Ενεργειακή αξιοποίηση ληγμένων γαλακτοκομικών προϊόντων των μέσω αναερόβιας συγχώνευσης με αγροτοκτηνοτροφικά απόβλητα και παραγωγή εδαφοβελτιωτικού υψηλής προστιθέμενης αξίας με χρήση γαιοσκώληκων

• Κύριος συγγραφέας: Σταυρόπουλος, Κωνσταντίνος
• Άλλοι συγγραφείς: Κορνάρος, Μιχάλης
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2015
• Θέματα: Αναερόβια χώνευση; Ληγμένα γαλακτοκομικά προϊόντα; Αγροτοκτηνοτροφικά απόβλητα; Εδαφοβελτιωτικά; Γαιοσκώληκες; Μεμβράνες; Anaerobic digestion; End of life dairy products; Agrowastes; Compost; Earhtworms; Membranes; 628.354

Στην παρούσα εργασία, μελετήθηκε η διεργασία αναερόβιας χώνευσης ληγμένων γαλακτοκομικών προϊόντων καθώς και η συγχώνευσή τους με αγροτοκτηνοτροφικά απόβλητα. Αρχικά πραγματοποιήθηκε ο χαρακτηρισμός των αποβλήτων και των ληγμένων γαλακτοκομικών προϊόντων που χρησιμοποιήθηκαν. Σε επόμενο στάδιο έλαβαν χώρα πειράματα Βιοχημικού Μεθανογόνου Δυναμικού (BMP) με σκοπό τον καθορισμό του μεθανογόνου δυναμικού και την αξιολόγηση των υποστρωμάτων που αργότερα θα χρησιμοποιούνταν στους μεθανογόνους CSTR αντιδραστήρες. Μελετήθηκε έτσι η επίδραση της αύξησης της ποσότητας επεξεργασμένων και ανεπεξέργαστων γαλακτοκομικών προϊόντων που αντιστοιχούσε σε αύξηση της οργανικής φόρτισης με προσθήκη γαλακτοκομικών προϊόντων για τα συστήματα συνεχούς λειτουργίας. Σύμφωνα με τα πειράματα BMP, τα υποστρώματα με οξινισμένα γαλακτοκομικά προϊόντα σημείωσαν υψηλότερα ποσοστά παραγωγής μεθανίου. Η μέγιστη απόδοση που υπολογίστηκε αντιστοιχεί σε 634.06 mL CH4/g VSadd και αφορά το μίγμα του διβάθμιου συστήματος με τη μέγιστη ποσότητα γαλακτοκομικών - οργανικής φόρτισης. Στη συνέχεια έγινε σύγκριση της λειτουργίας μονοβάθμιου και διβάθμιου συστήματος επεξεργασίας μιγμάτων αγροτοκτηνοτροφικών αποβλήτων και ληγμένων γαλακτοκομικών προϊόντων. Όσον αφορά το διβάθμιο σύστημα, αυτό αποτελούταν από έναν οξεογόνο και ένα μεθανογόνο αντιδραστήρα. Σχετικά με τον οξεογόνο CSTR αντιδραστήρα μελετήθηκε η παραγωγή υδρογόνου με αξιοποίηση ληγμένων γαλακτοκομικών προϊόντων (93% γάλακτος - 5% γιαουρτιού - 2% αναρής) σε μεσόφιλες συνθήκες, pH 5.7 και σε δύο υδραυλικούς χρόνους παραμονής HRT 3d και 6d. Για HRT 3d σημειώθηκε παρεμπόδιση του συστήματος λόγω συσσώρευσης γαλακτικού οξέος. Η αύξηση του HRT σε 6 ημέρες ήταν αρκετή ώστε να αποφευχθεί η συσσώρευση του γαλακτικού οξέος και να διατηρηθεί ο μικροβιακός πληθυσμός με σκοπό να υπάρχει αξιοσημείωτη παραγωγή υδρογόνου. Η μέγιστη απόδοση σε υδρογόνο επιτεύχθηκε για υδραυλικό χρόνο παραμονής 3 ημερών και υπολογίστηκε ίση με 0.757 mol H2 / mol καταναλισκόμενων υδατανθράκων, ενώ η απόδοση σε υδρογόνο ήταν ελαφρώς χαμηλότερη για HRT 6d (0.676 molH2 /mol καταναλισκόμενων υδατανθράκων). Στη συνέχεια συγκρίνοντας τη λειτουργία των δύο μεθανογόνων αντιδραστήρων παρατηρούνται σημαντικές διαφορές στην παραγωγικότητα σε βιοαέριο και μεθάνιο. Ειδικότερα, ο μεθανογόνος αντιδραστήρας του διβάθμιου συστήματος ανέδειξε υψηλότερους ρυθμούς παραγωγής βιοαερίου και μεθανίου σε όλα τα μελετώμενα σενάρια. Συγκεκριμένα, όσον αφορά το διβάθμιο αντιδραστήρα οι συντελεστές απόδοσης μεθανίου αυξάνονται με αύξηση του οργανικού φορτίου, με μεγαλύτερη τιμή αυτή των 513.51 mL CH4/g VSadd για την περίπτωση επεξεργασίας του μίγματος με την υψηλότερη οργανική φόρτιση. Από την άλλη μεριά, ο μονοβάθμιος αντιδραστήρας