Στην παρούσα εργασία, μελετήθηκε η διεργασία αναερόβιας χώνευσης ληγμένων γαλακτοκομικών προϊόντων καθώς και η συγχώνευσή τους με αγροτοκτηνοτροφικά απόβλητα. Αρχικά πραγματοποιήθηκε ο χαρακτηρισμός των αποβλήτων και των ληγμένων γαλακτοκομικών προϊόντων που χρησιμοποιήθηκαν.
Σε επόμενο στάδιο έλαβαν χώρα πειράματα Βιοχημικού Μεθανογόνου Δυναμικού (BMP) με σκοπό τον καθορισμό του μεθανογόνου δυναμικού και την αξιολόγηση των υποστρωμάτων που αργότερα θα χρησιμοποιούνταν στους μεθανογόνους CSTR αντιδραστήρες. Μελετήθηκε έτσι η επίδραση της αύξησης της ποσότητας επεξεργασμένων και ανεπεξέργαστων γαλακτοκομικών προϊόντων που αντιστοιχούσε σε αύξηση της οργανικής φόρτισης με προσθήκη γαλακτοκομικών προϊόντων για τα συστήματα συνεχούς λειτουργίας. Σύμφωνα με τα πειράματα BMP, τα υποστρώματα με οξινισμένα γαλακτοκομικά προϊόντα σημείωσαν υψηλότερα ποσοστά παραγωγής μεθανίου. Η μέγιστη απόδοση που υπολογίστηκε αντιστοιχεί σε 634.06 mL CH4/g VSadd και αφορά το μίγμα του διβάθμιου συστήματος με τη μέγιστη ποσότητα γαλακτοκομικών - οργανικής φόρτισης.
Στη συνέχεια έγινε σύγκριση της λειτουργίας μονοβάθμιου και διβάθμιου συστήματος επεξεργασίας μιγμάτων αγροτοκτηνοτροφικών αποβλήτων και ληγμένων γαλακτοκομικών προϊόντων. Όσον αφορά το διβάθμιο σύστημα, αυτό αποτελούταν από έναν οξεογόνο και ένα μεθανογόνο αντιδραστήρα. Σχετικά με τον οξεογόνο CSTR αντιδραστήρα μελετήθηκε η παραγωγή υδρογόνου με αξιοποίηση ληγμένων γαλακτοκομικών προϊόντων (93% γάλακτος - 5% γιαουρτιού - 2% αναρής) σε μεσόφιλες συνθήκες, pH 5.7 και σε δύο υδραυλικούς χρόνους παραμονής HRT 3d και 6d. Για HRT 3d σημειώθηκε παρεμπόδιση του συστήματος λόγω συσσώρευσης γαλακτικού οξέος. Η αύξηση του HRT σε 6 ημέρες ήταν αρκετή ώστε να αποφευχθεί η συσσώρευση του γαλακτικού οξέος και να διατηρηθεί ο μικροβιακός πληθυσμός με σκοπό να υπάρχει αξιοσημείωτη παραγωγή υδρογόνου. Η μέγιστη απόδοση σε υδρογόνο επιτεύχθηκε για υδραυλικό χρόνο παραμονής 3 ημερών και υπολογίστηκε ίση με 0.757 mol H2 / mol καταναλισκόμενων υδατανθράκων, ενώ η απόδοση σε υδρογόνο ήταν ελαφρώς χαμηλότερη για HRT 6d (0.676 molH2 /mol καταναλισκόμενων υδατανθράκων).
