Επεξεργασία και διαχείριση στερεών αποβλήτων

Παρουσίαση με θέμα: "Επεξεργασία και διαχείριση στερεών αποβλήτων"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Επεξεργασία και διαχείριση στερεών αποβλήτων
Ενότητα 8: Αναερόβια ζύμωση. Μουσιόπουλος Νικόλαος Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών

2 Περιεχόμενα ενότητας Παραγωγή ενέργειας από μονάδες αναερόβιας ζύμωσης. Διεργασία αναερόβιας ζύμωσης. Ανάκτηση ενέργειας και υλικών. Ταξινόμηση και τεχνολογία αντιδραστήρων. Παραγωγή βιοαερίου. Επεξεργασία ζυμωμένου υποστρώματος. Κόστος επεξεργασίας.

3 Σκοποί ενότητας Βασικά χαρακτηριστικά. Εφαρμογές βελτιωτικού εδάφους.
Σκοποί ενότητας Βασικά χαρακτηριστικά. Εφαρμογές βελτιωτικού εδάφους. Στάδια αναερόβιας ζύμωσης. Παράγοντες σχεδιασμού. Κόστος.

4 Αναερόβια ζύμωση Σε παγκόσμιο επίπεδο υπήρχαν το 2000 πάνω από 115 μονάδες αναερόβιας ζύμωσης που τροφοδοτούνται με δημοτικά στερεά ή βιομηχανικά απόβλητα. Η συνολική ετήσια δυναμικότητα των παραπάνω μονάδων έφθανε τους τόνους ΑΣΑ για το έτος σε σύγκριση με τους τόνους το 1990, δηλαδή μια αύξηση της τάξης του 750%. Πηγή: 31/10/16

5 Τυπική ανάλυση βιοαερίου από την αναερόβια ζύμωση
Πηγή: 31/10/2016

6 Παραγωγή ενέργεια από μονάδες αναερόβιας ζύμωσης
Oι μονάδες αναερόβιας ζύμωσης που λειτουργούσαν το 2000 στην ΕΕ είχαν συνολική δυνατότητα παραγωγής ισχύος της τάξης των 300 MW. Το έτος 2010 η εγκατεστημένη ισχύς αναμένονταν να φτάσει τα 2000 MW.

7 Διεργασία αναερόβιας ζύμωσης
Κατά τη διάρκεια της ζύμωσης, η διάσπαση των οργανικών ουσιών γίνεται με απουσία οξυγόνου, μέσα σε έναν απολύτως κλειστό αντιδραστήρα. Επειδή τα οργανικά απόβλητα έχουν συνήθως ένα περιεχόμενο σε στερεά ουσία από 20-25% κ.β., πρέπει να παραμείνουν σε νερό πριν από τη ζύμωση.

8 Φάσεις αναερόβιας ζύμωσης
Διεργασία υδρόλυσης. Αερόβια βακτήρια που ήδη υπάρχουν ξεκινούν την υδρόλυση και τη διάσπαση των πτητικών οργανικών ουσιών. Το διαλυμένο οξυγόνο καταναλώνεται από τα βακτήρια, ενώ ανάγονται οι νιτρικές και θειικές ενώσεις και μειώνεται η τιμή του pH. Διεργασία μεθανοποίησης. Μεθανοβακτήρια χωνεύουν τα προϊόντα του μεταβολισμού της πρώτης φάσης. Η τιμή αυτή στο ζυμωμένο υλικό κυμαίνεται μεταξύ 7,5 - 8,5.

9 Διεργασία αναερόβιας ζύμωσης οργανικών αποβλήτων
Πηγή: Μαγουλάς, 2015

10 Ποσοτικά στοιχεία εισόδου
Τα Βιοαποικοδομήσιμα Απόβλητα (οργανικό κλάσμα / ζυμώσιμα και χαρτί χαρτόνι) και τα Βιοαπόβλητα (οργανικά κλάσμα / ζυμώσιμα) που είναι κατάλληλα για αναερόβια ζύμωση μπορεί να έχουν συλλεχθεί ως μικτά ΑΣΑ ή από ΔσΠ.

11 Απόβλητα που τροφοδοτούν τον αντιδραστήρα
α) ΑΣΑ που έχουν υποστεί επεξεργασία σε ΕΜΑΚ, β) Βιοαπόβλητα από προγράμματα ΔσΠ, γ) απόβλητα κήπων και πάρκων, δ) απόβλητα που προέρχονται από εμπορικές και βιοτεχνικές δραστηριότητες και ε) απόβλητα από συγκεκριμένες βιομηχανίες που βρίσκονται στα όρια του δήμου (π.χ. βιομηχανίες τροφίμων, βιομηχανίες που παράγουν συσκευασίες προϊόντων κ.ά.).

