Κεφάλαιο 03-03 σελ. 1 03-03 Βιοαποικοδομήσιμη βιομάζα Εφοδιαστικές αλυσίδες 03-03-00 Εισαγωγή στη διαχείριση χωνεύσιμης βιομάζας Οι Ευρωπαϊκές τεχνολογίες χρησιμοποιούν εκτενείς προ- και μετά- χωνευτικές μονάδες επεξεργασίας, ανεξάρτητα της πηγής των απορριμάτων ή του τύπου χώνευσης. Η προεπιλογή κρίνεται ως απαραίτητη για την αποφυγή της φράξης των αντλιών και για τη μείωση του όγκου που καταλαμβάνουν τα αδρανή υλικά στους αντιδραστήρες. Ακόμα και τα απόβλητα που έχουν υποβληθεί σε διαχωρισμό στην πηγή αναπόφευκτα θα περιέχουν μεταλλικά και πλαστικά αδρανή τα οποία πρέπει να απομακρυνθούν. Μια τυπική γραμμή διαχωρισμού πρέπει να περιλαμβάνει τα εξής: Υποδοχή - Μπορεί να περιλαμβάνει οπτικό (χειροκίνητο ή μηχανικό) διαχωρισμό και απομάκρυνση των ογκωδών ή πιθανώς επιβλαβών αντικειμένων - Παρέχει τη δυνατότητα ρύθμισης των διακυμάνσεων ροής προς στον αντιδραστήρα Μείωση του μεγέθους των σωματιδίων - Μπορεί να γίνει με μηχανική ή βιολογική μέθοδο - Βασίζεται στη σχετική ευκολία μείωσης του μεγέθους των σωματιδίων του οργανικού μέρους Διαχωρισμός - Η επιλεγόμενη μέθοδος μπορεί να βασίζεται στο μαγνητισμό, στην πυκνότητα ή το μέγεθος 03-03-01 Ιδιότητες και διαχείριση των Αστικών Στερεών Αποβλήτων Η Εικόνα 03-03 1 απεικονίζει μερικές από τις μονάδες επεξεργασίας υλικών που χρησιμοποιούνται από τα συστήματα ξηρής χώνευσης Dranco και Valorga. Ο χώρος υποδοχής επιτρέπει το ξεφόρτωμα των ακατέργαστων αποβλήτων και την απομόνωση των αποβλήτων που προέρχονται από διαφορετικές πηγές. Μερικοί χώροι υποδοχής κάνουν χρήση αυτόματων μηχανημάτων για την ελαχιστοποίηση της ανθρώπινης επαφής με τα απόβλητα. Άλλοι ενσωματώνουν μια γραμμή διαχωρισμού για να απομακρύνονται από εργάτες τα πιο προφανή ανόργανα υλικά. Εφόσον τα απόβλητα έχουν φορτωθεί στο σύστημα μηχανικού διαχωρισμού, η ανθρώπινη επαφή είναι ελάχιστη καθώς βιολογικές και μηχανικές διαδικασίες προετοιμάζουν τα απόβλητα για διαχωρισμό βασιζόμενες στο μέγεθος και/ή στην πυκνότητα.
Κεφάλαιο 03-03 σελ. 2 Εικόνα 03-03 1: Εξοπλισμός διαχείρισης υλικού προς ξηρή χώνευση. Δεξιόστροφα από πάνω αριστερά: χώρος απόθεσης με αυτόματη δαγκάνα, περιστροφικό τύμπανο βιοανάμιξης, υλικό μετά από κυλινδρικές σήτες διαχωρισμού, τύμπανο υψηλής ταχύτητας με ενσωματωμένο κόσκινο και μαγνητικό διαχωριστή, αντλία κατάλληλη για ρευστά με υψηλή περιεκτικότητα σε στερεά, αναμείκτης εισροών με έγχυση ατμού και μονάδα δοσολογίας με έγχυση ατμού και αντλία κατάλληλη για ρευστά με υψηλή περιεκτικότητα σε στερεά. Ο διαχωρισμός με βάση την πυκνότητα προϋποθέτει την ενυδάτωση των αποβλήτων. Κατά συνέπεια, χρησιμοποιείται συχνότερα όταν χρησιμοποιούνται χωνευτές μικρής περιεκτικότητας στερεών. Τα οργανικά υλικά διασπώνται σε μικρότερα μέρη ευκολότερα από τα ανόργανα, οπότε μία αντλία λυμάτων (macerator) ή ένας αναδευτήρας συχνά χρησιμοποιείται πριν τη διαλογή μεγέθους. Επιπρόσθετα, η αερόβια κατεργασία μπορεί να διασπάσει την οργανική ύλη. Αυτή μπορεί να συνεπάγεται την απώλεια χωνεύσιμης οργανικής υλικής, οπότε πρέπει να είναι σύντομοι οι χρόνοι παραμονής. Από λίγες ώρες μέχρι μία ή δύο μέρες είναι ο τυπικός χρόνος για τους περιστρεφόμενους κάδους, ή «βιοαναμείκτες», οι οποίοι συνδυάζουν την ανάδευση με την αερόβια επεξεργασία. Οι βιοαναμείκτες χρησιμοποιούνται σε περίπου 20 εργοστάσια επεξεργασίας αστικών αποβλήτων για αερόβια κομποστοποίηση στις ΗΠΑ στους οποίους οι χρόνοι παραμονής που εφαρμόζονται είναι 3-5 μέρες. Πρόσφατα, ερευνητές στο University of California, Davis, μελέτησαν την προοπτική παραγωγής βιοαερίου από την οργανική ύλη που προέρχεται από