ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7. Μονάδες βιολογικής επεξεργασίας

Transcript

1 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 107 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7. Μονάδες βιολογικής επεξεργασίας Αντικείμενα της βιολογικής επεξεργασίας αποτελούν η συσσωμάτωση και η απομάκρυνση της μη καθιζάνουσας κολλοειδούς ύλης και η σταθεροποίηση της οργανικής ύλης. Για τα αστικά απόβλητα, ο βασικός στόχος είναι η ελάττωση του οργανικού περιεχομένου και σε πολλές περιπτώσεις η απομάκρυνση θρεπτικών όπως αζώτου και φωσφόρου. Σε μερικές περιπτώσεις, η απομάκρυνση οργανικών ενώσεων πολύ μικρών συγκεντρώσεων που είναι τοξικές, είναι επίσης αντικείμενο της επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων. Για τα υγρά γεωργικά απόβλητα ο στόχος είναι η απομάκρυνση του αζώτου και του φωσφόρου που προκαλούν ευτροφισμό στον υδάτινο αποδέκτη. Για τα βιομηχανικά απόβλητα, στόχος είναι η ελάττωση της συγκέντρωσης οργανικών και ανόργανων συστατικών. Επειδή πολλά από αυτά τα συστατικά είναι τοξικά για τους μικροοργανισμούς, συνήθως απαιτείται προεπεξεργασία. Ο ρόλος των μικροοργανισμών Η απομάκρυνση του BOD, η συσσωμάτωση των μη καθιζάνοντων κολλοειδών στερεών και σταθεροποίηση της οργανικής ύλης ολοκληρώνονται βιολογικά χρησιμοποιώντας μια ποικιλία μικροοργανισμών, κυρίως βακτηρίων. Οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της κολλοειδούς και της διαλυτής οργανικής ύλης σε διάφορα αέρια και κυτταρικό ιστό. Επειδή ο κυτταρικός ιστός έχει ειδικό βάρος ελαφρώς μεγαλύτερο από του νερού, τα κύτταρα απομακρύνονται από το επεξεργασμένο υγρό με καθίζηση λόγω βαρύτητας. Αξίζει να σημειωθεί ότι, ολοκληρωμένη επεξεργασία επιτυγχάνεται μόνο με την απομάκρυνση των κυττάρων από το διάλυμα. Αυτό συμβαίνει γιατί ο κυτταρικός ιστός είναι από μόνος του οργανική ύλη και θα μετρηθεί σαν BOD στην έξοδο. Εάν τα κύτταρα δεν απομακρυνθούν η μόνη επεξεργασία που θα έχει επιτευχθεί, είναι αυτή που σχετίζεται με το μετασχηματισμό μέρους της οργανικής ύλης από τα βακτήρια σε διάφορα αέρια, τελικά προϊόντα. 7.1 Κινητική βιολογικής ανάπτυξης Αν και μέχρι τώρα έχουν περιγραφεί τα χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος που απαιτείται για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών, δεν έχουμε αναφερθεί καθόλου στο πως ελέγχεται αυτό το περιβάλλον. Οι περιβαλλοντικές συνθήκες ελέγχονται με ρύθμιση του ph, της θερμοκρασίας, προσθήκη θρεπτικών και ιχνοστοιχείων, προσθήκη ή απομάκρυνση οξυγόνου και κατάλληλη ανάμειξη. Ο έλεγχος των περιβαλλοντικών συνθηκών εξασφαλίζει ότι οι μικροοργανισμοί έχουν ένα σωστό μέσο στο οποίο μπορούν να αναπτυχθούν. Για να εξασφαλιστεί η ανάπτυξη των μικροοργανισμών, πρέπει να παραμείνουν στο σύστημα αρκετά ώστε να αναπαραχθούν. Αυτή η περίοδος εξαρτάται από το

2 ΜΟΝΑΔΕΣ 108 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ρυθμό ανάπτυξής τους ο οποίος σχετίζεται άμεσα με το ρυθμό με τον οποίο μεταβολίζουν ή χρησιμοποιούν το απόβλητο. Θεωρώντας ότι οι περιβαλλοντικές συνθήκες ελέγχονται κανονικά, η αποτελεσματική σταθεροποίηση του αποβλήτου μπορεί να εξασφαλιστεί με έλεγχο του ρυθμού ανάπτυξης των μικροοργανισμών Κυτταρική ανάπτυξη Τόσο στις διεργασίες διαλείποντος έργου όσο και στους αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας ο ρυθμός ανάπτυξης των βακτηριακών κυττάρων ορίζεται με την ακόλουθη σχέση: r g μ (7.1) όπου r g ρυθμός βακτηριακής ανάπτυξης, μάζα/ μονάδα όγκου * χρόνου μ ειδικός ρυθμός ανάπτυξης, χρόνος -1 συγκέντρωση μικροοργανισμών, μάζα/ μονάδα όγκου Επειδή d/dtr g για αντιδραστήρα διαλείπουσας καλλιέργειας, η ακόλουθη σχέση ισχύει επίσης για αντιδραστήρα διαλείποντος έργου: d μ (7.2) dt Ανάπτυξη με περιορισμό υποστρώματος Σε μια διαλείπουσα καλλιέργεια, αν κάποιο από τα απαραίτητα συστατικά (υποστρώματα και θρεπτικά) για την ανάπτυξη βρίσκεται σε περιορισμένη ποσότητα, θα καταναλωθεί πρώτο και η ανάπτυξη θα σταματήσει. Σε μια συνεχή καλλιέργεια η ανάπτυξη θα περιοριστεί. Πειραματικά, έχει βρεθεί ότι η επίδραση ενός περιοριστικού υποστρώματος ή θρεπτικού συχνά προσδιορίζεται ικανοποιητικά χρησιμοποιώντας την ακόλουθη σχέση που προτάθηκε από τον Monod: μ μ (7.3) K + όπου μ ειδικός ρυθμός ανάπτυξης, χρόνος -1 μ μέγιστος ειδικός ρυθμός ανάπτυξης, χρόνος -1 Κ σταθερά κορεσμού, συγκέντρωση υποστρώματος στο ήμισυ του μέγιστου ρυθμού ανάπτυξης, μάζα/ μονάδα όγκου Η επίδραση της συγκέντρωσης υποστρώματος στον ειδικό ρυθμό ανάπτυξης φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα:

3 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 109 Ειδικός ρυθμός ανάπτυξης, μ 0.5 μ μ /2 0.2 Μέγιστος ρυθμός K Συγκέντρωση περιοριστικού υποστρώματος, Σχήμα 7.1 Επίδραση της συγκέντρωσης υποστρώματος στον ειδικό ρυθμό ανάπτυξης Έτσι ο ρυθμός ανάπτυξης βιομάζας παίρνει την ακόλουθη μορφή: r g μ (7.4) K Κυτταρική ανάπτυξη και κατανάλωση υποστρώματος Τόσο στα συστήματα διαλείπουσας όσο και στα συστήματα συνεχούς λειτουργίας, ένα κλάσμα του υποστρώματος μετατρέπεται σε νέα κύτταρα και ένα κλάσμα οξειδώνεται σε ανόργανα και οργανικά τελικά προϊόντα. Επειδή η ποσότητα των νέων παραγόμενων κυττάρων έχει παρατηρηθεί ότι αυξάνει για δεδομένο

