ΠΑΡΑΓΩΓΗ - ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΤΩΝ ΥΓΡΩΝ ΕΚΡΟΗΣ

- Μίγμα κυρίως CΗ 4 (55-75%), CΟ 2 (20-40%) & άλλων αερίων και υδρατμών (3-5%) - Ενεργειακό δυναμικό : 6-6,5 kWh/Nm 3 - Ισοδύναμο πετρέλαιο ντήζελ : 0,60-0,65 L/Nm 3 - Εκρηκτικό αέριο : 6-12% κ.ό, στον αέρα - Θερμοκρασία ανάφλεξης : ο C - Κανονική πυκνότητα : 1,2 kg/Nm 3 - Δεν υγροποιείται σε κανονικές συνθήκες ΒΙΟΑΕΡΙΟ (BIOGAS)

Ελεγχόμενη σταθερή αναερόβια (βιολογική) χώνευση με σταθερό οργανικό φορτίο και χρόνο παραμονής κάτω από συνθήκες ΣΤΑΘΕΡΟΥ - Φυσικού (θερμικού) Περιβάλλοντος -Μικροβιακού περιβάλλοντος - Χημικού περιβάλλοντος - Τεχνικού περιβάλλοντος Διαδικασία Παραγωγής Βιοαερίου

Φυσικό (θερμικό) Περιβάλλον Σταθερή θερμοκρασία υγρού περιεχομένου αναερόβιου χωνευτήρα ο C (Μεσόφιλη περιοχή) ο C (Θερμόφιλη περιοχή) ο C (Ψυχρόφιλη περιοχή) [περίπτωση ΑΧΑΔ] Ολικά στερεά υγρού περιεχομένου αναερόβιου χωνευτήρα μέχρι 10%

Μικροβιακό Περιβάλλον Μικτοί αναερόβιοι πληθυσμοί σε αλληλεξάρτηση μεταξύ τους Οι μικροοργανισμοί που συμμετέχουν στην αναερόβια βιολογική επεξεργασία διακρίνονται, με βάση το εύρος θερμοκρασίας ανάπτυξής τους, σε: Ψυχρόφιλους (10-20 ο C) Μεσόφιλους (20-45 o C) Θερμόφιλους (45-60 ο C)

Διεργασίες Δευτεροβάθμιας (Βιολογικής) Επεξεργασίας Η αναερόβια χώνευση οργανικών ουσιών είναι μια βαθμιδωτή βιολογική διεργασία, που λαμβάνει χώρα σε τρεις κύριες φάσεις, με τη δράση ειδικών ομάδων βακτηρίων, ως εξής:

Διεργασίες Δευτεροβάθμιας (Βιολογικής) Επεξεργασίας

Τα μεθανοβακτήρια και τα άλλα αναερόβια βακτήρια με τα οποία συνεργάζονται, ώστε να παραχθεί το μεθάνιο, κύριο συστατικό του φυσικού αερίου, είναι πολύτιμοι μικροοργανισμοί για τους ανώτερους οργανισμούς, καθόσον συμβιώνουν με αυτούς εγκατεστημένοι μόνιμα στο πεπτικό σωλήνα ανθρώπων και ζώων, βοηθώντας στην διάσπαση των τροφών. Τα βακτήρια αυτά, γνωστά και ως αρχαιοβακτήρια, άλλοτε κυρίαρχα του πλανήτη μας, έχουν πλέον περιοριστεί στα έγκατα της γης και γενικά σε μέρη, χωρίς οξυγόνο, από τότε που εμφανίστηκε η φωτοσύνθεση και το οξυγόνο στη γη. Με την παρουσία του οξυγόνου εμφανίστηκαν και τα αερόβια βακτήρια, τα οποία σύντομα κυριάρχησαν στον πλανήτη.

