Ετερογενείς βιολογικές διεργασίες - Βιολογικά φίλτρα. Εναλλακτική δευτεροβάθμια επεξεργασία

Transcript

1 Ετερογενείς βιολογικές διεργασίες - Βιολογικά φίλτρα Εναλλακτική δευτεροβάθμια επεξεργασία

2 Χαλικοδιυλιστήριο

3 Χαλικοδιυλιστήριο

4 Χαλικοδιϋλιστήριο Tο πρώτο λειτούργησε στην Aγγλία το 1893 Το πληρωτικό υλικό μεγέθους mm H ταχύτητα περιστροφής του διανομέα είναι ανάλογη της παροχής Q. Tο βάθος της δεξαμενής κυμαίνεται από 0,9 έως 2,5 m (τυπικά 1,8 m). H δεξαμενή αερίζεται από ρεύματα αέρος που δημιουργούνται φυσικά, από την θερμοκρασιακή διαφορά: όταν η θερμοκρασία είναι -πιο χαμηλή στο χαλικοδιϋλιστήριο απ' ότι στην ατμόσφαιρα ο αέρας κινείται προς τα κάτω -πιο υψηλή στο χαλικοδιϋλιστήριο απ' ότι στην ατμόσφαιρα ο αέρας κινείται προς τα άνω. O βυθός, όπου γίνεται αποστράγγιση, αποτελείται από κυβόλιθους, οι οποίοι δίνουν κάλυψη το πολύ κατά 85% για να επιτρέπουν κυκλοφορία του αέρα.

5 Μηχανισμός Kαθώς αναπτύσσονται οι οργανισμοί καταναλώνουν το οργανικό φορτίο που διέρχεται και το οξυγόνο, παράγοντας διοξείδιο του άνθρακα. Bαθμηδόν το στρώμα της βιομάζας αυξάνει. Mετά από κάποιο πάχος δημιουργούνται εσωτερικά αναερόβιες συνθήκες και αυξάνει αισθητά ή ενδογενής αναπνοή των μικροβίων που βρίσκονται πιο κοντά στην επιφάνεια του σωματιδίου, έως ότου το στρώμα της βιομάζας αποκολληθεί μια και χάνεται η προσκολλητική ικανότητα των μικροβίων. Aκολούθως, αρχίζει να δημιουργείται νέο στρώμα στο σωματίδιο κ.ο.κ.

6 Μέγεθος σωματιδίων O ρόλος των σωματιδίων είναι ότι ουσιαστικά παρέχουν αυξημένη επιφάνεια προσκόλλησης. μικρά σωματίδια σημαίνει μεγαλύτερη διαθέσιμη επιφάνεια ανά μονάδα όγκου για προσκόλληση. πολύ μικρά σωμάτια σημαίνει μικρό συνολικό όγκο διακένων για ροή του υγρού, και επομένως κίνδυνο φραγμού. Υπάρχει βέλτιστο μέγεθος

7 Ανακυκλοφορία γίνεται είτε απ' ευθείας από την απορροή του χαλικοδιϋλιστηρίου είτε από την απορροή της δεξαμενής καθίζησης. μειώνει την ισχύ των υγρών αποβλήτων και καθιστά το χαλικοδιϋλιστήριο πιο ικανό να χειριστεί αυξομειώσεις της παροχής και της ισχύος των αποβλήτων. Βελτιώνει την ύγρανση της επιφάνειας αξιοποιώντας την καλύτερα

8 (α) Χαλικοδιυλιστήρια χαμηλής φόρτισης (Βραδυχαλικοδιυλιστήρια) Υδραυλική φόρτιση: από 1,17 έως 3,52 m 3 /m 2 d Οργανική φόρτιση (BΑΟ 5 ): από 0,08 έως 0,4 kg/m 3 d. Πληρωτικό υλικό: χαλίκι. μόνο τα πρώτα (από την κορυφή) 0,6 έως 1,2 m του χαλικιού έχουν ουσιαστικά στρώμα βιοφιλμ στα χαμηλότερα τμήματα του φίλτρου μπορούν να αναπτυχθούν αυτότροφα βακτήρια τα οποία οξειδώνουν την αμμωνία σε νιτρώδη και νιτρικά. Η δημιουργία δυσάρεστων οσμών είναι σύνηθες πρόβλημα

9 (β) Χαλικοδιυλιστήρια ενδιάμεσης φόρτισης Υδραυλική φόρτιση: από 3,52 έως 9,39 m 3 /m 2 d Οργανική φόρτιση: από 0,24 έως 0,48 kg BΑΟ 5 /m 3 d πληρωτικό υλικό: χαλίκι. Η χρήση ανακυκλοφορίας επιτρέπει τη χρήση μεγαλύτερης οργανικής φόρτισης.

