ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΝΗΜΑΤΟΕΙ ΩΝ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΝΕΡΓΟΥ ΙΛΥΟΣ ΙΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟ- ΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΙΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟ- ΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ «ΕΠΙΣΤΗΜΗ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Υ ΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ» ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΝΗΜΑΤΟΕΙ ΩΝ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΝΕΡΓΟΥ ΙΛΥΟΣ Νικόλαος Α. Μπούκας Αθήνα, Ιούνιος 2008 Επιβλέπων: Καθηγητής Α. Ανδρεαδάκης

2 Πρόλογος Το κείµενο που ακολουθεί είναι αποτέλεσµα της µελέτης της ανάπτυξης νηµατοειδών µικροοργανισµών µέσω µαθηµατικού οµοιώµατος σε σύστηµα ενεργού ιλύος και πραγµατοποιήθηκε κατά την διάρκεια του ακαδηµαϊκού έτους Η διπλωµατική αυτή εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του ιατµηµατικού Προγράµµατος Μεταπτυχιακών Σπουδών «Επιστήµη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων» µε επιβλέποντα καθηγητή τον κ. Α. Ανδρεαδάκη, τον οποίο θέλω να ευχαριστήσω για την βοήθεια και τις υποδείξεις του καθ όλη την διάρκεια του µεταπτυχιακού προγράµµατος. Ακόµη, θέλω να αναφερθώ στην συνεχή προσπάθεια και στην πολύ σηµαντική βοήθεια για την επίτευξη όσο το δυνατόν καλύτερου αποτελέσµατος τον ρ. Κ. Νουτσόπουλο. Αθήνα, Ιούνιος 2008

3 Περιεχόµενα Κατάλογος Πινάκων v Κατάλογος Σχηµάτων vi Περίληψη vii Abstract viii Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Εισαγωγή Νηµατοειδής διόγκωση 3 Κεφάλαιο 2 Νηµατοειδείς µικροοργανισµοί 2.1 Εισαγωγή Νηµατοειδής διόγκωση- Αφρισµός Επικρατέστεροι νηµατοειδείς µικροοργανισµοί Νηµατοειδείς µ/ο χαµηλής οργανικής φόρτισης Microthrix parvicella Type Type Type Παράγοντες που επηρεάζουν την ανάπτυξη των νηµατοειδών µικροοργανισµών Χρόνος παραµονής στερεών Καθεστώς ροής Αποδέκτης ηλεκτρονίων Συγκέντρωση διαλυµένου οξυγόνου Συγκέντρωση θρεπτικών ρη ανάµικτου υγρού Θερµοκρασία ανάµικτου υγρού Χαρακτηριστικά λυµάτων Συγκέντρωση επιφανειακών τασιεργών Μέθοδοι ελέγχου φαινοµένων νηµατοειδούς διόγκωσης και αφρισµού 21

4 Κεφάλαιο 3 Μαθηµατικά οµοιώµατα ενεργού ιλύος και προσοµοίωση φαινοµένου νηµατοειδούς διόγκωσης και αφρισµού 3.1 Εισαγωγή Συνοπτική παρουσίαση µοντέλων προσοµοίωσης Μοντέλο ASM Μοντέλο ASM Μοντέλο ASM Μοντέλα προσοµοίωσης φαινοµένων νηµατοειδούς διόγκωσης 38 Κεφάλαιο 4 Περιγραφή µαθηµατικού οµοιώµατος 4.1 Εισαγωγή Μεταβλητές- Συστατικά του οµοιώµατος Αδρανής διαλυµένη οργανική ύλη (SI) Αδρανής σωµατιδιακή οργανική ύλη (XI) Βιοδιασπάσιµη οργανική ύλη (SS, SH, XS) Ετεροτροφική βιοµάζα (XFF, XFIL) Αυτοτροφική βιοµάζα (XBA) Αδρανή προϊόντα φθοράς µικροοργανισµών ιαλυµένο οξυγόνο (SO) Άζωτο (SNO, SNH, SND, XND) Αλκαλικότητα (SALK) Μαθηµατικό οµοίωµα βιολογικού αντιδραστήρα Εισαγωγή Αερόβια ανάπτυξη ετεροτροφικών Ανοξική ανάπτυξη ετεροτροφικών Αερόβια ανάπτυξη αυτοτροφικών Φθορά αυτοτροφικών και ετεροτροφικών Αµµωνιοποίηση Υδρόλυση Περιγραφή βασικών εξισώσεων µοντέλου Εύκολα βιοδιασπάσιµη οργανική ύλη SS Προϊόντα υδρόλυσης SH ύσκολα βιοδιασπάσιµη οργανική ύλη XS Συσσωµατούµενοι XFF και νηµατοειδείς XFIL µ/ο Αυτοτροφική βιοµάζα XBA Προϊόντα φθοράς XP ιαλυµένο οξυγόνο SO Νιτρικά SNO Αµµωνιακό άζωτο SNH ιαλυµένο SND και σωµατιδιακό XND οργανικό άζωτο Αδρανής οργανική ύλη SI και ΧΙ Αλκαλικότητα εξαµενή δευτεροβάθµιας καθίζησης Εισαγωγή είκτες καθιζησιµότητας ιλύος Εµπειρικές εξισώσεις ταχύτητας καθίζησης Υποµοντέλο καθίζησης 74

5 Υπολογισµός ταχύτητας ζωνικής καθίζησης Στρώµατα κατάντη της θέσης εισόδου της ΤΚ Στρώµα εισόδου στην ΤΚ Στρώµα ανάντη του στρώµατος εισόδου της ΤΚ Πυθµένας ΤΚ Παράµετροι µαθηµατικού οµοιώµατος 83 Κεφάλαιο 5 Εφαρµογή µαθηµατικού οµοιώµατος- Αποτελέσµατα εξεταζόµενων σεναρίων 5.1 Εισαγωγή Προσοµοιούµενο σύστηµα Γενικά δεδοµένα προσοµοίωσης Αποτελέσµατα εξεταζόµενων σεναρίων 98 Κεφάλαιο 6 Συµπεράσµατα 256 Βιβλιογραφία 261

6 Κατάλογος Πινάκων Πίνακας 2.Α: Επικρατέστεροι νηµατοειδείς µικροοργανισµοί σε σύστηµα ενεργού ιλύος διαφόρων χωρών 12 Πίνακας 2.Β: Επικρατέστεροι νηµατοειδείς µικροοργανισµοί σε δείγµατα αφρού διαφόρων χωρών 13 Πίνακας 3.Α: Στοιχειοµετρία και κινητικές εκφράσεις µοντέλου ASM1 29 Πίνακας 3.Β: Στοιχειοµετρία διαλυτών συστατικών µοντέλου ASM2 32 Πίνακας 3.Γ: Στοιχειοµετρία σωµατιδιακών συστατικών µοντέλου ASM2 33 Πίνακας 3. : Κινητικές εξισώσεις µοντέλου ASM2 34 Πίνακας 3.Ε: Στοιχειοµετρία µοντέλου ASM3 36 Πίνακας 3.ΣΤ: Κινητικές εξισώσεις µοντέλου ASM3 37 Πίνακας 3.Ζ: Κινητικές εξισώσεις µοντέλου AEROFIL 40 Πίνακας 3.Η: Κινητικές εξισώσεις µοντέλου AEROFIL (συνέχεια Πίνακα 3.Ζ) 41 Πίνακας 3.Θ: Στοιχειοµετρία µοντέλου AEROFIL 42 Πίνακας 3.Ι: Στοιχειοµετρία µοντέλου AEROFIL (συνέχεια Πίνακα 3.Θ) 43 Πίνακας 4.Α: Τυπικές τιµές χαρακτηριστικών των λυµάτων σε αστικά απόβλητα 49 Πίνακας 4.Β: V o, κ τιµές συναρτήσει διαφορετικών SVI, DSVI και SSVI 74 Πίνακας 4.Γ: Τυπικές τιµές παραµέτρων για ουδέτερο ρη 85 Πίνακας 4. : Συµβολισµοί παραµέτρων 86 Πίνακας 4.Ε: Συµβολισµοί των µεταβλητών του οµοιώµατος 88 Πίνακας 4.ΣΤ: Συµβολισµοί κινητικών 89 Πίνακας 4.Ζ: Στοιχειοµετρία µοντέλου 90 Πίνακας 5.Α: Εξεταζόµενα εναλλακτικά σενάρια 92 Πίνακας 5.Β: Τιµές παραµέτρων φόρτισης 96 Πίνακας 5.Γ: Αρχικές τιµές συστατικών στις δεξαµενές 97

7 Κατάλογος Σχηµάτων Σχήµα 2.1: (α)απουσία νηµατοειδών. Κατάσταση pin floc, (β) Καλή ισορροπία µεταξύ νηµατοειδών και συσσωµατούµενων µικροοργανισµών (µεγέθυνση=100) 7 Σχήµα 2.2: (α) ιόγκωση λόγω inter- floc bridging και (β) ιόγκωση λόγω open- floc structure (µεγέθυνση=100) 8 Σχήµα 2.3: ιογκωµένη λάσπη σε (α) Α και (β) Κ 9 Σχήµα 2.4: Αφρισµός της λάσπης 10 Σχήµα 2.5: ιόγκωση ιλύος λόγω Microthrix parvicella (µεγέθυνση (α) 100 και (β) 1000) 15 Σχήµα 2.6: Μορφολογία του Microthrix parvicella σε διαφορετικές εποχές (α) Απρίλιος και (β) Αύγουστος (µεγέθυνση= 100) 15 Σχήµα 2.7: ιόγκωση ιλύος λόγω Type 0092 (µεγέθυνση (α) 100 και (β) 1000) 16 Σχήµα 2.8: ιόγκωση ιλύος λόγω Type 0041 (µεγέθυνση (α) 100 και (β) 1000) 16 Σχήµα 2.9: ιόγκωση ιλύος λόγω Type 0675 (µεγέθυνση (α) 100 και (β) 1000) 17 Σχήµα 2.10: Συσχέτιση ανάπτυξης νηµατοειδών µικροοργανισµών και Θc 18 Σχήµα 2.11: Ταχύτητα ανάπτυξης συσσωµατούµενων και νηµατοειδών µ/ο ως συνάρτηση της συγκέντρωσης της διαθέσιµης διαλυτής οργανικής ύλης 23 Σχήµα 3.1: Ροή COD στο ASM1 και στο ASM3 36 Σχήµα 4.1: Μεταβολή του ρυθµού συναρτήσει της S s 53 Σχήµα 4.2: Μεταβολή του ρυθµού υδρόλυσης συναρτήσει του λόγου X S / X BH 58 Σχήµα 4.3: ιακριτοποίηση δεξαµενής τελικής καθίζησης 75 Σχήµα 5.1: ιάγραµµα συστήµατος προσοµοίωσης 93