4 ΜΟΝΑΔΕΣ 110 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ υπόστρωμα, χρησιμοποιείται η ακόλουθη σχέση για να συσχετίσει το ρυθμό ανάπτυξης βιομάζας με το ρυθμό κατανάλωσης υποστρώματος: r Y (7.5) g r su όπου r g ρυθμός βακτηριακής ανάπτυξης, μάζα/ μονάδα όγκου χρόνου Y ρυθμός απόδοσης (μάζα κυττάρων που παράγεται / μάζα υποστρώματος που καταναλώνεται) r su ρυθμός κατανάλωσης υποστρώματος, μάζα/ μονάδα όγκου χρόνου Με βάση εργαστηριακές μελέτες, βρέθηκε ότι ο ρυθμός απόδοσης εξαρτάται από 1) την οξειδωτική κατάσταση της πηγής άνθρακα και των θρεπτικών, 2) τον βαθμό πολυμερισμού του υποστρώματος, 3) τα μεταβολικά μονοπάτια, 4) το ρυθμό ανάπτυξης και 5) διάφορες φυσικές παραμέτρους της καλλιέργειας. Ο ρυθμός κατανάλωσης υποστρώματος περιγράφεται από τη σχέση: r su μ (7.6) Y ( K + ) Συχνά ο λόγος μ /Y αντικαθίσταται με το k, που ορίζεται σαν ο μέγιστος ρυθμός κατανάλωσης υποστρώματος ανά μονάδα μάζας των μικροοργανισμών, οπότε: r su k (7.7) K Επίδραση του ενδογενούς μεταβολισμού Στα βακτηριακά συστήματα που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων, η κατανομή της ηλικίας των κυττάρων είναι τέτοια ώστε όλα τα κύτταρα να μην βρίσκονται στην εκθετική φάση ανάπτυξης. Κατά συνέπεια, η έκφραση για το ρυθμό ανάπτυξης πρέπει να διορθωθεί για την ενέργεια που καταναλώνεται για συντήρηση των κυττάρων. Επίσης, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και άλλοι παράγοντες όπως ο θάνατος και η αρπαγή από άλλους οργανισμούς. Συνήθως, όλοι αυτοί οι παράγοντες ενώνονται και θεωρείται ότι η ελάττωση της κυτταρικής μάζας είναι ανάλογη της συγκέντρωσης των οργανισμών. Αυτή η ελάττωση συχνά αναφέρεται στη βιβλιογραφία σαν ενδογενής αναπνοή. Η ενδογενής αναπνοή περιγράφεται με την ακόλουθη σχέση: r d k (7.8) d όπου k d συντελεστής ενδογενούς αναπνοής, χρόνος -1

5 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 111 συγκέντρωση βιομάζας, μάζα/ μονάδα όγκου Ο συνολικός ρυθμός κυτταρικής ανάπτυξης περιγράφεται από την ακόλουθη σχέση: ' g r μ kd (7.9) K + Ανάλογα ο καθαρός ειδικός ρυθμός ανάπτυξης δίνεται από την ακόλουθη σχέση: μ ' μ K k + d (7.10) Η επίδραση της ενδογενούς αναπνοής στον καθαρό συντελεστή βακτηριακής ανάπτυξης υπολογίζεται με τον ορισμό του ακόλουθου φαινόμενου συντελεστή απόδοσης: Y obs ' g r (7.11) r su Επίδραση της θερμοκρασίας Η επίδραση της θερμοκρασίας στις κινητικές σταθερές είναι πολύ σημαντική για τον υπολογισμό του συνολικού βαθμού απόδοσης του συστήματος βιολογικής επεξεργασίας. Η θερμοκρασία δεν επηρεάζει μόνο την μεταβολική δραστηριότητα του βακτηριακού πληθυσμού αλλά έχει και προφανή επίδραση σε παράγοντες όπως ο ρυθμός μεταφοράς αερίων και τα χαρακτηριστικά καθίζησης των βιολογικών στερεών. Η επίδραση της θερμοκρασίας στο ρυθμό αντίδρασης των βιολογικών διεργασιών εκφράζεται με την ακόλουθη σχέση: ( Τ 20 r r θ ) T (7.12) 20 όπου r T ρυθμός αντίδρασης στους T o C r 20 ρυθμός αντίδρασης στους 20 ο C θ θερμοκρασιακός συντελεστής Τ θερμοκρασία, ο C Άλλες κινητικές εκφράσεις Ανακεφαλαιώνοντας σχετικά με τις κινητικές εκφράσεις που χρησιμοποιήθηκαν για να περιγράψουν την ανάπτυξη των μικροοργανισμών και την απομάκρυνση υποστρώματος, είναι πολύ σημαντικό να θυμόμαστε ότι οι εκφράσεις που αναφέρθηκαν είναι εμπειρικές και ότι δεν είναι οι μόνες διαθέσιμες. Άλλες

6 ΜΟΝΑΔΕΣ 112 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ εκφράσεις που χρησιμοποιήθηκαν για την περιγραφή της κατανάλωσης υποστρώματος είναι: r su k (7.13) r su k (7.14) r su k (7.15) r su k (7.16) o Αυτό που είναι θεμελιώδες στη χρήση οποιασδήποτε έκφρασης είναι η εφαρμογή της στην ανάλυση ενός ισοζυγίου μάζας. Σε αυτή την περίπτωση, δεν έχει σημασία αν η κινητική έκφραση που χρησιμοποιείται δεν συναντάται συχνά στη βιβλιογραφία, αρκεί να περιγράφει ικανοποιητικά τα φαινόμενα που παρατηρούνται. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι οι συγκεκριμένες κινητικές εκφράσεις δεν μπορούν να γενικευτούν και να χρησιμοποιηθούν ευρέως λόγω περιορισμένων δεδομένων ή εμπειρίας. 7.2 Ισοζύγια μάζας μικροοργανισμών και υποστρωμάτων Το ισοζύγιο μάζας για τους μικροοργανισμούς σε έναν αντιδραστήρα συνεχούς ροής με ανάδευση, δίνεται με τις ακόλουθες σχέσεις: Γενική έκφραση: Ρυθμός συσσώρευσης μικροοργανισμών στον όγκο ελέγχου Ρυθμός εισόδου μικροοργανισμών στον όγκο ελέγχου - Ρυθμός εξόδου μικροοργανισμών από τον όγκο ελέγχου + Καθαρή ανάπτυξη μικροοργανισμών μέσα στον όγκο ελέγχου Απλοποιημένη έκφραση: Συσσώρευση Εισροή Εκροή Καθαρή ανάπτυξη Συμβολική αναπαράσταση: d Vr dt ' Q 0 Q + Vr rg (7.17)

7 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 113 όπου d/dt V r Q Χ 0 Χ r g ρυθμός μεταβολής συγκέντρωσης μικροοργανισμών στον αντιδραστήρα, μάζα πτητικών αιωρούμενων στερεών (V)/ μονάδα όγκου χρόνου όγκος αντιδραστήρα ογκομετρική παροχή, όγκος/ χρόνο συγκέντρωση μικροοργανισμών στην είσοδο, μάζα V/ μονάδα όγκου συγκέντρωση μικροοργανισμών στον αντιδραστήρα, μάζα V/ μονάδα όγκου ρυθμός καθαρής ανάπτυξης μικροοργανισμών, μάζα V/ μονάδα όγκου Q, 0 Q,,, V, Σχήμα 7.2 Αντιδραστήρας συνεχούς λειτουργίας με ανάδευση Στην τελευταία εξίσωση και σε όσες προκύπτουν από αυτή στη συνέχεια, το βιολογικό κλάσμα των συνολικών βιολογικών αιωρούμενων στερεών χρησιμοποιείται σαν μια προσέγγιση της ενεργού βιολογικής μάζας. Η υπόθεση που γίνεται είναι ότι το πτητικό κλάσμα είναι ανάλογο της ενεργού μάζας των μικροοργανισμών. Αν και έχουν χρησιμοποιηθεί πολλές μετρήσεις, όπως, αζώτου, πρωτεϊνών, DNA και ATP, χρησιμοποιείται το τεστ των πτητικών αιωρούμενων στερεών λόγω της απλότητάς του. Αν αντικαταστήσουμε στην τελευταία εξίσωση την έκφραση του r g, καταλήγουμε στην ακόλουθη σχέση: d dt V r μ Q0 Q + Vr kd (7.18) K + όπου συγκέντρωση υποστρώματος στην έξοδο του αντιδραστήρα, g/l. Αν θεωρήσουμε αμελητέα τη συγκέντρωση των μικροοργανισμών στην είσοδο του αντιδραστήρα και ότι ισχύουν συνθήκες μόνιμης κατάστασης (d/dt0), τότε η προηγούμενη εξίσωση απλοποιείται στην ακόλουθη μορφή:

