Φυσικά συστήματα επεξεργασίας

Transcript

1 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 157 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9. Φυσικά συστήματα επεξεργασίας (Αγγελίδης, Tchobanoglou 1995) 9.1 Εισαγωγή Στο περιβάλλον συμβαίνουν διάφορες φυσικές, χημικές και βιολογικές διεργασίες με την αλληλεπίδραση του νερού, του εδάφους, της ατμόσφαιρας και των φυτικών και ζωικών οργανισμών. Τα φυσικά συστήματα επεξεργασίας σχεδιάζονται έτσι ώστε να χρησιμοποιούν τα πλεονεκτήματα τέτοιων διεργασιών, στην επεξεργασία υγρών αποβλήτων. Πολλές φορές οι διεργασίες που εμπλέκονται στα φυσικά συστήματα επεξεργασίας είναι οι ίδιες με αυτές που λαμβάνουν χώρα στα μηχανικά ή συμβατικά συστήματα επεξεργασίας, όπως: η καθίζηση, το φιλτράρισμα, η μεταφορά αερίων, η προσρόφηση, η ιοντική εναλλαγή, η χημική κατακρήμνιση, η χημική οξείδωση και αναγωγή και η βιολογική μετατροπή. Στα φυσικά συστήματα επεξεργασίας συναντάμε και μερικές άλλες διεργασίες όπως η φωτοσύνθεση, η φωτο-οξείδωση και η πρόσληψη από τα φυτά. Στα φυσικά συστήματα οι διεργασίες συντελούνται με φυσικές ταχύτητες και τείνουν να διενεργούνται περισσότερες από μία συγχρόνως, σε ένα οικοσυστηματικό αντιδραστήρα, σε αντίθεση με τα μηχανικά συστήματα στα οποία συμβαίνουν διαδοχικά και σε διαφορετικούς σε σειρά αντιδραστήρες ή δεξαμενές, με επιταχυνόμενες ταχύτητες, ως αποτέλεσμα της εισρέουσας σε αυτές ενέργειας. Φυσικά συστήματα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων ονομάζονται αυτά που η επεξεργασία του υγρού αποβλήτου διενεργείται με φυσικά μέσα και διεργασίες, όπως είναι φυσικές, χημικές και βιολογικές διεργασίες ή συνδυασμός τους, που συμβαίνουν στο περιβάλλον γήινοι σχηματισμοί-φυτό-υγρό απόβλητο. Τα φυσικά συστήματα κατατάσσονται σε δύο βασικές κατηγορίες: Συστήματα που βασίζονται στο έδαφος ή γήινα συστήματα επεξεργασίας. Μετά την εφαρμογή προεπεξεργασμένων υγρών αποβλήτων στην επιφάνεια του εδάφους, επιτυγχάνεται περαιτέρω επεξεργασία τους δια μέσου των φυσικών, χημικών και βιολογικών διεργασιών, που συμβαίνουν στο έδαφος και σε βαθύτερους γεωλογικούς σχηματισμούς. Τα υδραυλικά φορτία εφαρμογής των αποβλήτων πρέπει να είναι συμβατά με το δυναμικό του κάθε συστήματος. Στα συστήματα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων με εφαρμογή τους στο έδαφος διακρίνουμε τους ακόλουθους τύπους: α)βραδεία εφαρμογή, β)ταχεία διήθηση, γ)επιφανειακή ροή και δ)συνδυασμένοι τύποι. Συστήματα που βασίζονται στα υδροχαρή φυτά, όπως είναι οι φυσικοί και τεχνητοί υγροβιότοποι και τα συστήματα των επιπλεόντων υδροχαρών φυτών.

2 158 ΦΥΣΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ 9.2 Ανάπτυξη φυσικών συστημάτων επεξεργασίας Ιστορικές έρευνες αναφέρουν ότι κατά τον Μινωϊκό πολιτισμό ( π.χ.) ήταν γνωστές οι βασικές αρχές της υδραυλικής και της υγιεινολογικής μηχανικής. Επίσης, διατυπώνεται η άποψη ότι την ίδια περίοδο γινόταν εφαρμογή των υγρών αποβλήτων στο έδαφος με σκοπό την άρδευση και την επεξεργασία τους. Στις ΗΠΑ και σε άλλες χώρες η εφαρμογή φυσικών συστημάτων επεξεργασίας αρχίζει από το 1870 και μετά. Ο όρος γεωργία λυμάτων (sewage farming) έγινε πολύ γρήγορα γνωστός σαν μια προσπάθεια ελέγχου της υδατικής ρύπανσης. Έναν αιώνα αργότερα τα συστήματα αυτά αντικαθίστανται είτε με επιτόπια συστήματα επεξεργασίας είτε με: α) εφαρμογή σε ειδικές γεωργικές εκμεταλλεύσεις (φάρμες), όπου οι επεξεργασμένες εκροές χρησιμοποιούνταν για φυτική παραγωγή, β) συστήματα άρδευσης διαφόρων περιβαλλόντων και κοινοχρήστων χώρων και γ) εγκαταστάσεις εμπλουτισμού υπόγειων υδροφορέων. Με την ψήφιση στις ΗΠΑ του Ν. 1972, για καθαρό νερό, το ενδιαφέρον για τα φυσικά συστήματα επεξεργασίας, που βασίζονται στο έδαφος, έχει αναθεωρηθεί σημαντικά, ως αποτέλεσμα της έμφασης που δίδεται στην επαναχρησιμοποίηση του νερού, της ανακύκλησης του νερού και των θρεπτικών στοιχείων και τη χρησιμοποίηση των υγρών αποβλήτων για την άρδευση φυτικών καλλιεργειών. Συγχρόνως, άρχισε να παρέχεται νομοθετικά οικονομική υποστήριξη για έρευνα και ανάπτυξη τεχνολογίας στα αντικείμενα των φυσικών συστημάτων επεξεργασίας. Αυτό οδήγησε στην ισότιμη αναγνώρισή της, ως τεχνικής διαχείρισης στον τομέα της μηχανικής υγρών αποβλήτων. Οι πιο πρόσφατες κατακτήσεις στα αντικείμενα των φυσικών συστημάτων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων είναι οι τεχνητοί υγροβιότοποι με αναδυόμενα φυτά και συστήματα με επιπλέοντα υδροχαρή φυτά. Αντικείμενα και Χαρακτηριστικά των Φυσικών Συστημάτων Επεξεργασίας Όλοι οι τύποι των φυσικών συστημάτων επεξεργασίας προϋποθέτουν προεπεξεργασία των χρησιμοποιούμενων υγρών αποβλήτων, με κάποια μηχανική και/ή συμβατική διεργασία. Η ελάχιστη προεπεξεργασία που συνιστάται είναι η εσχάρωση και η πρωτοβάθμια καθίζηση, με σκοπό την απομάκρυνση στερεών που θα μπορούσαν να προξενήσουν προβλήματα στα δίκτυα διανομής ή να δημιουργήσουν ενοχλητικές συνθήκες στον περιβάλλοντα χώρο. Αξίζει να σημειωθεί ότι η ικανότητα όλων σχεδόν των φυσικών συστημάτων για επεξεργασίας ιλύος υγρών αποβλήτων είναι περιορισμένη. 9.3 Βραδεία Εφαρμογή Η βραδεία εφαρμογή αποτελεί τον επικρατέστερο τύπο φυσικού συστήματος επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Συνοπτικά, η βραδεία εφαρμογή περιλαμβάνει την ελεγχόμενη εφαρμογή του προεπεξεργασμένου αποβλήτου σε έδαφος με φυτική βλάστηση, με σκοπό την περαιτέρω επεξεργασία του και την ικανοποίηση