Αστικά Στερεά Απόβλητα (OFMSW) χρησιμοποιώντας περιστρεφόμενους κάδους σε έξι εγκαταστάσεις κομποστοποίησης αποβλήτων στις ΗΠΑ. Συμπέραναν ότι τα οργανικά υλικά είχαν μεγάλες αποδόσεις σε παραγωγή βιοαερίου και μεθανίου ακόμα και όταν τα απόβλητα είχαν περάσει μόνο 24 ώρες στον κάδο(αδημοσίευτα στοιχεία). Αυτό υποδηλώνει ότι συστήματα αναερόβιας χώνευσης μπορούν να ενσωματωθούν στις υπάρχουσες εγκαταστάσεις κομποστοποίησης αστικών αποβλήτων στις ΗΠΑ για την ανάκτηση ενέργειας από OFMSW. Ένα σύστημα περιστρεφόμενου τυμπάνου μπορεί να επενδυθεί εσωτερικά με ένα κόσκινο το οποίο θα επιτρέπει στα μικρότερα σωματίδια να φτάσουν στο δοσομετρητή, ενώ θα αποτρέπει
Κεφάλαιο 03-03 σελ. 3 την έλευση των μεγαλύτερων, κυρίως ανόργανων, σωματιδίων. Εναλλακτικά, τα απόβλητα μπορεί να περάσουν από μία ή δύο διατάξεις διαχωρισμού υγρών μετά το κόσκινο. Η μονάδα δοσομέτρησης αποθηκεύει μικτά απόβλητα για να εξισορροπηθούν τυχόν διακυμάνσεις στο περιερχόμενο και στον όγκο των αποβλήτων προς χώνευση. Αυτή μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για θέρμανση και για τον εμβολιασμό της τροφοδοσίας της χώνευσης. Θερμότητα μπορεί να προστεθεί και με τη μορφή ατμού, ο οποίος μπορεί να παραχθεί με την ενέργεια που απορρίπτεται από τις μηχανές παραγωγής ενέργειας. Μερικά συστήματα έχουν ανεξάρτητο αναμείκτη εισροών, που ανακατεύει τα αστικά απόβλητα με πάστα χώνευσης για να εμβολιαστεί η νέα τροφοδοσία για να αποκτήσει την απαιτούμενη περιεκτικότητα άνθρακα. Στο Bassano της Ιταλίας ένας χωνευτής τύπου Valorga δέχεται διαχωρισμένα στην πηγή αστικά στερεά απόβλητα (ΑΣΑ) και «γκρίζα» απόβλητα [1]. Όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα, ακόμα και τα απόβλητα που έχουν διαχωριστεί στην πηγή περνούν από ένα αρχικό κόσκινο και μια μαγνητική διάταξη απομάκρυνσης μετάλλων. Τα «γκρίζα» απόβλητα, τα οποία είναι το ανόργανο μέρος των αποβλήτων που έχουν διαχωριστεί στην πηγή, αποτελούνται κυρίως από ανόργανη ύλη (για την ακρίβεια, τα οργανικά αποτελούν 10-16 % και το χαρτί αποτελεί ένα επιπλέον 34-50 % αυτού του υλικού). Τα μη διαχωρισμένα απόβλητα περνούν από ένα πρόσθετο κόσκινο και ένα διαχωριστή που βασίζεται στην πυκνότητα στον οποίο τα απόβλητα διαχωρίζονται μετά από εμβάπτιση σε νερό. Απομακρύνεται το ελαφρύ κλάσμα που επιπλέει καθώς και τα βαρύτερα μέρη που βυθίζονται. Διαλεγμένα ΑΣΑ σκίσιμο σακουλών μηχανικός διαχωρισμός (πρώτη διέλευση) μαγνητικός διαχωρισμός μείωση μεγέθους στα 10 mm χωνευτήρας «Γκρίζα» ΑΣΑ σκίσιμο σακουλών μηχανικός διαχωρισμός (πρώτη διέλευση) μαγνητικός διαχωρισμός μείωση μεγέθους κυλινδρικός διαχωριστής διαχωριστής πυκνότητας χωνευτήρας Εικόνα 03-03 2: Bassano, διάγραμμα προεπεξεργασίας. Προσαρμοσμένο από το [1] Η εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων του Treviso συμπέρανε ότι οι διατάξεις αναερόβιας χώνευσης είναι πολύ μεγάλες για την επεξεργασία λυμάτων ενεργού ιλύος (WAS) και μόνο, οπότε κατασκεύασαν μια μονάδα διαχωρισμού για την απομάκρυνση του οργανικού μέρους των αποβλήτων το οποίο χωνεύεται παράλληλα με την ιλύ [2]. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 03-03 2, τα απόβλητα περνούν από έναν τεμαχιστή και ένα μαγνητικό διαχωριστή, ύστερα από έναν ακόμα τεμαχιστή και τύμπανο διαχωρισμού και τελικά ένα διαχωριστή πυκνότητας. Τα τελικά απόβλητα αποτελούνται κατά 96% από οργανική ύλη και χαρτί, από 76% που ήταν στα εισερχόμενα απόβλητα ενώ το 24% της εισερχόμενης οργανικής ύλης και του χαρτιού χάνονται κατά το διαχωρισμό. Τα μέταλλα απομακρύνονται κατά 100%, τα πλαστικά κατά 93% και το γυαλί κατά 98%.
