Σημαντικές ειδήσεις

Επεξεργασία υδάτων και λυμάτων: Πώς επιτυγχάνεται μεγιστοποίηση της παραγωγής ενέργειας

H ενέργεια αποτελεί συνήθως το δεύτερο μεγαλύτερο λειτουργικό κόστος μιας εγκατάστασης επεξεργασίας λυμάτων, μετά τις δαπάνες προσωπικού. Επιπρόσθετα, για την παραγωγή της ενέργειας αυτής χρησιμοποιούνται κατά κανόνα συμβατικά καύσιμα, με συνέπεια μεγάλη συμβολή στο αποτύπωμα άνθρακα και στη ρύπανση της ατμόσφαιρας.

Διεθνώς έχει παρατηρηθεί μια αξιόλογη διακύμανση των ενεργειακών καταναλώσεων. Στις ΗΠΑ, έχει βρεθεί να κυμαίνονται μεταξύ 16 και 71 kWh/ PE, στην Αυστραλία μεταξύ 30 και 120 kWh/PE και στην Ευρώπη μεταξύ 20 και 120 kWh/ PE.

Παρόμοιες διακυμάνσεις έχουν παρατηρηθεί και σε επιμέρους χώρες. Μια έρευνα του ΕΜΠ στην Ελλάδα διαπίστωσε διακύμανση μεταξύ 15 και 86 kWh/PE σε εγκαταστάσεις που εξυπηρετούν από 10.000 μέχρι 4.000.000 ισοδύναμους κατοίκους. Είναι προφανές ότι υπάρχουν περιθώρια βελτίωσης, με πρώτο στόχο τη μείωση των καταναλώσεων και του εύρους διακύμανσης και με δεύτερο τελικό στόχο την επίτευξη ενεργειακά ουδέτερων συστημάτων επεξεργασίας.

Προς την κατεύθυνση αυτή, οι τεχνολογίες ανάκτησης θερμότητας μπορούν να έχουν θετική συμβολή· η σημαντικότερη ωστόσο δυνατότητα παρέχεται με την κατά το δυνατόν πλήρη αξιοποίηση του ενεργειακού περιεχομένου του οργανικού άνθρακα των λυμάτων. Το οργανικό φορτίο που περιέχεται στα αστικά υγρά απόβλητα αντικατοπτρίζει το ενεργειακό τους περιεχόμενο και είναι αποθηκευμένο με τη μορφή χημικής ενέργειας.

Ο πιο διαδεδομένος τρόπος ποσοτικοποίησής του είναι το χημικώς απαιτούμενο οξυγόνο (COD), που εκφράζει το σύνολο του οξυγόνου που καταναλώνεται για την πλήρη οξείδωση του οργανικού φορτίου σε CO2 και νερό. Το ενεργειακό περιεχόμενο των ανεπεξέργαστων υγρών αποβλήτων σε μια εγκατάσταση επεξεργασίας ανέρχεται σε περίπου 2 kWh/m3 λυμάτων.

Το 65% περίπου που είναι αποθηκευμένο με τη μορφή χημικής ενέργειας αποτελείται από οργανικές ενώσεις οι οποίες βιοδιασπώνται υπό κατάλληλες συνθήκες από μικροοργανισμούς, ενώ το υπόλοιπο 35% των οργανικών ενώσεων δεν είναι δυνατό να διασπαστεί βιολογικά.

Μια τυπική εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων καταναλώνει περίπου 0,6 kWh/m3 , με τη μισή περίπου ενέργεια να δαπανάται στην κάλυψη των αναγκών σε αερισμό. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η χημική ενέργεια με τη μορφή οργανικών ενώσεων στα αστικά υγρά απόβλητα είναι σημαντικά υψηλότερη από την ενέργεια που απαιτείται για την επεξεργασία τους.

Κατά συνέπεια, αντί να μεγιστοποιείται η αερόβια οξείδωση του άνθρακα (πολύ συνηθισμένη με τη μορφή συστημάτων παρατεταμένου αερισμού), θα πρέπει με κατάλληλο σχήμα επεξεργασίας να επιδιώκεται η μεγιστοποίηση της συγκράτησης του οργανικού άνθρακα με τη μορφή ιλύος. Στη συνέχεια η ιλύς αυτή, μέσω αναερόβιας χώνευσης, αποδίδει βιοαέριο και ωφέλιμη ηλεκτρική και θερμική ενέργεια.

