Ανάπτυξη ολοκληρωμένου διαχειριστικού συστήματος κυκλικής οικονομίας για την αξιοποίηση χρησιμοποιημένων πανών και υπολειμμάτων τροφίμων με έμφαση στην παραγωγή βιοκαυσίμων και προϊόντων προστιθέμενης αξίας

Abstract

According to recent municipal solid waste production data, 2.01 billion tons are produced annually worldwide, while a further increase is expected for the coming years. Despite the efforts for waste reduction in European countries, about 40 % of the total municipal solid waste is food waste (from households, restaurants, primary sector, and retail stores) while a lower amount (1.5-6.3 %), which however can reach up to 12 % of municipal solid waste, consists of personal hygiene products and mainly disposable baby diapers and incontinence products. Both waste streams include a significant amount of organic material, which could lead to an environmental footprint of high greenhouse gases emissions levels and leachates unless waste management is preceded. In particular, the presence of baby diapers in landfills, due to their complex structure (polyethylene, polypropylene, cellulosic fibers, superabsorbent polymer, urine and/or excreta) and their slow decomposition rate leads to significant problems such as dioxin and greenhouse gases emissions. The European Union targets, according to which the municipal waste management hierarchy is the prevention, reuse, recovery and disposal, lead to the utilization of waste streams with a view to recycling, material recovery and energy production, instead of landfilling. To this end, the development of an integrated management system in the context of circular economy is hereby presented. Both food waste and used diapers valorization through the anaerobic digestion process lead to the production of biofuels and added-value products. The pretreatment of the diapers is mandatory, resulting in three separate streams, namely a hydrolysate, in which the organic material is included, a stream of treated superabsorbent polymer and a mixture of shredded plastics. The data evaluation about the food waste streams and the used diapers resulted in simple mixtures consisting exclusively of fruits and vegetables, as well as more complex mixtures of bread, fruits/vegetables, and meat. Both baby diapers and incontinence products were tested in the form of hydrolysate. For the waste management system development, mixtures of the aforementioned food waste in combination with hydrolysate of baby diapers or incontinence products were tested. The experiments were performed in laboratory scale in order to finally apply the optimal conditions for maximum biogas production and waste utilization on a pilot-scale system. During the biochemical methane potential tests, low biodegradability rates of baby diapers hydrolysates (45.2-60.2 %) were presented, while the food waste-hydrolysate mixtures exhibited increased rates ranging between 81.9 and 99.9 %. During the rate-limiting tests of the anaerobic digestion process, the comparison of fruits/vegetables mixture and fruits/vegetables-hydrolysate substrate results showed that the conversion of COD to CH4 followed different pattern for the hydrogenotrophic and the acetotrophic methanogens. The differences are attributed to the hydrolysate cellulosic fibers presence, while for both substrates the rate-limiting step for the path of CH4 production through the consumption of acetate, is the production of acetate.Tests were also performed for the anaerobic fermentation optimization for H2 production, in the pH range of 4.5-7.5. In all cases the carbohydrates were consumed from 77 to 90 %, yielding 1.12 mol H2/mol glucose at pH 7.5 for the mixture of fruit/vegetable and hydrolysate, and 1.33 mol H2/mol glucose for the more complex mixture of bread/fruits/vegetables/meat and incontinence products hydrolysate. The comparison between a two-stage versus a one-stage operation of anaerobic digestion systems for the mixture of fruits/vegetables and hydrolysate under the same hydraulic retention time of the methanogenic reactor proved that the two-stage system is more efficient (by 18.4 %). Moreover, the mixture of bread/fruits/vegetables/meat and incontinence products hydrolysate was successfully consumed in a two-stage system with a hydraulic retention time in the methanogenic reactor of 10.6 days, without reducing the system’s methane yield. The optimal results of the laboratory scale tests were applied in a two-stage pilot scale anaerobic digestion system in order to maximize the energy production while consuming the maximum wastes amounts. The fruits/vegetables and hydrolysate mixture exhibited very encouraging results, without significant differences compared to the lab scale yields, resulting in a daily output of 45.7 MJ. In contrast, the more complex mixture did not behave similarly to the laboratory scale tests due to the different macromolecules’ composition of each feedstock. Except from biogas, which can be used for in situ energy production, other by-products such as the plastics mixture, the superabsorbent polymer of the diapers as well as the anaerobic effluent, remain after the end of the process. The plastic materials were tested as adsorbents as well as for other applications, depending on their characteristics, while the anaerobic effluent was composted, concluding to a stable material with, however, unbalanced C/N ratio. According to the anaerobic effluent characteristics, a possible solution could be its direct disposal as liquid fertilizer, which however should be further investigated.

