Διερεύνηση της επίδρασης της οργανικής φόρτισης στην απόδοση αναερόβιας χώνευσης μίγματος ιλύος και λιπών

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία στοχεύει στη μελέτη της επίδρασης της οργανικής φόρτισης στον αναερόβιο χωνευτή μίγματος ιλύος και λιπών , που έχουν συλλεχθεί στην προεπεξεργασία και στη δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης ως υπόστρωμα μαζί με την παχυμένη ιλύ. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε τέσσερις μονόβάθμιους 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) ήταν ίδια στον καθένα από τους τρεις χωνευτές και μάλιστα ήταν 40:60. Αντίθετα, η οργανική φόρτιση διέφερε στον καθένα από τους τρεις χωνευτές και πιο συγκεκριμένα ήταν 3,67 gVS/L*d στον Μ60 και 4,50 gVS/L*d στον Μ60+ και Μ60+ Fe. Ο τέταρτος χωνευτής αποτελούσε τον χωνευτή ελέγχου ΜC προκειμένου να γίνει η σύγκριση με τους άλλους χωνευτές και η τροφοδοσία του πραγματοποιούταν μόνο με ιλύ, ενώ είχε μία τυπική οργανική φόρτιση (2,00 g VS /L*d). 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 του συνδυασμού λιπών και παχυμένης ιλύος. Τέλος, διερευνήθηκαν τα χαρακτηριστικά της ιλύος και εξετάστηκε η συγκέντρωση του αμμωνιακού αζώτου και της αμμωνίας κατά Kjendahl (TKN). Η επεξεργασία των εργαστηριακών αποτελεσμάτων οδήγησε στα παρακάτω συμπεράσματα: Σε ό, τι αφορά την παραγωγή βιοαερίου, ο αναερόβιος χωνευτής που αποδίδει καλύτερα είναι ο Μ60, ενώ η απόδοση των χωνευτών Μ60+ και Μ60+ Fe 3 είναι σαφώς υποδεέστερη λόγω υψηλής οργανικής φόρτισης. Η απόδοση των χωνευτών, αναφορικά με την καταστροφή πτητικών στερεών και ολικού COD διαφέρει από χωνευτή σε χωνευτή και μάλιστα είναι μεγαλύτερη στο χωνευτή Μ60, γεγονός που δικαιολογεί την υψηλότερη παραγωγή βιοαερίου. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων των πτητικών λιπαρών οξέων υποδεικνύουν ως σταθερότερο περιβάλλον αυτό του ΜC, Μ60, καθώς οι άλλοι δύο χωνευτές (Μ60+ και Μ60+ Fe) παρουσιάζουν αρκετά υψηλότερες τιμές. Σε ό, τι αφορά το χωνευτή Μ60, η τιμή του λόγου VFAs/αλκαλικότητα εμπίπτει στο εύρος της βέλτιστης λειτουργίας των χωνευτών (0,1‐0,2), 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. Για τους χωνευτές Μ60+ και Μ60+ Fe οι τιμές των λόγων VFAs/αλκαλικότητα τείνουν προς το όριο λειτουργίας των χωνευτών (0,5) και συνεπώς, οδηγούνται σε αστοχία. Σε ό, τι έχει να κάνει με τη δημιουργία και τη διατήρηση αφρού, οι χωνευτές ΜC και Μ60+ παρουσιάζουν υψηλή τιμή δυναμικού αφρισμού η οποία δικαιολογεί εν μέρει τη μειωμένη απόδοσή τους, αναφορικά με την παραγωγή βιοαερίου, που επαληθεύει τη μειωμένη καταστροφή των πτητικών στερεών. Επίσης, παρατηρούμε ότι η ποσοστιαία μείωση του δυναμικού αφρισμού για τον Μ60 σε σχέση με το χωνευτή ελέγχου είναι αμελητέα. Ο χωνευτής Μ60+ Fe παρουσιάζει καλύτερα χαρακτηριστικά αφυδατωσιμότητας, καθώς η προσθήκη σιδήρου βελτιώνει τα χαρακτηριστικά αφυδατωσιμότητας.

