Διερεύνηση της λειτουργίας Μικροβιακής Κυψελίδας Καυσίμου για την επεξεργασία αστικών λυμάτων και την ανάκτηση ενέργειας χρησιμοποιώντας διαφορετικούς αποδέκτες ηλεκτρονίων

Γιαννάκου, Άννα-Μαρία; Giannakou, Anna-Maria

dc.contributor.author	Γιαννάκου, Άννα-Μαρία	el
dc.contributor.author	Giannakou, Anna-Maria	en
dc.date.accessioned	2016-12-21T11:21:05Z
dc.date.available	2016-12-21T11:21:05Z
dc.date.issued	2016-12-21
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/44189
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.13714
dc.rights	Default License
dc.subject	Μικροβιακή κυψελίδα καυσίμου	el
dc.subject	Επεξεργασία λυμάτων	el
dc.subject	Παραγωγή ενέργειας	el
dc.subject	Microbial fuel cell	en
dc.subject	Wastewater treatment	en
dc.subject	Energy retrieval	en
dc.title	Διερεύνηση της λειτουργίας Μικροβιακής Κυψελίδας Καυσίμου για την επεξεργασία αστικών λυμάτων και την ανάκτηση ενέργειας χρησιμοποιώντας διαφορετικούς αποδέκτες ηλεκτρονίων	el
dc.title	Investigation of the Microbial Fuel Cell performance on the simultaneous urban wastewater treatment and energy retrieval using different electron acceptors	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Υγειονομική τεχνολογία	el
heal.classification	Sanitary engineering	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-11-02
heal.abstract	Ως Μικροβιακή Κυψελίδα Καυσίμου (ΜΚΚ) ορίζεται η τεχνολογία μέσω της οποίας η αποθηκευμένη στα λύματα χημική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική, με τη βοήθεια καταλυτικών αντιδράσεων από μικροοργανισμούς, σε ένα βιοαντιδραστήρα υπό αναερόβιες συνθήκες. Η τεχνολογία αυτή παρουσιάζει διττή υπόσταση, αφού πραγματοποιεί επεξεργασία λυμάτων και ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, και για το λόγο έχει προκαλέσει έντονο ενδιαφέρον στην επιστημονική και ερευνητική κοινότητα τα τελευταία χρόνια. Οι υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις των συμβατικών εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων και η έλλειψη υποδομών για την εκμετάλλευση του ενεργειακού δυναμικού που διαθέτουν τα λύματα, καθιστούν την τεχνολογία ΜΚΚ μια νέα μέθοδο-τομή στα σύγχρονα δεδομένα της διαχείρισης λυμάτων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιείται διερεύνηση της λειτουργίας συστήματος ΜΚΚ, ως προς την επεξεργασία αστικών λυμάτων και την ταυτόχρονη ανάκτηση ενέργειας από αυτά, χρησιμοποιώντας διαφορετική σύσταση λυμάτων, διαφορετικούς αποδέκτες ηλεκτρονίων και σύστημα αερισμού. Στόχος της έρευνας και των πειραμάτων που διενεργήθηκαν, ήταν η εκτίμηση της απόδοσης της ΜΚΚ στους τομείς της επεξεργασίας αστικών λυμάτων και ταυτόχρονης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, και η σύγκριση των αποτελεσμάτων με τις αποδόσεις των συμβατικών μονάδων επεξεργασίας λυμάτων. Η έρευνα διεξήχθη υπό το πρίσμα της εφαρμογής της ΜΚΚ σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας αστικών λυμάτων, και πιο συγκεκριμένα, με στόχο την αντικατάσταση της αερόβιας δεξαμενής στη βιολογική βαθμίδα επεξεργασίας με αυτήν. Η λογική στην οποία βασίστηκε η κατασκευή της πειραματικής διάταξης της ΜΚΚ δύο θαλάμων (τύπου Η) στην οποία διενεργήθηκαν τα πειράματα, ήταν η αντικατάσταση των ακριβών υλικών με φθηνότερα και η διαμόρφωση των εξωτερικών παραμέτρων με τέτοιο τρόπο, ώστε να ανταποκρίνονται στις πραγματικές περιβαλλοντικές συνθήκες, με στόχο τη μελλοντική πρακτική εφαρμογή της σε πραγματική εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων. Για τη διερεύνηση της απόδοσης της λειτουργίας του συστήματος, διενεργήθηκαν συνολικά 15 κύκλοι, με διαφοροποιήσεις στα είδη των αστικών λυμάτων που χρησιμοποιήθηκαν ως δότες ηλεκτρονίων στο θάλαμο της ανόδου (πρωτοβάθμια επεξεργασμένα λύματα, ανεπεξέργαστα λύματα), καθώς και στα είδη των αποδεκτών ηλεκτρονίων της καθόδου και τις συνθήκες αερισμού στο θάλαμο αυτό. Συγκεκριμένα, ως αποδέκτης ηλεκτρονίων χρησιμοποιήθηκε το οξυγόνο υπό συνθήκες ενεργητικού αερισμού, καθώς και συνθήκες παθητικού αερισμού, τα νιτρικά ιόντα υπό ανοξικές συνθήκες και τα θειικά ιόντα υπό αναερόβιες συνθήκες. Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια των κύκλων λειτουργίας, αφορούσαν τις παραμέτρους που επηρέαζαν την απόδοση του συστήματος της ΜΚΚ. Ειδικότερα, όσον αφορά τη διερεύνηση της απόδοσης του συστήματος στην επεξεργασία λυμάτων, μελετήθηκε η εξέλιξη παραμέτρων, όπως οι συγκεντρώσεις του ολικού και διαλυτού COD, ο απαιτούμενος υδραυλικός χρόνος παραμονής των λυμάτων στη ΜΚΚ (HRT), η συγκέντρωση του αποδέκτη ηλεκτρονίων, τα ολικά (TSS) και πτητικά αιωρούμενα στερεά (V SS), το αμμωνιακό άζωτο, τα φωσφορικά ιόντα και το pH. Οι παράμετροι που σχετίζονται με την ανάκτηση ενέργειας από τα λύματα και μελετήθηκαν κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, ήταν οι ποσότητες της παραγόμενης ισχύος και ενέργειας, που υπολογίζονταν μέσω της ηλεκτρικής τάσης που απέδιδε το σύστημα, ανά μονάδα μάζας οργανικού φορτίου που απομακρυνόταν (W/Kg COD και Wh/Kg COD), καθώς και ανά μονάδα όγκου του θαλάμου της ανόδου (W/l και Wh/l). Επιπλέον, μετά το πέρας των πειραματικών κύκλων, διεξήχθη μικροσκοπική παρατήρηση του βιοφίλμ του ηλεκτροδίου της ανόδου, με στόχο την ταυτοποίηση των μικροοργανισμών που είχαν αναπτυχθεί στην επιφάνειά του. Τέλος, με βάση τα αποτελέσματα που εξήχθησαν, μελετήθηκε υποθετικό σενάριο εφαρμογής της τεχνολογίας της ΜΚΚ σε συμβατική εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων. Από τα αποτελέσματα των πειραμάτων, προέκυψαν ικανοποιητικοί βαθμοί απομάκρυνσης ολικού οργανικού φορτίου της τάξεως του 75% σε όρους COD, απαιτούμενοι υδραυλικοί χρόνοι παραμονής της τάξεως των 3-5 ημερών προκειμένου η τελική εκροή να πληροί τις απαιτήσεις της Οδηγίας 91/271/EEC, και ποσοστά απομάκρυνσης ολικών και πτητικών αιωρούμενων στερεών της τάξεως του 65%. Επιπλέον, παρατηρήθηκε επαναλαμβανόμενη γραφική διακύμανση στην εξέλιξη της τάσης και του οργανικού φορτίου στο χρόνο και διαπιστώθηκε ότι δεν πραγματοποιείται απομάκρυνσης αμμωνιακού αζώτου από το σύστημα, αλλά αραίωση της συγκέντρωσής του στο θάλαμο της ανόδου. Ο παθητικός αερισμός της καθόδου ήταν πολύ αποδοτικός και τα αποτελέσματα ήταν συγκρίσιμα με τον ενεργητικό αερισμό της καθόδου. ΄Οταν ως αποδέκτες ηλεκτρονίων χρησιμοποιήθηκαν τα νιτρικά και τα θειικά ιόντα, παρουσίασαν σχετικά μικρά ποσοστά απομάκρυνσης, της τάξεως του 7-15%, λόγω των διαρροών που υπήρχαν στο σύστημα από αέρα με αποτέλεσμα να χρησιμοποιείται κυρίως το οξυγόνο ως κύριος αποδέκτης. ΄Οσον αφορά την παραγωγή ενέργειας, τα αποτελέσματα που προέκυψαν ήταν ικανοποιητικά σε σύγκριση με αντίστοιχες βιβλιογραφικές έρευνες, με μέσο ρυθμό παραγωγής ενέργειας ανά κατανάλωση οργανικού φορτίου 0,04 Wh/gr COD, όταν ως αποδέκτης ηλεκτρονίων χρησιμοποιούταν το οξυγόνο. Η εμπειρία που αποκτήθηκε από τη λειτουργία και την έρευνα του συστήματος της ΜΚΚ, καθώς και τα αποτελέσματα των πειραμάτων που διενεργήθηκαν, αποτελούν ισχυρή ένδειξη της αποτελεσματικότητας της τεχνολογίας αυτής, τόσο στην επεξεργασία αστικών λυμάτων όσο και στην ταυτόχρονη ανάκτηση ενέργειας από αυτά. Παράλληλα, αποτελούν οδηγό για μελλοντική βελτίωση της τεχνολογίας των ΜΚΚ, με στόχο την ενσωμάτωσή της στις συμβατικές μονάδες επεξεργασίας, για τη συνδυαστική λειτουργία τους.	el
heal.abstract	A Microbial Fuel Cell (MFC) is deﬁned as a technology, through which the reserved chemical energy of wastewater is converted to electrical energy, through the catalytic reactions of microorganisms under anaerobic conditions. This technology possesses a twofold nature, since it is able to simultaneously perform wastewater treatment and direct electricity generation, and for that reason, it has gained increasing interest amongst the scientiﬁc and research community, over the last years. The demanding energy of conventional wastewater treatment plants and the lack of infrastructures for the utilisation of the wastewater’s energy potential, make the MFC technology a new breakthrough method in today’s wastewater treatment. The present Thesis presents start-up and operation of MFC technology, concerning the simultaneous wastewater treatment and energy retrieval from municipal wastewater, using diﬀerent types of wastewater, of electron acceptors and of aeration system. The main goal of this research and the experiments that were conducted was the evaluation of the MFC’s eﬃciency in the ﬁelds of wastewater treatment and simultaneous energy generation, as well as the comparison of the research’s results to the eﬃciency of