Παραγωγή ενέργειας με αεριοποίηση ιλύων από μονάδες βιολογικών καθαρισμών

Abstract

Η αερόβια βιολογική διεργασία και δη η μέθοδος της ενεργού ιλύος αποτελεί την πλέον διαδομένη τεχνική επεξεργασίας οργανικών αποβλήτων. Κατά την τεχνική αυτή, ο αφομοιωμένος άνθρακας μετατρέπεται, εν μέρει σε διοξείδιο του άνθρακα και εν μέρει σε κυτταρική μάζα (βιολογική ιλύ), που αποτελεί το πιο βασικό παραπροϊόν αυτής της διαδικασίας. Η παραγωγή της βιολογικής ιλύος ανέρχεται σε 40-60% των αποδομούμενων οργανικών μορίων και θεωρείται δευτερογενής ρύπανση για την οποία πρέπει να δοθεί αποτελεσματική περιβαλλοντική διαχειριστική λύση ώστε η επεξεργασία του υγρού αποβλήτου να θεωρηθεί ολοκληρωμένη. Το κόστος της διαχείρισης των βιολογικών ιλύων με τις συνηθισμένες τεχνικές διαχείρισης (σταθεροποίηση, αναερόβια ή αερόβια χώνευση, εδαφική διάθεση, υγειονομική ταφή), πολλές φορές, είναι πολλαπλάσιο από το καθαυτού κόστος του βιολογικού καθαρισμού. Αυτό είναι εμφανές ιδιαίτερα στις μικρές μονάδες. Οι σημερινές επιβληθείσες πολύ αυστηρές προδιαγραφές για την εδαφική διάθεση των λασπών απαιτούν προσεκτικότερη επιλογή των διεργασιών που θα εφαρμοστούν για την ολοκληρωμένη διαχείριση των βιολογικών ιλύων, ώστε αυτές να είναι τεχνικά εφαρμόσιμες και οικονομικά προσιτές. Σήμερα οι βιολογικές λάσπες δεν θεωρούνται πλέον παραπροϊόντα προς απόρριψη αλλά βιομάζα, πηγή παραγωγής ενέργειας. Η πιο απλή μέθοδος, από τεχνική άποψη, και η πιο αποτελεσματική από περιβαλλοντική άποψη, αποτελεί η καύση της βιολογικής λάσπης. Η καύση αποτελεί προσφάτως μία ολοένα και περισσότερο εφαρμοζόμενη τεχνική. Μεγάλες μονάδες βιολογικών καθαρισμών την έχουν εντάξει πλέον στις τυπικές διεργασίες τους. Ο μέχρι σήμερα όμως απολογισμός της εφαρμογής της τεχνικής της καύσης στις βιολογικές λάσπες, έχει καταγράψει δύο σοβαρά μειονεκτήματα: (α) την αναγκαιότητα ξήρανσης των λασπών προ της καύσης τους και (β) την απαίτηση για χαμηλή περιεκτικότητα βαρέων μετάλλων στα προς επεξεργασία υγρά απόβλητα. Οι βιολογικές λάσπες όπως παράγονται από έναν βιολογικό καθαρισμό περιέχουν σημαντικές ποσότητες υγρασίας (70-95%) η εξάτμιση της οποίας απαιτεί όλη σχεδόν την προσδοκώμενη θερμική ενέργεια από την καύση των λασπών. Μία νέα, πολλά υποσχόμενη, τεχνική παραγωγής ενέργειας από βιομάζα και η οποία εντατικά διερευνάται διεθνώς ως προς την δυνατότητα εφαρμογής της στην ενεργειακή αξιοποίηση των λασπών που παράγονται από τους βιολογικούς καθαρισμούς είναι η πυρόλυση-αεριοποίησή τους. Τα πλεονεκτήματα αυτής της τεχνικής έναντι της απευθείας καύσης αποτελεί (α) το γεγονός ότι η περιεχόμενη υγρασία στη βιομάζα μπορεί να συμμετάσχει ως οξειδωτικός παράγοντας στη διαδικασία της πυρόλυσης έτσι ώστε η απόδοση της ενέργειας να είναι