3 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 159 των εξατμισοδιαπνευστικών αναγκών της φυτικής βλάστησης. Το εφαρμοζόμενο απόβλητο είτε χρησιμοποιείται για την ικανοποίηση των εξατμισοδιαπνευστικών αναγκών ή διηθείται και κατεισδύει στο έδαφος και σε βαθύτερους γεωλογικούς σχηματισμούς. Η επεξεργασία του αποβλήτου διενεργείται καθώς αυτό διηθείται στο έδαφος. Στις περισσότερες περιπτώσεις το απόβλητο κατεισδύει στον υπόγειο υδροφόρο, αλλά είναι δυνατό να συναντηθεί με επιφανειακό νερό ή ακόμη και να ανακτηθεί με στραγγιστικά ή φρεατικά έργα. Η ταχύτητα εφαρμογής του αποβλήτου, δηλαδή το υδραυλικό φορτίο εφαρμογής (ύψος νερού ανά μονάδα επιφάνειας) και η επιλογή και η διαχείριση της φυτικής βλάστησης αποτελούν βασικά στοιχεία σχεδιασμού του συστήματος. Με τυπικούς ρυθμούς υδραυλικών φορτίων εφαρμογής 1-2 m/έτος, το μεγαλύτερο ποσοστό του εφαρμοζόμενου φορτίου ικανοποιεί εξατμισοδιαπνευστικές ανάγκες των φυτών. Γι αυτό και η τεχνολογία εφαρμογής της εκροής του αποβλήτου σε τέτοια συστήματα προσομοιάζει με την εφαρμογή του νερού άρδευσης. Η εφαρμογή του αποβλήτου στο έδαφος γίνεται με μια ποικιλία μεθόδων, όπως οι επιφανειακές μέθοδοι (λεκάνες, αύλακες και άλλες), ο καταιονισμός και τα στάγδην συστήματα. Με σκοπό την επικράτηση ακόρεστων συνθηκών στο έδαφος επιβάλλεται η μη συνεχής εφαρμογή του αποβλήτου σε αυτό. Οι ενδιάμεσοι κύκλοι εφαρμογής κυμαίνονται από 4-10 ημέρες. Η σχετικά βραδεία εφαρμογή του αποβλήτου, σε συνδυασμό με την παρουσία της φυτικής βλάστησης και την ενδογενή δυνατότητα του εδαφικού οικοσυστήματος, δημιουργούν στα συστήματα βραδείας εφαρμογής υψηλό δυναμικό επεξεργασίας. Με τα συστήματα βραδείας εφαρμογής επιτυγχάνεται υψηλότερου επιπέδου περαιτέρω επεξεργασία του εφαρμοζόμενου αποβλήτου σε σύγκριση με άλλους τύπους φυσικών συστημάτων. Οι επιδιωκόμενοι σκοποί με τη βραδεία εφαρμογή ενός υγρού αποβλήτου στο έδαφος είναι: α) συμπληρωματική επεξεργασία του αποβλήτου, β) οικονομικό όφελος με την εφαρμογή νερού και θρεπτικών στοιχείων σε φυτικές καλλιέργειες, γ) εξοικονόμηση άλλων πηγών νερού με την αντικατάστασή τους με εκροές προεπεξεργασμένων αποβλήτων και δ) αύξηση χώρων πρασίνου και γενικά προστασία του περιβάλλοντος. Για την εφαρμογή της εκροής των αποβλήτων με βραδεία εφαρμογή χρησιμοποιούνται διάφορα φυτικά συστήματα: α) Γεωργικά συστήματα σε ξηρές περιοχές με συνήθεις δόσεις εφαρμογής 3-11 mm/d. β) Χλωροτάπητες, σε ιπποδρόμια, γήπεδα, πάρκα, golfs και άλλους ελεύθερους χώρους και γ) Δασικά συστήματα. Βασικό κριτήριο σχεδιασμού συστημάτων βραδείας εφαρμογής είναι το εφαρμοζόμενο ύψος εκροής του υγρού αποβλήτου σε σχέση με τις εξατμισοδιαπνευστικές ανάγκες της χρησιμοποιούμενης φυτικής βλάστησης. Για λόγους σχεδιασμού και ανάλογα με τον επιδιωκόμενο σκοπό, τα συστήματα

4 160 ΦΥΣΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Σχήμα 9.1 Σχηματική απεικόνιση συστήματος βραδείας εφαρμογής: α) Υδραυλική ροή, β) επιφανειακή εφαρμογή και γ) εφαρμογή με καταιονισμό (Metcalf and Eddy, 1991)

5 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 161 διάθεσης-επεξεργασίας υγρών αποβλήτων με βραδεία εφαρμογή τους στο έδαφος ταξινομούνται στους παρακάτω βασικούς τύπους: Τύπος 1. Άρδευσης, που το υδραυλικό φορτίο εφαρμογής των υγρών αποβλήτων βασίζεται στην ικανοποίηση του συνόλου των εξατμισοδιαπνευστικών αναγκών των χρησιμοποιούμενων φυτών και των λοιπών απωλειών του συστήματος εφαρμογής. Τύπος 2. Διήθησης, που αντικειμενικός σκοπός τους είναι η διάθεση και περαιτέρω επεξεργασία του εφαρμοζόμενου υγρού αποβλήτου και το υδραυλικό φορτίο εφαρμογής τους βασίζεται στην υδραυλική αγωγιμότητα του εδάφους ή στο φορτίο του αζώτου. Όπως είναι φυσικό, σε τέτοια συστήματα, το ύψος της εφαρμοζόμενης εκροής είναι μεγαλύτερο των αρδευτικών αναγκών των χρησιμοποιούμενων φυτών. Τύπος 3. Εξειδικευμένα συστήματα, που χρησιμοποιούνται στις περιπτώσεις που η παρουσία κάποιου τοξικού ή επικίνδυνου συστατικού στο υγρό απόβλητο είναι δυνατό να συνεπάγεται ειδικές συνθήκες σχεδιασμού. Εκτίμηση και επιλογή της θέσης εγκατάστασης Τα συστήματα βραδείας εφαρμογής θα πρέπει να εγκαθίστανται σε θέσεις με επαρκές βάθος εδάφους μέχρι τον υδροφόρο ορίζοντα ή την αδιαπέραστη στρώση, βάθος που να επιτρέπει την κατακράτηση συστατικών του αποβλήτου, τη δράση των βακτηρίων και την ανάπτυξη των ριζών. Για επαρκή επεξεργασία του αποβλήτου απαιτείται ένα ελάχιστο βάθος εδάφους από 0.9 έως 1.2 m. Εδάφη με πολύ χαμηλό ή πολύ υψηλό ph (όξινα ή αλκαλικά) και εδάφη με ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι περιοριστικά στην ανάπτυξη πολλών φυτικών ειδών. Επίσης, υψηλή % εναλλακτικότητα του νατρίου μειώνει την υδραυλική αγωγιμότητα του εδάφους. Τέλος, η κλίση του εδάφους πρέπει να είναι <15% για τα περισσότερα καλλιεργούμενα φυτικά είδη. Επιλογή φυτικής βλάστησης Τα κυριότερα κριτήρια επιλογής της βλάστησης κάλυψης είναι: η ανεκτικότητα στην εδαφική υγρασία και οι εξατμισοδιαπνευστικές ανάγκες, οι ανάγκες σε θρεπτικά στοιχεία, η προσαρμογή στις εδαφικές συνθήκες, η εποχή ανάπτυξης και οι ανάγκες σε λήθαργο, η ευαισθησία και η ανεκτικότητά τους σε τοξικά μέταλλα και άλατα, η χρησιμοποίηση θρεπτικών στοιχείων και η αποτελεσματικότητα ανάκτησής τους και τέλος, η σταθερότητα του οικοσυστήματος και η συχνότητα και ο βαθμός συγκομιδής. Η επιλογή των φυτών ή δένδρων που θα χρησιμοποιηθούν σε ένα σύστημα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων με βραδεία εφαρμογή αποτελεί ένα βασικό στάδιο του σχεδιασμού του, αφού από αυτήν ουσιαστικά εξαρτώνται το επίπεδο προεπεξεργασίας του υγρού αποβλήτου, ο τύπος του δικτύου διανομής και το υδραυλικό φορτίο εφαρμογής. Για τα συστήματα Τύπου 2 (Διήθησης), συμβατά φυτικά είδη είναι αυτά που έχουν υψηλές αζωτούχες ανάγκες, ικανοποιητική