Σήμερα ο άνθρωπος χρησιμοποιεί δειλά δειλά τα αναερόβια βακτήρια για την παραγωγή ενέργειας, μέσω του βιοαερίου, ενώ ήδη εκμεταλλεύεται στο μέγιστο δυνατό βαθμό τα υπάρχοντα υπόγεια και υποθαλάσσια κοιτάσματα φυσικού αερίου και πετρελαίου. Η ανθρωπότητα δηλαδή σήμερα ζει και προοδεύει, λόγω της ύπαρξης και δράσης των αναερόβιων μικροβιακών πληθυσμών, με κύρια τα μεθανοβακτήρια Το ρυπαντικό φορτίο οργανικής προέλευσης των αποβλήτων των πτηνο-κτηνοτροφικών αποβλήτων συνιστά μια από τις πιο γνωστές και σταθερές πηγές παραγωγής βιοαερίου Το οργανικό φορτίο των ως άνω αποβλήτων, αλλά και γενικότερα αποβλήτων πλούσιων σε οργανικές ύλες, εκφρασμένο σε COD, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως η βάση υπολογισμού της θεωρητικής (max) απόδοσής του σε μεθάνιο, σύμφωνα με την εξώθερμη χημική αντίδραση

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + θερμότητα (212 kcal) (1 kmol ή 16 kg CH 4, όγκου 22,4 Nm 3 (20 o C & 1 atm) αντιστοιχούν σε κατανάλωση 2 kmol ή 64 kg Ο 2 ) Άρα : 22,4 /64 = 0,35 Νm 3 CH 4 /kg COD (καταναλισκώμενο) Παράδειγμα: Αν η τροφοδότηση ενός ΑΧ με οργανικό φορτίο 150 kg COD/ημ. αντιστοιχεί σε 35 Nm 3 CH 4 /ημ., αντί των 150 x 0,35 = 52,5 m 3 αναμενόμενων θεωρητικά, σημαίνει πως μόνο τα 35/0,35 = 100 kg COD καταναλώθηκαν πλήρως από τα 150 kg, συνεπώς η απόδοση του ΑΧ στη μείωση του οργανικού φορτίου είναι (100/150) x 100 = 67%. Σε πρακτικό επίπεδο συνήθως η παραγωγή μεθανίου υστερεί της ως άνω μέγιστης τιμής, καθόσον δεν είναι δυνατό να καταναλωθεί όλο το οργανικό φορτίο, αλλά μόνο το βιοαποδομήσιμο κλάσμα του και μάλιστα από αυτό όσο προλαβαίνει, μέσα στο χρονικό διάστημα παραμονής των αποβλήτων (ΥΧΠ) μέσα στον ΑΧ.

Αντίθετα, τα αερόβια βακτήρια έχουν διαφορετικό ρόλο, εξ ίσου απαραίτητο για την ύπαρξη και την πρόοδο της ανθρωπότητας. Χρησιμοποιούνται για τον καθαρισμό των αποβλήτων (βιολογικοί καθαρισμοί), λόγω της ικανότητάς τους να διασπούν πλήρως τις οργανικές ύλες προς ακίνδυνα για το περιβάλλον (ανόργανα) τελικά προϊόντα, έτοιμα να μπουν ξανά στον κύκλο ισορροπίας των ζωντανών οργανισμών. Ιδιαίτερα το CO2 που θεωρείται σήμερα ως το κύριο αέριο του ‘θερμοκηπίου’, δεν δημιουργεί πρόβλημα γιατί είναι ανακυκλώσιμο, μέσω της φωτοσύνθεσης, συγκριτικά με εκείνο που προέρχεται από την καύση συμβατικών καυσίμων. Στους βιολογικούς καθαρισμούς, τα αερόβια βακτήρια μετά την εξουδετέρωση του μεγαλύτερου μέρους του οργανικού φορτίου των αποβλήτων, δίνονται ως τροφή στα αναερόβια βακτήρια που τα ‘περιμένουν’ υπομονετικά στις εγκαταστάσεις ΑΧ για να τα καταναλώσουν και να τα μετατρέψουν σε νέα βιομάζα (αναερόβια), η οποία είναι πολύ μικρότερου όγκου, συγκριτικά με την αερόβια βιομάζα (ενεργό ιλύ).

