ΦΙΛΙΚΗ ΠΡΟΣ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΣΤΙΣ ΑΣΤΙΚΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ Τζούπανος Ν.. 1, Σαµαράς Π. 2, Barjenbruch M. 3, Ünligil S. 3, Ζουµπούλης Α. Ι. 1 1 Εργαστήριο Γενικής και Ανόργανης Χηµικής Τεχνολογίας, Τµήµα Χηµείας, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, 54124 Θεσσαλονίκη, E-mail: zoubouli@chem.auth.gr, nitzou@chem.auth.gr 2 Τµήµα Τεχνολογίας Τροφίµων, ΑΤΕΙ Θεσσαλονίκης, 574000 Θεσσαλονίκη, E-mail: samaras@food.teithe.gr 3 Department of Urban Water Management, Technical University of Berlin, 13355 Berlin, E-mail: matthias.barjenbruch@tu-berlin.de ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός της εργασίας είναι η διερεύνηση της δυνατότητας παραγωγής µεθανίου κατά την αναερόβια επεξεργασία αστικών λυµάτων σε λίµνες σταθεροποίησης. Τα πειράµατα διεξήχθησαν αρχικά σε εργαστηριακή κλίµακα ώστε να προσδιοριστεί το δυναµικό παραγωγής µεθανίου από τα αστικά υγρά απόβλητα. Απώτερος στόχος είναι η συλλογή και χρησιµοποίηση του µεθανίου σαν πηγή ενέργειας, είτε τοπικά στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας, π.χ. για τη θέρµανση των εισερχόµενων αποβλήτων, είτε στις τοπικές κοινωνίες, π.χ. ηλεκτροδότηση σχολείων, δρόµων, κτλ. Για τα πειράµατα χρησιµοποιήθηκαν αστικά υγρά απόβλητα διαφορετικής προέλευσης και φορτίου και λάσπη αφού είχε πρώτα υποστεί χώνευση. Τα αρχικά αποτελέσµατα είναι ενθαρρυντικά, υποδεικνύοντας ότι η παραγωγή ενέργειας κατά την επεξεργασία αστικών λυµάτων είναι δυνατή. ENVIRONMENTAL FRIENDLY ENERGY PRODUCTION DURING WASTEWATER TREATMENT IN URBAN AREAS Tzoupanos N.D. 1, Samaras P. 2, Barjenbruch M. 3, Ünligil S 3, Zouboulis Α. Ι. 1 1 Laboratory of General and Inorganic Chemical Technology, School of Chemistry, AUTH, 54124 Thessaloniki, E-mail: zoubouli@chem.auth.gr, nitzou@chem.auth.gr 2 Department of Food Technology, ΑΤΕΙ of Thessaloniki, 574000 Thessaloniki, E-mail: samaras@food.teithe.gr 3 Department of Urban Water Management, Technical University of Berlin, 13355 Berlin, E- mail: matthias.barjenbruch@tu-berlin.de ABSTRACT The aim of the project is the investigation of the domestic wastewaters methane production potential. Initially methane production batch experiments were conducted in laboratory scale. The ultimate scope is the collection and use of methane as energy source, either locally in the treatment plants, e.g. for heating the incoming wastewaters, or in the local communities, e.g. electric power supply for schools, streets, etc. For the experiments, domestic wastewaters of different origin and pollution load and already digested sludge were utilized. The initial results are promising; indicating that energy production during domestic sewage treatment is feasible and can serve as a basis for the further investigation.