6 162 ΦΥΣΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ανεκτικότητα στην εδαφική υγρασία και σε διάφορα άλλα συστατικά των υγρών αποβλήτων και υψηλές εξατμισοδιαπνευστικές ανάγκες, όπως: πεύκα, ξυλώδες βαμβάκι, υβρίδια λεύκης, λευκή πεύκη, κινέζικη πτελέα, ευκάλυπτος, κερασιά, κουτσουπιά, χαρουπιά, ιτιά, αραβόσιτος, σόργο, κριθάρι και άλλα είδη σιτηρών. Στα συστήματα τύπου 1 (Άρδευσης) μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια ευρύτερη ποικιλία φυτών και δένδρων. Επίσης, μπορούν να χρησιμοποιούνται διπλές καλλιέργειες για την αξιοποίηση του δυναμικού αυξημένων προσόδων. Θερινές καλλιέργειες μικρής διάρκειας όπως αραβόσιτου και σόργου μπορούν να συνδυαστούν με αυτές χειμερινών σιτηρών όπως βρώμης, σιταριού και κριθαριού, ιδιαίτερα σε θερμά κλίματα. Επιπλέον των φυτικών ειδών που προτείνονται για τα συστήματα Τύπου 2 μπορούν να χρησιμοποιηθούν μηδική και ετήσιο τριφύλλι, βαμβάκι, εσπεριδοειδή, μηλοειδή και το αμπέλι. Η εξατμισοδιαπνοή (ΕΤ) αποτελεί μια πολύ σημαντική παράμετρο του υδατικού ισοζυγίου, που χρησιμοποιείται στον υπολογισμό του υδραυλικού φορτίου εφαρμογής. Γενικά, η ΕΤ ορίζεται ως οι συνολικές απώλειες νερού από μια φυτική επιφάνεια με τη μετάπτωσή του στην αέρια φάση από την υγρή επιφάνεια του εδάφους, την ελεύθερη επιφάνεια νερού (εξάτμιση, Ε) ή τη φυτική επιφάνεια (διαπνοή, Τ), που είναι εκτεθειμένες στην ατμόσφαιρα και στη συνέχεια τη μετακίνησή του στην υπερκείμενή τους ατμόσφαιρα. Το τελικό μέγεθος της ΕΤ εξαρτάται από: α) τις κλιματολογικές συνθήκες της περιοχής, β) τα χαρακτηριστικά και τη δομή της καλλιέργειας και γ) τις τοπικές συνθήκες και την εφαρμοζόμενη καλλιεργητική τεχνική. Προεπεξεργασία υγρών αποβλήτων Τα φυσικά συστήματα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων περιλαμβάνουν δύο σημαντικά συνθετικά: την επεξεργασία του αποβλήτου και τη διάθεση της επεξεργασμένης εκροής τους. Η προεπεξεργασία των υγρών αποβλήτων, πριν από την εφαρμογή τους σε ένα σύστημα βραδείας εφαρμογής αποτελεί μια πάγια και απαραίτητη προϋπόθεση για τους ακόλουθους λόγους: α) προστασία δημόσιας υγείας, β) πρόληψη ενοχλητικών καταστάσεων κατά τη διάρκεια συγκέντρωσης ή αποθήκευσης των υγρών αποβλήτων, γ) πρόληψη ζημιών εδάφους και φυτών, και δ) πρόληψη άλλων περιβαλλοντικών επιπτώσεων, όπως είναι η ρύπανση εδαφο-υδατικών πόρων. Γενικά, τα συστήματα βραδείας εφαρμογής θα πρέπει να θεωρούνται ως ένα ενιαίο σύνολο διεργασιών, που πρέπει να συνδυάζεται με άλλες διεργασίες για την επίτευξη πλήρους επεξεργασίας του θεωρούμενου υγρού αποβλήτου. Η προεπεξεργασία μπορεί να κυμαίνεται από τουλάχιστον πρωτοβάθμια μέχρι προωθημένη επεξεργασία. Υδραυλικό φορτίο εφαρμογής Ως υδραυλικό φορτίο εφαρμογής ορίζεται ο εφαρμοζόμενος όγκος εκροής υγρού αποβλήτου, στη μονάδα επιφάνειας του εδάφους σε μια ορισμένη χρονική

7 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 163 περίοδο, συνήθως εβδομάδα, μήνα ή έτος. Αυτό συνήθως εκφράζεται σε m/yr. Σε συστήματα Τύπου 1 το υδραυλικό φορτίο εφαρμογής βασίζεται στην πραγματική εξατμισοδιαπνοή της χρησιμοποιούμενης καλλιέργειας ή το φορτίο αζώτου. Αντίθετα, σε συστήματα τύπου 2 το υδραυλικό φορτίο σχεδιασμού ενός έργου υπολογίζεται με βάση δύο περιοριστικούς παράγοντες: α) την υδραυλική αγωγιμότητα του εδάφους και β) το φορτίο αζώτου. Για βιομηχανικά απόβλητα ή συστήματα Τύπου 3, ο υπολογισμός του υδραυλικού φορτίου εφαρμογής βασίζεται σε διάφορους άλλους παράγοντες όπως είναι το οργανικό φορτίο και το φορτίο μετάλλων ή αλάτων. Απαιτούμενη έκταση Η συνολική απαιτούμενη έκταση για ένα σύστημα βραδείας εφαρμογής περιλαμβάνει εκτός από την έκταση της φυτικής βλάστησης και αυτήν που απαιτείται για τις εγκαταστάσεις προεπεξεργασίας, την ουδέτερη ζώνη, τους δρόμους προσπέλασης και τους χώρους αποθήκευσης και γραφεία εξυπηρέτησης. Η απαιτούμενη έκταση εφαρμογής του αποβλήτου ή η έκταση της φυτικής βλάστησης, Α σε στρέμματα, προσδιορίζεται από την ταχύτητα του υδραυλικού φορτίου L, με χρήση της ακόλουθης εξίσωσης: Q + ΔV A = (9.1) L όπου Q= μέση ημερήσια παροχή του υγρού αποβλήτου [L 3 T -1 ], και ΔV= καθαρή απώλεια ή αύξηση του όγκου αποθήκευσης οφειλόμενη σε εξάτμιση και διήθηση από τη δεξαμενή αποθήκευσης ή σε ατμοσφαιρικά κατακρημνίσματα[l 3 T -1 ] Vs Δ V = ( P ET S) (9.2) d όπου S= διηθούμενο ή στραγγιζόμενο ύψος εκροής από τη δεξαμενή αποθήκευσης [L], V s = εκτιμούμενος όγκος για αποθήκευση [L 3 ], και d s = εκτιμούμενο ύψος του όγκου αποθήκευσης [L] Η συνολική απαιτούμενη έκταση, για μέσης έκτασης συστήματα βραδείας εφαρμογής, κυμαίνεται από 700 έως 2200 στρέμματα στα συστήματα Τύπου 1 και από 240 έως 800 στρέμματα στα συστήματα Τύπου 2, με βάση παροχή αποβλήτου 3784 m 3 /d. Τα συστήματα βραδείας εφαρμογής υγρών αποβλήτων απαιτούν, συνήθως χώρο αποθήκευσης κατά τη διάρκεια ψυχρών και υγρών καιρικών συνθηκών. Η αποθήκευση του υγρού αποβλήτου απαιτείται όταν η διαθέσιμη παροχή του αποβλήτου είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα του εφαρμοζόμενου υδραυλικού s

