Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗΣ & ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθύμιος Νταρακάς Επ. Καθηγητής Θεσσαλονίκη 2010

2 Περιεχόμενα Σελίδα 1 Εισαγωγή Τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των υγρών αποβλήτων Γενικά Ο άνθρακας Το Βιοχημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο (BOD) Το Χημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο (COD) Ο Ολικός Οργανικός Άνθρακας (TOC) Το άζωτο Ο φώσφορος Οι στερεές ουσίες Οι μικροοργανισμοί Πρωτοβάθμια επεξεργασία υγρών αποβλήτων Γενικά Εσχάρωση Εξάμμωση Λιποσυλλογή Καθίζηση (πρωτοβάθμια) Δευτεροβάθμια επεξεργασία υγρών αποβλήτων Γενικά Αερόβια συστήματα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Αναερόβια συστήματα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Αερόβια Αναερόβια συστήματα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Βιολογική επεξεργασία αιωρούμενης βιομάζας Η μέθοδος της ενεργού ιλύος Τα συστήματα SBR 56 6 Βιολογική επεξεργασία προσκολλημένης βιομάζας 59 Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 1

3 6.1 Γενικά Τα Χαλικοδιυλιστήρια Τα Δισκοδιυλιστήρια Απομάκρυνση θρεπτικών αλάτων Απομάκρυνση του αζώτου Απομάκρυνση του φωσφόρου Τριτοβάθμια επεξεργασία υγρών αποβλήτων Γενικά Διήθηση Μεμβράνες Αντίστροφη Ώσμωση Χημικές διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Προσρόφηση Ιοντοεναλλαγή Απολύμανση υγρών αποβλήτων Γενικά Χλωρίωση Οζόνωση Απολύμανση με UV Διαχείριση της ιλύος Γενικά Ποιοτικά χαρακτηριστικά της ιλύος Πάχυνση ιλύος Σταθεροποίηση ιλύος Αφυδάτωση ιλύος Θερμική επεξεργασία ιλύος Διάθεση Αγροτική εκμετάλλευση ιλύος 117 Βιβλιογραφία 119 Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 2

4 1. Εισαγωγή Τα υγρά απόβλητα δεν είναι τίποτα άλλο παρά νερό το οποίο έχει χρησιμοποιηθεί από τον άνθρωπο σε μια πληθώρα εφαρμογών. Οι κύριες πηγές προέλευσής τους είναι οι κατοικίες, τα ιδρύματα και οι διάφορες εμπορικές και βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Η έντονη συγκέντρωση πληθυσμών στα αστικά κέντρα και η ραγδαία βιομηχανική ανάπτυξη οδήγησε σε υπερκατανάλωση νερού από τον άνθρωπο και σε ταχεία μετατροπή του πολύτιμου αυτού αγαθού, ίσως του πολυτιμότερου στον πλανήτη, σε «βρώμικο νερό» δηλαδή σε απόβλητο. Τα υγρά απόβλητα περιέχουν ρυπαντικές και μολυσματικές ουσίες και η απ ευθείας διάθεσή τους σε έναν φυσικό, συνήθως υδάτινο αποδέκτη, εγκυμονεί κινδύνους τόσο για τον αποδέκτη όσο και για τα υπόλοιπα έμβια όντα, κυρίως όμως για τον άνθρωπο. Για την προστασία του περιβάλλοντος και της δημόσιας υγείας είναι απαραίτητες οι θεμελιώδεις γνώσεις των χαρακτηριστικών των υγρών αποβλήτων, της επίδρασής τους στο περιβάλλον, των μεθόδων επεξεργασίας που μπορούν να εφαρμοστούν για την απομάκρυνση και την εξουδετέρωση αυτών των συστατικών και των μεθόδων για την αξιοποίηση ή την ασφαλή διάθεση των στερεών που παράγονται κατά την επεξεργασία τους. Η οδηγία 91/271/ΕΟΚ , η οποία εκδόθηκε με σκοπό την προστασία του περιβάλλοντος από τις αρνητικές επιπτώσεις της απόρριψης των υγρών αποβλήτων και αφορά την ολοκληρωμένη διαχείρισή τους, αναφέρει ότι αστικά λύματα είναι τα υγρά απόβλητα που προέρχονται κυρίως από χώρους υγιεινής, κουζίνες, πλυντήρια και γενικά από διαδικασίες καθαριότητας κατοικιών, γραφείων, καταστημάτων κ.λ.π. Στην κατηγορία των αστικών λυμάτων περιλαμβάνονται και αυτά των εστιατορίων, ξενοδοχείων, δημοσίων υπηρεσιών, καταστημάτων, γραφείων κ.λ.π. Συνεπώς τα αστικά λύματα περιέχουν κυρίως υπολείμματα τουαλέτας, απόνερα λουτρού και κουζίνας, απόνερα λάτρας και καθαριότητας κ.λ.π. Στα κυριότερα συστατικά τους περιλαμβάνονται οργανικές κυρίως ουσίες σε διάλυση ή αιωρούμενα σωματίδια, λίπη, έλαια, ανόργανες ουσίες και σε ελάχιστες ποσότητες διαλυμένα αέρια όπως η αμμωνία (ΝΗ 3 ) και το υδρόθειο (H 2 S). Βιομηχανικά απόβλητα ονομάζονται τα απόβλητα που απορρίπτονται από κτίρια και χώρους που χρησιμοποιούνται για οποιαδήποτε εμπορική ή βιομηχανική δραστηριότητα και τα οποία δεν είναι οικιακά λύματα ή όμβρια ύδατα. Είναι δηλαδή τα υγρά απόβλητα των βιομηχανικών ή βιοτεχνικών εγκαταστάσεων, που δημιουργούνται κατά την Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 3

5 παραγωγική διαδικασία και μπορεί να περιέχουν υπολείμματα των υλών που χρησιμοποιούνται. Δεν συμπεριλαμβάνονται τα λύματα του προσωπικού τα οποία κατατάσσονται στα αστικά λύματα. Η ολοκληρωμένη διαχείριση των υγρών αποβλήτων περιλαμβάνει έργα για τη συλλογή, την επεξεργασία και τη διάθεσή τους. Τα υγρά απόβλητα μιας πόλης συλλέγονται με το σύστημα αποχέτευσης, το οποίο είναι δυνατόν να είναι χωριστικό (όταν δεν δέχεται όμβρια ύδατα) ή παντορροϊκό (όταν δέχεται και όμβρια ύδατα) ή και μερικά χωριστικό (όταν μόνο μερικά τμήματα του δικτύου αποχέτευσης δέχονται όμβρια ύδατα και μερικά δεν δέχονται). Πολλές φορές το σύστημα δέχεται και εισροές από υπόγεια ή επιφανειακά νερά. Μπορεί ακόμα και υπό προϋποθέσεις να δέχεται και κάποιες κατηγορίες βιομηχανικών αποβλήτων τα οποία όμως έχουν οπωσδήποτε υποστεί κάποιου είδους προεπεξεργασία. Όλο το δίκτυο του συστήματος αποχέτευσης συμβάλλει σε έναν Κεντρικό Αποχετευτικό Αγωγό (Κ.Α.Α.) ο οποίος καταλήγει σε μια Εγκατάσταση Επεξεργασίας Λυμάτων (Ε.Ε.Λ.) όπου τα λύματα υφίστανται επεξεργασία με σκοπό τη δέσμευση και την εξουδετέρωση των ανεπιθύμητων συστατικών τους. Πολλές φορές στις Ε.Ε.Λ. καταλήγουν και βοθρολύματα με τη βοήθεια βυτιοφόρων οχημάτων, αφού ακόμα και σήμερα ένα σημαντικό ποσοστό του πληθυσμού σε διάφορες χώρες, αλλά ιδιαίτερα στις λιγότερο αναπτυγμένες, δεν είναι συνδεδεμένο σε κάποιο δίκτυο αποχέτευσης και εξυπηρετείται με σηπτικούς κυρίως βόθρους. Οι σηπτικοί βόθροι είναι στεγανές δεξαμενές όπου οδηγούνται τα λύματα για καθίζηση και κατακράτηση των αιωρούμενων συστατικών καθώς επίσης και μερική αποικοδόμηση του οργανικού φορτίου. Τονίζεται όμως ότι τα βοθρολύματα που προέρχονται από την εκροή μιας σηπτικής δεξαμενής διαφέρουν σημαντικά από τα «φρέσκα» αστικά λύματα και ότι τυγχάνουν ιδιαίτερης φροντίδας. Η επεξεργασία των υγρών αποβλήτων πριν από τη διάθεσή τους αμβλύνει τις δυσμενείς επιπτώσεις στους αποδέκτες, διαφυλάσσει την οικολογική ισορροπία και προστατεύει το περιβάλλον. Οι μέθοδοι επεξεργασίας με φυσικές δυνάμεις είναι γνωστές ως φυσικές διεργασίες, ενώ οι μέθοδοι κατά τις οποίες η απομάκρυνση των ρυπογόνων ουσιών επιτυγχάνεται με χημικές και βιολογικές αντιδράσεις είναι γνωστές ως χημικές και βιολογικές διεργασίες. Το βασικό τρίπτυχο που ενδιαφέρει στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων είναι οι μικροοργανισμοί, η περιεχόμενη οργανική ύλη η οποία αποτελεί την τροφή των Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 4

6 μικροοργανισμών και το οξυγόνο το οποίο είναι απαραίτητο για την ενέργεια και την επιβίωση των μικροοργανισμών. Μικροοργανισμοί (Βακτήρια) Τροφή (Oργανικές ουσίες, Θρεπτικά άλατα) Οξυγόνο Σχήμα 1.1. Το βασικό τρίπτυχο στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων Τα κύρια στάδια της επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων είναι τα εξής: Προεπεξεργασία, κατά την οποία απομακρύνονται υλικά όπως πανιά, χαλίκια, άμμος, μικρά τεμάχια ξύλου και πλαστικού, λάδια, λίπη κ.λ.π. τα οποία συνήθως προκαλούν ζημιές στο μηχανολογικό εξοπλισμό και προβλήματα στη συντήρηση και τη λειτουργία της Ε.Ε.Λ. Πρωτοβάθμια επεξεργασία, κατά την οποία απομακρύνεται ένα μέρος των αιωρούμενων στερεών και ένα μέρος των οργανικών ουσιών. Αυτό επιτυγχάνεται με το φυσικό φαινόμενο της καθίζησης. Δευτεροβάθμια επεξεργασία, κατά την οποία απομακρύνονται οι βιοαποικοδομήσιμες οργανικές ουσίες και τα αιωρούμενα στερεά με τη χρήση βιολογικών και χημικών διεργασιών. Σημειώνεται ότι και η απολύμανση περιλαμβάνεται στον τυπικό ορισμό της συμβατικής δευτεροβάθμιας επεξεργασίας. Δευτεροβάθμια επεξεργασία με απομάκρυνση των θρεπτικών ουσιών, κατά την οποία απομακρύνονται οι βιοαποικοδομήσιμες οργανικές ουσίες, τα αιωρούμενα στερεά και οι θρεπτικές ουσίες του αζώτου και του φωσφόρου και πάλι με τη χρήση βιολογικών και χημικών διεργασιών. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 5

7 Τριτοβάθμια επεξεργασία, κατά την οποία απομακρύνονται οι εναπομείνασες από την δευτεροβάθμια επεξεργασία αιωρούμενες ουσίες, συνήθως με χρήση μέσου διήθησης. Προχωρημένη επεξεργασία, για την απομάκρυνση των αιωρούμενων αλλά και των διαλυμένων ουσιών που παραμένουν στα απόβλητα μετά τη συνηθισμένη βιολογική επεξεργασία, όταν αυτή απαιτείται σε διάφορες εφαρμογές επαναχρησιμοποίησης του νερού. Η επεξεργασία αυτή επιτυγχάνεται με συνδυασμό φυσικών, βιολογικών και χημικών διεργασιών και συνήθως περιλαμβάνει διήθηση, χρήση μεμβρανών, αντίστροφη ώσμωση, προσρόφηση σε ενεργό άνθρακα, ιοντοεναλλαγή κ.ά. Υπάρχουν και διεργασίες επεξεργασίας λυμάτων που στηρίζονται στο έδαφος και ονομάζονται φυσικά συστήματα επεξεργασίας. Τα συστήματα αυτά συνδυάζουν φυσικούς, χημικούς και βιολογικούς μηχανισμούς επεξεργασίας και επιτυγχάνουν ικανοποιητική ποιότητα εκροής. Χρησιμοποιούνται συνήθως σε μικρά συστήματα επεξεργασίας. Με στόχο λοιπόν την προστασία της υγείας των ανθρώπων μέσω της προστασίας της ποιότητας του νερού (πόσιμο, κολύμβηση, ψάρεμα κ.λ.π.) και την αποφυγή μετάδοσης ασθενειών, την αποτροπή δηλητηριάσεων από τοξικές ουσίες, υπολείμματα φαρμάκων και βαριά μέταλλα τα οποία βιοσυσσωρεύονται, την προστασία της ποιότητας των αποδεκτών από την ελάττωση του διαλυμένου οξυγόνου (D.O.) και την αλλοίωση του οικοσυστήματος (αποξυγόνωση), από την αισθητική υποβάθμιση (οσμές, μη διαύγεια, κ.λ.π.) και τα φαινόμενα ευτροφισμού (υψηλές συγκεντρώσεις θρεπτικών αλάτων), είναι προφανές ότι όλοι οι ρύποι πρέπει να απομακρυνθούν από τα υγρά απόβλητα στις Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων (Ε.Ε.Λ.) εφαρμόζοντας διάφορες διεργασίες και τεχνικές. Σύγχρονα δίκτυα αποχέτευσης άρχισαν να κατασκευάζονται στην Ευρώπη πριν από περίπου χρόνια. Τη δεκαετία του 1930 ξεκίνησε στην Ευρώπη η κατασκευή των πρώτων Ε.Ε.Λ. Σήμερα έχουν κατασκευαστεί σύγχρονες Ε.Ε.Λ. σε όλες σχεδόν τις πόλεις της Ελλάδας, οι οποίες περιλαμβάνουν πολλά στάδια επεξεργασίας υγρών αποβλήτων και κάθε στάδιο επεξεργασίας περιλαμβάνει περισσότερες από μια διεργασίες. Εικόνα 1.1. Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων (Ψυτάλλεια, Θεσσαλονίκη, Πάτρα) Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 6

8 Στις μεγάλες Ε.Ε.Λ. οι διάφορες διεργασίες γίνονται σε ξεχωριστούς χώρους (δεξαμενές). Στις μικρότερες εγκαταστάσεις κατασκευάζονται όσο το δυνατόν λιγότερες δεξαμενές. Αντίστοιχα έχουν αναπτυχθεί ξεχωριστές τεχνολογίες για την κατασκευή: - μικρών εγκαταστάσεων, (για μικρούς οικισμούς), - μεσαίων εγκαταστάσεων, (για χωριά), - μεγάλων εγκαταστάσεων, (για μικρές πόλεις), - πολύ μεγάλων εγκαταστάσεων (για μεγάλες πόλεις). Ένα σύστημα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων περιλαμβάνει διάφορα στάδια επεξεργασίας και σχεδιάζεται με σκοπό να δεσμεύσει και να απομακρύνει από τα απόβλητα το οργανικό φορτίο, ανόργανες ουσίες όπως τα θρεπτικά άλατα (Ν και P), τα αιωρούμενα (SS) και διαλυμένα (DS) στερεά, τους επικίνδυνους μικροοργανισμούς και διάφορους άλλους ρυπαντές. Αυτό επιτυγχάνεται με συνδυασμό φυσικών, χημικών, φυσικοχημικών και βιολογικών διεργασιών. Το σύνολο αυτών των διεργασιών αποτελεί τη διαδικασία της επεξεργασίας, κύρια επιδίωξη της οποίας είναι η απαλλαγή της μάζας των αποβλήτων από τους ρύπους και δευτερεύουσα επιδίωξη η εξουδετέρωση των ρύπων. Στο σχήμα 1.2 δίνεται ένα απλό σκαρίφημα (διάγραμμα ροής) μιας μεγάλης εγκατάστασης βιολογικής επεξεργασίας αστικών λυμάτων με τη μέθοδο της ενεργού ιλύος. Σχήμα 1.2. Τυπικό διάγραμμα ροής Ε.Ε.Λ. με τη μέθοδο της ενεργού ιλύος Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 7

9 Είναι εμφανής η διάκριση μεταξύ της μηχανικής ή πρωτοβάθμιας και της βιολογικής ή δευτεροβάθμιας επεξεργασίας. Διακρίνεται επίσης η τριτοβάθμια ή προχωρημένη επεξεργασία, η απολύμανση των λυμάτων και η γραμμή επεξεργασίας της ιλύος. Οι πιο συνηθισμένες διαδικασίες καθαρισμού που εμφανίζονται είναι η υποδοχή των υγρών αποβλήτων και η αφαίρεση ευμεγεθών στερεών συνήθως με σχάρες ή κόσκινα, η αφαίρεση λιπών και ελαίων (λιποσυλλέκτες) και η αφαίρεση της άμμου (αμμοσυλλέκτες). Ακολουθεί η απομάκρυνση των ουσιών που καθιζάνουν στην δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης. Σ αυτό το σημείο ολοκληρώνεται η πρωτοβάθμια επεξεργασία και ακολουθεί η δευτεροβάθμια (βιολογική) επεξεργασία, η οποία περιλαμβάνει τον βιοαντιδραστήρα (δεξαμενή αερισμού) και την δεξαμενή τελικής καθίζησης. Τα λύματα που υπερχειλίζουν από την δεξαμενή τελικής καθίζησης απολυμαίνονται, συνήθως με χλωρίωση (Cl 2 ) και πιο σπάνια με υπεριώδη ακτινοβολία (UV) ή όζον (O 3 ) και διατίθενται σε κάποιον αποδέκτη. Εάν ο αποδέκτης των επεξεργασμένων εκροών είναι ευαίσθητος απομακρύνονται από τα απόβλητα και τα άλατα του αζώτου (Ν) και του φωσφόρου (Ρ). Σε περιπτώσεις πολύ αυστηρών απαιτήσεων για τις εκροές, τα απόβλητα θα πρέπει να υποβληθούν και σε τριτοβάθμια ή προχωρημένη επεξεργασία η οποία περιλαμβάνει διήθηση, διεργασίες μεμβρανών, αντίστροφη ώσμωση κ.λ.π. Η ιλύς που προκύπτει από τις δεξαμενές καθίζησης οδηγείται προς πάχυνση (παχυντής), σταθεροποίηση (αερόβια ή αναερόβια) και αφυδάτωση είτε με φυσική ξήρανση (κλίνες ξήρανσης, χωμάτινες δεξαμενές, ηλιακή ακτινοβολία) είτε με μηχανική αφυδάτωση (ταινιοφιλτρόπρεσες, φυγοκεντρικοί διαχωριστές). Η σταθεροποιημένη και αφυδατωμένη ιλύς διατίθεται σε χώρους που προβλέπει η αρμόδια αρχή. Διευκρινίζεται ότι σε κάθε περίπτωση επεξεργασίας υγρών αποβλήτων δεν εφαρμόζονται ταυτόχρονα όλες οι πιο πάνω επεξεργασίες, αλλά ο πιο κατάλληλος για την περίπτωση συνδυασμός, που η εκλογή του γίνεται από τον ειδικό μελετητή με βάση την επαγγελματική του εκτίμηση, την ποιότητα και ποσότητα των αποβλήτων, την αφομοιωτική ικανότητα και τις επιθυμητές χρήσεις του αποδέκτη. Ο καθορισμός της χρήσης του αποδέκτη καθορίζει κατά κανόνα τον τελικό βαθμό καθαρισμού / επεξεργασίας. Διαφορετικός είναι για παράδειγμα ο απαιτούμενος βαθμός επεξεργασίας όταν ο αποδέκτης είναι η θάλασσα και διαφορετικός όταν πρόκειται για ένα ποτάμι ή μια λίμνη. Πολλές φορές μελετάται το σύστημα σε πειραματική μονάδα και διεξάγονται εργαστηριακές δοκιμές για τον προσδιορισμό των ειδικών χαρακτηριστικών των αποβλήτων. Σε κάθε περίπτωση, θα πρέπει να συνδυάζεται η απαιτούμενη ποιότητα των επεξεργασμένων αποβλήτων με τη Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 8

10 μικρότερη δυνατή δαπάνη κατασκευής και λειτουργίας μιας Ε.Ε.Λ., να διασφαλίζεται η δημόσια υγεία και γενικότερα η προστασία του περιβάλλοντος και η ποιότητα ζωής. Στους πίνακες 1.1 και 1.2 που ακολουθούν, παρουσιάζονται συνοπτικά οι διαθέσιμες διεργασίες και τα πιο συνηθισμένα συστήματα επεξεργασίας που εφαρμόζονται στις Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων. Πίνακας 1.1. Οι διεργασίες επεξεργασίας των αστικών υγρών αποβλήτων Διεργασίες αντιμετώπισης αιωρούμενων σωματιδίων (Suspended Solids, SS) και βιοαποικοδομήσιμων ουσιών σε αιωρούμενη μορφή - Εσχάρωση Κοσκίνισμα - Εξάμμωση - Λιποσυλλογή - Επίπλευση - Καθίζηση - Φυγοκέντριση Διεργασίες αντιμετώπισης οργανικού φορτίου (διαλυμένων βιοαποικοδομήσιμων ουσιών που έχουν αρνητική επίδραση στο ισοζύγιο του διαλυμένου οξυγόνου και μετρώνται με BOD και COD) - Προεπεξεργασία ή πρωτοβάθμια επεξεργασία - Βιολογική επεξεργασία - Χημική επεξεργασία - Φυσική επεξεργασία Διεργασίες αντιμετώπισης ουσιών που συμβάλλουν στον ευτροφισμό [Ενώσεις του αζώτου (NH 4 +, NO 2 -, NO 3 - ) και του φωσφόρου (PO 4 3- )] - Βιολογική επεξεργασία - Χημική επεξεργασία Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 9

11 Πίνακας 1.2. Τα βασικά συστήματα επεξεργασίας των αστικών υγρών αποβλήτων Συστήματα προεπεξεργασίας ή πρωτοβάθμιας επεξεργασίας Συστήματα δευτεροβάθμιας ή βιολογικής επεξεργασίας - Εσχάρωση Κοσκίνισμα - Εξάμμωση (αμμοσυλλέκτης) - Λιποσυλλογή (ελαιοδιαχωριστήρες) - Επίπλευση - Πρωτοβάθμια καθίζηση Αερόβια συστήματα - Αντιδραστήρες αιωρούμενης βιομάζας (ενεργού ιλύος) - Αντιδραστήρες προσκολλημένης βιομάζας (Βιολογικοί υμένες) (Χαλικοδιυλιστήρια, Δισκοδιυλιστήρια) Αναερόβια συστήματα - Σηπτικές δεξαμενές - Δεξαμενές Imhoff - Λίμνες και δεξαμενές σταθεροποίησης Συστήματα χημικής επεξεργασίας Συστήματα τριτοβάθμιας επεξεργασίας - Οξείδωση - Αναγωγή - Χημική κατακρήμνιση - Κροκίδωση Ιζηματοποίηση - Διήθηση - Μεμβράνες - Αντίστροφη ώσμωση - Προσρόφηση - Ιοντοεναλλαγή Μέθοδοι απολύμανσης - Χλωρίωση (Cl 2, ClO 2, NaOCl, NaOCl 2 ) - Υπεριώδης ακτινοβολία (UV) - Οζόνωση (O 3 ) Μέθοδοι διάθεσης της επεξεργασμένης εκροής - Διάθεση σε επιφανειακούς υδάτινους αποδέκτες - Διάθεση στο έδαφος (επιφανειακή απορροή, διήθηση στο έδαφος, άρδευση) Τεχνολογίες επεξεργασίας - Πάχυνση ιλύος - Βιολογική σταθεροποίηση (αερόβια ή αναερόβια) - Αφυδάτωση (κλίνες ξήρανσης, ταινιοφιλτρόπρεσες, φυγοκέντριση) Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 10

12 2. Τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των υγρών αποβλήτων 2.1 Γενικά Τα υγρά αστικά απόβλητα περιέχουν κυρίως οργανικές ουσίες (υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, λίπη, έλαια, φαινόλες, επιφανειακά τασιενεργές ουσίες), ανόργανες ουσίες (άζωτο, φώσφορο, διάφορα άλατα), και διάφορα στερεά. Περιέχουν επίσης ουσίες οι οποίες βρίσκονται σε κολλοειδή μορφή, μικροοργανισμούς, τοξικές ουσίες, μέταλλα, ιχνοστοιχεία καθώς και διαλυμένα αέρια, όπως αμμωνία (ΝΗ 3 ), υδρόθειο (Η 2 S) κ.ά. Οι ουσίες αυτές χαρακτηρίζονται ως ρυπαντές του νερού και του περιβάλλοντος γενικότερα. Η επεξεργασία των υγρών αποβλήτων είναι απαραίτητη, επιβάλλεται από τη νομοθεσία και στοχεύει στην εξουδετέρωση και την απομάκρυνση αυτών των ρυπαντών. Οι βασικές γνώσεις των ποιοτικών χαρακτηριστικών των υγρών αποβλήτων και η διάκριση των εννοιών «ρύπανση» και «μόλυνση» του νερού, θεωρούνται απαραίτητα στοιχεία για την κατανόηση των διεργασιών επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων. Μια ουσία χαρακτηρίζεται ως ρύπος εφόσον η συγκέντρωσή της στο νερό είναι αρκετά μεγαλύτερη απ αυτή που συνήθως συναντάται στα φυσικά αποθέματα του γλυκού νερού. Ένας ρύπος χαρακτηρίζεται τοξικός όταν έχει τη δυνατότητα να προκαλέσει σοβαρή βλάβη ή θάνατο σε ανθρώπους ή ζώα. Οι ρύποι του νερού διακρίνονται σε: συμβατικούς, μη συμβατικούς, θερμικούς και ρύπους (μολυντές) από μικρόβια. Στους συμβατικούς ρύπους ανήκουν ουσίες που προέρχονται από ανθρωπογενείς δραστηριότητες όπως οργανική ύλη (οργανικές ουσίες), ενώσεις του αζώτου (αμμωνιακά NH + 4, νιτρώδη NO - 2, νιτρικά άλατα NO - 3 ), ενώσεις του φωσφόρου (κυρίως φωσφορικά άλατα PO 3-4 ). Στους μη συμβατικούς ρύπους του νερού περιλαμβάνονται τα βαριά μέταλλα (Cd, Cr, Hg, Pb, Ni, Cu, Zn, κ.λ.π.), οι τοξικές οργανικές ενώσεις και ουσίες όπως το αρσενικό (As), τα θειούχα (S 2- ), τα κυανιούχα (CN - ) και τα ραδιενεργά υλικά. Οι τοξικές οργανικές ενώσεις Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 11

13 είναι ουσίες οι οποίες έχουν συντεθεί από τον άνθρωπο για διάφορες χρήσεις. Σπουδαιότερες απ αυτές είναι τα παρασιτοκτόνα, τα εντομοκτόνα, τα ζιζανιοκτόνα, τα οποία καταλήγουν στο νερό λόγω της ευρείας χρήσης τους στη γεωργία και στη βιομηχανία, οι διοξίνες, οι οποίες παράγονται εκεί όπου υπάρχουν καύσεις ή διεργασίες με χλώριο, οι υδρογονάνθρακες του πετρελαίου, οι χλωριωμένοι υδρογονάνθρακες, τα πολυχλωριωμένα διφαινύλια (PCB s), οι φαινόλες, οι πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες (PAH s) και τα τριαλογονομεθάνια (Tri-Halo-Methanes, THM), τα οποία συνήθως σχηματίζονται κατά την προαπολύμανση του νερού, την απολύμανση των υγρών αποβλήτων κ.λ.π. Η θερμική ρύπανση του νερού προέρχεται κυρίως από τα θερμά απόβλητα βιομηχανιών και μπορεί να προκαλέσει αύξηση της θερμοκρασίας του νερού ενός φυσικού αποδέκτη δημιουργώντας δυσάρεστες και μη ανεκτές καταστάσεις στα υδατικό οικοσύστημα. Πίνακας Ρύπανση μόλυνση του νερού Ρύπανση (Επιβάρυνση του νερού με ύλη ή ενέργεια) Μόλυνση (Επιβάρυνση με παθογόνους μικροοργανισμούς) Συμβατικοί ρύποι Μη συμβατικοί ρύποι Θερμική ρύπανση Μικροοργανισμοί Οργανική ύλη Βαριά μέταλλα Ιοί Ενώσεις του αζώτου (NH 4 +, NO 2 -, NO 3 - ) Ενώσεις του φωσφόρου (PO 4 3- ) Τοξικές οργανικές ενώσεις (Ζιζανιοκτόνα, Εντομοκτόνα, Παρασιτοκτόνα, Διοξίνες, Φαινόλες, Χλωροφαινόλες, Χλωριωμένοι HC, THM, Πολυχλωριωμένα διφαινύλια (PCB), Πολυαρωματικοί υδρογονάνθρακες (PAH) Αρσενικό (As) Θειούχα (S 2- ) (Θερμά απόβλητα νερά βιομηχανιών) Βακτήρια Μύκητες Πρωτόζωα Κυανιούχα (CN - ) Ραδιενεργά στοιχεία Έλμινθες Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 12

14 Με βάση τα παραπάνω ρύπανση ονομάζεται η επιβάρυνση του νερού με ύλη ή ενέργεια, η ανεπιθύμητη δηλαδή μεταβολή των ποιοτικών χαρακτηριστικών του νερού (φυσικών, χημικών, ραδιολογικών, βιολογικών - μικροβιολογικών), εξαιτίας κυρίως των ανθρώπινων δραστηριοτήτων, σε βαθμό που μπορεί να δημιουργηθεί κίνδυνος για την υγεία και να υποβαθμιστεί η ποιότητα ζωής του ανθρώπου. Η ρύπανση προκαλεί βλάβη στα φυσικά οικοσυστήματα και παρεμποδίζει τις επιθυμητές χρήσεις των υδατικών πόρων. Μόλυνση ονομάζεται η παρουσία στο νερό παθογόνων μικροοργανισμών ή και μικροοργανισμών δεικτών, που υποδηλώνουν την πιθανότητα παρουσίας παθογόνων, εξαιτίας κυρίως των ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Κύρια πηγή επιβάρυνσης των υδάτινων σωμάτων με παθογόνους μικροοργανισμούς, δηλαδή μικροβιακή μόλυνση του νερού, είναι τα αστικά και κτηνοτροφικά απόβλητα με τα περιττώματα ανθρώπων και ζώων που περιέχουν. Ο προσδιορισμός και η συνεχής παρακολούθηση των ποιοτικών χαρακτηριστικών των υγρών αποβλήτων είναι απολύτως απαραίτητος προκειμένου να καθοριστούν τα στάδια και ο βαθμός επεξεργασίας τους και να ελεγχθεί η επίτευξη των στόχων και των απαιτήσεων για την ασφαλή διάθεσή τους στο περιβάλλον. Τα χαρακτηριστικά αυτά κατατάσσονται σε φυσικά, χημικά και βιολογικά. Φυσικά χαρακτηριστικά των υγρών αποβλήτων Θερμοκρασία. Σημαντική παράμετρος για το σχεδιασμό και τη λειτουργία των βιολογικών διεργασιών στις Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων. Αγωγιμότητα. Παράμετρος με την οποία αποτιμάται η ποιότητα της επεξεργασμένης εκροής, ειδικά για γεωργική χρήση. Θολότητα. Παράμετρος με την οποία αποτιμάται η ποιότητα της εκροής. Διαπερατότητα. Παράμετρος με την οποία αποτιμάται η ποιότητα της εκροής για απολύμανση με UV. Χρώμα (Ανοιχτό καφέ, γκρι, μαύρο). Παράμετρος με την οποία αποτιμάται η κατάσταση των λυμάτων, δηλαδή φρέσκα λύματα ή λύματα που έχουν υποστεί σήψη. Οσμή. Παράμετρος με την οποία καθορίζεται εάν οι οσμές αποτελούν πρόβλημα. Πυκνότητα. Στερεές ουσίες (Αιωρούμενες, Επιπλέουσες, Καθιζάνουσες, Αδιάλυτες, Διαλυμένες) και κατανομή μεγέθους σωματιδίων. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 13

