Διερεύνηση της περιεκτικότητας λιπών στην απόδοση της αναερόβιας χώνευσης μίγματος ιλύος και λιπών.

Abstract

Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία στοχεύει στη μελέτη της επίδρασης της προσθήκης λιπών, που έχουν συλλεχθεί στην προεπεξεργασία και στη δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης, στον αναερόβιο χωνευτή ως υπόστρωμα μαζί με την παχυμένη ιλύ. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε τέσσερις μονοβάθμιους μεσόφιλους χωνευτές. Οι χωνευτές λειτουργούσαν όλοι με τον ίδιο χρόνο παραμονής (15 ημέρες). Στους τρεις από τους χωνευτές λάμβανε χώρα τροφοδοσία με λίπη και ιλύ. Η αναλογία ιλύος/λιπών σε όρους προστιθέμενων πτητικών στερεών (VS) διέφερε στον κάθε ένα από τους τρεις χωνευτές. Συγκεκριμένα, οι αναλογίες ήταν οι εξής: 80/20, 40/60 και 10/90 στους χωνευτές Μ20, Μ60 και Μ90, αντίστοιχα. Ο τέταρτος χωνευτής αποτελούσε τον χωνευτή ελέγχου (control) ΜC και η τροφοδοσία του πραγματοποιούταν μόνο με ιλύ, προκειμένου να γίνει η σύγκριση με τους άλλους χωνευτές. Η απόδοση των χωνευτών αξιολογήθηκε με βάση την παραγωγή του βιοαερίου ανά μονάδα μάζας πτητικών στερεών που καταστρέφονται, 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. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε το δυναμικό παραγωγής μεθανίου τόσο των λιπών ως μοναδικό υπόστρωμα όσο και του συνδυασμού λιπών και παχυμένης ιλύος. Τέλος, διερευνήθηκαν τα χαρακτηριστικά της αφυδατωσιμότητας της ιλύος. Η επεξεργασία των εργαστηριακών αποτελεσμάτων οδήγησε στα παρακάτω συμπεράσματα: Όσον αφορά στην παραγωγή βιοαερίου, η αναλογία ιλύος/λιπών του υποστρώματος σε προστιθέμενα VS που αποδίδει καλύτερα είναι αυτή των 40/60, ακολουθούμενη από αυτή των 80/20, ενώ ο χωνευτής M90 παρουσιάζει αμελητέα απόδοση παραγωγής βιοαερίου. Πρέπει να αναφερθεί πως οι, τροφοδοτούμενοι και με λίπη, χωνευτές παρουσιάζουν, σε αρχικό στάδιο, μία φάση εγκλιματισμού στην παρουσία των λιπών, με τον Μ90 να μην καταφέρει να ανακάμψει και να οδηγείται σε αστοχία. Η απόδοση των χωνευτών, αναφορικά με την καταστροφή πτητικών στερεών και ολικού COD, είναι σε γενικές γραμμές η ίδια για όλους με την εξαίρεση του Μ90, ο οποίος εμφανίζει μεγάλο ποσοστό καταστροφής πτητικών, γεγονός που αποδίδεται στο φαινόμενο της βιολογικής προσρόφησης, και όχι της βιοαποδόμησης, καθώς η παραγωγή βιοαερίου του εν λόγω χωνευτή είναι μηδαμινή. Σε σύγκριση με τον χωνευτή ελέγχου, η προσθήκη λιπών στο υπόστρωμα αποδεικνύεται ιδιαίτερα ευνοϊκή για την απόδοση της αναερόβιας χώνευσης. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων του διαλυτού COD και των πτητικών λιπαρών οξέων (VFAs) υποδεικνύουν ως σταθερότερο περιβάλλον αυτό του Μ20, καθώς οι άλλοι δύο χωνευτές (ΜC και Μ60) παρουσιάζουν υψηλότερες τιμές. Παρ’ όλα αυτά οι τιμές των λόγων VFAs/αλκαλικότητα εμπίπτουν στο εύρος της βέλτιστης λειτουργίας των χωνευτών (0,1-0,2) για όλους τους χωνευτές, γεγονός που υποδηλώνει πως αν και η παρουσία των λιπών στο υπόστρωμα ευνοεί την αυξημένη παραγωγή πτητικών λιπαρών οξέων, εντούτοις οι αναερόβιοι μικροοργανισμοί έχουν την ικανότητα να διασπούν τα οξέα και να διατηρούν το σύστημα σε ισορροπία. Σε ότι έχει να κάνει με τη δημιουργία και τη διατήρηση αφρού, οι χωνευτές MC και Μ20 παρουσιάζουν υψηλή τιμή δυναμικού αφρισμού, η οποία δικαιολογεί εν μέρει τη μειωμένη απόδοσή τους, αναφορικά με την παραγωγή βιοαερίου, που αντιτίθεται στην αυξημένη καταστροφή των πτητικών στερεών. Παρατηρούμε, επίσης, πως η προσθήκη λιπών επιδρά θετικά στη μείωση του δυναμικού αφρισμού. Η σταθερότητα του αφρισμού του χωνευτή Μ60 είναι μειωμένη σε σχέση με τους άλλους δύο χωνευτές, αποτέλεσμα που ενισχύει το συμπέρασμα πως η έντονη παρουσία λιπών δεν ευνοεί τη δράση των κολλοειδών ουσιών. Ο χωνευτής ΜC παρουσιάζει τα καλύτερα χαρακτηριστικά αφυδατωσιμότητας όταν δεν πραγματοποιείται προσθήκη πολυηλεκτρολύτη. Γενικά, η προσθήκη λιπών δε φαίνεται να έχει κάποια σημαντική επίδραση στα χαρακτηριστικά της αφυδατωσιμότητας. Τέλος, από τα κλειστού τύπου πειράματα που διεξήχθησαν για την εξαγωγή συμπερασμάτων αναφορικά με το δυναμικό παραγωγής μεθανίου, ως καλύτερο υπόστρωμα αναδείχθηκε αυτό που περιλαμβάνει μόνο λίπη.