Κεφάλαιο 03-03 σελ. 4 03-03-02 Ιδιότητες και διαχείριση ζωικών αποβλήτων Η κοπριά και τα άλλα παραπροϊόντα της παραγωγής βοοειδών και χοίρων είναι η πρώτη ύλη για τις περισσότερες μονάδες παραγωγής γεωργικού βιοαερίου στην Ευρώπη. Το είδος του εξοπλισμού και οι διαδικασίες που χρησιμοποιούνται για να συλλεχθούν και να επεξεργαστούν οι κοπριές εξαρτώνται κυρίως από τη συνοχή ή το «πάχος» της κοπριάς. Ο όρος «περιεχόμενα στερεά» ή «% στερεά» χρησιμοποιείται συχνά για να περιγράψει αυτήν την ιδιότητα της κοπριάς. Διαφορετικά είδη ζώων εκκρίνουν κοπριά με διαφορετικό ποσοστό περιεχόμενων στερεών (βλέπε εδώ). Το ποσοστό στερεών στις κοπριές που προέρχονται από την παραγωγή χοιρινού, βόειου και γαλακτοκομικών κινείται σε μία μάλλον στενή περιοχή (10-13 % στερεά), ενώ οι κουτσουλιές πουλερικών περιέχουν μεγαλύτερα ποσοστά στερεών. Το περιεχόμενο στερεών της εκκρινόμενης κοπριάς συχνά αλλάζει με διαδικασίες όπως η πρόσθεση υλικών στρωμνής, η ξήρανση της κοπριάς σε μεγάλες επιφάνειες, η προσθήκη απόνερων ή η αφυδάτωση μέσω του διαχωρισμού στερεών. Η στερεή κοπριά συνήθως παράγεται σε συστήματα όπου έχουν προστεθεί υλικά στρωμνής στην κοπριά για να απορροφήσει υγρασία και να βελτιώσει τις συνθήκες στην περιοχή παραγωγής. Στερεή κοπριά μπορεί να προκύψει και από συνθήκες ξήρανσης, όπως αυτές στην επιφάνεια ενός χώρου ταΐσματος βοοειδών. Η στερεή κοπριά συνήθως συλλέγεται με τη χρήση γκρέιτερ, μπουλντόζας και άλλων παρεμφερών μηχανημάτων. Τα μεγέθη του εξοπλισμού κυμαίνονται από μικρές λεπίδες κατάλληλες για τρακτέρ μέχρι 50 ίππους, μέχρι μεγάλους αυτοκινούμενους κατάλληλους για μονάδες με παραγωγή μεγαλύτερων όγκων κοπριάς. Η υδαρής κοπριά συνήθως παράγεται σε συστήματα όπου προστίθεται ελάχιστο ή καθόλου υλικό στρωμνής στο εκκρινόμενο μείγμα κοπριάς/ούρων. Τα περιεχόμενα στερεά κυμαίνονται μεταξύ του 5 15%.. Είναι πιο "δεμένη" από ό,τι η υγρή κοπριά αλλά δεν μπορεί να αποθηκευτεί ή να διαχειριστεί όπως η στερεή κοπριά. Το πιο απλό σύστημα συλλογής υδαρούς κοπριάς είναι ένα διάτρητο ή με αυλακιές πάτωμα πάνω από μια δεξαμενή συλλογής κοπριάς. Στην περίπτωση αυτή, η αποβαλλόμενη κοπριά απλά πέφτει από τα ανοίγματα στο πάτωμα όπου στέκονται τα ζώα και συλλέγεται σε μια δεξαμενή. Η υδαρής κοπριά μπορεί να συλλεχθεί με τη χρήση μηχανήματος απόξεσης. Σε αυτήν την περίπτωση η κοπριά συνήθως εγκλείεται σε ένα διάδρομο (σε γαλακτοκομικές μονάδες με ελεύθερα παχνιά) ή σε μία υδρορροή κάτω από ράγες (χοιροστάσιο). Το μηχάνημα απόξεσης κινείται κατά μήκος του διαδρόμου ή της υδρορροής και αποθέτει την κοπριά σε ένα λάκκο υποδοχής ή μια δεξαμενή στο τέλος. Άλλο είδος διάταξης συλλογής υδαρούς κοπριάς κάνει χρήση κενού για να «ρουφήξει» την κοπριά από μια τσιμεντένια επιφάνεια και να την αποθηκεύσει σε μία δεξαμενή. Αυτή η προσέγγιση εξαλείφει την ανάγκη άντλησης της υδαρούς κοπριάς σε μία δεξαμενή ή βυτιοφόρο. Η υδαρής κοπριά έχει ρεολογικές ιδιότητες που τις επιτρέπουν να μετακινείται μέσω αντλιών σχεδιασμένων για την άντληση παχύρρευστων ρευστών που περιέχουν στερεά και ινώδη υλικά. Οι αντλίες υδαρούς κοπριάς σχεδιάζονται με περιστρεφόμενα μέρη ανοιχτού τύπου για να
Κεφάλαιο 03-03 σελ. 5 αποφεύγονται προβλήματα σύνδεσης. Αντλίες χαμηλή πίεσης/μεγάλου όγκου χρησιμοποιούνται για γεμίσουν βυτιοφόρα και να μετακινείται κοπριά σε άλλες εφαρμογές όπου υψηλότερες πιέσεις δεν είναι απαραίτητες. Αντλίες υδαρούς κοπριάς υψηλής πίεσης χρησιμοποιούνται για τη διοχέτευση κοπριάς μέσω σωληνώσεων και παρέχουν την απαραίτητη πίεση για εναπόθεση της κοπριάς σε καλλιεργήσιμη γη. Η υγρή κοπριά με περιεχόμενο το πολύ 5% στερεά προέρχεται γενικά από την προσθήκη απόνερων στην κοπριά. Παραδείγματα πηγών υγρής κοπριάς περιλαμβάνουν τις λεκάνες αποθήκευσης, λίμνες συγκράτησης και τα απόνερα των χώρων αρμέγματος. Τυπικό παράδειγμα συστήματος συλλογής που καταλήγει σε υγρή κοπριά είναι η έκπλυση της κοπριάς από γαλακτοκομικές μονάδες με ελεύθερα παχνιά. Σε αυτό το σενάριο λιμνάζοντα αραιά λύματα αντλούνται σε δεξαμενές έκπλυσης, οι οποίες με τη σειρά τους απελευθερώνουν το νερό στους ελεύθερους παχνιών διαδρόμους και ξεπλένουν την κοπριά προς τη λίμνη. Άλλη μορφή αραιής ή υγρής κοπριάς είναι η απορροή από ανοιχτές εκτάσεις. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η στερεή κοπριά παραμένει στο χώρο ή μεταφέρεται πρώτα μέσω διατάξεων διαχωρισμού στερεών σε μία λίμνη υποδοχής ή σε κάποιον λάκκο που υποδέχεται την απορροή. Σε αυτή τη φάση η απορροή περιέχει κυρίως κατακρατημένα ή διαλυμένα στερεά τα οποία καταλήγουν σε αραιωμένο υγρό στο λεκάνη υποδοχής. 03-03-03 Ιδιότητες και διαχείριση λυματολάσπης και βιομηχανικών αποβλήτων Για την επεξεργασία βιομηχανικών λυμάτων χρησιμοποιούνται κυρίως αναερόβιοι αντιδραστήρες. Ερευνητές έχουν αποδείξει ότι αναερόβια συστήματα όπως τα UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), το AnSBR (Anaerobic Sequencing Batch Reactor) και το AN (Anaerobic filter) μπορούν να επεξεργαστούν τόσο τα μεγάλης περιεκτικότητας σε λίπη βιομηχανικά λύματα όσο και τα χαμηλότερης περιεκτικότητας συνθετικά λύματα. Η εφαρμογή αναερόβιων συστημάτων για την επεξεργασία της λυματολάσπης είναι πολύ περιορισμένη. Ο κυρίαρχος λόγος είναι ότι τα λύματα αυτού του είδους είναι πολύ φτωχά σε BOD και COD για να συγκρατήσουν μεγαλύτερο περιεχόμενο σε βιομάζα (με τη μορφή κόκκων αιωρούμενων στερεών ή σταθερών μεμβρανών) μέσα στον αντιδραστήρα. Ωστόσο υπάρχουν μερικά επιτυχημένα παραδείγματα πιλοτικών και βιομηχανικών εφαρμογών Ο Orozco [3] δούλεψε με έναν βιομηχανικής κλίμακας αντιδραστήρα τύπου AnBR (anaerobic baffled reactor) για να επεξεργαστεί λυματολάσπη με μέσο φορτίο BOD 314 mgo 2 /L για υδραυλικό χρόνο παραμονής 10,3 ώρες (οργανικός ρυθμός φόρτωσης 0,85 kg/m 3 d ) και πέτυχε απόδοση απομάκρυνσης 70%. Πρέπει να τονιστεί το ότι η διεργασία έγινε σε χαμηλή θερμοκρασία μεταξύ 13 και 15 C. Η επεξεργασία των αστικών λυμάτων σε ένα αντιδραστήρα τύπου UASB και δύο αναερόβιους υβριδικούς αντιδραστήρες (AnH) διεξήχθη από τους Elmitwalli et al. [3] σε θερμοκρασία 13 o C. Στην επεξεργασία λυμάτων που είχαν προ-κατακάτσει, οι αντιδραστήρες AnH απομάκρυναν 64% του συνολικού COD, το οποίο ήταν υψηλότερο από την απομάκρυνση στους αντιδραστήρες UASB.