Η χρησιμοποίηση των αερόβιων βακτηρίων στην επεξεργασία αποβλήτων είναι μια απαραίτητη, αλλά δαπανηρή επιλογή, καθόσον δρουν παρουσία διαλυμένου οξυγόνου στα υγρά των εγκαταστάσεων επεξεργασίας. Το τελευταίο είναι δυσδιάλυτο αέριο και η βίαιη διάλυσή του στα υγρά είναι μια αρκετά δαπανηρή διαδικασία. Από την άλλη όμως είναι μια διαδικασία που προσομοιάζει με εκείνη της φύσης στην βιο-εξουδετέρωση οργανικών αποβλήτων και ως εκ τούτου, αναντικατάστατη. Η πραγματικά όμως τεράστια συμβολή των φιλικών προς τον άνθρωπο και τα ζώα ως άνω αναερόβιων - αερόβιων μικροοργανισμών είναι τελικά η ανοργανοποίηση των νεκρών οργανικών υπολειμμάτων και το κλείσιμο του οικολογικού κύκλου ισορροπίας ζωντανών οργανισμών (Τεύχος 1 ο Πανεπιστημιακών Σημειώσεών).

Υγρό περιεχόμενο ΑΧ = Φυσικό ρυθμιστικό διάλυμα από : - Πτητικά οξέα (Οξικό οξύ, CH3COOH) - Αμμωνία (NH3) + Αμμώνιο (NH4+) - Ανθρακικό οξύ (Η2CO3) [CO2, HCO3-, CO3--] Σταθεροποίηση του pH >6,5 (Επιθυμητό εύρος : 7,0-8,0) Χημικό Περιβάλλον

Τυπική καμπύλη μεταβολής της τιμής του δείκτη β με το pH ενός διαλύματος οξικού οξέος και του άλατός του Καμπύλες τιμών του δείκτη β στην κλίμακα του pH, που οφείλονται στην παρουσία ασθενών οξέων και βάσεων σ’έναν αναερόβιο χωνευτήρα Πολλαπλά Συστήματα Ρυθμιστικών ΔιαλυμάτωνI

-b-value = ένταση ρυθμιστικού διαλύματος (πόσο ισχυρό είναι σε κάθε τιμή pH ή πόσο οξύ ή βάση χρειάζεται να προστεθεί για να μεταβληθεί το pH κατά μία μονάδα) - - Αλκαλικότητα : Πόσο οξύ χρειάζεται μέχρι να πέσει το pH στο 4,6 - - Διττανθρακική αλκαλικότητα : Πόσο οξύ χρειάζεται μέχρι να πέσει το pH στο 6,0

Προσδιορισμός της τιμής του δείκτη β από την καμπύλη τιτλοδότησης οξύτητας - αλκαλικότητας και προσομείωση του ‘κλειδώματος’ των τιμών pH μέσα στην καμπύλη αυτή σ’ ένα αναερόβιο χωνευτήρα Πολλαπλά Συστήματα Ρυθμιστικών Διαλυμάτων ΙI

Τεχνικό Περιβάλλον Αντλία τροφοδοσίας του ΑΧ Εξωτερική θερμομόνωση του ΑΧ Σύστημα μηχανικής ανάδευσης υγρού περιεχομένου ΑΧ Σύστημα απομάκρυνσης υγρών (αντλία ή υπερχειλιστής) Προσωρινή αποθήκευση βιοαερίου Σύστημα αφύγρανσης και αποθείωσης βιοαερίου Μέσα ελέγχου (μετρητής βιοαερίου, συστήματα ασφάλειας, συναγερμός, παγίδες φλόγας, σωλήνας εκτόνωσης πίεσης, πυρσός, αυτοματισμοί, ηλεκτροβάνες, αισθητήρες θερμοκρασίας υγρών ΑΧ, σωληνώσεις, κλπ.) Εγκατάσταση καύσης του βιοαερίου για παραγωγή θερμότητας (θέρμανση και του ΑΧ) ή για συμπαραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας) Χημικό εργαστήριο

