Αντικείμενο & στόχοι

Η αναερόβια αποικοδόμηση των οργανικών υποστρωμάτων (κτηνοτροφικά απόβλητα, αγροτικά υπολείμματα κ.α.) πραγματοποιείται με τη συνδυασμένη δράση διαφόρων μικροοργανισμών σε περιβάλλον, που απουσιάζει το οξυγόνο. Η διεργασία αυτή περιλαμβάνει μία σειρά πολύπλοκων αντιδράσεων. Το αποτέλεσμα αυτών είναι η μετατροπή της οργανικής ουσίας σε βιοαέριο (CH4 και CO2) και σε σταθεροποιημένη οργανική ύλη. Η τεχνολογία του βιοαερίου θεωρείται η καταλληλότερη οδός για την επεξεργασία των αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων, καθώς εκτός από τη μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των διαφόρων αγροτοβιομηχανικών και γεωργικών δραστηριοτήτων που επέρχεται από τη χρήση της, ανακτάται και ενέργεια υπό τη μορφή του CH4. Το παραγόμενο CH4 χρησιμοποιείται σε συστήματα συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας (ΣΗΘ) και η παραγόμενη ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια πωλείται στο διαχειριστή δικτύου ηλεκτρικού ρεύματος καθιστώντας την τεχνολογία μία ελκυστική επένδυση.

Τα τελευταία χρόνια έχουν πραγματοποιηθεί σημαντικές επενδύσεις στον τομέα του βιοαερίου στον Ελλαδικό χώρο, ενώ το έτος 2012 λειτουργούσαν λιγότερες από 10 μονάδες βιοαερίου με συνολική ηλεκτρική ισχύ που δεν ξεπερνούσε τα 4-5 MWe σήμερα λειτουργούν 281 με συνολική ισχύ που ξεπερνά τα 25 MWe. Μόνο στην ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλονίκης λειτουργούν σήμερα τρεις μονάδες βιοαερίου, η μία είναι ο εταίρος ΒΙΟΑΕΡΙΟ ΛΑΓΚΑΔΑ ΑΕ που λειτουργεί στην περιοχή του Λαγκαδά, μία στον Πεντάλοφο Θεσσαλονίκης και μία στην περιοχή της Χαλκηδόνας, η κάθε μία μονάδα βιοαερίου είναι της τάξης του 1 MWe και πρέπει να σημειωθεί ότι και οι τρεις ξεκίνησαν τη λειτουργία τους μέσα στο 2016.

Πλούσια σε αμμωνία υποστρώματα, όπως τα ζωικά απόβλητα (χοιροστασίων και πτηνοτροφείων) και τα απόβλητα σφαγείων αποτελούν πρώτη ύλη των μονάδων βιοαερίου η οποία δεν μπορεί να εξαιρεθεί. Δυστυχώς, οι μονάδες που χρησιμοποιούν ζωικά απόβλητα για την παραγωγή βιοαερίου ή άλλα πλούσια σε άζωτο υποστρώματα λειτουργούν σε συνθήκες «ασταθούς λειτουργίας» και με απώλειες στην παραγωγή του μεθανίου οι οποίες ανέρχονται στο 30% του δυναμικού σε CH₄, λόγω της τοξικής δράσης της ΝΗ₃. Η πλειοψηφία των μονάδων βιοαερίου στην Ελλάδα λειτουργεί κάτω από αυτές τις συνθήκες, καθώς η χρήση όλων των διαθέσιμων οργανικών υποστρωμάτων αποτελεί πλέον αναγκαιότητα.

Η τάση εγκατάστασης νέων μονάδων βιοαερίου προβλέπεται να είναι αυξητική και τα επόμενα χρόνια και, επομένως, όλα τα διαθέσιμα οργανικά απόβλητα – υποστρώματα είναι απαραίτητα για να διασφαλισθεί η απρόσκοπτη λειτουργία τους.