Κεφάλαιο 03-03 σελ. 6 Η πλειονότητα των εργοστασίων αναερόβιας χώνευσης λειτουργούν υπό μεσοφιλικές συνθήκες (περίπου 35 o C), όμως τα περισσότερα λύματα προωθούνται για επεξεργασία σε θερμοκρασίες μικρότερες των 18 o C. Κατά συνέπεια, η λυματολάσπη θερμαίνεται πριν την επεξεργασία, με συνέπεια την κατανάλωση έως και 30% της παραγόμενης ενέργειας. Ο κύριος σκοπός είναι η μείωση του κόστους της επεξεργασίας της λυματολάσπης και η ελαχιστοποίηση της περίσσειας της παραγόμενης ιλύος. Υπάρχει, ωστόσο μια ακόμα παράμετρος η οποία μπορεί να καταστήσει συμφέρουσα την εφαρμογή της αναερόβιας επεξεργασίας ως το πρώτο βήμα της αστικής ή βιομηχανικής επεξεργασίας. Έχει αποδειχτεί πολλές φορές ότι πολλές δύσκολα βιοαποικοδομήσιμα οργανικές ενώσεις μπορούν να αποικοδομηθούν (τουλάχιστον σε απλούστερες ενώσεις) υπό αναερόβιες συνθήκες. Μία πτώση θερμοκρασίας μπορεί να συνοδευτεί από αλλαγές στις φυσικές και χημικές ιδιότητες των απόβλητων υδάτων, τα οποία μπορούν να επηρεάσουν το σχεδιασμό και τη λειτουργία του συστήματος επεξεργασίας. Για παράδειγμα, η διαλυτότητα των αέριων ενώσεων αυξάνεται όσο η θερμοκρασία πέφτει κάτω από τους 20 ο C. Αυτό συνεπάγεται ότι οι διαλυμένες συγκεντρώσεις μεθανίου, υδρόθειου και υδρογόνου θα είναι μεγαλύτερες στα λύματα των αντιδραστήρων που λειτουργούν σε χαμηλές θερμοκρασίες από ότι σε αυτά στους αντιδραστήρες που λειτουργούν σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες. Η μεγάλη αύξηση της διαλυτότητας του CO 2 υποδεικνύει ότι ένα ελαφρώς χαμηλότερο ph στον αντιδραστήρα μπορεί να υπερισχύσει υπό ψυχρόφιλες συνθήκες. Η αναερόβια επεξεργασία των οικιακών λυμάτων μπορεί να είναι ενδιαφέρουσα και αποδοτική οικονομικά σε χώρες όπου η προτεραιότητα στον έλεγχο των εκλυόμενων λυμάτων είναι η απομάκρυνση των οργανικών ρυπαντών. 03-03-04 Προσαρμογή υποστρώματος στη διεργασία Σε αυτή την ενότητα γίνεται μία επισκόπηση βασισμένη στο [4]. Γενικά, όλα τα οργανικά υλικά μπορούν να υποστούν ζύμωση ή χώνευση. Όμως, μόνο τα ομογενή και υγρά υποστρώματα μπορούν να εξεταστούν ως πρώτη ύλη για απλές μονάδες βιοαερίου. Απόβλητα και λύματα από βιομηχανίες επεξεργασίας τροφίμων είναι κατάλληλα για απλές μονάδες αν είναι ομογενή και σε υγρή μορφή. Η μέγιστη παραγωγή αερίου από μία συγκεκριμένη ποσότητα πρώτης ύλης εξαρτάται από τον τύπο του υποστρώματος. Το υλικό που προστίθεται σε μία διεργασία παραγωγής βιοαερίου είναι το υπόστρωμα (τροφή) για τα μικρόβια και οι ιδιότητες του έχουν μεγάλη επιρροή στη σταθερότητα της διεργασίας και την αποδοτικότητα της. Η σύσταση του υποστρώματος είναι σημαντική τόσο για τη μορφή του αερίου που σχηματίζεται όσο και για την ποιότητα του αερίου. Η σύστασή επηρεάζει και την ποιότητα του υπολείμματος της χώνευσης, τόσο σε σχέση με την περιεκτικότητα σε θρεπτικά για καλλιέργειες όσο και τις πιθανές προσμίξεις (μέταλλα, οργανικές ενώσεις, επιβλαβείς μικροοργανισμοί, κτλ). Η επιλογή του σωστού υλικού προσφέρει την ευκαιρία να επηρεαστεί το αποτέλεσμα της διεργασίας, να μεγιστοποιηθεί η ενεργειακή απόδοση και να παραχθεί ένα βιολίπασμα καλής ποιότητας.
