Παραγωγή ενέργειας από υγρά απόβλητα τυροκομείων

Abstract

Τα απόβλητα των τυροκομείων περιέχουν υψηλές συγκεντρώσεις οργανικού ρυπαντικού φορτίου και ως εκ τούτου θα μπορούσαν, ιδανικά, να αξιοποιηθούν για την παραγωγή μεθανίου μέσω αναερόβιας χώνευσης. Ωστόσο, οι κλασικές τεχνικές αναερόβιας χώνευσης, μέχρι σήμερα, αποδείχθηκαν αναποτελεσματικές. Αυτό μπορεί κυρίως να αποδοθεί στις υψηλές συγκεντρώσεις των λιπών που περιέχονται στα απόβλητα αυτά καθώς και στη περιεκτικότητά τους σε λακτόζη και ασβέστιο τα οποία δρουν παρεμποδιστικά στην ανάπτυξη της κοκκώδους λάσπης λόγω μηχανισμών δυσμενούς παρεμβολής τους στην ανταλλαγή ύλης και ενέργειας του οικοσυστήματος των κόκκων.

Στην εργασία αυτή αποδείχθηκε ότι η προεπεξεργασία των αποβλήτων με οξειδωτικές διαδικασίες Fenton είναι αποφασιστικής σημασίας για την απορρύπανσή τους αλλά και την ενεργειακή αξιοποίησή τους με διαδικασία αναερόβιας χώνευσης σε αντιδραστήρα τύπου UASB. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η χημική οξείδωση καθιστά το απόβλητο πιο βιοαποδομήσιμο για την αναερόβια χώνευση. Επί πλέον η παρουσία του υπολειπόμενου σιδήρου και των θειικών μετά την οξείδωση του αποβλήτου ευνοεί την απόδοση της αναερόβιας χώνευσης βελτιώνοντας την ποιότητα της κοκκώδους λάσπης ενώ, όπως απεδείχθη, η συσσώρευση του σιδήρου και των λιπών στην αναερόβια λάσπη αποτελούν ρυθμιστικούς παράγοντες για τη διαμόρφωση του μεγέθους των κόκκων της βιολογικής ιλύος.

Κατά τη χημική οξείδωση (1) η απoμείωση του TOC αυξάνεται όσο ο λόγος Fe2+/H2O2, ο χρόνος οξείδωσης, το pH καθώς και η θερμοκρασία ελαττώνονται, (2) η απoμείωση του COD αυξάνεται όσο ο λόγος Fe2+/H2O2 , ο χρόνος οξείδωσης καθώς και η θερμοκρασία αυξάνονται ενώ όταν το pH ελαττώνεται, (3) η απoμείωση του TKN αυξάνεται όσο ο λόγος Fe2+/H2O2, ο χρόνος οξείδωσης καθώς και η θερμοκρασία αυξάνονται ενώ όταν το pH ελαττώνεται, (4) η απoμείωση του P αυξάνεται όσο το pH ελαττώνεται και (5) η απoμείωση των λιπών αυξάνεται όσο ο λόγος Fe2+/H2O2 ελαττώνεται ενώ η θερμοκρασία και το pH αυξάνονται.

Κατά την συνδυασμένη χημική οξείδωση/αναερόβια χώνευση (1) η απoμείωση του άνθρακα στην περιοχή σχεδιασμού έχει φτάσει στο άριστο σημείο, (2) το ποσοστό του άνθρακα που οδηγείται σε άμεση παραγωγή μεθανίου αυξάνεται όσο ο χρόνος οξείδωσης καθώς και η θερμοκρασία αυξάνονται και (3) το ποσοστό του άνθρακα που οδηγείται σε συνολική παραγωγή μεθανίου αυξάνεται όσο η θερμοκρασία οξείδωσης αυξάνεται ενώ είναι ανεξάρτητη των άλλων παραγόντων. Έτσι για αύξηση της παραγωγής ενέργειας κατά 3,8 ποσοστιαίες μονάδες πρέπει η θερμοκρασία οξείδωσης να αυξηθεί κατά 5οC.

Οι άριστες συνθήκες χημικής οξείδωσης για την μέγιστη παραγωγή ενέργειας βρέθηκαν να είναι: λόγος FeSO4.7H2O/H2O2 (g/L.(mL/L)-1) = 1.021, pH=3.81, χρόνος οξείδωσης ΗRΤ= 4.1 d και θερμοκρασία Τ=29οC.

