Μελέτη αναερόβιας βιοαποδόμησης υγρών αποβλήτων υψηλού COD με ηλεκτρολυτική προεπεξεργασία

Abstract

Τhis work studied the combination of physicochemical pretreatment and anaerobic digestion of olive mill wastewaters (OMW) of a three phase centrifuge system in experiments that were carried out in the laboratory. Electrolytic experiments with undiluted olive mill wastewaters were carried out with two different electrolytic devices aiming at the removal of the phenolic fraction that is considered toxic for the anaerobic microorganisms. Different conditions of electrolysis were investigated with two electrolytic cells (BBD and Ti/Ta/Pt/Ir) and the results were evaluated in energy consumption base. It was found that the removal of the phenolic fraction (TPh) is affected by the experimental conditions and the characteristics of the waste. In specific, it was studied the effect of Cl- concentration and current density at different pH on energy consumption, specific energy consumption, CODr, TPhr and TSSr. The Cl- derive either from NaCl or HCl which were used as electrolytes. In addition, it was studied the effect of initial COD, TPh, TS and TSS on the efficiency of the method in order to evaluate it as a pretreatment step of OMW for the removal of TPh at the least energy expense. Current density as well as Cl- concentration greatly affected the removal of phenols and energy consumption. Phenols’ removal is affectedby the experimental conditions and the characteristics of the waste. The greatest TPh removal (equal to 1150 mg/L) after three hours electrolysis of undiluted OMW with Ti/Ta/Pt/Ir anode, was achieved when Cl- concentration was 0,342 Μ at1,034 A/cm2 current density and neutral pH. The lowest energy consumption (equal to 8,98 kWh/kgCODr) was achieved at the end of three hours of electrolysis with undiluted OMW and Ti/Ta/Pt/Ir anode when Cl- concentration was 0,342 Μ at1,034 A/cm2 current density and acidic pH (equal to 1,1), with 844 TPh removal. As for BDD electrode, the factor current density was studied at lower levels comparing to the Ti/Ta/Pt/Ir electrode, due to manufacturing constraints. The greatest TPh removal (equal to 469 mg/L) after three hours electrolysis of undiluted OMW with BDD anode, was achieved when Cl- concentration was 0,684 Μ at 0,428 A/cm2 current density and acidic pH (equal to 0,9). The lowest energy consumption (equal to 10 kWh/kgCODr) was achieved at the end of three hours of electrolysis with undiluted OMW and BDD anode when Cl- concentration was 0,342 Μ at 0,214 A/cm2 current density and pH equal to 6,2 with 163 mg/L TPh removal. Furthermore, batch anaerobic experiments were organized in order to investigate different conditions of biomass acclimatization. The aim of the anaerobic experiments was the optimization of anaerobic treatment of OMW, with simultaneous production of biogas. Experiments were set up to investigate the parameters that control biomass growth and enhance biogas production, such as culture medium, the presence of HS – CoM, fatty acid mixture and temperature. Moreover, it was explored the influence of the factor F/M (Food/Microorganism - mg COD culture medium /mg TSS biomass) in biogas production and efficiency of anaerobic digestion as the main degradation technology of OMW. Thus two experimental sets were organized to study the biomass degrading efficiency of diluted OMW