Κεφάλαιο 03-03 σελ. 7 03-03-04α Κατάλληλα υποστρώματα για την παραγωγή βιοαερίου Πολλοί διαφορετικοί τύποι οργανικών υλικών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή βιοαερίου, πιθανότατα πολύ περισσότεροι από αυτούς που ήδη χρησιμοποιούνται σήμερα. Η κύρια πηγή των οργανικών υλικών για την παραγωγή βιοαερίου σε διάφορες χώρες είναι η ιλύς από τα κέντρα βιολογικού καθαρισμού. Άλλα κοινά υποστρώματα για την παραγωγή βιοαερίου σε εργοστάσια μεικτής χώνευσης περιλαμβάνουν απόβλητα σφαγείων, απόβλητα από βιομηχανίες τροφίμων και ζωοτροφών, απόβλητα από το διαχωρισμό αγροτικών προϊόντων και κοπριά. Παραδείγματα άλλων υλικών που μπορούν να επεξεργαστούν σε αυτές τις μονάδες είναι απόβλητα από της παγίδες λιπαρών ουσιών, τηγανέλαια, απόβλητα από τη βιομηχανία γαλακτοειδών και φαρμακευτικών, το ενσίρωμα χόρτου και τα απόβλητα απόσταξης (υπολείμματα από την παραγωγή αιθανόλης). Στο μέλλον, διαφορετικές (ενεργειακές) καλλιέργειες και απόβλητα από τον αγροτικό τομέα είναι αρκετά πιθανό να αποτελέσουν σημαντικά υποστρώματα για την παραγωγή βιοαερίου. Λιγότερο χρησιμοποιούμενα υλικά τα οποία αξιολογούνται για την παραγωγή βιοαερίου είναι τα φύκια, το γρασίδι, φτερά και βιομάζα από ξύλο (π.χ. ιτιά). Η συνολική παραγωγή βιοαερίου στη Σουηδία σήμερα αντιστοιχεί σε ενεργειακή απόδοση της τάξης των 1,3 TWh/έτος (~98 TWh στην Ευρώπη), αλλά το θεωρητικό δυναμικό της ενεργειακής παραγωγής από οικιακά απορρίμματα, συμπεριλαμβανομένων των δασικών απόβλητων εκτιμάται ότι είναι περίπου 15 TWh/έτος [5], [6]. Εικόνα 03-03 3: Το ποσοστό της παραγωγής βιοαερίου από διαφορετικά υποστρώματα σε εργοστάσια μεικτής χώνευσης στη Σουηδία (δεν περιλαμβάνεται η λυματολάσπη) [6] Επιλέγοντας υπόστρωμα για την παραγωγή βιοαερίου Πολλά διαφορετικά είδη οργανικών υλικών μπορούν να αποικοδομηθούν σε αέριο σε ένα χωνευτήρα. Μερικά υλικά είναι καταλληλότερα από άλλα και μερικοί γενικοί κανόνες μπορούν να εφαρμοστούν.
Κεφάλαιο 03-03 σελ. 8 Παράμετροι όπως το φορτίο, η θερμοκρασία και ο χρόνος παραμονής έχουν μεγάλη επιρροή στην απόδοση διάσπασης υποστρώματος. Ο ρόλος ενός υλικού στη διεργασία παραγωγής βιοαερίου μπορεί να εξαρτάται και από το είδος της προεπεξεργασίας που αυτό έχει υποστεί και κατά πόσο αυτό είναι το μόνο υπόστρωμα ή πρόκειται περί μεικτής χώνευσης. Η παρουσία τοξικών ουσιών ή λιγνίνης, η οποία δε διασπάται καθόλου σε ανάλογες διαδικασίες, έχουν επίσης σημασία. 03-03-04β Επίδραση υποστρώματος στους μικροοργανισμούς και στην παραγωγή αερίου Η σύνθεση ενός υποστρώματος είναι πολύ σημαντική για τους μικροοργανισμούς που μετέχουν στη διεργασία και κατά συνέπεια για τη σταθερότητα της διεργασίας και την παραγωγή αερίου. Το υπόστρωμα πρέπει να πληροί τις θρεπτικές απαιτήσεις των μικροοργανισμών, όσον αφορά στην θερμιδική αξία και τα διάφορα στοιχειά που απαιτούνται για τη δημιουργία νέων κυττάρων. Το υπόστρωμα πρέπει επίσης να περιλαμβάνει διάφορα συστατικά απαιτούμενα για τη δραστικότητα των μικροβιακών ενζυμικών συστημάτων, όπως τα ιχνοστοιχεία και οι βιταμίνες. Στην περίπτωση της αποσύνθεσης οργανικής ύλης σε μία διεργασία παραγωγής βιοαερίου, η αναλογία άνθρακα προς άζωτο (λόγος C/N) επίσης θεωρείται μεγάλης σημασίας. (Πίνακας 03-03 1). Είναι σημαντικό να μην είναι πολύ μικρός ο αριθμός αυτός, δηλαδή με άλλα λόγια, να μην υπάρχει πολύ άζωτο σε σχέση με τον άνθρακα, Σε μια τέτοια περίπτωση η διεργασία μπορεί να ανασταλεί λόγω αμμωνίας. Η αναλογία, επίσης, πρέπει να είναι μην πολύ υψηλή, καθώς τα βακτήρια που μετέχουν στη διεργασία μπορεί να επηρεαστούν από την έλλειψη αζώτου. Είναι δύσκολο να εντοπιστεί ποια είναι η σωστή αναλογία, καθώς αυτή εξαρτάται από το υπόστρωμα και από τις συνθήκες της διεργασίας. Υλικό Λόγος C/N Κοπριά βοοειδών, υγρή 6 20 Απόβλητα πουλερικών 3 10 Κοπριά χοίρων, υγρή 5 Άχυρο 50 150 Γρασίδι 12 26 Πατάτες 35 60 Σακχαρότευτλα / Φύλλα 35 46 / 14 σακχαρότευτλων Δημητριακά 16 40 Φρούτα και λαχανικά 7 35 Μείγμα υπολειμμάτων τροφίμων 15 32 Απόβλητα σφαγείων, μαλακοί ιστοί 4 Απόβλητα σφαγείων, εντόσθια 22 37 Απορριπτέα τρόφιμα 3 17 Απόβλητα διύλισης 8 Πίνακας 03-03 1: Αναλογία C/N υλικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως υπόστρωμα για την παραγωγή βιοαερίου. Η αναλογία μπορεί να διαφέρει ελαφρώς ανάλογα με την προέλευση/καλλιέργεια κάποιου συγκεκριμένου υλικού [4].
