Τ.Ε.Ι.ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ

Transcript

1 Τ.Ε.Ι.ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: ΣΧΕΔΙΟ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΔΗΜΟΤΙΚΩΝ ΛΥΜΑΤΩΝ ΓΙΑ ΚΑΤΟΙΚΟΥΣ ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ:Δ.ΜΑΡΜΑΝΗΣ ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ:ΜΠΟΥΚΟΥΒΑΛΑΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ 1

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ.5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1:Υδραυλική διακίνηση και ανυψωτικές εγκαταστάσεις λυμάτων και λάσπης 1.ΓΕΝΙΚΑ ΣΧΗΜΑ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΛΥΜΑΤΩΝ ΠΑΡΟΧΕΣ ΛΥΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΛΑΣΠΗΣ ΑΝΤΛΙΟΣΤΑΣΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2:Δεξαμενές πρωτοβάθμιας καθίζησης 1.ΓΕΝΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ ΜΕΡΙΚΑ ΤΕΧΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ..14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3:Βιολογική επεξεργασία με ενεργό ίλυ 1.ΓΕΝΙΚΑ ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΔΕΞΑΜΕΝΗΣ ΑΕΡΙΣΜΟΥ.19 3.ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΟΜΟΙΩΜΑ ΕΝΕΡΓΟΥ ΙΛΥΟΣ 21 4.ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΔΕΞΑΜΕΝΩΝ ΤΕΛΙΚΗΣ ΚΑΘΙΖΗΣΗΣ.25 5.ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΔΕΞΑΜΕΝΩΝ ΑΕΡΙΣΜΟΥ-ΔΤΚ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΔΕΞΑΜΕΝΩΝ ΑΕΡΙΣΜΟΥ Σχήμα και καθεστώς μίξης Αερισμός και μίξη ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΔΕΞΑΜΕΝΩΝ ΤΕΛΙΚΗΣ ΚΑΘΙΖΗΣΗΣ...39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4:Οξειδωτική τάφρος 1.ΓΕΝΙΚΑ ΘΕΜΕΛΕΙΩΔΗΣ ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Αερόβια σταθεροποίηση οργανικής τροφή Διαστασιολόγηση και μεθοδολογία υπολογισμού Απαιτήσεις οξυγόνου ΑΠΟΔΟΣΗ ΟΞΕΙΔΩΤΙΚΗΣ ΤΑΦΡΟΥ Απομάκρυνση BOD και COD.43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5:Βιολογικά φίλτρα 1.ΓΕΝΙΚΑ ΕΙΔΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΦΙΛΤΡΩΝ..44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6:Πάχυνση ιλύος 1.ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΕΙΣΕΡΧΟΜΕΝΗΣ ΙΛΥΟΣ ΤΥΠΟ ΠΑΧΥΝΤΩΝ Παχυντές βαρύτητας Παχυντές επίπλευσης Φυγοκεντρικοί παχυντές..51 2

3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7:Χώνευση λάσπης 1.ΓΕΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΗΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑΣ ΧΩΝΕΥΣΗΣ ΤΡΟΠΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑΣ ΧΩΝΕΥΣΗΣ ΚΑΙ ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ Τρόπος λειτουργίας χωνευτή Προκατασκευασμένοι χωνευτές Οροφή χωνευτή ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΝΑΜΙΞΗΣ Συστήματα κυκλοφορίας της λάσπης μέσω εξωτερικώναντλιών Εσωτερικά συστήματα μηχανικής ανάμιξης Εσωτερικά συστήματα ανάμιξης με αέριο ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΤΟΥ ΧΩΝΕΥΤΗ Απαιτήσεις θερμότητας Πηγές θερμότητας Μέθοδοι θέρμανσης της λάσπης.63 6.ΔΕΥΤΕΡΟΒΑΘΜΙΟΙ ΧΩΝΕΥΤΕΣ Έναρξη λειτουργίας χωνευτή ΧΡΗΣΕΙΣ ΑΕΡΙΟΥ Καύση αερίου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8:Αφυδάτωση και διάθεση της λάσπης 1.ΓΕΝΙΚΑ ΑΦΥΔΑΤΩΣΗ ΤΗΣ ΛΑΣΠΗΣ ΣΤΟ ΕΔΑΦΟΣ Κλίνες ξήρανσης Αναερόβιες λίμνες ΑΦΥΔΑΤΩΣΗ ΜΕ ΜΗΧΑΝΙΚΑ ΜΕΣΑ Γενικά Τυπικά συστήματα μηχανικής ανάμιξης Σύγκριση μεταξύ των διαφόρων τύπων μηχανικής Αφυδάτωσης ΤΑΣΕΙΣ ΕΞΕΛΙΞΗΣ ΤΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΑΦΥΔΑΤΩΣΗΣ ΚΑΙ ΔΙΑΘΕΣΗΣ ΤΗΣ ΛΑΣΠΗΣ Κροκίδωση Συστήματα μηχανικής αφυδάτωσης ΕΠΑΝΑΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΘΕΣΗ ΤΗΣ ΛΑΣΠΗΣ.75 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9:Παράδειγμα<<Έργο επεξεργασίας και διάθεσης λυμάτων πόλης Λάρισας>> 1.ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ-ΦΟΡΤΙΑ ΡΥΠΩΝ ΑΠΟΔΕΚΤΕΣ ΛΥΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΛΑΣΠΗΣ-ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Λύματα Λάσπη ΒΑΘΜΙΔΕΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Προκαταρκτική επεξεργασία Πρωτοβάθμια επεξεργασία Δευτεροβάθμια επεξεργασία Τριτοβάθμια επεξεργασία Χειρισμός λάσπης

4 4.ΒΑΣΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΠΙΛΟΓΕΣ Έργα προκαταρκτικής επεξεργασίας Αντλιοστάσιο εισόδου(α1) Δεξαμενές πρωτοβάθμιας καθίζησης(δπκ) Δευτεροβαθμια (βιολογική) επεξεργασία Τριτοβάθμια επεξεργασία Γενική διάταξη της εγκατάστασης ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Το πρόβλημα της επεξεργασίας και διάθεσης των δημοτικών λυμάτων είναι ένα νέο και οξύ πρόβλημα του Ελληνικού χώρου.μέχρι πρίν από λίγα,σχετικώς, χρόνια η μονοκατοικία αποτελούσε τον κανόνα για τις περισσότερες Ελληνικές πόλεις και η αποχέτευση του μικρού όγκου ακαθάρτων πραγματοποιούνταν εύκολα,αν και όχι πάντα χωρίς σοβαρή ρύπανση του υπόγειου νερού,με τη βοήθεια του παραδοσιακού απορροφητικού βόθρου,τοποθετημένου κάπου στον κήπο του σπιτιού.η σε μεγάλη έκταση κατασκευή πολυκατοικιών που παρατηρήθηκε τα τελευταία χρόνια σε κάθε σχεδόν Ελληνική πόλη άλλαξε ριζικά την άνω εικόνα. Ο απορροφητικός βόθρος που μπορεί να κατασκευασθεί στα μικρά,συγκριτικώς με τις κατοικημένες επιφάνειες,ακάλυπτα τμήματα των οικοπέδων είναι πλέον ανίκανος να διοχετεύσει τις μεγάλες παροχές ακαθάρτων.έτσι,η κατασκευή δημοτικών δικτύων συλλογής των ακαθάρτων και συνεπώς και η κατασκευή εγκαταστάσεων για την επεξεργασία τους έγινε,κάπως ξαφνικά,ένα από τα πιο σοβαρά προβλήματα των Ελληνικών οικισμών. Στα κεφάλαια που ακολουθούν γίνεται περιγραφή του σχεδιασμού των εγκαταστάσεων επεξεργασίας δημοτικών λυμάτων καθώς επίσης δίνεται και ένα παράδειγμα έργου επεξεργασίας και διάθεσης λυμάτων της πόλης Λάρισας. 5

6 ΥΔΡΑΥΛΙΚΗ ΔΙΑΚΙΝΙΣΗ ΚΑΙ ΑΝΥΨΩΤΙΚΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΛΥΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΛΑΣΠΗΣ 1.Γενικά Τα λύματα και η λάσπη διέρχονται γενικώς από σειρά διαδοχικών βαθμίδων επεξεργασίας, κάθε δε βαθμίδα περιλαμβάνει κατά κανόνα, περισσότερες από μία παράλληλες μονάδες. Η διακίνηση λυμάτων και λάσπης από βαθμίδα σε βαθμίδα και η διανομή τους στις παράλληλες μονάδες πραγματοποιείται επί το πλείστο με αγωγούς υπό πίεση. Η άνω υδραυλική λειτουργία αποτελεί κρίσιμη συνιστώσα της όλης λειτουργίας μιας εγκατάστασης επεξεργασίας λυμάτων και η μελέτη της απαιτεί λεπτή και συχνά ογκώδη εργασία που δύσκολα διαχωρίζεται από τον όλο Υγειονολογικό Σχεδιασμό. Το κεφάλαιο αυτό, προϋποθέτοντας τη γνώση της Βασικής Εφαρμοσμένης Υδραυλικής, έχει ως αντικείμενο τα σημαντικότερα ειδικά προβλήματα υδραυλικής διακίνησης λυμάτων και λάσπης και το συναπτόμενο πρόβλημα των εγκαταστάσεων ανύψωσής τους. 2.ΣΧΗΜΑ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΛΥΜΑΤΩΝ Η μορφή του δικτύου υδραυλικής διακίνησης εξαρτάται από το πλήθος των μονάδων και άλλα ειδικότερα χαρακτηριστικά της εγκατάστασης. Μπορεί εντούτοις να διατυπωθεί μία αρχή γενικής εφαρμογής. Κατά την αρχή αυτή οι εκροές από τις παράλληλες μονάδες μιας βαθμίδας επεξεργασίας θα πρέπει να συγκεντρώνονται σε κοινό φρεάτιο Φ και από εκεί να επαναδιανέμονται στις παράλληλες μονάδες της επόμενης βαθμίδας όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα: Το άνω σχήμα διανομής έχει το μεγάλο πλεονέκτημα ότι διακοπή της λειτουργίας μιας μονάδας ή του αντίστοιχου αγωγού δεν προκαλεί διακοπή λειτουργίας όλης της σειράς. Έτσι, αν διακοπεί η λειτουργία της Α 1, το σύνολο της παροχής θα διοχετευθεί στην Α 2 με κάποια μεγαλύτερη ή μικρότερη ταπείνωση της απόδοσης της αλλά στην επόμενη βαθμίδα θα εξακολουθεί να εργάζεται η μονάδα Β 1 μαζί με 6