Κατά τον ετήσιο υπολογισμό παραγωγής αστικών στερεών απορριμμάτων οι τιμές έφτασαν τα 2.01 δισεκατομμύρια τόνους σε παγκόσμιο επίπεδο, ενώ αναμένεται πως η τιμή αυτή θα αυξηθεί περισσότερο τα επόμενα χρόνια. Σε ευρωπαϊκό επίπεδο, παρά το γεγονός ότι πραγματοποιούνται προσπάθειες μείωσης των παραγόμενων ποσοτήτων, το 40 % περίπου του συνόλου αποτελείται από απόβλητα τροφίμων (προερχόμενα από νοικοκυριά, καταστήματα εστίασης, πρωτογενή τομέα και καταστήματα πώλησης) ενώ ένα μικρότερο ποσοστό (1.5-6.3 %), το οποίο όμως μπορεί να αγγίξει ακόμη και το 12 % των αστικών απορριμμάτων, αποτελείται από προϊόντα ατομικής υγιεινής και κυρίως βρεφικές πάνες μιας χρήσης και προϊόντα ακράτειας. Και τα δύο αυτά ρεύματα αποβλήτων εμπεριέχουν μια σημαντική ποσότητα οργανικού φορτίου, το οποίο αν δεν διαχειριστεί κατάλληλα οδηγεί σε περιβαλλοντικό αποτύπωμα υψηλών επιπέδων έκλυσης αερίων θερμοκηπίου και παραγωγής στραγγισμάτων. Συγκεκριμένα η παρουσία των βρεφικών πανών σε χώρους υγειονομικής ταφής, εξαιτίας της σύνθετης δομής τους καθώς αποτελούνται συνήθως από πολυαιθυλένιο, πολυπροπυλένιο, κυτταρινούχες ίνες, υπεραπορροφητικό πολυμερές, ούρα ή/και κόπρανα, δημιουργεί σημαντικά προβλήματα εξαιτίας του αργού χρόνου αποσύνθεσης και της πιθανής έκλυσης διοξίνης, εκτός των αερίων θερμοκηπίου. Οι στόχοι της Ευρωπαϊκής Ένωσης, σύμφωνα με την οποία η ιεραρχία διαχείρισης των αστικών απορριμμάτων είναι η πρόληψη, επαναχρησιμοποίηση, ανάκτηση και τέλος διάθεση, οδηγούν στην αξιοποίηση ρευμάτων αποβλήτων με προοπτικές ανακύκλωσης, ανάκτησης υλικών και παραγωγής ενέργειας, αποφεύγοντας τη διάθεσή τους στους χώρους υγειονομικής ταφής. Σύμφωνα με τα παραπάνω, στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου διαχειριστικού συστήματος στα πλαίσια της κυκλικής οικονομίας για την αξιοποίηση των ρευμάτων υπολειμμάτων τροφίμων και χρησιμοποιημένων πανών μέσω της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης, παράγοντας βιοκαύσιμα και προϊόντα προστιθέμενης αξίας. Απαραίτητη προϋπόθεση ήταν η προεπεξεργασία του ρεύματος πανών καταλήγοντας σε τρία επιμέρους ρεύματα και συγκεκριμένα ένα υδρόλυμα, στο οποίο συμπεριλαμβάνεται όλο το οργανικό υλικό των πανών, ένα ρεύμα επεξεργασμένου απορροφητικού πολυμερούς και ένα μίγμα τεμαχισμένων πλαστικών. Για τη μελέτη αξιοποίησης των δύο ρευμάτων υπολειμμάτων τροφίμων και χρησιμοποιημένων πανών αξιολογήθηκαν πρώτα τα υποστρώματα, καταλήγοντας σε δοκιμές που αφορούν πιο απλά μίγματα, αποτελούμενα αποκλειστικά από φρούτα και λαχανικά, καθώς και πιο σύνθετα μίγματα ψωμιού, φρούτων/λαχανικών και κρέατος. Επίσης για το ρεύμα χρησιμοποιημένων πανών δοκιμάστηκαν τόσο βρεφικές πάνες όσο και πάνες ακράτειας με τη μορφή υδρολύματος. Για την ανάπτυξη του συστήματος ταυτόχρονης επεξεργασίας των ρευμάτων αυτών μελετήθηκαν μίγματα των προαναφερόμενων αποβλήτων τροφίμων σε συνδυασμό με υδρόλυμα βρεφικών πανών ή πανών ακράτειας. Τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν ήταν εργαστηριακής κλίμακας με σκοπό την τελική εφαρμογή των βέλτιστων συνθηκών για μέγιστη παραγωγή βιοαερίου και αξιοποίηση αποβλήτων, σε πιλοτική κλίμακα. Κατά τη μελέτη βιοχημικού μεθανογόνου δυναμικού, παρουσιάστηκαν