ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΩΝ ΧΩΝΕΥΤΩΝ ΣΕ ΜΙΚΡΟΥΣ ΧΡΟΝΟΥΣ ΠΑΡΑΜΟΝΗΣ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΔΙΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟ ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΕΠΙΣΤΗΜΗ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ» ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΩΝ ΧΩΝΕΥΤΩΝ ΣΕ ΜΙΚΡΟΥΣ ΧΡΟΝΟΥΣ ΠΑΡΑΜΟΝΗΣ Αντωνίου Η. Κορνηλία Αθήνα, Σεπτέμβριος 2008 Επιβλέπων: Επίκουρος καθηγητής Δ. Μαμάης

Πρόλογος - Ευχαριστίες Μετά την ολοκλήρωση αυτής της μεταπτυχιακής εργασίας, θα ήθελα να ευχαριστήσω όσους με βοήθησαν κατά τη διάρκεια εκπόνησής της. Πρώτα απ όλους θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα Επίκουρο καθηγητή κ. Δανιήλ Μαμάη, που μου εμπιστεύτηκε την εκπόνηση της συγκεκριμένης μεταπτυχιακής εργασίας. Η επιστημονική του καθοδήγηση, η συμπαράσταση και η στήριξη του μου έδωσαν τα κατάλληλα εφόδια για την ολοκλήρωσή της. Ιδιαίτερα σημαντική ήταν η βοήθεια που μου πρόσφερε η υποψήφια διδάκτορας, Χημικός Μηχανικός Ματίνα Μαρνέρη, χωρίς την οποία η εκπόνηση της παρούσας εργασίας θα ήταν εξαιρετικά δύσκολη. Η συνεχή της παρουσία, η καθοδήγησή της και η άψογη συνεργασία ήταν καθοριστικά για την εξέλιξη και ολοκλήρωση αυτής της εργασίας. Την ευχαριστώ, επίσης, για την παραχώρηση των μετρήσεων FISΗ. Τέλος, θα ήθελα ακόμη να ευχαριστήσω όλους τους εργαζόμενους στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας για τη συνεχή βοήθειά τους. Αντωνίου Κορνηλία Σεπτέμβριος, 2008

Περιεχόμενα Περίληψη... vi Abstract... viii Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή... 1 1.1 Σκοπός... 1 1.2 Αντικείμενο εργασίας... 2 1.3 Διάρθρωση εργασίας... 2 Κεφάλαιο 2 ο - Θεωρητικό Υπόβαθρο - Βιβλιογραφική Παρουσίαση... 4 2.1 Εισαγωγή... 4 2.1.1 Νομοθεσία... 7 2.1.1.1 Ευρωπαϊκή νομοθεσία... 7 2.1.1.2 Ελληνική νομοθεσία... 8 2.1.2 Αναερόβια χώνευση... 13 2.1.2.1 Μικροβιολογία αναερόβιας χώνευσης... 16 2.1.2.2 Κινητική αναερόβιας χώνευσης... 24 2.2 Λειτουργικά χαρακτηριστικά... 31 2.2.1 Θερμοκρασία... 32 2.2.2 Χρόνοι παραμονής... 35 2.2.3 Φόρτιση οργανικών στερεών... 37 2.2.4 Ανάδευση... 38 2.2.5 Αλκαλικότητα και ph... 39 2.2.6 Θρεπτικές ουσίες... 44 2.2.7 Ανασταλτικοί παράγοντες και τοξικές ουσίες... 47 2.2.8 Απόδοση χωνευτών... 54 2.2.8.1 Βιοαέριο... 54 2.2.8.2 Καταστροφή πτητικών στερεών... 56 2.2.8.3 Αδρανοποίηση παθογόνων μικροοργανισμών... 57 ii

2.2.8.4 Πτητικά λιπαρά οξέα (VFAs) & Διαλυτό COD... 58 2.2.8.5 Συσχέτιση αναερόβιας χώνευσης και αφυδατωσιμότητας... 60 2.3 Προβλήματα κατά τη λειτουργία της αναερόβιας χώνευσης... 62 2.3.1 Υψηλή υδραυλική φόρτιση... 63 2.3.2 Υψηλή οργανική φόρτιση... 64 2.3.3 Τοξικότητα αμμωνίας... 64 2.3.4 Τοξικότητα από σουλφίδια... 65 2.3.5 Αφρισμός... 66 2.4 Σχεδιασμός χωνευτών-παραλλαγές... 70 2.4.1 Εισαγωγή... 70 2.4.2 Παράμετροι Σχεδιασμού... 72 2.4.2.1 Χρόνος παραμονής στερεών (SRT) & Υδραυλικός χρόνος παραμονής (HRT)... 72 2.4.2.2 Μεσόφιλη χώνευση... 73 2.4.2.3 Θερμόφιλη χώνευση... 74 2.4.2.4 Χωνευτές σε σειρά... 76 2.4.3 Βιβλιογραφική σύγκριση συστημάτων χώνευσης... 80 Κεφάλαιο 3 ο - Μεθοδολογία - Πειραματικό Πρωτόκολλο... 93 3.1 Περιγραφή εργαστηριακής διάταξης... 93 3.2 Τροφοδοσία και λειτουργικά στοιχεία χωνευτών... 97 3.2.1 Τροφοδοσία... 97 3.2.2 Λειτουργικά χαρακτηριστικά... 98 3.3 Πρόγραμμα εργαστηριακών αναλύσεων... 101 3.4 Αναλυτική περιγραφή μεθόδων... 103 3.4.1 Μέτρηση θερμοκρασίας... 103 3.4.2 Μέτρηση ph... 103 3.4.3 Μέτρηση βιοαερίου... 103 3.4.4 Μέτρηση ολικών και πτητικών στερεών (TS & VS)... 104 iii

3.4.5 Ολικό, Κολλοειδές & Διαλυτό COD... 106 3.4.6 Test αφρισμού... 111 3.4.7 Test αφυδατωσιμότητας-specific Resistance to Filtration (SRF)... 113 3.4.8 Αλκαλικότητα... 118 3.4.9 VFAs... 119 3.4.10 Ποσοτικός προσδιορισμός νηματοειδών με τη μέθοδο Fluorescent In Situ Hybridization (FISH)... 122 Κεφάλαιο 4 ο - Παρουσίαση και Σχολιασμός Αποτελεσμάτων... 124 4.1 Εισαγωγή... 124 4.2 Πρώτη φάση λειτουργίας (8/1/2008-25/4/2008)... 125 4.2.1 Θερμοκρασία ph... 127 4.2.2 Παραγωγή βιοαερίου... 128 4.2.3 Καταστροφή πτητικών στερεών... 130 4.2.4 Καταστροφή ολικού COD... 131 4.2.5 Κολλοειδές COD... 132 4.2.6 Διαλυτό COD... 134 4.2.7 Κλασματοποίηση COD... 136 4.2.8 Αφυδατωσιμότητα... 138 4.2.9 Πτητικά Λιπαρά Οξέα (VFAs)... 140 4.2.10 Αλκαλικότητα... 141 4.2.11 Δοκιμές Αφρισμού... 143 4.2.12 Συγκέντρωση και καταστροφή νηματοειδών μικροοργανισμών... 147 4.3 Δεύτερη φάση λειτουργίας (26/4/2008-18/7/2008)... 152 4.3.1 Θερμοκρασία ph... 154 4.3.2 Παραγωγή βιοαερίου... 155 4.3.3 Καταστροφή πτητικών στερεών... 157 4.3.4 Καταστροφή ολικού COD... 158 4.3.5 Κολλοειδές COD... 160 iv

4.3.6 Διαλυτό COD... 162 4.3.7 Κλασματοποίηση COD... 163 4.3.8 Αφυδατωσιμότητα... 165 4.3.9 Πτητικά Λιπαρά Οξέα (VFAs)... 166 4.3.10 Αλκαλικότητα... 168 4.3.11 Δοκιμές Αφρισμού... 169 4.3.12 Συγκέντρωση και καταστροφή νηματοειδών μικροοργανισμών... 173 4.4 Σύγκριση μεταξύ των φάσεων... 178 Κεφάλαιο 5 ο - Συμπεράσματα & Προτάσεις για Μελλοντική Έρευνα... 185 5.1 Συμπεράσματα... 185 5.2 Προτάσεις για μελλοντική έρευνα... 189 Βιβλιογραφία... 191 Παραρτήματα... 200 v