7 την Β 2.Η σωστή διανομή ελέγχεται με ρυθμίσιμους υπερχειλιστές όπως φαίνεται στο σχήμα. Το άνω συνιστώμενο σχήμα διανομής είναι δαπανηρότερο σε σύγκριση με την κατευθείαν σύνδεση Α 1 -Β 1 και Α 2 -Β 2 ιδιαίτερα επειδή συνεπάγεται μεγαλύτερες απώλειες υδραυλικού φρεατίου αλλά το λειτουργικό του πλεονέκτημα δικαιολογεί τις πρόσθετες δαπάνες. Εξυπακούεται ότι σε περίπτωση μεγάλου πλήθους παράλληλων μονάδων η συγκέντρωση-επαναδιανομή μπορεί να εφαρμόζεται κατά ομάδες μονάδων. 3.ΠΑΡΟΧΕΣ ΛΥΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΛΑΣΠΗΣ Οι περισσότερες μονάδες επεξεργασίας σχεδιάζονται συνήθως για τις μέσες ετήσιες τιμές της παροχής και των ρυπαντικών φορτίων των λυμάτων ή για τις μέσες τιμές σε κάποιο κρίσιμο διάστημα του έτους, π.χ. στο διάστημα των χαμηλών ροών του αποδέκτη ποταμού. Όμως το δίκτυο διανομής θα πρέπει να είναι ικανό να διοχετεύει την μέγιστη, περίπου εισροή λυμάτων γιατί αλλιώς μπορεί να προκληθούν απαράδεκτες υπερυψώσεις στάθμης στον αγωγό προσαγωγής ή ακόμα και υπερχειλίσεις λυμάτων. Εξάλλου, οι ταχύτητες ροής στους αγωγούς θα πρέπει να διατηρούνται σε επαρκώς υψηλά επίπεδα ώστε να περιορίζονται οι αποθέσεις στερεών σε ανεκτά επίπεδα. Απαιτείται συνεπώς κατά την υδραυλική μελέτη η γνώση των μέγιστων και ελάχιστων παροχών σχεδιασμού. Αν δεν υπάρχουν σχετικά στοιχεία για το συγκεκριμένο έργο τότε οι εκτιμήσεις θα γίνουν με εφαρμογή εμπειρικών σχέσεων. Δύο τέτοιες σχέσεις, από τις πολλές διαθέσιμες είναι οι ακόλουθες(1). Qmax=5p -1/6 Qa (1) Qmin=0.20p 1/6 Qa (2) Όπου:Qmax, Qmin=μέγιστη και ελάχιστη παροχή σχεδιασμού, αντιστοίχως Qa=μέση ετήσια παροχή p=εξυπηρετούμενος πληθυσμός σε χιλιάδες Τιμές έξω από το διάστημα Qmax-Qmin δεν αποκλείονται αλλά μπορεί να υποτεθεί ότι η διάρκειά τους είναι πολύ μικρή ώστε να μην ανακύπτουν προβλήματα κατακλίσεων ή αποθέσεων. Οι παροχές της λάσπης Q λ μπορούν να εκτιμηθούν με βάση την ταχύτητα παραγωγής στερεών Μ(μάζα/χρόνος)και την συγκέντρωση στερεών S(μάζα/όγκος) δηλαδή Q λ =M/S (όγκος/χρόνος) Ο τρόπος υπολογισμού της ταχύτητας παραγωγής Μ δίνεται στα κεφάλαια σχετικά με τίς μονάδες επεξεργασίας που παράγουν λάσπη, δηλαδή την δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης και τις μονάδες βιολογικής επεξεργασίας. Οι συγκεντρώσεις S εξαρτιούνται από τον τρόπο απόληψης της λάσπης από τις δεξαμενές πρωτοβάθμιας και δευτεροβάθμιας καθίζησης. Οι ακόλουθες τιμές μπορούν να θεωρηθούν τυπικές(2 ). α. Πρωτοβάθμια λάσπη 50kg/m 3 β. Ενεργή λάσπη 7,5 γ. Λάσπη βιολογικών φίλτρων 15 7

8 δ. Λάσπες α+β με συγκάθιζηση δεξ. πρωτ.καθίζησης 40 ε. Λάσπες α+γ 50 Στ. Μίγμα α+β μετά από πάχυνση βαρύτητας 40 ζ. Μίγμα α+γ 50 η. Πρωτοβάθμια λάσπη μετά από πάχυνση βαρύτητας 80 θ. Ενεργή λάσπη μετά από πάχυνση με επίπλευση 40 4.ΑΝΤΛΙΟΣΤΑΣΙΑ Μεγάλη συχνότητα εκκινήσεων των ηλεκτροκινητήρων μπορεί να προκαλέσει υπερθέρμανση και βλάβη του εξοπλισμού εκκίνησης. Η επιτρεπόμενη συχνότητα εξαρτιέται από τα χαρακτηριστικά του εξοπλισμού συχνά όμως γίνεται δεκτό ως γενικός κανόνας, να μην υπερβαίνει το πλήθος εκκινήσεων τις 12-15/ώρα. Για αντλίες μη ρυθμιζόμενης παροχής η άνω απαίτηση μπορεί να οδηγήσει σε αξιόλογους ελάχιστους όγκους του υγρού θαλάμου μεταξύ των σταθμών εκκίνησης και στάσης των αντλιών οι οποίοι όγκοι εξαρτιούνται από τις παροχές των αντλιών και το υδρογράφημα εισροής. Μεγάλοι χρόνοι παραμονής ανεπεξέργαστων λυμάτων στον υγρό θάλαμο συνεπάγονται αυξημένα προβλήματα αποθέσεων και κίνδυνο σηπτικών συνθηκών. Κατά ένα κανόνα ο μέγιστος χρόνος παραμονής(για την ελάχιστη ωριαία παροχή)δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 30min. 8

9 Σημαντικός παράγοντας για την ελαχιστοποίηση του προβλήματος των αποθέσεων είναι η κλίση του πυθμένα του υγρού θαλάμου προς τα στόμια αναρρόφησης. Συχνά υιοθετείται η κλίση 1:1 φαίνεται όμως ότι πιο απότομες κλίσεις, ίσως μεγαλύτερες από 1,75:1, είναι σκόπιμες. Το πλάτος του υγρού θαλάμου πρέπει να είναι κατά το δυνατό μικρό, όχι μικρότερο από 1,20m ώστε να είναι εύκολη η επίσκεψη. Στην περίπτωση αντλιών με μεταβλητή ταχύτητα περιστροφής ο όγκος του υγρού θαλάμου ελαχιστοποιείται μέχρι περιορισμού του σε απλή διώρυγα διανομής της ροής στα στόμια αναρρόφησης. Πολύ μικρός, μπορεί, επίσης, να είναι ο ανοικτός υγρός θάλαμος των ελίκων του Αρχιμήδη δεδομένου ότι η αντλούμενη παροχή προσαρμόζεται αυτόματα στη στάθμη εισροής. Συνεπώς, στις άνω περιπτώσεις ελαχιστοποιούνται, και τα προβλήματα των αποθέσεων και σηπτικών συνθηκών. Κατά τον σχεδιασμό του στεγανού θαλάμου θα πρέπει να αφήνεται ελάχιστο περιθώριο 1,20m μεταξύ των αντλιών και 0,90m μεταξύ αντλίας και τοίχου. 9

10 ΔΕΞΑΜΕΝΕΣ ΠΡΩΤΟΒΑΘΜΙΑΣ ΚΑΘΙΖΗΣΗΣ 1.ΓΕΝΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Η δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης (ΔΚΠ) απομακρύνει αιωρούμενα στερεά (SS) από τα λύματα με την βοήθεια της βαρύτητας. Είναι, έτσι, μια σχετικά απλή και φθηνή διαδικασία που σπάνια απουσιάζει από τις εγκαταστάσεις επεξεργασίας. Στο σχήμα δίνεται σχέδιο κυκλικής δεξαμενής καθίζησης. Σημειώνεται ότι οι κυκλικές δεξαμενές είναι φθηνότερες από τις ορθογωνικές ενώ δεν φαίνεται να υστερούν από άποψη λειτουργίας, και απόδοσης. Έτσι, η εφαρμογή ορθογωνικών δεξαμενών φαίνεται δικαιολογημένη μόνο όταν το πρόβλημα χώρου είναι κρίσιμο. Τα λύματα εισέρχονται στο κέντρο της δεξαμενής και ρέουν ακτινικά προς τον περιμετρικό υπερχειλιστή και από εκεί στην περιμετρική διώρυγα συλλογής. Ομόκεντρο μεταλλικό κυλινδρικό φράγμα με διάμετρο 10-20% της διαμέτρου της δεξαμενής και βάθος 1-2m από την επιφάνεια βοηθά στην καταστροφή της υδραυλικής ενέργειας των εισερχόμενων λυμάτων και συνεπώς στην ομαλή, βραδεία ροή μέσα στη ζώνη καθίζησης. Εκείνα από τα αιωρούμενα στερεά για τα οποία ο χρόνος της κατακόρυφης κίνησης τους μέχρι τον πυθμένα είναι μικρότερος από τον χρόνο της οριζόντιας κίνησης μέχρι τον περιμετρικό υπερχειλιστή θα συγκρατηθούν, γενικώς, στον πυθμένα με τη μορφή υδαρής λάσπης. Μεταλλικές λεπίδες προσαρμοσμένες συνήθως σε περιστρεφόμενη γέφυρα σαρώνουν τη λάσπη προς κεντρικό φρεάτιο συλλογής. Αν η απομάκρυνση της λάσπης από το φρεάτιο πραγματοποιείται με επιτόπου χειρισμό της δικλείδας του αγωγού απαγωγής, τότε είναι λογικό να επιδιώκονται κατά το δυνατό αραιοί χειρισμοί οπότε το φρεάτιο πρέπει να έχει ανάλογη αποθηκευτική ικανότητα. Η παραμονή της λάσπης στο φρεάτιο αποτελεί παράγοντα συμπύκνωσης της και με προσεκτικό χειρισμό απόληψης μπορεί να επιτευχθεί ιδιαίτερα υψηλή πυκνότητα λάσπης. Εντούτοις ο χειριστής δεν έχει πλήρη έλεγχο της διαδικασίας απόληψης ενώ, όχι σπάνια, δεν είναι όσο πρέπει προσεκτικός ώστε να αποφύγει τη μαζική είσοδο νερού στο φρεάτιο και τον σωλήνα απόληψης. Έτσι ο άνω απλός χειρισμός μπορεί να οδηγεί και σε απόληψη ιδιαίτερα υδαρής λάσπης. Εξάλλου, μακρά παραμονή της λάσπης στο φρεάτιο μπορεί να οδηγήσει σε σηπτικές συνθήκες και σε εκροή λυμάτων με αυξημένες συγκεντρώσεις BOD και στερεών. Η σημερινή τεχνολογία δίνει τη δυνατότητα για ελεγχόμενη και αποτελεσματική απόληψη πράγμα σημαντικό για την απόδοση της ίδιας της δεξαμενής και επίσης για τα έργα επεξεργασίας της λάσπης. Στον αγωγό απαγωγής της λάσπης μπορούν να εγκατασταθούν μετρητές πυκνότητας και παροχής με τις ενδείξεις τους αερομεταφερόμενες στην αίθουσα ελέγχου της όλης εγκατάστασης. Ο χειριστής, εγκατεστημένος στην αίθουσα αυτή, μεταχειρίζεται την δικλείδα απαγωγής εν όψει των άνω ενδείξεων, ή και σήματος συναγερμού για χαμηλές πυκνότητες απόληψης και μπορεί έτσι να επιτυγχάνει μία σχεδόν συνεχή απόληψη λάσπης με ικανοποιητική πυκνότητα και συνεπώς με περιορισμένο όγκο. 10

