Παραγωγή ενέργειας με αεριοποίηση ιλύων από μονάδες βιολογικών καθαρισμών

Abstract

The process of the activated sludge is commonly used in the aerobic wastewater treatment plants. The initial BOD content of the influent is mainly transformed into biological sludge, which is considered to be secondary pollution. A new, most promising method for sludge energy utilization is gasification. The present study focuses on the impact of the Θc on the net energy production through gasification of waste activated sludge. Waste activated sludge samples of every distinctive Θc =1 to 30d were produced and analyzed both quantitatively and qualitatively. The sludge samples were fed to an allothermal bench scale batch gasifier and the solid residues (char), the gaseous products (CO2, H2, CO, CH4) and the tar byproduct were quantitatively and qualitatively analyzed. The results were evaluated with assessment models of the energy efficiency in comparison with the heating value of the sludge sample and were reduced based on the carbon mass content of the influent, in order to obtain comparable quantitative results on the energy efficiency and the imposed Θc. Net energy calculations were made by the deduction of the corresponding energy production form gasification to the energy consumption of the wastewater treatment plant. From the results it was concluded that the increase of Θc resulted in the increase of ash content and decrease of the lower heating value of the sludge produced. The sludge composition, according to the Van Krevelen diagram, placed the sludge produced in an uncharted territory far from the common solid fuels. Gasification efficiency presented a slight but steady rate of increase with the Θc=30d. On the contrary, the total energy produced per gram of carbon in the influent of the biological system was constantly reduced. The energy balance from the combination of the energy utilization of the sludge and the energy requirements of an WWTP was proved positive for Θc=1 to 8d.The present study proves that the combined biological and thermal unit operates with higher energy efficiencies at lower Θc. Furthermore, gasification of the activated sludge is a most promising method for its utilization and disposal.

Η αερόβια βιολογική διεργασία και δη η μέθοδος της ενεργού ιλύος αποτελεί την πλέον διαδομένη τεχνική επεξεργασίας οργανικών αποβλήτων. Ο αφομοιωμένος άνθρακας, όμως, μετατρέπεται κυρίως σε ιλύ, που θεωρείται δευτερογενής ρύπανση.Μία νέα τεχνική παραγωγής ενέργειας από την ιλύ, με ταυτόχρονη ασφαλή διάθεσή της, είναι η αεριοποίηση. O παράγοντας που επηρεάζει αποφασιστικά την ενεργειακή απόδοση των βιολογικών λασπών με την αεριοποίηση είναι τα ποσοτικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά τους, τα οποία καθορίζονται από το Θc.Η παρούσα εργασία ασχολείται με την επίδραση του Θc για την παραγωγή «καθαρής» ενέργειας μέσω της αεριοποίησης των παραγόμενων βιολογικών λασπών. Για τον σκοπό αυτό παρήχθησαν και μελετήθηκαν, ως προς τα ποιοτικά και ποσοτικά τους χαρακτηριστικά, βιολογικές λάσπες για Θc =1 έως 30d. Κατόπιν, επεξεργάστηκαν θερμικά σε μία εργαστηριακή μονάδα αλλόθερμης αεριοποίησης διαλείποντος έργου και αναλύθηκαν ποιοτικά και ποσοτικά τα στερεά, αέρια (CO2, CO, H2, CH4) και υγρά (πίσσες) προϊόντα τόσο της πυρόλυσης όσο και της αεριοποίησης. Τα αποτελέσματα αξιοποιήθηκαν σε μοντέλα εκτίμησης της ενεργειακής απόδοσης σε σχέση με το ενεργειακό περιεχόμενο των παραγόμενων ιλύων και κατόπιν έγινε αναγωγή τους στη μάζα του εισερχόμενου οργανικού άνθρακα στον βιολογικό καθαρισμό ώστε να μπορούν να εξαχθούν συγκρίσιμα ποσοτικά συμπεράσματα ως προς την ενεργειακή απόδοση σε σχέση με το επιβαλλόμενο Θc. Από την παραγόμενη ενέργεια μέσω αεριοποίησης αφαιρέθηκε η αντίστοιχη θεωρητικά καταναλισκόμενη ενέργεια λόγω αερισμού του βιολογικού καθαρισμού ώστε να προκύψει η «καθαρή» παραγόμενη ενέργεια.Διαπιστώθηκε ότι αυξανόμενου του Θc παράγονται λάσπες με υψηλότερο ποσοστό τέφρας και χαμηλότερης θερμογόνου δύναμης. Η σύσταση της παραχθείσας ιλύος, βάσει διαγράμματος Van Krevelen, την καθιστά μοναδική εν σχέση με όλα τα άλλα στερεά καύσιμα. Η απόδοση της αεριοποίησης αυξανόταν συνεχώς με την άνοδο του Θc. Όμως, η συνολικά παραγόμενη ενέργεια ανά γραμμάριο εισερχόμενου άνθρακα στο σύστημα του βιολογικού καθαρισμού συνεχώς ελαττωνόταν. Από την ολοκληρωμένη θεώρηση της ενεργειακής αξιοποίησης της ιλύος βάσει της κατανάλωσης ενέργειας του βιολογικού καθαρισμού και της παραγωγής ενέργειας από την αεριοποίηση παρατηρήθηκε θετικό ενεργειακό ισοζύγιο από Θc=1 έως 8d. Το τελικό συμπέρασμα της παρούσας διατριβής είναι πως το συνδυασμένο σύστημα βιολογικού καθαρισμού και αεριοποίησης ιλύος είναι αποδοτικότερο σε χαμηλά Θc και η αεριοποίηση αποδεικνύεται ως η πιο κατάλληλη θερμική μέθοδος διαχείρισης και ενεργειακής εκμετάλλευσης της ιλύος.