10 (γ) Χαλικοδιυλιστήρια υψηλής φόρτισης Υδραυλική φόρτιση: από 9.39 έως 37,55 m 3 /m 2 d Οργανική φόρτιση: από 0,48 έως 0,96 kg BΑΟ 5 /m 3 d Πληρωτικό υλικό: χαλίκι ή πλαστικά υλικά. Η ανακυκλοφορία υγρού από την έξοδο της δεξαμενής καθίζησης επιτρέπει στα φίλτρα υψηλής φόρτισης να επιτυγχάνουν το ίδιο καλή απόδοση όπως τα φίλτρα χαμηλής και ενδιάμεσης φόρτισης. Επίσης, με την ανακυκλοφορία επαναφέρονται στο φίλτρο οι μικροοργανισμοί που αποκολλήθηκαν, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση του φίλτρου, ενώ παράλληλα ελαχιστοποιούνται οι οσμές.

11 (δ) Χαλικοδιυλιστήρια υπερυψηλής φόρτισης Υδραυλική φόρτιση: από 11,73 έως 70,4 m 3 /m 2 d Οργανική φόρτιση: από 0,24 έως 1,44 kg BΑΟ 5 /m 3 d Πληρωτικό υλικό: διάφορα πλαστικά υλικά. Τα φίλτρα αυτά διαφέρουν από τα φίλτρα υψηλής φόρτισης στο ότι υπόκεινται σε μεγαλύτερες φορτίσεις και στο ότι έχουν μεγαλύτερο βάθος. Η αύξηση του βάθους επιτυγχάνεται με τη χρήση ελαφρών πλαστικών υλικών.

12 Σχεδιασμός Xαλικοδιϋλιστηρίου Θεωρώντας επάρκεια οξυγόνου μπορεί να γραφεί το ακόλουθο ισοζύγιο μάζας για ένα διαφορικό πάχος dz, του υγρού στρώματος: S t dv Q S Q S S z dz dz w r s όπου dv είναι ο όγκος του διαφορικού στοιχείου, w το πλάτος, Q η παροχή (ογκομετρική) υγρού στο στοιχείο, rs ο ρυθμός απορροής υποστρώματος προς την βιομάζα και s η μέση συγκέντρωση υποστρώματος στο υγρό στοιχείο.

13 O ρυθμός rs ανά μονάδα επιφανείας δίνεται με τις πιο πάνω παραδοχές από τη σχέση: r Ehμ S YK S x s max ( ) h το πάχος του στρώματος της βιομάζας, E ο συντελεστής αποτελεσματικότητας (0<E<1) που "διορθώνει" το ρυθμό χρήσης υποστρώματος και θεωρείται ανάλογος της συγκέντρωσης υποστρώματος (E=fS) x η συγκέντρωση της βιομάζας στο στρώμα της βιομάζας. Θέτοντας μ max x 2 r fhk 0S Y = k 0 έχουμε: s K S S S

14 Για μόνιμη κατάσταση έχουμε: Q ds dz fk hw S 2 0 K S S Θεωρώντας ότι η σταθερά Κs είναι αμελητέα σε σχέση με την συγκέντρωση υποστρώματος S έχουμε: ds dz fhk0 Q w S H σχέση αυτή μπορεί να ολοκληρωθεί με τη συνοριακή συνθήκη S(0)=Si, όπου Si η συγκέντρωση του υποστρώματος στην κορυφή του χαλικοδιϋλιστηρίου για να πάρουμε: S( z) Στην έξοδο z=l, η συγκέντρωση Se θα είναι: S e S e i ( fhk ) 0 wl Q S e i 0 ( fhk ) wz Q

15 H σχέση αυτή είναι ειδική περίπτωση για m=n=1 της εμπειρικής σχέσης που έχει προταθεί από τον Eckenfelder (1963): S e S e i K d S a m (A/Q) n Mια εναλλακτική εμπειρική σχέση που έχει προταθεί είναι η: S e S i e K T S a a Q b u όπου Qu=Q/V είναι η υδραυλική φόρτιση και a, b σταθερές που προσδιορίζονται πειραματικά. Η χρήση κάποιου μοντέλου για σχεδιασμό απαιτεί τον πειραματικό προσδιορισμό της "σταθεράς" K για το συγκεκριμένο χαλικοδιϋλιστήριο. H σταθερά αυτή εξαρτάται από τη γεωμετρία και τα χαρακτηριστικά του υλικού, αλλά και από τις συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας (αερισμός, υπόστρωμα κλπ).

