσες, ένζυμα που διασπούν τους πεπτιδικούς δεσμούς με τους οποίους συνδέονται μεταξύ τους τα αμινοξέα, διακρίνονται σε εξωπρωτεάσες και ενδοπρωτεάσες ανάλογα με τη θέση των πεπτιδικών δεσμών που διασπούν στην πρωτεϊνική αλυσίδα. Οι πλέον διαδεδομένοι πολυσακχαρίτες που απαντώνται στα απόβλητα είναι η κυτταρίνη, η ημικυτταρίνη και το άμυλο, οι οποίοι διασπώνται από εξωκυτταρικά ένζυμα, τις αμυλάσες και τις κυτταρινάσες. Το προϊόν που προκύπτει από την ενζυματική υδρόλυση των παραπάνω πολυσακχαριτών είναι η γλυκόζη (Duff & Murray 1996, Ballesteros et al., 2010). Τα λιπίδια υδρολύονται από τις λιπάσες σε λιπαρά οξέα μεγάλης ανθρακικής αλυσίδας. Επιπλέον, οι Yu, Win, Toyota, Motobayashi, & Lu, το 2011, σε έρευνά τους παρατήρησαν ότι ο ρυθμός της βιοαποικοδόμησης των λιπιδίων είναι αρκετά μικρότερος από το ρυθμό της βιοαποικοδόμησης των πρωτεϊνών και των υδρογονανθράκων. (Yu et al., 2011).
35 2.1.1.2. ΟΞΕΟΓΕΝΕΣΗ ΟΞΙΚΟΓΕΝΕΣΗ Κατά την αναερόβια ζύμωση ή οξείδωση των προϊόντων της υδρόλυσης, οι διαλυτοί υδατάνθρακες μετατρέπονται, μετά τη ζύμωσή τους από αναερόβιους μικροοργανισμούς, κυρίως σε αιθανόλη, οξικό οξύ, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα, όπως έχουμε ήδη αναφέρει (Κούγιας, 2011). Αρχικά με τη διαδικασία της αναερόβιας οξείδωσης, τα λιπαρά οξέα μεγάλου μοριακού βάρους μετατρέπονται σε λιπαρά οξέα μικρότερου μοριακού βάρους. Έχει παρατηρηθεί ότι ο ρυθμός διάσπασης αυτών των ενώσεων μειώνεται με αύξηση του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας ή με ελάττωση του βαθμού κορεσμού των ακόρετων λιπαρών οξέων: (-CH2-CH2-) + H2O CH3COOH +2H2 Τα κυριότερα λιπαρά οξέα που παράγονται είναι είτε οξικό οξύ από την οξείδωση ανωτέρων οξέων με ζυγό αριθμό ατόμων άνθρακα, είτε οξικό και προπιονικό οξύ από την οξείδωση ανώτερων οξέων με μονό αριθμό ατόμων άνθρακα. Τα μικρού μοριακού βάρους λιπαρά οξέα, όπως το προπιονικό οξύ και το βουτυρικό οξύ μετατρέπονται σε οξικό οξύ και αέριο υδρογόνο σε επόμενο στάδιο. Η μετατροπή αυτή ονομάζεται οξικογένεση. (Κούγιας, 2011) Πρέπει να σημειωθεί ότι όλες οι αντιδράσεις διάσπασης των λιπαρών οξέων είναι ενδόθερμες και απαιτούν μεγάλα ποσά ελεύθερης ενέργειας. Επιπλέον, για την επιτυχή διάσπαση των λιπαρών οξέων μικρού μοριακού βάρους, θεωρείται απαραίτητη η απομάκρυνση της παραγόμενης ποσότητας οξυγόνου. Με τον τρόπο αυτό η ισορροπία της αντίδρασης μεταφέρεται προς την παραγωγή υδρογόνου και συνεπώς επιτυγχάνεται καλύτερη αποικοδόμηση του υποστρώματος (Κούγιας, 2011). Η ζύμωση των αμινοξέων είναι μία πολυ-σύνθετη διαδικασία και οδηγεί στην παραγωγή πτητικών λιπαρών οξέων, υδρογόνου και ηλεκτρικού οξέος. Η ζύμωση των αμινοξέων που παράγονται από την υδρόλυση πρωτεϊνών είναι γρήγορη, βάσει ερευνών, ενώ ο μοναδικός περιοριστικός παράγοντας στο ρυθμό βιοδιάσπασης των πρωτεϊνών είναι το στάδιο της υδρόλυσης (Pavlostathis & Gomez, 1991).