8 ΜΟΝΑΔΕΣ 114 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Q V r 1 μ kd (7.19) θ K + όπου θ χρόνος υδραυλικής παραμονής, V/Q. Στην προηγούμενη εξίσωση ο όρος 1/θ αντιστοιχεί στον καθαρό ρυθμό ανάπτυξης. Ο όρος 1/θ αντιστοιχεί επίσης στον όρο 1/θ c όπου θ c είναι ο μέσος χρόνος παραμονής των κυττάρων στον αντιδραστήρα. Στην περίπτωση της επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων ο θ c ορίζεται σαν τη μάζα των οργανισμών στον αντιδραστήρα διαιρούμενη με τη μάζα των οργανισμών που απομακρύνεται από το σύστημα κάθε ημέρα. Έτσι: θ Vr Vr (7.20) Q Q c Πραγματοποιώντας ένα ισοζύγιο μάζας για το υπόστρωμα σε αναλογία με το ισοζύγιο μάζας των μικροοργανισμών καταλήγουμε στην ακόλουθη σχέση: Στη μόνιμη κατάσταση (d/dt0) θα έχουμε: d k Vr Q0 Q + Vr (7.21) dt K + k ( 0 ) θ 0 K + (7.22) Συγκεντρώσεις μικροοργανισμών και υποστρωμάτων στην έξοδο του αντιδραστήρα Λύνοντας και αντικαθιστώντας κατάλληλα στις παραπάνω εκφράσεις καταλήγουμε στις σχέσεις που περιγράφουν τη συγκέντρωση των μικροοργανισμών και του υποστρώματος στην έξοδο του αντιδραστήρα: ( 0 ) ( 1 + k θ) ( 0 ) ( 1 + k θ) μ Y (7.23) k d d ( 1 + kd θ) ( Y k k ) 1 K (7.24) θ Έτσι αν είναι γνωστές οι κινητικές παράμετροι, από τις παραπάνω εξισώσεις μπορεί να προβλεφθεί η συγκέντρωση των μικροοργανισμών και των d

9 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 115 υποστρωμάτων στην έξοδο του αντιδραστήρα. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι παραπάνω εξισώσεις βασίζονται σε διαλυμένο απόβλητο και δεν λαμβάνουν υπόψη τυχόν αιωρούμενα στερεά που μπορεί να υπάρχουν. Οι πραγματικές συγκεντρώσεις των υποστρωμάτων και των συγκεντρώσεων των αιωρούμενων στερεών από τις διεργασίες επεξεργασίας εξαρτώνται από τη λειτουργία των δεξαμενών καθίζησης. Χρήσιμοι ορισμοί Ειδικός ρυθμός κατανάλωσης υποστρώματος U r su (7.25) Λόγος τροφής/μικροοργανισμοί F / M 0 (7.26) θ Οι όροι U και F/M συνδέονται με την ακόλουθη σχέση: ( F M) / E U (7.27) 100 όπου Ε είναι η απόδοση της διεργασίας και ορίζεται από την ακόλουθη σχέση: Απόδοση διεργασίας 0 E x 100 (7.28) 0 όπου 0 συγκέντρωση υποστρώματος στην είσοδο του αντιδραστήρα συγκέντρωση υποστρώματος στην έξοδο του αντιδραστήρα 7.3 Διεργασίες βιολογικής επεξεργασίας Οι βασικότερες κατηγορίες βιολογικής επεξεργασίας είναι: αερόβιες, ανοξικές, αναερόβιες, συνδυασμένες αερόβιες, ανοξικές και αναερόβιες και διεργασίες λίμνης. Οι κατηγορίες αυτές χωρίζονται σε υποκατηγορίες ανάλογα με το αν η επεξεργασία είναι ανάπτυξης σε αιώρημα, προσκολλημένης ανάπτυξης ή συνδυασμός και των δύο. Όλες οι βιολογικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων προέρχονται από διεργασίες που συμβαίνουν στη φύση. Ελέγχοντας το περιβάλλον των μικροοργανισμών επιταχύνεται η αποσύνθεση των αποβλήτων. Ανεξάρτητα από τον τύπο του αποβλήτου, οι βιολογικές μέθοδοι επεξεργασίας απαιτούν έλεγχο του

10 ΜΟΝΑΔΕΣ 116 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ περιβάλλοντος για βέλτιστη ανάπτυξη των μικροοργανισμών που εμπλέκονται. Οι βασικές εφαρμογές αυτών των διεργασιών είναι για: (1) την απομάκρυνση της οργανικής ύλης, που συνήθως μετριέται σαν BOD, COD ή TOC, (2) τη νιτροποίηση, (3) την απονιτροποίηση, (4) την απομάκρυνση φωσφόρου και (5) τη σταθεροποίηση του αποβλήτου. 7.4 Μέθοδοι αερόβιας ανάπτυξης σε αιώρημα Οι βασικές αερόβιες διεργασίες σε αιώρημα είναι: (1) διεργασία δραστικής ιλύος, (2) αεριζόμενες λίμνες, (3) αντιδραστήρες διαλείποντος έργου σε σειρά και (4) διεργασία αερόβιας χώνευσης. Από αυτές η διεργασία δραστικής ιλύος είναι αυτή που χρησιμοποιείται κυρίως στη δευτεροβάθμια επεξεργασία των υγρών αποβλήτων Διεργασία δραστικής ιλύος Η διεργασία δραστικής λάσπης αναπτύχθηκε στην Αγγλία το 1914 και ονομάστηκε έτσι γιατί περιλαμβάνει την παραγωγή ενεργού μάζας ικανής να σταθεροποιεί το απόβλητο αερόβια. Πολλές εκδόσεις της αρχικής διεργασίας χρησιμοποιούνται σήμερα, αλλά ουσιαστικά είναι όλες παρόμοιες. Εικόνα 7.1 Διάγραμμα μονάδας επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Δήμου Αγρινίου. Διακρίνονται καθαρά οι δίδυμες οξειδωτικοί τάφροι (δεξαμενές δραστικής ιλύος) και οι δίδυμες κυκλικές δεξαμενές καθίζησης.

11 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 117 Εικόνα 7.2 Γενική άποψη της μονάδας διεργασίας δραστικής λάσπης στο Βιολογικό καθαρισμό του Δήμου Αγρινίου. Περιγραφή της διεργασίας Τυπικό διάγραμμα λειτουργίας της διεργασίας φαίνεται στο Σχήμα 7.3. Το οργανικό απόβλητο εισέρχεται στον αντιδραστήρα όπου αερόβια καλιέργεια βακτηρίων διατηρείται σε αιώρημα. Στον αντιδραστήρα, η καλλιέργεια των βακτηρίων πραγματοποιεί το μετασχηματισμό της οργανικής ύλης σύμφωνα με τη στοιχειομετρική αντίδραση: Οξείδωση και σύνθεση: bacteria COHN + O2 + nutrients CO2 + NH3 + C5H7NO2 + other products (7.29) organic atter new bacterial cells Ενδογενής αναπνοή: bacteria C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH3 + energy cells (7.30)