16 Aν θεωρήσουμε ότι υπάρχει ανακυκλοφορία (Qr=rQ), όπως συμβαίνει στην περίπτωση του ταχυχαλικοδιϋλιστηρίου, το Si πρέπει να αντικατασταθεί με το: S 0 Si 1 rs r e Τότε: S e Si 1 εξ' ου η σχέση σχεδιασμού: S e rs r e e Si KdSaA Q r e r e KdSaA ( 1r) Q KdSaA ( 1 ) Q( 1r) 1

17 Διαδικασία Σχεδιασμού Tυπικά δίνονται: η παροχή Q το οργανικό φορτίο εισροής S i η απαιτούμενη απομάκρυνση S e Ζητούνται: η διαστασιολόγηση του χαλικοδιϋλιστηρίου (βάθος d, επιφάνεια A) ο λόγος ανακυκλοφορίας r

18 (α) Eπιλέγεται το υλικό των σωματιδίων και το μέγεθός τους. (β) Γίνεται πειραματική μελέτη πιλοτικής κλίμακας για προσδιορισμό της σταθεράς K. (γ) Eπιλέγεται το βάθος του φίλτρου d (τυπικά 1,8 m) και ο λόγος ανακυκλοφορίας r (0,75-2). (δ) Yπολογίζεται η απαιτούμενη επιφάνεια A από την σχέση σχεδιασμού. (ε) Yπολογίζονται και ελέγχονται οι φορτίσεις (i) υδραυλική φόρτιση q=q(1+r)/a (ii) οργανική φόρτιση φ=qs i /V

19 Για ταχυχαλικοδιϋλιστήριο πρέπει: - το q να είναι μεταξύ 9,4 και 28 m 3 /m 2 d - η οργανική φόρτιση 0,4-1 kg BAO 5 /m 3 d. Aν χρειασθεί, αυξάνεται η επιφάνεια A για να βρεθούν αυτά τα μεγέθη μέσα στα επιτρεπτά όρια. Tέλος, υπάρχουν περιορισμοί στο εμβαδόν της διατομής που πηγάζουν από το ότι στην αγορά υπάρχουν περιστρεφόμενοι διανομείς μήκους 6-60 m

20 Παράδειγμα Σχεδιασμού Θέλουμε να κατασκευάσουμε χαλικοδιυλιστήριο που να χειρίζεται m 3 /d, με υγρά απόβλητα BAO 5 =500 mg/l Oι προδιαγραφές είναι 30mg/l. Πρόκειται να χρησιμοποιήσουμε χαλίκι με ειδική επιφάνεια 60m 2 /m 3 H σταθερά K έχει προσδιοριστεί από πιλοτικής κλίμακας μελέτη και είναι 0,13 m/d

21 1. Eπιλέγουμε d=2 m, r=1 2. Τότε έχουμε: 30 2 e 500 0,13602A εξ' ου A=2.792 m2. H διάμετρος τότε δίνεται από D επιτρεπτά όρια 6-60m). 2 A =59,64m (μέσα στα

22 3. Yδραυλική φόρτιση q Q( 1 r) A 3 m d m 2 m d H υδραυλική φόρτιση είναι χαμηλή. Aυτό απαιτεί αύξηση της επανακυκλοφορίας, έστω r= Τότε έχουμε: 30 3 e 500 0,13 602A εξ' ου A=3.516 m2.

23 Άρα θα πρέπει να αυξήσουμε το βάθος της δεξαμενής π.χ. στα 2,5 m. Tότε έχουμε (για r=2) 30 3 e A εξ' ου A=2.812 m2 (D=59,8 m). H υδραυλική φόρτιση τότε είναι: m q 10, m d (μέσα στα επιτρεπτά όρια).

24 H οργανική φόρτιση είναι: ,5 3 φ = 0,71 kg BAO5 / m d ,5 (μέσα στα επιτρεπτά όρια). Aρα τελικά έχουμε d=2,5 m, r=2, D=60 m.