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σύµφωνα µε τους Kroiss and Svardal [1], κάθε άνθρωπος ελευθερώνει καθηµερινά κατά µέσο όρο 1700 kj ενέργειας µέσω των βιολογικών του αναγκών. Παρόλα αυτά, η ενέργεια που περιέχεται στα αστικά λύµατα δεν χρησιµοποιείται ακόµα και σήµερα στο έπακρον. Μόνο σε σχετικά µεγάλες εγκαταστάσεις επεξεργασίας αστικών λυµάτων (π.χ. για περισσότερους από 25000 κατοίκους) συλλέγεται η βιοµάζα από αυτά σε δεξαµενές χώνευσης και το βιοαέριο που παράγεται χρησιµοποιείται σαν εναλλακτική πηγή ενέργειας. Με αυτόν τον τρόπο, το έτος 2006 στη Γερµανία οι εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυµάτων τροφοδοτούνταν σε ποσοστό 1.3 % από ανανεώσιµες πηγές ενέργειας. Μία τεχνική αναερόβιας βιολογικής κατεργασίας υγρών αποβλήτων είναι η κατεργασία σε αναερόβιες ή επαµφοτερίζουσες (αερόβιες-αναερόβιες) λίµνες ή δεξαµενές σταθεροποίησης. Αποτελεί µια ιδιαίτερα διαδεδοµένη τεχνική λόγω της σχετικά µικρής δαπάνης εγκατάστασης και του σχετικά χαµηλού κόστους λειτουργίας και συντήρησης. Οι λίµνες σταθεροποίησης µπορούν να αντεπεξέλθουν σε ξαφνικές µεταβολές στο υδραυλικό φορτίο, δεν απαιτούν προσθήκη ενέργειας, ενώ η παραγωγή λάσπης είναι πολύ µικρότερη σε σύγκριση µε τις αερόβιες τεχνικές (3 έως και 10 φορές). Επιπλέον, επιτυγχάνεται απολύµανση λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας χωρίς τη χρήση χηµικών, ενώ τα άλγη δεσµεύουν το CO 2 της ατµόσφαιρας [2,3]. Στην Ευρώπη υπάρχουν χιλιάδες διάσπαρτες λίµνες σταθεροποίησης στις οποίες γίνεται επεξεργασία αστικών λυµάτων για την αποµάκρυνση COD, BOD και αιωρούµενων στερεών. Στη Γερµανία λειτουργούν περίπου 2000 λίµνες, ενώ στη Γαλλία ξεπερνούν τις 2500, οι οποίες εξυπηρετούν µικρές κυρίως κοινότητες (έως 5000 κατοίκους). Σε άλλες χώρες εκτός Ευρώπης, όπως στην Αυστραλία, οι δεξαµενές σταθεροποίησης χρησιµοποιούνται και για την κατεργασία λυµάτων από µεγάλα αστικά κέντρα, όπως π.χ. στη Μελβούρνη όπου λειτουργούν επιτυχώς οι µεγαλύτερες λίµνες σταθεροποίησης παγκοσµίως [4]. Οι µηχανισµοί µε τους οποίους επιτυγχάνεται ο αναερόβιος καθαρισµός των αποβλήτων στις λίµνες σταθεροποίησης στηρίζονται κυρίως στη µικροβιακή δράση αλλά και στη δράση των αλγών και την καθίζηση. Όσο αφορά στη µικροβιακή δράση, συνοπτικά τα ακετογενή βακτήρια διασπούν τις πολύπλοκες οργανικές ενώσεις σε οργανικά οξέα, τα οποία στη συνέχεια αποικοδοµούνται από τα µεθανογενή βακτήρια κυρίως σε διοξείδιο του άνθρακα και µεθάνιο [5]. Τα αέρια αυτά εκλύονται ανεξέλεγκτα στην ατµόσφαιρα επιβαρύνοντάς την, ενώ συµβάλλουν πιθανότατα και στη συνεχιζόµενη ανθρωπογενή κλιµατική αλλαγή. Επιπλέον, το µεθάνιο διαφεύγει στην ατµόσφαιρα ανεκµετάλλευτο, ενώ µπορεί κάλλιστα να αποτελέσει σηµαντική εναλλακτική πηγή ενέργειας. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η διερεύνηση της δυνατότητας παραγωγής µεθανίου κατά την αναερόβια επεξεργασία αστικών λυµάτων σε λίµνες σταθεροποίησης. Απώτερος στόχος είναι η συλλογή και χρησιµοποίηση του µεθανίου σαν πηγή ενέργειας, είτε τοπικά στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας αποβλήτων, καλύπτοντας πάγιες ενεργειακές ανάγκες όπως π.χ. για τη θέρµανση των εισερχόµενων αποβλήτων, για την ξήρανση της λάσπης, κ.α., είτε στις τοπικές κοινωνίες, π.χ. για την ηλεκτροδότηση σχολείων, δρόµων, κτλ. Για το σκοπό αυτό έγιναν αρχικά πειράµατα σε εργαστηριακή κλίµακα, όπου µελετήθηκε η παραγωγή µεθανίου κατά την αναερόβια επεξεργασία αστικών αποβλήτων, στα οποία είχε προστεθεί βιοµάζα µε ψυχρόφιλο ή µεσόφιλο βακτηριδιακό πληθυσµό. Η βιοµάζα είχε υποστεί πρώτα χώνευση, ώστε να εκτιµηθεί η δυνατότητα παραγωγής µεθανίου από το υγρό απόβλητο µόνο. Πρέπει να αναφερθεί ότι, ενώ η βιοµάζα και τα στερεά απόβλητα χρησιµοποιούνται γενικά για την παραγωγή ενέργειας, η χρήση των υγρών αστικών αποβλήτων για το σκοπό αυτό δεν είναι ιδιαίτερα διαδεδοµένη. Στην περίπτωση της επεξεργασίας βιοµηχανικών υγρών