παρουσιάζει την μέγιστη απόδοση σε μεθάνιο για την περίπτωση της αύξησης της οργανικής φόρτισης κατά 40% και υπολογίστηκε ίση με 261.08 mL CH4/g VSadd. (όταν ο αντίστοιχος συντελεστής απόδοσης στο διβάθμιο είναι 386.07 mL CH4/g VSadd). Η μέση περιεκτικότητα του βιοαερίου σε μεθάνιο σε και για τους δύο αντιδραστήρες ανέρχεται σε 63.48%. Επιπλέον αξίζει να σημειωθεί ότι και για τους δύο μεθανογόνους αντιδραστήρες δεν παρουσιάστηκε παρεμπόδιση στη λειτουργία τους παρά τα υψηλά επίπεδα αμμωνίας, τα οποία αγγίζουν τα όρια παρεμπόδισης στο στάδιο της μεθανογένεσης (Hansen et al., 1998), (Benabdallah El Hadj et al., 2009). Τα παραπάνω αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι για την επεξεργασία των συγκεκριμένων αποβλήτων-προϊόντων μέσω της διαδικασίας της αναερόβιας συγχώνευσης προτιμάται η χρήση του διβάθμιου συστήματος. Η άποψη αυτή ενισχύεται και αν υπολογίσει κάποιος και τα οφέλη από την παραγωγή του υδρογόνου μέσω της οξεογένεσης των ληγμένων γαλακτοκομικών προϊόντων. Κρίνοντας από τα χαρακτηριστικά των εκροών των μεθανογόνων αντιδραστήρων καλό θα ήταν να εφαρμοστούν στη συνέχεια περαιτέρω μέθοδοι επεξεργασίας τους για μεγαλύτερη μείωση του οργανικού φορτίου ή/και εκμετάλλευση της πλούσιας απορροής σε αμμωνία και φώσφορο για παραγωγή πλούσιων εδαφοβελτιωτικών. Έτσι στη συνέχεια μελετήθηκε η περαιτέρω επεξεργασία του υγρού κλάσματος της απορροής μέσω συστήματος μεμβρανών διήθησης και η επεξεργασία του στερεού κλάσματος με τη διαδικασία του vermin-composting για παραγωγή εδαφοβελτιωτικού. Στο τελικό διήθημα από τις μεμβράνες υπολογίστηκε μείωση του COD κατά 86.4% και των στερεών κατά 51.5% και έτσι μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην άρδευση γεωργικών εκτάσεων, ενώ το συμπύκνωμα για να καλύψει απαιτήσεις σε νερό κατά τη διαδικασία της κομποστοποίησης (π.χ. έλεγχος υγρασίας). Το τελικό προϊόν της κομποστοποίησης είναι σταθεροποιημένο και πλούσιο σε Ν, P, Κ συστατικά. Συγκεκριμένα υπολογίστηκε πως το τελικό εδαφοβελτιωτικό διέθετε ολικό άζωτο (TKN) αυξημένο κατά 85.92%, ολικό φώσφορο (ΤΡ) κατά 52.44% και ολικό κάλιο (ΤΚ) κατά 123.7%. Τέλος έλαβε χώρα η μελέτη της επίδρασης του pH στην παραγωγή υδρογόνου από ληγμένα γαλακτοκομικά απόβλητα σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας (CSTR) και σε μεσόφιλες συνθήκες (37οC) με υδραυλικό χρόνο παραμονής HRT 6d. Τα εξαγόμενα αποτελέσματα έδειξαν πως η μέγιστη απόδοση σε παραγωγή υδρογόνου σημειώθηκε για τιμή pH 5 και ήταν ίση με 1.268 mol H2/mol CHκαταν.. Ο ρυθμός παραγωγής υδρογόνου που μετρήθηκε σε αυτό το pH ήταν 0.851 LH2/LR•d. Το γαλακτικό οξύ ανιχνεύθηκε ως το κυρίαρχο ενδιάμεσο προϊόν, ενώ το βουτυρικό ως το κυρίαρχο τελικό μεταβολικό προϊόν σε όλα τα CSTR πειράματα μελέτης της επίδρασης του pH. Η αυξημένη παραγωγή υδρογόνου παρατηρήθηκε ότι συνδέεται κυρίως με την κατανάλωση του γαλακτικού οξέος με ταυτόχρονη παραγωγή του βουτυρικού οξέος και υδρογόνου. Ύστερα από λήψη και επεξεργασία αρκετών εργαστηριακών αποτελεσμάτων σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε πιλοτική μονάδα παραγωγής βιοαερίου από επεξεργασία των παραπάνω αποβλήτων – γαλακτοκομικών προϊόντων. Η λειτουργία της μονάδας έδωσε μία μέση απόδοση σε μεθάνιο ίση με 353 mL CH4/g VSadd (πολύ κοντά σε συμφωνία με την αντίστοιχη εργαστηριακής κλίμακας (312 mL CH4/g VSadd).