Αποκαλύφθηκε ένας μηχανισμός ρόφησης μέρους του αρχικού εισερχόμενου οργανικού φορτίου (άνθρακας, άζωτο) από την κοκκώδη λάσπη το οποίο, από τη στιγμή της ρόφησής του, ακολουθεί διαφορετικό ρυθμό αποδόμησης. Σ΄ αυτό το φαινόμενο οφείλεται η συνέχιση της λειτουργίας του χωνευτήρα ακόμα και όταν σταματήσει η τροφοδοσία του για μεγάλο χρονικό διάστημα. Επίσης αποκαλύφθηκε ότι η προσπάθεια μεγιστοποίησης της παραγωγής ενέργειας δεν συμβαδίζει με την προσπάθεια μεγιστοποίησης της απομείωσης του οργανικού φορτίου.

Όλα τα παραπάνω φαινόμενα καθώς και αποτελέσματα προσεγγίστηκαν ικανοποιητικά με την ανάπτυξη ενός δυναμικού μαθηματικού μοντέλου το οποίο επιβεβαιώθηκε κατά τη λειτουργία μιας εργαστηριακής πιλοτικής μονάδας αναερόβιας χώνευσης τύπου UASB καθώς και σε μία βιομηχανικού μεγέθους πιλοτική μονάδα.

Wastewaters from cheese making facilities contain high concentrations of organic load and therefore they could, ideally, be utilized in order to produce methane through anaerobic digestion. However, standard anaerobic digestion techniques have been proved so far to be ineffective. This can mainly be attributed to the high concentrations of fats that this type of wastewater contains, as well as its content in lactose and calcium, which have a disruptive effect to the development of granular sludge, due to mechanisms of adverse inhibition to the exchange of matter and energy of the granules' ecosystem.

In this dissertation it is being proved that the pretreatment of the wastewater using Fenton processes is determinative for their mineralization as well as their energy utilization using anaerobic digestion in a UASB digester. This occurs as the chemical oxidation increases the biodegradability of the wastewater. Moreover, the presence of iron and sulphates that remain after the oxidation step, favor the performance of the anaerobic digestion, improving the quality of the granular sludge while, as it has been proved, accumulation of iron and fats at the anaerobic sludge is a regulative factor for the development of the size of the biological sludge granules.

During chemical oxidation (1) the reduction of TOC increases when the Fe2+/H2O2 ratio, the duration of the oxidation, the pH and the temperature decrease, the COD reduction increases when the Fe2+/H2O2 ratio, the duration of the oxidation as well as the temperature increase while the pH decreases, (3) the TKN reduction increases, when the Fe2+/H2O2 ratio, the duration of the oxidation and the temperature increase and the pH increases, (4) the P reduction increases while pH decreases and (5) the reduction of fats increases when the Fe2+/H2O2 ratio decreases while the temperature and pH increase.

During the combined chemical oxidation/anaerobic digestion (1) the reduction of carbon within the experimental design area had reached its optimum level, (2) the amount of carbon that is directly led to the production of methane increases while the oxidation time and the temperature increase and (3) the amount of carbon led to the total methane production increases when the oxidation temperature increases while at the same time is independent of all other factors. Thus, in order to increase energy production by 3,8%, the oxidation temperature must be increased by 5οC.

The optimum chemical oxidation conditions in order to maximize energy production have been found to be: FeSO4.7H2O/H2O2 ratio (g/L.(mL/L)-1) = 1.021, pH=3.81, duration of oxidation ΗRΤ= 4.1 d and temperature Τ=29οC.

A new mechanism for the sorption of part of the initial incoming organic load (carbon, nitrogen) from the granular sludge which, from the moment of its sorption, follows a different rate of degradation has been discovered. The continuation of the digester's operation even after the cessation of its feed for a long time, can be attributed to this phenomenon. The fact that the attempt to maximize the energy production does not coincide with the attempt to maximize organic load reduction has also been discovered.

All of the afore mentioned phenomena and results have satisfactorily been described by developing a dynamic mathematical model which has been validated during the operation of a lab-scale anaerobic digestion pilot unit, as well as in an industrial scale pilot unit.