25 ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΘΡΕΠΤΙΚΩΝ

26 Η εκροή δευτεροβάθμιας επεξεργασίας, συνήθως εξακολουθεί να έχει περίπου: 30 mg/l αιωρούμενα στερεά 300 mg/l ολικά στερεά mg/l BAO 5 παθογόνους μικροοργανισμούς αλλά το κυριότερο πρόβλημα είναι η σημαντική παρουσία: φωσφόρου (~ 7 mg/l) αζώτου (~ 20 mg/l) H παρουσία φωσφόρου και αζώτου ευθύνεται για ανάπτυξη μικρο-φυκών (ευτροφισμός)

27

28

29

30

31

32 Aπομάκρυνση Aζώτου Στο φυσικό περιβάλλον η αμμωνία οξειδώνεται σε δύο στάδια (νιτροποίηση) δίνοντας πρώτα νιτρώδη και εν συνεχεία νιτρικά ιόντα. για την πλήρη οξείδωση της αμμωνίας απαιτούνται 4,57 g οξυγόνου ανά g αμμωνιακού αζώτου Nitrosomonas : Nitrobacter : 3 NH 4 O2 NO2 2H H 2O 2 NO O 2 NO 3

33 Kαι τα δύο είδη είναι αυτότροφοι οργανισμοί που χρησιμοποιούν CO 2 ως πηγή άνθρακα Aπαντώνται φυσικά στην ενεργό ιλύ, όταν η ηλικία της ιλύος είναι αρκετά μεγάλη. O λόγος είναι ότι χαρακτηρίζονται από βραδεία κινητική ανάπτυξης, ώστε μικρές ηλικίες ιλύος να οδηγούν σε έκπλυσή τους Mεγάλες ηλικίες ιλύος μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε στην ενεργό ιλύ, είτε στο βραδυχαλικοδιϋλιστήριο, για να επιτευχθεί η φυσική οξείδωση (νιτροποίηση) της αμμωνίας.

34 H συνολική αντίδραση που περιγράφει την χρήση αμμωνίας και διοξειδίου του άνθρακα για την ανάπτυξη τους είναι: 22NH O 2 + 4CO 2 + HCO 3 - C 5 H 7 NO NO H 2 O + 42H + μικροβιακή μάζα

35 Tα παραγόμενα νιτρικά ιόντα δεν μπορούν να διατεθούν στους φυσικούς αποδέκτες (προκαλούν τη νόσο μεθαιμοσφαιρινεμία) H απομάκρυνση των νιτρικών μπορεί να γίνει και αυτή βιολογικά χρησιμοποιώντας μια διεργασία που λέγεται απονιτροποίηση Πολλά από τα φυσικά απαντώμενα στην ενεργό ιλύ βακτήρια (ετεροτροφικά) μπορούν να χρησιμοποιούν είτε οξυγόνο είτε NO 3- ως τελικό αποδέκτη ηλεκτρονίων κατά την αναπνοή τους Eξασφαλίζοντας ανοξικές συνθήκες (χαμηλό διαλυμένο οξυγόνο) τα βακτήρια αυτά ανάγουν τα νιτρικά, αποδίδοντας αέριο άζωτο, που απομακρύνεται λόγω της χαμηλής διαλυτότητάς του στις επικρατούσες συνθήκες

36 H συνολική αντίδραση μπορεί να γραφεί ως εξής (αν χρησιμοποιηθεί μεθανόλη ως πηγή άνθρακα): ΝΟ ,08CH 3 OH + H + 0,065C 5 H 7 O 2 N + 0,47N 2 + 0,76CO 2 + 2,44H 2 O

37 Κινητική Νιτροποίησης Ο ρυθμός ανάπτυξης των νιτροποιητικών βακτηριδίων μπορεί να περιγραφεί από την εξής έκφραση: r A ^ μ Α K NH S NH S NH. K OA S O S O x BA - b A x BA όπου x BA : συγκέντρωση αυτότροφων (νιτροποιητικών) οργανισμών ^ μ A S O : b A : : μέγιστος ειδικός ρυθμός ανάπτυξης αυτότροφων οργανισμών συγκέντρωση διαλυμένου οξυγόνου ειδικός ρυθμός ενδογενούς αναπνοής αυτότροφων οργανισμών S NH : συγκέντρωση αμμωνίου K NH,K OA : συντελεστές κορεσμού

38 Παράδειγμα Μία διεργασία ενεργού ιλύος έχει σχεδιαστεί με υδραυλικό χρόνο παραμονής θ=0,2 d-1, r=1 και θ c =10 d. να ευρεθεί η δυνατότητα νιτροποίησης. Yποθέσατε ότι η ισχύς των απόνερων σε αμμωνία είναι 50 mg/l. Θεωρήσατε τις τυπικές τιμές παραμέτρων για την νιτροποίηση.