Στη συνέχεια συγκρίνοντας τη λειτουργία των δύο μεθανογόνων αντιδραστήρων παρατηρούνται σημαντικές διαφορές στην παραγωγικότητα σε βιοαέριο και μεθάνιο. Ειδικότερα, ο μεθανογόνος αντιδραστήρας του διβάθμιου συστήματος ανέδειξε υψηλότερους ρυθμούς παραγωγής βιοαερίου και μεθανίου σε όλα τα μελετώμενα σενάρια. Συγκεκριμένα, όσον αφορά το διβάθμιο αντιδραστήρα οι συντελεστές απόδοσης μεθανίου αυξάνονται με αύξηση του οργανικού φορτίου, με μεγαλύτερη τιμή αυτή των 513.51 mL CH4/g VSadd για την περίπτωση επεξεργασίας του μίγματος με την υψηλότερη οργανική φόρτιση. Από την άλλη μεριά, ο μονοβάθμιος αντιδραστήρας παρουσιάζει την μέγιστη απόδοση σε μεθάνιο για την περίπτωση της αύξησης της οργανικής φόρτισης κατά 40% και υπολογίστηκε ίση με 261.08 mL CH4/g VSadd. (όταν ο αντίστοιχος συντελεστής απόδοσης στο διβάθμιο είναι 386.07 mL CH4/g VSadd). Η μέση περιεκτικότητα του βιοαερίου σε μεθάνιο σε και για τους δύο αντιδραστήρες ανέρχεται σε 63.48%. Επιπλέον αξίζει να σημειωθεί ότι και για τους δύο μεθανογόνους αντιδραστήρες δεν παρουσιάστηκε παρεμπόδιση στη λειτουργία τους παρά τα υψηλά επίπεδα αμμωνίας, τα οποία αγγίζουν τα όρια παρεμπόδισης στο στάδιο της μεθανογένεσης (Hansen et al., 1998), (Benabdallah El Hadj et al., 2009).
Τα παραπάνω αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι για την επεξεργασία των συγκεκριμένων αποβλήτων-προϊόντων μέσω της διαδικασίας της αναερόβιας συγχώνευσης προτιμάται η χρήση του διβάθμιου συστήματος. Η άποψη αυτή ενισχύεται και αν υπολογίσει κάποιος και τα οφέλη από την παραγωγή του υδρογόνου μέσω της οξεογένεσης των ληγμένων γαλακτοκομικών προϊόντων.
Κρίνοντας από τα χαρακτηριστικά των εκροών των μεθανογόνων αντιδραστήρων καλό θα ήταν να εφαρμοστούν στη συνέχεια περαιτέρω μέθοδοι επεξεργασίας τους για μεγαλύτερη μείωση του οργανικού φορτίου ή/και εκμετάλλευση της πλούσιας απορροής σε αμμωνία και φώσφορο για παραγωγή πλούσιων εδαφοβελτιωτικών. Έτσι στη συνέχεια μελετήθηκε η περαιτέρω επεξεργασία του υγρού κλάσματος της απορροής μέσω συστήματος μεμβρανών διήθησης και η επεξεργασία του στερεού κλάσματος με τη διαδικασία του vermin-composting για παραγωγή εδαφοβελτιωτικού. Στο τελικό διήθημα από τις μεμβράνες υπολογίστηκε μείωση του COD κατά 86.4% και των στερεών κατά 51.5% και έτσι μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην άρδευση γεωργικών εκτάσεων, ενώ το συμπύκνωμα για να καλύψει απαιτήσεις σε νερό κατά τη διαδικασία της κομποστοποίησης (π.χ. έλεγχος υγρασίας). Το τελικό προϊόν της κομποστοποίησης είναι σταθεροποιημένο και πλούσιο σε Ν, P, Κ συστατικά. Συγκεκριμένα υπολογίστηκε πως το τελικό εδαφοβελτιωτικό διέθετε ολικό άζωτο (TKN) αυξημένο κατά 85.92%, ολικό φώσφορο (ΤΡ) κατά 52.44% και ολικό κάλιο (ΤΚ) κατά 123.7%.