8 Περίληψη Στην παρούσα διπλωµατική εργασία αναπτύχθηκε µαθηµατικό οµοίωµα της προσοµοίωσης, σε συστήµατα ενεργού ιλύος, της διαφορικής ανάπτυξης των νηµατοειδών έναντι των συσσωµατούµενων µικροοργανισµών. Το µαθηµατικό αυτό οµοίωµα βασίστηκε στο υποµοντέλο Activated Sludge Model No.1 της IWA.Για την προσοµοίωση της δευτεροβάθµιας καθίζησης χρησιµοποιήθηκε ένα υποµοντέλο που βασίζεται στην θεωρία της ζωνικής καθίζησης. ιαµορφώθηκαν και επιλύθηκαν διάφορα εναλλακτικά σενάρια ως προς την επίδραση των στοιχειοµετρικών και κινητικών παραµέτρων στην διαφορική ανάπτυξη των νηµατοειδών έναντι των συσσωµατούµενων µικροοργανισµών και εν συνεχεία ελέχθησαν µια σειρά από υποθέσεις καθοριστικών για την διαφορική ανάπτυξη των νηµατοειδών µικροοργανισµών όπως το καθεστώς ροής (εµβολοειδής ή πλήρης µίξης), η ύπαρξη δεξαµενής επιλογής, τα χαρακτηριστικά και η θερµοκρασία των λυµάτων. Από την αξιολόγηση των εξεταζόµενων σεναρίων, συνοπτικά διαπιστώθηκαν τα ακόλουθα: Η πιο σηµαντική παράµετρος είναι η τιµή του συντελεστή ηµικορεσµού KSHFL σε συνδυασµό µε τον ειδικό ρυθµό ανάπτυξης MHFL για προϊόντα SH. Με αλλαγή του καθεστώτος ροής µόνο στην ανοξική δεξαµενή (εµβολοειδής ροή αντί πλήρης µίξης) δεν µπορεί να επιτευχθεί έλεγχος της ανάπτυξης των νηµατοειδών µικροοργανισµών. Η διαµερισµατοποίηση µόνο της αερόβιας δεξαµενής οδηγεί σε µείωση της ανάπτυξη των νηµατοειδών µικροοργανισµών. Καταλληλότερη θεωρείται η διαµερισµατοποίησή της σε 5 δεξαµενές. Η τοποθέτηση δεξαµενής επιλογής ανάντη της ανοξικής δεξαµενής δεν µπορεί να ελέγξει ή έστω να µειώσει την ανάπτυξη των νηµατοειδών µικροοργανισµών.

9 Abstract The present study concerns the development of a mathematical model for simulating the differential growth of filamentous microorganisms in activated sludge treatment plants. This mathematical model is based on the Activated Sludge Model No.1 of IWA. The simulation of the secondary settling tank was used a model based on the general flux theory for zone settling. A number of various cases has been developed and examined to analyze the effect of stoichiometric coefficients and kinetic parameters in the differential growth of filamentous in competition with floc-formers microorganisms. Moreover, a series of simulations were examined for plug- flow systems, systems without anoxic selector and systems that operate in different temperatures. The analysis of the different scenario led us to important conclusions, such as: The most critical parameter is the value of half- saturation coefficient KSHFL combined with the value of maximum specific growth rate MHFL for hydrolysis products SH. Using plug- flow only for the anoxic tank will not control the growth of filamentous microorganisms. Compartmentalize of the aerobic tank will led to a significant reduction of filamentous microorganisms. The optimal is 5 aerobic tanks. Using a selector before the anoxic tank will not reduce the growth of filamentous microorganisms.

10 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή 1.1 Εισαγωγή Το σύστηµα ενεργού ιλύος αποτελεί το πιο διαδεδοµένο και αποτελεσµατικό σύστηµα βιολογικής επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Εφαρµόσθηκε αρχικά, στις αρχές του 1900, από τους Andern και Lockett. Μέχρι τη δεκαετία του 1950 τα περισσότερα συστήµατα σχεδιάζονταν µε προσέγγιση εµβολοειδούς ροής, δηλαδή µε τη λειτουργία δεξαµενών µε πολύ µεγάλο λόγο µήκους προς πλάτους. Από τη δεκαετία του 1950 και µετά επικράτησε η υιοθέτηση καθεστώτος πλήρους µίξης στους βιοαντιδραστήρες, µε συνέπεια ο υδραυλικός χρόνος παραµονής να είναι πολύ µικρότερος από το µέσο χρόνο παραµονής των σωµατιδίων. Η επικράτηση των αντιδραστήρων πλήρους µίξης οφείλεται στην καλύτερη ανταπόκριση τους σε απότοµες αυξήσεις της οργανικής φόρτισης, καθώς και στην διάσπαση των τοξικών ρύπων σε πολύ µικρές συγκεντρώσεις. Ο Wuhrmann το 1957 πρότεινε την προσθήκη µιας ανοξικής δεξαµενής µετά την αερόβια και πριν την δεξαµενή καθίζησης για την αποµάκρυνση του αζώτου. Η λύση αυτή απορρίφθηκε, λόγω των χαµηλών ρυθµών απονιτροποίησης στην ανοξική ζώνη και της απαίτησης για προσθήκη οργανικού άνθρακα στο ανοξικό τµήµα. Οι Ettinger και Ludzack έλυσαν το πρόβληµα τοποθετώντας την ανοξική ζώνη πριν από την αερόβια και µε την επανακυκλοφορία των νιτρικών από την αερόβια στην ανοξική ζώνη. To 1973, οι Chudoba et al. εισήγαγαν τους επιλογείς (selectors) που έγιναν τα πιο διαδεδοµένα συστήµατα για την αντιµετώπιση του προβλήµατος διόγκωσης της ιλύος. Αν και η χρήση τους θεωρείται επιτυχηµένη διότι µείωσε τα προβλήµατα διόγκωσης σε πολλά συστήµατα ενεργού ιλύος, υπάρχουν αναφορές για προβλήµατα αστοχίας τους.

11 Στην συνέχεια, ο Barnard το 1974 έθεσε τις βάσεις για την λειτουργία των συστηµάτων βιολογικής αποµάκρυνσης φωσφόρου, η οποία επιτυγχάνεται µε την ακολουθία αναερόβιων- αερόβιων συνθηκών η οποία υποβοηθά την ανάπτυξη αερόβιων βακτηριδίων που έχουν την ιδιότητα να αποθηκεύουν φώσφορο ενδοκυτταρικά σε ποσοστά που ξεπερνούν τις απαιτούµενες ποσότητες για ανάπτυξη. Στη δεκαετία του 1980 ένα µεγάλο µέρος των ερευνών εστιάστηκαν στην διεύρυνση των περιβαλλοντικών εκείνων συνθηκών και των κλασµάτων του οργανικού άνθρακα που ευνοούν την ανάπτυξη των βακτηριδίων τα οποία είναι υπεύθυνα για τις διεργασίες που σχετίζονται µε την αποµάκρυνση της οργανικής ύλης, του αζώτου και του φωσφόρου (νιτροποιητές, ετεροτροφικοί απονιτροποιητές και πολυφωσφορικά βακτηρίδια). Οι συνθήκες οι οποίες ευνοούν την ανάπτυξη αυτών των µικροοργανισµών, ταυτοχρόνως, είναι δυνατόν να ευνοήσουν την ανάπτυξη άλλων µικροοργανισµών, οι οποίοι κάτω από ορισµένες προϋποθέσεις, µπορεί να δράσουν ανασταλτικά και να οδηγήσουν στην αστοχία του συστήµατος. Ειδικότερα, η υπερβολική ανάπτυξη µιας οµάδος βακτηριδίων που ονοµάζονται νηµατοειδή (filamentous bacteria) είναι πιθανόν να δηµιουργήσει µεγάλα λειτουργικά προβλήµατα σε συστήµατα ενεργού ιλύος. Το σηµαντικότερο από αυτά τα προβλήµατα είναι αυτό της διόγκωσης της ιλύος, που καθιζάνει µε αργούς ρυθµούς και παρουσιάζει µικρή συµπύκνωση. Πολύ συχνά, όµως, παράλληλα µε το φαινόµενο της διόγκωσης της ιλύος παρουσιάζεται και το εξίσου σηµαντικό πρόβληµα του σχηµατισµού ενός µεγάλου στρώµατος βιολογικά δηµιουργούµενου αφρού στην επιφάνεια των δεξαµενών αερισµού. Τα δύο αυτά προβλήµατα αποτελούν και τα σηµαντικότερα προβλήµατα που παρουσιάζει ένα πολύ µεγάλο ποσοστό των εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυµάτων παγκοσµίως (40-50%). Για τη µελέτη και την παρακολούθηση της λειτουργίας των συστηµάτων ενεργού ιλύος έχουν αναπτυχθεί τις τελευταίες δεκαετίες µαθηµατικά οµοιώµατα. Ειδικότερα για την µελέτη του φαινοµένου της νηµατοειδούς

