Ολοκληρωμένη αξιοποίηση στερεών οργανικών αποβλήτων προς παραγωγή βιοαερίου σε πιλοτικής κλίμακας Περιοδικό Αναερόβιο Χωνευτήρα με Ανακλαστήρες (PABR) και παραγωγή εδαφοβελτιωτικού - Μιχαλόπουλος, Ιωάννης (Σχολή Χημικών Μηχανικών, 2017)
Η κλιματική αλλαγή είναι μία από τις σημαντικότερες προκλήσεις που καλείται να αντιμετωπίσει η ανθρωπότητα σήμερα, καθώς και τα επόμενα χρόνια και η αποτελεσματικότητα των τεχνολογιών, αλλά και συνολικά των πολιτικών που θα εφαρμοστούν, θα κρίνει σε μεγάλο βαθμό το μέλλον της ζωής στη Γη. Το μοντέλο ανάπτυξης που κυριαρχούσε κατά τις προηγούμενες δεκαετίες στηριζόταν στην κατασπατάληση των φυσικών πόρων με καταστροφικές συνέπειες για τα οικοσυστήματα και θα πρέπει να αντικατασταθεί από ένα ολιστικό μοντέλο με άξονες τη διατήρηση των φυσικών πόρων και συνολικά την προστασία του περιβάλλοντος. Η έρευνα που αφορά τη διαχείριση των αποβλήτων και την αξιοποίησή τους με σκοπό την ανάκτηση ενέργειας ή και τη μετατροπή τους σε προϊόντα υψηλής προστιθέμενης αξίας μπορεί αναμφίβολα να συμβάλει στην κατεύθυνση αυτή. Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκε μια μέθοδος για την ολοκληρωμένη αξιοποίηση διαφορετικών τύπων στερεών οργανικών αποβλήτων προς παραγωγή βιοαερίου μέσω αναερόβιας χώνευσης/συγχώνευσης σε πιλοτικής κλίμακας Περιοδικό Αναερόβιο Χωνευτήρα με Ανακλαστήρες (Periodic Anaerobic Baffled Reactor - PABR) σε συνδυασμό με την παραγωγή εδαφοβελτιωτικού σε εργαστηριακό κομποστοποιητή κλειστού τύπου. Η καινοτομία της μεθόδου έγκειται στο διαχωρισμό της υγρής (εκχύλισμα) από τη στερεή φάση 2 ειδών οργανικών αποβλήτων (κτηνοτροφικών αποβλήτων και οικιακών ζυμώσιμων απορριμμάτων) με σκοπό την παραγωγή βιοαερίου από το εκχύλισμα στον ταχύρρυθμο PABR και την παραγωγή εδαφοβελτιωτικού από το στερεό υπόλειμμα του διαχωρισμού. Ο PABR είναι ένας καινοτόμος βιοαντιδραστήρας 4 διαμερισμάτων που -σε εργαστηριακή κλίμακα- έχει αποδειχθεί ότι έχει τη δυνατότητα να επεξεργάζεται απόβλητα υπό υψηλούς ρυθμούς οργανικής φόρτισης, ενώ ταυτόχρονα χαρακτηρίζεται από την ευελιξία του να προσομοιάζει συνθήκες πλήρους ανάμειξης ή συνθήκες εμβολικής ροής (ή «ενδιάμεσες» καταστάσεις), ανάλογα με την επιλογή της βασικής παραμέτρου λειτουργίας του, δηλαδή της περιόδου εναλλαγής του διαμερίσματος τροφοδοσίας (Τ). Δεδομένου ότι η λειτουργία του PABR μελετήθηκε σε πιλοτική κλίμακα για πρώτη φορά, πριν από τη διεξαγωγή των πειραμάτων αναερόβιας χώνευσης κρίθηκε απαραίτητη η διερεύνηση των υδραυλικών του χαρακτηριστικών. Για τη μελέτη της υδραυλικής συμπεριφοράς του πιλότου πραγματοποιήθηκαν πειράματα κατανομής χρόνου παραμονής (RTD tests) και μελετήθηκε απόκριση του αντιδραστήρα σε βηματική επιβολή στην τροφοδοσία (προσθήκη ιχνηθέτη χρωστικής ουσίας E124). Αποδείχθηκε ότι –υπό σταθερό υδραυλικό χρόνο παραμονής (HRT)- όταν το σημείο τροφοδοσίας εναλλάσσεται, ο αντιδραστήρας προσομοιάζει συνθήκες πλήρους ανάμειξης, ενώ όταν το σημείο τροφοδοσίας είναι σταθερό, η ροή προσεγγίζει την εμβολική. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων συγκρίθηκαν με προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν σε τρισδιάστατο μοντέλο του αντιδραστήρα που αναπτύχθηκε σε περιβάλλον Comsol Multiphysics. Το μοντέλο προσομοίωσε ικανοποιητικά τη συμπεριφορά του αντιδραστήρα, ενώ επιπλέον αποδείχθηκε ότι με αύξηση του λόγου HRT/T ο πιλότος προσομοιάζει συνθήκες πλήρους ανάμειξης, ενώ με μείωση του λόγου HRT/T η ροή τείνει προς την εμβολική. Τη διερεύνηση των υδροδυναμικών χαρακτηριστικών του PABR ακολούθησαν τα εργαστηριακά πειράματα αναερόβιας χώνευσης και κομποστοποίησης. Κατά τον πρώτο κύκλο, μελετήθηκε η δυνατότητα ταυτόχρονης παραγωγής βιοαερίου από το εκχύλισμα μίγματος κτηνοτροφικών αποβλήτων με παραγωγή εδαφοβελτιωτικού από το στερεό υπόλειμμα της προεπεξεργασίας, στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος με τίτλο «Ανάπτυξη πολυπαραμετρικού μαθηματικού μοντέλου για τη βελτιστοποίηση του ενεργειακού σχεδιασμού σε ορεινές περιοχές». Τα απόβλητα συλλέχθηκαν από την περιοχή του δήμου Μετσόβου και το μίγμα παρασκευάστηκε με κατάλληλες αναλογίες ώστε να είναι αντιπροσωπευτικό της ετήσιας παραγωγής αποβλήτων της περιοχής. Τα πειράματα αναερόβιας συγχώνευσης απέδειξαν ότι είναι εφικτή η παραγωγή 21-30L βιοαερίου ανά kg μίγματος, με μέση σύσταση σε μεθάνιο της τάξης του 65-70% σε υδραυλικό χρόνο παραμονής έως και 6 ημέρες. Παράλληλα, από τη βελτιστοποίηση της διεργασίας της κομποστοποίησης αποδείχθηκε ότι είναι δυνατή η παραγωγή υψηλής ποιότητας εδαφοβελτιωτικού (δείκτης ανάπτυξης 77,8%) από το στερεό υπόλειμμα, αναμεμειγμένο με υπόλειμμα επεξεργασίας ξύλου σε αναλογία 5:2 κατά βάρος). Κατά το δεύτερο κύκλο πειραμάτων μελετήθηκε η παραγωγή βιοαερίου και εδαφοβελτιωτικού από ζυμώσιμα οικιακά απορρίμματα του δήμου Χαλανδρίου, στα πλαίσια του ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος με τίτλο «WASTE4Think», Horizon 2020. Τα ζυμώσιμα απορρίμματα κουζίνας υποβλήθηκαν αρχικά σε ξήρανση και τεμαχισμό με αποτέλεσμα την παραγωγή ενός καινοτόμου προϊόντος που ονομάζεται FORBI (Food Residue Biomass). Αποδείχθηκε ότι είναι εφικτή η παραγωγή έως και 158L βιοαερίου ανά kg FORBI από το εκχύλισμα σε υδραυλικό χρόνο παραμονής έως και 10 ημέρες με ταυτόχρονη παραγωγή εδαφοβελτιωτικού υψηλής ποιότητας από το στερεό υπόλειμμα αναμεμειγμένου με υπολείμματα επεξεργασίας ξύλου (δείκτης ανάπτυξης 76,7%). Επίσης, διερευνήθηκε η δυνατότητα παραγωγής βιοαερίου και εδαφοβελτιωτικού από το FORBI χωρίς την παρεμβολή του σταδίου προεπεξεργασίας και αποδείχθηκε ότι ο PABR είναι ικανός να επεξεργαστεί αιώρημα του FORBI με παραγωγικότητα σε βιοαέριο έως και 531L/kgFORBI σε υδραυλικό χρόνο παραμονής έως και 5 ημέρες. Από τα πειράματα κομποστοποίησης του FORBI αποδείχθηκε ότι η χρήση του χωρίς την παρεμβολή του σταδίου διαχωρισμού έχει ως αποτέλεσμα τη βελτίωση του θερμοκρασιακού προφίλ της διεργασίας, ωστόσο η απουσία του διογκωτικού παράγοντα (πριονίδι) είχε αρνητική επίδραση στο επίπεδο ωριμότητας και καταλληλότητας του τελικού προϊόντος. Τέλος, με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης πραγματοποιήθηκε μαθηματική μοντελοποίηση με τη χρήση του λογισμικού Aquasim. Οι δύο τύποι μοντέλων που αναπτύχθηκαν (ένα απλό κινητικό μοντέλο Monod με λεπτομερή προσομοίωση της λειτουργίας του PABR και ένα μοντέλο ADM1 με την παραδοχή ότι ο PABR συμπεριφέρεται ως CSTR) περιέγραψαν ικανοποιητικά τη συμπεριφορά του αντιδραστήρα, προβλέποντας τη διαφορά του χρόνου κατακράτησης των στερεών στο εσωτερικό των διαμερισμάτων του αντιδραστήρα από τον υδραυλικό χρόνο παραμονής και στις δύο περιπτώσεις.