11 Στην άνω περίπτωση οι διαστάσεις του φρεατίου μπορούν να είναι πολύ περιορισμένες. Ένας παλιός και συχνά εφαρμοζόμενος τρόπος χειρισμού της περισσεύουσας δευτεροβάθμιας λάσπης είναι η επιστροφή της στη δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης για συγκαθίζηση με την πρωτοβάθμια λάσπη. Πρόκειται για τον απλούστερο και φθηνότερο τρόπο χειρισμού ο οποίος μπορεί να δώσει μίγμα λάσπης με ποσοστό στερεών όχι, αξιόλογα τουλάχιστον, χαμηλότερο από εκείνο του μίγματος πρωτοβάθμιας-δευτεροβάθμιας λάσπης ύστερα από ιδιαίτερη ή ιδιαίτερες βαθμίδες πάχυνσης. Εντούτοις με την μη ελεγχόμενη απόληψη, προβλήματα σηπτικών συνθηκών και επίπλευσης λάσπης συνόδευαν, όχι σπάνια, τον απλό αυτό τρόπο χειρισμού της δευτεροβάθμιας λάσπης. Με τον ελεγχόμενο τηλεχειρισμό της απόληψης που περιγράφτηκε προηγουμένως, τα προβλήματα αυτά αμβλύνονται ουσιαστικά και η επιστροφή της δευτεροβάθμιας λάσπης στις δεξαμενές πρωτοβάθμιας καθίζησης αποκτά αυξημένο ενδιαφέρον. Με τον τρόπο αυτό μπορεί να αναμένεται ποσοστό στερεών μίγματος κοντά στο 5% και γενικώς όχι μικρότερο από 4%. Τα λύματα περιέχουν όχι μόνο βαρύτερες αλλά και ελαφρότερες από το νερό ύλες. Οι επιπλέουσες αυτές ύλες απομακρύνονται συνήθως με τη βοήθεια περιστρεφόμενου βραχίονα προσαρμοσμένου στο σύστημα γέφυρας-σαρωτή προς ειδικά φρεάτια από τα οποία οδηγούνται στην συνέχεια στο ρεύμα της προς επεξεργασία λάσπη. Για να εμποδισθεί η είσοδος, των επιπλεόντων στην διώρυγα συλλογής των επεξεργασμένων εκροών τοποθετείται συνήθως σε περιμετρικό μεταλλικό φράγμα σε απόσταση 30-60cm από τον υπερχειλιστή και μέχρι βάθους 30cm περίπου από την επιφάνεια. Για δημοτικά λύματα, οι δεξαμενές πρωτοβάθμιας καθίζησης πραγματοποιούν απομάκρυνση αιωρούμενων στερεών(ss) κατά 50-70% και BOD 5 κατά 25-40%. Με προσθήκη κατάλληλων χημικών (Υδροξείδιο του ασβεστίου, θειϊκά άλατα του Αργιλίου ή σιδήρου) επιτυγχάνεται συσσωμάτωση λεπτών αιωρούμενων στερεών και επομένως βελτίωση της απόδοσης της δεξαμενής. Οι πραγματοποιούμενες απομακρύνσεις SS ανεβαίνουν σoα 80-90% και οι απομακρύνσεις BOD 5 στα 40-70%. Η άνω χημική επεξεργασία σπάνια εφαρμόζεται όταν αποκλειστικός στόχος της είναι η αυξημένη απομάκρυνση SS και BOD 5. Βιολογική επεξεργασία με συγκρίσιμο κόστος μπορεί να επιτύχει υψηλότερες απομακρύνσεις. Εφαρμόζεται όταν απαιτείται απομάκρυνση φωσφόρου στην περίπτωση όμως αυτή άλλες θέσεις εφαρμογής των χημικών μπορεί να είναι σκοπιμότερες από τη δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης. Τέτοιες δυνητικώς σκοπιμότερες θέσεις είναι ο βιολογικός αντιδραστήρας και η εκροή από τη δεξαμενή δευτεροβάθμιας καθίζησης. 2.ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ Ο βαθμός απόδοσης δεξαμενής ως προς τα στερεά E s, ορίζεται ως το κλάσμα των αιωρούμενων στερεών της εισροής που απομακρύνει η δεξαμενή από το ρεύμα λυμάτων. Αντίστοιχα ορίζεται και ο βαθμός απόθεσης ως προς BOD,E B. Για να πραγματοποιήσει ο Μηχανικός ορθολογικό σχεδιασμό πρέπει να έχει στη διάθεση του λειτουργικές συναρτήσεις της δεξαμενής δηλαδή συναρτήσεις που να συνδέουν τους άνω βαθμούς απόδοσης με τα μεγέθη της δεξαμενής και με μετρήσιμα 11

12 χαρακτηριστικά των λυμάτων που επηρεάζουν το φαινόμενο. Για διακεκριμένα αιωρούμενα στερεά που δεν αλληλεπιδρούν, εύκολα αποκτάται μια λειτουργική συνάρτηση κατά την οποία ο βαθμός απόδοσης εξαρτιέται από το ανηγμένο υδραυλικό φορτίο q=q/a όπου Q είναι η διαρρέουσα παροχή και Α είναι η οριζόντια επιφάνεια της δεξαμενής και επίσης από την κοκκομετρική διαβάθμιση και πυκνότητα των στερεών και από τη θερμοκρασία των λυμάτων. Η συνάρτηση αυτή στηρίζεται στην υπόθεση ότι όλα τα στοιχεία των λυμάτων έχουν τον ίδιο χρόνο παραμονής στη δεξαμενή t o =V/Q όπου V=όγκος της δεξαμενής. Πρόκειται για τη λεγόμενη εμβολοειδή ροή που μόνο κατά προσέγγιση, περισσότερο ή λιγότερο επιτυχή, μπορεί να πραγματοποιηθεί. Το πρόβλημα γίνεται ιδιαίτερα περίπλοκο στην περίπτωση των λυμάτων επειδή τα αιωρούμενα στερεά αλληλεπιδρούν. Συσσωματώνονται μέσα στη δεξαμενή πράγμα που επηρεάζει την ταχύτητα καθίζησης τους, οι δε φυσικοί και χημικοί μηχανισμοί της συσσωμάτωσης δεν είναι εύκολα μελετήσιμοι τουλάχιστον από την άποψη ικανοποιητικής περιγραφής τους από μια τεχνολογικά αποτελεσματική λειτουργική συνάρτηση. Έτσι, οι διαθέσιμες λειτουργικές συναρτήσεις έχουν εμπειρικό χαρακτήρα. Η συσσωμάτωση είναι τόσο καλύτερη όσο περισσότερες είναι οι ευκαιρίες επαφής των σωματιδίων. Εξάλλου, οι ευκαιρίες επαφής είναι περισσότερες για τις μεγαλύτερες συγκεντρώσεις στερεών και για τους μεγαλύτερους χρόνους παραμονής στην δεξαμενή. Έτσι, αν ληφθούν υπ όψη και τα όσα αναφέρθηκαν για τα διακεκριμένα σωματίδια, μπορεί να γίνει δεκτό ότι, για δεδομένα φυσικά και χημικά χαρακτηριστικά των σωματιδίων που εισέρχονται στην δεξαμενή και για δεδομένη θερμοκρασία λυμάτων, ο βαθμός απόδοσης Ε θα είναι συνάρτηση των q,t o και So όπου So είναι η συγκέντρωση των αιωρούμενων στερεών στα εισερχόμενα λύματα. Για τυπικά βάθη των δεξαμενών που εφαρμόζονται συνήθως(h 3m), ο χρόνος to προσδιορίζεται από την q. Συνεπώς μπορεί να γραφεί: Εs=σ(q,So). Με βάση τις άνω σκέψεις και με τη βοήθεια λειτουργικών δεδομένων, από Pilotplant του πανεπιστημίου του Burmingham, οι Tebbutt και Χριστούλας πρότειναν (1) την ακόλουθη εμπειρική λειτουργική συνάρτηση που συνδέει τις μέσες τιμές Εs, So και q. Es=aexp{-b/So-cq} (1) Όπου a,b,c=συντελεστές Η συνάρτηση (1) βρέθηκε να περιγράφει ικανοποιητικά τα λειτουργικά δεδομένα από διάφορες εγκαταστάσεις επεξεργασίας, πλήρους κλίμακας. Το πρόβλημα κατά την εφαρμογή της λειτουργικής συνάρτησης (1) ή άλλης ανάλογης, είναι η επιλογή των εφαρμοστέων τιμών των συντελεστών (a,b,c). Σύμφωνα με τα όσα ήδη αναφέρθηκαν οι συντελεστές αυτοί επηρεάζονται από φυσικά και χημικά χαρακτηριστικά λυμάτων που μπορούν να ποικίλουν πολύ κάτω από τον γενικό χαρακτηρισμό «δημοτικά λύματα». Επίδραση, επίσης, μπορούν να ασκούν τα ειδικότερα χαρακτηριστικά ροής στη δεξαμενή όπως π.χ αυτά που καθορίζονται από την διάμετρο και βάθος του κυλινδρικού φράγματος εισροής σε σχέση με τη διάμετρο και βάθος της δεξαμενής. Έτσι μόνο η μελέτη της λειτουργίας πειραματικής δεξαμενής φορτιζόμενης με τα συγκεκριμένα λύματα (pilot-plant) μπορεί να δώσει βασικά τις εφαρμοστές τιμές, a,b,c. Με την προϋπόθεση ότι 12