12 Όφελος της αναερόβιας ζύμωσης
Η παραγωγή του μεθανίου, χωρίς όμως να παραλειφθεί το στερεό υπόλειμμα της διεργασίας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εδαφοβελτιωτικό, αυξάνοντας έτσι τα οικονομικά οφέλη της διεργασίας. Για να αυξηθεί η ποιότητα του τελικού προϊόντος γίνεται συνήθως διαχωρισμός των ανακυκλώσιμων ή ανεπιθύμητων υλικών από τα εισερχόμενα απόβλητα, πριν αυτά διοχετευτούν στον αντιδραστήρα.

13 Ανάκτηση υλικών Διαχωρίζονται υλικά, όπως το χαρτί, το γυαλί, τα σιδηρούχα μέταλλα, τα μη σιδηρούχα μέταλλα και τα πλαστικά, τα οποία οδηγούνται στη συνέχεια στις κατάλληλες αγορές. Βασικός παράγοντας για την ανάκτηση κάποιας κατηγορίας υλικών είναι η δυνατότητα απορρόφησής του από την αγορά και στη συνέχεια ο βαθμός ανάκτησης και η ποιότητα του ανακτώμενου υλικού. Για το μηχανικό διαχωρισμό των παραπάνω υλικών χρησιμοποιούνται ως επί το πλείστον κοχλιόμυλοι, περιστρεφόμενα κόσκινα, μαγνητικοί διαχωριστές, δεξαμενές αιώρησης-διαχωρισμού, αεροδιαχωριστές και υδροκυκλώνια.

14 Ταξινόμηση και τεχνολογία αντιδραστήρων (1/4)
Διαφορετικά συστήματα μπορούν να διαχειριστούν διαφορετικά ποσοστά στερεού σε υγρό, και ενώ οι μέσοι λόγοι είναι 15-25% (υγρή ζύμωση), συγκεκριμένες τεχνολογίες χρησιμοποιούν στερεά έως και 30% (ξηρή ζύμωση). Υπάρχει διαχωρισμός μεταξύ «υγρής» και «ξηρής» τεχνολογίας όσον αφορά στην εγκατεστημένη δυναμικότητα.

15 Ταξινόμηση και τεχνολογία αντιδραστήρων (2/4)
Η ζύμωση μπορεί να πραγματοποιηθεί σε ένα από τα δύο διαφορετικά εύρη θερμοκρασιών, στους οC (μεσόφιλο εύρος) ή στην υψηλότερη (θερμόφιλη) θερμοκρασία των 55 οC. Οι περισσότεροι αντιδραστήρες αποτελούνται από έναν κλειστό θάλαμο (μονοφασικό σύστημα), αλλά είναι πιθανόν η διεργασία της ζύμωσης να συντελείται σε δύο φάσεις, όπου η υδρόλυση και η παραγωγή μεθανίου γίνονται σε διαφορετικούς θαλάμους αντίδρασης, αν και αυτή η τεχνική εφαρμόζεται μόνο από το 10% των αντιδραστήρων.

16 Ταξινόμηση και τεχνολογία αντιδραστήρων (3/4)
Τα απόβλητα παραμένουν στον αντιδραστήρα για περιόδους που ποικίλουν μεταξύ ημερών ανάλογα με τη χρησιμοποιούμενη τεχνολογία, τις εξωτερικές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας και άλλες μεταβλητές όπως η σύσταση των αποβλήτων. Οι ταχύτητες διάσπασης των αποβλήτων είναι πάρα πολύ μεγάλες στην περιοχή των θερμοκρασιών στις οποίες τα μεθανοβακτήρια έχουν την καλύτερη δραστικότητά τους.

17 Ταξινόμηση και τεχνολογία αντιδραστήρων (3/4)
Εκτός από τη θερμοκρασία, η ταχύτητα διάσπασης εξαρτάται κυρίως από την πτητικότητα των οργανικών ενώσεων και το ειδικό οργανικό φορτίο του αντιδραστήρα (δηλ. κιλά οργανικής ξηράς ουσίας ανά κυβικό μέτρο όγκου στον αντιδραστήρα). Στην Ευρώπη βρίσκονται σε λειτουργία τόσο μεσόφιλες όσο και θερμόφιλες διεργασίες με το 63% της δυναμικότητας να λειτουργεί στο μεσόφιλο εύρος.

18 Παραγωγή βιοαερίου Ανεξάρτητα από τη μέθοδο αναερόβιας ζύμωσης που χρησιμοποιείται, τα βασικά ερωτήματα που προκύπτουν είναι: η ποσότητα του βιοαερίου που μπορεί να παραχθεί και όταν αυτό χρησιμοποιηθεί για παραγωγή ενέργειας τα έσοδα που θα προκύψουν από τη λειτουργία της μονάδας.

