Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας, η οποία πραγματοποιήθηκε στο
Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, είναι η
διερεύνηση της απόδοσης συστήματος αναερόβιας χώνευσης μίγματος ιλύος και
όξινου ορού.
Για το σκοπό αυτό, πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε δύο διαφορετικά μεταξύ τους
συστήματα αναερόβιας επεξεργασίας. Συγκεκριμένα, τα δύο είδη συστημάτων που
χρησιμοποιήθηκαν αποτελούνται από αντιδραστήρες διαλείποντος έργου και
αντιδραστήρες συνεχούς ροής. Καθ’ όλη τη διάρκεια των πειραμάτων η λειτουργία
των αντιδραστήρων ελέγχονταν μέσω φυσικo-χημικών και βιοχημικών αναλύσεων.
Στους αντιδραστήρες διαλείποντος έργου πραγματοποιήθηκε διερεύνηση του
δυναμικού παραγωγής μεθανίου (BMP) σε διαφορετικούς συνδυασμούς
υποστρωμάτων και διαφορετική ποσόστωση αυτών. Συγκεκριμένα,
χρησιμοποιήθηκε πρωτοβάθμια παχυμένη ιλύς και όξινος ορός γάλακτος, ενώ
διερευνήθηκε η απόδοση του συστήματος ύστερα από την προσθήκη
βιοεξανθρακώματος (biochar). Τέλος, για τον προσδιορισμό των διάφορων κινητικών
παραμέτρων έγινε χρήση του τροποποιημένου μοντέλου Gompertz. Στα πειράματα
με τους αντιδραστήρες πλήρους μίξης, όπου η ροή ήταν συνεχής, πραγματοποιήθηκε
διερεύνηση της απόδοσης των χωνευτών με βάση την παραγωγή βιοαερίου. Πιο
αναλυτικά, ο αντιδραστήρας Α λειτουργούσε έχοντας ως υπόστρωμα τροφοδοσίας
πρωτοβάθμια παχυμένη ιλύ και όξινο ορό γάλακτος σε ποσόστωση 70-30 % (σε όρους
πτητικών στερεών) και ο αντιδραστήρας Β λειτουργούσε αποκλειστικά με
πρωτοβάθμια παχυμένη ιλύ ως υπόστρωμα τροφοδοσίας.
Η απόδοση των χωνευτών αξιολογήθηκε με βάση την παραγωγή του βιοαερίου και
του μεθανίου αντίστοιχα, την καταστροφή των πτητικών στερεών και την
απομάκρυνση του ολικού COD, ενώ τα λειτουργικά χαρακτηριστικά που εξετάστηκαν
ήταν η θερμοκρασία, το pH, η συγκέντρωση των πτητικών λιπαρών οξέων, καθώς και
η συγκέντρωση της αμμωνίας. Τέλος, εξετάστηκε η συγκέντρωση της αλκαλικότητας
και ταυτόχρονα ο λόγος των πτητικών λιπαρών οξέων προς την αλκαλικότητα, ο
vi
οποίος αποτελεί ένας σημαντικός δείκτης ελέγχου της λειτουργίας των
αντιδραστήρων.
Όσον αφορά στα πειράματα προσδιορισμού βιοχημικού δυναμικού μεθανίου, τα
βασικά συμπεράσματα, τα οποία προέκυψαν, είναι πως, όσο μεγαλώνει το ποσοστό
του όξινου ορού γάλακτος σε όρους οργανικών στερεών, τόσο αυξάνεται η
κατανάλωση των πτητικών στερεών και του ολικού COD, ενώ ταυτόχρονα
παρατηρείται μείωση της συνολικής παραγωγής μεθανίου, ωστόσο, στον τρίτο
πειραματικό κύκλο, παρατηρείται μεγαλύτερη παραγωγή μεθανίου όσο μεγαλώνει
το ποσοστό του όξινου ορού γάλακτος. Τα αποτελέσματα του τρίτου πειραματικού
κύκλου, έρχονται σε αντίθεση με τα αποτελέσματα του πρώτου και δεύτερου
πειραματικού κύκλου, ωστόσο, η σύγκριση του τρίτου πειραματικού κύκλου με τους
δύο πρώτους δεν ενδείκνυται, λόγω της χρήσης εμβολίου από αναερόβιο
βιοαντιδραστήρα, όπου εφαρμόζεται η μέθοδος της θερμικής υδρόλυσης. Τέλος,
όσον αφορά την προσθήκη biochar προκύπτει το συμπέρασμα πως βελτιώνει την
παραγωγή μεθανίου και παράλληλα οδηγεί στην σημαντική μείωση του χρόνου της
φάσης υστέρησης.