12 ΜΟΝΑΔΕΣ 118 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Εικόνα 7.3 Βιολογικές κροκίδες σε μονάδα δραστικής ιλύος Αν και η ενδογενής αναπνοή καταλήγει σε απλά προϊόντα και ενέργεια, σχηματίζονται επίσης σταθερά τελικά προϊόντα. Από την παραπάνω εξίσωση φαίνεται ότι, όταν ένα κύτταρο οξειδώνεται πλήρως, το τελικό BOD των κυττάρων ισούται με 1.42 φορές τη συγκέντρωση των κυττάρων. Το αερόβιο περιβάλλον στον αντιδραστήρα επιτυγχάνεται με τη χρήση διαχεόμενου ή μηχανικού αερισμού, ο οποίος χρησιμεύει επίσης για να διατηρήσει το υγρό σε πλήρη ανάμειξη. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, το μείγμα των νέων και των παλιών κυττάρων διοχετεύεται στη δεξαμενή καθίζησης, όπου τα κύτταρα διαχωρίζονται από το επεξεργασμένο υγρό. Το κλάσμα που αποβάλλεται αντιστοιχεί στην ανάπτυξη νέου κυτταρικού ιστού στο συγκεκριμένο απόβλητο. Η στάθμη που θα διατηρηθεί η βιολογική μάζα μέσα στον αντιδραστήρα εξαρτάται από το επιθυμητό επίπεδο επεξεργασίας και από άλλες παραμέτρους που σχετίζονται με την κινητική. Μονάδες καθίζησης για διεργασίες δραστικής λάσπης Είναι σημαντικό να τονισθεί ότι η δεξαμενή καθίζησης είναι αναπόσπαστο κομμάτι της διεργασίας δραστικής λάσπης. Ο σχεδιασμός του αντιδραστήρα δεν μπορεί να θεωρηθεί χωριστά από το σχεδιασμό των αντίστοιχων δεξαμενών καθίζησης. Για να επιτευχθούν οι επιθυμητές συγκεντρώσεις εξόδου για τα αιωρούμενα στερεά και το BOD πρέπει να γίνει ο διαχωρισμός των στερεών και κλάσμα αυτών να επιστρέψει στον αντιδραστήρα. Λόγω των πολλών διαφορετικών μικροβιολογικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα, τα χαρακτηριστικά καθίζησης των βιολογικών στερεών διαφέρουν σε κάθε μονάδα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων, ανάλογα

13 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 119 με τα χαρακτηριστικά των αποβλήτων και με παραμέτρους που σχετίζονται με το σχεδιασμό και τη λειτουργία των μονάδων. Γι αυτό όταν πρόκειται να σχεδιαστούν δεξαμενές καθίζησης για μια νέα μονάδα, πρέπει πρώτα να διεξαχθούν πειράματα καθίζησης σε στήλες. Σε περίπτωση που δεν είναι δυνατό να πραγματοποιηθούν τεστ καθίζησης, ο σχεδιασμός πρέπει να βασίζεται τόσο στην υδραυλική φόρτιση όσο και στη φόρτιση στερεών. Q w, Q, o Αντιδραστήρας Δεξαμενή καθίζησης Q e,, e, V r, Q r, r, (α) Q, o Αντιδραστήρας Δεξαμενή καθίζησης Q e,, e, V r, Q r, r, (β) Q w, r Σχήμα 7.3 Τυπικό διάγραμμα λειτουργίας διεργασίας δραστικής λάσπης. (α) Απομάκρυνση λάσπης από τη δεξαμενή αερισμού, (β) Απομάκρυνση λάσπης από τη δεξαμενή καθίζησης

14 ΜΟΝΑΔΕΣ 120 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Εικόνα 7.4 Μονάδα βιολογικού καθαρισμού Δήμου Αγρινίου. Διακρίνονται οι οξειδωτικοί τάφροι με τους επιφανειακούς αεριστήρες βούρτσες και στο βάθος οι δύο κυκλικές δεξαμενές δευτεροβάθμιας καθίζησης. Αερόβια χώνευση Η αερόβια χώνευση είναι μια εναλλακτική μέθοδος επεξεργασίας της οργανικής λάσπης που παράγεται σε διάφορες διεργασίες επεξεργασίας. Οι αερόβιοι χωνευτήρες μπορεί να χρησιμοποιούν για την επεξεργασία: (1) μόνο λάσπη από μονάδες ενεργού ιλύος ή χαλικοδιυλιστήρια, (2) μείγμα λάσπης από μονάδες ενεργού ιλύος ή χαλικοδιυλιστήρια και λάσπη από πρωτοβάθμια καθίζηση και (3) λάσπη από μονάδες ενεργού ιλύος που έχουν σχεδιαστεί χωρίς πρωτοβάθμια καθίζηση. Σήμερα, βρίσκονται σε ευρεία χρήση δύο τύποι αερόβιων χωνευτήρων: ο συμβατικός και καθαρού οξυγόνου. Έχει επίσης χρησιμοποιηθεί και ο θερμόφιλος αερόβιος χωνευτήρας.

15 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 121 (α) (β) Εικόνα 7.5 Δεξαμενή δευτεροβάθμιας καθίζησης. (α) Λεπτομέρεια από τη γέφυρα. (β) Στην επιφάνεια της δεξαμενής καθίζησης διακρίνεται η πρόσκαιρη παρουσία κάποιου ρύπου (απόβλητα ελαιοτριβείου ή συναφές απόβλητο) καθώς και το διαυγές νερό που υπερχειλίζει.

16 ΜΟΝΑΔΕΣ 122 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ 7.5 Αερόβιες διεργασίες επεξεργασίας προσκολλημένης ανάπτυξης Οι αερόβιες διεργασίες επεξεργασίας προσκολλημένης ανάπτυξης χρησιμοποιούνται συνήθως για την απομάκρυνση της οργανικής ύλης από τα απόβλητα. Χρησιμοποιούνται επίσης και για τη νιτροποίηση Χαλικοδιυλιστήριο (trickling filter) Το πρώτο χαλικοδιυλιστήριο λειτούργησε στην Αγγλία το Το σύγχρονο χαλικοδιυλιστήριο αποτελείται από μια κλίνη από υψηλά διαπερατό υλικό στο οποίο προσκολλούνται οι μικροοργανισμοί και μέσω του οποίου το νερό σταλάζει (trickle). Το πληρωτικό υλικό αποτελείται από χαλίκια ή από διάφορα πλαστικά υλικά. Στα φίλτρα με πληρωτικό υλικό χαλίκια, το μέγεθος των χαλικιών ποικίλει από 25 μέχρι 100, ενώ το βάθος των χαλικιών κυμαίνεται από 0.9 μέχρι 2.5. Τα φίλτρα με χαλίκια είναι συνήθως κυκλικά και το απόβλητο κατανέμεται στην κορυφή του φίλτρου με έναν περιστρεφόμενο διανομέα. Τα φίλτρα με πλαστικά πληρωτικά υλικά χτίζονται στρογγυλά, τετράγωνα ή και με άλλα σχήματα και με βάθη που κυμαίνονται από 4 μέχρι 12. Τρεις τύποι πλαστικών πληρωτικών υλικών χρησιμοποιούνται κυρίως: (1) διάταξης κατακόρυφης ροή, (2) διάταξης διασταυρούμενης ροής και (3) ποικίλες τυχαίες διατάξεις. Τα φίλτρα κατασκευάζονται με αποστραγγιστικό σύστημα για τη συλλογή του επεξεργασμένου αποβλήτου και των βιολογικών στερεών που αποκολλούνται από το πληρωτικό μέσο. Το σύστημα αποστράγγισης είναι σημαντικό τόσο σαν σύστημα συλλογής όσο και σαν πορώδες μέσο που επιτρέπει την κυκλοφορία του αέρα. Το νερό που συλλέγεται οδηγείται σε δεξαμενή καθίζησης για το διαχωρισμό των στερεών. Συνήθως, μέρος του υγρού αυτού ανακυκλοφορείται για να διατηρήσει την απαιτούμενη υγρασία στο φίλτρο και για να μειώσει την ισχύ του αποβλήτου. Το οργανικό υλικό που υπάρχει στο απόβλητο αποδομείται από ένα πληθυσμό μικροοργανισμών που προσκολλάται στο πληρωτικό υλικό. Η οργανική ύλη του υγρού ρεύματος προσροφάται στο βιολογικό φιλμ. Στο εξωτερικό τμήμα του βιολογικού φιλμ (0.1 έως 0.2 ), η οργανική ύλη αποδομείται από αερόβιους μικροοργανισμούς. Καθώς οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται το πάχος του βιολογικού φιλμ αυξάνει και το διαχεόμενο οξυγόνο καταναλώνεται πριν διεισδύσει σε όλο το βάθος του βιολογικού φιλμ. Έτσι αναπτύσσεται αναερόβιο περιβάλλον κοντά στην επιφάνεια του πληρωτικού υλικού. Καθώς το πάχος του βιοφίλμ αυξάνει η προσροφώμενη οργανική ύλη μεταβολίζεται προτού φτάσει στους μικροοργανισμούς κοντά στην επιφάνεια του