Παράμετροι Σχεδιασμού & Ελέγχου Λειτουργίας – Απόδοσης των Αναερόβιων Χωνευτήρων (Ι) α) Επιλογή α’ υλών : Μίγματα υλών πλούσιων σε οργανικό C και υλών πλούσιων σε ανόργανο Ν β) Αναλογία άνθρακα προς άζωτο (C/N) ή λόγος ΠΣ c /ΠΣ Ν γ) Θρεπτικά συστατικά – Τοξικότητα μίγματος τροφοδοσίας δ) Ρυπαντικό (οργανικό) φορτίο του μίγματος τροφοδοσίας S o (kg ΠΣ ή COD/m 3 μίγματος )

ε) Υδραυλικός χρόνος παραμονής μίγματος (ΥΧΠ ή Θ σε ημέρες) [Vχων = Θ x Qμίγματος] στ) Ογκομετρική οργανική φόρτιση ΟΟΦ= S o /Θ (kg COD ή ΠΣ/m 3 χων - ημέρα) ζ) Θερμοκρασία χώνευσης, ( ο C), pH [καθημερινά] η) Αλκαλικότητα, b-values θ) Πτητικά λιπαρά οξέα (σύνολο και σχέση οξικού με λοιπά οξέα) ι) Ολικό ανόργανο άζωτο ΤΚΝ = (NΗ3-Ν + ΝΗ4-Ν)

Παράμετροι Σχεδιασμού & Ελέγχου Λειτουργίας – Απόδοσης των Αναερόβιων Χωνευτήρων (ΑΧ) ΙΙ α) Ογκομετρική παραγωγή βιοαερίου/μεθανίου, (ΟΠΒ/ΟΠΜ) (Νm 3 /m 3 χων - ημέρα) στους 20 ο C & 1 atm β) Ειδική παραγωγή βιοαερίου/μεθανίου (ΕΠΒ/ΕΠΜ) (Νm 3 /kg ΠΣ in ή COD in ) στους 20 ο C & 1 atm γ) Ο.Σ., Π.Σ., COD, ΒΟD5 υγρών εκροής δ) Ελάττωση ρυπαντικού (οργανικού) φορτίου μίγματος τροφοδοσίας (Φ%) Φ(%)ΟΣ = (Ο.Σ.in – Ο.Σ.οut / Ο.Σ.in) x 100

Δυναμικότητα όρνιθες αβγοπαραγωγής Όγκος αποβλήτων (ημιστερεής μορφής) 10,00 m 3 /ημέρα Μέγιστη ογκομετρική παραγωγή CH 4 Ογκομετρική φόρτιση 1,67 m 3 /m 3 χων -ημέρα (35 ο C, 1 atm) 3,40 kg ΠΣ/m 3 χων -ημέρα Σχέση Π.Σ. ορ / Π.Σ. απ 1,6 kg/1,0 kg Περιεκτικότητα βιοαερίου σε CH 4 61,50% Πτητικά στερεά αποβλήτων (Π.Σ. απ ) Πτητικά στερεά ορού (Π.Σ.ορ ) 16,4% 4,88% Σύνολο πτητικών στερεών αποβλήτων Σύνολο πτητικών στερεών ορού x 0,1640 = kg Π.Σ. απ /ημέρα x 1,6 = kg Π.Σ. ορ /ημέρα Απαιτούμενη ποσότητα ορού γιαουρτιού2.624 / (0,0488 x 1.000) = 53,77 m 3 /ημέρα Συνολική ποσότητα μίγματος αποβλήτων & ορού στον αναερόβιο χωνευτήρα 10, ,77 = 63,77 m 3 /ημέρα Χρόνος παραμονής (Θ)20 ημέρες Ωφέλιμος όγκος αναερόβιου χωνευτήρα Τελικός όγκος αναερόβιου χωνευτήρα 63,77 x 20 = m x 1,18 = m 3 Συνολική παραγωγή μεθανίου Συνολική παραγωγή βιοαερίου 1,67 m 3 /m 3 χων x = m 3 /ημέρα / 0,615 = m 3 /ημέρα Ανάγκες θέρμανσης χωνευτήρα και γενικά απώλειες μεθανίου (35 o C) (άριστο πάχος μόνωσης με αφρό πολυουρεθάνης 10,0 cm) 300 m 3 /ημέρα (2 κατακόρυφοι των 750 m 3 ο ένας, τύπου σιλό) Διαθέσιμο ‘καθαρό’ μεθάνιο για εκμετάλλευση μετά την αφαίρεση των απωλειών Ισοδύναμη ποσότητα πετρελαίου ντήζελ = m x / = L/ημέρα