Διάφορες τεχνολογίες έχουν αναπτυχθεί προς αυτή την κατεύθυνση (χρήση μικροδιύλισης, χημικά υποβοηθούμενης πρωτοβάθμιας καθίζησης, συστημάτων υψηλής φόρτισης), με την έμφαση να δίνεται στη μείωση της απομάκρυνσης των ενώσεων του άνθρακα μέσω οξείδωσης σε CO2 και ενίσχυσης της εκτροπής τους στο ρεύμα της ιλύος. Τα συστήματα επεξεργασίας υψηλής φόρτισης ενός ή δύο σταδίων αποτελούν ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα επιλογή.

Χαρακτηριστικά συστημάτων υψηλής φόρτισης

Ένα σύστημα υψηλής φόρτισης μπορεί να είναι αυτόνομο (ενός σταδίου) ή να ακολουθείται και από ένα δεύτερο στάδιο, χαμηλής πλέον φόρτισης (βλ. σχήμα 1).

Το πρώτο στάδιο (είτε αυτόνομο είτε ως πρώτο στάδιο ενός διβάθμιου συστήματος) αποτελείται από έναν αντιδραστήρα υψηλής οργανικής φόρτισης και μια δεξαμενή καθίζησης.

Κατά κανόνα, συστήματα υψηλής φόρτισης θεωρούνται εκείνα τα οποία έχουν οργανική φόρτιση της τάξης των 2 – 10 kgBOD kgVSS-1 d-1, χρόνους παραμονής στερεών συνήθως από 0,3 έως 1 ημέρες και υδραυλικούς χρόνους παραμονής τυπικά μικρότερους της μίας ή και της μισής ώρας.

Το δεύτερο στάδιο, όταν ακολουθεί, αποσκοπεί στην περαιτέρω απομάκρυνση οργανικών (ώστε να ικανοποιούνται τα ενδεχομένως αυστηρά όρια εκροής) καθώς και στην απομάκρυνση του αζώτου (όπου απαιτείται). Κατά συνέπεια, η αναγκαιότητα προσθήκης του β΄ σταδίου είναι συσχετισμένη με το θεσμικό πλαίσιο και τους περιβαλλοντικούς όρους που καθορίζουν την απαιτούμενη ποιότητα εκροής.

Στην Ελλάδα οι αυστηρές επιταγές της Οδηγίας για τα αστικά απόβλητα επιβάλλουν κατά κανόνα την προσθήκη ενός δεύτερου τέτοιου σταδίου. Ο στόχος των συστημάτων υψηλής φόρτισης, είναι η απομάκρυνση του οργανικού φορτίου (λόγω του μικρού χρόνου επαφής των λυμάτων με τη βιομάζα υπό κατάλληλες συνθήκες), πρωτίστως μέσω των μηχανισμών προσρόφησης, ενδοκυτταρικής αποθήκευσης στη βιομάζα και υδρόλυσης και δευτερευόντως μέσω οξείδωσης του οργανικού άνθρακα. Με τον τρόπο αυτό η ιλύς που απομακρύνεται από ένα τέτοιο σύστημα (περίσσεια ιλύος Α του σχήματος 1) μεγιστοποιείται και έχει πλούσιο ενεργειακό περιεχόμενο, το οποίο μπορεί να αξιοποιηθεί για την παραγωγή βιοαερίου μέσω αναερόβιας χώνευσης.

Στο σχήμα 2 παρουσιάζονται οι βασικές διεργασίες που επιτελούνται σε ένα σύστημα υψηλής φόρτισης. Οι σημαντικότερες είναι η προσρόφηση, η ενδοκυτταρική αποθήκευση και η υδρόλυση. Η παραγωγή ενέργειας και η παραγωγή εξωκυτταρικών πολυμερών (EPS) αποτελούν ένα σύνολο διεργασιών που πρέπει επίσης να μελετηθούν για την ολοκληρωμένη κατανόηση τέτοιου είδους συστημάτων.

«Προσρόφηση» είναι η φυσικοχημική διαδικασία προσκόλλησης του σωματιδιακού και του κολλοειδούς κλάσματος του COD των λυμάτων στην εξωτερική επιφάνεια των κροκίδων. Μπορεί να θεωρηθεί ως ένα προκαταρτικό βήμα της ανάπτυξης των μικροοργανισμών, αφού προηγείται του μηχανισμού της υδρόλυσης και της επακόλουθης εισόδου των προϊόντων της στο κύτταρο.

Στα συστήματα υψηλής φόρτισης συνιστά τον σημαντικότερο μηχανισμό απομάκρυνσης οργανικής ύλης από τα λύματα, που ολοκληρώνεται σε μικρό χρόνο (μερικά λεπτά) επαφής με τη βιομάζα. Η παγίδευση των οργανικών ενώσεων των λυμάτων γίνεται στα εξωκυτταρικά πολυμερή (EPS) που συνθέτουν οι μικροοργανισμοί –κατά την ανάπτυξή τους– στην εξωτερική τους επιφάνεια.