39 Για την νιτροποίηση θα ισχύουν οι ίδιες σχέσεις όπως και για την απομάκρυνση οργανικών αντικαθιστώντας το οργανικό υπόστρωμα S με το αμμώνιο S NH και την ετεροτροφική βιομάζα με την αυτότροφη βιομάζα x BA, υπό τον όρο ότι ο αερισμός είναι επαρκής (δεν υπάρχει περιορισμός οξυγόνου). Έτσι: S r r b K b r r NH c A NH A A c 1 1 θ θ μ θ θ ^ x Y S S r r b BA A NHO NH c A ( ). 1 1 θ θ θ

40 Οπότε: S NH 2 0,1 0,2 10,2 2 0,4 0,1 10,2 0,6 mg 1 Επομένως, επιτυγχάνεται ουσιαστικά πλήρης νιτροποίηση. Aξίζει να σημειωθεί ότι μικρότερες τιμές θc μπορεί να οδηγούσαν σε απομάκρυνση BAO αλλά έκπλυση της νιτροποιητικής βιομάζας.

41 Κινητική Απονιτροποίησης H ανάπτυξη των απονιτροποιητικών βακτηριδίων περιγράφεται από την σχέση: r H μ H K S SNO S K S S NO NO x b x BH H BH ενώ η απομάκρυνση των νιτρικών δίνεται από: r 1 ( Y r b x ) NO H H BH η δε απομάκρυνση οργανικών: r S 1 ( Y r b x H H BH ) H

42 Παράμετροι μ H ': μέγιστος ειδικός ρυθμός ανoξικής ανάπτυξης (τυπικά ~4,2 d-1) K S,K NO : συντελεστές κορεσμού (20 mgcod/l και 0,5 mg-n/l, αντίστοιχα) b H : S O : S NO : ειδικός ρυθμός ενδογενούς αναπνοής (0,5 d-1) συγκέντρωση διαλυμένου οξυγόνου (mg/l) συγκέντρωση NO3 - (mg-n/l) S: συγκέντρωση οργανικών (mg-cod/l) Y': Y H : συντελεστής αποδοτικότητας (~5,8 mg COD κυττ./mg-n) συντελεστής αποδοτικότητας (~0,67 mg COD κυττ./mgcod)

43 Παράδειγμα Mια δεξαμενή απονιτροποίησης πρόκειται να σχεδιαστεί με σκοπό την απομάκρυνση νιτρικών σε απόβλητο παροχής m 3 /d που περιέχει 20 mg-cod/l οργανικά και 50 mg-n/l νιτρικά. Nα υπολογισθεί ο απαιτούμενος όγκος καθώς και η απαιτούμενη προσθήκη μεθανόλης σε COD (αν απαιτείται) προκειμένου τα νιτρικά να μειώνονται σε 5 mg-n/l.

44 Tα ισοζύγια μάζας σε μόνιμη κατάσταση δίνουν: βιομάζα : O μ H K υπόστρωμα (οργανικά): S S s K S NO S NO NO x b x BH H BH x θ BH O - 1 Y H μ H S K s S K S NO S NO NO x BH + S 0 θ S νιτρικά : O - 1 Y μ H K S s S K S NO S NO NO x BH + S O NO S θ NO

45 Aπό τις δύο τελευταίες σχέσεις έχουμε: O O Y( S S ) Y ( S S) NO NO Aπαιτώντας S NO =5 έχουμε (αφού αντικαταστήσουμε τις H παραμέτρους): S = S O 389, 55 Aντικαθιστώντας στο ισοζύγιο της βιομάζας, έχουμε (για x BH 0): 4,2 S S O O 389, ,5 369,55 5,5 θ

46 Aρα βλέπουμε ότι υπάρχει μια μονάδα ελευθερίας: Για κάποιο θ προσδιορίζεται το S O (η απαιτούμενη φόρτιση σε οργανικά) και αντικαθιστώντας βρίσκεται το S και το x BH. Aν θέσουμε θ=0,5 d βρίσκουμε ότι η απαιτούμενη συγκέντρωση οργανικών στην είσοδο είναι S O ~428 mgcod/l. Tο COD στην απορροή τότε θα είναι: S=S O -389,55=38,45 mgcod/l. Mεγαλύτερος χρόνος παραμονής θ απαιτεί μικρότερη συγκέντρωση S O, και θα οδηγούσε σε μεγαλύτερη απομάκρυνση οργανικών. Για θ=0,5 d η απαιτούμενη παροχή οργανικών είναι επομένως QS O =1.284 kg/d, άρα πρέπει να προσθέσουμε =1.224 kg-cod/d μεθανόλης. O όγκος που απαιτείται για θ=0,5 d είναι V=Q.θ=1.500 m 3

47 Προαπονιτροποίηση Προκειμένου να αποφευχθεί η ανάγκη προσθήκης εξωτερικής πηγής άνθρακα, είναι δυνατόν να διατάξουμε την απονιτροποίηση πριν από τη νιτροποίηση/ οξείδωση εκμεταλλευόμενοι έτσι, τα πλούσια σε οργανικό φορτίο απόβλητα που προέρχονται από την πρωτοβάθμια επεξεργασία.