17 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 123 πληρωτικού υλικού. Σαν αποτέλεσμα της έλλειψης οργανικής πηγής για κυτταρικό άνθρακα, οι μικροοργανισμοί κοντά στην επιφάνεια του πληρωτικού υλικού περνούν σε φάση ενδογενούς ανάπτυξης και χάνουν την ικανότητά τους να προσκολλούνται στην επιφάνεια του πληρωτικού υλικού. Έτσι το υγρό παρασύρει το φιλμ από το πληρωτικό υλικό και νέο βιολογικό φιλμ αρχίζει να αναπτύσσεται. Η αποκόλληση του βιολογικού φιλμ είναι συνάρτηση της οργανικής και της υδραυλικής φόρτισης του φίλτρου. Η υδραυλική φόρτιση ευθύνεται για διατμητικές ταχύτητες και η οργανική φόρτιση ευθύνεται για το ρυθμό μεταβολισμού στο βιοφίλμ. Στα μοντέρνα χαλικοδιυλιστήρια η υδραυλική φόρτιση ρυθμίζεται ώστε να διατηρείται ένα βιοφίλμ σταθερού πάχους. Εικόνα 7.6 Πλαστικά πληρωτικά υλικά τυχαίας διάταξης (Degreont) Περιστρεφόμενοι βιολογικοί δίσκοι Οι περιστρεφόμενοι βιολογικοί δίσκοι αποτελούνται από μια διάταξη κυκλικών δίσκων πολυστυρενίου ή πολυβυνιλοχλωριδίου τοποθετημένων πολύ κοντά μεταξύ τους. Οι δίσκοι βυθίζονται στο απόβλητο και περιστρέφονται μέσα σε αυτό. Κατά τη λειτουργία, μικροοργανισμοί προσκολλώνται στην επιφάνεια των

18 ΜΟΝΑΔΕΣ 124 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ δίσκων και σχηματίζεται βιοφίλμ σε όλη τη βρεγμένη επιφάνεια. Η περιστροφή των δίσκων εναλλάσσει την επαφή της βιομάζας με την οργανική ύλη του αποβλήτου και μετά με την ατμόσφαιρα για την προσρόφηση οξυγόνου. Η περιστροφή των δίσκων επιδρά στην μεταφορά οξυγόνου και συντηρεί τη βιομάζα σε αερόβιες συνθήκες. Η περιστροφή αποτελεί επίσης μηχανισμό για την απομάκρυνση των επιπλέον στερεών από τους δίσκους με την ανάπτυξη διατμητικών τάσεων. Έτσι τα αποκολλούμενα στερεά οδηγούνται σε δεξαμενή καθίζησης. Οι περιστρεφόμενοι βιολογικοί δίσκοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για δευτεροβάθμια επεξεργασία καθώς και για εποχιακή ή συνεχή νιτροποίηση και απονιτροποίηση. 7.6 Αναερόβιες διεργασίες επεξεργασίας σε αιώρημα Τα τελευταία δέκα χρόνια αναπτύχθηκε ένας μεγάλος αριθμός διεργασιών αναερόβιας χώνευσης για την επεξεργασίας λάσπης και πολύ ισχυρών οργανικών αποβλήτων. Η πιο διαδεδομένη διεργασία είναι αναερόβια χώνευση πλήρους ανάμιξης. Η αναερόβια χώνευση είναι η παλαιότερη διεργασία για τη σταθεροποίηση λάσπης. Κατά την αναερόβια χώνευση οργανική και ανόργανη ύλη αποσυντίθεται απουσία οξυγόνου. Τα τελικά προϊόντα της αναερόβιας χώνευσης είναι αρκετά από τα οποία όμως ξεχωρίζουν το μεθάνιο και το διοξείδιο του άνθρακα. Η λάσπη εισάγεται στον αντιδραστήρα συνεχώς ή διακοπτόμενα και παραμένει εκεί για διάφορα χρονικά διαστήματα. Η σταθεροποιημένη λάσπη απομακρύνεται επίσης από τον αντιδραστήρα συνεχώς ή διακοπτόμενα, έχει ελαττωμένο οργανικό και παθογόνο περιεχόμενο και δεν υπόκειται σε περαιτέρω σήψη. Οι δύο πιο κοινοί τύποι αναερόβιων χωνευτήρων χαρακτηρίζονται σαν κανονικού και υψηλού ρυθμού. Στις διεργασίες χώνευσης κανονικού ρυθμού το περιεχόμενο του χωνευτήρα είναι συνήθως μη θερμασμένο και μη αναμεμειγμένο. Ο χρόνος παραμονής για τους χωνευτήρες κανονικού ρυθμού κυμαίνεται από 30 έως 60 ημέρες. Στους ταχύρυθμους χωνευτήρες το περιεχόμενο του αντιδραστήρα θερμαίνεται και αναμειγνύεται πλήρως. Ο απαιτούμενος χρόνος παραμονής για ταχύρυθμους χωνευτήρες είναι συνήθως 15 ημέρες ή λιγότερο. Ένας συνδυασμός των δύο τύπων χωνευτήρων (ταχύρυθμος-κανονικός) είναι γνωστός σαν διεργασία δύο σταδίων. Η κύρια λειτουργία του δεύτερου σταδίου είναι ο διαχωρισμός των χωνευμένων στερεών από το υπερκείμενο υγρό ενώ λαμβάνει χώρα επιπλέον χώνευση και παραγωγή αερίου. Το παραγόμενο μεθάνιο μπορεί να αξιοποιηθεί για την παραγωγή θερμότητας ή και ηλεκτρικής ενέργειας. Έτσι, η αναερόβια χώνευση κατατάσσεται ανάμεσα στις σημαντικότερες διεργασίες παραγωγής εναλλακτικής μορφής ενέργειας και ήδη πολλές μονάδες ανά τον κόσμο παράγουν και εμπορεύονται ηλεκτρικό ρεύμα.

19 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 125 (α) (β) Εικόνα 7.7 Το βιοαέριο που παράγεται στους αναερόβιους χωνευτήρες αποθηκεύεται υπό πίεση σε μεγάλες δεξαμενές (α) και στη συνέχεια μετατρέπεται σε ηλεκτρικό ρεύμα με ειδικές μηχανές καύσης βιοαερίου (β) (Κέντρο Επεξεργασίας Λυμάτων Ψυττάλειας).

