συστήματα προαπονιτροποίησης είναι η δημιουργία ευνοϊκών συνθηκών για την ανάπτυξη νηματοειδών μικροοργανισμών.

Transcript

1 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Το σύστημα ενεργού ιλύος είναι το πιο διαδεδομένο και αποτελεσματικό σύστημα βιολογικής επεξεργασίας αστικών λυμάτων, όσον αφορά τόσο στην ποιότητα εκροής όσο και στην οικονομία του. Αναπτύχθηκε από τους Arden και Lockett στο Manchester της Αγγλίας στις αρχές του εικοστού αιώνα και ο πρωταρχικός στόχος του ήταν η απομάκρυνση του οργανικού φορτίου των λυμάτων με μηχανισμούς βιολογικής οξείδωσης, σύνθεσης και προσρόφησης. Η ευρεία εφαρμογή του άρχισε μετά το Σημαντικό κεφάλαιο στην ιστορική εξέλιξη του σχεδιασμού των συστημάτων επεξεργασίας λυμάτων αποτέλεσε η χρήση ανοξικών και αναερόβιων αντιδραστήρων για τη βιολογική απομάκρυνση αζώτου και φωσφόρου. Ένα μεγάλο τμήμα της έρευνας σε συστήματα ενεργού ιλύος, τη δεκαετία του 1980, στόχευσε στη διερεύνηση των περιβαλλοντικών εκείνων συνθηκών και των κλασμάτων της οργανικής ύλης που ευνοούν την ανάπτυξη βακτηρίων, τα οποία είναι υπεύθυνα για την απομάκρυνση του οργανικού άνθρακα, του αζώτου και του φωσφόρου. Η Ευρωπαϊκή Οδηγία 91/271/ΕΟΚ επιβάλλει σε πολλές περιπτώσεις (ευαίσθητοι αποδέκτες) πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις αζώτου και φωσφόρου στην εκροή μιας εγκατάστασης επεξεργασίας αστικών λυμάτων. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσμα το σχεδιασμό της δευτεροβάθμιας επεξεργασίας λυμάτων με στόχο όχι μόνο την απομάκρυνση του οργανικού άνθρακα άλλα και των θρεπτικών σε πολύ υψηλό ποσοστό. Τα συστήματα ενεργού ιλύος που επιτελούν απομάκρυνση αζώτου μέσω διαδικασιών νιτροποίησης και απονιτροποίησης βασίζονται στη διαδοχική δημιουργία εναλλακτικών συνθηκών. Ανάλογα με τον τρόπο που το επιτυγχάνουν διακρίνονται σε συστήματα μετααπονιτροποίησης, προαπονιτροποίησης και ταυτόχρονης νιτροποίησης- απονιτροποίησης. Το σύστημα μετααπονιτροποίησης δεν έχει εφαρμογή, αφού η έλλειψη ευκολοδιαθέσιμου άνθρακα καθιστά υποχρεωτική την προσθήκη στον ανοξικό αντιδραστήρα εξωτερικού οργανικού άνθρακα, γεγονός που αυξάνει κατά πολύ τις λειτουργικές δαπάνες και αποτελεί στις περισσότερες περιπτώσεις ασύμφορη λύση. Το σύστημα προαπονιτροποίησης είναι το πιο διαδεδομένο και αποτελεσματικό. Όσον αφορά στα συστήματα ταυτόχρονης νιτροποίησης- απονιτροποίησης, το κύριο μειονέκτημά τους σε σχέση με τα I

2 συστήματα προαπονιτροποίησης είναι η δημιουργία ευνοϊκών συνθηκών για την ανάπτυξη νηματοειδών μικροοργανισμών. Για τη βιολογική απομάκρυνση του φωσφόρου σε ένα σύστημα νιτροποίησηςαπονιτροποίησης είναι αναγκαία η κατασκευή μιας αναερόβιας δεξαμενής πριν από τη δεξαμενή απονιτροποίησης ή το βιολογικό αντιδραστήρα στην περίπτωση των συστημάτων ταυτόχρονης νιτροποίησης- απονιτροποίησης. Τα ιδιαίτερα λειτουργικά προβλήματα και πολλές φορές η υψηλή ανά κάτοικο δαπάνη ενός τυπικού συστήματος ενεργού ιλύος -ιδιαίτερα στην περίπτωση μικρών οικισμών- έχει οδηγήσει