15 Χημικά (ανόργανα) χαρακτηριστικά των υγρών αποβλήτων ph (-log[h + ]). Το μέτρο της οξύτητας ή της αλκαλικότητας των υγρών αποβλήτων. Αλκαλικότητα (Σ HCO CO OH - - H + ). Το μέτρο της ρυθμιστικής ικανότητας των υγρών αποβλήτων (της ικανότητάς τους να εξουδετερώνουν οξέα). Χλωριούχα. Παράμετρος για την εκτίμηση της ποιότητας της επεξεργασμένης εκροής, ειδικά για την επαναχρησιμοποίηση για γεωργική χρήση (άρδευση). Αζωτούχες ενώσεις. Χρησιμοποιούνται ως μέτρο της παρουσίας θρεπτικών συστατικών καθώς και του βαθμού αποσύνθεσης στα υγρά απόβλητα. Οι οξειδωμένες μορφές μπορούν να ληφθούν ως μέτρο του βαθμού οξείδωσης. o Ελεύθερη αμμωνία (NH + 4 ) o Οργανικό άζωτο (Org. N) o Άζωτο Kjeldahl (TKN : Org. N + NH + 4 ) o Νιτρώδη (ΝΟ - 2 ) o Νιτρικά (ΝΟ - 3 ) Φωσφορικές ενώσεις. Χρησιμοποιούνται ως μέτρο παρουσίας των θρεπτικών συστατικών στα υγρά απόβλητα. Οι οξειδωμένες μορφές μπορούν να ληφθούν ως μέτρο του βαθμού οξείδωσης o Ανόργανος φώσφορος (Inorg. P) o Οργανικός φώσφορος (Org. P) o Ολικός φώσφορος (ΤΡ) Θειικά (SO 2-4 ). Παράμετρος για την εκτίμηση της πιθανότητας δημιουργίας οσμών. Για την εκτίμηση της «επεξεργασιμότητας» της ιλύος. Μέταλλα (Ca, Mg, K, Na, Cr, Cu, Co, Pb, Cd, Hg, Mo, Ni, Fe, Se, As, Zn). Για την εκτίμηση της καταλληλότητας της εκροής για επαναχρησιμοποίηση. Για την εκτίμηση της τοξικότητας. Ωστόσο ίχνη ορισμένων μετάλλων είναι απαραίτητα για μερικές βιολογικές διεργασίες. Διάφορα αέρια (O 2, CO 2, NH 3, H 2 S, CH 4 ). Παρουσία / απουσία συγκεκριμένων αερίων. Χημικά (οργανικά) χαρακτηριστικά των υγρών αποβλήτων C-BOD, (Biochemical Oxygen Demand), Βιοχημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο. Το οξυγόνο που απαιτείται για τη βιολογική αποικοδόμηση των ανθρακούχων οργανικών ενώσεων των υγρών αποβλήτων. Ν-BOD, Βιοχημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο. Το οξυγόνο που απαιτείται για τη βιολογική αποικοδόμηση των αζωτούχων οργανικών ενώσεων των υγρών αποβλήτων. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 14

16 COD, (Chemical Oxygen Demand), Χημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο. Το οξυγόνο που απαιτείται για τη χημική οξείδωση των οργανικών ενώσεων των υγρών αποβλήτων. TOC, (Total Organic Carbon), Ολικός Οργανικός Άνθρακας. Χρησιμοποιείται συμπληρωματικά με το BOD, αλλά πολύ σπάνια επειδή αφορά μέτρηση με πολύ μεγάλη ευαισθησία, δηλαδή πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις οργανικής ύλης. Συγκεκριμένες οργανικές ενώσεις και κατηγορίες ενώσεων. Για τον προσδιορισμό της παρουσίας των συγκεκριμένων οργανικών ενώσεων και για την εκτίμηση των απαραίτητων ειδικών μέτρων που πρέπει να ληφθούν κατά τον σχεδιασμό της ΕΕΛ για την απομάκρυνσή τους Βιολογικά χαρακτηριστικά των υγρών αποβλήτων Ολικά Κολοβακτηριοειδή, (Total Coliforms, TC) και Κολοβακτηριοειδή Κοπράνων, (Fecal Coliforms, FC). Για την εκτίμηση της παρουσίας παθογόνων μικροοργανισμών και την αποτελεσματικότητα της απολύμανσης των υγρών αποβλήτων Ειδικοί μικροοργανισμοί, (Βακτήρια, Ιοί, Πρωτόζωα, Έλμινθες). Για την εκτίμηση της παρουσίας των συγκεκριμένων μικροοργανισμών που συνδέονται με την λειτουργία της Ε.Ε.Λ. και την επαναχρησιμοποίηση της εκροής. Τοξικότητα, Οξεία (άμεση) Τοξικότητα (TU A ), Χρόνια Τοξικότητα (TU C ). Για την εκτίμηση της τοξικότητας των υγρών αποβλήτων. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, οι οργανικές ενώσεις (υδατάνθρακες, λίπη, αμινοξέα, πρωτεΐνες, θειοπρωτεΐνες, νουκλεϊκά οξέα κ.λ.π.), που υπάρχουν στα υγρά απόβλητα αποτελούν τον κατ εξοχήν συμβατικό ρύπο ο οποίος πρέπει να απομακρυνθεί. Το κεντρικό στοιχείο όλων αυτών των οργανικών ενώσεων είναι ο άνθρακας (C) και τα σπουδαιότερα στοιχεία με τα οποία ο άνθρακας συνθέτει τις οργανικές ενώσεις είναι το άζωτο (Ν) και ο φώσφορος (Ρ). Τα στοιχεία αυτά αφορούν σχεδόν όλες τις διεργασίες επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων και εξετάζονται χωριστά, με περισσότερες λεπτομέρειες παρακάτω. Ιδιαίτερη επίσης αναφορά γίνεται στις στερεές ουσίες (αδιάλυτες, διαλυμένες, κολλοειδείς, επιπλέουσες, αιωρούμενες, καθιζάνουσες) και στους μικροοργανισμούς οι οποίοι συνδέονται με την ποιότητα και την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 15

17 Υδατάνθρακες & Λίπη (C, H, O) Αμινοξέα & Πρωτεΐνες (C, H, O, N) Αμινοξέα & Θειοπρωτεΐνες (C, H, O, Ν, S) Υδρογονάνθρακες (C, H) Οργανικές ενώσεις Νουκλεϊκά οξέα (RNA, DNA) (C, H, O, Ν, P) Σχήμα Στοιχεία σύνθεσης των οργανικών ενώσεων 2.2 Ο άνθρακας (Οργανική ύλη, Βιοαποικοδομήσιμες ουσίες) Ο άνθρακας υπάρχει στα υγρά απόβλητα κυρίως με τη μορφή των οργανικών ενώσεων (Total Organic Carbon, TOC), αλλά και με τη μορφή ανόργανων χημικών ενώσεων (Total Inorganic Carbon, ΤΙC). Ο οργανικός άνθρακας (TOC) που κυρίως ενδιαφέρει, βρίσκεται στα απόβλητα είτε διαλυμένος (Dissolved Organic Carbon, DOC) είτε σε σωματιδιακή μορφή (Particulate Organic Carbon, POC) είτε σε πτητικές ενώσεις (Volatile Organic Carbon, VOC). TC Total Carbon TIC Total Inorganic Carbon TOC Total Organic Carbon DOC Dissolved Organic Carbon POC Particulate Organic Carbon VOC Volatile Organic Carbon Σχήμα Μορφές και συμβολισμοί του άνθρακα Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 16

18 Το οργανικό φορτίο των λυμάτων, δηλαδή η οργανική ύλη, αποτελεί τον συνηθέστερο και τον πιο σημαντικό ρύπο του νερού. Υψηλή συγκέντρωση οργανικής ύλης στο νερό προκαλεί αποξυγόνωση του νερού πράγμα που μπορεί να μειώσει ή ακόμη και να εξαφανίσει τους υδρόβιους οργανισμούς. Οι οργανικές ουσίες αποτελούν τη βασική τροφή των αερόβιων ετεροτροφικών χημικοσυνθετικών μικροοργανισμών οι οποίοι καταναλώνουν το διαλυμένο οξυγόνο για την επιβίωσή τους. Υψηλές όμως συγκεντρώσεις οργανικής ύλης συνεπάγονται μεγαλύτερη μάζα μικροοργανισμών και συνεπώς ταχύτερη κατανάλωση του διαλυμένου οξυγόνου. Αν η ταχύτητα αυτή είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα οξυγόνωσης, προκύπτει μείωση της συγκέντρωσης του διαλυμένου οξυγόνου στο νερό. Η οργανική ύλη ή το οργανικό φορτίο των υγρών αποβλήτων μετριέται και αποδίδεται σε όρους Βιοχημικά Απαιτούμενου Οξυγόνου (Biochemical Oxygen Demand BOD), Χημικά Απαιτούμενου Οξυγόνου (Chemical Oxygen Demand COD) και Ολικού Οργανικού Άνθρακα (Total Organic Carbon TOC) Το Βιοχημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο (BOD) To Βιοχημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο (BOD) είναι η ποσότητα του διαλυμένου οξυγόνου που απαιτείται από τους μικροοργανισμούς για την πλήρη βιοχημική οξείδωση των περιεχόμενων οργανικών ουσιών στα υγρά απόβλητα. H ταχύτητα της βιολογικής αυτής οξείδωσης εξαρτάται από το είδος της οργανικής ύλης που περιέχεται στο προς εξέταση δείγμα. Υπάρχουν οργανικές ουσίες που οξειδώνονται ή αποικοδομούνται βιολογικά σχετικά εύκολα αλλά υπάρχουν και αυτές που δεν οξειδώνονται βιολογικά. Όπως προαναφέρθηκε τα αστικά λύματα περιέχουν πλήθος οργανικών ουσιών, κυριαρχούν όμως οι ανθρακούχες ενώσεις, όπως οι υδατάνθρακες, τα λίπη κ.λ.π., οι αζωτούχες ενώσεις όπως η ουρία, οι πρωτεΐνες, τα αμινοξέα κ.λ.π. και οι θειούχες ενώσεις. Οι περισσότερες απ' αυτές τις ουσίες κατά την βιολογική οξείδωση διασπώνται σε άλλες απλούστερες και δίνουν ανάλογα προϊόντα όπως διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), αμμωνία (ΝΗ 3 ) και νερό (Η 2 Ο). Οι οξειδωτικές αυτές αντιδράσεις είναι συνυφασμένες με υψηλή κατανάλωση οξυγόνου, η οποία λαμβάνεται σαν μέτρο της οργανικής ρύπανσης των νερών. Η βιολογική αποικοδόμηση των ανθρακούχων και αζωτούχων οργανικών ρυπαντικών ουσιών των αστικών λυμάτων γίνεται σε δύο στάδια και παρίσταται διαγραμματικά στο σχήμα Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 17

19 Σχήμα Τα στάδια της βιολογικής αποικοδόμησης των οργανικών ενώσεων (BOD) Στο πρώτο στάδιο αποικοδομούνται κυρίως οι ενώσεις του άνθρακα (υδατάνθρακες, λίπη), προηγείται δηλαδή η οξείδωση των ευκολότερα βιοδιασπάσιμων ουσιών, ενώ στο δεύτερο οι ενώσεις του αζώτου (πρωτεΐνες, αμινοξέα). Το πρώτο στάδιο, για θερμοκρασία 20 C, αρχίζει αμέσως και ολοκληρώνεται μέσα σε 20 περίπου ημέρες. Το δεύτερο στάδιο, για θερμοκρασία 20 C, αρχίζει μετά την πάροδο ημερών και διαρκεί πολύ περισσότερο χρόνο. Σημειώνεται ότι σε υψηλές θερμοκρασίες η αποικοδόμηση των οργανικών ουσιών γίνεται ταχύτερα και ότι κατά το στάδιο οξείδωσης των αζωτούχων ενώσεων παράγεται νιτρικό οξύ το οποίο στη συνέχεια αντιδρά με τα περιεχόμενα στα οικιακά λύματα ανθρακικά και όξινα ανθρακικά και ουδετεροποιείται. Όπως προκύπτει και από το διάγραμμα η ολοκλήρωση της μέτρησης απαιτεί πολύ χρόνο. Για θερμοκρασία 20 ο C απαιτούνται περίπου 20 ημέρες για να ικανοποιηθούν τα % του ολικού BOD και γι αυτό η κατανάλωση του οξυγόνου καθορίζεται με βάση τον προσδιορισμό του Βιοχημικά Απαιτούμενου Οξυγόνου σε πέντε (5) ημέρες (BOD 5 ). Είναι προφανές ότι η ταχύτητα αποικοδόμησης των οργανικών ουσιών είναι διαφορετική στις διάφορες θερμοκρασίες. Σε υψηλές θερμοκρασίες η αποικοδόμηση πραγματοποιείται ταχύτερα. Για τη μέτρηση του BOD το δείγμα τοποθετείται σε μια γυάλινη σκουρόχρωμη φιάλη και αναδεύεται ισχυρά ώστε το περιεχόμενό της να εμπλουτιστεί με οξυγόνο. Στη συνέχεια σφραγίζεται και διατηρείται υπό ανάδευση στο σκοτάδι και σταθερή θερμοκρασία 20C για πέντε ημέρες. Μετά τη πάροδο πέντε ημερών υπολογίζεται μανομετρικά η διαφορά πίεσης που υπάρχει στη φιάλη από την κατανάλωση οξυγόνου από τους μικροοργανισμούς προκειμένου αυτοί να επιβιώσουν και να αποικοδομήσουν το οργανικό φορτίο του Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 18

20 δείγματος. Το αποτέλεσμα της κατανάλωσης οξυγόνου είναι το BOD 5 και εκφράζεται σε mg O 2 /lt λυμάτων. Το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) που παράγεται κατά τη βιολογική οξείδωση εξουδετερώνεται με μια ιδιαίτερη τεχνική, με υδροξείδιο του νατρίου (NaOH). Εικόνα Μέτρηση του BOD Το BOD 5 των φρέσκων ανεπεξέργαστων αστικών λυμάτων κυμαίνεται από mg/lt Ο 2. Αυτό αποτελεί μια μορφή έκφρασης του οργανικού φορτίου, το οποίο όμως μπορεί να εκφραστεί και σαν ρύπανση που προκύπτει από τον πληθυσμό και είναι gr/κατ. ημ. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων του BOD χρησιμοποιούνται για την εύρεση της ποσότητας οξυγόνου που απαιτείται για τη βιοχημική οξείδωση των οργανικών ουσιών, για τη διαστασιολόγηση των Ε.Ε.Λ., για τη μέτρηση της αποδοτικότητας μερικών διεργασιών επεξεργασίας υγρών αποβλήτων και για την εύρεση των τιμών συμμόρφωσης με τα όρια των εκροών τα οποία τίθενται από τη νομοθεσία Το Χημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο (COD) Με τον όρο COD (Chemical Oxygen Demand) εννοούμε την ποσότητα του οξυγόνου που απαιτείται για την χημική οξείδωση της οργανικής ύλης σε CO 2 και Η 2 Ο. Η οξείδωση αφορά το σύνολο των οργανικών ενώσεων που περιέχονται σε ένα δείγμα και μπορούν να οξειδωθούν με ένα ισχυρό οξειδωτικό μέσο. Σαν τέτοιο οξειδωτικό χρησιμοποιείται το διχρωμικό κάλιο (K 2 Cr 2 O 7 ) σε όξινο περιβάλλον. Η οξείδωση του οργανικού φορτίου γίνεται σε συνθήκες υψηλών θερμοκρασιών και χαμηλού ph παρουσία θειικού αργύρου (Αg 2 SO 4 ) σαν καταλύτη. Η εξουδετέρωση των χλωριούχων ιόντων που συνήθως υπάρχουν στο δείγμα, γίνεται με θειικό υδράργυρο (HgSO 4 ). Η εξουδετέρωση της περίσσειας των διχρωμικών (Cr 2 O 2-7 ) ιόντων γίνεται με διάλυμα θειικού αμμωνιούχου σιδήρου (FeSO 4 (NH 4 ) 2 SO 4 6H 2 O) γνωστής κανονικότητας. Για την ογκομετρική ανάλυση (τιτλοδότηση) χρησιμοποιείται δείκτης Ferroin. Η οξείδωση της Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 19

21 οργανικής ύλης μπορεί να παρασταθεί από την εξής στοιχειομετρική εξίσωση: C 2 3 xhyoz 2 Cr2O7 H Cr CO2 H O. Εικόνα Μέτρηση του COD Η μέτρηση του COD χρησιμοποιείται πολλές φορές αντί της μέτρησης του BOD ή συμπληρωματικά. Η ταχύτητα της μέτρησης είναι το μεγάλο πλεονέκτημά της αφού ολοκληρώνεται σε 2-3 ώρες, σε αντίθεση με τη μέτρηση του BOD 5, η οποία διαρκεί 5 ημέρες. Το μειονέκτημα όμως είναι ότι με το COD μετράται όχι μόνο η βιοδιασπάσιμη αλλά και η μη βιοδιασπάσιμη οργανική ύλη. Συνεπώς, η μέτρηση του COD είναι κατά κάποιο τρόπο λιγότερο αντιπροσωπευτική από τη μέτρηση του BOD 5 όταν πρόκειται για προσδιορισμό του οργανικού φορτίου που υπάρχει στα τυπικά αστικά λύματα. Το COD των φρέσκων ανεπεξέργαστων αστικών λυμάτων είναι περίπου 500 mg/lt Ο 2 ή 110 gr/κατ. ημ. Κατά κανόνα το COD είναι πάντα μεγαλύτερο από το BOD 5 και για τα αστικά λύματα ο λόγος COD / BOD 5 είναι 1,2-1, Ο Ολικός Οργανικός Άνθρακας (TOC) Ο ολικός οργανικός άνθρακας είναι ένα μέτρο κατάλληλο για μετρήσεις πολύ χαμηλών συγκεντρώσεων οργανικής ύλης, που ενδιαφέρει ιδιαίτερα την παραγωγή πόσιμου νερού. Με τις σύγχρονες αναλυτικές συσκευές ο προσδιορισμός του ολικού οργανικού άνθρακα είναι πολύ απλή διαδικασία. Ένας αυτόματος αναλυτής TOC (Total Organic Carbon) απαιτεί ελάχιστη ποσότητα υγρού δείγματος το οποίο εισάγεται σε ειδική στήλη με καταλύτη όπου καίγεται σε υψηλή θερμοκρασία προς διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ). Τα αποτελέσματα εκφράζονται σε mg/lt TOC. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 20

22 Εικόνα Αυτόματος αναλυτής TOC Στον πίνακα δίνονται συσχετίσεις μεταξύ BOD, COD και TOC. Εάν ο λόγος BOD/COD για ανεπεξέργαστα υγρά απόβλητα είναι ίσος με 0,5 ή μεγαλύτερος, τότε τα απόβλητα θεωρούνται ότι είναι εύκολα επεξεργάσιμα με βιολογικές μεθόδους. Εάν ο λόγος είναι μικρότερος από 0,3, τότε τα απόβλητα μπορεί να περιέχουν ορισμένα τοξικά στοιχεία, ενώ ταυτόχρονα προσαρμοσμένοι μικροοργανισμοί απαιτούνται για τη σταθεροποίησή τους. Ο αντίστοιχος λόγος BOD/TOC για ανεπεξέργαστα απόβλητα ποικίλλει από 1,2 έως 2,0. Πίνακας Συσχετίσεις μεταξύ BOD, COD και TOC Είδος αποβλήτων BOD/COD BOD/TOC Ανεπεξέργαστα απόβλητα 0,3 0,8 1,2 2,0 Μετά από πρωτοβάθμια επεξεργασία 0,4 0,6 0,8 1,2 Εκροή 0,1 0,3 0,2 0,5 2.3 Το άζωτο Το άζωτο είναι βασικό στοιχείο για τη σύνθεση των πρωτεϊνών και οι γνώσεις για τη μορφή με την οποία βρίσκεται στα απόβλητα καθώς επίσης και οι συγκεντρώσεις του σε οποιαδήποτε μορφή, είναι απαραίτητες για τη διαδικασία αξιολόγησης της αποτελεσματικότητας των βιολογικών διεργασιών επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων. Tο ολικό άζωτο (Total Nitrogen, TN) κατανέμεται σε ανόργανο άζωτο (Total Inorganic Nitrogen, TIN) το οποίο περιλαμβάνει τα νιτρώδη (ΝΟ - 2 ) και τα νιτρικά (ΝΟ - 3 ) άλατα, και σε οργανικό άζωτο (Total Organic Nitrogen, TON). Στο οργανικό άζωτο ανήκει η αμμωνία στην αέρια μορφή (ΝΗ 3 ) ή στην ιοντική της μορφή (ΝΗ + 4 ), η ουρία (NH 2 CONH 2 ) και το άζωτο των πρωτεϊνών. Το αμμωνιακό και το οργανικό άζωτο αποτελούν το άζωτο Kjeldahl (ΤΚΝ). Στο Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 21

23 σχήμα και στον πίνακα παρέχονται χρήσιμες πληροφορίες για όλους τους συμβολισμούς και τις μορφές του αζώτου. Νιτρικά (ΝΟ 3- ) Ολικό Άζωτο (ΤΝ) Ανόργανο (ΤΙΝ) Οργανικό Νιτρώδη (ΝΟ 2- ) Αμμωνία Ουρία (ΝΗ 2 CONH 2 ) Πρωτεΐνες Αέρια μορφή (ΝΗ 3 ) Ιοντική μορφή (ΝΗ 4+ ) Kjeldahl (ΤΚΝ) Αμμωνιακό + Οργανικό Σχήμα Μορφές και συμβολισμοί των διαφόρων μορφών του αζώτου Το οργανικό κλάσμα του αζώτου το οποίο βρίσκεται στα απόβλητα σε διαλυτή ή σωματιδιακή μορφή, αποτελείται κυρίως από αμινοξέα, αμινοσακχαρίτες, πρωτεΐνες και ουρία (ΝΗ 2 CONH 2 ). Ανεπαρκής ποσότητα αζώτου στα αστικά λύματα μπορεί πολλές φορές να επιβάλλει την προσθήκη αζώτου προκειμένου να διευκολυνθεί η επεξεργασία τους. Η κατανομή της αμμωνίας και των αμμωνιακών ιόντων στα υγρά απόβλητα εξαρτάται συνήθως από το ph. Σε απόβλητα με χαμηλό ph κυριαρχεί το άζωτο με τη μορφή των αμμωνιακών ιόντων (NH + 4 ), ενώ σε υψηλότερες τιμές ph κυριαρχεί η αμμωνία (ΝΗ 3 ). Τα νιτρώδη ιόντα (NO - 2 ) τα οποία είναι ιδιαίτερα τοξικά και αποτελούν δείκτη προϋπάρχουσας ρύπανσης στα φυσικά νερά, σπάνια υπάρχουν σε υψηλή συγκέντρωση στα υγρά απόβλητα. Συνήθως οξειδώνονται πολύ γρήγορα σε νιτρικά ιόντα (NO - 3 ). Τα νιτρώδη που τυχόν βρίσκονται στις εκροές των Ε.Ε.Λ. οξειδώνονται από το χλώριο κατά την απολύμανση και αυτό οδηγεί στην αύξηση της δόσης του χλωρίου και επομένως και στο κόστος της απολύμανσης. Η υπερίσχυση των νιτρικών (NO - 3 ) ιόντων, τα οποία αποτελούν τη πιο οξειδωμένη μορφή του αζώτου στα υγρά απόβλητα, υποδηλώνει ότι τα απόβλητα σταθεροποιήθηκαν αναφορικά με τις απαιτήσεις σε οξυγόνο. Το αζωτούχο (ΤΚΝ) ρυπαντικό φορτίο των φρέσκων ανεπεξέργαστων αστικών λυμάτων κυμαίνεται από mg/lt ή 10 gr/κατ. ημ. Οι ευαίσθητοι φυσικοί αποδέκτες επεξεργασμένων εκροών απαιτούν πάντα την απομάκρυνση του αζώτου από τα υγρά απόβλητα (δηλαδή Ν Tot < 3,0 mg/lt), επειδή το άζωτο όπως και ο φώσφορος σαν θρεπτικά Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 22

24 συστατικά, προκαλούν το πρόβλημα του ευτροφισμού και τελικά της αποξυγόνωσης των φυσικών νερών. Ο ευτροφισμός συνίσταται στην υπερβολική αύξηση της πρωτογενούς παραγωγικότητας μιας υδάτινης μάζας, με δυσμενή αποτελέσματα στα φυσικοχημικά και βιολογικά χαρακτηριστικά των νερών και της χρήσης της. Πίνακας Μορφές και συμβολισμοί των διαφόρων μορφών του αζώτου Μορφή του αζώτου Συμβολισμός Περιλαμβάνει τον προσδιορισμό Αμμωνία (αέρια μορφή) ΝΗ 3 ΝΗ 3 Αμμωνιακά ιόντα ΝΗ 4 + ΝΗ 4 + Ολικό αμμωνιακό άζωτο ΤΑΝ ΝΗ 3 + ΝΗ 4 + Νιτρώδη ιόντα - ΝΟ 2 Νιτρικά ιόντα - ΝΟ 3 - ΝΟ 2 - ΝΟ 3 Ολικό ανόργανο άζωτο ΤΙΝ + ΝΗ 3 + ΝΗ 4 + ΝΟ ΝΟ 3 Ολικό άζωτο Kjeldahl ΤΚΝ + Οργανικό Ν + ΝΗ 3 + ΝΗ 4 Οργανικό άζωτο Οργανικό Ν ΤΚΝ (ΝΗ 3 + ΝΗ + 4 ) Ολικό άζωτο ΤΝ + Οργανικό Ν + ΝΗ 3 + ΝΗ 4 + ΝΟ ΝΟ Ο φώσφορος Η συγκέντρωση του φωσφόρου (Ρ) ο οποίος αποτελεί βασικό συστατικό για τη σύνθεση του κυτταρικού ιστού των μικροοργανισμών, στα φρέσκα ανεπεξέργαστα αστικά λύματα κυμαίνεται από 5 30 mg/lt. Στις οργανικές ενώσεις των λυμάτων ανήκει περίπου το 75 % του συνολικά υπάρχοντος φωσφόρου, ενώ ο υπόλοιπος (25 % περίπου) βρίσκεται στα υγρά απόβλητα κυρίως με τη μορφή των ορθοφωσφορικών (ΡΟ 3-4, ΗΡΟ 2-4, Η 2 ΡΟ - 4, Η 3 ΡΟ 4 ) διαλυτών ιόντων από % και πολυφωσφορικών (P 2 O 2-7 ) ιόντων τα οποία είναι περίπλοκα μόρια, αλλά και με τη μορφή άλλων οργανικών φωσφορικών ενώσεων. Ο οργανικά δεσμευμένος φώσφορος δεν έχει ιδιαίτερη σημασία για τα αστικά λύματα, τα δε ορθοφωσφορικά ιόντα χρησιμεύουν για το βιολογικό μεταβολισμό χωρίς να διασπώνται περαιτέρω. Το φορτίο επιβάρυνσης των λυμάτων με φώσφορο υπολογίζεται συνήθως με τιμές περίπου 2 4 gr/κατ. ημ. Ένα ποσοστό της τάξης του 10 % έως 30 % της εισερχόμενης ποσότητας φωσφόρου απομακρύνεται από τους μικροοργανισμούς κατά τη διάρκεια της βιολογικής επεξεργασίας στις δεξαμενές αερισμού, ενώ το σύνολο σχεδόν των φωσφορικών ενώσεων μετατρέπεται σε διαλυτά ορθοφωσφορικά ιόντα. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 23

25 Λόγω των φαινομένων ευτροφισμού που δημιουργεί ο φώσφορος στα επιφανειακά νερά πρέπει να απομακρυνθεί από τα υγρά απόβλητα. H συγκέντρωσή του στην εκροή των Ε.Ε.Λ. καθορίζεται από τον χαρακτηρισμό και τις ωφέλιμες χρήσεις του αποδέκτη όπως ισχύει και για τους άλλους ρύπους. Αυτό σημαίνει ότι ο βαθμός απόδοσης του συστήματος και η διαδικασία επεξεργασίας που επιλέγεται είναι άμεσα συνυφασμένη με τον αποδέκτη και τις χρήσεις του. Σε γενικές γραμμές, όταν πρόκειται για ευαίσθητους αποδέκτες, δηλαδή γλυκά επιφανειακά νερά, θεωρείται ικανοποιητική η ποσότητα του φωσφόρου στην απορροή όταν αυτή δεν υπερβαίνει τα 2,0 mg/lt. H πρακτική που ακολουθείται πάντως, εφόσον αποφασίζεται απομάκρυνση του φωσφόρου, αποβλέπει απομάκρυνση της τάξης του 90 έως και 95 %. 2.5 Οι στερεές ουσίες στα υγρά απόβλητα Οι στερεές ουσίες των υγρών αποβλήτων ανόργανες ή οργανικές, κατατάσσονται σε αδιάλυτες, και διαλυμένες. Υπάρχουν ακόμα και οι κολλοειδούς μορφής ουσίες. Ιδιαίτερο όμως ενδιαφέρον παρουσιάζει η περαιτέρω κατηγοριοποίηση των στερεών σε αιωρούμενα, διαλυμένα, καθιζάνοντα, πτητικά κ.λ.π. Ουσίες στο νερό και στα απόβλητα Αδιάλυτες Κολλοειδείς Διαλυμένες Επιπλέουσες Αιωρούμενες Καθιζάνουσες Σχήμα Ουσίες στο νερό και στα απόβλητα Η διάκριση αφορά τα Ολικά στερεά - Total Solids (TS), τα Ολικά πτητικά στερεά - Total Volatile Solids (TVS), το Υπόλειμμα ολικών στερεών - Total Fixed Solids (TFS), τα Ολικά αιωρούμενα στερεά - Total Suspended Solids (TSS), τα Πτητικά αιωρούμενα στερεά - Volatile Suspended Solids (VSS) και το Υπόλειμμα αιωρούμενων στερεών - Fixed Suspended Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 24

26 Solids (FSS) για την αξιολόγηση - διερεύνηση της πλέον κατάλληλης εφαρμογής - διεργασίας για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων. Αφορά ακόμα τα Ολικά διαλυμένα στερεά - Total Dissolved Solids TDS (TS-TSS), τα Πτητικά διαλυμένα στερεά - Volatile Dissolved Solids (VDS) και το Υπόλειμμα διαλυμένων στερεών - Fixed Dissolved Solids (FDS), τα οποία χρησιμοποιούνται για να αξιολογηθεί η δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης των υγρών αποβλήτων. Τα καθιζάνοντα στερεά - Settleable Solids, χρησιμοποιούνται προκειμένου να προσδιοριστούν τα στερεά που καθιζάνουν με βαρύτητα σε μια καθορισμένη χρονική περίοδο. Στους πίνακες και παρουσιάζονται συνοπτικά τα χαρακτηριστικά και η σύσταση τυπικών αστικών λυμάτων καθώς και οι παραγόμενες ποσότητες ρύπανσης σε gr/κατ. ημ. ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΣ Πίνακας Χαρακτηριστικά τυπικών αστικών λυμάτων ΡΥΠΑΝΣΗ gr/κατ. ημ. ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ mg/lt Ολικά στερεά Πτητικά στερεά Αιωρούμενα στερεά Οργανική ύλη ως ΒOD Οργανική ύλη ως COD Ολικό άζωτο Αμμωνία Νιτρώδη & Νιτρικά < 1 < 5 Ολικός φώσφορος Ολικά κολοβακτηριοειδή αποικ./ml Κολοβακτηριοειδή κοπράνων αποικ./ml Πίνακας Αστικά λύματα, Συγκέντρωση (mg/lt) - Παραγόμενη ρύπανση (gr/κατ. ημ) Είδος Καθιζάνοντα στερεά Αιωρούμενα στερεά Διαλυμένες ουσίες mg/lt Ανόργανα Οργανικά ΣΥΝΟΛΟ BOD 5 gr/κατ. ημ mg/lt gr/κατ. ημ mg/lt gr/κατ. ημ mg/lt gr/κατ. ημ ΣΥΝΟΛΟ Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 25

27 2.6 Οι μικροοργανισμοί Οι μικροοργανισμοί παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στον έλεγχο της ποιότητας του νερού και των υγρών αποβλήτων. Είναι υπεύθυνοι για πολλές ασθένειες που μεταδίδονται μέσω των νερών, για την οσμή και τη γεύση του πόσιμου νερού, τη διάβρωση των μετάλλων και του σκυροδέματος καθώς επίσης και για τον ευτροφισμό των υδάτινων οικοσυστημάτων. Η αφομοίωση των ρύπων, κυρίως των οργανικών ουσιών στα υδάτινα οικοσυστήματα, επιτυγχάνεται με βιολογικό αυτοκαθαρισμό του νερού χάρη στους μικροοργανισμούς. Αυτήν ακριβώς την δραστηριότητα των μικροοργανισμών, δηλαδή την αποικοδόμηση των οργανικών ουσιών (ρύπων), εκμεταλλευόμαστε ευρύτατα στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων. Η σπουδαιότητα των βιολογικών χαρακτηριστικών των υγρών αποβλήτων συνίσταται σε λόγους προστασίας της υγείας των ανθρώπων από τους παθογόνους μικροοργανισμούς ανθρώπινης προέλευσης και τη σημασία των βακτηρίων και άλλων μικροοργανισμών στην αποικοδόμηση και την σταθεροποίηση της οργανικής ύλης. Αποτέλεσμα για παράδειγμα του μεταβολισμού των αερόβιων ετερότροφων οργανισμών είναι η κατανάλωση οργανικού άνθρακα για σύνθεση καθώς και οξυγόνου για οξείδωση. Οι μικροοργανισμοί κατατάσσονται σε φυτικούς (Βακτήρια, Μύκητες, Φύκια) και ζωικούς (Πρωτόζωα, Έλμινθες, Μαλακόστρακα). Πολύ σημαντική είναι όμως για τη βιοτεχνολογία η κατηγοριοποίηση των μικροοργανισμών που παρουσιάζεται στο σχήμα 2.6. Κατηγοριοποίηση των μικροοργανισμών Με βάση την πηγή άνθρακα Με βάση την πηγή ενέργειας Με βάση τον μεταβολισμό Με βάση την απαίτηση σε οξυγόνο Με βάση τη θερμοκρασία Αυτότροφοι Φωτότροφοι Φωτοαυτότροφοι Αερόβιοι Ψυχρόφιλοι Ετερότροφοι Χημειότροφοι Φωτοετερότροφοι Αναερόβιοι Μεσόφιλοι Χημειοαυτότροφοι Επαμφοτερίζοντες Θερμόφιλοι Χημειοετερότροφοι Σχήμα 2.6. Ταξινόμηση των μικροοργανισμών Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 26

