Επίδραση βιοφορέων στην παραγωγή βιοαερίου σε αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας και ανάδευσης (CSTR) και ανοδικής ροής (UASB)
Creators: name: Πιτσίκογλου, Δήμητρα Σταύρου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Βιοαέριο
Βιοφίλμ
Βιοφορείς
Biogas
Biofilm
Biocarriers

description: Στην παρούσα εργασία μελετάται η επίδραση της προσθήκης διαφορετικών τύπων βιοφορέων στην παραγωγή μεθανίου, με την χρήση συνεχόμενων αντιδραστήρων, αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας και ανάδευσης (cstr) και αντιδραστήρες ανοδικής ροής (uasb). Πιο αναλυτικά, χρησιμοποιήθηκαν οι βιοφορείς τύπου k1 ring και 3d-printed βιοφορείς με βάση τον ζεόλιθο. Συγκεκριμένα, εξετάστηκε η ικανότητα των μικροοργανισμών στην συγκράτηση τους από τους βιοφορείς, με την εφαρμογή τους σε συνεχής αντιδραστήρες για την μείωση του φαινομένου της έκπλυσης. Παράλληλα, διερευνήθηκε η επίδραση της προσθήκης τους στην αύξηση της ενεργειακής απόδοσης των αποβλήτων, καθώς και της παραγωγής μεθανίου στη μονάδα του χρόνου. Το πείραμα χωρίστηκε σε τρείς φάσεις, με την πρώτη να αποτελεί την εφαρμογή των βιοφορέων σε κάθε τύπου συνεχόμενου αντιδραστήρα, με σκοπό την μελέτη της δυνατότητας συγκράτησης και προσκόλλησης των μικροοργανισμών στους βιοφορείς. Στο αρχικό στάδιο, έγινε προσπάθεια προσδιορισμού του χρόνου που χρειάζονται οι μικροοργανισμοί για να προσκολληθούν στους βιοφορείς, όπως και η ικανότητα τους αυτή σε διαφορετικούς υδραυλικούς χρόνους συγκράτησης (hrt) και οργανικό φορτίο (olr). Στο δεύτερο στάδιο, το οποίο έλαβε χώρα μόνο στους cstr αντιδραστήρες, μελετήθηκε η επίδραση της εισαγωγής χλωριούχου αμμωνίου σε υψηλές συγκεντρώσεις και η εμφάνιση τοξικότητας. Στην τελευταία φάση του πειράματος ερευνήθηκε η πρόληψη της τοξικότητας με την χρήση βιονισχυμένων μικροοργανισμών ανεπτυγμένων πάνω στους δύο τύπους βιοφορέων ξεχωριστά, με την εφαρμογή της μέθοδου της βιοενίσχυσης. Κατά τη διάρκεια του πειράματος, πραγματοποιούνταν καθημερινές μετρήσεις του παραγόμενου μεθανίου, όπως και μετρήσεις της συγκέντρωσης ολικών πτητικών οξέων (vfas) και της τιμής στην κλίμακα pH. Όσον άφορα την περίπτωση των αντιδραστήρων cstr, στο αρχικό στάδιο, οι δυο αντιδραστήρες cstr2 και cstr3, που περιείχαν τους βιοφορείς k1 ring και τους 3d-printed βιοφορείς αντίστοιχα, δεν ξεχώρισαν από τον μάρτυρα (cstr1). Με την αύξηση της συγκέντρωσης αμμωνίας και οι τρείς αντιδραστήρες παρουσίασαν σταδιακή πτώση στην παραγωγή τους. Στην συνέχεια, στην φάση της βιοενίσχυσης, μόνο ο αντιδραστήρας cstr2 κατάφερε να σταθεροποιήσει την παραγωγή μεθανίου. Την ίδια στιγμή στην περίπτωση των αντιδραστήρων uasb, o αντιδραστήρας uasb1 περιείχε τους βιοφορείς 3d-printed και ο αντιδραστήρας uasb2 τους βιοφορείς τύπου k1- ring. Στην αρχή, οι δύο αντιδραστήρες λειτούργησαν με olr 0.5 gvs l-1 d-1 και με hrt 12 μέρες. Έπειτα, ακολούθησε η αύξηση του olr, όπου σημειώθηκε αύξηση της παραγωγής μεθανίου. Τέλος, πραγματοποιήθηκε η μείωση του hrt στις 6 μέρες, η οποία ανέδειξε την ικανότητα των 3d βιοφορέων να συγκρατήσουν τους μικροοργανισμούς σε βιοφιλμ και να εμποδίσουν την έκπλυση, συνεχίζοντας να παράγουν σταθερή ποσότητα μεθανίου. Σε αντίθεση, ο uasb2 (k1 ring), δεν ανταποκρίθηκε στο χαμηλό hrt και στην πιθανή έκπλυση των μικροοργανισμών. Επομένως, είναι αναγκαίο να πραγματοποιηθούν περαιτέρω έρευνες στις ίδιες ή υπό άλλες συνθήκες, οι οποίες αναμένεται να μας παρέχουν νέες σημαντικές πληροφορίες για το σχεδιασμό νέων βιοφορέων για την χρήση τους στην βελτιστοποιήση της αναερόβιας αποικοδόμησης.
description: In the present study, the effect of the addition of different types of biocarriers on methane production is studied, using continuously stirred tank reactors (cstr) and upflow anaerobic sludge blanket (uasb) reactors. The k1 ring type biocarriers and 3d-printed zeolite-based biocarriers were used. Specifically, the ability of microorganisms to be retained by the biocarriers was examined, with their application in continuous reactors to reduce washout. At the same time, the effect of biocarrier addition on increasing the energy efficiency of the waste, as well as methane production per unit of time, was investigated. The experiment was divided into three general phases, with the first being the application of the biocarriers to each type of continuous reactor, to study the possibility of retention and adhesion of the microorganisms to the biocarriers. In the initial stage, an attempt was also made to determine the time needed by the microorganisms to adhere to the biocarriers as well as their ability to do so at different hydraulic retention times (hrt) and organic loading rates (olr). In the second phase, which took place only in the cstr reactors, the effect of introducing ammonium chloride at high concentrations and the occurrence of toxicity was studied. In the last phase of the experiment, the prevention of toxicity was investigated using bioenhanced microorganisms grown on the two types of biocarriers separately, applying the bioaugmentation method. During the experiment, measurements of the concentration of total volatile acids (vfas), pH value and daily measurements of the methane produced were taken. As for the case of the cstr reactors, at the first stage, two reactors, cstr2 and cstr3, which contained the k1 ring biocarriers and the 3d-printed biocarriers respectively, did not differ from the control (cstr1), in biogas production. By increasing the ammonia concentration all three reactors showed a gradual drop in production. Then, in the bioaugmentation phase, only the cstr2 reactor managed to stabilize the methane production. In the case of the uasb reactors, the uasb1 reactor contained the 3d-printed biocarriers and the uasb2 reactor contained the k1-ring type biocarriers. In the beginning, the two reactors were operated at olr of 0.5 gvs l-1 d-1 and with an hrt of 12 days. Then followed the increase of olr, with an increase in methane production in both reactors. Finally, the reduction of hrt was realized at 6 days, which highlighted the ability of the 3d biocarriers to retain microorganisms in biofilms and prevent leaching, continuing to produce a constant amount of methane. In contrast, uasb2 reactor (k1 ring), did not respond to the low hrt and the possible leaching of the microorganisms. Finally, it is necessary to carry out further research at the same or under different conditions, which will provide us important information for extensive research in biofilm technologies, which can be used to optimize anaerobic digestion.