The present postgraduate study aims at the evaluation of the effect of feeding anaerobic digesters with a combination of thickened sewage sludge and grease trap sludge as a substrate. Towards this scope four different single-stage mesophilic anaerobic systems were examined. The same retention time (15 days) was maintained, throughout the course of the experiments. Three of the digesters were fed with a mixture of thickened sludge and grease. The ratio of thickened sludge versus grease, in terms of inserted volatile solids, differed in each of the digesters. Specifically, the ratios were the following: 10/90, 40/60 and 80/20 for the digesters Μ20, Μ60 and Μ90, respectively. The fourth anaerobic system constituted the control digester (ΜC) and it was just fed with thickened sludge, in order to compare its results with the ones from the other digesters. The performance of the digesters was evaluated with respect to biogas production per mass of volatile acids destroyed, volatile solids and total COD destruction, whereas the operational parameters which were examined, were temperature, pH, concentration of volatile fatty acids and alkalinity. The extent, to which the foaming effect, caused by colloidal matter, made its presence perceptible, was also monitored through foaming tests. In addition to that, the dewaterability characteristics of the digested sludges were also explored. The processing of the lab-scale results led to the following conclusions: With regards to biogas production, the ratio sludge/grease of the substrate that seems to attribute the most is the one of 40/60, followed by the one of 80/20, while digester M90 displays negligible biogas production. It must be noted that the digesters fed with greases, initially, went through a, more prolonged than usual, lag phase, before they could reach a steady state of performance, with the exception of digester M90, which didn’t recover and was led to failure. The performance of the digesters, regarding the volatile solids and COD reduction, was, generally, on the same level for all the digesters except for M90, which presented a larger than expected percentage of volatile solids destruction, a fact that is attributed to the effect of biological adsorption rather than the one of biodegradation, since the biogas production of this digester is practically nil. In comparison with the control digester, the inclusion of lipids in the substrate proved to be quite favourable for the performance of the anaerobic process. The soluble COD and VFAs results suggests that the most stable environment is the one of M20, since the other two functional digesters showcase higher values regarding those parameters. Nevertheless, the values of the ratios VFAs/alkalinity, for the sum of the digesters, fall into the range of the optimal performance, suggesting that even though the presence of lipids in the substrate favors the increased production of VFAs, the anaerobes have the capacity of keeping up with a faster pace and dissolve the acids, thus preserve the system’s balance. As far as the forming and conservation of foam are concerned, digesters MC and M20 present a high value of foaming potential, which partially justifies their reduced performance regarding biogas production, in contrast to their increased volatile solids destruction. One could, also, observe the positive impact of the addition of lipids in the reduction of the foaming potential. The foaming stability of M60 is reduced in comparison with the other two digesters, a result that contributes to the conclusion that the strong presence of greases is not suitable for the colloidal matter’s activity. Digester ΜC displays the best dewaterability characteristics when there is no polyelectrolyte added. Generally, the insertion of grease doesn’t seem to have a considerable effect on dewaterability characteristics. Finally, the batch experiments, that were conducted in order to draw conclusions with regards to the methane potential, resulted in sole lipids constituting the most appropriate substrate.