with water at two areas of F/M. One set of experiments had 1/150 dilution of waste with initial F/M in the range of 0,27 - 2,94 and the other set was run at 1/25 dilution of waste with initial F/M in the range of 4,68 - 19,6. Thus biodegradation indexes such as biogas production per unit of biomass (mL/mg TSS), biogas production per unit of COD removed (mL/mg CODr) and COD removed per unit of biomass (mg CODr/ mg TSS) were estimated in order to evaluate the influence of F/M ratio. Τhe greatest seed degradability was given by the treatment that was incubated with filtered OMW at 60 mg/L initial TPh concentration and fatty acids mixture, with 19,6 F/M and 0,547 g/L TSS biomass concentration thus after 54 days it was achieved 9860 mg/L COD destruction with final concentration of COD equal to 760 mg/L while during the first 20 days of incubation seed biodegradability reached 4,09 mL/g TSS. On the other hand, the treatments that where incubated with electrolyzed OMW, with 44 mg/L initial TPh concentration and 0,629 g/L additional concentration of Na+ ions comparing to the filtered reached the greatest biomass degradability. The cultures were incubated in the presence of fatty acids mixture with 11 F/M ratio and 0,876 g/L TSS biomass concentration. In this case the lag phase was apparent and equal to 25 days, while in the end of 54 days there were degraded 8533 mg/L COD with 867 mg/L final COD concentration and 2,09 mL biogas production per gram (TSS) of biomass. Additionally the acclimatization strategy of biomass was studied both in the presence of filtered and electrolyzed OMW, which includes recultivation of biomass with gradual increase of the waste and its toxic substances in the growth medium. Finally there were organized experiments for the comparison between the biomass that was acclimatized in the laboratory and the biomass that emanated from the installations of biological treatment of urban sewages in Chania. They were evaluated in performance at several combinations of stress factors in the presence of electrolyzed olive mill wastewaters. It was studied the performance of the non acclimatized biomass s well as the mixture’s biomass which was comprised of acclimatized and non acclimatized biomass, with 12/33,7 volume ratio. It was applied the same acclimatization strategy that was developed in the laboratory. This experiment lasted 216 days and at the end the acclimatized biomass exhibited 9,2 mL/g*TSS*day biomass degradability in the presence of 1,585 g/L Na+ concentration and 7 g/L (TSS) biomass concentration. The non acclimatized biomass produced 2,1 mL biogas per g*TSS*day (biomass degradability) in the presence of 0,789g/L Na+ concentration and 7,3 g/L (TSS) biomass concentration. In conclusion, suitably acclimatized biomass is capable of degrading successfully electrolyzed OMW even at elevated concentrations of sodium ions. The results from the application of these two techniques were encouraging for the exploitation of olive mill wastewater, which is toxic for the environment, for the production of energy in the form of biogas. OMW electrolysis with the aid of NaCl produces a treated wastewater which can be anaerobically degraded from acclimatized biomass, by gradual increase of the waste’s concentration in the growth medium.