Περίληψη Ο σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας, η οποία πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, είναι η αξιολόγηση της λειτουργίας των αναερόβιων χωνευτών, μέσω της μελέτης της επίδρασης του χρόνου παραμονής, της θερμοκρασίας και της διαμερισματοποίησης. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε τέσσερα διαφορετικά συστήματα αναερόβιας χώνευσης εργαστηριακής κλίμακας, τα οποία εξετάστηκαν σε δύο χρόνους παραμονής. Τα τέσσερα εργαστηριακά συστήματα αναερόβιας χώνευσης, ήταν ένας μονοβάθμιος μεσόφιλος χωνευτής, ένας μονοβάθμιος θερμόφιλος χωνευτής και δύο διβάθμια συστήματα. Το ένα διβάθμιο σύστημα αποτελούνταν από ένα πρώτο θερμόφιλο στάδιο με μικρότερο χρόνο παραμονής σε σειρά με ένα δεύτερο μεσόφιλο στάδιο, ενώ το δεύτερο διβάθμιο σύστημα αποτελούνταν από δύο μεσόφιλους χωνευτές σε σειρά με ίσους χρόνους παραμονής. Όλα τα συστήματα λειτούργησαν σε δύο διαφορετικούς χρόνους παραμονής, στις 13 και στις 10 ημέρες, χρόνοι που δεν εφαρμόζονται ευρέως, λόγω του προβληματισμού που υπάρχει για την απόδοση των χωνευτών σε μικρούς χρόνους παραμονής. Η απόδοση των χωνευτών αξιολογήθηκε με βάση την παραγωγή του βιοαερίου, την καταστροφή των πτητικών στερεών και την καταστροφή του ολικού COD, ενώ τα λειτουργικά χαρακτηριστικά που εξετάστηκαν ήταν η θερμοκρασία, το ph, η συγκέντρωση των πτητικών λιπαρών οξέων καθώς και η συγκέντρωση της αλκαλικότητας της χωνεμένης ιλύος. Επίσης, εξετάστηκε το φαινόμενο του αφρισμού στους χωνευτές μέσω δοκιμών αφρισμού ενώ διερευνήθηκε η συσχέτισή του με τη συγκέντρωση των νηματοειδών G. amarae και M. parvicella με την εφαρμογή της μοριακής μεθόδου FISH καθώς και με τη συγκέντρωση του κολλοειδούς COD. Τέλος, εξετάστηκαν τα χαρακτηριστικά της αφυδατωσιμότητας της ιλύος από κάθε εργαστηριακό χωνευτή και συγκρίθηκαν τόσο μεταξύ των διαφορετικών εργαστηριακών συστημάτων όσο και με αυτά της χωνεμένης ιλύος από την εγκατάσταση της Ψυττάλειας. Η επεξεργασία των εργαστηριακών αποτελεσμάτων οδήγησε στα παρακάτω συμπεράσματα: Πρώτον, φαίνεται ότι οι μεσόφιλοι χωνευτές έχουν πιο σταθερή λειτουργία και καλύτερα χαρακτηριστικά αφυδατωσιμότητας σε σύγκριση με τους θερμόφιλους vi

χωνευτές. Παρόλα αυτά έχουν χαμηλότερη απόδοση ως προς την καταστροφή των νηματοειδών μικροοργανισμών, με αποτέλεσμα τη διατήρηση των προβλημάτων νηματοειδούς διόγκωσης και αφρισμού, με την επιστροφή των στραγγιδίων από τη διεργασία της αφυδάτωσης στην αρχή μιας εγκατάστασης επεξεργασίας λυμάτων. Όσον αφορά στη μείωση του χρόνου παραμονής, ο χωνευτής που επηρεάστηκε περισσότερο ήταν ο μονοβάθμιος θερμόφιλος, προκαλώντας μεγαλύτερη πίεση στους μεθανογόνους μικροοργανισμούς. Το γεγονός αυτό, καθώς και γενικότερα, η μειωμένη απόδοση του μπορεί να οφείλεται σε κάποιο αναχαιτιστικό παράγοντα, όπως η χαμηλή συγκέντρωση ιχνοστοιχείων, τα οποία είναι απαραίτητα σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις στη θερμόφιλη χώνευση σε σχέση με τη μεσόφιλη. Τέλος, το θερμόφιλο/μεσόφιλο σύστημα ήταν συγκριτικά το πιο σταθερό και είχε την καλύτερη απόδοση, υποδεικνύοντας ότι η διαμερισμοτοποίηση και η εναλλαγή της θερμοκρασίας από τις θερμόφιλες στις μεσόφιλες συνθήκες, βοηθά στην ανάπτυξη διαφορετικών ομάδων μικροοργανισμών με συνέπεια την αύξηση της απόδοσης της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης. vii

Abstract The scope of this study was to evaluate the effect of temperature, detention time and multiple stages to the process of anaerobic digestion of sewage sludge produced in wastewater treatment plants. The study was conducted at the Sanitary Engineering Laboratory of the School of Civil Engineering at the National Technical University Athens. Towards this scope four different lab-scale systems of anaerobic digestion were examined, one single-stage mesophilic digester, one single-stage thermophilic digester, and two dual-stage systems. One system was consisted of a first thermophilic stage with shorter detention time, followed by a second mesophilic digester. The other system was consisted of two mesophilic digesters, of equal detention times, in series. All digesters were operated under detention times of 13 and 10 days, which are not widely applied to full-scale anaerobic digesters, due to the concern that such low detention times will result in poor performance of the digestion system. The performance of the lab-scale digesters was evaluated in terms of biogas production per mass of volatile acids destroyed, volatile solids destruction as well as COD reduction. The operational parameters that were monitored were temperature, ph, concentration of volatile fatty acids and alkalinity. Also, this study focused on the foaming propensity of the lab-scale digesters caused by colloidal matter, as well as by the concentration of the filamentous microorganisms G. amarae and M. parvicella. The concentrations of the filaments were estimated by means of the molecular method Fluorescent In Situ Hybridization (FISH). Finally, all anaerobic systems were evaluated with respect to their sludge dewaterability characteristics, which were compared with mesophilic digested sludge from the Psyttalia Wastewater Plant in Athens. According to the results of this study, the mesophilic digesters carried a more stable operation and they resulted in a digested product with better dewaterability characteristics. On the other hand, the thermophilic digesters resulted in a higher destruction of filamentous bacteria. With respect to the decrease of detention time, the performance of the thermophilic digester was affected the most, as it appears that the methanogens had difficulty in viii

growing in the thermophilic conditions. This fact as well as the low performance of the thermophilic digesters in general, may be attributed to inhibitor factors, such as the low concentration of micronutrients, which are essential in higher concentration in thermophilic digestion than in mesophilic. Finally, the thermophilic/mesophilic system outperformed all other systems, indicating that dual-stage and temperature-staged anaerobic digestion systems support the growth of different microorganisms groups thereby improving the performance of the process. ix

Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή Η εφαρμογή της Οδηγίας 91/271 οδήγησε στην κατασκευή περισσότερων από 450 εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων (ΕΕΛ) στην Ελλάδα την τελευταία δεκαετία. Παραπροϊόν της επεξεργασίας λυμάτων είναι η βιολογική ιλύς, η παραγωγή της οποίας αυξάνεται συνεχώς αναλόγως του αριθμού των νέων ΕΕΛ που κατασκευάζονται και του αριθμού των υφιστάμενων εγκαταστάσεων που αναβαθμίζονται. Η ιλύς αποτελείται από αποσυντιθέμενες βιοδιασπάσιμες οργανικές ουσίες και από μη-βιοδιασπάσιμο υλικό, που περιέχει παθογόνους μικροοργανισμούς και πιθανά τοξικά χημικά, με αποτέλεσμα η διάθεση ιλύος να είναι δυσχερής και να αποτελεί ένα κρίσιμο κοινωνικό πρόβλημα, που πρέπει να επιλυθεί. (Hamer et al., 1985, Haner et al., 1994) Η αναερόβια μεσόφιλη χώνευση είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος για τη σταθεροποίηση της ιλύος, ενώ ταυτόχρονα το νομοθετικό πλαίσιο σχετικά με τους τρόπους επεξεργασίας και διάθεσης της γίνεται συνεχώς αυστηρότερο, δίνοντας έμφαση στη θερμόφιλη αναερόβια χώνευση ως προηγμένη μέθοδο επεξεργασίας της ιλύος. Όμως, σύμφωνα με έρευνες που έχουν γίνει, η θερμόφιλη χώνευση είναι μια διεργασία ευαίσθητη σε περιβαλλοντικές διακυμάνσεις και η ποιότητα των στραγγιδίων της είναι χαμηλή. Έτσι, οι έρευνες στρέφονται σε διβάθμια συστήματα αναερόβιας χώνευσής ιλύος, που λειτουργούν σε θερμόφιλες ή/και μεσόφιλες συνθήκες, ενώ έχουν την ικανότητα να σταθεροποιούν την ιλύ σε μικρούς χρόνους παραμονής. 1.1 Σκοπός Ο σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η αξιολόγηση της λειτουργίας των αναερόβιων χωνευτών, μέσω της μελέτης της επίδρασης του χρόνου παραμονής, της θερμοκρασίας και της διαμερισματοποίησης. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε τέσσερα διαφορετικά συστήματα αναερόβιας χώνευσης εργαστηριακής κλίμακας σε δύο χρόνους παραμονής. 1

