Ανάπτυξη Τεχνολογίας Ηλεκτροζύμωσης: Συνδυασμός Μικροβιακών Ηλεκτρολυτικών Κυψελίδων και Αναερόβιας Χώνευσης

Αρβανιτάκης, Γεώργιος

dc.contributor.author	Αρβανιτάκης, Γεώργιος
dc.date.accessioned	2023-01-12T10:18:18Z
dc.date.available	2023-01-12T10:18:18Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56641
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.24339
dc.rights	Default License
dc.subject	Βιοηλεκτροχημικά Συστήματα, Μικροβιακές Ηλεκτρολυτικές Κυψελίδες, Αναερόβια Χώνευση, Βιοενέργεια, Κυκλική Οικονομία	el
dc.subject	Bioelectrochemical Systems, Microbial Electrolysis Cells, Anaerobic Digestion, Bioenergy, Circular Economy	en
dc.title	Ανάπτυξη Τεχνολογίας Ηλεκτροζύμωσης: Συνδυασμός Μικροβιακών Ηλεκτρολυτικών Κυψελίδων και Αναερόβιας Χώνευσης	el
dc.contributor.department	ΤΟΜΕΑΣ IV: ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΩΝ, ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΟΡΓΑΝΙΚΗΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Περιβαλλοντική Μηχανική	el
heal.classification	Χημική Μηχανική	el
heal.classification	Environmental Engineering	en
heal.classification	Chemical Engineering	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-09-26
heal.abstract	Σκοπός της εργασίας είναι η πειραματική διερεύνηση των δυνατοτήτων της τεχνολογίας ηλεκτροζύμωσης, η οποία περιλαμβάνει τον συνδυασμό της αναερόβιας χώνευσης με την τεχνολογία των μικροβιακών ηλεκτρολυτικών κυψελίδων στον ίδιο βιοαντιδραστήρα, αποσκοπώντας στη βελτίωση της ποιότητας της υγρής εκροής και την ενίσχυση της παραγωγής βιοενέργειας από υγρά οργανικά απόβλητα, σε σχέση με την αναερόβια χώνευση. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε εργαστηριακή κλίμακα και συγκεκριμένα σε δύο όμοιους βιοαντιδραστήρες όγκου 2 L, στον έναν εκ των οποίων λάμβανε χώρα αναερόβια χώνευση, ενώ στον άλλον εμβαπτίστηκαν ηλεκτρόδια τσόχας άνθρακα, επιφάνειας 30cm2. Μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων εφαρμόστηκε διαφορά δυναμικού 1 Volt, με στόχο να ευνοηθεί η οξείδωση του οργανικού φορτίου του αποβλήτου στην άνοδο και η αναγωγή του παραγόμενου CO2 σε CH4 στην κάθοδο. Για την αξιολόγηση της τεχνολογίας ηλεκτροζύμωσης, διεξήχθησαν κύκλοι πειραμάτων σε λειτουργία draw-fill, με δύο απόβλητα με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Το πρώτο ήταν η ενεργός ιλύς, της οποίας η αναερόβια χώνευση αποτελεί τυπική μέθοδο διαχείρισης, και η οποία εξετάστηκε σε HRT 20, 15 και 10 ημέρες (OLR 1,1, 1,7 και 2,9 gCOD/(L·d)), και με την οποία η διάταξη ηλεκτροζύμωσης πέτυχε παραγωγή μεγαλύτερων ποσοτήτων βιοαερίου (έως και 26%), και βιομεθανίου (έως και 40%) και μεγαλύτερης έκτασης απομάκρυνση άνθρακα (έως και 13%) και αζώτου (έως και 12%), δείχνοντας ότι η εφαρμογή δυναμικού μπορεί να ελαττώσει τον χρόνο παραμονής στο μισό (από τις 20 στις 10 ημέρες). Η επιπρόσθετη ανάκτηση ενέργειας, με τη μορφή του επιπλέον βιομεθανίου, αρκούσε για να υπερκαλύψει την επιπλέον παρεχόμενη ενέργεια στο σύστημα. Παρατηρήθηκε, μάλιστα, ότι με αύξηση του ρυθμού οργανικής φόρτισης, αυξάνεται τόσο η αποδιδόμενη από τη διάταξη ισχύς (σχεδόν κατά 400% στο τέλος του 3ου σε σχέση με του 2ου κύκλου), όσο και το προκύπτον ενεργειακό πλεόνασμα (379 kJ/(d·m3·gCOD,cons) σε HRT 10 ημέρες έναντι 226 kJ/(d·m3·gCOD,cons) σε HRT 15 ημέρες). Επιπλέον, στην πορεία των πειραμάτων παρατηρήθηκε μείωση των ωμικών αντιστάσεων του αντιδραστήρα. Η πειραματική παρατήρηση της ταχύτερης αποδόμησης του αποβλήτου επιβεβαιώθηκε και υπολογιστικά, καθώς πραγματοποιήθηκε προσαρμογή των κινητικών παραμέτρων του μοντέλου ADM1 στα πειραματικά σημεία, από την οποία προέκυψαν μεγαλύτερες κινητικές σταθερές 1ης τάξης για την αποδόμηση των στερεών και την υδρόλυση, καθώς και ταχύτερες κινητικές Monod κατανάλωσης υποστρωμάτων στη διάταξη ηλεκτροζύμωσης. Το δεύτερο απόβλητο ήταν απόβλητο διφασικού ελαιοτριβείου, το οποίο έχει μεγάλα ποσά διαλυτού οργανικού φορτίου, χαμηλό pH και περιέχει παρεμποδιστικές ενώσεις, όπως οι φαινολικές, και έτσι δεν είναι διαχειρίσιμο από την αναερόβια χώνευση, κάτι που επιβεβαιώνεται και πειραματικά, καθώς το pH και η παραγωγικότητα του αντιδραστήρα αναερόβιας χώνευσης ελαττώθηκαν ραγδαία μετά τη συμπλήρωση 1 HRT. Ωστόσο, σε HRT 35 ημέρες το pH του αντιδραστήρα ηλεκτροζύμωσης παρέμεινε σταθερό στο 7, η αποδόμηση του οργανικού φορτίου ήταν σημαντική καθ΄ όλη τη διάρκεια της draw-fill λειτουργίας (89% μέση απομάκρυνση διαλυτού και 63% ολικού COD), ενώ η παραγωγικότητα και περιεκτικότητα του βιοαερίου σε μεθάνιο ήταν επίσης υψηλές (μέση παραγωγή 2,6 L/d με περιεχόμενο CH4 73%). Μετά από 82 ημέρες συνεχούς λειτουργίας, η διάταξη ηλεκτροζύμωσης αφέθηκε να λειτουργήσει σε κατάσταση διαλείποντος έργου. Σε αυτόν τον κύκλο παρατηρήθηκε ότι, παρά μια μικρή ελάττωση που είχε προηγηθεί, λόγω διακυμάνσεων στην τροφοδοσία, το pH επανήλθε εντός των επιτρεπτών για την αναερόβια χώνευση τιμών, το οργανικό φορτίο καταναλώθηκε, ενώ η παραγωγή ρεύματος και βιοαερίου αυξήθηκε, δείχνοντας πως με τον κατάλληλο χρόνο παραμονής και βελτιώσεις στη διαμόρφωση του αντιδραστήρα, η τεχνολογία ηλεκτροζύμωσης είναι ικανή να διαχειριστεί μια τέτοια τροφοδοσία.	el