αποβλήτων, αναφέρεται ότι µπορεί να παραχθεί βιοαέριο µε περιεκτικότητα σε µεθάνιο 60-80 % και θερµική αξία 6-8 kwh/m 3 αερίου [6]. Η αντιστοιχία µετατροπής της οργανικής ύλης (COD) που αποµακρύνεται σε µεθάνιο που παράγεται υπολογίζεται σε 0.35 LCH 4 /g COD. Στην περίπτωση των υγρών αστικών αποβλήτων τα δεδοµένα και η τεχνογνωσία είναι περιορισµένα και απαιτείται περαιτέρω έρευνα. Μελέτες σε εργαστηριακή κλίµακα που διεξήχθησαν πρόσφατα [7-9] κατέληξαν σε µεγάλο εύρος της αντιστοιχίας µετατροπής σε CH 4 της οργανικής ύλης που αποµακρύνεται, 0.01-0.36 LCH 4 /g COD. Υπάρχουν και ορισµένες περιπτώσεις σε πραγµατική κλίµακα, όπως στη Μελβούρνη της Αυστραλίας, όπου οι λίµνες σταθεροποίησης είναι καλυµµένες µε κατάλληλο υλικό ώστε να είναι δυνατή η συλλογή του βιοαερίου που παράγεται. Για τη συγκεκριµένη περίπτωση αναφέρεται ότι το βιοαέριο (80% περιεκτικότητα σε CH 4 ) που συλλέγεται από τις λίµνες σταθεροποίησης συνολικής έκτασης 12 ha χρησιµοποιείται για την παραγωγή 3.7 MW ενέργειας, η οποία καλύπτει το 60% των συνολικών ενεργειακών αναγκών των εγκαταστάσεων [9]. Με την κάλυψη των λιµνών και τη συλλογή και αξιοποίηση του βιοαερίου αναµένονται εκτός από το ενεργειακό κέρδος, αποφυγή των δυσάρεστων οσµών και ελάττωση των εκποµπών των αερίων του θερµοκηπίου, πλεονεκτήµατα τα οποία καθιστούν τη συγκεκριµένη µελέτη ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα. 2. ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ Υγρά απόβλητα συλλέχθηκαν από τις εισόδους τριών διαφορετικών µονάδων επεξεργασίας αστικών αποβλήτων (ΜΕΑ) στην ευρύτερη περιοχή του Βερολίνου: από τη ΜΕΑ αστικών αποβλήτων στην περιοχή Funkenhagen (για 1200 κατοίκους), η οποία βρίσκεται 130 km περίπου βόρεια του Βερολίνου, από τη ΜΕΑ αστικών αποβλήτων στην περιοχή Boitzenburg (για 1500 κατοίκους), 150 km βόρεια του Βερολίνου και από τη ΜΕΑ στην περιοχή Hardenbeck (για 250 κατοίκους), 160 km βορειοδυτικά του Βερολίνου. Επιπλέον, συλλέχθηκε δείγµα από την υπερχείλιση της δεξαµενής αερισµού του βιολογικού καθαρισµού στην περιοχή Boitzenburg. Το συγκεκριµένο δείγµα είχε υψηλή περιεκτικότητα σε ενεργό ιλύ και χρησιµοποιήθηκε για να εξακριβωθεί εάν αυτή συµβάλλει θετικά στην παραγωγή µεθανίου. Στον πίνακα 1 αναφέρονται τα χαρακτηριστικά των αστικών λυµάτων. Στα αρχικά πειράµατα, στόχος ήταν να εκτιµηθεί η επίδραση του φορτίου και το είδος των αποβλήτων καθώς και το είδος των µικροοργανισµών της λάσπης (ψυχρόφιλοι ή µεσόφιλοι) στην τελική απόδοση σε παραγωγή βιοαερίου. Για το σκοπό αυτό χρησιµοποιήθηκαν υγρά απόβλητα διαφορετικής προέλευσης και µε διαφορετικές συγκεντρώσεις COD, ενώ χρησιµοποιήθηκαν 2 ειδών βιοµάζες: η µία µπορεί να χαρακτηριστεί σαν ψυχρόφιλη και συλλέχθηκε από την αναερόβια λίµνη της ΜΕΑ στο Funkenhagen (θερµοκρασία στην αναερόβια ζώνη 17.8 0 C) και η δεύτερη µπορεί να χαρακτηριστεί σαν µεσόφιλη (θερµοκρασία στην αναερόβια ζώνη 36.6 0 C) και συλλέχθηκε από την αναερόβια λίµνη της ΜΕΑ αστικών λυµάτων στην περιοχή Stahnsdorf (για 500000 κατοίκους), 20 km νοτιοδυτικά του Βερολίνου. Πρέπει να σηµειωθεί ότι εφόσον στόχος ήταν η εκτίµηση της ικανότητας παραγωγής µεθανίου από το υγρό απόβλητο µόνο, οι βιοµάζες πριν χρησιµοποιηθούν είχαν υποστεί ελεγχόµενη χώνευση στους 17.8 0 C έως ότου δεν παρατηρούνταν παραγωγή βιοαερίου. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι η παραγωγή βιοαερίου για τη βιοµάζα προέλευσης Funkenhagen (βιοµάζα Ι) έφτασε τα 1681 ml, ενώ για τη βιοµάζα προέλευσης Stahnsdorf (βιοµάζα ΙΙ) έφτασε τα 647 ml µετά από 15 ηµέρες χώνευσης. Η µεγάλη διαφορά µεταξύ των δύο βιοµαζών µπορεί να οφείλεται στο είδος των µικροοργανισµών, καθώς εφόσον η βιοµάζα Ι έχει ψυχρόφιλο χαρακτήρα ευνοείται από τη σχετικά χαµηλή θερµοκρασία διεξαγωγής των πειραµάτων. Επιπλέον, η συγκεκριµένη βιοµάζα είχε µεγαλύτερη συγκέντρωση COD, στερεών και οργανικών στερεών.