1.2 Αντικείμενο εργασίας Τα τέσσερα συστήματα, που εξετάστηκαν, είναι ένας μονοβάθμιος μεσόφιλος χωνευτής, ένας μονοβάθμιος θερμόφιλος χωνευτής και δύο διβάθμια συστήματα. Το ένα διβάθμιο σύστημα αποτελούνταν από ένα πρώτο θερμόφιλο στάδιο με μικρότερο χρόνο παραμονής σε σειρά με ένα δεύτερο μεσόφιλο στάδιο, ενώ το δεύτερο διβάθμιο σύστημα αποτελούνταν από δύο μεσόφιλους χωνευτές σε σειρά με ίσους χρόνους παραμονής. Όλα τα συστήματα λειτούργησαν σε δύο διαφορετικούς χρόνους παραμονής, στις 13 και στις 10 ημέρες, χρόνοι που δεν εφαρμόζονται ευρέως, λόγω του προβληματισμού που υπάρχει για την απόδοση των χωνευτών σε μικρούς χρόνους παραμονής. Η απόδοση των χωνευτών αξιολογήθηκε με βάση την παραγωγή του βιοαερίου, την καταστροφή των πτητικών στερεών και την καταστροφή του ολικού COD, ενώ η σταθερότητα της λειτουργίας τους παρακολουθήθηκε μέσω της σταθερότητας της θερμοκρασίας και του ph, της συγκέντρωσης των πτητικών λιπαρών οξέων VFAs και της συγκέντρωσης της αλκαλικότητας. Επίσης, εξετάστηκε το φαινόμενο του αφρισμού στους χωνευτές μέσω δοκιμών αφρισμού ενώ διερευνήθηκε η συσχέτισή του με τη συγκέντρωση των νηματοειδών G. amarae και M. parvicella με την εφαρμογή της μοριακής μεθόδου FISH καθώς και με τη συγκέντρωση του κολλοειδούς COD. Τέλος, εξετάστηκαν τα χαρακτηριστικά της αφυδατωσιμότητας της ιλύος από κάθε εργαστηριακό χωνευτή και συγκρίθηκαν τόσο μεταξύ των διαφορετικών εργαστηριακών συστημάτων όσο και με αυτά της χωνεμένης ιλύος από την εγκατάσταση της Ψυττάλειας. 1.3 Διάρθρωση εργασίας Η εργασία περιλαμβάνει εκτός από την παρούσα εισαγωγή, άλλα τέσσερα κεφάλαια και τρία παραρτήματα. Στο Κεφάλαιο 2 της εργασίας παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο και γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση σχετικά με το θέμα της παρούσας εργασίας. Πιο συγκεκριμένα εξετάζονται οι τάσεις των νομοθετικών ρυθμίσεων όσον αφορά στη διάθεση της ιλύος και ο τρόπος που αυτές επιδρούν στις μεθόδους επεξεργασίας της με έμφαση στη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης. Στη συνέχεια, αναλύονται η μικροβιολογία και η κινητική της αναερόβιας χώνευσης, η επίδραση των διαφορετικών φυσικών και χημικών παραμέτρων στη διεργασία και η απόδοση αυτών 2

των συστημάτων μαζί με τα λειτουργικά προβλήματα που παρουσιάζουν με έμφαση στο πρόβλημα του αφρισμού. Τέλος, παρουσιάζονται τα βασικότερα συστήματα χώνευσης που χρησιμοποιούνται διεθνώς. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η εργαστηριακή διάταξη αναερόβιας χώνευσης της παρούσας ερευνητικής εργασίας, το χρονοδιάγραμμα των πειραμάτων καθώς και οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν για τις εργαστηριακές αναλύσεις. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται αναλυτικά και σχολιάζονται τα αποτελέσματα των εργαστηριακών αναλύσεων για όλα τα συστήματα αναερόβιας χώνευσης για τις δύο πειραματικές φάσεις της παρούσας εργασίας, καθώς και η μεταξύ τους σύγκριση. Στο πέμπτο κεφάλαιο συνοψίζονται τα βασικότερα συμπεράσματα και οι παρατηρήσεις, που προέκυψαν από αυτή την εργασία, ενώ γίνονται προτάσεις για τις πιθανές κατευθύνσεις που μπορεί να στραφεί η μελλοντική έρευνα. Τέλος, στο παράρτημα παρουσιάζονται αναλυτικά οι καθημερινές μετρήσεις των εργαστηριακών χωνευτών και τα πειράματα που ήταν αναγκαία για τον υπολογισμό ορισμένων παραμέτρων. 3

Κεφάλαιο 2 ο - Θεωρητικό Υπόβαθρο - Βιβλιογραφική Παρουσίαση 2.1 Εισαγωγή Στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων (ΕΕΛ) συντελούνται σύνθετες φυσικές, χημικές και βιολογικές διεργασίες, με στόχο τη μείωση του οργανικού φορτίου και των στερεών, που περιέχονται στα εισερχόμενα λύματα, πριν αυτά διατεθούν σε έναν υδάτινο αποδέκτη. Όμως, με αυτές τις διεργασίες παράγονται μεγάλες ποσότητες ιλύος, που περιέχουν μεγάλο αριθμό πολύτιμων συστατικών με υψηλή θερμική αξία, με αποτέλεσμα να μπορεί να αξιοποιηθεί σε ένα μεγάλο εύρος χρήσεων. Συγχρόνως, το παραπροϊόν αυτό είναι και φορέας ανεπιθύμητων ρυπαντών, με αποτέλεσμα ο τρόπος τελικής διάθεσής της να έχει σημαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις, όπως είναι οι εκπομπές στον αέρα, ο κίνδυνος για τη δημόσια υγεία και η πιθανότητα ρύπανσης εδαφικών και υδατικών πόρων. (Κάρτσωνας Ν., 2005, Ευρωπαϊκή Επιτροπή, Περιφέρεια Κεντρικής Μακεδονίας) Συνεπώς, η επεξεργασία και η διάθεση της ιλύος είναι μία σημαντική παράμετρος, που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά τον σχεδιασμό των εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων, αφού αποτελεί ένα από τα πιο πολύπλοκα προβλήματα, διότι η ιλύς: είναι συνήθως σε υγρή μορφή και έτσι είναι δύσκολη η διαχείρισή της, έχει ένα υψηλό οργανικό φορτίο και δημιουργεί δυσάρεστες οσμές, περιέχει μία ποικιλία παθογόνων οργανισμών και περιέχει ρυπαντές από τη διάθεση βιομηχανικών αποβλήτων στο αστικό δίκτυο. Επίσης, με την εφαρμογή της Ευρωπαϊκής Περιβαλλοντικής Νομοθεσίας υπ αριθμόν 91/271/ΕΟΚ οδηγίας περί επεξεργασίας αστικών λυμάτων, την αύξηση του πληθυσμού και συνεπώς της παραγωγής λυμάτων, του αριθμού των νέων ΕΕΛ που κατασκευάζονται και του αριθμού των υφιστάμενων ΕΕΛ που αναβαθμίζονται, η παραγωγή της αυξάνεται συνεχώς και με γρήγορους ρυθμούς. (Ευρωπαϊκή επιτροπή, Κάρτσωνας Ν., 2005, Ανδρεαδάκης Α., 2001, Haner et al., 1993) Η σύσταση της ιλύος που οδηγείται προς επεξεργασία εξαρτάται από το ρυπαντικό φορτίο των προς επεξεργασία λυμάτων, από το είδος της επεξεργασίας των λυμάτων 4

και από το είδος επεξεργασίας της ιλύος. Ανάλογα δε, με το στάδιο επεξεργασίας των λυμάτων διακρίνονται οι ακόλουθες κατηγορίες ιλύος: 1. Πρωτοβάθμια ιλύς: Ιλύς που παράγεται κατά την πρωτοβάθμια επεξεργασία των λυμάτων. 2. Βιολογική ιλύς: Ιλύς που παράγεται κατά την δευτεροβάθμια επεξεργασία των λυμάτων. 3. Μικτή ιλύς: είναι μίγμα πρωτοβάθμιας και βιολογικής ιλύος. 4. Τριτοβάθμια Ιλύς: Ιλύς που παράγεται κατά την τριτοβάθμια επεξεργασία των λυμάτων. (Κάρτσωνας Ν., 2005) Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται τα τυπικά χαρακτηριστικά της ιλύος αναλόγως με τον τρόπο επεξεργασίας της. Πίνακας 2.1. Τυπικά χαρακτηριστικά ιλύος ανάλογα με τον βαθμό επεξεργασίας. Χαρακτηριστικά ιλύος Μονάδα μέτρησης Πρωτοβάθμια ιλύς Δευτεροβάθμια ιλύς Μικτή ιλύς Χωνεμένη ιλύς DS (ξηρή ουσία) Kg/m 3 12 7 10 30 VS (πτητική ουσία) %DS 65 77 72 50 ph 6 7 6,5 7 C %VS 51,5 53 51 49 H %VS 7 6,7 7,4 7,7 O %VS 35,5 33 33 35 N %VS 4,5 6,3 7,1 6,2 C/N 11,4 8,7 7,2 7,9 P %DS 2 2 2 2 Cl %DS 0,8 0,8 0,8 0,8 K %DS 0,3 0,3 0,3 0,3 Al %DS 0,2 0,2 0,2 0,2 Ca %DS 10 10 10 10 Fe %DS 2 2 2 2 Mg %DS 0,6 0,6 0,6 0,6 Λίπη %DS 18 10 14 10 Πρωτεΐνες %DS 24 34 30 18 Θερμική ισχύς kwh/t DS 4200 4800 4600 3000 Πηγή: Κάρτσωνας Ν., 2005 Η επεξεργασία της ιλύος επηρεάζει σημαντικά τόσο το συνολικό κόστος λειτουργίας των εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων καλύπτοντας το 30-35 % όσο και την επιλογή διάθεσής της. Βασικοί στόχοι για τον περιορισμό του κόστους και την καλύτερη διαχείρισή της αποτελούν η μείωση του όγκου της παραγόμενης ιλύος, η 5