συχνά στην επεξεργασία των λυμάτων με αντιδραστήρα εναλλασσόμενων κύκλων λειτουργίας SBR. Ένα σύστημα SBR μπορεί να επιτύχει απομάκρυνση αζώτου και φωσφόρου. Η απομάκρυνση αζώτου επιτυγχάνεται μέσω νιτροποίησης- απονιτροποίησης και επομένως με εναλλασσόμενους κύκλους ανοξικής και αερόβιας φάσης. Η απομάκρυνση φωσφόρου επιτυγχάνεται με την ακόλουθη διαδοχή φάσεων: αναερόβια- ανοξική- αναερόβια- αερόβια. Για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας του SBR συνήθως επιλέγεται η κατασκευή τουλάχιστον δύο παράλληλων δεξαμενών, οι οποίες λειτουργούν σε μια σειρά προκαθορισμένων εναλλαγών φάσεων. Η απόδοση μίας εγκατάστασης επεξεργασίας λυμάτων (ΕΕΛ) με τη μέθοδο της ενεργού ιλύος εξαρτάται άμεσα από την ικανότητα της δεξαμενής δευτεροβάθμιας καθίζησης να επιτρέπει την ταχεία καθίζηση της εισερχόμενης σε αυτή βιομάζας και τον διαχωρισμό της από τα επεξεργασμένα λύματα (διαύγαση). Καθοριστικό ρόλο παίζει επίσης και η επαρκής συμπύκνωση της βιομάζας, έτσι ώστε να είναι αποτελεσματική και οικονομική η επανακυκλοφορία της. Τόσο η ταχύτητα καθίζησης της βιομάζας όσο και ο βαθμός συμπύκνωσής της εξαρτώνται από τη φύση των βιοκροκίδων. Τα προβλήματα διαχωρισμού των στερεών από τα υπερκείμενα επεξεργασμένα λύματα στη δεξαμενή τελικής καθίζησης μπορούν να χωρισθούν, ανάλογα με το αίτιο που τα προκαλεί, σε αυτά που οφείλονται σε ανεπάρκεια ή υπερανάπτυξη εξωκυτταρικών πολυμερών και σε εκείνα που οφείλονται σε υπερβολική ανάπτυξη νηματοειδών μικροοργανισμών. II

3 H ανάπτυξη των νηματοειδών βακτηρίων δημιουργεί σημαντικά λειτουργικά προβλήματα σε συστήματα ενεργού ιλύος. Το σημαντικότερο από αυτά τα προβλήματα είναι η διόγκωση της ιλύος, η παραγωγή δηλαδή ιλύος που καθιζάνει με αργούς ρυθμούς και παρουσιάζει μικρή συμπύκνωση. Συχνά όμως παρουσιάζεται και το εξίσου σοβαρό πρόβλημα της δημιουργίας ενός μεγάλου στρώματος βιολογικού αφρού στην επιφάνεια των δεξαμενών αερισμού. Η δημιουργία αφρού, η οποία οφείλεται στις ιδιαιτέρως υδρόφοβες αλυσίδες ορισμένων νηματοειδών μικροοργανισμών, μπορεί να οδηγήσει σε σωρεία λειτουργικών προβλημάτων, όπως δυσκολία ελέγχου του χρόνου παραμονής των στερεών λόγω παγίδευσης τους στο στρώμα του αφρού, προβλήματα αισθητικής και οσμών λόγω πιθανής διαφυγής του αφρού εκτός των μονάδων και φυσικά ακόμα και αστοχία της εγκατάστασης λόγω διαφυγής των στερεών από τη δεξαμενή τελικής καθίζησης στην τελική εκροή. Τα δύο αυτά φαινόμενα αποτελούν και τα σημαντικότερα προβλήματα που αντιμετωπίζει μεγάλο ποσοστό των εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων παγκοσμίως (40-50%). Η ανάπτυξη των νηματοειδών μικροοργανισμών σε σχήμα νήματος και η ενσωμάτωσή τους στις βιοκροκίδες, των οποίων και αποτελούν το σκελετό, τους προσφέρει σημαντικό ανταγωνιστικό πλεονέκτημα σε σχέση με τους υπόλοιπους μικροοργανισμούς. Από τη μία, προεξέχοντας από τις βιοκροκίδες βρίσκονται σε άμεση επαφή με τη διαθέσιμη οργανική ύλη χωρίς να υπόκεινται σε κλίσεις τροφής, και από την άλλη, επειδή