Sewage sludge is a byproduct of the wastewater treatment process and contains putrescent biodegradable organic substances and non‐biodegradable material, in which pathogens and possibly toxic chemicals can be found, resulting in difficulties, regarding its disposal. Anaerobic mesophilic digestion is widely applied in wastewater treatment plants for the stabilization of the sludge. A multitude of various design and operational parameters have been applied, and experiments with several substrates have been conducted in order to make this particular method, a more efficient one. The present study aims at the effect of organic loading rate on the performance of aneaerobic digester in mesophilic conditions with a combination of thickened sewage sludge and grease trap sludge as a substrate. Towards this scope four 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 ration of thickened sludge versus grease, in terms of inserted volatile solids, was the same in each of the digesters, and more precisely, it was 40:60. In contrast, the organic loading rate differed in each of the digesters and they were the following: 3.67 g VS/ L/d for M60, 4.50 g VS/L/d for M60+, 4.50 g VS/L/d for M60+ Fe. As far as the anaerobic digester M60+ Fe is concerned, its performance was examined with the addition of micronutrients and more precisely, solution of ferric chloride (Fe) of concentration 100 mg/L. The fourth anaerobic system constituted the control digester (MC) and it was just fed with thickened sludge, in order to compare its results with the ones from the others 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 5 perceptible, was also monitored through foaming tests. In addition to that, the dewaterability characteristics of the digested sludges, concentration of ammonium nitrate and TKN (Total Kjendahl Nitrogen) were also explored. The processing of the lab‐scale results led to the following conclusions: As far as the biogas production is concerned, the anaerobic digester which has the optimal performance is M60, while the performance of the digesters M60+ and M60+ Fe is absolutely lower because of high organic loading rate. The performance of the digesters regarding with volatile solids reduction and total COD differs from digester to digester and is absolutely higher in the digester M60 something which justifies the higher biogas production. Regarding the digesters’ capacity to reclaim as much as they can from the inserted, as well the increased, organic load, the superiority of M60 is indisputable. Specifically, the biogas yield is 0.76 m3/kg added VS for M60, 0.08 m3/kg added VS for MC. Therefore, the 23% increase of organic loading rate led to 82% decrease of the biogas yield. The values for biogas per reduced VS (1,20 m3/kg VS for M60, 0.26 m3/kg VS for M60+, 0.09 m3/kg VS for M60+ Fe, 1.35 m3/kg VS for Mc), biogas per added COD (0.35 m3/kg COD for M60, 0.04 m3/kg VS for M60+, 0.01 m3/kg VS for M60+ Fe, 0.23 m3/kg VS for Mc) and biogas per reduced COD (0.43 m3/kg COD for M60, 0.09 m3/kg VS for M60+, 0.03 m3/kg VS for M60+ Fe, 0.38 m3/kg VS for Mc) confirm the performance of M60. Percentage increase of the hourly biogas production is 187% up from Mc for M60 and just 15% for M20. The results of the values of the volatile fatty acids (VFAs) indicated as more stable environment than of Mc and M60, as the other two digesters (M60, M60+) present significantly higher values. As for the digester M60, the value of the ratio VFA/alkalinity falls 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 systems’ balance. As for the digesters M60+, M60+ Fe, the values of the ratios 6 VFAs/alkalinity tended to the function limit of the digesters and consequently they failed. It must be noted that the digesters with higher organic loading rate, initially, went through a, more prolonged than usual, lag phase. The lag phase was characterized by lower pH values and constant addition of base, and significantly low biogas production. As far as the foaming and conservation of foam are concerned, the digesters Mc and M60+, present high value foaming potential which justifies partially their reduced performance, regarding with biogas production, which verifies the reduced destruction of volatile solids. Furthermore, we could observe that the percentage decrease of foaming potential for the digester M60, comparing with the control digester, is negligible. To sum up, a research was elaborated as for the optimization of the performance of the anaerobic digesters compared with the performance of other anaerobic digesters previous papers. Comparing the data of the parameters of those anaerobic digesters , we proved that we reached very close to the optimum of the performance. Finally, co‐digestion of sewage sludge and grease, which is collected during pre‐treatment and primary settling tank, consists a very attractive method, as it elevates the anaerobic system’s performance. As for the biogas production, it reinforces the power autonomy of the wastewater treatment plant at the same time, provided that organic loading rate is not ranged at high rates for the reasons we aforementioned.