title: Αναερόβια χώνευση στερεών αποβλήτων εκκοκκιστηρίου και παραγωγή βιοεξανθρακώματος
title: Anaerobic digestion of solid cotton ginning waste and biochar production
Creators: name: Θεοχαρης Νικολαος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2017

description: Σε μία εποχή όπου τα περιβαλλοντικά προβλήματα είναι αρκετά μεγάλα και ειδικότερα στις Μεσογειακές χώρες όπως η Ελλάδα, η παραγωγή στερεών αποβλήτων κυρίως από αγροβιομηχανικές δραστηριότητες κατέχει σημαντικό ρόλο, καθώς η γεωργία και η κτηνοτροφία αποτελούν τους κυρίαρχους τομείς πρωτογενούς παραγωγής της χώρας μας εδώ και αρκετές δεκαετίες. Βέβαια, το συγκεκριμένο περιβαλλοντικό πρόβλημα μπορεί να θεωρηθεί αξιοποιήσιμο ως εναλλακτική πηγή ενέργειας καθώς οι κριτικές που έχει λάβει είναι «διθυραμβικές». Πιο συγκεκριμένα, στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η αποτελεσματικότητα του προεπεξεργασμένου με υπερήχους αποβλήτου ως προς την παραγωγή μεθανίου με την διεργασία της αναερόβιας χώνευσης. Επιπλέον, εξετάζεται και η προσροφητική ικανότητα του σε τοξικούς ρύπους, οι οποίοι μπορούν να αποβούν καταστροφικοί για υδάτινα περιβάλλοντα.

Το υλικό που διερευνήθηκε κατά τη διάρκεια των πειραμάτων είναι το απόβλητο εκκόκκισης βάμβακος. Το ινώδες κλάσμα αυτού του υλικού είναι λιγνοκυτταρινούχας προέλευσης, ενώ περιέχει και σημαντικές ποσότητες αζώτου, φωσφόρου και καλίου. Αυτά τα υλικά θεωρούνται ιδιαίτερα ανθεκτικά στην βιοδιάσπαση από μικρόβια και ένζυμα. Με βάση αυτό, εφαρμόσθηκε προεπεξεργασία του αποβλήτου με την μέθοδο υπερήχων πριν την αναερόβια χώνευση, ώστε να μελετηθεί η επίδρασή της τόσο στην παραγωγή μεθανίου, όσο και στην απομάκρυνση μετάλλων από υδατικό διάλυμα. Όσον αφορά στο τελευταίο, εξετάστηκε και η απόδοση του βιοεξανθρακώματος του αποβλήτου εκκόκκισης. Κατά την προεπεξεργασία τα δείγματα εκτέθηκαν σε υπερήχους για τέσσερα διαφορετικά χρονικά διαστήματα (15, 30, 60 και 120 min). Η αξιολόγηση της προεπεξεργασίας πραγματοποιούταν μέσω αναλύσεων διαλυμένου χημικά απαιτούμενου οξυγόνου και ολικών φαινολών. Έπειτα, έλαβαν χώρα δοκιμές βιοχημικού δυναμικού μεθανίου (Biochemical Methane Potential, BMP), ώστε να προσδιορισθεί η τελική βιοαποδομησιμότητα των οργανικών υποστρωμάτων και της τελικής παραγόμενης ποσότητας μεθανίου, μέσω αναερόβιας μεθανιογενούς χώνευσης. Ως υπόστρωμα χαρακτηρίζεται το απόβλητο εκκοκκιστηρίου βάμβακος, πριν και έπειτα από την προεπεξεργασία των υπερήχων. Το εμβόλιο όπου χρησιμοποιήθηκε στην αναερόβια χώνευση ήταν ιλύς προερχόμενη από μεσοφιλικό αναερόβιο χωνευτήρα μονάδας επεξεργασίας αστικών λυμάτων. Ο κατάλληλος συνδυασμός υποστρώματος και εμβολίου είναι εκείνος που παρέχει μία αποτελεσματικότερη απόδοση παραγωγής μεθανίου. Αναφορικά με την μελέτη της απομάκρυνσης τοξικών μετάλλων από υδάτινο διάλυμα, χρησιμοποιήθηκαν ως προσροφητές τα προεπεξεργασμένα με υπερήχους δείγματα, αλλά και βιοεξανθρακώματα των αρχικών αποβλήτων. Τα βιοεξανθρακώματα προέκυψαν έπειτα από πυρόλυση του υλικού σε δύο διαφορετικές θερμοκρασίες, ενώ τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ικανοποιητικά επίπεδα απομάκρυνσης.

Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης έδειξαν πως η προεπεξεργασία των υπερήχων οδήγησε σε μια μικρή αύξηση της διαλυτοποίησης της οργανικής ύλης και των ολικών φαινολών που περιείχε το απόβλητο εκκοκκιστηρίου βάμβακος. Πιο συγκεκριμένα, από τις αποδόσεις βιοχημικών δοκιμών μεθανίου προέκυψε ότι το δείγμα που έχει εκτεθεί για μία ώρα στους υπερήχους αποδίδει μεγαλύτερη ποσότητα μεθανίου από ότι το ανεπεξέργαστο απόβλητο (CGW). Κατά το πείραμα της προσρόφησης παρατηρήθηκε πως το βιοεξανθρακωμένο υλικό στους 400 οC (Bio400) έχει υψηλή προσροφητική ικανότητα τοξικών ρύπων, όπως χαλκού (Cu) και μολύβδου (Pb) ,σε υδατικά περιβάλλοντα.

description: Nowadays, that the environmental problems are large enough and especially in Mediterranean countries, like Greece, the production of solid waste mainly from agro-industrial activities has an important role to play, since agriculture and livestock farming have been the main primary production sectors for many decades in this country. Of course, the abovementioned environmental problem could be considered as a possible alternative source of energy, which have already received praising critics. Specifically, through this thesis, the efficiency of ultrasonic pretreatment for the production of methane through the anaerobic digestion process, is examined. Furthermore, its adsorption capacity to toxic pollutants, which can be detrimental to aquatic environments, are also being examined.
During these experiments, cotton substrate was used as the substrate for the anaerobic digestion process. The fibrous fraction of these wastes has a lignocellulosic origin, as it also contains significant amounts of nitrogen, phosphorus and potassium. These material is therefore considered particularly resistant to biodegradation by microbes and enzymes. Based on that, prior to anaerobic digestion, cotton gin waste pretreatment was applied using ultrasound, in order to study its effect on methane production, as well as on metal removal from aqueous solutions. As far as the latter is concerned, the efficiency of cotton gin waste biochar was also evaluated. During the time period of pre-treatment the samples were exposed to ultrasound for four different time intervals (15, 30, 60 and 120 minutes). The evaluation of the pretreatment process was carried out through soluble chemical oxygen demand and total phenols analyses. Subsequently, Biochemical Methane Potential (BMP) assays were performed, in order to determine the final biodegradability of anaerobic methanogenic digestion of organic substrates and the final amount of methane that is produced. The substrates for these tests consisted of cotton gin waste, samples before and after ultrasound pretreatment. The inoculum that was used during the procedure of the anaerobic digestion was sludge derived from a mesophilic anaerobic digester of an urban wastewater treatment plant. The most suitable combination of substrate and inoculum is the one that provides a more efficient methane production performance. In regard to the study of the removal of toxic metals from aqueous solution, ultrasound pretreated samples and biochars of the original waste were used as adsorbents. Biochars were obtained after pyrolysis of the material at two different temperatures, while the results of the study showed satisfactory levels of elimination. 
The results of this study have shown that ultrasound pretreatment led to a slight   increase of the solubilization of the organic matter and the total phenols contained in the cotton gin waste. In particular, BMP yields showed that the sample being exposed to ultrasound for one hour produced more methane in comparison with the unprocessed waste (CGW).During the adsorption experiment was observed that the biochar produced at 400 ° C (Bio400) has a high adsorption capacity for toxic pollutants, such as copper (Cu) and lead (Pb), in aqueous environments.