Αξιοποίηση βιοστερεών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με συνδυασμό των μεθόδων μικροκοσκίνισης-αεριοποίησης

Abstract

The ineffective operation of WasteWater Treatment Plants (WWTP) due to overloading, in combination with the high energy demands of extended aeration plants, as well as the unsatisfactory management of biosolids, are considered as important problems, which could be solved through an innovative system for the removal of suspended solids from wastewater before biological treatment and subsequent valorization of the produced biosolids. Such a pilot plant, with capacity of 5.000 m3/d of incoming wastewater, has been installed at the WWTP of Rethymno, consisting of: partial solids removal upstream of the aeration tank through microsieving, moisture removal of the produced microsieved biosolids through drying, syngas production from the biosolids through gasification, and electric and thermal energy production from syngas combustion in an Internal Combustion Engine (ICE), for the coverage of energy needs of the system. In the framework of the present doctoral thesis, except the highlighting of the energy problem of activated sludge WWTPs, the technologies of the suggested method along with their current applications and the potential of their wide apply in WWTPs are examined and evaluated, investigating thus the valorization of wastewater energy content. Specifically, the major goals of this thesis are: (i) the study of the profile of Greek WWTPs, in order to identify their energy problem, (ii) the design, manufacture, and optimization of the aforementioned pilot plant, (iii) the efficiency examination of microsieving and gasification, (iv) the calculation of the critical size above which a microsieving - gasification plant upstream of a conventional activated sludge WWTP will have a positive energy balance, as well as (v) the characterization of the produced biosolids, the determination of by-products composition and the proposal of their suitable management. The results of the studies conducted lead to the conclusion that the suggested method of wastewater pre-treatment and produced biosolids valorization could be a solution for the environmental and economic malaises which characterize the modern conventional WWTPs. Specifically, about 30 % of solids is removed from wastewater through microsieving, while around 8 kg/h of microsieved biosolids (on dry basis) are produced, with high organic content (TS 36 ± 2 %, VS 89,6 ± 0,69 % of TS) and remarkable energy content (HHV 21,479 ± 1,434 MJ/kg), characteristics which make them ideal feedstock for thermal treatment methods and suitable for further energy valorization. Regarding the energy autonomy of the plant, the calculations of mass and energy balances showed that it may not be possible to achieve complete autonomy in the present application, but there are plenty of alternatives which lead to positive result with minor modifications, easily adaptable to the pilot plant for future applications. Also, based on the balances, it appears that systems with higher capacity have an energy advantage compared to smaller ones due to “economy of scale”, as they consume less per unit of inlet mass. Finally, based on the inputs - outputs determination, the environmental footprint assessment as well as the Life Cycle Assessment (LCA) of the pilot plant, the application of the proposed method showed an environmental improvement compared to usual methods applied to the conventional WWTPs.