19 Επεξεργασία του ζυμωμένου υποστρώματος
Μετά την ολοκλήρωση της αναερόβιας βιολογικής αποδόμησης του οργανικού υλικού μέσα στον αντιδραστήρα, το στερεό υπόλειμμα (ζυμωμένο υλικό) απαιτεί περαιτέρω επεξεργασία έτσι ώστε να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά ως κομπόστ. Η επεξεργασία αυτή είναι αερόβια.

20 Διεργασία κομποστοποίησης των οργανικών αποβλήτων
ΑΣΑ προς μονάδες μηχανικού διαχωρισμού: μη ικανοποιητική ποιότητα τελικού προϊόντος εξαιτίας παρουσίας βαρέων μετάλλων και επικίνδυνων τοξικών ουσιών. ΑΣΑ από ΔσΠ προς μονάδες μηχανικού διαχωρισμού: Παραγωγή υψηλής ποιότητας κομπόστ. Απελευθέρωση της πρώτης ύλης από τις σακούλες. Απομάκρυνση ανεπιθύμητων υλικών. Ρύθμιση χαρακτηριστικών (μέγεθος, λόγος C/N, υγρασία, θρεπτικά συστατικά). Πηγή: 31/10/2016

21 Διεργασίες αναερόβιας ζύμωσης των οργανικών στερεών αποβλήτων
Το αυξανόμενο ενδιαφέρον για την αναερόβια ζύμωση ως διεργασία επεξεργασίας αποβλήτων είχε σαν συνέπεια την κατασκευή διαφόρων τύπων αντιδραστήρων που λειτουργούν είτε σε θερμόφιλες είτε σε μεσόφιλες θερμοκρασίες.

22 Διεργασία Waasa Η δυναμικότητα των μονάδων κυμαίνεται μεταξύ τόνων ανά έτος, ενώ οι συνθήκες λειτουργίας μπορεί να είναι είτε θερμόφιλες είτε μεσόφιλες. Στη μονάδα της Waasa λειτουργούν παράλληλα και οι δύο τύποι διεργασιών, με τη θερμόφιλη διεργασία να έχει ένα χρόνο παραμονής 10 ημέρες σε σύγκριση με τις 20 ημέρες του μεσόφιλου σχεδιασμού. Η απόδοση της λειτουργίας συνίσταται στην παραγωγή m3 βιοαερίου ανά τόνο εισερχόμενων αποβλήτων, τη μείωση του όγκου κατά 60%, τη μείωση του βάρους κατά % και μια εσωτερική κατανάλωση βιοαερίου 20-30%.

23 Διάγραμμα ροής της διεργασίας Waasa
Πηγή:

24 Διεργασία Valorga Το σύστημα λειτουργεί τυπικά με περιεχόμενο σε στερεά ουσία 25-35% κ.β. και χρόνους παραμονής ημέρες. Οι αντιδραστήρες είναι κάθετοι κύλινδροι με πλαϊνές τροχιές, για την κυκλοφορία του ζυμωμένου υλικού. H παραγόμενη ποσότητα βιοαερίου κυμαίνεται μεταξύ m3 ανά τόνο συνολικών πτητικών στερεών (TVS) που εισέρχονται στον αντιδραστήρα ή μεταξύ m3 ανά τόνο εισερχόμενων αποβλήτων, ανάλογα με το είδος τους. Το παραγόμενο βιοαέριο περιέχει μεθάνιο κατά 55-60%, αλλά όταν καθαριστεί, το μεθάνιο φτάνει μέχρι και το 97%.

25 Ο αντιδραστήρας της μεθόδου Valorga
Πηγή:

26 Διεργασία Dranco Η διεργασία λειτουργεί κάτω από θερμόφιλες και ξηρές συνθήκες, με ένα περιεχόμενο σε στερεά συστατικά στον αντιδραστήρα μεταξύ 15 και 40% κ.β. Κατά τη διάρκεια της ανάμιξης προσδίδεται θερμότητα για να επιτευχθεί η θερμοκρασία των 50 – 55 οC, η οποία είναι απαραίτητη για τη θερμόφιλη αντίδραση. Η ζύμωση λαμβάνει χώρα σε ένα κατακόρυφο αντιδραστήρα, ο οποίος είναι κατασκευασμένος από χάλυβα. Ο αντιδραστήρας τροφοδοτείται από την κορυφή, ενώ το υπόλειμμα εξάγεται από τον πυθμένα. Ο χρόνος παραμονής των αποβλήτων στον αντιδραστήρα είναι περίπου 20 ημέρες. Η παραγωγή βιοαερίου κυμαίνεται μεταξύ m3 ανά τόνο εισερχόμενων ΑΣΑ.

