Utilization of anaerobic and bio-electrochemical technologies for waste valorization and biogas upgrading

Abstract

Η αναερόβια χώνευση (ΑΧ) αποτελεί μια βιοχημική διεργασία κατά την οποία μικροοργανισμοί καταλύουν τη μετατροπή της χημικής ενέργειας των οργανικών ενώσεων σε βιοαέριο υπό αναερόβιες συνθήκες. Η συγκεκριμένη τεχνολογία εφαρμόζεται ευρέως σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων, καθώς αποδεικνύεται ιδιαίτερα αποδοτική στην επεξεργασία οργανικών αποβλήτων. Παρά τη διάδοση της ΑΧ στην επεξεργασία λυμάτων, η αποτελεσματικότητά της εξακολουθεί να περιορίζεται από διάφορες προκλήσεις. Αυτές περιλαμβάνουν τη μειωμένη αποδοτικότητα στην επεξεργασία ισχυρών αγροβιομηχανικών αποβλήτων, τον εγγενώς αργό ρυθμό υδρόλυσης ως το περιοριστικό στάδιο της διεργασίας, καθώς και την αδυναμία του παραγόμενου βιοαερίου να ενσωματωθεί άμεσα στο δίκτυο φυσικού αερίου, λόγω του μη βέλτιστου ποσοστού μεθανίου και της παρουσίας προσμίξεων. Ως εκ τούτου, οι βιώσιμες βιολογικές τεχνολογίες αναβάθμισης του βιοαερίου έχουν προσελκύσει σημαντικό επιστημονικό ενδιαφέρον. Στο πλαίσιο αυτό, τα βιο-ηλεκτροχημικά συστήματα, όπως τα μικροβιακά κελιά καυσίμου (ΜΚΚ) και τα μικροβιακά κελιά ηλεκτρόλυσης (ΜΚΗ), αποτελούν βιοαντιδραστήρες που αξιοποιούν τη χημική ενέργεια των οργανικών ενώσεων ως δότες ηλεκτρονίων, παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια ή μεθάνιο, αντίστοιχα, ανάλογα με το χρησιμοποιούμενο δέκτη ηλεκτρονίων και την εφαρμογή εξωτερικής αντίστασης ή παροχής ενέργειας. Για την αντιμετώπιση των περιορισμών της ΑΧ, η παρούσα διατριβή διερεύνησε αναερόβιες και βιο-ηλεκτροχημικές τεχνολογίες ως προηγμένες προσεγγίσεις για την ενισχυμένη επεξεργασία οργανικών και ανόργανων αποβλήτων, με έμφαση στην προαγωγή της ηλεκτρομεθανοσύνθεσης και της αναβάθμισης του βιοαερίου.Αρχικά, μελετήθηκε η συν-χώνευση οργανικών αποβλήτων με συμπληρωματικές χημικές συνθέσεις ως μέσο προαγωγής της αυξημένης παραγωγής βιοαερίου και της διαχείρισης υψηλότερων ρυθμών ροής αποβλήτων, μέσω της βελτιστοποίησης του λόγου άνθρακα προς άζωτο (C/N) στην τροφοδοσία. Ειδικότερα, αξιολογήθηκε η αναερόβια συν-χώνευση του συμπυκνώματος που προκύπτει από την ξήρανση οργανικών αποβλήτων τροφίμων με την περίσσεια ιλύος σε πιλοτικής κλίμακας αντιδραστήρα συνεχούς ροής και πλήρους ανάμιξης, υπό διαφορετικές συνθήκες: α) την ισχύ του συμπυκνώματος, β) την αναλογία όγκου συμπυκνώματος προς ιλύ και γ) τον υδραυλικό χρόνο παραμονής. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η αύξηση της περιεκτικότητας του συμπυκνώματος στην τροφοδοσία βελτίωσε την απομάκρυνση του οργανικού φορτίου και την παραγωγή βιοενέργειας. Επιπλέον, η μείωση του χρόνου παραμονής ενίσχυσε την παραγωγή βιοενέργειας, χωρίς να επηρεάζει σημαντικά την αποδοτικότητα της επεξεργασίας των αποβλήτων. Συνολικά, διαπιστώθηκε ότι η συν-χώνευση του συμπυκνώματος με την περίσσεια ενεργοποιημένης ιλύος μπορεί να εφαρμοστεί με ασφάλεια σε υφιστάμενες μονάδες αναερόβιας χώνευσης, διατηρώντας μια πιο σταθερή λειτουργία και βελτιωμένη ποιότητα εκροής, καθώς και υψηλότερη απόδοση βιοενέργειας σε σύγκριση με τη αναερόβια επεξεργασία ιλύος. Επιπλέον, διερευνήθηκε η δυνατότητα της τεχνολογίας ΜΚΚ ως μέθοδος ανάκτησης πολύτιμων μετάλλων από ανόργανες χημικές εκχυλίσεις που προέρχονται από φωτοβολταϊκά πάνελ στο τέλος του κύκλου ζωής τους. Τα πλεονεκτήματα του ΜΚΚ έγκεινται στην ικανότητά του να διαχειρίζεται την επεξεργασία ανόργανων αποβλήτων—ένα πεδίο στο οποίο η ΑΧ παρουσιάζει περιορισμούς—ενώ επιτρέπει την ταυτόχρονη επεξεργασία οργανικών αποβλήτων και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο άργυρος ανακτήθηκε πλήρως από το χημικό εκχύλισμα, αν και με χαμηλότερο ρυθμό σε σύγκριση με αντίστοιχα συνθετικά απόβλητα. Αυτή η διαφορά αποδόθηκε στη ταυτόχρονη αναγωγή άλλων βαρέων μετάλλων σε άμορφες ενώσεις, γεγονός που παρεμπόδισε την αναγωγή του αργύρου και οδήγησε σε παθητικοποίηση του ηλεκτροδίου. Παρ’ όλα αυτά, ο άργυρος μπορεί να ανακτηθεί σε ποσοστό 100% από το χημικό εκχύλισμα, με μέση καθαρότητα 86% κ. β., σε κρυσταλλική δομή κυβικού πλέγματος, περιέχοντας ελάχιστες μεταλλικές προσμίξεις. Επιπλέον, η τεχνολογία ΜΚΗ αξιολογήθηκε ως προς την ικανότητά της να επεξεργάζεται υψηλής ισχύος αγροβιομηχανικά απόβλητα, με παράλληλη βιο-ηλεκτροχημική μετατροπή του CO2 σε CH4. Συγκεκριμένα, η διαδικασία της ηλεκτρομεθανοσύνθεσης μελετήθηκε υπό τις ακόλουθες συνθήκες: α) χρήση συνθετικών αποβλήτων για τη διερεύνηση των ηλεκτροχημικών χαρακτηριστικών του ΜΚΗ; β) δευτερογενής επεξεργασία εκροής τυρογάλακτος από σκοτεινή ζύμωση; γ) πρωτογενής επεξεργασία αποβλήτου διφασικού ελαιοτριβείου; και δ) πρωτογενής επεξεργασία συμπυκνώματος από την ξήρανση τροφικών αποβλήτων, με στόχο τη βελτιστοποίηση των λειτουργικών συνθηκών (οργανικό φορτίο, αγωγιμότητα, χρόνος επεξεργασίας, χημική σύσταση και προεπεξεργασία αποβλήτων, τρόπος λειτουργίας, εφαρμοζόμενο δυναμικό και pH). Στη συνέχεια, κατασκευάστηκε ένας δεύτερος αντιδραστήρας ΜΚΗ για να διερευνηθεί η επίδραση της αύξησης της ειδικής επιφάνειας του ηλεκτροδίου (1.25 m² έναντι 0.25 m²). Κατόπιν, τα ΜΚΗ προσομοιώθηκαν στο λογισμικό COMSOL Multiphysics®. Αναπτύχθηκε ένα μη-γραμμικό δυναμικό μοντέλο, το οποίο περιλάμβανε την εκτίμηση των κινητικών παραμέτρων, με σκοπό τη διεξαγωγή ανάλυσης ευαισθησίας των σχεδιαστικών και λειτουργικών παραμέτρων σε περιβάλλον 3D, με στόχο τη βελτιστοποίηση του συστήματος μέσω βελτιωμένων διαμορφώσεων. Το μοντέλο διαμορφώθηκε ώστε να προσομοιώνει την ανάπτυξη έξι μικροβιακών πληθυσμών, καθώς και την επίδραση των υπερδυναμικών του κελιού στους ρυθμούς