μεγαλύτερη, και (β) το γεγονός ότι οι διαδικασίες καθαρισμού των καυσίμων αερίων από τα βαρέα μέταλλα είναι απλούστερες και πιο αποδοτικές στην τεχνική της πυρόλυσης – αεριοποίησης, απ΄ότι στην καύση. Ένας άλλος παράγοντας που επηρεάζει αποφασιστικά την ενεργειακή απόδοση των βιολογικών λασπών με θερμικές τεχνικές (καύση, αεριοποίηση) είναι τα ποσοτικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά τους και τα οποία μεταβάλλονται σημαντικά από τις λειτουργικές παραμέτρους ενός βιολογικού καθαρισμού. Ο αερόβιος βιολογικός καθαρισμός είναι ένα οικοσύστημα αποτελούμενο από μεικτούς πληθυσμούς μικροοργανισμών (βακτήρια-πρωτόζωα) που συνυπάρχουν και συνεργάζονται ή ανταγωνίζονται μεταξύ τους σε αυτό. Η ισορροπία που επιτυγχάνεται στο οικοσύστημα του βιολογικού καθαρισμού καθορίζεται από τα πρωτόζωα που επιβιώνουν σε αυτό και επομένως από την μέση ηλικία της βιολογικής λάσπης (Θc) που επιβάλλεται. H παράμετρος αυτή είναι η πλέον καθοριστική τόσο για τον σχεδιασμό ενός βιολογικού καθαρισμού όσο και για την αποδοτική λειτουργία του διότι από αυτή εξαρτάται τόσο η οικοδόμηση όλου του οικοσυστήματος όσο και οι επιβεβλημένες ισορροπίες μεταξύ των διαφόρων κατηγοριών μικροοργανισμών. Ένα διαφορετικό Θc αντιστοιχεί σε διαφορετική σύνθεση πληθυσμών και επομένως σε διαφορετική ποσοτική και ποιοτική σύσταση της παραγόμενης βιολογικής λάσπης. Η επιβολή, με τον κατάλληλο σχεδιασμό, ενός συγκεκριμένου Θc σε έναν βιολογικό καθαρισμό, σήμερα, γίνεται με κριτήρια απαιτήσεων αφομοίωσης του οργανικού διαλυτού άνθρακα και αζώτου. Έτσι συνηθίζεται να εφαρμόζονται αναπτυγμένα οικοσυστήματα με μεγάλο Θc (Θc>15 days), δηλαδή συστήματα «παρατεταμένου αερισμού» όπως συνήθως ονομάζονται, τα οποία επιτυγχάνουν μεγάλες αποδόσεις αφομοίωσης άνθρακα και αζώτου με διαδικασίες νιτροποίησης-απονιτροποίησης. Τα συστήματα αυτά που έχουν επικρατήσει προσφέρουν σταθερότητα λειτουργίας αλλά απαιτούν μεγάλες εγκαταστάσεις (υψηλό πάγιο κόστος) καθώς και μεγάλη κατανάλωση ενέργειας (υψηλό λειτουργικό κόστος) εξ΄ αιτίας των αναγκαίων μεγάλων ποσοτήτων παροχής οξυγόνου για να συντηρηθούν. Όμως καμία έρευνα δεν έχει γίνει παγκοσμίως σχετικά με την «καθαρή» απαιτούμενη ενέργεια ενός ολοκληρωμένου βιολογικού καθαρισμού όπου η παραγόμενη περίσσεια βιολογικής λάσπης αξιοποιείται ενεργειακά με την χρήση θερμικών τεχνικών όπως είναι η καύση και η πυρόλυση-αεριοποίηση. Η παρούσα εργασία ασχολείται με την επίδραση όλων των διαφορετικών οικοσυστημάτων, όπως μπορούν να εφαρμοστούν σε έναν βιολογικό καθαρισμό για την παραγωγή «καθαρής» ενέργειας μέσω της πυρόλυσης-αεριοποίησης των παραγόμενων βιολογικών λασπών. Καταρχήν παρήχθησαν και μελετήθηκαν, ως προς τα ποιοτικά και ποσοτικά τους χαρακτηριστικά, βιολογικές