Μελέτη της πρωτοβάθμιας ιλύος από μονάδες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων ως βασικό υπόστρωμα για την παραγωγή μεθανίου και της αξιοποίησης των παραγομένων βιοστερεών
Creators: name: Σακαβέλη, Φωτεινή Ν.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Αναερόβια χώνευση
Πρωτοβάθμια ιλύς
Μεθάνιο
Ρεολογία ιλύος
Ατταπουλγίτης
Αλληλούχιση νέας γενιάς
Διαχείριση βιοστερεών
Οικοτοξικότητα
Anaerobic digestion
Primary sludge
Methane
Sewage sludge rheology
Attapulgite
Next generation sequencing
Digestates utilization
Ecotoxicity

description: Η αναερόβια χώνευση του μείγματος πρωτοβάθμιας και δευτεροβάθμιας ιλύος αποτελεί μια ευρέως εφαρμοζόμενη πρακτική στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας αστικών υγρών αποβλήτων. Ωστόσο, το οργανικό κλάσμα της πρωτοβάθμιας ιλύος είναι εμπλουτισμένο σε ουσίες, όπως π.χ. λίπη, που διαθέτουν υψηλότερο δυναμικό παραγωγής μεθανίου. Επιπλέον καθώς η Ευρωπαϊκή Πράσινη Συμφωνία υπογραμμίζει πως οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως το μεθάνιο, μπορούν να συμβάλουν στην επίτευξη των στόχων της κυκλικής οικονομίας προς τη βιώσιμη ανάπτυξη, τονίζεται η σημασία εφαρμογής πρακτικών για την ενίσχυση της αναερόβιας χώνευσης. Προς αυτή την κατεύθυνση στόχος της διδακτορικής διατριβής ήταν η ολοκληρωμένη διαχείριση του κλάσματος της πρωτοβάθμιας ιλύος από την παραγωγή μεθανίου έως την τελική διάθεση των παραγόμενων βιοστερεών. Για την επίτευξη του στόχου η έρευνα επικεντρώθηκε στη μελέτη του δυναμικού παραγωγής μεθανίου της πρωτοβάθμιας ιλύος μέσω δοκιμών αναερόβιας χώνευσης εργαστηριακής κλίμακας, με ή χωρίς τη χρήση πρόσθετων -ενδεχόμενα ενισχυτικών- υλικών, όπως ο κατιονικός πολυηλεκτρολύτης και ο ατταπουλγίτης. Στη μελέτη των ποιοτικών χαρακτηριστικών των παραγόμενων βιοστερεών με κύριες συνιστώσες την ικανότητα αφυδάτωσης και τη γενικότερη μηχανική συμπεριφορά των υλικών και τέλος στη μελέτη των περιβαλλοντικών επιπτώσεων από τη διάθεση των βιοστερεών στο έδαφος. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως τόσο η προσθήκη του πολυηλεκτρολύτη όσο και του ατταπουλγίτη ενίσχυσε περαιτέρω την παραγωγή μεθανίου κατά την αναερόβια χώνευση της πρωτοβάθμιας ιλύος. Συγκεκριμένα ο ατταπουλγίτης αύξησε τον ρυθμό υδρόλυσης και παρήγαγε ένα σχετικά σταθεροποιημένο υπόλειμμα χώνευσης. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώθηκαν και από τα αποτελέσματα των φυσικοχημικών αναλύσεων. Η υψηλότερη παραγωγή μεθανίου σημειώθηκε για δόση ατταπουλγίτη ίση με 20 g/L, ενώ περαιτέρω αύξηση της δόσης οδήγησε σε μειωμένη παραγωγή μεθανίου, τονίζοντας τον κρίσιμο ρόλο της δόσης εφαρμογής για την επίτευξη υψηλών αποδόσεων μεθανίου. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης της μικροβιακής κοινότητας παρουσίασαν ενδείξεις εγκαθίδρυσης μιας υδρογονοτροφικής μεθανογένεσης με επικεφαλής το γένος Candidatus Methanofastidiosum. Ακόμη παρατηρήθηκε πως η προσθήκη του ατταπουλγίτη ευνόησε τα κατάντη στάδια επεξεργασίας των βιοστερεών, λόγω της αυξημένης υδρόλυσης και συνεπώς της βελτιωμένης ικανότητας αφυδάτωσης. Προκειμένου να ενισχυθεί περαιτέρω το στάδιο της αφυδάτωσης μελετήθηκε η επεξεργασία των βιοστερεών με ένζυμα ή/και χημική κροκίδωση και η απόδοσή της κάθε επεξεργασίας εκτιμήθηκε μέσω του χαρακτηρισμού της ρεολογικής συμπεριφοράς των τελικών προϊόντων. Το υπόλειμμα χώνευσης της πρωτοβάθμιας ιλύος με ή χωρίς ατταπουλγίτη χαρακτηρίστηκε ως μη νευτώνειο ψευδοπλαστικό ρευστό. H χημική επεξεργασία του υπολείμματος χώνευσης της πρωτοβάθμιας ιλύος χωρίς ατταπουλγίτη οδήγησε σε αύξηση του ιξώδους, που συνδέεται με μειωμένη ικανότητα αφυδάτωσης. Αντίθετα, το ιξώδες βρέθηκε μειωμένο μετά την ενζυμική επεξεργασία, η οποία προέκυψε ότι ευνοεί την τελική αφυδάτωση των παραγόμενων βιοστερεών. Τέλος, από τις δοκιμές ανοδικής διήθησης παρατηρήθηκε εμπλουτισμός του εδάφους με οργανικά και θρεπτικά συστατικά όπως το άζωτο, ο φώσφορος και το κάλιο καθώς και διέγερση της ανάπτυξης του φυτού Sinapis alba, όταν τα βιοστερεά εφαρμόστηκαν στο έδαφος σε αναλογία 3 % w/w.