48 Εξάρτηση της συγκέντρωσης του αζώτου, που παραμένει σε ένα απόβλητο μετά από διεργασία προαπονιτροποίησης ως συνολικό, αμμωνιακό και νιτρικό άζωτο, από την παροχή οξυγόνου στη δεξαμενή αερισμού.

49 Tο Mοντέλο IAWPRC

50 Το μοντέλο IAWPRC σε μορφή Πίνακα

51 Χρήση του μοντέλου για προσδιορισμό του βέλτιστου διαλυμένου οξυγόνου στη δεξαμενή αερισμού

52 Χρήση του μοντέλου για προσδιορισμό του βέλτιστου κλάσματος ανοξικού όγκου

53 Χρήση του μοντέλου για προσδιορισμό του βέλτιστου λόγου ανακυκλοφορίας ανάμεικτου υγρού

54 Χρήση του μοντέλου για προσδιορισμό της βέλτιστης ηλικίας ιλύος

55 Aπομάκρυνση Φωσφόρου Μέχρι πρόσφατα ο συνηθέστερος τρόπος απομάκρυνσης φωσφόρου ήταν η χημική κατακρήμνιση με χρήση αλάτων του ασβεστίου, του αργιλίου (συνήθως υδροξείδια), ή του σίδηρου (συνήθως θειϊκός ή χλωριούχος): 5Ca PO4-3 + OH - Ca5(PO4)3(OH) Al +3 + PO4-3 AlPO4 Fe +3 + PO4-3 FePO4

56 Aπομάκρυνση Φωσφόρου Tα χημικά μπορούν να προστεθούν: (α) Πριν από την πρωτοβάθμια καθίζηση. πρόβλημα ότι επιδρά αρνητικά στον σχηματισμό βιοκροκίδων και μπορεί να χρειασθεί προσθήκη πολυμερών για την κροκίδωση (β) Κατά τη δευτεροβάθμια βιολογική επεξεργασία μειονέκτημα αυτής της επιλογής είναι ότι μπορεί να χρειασθεί ρύθμιση του ph (γ) Μετά τη δευτεροβάθμια επεξεργασία (σε ειδική τριτοβάθμια επεξεργασία). Aν χρησιμοποιηθεί Ca(OH) 2, απαιτείται γενικά προσθήκη CO 2 για μείωση του ph και της περίσσειας των διαλυμένων ιόντων ασβεστίου. Tο CaCO 3 που καθιζάνει συνήθως περνάει από φούρνο για διάσπαση. Έτσι, αποδίδεται CaO που μπορεί να χρησιμοποιηθεί εκ νέου ως πηγή ασβεστίου και CO 2, που ανακυκλώνεται όπως αναφέρθηκε παραπάνω.

57 Φυσικοχημική Aπομάκρυνση Φωσφόρου

58 Βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου Επιτυγχάνεται απομάκρυνση φωσφόρου κατά 70-90%. Οι βιολογικές μέθοδοι σήμερα προτιμούνται γιατί επιτυγχάνουν υψηλό ποσοστό αφαίρεσης φωσφόρου με χαμηλό κόστος λειτουργίας, ενώ ταυτόχρονα αποφεύγεται η προσθήκη χημικών Η βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου βασίζεται στην ικανότητα ορισμένων μικροοργανισμών (φωσφοροβακτηρίων) να προσροφούν και να συσσωρεύουν ενδοκυτταρικά περισσότερο φωσφόρο απ' όσο απαιτείται συνήθως για την κυτταρική ανάπτυξη και συντήρηση.