λάσπες όλων των διακριτών τιμών Θc (από Θc=1d έως Θc=30d). Οι λάσπες αυτές επεξεργάστηκαν θερμικά σε μία αλλοθερμική πειραματική εργαστηριακή εγκατάσταση πυρόλυσης-αεριοποίησης διαλείποντος έργου και αναλύθηκαν ποιοτικά και ποσοτικά τα στερεά (απανθράκωμα-τέφρα), αέρια (CO2, CO, H2, CH4) και υγρά (πίσσες) προϊόντα τόσο της πυρόλυσης όσο και της αεριοποίησης. Τα αποτελέσματα αξιοποιήθηκαν σε μοντέλα εκτίμησης της ενεργειακής απόδοσης σε σχέση με το ενεργειακό περιεχόμενο των παραγόμενων λασπών και κατόπιν έγινε αναγωγή τους στη μάζα του εισερχόμενου οργανικού άνθρακα στον βιολογικό καθαρισμό ώστε να μπορούν να εξαχθούν συγκρίσιμα ποσοτικά συμπεράσματα ως προς την ενεργειακή απόδοση σε σχέση με το επιβαλλόμενο Θc. Από την παραγόμενη ενέργεια λόγω θερμικής επεξεργασίας των λασπών αφαιρέθηκε η αντίστοιχη θεωρητικά καταναλισκόμενη ενέργεια λόγω αερισμού του βιολογικού καθαρισμού ώστε να προκύψει η «καθαρή» παραγόμενη ενέργεια. Τέλος τα ενεργειακά αποτελέσματα της πυρόλυσης-αεριοποίησης συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα θεωρητικά αποτελέσματα που θα προέκυπταν με την καύση των λασπών ώστε να γίνει μια μεταξύ τους αξιολόγηση. Κατά την έρευνα της παρούσης εργασίας διαπιστώθηκε ότι αυξανόμενου του Θc, σε έναν βιολογικό καθαρισμό, παράγονται λάσπες με υψηλότερό ποσοστό τέφρας από 7,6 (Θc=1d) έως 31,3 % (Θc=30d) και χαμηλότερης θερμογόνου δύναμης από 19,6 kJ/gdb (Θc=1d) έως 15 kJ/gdb (Θc=30d). Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσίασε η σύσταση της ιλύος, καθώς, βάσει διαγράμματος Van Krevelen, την καθιστά μοναδική εν σχέση με όλα τα άλλα στερεά καύσιμα. Η απόδοση της αεριοποίησης, μετά από μια αρχική πτώση από 59% (Θc=1d) έως το 55% ( Θc = 5d), κατόπιν αυξανόταν συνεχώς με την άνοδο του Θc φτάνοντας στα 61% για Θc = 30d. Όμως, η συνολικά παραγόμενη ενέργεια ανά γραμμάριο εισερχόμενου άνθρακα στο σύστημα του βιολογικού καθαρισμού συνεχώς ελαττωνόταν από 5,8 kJ/gCin (Θc=1d) σε 3,7 kJ/gCin (Θc=5d) και έκτοτε παρέμενε σταθερή για Θc >5d. Από την ολοκληρωμένη θεώρηση της ενεργειακής αξιοποίησης της ιλύος βάσει της κατανάλωσης ενέργειας του βιολογικού καθαρισμού και της παραγωγής ενέργειας από την αεριοποίηση παρατηρήθηκε θετικό ενεργειακό ισοζύγιο από Θc=1d (600 kWh/kgCin) έως Θc=8d ενώ για μεγαλύτερα Θc το ενεργειακό ισοζύγιο παρέμενε ολοένα και πιο αρνητικό με την μικρότερη τιμή για Θc=30d όπου η «καθαρή» ενεργειακή απαίτηση ανήλθε σε 400kWh/kgCin. Το τελικό συμπέρασμα της παρούσας διατριβής είναι πως το συνδυασμένο σύστημα βιολογικού καθαρισμού και αεριοποίησης ιλύος είναι αποδοτικότερο σε χαμηλά Θc και η αεριοποίηση αποδεικνύεται ως η πιο κατάλληλη θερμική μέθοδος διαχείρισης και ενεργειακής εκμετάλλευσης της ιλύος.