πολύ χαμηλά ποσοστά βιοαποδομησιμότητας των υδρολυμάτων βρεφικών πανών από 45.2 έως 60.2 %, ενώ τα μίγματα τροφίμων-υδρολύματος παρουσίασαν αυξημένα ποσοστά από 81.9 έως 99.9 %. Μέσω των δοκιμών ελέγχου του ρυθμορυθμιστικού βήματος, συγκρίνοντας τα αποτελέσματα του μίγματος φρούτων/λαχανικών και του συνδυασμού φρούτων/λαχανικών-υδρολύματος, φαίνεται πως διαφορετικές αναλογίες οργανικού φορτίου εκφρασμένες σε ισοδύναμα COD, μετατρέπονται σε CH4 μέσω των οξικότροφων και των υδρογονότροφων μικροοργανισμών, εξαιτίας της παρουσίας των κυτταρινούχων ινών στην περίπτωση του υδρολύματος, ενώ και για τα δύο υποστρώματα φαίνεται πως το ρυθμορυθμιστικό βήμα για το μονοπάτι της παραγωγής CH4 μέσω της κατανάλωσης οξικού οξέος είναι η παραγωγή του οξικού οξέος. Κατά τη μελέτη αναερόβιας ζύμωσης προς βελτιστοποίηση παραγωγής Η2, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές σε συστήματα διαλείποντος έργου σε εύρος pH 4.5-7.5, ανάλογα με το υπόστρωμα που μελετήθηκε. Σε όλες τις περιπτώσεις οι υδατάνθρακες καταναλώθηκαν από 77 έως 90 %, αποδίδοντας 1.12 mol H2/mol glucose σε pH 7.5 για το μίγμα φρούτων/λαχανικών-υδρολύματος βρεφικών πανών και 1.33 mol H2/mol glucose σε pH 6.0 για το μίγμα ψωμιού/φρούτων/λαχανικών/κρέατος-υδρολύματος πανών ακράτειας. Σχετικά με τη λειτουργία διβάθμιων και μονοβάθμιων συστημάτων αναερόβιας χώνευσης, διερευνώντας αρχικά τη σύγκριση απόδοσης μεταξύ των συστημάτων αυτών με μίγμα φρούτων/λαχανικών-υδρόλυμα, βρέθηκε πως ένα διβάθμιο σύστημα είναι αποδοτικότερο του μονοβάθμιου σε ενέργεια κατά 18.4 %, ενώ συγκεκριμένα για το μίγμα ψωμιού/φρούτων/λαχανικών/κρέατος-υδρολύματος πανών ακράτειας σε διβάθμιο σύστημα, ο υδραυλικός χρόνος παραμονής του μεθανογόνου αντιδραστήρα μειώθηκε στις 10.6 ημέρες χωρίς να μειωθεί η απόδοση του συστήματος. Εφαρμόζοντας τα βέλτιστα αποτελέσματα των εργαστηριακών εφαρμογών σε σύστημα αναερόβιας χώνευσης δύο σταδίων πιλοτικής κλίμακας προς μέγιστη παραγωγή ενέργειας καταναλώνοντας τη μέγιστη δυνατή ποσότητα αποβλήτων, το μίγμα φρούτων/λαχανικών-υδρολύματος έδωσε πολύ ενθαρρυντικά αποτελέσματα, τα οποία δεν διέφεραν σημαντικά σε σύγκριση με αυτά της εργαστηριακής κλίμακας, καταλήγοντας σε ημερήσια παραγωγή 45.7 MJ. Αντιθέτως, το πιο σύνθετο μίγμα (ψωμιού/φρούτων/λαχανικών/κρέατος-υδρολύματος πανών ακράτειας) δεν παρουσίασε όμοια συμπεριφορά με την εργαστηριακή. Εκτός του βιοαερίου, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί καλύπτοντας ενεργειακές ανάγκες, άλλα παραπροϊόντα όπως το μίγμα πλαστικών, το υπεραπορροφητικό πολυμερές της πάνας και η αναερόβια απορροή, προκύπτουν μετά το πέρας της διεργασίας. Τα υλικά της πάνας μελετήθηκαν για χρήση ως προσροφητικά υλικά ή για άλλες εφαρμογές ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους, ενώ η αναερόβια απορροή μελετήθηκε μέσω της διεργασίας κομποστοποίησης, καταλήγοντας πως είναι ένα αρκετά σταθερό υλικό, δίχως όμως να επιτυγχάνεται ρύθμιση του λόγου C/N στις επιθυμητές τιμές. Σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά της αναερόβιας απορροής, προκύπτει πως μια πιθανή λύση θα μπορούσε να είναι η απευθείας διάθεση της ως υγρή λίπανση, η οποία ωστόσο πρέπει να μελετηθεί εκτεταμένα.