28 Αυτότροφοι ή αυτοτροφικοί είναι οι μικροοργανισμοί οι οποίοι για να παρασκευάσουν κυτταρική ύλη χρησιμοποιούν ανόργανο άνθρακα που βρίσκεται στο νερό με τη μορφή του διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) και των προϊόντων ιονισμού του. Ετερότροφοι ή ετεροτροφικοί είναι οι μικροοργανισμοί οι οποίοι χρησιμοποιούν άνθρακα ενσωματωμένο σε οργανικές ουσίες (οργανικό άνθρακα). Φωτότροφοι ή φωτοσυνθετικοί είναι οι μικροοργανισμοί για τους οποίους πηγή ενέργειας είναι το ηλιακό φως. Χημειότροφοι ή χημικοσυνθετικοί είναι οι μικροοργανισμοί για τους οποίους πηγή ενέργειας είναι διάφορες χημικές ενώσεις. Αυτοί χρησιμοποιούν ως πηγή ενέργειας την οξείδωση οργανικών ή ανόργανων ουσιών. Εικόνα 2.6. Μικροοργανισμοί που σχετίζονται με τη λειτουργία της Ε.Ε.Λ. Οι παθογόνοι μικροοργανισμοί οι οποίοι βρίσκονται στα υγρά απόβλητα προέρχονται από απεκκρίσεις ανθρώπων ή ζώων που έχουν προσβληθεί από μολυσματική ασθένεια ή είναι φορείς αυτής. Με τα βακτήρια εκτιμάται η παρουσία παθογενών μικροοργανισμών και η αποτελεσματικότητα της απολύμανσης ενώ με άλλους ειδικούς μικροοργανισμούς εκτιμάται η λειτουργία της Ε.Ε.Λ. καθώς και η δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης των λυμάτων μέσω των ελέγχων τοξικότητας. Εικόνα 2.7. Μικροβιολογικές αναλύσεις με τη μέθοδο των διηθητικών μεμβρανών για τον έλεγχο της παθογένειας του νερού Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 27

29 Εικόνα 2.8. Daphnia magna Vibrio fischeri (Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για ελέγχους τοξικότητας) Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 28

30 3. Πρωτοβάθμια επεξεργασία αστικών λυμάτων 3.1 Γενικά Η πρωτοβάθμια ή μηχανική επεξεργασία περιλαμβάνει τον εσχαρισμό, την αμμοσυλλογή, τη λιποσυλλογή και την πρωτοβάθμια καθίζηση. Σ αυτό το τμήμα της εγκατάστασης απομακρύνονται από τα λύματα όλες οι ανόργανες φερτές ύλες και από τις οργανικές ουσίες αυτές που καθιζάνουν και αυτές που επιπλέουν. Εισροή Σχάρες Αμμοσυλλέκτης Πρωτοβάθμια Καθίζηση Εκροή Εσχαρίσματα Άμμος Ιλύς Σχήμα Πρωτοβάθμια ή μηχανική επεξεργασία αστικών λυμάτων Απόδοση μηχανικού καθαρισμού: - Μείωση αιωρουμένων σωματιδίων (TSS) κατά %. - Μείωση οργανικού φορτίου ως BOD 5 κατά %. 3.2 Εσχάρωση Με την είσοδό τους στην Ε.Ε.Λ. τα λύματα διέρχονται από σχάρες όπου συγκρατούνται τα ευμεγέθη στερεά όπως τεμάχια ξύλου, πανιά, γυαλιά, πλαστικά, φλοιοί φρούτων και λαχανικών κ.λ.π. τα οποία είναι δυνατόν να προκαλέσουν εμφράξεις στις σωληνώσεις και τις αντλίες της εγκατάστασης παρεμποδίζοντας την επεξεργασία των λυμάτων. Μερικές φορές τοποθετούνται στη σειρά διαδοχικά σχάρες με μεγάλο και μετά σχάρες με μικρό άνοιγμα. Ο βαθμός καθαρισμού των λυμάτων (απόδοση) είναι φυσικά διαφορετικός. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 29

31 Οι σχάρες είναι διατάξεις οι οποίες κατασκευάζονται συνήθως από κεκλιμένες ράβδους από ανοξείδωτο χάλυβα ορθογώνιας διατομής με στρογγυλεμένες ακμές. Η απόσταση των ράβδων ποικίλει από μερικά χιλιοστά έως μερικά εκατοστά. Υπάρχουν σχάρες με μεγάλο άνοιγμα (απόσταση ράβδων mm) οι οποίες καθαρίζονται χειρονακτικά, σχάρες με μικρό άνοιγμα (απόσταση ράβδων 6 40 mm) και σχάρες με πολύ μικρό άνοιγμα (απόσταση ράβδων 3 6 mm) οι οποίες καθαρίζονται με μηχανικά μέσα. Οι διατάξεις που συνήθως χρησιμοποιούνται είναι μηχανικά αυτοκαθαριζόμενες σχάρες. Σχάρες χρησιμοποιούνται όπου αλλού απαιτείται προστασία ευαίσθητων τμημάτων της Ε.Ε.Λ. (π.χ. σίφωνες). Εικόνα Σχάρες Τα εσχαρίσματα που προκύπτουν από τον εσχαρισμό των λυμάτων συμπιέζονται ελαφρά, αφυδατώνονται και οδηγούνται σε χώρους υγειονομικής ταφής στερεών αποβλήτων. Απόδοση εσχαρισμού αποβλήτων (εξαρτάται από το άνοιγμα των σχαρών και την κατά μέγεθος κατανομή των αιωρούμενων σωματιδίων των αποβλήτων): - Μείωση αιωρουμένων σωματιδίων (TSS) κατά 5 10 %. - Μείωση οργανικού φορτίου ως BOD 5 κατά 0 10 %. Μεγαλύτερες αποδόσεις επιτυγχάνονται με πιο λεπτές σχάρες. 3.3 Εξάμμωση και Λιποσυλλογή (Αμμοσυλλέκτες) H άμμος που υπάρχει στα λύματα πρέπει να απομακρυνθεί μόλις τα λύματα εισέλθουν στην Ε.Ε.Λ. γιατί δημιουργεί προβλήματα στην λειτουργία της. Κατακάθεται στον πυθμένα των δεξαμενών καθίζησης και φθείρει τον μηχανολογικό εξοπλισμό των δεξαμενών (αναδευτήρες, σαρωτές, αντλίες κ.λ.π.). Επίσης αυξάνει τον απαιτούμενο όγκο των δεξαμενών επεξεργασίας ιλύος. Οι διατάξεις που χρησιμοποιούνται για την εξάμμωση Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 30

32 ονομάζονται αμμοσυλλέκτες και η λειτουργία τους βασίζεται είτε στην επίδραση της βαρύτητας είτε στην επίδραση της φυγόκεντρης δύναμης. Η διάταξη της εξάμμωσης, δηλαδή ο αμμοσυλλέκτης, είναι στην πραγματικότητα μια δεξαμενή καθίζησης στην οποία τα διακεκριμένα στερεά τα οποία βρίσκονται σε υγρό με μικρότερη πυκνότητα, επιταχύνονται μέχρις ότου φθάσουν να κινούνται με μια τερματική ή οριακή ταχύτητα. Τότε η δύναμη βαρύτητας εξισορροπείται με τη οπισθέλκουσα δύναμη με αποτέλεσμα την καθίζηση των στερεών. Ο στόχος είναι ο διαχωρισμός των κόκκων άμμου, των σωματιδίων αργίλου ή των άλλων αδρανών υψηλής πυκνότητας, με διάμετρο μεγαλύτερη από 200 μm που δεν είναι οργανικά και έχουν ταχύτητες καθίζησης σημαντικά μεγαλύτερες από εκείνες των οργανικών στερεών. H ταυτόχρονη καθίζηση και μικρής ποσότητας οργανικών ουσιών αντιμετωπίζεται με διατάξεις πλύσης της άμμου οι οποίες τοποθετούνται στους αμμοσυλλέκτες. Οι κόκκοι της άμμου καθιζάνουν με ταχύτητες που εξαρτώνται από τις διαστάσεις και το ειδικό τους βάρος. Στους αμμοσυλλέκτες τα λύματα δεν είναι στάσιμα αλλά βρίσκονται σε συνεχή ροή. Συνεπώς και η ροή (στρωτή ή τυρβώδης) παίζει σημαντικό ρόλο καθώς επίσης και η θερμοκρασία των λυμάτων. Με στρωτή ροή η καθίζηση της άμμου γίνεται ομαλά, με την ίδια ταχύτητα όπως και στα στάσιμα νερά. Όταν όμως η ροή δεν είναι στρωτή η καθίζηση της άμμου επιβραδύνεται και δημιουργούνται προβλήματα στον αμμοσυλλέκτη. Συγκεκριμένα οι υπερβολικά μικρές ταχύτητες οδηγούν στη καθίζηση οργανικών σωματιδίων με επακόλουθο τη σήψη των οργανικών ενώσεων και τις δυσάρεστες οσμές. Εικόνα Αμμοσυλλέκτες Οι αμμοσυλλέκτες είναι απολύτως απαραίτητοι σε όλες τις Ε.Ε.Λ. ιδιαίτερα όμως σε παντορροϊκά συστήματα αποχέτευσης, επειδή σε περιπτώσεις μεγάλης βροχής συμπαρασύρονται μεγάλες ποσότητες άμμου, οι οποίες λόγω μεγάλου στροβιλισμού παραμένουν σε αιώρηση. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 31

33 Οι κυριότεροι τύποι αμμοσυλλεκτών είναι οι οριζόντιοι, οι κατακόρυφοι, οι κυκλικοί. Οι αμμοσυλλέκτες μπορεί να είναι αεριζόμενοι ή μη. Η απομάκρυνση της άμμου γίνεται με το χέρι σε μικρές εγκαταστάσεις και με αντλίες ή ξέστρα που αναρτώνται σε κινούμενες γέφυρες σε μεγάλες εγκαταστάσεις. Η άμμος συνήθως πλένεται αφυδατώνεται και απομακρύνεται. Τα λίπη και τα έλαια τα οποία υπάρχουν στα υγρά απόβλητα δημιουργούν προβλήματα στο στάδιο της βιολογικής επεξεργασίας των λυμάτων. Η λιποσυλλογή μπορεί να πραγματοποιηθεί πριν ή και ταυτόχρονα με την αμμοσυλλογή. Συνήθως χρησιμοποιείται η μέθοδος της επίπλευσης επειδή τα λίπη έχουν την ικανότητα να επιπλέουν στην επιφάνεια των υγρών αποβλήτων, απ όπου απομακρύνονται συνήθως με ξέστρα επιφανείας ή με αναρρόφηση. 3.4 Καθίζηση (πρωτοβάθμια) Με την καθίζηση επιτυγχάνεται ο διαχωρισμός από τα λύματα των ουσιών που καθιζάνουν και αυτών που επιπλέουν. Πρόκειται για μια φυσική διεργασία διαχωρισμού των αιωρούμενων σωματιδίων, το ειδικό βάρος των οποίων είναι μεγαλύτερο από το αντίστοιχο του νερού. Για σωματίδια με μέσο μέγεθος μεγαλύτερο από 100 μm και συγκέντρωση μεγαλύτερη από 50 mg/lt, η καθίζηση είναι η κατ εξοχήν εφαρμοζόμενη μέθοδος διαχωρισμού. Στηρίζεται στo φαινόμενο της βαρύτητας και εφαρμόζεται για την απομάκρυνση διαφόρων στερεών που καθιζάνουν. Η καθίζηση εφαρμόζεται: για την απομάκρυνση της άμμου στους αμμοσυλλέκτες, για την απομάκρυνση των TSS (πρωτοβάθμια καθίζηση), για την απομάκρυνση των βιολογικών κροκίδων μετά από βιολογική επεξεργασία (δευτεροβάθμια καθίζηση), για την απομάκρυνση των χημικών κροκίδων (μετά από χημική κροκίδωση), για την πάχυνση (πύκνωση) των στερεών στους παχυντές ιλύος. Η ευρεία χρήση της καθίζησης οφείλεται στην απλότητα της μεθόδου, παρά τις περιπλοκές που παρουσιάζουν πολλές φορές διάφορες δεξαμενές καθίζησης, και στη μικρή κατανάλωση ενέργειας. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 32

34 Τα σωματίδια καθιζάνουν με βαρύτητα και η ταχύτητα καθίζησης σε ηρεμία εξαρτάται από το μέγεθος, το ειδικό βάρος και το σχήμα των σωματιδίων καθώς και την κινηματική συνεκτικότητα του ρευστού, η οποία είναι συνάρτηση και της θερμοκρασίας. Ο πίνακας και το σχήμα παρουσιάζουν τα χαρακτηριστικά καθίζησης ορισμένων αιωρουμένων σωματιδίων. Πίνακας Χαρακτηριστικά καθίζησης αιωρουμένων σωματιδίων Υλικό Μέγεθος (μm) Χρόνος καθίζησης 1,0 m Χαλαζίας (άμμος) δευτερόλεπτο δευτερόλεπτα δευτερόλεπτα Ιλύς λεπτά Βακτήρια ώρες Κολλοειδή 0,1 Πάρα πολλές ημέρες Σχήμα Ταχύτητα καθίζησης διαφόρων σωματιδίων Η πρωτοβάθμια καθίζηση γίνεται σε ορθογώνιες, ή κυκλικές δεξαμενές (σχήμα 3.4.2) όπου τα στερεά καθιζάνουν σε συνθήκες ηρεμίας κάτω από την επίδραση της βαρύτητας. Ο χρόνος παραμονής κυμαίνεται από 1,5 3,0 ώρες, με βάση τη μέση παροχή των λυμάτων. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 33

35 Σχήμα Δεξαμενές καθίζησης Στο σχήμα παρουσιάζεται το σκαρίφημα μιας ορθογώνιας δεξαμενής καθίζησης. Σε κάθε δεξαμενή καθίζησης κατασκευάζεται προσαγωγός αγωγός ή διάταξη εισόδου με στόχο την ομοιόμορφη κατανομή της παροχής και ομαλή χωρίς στροβιλισμούς ροή. Η είσοδος (1) των υγρών στη δεξαμενή καθίζησης γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε να μειώνονται οι αναταράξεις / αναδεύσεις και να επιτυγχάνεται η καθίζηση. Αυτό επιτυγχάνεται με τις διατάξεις ηρεμίας. Η έξοδος (2) των διαυγασμένων αποβλήτων γίνεται με ειδική διάταξη (υπερχειλιστή) για ομοιόμορφη απομάκρυνση των εξερχόμενων σε όλη την περιφέρεια ή σε όλη τη διάταξη εξόδου Σχήμα Σκαρίφημα ορθογώνιας δεξαμενής καθίζησης Σε κάθε δεξαμενή καθίζησης υπάρχει το ξέστρο ιλύος (3) και ο κώνος συγκέντρωσης ιλύος (4). Η ιλύς που καθιζάνει απομακρύνεται προς τον κώνο συγκέντρωσης με τη βοήθεια του Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 34

36 ξέστρου. Το ξέστρο κινείται με μικρή ταχύτητα για αποφυγή επαναιώρησης της ιλύος. Υπάρχουν ακόμα τα συστήματα συλλογής και απομάκρυνσης των επιπλεόντων (5). Απαγωγός επιπλεόντων Ζώνη καθίζησης Ζώνη καθίζησης Ιλύς Ιλύς Κώνος ιλύος Εισροή Βραχίονας σαρωτή Ιλύς Σχήμα Σκαρίφημα κυκλικής δεξαμενής καθίζησης Εικόνα Ορθογώνια και κυκλική δεξαμενή καθίζησης Οι παράγοντες που επηρεάζουν την καθίζηση, δηλαδή την απόδοση των δεξαμενών, είναι η μεταβολή της πυκνότητας του νερού (συγκέντρωση αλάτων, θολότητα, θερμοκρασία), οι διατάξεις ηρεμίας κατά την εισροή του νερού, οι άνεμοι, και οι μηχανισμοί απομάκρυνσης της ιλύος. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 35

37 Πίνακας Τυπικές διαστάσεις για ορθογωνικές και κυκλικές δεξαμενές για πρωτοβάθμια καθίζηση Εύρος τιμών Τυπική τιμή Ορθογώνιες Βάθος 3 5 m 4,3 m Μήκος m m Πλάτος 3 24 m 5 10 m Ταχύτητα ξέστρων 0,6 1,2 m/min 0,9 m/min Κυκλικές Βάθος 3 5 m 4,3 m Διάμετρος 3 60 m m Κλίση πυθμένα 1/16-1/6 1/12 Ταχύτητα ξέστρων 0,02 0,05 r/min 0.03 r/min Εικόνα Κυκλικές δεξαμενές καθίζησης Απόδοση πρωτοβάθμιας καθίζησης: - Μείωση αιωρουμένων σωματιδίων (TSS) κατά %. - Μείωση οργανικού φορτίου ως BOD 5 κατά %. Σημειώνεται ότι ο βαθμός απόδοσης των δεξαμενών πρωτοβάθμιας καθίζησης καθορίζεται από τη μέθοδο επεξεργασίας που θα εφαρμοστεί περαιτέρω. Όταν εφαρμόζεται μόνο Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 36

38 μηχανική επεξεργασία, η καθίζηση θέτει αυστηρά όρια και έτσι στην εκροή από τις δεξαμενές, δεν επιτρέπεται μεγαλύτερη περιεκτικότητα από 0.3 cm 3 /lt σε καθιζάνουσα ιλύ. Στην περίπτωση της βιολογικής επεξεργασίας με τη μέθοδο της αιωρούμενης βιομάζας, οι απαιτήσεις στο βαθμό απόδοσης των δεξαμενών πρωτοβάθμιας καθίζησης είναι σχετικά μικρές. Πολλές φορές αρκεί μόνο η απομάκρυνση των πλέον μεγάλων σωματιδίων. Αντίθετα οι απαιτήσεις στην εκροή από τις δεξαμενές τελικής καθίζησης οι οποίες τοποθετούνται μετά τη βιολογική και χημική επεξεργασία για να συγκρατήσουν τους βιολογικούς και χημικούς θρόμβους είναι πολύ αυστηρές. Περισσότερα για τις δεξαμενές αυτές αναφέρονται παρακάτω. Η ιλύς που προκύπτει από τις δεξαμενές πρωτοβάθμιας καθίζησης (συνήθως 45 gr/κατ. ημ.) περιέχει κυρίως ανόργανες ουσίες, δηλαδή πολλά αδρανή υλικά όπως άμμο, χώμα κ.λ.π. Πρόκειται για ιλύ η οποία αφυδατώνεται σχετικά εύκολα. Η περιεκτικότητά της σε στερεά είναι συνήθως 2,5 3,0 %. Με δεδομένο ότι τα λύματα στο στάδιο του μηχανικού καθαρισμού δεν έχουν ακόμα υποστεί βιολογική επεξεργασία, η ιλύς της πρωτοβάθμιας καθίζησης περιέχει και πολύ μεγάλο ποσοστό οργανικών ουσιών. Γι αυτό το λόγο απαιτείται οπωσδήποτε σταθεροποίηση πριν την τελική της διάθεση. Εικόνα Υπερχειλιστής και διάταξη απαγωγής επιπλεόντων σε κυκλική δεξαμενή καθίζησης Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 37

39 Εικόνα Σαρωτής ιλύος και κώνος συγκέντρωσης ιλύος σε κυκλική δεξαμενή καθίζησης Πίνακας Η καθίζηση ως μέθοδος απομάκρυνσης ρυπαντών από τα υγρά απόβλητα Ρυπαντής Αιωρούμενη οργανική ύλη Διαλυμένη οργανική ύλη Αμμωνιακό άζωτο Κροκίδωση και καθίζηση Πρωτοβάθμια καθίζηση ΚΑΛΗ - ΑΡΙΣΤΗ ΜΕΤΡΙΑ ΚΑΛΗ ΚΑΚΗ ΜΕΤΡΙΑ Βιολογική επεξεργασία και καθίζηση ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ Προσθήκη χημικών στην εισροή, βιολογική επεξεργασία και καθίζηση ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ - ΚΑΚΗ ΚΑΚΗ Ανόργανο άζωτο Φώσφορος ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ - - ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ Σουλφίδια Πτητικές οργανικές ενώσεις (VOC) Ημιπτητικές οργανικές ενώσεις (SOC) ΚΑΚΗ ΜΕΤΡΙΑ Φυτοφάρμακα Βαριά μέταλλα ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΚΗ ΜΕΤΡΙΑ Παθογόνοι μικροοργανισμοί ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΚΗ ΚΑΚΗ ΚΑΚΗ ΚΑΚΗ Κακή: 0-20%, Μέτρια: 20-60%, Καλή: 60-90%, Άριστη: % Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 38

40 4. Δευτεροβάθμια επεξεργασία αστικών λυμάτων 4.1 Γενικά Η δευτεροβάθμια επεξεργασία των αστικών λυμάτων ακολουθεί συνήθως την πρωτοβάθμια και αποσκοπεί στη περαιτέρω μείωση του διαλυτού οργανικού φορτίου (BOD) και των αιωρούμενων στερεών (S.S.), ενώ ακόμα μπορεί να στοχεύει στη μείωση των αζωτούχων (Ν) και φωσφορικών (Ρ) ενώσεων, που μπορεί να υπάρχουν στα υγρά απόβλητα. Με δεδομένο ότι το κυριότερο ρυπαντικό φορτίο στα αστικά λύματα είναι κατά το μεγαλύτερο μέρος (σε ποσοστό περίπου 70 %) οργανικής σύνθεσης, η βιολογική επεξεργασία των υγρών αποβλήτων στηρίζεται στη βιοχημική αποικοδόμηση και μετατροπή των πολύ λεπτών και διαλυμένων οργανικών ουσιών σε συσσωματώματα, τα οποία στη συνέχεια απομακρύνονται με καθίζηση. Διακρίνεται ανάλογα με τους μικροοργανισμούς οι οποίοι παίζουν το σπουδαιότερο ρόλο και είναι υπεύθυνοι για τη διάσπαση και τη σταθεροποίηση των οργανικών ουσιών σε: αερόβια, κατά την οποία επιτυγχάνεται διάσπαση και σταθεροποίηση από αερόβιους και επαμφοτερίζοντες μικροοργανισμούς, αναερόβια, κατά την οποία επιτυγχάνεται διάσπαση και σταθεροποίηση από αναερόβιους και επαμφοτερίζοντες μικροοργανισμούς και αερόβια-αναερόβια, κατά την οποία επιτυγχάνεται διάσπαση και σταθεροποίηση και από τα τρία είδη των οργανισμών (αερόβιοι, αναερόβιοι και επαμφοτερίζοντες). Κατά τη βιολογική διεργασία οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν ένα μέρος της τροφής (του υποστρώματος) σε διεργασίες αποσύνθεσης, εξασφαλίζοντας την απαιτούμενη για τις λειτουργικές τους ανάγκες ενέργεια, ενώ παράλληλα χρησιμοποιούν ένα άλλο μέρος του υποστρώματος για τη σύνθεση της κυτταρικής τους δομής. 4.2 Αερόβια συστήματα επεξεργασίας λυμάτων Η απομάκρυνση και η σταθεροποίηση της διαλυμένης και της σωματιδιακής οργανικής ύλης που βρίσκεται στα λύματα επιτυγχάνεται βιολογικά με τη χρήση αερόβιων μικροοργανισμών, κυρίως βακτηρίων. Οι μικροοργανισμοί λαμβάνουν ενέργεια καταναλώνοντας στοιχειακό οξυγόνο (Ο 2 ) και οξειδώνουν το οργανικό υλικό των αποβλήτων (την τροφή τους) σε διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), νερό (H 2 O) και επιπρόσθετη βιομάζα (νέα κύτταρα) (σχήμα 4.2.1). Τα θρεπτικά συστατικά (Ν και Ρ) απαιτούνται για τη Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 39

41 μετατροπή της οργανικής ύλης σε απλά τελικά προϊόντα. Ο όρος νέα κυτταρική μάζα χρησιμοποιείται για να αναπαραστήσει τη βιομάζα που παράγεται ως αποτέλεσμα της οξείδωσης της οργανικής ύλης των υγρών αποβλήτων. Η αμμωνία (ΝΗ 3 ) που υπάρχει στα απόβλητα οξειδώνεται από ειδικά βακτήρια σε νιτρώδη (NO - 2 ) και νιτρικά (NO - 3 ) άλατα σε μια διαδικασία η οποία ονομάζεται νιτροποίηση και τα νιτρικά άλατα μετατρέπονται από άλλα ειδικά βακτήρια σε αέριο άζωτο (Ν 2 ) σε μια διαδικασία η οποία ονομάζεται απονιτροποίηση. Έτσι απομακρύνεται το άζωτο από τα απόβλητα. Για την απομάκρυνση του φωσφόρου, οι βιολογικές διεργασίες διαμορφώνονται έτσι ώστε να προάγουν την ανάπτυξη βακτηρίων με την ικανότητα να απορροφούν και να αποθηκεύουν μεγάλα ποσά ανόργανου φωσφόρου. Οργανικές ουσίες λυμάτων + Μικροοργανισμοί + Θρεπτικά συστατικά (Ν, P) + Ο 2 Νέα κυτταρική μάζα + CO 2 + H 2 O Σχήμα Αερόβια βιολογική επεξεργασία λυμάτων Η μέθοδος της αερόβιας επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων βασίζεται στην ανάμιξη και τον αερισμό των αποβλήτων υπό συνθήκες που επιτρέπουν την επικράτηση κατάλληλων αερόβιων μικροοργανισμών, σε βιοαντιδραστήρες, όπου τα διαλυτά και κολλοειδή ρυπαντικά φορτία (εκπεφρασμένα ως οργανικό φορτίο μετρούμενο με το ΒΟD 5, ολικό άζωτο, ολικός φώσφορος κ.λ.π.) μετατρέπονται σε προϊόντα αποσύνθεσης (CO 2, N 2 ) και προϊόντα σύνθεσης (νέα κυτταρική μάζα), τα οποία μπορούν εύκολα να διαχωριστούν και να απομακρυνθούν από την υγρή φάση. Η βιομάζα που παράγεται έχει σχετική πυκνότητα ελαφρώς μεγαλύτερη απ αυτή του νερού και μπορεί να απομακρυνθεί από τα επεξεργασμένα υγρά απόβλητα με καθίζηση με βαρύτητα στις δεξαμενές τελικής καθίζησης. Εάν δεν απομακρυνθεί δεν επιτυγχάνεται ολοκληρωμένη επεξεργασία γιατί η βιομάζα είναι εκ φύσεως οργανικό υλικό και θα προσμετρηθεί ως BOD στην εκροή. Οι βιοαντιδραστήρες σχεδιάζονται κατάλληλα, ώστε να παρέχουν ιδανικές συνθήκες ανάπτυξης των μικροοργανισμών (θερμοκρασία, ph, συγκέντρωση οξυγόνου, Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 40

42 αλκαλικότητα, ανάδευση, κ.α.) και διαστασιολογούνται από την ένταση και το είδος των διεργασιών (αερόβιοι, αναερόβιοι) ενώ οι δεξαμενές καθίζησης είναι κοινές σε όλες τις περιπτώσεις. 4.3 Αναερόβια συστήματα επεξεργασίας λυμάτων Κατά την αναερόβια διεργασία η βιολογική αποικοδόμηση του οργανικού υλικού πραγματοποιείται απουσία οξυγόνου με τη δράση αναερόβιων μικροοργανισμών, οι οποίοι αναπτύσσονται χρησιμοποιώντας ως πηγή ενέργειας τις οργανικές ενώσεις. Τα βασικότερα προϊόντα της αναερόβιας διεργασίας, είναι μεθάνιο (CH 4 ), διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), υδρόθειο (H 2 S), υδρογόνο (Η 2 ), αμμωνία (ΝΗ 3 ) και αναερόβια βιομάζα (σχήμα 4.3.1) Η δημιουργία των προϊόντων εξαρτάται από τις συνθήκες λειτουργίας, τα χαρακτηριστικά της τροφοδοσίας και τα εμπλεκόμενα είδη των μικροοργανισμών. Οργανικές ουσίες λυμάτων + Μικροοργανισμοί + Θρεπτικά συστατικά (Ν, P) Νέα κυτταρική μάζα + CO 2 + CH 4 H 2 S NH 3 H 2 O H 2 Σχήμα Αναερόβια βιολογική επεξεργασία λυμάτων Η αναερόβια αποικοδόμηση είναι μια πολύ αργή και ευαίσθητη διαδικασία στην οποία συμμετέχουν υποχρεωτικά αναερόβιοι μικροοργανισμοί όπως τα αρχαιοβακτήρια και τα μεθανοβακτήρια, τα οποία χαρακτηρίζονται από πολύ χαμηλούς ρυθμούς ανάπτυξης, καθώς και μύκητες και πρωτόζωα. Τα θετικά της αναερόβιας διαδικασίας είναι η παραγωγή μεθανίου (CH 4 ), το οποίο μαζί με το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) συνθέτει το βιοαέριο, ότι δεν απαιτείται αερισμός, ότι επιτυγχάνεται αποικοδόμηση δύσκολα βιοαποικοδομήσιμων ουσιών και ότι υπάρχει πολύ χαμηλή παραγωγή ιλύος. Αναερόβια επεξεργασία εφαρμόζεται ως επί το πλείστον για τη χώνευση ή ζύμωση της ιλύος η οποία προκύπτει από τα συστήματα καθίζησης και για την επεξεργασία πυκνών βιομηχανικών ή άλλων αποβλήτων. Η διεργασία αποικοδόμησης πραγματοποιείται σε δυο Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 41

43 στάδια από διαφορετικές ομάδες μικροοργανισμών. Στο πρώτο στάδιο γίνεται υδρόλυση και ζύμωση των σύνθετων οργανικών ενώσεων με παραγωγή απλών οργανικών οξέων από επαμφοτερίζοντα και αναερόβια βακτήρια, ενώ κατά το δεύτερο στάδιο μετατρέπονται τα οργανικά οξέα σε μεθάνιο (CH 4 ) και διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) από αναερόβια βακτήρια. Λεπτομερέστερη περιγραφή των διεργασιών δίνεται στο κεφάλαιο που αφορά την αναερόβια χώνευση της ιλύος. 4.4 Αερόβια αναερόβια συστήματα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Πρόκειται για συστήματα μικτής επεξεργασίας η οποία πραγματοποιείται σε δεξαμενές ή λίμνες σταθεροποίησης, όπου στο ανώτερο στρώμα διατηρούνται αερόβιες συνθήκες εξαιτίας του ατμοσφαιρικού οξυγόνου ή του παραγόμενου από τα φύκια οξυγόνου με τη διεργασία της φωτοσύνθεσης, ενώ στο κατώτερο στρώμα όπου δεν διεισδύει το φως επικρατούν αναερόβιες συνθήκες. Οι δεξαμενές σταθεροποίησης είναι σχετικά μικρού βάθους λεκάνες με επίπεδο πυθμένα και συνήθως κατασκευάζονται με χωμάτινο ανάχωμα. Το σχήμα και οι ακριβείς διαστάσεις των λιμνών ποικίλουν ανάλογα με τη διεργασία, τον τύπο των αποβλήτων (ποσότητα, ποιοτικά χαρακτηριστικά) και το κλίμα της περιοχής. Το σχήμα μπορεί να είναι στρογγυλό, τετράγωνο ή ορθογώνιο με στρογγυλεμένες γωνίες και το μήκος δεν πρέπει να είναι μεγαλύτερο από το τριπλάσιο του πλάτους. Εικόνα Δεξαμενές ή λίμνες σταθεροποίησης λυμάτων Ο πυθμένας των δεξαμενών πρέπει να είναι επίπεδος, εκτός από το σημείο εισροής, για να διευκολύνεται η συνεχής ροή των αποβλήτων. Η στρογγύλευση των γωνιών βοηθά επίσης τη διατήρηση του υδραυλικού τύπου και αποτρέπει τα νεκρά σημεία στη ροή που μπορεί να δημιουργήσουν επιπτώσεις στην επεξεργασία. Κατά το σχεδιασμό πρέπει να λαμβάνονται υπόψη οι ιδιαιτερότητες της περιοχής της εγκατάστασης όπως ο τύπος του Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 42

