Διεργασία ξήρανσης με ρευμα αέρα ως εναλλακτικός τρόπος διαχείρησης του στερεού οργανικού κλάσματος των οικιακών αποβλήτων

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως κύριο αντικείμενο τη μελέτη της ξήρανσης με ρεύμα αέρα ως εναλλακτικό τρόπο διαχείρισης του οργανικού κλάσματος των απορριμμάτων και ειδικότερα των διατροφικών υπολειμμάτων. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι (α) η μελέτη και η ανάλυση των παραμέτρων που επηρεάζουν τη διεργασία της ξήρανσης, (β) η διερεύνηση της κινητικής ξήρανσης του οργανικού υποστρώματος και (γ) η εξέταση εναλλακτικών τρόπων αξιοποίησης της βιομάζας η οποία προκύπτει από τη ξήρανση των διατροφικών υπολειμμάτων. Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας γίνεται αναφορά στην υφιστάμενη κατάσταση αναφορικά με τις παραγόμενες ποσότητες και τις μεθόδους διαχείριση των Αστικών Στερεών Αποβλήτων (ΑΣΑ) στην Ευρωπαϊκή Ένωση και στην Ελλάδα, καθώς και το νομοθετικό πλαίσιο το οποίο διέπει τη βιώσιμη διαχείριση των ΑΣΑ. Στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται αναφορά στις βιολογικές μεθόδους επεξεργασίας του οργανικού ρεύματος των απορριμμάτων δηλαδή στην κομποστοποίηση και στην αναερόβια χώνευση. Αναφέρονται για κάθε μέθοδο οι παράμετροι που τις επηρεάζουν καθώς και οι φάσεις που διέπουν την εκάστοτε διεργασία. Τέλος καταγράφονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της κάθε μεθόδου. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται μια εκτενής θεωρητική αναφορά στη διεργασία της ξήρανσης ως εναλλακτική μέθοδος διαχείρισης των διατροφικών υπολειμμάτων. Επίσης παρουσιάζονται τα εμπειρικά κινητικά μοντέλα ξήρανσης με ρεύμα αέρα και ειδικότερα τα μοντέλα Exponential (Lewis), Modified Henderson and Pabis, Two Τerm, Page και Modified Midilli τα οποία και χρησιμοποιήθηκαν για τη διερεύνηση της κινητικής ξήρανσης του οργανικού υποστρώματος στη παρούσα εργασία. Στο τέταρτο και πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η πειραματική διαδικασία, τα πειραματικά αποτελέσματα και τα συμπεράσματα, των παραμέτρων που υπολογίστηκαν. Υπολογίστηκε η μείωση της μάζας με το πέρας της διεργασίας της ξήρανσης η οποία κατά μέσο όρο ισούται με 82.0±0.20%. Μελετήθηκαν οι παράμετροι επίδρασης της ξήρανσης όπως η ταχύτητα (u), η θερμοκρασία (T) και η σχετική υγρασία (aw) του ρεύματος αέρα αλλά και το πάχος (d) του οργανικού προς ξήρανση υλικού. Διαπιστώθηκε ότι η αύξηση της ταχύτητα και της θερμοκρασίας του ρεύματος αέρα επηρεάζουν θετικά τη διεργασία αυξάνοντας τον ρυθμό ξήρανσης ενώ αντίθετα η αύξηση της σχετικής υγρασία (aw) του ρεύματος αέρα αλλά και το πάχος (d) του οργανικού προς ξήρανση υλικού επηρεάζουν αρνητικά τη διεργασία, μειώνοντας τον ρυθμό ξήρανσης των οργανικών απορριμμάτων. Υπολογίστηκε ότι το κινητικό μοντέλο που περιγράφει καλυτέρα τα πειραματικά αποτελέσματα είναι το μοντέλο Modified Henderson and Pabis. Όσον αφορά τους τρόπους εκμετάλλευσης του τελικού προϊόντος προσδιορίστηκαν το (TOC) 44.65±0.49%, οι τιμές των Ιχνοστοιχείων για το Κ στα 0.41 ± 0.01(%) κ.β για το Na στα 2.34 ± 0.55(%) κ.β για το Ca στα 2.32 ± 0.38(%) κ.β για το Mg στα 1.91 ± 0.52(%) κ.β, ενώ βαρέα μέταλλα δεν ανιχνευτήκαν. Επομένως, διαπιστώνεται ότι το ξηραμένο υλικό μπορεί να αξιοποιηθεί ως πρώτη ύλη για την παραγωγή υψηλής ποιότητας κόμποστ. Επιπλέον, υπολογίστηκε η Ανώτερη Θερμογόνος Δύναμη (ΑΘΔ) του αποξηραμένου υλικού η οποία προσδιορίστηκε στα 17806.34 kJ/kg τιμή η οποία αντιστοιχεί στην ΑΘΔ πρώτων υλών όπως το κάρβουνο και το ξύλο. Από τα πειράματα που πραγματοποιηθήκαν για τον προσδιορισμό του ποσοστού των υδατανθράκων του τελικού δείγματος υπολογίστηκε ότι το τελικό δείγμα περιέχει 38%w/w υδατοδιαλυτές ουσίες (μονοσακχαρίτες και ολιγοσακχαρίτες) γεγονός που υποδηλώνει ότι το ξηραμένο υλικό δύναται να αξιοποιηθεί για την παραγωγή βιοκαυσίμου (βιοαιθανόλης). Τελος, ο προσδιορισμός του Βιοχημικά Μεθανογόνου Δυναμικού του τελικού προϊόντος υπολογίζεται στα 368.60 ± 4.83 L CH4 (μεθανίου)/ kg VS υποδεικνύοντας ενδεχόμενη αξιοποίηση του ξηραμένου υλικού για την παραγωγή βιαερίου μέσω της διεργασίας της αναερόβιας επεξεργασίας. Η ξήρανση των διατροφικών υπολειμμάτων αποτελεί μια τεχνική η οποία δεν έχει εφαρμοστεί διεθνώς έως σήμερα και αναμένεται να προσδώσει σημαντικά οφέλη αναφορικά με τη διαχείριση του ρεύματος αυτού των ΑΣΑ. Η ξήρανση του οργανικού κλάσματος των ΑΣΑ στοχεύει στη σημαντική μείωση της μάζας και κατά επέκταση του όγκου τους διαμορφώνοντας παράλληλα ένα τελικό προϊόν (βιομάζα) με προστιθέμενη αξία το οποία δύναται να αξιοποιηθεί.