27 Διάγραμμα ροής της διεργασίας Dranco
Πηγή: 31/10/2016

28 Διεργασία Kompogas Δέχεται οργανικά απόβλητα από σύστημα ΔσΠ.
Δέχεται οργανικά απόβλητα από σύστημα ΔσΠ. Λειτουργεί σε θερμοκρασίες οC και το περιεχόμενο σε στερεά συστατικά εναι υψηλό. Το παραγόμενο βιοαέριο (0,1 m3 αερίου ανά kg οργανικού αποβλήτου) υφίσταται επεξεργασία και αποθηκεύεται σε αεριοφυλάκιο.

29 Διάγραμμα ροής της διεργασίας Kompogas
Πηγή:

30 Διεργασία BTA Για μονάδες με δυναμικότητα πάνω από τόνους ανά έτος αναπτύχθηκε η πολυφασική ζύμωση κατά την οποία διαχωρίζεται ο πολτός σε στερεή και υγρή φάση με τη χρήση φυγοκεντρικού διαχωριστή. Η υγρή φάση οδηγείται απ’ ευθείας στον αντιδραστήρα όπου παραμένει 2 μέρες μέχρι να υποστεί μεθανοποίηση. Το βιοαέριο αποτελείται από μεθάνιο % κ.ό. Η παραγωγή βιοαερίου καλύπτει τις ενεργειακές ανάγκες της μονάδας και το πλεόνασμα μπορεί να μετατραπεί σε θερμότητα και ηλεκτρισμό. Το κομπόστ σύμφωνα με τη μέθοδο ΒΤΑ προκύπτει μετά από αερόβια επεξεργασία που διαρκεί 1-3 εβδομάδες. Λόγω του υψηλού ποσοστού σε οργανικές ύλες και θρεπτικά συστατικά, αλλά και λόγω του χαμηλού περιεχόμενου σε άλατα και βαρέα μέταλλα, το υλικό αυτό βρίσκει μεγάλο εύρος εφαρμογών στον αγροτικό και φυτοκομικό τομέα.

31 Διάγραμμα ροής της διεργασίας BTA
Πηγή:

32 Κόστος επεξεργασίας ΑΣΑ σε μονάδες αναερόβιας ζύμωσης
Το κόστος επεξεργασίας των αποβλήτων εξαρτάται από τη δυναμικότητα της μονάδας και το είδος της διεργασίας που ακολουθείται. Το κόστος επεξεργασίας δίνεται σε συνάρτηση με τη δυναμικότητα της μονάδας. Για μικρές δυναμικότητες μονάδων το κόστος ανά τόνο παραμένει υψηλό, ενώ μειώνεται αισθητά με αύξηση της δυναμικότητας. Όπως προκύπτει, η εξέλιξη της τεχνολογίας με την πάροδο των χρόνων και η ανάπτυξη νέων μεθόδων επεξεργασίας των οργανικών αποβλήτων βοηθούν στην περαιτέρω μείωσή του.

33 Ακριβείς τιμές και τάσεις του κόστους επεξεργασίας αποβλήτων
Πηγή: 31/10/2016

34 Πλεονεκτήματα της αναερόβιας ζύμωσης
Η ύπαρξη ενός κλειστού συστήματος που καθιστά δυνατή τη συλλογή και εκμετάλλευση του παραγόμενου βιοαερίου, σε αντίθεση με τους χώρους διάθεσης όπου συλλέγεται μόνο το % της συνολικής παραγόμενης ποσότητας βιοαερίου. Το βιοαέριο που παράγεται σε μονάδα περιέχει περισσότερο μεθάνιο και επομένως έχει μεγαλύτερη θερμογόνο δύναμη. Καθίσταται δυνατή η ανάκτηση υλικών (κομπόστ). Η διαδικασία της βιοαποδόμησης είναι ταχύτερη από την αντίστοιχη των χώρων διάθεσης, όπου ορισμένα υλικά συνεχίζουν να βιοαποδομούνται μέχρι και 100 χρόνια. Οι μονάδες είναι ερμητικά κλεισμένες οπότε αποφεύγεται η εκπομπή οσμών. Οι απαιτούμενες εκτάσεις είναι πολύ μικρότερες από αυτές των χώρων διάθεσης.

35 Μειονεκτήματα της αναερόβιας ζύμωσης
Υψηλότερο κόστος συλλογής του βιοαερίου από το αντίστοιχο ενός χώρου διάθεσης. Πολύπλοκη τεχνολογία και απαίτηση συνεχούς επίβλεψης. Επεξεργασία των υγρών αποβλήτων σε μονάδα βιολογικού καθαρισμού.