13 υπάρχουν αντιπροσωπευτικά λύματα μία τέτοια μελέτη επιβάλλεται για τα μεγαλύτερα έργα. Για τα μικρότερα όμως έργα η μελέτη σε πειραματική εγκατάσταση μπορεί να μην δικαιολογείται από οικονομική άποψη. Ο σχεδιασμός των δεξαμενών με ιδιαίτερα συντηρητικές τιμές a,b,c μπορεί να είναι προτιμότερος από την άνω μελέτη που απαιτεί σοβαρή δαπάνη χρόνου και χρήματος. Εξάλλου οι μικρότερες ελληνικές πόλεις έχουν γενικώς ατελή δίκτυα αποχέτευσης πράγμα που καθιστά προβληματική την αντιπροσωπευτικότητα των λυμάτων. Έτσι ο Μηχανικός είναι συχνά υποχρεωμένος να σχεδιάσει τις δεξαμενές καθίζησης χρησιμοποιώντας εμπειρίες από άλλες εγκαταστάσεις. Δεδομένα από μεγάλο αριθμό εγκαταστάσεων των Η.Π.Α(1,2) δίνουν τις ακόλουθες τιμές που αντιστοιχούν στην επιφάνεια παλινδρόμησής τους. a=0,76 b=46mg/lc= ημ/m Σημειώνεται ότι η απόκλιση των άνω δεδομένων από την επιφάνεια παλινδρόμησης είναι σοβαρή. Μπορεί να υποτεθεί ότι η σχέση 1 με τις άνω τιμές a,b,c δίνει τη μέση προσδοκώμενη τιμή του μέσου βαθμού απόδοσης Es και συνεπώς ο σχεδιασμός με βάση τις τιμές αυτές ενέχει τον κίνδυνο υποσχεδιασμού, όπως άλλωστε και αυτοσχεδιασμού, με πιθανότητα 50%. Αν, όπως συχνά συμβαίνει, ακολουθούσα βιολογική βαθμίδα σχεδιάζεται με συντηρητικά κριτήρια, είναι λογικό οι δεξαμενές πρωτοβάθμιας καθίζησης να σχεδιάσουν με βάση τις άνω μέσες τιμές a,b,c. Σε διαφορετική περίπτωση, ή όταν η καθίζηση αποτελεί την μόνη βαθμίδα επεξεργασίας μπορεί να θεωρηθεί σκόπιμη η υιοθέτηση συντηρητικότερων τιμών a,b,και c. Η επιλογή των τιμών a,b,c θα εξαρτηθεί και από τα χαρακτηριστικά του αποδέκτη σε συνδυασμό με την δυνατότητα για εύκολη κατασκευή πρόσθετων δεξαμενών. Αν ο βαθμός απόδοσης των δεξαμενών μπορεί να ταπεινωθεί σε κάποιο βαθμό χωρίς πολύ σοβαρά προβλήματα στον αποδέκτη είναι λογικό να σχεδιαστεί η πρώτη φάση των έργων με τολμηρά μάλλον παρά συντηρητικά κριτήρια. Με τη γνώση που θα αποκτηθεί από τη λειτουργία της 1ης φάσης θα είναι πλέον δυνατό να σχεδιασθούν χωρίς σοβαρές αβεβαιότητες, εκτός από εκείνες που σχεδιάζονται με την μακροπρόθεσμη μεταβολή των χαρακτηριστικών των λυμάτων, οι πρόσθετες παράλληλες μονάδες. Αν γίνει δεκτό ότι δεν πραγματοποιείται στην δεξαμενή αξιόλογη διάσπαση των οργανικών στερεών της λάσπης σε διαλυτές οργανικές συνιστώσες τότε μπορεί να ειπωθεί ότι το απομακρυνόμενο BOD είναι εκείνο που αντιστοιχεί στις καθιζάνουσες οργανικές ύλες. Οι καθιζάνουσες οργανικές ύλες είναι αιωρούμενες αλλά σε κάποιο βαθμό και κολλοειδείς που προσροφήθηκαν και συμπαρασύρθηκαν στην καθίζηση από τις πρώτες. Έτσι, η ακόλουθη σχέση μεταξύ των βαθμών απόδοσης Es και Ε Β αποτελεί προσέγγιση μόνο, πιθανώς χονδρική Ε Β =(1-λ)Εs (2) Όπου λ= λόγος του BOD 5 φιλτραρισμένων δειγμάτων προς το όλο BOD 5 της εισροής. Διαφορετικά λύματα χαρακτηρίζονται από διαφορετικές τιμές λ. Αν γίνει δεκτή η τιμή λ=0,35 ς τυπική προκύπτει η σχέση Ε Β =0,65Εs που δεν βρίσκεται πολύ μακριά από τις συνήθως παρατηρούμενες για δημοτικά λύματα. Σημειώνεται ότι ο Tebbutt πήρε την ακόλουθη εμπειρική σχέση από την στατιστική ανάλυση των λειτουργικών δεδομένων τωi εγκαταστάσεων των ΗΠΑ που αναφέρθηκαν προηγουμένως (3). Ε Β =0,50Εs+0.08 (3) 13

14 Η υπόθεση ότι η δεξαμενή πρωτοβάθμιας καθίζησης έχει τον ίδιο βαθμό απόδοσης ως προς τα εξαερώσιμα και σταθερά στερεά δεν φαίνεται να είναι μακριά από την πραγματικότητα. Μπορεί συνεπώς να γραφεί: Mv=Es.Svo.Q (4) Mf=Es.Sfo.Q Όπου Mv,Mf είναι οι ταχύτητες παραγωγής πρωτοβάθμιων αιωρούμενων στερεών(μάζα/χρόνος), εξαερώσιμων και σταθερών αντιστοίχως και Svo,Sfo είναι οι αντίστοιχες συγκεντρώσεις αιωρούμενων στερεών στα εισρέοντα λύματα (μάζα/όγκος). Η παροχή Qλ της λάσπης που απολαμβάνεται από τη δεξαμενή είναι: Qλ=Μ/S (5) Όπου M=Mv+Mf και S=συγκέντρωση αιωρούμενων στερεών στην λάσπη με τυπική τιμή 50kg/m 3. Στην περίπτωση επιστροφής δευτεροβάθμιας λάσπης στις δεξαμενές πρωτοβάθμιας καθίζησης το μέγεθος Μ θα περιλαμβάνει και τα δευτεροβάθμια στερεά. Για ελεγχόμενη απόληψη και κατά συντηρητική μάλλον εκτίμηση S=40kg/m 3. Γίνεται φανερό από όλα τα παραπάνω ότι τα κριτήρια σχεδιασμού των δεξαμενών καθίζησης, εξακολουθούν να είναι φτωχά. Η έρευνα της επίδρασης της θερμοκρασίας και των έργων εισόδου-εξόδου στην απόδοση της δεξαμενής και η συστηματική στατιστική ανάλυση λειτουργικών δεδομένων ώστε να προκύψουν σχέσεις μεταξύ των συντελεστών των εμπειρικών σχέσεων π.χ. των a,b,c, με την πιθανότητα ότι θα αποτελούσαν πολύ χρήσιμο έργο για την εφαρμογή. 3.ΜΕΡΙΚΑ ΤΕΧΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Οι κυκλικές δεξαμενές κατασκευάζονται συνήθως με διαμέτρους μέχρι 40-45m και μεγαλύτερες διάμετροι μέχρι και 60m έχουν εφαρμοσθεί. Οι μεγαλύτερες πάντως, διάμετροι συνεπάγονται εντονότερα, ανεπιθύμητα φαινόμενα ανεμογενούς μίξης. Το πλήθος των δεξαμενών πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο ώστε να δίνει στην εγκατάσταση ικανοποιητική ευελιξία, με την αύξηση όμως του πλήθους αυξάνει το κόστος κατασκευής και λειτουργίας. Κατά την επιλογή του πλήθους των δεξαμενών πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η παροχή των λυμάτων κατά την έναρξη λειτουργίας της εγκατάστασης, η διαχρονική αυξησή της και η εποχιακή διακύμανσή της. Ιδιαίτερα χαμηλές παροχές κατά το πρώτο στάδιο λειτουργίας σε σχέση με την παροχή σχεδιασμού, πράγμα όχι απίθανο για τον Ελληνικό χώρο, μπορεί σε συνδυασμό με την κατασκευή λίγων και μεγάλων δεξαμενών να έχουν ως συνέπεια μεγάλους χρόνους παραμονής και σηπτικές καταστάσεις. Εξάλλου, δύο τουλάχιστον δεξαμενές είναι αναγκαίες ώστε να μη διακόπτεται πλήρως η καθίζηση κατά τον χρόνο επισκευής ή συντήρησης. Κατά την κρατούσα πρακτική, οι δεξαμενές πρωτοβάθμιας καθίζησης κατασκευάζονται με πλευρικό βάθος 2,50-3,00m (4.5) ή ακόμη 2,00m,για μικρές διαμέτρους (D<12m). Μεγαλύτερα βάθη 3-5m, συνιστώνται από μερικούς συγγραφείς (5,6) για τις μεγαλύτερες, τουλάχιστον, διαμέτρους. Περιθώριο μεταξύ στέψης περιμετρικού τοίχου και στάθμης λυμάτων ίσο με 0,60 μ. Θεωρείται επαρκές (4). 14

