Εργασιακές ενότητες & παραδοτέα

Συλλογή διαφορετικών υποστρωμάτων που υπάρχουν διαθέσιμα στην περιοχή της κ. Μακεδονίας και ανάλυση τους ως προς την περιεκτικότητα τους σε άζωτο. Συνδυασμένη χώνευση των υποστρωμάτων αυτών σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου. Ο συνδυασμός θα προσομοιάζει πραγματικές συνθήκες με βάση την εποχιακή τους διακύμανση και βάση της διαθεσιμότητας τους στην περιοχή, θα πραγματοποιηθεί μέτρηση του επιπέδου της αμμωνίας κατά την αναερόβια αποικοδόμηση και έλεγχος τοξικότητας σε αμμωνία. Παράλληλα, θα ληφθούν δείγματα από τη μονάδα βιοαερίου Λαγκαδά και θα γίνει έλεγχος τοξικότητας αμμωνίας σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου και θα υπολογισθεί η επίπτωση της στη μείωση της παραγωγής βιοαερίου.

Η ΕΕ2 αποσκοπεί στην καλλιέργεια μεσόφιλων μεθανογόνων κοινοπραξιών που θα χρησιμοποιηθούν στη συνέχεια ως εμβόλια βιοενίσχυσης (bioaugmentation). Σε δείγματα που θα συλλεχθούν από τη μονάδα βιοαερίου Λαγκαδά θα γίνει βαθμιδωτή αύξηση του επιπέδου αμμωνίας (έως τα επίπεδα αμμωνίας που υπολογίσθηκαν ότι υπάρχουν υπό πραγματικές συνθήκες στην ΕΕ1) χρησιμοποιώντας NH4Cl σε αναερόβιους αντιδραστήρες διαλείποντος έργου. Στόχος είναι η δημιουργία μικτών μικροβιακών πληθυσμών που μπορούν να είναι ανεκτικοί σε υψηλές συγκεντρώσεις αμμωνίας χωρίς να δημιουργείται αναστολή της μεθανογένεσης.

Παράμετροι όπως η παραγωγή μεθανίου, η συγκέντρώση των VFA και ο μέγιστος ρυθμός ανάπτυξης των μικροοργανισμών θα ληφθούν υπόψη για τη βέλτιστη επιλογή της πιο κατάλληλης μικροβιακής κοινοπραξίας. Στο τέλος κάθε πειράματος διαλείποντος έργου, θα ληφθούν δείγματα για το χαρακτηρισμό του μικροβιακού πληθυσμού μέσω αλληλούχισης του γονιδίου 16S rRNA .Η σύγκριση των μικροβιακών προφίλ από τους αντιδραστήρες που υπέστησαν βαθμιδωτή αύξηση του επιπέδου αμμωνίας θα οδηγήσει στην εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων σχετικά με την επίδραση της αμμωνίας στους μικροοργανισμούς (π.χ. συντροφικότητα μεταξύ συγκεκριμένων βακτηρίων και υδρογοτροφικών μεθανογόνων).

Ο εγκλιματισμένος μικροβιακός πληθυσμός σε υψηλά επίπεδα αμμωνίας της EE2 θα χρησιμοποιηθεί ως εμβόλιο σε αντιδραστήρες CSTR. Διαδικασία που θα ακολουθηθεί: Οι αντιδραστήρες θα τροφοδοτηθούν αρχικά με απόβλητα από τα παρακείμενα βουστάσια και μόνο, η αμμωνία θα αυξηθεί βαθμιδωτά με τη χρήση ΝH4Cl έως τα επίπεδα αμμωνίας που υπολογίσθηκαν ότι υπάρχουν υπό πραγματικές συνθήκες στην ΕΕ1, σε αυτό το σημείο η μείωση στην παραγωγή του μεθανίου θα προσεγγίζει την πραγματική κατάσταση. Σε αυτό το σημείο θα ξεκινήσει η βιοενίσχυση με το μόλυσμα που παρήχθηκε στην ΕΕ2. Θα αξιολογηθεί η επίδραση που έχουν στη διαδικασία της βιοενίσχυσης οι παρακάτω παράμετροι λειτουργίας: α) ο ρυθμός οργανικής φόρτισης (2-6 g VS / L αντιδραστήρα / ημέρα), β) ο ΥΧΠ (20-30 ημέρες, γ) η ελεύθερη αμμωνία, δ)το pΗ ε) το επίπεδο της απαιτούμενης «κρίσιμης βιομάζας» (αριθ. cells/mL αντιδραστήρα) για να επιτευχθεί η βιοενίσχυση και στ) ο συνδυασμός των παραμέτρων αυτών.