44 εδάφους, το κλίμα κ.λ.π., η διαθέσιμη έκταση, η ποσότητα και η ποιότητα των αποβλήτων και το απαιτούμενο επίπεδο επεξεργασίας. Τα τοιχώματα και ο πυθμένας των λιμνών επενδύονται συνήθως με υλικά όπως η άργιλος ή ένα τεχνητό επικαλυπτικό (μπετονίτης, πλαστικό, ελαστικό, σκυρόδεμα ή άλλο υλικό), για να αποτραπεί η ρύπανση του υδροφόρου ορίζοντα από τυχόν διαρροές. Όλες αυτές οι κατασκευές διακρίνονται σε: δεξαμενές σταθεροποίησης ή οξείδωσης (αερόβιες, αερόβιες-αναερόβιες, αναερόβιες) αεριζόμενες δεξαμενές (αερόβιες, αερόβιες-αναερόβιες, παρατεταμένου αερισμού). Οι λίμνες σταθεροποίησης είναι κατάλληλες για μικρές εγκαταστάσεις, εφόσον υπάρχει αρκετή εδαφική έκταση με πρόσφορη τοπογραφική διαμόρφωση και κατάλληλη φύση του εδάφους για την αποφυγή ρύπανσης του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα και λειτουργούν υπό συνθήκες φυσικού ή τεχνητού αερισμού ή και αναερόβια. Ο φυσικός αερισμός στηρίζεται στη διάλυση και διάχυση του ατμοσφαιρικού οξυγόνου στην ανεπτυγμένη επιφάνεια και στη διαδικασία της παραγωγής οξυγόνου με φωτοσύνθεση από τα φύκια. Μια αεριζόμενη λίμνη είναι στην ουσία ένας βιολογικός αντιδραστήρας πλήρους ανάμιξης, χωρίς επανακυκλοφορία, όπου πραγματοποιείται οξείδωση του οργανικού φορτίου. Ο χρόνος παραμονής των αποβλήτων κυμαίνεται από 3 έως 6 ημέρες. Ανάλογα με τη ποσότητα του αέρα που προστίθεται κατά τη διεργασία διακρίνονται σε αερόβιες και αερόβιες / αναερόβιες. Όταν ο αερισμός δεν δημιουργεί συνθήκες πλήρους ανάμιξης στον πυθμένα της λίμνης μπορεί να εμφανιστούν αναερόβιες συνθήκες. Η εκροή περιέχει το 1/2 έως 1/3 της ποσότητας του BOD εισόδου υπό μορφή βακτηριακής μάζας ενώ το μεγαλύτερο μέρος του φορτίου απομακρύνεται με καθίζηση. Εάν ανακυκλωθεί η ιλύς από τη δεξαμενή καθίζησης, η μέθοδος μετατρέπεται σε μέθοδο ενεργού ιλύος. Η εκροή των επεξεργασμένων αποβλήτων χαρακτηρίζεται από το απομένον φορτίο του BOD και από τη συγκέντρωση των αιωρούμενων στερεών. Εικόνα Αερισμός λιμνών σταθεροποίησης λυμάτων με πλωτούς αναδευτήρες Κατά το σχεδιασμό μιας λίμνης αερισμού οι παράμετροι που πρέπει να εξετάζονται είναι η απομάκρυνση του βιοχημικά απαιτούμενου οξυγόνου (BOD), τα χαρακτηριστικά των Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 43

45 αποβλήτων, η απαίτηση σε οξυγόνο, η θερμοκρασία, η ενέργεια για ανάμειξη και ο διαχωρισμός των στερεών. Ο τεχνητός αερισμός γίνεται συνήθως με επιπλέοντες αναμικτήρες (αεριστήρες). Οι δεξαμενές μεγάλου βάθους χωρίς μηχανικό αερισμό παρουσιάζουν είτε μικτή βιολογική δράση (αερόβια κοντά στην επιφάνεια, αναερόβια στον πυθμένα και επαμφοτερίζουσα στη μέση) είτε λειτουργούν πρακτικά ως αναερόβιες, λόγω του υψηλού φορτίου και της φύσης των αποβλήτων. Πίνακας 4.1. Απομάκρυνση ρυπαντών από τα υγρά απόβλητα με βιολογική επεξεργασία Ρυπαντής Αιωρούμενη οργανική ύλη Κλασσικό σύστημα αερόβιας βιολογικής επεξεργασίας Βιολογική απονιτροποίηση Χαλικοδιυλιστήρια (Χαμηλό φορτίο) Χαλικοδιυλιστήρια (Υψηλό φορτίο) Αναερόβια επεξεργασία Διαλυμένη οργανική ύλη ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΛΗ Αμμωνιακό άζωτο ΚΑΚΗ ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΚΗ ΚΑΚΗ Ανόργανο άζωτο ΚΑΚΗ ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΚΗ ΚΑΚΗ ΚΑΚΗ Φώσφορος ΚΑΚΗ ΜΕΤΡΙΑ ΚΑΚΗ ΜΕΤΡΙΑ ΚΑΚΗ ΜΕΤΡΙΑ ΚΑΚΗ ΜΕΤΡΙΑ ΚΑΚΗ Σουλφίδια ΑΡΙΣΤΗ ΑΡΙΣΤΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ - Πτητικές οργανικές ενώσεις (VOC) ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ Ημιπτητικές οργανικές ενώσεις (SOC) ΚΑΚΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΚΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΚΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΚΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΚΗ ΑΡΙΣΤΗ Φυτοφάρμακα ΚΑΚΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΚΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΚΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΚΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΚΗ ΑΡΙΣΤΗ Βαριά μέταλλα Παθογόνοι μικροοργανισμοί ΚΑΚΗ ΜΕΤΡΙΑ ΚΑΚΗ ΜΕΤΡΙΑ ΚΑΚΗ ΜΕΤΡΙΑ ΚΑΚΗ ΜΕΤΡΙΑ ΚΑΚΗ ΜΕΤΡΙΑ Κακή: 0-20%, Μέτρια: 20-60%, Καλή: 60-90%, Άριστη: % Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 44

46 5. Αερόβια βιολογική επεξεργασία αιωρούμενης βιομάζας 5.1 Μέθοδος ενεργού ιλύος Στα αερόβια συστήματα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων κυριαρχεί η μέθοδος της «ενεργού ιλύος». Η ενεργός ιλύς αποτελείται από μια συσσωμάτωση ζωντανών και νεκρών μικροοργανισμών που δεν έχουν ακόμα αποσυντεθεί, οργανικών αιωρούμενων και κολλοειδών στερεών που δεν έχουν απομακρυνθεί στο στάδιο της προεπεξεργασίας των αποβλήτων, οργανικών ουσιών κολλοειδούς υφής, ενδιάμεσων προϊόντων βιολογικής αποικοδόμησης οργανικών ενώσεων και αδρανών στερεών που δεν επιδέχονται αποσύνθεση. Η μέθοδος της ενεργού ιλύος εφαρμόζεται σε έναν αριθμό παραλλαγών που παρουσιάζουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, είναι όμως κατά περίπτωση επιλέξιμες για την ικανοποίηση των ιδιαιτεροτήτων κάθε εφαρμογής. Η διαδικασία συνίσταται από δύο βασικές διεργασίες, τον αερισμό και την καθίζηση (σχήμα 5.1.1). Δεξαμενή αερισμού Ανάπτυξη αερόβιων (και ανεκτικά αναερόβιων) μικροοργανισμών Δεξαμενή Τελικής Καθίζησης Εισροή Αιωρούμενη βιομάζα Εκροή Ο 2 Επανακυκλοφορία ιλύος Ιλύς Σχήμα Αερόβια βιολογική επεξεργασία (αιωρούμενη βιομάζα) Στη δεξαμενή αερισμού ή δεξαμενή ενεργού ιλύος ή βιοαντιδραστήρα, παρέχεται ο κατάλληλος χρόνος για την ανάμιξη και τον αερισμό των εισερχόμενων υγρών αποβλήτων με την αιωρούμενη βιομάζα, δηλαδή το μικροβιακό εναιώρημα, το οποίο γενικά αναφέρεται ως αιωρούμενα στερεά ανάμικτου υγρού (Mixed Liquor Suspended Solids, MLSS) και πτητικά στερεά ανάμικτου υγρού (Mixed Liquor Volatile Suspended Solids, Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 45

47 MLVSS) που είναι ουσιαστικά το οργανικό περιεχόμενο των MLSS. Η δεξαμενή ενεργού ιλύος προσφέρει το κατάλληλο περιβάλλον όπου η αιωρούμενη βιολογικά ενεργός μάζα, αυξάνεται συνεχώς. Οι μικροοργανισμοί προσροφούν διαλυμένες οργανικές ενώσεις, τις οξειδώνουν και τις απομακρύνουν από το ρεύμα των αποβλήτων. Εικόνα Δεξαμενές βιολογικής επεξεργασίας (αερισμού) Στη δεξαμενή καθίζησης η οποία ακολουθεί, η αιωρούμενη βιολογική μάζα, δηλαδή οι οργανικές ενώσεις που δεν οξειδώθηκαν προς διοξείδιο του άνθρακα και νερό, αλλά μετατράπηκαν σε βακτηριακή μάζα καθιζάνει και απομακρύνεται από το σύστημα. Ένα μέρος όμως αυτής της βακτηριακής μάζας επιστρέφει από τη δεξαμενή καθίζησης στη δεξαμενή αερισμού Αυτό ονομάζεται επανακυκλοφορία ιλύος (βιομάζας). Ο σκοπός της επανακυκλοφορίας είναι να διατηρηθεί επαρκής συγκέντρωση ενεργού ιλύος στη δεξαμενή αερισμού έτσι ώστε να επιτευχθεί ο επιθυμητός βαθμός επεξεργασίας στο χρονικό διάστημα που είναι επιθυμητό. Με αυτόν δηλαδή τον τρόπο επιτυγχάνεται υψηλή συγκέντρωση μικροοργανισμών ικανή για την προσρόφηση και αποικοδόμηση του εισερχόμενου οργανικού φορτίου. Η επανακυκλοφορία της βιομάζας, η οποία μπορεί να φτάσει σε ποσοστό και το 100 %, είναι σημαντικότατη λειτουργική παράμετρος ελέγχου που ρυθμίζει τη λειτουργία της διεργασίας. Η ελεγχόμενη δηλαδή αυξομείωση της συγκέντρωσης των μικροοργανισμών στον βιοαντιδραστήρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να επιτευχθεί απόκριση σε μεταβαλλόμενες συνθήκες εισόδου. Σημειώνεται τέλος, ότι η ορθή λειτουργία της δεξαμενής δευτεροβάθμιας καθίζησης παίζει σπουδαίο ρόλο στην βιολογική επεξεργασία των υγρών αποβλήτων. Οι δεξαμενές ενεργού ιλύος Το σχήμα των δεξαμενών ενεργού ιλύος εξαρτάται από τους αεριστήρες οι οποίοι επιλέγονται. Συνήθως πρόκειται για ορθογώνιες δεξαμενές (σχήμα 5.1.2). Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 46

48 Με αεριστήρες στον πυθμένα Με αεριστήρες στην επιφάνεια Σχήμα Δεξαμενές αερισμού (ενεργού ιλύος) Οι βασικοί τύποι αεριστήρων είναι οι επιφανειακοί αεριστήρες και οι αεριστήρες (διαχυτήρες από κεραμικά ή πλαστικά αφρώδη υλικά) εμφύσησης φυσαλίδων αέρα. Έχουν αναπτυχθεί διαφορετικοί τύποι δεξαμενών οι οποίοι διαφέρουν ως προς την θέση τοποθέτησης των αεριστήρων. Υπάρχουν δηλαδή δεξαμενές με αεριστήρες στον πυθμένα και δεξαμενές με αεριστήρες κοντά στην ελεύθερη επιφάνεια. Στις δεξαμενές με αεριστήρες κοντά στον πυθμένα χρησιμοποιούνται φυσαλίδες μικρής ή μέσης διαμέτρου ενώ στις δεξαμενές με αεριστήρες στην επιφάνεια φυσαλίδες με μέση ή μεγάλη διάμετρο. Επιγραμματικά θα μπορούσαμε να πούμε ότι η πρόσδοση οξυγόνου για την οξείδωση των οργανικών ενώσεων στις δεξαμενές ενεργού ιλύος επιτυγχάνεται με: - διαχυτήρες λεπτής φυσαλίδας (σε όλη την επιφάνεια, ή πλατιάς δέσμης), - αεριστήρες τύπου βούρτσας (Mammutrotor) ή κυλινδρικούς αεριστήρες, - επιφανειακούς περιστρεφόμενους αεριστήρες σταθερού άξονα, - επιφανειακούς περιστρεφόμενους πλωτούς αεριστήρες, - πρόσδοση καθαρού οξυγόνου. Εικόνα Συστήματα αερισμού (διαχυτήρες) Οι συνθήκες του περιβάλλοντος που επηρεάζουν κατά κύριο λόγο την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων με ένα συμβατικό σύστημα ενεργού ιλύος είναι κυρίως η θερμοκρασία Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 47

49 και το ph. Η θερμοκρασία έχει σημαντική επίδραση στην ταχύτητα βιοαποικοδόμησης των οργανικών ουσιών. Συνεπώς η παράμετρος αυτή συνδέεται με τον χρόνο παραμονής των αποβλήτων στη δεξαμενή αερισμού, αυτός όμως καθορίζει και το μέγεθος αυτής της δεξαμενής. Ακόμα, για τη σωστή λειτουργία του βιολογικού συστήματος απαιτείται η ύπαρξη θρεπτικών συστατικών σε σωστές αναλογίες. Εκτός από άνθρακα, άζωτο και φώσφορο απαιτούνται και διάφορα άλλα ιχνοστοιχεία. Όταν η απαιτούμενη αναλογία C/N/P δεν υπάρχει στα απόβλητα ή η συγκέντρωση ενός στοιχείου είναι μικρότερη από την απαιτούμενη, πρέπει να προστεθεί το στοιχείο που λείπει. Η ύπαρξη διαφόρων χημικών με τοξική επίδραση στους μικροοργανισμούς επηρεάζει αρνητικά την αύξηση των μικροοργανισμών και υπό ορισμένες συνθήκες την αποκλείει τελείως προκαλώντας παρεμποδίσεις. Εικόνα Συστήματα αερισμού (επιφανειακοί αναδευτήρες) Εικόνα Συστήματα αερισμού (κυλινδρικοί αεριστήρες τύπου βούρτσας) Η θεωρητική απαίτηση σε οξυγόνο υπολογίζεται κυρίως με βάση το BOD 5 των ανθρακούχων και των αζωτούχων ενώσεων των αποβλήτων. Επειδή όμως ένα μέρος του οργανικού φορτίου των αποβλήτων μετατρέπεται σε βιομάζα η οποία απομακρύνεται καθημερινά από το σύστημα, η θεωρητική απαίτηση σε οξυγόνο είναι μικρότερη κατά την ποσότητα του οξυγόνου που θα απαιτείτο για την οξείδωση αυτής της βιομάζας. Στην πράξη όμως και με στόχο την ομαλή λειτουργία και τον υψηλό βαθμό απόδοσης του Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 48

50 συστήματος, απαιτούνται πάντα πολύ μεγαλύτερες ποσότητες οξυγόνου από τις θεωρητικές τιμές. Υπάρχουν πολλές παραλλαγές συστημάτων αερόβιας βιολογικής επεξεργασίας με τη μέθοδο της αιωρούμενης βιομάζας. Τα ταχύρυθμα συστήματα επεξεργασίας απαιτούν μικρούς βιοαντιδραστήρες και μικρή μεταφορά οξυγόνου στην υγρή φάση, αλλά το ποσοστό βιοαποικοδόμησης του οργανικού φορτίου (BOD) είναι χαμηλό (50-80 %). Στα αργόρυθμα συστήματα επιτυγχάνονται υψηλά ποσοστά καθαρισμού (> 90 %), αλλά απαιτούνται μεγάλοι βιοαντιδραστήρες και υψηλή παροχή οξυγόνου. Τα συστήματα παρατεταμένου αερισμού στηρίζονται στην συνεχή προσφορά οξυγόνου, χωρίς ανάλογη προσφορά τροφής οδηγώντας την ιλύ στο στάδιο της ενδογενούς αναπνοής (αυτοκατανάλωσης) με αποτέλεσμα τη δημιουργία ελάχιστης ή καθόλου περίσσειας ιλύος. Τα συστήματα απαιτούν περισσότερο αερισμό, άρα μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας. Το ποσοστό βιοαποικοδόμησης του οργανικού φορτίου (BOD) μπορεί να φτάσει και το 97 %. Η συγκέντρωση της βιομάζας στη δεξαμενή ενεργού ιλύος (Kg/m 3 ) Η συγκέντρωση της βιομάζας στη δεξαμενή ενεργού ιλύος κυμαίνεται συνήθως από 2,0 5,0 Kg/m 3 και αποτελεί ίσως την πιο σπουδαία παράμετρο για τη σωστή λειτουργία του συστήματος. Για υψηλό βαθμό επεξεργασίας των λυμάτων και γρήγορη αποικοδόμηση του οργανικού φορτίου απαιτείται υψηλή συγκέντρωση βιομάζας. Εάν η συγκέντρωσή της είναι χαμηλή απαιτείται μεγαλύτερος όγκος δεξαμενής ενεργού ιλύος για το ίδιο αποτέλεσμα (αντιοικονομικό). Αύξηση της συγκέντρωσης της βιομάζας στη δεξαμενή ενεργού ιλύος επιτυγχάνεται με την επανακυκλοφορία της ιλύος από τη δεξαμενή δευτεροβάθμιας καθίζησης προς τη δεξαμενή ενεργού ιλύος. Όσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα της ιλύος στον πυθμένα της δεξαμενής δευτεροβάθμιας καθίζησης τόσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση της βιομάζας στη δεξαμενή ενεργού ιλύος. Τέλος, όσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα επανακυκλοφορίας τόσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση της βιομάζας στη δεξαμενή ενεργού ιλύος. Σημειώνεται ότι το ποσοστό επανακυκλοφορίας μπορεί να φτάσει μέχρι και 100 %, αλλά οι υψηλοί ρυθμοί επανακυκλοφορίας επιβαρύνουν υδραυλικά τη δεξαμενή δευτεροβάθμιας καθίζησης. Άλλα βασικά μεγέθη στη διαστασιολόγηση των δεξαμενών ενεργού ιλύος είναι: - Το ημερήσιο οργανικό φορτίο που εισέρχεται στον αντιδραστήρα (Kg BOD 5 /ημ), - Η χωρική επιβάρυνση του αντιδραστήρα με οργανικό φορτίο (Kg BOD 5 /m 3 δεξ. ημ), - Η φόρτιση της βιομάζας με οργανικό φορτίο (Kg BOD 5 /Kg ημ). Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 49

51 Ο δείκτης όγκου ιλύος (ml/gr) Ο Δείκτης Όγκου Ιλύος (ΔΟΙ) ή Sludge Volume Index (SVI) χρησιμοποιείται για την εκτίμηση της καταλληλότητας των διαστάσεων των βιολογικών θρόμβων και εκφράζει τον όγκο που καταλαμβάνει ένα γραμμάριο ξηράς ουσίας ενεργού ιλύος σε ενυδατωμένη κατάσταση μετά από καθίζηση 30 λεπτών στον κώνο του Imhoff. Εικόνα Καθίζηση σε κώνο Imhoff Η τιμή του δείκτη υπολογίζεται διαιρώντας τον όγκο της ιλύος (ml/lt) που προκύπτει μετά από καθίζηση 30 λεπτών στον κώνο του Imhoff προς τη βιομάζα (mg/lt) στη μονάδα στη μονάδα όγκου ιλύος μετά από ξήρανση στους 105 o C (ΔΟΙ = ΟΙ/Β ml/gr). Δείκτης Όγκου Ιλύος 100 ml/gr σημαίνει βιολογική ιλύ με περιεκτικότητα 99% νερό και 1% ξηρά ουσία. Η ξηρά ουσία προκύπτει μετά από ξήρανση της ιλύος στους 105 ο C. Για κανονικές συνθήκες λειτουργίας των εγκαταστάσεων επεξεργασίας ιλύος οι τιμές του δείκτη κυμαίνονται μεταξύ 80 και 120 ml/gr. Η ηλικία της ιλύος (ημέρες) Η ηλικία ιλύος (H ιλ ) δίνει προσεγγιστικά το χρόνο για τον οποίο η βιομάζα, δηλαδή οι ενεργοί μικροοργανισμοί, παραμένει στη δεξαμενή αερισμού. Όσο μεγαλύτερος είναι ο επιθυμητός βαθμός επεξεργασίας των λυμάτων τόσο αυξάνεται και η ηλικία της ιλύος που απαιτείται. Εάν για παράδειγμα πρόκειται να γίνει βιολογική επεξεργασία χωρίς νιτροποίηση η απαιτούμενη ηλικία της ιλύος είναι 5 ημέρες, εάν πρόκειται να γίνει νιτροποίηση και απονιτροποίηση ο χρόνος ανέρχεται σε 15 ημέρες. Εάν πρόκειται να γίνει και σταθεροποίηση της ιλύος η απαιτούμενη ηλικία της ιλύος είναι 20 ημέρες. Σημειώνεται τέλος ότι όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία του περιεχομένου της δεξαμενής τόσο μεγαλύτερη είναι η απαιτούμενη ηλικία της ιλύος. Αυτό συμβαίνει γιατί σε χαμηλές θερμοκρασίες οι διεργασίες παραγωγής της βιομάζας εξελίσσονται με βραδύτερους ρυθμούς. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 50

52 Ως ηλικία ιλύος (H ιλ ) ορίζεται ο λόγος της συνολικής ποσότητας ενεργού βιομάζας της δεξαμενής αερισμού (B συ ) προς την ημερήσια παραγωγή βιομάζας στην δεξαμενή (B ημ πα ). Δηλαδή Οι τιμές B συ και B ημ δίνονται σε Kg ξηράς ουσίας. Γενικά όταν αναφέρεται παρακάτω ποσότητα βιομάζας εννοείται το βάρος της σε ξηρή κατάσταση. Επίσης μ μεσ x Β συ = Β ημ. Όπου μ μεσ η μέση τιμή του συντελεστή αύξησης της βιομάζας κατά την διάρκεια μιας ημέρας. Συνεπώς B H ( ) B. kg. 1 1 kg ( ) Η διάρκεια αερισμού (t, ώρες) και η κατανάλωση οξυγόνου (Kg O 2 /Kg BOD 5 ) Τα λύματα αποτελούνται από μίγμα διαφορετικών οργανικών ουσιών και ότι κάθε μια από τις ενώσεις αυτές έχει διαφορετική ταχύτητα αποικοδόμησης. Μικρότερος για παράδειγμα χρόνος απαιτείται για τη βιολογική οξείδωση ενός μονοσακχαρίτη και πολύ μεγαλύτερος για την οξείδωση ενός λιπαρού οξέος ή μιας πρωτεΐνης. Στην πράξη κατά την λειτουργία των εγκαταστάσεων βιολογικής επεξεργασίας η αποικοδόμηση των λυμάτων γίνεται στην αρχή ταχύτερα και μετά βραδύτερα γιατί μερικές ουσίες προσροφώνται από τους βιολογικούς θρόμβους και κατ' αυτόν τον τρόπο διαχωρίζονται από τα λύματα ενώ δεν έχουν ακόμη αποικοδομηθεί. Είναι επίσης προφανές ότι και η ποσότητα της βιομάζας επιδρά στην ταχύτητα αποικοδόμησης των οργανικών ουσιών των λυμάτων. Οι θεωρητικές τιμές της ποσότητας του οξυγόνου που πρέπει να διαλυθεί στα λύματα για την αερόβια επεξεργασία τους απέχουν από τις πραγματικές τιμές. Η διάλυση του οξυγόνου στα λύματα είναι δυσκολότερη απ ότι στο καθαρό νερό και επομένως η ποσότητα του οξυγόνου που πρέπει να διοχετευθεί στις δεξαμενές αερισμού είναι πάντα μεγαλύτερη από τις θεωρητικές τιμές. Οι τιμές του συντελεστή διάλυσης οξυγόνου (α) ελαττώνονται όταν αυξάνεται το ρυπαντικό φορτίο των λυμάτων και επηρεάζονται από τον τρόπο και την ένταση της ανάδευσης των λυμάτων. Η ποσότητα του οξυγόνου που πρέπει να διαλυθεί στα λύματα εξαρτάται από πολλές παραμέτρους όπως από το συντελεστή διάλυσης οξυγόνου στο μίγμα λύματα-ενεργός ιλύς, από το οξυγόνο που είναι δυνατόν να διαλυθεί στο καθαρό νερό, από την τιμή κορεσμού του διαλυμένου οξυγόνου στις δεξαμενές αερισμού και από τη συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου στις δεξαμενές αερισμού. Εξαρτάται επίσης από το εάν θα Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 51

53 πραγματοποιηθεί οξείδωση μόνο των ανθρακούχων οργανικών ενώσεων ή από το εάν θα πραγματοποιηθεί νιτροποίηση απονιτροποίηση. Η κατανάλωση οξυγόνου (Ο 2 ) είναι συνάρτηση της ποσότητας των οργανικών ουσιών των λυμάτων οι οποίες οξειδώνονται στις δεξαμενές αερισμού. Όσο μεγαλύτερη είναι η παραγωγή της βιομάζας τόσο μικρότερη είναι η ποσότητα οξυγόνου που καταναλώνεται για την αποικοδόμηση του ρυπαντικού φορτίου των λυμάτων γιατί μικρό μόνο μέρος αυτών των ουσιών οξειδώνεται σε ανόργανες ουσίες, ενώ το μεγαλύτερο μετατρέπεται σε οργανικές ουσίες άλλης μορφής (βιομάζα). Η κατανάλωση οξυγόνου στη μονάδα όγκου των δεξαμενών ανά ημέρα (Kg/m 3 d) εξαρτάται από την κατανάλωση οξυγόνου για την αδρανοποίηση των οργανικών ουσιών, από την κατανάλωση οξυγόνου για την ενδογενή αναπνοή της βιομάζας και από την ξηρή βιομάζα στην μονάδα όγκου των δεξαμενών αερισμού (Κg /m 3 ). Το απαιτούμενο O 2 /kg οργανικής ύλης ως BOD 5 που αποδομείται ανάλογα με τις απαιτήσεις επεξεργασίας είναι: - 1,5-2,0 kg O 2 /kg BOD 5 για βιολογική επεξεργασία χωρίς νιτροποίηση, - 2,5 kg O 2 /kg BOD 5 για βιολογική επεξεργασία με νιτροποίηση. Ο συντελεστής απόδοσης της εγκατάστασης Ο συντελεστής απόδοσης μιας Ε.Ε.Λ. με τη μέθοδο της ενεργού ιλύος συνδέεται με την παράμετρο της οργανικής φόρτισης των δεξαμενών και πιο συγκεκριμένα με το οργανικό φορτίο εκροής και το οργανικό φορτίο εισροής. Η σχέση αυτών των μεγεθών είναι η εξής: ( 1 ) 100 (%) Απόδοση της μεθόδου ενεργού ιλύος Η απόδοση της μεθόδου της ενεργού ιλύος είναι η εξής: - Μείωση οργανικής ύλης ως BOD 5 : % - Μείωση αιωρούμενων στερεών : % - Μείωση βακτηρίων : %. Το ρυπαντικό φορτίο (gr/κατ.ημ.) των αστικών λυμάτων στην είσοδο της δεξαμενής βιολογικής επεξεργασίας δίνεται στον πίνακα Τα λύματα αυτά έχουν υποστεί μηχανικό καθαρισμό και πρωτοβάθμια καθίζηση. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 52

54 Πίνακας Ρυπαντικό φορτίο (gr/κατ.ημ.) στην είσοδο της δεξαμενής βιολογικής επεξεργασίας Παράμετρος Ανεπεξέργαστα λύματα Μετά από πρωτοβάθμια καθίζηση 0,5-1,0 h 1,5-2,0 h BOD COD TS TKN P Οι δεξαμενές δευτεροβάθμιας καθίζησης Οι δεξαμενές δευτεροβάθμιας καθίζησης μπορεί να είναι ορθογώνιες, κυκλικές ή χωνοειδείς (σχήμα 3.4.1) και αποτελούν αναπόσπαστο τμήμα όλων των συστημάτων αερόβιας επεξεργασίας. Τον πιο συνηθισμένο τύπο αποτελούν οι κυκλικές δεξαμενές. Σχήμα Σκαρίφημα κυκλικής δεξαμενής καθίζησης Tο συνολικό βάθος των δεξαμενών τελικής καθίζησης δεν πρέπει να είναι μικρότερο από τα 2.5 m και μετριέται σε απόσταση 2/3 L από το σημείο εισόδου των λυμάτων στις δεξαμενές Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 53

55 (L=μήκος ροής). O όγκος των δεξαμενών κατανέμεται σε τέσσερις επιμέρους ζώνες οι οποίες εξυπηρετούν τέσσερις διαφορετικούς σκοπούς. Στο πάνω μέρος της δεξαμενής βρίσκεται η ζώνη καθαρού νερού, το βάθος της οποίας είναι τουλάχιστον 0,5 m. Η ζώνη καθίζησης είναι η δεύτερη ζώνη στην οποία γίνεται ο διαχωρισμός των καθιζανουσών ουσιών και της οποίας το βάθος πρέπει κατά κανόνα να είναι 1,0 m αλλά στην περίπτωση ΕΕΛ που δέχονται λύματα παντορροϊκών δικτύων μπορεί να περιορισθεί σε 0,5 m. Ακολουθεί ο αποθηκευτικός χώρος για τη συγκράτηση της βιομάζας η οποία φεύγει από τις δεξαμενές αερισμού λόγω αύξησης της παροχής κατά τις περιόδους βροχών στις εγκαταστάσεις παντορροϊκών δικτύων. Τέλος η ζώνη πάνω από τον πυθμένα στην οποία συγκεντρώνεται η ιλύς η οποία έχει κατακαθίσει ονομάζεται ζώνη πάχυνσης. Ο τρόπος εισόδου και εξόδου των λυμάτων στις δεξαμενές καθίζησης είναι πολύ σημαντική υπόθεση. Η ομοιόμορφη, ομαλή και ήρεμη ροή ιδίως κατά την είσοδο με ειδικές διατάξεις ηρεμίας, με τις οποίες επιδιώκεται αφενός η καταστροφή της ενέργειας των εισερχομένων λυμάτων στις δεξαμενές και αφετέρου η ισομερής κατανομή τους σε όλο το πλάτος ή την περίμετρό τους, αλλά και κατά την έξοδο των λυμάτων εξασφαλίζει την καλή λειτουργία των δεξαμενών καθίζησης. Αυτό επιτυγχάνεται με τα έργα εισόδου (προσαγωγοί αύλακες εισροής) και εξόδου (υπερχειλιστές). Το ίδιο ισχύει και για τον εξοπλισμό που χρησιμοποιείται για την απομάκρυνση της ιλύος που έχει κατακαθίσει στον πυθμένα των δεξαμενών (σαρωτές ιλύος και ξέστρα). Εικόνα Δεξαμενές καθίζησης (Επιφανειακό ξέστρο - απαγωγός επιπλεόντων) Η αύλακα εισροής πρέπει να εξασφαλίζει ομοιόμορφη τροφοδότηση της δεξαμενής σε όλο το πλάτος της χωρίς τη δημιουργία δευτερογενών ρευμάτων. Η κατακάθιση φερτών στον πυθμένα της αύλακας των ορθογωνίων δεξαμενών είναι δυνατόν να αποφευχθεί με τεχνητή ανάδευση (εμφύσηση αέρα), διαφορετικά θα πρέπει να διαμορφωθεί ο πυθμένας της αύλακας κατάλληλα ώστε η ιλύς που καθιζάνει να συμπαρασύρεται μέσα στη δεξαμενή μαζί με τα εισρέοντα λύματα. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 54

56 Στις κυκλικές δεξαμενές καθίζησης κατασκευάζεται στο κέντρο ένας θάλαμος ηρεμίας στον οποίο καταλήγει ο προσαγωγός σωλήνας ο οποίος λειτουργεί σαν σίφωνας. Η έξοδος των λυμάτων από τις δεξαμενές καθίζησης γίνεται με υπερχειλιστές οι οποίοι τοποθετούνται στο τέλος των ορθογωνίων δεξαμενών καθίζησης και στην εξωτερική περιφέρεια των κυκλικών δεξαμενών καθίζησης. Υπάρχουν δύο είδη υπερχειλιστών, οι υπερχειλιστές ευθείας και οδοντωτής στέψης. Η οδοντωτή στέψη παρουσιάζει το πλεονέκτημα της ομοιόμορφης ροής σε όλο το μήκος του υπερχειλιστή ακόμα και όταν η οριζοντίωση της στέψης δεν είναι τελείως ακριβής. Η ιλύς που καθιζάνει στον πυθμένα των δεξαμενών μπορεί να κυλήσει προς τον θάλαμο συγκέντρωσης μόνον όταν η κλίση του πυθμένα των δεξαμενών είναι κατάλληλη. Μεγάλες κλίσεις πυθμένα υπάρχουν μόνο στις χωνοειδείς δεξαμενές. Στις άλλες περιπτώσεις η μετακίνηση της ιλύος προς τον θάλαμο συγκέντρωσης γίνεται με μηχανικά μέσα. Εικόνα Δεξαμενές καθίζησης (Οδοντωτός υπερχειλιστής αύλακα εκροής) Στις ορθογώνιες και κυκλικές δεξαμενές οι κλίσεις των πυθμένων είναι μικρές και συνεπώς οι δεξαμενές αυτές πρέπει να εξοπλίζονται με συστήματα σάρωσης της ιλύος προς τους θαλάμους συγκέντρωσης. Tα συστήματα αυτά ονομάζονται σαρωτές ιλύος. Η ταχύτητα σάρωσης της ιλύος πρέπει να επιλέγεται κατά τρόπο που να μην εμποδίζεται το φαινόμενο της καθίζησης και κατά μείζονα λόγο να μην γίνεται ανάδευση της ιλύος που έχει ήδη κατακαθίσει. Η σάρωση των ορθογωνίων δεξαμενών είναι δυνατόν να είναι συνεχής ή διακοπτόμενη. Στις κυκλικές δεξαμενές η σάρωση είναι συνεχής. O θάλαμος συγκέντρωσης της ιλύος πρέπει να είναι σε θέση να αποθηκεύσει ποσότητα ιλύος μισής ημέρας. Η ιλύς που συγκεντρώνεται στους θαλάμους συγκέντρωσης ιλύος απομακρύνεται είτε με βαρύτητα είτε με άντληση στις δεξαμενές συγκέντρωσης ιλύος οι Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 55