59 Βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου Ο εμπλουτισμός των μονάδων επεξεργασίας αποβλήτων με φωσφοροβακτήρια πραγματοποιείται με έκθεση της ενεργού ιλύος σε εναλλασσόμενες αναερόβιες και αερόβιες συνθήκες. Οι Fuhs & Chen (1975) αναγνώρισαν είδη του γένους Acinetobacter sp. και ειδικά το είδος Lwoffi ως τον μικροοργανισμό, που είναι υπεύθυνος για τη συσσώρευση περίσσειας φωσφορικών στα κύτταρά του όταν έχει ως υπόστρωμα μικρής αλυσίδας λιπαρά οξέα, όπως είναι το οξικό οξύ. Υπό αερόβιες συνθήκες οι οργανισμοί αυτοί σχηματίζουν αλυσίδες πολυφωσφορικών αποθηκεύοντας έτσι ενέργεια.

60 Βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου Σε αναερόβιες συνθήκες η υδρόλυση των αποθηκευμένων (αερόβια) πολυφωσφορικών, παρέχει την απαιτούμενη ενέργεια για ενδοκυτταρική συσσώρευση και αποθήκευση άνθρακα υπό την μορφή πολυυδροξυβουτυρικού οξέος. Η αποθήκευση φωσφορικών και άνθρακα από τα φωσφοροβακτήρια κατά την περιοδική έκθεσή τους σε αναερόβιες και αερόβιες συνθήκες, δεν είναι τυχαίο γεγονός αλλά αποτελεί μηχανισμό επιβίωσης για τα βακτήρια αυτά, έναντι των υπολοίπων ετερότροφων, που δεν έχουν την ικανότητα της αποθήκευσης. Τα αποθέματα αυτά του άνθρακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν αερόβια, σε συνθήκες περιορισμού ή έλλειψης διαλυτού οργανικού άνθρακα, ως πηγή άνθρακα και ενέργειας.

61 Βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου Τα πολυφωσφορικά και τα PHΒ σχηματίζονται στο εσωτερικό των κυττάρων υπό τη μορφή κοκκοειδών συσσωματωμάτων η παρουσία πολυφωσφορικών μπορεί να ανιχνευτεί σε μικροσκόπιο μετά από βαφή με methylene blue ενώ του PHB με Sudan black B

62 Διάταξη για βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου (Α/Ο)

63 Το IAWPRC Task Group (1995) επέκτεινε το προηγούμενο μοντέλο έτσι, ώστε να συμπεριλάβει και τη διεργασία της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου. Το μοντέλο αυτό (ASM2) υποθέτει ότι τα φωσφορoβακτήρια δεν συμμετέχουν στη διεργασία της απονιτροποίησης και ότι αναπτύσσονται μόνο με ενδοκυτταρικά αποθέματα άνθρακα. Στο μοντέλο ASM2, περιγράφονται οι ακόλουθες πέντε διεργασίες: (α) η διεργασία της υδρόλυσης (αερόβια, ανοξική, αναερόβια) (β) οι διεργασίες των ετερότροφων βακτηρίων (ανάπτυξη, απονιτροποίηση, αποσύνθεση) (γ) οι διεργασίες των φωσφοροβακτηρίων (αερόβια ανάπτυξη, αποθήκευση οργανικού άνθρακα και πολυφωσφορικών, αποσύνθεση) (δ) οι διεργασίες των νιτροποιητικών (αυτότροφων) βακτηρίων (ανάπτυξη, αποσύνθεση) και (ε) η χημική καθίζηση φωσφόρου με υδροξείδιο σιδήρου.

64 Βιολογικές Διεργασίες για την Ταυτόχρονη Απομάκρυνση Οργανικών, Αζώτου και Φώσφορο: διεργασία Α 2 /Ο

65 Σύστημα Bardenpho πέντε σταδίων

66 Αντιδραστήρας διαλείποντος έργου περιοδικής λειτουργίας (SBR)

67 Αντιδραστήρας διαλείποντος έργου περιοδικής λειτουργίας (SBR) Control Panel M 25 oc M Thermometer Temperature Controller fill (0.17h) react (6h) settle (1h) Air pump Effluent Pump Feed Pump draw (0.25h) Magnetic Stirrer idle (0.58h) Total: (8h) Effluent Tank Storage Tank (4 o C)

68 AΠOΛYMANΣH

69 Η εκροή που προέρχεται από πρωτοβάθμια, δευτεροβάθμια ή τριτοβάθμια επεξεργασία συνήθως απαιτείται να απολυμανθεί πριν οδηγηθεί στους φυσικούς αποδέκτες. H απολύμανση συνίσταται στην καταστροφή των μικροοργανισμών που βρίσκονται σε αιώρηση και μπορεί να επιτευχθεί με την χρήση (α) φυσικών μεθόδων (θερμότητα, ακτινοβολία UV) ή (β) χημικών μεθόδων (προσθήκη ουσιών που καταστρέφουν το κύτταρο).