12 διόγκωσης, επιγραµµατικά αναφέρουµε, τα ASM1, ASM2, ASM3 και AEROFIL. Στόχος της παρούσας µεταπτυχιακής εργασίας είναι η διερεύνηση του φαινοµένου της νηµατοειδούς διόγκωσης σε σύστηµα ενεργού ιλύος µε βιολογική αποµάκρυνση οργανικού άνθρακα και αζώτου, µέσω µαθηµατικής προσοµοίωσης. Στα πλαίσια της θεωρητικής- βιβλιογραφικής ανασκόπησης θεωρήθηκε σκόπιµο να γίνει συνοπτική παρουσίαση των κυριότερων χαρακτηριστικών σχετικά µε τους νηµατοειδείς µικροοργανισµούς (Κεφάλαιο 2) καθώς και µια περιγραφή των κυριοτέρων µοντέλων ενεργού ιλύος (Κεφάλαιο 3). Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται µια αναλυτική περιγραφή του µαθηµατικού οµοιώµατος προσοµοίωσης συστηµάτων ενεργού ιλύος. Το οµοίωµα, αναλύεται τόσο ως προς τις θεωρητικές και εννοιολογικές του παραµέτρους όσο και ως προς τις εξισώσεις που έχουν χρησιµοποιηθεί. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα που προκύπτουν από την εφαρµογή του µαθηµατικού οµοιώµατος. Τέλος, στο Κεφάλαιο 6 γίνεται µια συνοπτική παρουσίαση των κυριοτέρων συµπερασµάτων της παρούσας µεταπτυχιακής εργασίας, καθώς και ορισµένες προτάσεις για περαιτέρω ερευνητικές προσπάθειες. 1.2 Νηµατοειδής διόγκωση Εδώ και αρκετές δεκαετίες διεξάγεται εκτεταµένη έρευνα σχετικά µε τα προβλήµατα και τις αιτίες των φαινοµένων νηµατοειδούς διόγκωσης και αφρισµού. Τα κυριότερα συµπεράσµατα της έως σήµερα ερευνητικής προσπάθειας συνοψίζονται στα ακόλουθα:

13 Τουλάχιστον 30 (τριάντα) διαφορετικοί νηµατοειδείς µικροοργανισµοί σχετίζονται µε το φαινόµενο της νηµατοειδούς διόγκωσης Οι νηµατοειδείς µικροοργανισµοί υπάρχουν πρακτικά σε κάθε σύστηµα ενεργού ιλύος. Τα προβλήµατα νηµατοειδούς διόγκωσης σχετίζονται µε την υπερβολική ανάπτυξη των νηµατοειδών µικροοργανισµών. Η ανάπτυξη των νηµατοειδών µικροοργανισµών εξαρτάται από την σύσταση των λυµάτων Η ανάπτυξη των νηµατοειδών µικροοργανισµών συναρτάται µε την οργανική φόρτιση και την ηλικία της ιλύος. Η ανάπτυξη των νηµατοειδών µικροοργανισµών εξαρτάται από το καθεστώς ροής (πλήρους ή εµβολοειδούς ροής) Έλεγχος της ανάπτυξης µιας µεγάλης κατηγορίας νηµατοειδών µικροοργανισµών µπορεί να επιτευχθεί µε χρήση δεξαµενών επιλογής (selectors) Η πραγµατική συγκέντρωση του διαλυτού υποστρώµατος στο σηµείο εισόδου του αερισµού επιδρά σηµαντικά στην ανάπτυξη των νηµατοειδών µικροοργανισµών Η ανάπτυξη των νηµατοειδών µικροοργανισµών εξαρτάται από τις επιβαλλόµενες συνθήκες (αερόβιες, ανοξικές ή αναερόβιες) Ορισµένοι νηµατοειδείς µικροοργανισµοί, σύµφωνα µε πειραµατικά αποτελέσµατα, αναπτύσσονται µε πολύ αργό ρυθµό (Chudoba, 1985). Η πρώτη, πιθανότατα, µελέτη που ερευνά την επίδραση του ρυθµού ανάπτυξης στα χαρακτηριστικά καθίζησης αναφέρεται από τον Clesceri (1963). O Clesceri ανέφερε ότι µια συνεχής έξοδος υγρού µε την προσθήκη, κατά ασυνεχή τρόπο, υποστρώµατος έχει σηµαντική επίδραση στα χαρακτηριστικά καθίζησης και στην µείωση των νηµατοειδών µικροοργανισµών. Στην συνέχεια ο Chudoba (Chudoba et al, 1973) αναφέρει ότι η λειτουργία αντιδραστήρων πλήρους µίξης σε σειρά µειώνουν την παρουσία των νηµατοειδών µικροοργανισµών. Σε επέκταση της συγκεκριµένης µελέτης, αποδείχθηκε (Chudoba et al,1982) ότι µια περίοδο πείνας συγκεκριµένης χρονικής διάρκειας ήταν σηµαντική για τον έλεγχο των νηµατοειδών µικροοργανισµών. Το 1979 οι Tomlinson και Chambers,

14 απέδειξαν ότι τα συστήµατα µε µεγαλύτερο βαθµό εµβολοειδούς ροής (µικρότερος βαθµός διασποράς) παρήγαγαν µικροοργανισµούς µε καλύτερα χαρακτηριστικά καθίζησης από τα συστήµατα που λειτουργούσαν σε καθεστώς πλήρους µίξης. Επίσης έδειξαν, ότι η εισαγωγή ανοξικών συνθηκών επιδρά στην βελτίωση της καθίζησης (Chiesa et al, 1985).

15 Κεφάλαιο 2: Νηµατοειδείς Μικροοργανισµοί 2.1 Γενικά Οι νηµατοειδείς µικροοργανισµοί, σύµφωνα και µε την ετυµολογία της λέξης, είναι µικροοργανισµοί οι οποίοι αναπτύσσονται µε την µορφή νήµατος. Πρόκειται για αλληλουχία µεµονωµένων κυττάρων τα οποία ακολουθούν ένα γραµµικό σχηµατισµό. Η ανάπτυξη τους σε σχήµα νήµατος και η ενσωµάτωση τους στις βιοκροκίδες των οποίων και αποτελούν το σκελετό προσφέρει στους νηµατοειδείς µικροοργανισµούς σηµαντικό ανταγωνιστικό πλεονέκτηµα σε σχέση µε τους υπόλοιπους µικροοργανισµούς. Από τη µία προεξέχοντας από τις βιοκροκίδες βρίσκονται σε άµεση επαφή µε τη διαθέσιµη οργανική ύλη και από την άλλη επειδή είναι ενσωµατωµένοι στις βιοκροκίδες δεν κινδυνεύουν να αποµακρυνθούν από το σύστηµα ενεργού ιλύος, όπως συµβαίνει µε τους µικροοργανισµούς που αναπτύσσονται ως µεµονωµένα κύτταρα. Σε συνθήκες έλλειψης τροφής, διαθέτουν ισχυρό µορφολογικό πλεονέκτηµα σε σχέση µε τα υπόλοιπα βακτηρίδια. 2.2 Νηµατοειδής ιόγκωση- Αφρισµός Ένα ποσοστό νηµατοειδών µικροοργανισµών είναι απαραίτητο στο σύστηµα ενεργού ιλύος. Η απουσία νηµατοειδών µικροοργανισµών οδηγεί στην δηµιουργία µη συνεκτικών βιοκροκίδων. Οι βιοκροκίδες αυτές διασπώνται εύκολα στη δεξαµενή αερισµού σε µικροκροκίδες (pin floc). Τα προβλήµατα παρουσιάζονται όταν οι νηµατοειδείς αναπτύσσονται σε µεγάλες ποσότητες (περίπου 10 7 µm νηµατοειδών ανά ml ενεργού ιλύος).

16 Σχήµα 2.1: (α)απουσία νηµατοειδών. Κατάσταση pin floc και (β) Καλή ισορροπία µεταξύ νηµατοειδών και συσσωµατούµενων µικροοργανισµών (µεγέθυνση=100) (Πηγή: Richard,1989) Τα κυριότερα προβλήµατα που δηµιουργούνται από την υπερβολική ανάπτυξη των νηµατοειδών µικροοργανισµών στην βιοκοινότητα της ενεργού ιλύος είναι η νηµατοειδής διόγκωση (filamentous bulking) και ο αφρισµός (foaming). Ανάλογα τον τύπο των νηµατοειδών, οι νηµατοειδείς επιδρούν µε δύο τρόπους στην καθίζηση και στην συµπύκνωση: Ανάπτυξη των νηµατοειδών εντός των βιοκροκίδων µε αποτέλεσµα να αποκτούν οι κροκίδες αραιή δοµή. Η µορφή αυτή επιτρέπει τη δέσµευση µεγάλων ποσοτήτων νερού εντός των βιοκροκίδων µε αποτέλεσµα να δυσχεραίνεται η καθίζηση τους (open- floc structure). Ανάπτυξη νηµατοειδών που εκτείνονται στο υγρό εκτός των συµπαγών κροκίδων. Στην περίπτωση ανάπτυξης µεγάλου αριθµού νηµατοειδών εµποδίζεται η συσσωµάτωση των κροκίδων και η καθίζηση τους (interfloc- bridging).