This thesis, main purpose is to study the drying air stream as an alternative way to manage the organic waste fraction of household waste. The purpose of this paper is (a) to study and analyze the variables , affecting the process of drying, (b) to investigate the drying kinetics of the organic waste and (c) of alternative ways of using biomass as a product of the drying of food waste. In the first chapter, reference is made to the current situation regarding the quantities and methods of Municipal Solid Waste (MSW) of management in the European Union and Greece, and a summary regarding the law back round of sustainable management of MSW. The second chapter refers to the two existing biological methods of organic waste treating , composting and anaerobic digestion. The parameters that influence each process and the phases of each process. Finally the advantages and disadvantages of each method.

In the third chapter there is an extensive theoretical reference to the process of drying as an alternative method of food residues management. There is a presentation of five empirical kinetic models of drying with air stream , Exponential (Lewis), Modified Henderson and Pabis, Two Term, Page and Modified Midilli which are used to investigate the kinetics of organic waste drying.

In the fourth and fifth chapter presents the experimental procedure, experimental results and conclusions of the parameters that were calculated. By the end of each drying process the calculated reduction of organic mass was equal to 82.0 ± 0.20%. We studied the effect of drying parameters such as the speed (u), the temperature (T) and relative humidity (aw) of the air stream and the thickness (d) of the organic material to be dried. It was concluded that increasing the speed and temperature of air stream influence positively the process by increasing the drying rate while increasing the relative humidity (aw) of the air stream and the thickness (d) of the organic material to be dried the affect was adversely, reducing the rate of drying of the organic waste. It was estimated that the kinetic model that describes more efficient the experimental results is the model Modified Henderson and Pabis. Regarding the modes of operation of the final product were determined (TOC) 44.65 ± 0.49%, rates of trace elements in K 0.41 ± 0.01 (%) by weight for Na to 2.34 ± 0.55 (%) by weight for Ca at 2.32 ± 0.38 (%) wt for Mg to 1.91 ± 0.52 (%) wt, while no heavy metals were detected. Therefore, it appears that the dried material can be used as feedstock for the production of high quality compost. Moreover, the estimated Gross Calorific Value (GCV) of the dried material was determined to 17806.34 kJ / kg value that corresponds to GCV of materials such as coal and wood. From the experiments performed to determine the percentage of carbohydrates in the final product of drying it was estimated that it contains 38% w / w water-soluble substances (monosaccharides and oligosaccharides) suggesting that the dried material may be used for the production of biofuels (bioethanol). Finally, the identification of Biochemical Methane Potential of the final product was measured at 368.60 ± 4.83 L CH4 (methane) / kg VS indicating that it is possible to use the dried material to produce biogas through anaerobic digestion.

The drying of food waste is a technique which has not been applied internationally to date and is expected to provide significant benefits on the management of the organic stream of MSW. Drying of the organic fraction of MSW aims to significantly reduce the mass and volume expansion while forming a final product (biomass) that can be exploited.