8 164 ΦΥΣΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ φορτίου. Σε συστήματα βραδείας εφαρμογής, όπου χρησιμοποιούνται ετήσια φυτά, η εφαρμογή του αποβλήτου περιορίζεται μόνο στη βλαστική περίοδο 2 έως 3 μηνών σε μέτρια κλίματα και σε 4 έως 7 σε ψυχρότερα βορειότερα. Αντίθετα, όταν χρησιμοποιούνται πολυετείς φυτικές καλλιέργειες ή διπλές καλλιέργειες η αρδευτική περίοδος είναι μεγαλύτερη. Περίοδοι, όμως, πολύ ψυχρών και υγρών καιρικών συνθηκών περιορίζουν το χρόνο εφαρμογής εκροών υγρών αποβλήτων στις πολυετείς γεωργικές καλλιέργειες ή δασικές εκτάσεις. 9.4 Ταχεία διήθηση ή εφαρμογή Με τη διαδικασία της ταχείας διήθησης υγρών αποβλήτων στο έδαφος η επεξεργασμένη εκροή είτε καταλήγει σε κάποιο υδροφορέα ή σε κάποια επιφανειακή πηγή. Με την ταχεία διήθηση το υγρό απόβλητο εφαρμόζεται σε εδάφη με μεγάλη περατότητα και η εφαρμογή του διενεργείται με τεχνητές επιφανειακές λεκάνες ή με τη χρήση εκτοξευτών. Η εφαρμογή του αποβλήτου γίνεται σε περιοδική βάση. Στην περίπτωση των λεκανών η εφαρμογή του αποβλήτου σε κάθε μια λεκάνη γίνεται για μια περίοδο 1-7 ημερών και διακόπτεται για 6-20 ημέρες. Η επεξεργασία του αποβλήτου διενεργείται δια μέσου φυσικών, χημικών και βιολογικών διεργασιών καθώς αυτό διηθείται δια μέσου του εδάφους. Με τα συστήματα της ταχείας διήθησης διενεργείται συνήθως και τεχνητός εμπλουτισμός υπόγειων υδροφορέων. Η διαθέσιμη τεχνολογία σε τέτοια θέματα θεωρείται σχετικά υψηλού επιπέδου. Κατά την εφαρμογή του αποβλήτου δεν απαιτείται συνήθως φυτική βλάστηση. Οι επιδιωκόμενοι σκοποί με συστήματα ταχείας διήθησης είναι η συμπληρωματική επεξεργασία του εφαρμοζόμενου υγρού αποβλήτου και παράλληλα: α) ο εμπλουτισμός υπόγειων υδροφορέων, β) η ανάκτηση νερού για άλλες χρήσεις, γ) η ενίσχυση επιφανειακών πηγών νερού και δ) η προσωρινή αποθήκευση νερού. Σε περιπτώσεις εμπλουτισμού υπόγειων υδροφορέων που γειτνιάζουν με παραθαλάσσιες περιοχές, η διαδικασία της ταχείας διήθησης υγρών αποβλήτων επιδρά προστατευτικά στον κίνδυνο υφαλμύρωσής τους, με το σχηματισμό προστατευτικής ζώνης μεταξύ του θαλάσσιου και του γλυκού, φυσικού νερού του υδροφορέα. Η τεχνογνωσία τέτοιων έργων θεωρείται ακόμη αναπτυσσόμενη. Αντίθετα, έργα εμπλουτισμού-επαναχρησιμοποίησης εκροών αποβλήτων είναι αρκετά διαδεδομένα. Γενικά, οι κυριότεροι διεργασιακοί μηχανισμοί απομάκρυνσης διαφόρων ρυπαντών με συστήματα ταχείας διήθησης είναι η διήθηση, η προσρόφηση και η κατακρήμνιση. Με την ταχεία διήθηση επιτυγχάνεται υψηλού επιπέδου απομάκρυνση BOD και αιωρούμενων στερεών. Η απομάκρυνση του αζώτου είναι αποτέλεσμα κυρίως της βιολογικής απονιτροποίησης και κυμαίνεται από 40 έως 90%. Τα πιο σημαντικά κριτήρια σχεδιασμού συστημάτων επεξεργασίας υγρών

9 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 165 Σχήμα 9.2 Σχηματική απεικόνιση συστήματος ταχείας διήθησης: α) Υδραυλική ροή, β) ανάκτηση με στραγγιστικό δίκτυο και γ) ανάκτηση με γεωτρήσεις (Metcalf and Eddy,1991).

10 166 ΦΥΣΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ αποβλήτων με ταχεία διήθηση είναι: η αναλογία BOD/N (>3), το υδραυλικό φορτίο εφαρμογής και η αναλογία μεταξύ των περιόδων εφαρμογής και ξήρανσης (ανάπαυσης). Με ρυθμούς φορτίων εφαρμογής m/έτος, διασφαλίζεται ικανός χρόνος κατακράτησης και υψηλά επίπεδα απομάκρυνσης αζώτου. Το δυναμικό επεξεργασίας σε τέτοια συστήματα είναι μικρότερο από αυτό των συστημάτων βραδείας εφαρμογής, εξαιτίας της μικρότερης κατακράτησης σε πιο περατά εδάφη εφαρμογής και με μεγαλύτερες ταχύτητες του υδραυλικού φορτίου. Εκτίμηση και επιλογή θέσης εγκατάστασης Για ένα επιτυχές σύστημα ταχείας διήθησης είναι αναγκαία μια ελάχιστη εδαφική υδραυλική αγωγιμότητα τουλάχιστον 25 mm/h. Αποδεκτοί εδαφικοί τύποι είναι οι αμμώδεις, αμμοπηλώδεις, πηλοαμμώδεις και χαλικώδεις. Αμμώδη εδάφη με πολύ χονδρόκοκκα υλικά δεν συνιστώνται για συστήματα ταχείας διήθησης, επειδή αυτά επιτρέπουν μεγάλες ταχύτητες ροής, ιδιαίτερα σε μικρά βάθη (ακόρεστη ζώνη) όπου αναπτύσσεται η πιο σημαντική φυσική, χημική και βιολογική δραστηριότητα επεξεργασίας. Επίσης, είναι προτιμότερη η χρήση εδαφών με ομοιογενή εδαφικά χαρακτηριστικά γιατί, σε μη ομοιογενή εδάφη αυξάνει το κόστος και η πολυπλοκότητα διερεύνησης της κατάλληλης θέσης του συστήματος. Άλλοι σημαντικοί παράγοντες που επηρεάζουν την επιλογή της θέσης ενός συστήματος ταχείας διήθησης είναι η τοπογραφία, το βάθος του εδάφους μέχρι τον υδροφόρο ορίζοντα και τα ποσοτικοποιοτικά χαρακτηριστικά του υπόγειου υδροφορέα και των υποκείμενων γεωλογικών σχηματισμών. Εδάφη βάθους άνω των 3 m θεωρούνται πολύ κατάλληλα, αλλά είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν και εδάφη μικρότερου βάθους (μέχρι 2 m) με την προϋπόθεση κατασκευής του κατάλληλου συστήματος αποστράγγισης. Επίσης, συνιστώνται εδάφη με κλίσεις <5%. Προεπεξεργασία υγρών αποβλήτων Ο βασικός σκοπός της προεπεξεργασίας των υγρών αποβλήτων, πριν από την εφαρμογή τους, είναι η μείωση συστατικών που προκαλούν αποφράξεις των εδαφικών πόρων και ενοχλητικές καταστάσεις, κυρίως δυσάρεστες οσμές που επιδεινώνονται κατά την αποθήκευση ή στη διάρκεια της εφαρμογής. Γενικά, το απαιτούμενο ελάχιστο επίπεδο προεπεξεργασίας στα συστήματα ταχείας διήθησης, όπως και σε αυτά βραδείας εφαρμογής, είναι πρώτου βαθμού, ιδιαίτερα όταν ο κύριος σκοπός του συστήματος είναι η μεγιστοποίηση της απομάκρυνσης αζώτου. Όταν όμως ο κύριος σκοπός του συστήματος είναι η μεγιστοποίηση της ταχύτητας εφαρμογής του υδραυλικού φορτίου, τότε απαιτείται δευτεροβάθμια ή και προωθημένου βαθμού επεξεργασία. Η ελάχιστη απαιτούμενη επεξεργασία υγρών αποβλήτων πριν από την εφαρμογή τους σε συστήματα ταχείας διήθησης είναι: 1. Πρωτοβάθμια επεξεργασία, για απομονωμένες περιοχές με περιορισμένη δημόσια επικοινωνία και