17 Σχήµα 2.2: (α) ιόγκωση λόγω inter- floc bridging και (β) ιόγκωση λόγω open- floc structure (µεγέθυνση=100) (Πηγή: Richard, 1989) Τα αποτελέσµατα της διόγκωσης είναι συνήθως καταστρεπτικά για τα συστήµατα επεξεργασίας. Σε προχωρηµένες καταστάσεις διόγκωσης παρατηρείται υπερχείλιση στερεών µε τη µορφή ενιαίας ζώνης από την έξοδο του συστήµατος. Η υπερχείλιση αυτή είναι ξαφνική και µη προβλέψιµη µε αποτέλεσµα να µην είναι δυνατόν να ληφθούν εγκαίρως µέτρα αντιµετώπισης. Σε µη προχωρηµένες καταστάσεις η ζώνη αυτή παγιδεύεται κάτω από την επιφάνεια υπερχείλισης χωρίς να καθιζάνει, µε αποτέλεσµα να δηµιουργεί προβλήµατα στην δεξαµενή καθίζησης, στην επανακυκλοφορία ιλύος (και άρα στη βιολογική επεξεργασία) και στην επεξεργασία ιλύος. (α)

18 (β) Σχήµα 2.3: ιογκωµένη λάσπη σε (α) Α και (β) Κ (Πηγή: Στάµου, 1995) Το φαινόµενο του αφρισµού οφείλεται σε συγκεκριµένα είδη νηµατοειδών που για το λόγο αυτό ονοµάζονται αφροποιητές (foam-formers). Οι αφροποιητές παράγουν πολλά εξωκυτταρικά υλικά που έχουν την ιδιότητα να µειώνουν την επιφανειακή τάση και σε συνδυασµό µε το ότι τα κύτταρα τους είναι υδροφοβικά, δηµιουργούν επιπλέοντες αφρούς. Τα προβλήµατα που δηµιουργεί ο αφρισµός είναι σηµαντικά. Μπορεί να δηµιουργήσει αισθητικά προβλήµατα στις δεξαµενές αερισµού (οσµές αποσύνθεσης), ή να εισχωρήσει στη δεξαµενή καθίζησης και αφού δεν καθιζάνει να αυξήσει τη συγκέντρωση των στερεών της εξόδου. Το σηµαντικότερο όµως είναι ότι αν το φαινόµενο της δεν καταπολεµηθεί, µέχρι το 30% της βιοµάζας του συστήµατος µπορεί να παγιδευτεί στους αφρούς αφαιρώντας από τον χειριστή του συστήµατος τη δυνατότητα ελέγχου του χρόνου παραµονής, που είναι και η σηµαντικότερη λειτουργική παράµετρος του συστήµατος.

19 Σχήµα 2.4: Αφρισµός της λάσπης (Πηγή: Στάµου, 1995) 2.3 Επικρατέστεροι νηµατοειδείς µικροοργανισµοί Πολλές έρευνες καταγραφής των νηµατοειδών µικροοργανισµών έχουν πραγµατοποιηθεί σε εθνικό επίπεδο µε συνέπεια της δηµιουργίας µιας ευρείας βάσης δεδοµένων ως προς την χωρική κατανοµή των νηµατοειδών µικροοργανισµών. Στον Πίνακα 2.Α παρουσιάζονται οι δέκα επικρατέστεροι νηµατοειδείς µικροοργανισµοί σε φθίνουσα σειρά όπως καταγράφηκαν από ερευνητές σε δείγµατα ενεργού ιλύος τύπου ΕΕΛ σε επτά διαφορετικές χώρες. Ο συνολικός αριθµός των νηµατοειδών µικροοργανισµών που έχουν εντοπισθεί σε δείγµατα ενεργού ιλύος ανά τον κόσµο είναι περίπου 35. Από τον Πίνακα 2.Α, διαπιστώνεται ότι οι νηµατοειδείς µικροοργανισµοί που φαίνεται να επικρατούν σε όλες τις έρευνες δεν είναι περισσότεροι από 10 έως 15. Άρα, µόνο το ένα τρίτο αυτών δηµιουργούν πρόβληµα διόγκωσης.

20 Σε αντίθεση µε τους νηµατοειδείς µικροοργανισµούς που επικρατούν στην βιοκοινότητα συστηµάτων που παρουσιάζουν νηµατοειδή διόγκωση, οι νηµατοειδείς µικροοργανισµοί που επικρατούν σε συστήµατα ενεργού ιλύος που παρουσιάζουν προβλήµατα νηµατοειδούς αφρισµού είναι πολύ λιγότεροι σε αριθµό. Στον Πίνακα 2.Β παρουσιάζονται οι επικρατέστεροι νηµατοειδείς µικροοργανισµοί σε φθίνουσα σειρά εµφάνισης όπως καταγράφηκαν από ερευνητές διαφόρων χωρών σε δείγµατα αφρού. Σύµφωνα µε τον Πίνακα 2.Β, οι συνηθέστεροι νηµατοειδείς µικροοργανισµοί οι οποίοι επικρατούν στον αφρό των ΕΕΛ είναι κυρίως οι: M. parvicella, Nocardioforms, Type 0092, Type 0041, Type 0675 και N. limicola. Στην Ελλάδα, στο µεγαλύτερο ποσοστό οι ΕΕΛ λειτουργούν υπό χαµηλές οργανικές φορτίσεις (<0,15 KgCOD/KgSS d) µε συνέπεια το 75% των νηµατοειδών µικροοργανισµών να ανήκουν στην κατηγορία των νηµατοειδών µικροοργανισµών χαµηλής οργανικής φόρτισης. Οι νηµατοειδείς αυτοί είναι οι Microthrix parvicella, Type 0092, Type 0041 και Type 0675 (Νουτσόπουλος, 2002).

21 Πίνακας 2.Α: Επικρατέστεροι νηµατοειδείς µικροοργανισµοί σε δείγµατα ενεργού ιλύος διαφόρων χωρών (Πηγή: Νουτσόπουλος, 2002)

22 Πίνακας 2.Β: Επικρατέστεροι νηµατοειδείς µικροοργανισµοί σε δείγµατα αφρού διαφόρων χωρών ( Πηγή: Νουτσόπουλος, 2002)

23 2.4 Νηµατοειδείς µικροοργανισµοί χαµηλής οργανικής φόρτισης Θα παρουσιασθούν οι σηµαντικότεροι νηµατοειδείς µικροοργανισµοί χαµηλής οργανικής φόρτισης (low F:M filamentous microorganisms) Microthrix parvicella, Type 0092, Type 0041 και Type Η κατηγορία των µικροοργανισµών αυτών, όπως φαίνεται και από τα αποτελέσµατα των ερευνών καταγραφής των νηµατοειδών µικροοργανισµών που έχουν πραγµατοποιηθεί σε πολλές χώρες (Πίνακες 2.Α- 2.Β), είναι και η συχνότερα κυρίαρχη. H κυριαρχία των µικροοργανισµών αυτών είναι εντονότερη σε συστήµατα παρατεταµένου αερισµού µε αποµάκρυνση θρεπτικών, που αποτελούν και την πλειοψηφία των εγκαταστάσεων επεξεργασίας αστικών λυµάτων Microthrix parvicella Είναι ο επικρατέστερος νηµατοειδής µικροοργανισµός σε συστήµατα ενεργού ιλύος µε αποµάκρυνση θρεπτικών, µε ποσοστά πολλαπλάσια των υπολοίπων νηµατοειδών µικροοργανισµών. Η επικράτηση του νηµατοειδούς αυτού συνδέεται άµεσα µε την καταγραφή υψηλού δείκτη νηµάτων καθώς και την εµφάνιση προβληµάτων διόγκωσης της ιλύος και αφρισµού. Η αντίδραση του στην χρωστική Gram είναι θετική, ενώ στη χρωστική Neisser αρνητική. Η διάµετρος των κυττάρων είναι µικρότερη από 1 µm, µε µακριά και λεπτά νήµατα έντονα περιπλεγµένα µήκος µm. Είναι ένας αργά αναπτυσσόµενος µικροοργανισµός µε µέγιστη ειδική ταχύτητα ανάπτυξης 0,68 d -1 και συντελεστή φθοράς ίσο µε 0,016 d -1. Οι κινητικές του παράµετροι είναι σηµαντικά χαµηλότερες από τις αντίστοιχες των συσσωµατούµενων µικροοργανισµών, γεγονός που επαληθεύει την κυρίαρχη ανάπτυξη του σε συστήµατα παρατεταµένου αερισµού. Ο συντελεστής απόδοσης του Υ Η, είναι αρκετά υψηλός (0,61 mgcod/mgcod), γεγονός που αποδεικνύει την ικανότητα του µικροοργανισµού για σύνθεση νέου κυτταρικού υλικού µε ικανοποιητικούς για την επιβίωση του ρυθµούς. Σηµαντικό ρόλο για την επιβίωση του, αποτελούν επίσης οι εξαιρετικά χαµηλές ενεργειακές απαιτήσεις συντήρησης, που είναι πολύ χαµηλότερες από ότι των συσσωµατούµενων µικροοργανισµών. Επίσης, η ανάπτυξη του ευνοείται από

24 την παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων αργά βιοδιασπάσιµων οργανικών ενώσεων (SBCOD) στα προς επεξεργασία λύµατα (Νουτσόπουλος, 2002). Σχήµα 2.5: ιόγκωση ιλύος λόγω Microthrix parvicella (µεγέθυνση (α) 100 και (β) 1000) (Πηγή: Richard, 1989) Σχήµα 2.6: Μορφολογία του Microthrix parvicella σε διαφορετικές εποχές (α) Απρίλιος και (β) Αύγουστος (µεγέθυνση= 100) (Πηγή: Xie,2007) Type 0092 Ο Type 0092 µπορεί δύσκολα µπορεί να αναγνωρισθεί εξαιτίας του ότι βρίσκεται στο εσωτερικό των κροκίδων. Η αντίδραση του στην χρωστική Gram είναι αρνητική, ενώ στη χρωστική Neisser θετική. Η διάµετρος των κυττάρων είναι µικρότερη από 1 µm, χωρίς διακλαδώσεις, µε νήµατα ίσια ή ελαφρώς κυρτωµένα µήκους µm.