Κεφάλαιο 03-03 σελ. 9 Είναι προτιμητέο να χρησιμοποιείται υπόστρωμα που να μην είναι πολύ αραιωμένο, δηλαδή που να περιέχει πολύ νερό σε σχέση με το ποσό του οργανικού υποστρώματος. Αν το υλικό είναι πολύ αραιό και δεν περιέχει αρκετή οργανική ύλη, υπάρχει κίνδυνος να ξεπλένονται οι μικροοργανισμοί σε μία συνεχή διεργασία. Αυτό οφείλεται στο ότι ο ρυθμός ανάπτυξης τους είναι χαμηλός. Η προτιμητέα περιεκτικότητα ύδατος εξαρτάται από τον τύπο της διεργασίας που χρησιμοποιείται. Ένα πολύ αραιό υλικό μπορεί να επεξεργαστεί με διάφορες τεχνικές για να κρατήσει τους μικροοργανισμούς, όπως για παράδειγμα χρησιμοποιώντας ένα υλικό φορέα ή προσθέτοντας βιομάζα. Ένας καλός οδηγός για μια συνεχή διεργασία, που γενικά χρησιμοποιείται με πιο στερεά απόβλητα, είναι να έχουν τιμή ξηρών στερεών (DS) γύρω στο 7-10 %. Το περιεχόμενο ξηρών στερεών της ιλύος που χωνεύεται σε σταθμούς επεξεργασίας λυμάτων είναι κάπως μικρότερη, γύρω στο 4-6 %. Άλλος σημαντικός παράγοντας είναι η βιοδιαθεσιμότητα του υποστρώματος στους μικροοργανισμούς. Η κατάτμηση του υλικού αυξάνει τη διαθεσιμότητα του στους μικροοργανισμούς, το οποίο μπορεί να επιταχύνει τη διεργασία σχηματισμού βιοαερίου και αποφέρει μεγαλύτερη απόδοση. Η βιοαποικοδόμηση αποτιμάται από τη σύγκριση της παραγωγής του βιοαερίου που ανακτάται κατά τις δοκιμές σε σχέση με τη μέγιστη θεωρητική παραγωγή. Το πρωτόκολλο βασίζεται στη μέτρηση της παραγωγής μεθανίου σε μια κλειστό δοχείο, στο οποίο έρχονται σε επαφή μια γνωστή ποσότητα του δείγματος προς εξέταση και μια γνωστή ποσότητα αναερόβιων μικροοργανισμών, με την τελευταία να τοποθετείται σε ευνοϊκές συνθήκες για την αποδόμηση του δείγματος. Στον Πίνακα 03-03 2 αναγράφονται οι τιμές του δυναμικού παραγωγής μεθανίου για μερικά γεωργικά προϊόντα σε m 3 μεθανίου ανά τόνο πρώτης ύλης. Δυναμικό Πρώτη ύλη μεθανίου (m 3 /tn) Υγρή κοπριά βοοειδών 20 Συστατικά υπογαστρίου 30 Κοπριά βοοειδών 40 Πολτός πατάτας 50 Απόβλητα ζυθοποιείων 75 Κουρεμένο γκαζόν 125 Υπολείμματα καλαμποκιού 150 Λίπη από σφαγεία 180 Μελάσες 230 Χρησιμοποιημένα λίπη 250 Απόβλητα δημητριακών 300 Πίνακας 03-03 2: Δυναμικό μεθανίου για διάφορες πρώτες ύλες, κυρίως γεωργικά προϊόντα.
Κεφάλαιο 03-03 σελ. 10 03-03-04γ Επιρροή συστατικών υποστρώματος στη διεργασία Διαφορετικά συστατικά στο υπόστρωμα μπορούν να προσφέρουν διαφορετικές ποσότητες αερίου λόγω των διαφορών του ενεργειακού περιεχόμενου. Τα συστατικά μπορούν να επηρεάσουν τη διεργασία και με άλλους τρόπους. Μερικές γενικές πληροφορίες για την αναερόβια χώνευση υλικών με μεγάλο περιεχόμενο σε πρωτεΐνες, υδατάνθρακες και λίπη δίδονται παρακάτω. Υλικά πλούσια σε πρωτεΐνες Πολλά οργανικά απόβλητα περιέχουν πρωτεΐνες, οι οποίες, όπως και τα λίπη, έχουν μεγάλο ενεργειακό περιεχόμενο και αποδίδουν σχετικά μεγάλο ποσό μεθανίου του βιοαερίου. Παραδείγματα υλικών με μεγάλο περιεχόμενο πρωτεϊνών είναι τα απόβλητα σφαγείων, η κοπριά πουλερικών και χοίρων και τα απόβλητα διήθησης από τη βιομηχανία παραγωγής αιθανόλης. Άλλα υλικά, όπως τα απόβλητα τροφίμων, μπορεί να περιέχουν πρωτεΐνες, σε μικρότερες όμως ποσότητες. Οι πρωτεΐνες αποτελούνται από μεγάλες αλυσίδες αμινοξέων. Υπάρξουν 20 διαφορετικά αμινοξέα στις πρωτεΐνες και η σύσταση των αλυσίδων ποικίλλει. Ένα κοινό χαρακτηριστικό όλων των αμινοξέων είναι οι αμινομάδες. Σε μια διεργασία παραγωγής βιοαερίου οι πρωτεΐνες πρώτα μετατρέπονται σε μεμονωμένα αμινοξέα ή πεπτίδια (μικρές αλυσίδες αμινοξέων) κατά την υδρόλυση. Στο επόμενο βήμα, τη ζύμωση, τα αμινοξέα έχουν διασπαστεί και οι αμινομάδες απελευθερώνονται ως αμμωνία (NH 3 ) ή αμμώνιο (NH 4 + ). Η αμμωνία και το αμμώνιο βρίσκονται σε ισορροπία μεταξύ τους Ποιό θα υπερισχύσει εξαρτάται έντονα από το ph και τη θερμοκρασία. Σε υψηλές συγκεντρώσεις η αμμωνία (όχι όμως το αμμώνιο) μπορεί να σκοτώσει πολλούς μικροοργανισμούς. Κατά τη διαδικασία παραγωγής, οι