Η μη αποτελεσματική λειτουργία των Εγκαταστάσεων Επεξεργασίας Λυμάτων (ΕΕΛ) λόγω της υπερφόρτωσης, σε συνδυασμό με τις υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις των εγκαταστάσεων παρατεταμένου αερισμού, αλλά και την μη ικανοποιητική διαχείριση των βιοστερεών αποτελούν σημαντικά προβλήματα, που θα μπορούσαν να επιλυθούν μέσω ενός καινοτομικού συστήματος απομάκρυνσης των αιωρούμενων στερεών από τα λύματα πριν αυτά υποστούν βιολογική επεξεργασία και επακόλουθης αξιοποίησης των παραγόμενων βιοστερεών. Μία τέτοια πιλοτική μονάδα, με δυναμικότητα 5.000 m3/d εισερχόμενου αποβλήτου, έχει εγκατασταθεί στην ΕΕΛ Ρεθύμνου, αποτελούμενη κατά σειρά από: απομάκρυνση μέρους των στερεών ανάντη της δεξαμενής αερισμού μέσω μικροκοσκίνισης, αφαίρεση υγρασίας των παραγόμενων μικροκοσκινισμένων βιοστερεών μέσω ξήρανσης, παραγωγή αερίου σύνθεσης από τα βιοστερεά μέσω αεριοποίησης, και παραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας από την καύση του παραγόμενου αερίου σύνθεσης μέσω μιας Μηχανής Εσωτερικής Καύσης (ΜΕΚ), για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του συστήματος. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, πέρα από την ανάδειξη του ενεργειακού προβλήματος των ΕΕΛ ενεργού ιλύος, εξετάζονται και αξιολογούνται οι τεχνολογίες της προτεινόμενης μεθόδου, οι εφαρμογές τους και η πιθανότητα ευρείας υιοθέτησής τους από τις ΕΕΛ, διερευνώντας έτσι την αξιοποίηση του ενεργειακού περιεχομένου των αστικών υγρών αποβλήτων. Συγκεκριμένα, οι βασικοί στόχοι της διατριβής είναι: (i) η μελέτη του προφίλ των ΕΕΛ της Ελλάδος, ώστε να αναδειχθεί ενεργειακό τους πρόβλημα, (ii) ο σχεδιασμός, η κατασκευή και βελτιστοποίηση της λειτουργίας της παραπάνω πιλοτικής μονάδας, (iii) η εξέταση αποδοτικότητας της μικροκοσκίνισης και της αεριοποίησης, (iv) ο υπολογισμός του κρίσιμου μεγέθους πάνω από το οποίο μια εγκατάσταση μικροκοσκίνισης - αεριοποίησης ανάντη μιας συμβατικής ΕΕΛ ενεργού ιλύος θα έχει θετικό ενεργειακό ισοζύγιο, καθώς και (v) ο χαρακτηρισμός των παραγόμενων βιοστερεών, ο προσδιορισμός σύστασης των παραπροϊόντων και η πρόταση κατάλληλου τρόπου διαχείρισής τους. Το σύνολο των αποτελεσμάτων των μελετών που διεξήχθησαν οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η προτεινόμενη μέθοδος προ-επεξεργασίας λυμάτων και αξιοποίησης των παραγόμενων βιοστερεών μπορεί να αποτελέσει λύση στις περιβαλλοντικές και οικονομικές παθογένειες που χαρακτηρίζουν τις σύγχρονες συμβατικές ΕΕΛ. Συγκεκριμένα, με την μικροκοσκίνιση απομακρύνεται περίπου το 30% των στερεών από τα απόβλητα, ενώ παράλληλα παράγονται περίπου 8 kg/h μικροκοσκινισμένα βιοστερεά (σε ξηρή βάση), τα οποία χαρακτηρίζονται από υψηλό ποσοστό οργανικών στερεών (TS 36 ± 2 %, VS 89,6 ± 0,69 % των TS) και αξιόλογο ενεργειακό περιεχόμενο (HHV 21,479 ± 1,434 MJ/kg) που τα καθιστά ιδανικά για υλικό τροφοδοσίας θερμικών μεθόδων επεξεργασίας και επομένως κατάλληλα για περαιτέρω ενεργειακή αξιοποίηση. Ως προς την ενεργειακή αυτονομία της μονάδας, οι υπολογισμοί των ισοζυγίων μάζας και ενέργειας έδειξαν ότι μπορεί να μην είναι δυνατό να επιτευχθεί πλήρης αυτονομία στην παρούσα εφαρμογή, όμως υπάρχουν πολλές εναλλακτικές που οδηγούν σε θετικό αποτέλεσμα με μικρές τροποποιήσεις, οι οποίες μπορούν εύκολα να ενσωματωθούν στην πιλοτική μονάδα σε μελλοντικές εφαρμογές. Επίσης, από τα ισοζύγια φάνηκε ότι τα συστήματα μεγαλύτερης δυναμικότητας πλεονεκτούν ενεργειακά συγκριτικά με τα μικρότερα λόγω «οικονομίας κλίμακος», αφού καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια ανά μονάδα εισερχόμενης μάζας. Τέλος, από τον προσδιορισμό των εισροών - εκροών, την εκτίμηση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος αλλά και την Ανάλυση Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ) της πιλοτικής μονάδας προέκυψε ότι η εφαρμογή της προτεινόμενης μεθόδου προκαλεί περιβαλλοντική βελτίωση συγκριτικά με τις συνήθεις μεθόδους που εφαρμόζονται ευρέως στις συμβατικές ΕΕΛ.