Παραγωγή μεθανίου από υγρά διαχωρισμού αποβλήτων χοιροστασίου και βουστασίου για διάφορες τιμές οργανικού φορτίου (Γεωργακάκης, 1985, Χριστοπούλου, 2004, Κακούρος, 2009, Καττή, 2010) Παραγωγή μεθανίου από υγρά διαχωρισμού αποβλήτων χοιροστασίου αναμιγμένα με τυρόγαλα στη θερμόφιλη και μεσόφιλη περιοχή (Κακούρος, 2009, Δρούγα, 2009)

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΓΕΩΡΓΙΚΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ( & ) Δοκιμές αριστοποίησης της παραγωγής βιοαερίου από διάφορα υποστρώματα [(ΟΟΦ vs λόγου Π.Σ., ΥΧΠ, ΟΠΒ, ΟΠΜ)] 1.Υγρά Δ/Χ αποβλήτων χοιροστασίου και βουστασίου 2. Αραιωμένα στερεά απόβλητα πτηνοτροφείων αβγοπαραγωγής α. Χωρίς μηχανικό Δ/Χ και β. Μετά από μηχανικό Δ/Χ 3. Μίγματα των παραπάνω αζωτούχων υποστρωμάτων μετά από μηχανικό Δ/Χ με : α. Τυρόγαλα, β. Λιοζούμια 3φ και 2φ ελαιοτριβείων γ. Ορό στραγγιστού γιαουρτιού δ. Ενσίρωμα αραβοσίτου (ως έχει σε μπάλες ή εκχύλισμα με νερό)

Κλειστού τύπου εγκαταστάσεις - Θερμικά μονωμένες - Θερμαινόμενες - Αεροστεγείς - Υδατοστεγείς Εγκαταστάσεις Παραγωγής Βιοαερίου [Αναερόβιοι Χωνευτήρες ή Βιοαντιδραστήρες] Καθημερινή τροφοδοσία με σταθερό οργανικό φορτίο Καθημερινή εκροή χωνεμένων υγρών Ανάγκη πρόσθετης επεξεργασίας τους πριν διατεθούν στο ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ (εδαφικούς αποδέκτες)

Τυπική εγκατάσταση παραγωγής βιοαερίου [FAO - SREN, 2002]

Οι εγκαταστάσεις των πειραματικών αναερόβιων χωνευτήρων παραγωγής βιοαερίου στο Εργαστήριο Γεωργικών Κατασκευών του Γ.Π.Α.

ΤΥΠΙΚΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΧΕΙΡΙΣΜΟΥ ΠΤΗΝΟ- ΚΤΗΝΟΤΡΟΦΙΚΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ (ΒΟΥΣΤΑΣΙΩΝ, ΧΟΙΡΟΣΤΑΣΙΩΝ, ΠΤΗΝΟΤΡΟΦΕΙΩΝ) ΜΕ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗΣ ΜΟΝΑΔΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΑ ΑΝΤΙ ΤΗΣ Α’ ΑΧΑΔ