25 Σχήµα 2.7: ιόγκωση ιλύος λόγω Type 0092 (µεγέθυνση (α) 100 και (β) 1000) (Πηγή: Richard, 1989) Type 0041 Παρατηρείται πολύ συχνά σε συστήµατα ενεργού ιλύος. Η διάµετρος των κυττάρων κυµαίνεται µεταξύ 1,2-1,6 µm, µε νήµατα ίσια ή ελαφρώς κυρτωµένα µήκους από µm. Συνήθως βρίσκονται ελεύθερα µέσα στην υγρή φάση αλλά µπορεί και να παρατηρηθούν µέσα στις κροκίδες. Συχνά παρουσιάζουν προσκολληµένη ανάπτυξη η οποία σε πολλές περιπτώσεις είναι ιδιαιτέρως έντονη. Πολλές φορές µπορεί δηµιουργηθεί πρόβληµα λόγω της οµοιότητας του µε τον Type 021N. Σχήµα 2.8: ιόγκωση ιλύος λόγω Type 0041 (µεγέθυνση (α) 100 και (β) 1000) (Πηγή: Richard, 1989)

26 2.4.4 Type 0675 Παρουσιάζει πολλές οµοιότητες µε τον Type Η διάµετρος των κυττάρων κυµαίνεται µεταξύ 0,8-1,0 µm τα οποία περιβάλλονται από ένα περίβληµα. Το συνολικό µήκος των νηµάτων από µm και συχνά παρουσιάζει προσκολληµένη ανάπτυξη. Πολλές φορές µπορεί δηµιουργηθεί πρόβληµα λόγω της οµοιότητας του µε τον Type 0914 και Thriothrix spp. Σχήµα 2.9: ιόγκωση ιλύος λόγω Type 0675 (µεγέθυνση (α) 100 και (β) 1000) (Πηγή: Richard, 1989) 2.5 Παράγοντες που επηρεάζουν την ανάπτυξη των νηµατοειδών µικροοργανισµών Επιγραµµατικά, οι παράγοντες ανάπτυξης των νηµατοειδών µικροοργανισµών είναι: Ο χρόνος παραµονής των στερεών Το καθεστώς ροής Ο αποδέκτης ηλεκτρονίων Η συγκέντρωση του διαλυµένου οξυγόνου Η συγκέντρωση των θρεπτικών Το pη του ανάµικτου υγρού Η θερµοκρασία του ανάµικτου υγρού Τα χαρακτηριστικά των λυµάτων Η συγκέντρωση των επιφανειακών τασιεργών.

27 2.5.1 Χρόνος παραµονής των στερεών Ο χρόνος παραµονής στερεών είναι αντιστρόφως ανάλογος της οργανικής φόρτισης (λόγος F:M). Οι µικροοργανισµοί µικρής οργανικής φόρτισης, είναι οι µικροοργανισµοί που αναπτύσσονται σε συστήµατα µε µεγάλους χρόνους παραµονής στερεών (συστήµατα παρατεταµένου αερισµού). Ο Richard (1989) συσχέτισε την επικράτηση των νηµατοειδών βακτηριδίων µε την οργανική φόρτιση και το Θc. Τα αποτελέσµατα παρουσιάζονται στο Σχήµα Σχήµα 2.10: Συσχέτιση ανάπτυξης νηµατοειδών µικροοργανισµών και Θc Καθεστώς ροής Η διαφορά ανάµεσα σε συστήµατα πλήρους µίξης και εµβολειδούς ροής εξηγείται µε την παρουσία ή την απουσία των νηµατοειδών µικροοργανισµών από τα συστήµατα. Στους νηµατοειδείς µικροοργανισµούς αποδίδονται µικρότεροι συντελεστές ηµι-κορεσµού για τον οργανικό άνθρακα σε σχέση µε τους συσσωµατούµενους µικροοργανισµούς. Οι νηµατοειδείς µικροοργανισµοί έχουν µεγαλύτερους µέγιστους ρυθµούς ανάπτυξης και πρόσληψης τροφής

28 από τους συσσωµατούµενους σε συνθήκες όπου επικρατούν χαµηλές συγκεντρώσεις οργανικής ύλης. Αυτό αποτελεί και την εξήγηση για την ανάπτυξη τους σε συστήµατα πλήρους µίξης όπου οι συγκεντρώσεις όλων των θρεπτικών είναι χαµηλές. Το αντίθετο συµβαίνει όταν οι µικροοργανισµοί βρίσκονται σε συνθήκες έντονης κλίσης τροφής όπως αυτές που επικρατούν σε συστήµατα εµβολοειδούς ροής Αποδέκτης ηλεκτρονίων Πολλοί νηµατοειδείς µικροοργανισµοί που αναπτύσσονταν σε πλήρως αερόβια συστήµατα (Type 021N, Thiothrix spp.) πρακτικά δεν εµφανίζονται σε συστήµατα βιολογικής αποµάκρυνσης αζώτου και/ή φωσφόρου. Αντιθέτως, η χρήση ανοξικών και/ή αναερόβιων αντιδραστήρων παρουσιάζεται να ευνοεί την ανάπτυξη µικροοργανισµών χαµηλής οργανικής φόρτισης (Microthrix parvicella, Type 0092, Type 0041 και Type 0675) Συγκέντρωση διαλυµένου οξυγόνου Η ανάπτυξη των νηµατοειδών µικροοργανισµών εξαρτάται σε κάποιο βαθµό (αναλόγως µε τον µικροοργανισµό) από τη συγκέντρωση του διαλυµένου οξυγόνου. Οι νηµατοειδείς µικροοργανισµοί Type 0041 και Type 0675 κατατάσσονται στους νηµατοειδείς που αναπτύσσονται σε αερόβιες ζώνες. Αυτό σηµαίνει ότι έχουν την ικανότητα να χρησιµοποιούν την οργανική ύλη για την παραγωγή της απαιτούµενης ενέργειας µόνο παρουσία διαλυµένου οξυγόνου. Αντιθέτως οι Microthrix parvicella και Type 0092 αναπτύσσονται σε ζώνες που επικρατούν αερόβιες, ανοξικές και αναερόβιες συνθήκες Συγκέντρωση των θρεπτικών Η συγκέντρωση των θρεπτικών µπορεί να επηρεάσει µε δύο τρόπους τα χαρακτηριστικά καθίζησης της παραγόµενης ιλύος προκαλώντας νηµατοειδής ή ιξώδης διόγκωση. Τα θρεπτικά χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: τα µακροθρεπτικά (C, N, P, S, K, Mg, Ca, Na και Fe) τα οποία αποτελούν δοµικά στοιχεία των µακροµορίων (πρωτεϊνών, πολυσακχαριδίων, λιπιδίων, DNA,

29 RNA) και άλλων απαραίτητων τµηµάτων των κυττάρων (κυτταρική µεµβράνη) οπότε η παρουσία τους είναι αναγκαία σε µεγάλες ποσότητες και στα µικροθρεπτικά (Co, Pb, Mo, Cu, Mn και Ni) τα οποία λαµβάνουν µέρος στις διεργασίες παραγωγής ενέργειας ενεργοποιώντας τα κατάλληλα ένζυµα, τη µεταφορά ηλεκτρονίων σε οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις και αποτελούν ρυθµιστές της οσµωτικής πίεσης των κυττάρων pη ανάµικτου υγρού Το εύρος τιµών pη όπου οι µικροοργανισµοί δεν αντιµετωπίζουν προβλήµατα αναχαίτισης της µεταβολικής τους δράσης κυµαίνεται από 6,5-8, Θερµοκρασία ανάµικτου υγρού Κάθε µικροοργανισµός έχει την ικανότητα αυξανόµενης της θερµοκρασίας (σε κάποιο εύρος τιµών) να αναπτύσσεται µε αυξανόµενες ταχύτητες, µέχρι κάποιου ορίου πέραν του οποίου λαµβάνει µέρος αδρανοποίηση των διεργασιών. Επί παραδείγµατι, ο Microthrix parvicella επικρατεί στα συστήµατα χαµηλής φόρτισης κατά την χειµερινή περίοδο (τέλος φθινοπώρου- µέσα άνοιξης) ενώ κατά την καλοκαιρινή περίοδο (µέσα άνοιξης- τέλος φθινοπώρου) η συχνότητα εµφάνισης του ελαττώνεται Χαρακτηριστικά των λυµάτων Σηµαντικός παράγοντας είναι τα χαρακτηριστικά των λυµάτων, κυρίως ως προς την ποσοστιαία κατανοµή των επιµέρους κλασµάτων της οργανικής ύλης. Η οργανική ύλη των λυµάτων, εκφρασµένη σε COD, µπορεί να χωρισθεί σε τέσσερα κλάσµατα: το εύκολα βιοδιασπάσιµο, το αργά βιοδιασπάσιµο, το διαλυτό µη βιοδιασπάσιµο (αδρανές) και το σωµατιδιακό µη βιοδιασπάσιµο (αδρανές). Το διαλυτό και το σωµατιδιακό αδρανές αποµακρύνονται από το σύστηµα χωρίς να λαµβάνουν µέρος σε καµία βιολογική διεργασία. Το διαλυτό µη βιοδιασπάσιµο αποµακρύνεται µε την τελική εκροή, ενώ το σωµατιδιακό παγιδεύεται στις κροκίδες και αποµακρύνεται µε την περίσσεια ιλύος. Το βιοδιασπάσιµο κλάσµα χωρίζεται σε διαλυτό και σωµατιδιακό.