15 Η κλίση του πυθμένα των κυκλικών δεξαμενών είναι συνήθως 8-10%. Ο περιμετρικός υπερχειλιστής διαμορφώνεται συνήθως ως οδοντωτός από ένα μεγάλο πλήθος τριγωνικών υπερχειλιστών. Η στέψη του πρέπει να είναι κατά τμήματα ρυθμίσιμη. Η περιφερειακή ταχύτητα του σαρωτή είναι συνήθως 2m/min. Οι ορθογωνικές δεξαμενές κατασκευάζονται συνήθως με μήκη μέχρι 40m έχουν όμως εφαρμοσθεί και σημαντικά μεγαλύτερα μήκη. Το πλάτος των δεξαμενών είναι συνήθως το ¼ περίπου του μήκους ενώ το ελάχιστο εφαρμοζόμενο βάθος είναι 3,00m. Οι κλίσεις του πυθμένα είναι 0,5-1,0% με τις μικρότερες κλίσεις εφαρμοζόμενες για τα μεγαλύτερα μήκη. ΔΕΞΑΜΕΝΗ ΚΑΘΙΖΗΣΗΣ 15

16 ΔΕΞΑΜΕΝΕΣ ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΣΕΩΣ 16

17 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΕΝΕΡΓΟ ΙΛΥ 1.Γενικά Το σύστημα της ενεργού ιλύος είναι τi συνηθέστερα χρησιμοποιούμενο σύστημα βιολογικής επεξεργασίας λυμάτων. Αναπτύχθηκε αρχικά από τους Arden και Lokett στο Μάντσεστερ της Αγγλίας στις αρχές του αιώνα, αλλά η ευρεία εφαρμογή του άρχισε μετά το Από τότε η συνεχής εξέλιξη του συστήματος οδήγησε σε αρκετές παραλλαγές του τυπικού συστήματος που αύξησαν τις δυνατότητες εφαρμογής του. Ο πρωταρχικός στόχος ενός συστήματος βιολογικής επεξεργασίας είναι η απομάκρυνση από τα λύματα των οργανικών ουσιών. Σε ένα σύστημα ενεργού ιλύος ο στόχος αυτός επιτυγχάνεται με τον ακόλουθο τρόπο: Τα λύματα έρχονται σε επαφή με ένα μίγμα μικροοργανισμών, που βρίσκονται με τη μορφή αιωρούμενων συσσωματωμάτων, σε μια αεριζόμενη δεξαμενή και σε καθεστώς πλήρους μίξης. Τα αιωρούμενα και κολλοειδή οργανικά απομακρύνονται ταχύτατα από την υγρή φάση καθώς προσροφώνται ή συσσωματώνονται στους αιωρούμενους μικροοργανισμούς. Στη συνέχεια, με τη βοήθεια εξωκυτταρικών υδρολυτικών ενζύμων, διασπώνται σε απλές διαλυμένες οργανικές ενώσεις, οι οποίες μαζί με τις αρχικές διαλυμένες οργανικές ουσίες των λυμάτων διαπερνούν την περικυτταρική μεμεβράνη των μικροοργανισμών και αφού βρεθούν στο εσωτερικό των κυττάρων είναι διαθέσιμες για τη διαδικασία του μεταβολισμού. Κατά τον μεταβολισμό ένα ποσοστό των οργανικών αυτών ουσιών διασπάται βιοχημικά σε ανόργανες ενώσεις και η ενέργεια που ελκύεται κατά τις αντιδράσεις αυτές χρησιμοποιείται από τους οργανισμούς για τις ανάγκες τους και κυρίως για τη σύνθεση νέου πρωτοπλάσματος. Κατά τη σύνθεση οι οργανισμοί στην ουσία «μετατρέπουν» τις νεκρές οργανικές ουσίες σε ζωντανή οργανική ύλη. Σχηματικά η διαδικασία του μεταβολισμού μπορεί να παρασταθεί ως εξής: Σχ1:Σχηματική παράσταση μεταβολισμού 17

18 Ο βαθμός οξείδωσης ή σταθεροποίησης των οργανικών ουσιών των λυμάτων προσεγγίζεται από το λόγο Α 3 /Α(στην πραγματικότητα ο βαθμός είναι μεγαλύτερος, γιατί θα πρέπει να ληφθεί υπόψη και η επίδραση της «έμμεσης» σταθεροποίησης τμήματος της τροφής Α 2 που συντελείται λόγω της ενδογενούς αναπνοής). Ο βαθμός οξείδωσης ή σταθεροποίησης είναι διαφορετικός από το βαθμό καθαρισμού των λυμάτων, που συνήθως ορίζεται σαν το ποσοστό των οργανικών που απομακρύνονται από την υγρή φάση. Για διαλυμένη τροφή ο βαθμός καθαρισμού δίνεται από το λόγο (Α 2 +Α 3 )/Α και είναι πάντα σημαντικά μεγαλύτερος από το βαθμό οξείδωσης (π.χ ΒΚ=80-90% έναντι Β.Ο 20-40%). Μετά τη δεξαμενή αερισμού το μίγμα λυμάτων και μικροοργανισμών, που ονομάζεται ανάμικτο υγρό και συμβολίζεται συνήθως σαν ΜLSS, εισέρχεται στη δεξαμενή τελικής καθίζησης, που αποτελεί τη δεύτερη βασική μονάδα του συστήματος της ενεργού ιλύος. Στη δεξαμενή αυτή γίνεται ο διαχωρισμός με βαρύτητα των μικροοργανισμών και των τυχόν προσροφημένων σωματιδίων, από τη μη χρησιμοποιηθείσα τροφή Α 1. Η τελευταία, με υπερχείλιση των καθαρισμένων πια λυμάτων, οδηγείται προς περαιτέρω επεξεργασία και διάθεση στον κατάλληλα επιλεγμένο αποδέκτη(θάλασσα, λίμνη, υδατόρευμα ή έδαφος). Οι μικροοργανισμοί από τον πυθμένα της δεξαμενής καθίζησης επανακυκλοφορούνται στη δεξαμενή αερισμού με άντληση, έτσι ώστε να έρθουν σε επαφή με καινούργια λύματα. Για πλήρη επανακυκλοφορία η συγκέντρωση της βιομάζας στη δεξαμενή εαερισμού θα αυξάνει έως ότου η ταχύτητα «καθαρής» παραγωγής νέου πρωτοπλάσματος να μηδενισθεί, δηλαδή όταν η ταχύτητα παραγωγής νέου πρωτοπλάσματος (λόγω σύνθεσης της τροφής Α 2 ) θα ισούται με την ταχύτητα καταστροφής πρωτοπλάσματος λόγω ενδογενούς αναπνοής. Στην περίπτωση αυτή η συγκέντρωση του συνόλου των αιωρούμενων στερεών στη δεξαμενή αερισμού θα συνεχίσει να αυξάνει λόγω πλήρους συγκράτησης στο σύστημα των συνεχώς εισερχόμενων δια μέσου των λυμάτων αιωρούμενων ανόργανων και μη βιοδιασπάσιμων οργανικών αιωρούμενων στερεών. Για το λόγο αυτό είναι απαραίτητο να απομακρύνεται συνεχώς ένα ποσοστό της βιομάζας από το σύστημα, ποσοστό που το μέγεθος του σχετίζεται με τον τύπο και τη φόρτιση της εγκατάστασης. Η απομακρυνόμενη ιλύς αποτελεί την «πλεονάζουσα» ιλύ του συστήματος, η οποία πριν τη διάθεση της υφίσταται συνήθως κατάλληλη επεξεργασία(π.χ πάχυνση, χώνευση, αφυδάτωση). Σχ2:Βασικές μονάδες συστήματος ενεργού ιλύος 18

19 Το ποσοστό της τροφής που απομακρύνεται με καθέναν από τους τρεις μηχανισμούς, προσρόφηση, σύνθεση και οξείδωση, μπορεί, για δεδομένα λύματα να ποικίλλει με κατάλληλη επιλογή των λειτουργικών συνθηκών (π.χ ποσό απομακρυσμένης ιλύος). Για εγκατάσταση στην οποία οι συνθήκες ευνοούν τους δύο πρώτους μηχανισμούς (προσρόφηση, σύνθεση) η πλεονάζουσα ιλύς θα είναι αυξημένη και με υψηλό ποσοστό οργανικών με αποτέλεσμα επιβάρυνση των έργων επεξεργασίας ιλύος. Αντίθετα σε μια εγκατάσταση στην οποία ευνοείται ο τρίτος μηχανισμός (οξείδωση) το αυξημένο κόστος αερισμού μπορεί να αντισταθμιστεί από το μειωμένο κόστος των έργων επεξεργασίας ιλύος λόγω λιγότερης και καλύτερα σταθεροποιημένης πλεονάζουσας ιλύος. 2.ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΔΕΞΑΜΕΝΗΣ ΑΕΡΙΣΜΟΥ Τα αρχικά κριτήρια σχεδιασμού ήταν καθαρά εμπειρικά. Ένα από τα πρώτα κριτήρια που χρησιμοποιήθηκαν για σχεδιαστικούς σκοπούς ήταν το κριτήριο του χρόνου αερισμού. Γενικά, μικροί χρόνοι αερισμού επιλέγονταν για αδύνατα λύματα και μεγάλοι χρόνοι για ισχυρά λύματα. Συχνά αντί για το χρόνο αερισμού(υδραυλικό χρόνο παραμονής) γινόταν χρήση του αντιστρόφου του χρόνου αυτού, δηλαδή της ογκομετρικής υδραυλικής φόρτισης της δεξαμενής(m 3 λυμάτων ανά m 3 δεξαμενής ανά ημέρα). Αργότερα, λόγω της εμπειρικά διαπιστωμένης επίδρασης της ισχύος των λυμάτων, άρχισε να χρησιμοποιείται η ογκομετρική φόρτιση οργανικού φορτίου (kg οργανικών υλών ανά m 3 δεξαμενής ανά ημέρα) με χρήση του BOD 5 για την έκφραση του οργανικού φορτίου. Το κριτήριο αυτό μπορεί να εκφραστεί μαθηματικά με παραδοχή βιοδιάσπασης με κινητική 1ης τάξης Και εφαρμογή ισορροπίας μαζών στη δεξαμενή αερισμού. Dl/dt=-KL (1) Σχ3:Σύστημα ενεργου ιλύος Rql+Qlo-(1=r) QL-KVL=0 (2) 19