Πρέπει να αναφερθεί ότι: η QLAB (συντονιστής του έργου και πιστοποιημένος φορέας αναλύσεων σε μονάδες βιοαερίου) προχώρησε σε ανάλυση πτητικών λιπαρών οξέων (VFA) σε δείγματα εκροής της μονάδας ΒΙΟΑΕΡΙΟ ΛΑΓΚΑΔΑ ΑΕ. τον Φεβρουάριο του 2017, και διαπίστωσε ότι αυτά περιείχαν οξικό οξύ σε συγκέντρωση 2000 mg/L, εκτός των άλλων λιπαρών οξέων που βρέθηκαν παρόντα στα δείγματα. Η συγκέντρωση του οξικού οξέος αποτελεί δείκτη ολοκλήρωσης της αναερόβιας αποικοδόμησης, χαμηλές έως μηδενικές τιμές χαρακτηρίζουν την ολοκλήρωση της διαδικασίας, ενώ υψηλές τιμές δείχνουν ότι υπάρχει αστάθεια στη λειτουργία της μονάδας βιοαερίου, η οποία διέκοψε την περαιτέρω βιοχημική μετατροπή του οξικού οξέος σε CH₄.

Το CH₄ παράγεται από δύο μεταβολικές οδούς κατά το στάδιο της μεθανογένεσης: α) την οξικολυτική μεθανογένεση, όπου πραγματοποιείται μετατροπή του οξικού οξέος σε CH₄ και CO₂ και β) την υδρογονοτροφική μεθανογένεση, όπου το CH4 παράγεται με τη βοήθεια των υδρογονοτροφικών μικροοργανισμών τα οποία για το σκοπό αυτόν καταναλώνουν H₂ και CO₂.

Ο υψηλός υδραυλικός χρόνος παραμονής (ΥΧΠ 43 ημέρες) των αποβλήτων με τον οποίο λειτουργεί η μονάδα στον Λαγκαδά σε συνδυασμό με τη μη ολοκλήρωση της αποικοδόμησης της οργανικής ύλης που διαπιστώθηκε από τις αυξημένες συγκεντρώσεις οξικού οξέος οδήγησε την ΒΙΟΑΕΡΙΟ ΛΑΓΚΑΔΑ στην περαιτέρω διερεύνηση του ζητήματος. Η απώλεια σε CH4 στην περίπτωση του Λαγκαδά ανερχόταν περίπου στο 32% του συνολικού δυναμικού παραγωγής CH4, καθώς από 2000mg/L ή ~33mmoles υπολειμματικού CH3COOH παράγονται 33mmoles CH4 ποσότητα που αντιστοιχεί σε ~750mL CH4/L υποστρώματος.

Η συγκέντρωση αμμωνιακού αζώτου (NH4-N) στα δείγματα μετρήθηκε ίση με 2.3 g/L υποστρώματος και σε συνδυασμό με τη διεξαγωγή τεστ τοξικότητας που διεξήχθη από τον εταίρο ΑΠΘ εξήχθη το συμπέρασμα ότι οι αυξημένες συγκεντρώσεις σε CH3COOH οφείλονται κατά κύριο λόγο σε τοξικότητα NH3. Πρέπει να σημειωθεί ότι η NH3 αναστέλλει κυρίως την δράση των οξικολυτικών μεθανογόνων αρχαίων συμβάλλοντας έτσι σε αυξημένες συγκεντρώσεις CH3COOH. Η πλειοψηφία των μονάδων βιοαερίου στην Ελλάδα λειτουργεί κάτω από αυτές τις συνθήκες καθώς η χρήση όλων των διαθέσιμων οργανικών υποστρωμάτων αποτελεί πλέον αναγκαιότητα, όπως ειπώθηκε.

Ένα άλλο σημαντικό γεγονός είναι η εποχικότητα των οργανικών υποστρωμάτων στην Ελλάδα το οποίο προκαλεί διακύμανση και συχνά απότομες αυξήσεις στις συγκεντρώσεις της NH₃ στον βιοαντιδραστήρα με συνέπεια τη διαταραχή της αναερόβιας ζύμωσης. Αυτή η διαταραχή οδηγεί σε σοβαρά λειτουργικά προβλήματα και οικονομικές απώλειες στις μονάδες βιοαερίου.