Σε αυτή την εργασία μελετήθηκε ο συνδυασμός φυσικοχημικής προεπεξεργασίας και αναερόβιας διεργασίας υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείων, από τριφασικό ελαιοτριβείο σε πειράματα που διεξήχθησαν στο εργαστήριο. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα ηλεκτρόλυσης υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείων με στόχο την απομάκρυνση των φαινολικών ενώσεων (TPh) οι οποίες θεωρούνται τοξικές για τους αναερόβιους μικροοργανισμούς. (ιερευνήθηκαν 16 διαφορετικές συνθήκες ηλεκτρόλυσης με δυο διαφορετικά ηλεκτρολυτικά κελιά (BBD and Ti/Ta/Pt/Ir) και εκτιμήθηκαν τα αποτελέσματα σε ενεργειακή βάση. Συγκεκριμένα μελετήθηκε η επίδραση της συγκέντρωσης των Cl- και της πυκνότητας ρεύματος σε διαφορετικές τιμές pH, στην απόδοση της ανόδου, στην ενεργειακή κατανάλωση, στην ειδική ενεργειακή κατανάλωση, στην απομάκρυνση του COD, στην απομάκρυνση των TPh και των στερεών. Τα Cl- προέρχονται από το NaCl ή το HCl που χρησιμοποιήθηκαν ωε ηλεκτρολύτες. Επιπλέον, μελετήθηκε η επίδραση της αρχικής συγκέντρωσης COD, TPh, ολικών στερεών (TS) και ολικών αιωρούμενων στερεών (TSS) στην αποδοτικότητα της μεθόδου ως προεπεξεργασία του υγρού αποβλήτου ελαιοτριβείων (ΥΑΕ) για την απομάκρυνση των TPh με τη μικρότερη ενεργειακή κατανάλωση. Η πυκνότητα ρεύματος καθώς και η συγκέντρωση των χλωροϊόντων αποδείχθηκαν σημαντικές παράμετροι για την απομάκρυνση των φαινολών και για την ενεργειακή κατανάλωση. Η απομάκρυνση των φαινολών επηρεάζεται από τις συνθήκες του πειράματος και τα χαρακτηριστικά του αποβλήτου. Η μέγιστη απομάκρυνση TPh (ίση με 1150 mg/L) για 3 ώρες ηλεκτρόλυσης μη αραιωμένου ΥΑΕ με το ηλεκτρόδιο Ti/Ta/Pt/Ir, επιτεύχθηκε συνθήκες 0,342 Μ Cl-, 1,034 A/cm2 πυκνότητα ρεύματος σε pH 7, ενώ η χαμηλότερη ενεργειακή κατανάλωση (ίση με 8,98 kWh/kgCODr) για 3 ώρες ηλεκτρόλυση με μη αραιωμένο ΥΑΕ επιτεύχθηκε σε συνθήκες 0,342 Μ Cl- και 1,034 A/cm2 πυκνότητα ρεύματος σε pH 1,1 (με 844 mg/L απομάκρυνση TPh). Όσον αφορά το ηλεκτρόδιο BDD, ο παράγοντας πυκνότητα ρεύματος μελετήθηκε σε χαμηλότερα επίπεδα, διότι δεν επιτρέπεται κατασκευαστικά μεγαλύτερη ένταση ρεύματος. Έτσι, η μέγιστη απομάκρυνση TPh (ίση με 469 mg/L) για 3 ώρες ηλεκτρόλυσης μη αραιωμένου ΥΑΕ με το ηλεκτρόδιο BDD επιτεύχθηκε σε συνθήκες 0,684 Μ Cl- και 0,428 A/cm2 πυκνότητα ρεύματος σε όξινο pH ίσο με 0,9, ενώ η χαμηλότερη ενεργειακή κατανάλωση (ίση με 10 kWh/kgCODr) για 3 ώρες ηλεκτρόλυση με μη αραιωμένο ΥΑΕ επιτεύχθηκε σε συνθήκες 0,342 Μ Cl- και 0,214 A/cm2 πυκνότητα ρεύματος και pH 6,2 (με 163 mg/L απομάκρυνση TPh). Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκαν αναερόβια πειράματα διαλείποντος έργου για τη διερεύνηση συνθηκών εγκλιματισμού της βιομάζας με στόχο τη βελτιστοποίηση της απόδοσης της αναερόβιας επεξεργασίας ΥΑΕ, με ταυτόχρονη παραγωγή βιοαερίου. Κάποια πειράματα οργανώθηκαν για τον έλεγχο των παραμέτρων που επηρεάζουν την αύξηση της βιομάζας και ενισχύουν την παραγωγή βιοαερίου, όπως η σύσταση του θρεπτικού υποστρώματος, η παρουσία του παράγοντα HS - CoM, το μίγμα λιπαρών οξέων και η θερμοκρασία. Επιπλέον, μελετήθηκε η επίδραση του παράγοντα F/M (mg COD θρεπτικού υποστρώματος /mg TSS βιομάζας) στην παραγωγή του βιοαερίου και την απόδοση της διεργασίας ως κύρια τεχνολογία απορρύπανσης του ΥΑΕ. (ύο πειραματικά σύνολα οργανώθηκαν για τη μελέτη της επίδοσης της βιομάζας στην αποδόμηση διαλύματος ΥΑΕ με αραίωση αποβλήτου 1/150 και 1/25 με τιμές F/M 0,27 - 2,94 και 4,68 - 19,6 αντίστοιχα. Η επίδραση του παράγοντα