20 Οπότε προκύπτει για Θ=V-Q υδραυλικός χρόνος παραμονής): L=Lo/1+KΘ (3) Ο συντελεστής Κ στην εξίσωση 3 εξαρτάται από τον τύπο των λυμάτων και τις περιβαλλοντικές συνθήκες(θερμοκρασία, ph κλπ). Γρήγορα έγινε φανερό ότι εκτός από τους παραπάνω παράγοντες, την τιμή του συντελεστή Κ επηρεάζει σε σημαντικό βαθμό και ένας άλλος παράγοντας: η συγκέντρωση των μικροοργανισμών στη δεξαμενή αερισμού. Για το λόγο αυτό το επόμενο κριτήριο που άρχισε να χρησιμοποιείται ήταν η φόρτιση οργανικού φορτίου ανά μονάδα μάζας μικροοργανισμών και όχι ανά μονάδα όγκου δεξαμενής αερισμού. Το κριτήριο αυτό, γνωστό και σαν λόγος τροφής προς μικροοργανισμούς (FoodtoMicroorganismratio ή F:Mratio) αποτέλεσε την αφετηρία για τη μετέπειτα ανάπτυξη των διαφόρων ορθολογικών μοντέλων του συστήματος ενεργού ιλύος. Διάφορα τέτοια μοντέλα έχουν προταθεί κατά τα 25 τελευταία χρόνια (Eckenfelder, McKinney, LawrenceandMcCarty, Gaudy) χωρίς να διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους και με παραπλήσια αποτελέσματα. Κοινό γνώρισμα των μοντέλων αυτών είναι η χρησιμοποίηση της παραμέτρου χρόνος παραμονής μικροοργανισμών( θ c), που είναι ο χρόνος ανανέωσης των μικροοργανισμών του συστήματος και προσεγγίζεται με τη σχέση : Θ c = Mάζα μικροοργανισμών στη δεξαμενή αερισμού (4) Ταχύτητα απομάκρυνσης πλεονάζουσας ιλύος Ο χρόνος παραμονής μικροοργανισμών Θcσχετίζεται άμεσα με το λόγο F;M με την εξής σχέση: 1 = YE(F;M)-b (5) Θc Όπου Υ=συντελεστής αύξησης της βιομάζας (παραγόμενη βιομάζα/καταναλισκόμενη τροφή) B =συντελεστής φθοράς της μικροβιακής μάζας Ε= βαθμός απόδοσης του συστήματος Η συσχέτιση αυτή φαίνεται γραφικά στο Σχ.4. Με βάση την παράμετρο Θc, με τη χρήση διαφόρων κινητικών απομάκρυνσης της 20

21 τροφής και με εφαρμογή ισορροπίας μαζών τόσο για την τροφή όσο και για τους μικροοργανισμούς, διαμορφώθηκαν τα διάφορα ορθολογικά μοντέλα ενεργού ιλύος. Οι διαφορές τους βρίσκονται κυρίως στην επιλογή της κατάλληλης κινητικής απομάκρυνσης της τροφής (1ης τάξης, Monod, τροποποιημένη πρώτης τάξης κλπ). Πρέπει να σημειωθεί ότι σε όλες τις κινητικές εξισώσεις υπεισέρχεται η επίδραση της συγκέντρωσης των μικροοργανισμών χ. Έτσι η κινητική 1ης τάξης γράφεται: Dl =-KLX (6) Dt Και όχι όπως αναφέρθηκε προηγουμένως (εξίσωση 1) και συνεπώς οι παράμετροι Κ των δύο εξισώσεων διαφέρουν. Η μέτρηση της συγκέντρωσης των μικροοργανισμών σε ένα σύστημα ενεργού ιλύος είναι ένα δύσκολο εγχείρημα και μέχρι σήμερα δεν έχει βρεθεί ακόμα καμία ικανοποιητική μέθοδος μέτρησης. Αντί για τη συγκέντρωση των μικροοργανισμών συνήθως χρησιμοποιείται η συγκέντρωση των εξαερώσιμων στερεών του ανάμικτου υγρού (MLVSS), με παραδοχή της υπόθεσης ότι ο λόγος των μικροοργανισμών προς τα MLVSS είναι σταθερός. Η παραδοχή αυτή αν και δεν είναι απόλυτα σωστή εντούτοις έχει το σημαντικό πλεονέκτημα της ευκολίας με την οποία μπορούν να προσδιοριστούν τα MLVSS, ενώ από την εμπειρία έχει αποδειχθεί ότι εξυπηρετούνται ικανοποιητικά οι σχεδιαστικοί στόχοι των μοντέλων που προκύπτουν. 3. ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΟΜΟΙΩΜΑ ΕΝΕΡΓΟΥ ΙΛΥΟΣ Ένα από τα μοντέλα που βασίζονται στο χρόνο παραμονής μικροοργανισμών, Θc και που χρησιμοποιείται με ικανοποιητικά αποτελέσματα είναι και το μοντέλο που αναπτύχθηκε με λεπτομέρεια στο κεφάλαιο 11 και έγινε από το Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας. Η κινητική χρησιμοποίησης της τροφής που υπεισέρχεται στο μοντέλο είναι μια τροποποιημένη κινητική 1ης τάξης. Dl =-Κ LX (7) DtLo Από την ισορροπία μαζών στο σύστημα του Σχ.3 προκύπτουν οι ακόλουθες βασικές εξισώσεις του μοντέλου: Λειτουργική συνάρτηση: Θc = 1 (8) KY (1-E)-b Συγκέντρωση στερεών Στη δεξαμενή αερισμού: S2 =1 1+βbΘcYELo + λ 1+bΘc +(1-E)Svo+Sfo (9) Βαθμός επανακυκλοφορίας : r= 1-λ ( 10 ) M-1 και επειδή συνήθως λ<<1 r 1 (10 ) 21

22 M-1 Παροχή πλεονάζουσας W= λ Q (11) Ιλύος : m όπου λ =Θ Θc Svo= εξαερώσιμα αιωρούμενα στερεά λυμάτων πριν την είσοδο στη δεξαμενή αερισμού. Sfo= ανόργανα αιωρούμενα στερεά λυμάτων πριν την είσοδο στη δεξαμενή αερισμού. β= συντελεστής αναλογίας με συνήθη τιμή 0,20 m= βαθμός συμπύκνωσης της ιλύος στη δεξαμενή τελικής καθίζησης. Η διαδικασία σχεδιασμού με χρήση των παραπάνω εξισώσεων είναι η ακόλουθη: A. Επιλογή τιμών των παραμέτρων Υ, b, Κ. Οι τιμές αυτές είναι δυνατόν νa προσδιορισθούν από εργαστηριακά αμοιώματα ή έργα οδηγούς (pilot-plants). Στις περιπτώσεις, που είναι και οι συνηθέστερες, που κάτι τέτοιο είναι είτε αδύνατο (π.χ. Έλλειψη αντιπροσωπευτικών λυμάτων) είτε αντιοικονομικό (π.χ. Σχετικά μικρές εγκαταστάσεις) είναι απαραίτητο να καταφύγει κανείς στη βιβλιογραφία. Ελλείψει συγκεκριμένων στοιχείων είναι φρόνιμο να εφαρμόζονται οι ακόλουθες τιμές των παραμέτρων: ΚΥ=1,82 ημ -1 και b=0.04 για τη σχέση 8 Και Υ=0,75-0,80, b=0.06 και β=0,20 για τη σχέση 9. B. Καθορισμός του χρόνου παραμονής στερεών Θc από τη σχέση 8 με δεδομένο το βαθμό απόδοσης Ε. Ο βαθμός αυτός προσδιορίζεται από την ισχύ των εισερχόμενων λυμάτων και την επιθυμητή ισχύ των επεξεργασμένων λυμάτων, που με τη σειρά του έχει προκύψει από την επιλογή του τελικού αποδέκτη και του τρόπου διάθεσης. C. Έχοντας δεδομένα τα Ε, Θc, Υ, β, Lo, Svo, Sfo και επιλέγοντας μια τιμή για την συγκέντρωση των στερεών στη δεξαμενή αερισμού, S 2, προκύπτει από τη σχέση 9 η τιμή λ και στη συνέχεια ο υδραυλικός χρόνος Θ, από τον οποίο είναι δυνατό να προσδιορισθεί ο όγκος της δεξαμενής αερισμού, V. D. Από τις σχέσεις 10 και 11 για δεδομένο βαθμό συμπύκνωσης m, προσδιορίζονται ο συντελεστής επανακυκλοφορίας r και η παροχή της πλεονάζουσας ιλύος W. Ο βαθμός συμπύκνωσης μπορεί να βρεθεί από τη συγκέντρωση S 2 και τη συγκέντρωση της ιλύος στον πυθμένα της δεξαμενής καθίζησης, ðου συνήθως κυμαίνεται περί τις 8,000mg/l. Τα μοντέλα που κάνουν χρήση του χρόνου παραμονής στερεών Θc, σαν αυτό που αναπτύχθηκε πιο πάνω, έχουν σήμερα ευρεία χρήση. Εντούτοις είναι σκόπιμο να επισημανθεί ότι η εγκυρότητα ενός τέτοιου μοντέλου βασίζεται στην έγκυρη περιγραφή των φυσικοχημικών και βιολογικών φαινομένων από τις εξισώσεις του μοντέλου, εγκυρότητα που έχει δειχθεί ότι ισχύει για συνήθεις λειτουργικές συνθήκες. Κατά συνέπεια, εφαρμογή των εξισώσεων για διαστήματα τιμών εκτός 22

