Αναερόβια χώνευση - Κομποστοποίηση Απαραίτητος συνδυασμός για ολοκληρωμένη ενεργειακή αξιοποίηση οργανικών αποβλήτων

Transcript

1 Αναερόβια χώνευση - Κομποστοποίηση Απαραίτητος συνδυασμός για ολοκληρωμένη ενεργειακή αξιοποίηση οργανικών αποβλήτων Γεράσιμος Λυμπεράτος Καθηγητής Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ

2 Αναερόβια χώνευση Είναι η διεργασία κατά την οποία οργανική ύλη μετατρέπεται σε CH 4 και CO 2 (βιοαέριο) με την συνδυασμένη δράση μεικτού πληθυσμού αναερόβιων μικροοργανισμών, απουσία μοριακού οξυγόνου ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ: Οργανική ύλη + νερό CH 4 + CO 2 + NH 3 + H 2 S + νέα κύτταρα + θερμότητα CH 4 : % CO 2 : % NH 3, H 2 S, H 2 : %

3 Μετατροπή του οργανικού υλικού σε βιοαέριο κατά την αναερόβια χώνευση ΠΟΛΥΜΕΡΗ (Πρωτεΐνες, Υδατάνθρακες Λιπίδια) Υδρολυτικά ένζυμα Αμινοξέα, Σάκχαρα Οξεογόνα Βακτήρια Πτητικά λιπαρά οξέα, αλκοόλες, κετόνες Λιπαρά οξέα Οξεογόνα Βακτήρια Οξικογόνα Βακτήρια CH 3 COOH H 2 /CO 2 70 % Μεθανογόνα βακτήρια, χρήστες οξικού CH 4 30 % Μεθανογόνα βακτήρια, χρήστες υδρογόνου

4 Γιατί αναερόβια χώνευση; Χαμηλή παραγωγή κυτταρικής μάζας (3-20 φορές λιγότερη από την αερόβια επεξεργασία) Παραγωγή ενέργειας υπό τη μορφή μεθανίου Χαμηλό λειτουργικό κόστος Κατάλληλη για ισχυρά αγροτοβιομηχανικά απόβλητα Υψηλή απομάκρυνση οργανικού φορτίου

5 Εφαρμογές αναερόβιας χώνευσης Αναερόβια Χώνευση: Μία από τις σημαντικότερες βιοχημικές διεργασίες μετατροπής της βιομάζας Βιομάζα: Υλικά βιολογικού χαρακτήρα, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ενέργειας Αναερόβια χώνευση λυματολάσπης Αναερόβια χώνευση κτηνοτροφικών αποβλήτων (κοπριάς) Αναερόβια χώνευση αστικών στερεών αποβλήτων Αναερόβια χώνευση της φυτικής βιομάζας οργανικών καλλιεργειών και των αποβλήτων (υγρών και στερεών) βιομηχανιών μεταποίησης αγροτικών προϊόντων

6

7 Παράγοντες που επηρεάζουν την αναερόβια χώνευση Θερμοκρασία (ψυχρόφιλη, μεσόφιλη, θερμόφιλη περιοχή) ph-αλκαλικότητα (βέλτιστη περιοχή 7-7,2) Χημική σύσταση τροφοδοσίας (αναλογία C:N:P:S) Τοξικές ουσίες: ενώσεις ή στοιχεία (O 2, NH 3, HCHO, Βαρέα μέταλλα, Αρωματικές ενώσεις κ.α) Υδραυλικός χρόνος παραμονής (15-35 ημέρες) Οργανική φόρτιση των χωνευτήρων Εγκλιματισμός της αναερόβιας καλλιέργειας

8 ΒΙΟΑΕΡΙΟ Tο παραγόμενο βιοαέριο κατά την αναερόβια χώνευση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θέρμανση και για συμπαραγωγή θερμότητας/ηλεκτρικής ενέργειας. Περιέχει 65-70% CH 4, 25-30% CO 2, ενώ το υπόλοιπο είναι H 2, N 2 και H 2 S. Έχει απόδοση θερμότητας kj/m 3 ενώ η αντίστοιχη καθαρού μεθανίου είναι kj/m 3.