11 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ Δευτεροβάθμια επεξεργασία με τεχνητές λίμνες ή άλλες βιολογικές διεργασίες, για αστικές περιοχές με ελεγχόμενη δημόσια επικοινωνία ή επαφή. Ο σχεδιασμός ενός συστήματος ταχείας διήθησης ορίζεται με την ταχύτητα του υδραυλικού φορτίου εφαρμογής, τη μέση ετήσια ταχύτητα εφαρμογής, που εκφράζεται σε cm/yr και την πραγματική ταχύτητα εφαρμογής της εκροής του υγρού αποβλήτου που ονομάζεται και μέση ταχύτητα εφαρμογής και εκφράζεται σε cm/d. Ο ρυθμός εφαρμογής του υδραυλικού φορτίου συνήθως βασίζεται στην περατότητα του εδάφους ή στην κατακόρυφη υδραυλική αγωγιμότητά του πάνω από τον υδροφόρο ορίζοντα. Πολύ βασική παράμετρο λειτουργίας των συστημάτων ταχείας διήθησης αποτελεί η διατήρηση των απαραίτητων περιόδων ξήρανσης, που επιτρέπουν τον επανααερισμό του εδάφους μεταξύ διαδοχικών εφαρμογών απαραίτητων για την αποδόμηση συσσωρευμένης ουσίας καθώς και άλλες βιολογικές διεργασίες, όπως είναι η νιτροποίηση. Ο συνδυασμός των περιόδων εφαρμογής και ξήρανσης, ορίζεται ως κύκλος λειτουργίας ή φορτίου του συστήματος. Απαιτούμενη έκταση Με δεδομένη την εξισορρόπηση της ροής της εκροής πριν από την εφαρμογή της σε ένα σύστημα ταχείας διήθησης, η απαιτούμενη έκταση, Α σε στρέμματα (για τη διήθησή της) προσδιορίζεται με την ακόλουθη εξίσωση: Q A = (9.3) L όπου: Q= ετήσια παροχή υγρού αποβλήτου [L 3 T -1 ], και L= ετήσιος ρυθμός υδραυλικού φορτίου [LT -1 ]. Τα συστήματα ταχείας διήθησης συγκριτικά με άλλα φυσικά συστήματα επεξεργασίας προσαρμόζονται καλύτερα σε ψυχρά κλίματα, επειδή δεν εξαρτώνται άμεσα από την υφιστάμενη φυτική βλάστηση. Επίσης, η εφαρμογή του αποβλήτου με λεκάνες κατάκλυσης, που είναι λιγότερο ευπαθείς στην ψύξη σε σύγκριση με άλλες τεχνικές εφαρμογής τους, αποτελούν ένα πρόσθετο λόγο προσαρμογής των συστημάτων ταχείας διήθησης σε ψυχρά κλίματα. Ο πάγος που σχηματίζεται στην επιφάνεια των λεκανών κατάκλυσης δεν απομακρύνεται, αλλά απλώς επιπλέει σ αυτές μέχρι την επόμενη εφαρμογή υγρού αποβλήτου. Ο πάγος επιδρά προστατευτικά στο έδαφος από περαιτέρω μείωση της θερμοκρασίας του. Παρ όλο, που τα συστήματα ταχείας διήθησης λειτουργούν και υπό αντίξοες συνθήκες, είναι αναγκαία η αποθήκευση της εκροής του υγρού αποβλήτου για την εξισορρόπηση της ροής, τη ρύθμιση της ταχύτητας εφαρμογής και την αντιμετώπιση τυχαίων ή/και επειγόντων συμβάντων. Σε ψυχρά κλίματα με πολύ ψυχρούς χειμώνες, οπότε η εδαφική περατότητα μπορεί να μειωθεί στο ελάχιστο

12 168 ΦΥΣΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ όριο της διακύμανσής της, η αποθήκευση του υγρού αποβλήτου στη διάρκεια ψυχρών περιόδων είναι αναγκαία, επειδή η επιφανειακή διήθησή του μπορεί να μην είναι τόσο ταχεία, ώστε να αποφεύγεται η ψύξη του. 9.5 Επιφανειακή ροή Με τα συστήματα επιφανειακής ροής είναι δυνατό να επιτευχθεί δευτεροβάθμια ή τριτοβάθμια επεξεργασία υγρών αποβλήτων. Με τέτοια συστήματα μπορούν να απομακρυνθούν σημαντικές ποσότητες BOD, αιωρούμενων στερεών και αζώτου. Τα συστήματα επιφανειακής ροής βασίζονται στην εφαρμογή του προεπεξεργασμένου υγρού αποβλήτου κατά μήκος της υψηλότερης πλευράς μιας διαβαθμισμένης, κεκλιμένης επιφάνειας με φυτική βλάστηση, που επιτρέπει τη ροή του σε όλη την έκτασή της και τη συλλογή της επεξεργασμένης εκροής στο τέλος της κλίσης της. Συνήθως, τα συστήματα επιφανειακής ροής εφαρμόζονται σε θέσεις με εδάφη σχετικά αδιαπέραστα, αν και οι διεργασίες αυτών των συστημάτων έχουν εφαρμογή σε μια ποικιλία εδαφικών τύπων και κυρίως υδραυλικών αγωγιμοτήτων, επειδή η περατότητα του εδάφους σε τέτοια συστήματα μειώνεται σημαντικά με το χρόνο. Η επεξεργασία διενεργείται κατά τη διάρκεια ροής του αποβλήτου στην επιφάνεια του εδάφους και τη συλλογή του σε στραγγιστικό αυλάκι, που βρίσκεται κατά μήκος της πλευράς με το μικρότερο υψόμετρο. Η ανάκτηση του υγρού αποβλήτου γίνεται με φυσικές, χημικές και βιολογικές διεργασίες, καθώς αυτό ρέει στην εδαφική επιφάνεια με τη φυτική βλάστηση. Όπως είναι επόμενο, η διήθηση του αποβλήτου στο έδαφος είναι περιορισμένη λόγω της μικρής υδραυλικής αγωγιμότητας του εδάφους και/ή του υπεδάφους και της υφιστάμενης επιφανειακής κλίσης. Η εκροή που ανακτάται από τέτοια συστήματα είναι κατάλληλη για διάθεση σε ελεύθερους αποδέκτες ή άλλες χρήσεις. Μέρος του εφαρμοζόμενου αποβλήτου εξατμισοδιαπνέεται. Οι συνολικές απώλειες του υγρού αποβλήτου εξαρτώνται από την εποχή του έτους, τις τοπικές κλιματολογικές συνθήκες και το είδος της φυτικής βλάστησης. Τα συστήματα αυτά λειτουργούν με εναλλασσόμενες περιόδους εφαρμογής και ανάπαυσης. Τα υδραυλικά φορτία εφαρμογής σε τέτοια συστήματα κυμαίνονται από 3 έως 20 m/yr. Πριν από την εφαρμογή του αποβλήτου, το έδαφος διευθετείται σε τμήματα με ομαλές κλίσεις και αναπτύσσεται σε αυτά φυτική βλάστηση, συνήθως από αγρωστώδη φυτά, ανεκτικά σε συνθήκες υψηλής υγρασίας. Η εφαρμογή του υγρού αποβλήτου πραγματοποιείται με σωλήνες με ανοίγματα, με εκτοξευτές χαμηλής πίεσης και με εκτοξευτές υψηλής πίεσης. Οι επιδιωκόμενοι σκοποί με την επεξεργασία ενός υγρού αποβλήτου με επιφανειακή ροή είναι να επιτευχθούν: α) δευτεροβάθμια επεξεργασία με δεδομένη πρωτοβάθμια τουλάχιστον προεπεξεργασία του, και β) υψηλού επιπέδου απομάκρυνση αζώτου, BOD και αιωρούμενων στερεών.

