Σχεδιασμός πρότυπου συστήματος, οικιακού τύπου, για την αξιοποίηση του βιοαποδομήσιμου κλάσματος των απορριμμάτων με αερόβιες διεργασίες

Abstract

The concept of this directorate thesis is the design of a prototype bioreactor for home scale applications regarding aerobic biodegradation processes of the organic fraction of municipal solid waste. This organic fraction refers to the daily produced amounts of food waste. The research is focused on the biological process (aerobic biodegradation) that converts food waste into a useful end product (compost). In this framework, a mathematical model is designed for the simulation of the process. The simulation model is solved by using proper software. In order to blueprint the features that optimize the design of a home scale bioreactor, the study is focused on all home composting systems that are available in worldwide market. These systems are divided in five (5) groups according to some certain functional characteristics. Then, they are subjected in a multi-criteria evaluation by using a technique called ‘5-degree Likert Scale’. The evaluation was made out for every group of home composters, as well as in total for all the systems. The main target was mainly the identification of these features and/or characteristics that optimize the design of a home scale bioreactor. Secondary, the evaluation procedure was pointed out the most appropriate system of each group. As for the design of the simulation model, the study of the biodegradation rate was based on the ‘first-order biodegradation rate’ approach. The model consists of five (5) equation groups referred to kinetics reaction, mass and energy balances, volumetric calculations and formation of certain indicators for the assessment of the maturation level regarding the end product. The solving of the model was accomplished by forming a source code in a proper programming language. For extracting and evaluating the output results, they were formed certain scenarios. These scenarios are differentiated as for the active aeration conditions, the thermal support of the process and the retention time of the processed organic material into the system’s thermodynamic boundaries. The main conclusions are focused on the statement that for a food waste volume of 120 lt, a 50 days retention time, with daily aeration of 17 lt and a 16 Watt of thermal support, it is capable to produce mature compost in a home scale application from food waste. Finally, based on the model’s results, a prototype home scale bioreactor was designed by using proper CAD software.

Το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι ο σχεδιασμός ενός πρότυπου βιοαντιδραστήρα, προσαρμοσμένου σε εφαρμογές οικιακής κλίμακας που αφορούν σε διεργασίες αερόβιας αποδόμησης του βιοαποδομήσιμου κλάσματος των αστικών απορριμμάτων. Ως βιοαποδομήσιμο κλάσμα των αστικών απορριμμάτων, ορίζονται οι ημερησίως παραγόμενες ποσότητες διατροφικών αποβλήτων και παράλληλα, μελετάται η βιολογική επεξεργασία (αερόβια αποδόμηση) μέσω της οποίας μετατρέπονται σε αξιοποιήσιμο τελικό προϊόν (compost). Στο πλαίσιο αυτό, καταρτίζεται μαθηματικό πρότυπο προσομοίωσης των διεργασιών, το οποίο και επιλύεται με χρήση κατάλληλου λογισμικού. Προκειμένου να προσδιοριστούν οι παράμετροι βελτιστοποίησης ενός οικιακού βιοαντιδραστήρα, μελετώνται όλα τα αντίστοιχα συστήματα που είναι διαθέσιμα στο εμπόριο σε παγκόσμια κλίμακα, με επιμερισμό αυτών σε πέντε (5) κατηγορίες σύμφωνα με ορισμένα λειτουργικά χαρακτηριστικά. Κατόπιν, πραγματοποιείται πολυκριτηριακή αξιολόγηση βάσει συγκεκριμένων κριτηρίων χρησιμοποιώντας την 5-βάθμια κλίμακα ‘Likert’. Η αξιολόγηση γίνεται ανά κατηγορία συστημάτων και συνολικά, στοχεύοντας αφενός στην επιλογή του πλέον κατάλληλου συστήματος ανά κατηγορία, αφετέρου, στην ταυτοποίηση των στοιχείων που βελτιστοποιούν το σχεδιασμό ενός οικιακού βιοαντιδραστήρα. Αναφορικά με το σχεδιασμό του προτύπου προσομοίωσης των διεργασιών, η μελέτη του ρυθμού βιοαποδόμησης βασίστηκε στην εξίσωση παραγώγου πρώτης τάξης. Το πρότυπο προσομοίωσης αποτελείται από πέντε (5) κατηγορίες εξισώσεων που αφορούν στην κινητική αντιδράσεων, στα ισοζύγια μάζας και ενέργειας, σε ογκομετρικούς υπολογισμούς και σε κατάρτιση δεικτών του βαθμού ωρίμανσης του τελικού προϊόντος. Η επίλυση του προτύπου πραγματοποιήθηκε μέσω συγγραφής προγραμματιστικού κώδικα. Για την εξαγωγή και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων, εφαρμόστηκαν διαφορετικά σενάρια επίλυσης με διαφοροποίηση ως προς την εφαρμογή δυναμικών συνθηκών αερισμού, την ισχύ θερμικής υποστήριξης της διεργασίας και το χρόνο παραμονής του αποβλήτου εντός του βιοαντιδραστήρα. Το γενικό συμπέρασμα αφορά στο ότι, για όγκο αποβλήτου 120 λίτρα, χρόνο παραμονής 50 ημέρες με ημερήσια παροχή αέρα 17 λίτρα και ημερήσια θερμική υποστήριξη 16 Watt, είναι εφικτή η παραγωγή compost εντός της οικίας από διατροφικά απόβλητα. Τέλος, με βάση τα αποτελέσματα του προτύπου προσομοίωσης και της πολυκριτηριακής αξιολόγησης των αντίστοιχων συστημάτων, σχεδιάστηκε σε κατάλληλο λογισμικό τύπου CAD, πρότυπος βιοαντιδραστήρας οικιακού τύπου.