μείωση του οργανικού της φορτίου και η μετατροπή της σε μια βιολογικά αδρανή μάζα (βιοχημική σταθεροποίηση). (Λειβαδάρα Σ., 2006, Borowski et al., 2006) Οι τυπικές διεργασίες που επιτυγχάνουν τους παραπάνω στόχους είναι οι εξής: Πάχυνση Επιτυγχάνει μείωση του όγκου, µε ταυτόχρονη απομάκρυνση του περιεχόμενου νερού και βελτίωση των χαρακτηριστικών της ιλύος, ώστε να είναι πιο αποτελεσματικές οι μετέπειτα διεργασίες. H πιο φθηνή και συνηθισμένη μέθοδος είναι η πάχυνση με βαρύτητα. Αυτή γίνεται σε δεξαμενές παρόμοιες με τις δεξαμενές καθίζησης. Το υγρό που υπερχειλίζει επιστρέφει στη μονάδα κατεργασίας των αποβλήτων. Χώνευση Αερόβια: Πραγματοποιείται με έντονη οξυγόνωση και ανάδευση της ιλύος για 10 περίπου μέρες, οπότε βιοαποδομείται το 40-60 % των πτητικών στερεών και παράγεται σχετικά σταθεροποιημένη ιλύς. Αναερόβια: Πραγματοποιείται σε κλειστές δεξαμενές σε συνθήκες πλήρης έλλειψης οξυγόνου, µε συνεχή ανάμιξη που επιτελείται µε ανακυκλοφορία-εμφύσηση βιοαερίου ή μηχανική ανάμιξη και µε συνεχή έλεγχο της θερμοκρασίας, του pη, και των αιωρούμενων στερεών. Οι δεξαμενές είναι κυκλικές µε σιλό συλλογής της ιλύος στον πυθμένα. Βελτίωση Στοχεύει στην ελάττωση της συνάφειας μεταξύ στερεών και νερού και την συσσωμάτωση των σωματιδίων, ώστε να διευκολυνθεί η μετέπειτα αφυδάτωση. Επιτυγχάνεται µε προσθήκη κροκιδωτικών, κυρίως πολυηλεκτρολυτών (χημική βελτίωση) ή µε ολιγόχρονη θέρμανση σε 160-210 C, σε αυτόκλειστα µε υψηλή πίεση (θερμική βελτίωση). Η τελευταία επιτυγχάνει και σοβαρή μείωση του μικροβιολογικού φορτίου (αποστείρωση). Αφυδάτωση Επιτυγχάνει τη περαιτέρω μείωση της υγρασίας, µε αποτέλεσμα να είναι πιο εύκολη η διακίνηση, μεταφορά και τελική διάθεση της σταθεροποιημένης ιλύος. Χρησιμοποιούνται μηχανικές και θερμικές μέθοδοι, συνήθως ταινιοφιλτρόπρεσσες ή φυγοκεντρικοί συμπυκνωτές και κλίνες ξήρανσης. 6

Θερμική ξήρανση Επιτυγχάνει τη μείωση της περιεχόμενης υγρασίας σε ποσοστό μικρότερο του 15% και ταυτόχρονα σταθεροποίηση και υγιειονοποίηση της ιλύος. Μπορεί να επιτευχθεί σε θερμικό ξηραντήρα, άμεσου ή έμμεσου τύπου. Στους πρώτους η ιλύς έρχεται σε άμεση επαφή µε το µέσο μεταφοράς θερμότητας, που είναι συνήθως θερμός αέρας, ενώ στους δεύτερους η ιλύς αναδεύεται και προωθείται μηχανικά σε εναλλάκτη κελύφους, που θερμαίνεται συνήθως µε διαθερμικό λάδι. (Ευρωπαϊκή επιτροπή) 2.1.1 Νομοθεσία Σύμφωνα με την πολιτική διαχείρισης αποβλήτων της Ευρωπαϊκής Ένωσης (Ε.Ε.) συνιστάται η επαναχρησιμοποίηση και η ανακύκλωση. Οι προδιαγραφές και τα όρια της υφιστάμενης ευρωπαϊκής και ελληνικής εναρμονισμένης νομοθεσίας στηρίζονται κυρίως στη χρήση της επεξεργασμένης ιλύος στη γεωργία ως εδαφοβελτιωτικό ή λίπασμα. Άλλοι τρόποι διάθεσης και χρήσης της ιλύος αφορούν πιο γενικές διατάξεις που σχετίζονται με την διαχείριση αποβλήτων. (Κάρτσωνας Ν., 2005, Ανδρεαδάκης Α., 2001) 2.1.1.1 Ευρωπαϊκή νομοθεσία Οι ευρωπαϊκές Οδηγίες που σχετίζονται με τη διαχείριση, απόρριψη και ανακύκλωση της ιλύος είναι οι εξής: 1986/278/EE: σχετικά με την προστασία του περιβάλλοντος και ιδίως του εδάφους κατά τη χρησιμοποίηση της ιλύος καθαρισμού λυμάτων στη γεωργία 1991/271/EE: για την επεξεργασία των αστικών λυμάτων 1999/31/EΕ: περί υγειονομικής ταφής των αποβλήτων 2000/76/EΕ: για την αποτέφρωση των αποβλήτων 2003/33/EΕ: για τον καθορισμό κριτηρίων και διαδικασιών αποδοχής των αποβλήτων στους χώρους υγειονομικής ταφής σύμφωνα με το άρθρο 16 και το παράρτημα II της οδηγίας 1999/31/EC 2006/12/EE: για τα στερεά απόβλητα, η οποία προωθεί τη μείωση των ποσοτήτων ορισμένων αποβλήτων, την επεξεργασία των αποβλήτων με στόχο την ανακύκλωση ή την επαναχρησιμοποίηση τους, την αξιοποίηση της 7

ενέργειας από ορισμένα απόβλητα καθώς και τη χρήση φυσικών πόρων που μπορούν να αντικατασταθούν από ανακτηθέντα υλικά. Η πιο σημαντική από τις παραπάνω Οδηγίες είναι η 86/278/ΕΕ, η οποία προκειμένου να ενθαρρύνει τη χρήση της ιλύος στη γεωργία ορίζει: την περιορισμένη εισαγωγή βαρέων μετάλλων στη γεωργική γη, τη χαμηλή συγκέντρωση συνθετικών οργανικών ενώσεων στην ιλύ, την ελάχιστη έως μηδενική έκθεση σε παθογόνους μικροοργανισμούς, την προστασία των υπογείων και επιφανειακών υδάτων από την διασπορά της ιλύος στην επιφάνεια και την αποφυγή δυσάρεστων συνθηκών όπως δυσοσμίας. Επίσης απαγορεύει τη χρήση της ιλύος στη γεωργία: Όταν η συγκέντρωση ενός ή περισσοτέρων βαρέων μετάλλων στο έδαφος υπερβαίνει τις οριακές τιμές του Παρατήματος ΙΑ της Οδηγίας. Σε λειμώνες ή εκτάσεις που χρησιμοποιούνται ως βοσκότοποι ή σε καλλιέργειες ζωοτροφών προτού παρέλθει ορισμένο χρονικό διάστημα, που καθορίζεται από την γεωγραφική και κλιματολογική τους κατάσταση και που δεν μπορεί να είναι μικρότερο από 3 εβδομάδες. Σε καλλιέργειες οπωροκηπευτικών κατά την περίοδο της βλάστησης (εξαιρούνται οι καλλιέργειες οπωροφόρων δέντρων). Σε εδάφη προοριζόμενα για καλλιέργειες οπωροκηπευτικών που βρίσκονται σε άμεση επαφή με το έδαφος και που συνήθως καταναλώνονται ωμά, (δέκα μήνες πριν αρχίσει η συγκομιδή και κατά τη συγκομιδή). Για να χρησιμοποιηθεί η ιλύς στη γεωργία πρέπει να υποβάλλεται σε επεξεργασία. Ως επεξεργασμένη ιλύς ορίζεται εκείνη που έχει υποστεί βιολογική, χημική, θερμική ή άλλη κατάλληλη επεξεργασία, ώστε να είναι σταθεροποιημένη. Όμως, είναι δυνατή η χρήση της ανεπεξέργαστης ιλύος, εάν αυτή εισαχθεί στο έδαφος με κατάλληλο τρόπο, εάν δηλαδή αυτή εγχέεται ή παραχώνεται στο έδαφος. (Κάρτσωνας Ν., 2005) 2.1.1.2 Ελληνική νομοθεσία Γενικότερα, η ελληνική νομοθεσία που σχετίζεται με την ιλύ είναι: 8

Κ.Υ.Α. 80568/4225/1991: για τη χρήση της ιλύος αποβλήτων στη γεωργία (ΦΕΚ 6641/91,07.08.91), όπου προδιαγράφεται η διάθεση της ιλύος στη γεωργία. Ν. 1650/86: για την προστασία του περιβάλλοντος. Κ.Υ.Α. 82805/2224/93: για την αποφυγή ατμοσφαιρικής ρύπανσης από την αποτέφρωση αποβλήτων (ΦΕΚ 699/93). Κ.Υ.Α. 114218/97: Κατάρτιση πλαισίου Προδιαγραφών και γενικών προγραμμάτων διαχείρισης στερεών αποβλήτων (ΦΕΚ 1016/97), στην οποία καθορίζονται οι Τεχνικές Προδιαγραφές διαχείρισης της ιλύος από εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων. Ειδικότερα προδιαγράφονται οι μέθοδοι επεξεργασίας της ιλύος (πάχυνση, χώνευση, αφυδάτωση, ξήρανση, καύση και κομποστοποίηση ιλύος). Κ.Υ.Α. 29407/3508/2002: Μέτρα και όροι για την υγειονομική ταφή των αποβλήτων (ΦΕΚ 1572/02). Κ.Υ.Α. 50910/2727/2003: Μέτρα και όροι για την διαχείριση Στερεών Αποβλήτων. Εθνικός και Περιφερειακός Σχεδιασμός Διαχείρισης (ΦΕΚ 1909/03). Με την ΚΥΑ 50910/2727/2003 εντάσσεται στην ελληνική νομοθεσία ο Ευρωπαϊκός Κώδικας Αποβλήτων (ΕΚΑ), σύμφωνα με τον οποίο η ιλύς των ΕΕΛ απορρίπτεται σε ΧΥΤΑ. Επίσης καθορίζεται ο Εθνικός Σχεδιασμός Διαχείρισης των μη επικίνδυνων αποβλήτων στα οποία περιλαμβάνεται και η ιλύς από ΕΕΛ. Κύριος στόχος του Εθνικού Σχεδιασμού για την ιλύ από ΕΕΛ είναι η επίτευξη υψηλού ποσοστού αξιοποίησης με αντίστοιχη μείωση του ποσοστού τελικής διάθεσης. Οι δράσεις μέσω των οποίων μπορεί να γίνει η αξιοποίηση της ιλύος είναι: 1. Απευθείας χρήση σε αγροτικές εφαρμογές, σύμφωνα με τους περιορισμούς της ΚΥΑ 80568/4225/91. 2. Επανένταξη στο φυσικό περιβάλλον «τραυματισμένων» φυσικών ανάγλυφων, υπό την προϋπόθεση ότι η ιλύς θα είναι σταθεροποιημένη ή θα έχει υποστεί συνεπεξεργασία με άλλα μη επικίνδυνα βιοαποικοδομήσιμα απόβλητα, όπως το οργανικό κλάσμα των αστικών αποβλήτων. 3. Ξήρανση της ιλύος και χρήση αυτής ως καυσίμου ύλης. 9