Συνολικά διεξήχθησαν ταυτόχρονα 8 πειράµατα χώνευσης. Στην περίπτωση του αποβλήτου προέλευσης Funkenhagen, το οποίο θα είναι και το βασικό απόβλητο προς µελέτη στα µελλοντικά πειράµατα, διεξήχθησαν τρία διαφορετικά πειράµατα, σε τρεις διαφορετικές συγκεντρώσεις COD: Η µία (1259 mg/l) ταυτίζεται µε τη µέση τιµή COD του αποβλήτου έπειτα από αναλύσεις σε 31 δειγµατοληψίες, η δεύτερη (1421 mg/l) ταυτίζεται µε τη µέγιστη τιµή COD που παρατηρήθηκε και η τρίτη (643 mg/l) ταυτίζεται µε την κατώτερη τιµή που παρατηρήθηκε. Το υγρό απόβλητο και η βιοµάζα τοποθετούνταν στην κατάλληλη αναλογία σε µεγάλες σκουρόχρωµες φιάλες των 2 L. Η κατάλληλη αναλογία υγρού αποβλήτου/βιοµάζας υπολογίστηκε βάσει της οδηγίας VDI 4630 των Γερµανικών προτύπων, σύµφωνα µε την οποία η περιεκτικότητα των οργανικών στερεών της βιοµάζας πρέπει να είναι 1.5-2 % w/w στο τελικό µίγµα για τη βέλτιστη παραγωγή µεθανίου. Έπειτα από τις απαραίτητες χηµικές αναλύσεις (σύµφωνα µε [10]), οι φιάλες µε τα µίγµατα τοποθετούνταν σε θερµοστατούµενο αντιδραστήρα εξοπλισµένο µε τάρακτρο. Οι φιάλες συνδέονταν µε τις 8 ανεξάρτητες συσκευές µέτρησης όγκου του βιοαερίου, ρυθµιζόταν η θερµοκρασία στους 17.8 0 C και σφραγιζόταν ο αντιδραστήρας. Ο όγκος του βιοαερίου που παραγόταν καταγράφονταν συνεχώς για συνολικό χρονικό διάστηµα 53 ηµερών. Στο τέλος των πειραµάτων, διεξήχθησαν και χηµικές αναλύσεις στα δείγµατα ώστε να προσδιοριστούν οι µεταβολές κυρίως στο COD και στη συγκέντρωση των στερεών. Τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες όλων των µιγµάτων πριν και µετά από την ολοκλήρωση των πειραµάτων παρουσιάζονται στον πίνακα 2. Πίνακας 1. Ιδιότητες υγρών αποβλήτων και των δειγµάτων βιοµάζας που χρησιµοποιήθηκαν στα πειράµατα. Υγρό αστικό απόβλητο Βιοµάζα Funkenhagen Boitzenburg Hardenbeck Funkenhagen Stahnsdorf A B C D E F I II (απόβλητο) (υπερχείλιση) ph 7.74 7.75 8.03 7.41 7,01 7.55 6.89 7.01 COD (mg/l) COD διηθηµένο (mg/l) Αγωγιµ. (ms/cm) Αλατότητα (mg/l) Οργανικά οξέα (mg/l) Ολικά στερεά (TS, mg/l) TS (%, w/w) Οργανικά στερεά (os, % w/w) 1259 1421 643 557 6530 830 52000 23500 451 425 425 208 797 111 1269 906 0.7 0.6 0.6 0.3 0,4 0.1 - - 1323 1288 1290 576 0.917 267 - - 128 163 189 50 491 44 109 73 526 636 436 186-336 - - 0.13 0.135 0.095 0.061 0.422 0.059 4.611 2.069 0.07 0.074 0.033 0.028 0.297 0.037 3.176 1.215 os/ts (%) 53.8 54.8 34.7 60.7 70.4 62.7 68.9 58.7 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ
Στον πίνακα 2 παρουσιάζονται οι τιµές των παραµέτρων COD (ολικό και διαλυτό), οργανικών οξέων, ολικών στερεών (TS) και πτητικών (οργανικών) στερεών (os) στην αρχή και µετά το τέλος των πειραµάτων, καθώς και η συνολική ποσότητα (ml) βιοαερίου που παράχθηκε για κάθε φιάλη. Σαν Ratio χαρακτηρίζεται η αναλογία του όγκου του βιοαερίου που παράχθηκε (ml) προς τα mg του COD που αποµακρύνθηκαν στις 53 ηµέρες. Στο σχήµα 1 παριστάνεται γραφικά ο όγκος του βιοαερίου (ml) που παράχθηκε συναρτήσει του χρόνου αντίδρασης. Πίνακας 2. Συνθήκες διεξαγωγής των πειραµάτων και ιδιότητες όλων των µιγµάτων. Νο Φιάλης 1 2 3 4 5 6 7 8 Υγρό Απόβλ. A B C F D E A A Βιοµάζα Ι Ι Ι Ι I I II II Αναλογία. βιοµάζα/αποβλ. 1:1 1:1 1:1 1:1 1:1 1:1 4:1 5.3:1 ph 6.92 6.72 6.71 6.72 6.69 6.66 6.90 6.95 COD (mg/l) Αρχή 29030 29111 28722 28815 28669 31665 19052 19988 Τέλος 27800 27700 27100 27500 25100 28800 16200 17500 Βιοαέριο που παράχθηκε (ml) 335 470 245 322 10 14 192 242 Ratio 0.1992 0.3331 0.1967 0.2449 0.0028 0.0049 0.0673 0.1025 COD διαλυτό (mg/l) Οργαν. οξέα (mg/l) TS (% κ.β.) Αρχή 860 847 847 690 739 1033 815 834 Τέλος 321 236 320 307 232 232 478 549 Αρχή 118 149 158 76.5 79.5 300 96.4 100.6 Τέλος.Α..Α. 57.8 66.6.Α. 56.0 64.5 79.9 Αρχή 2.371 2.373 2.353 2.335 2.336 2.517 1.681 1.763 Τέλος 2.195 2.158 2.145 2.268 2.263 2.404 1.590 1.680 Ελάττωση (%) TS 5.27 9.06 8.84 2.87 3.13 4.49 5.41 4.71 os (% κ.β.) Αρχή 1.623 1.625 1.605 1.606 1.602 1.736 0.987 1.034 Τέλος 1.502 1.480 1.444 1.516 1.529 1.618 0.893 0.946 Ελάττωση (%) os 7.46 8.90 10.03 5.60 4.56 6.78 9.52 8.51 Αναλογία (%) os/ts Αρχή 70.0 68.5 68.2 68.8 68.6 69.0 58.7 58.7 Τέλος 68.4 68.6 67.3 66.8 67.6 67.3 56.2 56.3 os αποβλήτου/os βιοµάζας 0.022 0.023 0.010 0.012 0.009 0.093 0.014 0.011 Α: εν ανιχνεύτηκε; Ratio: ml βιοαερίου/mg COD που αποµακρύνθηκε; TS: ολικά στερεά; os: πτητικά στερεά (οργανικά) Όσο αφορά στις 3 πρώτες φιάλες, όπου τοποθετήθηκε υγρό απόβλητο προέλευσης Funkenhagen σε διαφορετικές συγκεντρώσεις και ψυχρόφιλη βιοµάζα ίδιας προέλευσης, από το σχήµα 1 φαίνεται ότι η παραγωγή βιοαερίου ήταν µεγαλύτερη στην 2η φιάλη και µικρότερη στην 3η φιάλη. Στην 2η φιάλη είχε τοποθετηθεί υγρό απόβλητο µε τις µεγαλύτερες συγκεντρώσεις COD και στερεών, ενώ στην 3η µε τις µικρότερες συγκεντρώσεις. Φαίνεται λοιπόν, ότι το ρυπαντικό φορτίο του υγρού αποβλήτου παίζει σηµαντικό ρόλο στην παραγωγή βιοαερίου,
καθώς βρέθηκε ότι για το ίδιο υγρό απόβλητο, η παραγωγή βιοαερίου αυξάνει µε την αύξηση των συγκεντρώσεων του COD και των TS. Από το σχήµα 1, φαίνεται ότι η παραγωγή βιοαερίου ήταν ταχύτερη στις φιάλες 2 και 3 και συγκεκριµένα, ενώ στις πρώτες 10 ηµέρες στη 2η φιάλη παράχθηκε το 36% του συνολικού όγκου του βιοαερίου και στη 3η φιάλη το 67%, στην 1η φιάλη παράχθηκε µόνο το 24% του συνολικού όγκου του βιοαερίου (Πίνακας 3). Στη συµπεριφορά αυτή πιθανότατα να παίζει κάποιο ρόλο η αρχική συγκέντρωση των οργανικών οξέων, τα οποία αποικοδοµούνται ευκολότερα από τα µεθανογενή βακτήρια σε CH 4 και CO 2 από ότι οι µεγαλύτερου µεγέθους οργανικές ενώσεις. Η συγκέντρωση αυτή είναι µεγαλύτερη στη 2η φιάλη, µε µικρή διαφορά από την 3η φιάλη, ενώ είναι αρκετά µικρότερη στη 1η φιάλη. Μετά το πέρας των πειραµάτων, στις πρώτες 2 φιάλες