Τα σημαντικά και πολυποίκιλλα οικολογικά και οικονομικά οφέλη της Αναερόβιας Χώνευσης των αγροτο-κτηνοτροφικών αποβλήτων (δραστική μείωση αποβλήτων, παραγωγή βιοαερίου και ηλεκτρικής ενέργειας, παραγωγή βιολογικών λιπασμάτων, ενίσχυση αγροτο-κτηνοτροφικής παραγωγής, κλπ.), συνοδεύονται από την ανάγκη για διαχείριση των δευτερογενών αποβλήτων που η ίδια η αναερόβια βιολογική αποικοδόμηση δημιουργεί. Το κύριο περιβαλλοντικό πρόβλημα των δευτερογενών αυτών υγρών αποβλήτων, αποτελεί η υψηλή συγκέντρωση αμμωνιακού αζώτου, καθώς είναι η αιτία για μια σειρά προβλημάτων ρύπανσης σε αέρα, ύδατα και έδαφος. Μάλιστα, η αναερόβια χώνευση οδηγεί σε αύξηση του αμμωνιακού αζώτου, καθώς μετατρέπει μέρος του οργανικού αζώτου σε ανόργανο, αυξάνοντας έτσι τον λόγο αμμωνιακού αζώτου προς συνολικό άζωτο, από περίπου 1/3 σε 2/3. Η αμμωνία, πέραν του προβλήματος της χαρακτηριστικής της οσμής, εξαιτίας της υψηλής της δραστικότητας αντιδρά με όξινες ουσίες στην ατμόσφαιρα, δημιουργώντας Αιωρούμενα Σωματίδια (aerosols) μικρού μεγέθους (PM2.5), τα οποία είναι υπεύθυνα για την υποβάθμιση της ποιότητας του αέρα και τα γνωστά προβλήματα δημόσιας υγείας. Εντωμεταξύ, η διάθεση υγρών αποβλήτων με υψηλή συγκέντρωση αμμωνιακού αζώτου σε υδάτινα οικο-συστήματα, είναι υπεύθυνη για το γνωστό φαινόμενο του Ευτροφισμού, καθώς και για την αρνητική επίδραση σε ζώντες οργανισμούς (πχ., τοξική για διάφορα είδη ψαριών). Τέλος, η υπερσυσσώρευση αμμωνιακού αζώτου στο έδαφος, έχει αρνητικές επιπτώσεις στις καλλιέργειες και για τον λόγο αυτόν, η νομοθεσία έχει καθορίσει αυστηρά όρια για την διάθεση των παραπάνω λυμάτων σε καλλιεργούμενα, αλλά και σε μη καλλιεργούμενα εδάφη.
Διάφορες μέθοδοι, για την απομάκρυνση του αμμωνιακού αζώτου από υγρά απόβλητα, έχουν μελετηθεί έως σήμερα, τόσο σε εργαστηριακή όσο και σε βιομηχανική κλίμακα. Πολύ γνωστή είναι η αερόβια βιολογική επεξεργασία της “Νιτροποίησης-Απονιτροποίησης”, η οποία αποτελεί μια δοκιμασμένη και αξιόπιστη μέθοδο για την μείωση του αμμωνιακού αζώτου. Παρόλα ταύτα, η ανάγκη για παρατεταμένο αερισμό, οδηγεί στην κατασκευή μεγάλων δεξαμενών επεξεργασίας καθώς και στην κατανάλωση υψηλών ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας, με δραματική αύξηση του συνολικού κόστους διαχείρισης του υγρού αποβλήτου. Επίσης, το αναερόβια βιολογικά επεξεργασμένο απόβλητο είναι σχετικά φτωχό σε οργανικό υπόστρωμα, όσο αφορά την ανάγκη των μικρο-οργανισμών στο στάδιο της απονιτροποίησης. Για τον λόγο αυτόν, πρέπει να προστίθενται ποσότητες οργανικής ύλης, όπως για παράδειγμα μεθανόλη, αυξάνοντας έτσι ακόμη περισσότερο το κόστος της επεξεργασίας.