heal.abstract	The purpose of this thesis is the experimental investigation of the electrofermentation technology potential, which includes the combination of anaerobic digestion with the technology of microbial electrolysis cells in the same bioreactor, aiming to the improvement of the quality of liquid effluent and the enhancement of bioenergy production from liquid organic waste, in relation to anaerobic digestion. The experiments are carried out on a laboratory scale, specifically in two identical bioreactors with a volume of 2 L, in one of which anaerobic digestion took place, while in the other, carbon felt electrodes, with a surface area of 30 cm2, were immersed. A potential of 1 Volt is applied between the two electrodes, with the aim of favoring the oxidation of the organic load of the waste at the anode and the reduction of the produced CO2 to CH4 at the cathode. To evaluate the electrofermentation technology, cycles of experiments are conducted at draw-fill operation, with two wastes with different characteristics. The first one was Waste Activated Sludge, for which anaerobic digestion is a standard management method, and which was tested at HRTs of 20, 15 and 10 days (OLR 1.1, 1.7 and 2.9 gCOD/(L∙d)) and with which the electrofermentation setup achieved the production of higher amounts of biogas (up to 26%), and biomethane (up to 40%) and greater removal of carbon (up to 13%) and nitrogen (up to 12%), showing that the application of potential can reduce the hydraulic retention time in half (from 20 to 10 days). The additional energy recovery, in the form of the extra biomethane, was sufficient to more than cover the additional energy supplied to the system. It was observed, in fact, that by increasing the Organic Load Rate, both the power obtained by the reactor increases (almost by 400% at the end of the 3rd compared to the 2nd cycle), as well as the resulting energy surplus (379 kJ/(d∙m3∙gCOD,cons) at an HRT of 10 days vs. 226 kJ/(d∙m3∙gCOD,cons) at an HRT of 15 days). In addition, during the course of the experiments, a decrease in the ohmic resistances of the reactor was observed. The experimental observation of faster waste degradation was also confirmed computationally, as a fitting of the kinetic parameters of the ADM1 model to the experimental points was performed, resulting in larger 1st-order kinetic constants for solids disintegration and hydrolysis, as well as faster substrate uptake Monod kinetics for the electrofermentation reactor. The second feed was Two-Phase Olive Mill Wastewater, which has high amounts of soluble organic load, low pH and contains inhibitory compounds, such as phenols, and thus cannot be handled by anaerobic digestion, which is also confirmed experimentally, as the pH and the productivity of the anaerobic digestion reactor decreased rapidly after completion of 1 HRT. However, at an HRT of 35 days the pH of the electrofermentation reactor remained constant at 7, the degradation of the organic load was significant throughout the draw-fill operation (89% average removal of soluble and 63% of total COD), while biogas productivity and methane content were also high (average production 2.6 L/d with CH4 content 73%). After 82 days of continuous operation, the electrofermentation reactor was let to operate in batch mode. In this cycle it was observed that, despite a small decrease of the pH that had preceded it, due to fluctuations in the feed, the pH returned within the acceptable values for anaerobic digestion, the organic load was consumed, while the current and biogas production increased, indicating that with the appropriate residence time and improvements in reactor configuration, the electrofermentation technology is capable of handling such a feed.	en
heal.advisorName	Lyberatos, Gerasimos
heal.committeeMemberName	Lyberatos, Gerasimos
heal.committeeMemberName	VLYSIDIS, ANESTIS
heal.committeeMemberName	Kokossis, Antonis
heal.academicPublisher	Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	122
heal.fullTextAvailability	false