Διερεύνηση της λειτουργίας Μικροβιακής Κυψελίδας Καυσίμου για την επεξεργασία αστικών λυμάτων και την ανάκτηση ενέργειας χρησιμοποιώντας διαφορετικούς αποδέκτες ηλεκτρονίων - Γιαννάκου, Άννα-Μαρία (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος, 2016)
Ως Μικροβιακή Κυψελίδα Καυσίμου (ΜΚΚ) ορίζεται η τεχνολογία μέσω της οποίας η αποθηκευμένη στα λύματα χημική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική, με τη βοήθεια καταλυτικών αντιδράσεων από μικροοργανισμούς, σε ένα βιοαντιδραστήρα υπό αναερόβιες συνθήκες. Η τεχνολογία αυτή παρουσιάζει διττή υπόσταση, αφού πραγματοποιεί επεξεργασία λυμάτων και ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, και για το λόγο έχει προκαλέσει έντονο ενδιαφέρον στην επιστημονική και ερευνητική κοινότητα τα τελευταία χρόνια. Οι υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις των συμβατικών εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων και η έλλειψη υποδομών για την εκμετάλλευση του ενεργειακού δυναμικού που διαθέτουν τα λύματα, καθιστούν την τεχνολογία ΜΚΚ μια νέα μέθοδο-τομή στα σύγχρονα δεδομένα της διαχείρισης λυμάτων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιείται διερεύνηση της λειτουργίας συστήματος ΜΚΚ, ως προς την επεξεργασία αστικών λυμάτων και την ταυτόχρονη ανάκτηση ενέργειας από αυτά, χρησιμοποιώντας διαφορετική σύσταση λυμάτων, διαφορετικούς αποδέκτες ηλεκτρονίων και σύστημα αερισμού. Στόχος της έρευνας και των πειραμάτων που διενεργήθηκαν, ήταν η εκτίμηση της απόδοσης της ΜΚΚ στους τομείς της επεξεργασίας αστικών λυμάτων και ταυτόχρονης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, και η σύγκριση των αποτελεσμάτων με τις αποδόσεις των συμβατικών μονάδων επεξεργασίας λυμάτων. Η έρευνα διεξήχθη υπό το πρίσμα της εφαρμογής της ΜΚΚ σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας αστικών λυμάτων, και πιο συγκεκριμένα, με στόχο την αντικατάσταση της αερόβιας δεξαμενής στη βιολογική βαθμίδα επεξεργασίας με αυτήν. Η λογική στην οποία βασίστηκε η κατασκευή της πειραματικής διάταξης της ΜΚΚ δύο θαλάμων (τύπου Η) στην οποία διενεργήθηκαν τα πειράματα, ήταν η αντικατάσταση των ακριβών υλικών με φθηνότερα και η διαμόρφωση των εξωτερικών παραμέτρων με τέτοιο τρόπο, ώστε να ανταποκρίνονται στις πραγματικές περιβαλλοντικές συνθήκες, με στόχο τη μελλοντική πρακτική εφαρμογή της σε πραγματική εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων. Για τη διερεύνηση της απόδοσης της λειτουργίας του συστήματος, διενεργήθηκαν συνολικά 15 κύκλοι, με διαφοροποιήσεις στα είδη των αστικών λυμάτων που χρησιμοποιήθηκαν ως δότες ηλεκτρονίων στο θάλαμο της ανόδου (πρωτοβάθμια επεξεργασμένα λύματα, ανεπεξέργαστα λύματα), καθώς και στα είδη των αποδεκτών ηλεκτρονίων της καθόδου και τις συνθήκες αερισμού στο θάλαμο αυτό. Συγκεκριμένα, ως αποδέκτης ηλεκτρονίων χρησιμοποιήθηκε το οξυγόνο υπό συνθήκες ενεργητικού αερισμού, καθώς και συνθήκες παθητικού αερισμού, τα νιτρικά ιόντα υπό ανοξικές συνθήκες και τα θειικά ιόντα υπό αναερόβιες συνθήκες. Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια των κύκλων λειτουργίας, αφορούσαν τις παραμέτρους που επηρέαζαν την απόδοση του συστήματος της ΜΚΚ. Ειδικότερα, όσον αφορά τη διερεύνηση της απόδοσης του συστήματος στην επεξεργασία λυμάτων, μελετήθηκε η εξέλιξη παραμέτρων, όπως οι συγκεντρώσεις του ολικού και διαλυτού COD, ο απαιτούμενος υδραυλικός χρόνος παραμονής των λυμάτων στη ΜΚΚ (HRT), η συγκέντρωση του αποδέκτη ηλεκτρονίων, τα ολικά (TSS) και πτητικά αιωρούμενα στερεά (V SS), το αμμωνιακό άζωτο, τα φωσφορικά ιόντα και το pH. Οι παράμετροι που σχετίζονται με την ανάκτηση ενέργειας από τα λύματα και μελετήθηκαν κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, ήταν οι ποσότητες της παραγόμενης ισχύος και ενέργειας, που υπολογίζονταν μέσω της ηλεκτρικής τάσης που απέδιδε το σύστημα, ανά μονάδα μάζας οργανικού φορτίου που απομακρυνόταν (W/Kg COD και Wh/Kg COD), καθώς και ανά μονάδα όγκου του θαλάμου της ανόδου (W/l και Wh/l). Επιπλέον, μετά το πέρας των πειραματικών κύκλων, διεξήχθη μικροσκοπική παρατήρηση του βιοφίλμ του ηλεκτροδίου της ανόδου, με στόχο την ταυτοποίηση των μικροοργανισμών που είχαν αναπτυχθεί στην επιφάνειά του. Τέλος, με βάση τα αποτελέσματα που εξήχθησαν, μελετήθηκε υποθετικό σενάριο εφαρμογής της τεχνολογίας της ΜΚΚ σε συμβατική εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων. Από τα αποτελέσματα των πειραμάτων, προέκυψαν ικανοποιητικοί βαθμοί απομάκρυνσης ολικού οργανικού φορτίου της τάξεως του 75% σε όρους COD, απαιτούμενοι υδραυλικοί χρόνοι παραμονής της τάξεως των 3-5 ημερών προκειμένου η τελική εκροή να πληροί τις απαιτήσεις της Οδηγίας 91/271/EEC, και ποσοστά απομάκρυνσης ολικών και πτητικών αιωρούμενων στερεών της τάξεως του 65%. Επιπλέον, παρατηρήθηκε επαναλαμβανόμενη γραφική διακύμανση στην εξέλιξη της τάσης και του οργανικού φορτίου στο χρόνο και διαπιστώθηκε ότι δεν πραγματοποιείται απομάκρυνσης αμμωνιακού αζώτου από το σύστημα, αλλά αραίωση της συγκέντρωσής του στο θάλαμο της ανόδου. Ο παθητικός αερισμός της καθόδου ήταν πολύ αποδοτικός και τα αποτελέσματα ήταν συγκρίσιμα με τον ενεργητικό αερισμό της καθόδου. ΄Οταν ως αποδέκτες ηλεκτρονίων χρησιμοποιήθηκαν τα νιτρικά και τα θειικά ιόντα, παρουσίασαν σχετικά μικρά ποσοστά απομάκρυνσης, της τάξεως του 7-15%, λόγω των διαρροών που υπήρχαν στο σύστημα από αέρα με αποτέλεσμα να χρησιμοποιείται κυρίως το οξυγόνο ως κύριος αποδέκτης. ΄Οσον αφορά την παραγωγή ενέργειας, τα αποτελέσματα που προέκυψαν ήταν ικανοποιητικά σε σύγκριση με αντίστοιχες βιβλιογραφικές έρευνες, με μέσο ρυθμό παραγωγής ενέργειας ανά κατανάλωση οργανικού φορτίου 0,04 Wh/gr COD, όταν ως αποδέκτης ηλεκτρονίων χρησιμοποιούταν το οξυγόνο. Η εμπειρία που αποκτήθηκε από τη λειτουργία και την έρευνα του συστήματος της ΜΚΚ, καθώς και τα αποτελέσματα των πειραμάτων που διενεργήθηκαν, αποτελούν ισχυρή ένδειξη της αποτελεσματικότητας της τεχνολογίας αυτής, τόσο στην επεξεργασία αστικών λυμάτων όσο και στην ταυτόχρονη ανάκτηση ενέργειας από αυτά. Παράλληλα, αποτελούν οδηγό για μελλοντική βελτίωση της τεχνολογίας των ΜΚΚ, με στόχο την ενσωμάτωσή της στις συμβατικές μονάδες επεξεργασίας, για τη συνδυαστική λειτουργία τους.