description: Anaerobic digestion of the composed sludge stream of the primary sludge and the excess of secondary sludge is a well-known and established practice in municipal wastewater treatment plants. However, the organic fraction of the primary sludge is enriched in substances, such as fats, which have a higher methane potential. Furthermore, as the European Green Deal stresses how renewable energy sources, such as methane, can contribute to the achievement of circular economy goals toward sustainable development, the importance of implementing practices to enhance anaerobic digestion is highlighted. In this regard, the aim of this study was to examine the integrated management of the primary sludge, from methane production to the final valorization and disposal of the produced biosolids. In this context, the research focused on the study of methane production during the anaerobic digestion of primary sludge and its enhancement with the use of additives. Such additives were a cationic polyelectrolyte that is used for sludge thickening and a naturally occurring clay mineral, attapulgite. On the study of the quality characteristics of the produced biosolids and on the study of their dewatering capacity and their general mechanical behavior. As well as on the study of the possible environmental effects of the disposal of the produced biosolids in the soil. The results showed that both the addition of polyelectrolyte and attapulgite further enhanced methane production during the anaerobic digestion of primary sludge. In particular, attapulgite increased the hydrolysis rate of biosolids and produced relatively stabilized digestate. These results were also confirmed by the results of the physicochemical analyses. The highest methane production occurred for an attapulgite dose equal to 20 g/L, while further increase in dose resulted in reduced methane production, suggesting that utilizing the appropriate dose of attapulgite is crucial. The results of the microbial community analysis showed evidence of the establishment of a hydrogenotrophic-dominated methanogenesis led by Candidatus Methanofastidiosum. It was also observed that the addition of attapulgite favored the downstream processing stages of biosolids, due to the increased hydrolysis and therefore the improved dewatering capacity. To further enhance the efficiency of sludge dewatering, the treatment of biosolids with enzymes and/or chemical flocculation (chemical treatment) was studied, and the performance of each treatment was evaluated through the characterization of the rheological behavior of the final products. The digestate of primary sludge with or without the presence of attapulgite was characterized as a non-Newtonian pseudoplastic fluid. Chemical treatment of primary sludge digestate without attapulgite resulted in an increase in viscosity, which is associated with reduced dewatering capacity. On the other hand, the viscosity was found to be reduced after enzymatic treatment, which was found to favor the final dewatering of the produced biosolids. Finally, there was strong evidence of soil enrichment with organic matter and nutrients such as nitrogen, phosphorus, and potassium as well as stimulation of Sinapis alba growth when biosolids were applied to the soil at a ratio of 3 % w/w.