Τέλος έλαβε χώρα η μελέτη της επίδρασης του pH στην παραγωγή υδρογόνου από ληγμένα γαλακτοκομικά απόβλητα σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας (CSTR) και σε μεσόφιλες συνθήκες (37οC) με υδραυλικό χρόνο παραμονής HRT 6d. Τα εξαγόμενα αποτελέσματα έδειξαν πως η μέγιστη απόδοση σε παραγωγή υδρογόνου σημειώθηκε για τιμή pH 5 και ήταν ίση με 1.268 mol H2/mol CHκαταν.. Ο ρυθμός παραγωγής υδρογόνου που μετρήθηκε σε αυτό το pH ήταν 0.851 LH2/LR•d. Το γαλακτικό οξύ ανιχνεύθηκε ως το κυρίαρχο ενδιάμεσο προϊόν, ενώ το βουτυρικό ως το κυρίαρχο τελικό μεταβολικό προϊόν σε όλα τα CSTR πειράματα μελέτης της επίδρασης του pH. Η αυξημένη παραγωγή υδρογόνου παρατηρήθηκε ότι συνδέεται κυρίως με την κατανάλωση του γαλακτικού οξέος με ταυτόχρονη παραγωγή του βουτυρικού οξέος και υδρογόνου.
Ύστερα από λήψη και επεξεργασία αρκετών εργαστηριακών αποτελεσμάτων σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε πιλοτική μονάδα παραγωγής βιοαερίου από επεξεργασία των παραπάνω αποβλήτων – γαλακτοκομικών προϊόντων. Η λειτουργία της μονάδας έδωσε μία μέση απόδοση σε μεθάνιο ίση με 353 mL CH4/g VSadd (πολύ κοντά σε συμφωνία με την αντίστοιχη εργαστηριακής κλίμακας (312 mL CH4/g VSadd). / This study focused on the valorization of End of Life Dairy Products (EoL-DPs) and agro-industrial wastes (such as Cheese Whey (CW), Liquid Cow Manure (LCM), Poultry Waste (PW), Pig Manure (PM) and Slaughter House Wastes (SHW)). Especially, this work deals with the anaerobic co-digestion of EoL-DPs with agrowastes. Therefore, initially the physicochemical characterization of the waste streams and EoL-DPs took place.
Subsequently, Biochemical Methane Potential tests took place in order to determine the methane production and the suitability of a given organic substrate during its anaerobic decomposition. The BMP assay has proved to be a relatively simple and reliable method to obtain the extent and rate of organic matter conversion to methane. Different mixtures of agro wastes with acidified or not EoL-DPs were subjected. The BMP batch tests with acidified EoL-DPs presented higher methane production rates. The maximum methane production rate was 634.06 mL CH4 /g VSadd and was related to the mixture of the two stage system with the maximum percentage of treated EoL-DPs.
Anaerobic digestion experiments were carried out in parallel in a two-stage and a single-stage anaerobic system. The two-stage system consisted of an acidogenic CSTR-type reactor (R1-A) fed with a mixture of EoL-DPs (93% milk-5% yogurt-2% cheese) operating at controlled pH (5.7) and a methanogenic one (R1-M) operated at a slightly alkaline uncontrolled pH (between 7-8) at a Hydraulic Retention Time (HRT) of 37 days. The single-stage system consisted of a methanogenic CSTR type reactor (R2) treating a waste mixture with the same composition as R1-M, using untreated EoL-DPs, at HRT of 37 d. All three reactors were operated under mesophilic conditions (37oC). The first phase of continuous operation aimed at optimizing the performance of the acidogenic reactor by testing the system at different HRTs, i.e. 3 and 6 days. Operating R1-A at an initial HRT of 3d resulted to a gradual increase and accumulation of lactic acid (25g/L) in the reactor and to a zero biogas and hydrogen production. HRT was thus increased to 6d aiming to recover the system’s performance. The maximum hydrogen yield 0.757 mol H2/mol carbohydrate consumed was achieved at HRT 3d, whereas hydrogen yield was slightly lower at the higher HRT 6d (0.676 mol H2/mol carbohydrate consumed)
The performance of the two methanogenic reactors (R1-M and R2) was compared using raw or pasteurized SHW (70o C for 1 h) and different levels of added EoL-DPs (acidified or not respectively). Both biogas and methane productivities were increased when pasteurized SHW and high concentration of EoL-DPs was used. Concerning the methanogenic reactor of the two stage sytem (R1-M) presented higher methane yields with increasing the organic loading. The maximum calculated methane yield was 513.51 mL CH4/g VSadd and was related to the case of maximum treated organic loading. On the other hand R2 noted the maximum methane yield for the case of a 40% increment of organic loading with a value of 261.08 mL CH4/g VSadd (while the corresponding methane yield for R1-M was 386.07 mL CH4/g VSadd). The average content of methane in the biogas for both reactors was 63.48%. It’s worth noting that no inhibition was observed in the performance of both R1-M and R2 despite the prevailing high concentration of ammonia (~4 g/L) (Hansen et al., 1998), (Benabdallah El Hadj et al., 2009).