Στόχος είναι να βρεθεί η απαιτούμενη «κρίσιμη βιομάζα», και η συσχέτιση των παραμέτρων λειτουργίας που θα επιτρέπει μία σταθερή και αποδοτική παραγωγή βιοαερίου σε υψηλά επίπεδα αμμωνίας ύστερα από τη διαδικασία της βιοενίσχυσης. Θα ληφθούν δείγματα από τους αντιδραστήρες κάτω από συνθήκες σταθερής λειτουργίας προκειμένου να γίνει σύγκριση του μικροβιακού πληθυσμού σε σχέση με τον πληθυσμό που υπήρχε στο αρχικό εμβόλιο. Η μεταβολή του πληθυσμού κάτω από τις διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας των αντιδραστήρων θα μας δώσει στοιχεία σχετικά με την επιλογή του πιο δυνατού μικροβιακού πληθυσμού που θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην ΕΕ5.

Το όλο σύστημα θα βελτιστοποιηθεί με τον έλεγχο των λειτουργικών παραμέτρων (συγκεντρώσεις αμμωνίας, υδραυλικός χρόνος συγκράτησης των λυμάτων, ρυθμός οργανικού φορτίου κ.λ.π.) για την αναερόβια παραγωγή μεθανίου και ανάπτυξη προβλεπτικού ελεγκτή και αξιολόγηση της απόδοσης του ελεγκτή σε πραγματικές συνθήκες. Το νευρωνικό δίκτυο θα προσομοιώνει την συμπεριφορά της διεργασίας και ο νευρωνικός προβλεπτικός ελεγκτής θα εγκατασταθεί σε πλατφόρμα για να πραγματοποιεί έλεγχο σε πραγματικό χρόνο. Οι αισθητήρες, ενεργοποιητές και υποσυστήματα του προβλεπτικού ελεγκτή, θα επιλεγούν και θα εγκατασταθούν στην δοκιμαστική μονάδα (ΕΕ5). Το λογισμικό ελέγχου και ρύθμισης θα εγκατασταθεί στο δοκιμαστικό σύστημα ελέγχου του βιοαντιδραστήρα και θα ελεγχθεί εκτενώς για ομαλή λειτουργία και απόδοση.

Θα σχεδιασθεί και θα κατασκευασθεί ένας πρωτότυπος αντιδραστήρας συνεχούς λειτουργίας 800 L στη μονάδα βιοαερίου στο Λαγκαδά ο οποίος θα λειτουργήσει με πραγματικά υποστρώματα της μονάδας. Στον αντιδραστήρα θα πραγματοποιηθεί η μέθοδος της βιοενίσχυσης χρησιμοποιώντας ως εμβόλιο μικροβιακό πληθυσμό που θα έχει καλλιεργηθεί σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου, ο πληθυσμός αυτός θα έχει επιλεγεί με τη διαδικασία που περιγράφεται στην ΕΕ3.

Σκοπός της ΕΕ3 είναι να επαληθευθεί η δυνατότητα βιοενίσχυσης σε μεγαλύτερης κλίμακας αντιδραστήρα και να διαφανούν πιθανά τεχνικά προβλήματα κατά τη δοκιμαστική του λειτουργία. Μετέπειτα ο πρωτότυπος αντιδραστήρας θα μεταφερθεί στη μονάδα της Βιοενέργεια Νιγρίτας Α.Ε. όπου θα γίνει χρήση διαφορετικών υποστρωμάτων που χρησιμοποιεί η εκεί μονάδα προκειμένου να διασφαλισθεί η αξιοπιστία του συστήματος κάτω από διαφορετικές συνθήκες (διαφορετικά υποστρώματα και διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας).

Στην ενότητα αυτή θα εξεταστεί η περαιτέρω αξιοποίηση του υπολείμματος που προκύπτει από την αναερόβια χώνευση με αυξημένη συγκέντρωση σε αμμωνιακό άζωτο, για την παραγωγή βιομάζας, έτσι ώστε να μειωθούν οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις της συνολικής μονάδας. Για το σκοπό αυτό, δείγματα από την εκροή του αναερόβιου συστήματος θα συλλεχθούν και θα χαρακτηριστούν πλήρως ως προς την περιεκτικότητά τους σε αμμωνιακό άζωτο αλλά και ως προς τη συγκέντρωσή τους σε οργανικό φορτίο και σε θρεπτικά συστατικά. Τα δείγματα αυτά θα αποτελέσουν στη συνέχεια, την τροφοδοσία σε ένα σύστημα φωτοβιοαντιδραστήρα για την ανάπτυξη φωτοσυνθετικών οργανισμών (μικροάλγη).