30 Οι συσσωµατούµενοι µικροοργανισµοί πλεονεκτούν των νηµατοειδών ως προς την ικανότητα τους να αποθηκεύουν εσωκυτταρικά οργανικές ενώσεις. Σύµφωνα µε την παραπάνω παρατήρηση, θα µπορούσε να ελεγχθεί η ανάπτυξη των νηµατοειδών µικροοργανισµών σε συνθήκες εµβολοειδούς ροής. Αυτό όµως δεν απέδωσε τα ανάλογα αποτελέσµατα, γιατί είτε λόγω της πιθανής ικανότητας των νηµατοειδών να αποθηκεύουν εσωκυτταρικά οργανικές ενώσεις µε ρυθµούς συγκρίσιµους µε τους συσσωµατούµενους, είτε λόγω της ικανότητας να αναπτύσσονται καταναλώνοντας δύσκολα βιοδιασπάσιµες οργανικές ενώσεις Συγκέντρωση των επιφανειακών τασιεργών Η δηµιουργία αφρού λόγω ανάπτυξης του Microthrix parvicella αποδίδεται κυρίως στην υδροφοβική φύση των κυττάρων του (Gram θετικό), η οποία οφείλεται κυρίως στην παρουσία µεγάλου µοριακού βάρους υδρογονανθράκων στην επιφάνεια του. 2.6 Μέθοδοι ελέγχου φαινοµένων νηµατοειδούς διόγκωσης και αφρισµού Οι διάφοροι µέθοδοι ελέγχου της ανάπτυξης των νηµατοειδών µικροοργανισµών µπορούν να οµαδοποιηθούν σε δύο κατηγορίες: Μέθοδοι που στοχεύουν στη βελτίωση της καθιζησιµότητας της ιλύος µε την προσθήκη χηµικών (ανόργανων κροκιδωτικών, πολυηλεκτρολυτών ή χλωρίου) που όµως δεν αντιµετωπίζουν το πραγµατικό αίτιο της εµφάνισης του προβλήµατος. Μέθοδοι που στοχεύουν στη δηµιουργία ευνοϊκών συνθηκών για την ανάπτυξη συσσωµατούµενων βακτηριδίων και τον περιορισµό των νηµατοειδών µικροοργανισµών.

31 Το 1973 ο Chudoba εισήγαγε ένα κριτήριο επιλογής µικροοργανισµών για να ερµηνεύσει την ανάπτυξη ή µη των νηµατοειδών µικροοργανισµών. Το κριτήριο αυτό βασίζεται στον ανταγωνισµό των νηµατοειδών µικροοργανισµών µε τους υπεύθυνους για τη συσσωµάτωση µικροοργανισµούς για τη διαθέσιµη διαλυτή οργανική ύλη. µ S max µ =, µ max = xmax obs Ks + s r Y όπου: µ: ταχύτητα ανάπτυξης µ/ο µmax: µέγιστη ταχύτητα ανάπτυξης µ/ο rxmax: µέγιστη ταχύτητα κατανάλωσης οργανικής ύλης Κs: συντελεστής ηµι-κορεσµού για την οργανική ύλη Yobs: παρατηρούµενος βαθµός ανάπτυξης µ/ο S: συγκέντρωση διαλυτής οργανικής ύλης Σε συνθήκες ισορροπηµένης ανάπτυξης (όπου η πρόσληψη της οργανικής ύλης από τους µικροοργανισµούς πραγµατοποιείται ταυτόχρονα µε την δηµιουργία νέας βιοµάζας) ο ανταγωνισµός των βακτηριδίων µέσα στη βιοκοινότητα της ενεργού ιλύος βασίζεται κυρίως στο ρυθµό πρόσληψης (και εποµένως κατανάλωσης) της διαλυτής οργανικής ύλης. Θεωρώντας ότι οι νηµατοειδείς είναι αργά αναπτυσσόµενοι µικροοργανισµοί (slow- growers) µε χαµηλές τιµές των µmax και Κs και οι υπεύθυνοι για τη συσσωµάτωση είναι γρήγορα αναπτυσσόµενοι (fast- growers) µε υψηλές τιµές των µmax και Κs, ο Chudoba (1985) εξηγεί την επιλογή του ενός εκ των δύο κατηγοριών µικροοργανισµών µέσω της παραπάνω εξίσωσης. Όπως φαίνεται και στο Σχήµα 2.11 σε χαµηλές συγκεντρώσεις της διαλυτής οργανικής ύλης οι νηµατοειδείς µικροοργανισµοί αποµακρύνουν την τροφή µε υψηλότερους ρυθµούς από τους συσσωµατούµενους µικροοργανισµούς. Αυτός είναι ο λόγος της δηµιουργίας φαινοµένων διόγκωσης της ιλύος σε συστήµατα στα οποία επικρατούν χαµηλές συγκεντρώσεις της διαθέσιµης οργανικής ύλης, όπως τα συστήµατα πλήρους µίξης. Αντίθετα σε υψηλές συγκεντρώσεις της διαθέσιµης οργανικής ύλης οι υπεύθυνοι για τη συσσωµάτωση µικροοργανισµοί αποκτούν ανταγωνιστικό πλεονέκτηµα έναντι των

32 νηµατοειδών µικροοργανισµών αφού παρουσιάζουν υψηλότερους ρυθµούς κατανάλωσης της οργανικής ύλης και εποµένως υψηλότερους ρυθµούς νέας βιοµάζας. Σχήµα 2.11: Ταχύτητα ανάπτυξης συσσωµατούµενων και νηµατοειδών µ/ο ως συνάρτηση της συγκέντρωσης της διαθέσιµης διαλυτής οργανικής ύλης Ο Chudoba πρότεινε τη διατήρηση υψηλών συγκεντρώσεων διαλυτής οργανικής ύλης σε µια µικρή δεξαµενή ανάντη των βιοαντιδραστήρων όπου τα εισερχόµενα λύµατα έρχονται σε επαφή µε την επανακυκλοφόρησα βιοµάζα. Ο Chudoba χαρακτήρισε αυτή τη δεξαµενή ως δεξαµενή επιλογής (selector tank), επειδή µέσα σε αυτή πραγµατοποιείται η επιλογή των συσσωµατούµενων βακτηριδίων σε βάρος των νηµατοειδών. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατός ο περιορισµός της ανάπτυξης των νηµατοειδών βακτηριδίων ασχέτως µε τη σύσταση των λυµάτων. Η θεωρία αυτή ονοµάστηκε κινητική επιλογή, επειδή επιλέγει τους συσσωµατούµενους σε βάρους των νηµατοειδών µικροοργανισµών βάσει των κινητικών τους ιδιοτήτων. Υψηλές οργανικές φορτίσεις επιτυγχάνονται σε συστήµατα εµβολοειδούς ροής, διακοπτόµενης τροφοδότησης ή σε συστήµατα µε δεξαµενές επιλογής. Σε τέτοια συστήµατα οι µικροοργανισµοί υπόκεινται καταρχήν σε υψηλή οργανική φόρτιση και στη συνέχεια σε συνθήκες έλλειψης ή περιορισµού αυτής. Με άλλα λόγια οι µικροοργανισµοί έρχονται σε επαφή µε τα λύµατα κάτω από συνθήκες ταχείας µεταβολής της οργανικής φόρτισης (µη

33 ισορροπηµένη ανάπτυξη). Σε τέτοιες συνθήκες, οι ταχύτητες κατανάλωσης του διαλυµένου οξυγόνου είναι µικρότερες από αυτές που θα έπρεπε στοιχειοµετρικά να αντιστοιχούν στις παρατηρούµενες ταχύτητες πρόσληψης των οργανικών ενώσεων. Έτσι οι φάσεις της πρόσληψης της διαθέσιµης τροφής και της ανάπτυξης των µικροοργανισµών είναι µερικώς ή ολικώς διαχωρισµένες. Οι διεργασίες που πραγµατοποιούνται σε τέτοιες συνθήκες από τη στιγµή της επαφής των λυµάτων µε τη βιοµάζα έως τη στιγµή της σύνθεσης νέου κυτταρικού υλικού είναι: συσσώρευση των διαλυτών οργανικών ενώσεων στα κύτταρα των µικροοργανισµών, και σύνθεση οργανικών πολυµερών τα οποία θα χρησιµοποιηθούν στις συνθήκες έλλειψης τροφής που ακολουθούν. Εποµένως σε τέτοιες συνθήκες οι µικροοργανισµοί οι οποίοι έχουν την ικανότητα να συσσωρεύουν γρηγορότερα την οργανική ύλη (σε υψηλές συγκεντρώσεις οργανικής ύλης) και να δηµιουργούν εσωκυτταρικά προϊόντα αποθήκευσης µέσα στον επιλογέα θα είναι αυτοί που θα επικρατήσουν (επιλεγούν) µε δεδοµένο ότι στις συνθήκες έλλειψης τροφής που ακολουθούν θα καταναλώσουν σε µεγάλο βαθµό τα αποθηκευµένα προϊόντα έτσι ώστε να διαθέτουν αρκετές θέσεις για αποθήκευση µέσα στα κύτταρά τους. Εάν οι µικροοργανισµοί αυτοί επανακυκλοφορούνται στη δεξαµενή επιλογής χωρίς να έχουν καταναλώσει τις αποθηκευµένες οργανικές ενώσεις, θα υπάρξει κάποια στιγµή κορεσµός στην αποθηκευτικής τους ικανότητα, µε αποτέλεσµα να µειώνονται σηµαντικά οι ρυθµοί αποµάκρυνσης της οργανικής ύλης και εποµένως η επιλογή να κατευθύνεται προς τους υπόλοιπους µικροοργανισµούς. Αυτή η θεωρία της συσσώρευσηςαποθήκευσης- αποκατάστασης των θέσεων αποθήκευσης που προτάθηκε από τους Grau, Chudoba, Dohanyos το 1982 εφαρµόσθηκε και για την ερµηνεία του συναγωνισµού των συσσωµατούµενων µε τους νηµατοειδείς µικροοργανισµούς. Η βασική αρχή αυτή της θεωρίας η οποία συµπληρώνει την κινητική επιλογή είναι ότι κάτω από συνθήκες µεταβαλλόµενης οργανικής φόρτισης οι νηµατοειδείς µικροοργανισµοί συσσωρεύουν την οργανική ύλη και δηµιουργούν προϊόντα αποθήκευσης (εάν διαθέτουν τα απαραίτητα ένζυµα) µε ρυθµούς σηµαντικά χαµηλότερους από αυτούς των συσσωµατούµενων µικροοργανισµών (στις αρχικές συνθήκες υψηλής οργανικής φόρτισης). Έτσι µε δεδοµένο στις συνθήκες χαµηλής φόρτισης που ακολουθούν οι συσσωµατούµενοι µικροοργανισµοί θα καταναλώσουν τις αποθηκευµένες