Η ΝΗ3 είναι προϊόν μεταβολισμού της αναερόβιας ζύμωσης των οργανικών ουσιών που περιέχουν άζωτο. Κατά τη διάρκεια της αναερόβιας ζύμωσης, οργανικές ενώσεις πλούσιες σε άζωτο (πρωτεΐνες, ουρία) διασπώνται σε λιπαρά οξέα και NH3. Το άζωτο είναι απαραίτητο για την ανάπτυξη της βιομάζας των μικροοργανισμών, καθώς όμως βρίσκεται σε περίσσεια στα ζωικά απόβλητα, δεν καταναλώνεται αλλά υπάρχει στο υδατικό διάλυμα υπό τη μορφή του αμμωνιακού ιόντος ή της ελεύθερης NH3. Η μορφή της ελεύθερης αμμωνίας είναι τοξική για τους μεθανογόνους πληθυσμούς. Η ελεύθερη NH3 ακόμη και σε μικρές ποσότητες της τάξης των 150 mg/L επιδρά στο να μειωθεί η παραγωγή του μεθανίου. Είναι σύνηθες φαινόμενο οι συγκεντρώσεις της ελεύθερης NH3 στις μονάδες παραγωγής βιοαερίου να υπερβαίνουν ακόμη και τα 1100 mg/L όταν χρησιμοποιούν ζωικά απόβλητα ή απόβλητα σφαγείων.

Η ελεύθερη NH3 βρίσκεται σε χημική ισορροπία με το αμμωνιακό ιόν, με αύξηση του pH και άνοδο της θερμοκρασίας η συγκέντρωση της ελεύθερης NH3 αυξάνεται. Σε έρευνα του ΑΠΘ. αποδείχθηκε ότι η προσθήκη ζεόλιθου σε χοιρολύματα, ο οποίος δεσμεύει το αμμωνιακό ιόν και κατά συνέπεια μειώνει τη συγκέντρωση της ελεύθερης αμμωνίας είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση της παραγωγής μεθανίου κατά 52%6. Ωστόσο, η προσθήκη υλικών για τη δέσμευση του αμμωνιακού αζώτου απέχει πολύ από οποιαδήποτε εμπορική εφαρμογή. Τρεις μέθοδοι επίλυσης του προβλήματος είναι εμπορικά διαθέσιμες: α) η συγχώνευση με υποστρώματα φτωχά σε άζωτο, β) η λειτουργία της μονάδας με μικρή συγκέντρωση στερεών και γ) η μέθοδος NH3 stripping από τα απόβλητα πριν την εισαγωγή τους στον βιοαντιδραστήρα.

Ωστόσο, η πρώτη δεν μπορεί να εφαρμοσθεί στην Ελλάδα, όπου η τροφοδοσία των μονάδων δεν είναι σταθερή και όπου χρησιμοποιείται το σύνολο της εποχιακά διαθέσιμης οργανικής ύλης, σε μία ακτίνα δράσης από την μονάδα που είναι οικονομικά συμφέρουσα η μεταφορά των υποστρωμάτων. Η δεύτερη και τρίτη είναι οικονομικά ασύμφορες, καθώς η λειτουργία της μονάδας με μικρή συγκέντρωση στερεών έχει χαμηλή απόδοση με υψηλό αρχικό κόστος εγκατάστασης και η υπάρχουσα NH3 stripping μέθοδος απαιτεί μεγάλες ποσότητες ενέργειας και ρύθμιση του pH στην αλκαλική περιοχή, προκειμένου να θερμανθούν τα υποστρώματα σε θερμοκρασία όπου θα μετατραπεί το σύνολο του ΝΗ4-Ν σε ελεύθερη NH3 για να διαφύγει στην ατμόσφαιρα μετά από αερισμό.