Σε Εθνικό επίπεδο, η Οδηγία 86/278/ΕΕ έχει εναρμονιστεί με την ΚΥΑ 80568/4225/1991 με μόνη τροποποίηση την προσθήκη ορίων για το τρισθενές χρώμιο (500mg/kg ξηράς ουσίας) και το εξασθενές χρώμιο (10 mg/kg ξηράς ουσίας). Έτσι με βάση την υπουργική απόφαση αυτή καθορίζονται οι όροι και οι περιορισμοί τους όρους και περιορισμούς για τη χρησιμοποίηση στη γεωργία της ιλύος που προέρχεται από επεξεργασία οικιακών και αστικών λυμάτων. Επιτρέπεται με ορισμένους περιορισμούς η χρησιμοποίηση στη γεωργία της ιλύος που προέρχεται από σταθμούς καθαρισμού που επεξεργάζονται οικιακά ή αστικά λύματα και από σταθμούς καθαρισμού που επεξεργάζονται λύματα των οποίων η σύνθεση είναι παρόμοια με τη σύνθεση των οικιακών ή αστικών λυμάτων. Στον πίνακα 2.2 φαίνονται οι προδιαγραφές που τίθενται για χρήση της ιλύος στη γεωργία, σύμφωνα με την Οδηγία 86/278/ΕΕ και κατ επέκταση με την ελληνική νομοθεσία. Πίνακας 2.2. Προδιαγραφές για χρήση της ιλύος στη γεωργία σύμφωνα με την Οδηγία 86/278/ΕΕ και σύμφωνα κατ' επέκταση με την ελληνική νομοθεσία. Βαρέα Μέταλλα Οδηγία 86/278/ΕΕ ΚΥΑ 80568/4225/91 Βαρέα μέταλλα στην ιλύ (mg/kg DS) Cd 20-40 20-40 Cr (III) - 500 Cr (IV) - 10 Cu 1000-1750 1000-1750 Hg 16-25 16-25 Ni 300-400 300-400 Pb 750-1200 750-1200 Zn 2500-4000 2500-4000 Βαρέα μέταλλα στο έδαφος (mg/kg DS) Cd 1-3 1-3 Cr - - Cu 50-140 50-140 Hg 1-1,5 1-1,5 Ni 30-75 30-75 Pb 50-300 50-300 Zn 150-300 150-300 Βαρέα μέταλλα που μπορούν να εισάγονται στα καλλιεργημένα εδάφη με βάση ένα μέσο όρο 10 ετών (kg/ha/έτος) Cd 1-3 1-3 Cu 12 12 Ni 3 3 Pb 15 15 Zn 30 30 Hg 0,1 0,1 Cr - - Πηγή: Οδηγία 86/278/ΕΕ και ΚΥΑ 28568/4225/91 10

Τα παραπάνω όρια της Οδηγίας δεν ισχύουν για όλα τα κράτη-μέλη αφού αρκετά από αυτά έχουν αυστηρότερη εθνική νομοθεσία από τις απαιτήσεις της 86/278/ΕΕ. Έτσι, τα όρια συγκέντρωσης βαρέων μετάλλων στην ιλύ είναι χαμηλότερα από τα όρια της Οδηγίας σε πέντε χώρες (Βέλγιο, Δανία, Φιλανδία, Ολλανδία και Σουηδία). Παρόλα αυτά, έξι μέλη (Ελλάδα, Ιρλανδία, Ιταλία, Λουξεμβούργο, Πορτογαλία και Ισπανία) έχουν υιοθετήσει τα ίδια όρια συγκέντρωσης βαρέων μετάλλων με το Παράρτημα IB της Οδηγίας 86/278/ΕΕ. Επισημαίνεται ότι, σε Γαλλία, Ιταλία και Λουξεμβούργο, η νομοθεσία περιλαμβάνει και όρια για παθογόνους μικροοργανισμούς και σε αρκετές χώρες (Αυστρία, Βέλγιο, Δανία, Γαλλία, Γερμανία και Σουηδία) υπάρχουν όρια για οργανικές ενώσεις, ενώ η Οδηγία 86/278/ΕΕ δεν περιλαμβάνει όρια για αυτές τις περιπτώσεις. Όσον αφορά τα νέα μέλη, η νομοθεσία σε Εσθονία, Λιθουανία και Πολωνία είναι συγκρίσιμη ή και αυστηρότερη. Στα υπόλοιπα νέα μέλη, η χρήση και διάθεση ιλύος εμπίπτει σε γενικότερους κανονισμούς σχετικά με τα απόβλητα και την προστασία του περιβάλλοντος. Μέχρι στιγμής πάντως, οι εθνικές νομοθεσίες δεν έχουν σημαντικές διαφορές όσον αφορά στις υπόλοιπες απαιτήσεις της Οδηγίας 86/278/ΕΕ για τη χρήση ιλύος. Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει εκδώσει τρία σχέδια αναθεώρησης της Οδηγίας 86/278/ΕΕ. Το τρίτο σχέδιο, το οποίο εκδόθηκε το 2000 καθορίζει αυστηρότερα όρια όσον αφορά τα βαρέα μέταλλα, οριακές τιμές σχετικά με τους οργανικούς ρυπαντές και περιορισμούς όσον αφορά το μικροβιολογικό φορτίο της ιλύος. Τέλος, διακρίνει την ιλύ σε δύο κατηγορίες ανάλογα με τον τρόπο επεξεργασίας της, εάν δηλαδή είναι συμβατική ή προηγμένη η επεξεργασία της. Με τον όρο προηγμένη επεξεργασία παρακάτω επεξεργασίες: θεωρείται ότι ιλύς έχει υποστεί μία από τις Θερμική ξήρανση εφόσον η θερμοκρασία της ιλύος είναι μεγαλύτερη από 80 Ο C, η περιεκτικότητα σε νερό λιγότερο από 10% και η δράση του ύδατος πάνω από 0,90 την πρώτη ώρα της επεξεργασίας. Θερμόφιλη αερόβια σταθεροποίηση στους 55 Ο C για 20 ώρες σε αντιδραστήρες διακοπτόμενης λειτουργίας. Θερμόφιλη αναερόβια σταθεροποίηση στους 53 Ο C για 20 ώρες σε αντιδραστήρες διακοπτόμενης λειτουργίας. 11

Θερμική επεξεργασία της ιλύος για τουλάχιστον 30 min στους 70 Ο C, και στη συνέχεια μεσόφιλη χώνευση στους 35 Ο C, με χρόνο παραμονής τουλάχιστον 12 ημέρες. Χημική επεξεργασία με ασβέστη, ώστε να διατηρείται το ph>12 για περίοδο τριών μηνών. Χημική επεξεργασία με ασβέστη, ώστε να διατηρείται το ph>12 για περίοδο δύο ωρών σε θερμοκρασία 550 ο C. Με τον όρο συμβατική επεξεργασία παρακάτω επεξεργασίες: θεωρείται ότι ιλύς έχει υποστεί μία από τις Θερμόφιλη αερόβια σταθεροποίηση της ιλύος στους 55 Ο C με ελάχιστο χρόνο παραμονής 20 ημέρες. Θερμόφιλη αναερόβια σταθεροποίηση της ιλύος στους 53 Ο C με ελάχιστο χρόνο παραμονής 20 ημέρες. Μεσόφιλη αναερόβια σταθεροποίηση της ιλύος στους 35 Ο C με ελάχιστο χρόνο παραμονής 15 ημέρες. Παρατεταμένος αερισμός σε θερμοκρασία περιβάλλοντος σε αντιδραστήρες διακοπτόμενης λειτουργίας. Χημική επεξεργασία με ασβέστη, ώστε να διατηρείται το ph>12 για 12 έως 24 ώρες. Αποθήκευση της υγρής ιλύος σε θερμοκρασία περιβάλλοντος για ικανό χρονικό διάστημα χωρίς ανάμιξη και απομάκρυνση κατά την διάρκεια αποθήκευσης. Επομένως, ανάλογα με την κατηγορία της ιλύος επιτρέπεται η χρήση της στη γεωργία, σύμφωνα με τον παρακάτω πίνακα. 12