13 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 169 Οι βασικοί διεργασιακοί μηχανισμοί επεξεργασίας του αποβλήτου σε συστήματα επιφανειακής ροής είναι η βιολογική οξείδωση, η καθίζηση και η διήθηση. Κατά την επιλογή της θέσης συστημάτων επιφανειακής ροής πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κυρίως τα εδαφικά χαρακτηριστικά, η τοπογραφία της περιοχής και οι κλιματολογικές συνθήκες της. Σχήμα 9.3 Σχηματική παράσταση των διεργασιών ενός συστήματος επιφανειακής ροής (Metcalf and Eddy,1991). Προεπεξεργασία υγρών αποβλήτων Το απαιτούμενο ελάχιστο επίπεδο προεπεξεργασίας αποβλήτων που προορίζονται για συστήματα επιφανειακής ροής είναι η υψηλή λεπτή εσχάρωση με σκοπό την απομάκρυνση στερεών που θα μπορούσαν να αποφράξουν τα δίκτυα διανομής ή να δημιουργήσουν προβλήματα ροής και διήθησης. Εναλλακτικές προεπεξεργασίες θεωρούνται οι λιμνοδεξαμενές με περιορισμένο χρόνο κατακράτησης (1 έως 2 ημέρες) και οι Imhoff δεξαμενές για τα μικρά συστήματα επεξεργασίας. Έτσι η ελάχιστη απαιτούμενη προεπεξεργασία υγρών αποβλήτων πριν από την εφαρμογή τους σε συστήματα επιφανειακής ροής συνίσταται σε: Εσχάρωση ή καθίζηση διαχωρισμένων σωματιδίων. Αυτή είναι αποδεκτή για απομονωμένες περιοχές χωρίς δημόσια επικοινωνία, και Εσχάρωση ή καθίζηση στερεών σωματιδίων με πρόσθετο αερισμό για τον έλεγχο κυρίως οσμών κατά τη διάρκεια συγκέντρωσης ή εφαρμογής στο σύστημα. Αυτή είναι αποδεκτή για αστικές περιοχές χωρίς δημόσια επικοινωνία.

14 170 ΦΥΣΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Οι βασικές παράμετροι που θεωρούνται κατά το σχεδιασμό ενός συστήματος επιφανειακής ροής, είναι ο ρυθμός εφαρμογής, το μήκος της κλίσης, ο βαθμός της κλίσης και ο κύκλος λειτουργίας. Η απόδοση της απομάκρυνσης των περισσότερων συστατικών των εφαρμοζόμενων υγρών αποβλήτων σε συστήματα επιφανειακής ροής αυξάνεται όσο ελαττώνεται ο ρυθμός εφαρμογής τους, μέχρι να προσεγγίσει ένα κατώτερο όριό της. Έχει επίσης καταδειχτεί ότι η αποδοτικότητα των συστημάτων επιφανειακής ροής έχει σχέση ευθέως ανάλογη με το μήκος της κλίσης και αντιστρόφως ανάλογη με την ταχύτητα εφαρμογής. Σε περιπτώσεις διανομής με συστήματα καταιονισμού, τα συνιστώμενα μήκη των κλίσεων κυμαίνονται από 45 έως 60 m. Το μήκος της κλίσης θα πρέπει να είναι τουλάχιστον κατά 20 m μεγαλύτερο από τη διάμετρο των εκτοξευτών διανομής. Η διακύμανση του βαθμού κλίσης κατά το σχεδιασμό ενός συστήματος επιφανειακής ροής κυμαίνεται από 1 έως 8%. Σχεδόν όλα τα συστήματα επιφανειακής ροής λειτουργούν με ένα ενδιάμεσο σχήμα του κύκλου λειτουργίας τους, που περιλαμβάνει μια περίοδο εφαρμογής που ακολουθείται από μια περίοδο ξήρανσης. Τυπικά ο χρόνος του κύκλου λειτουργίας είναι 24 h, με περίοδο εφαρμογής κυμαινόμενη από 8 έως 12 h και αντίστοιχη περίοδο ξήρανσης 16 έως 12 h. Γενικά, αποθήκευση των διαθέσιμων εκροών συνιστάται όταν η μέση θερμοκρασία αέρα είναι κάτω από 0 ο C. Απαιτούμενη έκταση Η απαιτούμενη έκταση ενός συστήματος επιφανειακής ροής υπολογίζεται από τις τιμές σχεδιασμού της ταχύτητας εφαρμογής, του μήκους κλίσης, του κύκλου λειτουργίας, της περιόδου εφαρμογής και του χρόνου αποθήκευσης: [ Q + ( ΔV /( 365x24) )] x [( N) /365] R x ( P/O) x Z A = (9.4) όπου A= απαιτούμενη κεκλιμένη επιφάνεια [L 2 ] P= περίοδος εφαρμογής [T] Q= μέση διαθέσιμη παροχή υγρού αποβλήτου [L 3 T -1 ] ΔV= καθαρή απώλεια ή αύξηση του όγκου αποθήκευσης [L 3 T -1 ] N= αριθμός ημερών αποθήκευσης R= περίοδος εφαρμογής [T] O= χρόνος κύκλου λειτουργίας [T] Z= μήκος κλίσης [L] Σε περίπτωση όμως που δεν απαιτείται αποθήκευση της εφαρμοζόμενης εκροής υγρών αποβλήτων, η απαιτούμενη έκταση εκφράζεται με την ακόλουθη σχέση:

15 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 171 Q z A = (9.5) L P Επιλογή και διαχείριση της βλάστησης κάλυψης Για την επίτευξη υψηλής απόδοσης των διεργασιών απομάκρυνσης και προστασίας από τη διάβρωση σε συστήματα επιφανειακής ροής, απαιτείται μια φυτική βλάστηση κάλυψης ομοιόμορφη και αρκετής πυκνότητας. Γενικά αγρωστώδη φυτά, ανεκτικά σε συνθήκες υψηλής υγρασίας, θεωρούνται κατάλληλα για τέτοια συστήματα. Συνήθως χρησιμοποιούνται αγριάδα, κεχρί, φάλαρη, φεσκούτα και άλλα. Η επιλογή του κατάλληλου είδους εξαρτάται κυρίως από την προσαρμοστικότητά του στις τοπικές συνθήκες. Με αυτά τα δεδομένα διασφαλίζεται πρόσφορο μέσο ανάπτυξης και στήριξης των μικροοργανισμών, ελαχιστοποιείται η διάβρωση και επιτυγχάνονται υψηλά επίπεδα απομάκρυνσης αζώτου. Η χρησιμοποιούμενη βλάστηση κόπτεται περιοδικά και τα κοπτόμενα τμήματά της αποξηραίνονται ή συρρικνώνονται με μηχανικά μέσα και στη συνέχεια χρησιμοποιούνται σαν ζωοτροφή ή διασκορπίζονται επί τόπου. 9.6 Υγροβιότοποι Οι υγροβιότοποι είναι τμήματα εδάφους κατακλυζόμενα με νερό συνήθως μικρού βάθους (<0.6 m), στα οποία αναπτύσσονται φυτά όπως διάφορα είδη κύπερης (Cyperacea, Carex spp.), καλαμιών (Phragmites, P.Communis), βούρλων (Scirpus), ψαθιού και αφράτου (Typha). Η φυτική βλάστηση προσφέρει το βασικό υπόστρωμα ανάπτυξης των βακτηριακών μεμβρανών, βοηθά στο φιλτράρισμα και την προσρόφηση συστατικών του αποβλήτου, μεταφέρει οξυγόνο στη μάζα του νερού και περιορίζει την ανάπτυξη αλγών με τον έλεγχο της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων έχουν χρησιμοποιηθεί τόσο τεχνητοί, όσο και φυσικοί υγροβιότοποι. Οι φυσικοί όμως υγροβιότοποι έχουν περιορισμένη χρήση στην αποδοχή και/ή περαιτέρω επεξεργασία εκροών δευτεροβάθμιας ή ακόμη προωθημένης επεξεργασίας. Φυσικοί υγροβιότοποι Οι φυσικοί υγροβιότοποι θεωρούνται ως υδατικοί αποδέκτες και γι αυτό το λόγο όταν δέχονται εκροές δευτεροβάθμιας ή προωθημένης επεξεργασίας, πληρούν κανονιστικές απαιτήσεις. Το κύριο αντικείμενο χρησιμοποίησης φυσικών υγροβιοτόπων, ως αποδεκτών εκροών επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων, είναι η ενίσχυση προϋπάρχοντος εθίμου. Τροποποιήσεις σε υπάρχοντες υγροβιότοπους με σκοπό τη βελτίωση των συνθηκών επεξεργασίας πρέπει γενικά να αποφεύγονται, γιατί μπορεί να προξενήσουν προβλήματα στο φυσικό οικοσύστημα. Από τη δεκαετία του 50 έχει βρεθεί ότι οι φυσικοί υγρότοποι είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικοί στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων. Φυσικοί και τεχνητοί