Γίνεται προφανές ότι η παρουσία των EPS καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την απόδοση του μηχανισμού της προσρόφησης. Από τη στιγμή που έχει δημιουργηθεί ένας επαρκές δίκτυο EPS, λόγω φυσικοχημικών δυνάμεων και αλληλεπιδράσεων μεταξύ επιφανειών, αλλά και λόγω φυσικής παγίδευσης, το κολλοειδές και το σωματιδιακό COD απομακρύνεται από την υγρή φάση. Ο χρόνος που χρειάζεται για να δημιουργηθούν συσσωματώματα και να αρχίσει η διαδικασία της προσρόφησης είναι 1 – 2 λεπτά. Κατά συνέπεια, είναι επαρκής ένας χρόνος της τάξης των 5 – 15 λεπτών για υδραυλική επαφή της βιομάζας με τα λύματα.

Ο σχηματισμός ενδοκυτταρικών πολυμερών από τη βιομάζα λαμβάνει χώρα σε περιβάλλον υψηλής οργανικής φόρτισης (F/M) και απουσίας (ή μικρής παρουσίας) διαλυμένου οξυγόνου (DO). Στις παραπάνω συνθήκες οι μικροοργανισμοί μπορούν να δεσμεύσουν το διαλυτό COD σχηματίζοντας αδιάλυτα πολυμερή στο εσωτερικό του κυττάρου, και να τα καταναλώσουν όταν βρεθούν σε κατάσταση ελλείμματος τροφής.

«Υδρόλυση» είναι η διεργασία μετατροπής σύνθετων οργανικών ενώσεων σε απλούστερες, ώστε να μπορούν να καταναλωθούν από τους μικροοργανισμούς. Στόχος του συστήματος Α είναι η βελτιστοποίηση των μηχανισμών της προσρόφησης και της ενδοκυτταρικής αποθήκευσης, και αυτό είναι δυνατό να επιτευχθεί επιλέγοντας τις κατάλληλες λειτουργικές παραμέτρους. Η επιλογή χαμηλής συγκέντρωσης διαλυμένου οξυγόνου (μικρότερης από 1 mg/l) μπορεί να αυξήσει το ποσοστό της ενδοκυτταρικής αποθήκευσης, ενώ η επιλογή του βέλτιστου χρόνου επαφής και χρόνου παραμονής στερεών μπορεί να μεγιστοποιήσει την εκτροπή του οργανικού φορτίου στο ρεύμα της ιλύος.

Επίσης, η εφαρμογή συστήματος μεμβρανών για το διαχωρισμό του επεξεργασμένου υγρού από τα αιωρούμενα στερεά μπορεί να βελτιστοποιήσει τη συγκράτηση σωματιδιακού και κολλοειδούς COD στο σύστημα, αυξάνοντας σημαντικά την ποιότητα εκροής αλλά έχοντας όμως το σημαντικό μειονέκτημα του πρόσθετου λειτουργικού κόστους.

Στην προσπάθεια περαιτέρω ενίσχυσης της απόδοσης του συστήματος υψηλής φόρτισης έχουν δοκιμαστεί διάφορες τεχνικές, που έχουν στόχο να υποβάλλουν τους μικροοργανισμούς σε συγκεκριμένες συνθήκες ανάπτυξης.

Η εναλλαγή συνθηκών από περιβάλλον πλούσιο σε τροφή και στη συνέχεια σε περιβάλλον απουσίας τροφής (feast-famine regime) φαίνεται να έχει τα καλύτερα αποτελέσματα. Η παραπάνω τεχνική είναι γνωστή ως διαδικασία επαφής σταθεροποίησης σε συστήματα υψηλής φόρτισης. Σε ένα τέτοιο σύστημα τα εισερχόμενα λύματα έρχονται σε επαφή με τη βιομάζα σε μία δεξαμενή επαφής (υπό καθεστώς πλήρους μείξης, σε αναερόβιες συνθήκες ή σε συνθήκες χαμηλού διαλυμένου οξυγόνου), η οποία ακολουθείται από μία δεξαμενή καθίζησης.