ακριβώς είναι ενσωματωμένοι στις βιοκροκίδες, δεν κινδυνεύουν να απομακρυνθούν από το σύστημα ενεργού ιλύος, όπως συμβαίνει με τους μικροοργανισμούς που αναπτύσσονται ως μεμονωμένα κύτταρα. Βασικό πλεονέκτημα των νηματοειδών μικροοργανισμών αποτελεί επομένως ο μεγάλος λόγος επιφάνειας προς όγκο. Στην κατηγορία των νηματοειδών μικροοργανισμών χαμηλής οργανικής φόρτισης (low F:M filamentous microorganisms) ανήκουν οι μικροοργανισμοί Microthrix parvicella, Type 0041, Type 0675 και Type 0092 καθώς και άλλοι, οι οποίοι όμως σε ελάχιστες περιπτώσεις έχουν καταγραφεί ως κυρίαρχοι. Η κατηγορία των μικροοργανισμών αυτών, όπως φαίνεται και από τα αποτελέσματα των ερευνών καταγραφής των νηματοειδών μικροοργανισμών που έχουν πραγματοποιηθεί σε πολλές χώρες, είναι και η συχνότερα κυρίαρχη. Η κυριαρχία των μικροοργανισμών αυτών είναι εντονότερη σε συστήματα παρατεταμένου αερισμού με απομάκρυνση III

4 θρεπτικών. Καθώς η συντριπτική πλειοψηφία των εγκαταστάσεων επεξεργασίας αστικών λυμάτων λειτουργούν πλέον σε υψηλούς χρόνους παραμονής στερεών γίνεται αντιληπτό γιατί η σύγχρονη έρευνα έχει επικεντρωθεί στους νηματοειδείς μικροοργανισμούς χαμηλής οργανικής φόρτισης. Η καταγραφή του Microthrix parvicella ως επικρατέστερου νηματοειδούς μικροοργανισμού σε συστήματα ενεργού ιλύος με απομάκρυνση θρεπτικών, η συμμετοχή του στην ανάπτυξη των φαινομένων της νηματοειδούς διόγκωσης και αφρισμού καθώς και η αδυναμία όλων των μέχρι σήμερα μεθόδων που έχουν εφαρμοσθεί για να οδηγήσουν σε επαρκή έλεγχο της ανάπτυξής του κατατάσσουν το μικροοργανισμό αυτό ερευνητικά στην κορυφή των νηματοειδών μικροοργανισμών. Τα αποτελέσματα των μέχρι σήμερα ερευνών σχετικά με τις μεταβολικές και κινητικές ιδιότητες του M. parvicella έχουν οδηγήσει σε σύγχυση. Όλες οι σύγχρονες μέθοδοι ελέγχου της ανάπτυξης των νηματοειδών μικροοργανισμών χαμηλής οργανικής φόρτισης, στους οποίους ανήκει και ο M. parvicella έχουν περιορισμένη και μάλλον αμφιλεγόμενη επιτυχία. Τόσο οι ειδικές όσο και οι μη-ειδικές μέθοδοι, που έχουν εφαρμοσθεί για την αντιμετώπιση των φαινομένων της νηματοειδούς διόγκωσης και αφρισμού, έχουν θετικά αποτελέσματα μόνο στο βαθμό που οι υπεύθυνοι μικροοργανισμοί δεν ανήκουν στην κατηγορία των χαμηλής οργανικής φόρτισης νηματοειδών βακτηριδίων. Η περαιτέρω έρευνα σχετικά με την ανάπτυξη του M. parvicella αποτέλεσε και το γενικότερο στόχο της πειραματικής εργασίας, που διεξάχθηκε σε πιλοτικής κλίμακας συστήματα επεξεργασίας λυμάτων στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Η έρευνα χωρίστηκε σε δύο επιμέρους ερευνητικά πεδία. Το πρώτο είχε ως στόχο τη σύγκριση διαφορετικών τύπων συστημάτων ενεργού ιλύος με απομάκρυνση αζώτου ως προς την ευνοϊκότερη ανάπτυξη του M. parvicella και το δεύτερο είχε ως στόχο τη διερεύνηση της σύστασης της τροφής που ευνοεί περισσότερο την ανάπτυξη του εν λόγω μικροοργανισμού σε συστήματα συνεχούς ροής. Σκοπό της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας αποτέλεσε η πειραματική διερεύνηση της ανάπτυξης του M. parvicella σε δύο διαφορετικούς τύπους συστημάτων με IV

