Ολοκληρωμένη αξιοποίηση στερεών οργανικών αποβλήτων προς παραγωγή βιοαερίου σε πιλοτικής κλίμακας Περιοδικό Αναερόβιο Χωνευτήρα με Ανακλαστήρες (PABR) και παραγωγή εδαφοβελτιωτικού

Abstract

Climate change is today - and will be in the future- one of the most severe challenges for humanity. The development of efficient technologies in parallel with the establishment of an appropriate inclusive policy framework are among the most crucial means available to our societies in their effort to tackle climate change and preserve life on earth. The prevailing development model of the last decades has been linked to valuable natural resources depletion that had devastating effects on natural ecosystems and should therefore be replaced by a holistic development model that will be based on the conservation of natural resources and the protection of environment as a whole. The scientific research on waste management and in particular the research focused on energy recovery of waste or the material recovery through transformation of waste to products of high added value may and will indisputably contribute to this direction.In this dissertation, an integrated valorisation scheme for different kinds of solid organic waste has been developed in order to produce biogas, through the anaerobic digestion and co-digestion process in a pilot scale Periodic Anaerobic Baffled Reactor (PABR) and high quality fertilizer, through aerobic composting in a lab scale in-vessel composter. This dissertation’s innovative approach lies on the separation of the liquid fraction (extract) from the solid fraction of two different kinds of organic waste (a mixture of different types of animal manure and municipal biodegradable waste) with the aim to produce biogas (biomethane) from the anaerobic digestion of the extract in a high-rate system (PABR) and high quality fertilizer from the solid residues of the pre-treatment step of the process. The Periodic Anaerobic Baffled Reactor (PABR) is a novel high-rate 4-compartment bioreactor. It has been proved that -at lab scale- the PABR has the has the ability to operate at high organic loading rates, while the variation of the feedstock compartment switching frequency (or equivalently the switching period (T), i.e. the time for switching the feed to all compartments) allows flexibility in its operation. The PABR can be operated as a simple ABR, if the switching frequency is set to zero, and, in the extreme case of very high switching frequency, as a single-compartment upflow bioreactor. Given that operation of the PABR was studied at pilot scale for the first time in this dissertation, it was essential to study its hydraulic characteristics prior to the anaerobic digestion experiments.In order to study the hydraulic behaviour of the pilot-scale PABR, experimental residence time distribution test (RTD) have been conducted and the response of the outlet of the reactor was investigated as a result of a step input at the inlet (by introducing a non-reactive tracer, synthetic red dye, code name E124) at the inlet. It was proved that -at a constant Hydraulic Retention Time (HRT)- the reactor simulates complete mixing when the feedstock compartment is switched (low T values) and it functions as plug flow when no switching is conducted. Comsol Multiphysics was used for the simulation of the RTD tests in 3D. The experimental results were compared to the computational data and the model was validated. Furthermore, more simulations were performed for extreme HRT/T values and HRT-T combinations and it was shown that the reactor functions either as a plug flow in low values of HRT/T, or as a CSTR in high HRT/T values.After the study of the hydrodynamic behavior of the pilot, anaerobic digestion and composting experiments were conducted. During the first experimental phase, the possibility of combined biogas and compost production from animal by-products was investigated, within the framework of the project “Development of a multiparametric model for optimizing energy planning on mountainous areas”. A mixture of different types of waste was produced considering the annual waste production of Metsovo, Greece, in a representative way. The mixture was subjected in a solids/liquid separation step. The extract was used as a feedstock for the production of biogas, while the solid fraction was used as substrate for the production of compost. By the experimental data acquired from the anaerobic co-digestion procedure it was proved that biogas can be produced from the extract at a rate of 21-30L/kgmixture, with an average methane content of 65-70% at an HRT of 6d. It was also shown that -through the optimization of the composting process- high quality fertilizer (compost) can be produced from the solid fraction of the pretreatment step (Germination Index 77.8%), mixed with sawdust (2:5 w/w sawdust per waste solid fraction).During the second experimental phase, the possibility of combined biogas and compost production from biodegradable household waste collected from the municipality of Halandri was investigated, within the framework of the european research project “WASTE4Think”, Horizon 2020. The food residue was shredded and dried leading to a novel product called FORBI (Food Residue Biomass). It was shown that biogas can be produced from the extract of FORBI at a maximum rate of 158L/kgFORBI at a minimum HRT of 10d. It was also proved that high quality fertilizer (compost) can be produced from the solid fraction of the pretreatment step (Germination Index 76.7%), mixed with sawdust. Furthermore, the possibility of biogas and compost production from FORBI, without the solids/liquid separation step. It was proved that the PABR is able to process the suspension of FORBI at a maximum biogas production rate of 531L/kgFORBI and an HRT of 5d. By the experimental data acquired during the FORBI composting procedure, it was shown that the temperature profile of the process is improved when the solids/liquid separation is not included, while the absence of the bulking agent (sawdust) has a negative effect on the maturity levels of the final product.Finally, mathematical modeling was conducted using Aquasim software, based on the experimental results of the anaerobic digestion experiments. Two types of mathematical models were developed (a simple Monod with a detailed simulation of the operation of the PABR and an ADM1 model based on the assumption that the PABR simulates the behavior of a CSTR) which were able to sufficiently simulate the behavior of the reactor, while describing the difference between the solids retention times and the hydraulic retention times in both cases.

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.