conventional wastewater treatment plants. This approach was made with the objective of the practical application of MFC in conventional wastewater treatment plants, especially with the objective of incorporating it into the process train in a conventional plant, replacing the Activated Sludge or Trickling Filters system. The development of the dual chamber MFC design (H-type) was based on the replacement of all the expensive materials with inexpensive ones and the conﬁguration of the external parameters in a way that they resembled the actual environmental conditions, with the objective of future practical implementation of the MFC technology in a conventional wastewater treatment plant. During the period of experiments, in order to evaluate the system’s function, 15 cycles were carried out, using diﬀerent types of urban wastewater as electron donors in the anode chamber (raw sewage and primary eﬄuent), as well as using diﬀerent types of electron (oxygen, nitrate, sulphate) and aeration conditions(diﬀuse aeration and passive) in the cathode chamber. More speciﬁcally, the acceptors that were used were oxygen along with an active aeration system, as well as a passive one, nitrate ions in anoxic conditions and sulphate ions in anaerobic conditions. The tests that were performed during the cycles were related to the parameters that inﬂuenced the eﬃciency of the MFC system. The investigation of the MFC performance focused on the removal of total and soluble COD, the required Hydraulic Retention Time (HRT) for attaining the treated eﬄuent COD limits speciﬁed by European Directive 91/271/EEC, as well as the concentration of the electron acceptors, the removal of Total Suspended Solids (TSS) and Volatile Suspended Solids (VSS), the development of ammonium nitrogen and phosphate and the ﬂuctuation of the pH. The parametrs that concern the energy recovery from wastewater were also examined during the experimental period. These were electrical power and energy that were calcuated using the voltage that the system produced, per mass of COD removed (W/kg COD and Wh/Kg COD) and per volume of the anode chamber (W/l and Wh/l). Additionally, after the end of the experimental cycles, a microscopic observation of the bioﬁlm of the anode’s electrode was conducted, in order to identify the microorganisms that had grown on its surface. In the end, based on the results of the experiments, a hypothetical scenario of the practical implementation of the MFC technology as part of a conventional wastewater treatment plant was examined. The results that concerned the COD removal from wastewater were satisfying and close to 75%. The average required HRT was estimated at 3-5 days and the TSS and VSS removal were approximately 65%. The curves that represented the progress of voltage and COD through time seemed to have followed speciﬁc repeated schemes and it was discovered that the system not remove ammonium nitrogen , but only diluted its concentration in the anodic chamber. The electron acceptors of nitrate and sulphate presented relatively small percentage of removal, around 7-15% due to the leaking of air in the cathode chamber. As a result, even in these cases the dominant electron acceptor was oxygen. Comparing passive with diﬀuse aeration, similar results were obtained during the operation of MFC regarding organic matter removal and energy recovery. The average rate of energy generation per COD mass was suﬃcient, approximately 0,04 Wh/gr COD when oxygen was used as electron acceptor. The deductions that were made from the results of the research, concerning the function of the MFC lead to a strong indication about the eﬀectiveness of the technology both in wastewater treatment and energy recovery. They can also be used as a guide towards the future enhancement of the MFC technology, with the objective of implementing it as part of a conventional wastewater treatment plant.	en
heal.advisorName	Μαλαμής, Συμεών	el
heal.committeeMemberName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.committeeMemberName	Μαλαμής, Συμεών	el
heal.committeeMemberName	Παναγούλια, Διονυσία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	235 σ.
heal.fullTextAvailability	true