9 Αεριοφυλάκια

10 Αξιοποίηση βιοαερίου

11 Ηλεκτρογεννήτριες για την αξιοποίηση του βιοαερίου

12 ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

13 Χωνευτήρας πολυεστέρα

14

15 The Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor

16 Αναερόβιος αντιδραστήρας με ανακλαστήρες (ABR)

17 Περιοδικός αναερόβιος αντιδραστήρας με ανακλαστήρες

18 Αποδόσεις σε μεθάνιο PABR HRT (d) CH 4 (%) Yield ( LCH 4 /kg TS) ± ± ± ± ± ± ± ± ±

19 ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΣΥΓΧΩΝΕΥΣΗ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ Τα υγρά απόβλητα των αγροβιομηχανικών μονάδων χαρακτηρίζονται από: (α) εξαιρετικά υψηλό οργανικό φορτίο, εν μέρει δύσκολα βιοαποδομήσιμο (β) εποχικότητα στην παραγωγή (γ) μικρές παροχές προερχόμενες από πολλές διάσπαρτες και μικρές μονάδες (δ) σχετική έλλειψη απαραίτητων θρεπτικών συστατικών για βιολογική επεξεργασία.

20 Μία βασική ιδέα: συγχώνευση σε κεντρική μονάδα διαφορετικών εποχικά αποβλήτων συνεχής και απρόσκοπτη λειτουργία, αποφεύγοντας το συνακόλουθο κόστος των μεγάλων χρόνων εκκίνησης. πιο εξισορροπημένο απόβλητο, το οποίο μπορεί να τύχει ευκολότερης επεξεργασίας, χωρίς την ανάγκη για προσθήκη θρεπτικών ουσιών. καλύτερες δυνατότητες εκμετάλλευσης του παραγόμενου βιοαερίου.

21 Αναερόβια εκροή

22 Αναερόβια εκροή

23 Λόγοι διαχείρισης εκροής Επίτευξη προδιαγραφών εκροής σε θρεπτικά (άζωτο και φώσφορο) Ανάκτηση θρεπτικών

24 Επιλογές διαχείρισης εκροής Χημική κατακρήμνιση φωσφόρου Ανάκτηση στρουβίτη Βιολογική απομάκρυνση αζώτου (νιτροποίηση/απονιτροποίηση, Anammox) Συγκομποστοποίηση

25 Κομποστοποίηση Είναι εξ' ορισμού η βιολογική αποδόμηση και σταθεροποίηση οργανικών ουσιών και μικροβίων σε συνθήκες που επιτρέπουν την ανάπτυξη θερμοκρασιών ο C, η οποία διασφαλίζεται από βιολογικά παραγόμενη θερμότητα, με τελικό προϊόν αρκούντως σταθεροποιημένο για αποθήκευση και χρήση ως εδαφοβελτιωτικό χωρίς περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Αποτελεί μορφή σταθεροποιίησης της οργανικής ύλης, η οποία όμως απαιτεί ειδικές συνθήκες υγρασίας και αερισμού, ούτως ώστε να εξασφαλιστούν θερμοφιλικές θερμοκρασίες.

26 H καταλληλότητα ενός υποστρώματος για βιοσταθεροποίηση εξαρτάται κατά κύριο λόγο από τρεις παραμέτρους: (α) την υγρασία (δεν πρέπει να υπερβαίνει το 60%) (β) το οργανικό κλάσμα (πρέπει να υπερβαίνει το 50% του στερεού μέρους) (γ) τον λόγο C/N (δεν πρέπει να υπερβαίνει το 50/1).