Το πλεόνασμα της ιλύος απομακρύνεται από τον πυθμένα της δεξαμενής καθίζησης, ενώ η υπόλοιπη βιομάζα επαναδιοχετεύεται σε μία δεξαμενή σταθεροποίησης με πλήρως αερόβιες συνθήκες υπό καθεστώς πλήρους μείξης, πριν εισέλθει στη δεξαμενή επαφής και επαναληφθεί η διαδικασία (εναλλακτική λειτουργία στο σχήμα 1).

Τα συστήματα υψηλής φόρτισης, ειδικά με εφαρμογή της τεχνικής επαφής σταθεροποίησης, μπορούν να επιτύχουν βαθμούς απόδοσης ως προς την απομάκρυνση οργανικού φορτίου 60-80%, που είναι μεγαλύτεροι από τους αντίστοιχους της πρωτοβάθμιας επεξεργασίας, ακόμα κι αν αυτή ενισχύεται με την προσθήκη κροκιδωτικών. Επισημαίνεται μάλιστα ότι η χρήση κροκιδωτικών συνεπάγεται αύξηση του λειτουργικού κόστους της εγκατάστασης.

Για τους λόγους αυτούς, τα συστήματα υψηλής φόρτισης αποτελούν μια πολύ ενδιαφέρουσα πρακτική στην προσπάθεια μείωσης του ενεργειακού κόστους μιας εγκατάστασης επεξεργασίας λυμάτων, διατηρώντας τα απαιτούμενα υψηλά επίπεδα εκροής.

Συχνά η προσπάθεια μεγιστοποίησης της ανάκτησης του οργανικού άνθρακα από τα λύματα (α΄ στάδιο) δημιουργεί δυσκολίες στην επίτευξη στόχων που έχουν σχέση με την απομάκρυνση θρεπτικών και κυρίως του αζώτου (β΄ στάδιο).

Ωστόσο, έχουν αναπτυχθεί καινοτόμες τεχνολογίες (π.χ. νιτροδοποίηση, απονιτροδοποίηση, anammox) για την επίλυση των προβλημάτων αυτών. Η προώθηση καινοτόμων τεχνολογιών που εξυπηρετούν το σκοπό της ενεργειακής εξοικονόμησης και της ενεργειακής αυτάρκειας των εγκαταστάσεων προϋποθέτει όχι μόνο την ύπαρξη και γνώση των τεχνολογιών αλλά και θεσμικές ρυθμίσεις για την προώθησή τους (π.χ. κατάλληλο σύστημα προκηρύξεων). Ενδιαφέρον επίσης παρουσιάζει η δυνατότητα αξιοποίησης νέων πηγών χρηματοδότησης από την Ε.Ε. που σχετίζονται με τις καινοτομίες και το ευρύτερο πρόβλημα αντιμετώπισης της κλιματικής αλλαγής.

Δείτε τα σχήματα του άρθρου στο τεύχος Ιουλίου-Αυγούστου 2019 του «Θερμοϋδραυλικού».

  1. Ο κ. Ανδρέας Ανδρεαδάκης είναι ομότιμος καθηγητής στη Σχολή Πολιτικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, στο γνωστικό αντικείμενο της «Ρύπανσης των υδάτων και της επεξεργασίας υγρών αποβλήτων». Διετέλεσε ειδικός γραμματέας Υδάτων στο Υπουργείο Περιβάλλοντος, Ενέργειας και Κλιματικής Αλλαγής και πρόεδρος της Επιτροπής Παρακολούθησης του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Περιβάλλον και Αειφόρος Ανάπτυξη» (Ε.Π. ΠΕΡ.Α.Α.). Είναι συγγραφέας άνω των 250 δημοσιευμένων επιστημονικών εργασιών, βιβλίων και ερευνητικών εκθέσεων. Παράλληλα με την πανεπιστημιακή του δραστηριότητα, ανέπτυξε σημαντική μελετητική δραστηριότητα σε περισσότερα από 150 προβλήματα εφαρμογής που έχουν σχέση με τη διαχείριση των υδατικών πόρων και τη διαχείριση λυμάτων και ιλύος.
  2. Ο κ. Γεράσιμος Φραγκισκάτος είναι γεωλόγος και γεωπεριβαλλοντολόγος του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών, κάτοχος μεταπτυχιακού τίτλου σπουδών στον τομέα «Επιστήμη και τεχνολογία υδατικών πόρων» και υποψήφιος διδάκτορας του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.

Ελέγξτε επίσης

Φυσικό αέριο: Ασφάλεια εγκαταστάσεων με τα κατάλληλα εξαρτήματα

Άρθρο του κ. Γιώργου Λάμπογλου Βασικό μέλημα στις εσωτερικές εγκαταστάσεις φυσικού αερίου είναι η εύρυθμη …