23 των συνηθισμένων είναι δυνατόν να οδηγήσει σε σοβαρή σχεδιαστική αστοχία. Ενδεικτικά αναφέρεται η ακόλουθη περίπτωση: Από τη σχέση 8 φαίνεται ότι για επιθυμητό βαθμό απόδοσης Ε, προκύπτει μονοσήμαντα ο χρόνος παραμονής στερεών Θc. Στc συνέχεια η σχέση 9 υποδεικνύει ότι είναι σκόπιμο να επιλέγει όσο το δυνατόν υψηλότερη τιμή του S 2 έτσι ώστε να προκύπτει ο δυνατόν μικρότερος όγκος δεξαμενής αερισμού V. Εντούτοις, υπάρχει κάποιο ανώτατο όριο της τιμής S 2, πέραν του οποίου δημιουργούνται σοβαρά προβλήματα. Αυτά τα προβλήματα μπορούν να συνοψισθούν ως εξής: 1. Από τις σχέσεις 8 και 9 φαίνεται ότι ο επιθυμητός βαθμός απόδοσης Ε μπορεί να επιτευχθεί με κατάλληλη επιλογή του Θc και ανεξάρτητα του υδραυλικού χρόνου Θ στο βαθμό που γίνεται κατάλληλη επιλογή του S 2. Έτσι για μεγάλες τιμές του S 2 ο χρόνος Θ και συνεπώς ο όγκος της δεξαμενής αερισμού, μπορεί να γίνει πολύ μικρός. Μια τέτοια συλλογιστική προϋποθέτει την ισχύ της σχέσης 7 για οποιοδήποτε συνδυασμό τιμών L,Lo και Χ. Έχει δειχθεί όμως (McKinney) ότι υπερβολική αύξηση του S 2 και συνεπώς και της τιμής Χ, με τη βοήθεια έντονης επανακυκλοφορίας και μικρής τιμής W, έχει σαν αποτέλεσμα να μην ισχύει η σχέση 7, αλλά η ταχύτητα διάσπασης της τροφής dl/dt να γίνεται ανεξάρτητη της συγκέντρωσης Χ για τιμές του Χ μεγαλύτερες απο κάποια συγκεκριμένη τιμή. Το φαινόμενο αυτό οφείλεται στη μικρή τιμή του λόγου (F;M), που έχει σαν συνέπεια ένα ποσοστό των μικροοργανισμών να βρίσκεται μεν στη δεξαμενή αερισμού αλλά να μην συμμετέχει στη διαδικασία διάσπασης της τροφής. Σε μία τέτοια περίπτωση η σχέση 7 μεταπίπτει στην 3 και παύει να ισχύει η λειτουργική συνάρτηση 8. Με άλλα λόγια πάυει να έχει έννοια ο χρόνος παραμονής στερεών Θc, και ο βαθμός καθαρισμού εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον υδραυλικό χρόνο παραμονής Θ. Μια τέτοια περίπτωση μπορεί να εμφανιστεί στις περιπτώσεις παρατεταμένου αερισμού, όπου δεν αρκεί η επιλογή ενός υψηλού Θc(>10ημέρες), αλλά θα πρέπει να διατηρηθεί ταυτόχρονα και ένας σχετικά υψηλός υδραυλικός χρόνος Θ (της τάξης των ωρών). 2. Η λειτουργική συνάρτηση 8 δείχνει ότι με κατάλληλη επιλογή κάποιας υψηλής τιμής Θc είναι δυνατόν να επιτευχθεί πολύ υψηλός βαθμός απόδοσης Ε (π.χ για Θ=20 ημέρες προκύπτει Ε=0,95). Εντούτοις για να έχει κάτι τέτοιο πρακτική σημασία πρέπει να εξασφαλιστεί ότι θα γίνεται άριστος διαχωρισμός στη δεξαμενή τελικής καθίζησης. Ο βαθμός διαχωρισμού εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του ανάμικτου υγρού, που με τη σειρά τους εξαρτώνται από το Θc. Έτσι για μεγάλες τιμές Θc(π.χ 20ημέρες) έχει παρατηρηθεί ότι λόγω αποκροκίδωσης υπάρχει πολλές φορές σημαντική διαφυγή μικροοργανισμών από τη δεξαμενή τελικής καθίζησης λόγω ελλειπούς καθίζησης, με αποτέλεσμα στην πράξη να μην επιτυγχάνεται ο αναμενόμενος υψηλός βαθμός καθαρισμού(π.χ 95%). Είναι λοιπόν απαραίτητο κατά την επιλογή του Θc να λαμβάνεται υπόψη όχι μόνο ο αναμενόμενος βαθμός απόδοσης Ε(σχέση 8), αλλά και η δυνατότητα επίτευξης του, με γνώμονα τα αντιστοιχούντα στο επιλεγόμενο Θc χαρακτηριστικά καθιζησιμότητας του ανάμικτου υγρού και στη συνέχεια να γίνονται οι κατάλληλες και οικονομοτεχνικά συμφέρουσες τροποποιήσεις(π.χ αλλαγή της τιμής του Θc ή 23

24 βελτίωση της λειτουργίας της δεξαμενής τελικής καθίζησης με υπερδιαστασιολόγηση ή χρήση κροκιδωτικών). 3. Μια υπερβολικάυψηλή τιμή της συγκέντρωσης ανάμικτου υγρού S 2, είναι δυνατόν να δηieουργήσει προβλήματα ανάμειξης και οξυγόνωσης του ανάμικτου υγρού (συνήθως για τιμές S 2 > mg/l). Θα πρέπει λοιπόν να λαμβάνεται υπόψη η τυχόν επιβάρυνση, που μπορεί να προκύψει λόγω της αναγκαίας αύξησης της ισχύος των αεριστών. 1. Για πολύ υψηλές τιμές S 2 προκύπτει μικρός υδραυλικός χρόνος παραμονής που δεν εγγυάται τη σταθερή απόδοση της εγκατάστασης κυρίως σε περιπτώσεις μεταβαλλόμενου υδραυλικού ή οργανικού φορτίου. Συνήθως ο υδραυλικός χρόνος παραμονής θα πρέπει να υπερβαίνει τις 3-4 ώρες, κυμαίνεται δε σε ένα τυπικό σύστημα ενεργού ιλύος μεταξύ 4-6 ωρών. 2. Ο καθαρισμός του χρόνου Θc δεν προσδιορίζει μόνο το βαθμό απόδοσης Ε(σχέση 8), αλλά και το βαθμό σταθεροποίησης της πλεονάζουσας ιλύος. Ο βαθμός σταθεροποίησης μεγαλώνει όσο ο λόγος των οργανικών προς το σύνολο των αιωρούμενων στερεών στο ανάμικτο υγρό μειώνεται. Ο λόγος αυτός ισούται με: 1+βbΘcYELO+(1-E)Svo 1+bΘc (12) 1+bΘcYELo+(1-E)Svo+Sfo 1+bΘc Και μειώνεται όσο το Θc αυξάνει. Συνεπώς κατά την επιλογή του Θc εκτός από το βαθμό απόδοσης Ε, επηρεάζονται και τα έργα επεξεργασίας της ιλύος, λόγω μεταβολής του βαθμού σταθεροποίησης της προς επεξεργασία ιλύος. Είναι σύνηθες σε μικρές εγκαταστάσεις να προτιμάται μεγάλη τιμή του Θc(σύστημα παρατεταμένου αερισμού), όχι τόσο για την επίτευξη πολύ υψηλού βαθμού απόδοσης,ε,(που είναι αμφίβολος έτσι κι αλλιώς βάσει των όσων αναφέρθηκαν στο 2), αλλά για την επίτευξη υψηλού βαθμού σταθεροποίησης της πλεονάζουσας ιλύος, έτσι ώστε να ελαφρύνονται τα έργα επεξεργασίας της (π.χ είναι δυνατή η αποφυγή της χώνευσης της ιλύος. 3. Για λόγους που θα αναπτυχθούν πιο κάτω, ο διαχωρισμός στερεών-υγρών και ο βαθμός συμπύκνωσης της ιλύος στη δεξαμενή τελικής καθίζησης επηρεάζεται από τη συγκέντρωση των στερεών που τροφοδοτούν τη δεξαμενή τελικής καθίζησης, δηλαδή το S 2. Γενικά ο διαχωρισμός και η συμπύκνωση γίνονται δυσκολότερα όσο το S 2 αυξάνει. Για τιμές του S2> mg/l η λειτουργία της δεξαμενής γίνεται πολύ προβληματική. Μείωση του S 2 οδηγεί σε μείωση του αναγκαίου όγκου δεξαμενών καθίζησης, αλλά ταυτόχρονα(σύμφωνα με τη σχέση 9) οδηγεί σε αύξηση του όγκου της δεξαμενής αερισμού. Επομένως η επιλογή της τιμής του S 2 (επιλογή που γίνεται στο στάδιο γ της διαδικασίας σχεδιασμού) μπορεί να προκύψει από βελτιστοποίηση του συστήματος δεξαμενή αερισμού-δεξαμενή τελικής καθίζησης. 24

25 4.ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΔΕΞΑΜΕΝΗΣ ΤΕΛΙΚΗΣ ΚΑΘΙΖΗΣΗΣ Η δεξαμενή τελικής καθίζησης πληρεί δυο βασικές διεργασίες :τη διαύγαση των λυμάτων και τη συμπύκνωση της ιλύος. Η σημασία της δεξαμενής τελικής καθίζησης είναι μεγάλη, αν ληφθεί υπόψη ότι ίσως η πλειοψηφία των περιστατικών κακής ποιότητας εκροών από τις εγκαταστάσεις βιολογικού καθαρισμού οφείλονται είτε σε υποσχεδιασμό ή κακή λειτουργία του ΔΤΚ. Ο σωστός σχεδιασμός μιας ΔΤΚ παρουσιάζει αρκετές δυσκολίες. Το ανάμικτο υγρό είναι ένα αιώρημα βιολογικών κροκίδων που υφίστανται συνεχείς μετατροπές τόσο σε σχέση με τη σύσταση, το μέγεθος, την ταχύτητα καθίζησης και το βαθμό συμπύκνωσής τους. Αρκετές μελέτες, τόσο θεωρητικές όσο και πειραματικές, έχουν γίνει με σκοπό τη μελέτη του μηχανισμού καθίζησης κολλοειδών, ανόργανων κατά κανόνα, αιωρημάτων και τη μεταφορά και εφαρμογή των συμπερασμάτων από τις μελέτες αυτές στην καθίζηση της ενεργούς ιλύος. Εντούτοις, παρά τη σχετική επιτυχία αυτών των προσπαθειών, τα ιδιαίτερα και ασταθή χαρακτηριστικά των βιολογικών κροκίδων της ενεργούς ιλύος δεν έχουν ακόμα επιτρέψει την ανάπτυξη μιας απόλυτα ικανοποιητικής θεωρητικής προσέγγισης στο σχεδιασμό των ΔΤΚ. Έτσι, τα περισσότερα από τα ισχύοντα κριτήρια σχεδιασμού, έχουν προκύψει εμπειρικά από την παρακολούθηση του τρόπου λειτουργίας και των αποτελεσμάτων υπαρχουσών εγκαταστάσεων. Τα δύο συνηθέστερα χρησιμοποιούμενα κριτήρια είναι το υδραυλικό φορτίο και το φορτίο στερεών. Το επιτρεπόμενο υδραυλικό φορτίο, εκφραζόμενο σε m 3 λυμάτων ανά m 2 επιφάνειας δεξαμενής ανά ημέρα, μπορεί να κυμανθεί από 12-41m 3 /m 2.d, βασισμένα στη μέση ημερήσια παροχή λυμάτων, με συνήθη τιμή 33m 3 /m 2.d. Σημασία κατά το σχεδιασμό έχει η δυνατότητα αντιμετώπισης τυχόν υπερφόρτισης της δεξαμενής λόγω παροχών αιχμής. Το εγχειρίδιο της AmericanSocietyofCivilEngineers συνιστά ο σχεδιασμός να γίνεται με επιτρεπόμενο φορτίο 33 m 3 /m 2.d για τη μέση παροχή, αλλά να γίνεται ο έλεγχος για παροχές αιχμής διάρκειας 2 ωρών και 3 ωρών με αντίστοιχες επιτρεπόμενες φορτίσεις 65 m 3 /m 2.d και 57m 3 /m 2.d. Το υδραυλικό φορτίο δεν εξασφαλίζει απαραίτητα την μη υπερφόρτιση της δεξαμενής. Το κριτήριο του υδραυλικού φορτίου είναι ιδιαίτερα επιτυχές για περιπτώσεις μικρών συγκεντρώσεων ανάμικτου υγρού(s 2 ), και για το λόγο αυτό είχε ευρεία εφαρμογή παλαιότερα. Τα τελευταία χρόνια επικρατεί η τάση διατήρησης σχετικά υψηλών τιμών ανάμικτου υγρού(2,500-5,000mg/l) και σαν συνέπεια αυτού προκύπτει, ότι ο σχεδιασμός των ΔΤΚ με βάση το υδραυλικό φορτίο είναι πιθανόν να οδηγήσει σε υψηλή φόρτιση στερεών, με αποτέλεσμα τη μη ικανοποιητική λειτουργία δεξαμενών. Το φορτίο στερεών εκφράζεται σε kg ανάμικτου υγρού ανά m 2 επιφάνειας δεξαμενής ανά ημέρα. Συνήθως τα μέγιστα επιτρεπόμενα φορτία στερεών που εφαρμόζονται, κυμαίνονται από 100 kg/m 2.d, αν και υψηλότερες τιμές (250 kg/m 2.d-400kg/m 2.d)μπορεί να εφαρμοστούν σε περιπτώσεις ιλύων με ιδιαίτερα ευνοϊκά χαρακτηριστικά καθίζησης. Στην περίπτωση του παρατεταμένου αερισμού( τιμές Θc>10ημέρες) λόγω της παρατηρούμενης αποκροκίδωσης είναι σκόπιμο τόσο το υδραυλικό φορτίο όσο και 25