Σχετικά με τα πειράματα στους αντιδραστήρες συνεχούς ροής, τα βασικά
συμπεράσματα, τα οποία προέκυψαν, είναι πως, η απότομη πτώση του pH αποτελεί
ένδειξη αστάθειας της αναερόβιας χώνευσης, η οποία οφείλεται στην συσσώρευση
πτητικών λιπαρών οξέων και στην πτώση της αλκαλικότητας. Επιπλέον,
παρατηρήθηκε πως αύξηση της οργανικής φόρτισης οδήγησε σε αύξηση της
παραγωγής βιοαερίου και ταυτόχρονα σε αύξηση της περιεκτικότητας του βιοαερίου
σε μεθάνιο. Παρατηρήθηκε πως η τροφοδοσία των αντιδραστήρων με μίγμα
παχυμένης ιλύος και ορού γάλακτος, οδηγεί στη μείωση της περιεκτικότητας του
βιοαερίου σε μεθάνιο, ωστόσο επειδή η παραγωγή του βιοαερίου στους πρώτους
είναι αρκετά μεγαλύτερη σε σχέση με τους αντιδραστήρες τροφοδοσίας μονού
υποστρώματος, η πτώση αυτή υπερκεράζεται. Το γεγονός αυτό αναδεικνύει τα
πλεονεκτήματα της αναερόβιας συγχώνευσης, όπως αυτά παρουσιάζονται στην
διεθνή βιβλιογραφία.
(EL)
The aim of this thesis, which was carried out at the Sanitary Engineering Laboratory
(SEL) of the National Technical University of Athens, is to investigate the codigestibility of Sewage Sludge and Acidic Cheese Whey.
For this purpose, experiments were carried out in two different anaerobic treatment
systems. Specifically, the two types of systems used consist of Batch system reactors
and Continuous Stirring Tank Reactors (CSTR) with continuous flow. Throughout the
experiments, the operation of the reactors was monitored through physico-chemical
analyses. The BioMethane Potential (BMP) in different combinations of substrates and
their different quantification was investigated in the batch reactors. Specifically,
primary thickened sludge and acidic cheese whey were used, while the performance
of the system after the addition of biochar was also investigated. Finally, the modified
Gompertz model was used to determine the various kinetic parameters. In the
experiments with the CSTR, the performance of the digesters was investigated based
on biogas production. Furthermore, reactor A was operated with primary thickened
sludge and cheese whey ratio of 70-30% (in terms of volatile solids) and reactor B
operated exclusively with primary sludge as feedstock.
The digester’s performance was evaluated on the basis of biogas and methane
production respectively, volatile solids destruction and total COD destruction, while
the functional examined characteristics were temperature, pH, concentration of
volatile fatty acids, and ammonia concentration. Finally, the concentration of alkalinity
and, at the same time, the ratio of volatile fatty acids to alkalinity were examined,
which is an important indicator of the proper functioning of the reactors.
The processing of the laboratory results led to the following conclusions:
In the experiments to determine the biomethane potential, it was found above all that
the higher the proportion of acid whey in terms of organic solids, the higher the
consumption of volatile solids and total COD, while at the same time there is a
decrease in total methane production, but a higher production is observed compared
to single-substrate feed reactors. This conclusion, is in contrast to the results of the
viii
last cycle, but the comparison of different experimental cycles is not appropriate due
to the fact that the reactors are fed with a different inoculum each time. Finally, the
addition of biochar improvesthe total methane production and at the same time leads
to a significant reduction of the lag phase.
During the experiments in the CSTR reactors, the main conclusions that emerged are
that a sudden drop in pH is an indication of anaerobic digestion instability due to the
accumulation of volatile fatty acids and a drop in alkalinity. Furthermore, it was
observed that an increase in organic loading rate led to an increase in biogas
production and at the same time increased the methane content of the biogas. It was
observed that feeding the reactors with a mixture of thickened sludge and whey led
to a decrease in the methane content of the biogas. However, because the production
of biogas in the reactors with thickened sludge and acidic cheese whey is considerably
higher than the reactors with only one substrate this decrease is compensated. This
fact highlights the advantages of anaerobic co-digestion as described in the
international literature.
(EN)
National Technical University of Athens