20 ΜΟΝΑΔΕΣ 126 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Βακτηριακή διεργασία Ο βιολογικός μετασχηματισμός της οργανικής ύλης στις μονάδες αναερόβιας επεξεργασίας λάσπης συμβαίνει σε τρία στάδια. Το πρώτο στάδιο της διεργασίας περιλαμβάνει την ενζυμική υδρόλυση των μεγαλο-μοριακών ενώσεων σε συστατικά κατάλληλα για πηγή άνθρακα και ενέργειας. Το δεύτερο στάδιο, η οξεογένεση, περιλαμβάνει τον βακτηριακό μετασχηματισμό των συστατικών που προέκυψαν από το πρώτο βήμα σε αναγνωρίσιμα ενδιάμεσα συστατικά μικρότερου μοριακού βάρους. Το τρίτο στάδιο, η μεθανογένεση, περιλαμβάνει το βακτηριακό μετασχηματισμό των ενδιάμεσων συστατικών σε απλούστερα τελικά προϊόντα, κυρίως μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. Σε ένα χωνευτήρα, ένα σύνολο αναερόβιων οργανισμών δουλεύουν μαζί για να πετύχουν τον μετασχηματισμό της οργανικής λάσπης και των αποβλήτων. Μια ομάδα οργανισμών είναι υπεύθυνη για την υδρόλυση των οργανικών πολυμερών και των λιπιδίων σε βασικές δομικές μονάδες όπως μονοσακχαρίτες, αμινοξέα και παρεμφερείς ενώσεις. Μια δεύτερη ομάδα βακτηρίων ζυμώνει τα διασπασμένα προϊόντα σε απλά οργανικά οξέα και κυρίως σε οξικό οξύ. Αυτή η ομάδα οργανισμών περιγράφεται σαν μη μεθανογόνοι και αποτελείται από προαιρετικά και υποχρεωτικά αναεόβιοιυς, οι οποίοι αναφέρονται στη βιβλιογραφία σαν οξεογόνοι. Μια τρίτη ομάδα μικροοργανισμών μετατρέπει το υδρογόνο και το οξικό οξύ που σχηματίζεται από τους οξεογόνους μικροοργανισμούς σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. Τα βακτήρια που είναι υπεύθυνα για αυτή τη διεργασία είναι υποχρεωτικά αναερόβια και καλούνται μεθανογόνα. Πολλοί από αυτούς τους οργανισμούς απαντώνται στο στομάχι θηλαστικών και στα ιζήματα λιμνών και ποταμών. Τα πιο σημαντικά από τα μεθανογόνα βακτήρια είναι αυτά που χρησιμοποιούν υδρογόνο και οξικό οξύ. Τα βακτήρια αυτά έχουν πολύ μικρούς ρυθμούς ανάπτυξης και σαν αποτέλεσμα ο μεταβολισμός τους θεωρείται το ρυθμοπεριοριστικό στάδιο στην αναερόβια επεξεργασία των υγρών αποβλήτων. Η σταθεροποίηση του αποβλήτου στην αναερόβια χώνευση ολοκληρώνεται όταν παράγεται μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. Το αέριο μεθάνιο είναι αδιάλυτο στο νερό και η αποχώρησή του από το διάλυμα υποδηλώνει την σταθεροποίηση του αποβλήτου. Αξίζει να σημειωθεί ότι τα μεθανογόνα βακτήρια χρησιμοποιούν περιορισμένο αριθμό υποστρωμάτων για το σχηματισμό μεθανίου. Είναι γνωστό ότι οι μεθανογόνοι χρησιμοποιούν τα ακόλουθα υποστρώματα: διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο, οξικό οξύ, μεθανόλη, μεθυλαμίνες και μονοξείδιο του άνθρακα. 4 H2 + CO2 CH4 + 2H2O (7.31) 4 HCOOH CH4 + 3CO2 + 2H2O (7.32) CH + (7.33) 3COOH CH4 CO2 4 CH3OH 3CH4 + CO2 + 2H2O (7.34) ( CH 3 ) N H2O 9CH4 + 3CO2 + 6H2O NH + (7.35)

21 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 127 Σε έναν αναερόβιο χωνευτήρα, τα δύο βασικά μονοπάτια για το σχηματισμό του μεθανίου είναι (1) η μετατροπή του υδρογόνου και του διοξειδίου του άνθρακα σε μεθάνιο και νερό και (2) η μετατροπή του οξικού οξέος σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. Οι μεθανογόνοι και οι οξεογόνοι οργανισμοί φτιάχνουν μια «συν-τροφική» σχέση στην οποία οι μεθανογόνοι μετατρέπουν τα τελικά προϊόντα της ζύμωσης σε οξικό οξύ, μεθάνιο και νερό. Οι μεθανογόνοι είναι ικανοί να χρησιμοποιούν το υδρογόνο που παράγεται από τους οξεογόνους. Επειδή οι μεθανογόνοι είναι ικανοί να διατηρούν μια ιδιαίτερα χαμηλή μερική πίεση υδρογόνου, η ισορροπία των αντιδράσεων ζύμωσης ωθείται προς το σχηματισμό πιο οξειδωμένων τελικών προϊόντων (μυρμηκικό, οξικό οξύ). Έτσι τα μεθανογόνα βακτήρια απομακρύνουν συστατικά που θα παρεμπόδιζαν την ανάπτυξη των οξεογόνων. Για να διατηρηθεί ένα σύστημα αναερόβιας επεξεργασίας που θα σταθεροποιεί τα οργανικά απόβλητα αποτελεσματικά, πρέπει να αναπτυχθεί μια δυναμική ισορροπία μεταξύ των μη μεθανογόνων και των μεθανογόνων βακτηρίων. Για να δημιουργηθεί και συντηρηθεί αυτή η κατάσταση ο αντιδραστήρας δεν πρέπει να περιέχει διαλυμένο οξυγόνο, παρεμποδιστικές συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων και σουλφιδίων και το ph πρέπει να κυμαίνεται από 6.6 μέχρι 7.6. Η θερμοκρασία είναι επίσης ένας πολύ σημαντικός περιβαλλοντικός παράγοντας και πρέπει να κυμαίνεται μεταξύ 30 και 38 ο C για τις μεσόφιλες διεργασίες και μεταξύ 49 με 57 ο C για τις θερμόφιλες διεργασίες. 7.7 Βιολογική απομάκρυνση θρεπτικών Η απομάκρυνση των θρεπτικών πριν από την διάθεση των επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων επιβάλλεται όλο και πιο συχνά. Επειδή, τόσο το άζωτο όσο και ο φωσφόρος επηρεάζουν την ποιότητα του υδάτινου αποδέκτη, πρέπει να ελέγχεται η διάθεση είτε του ενός είτε και των δύο συστατικών. Οι επιλογές απομάκρυνσης θρεπτικών που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη είναι οι ακόλουθες: Απομάκρυνση αζώτου χωρίς απομάκρυνση φωσφόρου Απομάκρυνση αζώτου και φωσφόρου Απομάκρυνση φωσφόρου με ή χωρίς νιτροποίηση Ετήσια απομάκρυνση φωσφόρου με εποχιακή απομάκρυνση αζώτου Απομάκρυνση αζώτου Το άζωτο υπάρχει με διάφορες μορφές στο υγρό απόβλητο και υφίσταται πολλούς μετασχηματισμούς κατά την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων. Αυτοί οι μετασχηματισμοί επιτρέπουν το μετασχηματισμό του αμμωνιακού αζώτου σε προϊόντα που μπορούν να απομακρυνθούν εύκολα από τα υγρά απόβλητα. Οι δύο βασικοί μηχανισμοί για την απομάκρυνση του αζώτου είναι η αφομοίωση και νιτροποίηση-απονιτροποίηση. Επειδή το άζωτο είναι θρεπτικό τα βακτήρια που βρίσκονται στη διεργασία επεξεργασίας αφομοιώνουν το αμμωνιακό άζωτο και το ενσωματώνουν στην κυτταρική μάζα. Ένα μέρος αυτού του αζώτου θα επιστρέψει

22 ΜΟΝΑΔΕΣ 128 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ στο υγρό απόβλητο με το θάνατο και τη λύση των κυττάρων. Κατά τη νιτροποίηση-απονιτροποίηση η απομάκρυνση του αζώτου πραγματοποιείται σε δύο στάδια μετασχηματισμού. Στο πρώτο στάδιο, η αμμωνία απαιτεί οξυγόνο και μετατρέπεται σε νιτρικά. Στο δεύτερο στάδιο, τα νιτρικά μετατρέπονται σε αέρια προϊόντα που απομακρύνονται. Απομάκρυνση φωσφόρου Η απομάκρυνση φωσφόρου από μικροοργανισμούς λαμβάνει χώρα σε βαθμωτούς αντιδραστήρες. Ελέγχοντας τις περιβαλλοντικές συνθήκες οι μικροοργανισμοί υποχρεώνονται να προσλαμβάνουν υπέρμετρες ποσότητες φωσφόρου. Η απομάκρυνση του φωσφόρου ολοκληρώνεται με απομάκρυνση των μικροοργανισμών. Εικόνα 7.7 Μονάδα βιολογικού καθαρισμού Δήμου Αγρινίου. Διακρίνονται οι οξειδωτικές τάφροι με τους επιφανειακούς αεριστήρες βούρτσες. Η περιοδική λειτουργία των αεριστήρων επιτρέπει την εναλλαγή αερόβιων και ανοξικών συνθηκών στις οξειδωτικές τάφρους και επομένως την εναλλαγή μεταξύ φάσεων νιτροποίησης και απονιτροποίησης.

