Διερεύνηση της επίδρασης της φόρτισης των λιπών στην απόδοση της αναερόβιας χώνευσης μίγματος ίλυος και λιπών

Abstract

Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η 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 τρεις μονοβάθμιους αναερόβιους μεσόφιλους χωνευτές. Τα πειράματα έλαβαν χώρα στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας (Ε.Υ.Τ.) της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου (Ε.Μ.Π.). Όλοι οι χωνευτές λειτούργησαν με υδραυλικό χρόνο παραμονής ίσο με 15 ημέρες. Στους δυο χωνευτές γινόταν προσθήκη λιπών για τη διερεύνηση της επίδρασής τους στη διαδικασία της αναερόβιας χώνευσης. Η αναλογία ιλύος/λιπών καθοριζόταν σε όρους πτητικών στερεών (VS) και διέφερε σε κάθε χωνευτή. Συγκεκριμένα οι αναλογίες ήταν 60/40 και 40/60 g VS ιλύος/ g VS λιπών για τους χωνευτές Μ40 και Μ60 αντίστοιχα. Ο τρίτος χωνευτής, Μc, χρησίμευε ως σύστημα ελέγχου (control) της όλης διαδικασίας και δεν περιείχε λίπη. Η αξιολόγηση της απόδοσης των χωνευτών έγινε με βάση την παραγωγή του βιοαερίου ανά μάζα πτητικών στερεών που καταστρέφονται και εισέρχονται, 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, η αλκαλικότητα και η συγκέντρωση αμμωνιακού αζώτου της χωνεμένης ιλύος. Επίσης, εξετάστηκε το δυναμικό και η σταθερότητα του αφρισμού στους χωνευτές μέσω δοκιμών αφρισμού. Τέλος, μελετήθηκαν και τα χαρακτηριστικά της αφυδατωσιμότητας της χωνεμένης ιλύος. Η επεξεργασία των εργαστηριακών αποτελεσμάτων οδήγησε στα παρακάτω συμπεράσματα: Η συγχώνευση ιλύος και λιπών αποτελεί μια ελκυστική εναλλακτική που συνοδεύεται από λειτουργικά και οικονομικά οφέλη. Η προσθήκη λιπών, μέχρι τις αναλογίες που μελετήθηκαν και για τις συγκεκριμένες οργανικές φορτίσεις, αποδεικνύεται ότι μπορεί να οδηγήσει σε αξιόλογη αύξηση της παραγωγής βιοαερίου. Υπάρχει σαφής συσχέτιση μεταξύ της περιεκτικότητας των λιπών και της αύξησης της παραγωγής βιοαερίου. Η προσθήκη λιπών συμβάλλει και στην αύξηση της αποδοτικότητας των συστημάτων, τη δυνατότητα τους δηλαδή να αξιοποιούν το εισερχόμενο και το καταναλισκόμενο οργανικό φορτίο. Οι χωνευτές που περιείχαν λίπη χαρακτηρίστηκαν επίσης και από μεγαλύτερα ποσοστά καταστροφής πτητικών στερεών. Οι συγκεντρώσεις των πτητικών λιπαρών οξέων (VFAs) ήταν σχετικά υψηλές για μεσόφιλους χωνευτές, χωρίς να ξεπερνούν όμως τα επιτρεπόμενα όρια και ήταν ανάλογες της περιεκτικότητας των λιπών. Η προσθήκη λιπών δε φαίνεται να επηρεάζει την αλκαλικότητα των συστημάτων, καθώς όλοι οι χωνευτές παρουσιάζουν επαρκή αλκαλικότητα. Από τις δοκιμές αφρισμού δεν προκύπτει ότι η προσθήκη λιπών στις τροφές και στους χωνευτές συμβάλλει στην αύξηση του δυναμικού αφρισμού ή ότι ευνοεί τη διατήρηση του αφρού. Οι συγκεντρώσεις του αμμωνιακού αζώτου κινούνται αρκετά χαμηλότερα από τα όρια τοξικότητας. Παρατηρήθηκε επίσης αύξηση της συγκέντρωσης του αμμωνιακού αζώτου στους χωνευτές που περιείχαν λίπη. Επίσης η προσθήκη λιπών φαίνεται πως επιδρά αρνητικά στην αφυδατωσιμότητα της χωνεμένης ιλύος, όταν δεν γίνεται προσθήκη πολυηλεκτρολύτη. Τέλος, οι χωνευτές που τροφοδοτούνταν με λίπη χαρακτηρίστηκαν από μεγαλύτερη παραγωγή μεθανίου και από αύξηση της συγκέντρωσής του στο παραγόμενο βιοαέριο.

The present diploma thesis aims at the evaluation of the effect of feeding anaerobic digesters with a mixture of thickened sewage sludge and grease trap sludge as a substrate. Towards this scope three different lab-scale anaerobic mesophilic systems were examined. The study was conducted at the Sanitary Engineering Laboratory of the School of Civil Engineering at the National Technical University Athens (NTUA). The same hydraulic retention time (15 days) was maintained for all three lab-scale digesters. Two out of three digesters were fed with a mixture of thickened sewage sludge and grease trap sludge. 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: 60/40 and 40/60 g VS of sludge/ g VS of lipids for the digesters Μ40 and Μ60, respectively. The third anaerobic system constituted the control digester (ΜC), thus was just fed with thickened sludge. The performance of the digesters was evaluated with respect to biogas production per mass of volatile acids reduced and inserted, volatile solids and total COD destruction, whereas the operational parameters which were examined, were temperature, pH, concentration of volatile fatty acids, alkalinity and ammonia concentration. The extent of the foaming effect was also monitored through foaming tests. In addition to that, the dewaterability characteristics of the digested sludges were also studied. The processing of the lab-scale results led to the following conclusions: Anaerobic co-digestion of thickened sludge and grease trap sludge constitutes an attractive alternative with great operational and cost benefits. Adding grease trap sludge, up to the specific ratios and organic loading rates that were examined, leads to a remarkable enhancement of methane production. A relation between methane production increase and grease trap percentage was clearly obvious. Feeding digesters with grease proved to improve the efficiency of the digesters, thus their ability of degrading and reclaiming as much as the can from the inserted and reduced organic matter. Digesters with grease were also characterized by a higher destruction of the organic matter. High VFAs concentrations were reported in all three digesters, but still into the range of the optimal performance. The presence of lipids in the substrate was also found to favor the production of VFAs but didn’t lead to a loss of alkalinity, as all digesters present sufficient alkalinity. Regarding the foaming tests, no one can claim that, based on the results, the presence of grease enhances the foaming potential or leads to the retainment of foam. The ammonia concentrations for all three digesters did not meet the toxicity concentrations and were kept in a normal range. An increase of the ammonia concentration when the digesters were fed with lipids was also obvious. Concerning the dewaterability characteristics, it seems that the addition of grease has a negative effect on the dewaterability of digested sludge, when no polyelectrolyte is being added. Finally, the presence of lipids led to the enhancement of methane production as well as to increased methane concentrations in biogas produced.