5 απομάκρυνση αζώτου: στο σύστημα συνεχούς ροής με προαπονιτροποίηση και στο σύστημα με αντιδραστήρα εναλλασσόμενων κύκλων λειτουργίας (SBR) με ανοξική και αερόβια φάση αντίδρασης. Τα συστήματα τροφοδοτούνταν με συνθετικά λύματα που προσομοιώνουν τα αστικά υγρά απόβλητα. Η σύσταση της τροφής και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά (ph, θερμοκρασία, D.O., Θ c, αερόβιος και ανοξικός υδραυλικός χρόνος παραμονής των στερεών) ήταν κοινά και στα δύο συστήματα. Στα πλαίσια της πειραματικής αυτής έρευνας επιχειρήθηκε η συστηματική παρακολούθηση της ανάπτυξης του νηματοειδούς μικροοργανισμού. Η εξασφάλιση της σωστής λειτουργίας των συστημάτων απαιτούσε καθημερινή συντήρηση καθ όλη τη διάρκεια της πειραματικής έρευνας. Η συντήρηση αυτή περιλάμβανε τη μέτρηση λειτουργικών παραμέτρων των συστημάτων (θερμοκρασία, διαλυμένο οξυγόνο, ph) καθώς και τη διασφάλιση του επιθυμητού χρόνου παραμονής των στερεών Θ c. Κατά τακτά χρονικά διαστήματα επίσης πραγματοποιούνταν μετρήσεις της συγκέντρωσης των ολικών και πτητικών αιωρούμενων στερεών, του COD, των διαφόρων κλασμάτων του αζώτου και του δείκτη καθιζησιμότητας της ιλύος σε όλα τα συστήματα. Προκειμένου να καταστεί δυνατή η σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων ως προς τον τύπο του συστήματος ενεργού ιλύος (συνεχούς και διακοπτόμενης ροής) που ευνοεί περισσότερο την ανάπτυξη του M. parvicella, έγινε προσπάθεια διασφάλισης στα συστήματα ευνοϊκών συνθηκών για την ανάπτυξη του νηματοειδούς αυτού μικροοργανισμού (υψηλός χρόνος παραμονής στερεών, χαμηλή θερμοκρασία). Η επιλογή της σύστασης της τροφής ήταν τέτοια ώστε να ευνοείται η ανάπτυξη του M. parvicella. Έτσι, η τροφή αποτελούνταν μεταξύ άλλων και από ελαϊκό οξύ σε μεγάλο ποσοστό (22%), το οποίο ευνοεί σημαντικά την ανάπτυξη του εν λόγω μικροοργανισμού βάσει της πλειοψηφίας των ερευνητικών εργασιών. Το αρχικό διάστημα λειτουργίας των συστημάτων στόχευσε στην εύρεση της κατάλληλης «συνταγής» των συνθετικών λυμάτων. Το υπόλοιπο διάστημα χωρίζεται σε τρεις περιόδους, οι οποίες χαρακτηρίζονται από διαφορετική κάθε φορά βιομάζα, όπως επίσης και διαφορετικούς χρόνους παραμονής στερεών. V

6 Οι σημαντικότερες παρατηρήσεις και τα σημαντικότερα συμπεράσματα που προέκυψαν από την εργασία αυτή ήταν τα ακόλουθα. Στα πλαίσια της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας παρασκευάστηκαν συνθετικά λύματα που χρησιμοποιήθηκαν για την τροφοδοσία ενός συστήματος συνεχούς ροής με προαπονιτροποίηση και ενός συστήματος με εναλλασσόμενους κύκλους λειτουργίας με ανοξική και αερόβια φάση αντίδρασης. Η σύσταση των εισερχόμενων συνθετικών λυμάτων ανέπτυξε μία βιομάζα που σε γενικές γραμμές επιτελούσε ικανοποιητικά τις διεργασίες της νιτροποίησης, της απονιτροποίησης και της κατανάλωσης του οργανικού άνθρακα. Το σύστημα συνεχούς ροής και το σύστημα με εναλλασσόμενους κύκλους λειτουργίας (SBR) παρουσιάζουν