36 2.1.1.3. ΜΕΘΑΝΟΓΕΝΕΣΗ Το τελικό στάδιο της αναερόβιας χώνευσης είναι η παραγωγή του μεθανίου, είτε από κατανάλωση οξικού οξέος είτε με τη σύνθεσή του από υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Περίπου το 65-70% της παραγόμενης ποσότητας μεθανίου προέρχεται από το οξικό οξύ, ενώ το υπόλοιπο 30% σχηματίζεται από το υδρογόνο, το διοξείδιο του άνθρακα και το φορμικό οξύ (Angelidaki et al., 2002). Ένας πολύ περιορισμένος αριθμός των οργανικών ενώσεων χρησιμοποιούνται ως πηγές άνθρακα και ενέργειας για την ανάπτυξη των μεθανογόνων μικροοργανισμών. Το διοξείδιο του άνθρακα όπως και το μονοξείδιο του άνθρακα, το μυρμηκικό οξύ, το οξικό οξύ, η μεθανόλη, οι μεθυλαμίνες καθώς και τα διμεθυλσουλφίδια έχουν εντοπισθεί ως υποστρώματα για τη μεθανογένεση (Suraju et al., 2013). Συνοπτικά, θα μπορούσαμε να πούμε ότι η αναερόβια επεξεργασία των αποβλήτων είναι μία βιολογική διεργασία, κατά την οποία οι σύνθετες οργανικές ουσίες που υπάρχουν στα ζωικά απόβλητα, διασπώνται σε άλλες, απλούστερης μορφής. Η αναερόβια ζύμωση είναι μία σημαντική διεργασία, που χρησιμοποιείται για την επεξεργασία των ζωικών αποβλήτων καθώς και άλλων οργανικών αποβλήτων. Είναι μία συνήθης τεχνολογία που χρησιμοποιείται στα αστικά και βιομηχανικά απόβλητα, η οποία όχι μόνο μειώνει την αρνητική επίπτωση των αποβλήτων στους αποδέκτες, αλλά παράγει και το μεθάνιο. Οι μικροοργανισμοί που δραστηριοποιούνται στην μεθανογένεση είναι αναερόβιοι. Πλέον, γίνονται προσπάθειες να παράγεται από την αναερόβια επεξεργασία και υδρογόνο, με το σταμάτημα της μεθανογένεσης, ώστε να μην καταναλωθεί το υδρογόνο που παράγεται σε ενδιάμεσο στάδιο της αναερόβιας διαδικασίας (Angelidaki et al., 2002).
37 2.2. Μεθανογόνοι μικροοργανισμοί Σε μία μεγάλη ομάδα μικροοργανισμών ανήκουν τα μεθανογόνα Αρχαία (Archaea). Η ομάδα αυτή έχει τα ακόλουθα κοινά χαρακτηριστικά (Κωτσόπουλος και συν., 2008): Παράγουν μεγάλες ποσότητες μεθανίου, ως το κύριο προϊόν της μεταβολικής τους διεργασίας. Είναι αυστηρά αναερόβιοι. Ανήκουν φυλογενετικά στα αρχαιοβακτήρια. Για να αναπτυχθούν λαμβάνουν ενέργεια από τη μετατροπή των οργανικών ενώσεων σε μεθάνιο. Ως πηγή ενέργειας για τους μεθανογόνους μικροοργανισμούς χρησιμοποιείται περιορισμένος αριθμός απλών οργανικών ενώσεων. Μέχρι σήμερα έχει διαπιστωθεί ότι υποστρώματα για τους μεθανογόνους μικροοργανισμούς είναι το διοξείδιο του άνθρακα, το μυρμηκικό οξύ, το οξικό οξύ καθώς και ορισμένες ενώσεις του άνθρακα όπως η μεθανόλη, η τριμεθυλαμίνη κλπ.