57 οποίες βρίσκονται εκτός των δεξαμενών καθίζησης. Ο όγκος των δεξαμενών υπολογίζεται για να αποθηκεύει ποσότητα ιλύος μιας ημέρας. Εικόνα Δεξαμενές καθίζησης (Σάρωθρα ιλύος) Ο βαθμός απόδοσης των δεξαμενών δευτεροβάθμιας ή τελικής καθίζησης είναι ικανοποιητικός όταν η επανακυκλοφορία της ιλύος είναι μικρότερη του 50 % της παροχής λυμάτων. Στην αντίθετη περίπτωση δηλαδή για μεγάλες παροχές επανακυκλοφορίας η ηρεμία στις δεξαμενές καθίζησης διαταράσσεται και η απόδοση των δεξαμενών ελαττώνεται. Στις περιπτώσεις αυτές, π.χ. σε εγκαταστάσεις με νιτροποίηση - απονιτροποίηση, η επανακυκλοφορία γίνεται αμέσως μετά την εκροή από τις δεξαμενές αερισμού αποφορτίζοντας έτσι τις δεξαμενές καθίζησης. Η τελική καθίζηση επηρεάζεται από πολλές παραμέτρους όπως είναι ο χρόνος πάχυνσης, το ύψος της στρώσης πάχυνσης, οι μετακινήσεις της ιλύος μέσα στις δεξαμενές με τη βοήθεια των ξέστρων, η επανακυκλοφορία κ.λ.π. 5.2 Τα συστήματα SBR (Sequencing Batch Reactors ή Αντιδραστήρες διαλείποντος έργου εναλλασσόμενων κύκλων λειτουργίας) Τα συστήματα SBR χρησιμοποιούνται σαν παραλλαγή της μεθόδου της ενεργού ιλύος για την επεξεργασία αστικών λυμάτων αλλά και βιομηχανικών αποβλήτων. Είναι κατάλληλα κυρίως για εφαρμογές επεξεργασίας λυμάτων που χαρακτηρίζονται από χαμηλή ή διακεκομμένη ροή. Σε ένα τέτοιο σύστημα τα υγρά απόβλητα εισάγονται σε έναν μόνο αντιδραστήρα, επεξεργάζονται ώστε να απαλλαχθούν από τις ανεπιθύμητες ουσίες και εκρέουν. Εξισορρόπηση, αερισμός και καθίζηση μπορούν να επιτευχθούν σε ένα και μόνο Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 56

58 αντιδραστήρα. Για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης του συστήματος μπορούν να χρησιμοποιηθούν δύο ή περισσότεροι αντιδραστήρες σε μια προκαθορισμένη αλληλουχία λειτουργιών. Πρόκειται για ένα σύστημα ενεργού ιλύος το οποίο λειτουργεί σε διαφορετικούς χρόνους και όχι σε διαφορετικούς χώρους, δηλαδή οι φάσεις της επεξεργασίας διαχωρίζονται χρονικά και όχι χωρικά. Η διαφορά μεταξύ των δύο τεχνολογιών είναι ότι οι αντιδραστήρες SBR εκτελούν εξισορρόπηση, βιολογική επεξεργασία και δευτεροβάθμια καθίζηση σε μια μόνο δεξαμενή με ελεγχόμενη χρονική αλληλουχία. Αφού ολοκληρωθεί η προεπεξεργασία των λυμάτων, αυτά εισέρχονται σε ένα μερικώς γεμάτο αντιδραστήρα, που περιέχει βιομάζα και έχει εγκλιματιστεί στα συστατικά των λυμάτων κατά τους προηγούμενους κύκλους. Μόλις ο αντιδραστήρας γεμίσει, συμπεριφέρεται όπως ένα συμβατικό σύστημα ενεργού ιλύος, αλλά χωρίς συνεχόμενη εισροή ή εκροή σταθερής παροχής λυμάτων. Ο αερισμός και η ανάμειξη διακόπτεται αφού οι βιολογικές αντιδράσεις ολοκληρωθούν, η βιομάζα καθιζάνει και το επεξεργασμένο υλικό από την επιφάνεια απομακρύνεται (σχήμα 5.2.1). Η περίσσεια της βιομάζας απομακρύνεται σε οποιαδήποτε στιγμή κατά τη διάρκεια του κύκλου. Η συχνή απομάκρυνση έχει ως αποτέλεσμα τη διατήρηση του δείκτη μάζας του υποστρώματος των εισρεόντων λυμάτων σε βιομάζα σχεδόν σταθερή από κύκλο σε κύκλο. Πλήρωση Αντίδραση (Αερισμός) Ηρεμία (Καθίζηση Διαύγαση) Άντληση (Άδειασμα) Παύση (Εκκένωση ιλύος) Σχήμα Τα πέντε βήματα στη λειτουργία ενός συστήματος SBR Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 57

59 Οι αντιδραστήρες SBR χρησιμοποιούνται κυρίως σε μικρές παροχές καθώς σε μεγάλες απαιτείται πιο εξειδικευμένη λειτουργία. Δεδομένου ότι τα συστήματα καταλαμβάνουν σχετικά μικρό χώρο, είναι χρήσιμα για τις περιοχές όπου η διαθέσιμη γη είναι περιορισμένη. Επιπλέον, οι εναλλασσόμενοι κύκλοι του συστήματος μπορούν εύκολα να τροποποιηθούν για την απομάκρυνση των θρεπτικών συστατικών στο μέλλον, εάν αυτό καθίσταται απαραίτητο. Αυτό καθιστά εξαιρετικά ευέλικτα τα συστήματα SBR ώστε να προσαρμόζονται στις αλλαγές των παραμέτρων των εκρεόντων λυμάτων. Επίσης τα συστήματα SBR βρίσκουν ευρεία εφαρμογή σε μεμονωμένες κατοικίες και οικισμούς με τη μορφή μονάδων compact. Απόδοση των συστημάτων SBR Οι κατασκευαστές SBR προσφέρουν συνήθως εγγύηση για την παραγωγή εκρεόντων λυμάτων με χαρακτηριστικά: - BOD 5 < 10 mg/lt - TSS < 10 mg/lt - TN : 5-8 mg/lt - TP: 1-2 mg/lt. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 58

60 6. Αερόβια βιολογική επεξεργασία προσκολλημένης βιομάζας (Βιολογικά φίλτρα) 6.1 Γενικά Στις διεργασίες προσκολλημένης βιομάζας, οι μικροοργανισμοί οι οποίοι οξειδώνουν την οργανική ύλη των υγρών αποβλήτων είναι προσκολλημένοι σε ένα αδρανές υλικό. Η οργανική ύλη και τα θρεπτικά άλατα απομακρύνονται από τα υγρά απόβλητα καθώς αυτά ρέουν πάνω στην προσκολλημένη βιομάζα, η οποία είναι επίσης γνωστή ως βιολογική στοιβάδα ή βιολογικός υμένας (σχήμα 6.1.1). Προσκόλληση Ανάπτυξη Αποκόλληση Προσκολλημένη βιομάζα Σχήμα Αερόβια βιολογική επεξεργασία (προσκολλημένη βιομάζα) Τα υλικά πλήρωσης που χρησιμοποιούνται σε τέτοιου είδους επεξεργασία περιλαμβάνουν κροκάλες, χαλίκια, σκωρίες, άμμο, ξύλα, πλαστικά και διαφόρων ειδών συνθετικά υλικά. Οι διεργασίες προσκολλημένης βιομάζας μπορούν επίσης να λειτουργήσουν ως αερόβιες ή αναερόβιες διεργασίες. Το υλικό πλήρωσης μπορεί να είναι τελείως εμβαπτισμένο στο υγρό ή να μην είναι εμβαπτισμένο, με κενό χώρο αέρα ή αερίου πάνω από το υγρό στρώμα της βιολογικής στιβάδας (υμένα). 6.2 Τα χαλικοδιυλιστήρια Τα χαλικοδιυλιστήρια (σχήμα 6.2.1) αποτελούν βιοαντιδραστήρες στα τοιχώματα των οποίων αναπτύσσεται με το χρόνο βιολογική μάζα η οποία περιβάλλει όλες τις ελεύθερες επιφάνειες και χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων. Είναι κατάλληλα διαμορφωμένες δεξαμενές μέσα στις οποίες τοποθετούνται τα χαλίκια. Οι Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 59

61 βιολογικοί υμένες αναπτύσσονται πάνω στις στερεές επιφάνειες των υλικών πλήρωσης (χαλίκια). Τα κενά μεταξύ των χαλικιών πρέπει να είναι αρκετά μεγάλα προκειμένου να μην φράσσονται εύκολα από τη βιομάζα που αναπτύσσεται στις επιφάνειές τους. Συνεπώς η διάμετρος των χαλικιών δεν πρέπει να είναι ούτε πολύ μεγάλη γιατί έτσι ελαττώνεται η επιφάνεια των στερεών, αλλά ούτε και πολύ μικρή γιατί έτσι ελαττώνεται ο όγκος των κενών χώρων. Βιολογικό φίλτρο Υλικό πλήρωσης: κροκάλες ή χαλίκια Δεξαμενή Καθίζησης Εισροή Εκροή Επανακυκλοφορία (προαιρετικά) Ιλύς Σχήμα Βιολογικό φίλτρο με χαλίκια (Χαλικοδιυλιστήριο) Τα λύματα ραντίζονται στην επιφάνεια του διυλιστηρίου και ρέουν προς τα κάτω δια μέσου των κενών χώρων του διυλιστηρίου. Έτσι περιβρέχεται η βιομάζα που έχει αναπτυχθεί στις επιφάνειες των χαλικιών με λύματα. Όσο διαρκεί η επαφή των λυμάτων με τη βιομάζα, γίνεται προσρόφηση των οργανικών ουσιών που περιέχονται στα λύματα είτε σε αιώρηση είτε σε διάλυση, από τους βιολογικούς υμένες. Τα βακτήρια που σχηματίζουν τους βιολογικούς υμένες αποικοδομούν τις οργανικές ουσίες των λυμάτων. Αποτέλεσμα της διεργασίας είναι η παραγωγή βιομάζας και καταλοίπων της βιοαποικοδόμησης, δηλαδή ανόργανες ουσίες. Οι ανόργανες αυτές ουσίες αποβάλλονται από τα κύτταρα των μικροοργανισμών με τις εκκρίσεις. Η παραγωγή βιομάζας έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση του πάχους των βιολογικών υμένων και κατά συνέπεια την ελάττωση των κενών χώρων του διυλιστηρίου. Ένα τμήμα της βιομάζας χρησιμοποιείται σαν τροφή από τους μικροοργανισμούς που διαβιώνουν στο εσωτερικό των διυλιστηρίων. Το απαιτούμενο οξυγόνο για την οξείδωση των οργανικών ουσιών λαμβάνεται από τον αέρα. Με κατάλληλη διαμόρφωση του πυθμένα του διυλιστηρίου, δηλαδή πολλές οπές για την εκροή των λυμάτων και την κυκλοφορία του αέρα, εξασφαλίζεται καλός αερισμός του εσωτερικού του Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 60

62 διυλιστηρίου. Με την αύξηση του πάχους των βιολογικών υμένων περιορίζεται ο όγκος των κενών χώρων του διυλιστηρίου και το οξυγόνο που εισέρχεται στο εσωτερικό του δεν αρκεί για να φθάσει στα εσωτερικά στρώματα των βιολογικών υμένων. Έτσι η αποικοδόμηση από αερόβια μετατρέπεται σε αναερόβια. Με την πάροδο του χρόνου η αδρανοποιημένη βιομάζα χάνει την ικανότητα πρόσφυσής της στις στερεές επιφάνειες, αποκολλάται από αυτές και συμπαρασύρεται προς την έξοδο του διυλιστηρίου. Η αύξηση της βιομάζας στο εσωτερικό του διυλιστηρίου έχει σαν αποτέλεσμα και τη μείωση του ελεύθερου χώρου μεταξύ των χαλικιών. Συνέπεια αυτού είναι ο κίνδυνος απόφραξης του χαλικοδιυλιστηρίου. Εικόνα Χαλικοδιυλιστήρια Τα πιο σύγχρονα βιολογικά φίλτρα κυμαίνονται σε ύψος από 5 έως 10 m και είναι γεμάτα με πλαστικό υλικό πλήρωσης για την προσκόλληση της βιολογικής στοιβάδας (σχήμα 6.2.2). Βιολογικός πύργος Υλικό πλήρωσης: πλαστικό Δεξαμενή Καθίζησης Εισροή Εκροή Επανακυκλοφορία (προαιρετικά) Επανακυκλοφορία Ιλύς Σχήμα Βιολογικό φίλτρο με πλαστικό υλικό Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 61

63 Το πλαστικό υλικό πλήρωσης είναι έτσι σχεδιασμένο ώστε το % του όγκου του πύργου να αποτελείται από κενό χώρο. Η διεργασία είναι όμοια με αυτήν που αναφέρεται παραπάνω. Εικόνα Πλαστικά πληρωτικά υλικά βιολογικών φίλτρων 6.3 Τα δισκοδιυλιστήρια Οι περιστρεφόμενοι βιολογικοί δίσκοι (Rotating Biological Contactors RBC) (σχήμα 6.3.1) ή δισκοδιυλιστήρια λειτουργούν επίσης με τη μέθοδο της προσκολλημένης βιομάζας και αποτελούνται από μια ημικυλινδρική σκάφη κατά μήκος της οποίας υπάρχει ένας περιστρεφόμενος άξονας στον οποίο είναι στερεωμένοι κυκλικοί δίσκοι σε κατάλληλη μεταξύ τους απόσταση. Οι δίσκοι είναι ημιβυθισμένοι στη σκάφη εντός της οποίας εισέρχονται τα λύματα. Πρωτοβάθμια Καθίζηση Δευτεροβάθμια Καθίζηση Εισροή RBC Εκροή Ιλύς Ιλύς Σχήμα Σχηματική διάταξη δισκοδιυλιστηρίου Οι βιολογικοί υμένες αναπτύσσονται πάνω στις επιφάνειες των δίσκων. Όταν τα βακτήρια είναι βυθισμένα στα λύματα προσροφούν τις διαλυμένες σε αυτά οργανικές ουσίες και τις χρησιμοποιούν σαν τροφή. Στη συνέχεια με την περιστροφή του δίσκου εξέρχονται τα Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 62

64 βακτήρια από τα λύματα και έρχονται σε επαφή με τον ατμοσφαιρικό αέρα από τον οποίο παίρνουν το απαιτούμενο οξυγόνο για την οξείδωση των οργανικών ενώσεων. Η παραγόμενη βιομάζα αποκολλάται από τις επιφάνειες των δίσκων λόγω της ταχύτητας περιστροφής των δίσκων και των δυνάμεων τριβής που αναπτύσσονται στην διεπιφάνεια νερού - βιολογικού υμένα. Στη συνέχεια εκρέουν μαζί με τα λύματα από το διυλιστήριο και φθάνουν στις δεξαμενές τελικής καθίζησης όπου και κατακρατούνται. Εικόνα Βιολογικοί δίσκοι (Δισκοδιυλιστήριο) Τα δισκοδιυλιστήρια κατασκευάζονται συνήθως σαν δεξαμενές οι οποίες αποτελούνται από περισσότερες σκάφες στη σειρά. Η σύσταση των μικροοργανισμών που αποτελούν τους βιολογικούς υμένες διαφέρει από σκάφη σε σκάφη. Επίσης από σκάφη σε σκάφη διαφέρει και η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου στα λύματα. Έτσι ενώ στην πρώτη σκάφη έχουμε συγκέντρωση οξυγόνου 1,5 mg/lt στην τέταρτη είναι δυνατόν αυτή να είναι 6,0 mg/lt. Το βασικό πλεονέκτημα των δισκοδιυλιστηρίων είναι οι χαμηλές δαπάνες λειτουργίας τους οι οποίες ουσιαστικά περιορίζονται στις δαπάνες για την κίνηση του άξονα των δίσκων. Η συνολική καταναλισκόμενη ενέργεια στις εγκαταστάσεις αυτού του τύπου είναι το % της αντίστοιχης των εγκαταστάσεων ενεργού ιλύος. Επίσης οι δαπάνες συντήρησής τους είναι μικρότερες από τις αντίστοιχες των χαλικοδιυλιστηρίων και των εγκαταστάσεων ενεργού ιλύος. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 63

65 7. Απομάκρυνση θρεπτικών αλάτων 7.1 Απομάκρυνση αζώτου Το άζωτο και ο φώσφορος είναι δυο πολύ σημαντικά στοιχεία με ιδιαίτερη σημασία στην επεξεργασία των λυμάτων. Τα θρεπτικά άλατα, δηλαδή οι αζωτούχες και οι φωσφορικές ενώσεις που υπάρχουν στα υγρά απόβλητα, αποτελούν απαραίτητα συστατικά για την επιβίωση των βακτηρίων στους βιοαντιδραστήρες, πρέπει όμως οπωσδήποτε να απομακρυνθούν ώστε να μην δημιουργήσουν προβλήματα αποξυγόνωσης και ευτροφισμού στον τελικό αποδέκτη. Όταν η ουρία (ΝΗ 2 COΝΗ 2 ) εισέρχεται στο νερό μετατρέπεται σε αμμωνία (ΝΗ 3 ). Η αμμωνία βρίσκεται στα απόβλητα είτε με τη μορφή των αμμωνιακών (ΝΗ + 4 ) ιόντων είτε με τη μορφή της ελεύθερης αμμωνίας (ΝΗ 3 ) σε αέρια μορφή. Για χαμηλές τιμές ph κυριαρχεί η ιοντική μορφή ενώ για αλκαλικές τιμές ph κυριαρχεί η αέρια μορφή. Για τιμές ph = 9,0 υπάρχει ισορροπία. Το ph των αποβλήτων κυμαίνεται από 6 έως 9 και συνεπώς οι διεργασίες απομάκρυνσης της αμμωνίας συνδέονται με το ph. Νιτροποίηση είναι ο όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη βιολογική διεργασία δύο σταδίων κατά την οποία η αμμωνία μετατρέπεται (οξειδώνεται) σε νιτρικά (ΝΟ - 3 ) ιόντα με ενδιάμεση βαθμίδα τα νιτρώδη (ΝΟ - 2 ) ιόντα. Nitrosomon as 2NH3 3O2 2NO2 2H 2H2O Nitrobacter 2 O NO NO Απονιτροποίηση είναι ο όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη βιολογική διεργασία κατά την οποία τα νιτρικά ιόντα μετατρέπονται σε αέριο άζωτο. Denitrifying bacteria NO3 HCHO H N2 CO2 H 2 O Αμμωνία Νιτρώδη Νιτρικά Άζωτο ΝΗ 3 ΝΟ 2 - ΝΟ 3 - Ν 2 Σχήμα Σχηματικό διάγραμμα νιτροποίησης - απονιτροποίησης Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 64

66 Η διεργασία της νιτροποίησης απονιτροποίησης στοχεύει στην απομείωση των αμμωνιακών που περιέχονται στα απόβλητα και εφαρμόζεται μαζί με την βιολογική οξείδωση του οργανικού φορτίου (BOD) στα συστήματα της ενεργού ιλύος, γιατί έχει πλεονεκτήματα όπως υψηλό βαθμό απόδοσης, σταθερότητα και αξιοπιστία, εύκολο έλεγχο και σχετικά χαμηλό κόστος. Απαραίτητες προϋποθέσεις για ικανοποιητική νιτροποίηση είναι: η υψηλή συγκέντρωση διαλυμένου οξυγόνου (οπωσδήποτε πάνω από 1,5 mg/lt) επειδή τα βακτήρια νιτροποίησης είναι υποχρεωτικά αερόβια, η θερμοκρασία (πρακτικά δεν επιτυγχάνεται νιτροποίηση σε θερμοκρασίες χαμηλότερες των 5 ο C και υψηλότερες των 45 ο C, η βέλτιστη θερμοκρασία νιτροποίησης κυμαίνεται από 28 έως 32 ο C και η μείωση της θερμοκρασίας συνεπάγεται σημαντική μείωση της ταχύτητας της αντίδρασης), η αρκετά μεγάλη ηλικία ιλύος (ο απαιτούμενος χρόνος παρακράτησης για ικανοποιητική νιτροποίηση είναι αρκετές φορές μεγαλύτερος το χειμώνα από το καλοκαίρι, με αποτέλεσμα να απαιτείται κατά τη διάρκεια του χειμώνα η λειτουργία των εγκαταστάσεων με μεγαλύτερες τιμές MLSS για τη διατήρηση του επιθυμητού επιπέδου νιτροποίησης), το ph των αποβλήτων (βέλτιστη τιμή στην αλκαλική περιοχή ph = 8.2), η ικανοποιητική συγκέντρωση αλκαλικότητας των αποβλήτων (εξαπλάσια τουλάχιστον της συγκέντρωσης των αμμωνιακών) για να εξουδετερώνεται το οξύ το οποίο παράγεται κατά το πρώτο στάδιο της νιτροποίησης και έχει καταστρεπτικές συνέπειες στην επιβίωση των νιτροποιητικών βακτηρίων, το αμμωνιακό φορτίο των λυμάτων. Κατά το δεύτερο στάδιο της διεργασίας, την απονιτροποίηση, τα νιτρικά μετατρέπονται σε στοιχειακό άζωτο (N 2 ), με σύγχρονη έκλυση μικρών ποσοτήτων υποξειδίου (N 2 O) και μονοξειδίου (ΝΟ) του αζώτου, μέσω μιας κατηγορίας ετερότροφων μικροοργανισμών υπό ανοξικές συνθήκες (συγκέντρωση οξυγόνου < 0,5 mg/lt). Τα ετερότροφα βακτήρια της απονιτροποίησης χρησιμοποιούν ως πηγή οξυγόνου το οξυγόνο των νιτρωδών και των νιτρικών που παράγονται κατά τη νιτροποίηση. Αυτό συμβαίνει μόνον σε ανοξικές καταστάσεις γιατί στην αντίθετη περίπτωση τα εν λόγω βακτήρια προτιμούν το διαλυμένο οξυγόνο που υπάρχει στο σύστημα με αποτέλεσμα την αναστολή της νιτροποίησης. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 65

67 Η διεργασία της απονιτροποίησης εξαρτάται από τη θερμοκρασία και το ph, το οποίο συνήθως αυξάνεται. Η βέλτιστη τιμή του ph κυμαίνεται μεταξύ των τιμών ph = 7,0 8,2. Κατά την πορεία αναγωγής των νιτρικών, η τιμή ph < 7 ευνοεί την δημιουργία οξειδίων του αζώτου, ενώ τιμή ph > 9, ευνοεί τη δημιουργία αμμωνίας. Έχει υπολογιστεί ότι η αλκαλικότητα που παράγεται κατά την απονιτροποίηση είναι μικρότερη κατά το ήμισυ από εκείνη που αναλώνεται κατά την νιτροποίηση. Για την αναγωγή όμως των νιτρικών σε άζωτο απαιτείται οπωσδήποτε μια πηγή άνθρακα. Οι μικροοργανισμοί χρειάζονται δηλαδή τροφή για την απόκτηση ενέργειας. Πηγή άνθρακα των ετερότροφων βακτηρίων μπορεί να είναι είτε διαλυτές και κολλοειδείς οργανικές ενώσεις των ακατέργαστων αποβλήτων (BOD), είτε ο ενδογενής άνθρακας των μικροοργανισμών, δηλαδή ο άνθρακας των σηπόμενων νεκρών κυττάρων, είτε η μεθανόλη (CH 3 OH) που αποτελεί το καλύτερο οργανικό υπόστρωμα για την απονιτροποίηση. Η επιλογή της πηγής άνθρακα μπορεί να επηρεάσει σημαντικά το σχεδιασμό της διεργασίας και γίνεται με πολλούς τρόπους. Στην πράξη, κατά την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων με τη μέθοδο της ενεργού ιλύος, η απονιτροποίηση πρέπει να γίνει σε ξεχωριστή δεξαμενή και όχι στην ίδια δεξαμενή με τη νιτροποίηση γιατί κατά την απονιτροποίηση απαγορεύεται η παρουσία διαλυμένου οξυγόνου ενώ κατά τη νιτροποίηση η παρουσία διαλυμένου οξυγόνου επιβάλλεται. Συνήθως η δεξαμενή απονιτροποίησης τοποθετείται πριν τη δεξαμενή νιτροποίησης (σχήμα 7.1.2). Ανάμικτο υγρό Εισροή ΝΗ 4 + C N 2 Ανοξική Αερόβια Νιτροποίηση Δ.Τ.Κ. Εκροή Επανακυκλοφορία Ο 2 Ιλύς Σχήμα Προανοξική απονιτροποίηση υποστρώματος σε ξεχωριστή δεξαμενή Τα υγρά απόβλητα αναμιγνύονται με την ιλύ επανακυκλοφορίας. Τα απονιτροποιητικά βακτήρια αναπτύσσονται ταχύτατα χρησιμοποιώντας σαν τροφή τις οργανικές ουσίες των Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 66

68 λυμάτων. Τα νιτρικά (ΝΟ - 3 ) μετατρέπονται σε άζωτο (Ν 2 ) που διαφεύγει στην ατμόσφαιρα με τον αερισμό των υγρών αποβλήτων στην δεξαμενή νιτροποίησης που ακολουθεί. Εάν η δεξαμενή απονιτροποίησης τοποθετηθεί μετά τη δεξαμενή νιτροποίησης (σχήμα 7.1.3) παρατηρείται έλλειψη τροφής στην ανοξική δεξαμενή απονιτροποίησης. Κατά συνέπεια η απονιτροποίηση εξελίσσεται με πολύ βραδείς ρυθμούς. Τότε προστίθεται τροφή (άνθρακας, συνήθως μεθανόλη) στα απόβλητα. Η διαστασιολόγηση των δεξαμενών θα πρέπει να γίνει για πολύ μεγάλους χρόνους παραμονής των λυμάτων μέσα σ αυτές. Εισροή ΝΗ 4 + C Προσθήκη άνθρακα Αερόβια Νιτροποίηση N 2 Ανοξική Δ.Τ.Κ. Εκροή Ο 2 Επανακυκλοφορία Ιλύς Σχήμα Μεταανοξική ενδογενής απονιτροποίηση Η νιτροποίηση - απονιτροποίηση είναι δυνατόν να γίνει και στην ίδια δεξαμενή (σχήμα 7.1.4). Εισροή Ανοξική ζώνη Απονιτροποίηση Εκροή Αερόβια ζώνη Νιτροποίηση Σχήμα Κάτοψη ορθογώνιας δεξαμενής νιτροποίησης απονιτροποίησης με προτασσόμενη ανοξική ζώνη Στην περίπτωση αυτή στο πρώτο τμήμα της δεξαμενής δεν γίνεται εμφύσηση αέρα αλλά μόνο ανάδευση για να αποφευχθεί η καθίζηση των αιωρουμένων σωματιδίων. Η περιοχή αυτή της δεξαμενής είναι η ανοξική. Στο υπόλοιπο τμήμα της δεξαμενής γίνεται η Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 67

69 νιτροποίηση με κανονικό αερισμό των υγρών αποβλήτων. Ο χρόνος παραμονής των αποβλήτων στη δεξαμενή απονιτροποίησης είναι περίπου 30 λεπτά για την παροχή του μίγματος των υγρών αποβλήτων μετά την επανακυκλοφορία. Υπάρχουν ακόμα πολλές άλλες παραλλαγές νιτροποίησης απονιτροποίησης όπως για παράδειγμα σε μια δεξαμενή, χωρίς διαχωρισμό σε αεριζόμενο και μη αεριζόμενο θάλαμο. Η διεργασία επιτυγχάνεται είτε με διακοπτόμενο αερισμό είτε με τη χρησιμοποίηση κατάλληλων δεξαμενών. Οι ανοξικές συνθήκες δημιουργούνται είτε κατά τη διάρκεια διακοπής του αερισμού είτε λίγο πριν τον επόμενο αεριστήρα. Σχήμα Οξειδωτική τάφρος (Ταυτόχρονη απονιτροποίηση) Άλλη τέλος περίπτωση είναι η επίτευξη της διεργασίας νιτροποίησης απονιτροποίησης σε δεξαμενές με περισσότερους θαλάμους οι οποίοι βρίσκονται σε σειρά. Οι θάλαμοι απονιτροποίησης και νιτροποίησης τοποθετούνται ο ένας μετά τον άλλο. Εισροή ΝΗ 4 + C N 2 N 2 N 2 N 2 Δ.Τ.Κ. Εκροή Ο 2 Επανακυκλοφορία Ιλύς Σχήμα Νιτροποίηση απονιτροποίηση σε δεξαμενές με περισσότερους θαλάμους στη σειρά (Εναλλαγή αεριζόμενων με μη αεριζόμενες ζώνες) Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 68

70 7.2 Απομάκρυνση φωσφόρου Και ο φώσφορος (Ρ) πρέπει να απομακρυνθεί από τα απόβλητα για τον ίδιο λόγο που απομακρύνονται οι ενώσεις του αζώτου. H συγκέντρωση του φωσφόρου στην εκροή των Ε.Ε.Λ. καθορίζεται από τον χαρακτηρισμό (ωφέλιμες χρήσεις) του αποδέκτη. Συνήθως όταν πρόκειται για ευαίσθητους αποδέκτες, θεωρείται ικανοποιητική η ποσότητα του φωσφόρου στην απορροή όταν αυτή δεν υπερβαίνει τα 2,0 mg/lt. H πρακτική που ακολουθείται πάντως, εφόσον αποφασίζεται απομάκρυνση του φωσφόρου, αποβλέπει στην απομάκρυνση της τάξης του 90 έως και 95 %. Στα υγρά απόβλητα ο φώσφορος βρίσκεται κυρίως στις οργανικές ενώσεις και αποτελεί το 75 % περίπου του συνολικά υπάρχοντος φωσφόρου. Ο υπόλοιπος 25 % περίπου, βρίσκεται κυρίως με τη μορφή των ορθοφωσφορικών (ΡΟ 3-4, ΗΡΟ 2-4, Η 2 ΡΟ - 4 ) διαλυτών ιόντων από % και πολυφωσφορικών (P 2 O 2-7 ) ιόντων τα οποία είναι περίπλοκα μόρια, αλλά και με τη μορφή οργανικών φωσφορικών ενώσεων. O φώσφορος αποτελεί βασικό συστατικό για τη σύνθεση του κυτταρικού ιστού των μικροοργανισμών της ενεργού ιλύος και για την μεταφορά ενέργειας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα ποσοστό της τάξης του 10 % έως 30 % της εισερχόμενης ποσότητας φωσφόρου να απομακρύνεται κατά τη διάρκεια της βιολογικής επεξεργασίας στις δεξαμενές αερισμού, ενώ το σύνολο σχεδόν των φωσφορικών ενώσεων μετατρέπεται σε διαλυτά ορθοφωσφορικά ιόντα. Οι επιστημονικά παραδεκτές μέθοδοι απομάκρυνσης του φωσφόρου από τα υγρά απόβλητα είναι η βιολογική και η χημική μέθοδος. Κάθε μια έχει διαφορετικό βαθμό απόδοσης, αλλά και διαφορετικά λειτουργικά έξοδα. Η χημική μέθοδος με τη χρήση κροκιδωτικών εφαρμόστηκε με μεγάλη επιτυχία και απόδοση. Τα τελευταία χρόνια και η βιολογική μέθοδος απομάκρυνσης του φωσφόρου κερδίζει έδαφος. Στα κύρια πλεονεκτήματά της ανήκουν οι μειωμένες δαπάνες σε χημικά και η μικρότερη παραγωγή ιλύος, συγκριτικά με τη χημική καθίζηση. H βιολογική απομάκρυνση του φωσφόρου πραγματοποιείται στις εγκαταστάσεις με τη μέθοδο της ενεργού ιλύος, ταυτόχρονα με τη βιολογική απομάκρυνση του οργανικού φορτίου. H αποφωσφόρωση γίνεται συνήθως μόνη της αλλά πολλές φορές συνδυάζεται και με την απομάκρυνση του αζώτου (νιτροποίηση - απονιτροποίηση) στην ίδια δεξαμενή. H μονάδα βιολογικής αποφωσφόρωσης (σχήμα 7.2.1) αποτελείται από μια δεξαμενή αναερόβιων συνθηκών κατασκευασμένη πριν από τη δεξαμενή ενεργού ιλύος όπου τα Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 69