26 τi φορτίο στερεών να διατηρούνται σε χαμηλότερα επίπεδα(8m 3 /m 2.d- 16m 3 /m 2.dκαι 24kg/m 2.d-120 kg/m 2.d αντίστοιχα). Έτσι για τον προσδιορισμό της απαιτούμενης επιφάνειας των ΔΤΚ είναι σκόπιμο να χρησιμοποιούνται και τα δύο κριτήρια, δηλαδή: Gεπ.υδρ.= Q (13) A Όπου: G=m 3 /m 2.d Q=παροχή λυμάτων(m 3 /d) A=επιφάνεια(m 2 ) Gεπ.στ= (1+r)QS (14) A Όπου:Gεπ.υδρ, Gεπ.στ= τα μέγιστα επιτρεπόμενα φορτία, υδραυλικό και στερεών αντίστοιχα(kg/m 2.d) r= συντελεστής επανακυκλοφορίας Α= η επιφάνεια των ΔΤΚ(m 2 ) S 2 = συγκέντρωση ανάμικτου υγρού(mg/l) Q= παροχή λυμάτων (m 3 /d) Και να επιλέγεται η μεγαλύτερη από τις δύο προσπίπτουσες επιφάνειες. Γίνεται φανερό από τα παραπάνω ότι το επιτρεπόμενο φορτίο εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά καθίζησης του ανάμικτου υγρού. Στις περιπτώσεις που η διερεύνηση αυτών των χαρακτηριστικών είναι αδύνατη ή οικονομικά ασύμφορη, ο σχεδιασμός των ΔΤΚ μπορεί να βασιστεί στις τιμές των επιτρεπόμενων φορτίων που αναφέρθηκαν πιο πάνω, σκόπιμο ίσως να είναι να ακολουθείται μια συντηρητική προσέγγιση με επιλογή σχετικά μικρών φορτίσεων. Παρά ταύτα σε άλλες περιπτώσεις και κυρίως για μεγάλα έργα είναι σκόπιμο, με τη βοήθεια εργαστηριακών ομοιωμάτων ή έργων οδηγών (pilotplants), να διερευνώνται τα χαρακτηριστικά καθίζησης του δεδομένου ανάμικτου υγρού και στη συνέχεια να προσδιορίζονται οι κατάλληλες για την περίπτωση επιτρεπόμενες φορτίσεις. Τα συσσωματώματα του ανάμικτου υγρού όταν βρίσκονται σε σχετικά υψηλές συγκεντρώσεις (περίπου >1,000mg/l) δεν καθιζάνουν ανεξάρτητα το ένα απο το άλλο, αλλά λόγω των μεταξύ τους αλληλοεπιδρουσών δυνάμεων καθιζάνουν σαν ένα στρώμα με ομοιόμορφη ταχύτητα. Ο τύπος αυτός καθίζησης είναι γνωστός σαν «ζωνική καθίζηση» και είναι χαρακτηριστικός του χρόνου καθίζησης στις ΔΤΚ. Δύο συνήθως χρησιμοποιούμενοι παράμετροι που χαρακτηρίζουν την καθιζησιμότητα των ιλύων είναι: α) ο δείκτης SludgeVolumeIndex(SVI) και β) η ταχύτητα ζωνικής καθίζησης( Zonsettlingvelocity). Οι παράμετροι αυτοί μπορούν να εκτιμηθούν με την ακόλουθη διαδικασία. Σε ένα ογκομετρικό κύλινδρο 1l τοποθετείται ανάμικτο υγρό και στη συνέχεια αφήνεται να κατακαθήσει. Πολύ σύντομα δημιουργείται μια διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ της καθιζάνουσας ιλύος και του διαυγασμένου υγρού. Η ταχύτητα καταβίβασης της διαχωριστικής επιφάνειας είναι η ταχύτητα της ζωνικής καθίζησης. Μετά απο 30 λεπτά μετριέται ο όγκος που καταλαμβάνεται από την ιλύ( που βρίσκεται κάτω από τη διαχωριστική επιφάνεια) και ο όγκος αυτός( εκφρασμένος σε ml) διαιρείται με την αρχική συγκέντρωση του ανάμικτου υγρού (εκφρασμένη σε gr/lt).ο λόγος αυτός είναι ο δείκτης SVI. 26

27 Σχ.5: Προσδιορισμός ταχύτητας ζωνικής καθίζησης και SVI Από το Σχ.5 φαίνεται ότι η ταχύτητα ζωνικής καθίζησης παραμένει σταθερή για το μεγαλύτερο χρονικό διάστημα και αρχίζει να μειώνεται καθώς αρχίζει η φάση της συμπύκνωσης της ιλύος. Στην πράξη η ταχύτητα ζωνικήo καθίζησης μετριέται με αντίστοιχα πειράματα στα οποία ο κύλινδρος καθίζησης έχει μεγαλύτερο βάθος( περίπου 2m ) απ ότι ο ογκομετρικός κύλινδρος του 1l, και συνήθως ο κύλινδρος είναι εφοδιασμένος με μηχανισμό αργής ανάμιξης. Ο δείκτης SVI μετριέται σε ογκομετρικό κύλινδρο του 1l και τελευταία συνηθίζεται να προστίθεται και στον κύλινδρο μηχανισμός αργής ανάμιξης. Στην τελευταία αυτή περίπτωση ο δείκτης συνήθως συμβολίζεται σαν SSVI(StirredSludgeVolumeIndex). Από όσα αναφέρθηκαν πιο πάνω γίνεται φανερό ότι μικρές ταχύτητες ζωνικής καθίζησης και μεγάλες τιμές SVI χαρακτηρίζουν ανάμικτα υγρά με δυσμενή χαρακτηριστικά καθίζησης και συνεπώς μεγάλες απαιτούμενες επιφάνειες ΔΤΚ. Τα κρητίρια φορτίου στερεών που αναφέρθηκαν προηγουμένως προϋποθέτουν καλή καθιζησιμότητα (SVI<150) και συνεπώς κατάλληλες ρυθμίσεις των κριτηρίων θα πρέπει να γίνονται, όταν το ανάμικτο υγρό χαρακτηρίζεται από δείκτη με υψηλότερη τιμή. Στη συνέχεια θα αναπτυχθεί η διαδικασία καθορισμού του επιτρεπόμενου φορτίου στερεών με βάση την ταχύτητα ζωνικής καθίζησης, διαδικασία που αναπτύχθηκε από τις εργασίες των Coe, Clevenger, Yoshioka, Dick, Young και Ewing. Η καθιζησιμότητα της ιλύος εξαρτάται από παράγοντες που σχετίζονται με τη φάση ανάπτυξης των μικροοργανισμών( επομέiως από το Θc), από τα χαρακτηριστικά των λυμάτων, τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των κροκίδων και διαφόρους περιβαλλοντικούς παράγοντες. Οι μηχανισμοί επίδρασης όλων αυτών των παραγόντων είναι περίπλοκοι και ακόμα και σήμερα είναι δύσκολη η εκτίμηση των αποτελεσμάτων της δράσης των, τόσο ποιοτικά όσο και ποσοτικά. Γενικά θεωρείται ότι τα χαρακτηριστικά καθίζησης του ανάμικτου υγρού είναι ικανοποιητικά για διάστημα τιμών Θc μεταξύ 3-6 ημερών, πράγμα που θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στο σχεδιασμό κατά την επιλογή της τιμής του Θc. Εκτός από τους παραπάνω παράγοντες, τόσο η ταχύτητα ζωνικής καθίζησης, όσο και το SVI επηρεάζονται, για δεδομένη ιλύ, από τη συγκέντρωση στερεών της ιλύος. Το Σχ.5 αναφέρεται σε πείραμα καθίζησης συγκεκριμένης ιλύος (ανάμικτου υγρού) για δεδομένη αρχική συγκέντρωση στερεών, έστω S 2. Αν επαναλάβουμε το πείραμα (κατά προτίμηση σε σωλήνες ύψους περίπου 2m) για το ίδιο ανάμικτο υγρό, αλλά σε διαφορετικές συγκεντρώσεις S 2,S 3,S 4,S 5...όπου S 2 <S 3 <S 4 <S 5 <...για κάθε 27