23 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 129 Βιολογική νιτροποίηση Δύο γένη βακτηρίων είναι υπεύθυνα για τη νιτροποίηση, τα Nitrosoonas και τα Nitrobacter. Τα Nitrosoanas οξειδώνουν την αμμωνία στο ενδιάμεσο προϊόν νιτρώδη. Τα νιτρώδη μετατρέπονται σε νιτρικά από τα Nitrobacter: Nitrosoonas + NH + 76O HCO3 C5H7O2N + 54NO2 + 57H2O + 104H2 55 CO 3 (7.36) Nitrobacter NH + 4H2CO3 + HCO3 C5H7O2N + 3H2O NO NO (7.37) Αυτές οι εξισώσεις επιτρέπουν τον υπολογισμό των χημικών που απαιτούνται για τις παραπάνω διεργασίες. Περίπου, 4.3 g O 2 απαιτούνται ανά g αμμωνιακούαζώτου που οξειδώνεται σε νιτρικό-άζωτο. Επίσης, καταναλώνεται ένα μεγάλο - ποσό αλκαλικότητας: 8.64 g HCO 3 ανά g αμμωνιακού αζώτου που οξειδώνεται. Αξίζει να σημειωθεί ότι η αλλαγή από αμμωνιακό-άζωτο σε νιτρικόάζωτο δεν διευκολύνει την απομάκρυνση του αζώτου αλλά εκμηδενίζει την απαίτησή του σε οξυγόνο. Τα νιτροποιητικά βακτήρια είναι ευαίσθητοι οργανισμοί και επηρεάζονται από πολλούς παρεμποδιστές, όπως πολλές οργανικές και ανόργανες ενώσεις, υψηλές συγκεντρώσεις αμμωνίας και νιτρώδους οξέος. Το Ph πρέπει να κυμαίνεται μεταξύ 7.5 και 8.6, η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου πρέπει να είναι πάνω από 1 g/l, ενώ και η θερμοκρασία επηρεάζει σημαντικά τα νιτροποιητικά βακτήρια. Βιολογική απονιτροποίηση Η απομάκρυνση του αζώτου υπό τη μορφή νιτρικών με την μετατροπή του σε αέριο άζωτο πραγματοποιείται βιολογικά υπό ανοξικές συνθήκες (χωρίς οξυγόνο). Η διεργασία είναι γνωστή σαν απονιτροποίηση. Τα απονιτροποιητικά βακτήρια είναι ετερότροφα ικανά να πραγματοποιούν μη αφομοιωτική απομάκρυνση αζώτου σε δύο στάδια. Το πρώτο στάδιο αφορά την μετατροπή των νιτρικών σε νιτρώδη. Το στάδιο αυτό ακολουθείται από μετατροπή των νιτρικών σε μονοξείδιο του αζώτου, διοξείδιο του αζώτου και αέριο άζωτο: NO3 NO2 NO N2O N2 (7.38) Τα τρία τελευταία συστατικά είναι αέρια και ελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα. Στα απονιτροποιητικά συστήματα, η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου είναι η κρίσιμη παράμετρος. Η παρουσία διαλυμένου οξυγόνου καταπιέζει το ενζυμικό σύστημα που απαιτείται για απονιτροποίηση. Κατά τη διεργασία παράγεται αλκαλικότητα με αποτέλεσμα να αυξάνει το ph. Η βέλτιστη τιμή του ph κυμαίνεται από 7 με 8 ανάλογα με τον βακτηρικό πληθυσμό. Οι απονιτροποιητικοί οργανισμοί είναι επίσης ευαίσθητοι σε αλλαγές της θερμοκρασίας.

24 ΜΟΝΑΔΕΣ 130 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Η περιοδική λειτουργία των αεριστήρων επιτρέπει την εναλλαγή αερόβιων και ανοξικών συνθηκών στις δεξαμενές αερισμού και επομένως την εναλλαγή μεταξύ φάσεων νιτροποίησης και απονιτροποίησης. Εικόνα 7.8 Ηλεκτρόδια μετρούν συνεχώς (on line) το ph στις δεξαμενές αερισμού και άλλες παραμέτρους όπως θερμοκρασία, αλκαλικότητα, αγωγιμότητα, διαλυμένο οξυγόνο, νιτρικά κλπ. Απομάκρυνση φωσφόρου Ο φωσφόρος εμφανίζεται στα απόβλητα σαν ορθοφωσφορικά (PO 4-3 ), πολυφωσφορικά (P 2 O 7 ) και σαν οργανικά συνδεδεμένος φωσφόρος. Τα δύο τελευταία αποτελούν περίπου το 70% του φωσφόρου που συναντάται στα υγρά απόβλητα. Ο φωσφόρος χρησιμοποιείται κατά την κυτταρική σύνθεση και την μεταφορά ενέργειας. Κατά συνέπεια, το 10 με 30% του φωσφόρου απομακρύνεται κατά την δευτεροβάθμια βιολογική επεξεργασία. Όμως απαιτείται επιπλέον απομάκρυνση φωσφόρου για να επιτευχθούν οι επιθυμητές συγκεντρώσεις στην έξοδο των μονάδων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων.

25 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 131 (α) (β) Εικόνα 7.9 Απομάκρυνση φωσφόρου στη μονάδα βιολογικού καθαρισμού του Δήμου Αγρινίου. (α) Το φρέσκο απόβλητο αναμειγνύεται με ανακυκλοφορούμενο απόβλητο στην είσοδο των οξειδωτικών τάφρων. Οι ανοξικές συνθήκες που επικρατούν επιβάλλουν την αποβολή του φωσφόρου από τα βακτήρια. (β) Η εναλλαγή σε αερόβιες συνθήκες υποχρεώνει τα βακτήρια σε πρόσληψη φωσφόρου, μεγαλύτερης ποσότητας από αυτήν που απέβαλλαν. Τα βακτήρια απομακρύνονται με τη μορφή λάσπης και μαζί και ο φωσφόρος.