πολύ υψηλό ποσοστό απόδοσης ως προς την απομάκρυνση του οργανικού άνθρακα, το οποίο ξεπερνά και στις τρεις περιόδους λειτουργίας το 95%. Τα συστήματα παρουσιάζουν επίσης πολύ υψηλές αποδόσεις ως προς την απομάκρυνση του αμμωνιακού και του ολικού κατά Kjeldahl αζώτου, οι τιμές των οποίων ξεπερνούν το 90 και το 92% αντίστοιχα. Ο βαθμός απόδοσης όμως της απομάκρυνσης του ολικού αζώτου θα μπορούσε να χαρακτηριστεί μέτριος, ιδιαίτερα στην περίπτωση του συστήματος SBR. Η μέτρια αυτή απόδοση οφείλεται κατά κύριο λόγο στη χαμηλή ταχύτητα απονιτροποίησης στην ανοξική δεξαμενή του συστήματος συνεχούς ροής και κατά την ανοξική φάση του συστήματος SBR, η οποία είναι άμεσο αποτέλεσμα της ύπαρξης μεγάλου ποσοστού δύσκολα βιοδιασπάσιμου κλάσματος στην τροφοδοσία των συστημάτων. Στο σύστημα SBR επιπλέον ήταν δύσκολη η διασφάλιση απόλυτα ανοξικών συνθηκών. Οι τιμές της ενδογενούς και της μέγιστης ταχύτητας αποξυγόνωσης είναι τυπικές και στα δύο συστήματα. Οι τιμές αυτές βρίσκονται κοντά τόσο στις βιβλιογραφικά αναμενόμενες όσο και σε αυτές που έχουν προκύψει από πειράματα σε ανάλογα συστήματα μελέτης σε συναφείς ερευνητικές εργασίες. VI

7 Η ταχύτητα νιτροποίησης της βιομάζας είναι ικανοποιητική και στα δύο συστήματα, γεγονός που εξηγεί και την πολύ υψηλή απόδοση των συστημάτων ως προς την απομάκρυνση της αμμωνίας. Οι τιμές της ταχύτητας νιτροποίησης βρίσκονται ανάμεσα στο εύρος τιμών που παραθέτει η βιβλιογραφία καθώς και αντίστοιχες ερευνητικές εργασίες. Η ενδογενής και η μέγιστη ταχύτητα απονιτροποίησης της βιομάζας παρουσιάζουν μέτριες τιμές στην περίπτωση του συστήματος συνεχούς ροής και χαμηλές τιμές στην περίπτωση του συστήματος SBR κατά τη 2 η περίοδο λειτουργίας, ενώ παρουσιάζουν σχετικά καλύτερες τιμές και στα δύο συστήματα κατά την 3 η περίοδο λειτουργίας. Το σύστημα συνεχούς ροής ευνοεί ξεκάθαρα την ανάπτυξη του M. parvicella συγκρινόμενο με το σύστημα SBR. Στις δύο σειρές μετρήσεων, που περιγράφουν τη συγκέντρωση του M. parvicella σε συνάρτηση με το χρόνο στα συστήματα 3 και 4, πραγματοποιήθηκε και στις δύο περιόδους λειτουργίας στατιστική ανάλυση με το Two- Sample T- Test με τη βοήθεια του προγράμματος Minitab. Το αποτέλεσμα ήταν ότι το σύστημα 3 παρουσιάζει με βεβαιότητα μεγαλύτερη ανάπτυξη του μικροοργανισμού συγκρινόμενο με το σύστημα 4 σε διάστημα εμπιστοσύνης 95%. Στο σύστημα SBR εξάλλου, η συγκέντρωση του M. parvicella μειώνεται σημαντικά από τις πρώτες κιόλας ημέρες λειτουργίας των συστημάτων. Το γεγονός αυτό οφείλεται στην υψηλή κλίση τροφής του συστήματος. Η ανάπτυξη του M. parvicella ακόμα και σε συγκεντρώσεις 4, / gvss δε σχετίζεται με υψηλούς δείκτες καθιζησιμότητας της ιλύος (100 ml / gss ). Η παρατήρηση αυτή μπορεί να εξηγηθεί από το γεγονός ότι ο μικροοργανισμός αυτός αναπτύσσεται κατά σημαντικό ποσοστό εντός των κροκίδων. Η τιμή του δείκτη καθιζησιμότητας της ιλύος φτάνει στην τιμή των 150 ml / gss, μόνο στην περίπτωση που εμφανίζεται υπερανάπτυξη του M. 6 parvicella (> / gvss ). VII