27 Τύποι αερόβιας βιοσταθεροποίησης (α) το σύστημα σειραδίων (windrows), (β) το σύστημα του αεριζόμενου στατικού σωρού (static aeration piles) και (γ) κλειστοί βιοαντιδραστήρες

28 Tο σύστημα σειραδίων συνίσταται στην τοποθέτηση σε παράλληλους σωρούς τριγωνικής, τραπεζοειδούς ή ορθογώνιας διατομής, οι οποίοι αναδεύονται σε τακτά διαστήματα με μηχανικό τρόπο για επίτευξη επαρκούς αερισμού και ομοιογένειας στον σωρό. συχνά προστίθεται ανακυκλοφορούμενο προϊόν της βιοσταθεροποίησης ή/ και κάποιοι προσθετικοί παράγοντες για αύξηση των αερόκενων και βελτίωση της σύστασης του υποστρώματος όσον αφορά την υγρασία, τα οργανικά και τα άλλα θρεπτικά καθώς και τους μικροοργανισμούς που είναι υπεύθυνοι για την βιοσταθεροποίηση.

29 Tο σύστημα σειραδίων

30 Μεταβολή της θερμοκρασίας κατά την βιοσταθεροποίηση

31 Tο σύστημα σειραδίων Eπίσης μπορεί να προστεθεί και οργανικό ή ανόργανο διογκωτικό υλικό (όπως μικρά τεμάχια ξύλου) με σκοπό την παροχή δομικής στήριξης και την αύξηση του πορώδους του προς βιοσταθεροποίηση μείγματος. Oι σωροί μπορεί να αερίζονται πρόσθετα από φυσητήρες, προκειμένου να εξασφαλιστεί επαρκής παροχή οξυγόνου, ρύθμιση της θερμοκρασίας και να απομακρυνθεί η πρόσθετη υγρασία.

32 Oι βασικές λειτουργικές παράμετροι που μπορούν να ρυθμιστούν είναι: η σχετική πρόσμιξη πρόσθετων ή προϊόντος ή διογκωτικού υλικού δομής (π.χ. πριονίδι), η παροχή αέρα (εφόσον παρέχεται πρόσθετος αερισμός), οι χρόνοι παραμονής σε κάθε στάδιο και η συχνότητα ανάδευσης. O αερισμός κατά την βιοσταθεροποίηση εξυπηρετεί δύο κυρίως σκοπούς: την παροχή επαρκούς οξυγόνου για τη βιολογική οξείδωση, τη ξήρανση του προς βιοσταθεροποίηση μείγματος. H ενέργεια η οποία απαιτείται για την ανύψωση της θερμοκρασίας κατά την βιοσταθεροποίηση και για την εξάτμιση της υγρασίας, παράγεται από την απελευθερούμενη ενέργεια κατά την βιοαποδόμηση.

33 Συνδυασμός αναερόβιας χώνευσης - κομποστοποίησης Πλήρης καθετοποιημένη αξιοποίηση των οργανικών αποβλήτων Ενέργεια από το βιοαέριο Κομπόστ Μηδενικά απόβλητα

34 Τυπική μονάδα αναερόβιας χώνευσης στερεών αποβλήτων 1000 kg διαχωρισμός Αιώρηση σε νερό χώνευση Βιοαέριο κ.μ. Προς ΧΥΤΥ Επαναφορά υγρών Διήθηση ή φυγοκέντριση 550kg ιλύς Αερόβια σταθεροποίηση Τελικό προϊόν 300kg

35 Συνοπτικά Για σύμμεικτα απορρίμματα οι Silvey et al εκτιμούν ότι το δυναμικό παραγωγής μεθανίου είναι 0,19 m 3 /kgvs. Τυπικά παράγονται (ανά τόνο απορρίμματος) m 3 βιοαερίου, ανάλογα με τη σύσταση των απορριμμάτων με περιεκτικότητα σε μεθάνιο 55-70% και kg compost. Η αναερόβια χώνευση τυπικά απαιτεί το 20-40% της παραγόμενης ενέργειας. Με μέση θερμιδική αξία 5,5 kwh/m 3, η καθαρή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι τυπικά kwh/ton.