Εκσυγχρονισμός του σχεδιασμού των λιμνών σταθεροποίησης αναερόβιων αποβλήτων για τη βελτίωση των ενεργειακών ισοζυγίων στην επεξεργασία των λυμάτων
Η επεξεργασία των λυμάτων είναι απαραίτητη τόσο από την άποψη της δημόσιας υγείας όσο και από την άποψη της προστασίας του περιβάλλοντος. Συχνά θεωρείται ως ένα απαραίτητο βάρος, μια αποστράγγιση των πόρων που απαιτείται για την πρόληψη των αρνητικών επιπτώσεων των ανεξέλεγκτων και μη επεξεργασμένων λυμάτων. Η πιο επιβαρυντική αποστράγγιση πόρων είναι η ενέργεια, καθώς οι καθιερωμένες συμβατικές τεχνολογίες επεξεργασίας λυμάτων απαιτούν περίπου 0,5 kWh ηλεκτρικής ενέργειας για την επεξεργασία ενός κυβικού μέτρου λυμάτων.
Επίσης, αυξανόμενη ανησυχία προκαλεί το αποτύπωμα άνθρακα της επεξεργασίας των λυμάτων, τόσο που σχετίζεται με τις ενεργοβόρες διεργασίες που χρησιμοποιούνται όσο και με τις άμεσες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου όπως το διοξείδιο του άνθρακα και το μεθάνιο. Ωστόσο, τα λύματα αναγνωρίζονται ολοένα και περισσότερο για τους ανακτήσιμους πόρους που διαθέτει και υπάρχουν ευκαιρίες όχι μόνο να μειωθεί η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την επεξεργασία αλλά και να ανακτηθεί ενέργεια με τη μορφή βιοαερίου.
Μια διαδικασία επεξεργασίας που μπορεί να προσφέρει αυτά τα οφέλη είναι οι αναερόβιες λίμνες σταθεροποίησης. Οι αναερόβιες λίμνες σταθεροποίησης, που ονομάζονται επίσης λιμνοθάλασσες, μιμούνται τις φυσικές διαδικασίες αποκατάστασης που μπορούν να προκύψουν μέσω της συγκέντρωσης αναερόβιων μικροβίων. Οι λίμνες επιτρέπουν την καθίζηση της στερεής ύλης στα λύματα στον πυθμένα της λίμνης, όπου τα μικρόβια τη διασπούν σε απλές ενώσεις όπως το νερό και το μεθάνιο, με μικρότερες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα και διοξειδίου του θείου. Το νερό που διέρχεται από την αναερόβια λίμνη θα εξακολουθεί να απαιτεί περαιτέρω επεξεργασία, αλλά περίπου το 40-60% των μολυσματικών μέτρων, όπως η χημική και η βιοχημική ζήτηση οξυγόνου, θα έχουν αφαιρεθεί, μειώνοντας το ρυπαντικό βάρος για τις τελευταίες διαδικασίες επεξεργασίας.
Η απλότητα των συστημάτων τα έχει κάνει ελκυστικά στις αναπτυσσόμενες χώρες, αλλά συχνά παραβλέπονται σε πιο ανεπτυγμένες χώρες, καθώς παραδοσιακά απαιτούν πολλή γη και, όταν αφήνονται ανοιχτά στην ατμόσφαιρα, μπορούν να εκπέμπουν οσμές λόγω της παραγωγής διοξειδίου του θείου. . Εάν ο σχεδιασμός τους μπορούσε να βελτιωθεί για να ενταθεί η διαδικασία, θα απαιτούνταν λιγότερη γη και τα καλύμματα στις λίμνες θα ήταν πιο πρακτικά, επιτρέποντας τη δέσμευση του πλούσιου σε μεθάνιο βιοαερίου, εξαλείφοντας τις οσμές και παρέχοντας μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας.
Αυτή η δυνατότητα μας οδήγησε να πραγματοποιήσουμε τη μελέτη μας, «Ανάπτυξη σταδιακής αναερόβιας λίμνης για ανάκτηση μεθανίου από οικιακά λύματα», που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Ecological Engineering. Μια παραδοσιακή αναερόβια λίμνη είναι ορθογώνια με μήκος τρεις φορές το πλάτος της. Πρόθεσή μας ήταν να διερευνήσουμε τρόπους αλλαγής του φυσικού σχεδιασμού της λίμνης με τρόπο που θα διατηρούσε τα πλεονεκτήματα της λίμνης ότι απαιτεί λίγη ή καθόλου εξωτερική ενέργεια, ενισχύοντας παράλληλα τη μικροβιακή δραστηριότητα έτσι ώστε να μπορεί να παραχθεί περισσότερο βιοαέριο και το συνολικό μέγεθος ενός λίμνη (για μια δεδομένη ροή επεξεργασίας) θα μπορούσε να μειωθεί. Η προσέγγιση που χρησιμοποιήσαμε ήταν να διερευνήσουμε διαφορετικά στυλ διαφραγμάτων – τοίχων εντός της τυπικής δομής λιμνών που θα εκτρέψουν τη ροή προς διαφορετικές κατευθύνσεις. Η υπόθεσή μας ήταν ότι αυτές οι αλλαγές στα πρότυπα ροής θα ενθάρρυναν διαφορετικούς βαθμούς ανάμειξης μεταξύ των βαρύτερων σωματιδίων λάσπης, που περιέχουν τα μικρόβια, και των υγρών λυμάτων, που περιέχουν τους περισσότερους από τους ρύπους.