F/M στην επίδοση της βιομάζας εκτιμήθηκε με τον υπολογισμό δεικτών βιοαποδόμησης όπως η παραγωγή βιοαερίου ανά μονάδα βιομάζας (mL/mg TSS), η παραγωγή βιοαερίου ανά μονάδα COD που απομακρύνεται (mL/mg CODr) και η δραστικότητα βιομάζας σε COD που απομακρύνεται ανά μονάδα βιομάζας (mg CODr/ mg TSS). Η μεταχείριση που έδωσε την υψηλότερη δραστικότητα εμβολίου επωάστηκε με διηθημένο ΥΑΕ, με συγκέντρωση 60 mg/L TPh και μίγμα λιπαρών οξέων. Επιπλέον είχε αναλογία F/M 19,6 και 0,547 g/L TSS συγκέντρωση βιομάζας. Έπειτα από 20 ημέρες η δραστικότητα εμβολίου ήταν ίση με 4,09 mL/g TSS βιομάζας και στο τέλος, τη 54η ημέρα, απομακρύνθηκε 9860 mg/L COD με τελική συγκέντρωση COD ίση με 760 mg/L. Από τις μεταχειρίσεις που επωάστηκαν με ηλεκτρολυμένο ΥΑΕ η μεγαλύτερη δραστικότητα βιομάζας επιτεύχθηκε όταν επωάστηκε παρουσία μίγματος λιπαρών οξέων με αναλογία F/M 11 και 0,876 g/L TSS συγκέντρωση βιομάζας. Το ηλεκτρολυμένο ΥΑΕ περιείχε 44 mg/L TPh και 0,629 g/L Na+ επιπλέον σε σχέση με το ανεπεξέργαστο. Σε αυτή την περίπτωση παρατηρήθηκε χρόνος εγκλιματισμού ίσος με 25 ημέρες, ενώ στο τέλος των 54 ημερών απομακρύνθηκαν 8533 mg/L COD με την τελική συγκέντρωση COD να είναι ίση με 867 mg/L και τη δραστικότητα εμβολίου ίση με 2,09 mL/g TSS βιομάζας. Επιπλέον μελετήθηκε η στρατηγική εγκλιματισμού της βιομάζας τόσο παρουσία διηθημένου ΥΑΕ όσο και προεπεξεργασμένου με ηλεκτρόλυση ΥΑΕ, η οποία περιλαμβάνει ανακαλλιέργεια της βιομάζας με σταδιακή αύξηση της συγκέντρωσης του αποβλήτου και των τοξικών ουσιών που περιέχει. Τέλος, οργανώθηκαν πειράματα για τη σύγκριση βιομάζας που εγκλιματίστηκε στο εργαστήριο με βιομάζα που προήλθε από τις εγκαταστάσεις βιολογικού καθαρισμού αστικών λυμάτων στα Χανιά, για την επίδοσή τους στην απορρύπανση προ-επεξεργασμένου ΥΑΕ. Μελετήθηκε η επίδοση της εγκλιματισμένης βιομάζας, της μη εγκλιματισμένης βιομάζας καθώς και μίγματος εγκλιματισμένης με μη εγκλιματισμένη βιομάζα σε αναλογία 12/33,7 και εφαρμόστηκε η στρατηγική εγκλιματισμού που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο. Το πείραμα αυτό είχε διάρκεια 216 ημέρες και στο τέλος του πειράματος η εγκλιματισμένη βιομάζα στο εργαστήριο είχε δραστικότητα εμβολίου ίση με 9,2 mL/g*TSS*day κατά μέσο όρο παρουσία ιόντων νατρίου σε συγκέντρωση 1,585 g/L Na+ και 7 g/L TSS βιομάζα. Η μη εγκλιματισμένη βιομάζα είχε δραστικότητα εμβολίου ίση με 2,1 mL/g*TSS*day κατά μέσο όρο παρουσία ιόντων νατρίου σε συγκέντρωση 0,789 g/L Na+ και 7,3 g/L TSS βιομάζα. Συνεπώς κατάλληλα εγκλιματισμένη βιομάζα μπορεί να αποδομήσει με επιτυχία ηλεκτρολυτικά προ- επεξεργασμένο ΥΑΕ ακόμη και σε υψηλές συγκεντρώσεις κατιόντων νατρίου. Τα αποτελέσματα των εργασιών ήταν ενθαρρυντικά από την εφαρμογή του συνδυασμού των δυο τεχνικών. Η ηλεκτρόλυση των ΥΑΕ με ηλεκτρολύτη NaCl δίνει επεξεργασμένο απόβλητο με χαμηλά επίπεδα φαινολών και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Το επεξεργασμένο απόβλητο χρήζει περαιτέρω επεξεργασίας, διότι εξακολουθεί να έχει υψηλό οργανικό φορτίο ενώ έχει επιπλέον υψηλά επίπεδα νατρίου, εξαιτίας της παρουσίας ηλεκτρολύτη. Η εγκλιματισμένη βιομάζα στο εργαστήριο αναπτύχθηκε με σταδιακή αύξηση της συγκέντρωσης του αποβλήτου στο θρεπτικό υπόστρωμα. Η εγκλιματισμένη βιομάζα υπερέχει σε σχέση με τη μη εγκλιματισμένη βιομάζα, καθώς μπορεί να αποδομήσει το ηλεκτρολυμένο με NaCl ΥΑΕ, με ταυτόχρονη παραγωγή βιοαερίου ακόμη και σε υψηλή συγκέντρωση ιόντων νατρίου.