16 172 ΦΥΣΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ υγρότοποι έχουν χρησιμοποιηθεί με πολλούς τρόπους τόσο για την επεξεργασία ακατέργαστων αποβλήτων όσο και την αφαίρεση θρεπτικών από δευτερογενώς επεξεργασμένα απόβλητα. Με τον όρο φυσικά συστήματα επεξεργασίας σε αντιδιαστολή με τα συμβατικά συστήματα επεξεργασίας, αναφερόμαστε σε εκείνα τα συστήματα καθαρισμού που εξαρτώνται κυρίως από τα φυσικά τους μέρη και όχι από εξωτερικές πηγές ενέργειας ή ηλεκτρομηχανολογικό εξοπλισμό, για να επιτύχουν το επιθυμητό επίπεδο επεξεργασίας. Ο απώτερος σκοπός κάθε μεθόδου επεξεργασίας των αποβλήτων είναι να μειώσει τις συγκεντρώσεις των ρυπαντικών ουσιών, σε επίπεδα κάτω από τα ανώτατα επιτρεπτά όρια που ορίζονται από την κείμενη νομοθεσία και να μετατρέψει τις ουσίες αυτές σε λιγότερο επικίνδυνες. Οι υγρότοποι αφαιρούν ρύπους από το νερό διαμέσου πολύπλοκων βιολογικών, φυσικών και χημικών διεργασιών. Επιστημονικές έρευνες, από τις αρχές τις δεκαετίας του 50, αναφέρουν τις δυνατότητες των υδρόβιων μακροφύτων και κυρίως των ειδών Scirpus lacustris και Thypha sp., να αφαιρούν ρύπους από αστικά και βιομηχανικά απόβλητα. Η βασική ιδέα σε αυτά τα συστήματα είναι να επιτευχθεί οριζόντια ροή του αποβλήτου διαμέσου της ζώνης των ριζών των ελοφύτων, με αποτέλεσμα να ικανοποιηθούν ικανοποιητικές συνθήκες ροής (ταχύτητα ροής, χρόνος παραμονής). Καθώς τα απόβλητα διέρχονται μέσα από τα υγροτοπικά συστήματα, αλλάζουν οι ποιοτικές παράμετροι του νερού και των αποβλήτων. Οι υγρότοποι λειτουργούν σαν δυναμικά ρυθμιστικά συστήματα κατά των εξωτερικών διαταραχών. Συχνά, τα φυσικά υγροτοπικά συστήματα δέχονται τη φόρτιση αποβλήτων ποικίλης προέλευσης (αστικά, βιομηχανικά, αγροτικά) και ποσότητας. Από πολύ παλιά η εμπειρική ανακάλυψη της δυνατότητας των υγροτόπων για αυτοκαθαρισμό τους έκανε να γίνονται θέσεις απόθεσης αποβλήτων. Σε κάθε περίπτωση όμως υπάρχει η ανάγκη για γνώση των δυνατοτήτων του υγρότοπου για καθαρισμό καθώς και των υγροτοπικών διεργασιών, οι οποίες επιδρούν στην ποιότητα του νερού, για βελτιστοποίηση των επιθυμητών αποτελεσμάτων. Κατά καιρούς έχουν ακολουθηθεί ποικίλες προσεγγίσεις χρησιμοποίησης των φυτών των υγροτόπων για την επεξεργασία των αποβλήτων. Οι προσεγγίσεις αυτές διέφεραν ως προς τον τύπο της μηχανικής δομής, την κατηγορία του αποβλήτου, τα είδη των φυτών κλπ. Η απλούστερη ιδέα ως προς τη χρησιμοποίηση υγροτοπικού συστήματος για την επεξεργασία αποβλήτων, είναι η διοχέτευση των αποβλήτων σε ένα φυσικό αποδέκτη π.χ. έλος. Όταν όμως οι ποσότητες των αποβλήτων είναι υπερβολικές μπορεί να προκληθεί, με την πάροδο του χρόνου, μεγάλη συσσώρευση θρεπτικών και ρύπων ώστε το σύστημα να μην μπορεί πλέον να λειτουργήσει αποτελεσματικά. Αυτό συμβαίνει γιατί κάθε υγροτοπικό σύστημα έχει πεπερασμένη δυνατότητα επεξεργασίας σε ό,τι αφορά

17 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 173 το ρυθμό απόθεσης και την ολική ποσότητα. Προτού αποφασιστεί να χρησιμοποιηθεί ένας υγρότοπος για επεξεργασία αποβλήτων πρέπει να προσδιοριστεί με μεγάλη ακρίβεια η ικανότητά του να επιτελεί αυτή τη λειτουργία. Πρέπει να τονισθεί ότι οι φυσικοί υγρότοποι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων μόνο όταν δεν υπάρχει η δυνατότητα άλλου τρόπου διάθεσης και επεξεργασίας του αποβλήτου και αφού προηγουμένως έχει προηγηθεί η δημιουργία τεχνητού υγρότοπου. Ο τεχνητός υγροβιότοπος χρησιμεύει σαν σύστημα προεπεξεργασίας. Οι τεχνητοί υγροβιότοποι, στην απλούστερη μορφή τους είναι μικρές λιμνούλες ή τάφροι, όπου φυτεύονται υδρόβια φυτά και φτάνουν μέχρι τα πολυσύνθετα ειδικής κατασκευής συστήματα των οποίων τα τεχνικά γνωρίσματα βελτιώνονται συνεχώς. Οι έρευνες εντοπίζονται κυρίως σε μελέτες για την εκλογή των ειδών των μακροφύτων, τον τύπο του υποστρώματος, το σχεδιασμό της ροής, το μέγεθος, το γεωμετρικό σχέδιο, το σχεδιασμό της ροής, τις διεργασίες καθαρισμού κλπ. Ιδιαίτερη σημασία δίνεται στην εκτίμηση της λειτουργίας και της απόδοσης κάτω από διαφορετικές κλιματικές συνθήκες και ειδικότερα κατά τη διάρκεια των ψυχρών χειμώνων. Τα υδρόβια φυτά έχουν μια ξεχωριστή ικανότητα να προσλαμβάνουν θρεπτικές ουσίες και να δημιουργούν ευνοϊκές συνθήκες για μικροβιακή αποδόμηση του οργανικού υλικού. Η ικανότητα αυτή βρίσκει εφαρμογή σε διεργασίες αποκατάστασης φυσικών διωρύγων, λιμνών και άλλων υγροτόπων και στα συστήματα επεξεργασίας αποβλήτων. Κυρίως τα αγγειόσπερμα υδρόβια φυτά, όταν καλλιεργηθούν σε τέτοιου είδους συστήματα επιτελούν αρκετές λειτουργίες π.χ. την πρόσληψη και την αποθήκευση ρύπων, τη μεταφορά οξυγόνου στην περιοχή των ριζών, την παροχή υποστρώματος για μικροβιακή δραστηριότητα. Το μεγαλύτερο μέρος των διεργασιών που είναι υπεύθυνες για τη διάσπαση των ρύπων αποδίδεται στους μικροοργανισμούς που ζουν πάνω στο ριζικό σύστημα και γύρω από αυτό. Οι μικροοργανισμοί αυτοί αναπτύσσουν συνήθως συμβιωτικές σχέσεις με τα φυτά. Αυτές οι σχέσεις προκαλούν συνεργιστική επίδραση, που έχει σαν αποτέλεσμα να αυξάνεται ο ρυθμός διάσπασης και να αφαιρούνται οι οργανικοί ρύποι από τα απόβλητα που περιβάλλουν το ριζικό σύστημα. Η διεργασία αυτή είναι γνωστή ως διεργασία ριζοστρώματος και είναι χαμηλού κόστους. Αυτό συμβαίνει γιατί χρησιμοποιούνται αποκλειστικά οι φυσικές, χημικές και βιολογικές δυνατότητες μετασχηματισμών στην ενεργό ζώνη της ριζόσφαιρας. Η μεταφορά οξυγόνου από την επάνω επιφάνεια των φύλλων στις ρίζες δημιουργεί μια αερόβια ζώνη γύρω από τις ρίζες που είναι επιθυμητή κυρίως στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων. Οι ρίζες τους έχουν επίσης τη δυνατότητα πρόσληψης συγκέντρωσης και σε μερικές περιπτώσεις, μεταφοράς τοξικών βαρέων μετάλλων και ακόμη και ραδιενεργών στοιχείων, αφαιρώντας τα έτσι από το υδατικό σύστημα. Η πρόσληψη των οργανικών ουσιών και η μεταφορά τους μέσα στους φυτικούς ιστούς έχει ως τελικό αποτέλεσμα το μεταβολισμό τους από