Πραγματοποιήσαμε τη μελέτη σε δύο διαφορετικά σχέδια διαφραγμάτων – οριζόντια διαφράγματα που μπλοκάρουν όλο το ύψος της λίμνης, αφήνοντας ένα κενό στις εναλλασσόμενες πλευρές της λίμνης για να περάσει η ροή. και κάθετα διαφράγματα, τα οποία εκτείνονται σε όλο το πλάτος της λίμνης αλλά έχουν εναλλασσόμενα κενά στο κάτω και στο πάνω μέρος της λίμνης, έτσι η ροή εκτρέπεται πάνω και κάτω από αυτά. Οι μελέτες πραγματοποιήθηκαν σε πραγματικά οικιακά λύματα που λειτουργούν 24 ώρες το 24ωρο, 7 ώρες το 24ωρο, για να έχουμε ακριβή ένδειξη για την απόδοση των δύο διαφορετικών σχεδίων. Επιπλέον, τα καθεστώτα ροής των σχεδίων μοντελοποιήθηκαν με μια τρισδιάστατη Υπολογιστική Ρευστοδυναμική (CFD) για να αποκτηθεί μια σαφέστερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα διαφράγματα θα επηρεάσουν τα μοτίβα ροής.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα οριζόντια διαφράγματα ήταν καλύτερα στην εκτέλεση των πρώτων σταδίων της διαδικασίας παραγωγής μεθανίου (υδρόλυση), καθώς επέτρεπαν στα στερεά σωματίδια να καθιζάνουν εύκολα και στη συνέχεια να αποικοδομηθούν σε μικρότερα, διαλυτά υποπροϊόντα (λιπαρά οξέα και οξικό). Ωστόσο, καθώς η λάσπη καθιζόταν στον πυθμένα των λιμνών, αυτά τα παραπροϊόντα χάθηκαν στη ροή του υγρού και έτσι η διαδικασία παραγωγής μεθανίου έμεινε σε μεγάλο βαθμό ημιτελής. Στα κατακόρυφα διαφράγματα, η αφαίρεση στερεών και η υδρόλυση δεν ήταν τόσο αποτελεσματικές, αλλά υπήρχαν λιγότερα διαλυτά παραπροϊόντα που βρέθηκαν στα απόβλητα, υποδεικνύοντας ότι αυτά που δημιουργήθηκαν ήταν σε θέση να ολοκληρώσουν το τελικό βήμα για την παραγωγή βιοαερίου (μεθανογένεση). Τα αποτελέσματα CFD έδειξαν επίσης ότι η χρήση διαφραγμάτων εμποδίζει την εισροή να περάσει απευθείας μέσω της λίμνης προς την εκροή - ένα φαινόμενο που ονομάζεται βραχυκύκλωμα - το οποίο μειώνει τον χρόνο που ξοδεύουν τα λύματα στη λίμνη και σημαίνει ότι η διαδικασία βιοαποδόμησης δεν έχει χρόνο να ολοκληρωθεί. Η εκτροπή της ροής με τη χρήση διαφραγμάτων σημαίνει ότι η ροή ανακυκλώνεται περισσότερο εντός των λιμνών, αυξάνοντας τις ευκαιρίες για θεραπεία.
Καθώς τα οριζόντια διαφράγματα αποδείχθηκαν τόσο αποτελεσματικά για τα πρώτα στάδια παραγωγής βιοαερίου και τα κάθετα διαφράγματα πιο αποτελεσματικά για τα τελευταία στάδια, προχωρήσαμε στην έρευνα για τη σύνδεση των δύο συστημάτων παράλληλα. Η πρόθεση ήταν να δημιουργηθεί μια διαδικασία δύο σταδίων, όπου τα οριζόντια διαφράγματα θα ενθάρρυναν την παραγωγή των διαλυτών παραπροϊόντων μέσω της υδρόλυσης, και αυτά τα παραπροϊόντα θα αποικοδομούνταν περαιτέρω σε βιοαέριο στο στάδιο κάθετα διαφράγματος. Η αρχική λειτουργία της σταδιακής αναερόβιας λίμνης βρήκε πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα όσον αφορά την παραγωγή βιοαερίου και τη συνολική επεξεργασία και την υδραυλική απόδοση, σε σύγκριση με μια λίμνη ελέγχου που λειτουργεί ως μονάδα μονοβάθμιας οριζόντιας διάφραγμα. Μια πιο ολοκληρωμένη μελέτη της σταδιακής αναερόβιας λίμνης, συμπεριλαμβανομένης της αλλαγής των ρυθμών φόρτωσης για την εύρεση του ορίου της έντασης της διαδικασίας, έχει πλέον οριστικοποιηθεί και τα αποτελέσματα αναμένεται να δημοσιευτούν σύντομα. Εάν η σταδιακή αναερόβια λίμνη μπορεί να αποδώσει σε μεγαλύτερες κλίμακες όπως στις πιλοτικές δοκιμές, μπορεί να προσφέρει ευκαιρίες στις ανεπτυγμένες χώρες να επιλύσουν ζητήματα απόδοσης και κόστους σε μικρότερα έργα επεξεργασίας λυμάτων, παρέχοντας παράλληλα ανανεώσιμη ενέργεια για την τροφοδοσία άλλων μονάδων στα εργοστάσια.