Πίνακας 2.3. Χρήση ιλύος στη γεωργία ανάλογα με την επεξεργασία. Γεωργική χρήση Προηγμένη επεξεργασία Συμβατική επεξεργασία Βοσκοτόπια ΝΑΙ Βοσκή μετά από 6 βδομάδες Ζωοτροφές ΝΑΙ Συγκομιδή μετά από 6 βδομάδες Αρωτραίες εκτάσεις ΝΑΙ Άμεση όργωση Οπωρολαχανικά σε επαφή με το έδαφος ΝΑΙ Συγκομιδή μετά από 12 μήνες Οπωρολαχανικά σε επαφή με το έδαφος που ΝΑΙ Συγκομιδή μετά από 30 μήνες καταναλίσκονται ωμά Πάρκα για πρόσβαση του κοινού ΝΑΙ ΟΧΙ Δάση ΟΧΙ ΟΧΙ Οπωροφόρα δένδρα, Πρόσβαση κοινού μετά από ΝΑΙ αμπελώνες, αναδάσωση 10 μήνες Πηγή: Κάρτσωνας Ν., 2005 Στην πραγματικότητα όμως στην Ελλάδα ελάχιστες είναι οι περιπτώσεις όπου η σταθεροποιημένη και ξηρή λάσπη των βιολογικών σταθμών έχει χρησιμοποιηθεί στη γεωργία. H μέθοδος αυτή συνηθίζεται πολύ σε άλλες ευρωπαϊκές χώρες π.χ. στη Γαλλία. Στην Ελλάδα η λάσπη από τις μονάδες κατεργασίας αποβλήτων συνήθως διατίθεται σε χωματερές ή χώρους υγειονομικής ταφής απορριμμάτων (XYTA), ενώ πολλές φορές διατίθεται ανεξέλεγκτα στο περιβάλλον. (Κάρτσωνας Ν., 2005, Ανδρεαδάκης Α., 2001) 2.1.2 Αναερόβια χώνευση Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος για τη σταθεροποίηση της ιλύος που παράγεται από την επεξεργασία αστικών και βιομηχανικών λυμάτων είναι η αναερόβια χώνευση. Στόχος της σταθεροποίησης της ιλύος είναι η μείωση της συγκέντρωσης των παθογόνων μικροοργανισμών και της ποσότητας των οργανικών στερεών, η αλλαγή της δυσάρεστης μυρωδιάς σε μια χοϊκή, ενώ ο συνολικός όγκος παραμένει σταθερός. (Borowski et al., 2006, Γαβαλά Χ., 2000) Η αναερόβια χώνευση, η οποία λαμβάνει χώρα και στη φύση, μπορεί να προσδιοριστεί ως η βιοχημική διεργασία κατά την οποία οργανικό υλικό, απουσία οξυγόνου, μετατρέπεται σε βιοαέριο, το οποίο αποτελείται κυρίως από μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα, και αβλαβή χωνεμένα στερεά. Παρουσιάζει, δε, μεγάλο ενδιαφέρον εξαιτίας της δυνατότητας παραγωγής ενέργειας από το βιοαέριο, που είναι το βασικό προϊόν της διαδικασίας. (Φουντουλάκης Μ., 2005, Gerardi M., 2003) 13

Ιστορικά, η ύπαρξη αυτών των αερίων 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. Ένα αιώνα νωρίτερα ο Leeuwenhoek (1680) ήταν ο πρώτος επιστήμονας που παρατήρησε αναερόβιους μικροοργανισμούς. Ωστόσο, την εποχή εκείνη δεν ήταν ακόμη κατανοητή η ανακάλυψη του αυτή. Έτσι έπρεπε να περάσουν περίπου 200 χρόνια για να πιστοποιηθεί η ύπαρξη αναερόβιων βακτηρίων από τον Louis Pasteur (1862). Το 1913 ο Beijerinck επανέλαβε με ακρίβεια τα πειράματα του Leeuwenhoek και ταυτοποίησε τον αναερόβιο μικροοργανισμό Clostridium butyricum. Σήμερα, η αναερόβια επεξεργασία με ταυτόχρονη παραγωγή μεθανίου είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος για την σταθεροποίηση της παραγόμενης λάσπης στις μονάδες βιολογικής επεξεργασίας αστικών και βιομηχανικών λυμάτων, ενώ χρησιμοποιείται ακόμη για την επεξεργασία στερεών απορριμμάτων. (Φουντουλάκης Μ., 2005) Η αναερόβια χώνευση είναι για πολλούς λόγους ιδανική για την επεξεργασία της ιλύος. Έχει πολλά σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι άλλων διαθέσιμων μεθόδων και είναι σχεδόν βέβαιη η αύξηση της χρήσης της στο μέλλον. Η αναερόβια χώνευση επιτυγχάνει σταθεροποιημένη και άοσμη λάσπη με σημαντική μείωση παθογόνων, ιδιαίτερα για βιολογικές λάσπες, όπου η διάσπαση των οργανικών στερεών κυμαίνεται από 40 μέχρι 55% ανάλογα με τα αρχικά χαρακτηριστικά της ιλύος. Επίσης, αναλόγως των λειτουργικών χαρακτηριστικών της μπορεί να παράγει ένα υγιειονοποιημένο προϊόν, το οποίο μπορεί να αξιοποιηθεί στη γεωργία. Τέλος, από την αναερόβια χώνευση παράγεται βιοαέριο, το οποίο μπορεί να αξιοποιηθεί μέσω της καύσης του σε μηχανές συμπαραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας. Η αυξανόμενη αντίληψη των δυνατοτήτων της αναερόβιας χώνευσης είναι ευδιάκριτη από τον μεγάλο αριθμό ερευνών που γίνονται ετησίως. Ήδη, έχουν γίνει αρκετές έρευνες που επεκτείνουν τη μέθοδο σε πολλά άλλα οργανικά λύματα. Ωστόσο, παρά τη σημαντική τωρινή και μελλοντική ενδεχόμενη χρήση της μεθόδου, δεν χαίρει της εκτίμησης που της αξίζει. Το πρωτεύον εμπόδιο είναι η έλλειψη της βασικής κατανόησης της διαδικασίας, η οποία απαιτείται για την εξήγηση και τον έλεγχο των περιστασιακών διαταραχών, που μπορεί να συμβούν, και για την αποτελεσματική επέκταση της μεθόδου στην επεξεργασία των βιομηχανικών αποβλήτων. (McCarthy P., 1964, Pahl et al., 2007) 14

Το αρχικό κόστος κατασκευής είναι μεγάλο, ενώ απαιτείται και η προσεκτική λειτουργία από έμπειρο προσωπικό. Έτσι, συνήθως, η εφαρμογή της αναερόβιας χώνευσης μπορεί να αποδειχτεί δαπανηρή σε μικρού και μεσαίου μεγέθους εγκαταστάσεις, όπου λόγω της επίδρασης της κλίμακας του έργου οι αρχικές δαπάνες κατασκευής έχουν σημαντικό αντίκτυπο. Όσον αφορά στο λειτουργικό κόστος, εφόσον η αναερόβια χώνευση δεν απαιτεί αέρα, έχει μειωμένες ενεργειακές απαιτήσεις, οι οποίες περιορίζονται στην ανάδευση. Αντιθέτως, το βιοαέριο που αποτελεί το τελικό προϊόν της αναερόβιας χώνευσης έχει αξιόλογη θερμαντική αξία και υπό κατάλληλες προϋποθέσεις μπορεί να αξιοποιηθεί με σημαντικά πρόσθετα οικονομικά οφέλη. Έτσι, συχνά χρησιμοποιείται για την θέρμανση κτιρίων, την λειτουργία της εγκατάστασης ή την παραγωγή ενέργειας. Ωστόσο, η αναερόβια χώνευση απαιτεί υψηλή θερμοκρασία για την βέλτιστη λειτουργία και άρα θέρμανση που αυξάνει την ενεργειακή κατανάλωση, ενώ έχει χαμηλό ρυθμό ανάπτυξης των μεθανογόνων μικροοργανισμών, εξαιτίας του οποίου, απαιτείται υψηλός χρόνος παραμονής για την έναρξη της διαδικασίας. Αυτός ο χαμηλός ρυθμός περιορίζει επίσης το ρυθμό, που η διαδικασία προσαρμόζεται σε εναλλαγές θερμοκρασίας, φόρτισης ή άλλων περιβαλλοντικών συνθηκών. Η αναερόβια χώνευση απαιτεί κατά κανόνα προηγούμενη πάχυνση της ιλύος. Επίσης, αν και η χωνεμένη ιλύς που παράγεται έχει ικανοποιητικά χαρακτηριστικά αφυδάτωσης, τα στραγγίδια που προκύπτουν από την αφυδάτωση έχουν συνήθως υψηλές συγκεντρώσεις οργανικού και μικροβιακού φορτίου. Τα θρεπτικά συστατικά (άζωτο και φώσφορος) στις λάσπες διατηρούνται σχεδόν αμετάβλητα και προσλαμβάνονται εύκολα από τα φυτά όταν η χωνεμένη ιλύς χρησιμοποιείται ως λίπασμα. Συνοψίζοντας, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της αναερόβιας χώνευσης φαίνονται στον πίνακα 2.4. 15