The process of the activated sludge is commonly used in the aerobic wastewater treatment plants. The initial BOD content of the influent is transformed into CO2 and biological sludge, which is the main by-product of the process. The production of biological sludge reaches up to 40-60% of the organic matter consumed and is considered to be secondary pollution. The biological sludge should be disposed off effectively in order to complete the cycle of the treatment of wastewater. The cost of the currently employed methods used for the disposal of the biological sludge (stabilization, aerobic or anaerobic digestion, landspreading, landfilling ) exceeds the operating costs of the wastewater treatment plant. This is particularly the case with the small units. The stringent rules currently applied concerning land spreading of biological sludge require careful consideration of the technical method implied for the sustainable treatment of the wastewater. Today, biological sludge is no longer considered as a byproduct but biomass for energy utilization. The simplest and most effective and environmental friendly method of energy utilization is incineration, which is commonly applied, as large WWTPs have incorporated it. The two major disadvantages of sludge incineration are: (i) dried sludge feeding, (ii) low trace element concentration. The humidity of biological sludge produced by the WWTP amounts to 70-95%. In order to react the percentage required for incineration, the amount of energy consumed is almost equal to the energy obtained by the incineration itself. A new, most promising method for sludge energy utilization is gasification. The advantages of the said technique as compared to incineration are: (i) humidity is an oxidizing reactant leading to increased energy efficiencies (ii) the trace element capture is easy and efficient. Another factor that influences decisively the energy efficiencies of the incineration and gasification of the sludge’s qualitative and quantitative characteristics, which are affected by the operational parameters of the WWTP. The aerobic wastewater treatment is an ecosystem consisting of several species of microorganisms (bacteria, protozoa) which coexist and cooperate or compete with each other. The balance of the ecosystem is depends on the surviving protozoa and thus the sludge age imposed (Θc). The most crucial design parameter of the WWTP is the sludge age, Θc, which defines the system’s efficiency, the evolution of the ecosystem and the balance between the various species of the microorganisms. A different Θc leads to a different composition of the evolved species and the sludge produced has different qualitative and quantitative characteristics. Nowadays, a Θc is imposed, with proper design, for the reduction of the carbon and nitrogen content of the wastewater to meet the effluent requirements. The common practice is to impose large Θc (Θc>15d), i.e. extended aeration systems, which incorporate nitrification – de-nitrification in order to achieve high carbon and nitrogen reduction. These systems are stable but require large facilities (elevated capital cost) and have great electricity consumption (elevated operating costs) due to the high aeration requirements. Up until now, no research is done on the total ‘clean’ energy consumption of a integrated WWTP with energy utilization of the waste activated sludge through pyrolysis-gasification. The present study the focuses on the impact of the various ecosystems, as can be determined in a WWTP, for the net energy production through the pyrolysis-gasification of waste activated sludge. Waste activated sludge samples of every distinctive Θc (from Θc=1d to Θc=30d) were produced and studied both quantitatively and qualitatively. The sludge samples were fed to an allothermal bench scale batch gasifier and the solid residues (char), the gaseous products (CO2, H2, CO, CH4) and the tar byproduct were both quantitatively and qualitatively analyzed. The results were evaluated with assessment models of the energy efficiency in comparison with the heating value of the sludge sample and were reduced based on the carbon mass content of the influent, in order to obtain comparable quantitative results on the energy efficiency and the imposed Θc. Net energy calculations were made by the deduction of the corresponding energy production to the energy consumption due to aeration demands. In the final stage the results obtained from the pyrolysis-gasification of the sludge were compared against the corresponding calculated net energy production of the sludge incineration. The present study aims to the energy utilization of the biological sludge that is produced in aerobic wastewater treatment plants through gasification.. The fixed and operational costs are usually estimated on the basis of Θc. Θc with the produced energy through gasification, two laboratory pilot plants were designed and operated, (i) an aerobic treatment plant, aiming to the production of biological sludge of any desired Θc and (ii) an allothermal bench scale batch gasifier. Sludge samples of Θc =1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 16, 18, 20, 24, 28, 30d were collected and proximate and ultimate analysis was performed. 5 g of this biological sludge of each Θc entered the laboratory gasification unit that was operated under steady conditions: final gasification temperature 820 oC, nitrogen flow rate 5 L/h and steam flow rate 8 mL/h. The gas products were determined quantitatively and qualitatively. The tar byproduct was measured gravimetrically. From the results it was concluded that the sludge composition was strongly influenced by Θc. Furthermore, Θc strongly affected the energy production through the gasification of the sludge produced. The increase of sludge age resulted to the increase of ash content and decrease pf the lower heating value of the sludge produced (7,6 – 31,3 % and 19,6 – 15 kL/gdb for Θc = 1d and 30d correspondingly). The sludge composition, according to the Van Krevelen diagram, placed the sludge produced in an uncharted territory far from the common solid fuels. Gasification efficiency presented a decrease in early Θc, from 59% for Θc=1d down to 55% for Θc=5d following a slight but steady rate of increase which resulted in 61% efficiency at Θc=30d. On the contrary, the total energy produced per gram of carbon in the influent of the biological system was constantly reduced from 5.8 kJ/gCin (Θc=1d) to 3,7 kJ/gCin (Θc=5d) and remaining at the same level for higher Θc. The energy balance from the combination of the energy utilization of the sludge and the energy requirements of an WWTP was proved positive for Θc=1d (600kW/kgCin) resulting to negative for Θc=30d where the net energy demand was 400kW/kgCin. The present study proves that the combined biological and thermal unit operates with higher energy efficiencies at lower Θc. Furthermore, gasification of the activated sludge is a most promising method for its utilization and disposal.