34 οργανικές ενώσεις και εποµένως θα αποκαταστήσουν την συσσωρευτική και αποθηκευτική τους ικανότητα, η επιλογή τους σε τέτοια συστήµατα είναι δεδοµένη (Νουτσόπουλος, 2007). Σε συστήµατα παρετεταµένου αερισµού µε αποµάκρυνση θρεπτικών περιορίζεται σηµαντικά η ανάπτυξη µικροοργανισµών που παραδοσιακά παρατηρούνται ή έχουν παρατηρηθεί σε συµβατικά συστήµατα ενεργού ιλύος, όπως οι S. natans, Thiothrix spp. Και Type 021N. Το φαινόµενο αυτό συνδέεται µε την αδυναµία των µικροοργανισµών αυτών για πρόσληψη και κατανάλωση του εύκολα βιοδιασπάσιµου κλάσµατος του οργανικού άνθρακα των λυµάτων παρουσία αποδέκτη ηλεκτρονίων διαφορετικού από το διαλυµένο οξυγόνο (ανοξικές ή αερόβιες συνθήκες). Εποµένως, η µεταβολική επιλογή που επιβάλλεται µε την παρουσία ανοξικών ή αναερόβιων ζωνών ή δεξαµενών, είναι επαρκής για τον έλεγχο της ανάπτυξης τέτοιων νηµατοειδών µικροοργανισµών. Ο Νουτσόπουλος στην διδακτορική του διατριβή (2002), κατέληξε ότι η λειτουργία ενός συστήµατος ενεργού ιλύος µε βιολογική αποµάκρυνση οργανικού άνθρακα, αζώτου και φωσφόρου, µε αναερόβια δεξαµενή επιλογής δεν αποτελεί επαρκή προϋπόθεση για τον έλεγχο των νηµατοειδών µικροοργανισµών Microthrix parvicella, Type 0092, Type 0041 και Type Η κυριότερη αιτία είναι η αδυναµία των επιλογέων για αποµάκρυνση των διαλυτών λιπαρών οξέων µεγάλου µοριακού βάρους (LCFA), σε ποσοστά µεγαλύτερα από 40-50%, καθώς συντελεί στην µεταφορά των οργανικών αυτών ενώσεων στις ακόλουθες ανοξικές και αερόβιες συνθήκες. Εκεί επικρατούν συνθήκες πλήρους µίξης µε συνέπεια να επικρατούν συνθήκες χαµηλών οργανικών φορτίσεων και εποµένως να ευνοείται η βιοπροσροφητικότητα του νηµατοειδούς µικροοργανισµού M. parvicella. Ο σχεδιασµός ενός συστήµατος προαπονιτροποίησης το οποίο περιλαµβάνει ανοξική δεξαµενή επιλογής επίσης δεν αποτελεί επαρκή συνθήκη για τον έλεγχο των νηµατοειδών µικροοργανισµών χαµηλής οργανικής φόρτισης. Όπως και στα συστήµατα µε αναερόβιο επιλογέα, σηµαντικές συγκεντρώσεις LCFA διαφεύγουν από την ανοξική δεξαµενή επιλογής και εισέρχονται στις

35 ακόλουθες ανοξικές και αερόβιες συνθήκες. Αποτέλεσµα αυτού, να ευνοείται η ανάπτυξη του M. parvicella σε σχέση µε τους συσσωµατούµενους µικροοργανισµούς. Η εµβολοειδής ροή σε συστήµατα παρετεταµένου αερισµού µε βιολογική αποµάκρυνση αζώτου οδηγεί σε επαρκή έλεγχο της ανάπτυξης του νηµατοειδούς µικροοργανισµού M. parvicella. Η αποτελεσµατικότητα ενός τέτοιου συστήµατος βασίζεται στην µεγαλύτερη βιοπροσροφητική ικανότητα των συσσωµατούµενων µικροοργανισµών στις συνθήκες υψηλής οργανικής φόρτισης καθώς και στην αποφυγή προβληµάτων διάχυσης των προϊόντων υδρόλυσης που παράγονται στην αερόβια κυρίως ζώνης του βιοαντιδρατήρα. Επιπροσθέτως, χρόνος παραµονής συστηµάτων µε ανοξικές και αναερόβιες και αερόβιες συνθήκες 5-6 d, αποτελεί ιδανική συνθήκη λειτουργίας για τον καλύτερο έλεγχο και αποφυγή φαινοµένων νηµατοειδούς διόγκωσης και αφρισµού.

36 Κεφάλαιο 3: Μαθηµατικά οµοιώµατα συστηµάτων ενεργού ιλύος και προσοµοίωσης φαινοµένων bulking 3.1 Εισαγωγή Το 1982 ο International Association on Water Pollution Research and Control (IAWPRC) έθεσε ως στόχο την ανάπτυξη απλών οµοιωµάτων που µπορούσαν να περιγράψουν µε όσο το δυνατόν περισσότερη αξιοπιστία τα συστήµατα βιολογικής επεξεργασίας λυµάτων. Με την πάροδο των χρόνων τα συστήµατα εξελίχθηκαν σε όλο και πιο περίπλοκα. Από το ASM1 που περιέχει διεργασίες αποµάκρυνσης αζώτου, στο ASM2, που περιέχει και διεργασίες βιολογικής αποµάκρυνσης φωσφόρου. Το ASM3, στην συνέχεια σχεδιάσθηκε για να αποτελέσει τον πυρήνα πολλών διαφορετικών µοντέλων. 3.2 Συνοπτική παρουσίαση µοντέλων προσοµοίωσης Μοντέλο ASM1 Οι βασικές διεργασίες που περιγράφονται στο µοντέλο είναι η ανάπτυξη της βιοµάζας, η αποσύνθεση της βιοµάζας, η αµµωνιοποίηση του οργανικού αζώτου και η υδρόλυση των σωµατιδιακών οργανικών που παγιδεύονται στην βιοκροκίδα. Για απλότητα της προσοµοίωσης, θεωρείται ότι η εύκολα βιοδιασπάσιµη ύλη θεωρείται ως η µοναδική τροφή για την ανάπτυξη της ετεροτροφικής βιοµάζας. Η αργά βιοδιασπάσιµη ύλη θεωρείται ότι αποµακρύνεται ακαριαία από την αιώρηση µε την παγίδευση της στην βιοκροκίδα. Ευρισκόµενη εκεί, µετατρέπεται σε εύκολα βιοδιασπάσιµη τροφή (υδρόλυση). Στον Πίνακα 3.Α παρουσιάζεται η στοιχειοµετρία του µοντέλου και οι κινητικές εκφράσεις των διεργασιών του µοντέλου.

37 Οι βασικές υποθέσεις και περιορισµοί του ASM1 παρουσιάζονται επιγραµµατικά: Το σύστηµα λειτουργεί σε σταθερή θερµοκρασία Το pη είναι σταθερό και σε ουδέτερες τιµές Οι συντελεστές έχουν σταθερές τιµές ανεξαρτήτως της φύσης του οργανικού κλάσµατος Οι συντελεστές διόρθωσης ng, nh, έχουν σταθερές τιµές για δεδοµένα λύµατα Η ετεροτροφική βιοµάζα είναι οµογενής και δεν υφίσταται αλλαγές µε την πάροδο του χρόνου Το είδος του αποδέκτη ηλεκτρονίων δεν επηρεάζει την απώλεια βιοµάζας από φθορά.

38 Πίνακας 3.Α: Στοιχειοµετρία και κινητικές εκφράσεις µοντέλου ASM1

39 3.2.2 Μοντέλο ASM2 To ASM2 αποτελεί µια προέκταση του ASM1. Είναι πιο πολύπλοκο και απαιτεί περισσότερα χαρακτηριστικά των λυµάτων και του συστήµατος της ενεργού ιλύος. Έχουν προστεθεί βιολογικές διεργασίες, για να περιγράψουν κυρίως την βιολογική αποµάκρυνση του φωσφόρου. Η πιο σηµαντική αλλαγή, σε σχέση µε το ASM1, είναι η εισαγωγή της εσωτερικής κυτταρικής δοµής στην βιοµάζα. Αυτό αποτελεί αναγκαία προϋπόθεση ώστε να συµπεριληφθεί και η βιολογική αποµάκρυνση του φωσφόρου στο µοντέλο. Στους Πίνακες 3.Β, 3.Γ παρουσιάζεται η στοιχειοµετρία του µοντέλου ενώ στον Πίνακα 3. οι κινητικές εκφράσεις των διεργασιών του µοντέλου. ιεργασίες 1-3: Υδρόλυση Ο βαθµός υδρόλυσης των αργά βιοδιασπάσιµων ενώσεων X S, σε εύκολα βιοδιασπάσιµες ενώσεις S F, εξαρτάται από τον διαθέσιµο αποδέκτη ηλεκτρονίων. Στο ASM2 υπάρχει διαχωρισµός ανάµεσα στις αερόβιες (S O2 >0), στις ανοξικές (S O2 =0, S NO3 >0) και στις αναερόβιες (S O2 =0, S NO3 =0) συνθήκες. ιεργασίες 4-9: Ετεροτροφικοί µικροοργανισµοί Οι ετεροτροφικοί οργανισµοί θεωρείται ότι αναπτύσσονται υπό αερόβιες και ανοξικές συνθήκες. Μπορούν να χρησιµοποιήσουν είτε το S F είτε το S A (προϊόντα ζύµωσης) σαν δότες ηλεκτρονίων. Στις κινητικές εκφράσεις των τεσσάρων διεργασιών ανάπτυξης (4-7) το εύκολο βιοδιασπάσιµο κλάσµα S s αντιστοιχεί στο άθροισµα S s = S F + S A. Κάτω από αναερόβιες συνθήκες, οι ετεροτροφικοί οργανισµοί µπορούν να µετατρέψουν το S F σε S A (ζύµωση).