71 λύματα έρχονται σε επαφή κάτω από αναερόβιες συνθήκες με την ιλύ επανακυκλοφορίας. Τα λύματα μετά τη δεξαμενή βιολογικής αποφωσφόρωσης εισέρχονται μέσω υποβρύχιας οπής στο δάπεδο της δεξαμενής απονιτροποίησης. Στον πυθμένα κάθε διαδρόμου της δεξαμενής βιολογικής επεξεργασίας εγκαθίσταται υποβρύχιος αναμικτήρας για καλή ανάμειξη των περιεχόμενων λυμάτων και ικανοποιητική επαφή βιομάζας και λυμάτων (όπως και στο σχήμα 7.1.4). Όταν η ενεργός ιλύς περάσει διαδοχικά πολλές φορές από αναερόβιες σε αερόβιες συνθήκες, συσσωρεύει στην κυτταρική της μάζα, υπό μορφή πολυφωσφορικών, δεκαπλάσια ποσότητα φωσφορικών σε σχέση με την ποσότητα που απαιτείται υπό κανονικές συνθήκες. Αυτό συμβαίνει γιατί οι μικροοργανισμοί στην προσπάθειά τους να επιβιώσουν υπό συνθήκες πλήρους έλλειψης οξυγόνου, προσροφούν μεγάλες ποσότητες οργανικής ύλης (BOD) μέσα στο κυτταρόπλασμά τους με παράλληλη μετατροπή των πολυφωσφορικών (P 2 O 2-7 ) σε ορθοφωσφορικά (ΡΟ 3-4, ΗΡΟ 2-4, Η 2 ΡΟ - 4 ), για παραγωγή της απαραίτητης ενέργειας. Τα ορθοφωσφορικά εξάγονται στον περιβάλλοντα χώρο του κυττάρου. Με αυτό τον τρόπο, σε αναερόβιες συνθήκες, ελαττώνεται το BOD ενώ αυξάνεται η συγκέντρωση των φωσφορικών. Όταν οι μικροοργανισμοί βρεθούν σε αερόβιες συνθήκες, προσλαμβάνουν μεγάλες ποσότητες φωσφορικών, τις οποίες μετατρέπουν σε πολυφωσφορικές ενώσεις με προοπτική να τις χρησιμοποιήσουν για την επιβίωσή τους σε αναερόβιες συνθήκες. Τελικά ο φώσφορος απομακρύνεται με το ρεύμα της λάσπης που απάγεται από τις δεξαμενές τελικής καθίζησης. H μέθοδος της βιολογικής αποφωσφόρωσης επιτυγχάνει απομάκρυνση φωσφόρου από τα λύματα της τάξης του % περίπου. Αναερόβιο τμήμα δεξαμενής Αερόβιο τμήμα δεξαμενής Δ.Τ.Κ. Εισροή Απονιτροποίηση Ο 2 Εκροή Επανακυκλοφορία Ιλύς + Ρ Σχήμα Βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 70

72 Για τη χημική απομάκρυνση του φωσφόρου χρησιμοποιούνται κροκιδωτικά υλικά, δηλαδή άλατα του σιδήρου (Fe) όπως τριχλωριούχος σίδηρος (FeCl 3.6H 2 O) ή θειικός σίδηρος (FeSO 4.7H 2 O), άλατα του αργιλίου, όπως το θειικό αργίλιο (Al 2 SO 4.18H 2 O) και ασβέστιο με τη μορφή του υδροξειδίου του ασβεστίου (Ca(OH) 2 ). Η απομάκρυνση του φωσφόρου από τα υγρά απόβλητα περιλαμβάνει την ενσωμάτωση των φωσφορικών στα ολικά αιωρούμενα στερεά και στη συνέχεια την απομάκρυνση αυτών των στερεών (χημικών ιζημάτων). Τα φωσφορικά άλατα κατακρημνίζονται με τη μορφή των αντίστοιχων αδιάλυτων αλάτων. Τα εναλλακτικά σημεία προσθήκης των χημικών για την απομάκρυνση του φωσφόρου κατά τα διάφορα στάδια της επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων είναι: πριν την πρωτοβάθμια καθίζηση, πριν ή και μετά τη βιολογική επεξεργασία, μετά τη δευτεροβάθμια επεξεργασία, σε διάφορα σημεία της διεργασίας (γνωστή ως «πολυσημειακή επεξεργασία»). Σχήμα Σημεία προσθήκης κροκιδωτικών για χημική απομάκρυνση του φωσφόρου Ο βαθμός απόδοσης είναι διαφορετικός για κάθε σημείο. Συνήθως προτιμάται η αποφωσφόρωση να γίνεται μετά την βιολογική επεξεργασία, διότι αφενός δεν επηρεάζονται οι άλλες λειτουργίες της εγκατάστασης, αφετέρου επιτυγχάνεται η μεγαλύτερη απόδοση γιατί όλος ο φώσφορος έχει ήδη μετατραπεί από τη δευτεροβάθμια επεξεργασία σε ορθοφωσφορικά άλατα που εύκολα κατακρημνίζονται. Ανάλογα με την Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 71

73 χημική ουσία που χρησιμοποιείται ως κροκιδωτικό, παράγονται αδιάλυτα άλατα του φωσφόρου που καθιζάνουν σαν ίζημα. Από τη διεθνή πρακτική, το πιο αποτελεσματικό κροκιδωτικό για την αφαίρεση του φωσφόρου είναι το θειικό αργίλιο (Al 2 SO 4.18H 2 O), το οποίο χρησιμοποιείται κατά πρωτεύοντα βαθμό, ενώ στη δεύτερη θέση βρίσκεται το υδροξείδιο του ασβεστίου (Ca(OH) 2 ). H ακριβής δόση του θειικού αργιλίου που απαιτείται για την απομάκρυνση του φωσφόρου είναι ανάλογη του βαθμού απομάκρυνσης. Από έρευνες που έχουν γίνει για απομάκρυνση φωσφόρου της τάξης του 95% η σχέση Al/P είναι 2,0/1,0 και η σχέση θειικού αργιλίου / φωσφόρου 22/1. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 72

74 8. Τριτοβάθμια επεξεργασία υγρών αποβλήτων 8.1 Γενικά Είναι προφανές ότι στα λύματα είναι δυνατόν να υπάρχουν και ουσίες οι οποίες προέρχονται από τη βιομηχανία και τη βιοτεχνία και οι οποίες δεν κατακρατούνται στις κοινές εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων. Επίσης οι προδιαγραφές για τη διάθεση κατεργασμένων λυμάτων σε αποδέκτες τα νερά των οποίων χρησιμοποιούνται για την ύδρευση οικισμών, είναι πολύ αυστηρές. Στις περιπτώσεις αυτές επιβάλλεται η χρήση μεθόδων προχωρημένου καθαρισμού, δηλαδή συστημάτων τριτοβάθμιας επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων. Η τριτοβάθμια ή προχωρημένη επεξεργασία έπεται της δευτεροβάθμιας και αποσκοπεί στην περαιτέρω αφαίρεση στερεών, οργανικού φορτίου, χρώματος, αμμωνιακών, νιτρικών, φωσφορικών και άλλων ρυπαντών όπως τα βαριά μέταλλα, το αρσενικό (As), οι τοξικές οργανικές ενώσεις, τα θειούχα (S 2- ), τα κυανιούχα (CN - ) κ.λ.π. (μη συμβατικοί ρύποι του νερού). Οι διατάξεις και οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται είναι η διήθηση με πολλές παραλλαγές όπως η διήθηση χώρου, η διήθηση επιφάνειας κ.λ.π. με διάφορους συνδυασμούς διηθητικών μέσων όπως η άμμος, ο ανθρακίτης και διάφορες συνθετικές ίνες και μεμβράνες. Σημειώνεται ότι στις πιο προχωρημένες εφαρμογές μεμβρανών ανήκει η μικροδιήθηση (MF), η υπερδιήθηση (UF), η νανοδιήθηση (NF), η αντίστροφη ώσμωση (RO), η χημική επεξεργασία (οξείδωση, αναγωγή κ.λ.π.), οι διεργασίες προχωρημένης οξείδωσης (Advanced Oxidation Processes AOP). η προσρόφηση (κυρίως σε ενεργό άνθρακα), η ιοντοεναλλαγή, η απογύμνωση αερίου, η οποία συνίσταται στη μεταφορά μάζας ενός αερίου από την υγρή στην αέρια φάση και εφαρμόζεται κυρίως για την απομάκρυνση αερίων όπως το υδρόθειο (H 2 S), η αμμωνία (NH 3 ) και οι πτητικές οργανικές ενώσεις (Volatile Organic Compounds VOC). Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 73

75 8.2 Διήθηση Η διήθηση περιλαμβάνει πολλές παραλλαγές όπως η διήθηση χώρου, η διήθηση επιφάνειας κ.λ.π. που βασίζονται στη διήθηση του νερού, με βαρύτητα ή υπό πίεση, με διάφορους συνδυασμούς διηθητικών μέσων όπως η άμμος, ο ανθρακίτης και διάφορες συνθετικές ίνες και μεμβράνες. Η διήθηση σε πολλαπλή κλίνη αποτελεί την πιο διαδεδομένη διάταξη προχωρημένης επεξεργασίας και των υγρών απόβλητων και αποσκοπεί κυρίως στην απομάκρυνση των αιωρούμενων στερεών, τα οποία διαφεύγουν από τις δεξαμενές καθίζησης. Οι συνήθεις διατάξεις βασίζονται στη διήθηση των επεξεργασμένων αποβλήτων, με βαρύτητα ή υπό πίεση, σε κλίνες αποτελούμενες από αλλεπάλληλα στρώματα άμμου και ανθρακίτη. 8.3 Μεμβράνες Η εφαρμογή των μεμβρανών στην προχωρημένη επεξεργασία του νερού και των υγρών αποβλήτων είναι μια σχετικά νέα τεχνολογία πολλά υποσχόμενη, που κερδίζει συνεχώς έδαφος έναντι άλλων διεργασιών. Βασικό μειονέκτημα είναι το υψηλό κόστος και η μεγάλη κατανάλωση ενέργειας. Τα αποτελέσματα όμως είναι εκπληκτικά (πίνακας 8.3.1). Πίνακας Απομάκρυνση διαφόρων συστατικών με τη χρήση μεμβρανών Συστατικό προς απομάκρυνση MF UF NF RO Βιοαποικοδομήσιμες οργανικές ενώσεις - TDS - - TSS - - Βαριά μέταλλα - - Σκληρότητα - - Νιτρικά ιόντα - - Συνθετικές οργανικές ενώσεις - - Οργανικοί ρύποι προτεραιότητας - Βακτήρια Κύστες πρωτόζωων, ωοκύστες και ωάρια ελμίνθων Ιοί - - Οι μεμβράνες κατασκευάζονται συνήθως από οξική κυτταρίνη (rayon) ή από ιδιοσκευάσματα πολυμερών όπως τα πολυαμίδια. Κάθε μεμβράνη παρουσιάζει βέλτιστες τιμές απόδοσης σε ορισμένο εύρος θερμοκρασίας, ph και ποιοτικών χαρακτηριστικών ενός Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 74

76 υγρού, γεγονός που απαιτεί πειραματικά στοιχεία για την επιλογή της. Ενδεικτικά στις μεθόδους διαχωρισμού στερεών με μεμβράνες αναφέρεται η μικροδιήθηση (MF) με μέγεθος πόρων μεμβράνης από 0,05 2,0 μm, η υπερδιήθηση (UF), με μέγεθος πόρων μεμβράνης από 2,0 0,05 μm, και η νανοδιήθηση (NF) με μέγεθος πόρων μεμβράνης από 0,5 2,0 nm. Οι μεμβράνες που χρησιμοποιούνται στην αντίστροφη ώσμωση (RO) θεωρητικά δεν έχουν πόρους. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα της χρήσης μεμβρανών κατά την τριτοβάθμια ή προχωρημένη επεξεργασία των υγρών αποβλήτων είναι ο μεγάλος βαθμός απομάκρυνσης οργανικού φορτίου και διαλυτών αλάτων, ενώ τα σημαντικότερα μειονεκτήματα τα οποία περιορίζουν την ευρεία εφαρμογή της, είναι το υψηλό κόστος των διατάξεων και το υψηλό κόστος λειτουργίας που οφείλεται κυρίως στις μεγάλες καταναλώσεις ενέργειας για την επίτευξη της απαιτούμενης υπερπίεσης και στις απαιτήσεις για τακτικές αντικαταστάσεις ή καθαρισμό των μεμβρανών, η δυσκολία και το υψηλό κόστος στην επεξεργασία και διάθεση του παραγόμενου πυκνού διαλύματος. Το διάλυμα αυτό αντιπροσωπεύει σε όγκο το % του αρχικά διηθούμενου υγρού, ενώ η περιεκτικότητά του σε διαλυτά άλατα είναι περίπου τετραπλάσια της αρχικής, γεγονός που καθιστά δυσχερή την τελική του διάθεση. 8.4 Αντίστροφη ώσμωση Η αντίστροφη ώσμωση είναι μια μέθοδος αντιστροφής της φυσικοχημικής διεργασίας που καλείται ώσμωση. Είναι μια διεργασία κατά την οποία μια μεμβράνη δρα σαν μοριακό φίλτρο που συγκρατεί τα διαλυμένα συστατικά ενός υδατικού διαλύματος. Η διεργασία αυτή χρησιμοποιείται για το διαχωρισμό διαλυτών συστατικών του νερού. Ωθούσα δύναμη είναι η πίεση που εφαρμόζεται σε ένα υδατικό διάλυμα η οποία υπερβαίνει την ωσμωτική πίεση του διαλύματος έναντι μιας ημιπερατής μεμβράνης. Η δύναμη αυτή εξαναγκάζει τη διέλευση καθαρού νερού διαμέσου της ημιπερατής μεμβράνης και όχι των διαλυτών συστατικών του (σχήμα 8.4.1). Η κύρια εφαρμογή της αντίστροφης ώσμωσης είναι η αφαλάτωση του νερού. Όταν δύο διαλύματα διαφορετικής συγκέντρωσης, π.χ. αποσταγμένο νερό και υδατικό διάλυμα αλάτων, διαχωρίζονται από μια ημιπερατή μεμβράνη, τότε το καθαρό νερό διέρχεται διαμέσου της μεμβράνης από το διάλυμα (Α) δηλαδή το αποσταγμένο νερό, προς το διάλυμα (Β) με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση. Η ωσμωτική ροή συνεχίζεται μέχρι να επιτευχθεί ισορροπία, η οποία χαρακτηρίζεται από την υψηλότερη στάθμη του διαλύματος Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 75

77 με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση. Αυτή η κατάσταση ισορροπίας είναι γνωστή ως οσμωτική και η διαφορά της στάθμης των διαλυμάτων αντιστοιχεί στην οσμωτική πίεση του συστήματος των δύο διαλυμάτων. Εάν στο διάλυμα Β εφαρμοστεί εξωτερική πίεση μεγαλύτερη από την οσμωτική, τότε αντιστρέφεται η ροή και καθαρό νερό διέρχεται διαμέσου της μεμβράνης από το διάλυμα Β προς το διάλυμα Α. Η διεργασία αυτή ονομάζεται αντίστροφη ώσμωση (Reverse Osmosis RO). Το νερό που προκύπτει είναι εξαιρετικά καθαρό. Σχήμα Σχηματική παράσταση της ώσμωσης, της ωσμωτικής ισορροπίας και της αντίστροφης ώσμωσης Με την αντίστροφη ώσμωση επιτυγχάνεται πλήρης απομάκρυνση διαλυτών αλάτων και οργανικών μικρορυπαντών από το νερό, το οποίο διαβιβάζεται σε συνθήκες υπερπίεσης στην ημιπερατή μεμβράνη, οπότε τα μόρια του νερού και μικρό μέρος των διαλυτών ενώσεων διέρχονται από τη μεμβράνη ενώ το μεγαλύτερο μέρος των διαλυτών ενώσεων δεν διέρχεται και συμπυκνώνεται. Η καλή λειτουργία των διατάξεων αντίστροφης ώσμωσης επηρεάζεται από την ύπαρξη πολλών κολλοειδών και αιωρουμένων σωματιδίων, τα οποία φράζουν τους πόρους της μεμβράνης. Σε περίπτωση λοιπόν υψηλών απαιτήσεων απομάκρυνσης σωματιδίων και κολλοειδών οι διατάξεις αντίστροφης ώσμωσης ακολουθούν τις διατάξεις διαύγασης που είναι οι διεργασίες καθίζησης, θρόμβωσης, αμμοδιύλισης και προσρόφησης σε ενεργό άνθρακα. 8.5 Χημικές διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Όταν οι διεργασίες που εφαρμόζονται στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων βασίζονται στη μετατροπή μέσω χημικών αντιδράσεων ονομάζονται χημικές διεργασίες. Συνήθως συνδυάζονται με τις φυσικές και τις βιολογικές διεργασίες. Η χημική επεξεργασία στοχεύει Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 76

78 κυρίως στην οξείδωση ουσιών οι οποίες δεν αποικοδομούνται (οξειδώνονται) βιολογικά. Οι βασικές χημικές διεργασίες στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων είναι η εξουδετέρωση, η χημική κατακρήμνιση, η κροκίδωση και η χημική απολύμανση. Βασικό χαρακτηριστικό αυτών των διεργασιών είναι οι αυξημένες ποσότητες της ιλύος που προκύπτουν και που οφείλονται τόσο στην προσθήκη χημικών και στα σχηματιζόμενα ιζήματα, όσο και στην αυξημένη απομάκρυνση στερεών. Οι ποσότητες ιλύος από τη χημική επεξεργασία εξαρτώνται από το χρησιμοποιούμενο χημικό και τη δόση του, τα χαρακτηριστικά των αποβλήτων και την απόδοση των διαδικασιών επεξεργασίας. Η εξουδετέρωση συνίσταται στην απομάκρυνση της οξύτητας ή της αλκαλικότητας με κάποιο χημικό αντιδραστήριο το οποίο έχει αντίθετη σύσταση. Στοχεύει δηλαδή στη ρύθμιση του ph των υγρών αποβλήτων σε μια περιοχή μεταξύ 6,5 και 8,5 η οποία απαιτείται είτε για την βελτιστοποίηση των συνθηκών της κυρίως χημικής ή βιολογικής επεξεργασίας είτε για τη διόρθωση του ph των κατεργασμένων λυμάτων πριν αυτά διατεθούν στο φυσικό περιβάλλον. Τα αντιδραστήρια τα οποία χρησιμοποιούνται για εξουδετέρωση είναι οξέα, βάσεις ή άλατα. Συνήθως γίνεται η εξουδετέρωση όξινων λυμάτων με βάσεις ή άλατα όπως είναι το υδροξείδιο του ασβεστίου (Ca(OH) 2 ), το υδροξείδιο του νατρίου (NaOH), το ανθρακικό ασβέστιο (CaCO 3 ), το οξείδιο του μαγνησίου (MgO) και το ανθρακικό νάτριο (Na 2 CO 3 ). Άλλα από τα παραπάνω αντιδραστήρια είναι διαλύματα (Ca(OH) 2, NaOH), και άλλα στερεά (CaCO 3, Na 2 CO 3 ). Η χημική κατακρήμνιση ή ιζηματοποίηση (precipitation) είναι ταυτόχρονα φυσική και χημική διεργασία που εφαρμόζεται στην επεξεργασία του νερού και των υγρών αποβλήτων. Πρόκειται για διεργασία αδιαλυτοποίησης ορισμένων ανεπιθύμητων συστατικών του νερού με σχηματισμό αδιάλυτων ενώσεων, λόγω αλλαγής της διαλυτότητάς τους. Επιτυγχάνεται με: - μεταβολή του ph (αύξηση ή μείωση), - προσθήκη κατάλληλων αντιδραστηρίων, - αλλαγή του αριθμού οξείδωσης των στοιχείων που θα μετατραπούν σε ίζημα. Πρωτεύοντα ρόλο στη διεργασία αυτή παίζει η ιονική ισχύς του νερού και η οξειδωτική βαθμίδα των περιεχομένων στοιχείων. Η χημική κατακρήμνιση στοχεύει στην αύξηση της απομάκρυνσης των ολικών και διαλυμένων στερεών και του BOD σε εγκαταστάσεις πρωτοβάθμιας καθίζησης. Μη βιοδιασπώμενες οργανικές ουσίες μετατρέπονται με χημική οξείδωση σε άλλες λιγότερο επικίνδυνες ή καλύτερα «βιοεπεξεργάσιμες» ενώσεις. Εφαρμόζεται επίσης στην Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 77

79 απομάκρυνση βαρέων μετάλλων (Fe 2+, Fe 3+, Cu 2+, Zn 2+, Cr 3+ κ.λ.π.) και φωσφόρου καθώς και για τον έλεγχο της διάβρωσης των υπονόμων από την έκλυση υδρόθειου (H 2 S) και τη δημιουργία θειικού οξέος (H 2 SO 4 ). Πολλές φορές η χημική κατακρήμνιση εφαρμόζεται σε συνδυασμό με τις διεργασίες της κροκίδωσης και της συσσωμάτωσης. Τα χημικά αντιδραστήρια τα οποία χρησιμοποιούνται είναι συνήθως ισχυρά οξειδωτικά μέσα, όπως το όζον (O 3 ), το διοξείδιο του χλωρίου (ClO 2 ), το χλώριο (Cl 2 ), το υποχλωριώδες οξύ (HOCl), το υπεροξείδιο του υδρογόνου (H 2 O 2 ), το υπερμαγγανικό κάλιο (KMnO 4 ) κ.ά. Περιλαμβάνουν ακόμα τα υδροξείδια (ΟΗ - ) και τα σουλφίδια (S 2- ) και πιο σπάνια τα ανθρακικά ιόντα (CO 2-3 ). Τα προϊόντα των αντιδράσεων είναι αδιάλυτα άλατα που καθιζάνουν στον πυθμένα των δεξαμενών αντίδρασης ή των δεξαμενών τελικής καθίζησης. Η κροκίδωση (coagulation) - συσσωμάτωση (flocculation) είναι φυσικοχημική - ηλεκτροχημική διεργασία, η οποία αποσκοπεί στην περαιτέρω απομάκρυνση οργανικού φορτίου ως COD και εφαρμόζεται για την κατακρήμνιση των αιωρούμενων κολλοειδών ρύπων, οι οποίοι στη συνέχεια η απομακρύνονται στις δεξαμενές καθίζησης. Αρνητικά φορτισμένα κολλοειδή σωματίδια Προσθήκη κροκιδωτικού (Άλατα του αργιλίου ή του σιδήρου). Εξουδετέρωση του αρνητικού ηλεκτρικού φορτίου και συσσωμάτωση σε Μικροκροκίδες και στη συνέχεια σε κροκίδες οι οποίες καθιζάνουν πιο εύκολα Σχήμα Ο μηχανισμός της κροκίδωσης Κροκίδωση ή θρόμβωση ονομάζεται το φαινόμενο της εξουδετέρωσης του ηλεκτρικού φορτίου των μικκυλίων κολλοειδούς διασποράς, με αποτέλεσμα τη συνένωση των αποσταθεροποιημένων κολλοειδών και τη δημιουργία μεγάλων σχηματισμών, δηλαδή κροκίδων. Ακολουθεί η συσσωμάτωση και καταβύθιση. Συσσωμάτωση είναι η διεργασία κατά την οποία τα κολλοειδή και λεπτομερή αιωρούμενα υλικά ενός υδατικού διαλύματος προετοιμάζονται με κατάλληλα μέσα για συνένωση. Πρακτικά, η συσσωμάτωση αποτελεί διεργασία αποσταθεροποίησης του σταθερού κολλοειδούς διαλύματος. Ο όρος καταβύθιση έχει νόημα όταν τα πρώην κολλοειδή συστατικά είναι βαρύτερα από το κύριο συστατικό του πρώην κολλοειδούς συστήματος. Αν είναι ελαφρύτερα τότε και πάλι Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 78

80 απομακρύνονται, αλλά προς τα πάνω, π.χ. ως φυσαλίδες, αν είναι αέρια. Σε κάθε περίπτωση, με την κροκίδωση το συνολικό σύστημα παύει να φαίνεται ομογενές. Κι αυτό γιατί όταν με τη συσσωμάτωση τα σωματίδια των συστατικών ξεπεράσουν το όριο των 10-4 cm, γίνονται πλέον ορατά. Τα κολλοειδή και αδρομερή αιωρούμενα σωματίδια που υπάρχουν στο νερό και στα απόβλητα προετοιμάζονται με κατάλληλα αντιδραστήρια για την αποσταθεροποίηση, τη συνένωση και την απομάκρυνσή τους. Κολλοειδή ονομάζονται τα συστήματα διασποράς σε μορφή σωματιδίων τάξης μεγέθους cm (0,01-1,0 μm) που ονομάζονται μικκύλια. Τα μικκύλια μπορεί να είναι συσσωματώματα μορίων, μικροκρύσταλλοι, ή μεγαλομόρια, δηλαδή μόρια πολύ μεγάλου μοριακού βάρους και διαστάσεων, όπως οι πρωτεΐνες, τα πολυμερή, τα νουκλεϊνικά οξέα, οι πολυσακχαρίτες κ.ά. Οπτικά φαίνονται ότι είναι ομογενή μίγματα. Η απομάκρυνσή τους με απλή καθίζηση είναι αδύνατη. Τα σωματίδια αυτά φέρουν συνήθως αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο και η αυθόρμητη συνένωσή τους, λόγω των δυνάμεων έλξεως Van der Waals, εξουδετερώνεται από τις ηλεκτρικές απωστικές δυνάμεις οι οποίες αυξάνονται όσο μικρότερα είναι τα κολλοειδή, λόγω της μεγάλης ειδικής επιφάνειας και των κολλοειδών ιδιοτήτων που αυτά παρουσιάζουν. Συνεπώς πρέπει πρώτα να αποσταθεροποιηθούν και στη συνέχεια να συνενωθούν σε μεγαλύτερους σχηματισμούς (κροκίδες, flocs) για πιο αποτελεσματική απομάκρυνση. Ανάλογα με την ικανότητα ή όχι να προσροφούν μόρια του κύριου συστατικού και να αυξάνουν το μέγεθός τους, τα μικκύλια διακρίνονται σε υδρόφοβα, αν δεν έχουν την ικανότητα να προσροφούν μόρια του κύριου συστατικού και δεν αυξάνουν το μέγεθός τους, και σε υδρόφιλα αν έχουν την ικανότητα να προσροφούν μόρια του κύριου συστατικού και να αυξάνουν το μέγεθός τους. Ενώ λοιπόν τα μικκύλια των κολλοειδών είναι σχετικά μεγάλα και βαριά, δεν καταβυθίζονται όπως θα περίμενε κανείς, γιατί απωθούνται αμοιβαία μεταξύ τους, επειδή έχουν εξωτερικά ομοειδές ηλεκτρικό φορτίο (θετικό ή αρνητικό). Η σταθερότητα των υδρόφοβων κολλοειδών οφείλεται στις απωστικές ηλεκτρικές δυνάμεις, ενώ των υδρόφιλων οφείλεται περισσότερο στη συγγένεια τους με το νερό, καθώς διασκορπίζονται εύκολα στη μάζα του και λιγότερο στα ηλεκτρικά φορτία που διαθέτουν. Ένας επιπλέον λόγος σταθερότητας των κολλοειδών είναι η προστασία που τους παρέχουν ορισμένες ουσίες που προσροφώνται σε αυτά. Τα κυριότερα χημικά μέσα που χρησιμοποιούνται σαν κροκιδωτικά ή θρομβωτικά (coagulants) είναι το θειικό αργίλιο (Al 2 (SO 4 ) 3.18H 2 O), ο θειικός σίδηρος (Fe 2 (SO 4 ) 3 ), ο επταένυδρος θειικός υποσίδηρος (FeSO 4.7H 2 O), ο χλωριούχος σίδηρος (FeCl 3.6Η 2 Ο), το αργιλικό νάτριο (NaAlO 2 ) και η υδράσβεστος (Ca(OH) 2 ). Χρησιμοποιούνται ακόμα το θειικό Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 79

81 οξύ (H 2 SO 4 ), το διοξείδιο του θείου (SO 2 ), διάφοροι πολυηλεκτρολύτες (πολυοξέα και πολυαμίδια με ηλεκτρικά ενεργές ομάδες όπως COOH-, CH 2 COH-CO-, NH 2 - κ.λ.π. που κυκλοφορούν με διάφορες εμπορικές ονομασίες) σαν βοηθητικά θρόμβωσης. Χημικά Είσοδος νερού Καθίζηση Υπερχείλιση Έξοδος νερού Γρήγορη ανάμιξη Αργή ανάμιξη Έξοδος ιλύος Ξέστρο ιλύος Σχήμα Ορθογώνια δεξαμενή κροκίδωσης καθίζησης Στην περίπτωση κροκίδωσης και καθίζησης σε κοινή δεξαμενή, η κροκίδωση πραγματοποιείται στον κεντρικό κολουροκωνικό χώρο από τον οποίο το νερό εξέρχεται κοντά στον πυθμένα δια μέσου του στρώματος της ιλύος ώστε να ενισχυθεί η κροκίδωση. Το καθαρισμένο νερό υπερχειλίζει σε περιμετρική διώρυγα της δεξαμενής και από εκεί οδηγείται στο διυλιστήριο. Συνήθως ο χώρος κροκίδωσης σχεδιάζεται για μέσο χρόνο παραμονής του νερού ίσο με min. Σχήμα Σχηματική διάταξη κυκλικών δεξαμενών κροκίδωσης καθίζησης Η αποτελεσματικότητα των κροκιδωτικών υλικών καθώς επίσης και το περιβάλλον στο οποίο δρουν καλύτερα (θερμοκρασία, ph, ρυθμός ανάδευσης κ.λ.π.) ελέγχεται με εργαστηριακές δοκιμές (Jar test). Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 80

82 Εικόνα Εργαστηριακή δοκιμή κροκίδωσης (Jar test) 8.6 Προσρόφηση Προσρόφηση είναι το φαινόμενο μεταφοράς μάζας από την υγρή φάση στην επιφάνεια ενός στερεού. Πρόκειται για διεργασία συσσώρευσης των συστατικών τα οποία βρίσκονται σε ένα διάλυμα πάνω σε μια κατάλληλη επιφάνεια. Η προσρόφηση των συστατικών στο προσροφητικό μέσο πραγματοποιείται δια μέσου των ηλεκτροστατικών δυνάμεων που έλκουν το προσροφούμενο συστατικό από το διάλυμα στη στερεά επιφάνεια του προσροφητικού. Οι δυνάμεις ή ο μηχανισμός με τον οποίο το προσροφούμενο συστατικό έλκεται στην επιφάνεια του προσροφητικού υλικού, μπορεί να είναι φυσικές ή χημικές χωρίς σαφή προσδιορισμό μεταξύ των φυσικών και χημικών ηλεκτροστατικών δυνάμεων που αναπτύσσονται. Τα σπουδαιότερα προσροφητικά μέσα είναι ο ενεργός άνθρακας, τα συνθετικά πολυμερή και κάποια προσροφητικά μέσα που βασίζονται στο πυρίτιο. Όλα αυτά εφαρμόζονται για την απομάκρυνση οργανικών ενώσεων και ιχνοστοιχείων. Ο κονιορτοποιημένος ενεργός άνθρακας έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία σε ταμιευτήρες νερού και σε δεξαμενές καθίζησης, όπου ενεργεί τόσο σαν προσροφητικό μέσο των στοιχείων που προκαλούν οσμές. Ο ενεργός άνθρακας παράγεται από ποικίλες οργανικές πρώτες ύλες (ύλες με υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα), όπως ξύλο, λιγνίτη κ.ά. Η πρώτη ύλη απανθρακώνεται απουσία αέρα στους 650 o C περίπου ή οξειδώνεται με κατάλληλους ατμούς και αέρια, όπως ο υδρατμός και το διοξείδιο του άνθρακα, στους 850 o C περίπου. Με τη θερμική επεξεργασία α άνθρακας αποκτά πόρους με πολύ μεγάλη ειδική επιφάνεια ( m 2 /g). Στην επιφάνεια αυτή μπορεί να γίνει προσρόφηση των διαλυμένων οργανικών ουσιών οι οποίες υπάρχουν στο νερό. Υπάρχουν δύο είδη ενεργού άνθρακα, ο Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 81

83 κοκκοποιημένος (Granular Activated Carbon GAC) και ο κονιορτοποιημένος (Powdered Activated Carbon PAC). Ο κοκκώδης (κοκκοποιημένος) ενεργός άνθρακας έχει συνήθως την κοκκομετρική σύνθεση της άμμου των διυλιστηρίων (0.1 1,0 mm). Η διάμετρος του κονιορτοποιημένου ενεργού άνθρακα κυμαίνεται μεταξύ mm. Η προσροφητική ικανότητά του είναι μεγάλη. Μισό κιλό λεπτού κονιορτοποιημένου ενεργού άνθρακα περιέχει κόκκους ενώ 30 περίπου λίτρα κόκκων έχουν ολική επιφάνεια περίπου 28 Km 2. Ο κοκκώδης ενεργός άνθρακας απομακρύνει αποτελεσματικά τα διαλυμένα οργανικά συστατικά ακόμα και όταν αυτά βρίσκονται στο νερό σε χαμηλές συγκεντρώσεις. Οι οργανικές ουσίες προσροφώνται στη μεγάλη ειδική επιφάνεια του άνθρακα ενώ, παράλληλα, η βιολογική αποικοδόμηση ανοίγει ξανά τους πόρους και τις διόδους μεταξύ των κόκκων. Γενικά, έχει παρατηρηθεί ότι με τη χρήση του ενεργού άνθρακα, για την απομάκρυνση των οργανικών ενώσεων, τα οργανικά συστατικά μικρού μοριακού βάρους δεν δεσμεύονται από το σύστημα του ενεργού άνθρακα. Η προσρόφηση των ρύπων εξασφαλίζεται σε κλίνες, οι οποίες περιέχουν ενεργό άνθρακα σε κοκκώδη μορφή. Οι κλίνες που περιέχουν κονιορτοποιημένο ενεργό άνθρακα παρουσιάζουν προβλήματα απόφραξης των πόρων τους από τα σωματίδια που περιέχει το νερό. Μετά από αρκετές χρήσεις ο άνθρακας πρέπει να αναγεννηθεί. Αυτό επιτυγχάνεται με τη θέρμανσή του στους o C. Οι μονάδες επαφής του άνθρακα με το νερό αποτελούνται είτε από κλίνες με καθοδική ροή, που προσροφούν και διυλίζουν ταυτόχρονα τα αιωρούμενα στερεά είτε από στήλες με ανοδική ή καθοδική ροή. Ο χρόνος επαφής πρέπει να είναι όσο το δυνατόν περιορισμένος διότι οι αυξημένοι χρόνοι, παρ όλο που δεν βελτιώνουν ουσιαστικά την απόδοση, οδηγούν στη δημιουργία ανεπιθύμητων αναερόβιων συνθηκών με παραγωγή υδρόθειου (H 2 S). Ο σχεδιασμός των μονάδων επεξεργασίας με ενεργό άνθρακα γίνεται με βάση έξι σημαντικές παραμέτρους οι οποίες είναι η ποσότητα ενεργού άνθρακα (απαίτηση αναγέννησης), ο χρόνος επαφής, το υδραυλικό φορτίο, ο ρυθμός καθαρισμού, η διάταξη ροής (ανοδική ή καθοδική, ένα ή πολλά στάδια) και η λειτουργία και είδος δεξαμενής επαφής (με βαρύτητα ή πίεση, χαλύβδινη ή από σκυρόδεμα). 8.7 Ιοντοεναλλαγή Η ιοντοεναλλαγή είναι μια φυσικοχημική διεργασία με την οποία επιτυγχάνεται μεταφορά ιόντων από ένα αδιάλυτο στερεό σε μια υγρή φάση και αντίστροφα. Πιο απλά, ιόντα ενός είδους που βρίσκονται σε ένα αδιάλυτο μέσο ανταλλαγής αντικαθίστανται από ιόντα Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 82