Πίνακας 2.4. Πλεονεκτήματα & μειονεκτήματα αναερόβιας χώνευσης. Πλεονεκτήματα Υψηλός βαθμός σταθεροποίησης Θρεπτικά συστατικά αμετάβλητα Μηδενική απαίτηση οξυγόνου Παραγωγή βιοαερίου Μειονεκτήματα Βέλτιστη λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες Χαμηλός ρυθμός ανάπτυξης μεθανογόνων μικροοργανισμών Απαίτηση υψηλού χρόνου παραμονής στερεών Μικρή ανταπόκριση σε εναλλαγές φόρτισης και περιβαλλοντικών συνθηκών Πηγή: McCarty P., 1964, Gerardi M., 2003 Από τις αρχές του προηγούμενου αιώνα μέχρι τώρα έχουν δημοσιευθεί πολλές εργασίες για την λειτουργία αναερόβιων αντιδραστήρων. Ωστόσο, υπήρχαν δυσκολίες στη σύγκριση των αποτελεσμάτων, λόγω του μεγάλου πλήθους υποστρωμάτων και μικροοργανισμών που λαμβάνουν μέρος στη συνολική διεργασία. Γι αυτό το λόγο τα τελευταία χρόνια καταβλήθηκαν σημαντικές προσπάθειες για να συνδεθούν η μικροβιολογία και η βιοχημεία της αναερόβιας χώνευσης και οι θεωρητικές και πρακτικές παρατηρήσεις των αναερόβιων βιοαντιδραστήρων. (Φουντουλάκης Μ., 2005, Ανδρεαδάκης Α., 1986) 2.1.2.1 Μικροβιολογία αναερόβιας χώνευσης Η αναερόβια βιοαποδόμηση του σύνθετου οργανικού υλικού περιγράφεται ως μια διαδικασία πολλαπλών σταδίων με οριζόντιες και παράλληλες αντιδράσεις. Τρία στάδια συχνά χρησιμοποιούνται για να δείξουν την αλληλουχία της μικροβιολογικής δραστηριότητας που συμβαίνει κατά τη διάρκεια της χώνευσης. Αυτά τα στάδια είναι η υδρόλυση, ο σχηματισμός οξέων και η μεθανογένεση. Η διαδικασία της αναερόβιας χώνευσης περιέχει διαφορετικές ομάδες μικροοργανισμών. Αυτές οι ομάδες λειτουργούν με μια αλληλουχία, δηλαδή τα προϊόντα της μιας ομάδας χρησιμεύουν ως υπόστρωμα για την επόμενη ομάδα. Για αυτό, κάθε ομάδα συνδέεται με τις άλλες σε μορφή αλυσίδας, έχοντας ως αδύναμο κρίκο την παραγωγή μεθανίου. Η διαδικασία έχει ως εξής, αρχικά, σύνθετες αδιάλυτες πολυμερείς ενώσεις υφίστανται υδρόλυση. Οι ενώσεις αυτές είναι οι υδατάνθρακες, οι πρωτεΐνες και τα λιπίδια, τα οποία είναι ουσίες με μεγάλα αδιάλυτα μόρια αποτελούμενα από μικρότερα μόρια ενωμένα μεταξύ τους μέσω χημικών δεσμών. Τα μικρά μεγέθους μόρια είναι 16

διαλυτά και όταν οι χημικοί δεσμοί καταστρέφονται τότε γίνεται και η διάλυση των μεγαλύτερων μορίων. Έτσι, οι σύνθετες πολυμερείς ουσίες υδρολύονται από εξωκυτταρικά ένζυμα σε διαλυτά προϊόντα μικρότερου μεγέθους, για να μπορούν να εισχωρήσουν διαμέσου της κυτταρικής μεμβράνης στο εσωτερικό του κυττάρου. Στο δεύτερο στάδιο, αυτές οι σχετικά απλές διαλυτές ενώσεις ζυμώνονται ή οξειδώνονται αναερόβια σε πτητικά λιπαρά οξέα, αλκοόλες, διοξείδιο του άνθρακα, αέριο υδρογόνο και άλλες οργανικές ενώσεις. Το πιο σημαντικό πτητικό λιπαρό οξύ είναι το οξικό, γιατί χρησιμοποιείται ως βασικό υπόστρωμα στο τρίτο στάδιο. Επίσης, τα υπόλοιπα πτητικά λιπαρά οξέα (ενδιάμεσα προϊόντα) μετατρέπονται σε οξικό οξύ, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Πίνακας 2.5. Κύρια οξέα και αλκοόλες που παράγονται στο δεύτερο στάδιο. Οξέα & Αλκοόλες Τύπος Οξικό οξύ CH 3 COOH Βουτανόλη CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 OH Βουτυρικό οξύ CH 3 CH 2 CH 2 COOH Καπροϊκό οξύ CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COOH Μυρμηκικό οξύ HCOOH Αιθανόλη CH 3 CH 2 OH Γαλακτικό οξύ CH 3 CHOHCOOH Μεθανόλη CH 3 OH Προπανόλη CH 3 CH 2 CH 2 OH Προπιονικό οξύ CH 3 CH 2 COOH Βαλερικό οξύ CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 COOH Ισοβαλερικό οξύ (CH 3 ) 2 CHCH 2 COOH Ηλεκτρικό οξύ HOOCCH 2 CH 2 COOH Πηγή: McCarthy P., 1964, Gerardi M., 2003, Φουντουλάκης Μ., 2005 Πίνακας 2.6. Οξέα και αλκοόλες που χρησιμοποιούνται άμεσα και έμμεσα ως υπόστρωμα για το τρίτο στάδιο. Υπόστρωμα (Άμεσα) Τύπος Οξικό οξύ CH 3 COOH Μυρμηκικό οξύ HCOOH Μεθανόλη CH 3 OH Μεθυλαμινοομάδα CH 3 NH 2 Υπόστρωμα (Έμμεσα) Αιθανόλη Βουτυρικό οξύ Προπιονικό οξύ Τύπος CH 3 CH 2 OH CH 3 CH 2 CH 2 COOH CH 3 CH 2 COOH Πηγή: McCarthy P., 1964, Gerardi M., 2003, Φουντουλάκης Μ., 2005 Μερικά από τα οργανικά οξέα, τις αλκοόλες και οι λοιπές οργανικές ενώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα ως υπόστρωμα στο τρίτο στάδιο και άλλα έμμεσα εάν μετατραπούν σε οξικό οξύ. 17

Η μετατροπή των μεγάλων διαλυτών οργανικών ενώσεων σε μικρότερες ενώσεις δεν επηρεάζει το οργανικό φορτίο των λυμάτων. Μερικές από τις οργανικές ενώσεις μετατρέπονται σε οργανικά οξέα και αλκοόλες και άλλες ενώσεις σε νέα κύτταρα. Μόνο, με την μετατροπή τους σε μεθάνιο οι οργανικές ενώσεις μειώνονται. Τέλος, στο τρίτο στάδιο παράγεται μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα, είτε από την αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα από το υδρογόνο είτε από το οξικό οξύ, από δύο ομάδες μεθανογόνων μικροοργανισμών. Οι δύο αυτές αντιδράσεις φαίνονται παρακάτω: Μετατροπή οξικού οξέος CH 3 COOH CH 4 + CO 2 Αναγωγή CO 2 CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O Συνεπώς, όλα τα άλλα προϊόντα πρέπει να μετατραπούν σε ουσίες που μπορούν άμεσα ή έμμεσα να χρησιμοποιηθούν από τους μεθανογόνους μικροοργανισμούς. Οι ενώσεις που δεν μετατρέπονται, συσσωρεύονται στο υπερκείμενο υγρό του χωνευτή. Σύνθετα Πολυμερή Πρωτεΐνες Υδατάνθρακες Λιπίδια Αμινοξέα - Σάκχαρα Λιπαρά οξέα - Αλκοόλες Ενδιάμεσα προϊόντα (Προπιονικό οξύ, βουτυρικό οξύ, κα) Οξικό οξύ H 2, CO 2 CH 4, CO 2 Εικόνα 2.1. Διαδικασία αναερόβιας χώνευσης. 18

Απαραίτητη προϋπόθεση για την ομαλή λειτουργία της αναερόβιας χώνευσης είναι η ύπαρξη δυναμικής ισορροπίας μεταξύ των φάσεων, δηλαδή, ο ρυθμός σχηματισμού των οργανικών οξέων του δεύτερου σταδίου πρέπει να είναι ίδιος με το ρυθμό μετατροπής τους σε μεθάνιο στο τρίτο στάδιο. Αν το πρώτο στάδιο αναχαιτιστεί, τότε το υπόστρωμα για το δεύτερο και τρίτο στάδιο θα περιοριστεί και η παραγωγή του μεθανίου θα μειωθεί. Εάν το τρίτο στάδιο αναχαιτιστεί, τότε τα οξέα που παράγονται στο δεύτερο στάδιο θα συσσωρευτούν. Η αναχαίτιση του τρίτου σταδίου, που είναι η πιο συχνή, μπορεί να συμβεί εξαιτίας μιας αύξησης των οξέων, και κατά συνέπεια την απώλεια της αλκαλικότητας και τη μείωση του ph. Η αναερόβια χώνευση ουσιαστικά ελέγχεται από τα μεθανογόνα βακτήρια. Οι σχηματιστές οξέων έχουν σχετικά υψηλούς ρυθμούς ανάπτυξης και έχουν την ικανότητα να προσαρμόζονται σε ένα ευρύ φάσμα εξωτερικών συνθηκών. Αντίθετα, τα μεθανογόνα αναπτύσσονται με πολύ αργούς ρυθμούς και είναι ευαίσθητα στις αλλαγές των εξωτερικών συνθηκών, όπως του ph, της θερμοκρασίας, της παρουσίας τοξικών ουσιών κ.α., με αποτέλεσμα ο σχεδιασμός και η λειτουργία όλης της διεργασίας να προσαρμόζονται στις ανάγκες τους. (Ανδρεαδάκης Α., 1986, Στάμου Α. & Βογιατζής Ζ., 1994, Gerardi M., 2003, Φουντουλάκης Μ., 2005) Οι κύριες ομάδες βακτηρίων που παίρνουν μέρος στις παραπάνω αντιδράσεις χωρίζονται στις ακόλουθες κατηγορίες: (1) βακτήρια ζύμωσης, (2) οξεογόνα βακτήρια που παράγουν υδρογόνο, (3) οξεογόνα βακτήρια που καταναλώνουν υδρογόνο, (4) μεθανογόνα βακτήρια που ανάγουν το διοξείδιο του άνθρακα, (5) ακετοκλαστικά μεθανογόνα βακτήρια. Ένα γενικό κριτήριο κατάταξης των μικροοργανισμών είναι η σχέση της κυτταρικής τους λειτουργίας με το οξυγόνο. Στον πίνακα 2.7 παρουσιάζεται η κατάταξη των μικροοργανισμών ανάλογα με την ικανότητα τους να χρησιμοποιούν με συγκεκριμένο τρόπο το οξυγόνο. 19