26 ΜΟΝΑΔΕΣ 132 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Κάτω υπό ορισμένες αερόβιες συνθήκες οι μικροοργανισμοί μπορούν να προσλάβουν περισσότερο φωσφόρο από όσο χρειάζονται. Ο φωσφόρος απελευθερώνεται από τα κύτταρα υπό ανοξικές συνθήκες. Η βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου ολοκληρώνεται με την διαδοχική παραγωγή των κατάλληλων περιβαλλοντικών συνθηκών στους αντιδραστήρες. Το Αcinetobacter είναι ένα από τα βασικά βακτήρια που ευθύνονται για την απομάκρυνση του φωσφόρου. Αυτοί οι οργανισμοί αντιδρούν στα πτητικά λιπαρά οξέα (VFAs) του εισερχόμενου αποβλήτου υπό αναερόβιες συνθήκες ελευθερώνοντας τον αποθηκευμένο φωσφόρο. Τα VFAs είναι σημαντικό υπόστρωμα για τα Acinetobacter κατά τον ανταγωνισμό τους με τους ετερότροφους οργανισμούς. Όταν μια αναερόβια ζώνη ακολουθείται από μια αερόβια ζώνη, οι μικροοργανισμοί εμφανίζουν προσλήψεις φωσφόρου πάνω από τα κανονικά επίπεδα. Ο φωσφόρος δεν χρησιμοποιείται μόνο για συντήρηση των κυττάρων, σύνθεση και μεταφορά ενέργειας, αλλά αποθηκεύεται επίσης και για μελλοντική χρήση από τους μικροοργανισμούς. Η λάσπη που περιέχει την επιπλέον ποσότητα φωσφόρου είτε απορρίπτεται είτε μεταφέρεται με ένα πλάγιο ρεύμα και επεξεργάζεται για να απελευθερώσει το φωσφόρο. Η απελευθέρωση του φωσφόρου πραγματοποιείται υπό ανοξικές συνθήκες. Έτσι, η βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου απαιτεί αναερόβιους και αερόβιους αντιδραστήρες ή ζώνες μέσα σε έναν αντιδραστήρα. Εξερχόμενο νερό Το νερό μετά την έξοδό του από τη δεξαμενή αερισμού και τη δεξαμενή δευτεροβάθμιας καθίζησης οδηγείται συνήθως σε χαλικοδιυλιστήρια για την απομάκρυνση των αιωρούμενων στερεών και στη συνέχεια χλωριώνεται πριν διατεθεί σε κάποιο γειτονικό υδατικό αποδέκτη. Η παράμετρος που αποτιμά την καθαρότητα του νερού είναι η θολερότητα. Η ύπαρξη ή όχι σημαντικού αριθμού κολοβακτηριδίων προσδιορίζει την αποτελεσματικότητα της χλωρίωσης. Το χλώριο εξακολουθεί να αποτελεί το σημαντικότερο μέσο απολύμανσης των υγρών αποβλήτων. Έτσι το απόβλητο υφίσταται μέχρι και τριτοβάθμια επεξεργασία και είναι κατάλληλο πλέον για διάφορες χρήσεις, όπως για άρδευση καλλιεργούμενων εκτάσεων. Στόχο αποτελεί η βέλτιστη επεξεργασία των υγρών αποβλήτων ώστε στο τέλος να μην αποτελούν απόβλητα αλλά υδατικούς πόρους. Η διάσταση αυτή είναι εξέχουσας σημασίας με δεδομένη την υπέρμετρη κατανάλωση πόσιμου νερού, τον περιορισμό των υδατικών πόρων και την υφιστάμενη ρύπανσή τους.

27 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 133 (α) (β) Εικόνα 7.10 Μετά τη διήθηση και τη χλωρίωση μέρος του επεξεργασμένου αποβλήτου νερού μέτριας ποιότητας, (α) μέρος χρησιμοποιείται για την άρδευση του προαύλιου χώρου της μονάδας βιολογικού καθαρισμού του Δήμου Αγρινίου, ενώ (β) το υπόλοιπο διοχετεύεται προς το παρόν στον παρακείμενο ποταμό Αχελώο.

28 ΜΟΝΑΔΕΣ 134 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ 7.8 Λυμένες ασκήσεις Άσκηση 1 Ένα λίτρο δείγματος περιέχει 0.55 lb καζεΐνη C 8H12O3N 2. Εάν 0.5 lb του βακτηριακού κυτταρικού ιστού C5H7O 2 σχηματίζονται από 1 lb καζεΐνης που καταναλώνεται, υπολόγισε το ποσό του οξυγόνου που απαιτείται για να τελειώσει η αντίδραση της οξείδωση της καζείνης στα τελικά προϊόντα και σε κυτταρικό ιστό. Τα τελικά προϊόντα της οξείδωσης είναι CO2, NH3, H2O. Υποθέστε ότι το άζωτο που δεν συμμετέχει στο σχηματισμό του κυτταρικού ιστού θα μετατραπεί σε αμμωνία. Λύση Γράφουμε τις εξισώσεις που λαμβάνουν χώρα: α) C8H12O3N O2 C5H7O 2 + 3CO2 + NH3 + H2O 184 3x β) C8H12O3N O2 8CO2 + 2NH3 + 3H2O 184 8x32 Υπολογίζουμε το ποσό της καζεΐνης που χρησιμοποιείται για τη σύνθεση ενός κυτταρικού βακτηριακού ιστού. Ο βακτηριακός ιστός που συνθέτεται είναι: 0.5lbbact. cell 0.55lbcasein lb 1lbcasein consue Η καζείνη που χρησιμοποιείται για το σχηματισμό κυτταρικού ιστού: 184 gcasein used lbcell lb 113 gbact used Στη συνέχεια υπολογίζουμε την ποσότητα του οξυγόνου που απαιτείται για την κατανάλωση της οξείδωσης της καζείνης. 96gO Οξυγόνο για τη σύνθεση του κυτταρικού ιστού 0.275lbcells lb 113gcell Οξυγόνο για την οξείδωση της υπόλοιπης καζείνης 256gO 184gcell ( 0.55lb 0.448lb) lb

29 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 135 Συνεπώς το συνολικό οξυγόνο που απαιτείται είναι lb Άσκηση 2 Εάν σαν D ορίζεται ο ρυθμός Q/V και ο συντελεστής ενδογενούς αναπνοής θεωρείται αμελητέος, αναπτύξτε εκφράσεις οι οποίες να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό της εξόδου του υποστρώματος και της συγκέντρωσης των μικροοργανισμών, σε έναν αντιδραστήρα πλήρους ανάμιξης χωρίς ανακυκλοφορία, σε σχέση με το ρυθμό D. Λύση Το γενικό ισοζύγιο μάζας είναι : Συσσώρευση Είσοδος- Έξοδος + Ρυθμός παραγωγής ή κατανάλωσης. Ισοζύγιο μάζας για το υπόστρωμα: + K k V Q Q dt d V 0 Για μόνιμη κατάσταση έχω 0 dt d. Επίσης Y μ k, οπότε: ( ) + K Y μ V Q Q 0 0 Ισοζύγιο μάζας για τους μικροοργανισμούς: + + K μ V Q Q dt d V 0 Για μόνιμη κατάσταση έχω 0 dt d. Επίσης για K μ V Q K μ V Q D K D μ D K μ V Q K μ V Q D μ K D Από το ισοζύγιο του υποστρώματος έχουμε: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) D K Y μ V Q K Y μ V Q

30 ΜΟΝΑΔΕΣ 136 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Γνωρίζουμε όμως ότι ( ) 0 Επίσης Y μ K D K οπότε μ D D + 0 οπότε: D K μ D Y Y 0 D K μ D Άσκηση 3 Ένα υγρό απόβλητο πρόκειται να επεξεργαστεί αερόβια σε ένα αντιδραστήρα M πλήρους ανάμιξης χωρίς ανακύκλωση. Υπολόγισε το θ χρησιμοποιώντας τις 1 1 παρακάτω σταθερές: K 50g / l, k 5.0d, k d 0.006d και Y Η αρχική συγκέντρωση του υποστρώματος είναι 200g/l. Λύση Q 1 μ Y k kd kd V M θ K + K d M θ 0.6 5d 200g / l 0.06d 50g / l + 200g / l θ M 0.427d 10.3h Άσκηση 4 Χρησιμοποιώντας την τιμή θ c 2d και τις σταθερές που δίνονται στην άσκηση 3 υπολογίστε τη συγκέντρωση του υποστρώματος στην έξοδο, τον ειδικό ρυθμό κατανάλωσης υποστρώματος (-r U /), το λόγο τροφής / μικροοργανισμοί ( 0 /θ), και την συγκέντρωση των μικροοργανισμών στον αντιδραστήρα. Λύση Q V 1 θ M K M θ μ K k + M ( 1 + k θ ) d Y k k K + d ( ) ( ) K M θ d g / ( Y k kd ) Για τη συγκέντρωση των μικροβίων έχω: Y ( ) g / l 11.5g / l M 1 1 k θ d 2d ( ) d ( ) ( ) 0 M ( 1 + k θ ) d ( Y k k ) 1 l / l Ο ειδικός ρυθμός κατανάλωσης υποστρώματος υπολογίζεται από τον παρακάτω τύπο: d

31 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ d 11.5g / l 1 1 r k U U 0.933d 22.4h K + 50g / l g / l Ο λόγος τροφής /μικροοργανισμοί δίνεται: F 0 200g / l / 2 4 d M θ g l d h 1

32 ΜΟΝΑΔΕΣ 138 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