δεν ανιχνεύτηκαν οργανικά οξέα, υποδεικνύοντας την πλήρη αποικοδόµησή τους. Αντιθέτως, στην 3η φιάλη ανιχνεύτηκε σχετικά υψηλή υπολειµµατική συγκέντρωση οργανικών οξέων (57.8 mg/l), γεγονός που υποδεικνύει ότι η αποικοδόµηση των οργανικών οξέων και προφανώς του συνόλου της οργανικής ύλης ήταν ατελής σε µεγαλύτερο βαθµό από ότι στις άλλες δύο φιάλες. Για το λόγο αυτό, η τελική παραγωγή µεθανίου ήταν η µικρότερη στη συγκεκριµένη φιάλη. Παραγωγή βιοαερίου (ml) 500 450 400 350 300 250 200 150 100 Φιάλη 1 Φιάλη 2 Φιάλη 3 Φιάλη 4 Φιάλη 5 Φιάλη 6 Φιάλη 7 Φιάλη 8 50 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Χρόνος (d) Σχήµα 1. Παραγωγή βιοαερίου (ml) συναρτήσει του χρόνου παραµονής (d). Στις φιάλες 4 και 5 τοποθετήθηκαν υγρά απόβλητα διαφορετικής προέλευσης, ενώ η βιοµάζα ήταν η ίδια µε τις φιάλες 1-3 (βιοµάζα Ι). Το υγρό απόβλητο στην 4η φιάλη είχε αρχικό COD= 830 mg/l (προέλευση Hardenbeck), λίγο µεγαλύτερο από το αρχικό COD= 643 mg/l του αποβλήτου στην 3η φιάλη. Η παραγωγή µεθανίου όµως ήταν συγκριτικά αρκετά µεγαλύτερη και ήταν παρόµοια µε την παραγωγή µεθανίου στην 1η φιάλη, στην οποία το αρχικό COD του υγρού αποβλήτου ήταν αισθητά µεγαλύτερο (αρχικό COD= 1259 mg/l). Φαίνεται λοιπόν, ότι και το είδος του υγρού αποβλήτου και συνεπώς το είδος της οργανικής ύλης που περιέχει καθορίζει επίσης σε µεγάλο βαθµό την δυναµικότητα παραγωγής µεθανίου. Η ύπαρξη ή µη συστατικών που αναστέλλουν ή ενισχύουν τη δράση των µικροοργανισµών, όπως π.χ. µετάλλων ή θρεπτικών συστατικών αντίστοιχα, επίσης επηρεάζει την ικανότητα παραγωγής µεθανίου των υγρών αποβλήτων. Στην 5η φιάλη το υγρό απόβλητο είχε αρχικό COD= 557 mg/l (προέλευση Boitzenburg), λίγο µικρότερο από το αρχικό COD= 643 mg/l του αποβλήτου στην 3η φιάλη. Παρατηρήθηκε όµως ότι η παραγωγή βιοαερίου ήταν ελάχιστη στη συγκεκριµένη φιάλη (συνολικά 10 ml CH 4 ), η µικρότερη σε όλα τα πειράµατα. Οπότε, το συγκεκριµένο υγρό απόβλητο κρίνεται ακατάλληλο για παραγωγή βιοαερίου. Το ίδιο συµπέρασµα προέκυψε και από την 6η φιάλη, όπου είχε τοποθετηθεί δείγµα από την υπερχείλιση της δεξαµενής αερισµού του
βιολογικού καθαρισµού της περιοχής Boitzenburg. Αν και η αρχική συγκέντρωση COD= 6530 mg/l και η συγκέντρωση των οργανικών οξέων ήταν οι µεγαλύτερες από όλες τις περιπτώσεις, η παραγωγή βιοαερίου ήταν ελάχιστη (σύνολο 14 ml), λίγο µεγαλύτερη από την 5η φιάλη. Στις φιάλες 7 και 8 τοποθετήθηκε το υγρό απόβλητο προέλευσης Funkenhagen µε COD= 1259 mg/l (ίδιο µε 1η φιάλη) και µεσόφιλη βιοµάζα προέλευσης Stahnsdorf (βιοµάζα ΙΙ). Η συγκεκριµένη βιοµάζα περιέχει λιγότερα οργανικά στερεά από τη βιοµάζα προέλευσης Funkenhagen και για το λόγο αυτό η αναλογία βιοµάζας/απόβλητο που χρησιµοποιήθηκε ήταν µεγαλύτερη (στην 7η φιάλη ισούται µε 4). Επίσης, στην 8η φιάλη χρησιµοποιήθηκε µεγαλύτερη αναλογία βιοµάζας/υγρό απόβλητο (αναλογία= 