All the experiment data suggest that the two-stage system exhibited a higher performance for the treatment of these types of wastes than the single-stage system. The energetic performance of the two-stage system is even higher than the single-system’s if hydrogen production during acidogenesis is taken into account.
In the present work, the final effluent, obtained from the anaerobic digestion treating a mixture of agro-wastes and EoL-DPs was treated further because of the fact that was not fit for recycling or disposal to the environment. For this purpose the application of a membrane system aimed at purifying the liquid fraction of anaerobic effluent, while the solid fraction treated further in a vermicomposting procedure by the use of epigeic earthworms i.e. Eisenia foetida. By using UF and NF membranes the COD dropped at 86.4%, whereas 51.5% removal of solids was observed, resulted in a final permeate stream of high quality and suitable for irrigation. Finally, concerning the compost procedure, an important increase by 85.92% in nitrogen (TKN), 52.44% in total phosphorus (TP) and 123.7% in total potassium (TK) content was observed in the vermireactor.
Finally, the effect of pH during acidogenesis of the EoL-DPs mixture in the biological production of hydrogen and volatile fatty acids was investigated. CSTR acidogenic experiments of the dairy liquid mixture (93% milk – 5% yoghurt – 2% cheese) were performed at controlled pH values (4, 4.5, 4.7, 5, 5.3, 5.7), using a solution of 6N NaOH and KOH, under mesophilic conditions (37ºC) and a hydraulic retention time (HRT) of 6 days. The obtained results showed that the optimum conversion of substrate to hydrogen and the maximum hydrogen yield of 1.268 moles H2/ moles equivalent glucose was observed at pH= 5. The biogas produced from the acidogenic reactor consisted exclusively of hydrogen and carbon dioxide and was free of methane. The hydrogen production at pH 5 was fluctuating with a mean value of 0.851 L L-1reactor d-1 at steady state. Lactic acid was detected as the main intermediate acid, while the butyric acid as the main final volatile fatty acid. The increased hydrogen production was observed that is primarily associated with the consumption of lactic acid with simultaneous production of butyric acid and hydrogen.
A pilot biogas plant was designed after the analysis of the experiments’ data. Pilot plant consists of two bioreactors and operates as a two stage system of anaerobic digestion of EoL-DPs and agrowastes. The operation of pilot plant promises similar performance in terms of methane yields (353 mL CH4/g VSadd – while the laboratory one was calculates at 312 mL CH4/g VSadd).
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/8754 |
| Date | 30 March 2015 |
| Creators | Σταυρόπουλος, Κωνσταντίνος |
| Contributors | Κορνάρος, Μιχάλης, Stavropoulos, Konstantinos, Παρασκευά, Χριστάκης, Σπαρτινός, Δημήτριος |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 0 |
Page generated in 0.0042 seconds