84 διαφορετικού είδους που βρίσκονται στο διάλυμα. Το αδιάλυτο στερεό διαθέτει ευκίνητα ανιόντα ή κατιόντα ικανά για αντιστρεπτή και στοιχειομετρική εναλλαγή με ιόντα ίδιου φορτίου από το διάλυμα ενός ηλεκτρολύτη με το οποίο έρχεται σε επαφή. Η διεργασία αυτή βασίζεται στην ικανότητα κάποιων υλικών - ορυκτών (ζεόλιθοι) ή συνθετικών (ρητίνες) - να δεσμεύουν εκλεκτικά διάφορα ιόντα. Μέσα από μια υψίκορμη κυλινδρική δεξαμενή που περιέχει τον ιοντοεναλλάκτη, διέρχεται το νερό και ο ιοντοεναλλάκτης δεσμεύει τα προς απομάκρυνση ιόντα. Ένα ιόν ανταλλάσσεται με κάποιο άλλο, κρατείται προσωρινά στο μέσο και κατόπιν απελευθερώνεται στο διάλυμα αναγέννησης. Μετά από πολλές χρήσεις ο ιοντοεναλλάκτης (η ρητίνη) αναγεννιέται για να επαναχρησιμοποιηθεί. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 83

85 9. Απολύμανση υγρών αποβλήτων 9.1 Γενικά Η απολύμανση των υγρών αποβλήτων έχει ως στόχο την καταστροφή ή την αδρανοποίηση των παθογόνων μικροοργανισμών ώστε να προστατευτεί η δημόσια υγεία. Όλες οι μέθοδοι απολύμανσης στοχεύουν στην καταστροφή των βακτηρίων, των ιών και των λοιπών μικροοργανισμών που πιθανό να είναι φορείς ασθενειών, ή μπορούν να εξελιχθούν σε τέτοιους. Το απολυμαντικό μέσο πρέπει να είναι δραστικό σε όλες τις κατηγορίες μικροοργανισμών που παρουσιάζονται ή αναμένεται να παρουσιασθούν στο σύστημα, να συμφέρει οικονομικά η εφαρμογή του, να μην δημιουργεί παρενέργειες στο σύστημα και να μη διευκολύνει την ανεξέλεγκτη ανάπτυξη ανεπιθύμητων ειδών, να μην δημιουργεί σοβαρούς κινδύνους για το προσωπικό και το περιβάλλον. Επισημαίνεται ότι οι παθογόνοι μικροοργανισμοί παρουσιάζουν διαφορετική ανθεκτικότητα στα διάφορα απολυμαντικά μέσα. Οι σπόροι των βακτηρίων και των πρωτόζωων παρουσιάζουν μεγάλη ανθεκτικότητα και ακολουθούν οι ιοί και τα βακτήρια. Οι κύριες κατηγορίες ανθρώπινων εντερικών μικροοργανισμών οι οποίες υπάρχουν στα υγρά απόβλητα και πρέπει να θανατωθούν πριν τα υγρά απόβλητα διατεθούν στο περιβάλλον είναι τα βακτήρια, τα πρωτόζωα, οι ωοκύστες, οι κύστες, οι ιοί και οι έλμινθες. Η περιεκτικότητα των τυπικών αστικών λυμάτων σε κολοβακτηρίδια είναι της τάξης των CFU / 100 ml. Είναι προφανές λοιπόν ότι στα λύματα θα υπάρχουν και παθογόνοι μικροοργανισμοί. Με τις επί μέρους διεργασίες κατά την επεξεργασία των λυμάτων απομακρύνεται ένα μεγάλο ποσοστό αυτών των μικροοργανισμών. Στις σχάρες για παράδειγμα επιτυγχάνεται ποσοστό απομάκρυνσης % περίπου, στους αμμοσυλλέκτες % περίπου και κατά την καθίζηση απομακρύνεται ποσοστό της τάξης του %. Με τη βιολογική επεξεργασία και πιο συγκεκριμένα με τη μέθοδο της ενεργού ιλύος επιτυγχάνεται απομάκρυνση του % των μικροοργανισμών. Αυτό όμως δεν είναι αρκετό. Η απολύμανση με τη χρήση ισχυρών οξειδωτικών παραγόντων (Cl 2, ClO 2, O 3 ) ή με υπεριώδη ακτινοβολία (UV) είναι απαραίτητη προκειμένου να αποφευχθεί η μικροβιακή μόλυνση των φυσικών αποδεκτών γιατί αυτοί χρησιμοποιούνται για υδροληψία, κολύμβηση, αλιεία κ.λ.π. Με την απολύμανση λοιπόν επιτυγχάνεται καταστροφή ή αδρανοποίηση των μικροοργανισμών που περιέχονται στα λύματα, σε ποσοστό της τάξης του 98 99,9 %, ώστε αυτοί να μην είναι ικανοί να μεταδώσουν Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 84

86 ασθένειες στα ζώα και τους ανθρώπους. Με τον όρο «αδρανοποίηση» εννοείται όχι απαραίτητα θανάτωση των μικροοργανισμών αλλά παρεμπόδιση της ανάπτυξης ή της δυνατότητας αναπαραγωγής. Πίνακας Ταξινόμηση των απολυμαντικών μέσων Μη χημικά Υπεριώδης ακτινοβολία (UV) Ραδιενεργός ακτινοβολία Αποστειρωτική διήθηση Θερμότητα Οξειδωτικά Cl 2 ClO 2 NaOCl O 3 Br 2 I 2 H 2 O 2 Χημικά Μη οξειδωτικά Μεθυλενοδιθειοκυάνιο (ΜΒΤ) Διβρωμονιτριλοπροπιοαμίδιο (BNPA) Χλωριωμένες φαινόλες Ισοθειαζόλες Δι-τριβουτυλοξείδιο του κασσιτέρου (ΤΒΤΟ) Οι μηχανισμοί με τους οποίους δρουν τα απολυμαντικά μέσα είναι η καταστροφή του κυτταρικού υλικού των μικροοργανισμών, η παρεμβολή στον ενεργειακό τους μεταβολισμό με την αδρανοποίηση της λειτουργίας των ενζύμων τους και η παρεμβολή στην βιοσύνθεση και την ανάπτυξή τους παρεμποδίζοντας τη σύνθεση των πρωτεϊνών, των νουκλεϊνικών οξέων και των κυτταρικών τοιχωμάτων. Η αποτελεσματικότητα της απολύμανσης εξαρτάται από πολλές παραμέτρους, κυριότερες από τις οποίες είναι: το είδος, η δόση και ο χρόνος επαφής του απολυμαντικού, ο τύπος και η φυσιολογική κατάσταση του μικροοργανισμού (πρωτόζωα, βακτήρια, ιοί), το ph, η θερμοκρασία, η θολότητα και η διαλυμένη οργανική ύλη. 9.2 Χλωρίωση Το χλώριο (Cl 2 ) είναι ουσία τοξική για τον άνθρωπο και τα ζώα, σε χαμηλές όμως συγκεντρώσεις οι οποίες απαιτούνται για την καταστροφή των παθογόνων μικροοργανισμών είναι αβλαβές. Όταν το αέριο χλώριο αναμιγνύεται με το νερό σχηματίζεται υποχλωριώδες οξύ (HOCI) κατά την εξίσωση: Cl2 H2O HOCl H Cl. Το υδροχλωρικό οξύ (HCl) που παράγεται κατά την αντίδραση εξουδετερώνεται από τα όξινα ανθρακικά (HCO 3 - ) του νερού. Το Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 85

87 υποχλωριώδες οξύ είναι ένα ασθενές οξύ που διασπάται στη συνέχεια σε ιόντα υδρογόνου (Η + ) και υποχλωριώδη ιόντα (ΟCl - ) HOCl H OCl. Η βακτηριοκτόνος δράση του υποχλωριώδους οξέως (HOCI) είναι ισχυρότερη από αυτήν του υποχλωριώδους ιόντος. Έχει διαπιστωθεί ότι το υποχλωριώδες οξύ είναι % πιο αποτελεσματικό απ ότι τα υποχλωριώδη ιόντα. Η παρουσία όμως του υποχλωριώδους οξέως στο νερό εξαρτάται κυρίως από το pη. Έτσι, σε χαμηλές τιμές ph υπερισχύει το οξύ (HOCl), ενώ σε υψηλές τιμές υπερισχύουν τα υποχλωριώδη ιόντα (ΟCl - ) (σχήμα 9.2.1). Πίνακας Μορφές του χλωρίου και χημικές ουσίες που συνδέονται με τη χλωρίωση Χημικός τύπος Cl 2 Cl - ClO - - ClO 2 - ClO 3 - ClO 4 Cl 2 O ClO 2 NH 2 Cl NHCl 2 NCl 3 Ονοματολογία Χλώριο Χλωριούχο ιόν Υποχλωριώδες ιόν Χλωριώδες ιόν Χλωρικό ιόν Υπερχλωρικό ιόν Μονοξείδιο χλωρίου Διοξείδιο του χλωρίου Μονοχλωραμίνη Διχλωραμίνη Τριχλωραμίνη Ο πίνακας δίνει την ποσοστιαία αναλογία των υποχλωριωδών ιόντων (OCl - ) και του υποχλωριώδους οξέος (HOCl) για διάφορες τιμές του ph. Όταν το ph του νερού είναι 7,5, οι συγκεντρώσεις του HOCl και του OCl - είναι ισοδύναμες. Σε χαμηλές τιμές (ph<6) η απολύμανση είναι καλή αλλά η διάβρωση που προκαλείται από τους οξειδωτικούς παράγοντες είναι ισχυρότατη. Τα παραπροϊόντα της απολύμανσης είναι διχλωραμίνες και τριχλωραμίνες. Σε υψηλές τιμές (ph>6) η απολύμανση είναι κακή, η διάβρωση είναι ανύπαρκτη και το παραπροϊόν της απολύμανσης είναι μονοχλωραμίνες. Για τιμές ph μεταξύ 7,0 και 8,0 η απολύμανση είναι η μέγιστη, η διάβρωση ελάχιστη και τα παραπροϊόντα της απολύμανσης είναι μονοχλωραμίνες και διχλωραμίνες σε χαμηλές συγκεντρώσεις. Με βάση τα παραπάνω μέγιστη απολύμανση επιτυγχάνεται για τιμές ph μεταξύ 5,5 και 7,5. Σημειώνεται τέλος ότι όσο υψηλότερη είναι η τιμή του ph και όσο Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 86

88 χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία τόσο περισσότερη ποσότητα χλωρίου απαιτείται για την επιτυχή απολύμανση. Σχήμα Καμπύλη ιονισμού του υποχλωριώδους οξέος (HOCl) σε σχέση με το ph σε θερμοκρασία 25 o C Πίνακας Ποσοστιαία αναλογία υποχλωριωδών ιόντων (OCl - ) και υποχλωριώδους οξέος (HOCl) για διάφορες τιμές του ph ph OCl - HOCl 6,0 3,50% 96,5% 6,5 10,0% 90,0% 7,0 27,5% 72,5% 7,5 50,0% 50,0% 8,0 78,5% 21,5% 8,5 90,0% 10,0% 9,0 95,0% 5,0% Το τμήμα του συνολικά υπάρχοντος ενεργού χλωρίου, το οποίο βρίσκεται σε μορφή υποχλωριώδους οξέως (HOCl) και υποχλωριωδών ιόντων (ΟCl - ) είναι γνωστό σαν ελεύθερο διαθέσιμο χλώριο ή υπολειμματικό χλώριο. Σημειώνεται ότι σαν ενεργό χλώριο εννοείται το άθροισμα όλων των ενώσεων χλωρίου που υπάρχουν σε κάποια χρονική στιγμή στο νερό και έχουν απολυμαντική δράση. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 87

89 Εάν για την απολύμανση χρησιμοποιηθεί χλωριώδες νάτριο (NaOCl 2 ) και αέριο χλώριο δημιουργείται διοξείδιο του χλωρίου το οποίο είναι το βακτηριοκτόνο μέσο NaOCl Cl 2ClO 2NaCl. Το διοξείδιο του χλωρίου (ClO 2 ) είναι σταθερό αέριο που παραμένει σαν υπόλειμμα στο νερό για μικρό χρονικό διάστημα και είναι ιδιαίτερα δραστικό σε υψηλές τιμές του ph. Εάν χρησιμοποιηθεί υποχλωριώδες νάτριο (NaOCl) προκύπτει υποχλωριώδες οξύ και για υψηλές τιμές του ph μετατρέπεται σε υποχλωριώδες ιόν του οποίου η βακτηριοκτόνος δράση δεν είναι αποτελεσματική NaOCl H2 O HOCl NaOH. Στην περίπτωση αυτή απαιτείται διόρθωση του ph ώστε η τιμή του να είναι μικρότερη από 7,5. Το φως, η θερμοκρασία και ίχνη βαρέων μετάλλων δημιουργούν απώλειες ενεργού χλωρίου λόγω μετατροπής του σε χλωρικό και χλωριώδες νάτριο. Η πιο συνηθισμένη μέθοδος απολύμανσης των υγρών αποβλήτων είναι η χλωρίωση (με αέριο χλώριο ή με διοξείδιο του χλωρίου ή με υποχλωριώδες νάτριο) και η πιο σημαντική παράμετρος κατά τη χλωρίωση είναι ο χρόνος επαφής των αποβλήτων με το χλώριο. Το σύστημα της χλωρίωσης σχεδιάζεται ώστε να εξασφαλίζεται ότι το % περίπου της μάζας των υγρών αποβλήτων παραμένει στη δεξαμενή η οποία είναι μαιανδρικού τύπου για τουλάχιστον λεπτά. Η δόση του χλωρίου που απαιτείται για επιτυχή απολύμανση είναι συνάρτηση της αρχικής απαίτησης χλωρίου, της εξασθένισής του κατά τον χρόνο επαφής και της απαιτούμενης συγκέντρωσης του υπολειπόμενου χλωρίου το οποίο θα επιτελέσει το έργο της απολύμανσης. Οι τυπικές τιμές της αρχικής απαίτησης χλωρίου για διάφορους τύπους αστικών υγρών αποβλήτων οι οποίοι βασίζονται σε χρόνο επαφής λεπτά είναι οι εξής: μετά από πρωτοβάθμια επεξεργασία mg/lt, μετά από βιολογική επεξεργασία (μέθοδος ενεργού ιλύος) 5 10 mg/lt, μετά από διήθηση της εκροής (μέθοδος ενεργού ιλύος) 5 8 mg/lt, μετά από απονιτροποίηση (μέθοδος ενεργού ιλύος) 5 8 mg/lt, μετά από βιολογική επεξεργασία (χαλικοδιυλιστήρια) 5 15 mg/lt. Η συνήθης πρακτική που ακολουθείται για τον προσδιορισμό της απαιτούμενης δόσης χλωρίου, είναι η μέτρηση της συγκέντρωσης του υπολειμματικού χλωρίου, μετά από χρόνο επαφής min, η οποία πρέπει να είναι 0,5 mg/lt. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 88

90 Πίνακας Τυπικές δόσεις χλωρίου για χρόνο επαφής 30 λεπτών Τύπος υγρών αποβλήτων Ανεπεξέργαστα απόβλητα Πρωτοβάθμια εκροή Εκροή ενεργού ιλύος Διηθημένη εκροή ενεργού ιλύος Εκροή αμμόφιλτρου Αρχική μέτρηση CFU/100ml 1000 CFU/100ml Δόση χλωρίου (mg/lt ) για μείωση σε 200 CFU/100ml 23 CFU/100ml 22 CFU/100ml CFU: Colony forming units Για να εξασφαλιστεί η παραμονή των κατεργασμένων αποβλήτων στη δεξαμενή επαφής χλωρίου για μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο, η πιο κοινή προσέγγιση είναι η χρήση δεξαμενών επαφής μεγάλου μήκους εμβολικής ροής με στρογγυλεμένα άκρα ή μια σειρά εσωτερικά συνδεδεμένων δεξαμενών ή τμημάτων. Οι δεξαμενές επαφής χλωρίου εμβολικής ροής που κατασκευάζονται σε μαιανδρική μορφή για την εξοικονόμηση χώρου, απαιτούν ιδιαίτερη προσοχή στο σχεδιασμό τους για να περιοριστεί ο σχηματισμός υδραυλικών νεκρών ζωνών που μειώνουν τους υδραυλικούς χρόνους παραμονής. Λόγοι μήκους προς πλάτος τουλάχιστον 20:1 και η χρήση ανακλαστήρων και πτερυγίων βοηθούν στην ελαχιστοποίηση των βραχυκυκλώσεων ροής. Εικόνα Μαιανδρικές δεξαμενές χλωρίωσης Το πρόβλημα με τη χρήση ισχυρών οξειδωτικών μέσων απολύμανσης όπως το χλώριο και οι διάφορες ενώσεις του είναι η παραγωγή ανεπιθύμητων παραπροϊόντων απολύμανσης, Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 89

91 σπουδαιότερα από τα οποία είναι τα τριαλογονομεθάνια (trihalomethanes THM) και τα αλογονοοξικά οξέα (Halo-Acetic Acids HAA). Τα παραπροϊόντα απολύμανσης έχουν δυσμενείς επιπτώσεις στο περιβάλλον και τη δημόσια υγεία όπως χρωμοσωμικές διαταραχές, ανωμαλίες και καρκινογενέσεις. Γι αυτούς τους λόγους γίνονται προσπάθειες αντικατάστασης του χλωρίου με άλλα υλικά απολύμανσης. Σε πολλές Ε.Ε.Λ. εφαρμόζεται αποχλωρίωση των χλωριωμένων εκροών η οποία συνήθως επιτυγχάνεται με τη χρήση διοξειδίου του θείου (SO 2 ) ή του όξινου θειώδους νατρίου (NaHSO 3 ). Σε περιπτώσεις προχωρημένης επεξεργασίας όπου χρησιμοποιείται κοκκώδης ενεργός άνθρακας για την απομάκρυνση της υπολειμματικής οργανικής ύλης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο ενεργός άνθρακας και για την αποχλωρίωση των χλωριωμένων εκροών. 9.3 Οζόνωση Το όζον (Ο 3 ) χρησιμοποιείται κυρίως για την απολύμανση του πόσιμου νερού. Όμως η υψηλή οξειδωτική του ικανότητα το καθιστά ιδιαίτερα ελκυστικό για την αποικοδόμηση σύνθετων οργανικών ουσιών που παραμένουν στα υγρά απόβλητα μετά το στάδιο της βιολογικής επεξεργασίας. Το όζον είναι χημικά ασταθές αέριο και διασπάται πολύ γρήγορα μετά την παραγωγή του. Γι αυτό παράγεται επί τόπου από υγρό οξυγόνο με τη μέθοδο των ηλεκτρικών εκκενώσεων (σχήμα 9.3.1). Η κατανάλωση ενέργειας είναι αρκετά μεγάλη. Η αποτελεσματικότητα του όζοντος στη διάσπαση των υπολειμματικών οργανικών ουσιών εξαρτάται από τη δόση, το ph των αποβλήτων και την συγκέντρωση του οργανικού φορτίου. Το βασικό μειονέκτημα της χρήσης όζοντος είναι το υψηλό κόστος των εγκαταστάσεων παραγωγής του και το υψηλό κόστος λειτουργίας τους. Η οζόνωση ενδείκνυται σε περιπτώσεις όπου τα επεξεργασμένα υγρά απόβλητα δεν πρέπει να περιέχουν παραπροϊόντα χλωρίωσης και όταν απαιτείται μετά από τη χλωρίωση και ένα ακόλουθο στάδιο αποχλωρίωσης. Η ποσότητα του όζοντος που απαιτείται για την απολύμανση βιολογικά κατεργασμένων υγρών αποβλήτων είναι gr/m 3 λυμάτων και η διάρκεια της αντίδρασης είναι λεπτά. Για πλήρη καταστροφή των κυτταρικών δεσμών ακόμη και στην περίπτωση των ιών, απαιτούνται υπολειμματικές συγκεντρώσεις από 0,2 0,5 mg/lt με χρόνο επαφής 6 λεπτά. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 90

92 Εισροή Εξερχόμενα αέρια προς καταστροφή Ο 3 Ο 3 Ο 3 Εκροή Υγρό Οξυγόνο Μονάδα εξάτμισης Γεννήτριες όζοντος Αντιδραστήρας επαφής όζοντος Σχήμα Τυπικό διάγραμμα ροής απολύμανσης υγρών αποβλήτων με όζον 9.4 Απολύμανση με υπεριώδη ακτινοβολία (UV) Η εφαρμογή υπεριώδους ακτινοβολίας (UV) για την καταστροφή των μικροοργανισμών που περιέχονται στα υγρά απόβλητα οφείλεται στην απορρόφηση της ακτινοβολίας από το γενετικό υλικό (DNA) των κυττάρων. Η μέγιστη καταστροφική ικανότητα της υπεριώδους ακτινοβολίας επιτυγχάνεται στην περιοχή του UVC, σε μήκος κύματος nm, όπου αναφέρεται η μέγιστη απορρόφησή της από τα νουκλεϊνικά οξέα των μικροοργανισμών. Μέτρο της αποτελεσματικότητας της απολύμανσης με υπεριώδη ακτινοβολία αποτελεί η ποσότητα, δηλαδή η δόση της ενέργειας που απορροφάται από το μικροοργανισμό. Η ποσότητα αυτή είναι το γινόμενο του ρυθμού με τον οποίο η ενέργεια, δηλαδή η ένταση, παρέχεται επί τον χρόνο κατά τον οποίο ο μικροοργανισμός εκτίθεται σε αυτή. Παρ όλα αυτά, αύξηση της δόσης οδηγεί συχνά σε μειωμένη απολυμαντική δράση, γεγονός που οφείλεται στην προσρόφηση των βακτηρίων στα αιωρούμενα σωματίδια. Μια άλλη παράμετρος που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη είναι ότι ορισμένες ανόργανες και οργανικές ενώσεις που υπάρχουν στα απόβλητα απορροφούν στο μήκος κύματος της εκπεμπόμενης υπεριώδους ακτινοβολίας. Η δόση της ακτινοβολίας εξαρτάται από την ένταση της ακτινοβολίας (ενέργεια, mw) και το χρόνο (διάρκεια ακτινοβολίας, s) και είναι αντιστρόφως ανάλογη προς την επιφάνεια που ακτινοβολείται (cm 2 mw ), δηλαδή: D s 2 cm Τα πλεονεκτήματα της απολύμανσης με UV είναι πολλά. Η μέθοδος είναι αποτελεσματική για πολλά και διάφορα είδη μικροοργανισμών. Δεν επιφέρει χημικές μεταβολές στα Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 91

93 απόβλητα οπότε δεν μεταβάλει την επίπτωσή τους στον υδάτινο αποδέκτη. Δεν υπάρχει τοξική υπολειμματική συγκέντρωση. Ο εξοπλισμός καταλαμβάνει μικρό χώρο και είναι σχετικά οικονομικός. Τα μειονεκτήματα συνίστανται στην απουσία μετρήσιμης υπολειμματικής ποσότητας σε αντίθεση με τη χλωρίωση και το υπολειμματικό χλώριο, στην απουσία μεθόδων μέτρησης της δόσης, γεγονός που παρεμποδίζει επίσης τον έλεγχο και στην πιθανότητα φωτοεπισκευής των κυττάρων που έχουν πληχθεί από την ακτινοβολία UV. Τα σημαντικότερα όμως μειονεκτήματα - προβλήματα είναι η πτώση της απόδοσης των συσκευών ακτινοβολίας και της διάρκειας ζωής των λαμπτήρων και ότι οι λαμπτήρες και οι επιφάνειες ανάκλασης λερώνουν με την πάροδο του χρόνου. Τα συστήματα απολύμανσης UV διακρίνονται συνήθως σε οριζόντια, όπου οι λυχνίες τοποθετούνται παράλληλα με τη ροή και κάθετα, όπου οι λυχνίες τοποθετούνται κάθετα σε σχέση με τη ροή των υγρών αποβλήτων. Εικόνα Απολύμανση με υπεριώδη ακτινοβολία Εικόνα Τοποθέτηση συστοιχίας λαμπτήρων UV ακτινοβολίας για απολύμανση Οι προϋποθέσεις για καλή απολύμανση των υγρών αποβλήτων με υπεριώδη ακτινοβολία είναι ο περιοδικός καθαρισμός των λαμπτήρων (π.χ. ανά δεκαήμερο) και η χαμηλή περιεκτικότητα των αποβλήτων σε αιωρούμενα στερεά (< 20 mg/lt). Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 92

94 Πίνακας Απομάκρυνση ρυπαντών από τα υγρά απόβλητα με απολύμανση και προσρόφηση Ρυπαντής Απολύμανση Προσρόφηση Αιωρούμενη οργανική ύλη - ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ Διαλυμένη οργανική ύλη - ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ Αμμωνιακό άζωτο ΜΕΤΡΙΑ ΚΑΛΗ ΜΕΤΡΙΑ ΚΑΛΗ Ανόργανο άζωτο - ΚΑΚΗ Φώσφορος - - Σουλφίδια ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ Πτητικές οργανικές ενώσεις (VOC) - - Ημιπτητικές οργανικές ενώσεις (SOC) ΚΑΚΗ ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ Φυτοφάρμακα ΚΑΚΗ ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ Βαριά μέταλλα - ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ Παθογόνοι μικροοργανισμοί ΚΑΛΗ ΑΡΙΣΤΗ - Κακή: 0-20%, Μέτρια: 20-60%, Καλή: 60-90%, Άριστη: % Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 93

95 10. Διαχείριση της ιλύος σε Ε.Ε.Λ Γενικά Η ιλύς, όπως αποβάλλεται από τα διάφορα στάδια επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων έχει μεγάλη περιεκτικότητα σε νερό και παθογόνους μικροοργανισμούς. Η ακατέργαστη ιλύς η οποία περιέχει 70 % οργανικά συστατικά και 30 % ανόργανα συστατικά υποβάλλεται σε ιδιαίτερες επεξεργασίες, έτσι ώστε να αποκτήσει την κατάλληλη ποιότητα για τελική διάθεση, χωρίς να προκαλεί περαιτέρω προβλήματα ρύπανσης. Οι κύριοι στόχοι της επεξεργασίας συνίστανται στη μείωση του όγκου της, στην αφυδάτωση και στην αδρανοποίηση των οργανικών ουσιών που περιέχει. Η αδρανοποιηθείσα ιλύς περιέχει 45 % οργανικά συστατικά και 55 % ανόργανα συστατικά. Η ποσότητα της παραγόμενης ιλύος εξαρτάται από τα περιεχόμενα στερεά στα απόβλητα και από τον βαθμό απόδοσης των διαφόρων σταδίων της επεξεργασίας των αποβλήτων. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι από την πρωτοβάθμια καθίζηση προκύπτουν ποσότητες της τάξης των 45 gr / κατ. ημ. και από την δευτεροβάθμια καθίζηση ποσότητες της τάξης των gr / κατ. ημ. Συνολικά όταν πρόκειται για ΕΕΛ με πρωτοβάθμια καθίζηση, βιολογική επεξεργασία των λυμάτων και απομάκρυνση του φωσφόρου, οι υπολογισμοί γίνονται με ποσότητες περίπου της τάξης των 90 gr / κατ. ημ. Με βάση την περιεκτικότητα σε νερό η ιλύς θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως πολύ ρευστή εάν περιέχει νερό σε ποσοστό μεγαλύτερο του 85 %, και ξηρή εάν περιέχει νερό σε ποσοστό μικρότερο του %. Η ιλύς που περιέχει νερό της τάξης του % χαρακτηρίζεται ως κοκκώδης ή ανθεκτικά στερεή, η ιλύς που περιέχει νερό της τάξης του % χαρακτηρίζεται ως σχετικά στερεή και ιλύς που περιέχει νερό σε ποσοστό % χαρακτηρίζεται ως πλαστική ή χυλώδης. Το νερό που περιέχει η ιλύς είτε αυτή προέρχεται από τις δεξαμενές αρχικής καθίζησης είτε από τις δεξαμενές τελικής καθίζησης κατατάσσεται σε κατηγορίες ανάλογα με τα αίτια που το συγκρατούν μεταξύ των θρόμβων και των λοιπών σωματιδίων της ιλύος. Το 70 % είναι νερό πλήρωσης των κενών χώρων που διαχωρίζεται σχετικά εύκολα με βαρύτητα ή επίπλευση, δηλαδή με πάχυνση της ιλύος και φυγοκέντριση. Το 22 % είναι το προσκολλημένο νερό και νερό τριχοειδών φαινομένων που για να διαχωριστεί πρέπει να ασκηθούν μηχανικές δυνάμεις (πίεσης, υποπίεσης, φυγοκέντρησης κ.λ.π.). Το υπόλοιπο 8 % είναι το εσωτερικό νερό και νερό προσροφημένο στις επιφάνειες των θρόμβων και των Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 94

96 σωματιδίων που δεν διαχωρίζεται εύκολα με μηχανικά μέσα αλλά διαχωρίζεται κυρίως με θέρμανση. Πίνακας Περιεκτικότητα της ιλύος σε στερεά ανάλογα με την προέλευση και την Επεξεργασία 1 (Ιλύς μετά από ) Πρωτοβάθμια καθίζηση Πρωτοβάθμια καθίζηση Πρωτοβάθμια καθίζηση επεξεργασία που έχει προηγηθεί Επεξεργασία 2 (Ιλύς μετά από ) Στερεά (gr/κατ.ημ.) Στερεά (%) Πρωτοβάθμια καθίζηση 45 2,5 Πάχυνση 45 5,0 Αδρανοποίηση και πάχυνση 30 10,0 Αδρανοποίηση και αφυδάτωση 30 30,0 Χαλικοδιυλιστήρια Τελική καθίζηση 25 4,0 Χαλικοδιυλιστήρια Χαλικοδιυλιστήρια Χαλικοδιυλιστήρια Πάχυνση ιλύος προερχόμενη από ΔΑΚ και ΔΤΚ Αδρανοποίηση ιλύος προερχόμενη από ΔΑΚ και ΔΤΚ Αδρανοποίηση και αφυδάτωση ιλύος προερχόμενη από ΔΑΚ και ΔΤΚ 70 4,7 45 3,0 45 8,0 Ενεργού ιλύος Δευτεροβάθμια καθίζηση 35 0,7 Ενεργού ιλύος Ενεργού ιλύος Ενεργού ιλύος Ενεργού ιλύος Ενεργού ιλύος Χημική θρόμβωση Χημική θρόμβωση Πρωτοβάθμια και δευτεροβάθμια καθίζηση μετά από πάχυνση Πρωτοβάθμια και δευτεροβάθμια καθίζηση μετά από αδρανοποίηση Πρωτοβάθμια και δευτεροβάθμια καθίζηση μετά από αδρανοποίηση και πάχυνση Πρωτοβάθμια και δευτεροβάθμια καθίζηση μετά από αερόβια αδρανοποίηση και πάχυνση Πρωτοβάθμια και δευτεροβάθμια καθίζηση μετά από αερόβια αδρανοποίηση και αφυδάτωση Πρωτοβάθμια καθίζηση μετά από πάχυνση Πρωτοβάθμια καθίζηση μετά από αδρανοποίηση 80 4,0 50 2, , ,0 45 5,0 Το νερό που περιέχεται στα κύτταρα των βακτηρίων που αποτελούν τη βιομάζα, είναι δυνατόν να διαχωριστεί και με τον ενδογενή μεταβολισμό (αυτοαποικοδόμηση). Συνεπώς για να απομακρυνθεί και το νερό των δύο τελευταίων κατηγοριών, δηλαδή το υπόλοιπο 30 Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 95