Πίνακας 2.7. Κατάταξη των μικροοργανισμών με κριτήριο την κυτταρική τους λειτουργία σε σχέση με το οξυγόνο. Μικροοργανισμοί Αερόβιοι Προαιρετικά αναερόβιοι Υποχρεωτικά αναερόβιοι Αδιάφοροι αναερόβιοι Ανθεκτικοί στον αέρα αερόβιοι Αυστηρά αναερόβιοι Ιδιότητα Χρησιμοποιούν το μοριακό οξυγόνο Χρησιμοποιούν το μοριακό οξυγόνο αλλά μπορούν να ζήσουν με ζυμωτικά μεταβολισμό και σε αναερόβιες συνθήκες Δεν διαθέτουν την ικανότητα χρήσης του μοριακού οξυγόνου Μπορούν να επιβιώσουν και σε αερόβιες συνθήκες Έχουν κάποιο όριο ανοχής στη συγκέντρωση οξυγόνου στο περιβάλλον τους Πεθαίνουν ακόμα και με ίχνη ελεύθερου οξυγόνου στο περιβάλλον τους Πηγή: Φουντουλάκης Μ., 2005 Μικροβιολογία μη μεθανογόνου φάσης (Υδρόλυση & Παραγωγή οξέων) Έχει διαπιστωθεί η παρουσία διαφόρων ομάδων μικροοργανισμών στο στάδιο της μη μεθανογόνου φάσης της αναερόβιας χώνευσης όπως είναι τα βακτήρια, τα πρωτόζωα και οι μύκητες ενώ έχουν απομονωθεί πολλά είδη των μικροοργανισμών αυτών. Η ύπαρξη, ο αριθμός, ο τύπος και το είδος των μικροοργανισμών αυτών κάτω από αναερόβιες συνθήκες εξαρτάται από τα ποιοτικά και τα ποσοτικά χαρακτηριστικά των προς επεξεργασία αποβλήτων. Η κύρια κατηγορία μικροοργανισμών που απαντώνται στους αναερόβιους αντιδραστήρες είναι τα βακτήρια. Στη μη μεθανογόνο φάση υπάρχουν είτε προαιρετικά αναερόβια είτε υποχρεωτικά αναερόβια βακτήρια. Ο Ο Shaughnessy το 1914 ανέφερε την ύπαρξη κολοβακτηριδίων, απονιτροποιητικών, λιπολυτικών και κυτταρινολυτικών βακτηρίων σε αναερόβια επεξεργασμένη ιλύ. Επίσης, ο Gaub (1924) κατάφερε να απομονώσει 16 αερόβια και 5 προαιρετικά αναερόβια βακτήρια από αναερόβια λάσπη. Ωστόσο, η πλειονότητα των βακτηρίων είναι αυστηρώς αναερόβια και βρίσκονται σε ποσότητες 100 φορές μεγαλύτερες από τα προαιρετικά αναερόβια. Στον πίνακα 2.8 παρουσιάζονται διάφορα είδη μη μεθανογόνων βακτηρίων που έχουν καταγραφεί στην αναερόβια χώνευση. 20

Πίνακας 2.8. Μη μεθανογόνα βακτήρια που έχει διαπιστωθεί η παρουσία τους στην αναερόβια χώνευση. Γένος Aerobacter Aeromonas Alcaligenes Bacillus Bacteroides Clostridium Esherichia Leptospira Micrococcus Neisseria Pseudomonas Sarcina Streptococcus Streptomyces Είδος A. aerogenes Aeromonas sp. A. boukerii B. cereus Bacteroides sp. C. aminovalericum E. coli L. biflexa M. candidus N. catarhhalis P. denitrificants S. lutea S. diploidus S. bikiniesis Πηγή: Φουντουλάκης Μ., 2005 Όσον αφορά την υδρόλυση του σύνθετου οργανικού υλικού λαμβάνουν μέρος διάφορα βακτήρια όπως είναι τα κυτταρινολυτικά βακτήρια που παράγουν κυρίως οξικό και προπιονικό οξύ, τα ημικυτταρινολυτικά βακτήρια που παίζουν σημαντικό ρόλο στην παραγωγή αμμωνίας κατά την διάσπαση των αμινοξέων, τα αμυλολυτικά βακτήρια, τα πρωτεϊνολυτικά βακτήρια και τα λιπολυτικά βακτήρια. Έχει βρεθεί ότι τα υποχρεωτικά αναερόβια βακτήρια παίζουν σημαντικό ρόλο στην υδρολυτική ενεργότητα του χωνευτή, ιδιαίτερα όταν επεξεργάζονται αστικά λύματα. Σε παρόμοια συμπεράσματα έφθασαν και οι Toerien et al. (1967) υποστηρίζοντας ότι τα υποχρεωτικά αναερόβια βακτήρια είναι η κύρια ομάδα μικροοργανισμών για την παραγωγή οξέων, σε αντίθεση με προηγούμενες μελέτες, που θεωρούσαν τα προαιρετικά αναερόβια βακτήρια ως τα σημαντικότερα για την παραγωγή οξέων. Ορισμένα από τα βακτήρια που υπάρχουν στους αναερόβιους αντιδραστήρες, όπως τα υποχρεωτικά αερόβια νιτροποιητικά βακτήρια, εισάγονται σε αυτούς μέσω της τροφοδοσίας και θεωρούνται «μολυσματικοί» μικροοργανισμοί που δεν είναι όμως σε ενεργή μορφή. Σημαντικό ρόλο στην όλη διαδικασία παίζουν δυο ιδιαίτερες μορφές αναερόβιων βακτηρίων, αυτά που ανάγουν τα θειικά σε υδρόθειο (sulfate-reducing bacteria) και τα ομοοξικογόνα που μετατρέπουν το διοξείδιο του άνθρακα και το υδρογόνο σε οξικό (homoacetogenic). (Φουντουλάκης Μ., 2005) 21

Μεταβολισμός των μη μεθανογόνων βακτηρίων Όπως ήδη έχει αναφερθεί, για την πλήρη διάσπαση του οργανικού υλικού απαιτείται ένα πλήθος διαφορετικών βακτηρίων προκειμένου να έρθουν σε πέρας ένας αριθμός αντιδράσεων απαραίτητων για την αποδόμηση του πολύπλοκου υποστρώματος. Έχει βρεθεί η παρουσία διαφόρων εξωκυτταρικών ενζύμων όπως είναι η κελοβιάση (cellobiase), η πρωτεάση (protease) και η αμυλάση (amylase) σε αναερόβιους αντιδραστήρες. Τα εξωκυτταρικά ένζυμα, ή εξωένζυμα, διασπούν το σύνθετο οργανικό υπόστρωμα (λίπη, πρωτεΐνες, υδατάνθρακες) σε μικρότερα μόρια. Ειδικότερα, η αποδόμηση των λιπιδίων αρχίζει με τη βοήθεια του ενζύμου λιπάση προκαλώντας β-οξείδωση. Ο τελικός δέκτης ηλεκτρονίων για την β-οξείδωση των λιπαρών οξέων μεγάλου μοριακού βάρους κάτω από αναερόβιες συνθήκες είναι το διοξείδιο του άνθρακα. Από την άλλη μεριά, οι πρωτεΐνες διασπώνται εξωκυτταρικά σε πολυπεπτίδια και αμινοξέα από την πρωτεάση. Περαιτέρω διάσπαση των αμινοξέων γίνεται με τη βοήθεια διαφόρων μηχανισμών, ανάλογα με τους μικροοργανισμούς που εμπλέκονται κάθε φορά. Τα τελικά προϊόντα της αποδόμησης των πρωτεϊνών είναι τα οργανικά οξέα. Τέλος, οι υδατάνθρακες αποδομούνται με τη βοήθεια διαφόρων ενζύμων παράγοντας διάφορα προϊόντα όπως υδρογόνο, διοξείδιο του άνθρακα, αιθανόλη, μυρμηκικό, οξικό, προπιονικό, βουτυρικό, βαλερικό, γαλακτικό οξύ και διάφορα άλλα οξέα. Τα προϊόντα αυτά της ζύμωσης διαφέρουν ανάλογα με το είδος ή το γένος των βακτηρίων καθώς επίσης και με τις συνθήκες που αναπτύσσονται. Τα τελικά προϊόντα του μη μεθανογόνου πληθυσμού είναι τα κορεσμένα λιπαρά οξέα, το υδρογόνο, το διοξείδιο το άνθρακα και η αμμωνία. Οι ενώσεις αυτές είναι πολύ σημαντικές για την λειτουργία της αναερόβιας χώνευσης, καθώς αποτελούν ενεργειακές πηγές για την ανάπτυξη ακολούθως των βακτηρίων. Γενικά λοιπόν μπορούμε να πούμε ότι σε ένα αναερόβιο αντιδραστήρα πραγματοποιούνται μια σειρά από πολύπλοκες βιοχημικές αντιδράσεις από διαφορετικούς σε φυσιολογία μικροοργανισμούς. Τα τελικά προϊόντα της μη μεθανογόνου φάσης χρησιμοποιούνται στη συνέχεια από τους μεθανογόνους μικροοργανισμούς, όπως θα δούμε παρακάτω, για την τελική μετατροπή του σύνθετου οργανικού υλικού σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. (Φουντουλάκης Μ., 2005) 22