Ανάπτυξη ολοκληρωμένου διαχειριστικού συστήματος κυκλικής οικονομίας για την αξιοποίηση χρησιμοποιημένων πανών και υπολειμμάτων τροφίμων με έμφαση στην παραγωγή βιοκαυσίμων και προϊόντων προστιθέμενης αξίας
Authors: Τσίγκου Κωνσταντίνα 
Published: September 2021

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.