38 2.3. Παράγοντες που επηρεάζουν την αναερόβια αποικοδόμηση Η αλληλεξάρτηση των μικροοργανισμών αποτελεί βασικό παράγοντα της μεθανογένεσης. Κάτω από συνθήκες ασταθούς λειτουργίας, τα ενδιάμεσα προϊόντα, όπως είναι π.χ. τα πτητικά λιπαρά οξέα και οι αλκοόλες, συσσωρεύονται σε διαφορετικές συγκεντρώσεις, ανάλογα με το υπόστρωμα και η διαταραχή αυτού του είδους προκαλεί αστάθεια στη διαδικασία. Για το λόγο αυτό η συγκέντρωση των ενδιάμεσων προϊόντων μπορεί να αποτελέσει δείκτη διαταραχής της μεθανογένεσης. Οι πιο σημαντικοί περιβαλλοντικοί παράγοντες που επηρεάζουν τη διεργασία παραγωγής μεθανίου κατά την αναερόβια αποικοδόμηση είναι οι παρακάτω: Η θερμοκρασία Η τιμή του ph Τα θρεπτικά στοιχεία Οι αναστολείς της μεθανογένεσης Η επίδραση της αναλογίας άνθρακα/αζώτου (C/N) Ο υδραυλικός χρόνος παραμονής (Hydraulic Retention Time, HRT) Ο ρυθμός της οργανικής φόρτισης (Organic Loading Rate, OLR) 2.3.1. Η θερμοκρασία Η θερμοκρασία είναι ένας από τους κύριους περιβαλλοντικούς παράγοντες που επηρεάζουν την ανάπτυξη των μεθανογόνων μικροοργανισμών. Ο ρυθμός ανάπτυξης των μικροοργανισμών συνήθως αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας έως κάποιο όριο. Όταν όμως η θερμοκρασία προσεγγίσει και ξεπεράσει αυτό το ανώτερο σημείο που θεωρείται το ανώτατο όριο για την επιβίωση του βακτηρίου, υπάρχει ταχεία μείωση της ανάπτυξής τους. Οι αναερόβιοι
39 μικροοργανισμοί επηρεάζονται κατά τον ίδιο τρόπο όπως και οι αερόβιοι μικροοργανισμοί. Το ανώτατο θερμοκρασιακό όριο για ανάπτυξη και επιβίωση, καθορίζεται από τη θερμική σταθερότητα κυρίως των πρωτεϊνών, των νουκλεϊνικών οξέων και των λιπιδίων, τα οποία απενεργοποιούνται με ταχείς ρυθμούς στη θερμοκρασιακή περιοχή από 50 0 C έως 90 0 C. Μικρές αλλαγές στη θερμοκρασία έχουν άμεση επίδραση στην προσαρμοστικότητα των μικροοργανισμών, διότι η ικανότητα των μεθανογόνων μικροοργανισμών να λειτουργούν σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, δεν αναιρεί την ευαισθησία τους στις απότομες μεταβολές της θερμοκρασίας. Οι έντονες μεταβολές στη θερμοκρασία λειτουργίας των αναερόβιων αντιδραστήρων, μπορούν να αποβούν μοιραίες για τους μεθανογόνους μικροοργανισμούς, με κυριότερη συνέπεια τη συσσώρευση πτητικών λιπαρών οξέων. (Angelidaki & Schmidt, 2003) Η αναερόβια επεξεργασία είναι θεωρητικά δυνατή μεταξύ 3-70 0 C. Σχετικά με τη θερμοκρασία, η αναερόβια επεξεργασία έχει χωριστεί σε τρεις ζώνες (Κωτσόπουλος, 2005): Ψυχρόφιλη περιοχή. Θερμοκρασίες κάτω από τους 25 0 C. Μεσόφιλη περιοχή. Θερμοκρασίες μεταξύ 25-45 0 C. Θερμόφιλη περιοχή. Θερμοκρασίες 45-60 0 C. Εκτός από την άμεση επίδραση της θερμοκρασίας στη δραστηριότητα των μικροοργανισμών, υπάρχει και η έμμεση επίδρασή της σε φυσικές παραμέτρους, όπως είναι το ιξώδες, η επιφανειακή τάση και η ροή της μάζας (Dugba & Zhang, 1999). Η θερμοκρασία αναερόβιας επεξεργασίας στη μεσόφιλη ζώνη, δίνει μέγιστο ρυθμό παραγωγής μεθανίου στους 35 0 C με 37 0 C. Στη θερμοκρασία αυτή, η απόδοση των αναερόβιων αντιδραστήρων είναι σχετικά υψηλή και η άνοδος της θερμοκρασίας των αποβλήτων στους 35 0 C είναι σχετικά εύκολη. Στη διαδικασία αυτή, συμμετέχουν μεσοφιλικοί οργανισμοί (Lettinga & Haandel, 1993).