5.3) για να εκτιµηθεί εάν η αύξηση της βιοµάζας (οπότε και αύξηση των στερεών) έχει θετική επίδραση στην παραγωγή βιοαερίου. Πράγµατι, η συνολική παραγωγή βιοαερίου στην 8η φιάλη ήταν 242 ml, ενώ στην 7η φιάλη ήταν 192 ml, παρατηρήθηκε δηλαδή 26% µεγαλύτερη παραγωγή µεθανίου µε µόλις 5% αύξηση των οργανικών στερεών. Πρέπει να σηµειωθεί όµως, ότι και στις δύο περιπτώσεις η παραγωγή µεθανίου ήταν µικρότερη από ότι στην 1 φιάλη (335 ml CH 4 ). Από το σχήµα 1 φαίνεται ότι στην αρχή η παραγωγή µεθανίου είναι ταχύτερη στις φιάλες 7 και 8 από ότι στην 1η φιάλη. Πράγµατι, από τον πίνακα 3 φαίνεται ότι στις 10 πρώτες ηµέρες είχε παραχθεί το 35 και το 38% του βιοαερίου στις φιάλες 7 και 8 αντίστοιχα, ενώ στην 1η φιάλη το 26%. Με την ολοκλήρωση 40 ηµερών από την αρχή των πειραµάτων, το ποσοστό παραγωγής του µεθανίου έφτασε το 93% στις φιάλες 7 και 8, ενώ στην 1η φιάλη έφτασε το 83%. Φαίνεται λοιπόν, ότι η βιοµάζα µε τους µεσόφιλους µικροοργανισµούς προκαλεί ταχύτερη µετατροπή της οργανικής ύλης σε βιοαέριο από ότι η βιοµάζα µε τους ψυχρόφιλους µικροοργανισµούς. Τα πειράµατα όµως, διεξήχθησαν σε ψυχρόφιλες συνθήκες (17.8 0 C), οι οποίες πιθανότατα προκάλεσαν σταδιακά τη µερική απενεργοποίηση των µεσόφιλων µικροοργανισµών, µε αποτέλεσµα η παραγωγή µεθανίου να περιοριστεί. Οι ψυχρόφιλοι µικροοργανισµοί είναι περισσότερο ανθεκτικοί σε χαµηλές θερµοκρασίες και για το λόγο αυτό η παραγωγή µεθανίου ήταν µεγαλύτερη. Όσο αφορά στην αναλογία ml βιοαερίου που παράγεται προς τα mg του COD που αποµακρύνονται (ratio), βρέθηκε ότι κυµαίνεται µεταξύ 0.07 και 0.333 (εκτός από τις φιάλες 5 και 6), ενώ η µεγαλύτερη τιµή παρατηρήθηκε στην 2η φιάλη (0.333). Η περιεκτικότητα του βιοαερίου σε µεθάνιο κυµαίνεται γενικά µεταξύ 50-80 %, οπότε η µέγιστη τιµή αναγόµενη σε παραγωγή µεθανίου θα κυµαίνεται µεταξύ 0.17 και 0.27 mlch 4 /mg COD, δηλ. στα επίπεδα που αναφέρονται στη βιβλιογραφία [7-9]. Τέλος, παρατηρήθηκε ότι η ελάττωση των ολικών στερεών µετά το τέλος των πειραµάτων κυµαίνεται µεταξύ 2.87 και 9.06 % σε όλα τα πειράµατα, ενώ η ελάττωση των οργανικών στερεών κυµαίνεται µεταξύ 4.56 και 10.03 %. Πίνακας 3. Παραγωγή βιοαερίου (%) σε κάθε φιάλη. Χρόνος (d) Παραγωγή βιοαερίου (%) σε κάθε φιάλη 1 2 3 4 5 6 7 8 10 24 36 67 17 100 100 35 38 20 48 54 81 42 100 100 61 64 30 64 69 84 59 100 100 81 79 40 83 86 87 84 100 100 93 93 45 94 98 96 95 100 100 100 100 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από τα αποτελέσµατα προέκυψε ότι η παραγωγή βιοαερίου είναι δυνατή κατά την αναερόβια επεξεργασία υγρών αστικών αποβλήτων. Το µεγαλύτερο ποσοστό µετατροπής της