μικροοργανισμοί που παράγουν μεθάνιο είναι οι πρώτοι που παρεμποδίζονται με την αύξηση της συγκέντρωσης της αμμωνίας. Αυτή η αναστολή θα οδηγήσει σε αστάθεια της διαδικασίας. Υλικά πλούσια σε υδατάνθρακες Οι υδατάνθρακες είναι μία κοινή ονομασία για διάφορα σάκχαρα, περιλαμβανομένων των απλών σακχάρων όπως η γλυκόζη, οι δισακχαρίτες (δύο μονάδες ζάχαρης ενωμένες όπως στα ζαχαροκάλαμα) και τις αλυσίδες σακχάρων (πολυσακχαρίτες). Η ομάδα των πολυσακχαριτών περιλαμβάνει την κυτταρίνη, την ημικυτταρίνη, το άμυλο και το γλυκογόνο. Τα υποστρώματα φυτικής προέλευσης συνήθως έχουν μεγάλη περιεκτικότητα σε υδατάνθρακες. Επειδή οι υδατάνθρακες είναι πολύ διαφορετικοί μεταξύ τους, χωνεύονται με διαφορετικούς ρυθμούς. Τα απλά σάκχαρα και οι δισακχαρίτες διασπώνται εύκολα και πολύ γρήγορα. Αυτό μπορεί να φαίνεται καλό, αλλά μπορεί να οδηγήσει σε προβλήματα σταθερότητας λόγω της αυξανόμενης περιεκτικότητας σε λιπαρά οξέα. Η υδρόλυση και η ζύμωση συμβαίνουν πολύ γρήγορα σε υποστρώματα με μεγάλη περιεκτικότητα σε σάκχαρα. Όμως, τα μικρόβια που παράγουν το μεθάνιο αναπτύσσονται αργά και κατά συνέπεια αποτελούν το περιοριστικό στάδιο της διεργασίας, καθώς αυτά είναι τα σημαντικά στην αποικοδόμηση των λιπαρών οξέων. Το θέμα είναι ότι οι μεθανογόνοι οργανισμοί δεν μπορούν να επιτύχουν την αποικοδόμηση των λιπαρών οξέων με το ρυθμό που παράγονται, με συνέπεια να συσσωρεύονται τα οξέα. Λόγω της συσσώρευσης των οξέων και επειδή τα πλούσια σε υδατάνθρακες υλικά έχουν μέτρια ικανότητα δημιουργίας σταθερών
Κεφάλαιο 03-03 σελ. 11 συνθηκών, υπάρχει η πιθανότητα να παρουσιαστούν προβλήματα λόγω μειούμενης αλκαλικότητας. Υλικά με υψηλή περιεκτικότητα σε σάκχαρα πρέπει να αναμειγνύονται με αλλά υλικά που περιέχουν λιγότερα χωνεύσιμα υλικά και ιδανικότερα με περισσότερο άζωτο για να επιτευχθεί μία ισορροπημένη διεργασία. Αυτό γίνεται για να εξασφαλιστεί ότι η αρχική ταχύτητα της διεργασίας δεν είναι πολύ γρήγορη. Μια εναλλακτική είναι η χρήση μίας διεργασίας δύο σταδίων, όπου τα βήματα που καταλήγουν σε σχηματισμό οξέων και σε σχηματισμό μεθανίου είναι διακριτά. Παραδείγματα υλικών που είναι πλούσια σε γρήγορα αποικοδομήσιμα σάκχαρα είναι τα διαλύματα καθαρής ζάχαρης, τα φρούτα, οι πατάτες και τα ζαχαρότευτλα. Οι πολυσακχαρίτες αποτελούνται από διάφορα σάκχαρα και αποικοδομούνται σε πολύ διαφορετικούς ρυθμούς κατά τη διεργασία παραγωγής βιοαερίου. Το άμυλο είναι ο συνηθέστερος πολυσακχαρίτης στα πιο κοινά διατροφικά είδη όπως οι πατάτες, το ρύζι και τα ζυμαρικά. Αποτελείται από ευθείες ή διακλαδωμένες αλυσίδες γλυκόζης και χωνεύεται σχετικά εύκολα σε μία διεργασία παραγωγής βιοαερίου. Σε περίπτωση που το υπόστρωμα περιέχει κάποιο υλικό με μεγάλη περιεκτικότητα σε άμυλο μπορεί να παρατηρηθούν προβλήματα ίδια με αυτά των απλών σακχάρων. Η κυτταρίνη είναι η συνηθέστερη οργανική ένωση στη γη και κατά συνέπεια αποτελεί μια σημαντική πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοαερίου. Παρόλα αυτά, είναι πολύ πιο δύσκολη στην αποικοδόμηση. Η κυτταρίνη είναι μία σημαντική χημική ουσία που συναντάται στο κυτταρικό τοίχωμα των φυτών και αποτελείται από μακριές αλυσίδες γλυκόζης. Στο τοίχωμα, ένα πλήθος παράλληλων αλυσίδων κυτταρίνης δένουν μεταξύ τους για να σχηματίσουν μικροΐνες. Εξαιτίας αυτής της περίπλοκης δομής, η κυτταρίνη δεν είναι διαλυτή και συνεπώς χωνεύεται δύσκολα. Η λιγνίνη, η οποία είναι μία αρωματική ένωση με πολύ περίπλοκη δομή, δεν αποικοδομείται κατά τη διεργασία παραγωγής βιοαερίου. Η ημικυτταρίνη αποτελείται από πολλά διαφορετικά σάκχαρα, όχι μόνο γλυκόζη, και η ακριβής σύστασή της διαφέρει ανάλογα με την προέλευση (δηλαδή, διαφορετικά φυτά έχουν και διαφορετική δομή ημικυτταρίνης). Εξαιτίας της περίπλοκης δομής της κυτταρίνης και της ημικυτταρίνης και του γεγονότος ότι σχηματίζουν μεταξύ τους δεσμούς, η διεργασία της χώνευσης των φυτικών υλικών καθυστερεί στην