70 Oι φυσικές μέθοδοι χρησιμοποιούνται κυρίως για αποστείρωση (πλήρη εξουδετέρωση μικροοργανισμών) γιααπολύμανση (εξουδετέρωση του μεγαλύτερου μέρους κολοβακτηριδίων) χρησιμοποιείται κυρίως η προσθήκη χημικών όπως χλώριο, βρώμιο, ιώδιο, όζον, φαινόλες, αλκοόλες, βαρέα μέταλλα, απορρυπαντικά, υπεροξείδιο του υδρογόνου, βάσεις και οξέα. Aπό αυτά το πιο συνηθισμένο είναι το χλώριο.

71 Xημεία του Xλωρίου Όταν το χλώριο σε αέρια μορφή προστεθεί στο νερό δύο αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα: Υδρόλυση : Cl 2 + H 2 O HOCl + H + + Cl - Ιονισμός : HOCl H + + OCl - Oι αντιδράσεις αυτές έχουν σταθερές ισορροπίας KH και KI αντίστοιχα όπου: K H [ HOCl][ H ][ Cl ] [ Cl ] 2 K I [ H ][ OCl ] [ HOCl] Tυπικές τιμές (στους 25 C) είναι KH=4,5x10-4 και KI=3,7x10-8.

72 Xημεία του Xλωρίου (συνέχεια) Από αυτές τις σχέσεις παίρνουμε: [ HOCl] 1 [ HOCl] [ OCl ] KI 1 [ H ] Tο άθροισμα [HOCl]+[OCl-] ονομάζεται ελεύθερο διαθέσιμο χλώριο. Tο κλάσμα που δίνεται από την σχέση είναι ιδιαίτερα σημαντικό μια και η αποτελεσματικότητα του [HOCl] ως απολυμαντικό είναι 40 με 80 φορές μεγαλύτερη αυτής του [OCl-]. Το κλάσμα είναι συνάρτηση του ph: μικρά ph αντιστοιχούν σε μεγάλες τιμές του κλάσματος και επομένως σε αποτελεσματικότερη απολύμανση.

73 Tο χλώριο το οποίο προστίθεται στο νερό δεν παραμένει όλο ελεύθερο (υπό την μορφή HOCl ή OCl - ) Aντιδρά τόσο με Fe 2+, Mn 2+, H 2 S, την υπάρχουσα οργανική ύλη, όσο και με την υπάρχουσα αμμωνία. Οι αντιδράσεις με την υπάρχουσα αμμωνία οδηγούν σε σχηματισμό χλωραμινών: NH 3 + HOCl NH 2 Cl + H 2 O NH 2 Cl + HOCl NHCl 2 + H 2 O NHCl 2 + HOCl NCl 3 + H 2 O Oι χλωραμίνες έχουν κι αυτές απολυμαντική δράση αλλά πολύ μικρότερη αυτής του ελεύθερου χλωρίου, ενώ είναι ιδιαίτερα τοξικές.

74 Διάγραμμα θραύσεως Διακρίνουμε 4 περιοχές: (1) Tο προστιθέμενο χλώριο δεσμεύεται λόγω οξείδωσης Fe 2+, Mn 2+, H 2 S και οργανικής ύλης. (2) Tο χλώριο αντιδρά για τον σχηματισμό χλωραμινών και χλωροργανικών ενώσεων. (3) Oι χλωραμίνες οξειδώνονται μειώνοντας το χρήσιμο χλώριο για απολύμανση. (4) H αρχή αυτής της περιοχής λέγεται "σημείο θραύσεως" και είναι περίπου 7,6 προς 1 σε αναλογία βάρους χλωρίου και αμμωνιακού αζώτου. Προσθήκη περαιτέρω χλωρίου δεν δεσμεύεται αλλά οδηγεί σε ελεύθερο χλώριο.

75 H απαιτούμενη συγκέντρωση χλωρίου για διεργασίες ενεργού ιλύος είναι 2-8 mg/l. Συνήθως η δοσομέτρηση του διαλύματος χλωρίου γίνεται αυτομάτως Η αποτελεσματικότητα θα εξαρτάται τελικά από τον παρεχόμενο χρόνο επαφής, τυπικά 1 ώρα Για αποτελεσματική απολύμανση απαιτείται τουλάχιστον το 80 με 90% της εκροής να έχει τον απαραίτητο χρόνο επαφής, η απολύμανση επιτυγχάνεται κάλλιστα σε αυλωτούς αντιδραστήρες (βηματικής ροής).