κινητικής Butler-Volmer-Monod και την παραγωγή ρεύματος σύμφωνα με τον νόμο του Faraday. Μετά την εκτίμηση των παραμέτρων, πραγματοποιήθηκαν αναλύσεις ευαισθησίας για διάφορες μεταβλητές, συμπεριλαμβανομένων της αγωγιμότητας του ηλεκτρολύτη και του ηλεκτροδίου, της ενεργού επιφάνειας, του πορώδους και πυκνότητας, των κλασμάτων όγκου ηλεκτρολύτη-ηλεκτροδίου, της χωρητικότητας του διπλού ηλεκτρικού στρώματος, καθώς και της διάχυσης και μεταφοράς ειδών στον ηλεκτρολύτη και στο ηλεκτρόδιο. Οι αναλύσεις ευαισθησίας οδήγησαν στην ταυτοποίηση των κρίσιμων σχεδιαστικών παραμέτρων που προάγουν την ηλεκτρο-μεθανοσύνθεση. Τέλος, η παρούσα διατριβή πρότεινε έναν καινοτόμο αντιδραστήρα ΜΚΗ-ΑΧ, ο οποίος ενσωματώνει τις διεργασίες ΑΧ και ΜΚΗ, με στόχο τη βελτιωμένη αξιοποίηση αποβλήτων και την in-situ αναβάθμιση του παραγόμενου βιοαερίου. Το σύστημα ΜΚΗ-ΑΧ μελετήθηκε με: α) περίσσεια ιλύος, β) απόβλητο διφασικού ελαιοτριβείου και γ) τυρόγαλα, προκειμένου να βελτιστοποιηθούν οι λειτουργικές συνθήκες (ρυθμός οργανικής φόρτισης, υδραυλικός χρόνος παραμονής, χημική σύσταση και προεπεξεργασία αποβλήτων, καθώς και εφαρμοζόμενο δυναμικό). Για λόγους σύγκρισης, κατασκευάστηκαν και λειτούργησαν δύο πανομοιότυποι αντιδραστήρες: ένας αντιδραστήρας ελέγχου (ΑΧ) και ο ΜΚΗ-ΑΧ αντιδραστήρας. Συνολικά, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο ΜΚΗ-ΑΧ επιτάχυνε και ενίσχυσε την επεξεργασία των αποβλήτων, προάγοντας τη διαδικασία υδρόλυσης και αυξάνοντας την παραγωγικότητα μεθανίου, ενώ η διεργασία ΑΧ παρουσίασε αστάθεια υπό συνθήκες καταπόνησης. Στη συνέχεια, κατασκευάστηκε ένας δεύτερος αντιδραστήρας ΜΚΗ-ΑΧ για τη διερεύνηση της επίδρασης του υφάσματος άνθρακα ως εναλλακτικό υλικό ηλεκτροδίου (με ειδική επιφάνεια 0.125 m² και αγωγιμότητα 300 S/m), σε σύγκριση με την τσόχα άνθρακα (με ειδική επιφάνεια 0.25 m² και αγωγιμότητα 370 S/m). Έπειτα, το ΜΚΗ-ΑΧ με ηλεκτρόδια τσόχας άνθρακα προσομοιώθηκε χρησιμοποιώντας το λογισμικό AQUASIM και το μαθηματικό μοντέλο ADM1. Ο στόχος ήταν η ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου για τη μελέτη του ΜΚΗ-ΑΧ, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εξαγωγή της επίδρασης του εφαρμοζόμενου δυναμικού στη κινητική της ΑΧ. Οι κινητικές παράμετροι που προέκυψαν από το ADM1 έδειξαν ότι το ΜΚΗ-ΑΧ παρουσίασε αυξημένες αποδόσεις βιομάζας, υψηλότερη κατανάλωση υποστρώματος και βελτιωμένους ρυθμούς πρώτης τάξης για την αποδόμηση, με κυρίαρχη συμβολή στη διάσπαση πολύπλοκων σωματιδίων. Το ADM1 απέδειξε υψηλή προσαρμοστικότητα και ικανότητα πρόβλεψης των κινητικών διεργασιών και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως προκαταρκτικό πλαίσιο για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας του ΜΚΗ-ΑΧ.

Keywords

Identifiers

DOI

10.12681/eadd/58812

Journal

Unknown journal

Year

2025