υδρόλυση. Τα ένζυμα που εκκρίνονται από τους υδρολυτικούς μικροοργανισμούς συναντούν δυσκολία στην πρόσβαση προς το «σκελετό» και κατά συνέπεια το στάδιο της υδρόλυσης είναι πιο αργό. Σε περίπτωση υλικών πλουσίων σε κυτταρίνη, όπως το άχυρο ή το κομμένο γρασίδι, η προεπεξεργασία καθορίζει το ρυθμό της υδρόλυσης και κατ επέκταση το ρυθμό παραγωγής αερίου. Η προσβασιμότητα και η χωνευσιμότητα μπορούν να βελτιωθούν με τη διάσπαση του υλικού. Όσο μεγαλύτερη η κατάτμηση, τόσο ευκολότερη η πρόσβαση. Η χημική κατεργασία, η οποία διασπάει την κρυσταλλική δομή της κυτταρίνης, μπορεί να αυξήσει το ρυθμό αποικοδόμησης και να παρέχει περισσότερο αέριο. Όμως, οι μικροοργανισμοί στη διεργασία βιοαερίου μπορούν και αυτοί να διασπάσουν την κυτταρίνη αν τους δοθεί χρόνος. Λιπαρά υλικά
Κεφάλαιο 03-03 σελ. 12 Συνήθη λιπαρά υλικά τα οποία χρησιμοποιούνται σε διεργασίες βιοαερίου είναι τα απόβλητα σφαγείων, απόβλητα παγίδων λίπους, απόβλητα από τη βιομηχανία τυροκομικών και διάφορα έλαια, όπως το τηγανέλαιο. Όπως και τα υλικά που είναι πλούσια σε πρωτεΐνες, το λίπος είναι πλούσιο σε ενέργεια και μπορεί να παράγει πολύ αέριο με μεγάλη περιεκτικότητα μεθανίου. Παρόλα αυτά, το λίπος μπορεί να προκαλέσει προβλήματα αστάθειας στη διεργασία. Τα λίπη αποτελούνται κυρίως από λιπαρά οξέα και γλυκερίνη και διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τη σύνθεση των λιπαρών οξέων. Ταξινομούνται ως κορεσμένα, μονοακόρεστα ή πολυακόρεστα. Τα κορεσμένα λίπη βρίσκονται κυρίως στα κρέατα και τα γαλακτοκομικά, τα πολυακόρεστα στα ψάρια και το αραβοσιτέλαιο και μονοακόρεστα βρίσκονται στα φυτικά έλαια και τους ξηρούς καρπούς. Τα κορεσμένα λίπη έχουν μεγαλύτερο σημείο τήξης, καθιστώντας τα δυσκολότερα διαθέσιμα για βιοαποικοδόμηση. Η θερμική προεπεξεργασία μπορεί να αυξήσει τη χωνευσιμότητα αυτών των λιπών. Τα τριγλυκερίδια (ουδέτερα λίπη) είναι το συνηθέστερο είδος λίπους. Υδρολύονται εύκολα σε ένα αντιδραστήρα βιοαερίου σε μία μεγάλου μήκος αλυσίδα λιπαρών οξέων (LCFA) και γλυκερίνη. Η γλυκερίνη μετατρέπεται γρήγορα σε βιοαέριο ενώ η αποικοδόμηση των LCFA είναι πιο περίπλοκη. Μια πρόσθετη δυσκολία είναι το γεγονός ότι πολλά LCFA σε υψηλές συγκεντρώσεις έχουν ανασταλτική επίδραση σε διάφορους μικροοργανισμούς που συμμετέχουν στη διεργασία, περιλαμβανομένων και των μεθανογόνων. Άλλο φαινόμενο που παρατηρείται είναι ότι οι μεγάλες αλυσίδες λιπαρών οξέων έχουν επιφανειοδραστικές ιδιότητες σε μεγάλες συγκεντρώσεις και κατά συνέπεια μπορούν να παράγουν αφρό. Μια πρόσφατη έρευνα σε 13 εργοστάσια μεικτής χώνευσης δείχνει μια ξεκάθαρη σχέση ανάμεσα στο ποσοστό λίπους στη τροφοδοσία και της συχνότητας σχηματισμού αφρού [7]. Ήταν επίσης συχνό για τα απόβλητα σφαγείων και τα απόβλητα παγίδων λίπους η παραγωγή αφρού τόσο στο βυτιοφόρο όσο και στη δεξαμενή ανάμειξης υποστρώματος. Το πρόβλημα είναι μεγαλύτερο στους θερινούς μήνες, όποτε οι θερμοκρασίες είναι σχετικά υψηλές. Ο λόγος για τον οποίον συμβαίνει αυτό είναι ότι η υδρόλυση του λίπους άρχισε πριν την εισαγωγή του στο χωνευτή και αυτή η διεργασία επιταχύνθηκε όταν η θερμοκρασία έγινε υψηλότερη. Κατά την υδρόλυση τα LCFA ελευθερώθηκαν, με αποτέλεσμα την παραγωγή αφρού. Όταν προστέθηκε αυτό το υλικό, ο αντιδραστήρας υπερφορτώθηκε με υψηλές συγκεντρώσεις λιπαρών οξέων, το οποίο δημιούργησε προβλήματα δημιουργίας αφρού. Αν τα λιπαρά οξέα ελευθερώνονται αργά κατά τη χώνευση των λιπαρών κατά τη διεργασία βιοαερίου και αν δεν φτάσουν σε υψηλές συγκεντρώσεις, τότε υπάρχει μικρότερος κίνδυνος αστάθειας από ότι αν η διεργασία φορτώνεται άμεσα με υψηλά περιεχόμενα LCFA. Διαφορές στη σύσταση μεταξύ υποστρωμάτων μπορούν κατά συνέπεια να αποφέρουν σημαντικές διαφορές στη δυνατότητα παραγωγής μεθανίου, όπως φαίνεται στον παρακάτω πίνακα όπου αναφέρονται μερικά βιομηχανικά απόβλητα: Τύπος απόβλητου Σύνθεση οργανικού υλικού Περιεκτικότητα Παραγωγή