Το σύστημα του φωτοαντιδραστήρα διατίθεται ήδη από τον εταίρο ΤΕΤΡΟ και αποτελείται από ένα αντιδραστήρα 10 L με εμβαπτιζόμενη πηγή φωτός που συνίσταται από LED χαμηλής ισχύος. Το σύστημα είναι εξοπλισμένο με όλες τις απαραίτητες αντλίες για τη συνεχή τροφοδοσία της εισροής, αισθητήρες για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας και του pH, αλλά και διάταξη για την τροφοδοσία ενός αερίου εντός του αντιδραστήρα σε επιθυμητές συγκεντρώσεις. Στο σύστημα αυτό θα μελετηθεί η ταχύτητα ανάπτυξης των μικροαλγών ως συνάρτηση του ρυθμού κατανάλωσης του αμμωνιακού αζώτου υπό την επίδραση διαφορετικών συνθηκών φόρτισης, χρόνου παραμονής, θερμοκρασίας και μήκος κύματος της πηγής φωτός. Επιπλέον, θα διερευνηθεί η λειτουργία του αντιδραστήρα σε δύο διαφορετικές συνθήκες: συνεχή τροφοδοσία, διακοπτόμενη τροφοδοσία. Ο ρυθμός ανάπτυξης των μικροαλγών θα μετρηθεί με βάση την οπτική πυκνότητα, ενώ παράλληλα θα διερευνηθεί η δυνατότητα αύξησης του ρυθμού απομάκρυνσης του αμμωνιακού αζώτου με τροφοδοσία αερίου διοξειδίου του άνθρακα στο περιεχόμενο του αντιδραστήρα προκειμένου να επιταχυνθεί η ανάπτυξη των μικροαλγών.

Τα μικροάλγη στο περιεχόμενο του αντιδραστήρα θα υποβληθούν σε έλεγχο ως προς το δυναμικό παραγωγής βιοαερίου, αποσκοπώντας σε αύξηση του παραγόμενου μεθανίου από τη συνολική μονάδα. Η μελέτη της αναερόβιας χώνευσης των μικροαλγών θα πραγματοποιηθεί είτε μόνο με τα μικροάλγη από τον αντιδραστήρα, είτε σε συνδυασμό με την αρχική τροφοδοσία του αναερόβιου χωνευτή πλήρους κλίμακας σε αναλογία άλγη: αρχική τροφοδοσία που θα κυμαίνεται από 100:0 έως 50:50. Με τον τρόπο αυτό αναμένεται ότι θα αναπτυχθεί ένα σύστημα μηδενικών επιπτώσεων με πλήρη αξιοποίηση όλων των ρευμάτων αλλά και του αντίστοιχου ενεργειακού τους περιεχομένου.

Η Ενότητα Εργασίας 7 (ΕΕ7) περιλαμβάνει την αξιολόγηση της οικονομικής και περιβαλλοντικής βιωσιμότητας της εφαρμογής σε πλήρη κλίμακα των προτεινόμενων τεχνολογιών βελτίωσης της απόδοσης της αναερόβιας χώνευσης για τα υπό μελέτη υποστρώματα στις δύο περιπτώσεις μελέτης (Μονάδα Νιγρίτας, Μονάδα Λαγκαδά).

Αναλυτικότερα, για τον προσδιορισμό των περιβαλλοντικών επιπτώσεων θα γίνει Ανάλυση Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ), η οποία θα βασισθεί στη συλλογή και τη διεξοδική ανάλυση στοιχείων εισόδου και εξόδου ανά στάδιο της διεργασίας συμπεριλαμβανομένων και των σταδίων βελτίωσης της διεργασίας μέσω περιορισμού της αμμωνίας, στη διαμόρφωση ενεργειακών ισοζυγίων και ισοζυγίων μάζας, κατανάλωσης χημικών καθώς και στην εξέταση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που σχετίζονται με αυτά. Για την υλοποίηση της ΑΚΖ θα χρησιμοποιηθεί το εξειδικευμένο λογισμικό EASETECΗ μέσω του οποίου είναι δυνατή η ανάπτυξη σύνθετων διεργασιών διαχείρισης αποβλήτων ενώ παράλληλα θα γίνει χρήση κι εναλλακτικών εργαλείων ΑΚΖ. Ως βάση δεδομένων για τα λογισμικά θα χρησιμοποιηθεί βάση με ευρεία γκάμα δεδομένων όπως είναι η Ecoinvent 3.3.

Για την εκτίμηση της οικονομικής βιωσιμότητας θα πραγματοποιηθεί η αξιολόγηση για τις δυο περιπτώσεις σε οικονομικούς όρους λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα της λειτουργίας της δοκιμαστικής μονάδας σε κάθε περίπτωση (Μονάδα Νιγρίτας, Μονάδα Λαγκαδά). Στο πλαίσιο αυτό θα προσδιορισθούν το κόστος της επένδυσης, το κόστος επεξεργασίας των λυμάτων και παραγωγής ενέργειας, και τα οικονομικά οφέλη από την παραγόμενη ενέργεια, με σκοπό την αξιολόγηση των προτεινόμενων βελτιώσεων και των οικονομικών προοπτικών μέσα από την εφαρμογή των κριτηρίων αξιολόγησης της Καθαρής Παρούσας Αξίας και του Εσωτερικού Βαθμού Απόδοσης.