18 174 ΦΥΣΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ τα ένζυμα του φυτού. Οι βιολογικές αντιδράσεις που συμβαίνουν μεταξύ ρύπων, φυτών και μικροοργανισμών είναι πολυάριθμες και πολύπλοκες και δεν είναι πλήρως κατανοητές. Για το λόγο αυτό οι σχετικές έρευνες εντείνονται συνεχώς. Το αυξανόμενο ενδιαφέρον των επιστημόνων αποδίδεται τόσο στις αυξημένες απαιτήσεις της κοινής γνώμης για αυστηρότερα κριτήρια της ποιότητας του νερού όσο και στην ανάγκη να αναπτυχθούν χαμηλού κόστους αποκεντρωμένες εγκαταστάσεις που να έχουν τη δυνατότητα να εξυπηρετούν μικρούς μέχρι μεσαίου μεγέθους οικισμούς. Τα συστήματα καθαρισμού αποβλήτων που βασίζονται στα υδρόβια μακρόφυτα, συγκρινόμενα με τα συμβατικά συστήματα επεξεργασίας αποβλήτων έχουν αρκετά πλεονεκτήματα όπως: Χαμηλό κόστος λειτουργίας Χαμηλές απαιτήσεις ενέργειας Μπορούν να εγκατασταθούν στις θέσεις που παράγονται τα απόβλητα Είναι τεχνολογία φιλική προς το περιβάλλον Είναι πολύ ευπροσάρμοστα και λίγο ευπαθή σε αυξημένες φορτίσεις ρύπων Η πυκνή κατανομή των φυτικών ιστών μπορεί να αυξάνει το χρόνο παραμονής του αποβλήτου και κατά κάποιο τρόπο να τροποποιεί τη ροή μέσα στον υγρότοπο. Επιπλέον, η υδρόβια βλάστηση σκιάζει την εδαφική επιφάνεια και μειώνει την απώλεια νερού λόγω εξάτμισης. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα αυτών των συστημάτων είναι η σχετικά μεγάλη έκταση που απαιτείται και η μειωμένη απόδοση κατά τη διάρκεια του χειμώνα, στις εύκρατες περιοχές. Τα κριτήρια που χρησιμοποιούνται στην επιλογή των ειδών που θα χρησιμοποιηθούν για τα συστήματα καθαρισμού είναι: Προσαρμοστικότητα στις τοπικές κλιματικές συνθήκες Υψηλοί ρυθμοί φωτοσύνθεσης Μεγάλη ικανότητα μεταφοράς οξυγόνου από τα φύλλα στις ρίζες Αντοχή σε αυξημένες συγκεντρώσεις ρύπων Ικανότητα να αφομοιώνουν ρύπους Ευκολία διαχείρισης φυτών Τα συστήματα καθαρισμού που βασίζονται στα υδρόβια μακρόφυτα μπορούν να ταξινομηθούν σε διάφορες κατηγορίες: Συστήματα επεξεργασίας αποβλήτων με επιπλέοντα μακρόφυτα (Floating Macrophyte Treatment Systems, FΜTS) Συστήματα επεξεργασίας με βυθισμένα μακρόφυτα (Submerged Macrophyte Treatment Systems, SMTS) Συστήματα επεξεργασίας αποβλήτων με αναδυόμενα μακρόφυτα (ελόφυτα) (Emergent Macrophyte Treatment Systems, EΜTS)

19 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 175 Ολοκληρωμένα και πιο πολύπλοκα συστήματα καθαρισμού (Integrated Macrophyte Treatment Systems, IMTS) Τα πιο κοινά και μελετημένα φυτά από τα είδη με επιπλέοντα φύλα είναι ο υάκινθος του νερού (Eichornia crassipes) η Pistia stratiotes, η Salvinia sp. και μερικά είδη των Limnaceae. Από τα είδη των αναδυόμενων μακροφύτων τα πιο αποτελεσματικά αποδείχτηκαν τα είδη των καλαμώνων (Typha sp., Scirpus sp. και Phragmites australis). Τεχνητοί υγροβιότοποι Οι τεχνητοί υγροβιότοποι έχουν όλες τις δυνατότητες των φυσικών υγροβιοτόπων, αλλά χωρίς τους περιορισμούς που αφορούν τη διάθεση εκροών σε φυσικά οικοσυστήματα. Για την περαιτέρω επεξεργασία προεπεξεργασμένων υγρών αποβλήτων με συστήματα τεχνητών υγροβιοτόπων έχουν αναπτυχθεί και χρησιμοποιηθεί δύο τύποι: α) συστήματα ελεύθερης επιφάνειας και β) υποεπιφανειακής ροής. Τα συστήματα επιφανειακής ροής αποτελούνται, συνήθως, από παράλληλες λεκάνες, κανάλια ή τάφρους με αδιαπέρατους πυθμένες, με αναφυόμενη φυτική βλάστηση και μικρό βάθος νερού ( m). Σε τέτοια συστήματα εφαρμόζονται συνεχώς προεπεξεργασμένα υγρά απόβλητα και η περαιτέρω επεξεργασία τους διενεργείται, καθώς η εφαρμοζόμενη εκροή τους ρέει με μικρή ταχύτητα μέσω των στελεχών και ριζωμάτων της υφιστάμενης φυτικής βλάστησης και του υφιστάμενου υποστρώματος. Σχήμα 9.4 Εγκάρσια τομή ενός τυπικού συστήματος υποεπιφανειακής ροής (US.EPA, 1988). Συστήματα επιπλεόντων υδροχαρών φυτών Τα συστήματα επιπλεόντων υδροχαρών φυτών ομοιάζουν στη βασική σύλληψή τους με αυτά των υγροβιοτόπων ελευθέρας επιφανείας με τη διαφορά ότι τα

20 176 ΦΥΣΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ χρησιμοποιούμενα φυτά είναι επιπλέοντα είδη, όπως είναι ο υάκινθος του νερού (Eichhornia crassipes) και διάφορα είδη της οικογένειας Lemnaceae. Σχήμα 9.5 Σχηματική απεικόνιση συστήματος υδροχαρών φυτών (Stowell et al., 1981). Υδατοκαλλιέργεια Υδατοκαλλιέργεια είναι η ανάπτυξη ψαριών και άλλων υδροβίων οργανισμών σε εκροές υγρών αποβλήτων για την παραγωγή πηγών φυτικών τροφών και κυρίως βιομάζας. Η επιτυγχανόμενη με τέτοια συστήματα επεξεργασία οφείλεται εξ ολοκλήρου στα βακτήρια, που αναπτύσσονται και εγκαθίστανται στα επιπλέοντα υδροχαρή φυτά. Γενικά, ο συνδυασμός της υδατοκαλλιέργειας και της επεξεργασίας του υγρού αποβλήτου ως μιας ενιαίας λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος, απαιτεί περαιτέρω έρευνα. 9.7 Στοιχεία εφαρμογής φυσικών συστημάτων επεξεργασίας Τα βασικά στοιχεία, που θα πρέπει να θεωρούνται για επιτυχή σχεδιασμό, εγκατάσταση και λειτουργία των φυσικών συστημάτων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων, συνοψίζονται στη γνώση των χαρακτηριστικών του εφαρμοζόμενου υγρού αποβλήτου, των μηχανισμών επεξεργασίας, των θέσεων-απόψεων για τη δημόσια υγεία και των ισχυουσών κανονιστικών απαιτήσεων. Χαρακτηριστικά υγρών αποβλήτων και μηχανισμοί επεξεργασίας Γενικά, τα φυσικά συστήματα επεξεργασίας είναι ικανά για απομάκρυνση σε ικανοποιητικό βαθμό, όλων σχεδόν των κύριων και δευτερευόντων ρυπαντικών