97 %, θα πρέπει η ιλύς πέρα από τη πάχυνση να υποστεί αφυδάτωση, αδρανοποίηση και θέρμανση. Η αφυδάτωση μπορεί να επιτευχθεί είτε με φυσικές μεθόδους όπως οι κλίνες ξήρανσης και η ηλιακή ακτινοβολία είτε με τεχνητές μεθόδους όπως οι ταινιοφιλτρόπρεσσες και οι φυγοκεντρικοί διαχωριστές. Πίνακας Τυπική σύσταση της ιλύος πριν και μετά από επεξεργασία Τύπος ιλύος Στερεά (%) Οργανικά στερεά (% DS) Ολικό Ν (% Ν) Ν-ΝΗ 4 + (% Ν) C/N Ανεπεξέργαστη ιλύς πρωτοβάθμιας & δευτεροβάθμιας καθίζησης Αναερόβια χώνευση 1, < Αερόβια σταθεροποίηση Ιλύς από παρατεταμένο αερισμό Αφυδάτωση σε κλίνες ξήρανσης Μηχανική αφυδάτωση με προσθήκη χημικών < < Η ιλύς που προέρχεται από τη μηχανική επεξεργασία περιέχει πολλά αδρανή υλικά όπως άμμο, γυαλιά, χώμα κ.λ.π. και αφυδατώνεται εύκολα. Η ιλύς που προέρχεται από την πρωτοβάθμια καθίζηση είναι αρκετά πυκνή με περιεκτικότητα σε στερεά της τάξης του 3 8 %, αφυδατώνεται σχετικά εύκολα και μυρίζει πολύ έντονα. Περιέχει ανόργανα και οργανικά συστατικά. Η ιλύς που προέρχεται από τη δευτεροβάθμια καθίζηση είναι πλούσια σε οργανικά συστατικά (> 90 %), περιέχει ελάχιστα στερεά της τάξης του 0,5 1,5 %, είναι ογκώδης και μέτρια έως δύσκολα αφυδατούμενη. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 96

98 Υπάρχει τέλος και η ιλύς που προκύπτει από τη χημική επεξεργασία η οποία περιέχει κυρίως ανόργανα συστατικά και η ευκολία αφυδάτωσής της εξαρτάται από το είδος των χημικών που χρησιμοποιήθηκαν. Εικόνα Ιλύς (μηχανική επεξεργασία) Εικόνα Ιλύς (δευτεροβάθμια) Γενικός στόχος της επεξεργασίας της ιλύος είναι η μείωση του όγκου, η σταθεροποίηση της ιλύος και μετατροπή της σε αδρανή, δηλαδή βιολογικά σταθερή μάζα. Είναι δυνατόν να μην ακολουθούνται όλα τα παραπάνω στάδια. Ορισμένα από αυτά παραλείπονται, ιδίως σε μικρές μονάδες, όπου λόγω των μεγάλων ηλικιών της ενεργού ιλύος, η παραγόμενη βιολογική μάζα είναι επαρκώς σταθεροποιημένη και ο χειρισμός της απαιτεί μόνο διεργασίες που αποσκοπούν στη μείωση του όγκου της, δηλαδή πάχυνση και αφυδάτωση. Τα σπουδαιότερα στάδια επεξεργασίας της ιλύος που ακολουθούν και περιγράφονται αναλυτικά παρακάτω είναι η πάχυνση (συμπύκνωση), η αδρανοποίηση, δηλαδή η βιολογική χώνευση ή σήψη (αερόβια ή αναερόβια), η αφυδάτωση και η ξήρανση Ποιοτικά χαρακτηριστικά της ιλύος Όσον αφορά τα ποιοτικά χαρακτηριστικά της ιλύος, εκτός από τα υδραυλικά χαρακτηριστικά, ενδιαφέρον παρουσιάζουν το χρώμα, η οσμή, η υγρασία, το υπόλειμμα καύσης, η ικανότητα βιοαποικοδόμησης, το ph, τα πτητικά οξέα, ο άνθρακας, το άζωτο, ο φώσφορος, τα βαριά μέταλλα, η θερμαντική ικανότητα, η ικανότητα αφυδάτωσης και οι παθογόνοι μικροοργανισμοί. Χρώμα. Η ακατέργαστη ιλύς έχει γκρίζο έως κιτρινωπό χρώμα. Η αδρανοποιηθείσα αναερόβια έχει χρώμα μαύρο κυρίως λόγω παρουσίας θειικού σιδήρου. Η αδρανοποιηθείσα αερόβια έχει χρώμα καφέ. Οσμή. Η ακατέργαστη ιλύς είναι πολύ δύσοσμη. Η αδρανοποιηθείσα αναερόβια έχει οσμή πίσσας. Η αδρανοποιηθείσα αερόβια έχει οσμή χώματος. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 97

99 ph. Το ph είναι χαρακτηριστική παράμετρος για τις διεργασίες που λαμβάνουν χώρα κατά τη ζύμωση της ιλύος. Η πρώτη φάση της ζύμωσης, κατά την οποία γίνεται διάσπαση των σακχάρων και των λιπών σε οργανικά οξέα (οξικό, βουτυρικό κ.λ.π.), ονομάζεται όξινη ζύμωση. Η τελευταία φάση της ζύμωσης, στην οποία τα οργανικά οξέα και το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) μετατρέπονται σε μεθάνιο (CH 4 ), ονομάζεται αλκαλική ζύμωση. Οι δύο αυτές φάσεις της ζύμωσης πρέπει να βρίσκονται σε μεταξύ τους ισορροπία. Αυτό συμβαίνει όταν το ph στις δεξαμενές ζύμωσης είναι 7,0-7,5. Όταν υπάρχει πληθώρα τροφής στον αντιδραστήρα (υπερφόρτιση) ή παρατηρηθεί πτώση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του, η όξινη ζύμωση υπερισχύει της αλκαλικής και το ph κατέρχεται στο 6 ή ακόμη και στο 5. Στην περίπτωση αυτή η αλκαλική ζύμωση εμποδίζεται με αποτέλεσμα την περιορισμένη παραγωγή μεθανίου, την αυξημένη παραγωγή CO 2 και την πτώση της ποιότητας του εξερχόμενου από τον αντιδραστήρα προϊόντος το οποίο είναι δύσοσμο και δεν αφυδατώνεται εύκολα. Συνεπώς το ph αποτελεί έναν πολύ καλό δείκτη για την παρακολούθηση της ζύμωσης της ιλύος στους αντιδραστήρες. Πτητικά οξέα. Ως πτητικά οξέα χαρακτηρίζονται τα μικρομοριακά οργανικά οξέα όπως το οξικό οξύ (CH 3 COOH) και άλλα τα οποία έχουν χαμηλό σημείο ζέσεως και συνεπώς είναι εύκολο να διαχωριστούν με απόσταξη. Χρησιμεύουν σαν ενδεικτική παράμετρος για να εκτιμηθεί εάν η ζύμωση είναι όξινη, αλκαλική ή κανονική. Πτητικά οξέα σε συγκέντρωση mg/lt δείχνουν καλή και ισόρροπη ζύμωση. Εάν η συγκέντρωσή τους υπερβεί τα 2000 mg/lt τότε η όξινη ζύμωση υπερισχύει της αλκαλικής. Οργανικός άνθρακας, οργανική ύλη. Από κάθε γραμμάριο άνθρακα των οργανικών ενώσεων της ιλύος παράγονται 1,86 λίτρα βιοαερίου ή από κάθε γραμμάριο οργανικής ύλης που αποικοδομείται παράγεται 1 λίτρο βιοαερίου. Συνεπώς οι εν λόγω παράμετροι βοηθούν στην εκτίμηση της ποσότητας του βιοαερίου που θα παραχθεί κατά τη ζύμωση της ιλύος. Υγρασία. Πρόκειται για παράμετρο πρωταρχικής σημασίας η οποία προσδιορίζεται με τη μέτρηση της απώλειας του βάρους της ιλύος μετά από ξήρανση στους 105 ο C. Υπόλειμμα καύσης. Πρόκειται για παράμετρο με την οποία προσδιορίζεται το ποσοστό των ανόργανων συστατικών της ιλύος. Η ξηρά ιλύς καίγεται στους 550 ο C σε χρόνο 30 λεπτών. Το υπόλειμμα είναι ανόργανη ύλη. Με τον όρο απώλεια καύσης χαρακτηρίζεται η απώλεια βάρους του δείγματος μετά την καύση και δείχνει την ποσότητα των οργανικών ουσιών που έχουν καεί. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 98

100 Θερμαντική ικανότητα. Η καύση της ιλύος παράγει θερμότητα η οποία συνυπολογίζεται στις εγκαταστάσεις καύσης της ιλύος. Γι αυτό προσδιορίζεται η θερμική ενέργεια που παράγεται κατά την καύση της. Κατά μέσο όρο από κάθε γραμμάριο απώλειας καύσης παράγεται θερμότητα 26 ΚJ. Αναλογία C:N:P. Οι βιολογικές δραστηριότητες βελτιστοποιούνται όταν στην τροφή των βακτηρίων της ιλύος υπάρχει σωστή αναλογία μεταξύ των στοιχείων C, N και Ρ. Στους αντιδραστήρες ζύμωσης πρέπει να υπάρχουν οι εξής αναλογίες αυτών των στοιχείων: C/N = 1/17 και N/P = 1/7. Ικανότητα αφυδάτωσης. Πρόκειται για σημαντική παράμετρο με την οποία προσδιορίζεται η ευχέρεια με την οποία αφυδατώνεται η ιλύς. Ο εργαστηριακός έλεγχος γίνεται με την παρακολούθηση του χρόνου ο οποίος απαιτείται για την στερεοποίηση μιας ποσότητας ιλύος η οποία έχει διαστρωθεί επί χάρτινου φίλτρου ή στρώματος άμμου. Ικανότητα βιοαποικοδόμησης. Με την παράμετρο αυτή εξάγονται συμπεράσματα σχετικά με την ευχέρεια (ταχύτητα) με την οποία αποικοδομούνται οι οργανικές ουσίες της ιλύος. Ενδεικτικό στοιχείο για την πρόοδο των βιολογικών διεργασιών είναι η ποσότητα του παραγόμενου βιοαερίου. Συνεπώς στα σχετικά πειράματα γίνεται μέτρηση της ποσότητας του παραγόμενου βιοαερίου συναρτήσει της χρονικής διάρκειας του πειράματος και της θερμοκρασίας. Στο διάγραμμα του σχήματος 1 δίνονται τα αποτελέσματα αναλόγου πειράματος με ιλύ τυπικών αστικών λυμάτων. Τα αποτελέσματα των εκάστοτε πειραμάτων συγκρίνονται με αυτά του διαγράμματος και στη συνέχεια χαρακτηρίζεται η ιλύς ως καλώς, κακώς ή τυπικά βιοαποικοδομήσιμη. Διάγραμμα Παραγωγή βιοαερίου κατά την αδρανοποίηση 1 Kg ξηράς ουσίας ιλύος Παθογόνοι και παρασιτικοί οργανισμοί. Η ακατέργαστη ιλύς είναι πολύ επικίνδυνη γιατί περιέχει πολλά είδη παθογόνων και παρασιτικών μικροοργανισμών. Κατά τη διάρκεια της ζύμωσης και ιδιαίτερα της αλκαλικής οι περισσότεροι απ αυτούς καταστρέφονται. Το ίδιο Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 99

101 συμβαίνει και με τα ωάρια των παρασιτικών οργανισμών. Παρ όλα αυτά η χρησιμοποίηση του προϊόντος των εγκαταστάσεων επεξεργασίας ιλύος στη γεωργία δεν είναι δυνατόν να γίνει χωρίς κάποια πρόσθετα μέτρα ασφάλειας. Τέτοια μέτρα είναι η παστερίωση του προϊόντος στους 70 o C ή η ξήρανσή του σε θερμοκρασία 100 o C. Η παστερίωση του προϊόντος είναι δυνατόν να γίνει και από κοινού με τα στερεά απορρίμματα σε εγκαταστάσεις βιολογικής επεξεργασίας στερεών αποβλήτων. Υδραυλικά χαρακτηριστικά. Η ιλύς είναι μη νευτώνειο ρευστό και συνεπώς οι απώλειες τριβών υπολογίζονται όπως και στα λύματα, το τελικό όμως αποτέλεσμα τριπλασιάζεται Πάχυνση ιλύος Η πάχυνση είναι διαδικασία που χρησιμοποιείται για να αυξηθεί η περιεκτικότητα στερεών στην ιλύ με την απομάκρυνση κάποιας ποσότητας υγρού κλάσματος. Εάν για παράδειγμα η ιλύς από τη δευτεροβάθμια καθίζηση η οποία έχει περιεκτικότητα στερεών 0,7-0,8 %, μπορεί με πάχυνση να αποκτήσει περιεκτικότητα στερεών 4,0 %, επιτυγχάνεται πενταπλάσια μείωση του όγκου της ιλύος. Ταυτόχρονα επιτυγχάνεται απομάκρυνση των περιεχομένων υγρών, βελτίωση των χαρακτηριστικών της ιλύος και έτσι οι μετέπειτα διεργασίες καθίστανται πιο αποτελεσματικές. Η πάχυνση επιτυγχάνεται με φυσικούς τρόπους όπως με συνδυασμένη καθίζηση, με βαρύτητα, με επίπλευση, με φυγοκέντριση, με ταινίες βαρύτητας και με περιστρεφόμενα τύμπανα. Οι δεξαμενές που συνήθως χρησιμοποιούνται είναι δεξαμενές συνεχούς ροής ή δεξαμενές περιοδικής πλήρωσης. Οι παχυντές βαρύτητας είναι συνήθως κυκλικές ή πιο σπάνια ορθογωνικές δεξαμενές, με μεγάλες κλίσεις πυθμένα, ώστε να διευκολύνεται η συσσώρευση και συμπύκνωση των στερεών στη χοάνη συλλογής απ όπου και απομακρύνονται. Οι παχυντές αυτοί έχουν την μεγαλύτερη εφαρμογή μέχρι σήμερα, και επιτυγχάνουν συμπύκνωση σε περιεκτικότητα στερεών 2,5 5,0 % (συνήθως 2,0 3,0 %). Οι παχυντές συνεχούς ροής λειτουργούν όπως και οι δεξαμενές καθίζησης και συνεπώς είναι αναλόγου σχήματος. Επιπρόσθετα στοιχεία είναι μόνον οι κατακόρυφοι ράβδοι που είναι στερεωμένοι στους κινούμενους καθαριστές (κινούμενη γέφυρα με ξέστρα). Κατά την κίνηση των ράβδων δημιουργούνται αύλακες στην ιλύ, οι οποίες βοηθούν στην άνοδο των επιπολαζόντων υγρών προς την επιφάνεια των δεξαμενών. Στους παχυντές βαρύτητας με περιοδική πλήρωση η απαγωγή των επιπολαζόντων υγρών γίνεται είτε με βυθιζόμενο σωλήνα υπερχείλισης (τηλεσκοπικός ή εύκαμπτος σωλήνας) το Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 100

102 στόμιο του οποίου είναι στερεωμένο σε πλωτήρα, είτε με στόμια υπερχείλισης τα οποία βρίσκονται σε διαφορετικά βάθη είτε με περιμετρική υπερχείλιση η οποία τίθεται σε λειτουργία καθώς ανεβαίνει η στάθμη στη δεξαμενή την ώρα που γεμίζει. Επιτυγχάνεται συμπύκνωση σε περιεκτικότητα στερεών ως και 5,0 8,0 %. Εικόνα Παχυντής βαρύτητας Οι χρόνοι παραμονής της ιλύος στους παχυντές είναι μεγάλοι. Συχνά, αυτό έχει σαν συνέπεια τη σήψη της ιλύος κατά τη διάρκεια της πάχυνσης. Το βιοαέριο που παράγεται εμποδίζει την καθίζηση. Συνεπώς πρέπει εγκαίρως να λαμβάνονται αντίμετρα. Η χρησιμοποίηση χλωρίου (0,2-0,5 g Cl 2 / κατ. ημ.) ή ασβεστίου (500 g Ca(OH) 2 / m 3 ιλύος) βοηθούν στην παρεμπόδιση της σήψης στις δεξαμενές πάχυνσης. Με την εμφύσηση φυσαλίδων αέρα στον πυθμένα των παχυντών είναι δυνατόν τα σωματίδια της ιλύος να κινηθούν προς την επιφάνεια των δεξαμενών. Αυτό συμβαίνει γιατί οι μικρές φυσαλίδες προσκολλώνται στις επιφάνειες των σωματιδίων ελαττώνοντας το ειδικό βάρος του συμπλέγματος φυσαλίδα-σωματίδιο κατά τρόπο που η επίπλευσή του να είναι δυνατή. Οι παχυντές με επίπλευση είναι σκεπασμένες δεξαμενές, όπου η εισερχόμενη ιλύς παρασύρεται στην επιφάνεια από τις φυσαλίδες πεπιεσμένου αέρα που εισάγεται από τον πυθμένα. Στην επιφάνεια η ιλύς συμπυκνώνεται και απομακρύνεται με κατάλληλη διάταξη. Η απόδοση των παχυντών αυτού του τύπου είναι πολύ καλή. Επιτυγχάνεται συμπύκνωση 3,0 5,0 %. Κατά μέσο όρο η περιεκτικότητα σε ξηρά ουσία της ιλύος που εξέρχεται από αυτούς, είναι κατά 1,0 2,0 % μεγαλύτερη από την αντίστοιχη που επιτυγχάνεται με τους παχυντές βαρύτητας. Επίσης το φαινόμενο της πάχυνσης εξελίσσεται ταχύτερα σε αυτούς. Μειονεκτήματα της μεθόδου είναι οι υψηλές δαπάνες για την εμφύσηση του αέρα και την συντήρηση των αεριστήρων που συχνά στουπώνουν. Συνήθως οι παχυντές βαρύτητας χρησιμοποιούνται στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων, ενώ οι παχυντές επίπλευσης κυρίως στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας βιομηχανικών αποβλήτων Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 101

103 και ορισμένες μόνον φορές σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας οικιακών λυμάτων για την πάχυνση της ιλύος των δεξαμενών τελικής καθίζησης. Πίνακας Τα αποτελέσματα της πάχυνσης της ιλύος Προέλευση ιλύος Από δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης (Ανάλογα με τις οργανικές ουσίες που περιέχει) Από δεξαμενή πρωτοβάθμιας και δευτεροβάθμιας καθίζησης (Ανάλογα με τον Δείκτη Όγκου Ιλύος) Περιεκτικότητα σε στερεά μετά από πάχυνση (%) Από δεξαμενή δευτεροβάθμιας καθίζησης μετά από σταθεροποίηση 3 5 Από δεξαμενή πρωτοβάθμιας και δευτεροβάθμιας καθίζησης μετά από σταθεροποίηση Σταθεροποίηση ιλύος Η ιλύς περιέχει πολλούς παθογόνους μικροοργανισμούς, οι οποίοι όταν βρεθούν σε κατάλληλες συνθήκες, πολλαπλασιάζονται με γρήγορους ρυθμούς. Το αποτέλεσμα είναι η σήψη της ιλύος και η απελευθέρωση δυσάρεστων οσμών στο περιβάλλον. Για να αποτραπούν τα παραπάνω η ιλύς πρέπει να σταθεροποιηθεί. Η σταθεροποίηση σχετίζεται με τη μείωση των πτητικών ουσιών της ιλύος και μπορεί να επιτευχθεί με την προσθήκη χημικών (συνήθως ασβέστη) ώστε να μετατραπεί σε ακατάλληλο υλικό (υπόστρωμα) για την επιβίωση των μικροοργανισμών. Η σταθεροποίηση με ασβέστη ονομάζεται αλκαλική σταθεροποίηση και συνίσταται στην προσθήκη υδρασβέστου (Ca(OH) 2 ) με σκοπό να διατηρηθεί υψηλά το επίπεδο του ph και να επηρεαστεί η βιωσιμότητα των παθογόνων μικροοργανισμών στο αντίξοο αυτό περιβάλλον. Όταν προστεθούν στην ιλύ επαρκείς ποσότητες υδρασβέστου το ph ανεβαίνει στο 12 και έτσι δημιουργείται ένα περιβάλλον πολύ εχθρικό για όλους τους μικροοργανισμούς. Η ιλύς δεν υφίσταται σήψη, δεν παράγονται οσμές και δεν απειλείται η δημόσια υγεία. Πέρα από τους λόγους που αφορούν την υγεία και την αισθητική, η σταθεροποίηση εφαρμόζεται για τη μείωση του όγκου της ιλύος, για την παραγωγή βιοαερίου και για την Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 102

104 βελτίωση της ικανότητας αφυδάτωσής της. Οι μέθοδοι βιολογικής σταθεροποίησης της ιλύος παρουσιάζονται στον πίνακα Πίνακας Συγκεντρωτικός πίνακας μεθόδων βιολογικής σταθεροποίησης της ιλύος Μέθοδος επεξεργασίας Είδος ιλύος Παροχή θερμότητας Διαδικασία Πεδίο εφαρμογής σε εγκαταστάσεις Αερόβια Υγρή μορφή Χωρίς θερμότητα Με πρόσδοση θερμότητας Παρατεταμένος αερισμός Αερόβια-θερμόφιλη σταθεροποίηση Μικρές Μικρές και μεσαίες Αφυδατωμένη Με πρόσδοση θερμότητας Κομποστοποίηση Μικρές και μεσαίες Αναερόβια Υγρή μορφή Χωρίς εξωτερική θερμότητα Δεξαμενές Imhoff Μικρές Με πρόσδοση θερμότητας Ανεξάρτητη θερμαινόμενη δεξαμενή Μέτριες έως μεγάλες Συνδυασμός αερόβιας και αναερόβιας Υγρή μορφή Με πρόσδοση θερμότητας Συνδυασμός αντιδραστήρων αερόβιου θερμόφιλου και αναερόβιου μεσόφιλου Μέτριες εγκαταστάσεις Η αερόβια σταθεροποίηση (αερόβια χώνευση) είναι η βιολογική μετατροπή της οργανικής ύλης της ιλύος, παρουσία οξυγόνου, συνήθως σε ανοιχτές δεξαμενές. Κατά την αερόβια σταθεροποίηση πραγματοποιείται ανάδευση και αερισμός της ιλύος για περίπου ημέρες οπότε αποικοδομείται το % των πτητικών στερεών και παράγεται σχετικά σταθεροποιημένη ιλύς. Η αδρανοποίηση της ιλύος μπορεί να γίνει και στις ίδιες δεξαμενές που γίνεται η βιολογική αποικοδόμηση των οργανικών ουσιών των λυμάτων. Για το λόγο αυτό επιλέγεται ιδιαίτερα μικρή οργανική φόρτιση των δεξαμενών. Μπορεί όμως να γίνει και σε ξεχωριστές δεξαμενές. Σε κάθε περίπτωση οι δεξαμενές αερόβιας αδρανοποίησης της ιλύος λειτουργούν όπως και οι δεξαμενές αερισμού των λυμάτων. Η απαιτούμενη χρονική διάρκεια αερισμού για θερμοκρασίες της τάξης των 10 ο C είναι περίπου 20 ημέρες. Έτσι επιτυγχάνεται αδρανοποίηση της ιλύος σε βαθμό αντίστοιχο με αυτόν που επιτυγχάνεται κατά την αναερόβια χώνευση. Θέρμανση της ιλύος προκειμένου να ελαττωθεί ο απαιτούμενος χρόνος αερισμού, δεν χρησιμοποιείται γιατί αποβαίνει Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 103

105 αντιοικονομική. Αντίθετα είναι δυνατόν να αυξηθεί η θερμοκρασία της ιλύος από την θερμότητα που παράγεται κατά την βιοαποικοδόμηση. Στην περίπτωση αυτή η θερμοκρασία μπορεί να φθάσει τους ο C και οι απαιτούμενοι χρόνοι αερισμού ελαττώνονται σε 3 έως 7 ημέρες. Πλεονάζουσα ιλύς Ιλύς επανακυκλοφορίας Αρχική καθίζηση Αερισμός λυμάτων Τελική καθίζηση Εκροή λυμάτων Ιλύς Επιπολάζοντα υγρά Παχυντής Δεξαμενή αερόβιας αδρανοποίησης ιλύος Αδρανοποιηθείσα και παχυνθείσα ιλύς (Προς αφυδάτωση) Σχήμα Διάγραμμα ροής αερόβιας σταθεροποίησης ιλύος Προϋπόθεση για να συμβούν τα παραπάνω είναι να γίνει αφυδάτωση της ιλύος σε μεγάλο ποσοστό. Η κατανάλωση ενέργειας στην αερόβια χώνευση είναι μεγαλύτερη από ότι στην αναερόβια. Αντίθετα η αερόβια χώνευση πλεονεκτεί έναντι της αναερόβιας στην ευστάθεια της λειτουργίας και συνεπώς στις δαπάνες συντήρησης. Γι αυτόν το λόγο η αερόβια χώνευση χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις που οι δυνατότητες παρακολούθησης της λειτουργίας του έργου είναι περιορισμένες δηλαδή σε μικρές Ε.Ε.Λ. (μέχρι κάτοικοι). Εικόνα Δεξαμενές αερόβιας χώνευσης ιλύος Η μέθοδος της αερόβιας σταθεροποίησης χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις μεγάλων εγκαταστάσεων στις οποίες η παρουσία βιομηχανικών αποβλήτων δημιουργεί προβλήματα Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 104

106 στη λειτουργία των δεξαμενών αναερόβιας χώνευσης. Σαν αεριστήρες χρησιμοποιούνται οι επιφανειακοί και οι εμφύσησης αέρα. Και οι δύο τύποι αεριστήρων παρουσιάζουν μειονεκτήματα γιατί οι μεν πρώτοι ψύχουν την ιλύ εκσφενδονίζοντάς την στην ατμόσφαιρα, οι δε δεύτεροι στουπώνουν εύκολα. Η επιλογή μεταξύ των δύο τύπων γίνεται ανάλογα με τη θερμοκρασία που πρέπει να έχει η ιλύς κατά τη διαδικασία της αδρανοποίησης. Ο χρόνος παραμονής της ιλύος σε ανοικτές μη θερμαινόμενες δεξαμενές είναι περίπου 120 ημέρες. Η αναερόβια σταθεροποίηση (ή αναερόβια χώνευση ή αναερόβια ζύμωση) είναι η βιολογική μετατροπή της οργανικής ύλης της ιλύος, με ζύμωση μέσα σε θερμαινόμενο αντιδραστήρα χωρίς την παρουσία οξυγόνου. Η ανάμιξη του περιεχομένου του αντιδραστήρα είναι συνεχής και υπάρχει συνεχής έλεγχος της θερμοκρασίας, του ph, και των αιωρούμενων στερεών. Οι δεξαμενές είναι κυλινδρικές ή ωοειδείς με σιλό συλλογής της ιλύος στον πυθμένα. Σταθερό κάλυμμα Θερμαντήρας ιλύος Βιοαέριο Είσοδοι ιλύος Ωοειδής δεξαμενή o C Έξοδοι ιλύος Προς αφυδάτωση Σχήμα Σχηματική διάταξη δεξαμενής χώνευσης ιλύος Η ιλύς ανακυκλοφορεί και θερμαίνεται με εναλλάκτες, για τη διατήρηση της θερμοκρασίας στους ο C. Ο χρόνος παραμονής της ιλύος στη δεξαμενή κυμαίνεται από 10 έως 20 ημέρες. Παράγεται μίγμα αερίων, το γνωστό βιοαέριο, με χημική σύσταση περίπου % μεθάνιο (CH 4 ), % διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), υδρόθειο (H 2 S) κ.λ.π. Το βιοαέριο ( lt/kg οργανικών ουσιών) αποθηκεύεται σε αεριοφυλάκιο και συνήθως χρησιμοποιείται για την θέρμανση των χωνευτών ενώ η περίσσειά του οδηγείται προς καύση, σε πυρσό, ή ενεργειακή αξιοποίηση. Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 105

107 Η λειτουργία των δεξαμενών αναερόβιας χώνευσης (σταθεροποίησης) επιγραμματικά - Κατά την διάρκεια του 24-ωρου το περιεχόμενο των δεξαμενών αναδεύεται για να συντελεστεί η ζύμωση. - Μια ή δύο φορές την ημέρα η ανάδευση διακόπτεται προκειμένου να καθιζάνει η αδρανοποιημένη ιλύς και να γίνει ο διαχωρισμός της από τα επιπολάζοντα υγρά που καταλαμβάνουν το πάνω μέρος των δεξαμενών. - Στη συνέχεια απομακρύνονται η αδρανοποιημένη ιλύς και τα επιπολάζοντα υγρά. - Μετά γίνεται η πλήρωση της δεξαμενής με φρέσκια ιλύ και η διαδικασία επαναλαμβάνεται. - H ποσότητα της ιλύος που αφαιρείται κάθε φορά είναι ένα μικρό ποσοστό του όγκου των δεξαμενών ζύμωσης. - M' αυτόν τον τρόπο ο μέσος χρόνος παραμονής της ιλύος στις δεξαμενές είναι πολλαπλάσιος των 24 ωρών. - Tα επιπολάζοντα υγρά διοχετεύονται στην ΕΕΛ προκειμένου να καθαριστούν μαζί με τα εισρέοντα στην εγκατάσταση ακατέργαστα λύματα. Οι κρίσιμοι παράγοντες για την ομαλή και σωστή λειτουργία της αναερόβιας χώνευσης (σταθεροποίησης) της ιλύος είναι: η διατήρηση σταθερής θερμοκρασίας στο εσωτερικό της δεξαμενής (33 37 ο C) η ισορροπία μεταξύ όξινης και αλκαλικής ζύμωσης, το ph πρέπει να είναι 7,0-7,5 και η συνεχής ανάδευση του περιεχομένου της δεξαμενής. Η βιοχημεία της αναερόβιας χώνευσης (σταθεροποίησης) Στις δεξαμενές αναερόβιας χώνευσης λαμβάνουν χώρα πολύπλοκα βιολογικά-βιοχημικά φαινόμενα στα οποία μετέχουν πολλές ομάδες και είδη μικροοργανισμών, κυρίως θερμόφιλων οι οποίοι επιβιώνουν σε θερμοκρασίες ο C και βρίσκονται σε αλληλοεπίδραση και αλληλοεξάρτηση. Tα προϊόντα εναλλαγής της ύλης μιας ομάδας μικροοργανισμών χρησιμεύουν σαν τροφή για άλλες ομάδες και κατά συνέπεια ο συγχρονισμός των διαφόρων ομάδων μικροοργανισμών μεταξύ τους αποτελεί ένα από τα βασικά προβλήματα λειτουργίας των βιοαντιδραστήρων αναερόβιας χώνευσης ιλύος. Η διεργασία ξεκινά με το στάδιο της υδρόλυσης ή όξινης ζύμωσης η οποία συνίσταται στη μετατροπή των μακρομοριακών οργανικών ενώσεων (λιπίδια, υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, νουκλεϊνικά οξέα) οι οποίες μετατρέπονται με τη βοήθεια των υδρολυτικών βακτηρίων σε Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 106

108 μικρομοριακές οργανικές ενώσεις όπως οξικό οξύ (CH 3 COOH), προπιονικό οξύ (CH 3 CΗ 2 COOH), βουτυρικό οξύ (CH 3 CH 2 CH 2 COOH), γαλακτικό οξύ, αλκοόλες, κετόνες κ.λ.π. Σχεδόν ταυτόχρονα λαμβάνει χώρα και το στάδιο της αλκαλικής ζύμωσης ή μεθανογένεσης η οποία συνίσταται στη μετατροπή των οργανικών οξέων και κυρίως του οξικού οξέος καθώς και των άλλων προϊόντων της υδρόλυσης σε μεθάνιο (CH 4 ) από τα ετεροοξικά βακτήρια ή μεθανοβακτήρια (σχήμα ). Σχήμα Σχηματική απεικόνιση της αναερόβιας διεργασίας Όλες αυτές οι αντιδράσεις γίνονται με τέτοιο τρόπο ώστε να μην μεταβάλλεται το ph και το δυναμικό οξειδοαναγωής στο εσωτερικό των δεξαμενών που θα είχε σαν αποτέλεσμα να καταστραφούν οι μικροοργανισμοί και συνεπώς να τεθούν εκτός λειτουργίας οι δεξαμενές αναερόβιας χώνευσης. Στην πράξη απαιτείται πλήρης ισορροπία μεταξύ όξινης και αλκαλικής ζύμωσης. Αυτό επιτυγχάνεται όταν το ph στον αντιδραστήρα είναι 7,0 7,5. Ειδικότερα για το τελευταίο στάδιο της αλκαλικής ζύμωσης, αυτό της μεθανογένεσης, αναφέρεται ότι υπάρχουν δύο βασικές ομάδες μεθανοβακτηρίων. Η πρώτη περιλαμβάνει χημειοαυτότροφα βακτήρια τα οποία μετατρέπουν το υδρογόνο και το διοξείδιο του άνθρακα σε μεθάνιο. Για το μεταβολισμό των χημειοαυτότροφων αυτών βακτηρίων απαιτείται ενέργεια και δεσμεύεται θερμότητα. Κατά συνέπεια για να γίνει η αντίδραση αυτή πρέπει να εισαχθεί στο σύστημα θερμότητα. Η δεύτερη ομάδα των μεθανοβακτηρίων αποτελείται από βακτήρια τα οποία μετατρέπουν τα οξικά (CH 3 COOH) και μυρμηκικά οξέα (HCOOH) σε μεθάνιο. Θερμαινόμενες δεξαμενές χώνευσης χρησιμοποιούνται σε μεγάλες Ε.Ε.Λ. Η ακατέργαστη ιλύς μετά τον παχυντή οδηγείται μέσω αντλιοστασίου στη δεξαμενή χώνευσης. Η Διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Ευθ. Νταρακάς Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. Σελίδα 107