οργανικής ύλης σε µεθάνιο ήταν 0.17-0.27 ml CH 4 /mg COD αποµακρύνεται, ανάλογα µε την περιεκτικότητα του βιοαερίου σε CH 4, ενώ το µεγαλύτερο ποσοστό που αναφέρεται στη βιβλιογραφία είναι 0.33 ml CH 4 /mg COD αποµακρύνεται. Σηµαντικές παράµετροι που επηρεάζουν την παραγωγή βιοαερίου είναι το φορτίο των υγρών αποβλήτων (συγκεντρώσεις COD και στερεών), η σύστασή τους, το είδος της οργανικής ύλης (εύκολα αποικοδοµήσιµη ή µη), η αναλογία βιοµάζας/υγρό απόβλητο και το είδος της βιοµάζας. Τα πρώτα αποτελέσµατα είναι ενθαρρυντικά, ενώ για την καλύτερη αξιολόγησή τους στη συνέχεια του προγράµµατος θα εκτιµηθεί το ποσοστό µεθανίου που περιέχεται στο βιοαέριο που παράγεται. Επιπλέον, θα διεξαχθούν πειράµατα σε πραγµατική κλίµακα στις εγκαταστάσεις της ΜΕΑ στην περιοχή Funkenhagen. Συγκεκριµένα, η δεξαµενή σταθεροποίησης θα καλυφθεί µε κατάλληλο υλικό και το βιοαέριο που παράγεται θα συλλέγεται και θα προσδιορίζεται η περιεκτικότητά του σε µεθάνιο. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η εργασία αυτή πραγµατοποιήθηκε στα πλαίσια του προγράµµατος προώθησης των ανταλλαγών και της επιστηµονικής συνεργασίας Ελλάδας - Γερµανίας (IKYDA 2010), το οποίο χρηµατοδοτείται από το Ίδρυµα Κρατικών Υποτροφιών (Ι.Κ.Υ.) και την Γερµανική Υπηρεσία Ακαδηµαϊκών Ανταλλαγών (DAAD). ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Kroiss Η. and K. Svardal (2009) The power consumption of sewage treatment plants [Energiebedarf von Abwasserreinigungsanlage], Osterreichische Wasser- und Abfallwirtschaft, 61(11): 170-177. 2. Shilton A. N., N. Powell, D.D. Mara, R. Craggs (2008) Solar-powered aeration and disinfection, anaerobic co-digestion, biological CO 2 scrubbing and biofuel production: the energy and carbon management opportunities of waste stabilisation ponds, Water Science and Technology, 58(1): 253-258. 3. Zakkour P. D., M. R. Gaterell, P. Griffin, R. J. Gochin and J. N. Lester (2001) Anaerobic treatment of domestic wastewater in temperate climates: treatment plant modeling with economic considerations, Water Research, 35(17): 4137 4149. 4. Alexiou G.E. and D.D. Mara (2003) Anaerobic Waste Stabilization Ponds, Applied Biochemistry and Biotechnology, 109: 241-252. 5. Pescod M.B. (1996) The role and limitations of anaerobic pond systems, Water Science and Technology, 33(7): 11-21. 6. Bischofsberger W. (2005) Anaerobtechnik. Springer, Berlin. 7. Angenent, L. T., G.C. Banik, S. W., Sung (2001) Anaerobic migrating blanket reactor treatment of low-strength wastewater at low temperatures, Water Environment Research, 73(5): 567 574. 8. Austermann-Haun, U. (2008) Anaerobverfahren Übersicht, GWF - Wasser/Abwasser Special, 149(14): 6-11. 9. DeGarie C. J., T. Crapper, B.M. Howe, B.F. Burke and P.J. McCarthy (2000) Floating geomembrane covers for odour control and biogas collection and utilization in municipal lagoons, Water Science and Technology, 42(10 11): 291 298. 10. Clesceri, L., A. Greenberg, R. Trussell (1989) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 17th Ed., APHA-AWWA-WEF, Washington DC, 1989.