Γνωστή επίσης βιολογική μέθοδος είναι η “Αναερόβια Οξείδωση του Αμμωνίου” ή “ANAMMOX” (Anaerobic Ammonium Oxidation), όπου αρχικά, και στο στάδιο της νιτροποίησης είναι απαραίτητη, μερικώς, η παρουσία οξυγόνου, ενώ η όλη διεργασία συνεχίζει αναερόβια με την παρουσία ομάδας κατάλληλων μικροοργανισμών. Σε σχέση με την προηγούμενη αερόβια μέθοδο, η “ANAMMOX” παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήματα, καθώς η απαίτηση σε αερισμό είναι πολύ μικρότερη (~ 60% μικρότερη), δεν απαιτείται πρόσθετη οργανική ύλη, ενώ δημιουργείται μικρότερη ποσότητα περίσσειας στερεών αποβλήτων (λάσπη), με αποτέλεσμα το συνολικό κόστος να είναι σχεδόν το μισό της προηγούμενης μεθόδου. Παρόλα αυτά, η πολυπλοκότητα της μεθόδου και η μεγάλη ευαισθησία των αντίστοιχων μικροοργανισμών σε διάφορους παράγοντες (νιτρώδη ανιόντα, οξυγόνο, αμμωνία, οργανικό υπόστρωμα, παρουσία άλλων μικροοργανισμών), αλλά και ο μεγάλος χρόνος για την ανάπτυξή τους (πχ., μεγάλο πρόβλημα σε περίπτωση κάποιου ατυχήματος), δεν έχουν κάνει την “ANAMMOX” και τόσο ελκυστική μέθοδο τελικά.
Φυσικοχημικές μέθοδοι έχουν επίσης ερευνηθεί, όπως η Εναλλαγή Ιόντων (Ion Exchange) σε ειδικές ιοντοεναλλακτικές ρητίνες καθώς και η Εκφύσηση Αμμωνίας (Ammonia Air Stripping). Όσο αφορά την πρώτη μέθοδο (εναλλαγή ιόντων), στην δική μας περίπτωση απορρίπτεται, καθώς η μέθοδος αυτή απαιτεί σχεδόν μηδενική συγκέντρωση στερεών. Η εκφύσηση αμμωνίας με αέρα σε πύργο με πληρωτικά υλικά, δείχνει ως η πλέον ενδεδειγμένη και δυναμική μέθοδος για την απομάκρυνση του αμμωνιακού αζώτου από τα υγρά απόβλητα του παραπάνω είδους, καθώς η μέθοδος αυτή παρουσιάζει ανοχή σε μέτριες συγκεντρώσεις στερεών, ενώ δεν απαιτεί υψηλά ποσά ενέργειας. Η εκφύσηση αμμωνίας έχει με επιτυχία δοκιμαστεί πολλαπλώς σε διαφορετικά υγρά απόβλητα, τόσο αστικά όσο και βιομηχανικά, και σε μεγάλη κλίμακα. Σε συνδυασμό μάλιστα με δεύτερο στάδιο, την δέσμευση της αμμωνίας σε όξινο υδατικό διάλυμα και την παραγωγή λιπάσματος υψηλής ποιότητας, η μέθοδος καθίσταται ακόμη περισσότερο οικονομικά αποδοτική και ελκυστική.
Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη σκοπιμότητας της εφαρμογής της μεθόδου της εκφύσησης αμμωνίας με αέρα (ammonia air stripping), για την απομάκρυνση του αμμωνιακού αζώτου από την εκροή αναερόβιου αυλωτού αντιδραστήρα εμβολικής ροής (Plug Flow Reactor, PFR), στον οποίο υπόκειται σε επεξεργασία μίγμα κτηνοτροφικών αποβλήτων (κατά βάση αγελαδινή κοπριά με διάφορες προσμίξεις). Βασική προϋπόθεση της επιτυχούς εκφύσησης της αμμωνίας, αποτελεί η ανύψωση του pH του υγρού αποβλήτου, ώστε το μεγαλύτερο τουλάχιστον μέρος των αμμωνιακών αλάτων να μετατραπεί σε αέρια αμμωνία στην υδατική φάση. Για τον λόγο αυτόν, χρησιμοποιείται κατά κόρον η υδράσβεστος (Ca(OH)2), λόγω του πολύ χαμηλού της κόστους, αλλά και λόγω των κροκιδωτικών χαρακτηριστικών της και της ικανότητάς της για μερική τουλάχιστον διαύγαση του υγρού αποβλήτου. Τέλος, η αλκαλική απορροή του πύργου εκφύσησης (Air Stripper), δύναται να εξουδετερωθεί, με περιβαλλοντικά φιλικό μάλιστα τρόπο, σε πύργο χημικής απορρόφησης (Scrubber) χρησιμοποιώντας μέρος του παραγόμενου βιοαερίου (το διοξείδιο του άνθρακα του βιοαερίου), με ταυτόχρονο εξευγενισμό του βιοαερίου και την ενδεχόμενη παραγωγή ικανής ποσότητας βιομεθανίου.