40 ιεργασίες 10-15: PAOs Θεωρείται ότι οι οργανισµοί οι οποίοι συσσωρεύουν φώσφορο (PAOs) µπορούν, κάτω από αερόβιες συνθήκες, να αποθηκεύσουν διαλυτό φώσφορο S PO4 µε την µορφή πολυφωσφορικών X pp ( ιεργασία 11). Εάν τα προϊόντα S A είναι διαθέσιµα, θεωρείται ότι τα PAOs τα αποθηκεύουν µε την µορφή X PHA, κάτω από οποιεσδήποτε περιβαλλοντικές συνθήκες. Η απαιτούµενη ενέργεια για την διεργασία 10 προέρχεται από την υδρόλυση των πολυφωσφορικών X pp που οδηγεί στην αποδέσµευση διαλυτού φωσφόρου S PO4. Το µόνο οργανικό υπόστρωµα για την αερόβια ανάπτυξη των PAOs είναι τα X PHA ( ιεργασία 12). Το ASM2 δεν θεωρεί ότι τα PAOs µπορούν να αναπτύσσονται και να αποθηκεύουν πολυφωσφορικά κάτω από ανοξικές συνθήκες. Αυτό αποτελεί και ένα αρκετά σηµαντικό περιορισµό του µοντέλου. ιεργασίες 16-17: Νιτροποίηση Ίδιο το µοντέλο µε το ASM1, εκτός της προσθήκης της απαίτησης φωσφόρου στην ανάπτυξη των αυτοτροφικών οργανισµών.

41 Πίνακας 3.Β: Στοιχειοµετρία διαλυτών συστατικών µοντέλου ASM2 (Πηγή: Gujer et al., 1995)

42 Πίνακας 3.Γ: Στοιχειοµετρία σωµατιδιακών συστατικών µοντέλου ASM2 (Πηγή: Gujer et al., 1995)

43 Πίνακας 3. : Κινητικές εξισώσεις µοντέλου ASM2 (Πηγή: Gujer et al., 1995)

44 3.2.3 Μοντέλο ASM3 Οι βασικές διεργασίες που παρουσιάζονται στο ASM3 είναι: Υδρόλυση. Θεωρείται ότι γίνεται ανεξάρτητα του δότη ηλεκτρονίων, ιαφέρει σηµαντικά από το ASM1 (Σχήµα 3.1). Αποθήκευση εύκολα βιοδιασπάσιµου κλάσµατος (αερόβια ή ανοξική). Η διεργασία αυτή περιγράφει την αποθήκευση του εύκολα βιοδιασπάσιµου S S σε εσωκυτταρικά προϊόντα X STO, και εν συνεχεία τα προϊόντα αυτά αφοµοιώνονται στην βιοµάζα. Ανάπτυξη ετεροτροφικών (αερόβια ή ανοξική). Θεωρείται ότι για την ανάπτυξη των ετεροτροφικών χρησιµοποιoύνται τα προϊόντα X STO. Η παραδοχή αυτή συµβάλει στην απλοποίηση του ASM3. Ενδογενής αναπνοή (αερόβια ή ανοξική). Η διεργασία αυτή περιγράφει την µείωση της βιοµάζας και τις ενεργειακές απαιτήσεις οι οποίες δεν συνδέονται µε την ανάπτυξη. Σε ανοξικές συνθήκες η ενδογενής αναπνοή είναι απλά πιο αργή. Αναπνοή προϊόντων αποθήκευσης (αερόβια ή ανοξική). Η διεργασία αυτή είναι ανάλογη της ενδογενούς αναπνοής. Στον Πίνακα 3.Ε παρουσιάζεται η στοιχειοµετρία του µοντέλου ενώ στον Πίνακα 3.ΣΤ οι κινητικές εκφράσεις των διεργασιών του µοντέλου. Οι σηµαντικότεροι περιορισµοί του µοντέλου, επιγραµµατικά, είναι: Λειτουργεί σε θερµοκρασίες από 8-23 ºC εν περιγράφει διεργασίες σε αναερόβιες συνθήκες (όπως ASM1) εν λειτουργεί για SRT<1 day. Σύγκριση ASM1 και ASM3 Στο ASM1 µια απλή διεργασία φθοράς περιέγραφε όλες τις διεργασίες κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες (αερόβιες, ανοξικές), ενώ στο ASM3, εισήχθη

45 και η ενδογενής αναπνοή. Στο ASM1 οι διεργασίες φοράς στους ετεροτροφικούς και στους αυτοτροφικούς αλληλοσυνδέονται (Σχήµα 3.1). Στην πραγµατικότητα όµως, οι δύο διεργασίες διαφέρουν σηµαντικά. Αυτό οδηγεί σε διαφορετικά και ασαφή συµπεράσµατα. Στο ASM3 οι διεργασίες είναι σαφώς διαχωρισµένες, όπως και παρουσιάζεται στο Σχήµα 3.1 : Σχήµα 3.1: Ροή COD στο ASM1 και στο ASM3 (Πηγή: Henze et al.,2000) Πίνακας 3.Ε: Στοιχειοµετρία µοντέλου ASM3 (Πηγή: Henze et al.,2000)

46 Πίνακας 3.ΣΤ: Κινητικές εξισώσεις µοντέλου ASM3 (Πηγή: Henze et al.,2000)

47 3.2.4 Μοντέλα προσοµοίωσης φαινοµένων νηµατοειδούς διόγκωσης Περιορισµένες είναι οι προσπάθειες για την µαθηµατική προσοµοίωση του φαινοµένου της νηµατοειδούς διόγκωσης. Σηµαντικότερη εξ αυτών, το µοντέλο των Kappeler και Gujer (1994), οι οποίοι πρότειναν ένα ολοκληρωµένο µοντέλο περιγραφής του φαινοµένου της διόγκωσης το οποίο ονοµάστηκε AEROFIL. Η δοµή του µοντέλου αυτού είναι παρόµοια µε το ASM1 (Henze et al,1987) και ASM2 (Henze et al,1995). Σύµφωνα µε το ASM1 το βιοδιασπάσιµο COD αποτελείται από το διαλυτό εύκολα βιοδιασπάσιµο κλάσµα (S S ), και το σωµατιδιακό αργά βιοδιασπάσιµο κλάσµα (X S ). Το X S πρέπει να υδρολυθεί από τους συσσωµατούµενους µικροοργανισµούς πριν χρησιµοποιηθεί. Τα προϊόντα υδρόλυσης (S H ) είναι αντίστοιχα µε το εύκολα βιοδιασπάσιµο κλάσµα, και γι αυτό το λόγο ορίζονται δύο συστατικά του εύκολα βιοδιασπάσιµου κλάσµατος: S s και S H. Τα δύο αυτά συστατικά χρησιµοποιούνται, από τους συσσωµατούµενους και τους νηµατοειδείς µικροοργανισµούς, µε διαφορετικές κινητικές. Το S s είναι εύκολα διαθέσιµο για τους νηµατοειδείς που φτάνουν έξω από τις βιοκροκίδες ενώ δεν είναι εύκολα διαθέσιµο για τους συσσωµατούµενους µικροοργανισµούς πρέπει πρώτα να διαχυθεί στις κροκίδες και µετά να µεταβολισθεί. Η αντίθετη κατάσταση επικρατεί για τα S H, αφού η υδρόλυση των X S γίνεται µέσα στις κροκίδες µε αποτέλεσµα οι συσσωµατούµενοι να έχουν το πλεονέκτηµα έναντι των νηµατοειδών µικροοργανισµών. Οι βασικές διαφορές του µοντέλου AEROFIL και των µοντέλων ASM1 και ASM2 είναι στις διεργασίες της αποσύνθεσης, της υδρόλυσης και της νιτροποίησης/ απονιτροποίησης. Η αποσύνθεση της βιοµάζας εξαρτάται από την συγκέντρωση DO. Η διεργασία περιγράφεται σαν ενδογενή αναπνοή υπό αερόβιες συνθήκες και σαν λύση απουσία οξυγόνου. Οι κινητικές της υδρόλυσης έχουν απλοποιηθεί αφού οι περίπλοκες µαθηµατικές εξισώσεις δεν βελτιώνουν την ερµηνεία των πειραµατικών

48 δεδοµένων. Χρησιµοποιούνται κινητικές πρώτης τάξης, και θεωρείται ότι έχουµε αερόβιες και ανοξικές συνθήκες, αλλά όχι αναερόβιες. Η ανάπτυξη των συσσωµατούµενων µικροοργανισµών γίνεται κάτω από αερόβιες και ανοξικές συνθήκες για τα δύο κλάσµατα του εύκολα βιοδιασπάσιµου, S s και S H. Οι νηµατοειδείς µικροοργανισµοί µπορούν να αναπτυχθούν µόνο υπό ανοξικές συνθήκες και χρησιµοποιούνται οι ίδιες εξισώσεις, όπως και µε τους συσσωµατούµενους. Στους Πίνακες 3.Ζ, 3.Η παρουσιάζεται οι κινητικές εξισώσεις του µοντέλου AEROFIL ενώ στους πίνακες 3.Θ, 3.Ι αναφέρεται η στοιχειοµετρία του µοντέλου.